JP3312344B2

JP3312344B2 - 圧電モータ

Info

Publication number: JP3312344B2
Application number: JP25366492A
Authority: JP
Inventors: ローラン・リーシア; ミノル・クロサワ
Original assignee: Asulab AG
Current assignee: Asulab AG
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1992-08-31
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: DE69206570T2; EP0537446A3; KR930005324A; EP0537446A2; US5233257A; EP0537446B1; DE69206570D1; CH685183A5; JPH05211787A; KR100262893B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電モータに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】進行波形式の圧電モータは公知であっ
て、例えばEP 0 325 062に開示されているものでは、支
持手段を形成しているベースから支持シャフトが垂直方
向に延出し、またベースにステータが取り付けられてい
る。圧電変換器がステータの下方に取り付けられてお
り、電気的に励起されて進行波形式の振動運動をステー
タに与える例えばセラミックを有している。この圧電モ
ータはさらに、固定手段によってステータに対して軸方
向接触状態に維持されているロータを有している。ステ
ータによって与えられた振動運動の伝達手段がロータ上
に配置されており、この伝達手段は分円形の突起で形成
されている。同様な構造のモータがEP 0 395 298に記載
されている。このモータは上記モータに類似した構造で
あるが、定常波と呼ばれる別の振動モードで作動する。
これにも、直接にステータ上に肉厚部分として形成され
た突起を有する運動を伝達する手段が設けられている。
これらのモータは、低速回転時に大きな偶力を発生する
ことができるという利点を持っている。

【０００３】しかし、ロボット工学、生体医用工学及び
航空学等の用途では、これらのモータをできる限り小型
化する努力が行われており、それによって必然的にそれ
らの寸法全体を大幅に小さくすることになる。さらに、
非常に高速の回転から本質的及び必要的に出力範囲を減
少させるのに減速歯車装置を設ける必要があるが、これ
によってモータを含む装置が相当に複雑化し、それらの
コストも増加する。US 4 453 103も同軸的構造形式の圧
電モータを記載している。そこに記載されたステータ
は、ロータを包囲する管形部材であって、振動運動をた
わみ可能で弾性変形する部材で形成されたプッシャ部材
に与える圧電変換器を有している。プッシャ部材がステ
ータに定期的に押し付けられることによって、ロータに
回転運動を加えることができる。この形式のモータの主
な欠点は構造が非常に複雑であることでる。さらに、こ
のモータは、ロータ及びステータ間の機械的連結に対し
て調節手段を有していないため、製造ラインの端部での
調節がまったく不可能である。このように、モータの構
造が複雑であり、また調節手段が設けられていないこと
から、それは非常に正確な公差での加工を必要とし、そ
のために価格が高くなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、上記欠点を解決して、小型化が可能で、大きいモー
タ偶力を送ることができ、また構造が簡単で低コストで
製造できる圧電モータを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】従って、本発明によれ
ば、支持体と、支持体と一体化したステータと、電気的
に励起されてステータに振動運動を与えることができる
圧電手段と、支持体に回転可能に取り付けられて、変位
平面である平面で回転軸線の回りに変位可能であるロー
タと、ステータの振動運動をロータに伝達して、ロータ
を前記軸線の回りに回転移動させる伝達手段と、ロータ
をステータ上に支持する手段とを有しており、前記ステ
ータは、ロータの変位平面にほぼ直交する方向の速度成
分を有する振動運動を行い、ステータの振動運動の前記
速度成分をロータの回転運動に伝達する手段と協働する
ようにした圧電モータである。ステータは、特にたわみ
によって軸対称振動運動を行い、それによって垂直方向
速度成分を発生し、この軸対称振動運動の中心がロータ
の回転軸線上にある用にすることが望ましい。

【０００６】

【実施例】本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を
参照した以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
図１は、本発明による圧電モータ１の実施例を示してい
る。モータ１には支持体２が設けられており、本実施例
の支持体２はベースとなるフランジ４によって形成され
て、その中に段差付きピンまたはスタッド６が埋め込ま
れて、特に圧入または接着によって固定されている。段
差付きピン６は（図１に示されている位置にある）ベー
ス４から垂直方向に、それに直交するように延在してい
る。外形が円筒形である段差付きピン６の軸線Ｘ１を、
以下の説明では回転軸線と呼ぶ。ベース４及び段差付き
ピン６は、黄銅またはステンレス鋼の合金等の金属製で
ある。このように、ベース４及びピン６の組み付け体
が、本発明による圧電モータ１のための支持体２となる
固定構造体を構成している。

【０００７】ステータ８が段差付きピン６に圧入または
接着によって固定的に取り付けられている。このように
段差付きピン６によって支持体２と一体化させたステー
タ８には、厚さ方向全体に均一に分極化されているセラ
ミック等の圧電素子１０ａからなる圧電手段１０と、従
来通りに接続されている２つの電極１０ｂ及び１０ｃ
と、概略的に示されているだけである電源ＡＬとが取り
付けられている。このように、圧電手段１０は変換器を
形成しており、電極１０ｂ及び１０ｃを介して電源ＡＬ
から給電されるのに応答して振動運動を行う。この形式
のモータでの圧電現象及びそのような圧電変換器の構造
及び配置は当業者には公知であるため、ここでは詳細な
説明を省略する。

【０００８】本モータのステータは中央にオリフィス開
口１４を設けたディスク１２で形成されており、本実施
例ではその開口を段差付きピン６の円筒形外周部分に圧
入するか、直接的にそれに接着している。ステータ８の
枠構造を形成しているディスク１２は、段差付きピン６
の肩部１６上の軸方向支持部に載せられている。特に図
１に示されているように、ベース４に面して、以下の説
明で裏面と呼ばれるディスク１２の表面Ｆ１の中央部分
が窪んでおり、ベース４に面して中空部または室１８が
形成されている。この中空部１８によって、ステータを
形成しているディスクの裏面上に環状カラー２０が形成
されており、その上に圧電手段１０が固着されている。
圧電手段１０も、幅ｌａ（図２）が環状リング２０の幅
ｌｂ（図１）と同じである環状ディスク形である。圧電
手段１０の電極１０ｂ及び１０ｃも非常に薄い環状ディ
スク形であって、図２に示されているように前面が平坦
で連続した構造である。すなわち従来構造の場合によう
に破断されておらず、分極したセグメントで構成したも
のではないことが非常に好都合であることに注意された
い。このため、同一のものである電極１０ｂ及び１０ｃ
は設計及び製造が非常に簡単である。ステータ８を形成
しているディスク１２は、黄銅、ステンレス鋼合金また
はアルミニウム等の金属製で、必要に応じて硬質素材、
特にクロムまたは窒化チタンの薄膜で被覆するのが好ま
しい。電極１０ｂ及び１０ｃはニッケルまたは銀製にす
ることが好ましい。

【０００９】圧電モータ１にはさらに、支持体２に対し
て回転軸線Ｘ１の回りに回転可能に取り付けられたロー
タ３０が設けられている。すなわち、ロータ３０はディ
スク１２の表面Ｆ１の反対側の表面Ｆ２に当接して軸方
向に支持されている一方、それの中央オリフィス３２が
段差付きピン６の外周部の一部に遊嵌されている。本実
施例のロータ３０は、金属、セラミックまたは硬質プラ
スチックからなる薄いディスク３４を有している。この
ディスク３４は、カップリング手段（図示せず）と網目
結合できる剛質の負荷構造部を形成している。

【００１０】圧電モータ１はさらに移動を伝達するため
の手段３６を有しており、この手段３６はステータ８の
振動運動をロータ３０に伝達して、ロータ３０をその軸
線Ｘ１回りに回転移動させる。このため、ロータは回転
軸線Ｘ１に直交する中間変位平面Ｐdm上で回転移動でき
るようになっていることに注意する必要がある。伝達手
段３６は、たわみ可能なトング３８からなる弾性変形可
能な部材で形成されている。図３及び４にわかりやすく
示されているように、本実施例のたわみ可能なトング３
８は、ロータ３０の負荷構造部を形成しているディスク
３４に埋め込まれている。このように、たわみ可能なト
ング３８からなる弾性的に変形可能な部材はロータに固
定されている。

【００１１】これらのたわみ可能なトングの特徴を以下
に詳細に説明する。また、図１に示されているように、
ロータ３０は固定手段４０によって軸方向にステータ８
側へ付勢されていることに注意されたい。ロータ３０を
ステータ８上に軸方向に固定する固定手段４０は、段差
付きピン６に取り付けられてローラベアリング４４によ
って軸方向圧力が加えられているキャップ４２の形をし
たばねからなり、ローラベアリング４４自体も段差付き
ピン６に取り付けられて、そのピン６の自由端部に取り
付けられたねじ４６によってピン６上に保持されてい
る。この固定手段では、ねじ４６を締め付けたり緩める
ことによってステータ８に対するロータ３０の固定圧力
を調節することができる。

【００１２】次に図３及び４を参照しながら、本発明の
ロータ３０について、特にその上の伝達手段３６の弾性
変形可能な部材の構造についてさらに詳細に説明する。
図面からわかるように、弾性部材はディスク３４の外周
に固定されたたわみ可能なトング３８によって形成され
ている。これらのトングの４つが図示されているだけで
あるが、少なくとも３つのトングをロータ３０上に配置
しなければならないことは理解されるであろう。それよ
りもはるかに多数のトングを用いることもでき、その数
は最大混雑状態によって制限される。変形可能なトング
３８は、ディスク３４の外周部の周りに設けられた傾斜
溝３９にはめ込まれ、接着によって固定保持されてい
る。

【００１３】たわみ可能なトング３８は、このようにロ
ータ３０から、特にディスク３４からステータ８の前面
Ｆ２の方向へ、回転軸線Ｘ１に平行な垂直軸線に対して
傾斜角βの角度を付けて突出している。この角度βは１
０゜〜３０゜であることが好ましい。また、平板状の平
行六面体の形をした各たわみ可能なトング３８は、ロー
タ３０から好ましくは0.3〜0.7mm（0.3〜0.7×10^ー3 m）
の値に選択される自由長さＬcsだけ突出している。各ト
ングは厚さｅｃが0.06〜0.15mm（0.06〜0.15×10^ー3m）、
幅ｌｃが0.2〜1mm(0.2〜1×10^ー3m)であることが好まし
い。ロータ３０とステータ８との間に配置された変形可
能なトング３８は、ステータ８の平坦な前面に当接して
直接的にその上に載置され、前面Ｆ２は平滑であって突
起や突出部がないことに注意されたい。たわみ可能なト
ング３８は、ベリリウム銅またはステンレス鋼の合金等
の素材で形成される。

【００１４】図５及び６は、本発明の弾性たわみ可能な
部材の第２実施例を示している。この実施例の伝達手段
３６の弾性変形可能な部材は、同一素材のディスク５２
を折り返して（一部のものだけに番号が付けられてい
る）設けられている。このディスク５２は、ロータ３０
を形成しているディスク３４の下側に取り付けられてい
ることに注意されたい。この実施例では、たわみ可能な
トング５０が冷間変形加工、特に打ち抜き加工によって
ディスク５２の外周部の周囲に設けられる。このため、
本実施例では特にステータからロータに加えられる振動
運動の伝達手段を構成しているたわみ可能なトング５０
が、高速作業が可能な加工によって得られることがわか
る。

【００１５】次に図７〜９を参照しながら、本発明によ
るステータの振動運動の第１変更例について説明する。
図７に示されているステータ８の部分図から明らかなよ
うに、ステータ８は基準Ａで示されている休止位置の一
方側から他方側へたわむようにして変形する。図面では
変形の上下端Ｂ及びＣの位置を誇張して示しているが、
実際にはステータの外周（矢印）での振動振幅が５μｍ
（５×１０^ー6ｍ）を超えない。この変形によってステー
タ８はカップ形になる。このカップ形変形は、圧電手段
１０によって誘導された振動運動からステータ８内に発
生した曲げ力によるものである。この振動運動は軸対称
形式であって、ステータに同じ形式の変形を加える。こ
のことは、半径Ｒｂの関数としたステータ８の振幅変化
量Ａｍｐがステータ８の中心から外周に向かって増加す
ることがわかる図８の曲線Ｃ１及びＣ２からも明らかで
ある。

【００１６】曲線Ｃ１及びＣ２は変曲点を示さない、又
は振幅がゼロの位置を通っていないことに注意された
い。この振動モードでは、節円がステータ８上に現れな
いようになっている。この特徴は、すべてがゼロ以外の
振幅値を示している図９の曲線Ｃ３〜Ｃｎから明らかで
ある。これらの曲線Ｃ３〜Ｃｎは、ステータの角度位置
の関数にしたステータの振幅の変化量を示しており、こ
れらの変化量は図８の曲線Ｃ１に対応した正の振幅変化
量である。さらに、曲線がすべて直線状であって互いに
平行であることから、この振動モードが節直径を生じな
いことがわかるであろう。従って、この振動は国際基準
Ｂｎｍ（ｎは節円の数、ｍは節直径の数である）によれ
ばＢoo形式である。また、この振動運動及びこの非対称
変形の中心が回転軸線Ｘ１上にあることがわかる。これ
により、平面状の階層形モータ、すなわちほぼ平板形の
ステータ及びロータが重なり合っているモータが得られ
る。このモータは、非対称運動の中心が回転軸線上にあ
ってその上で向きが決められるため、回転軸線Ｘ１に対
してほぼ軸方向振動運動する形式のものである。

【００１７】振幅が非常に小さい振動及び軸対称変形の
モードのため、ステータ８の各点、例えばＰt1〜Ｐt3
（図４）は、ある半径（例えばＲｂ１〜Ｒｂｎ）及び位
相でロータに描かれた各円について同一振幅で回転軸線
Ｘ１に平行な方向のほぼ直線状の変位を多少とも軸線Ｘ
１に沿って示す。ステータ上の各点、特にステータ及び
ロータの接触領域内の各点において、本発明による圧電
モータの軸対称振動モードは、ロータ３０の変位平面Ｐ
dmにほぼ垂直な速度成分Ｖ（図４にはＶ１〜Ｖ３だけが
示されている）を与える。ステータは、振動の振幅の非
常にわずかな性質を考慮すれば、変位平面Ｐdm上に大き
い速度成分を有していない。このため、半径方向、遠心
または求心形の大きい加速度も存在しない。ステータ
は、進行波または定常波の振動モードを有する従来形圧
電モータのステータに見られる加速度である接線加速度
を生じないことにも注意する必要がある。

【００１８】図１０は、本発明による軸対称振動運動の
第２変化量を受けた時のステータ８の変形を示してお
り、基準Ｄは休止位置を示しているのに対して、Ｅ及び
Ｆはステータが励起された時のそれの変形の両端の位置
を示している。この場合の運動には節円があり、半径Ｒ
ｂ３（図１１及び１２）で示されている。ステータの振
動節を示す振幅ゼロの位置を通過する図１１の曲線Ｃ１
及びＣ２の効果について特に注意する必要がある。図１
２の曲線Ｃ３〜Ｃｎから、ある半径Ｒｂｘのステータに
おいて、そのステータ上のすべての円は３６０゜に渡っ
て一定の振幅値（矢印の方向）を与え、図１２の曲線Ｃ
３〜Ｃｎが直線状であって互いに平行であることがわか
るため、振動モード及びステータ８の変形の軸対称性が
説明される。曲線Ｃ３〜Ｃｎは、ステータの振幅変化量
をその角度位置の関数で表したものであり、これらの変
化量は図１１の曲線Ｃ２に対応した振幅変化量である。
この振動モードは、ステータ８上に節直径を生じない。
従って、この振動モードはＢ10形式である。

【００１９】例えばステータ及び圧電手段を以下の寸法
にして（図４）Ｂ00及びＢ10形式のこれらの軸対称振動
モードを得るためには、周波数Ｆの交流を電源ＡＬから
発生するが、各モードに対する寸法及び周波数は以下の
値である。

【００２０】モードＢ00 モードＢ10 ｍｍ（１０^ー3ｍ）ｍｍ（１０^ー3ｍ）Ｈｂ１１ｈｂ０．５０．５Ｒｂ５５ｒｂ３３ｌｂ２２Ｅｂ０．４０．４ｈａ０．５０．５ｌａ２２Ｆ１４ＫＨｚ（１０³ヘルツ）８４ＫＨｚ（１０³ヘルツ）

【００２１】但し、Ｈｂはステータの全高（ディスク１
２及び圧電手段１０の合計高さ）、ｈｂはディスク１２
の高さ（圧電手段１０を除いたステータだけの高さ）、
Ｒｂはステータの大半径（ディスク１２の外周での半
径）、ｒｂはステータの小半径（中空部１８が設けられ
ている位置での半径）、ｌｂは環状カラー２０の幅、Ｅ
ｂは中空部１８の位置でのステータ８の（ディスク１２
の）厚さ、ｈａは圧電手段の全高（電極の厚さは無視で
きる）、ｌａは圧電手段１０の幅、Ｆはステータの振動
周波数であり、ステータは段差付きピン６の半径が0.5m
m（0.5×10^ー3 m）の部分に固定されており、オリフィス
１４の半径もこの値である。この場合、ディスク１２は
ステンレス鋼合金製、圧電素子１０はＰzt形（ジルコニ
ウムをドーピングしたチタン銅）の圧電セラミック製で
ある。以上に説明した軸対称振動モード（Ｂ00及びＢ1
0）の２つの変化量から、本発明によるモータの振動モ
ードをＢX0（ｘは０〜ｎの整数）の表記で一般化するこ
とができることが理解されるであろう。

【００２２】作用を説明すると、圧電手段１０を電源Ａ
Ｌで励起させると振動する。この振動が直接平面接触に
よってディスク１２に伝達される。ステータ８は、全体
として前述したように軸対称振動運動、すなわちＢ00ま
たはＢ10であるが、一般化すればＢX0を行う。ステータ
のたわみによる変形、従って発生したたわみによる（特
に回転軸線Ｘ１上の突起による）ステータの各点の大き
い直線変位が、たわみ可能なトング３８または５０によ
って形成された弾性変形可能な部材による変位平面Ｐdm
上でのロータ３０の変位及びそれに伴った回転に変換さ
れる。トング３６は、押し付けられた時に曲がって、ロ
ータ３０内にその外周部分に沿ってロータの変位平面Ｐ
dmに平行な接線速度成分を誘導する。このように、たわ
み可能なトング３８及び５０によって形成された弾性変
形可能な部材３６は、ステータのほぼ軸方向直線（すな
わち垂直方向）運動をロータに伝達すると同時に、それ
をロータの垂直回転運動に変換することができる運動変
換手段３６を形成している。

【００２３】圧電手段によってステータ内に発生し、ス
テータをカップ形にする曲げ応力が、前記圧電手段をス
テータに取り付けて構成された剛質アセンブリの不均質
２成分構造によるものであることが、上記説明から理解
される。ステータをそのようにカップ形に変形させるた
め、電極を介して電気が流れた時に半径方向に変形する
特殊なセラミックが用いられる。すなわち、加えられた
電界から生じる変形を表す圧電定数ｄ３１が高いセラミ
ックが選択される。作用を説明すると、前記圧電手段の
振動の半径方向成分が、当業者には公知の不均質２成分
原理によってステータのディスク内に曲げ形式の振動を
発生する。電源は、所望のＢX0モードの共振周波数に一
致した周波数の交流信号を発生する。ステータがこのよ
うに励起されると、上記のように軸対称振動運動に相当
するＢX0モードでステータ全体が共振する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧電モータの長手方向断面図であ
る。

【図２】図１の矢印ＩＩの方向に見たステータの電極の
平面図である。

【図３】図１の矢印ＩＩＩの方向に見た図であり、本発
明のモータに使用される本発明の第１実施例によるロー
タの上表面を示している。

【図４】図１に示されているロータ及びステータだけを
示す側面図である。

【図５】図６の矢印Ｖの方向に見た図であり、本発明の
モータに使用される本発明の第２実施例によるロータの
上表面を示している。

【図６】図５の矢印ＶＩの方向に見た図５のロータの側
面図である。

【図７】図１及び４のステータの断面の部分図であり、
本発明に従った振動運動の第１変化量に従ってステータ
が励起されて振動している時の休止位置を実線で、両端
変形位置を破線で示している。

【図８】ステータのある角度位置におけるステータの変
形の振幅の変化量をステータの半径の関数として示した
曲線のグラフである。

【図９】ステータのある角度位置におけるステータの変
形の振幅の変化量をステータの半径の関数として示した
曲線のグラフである。

【図１０】図７と同様な部分断面図であるが、本発明に
よる振動運動の第２変化量を示している。

【図１１】それぞれ図８及び９と同様な図であるが、図
１０の振動モードの変化量に従ってステータが振動する
時のステータの振幅の変化量のグラフを示している。

【図１２】それぞれ図８及び９と同様な図であるが、図
１０の振動モードの変化量に従ってステータが振動する
時のステータの振幅の変化量のグラフを示している。

【符号の説明】

２支持体８ステータ１０圧電手段３０ロータ３６伝達手段４０固定手段Ｘ１回転軸線Ｐｄｍ変位平面

フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−240383（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−290172（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−314181（ＪＰ，Ａ) 特開平１−174279（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】支持体（２）と、前記支持体（２）に緊着されたステータ（８）と、前記ステータ（８）に取り付けられ、電気的に励起され
て前記ステータ（８）に振動運動を与えることができる
圧電手段（１０）と、前記支持体（２）に回転可能に取り付けられ、変位平面
（Ｐdm）で前記ステータ（８）の中心がある回転軸線
（Ｘ１）の回りに変位可能であるロータ（３０）と、前記ロータ（３０）と前記ステータ（８）の間に置か
れ、前記ステータ（８）の振動運動を、前記軸線（Ｘ
１）回りの前記ロータ（３０）の回転運動に変換する弾
性的に変形可能な部材（３８；５０）を含む伝達手段
（３６）と、前記ロータ（３０）を前記ステータ（８）上に支持する
手段（４０）とを備えた圧電モータにおいて、前記ステータ（８）がディスク（１２）で作られ、前記
圧電手段（１０）は環状で、中心が前記ロータ（３０）
の回転軸線（Ｘ１）にありかつ両面に環状の電極（１０
ｂ、１０ｃ）が設けられた圧電素子（１０ａ）を有する
ので、電気的に励起された時に前記圧電手段（１０）
は、前記ステータ（８）に、前記ロータ（３０）の変位
平面（Ｐdm）とほぼ直交する方向の速度成分（Ｖ）を有
する軸対称振動運動を与え、したがって前記ステータ
（８）はたわみによって変位されかつ前記ステータ
（８）の各点は前記変位平面（Ｐdm）またはこれに平行
な大きい速度成分（Ｖ）を有さないことを特徴とする圧
電モータ。