JP2614635B2 - 電歪公転子及び単相超音波モータ - Google Patents

電歪公転子及び単相超音波モータ

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電円板、円環、円筒の重心が振動する一
次モードの共振状態において圧電変形が公転する状態を
単相交流電圧で励起した超音波振動子及びこれを用いた
超音波モータに係わり、さらに詳しくはそれの励振機構
の改良に関する。
〔従来の技術〕
従来のこの種超音波振動子及びこれを用いたモータ
は、例えば本発明者の１名が提案した先願の「超音波回
転振動子」（特願昭62−11373号）及び「重心回転型超
音波モータ」（特願昭62−11374号）では、位相の異な
る２相以上の出力を有する電源で駆動しなければならな
かつた。また、例えば「四極回転型超音波振動子」（特
願昭62−11375号）の４極電歪公転子では、円板・円筒
・円環の円周に沿つて４等分された４つの領域をそれぞ
れπ/2位相の異なる４相の電圧で駆動しなければならな
かつた。
従つて、このようなものであると、駆動回路が複雑
で、配線数も多く、電源の小形化、低コスト化に不利で
あつた。これらの欠点は、素子の４領域を隣同志逆向き
に分極する方法で、４相駆動を２相駆動に簡略化するこ
とができた。それでも単相駆動より複雑であり、しかも
隣同志のトルクの平衡のとれた電歪公転子を作るのが困
難という欠点があつた。
〔発明が解決しようとする課題〕
この発明は、上記従来技術が持つていた駆動方法の複
雑さという欠点を解決し、単相駆動を可能とした電歪公
転子及びこれを用いた単相超音波モータを提供すること
を目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
弾性体からなる円板を、その固有振動数に合わせて励
振すると共鳴し、共振状態となる。励振周波数は円板の
形状，材質，温度等で決まる固有値ではあるが、決して
一つだけではない。ある固有値に対して一定の比率で連
なる数列を形成している。その最も低い周波数を基本周
波数、それ以外を高調波という。
基本周波数に共振している円板の振動の仕方は、円が
一様に広がつたり、縮まつたりする“呼吸”モードであ
り、これを０次モードとも言う（第４図（ａ）参照）。
次の高調波で励振された１次モードは第４図（ｂ）の重
心移動モードである。２次モードは第４図（ｃ）のひよ
うたんモードである。第４図において、31は圧電セラミ
ツク製円板、32,35,40は重心を示す印、33,34,38,39は
円板の変形を示す線である。
これら高周波モードにおいて、奇数次のモードは重心
移動モードであり、圧電円板振動子で励振できるのは偶
数次のみとされている。もしも奇数次の共振状態が出現
すると、円板の両主面の電極のそれぞれに正及び負の電
荷が同時に誘起されることになり、不合理との理由で、
圧電円板振動子では奇数次モードは励振できないものと
証明され、これまで学術的定説となつていた。この定説
は、本発明者による既出願の「重心回転型振動子」によ
つて覆えされた。すなわち、第５図に示す圧電円板31の
両主面上の２枚の電極をそれぞれ直径に沿つて２等分
し、絶縁帯45を設けることにより、表裏合せて41,42,4
3,44の４枚の独立電極とする。これら４枚の中、表裏に
配位されている電極間は互いに逆極性となり、同時に同
じ面内の２枚も互いに逆極性となるように第５図（ｂ）
のような極性の交流電圧を印加する。
この方法で励振される共振モードは奇数次のみであ
り、基本となる最低次のモードは第４図（ｂ）に示した
重心移動モードである。このモードにおける円板の重心
35は点35′と点35″とを結ぶ直線上を振動する。この直
線振動は、点35′と点35″を通る同じ大きさで逆まわり
の二つの円又は楕円運動を合成したものと見なすことが
できる。その証拠に実際円板を絶縁帯45に対して斜めに
保持すると、一方の円運動の成分は抑圧され他方が強調
される結果、重心の軌跡は楕円を描くようになり、同時
に円の外周部にトルクが発生する。つまり、単相交流電
圧で圧電変形を公転させる電歪公転子が励振できること
になる。
単相励振の電歪公転子を用いたモータは、単相電磁モ
ータと同様に回転の向きを電気信号だけでは変えられな
い。この欠点を解決したのが先願の「四極対超音波回転
振動子及び超音波モータ」（特願昭62−41521号）であ
り、４つの電極に印加する互いに90゜づつ位相の異なる
４相回転電界の回転の向き、つまり、位相関係をスイツ
チングするだけでロータを逆転させることができた。
しかしながら、逆転不要の用途たとえば時計用モー
タ，レコード用モータ，ドリル用モータ，積算メータ用
モータなど一方回転しか必要としない用途では、多相交
流電源は複数個の出力回路を要し、単相駆動に比して複
雑，高価で不利である。そこで、本発明は、単相で励振
できる電歪公転子及びこれを用いた単相超音波モータの
提案であり、以下、実施例にもとづいて詳細に述べる。
〔実施例〕
第１図は本発明に係る単相電歪公転子の一実施例を示
す図で、同図（ａ）は公転子の製造途中の平面図、同図
（ｂ），（ｃ）は製造終了後の公転子の平面図ならびに
側面図である。
Pb（Zr−Ti）O3系圧電セラミツクで作つた直径40mm,
内径15mm,厚さ2mmの穴あき円板１の両主面に、スクリー
ン印刷法によつて銀ペーストを半円形状にマスク印刷
し、乾燥後750℃で10分間焼成して、銀電極2,2′,3,3′
を施した。これら４枚の電極2,2′,3,3′の中、表の電
極２と裏の電極３′及び表の電極３と裏の電極２′と
を、それぞれ接続した２本の導線の間に4000ボルトの直
流高電圧を印加して分極処理を行つた。この処理は高温
に加熱された絶縁油中で行なわれるが、この処理によつ
て印加電圧の向きに分極７及び８が生じる。
このように分極された円板の電極２と３及び電極２′
と３′との絶縁溝を銀ペーストで塗りつぶし、等電位面
を作つた。その結果、第１図（ｂ），（ｃ）に示すよう
に、円板１の両主面には、ほぼその全面に電極４及び５
が形成されたことになる。これら２枚の全面電極４及び
５に交流電源９を接続し、実効値10ボルトの正弦波電圧
を印加し、周波数を掃引したところ、44.01KHzで共振し
強力な公転が生じた。公転の様子は、倍率1000倍以上の
顕微鏡で観察することができる。
周波数を予め共振周波数に合わせた交流電源の出力を
０に絞つて視察し、円板１の周辺部の一点に正確に焦点
を合わせ、シヤープな鏡像を作る。この状態で出力電圧
を高めて行くと像がぼやけ、やがて視野内に小さな円が
多数現われる。これらの小円は皆同じ大きさで電圧と共
に成長し、10ボルト程度を印加すると、明瞭な円が観察
できる。これが電歪公転の情景であり、円板１の周辺部
に触れると、円が小さくなつたり、楕円状になつたり変
化するので、周辺が軽く保持されるだけでも、公転状態
に敏感に影響することがわかる。公転子の周辺を指でか
るく撫ると、公転トルクを肌で感じることができる。出
力０のときは、セラミツクの肌ざわりであり、出力を大
きくするとぬめぬめしたとらえどころのない感じに変わ
る。これが公転トルクであり、周辺部に回転シヤフトを
接触させるとシヤフトが景気よく回転する。
第３図（ａ），（ｂ）に示すように、回転数を測定す
るため、接触型回転数測定機のヘツドシヤフト26を外接
した。圧電セラミツク製円板１の電極４及び５に端子板
21及び24を重ね、支持台25のボルト23に円板１の内径に
固定した保持具を嵌めナツト22で締め付け、端子板21及
び24に正弦波単相交流電源を接続した。接触型回転数測
定機のヘツド26を接触させて電源出力を10ボルトにした
ところ、約750rpmの回転数が記録できた。次に、ヘツド
26の接触位置を変えたところ、27,28,29の場所で強力な
回転が見られた。ただし、第３図（ａ）で矢印で示した
ように、ヘツド26と29の位置は反時計まわりであるのに
対して、27と28の位置は時計まわりであつた。すなわち
負荷シヤフトの回転の向きは、円板１との接触位置を変
えることにより逆転させることができる。
第２図は前記実施例の電歪公転子を用いた単相モータ
の一実施例であり、同図（ａ）はその正面図，同図
（ｂ）はその側面図である。圧電セラミツクからなる電
歪公転子は、前記実施例で述べた素子そのものであるか
ら、説明の重複をさける。
円板１の中心孔に、ゴム絶縁ブツシユを被せた直径8m
mのキヤツプボルト12を通し、表面電極４とボルト12と
を端子板14で短絡する。つぎに外径200mm,厚さ2mmで、
中心に内径40.05mmの穴のあいたガラス板11を円板１の
外周に嵌めた。ガラス板11の内側の中心穴の周わりには
外径41mm,内径39mm,厚さ0.2mmのポリイミド製のリング
状薄板13が貼付けられており、その上から同じくポリイ
ミドの外径41mm,内径15mm,厚さ2mmの抑え用の円板16を
かぶせ、ナツト17で締め付けた。このとき、ポリイミド
円板16の片面に貼り付けられているリード線15の付いた
バネが、電歪公転子の電極５とコンタクトする。
ポリイミドの円板16の中心孔はゴムブツシユに嵌まつ
た状態でナツト17で締め付けられ、ゴムブツシユが中心
孔を広げる形で食い込みセツトされるので、回り止めと
なる。ガラス板11の内面に貼付けられたリング状薄板13
と円板16とは軽く触れる程度にセツトされるので、ガラ
ス板11が回転したとき、円板１からはずれたり、蛇行し
たりするのが防止される。
この状態で、ボルト12を壁面のねじ穴にねじ込み、ガ
ラス板11を鉛直に保持すると同時に、ボルト12を介して
電極４を壁面の接地端子に接続した。リード線15に、約
44KHz,5ボルト（０−Ｐ）の矩形波電圧を印加したとこ
ろ、ガラス板11は約60rpmの回転数で滑らかに回転し、
ガラス板11をロータとする極薄形モータの機能を確認で
きた。この単相超音波モータは、先頭の「超音波モータ
を用いた時計」（特願昭62−232617号）に適用した場合
にも動作電圧が低いことから、Ｃ−MOSなどによるLSI回
路が使用でき、しかも単相であるから回路構成が簡単に
なるなどの大きな利点が確認された。
第６図は本発明に係る電歪公転子とこれを用いた単相
超音波モータの別の実施例である。
Pb（Zr,Ti）O3系圧電セラミツクからなる外径40mm,内
径38mm,高さ10mmの円筒51を作り、これを前記実施例と
同様に銀電極の焼付，分極処理を行つた。分極方向は円
筒に対する放射状、すなわち肉厚方向であり、この方向
で向きは、円筒51をたて割りにした半円筒同志を互いに
逆向きとし、矢印52及び53で示した。
円筒51の内外周面には、略々全面に銀電極54及び55を
施した。外周電極54は、前記実施例と同様に、半円筒分
ずつ２分されていたのを分極処後短絡し、等電位面とし
た。内周電極55を鏡面研摩し、内径39.99±0.01mmの真
円として電歪公転子とした。
この円筒51の内側に外周39.95±0.01mm,厚さ8mmのガ
ラス円板56をはめ、太さ0.5mm、直径40mmの鋼線リング5
7,及び58で外側からガラス円板56をサンドイツチするよ
うに固定した。
この状態で、前記電極54及び55に付いているリード線
59を約36.6KHzの矩形波単相電源に接続した。出力電圧
を10V（ｏ−ｐ）にすると、ガラス板56が約100rpmで景
気よく回わつた。ガラス板56は最下部で円筒51の底と接
し、摩擦力を介して回転トルクを受ける。このモータを
２個用意し、それぞれのモータのガラス円板56に長針ま
たは短針を描き、これらのガラス円板56が重なるように
セツトし、短針及び長針が現在時刻を表示するようにモ
ータの動きを制御すると、シー・スルー・クロツクの機
能を実現できる。
第７図は本発明に係る電歪公転子のさらに別の実施例
を示す側面図である。
第１図に示した電歪公転子と同じ電歪公転子70,71の
２枚をそれぞれの分極７及び78が互いに逆向きになるよ
うに重ねると，接合面の電極73及び74は電気的に短絡さ
れて同電位となる。この電極にリード線76を接続し、さ
らに、外側電極72及び75はリード線79で短絡した状態
で、接地電位に保つた。この電歪公転子は外側が接地電
極で覆われ内部電極が絶縁されているので、モータに利
用した場合、金属ケースなどと接しても、シヨートする
など、或いは電極に手を触れて感電するなどの事故の恐
れが無くなり使い易くなると共に、パワーが２倍に強化
された利点が大きい。
第８図は本発明に係る電歪公転子のさらに別の実施例
を示す平面図である。
この実施例は同じく二重構造にした円筒型電歪公転子
であり、シリング状モータとしてロータを内部電極82に
内接させて、回転トルクを得ることができる。この場
合、金属ケースが外側電極85と接する構成を取つても接
地されているので、ロータ側と同電位になり、シヨート
事故の心配はなくなる。勿論、ロータが外側電極85と外
接するモータの場合も効果は同じである。
〔発明の効果〕
本発明では、単相交流電圧で励振できる電歪公転子を
実現できたので、公転子駆動回路及び公転子型モータの
駆動回路を簡略化でき、よりコンパクト，より低コスト
にすることができた。本発明の効果は単にそれだけでは
ない。圧電セラミツクからなる円板，円筒，円環を半円
ずつ互いに逆極性となるように分極処理したので、単相
交流電圧で公転モードの最低次の１次共振状態を励振す
ることができ、半円内の圧電変位を一律に揃えることが
できた。このことは、例えば、「四極対超音波回転振動
子及び超音波モータ」では、分極の向きは半円分が互い
に逆相になつているが、それぞれの半円が電極でさらに
２分され、1/4円づつ独立に90゜異なる位相で励振され
るので、半円内の圧電変化が一律でない高次の歪を伴つ
ている。圧電変形の歪が高次になるほど公転子のＱが低
下し、励振損失が増大するので、低電圧励振が困難とな
る。単相電歪公転子は２ボルト程度の低電圧で公転状態
が励振できるので、これを用いた単相モータは、Ｃ−MO
S,BiPolar等のLSI回路で高集積化された１チツプ駆動・
制御電源が可能となる。このことは、超音波モータの実
用，普及の面で計り知れないほど大きな効果をもたらす
ものと期待される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例に係る電歪公転子を説明するた
めの図で、同図（ａ）は電歪公転子の途中の状態を示す
平面図、同図（ｂ），（ｃ）は電歪公転子の平面図なら
びに側面図、第２図（ａ），（ｂ）はその電歪公転子を
用いた単相超音波モータの平面図ならびに側面図、第３
図（ａ），（ｂ）はその電歪公転子に接触型回転数測定
機を接触させた状態を示す平面図ならびに側面図、第４
図（ａ），（ｂ），（ｃ）は電歪公転子の変形状態を示
す説明図、第５図（ａ），（ｂ）は電歪公転子の原理説
明図、第６図（ａ），（ｂ）は単相超音波モータの別の
実施例を示す平面図ならびに側面図，第７図は本発明に
係る電気電歪公転子のさらに別の実施例を示す側面図，
第８図は本発明に係る電歪公転子のさらに別の実施例を
示す平面図である。 １……圧電セラミツク製円板、2,3,4,5,41,42,43,44,5
4,55,73〜75……電極、9,46,60……交流電源、11,56…
…ガラス板、51……圧電セラミツク製円筒。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】円板，円筒、又は円環形状を有する圧電セ
    ラミツク素材を直径で２等分した２つの領域が互いに逆
    極性になるように分極し、その両主面にそれぞれが等電
    位面となる電極を施し、その両電極間に印加された単相
    交番電圧によつて圧電変形が公転する共振状態が励振さ
    れることを特徴とする電歪公転子。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第（１）項記載の電歪公転
    子の複数枚を、それぞれの分極が互いに逆向きになるよ
    うに重ねたことを特徴とする電歪公転子。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第（１）項記載の電歪公転
    子の複数枚を、それぞれの分極が互いに逆向きになるよ
    うに重ね、その両表面に接地共通電極を配したことを特
    徴とする電歪公転子。
  4. 【請求項４】円板，円筒、又は円環形状を有する圧電セ
    ラミツク素材を直径で２等分した２つの領域が互いに逆
    極性になるように分極し、その両主面にそれぞれが等電
    位面となる電極を施し、その両電極間に印加された単相
    交番電圧によつて圧電変形が公転する共振状態が励振さ
    れる電歪公転子を用いたことを特徴とする単相超音波モ
    ータ。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第（４）項記載の電歪公転
    子の複数枚を、それぞれの分極が互いに逆向きになるよ
    うに重ねたことを特徴とする単相超音波モータ。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第（４）項記載の電歪公転
    子の複数枚を、それぞれの分極が互いに逆向きになるよ
    うに重ね、その両表面に接地共通電極を配したことを特
    徴とする単相超音波モータ。
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