JPH0251378A - 超音波モータとその駆動方法 - Google Patents
超音波モータとその駆動方法Info
- Publication number
- JPH0251378A JPH0251378A JP63201616A JP20161688A JPH0251378A JP H0251378 A JPH0251378 A JP H0251378A JP 63201616 A JP63201616 A JP 63201616A JP 20161688 A JP20161688 A JP 20161688A JP H0251378 A JPH0251378 A JP H0251378A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stator
- rotor
- torsional
- longitudinal
- ultrasonic motor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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。
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である。
発生させる超音波モータに関するもである。
（従来の技術）
縦−捩り複合圧電振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、これを回転させる構成の超音
波モータは、例えば煎出による特開昭６１−１２１７７
号公報で開示されている。
端面にロータを圧接して、これを回転させる構成の超音
波モータは、例えば煎出による特開昭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はさみ一体
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に交流電圧を印
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端面に圧接したロータに回転運
動を与えるものである。
素子とを円柱あるいは円筒状超音波振動体ではさみ一体
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に交流電圧を印
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、捩り振動波の位相速度は縦振動波の位相速度
の約６割であるため、上記構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
せることが困難である。従って、上記構成のステータで
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、捩り振動は非
共振駆動となる。
の約６割であるため、上記構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
せることが困難である。従って、上記構成のステータで
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、捩り振動は非
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
力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、上記構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は捩り方向いずれ
か一方の振幅が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不可能である。
力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、上記構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は捩り方向いずれ
か一方の振幅が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不可能である。
上記構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、この場合には共振周波数が異なるために
ステータの端面に規則的に楕円振動を誘起することがで
きないため、ロータを安定して回転させることは不可能
である。
と縦振動励振用圧電素子とに互いに異った周波数の交流
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、この場合には共振周波数が異なるために
ステータの端面に規則的に楕円振動を誘起することがで
きないため、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構成を第１図に示す。捩
り振動圧電セラミック素子１と縦振動励振用圧電セラミ
ック素子２を二つの円柱あるいは円筒状金属ブロック３
と４で挾み、ボルト５を用いて強固に締めつけて、ステ
ータ主要部を構成する。このときステータ主要部分だけ
を考えたとき、縦振動の半波長共振周波数は、矢張り、
捩り振動の半波長共振周波数の約１．６倍となっている
。縦と捩りの共振周波数がこのように大幅に違っていれ
ば、高性能の超音波モータを実現することが著しく困難
になるので、縦と捩りの共振周波数を十分近づけるため
に金属ブロックの下方に、たとえばベアリングあるいは
小さな摩擦係数を有する摺動材１３などを介して、円筒
あるいは円柱状の金属あるいはセラミックスなどの高剛
性材からなるブロックで構成したサブステータ６を設け
る。また、上記ステータの端面（金属ブロック３の端面
）に、耐摩耗材７を介して、ロータ８をベアリング９、
ナツト１０、台座１１、コイルばね１２を用いて圧接し
、超音波モータを構成する。この際、ロータ８、ベアリ
ング９、耐摩耗材７、ナツト１０、ボルト５、サブステ
ータ６及びロータのステータに対する圧接力は超音波モ
ータ全体の縦共振周波数が捩り振動の半波長共振周波数
と一致するように選ぶ。
り振動圧電セラミック素子１と縦振動励振用圧電セラミ
ック素子２を二つの円柱あるいは円筒状金属ブロック３
と４で挾み、ボルト５を用いて強固に締めつけて、ステ
ータ主要部を構成する。このときステータ主要部分だけ
を考えたとき、縦振動の半波長共振周波数は、矢張り、
捩り振動の半波長共振周波数の約１．６倍となっている
。縦と捩りの共振周波数がこのように大幅に違っていれ
ば、高性能の超音波モータを実現することが著しく困難
になるので、縦と捩りの共振周波数を十分近づけるため
に金属ブロックの下方に、たとえばベアリングあるいは
小さな摩擦係数を有する摺動材１３などを介して、円筒
あるいは円柱状の金属あるいはセラミックスなどの高剛
性材からなるブロックで構成したサブステータ６を設け
る。また、上記ステータの端面（金属ブロック３の端面
）に、耐摩耗材７を介して、ロータ８をベアリング９、
ナツト１０、台座１１、コイルばね１２を用いて圧接し
、超音波モータを構成する。この際、ロータ８、ベアリ
ング９、耐摩耗材７、ナツト１０、ボルト５、サブステ
ータ６及びロータのステータに対する圧接力は超音波モ
ータ全体の縦共振周波数が捩り振動の半波長共振周波数
と一致するように選ぶ。
上記構成の超音波モータにおいて、捩り振動励振用圧電
セラミックスと縦振動励振用圧電セラミックスとに独立
に交流電圧を印加し、この周波数を共振周波数とし、か
つ９０°の位相差を与えるとロータは高効率で回転する
。
セラミックスと縦振動励振用圧電セラミックスとに独立
に交流電圧を印加し、この周波数を共振周波数とし、か
つ９０°の位相差を与えるとロータは高効率で回転する
。
（作用）
本発明の超音波モータを構成するステータは、単体では
捩り振動半波長共振周波数と縦振動半波長共振周波数は
異なるが、ベアリングあるいは摺動材を介して、サブス
テータを設け、前記ステータ部分とサブステータ部分を
ボルトで強固に締めつけて一体化することにより、捩り
振動に関する共振周波数は、サブステータ部分を設けて
もほとんど変化しないのに対して、縦共振周波数は大幅
に低下し、捩り共振周波数に近づく。さらにロータを圧
接すると、同様に、捩り共振周波数は殆んど変化しない
のに対して、縦共振周波数はロータの厚さ、質量の関数
となって、さらに低下する。この際、ロータとステータ
との締め付は圧を調整することにより、二つの共振周波
数を高精度で一致させることができる。従って、捩り振
動と縦振動とを同一周波数で共振駆動することができる
。
捩り振動半波長共振周波数と縦振動半波長共振周波数は
異なるが、ベアリングあるいは摺動材を介して、サブス
テータを設け、前記ステータ部分とサブステータ部分を
ボルトで強固に締めつけて一体化することにより、捩り
振動に関する共振周波数は、サブステータ部分を設けて
もほとんど変化しないのに対して、縦共振周波数は大幅
に低下し、捩り共振周波数に近づく。さらにロータを圧
接すると、同様に、捩り共振周波数は殆んど変化しない
のに対して、縦共振周波数はロータの厚さ、質量の関数
となって、さらに低下する。この際、ロータとステータ
との締め付は圧を調整することにより、二つの共振周波
数を高精度で一致させることができる。従って、捩り振
動と縦振動とを同一周波数で共振駆動することができる
。
以上述べた如く、本発明による超音波モータ（大捩り共
振と縦共振とを同一周波数で駆動するものであり、高効
率のモータが実現できる。
振と縦共振とを同一周波数で駆動するものであり、高効
率のモータが実現できる。
（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、本発明の一実施例を示す断面図で、原
理と構成は先に述べた通りである。捩り振動励振用圧電
セラミック素子１は、外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍの円周方向に分極した圧電セラミック板を８
枚積層して構成されている。各セラミック板の表裏面は
メタライズされ、間に金属薄板を挟んで、極性が互いに
逆相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。一方、縦振動励振用圧電セ
ラミック素子２は、厚み方向に分極した圧電セラミック
板（外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を１
２枚積層したもので、構成は上記捩り振動励振用圧電セ
ラミック素子１に準じる。金属ブロック３，４．サブス
テータ６、台座９はすべてスチレンススチールを用いた
。また、静的、あるいは動的に大きな応力の加わるボル
ト５、ナツト１４．１０の部分は、高張力鋼、ロータ部
分８には軽量で剛性の大きなアルミナセラミックスを用
いた。ロータ８は、ベアリング９、台座１１、コイルば
ね１２、ボルト５、ナツト１０を用いて、ステータの金
属ブロック３に圧接されている。１６．１７．１８は、
圧電素子１，２をそれぞれ独立に駆動可能とするために
、挿入された絶縁板でアルミナセラミックス製で板厚は
０．４ｍｍである。７は有機材料でできた耐摩耗材であ
る。１５は皿ばねで、温度変化による圧電素子１，２に
加わるバイアス応力の変化を極力少なくするために設け
られたものである。
する。第１図は、本発明の一実施例を示す断面図で、原
理と構成は先に述べた通りである。捩り振動励振用圧電
セラミック素子１は、外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍの円周方向に分極した圧電セラミック板を８
枚積層して構成されている。各セラミック板の表裏面は
メタライズされ、間に金属薄板を挟んで、極性が互いに
逆相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。一方、縦振動励振用圧電セ
ラミック素子２は、厚み方向に分極した圧電セラミック
板（外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を１
２枚積層したもので、構成は上記捩り振動励振用圧電セ
ラミック素子１に準じる。金属ブロック３，４．サブス
テータ６、台座９はすべてスチレンススチールを用いた
。また、静的、あるいは動的に大きな応力の加わるボル
ト５、ナツト１４．１０の部分は、高張力鋼、ロータ部
分８には軽量で剛性の大きなアルミナセラミックスを用
いた。ロータ８は、ベアリング９、台座１１、コイルば
ね１２、ボルト５、ナツト１０を用いて、ステータの金
属ブロック３に圧接されている。１６．１７．１８は、
圧電素子１，２をそれぞれ独立に駆動可能とするために
、挿入された絶縁板でアルミナセラミックス製で板厚は
０．４ｍｍである。７は有機材料でできた耐摩耗材であ
る。１５は皿ばねで、温度変化による圧電素子１，２に
加わるバイアス応力の変化を極力少なくするために設け
られたものである。
金属ブロック３から金属ブロック４までのステータ本体
の長さは３６ｍｍであり、ステータ本体をボルト締めし
たときの捩りの共振周波数は２６．７ｋＨｚ縦の共振周
波数は３８．３ｋＨｚであった。さらに、ベアリング１
３を介してサブステータ６を付加して、皿ばね１５とと
もに圧電素子１，２に１２０ｋｇ／ｃｍ２の圧縮バイア
ス応力が加わるようにボルト５、ナツト１４で締めつけ
た結果、捩りの共振周波数の変化は２００Ｈｚ程度であ
ったのに対して、縦振動の共振周波数は２８ｋＨｚとな
った。次に、厚み３ｍｍのロータ８を耐摩耗材７を介し
て、ステータにコイルばね１２等を用いて圧接し、ステ
ータとロータ間の圧接力を種々変えることにより、縦共
振周波数と捩り共振周波数を完全に一致させることを試
みた。その結果、圧接力を大きくすると縦共振周波数は
上昇することがわかり、圧接力４５ｋｇｆで二つの共振
周波数は２６．２ｋＨｚで一致させることができた。
の長さは３６ｍｍであり、ステータ本体をボルト締めし
たときの捩りの共振周波数は２６．７ｋＨｚ縦の共振周
波数は３８．３ｋＨｚであった。さらに、ベアリング１
３を介してサブステータ６を付加して、皿ばね１５とと
もに圧電素子１，２に１２０ｋｇ／ｃｍ２の圧縮バイア
ス応力が加わるようにボルト５、ナツト１４で締めつけ
た結果、捩りの共振周波数の変化は２００Ｈｚ程度であ
ったのに対して、縦振動の共振周波数は２８ｋＨｚとな
った。次に、厚み３ｍｍのロータ８を耐摩耗材７を介し
て、ステータにコイルばね１２等を用いて圧接し、ステ
ータとロータ間の圧接力を種々変えることにより、縦共
振周波数と捩り共振周波数を完全に一致させることを試
みた。その結果、圧接力を大きくすると縦共振周波数は
上昇することがわかり、圧接力４５ｋｇｆで二つの共振
周波数は２６．２ｋＨｚで一致させることができた。
さらに、ロータの厚さを種々変えて、同一電力でモータ
の駆動力を測定したが、ロータの厚みが厚くなるほど逆
にトルク及び回転速度とも減少した。即ち、本構成の超
音波モータでは、ロータの厚みは、ロータの剛性さえ保
つことができれば、薄くするほど高効率のモータが得ら
れると言える。これは、ロータが薄いほど、ステータと
ロータの界面が縦振動の自由端に近くなり、大きな振幅
が確保されるからである。
の駆動力を測定したが、ロータの厚みが厚くなるほど逆
にトルク及び回転速度とも減少した。即ち、本構成の超
音波モータでは、ロータの厚みは、ロータの剛性さえ保
つことができれば、薄くするほど高効率のモータが得ら
れると言える。これは、ロータが薄いほど、ステータと
ロータの界面が縦振動の自由端に近くなり、大きな振幅
が確保されるからである。
第２図は、本実施例のモータの特性を示す図である。捩
り振動及び縦振動励振用圧電セラミック素子には、位相
が９０°異なる周波数２６．２ｋＨｚ、電圧１００Ｖの
正弦波が印加された。その結果、無負荷回転速度２８Ｏ
ｒｐｍ、最大トルク４．Ｏｋｇｆ−ｃｍという従来にな
い高性能を実現できた。
り振動及び縦振動励振用圧電セラミック素子には、位相
が９０°異なる周波数２６．２ｋＨｚ、電圧１００Ｖの
正弦波が印加された。その結果、無負荷回転速度２８Ｏ
ｒｐｍ、最大トルク４．Ｏｋｇｆ−ｃｍという従来にな
い高性能を実現できた。
（発明の効果）
本発明は上述のように、ステータ本体のみではなく、サ
ブステータを含めたモータ全体で共振周波数が決まる縦
共振と捩り共振を利用したものであり、かつ縦振動の共
振周波数のみロータとステータとの圧接力で変化する構
成となっているため、容易に二つの共振周波数を一致さ
せることができる。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。
ブステータを含めたモータ全体で共振周波数が決まる縦
共振と捩り共振を利用したものであり、かつ縦振動の共
振周波数のみロータとステータとの圧接力で変化する構
成となっているため、容易に二つの共振周波数を一致さ
せることができる。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。
第１図は、本発明のモータの構成を示す図。第２図は、
本発明に従った実施例モータの特性を示す図。 図中、１は捩り振動励振用圧電セラミック素子、２は縦
振動励振用圧電セラミック素子、３，４は金属ブロック
、５はボルト６はサブステータ、７は耐摩耗材、８はロ
ータ、９，１３はベアリング、１０．１４はナツト、１
１は台座、１２はコイルばね、１５は皿ばね、１６．１
７．１８は絶縁板である。
本発明に従った実施例モータの特性を示す図。 図中、１は捩り振動励振用圧電セラミック素子、２は縦
振動励振用圧電セラミック素子、３，４は金属ブロック
、５はボルト６はサブステータ、７は耐摩耗材、８はロ
ータ、９，１３はベアリング、１０．１４はナツト、１
１は台座、１２はコイルばね、１５は皿ばね、１６．１
７．１８は絶縁板である。
Claims (2)
- １．縦−捩り複合圧電振振動子をステータとし、これ
にロータを圧接して構成する超音波モータにおいて、ス
テータ本体を構成する縦−捩り複合振動子の片端面に、
所定の摺動部を介してサブステータを設けたことを特徴
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、サブステータを設けることにより捩りと縦の
２つの共振周波数を近づけ、さらにステータにロータを
圧接し、かつ圧接力を調整し、２つの共振周波数を一致
させることを特徴とした超音波モータの駆動方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63201616A JP2615892B2 (ja) | 1988-08-11 | 1988-08-11 | 超音波モータとその駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63201616A JP2615892B2 (ja) | 1988-08-11 | 1988-08-11 | 超音波モータとその駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0251378A true JPH0251378A (ja) | 1990-02-21 |
| JP2615892B2 JP2615892B2 (ja) | 1997-06-04 |
Family
ID=16444014
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63201616A Expired - Lifetime JP2615892B2 (ja) | 1988-08-11 | 1988-08-11 | 超音波モータとその駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2615892B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5107162A (en) * | 1990-02-28 | 1992-04-21 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Ultrasonic motor using rectangular wave |
-
1988
- 1988-08-11 JP JP63201616A patent/JP2615892B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5107162A (en) * | 1990-02-28 | 1992-04-21 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Ultrasonic motor using rectangular wave |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2615892B2 (ja) | 1997-06-04 |
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