JPH0564553B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0564553B2 JPH0564553B2 JP59172432A JP17243284A JPH0564553B2 JP H0564553 B2 JPH0564553 B2 JP H0564553B2 JP 59172432 A JP59172432 A JP 59172432A JP 17243284 A JP17243284 A JP 17243284A JP H0564553 B2 JPH0564553 B2 JP H0564553B2
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- JP
- Japan
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- rotor
- piezoelectric
- cantilever beam
- cantilever
- vibration
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-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/103—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
- H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
- H02N2/0045—Driving devices, e.g. vibrators using longitudinal or radial modes combined with torsion or shear modes
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野および発明の目的〕
本発明は、圧電モータことに片持梁状捻り超音
波振動子を用いた圧電モータにおいて、電気入力
に対して大きな回転トルクが出力でき、同時に回
転角の精密制御が可能な圧電モータを提供するこ
とを目的とする。
波振動子を用いた圧電モータにおいて、電気入力
に対して大きな回転トルクが出力でき、同時に回
転角の精密制御が可能な圧電モータを提供するこ
とを目的とする。
最近圧電モータの研究開発が活発で、種々の原
理のモータが提案され、本発明者も種々の原理の
モータを提案した。その中に「片持梁状捻り超音
波振動子を用いた圧電モータ」がある。
理のモータが提案され、本発明者も種々の原理の
モータを提案した。その中に「片持梁状捻り超音
波振動子を用いた圧電モータ」がある。
このモータの特長は、構造が簡単なこと、
小型・軽量であること、入力電圧に応じたトル
クが出力できることなどであり、実用的見地から
魅力的なモータである。
小型・軽量であること、入力電圧に応じたトル
クが出力できることなどであり、実用的見地から
魅力的なモータである。
しかし、超音波振動子のＱの高い共振現象を利
用しているため、周波数に対する特性変動が大き
く、低インピーダンスで皮相電流が大きく、負荷
による特性変動が大きいなどの欠点があつたの
で、直ちに実用できる状態にあつたとは言えな
い。
用しているため、周波数に対する特性変動が大き
く、低インピーダンスで皮相電流が大きく、負荷
による特性変動が大きいなどの欠点があつたの
で、直ちに実用できる状態にあつたとは言えな
い。
この発明は上述した従来技術の欠点を解消する
もので、圧電振動子と、一端がその圧電振動子側
に連結されて他端が自由端となり圧電振動子の振
動によつて捻り振動が励起される片持梁と、その
片持梁の一端を圧電振動子側に連結する、例えば
支持ボルトなどの連結手段とを備えた固定子と、 前記片持梁の自由端面に接触されて回転する回
転子とを有し、 前記圧電振動子に印加する二つの異なる周波数
で、前記回転子が互いに逆向きに回転する圧電モ
ータを対象とするものである。
もので、圧電振動子と、一端がその圧電振動子側
に連結されて他端が自由端となり圧電振動子の振
動によつて捻り振動が励起される片持梁と、その
片持梁の一端を圧電振動子側に連結する、例えば
支持ボルトなどの連結手段とを備えた固定子と、 前記片持梁の自由端面に接触されて回転する回
転子とを有し、 前記圧電振動子に印加する二つの異なる周波数
で、前記回転子が互いに逆向きに回転する圧電モ
ータを対象とするものである。
そしてその片持梁の自由端面に対する回転子の
圧着力が調整可能な、例えばボルトとスプリング
の組合せからなる圧着手段を設け、 その圧着手段により、異なる周波数を印加して
も前記回転子が同一方向に回転するまで、その回
転子が片持梁の自由端面に圧着されていることを
特徴とするものである。
圧着力が調整可能な、例えばボルトとスプリング
の組合せからなる圧着手段を設け、 その圧着手段により、異なる周波数を印加して
も前記回転子が同一方向に回転するまで、その回
転子が片持梁の自由端面に圧着されていることを
特徴とするものである。
以下、本発明の実施例を図面に従つて説明する
が、この本発明の圧電モータは先願の「片持梁状
捻り超音波振動子を用いた電圧モータ」と同じ構
造にできるので、本発明の新規性を明らかにする
ため、本願の実施例の説明の前半に先願の実施例
を用い差異を明らかにした。
が、この本発明の圧電モータは先願の「片持梁状
捻り超音波振動子を用いた電圧モータ」と同じ構
造にできるので、本発明の新規性を明らかにする
ため、本願の実施例の説明の前半に先願の実施例
を用い差異を明らかにした。
第１図および第２図は、片持梁状捻り超音波振
動子を用いた圧電モータの固定子、すなわち回転
子を駆動する超音波振動子を図示したものであ
る。圧電厚み振動子３1および３2は外径が35mm、
内径15mm、厚さ２mmのドーナツ状セラミツクスで
あり、表裏にそれぞれ施された銀電極膜を通して
分極されている。
動子を用いた圧電モータの固定子、すなわち回転
子を駆動する超音波振動子を図示したものであ
る。圧電厚み振動子３1および３2は外径が35mm、
内径15mm、厚さ２mmのドーナツ状セラミツクスで
あり、表裏にそれぞれ施された銀電極膜を通して
分極されている。
これら振動子３1，３2と同形状で厚さ0.2mmの
銅の端子板４2を上述の２枚の圧電振動子３1，３
２の正電極側で挟み、負電極側にも同じ端子板４1
を重ねる。その外側に外径35mm、内径8.2mm、厚
さ10mmのアルミニウム座金２および５を重ね、座
金５の底側の内径13.5mm、深さ8.2mmのボルト穴
にキヤツプボルト６を通し、ボルトの先端を片持
梁１の円板状台部１2のネジ穴に150Kg・ｆ・cmの
トルクレンチで締め付けた。
銅の端子板４2を上述の２枚の圧電振動子３1，３
２の正電極側で挟み、負電極側にも同じ端子板４1
を重ねる。その外側に外径35mm、内径8.2mm、厚
さ10mmのアルミニウム座金２および５を重ね、座
金５の底側の内径13.5mm、深さ8.2mmのボルト穴
にキヤツプボルト６を通し、ボルトの先端を片持
梁１の円板状台部１2のネジ穴に150Kg・ｆ・cmの
トルクレンチで締め付けた。
片持梁１は厚さ７mm、幅35mm、高さ10mmの矩形
状の梁部１1が外径35mm、高さ９mmの円板状台部
１2の上に逆Ｔ字形に直立したアルミニウム部品
であり、台部１2の中心に８mmのボルト穴が形成
され、これを中心として底面には幅20mm、深さ２
mmの溝１3が梁部１1と26°をなす方向に刻まれて
いる。この角度のため円板状台部１2が圧電振動
子３1，３2の縦振動を受けて、ボルト６を支点と
したたわみ振動を生じたとき、その上に直立固定
されている片持梁１には捻り振動が矢印１２で示
したように励振される。
状の梁部１1が外径35mm、高さ９mmの円板状台部
１2の上に逆Ｔ字形に直立したアルミニウム部品
であり、台部１2の中心に８mmのボルト穴が形成
され、これを中心として底面には幅20mm、深さ２
mmの溝１3が梁部１1と26°をなす方向に刻まれて
いる。この角度のため円板状台部１2が圧電振動
子３1，３2の縦振動を受けて、ボルト６を支点と
したたわみ振動を生じたとき、その上に直立固定
されている片持梁１には捻り振動が矢印１２で示
したように励振される。
第３図は、上述した捻り屈曲モードの超音波振
動子を用いて、本発明のモード縮退型圧電モータ
を構成した一実施例を示したものである。
動子を用いて、本発明のモード縮退型圧電モータ
を構成した一実施例を示したものである。
梁部１1の７mm×35mmの上端面には、中心に４
mmのボルト穴が施され、ロータ８の支持ボルト１
０がネジ止めされている。ロータ８は駆動面が外
径35mm、厚さ５mmの円板で、その中心に外径14
mm、内径10mm、長さ15mmの中空シヤフトが直立し
ており、シヤフトにはベアリング９1および９2で
サンドイツチしたコイルバネ１１などを通したボ
ルト１０が挿入され、ロータ８の回転をベアリン
グ９1および９2で支持する形で、コイルバネ１１
によつて片持梁１の端面に圧着されている。
mmのボルト穴が施され、ロータ８の支持ボルト１
０がネジ止めされている。ロータ８は駆動面が外
径35mm、厚さ５mmの円板で、その中心に外径14
mm、内径10mm、長さ15mmの中空シヤフトが直立し
ており、シヤフトにはベアリング９1および９2で
サンドイツチしたコイルバネ１１などを通したボ
ルト１０が挿入され、ロータ８の回転をベアリン
グ９1および９2で支持する形で、コイルバネ１１
によつて片持梁１の端面に圧着されている。
圧電振動子３1および３2にリード線７1および
７2を通して40.85KHzの正弦波電圧を印加すると、
ロータ８が反時計方向に回転した。回転数は印加
電圧の大きさとともに大きくなる傾向にあり、10
ボルトでやつと回る程度だが、30ボルトでは60〜
100rpm、50ボルトでは100〜150rpm、70ボルト
では150〜250rpm、100ボルトでは200〜300rpm、
150ボルトでは約400rpmに達した。
７2を通して40.85KHzの正弦波電圧を印加すると、
ロータ８が反時計方向に回転した。回転数は印加
電圧の大きさとともに大きくなる傾向にあり、10
ボルトでやつと回る程度だが、30ボルトでは60〜
100rpm、50ボルトでは100〜150rpm、70ボルト
では150〜250rpm、100ボルトでは200〜300rpm、
150ボルトでは約400rpmに達した。
次に印加電圧の周波数を僅かに変ると、回転は
鈍くなるが、39.64KHzにすると今度はロータ８
が時計方向に逆転し、40.85KHzのときと同様に
勢よく回転した。さらに周波数を種々変化させて
みたが、ロータ８が回転するのは39.64KHz付近
と40.85KHz付近だけであつた。これらの周波数
は超音波楕円振動子の主共振と副共振とみられ、
そのいずれかの周波数の電圧を印加することでロ
ータ８を時計回りにも反時計回りにも任意の回転
方向に回転させることができる。
鈍くなるが、39.64KHzにすると今度はロータ８
が時計方向に逆転し、40.85KHzのときと同様に
勢よく回転した。さらに周波数を種々変化させて
みたが、ロータ８が回転するのは39.64KHz付近
と40.85KHz付近だけであつた。これらの周波数
は超音波楕円振動子の主共振と副共振とみられ、
そのいずれかの周波数の電圧を印加することでロ
ータ８を時計回りにも反時計回りにも任意の回転
方向に回転させることができる。
ここまでは先願の実施例をそのまま引用した。
ここで問題点は、引用文末に述べられている。す
なわち、シヤフトの回転出力を利用するため負荷
をかけると回転数は低くなり遂には回転が止まつ
てしまうことである。大きな負荷に対しては、高
い電圧が必要である。一見当然のことのようだが
超音波振動子はＱが高いので、共振インピーダン
スが極端に低く電圧を高くすると大電流が流れ、
莫大な電力を入力してもその割りに出力は小さ
い。つまり、大電力を要するのは見掛けの皮相電
力であり、実効電力とはならない。
ここで問題点は、引用文末に述べられている。す
なわち、シヤフトの回転出力を利用するため負荷
をかけると回転数は低くなり遂には回転が止まつ
てしまうことである。大きな負荷に対しては、高
い電圧が必要である。一見当然のことのようだが
超音波振動子はＱが高いので、共振インピーダン
スが極端に低く電圧を高くすると大電流が流れ、
莫大な電力を入力してもその割りに出力は小さ
い。つまり、大電力を要するのは見掛けの皮相電
力であり、実効電力とはならない。
以上の説明から明らかなように、この種圧電モ
ータは超音波振動Ｑが高い状態で機能するので、
特性の周波数に対する変動が大きい、低イン
ピーダンスで皮相電力が大きい、負荷による特
性の変動が大きいなどの欠点を有していた。
ータは超音波振動Ｑが高い状態で機能するので、
特性の周波数に対する変動が大きい、低イン
ピーダンスで皮相電力が大きい、負荷による特
性の変動が大きいなどの欠点を有していた。
しかも入力の無い状態でロータに力をかける
と、振動端面との圧着力が小さいので、手でも簡
単に回すことができ、負荷を静止させる保持力が
小さかつた。この保持力を大きくする目的で、ロ
ータ８の支持ボルト１０を締め付けコイルバネ１
１をさらに圧縮しながら、再び40.85KHz、30ボ
ルトの電圧を印加すると今まで60rpm以上の回転
数で反時計回り方向に回転していたロータ８は次
第に遅くなり、遂に回転は停止し全く動かなくな
つた。
と、振動端面との圧着力が小さいので、手でも簡
単に回すことができ、負荷を静止させる保持力が
小さかつた。この保持力を大きくする目的で、ロ
ータ８の支持ボルト１０を締め付けコイルバネ１
１をさらに圧縮しながら、再び40.85KHz、30ボ
ルトの電圧を印加すると今まで60rpm以上の回転
数で反時計回り方向に回転していたロータ８は次
第に遅くなり、遂に回転は停止し全く動かなくな
つた。
この状態であきらめず、ボルト１０を締め付け
圧着力をさらに強くしていくと、ロータ８が突然
ゆつくりと逆回転を始める。このときインピーダ
ンスは高くなつており、電流は小さくなつてい
る。圧着力をさらに強くすると、回転数は多少大
きくなり最大値を示し、再び回転が遅くなる。こ
の回転数最大のとき、入力電圧に対する最適条件
が得られ、回転数は60rpm〜数rpm程度である
が、トルクが極めて大きくなり１Kg・ｍにも達し
た。
圧着力をさらに強くしていくと、ロータ８が突然
ゆつくりと逆回転を始める。このときインピーダ
ンスは高くなつており、電流は小さくなつてい
る。圧着力をさらに強くすると、回転数は多少大
きくなり最大値を示し、再び回転が遅くなる。こ
の回転数最大のとき、入力電圧に対する最適条件
が得られ、回転数は60rpm〜数rpm程度である
が、トルクが極めて大きくなり１Kg・ｍにも達し
た。
ロータ８と振動子端面の間に油をさすと、トル
クは減少するどころか、回転ムラがなくなり滑ら
かな回転が得られた。入力電力を電力計で測定す
ると無負荷で数Ｗを消費していたが、回転を止め
ると静止トルクが約１Kg・ｍとなり、入力電力は
約13W程度になつた。
クは減少するどころか、回転ムラがなくなり滑ら
かな回転が得られた。入力電力を電力計で測定す
ると無負荷で数Ｗを消費していたが、回転を止め
ると静止トルクが約１Kg・ｍとなり、入力電力は
約13W程度になつた。
次に入力電気信号の周波数を39KHzから41KHz
まで変えてみたが、上記の特性には目立つ変化が
現れなかつた。入力を零にすると、ロータ８の回
転はその場で停止し、シヤフトを手で回そうとし
ても微動すらせず、そのままの状態で保持され
た。なお、この圧電モータの重量は約150ｇｒで
あつた。
まで変えてみたが、上記の特性には目立つ変化が
現れなかつた。入力を零にすると、ロータ８の回
転はその場で停止し、シヤフトを手で回そうとし
ても微動すらせず、そのままの状態で保持され
た。なお、この圧電モータの重量は約150ｇｒで
あつた。
以上の説明から明らかなように、本発明の圧電
モータは、構造が簡単、小型・軽量ながら、
80W／Kg程度の高出力密度、80％程度の高効
率であり、特性の周波数変化も小さく、負荷
に対する変動も小さいことが特長であり、実用化
が可能である。
モータは、構造が簡単、小型・軽量ながら、
80W／Kg程度の高出力密度、80％程度の高効
率であり、特性の周波数変化も小さく、負荷
に対する変動も小さいことが特長であり、実用化
が可能である。
なお、本発明で用いた「縮退」という用語の意
味を明らかにするため、以下説明する。ここで
「縮退」というのは、圧電モータを20KHz〜50K
Hzの周波数帯域で駆動したとき、固定子の振動体
ここでは片持梁が自由振動のときは、上記周波数
帯域でロータが異なる周波数で異なる方向に回転
していたのが、圧着力を増し束縛振動にするとど
ちらの周波数でも同一方向に回転するようになる
現象のことを意味している。
味を明らかにするため、以下説明する。ここで
「縮退」というのは、圧電モータを20KHz〜50K
Hzの周波数帯域で駆動したとき、固定子の振動体
ここでは片持梁が自由振動のときは、上記周波数
帯域でロータが異なる周波数で異なる方向に回転
していたのが、圧着力を増し束縛振動にするとど
ちらの周波数でも同一方向に回転するようになる
現象のことを意味している。
この現象を機械的に説明すると、片持梁１は自
由振動のとき、捻り振動の位相が幅方向に沿つて
変化している。低い周波数では外周が振動の腹に
なるが、高い周波数では腹の位置に相当する円は
小さくなつて内側にでき、外周は２次の腹になる
ので逆回転をする。圧着力が大きくなると振動に
遅れが生じ、２次の腹が現れなくなることによ
る。
由振動のとき、捻り振動の位相が幅方向に沿つて
変化している。低い周波数では外周が振動の腹に
なるが、高い周波数では腹の位置に相当する円は
小さくなつて内側にでき、外周は２次の腹になる
ので逆回転をする。圧着力が大きくなると振動に
遅れが生じ、２次の腹が現れなくなることによ
る。
以上説明したように、圧電振動子によつて捻り
振動が励振された片持梁の自由端面に回転子を圧
着し、圧電振動子に印加する高周波電気信号の周
波数を切り換えることにより、一方の周波数では
回転子を時計回りに回転させ、他方の周波数では
回転子を反時計回りに回転させることのできる圧
電モータにおいて、圧着力を大きくすると片持梁
の自由端面が拘束され、共振系のＱが低下する
が、時計回転と反時計回転とに対する片持梁の二
つの自由振動が縮退して一つの束縛振動に変わる
まで、圧着力を大きく作用させることにより、回
転子がこの束縛振動に対応する回転方向にゆつく
りと力強く回転するので、大きな回転トルクが出
力できることを特徴とするものである。
振動が励振された片持梁の自由端面に回転子を圧
着し、圧電振動子に印加する高周波電気信号の周
波数を切り換えることにより、一方の周波数では
回転子を時計回りに回転させ、他方の周波数では
回転子を反時計回りに回転させることのできる圧
電モータにおいて、圧着力を大きくすると片持梁
の自由端面が拘束され、共振系のＱが低下する
が、時計回転と反時計回転とに対する片持梁の二
つの自由振動が縮退して一つの束縛振動に変わる
まで、圧着力を大きく作用させることにより、回
転子がこの束縛振動に対応する回転方向にゆつく
りと力強く回転するので、大きな回転トルクが出
力できることを特徴とするものである。
このような構成にしたから、構造が簡単、
小型・軽量、高効率でしかも高出力密度であ
り、これらの特性の周波数変動、負荷変動が
小さく、入力のないときにでも保持力が極めて
大きいなどの効果がある。
小型・軽量、高効率でしかも高出力密度であ
り、これらの特性の周波数変動、負荷変動が
小さく、入力のないときにでも保持力が極めて
大きいなどの効果がある。
第１図および第２図は本発明の実施例に係る片
持梁状捻り超音波振動子の正面図および平面図、
第３図はその超音波振動子を用いた圧電モータの
正面図である。 １……片持梁、３1，３2……圧電振動子、６…
…ボルト、８……ロータ、１０……支持ボルト、
１１……コイルバネ。
持梁状捻り超音波振動子の正面図および平面図、
第３図はその超音波振動子を用いた圧電モータの
正面図である。 １……片持梁、３1，３2……圧電振動子、６…
…ボルト、８……ロータ、１０……支持ボルト、
１１……コイルバネ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 圧電振動子と、一端がその圧電振動子側に連
結されて他端が自由端となり圧電振動子の振動に
よつて捻り振動が励起される片持梁と、その片持
梁の一端を圧電振動子側に連結する連結手段とを
備えた固定子と、 前記片持梁の自由端面に接触されて回転する回
転子とを有し、 前記圧電振動子に印加する二つの異なる周波数
で、前記回転子が互いに逆向きに回転する圧電モ
ータにおいて、 その片持梁の自由端面に対する回転子の圧着力
が調整可能な圧着手段を設け、 その圧着手段により、異なる周波数を印加して
も前記回転子が同一方向に回転するまで、その回
転子が片持梁の自由端面に圧着されていることを
特徴とする圧電モータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59172432A JPS6152166A (ja) | 1984-08-21 | 1984-08-21 | モ−ド縮退型圧電モ−タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59172432A JPS6152166A (ja) | 1984-08-21 | 1984-08-21 | モ−ド縮退型圧電モ−タ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6152166A JPS6152166A (ja) | 1986-03-14 |
| JPH0564553B2 true JPH0564553B2 (ja) | 1993-09-14 |
Family
ID=15941864
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59172432A Granted JPS6152166A (ja) | 1984-08-21 | 1984-08-21 | モ−ド縮退型圧電モ−タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6152166A (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55145573A (en) * | 1979-04-24 | 1980-11-13 | Sp Pk I Tekunorogichiesukoe Bi | Vibrating motor |
-
1984
- 1984-08-21 JP JP59172432A patent/JPS6152166A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6152166A (ja) | 1986-03-14 |
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