JPS60190178A - 圧電モ−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】 産業上の利用分野 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生するモータに関す
る。

従来例の構成とその問題点 従来、電動機は回転子あるいは固定子に巻線あるいは磁
石等を必要とした。これらの電動機の機械的出力は、磁
気回路を構成するところの前記回転子と固定子の主に間
隙等に比例しているので、電気−機械変換効率を高める
ためには高精度な加工技術あるいは組立技術を必要とし
、高価格となった。また、一般にモータは高速回転はど
高効率損失が主であり、低速では高速時の３分の１ない
し６分の１程度と変換効率が低くなっていたことによる
。

さらに、通常のモータの回転速度ばｉ　ｏｏｏ　ｒ　ｐ
　ｍないし２ｏｏｏ　ｒ　ｐ　ｍあるいはそれ以上であ
るので、実際に使用される多くの場合において減速機を
必要としており、このため寿命が短くかつ高価格となる
。

また回転部品等の質量が溝成上大きくなるために慣性モ
ーメントが大きくなって、立上り、立下り特性が悪く、
パルス駆動をすることが困難である。このため、パルス
動作にはクラッチ機構あるいはブレーキなどの部品類を
必要とし、小形化が回器なものであった。

発明の目的 本発明の目的は上記欠点を解決した、電気−機械変換子
として高効率をなす圧電振動子を用い。

圧電振動子の励起する運動を駆動力とする圧電モータを
提供することである。

発明の構成 本発明による圧電モータは、２組の圧電振動子電極から
なる圧電振動子と音響材料とを含みかつそれらが厚み方
向に重ねられた固定子と、その固定子に対して厚み方向
に重ねられて面接触する摺動子とを備えている。前記２
組の圧電振動子電極からなる圧電振動子は摺動子移動方
向に分割された一対もしぐは複数対の分割領域からなる
厚み方向分極を有し、それらの分極は隣接する領域にお
いては互いに方向が逆である。両圧電振動子電極からな
る圧電振動子は、一方の各分極領域の境界近傍が他方の
各分極領域の中央近傍に位置するよう配置される。以上
のような構成の圧電振動子を、互いに位相のずれた所定
の強制励振周波数の電圧で駆動すると、両圧電振動子電
極からなる圧電振動子による固定子の合成振動はその最
大振幅位置が時間とともに一定方向に移動するものとな
り。

その頂点に接する摺動子はその方向の、駆動力を受ける
。

実施例の説明 本発明の実施例の詳細について図面を用いて説ヴ１する
。固定子はたとえば第１図に示すような構造を有する。

円環形状の圧電振動子１は表面外方には例えば４５°毎
の領域に分割された８個の電極１ａが設けられている。

この電極１ａは銀、銀パラジウム、ロジウムあるいはニ
ッケルなどの導電材料を用いて、圧電振動子１の表面に
印刷、蒸着あるいはメノギなどの方法により形成されて
いる。裏面に具備される電極（図示せず）は前記表面電
極と同様に分割されていてもいなくてもよい。

以上のように構成された圧電振動子１の相隣合う電極毎
に、板厚方向に分極方向が互に異なるようにして分極を
行なう。この結果第１図において示すように互い違いに
プラス極性あるいはマイナス極性を有する領域からなる
８極、４組の強制励振振動子が構成される。電極１ａは
、分極後は分割されている必要はなく、一括して電圧を
印加できるように接続される。円環形状の表面の圧電振
動子電極１ｂも外方の圧電振動子電極１ａと同様の構造
であり、互い違いにプラス極性あるいはマイナス極性を
有する８極、４組の強制励振振動子が構成されている。

前記圧電振動子電極１ａあるいは圧電振動子電極１ｂか
らなる圧電振動子１の最小振幅位置は、各々相隣合う電
極同士の境界位置近傍となり、最大振幅位置は各々の電
極の中央近傍位置となる。

そして、両圧電振動子電極１ａ、１’ｂは、第１圧電振
動子電極１ａの最大振幅位置となる電極中央近傍［、第
２圧電振動子電極１ｂの最小振幅位置となる相隣合う電
極同士の境界が位置するよう配　□置されている。

以上のように構成された第１圧電振動子電極１ａ及び第
２圧電振動子電極１ｂからなる圧電振動子１は、前記圧
電振動子と同等ないし１０倍程度の厚みを有する固定子
基体２に重ね合わせて取付けられる。この固定子基体２
は、アルミニウム、黄銅、鉄、ステンレス鋼、焼入鋼、
ナイロン等の合成樹脂材料、セラミック材料、ガラス材
料、あるいはそれらを複合化した複合材料等からなる音
響材料を用いて形成されている。

以上のように構成したものを第２図において示す固定子
３として用いる。第２図に示すように、固定子３によゆ
定まる強制励振駆動周波数にて発振器４により発振され
た出力信号を分岐し、一方全直接増幅器６に、他方を移
相器６を介して増幅器７に入力する。前記移相器６では
後述するよりな１に方向回転あるいは逆方向回転に使用
する＋１００ないし＋１７００の範囲で位相シフトした
信号が整形される：ｉ　１ｇ１Ｊ記発振器４の出力信号
を直接増幅器６に入力して増１福した信号をリード線８
．９により圧電振動子１′　の電極１２Ｌ′　に印加す
る。それにより固定子３には、第１圧電振動子電極１ａ
′の分極方向が互に異なるプラス極性あるいはマイナス
優性を有する領域の一対を１波長として８極、４組の強
制励振振動子に対応する４波長の強制励振波が発生され
る。圧電振動子１の電極、１ｂ′　も増幅器７の出力を
リード線９，１Ｑ全通して印加することにより同様に駆
動される。

第３図に圧電振動子電極１ａ’及び圧電振動子電極１ｂ
′　に電気信号を印加したときの、縦方向の歪を周方向
位置に対する変化として測定した結果を示す。測定は測
定個所にＨｅ−Ｎｅガスレーザ光を照射し、入射光と反
射光との干渉法現象を利用して測定した。第３図ａには
リード線８．９に信号を印加して第１圧電振動子電極１
ａ／　を１駆動したときの測定結果を示した。６０Ｖ印
加時±０．４μｍ程度の振幅を示した。最小振幅位置は
各々相隣合う電極と電極の境界位置近傍となり、最大振
幅位置は各々の電極の中央近傍位置となっている。

同様にして第２圧電振動子覗極１ｂ′　を駆動した場合
に測定した縦方向歪の結果を第３図すに示した。５０Ｖ
印加時士Ｑ、４１１ｍ程度の振幅を示した。

最小振幅位置は各々相隣合う電極と電極の境界位置近傍
となり、最大振幅位置は各々の電極の中央近傍位置とな
っている。

次に圧電振動子１の第１圧電振動子電極１２Ｌ′及び第
２圧電振動子電極１　ｋｌ’　を第１図及び第２図に示
した構成により同時に、駆動したときの測定結果を第３
図Ｃに示した。たて方向の歪の分布において％　ａとｂ
との中間位置に振幅が最大を示す位置が移動している。

また縦方向歪の最大振幅は約１．３倍程度に犬きくなっ
ている。ここで、前述のように第２圧電振動子電極１ｂ
′　は第１圧電振動子電極１　ａ’　に対して＋１００
．”ｚいし±１７００位相ンフトしシフトされるため、
合成波Ｃの最大振幅位置は、時間とともに一定方向に移
動する。

固定子３の上には、摺動子１１が尚接している。

摺動子１１は、摩擦材料あるいは弾性材料等からなる弾
性体１２とそれに結合された音響材料１３から構成され
る。

上述のように固定子３を駆動すると、固定子３における
摺動子１１に面する側の振動の頂点が摺動子１１に接触
し、しかもその頂点が時間とともに移動するため、摺動
子１１には横方向成分を有する力が加えられることにな
る。かぐして摺動子１１は、固定子３により定まる、駆
動周波数シこより横方向成分による位置移動を繰り返す
結果、はぼ１分間に数回転ないし数百回転程度の範囲で
の回転運動を得ることができる。発生トルクは固定子を
構成するところの音響材料及び固定子等と面接触合なす
摺動子の摩擦係数及び接触面積あるいは受ける荷重の大
きさ等により変化するが、数十Ｅｌｆ・ｏｎから数千ダ
ｆ−ｃｍの範囲のトルクを得ることができた。また回転
の方向については、基準信号に対して＋１００ないし＋
１７００の範囲で位相シフトした信号を第２圧電振動子
電極１ｂ’　に印加して駆動したときに得る回転を例え
ば正方向回転とすると、基準信号に対して−１００ない
し−１７００の範囲で位相シフトした信号を同時に印加
して駆動したときに得る回転方向はそれとは逆方向の回
転となる。また回転数は印加信号の大きさあるいは位相
、あるいは接触部の受ける荷重等の大きさを選ぶことに
より任意に選定することができる。後述する第４図に示
す本発明による圧電モータの構成により前記固定子３を
装着して駆動したところ。

はぼ１分間に数回転ないし数百回転程度の範囲での回転
運動を得ることができた。発生トルクは固定子を構成す
るところの前記音響材料及び前記固定子等と面接触をな
す摺動子等の摩擦係数及び接触面積あるいは受ける荷重
の大きさにより変化するが、数十ｇｆ−ｏｎから数千９
ｆ−ｏｎの範囲のトルクを得ることができた。

第４図に第１図及び第２図に示した固定子等を用いた圧
電モータの一実施例を示す。リード線８１９′、１０′
を付与された固定子３′は緩衝体１４全介してガイド円
板１５に振動自由に装着されている。前記ガイド円板１
５は締結部品１６にてフレーム１７に固着されている。

前記フレーム１７の上部には緩衝板１８を介して、複数
個の小球１９を回動自在に具備した弾性板２ｏが締結部
品２１（Ｃより固着されている。回転アーム２２のＶ形
溝には前記複数個の小球１９がはまっておりそれにより
回転アーム２２は回転を案内される。回転アーム２２は
クラ、ノチ体２３を介して摺動子１１′と係合している
。摺動子１１′　は固定子３′　との接触面に第２図に
おいて示しだように摩擦材料あるいは弾性材料等からな
る弾１１体１２等を具備している。回転軸２４は締結部
品２５．２６により前記回転アーム２２に固着せられて
いる。

以上に説明した構成の圧電モータにおいて、前記リード
線８’　、　９’、　１０’にて前記固定子３′　に駆
動信号を印加すると、前記摺動子１１′　の回転と共に
前記回転軸２４が回転をはじめる。クラッチ体２３は起
動時あるいは不備のトルク増大時にはたらいてそれらを
緩和する。

以上の構造の圧電モータの電力効率を測定したところ直
流マイクロモータ等とほぼ同等以上の効率を得た。また
円環形にも成形できるので肉厚内収納が可能となり、見
掛けの収納面積を感じさせないばかりか駆動信号の位相
を変化させるだけで正転・逆転駆動が任意に可能となり
、かつｉｏ。

ｑυ 嗅以下の低速回転において数千９　ｆ　−ｏｎ程度のト
ルクを発生することができる。また回転数は印加信号の
大きさあるいは位相％あるいは接触部の受ける荷重等の
大きさを選ぶことにより任意に選定可能である。したが
って減速機等が全く不要である。

かつ常に接触摩擦対偶をなすので慣性モーメントがなく
、微小なパルス動作性に富むうえにコンパクト性に優れ
ている。また構造が至って簡単であるので低価格である
。

発明の効果 以上のように本発明による圧電モータは、固定子に２組
の電極を配置した圧電振動子を備え、その両圧電振動子
電極は摺動子移動方向において交互に分極の向きの逆転
した少くとも一対の領域に分割されるとともに、互いに
ほぼ半領域ずらして配置され、その固定子には摺動子が
尚接させられた構成であり、両圧電振動子電極に互いに
位相のずれた所定周波数の電圧全印加することにより、
一定方向に移動する振動波が固定子中に発生し。

摺動子が駆動されるものである。したがって極めて簡単
な構造でモータを構成することができ、小型で応答のよ
いモータを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における圧電モータの固定子
の分解斜視図、第２図は同固定子を用いた圧電モータの
概要とその駆動回路を示す断面図、第３図は第２図の圧
電モータ固定子における歪分布図、第４図は本発明の一
実施例における圧電モータの具体的構造を示す一部断面
で示した正面図である。 １・・・・・・圧電振動子、２・・・・・・固定子基体
、３・・・・・・固定子、４・・・・・・発振器、５・
・・・・・移相器、６，７・・・・・・増幅器、１１・
・・・・・摺動子。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はが１名第　
１　図 第２■ 第３図 第　４　図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも１対の領域に分割され、その各領域の
   分極方向が交互に逆転しているよう構成されて内方及び
   外方に配置された２組の圧電振動子電極金、その一方に
   おける前記各領域の中央部近傍に他方の圧電振動子電極
   の前記各領域の境界が位置するよう配置するとともに、
   音響材料からなる基体を、前記両圧電振動子電極からな
   る圧電振動子とともに多層に重ねて構成した固定子と、
   その固定子と面接触をなす摺動子とを具備することを特
   徴とする圧電モータ。
2. （２）２組の圧電振動子電極からなる圧電振動子に。 所定の周波数の電圧が互いに位相をずらして印加される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電モー
   タ。
3. （３）摺動子が、固定子側に位置する弾性体とそれする
   特許請求の範囲第１項記載の圧電モータ。
4. （４）両圧電振動子電極の分割が各々等分であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電モータ。
5. （５）固定子の基体の厚みが圧電振動子と同等ないし１
   ０倍醤焚であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の圧電モータ。　・