JPH0480632B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生するモー
タに関する。

従来例の構成とその問題点 近年圧電セラミツクス等の電気−機械変換子を
用いて種々の超音波振動を励振することにより、
回転あるいは走行運動を得る圧電モータが高いエ
ネルギー密度等を有することから注目されてい
る。

以下に図面を参照しながらこれらの超音波振動
を利用した従来の圧電モータについて説明する。

第１図は日経メカニカル５８，２，２８などに
掲載された従来の圧電モータの一例であり、弾性
リング１の表面に圧電素子リング２を貼合わせて
一体化している。前記圧電素子リング２は第２図
に示すように、リングを周方向に例えば22.5゜あ
るいは11.25゜の分割比により17個の領域に分割し
て電極をつけ分極している。分極の方向は隣り合
う領域で逆方向とする。その後、圧電素子表面を
導電塗料で覆い電極を斜線で示すように２つにま
とめる。Ｅはアース端子である。前記弾性リング
１の上部にはスライダ３を固着された動体４が位
置している。

以上のように構成された圧電モータについてそ
の動作を以下に説明する。前記圧電素子２の片側
の電極ＣにV_Osinωt、他方の電極ＤにV_Ocosωtの
交流信号をそれぞれ加える。すると分割した領域
が交互に周方向に伸縮し、弾性体１に曲げ振動が
発生する。第３図は動体と弾性体の接触状況を拡
大して描いたもので、表面波に伴う粒子の楕円運
動として周知である（たとえば御子柴宣夫著「音
波物性」昭和48年三省堂社発行を参照）。弾性体
の表面上の１つの点Ａに着目すると、点Ａは長軸
２ｗ，短軸２ｕの楕円状の軌跡を描いている。弾
性体が動体と接触する頂点で、点Ａはｘ軸の負の
方向にＶ＝2πfuの速度を待つ。この結果、動体は
弾性体との摩擦力で波の進行と逆方向に速度Ｖで
駆動される。このように弾性体の表面に推力とし
ての楕円軌跡を描かせるには弾性表面波のレイリ
ー波か、または弾性体の曲げ振動を利用すること
が考えられる。弾性表面波では例えば波長が10cm
程度と長くなり、弾性体の曲げ振動を利用すると
波長を数mmにできるので接触点となる頂点を数個
に増すことができる。弾性表面波のレイリー波に
よる駆動原理を、弾性体の一部領域の曲げ振動を
用いて波を伝播し、弾性体表面に楕円軌跡を与え
ることで実現している。この表面波形圧電モータ
は、接触点となる波の頂点が常に動体と接触して
いるので動体の速度は、頂点速度と等しい。また
出力トルクの大きさは、接触面積と負荷々重と接
触部の摩擦係数によりもとまる。またこの圧電モ
ータは、２相・３相モータと同じ原理で移相のず
れた電源により、容易に回転方向を切り換えるこ
とができる。

しかしながら、上記のような構成においては、
以下のような欠点が存在する。

(1) ヤング率の大きい弾性体を繰り返し曲げるた
めにエネルギーが消費されて、発熱を誘起する
ことになりきわめてリニアリテイが悪い。加え
て約0.25μｍ以下という微小振幅から推力を取
り出すために、動体は、ステータにおける発生
スピードがそれぞれ異なる振幅の山や谷にも一
様に接触しており、動体速度は積分値にちかい
低スピードになつている。このため実用的なト
ルク，回転数等を得るためには、従来モータの
10〜100倍程度という大電力を必要とした。

(2) 表面波形圧電モータ実駆動時の振動振幅は、
最大で縦方向成分が約0.5μｍ、推力となる横方
向成分が約0.25μｍとなつており、推力に必要
な振動の発生エネルギーに比べて、無効となる
エネルギーが約２倍以上消費されており、電力
効率のきわめて悪い構造となつている。

(3) 上記従来の表面波形の圧電モータは、ドライ
ブ電極が２組に別かれており、Ｃ電極の励起し
た波がＤ電極に伝播されるか、反対にＤ電極の
励起した波がＣ電極に縦波成分と横波成分を持
つ波として伝播されて、弾性体の表面に楕円軌
跡を発生する。このような駆動原理に起因し
て、有効駆動面積は常に50％と低い。このため
弾性リングは無限自由振動系になり、不要なリ
ング面内高次モードが同時に励振されて、耳ざ
わりな可聴域騒音の発生源となつている。また
表面波デバイスの構成を駆動原理としているの
で、ステータがエンドレス構成にならざるを得
ず、きわめて設計範囲が狭い。

(4) 全面積の半分は常に強制励振々動子として機
能するが、他の面積は無限自由振動系として開
放されるので、特に実駆動時レベルの重負荷で
は顕著にたて方向歪の分布が不均一となり回転
ムラを生じる。

発明の目的 本発明の目的は、上記諸種の欠点を解決するた
めに、圧電セラミツク振動子の励起する高効率な
空間波に着目し、これを駆動力とすることによつ
てきわめて能率のよい実用的な圧電モータを提供
することにある。

発明の構成 本発明による圧電モータは、４つの圧電振動子
と音響材料とを含みそれらが厚み方向に重ねられ
た固定子と、その固定子に対して厚み方向に重ね
られて面接触する摺動子とを備えている。前記４
つの圧電振動子は摺動子移動方向に分割された一
対もしくは複数対の分割領域からなる厚み方向分
極を有し、それらの分極は隣接する領域において
は互いに方向が逆である。前記４つの内の２つ
を、分極方向が互い異る領域が対向するように重
ねて一対とし、同じものを２組つくる。前記構成
からなる２組の圧電振動子は、一方の各分極領域
の境界近傍が他方の各分極領域の中央近傍に位置
するよう配置される。以上のような構成の圧電振
動子を、互いに位相のずれた所定の強制励振周波
数の電圧で駆動すると、両圧電振動子による固定
子の合成振動はその最大振幅位置が時間とともに
一定方向に移動するものとなり、その頂点に接す
る摺動子はその方向の駆動力を受ける。

実施例の説明 本発明の実施例の詳細について図面を用いて説
明する。固定子は例えば第４図に示すような構造
を有する。円板形状の第１圧電振動子１１及び１
２の表面には例えば45゜毎の領域に分割された８
個の電極１１ａ，１２ａが設けられている。この
電極１１ａ，１２ａは銀，銀パラジウム，ロジウ
ムあるいはニツケルなどの導電材料を用いて、第
１圧電振動子１１，１２の表面に印刷，蒸着ある
いはメツキなどの方法により形成されている。裏
面に具備される電極（図示せず）は前記表面電極
と同様に分割されても、されていなくとも良い。
以上のように構成された第１圧電振動子１１，１
２の相隣合う電極毎に、板厚方向に分極方向が互
に異なるようにして分極を行なう。この結果第４
図において示すように互い違いにプラス極性ある
いはマイナス極性を有する領域からなる８極、４
組の強制励振振動子が構成される。電極１１ａ，
１２ａは、分極後は分割されている必要はなく、
一括して電圧を印加できるように接続される。円
板形状の第２圧電振動子１３及び１４も第１圧電
振動子１１，１２と同様の構造であり、互い違い
にプラス極性あるいはマイナス極性を有する８
極、４組の強制励振振動子が構成されている。

前記第１圧電振動子１１，１２あるいは第２圧
電振動子１３，１４の最小振幅位置は、各々相隣
合う電極どうしの境界位置近傍となり、最大振幅
位置は各々の電極の中央近傍位置となる。そし
て、両圧電振動子１１，１２，及び１３，１４
は、第１圧電振動子１１，１２の最大振幅位置と
なる電極中央近傍に、第２圧電振動子１３，１４
の最小振幅位置となる相隣合う電極どうしの境界
が位置するよう重ね合わされている。

以上のように構成された電１圧電振動子１１，
１２及び第２圧電振動子１３，１４は、それぞれ
の電気端子である金属薄板１５，１６，１７と共
に重ね合わせて貼り合わされる。さらに圧電振動
子の最上部には、振動伝達部材であるリブ１８及
び結合軸１９が重ね合わせて取付けられている。
部材のリブ１８は、アルミニウム，黄銅，鉄，ス
テンレス，焼入鋼，あるいはナイロン等の合成樹
脂材料，セラミツク材料，ガラス材料，ゴム材料
あるいはそれらを複合化した複合材料等からなる
音響材料あるいは摩擦材料等を用いて形成されて
いる。

またリブ１８は圧電振動子１１と一体構造体とし
て形成されることもある。結合軸１９についても
同様の構造あるいは音響材料を用いて形成されて
いる。

以上のように構成したものを第５図において示
す固定子２０として用いる。第５図に示すよう
に、固定子２０により定まる強制励振駆動周波数
にて発振器２１により発振された出力信号を分岐
し、一方を直接増幅器２２に、他方を移相器２３
を介して増幅器２４に入力する。前記移相器２３
では後述するような正方向回転あるいは逆方向回
転に使用する±10゜ないし±170゜の範囲で位相シ
フトした信号が整形される。前記発振器２１の出
力信号を直接増幅器２２に入力して増幅した信号
をリード線２５及び２６により第１圧電振動子１
１，１２に印加する。それにより固定子２０に
は、第１圧電振動子１１，１２の分極方向が互に
異なるプラス極性あるいはマイナス極性を有する
領域の一対を１波長として８極、４組の強制励振
振動子に対応する４波長の強制励振波が発生され
る。第２圧電振動子１３，１４も増幅器２４の出
力をリード線２７，２８を介して印加することに
より同様に駆動される。

第６図に第１圧電振動子１１，１２及び第２圧
電振動子１３，１４に電気信号を印加したとき
の、たて方向の歪を、最大直径に対して70％程度
の位置での周方向位置に対する変化として測定し
た結果を示す。測定は測定個所にHe−Neガスレ
ーザ光を照射し、入射光と反射光との干渉法を用
いて測定した。第６図ａにはリード線２５及び２
６に信号を印加して第１圧電振動子１１，１２を
駆動したときの測定結果を示した。50V印加時±
0.8μｍ程度の振幅を示した。最小振幅位置は各々
相隣合う電極と電極の境界位置近傍となり、最大
振幅位置は各々の電極の中央近傍位置となつてい
る。同様にして第２圧電振動子１３，１４を駆動
した場合に測定したたて方向歪の結果を第６図ｂ
に示した。50V印加時±0.8μｍ程度の振幅を示し
た。最小振幅位置は各々相隣合う電極の境界位置
近傍となり、最大振幅位置は各々の電極の中央近
傍位置となつている。

次に第１圧電振動子１１，１２及び第２圧電振
動子１３，１４を第４図及び第５図に示した構成
により同時に駆動したときの測定結果を６図ｃに
示した。たて方向の歪の分布において、ａとｂと
の中間位置に振幅が最大を示す位置が移動してい
る。またたて方向歪の最大振幅は約1.3倍程度に
大きくなつている。ここで、前述のように第２圧
電振動子１３，１４は第１圧電振動子に対して±
10゜ないし±170゜位相シフトして駆動されるため、
合成波Ｃの最大振幅位置は、時間とともに一定方
向に移動する。

固定子２０の上には、摺動子２９が当接してい
る。摺動子２９は、摩擦材料あるいは弾性材料等
からなる弾性体３０とそれに結合された音響材料
３１から構成される。

上述のように固定子２０を駆動すると、固定子
２０における摺動子２９に面する側の振動の頂点
が摺動子２９に接触し、しかもその頂点が時間と
ともに移動するため、摺動子２９には横方向成分
を有する力が加えられることになる。かくして摺
動子２９は、固定子２０により定まる駆動周波数
により横方向成分による位置移動を繰り返す結
果、ほぼ１分間に数回転ないし１千回転程度の範
囲での回転運動を得ることができるる。発生トル
クは固定子を構成するところの音響材料及び固定
子等と面接触をなす摺動子の摩擦係数及び接触面
積あるいは受ける荷重の大きさ等により変化する
が、数捨ｇ・・cmから数千ｇ・cmの範囲のト
ルクを得ることができた。また回転の方向につい
ては、基準信号に対して＋10゜ないし＋170゜の範
囲で位相シフトした信号を第２圧電振動子に印加
して駆動したときに得る回転を例えば正方向回転
とすると、基準信号に対して−10゜ないし−170゜
の範囲で位相シフトし信号を同時に印加して駆動
したときに得る回転方向は逆方向の回転となる。
また回転数は印加信号の大きさあるいは位相、あ
るいは接触部の受ける荷重等の大きさを選ぶこと
により任意に選定可能である。

さらに第４図及び第５図に示した構成による
と、従来方式のヤング率の大きい金属を歪ませる
という重負荷が解消される。さらにそれぞれの圧
電振動子がアクテイブな、並列型のバイモルク構
造となつているために、一定電圧による駆動では
機械的な変位は２倍となつている。また静電容量
は４倍となり交流インピーダンスは1/4に減少す
るので、有効駆動が実現できる。また印加時の高
い発熱がおこらずに、きわめてリニアリテイの良
い圧電モータが実現できる。さらに有効駆動面積
が常に100％となるので不要振動や騒音及び回転
ムラを生じることがない。

第７図には、固定子２０に電気信号を印加した
駆動時のたて方向の歪を、仮想線にて示す固定子
２０の断面方向に対する変化として測定した結果
を示す。測定は周方向の測定と同様に、レーザ光
による干渉法を用いて測定した。50V印加時、第
４図において示したリブ１８近傍において1.8μｍ
程度の最大振幅を示した。振幅の移相折り返し点
いわゆる振動は節は、直径を100％とすると、80
〜85％の位置となりほぼ直線的に変化しており終
端は2.5μｍ程度の振幅となつた。後述する第１１
図において示したように、固定子２０の下部に
は、緩衝体３３が設けられる。固定子２０は前記
緩衝体３３を基本として第７図に示すように湾曲
するので、みかけ上振幅が拡大される効果を得
る。また支持位置を振動の節近傍とすると、より
損失の少ないドライブが実現できる。この結果リ
ブ１８において摺動子２９の推力となる横方向成
分が増して、前記摺動子２９がきわめて能率よく
一定方向に駆動される。

第８図に、本発明による圧電モータの駆動電圧
と回転数の関係を示した。ａに比較のため、従来
の表面波形圧電モータの特性を示した。ｂは、本
発明による圧電モータのリブ無しにおける特性、
ｃは、本発明による圧電モータのリブの上下方向
長さが２mmの場合の特性、ｄは、本発明による圧
電モータのリブの上下方向の長さが４mmの場合の
特性をそれぞれ示している。このように固定子の
部材のリブ１８の上下方向長さを変化させること
により、所望の走行スピードを得ることができ
た。これらのことから本発明による圧電モータが
きわめて能率のよいことわかる。第８図におい
て、最大スピードが360rpmとなつているが、直
径を大きくした試作機あるいは前記リブ１８の直
径を小さくしたモデルなどでは、1000rpm程度の
スピードが測定できた。またこのときの消費電力
は、従来の圧電モータに比べて1/10〜1/100程度
となつた。さらに電力効率もDCマイクロモータ
等よりも比較的良い値となつた。

第９図に、固定子の部材のリブ８の構成の１例
を示した。リブ１８の摺動子２９との当接面に
は、前記摺動子２９の移動方向と直交する方向と
なる径方向に、深さ数μｍ〜数mm程度の複数個
の、例えば1゜あるいは数10度おきにエツチングあ
るいは機械加工されたナイフエツチの溝３２が設
けられている。リブ１８及び摺動子２９の回転摩
耗による析出粉を、溝３２によりクリーニングす
る効果が得られる析出粉は前記溝３２の内を案内
されて外部に運ばれる。この結果前記リブ１８及
び摺動子２９の両接触面は初期の摩擦係数及び接
触面積を維持することができ、発生するトルクは
常に一定となつた。

第１０図に、リブ１８と、摺動子２９の弾性体
３０の材質を変えた時の動作時間の変化を示す。
ａは、石綿等をゴム系バインダーにより複合化し
た材料により弾性体３０を構成した場合の動作時
間を示している。ｂは、リブ１８の材料として焼
入鋼等の構造用材料を用いたときの動作時間を示
している。ｃは、パルプやシリカ等を合成樹脂系
バインダーにより複合化した材料により弾性体３
０を構成した場合の動作時間を示している。ｄ
は、第９図に示したように、リブ１８に回転摩耗
による析出粉をクリーニングするナイフエツチの
溝を設けたときの動作時間を示したものであり、
約1000時間以上の回転実積においも初期特性を保
証できる。

第１１図に、第４図及び第５図に示したような
固定子等を用いた圧電モータのより具体的な一実
施例を示す。第５図と同様の部分については同一
番号を付した。リード線２５，２６，２７，２８
を付与された固定子２０は、緩衝体３３を介して
フレーム（図示せず）に振動自由に装着されてい
る。固定子２０の上には、結合軸１９に挿入され
たベアリング等から成る軸受３４を介して摺動子
２９が当接している。押圧力調整ネジ３５は結合
軸１９の上端部に装着され、これを締め付ける
と、菊形板バネ３６が撓み、任意の押圧力で前記
固定子２０と前記摺動子２９を当接させることが
できる。この結果数捨ｇ・cmから数千ｇ・cm
の範囲のトルクを得ることができた。また摺動子
２９の上には、固定リング３７が固着されてお
り、仮想線で示したガイドリング３８との間に被
回転体を挾み込むことにより、被回転体に回転が
伝達される。

以上の構成から成る圧電モータは見掛けの収納
面積を感じさせないばかりか駆動信号の位相を変
化させるだけで正転・逆転駆動が任意に可能とな
り、かつ約1000rpm以内の低・中速回転において
数千ｇ・cm程度内のトルクが発生できる。また
回転数は印加信号の大きさあるいは位相、あるい
は接触部の受ける荷重等の大きさあるいはリブの
長さなどを選ぶことにより約1000回転程度迄任意
に選定可能である。したがつて減速機等が全く不
要である。かつ常に接触摩擦対偶をなすので慣性
モーメントが無く、微小なパルス動作性に富むう
えにコンパクト性に優れている。また構造が至つ
て簡単であるので低価格である。

発明の効果 以上のよううに本発明による圧電モータは、固
定子４個の圧電振動子を備え、それらの圧電振動
子は摺動子移動方向において交互に分極の向きの
逆転した少くとも一対の領域に分割されるととも
に、互いに分極方向が異なるように重ねられた対
を２組構成し、両組は互いにほぼ半領域ずらして
配置され、その固定子に摺動子が当接させられた
構成であり、両圧電振動子に互いに位相のずれた
所定周波数の電圧を印加することにより、一定方
向に移動する振動波が固定子中に発生し、摺動子
が駆動されるものである。しがつて極めて簡単な
構造でモータを構成することができ、小型で応答
の良いモータを実現することができる。

しかも、圧電振動子の前記のような対は、アク
テイブな並列型のバイモルフ構造により、推力と
なる横方向成分を得る構造となつているために、
一定電圧では、機械的変位が２倍となり、かつ断
面方向の撓みの全域を出力しているので、スピー
ドが平均化されずにピーク速度を取り出すことが
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は各々従来例の圧電モータの
構成を示す断面図及び平面図、第３図はその動作
を示す斜視図、第４図は本発明の１実施例におけ
る圧電モータの固定子の分解斜視図、第５図は同
固定子を用いた圧電モータの概要とその駆動回路
を示す断面図、第６図及び第７図は第５図の圧電
モータ固定子における歪分布を示す図、第８図は
本発明による圧電モータの駆動電圧に対する回転
数の特性を示すグラフ、第９図は同モータの固定
子要部の斜視図、第１０図は同モータの動作時間
特性を示すグラフ、第１１図は本発明の一実施例
における圧電モータのより具体的な構造を示す一
部断面で示した正面図である。 １１，１２，１３，１４……圧電振動子、１１
ａ，１２ａ……電極、１５，１６，１７……金属
薄板、１８……リブ、２０……固定子、２９……
回転子、２１……発振器、２３……移相器、２
２，２４……増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１対の領域に分割されその各領域
   の分極方向が交互に逆転しているよう構成された
   ２枚の圧電振動子を、対向する領域の分極方向が
   互に異なるように重ねて１組と成し、同様に構成
   した他の１組の圧電振動子を、その一方における
   前記各領域の中央部近傍に他方の圧電振動子の前
   記各領域の境界が位置するよう重ねて配置した圧
   電振動子群を備えて構成した固定子と、その固定
   子と面接触をなす摺動子とを具備することを特徴
   とする圧電モータ。 ２ 固定子が、摺動子と圧電振動子との間に介在
   するよう配置された振動伝達部材を備えているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電
   モータ。 ３ 振動伝達部材の位置が、固定子の縦方向変位
   最大近傍に設けられたことを特徴とする特許請求
   の範囲２項記載の圧電モータ。 ４ 振動伝達部材の摺動子当接面に、複数個の深
   さ数μｍ〜数mmの溝を有する特許請求の範囲第２
   項記載の圧電モータ。 ５ 振動伝達部材の厚みが、圧電振動子と同等な
   いし100倍程度であることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の圧電モータ。 ６ ２組の圧電振動子が、所定の周波数の電圧を
   互いに位相をずらして印加されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の圧電モータ。 ７ 摺動子が、固定子側に位置する弾性体とそれ
   に結合された音響材料とからなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の圧電モータ。 ８ 両圧電振動子の分割が等分であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の圧電モータ。 ９ 両圧電振動子が円板形であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の圧電モータ。 １０ 固定子の中心部に軸を有することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の圧電モータ。