JPS62254666A - 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］ この発明は、円筒状圧電振動子を利用した圧電モータの
構造の改良に関する。

［従来の技術］ 円筒状あるいは円環状圧電振動子を利用して構成された
圧電モータは、超音波モータとして知られている。

円環型の圧電振動子の代表的な振動モードとしては、第
２図（ａ）〜（ｃ）に示すように、（ａ）周方向伸縮（
呼吸）振動、（ｂ）面内撓み振動および（ｃ）軸方向面
外撓み振動が存在する。

第３図は、上記（ｃ）軸方向面外撓み振動を利用した圧
電モータを示す。ここでは、円環状圧電振動子１に対し
てロータ２が、押え板３、ボルト４およびばね５により
圧接されており、第２図（Ｃ）に示した振動モードで圧
電振動子１が振動し、それに伴ってロータ２が回転する
ように構成されている。

他方、電子通信学会超音波技術研究会報告ＵＳ８４−５
０第１頁〜第８頁（１９８４）には、上記（４）の周方
向伸縮振動を利用した圧電モータが提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、第３図に示した（ｃ）軸方向面外撓み振
動を用いた圧電モータでは、ロータ２を回転させるため
にロータ２が圧電振動子１に対して圧接されているので
、この圧接力がステータすなわち圧電振動子１に直接加
わる。したがって、圧電振動子をロータ２で強くダンピ
ングすることになるため、振動一回転の変換効率が著し
く低められる。

他方、第２図（ａ）で示した周方向伸縮振動を利用した
圧電モータでは、（ｂ）に示した面内撓み振動に比べて
固有共振周波数がはるかに高く、また振幅もかなり小さ
い。よって、振動子と、振動子により回転されるロータ
の接触面付近を非常に高い精度で作らなければならない
。−例を挙げると、内径３０ｍｍ、外径３８ｍｍの円環
型圧電振動子の場合に、周方向伸縮振動の基本共振周波
数は第４図に示すように３０ＫＨｚを越えており、圧電
モータとして利用し得る、その２次振動周波数は約６７
ＫＨｚである。これに対して、（ｂ）の面内撓み振動の
場合には、第５図に示すように４次振動が２７ＫＨｚに
表われている。よって、低回転数のモータを構成しよう
とすれば、（ａ）の周方向伸縮振動を用いた場合には圧
電振動子を、ひいてはモータをかなり大きくしなければ
ならない。言い換えれば、同一周波数で駆動する場合、
面内撓み振動モードを用いて構成した方がモータをはる
かに小型に構成し得ることがわかる。

よって、この発明の目的は、上記した（ｂ）の面内撓み
振動モードを利用しており、かつ振動一回転変換効率に
優れた圧電モータを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ この発明の圧電モータは、円筒状圧電振動子の面内撓み
振動を利用するものである。なお、「円筒状」とは、そ
の厚みが環状部の幅よりも大きな形状を有するものを示
すために用いられているものであり、前述した円環型と
本質的に異なるものではないことを指摘しておく。

この発明では、面内撓み振動モードで振動される円筒状
圧電振動子と、この圧電振動子の外周に固定されており
、圧電振動子とともに変位する金属環とを有するステー
タが備えられている。このステータの金属環の外周面で
は、該外周面の高さ方向中央部が環の外側に向かって突
出されており、該突出端の上側および下側に、それぞれ
、金属環の上面および下面に延びる第１および第２の傾
斜面が環状に形成されている。

他方、ステータの金属環の外側には、ステータの変位に
より回転されるロータが取付けられている。このロータ
は、それぞれ、金属環の第１および第２の傾斜面に適い
合う第１および第２の被動面を内周部に存する第１およ
び第２のロータ半休と、第１および第２の被動面が第１
および第２の傾斜面を圧電振動子の軸方向に添って挾持
するように第１および第２のロータ半体を相互に固定す
る固定手段とを有する。

［作用］ この発明の圧電モータでは、ロータを駆動するための円
筒状圧電振動子の市内撓み振動を利用する。よって、低
周波で高次モードの振動を励振することができるので、
圧電振動子の振幅は大きく、したがってステータとロー
タの接触面の加工精度をさほど」二げる必要がない。言
い換えれば、該接触面の加工精度を上げずとも高い振動
一回転変換効率の圧電モータを得ることができる。

また、ステータとロータは、ステータの金属環の外周面
に形成された第１および第２の傾斜面を、第１および第
２のロー半体の第１および第２の被動面で挾持すること
により接触されるものであるため、ロータをステータに
対して圧着させる方向（すなわち圧電振動子の軸方向）
と、圧電振動子の変位方向とが一致していないため、圧
電振動子はロータの圧接力によりあまりダンピングされ
ないことがわかる。よって、（Ｃ）の軸方向面外撓み振
動を利用した圧電モータに比べて、はるかに高い撮動−
回転変換効率を実現することができる。

［実施例の説明］ 本願発明者は、第２図（ｂ）に示した面内撓み振動モー
ドを利用した圧電モータを開発すべく、まず第２図（ｂ
）に示した振動を起こさせるに必要な電荷分布を有限要
素法により解析してみた。

その結果を、第６図に部分図で示す。第６図では等電位
部分を線で結んで描いており、この結果から圧電振動子
１１の周方向に沿って交互に、かつ外周部と内周部とが
逆極性になるように分極すれば、面内撓み振動を利用す
るのに適した構造となることがわかる。

第６図に模式的に示した電荷分布を実現するには、具体
的には、第７図に示すように圧電振動子１１を周方向に
分割し、かつ各分割された部分ごとにおいて内側部分と
外側部分とが逆極性となるように分極すればよい。

なお、第７図に示した構造では、＋および−で示された
各圧電素子部分はそれぞれ厚み方向に分極されているも
のである。よって、横効果（ｄａ、方向）を利用するも
のである。この横効果を利用する面内撓み振動を起こさ
せる圧電振動子としては、第７図に示したものに限らず
、第８図に示すように圧電振動子２１の外周に金属環２
２を固定した構造であってもよい。ここでも圧電振動子
２１は、周方向に沿って交互に逆極性となる部分が複数
個配列された構成とされている。

さらに、面内撓み振動を起こさせる圧電振動子としては
、縦効果（すなわちｄａａ方向）を利用したものも可能
である。縦効果を利用した例としては、第９図および第
１０図に示すように、各圧電振動子３１．４１を分極処
理しておけばよい。

第９図に示した圧電振動子３１では、第８図に示した構
造同様に、圧電振動子３１の外側に金属環３２が固定さ
れている。また、第１０図に示した構造は、横効果を利
用した第７図の圧電振動子と対応するものである。

上述のように、面内撓み振動を利用するための圧電振動
子の構成としては、第７図〜第１０図に示した各構造を
採用することができる。もっとも、現実には、第７図お
よび第１０図に示した構造のように各圧電振動子１１．
４１を分極することは難しい。よって、第８図および第
９図に示すように、圧電振動子２１．３１を周方向に沿
って隣接する各部分が交互に逆極性となるように分極処
理し、外側に金属環２２．３２を固定した構造が現実的
である。

以下、第９図に示した圧電振動子３１を利用した実施例
につき説明する。

まず、第９図に示した圧電振動子３１および金属環３２
を用いた場合の変位一回転の変換につき説明する。第９
図に示した構造を利用する場合、第１１図に示すように
圧電振動子３１の内周面に電極３３．３４を形成する。

このようにして、電極３３が内周面に形成された第１励
振源と、電極３４が内面に形成された第２励振源とが構
成される。第１１図から明らかなように、第１励振源と
第２励振源とは、電極３３．３４の形成されてい１ない
振動子部分３５ａ・・・３５ｄの分だけずらされて配置
されている。言い換えれば、１／４λずらされて配置さ
れている。そして、電極３３から与える駆動信号と、電
極３４から与える駆動信号の位相を９０°ずらせば、圧
電振動子３１上に発生される波は、次式 ％式％（ で表わされる進行波となることがわかる。よって、上式
で表わされた進行波が圧電振動子３１に発生することに
なる。したがって、圧電振動子３１および圧電振動子３
１に伴って変位される金属環３２に、被動部としてのロ
ータを接触させれば、該ロータを回転させ得ることがわ
かる。

第１図は、上述のようにして駆動されるこの発明の一実
施例の圧電モータの断面図を示す。第１図において、３
１は上述した圧電振動子を、３２は金属環を示す。圧電
振動子３１の内面には、第１１図に示したように電極３
３．３４が形成されており、各電極３３．３４には駆動
信号を与えるためのリード線６４．６５が接続されてい
る。

他方、圧電振動子３１の外周には金属環３２が固定され
ている。この金属環３２は、円筒状圧電振動子３１と同
様に閉環であってもよいが、第９図に示した金属環３２
のように一部で開いた構造としてもよい。一部の開いた
環状構造とすれば、圧電振動子３１の外径よりも若干小
さな内径の金属環３２を用いれば、金属環３２の内面を
圧電振動子３１の外面に簡単に圧接させ一体化すること
ができる。

第１図に戻り、金属環３２の外側面は、後述するロータ
との接触を確保するために特別な形状にされている。す
なわち、金属環の外周面の高さ方向中央部が環３２の外
側に向かって突出されており、該突出端の」二方および
下方に、それぞれ、金属環３２の上面３２ａおよび下面
３２ｂに延びる第１および第２の傾斜面３２ｃ、３２ｄ
が環状に形成されている。

上述した圧電振動子３１および金属環３２がこの圧電モ
ータのステータを構成する。他方、上記ステータにより
駆動される被動部分としてのロータは、各節１の傾斜面
３２ｃおよび第２の傾斜面３２ｄに適い合う第１の被動
面５１ａおよび第２の被動面５２ａを有する第１のロー
タ半体５１およびおよび第２のロータ半体５２を有する
。各ロータ半体５１．５２は、たとえばステンレスなど
の金属材料により構成され得る。ロータ半体５１゜５２
は、シリコンゴムなどの弾性材５３を介して重ねられて
おり、かつボルト５４により圧電振動子３１の軸方向に
近接するように相互に正否・固定されている。したがっ
て、第１のロータ５１および第２のロータ５２がステー
タの金属環３２を挾持する形態でロータとステータとが
連結されている。よって、圧電振動子３１の変位方向が
、面内撓み振動であるため第１図において横方向である
のに対し、第１のロータ半体５１および第２の、ロータ
半体５２の金属環３２を挾持する方向は圧電振動子３１
の軸方向であるため、第１のロータ半体５１および第２
のロータ半体５２がステータを圧接する力は、さほど圧
電振動子３１の変位をダンプしないことがわかる。それ
ゆえに、この実施例の圧電モータでは、圧電振動子３１
の振動を効率良くロータの回転力に変換することができ
る。

なお、６１は保持台を示し、該保持台６１上にシリコン
ゴムなどの弾性材６３を介して上記圧電振動子３１およ
び金属環３２が保持されている。

弾性材６３を用いるのは、圧電振動子３１の振動をあま
りダンプせずに保持台６１に取付けるためである。

なお、第１図に示した実施例では、ステータとロータの
接触部分は、金属環３２の第１の傾斜面３２ｃおよび第
２の傾斜面３２ｄと、ロータ側の第１の被動面５１ａと
第２の被動面５２ａとであるため、長期間駆動した後に
該接触部分が磨耗したとしても、ボルト５４を締付は第
１のロータ半体５１と体２のロータ半体５２をより近接
させるだけでロータとステータの確実な接触を維持する
ことができる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明では、面内撓み振動モードを利
用した圧電振動子を用いて圧電モータが構成されている
ため、低周波帯で高次モードを励振することができ、振
幅が大きいため、ステータとロータとの接触面の加工精
度をさほど要求されない。しかも、ロータが第１のロー
タ半体および第２のロータ半体で構成されおり、該第１
のロータ半体および第２のロータ半体の被動面でステー
タ側の金属環の第１の傾斜面および第２の傾斜面を挾持
する構造を有するものであるため、接触部にクリアラン
スが多少あったとしても、第１のロータ半体および第２
のロータ半体をより近接させるだけで確実にロータとス
テータとを接触させることができる。

さらに、面内撓み振動を用いるものであり、低周波帯で
高次モードを励振し得るので、周方向伸縮振動を利用し
た圧電モータに比べて同一周波数で駆動する場合にはよ
り小型に構成することができる。

また、軸方向面外撓み振動を用いた圧電モータのように
ロータ部のステータ部への圧着力により圧電振動子を強
くダンピングすることもなく、したがって圧電振動子の
振動−ロータの回転力への変換効率にも優れた圧電モー
タを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例の断面図である。 第２図は、円環状圧電振動子の代表的な振動モードを示
す模式図である。第３図は、軸方向面外撓み振動を利用
した圧電モータの断面図である。第４図は、周方向伸縮
振動の共振特性を示す図であり、第５図は面内撓み振動
の共振特性を示す図である。第６図は、面内撓み振動を
実現するための電荷分布を示す部分平面図である。第７
図〜第１０図は面内撓み振動を実現するための圧電振動
子の分極方法を示す各斜視図である。第１１図は第９図
に示した圧電振動子を用いた場合の進行波を発生させる
駆動方法を説明するための模式図である。 図において、３１は円筒状圧電振動子、３２は金属環、
３２ａは上面、３２ｂは下面、３２ｃは第１の傾斜面、
３２ｄは第２の傾斜面、５１は大１のロータ半体、５２
は第２のロータ半体、５１ａは第１の被動面、５２ａは
第２の被動面を示す。 （Ｑ）　　　　　　　　　（４＞　　　　　　　　　　
（Ｃ）に二二二コ　　　　に＝＝＝コ　　　　ζ工〉＝
）第４図 層　返　玖（ｋＨ，）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　円筒状圧電振動子の面内撓み振動を利用した圧電モー
   タであって、 面内撓み振動モードで振動される円筒状圧電振動子と、 前記圧電振動子の外周に固定されており、圧電振動子と
   ともに変位する金属環とを有するステータを備え、 前記金属環の外周面の高さ方向中央部が環の外側に向か
   って突出されており、該突出端の上側および下側に、そ
   れぞれ、金属環の上面および下面に延びる第１および第
   ２の傾斜面が環状に形成されており、 前記ステータの金属環の外側に取付けられており、ステ
   ータの変位により回転されるロータをさらに備え、 前記ロータは、それぞれ、金属環の第１および第２の傾
   斜面に適い合う第１および第２の被動面を内周部に有す
   る第１および第２のロータ半体と、前第１および第２の
   被動面が第１および第２の傾斜面を圧電振動子の軸方向
   に添って挾持するように、前記第１および第２のロータ
   半体を相互に固定する固定手段とを有する、圧電モータ
   。