JP2996483B2 - 振動型モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、振動型モータに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、振動型モータとしては、例えば第12図に示すよ
うなものが提案されている。

１は先端部の小径軸部1aと後端部の大径軸部1bとの間
に径が先端部に向け漸減するホーン形状のホーン部1cを
形成した金属丸棒からなる振動体、２は振動体１の大径
軸部1bと同径の外径に形成された軸心にボルト通し孔29
を有する金属丸棒からなる押え体、３及び４は大径軸部
1bと同径の外径に形成された円環形状の圧電素子板、５
は圧電素子板３、４の電極板で、振動体１と押え体２と
の間に、電極板５を挟むようにして圧電素子板3,4を配
し、ボルト６により押え体２を振動体１に固定すること
により、圧電素子板3,4を振動体１と押え体２との間に
固定して、振動子Ａを構成している。ボルト６はその頭
部が円環状の絶縁体７を介して押え体２に接し、且つ軸
部が圧電素子板3,4及び電極板５と非接触状態に保持さ
れている。

圧電素子板3,4は、片面側に分極方向が互いに異な
り、且つ厚み方向に分極された２つの電極（＋電極ａ、
−電極ｂ）が中心軸線位置に形成された絶縁部ｄの両側
に対称に形成されると共に、他面側に＋電極ａ、−電極
ｂの共通電極ｃが形成されていて、振動子Ａの軸線に対
して互いに位置的位相が90゜の角度ずれて配置されてい
る。なお、圧電素子板３の分極電極（＋電極ａ、−電極
ｂ）は導電体である振動体１の後端面に接し、また圧電
素子板４は導電体である押え体２の前端面に接してい
る。

そして、電極板５と振動体１との間に交流電圧V₁を、
また電極板５と押え体２との間に交流電圧V₂を印加する
ことにより、圧電素子板３の厚み方向における伸縮変位
による振動と、圧電素子板４の厚み方向における伸縮変
位による振動との合成により振動子Ａを振動させる。

交流電圧V₁と交流電圧V₂とは、第13図に示すように、
振幅及び周波数が共に同じで、時間的、空間的位相が90
゜のずれを有している。

したがって、振動子Ａは軸心を中心とし、縄飛びの縄
のような円運動（以下縄飛び振動と称す）を行なうこと
になる。なお、この円運動が生じる原理については、公
知であるので説明は省略する。

第14図に示す様にロータ８は、振動子Ａの軸心ｌと同
軸に嵌合し、ロータ８の内径部の後端部（以下摩擦接触
部と称す）8bを摺動部Ｂに対応する位置まで延出し、摩
擦接触部8bをホーン部1cの摺動部Ｂに当接させている。
該ホーン部は軸方向の加圧力を受ける事で、摺動部Ｂに
おいて適切な摩擦力を得るため設けられている。そし
て、この摺動部Ｂは振動体１において、縄飛び振動の腹
になっている。

ロータ８の内径部8aの内径は、低摩擦係数の部材8dを
介して、振動体１において縄飛び振動の節の位置に接す
る構造になっており、摺動部Ｂ以外で生じる振動に対し
て接触して音を発生するのを防ぐため、ロータ８には逃
げ8cが設けられている。

ロータ８の摩擦接触部8bは、摺動部Ｂの外周形状と合
致する内径が漸増する形状に拡開し、振動体１の縄飛び
運動時に摺動部Ｂと面接触する。

ロータ８は、例えば不図示のスライドベアリングを介
して不図示のバネ等により第14図中矢印方向に押され
て、前述の適切な漸増形状を有する摺動部により摩擦接
触部8bと摺動部Ｂとの接触部に所定の摩擦力を発生さ
せ、また該スライドベアリングにより幅方向の回転が許
容されている。

以上の構造よりロータの摩擦接触部8bに振動体１の振
動が回転力となって伝わりロータを回転させる振動型モ
ータＭを成立させている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、一般的にこの種の振動型モータは、数十キロ
ヘルツ程度に共振周波数を持ち、この周波数付近で駆動
しなければ大きな振幅が得られず、モータとしては動か
ない。又、モータの共振周波数は、温湿度等の環境条件
や負荷条件により変動する。

このように、一定の周波数で駆動していたのでは回転
数が不安定になるという問題点がある。

そこで、このような問題を解消するためには、振動検
出用の電気−機械エネルギー変換素子（この場合は機械
エネルギーを電気エネルギーに変換する）を振動子に配
設し、この振動検出用の変換素子より実際の振動状態を
検出して駆動周波数の規制等を行うことが考えられる。

ここで、振動検出用の変換素子の分極状態と出力電圧
との関係として、例えば分極処理がプラスに処理されて
いる部分に対して圧縮歪みを与えると＋Vsの電圧を出力
し、伸び方向の歪みを与えると−Vsの電圧が出力される
とした場合、分極処理がプラスに処理されている部分に
対して均等に圧縮と伸びの歪みを同時に与えると、圧縮
歪みに伴う出力電圧（＋Vs）と伸び歪みに伴う出力電圧
（−Vs）との和が０（ゼロ）となり、出力がキャンセル
されてしまい、振動状態が検出できなくなる。

このことから、上記した棒状の振動型モータでは、例
えば駆動用の圧電素子３への交流電圧V₁の印加で振動子
が圧電素子３の絶縁部ｄを境にして屈曲振動し、圧縮と
伸びの歪みが振動子の軸を中心として左右の領域で均等
であるため、振動検出用の変換素子の分極状態によって
は、上記したように出力がキャンセルされる場合が生じ
る。例えば円板形状の変換素子が全面にわたり同じ極性
に分極処理がなされているように、振動子の軸を中心に
して左右の領域における分極状態が均等な変換素子を配
置すると、左右の領域で発生する変換素子の出力が逆方
向になるので、出力がキャンセルされることになる。

本発明の目的は、このような問題を解決し、振動状態
を効率よく検知できる振動型モータを提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本願発明では、分極方向
が異なる第一と第二の分極処理部を有する平板の駆動用
電気−機械エネルギー変換素子部を弾性体に対して重ね
合わせ方向に複数設けて振動子を構成するとともに、前
記駆動用電気−機械エネルギー変換素子部に周波電圧を
印加して屈曲モードの振動を励起させ駆動力を得る振動
型モータにおいて、前記弾性体に対して重ね合わせ方向
に振動状態検出用電気−機械エネルギー変換素子部を、
該振動状態検出用電気−機械エネルギー変換素子部の表
面と前記駆動用電気−機械エネルギー変換素子部の表面
とが対向するように配設するとともに、該振動状態検出
用電気−機械エネルギー変換素子部の分極状態が前記振
動子の軸とほぼ直交する振動子の断面上における前記軸
を通るラインの内少なくとも１つのラインを中心にして
左右の領域で非対称になるように前記振動状態検出用電
気−機械エネルギー変換素子部を配設している。

〔作 用〕

上記の構成の振動型モータでは、振動状態検出用電気
−機械エネルギー変換素子部により振動状態を検出で
き、しかも振動状態検出用電気−機械エネルギー変換素
子部を、その分極状態が振動子の軸とほぼ直交する振動
子の断面上における上記軸を通るラインの内少なくとも
１つのラインを中心にして左右の領域で非対称になるよ
うに配設しているので、振動状態検出用電気−機械エネ
ルギー変換素子部の出力がキャンセルされることがな
く、振動状態を効率よく検出することが可能となる。

〔実 施 例〕

第１の実施例 第１図は本発明の第１の実施例を示す振動型モータの
分解斜視図である。図中符号１〜８は従来の実施例と同
じである。

９は振動検出用素子としての圧電素子（電気−機械エ
ネルギー変換素子部）、10は駆動用の圧電素子３に給電
するための電極板、11は圧電素子９を接地するための電
極板、12は電極板10、11を非接触状態に保持する絶縁部
材である。

圧電素子９は圧電素子３、４と同じ構造のもので、圧
電素子３と位置的位相が一致するように配置されてい
る。

駆動の原理は、従来例と同じなので省略する。

第２図に、第１の実施例における共振周波数fr近傍で
の周波数対圧電素子９の出力符号の振幅を示す。

圧電素子９の出力信号は、共振周波数frで最大とな
り、その前後で減少していく。

よって、共振周波数frを求める方法として、圧電素子
９の出力信号振幅最大になる周波数を選択する方法など
が考えられる。

第３図に第１の実施例における共振周波数近傍での、
周波数対入力電圧V₁と振動検出用圧素子９の出力信号と
の位相差の関係を示す。

第３図からわかるように、入力電圧V₁とセンサ用圧電
素子９の出力信号Vsの位相差θ_A-Sは共振周波数より高
い周波数で０゜、そして共振周波数に近ずくに従って徐
々に上がり、共振周波数frで90゜となり、共振周波数fr
より低い周波数では増加し180゜へと近ずいていく。

上記位相差は、圧電素子３と振動検出用圧電素子９と
が位置的位相０゜で配置されているので時計回転方向C
W、反時計方向CCWのどちらの場合でも同じ位相関係が得
られる。CWはV₁がV₂より時間的に90゜進んでいる場合
で、CCWは遅れている場合である。

以上の位相関係より、圧電素子３への入力電圧V₁と振
動検出用圧電素子９との位相差を90゜にするように周波
数を制御することにより、共振周波数に合わせることが
できる。

第４図に上記棒状振動型モータにおける制御回路のブ
ロック図を示す。

発振器17は周波数指令部24により発した信号により決
められた周波数で発振し、90゜（もしくは270゜）移相
された信号と共に２相になって増幅器20,21で増幅され
たのち、電極板10と押え体２に入力される。このとき押
え体２は導電体でなければならない。

電極板11からは、振動検出用圧電素子９からの信号が
得られ、位相差検出器22において、増幅器20からの信号
V₁との位相差が求められる。

次に演算回路23によって、共振周波数frからどの程度
離れているかが求まり、周波数指令部24を変化させる。

以上の動作の繰り返して共振周波数に保ったまま駆動
することが可能となる。

又、圧電素子９は円形であるので、２方向の振動の共
振周波数を一致させたままに設けることができ、外径が
振動子や他の駆動用圧電素子と同じであるので、組立時
に外径をそろえることで、他の部品との同軸性を保つこ
とが容易である。さらに駆動用圧電素子と同じものを使
用しているので振動検出用として別部品を作る必要がな
く、コスト上昇を小さく抑えることができる。

第２の実施例 第５図は本発明の第２の実施例を示す振動型モータの
分解斜視図である。

図中、振動検出用圧電素子９は、圧電素子３に対して
位置的に90゜ずれた位置に配置されている。すなわち、
圧電素子４と位置的位相０゜のところにある。その他の
構成は第１の実施例と同じである。

このとき、周波数対圧電素子９の出力信号の振幅は、
第１の実施例と同じである。

第６図に第２の実施例における共振周波数近傍での周
波数対入力電圧V₁と振動検出用圧電素子の出力信号Vsと
の位相差θ_A-Sの関係を示す。

第６図のように、圧電素子３への入力電圧V₁と振動検
出用圧電素子９の出力信号との位相差θ_A-Sは、共振周
波数frでCWのとき０゜（CCWで−180゜）になるようなカ
ーブを描く。

よって、共振周波数に合わせる場合、CWで０゜（CCW
では−180゜）になるよう周波数を制御すれば良い。

又、逆に、位相差θ_A-Sの領域がCW,CCWで全く異なる
ので、θ_A-SよりCW,CCWかがわかる。

以上、実施例1,2では、振動検出用圧電素子９が圧電
素子３に対し、位置的に０゜ずれた場合と、90゜ずれた
場合を示したが、それ以外の位置関係であっても、入力
電圧V₁と振動検出用圧電素子９の出力信号との位相差θ
_A-Sは、ある決まった関係が得られる。

第３実施例 第７は本発明の第３の実施例を示す。

図中、駆動用圧電素子３、４は各々２枚構成に積層さ
れている。このように駆動用圧電素子を増加していく
と、圧電素子の駆動に使われる面積が増え、低電圧駆動
が可能になることは公知である 振動検出用圧電素子９も２枚で構成しており、位置的
位相は一方が圧電素子３に対し０゜の位置、他方が90゜
ずれた位置に配置されている。

このとき電極板15から得られる圧電素子９からの出力
信号と、入力電圧V₁との位相差θ_A-Sは、第８図に示す
ようになる。

第８図からわかるように、入力電圧V₁と振動検出用圧
電素子９の出力信号との位相差θ_A-Sは、共振周波数fr
でCWのとき＋45゜（CCWで＋135゜）になるようなカーブ
を描く。

このようなカーブは、振動検出用圧電素子が１枚で、
駆動用圧電素子３との位置的位相が45゜ずれた場合と同
じになる。但し、振幅は異なる。

以上のように、振動検出用圧電素子が複数枚で構成さ
れても良く、この場合その位置的位相の決め方により様
々な出力信号の取り出し方ができる。

又、１枚に比べ、大きな出力電圧を取り出すことがで
きる。

しかも、駆動用および振動検出用圧電素子PZTが2n枚
（ｎ＝1,2……）であると、絶縁体が必要なく、しかも
給電が全て電極板を介してできるという利点がある。

第４の実施例 第９図は第４の実施例を示す棒状振動型モータの側面
図である。

本実施例は、振動検出用圧電素子９を駆動用圧電素子
3,4と異なる径の部分に設けている。

第９図のように、径の小さい部分に、振動検出用圧電
素子９を設けた場合、電極面積が第１の実施例などに比
べ小さいため、出力電圧も小さくなる。

よって、第１の実施例などで、振動検出出力電圧が大
きすぎて、回路側で小さくしなければならない場合など
に、振動検出用圧電素子９を振動体の径の小さい部分に
設けると良い。

又、逆に振動検出出力電圧が小さい場合は、振動体の
径の大きい部分に振動検出用圧電素子を設けると大きな
出力電圧が得られる。

又、このとき、電極パターンが同じで駆動用PZTの内
径より外径が小さいか駆動用PZTの外径より内径の大き
いPZTを振動検出用に用いれば、１枚のシートから駆動
用と振動検出用のPZTが一個づつ取り出せる。

第５の実施例 第10図は、第５の実施例を示す振動検出用圧電素子９
の電極パターンである。

第１の実施例では、圧電素子９は形状がドーナツ状
で、第10図（ｄ）に示す如く、分極状態が振動子の軸と
ほぼ直交する断面上における前記軸を通るラインの内少
なくとも１つのラインを中心にして左右の領域で非対称
であるように、その半分ずつを、プラス（＋），マイナ
ス（−）に分極した電極パターンとしているが第６の実
施例ではその電極パターンを変えたものを振動検出用圧
電素子として用いている。

第10図（ａ）の電極パターンの圧電素子を用いると、
電極面積が小さいため、出力電圧を小さくすることがで
き、第５の実施例と同様の効果が得られる。

第10図（ｂ）の電極パターンは、上記効果に加えて、
振動体の振動を阻害しにくい応力分布をした電極パター
ンである。

第10図（ｃ）の電極パターンは、片方向のみ分極され
ており、圧電素子を作るとき、片方向分極で済むという
利点がある。

このように、振動検出用圧電素子の分極状態を、振動
子の中心軸を通るラインの内少なくとも１つのラインを
中心にしてその左右で対称とならないように、左右で異
なる分極状態にしたり、片側だけに分極処理部を設けた
りしているので、振動状態を効率よく検出することがで
きる。

第11図は、本発明によるモータを使用して光学レンズ
の鏡筒などを駆動する場合のシステム構成図である。

25はバネポスト部、26はベアリングなどの回転絶縁部
材、27は、コイルバネであり、バネポスト部25とコイル
バネ27によってロータ８が加圧される。ロータの回転
は、回転絶縁部材26により絶縁され、バネポスト部25は
回転しない。

28はロータ８と同軸的に接合された歯車で、回転出力
を歯車29に伝達し、歯車29と噛み合う歯車をもった鏡筒
30を回転させる。

ロータ８および鏡筒30の回転位置、回転速度を検出す
るために、光学式エンコーダスリット板31が歯車29と同
軸に配置され、フォトカプラ32で位置、速度を検出す
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、振動状態検出
用電気−機械エネルギー変換素子部により振動状態を検
出でき、しかも振動状態検出用電気−機械エネルギー変
換素子部を、その分極状態が振動子の幅とほぼ直交する
振動子の断面上における上記軸を通るラインの内少なく
とも１つのラインを中心にして左右の領域で非対称にな
るように配設しているので、振動状態検出用電気−機械
エネルギー変換素子部の出力がキャンセルされることが
なく、振動状態を効率よく検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示した分解斜視図、第
２図は第１の実施例における振動検出信号と周波数の関
係を示す図、第３図は第１の実施例における振動検出信
号と入力電圧との位相差対周波数の関係を示す図、第４
図は本発明の第１の実施例の制御回路ブロック図、第５
図は本発明の第２の実施例を示した分解斜視図、第６図
は第２の実施例における振動検出信号と入力電圧の位相
差対周波数の関係を示す図、第７図は本発明の第３の実
施例を示した分解斜視図、第８図は第３の実施例におけ
る振動検出信号と入力電圧の位相差対周波数の関係を示
す図、第９図は本発明の第４の実施例を示した側面図、
第10図（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の実施例を示す振
動検出用圧電素子の電極パターン図、第11図は本発明の
棒状振動型モータを組み込んだシステム図、第12図は従
来例を示した分解斜図、第13図は圧電素子板に印加する
交流電源の波形図、第14図は従来例の振動型モータの組
み付け側面図である。 １……振動体、２……押え体 3,4……圧電素子板 5,10,11,13,14,15……電極板 ６……ボルト、7,12……絶縁体 ８……ロータ、９……振動検出用圧電素子 16……振動検出素子、17……発振器 18……90゜移相器、19……180゜移相器 20,21……増幅器、22……位相差検出器 23……演算回路、24……周波数指令 25……バネポスト部、26……回転絶縁部材 27……コイルバネ、28,29……歯車 30……鏡筒 31……光学式エンコーダスリット板 32……フォトカプラ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】分極方向が異なる第一と第二の分極処理部
   を有する平板の駆動用電気−機械エネルギー変換素子部
   を弾性体に対して重ね合わせ方向に複数設けて振動子を
   構成するとともに、前記駆動用電気−機械エネルギー変
   換素子部に周波電圧を印加して屈曲モードの振動を励起
   させ駆動力を得る振動型モータにおいて、 前記弾性体に対して重ね合わせ方向に振動状態検出用電
   気−機械エネルギー変換素子部を、該振動状態検出用電
   気−機械エネルギー変換素子部の表面と前記駆動用電気
   −機械エネルギー変換素子部の表面とが対向するように
   配設するとともに、該振動状態検出用電気−機械エネル
   ギー変換素子部の分極状態が前記振動子の軸とほぼ直交
   する振動子の断面上における前記軸を通るラインの内少
   なくとも１つのラインを中心にして左右の領域で非対称
   になるように前記振動状態検出用電気−機械エネルギー
   変換素子部を配設したことを特徴とする振動型モータ。