JP2008509645A - 小型化可能なモーター - Google Patents

Abstract

本発明は、中空円筒状圧電振動子２によって駆動される回転子１２を備える小型化可能なモーター１に関する。前記回転子は圧電振動子の摩擦面１３に効率的に接続され、主電極または対電極３および励振電極４、５、６が中空円筒の表面に設置される。中空円筒状圧電振動子は三方晶系の単結晶材料から作られ、互いに１２０°の角度に位置する３個の主電極軸ならびに光学軸が設けられる。前記光学軸は、電気的軸の交差点に沿って９０°の角度を含み、中空円筒状圧電振動子の長軸に一致する。さらに、それぞれの励振電極の軸方向対称軸は主電気的軸の１つと交差し、前記軸方向対称軸は光学軸に平行に延びる。

Description

本発明は、請求項１の前文による、中空円筒状圧電振動子によって駆動される回転子を備える小型化可能なモーターに関し、回転子は、圧電振動子の面側摩擦表面に効率的に接続され、主電極または対電極ならびに励振電極が中空円筒の表面に配置される。

例えば米国特許第４，９６５，４８２号による、それぞれ特定のネジによって接続された複合振動子を備える圧電モーターまたは超音波モーターは従来技術に属する。そのようなモーターの構造は複雑であり、技術的に高い経費を必要とするので、これは望ましい小型化の障害になる。

従来技術は、プレート形状の圧電素子が接着剤で取り付けられた金属製円筒状振動子を備える圧電超音波マイクロモーターをさらに含む。そのようなモーター構造は圧電素子と共鳴器を接合する接着剤が動作中に軟化する欠点がある。すなわち、これは振動子の励振レベルを低下させ、したがって、機械的出力の低下を招く。これらの欠点のため、そのようなモーターは可能な最大の励振振幅で運転することができない。すなわち、これは実際に製造されたモーターに関して、信頼性の低下と用途の可能性の制限を伴う。一例として、出版物ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｕｌｔｒａｓｏｎ．、Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔ．、Ｆｒｅｑ．Ｃｏｎｔｒ．、Ｖｏｌ．４９、４９５〜５００ページ、２００２年４月が参照される。

米国特許第５，８７２，４１８号による圧電超音波モーターでは、振動子全体が圧電セラミック材料から構成される。そのような実施形態の欠点は、小さい直径を有する実際の圧電振動子の圧電セラミック材料が非常に脆いことである。これらの従来技術のモーターは、３ｍｍ未満の直径のものを製造できない。他の問題は、小さな寸法の振動子の摩擦表面を、不可避的な磨耗から保護することである。すでに直径が６ｍｍ未満の振動子は、摩擦表面に金属層またはガラス層を塗工するとき大きな技術的問題に遭遇し、製造コストの高騰を招く。摩擦表面のコーティングを省けば、結果的にモーターの寿命が短くなる。

したがって、上記に基づいて、本発明の目的は、中空円筒状圧電振動子によって駆動される回転子を備える小型化可能なモーターを明らかにすることであり、回転子は圧電振動子の面側摩擦表面に効率的に接続され、簡単な製造技術によって、経済的に、また大量に製造することができ、そのようなモーターの寿命および長期安定性は実用上の要件を満足する。

本発明の目的は請求項１の特徴による小型化可能なモーターによって解決され、従属請求項は少なくとも有用な実施形態および進歩性を表わす。

したがって、本発明の基本的考えは円筒状振動子を備える小型化可能な圧電モーターを明らかにすることであり、振動子は特定の結晶学的配向を有する圧電単結晶から作られ、またはそれぞれそのような材料からなる。

そのような圧電単結晶が用いられるとき、一方で結晶軸に対する特定の電極配置によってモーターの機能に必要な励振が可能であり、他方、単結晶の硬度が高いため、回転子を駆動する摩擦表面領域の磨耗が最小になる。

具体的には、使用される好ましい中空円筒状圧電振動子は三方晶系の単結晶材料からなる。結晶は３重の回転軸を有するとき三方晶系と呼ばれる。使用される三方晶形の材料は互いに１２０°の角度で配置された３個の電気的な主軸と、電気的軸の交差点と本質的に９０°の角度を含んで中空円筒状圧電振動子の長軸に一致する光学軸を有する。

それぞれの励振電極または励振電極表面の軸方向対称軸は、それぞれ３つの電気主軸の１つと交差し、それぞれの軸方向対称軸は光学軸に平行に延びる。

圧電振動子の励振電極は中空円筒の外部円筒状ジャケットに等間隔で配置され、共通の主電極は中空円筒の内部ジャケットに配置される。

したがって、小型化可能なモーターの第１の実施形態は、少なくとも１つの面でこの面に対して押圧された回転子と摩擦接触を行い、振動子の円筒状ジャケットすなわち中空円筒の表面に配置された１個の共通の主電極と３個の励振電極を有する、モノリシック圧電中空円筒の形状の振動子に基づく。

本発明のモーターの第１実施形態において、各励振電極は第１曲げモードを励振する。それによって、振動子は光学軸ならびにそれぞれの励振電極に一致する電気的軸によって形成される面内で振動する。

モーターの第２実施形態において、第１接線軸振動モードが中空円筒状振動子の各励振電極によって励振される。

モーターの第３実施形態は、縦方向の定在波、すなわち伸張波（elongation wave）が円筒周縁上に励振される。

実施例および図を参照して、本発明を以下にさらに詳細に説明する。

以下でさらに詳細に説明する、実施例によるモーターの好ましい実施形態は、少なくとも１つの面が前記面に対して押圧された回転子に摩擦接触しているモノリシック圧電中空円筒に基づく。圧電中空円筒は円筒の内面に共通の主電極を備え、円筒状ジャケットの外面上に３個の励振電極を備える。

圧電振動子は、三方晶系の圧電単結晶からなる。そのような三方晶系の圧電単結晶は３個の電気主軸ならびに１個の光学軸を有する。電気的軸は互いに１２０°の角度に配置される。図４および６を参照すると、それらは光学軸と９０°の角度を形成する。圧電結晶は、光学軸が円筒状振動子の長軸に一致するように配向される。３個の励振電極は単結晶の電気主軸の１つと交差し、同時に単結晶の光学軸に平行に延びる。

図１および２による小型化可能なモーターは、モノリシック圧電中空円筒状圧電素子２として構成された振動子１を備える。

共通の主電極３は圧電素子２の内部円筒ジャケット上に設置される。

外部円筒ジャケットは３個の励振電極４、５、および６を収容する。回転子１２の部品として８個の摩擦ディスク９が弾性要素８によって振動子１の２個の対向面７に押圧される。摩擦ディスク９はスリーブ構成１２によって回転子軸１１に固定される。

十分な摩擦接触を確保するために、振動子１には２個の円錐状摩擦表面１３が設けられる。対応する補完の円錐表面１４が摩擦ディスク９に形成され、これらは振動子１の円錐表面１３に接触する。

摩擦ディスク９は、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、または類似の材料などの耐摩耗性材料から作られることが好ましい。

弾性要素８はシリコーンゴム材料または類似の材料からリングとして作ることができる。弾性要素８は、平坦な板バネとして設計することも考えられる。

圧電素子２は三方晶系の圧電単結晶、例えば、結晶石英（ＳｉＯ_２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）または類似の材料から作られる。

そのような結晶系の結晶は１個の光学軸Ｚ、ならびに互いに１２０°の角度で配置されて光学軸と９０°の角度を含む３個の等価の電気主軸Ｘ１、Ｘ２、およびＸ３を有する。そのような三方晶系の概要図は図３に参照される。

光学結晶軸Ｚは、逆の圧電効果がない結晶方向、または他の結晶学的配向と比べるときそれ自体非常に弱い圧電効果を示す結晶方向を指す。電気的軸は逆の圧電効果が最大値になる結晶方向を指す。

図からわかるように、小型化可能なモーターの圧電素子２は上記の結晶材料から中空円筒として作られ、結晶軸Ｚ、Ｘ１、Ｘ２、およびＸ３に関する円筒の配向は図４に示される。圧電素子２または振動子１のそれぞれの軸方向軸Ｓが単結晶の光学軸Ｚに一致することが重要である。

電極３、４、５、および６は薄い金属層として作られ、図２、５、および６による中空振動子の円筒状ジャケットに貼付される。

圧電素子２の完全に金属化された内部ジャケット表面は振動子１の共通の主電極として働く。

励振電極４、５、および６は、圧電素子２の外部ジャケット表面の金属化部分として形成され、それらの相対的空間位置は各々１２０°の角度にある。

各励振電極の軸方向対称軸Ｅ１、Ｅ２、およびＥ３は圧電単結晶の対応する電気主軸Ｘ１、Ｘ２、およびＸ３と交差し、軸Ｅ１、Ｅ２について図６に示したように、光学軸Ｚに平行に延びる。

図７は、３相励振電源１５、およびそれにより得られる移相電圧Ｕ１、Ｕ２、およびＵ３を有する本発明の小型化可能な圧電モーターの主要電気回路を示す。

図８は、励振電極の１つによる曲げモード励振中の振動子の２つの振動相を表わす。

励振電極の１つによって接線軸振動モードを励振する際の振動子の振動相は図９に示されるが、図１０は、励振電極の１つによって円筒周縁上に縦波を励振する際に発生する、振動子の２つの振動相を表わす。

上述の小型化可能なモーターは３相移動波モーターを意味し、移動波は３つの定在波の重なり合いによって発生する。

３種類の定在波は提案のモーターの運転に用いることができる。第１に、曲げモード、すなわちその長軸に沿った円筒のλ／２の曲げである。このモードは光学軸Ｚならびに制御された電極に一致する電気的軸Ｘの振動子の振動を誘起する（図８）。

同様に、図９の第１接線軸振動モードの励振による運転、または円筒周縁上の波長λの倍数の縦波による運転が可能である。

振動子に励振される定在波の部位は振動子の直径Ｄに対する振動子の高さＨの比で求められる。第１曲げモードの励振については、この比は例えば４であり、第１接線軸モードの励振については０．９であり、円筒周縁上の縦波の励振については０．５である。上述の場合において、円筒の壁の厚さは約Ｄ／６である。

説明したように、モーターの機能原理は振動子中の移動波の励振に基づく。この励振の結果、振動子の面の点は楕円経路に沿って動く。同じ振幅の３つの定在波が重なり合う結果、ここで移動波が発生し、定在波の互いに対する空間移動はλ／３であり、それらの時間移動は１２０°である。これら３つの定在波の各々は励振電極４、５、および６の１つで発生する。定在波の振幅が等しいことは、励振電極４、５、および６に対する単結晶の配向に起因する。

３つの定在波を同時に励振するために、振動子は相間に１２０°の位相差がある３相電源１５（図７）に接続される。

各相は振動子に他の２つとは独立に１つの定在波を励振し、その種類はＨ／Ｄの比によって求められる。そのような重なり合いの結果、３つの定在波によって振動子に移動波が発生するので、振動子１の摩擦表面１３の点は上述の楕円経路上を動く。

それによって、振動子１に対して付勢される摩擦ディスク９に回転運動が与えられ、力伝達弾性要素８によって回転軸１１に伝えられる。

全体的に望ましい小さな寸法のモーターを得るために、モーターは振動子１を支持する筐体なしで製造される。モーターの取り付けは、例えば、外部電極への接着剤による接合または半田付けによって行われる。

説明したように、本発明による小型化可能なモーターは、非常に硬い単結晶から製造される。そのような単結晶振動子は非常に高い強度を有し、小さな寸法での製造を可能にする。実現されたモーターの実施形態の変形において、振動子は１ｍｍ未満の直径を有することができる。単結晶振動子の製造は、例えば水晶共鳴器などの十分制御された製造技術によって実施することができる。

本単結晶振動子の摩擦表面は、単結晶の硬度が既に極めて高く、従って望ましい耐摩耗性を与えるので、いかなる特定の耐磨耗性保護コーティングも必要としない。さらに、そのような振動子の摩擦表面の磨耗は、光学軸、すなわち、最も高い硬度の方向に向かって発生し、これはモーターの信頼性と寿命をさらに増加させる。

モーターの側面を示す主要図である。 中空円筒状振動子を有する本発明のモーターの断面図である。 菱面体形状の三方晶系圧電結晶を示す概要図である。 画定された結晶軸に対する駆動振動子の圧電素子の配向を示す図である。 中空円筒状圧電振動子上の電極配置を示す図である。 中空円筒状圧電振動子の面側を示す図である。 電気的励振源を有する振動子の例示的回路を示す図である。 曲げモード励振の際の振動子の振動を示す図である。 接線軸モード励振の際の振動子の振動を示す図である。 中空円筒周縁上の縦波を励振する際の振動子振動を示す図である。

符号の説明

１ 振動子
２ 圧電素子
３ 共通主電極
４ 励振電極
５ 励振電極
６ 励振電極
７ 振動子の面
８ 弾性要素
９ 摩擦ディスク
１０ 回転子
１１ 軸
１２ スリーブ
１３ 振動子の摩擦表面
１４ ディスク９の摩擦表面
１５ ３相電源

Claims (7)

1. 中空円筒状圧電振動子によって駆動される回転子を備える小型化可能なモーターであって、前記回転子が前記圧電振動子の面側摩擦表面に効率的に接続され、主電極または対電極ならびに励振電極が中空円筒の表面に配置され、前記中空円筒状圧電振動子は三方晶系の単結晶材料からなり、互いに１２０°の角度に配置された３つの電気主軸と、前記電気的軸によって画定される面と９０°の角度を含む前記中空円筒状圧電振動子の長軸に一致する１つの光学軸とを有し、さらに、それぞれの励振電極の軸方向対称軸は前記３つの電気主軸の１つと交差し、前記軸方向対称軸はそれぞれ光学軸に平行に延びることを特徴とする小型化可能なモーター。
2. 前記励振電極が前記中空円筒の外部ジャケットに等間隔で配置されることを特徴とする請求項１に記載の小型化可能なモーター。
3. 前記共通の主電極が前記中空円筒の内部ジャケットに設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の小型化可能なモーター。
4. 円錐状摩擦面が各々前記中空円筒の面に形成され、回転子を駆動する摩擦ディスクの補完円錐と協働することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の小型化可能なモーター。
5. 前記振動子の第１曲げモードが各励振電極によって励振され、前記圧電振動子は光学軸ならびにそれぞれの励振電極に対応する電気的軸によって形成される面内で振動することを特徴とする請求項１に記載の小型化可能なモーター。
6. 第１接線軸振動モードが圧電振動子中に各励振電極によって励振されることを特徴とする請求項１に記載の小型化可能なモーター。
7. 縦方向の定在波が、各励振電極によって前記中空円筒の周縁上で圧電振動子中に励振されることを特徴とする請求項１に記載の小型化可能なモーター。

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