JPH0340771A

JPH0340771A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH0340771A
Application number: JP1176511A
Authority: JP
Inventors: Tadayasu Uchikawa; 内川　忠保; Osamu Onishi; 修大西; Osamu Myoga; 修冥加; Takeshi Inoue; 武志井上
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-07-06
Filing date: 1989-07-06
Publication date: 1991-02-21

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（般するたわみ
進行波を利用した超音波モータが開閉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型
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０．１〜０．２ｋｇ
ｆ−ａｍに過ぎない。

これに対し、開閉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
りの何れがとなり、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、しが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６３−
１４９７２６号明細書、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、８２
１，８２２（１９８８年ｉｏ月）及び日刊工業新聞社刊
行の雑誌「トリガーＪ　１９８９年１月号の５０頁がら
５１頁にが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３図に示す。図に於て、３１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。３２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。３３はＡ１合金がらできた金属ブロック（
以降これをヘッドマスとよぶ）、３４はリアマス、３５
は支持板で、これらと圧電素子３１．３２はボルト３６
、ナツト３７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３８を構成する。また、３９はロー
タ４０をステータ３８に圧接させる働きをするバネ、４
１は台座、４２はシャフト、４３はナツトである。ナツ
ト４３によりバネの圧接力を加減することが出来る。ま
た４４は耐磨耗材、４５はベアリングである。

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３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辛うじて縦と捩りの
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点）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ｆ７．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３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
ｆＬ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３図に示した構成の
超音波モータでは、一般にｆＴ＞ｆＬである。

従って、ｆＴ：　ｒＬを実現しようとすれば、ロータの
高さを低くして軽くすることになるが、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
困難となる。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３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、ｒＴがｆｌ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。

本発明の目的は、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完全に一致させ、モータの効率
を高めることにある。

（課題を解決するための手段）本発明では、ステータ部分のうち特にヘッドマス部分に
使用する材料を少なくとも２種類以上の密度の異なる材
料を用いて最適化することにより、縦と捩りの共振を一
致させている。以下に詳細に説明する。

従来の第３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４図に示す。（ａ）図は模式的なモ
ータ構成図を示し、（ｂ）図はモータの縦方向（モータ
軸方向）の振動変位分布、（ｃ）図はモータの捩り方向
（円周方向）の振動分布を示す。第４図において縦と捩
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Ｚ□Ｌ＝ｐＣ４，Ａ＝（ｎ／４）ｐｃＬ（Ｄ０２−ＤＩ
２）　　　（１）捩りの特性機械インピーダンスｚｏＴ
は、同じく中空円筒に関してＺｏＴ＝ｐＣＴＪ、＝（ｎ／３２）ｐｃＴ（Ｄｏ’−Ｄ
Ｉ’）　　（２）で与えられ、ＺＯＬは直径の２乗、Ｚ
ｏＴは直径の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ＤＩ；　　内径ＪＰ：　　断面極２次モーメントである。第４図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
発明の原理はへラ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４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は、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ｆＩ、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、ヘッドマスを少なくとも二つ以上の
要素で構威している。即ち、ロータ部分に接触するヘッ
ドマス先端部はＡ１合金、Ｔｉ合金といった軽量で剛性
の大きな材料で構威し、圧電素子との接合側すなわちヘ
ッドマス底部は密度と弾性率の大きなステンレススチー
ル、超硬合金などでできている。このヘッドマスはボル
ト、ナツトにより強固に圧接され、一体となって振動す
る。従って、本発明に基づく超音波モータでは、ヘッド
マス部分の改良により捩りの共振周波数ｆＴを低下させ
、縦の共振周波数ｆｌを上昇させることが出来るわけで
あるから、ハイパワー駆動時において、ｆＴ　＝＝　ｆ
Ｌを実現することが可能である。

（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図は本発明の実施例に示す超音波モ
ータの断面図である。第１図において、超音波モータの
全長は７０ｍｍであり、ヘッドマス１はＡ１合金、ヘッ
ドマス２はそれより高密度材料のステンレススチールで
あり、これらは、溶着、接着、打ち込みなどの手段で接
合一体化され、また鍔２５のついたステンレス鋼製ボル
ト１２に溶着により一体化されている。ヘッドマス全体
の高さは１１ｍｍで、このうちへラドマス２の高さは４
ｍｍ。

ヘッドマス１の高さは７ｍｍでともに外形は２０ｍｍで
ある。１３は縦振動励振用ＰＺＴ系圧電セラミック素子
で、１４は捩り振動励振用ＰＺＴ系圧電セラミック素子
、１５は支持板でステンレス鋼製、１６はリアマスで黄
銅製である。ヘッドマスからリアマス１６まではボルト
１２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１８を構成する。

１９はステンレス鋼製ロータで高さは８ｍｍ、２０はベ
アリング、２１は台座で同じくステンレス鋼製、２２は
バネ、２３はナツトで、バネ２２、ナツト２３はロータ
１９をステータ１８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、２
４はエンジニアリング・プラスティックでできた耐磨耗
材で、この場合、ロータ１９に接着されている。縦圧電
素子１３と捩り圧電素子１４に電圧を印加し、電圧の位
相差を適当に調整し、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強力
な楕円振動を引き起こすことができる。ヘッドマス２ｂ
は、縦振動に対してはスチフネスをそれほど持たないた
めに、縦振動の共振周波数の変化には寄与しないが、捩
り振動に関しては、大きな慣性質量として作用するため
捩り振動の共振周波数を著しく低下させる働きがある。

実施例の第１図に示した状態の寸法形状を有する超音波
モータにおいて、ロータとステータ間の圧接力を５０ｋ
ｇｆ一定とし、縦及び捩り圧電セラミック素子の駆動電
圧をともに８０Ｖｒｍｓとして、ハイパワーの励振を行
ったとき縦の共振周波数３１．６ｋＨｚ、捩りの共振周
波数３１．１ｋＨｚであった。

そこで、ヘッドマス２の高さを変えて底部の質量を落と
すことで、周波数調整を行ったところ、３１．５ｋＨｚ
で縦と捩りの共振周波数が一致した。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２図に示す。この超音波モ
ータの詣特性は無負荷時回転数５２Ｏｒ、ｐ、ｍ、、最
大トルク５．１ｋｇｆ”ａｍ、最大効率６３％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２図に示したのも
とほぼ同じであった。

尚、本発明の実施例ではへラドマスにＡＩとステンレス
スチールの２種類の材料を用いているが、他にＡＩ、ス
テンレス、Ｗといった３種類の材料を用いても共振の一
致化が可能であり、モータ高出力の同様の効果が得られ
る。

（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完全
に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
用性は計り知れないほど大きく、応用技術、派生技術の
広さも予測しきれないものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である超音波モータの断面図
、第２図は本発明の超音波モータの回転数、トルク特性
図、第３図は従来の超音波モータの断面図、第４図は従
来の超音波モータの振動変位分布を説明するための図で
ある。図中各記号はそれぞれ次の内容を示す。１２．３３・・・ヘッドマス、１２．３６・・・ボルト
、１３．３１・・・縦振動用圧電セラミック素子、１４
．３２・・・捩り振動用圧電セラミック素子、１５．３
５・・・支持板、１６．３７・・・リアマス、１７．２
３．３７．４３・・・ナツト、１８．３８・・・ステー
タ、１９．４０・・・ロータ、２０．４５・・・ベアリ
ング、２１．４１・・・台座、２２．３９・・・バネ、
２４．４４・・・耐磨耗材、２５・・・鍔

Claims

【特許請求の範囲】

縦、捩り複合圧電振動子をステータとして超音波振動を
励起させ、前記ステータに圧接されたロータを回転させ
る超音波モータにおいて、前記ステータのロータ接触側
に少なくとも２種類以上の密度の異なる材料を接合した
ブロックを設け、そのブロックのロータ接触側に低密度
材料を配置し、圧電振動子との接合側に高密度材料を配
置したことを特徴とする超音波モータ。