JPH01315269A

JPH01315269A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH01315269A
Application number: JP63143713A
Authority: JP
Inventors: Keiji Takada; 啓二高田; Shigeyuki Hosoki; 茂行細木; Sumio Hosaka; 純男保坂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-06-13
Filing date: 1988-06-13
Publication date: 1989-12-20

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〕本発明はモータに係り、特に圧電材の電気機械変換を用
いた超音波モータに関する。

〔従来の技術〕

従来、複合振動型超音波モータについては電子情報通信
学会技術研究報告ＵＳ８７−３１に記載さ才しでいる。

複合振動型の特徴は、駆動力となる回転子の回転方向の
振動は超音波振動子で行い、摩擦力の制御を積層型圧電
素子の非共振状態で行うことにある。

通常、回転子と固定子との接触面はサブミクロンからミ
クロンオーダの凹凸があるため、摩擦力を制御する振動
の振幅は、少なくともこの程度の大きさが必要である。

サブミクロン以上の振幅を実用的な印加電圧で得るため
には、共振状態を用いるかあるいは比較的低い電圧で大
きな変位が得られる積層型圧電素子を用いる方法が考え
られる。

複合振動型超音波モータにおいては、駆動力を超音波振
動子の共振状態から得ているため、摩擦力制御に共振状
態を用いると、２個の異なる振動子を同一の周波数で共
振させる必要があり、技術的に非常に困難である。その
ため、積層型圧電素子の非共振状態を用いているのであ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕上記従来技術は、積層型圧電素子を高い周波数で駆動す
る必要があるばかりでなく、非共振状態で比較的大きな
変位を得なければならないため、印加電圧を小さくする
ことができない。このため、積層型圧電素子への投入電
力は大きなものとなり、内部損失が大きく、エネルギー
変換効率の向上は望めない。

また、上記従来技術は、超音波振動子と積層型圧電素子
とを駆動させるための２相の交番電圧が必要である。

本発明の目的は、エネルギー変換効率の向上及び駆動回
路の単純化にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、摩擦力制御用圧電素子を共振状態で使用す
ることにより達成される。そのために。

駆動力を発生するための振動子は非共振状態で振動させ
る。しかし、このことによりモータの動作に支障をきた
すことはなく、モータの速度の減少は、共振周波数を高
く設定するか、あるいは、せん断変形のように大きな変
形を得やすい振動モードを利用することにより克服でき
る。

次に、駆動回路の単純化のための手段について述へる。

圧電素子に印加される電圧と変位との位相は、最も低い
共振周波数以下においてはほぼ同位相であるが、共振点
付近では大きく位相が変化するにれは電圧に対して変位
が遅れてくるためである。このため、単相の交番電圧で
、摩擦力制御用圧電素子を共振さに、さらに駆動力発生
用圧電素子を振動させた場合、周波数の適正な設定によ
り両者の振動の位相を９０°ずらずことができる。これ
により、単相の交番電圧での駆動が可能となる。

〔作用〕

摩擦力制御用の圧電素子は、共振状態で動作するため、
小さい電力で大きな変位を得ることができる。すなわち
素子の内部損失が少ない。

また、単相の交番電圧でモータを駆動できるので、駆動
回路の単純化を達成できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。積層
型圧電索子１の一端が板８に固定され、他端には圧電体
２が取り付けられている。圧電体２は、積層型圧電素子
１の伸縮方向に分極されており、分極方向と直交した２
方向に電場を加えられるように側面に電１４（図示略）
が取り付けられている。この底面にはＳｉＣ板３が接着
されている。

交番電源５からの交番電圧（三角波形）は、アンプ４に
より適当な電圧に増幅され、積層型圧電素子１に印加さ
れる。同時に、アンプ６により圧電体２にも交番電圧が
印加される。素子１の共振点付近で周波数を調整するこ
とにより、素子１の印加電圧と変位との位相は９０’ず
らされている。

一方、圧電体２は非共振状態にあり、印加電圧と変位と
の位相差はない。なお、アンプ６は、出力電圧の位相を
１８０’ずらすことができる。

次に動作を説明する。積層型圧電素子１は、共振状態に
あり、伸縮方向に変位を繰り返している。

一方、圧電体２は、これと直交した方向にせん断変形を
繰り返している。せん断変形の方向は。

印加電場の方向である。圧電体２に対する印加電場の方
向は、スイッチ７により第１図中左右方向あるいは紙面
に垂直方向に切り変えることができる。これにより、せ
ん断変形方向は上記２方向のいずれかを選択できる。す
なわちモータの駆動方向をスイッチ７により選択できる
。

積層型圧電素子１と圧電体２との振動の位相は。

前述のように、９０６ずらされており、従ってＳｉＣ板
３は、だ円運動を行う。アンプ６により、圧電体２への
信号を１８０＠ずらせば逆方向にだ円運動を行い、進行
方向を逆転できる。

第２図に、モータの構成例を示す。振動体９゜１０．１
１．１２は、第１図に示した積層型圧電素子１．圧電体
２．ＳｉＣ板３より成る部分である。これらが板８の四
隅に取り付けられ、第１図に示した駆動回路と同様のも
ので各々駆動される。

各振動体９，１０，１１．１２の進行方向は、２方向（
短辺方向）に切り換えられるので、板８及び振動体９，
１０，１１．１２より成る移動子は。

平担は台上で任意の方向への直進運動及び回転運動を行
うことができる。

第３図、第４図は、圧電体のせん断変形のかわりに、積
層型圧電素子１３．１４の変位を、モータの駆動力とし
て用いた例である。積層型圧電素子１４は、紙面に垂直
方向に取り付けられ、一端を板８に固定され、他端はブ
ロック２２に固定されている。従って第３図中には示さ
れていない。

積層型圧電索子１３は、１４と直交するように同様に取
り付けられている。積層型圧電索子１は、これら２つの
素子と直交するように取り付けられている。これら３個
の素子は全てほぼ同じ共振点をもつ。

これらの素子の駆動は、積層型圧電素子１の共振周波数
の三角波により行われる。交流電源５からの三角波は、
アンプ４，２３．２４で任意の電圧に増幅され積層型圧
電素子１．．１３．１４に各各与えられる。例えば、素
子１と１３とを、位相器２１で三角波を適当な角度だけ
遅らせることにより、９０’位相をずらして振動させる
ことができる。その結果ブロック２２は紙面上でだ円運
動を行い、台２０を一方向につつくことにより第３図中
、左右方向の駆動力を発生する。同様に、素子１と１４
とを駆動すると１紙面垂直方向の駆動力が得られる。

この積層型圧電素子３個より成るトライポットを、第２
図と同様に板８の四隅に取り付けることにより、第２図
に示したモータと同様の機能が得られる。すなわち、板
８は台２ｏに対して直進運動及び回転運動を行うことが
できる。

本実施例によれば、駆動力を発生する振動と摩擦力を制
御する振動の双方が共振状態であるため。

エネルギー変換効率にすぐれる。積層型圧電素子は、比
較的均質なものが市販されており、その中から特に共振
点が近いものを選択してトライポットに組んでいる。積
層型圧電素子を用いず、立方体の圧電体を切りかいて、
ピエゾトライポットを作っても同様である。この場合は
、圧電横効果を用いる。また、素子１３．１４を短くし
、共振周波数を上げれば、位相器２１は不用となる。

第５図は、一つの圧電体の２つの振動の位相をずらした
圧電モータである。ブロック１７に圧電板１５．１８が
取り付けられ、その先にブロック１６．１９が取り付け
られている。圧電板１５゜１８の下面には、薄い金属板
２５．２６が接着され、これらは電極の役目もはたして
いる。ブロック１７は、ブロック１６．１９に比べ、十
分に重い。

圧電板１５にサイン波を加えると、分極方向と垂直方向
に伸縮するだけでなく、ブロック１７の接着点を基点に
曲り振動がおこる。これは、ユニモルフの構造をもって
いるためである。曲り振動は、ブロック１６を台２０の
面に対して垂直方向に振動させ、伸縮振動は面方向にブ
ロック１６を振動させる。一般に両者の共振周波数は異
なる。

そこで、共振周波数の低い曲り振動の共振点付近でサイ
ン波の周波数を調整することにより、２つの振動の位相
を９０″ずらすことができ、ブロック１６をだ円運動さ
せることができる。

圧電板１５の振動により、モータは図中右方向へ移動し
、圧電板１８により左方向へ移動する。

上述の各実施例は、摩擦力制御のための振動が共振状態
にある場合であった。しかし、共振周波数付近における
、電圧に対する変位の位相のずれを利用した圧電モータ
の単相交番電圧駆動の方法は、駆動力を発生する振動が
共振状態にある圧電モータにも適用できる。

たとえば、第３図に示した構成において、圧電素子１３
．１４に、圧電索子１よりも共振周波数が低い素子を使
う。交流電源５の発振周波数を圧電素子１３あるいは１
４の共振点近傍でＷ８整することにより、素子１と、索
子１３あるいは索子１４との振動の位相は９０°ずれ、
一方向の駆動力を発生する。

これにより１位相器２１は不用となる。移動方向を逆転
するには、アンプ４の出力極性を逆転させるなどの方法
がとられる。出力極性の逆転は、電気回路上、簡単に実
施できる。

市販されている同一規格、同一寸法の積層型圧電素子に
おいても、共振点が、ごくわずかずれているものが多い
、このため、同一規格の素子でピエゾトライポットを組
んだ場合でも、単相の交番電圧の周波数を共振点付近の
適当な周波数に設定することにより、２個の素子の振動
の位相を９０゜ずらすことができる。これによって、摩
擦力制御及び駆動力発生用の振動とも共振状態での、単
相周波数駆動が実現できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、摩擦力を制御する振動子を共振状態で
用いるため、小さな投入電力で必要な変位が得られる。

このため、エネルギー変換効率が良い。

また、駆動周波数が単相でよいため、モータの駆動回路
の低価格化を達成できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例になる超音波モータの概略模
式図、第２図はモータの外観を示す斜視図、第３図は本
発明の他の実施例の超音波モータの概略模式図、第４図
は第３図のモータ要部斜視図、第５図は本発明のさらに
他の実施例の超音波モータの断面図である。１・・・積層型圧電素子、２・・圧電体、３・・・Ｓｉ
Ｃ板、４・・・アンプ、５・・・交流電源、６・・・ア
ンプ、７・・・スイツチ、８・・・板、９．１０，１１
．１２・・・振動体、１３．１４・・・積層型圧電素子
、１５・・・圧電板。１６．１７・・・ブロック、１８・・・圧電板、１９・
・・ブロック、２０・・・台、２１・・・位相器、２２
・・・プロツ第１口第　２　囚３　・版

Claims

【特許請求の範囲】

１．移動子と固定子とよりなり、該移動子あるいは該固
定子には、電場を加えると歪を生ずる圧電材が組み込ま
れており、該圧電材に交番電場を印加することにより該
移動子が移動する超音波モータにおいて、該移動子の移
動方向と垂直方向に振動を励起する手段と該移動方向に
振動を励起する手段とを別個に設け、該垂直方向の振動
は共振状態にあることを特徴とする超音波モータ。
２．前記垂直方向の振動の励起手段として、積層型圧電
素子を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の超音波モータ。
３．特許請求の範囲第１項記載の超音波モータにおいて
、前記移動子の移動方向に対して垂直方向の振動と移動
方向の振動がともに共振状態にあることを特徴とする超
音波モータ。
４．特許請求の範囲第１項記載の超音波モータにおいて
、前記垂直方向の振動における電圧と変位との間に位相
差を生じさせることにより、単相の交番電圧で駆動でき
ることを特徴とする超音波モータ。
５．移動子と固定子とより成り、該移動子あるいは該固
定子には電場を加えると歪を生ずる圧電材が組み込まれ
ており、該圧電材に交番電場を印加することにより該移
動子が移動する超音波モータにおいて、該圧電材により
２方向に励振された２つの振動モード間に位相差を生じ
させることにより、単相の交番電圧で駆動できることを
特徴とする超音波モータ。