(57)【要約】【課題】超音波振動を利用してローターに回転力を発生させる平板型圧電超音波モーター(Flat Type Piezoelectric Ultrasonic Motor)を提供する。【解決手段】本発明は、振動子、上記振動子に付着された複数個の圧電板、上記振動子に動力の伝達が可能なよう連結され回転するローター、及び上記圧電板に駆動電圧を出力させる電源供給手段を含み、上記圧電板は振動子の周囲の4分割領域においてその長手方向軸が隣接したものに対して一定の角度を形成するよう配され、上記圧電板は相互向き合い各々逆の分極を有するよう配され、上記相互隣接する圧電板には電源供給手段によって駆動交流電圧が印加されローターの回転作動を行う平板型圧電超音波モーターを提供する。本発明によれば、圧電板の形状を単純化して超音波モーターの大きさを小型化することが容易で、駆動効率の増大が図れるとの効果を奏する。【選択図】図3
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を利用してローターに回転力を発生させる平板型圧電超音波モーターであって、
弾性材料から成り、一定の大きさを有する振動子と、
上記振動子に付着された複数個の圧電板と、
上記振動子に動力の伝達が可能であるように連結されて回転するローターと、
上記圧電板に駆動電圧を出力させる電源供給手段と
を備え、
上記圧電板は、振動子の周囲の4分割領域においてその長手方向軸が隣接したものに対して一定の角度を形成するよう配され、
上記圧電板は、相互に向き合って各々逆の分極を有するよう配され、
上記相互隣接する圧電板には、電源供給手段によって駆動交流電圧が印加されてローターの回転作動を行うことを特徴とする平板型圧電超音波モーター。
【請求項２】
上記圧電板は、振動子の上、下部面に各々2個ずつ形成されることを特徴とする請求項1に記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項３】
上記圧電板は、振動子の上、下部面のいずれか一方に全て形成されることを特徴とする請求項1に記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項４】
上記駆動交流電圧は、90°の位相差を有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項５】
上記圧電板の間に形成される角度は、75°ないし105°の間で形成されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項６】
上記角度は、90°で形成されることを特徴とする請求項5に記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項７】
上記振動子は、複数個の脚部を通してローターに連結されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項８】
上記振動子は、ベース上の回転軸にその中央が貫通され、上記回転軸の上端にローターが回転可能に支持されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項９】
上記振動子は、導電性材料から成り、圧電板の電極に電源を供給するターミナルから成ることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項１０】
超音波振動を利用してローターに回転力を発生させる平板型圧電超音波モーターであって、
弾性材料から成り、一定の大きさを有する振動子と、
上記振動子に付着された複数個の圧電板と、
上記振動子に動力の伝達が可能なよう連結され回転するローターと、
上記ローターと振動子の接触のための与圧手段と、
上記圧電板に駆動電圧を出力させる電源供給手段と
を備え、
上記圧電板は、振動子の周囲の4分割領域においてその長手方向軸が隣接した圧電板の軸に対して一定の角度を形成するよう配され、
上記圧電板は、相互に向き合って各々逆の分極を有するよう配され、
上記相互隣接する圧電板には、電源供給手段によって駆動交流電圧が印加されローターの回転作動を行うことを特徴とする平板型圧電超音波モーター。
【請求項１１】
上記圧電板は、振動子の上、下部面に各々2個ずつ形成されることを特徴とする請求項10に記載の平板型圧電超音波モーター.
【請求項１２】
上記圧電板は、振動子の上、下部面のいずれか一方に全て形成されることを特徴とする請求項10に記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項１３】
上記与圧手段は、板スプリングから成ることを特徴とする請求項10に記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項１４】
上記与圧手段は、コイルスプリングから成ることを特徴とする請求項10に記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項１５】
上記駆動交流電圧は、90°の位相差を有することを特徴とする請求項10から14のいずれかに記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項１６】
上記圧電板の間に形成される角度は、75°ないし105°の間で形成されることを特徴とする請求項10から14のいずれかに記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項１７】
上記角度は、90°で形成されることを特徴とする請求項16に記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項１８】
上記振動子は、複数個の脚部を通してローターに連結されることを特徴とする請求項10から14のいずれかに記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項１９】
上記振動子は、ベース上の回転軸にその中央が貫通され、上記回転軸の上端にローターが回転可能に支持されることを特徴とする請求項10から14のいずれかに記載の平板型圧電超音波モーター。
【請求項２０】
上記振動子は、導電性材料から成り、圧電板の電極に電源を供給するターミナルから成ることを特徴とする請求項10から14のいずれかに記載の平板型圧電超音波モーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動を利用してローターに回転力を発生させる平板型圧電超音波モーター(Flat Type Piezoelectric Ultrasonic Motor)に関する。特に、本発明は、振動板がその周囲方向へ4分割され、各々の分割区域毎に圧電板が配された後、この圧電板に位相差を有する駆動交流電流が印加され、よって振動板に振動を発生させてローターを回転させることにより、圧電板の形状の単純化によって超音波モーターの小型化及び駆動効率の増大を図れる平板型圧電超音波モーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、従来の圧電超音波モーターは、進行波、表面波、またはサーフィン(surfing)タイプモーターとも呼ばれ、これは位相差を有する二つの定在波を重畳させる原理に基づいて駆動される。こうした圧電超音波モーター(200)は、図1(a)に示したように、リング型ローター(210)の下部側に複数の圧電板(220)がリング形態で配されたものか、図1(b)に示したように、リング型ローター(230)の内側に複数の圧電板(240)がリング形状で配されたものである。
【０００３】
このような従来の構造は、図1(c)に示したように、複数の電極に区分されたリング型圧電板(220)に分極を交互形成した後、電圧を位相差を有する共振周波数で印加すると、リング型圧電板(220)の表面に楕円型軌跡を有する進行波(traveling wave)が発生する。
【０００４】
しかし、こうした従来の圧電超音波モーター(200)は、リング型構造の圧電板(220)の作製と、複数個の分極の形成とが構造的に困難である。
【０００５】
また、こうした従来の構造は、リング型圧電板(220)の電極の境界面に応力が集中するので、駆動時応力の集中による亀裂及び破壊が発生する問題も抱えている。そればかりでなく、こうした従来の技術は、リング形状の圧電板(220)に複数の電極面及び分極を有するので、小型化が困難であるとの構造的な制限がある。
【０００６】
一方、さらに異なる従来の技術の一例として、超音波振動によって線形運動(Linear motion)を実現する超音波モーター(300)の技術が特許文献１に開示されている。
【０００７】
こうした先行技術は、図2に示したようなもので、駆動速度の制御範囲を低速側において拡大した超音波モーター(300)の駆動方法及び超音波モーター装置を提供するものである。
【０００８】
こうした従来の技術において、超音波モーター装置(300)は、振動子(311)及び移動子(312)を有するモーター(310A)と、電源(316a)及び(316b)と、電源(316a)から出力される駆動電圧及び電源(316b)から出力される駆動電圧の位相をずらす位相制御装置(317)と、振動子(311)を維持し移動子(312)に所定の力で押し付ける与圧器具(318)となどを備える。
【０００９】
こうした従来の技術の超音波モーター装置(300)は、振動子(311)の両面に各々その長手方向軸が同一方向に並んで配された複数の圧電素子(314a)、(314b)、(314c)、(314d)が配され、電源(316a)及び(316b)から出力される2種類の駆動電圧が印加されて振動子(311)が振動し、これに動力の伝達が可能なよう連結された移動子(312)が線形運動を行う。
【００１０】
そして、この駆動電圧の位相を変化させることにより移動子(312)の移動速度を変化させる。また、上記のような従来の技術は、上記与圧器具(318)の与圧を変化させることにより上記移動子(312)の移動速度を変化させることができる。
【００１１】
しかし、このような従来の先行技術は、移動子(312)の進行方向が直線的な線形運動(Linear Motion)となるもので、移動子(312)の回転運動とは関係が無い。
【特許文献１】日本特開2004-88815号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記のような従来の問題を解消するために提案されたもので、その目的はローターの回転を為しながら、超音波モーターの小型化及び駆動効率の増大を図れる平板型圧電超音波モーターを提供することである。
【００１３】
さらに、本発明は、作製及び組立が容易であり、ローターの円滑な作動を為せる平板型圧電超音波モーターを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記のような目的を成し遂げるため本発明は、超音波振動を利用してローターに回転力を発生させる平板型圧電超音波モーターにおいて、弾性材料から成り、一定の大きさを有する振動子;上記振動子に付着された複数個の圧電板;上記振動子に動力の伝達が可能なよう連結され回転するローター;及び 上記圧電板に駆動電圧を出力させる電源供給手段;を含み、上記圧電板は振動子の周囲の4分割領域においてその長手方向軸が隣接した圧電板の軸に対して一定の角度を形成するよう配され、上記圧電板は相互向き合い各々逆の分極を有するよう配され、上記相互隣接する圧電板には電源供給手段によって駆動交流電圧が印加されローターの回転作動を行うものであること特徴とする平板型圧電超音波モーターを提供する。
【００１５】
さらに、本発明は超音波振動を利用してローターに回転力を発生させる平板型圧電超音波モーターにおいて、弾性材料から成り、一定の大きさを有する振動子;上記振動子に付着された複数個の圧電板;上記振動子に動力の伝達が可能なよう連結され回転するローター;上記ローターと振動子の接触のための与圧手段;及び上記圧電板に駆動電圧を出力させる電源供給手段;を含み、上記圧電板は振動子の周囲の4分割領域においてその長手方向軸が隣接した圧電板の軸に対して一定の角度を形成するよう配され、上記圧電板は相互向き合い各々逆の分極を有するよう配され、上記相互隣接する圧電板には電源供給手段によって駆動交流電圧が印加されローターの回転作動を行うものであることを特徴とする平板型圧電超音波モーターを提供する。
【００１６】
さらに、本発明は、好ましくは上記駆動交流電圧は90°の位相差を有するものであることを特徴とする平板型圧電超音波モーターを提供する。
【００１７】
さらに、本発明は、好ましくは上記角度が75°ないし105°の間で形成されることを特徴とする平板型圧電超音波モーターを提供する。
【００１８】
さらに、本発明は、より好ましくは上記角度が90°であることを特徴とする平板型圧電超音波モーターを提供する。
【発明の効果】
【００１９】
上記のように本発明によれば、圧電板(15)をその周囲を4分割した振動子(10)に付着して駆動電圧を印加するだけでも効率良くローター(5)を回転駆動させられるので、簡単な構造によって超音波モーターの大きさを小型化することが容易で、その小型化に比して駆動効率の増大を成し遂げることができる。
【００２０】
さらに、本発明は上記のように作製及び組立が容易なことから、品質の優れた平板型圧電超音波モーターを量産体制により大量生産できるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながらより詳しく説明する。本発明による平板型圧電超音波モーター(1)は図3(a)に示したように、超音波振動を利用してローター(5)に回転力を発生させるものである。本発明による平板型圧電超音波モーター(1)は弾性材料から成り、一定の大きさを有する振動子(10)を具備する。上記振動子(10)は弾性力を維持するために金属材料やセラミックスなどから成る。
【００２２】
また、上記振動子(10)に付着された複数個の圧電板(15)を具備するが、上記圧電板(15)は樹脂接着剤(図示せず)を用いて振動子(10)の表面に装着され、上記圧電板(15)は振動子(10)の周囲の4分割領域においてその長手方向軸(P)が隣接した圧電板の軸に対して図4(a)に示したように一定の角度(θ)を形成するよう配される。
【００２３】
こうした圧電板(15)はその上、下面に電極(17a)を形成し、その各々の電極(17a)には後述する電源供給手段(20)から各々他極性の交流電源が電気的に連結され供給される。
【００２４】
上記において振動子(10)が導電性の金属板から成ると、これに接触して配された圧電板(15)の電極(17a)は上記振動子(10)を通して電源が提供されるよう構成されることができる。もし、上記振動子(10)がセラミックス系であれば振動子(10)と接触される面に別途の導電性金属膜から成る電極(17a)が形成されるのである。
【００２５】
上記圧電板(15)は機械的品質係数が大きい鉛チタン酸ジルコン酸塩(Pb(ZrTi)O3) 系の圧電セラミックスが使用されることができる。
【００２６】
上記圧電板(15)は図4(a)、(b)に示したように、振動子(10)の上面に並んで2個が配され、下面にこれに交差する方向へ2個が配され相互向き合って位置したものが各々 逆の分極となるよう配される。即ち、上部面に配された2個の圧電板(15)はそのいずれか一方の分極方向が上部に向かえば他方は下部に向かうよう、そして振動子(10)の下部面に配された2個の圧電板(15)も同様にいずれか一方の分極方向が上部に向かえば他方は下部に向かうよう配されるものである。
【００２７】
さらに、本発明は上記振動子(10)に動力の伝達が可能なよう連結され回転するローター(5)を具備する。上記ローター(5)は図3(a)に示したように上記振動子(10)から突出して延長された複数個の脚部(25)にその一側面が接触するよう配される。上記脚部(25)は後述するように上記振動子(10)が圧電板(15)により振動し進行波(traveling wave)が発生する場合、上記進行波をローター(5)に伝達することになり、その延長された長さだけ振幅を増幅させ伝達するようになる。
【００２８】
さらに、上記圧電板(15)の電極(17a)は各々導線(27)を通して上記圧電板(15)に駆動電圧を出力させる電源供給手段(20)に電気的に連結され、上記電源供給手段(20)によって相互隣接する圧電板(15)には各々90°の位相差を有する駆動交流電圧が印加されるよう構成されるものである。
【００２９】
かかる本発明の電源供給手段(20)は図3(a)に示したように複数の電源から駆動電圧を印加するよう構成されることができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、別途の位相制御装置(図示せず)を具備して駆動電圧に位相差を与えることももちろん可能である。
【００３０】
上記のように駆動電圧が印加されると、図5(a)に示したように、圧電板(15)がサイン波形(sinusoidal)振動とコサイン波形振動を起こして振動子(10)には進行波が形成され、これは複数個の脚部(25)を通してローター(5)へ伝達され回転を為すことができる。
【００３１】
こうした過程において図5(b)に示したように、圧電板(15)に形成される分極方向は振動子(10)の上面に配された2個の分極方向が相互異なるもので、即ち振動子(10)の上部面左側の圧電板(15)が上向きの分極方向を有し、右側の圧電板(15)が下向きの分極方向を有する。また、同様に振動子(10)の下部面に配された2個の圧電板(15)もその分極方向が相互異なるもので、振動子(10)の前方圧電板(15)が上向きの分極方向を有すると、後方側の圧電板(15)は下向きの分極方向を有するものである。そして、振動子(10)の上部面に配された2個の圧電板(15)はサイン波形(sinusoidal)の振動を起こし、振動子(10)の下部面に配された2個の圧電板(15)はコサイン波形の振動を起こして振動子(10)に進行波を形成する。
【００３２】
一方、上記において振動子(10)の上、下面圧電板(15)に駆動電圧が印加される順序が変われば、上記振動子(10)に形成される進行波の方向が変わりローター(5)はその逆方向に回転するのである。
【００３３】
以下、図6により本発明の様々な作動モードについて詳しく説明する。図6に示した構造において、四角弾性の振動子(10)の上部側に位置した圧電板(15)のみ考えると、その圧電板(15)の分極方向が相互逆となるので、上記圧電板(15)全てが上記振動子(10)との機械的な共振において調和した信号(harmonic signal)で励磁(excited)される場合に進行波が生成されることができる。如何なる場合にも、上記振動子(10)と圧電板(15)は振動特性のために共振モードを有し、そのモードの周波数は振動子(10)と圧電板(15)の厚さ、長さ及び幅などのような物理的な量と、弾性率(modulus of elasticity)などの物理的な性質による。
【００３４】
任意の波長の有用な進行波を効果的に励磁するためには、圧電板(15)同士の間隔が適切に設定されなければならない。さらに、四角弾性の振動子(10)はその下部の圧電板(15)の配置構造が上部側の圧電板(15)の構造に一致するものなので、同一な機械的共振(resonance)が同一周波数において発生することができる。
【００３５】
もし、下部圧電板(15)が励磁されなければ、上部圧電板(15)の励磁により生成された振動子(10)の変位は下記数式1で表すことができる。
（数１）Ｕａ＝Ａｃｏｓ（ωｔ＋θ）
ここで、Ｕａは振動子の変形量、Aは定数、ωは周波数、tは時間、θは初期位相角である。
【００３６】
そして、もし上部圧電板(15)が励磁されず、下部圧電板(15)が上部圧電板(15)に印加される駆動電圧に比して90°の位相差を有し同一な調和信号(harmonic signal)で励磁されれば、下部圧電板(15)の励磁に起因する振動子(10)の変位は下記数式2で表すことができる。
（数２）Ｕｂ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋θ）
【００３７】
したがって、もし上、下面全ての圧電板(15)が励磁されれば、上記振動子(10)によって起こされる全体振動はこうした数式1と2に表された変位の組合となる。有限要素分析(finite element analysis)を利用して識別できる振動子(10)のいくつかの箇所には図7の(a)、(b)、(c)、(d)に示したような楕円型運動(ellipitical motion)を振動子(10)が形成するのである。かかる楕円形の運動は振動子(10)の表面から突出した脚部(25)によって孤立及び増幅されてローター(5)に伝達され、ローター(5)の回転運動を為す。
【００３８】
図7(a)の楕円型運動は振動子(10)上に2個の直交振動波が印加され振動子(10)がλ= 2cの関係で変形された状態を示す。図7(b)の楕円型運動は振動子(10)上に2個の直交振動波が印加され振動子(10)がλ= cの関係で変形された状態を示す。図7(c)の楕円型運動は振動子(10)上に2個の直交振動波が印加され振動子(10)がλ= 2c/3の関係で変形された状態を示す。図7(d)の楕円型運動は振動子(10)上に2個の直交振動波が印加され振動子(10)がλ= 2c/5の関係で変形された状態を示す。ここで、λは振動子(10)に形成された進行波の波長(wave length)で、cは該当振動子(10)の辺長である(図6参照)。
【００３９】
上記のように本発明によると、4分割した振動子(10)に四角または四辺形となるよう圧電板(15)を付着し、駆動電圧を印加するだけでローター(5)を回転駆動させられる簡単な構造のため超音波モーター(1)の小型化が容易で、小型化に比して駆動効率の増大を成し遂げることができる。
【００４０】
さらに、本発明はローター(5)がより大きい推進力を得、その駆動速度を速くするために下記のような第2実施例を提供する。本発明の第2実施例による平板型圧電超音波モーター(1')は、図3(b)に示すようにローター(5)と振動子(10)の接触力を向上させるための与圧手段(40)をさらに含む。
【００４１】
本発明の第2実施例においては上記説明した第1実施例と同一な部分には同一な参照符合が与えられている。そして、本発明の第2実施例は図8及び図9に示すような構造となることができる。即ち、図8及び図9に示した本発明の第2実施例は一定の大きさのベース(50)の上部に複数個の圧電板(15)が付着された振動子(10)が配され、その中央に回転軸(52)が嵌められる。
【００４２】
上記回転軸(52)はその下端がベース(50)に固定され、その中間が上記振動子(10)の中央を貫通するもので、上記圧電板(15)は第1実施例のように振動子(10)の周囲の4分割領域においてその長手方向軸(P)が隣接した圧電板の軸に対して一定の角度(θ)を形成するよう配され、相互向き合い各々逆の分極となるよう配される。
【００４３】
さらに、上記振動子(10)の上部側には脚部(25)を通して上記振動子(10)から動力の伝達が可能なよう連結されるローター(5)が配され、上記ローター(5)はその中央下面が上記回転軸(52)の上端に回転可能に支持される。
【００４４】
また、上記ローター(5)の下部面は振動子(10)から延長される複数個の脚部(25)の上端と接触するのはいうまでもない。かかる構造において本発明の第2実施例は上記ローター(5)と振動子(10)の接触のための与圧手段(40)が上記ローター(5)の上部側に配され、上記与圧手段(40)は板スプリングの形態となる。
【００４５】
かかる板スプリングはその一側が上記ベース(50)の上部段差(50a)にボルト(54)などにより固定され、その他側が上記ローター(5)の上部面中央を下方へ弾性支持し その下部面の中央が回転軸(52)上に回転可能に支持されるよにするばかりでなく、ローター(5)の下部面が脚部(25)の上端に緊密に接触されるようにする。そして、上記与圧手段は上記板スプリングと同一な機能を果たすコイルスプリングから成ることもできることはいうまでもない。
【００４６】
また、本発明の第2実施例は上記圧電板(15)に駆動電圧を出力させる電源供給手段(20)を含み、上記圧電板(15)には90°の位相差を有する駆動交流電圧が印加されるよう 電気的に連結されるものである。
【００４７】
かかる構造を通して、本発明の第2実施例は第1実施例のようなその周囲を4分割した振動子(10)に四角形状を成すよう圧電板(15)を付着して駆動電圧を印加することだけでもローター(5)を回転駆動できるので簡単な構造により超音波モーター(1')の大きさを小型化することが容易で、小型化に比して駆動効率の増大を成し遂げられる。そればかりでなく、ローター(5)と脚部(25)との接触状態及び接触力が増大し振動子(10)の進行波をローター(5)により効果的に伝達できるのである。
【００４８】
一方、本発明は上記のような第1及び第2実施例において、好ましくは上記角度(θ)が75°ないし105°の間で形成されることを特徴とする平板型圧電超音波モーター(1)(1')を提供する。上記のように角度(θ)が変化するにつれて得られる本発明の作用効果を確証するために一連の実験を行い、その結果を図10(a)、(b)に示した。
【００４９】
こうした一連の実験において、上記振動子(10)の周囲の4分割領域において圧電板(15)は上、下部面に各々2個ずつ付着され、上記各々の上、下部面に配された圧電板(15)は相互逆の分極を有するよう配された。そして、上記圧電板(15)はその長手方向軸(P)が隣接したものに対して形成する角度(θ)が75°ないし105°の間の値となるよう配された。
【００５０】
図10(a)には、上記角度(θ)が90°のもの、図10(b)には上記角度(θ)が75°のもの、または105°のものが示してある。図10(b)には上記角度(θ)が75°のものと示してあるが、これはその配置構造を考えると上記角度(θ)が105°のものと同一な結果が得られることを当業者であれば容易に理解できるであろう。
【００５１】
これは、上記角度(θ)が単に相互隣接した圧電板(15)の長手方向軸(P)が形成する角度であることを考えれば明らかになることである。こうした状態において上記電源供給手段(20)により相互隣接した圧電板(15)には90°の位相差を有する駆動交流電圧が印加され、その結果として図10(a)、(b)の図表に示したような結果を得た。この実験に使用した実験ソフトウェアは米国Magsoft社製造「ATILA」という圧電素子専用有限要素解析プログラムである。
【００５２】
図10(a)、(b)に示した図表においては、その実験結果として、4回の共振モードが確認され、各々の共振モードに対してローター(5)を回転させるために振動子(10)が生成した進行波の楕円型運動に有用な共振及び逆共振(anti-resonance)周波数が検出され、各々の計算モードの最後の項目においては圧電板(15)に与えられた電気エネルギーが振動子(10)を通して機械的エネルギーに変換される効率が%単位で検出された。こうしたエネルギー変換効率は高いほど一層効率良くローター(5)の回転を為すことが分かった。
【００５３】
図10(a)に示した角度(θ)が90°の場合にはそのエネルギー変換効率が9.43%ないし15.39%と高く均一に維持され、大変満足できる水準であった。また、下記のような検出結果を表１で示した。
【表１】
2006149180.tif 000003
【００５４】
一方、図10(b)に示した角度(θ)が75°の場合にはそのエネルギー変換効率が6.64%ないし16.26%と維持され効率面からは図10(a)に示した構造の数値よりやや低いが、大体満足できる水準であった。そして、下記のような検出結果を表２で示した。
【表２】
2006149180.tif 000004
【００５５】
しかし、このように角度(θ)を75°に維持するためには圧電板(15)の付加的な加工が必要で、これらを振動子(10)に正確に付着するのにかなりの時間と努力が必要であった。
【００５６】
したがって、上記角度(θ)を75°未満に維持するのはエネルギー変換効率面からも期待に及ばないばかりでなく、超音波モーター(1)の大きさを小型化し、簡単な構造とさせ、その作製工程を単純化するといった面からも好ましくないものである。
【００５７】
一方、本発明は上記において振動子(10)に配される圧電板(15)が振動子(10)の上、下部面に各々2個ずつ配されるもので説明したが、本発明はこれに限定されるわけではない。
【００５８】
即ち、本発明は上記圧電板(15)を振動子(10)の上、下部面中いずれか一方の面に全て配置することができる。このように圧電板(15)が振動子(10)の上、下部面中いずれか一方の面に配されると、全体として本発明による平板型超音波モーター(1)の高さまたは厚さなどを縮小することができる。したがって、モーター本体をより小型で作製できるのである。
【００５９】
かかる本発明は振動子(10)を周囲の4分割領域で分け、その振動子(10)の上、下部面中いずれか一方の面に圧電板(15)を付着し、その長手方向軸(P)が隣接した圧電板の軸に対して一定の角度(θ)を形成するよう配され、上記圧電板(15)は相互向き合い各々逆の分極を有するよう配されながら、相互隣接する圧電板(15)には電源供給手段(20)によって90°の位相差を有する駆動交流電圧が印加される構造となる。
【００６０】
かかる構造が図10(c)、(d)に示してあり、こうした構造に対する一連の実験を行った。かかる図10(c)、(d)に示した実験は図10(a)、(b)に示した実験と同一な方式で行ったが、但し共振モードが各々10回計算し、その計算結果は下記のとおりであった。
【００６１】
先ず、図10(c)においては上記圧電板(15)が振動子(10)の上部面に全て配されたものとして、その角度(θ)は90°であり、得られたエネルギー変換効率は9.70%ないし21.12%と高く均一に維持され大変満足できる水準であった。そして、測定結果は下記の表３で示した。
【表３】
2006149180.tif 000005
【００６２】
さらに、図10(d)は上記圧電板(15)が振動子(10)の上部面に全て配されたものとして、その角度(θ)は75°で、得られたエネルギー変換効率は5.61%ないし19.43%で得られ、これは図10(c)において得られた結果値に比してやや低いものであるが、大体満足できる水準であった。そして、下記のような検出結果を表４で示した。
【表４】
2006149180.tif 000006
【００６３】
しかし、かかる図10(d)に示した構造においては、図10(b)に係わり説明したように、上記角度(θ)を75°または105°に維持するために圧電板(15)の付加的な加工が多く必要となるばかりでなく、上記角度(θ)を75°未満に維持することはエネルギー変換効率面において充分でなく、超音波モーター(1)の大きさを小型化し簡単な構造となり、その作製工程を単純化するといった面から決して好ましいものではなかった。
【００６４】
したがって、本発明による平板型圧電超音波モーター(1)(1')は上記角度(θ)が75°ないし105°の間で形成されることが好ましい。そして、さらに好ましくは本発明による平板型圧電超音波モーター(1)(1')は上記角度(θ)が90°であると、そのエネルギー効率面や圧電板の加工及び組立作業面両方とも最適となることがわかる。
【００６５】
一方、本発明は上記に説明したように圧電板(15)が略直方形またはそれと類似した形態を有するもので示してあるが、本発明はこれに限定されるわけではなく、図11の(a)、(b)に示したように圧電板(15)の形態を異ならせることもできる。
【００６６】
即ち、図11は本発明による平板型圧電超音波モーターの変形可能な実施構造を例示した図として、図11(a)には圧電板が振動子の対角方向に4分割された領域に各々配された構造が示してある。また、図11(b)に示したように、圧電板は振動子の中心を交差するよう4分割された領域に各々配された構造であることもできる。
【００６７】
もちろんかかる場合に、上記圧電板(15)は振動子(10)の上、下部面に各々2個ずつ分かれて配されてもよく、またはいずれか一方の面に配されてもよい。また、振動子(10)の4分割領域において相互向き合い配された圧電板は図11(a)、(b)において各々「+」と「-」符号で表示されたように、該当圧電板(15)の分極方向が逆の分極を有し、相互隣接する圧電板(15)には電源供給手段(20)によって90°の位相差を有する駆動交流電圧が印加されるべきであることはいうまでもない。
【００６８】
上記においては本発明の好ましき特定実施例に係わり詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本明細書または図面の記載内容を通して当業者は上記実施例とは異なる本発明の変形構造または均等構造を多様に構成できるが、これらは全て本願発明の技術思想内に含まれるものである。とりわけ、本願発明の構成要素の材質変更、単なる機能の付加、単なる形状の変更や寸法の変更などが多様に提示されるであろうが、これらが全て本願発明の権利範囲内に含まれることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】従来の技術による超音波モーターを示した図であり、(a)はリング型圧電板上においてローターが回転する構造図、(b)はリング型圧電板の外側においてローターが回転する構造、(c)はリング型圧電板上に分極が形成される状態を示した説明図である。
【図２】従来の技術による異なる線型超音波モーターを示した構成図である。
【図３】本発明による平板型圧電超音波モーターを示した構成図であって、(a)は第1実施例を示す図、(b)は与圧手段を具備した第2実施例を示した図である。
【図４】本発明による平板型圧電超音波モーターの圧電板配置構成図であって、(a)は振動子上に圧電板が配された状態の説明図、(b)は振動子上に圧電板が配された側断面図である。
【図５】本発明による平板型圧電超音波モーターの動作説明図であって、(a)は圧電板によって振動子が変形された状態の図、(b)は圧電板に与えられる分極方向と、90°位相変化を示した図である。
【図６】本発明による平板型圧電超音波モーターの作動原理を説明するための例示図である。
【図７】本発明の様々な作動モードを有限要素解析によりグラフで示した作動状態図であって、(a)は振動子上に2個の直交振動波が印加され振動子がλ= 2cの関係を有して変形された状態を示したグラフ図、(b)は振動子上に2個の直交振動波が印加され振動子がλ= cの関係を有し変形された状態を示したグラフ図、(c)は振動子上に2個の直交振動波が印加され振動子がλ= 2c/3の関係を有して変形された状態を示したグラフ図、(d)は振動子上に2個の直交振動波が印加され振動子がλ= 2c/5の関係を有して変形された状態を示したグラフ図である。
【図８】本発明の第2実施例による平板型圧電超音波モーターの分解斜視図である。
【図９】本発明の第2実施例による平板型圧電超音波モーターの組立状態を示した外観構造図である。
【図１０ａ】本発明による平板型圧電超音波モーターの性能実験のため使用された構成図であって、(a)振動子の上、下部面に圧電板が各々2個付着され、上記圧電板はその長手方向軸が隣接した圧電板の軸に対して形成する角度が90°の図である。
【図１０ｂ】本発明による平板型圧電超音波モーターの性能実験のため使用された構成図であって、(b)振動子の上、下部面に圧電板が各々2個付着され、上記圧電板はその長手方向軸が隣接した圧電板の軸に対して形成する角度が75°または105°の図である。
【図１０ｃ】本発明による平板型圧電超音波モーターの性能実験のため使用された構成図であって、(c)振動子の上部面に圧電板が4個付着され、上記圧電板はその長手方向軸が隣接したものに対して形成する角度が90°の図である。
【図１０ｄ】本発明による平板型圧電超音波モーターの性能実験のため使用された構成図であって、(d)振動子の上部面に圧電板が4個付着され、上記圧電板はその長手方向軸が隣接したものに対して形成する角度が75°または105°の図である。
【図１１】本発明による平板型圧電超音波モーターの変形可能な実施構造を例示した図であって、(a)は圧電板が振動子の対角で4分割された領域に各々配された構造、(b)は圧電板が振動子の中心を交差するよう4分割された領域に各々配された構造である。
【符号の説明】
【００７０】
1、1'  本発明による平板型圧電超音波モーター
5  ローター(rotor)
10  振動子
15  圧電板
17a  電極
25  脚部
27  導線
40  与圧手段
50  ベース
52  回転軸
54  固定ボルト
200  従来の圧電超音波モーター
210、230  リング型ローター
220、240  リング型圧電板
300  線型超音波モーター
311  振動子
312  移動子
316a、316b  電源
317  位相制御装置
318  与圧器具
P  長手方向軸
θ  角度
【図１】
2006149180.tif 000007
【図２】
2006149180.tif 000008
【図３】
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【図４】
2006149180.tif 000010
【図６】
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【図８】
2006149180.tif 000012
【図９】
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【図１１】
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【図５】
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【図７】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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