JP2929224B2 - 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・カメラ等に用いられる圧電振動子
の圧電振動を用いたいわゆる超音波モータに関し，特に
小型で比較的トルクの大きい小型モータの構造に関する
ものである。

（従来の技術） 第６図は従来の縦−捩り型超音波モータの構造を示す
斜視図であり，圧電捩り複合振動子101と圧電縦振動子1
02とを含む縦−捩り複合振動子103の端部に，軸受け104
によって回転自在に支持されたローラ105をバネ106で加
圧接触させて構成している。

第７図は第６図に示す従来の縦−捩り型超音波モータ
に用いられる圧電捩り複合振動子101の構造を示す斜視
図である。第７図において，白抜きの矢印で示すよう
に，弦の方向に分極された４個の扇形の圧電セラミック
ス板107が円板あるいはリング状に，各々の分極の向き
が閉じるように端面に合わせて接合されている。

第８図（ａ）および（ｂ）は第６図の縦−捩り型超音
波モータの動作原理の説明図である。

第８図（ａ）および（ｂ）において，縦−捩り複合振
動子の各軸に沿う方向の位置における捩り振動変位ξと
長さ方向の伸縮変位ξ′とロータ５の回転方向を示して
いる，各変位の向きは第８図中に示してあるので詳しい
説明は省略する。

第６図の矢印108で示される回転方向を順方向とする
と，第８図（ａ）の実線109で示すように，順方向の場
合は，中央部から両端に移動するにつれて，その捩り変
位（ξ）の大きさはしだいに大きくなるとともに，両端
は互いに逆方向の捩り変位を呈する。一方，第８図
（ａ）の破線110で示す逆方向の場合も同様に，中央部
から両端に移動するにつれて，その捩り変位（ξ）は，
順方向と対称物となる。

また，第６図に示す矢印111の方向の伸縮変位
（ξ′）は，第８図（ｂ）の実線112で示すように，一
端側が伸び，他端側が縮み，その大きさは両端で最大と
なる。逆に，第８図（ｂ）の破線113で示すように，一
端側が縮み，他端側が伸びる場合も同様にその変位
（ξ′）の大きさは，両端で最大となる。

（発明が解決しようとする課題） 第６図からわかるように従来の回転変換機構において
は，ロータ105の一端はシャフト114で軸受け104によっ
て回転自在に支持されており，ロータ圧接力はバネ106
で与える構造となっているため，ロータ面と振動子端面
との接触の状態が均一でなく回転が遅くなったり速くな
ったりするいわゆる回転むらが出来るという欠点があっ
た。

そこで，本発明の技術的課題は，以上の欠点を除去
し，小型で比較的トルクの大きい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，中心軸を有する圧電セラミックス中
空円柱であって，少なくとも一端部が縦−捩り振動を行
う圧電縦−捩り振動子と，前記圧電縦−捩り振動子の振
動の節の部分に設けられた支持部材と，前記圧電セラミ
ックス中空円柱の縦−捩り振動を行う端部に設けられた
耐摩耗部材層と，前記中心軸の回りに回転可能に設けら
れ前記耐摩耗部材層に一端面が圧接されるリング状のロ
ータとを備えた超音波モータにおいて，前記ロータの内
径内に挿入される突出部を有する固定板と，前記固定板
と前記ロータの前記一端面に対向する他端面とに介在す
る弾性体と，前記固定板を前記中心軸方向に前記弾性体
を介して前記ロータの他端面に圧接するバネ部材とを有
することを特徴とする超音波モータが得られる。

本発明によれば，前記超音波モータにおいて，前記圧
電縦−捩り振動子は前記圧電セラミックス中空円柱の周
面の一部に，周方向及び長さ方向のうちのいずれか一方
の第１の交差指電極を施し，該第１の交差指電極を用い
て分極して形成された縦振動子と，前記圧電セラミック
ス中空円柱の外周面の残りの一部に前記中心軸方向に対
して傾斜する方向に第２の交差指電極を施し，該第２の
交差指電極を用いて分極して形成された捩り振動子とを
有することを特徴とする超音波モータが得られる。

本発明によれば，前記したいずれかの超音波モータに
おいて，前記支持部材は前記圧電縦−捩り振動子の一端
部に設けられてい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おいては，ロータの内径面内
に固定板の突出部を挿入するとともに弾性体を介在させ
て，この固定板をバネによりロータに軸方向に圧接する
ことにより，耐磨耗部材層に均一に接触させ，圧電縦−
捩り振動子の端面の縦−捩り振動は，回転むらのない均
一なロータの回転に変換される。

（実施例） 以下，本発明の超音波モータについて図面を用いて詳
しく説明する。

第１図は本発明の縦−捩り型超音波モータの一構造例
を示す軸方向で切断した半断面図である。第１図におい
て，縦−捩り複合振動子10の捩り振動子の端部を第１の
軸受け12を含む支持具13で固定して1/4波長で捩り振動
を励振可能とし，前記圧電縦振動子10の端面に耐摩耗部
材層14を形成し，リング状のロータ15及び弾性体16を挟
み，更に，ロータ固定板17の突出部17aを前記ロータ内
径15a内にはめ込んで板バネ18で圧接されている。した
がって，動作の際には，第１の軸受け12と第２の軸受け
19を貫通するシャフト20とロータ15とが一体となって回
転する。

第２図は第１図の超音波モータに用いられる縦−捩り
複合振動子10の構造例を示す斜視図である。第２図にお
いて，プレス成形により形成された圧電セラミックス中
空円柱11の外周面の一端部周辺に長さ方向に対して垂
直，即ち，周方向に沿って平行に第１の交差指電極31a,
31bが形成されている。電極31aは，長さ方向に設けられ
た図示しない接続電極で接続され，一方，電極31bも接
続電極31bも接続電極32により接続されている。これら
の電極31a,31b,及び32は導電材料を含むペーストを印刷
することにより形成されている。

この交差周電極31a,31b,32を用いて分極処理を施すと
分極方向は前記第１の交差指電極の長さ方向と直角な方
向となる。この状態で前記第１の交差指電極31a,31b,31
cに交流電圧を印加すると，電圧の極性が分極時の電圧
の極性と同じ場合は分極の方向に伸び歪が発生し，電圧
の極性が分極時の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪
が発生する。この結果として圧電セラミックス中空円柱
11は長さ方向に伸縮する。また，圧電セラミックス中空
円柱11の第１の交差指電極が設けられた他の部分の外周
面に長さ方向に対して45゜傾けた第２の交差指電極33a,
33bが形成されている。これらの電極33a,33b及び32は導
電材料を含むペーストを圧電セラミックス中空円柱11印
刷することにより形成されている。

第２の交差指電極33a,33bの各々は，円周方向に沿っ
て設けられた共通電極33c,33dによって接続されてい
る。尚，共通電極33cは第１の交差指電極31aの最下端の
部分と同一である。これらの電極33a,33b,33c,および33
dは導電材料を含むペーストを圧電セラミックス中空円
柱11印刷することにより形成されている。

この第２の交差指電極33a,33bによって分極処理を施
すと分極方向は前記第２の交差指電極33a,33bの長さ方
向と直角な方向となる。この状態で前記第２の交差指電
極33a,33bに交流電圧を印加すると，電圧の極性が分極
の方向と同じ場合には分極の方向に伸び歪が発生し，電
圧の極性が分極の方向と逆の場合に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が発生
した場合，分極方向と直角な方向にはこれらと反対に縮
み歪あるいは伸び歪が発生する。

以上の結果として前記圧電セラミックス中空円柱11に
捩り変位が発生する。

尚，第２図で示される第１の交差指電極31a,31bの代
わりに第３図（ａ）で示される長さ方向に沿って，設け
られた交差指電極51a,51bを有し，一つおきに共通電極5
2a,52bで接続し，この交差指電極51a,52aを用いて分極
処理を施した縦振動子，及び第３図（ｂ）で示される，
外表面全体に電極を有する縦振動子のいずれか一方で構
成しても，第２図の縦−捩り振動子と同様な効果が得ら
れる。

第４図は本発明の縦−捩り型超音波モータの別の構造
例を示す斜視図である。第２図において，縦−捩り複合
振動子10′の中央の振動の節部を支持リング21で固定
し，前記圧電縦−捩り振動子複合振動子10′の両端面に
耐摩耗部材層22,22′を形成し，リング状のロータ23,2
3′及び弾性体24,24′を挟み，更に前記ロータ内径には
め込み可能な突出部に有するロータ固定板25,25′を板
バネ26,26′で圧接し，前記圧電縦−捩り複合振動子
と，この振動子の両端に設けられた前記ロータ23,23′
を共に貫通するシャフト27とこれらのロータ23,23′が
一体で回転する。

これらの場合のロータ面と振動子端面の接触状態は振
動端面とロータ面とに自由度が生じるため定常的にほぼ
均一な状態となる。

第５図は第４図の超音波モータに用いられる縦−捩り
複合振動子10′の構造例を示す斜視図である。第４図に
おいて，プレス成形技術により形成された圧電セラミッ
クス中空円柱11′の外周面の両端部周辺に長さ方向に対
して平行あるいは垂直に第１の交差指電極対31a,31b及
び31a′,31b′が夫々印刷により形成されている。

第２図と同様に，交差指電極31a,31bは各々長さ方向
に設けられた接続電極32により接続され，交差指電極31
a′,31b′も同様に，各々長さ方向に設けられた接続電
極32′により接続されている。

この第１の交差指電極の対31a,31b及び31a′,31b′を
用いて分極処理を施すと分極方向は前記第１の交差指電
極31a,31b及び31a′,31b′の長さ方向と直角な方向とな
る。この状態で第１の交差指電極の対31a,31b及び31
a′,31b′に交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は分極の方向に伸び歪が発生
し，電圧の極性が分極時の極性と逆の場合は分極の方向
に縮み歪が発生する。この結果として圧電セラミックス
中空円柱11′は長さ方向に伸縮する。また，圧電セラミ
ックス中空円柱11′の第１の交差指電極対31a,31b及び3
1a,31bの間の部分に長さ方向に対して45゜傾けた第２の
交差指電極33a,33bが形成されている。

第２図と同様に第２の交差指電極33a,33bの各々は周
方向に沿って設けられた共通電極33c,33c′によって，
第２の交差指電極の一方33aの一端側は共通電極33c,第
２の交差指電極の他方33bは，前記一端側の反対側の他
端側と共通電極33c′によって接続されている。

尚，共通電極33c,33c′は，第１の交差指電極31a,31
a′の中央側の部分と同一である。この第２の交差指電
極33a,33bによって分極処理を施すと分極方向は第２交
差指電極33a,33bの長さ方向と直角な方向となる。

この状態で第２の交差指電極33a,33b間に交流電圧を
印加すると，電圧の極性が分極の方向と同じ場合には分
極の方向に伸び歪が発生し，電圧の極性が分極の方向と
逆の方向には分極の方向に縮み歪が発生する。分極方向
に伸びあるいは縮み歪が発生した場合，分極方向と直角
な方向にはこれらと反対に縮み歪あるいは伸び歪が発生
する。

以上の結果として前記圧電セラミックス中空円柱11′
に捩り変位が発生する。

尚，第２図の圧電縦−捩り振動子と同様に，第５図で
示される第１の交差指電極31a,31b及び31a′,31b′を第
３図（ａ），（ｂ）で示される縦振動子で構成しても同
様な効果が得られる。

（発明の効果） 以上説明したように，本発明の超音波モータにおいて
は，駆動力を発生するための圧電振動子の形状が単純
で，通常一般的に適用されているプレス成形技術により
容易に製造することが可能な圧電セラミックス中空円柱
を用いて，こ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及び圧電縦振動子
が得られるため，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。更に本発明の超音波モータにおいては，ロータ面
と振動子端面に面接触の自由度を持たせたため負荷変動
の少ない，回転むらのきわめて少ない小型で比較的トル
クの大きな超音波モータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の縦−捩り型超音波モータの一一構造例
を示す部分断面図，第２図は第１図の超音波モータに用
いられる圧電縦−捩り複合振動子の構造を示す図，第３
図（ａ）及び（ｂ）は本発明の超音波モータに用いられ
る別のタイプの縦振動子の構造例を示す斜視図，第４図
は本発明の縦−捩り型超音波モータの別の構造例に示す
部分断面図，第５図は第４図の超音波モータに用いられ
る圧電縦−捩り複合振動子の構造例を示す斜視図，第６
図は従来の縦−捩り型超音波モータの構造を示す部分断
面図，第７図は第６図の超音波モータに用いられる圧電
捩り複合振動子の構造例を示す斜視図，第８図（ａ）及
び（ｂ）は縦−捩り型超音波モータの動作原理の説明図
である。 図中,12,19は軸受け,18,25,25′はバネ,10,10′は縦−
捩り複合振動子,11,11′は圧電セラミックス中空円柱,1
3は支持具,14,22,22′は耐摩耗部材層,15,23,23′はロ
ータ,16,24,24′は弾性耐,17,25,25′はロータ固定板,2
0,27はシャフト,21は支持リング,31,31b及び31a′,31
b′は第１の交差指電極,33a,33bは第２の交差指電極,3
2,32′は接続電極,33c,33c′,33dは共通電極,101は圧電
捩り複合振動子,102は圧電縦振動子,103は縦−捩り複合
振動子,104は軸受け,105はロータ,106はバネ,107は圧電
セラミックス板,114はシャフト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−163982（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−228275（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心軸を有する圧電セラミックス中空円柱
   であって，少なくとも一端部が縦−捩り振動を行う圧電
   縦−捩り振動子と， 前記圧電縦−捩り振動子の振動の
   節の部分に設けられた支持部材と，前記圧電セラミック
   ス中空円柱の縦−捩り振動を行う端部に設けられた耐摩
   耗部材層と，前記中心軸の回りに回転可能に設けられ前
   記耐摩耗部材層に一端面が圧接されるリング状のロータ
   とを備えた超音波モータにおいて， 前記ロータの内径内に挿入される突出部を有する固定板
   と，前記固定板と前記ロータの前記一端面に対向する他
   端面とに介在する弾性体と，前記固定板を前記中心軸方
   向に前記弾性体を介して前記ロータの他端面に圧接する
   バネ部材とを有することを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】第１の請求項記載の超音波モータにおい
   て，前記圧電縦−捩り振動子は前記圧電セラミックス中
   空円柱の周面の一部に，周方向及び長さ方向のうちのい
   ずれか一方に第１の交差指電極を施し，該第１の交差指
   電極を用いて分極して形成された縦振動子と，前記圧電
   セラミックス中空円柱の外周面の残りの一部に前記中心
   軸方向に対して傾斜する方向に第２の交差指電極を施
   し，該第２の交差指電極を用いて分極して形成された捩
   り振動子とを有することを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】第１又は第２の請求項記載の超音波モータ
   において，前記支持部材は前記圧電縦−捩り振動子の一
   端部に設けられていることを特徴とする超音波モータ。