JPS61106076A - 超音波モータ - 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 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。

従来の技術 近年、圧電体セラミックス等の電気−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、・〕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。

日経メカニカル（５Ｂ、２．２８）などに掲載され　□
た従来の圧電モータでは、厚い金属リングなどの表面に
圧電素子リングを砧合わせて一体化してこれをステータ
としている。この圧電モータは、弾性表面波とも呼ばれ
るレーリー波を利用している。

この波は物質の表面付近を伝幡する波であり、波は縦波
・横波の両成分をもっている。

以上のように構成された従来の圧電モータに。

２相、３相モータと同じ原理で位相のずれた交流信号を
加えると、周方向に伸縮し、前記ステータに表面波が発
生する。第１２図は、従来の圧電モータのステータとそ
の表面に当接する動体と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のように
（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Ｉ軸の
負の方向にＶ＝２πｆｕの速度を持つ。

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ことにより、従来の圧電モ
ータは接触する動体（ロータ）に回転を案内している。

またこの表面波利用の圧電モータは２相・３相モータと
同じ原理で位相のずれだ電源により、容易に回転方向を
切り換えることができる。

これらの駆動原理は、公告特許昭５８−３２６１８にも
明らかにされており、摩擦接触部に生じる縦振動と横振
動を同一周波数であるが位相をずらして励振すると、横
方向に向く力が発生するので接触する物体が動くことと
して、縦波と横波の合成された進行波の概念が開示され
ている。

発明が解決しようとする問題点 上記のような構成においては、以下のような問題点を有
していた。

（１）　　駆動原理となる振動姿態を得るに要する応力
は、ステータ表面において最大値を示す。３羽の厚さの
ステータでは垂直応力は約２０００１ｊ／−程度ともな
り、これに抗して必要となる電力はバイモルフの通常理
論値の約１００〜１ｏ００倍となる。

（２）　　−！た振動の中性面がステータを構成する金
属等の弾性体内にあるために、電気−機械変換子として
の圧電体は、効率のよい節駆動とならずに、非・能率的
な腹部駆動となっておシ、駆動源となる圧電体に限って
も、この駆動原理では全エネルギーの５／８以上が無効
エネルギーとなっている。

（３）加えて約０．２６μｍ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、およびその方向がそれぞれに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近い低ス
ピードになっている。このため実用的な回転数及びトル
ク等を得るためには、従来モータの１０〜１００倍程度
という大電力を必要とした。

（４）　　４た従来の表面波形の圧電モータはドライブ
電極が２組に別れており、Ａ電極の励起した波がＢ電極
側に伝幡されるか、反対にＢ電極の励起した波がＡ電極
側に縦波成分と横波成分を持つ波として伝幡されて、弾
性体の表面に楕円軌跡を発生させる。このような駆動原
理に起因して、有効なドライブ面積は、常に５０％を越
えることがないため微弱な振動しか励振できず、かつス
テータがエンドレス構成になちざるを得す、−次振幅を
励起した上で二次振幅を用いるという二次効果利用のき
わめて応用範囲が狭い構成となっている。すなわち空間
波あるいはバルク波等による円板や矩形板のもつ直接・
強力な推力の使用が不可能である、 など、以上に述べた数多くの問題点を有していた。

問題点を解決するだめの手段 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つの板状圧電振
動子を、その一方における前記各領域の中央部近傍に他
方の板状圧電振動子の前記各領域の境界が位置するよう
配置するとともに、音響材料等からなる基体を、前記両
圧電振動子とともに多層に重ねて構成した固定子と、そ
の固定子と面対向する摺動子とを具備し、前記固定子表
面に前記摺動子と接触し見掛上機械的負荷とならない撮
動伝達部材、例えば断面形状を中空としたもの、周方向
Ｕ′複数個に分割されたもの、あるいはアルミニウムな
どの軽金属材料９合成樹脂材料。

あるいはゴム材料等から成るものを設けたことを特徴と
する。

作　　　用 摺動子への振動伝達部を固定子表面に設けることにより
、縦方向歪および横方向歪が動作時に拡大作用して、接
触する二物体の該表面アラサを越える機械振幅を得るこ
とにより、回転エネルギーあるいは推進エネルギーを最
も効率よく取り出すことができる。

実施例 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１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１の表面には例えば４６゛苺の領
域に分割された８個の電極１ａが設けられている。この
電極１ａは金、銀、銀パラジウム、ロジウムあるいはニ
ッケルなどの導電材料を用いて、第１圧電振動子１の表
面に印刷、蒸着あるいはメッキなどの方法によシ形成さ
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１の相隣合う電
極毎に、板厚方向に分極方向が互いに異なるようにして
分極を行なう。この結果第１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
１ａ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２も第１圧電振動子１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１あるいは第２圧電振動子２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１゜２は、第１圧電振動子１の
最大振幅位置となる電極中央近傍に、第２圧電振動子２
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第１圧電振動子１及び第２圧電
振動子２は、圧電振動子と同等ないし１００倍程度の厚
みを有する固定子基体３に重ね合わせて取付けられる。

この固定子基体３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
ラミック材料、ガラス材料、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。また前記固定子基体３の表面には
、例えば直径の約％程度となる位置近傍に撮動伝達部材
である突起４、中心に軸６が形成されている。

この振動伝達部材である突起４の種々の態様について詳
細を第２図、第３図及び第４図に示した。

第１図と同じ部分については同じ番号を付して説明を略
す。

第２図は、音響材料等から成る固定子基体３の断面図を
示したものである。直径の約％程度となる位置近傍に、
その肉厚が例えば０．６間程度で高さと幅が共に３闘程
度の前記固定子基体３と一体構造の、振動伝達部材であ
る突起４ａが形成されている。

このような構成によると、前記振動伝達部材である突起
４ａの形成にもかかわらず、強性な励振のレベルを表わ
す機械共振特性のダイナミックレンジの大きさが変化す
ることなく、かつ径方向における縦方向歪の最大位置が
突起４ａによシ外側に移ることもなく、見掛上は機械的
な負荷が皆無となるという効果を得ることができた。こ
のことによシ回転エネルギーを最も効率よく取シ出すこ
とができた。

第３図は他の実施例であり、音響材料等から成る固定子
基体３の平面図を示したものである。直径の％程度とな
る位置近傍に、その高さが３朋程度で、幅が２羽程度の
前記固定子基体３と一体構造の、例えば１５°毎に分割
された振動伝達部材である突起４ｂが形成されている。

このような構成によると、前記振動伝達部材である突起
４ｂの形成にもかかわらず、強性な励振のレベルを表わ
す機械共振特性のダイナミックレンジの大きさが変化す
ることなく、かつ径方向の縦方向歪の最大位置が突起４
ｂにより外側に移ることもなく見掛上は機械的な負荷が
皆無となるという効果を得ることができた。このことに
より回転エネルギーを最も効率よく取り出すことができ
た。

第４図は更に他の実施例であシ、音響材料等から成る固
定子基体３の斜視図を示したものであるっ前記固定子基
体３の直径の％程度となる位置近傍に、その高さと幅が
共に３ｆｌ程度の表面を耐摩耗性材料によりコートされ
た、アルミニウムなどの軽金属材料９合成樹脂材料ある
いはゴム材料等から成る撮動伝達部材である突起４Ｃが
固着されている。

このような構成によると、前記振動伝達部材である突起
４Ｃの形成にもかかわらず、強性な励振のレベルを表わ
す機械共振特性のダイナミックレンジの大きさが変化す
ることなく、かつ径方向の縦方向歪の最大位置が突起４
Ｃにより外側に移ることもなく見掛上は機械的な負荷が
皆無となるという効果を得ることができた。このことに
より回転エネルギーを最も効率よく取り出すことができ
た。

なお、第６図に示すように構成された突起４の摺動子１
４との接触面に、前記摺動子１４の移動方向と直交する
方向となる径方向に、深さ数μｍ〜数１０問程度の複数
個以上から成る、例えば１０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ッチの溝（図
示していない）を設けると良い。それにより、突起４及
び摺動子１４等の回転摩耗による析出粉をこの溝により
クリーニングする効果が得られる。析出粉は前記溝の内
を案内されて外部に運ばれる。この結果前記突起４及び
摺動子１４の両接触面は、摩擦係数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
に一定となった。

以上のように構成したものを第６図において示す固定子
６として用いる。第５図に示すように、固定子６により
定まる強制励振駆動周波数にて発振器７により発振され
た出力信号を分岐し、一方を直接増幅器８に、他方を移
相器９を介して増幅器１０に入力する。前記移相器９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７の出力信号を直接増幅
器８に入力して増幅した信号をリード線１１及び１２に
より第１圧電振動子１に印加する。それにより固定子６
には、第１圧電振動子１の分極方向が互いに異なるプラ
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２も増幅器
１０の出力をリード線１２．１３を介して印加すること
により同様に駆動される。

第６図は第１圧電振動子１及び第２圧電振動子２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７ｏ％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１１及び１２に信号を
印加して第１圧電振動子１を駆動したときの測定結果を
示した。ｓｏＶ印加時±Ｏ，Ｓμｍ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
なっている。同様にして第２圧電振動子２を駆動した場
合に測定したたて方向歪の結果を第６図すに示した。ｓ
ｏＶ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っている
。

次に第１圧電振動子１及び第２圧電振動子２を第５図に
示した構成によシ同時に駆動したときの測定結果を第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倍程度に大きくなっ
ている。ここで、前述のように第２圧電振動子２は第１
圧電振動子に対して±１０’ないし±１７ｏ０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６の上には、摺動子１４が接触している。

摺動子１４は、摩擦材料あるいは弾性材料等からなる弾
性体１６とそれに結合された音響材料１６から構成され
る。

上述のように固定子６を駆動すると、固定子６における
摺動子１４に面する側の振動の頂点が摺動子１４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１４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１４は、固定子６によシ定まる駆動
周波数によシ横方向成分による位置移動を繰り返す結果
、はぼ１分間に数回転ないし数千回転程度の範囲での回
転運動を得ることができる。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、数拾ｇ＋・αから数千ｇｆ　ａｒ
ｍ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
０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’ないし一１７０°の範囲
で位相シフトした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。

本発明の構成によると、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ている。従来方式
では、楕円状軌跡の短軸２ｕを増すには、貼合わせる金
属の厚みを全面にさらに上積して厚みを加えることによ
り可能と考えられる。

共振特性のダイナミックレンジの大きさは、強性な励振
のレベルを表わすが、前記金属厚みを１肩が増すごとに
共振特性は１５ｄＢ程度減衰するので、実際には推力と
なる短軸２ｕを増すには、大電力による駆動を必要とす
る。この場合きわめてリニアリティの悪い構造のため高
い発熱をともなうが、推力の増加は極めて僅かである。

第７図に本発明による固定子６に電気信号を印加した駆
動時のたて方向の歪を、仮想像にて示す固定子６′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。ｓｏＶ印加間、振動伝達部材である突起４
近傍において１．８μｍ程度の最犬掻幅を示した。振幅
の移相折り返し点いわゆる振動の節は、直径を１００％
とすると、８０〜８５チの位置となりほぼ直線的に変化
しており終端は２．６μｍ程度の振幅となった。また前
記振動の節近傍から電気信号印加用リード線１１．１２
．１３をとりだすと振動疲労による断線が皆無となった
。また、後述の第１１図において示したように、実用的
な構造としては、固定子６の下部に、緩衝体１γが設け
られる。その場合、前記固定子６は前記緩衝体１γを基
体として第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。

この結果突起４において摺動子１４の推力となる横方向
成分が増して、前記摺動子１４がきわめて能率よく一定
方向に移動する。

第８図に、本発明によって成る圧電モータの駆動電圧と
回転数の関係を示しだ。（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、本発明と
同様の構造で突起のない圧電モータの特性、（Ｃ）は、
本発明による圧電モータの突起の上下方向長さが４朋の
場合の特性、（ｄ）は、本発明による圧電モータの突起
の上下方向の長さが８朋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突起４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って成る圧電
モータがきわめて能率のよいことがわかる。第８図にお
いて、最大スピードが３６Ｏｒｐｍとなっているが、直
径を犬きくした試作機あるいは前記リブ３６の直径を小
さくしたモデル、あるいは圧電振動子の厚みを薄くした
試作機などでは、１１０００ｒｐ〜２００Ｏｒｐｍ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
１／１ｏ〜１　／１０Ｑ程度となった。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った。

第９図に、突起４と、摺動子１４の弾性体１５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１６を
構成した場合の動作時間を示している。ｂは、突起４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１６を構成した場合の動
作時間を示している。ｄは、突起４に回転摩耗による析
出粉をクリーニングするナイフエッ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
回転実損においても初期特性を保証できている。

従来の圧電モータの回転数は数回転から３゜ｒｐｍ程度
と限られている。これはサブミクロンという微小な振幅
を用いる表面波形の駆動原理によっており、従来の圧電
モータは低速を特長として、カメラレンズ等の駆動を目
的としたものである。

本発明による強性な振動となる空間波あるいはバルク波
を直接に用いた圧電モータは、第１図。

第２図、第３図及び第４図において示した突起４が例え
ば８朋程度の高さのときに、ｓｏＶの駆動電圧では２２
　Ｏｒｐｍ程度の回転数を得ている。前記突起４の直径
を変化したときの、前記直径と回転数の関係を第１０図
に示した。本発明による圧電モータは、第１Ｑ図から明
らかなように１分間に数回転から千回転程度まで、突起
４の直径あるいは高さを選定することによシ任意に希望
とする回転数を得ることができる。さらに駆動電圧２０
０■程度までＩＪ　エアな特性となっているので電圧の
アップによっても回転数を２０００　ｒｐｍ程度まで増
すことができる。また構成原理あるいは構成部品に磁石
やコイル等という一切の磁気的手段を有していないので
、例えば４００　ｒｐｍあるいは７００ｒｐｍ程度の圧
電モータでは、フロッピーディスクあるいはビデオテー
プレコーダ等の磁気記録・再生機器モータとしては、磁
気的影響が皆無であるという理想的なモータを得ること
ができる。

第１１図に、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。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１１゜１２．１３を付与さ
れた固定子６は、緩衝体１７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６の上には軸
５に押入された軸受１８を介して摺動子１４が接触して
いる。

押圧力調整ネジ１９は軸５の上端部に装着され、これを
締め付けると、菊形板バネ２０が撓み、任意の押圧力で
前記固定子６と前記摺動子１４を接触させることができ
る。この結果数拾ｇｆｅｚから数千ｑｆ−αの範囲のト
ルクを得ることができた。

また摺動子１４の上には、固定リング２１が固着されて
おり、仮想線で示したガイドリング２２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シ、かつ約２０００　
ｒｌ）ｍ　　以内の低・中速回転において数千９ｆ１１
α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
の大きさあるいは突起の長さ直径等を選ぶことにより約
数千回転程度迄任意に選定可能である。したがって減速
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。また構造が至って簡単
であるので低価格である。

発明の効果 本発明による圧電モータは、円板形状のバルク波を直接
な手段で励振する構造により、推力となる横方向成分を
得る構造となっているので、一定電圧では機械的変位が
数倍となり、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図は本発明の一実施例における圧電モータの固定子
の分解斜視図、第２図、第３図及び第４図は各々、同モ
ータ固定子基体の異なる実施例を示す断面図、平面図及
び斜視図、第６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
６図の圧電モータ固定子の駆動時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図は同モータの動作
時間特性を示すグラフ、第１０図は本発明による圧電モ
ータの固定子要部の直径に対する回転数の特性を示すグ
ラフ、第１１図は本発明の一実施例における圧電モータ
のよシ具体的な構造を示す一部断面で示した正面図、第
１２図は従来例の圧電モータの動作を示す斜視図である
。 １．２・・・・・・圧電振動子、１ａ・・・・・・電極
、３・・・・・・固定子基体、４・・・・・・突起、６
・・・・・・固定子、１４・・・・・・摺動子、７・・
・・・・発振器、８，１０・・・・・・増幅器、９・・
・・・・移相器。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第　
１　図 第３図 ３固定子基本 第４図 ３同定子鉢 第５図 第６図 −十一＋ 第７図 第８図 Ｍ動ｖ氏Ｃｖｒ−ｒ） 第９図 第１０図　　　　　　　　　　Ｃ′″ｒ）０　　　　　
２０　　　　　４Ｄ　　　　　　ω　　　　　８０　　
　　　　ｔｏ。 直径（−

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （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つの板状
   圧電振動子を、その一方における前記各領域の中央部近
   傍に他方の板状圧電振動子の前記各領域の境界が位置す
   るよう配置するとともに、音響材料等からなる基体を、
   前記両圧電振動子とともに多層に重ねて構成した固定子
   と、その固定子と面対向する摺動子とを具備し、前記固
   定子表面に前記摺動子と接触し見掛上機械的負荷となら
   ない振動伝達部材を有することを特徴とする圧電モータ
   。
2. （２）基体と一体構造の振動伝達部材の断面形状が、中
   空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。
3. （３）振動伝達部材が、周方向において複数個に分割さ
   れ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。
4. （４）振動伝達部材が、軽金属材料、合成樹脂材料ある
   いはゴム材料から成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。