JPH03289367A

JPH03289367A - 電歪公転子型の超音波モータ

Info

Publication number: JPH03289367A
Application number: JP2087188A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Otsuka; 謙一大塚; Eisaku Matsumoto; 松本　栄作; Akio Kumada; 熊田　明生
Original assignee: PIEZO TEC KK; Nippon Steel Chemical Co Ltd
Current assignee: PIEZO TEC KK; Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 1990-03-31
Filing date: 1990-03-31
Publication date: 1991-12-19

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、たとえばドーナツ状の圧電素子の半径方向に
生ずる歪を用いて超音波楕円振動を発生させる電歪公転
子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、ステータ部に圧着されたロータ部を超
音波楕円振動により回転さ・ヒる。したがって、超音波
モータでは、超音波楕円振動を発生ずる振動子が必要と
なる。この超音波楕円振動を発生させるものとして、た
とえばドーナツ状又は「ワ板状に形成した圧電素子の半
径方向の歪を用いた、いわゆる電歪公転子型の超音波モ
ータがある（１、）開開６３−１８１６７７　＠、特開
平１−２６４５７４号）。

を歪公転子型の超音波モータは、圧電素子自体が振動子
となるので、他の型の超音波モーフのよ−うに別個に金
属製振動子を設ける必要がなく、したがって構造が簡単
で、効率良く超音波楕円振動を発生させることができ、
しかもトルクや出力も大きいので、実用価値が高い。

（発明が解決しようとする課題〕従来より、２ｕ厚のドーナツ状の圧電素子を用いて圧電
部を形成した電歪公転子型の超音波モータがある。この
超音波モータを駆動するには、超音波モーフの駆動電圧
に闇値があるので、約１２Ｖ程度の交流電圧が必要にな
る。したがって、市販の１．５ｖの電池を用いて駆動す
る場合には、８本もの電池が必要となる。このように、
従来の電歪公転子型の超音波モータでは、電源部のスペ
ースが大きいので、小型化する際に問題となっていた。

このため、低電圧で駆動できる電歪公転子型の超音波モ
ータの開発が望まれていた。

本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、低電
圧化及び小型化が容易な電歪公転子型の超音波モータを
提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明は、圧電手段を有す
るステータ部と、該ステーク部に圧着されるロータ部と
を備え、前記ステータ部の伸縮振動により摩擦力を介し
て前記ロータ部を回転する電歪公転子型の超音波モータ
において、前記圧電手段は複数枚の圧電素子を積層し′
ζζ底形成ものであることを特徴とするものである。

また、前記圧電手段は、前記圧電素子を積層後に一度に
分極することが望ましい。

〔作用〕

本発明は前記の構成によって、圧電素子を積層して圧電
手段を形成したことにより、圧電素子を並列に接続して
従来の駆動電圧よりも低い駆動電圧で、従来のものと同
等の出力を得ることができる。

また、圧電手段は、各圧電素子を積層後に一度に分極す
ることにより、各圧電素子の特性を均一なものとするこ
とができる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を第１図乃至第４図を参照して
説明する。第１図は本発明の一実施例である電歪公転子
型の超音波モータの概略構造図である。本発明の電歪公
転子型の超音波モータは、たとえば２枚のドーナツ状の
圧１を素子１を積層した圧電部３を有するステータ部と
、圧電部３の外周側面に圧着されたロータ部４０とから
威る。

上記構成の電歪公転子型の超音波モーフは、圧電部３に
電圧を印加して圧電部３の半径方向の長さを伸縮し、ド
ーナツ状の圧電部３の平面重心を往復運動さセ、これに
より往復運動の運動軸に対して約４５度傾いた圧電部３
の外周側面に超音波楕円振動を発生させる。この超音波
楕円振動により圧電部３の外周側面に直接圧着されたロ
ータ部４０を回転する。この型の超音波モータは、他の
型の超音波モータのように別個に金属製振動子を設ける
必要がなく、また、ころがり摩擦を利用してロータ部４
０にトルクを伝達するので、構造が簡単でエネルギー効
率が高＜、シかもトルクや出力も大きい。

第２図（ａ）は圧電部３の拡大平面図、同図（ｂ）はそ
の拡大側面図である。圧電部３は２枚の圧電素子（たと
えば、圧電性セラミ７クス）１１．１□を積層して形成
したものである。各圧電素子１．．　　ｌｚは、同図（
ａ）において右半分と左半分とが絶縁溝１ａを境にして
互いに逆方向となるように分極され、かつ同図（ｂ）に
示すように上下方向については共通電極’ｌｃ１，２Ｃ
ｔに対して対称となるように分極されている。圧電素子
１を同図に示すように偶数枚（同図では２枚）積層する
ことにより、圧電部３の半径方向の伸縮を対称なものと
することができる。また、２ａ＋２ａ２はドーナツ状の
圧電素子１１の上面に絶縁？ｉｌａを介して形成された
上部電極、同様に２ｂ＋、２ｂｚは圧電素子１２の下面
に形成された下部電極、２ＣＩ、２ＣＩは圧電素子１１
と圧電素子１□の間に形成された共通電極である。同図
（−）に示すようにドーナツ状の圧電素子の端縁まで電
極を形成するのは、圧電素子ｌのトルク等の特性を向上
させるためである。尚、同図の矢印は分極の方向を示す
。

ところで、圧電素子１の分極を行う場合に、各圧電素子
］１＋　　１ｇ毎に個別に分極を行うと、各圧電素子１
．．，１２の特性にばらつきが生ずる。

このように特性にばらつきのある圧電素子Ｉｔ１□を積
層して形成した圧電部３を用いた超音波モータは、低電
圧で駆動することはできるが、特性の点で従来のものに
比べて、若干劣る。そこで、本実施例では、第３図に示
すように上部電極２ａ１と下部電極１ｂ＋とを直流電源
６のプラス側に、また上部電極２ａｚと下部電極２ｂｚ
とをマイナス側に接続して、各圧電素子１．，１ｇを一
度に分極する。これにより、分極を行う際の各圧電素子
１１．１！の特性のばらつきを抑え、特性を揃えること
ができる。また、各圧電素子１＋、ｌｘを駆動するとき
には、各圧電素子１＋、Ｉｇを図示しない交流電源に並
列に接続する。

ところで、超音波モータは、圧電素子の電界強度Ｅ＝Ｖ
／ｄ　（ただし、■は駆動電圧、ｄは圧電素子の厚さで
ある。）が変わると、そのトルク等の特性が変わる。上
記構成の圧電部３によれば、圧電素子を２枚積層して各
圧電素子１を並列に接続して駆動するので、圧電部３の
厚さ、内径及び外形を従来のものと同一にした場合、各
圧電素子１に印加する駆動電圧Ｖを低減しても、各圧電
素子１の電界強度Ｅは従来のものと同等にすることがで
きる。このように、本実施例の圧電部３を用いた超音波
モータは従来のモータに比べて駆動電圧■を低減しても
、各圧電素子１の電界強度Ｅを従来と同しにすることが
できるので、原理的には従来の超音波モータと同様の回
転数及びトルクが発生するはずである。

本発明者等は、厚さｌＩｕ、内径１５Ｍ、外形４０■の
ドーナツ状の圧電素子ｌを２枚積層して形成した圧電部
３を使用した超音波モータ３台を試作して実験を行った
。各圧電素子ｉｔ、１ｇを並列に接続して約６Ｖの駆動
電圧を印加して測定した結果、従来の２Ｎの圧電素子を
用いたモータを１２Ｖの交流電圧で駆動した場合と略同
様の出力を得た。

第４図は圧電部の変形例を示す図である。本変形例の圧
電部３．は４枚の圧電素子１．〜１４を積層して形成し
たものである。本変形例においても、各圧電素子１．〜
１４は右半分と左半分とが絶縁溝を境にして互いに逆方
向となるように分極され、同図に示すように３つの共通
電極２ｃ＋２　ｃｔ　＋　　２　’　＋　　・２　ｄ　
ｔ　＋　　２　ｅ　１　　・２　ｅ　ｚを介して接着・
積層されている。また、分極の際には、同図に示すよう
に上部電極２ａ＋　と下部電極２ｂ１と共１ｆｆｌ電極
２ａ＋とを直流電源６．のプラス側に、上部電極２ａｚ
と下部電極２ｂｚと共通電極２ｄｚとを直流量＃６Ｉの
マイナス側に接続して一度に分極する。この圧電部３１
を用いた超音波モータを駆動するときには、各圧電素子
１１〜１４が並列になるように交流電源に接続する。

本発明者等は、厚さ０．５Ｍ、内径１５１１外形４Ｑｍ
ｍのドーナツ状の圧電素子を４枚積層して形成した圧電
部３を使用した超音波モータを試作して実験した。各圧
電素子を並列に接続して約３・■の駆動電圧を印加して
測定した結果、この場合も、前記の１２Ｖ駆動の従来の
ものと略同様の出力を得た。

また、本発明者等は、上記と同様にして厚さ０゜２５紬
、内径１５ｕ１外形４０１＠のドーナツ状の圧電素子を
８枚積層して形成した圧電部を使用した超音波モータを
試作して実験した。各圧電素子を並列に接続して約１．
５■の駆動電圧を印加して測定した結果、この場合も、
前記の１２Ｖ駆動の従来のものと略同様の出力を得た。

上記の場合、いずれも共振のＱ値はやや低くなった。ま
た、本実施例の圧電素子は円板状ではなくドーナツ状で
あるが、円板状の圧電素子に使用する電気８１１ｕ結合
係数（Ｋｐ）を用いて従来のものと本実施例とを比較し
てみると、本実施例のＫｐ値は略従来のものと同様であ
った。また、圧電素子を積層して形成することにより、
単体のものに比べて、アドミッタンスを小さくすること
ができる。更に、アドミッタンスの最大値は各々の圧電
素子ｌのアドミツタンス値の総和の約９５％となった。

上記の実施例によれば、電池駆動する場合に、容易に小
型化することができる。

尚、圧電素子１の厚さは薄ければ薄い程、積層できる枚
数が多くなるので、より低電圧で駆動することが可能と
なる。しかし、圧電素子１の淳さをあまり薄くすると、
機械的強度が弱くなり割れ易くなるので、この点で積層
できる枚数が規制される。

また、多数の圧電素子を積層した場合には、旦直列に接
続したものを並列に接続するようにしてもよい。

更に、上記の実施例では、圧電素子１を２等分して分極
した場合について説明したが、本発明はこれに限定され
るもので、はなく偶数個に等分割するものであれば、例
えば４等分して分極してもよい。ただし、この場合には
互いに隣合う分極の向きが逆方向になるように分極し、
上部電極や下部電極等も各分極に応して分割して形成す
る。また、この場合にはドーナツ状の圧電部の平面重心
が中心点の周囲を回転運動するので、ロータ部はリング
状に形成し、圧電部の外周側面に外接さ一仕る。

加えて、ｌ　ａｍ厚の圧電素子を２桟積層して形成した
圧電部を用いた超音波モータと、従来の２ｕ厚の圧電素
子を用いたものとを同一の駆動電圧（交流１２■）で駆
動して両者の特性を測定したところ、この超音波モータ
の回転数やトルクは従来のものの約２倍になった。この
ように、本実施例では、駆動電圧を従来と同一にすれば
、超音波モータの特性の向上を図ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、複数の圧電素子を
積層して圧電手段を形成することにより、低電圧でも、
従来と同様の出力を得ることができ、また既存の電池を
用いて駆動する場合に小型化が容易な電歪公転子型の超
音波モータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例である電歪公転子型の超音波
モータの概略構造図、第２図（ａ）は圧電部３の拡大平
面図、同図（ｂ）はその拡大側面図、第３図は圧電素子
の分極を説明するための図、第４図は圧電部の変形例を
示す図である。１・・・圧電素子、２ａ・・・上部電極、２ｂ・・・下
部電極、２ｃ、２ｄ、２ｅ・・・共通電極、３．・・圧電部、４
０・・・ロータ部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）圧電手段を有するステータ部と、該ステータ部に
圧着されるロータ部とを備え、前記ステータ部の伸縮振
動により摩擦力を介して前記ロータ部を回転する電歪公
転子型の超音波モータにおいて、前記圧電手段は複数枚
の圧電素子を積層して形成したものであることを特徴と
する電歪公転子型の超音波モータ。
（２）前記圧電手段は、前記圧電素子を積層後に一度に
分極したことを特徴とする請求項１記載の電歪公転子型
の超音波モータ。