JP2009131145A - 円環型圧電超音波共振器及びそれを用いた圧電超音波回転モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ダミー部を形成せずに同じ大きさの圧電セラミックの区画を円環型に配置して全ての地点における回転力が同一であり、出力が高い円環型圧電超音波共振器を提供する。
【解決手段】本発明は、円環型であり、印加される交流電界の波長の１／４の長さ毎に区画される圧電セラミックを備え、前記圧電セラミックは２つの区画からなる分極単位毎に交互に反対極性に分極され、前記各区画には正弦波交流電界及びそれと位相差を有する正弦波交流電界が交互に印加される。また、前記圧電セラミックの区画の個数は４の整数倍であり、前記圧電セラミックの各区画に印加される正弦波交流電界は隣接した区画に対して９０°の位相差を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は円環型圧電超音波共振器及びそれを用いた圧電超音波回転モータに関するものとであり、更に詳しくは、圧電セラミックスに互いに異なる２相の交流電界を印加することで、円環型圧電超音波共振器に楕円の機械的変位を発生させて回転子を回転させることができる円環型圧電超音波共振器及びそれを用いた圧電超音波回転モータに関するものである。

一般に、圧電超音波モータは、低速であるにも拘らず、高いトルクで直接駆動が可能であるほか、速い応答時間を有し、幅広い速度領域で用いられることができ、移動子及び固定子が圧着されて滑ることなく制御が可能であるため、精密位置制御が可能であり、重さに比べて高い出力を出すことができるという長所がある。このような圧電超音波モータは、回転モータ及び線形モータの何れにも用いることができる。回転モータの共振器として、円環型の圧電超音波共振器を用いることができ、これはカメラレンズ駆動用モータ、公衆電話機のカード移送用モータ、自動車の折り畳み式サイドミラーの駆動モータ、自動車の稼動式ヘッドレストの動力源、ロールカーテンの巻き取りモータ、リモコンステレオのボリューム用モータなど多様な分野に用いられている。回転圧電超音波モータの共振器としては、円環型共振器（ｒｉｎｇ ｔｙｐｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）が用いられる。

以下、図１を参照して従来技術による円環型圧電超音波共振器を説明する。図１は、従来技術による円環型圧電超音波共振器を示す平面図である。図示のように、円環型超音波共振器の圧電セラミックは複数に区画される。大部分の区画１０は、印加される電界の１／２波長の長さであり、交互に分極される。複数の区画の１つは第１ダミー部１１であり、印加される電界の３／４波長の長さで形成され、分極されない。第１ダミー部１１と向かい合う区画である第２ダミー部１２は印加される電界の１／４波長の長さで形成され、分極されない。

第１ダミー部１１及び第２ダミー部１２を基準に両側の区画には９０°の位相差を有する正弦波の交流電界が印加される。即ち、図１において、第１ダミー部１１及び第２ダミー部１２の右側の区画１にはA sin wtの交流電界が印加され、左側の区画２にはA cos wtの交流電界が印加される。前記交流電界が印加されると、各区画は振動する。第１ダミー部１１及び第２ダミー部１２の長さが互いに異なるため、区画の振動が干渉して進行波（ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅ）が形成される。即ち、全ての区画の長さが同一であれば定在波が形成されるが、第１及び第２ダミー部１１、１２により進行波が形成される。

このような従来技術による円環型圧電超音波共振器は、電界が印加されずに受動的に振動するダミー部があるため、各地点における回転力が均一でないこともあり、ダミー部では出力が０であるため、共振器の全体的な出力が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ダミー部を形成せずに同じ大きさの圧電セラミックの区画を円環型に配置して、全ての地点における回転力が同一であり、出力が高い円環型圧電超音波共振器を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１観点による円環型圧電超音波共振器は、円環型であり、印加される交流電界の波長の１／４の長さ毎に区画される圧電セラミックを備え、前記圧電セラミックは２つの区画からなる分極単位毎に交互に反対極性に分極され、前記各区画には正弦波交流電界及びそれと位相差を有する正弦波交流電界が交互に印加されることを特徴とする。

また、円環型圧電超音波共振器は、前記圧電セラミックの区画の個数は４の整数倍であることを特徴とする。
更に、円環型圧電超音波共振器は、前記圧電セラミックの各区画に印加される正弦波交流電界は隣接した区画に対して９０°の位相差を有することを特徴とする。
より好ましくは、円環型圧電超音波共振器は、前記圧電セラミックには、前記分極単位の最初の区画には外側に第１電極が形成され、前記分極単位の２番目の区画には内側に第２電極が形成され、前記第１電極及び第２電極は区画に交互に１つずつ接続され、前記第１電極に印加される正弦波交流電界が前記第２電極に印加される正弦波交流電界に比べて９０°遅い位相差を有する場合、前記圧電セラミックが時計方向に進行波を生成し、前記第１電極に印加される正弦波交流電界が前記第２電極に印加される正弦波交流電界に比べて９０°速い位相差を有する場合、前記圧電セラミックが反時計方向に進行波を生成することを特徴とする。

また、本発明の第２観点による圧電超音波回転モータは、円環型であり、印加される交流電界の波長の１／４の長さ毎に４の整数倍の個数に区画される円環型圧電超音波共振器と、前記円環型圧電超音波共振器に接触して該円環型圧電超音波共振器の振動が伝達される固定子と、前記固定子の振動により発生する摩擦力により回転する回転子と、前記回転子の中心に付着されている回転軸と、前記円環型圧電超音波共振器、前記固定子及び前記回転子を収容し、前記回転軸が外部に突出し得るように収容するハウジングとを備え、前記円環型圧電超音波共振器は２つの区画からなる分極単位毎に交互に分極され、前記各区画には正弦波交流電界及びそれと９０°の位相差を有する正弦波交流電界が交互に印加されることを特徴とする

より好ましくは、圧電超音波回転モータは、前記回転子の下部には固定子と直接摩擦する摩擦リングが結合されていることを特徴とする。
また、圧電超音波回転モータは、前記固定子は、前記共振器と接触するベース部と、前記ベース部から前記回転子側に突出した突起とからなり、前記突起が前記摩擦リングと接触した状態で変形して摩擦リングに摩擦力を提供することを特徴とする。
更に、圧電超音波回転モータは、前記回転子を固定子側に加圧する板バネを更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、圧電セラミックにダミー部を形成せずに同じ長さに区画して、各区画を２つの区画からなる分極単位毎に交互に分極させ、各区画に９０°の位相差を有する正弦波交流電界を交互に印加することで、全ての地点におけるエネルギーが均一であり、共振器の出力が高くなるという効果を奏する。

以下、図２（ａ），（ｂ）、図３、図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｄ）、図６を参照して本発明による円環型圧電超音波共振器の一実施形態を説明する。
図２（ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による円環型圧電超音波共振器を示す平面図および断面図である。本発明による円環型圧電超音波共振器（以下、共振器ともいう）１０１は、図示のように、固定子１０２と圧着され、共振器１０１の振動が固定子１０２にそのまま伝達される。共振器１０１の進行波は固定子１０２にも進行波を形成し、このような波動は摩擦力に変換されて回転子（図示せず）を回転させる。円環型圧電超音波共振器１０１は、印加される電界の１／４波長の長さ毎に区画された圧電セラミックを含み、区画１１０は２つずつ交互に分極される。圧電超音波共振器１０１の周囲長さは波長の整数倍であり、従って、圧電セラミックの円周長さは印加される電界の波長の整数倍である。区画１１０の外側には第１電極１２０が備えられて正弦波交流電界が印加され、隣接した区画１１０には内側に第２電極１３０が備えられて第１電極で印加される電界に対して９０°遅い位相差を有する正弦波の交流電界が印加される。本実施形態において、２つの区画１１０が交互に分極される。図２（ａ），（ｂ）において、（＋）又は（−）はセラミックの垂直方向に分極された形態を示す。２つの隣接した区画が同じ方向に分極されると、その次の２つの隣接した区画はそれらと反対方向に分極される。一方、区画１１０の内側でA sin wtの交流電界が印加され、隣接した区画１１０には外側でA cos wtの交流電界が印加されるが、このような電界は各区画に交互に印加される。即ち、１つの区画に正弦波交流電流が印加されると、隣接した区画には９０°速い位相差又は９０°遅い位相差を有する交流電流が印加される。結果的に、（−）分極とｓｉｎ波動、（＋）分極とｃｏｓ波動、（＋）分極とｓｉｎ波動、（−）分極とｃｏｓ波動が連続的に対応する。

図３は、図２（ａ），（ｂ）の円環型圧電超音波共振器に電界を印加した場合の振動変位を示すグラフである。図２（ａ），（ｂ）のような分極と電界の連続的な配置により形成される変位は、下記式で表現することができる。
ξ_１(x、t) = Ae^jwtcoskx （式１）
ξ_２(x、t) = Ae^jwt+π／２cosk(x+λ／４) （式２）
ξ_３(x、t) = Ae^jwt+πcosk(x+λ／２) （式３）
ξ_３(x、t) = Ae^{jwt+3π／２}cosk(x+３λ／４) （式４）
ここで、Ａは振幅、ｔは時間、ｗは角周波数、ｋ（＝ｗ／ｃ）は波数（ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒ）、ｃは波動の進行速度であり、λは波長を示す。

図３は、このような変位を示すものである。図示のように、時間（ｔ）によって各区画における変位が変わって振動する。最大振幅の位置を詳察すると、前記のような円環型圧電超音波共振器の振動はＳ方向に進む進行波であることが確認できる。
通常、圧電セラミック共振器は金属などからなる弾性体基板の表面にセラミック圧電物質が積層されて形成されるが、このような構造は公知となっているので、詳細な説明は省略する。

以下、図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）〜（ｄ）を参照して本発明による円環型圧電超音波共振器の動作及び作用、効果を説明する。
図４（ａ）〜（ｄ）は、図２（ａ），（ｂ）の円環型圧電超音波共振器の変形を時間によって示す斜視図であり、図５（ａ）〜（ｄ）は、図２（ａ），（ｂ）の円環型圧電超音波共振器の第１電極に印加される正弦波交流電界が第２電極に印加される正弦波交流電極より９０°速い位相差を有する場合の円環型圧電共振器の変形を時間によって示す斜視図である。
電界が印加されると、円環型圧電超音波共振器が変形する。印加される電界が一定周期の正弦波の形態であるため、変形も一定周期を有する振動変形である。前述したように、振動は進行波である。

図４（ａ）〜（ｄ）は、圧電セラミックの区画のうち、同じ分極を有する２つの区画からなる分極単位の最初の区画にA cos wtの交流電界が印加され、２番目の区画にA sin wtの交流電界が印加される場合を示している。このような場合、時計方向に波動が伝達される。
図５（ａ）〜（ｄ）は、逆に、分極単位の最初の区画にA sin wtの交流電界が印加され、２番目の区画にA cos wtの交流電界が印加される場合を示している。このような場合、反時計方向に波動が伝達される。即ち、電界の調節により回転方向を変化させることができ、効果的に回転方向を制御できる。
円環型圧電超音波共振器の区画は何れも同じ間隔を有するため、製造が容易である。また、ダミー部がないため、全ての区画が振動して出力が大きく増加するという長所がある。

以下、図６、図７Ａ、図７Ｂを参照して本発明による圧電超音波共振器が適用されている圧電超音波回転モータを説明する。
図６は、本発明による円環型圧電超音波共振器を用いた圧電超音波回転モータを示す断面図であり、図７Ａ及び図７Ｂは、本発明による円環型圧電超音波共振器を用いて回転子を回転させる過程を示す断面図である。
図６、図７Ａ、図７Ｂに示すように、モータの回転モジュールは、円環型圧電超音波共振器１０１と、これに接触する固定子１０２と、円板型の回転子１０４と、回転子１０４に回転力を提供するために、回転子１０４に結合され、固定子１０２と接触して摩擦力の提供を受ける摩擦リング１０３と、回転子１０４を固定子１０２側に加圧する板バネ１０５と、回転軸１０６とを備える。固定子１０２は、円環型圧電超音波共振器１０１と接触するベース部１０２ａと、ベース部１０２ａから回転子１０４側に突出した突起１０２ｂとからなり、突起１０２ｂが摩擦リング１０３と接触した状態で変形して摩擦リング１０３に摩擦力を提供する。

この回転モジュールは、モータのハウジング１０７内に収容され、回転軸１０６はハウジング１０７に備えられたベアリング１０８により回転可能に支持される。円環型圧電超音波共振器１０１は、電線１０９で電界の供給を受け、これはハウジング１０７に結合される。電界の供給はプリント基板(PCB；Printed Circuit Board)を用いて行うこともできる。
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、突起１０２ｂは進行する波動に応じて円板形状の回転子１０４に摩擦力を提供する。回転子１０４は、板バネ１０５により荷重Ｐで加圧されて圧迫される。図７Ａは初期状態を示すものであり、図７Ｂは円環型圧電超音波共振器の変形によって固定子１０２が変形し、それによって回転子１０４が移動することを示すものである。固定子は回転せずに、振動により変形して進行波を生成する。固定子１０２の変形によって突起１０２ｂが上側部へ移動すれば、回転子１０４は一定圧力Ｐで圧迫されるため、突起１０２ｂが回転方向に変形し、摩擦リング１０３に回転方向に摩擦力を提供する。
摩擦リング１０３と、これに結合されている回転子１０４は突起１０２ｂの変形により押されて回転方向に変位が生じる。従って、回転子１０４が回転する。このような回転モータは従来技術による回転モータに比べて出力が高いほか、トルクが強く、精密に制御され得る。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。

従来技術による円環型圧電超音波共振器を示す平面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態による円環型圧電超音波共振器を示す平面図および断面図である。 図２の円環型圧電超音波共振器に電界を印加した場合の振動変位を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は図２（ａ），（ｂ）の円環型圧電超音波共振器の変形を時間によって示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は図２（ａ），（ｂ）の円環型圧電超音波共振器に印加される電界を逆にして印加した場合の円環型圧電共振器の変形を時間によって示す斜視図である。 本発明による円環型圧電超音波共振器を用いた圧電超音波回転モータを示す断面図である。 本発明による円環型圧電超音波共振器を用いて回転子を回転させる過程を示す断面図である。 本発明による円環型圧電超音波共振器を用いて回転子を回転させる過程を示す断面図である。

符号の説明

１０１ 円環型圧電超音波共振器
１０２ 固定子
１０３ 摩擦リング
１０４ 回転子
１０５ 板バネ
１０６ 回転軸
１０７ ハウジング
１０８ ベアリング
１０９ 電線
１１０ 区画
１２０ 第１電極
１３０ 第２電極

Claims (8)

1. 円環型であり、印加される交流電界の波長の１／４の長さ毎に区画される圧電セラミックを備え、
   前記圧電セラミックは２つの区画からなる分極単位毎に交互に反対極性に分極され、
   前記各区画には正弦波交流電界及びそれと位相差を有する正弦波交流電界が交互に印加されることを特徴とする円環型圧電超音波共振器。
2. 前記圧電セラミックの区画の個数は４の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の円環型圧電超音波共振器。
3. 前記圧電セラミックの各区画に印加される正弦波交流電界は隣接した区画に対して９０°の位相差を有することを特徴とする請求項１に記載の円環型圧電超音波共振器。
4. 前記圧電セラミックには、前記分極単位の最初の区画には外側に第１電極が形成され、前記分極単位の２番目の区画には内側に第２電極が形成され、前記第１電極及び第２電極は区画に交互に１つずつ接続され、
   前記第１電極に印加される正弦波交流電界が前記第２電極に印加される正弦波交流電界に比べて９０°遅い位相差を有する場合、前記圧電セラミックが時計方向に進行波を生成し、前記第１電極に印加される正弦波交流電界が前記第２電極に印加される正弦波交流電界に比べて９０°速い位相差を有する場合、前記圧電セラミックが反時計方向に進行波を生成することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の円環型圧電超音波共振器。
5. 円環型であり、印加される交流電界の波長の１／４の長さ毎に４の整数倍の個数に区画される円環型圧電超音波共振器と、
   前記円環型圧電超音波共振器に接触して該円環型圧電超音波共振器の振動が伝達される固定子と、
   前記固定子の振動により発生する摩擦力により回転する回転子と、
   前記回転子の中心に付着されている回転軸と、
   前記円環型圧電超音波共振器、前記固定子及び前記回転子を収容し、前記回転軸が外部に突出し得るように収容するハウジングとを備え、
   前記円環型圧電超音波共振器は２つの区画からなる分極単位毎に交互に分極され、
   前記各区画には正弦波交流電界及びそれと９０°の位相差を有する正弦波交流電界が交互に印加されることを特徴とする圧電超音波回転モータ。
6. 前記回転子の下部には固定子と直接摩擦する摩擦リングが結合されていることを特徴とする請求項５に記載の圧電超音波回転モータ。
7. 前記固定子は、前記円環型圧電超音波共振器と接触するベース部と、前記ベース部から前記回転子側に突出した突起とからなり、
   前記突起が前記摩擦リングと接触した状態で変形して摩擦リングに摩擦力を提供することを特徴とする請求項６に記載の圧電超音波回転モータ。
8. 前記回転子を固定子側に加圧する板バネを更に備えることを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載の圧電超音波回転モータ。

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