JPH04112687A - 圧電体素子の励振方法及びアクチュエータの制御方法 - 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、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して
超音波楕円振動を生起する圧電体素子の励振方法及びそ
の圧電体素子を用いたアクチュエータの制御方法に関す
るものである。

〔従来の技術〕

近年、圧電体素子は、大きな電気機械結合係数を持つこ
とが発見されて以来、多くの研究者により開発され、超
音波モータ等の様々な技術に利用されている。

超音波モータは圧電体素子自体が振動子を構成し、電流
と磁界の相互作用ではなく振動子の超音波振動を利用す
るものなので、最近特に注目を集めている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、従来、たとえば電歪公転子型の超音波モータ
に用いる圧電体素子は、ドーナツ状の圧電体薄板の両表
面に形成された電極を放射状に４組に等分割し、さらに
圧電体薄板を分極処理して形成する。そして、かかる圧
電体素子を励振するには、４組の上下電極間に順序よく
π／４だけ位相がずれた交流電圧を印加する。これによ
り圧電体素子は超音波楕円振動を行い、超音波モータの
ロータ部はそれが押し付けられている部分とその隣接し
た部分とから、振動による力を連続的に受けることによ
り回転する。しかしながら、かかる従来の方法では圧電
体素子は同一の接触場所では、一定方向にしか振動を行
わず、したがってロータ部は一定方向にしか回転するこ
とができない。また、上記の超音波モータの正転・逆転
の制御については従来、はとんど研究がなされていなか
った。

このため、上記の超音波モータの正転・逆転を制御する
場合、たとえばロータ部の接触場所を変えることにより
正転・逆転を制御せざるを得ない。

このように、従来の方法では圧電体素子の振動方向の制
御が容易でなく、したがってまた上記超音波モータの回
転方向の制御が容易でないという問題があった。

本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、超音
波楕円振動の振動方向の制御が容易な圧電体素子の励振
方法を提供することを目的とするものである。

また、本発明は上記事情に基づいてなされたものであり
、運動方向の制御が容易なアクチュエータの制御方法を
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第１の発明に係る圧電体素
子の励振方法は、円板又は円環状の圧電体薄板の両表面
に形成した電極を放射状に少なくとも３組に分割し、且
つ前記圧電体薄板を厚さ方向に分極処理して形成され、
半径方向の歪みにより超音波楕円振動を生起する圧電体
素子の励振方法において、前記電極に印加する電圧の印
加力向を変えることにより前記圧電体素子の前記超音波
楕円振動の振動方向を制御することを特徴とするもので
ある。

また、上記の目的を達成するための第２の発明に係るア
クチュエータの制御方法は、円板又は円環状の圧電体薄
板の両表面に形成した電極を放射状に少なくとも３組に
分割し且つ前記圧電体′ｉＲ仮を厚さ方向に分極処理し
て形成され、半径方向の歪みにより超音波楕円振動を生
起する圧電体素子を有するアクチュエータの制御方法に
おいて、前記電極に印加する電圧の印加方向を変えるこ
とにより前記アクチュエータの運動方向を制御すること
を特徴とするものである。

〔作用〕

第１の発明に係る圧電体素子の励振方法は前記の構成に
よって、たとえば電極が放射状に３組に等分割された圧
電体素子の各組の電極に電圧を印加して超音波楕円振動
を生起させているときに、３＆ｌｌの電極のうちの少な
くとも１組に印加する電圧の印加方向を逆にする（交流
電圧の位相を変える）ことにより、圧電体素子の超音波
楕円振動の振動方向を容易に逆方向に変えることができ
る。

第２の発明に係るアクチュエータの制御方法は前記の構
成によって、たとえば電極が放射状に３紐に等分割され
た圧電体素子の各組の電極に電圧を印加して超音波楕円
振動を生起させ、これによりアクチュエータが、たとえ
ば回転又は往復運動しているときに、３組の電極のうち
の少なくとも１組に印加する電圧の印加方向を逆にする
（交流電圧の位相を変える）ことにより、圧電体素子の
超音波楕円振動の振動方向を逆にしてアクチュエータの
運動方向を容易に逆方向に変えることができる。

〔実施例〕

以下に本発明の第１実施例を第１図を参照して説明する
。第１図（ａ）は本発明の第１実施例である電歪公転子
型の超音波モータの概略拡大平面図である。また、同図
（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視断面図、同図（Ｃ）はそのＢ−
Ｂ矢視断面図である。

第１図に示す電歪公転子型の超音波モータは、ドーナツ
状の圧電体薄板１０の表裏両面に電極１２が形成された
圧電体素子１４と圧電体保持具１６とを有するステータ
部２と、圧電体素子Ｉ４の外周側面に圧着されたロータ
部４とを含むものである。

圧電体素子１４は、ドーナツ状に形成されたＰｂ　　（
Ｚ　ｒＴ　１）０３からなる圧電体薄板１０と、その上
下の表面に形成された励振用の４組の電極１２ｔ〜４と
からなる。電極１２はセラミックスの表面に銀の微粉末
をガラス粉末などで堅く焼き（＝１けることによって形
成したものであり、同図（ａ）に示すように放射状に４
等分割されている。

圧電体薄板１０は厚み方向に分極処理が施されており、
電極１２．、．１２□に対応する部分が同Ｖ（ａ）にお
いて表から裏の方向に分極されており、電極１２．．１
２．に対応する部分が裏から表の方向に分極されている
。同図（ｂ）、（ｃ）における矢印はこの分極の様子を
示したものである。

上記のように構成された電歪公転子型の超音波モーフの
圧電体素子１４に電圧が印加されると、分極方向と同じ
方向に電圧が印力Ｕされた部分は圧電体素子１４の外周
方向に変形し、また分極方向と反対方向に印加された部
分は収縮する方向ｔコ変形する。したがって、電極１２
に交流電圧を印加すると、圧電体素子１４は超音波楕円
振動を行う。

また、ロータ部４は、ロータ部４が押し付けられている
部分が外周方向に振動し、しかもその部分に隣接した部
分の振動方向に引きずられるので、ロータ部４はごれら
の振動による力を連続的に受；ノて回転する。この型の
超音波モータは、他の型の超音波モータ（たとえば、ね
しり結合子型超音波モータ）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
ギー効率が高く、しかもトルクや出力も大きい。

本発明者等は、ドーナツ状の圧電体素子１４の外周側面
（電極１２□の外周側面）にロータ部４を一定の圧力で
押し付け、各組の電極に印加する電圧（６ｖ）の印加方
向を変えることにより、ロータ部４の回転方向を調べた
。この測定結果を第１表に示す。

第１表 ただし、第１表において、電圧印加方向とは電圧を印加
した瞬間の方向であり、第１図において表から裏の方向
を十で、裏から表の方向を−で表示している。また、ロ
ータ部の回転方向については同図（ａ）における電極１
２．．１２ｚ、１２ａ、１２−の順に回る方向を時計回
り、反対方向を反時計回りと表示した。尚、測定例０は
従来例であり、各電極１２．−４への電圧印加方向をす
べて十にしたときにロータ部は時計回りに回転すること
を示している。

まず、測定例１〜４において、電圧印加方向を変えて実
験を行った。ただし、結果を比較し易くするために、ロ
ータ部４を押し付けた電極１２゜の印加方向だけはどの
測定例においても同しにしている。第１表かられかるよ
うに４＆１１の電極１２ずべてに電圧を印加した場合に
は、電圧の印加方向を変えることによりロータ部４を正
転又は逆転したり、回転を止めたりすることができる。

したがって、電歪公転子型の超音波モータにおいて駆動
電圧の印加方向を切り替える手段を設けることにより、
ロータ部４を自由に正転、逆転又は停止する制御が可能
になる。

次に、本発明者等は電極１２４を短絡し、第１表の測定
例５〜７に示す方向に電圧を印加し、ロータ部４の回転
方向を調べた。その結果、電圧印加方向を変えることに
より、ロータ部４を正転・逆転させることができ、また
回転をさせないでおくことができた。このことから、短
絡した電極１２、を固定端として扱うことができるので
、電極をドーナツ状に形成しなくとも、たとえば円板状
に形成してこの短絡した電極１２４を保持部として利用
することができる。このため、用途により圧電体素子を
他の膨軟に形成する必要がある場合でも、圧電体素子の
保持手段の設８１が容易になる。

また、さらに電極１２３及び電極１２４をともに短絡し
て電圧和カロ方向を変えることによりロータ部４の回転
方向を調べた。この場合ムこも、ロータ部４を正転又は
逆転することができた。

尚、上記の実施例においては、ロータ部をドーナツ状の
圧電体素子の外周側面に押し付けた場合についてのみ説
明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ロ
ータ部はドーナツ状の圧電体素子の内周側面に押し付け
た構成としてもよい。

第２図は本発明の第２実施例である電歪公転子型の超音
波リニアモーフの概略構成図である。第２実施例が第１
実施例と異なるのは、第１実施例のロータ部が回転運動
をするのに対して、第２実施例のロータ部が往復運動を
する点である。第２図に示す超音波リニアモータは、ス
テータ部２と、ロータ部であるスライドテーブル２４と
、スライドテーブル２４を摺動自在に支持するスライド
ベアリング２６と、スライドへアリング２６を支える架
台２８とを含むものである。尚、第２実施例において第
１実施例と同一の機能を有するものには同一の符号を付
すことによりその詳細な説明を省略する。

本発明者等は上記構成の超音波リニアモータを試作し、
圧電体素子１４に交流電圧を印加したときに、実際に、
このスライドテーブル２４が往復運動を行うかどうかを
調べた。電圧の印加方向を上記第１実施例の測定例１〜
４と同様にして実験をおこなった結果、第１実施例の測
定例３を除いてスライドテーブル２４が同図における横
方向に運動するのをｎ認した。測定例１における場合は
スライドテーブル２４が初めに第２図において左方句に
移動し、測定例２．４における場合はスライドテーブル
２４が右方向に移動した。その他の作用・効果は第１実
施例と同様である。

尚、上記の実施例においては、電極を４等分割した場合
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、電極は３組又は５Ｍｉ以上に分割してもよい。

ただし、分割数が多くなると位相関係が複雑になり、交
流電圧も多相になるので、６分割位までが実用的である
と考えられる。

以上の説明かられかるように、本発明の圧電体素子の励
振方法は、上記の実施例における電歪公転子型の超音波
モータのみに利用されるのではなく、他の型の超音波モ
ータや可逆運動するアクチュエータ等に応用することが
できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、圧電体素子の各組
の電極に印加する交流電圧の印加方向を変えることによ
り、圧電体素子の超音波楕円振動の振動方向を容易に電
気的に制御することができる圧電体素子の励振方法を提
供することができる。

また、本発明によれば、圧電体素子の各組の電極に印加
する交流電圧の印加力間を変えることにより、圧電体素
子の超音波楕円振動の振動方向を変えて、アクチュエー
タの運動方向を容易に電気的に制御することができるア
クチュエータの制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１実施例である電歪公転子型
の超音波モータの概略拡大平面図、同図（ｂ）はそのＡ
−Ａ矢視断面図、同図（Ｃ）はそのＢ−Ｂ矢視断面図、
第２図は本発明の第２実施例である超音波リニアモータ
の概略構成図である。 ２・・・ステータ部、４・・・　ロータ部、１０・・・
圧電体薄板、１２・・・電極、１４・・・圧電体素子、
１６・・・圧電体保持具、２４・・・スライドテーブル
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円板又は円環状の圧電体薄板の両表面に形成した
   電極を放射状に少なくとも３組に分割し、且つ前記圧電
   体薄板を厚さ方向に分極処理して形成され、半径方向の
   歪みにより超音波楕円振動を生起する圧電体素子の励振
   方法において、前記電極に印加する電圧の印加方向を変
   えることにより前記圧電体素子の前記超音波楕円振動の
   振動方向を制御することを特徴とする圧電体素子の励振
   方法。
2. （２）円板又は円環状の圧電体薄板の両表面に形成した
   電極を放射状に少なくとも３組に分割し且つ前記圧電体
   薄板を厚さ方向に分極処理して形成され、半径方向の歪
   みにより超音波楕円振動を生起する圧電体素子を有する
   アクチュエータの制御方法において、前記電極に印加す
   る電圧の印加方向を変えることにより前記アクチュエー
   タの運動方向を制御することを特徴とするアクチュエー
   タの制御方法。