JPS6118370A - 圧電モ−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。

従来例の構成とその問題点 近年圧電セラミクス等の圧電体を用いて超音波振動を励
振することにより、回転あるいは直線せたは曲線運動を
する圧電モータが発表され、構成部品数の少なさ、高効
率および形状が小さくできること等の点で注目されてい
る。

以下に図面を参照しながら従来の圧電モータについて説
明を行なう。

第１図は日経メカニカル（６８，２，２ｓ　）などに掲
載された従来の圧電モータの一例であり、円環形弾性体
１の表面に円環形圧電セラミクス２を貼合せて、円環状
圧電セラミクス２が円環状弾性体１を励振して一体とし
て振動するようにしている。

円環形圧電セラミックス２は、第２図に示すように例え
ば２２．６°あるいは１１．２５°の分割比により、１
７個の領域に分割し、分極の方向が隣り合う領域で逆方
向となるように分極している。その後、圧電体表面を導
電性塗料などで、第２図のように電極を覆うことにより
２つの部分Ａ、Ｂにまとめる。ここで、第２図のＥはア
ース端子である。

第１図に示す」：うに、前記円環形弾性体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従来の圧電モータについてその
動作を以下に説明する。前記圧電体２の片側の電極Ａに
Ｖ　　ｓｉｎωｔ、他方の電極ＢにＶ。

○ ｃｏＳωｔ（ただし■。は電圧の瞬時値、ωは角周波数
、ｔは時間である。）の互いに位相がπ／２ずれた交流
信号をそれぞれ印加する。すると分割した領域が交互に
周方向に伸縮し、円環形弾性体１に曲げ振動が発生する
。第３図は第２図の圧電モータの一部分の斜視図であり
、分極方向が逆である隣り合う部分が上記のような駆動
により、曲率が逆の曲げ振動をしている様子を示す。第
４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（例え
ば御子柴宣天著「音波物性」昭和４８年三省堂社発行を
参照）。弾性体の表面手の１つの点Ａに着目すると、点
Ａは長軸２　ｗ　、短軸２ｕの楕円状の軌跡を描いてい
る。弾性体が動点と接触する頂点で、点Ａ゛はＸ軸の負
の方向に’ｔ／＝２πｆｕの速度を持つ。ここでｆは駆
動周波数で、ｏＪ−２π、ｆの関係を持つ。この結果、
動体は弾性体メの摩擦力で波の進行と逆方向に速度■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
たけ弾性体の曲げ振動を進行波として励起させることが
考えられる。しかし、駆動周波数を決定すれば、弾性表
面波では曲げ振動よりも波長が長い。前述したように圧
電モータは弾性体の弾性波の頂点が動体と接触して動体
を駆動するので、この接触面積が大きい程大きなトルク
が得られることになる。

従って、曲げ振動を使った方が同じ大きさなら接触面積
が太きくな９圧電モータとして好ましい。

捷た、変位が犬きくとれる点でも曲げ振動の方が有利で
ある。

上記に述べた従来例では、圧電素子２の一部にアース端
子Ｅを設けるととにより、曲げ振動を進行波として用い
ている。進行波は一般にξ＝ｃｏｓωｔ、ｃｏｓｋｘ＋
ｓｉｎωｔ−５ｉｎｋｘ　　　−・＝・−・（１）（ｋ
：波数） で表わされる。（１）式より、進行波は時間的にπ／２
だけ位相のずれたｃｏｏｓωｔとｓｉｎωｔ　および位
置的にπ／２だけ位相のずれたｃｏｓ　ｋ　ｘと５ｉｎ
ｋｘ　　とのそれぞれの積の和で進行波が得られ、前述
の説明より従来例の圧電モータがこのような構成と駆動
法をとっていることがわかる。

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。

第５図は前述した圧電モータの弾性体１の表面に励起さ
れた曲げ振動の振幅の分布を、径方向に計測したもので
、外径部の一番振幅の大きい所で正規化している。同図
より内径を変えても振幅分布の正規化後の関数形はほぼ
同じである。また第６図は圧電モータの弾性体１の内挿
／外径比を変化させた時の、同一駆動電流密度値（電流
を電極面積で割ったもの）での外径部における振幅分布
である。第６図、第６図に示した変位は第４図のＷにあ
たるものである。しかし、今扱っている圧電モータにお
いては、形状材質が決まれば（圧電素子２と弾性体の厚
みおよびそれぞれの材質が決まれば）、ＷとＵは一定の
関係にある。第５図より弾性体１の表面の振幅は外径部
では非常に大きいが、内径部では小さくなっていること
がわかる。

この傾向は内径の大きさが小さくなる程（円環の幅が大
きくなる程）著しくなる。つまり外径部は動こうとする
が内径部は動きを抑制する役目をしている。

第６図は上記の事を示しており、内径の大きさが小さく
なる程抑制作用が強く働き、外径部での振幅が小さくな
ることを示している。このよう々理由で円環形の内径部
では外径部に対して、圧電セラミック２に入力された電
流は、変位にあまり寄与せず熱になる。圧電モータの動
体４の速度をあげるためには、圧電セラミック２の入力
電流を増加させて変位を大きくすればよいが、同時に発
熱も犬きくなり圧電セラミック２が劣化する。発熱を小
さくして変位を大きくするためには円環形の幅を小さく
すればよいが、弾性体１とスライダ３の接触面積が小さ
くなることにより摩擦力が減少し、そのため弾性体１と
スライダ３の開にすべりが生じ出力）・ルクが小さくな
る。また弾性体１とスライダ３の摩耗が大きくなるとい
う欠点があった０ 発明の目的 本発明の目的は、円環の内径部と外径部の振幅の差に起
因する駆動力の損失を解消して、出方トルクの太きい、
しかも回転速度の大きい高効率。

長寿命の圧電モータを提供することにある。

発明の構成 本発明の圧電モータは、円環形弾性体にその内径よりも
内径が大で外径はほぼ等しい円環膨圧電体を貼夕合わせ
て駆動体を構成し、前記弾性体に対して回転子を当接さ
せた構成であり、上記駆動体中での損失が／Ｊ％さくオ
た内径の変位が大きいのゝで、損失の小さい、しがも出
力トルクと回転速度を大きくできる圧電モータを提供で
きる。

実施例の説明 以下図に従って本発明の実施例について詳１細な説明を
行なう。第７図は本発明の一実施例である圧電モータの
断面図である。同図において、了は固定台であり、円環
形の圧電体５と円環形の弾性体６を貼り合せて作った駆
動素子１１を固定する役目と、回転子８の回転の中心と
なる回転軸９を固定する役目を果している。圧電体５は
弾性体６の内径よりも大きな内径を持つ。圧電体已に電
圧を印加して駆動すれば、駆動体１１０円周方向に曲げ
振動が励起されて、これが前述したように進行波として
円周方向に伝搬する。第８図は弾性体６の表面に励起さ
れた曲げ振動の様子を示している。この振動の結果、弾
性体６０表面の質点は楕円運動をし、この上に設置され
た回転子８は回転軸９を中心として回転する。回転軸９
の上端には突起が設けてあシ、これは回転子８の位置決
めをし回転子８を一定荷重で弾性体６に接触させておく
だめのバネ１０を固定する役目をする。前述したように
圧電モータは駆動体１１の表面の点が楕円運動をし、こ
の上に接触して置かれた回転子８が、弾性体６との摩擦
力により移動するので、圧電モータを一定速度、一定出
力トルクで動作させるためには、回転子８と駆動体１１
をバネ１０により一定荷重で安定に接触させておく必要
がある。

寸だ図中の１２はスライダであり、回転子８と一体化さ
れている。回転子８の回転中に起きる駆動体１１との間
のわずかな滑りに帰因する摩耗を防ぐために、スライダ
１２は耐摩耗性材料で作られている。

本実施例で用いている圧電体は第２図に示したものと同
様、円環の全周を偶数個の大きさに分割し、そのうちの
１つをさらに２分割して、第２図と同様な構成をとり、
大きい領域の円周方向の長さが半波長となるような周波
数で駆動する。故に分割の数はいくつでも良く、駆動周
波数を変えれば同様の動作ができる。第２図において、
Ｅ端子をアース端子として、Ａ、Ｂ端子にそれぞれＶ　
ｓｉｎωｔ　　、　　Ｖｃｏｓωｔ　　　　　　・山・
・・・・・川　（２）■＝電圧の瞬時値 ω：駆動角周波数 ｔ：時間 で表わされる電圧を印加すればよい。

しかし、駆動体１１の厚さが一定であると、駆動体１１
の内周付近での機械的損失は大きくなり、この部分で発
熱をすることにより、大きな電流で圧電体５を駆動すれ
ば圧電体５が発熱により劣化する。故に回転速度を大き
くするために、振曙を大きくとることには限界がある。

円環の幅が広ければこの限界は回転速度の小さい方へ下
がる。また回転速度を大きくとるために、円環形の幅を
小さくして振幅が大きくとれるようにすれば、駆動体と
回転子との間の接触面積が減少し摩擦力が小さくなって
出力トルクが低下する。上述のように、この円環形部動
体の発熱の原因は駆動体を構成する圧電体にあるので、
本発明の一実施例である第７図に示した圧電体の駆動体
１１は、第９図に示すように圧電体５の幅だけを小さく
することにより、問題を解決している。圧電体５と弾性
体６の外径は一致させて貼り合わせている。この構造を
とることにより、圧電体５の内周付近での損失は小さく
なり、大きな変位をとるために大きな電流で駆動しても
発熱は小さくなる。丑だ駆動体１１と回転子８の接触面
積は小さくならないので、駆動体１１と回転子８の摩擦
力は低下せず、従って圧電モータの出力トルクは低下し
ないで、回転速度を大きくとることができる。

また第１ｏ図は駆動体を構成する弾性体６の厚みを外径
部よりも内径部の方が薄くした円環形とした別の実施例
の駆動体を示している。第５図より駆動体の厚さが一定
であると、外径部に対して内径部の振幅はかなり小さい
が、駆動体の内径部での厚みを外径部の厚みよりも薄く
した第１０図に示したような構造をとれば内径部での振
幅は大きくなる。第１１図はこのことを示しだもので。

駆動体の厚さが均一な時の半径方向の振幅分布をＡに、
第９図に示しだ駆動体の特性をＢに、第１゜図に示すよ
うに内径部の厚さを薄くした時の特性、をＣに示してい
る。駆動体を構成する圧電体と弾性体の寸法と材質が決
まれば、楕円軌跡の垂直成分（今まで述べた振幅）と運
動方向の成分は一定の関係にあるので、第１１図の変位
が大きい方が回転子の回転運動の速度を大きくできる。

従って第１１図は駆動体の厚さが均一であるＡの特性で
は、内周付近は回転にあまり寄与しないことがわかる。

外周付近のみが回転子を回転させ、内周部ではその運動
を抑制さえしている。ところが、図のＢあるいはＣの特
性のようにすれば、内周付近も回転子の回転運動に大き
く寄与するので、回転速度をあげることができる。

発明の効果 本発明では、前述したように損失の少々い、寸だ内周の
変位を大きくできる駆動体の構成をとっているので、駆
動電流を大きくして回転速度を犬きくできる圧電モータ
を提供できる。

また回転子と駆動体の接触面積を大きくとれるので、出
力トルクが犬きくとれるなどの効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧電モータの断面図、第２図は第１図に
用いられている圧電体の形状と電極構造を示す平面図、
第３図は圧電モータの駆動体部の振動状態を示すモデル
図、第４図は圧電モータの原理の説明図、第６図は従来
例の駆動体の半径方向の正規化した振幅分布図、第６図
は駆動体の内径／外径比を変えた時の同一電流密度によ
る外径部での振幅特性を示すグラフ、第７図は本発明の
一実施例の圧電モータの断面図、第８図は同実施例にお
ける駆動体表面の振動状態を示す図、第９図は第７図の
実施例の駆動体の斜視図、第１０図は本発明の他の実施
例の駆動体の断面図、第１１図は従来例と本発明の実施
例の駆動体の半径方向の振幅分布を示すグラフである。 ５・・・・・圧電体、６・−・・弾性体、７−・・・固
定台、８・・・・回転子、９・−・・回転軸、１ｏ・・
・・・バネ、１１・・・・・駆動体、１２・・・・スラ
イダ。　。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第３図 箆４図 第５図 第６図 内径／外イ蚤比 第７図 第８図 第９図 第１０図 千伝万ｌｆｆ４

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）円環形の弾性体の主面の一方に、外形が前記弾性
   体の外径に略等しい円環形の圧電体を、外径が一致する
   ように貼合せて圧電駆動体を構成し、上記圧電体に電圧
   を印加することにより、上記駆動体に周方向の曲げ振動
   を励起して進行波を作り、上記弾性体の他方の主面上の
   質点を楕円運動させることにより、上記他方の主面上に
   置かれた回転子を回転させる圧電モータにおいて、上記
   駆動体を構成する円環形圧電体の内径を、上記円環形弾
   性体の内径より大きくして外径が一致するように貼合せ
   たことを特徴とする圧電モータ。
2. （２）円環形弾性体の厚さを一定にしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の圧電モータ。
3. （３）円環形弾性体の内径部の厚さよりも外径部の厚さ
   を厚くした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。