JPH03253266A - 圧電モータ - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、超音波振動エネルギを駆動源とし、摩擦力に
より駆動力を得る圧電モータに関するものである。

［従来の技術］ 近年、振動子の高周波機械振動エネルギを利用し、摩擦
力を駆動源とする圧電モータが種々開発され、応用研究
が進められている。これは、振動子に可動子を圧着し、
その圧着力に起因する摩擦力により推力を発生して相対
運動を行なうものである。その従来例を第５図に示す。

リニア超音波モータ１は、ヨーク２に超音波振動子３が
固定されており、該超音波振動子３の一端に駆動部４が
形成されている。該駆動部４には、可動子５がゴムロー
ラ６により圧着されており、該可動子５は前記ヨーク２
に固定されたリニアベアリング７ａ及び７ｂによって支
持されている。

上述のように構成されたリニア超音波モータｌに於て、
超音波振動子３を励振すると、前記可動子５は該超音波
振動子３の略楕円運動振動による駆動力を受け、図中矢
印Ａの方向に動く。この駆動力は、前記駆動部４と前記
可動子５との摩擦力によって発生するものである。

このような圧電モータに於いては、励振源の微小振幅を
効果的に増幅するために、互いに略直交する２方向の共
振振動を利用しているものが多い。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、定在波型圧電モータでは、互いに略直交
する２方向の共振振動を利用しているために、それらの
共振周波数を大略一致させる必要があった。しかし、振
動子構造の不完全さや、負荷条件により該共振周波数は
微妙に変化するため、常に前記２方向振動の共振周波数
を一致させておくことは非常に困難であった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、横効果圧電体を好適に用いることにより、駆
動周波数に制限のない圧電モータを構成でき、その結果
駆動効率、速度が大きく、しかも設計容易な優れた圧電
モータを得ることをその目的としている。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の圧電モータは、平板
状に薄く積層させた横効果圧電体と、該横効果圧電体の
振動方向に対し略直交方向に振動する励振源とより構成
される振動子と、該振動子に圧着した弾性体とを備え、
前記横効果圧電体の振動は非共振振動であり、且つ該横
効果圧電体の振動方向と略直交方向に、前記励振源を共
振振動させて前記横効果圧電体に曲げ振動を与え、前記
振動子と弾性体を相対運動させている。

また、該横効果圧電体の一層当りの圧電体層の厚さｔが
５μｍ≦ｔ≦４０μｍの範囲にあることが望ましい。

［作用］ 本発明の圧電モータは、−層当りの圧電体層の厚さｔが
５μｍ≦ｔ≦４０μｍの範囲にある横効果圧電体を積層
させ、前記横効果圧電体の振動方向には非共振振動させ
て、且つ該振動方向と略直交方向に、前記励振源を共振
振動させて前記横効果圧電体に曲げ振動を与え、前記振
動子と弾性体を相対運動させている。

［実施例コ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図乃至第３図は、本実施例の圧電モータを示したも
のである。第１図は、本実施例に用いる振動子の斜視図
を示している。振動子１０は、略角柱形状を有する横動
集積層型圧電体２０の一面に、圧電体２１が着設され、
一方該横効集積層型圧電体２０の両端部には、駆動子２
２ａ及び２２ｂが着設されている。該駆動子２２は、耐
摩耗性を向上するために、ナイロン、ポリカーボネート
、ポリエチレンテレフタレート等の高分子材料で構成し
てもよい。

前記横動集積層型圧電体２０は、−層の厚さが５［μｍ
］〜４０［μｍ］の圧電体を厚さ方向に分極し、給電電
極と交互に積層した構造をとっている。

以上のような構造を有する振動子１０の横動集積層型圧
電体２０は、前記圧電体２１の振動により、その厚さ方
向には所定の周波数ｆに於いて両端自由端２次モードで
曲げ振動するように、その長さや厚さなどの形状寸法に
より調節されている。

一方、その長さ方向には任意の周波数に於いて、非共振
状態で伸縮振動する。

次に、上記振動子１０を好適に利用したリニア圧電モー
タの構造について、第２図を参照しつつ以下に説明する
。第２図（ａ）は、リニア圧電モータの前面図を、第２
図（ｂ）は側面図及び一部所面図を示している。リニア
圧電、モータ３０は、前記振動子１０がコの字状形状の
第１ヨーク３１内に配置され、該振動子１０の上面に着
設されたダンパ３２の弾性を利用して、第２ヨーク３３
により該振動子１０が第１ヨーク３１内面に圧着されて
いる。ダンパ３２の上部は、第二ヨーク３３と摺動可能
に構成されている。

以上のように構成されたリニア圧電モータ３゜の動作原
理を、第３図を参照して説明する。前記振動子１０は、
第３図（ａ）乃至（ｄ）に示されるような非共振状態の
伸縮振動と共振状態の曲げ振動を繰り返すことによって
、駆動力を発生するものである。すなわち、第３図（ａ
）では前記横効果積層型圧電体２０がその長さ方向に伸
長すると同時に、前記圧電体２１により曲げ振動が励振
され、前記駆動部２２ｂが第１ヨーク３１に接するよう
に円振動の位相が調節されている。次に、時間とともに
第３図（ｂ）　　　（ｃ）　　　（ｄ）と振動子１０の
形状が変化する事によって、今度は前記横動集積層型圧
電体２０の収縮時に駆動部２２ａが第１ヨーク３１に接
する。

以上のように、駆動子２２ａ及び２２ｂと第１ヨーク３
１が接するときに、それらの摩擦力に起因する駆動力を
受け、所定方向に推力を発生するものである。その駆動
力の方向は、同図中矢印で示されるように、常に同一方
向を向いている。ここに、前記振動子１０を可動子とす
る例につき説明したが、それに限定されるものではなく
、固定子側に用いて、前記第１ヨーク３１を可動子とし
て駆動させることも容易である。

又、該リニア圧電モータ３０の速度は、人力振動電圧の
振幅及び位相によって調節可能であり、又その駆動方向
は、該位相により任意に変えられる。

このような圧電モータに於いては、従来提案されている
完全共振型の定在波型圧電モータに比べると、横動集積
層型圧電体を好適に用いたため共振周波数を所望の値に
合わせるという調節が不必要で、駆動周波数を任意にと
ることができると言う利点があり、その結果、負荷や速
度などの駆動条件に関わらす、常に高効率動作が可能と
なる。

又、非共振の振動に於いては駆動電圧波形も正弦波だけ
でなく、矩形波やパルス波を用いることが可能となり、
駆動における自由度が高くなる。そのため、設計が容易
になり任意の形状で駆動効率、速度の大きくできる圧電
モータを提供できる。

ここで、高速駆動可能な圧電アクチュエータを実現する
ために、横動集積層型圧電体に要求される振動振幅を求
める。前記横動集積層型圧電体２０の長さを１　［ｍ］
、−層当りの厚さをｔ　　［ｍ］とした時、長さ方向の
変位Δｌは以下のように計算できる。

１２ Δ１＝ｄ３１＊Ｖ×］＝十Ｍ３Ｄ”Ｊ２ｘ　Ｔｘ　［ｍ
］　　　　　（１）ミニに、ｄ３１：圧電定数　［ｍ／
ＶコＭ３１：電歪定数　［ｍ／Ｖ２］ Ｅ：電界　　　［Ｖ／ｍコ 本発明に用いる横動集積層型圧電体の物性定数としては
、たとえば以下のものか挙げられる。

ｄ３１＝　−１６０Ｘ　１０−１２　［ｍ／Ｖ］　、　
Ｍ３１＝　−２，４１Ｘ１０−１７　［ｍ／Ｖ２］　、
１＝３４ｘｌ。

３［ｍ］ 印加電圧６０［Ｖコ、駆動周波数２０［ｋＨｚ］におい
て、約２［ｍ／ｓｌを得るためには、所望振幅は約１０
μｍであり、積層型圧電体の一層当りの厚さｔは式（１
）より以下のように計算される。

すなわち、横動集積層型圧電体の一層当りの厚さｔは４
０［μｍ］以下とする必要かある。さらに、ｔ＝２０　
［μｍ］とすれば、所望振幅は２０［μｍ］も得られ、
その結果、横動集積層型圧電体は励振面方向には非共振
状態においても速度は約４［ｍ／ｓ］が得られる。その
ため、設計が容易になり任意の形状で駆動効率、速度の
大きくできる圧電モータを提供できる。

一方、圧電体の原料粉末の粒径は０．５［μｍ］程度が
限度であり、焼結後の平均粒径は第４図の顕微鏡写真に
示すように、１　［μｍ］が得られている。圧電体を完
全な誘電体とするためには、ボイドをなくし、誘電体層
として少なくとも５個以上の結晶で構成させねばならな
い。これは、例えば項一による「電子機能性セラミック
スの展望」、ファインセラミック協会刊行１９８４年９
月（Ｖｏｌ、２．Ｎｏ、９．ｐ、５）に見られるように
公知である。すなわち、積層型圧電体の一層当りの厚さ
ｔは５［μｍ］以上とする必要がある。

本実施例に於いて弾性体の励振源として圧電体を用いた
か、その形状は平板に限らず円板状、積層形状など種々
の形状か考えられる。

また、本実施例に於いてリニア圧電モータを例にとり説
明したが、それに限定されるものではなく、例えば前記
振動子１０を固定子とし、円筒形の可動子を用いること
によって、回転型圧電モータを構成することもできる。

さらに、本実施例では圧着機構に於て高分子材料の弾性
利用を例にとり説明したが、それに限定されるものでは
なく、コイルバネ、イタバネ等種々のバネや、磁気力の
応用などが考えられる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が
考えられる。

［発明の効果コ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、横動集積層型圧電体を好適に用いることにより、駆動
周波数に制限のない圧電モータを構成でき、その結果駆
動効率、速度の大きく、しかも設計容易な優れた圧電モ
ータが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、 第１図は、本実施例に用いる振動子の斜視図であり、 第２図は、圧電モータの構成を示す図であり、第３図は
、圧電モータの動作原理を示す図であり、第４図は、本
実施例に用いる横動集積層型圧電体の顕微鏡写真であり
、 第５図は、超音波モータの一従来例を示す図である。 ０ １ １ 横動集積層型圧電体 圧電体 レール

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．平板状に薄く積層させた横効果圧電体と、該横効果
   圧電体の振動方向に対し略直交方向に励振する励振源と
   により構成される振動子と、該振動子に圧着した弾性体
   とを備え、 前記横効果圧電体の振動は非共振振動であり、且つ該振
   動方向と略直交方向に、前記励振源を共振振動させて前
   記横効果圧電体に曲げ振動を与え、前記振動子と弾性体
   を相対運動させる事を特徴とする圧電モータ。
2. ２．請求項１記載の圧電モータにおいて、該横効果圧電
   体の圧電体層の一層当りの厚さｔが、５μｍ≦ｔ≦４０
   μｍの範囲にあることを特徴とする圧電モータ。