JPH0744856B2 - 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機器や玩具などに用いられる超音波モータ
に関し、特にロータ直径の小さい小型の超音波モータに
関する。

［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利点を有しており、カメ
ラのオートフォーカス用や自動車用パワーモータ等に使
用されている。

第20図及び第21図は従来の超音波モータの構造を示す概
略図であり、リング状の串歯状の突起部を設けた金属板
101を突起部の形成されている面の裏側に２枚の圧電セ
ラミック円板102,103を接着した構造のステーターの上
に円板状ローター104を圧接した構造となっている。圧
電セラミックス円板102及び103は、偶数等分に分極の向
きが逆向きとなっており、これら２枚の圧電セラミック
ス板は分割角度の半分の角度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20図から判るように従来の超音波モータにおいては、
ステーターの超音波振動を平面的にローターに伝達して
いるため、駆動トルクを大きくするには、ステーター及
びローターの直径を大きくする必要がある。その為、従
来の超音波モータの実用的な最小直径は20〜30mmに限定
されていた。

また、第20図から分かるように、従来の超音波モータに
おいては、ステーターが多くの部品より構成されている
ため特性のばらつきがおおくなること、及びモータの製
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、20mm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，両端部が円を含む楕円運動を行うパイ
プ状圧電楕円運動振動子の前記両端部に一対のロータを
前記振動子に対して回転可能に圧接配置した超音波モー
タにおいて，前記振動子は，圧電セラミックス円筒の中
空部に，外周部にねじの切られたパイプ状ボルトを貫通
させて，前記振動子の両端部に，前記ボルトの捩子と螺
合するために内周部にねじの切られたリング状金属を締
め付けることにより固定されたものであることを特徴と
する超音波モータが得られる。

本発明によれば，両端部が円を含む楕円運動を行うパイ
プ状圧電楕円運動振動子の前記両端部に一対のロータを
前記振動子に対して回転可能に圧接配置した超音波モー
タにおいて，前記振動子は圧電セラミックス中空円柱の
両端部に金属，セラミックス，及び合成樹脂を含むグル
ープから選択された材料からなるリング状の摩擦部材が
接合されていることを特徴とする超音波モータが得られ
る。

また，本発明によれば，前記いずれかの超音波モータに
おいて，前記ロータは，前記振動子の中空部を貫通した
両端にねじの切られた軸と，該軸の両端に螺合する圧接
ねじとにより、前記圧電振動子の両端に圧接されている
ことを特徴とする超音波モータが得られる。

更に，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，前記振動子は圧電セラミックス中空円柱の
外周面の円周に沿って４分割する位置に，前記圧電セラ
ミックス中空円柱の長さ方向に平行に４個の分割電極が
施され，前記分割電極の互いに対向する分割電極を電気
的に接続し，夫々の電極間に直流電圧は印加され，前記
圧電セラミックス円柱に長さ方向に直角に分極処理が施
さ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、圧電楕円運動振動子
に直流電圧を印加して分極し、更に予め定められた部分
にこの振動子の共振周波数に等しい第１の交流電圧を印
加して、中心軸を含む面内の屈曲振動を発生させる。

また、上記と異なる部分に同様にこの圧電楕円運動振動
子の共振周波数に等しい周波数の第２の交流電圧を印加
して、中心軸を含む面内で、先の屈曲振動の方向と交差
する屈曲振動を行わせる。これら、２つの方向の屈曲振
動の位相をずらせる（好ましくは90゜）、具体的には第
１及び第２のの交流電圧の位相をずらせる（好ましくは
90゜）ことにより、圧電楕円運動振動子の両端部に、円
運動を含む楕円運動が励起することが可能である。この
端面の円を含む楕円運動は端部に設けられ、この圧電楕
円運動振動子の端部に圧接配置されたローターにより回
転運動に変換される。

［実施例］ 以下本発明の実施例について図面を用いて詳しく説明す
る。

本発明の第１の実施例について説明する。

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
成例を示す斜視図である。この図において、超音波モー
タは、振動の節の部分を支持リング21及び21′により支
持されたパイプ状圧電楕円運動振動子20と、このパイプ
状圧電楕円運動振動子20の両端部に配されたカップ状ロ
ータ22,22′とこのカップ状ローター22,22′を一定圧力
で圧接するねじ24,24′とを有している。このねじ24,2
4′はパイプ状圧電楕円運動振動子20内を通っている図
示しない軸に螺合する。

第２図は本発明の第１の実施例に係る圧電楕円運動振動
子の構造を示す概略図である。この図において、圧電セ
ラミックス中空円柱10の長さ方向と平行に分割電極11,1
2,13,14が施されている。

第３図は第２図に示した圧電セラミックス中空円柱10の
断面図であり、第３図（ａ）において破線の矢印は分割
電極11,13を接続線15により電気的に接続して＋端子と
し、分割電極12,14を接続線16により電気的に接続して
一端子とし、この２端子間に直流電圧を印加して分極処
理を施したときの分極の向きを示している。圧電セラミ
ックス中空円柱10は、分割電極11から分極電極12及び14
への向き、及び分割電極13から分極電極12及び11へ向か
う向きに分極される。

第３図（ｂ）は第３図（ａ）のように分極処理された圧
電セラミックス中空円柱10の動作原理を示す図である。
この図において、互いに隣り合う分割電極11,12を接続
線17で接続して＋端子、もう一対の互いに隣り合う分割
電極13,14を接続線18で接続して−端子として、直流電
圧を印加した場合に圧電セラミックス中空円柱の断面方
向に発生する歪みの状態を示している。第３図（ｂ）に
おいて電界は実線の矢印で示す分割電極11と分割電極14
との間，及び分割電極12及び13の間に印加され、分割電
極11と分割電極14と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、分割電極
12と13と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、圧電セラミックス中空円柱は、
長さ方向に下側に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圧電セラ
ミックス中空円柱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、分割電極11,1
4間，及び分割電極12,13間に圧電セラミックス中空円柱
の屈曲振動の共振周波数に等しく、且つ第１の位相を有
する第１の交流電圧を印加すると圧電セラミックス中空
円柱10は第４図（ａ）に示すように矢印19の方向に第１
の屈曲振動を発生する。第４図（ｂ）において、同様に
して分割電極11及び12間，及び分割電極14及び13間に圧
電セラミックス中空円柱の屈曲振動の共振周波数に等し
く、且つ第２の位相を有する第２の交流電圧を印加する
と圧電セラミックス中空円柱は、第４図（ａ）に示す矢
印の方向と直角な方向に第２の屈曲振動を発生する。

従って、以上示した二つの方向の第１及び第２の屈曲振
動の位相をずらせることにより、具体的には夫々の第１
及び第２の屈曲振動を励振するための交流駆動電圧の第
１及び第２の位相をずらせることにより、圧電セラミッ
クス中空円柱10の両端に第４図（ｂ）に示すような円運
動又は楕円運動を励振することが出来る。

第５図から第７図は本発明の第１の実施例に係る超音波
モータの構造を説明するために供する各部品の斜視図及
び構造概略図である。第５図においては、圧電楕円運動
振動子20の屈曲振動の振動の節の部分は互いに同形状の
支持リング21,21′で支持されている。

第６図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータに用
いられるカップ状ローター22,22′の構造例を示す斜視
図である。

第７図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータのカ
ップ状ローター22,22′を圧接するための軸23の一例を
示す斜視図である。この図において、軸23の両端には、
ねじが設けられている。第５図に示された支持リング2
1,21′が設けられたパイプ状圧電楕円運動振動子20の中
空部に第７図に示した軸23を挿入し、このパイプ状圧電
楕円運動振動子20の両端部に第６図に示したカップ状ロ
ーター22,22′装着して、それぞれ捩子24,24を軸23に螺
合して、このパイプ状圧電楕円運動振動子20の両端部を
一定圧力で圧接するとローター22,22′に回転力が伝達
され、カップ状ローター22,22′は軸23と一緒に回転す
る超音波モータ１が完成する。

本発明の第２の実施例について説明する。

第８図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータの構
成例を示す斜視図である。この図において、超音波モー
タ２は、振動の節の部分を支持リング41,41′で支持さ
れたパイプ状圧電楕円運動振動子40と、このパイプ状圧
電楕円運動振動子40の両端部に配されたカップ状ロータ
ー42,42′とこのカップ状ローター42,42′を一定圧力で
圧接するねじ44,44とを有している。このねじはパイプ
状圧電楕円運動振動子40内を通っている図示しない軸に
螺合する。

第10図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータ２の
パイプ状圧電楕円運動振動子40を示す斜視図である。こ
のパイプ状圧電楕円運動振動子40は、第１の実施例に係
るパイプ状圧電楕円運動振動子20と同様に動作させるこ
とができる。

第９図は第８図に示した超音波モータの圧電楕円運動振
動子40を構成する部品の斜視図である。第９図（ａ）に
示した圧電セラミックス中空円柱10の中空部分に、第９
図（ｂ）に示したパイプ状ボルト31が貫通され、更に圧
電セラミックス中空円柱10の両側に第７図（ｃ）で示し
た金属リング32,32′がパイプ状ボルト31の両端の捩子
の部分に螺合するされることにより締め付け固定され、
第10図に示した圧電楕円運動振動子40が完成する。

パイプ状ボルト31は少なくともその両端部近傍にねじが
切られており、この圧電セラミックス中空円柱10の中空
部分に緩めに貫通される。

第11図から第13図は本発明の第２の実施例に係る超音波
モータの構造を説明するのに供する各部品の斜視図及び
構造の概略図である。第11図において、第10図に示した
圧電楕円運動振動子の振動の節の部分をリング状の枠材
よりなる支持リング41,41′で支持されている。

第12図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータに用
いられるカップ状ローター42,42′の構造例を示す斜視
図である。

第13図は本発明の第２の実施例に係る超音波モータのカ
ップ状ローター42,42′を圧接するための軸の一例を示
す斜視図である。この図において、軸43の両端には、ね
じが設けられている。

第11図に示されたパイプ状圧電楕円運動振動子40の中空
部に第13図に示した軸43を挿入し、このパイプ状圧電楕
円運動振動子40の両端部に第12図に示したカップ状ロー
ター42,42′装着して、それぞれ捩子44,44を軸43に螺合
して、このパイプ状圧電楕円運動振動子20の両端部を一
定圧力で圧接するとローター42,42′に回転力が伝達さ
れ、カップ状ローター42,42′は軸43と一緒に回転する
超音波モータが完成する。

第８図において、カップ状ローター44,44′の形状とし
て、開口部の直径に対して底部の直径を小さくし、カッ
プの内側のテーパ部分でステーターであるパイプ状圧電
楕円運動振動子と接触させており、二つのローターは、
スプリングでこのステーターに圧接されているため、ロ
ーターは自動的に位置決めされ、ベアリングを用いなく
ても安定に回転する。

本発明の第３の実施例について説明する。

第14図は本発明の第３の実施例に係る超音波モータの構
成例を示す斜視図である。この図において、超音波モー
タ３は、支持リング61,61′で振動の節の部分を支持し
たパイプ状圧電楕円運動振動子60と、このパイプ状圧電
楕円運動振動子60の両端部に配されたカップ状ローター
62,62′と、このカップ状ローター62,62′を一定圧力で
圧接する捩子64,64とを有している。この捩子64,64′は
パイプ状圧電楕円運動振動子60の空洞内を通っている図
示しない軸に螺合する。

第15図は本発明の第３の実施例に係る超音波モータを構
成する圧電楕円運動振動子60を示している。この圧電楕
円運動振動子60は、第１の実施例に係る圧電楕円運動振
動子と同様に楕円運動振動を行う。

第16図は第15図に示した圧電楕円運動振動子60を構成す
る部品の傾斜図である。第16図（ａ）に示した圧電セラ
ミックス中空円柱10の両側に、第16図（ｂ）で示した金
属リング52,52′が締め付け固定される。

第17図から第19図は本発明の第２の実施例に係る超音波
モータの構造を説明するのに供する各部品の斜視図及び
構造の概略図である。第17図において、第10図に示した
圧電楕円運動振動子の屈曲振動の振動の節の部分をリン
グ状の支持枠よりなる支持リング61,61′で支持されて
いる。

第18図は本発明の第３図の実施例に係る超音波モータに
用いられるカップ状ローター62,62′の構造例を示す斜
視図である。

第19図は本発明の第３の実施例に係る超音波モータのカ
ップ状ローター62,62′を圧接するための軸63の一例を
示す斜視図である。この図において、軸63の両端には、
ねじが切られている。

第17図に示されたパイプ状圧電楕円運動振動子60の中空
部に第19図に示した軸63を挿入し、このパイプ状圧電楕
円運動振動子60の両端部に第18図に示したカップ状ロー
ター62,62′装着して、それぞれ捩子64,64′を軸43に螺
合して、このパイプ状圧電楕円運動振動子20の両端部を
一定圧力で圧接するとローター62,62′に回転力が伝達
され、カップ状ローター62,62′は軸63と一緒に回転す
る超音波モータが完成する。

第14図において、カップ状ローター64,64′の形状とし
て、開口部の直径に対して底部の直径を小さくし、カッ
プの内側のテーパ部分でステーターであるパイプ状圧電
楕円運動振動子と接触させており、二つのローターは、
スプリングでステーターに圧接されているため、ロータ
ーは自動的に位置決めされ、ベアリングを用いなくても
安定に回転する。

［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、
駆動力を発生させるための圧電楕円運動振動子の形状が
単純で、円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
で振動特性のばらつき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、ステーターで
あるパイプ状圧電楕円運動振動子を構成するための部品
が、従来の超音波モータより少なく、ベアリングを使用
しない超音波モータが可能なため、製造コスト的にも有
利となる。

更に、本発明においては、圧電楕円運動振動子としてパ
イプ状圧電楕円運動振動子を用いているために、トルク
が小さくてもよい用途に対しては、ローター直径として
10mm以下の小型のモータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る超音波モータの構
成を示す斜視図、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られる圧電楕円運動振動子の構造を
示す概略図、第３図（ａ）及び（ｂ）は第２図に示した
圧電セラミックス中空円柱の動作原理の説明に供する断
面図、第４図（ａ）及び（ｂ）は第２図に圧電セラミッ
クス中空円柱の屈曲振動の説明に供する斜視図、第５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説
明するために供する圧電楕円運動振動子及びリング状支
持枠を示す斜視図、第６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カップ状ローターの構造例
を示す斜視図、第７図は本発明の第１の実施例に係る超
音波モータのカップ状のローターを圧接するための軸の
一例を示す斜視図、第８図は本発明の第２の実施例に係
る超音波モータの構成例を示す斜視図である。第９図は
第８図に示した本発明の第２の実施例に係る超音波モー
タに使用される圧電楕円運動振動子を構成する部品の斜
視図である。第10図は本発明の第２の実施例に係る超音
波モータの圧電楕円運動振動子を示す斜視図である。第
11図から第13図は本発明の第２の実施例に係る超音波モ
ータの構造の説明に供する各部品の斜視図及び構造の概
略図、第14図は本発明の第３の実施例に係る超音波モー
タの構成を示す斜視図、第15図は本発明の第３の実施例
に係る圧電楕円運動振動子を示す斜視図、第16図は第15
図に示した圧電楕円運動振動子を構成する部品の斜視
図、第17図から第19図は本発明の第３の実施例に係る超
音波モータの構造の説明を供する各部品の斜視図及び構
造の概略図、第20図及び第21図は従来例に係る超音波モ
ータの構造を示す概略図である。 図中10は圧電セラミックス中空円柱、11,12,13,14は分
割電極、15,16,17,18は接続線、19は矢印、20はパイプ
状圧電楕円運動振動子、21,21′は支持リング、22,22′
はカップ状ローター、23は軸、24,24′は圧接用ねじ、3
1はパイプ状ボルト、32,32′は金属リング、40はパイプ
状圧電楕円運動振動子、41,41′は支持リング、42,42′
はカップ状ローター、43は軸、44,44′は圧接用ねじ、5
2,52′金属リング、60はパイプ状圧電楕円運動振動子、
61,61′はリング状の支持枠、62,62′はカップ状ロータ
ー、63は軸、64,64′はねじ、101は金属円柱、102,103
は圧電セラミックス円板、104は円板状ローターであ
る。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−224681（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−240380（ＪＰ，Ａ) 日本音響学会 昭和63年度秋季研究発表 会講演論文集＝▲ＩＩ▼＝昭和63年10月３ 日、Ｐ．827〜828（Ｆｉｇ．４)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両端部が円を含む楕円運動を行うパイプ状
   圧電楕円運動振動子の前記両端部に一対のロータを前記
   振動子に対して回転可能に圧接配置した超音波モータに
   おいて，前記振動子は，圧電セラミックス円筒の中空部
   に，外周部にねじの切られたパイプ状ボルトを貫通させ
   て，前記振動子の両端部に，前記ボルトの捩子と螺合す
   るために内週部にねじの切られたリング状金属を締め付
   けることにより固定されたものであることを特徴とする
   超音波モータ。
2. 【請求項２】両端部が円を含む楕円運動を行うパイプ状
   圧電楕円運動振動子の前記両端部に一対のロータを前記
   振動子に対して回転可能に圧接配置した超音波モータに
   おいて， 前記振動子は圧電セラミックス中空円柱の両端部に金
   属，セラミックス，及び合成樹脂を含むグループから選
   択された材料からなるリング状の摩擦部材が接合されて
   いることを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の超音波モータにおい
   て，前記ロータは，前記振動子の中空部を貫通した両端
   のねじの切られた軸と，該軸の両端に螺合する圧接ねじ
   とにより，前記圧電振動子の両端に圧接されていること
   を特徴とする超音波モータ。
4. 【請求項４】請求項１乃至３の内のいずれかに記載の超
   音波モータにおいて，前記振動子は圧電セラミックス中
   空円柱の外周面の円周に沿って４分割する位置に，前記
   圧電セラミックス中空円柱の長さ方向に平行に４個の分
   割電極が施され，前記分割電極の互いに対向する分割電
   極を電気的に接続し，夫々の電極間に直流電圧は印加さ
   れ，前記圧電セラミックス円柱に長さ方向に直角に分極
   処理が施されていることを特徴とする超音波モータ。