JPS6152166A - モ−ド縮退型圧電モ−タ - Google Patents
モ−ド縮退型圧電モ−タInfo
- Publication number
- JPS6152166A JPS6152166A JP59172432A JP17243284A JPS6152166A JP S6152166 A JPS6152166 A JP S6152166A JP 59172432 A JP59172432 A JP 59172432A JP 17243284 A JP17243284 A JP 17243284A JP S6152166 A JPS6152166 A JP S6152166A
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- JP
- Japan
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- frequency
- rotor
- piezoelectric
- vibration
- vibrators
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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
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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。
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。
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。
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、本発明者も池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
ｔ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。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■特性の周波数に対する変動が
太きい、■低インピーダンスで皮相電流が大きい、■特
性の負荷による変動が太きいなどの欠点があったので、
直ちに実用できる状態にあったとは言えない。
タが提案され、本発明者も池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
ｔ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。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■特性の周波数に対する変動が
太きい、■低インピーダンスで皮相電流が大きい、■特
性の負荷による変動が太きいなどの欠点があったので、
直ちに実用できる状態にあったとは言えない。
この発明は上述した従来技術の欠点を解消するもので、
圧電振動子によっ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転させ、他方の周波数では反時計回
転す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振動が拘束され、共振系のＱが低
下するが、時計回転と反時計回転とに対応する片持梁の
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
束縛撮動に対応する回転方向にゆっ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
ることによって目的を達成したものである。
圧電振動子によっ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転させ、他方の周波数では反時計回
転す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振動が拘束され、共振系のＱが低
下するが、時計回転と反時計回転とに対応する片持梁の
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
束縛撮動に対応する回転方向にゆっ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
ることによって目的を達成したものである。
以下本発明の実施例を図面に従って説明するが、この本
発明の圧゛亀モータは先願の「片持梁状捻り超音波振動
子を用いた圧電モータ」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、差異を明らかにした。
発明の圧゛亀モータは先願の「片持梁状捻り超音波振動
子を用いた圧電モータ」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、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。
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３．および３□は外径３５閣、内径１５
ｒｔｒｍ、厚さ２ｍのドーナツ状セラミックであり、聚
具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３．．３．と同形状で厚さ０．２鵬の銅
の端子板４□を上述の２枚の圧電琳動子３．，３．０正
電極側で挟み、負電極側にも同じ端子板４１を重ねる。
ｒｔｒｍ、厚さ２ｍのドーナツ状セラミックであり、聚
具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３．．３．と同形状で厚さ０．２鵬の銅
の端子板４□を上述の２枚の圧電琳動子３．，３．０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３５閣、内径８．２＋＋＋ｍ、厚さ１０
−のアルミニウム座金２および５を皿ね、座金５の底１
１＋の内径１３．５＋＋＋ｍ、深さ８．２瓢のボルト穴
にキャップボルト６を通し、ボルトの先端を片持梁１の
円板状台部のネジ穴１５０Ｋｓ＋・ｆ−σのトルクレン
チで締め付けた。
−のアルミニウム座金２および５を皿ね、座金５の底１
１＋の内径１３．５＋＋＋ｍ、深さ８．２瓢のボルト穴
にキャップボルト６を通し、ボルトの先端を片持梁１の
円板状台部のネジ穴１５０Ｋｓ＋・ｆ−σのトルクレン
チで締め付けた。
片持梁１は厚さ７＋ｎｍ、幅３５ ＋ｍｎ 、高さ１０
酎の矩形状の梁部１、が外径３５聾、高さ９間の円板状
台部１、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８鴎のボルト穴が形成され、こ
れを中心として底面には幅２０ ａｍ 、深さ２霞の溝
１．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１．が圧電振動子３．．３．の
縦振動を受けて、ボルト６を支点としたたわみ振動が生
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。
酎の矩形状の梁部１、が外径３５聾、高さ９間の円板状
台部１、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８鴎のボルト穴が形成され、こ
れを中心として底面には幅２０ ａｍ 、深さ２霞の溝
１．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１．が圧電振動子３．．３．の
縦振動を受けて、ボルト６を支点としたたわみ振動が生
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。梁部１．の７ ｔａｎ Ｘ ３
５ Ｍの上端面には、中心に４謔のボルト穴が施され、
ロータ８の支持ボルト１０がネジ止めされる。ロータ８
は躯動面が外径３５瓢、厚さ５間の円板で、その中心に
、外径１４閣、内径１０ ｍｍ 、長さ１５＋ｍの中空
シャフトが直立しており、シャフトにはベアリング９．
および９２でサンドイッチしたフィルバネ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９Ｉおよび９．で支持する形で、コイルバネ１１によ
りて片持梁１の端面に圧着されている。
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１．の７ ｔａｎ Ｘ ３
５ Ｍの上端面には、中心に４謔のボルト穴が施され、
ロータ８の支持ボルト１０がネジ止めされる。ロータ８
は躯動面が外径３５瓢、厚さ５間の円板で、その中心に
、外径１４閣、内径１０ ｍｍ 、長さ１５＋ｍの中空
シャフトが直立しており、シャフトにはベアリング９．
および９２でサンドイッチしたフィルバネ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９Ｉおよび９．で支持する形で、コイルバネ１１によ
りて片持梁１の端面に圧着されている。
圧電振動子３１および３．にリード線７１および７、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ボルトではや
っと回る程度だが、（資）ボルトでは６０〜１１００ｒ
ｐ、 ５０ボルトでは１００〜１５０ ｒｐｍ 。
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ボルトではや
っと回る程度だが、（資）ボルトでは６０〜１１００ｒ
ｐ、 ５０ボルトでは１００〜１５０ ｒｐｍ 。
７０ボルトでは１５０〜２５０ ｒｐｍ、 １００ボ
ルトでは２００〜３００ ｒｐｍ、 １５０ボルトで
は約４０Ｏｒｐｍ ｉｃ 達した。
ルトでは２００〜３００ ｒｐｍ、 １５０ボルトで
は約４０Ｏｒｐｍ ｉｃ 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、３９．６４ ＫＨｚにすると今度はロータ８が時計
方向に逆転し、４０．８５ ＫＨｚ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３９．６４ ＫＨｚ付近と４０．８
５ ＫＨｚ付近だけであった。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、そのいづれかの
周波数の電圧を印加することでロータ８を時計回わりに
も反時計回わりにも任意の回転方向に回転させることが
できる。
が、３９．６４ ＫＨｚにすると今度はロータ８が時計
方向に逆転し、４０．８５ ＫＨｚ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３９．６４ ＫＨｚ付近と４０．８
５ ＫＨｚ付近だけであった。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、そのいづれかの
周波数の電圧を印加することでロータ８を時計回わりに
も反時計回わりにも任意の回転方向に回転させることが
できる。
シャフトの回転出力を利用するため負荷を掛けると回転
数が低くなるが、その分だけ電圧を高くすれば回転数を
低下させずに回転を維持することができる。
数が低くなるが、その分だけ電圧を高くすれば回転数を
低下させずに回転を維持することができる。
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、
シャフトの回転出力を利用するため負荷を掛けると回転
数が低くなり遂には回転が止まってしまうことである。
シャフトの回転出力を利用するため負荷を掛けると回転
数が低くなり遂には回転が止まってしまうことである。
大きな負荷に対しては高い電圧が盛会である。−見当然
のことのようだが超音波像動子はＱが島いので、共振イ
ンピーダンスが極端に低く屯田を旨くすると大電流が流
れ、美大な電力が入力するがその割に出力は小さい。つ
まり犬′亀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。
のことのようだが超音波像動子はＱが島いので、共振イ
ンピーダンスが極端に低く屯田を旨くすると大電流が流
れ、美大な電力が入力するがその割に出力は小さい。つ
まり犬′亀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
音波振動のＱが高い状態で機能するので■特性の周波数
に対する変動が太きい、■低インピーダンスで皮相電力
が太きい、■特性の負荷による変動が大きいなどの欠点
を有していた。しか端面との圧着力が小さいので、手で
も簡単に回わすことができ、負荷を静止させる保持力が
小さかった。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を締めつけコイルバネ１１をさらに圧
縮しながら、再び４０．８５ ＫＨｚ、 ３Ｑボルトの
電圧を印加すると今まで６Ｏｒｐｍ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はしだいに遅くなり
、遂に回転は停止し全（動かなくなった。
音波振動のＱが高い状態で機能するので■特性の周波数
に対する変動が太きい、■低インピーダンスで皮相電力
が太きい、■特性の負荷による変動が大きいなどの欠点
を有していた。しか端面との圧着力が小さいので、手で
も簡単に回わすことができ、負荷を静止させる保持力が
小さかった。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を締めつけコイルバネ１１をさらに圧
縮しながら、再び４０．８５ ＫＨｚ、 ３Ｑボルトの
電圧を印加すると今まで６Ｏｒｐｍ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はしだいに遅くなり
、遂に回転は停止し全（動かなくなった。
この状態であきらめず、ボルト１０を締め続は圧着力を
さらに強くして行くと、ロータ８が突然ゆりくりと逆回
転を始める。このときインピーダンスは高くなりており
、電流は小さくなっている。圧着力をさらに強くすると
回転数が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６０ ｒｐｍ〜数ｒｐｍ程度であ
るがトルクがきわめて大きくなりｌＫｐｍにも達した。
さらに強くして行くと、ロータ８が突然ゆりくりと逆回
転を始める。このときインピーダンスは高くなりており
、電流は小さくなっている。圧着力をさらに強くすると
回転数が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６０ ｒｐｍ〜数ｒｐｍ程度であ
るがトルクがきわめて大きくなりｌＫｐｍにも達した。
ロータ８と振動子端面の間に油をさすと、トルりは減少
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′屯力計で１１ｍ１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
Ｉ Ｋｇｍとなり、入力電力は約１３Ｗ程度になった。
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′屯力計で１１ｍ１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
Ｉ Ｋｇｍとなり、入力電力は約１３Ｗ程度になった。
つぎに、入力電気信号の周波数を３９ＫＨｚから４１Ｋ
Ｈｚまで変えてみたが、上記の特性には目立つ変化が
現われなかった。入力を零にすると、ロータ８の回転は
その場で停止し、シャフトを手で回わそうとしても微動
すらせず、回転変位はそのまま保持された。なおこの圧
電モータの重量は約１５０ｇ【であった。
Ｈｚまで変えてみたが、上記の特性には目立つ変化が
現われなかった。入力を零にすると、ロータ８の回転は
その場で停止し、シャフトを手で回わそうとしても微動
すらせず、回転変位はそのまま保持された。なおこの圧
電モータの重量は約１５０ｇ【であった。
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／に９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、実用化が急がれている。
■構造が簡単、■小型・軽量ながら、■８０Ｗ／に９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、実用化が急がれている。
なお本発明に用いた縮退という用語の意味を明らかにす
るため以下に説明を補足しておく。ここで縮退というの
は、圧電モータを２０ＫＨｚ〜５０ＫＨｚの周波数蛍で
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、圧着力を増し束総振動に
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。この現象を機構的に説
明すると、明細書に述べた片持梁１は自由振動のとき、
捻り振動の位相が幅方向に沿って変化している。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
位置に和尚する円は小さくなって内側にでき、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次の腹が現われなくなることによ
る。
るため以下に説明を補足しておく。ここで縮退というの
は、圧電モータを２０ＫＨｚ〜５０ＫＨｚの周波数蛍で
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、圧着力を増し束総振動に
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。この現象を機構的に説
明すると、明細書に述べた片持梁１は自由振動のとき、
捻り振動の位相が幅方向に沿って変化している。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
位置に和尚する円は小さくなって内側にでき、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次の腹が現われなくなることによ
る。
以上説明したように、圧電撮動子によりて捻り振動が励
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悄゛号の周波数を切り換えるこ
とだより、一方の周波数では回転子を時計回転させ、他
方の周波数では反時計回転することのできる圧′戒モー
タにおいて、圧着力を大きくすると片持梁の自由振動が
拘束され、共振糸のＱが低下するが、時計回転と反時計
回転とに対応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、王漕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
にすっ（つ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％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、■入力のないときでも保持力
がきわめて太きいなどの効果がある。
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悄゛号の周波数を切り換えるこ
とだより、一方の周波数では回転子を時計回転させ、他
方の周波数では反時計回転することのできる圧′戒モー
タにおいて、圧着力を大きくすると片持梁の自由振動が
拘束され、共振糸のＱが低下するが、時計回転と反時計
回転とに対応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、王漕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
にすっ（つ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％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、■入力のないときでも保持力
がきわめて太きいなどの効果がある。
いた圧電モータの正面図である。
１・・・・・・片持梁＃ ３１ ＃ ３Ｍ・・・・・
・圧電振動子、６・・・・・・ボルト、８・・・・・・
ロータ。 牙１図 矛３図 才２図 ｉ、。 手続補正書（自発） 昭和５９年ｌＯ月ζ 日
・圧電振動子、６・・・・・・ボルト、８・・・・・・
ロータ。 牙１図 矛３図 才２図 ｉ、。 手続補正書（自発） 昭和５９年ｌＯ月ζ 日
Claims (1)
- 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方向に回転させ、他方の周波数で
は反時計回り方向に回転す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振動が拘束
され、共振系のＱが低下するが、時計方向回転と反時計
方向回転とに対応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 true JPS6152166A (ja) | 1986-03-14 |
| JPH0564553B2 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) |
Citations (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
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55145573A (en) * | 1979-04-24 | 1980-11-13 | Sp Pk I Tekunorogichiesukoe Bi | Vibrating motor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0564553B2 (ja) | 1993-09-14 |
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