JPS6091878A - 超音波モータ - 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】 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
高効率となるが、これは、変換のロスは巻線などでのロ
スが主であシ、低速では高速時の３分の１ないし５分の
１程度と変換効率が低くなっていたことによる。

更に、通常のモータの回転速度は１１０００ｒｐないし
２００Ｏｒｐｍ　あるいはそれ以上なので、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
のだめ低寿命となりかつ価格高をまねいている。

まだ回転部品等の質量が構成上大きく々るだめに慣性モ
ーメントが大きくなり、立上り、立下り特性に欠けて、
パルス駆動が困難である。このだ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てコ
ンパクト性に欠けだ。

発明の目的 本発明の目的は上記欠点を解決するだめに、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つの圧電振動子と音響材
料とを含み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。前記両圧電振動子は摺動子移動方向
に分割された一対もしく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、互いに位相のずれだ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明する。

固定子は例えば第１図に示すような構造を有する。円環
形状の第１圧電振動子１の表面には例えば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、第１圧電振動子１の表面に
印刷、蒸着あるいはメッキ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も、されていなくとも良い。以上
のように構成された第１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。円環形状の第２圧電振動
子２も第１圧電振動子１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。

前記第１圧電振動子１あるいは第２圧電振動子２の最小
振幅位置は、各々相隣合う電極どうしの境界位置近傍と
なシ、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１゜２は、第１圧電振動子１の
最大振幅位置となる電極中央近傍に、第２圧電振動子２
の最小振幅位置と々る相隣合う電極どうしの境界が位置
するよう重ね合わされている。

以上のように構成された第１圧電振動子１及び第２圧電
振動子２は、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３に重ね合わせて取付けられる。こ
の固定子基体３は、アルミニウム、黄銅、鉄、ステンレ
ス、焼入鋼、ナイロン等の合成鯛材料、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
４として用いる。第２図に示すように、固定子４により
定まる強制励振駆動周波数にて発振器６により発振され
た出力信号を分岐し、一方を直接増幅器７に、他方を移
相器６を介して増幅器８に入力する。前記移相器６では
後述するような正方向回転あるいは逆方向回転に使用す
る±１０゜ないし±１７００の範囲で位相シフトした信
号が整形される。前記発振器５の出力信号を直接増幅器
７に入力して増幅した信号をリード線９及び１゜により
第１圧電振動子１に印加する。それにより固定子４には
、第１圧電振動子１の分極方向が互に異なるプラス極性
あるいはマイナス極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。第２圧電振動子２も増幅器８の出
力をリード線１０．１１を介して印加することにより同
様に駆動される。

第３図に第１圧電振動子１及び第２圧電振動子２に電気
信号を印加したときの、たて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−Ｎｏがスレーザ光を照射し、入射光と反射光との
干渉法を用いて測定した。第３図ａにはリード線９及び
１ｏに信号を印加して第１圧電振動子１を駆動したとき
９測定結果を示した。ｓｏＶ印加時±０．８μｍ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２
を駆動した場合に測定したたて方向歪の結果を第３図す
に示した。ｓｏＶ印加時士０．８μｍ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。

次に第１圧電振動子１及び第２圧電撮動子２を官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との中間位置に振隅が最大を示す位置が移動し
ている。またたて方向歪の最大振幅は約１．３倍程度に
大きくなっている。ここで、前述のように第２圧電振動
子２は第１圧電振動子に対して＋１ｏ０カいし±１了ｏ
０位相シフトして駆動されるため、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４の上には、摺動子１２が当接している。

摺動子１２は、摩擦材料あるいは弾性材料等からなる弾
性体１３とそれに結合された音響材料１４から構成され
る。

上述のように固定子４を駆動すると、固定子４における
摺動子１２に面する側の振動の頂点が摺動子１２に接触
し、しかもその頂点が時間とともに移。す、。、摺ヵ４
促ゆ横方内戚６を有す。

力が加えられることになる。かくして摺動子１２は、固
定子４により定まる駆動周波数によシ横方向成分による
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ｅ構成するところの音響材料及び固定
子等と面接触を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、数拾ｊＪ
−ｃｍから数千Ｉ−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＋
１ｏ０　ないし＋１７０°の範囲で位相シフトした信号
を第２圧電振動子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、基準信号に対して一１０°
ないし一１７０°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
任意に選定可能である。

第４図及び第５図に別の構成から成る固定子１５を示し
た。第１圧電振動子１′及び第２圧電振動子２′のあい
だに前記圧電振動子と同等ないし１ｏ倍程度近傍の厚み
からなる固定子基体３′を装着したことを基本構成とし
ている。各々の部材の材料・構造は第１図の実施例と同
様である。第１圧電振動子１′及び第２圧電振動子２′
の分極の相対配置は、第１図及び第２図に示す構成の固
定子４と全く同様である。固定子１５の表面には導電性
材料１６及び１ケを付加している。壕だ第５図に示した
固定子１５の駆動回路の構成は、第２図において示した
回路と全く同じ構成であるので詳細な説明は省略する。

この駆動回路る用いて固定子１５により定まる強制励振
周波数にてｃｓｏＶ印加した時のたて方向の歪を測定し
た。たて方向歪は第３図にて示したものと全く同じ結果
が得られた。後述する第６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１６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、数拾ｇ−ｃｍから数
千ｊｊ−ｃｍの範囲のトルクを得ることができた。

第６図に第１図及び第２図、あるいは第４図及び第６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９′・１０′・１１′を付与された固定子４
は緩衝体２１を介してガイド円板２２に振動自由に装着
されている０前記ガイド円板２２は締結部品２３にてフ
レーム２４に固着されている。前記フレーム２４の上部
には緩衝板２６を介して、複数個の小球２６を回動自在
に具備した弾性板２７が締結部品２８により固着されて
いる。回転アーム２９の■形溝には前記複数個の小球２
６がはまっておりそれにより回転アーム２９は回転を案
内される。回転アーム２９はクラッチ体３０を介して摺
動子１２と係合している。

摺動子、２は固定子４との接触面纂第２図において示し
たように摩擦材料あるいは弾性材料等からなる弾性体１
３等を具備している。回転軸３１は締結部品３２　ｊ　
３３により前記回転アーム２９に向着せられている。

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９′・１０′・１１′　にて前記同定子４に駆動信号
を印加すると、前記摺動子１２０回転と共に前記回転軸
３１が回転をはじめる。クラッチ体３０（ハ起動時ある
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
。

以上の構成から成る圧電モータの電力効率を測定したと
ころＤＣ・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１１００ｒｐ以下の低速回転において数
千ｇ・ｃｍ程度のトルクが発生できる。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無く、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〇 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個
の圧電振動子を備え、その両圧電振動子は摺動子移動方
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、互いにほぼ牛領域ずらして
配置され、その固定子には摺動子が当接させられた構成
であり、両圧電振動子に互いに位相のずれた所定周波数
の電圧を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、小型で応答の良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図は他の実施
例における固定子の分解斜視図、第６図は同固定子とそ
の駆動回路の概要を示す断面図、第６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。 １．２・・・・・・圧電振動子、３・・・・・・固定子
基体、４・・・・・・固定子、６・・・・・発振器、６
・・・・・・移相器、７゜８・・・・・・増幅器、１２
・・・・・・摺動子。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 鵠　２　図 纂３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （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た２つの圧電
   振動子を、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、音響材材からなる基体を、前記両圧電
   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つの圧電振動子が、所定の周波数の電圧を互い
   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）摺動子が、固定子側に位置する弾性体とそれに結
   合された音響材料とからな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。 （４）両圧電振動子の分割が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。 （６）固定子の基体の厚みが圧電振動子と同等ないし１
   ０倍程度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。