JPH099656A

JPH099656A - 超音波振動子および超音波モータ

Info

Publication number: JPH099656A
Application number: JP7149942A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪; Toshiharu Tsubata; 敏晴津幡; Kazuhiro Kumei; 一裕粂井; Yoshihisa Taniguchi; 芳久谷口
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】構成が単純で、低電圧駆動が可能であるととも
に、縦振動の節位置とねじれ振動の節位置とが同一とな
る超音波振動子を提供する。【構成】超音波振動子において、外周の所定の位置に複
数の溝１２、１３を設けた柱状弾性体１１と、柱状弾性
体１１の少なくとも対向する２つの側面に傾斜して設け
た複数の積層型圧電素子１４と、柱状弾性体１１の端面
に接合した摺動用摩擦子１８とを備え、複数の積層型圧
電素子１４にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加する
ことにより、共振縦振動と共振捩れ振動とを同時に励起
し、前記摺動用摩擦子１８の表面に超音波楕円振動を発
生するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気機械変換素子を駆
動源とした超音波振動子とそれを用いた超音波モータに
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電磁型モータに代わる新しいモー
タとして超音波モータが注目されている。この超音波モ
ータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を
有している。（１）ギヤなしで低回転高トルクが得られる。（２）保持力が大きい。（３）高分解能である。（４）静粛性にとんでいる。（５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も
うけない。

【０００３】従来の超音波モータの一つとして、「精密
制御用ニューアクチュエータ便覧ｐ８９７（フジテクノ
システム）」に開示された縦捩り振動を利用した超音波
モータがある。この従来の超音波モータを、図１４およ
び図１５により説明する。図９は縦捩り超音波モータの
正面図、図１０は超音波振動子に超音波楕円振動が励起
される原理の説明図である。

【０００４】図１４において、縦捩り超音波モータは、
主に直径２０ｍｍ、長さ４３ｍｍの円柱状の振動子１０
１と、直径２０ｍｍ、長さ１２ｍｍのロータ１０２と、
スプリングなどの押圧部材１０３とからなる。振動子１
０１は、その外周の所定の位置に溝１０４ａを設けた弾
性体１０４と、縦振動励起用の円環状の圧電セラミクス
１０５と、捩り振動励起用の圧電セラミクス１０６と、
それらを挟持する弾性体１０７とから構成されている。
縦振動励起用の圧電セラミクス１０５と捩り振動励起用
の圧電セラミクス１０６とに、それぞれ共振周波数の交
番電圧を位相差をもって印加することにより、振動子１
０１のロータ１０２と接する部分に、ロータ１０２を時
計回りまたは反時計回りに回転させるための超音波楕円
振動を励起する。

【０００５】つぎに、振動子に超音波楕円振動が励起さ
れる原理について説明する。図１５の（ａ）と（ｂ）に
示すように、縦振動モードとねじり振動モードを縮退さ
せ、ほぼ同一周波数で両モードを励起させ、超音波楕円
振動を端面に発生させようとしている。そのためには、
単純な円柱状の振動子では縦振動モードとねじり振動モ
ードを縮退させることができないため、弾性体の外周の
所定の位置に溝を設けている。この溝を適当な深さと幅
で、適当な位置に設けることにより、縦振動モードとね
じり振動モードを縮退させることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記従来の
超音波モータには、以下に示す問題点がある。（１）縦振動励起用の円環状の圧電セラミクスとねじり
振動用の円環状の圧電セラミクスとの２種類の圧電振動
子を必要とするので、構成が複雑化する。（２）縦振動の節位置とねじり振動の節位置とが異なる
ため、縦振動励起用の円環状の圧電セラミクスとねじり
振動励起用の円環状の圧電セラミクスとを、それぞれの
節位置に配置しなければならない。

【０００７】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたもので、請求項１または２に係る発明の目的は、構
成が単純で、低電圧駆動が可能であるとともに、縦振動
の節位置とねじれ振動の節位置とが同一となる超音波振
動子を提供することである。請求項３に係る発明の目的
は、構成が単純で、低電圧駆動が可能な超音波モータを
提供することである。請求項４または５に係る発明の目
的は、構成が単純で、縦振動の節位置とねじれ振動の節
位置とが同一となる超音波振動子を提供することであ
る。請求項６に係る発明の目的は、構成が単純な超音波
モータを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１または２に係る発明は、超音波振動子にお
いて、外周の所定の位置に複数の溝を設けた柱状弾性体
と、該柱状弾性体の少なくとも対向する２つの側面に傾
斜して設けた複数の積層型圧電素子と、前記柱状弾性体
の端面に接合した摺動用摩擦子とを備え、前記複数の積
層型圧電素子にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加す
ることにより、共振縦振動と共振捩れ振動とを同時に励
起し、前記摺動用摩擦子の表面に超音波楕円振動を発生
するように構成したことを特徴とする。請求項３に係る
発明は、超音波モータにおいて、請求項１または２記載
の超音波振動子の摺動用摩擦子の表面中央に軸を立設
し、該軸にロータを嵌装して、該ロータを前記摺動用摩
擦子に押圧保持したことを特徴とする。請求項４または
５に係る発明は、外周の所定の位置に複数の溝を設けた
柱状弾性体と、該柱状弾性体の少なくとも対向する２つ
の側面に傾斜して設けた複数の交差指電極圧電板と、前
記柱状弾性体の端面に接合した摺動用摩擦子とを備え、
前記複数の交差指電極圧電板にそれぞれ位相の異なる交
番電圧を印加することにより、共振縦振動と共振捩れ振
動とを同時に励起し、前記摺動用摩擦子の表面に超音波
楕円振動を発生するように構成したことを特徴とする。
請求項６に係る発明は、超音波モータにおいて、請求項
４または５記載の超音波振動子の摺動用摩擦子の表面中
央に軸を立設し、該軸にロータを嵌装して、該ロータを
前記摺動用摩擦子に押圧保持したことを特徴とする。

【０００９】

【作用】請求項１または２に係る発明の作用では、一対
の積層型圧電素子に同位相の電圧を印加すると、共振縦
振動が励起できる。また、一対の積層型圧電素子に逆位
相の電圧を印加すると、共振捩れ振動が励起できる。さ
らに、一対の積層型圧電素子に位相がπ／２異なる電圧
を印加すると、共振縦振動と共振捩れ振動が同時に励起
され、摺動用摩擦子の位置において、超音波楕円振動が
合成される。請求項３に係る発明の作用では、請求項１
または２に係る発明の作用により、超音波楕円振動が励
起された部分に、ロータを押圧すると、超音波楕円振動
の振動の向きに従って、ロータは時計回りまたは反時計
回りに回転駆動される。

【００１０】請求項４または５に係る発明の作用では、
一対の交差指電極圧電板に同位相の電圧を印加すると、
共振縦振動が励起できる。また、一対の交差指電極圧電
板に逆位相の電圧を印加すると、共振捩れ振動が励起で
きる。さらに、一対の交差指電極圧電板に位相がπ／２
異なる電圧を印加すると、共振縦振動と共振捩れ振動が
同時に励起され、摺動用摩擦子の位置において、超音波
楕円振動が合成される。請求項６に係る発明の作用で
は、請求項４または５に係る発明の作用により、超音波
楕円振動が励起された部分に、ロータを押圧すると、超
音波楕円振動の振動の向きに従って、ロータは時計回り
または反時計回りに回転駆動される。

【００１１】

【実施例１】図１〜図８は実施例１を示し、図１は超音
波振動子の正面図、図２は超音波振動子の裏面図、図３
は超音波振動子の左側面図、図４は超音波振動子の右側
面図、図５は超音波振動子の上面図、図６は共振縦振動
と共振捩れ振動との変位を示す説明図、図７は超音波モ
ータの正面図、図８は超音波モータの分解図である。

【００１２】図１〜図５において、１０は超音波振動子
を示す。基本弾性体１１は、黄銅材（Ｃ２８０１ＰのＯ
材）からなる角柱形状をなし、ほぼ９ｍｍ×９ｍｍ×４
０ｍｍの寸法に形成され、その両端面からほぼ等位置２
個所に、深さ約２ｍｍの溝１２、１３が全周に亘り凹設
されている。基本弾性体１１の正面と裏面とに、積層型
圧電素子１４が一定の傾斜角度をもって挟持され、基本
弾性体と一体に形成された傾斜面を有する突起部１５
に、保持用弾性体１６により約１００Ｎの圧縮力が作用
した状態で保持固定されている。保持用弾性体１６は、
基本弾性体１１にビス１７により螺着されている。ま
た、積層型圧電素子１４および保持用弾性体１６はエポ
キシ系の接着剤を用いてさらに強固に基本弾性体１１に
固着されている。

【００１３】積層型圧電素子１４は、寸法が２ｍｍ×
３．１ｍｍ×９ｍｍのもので、正面（図１）と裏面（図
２）とでは、正対して見て逆方向の鋭角をなし、傾斜し
て取着されている。従って、図３および図４に示すよう
に、積層型圧電素子１３の側面が、表裏面ともに上下方
向で同位置に投影されている。また、それぞれの積層型
圧電素子１４から出されている電気端子は、それぞれＡ
端子、ＧＮＤ端子およびＢ端子、ＧＮＤ端子である。

【００１４】基本弾性体１１の先端部には、円環状のフ
ェノール樹脂にアルミナセラミックの砥粒を分散させた
砥石からなる摺動用摩擦子１８が接合されている。基本
弾性体１１の中心軸上には貫通孔１９が穿設され、その
中心軸上のほぼ中央にはメネジ（図示省略）が螺刻され
ている。

【００１５】つぎに、超音波振動子１０の動作について
説明する。超音波振動子１０は、その寸法が、１個所に
節部を有する共振縦振動（図６（ａ）に振動変位を示
す）および共振捩れ振動（図２（ｂ）に振動変位を示
す）がほぼ同一周波数Ｆｒ（４０ｋＨｚ）で励起できる
ものとなっている。但し、共振捩振動では、基本弾性体
１１の長手方向の中心軸部分は全て不動点つまり節であ
る。

【００１６】まず、Ａ端子に周波数Ｆｒで振幅３０Ｖｐ
−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅
で同位相の交番電圧を印加すると共振縦振動が励起され
た。つぎに、Ａ端子に周波数Ｆｒで振幅３０Ｖｐ−ｐの
交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で逆位
相の交番電圧を印加すると共振捩れ振動が励起された。
さらに、Ａ端子に周波数Ｆｒで振幅３０Ｖｐ−ｐの交番
電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で位相が９
０度異なった交番電圧を印加すると、共振縦振動と共振
捩れ振動とが合成されて、摺動用摩擦子１６の位置に楕
円振動が励起された。

【００１７】つぎに、図７〜図８を用いて、超音波振動
子１０を用いた本実施例の超音波モータ５０について説
明する。図７および図８において、超音波振動子１０の
貫通孔１９（図５参照）には軸５１が嵌装されている。
軸５１は図８に示すように、中央部および両端部にオネ
ジ５８が螺刻されており、中央部のオネジ５８は、超音
波振動子１０のメネジ（図示省略）に螺合した後に接着
固定されている。超音波振動子１０の上端部には、ロー
タ５３がスラストベアリング５４およびバネ保持部材５
５を介して、バネ５６により押圧固定されている。押圧
力はナット５７により調節される。円環状のロータ５３
の下面には、円環状のジルコニアセラミックスからなる
摺動板５２が貼付されている。超音波モータ５０を固定
する場合には、その下部に突出した軸５１のオネジ５８
を、図示を省略した基台に螺着して固定する。

【００１８】先に示したように、超音波振動子１０のＡ
端子とＢ端子とに、周波数４０ｋＨｚ，振幅３０Ｖｐ−
ｐ、位相差＋９０度または−９０度の交番電圧を印加す
る。すると、ロータ５３が時計回りまたは半時計回りに
回転する。

【００１９】本実施例によれば、基本弾性体のほぼ中央
部に縦振動と捩れ振動の共通の節を形成でき、その位置
に積層型圧電素子を配設したので、縦振動および捩れ振
動を効率良く励起することができる。また、駆動源とし
て積層型圧電素子を用いたので、駆動電圧を下げること
ができる。さらに、積層型圧電素子に圧縮力を加えた状
態で組み立ててあるため、圧電素子内部での破壊がなく
なり、寿命を大幅に延ばすことができる。さらに、１種
類の圧電素子を用いて縦振動と捩れ振動とを励起させる
ことができ、構造が単純であるので安価に作製すること
ができる。また、この超音波振動子を用いた超音波モー
タは、縦振動と捩れ振動との共通の節位置で保持してい
るので、振動漏れが少なく、効率が高い。

【００２０】本実施例では、基本弾性体として角柱状の
ものを用いたが、円柱状のものを一部カットして積層型
圧電素子を固着してもよい。また、本実施例では、積層
型圧電素子を２個用いているが、４側面にそれぞれ固着
し、４個用いる構造にしてもよい。さらに、本実施例で
は、全周に亘る溝が２箇所に設けられているが、本発明
の要旨を逸脱しない限りにおいて、３箇所以上に設けて
も良い。

【００２１】

【実施例２】図９〜図１３は実施例２を示し、図９は超
音波振動子の正面図、図１０は超音波振動子の裏面図、
図１１は超音波振動子の右側面図、図１２は超音波振動
子の左側面図、図１３は超音波振動子の上面図である。
本実施例は、超音波振動子の構成のみ実施例１と異な
り、超音波モータの構成は実施例１と同様のため、図と
説明を省略する。

【００２２】図９〜図１３において、超音波振動子７０
は、実施例１における駆動源としての積層型圧電素子に
替えて、交差指電極圧電板７２を用いている。交差指電
極圧電板７２は、その板の厚み方向とほぼ垂直な方向に
分極されていて圧電縦効果で動作する。交差指電極圧電
板７２は交差指パターンが基本弾性体７２の長手方向に
対して、一定の鋭角な傾斜をして接着固定されている。
交差指電極圧電板７２は、寸法が８ｍｍ（幅）×１２ｍ
ｍ（長さ）×１ｍｍ（厚み）のもので、正面（図９）と
裏面（図１０）とでは、正対して見て逆方向に取付けら
れている。従って、図１１および図１２に示すように、
交差指電極圧電板７２の側面は、表裏面ともに上下方向
で同位置に投影されている。また、それぞれの交差指電
極圧電板７２から出されている電気端子は、それぞれＡ
端子、ＧＮＤ端子およびＢ端子、ＧＮＤ端子である。基
本弾性体７１の形状寸法、溝１２、１３の位置・大き
さ、摺動用摩擦子１８などは実施例１と同様である。

【００２３】超音波振動子７０の動作、および交差指電
極圧電板７０を用いた超音波モータの構成動作について
は、実施例１と同様なので説明を省略する。

【００２４】本実施例によれば、基本弾性体のほぼ中央
部に縦振動と捩れ振動の共通の節を形成でき、その位置
に交差指電極圧電板を配設したので、縦振動および捩れ
振動を効率良く励起することができる。さらに、１種類
の圧電素子を用いて縦振動と捩れ振動とを励起させるこ
とができ、構造が単純であるので安価に作製することが
できる。また、この超音波振動子を用いた超音波モータ
は、縦振動と捩れ振動との共通の節位置で保持している
ので、振動漏れが少なく、効率が高い。

【００２５】本実施例では、基本弾性体として角柱状の
ものを用いたが、円柱状のものを一部カットして交差指
電極圧電板を固着してもよい。また、本実施例では、交
差指電極圧電板を２個用いているが、４側面にそれぞれ
固着し、４個用いる構造にしてもよい。さらに、本実施
例では、全周に亘る溝が２箇所に設けられているが、本
発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、３箇所以上に設
けても良い。

【００２６】

【発明の効果】請求項１または２に係る発明によれば、
構成が単純で、低電圧駆動が可能であるとともに、縦振
動の節位置とねじれ振動の節位置とが同一となるので、
効率のよい振動が励起される超音波振動子を得ることが
できる。請求項３に係る発明によれば、請求項１または
２に係る発明の超音波振動子を用いたので、単純な構成
で、低電圧駆動が可能な、高効率の超音波モータを得る
ことができる。請求項４または５に係る発明によれば、
構成が単純であるとともに、縦振動の節位置とねじれ振
動の節位置とが同一となるので、効率のよい振動が励起
される超音波振動子を得ることができる。請求項６に係
る発明によれば、請求項４または５に係る発明の超音波
振動子を用いたので、単純な構成で、高効率の超音波モ
ータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の超音波振動子の正面図である。

【図２】実施例１の超音波振動子の裏面図である。

【図３】実施例１の超音波振動子の左側面図である。

【図４】実施例１の超音波振動子の右側面図である。

【図５】実施例１の超音波振動子の上面図である。

【図６】実施例１の共振縦振動と共振捩れ振動との変位
を示す説明図である。

【図７】実施例１の超音波モータの正面図である。

【図８】実施例１の超音波モータの分解図である。

【図９】実施例２の超音波振動子の正面図である。

【図１０】実施例２の超音波振動子の裏面図である。

【図１１】実施例２の超音波振動子の右側面図である。

【図１２】実施例２の超音波振動子の左側面図である。

【図１３】実施例２の超音波振動子の上面図である。

【図１４】従来技術の縦捩超音波モータの正面図であ
る。

【図１５】従来技術の超音波振動子に超音波楕円振動が
励起される原理の説明図である。

【符号の説明】

１１基本弾性体１２溝１３溝１４積層型圧電素子１６保持用弾性体１８摺動用摩擦子

フロントページの続き (72)発明者谷口芳久東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周の所定の位置に複数の溝を設けた柱状
弾性体と、該柱状弾性体の少なくとも対向する２つの側
面に傾斜して設けた複数の積層型圧電素子と、前記柱状
弾性体の端面に接合した摺動用摩擦子とを備え、前記複
数の積層型圧電素子にそれぞれ位相の異なる交番電圧を
印加することにより、共振縦振動と共振捩れ振動とを同
時に励起し、前記摺動用摩擦子の表面に超音波楕円振動
を発生するように構成したことを特徴とする超音波振動
子。
【請求項２】前記複数の溝は、前記柱状弾性体の長手方
向における前記複数の積層型圧電素子を設けた部位の両
側に、それぞれ一つずつ設けたことを特徴とする請求項
１記載の超音波振動子。
【請求項３】請求項１または２記載の超音波振動子の摺
動用摩擦子の表面中央に軸を立設し、該軸にロータを嵌
装して、該ロータを前記摺動用摩擦子に押圧保持したこ
とを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】外周の所定の位置に複数の溝を設けた柱状
弾性体と、該柱状弾性体の少なくとも対向する２つの側
面に傾斜して設けた複数の交差指電極圧電板と、前記柱
状弾性体の端面に接合した摺動用摩擦子とを備え、前記
複数の交差指電極圧電板にそれぞれ位相の異なる交番電
圧を印加することにより、共振縦振動と共振捩れ振動と
を同時に励起し、前記摺動用摩擦子の表面に超音波楕円
振動を発生するように構成したことを特徴とする超音波
振動子。
【請求項５】前記複数の溝は、前記柱状弾性体の長手方
向における前記複数の交差指電極圧電板を設けた部位の
両側に、それぞれ一つずつ設けたことを特徴とする請求
項４記載の超音波振動子。
【請求項６】請求項４または５記載の超音波振動子の摺
動用摩擦子の表面中央に軸を立設し、該軸にロータを嵌
装して、該ロータを前記摺動用摩擦子に押圧保持したこ
とを特徴とする超音波モータ。