JPH01502384A - 圧電モータ - Google Patents

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】 圧電モータ 技術分野 本発明は、圧電装置に関し、更に詳細には、圧電モータに関する。

従来技術 ステータと、ハウジングを有しておりステータと摩擦により相互作用しているロ ータと、ハウジングに取付けられおりラジアルモードの振動を生ずる圧電発振器 とを具備し、そしてロータに同軸に配置されており、電極を有するディスクの形 に作られた圧電セルと、但しこの場合ディスクは電極に垂直な極性を有する、少 くとも２つのブツシャ−とを具備していて、各プッシャーが圧電セルのシリンダ ー状表面に取付けられている１端と、ロータに対して静置している他端とを有し ているピエゾ電気モータ（ＣＢ。

Ａ、２１１８３７４Ｂ）が当技術において公知である。

この圧電モータでは、回転速度変化は、圧電セルの直径を変化することによって のみ行なうことができる。これでは、圧電モータのロータの任意の回転速度に適 した圧電セルのロータの任意の回転速度に適した一般的目的の圧電セルを作るこ とはできない。

従って、与えられた圧電セルに対するロータの回転速度範囲は制限される。

更に、ブツシャ−の剛性は、圧電セルの厚さの増加と共に増加し、そしてこれは 、例えば写真カメラのダイアフラムを駆動するために、圧電モータを低負荷で運 転するとき、入力を減少することができない。

発明の開示 本発明の基本的目的は、圧電セルにおける半径方向の音響振動を横の振動に変換 し、それから圧電ラジアルモード振動のプッシャ一の長手方向音響振動に変換す ることによって、プッシャーが圧電セルの対称軸線に平行となるように、各々の ブツシャ−の対称軸線を変位可能にするデザインを有する圧電モータを操作する ことである。これは、与えら゛れた圧電セルのためのロータの回転速度範囲及び モータの入力範囲を広げる。

この目的は、ステータと、ハウジングを有しており、ステータと摩擦により相互 作用しているロータと、ハウジングに取付けられていてラジアルモードの振動を 生ずる圧電発振器とを具備し、そしてロータに同軸に配置されており、電極と共 にディスクの形に作られた圧電セルと、但しこの場合ディスクは電極に垂直な極 性を有する、少くとも２つのプッシャーとを具備していて、その各々が圧電セル 上に取付けられた１端を有し、そしてロータに対し静置している他端を有してる 圧電モータを提供することによって達成される、この場合、本発明によれば、各 ブツシャ−の１端は、圧電セルと、プッシャーとの間にギャップが設けられるよ うに、圧電セルの少くとも１つの平らな表面上に取付けられる。

本発明は、広範囲の入力を特徴とする多数の圧電モータを作ることが可能である 。

本発明はまた、広範囲のロータ回転速度及び広範囲の入力を特徴とする一般的目 的の圧電セルを有する圧電モータを作ることが可能である０本発明は、圧電モー タのコストを低減し、従ってそれが電気的磁石の代りに作動駆動器として使用す ることができ、且つまた圧電モータの製造の際の労力を減少する。

図面の簡単な説明 添付図面を参照して実例により更に本発明を説明する。

第１図は、本発明による、シリンダー状ロータに押圧したプッシャーを取り囲ん でいるシリンダー状ロータを特徴とするピエゾ電気モータの長手方向断面図であ る； 第２図は、本発明による、第１図の■−■線に沿って切断したときの図である； 第３ａ図、第３ｂ図、第３Ｃ図は、本発明による、プッシャーを囲んでいるロー タを有している圧電モータのための、圧電セル上に取付けられたプッシャーを保 持している圧電セルを示している： 第３ｄ図、第３ｅ図、第３ｇ図は、本発明による、ブツシャ−間に配置されたロ ータを有する圧電モータのための、圧電セル上に取付けられたプッシャーを保持 している圧電モータの概略図である； 第４図は、本発明による圧電モータの概略図であり、これでは、プッシャーは、 プッシャーを囲んでいるロータに対して圧電セルの２つの平らな表面に取付けら れている；第５図は、本発明による、作動駆動のための低速圧電モータの長手方 向断面図である； 第６図は、本発明による、高速圧電モータの長手方向断面図であり、この場合、 圧電セルは接触法によって接続されている：第７図は、本発明による圧電モータ の長手方向断面図であり、この場合圧電セルは穴を有していないディスクの形で 作られている。

本発明実施の最もよいモード 圧電モータは、交流電圧源（図示せず）に接続する端子２を有しているステータ １　（第１図）を具備している。ステータ１は、圧電モータが取付けられている ユニット（図示せず）に対する圧電モータの固定部分である。圧電モータのロー タ３は、ステータ１上に取付けられており、従って、ロータ３は軸受４内を回転 することができ、且つ例えばロックワンシャーのような取外し可能なジヨイント ５によって軸線方向の運動を防止するようにその上に固定されている。

圧電モータのステータ１は、ステータ１のハウジング７から防音され、且つステ ータ１上に取付けられた圧電ラジアルモード発振器６を具備している。ハウジン グ７は、圧電ラジアルモード発振器６を損傷から保護するため、及び圧電モータ を取付は六８によってユニットに取付けるのに使用される。

圧電ラジアルモード発振器６は、電気的エネルギーを、実質的に回転体の形に作 られた圧電セル９０半径方向に、圧電発振器６の固体の部分の振動運動に変換す るように意図されており、且つ能動部として役立っている電気機械的装置である 。

圧電ラジアルモード発振器６の作動部と反対に、その受動部は、１方の種類のエ ネルギーを他の種類に変換しない、圧電ラジアルモード発振器６の受動部は、プ ツシ中−１０と、これ等のブツシャ−１０を圧電セル９に接続する音響伝導体１ １とを含む、圧電ラジアルモード発振器６の与えられ２５　た実施態様では、４ つのプッシャー１０が設けられている。ロータ３からステータ１へのいかなる作 用力をも排除するために、プッシャー１０の最少量は２つでなければならない、 プッシャー １０の数が２又はそれ以上であるときくこれ等のプッシャーの均等分布により） 、ロータ３に加えられる各ブツシャ−１０の合計の力はほぼ０である。この場合 、ブツシャ−１０の数が多ければ多い程、ロータ３のトルクは大きい、それには 圧電モータに対する電力供給電圧を高める必要があり、そしてこれが、プッシャ ー１０の最大数を約３２まで制限する。各プッシャー１０の１端は、圧電セル９ の少（とも１つの平らな表面に固定され、一方他端はｂ−夕３に対して静置され る。

各ブツシャ−１０は、例えばスチールあるいはＳＰＲラミネート紙のような弾性 の丈夫な導体材料で作られた平らなスプリングである。一般的に、各プッシャ− １０は、長方形状である。プッシャ−１０は、例えば、自由端の方に細くなって いる、あるいは圧電ラジアルモード発振器６に固定するため、又はプッシャー１ ０自身を固定するための突起を備えた他の形状にすることができる。そうする場 合に、圧電モータのパラメータが損なわれてはならない。

プッシャー１０は、プッシャー１０自身の弾性特性によってロータ３に押圧され る。この目的のために、プッシャー１０の端は、ロータ３をステータ１に取付け ときに曲げられる。しかし、プッシャー１０はまた、例えば、ロータ３自身の重 量を使用し、あるいは電気的磁石、平らなスプリング又は螺旋ばね（第１図に図 示されていない）によってロータ３に軸線方向の力を加えることによってロータ ３に対して圧力を加えることができる。

プッシャー１０を圧電セル９に接続する音響導体１１は、例えば、固形はんだ、 あるいは重合エボキシイ樹脂のような有機合成物の堅い物質である。

圧電発振器６内に半径方向の振動を生ずるために、圧電セル９は、ディスク１２ の平面上に電極１３を有するディスク１２の形に作られている、前記電極は、真 空中での金属の蒸発、銀の焼入れ、あるいは溶液内での金属の沈澱によって得ら れる薄い金属コーティングの形で作られている。を源（第１図に図示されてれて い）からの電圧は、第１図に示された如く電極１３に接続されるか、あるいは接 触法により接続された端子２を通り電極１３に加えられる。結合導体１１によっ てコートされていないプツシ中−１０の部分は、ギャップ１４をあけて、圧電セ ル９の平面上に取付けられており、このギャップ１４は、ブツシャ−１Ｏが圧電 セル９の電極に触れないように圧電モータの組立のとき十分余裕がとられている 。換言すると、例えば１０の圧電モータの組立中それ等の１つにおいてプッシャ ー１０が電極１３に接触するときは、このモータの構造は、ギャップ１４を２倍 大きくして変更されなければならない、ディスク１２は、圧電特性を特徴とする 多結晶の材料で作られている。多結晶の材料の圧電特性は、残留極性を設けるこ とによって生ずる。残留極性を生成す方法はこの材料の実際の極性化である。圧 電モータの圧電セル９の材料は、ジュルコニウム酸鉛のチタンエステルこ固溶体 に基づいているのが好ましい。

電極１３は材の極性化のために必要である。極性化電圧がこれ等の電極に加えら れる。この場合に、圧電セル９の極性化の方向は、極性の場の強さ、即ち電極１ ３の表面に垂直なベクトルに一致している。圧電モータの使用周波数で圧電ラジ アルモード発振器６に半径方向の振動を生ずるために、圧電セル９の最大直径あ るいは直径の差Ｄ　Ｉ−Ｄが、この場合りはディスク１２の穴の直径である、ラ ジアル音響振動の半波長に等しいのが得策である。

これは下式を使用して達成される： λ／２　夕　Ｎ／ｆ　（１１ この場合Ｎは、この材料の音の速さによる圧電セル９の材料の周料の周波数定数 である； ｆはラジアル振動の共振周波数である。

圧電モータのロータ３は、３つの部分から成っている。第、１の部分は、シリン ダー状又は円錐状表面ををするリングより成っている摩擦部分１５である。この 部分はプッシャー１０と摩擦的に相互作用をしている。摩擦部分１５は、プッシ ャ−１０の摩耗を減少するために表面の最小荒さを有する耐摩耗材料で作られて いなければならない、長寿命定格の圧電モータは、アルミナベースの粉末セラミ ックあるいはジェステイナックス（Ｇｅｓｔｉｎａｈｓ）（祇ベースのラミネー ト）のような熱硬化性プラスチックで作られた摩擦部分を備えている。摩擦部分 １５は、圧電モータのロータ３第２の部分、即ちカップ１６にしっかりと取付け られている。

カップ１６には、圧電モータのロータ３の第３の部分、即ち軸１７が取付けられ ており、この軸１７は、軸受４内で回転可能であり、軸線方向の運動は、軸１７ を押圧している取外し可能なジヨイント５によって防止されている。寿命が決定 的要因ではない圧電モータでは、ロータ３のすべての３部分又は任意の２部分の 組合せは同じ材料、即ちスチールで作られている。

圧電ラジアルモード発振器６は、ハウジング７のスロット１８によってハウジン グ７に対して取付けられており、プッシャー１０の端がこれ等のスロットに静置 されている０例えば、弾性接着側による、圧電ラジアルモード発振器６を固定す る他の方法の使用は、圧電ラジアルモード発振器６がハウジング７から音響的に 絶縁されていれば、本発明の本質に影響を与えない、考慮中の圧電モータでは、 ハウジング７からの圧電ラジアルモード発振器の音響絶縁は、例えばゴムで作ら れたガスケットによって行なわれる。圧電モータの寿命を増加するために、プッ シャー１０は、ゴムで作られている制動子２０によって制動される。液状の（重 合前の）振動子２０の材料が、滴の形でプツシ中−上に加えられるので、この材 料はプッシャ−１０を囲みながら電極１３の表面上に流れる；それからこの材料 が重合化する。

第２図は、圧電モータを、第１図の■−■線に沿った断面で示している。角度α （第２図）は摩擦部分１５との接触点を通りプッシャー１０の表面から引いた切 線及びプッシャー１０との接点を通り摩擦部分１５の表面に引いた切線によって 形成される。

角度αは９０度より少なく；且つ８５度から４５度の範囲になければならない、 角度αが４５度より少なければ、圧電モータの効率は減少する。角度αが８５度 を超えれば、ロータ３のトルクが低下し、そしてこれもまた効率を減少する。ロ ータ３の回転速度ω及びトルクＭは下記の如く角度αに依存している。

Ｍ〜ｃｏｓα　（３） プッシャー１０の固定点でプッシャ−１０の表面に引いた切線と、プッシャーｌ Ｏの固定点を通り延びている平面の線によって形成されている角度α及びロータ タ３の回転軸線は、ロータ３の回転周期ω及びトルクＭにはあまり影響がない。

第３ａ図、第３ｂ図、第３ｄ図、第３ｅ図、第３ｇ図は、セルの固定点と、ディ スク１２のセンターとの間に異なる距離を有するブツシャ−１０を支持している 圧電セルを示している。ディスク１２の厚さを趙えて値りだけの、デスク１２の 中央の線に対するプツシ中−１Ｏの中央の線の移動が、プッシャ−１０を半径方 向に移動可能にする。この場合、ブツシャ−１０は、第３ａ図、第３ｂ図、第３ Ｃ図、第３ｄ図に示された如（ディスク１２の縁に固定されるか、あるいは第３ ｂ図、第３ｅ図に示した如くディスク１２の中心部分に固定されることができる 。このようなプツシ中−１Ｏの固定は、プッシャ−１０を囲んでいるロータ３を 有する低速度圧電モータ用に設計された圧電ラジアルモード発振器６（第３ａ図 、第３ｂ図、第３ｃ図）及びブツシャ−１Ｏの間に配置されたロータ３を有する 高速度圧電モータ用に設計された圧電ラジアルモード発振器（第３ｄ図、第３ｅ 図、第３ｇ図）の双方に設けることができる。ブツシャ−１０の固定点の変化に よって、並びにブツシャ−１０の長さの変化によって、ロータ３の直径を変化す ることができ、従りて圧電セル９の１つの型式及び大きさに対してロータ３の回 転速度範囲を広げることができる。プッシャ−１Ｏが圧電セルの範囲をかなり超 えて延びれば、これ等の制動は、例えば第３図又は第３ｇ図に示された如く、プ ッシャー１０の端に置かれたゴム管の形に作られた制動子２ｏによって行なわれ る。

第４図は、プッシャ−１０がピエゾセル９の両手面上に固定されている圧電モー タを示している。これは、仮に破線で分離されている２つの圧電ラジアルモード 発振器６の接続と同等である。

プッシャーｌＯを圧電セル９０両面に固定するのは、圧電モータの軸出力が増加 するように、圧電ラジアルモード発振器６の容積を増加するために使用されてい る。

？ｉ磁石として使用されている低速圧電モータの実施態様が第５図に示されてい る。この場合には、圧電ラジアルモード発振器６は、スロット１８と、プツシ中 −１０の間に配置された突起２１を有する成形されたガスケット１９とによって 固定されている。

軸受としても役立っているハウジング７の取外し可能な部分２２が、ナツト５に よって突起２１を圧電セル９の方に押し付けているので、圧電ラジアルモード発 振器６の角度位置は固定される。

カップ１６及び軸１７は、ハウジング７の成分と同様に、射出成型によりプラス チック材料で作られている。これは、歯車の歯２３、回転運動を往復運動に変換 する偏心突起２４、及びカップ１６上の側部突起２５の配置を可能にする。側部 突起２５は、口−夕３の位置を指示するために位置指示器を形成している接触対 ２６と相互作用する。

ブツシャ−１０の間に配置されたロータ３を有する高速圧電モータの実施態様が 、第６図に示されている。このモータでは、ハウジング７は両面を金属化された チクストライド（ｔｅｘｔｏ−１ｉｔｅ）プレート２７と、金属製カバー２８と を有している。カバー２８は、弾性導電性材料で作られたガスケント１９及びプ ッシャー１０を通り圧電セル９の電極１３の１つと電気的に接続されている。他 方の電極は、プレート２７の金属化された表面に接触法によって押圧されている 。金属化された表面２７からの端子２は、圧電モータに電圧を加えるのに使用さ れており、この場合、金属化された表面は、はんだ付は手段によってカバー２８ に電気的に接続されている。

第７図は、穴を有していないディスク１２の形の圧電セル９を有している圧電モ ータを示している。このモータでは、カバー２８は、突起２９によってハウジン グ７のプレート２７に接続されている。カバー２８内に作られたスロット１８は 、圧電ラジアルモード発振器６を半径方向で固定するのに使用されており、一方 軸線方向では、圧電ラジアルモード発振器６は、ゴムリングの形に作られたガス ケント１９によって固定されているロータ３の軸線に沿ってロータ３のいかなる 変位をも防止するために、ロータ３の軸１７は、カバー２８の環状突起３０に適 合している環状溝を備えている。

特許請求している圧電モータは下記の如く作動する。ピエゾ電気ラジアルモード 発信器６　（第１図）の長手方向のラジアル振動の１共振周波数に等しいあるい は近い周波数を有する電源からの供給電圧が、圧電セル９の電極１３に加えられ て、その中に長手方向のラジアル振動を励起する。これ等の振動は音響伝導体１ １を通りブツシャ−１０に伝えられる。ブツシャ−１０は圧電セル９の表面に沿 って動き、従って、長手方向のラジアル振動は初めに、圧電電気セル９にプッシ ャー１０を固定している点で横の音響振動に変換される。横の振動は、ブツシャ −１０の端から反射され、そして再びプツシ中−１０内に広がる長手方向のラジ アル振動に変換される。これ等の長手方向のラジアル振動は、圧電セル９内で励 起した長手方向ラジアル振動に対して値りだけ（第３ａ図）シフトされる。この 場合、横の振動エネルギーの形の音響エネルギーの変換部分、エネルギーの大部 分は長手方向振動エネルギーである。長手方向振動の共振周波数に近い交流電圧 源の周波数を選択することによって、圧電モータの作動への横の振動の影響を除 くことができる。角度αが９０度より少ないという事実によって、ブツシャ−１ ０の接触領域に力を生じて、ロータ３は一夕３の切線方向に軸受内でその回転を 生ずる。この力が、カップ１６を経て軸１７に伝えられる。圧電モータが固定さ れていなければ、ステータ１及びロータ３は、反対方向に動く、ステータ１の回 転を防ぐために、後者は六８を通りユニットに固定される。

ロータ３内に生ずる力は、ロータ３の軸線方向に軸１７に固定する部材によって 、詳細には取外しできるジヨイント５によってバランスされる。切線方向の力に よって生ずるロータ３のトルクは、ハウジング７の圧電ラジアルモヒド発振器６ を回転しようとするが、しかしこれはスロット１８によって妨げられる。ブツシ ャ−１０とロータ３との接触領域では、切線方向の力に加えて、プッシャー１０ に低周波の曲げ剛性振動、即ち圧電モータの電力供給電圧周波数以下の周波数を 有する振動を励起しようとする交番力を生ずる。屈曲に対するプッシャー１０の 柔軟性は、制動子２０の弾性に匹敵するので、制動子２０が効果的に屈げ剛性振 動を減衰する。その結果、プッシャーｌＯの長手方向振動に影響を与えないので 、制動子２０は、圧電モータの寿命を減少し、且つ可聴ノイズを増幅する低調波 振動の自己励起を除く、ブツシャ−１０が電極１３に接触すると、圧電セル９と プッシャーのチョッパー接触が行なわれる。プッシャー１０の長手方向振動は不 安定となり、寄生の低調波振動が現われ、これが効率を激減する。この現象を除 くために、ブツシャ−１０は、ギャップ１４をつけて圧電セル９の表面に対して 取付けられる。ギャップ１４の値は、衝撃、振動荷重の影響及び温度の影響の下 で、プッシャー１０と、圧電セル９の表面との間に機械的接触がないように選択 されるギャップ１４は通常０．２鶴乃至０．３鶴の範囲をとり、そして圧電ラジ アルモード発信器の大きさの増加と共に増加される。ギャップ１４が０．２目よ り少なければ、圧電モータへの外部振動荷重の影響により、プツシ中−１０と圧 電セル９の表面との間に機械的接触が起こる。これがより高い音響ノイズを生ず る結果となる。ギャップ１４が０．３　ｆｉを超えると、圧電モータ効率が落ち る。

ブツシャ−１０の長手方向振動励起の機構は、ブツシャ−の固定位置が圧電セル ９の１端から他端に半径に沿って変位されても変化しない、この場合、固定的に 対して１８０度以上のプッシャー１０の回転は、長手方向振動の位相を変えるが 、しかしこれは、例えば圧電モータの効率に影響を与えない、圧電モータの作動 は、プッシャー１０が圧電セル９の両側にあっても（第４図）変化しない、圧電 セル９の２つの平面上へのブツシャ−１０の配置は、圧電セル９の容積に倍し、 従って圧電モータの出力を増加し、且つ入力範囲を拡大することが可能である。

プツシ中−１０を囲んでいる外部ロータ３を有する圧電モータ（第５図）は、高 トルクを発生し、されは偏心突起２４によって長手方向の力に変換される。この ようなモータは、惰性圧電モータである。これ等のモータは、接触対２６と相互 作用する側部突起２５の形のリミントスイッチを備えている。これ等のモータは 、１を磁石の代りに使用される。歯２３が設けられているとき、これ等の圧電モ ータはまた低速回転駆動器として使用できる。

高速圧電モータは、テープ移送機構に使用されている。これ等のモータでは、電 流導線がカバー２８（第６図）及びガスゲット１９を通り導かれており、そして 電力供給はまた、プレート２７の金属コーティングと電極１３との直接接触によ って与えることができる。

穴を有していないディスク１２の形の圧電セル９を有する圧電モータ（第７図） は玩具に使用される。その設計の簡易性は、ステータ１及びロータ３の速かな組 立を提供する突起２９を有するカバーの形状、並びに軸線方向においてロータ３ を固定している環状溝及び環状突起３０によって得られる。

このようにして、本発明は、与えられた圧電セル９のロータ３の回転速度範囲を 広げ、且つ圧電モータの入力範囲を広げることが可能である。

圧電モータは、外部ロータ３（第５図）と包絡線のプッキー１０とを備えている ので実質的回転モーメントが達成され、且つ偏心突起２４によって長手方向推力 に変換することができる。このようなモータは、トルク圧電モータである。これ 等は、接触対２６と相互作用する横の突起２５として作られた端部スイッチを備 えている。これ等のモータは電磁の代りに使用される。歯２３を備えていれば、 これ等の圧電モータは、低速回転駆動器として作動することができる。

テープ移送装置は高速圧電モータを使用する。これ等のモータでは、電流は、カ バー２８（第６図）及びガスケント１９を通り、そしてまたプレート２７の金属 コーティングと電極１３との直接接触によって流れる。

ディスク１２として開口を有していない圧電要素９（第７図）を備えた圧電モー タは、子供の玩具に使用される。突起２９を有するカバー２８が最も簡単な特色 である。ステータ１及びロータ３は、ロータ３を軸線方向に固定する環状の溝及 び環状突起３０によって速やかに組立てることができる。

このようにして、本発明は、特定の圧電要素９０ロータ３の速度範囲を広げるの に役立ち、且つモータの広範囲の電力消費を提供することができる。

工業上の利用性 本発明は、連続又は不連続（ステツーバイ−ステップ）回転運動を行なう無ギヤ ー電動機として使用できる。これ等のモータは、電磁石の代りに自動システムの 作動器、テープ送り機構の駆動、及び映画設備の駆動に使用される。

り４ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ステータ（１）と、ハウジング（７）を有しておりステータ（１）と摩擦により 相互作用するロータ（３）と、ハウジング（７）に取付けた圧電ラジアルモード 発振器（６）とを具備し、前記発振器が、ロータ（３）に同軸に配置されており 、且つ電極（１３）を有するディスク（１２）の形に作られた圧電セル（９）と 、但し、ディスク（１３）は電極（１３）に垂直に極性化されている、少くとも ２つのプツシャー１０とを具備し、各々のプッシャーが圧電セル （９）に固定された１端と、ロータ（３）に対して静置している他端とを有する ピエゾモータにおいて；各々のプッシャー（１０）の１端が、ギャップ（１４） が圧電セル（９）とプッシャー（１０）との間に設けられるように、圧電セル（ ９）の少くとも１つの平らな表面上に固定されていることを特徴とする圧電モー タ。