JPH11164575A

JPH11164575A - 振動モータ

Info

Publication number: JPH11164575A
Application number: JP10248476A
Authority: JP
Inventors: Jean Thierry Audren; ジャン、ティエリ、オドラン
Original assignee: SFIM Industries SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 1999-06-18
Also published as: DE69819101T2; FR2767980A1; CA2246486A1; EP0907213A1; DE69819101D1; US6060816A; FR2767980B1; ES2207804T3; EP0907213B1; CA2246486C

Abstract

(57)【要約】【課題】既存の振動モータよりも遥かに高い出力を発
生でき、しかも、高出力でも振動モータの軽量という利
点を保持し、更に振動モータの全体の寸法を大幅に増大
することがない振動モータを提供する。【解決手段】接線方向変形能動部材（１７）を備える
少なくとも二対の固定子プレート(１４，１５)と、それ
ぞれの対の固定子プレート(１４，１５)の間の回転子円
板(１０，１１)と、両方の対の向き合う固定子プレート
の間で垂直力を発生する能動部材(１８)と、前記固定子
プレート対とケーシング(１２)との間のばね部材(１９)
とをケーシング（１２）内に含む振動モータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は振動モータに関する
ものである。振動モータは、それの好適な動作周波数を
参照して超音波モータとしても知られており、またはそ
れの好適な励振材料を参照してピエゾ動作モータとして
も知られている。

【０００２】

【従来の技術】図１および図２は振動モータの１つの例
の動作原理を概説するために示す横断面図および縦断面
図である。図１，２に示すモータは回転子円板１を有
し、その回転子円板１は軸３を中心として回転するため
にフレーム２に装着される。そのモータは固定子４も含
む。固定子は、回転子と接触しているそれの表面の周期
的な接線方向変形と同期垂直力の組合わせによって回転
子円板１の回転を駆動する。

【０００３】図１，２に示すモータの例では、固定子は
２枚のプレート４ａ，４ｂを含む。それらのプレートは
固定子円板１の各側に１枚ずつ配置される。２枚のプレ
ート４ａ，４ｂのおのおのは複数の規則的に配置された
接触セクタ５を有する。接触セクタの間に能動部材６が
配置される。能動部材は接触セクタ５を周期的に相互に
離れるように、または相互に接近するように動かす。能
動部材６はたとえば圧電部材、磁歪部材たは電歪部材で
ある。

【０００４】２枚のプレート４ａ，４ｂの接触セクタ５
は正確に向き合って配置される。２枚のプレート４ａ，
４ｂの向き合う接触セクタ５は、プレートの間に配置さ
れている能動部材７によって連結される。接触セクタ５
が回転子円板１を逐次つかみ、その後で放すように能動
部材７は周期的に変形させられる。能動部材６によって
生じさせられる接線方向変形と能動部材７によって発生
される垂直力との組合わせが、摩擦によって回転子の連
続回転を駆動する、零でないある平均力を生ずる。

【０００５】振動モータには多くの利点がある。とく
に、振動モータは低い回転速力で高いトルクを生ずる。
その結果、通常の電動機とは異なって、多くの用途で減
速歯車を要求されることがまったく、またはほとんど無
い。また、振動モータの単位重量当りの出力が従来の歯
車モータよりもはるかに高いことがしばしばである(約
３倍)。しかし、振動モータの機械的出力定格は数十ワ
ットに限られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、既存
の振動モータよりも遥かに高い出力を発生でき、しか
も、高い出力でも振動モータの軽量という利点を保持
し、更に振動モータの全体の寸法を大幅に増大すること
がない振動モータを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、接線方向変形能動部材を備える少なくと
も二対の固定子プレートと、それぞれの対の固定子プレ
ートの間の回転子円板と、両方の対の向き合うプレート
の間で垂直力を発生する能動部材と、前記プレート対と
ケーシングとの間のばね部材とをケーシング内に含む振
動モータを提供する。

【０００８】上記モータ構造で回転子円板における固定
子プレートに接触面積は最大で、機械的結合は最適であ
る。上記のような種類の構造は磨耗が少ないのも利点で
ある。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を実
施の形態について詳細に説明する。図３および図４に示
す振動モータは２枚の回転子円板１０，１１と、それぞ
れ円板１０，１１と協働する二対の固定子プレート１
４，１５を含む。２枚の回転子円板１０，１１は可撓性
円板であって、共通の軸１３に取り付けられる。軸１３
によって回転子円板はケーシング１２に対して回転する
ように装置される。回転子円板１０はプレート対１４の
２枚の固定子プレート１４ａと１４ｂの間を延長し、回
転子１１はプレート対１５の２枚の固定子プレート１５
ａと１５ｂの間を延長する。二対の固定子プレート１
４，１５の２枚のプレート１４ａ，１５ａは相互に向き
合い、以後それらのプレートを内部プレートと呼び、２
枚のプレート１４ｂ，１５ｂを外部プレートと呼ぶこと
にする。各固定子プレート１４ａ，１４ｂ，１５ａおよ
び１５ｂは、環状に配置された複数の接触セクタ１６に
よって構成される。接触セクタは接線方向変形能動部材
１７によって対となって分離される。接触セクタ１６は
金属で製作される。接触セクタの接触面の近くの少なく
とも１つの領域は形状記憶合金で製作するのがよい(我
々のフランス国特許出願第９５／１４１６９号明細書に
記載されているように)。２枚の内部プレート１４ａ，
１５ａの接触セクタ１６は相互に整列させられる。垂直
力を発生するための能動部材１８は２枚の内部プレート
１４ａ，１５ａの接触セクタ１６の間に配置される。ば
ね部材１３がケーシング１２と外部プレート１４ｂ，１
５ｂの接触セクタ１６との間に配置される。

【００１０】能動部材１８の長さが長くなると、それに
整列させられている接触セクタ１６が回転子円板１０，
１１をつかむ。能動部材１８の長さが短くなると、それ
に整列させられている対応する接触セクタ１６が回転子
円板１０，１１を放す。スチフネスが小さいが、能動部
材１８の長さの増大によって接触セクタ１６が圧縮され
た時に回転子円板に対して押し付けられた状態に保持さ
れる。能動部材１７と１８の少なくとも一方が、金属層
と、圧電セラミック層、磁歪セラミック層または電歪セ
ラミック層との並列または直列にまとめられた多層構造
を有すると有利である。

【００１１】同じ接触セクタ１６のそれぞれ両側の２つ
の能動部材１７は逆相で励振される。同様に、２枚の隣
接する能動部材１８は逆相で励振される。垂直力を発生
するための能動部材１８は、たとえば、接線方向変形能
動部材１７と同じ励振周波数で励振される。その結果と
して、円板１０，１１と固定子プレート対１４，１５と
は図４に示すように変形することによって振動する。ば
ね部材１９が固定子プレート１４ａ，１４ｂ，１５ａお
よび１５ｂを回転子円板１０と１１に押し付け、遊びと
寸法の変化をとる。今説明したような構成では、二対の
固定子プレート１４，１５の完成によって固定する作用
が発生される。この構成には回転子の磨耗と回転子の磨
耗および製作におけるいくらかの欠陥を許容できるとい
う利点もある。

【００１２】固定子プレートの好適な構成を図５と図６
に示す。その構成では、連続する２つの接触セクタ１６
の間の接線方向変形能動部材１７のおのおのが２つの平
行四辺形セラミックス２０を有する。それらのセラミッ
クスの間に金属製の三角形くさび２１が配置される。セ
ラミック２０を平行四辺形にすることによってそれのコ
ストが最低になることに注目されたい。接触セクタ１６
の振動運動が、回転子の軸を中心とする円の中心を中心
としたほぼ円形であるように、くさび２１の寸法は最適
にされる。

【００１３】図６に示すように、くさび２１は固定子プ
レートをモータのケーシング１２に固定するためにも使
用される。くさびは運動点は構成しない。運動点が取り
付け点として使用されるとすると、運動点はモータから
ケージングヘの振動の伝達を阻止する。くさび２１の一
部が固定子プレート１４ａ，１４ｂおよび１５ａ，１５
ｂの外部輪郭から突き出る。くさび２１の突き出ている
部分はケーシング１２の内面の相補形のくぼみ２２と協
働し、それらのくぼみの中に前記部分が入る。図６に示
す例では、ばね部材１９はスプリングワッシャであっ
て、それの中央部がケーシング１２の背部を支持し、ス
プリングワッシャの端部を有するフィンガが外部固定子
プレート１４ｂ，１５ｂの接触セクタ１６を支持する。

【００１４】以下に固定子プレートの寸法の１つの例を
示す。内部半径は５０ｍｍである。接触セクタ１６およ
び平行四辺形セラミックス２０によって定められる外部
半径は７５ｍｍである。８つの接触セクタ１６がある。
セラミックス１８と２０はＰＺＴで製作される。セラミ
ックス２０の厚さは少なくとも５．８ｍｍ、半径方向の
幅は２５ｍｍ、円周方向の幅は１５．６ｍｍである。接
触セクタ１６の厚さは２８ｍｍである。くさび２１の外
部半径は７６ｍｍ、厚さは６ｍｍである。能動部材１８
の厚さ(モータの高さ方向の)は１０×１０ｍｍ²の接触
セクタでは６．６ｍｍである。能動部材１８の動く範囲
は４．６μｍである。

【００１５】上記のような種類のモータの動作振動数
は、無負荷回転速度１７ｒｄ／ｓおよび負荷回転速度
９．３ｒｄ／ｓでは２０ｋＨｚである。セラミックス２
０によって接触セクタ１６に加えられる接線方向の圧力
は１．５ＭＰである。能動部材１８によって加えられる
垂直圧力は７．６ＭＰである。

【００１６】上記種類の構成は厚い回転子円板１０，１
１を要しないことに注目されたい。回転子円板１０，１
１は鋼で製作され、それの厚さはたとえば１ｍｍであ
る。上記モータの出力は４ｋＷで、それの全重量は５ｋ
ｇである。

【００１７】本発明の提供する構造には多くの用途があ
る。とくに、航空機の航空力学的操縦面を動かすために
用いると有利である。

【００１８】以上説明した実施の形態以外の実施の形態
を考えることももちろんできる。とくに、垂直共振力が
作用しないとすると、垂直モードの結合を非常に高くす
る必要はない。したがって、垂直共振構造を構成する能
動部材１８を、損失を最小にすること、垂直共振振動数
および接線方向共振振動数を同調すること、温度抵抗、
等を含めた多くの考慮すべき事柄に従って構成でき、か
っ寸法を定めることができる。

【００１９】以下の説明は圧電材料に予めストレスを加
えることに関するものである。引っ張りストレスにすべ
き圧電材料の予備ストレスσｐの最小値は、Ｅ２Ｘ_ｎ／ｌである。ここに、ｌ=物質の長さ、Ｅ=物質のヤング率、Ｘｎ＝各金属ペタル６の垂直振動の振幅、である。

【００２０】次の式をまた適用すべきである。 σｐ＋Ｅ２Ｘ_ｎ／ｌ≦σmax ここに、σmax ＝最大圧縮ストレスである。能動部材１
８の垂直共振周波数は前記能動部材１８のスチフネス
（剛性またはこわさ）Ｋを、Ｋ=(２πＦ)^２Ｍ／２であるように定める。ここに、Ｍは、接触セクタ１６の
質量と、円板１０および１１のうち能動部材１８に整列
させられている部分の質量を含めた、圧電能動部材１８
の各側の質量である。

【００２１】更に、回転子/固定子支持力の振動部分の
最大値△Ｕは、 △Ｕ=Ｍ(２πＦ)^２Ｘ_ｎ／２である。

【００２２】回転子と固定子が相互支持係合を常に維持
するためには、予備ストレスばねは△Ｕより大きいか、
それに等しい静止力Ｕ_０を発生しなければならない。こ
の力を△Ｕより非常に大きくすることは有利でない。そ
の理由は、そうするとモータの効率が低下するためであ
る。したがって、Ｕ_０は△Ｕにほぼ等しいことが望まし
い。

【００２３】機械的構造を簡単にするために、静止力Ｕ
_０もセラミックに予備ストレスを加えるためには、下記
の条件を適用しなければならない。Ｕ_０／Ｓ=σｐこれは、σｐ=ＥＸ_ｎ／ｌを最終的に生ずる。したがっ
て、第１の条件 σｐ=Ｅ２Ｘ_ｎ／ｌを満たすことは可能でない。

【００２４】上記問題に対する第１の解は２つの材料、
その１つの材料が圧電材料、他の材料が金属、からのス
チフネスＫの部材を並列にすることである。それの引っ
張り強度のために、金属は失われた予備ストレスを確保
できる。この解は可能であるが、次のような２つの主な
理由から、製作上の諸欠点が生ずる。すなわち、ストレ
スを予め加えるために、金属を質量中に完全に係止しな
ければならず、または圧電材料を入れる小さい箱を形成
しなければならない。この小さい箱はストレスを予め加
えるため、および圧電材料にワイヤを通じて接続するこ
とを厳重に制限しなければならない。

【００２５】金属部を囲んだり、金属部を波形にするこ
とによって、金属部を圧電材料よりはるかに可携性にす
るように構成することなく、予備ストレスを温度の関数
として一定に維持することは容易ではない。本発明が提
案する解決策は回転子−固定子の境界部の可撓性を利用
するものである。フランス国特許出願第９５／１４１６
９号明細書に、金属ピンのフィールドを用いて振動を連
続運動に変換する効率を向上させるために、この可撓性
を利用することの利点が記述されている。この境界部構
造の正常なスチフネスＫの選択にはいくらかの許容幅が
ある。

【００２６】本発明の１つの面に従って、この境界部ス
チフネスを圧電材料にストレスを予め加えるという問題
を解決するために選択すべきであることが提案される。
まず、図３ないし図６を参照して説明した機械的振動機
を２つの異なる垂直振動モードで差動させることができ
ることに注目すべきである。

【００２７】第１のモードでは、円板１０(それぞれ１
１)のそれぞれの側の接触セクタ１６を相互に同じ位相
で励振し、回転子の他の円板、すなわち、円板１１(そ
れぞれ１０)のそれぞれの側の接触セクタ１６を相互に
逆の位相で励振する。この励振モードはフランス国特許
出願第９７１０９４８号明細書に記載されているものに
対応するものであって、共振振動数

【数１】の共振振動数に対応する。

【００２８】しかし、回転子の同じ円板１，１ｂのそれ
ぞれの反対側の質量が逆位相で励振され、能動部材のそ
れぞれの反対側の質量も逆位相で励振される、という第
２のモードが可能である。この第２のモードの振動数
は、

【数２】である。

【００２９】上の２つの振動数は前に定めた振動数、

【数３】の各側に１つずつある。これはｋを無限になるようにす
ることによってＦ１に対する式から得ることができる。

【００３０】所与の振動数Ｆ_０に対して、平方根記号の
中の項は、第２の固有振動モードを用いて、Ｋの値をＦ
_０の同じ値に対してより小さいように選択することがで
きる。そうすると、式、Ｋ＝ＥＳ／ｌ、におけるより小
さいＳまたはより大きいｌを選択すること、および圧電
材料にストレスを予め加えるという要求を満たすことが
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の振動モータの動作原理を説明するために
示す振動モータの部分横断面図である。

【図２】図１に示す振動モータの部分縦断面図である。

【図３】本発明に係る振動モータの一実施の形態の縦断
面図である。

【図４】図３に示す振動モータの種々の部品構成を示す
縦断面図である。

【図５】本発明の固定子プレートの好適な実施の形態を
示す斜視図である。

【図６】本発明の振動モータの一実施の形態の内部構成
を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０，１１回転子円板１２ケーシング１４，１５固定子プレート１６接触セクタ１７接線方向変形能動部材１８能動部材１９ばね部材２０平行四辺形セラミック部材２１金属くさび

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接線方向変形能動部材を備える少なくとも
二対の固定子プレート(１４，１５)と、それぞれの対の
固定子プレート(１４，１５)の間の回転子円板(１０，
１１)と、両方の対の向き合う固定子プレートの間で垂
直力を発生する能動部材(１８)と、前記固定子プレート
対とケーシング(１２)との間に配設されたばね部材(１
９)とをケーシング（１２）内に含む振動モータ。
【請求項２】請求項１記載の振動モータであって、固定
子プレート(１４，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ)は複数の金
属接触セクタ(１６)を備え、それらの金属接触セクタは
環状に配置されて、接線方向変形能動部材(１７)によっ
て対となって分離されている振動モータ。
【請求項３】請求項２記載の振動モータであって、垂直
力を発生するための能動部材(１８)は両方の対の向き合
う固定子プレートの接触セクタ(１６)の間を伸びている
振動モータ。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか１つに記載の
振動モータであって、接線方向変形能動部材(１７)と垂
直力を発生するための能動部材(１８)との少なくとも一
方が、１つまたは複数の金属層と並列または直列である
１つまたは複数の圧電層、磁歪層または電歪層を備えて
いる振動モータ。
【請求項５】請求項４記載の振動モータであって、２つ
の接触セクタ(１６)の間の接線方向変形能動部材(１７)
は２つの平行六面体形のセラミック部材(２０)を含み、
それらのセラミック部材の間に金属くさび(２１)を有す
る振動モータ。
【請求項６】請求項５記載の振動モータであって、金属
くさび(２１)はケーシング(１２)と協働して固定子プレ
ートを前記ケーシング(１２)に固定している振動モー
タ。
【請求項７】請求項６記載の振動モータであって、金属
くさび(２１)は固定子プレートの主外部環状輪郭から突
き出る突出部を有し、ケーシングの内面における相補形
のくぼみ(２２)と協働し、それらのくぼみに前記突出部
が受けられる振動モータ。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれか１つに記載の
振動モータであって、ばね部材(１９)はケーシング（１
２）の背部と固定子プレート(１４ｂ，１５ｂ)との間に
配置されたスプリングワッシャである振動モータ。
【請求項９】請求項１ないし８のいずれか１つに記載の
振動モータであって、同じ回転子円板のそれぞれ反対側
の質量が逆相で、かつ能動部材のそれぞれ両側の質量も
逆相であるように、垂直力を発生するための能動部材が
励振され、能動部材は予めストレスを加える条件に適合
するように寸法を定められている振動モータ。
【請求項１０】請求項１ないし９のいずれか１つに記載
の振動モータを備えた、航空機の航空力学的操縦面を動
かすための振動モータ。