JPH0340775A - 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（般する屈曲進
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型
モータと比べて低速で高トルクであるとイウ特徴を有し
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屈曲振動を利用
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０．１〜０．２ｋｇｆ
−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
廻りの何れか一方となり、回転方向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６３−
１４９７２６号、及び昭和６３年日本音響学会秋期研究
発表会講演論文集Ｎｏ、２−４−１０．　ｐｐ。

８２１−８２２　（１９８８年１０月）等において開示
した縦・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。

第３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施されている。

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。１３
は支持板であり、実際にモータを駆動するときには支持
板でモータを固定する。これらの圧電素子１１．１２及
び支持板１３は、Ａ１合金からできたヘッドマス１４、
リアマス１５、ボルト１６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
、２０はロータ１７をステータに圧接させる働きをする
バネ、１９は台座、２２はシャフト、２１はナツトであ
る。このナツト２１によりバネの圧接力を加減すること
が出来る。また、１８はベアリングである。この超音波
モータの動作原理を第４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
に伝達される。

この超音波モータは、ステータとロータの界面に縦と捩
り振動で脅威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
調整することにより二弱電界時において辛うじて縦振動
と捩り振動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） この縦振動と捩り振動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ｒｌ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、捩り振動の共振周波数
ｆｌ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、縦振
動の共振周波数ｒＬ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ｆ、＞ｆＬであ
る。従って、’ｒ＝ｆｔ、を実現しようとすれば、まず
ロータを軽くする必要があり、そのためにはロータの高
さを小さくせざるを得ないが、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。あるいは、圧接力を極端に大きくすることが必要で
あるが、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
リングの損傷や寿命の短命化につながり、極めて危険で
ある。したがって、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、ｒｌがｆ、よ
り高い状態であり、得られる効率はせいぜい２５％〜４
０％程度である。

（課題を解決するための手段） 本発明は、縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子を２個の
ブロックで挾んだ縦−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する構成の超音波モータにおい
て、捩り振動圧電セラミック素子の外径を縦振動用圧電
セラミック素子の外径より小さく、あるいは捩り振動圧
電セラミック素子の内径を縦振動用圧電セラミック素子
の内径より大きくした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、夕とする超音
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
めるためになされたものである。このため、本発明では
、捩り振動圧電セラミック素子の外径を縦振動用圧電セ
ラミック素子の外径より小さい、あるいは捩り振動圧電
セラミック素子の内径を縦振動用圧電セラミック素子の
内径より大きい寸法形状の構成にすることによって、縦
振動と捩り振動の共振周波数を一致させている。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５図（ａ）、（ｂ）に示す。縦振動
と捩り振動の振動変位分布が異なっているが、この理由
は、縦弾性波の位相速度が捩り弾性波の位相速度の１．
６倍はど大きいこ、と、縦振動の特性機械イ捩り振動の
特性機械インピーダンス２゜Ｔは、同じく中空円筒に関
して ｚＯＴ＝ＰｃＴＪｐ＝（ｎ／３２）端部（Ｄｏ−Ｄｘ）
　　　（２）で与えられ、ｚｏＬは直径の２次関数、ｚ
ＯＴは直径の４次関数となっていることによる。ここで
（１）式、（２）式において ｐ　：　密度 Ｃ１・　縦弾性波の位相速度 ζ・　捩り弾性波の位相速度 Ａ・　中空円筒の断面積 Ｅ　・　縦弾性率 Ｇ・　ずれ弾性率 り。・　外径 ＤＩ・　内径 Ｊ、・　中空円筒の断面極２次モーメントである。第５
図（ａ）、（ｂ）の縦振動と捩り振動の振動モードを詳
細に見ると、縦及び捩り振動用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
、本発明の原理は縦及び捩り振動用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Ｚ。Ｌｌｚゆを
変えてやることにより、振動モードに変化を与え、縦振
動と捩り振動の共振周波数を一致させることにある。

本発明では、特に縦及び捩り振動用圧電セラミック素子
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５図に示す従来の縦−捩り複合振動子をステータとす
る超音波モータの振動変位分布の縦振動用圧電セラミッ
ク素子部分に注目すると、縦振動用圧電セラミック素子
部分において、縦振動に関しては振動節部の位置にあり
スチフネスとして動作しており、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
おいて、捩り振動の共振周波数ｆｌは縦振動の共振周波
数ｆＬより高い。しかしながら、本発明に基づく超音波
モータでは、捩り振動用圧電セラミック素子の外径を縦
振動用圧電セラミック素子の外径より小さく、あるいは
捩り振動用圧電セラミック素子の内径を縦振動用圧電セ
ラミック素子の内径より大きくすることによって、縦振
動用圧電セラミック素子は、縦振動に対して大きなスチ
フネスを実現し、捩り振動用圧電セラミック素子は、捩
り振動に対して小さなスチフネスを実現している。した
がって、本発明の超音波モータでは、縦の共振周波数ｆ
Ｌはそれほど替わらない反面、捩りの共振周波数ｆｌを
従来の超音波モータに比べて大幅に低下させることがで
きる。

わけであるから、ハイパワー駆動時において、’ｒ＝’
ｔ、を実現することが可能となる。

（実施例） 本発明の実施例の側断面図を第１図及び第２図に示す。

以下、図面にしたがって説明する。第１図の実施例に示
した超音波モータの全長は７０ｍｍ、リアマス１５の直
径は２０ｍｍである。Ａ１合金製のヘッドマス１４は外
径１５ｍｍ１高さ１１ｍｍ、１１は外径２０ｍｍ、内径
９ｍｍの縦振動励振用ＰＺＴ系圧電セラミック素子で、
１２は同じく外径１７ｍｍ、内径９ｍｍの捩り振動励振
用ＰＺＴ系圧電セラミック素子、１５はステンレス鋼製
リアマスである。ヘッドマス１４からリアマス１５の間
にある部材はステンレス鋼性ボルト１６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。

１７はステンレス鋼製ロータで高さは８ｍｍ、１８はベ
アリング、１９はステンレス鋼製台座、２２はステンレ
ス鋼製シャフト、２０はバネ、２１はナツトで、シャフ
ト２２、バネ２０、ナツト２１はロータ１７をステータ
１０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。縦振動励振用圧電素子１１と捩り
振動励振用圧電素子１２に交流電圧を印加し、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
、縦振動と捩り振動の共振周波数を一致させた場合、ス
テータ１０とロータ１７の界面において、縦振動と捩り
振動の振幅が合成された強力な楕円振動を引き起こすこ
とができる。このように縦及び捩り振動用圧電セラミッ
ク素子の外径を変えた構成により、捩り振動に関しては
捩り圧電素子１２が、小さなスチフネスとして作用する
ため共振周波数を著しく低下させる働きがあり、その結
果、３２．１ｋＨｚで縦振動と捩り振動の共振周波数が
一致した。次に、駆動電圧をそのままにして、圧電素子
１１と１２に印加する電圧の位相差を７０度で駆動する
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６図に示す
。この超音波モータの緒特性は無負荷時回転数５６Ｏｒ
、　ｐ、　ｍ、、最大トルク５．３ｋｇｆ−ｃｍ、最大
効率６５％である。第３図に示す縦及び捩り振動用圧電
セラミック素子の外径及び内径が等しい従来の超音波モ
ータにおいて、ロータとステータ間の圧接力を５０ｋｇ
ｆ一定とし、縦及び捩り圧電セラミック素子の駆動電圧
とともに８０■　　として、ハイパワーの励振をｍｓ 行ったとき縦振動の共振周波数は３２．２ｋＨｚ、捩り
振動の共振周波数は３１．１ｋＨｚであった。

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６図に示したもの
とほぼ同じであった。

第２図に示す本発明の超音波モータは、捩り振動用圧電
セラミ゛ツク素子と縦振動用圧電セラミック素子の外径
を等しくし、捩り振動用圧電セラミック素子の内径を縦
振動用圧電セラミック素子の内径より大きくしたもので
あり、縦振動用圧電セラミック素子の外径は２０ｍｍ、
内径は９ｍｍ、捩り振動用圧電セラミック素子の外径は
２０ｍｍ、内径は１４ｍｍとすると、第１図で示す本発
明の超音波モータと同等の性能が得られた。

（発明の効果） 以上詳述した如く９、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、縦振動と捩り振動の共振周
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。したがって、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図及び第２図は本発明の超音波モータの実施例を示
す側断面図、第３図は従来型超音波モータの基本構成側
断面図、第４図は超音波モータの動作原理図、第５図（
ａ）、（ｂ）は従来型超音波モータの変位分布図、第６
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、１０・・・ステータ、１１・・・縦振動駆
動用圧電セラミック素子、１２・・・捩り振動駆動用圧
電セラミック素子、１３・・・支持板、１４・・・ヘッ
ドマス、１５・・・リアマス、１６・・・ボルト、１７
・・・ロータ、１８・・・ベアリング、１９・・・台座
、２０・・・コイルバネ、２１・・・ナツト、２２・・
・シャフト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子を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
   ロータを圧接する構成の超音波モータにおいて、捩り振
   動圧電セラミック素子の外径を縦振動用圧電セラミック
   素子の外径より小さく、あるいは捩り振動圧電セラミッ
   ク素子の内径を縦振動用圧電セラミック素子の内径より
   大きくしたことを特徴とする超音波モータ。