JPS61244280A

JPS61244280A - 振動とじ込め型超音波モ−タ

Info

Publication number: JPS61244280A
Application number: JP60082668A
Authority: JP
Inventors: Akio Kumada; 熊田　明生
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 1985-04-19
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1986-10-30

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】〔産業上の利用分野および発明の目的〕本発明は超音波
モータの改良に係り、出力の安定性に優れた超音波モー
タを擾供することを目的とする。

〔従来の技−術〕

一般に超音波モータは、端面の振動の軌跡が楕円運動を
描く超音波振動子の端面にロータを圧着することにより
、ロータに回転トルクが生じることを利用したものであ
る。機械的出力を大きくするため、或いは入出力効率を
高めるため、超音波振動系は共振状態で利用するのが普
通である。また、大きな出力トルクを得るためロータは
ステータに強く圧着されているので、ステータとロータ
は一体化した超音波振動系を構成している。このため圧
着力を変えれば共振周波数が変わり、回転数、トルクな
ど出力特性が微妙に変化する。それだけでなく、ロータ
は出力シャフトを通して負荷とつながっているので、負
荷も振動系に含まれ、従来の超音波モータでは出力特性
が負荷変動はもちろん、負荷シャフトとの結合状態にも
影響されるなどの欠点があった。

〔間ＨＡを解決するための手段〕

この発明は上述した従来技術の欠点を解消するもので、
ステータの端面にロータを圧着した圧着面に超音波振動
を作用することにより、ロータが回転トルクを受けて回
転する超音波モータにおいて、超音波振動が出力側に伝
達されないように振動系を出力側から隔離し、回転力だ
けが出力されるようにしたことを特徴とする振動とじ込
め型超音波モータによって目的を達成したものである。

すなわち、超音波振動ごとにロータに回転トルクを与え
るねじりモードの振動をモータ内だけに閉じ込め出力側
に伝達されないようにしてモータの特性を安定化したも
のである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従って評明する。

本発明に係る振動とじ込め型鯵音波モータの一実施例を
第１図に示す。超音波モータのステータは超音波振動子
としての機能を有するので構造、形状もさまざまである
が、ここでは本発明者の先願になる片持梁状超音波モー
タへの適用例を示すことにより発明の詳細な説明する。

まず従来の片持梁状超音波モータの構造を第２図に示す
。ｆＪ１図と第２図との差異を見れば本発明の特徴が明
らかｋなる。

つまり、ステータ１部分は全く同じであり、この例では
外径２５ｍ、内径１０ｍ、厚さ２ｗｍのＰｂ（ＺｒＴｉ
　）　Ｏｊ系圧電厚み振動子１．および１３をリード線
のついた燐青銅の端子板１．、　　ｊ、で、正分極面同
志が対向するように挾む。これらを直径２５■。

厚さ１３■のアルミニウム円板状産金１．の中心にセッ
トした径８■、長さ４５簡のキャップボルト１７に通し
、さらにこのキャップポル）Ｋ外径２５箇、内径ＩＱｗ
、長さ３０ｍ＋のアルミニウムの円筒１．を通して、ボ
ルトの先を片持梁１．の円板状台部の底側中心のボルト
大に１００Ｋｐ−ｅｓのトルクで締め付けた。ここでキ
ャップボルト１．には外径１０ｍのＰｆＰｅパイプ１．
が被せであるので、前記圧電振動子１．、　１．および
端子板ｌ、および１．は外周がずれることなく同心円の
状態でしつくり保持され、しかも２個の振動子１！、　
　１．は互に絶縁されている。

このように構成されたステータは、端子板１４および１
．に４０　Ｋ　Ｈｚ附近の共振周波数の正弦波電圧を５
０〜１００ボルト程度印加すると、ねじり、たてモード
で共振した。このとき片持梁の端面１゜は、高さ９ｆｉ
°、厚さ６　ｍ　、幅２５Ｍの梁が幅の中心とボルトの
中心を結ぶ高さ方向の線を軸としてねじり振動と同じに
軸方向のたて振動をする紡速として、軌跡が楕円を描く
振動をする。振幅は軸では０９幅方向すなわち両外周に
対して互いに逆位相で、外周に向うほど大きくなる。こ
のねじり楕円モードの超音波振動をしているステータの
端面に、ロータ１１の回転軸がねじり軸と一致するよう
に圧着すると四−夕１１に回転トルクが生じる。

従来のモータでは第２図に示したように、外径２５籠、
高さ５ｍの円板の底側の直径２０ｍ＋の内部が深さ０．
５　ｗ分だけ凹んでおり、さらに中心部に外径１０１１
１．内径４ｗｍ、高さ４■のボールベアリング１２を嵌
合したロータ１１をコイルスプリング１４を通した太さ
４■長さ２０ｍｍのキャップボルト１３で貫き、ボルト
１３を片持梁の端面１゜の中心のボルト大に締めつける
ことｋより、ロータ１１の底の２．５■幅のリンク状摺
動面を片持梁の端面に圧着した。圧着力はコイルスプリ
ング１４の反撥力がベアリング１２に作用し、ロータ１
１の摺動面を圧着するので、力が強くなると振動子のね
じりモードが縮退し、ロータ１１が逆回転を始め大きな
回転トルクが得られる。強力なモータが構成できたので
ロータ１１の出力側の外径１０雪、内径８−のパイプ１
７に負荷のシャフト１５を挿入し、結合用のボルト１６
でセットして負荷を駆動した。セットボルト１６の締め
方が強過ぎなければ十分大きな出力が得られたが、セッ
トボルト１６がゆるまないよう十分強く締め伺けると、
振動が負荷側に伝達され同時に出力が激減する。

この現象はセットボルトを締め付ける場合だけでなく、
ロータ１１の出力側パイプを包むように軽く押すと回転
トルクが減少する。指先でさほど強くなく挾んだだけで
回転が止まるなど回転が不安定になる。

このよりに従来の超音波モータは回転トルク源であるね
じりモードの超音波振動がや荷側に伝達される結果、負
荷との結合状態、負荷変動などの影響を受けやすいなど
の欠卓があった。本発明はねじりモードの超音波振動が
出力側に伝達されるのをカットし、振動をモータ内にと
じ込めることにより特性を安定化したものである。すな
わち、ステータの振動は摺動面を逆してロータ１１に伝
わり、さらに負荷シャフト２を通って負荷に伝達される
ので、負荷へ伝達させないためにはロータ１１と負荷シ
ャフト２０部分で伝達をカットすればよい。

実施例では図に示すように２つの方式を試み、いずれも
良好な結果を得た。第１の方式は第１図に示すようにロ
ータ１１を摺動リング５と回転軸部３とに分け、その間
にシリコンゴム製の外径２５箇、内径２０■、厚さ２■
のリング４を挿入し、回転軸部３の中心に嵌合されたベ
アリング７を支持するボルト６の締め付方を摺動リング
５に伝え、しかも摺動リング５からの超音波振動はゴム
リング４で吸収した。このためゴムリング４は圧着力を
摺動爾に伝えると同時に、摺動リング５からの回転トル
クを負荷側に伝えるので、出力バイブ３に負荷シャフト
２を舒合し、ボルトで強く締めても、モータの出力特性
に変化は無かった。

第２の振動の伝達カット方式としては、ロータの出力側
をパイプ状にし、これに挿入する負荷シャフト２とボル
トで締めて一体化するのではなく、第３図に示すように
パイプ３の先端部に形成された縦溝３１にシャフト２先
端の爪２．を嵌める方法を用いた。爪２１は回転力を確
実に負荷に伝えるが、軸方向には滑動するので超音波振
動は伝達されずにカットされる。

以上述べた２つの方式はいずれもモータの出力特性を安
定化する優れた効果を示すが、両方式を同時に用いると
より安定となり出カッ（イブ、負荷シャフトを指で挟み
込んでも出力特性は変わらなくなった。以上述べたよう
にモータの回転トルク源である超音波ねじり振動をモー
タ内にとじ込めることによりモータの出力特性を安定化
することができた。

実施例２上述の説明で、通常の方法で構成された圧電モータの場
合、ロータのシャフトを負荷と連結すると、超音波振動
がシャフトを通して負荷側に流れステータの共振状態が
負荷変動などの影響を受けやすくなることがわかった。

一方、回転機の回転シャフトは、機器本体を貫いて支持
されていることが安定を確保する立場からは望ましいこ
とである。ここでは、シャフトを貫通させて、より安定
性を図った実施例を第４図ないし第８図とともに説明す
る。第４図、算５図ならびに第６図は超音波モータの半
蓼断面図、右側面図ならびに右側面図、第７図ならびに
第８図は蒙４図のｈ−Ａ′線上ならびにＢ　−Ｂ’紐線
上断面図である。

シャフト３０は本体を貫通し、中空ボルト２６で支持さ
れている。シャフト３０には円板２９が°串刺に圧入さ
れており、シャツ）３０にベアリングで支持されたロー
タ２８の回転トルクを厚さ２■＊　ｉＦ径２５　ｗｓの
ドーナツ状シリコンゴム３１によって伝達している。シ
リコンゴム３１は回転トルクだけを負荷領に伝達し、超
音波振動は伝達しないので、シャフト３０は超音波振動
系から隔離されている。

すなわち、この圧電モータの場合も超音波振動をステー
タを主とする共振系の中（（とじ込め、回転トルクだけ
を出力できる構造にすることができたので、負荷との結
合も容易となり、出力特性を安定化させることができた
。なお、この実施例に示した振動とじ込め型圧電モータ
の構成は基本的には第１図および錆２図と同じであり、
シャフトを貫通させ中空ボルトに通し、ベアリングで支
持することによりシャフトの回転振れを抑えたことが新
らしい点であり、仲の点は共通のため詳細な説明は省略
する。なお、図中の２２．２３は振動子、２４．２５は
電極である。

以上述べたように本発明の目的は出力特性を安定化する
ことにふるが、このためにはステータの楕円振動そのも
のが安定なものでなければならない。この膚を直径２５
ｍのモータ（実施例１に用いたものと同じ直径のモータ
）Ｋ関し、ステータの長さと楕円振動の発生効率および
振動の安定性について検討した。

その結果、キャップボルトの長さが３０ｍ以下、したが
ってステータの長さが４８ｍ以下、又はキャップボルト
の長さが５５ｗ以上、すなわち、ステータの全長が７３
ｍ以上の場合は楕円振動の発生効率が低かった。これに
反し、ステータ長が４９■乃至７２ｆｉの範囲が発生効
率が高く、しかも実施例１に用いたボルト長４５ｍ、全
長６３ｗ１の場合が効率、安定性がともに優れていた。

その理由はステータの楕円振動が片持梁のねじり振動と
ステータのたて振動の合成振動であるため、直径２５５
ｍ厚さ７ｍの円板上に厚さ６０．高さ９０の矩形板が直
立した構造の片持梁のねじり振動の基本周波数とステー
タの全長によって決まる。たて振動の基本周波数とがほ
ぼ一致し、両振動が結合し融合した結果によるものと言
える。

より一般的に言えばステータの長さを、ステータの径す
なわち片持梁の円板の径および円板の厚さ、片持梁の梁
の長さと厚さに対して、たて振動とねじシ振動が結合し
やすい長さに限定したとき、楕円振動の発生効率が最大
になシ、発生した振動も安定になる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明はステータの端面にロータ
を圧着した圧着面に超音波振動を作用することによりロ
ータが回転トルクを受けて回転する超音波モータにおい
て、超音波振動が出力側に伝達されないように振動系を
出力側から隔離し、回転力だけが出力されるように構成
したから本発明の振動とじ込め型超音波モータでは、出
力特性が出力シャフトと負荷との結合状態の影響を受け
なくなったので、負荷と容易に接続でき安定した出力が
得られるなど実用上はかり知れない程優れた効果がある
。

なお実施例に用いたシリコンゴムリング４は、摺動リン
グ５が摩耗して薄くなっても初期と変わらず一定の圧着
力を作用させる機能も併用しているので、材質的には、
機械振動に対する損失係数の大きい、振動を吸収しやす
い特性と伸び縮みしやすい特性を有するものなら利用す
ることができ、生ゴム、合成ゴム、含泡閤分子材料など
はいづれも有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る超音波モータの半裁断面
図、第２図は従来の超音波モータの半裁断面図、第３図
は本発明の他の方式を説明するだめの要部分解斜視図、
第４図ないし第８図はさらに他の方式を説明するだめの
図で、第４図、第５図ならびに第６図は超音波モータの
半裁断面図、左側面図ならびに右側面図、第７図および
第８図は第４図のＡ　−Ａ’線上ならびにＢ　−Ｂ”線
上の断面図である。ｌ・・自・・ステータ、２・・・・・・負荷シャフト、
３・・・・・・ロータ、４・・・・・・ゴムリング、５
・・・・・・摺動リング。第１図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

１．ステータの端面にロータを圧着した圧着面に超音波
振動を作用することによりロータが回転トルクを受けて
回転する超音波モータにおいて、超音波振動が出力側に
伝達されないように振動系を出力側から隔離し、回転力
だけが出力されるようにしたことを特徴とする振動とじ
込め型超音波モータ。
２．特許請求の範囲第１項記載の振動とじ込め型超音波
モータにおいて、超音波振動源であるステータの長さを
、これによつて決まるたて振動がねじり振動と結合する
長さに限定したことを特徴とする超音波モータ。
３．特許請求の範囲第１項記載の振動とじ込め型超音波
モータにおいて、前記振動系を出力側から隔離する手段
として圧着力伝達機構に、機械的損失係数が大きい弾性
材料のバネ効果を利用したことを特徴とする振動とじ込
め型超音波モータ。４　特許請求の範囲第１項記載の振動とじ込め型超音波
モータにおいて、前記振動系を出力側から隔離する手段
として、回転力出力伝達機構に、軸方向には自由に分離
でき、回転方向だけに噛み合うシャフトを用いたことを
特徴とする振動とじ込め型超音波モータ。