JPH0251376A - 超音波モータとその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超音波振動により、ロータを回転して駆動力を
発生させる超音波モータに関するものである。

（従来の技術） 縦−捩り複合圧電振動子をステータとし、ステータの端
面にロータを圧接して、これを回転させる超音波モータ
は、例えば旗日による特開昭６１−１２１７７号公報で
開示されている。

ここでは、捩り振動励振用圧電素子と縦振動励振用圧電
素子とを円柱あるいは円筒状超音波振動体で挾み、ボル
トで締めっけることにより一体化したものをステータと
し、捩り振動励振用圧電素子と縦振動励振用圧電素子と
にそれぞれ独立の交流電圧を印加して、ステータの端面
に楕円振動を誘起し、この楕円振動を利用してステータ
の端面゛に圧接したロータに回転運動を与えるものであ
る。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、援り振動波の位相速度は、縦振動彼の位相速
度の約６割であるため、上記横成になるステータにおい
て、捩り振動の共振周波数と縦振動の共振周波数を一致
させることは困難である。

従って、上記横成のステータでは捩り振動を共振駆動さ
せれば、縦振動は非共振駆動となり、逆に縦振動を共振
駆動させれば、捩り振動は共振駆動となる。

周知の如く、非共振駆動は共振駆動と比較して、同一電
圧で駆動する場合には、極端に得られる振幅が小さくな
ってしまう。その結果、上記横成のステータの端面に誘
起される楕円振動の振幅は縦方向あるいは横方向、いず
れか一方の振動振幅カイ極端に小さくなってしまうため
に効率の高いモータを実現することはできない。とくに
、捩り振動を共振駆動、縦振動を非共振駆動した場合、
縦振動の振幅が小さいために、ロータが一瞬たりともス
テータ表面から離れることはできす、このためロータと
ステータ間には絶えず辷り摩擦が生ずる。この辷り摩擦
が発熱、摩耗の原因となり、しいてはモータの安定性を
劣化させ、長期間に亘って動作することができなくなっ
てしまうといった欠点があった。

上記横成のステータにおいて、捩り振動励振用圧電素子
と縦振動励振用圧電素子とに互いに異なった周波数の交
流電圧を印加して、２種類の振動を共振駆動することも
可能ではあるが、この場合は両者の位相速度の違いによ
り、捩り振動と縦振動の共振周波数が大幅に異なるため
、ステータの端面に規則的に楕円振動を誘起できない。

従って、この場合もロータを安定して回転させることは
不可能である。

（問題を解決するための手段） 本発明に従った超音波モータの横成例を第１図に示す。

捩り振動励振用リング状圧電セラミ’７り素子１１を円
筒状ブロック１２と底面にボルトを貫通させる穴が開け
られたブロック１３で挾んだ横成とすることにより捩り
振動体主要部を形成する。該円筒状ブロック１２と該リ
ング状捩り振動励振用圧電セラミック素子１１の内側に
ボルト締めランジュバン型縦駆動素子１４を配し、固定
し一体化する。底面がほぼ閉じられた捩り振動体主要部
と該ランジュバン型縦駆動素子１４とは一体となった複
合振動体１５、すなわち超音波モータのステータを形成
し、このような横成により、後述する如く、縦共振周波
数と捩り共振周波数を著しく接近させることが可能であ
る。さらに、上記ステータの端面にロータ１６、ベアリ
ング１７、耐摩耗材１８、ボルト１９、ナラｌ−２０１
コイルばね２６を用いて圧接し超音波モータを形成する
。この際、ロータを含めた超音波モータの縦共振周波数
は捩りの共振周波数に比べて、ロータとステータ間の圧
接力に対する依存性が強（、圧接力を大きくすると縦共
振周波数は上昇する。従って、圧接力を適当に選ぶこと
により、縦振動の共振周波数を捩り振動の共振周波数に
完全に一致させることができる。

上記横成の超音波モータにおいて、捩り振動励振用圧電
セラミック素子と縦振動励振用圧電セラミック素子とに
独立に交流電圧を印加し、交流電圧の周波数を共振周波
数に一致させ、がっ９０’の位相差を与えるとロータは
高効率で回転する。

（作用） 本発明に基づく超音波モータは、ステータ単体で縦振動
の共振周波数と捩り振動の共振周波数をかなり接近させ
ることができ、ロータと当接するステータ端面において
強勢な楕円振動を励振させることができる。

本ステータにおいて、縦共振周波数と捩り共振周波数が
接近する理由を以下に述べる。縦振動及び捩り振動はと
もに断面自由度１の分布定数系の振動に属し、均一断面
の単一の構造材料でできた棒では、周知の如く位相速度
（弾性波速度）が大幅に異なるだけでほとんど類似した
ふるまいを示すことが知られている。しかしながら、振
動体が複数の構造材料から横成され、しかも各部の断面
積が異なる場合には、周知の如く、縦及び捩り振動の共
振周波数は、ともに部材の長さと特性機械インピーダン
スとの関数となる。部材の密度をρ、縦弾性波の速度を
ｃ１１断面積をＳとすると、縦振動に関する特性機械イ
ンピーダンスＺ１はρｃｌＳとなる。Ｓは直径の２乗に
比例する。

一方、捩り振動に□関する特性機械インピーダンスＺｔ
はρｃｔ　Ｊｔ−で表わされ、ここでＣ０は捩り弾性波
の速度、Ｊｐは断面極二次モーメントである。Ｊ２は直
径の４乗に比例する。従って、Ｚ、は直径の２乗に比例
するのに対して、Ｚｔは直径の４乗に比例する。

本横成の超音波モータでは、ボルト締めランジュバン型
縦駆動素子１４は、円筒状の捩り振動体主要部分に比べ
て直径がかなり小さいため、縦駆動素子１４部分は捩り
振動子の共振周波数にそれほど大きな影響を与えない。

即ち、縦駆動素子１４か円筒状捩り振動体の内側に設け
られた横成により、捩り共振周波数は縦共振周波数に比
べてそれほど大きく低下しない。ステータ内における捩
り振動は、その両端が振動の腹部に相当するような、２
分の１波長モード共振に近い動作を行う。

一方、先に述べた理由により、ボルト締めランジュバン
型縦駆動素子１４はステータ内の縦共振周波数には、大
きな影響を与える。本横成のステータの場合、縦駆動素
子１４と当接する円柱状金属ブロック１３部分を縦振動
の振動節点とすることが可能である。即ち、縦振動の共
振モードは、この場合、金属ブロック１３部分で折り返
された恰好になり、ロータに当接するステータの端面は
縦振動の腹となる。従って、本横成のステータは、縦振
動に関して、４分の１波長モードに近い動作を行うため
、実際のステータの長さの割には、縦振動の共振周波数
を相当低く実現することができる。さらにはまた、ステ
ータの底部１３は縦駆動素子との断面積との違いにより
、若干挟み振動が乗り、この部分が撓みコンブラインス
として働くため、縦振動モードの低周波化に有効に作用
する。

以上述べた理由により、本発明に基づく超音波モータの
ステータ部分において、縦共振周波数を捩り共振周波数
に、かなり近づけることが可能である。

（実施例） 以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明す
る。第１図は本発明の実施例を示す図で原理と横成は先
に述べた通りである。捩り振動励振用リング状圧電セラ
ミック素子１１は外径３０ｍｍ１内径２０　ｍ　ｍ　Ｎ
厚さ０．５ｍｍの周方向に分極したセラミック板を積層
して横成されている。各セラミック板の上下面はメタラ
イズされ、間に０．１ｍｍ厚の金属薄板を挾んで、隣接
するセラミック板とうしは極性が互いに逆向きになるよ
うに積層されている。金属薄板は外部で電気的に並列接
続されている。ボルト締めランジュバン型縦駆動素子１
４は、積層圧電セラミ’７り素子２１を、金属ブロック
２２を介して、中空ボルト２３さすｙ）２４．２５で強
固に締めつけた横成となっている。

ロータ１６はステータ端面に、軸を一致させて、厚さ０
．１ｍｍの耐摩耗材を介して置かれている。またロータ
の中央部には、同じく軸を一致させてベアリングが配さ
れている。ロータとステータ間の圧接力は、ボルト１９
、ナツト２０１コイルばね２６、台座２７を用いて印加
される。

尚、積層圧電セラミック素子２１は、積層セラミックプ
ロセス技術を用いて製造され、内部電極としてＰｔが用
いられ、層間隔１００μｍ、外径１８　ｍ　ｍ　１内径
８ｍｍである。本実施例において、金属ブロック１２．
１３．２２及び台座２７にいずれもステンレススチール
を用い、ボルト１９．２３、ナラ）２４．２５に高張力
鋼を用いた。超音波モータの寸法は、全長的４０ｍｍで
ある。

ロータ部分を除いた、縦−捩り複合振動子であるステー
タ部分の縦共振周波数は３１ｋＨｚで、捩り共振周波数
はそれより僅か４ｋＨｚ低い２７ｋＨｚであった。種々
の実験の結果、ステータにロータを圧接すると捩り共振
周波数はそれほど変化しないが、縦共振周波数はロータ
の質量と圧接力に依存し低下することがわかった。本実
施例では、縦と捩りの共振周波数がそれほど離れていな
いことから、ロータの材料として軽量で剛性の高いＡｔ
合金を用いた。このようにロータの質量を軽くすること
により、超音波モータの応答速度が速いという特長を増
長することができる。締付圧を４８ｋｇｆとしたとき本
実施例の超音波モータにおいて、捩り拳縦双方の共振周
波数が２８ｋＨ２で一致した。さらに、捩り圧電セラミ
ック素子に１００Ｖの正弦波、縦圧電セラミック素子に
２０Ｖの正弦波を互いに位相が９０°異なるように印加
して共振駆動を行った結果、無負荷回転速度２５　Ｏｒ
　ｐ　ｍ　％最大トルク８．９ｋｇｆ＠ｃｍを容易に実
現することができた。

（発明の効果） 本発明に従った超音波モータは上述のように、縦−捩り
複合振動子であるステータ自身が、互いに接近した縦と
捩りの共振周波数を有しており、かつ縦と捩りの共振周
波数はロータとステータとの締付圧で完全に一致させる
ことができ、共振駆動が可能である。従って、高効率で
実用性の高い超音波モータが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の超音波モータ横成を示す図。 図において、１１は捩り振動励振用リング状圧電セラミ
ック素子、１２は円筒状金属ブロック、１３は円柱状金
属ブロック、１４はボルト締めランジュバン型縦駆動素
子、１５はステータ、１６はロータ、１７はベアリング
、１８は耐摩耗材、１９はボルト、２０はナツト、２１
は縦振動励振用圧電セラミック素子、２２は金属ブロッ
ク、２３は中空ボルト、２４．２５はナツト、２６はコ
イルばね、２７は台座である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）捩り振動励振用リング状圧電セラミック素子を円筒
   状ブロックと他のブロックで挟んでなる捩り振動体部分
   と、該捩り振動体部分のリング内側に、中心軸を一致さ
   せて配置されたボルト締めランジュバン型縦駆動素子と
   を備えた縦−捩り複合振動体をステータとし、該ステー
   タにロータを圧接して横成したことを特徴とする超音波
   モータ。 ２）特許請求の範囲第１項の超音波モータの駆動方法に
   おいて、ステータとロータの圧接力を調整し、縦と捩り
   の二つの共振周波数を一致させ、共振駆動を行うことを
   特徴とした超音波モータの駆動方法。