JP2000060165A

JP2000060165A - 振動モ―タ

Info

Publication number: JP2000060165A
Application number: JP11229336A
Authority: JP
Inventors: Jean Thierry Audren; ジャン、ティエリ、オドラン; Daniel Bezanere; ダニエル、ブザネール; Francois Munier; フランソワ、ミュニエ
Original assignee: SFIM Industries SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1998-08-13
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2000-02-25
Also published as: CA2280415C; US6204590B1; EP0980102B1; EP0980102A1; FR2782420A1; ES2207146T3; DE69911526D1; DE69911526T2; FR2782420B1; CA2280415A1

Abstract

(57)【要約】【課題】モータ効率を最適化すると共に、温度変化や
さまざまな成分の経時劣化や摩耗により構成要素の寸
法、ヤング率、密度などが変動しても全てのドリフトを
補正し、一部の固定した差をも自動的に補正する。【解決手段】振動モータは、固定子と、回転子と、モ
ータの回転を駆動することを意図する接線振動と法線方
向の振動を組み合わせた振動モードで前記固定子を変形
する励起手段とを含み、前記法線振動モードと前記接線
振動モードが類似の共振周波数、または、さらに同じ共
振周波数を有しかつ励起周波数に実質的に対応するよう
に、前記回転子（１ａ、１ｂ）と前記励起手段（７、
８）のディメンジョンが決められることを特徴としてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動モータに係り、特に
接線振動モードと法線振動モードの共振周波数を同一に
して効率の良い動作を保障するようにした振動モータに
関する。

【０００２】

【従来の技術】振動モータは、好ましい周波数のための
超音波モータとしても、また、好ましい励起材料のため
の圧電作用（piezo-active）モータとしても知られてい
る。

【０００３】本出願人は、一般的に公知な振動モータよ
りも遙かに高い機械的動力を発生させる能力を有し、か
つ動力に対する重量比に優れた幾つかの振動モータの構
成を既に提案している。例えば、フランス特許出願第９
５−１４１６９号や第９７−１０９４８号を参照して欲
しい。

【０００４】これらの振動モータにおける特に有利な応
用例の１つは、航空機内で用いられる二次的な操縦制御
装置である。

【０００５】従来の振動モータは、回転子と固定子との
間の接触面に平行な方向の変形に対応する接線振動モー
ドと、回転子と固定子との間の接触面に垂直な方向の変
形に対応する法線振動モードとの両者を有するものであ
る。

【０００６】振動の機械的エネルギは接線振動モードか
ら獲得され、非線形摩擦メカニズムによって連続的な運
動（トルクおよび角速度）に変換される。したがって、
これらのモードは主としてエネルギを効率的に伝達する
ために最適化される。

【０００７】これとは対照的に、法線振動モードは、結
果的にエネルギの供給には寄与しない。その役割は、固
定子の接線発振運動を回転子の連続的な接線運動に変換
するために必要とされる回転子−固定子接触担持力の発
振を供給することに限られている。その結果、法線方向
の振動が受ける唯一のエネルギ損失は、その内部損失に
よるものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】エネルギの主要な伝達
を最適化するために、モータの接線発振を、その共振周
波数で動作させなければならないことは当然のことであ
る。

【０００９】本発明は、法線方向の振動もまたその共振
周波数で動作させること、すなわち法線振動モードと接
線振動モードとが同一の共振周波数、または非常に類似
する共振周波数を有するように、モータの寸法（ディメ
ンジョン―dimension―）を決めることを提案するもの
である。

【００１０】これによって有効材料内での誘電損失が最
小化され、かつそれに電気を供給する電子回路中の損失
も最小化される。

【００１１】したがって、本発明の第１の目的は、特に
これらのモータの効率を最適化することを可能にした改
良振動モータを提供することにある。

【００１２】しかしながら、非常に緊密な製造公差をも
ってしても、法線モードと接線モードの共振周波数が依
存する様々なパラメータ（構成要素の寸法、ヤング率、
密度など）の変動を防止することは不可能である。その
理由としては、例えば、モータが受ける温度変化やモー
タのさまざまな成分の経時劣化や摩耗が挙げられる。

【００１３】このような理由により、本発明の第２の目
的は、この欠点を和らげ、かつこれら２つの周波数間の
差の全てのドリフトを補正し、一部の固定した差をも自
動的に補正する振動モータの構成を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、本発明に係る振動モータは、固定子と、回転子
と、この回転子を回転駆動するために接線振動および法
線方向の振動を組み合わせた振動モードで前記固定子を
変形させる励起手段とを含む振動モータであって、法線
モードと接線モードが類似の共振周波数、または励起周
波数に実質的に対応するさらに同一の共振周波数を有す
るように、前記回転子と励起手段の寸法（ディメンジョ
ン）が決められていることを特徴としている。

【００１５】本発明の第２の目的を達成するため、本発
明に係る振動モータは、動作中の法線モードおよび／ま
たは接線モードの共振周波数を補正する手段を有利に含
んでいる。特に、法線方向の振動を発生する励起手段が
圧電有効構成要素を含んでいる場合、この有効構成要素
を駆動する電気的手段は、前記有効構成要素のヤング率
を修正する手段であってもよい。このような手段の実施
態様の有利な例を以下に説明する。

【００１６】さらに、本発明に係る振動モータの第３の
目的は、フレーム内に、接線変形有効構成要素から成る
少なくとも２対の固定子プレートと、これら２対のプレ
ート間に存在する２つの回転子ディスクと、対面するこ
れら対の双方のプレート間に存在する法線方向の力を発
生させる圧電有効構成要素と、前記プレート対とフレー
ム間に配置されたバネ手段とを含むモータの場合に、法
線モードを励起する圧電材料を機械的にプレストレスす
る（prestressing―予め圧力または応力を与える―）装
置を簡略化することである。

【００１７】この第３の目的に対して提案された解決策
では、法線方向の力を発生するための有効構成要素は、
同じローターディスクの両側部上の質量が逆位相であ
り、有効構成要素の両側部上の質量もまた逆位相となる
ように励起される。この場合、これら有効構成要素のデ
ィメンジョンは、プレストレス操作条件を満足するよう
に決めることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の他の特徴と利点はさらに
以下に説明する発明の実施の形態の記載からも明らかで
あろう。この記載は純粋に例示的なものであり、本発明
を制限するものではない。本発明は添付図面に従って説
明されている。

【００１９】図１及び図２に示す振動モータは、２つの
回転子ディスク１ａ、１ｂと、前記ディスク１ａ、１ｂ
とそれぞれ協動する２対の固定子プレート対４、５と、
を備えている。前記２つの回転子ディスク１ａ、１ｂ
は、これらディスクがケーシング２を基準として回転す
るように搭載する手段である共通シャフト３に取り付け
られている可撓性ディスクである。

【００２０】ディスク１ａは前記固定子プレート対４の
２つの固定子プレート４ａ、４ｂ間に配置され、ディス
ク１ｂは前記固定子プレート対５の２つの固定子プレー
ト５ａ、５ｂ間に配置されている。前記２つの固定子プ
レート対４、５の２つのプレート４ａ、５ａは互いに向
き合っており、これら固定子プレート４ａ、５ａをこれ
以降内側プレートと呼び、それ以外の２つの固定子プレ
ート４ｂ、５ｂを外側プレートと呼ぶ。

【００２１】固定子プレート４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂは
各々が、接線変形有効構成要素７によって対をなして分
離されている複数の接触セクタ６（固定子ペタルと呼ば
れる）から形成されている。これらの接触セクタ６、す
なわちペタルは金属製である。これら接触セクタはそれ
らの接触表面の近傍に形状記憶合金製の少なくとも１つ
の領域を有利に有している（フランス特許出願第９５−
１４１６９号に述べられている）。

【００２２】２つの内側プレート４ａ、５ａの接触セク
タ６は互いに一列状に配列されている。法線方向の力を
発生する有効構成要素８は、２つの内側プレート４ａ、
５ａのセクタ６６間に配置されている。バネ手段９が、
ケーシング２と、外側プレート４ｂ、５ｂの接触セクタ
６との間に配置されている。

【００２３】有効構成要素８の長さが増加すると、この
部材と一列状に配列している接触セクタ６が回転子ディ
スク１を把持する。有効構成要素８が短くなると、それ
に対応する接触セクタ６がディスク１を開放する。バネ
手段９は剛性が低いが、十分な伸び率を有し、このため
有効構成要素７と８が長くなるとバネ手段９は圧縮さ
れ、これによって接触セクター６を回転子ディスクに押
圧状態に保持する。

【００２４】有効構成要素７および／または８は、並列
または直列に圧電セラミック層および金属層を組込み、
また指令電極を組込んだ多層構造体を有利に有してい
る。上記種類の多層構造体は低電圧を使用できるという
長所を有している。同じセクタ６のそれぞれ両側にある
２つの有効構成要素７は逆位相に励起される。同様に、
２つの隣接有効構成要素８もまた逆位相に励起される。
法線方向の力を発生する有効構成要素８は、接線変形有
効構成要素７と同じ励起周波数で指令される。

【００２５】上記の本発明による振動モータは、法線共
振周波数と接線共振周波数が双方ともこの励起周波数に
実質的に等しくなるようなディメンジョンを有する。

【００２６】この明細書におけるこれ以降の記述は、図
３に示すように、前記構造体の１つの法線方向の発振器
に関する。すなわち、法線方向の発振器は、図３におい
て、圧電有効構成要素８と、その一方の側に同じ質量を
持ち、かつ各々が金属ペタル６と、圧電成分と一列状に
配列しているディスク１ａ、１ｂの部分とを含んでいる
２つのモジュール１９ａ、１０ｂと、を含む発振器に関
する。

【００２７】法線方向の発振器の固有周波数Ｆは次式の
通りである。

【００２８】

【数１】ここで、Ｋは法線方向の振動の方向における有効構成要
素８の剛性であり、次の値を有する：

【数２】ここで、Ｅは前記有効構成要素８のヤング率、Ｓはその
断面積、ｌはその長さである。

【００２９】圧電性材料は２つのヤング率、すなわち電
極が開路である場合のヤング率と、電極が短絡している
場合のヤング率とを有し、これら２つの中で、電極が開
路の場合の方がのヤング率が高い。これら２つのヤング
率の値はそれぞれ次式で表される：

【数３】ここで、S^D＝開路のフレキシビリティ、S^E＝閉回路のフ
レキシビリティ、および、S^E−S^D＝ｄ^２ε、ｄ＝圧電係
数、ε＝誘電率である。

【００３０】２つのヤング率が存在するということは、
以下のように説明できる：開路の場合、外部の力が印加
されると、変形が生じるだけでなく、電極上に残留する
電荷によって電場が発生し、圧電係数によってこの電場
の効果がこの外部力に対抗する。電極が短絡している場
合、電荷は除去され、電場は発生しない。

【００３１】有効構成要素８の圧電材料は、その電極同
士間におけるジェネレータにより励起されるインピーダ
ンスを「観察」する。すなわち、そのジェネレータが電
圧のジェネレータ（源）であればゼロインピーダンス
（短絡）を、そのジェネレータが電流のジェネレータ
（源）であれば無限インピーダンス（開路）を見る。

【００３２】本発明の第１の変更例では、発振器の固有
周波数を調整する手段は、有効構成要素８が電圧源と電
流源に交番で接続され、その駆動信号が、必要とされる
共振周波数に従って変化する周波数と動作周期を持つパ
ルス幅変調信号であるように、選択的に操作されるスイ
ッチを含む電気回路を含むようにすることができる。

【００３３】図４（ａ）に、本発明による別の解決策を
示す。この解決策では、有効構成要素８を駆動する回路
は、可変インピーダンスＣと直列に接続されている電源
Ｓまたはその等価回路である。可変インピーダンスＣは
容量性インピーダンスであって、これによって、発振器
に追加の抑制を構成するエネルギ損失を導入することを
避けるのが望ましい。

【００３４】圧電材料性の有効構成要素８はキャパシタ
と電気的に等価である。可変キャパシタは圧電材料の容
量値に対して非常に高い値（例えば１０：１の比を持つ
値）とその容量値に対して非常に低い値（例えば１：１
０の比の値）との間で変更可能である駆動回路に対して
選ばれ、これによって、剛性したがって周波数を最大限
に免責するのが望ましい。

【００３５】スイッチング手段Ｉもまた可変インピーダ
ンスを短絡して最低の剛性を得るようにすれば利点が生
かされる。

【００３６】図４（ｂ）と図４（ｃ）に本発明のさらな
る変更例を示す。

【００３７】これらの変更例は、特に４（ａ）に示す変
更例にとって望ましいものであり、図４（ａ）の変更例
は特に以下の欠点を有している：−容量値を変更する
と、有効構成要素８の駆動電圧が変化する；−供給電圧
と損失を減少させるための誘導同調手段を提供すること
がさらに必要となり、このような誘導手段のインダクタ
ンスは容量値と同時に変化するはずである。

【００３８】図４（ｂ）の回路では、有効構成要素８の
圧電材料は別々に駆動される２つの構成要素８ａと８ｂ
に分けられる。

【００３９】この構成要素の内の一方｛図４（ｂ）の構
成要素８ａ｝は、固定インピーダンス・ジェネレータ
Ｓ、例えば電圧源によってだけ駆動される。

【００４０】他方の構成要素｛図４（ｂ）の構成要素８
ｂ｝は可変インピーダンス（キャパシタＣ）の両端の間
に搭載される。

【００４１】可変インピーダンス後を修正することによ
り構成要素８ｂの剛性を修正することによって、有効構
成要素８全体の剛性が修正される。

【００４２】図４（ｃ）に示す変更例では、構成要素８
ｂは可変キャパシタに代えて選択的に操作可能なスイッ
チＩｃにより分路している。

【００４３】スイッチＩｃが開いているか閉じているか
によって、有効構成要素８ｂの剛性は最小値か最大値か
になる。

【００４４】次の２つのタイプの駆動方式が考えられ
る：−１つは励起周波数より高い周波数で駆動し、これ
によって、ある期間にわたる剛性の平均値が共振器に対
して必要な共振期間を与えるようにする。この関係は単
純な平均ではなく、その期間内でスイッチングが発生す
る時間によって異なることに注意を要する。

【００４５】−他方は励起周波数より低い周波数で駆動
し、これによって、短期間のグループと長期間のグルー
プに分けて、これらを合成したものが必要な平均期間に
等しくなるようにする。

【００４６】回路が開いている場合、構成要素８ｂを圧
電材料の変形に対するセンサとして用いることが可能で
あることに注意を要する。

【００４７】構成要素８ｂはこれも同様に、可変キャパ
シタに接続されると変形センサとして働くことが可能で
ある。この場合は明らかに、測定値の電気的勾配は容量
値の関数である。

【００４８】以下の説明は圧電材料のプレストレス操作
に関する。圧電材料のプレストレス値σｐの、その場で
引っ張り応力でないための最小値は次式で表される：

【数４】ここで、ｌ＝材料の長さ、Ｅ＝ヤング率、Ｘ_ｎ＝各金属
ペタル６の法線方向の振動の振幅である。

【００４９】次式もまた当てはまらなければならない：

【数５】ここで、σ_ｍａｘ＝最大圧縮応力。

【００５０】他方、共振周波数によって次のようにＫが
定められる：

【数６】さらに、回転子／固定子担持力の発振部分の最大値ΔＵ
は次式で表される：

【数７】回転子と固定子がいつも互いに担持契合する関係に留ま
るためには、プレストレス用のバネが、ΔＵ以上の静的
な力Ｕ_Ｏを発生しなければならない。この力にとってΔ
Ｕより遙かに大きいことは利益にならないが、その理由
は、こんなに大きいとモータの効率が減少するからであ
る。したがって、Ｕ_Ｏが実質的にΔＵに等しいのが望ま
しい。

【００５１】力Ｕ_Ｏにとっても、セラミックをプレスト
レスして機械的構造を簡略化するためには、次の条件が
当てはまらなければならない：

【数８】これは最終的には次式となる：

【数９】このようにして、次の最初の条件を満足することは不可
能である：

【数１０】上記の問題に対する第１の解決策は、２つの材料から剛
性Ｋを持つ部材を並列に、すなわち１つを圧電性部材か
ら他方を金属製部材から作ることである。その引っ張り
力のゆえに、金属はプレストレス操作を省略することを
保証できる。この解決策は可能であるとはいえ、以下の
２つの主要な理由によって製造上の欠点を有する： −プレストレスを保証するために、金属は強固に質量中
に固定するまたは圧電材料を封入している小型の箱を形
成する必要があるが、この小さな箱はプレストレス操作
のために閉じていて、圧電材料に対する配線アクセスを
厳しく制限するに違いない； −囲んだり波形状を与えたりすることによって金属部分
を圧電構成要素よりも遙かにフレキシブルになるように
金属構成要素を設計することなくプレストレス定数を温
度の関数として維持するのが容易ではない。

【００５２】この発明が提案する解決策は、図５に示す
ように、回転子・固定子の境界面のフレキシビリティを
利用するものである。フランス特許出願第９５−１４１
６９号は、金属ピンの電場を用いて振動を連続的な運動
に変換する効率を向上させるためのこのフレキシビリテ
ィの優れた効果について説明している。この境界面の構
造体の法線方向の剛性ｋの採用については幾分かの選択
幅がある。

【００５３】本発明の１つの態様によれば、この境界面
の剛性は圧電材料のプレストレス操作という問題を解決
するように選択することを提案している。第１に、図１
を参照して述べた機械的発振器は２つの別々の法線振動
モードで起動することが可能であることに注意を要す
る。第１のモードでは、ディスク１ａ（または１ｂ）の
それぞれ両側にある金属ペタル６は互いに同位相で、ま
た、回転子の他方のディスク、すなわちディスク１ｂ
（または１ａ）のそれぞれ両側にあるペタルとは逆位相
で励起される。

【００５４】この励起モードは、フランス特許出願第９
７−１０９４８号で述べたモードと次式の共振周波数に
対応している：

【数１１】しかしながら、回転子の同じディスク１ａと１ｂのそれ
ぞれ両側の質量が逆位相で励起され、有効構成要素のそ
れぞれ両側の質量もまた逆位相で励起される第２の励起
モードが可能である。

【００５５】この第２のモードの周波数は次式で表され
る：

【数１２】上の２つの周波数はすでに定められた次に示す周波数の
左右の辺の周波数である：

【数１３】これは、ｋを無限大に向かうようにすることによってＦ
_１の公式から得ることができる。

【００５６】所定の共振周波数Ｆ_０に対して、平方根記
号内の相補的な項は、第２の固有振動モードを用いて、
同じＦ_０値に対してより小さいＫ値を選ぶことが可能で
あることを意味している。すると、

【数１４】という式で小さいＳまたは大きいｌを選択して、圧電材
料をプレストレスする要件を満足することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動モータの１つの実施形態を示
す断面図である。

【図２】図１のモータの軸方向断面図である。

【図３】図１における構造体の１つの法線方向の発振器
を示す線図である。

【図４】図１におけるモータの法線共振周波数を調整す
る方法を（ａ）（ｂ）（ｃ）でそれぞれ示す回路図であ
る。

【図５】図１における構造体の１つの法線方向の発振器
の別の線図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ回転子（ディスク）７励起手段８（圧電有効）構成要素Ｃ可変インピーダンスＳ電圧源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者フランソワ、ミュニエフランス国ミンティニ‐ル‐ブルトヌー、アレ、デ、ロマラン、７

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子と、回転子と、この回転子を回転駆
動するために接線方向の振動である接線振動モードと法
線方向の振動である法線振動モードとを組み合わせた振
動モードで前記固定子を変形させる励起手段と、を含む
振動モータにおいて、前記法線振動モードと前記接線振
動モードが類似の共振周波数、またはさらに同じ共振周
波数を有し、かつ励起周波数に実質的に対応するよう
に、前記回転子（１ａ、１ｂ）と前記励起手段（７、
８）のディメンジョンが決められることを特徴とする振
動モータ。
【請求項２】動作中の前記法線振動モードおよび／また
は前記接線振動モードの共振周波数を補正する手段
（Ｃ、Ｓ、Ｉ）を含むことを特徴とする請求項１に記載
の振動モータ。
【請求項３】法線方向の振動を発生する前記励起手段
（８）が圧電有効構成要素を含み、かつこれら有効構成
要素（８）を駆動するための電気的手段が前記有効構成
要素（８）のヤング率を修正する手段を含むことを特徴
とする請求項２に記載の振動モータ。
【請求項４】有効構成要素（８）を駆動する前記電気的
手段は、前記有効構成要素が電圧源と電流源に交番で接
続されるように制御されるスイッチ回路を含み、駆動周
波数と動作周期が前記法線振動モードの必要な共振周波
数によって決まることを特徴とする請求項３に記載の振
動モータ。
【請求項５】有効構成要素（８）を駆動する前記電気的
手段が、可変インピーダンス（Ｃ）または等価回路と直
列に接続されている電圧源（Ｓ）から成ることを特徴と
する請求項３に記載の振動モータ。
【請求項６】可変インピーダンスを短絡する手段を含む
ことを特徴とする請求項５に記載の振動モータ。
【請求項７】有効構成要素（８）が２つの構成要素（８
ａ、８ｂ）、すなわち固定インピーダンス源によって駆
動される一方の構成要素と、前記可変インピーダンス
（Ｃ）または選択的に操作可能なスイッチ（Ｉ）を分路
する他方の構成要素とに分割されることを特徴とする請
求項３に記載の振動モータ。
【請求項８】前記可変インピーダンス（Ｃ）が容量性の
タイプであることを特徴とする請求項５ないし請求項７
の何れかに記載の振動モータ。
【請求項９】フレーム中に、接線変形有効構成要素
（７）を含む少なくとも２対の固定子プレートと、前記
２つの対の前記プレート間に存在する２つの回転子ディ
スク（１ａ、１ｂ）と、前記対面する双方の対の前記プ
レート間に存在する法線方向の力を発生する圧電有効構
成要素（８）と、前記プレート対と前記フレーム間に配
置されたバネ手段とを含むモータであって、法線方向の
力を発生する前記有効構成要素は、同じ回転子ディスク
のそれぞれ両側の質量が逆位相であり、前記有効構成要
素のそれぞれ両側の質量がまた逆位相であるように励起
され、前記有効構成要素のディメンジョンが、プレスト
レス条件に適合するように決められることを特徴とする
請求項１ないし請求項８の何れかに記載の振動モータ。
【請求項１０】航空機の空気力学制御面を移動させるこ
とを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れかに記載
の振動モータ。