JPS6122778A

JPS6122778A - 圧電モ−タ

Info

Publication number: JPS6122778A
Application number: JP59142713A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kawasaki; 修川崎; Yukihiko Ise; 伊勢　悠紀彦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1984-07-10
Filing date: 1984-07-10
Publication date: 1986-01-31

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近年圧電セラミクス等の圧電体を用いて超音波振動を励
振することにより、回転あるいは直線または曲線運動を
する圧電モータが発表され、構成部品数の少なさ、高効
率および形状が小さくできること等の点で注目されてい
る。

以下に図面を参照しながら従来の圧電モータについて説
明を行なう。

第１図は日経メカニカル（５８，２，２８）などに掲載
された従来の圧電モータの１例であり、円環状弾性体１
の表面に円環形圧電セラミクス２を貼合せて、円環状圧
電セラミクス２が円環状弾性体１を励振して一体として
振動するようにしている。円環形圧電セラミクス２は、
第２図に示すように例えば２２．５°あるいは１１．２
５０の分割比により、１７個の領域に分割し、分極の方
向が隣シ合う領域で逆方向となるように分極している。

その後、圧電体表面を導電性塗料などで、第２図のよう
に電極を覆うことにより２つの部分Ａ、Ｂに寸とめる。

ここで、第２図のＥはアース端子である。第１図に示す
ように、前記円環形弾性体１の上部には、スライダ３を
固着された動体４が位置している。

以上のように構成された従来の圧電モータについてその
動作を以下に説明する。前記圧電体２の片側の電極Ａ　
Ｋ　ＶＯ５１ｎωｔ　、他方の電極ＢＫＶＯＣＯ３Ｏ）
ｔの互いに位相がπ／２ずれた交流信号をそれぞれ印加
する。すると分割した領域が交互に周方向に伸縮し、円
環形弾性体１に曲げ振動が発生する。第３図は第２図の
圧電モータの１部分の斜視図であり、分極方向が逆であ
る隣り合う部分が上記のような駆動により、曲率が逆の
曲げ振動をしている様子を示す。第４図は動体と弾性体
の接触状況を拡大して描いたもので、表面波に伴う粒子
の楕円運動として周知である（例えば御子柴宣　著「音
波物性」昭和４８年三省堂社発行を参照）。弾性体の表
面上の１つの点Ａに着目すると、点Ａは長軸２　ｗ　、
短軸２ｕの楕円状の軌跡を描いている。

弾性体が動点と接触する頂点で、点ＡはＸ軸の負の方向
にＶ−２πｆｕの速度を持つ。ここでｆは駆動周波数で
、ω−２πｆの関係を持つ。この結果、動体は弾性体と
の摩擦力で波の進行と逆方向に速度Ｖで駆動される。こ
のように弾性体の表面に推力としての楕円軌跡を描かせ
るには弾性表面波のレイリー波か、またけ弾性体の曲げ
振動を進行波として励起させることが考えられる。しか
し、駆動周波数を決定すれば、弾性表面波では曲げ振動
よりも波長が長い。前述、したように圧電モータは弾性
波の頂点が動体と接触して動体を駆動するので、この接
触面積が大きい程大きなトルクが得られることになる。

従って、曲げ振動を使った方が同じ大きさなら接触面積
が大きくなり圧電モータとして好ましい。

上記に述べた従来例では、圧電素子２の１部にアース端
子Ｅを設けることにより、曲げ振動を進行波として用い
ている。進行波は一般にξ−−ｃｏｓ　Ｏ）ｔ＊５ｉｎ
ｋｘ＋ｓｉｎ　ωｔ　　＠５ｉｎｋｘ　　　　　　−（
１）（ｋ：波数）で表わされる。（１）式より、進行波は時間的にπ／ま
たけ位相のずれたｃｏｓωｆ　、、！：５ｉｎＯノｔ　
、および位置的にπ／２だけ位相のずれたｃｏｓ　ｋ　
ｘとｓｉｎ　ｋ　ｘとのそれぞれの積の和で進行波が得
られ、前述の説明より従来例の圧電モータがこのような
構成と駆動法をとっていることがわかる。

しかしながら、上記のような構成においては、以下のよ
うな欠点が存在する。

第６図は前述した圧電モータの弾性体１の表面に励起さ
れた曲げ振動の振幅の分布を、径方向に計測したもので
、外径部の一番振幅の大きい所で正規化している。同図
より内径を変えても振幅分布の正規化後の関数形はほぼ
同じである。また第６図は圧電モータの弾性°休１の内
径／外径比を変化させた時の、同一駆動電流密度値（電
流を電極面積で割ったもの）との外径部における振幅分
布である。第５図、第６図に示した変位は第４図のＷに
あたるものである。しかし、今扱っている圧電モータに
おいては、形状材質が決まれば（圧電素子２と弾性体の
厚みおよびそれぞれの材質が決まれば）、ＷとＵは一定
の関係にある。故に第６図より、外径周辺での駆動速度
は大きいが、内径周辺での駆動速度は小さく、スライダ
３の円環面全面が弾性体１に接触している従来の形の圧
電モータは、外周部での駆動速度よりも、実際には小さ
い速度でしか回転しない。また外周部での駆動に対して
、内周部ではブレーキの役目をするので、入力エネルギ
ーが消費され効率が悪くなる。また摩擦によふ機械的損
傷が犬となり寿命が短かくなる。第６図より、内径が小
さく（円環の幅が広く）なれば、同一駆動電流密度に対
して小さな振幅しか得られない。つまり、圧電素子２の
内周側は変位に寄与しているのではなく、制動作用を行
なっていることになる。このため弾性体１．圧電素子２
０幅は小さい方が速度の速い圧電モータが得られるが、
従来例の圧電モータの構造では、接触面積が小さくなる
ので出力トルクが小さくなるので、円環を小さくするこ
とはできない。

以Ｊ二述べたように従来の圧電モータは種々の問題点を
有していプζ。

発明の目的本発明の目的は、円環の内径部と外径部の振幅の差に起
因する駆動力の損失を解消して、出力トルクの大きい、
回転速度の大きい、高効率、長寿命の圧電モータを提供
することにある。

発明の構成本発明の圧電モータば、円環形の弾性体の主面の一方に
円環形の圧電体を貼合せて成る、外形寸法の異る複数個
の駆動体を、同心円状に設置し７、それらの駆動体表面
に単一の回転子を接触させ、上記各駆動体の上記回転子
に対する接触の平均半径を、各駆動体の上記平均半径上
における質点の楕円運動の回転子回転方向成分と、各駆
動体の１駆動周波数の積で除した値が、上記の各々の駆
動体についてほぼ同値となるように、前記圧電体に電流
供給をすることにより、各駆動体の回転子に対する回転
速度寄与が同等と々す、高効率でしかも回転速度が速く
、出力ｌ・ルクの大きい圧電モータを提供するものであ
る。

実施例の説明以下図に従って本発明の実施例について詳細な説明を行
なう。第７図は本発明の１実施例である、外形寸法の異
なる３つの、駆動体を同心円状に設置した圧電モータの
断面図である。同図において、７は固定台であり、円環
膨圧電体５ａ、５ｂ、６ｃと弾性体６ａ、６ｂ、６ｃと
を貼り合わせて作った、駆動体１１　ａ、　　１　ｌ　
ｂ、　　１１　ｃを同心円状に設置する役目と、回転軸
９を固定する役目を兼ねている。圧電体６ａ、５ｂ、５
ｃを駆動することにより、駆動体１１　ａ、　　１　ｌ
　ｂ、　　１１　ｃに曲げ振動が励起されて進行波とな
る。これにより駆動体１１　ａ、　　１１　ｂ、　　１
１ｃの弾性体６ａ、６ｂ、６ｃの円環面の質点が楕円運
動を行ない、この上に設置された回転子８が、回転軸９
−を中心として回転する。回転軸９の上端には突起が設
けてあり、回転子８の位置決めをし回転子８を一定荷重
で、弾性体５ａ、５ｂ、５ｃに接触させておくだめのバ
ネ１０を固定する役目をしている。前述したように圧電
モータは駆動体の表面の点が楕円運動をし、この上に接
触して置かれた回転子を摩擦力によって移動させるので
、上の実施例でも弾性体６ａ。

６ｂ、６ｃと回転子８はバネ１０によって安定に接触さ
せておく必要がある。従来例の圧電モータては駆動体が
一つであるが、本発明では複数個ある。

第８図は第７図の実施例で用いた圧電体５ａ。

６ｂ：　　６ｃを示している。各圧電体は２２．５０あ
るいは１１゜２５°の分割比により１７個の領域に分割
され、大きい方の領域の隣り合う領域では分極の方向が
逆になるように分極され、その後導電性塗料などで覆う
ことにより２つの領域Ａ１とＢ１゜Ａ２とＢ２．Ａ３と
Ｂ３にそれぞれまとめられている。第８図の実施例では
２２゜６°あるいは１１．２５゜の領域に分割されてい
るが、各円環の全周を偶数個に分割し、そのうちの１つ
をさらに２分割して、第８図と同様の構成−をとって、
大きい領域の円周方向の長さが半波長となるような共振
周波数で駆動すれば同様の動作をする。寸だ第８図の実
施例では、圧電体６ａ、５ｂ、５ｃが各々同数の領域に
分割され、しかも各領域が放射状に配置されているが、
これらの２つの条件は満足せずとも、後述する条件が満
たされれば良い。

第８図において、Ｅ端子をアース端子として、圧電体５
ａ、　　５ｂ−，５ＣのＡ１−Ｂ１．Ａ２−Ｂ２゜Ａ３
・Ｂ３にそれぞれＶ　１　ｓｉｎ　θノ１　ｔ　　、　　　Ｖｌ　ＣＯ３
ω１　　ｔ　　　　　　　　　　−（２）Ｖ２　ｓ団ω
２　ｔ　、　　Ｖ２　ｃｏｓω２　ｔ　　　　　　・・
　・・（２５■３Ｓｌｎω３ｔ、■３ＣＯ５ω３ｔ・・
・（２２５で表わされる電圧を印加する。ここで、■４
．ｖ２゜■３は電圧の瞬時値で、ω１．ω２．ω３は各
、駆動体１１ａ、　　１１ｂ、　　１１　Ｇ（７）共振
周波数近傍の１駆動角周波数である。これにより、駆動
体１１ａ。

１１ｂ、１１Ｃはそれぞれ第３図に示したような曲げ振
動を行なう。ここで駆動周波数として共振周波数近傍を
選んだのは、共振周波数近傍では各電気端子から見たイ
ンピーダンスが低下し、低電圧での駆動ができるからで
ある。

ここで駆動体１１　ａ、　　１１ｂ、　　１１　ｃがそ
れぞれ独立に振動を行なうように、固定台７は第８図に
示した」：うに突起７ａをもった構造にするか、固定台
７と圧電体５ａ、５ｂ、５ｃの間にフェルトやゴムなど
のような機械的絶縁物を入れる構造にしておかねばなら
ないことを付記する。

」二連した条件のもとでは、駆動体１１ａ、１１ｂ。

１１ｃには進行波が励起され、弾性体６ａ、　　ｅｂ。

６Ｃの表面の点は前述したように楕円運動を行なう。従
って、第４図に示したように弾性体表面上に設置された
物体を波の進行方向とは逆方向に移動させる。第８図の
例では波が周方向に進むので回転力となる。ここで上記
の周方向に回転子８を動かす速度は、楕円軌跡の周方向
成分をそれぞれｕｌ、ｕ２．ｕ３とすれば、それぞれｖ１＝ｆ１−ｕｌ　（ω１＝２πｆ１）　　　・−・−
（３）ｖ２＝ｆ２−ｕ２（ω２＝２ｙｒｆ２）　　　・
・−（＝）Ｖ３−ｆ　ｓ　’　ｕｓ　−（（ＩＩ３＝２
　ｎ　ｆ　　　　、”　”’　（３５となる。駆動体１
１ａ、　　１　ｌ　ｂ、　　１１　ｃと回転子８との接
触の中心半径をそれぞれｒｌ、　ｒ２．　ｒｓとすれば
、（３）、　（−４，（ｉ）式より駆動体１１ａ、１１
ｂ。

１１ｃにより回転子８が回転する回転数はそれぞれ、ｎｌ−２πｒ１／ｖ１　　　　　　　・・・・・・（４
）ｎ２＝２πｒ　２／Ｖ　２　　　　　・・・・菫ｎ３
−２πｒ　３／’Ｖ　３　　　　　　・・・・櫂である
。ｎ　１．　ｎ　２　、　ｎ　３が等しい時、駆動体１
１ａ。

１１ｂ、１１Ｃの回転子９への駆動効率が最も大きくな
り、各駆動体１１　ａ、　　１１ｂ、　　１１　ｃと回
転子８の接触部での摩耗が小さくなる。

ここで、各駆動体１１　ａ、　　１　ｌ　ｂ、　’１１
　ｃの表面の点の楕円軌道の同方向成分ｕ　１＋　ｕ　
２　ｒ　ｕ　３は、圧電体５ａ、６ｂ、５ｃと弾性体６
ａ、　　６ｂ、　　６ｃの材質と形状が決まれば、周方
向成分と垂直な方向の成分で決まる。この垂直な方向の
成分は第５図、第６図の特性で示されてお秒、圧電素子
５ａ。

６ｂ、ｓｃに供給する駆動電流が決まれば一義的に決ま
る。従って、各圧電素子に供給する電流を゛（４）、−
）、（４式で示される回転数ｎ　１．　ｎ　２　、　ｎ
　３がほぼ等しくなるように決めれば、最も効率よく、
また回転速度が大きく出力トルクが大きい圧電モータを
実現できる。

第９図は上述のような圧電モータの駆動体１１ａ。

１１ｂ、１１Ｃの垂直方向の変位分布を示しており、第
１０図は本発明の実施例の圧電モータの特性と従−来の
圧電モータの特性の比較を示している。

同図の回転数−出力トルク特性でＣは従来モータであり
、Ｄは本発明の実施例の圧電モータである。

通常圧電モータの出力トルクは、駆動体と回転子との間
の摩擦力によるもので、従って両者の接触面積が大きい
程大きくなる。本発明では駆動体の幅が小さくなったが
、複数個同心円状に設置することにより接触面積を太き
くしている。

発明の効果本発明では、円環形の幅の狭い形状の駆動体を同心円状
に設置しているので、振動の変位の大きい所（点の楕円
運動の周方向成分の大きい所）のみを駆動に使え、また
複数個同心円状に設置して■転子との接触面積を大きく
しており、加えて各駆動体の回転子への回転数への寄与
度が一定になるようにしているので、高効率・長寿命で
しかも回転速度が大きく出力トルクも大きい圧電モータ
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧電モータの断面図、第２図は第１図に
使用されている圧電体の平面図、第３図は第１図の圧電
モータの駆動体部の振動状態を示す斜視図、第４図は圧
電モータの原理の説明図、第５図は円環形部動体の半径
方向の変位分布（正規化後）を示すグラフ、第６図は円
環形部動体の内径／外径比を変えた時の同一駆動電流密
度による外径部での振幅を示すグラフ、第７図は本発明
の一実施例の圧電モータの断面図、第８図は第７図の実
施例に用いる圧電体を示す平面図、第９図は第７図の実
施例における各駆動体の変位分布を示すグラフ、第１０
図は従来圧電モータと本発明の１実施例の圧電モータの
回転数−出力トルク特性の比較を示すグラフである。５　ａ、　　５　ｂ、　　５　ｃ・＝・・−圧電体、６
ａ、　　ｅｂ、　　６ｃ・・・・弾性体、７・・・・・
固定台、８・・・・・・回転子、９・・・・・・回転軸
、１０−・＝バネ、１１ａ、１ｊｂ、１１ｃ・・・・駆
動体。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図第２図第３図第４図第５図内径／外径比第７図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

円環形の弾性体の主面の一方に外径が前記弾性体の外径
に等しい円環形の圧電体を外径が一致するように貼合せ
て圧電駆動体を構成し、上記圧電体に電圧を印加するこ
とにより、上記駆動体に周方向の曲げ振動を励起して進
行波を作り、上記弾性体の他方の主面上の質点を楕円運
動させることにより、上記他方の主面上に置かれた回転
子を回転させる圧電モータにおいて、上記外径の異なる
駆動体を複数個同心円状に設置し、上記の回転子を上記
の複数個の駆動体を構成する円環面に同時に接触させ、
上記の複数個の駆動体のそれぞれをその共振周波数近傍
の周波数で駆動し、各駆動体と上記回転子との接触の平
均半径を、各駆動体の上記平均半径上における質点の楕
円運動の回転子回転方向成分と、各駆動体の前記周波数
との積で除した値が、それぞれの駆動体についてほぼ同
値となるように、上記の駆動体のそれぞれの圧電体に電
流を供給することを特徴とする圧電モータ。