JP2729829B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はOA機器等に用いられる圧電振動子の超音波振
動を用いたいわゆる超音波モータに関し、特に構造が簡
単な縦−捩り振動子型超音波モータに関する。

［従来の技術］ 第９図は従来の縦−捩り振動子型超音波モータに用い
られている縦−捩り複合振動子101の構造例の斜視図で
ある。圧電捩り振動子102および圧電縦振動子103が金属
円柱４を介して接合され、さらにこれらの両側に金属円
柱５、および６が接合されている。この場合金属円柱の
代りに金属円筒を用いることができる。第10図は第９図
に示した縦−捩り複合振動子101を用いて構成した超音
波モータの構造例の斜視図であり、縦−捩り複合振動子
101の一方の端部の中心部に少なくとも振動の節点まで
達する穴が形成され、その穴部に穴径よりも細い軸７が
挿入され、前記接点で複合振動子101に固定されてい
る。さらに軸受け８により回転自在に支持されたロータ
ー９がコイルバネ10およびナット11により前記縦−捩り
複合振動子101の端面に圧接されている。第11図は第９
図に示した圧電捩り振動子の構造例であり、円板状の圧
電捩り振動子102は４個の扇形の圧電セラミックス板112
が接合されて構成されている。各々の扇形の圧電セラミ
ックス板112は第12図に示すようにそれぞれ扇の弦の方
向に分極処理が施されており、扇形の圧電セラミックス
板の上下面に電極を施し、上下電極間に直流電圧を印加
すると扇形の圧電セラミックス板には板厚と平行なすべ
り歪みが発生する。４個の扇形の圧電セラミックス板11
2が円板状に接合されている場合、各々の扇形の圧電セ
ラミックス板に発生したすべり歪みは合成されて、円板
の上下面が捩じれるような捩り歪みとなる。

第11図に示した従来の圧電捩り振動子においては、ま
ず第13図に示すように、軸方向に分極処理された圧電セ
ラミックス板113から超音波加工により扇形の圧電セラ
ミックス板を打ち抜いて第12図に示すような扇の弦の方
向に分極された扇形の圧電セラミックス板112を作り、
これを４個接着して円板状に構成するか、第14図に示す
ように、厚さ方向に分極された圧電セラミックスのブロ
ック114から、分極方向が対角線の方向となるような正
四角柱115を切り出し、４本の正四角柱115を分極方向が
閉じたループとなるように重ねて接着し、外周をパイプ
状に研磨した後、円板状に切断するなどしている。

第15図は従来の圧電縦振動子の構造例であり、両面に
電極が施され、厚さ方向に分極された圧電セラミックス
円板103に電圧を印加し厚さ方向の振動を得るものであ
る。低い印加電圧で大きな振動振幅を得るために、薄い
圧電セラミックス円板116を複数個積層して第16図の10
3′のように構成する場合もある。

［発明が解決しようとする課題］ 第11図に示した従来の圧電捩り振動子102において
は、複数個の圧電セラミックスが接着されて構成されて
いるため、接着による特性のばらつきが大きい。また、
第12図、第13図および第14図に示したように圧電捩り振
動子102を得るための加工が複雑で、コスト的にも非常
に費用がかかるものであった。

本発明の技術的課題は、以上に示した従来の圧電捩り
振動子を用いた超音波モータの欠点を除去し、加工が簡
単で、接着工程のない、ばらつきの少ない圧電捩り振動
子を用いた超音波モータを提供することにある。

また本発明の別の技術的課題は中空状の圧電縦−捩り
複合振動子を用いることにより、中空部を貫通する軸に
より二つのローターを前記圧電縦−捩り複合振動子の両
端部に圧接した２ローター型の超音波モータを提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、中心軸と直交する第１の断面形状を
有するとともに前記中心軸の回りに捩り振動を行う圧電
捩り振動子と、該捩り振動子の一端に一端が対向するよ
うに配され、前記第１の断面形状と実質的に等しい第２
の断面形状を有するとともに前記中心軸方向に伸縮振動
を行う圧電縦振動子と、前記圧電捩り振動子の他端に一
端が接合され、前記第１の断面形状と実質的に等しい第
３の断面形状を有する第１の金属材と、前記圧電縦振動
子の他端に一端が接合され前記第１の断面形状と実質的
に等しい第４の断面形状を有する第２の金属材とを有す
るランシュバン型縦−捩り複合振動子と、前記第１及び
第２の金属材の少くとも一方の他端に圧接されるロータ
とを有し、 前記圧電捩り振動子は、外周面を有する圧電セラミッ
クスと、前記外周面に該圧電セラミックスの前記中心軸
に対して交差する方向で交互に配された複数の第１の斜
め電極及び複数の第２の斜め電極を有することを特徴と
する超音波モータが得られる。

［作 用］ 本発明の超音波モータに用いる圧電縦−捩り複合振動
子は、まず圧電セラミックス円柱の外周面に該圧電セラ
ミックスの長さ方向に対して好ましくは45゜の方向に第
１及び第２の交差指電極を施して二端子とし、つぎにこ
の二端子を用いて前記圧電セラミックス円柱パイプに分
極処理を施すと分極方向は前記第１及び第２の交差指電
極の長さ方向と直角な方向となる。

この状態で前記二端子に電圧を印加すると、電圧の極
性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極の方向に伸び
歪みが発生し、電圧の極性がこの分極時の電圧の極性と
逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。分極方向
に伸びあるいは縮み歪みが発生した場合は分極方向と直
角な方向にはそれぞれこれらと反対に縮みあるいは伸び
歪みが発生する。

以上の結果として前記圧電セラミックス円柱に捩り変
位が発生する。この圧電セラミックス円柱は、中空部を
有する圧電セラミックス円筒でも同様に、捩り変位が発
生する。

このような圧電捩り振動子と従来の縦方向に伸縮する
圧電縦振動子を一端同士をそろえて、また、他端にそれ
ぞれ金属材の一端を接合して、この金属材の他端が捩り
振動と縦振動とが合成された縦−捩り複合振動即ち、一
端が軸に沿う面内で楕円振動を行うランジュバン型縦−
捩り複合振動子を形成する。この複合振動子の少くとも
一端にローターを圧接すると、この圧接された金属材の
他端の縦−捩り複合振動は、ローターの回転運動に変換
される。

［実施例］ 以下本発明について図面を用いて詳しく説明する。

実施例１ 第１図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータの
構造を示す斜視図であり、第４図に示した圧電捩り振動
子１と第15図に示した圧電縦振動子を用い、さらにこれ
らの両側に金属円柱５、および６を接合してランジュバ
ン型縦−捩り振動子とし、このランジュバン型縦−捩り
振動子の一方の端面に第10図の場合と同様な方法で軸７
が、ランジュバン型振動子の振動の節点に固定され、軸
受８により回転自在に支持されたローター９がスプリン
グ10を介してナット11によりランジュバン型縦−捩り振
動子の一方の端面に圧接されて構成されている。

第２図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータに
用いる圧電捩り振動子の動作原理の説明図である。第２
図（ａ）において、圧電セラミックス板17の一方の面に
は互いに交差する複数個の電極18,19が形成され、それ
ぞれ一つおきに共通電極18′,19′に接続され第１及び
第２の交差指電極を形成している。第２図（ｂ）におい
て破線の矢印はこのような第１及び第２の交差指電極を
用いて分極処理を施したときの分極の向きを示してお
り、第２図（ｃ），（ｄ）は第２図（ｂ）のように分極
処理された圧電セラミックス板17に直流電圧を印加した
場合に発生する歪みの状態を示しており、実線の矢印は
電界の向きを示している。第２図（ｃ），（ｄ）から分
かるように、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場
合は分極の方向に伸び歪みが発生し、電圧の極性が分極
時の電圧の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発
生する。第３図は円柱20の両端面が図の矢印のように捩
じれている場合に、円柱20の外周面に発生する歪みの状
態を示しており、円柱20の軸方向に対して45゜の角度の
方向で、しかも捩じれの破線の矢印の向きに伸び縮みが
発生し、これと直角な一点鎖線で示される矢印の方向に
縮み歪みが発生している。

従って圧電セラミックス円柱の外周面に、第２図に示
したような第１及び第２の交差指電極を交差指の方向が
圧電セラミックス円柱の長さ方向に対して45゜の角度と
なるように形成し、この第１及び第２の交差指電極を用
いて分極処理を行い、同じ交差指電極に直流電圧を印加
すると、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合に
圧電セラミックス円柱は一方向に捩じれ、電圧の極性が
分極時の電圧の極性と逆の場合は逆方向に捩じれる。ま
た、圧電セラミックスが円筒の場合も、同様な捩り振動
を発生する。

第４図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータに
用いられる圧電捩り振動子の一実施例の構造を示す斜視
図であり、リング状圧電セラミックス20′の略半分の部
分の外周面に長さ方向に対して45゜の角度となるよう
に、互いに交差する複数の第１及び第２の斜め電極22及
び23が形成され、それぞれ第１及び第２の共通電極22′
および23′に接続されている。第４図において、共通電
極22′および23′間に直流高電圧を印加して分極処理を
施した後、この捩り振動子の共振周波数に等しい周波数
の交流電圧を印加すればリング状圧電セラミックス20′
は両端部が捩じれるように共振する。

実施例２ 第５図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータの
構造例の斜視図であり、パイプ状ランジュバン型圧電縦
−捩り複合振動子２の中空部に、軸26を貫通させ、軸26
の両端部に軸受8,8′により回転自在に支持されたロー
ター9,9′がスプリング10,10′を介してナット11,11′
によりランジュバン型縦−捩り振動子の端面に圧接され
て構成されている。

第６図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータに
用いられるパイプ状ランジュバン型圧電縦−捩り複合振
動子２の構造を示す斜視図である。第４図に示した圧電
捩り振動子１と第15図に示した従来の圧電縦振動子103
をエポキシ樹脂等の接着材で接着し、この両側に金属パ
イプ５′，および６′を同様の接着材で接合して構成さ
れている。圧電捩り振動子１の位置は図に示したよう
に、捩り振動子の部分の中心がランジュバン型振動子２
の全長ｌのほぼ1/4の位置に配置する。この場合、ラン
ジュバン型振動子２の振動状態は第７図に示すようにな
る。すなわち、捩り振動に対しては、捩り振動子の部分
の中心がランジュバン型振動子の全長ｌのほぼ1/4の位
置に配置されているため、ランジュバン型振動子の全長
ｌのほぼ1/4の位置が振動の節となるような振動モード
で共振する。第７図から分かるように、ランジュバン型
振動子２の両端部はこの振動子の中心軸回りに同じ向き
に捩じれる。また、縦振動に対しては、印加電圧の周波
数を捩りの共振周波数と同じ周波数とすると、ランジュ
バン型振動子２の両端部は捩りの共振と同期してこの振
動子の中心軸方向の伸縮振動をする。したがって、捩り
振動の振幅が大きくなるタイミングに伸び振動が最大と
なるように二つの印加電圧の位相を調節すると、ランジ
ュバン型縦−捩り振動子の両面は、中心軸に沿う面内で
楕円振動する。この場合に一方の印加電圧の位相を180
゜変化させると楕円振動の向きが逆転する。

第８図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータに
用いられるパイプ状ランジュバン型圧電縦−捩り複合振
動子の他の構造例を示す斜視図であり、第４図に示した
圧電捩り振動子１と第15図に示した圧電縦振動子103の
中空部に端部外周にねじの切られたパイプ状のボルト28
を貫通させ、この両側に内周に前記ボルトと螺合するネ
ジの切られた金属パイプ５″，および６″を締め付けて
構成されている。第８図においても捩り振動子の位置を
ランジュバン型振動子３の全長ｌのほぼ1/4の位置に配
置すると第７図のランジュバン振動子の場合と同様な原
理で振動する。

第５図で示した超音波モータは前述したようにランジ
ュバン型縦−捩り複合振動子の端面は同じ向きに捩じれ
るため、二つのローター9,9′は同一方向に回転する。

またランジュバン型縦−捩り複合振動子は捩り振動の
共振の節の位置となる両端部から1/4の位置をリング状
の支持枠27,27′で支持固定することが可能で安定な支
持が可能となる。

［発明の効果］ 以上示したように本発明よれば、超音波モータ用圧電
縦振動子および捩り振動子として通常一般的に適用され
ているプレス成型技術により容易に製造することが可能
な圧電セラミックス円柱を用いて、これらの外周面にこ
れも一般的な技術である電極印刷を施すことにより圧電
捩り振動子および圧電縦振動子が一体形状として得られ
るため、製造が容易で、接着工程や複雑な加工工程によ
る特性のばらつきの少ない超音波モータが得られる。更
に、圧電セラミックス円柱の代りに圧電セラミックス円
筒を用いても、同様な超音波モータが得られる。

また本発明によれば、パイプ状圧電縦−捩り複合振動
子の中空部に軸を貫通させ、二つのローターを同時に回
転させる方式の超音波モータが実現できロータ間より幅
の広い物も駆動することができる。以上、本発明の超音
波モータはこの圧電縦−捩り複合振動子を用いているの
で構造が簡単で、特性のばらつきの少ない超音波モータ
が得られ、実用的な効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータの構
造を示す斜視図、第２図は交差指電極を用いて分極及び
電圧印加を行った場合の歪みの発生状態の説明図、第３
図は円柱状弾性体を捩ったときの歪みの発生状態の説明
図、第４図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータ
の圧電捩り複合振動子を示す斜視図、第５図は本発明の
第２の実施例に係る超音波モータの構造を示す斜視図、
第６図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータに用
いられるパイプ状ランジュバン複合振動子の構造を示す
斜視図、第７図は第６図のパイプ状ランジュバン複合振
動子の変位の大きさを示す説明図、第８図は本発明の第
２の実施例に係る超音波モータに用いられるパイプ状ラ
ンジュバン型圧電縦−捩り複合振動子の他の構造例を示
す斜視図、第９図は従来の縦−捩りランジュバン型振動
子の構造を示す斜視図、第10図は従来の縦−捩り型超音
波モータの構造を示す斜視図、第11図は従来の捩り振動
子の構造を示す斜視図、第12図および第13図は従来の捩
り振動子の製造工程の説明図、第14図は従来の捩り振動
子の製造工程の説明図、第15図は従来の縦振動子の構造
を示す斜視図、第16図は従来の縦振動子の他の構造を示
す斜視図である。 図中、1:圧電縦−捩り複合振動子、2:圧電捩り振動子、
3:圧電縦振動子、4,5,5′,5″,6,6′,6″：金属円柱、
7:軸、8:軸受、9:ローター、10:スプリング、11:ナッ
ト、17:圧電セラミックス薄板、18,19:交差指電極、1
8′,19′：共通電極、20:円柱状弾性体、20′：リング
状圧電セラミックス、22,23:捩り振動子用交差指電極、
22′,23′：共通電極、24:25,縦振動子用交差指電極、2
6:軸、27,27′：支持枠、28:パイプ状ボルト、101:圧電
縦−捩り複合振動子、102:圧電捩り振動子、103:圧電縦
振動子、112:扇型圧電セラミックス板、113,114:圧電セ
ラミックス板、115:圧電セラミックス板角柱、116:圧電
セラミックス円板である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心軸と直交する第１の断面形状を有する
   とともに前記中心軸の回りに捩り振動を行う圧電捩り振
   動子と、該捩り振動子の一端に一端が対向するように配
   され、前記第１の断面形状と実質的に等しい第２の断面
   形状を有するとともに前記中心軸方向に伸縮振動を行う
   圧電縦振動子と、前記圧電捩り振動子の他端に一端が接
   合され、前記第１の断面形状と実質的に等しい第３の断
   面形状を有する第１の金属材と、前記圧電縦振動子の他
   端に一端が接合され前記第１の断面形状と実質的に等し
   い第４の断面形状を有する第２の金属材とを有するラン
   シュバン型縦−捩り複合振動子と、 前記第１及び第２の金属材の少くとも一方の他端に圧接
   されるロータとを有し、 前記圧電捩り振動子は、外周面を有する圧電セラミック
   スと、前記外周面に該圧電セラミックスの前記中心軸に
   対して交差する方向で交互に配された複数の第１の斜め
   電極及び複数の第２の斜め電極を有することを特徴とす
   る超音波モータ。