(57)【要約】【課題】特性の安定した長寿命の超音波モータ実現のためには、駆動源となる圧電体の設計と取り付け方法が重要となる。圧電体特性を最大限に発揮するためには均一なひずみ特性を持たせる必要がある。一方超音波モータの応用を拡大するためにはコストの低減が必要でありコストの中に圧電体作製のためのコストの割合が大きい。圧電体の低コスト化が超音波モータの展開には不可欠である。【解決手段】  圧電体の分極では電極構造を圧電体上に設けた電極で行う代わりに、分極専用のジグで圧電体に電界を印加して分極を行う。外部のジグで電極構造が決まるため機械精度が高くなるため異常放電などの要因が除去できる。モータ動作においても一方の電極を取り除くことが可能となった。 【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波モータの構成において、超音波振動を発生させるための圧電体の電極構造を圧電体の片面のみに電極を設け、ステータ上に圧電体を貼り付けた構造の超音波モータ。
【請求項２】
超音波モータ用圧電体の作製において、圧電体の分極のさい圧電体上に設けた電極で行うかわりに、分極専用の外部電極によって分極を行った圧電体を用いることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】
超音波モータの動作時に圧電体に電界を印加する方法を、圧電体の片面の電極とステータとの間に電圧を印加して駆動することを特徴とする超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータに関するもので、特に超音波モータに用いる圧電体の構造を改良することにより、出力を増大させることと、電極を半分取り除いて製造の容易な構造にした超音波モータを実現するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは振動体のエネルギーの一部を、摩擦力を介して、機械的な力として取り出すもので、電磁力による電気機械変換とは異なる新しい機械出力の取り出し方法である。超音波モータが発明されてからすでに２０年以上経過しているにも関わらず、他のモータとは異なる多くの特徴を備えたモータにもかかわらずその特徴が十分に生かされていないため限られた範囲の応用となっている。小型軽量でかつトルクが大きく、非動作時の保持トルクが大きい特徴は精密動作機構への応用が期待される。
トルクが大きいことは小型機器への応用に際して非常に優位である。一般に小型機器で高トルクを得る場合は、必然的にモータの回転数で出力を得てギヤーで回転数を下げてトルクを得ることになる。その際振動と回転音の発生が伴ってくる。超音波モータは人が感じる振動、モータ音の課題は全く生じない。応用として軽量でかつトルクの大きい特長を利用した応用として近年ロボットへの導入も期待されている。
もう一つの特徴である、通電していないときにブレーキがかかった状態であることは省エネルギーの化の要請に適合した特長である。普通はサーボモータで待機電力が消費されている。このような特徴を持ってはいるが限られた応用範囲にしか使われない理由は、特性の信頼性に欠ける点と価格が高価であることとが幅ひろい応用を妨げてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２６２６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超音波モータの特徴の一つにあげられる小型でかつ高トルクに関しては、今までの応用展開の経過を見ても最も高い要求項目あげられた。しかしその特性が安定して確保が出来ないことが応用展開を妨げてきた。
課題点として端的に現れてくる現象は圧電体の割れによるモータの破壊である。特殊な応用展開の場合、たとえば非磁性を求める場合には他に代わる手段が無いため、寿命特性に関してそれほど厳しい条件が課されないが、一般的な用途展開を図る場合には安定した寿命特性が満たされなければ使えない。
超音波モータの構造は、機械力の発生源となる圧電体の電気機械変換を振動源となるステータに貼り付けて圧電体とステータの複合した形で安定な振動を発生させ、そのステータ振動をロータとの摩擦力で機械出力として取り出す。圧電体はステータに接着剤で貼り付けて一体化する。本発明の目的の一つははいかにして安定に圧電体とステータ本体を張り合わせることが出来るかを目指すもので、その結果モータ出力の安定化と寿命の向上につながる。
高トルク特性だけでは応用が限られることもわかってきた。次の解決すべき課題はコストの低減があげられる。コストが高くなる理由の一つに圧電体の電極構造が複雑なことで、超音波モータ用の圧電体を作る際に手間がかかるためモータの主要部品である圧電体の価格がモータに反映して結果として超音波モータの価格を上げている。本発明は圧電体の電極構造をより単純化することで、より作りやすい形にすることにより超音波モータのコスト低減を可能にしたものである。
図２に超音波モータの基本構造を記す。超音波モータは、２のステータの構造が最も重要となる。ステータは振動を拡大するための櫛歯構造とさらに櫛歯と反対側の下部に振動を発生するための圧電体を接着した構造をとり、ステータ本体と圧電体を含めた全体で振動を発生させる。図３に従来用いられてきた圧電体の構造を示す。圧電体は二組の位相の９０度異なる電極群からなる。図３の圧電体の表では上側が二組の電極群のうちの一方の側の３組の電極群で、下側が他方の３組の電極群から出来ている。圧電体の反対側は共通電極が構成されている。図３の＋電極と、−電極間に電圧を印加すると＋電極側の圧電体は伸び、ー電極側は縮むことで、図ではステータ全体で７組の節を持つ振動を発生する（実際には３組の電極が駆動源となる）。下側の電極軍にも９０度位相の異なる電圧を印加するとやはりステータ全体で７組の節を持つ振動が発生する。図の上側、下側二組の７組の節を持つ振動がステータ上に発生し、ロータと接して摩擦力を介してロータの回転力となる。図４は他の電極構成例で二組の信号源をステータの内周、外周とに分けた他の構造を示す。
圧電体に電圧を印加して歪みを発生させステータと圧電体の複合した形でモータ駆動のための振動を発生させる。その振動を１のロータを機械的にステータに押し付けて摩擦力を介して機械出力を回転力として取り出す。３はステータを固定するための基台部分となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
出力の安定した、長寿命を有する超音波モータを作製するためには、櫛歯構造を有するステータと振動を励起するための圧電体の取り付け方法とその接着界面が重要となる。本発明は図２に示すステータと図１に示す圧電体を用いて超音波モータを作成する。図１の圧電体の表側は二組の信号印加用電極からなり、ステータとの接着面となる裏側は特に電極を設けないで、圧電体（電極の無い素材のまま）―接着剤―ステータの構造をとるものである。（従来は圧電体上に銀電極が設けられて、圧電体―銀電極―接着剤―ステータと組み合わされている）。
【０００６】
ステータとの界面の銀電極を取り除くことでモータのモータ出力の安定化とモータの長寿命化が実現出来るかを記す。圧電体は電界が印加されたとき電界の強さに応じて歪む。そのひずみは周囲に、ここでは、接着剤、ステータ構造を介してさらにステータ全体に拡がる。圧電体は出来る限り均一に歪むことが重要でその良否はモータ効率或いはモータ寿命に影響を与える。従来構造では圧電体とステータの間に銀電極、接着剤などの硬さ（ヤング率）が大きく異なる材料が入るため圧電体内部で局所的にひずみの分布が異なる部分が生じ、弱い部分に応力が余分にかかり圧電体の割れなどの結果につながる。
【０００７】
圧電体の厚さは０．５ｍｍ程度で銀電極の厚さは通常０．０５ｍｍ程度であり、さらに接着剤の厚さも０．０５ｍｍ程度となる。圧電体の歪が２０％程度の中間層を介してステータに伝わることになる。この層は出来る限り薄くかつ均一であることが望ましいが、本発明は銀電極層を取り除くことによってその影響を軽減することを目的としたものである。
【０００８】
圧電体上に銀電極を取り除くことが可能となる理由を記す。圧電体は電界を与えて圧電性を持たせる。一方電界を受けてそのの強さに応じて歪みを発生する。従来方法の構造では圧電体上に両面に電極を設けて各電極毎に高電圧を印加したポーリング（圧電性を持たせるための分極処理）を行ってきた。圧電体両面の電極は分極にも使われ、モータ動作時にも使われる。
本発明では電界は圧電体片面と、ステータ間に電界を印加することにより中間の銀電極をなくすことを可能にしたものである。
【０００９】
本発明を可能にした従来構造との違いは圧電体の分極方法の違いによるものである。図５に本発明の圧電体の分極方法を示す。分極は圧電体の一方に電極を設けておき圧電体上に外部に用意した分極用の電極を押さえつけた形で圧電体上に置き、分極用の電圧を印加することで、特に圧電体上に電極を必要としない構造をとった。通常３ｋＶ/ｍｍ温度120度内外で分極作業を行い超音波モータ用圧電体とする。
モータ駆動は圧電体片面に設けた電極とステータ間に電圧を印加して振動を発生させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による圧電体を使用した超音波モータは動作の安定した高トルクでかつ高効率を有する超音波モータを実現することが出来た。特に圧電体の製造の際に一部の電極をなくすことと、電極形状が正確なため分極時に高電圧を印加することが出来より安定な圧電体が得られた。さらに電極が不要となる分コスト低減につながる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】超音波モータ駆動用圧電体（片面電極構造）
【図２】超音波モータ基本構造
【図３】従来例の圧電体電極構造―左右電圧印加構造
【図４】従来例の圧電体電極構造―円周内外印加構造
【図５】圧電体分極ジグ断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下実施例で説明する。
【実施例】
【００１３】
超音波モータ作成は以下の要領で行った。圧電体は従来用いられているＰＺＴセラミックを所定の形状にして、図１の形の電極を設ける。図１の圧電体を図５に示す分極ジグで分極を行う。図５では圧電体をアース電極上に設置して（そのさいアース電極と圧電体所電極は一致させえる）、圧電体上部に分極（ポーリング）電極を置く。分極電極の電極配置は図３の表側に対応している。電極形状は図３に示すようにリング状の形状を上下2分割した形状にした。分極作業は、分極ジグ全体を１５０度にして電圧を１５００Ｖ印加して分極を行った。
分極作業を行った圧電体を図１に示す表側をステータ外部に取り、裏側（電極の無い側）をステータに接着する。
超音波モータ駆動はステータを共通電極として、圧電体表面の方が電極に図１に示す一方の電圧Ｃｏｓ電極を印加する。同様にもう一方の電極Ｓｉｎ電極に電圧を印加する。
超音波モータ動作は従来の構造と、片側電極を取り除いた構造のモータとの初期特性の差（駆動電圧、モータ特性）はまったく無い。本発明の圧電体使用の
超音波モータと従来電極との差は過負荷時の圧電体の割れによるモータの破壊に違いが見られた。今まで定格とする寿命特性の数分の一の時間で圧電体が割れてしまう現象が何台かの中で発生したが、本発明の圧電体では極端に低い電圧でモータが動作しなくなる現象は発生しなくなった。
【符号の説明】
【００１４】
1…ロータ
２…ステータ
３…ステータ支持台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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