JPS60156283A - 圧電電歪モ−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】 本発明は、圧電または電歪効果による電気機械エネルギ
変換により駆動するようにした圧電モータに関する。

従来、この種の電気エネルギを（幾械エネルギに変換し
て回転駆動する方式として最も一般的なものは、電磁力
の応用であり、各種のモータが実用化されていることは
周知である。しかしながら、これは電磁力を動力源とし
ており、巻線に流れる電流が発生する磁界同士、電流が
発生する磁界と永久磁石の磁界との間に作用する磁気的
な力等を利用しており、通電中発生するジュール熱、界
磁の磁化に際してのヒスリシス損、又は渦電流損を本質
的に伴なうものである。更に構造、原理上電気的磁気的
ノイズを発生し易く、従って、用途が制限されている。

ところで、近年超音波振動子を駆動源とする新しい原理
にもとずくモータが考えられているが、これは、前記電
磁力を利用した構造に比べてエネルギ損失が原理的に少
なくかつ軽量であり、ノイズの発生もなし極めて有利な
長所を有している。

しかし、数十ｋＨｚでかつ位相の異なるモータ専用の駆
動電源を必要とし、またこの電源装置のために装置全体
として小型化の方向のあい路となっている。

本発明はかかる点に鑑み、電歪・圧電効果を利用して回
転体を回転駆動するように構成すると共に、電歪・圧電
素子の駆動に際して三相電源を利用し得るように構成す
ることにより、エネルギ損失が少なく、かつノイズの少
ないこの種のモータを提案することを主たる目的とする
。

以下本発明の一実施例について図面を参照しながら詳細
に説明する。

第１図は回転駆動源となる積層圧電電歪変位素子の一例
を示す図である。１は圧電セラミックス又は電歪セラミ
ックスの矩形板を示し、この圧電セラミックス又は電歪
セラミックスの矩形板１を複数枚積層し、各板１，１．
１・・・・・・の間に電極２を施し、結線３を施したも
のである。尚、圧電セラミックスはジルコンチタン酸鉛
系の磁器を採用して好適であり、電歪セラミックスには
Ｐｂ（Ｍｇ１／２Ｎｂ１／２）０３系磁器を用いて好適
である。

この場合、圧電セラミックスを採用した場合には、端子
３ａ、３ｂ間に電圧Ｖを印加することにより、並列接続
されている各圧電セラミックス板の厚み方向の伸びが生
ずることになる。この伸びｄＱは次式で表わされる。

ｄｌｔ−ｄ：＋：＋Ｖ／ｌ　＝ｃｉ３３ｖ、、、・、、
−（１）（但し、ｄ３３：材料の圧電定数） このように、機械的に直列結合している名圧電セラミッ
クス板１の伸びは加算されるので、積層数が１１の場合
は、全体の伸び△Ｑは、ΔＱ：ｎｄ３３■　・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
で与えられる。

尚、積層変位素子を圧電セラミックスで構成されている
場合には、通常逆電圧に伴なう分極の劣化を防ぐため直
流のバイアス電圧を併用することが必要となる。

また電歪セラミックスを採用した場合には、第２図に示
すごとく、端子３ａ、３ｂ間に交流電圧Ｖを印加するこ
とにより、並列接続されている各電歪セラミックス板の
厚み方向の伸びが生ずることになる。この伸びｄＱは次
式で表わされる。

ｄＱ＝ｔ・Ｐ３（■）２＝Ｐ３Ｖ−ｌ−［ｔ （但り、　Ｐ３：材料の電歪定数、［：材料の厚み） 従って、全体の伸びΔＱは個々の和であるから、ΔＱ　
”ｎｄ　Ｑ　＝ｎＰ　３　’　Ｖ　２／　ｔとなる。尚
、第３図は、第２図に示す印加電圧ｌこよって歪みＳＯ
の変化曲線を示す。

電歪素子を用いた場合には、残留分極を持たないため、
印加される電界の２乗に比例した伸びを生じ、交流駆動
によっても性能の劣化はなり）力ｆ、逆方向の電界でも
伸びを示すため、第４図に示すごとく、交流電界Ｅｉに
対し、歪ＳＯは１／２の周期で長さが変化することにな
る。

尚、電歪素子を用いた場合は、端子間に交流電圧が印加
されたときの伸びは、伸縮をするが、電圧の値が材料の
抗電界の値に比較して一定の割合を越えると、交流の半
周期で分極と逆向きの電圧が加えられることにより、そ
の分極が急激に減少して性能が悪化する。　そこで通常
は、正方向１こ一定の直流バイアス電圧を常に印加して
おぎ、圧電セラミックスに逆電圧を加えなり・ようにし
てし）る。

第５図は本発明モータの路線図を示して０る。

１１．１２．１３は積層変位素子を示し、１２０゜の間
隔にて３本放射状に配置され、一方が固定軸１４に固定
されている。そして他方は、環体１５の内周面に弾性体
６を介しで取り付けられて（・る。

もっとも、積層変位素子は３の倍数とすること力ｆでき
る。１６は、環体１５に接して回転力を伝達する円筒体
を示す。

第６図は、本発明モータの他の実施例を示す図である。

本例においては、３本の圧電又は電歪セラミックス１１
，１２．１３の外側の端部を固定し、内側の端部に回転
する環体１７を保持するよう１こ構成したものである。

１８は環体１７に接して回転力が伝達される円柱体を示
す。従って、本例１こおいても、第５図例と同様の作用
が得られることは明らかである。

次に、第７図を参照して、′ｆＡｌ加した交流電界に対
する圧電・電歪セラミ・ンクスの積層変位素子の伸縮状
況の時間的変化すなわち動作の原理１こつ（・で説明す
る。

まず、積層変位素子と環体との間に挟持されている３組
の弾性体に加わる一定の圧力により、予め△ξの値だけ
縮めて嵌着されており、このばね定数をＫとすると、Ｋ
Δξの力で３方向から環体を支えていることになる。

次に、＠８図に示すごとく、個々の変位素子に三相交流
電源の相の異なる３つの端子をＹ結線して駆動する場合
について説明すると、変位素子の伸びをｄρ！とし、伸
縮軸の方向の環体の変位を△Ｑ’＋とした場合、素子が
環体を軸方向に押圧する力は次式で与えられる。

Ｆｉ＝Ｋ（Δξ十ｄρｉ−ΔＱｉ） （但し、；二１．２，３．・・・・・・、Δε＞Ｉｄ１
２ｉｌ、ΔＱｉ） 次に変位素子の伸縮軸をＹ軸とし、それと水平な方向を
Ｘ軸とする座標を考えてみると、変位素子１，２．３に
対しては ＼’　ｌ　：Ｖ　ＯＳ目１ωＦ 〜’２＝Ｖｏ３ｉｎ（ωＬ−２／３π）Ｖ　、　＝〜“
、）ｓｉｎ（ωｔ−４／３π）のごとき正弦曲線が得ら
れる。尚、個々の伸縮は、中心軸に向かう方向を正方向
とする。

環体の中心は、電圧が印加されていない場合、座標は中
心点（０，０）にあるが、動作の状態においては任意の
点（ｘ、ｙ）にあり、この状態において３つの力Ｆ１、
Ｆ２、Ｆ３の方向は不変であるから、第９図に示すごと
く、各力の絶対値は相等しいことになる。

すなわち １Ｆ、ｌ＝　ｌＦ２１＝　１Ｆ３１ となる。

中心点の移動量は、３つの力の方向ΔＱ１、ΔＱ２、Δ
１２３に分解することができ、各ベクトル量は変位素子
の変位量と３つの力のバランスから決定される。すなわ
ち３つの力ＩＦ１１．ｌＦ２１゜１Ｆ３１は、 １　Ｆ、ｌ　＝Ｆ、＝Ｋ［Δξ＋ｌｌｄ’３３　ＶｏＳ
？Ｉ（Ｌ’Ｌ　（ｐ）］１　Ｆ２１　＝Ｆ２＝ＫｆΔｌ
　＋ｎｄ、、、、Ｖ　ｏｓｉｎ（ωＬ−２／３π）’−
（２／３ｘ十ｙ／２）］ １　Ｆ３１　二Ｆ３−”ＫＥΔｌ　＋ｎｄ３３Ｖ　ｏｓ
ｉｎ（ωｔ　−４７３π）−（−３／２ｘ＋ｙ／２）］ ＋Ｆ、＋＝＋Ｆ″２１より、 ｎｄ、３Ｖｏ（３／　２ｓｉｎωｔ＋ｆｆ／２ｃｏｓω
１）＝−Ｊ／；ｈ；−３／２ｙ・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（６）ＩｒＩＩ−１已１より、 ｎｄ３３Ｖｏ（３／　２ｓｉｎωＬコＴ”ｒ／２ｃｏｓ
ω１）＝π／　２　Ｘ　３　／　２　ｙ　・・・・・・
・・・・・・・・・・・・（７）（６）、（７）より、 Ｘ＝−ｎｄ、、３ＶＯｃｏｓω［ ｙ＝−ｎｄ１３ＶｏｓｉｎωＦ Ｘ’＝（ｎｄ３３ＶＯ）’ｃｏｓ”ωｔｙ：１＝（ｌｌ
ＩＬａ　Ｖｏ）２Ｓ？＋２ωＬ、・、ｘ”＋ｙ２＝（＋
、ｄ３３Ｖｏ）２ＣＯ８２ωｔ　＋　（ｎｄ３３”Ｖ　
ｏ）２ｓ　ｉ　ｎ　２ωｔ　＝　（ｎｄ３３　Ｖ　ｏ　
）２（ｅＯ３２ωｔ＋ｓ　ｉ　ｎ　”ωＬ） ；、ｘ”＋ｙ２＝（ｎｄ３３■ｏ）’・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・（９）すなわち環化の中心
点は、半径ｎｄ３＋Ｖｏ　の円軌道を描くことになる。

またこのときの回転速度は電源周波数に等しくなり、５
０　Ｈｚの場合５０タ一ン／秒となる。

したがって、環体に内接する中心軸は、第７図に示すご
とく、環体の中心点の回転につれて順次回転の方向に周
囲を環体にこすられているため、回転トルクを発生する
ことになる。尚、第８図は、−各状態に対する電源の位
相を示している。

次に、積層変位素子を電歪セラミックスで構成した場合
について説明する。３方向から環体を支える３つの力Ｉ
Ｆ、ｌ、１Ｆ２１．ＩＦ５１は、Ｆ、＝ＫＥΔξ＋１、
Ｅ−２−Ｖｏ２ｓｉｎ２ωｔ−（ｙ）］Ｆ２＝ＫｌΔξ
＋ｎ　Ｐ−Ｅ−Ｖｏ”ｓｉｎ”（ωｔ−２／３π）一優
／２ｘ＋ｙ／２）］ Ｆ３＝Ｋ［６ｇ　＋ｎ　Ｐｊ−〜’ｏｓｉｎ”（ωし一
、−１／３ｆｆ）−（−、ｆｆ　／　２　ｘ十ｙ／　２
　）］Ｆ、＝Ｆ２より、 １１Ｐ３Ｘ：０２（−３ｃｏｓ　２　（Ｉｌｌ　ｔ＋、
ｆｆ５ｉｎ　２　ωｔ）＝２ｆｆｘ−６ｙ　・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
（１１）Ｆ、＝Ｆ３により、 １１Ｐ３ｖ０２（−３ｃｏｓ　２　（＋１　ｔ　−Ｊ３
　ｓｉｎ　２　（ｉＪ　ｔ）＝ｔ −２ｒｘ−６ｙ　・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（１２）（１１）、（１２）によ
り、 ”Ｐ３ｖｏ２ｓｉｎ２　ωｔ ８−−９−一 −ＩｌＰ３ｖｏ２ｃｏｓ２ωＬ ｙ−−７「□ Ｘ２＋ｙ２−ｎＰ３〜“０２（ｓｉｎ２２ωｔ＋ｃｏｓ
２２ωｔ）−−■＝ ｘ２＋ｙ２：（ｎＰ３Ｖｏ”　） ＹＴ−一 すなわち環体の中心点は半径１１Ｐ　３ＶＯ”／　２　
ｔの円軌道を描くことになる。またこのときの回転速度
は電源周波数の２倍となる。いずれにしても内接する環
体より第５図及び第６図に示すごとく、駆動力を得るこ
とは圧電セラミックスで構成する場合と同様に行ない得
る。但し、電歪セラミックスの場合は、逆電圧に対する
分極の劣化の欠点は原理上発生することがなく、従って
、バイアス電圧なしでも駆動することがでとる。

以」二述べたごとく本発明によれば、圧電セラミックス
または電歪セラミックスの板を複数積層した積層変位素
子を少なくとも３個軸方向力弓２０゜の角度をなすよう
に配置し、上記積層変位素子の一端を環体の内周に弾性
体を介して密着すると共に他端を固定して上記環体を支
持し、又は上記積層変位素子の一端を固定し、他端を弾
性体を介して環体の外周−面に密着し、上記積層変位素
子を三層交流電源で駆動するように構成したので、従来
のような磁界を発生する方式に比べてジュール熱、ヒス
リシス損、渦電流損、磁気的ノイズが少ないこの種のモ
ータを提供することができる。

しかも超音波振動子を駆動源とした場合に必要な専用の
電源装置を設ける必彎がなく、全体として小型・軽量・
商用電源を容易に利用することかできる効果を有する。

従って、本発明の応用分野は広く、例えば精密機械、光
学測定器械、レーザ応用機器の駆動用モータに適用して
極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は積層変位素子の一例を示す路線的斜視図、クス
を採用したと外の歪みの変化図、第４図（土電歪セラミ
ックスを採用したと外の歪みの変イし図、第５図及び第
６図は本発明の一実施９Ｉｌ及び１世の実る。 ｌＬ１２，１３・・・積層変位素子、１４・・・固定軸
、１５　・・・環１本。 出願人代理人　弁理士　秋　山　高

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電セラミックスまたは電歪セラミックスの板を複数積
   層した積層変位素子を少なくとも３個軸方向力弓２０°
   の角度をなすように配置し、上記積層変位素子の一端を
   環体の内周に弾性体を介して密着すると共に他端を固定
   して上記環体を支持し、又は上記積層変位素子の一端を
   固定し、他端を弾性本を介して環体の外周面に密着し、
   上記積層変位素子を二層交流電源で駆動するように構成
   したことを特徴とする圧電電歪モータ。