JPH02299477A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はＯＡ機器や玩具などに用いられる小型モータに
関し、特にローター直径の小さい小型の超音波モータに
関するものである。　。

［従来の技術］ 超音波モータは従来の電磁モータと比較して、低回転で
高いトルクが得られること、停止保持力を有すること、
電磁ノイズが小さいことなどの特徴を有しており、カメ
ラのオートフォーカス用や自動車用のパワーモータなど
に使用されている。

第８図（ａ）は従来の超音波モータの構造を示す組立口
である。この図において、超音波モータは、ステータ１
１１と、このステータ１１１に設けられた孔部１１１ａ
に貫通する回転軸１１０ａが設けられたローターを有す
る。第８図（ｂ）は、第８図（ａ）の超音波モータの組
立てを示す斜視図である。この図において、ステータ１
１１は、リング上の串歯状の突起部を設けた金属円板１
１３の突起部の形成されている面の裏側に二板の圧電セ
ラミック円板１１４，１１５を偶数等分に分極の向きが
逆向きとなるように貼合わせて形成されている。これら
二枚の圧電セラミック円板１１４．１１５は分割角度の
半分だけずらして接着されている。

［発明が解決しようとする課題］ 第８図から分かるように従来の超音波モータにおいては
、ステータ１１１の超簀波振動を中心軸の周囲で平面的
にローター１１０に伝達しているため、直径の小さいモ
ータを得ることが難しく、従来の超音波モータの実用的
な最小直径は２０〜３０龍に限定されていた。

また、第８図から分るように、従来の超音波モータにお
いてはステータ１１１が多くの部品から構成されている
ため特性のばらつきが大きくなることおよびモータの製
造コストが高くなるという欠点があった。そこで、本発
明の技術的課題は、ローターの直径を小さくした小型の
超音波モータを提供することにあり、ローターの直径と
して１０龍以下の超音波モータを提供することにある。

本発明の別の技術的課題は構成部品の少ない、製造コス
トの安価な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、中心軸方向に貫通し、且つ所定の外径
をもつ筒状圧電セラミックスを有し、前前記中心軸と直
交し、互いに直交する二方向に振動し、且つ記圧電セラ
ミックスの少くとも両端を含む、１＋１　（ｎは節は自
然数）個の振動の腹と、前記振動の腹の間にｎ個の振動
の節とをもつ屈曲振動が可能な圧電楕円運動振動子と、
前記圧電セラミックスの前記中心軸に配置され、且つ前
記振動の節の部分で前記圧電セラミックスを固定する固
定部材を有する固定軸と、前記圧電セラミックスの外径
よりも大きい内径をもち、前記圧電セラミックスを覆う
ように前記中心軸に沿って配されたローターと、前記圧
電セラミックスの外周に実質的に前記圧電セラミックス
の少くとも両端の振動の腹の部分で嵌合され、前記ロー
ターに対して前記屈曲振動を伝達し、前記ローターを回
転させる振動一回転変換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。

［作　用］ 本発明の超音波モータにおいては、円筒状セラミックス
の中心軸方向外面に平行に且つ、周方向の４分割する位
置に第１．第２．第３．第４の電極を形成して、かつ、
互いに対向する第１及び第３と分割電極及び第２及び第
４の分割電極をそれぞれ接続して二端子とし、この二端
子間に直流高電圧を印加して第１の分割電極から第２及
び第４の分割電極へ、第３の分割電極から第２及び第４
の分割電極へ至る周方向に沿うで分極を施し、更に、第
１及び第２の分割電極間及び第３及び第４の分間電極間
の夫々に第１の交流電圧を印加し、更にｉｌｌ及び第４
の分間電極間及び第２及び第３の分間電極間に第１の交
流電圧と位相の異る第２の交流電圧を印加して、棒状セ
ラミックスの少くとも、中心軸方向両端及び中央に振動
の腹を有し、且つこの部分で中心軸に交差する面内で屈
曲した楕円振動を励起する圧電楕円運動振動子を用いる
。

この圧電セラミックスの屈曲振動を回転運動に変える。

この圧電セラミックスの外周の振動腹の部分に振動一回
転交換部材を設け、更にこの圧電セラミックスを貫通し
且つ、振動の節の部分に固定部材を有する固定軸で固定
するとともにこの圧電セラミックスを覆うように、配さ
れた筒状のローターを設けることにより、圧電セラミッ
クスの屈曲した振動はこの振動一回転変換部材を介して
ローターの回転運動に変換される。

［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図は本発明の実施例に係る超音波モータを示す一部
切欠した斜視図である。第２図は本発明の超音波モータ
に用いられる圧電楕円運動振動子の構造の一例を示す斜
視図である。この図において、円筒状圧電セラミック１
１の長さ方向と平行に第１．第２．第３及び第４の分割
電極１，２゜３．４．５が施されている。第３図は第２
図に示した円筒状圧電セラミックス１１の断面図であり
、第３図（ａ）において破線の矢印６は第１及び第３の
電極２１．３４を電気的に接続して子端子５ａ。

第２及び第４の電極２，４を第２及び第３の電極１２及
び１４を電気的に接続して一端子５ｂとし、直流高電圧
を印加して分極処理したときの分極の向きを示している
。このとき分極の向きは、第１の分割電極１から圧電セ
ラミックス１１の円筒面に沿って、第２の分割電極２及
び第４の分割電極４の方向と、第３の分割電極３から圧
電セラミックス１１の円筒面に沿って第２の分割電極２
及び第４の分割電極に向かう方向とに分極される。

第３図（ｂ）において電界は実線の矢印８及び８′で示
す向きに印加されるため第１及び第４の分割電極１と４
の間は分極の向きと電界の向きが同じ向きになり円周方
向の伸び歪みが発生し、第２及び第３の分割電極２及び
３の間は分極の向きと電界の向きが逆向きになり、円周
方向の縮み歪みが発生する。その結果として第３図（ｂ
）において円筒状圧電セラミック１１は長さ方向に下側
が膨らむように屈曲する。また、印加電圧の向きを逆向
きにした場合は屈曲の向きも逆向きになる。

第４図は、第３図（ａ）のように分極処理された円筒状
圧電セラミックス１１に交流電圧を印加した場合の振動
状態の説明図である。第４図（ａ）において第１及び第
２の分割電極１及び２および第３及び第４の分割電極３
及び４をそれぞれ接続して二端子１２ａ、１２ｂとし、
この二端子１２ａ。

１２ｂ間に円筒状圧電セラミックス１１屈曲振動の共振
周波数に等しい第１の交流電圧を印加すると円筒状圧電
セラミック１１は第４図（ａ）に示すように矢印の方向
に屈曲振動を発生する。第４図（、ａ）において、同様
にして第１及び第４分割電極１．４および第２及び第３
の分割電極２及び３をそれぞれ接続して二端子としこの
二端子間に円筒状圧電セラミック１１の屈曲振動の共振
周波数に等しい第２の交流電圧を印加すると円筒状圧電
セラミックス１１は第４図（ａ）に示す矢印の方向と直
角な方向の屈曲振動を発生する。従って以上示した二つ
の方向の屈曲振動の位相をずらせることにより、具体的
にはそれぞれの屈曲振動を励振するための第１及び第２
の駆動電圧の位相をずらせることにより、円筒状圧電セ
ラミック１１の両端部に第４図（ｂ）に示すような円運
動あるいは楕円運動を励振することができる。

第５図は、第２図に示したパイプ状ボルト締め圧電楕円
振動子１を用いて構成する本発明の超音波モータの各構
成部品の一例を示す斜視図である。

第５図において、（ａ）に示した円筒状圧電セラミック
１１の中空部分に（ｂ）に示した固定軸１２がこの圧電
セラミックの中心軸に沿って貫通するが、この固定軸２
１の２ケ所に固定部材として設けたつば１６．１７の直
径は圧電セラミックの中空部の内径に合わせてあり振動
の節の部分で接着される。固定軸２１の一端にはモータ
固定用の雄ネジ又は雌ネジ８が切られている。他端は直
径が２段になっており径の小さい先端側に雄ネジが切ら
れている。円筒状圧電セラミックス１１の中心軸方向の
両端及び中央部の３ケ所に（ｅ）に示したリング状の摩
擦材２２，２３．２４が接着固定される。

（ｄ）に示した円筒状ローター２５の内径は（Ｃ）の摩
擦材２２，２３．２４の直径と一定の間隔をもって形成
されており、この中に円筒状圧電セラミック１１が挿入
され一端はボールベアリング２６に嵌合されベアリング
２６は貫通した固定軸２１の先の細い部分２７に嵌合し
先端にスプリングワッシャー２８とプツト２９で固定さ
れて、第１図の超音波モータとなる。

第１図に示す超音波モータの円筒状圧電セラミックに前
述の結線を施し９０＠位相の異なる共振周波数に合わせ
た２組の高周波電源に通じると第６図（ａ）及び（ｂ）
の断面図のように振動回転変換部材としてリング状の摩
擦材２２．・２３．２４を取りつけた３ケ所の振動の腹
の部分が最も大きい振巾で楕円運動をし、外接している
ローター２５の内面に摩擦をもって接触し、このロータ
ー２５に回転トルクを生じる。特にこの構成においては
、−個の屈曲回転楕円振動子の３ケの振動の腹の振動が
、リング状の摩擦材２２，２３．２４を介して１ケのロ
ーターに２５にトルクを生じさせることと、両端と中央
部の振動の腹は、第６図（ａ）及び（ｂ）の右方の側面
図として示したようにローターに圧接する位置は常に１
８０”の角度を保って回転するためローター軸の横ぶれ
に対して有利な構成である。

即ち第７図の模式図に示すように、中心軸方向の中央と
両端の振動の腹に設けられたリング状摩擦材２２，２３
．２４と、ローター２５との接点は、順次回転しながら
移動するが、常に各々１８０＠の角度を保っている。例
えば、リング状摩擦材２２及び２４とローター２５の接
点が５１にあるときリング状摩擦材２３の接点は５１′
の位置にあり、さらに楕円振動を行ってリング状摩擦材
２２及び２４と台−ター２５との接点が５２の位置とな
るとき、リング状摩擦材２３の接点は、５２′の位置に
移動し、更に、リング状摩擦材２２及び２４とローター
２５の接点が順次５３゜５４となるとき、リング状摩擦
材２３の接点は５３”、５４’　となり、常に各々１８
０°の角度を保ちながら、各接点が回転する。

また、−個の円筒状圧電楕円運動振動子の屈曲モードの
３ケの腹の部分の楕円振動により、ローター内の摩擦部
材の両端と中央との接点は常に１８０°の空間的配置を
もって回転するため、高トルクの発生と軸方向のぶれに
対して安定な超音波モータを得ることができる。

本実施例においては、中心軸方向に、３個の振動の腹と
、２個の振動の節とを持つ屈曲振動を行う圧電楕円運動
振動子を使用しているが、本発明の超音波モータは、一
般に、中心軸方向に、ｎ＋１個の振動の腹と、ｎ個の振
動の節とを持つ屈曲振動を行う圧電楕円運動振動子を使
用することが可能である。

［発明の効果］ 以上示したように本発明の超音波モータにおいては駆動
力を発生させるための圧電楕円運動振動子の形状が単純
で、円形を含む楕円振動を発生させるための二つの振動
モードが同じ屈曲モードであることから構造が簡単で、
振動特性のバラツキの少ない超音波モータが得られる。

また、本発明の超音波モータにおいては、ステータであ
る円筒状圧電楕円振動子を構成するための部品が例えば
、第８図に示した従来の超音波モータのステータに比べ
て少なく製造コスト的にも有利となる。

さらに、本発明の超音波モータにおいては、圧電楕円運
動振動子として円筒状圧電振動子を用い、ステータの支
持系が円筒状圧電振動子を貫通する構成であり、モータ
の直径はローターの直径となり、全体の直径が８關以下
のモータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る超音波モータの斜視図で
内部が見えるように破断図で示しである。 第２図は本発明の超音波モータに用いる圧電楕円振動子
の一例を示す斜視図、第３図（ａ）及び（ｂ）は第１図
の圧電楕円振動子の歪みの発生状態の説明に供する断面
図、第４図（ａ）及び（ｂ）は第１図の圧電楕円運動振
動子の振動を示す図、第５図（ａ）　、　（ｂ）　、　
（ｃ）及び（ｄ）は本発明の超音波モータの各構成部品
の一例を示す斜視図、第６図（ａ）。 （ｂ）は本発明の実施例に係る超音波モータの動作の説
明に供する断面図と側面図、第７図は本発明の実施例に
係る超音波モータのステータとローターとの接点を模式
的に示す図である。第８図は従来例に係る超音波モータ
の構成を示す斜視図である。 １．２．３及び４は分割電極、５ａ、５ｂはリード端子
、６は分極方向を示す矢印、７ａ、７ｂはリード端子、
８及び８′は電圧印加方向を示す矢印、１０は超音波モ
ータ、１１は円筒状圧電セラミックス、１２ｇ、１２ｂ
はリード端子、１６及び１７はつば、１８及び１９はね
じ、２１は固電輪、２２．２３及び２４はリング状摩擦
部材、２５はローター、２６はボールベアリング、２８
はスプリングワッシャー、２９はナツト、３０゜３１．
３２．３３は接点、１１０はローター、１１０ａは回転
軸、１１１はステータ、１１１ａは貫通孔、１１３は金
属板、１１４及び１１５は圧電セラミック円板である。 第１図 第４図 （ｂ） 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．中心軸方向に貫通し、且つ所定の外径をもつ筒状圧
   電セラミックスを有し、前記中心軸と直交し、互いに直
   交する二方向に振動し、且つ前記圧電セラミックスの少
   くとも両端を含むｎ＋１（ｎは自然数）個の振動の腹と
   、前記振動の腹の間にｎ個の振動の節とをもつ屈曲振動
   が可能な圧電楕円運動振動子と、 前記圧電セラミックスの前記中心軸に配置され、且つ前
   記振動の節の部分で前記圧電セラミックスを固定する固
   定部材を有する固定軸と、 前記圧電セラミックスの外径よりも大きい内径をもち、
   前記圧電セラミックスを覆うように前記中心軸に沿って
   配されたローターと、 前記圧電セラミックスの外周に実質的に前記圧電セラミ
   ックスの少くとも両端の振動の腹の部分で嵌合され、前
   記ローターに対して前記屈曲振動を伝達し、前記ロータ
   ーを回転させる振動−回転変換部材とを有することを特
   徴とする超音波モータ。