JP2905835B2 - 時計のための圧電モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波圧電効果によっ
て回転運動が発生するモータに関する。さらに詳細にい
えば、本発明は、互いに相対運動を起こすことになって
おり、それぞれモータの固定子と、回転子とを形成する
２つの要素を具備し、前記要素は、それぞれ、前記相対
運動の途中で他方の要素の活動面に面するように配置さ
れる活動面を有し、それらの要素の一方には、その要素
の活動面にある先端部に楕円運動を与えることができる
振動波を発生するための圧電手段が設けられており、そ
れらの先端部は、他方の要素の活動面に当接しながら、
そのような相対運動を生じさせる。

【０００２】

【従来の技術】そのようなモータは、１９８０年５月刊
行の雑誌「Ｔｅｃｈｎｏ Ｊａｐａｎ」第１９巻第５号
に掲載の論文に記載されている。このモータは、２枚の
平坦な結合された要素から構成されるほぼ平板の固定子
を有する。上記要素中一方はステンレス鋼であり、他方
は圧電材料から成る。ステンレス鋼の要素の見えるほう
の面には、固定子円板の軸と同心に、リング状に互いに
離間する一連の小さなブロックが配置されている。この
モータの回転子も同様に円板の形状を呈し、その円板は
固定子のブロックの自由面に一方の面が向くように固定
子に同軸且つ回転自在に取り付けられている。同様にス
テンレス鋼製であるこの回転子は、固定子ブロックに面
する領域に、高い摩擦係数を示すプラスチック材料のリ
ングを含む。

【０００３】固定子の圧電素子は、励起されると、固定
子ブロック内に進行波を発生し、その進行波はブロック
に沿って円形に伝搬してゆくので、回転子に面するブロ
ックの先端は、それぞれ、合成楕円運動に従って環状運
動と組み合わされた非常に小さな軸方向運動を生じ、そ
の楕円運動は、回転子の摩擦リングに加えられると、回
転子をモータの軸を中心として回転させ、進める。

【０００４】固定子ブロックの先端の運動の大きさがき
わめて小さい場合、回転子の軸から認めうるほどの出力
を取り出せるようにするためには、その大きさを回転子
に面するブロックの表面の凹凸より大きくとるべきであ
る。そこで、その大きさは１ミクロンから数ミクロンで
あるので、ブロックの表面をきわめて精密に機械加工す
ることが必要である。このモータのもう１つの欠点は、
位相外れ電位により動作される圧電素子について２対の
励起電極を使用しなければならず、２対使用しないと、
固定子で進行波を発生できなくなってしまうことであ
る。この条件によって、モータの作動回路は複雑にな
り、そのコストは増す。

【０００５】最後に、この公知のモータの場合、たとえ
ば、時計に適用すると、その出力量がはかばかしくない
ために、そのような分野で望まれるような値の小さな偶
力の伝達に適合させるのはそれほど容易ではない。圧電
マイクロモータの別の構成は、Ｔ．Ｔａｋａｎｏ，Ｙ．
Ｔｏｍｉｋａｗａ，Ｔ．Ｏｇａｓａｗａｒａ及びＨ．Ｈ
ｉｒａｔａによる雑誌ＩＥＥＥ（１９８９年刊）の論文
（７３５〜７３８ページ）の中に記載されている。問題
の論文「Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒ
ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
ｍｏｔｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ｐｉｅｚｏ−ｃｅｒａｍ
ｉｃａｎｎｕｌａｒ ｐｌａｔｅｓ」に記載されたモー
タは、ほぼ平坦な形状を呈する第１の要素を含み、その
要素は、その平面内にある要素の複数の周囲活動先端に
楕円運動を与えることができる超可聴周波数の振動波を
発生させるための手段と関連している。各活動先端は、
第１の要素の周囲に配置された環状の第２の要素の運動
伝達面と係合しており、それによって、第２の要素は先
に述べた楕円運動の結果として第１の要素に対して動
く。この公知の構成は先に述べた構成において伝達する
ことができる出力より大きな出力を伝達できるのである
が、振動する要素の外面と、環状要素の活動面の輪郭形
状をきわめて精密に定めなければならないという欠点も
あり、それら２つの要素の間に実質的に遊びがなく、し
かも、要素の相対運動は可能になるように２つの要素を
調整しなければならないのである。さらに、このような
モータは先に挙げた従来のモータと同一の欠点を有す
る。すなわち、二相作動電圧を必要とすると共に、小さ
な偶力の伝達に適用した場合に低い出力量を示す。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の欠点を回避しつつ、先に述べた一般的種類の圧電モー
タを提供することである。

【課題を解決するための手段と効果】従って、本発明
は、互いに相対運動を起こすことになっており、それぞ
れ固定子と、回転子とを形成する２つの要素を具備し、
それらの要素のうち第１のものはほぼ平坦な形状を呈
し、第１の要素の平面にある周囲の少なくとも１つの活
動先端部に楕円運動を与えることができる超可聴周波数
の振動波を発生する手段を具備しており、前記活動先端
部は、前記楕円運動によって前記第２の要素の前記第１
の要素に対する運動を生じさせるために、第２の要素の
運動伝達面と係合している圧電型のモータにおいて、前
記第１の要素はほぼ円形の中心部分を含み、その中心部
分の面の一方に、振動波を発生する手段が装着されてお
り、その中心部分から少なくとも２枚のローブが延出
し、それらのローブの縁部に前記活動先端部が配置され
ていることと、前記ローブの側方縁部は、前記中心部分
から発散する振動エネルギーを前記活動先端部の内部に
集中させるような輪郭形状に形成されていることとを特
徴とするモータである。

【０００７】これらの特徴があるため、第１の要素の寸
法上の精密さを活動先端部の場所でのみ確保すれば十分
であるので、モータの製造はかなり簡単になり、その一
方で、この要素のローブの輪郭形状を適切に形成するこ
とによって、エネルギーを活動先端部の中に十分に集中
させうるのである。そこで、第１の要素から第２の要素
への振動エネルギーの伝達は、従来の場合と比べて明ら
かにすぐれたものとなり、モータの有効偶力ははるかに
大きくなる。本発明のその他の特徴や利点は、添付の図
面を参照しながら単なる例として挙げられる以下の説明
の中で明白になるであろう。

【０００８】

【実施例】まず、本発明による圧電モータの第１の実施
例を示す図１及び図２を参照する。このモータは、軸Ｘ
−Ｘを中心としてほぼ円形である底板２を含む固定子１
を有する。底板２の中心には穴３があいている。底板２
には、コイルばね６を受け入れるための円筒形の穴洞５
の境界を規定する環状の中心リブ４がある。このコイル
ばねは、中心の穴３の中に押し込まれているプラグ７に
よって底板２に対して固定状態に保持されている。プラ
グ７は、ばね６の対応する端部にクランプされるつば８
を有する。中心リブ４が装着された底板２の面は絶縁材
料で被覆されており、その絶縁材料の上には後述するよ
うな目的のために電気回路１０が印刷されている。

【０００９】留めねじ１３によって中心リブ４に固着さ
れたリング１１は、玉軸受１２の内側軌道を構成する。
玉軸受１２は、モータの回転子１５に固定された外レー
ス１４をさらに含む。固定子に属するコイルばね６は環
状の中心リブ４から先へ軸方向に突出し、コイルばねの
自由端部には固着部材１６が嵌合している、コイルばね
６が剛性であるために、この固着部材１６はばねにクラ
ンプされている。固着部材１６は、モータの軸Ｘ−Ｘに
対して半径方向に延出するほぼ平坦な共振板１７にはん
だ付けされている。固着部材１６とは反対側のこの共振
板１７の面には、軸Ｘ−Ｘを中心とする円形のセラミッ
ク圧電素子１８が接着されている。

【００１０】図２及び図４からわかるように、共振板１
７は中心部分１７ａを含み、そこから半径方向に外側に
向かって２枚のローブ１７ｂが延出しており、各ローブ
の端部は活動先端部１７ｃを形成する。各ローブ１７ｂ
は、回転子１５の内周部に沿って、そこから半径方向に
一定の距離をおいて並ぶ円形の縁部１７ｄと、共振板１
７の中心と活動先端部１７ｃとの２つの位置に焦点Ｆ１
及びＦ２を有する楕円形の縁部１７ｅとにより境界を規
定されている。

【００１１】回転子１５は、本質的には、環状の内面に
段差が形成されている外側リング１９から構成される。
このリングは、底板２の側に、半径方向の環状ボス２０
を有する。ボスが形成する軸方向の段部には、玉軸受１
２の外レース１４の外側つば２１が当接している。リン
グは、さらに軸方向の環状ボス２２を有し、このボス２
２は、固定子１の活動先端部１７ｃと共動する回転子１
５の運動伝達面を形成する。環状ボス２２、すなわち、
運動伝達面の直径は、活動先端部１７ｃの頂点間の距離
と厳密に一致している。尚、先端部１７ｃの頂点の形状
を適切に整えれば、その距離を精密に一致させることは
容易であろう。そのため、この段階では、本発明による
モータは従来のモータと比べて容易に製造できるのであ
る。

【００１２】回転子のリング１９は環状フランジ２３を
さらに含み、このフランジの半径方向端面は、リング１
９にねじ２５により装着されるカバープレート２４の支
持面として働く。カバープレート２４の中心に設けられ
た開口２６には、モータの出力偶力を確実に伝達させる
ためのピニオン２７が差し込まれている。

【００１３】プリント回路１０には、半径方向外側に向
かって延出する複数の接点２８が図２に示すようにあ
り、それらの接点はプリント回路１０に向かって回る回
転子の面に設けられた摩擦接点２９と共動する。この構
成によれば、適切な作動回路を圧電素子１８に接続する
ことによってモータのステップ動作機能が得られ、モー
タのステップ動作は、摩擦接点が１つの半径方向接点２
８から別の半径方向接点に向かって変位するたびに起こ
るのである。モータを好ましい用途の１つである時計に
採用すべき場合には、半径方向接点の数が６０個だと有
利である。ただし、このモータを連続モードで使用して
も差し支えはなく、その場合には、プリント回路とそれ
に関連する摩擦接点を設けないようにすれば良い。

【００１４】図３は、運動出力部に若干の違いがあるこ
とを除いてあらゆる点で図１及び図２の実施例に類似し
ている本発明のモータの別の実施例を示す。この場合、
モータにカバープレートを設けず、その一方で、環状フ
ランジ２３が内側に歯部３０を有するクラウンの形態を
とるように、その内面を機械加工すると有効である。そ
の歯部３０は、回転子１５の回転運動を伝達する役割を
果たす歯車列のピニオン（図示せず）とかみ合うことに
なる。

【００１５】このモータは次のように動作する。圧電素
子１８がその２つの電極（図面には示さず）を介して電
位を受けると、素子は円筒形弾性波を発生し、その弾性
波は共振板１７に伝達される。弾性波の発射中心は共振
板１７の楕円形の縁部１７ｅの焦点Ｆ１（図４を参照）
に位置し、従って、モータの軸Ｘ−Ｘと一致する。弾性
波は楕円形の縁部１７ｅにより反射され、それらの縁部
が特殊な幾何学的形態を有しているために、弾性波は楕
円形の縁部１７ｅの第２の焦点Ｆ２、すなわち、共振板
１７の活動先端部１７ｃの頂点に集中する。円筒形弾性
波の一部は共振板の円形の縁部１７ｄに向かって伝搬
し、そこで、波の発射中心、すなわち、楕円形の縁部１
７ｅの焦点Ｆ１の方向へ反射される。

【００１６】その結果、共振板の２つの先端部１７ｃの
頂点は回転子１５の駆動を生じさせる効果をもつ楕円運
動を引き起こす（図５を参照）。出願人が製造した試作
品では、次に示すような寸法を選択したが、下記の値が
単なる１例として挙げられていることは自明である。 −モータの外径 １０．６ｍｍ −回転子の内径 １０ ｍｍ −固定子（縁部１７ｄ）の直径 ９．２ｍｍ −圧電素子１８の直径 ５ ｍｍ さらに、先端部１７ｃの基本寸法の厳密な値を選択する
と有利であり、焦点Ｆ１を頂点とする先端部の角度Ａは
５°に設定されるのが好ましい。圧電素子１８の厚さは
０．２ｍｍであり、セラミック材料の種類は固有キャパ
シタンスＣｏが１．８ｎＦであるＰＸＥ５であろう。圧
電素子の電極に３Ｖの電位が印加されると、装置に供給
されるエネルギーは４００ｋＨｚの周波数で３．２ｍＪ
である。

【００１７】振動波の伝達を可能な限り効率良く行うた
めには、共振板１７を圧電素子１８の音響インピーダン
スにできる限り近い音響インピーダンスをもつ材料から
形成しなければならない。さらに、その材料はすぐれた
耐摩耗性を示すべきである。Ｄｕｒｉｍｐｈｙ，焼きも
どし鋼又は焼きもどししない鋼，銅−ベリリウム，黄
銅、あるいはニッケル銀を使用できるが、アルミニウム
を使用すると、最良の結果が得られることが確認されて
いる。ただし、この材料から製造した板を要求される抵
抗特性と、最終的には要求される溶接性を示すように処
理することが必要であり、ニッケルめっきの後に、中心
部分を金めっきし、先端部１７ｃに酸化物層を追加する
というのが、この目的に適する作業である。

【００１８】本発明のモータが非同期特性を有する場
合、モータは先に説明したような、図１から３に示す位
置を検出する構成を含むのが好ましい。この構成の利点
は、それが単純であると共に、簡単な信号形成動作によ
ってモータと同一の作動方式を使用するという点にあ
る。当業者に知られている単純な電子回路を利用して、
モータを毎秒１〜６０ステップの周波数のステップモー
ドで動作させることができ、その場合の角分解能はステ
ップごとに６度である。従って、本発明によるモータは
時計に適用するのに特に適しているのである。

【００１９】共振板の品質係数を適切な値に維持するた
めに、たとえば、図１から３に示すばね懸架構成（これ
は単なる１例であって、限定的な意味をもたない）によ
り得られる弾性結合構造に共振板を取り付けるのが好ま
しい。この構造は、構成（軸受／固定子，回転子／軸
受，共振板のそのばねへの固着など）の同心性について
偶発的に起こる誤りを補正し、それにより、先端部１７
ｃを回転子と永久的に接触させておくのに好都合に働く
という利点を有する。図６は、共振板１７Ａに３枚のロ
ーブ１７Ａ−ａが設けられ、それらのローブの活動先端
部が互いに１２０゜離れているという点を除いて、先に
示した実施例と同じである本発明の別の実施例を示す。
平坦な面に設けられている２つだけの電極（図示せず）
を介して圧電素子に印加される電気信号はシステムの共
振周波数の１つで正弦形状を有し、たとえば、３〜１５
ボルトの振幅を有していても良い。作動電圧の値は回転
子の速度に影響を及ぼし、最終的にはそのような速度の
調整変数として採用されても良い。ところが、正弦信号
の代わりに、それと等しい周波数をもつ方形形状の信号
を使用することによって本発明のモータを動作させるこ
とも同様に可能である。そのような方形信号はモータの
制御回路を簡単なものにするという利点を示す。すなわ
ち、この回路は当業者には良く知られているように３つ
又は４つのトランジスタを有するブリッジから構成され
ていれば良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧電モータの第１の実施例の半分
を横断面で示し、残る半分を外から見た正面図。

【図２】出力ピニオンを具備するカバープレートを取り
外した状態のそのようなモータの平面図。

【図３】本発明による圧電モータの第２の実施例の半分
を横断面で示し、残る半分を外から見た正面図。

【図４】図１から図３に示すモータの固定子の中を伝搬
してゆく振動波の経路を概略的に示す図。

【図５】第１の要素のローブの１つの活動先端部、さら
に厳密にいえば、モータの各動作サイクルが進行する中
でそのローブの活動先端部が行う運動の経路を示す部分
概略図。

【図６】本発明の第３の実施例を概略的に示す図。

【符号の説明】

１ 固定子 １５ 回転子 １７ 共振板 １７ａ 中心部分 １７ｂ ローブ １７ｃ 活動先端部 １７ｄ，１７ｅ 縁部 ２２ 環状ボス（運動伝達面）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 2/00 - 2/18

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに相対運動を起こすことになってい
   るほぼ平坦な固定子（１）および回転子（１５）を具備
   し、前記固定子（１）は共振板（１７）を含み、この共
   振板（１７）は、ほぼ円形の中心部分（１７ａ）、この
   中心部分（１７ａ）から外側に向かって半径方向に延出
   する少なくとも２枚のローブ（１７ｂ）およびこれらロ
   ーブ（１７ｂ）の各々の周辺端部に形成された活動先端
   部（１７ｃ）を有し、前記固定子（１）は、前記中心部
   分（１７ａ）の一面に装着されて前記活動先端部（１７
   ｃ）に楕円運動を与えることができる超可聴周波数の振
   動波を発生する手段（１８）を更に含み、前記活動先端
   部（１７ｃ）は、前記楕円運動によって前記固定子
   （１）に対する前記回転子（１５）の運動を生じさせる
   ために、前記回転子（１５）の運動伝達面と係合してお
   り、前記ローブ（１７ｂ）の側方縁部は、前記活動先端
   部（１７ｃ）に前記楕円運動を与えるために、前記中心
   部分（１７ａ）から発散した振動エネルギーを反射させ
   て前記活動先端部（１７ｃ）内に集中させるように湾曲
   した縁部（１７ｅ）を少なくとも有している圧電型のモ
   ータ。