JPH0667222B2 - 圧電モ−タ - Google Patents

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US84−50第１
頁〜第８頁（1984）には、上記（ａ）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−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。一例を挙げると、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67KHz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−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有する第１およ
び第２のロータ半体と、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
筒状圧電振動子の面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上げる必要がない。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−
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、はるかに高い振動−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（d₃₁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22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d₃₃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−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 ｙ（x,t）＝cosωｔ sinkx＋cos（ωｔ＋90゜）sin（ｋ＋π／４）ｘ＝cosωｔ sinkx＋sinωｔ coskx＝sin（ωｔ＋kx） 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31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
施励の圧電モータの断面図を示す。第１図において、31
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33,34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、該突出端の上方および下方
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、各第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51,5
2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圧着・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を締付け第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ており、該第
１のロータ半体および第２のローラ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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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。