JPH03178576A - 超音波モータ - 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、回転トルクの発生源として、縦・捩り複合振
動子をステータとしステータ上に圧接されたロータを摩
擦力を介して回転させる超音波モータの改良に関する。

（従来の技術） 超音波モータとは、超音波楕円振動をする振動体である
ステータに圧接されたロータが摩擦力を介して受ける回
転トルクを利用したモータである。

円環あるいは円板の円周方向に沿って伝搬するたわみ進
行波を利用した超音波モータが特開昭５８−１４８６８
２号公報により開示されて以来、超音波モータは電磁形
モータと比べて低速で高トルクであるという特徴を有し
ていることから、盛んに研究開発が行われるようになっ
た。しかしながら、この超音波モータはたわみ振動を利
用しているため、小径にすると高トルクを得ることが難
しいという欠点がある。例えば、直径２ｃｍの進行波型
超音波モータのトルクは、たかだかｏ、ｉ〜０．２ｋｇ
ｆ−ｃｍに過ぎない。

これに対し、特開昭６１−５２１６３号公報に開示され
ている定在波型超音波モータは、ロータとステータの界
面に効率よく強力な楕円振動の発生を可能とした。しか
しながら、これとて圧電縦振動を用いて捩り振動を励振
するものでモード変換を要するため構成条件に制約があ
り、振動子の形状、サイズが限定され、しかも発生する
楕円振動の回転の向きは構成条件によって、右廻り、左
廻りの何れかとなり、回転の向きを自由に変えられない
と言う欠点があった。

回転方向を自由に変えられ、しかも小径で高トルクを有
するモータの出現が望まれていたが、このような機能を
有する超音波モータとして本発明者らは、特願昭６２−
１４９７２６号公報、及び昭和６３年日本音響学会秋期
研究発表会講演論文Ｎｏ、　２−４−１０、ｐｐ、　８
２１−８２２（１９８８年１０月）にかけて開示されて
いる縦・捩り複合振動子をステータとする超音波モータ
を提案した。この超音波モータの構成を第１図に示した
本発明の超音波モータと同等であるが、ヘッドマス部１
４が通常の固溶体Ａ１合金から戒っている。図に於て、
１１は縦振動を励振させる圧電セラミック素子で、板厚
方向に分極処理が威されている。１２は捩り振動を励振
させる圧電セラミック素子で板面に平行で且つ円周方向
に分極処理が施されている。１５リアマス、１３は支持
板であり、これらと圧電素子１１．１２はＡ１合金から
できたヘッドマス１４、ボルト１６、ナツト１７により
強固に締め付けられ、超音波楕円振動子であるステータ
１０を構成する。また、２１はロータ１８をステータに
圧接させる働きをするバネ、２０は台座、２３はシャフ
ト、２２はナツトである。ナツト２２によりバネの圧接
力を加減することが出来る。また２４は耐摩耗材、１９
はベアリングである。この超音波モータの動作原理を第
２図に示す。縦振動は、言わばクラッチの働きをしてお
り、一方向の捩り変位のみロータに伝達させる。

この超音波モータは、ステータとロータの界面に縦と捩
り振動で合成された楕円振動を効率よく強勢に励振させ
るために、縦と捩り振動を同時に共振駆動させることを
目的として提案されたものである。共振駆動を行うため
には、縦と捩りの共振周波数を一致させる必要がある。

第１図に示した超音波モータにおいて、ステータ上に適
当な太さのシャフトを立て、ロータとステータの圧接力
を調整することで弱電界時において縦と捩りの共振周波
数を一致させることができた。

（発明が解決しようとする課題） この縦と捩りの共振周波数の一致は、弱電界時の一致で
あり、実際にモータを強電界で駆動する際には、捩りの
共振周波数ｒＴが縦の共振周波数ｆＬより高くなってし
まい、実際の駆動状態である強電界時において共振周波
数を一致させることは困難であった。第１図に示した構
成の超音波モータでは、捩りの共振周波数ｆＴは、ステ
ータ部分の長さでほぼ決定されてしまい、圧接力にそれ
ほど影響されることはない。しかし、縦の共振周波数ｆ
Ｌは、ロータの質量、ロータとステータの圧接力に依存
し、ロータの質量が軽く、前記圧接力が大きいほど捩り
の共振周波数に近づく。即ち、第１図に示した構成の超
音波モータでは、一般にｆＴ＞　ｆＨである。

従って、ｆＴ＝ｆＩ、を実現しようとするためにロータ
を軽くすることは、ロータの高さを小さくすることにな
り、このような形状のロータでは剛性が小さくなり、大
きなトルクの発生は困雉となる。次に、圧接力を極端に
大きくすることが必要である。圧接力をきわめて大きな
状態にすることは、必然的にベアリングに過大な応力を
与える事になり、ベアリングの損傷、はたまたベアリン
グの寿命の短命化につながり、極めて危険である。従っ
て、従来の第１図に示した超音波モータでは、実際のハ
イパワー駆動時において、ｆＴがｆ’ｌより高くなって
しまい、得られる効率はせいぜい２５％〜４０％程度で
あった。

（課題を解決するための手段） 本発明は縦振動駆動用圧電素子と捩り振動駆動用圧電素
子を２個のブロックで挟んだ縦−捩り複合振動子をステ
ータとし、該ステータにロータを圧接させた構成の超音
波モータにおいて、ロータ側に配置されている該金属ブ
ロックとして超音波モータの長手方向と針状繊維の配合
方向が同一方向である繊維強化合金が使用されているこ
とを特徴とする超音波モータである。

（作用） 本発明は、縦・捩り複合振動子をステータとする超音波
モータに於て、縦と捩りの共振周波数を実際のハイパワ
ー駆動時において一致させ、モータの効率を高めるため
になされたものである。このため、本発明では、ステー
タ部分のうち特にヘッドマス部分に使用する材料を最適
化することにより、縦と捩りの共振を一致させるもので
ある。以下に詳細に説明する。

従来の第１図に示す超音波モータの高電界駆動時におけ
る振動変位分布を第３図（ａ）、（ｂ）に示す。縦と捩
りの振動変位分布が異なっているが、この理由は、縦の
位相速度が捩りの位相速度の１．６倍はど大きいこと、
縦の特性機械インピーダンスＺＯＬが、中空円筒に関し
て ＺＯＬ＝ｐｃＬＡ　＝（ｎ　／　４）４示り。”−ＤＩ
２）　　　　（１）捩りの特性機械インピーダンスｚｏ
Ｔは、同じく中空円筒に関して ＺｏＴ＝ｐｃＴＪｐ＝（ｎ／３２）６斤（Ｄｏ’−ｐ工
４）　　　（２）で与えられ、ＺＯＬは直径の２乗、ｚ
ｏＴは直径４乗の関数となっていることによる。ただし
、（１）式、（２）式において ｐ　；密度 ｃＬ：縦弾性波の位相速度 ｃＴ；捩り弾性波の位相速度 Ａ　・中空円筒の断面積 Ｄｏ；外径 り工：内径 ＪＰ；断面極２次モーメント である。第３図（ａ）、（ｂ）の縦と捩りの振動モード
を詳細に見ると、ヘッドマス部分と捩りの圧電セラミッ
ク素子部分において振幅が大きく異なっていることが分
かる。即ち、本発明の原理はヘッドマス部分あるいは捩
り圧電セラミック素子部分において、特性機械インピー
ダンスＺＯＬ、ｚｏ’ｒを変えてやることにより、振動
モードに変化を与え、縦と捩りの共振周波数を一致させ
ることにある。

本発明では、特にヘッドマス部分の特性機械インピーダ
ンスを最適化することにより、ハイパワー駆動時におけ
る縦と捩りの共振周波数を一致させている。

第１図の従来の縦・捩り複合振動子をステータとする超
音波モータのへラドマス部分の振動変位分布に関して、
ヘッドマスの縦圧電セラミック素子に近い部分に於て、
縦振動に関しては、振動節部に近い位置にあり、スチフ
ネスとして動作している。また、捩り振動に関しては、
振動腹部となり慣性質量として動作している。この状態
に於て、捩り共振周波数ｆＴは縦の共振周波数ｒＬより
高い。本発明に基づく超音波モータではｆＴ＝ｆＬを実
現させるために縦振動に対して、より大きなスチフネス
を実現し、捩り振動に関しては、より大きな慣性質量を
実現するために、ヘッドマス部を機械的性質が異方性を
有する繊維を配合した繊維強化合金で構成している。即
ち、縦振動に対するヤング率が捩り振動に対するヤング
率より高くなるように繊維強化合金を配置する。従って
、本発明に基づく超音波モータでは、ヘッドマス部に機
独的性質が異方性を有する繊維強化合金を使用すること
によって縦振動に対する特性機械インピーダンスＺＯＬ
を低下させ、縦振動の共振周波数を増加させることが出
来る。一方、捩り振動に対する特性機械インピーダンス
２゜Ｔは機械的性質が等方性を有する合金を使用した場
合と同等であり、捩り振動の共振周波数は殆ど変化しな
い。この結果、ハイパワー駆動時において、ｆＴ＝ｒＬ
を実現することが可能になる。

（実施例） 以下、本発明に基づく超音波モータの実施例を図面に従
って説明する。第１図の実施例に示した超音波モータの
全長は７０ｍｍ、直径は２０ｍｍである。

ヘッドマス１４はＡｌ２Ｏ３のウィスカーを含有したＡ
１合金製で、その高さは１１ｍｍである。１１は縦振動
励振用ジルコン・チタン酸鉛系圧電セラミック素子で、
１２は捩り振動励振用ジルコン・チタン酸鉛系圧電セラ
ミック素子、１３は支持板でステンレス鋼製、１５はリ
アマスで黄銅製である。ヘッドマス１４からリアマス１
５まではボルト１６とナツト１７により強固に締め付け
られ、縦、捩り複合振動子であるステータ１０を構成す
る。

１８はステンレス鋼製ロータで高さは８ｍｍ、１９はベ
アリング、２０は台座で同じくステンレス鋼製、２３は
シャツｌ−１２１はバネ、２２はナツトで、シャフト２
３、バネ２１．ナツト２２はロータ１８をステータに圧
接する力を供給する。ロータとステータ間の圧接力はナ
ツトの回転角を調節することにより微妙に変えることが
可能である。また、２４はエンジニアリング・プラステ
ィックでできた耐摩耗材で、この場合、ロータ１８に接
着されている。縦圧電素゛子１１と捩り圧電素子１２に
電圧を印加し、電圧の位相差を適当に調節し、また、ハ
イパワー励振時において、縦と捩りの共振周波数を一致
させた場合、ステータとロータの界面において、縦と捩
りの振幅で合成された強力な楕円振動を引き起こすこと
ができる。

ヘッドマス１４は、縦振動に対しては高ヤング率のとし
て働くために縦振動の共振周波数の変化には大きく寄与
する。しかし、捩り振動に対しては、等方性材料とほぼ
同等のヤング率となり、捩り振動の共振周波数は殆ど変
化しない。本実施例の超音波モータでは３２．１ｋＨｚ
で縦振動と捩り振動の共振周波数を一致させることが出
来た。次に、駆動電圧をそのままにして、縦と捩りの印
加電圧の位相差を７０度駆動すると、時計廻り方向に回
転した。その時の回転数−トルク特性の測定結果を第４
図に示す。

この超音波モータの緒特性は無負荷時回転数５２Ｏｒ。

ｐ、ｍ、、最大トルク５．１ｋｇｆ−ｃｍ、最大効率６
３％である。

その他、本実施例に示した超音波モータは、駆動電圧の
位相差を２５０度とすることにより、反時計方向の反転
することが確認され、その特性は、第４図に示したもの
とほぼ同じであった。

（発明の効果） 以上詳述した如く、本発明に従った構成の超音波モータ
は高電界駆動時において、縦と捩りの共振周波数を一致
させることができ、僅かな消費電力でステータとロータ
の界面に大振幅の楕円振動を発生させることができ、高
効率、高トルクの超音波モータを実現することが出来る
。従って、本発明に基づく超音波モータ技術的有用性は
大きく、応用技術、派生技術の広い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの断面図、第２図は超音
波モータの動作原理図、第３図（ａ）、（ｂ）は超音波
モータの変位分布図、第４図は本発明の超音波モータの
実施例の特性図である。 図において、ＩＯはステータ部、１１は縦振動駆動用圧
電セラミック素子、１２は捩り振動駆動用圧電セラミッ
ク素子、１３は支持板、１４はへラドマス、１５はリア
マス、１６はボルト、１７はナツト、１８はロータ、１
９はベアリング、２０は台座、２１はバネ、２２はナツ
ト、２３はボルト、２４は耐摩耗材を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　縦振動駆動用圧電素子と捩り振動駆動用圧電素子を２
   個のブロックで挟んだ縦−捩り複合振動子をステータと
   し、該ステータにロータを圧接させた構成の超音波モー
   タにおいて、ロータ側に配置されている該金属ブロック
   として超音波モータの長手方向と針状繊維の配合方向が
   同一方向である繊維強化合金が使用されていることを特
   徴とする超音波モータ。