JPS62217873A - 可逆回転型超音波モ−タ - Google Patents
可逆回転型超音波モ−タInfo
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- JPS62217873A JPS62217873A JP61059438A JP5943886A JPS62217873A JP S62217873 A JPS62217873 A JP S62217873A JP 61059438 A JP61059438 A JP 61059438A JP 5943886 A JP5943886 A JP 5943886A JP S62217873 A JPS62217873 A JP S62217873A
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- JP
- Japan
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- frequency
- bolt
- ultrasonic motor
- rotor
- stator
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- 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)
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〕
本発明は超音波モータに係わり、さらに詳しくは駆動周
波数を切″り換えることにより回転の向きを制御するた
めの改良に関する。
波数を切″り換えることにより回転の向きを制御するた
めの改良に関する。
従来のこの種のモータ、例えば本発明者にょる片持梁状
超音波楕円振動子を用いた圧電モータ（特願昭５９−１
７２４２９号）では、周波数の切り換えで回転の向きを
制御することが提案されている。その実施例では３９．
８６ Ｋ１１ｚと４０．８５ Ｋ１１ｚの極めて近い二
つの周波数のみで回転し、しがもその回転は互いに逆向
きであると紹介されている。
超音波楕円振動子を用いた圧電モータ（特願昭５９−１
７２４２９号）では、周波数の切り換えで回転の向きを
制御することが提案されている。その実施例では３９．
８６ Ｋ１１ｚと４０．８５ Ｋ１１ｚの極めて近い二
つの周波数のみで回転し、しがもその回転は互いに逆向
きであると紹介されている。
このモータに関するその後の研究から、この可逆回転性
は見掛は上の性質であり、十分強い安定したトルクを出
力させるため圧着力を強くすると、駆動可能な周波数は
一つだけになる。したがって回転の向きも、梁と溝との
傾斜角の符号で決定されることがモード縮退型圧電モー
タ（特願昭５９−１７２４３２号）で提案され、その後
この考えに沿って開発が進められている。このため、周
波数を１５０％程度高くした第２高周波を用いない限り
、たとえ周波数を替えても回転の向きを変えることはで
きないという欠点があった。
は見掛は上の性質であり、十分強い安定したトルクを出
力させるため圧着力を強くすると、駆動可能な周波数は
一つだけになる。したがって回転の向きも、梁と溝との
傾斜角の符号で決定されることがモード縮退型圧電モー
タ（特願昭５９−１７２４３２号）で提案され、その後
この考えに沿って開発が進められている。このため、周
波数を１５０％程度高くした第２高周波を用いない限り
、たとえ周波数を替えても回転の向きを変えることはで
きないという欠点があった。
この発明は、上記従来の超音波楕円振動子を用いた圧電
モータが持っていた回転の向きが変えられないという欠
点を解決し、以って回転方向の制御性に優れた超音波モ
ータを提供することを目的とする。
モータが持っていた回転の向きが変えられないという欠
点を解決し、以って回転方向の制御性に優れた超音波モ
ータを提供することを目的とする。
〔問題を解決するための手段〕
従来の技術の項にも述べたように、モータを駆動する楕
円振動は、圧電厚み振動のたて波でねじり結合子を屈曲
振動させ、それによってねじり結合子にたて振動と同一
周波数のねじり振動が発生し、たて振動とねじり振動と
が結合してできた楕円振動である。このような複雑な機
構のため実際の振動子には共振周波数近傍にスプリアス
が生じることが多く、極めて近い周波数で逆位相の楕円
振動が現られれるが、ロータを圧着するとＱが低下して
スプリアスが消え、共振系が安定する（モード縮退）。
円振動は、圧電厚み振動のたて波でねじり結合子を屈曲
振動させ、それによってねじり結合子にたて振動と同一
周波数のねじり振動が発生し、たて振動とねじり振動と
が結合してできた楕円振動である。このような複雑な機
構のため実際の振動子には共振周波数近傍にスプリアス
が生じることが多く、極めて近い周波数で逆位相の楕円
振動が現られれるが、ロータを圧着するとＱが低下して
スプリアスが消え、共振系が安定する（モード縮退）。
ところで本発明者はスプリアスで逆回転する現象を追求
し、それが振動系の位相に関係することをつきとめた。
し、それが振動系の位相に関係することをつきとめた。
そこで、基本振動帯域において、結合振動の位相関係を
安定に変える機構として、たて振動を発生するたて振動
子とこれを支えるボルトの関係、作用／反作用の位相関
係を利用する手段を選んだ。
安定に変える機構として、たて振動を発生するたて振動
子とこれを支えるボルトの関係、作用／反作用の位相関
係を利用する手段を選んだ。
本発明による可逆回転型超音波モータの一実施例を第１
図に示す。この図は従来の超音波モータと同じである。
図に示す。この図は従来の超音波モータと同じである。
本発明の新規性はたて振動子とこれを締め付けるボルト
との関係にあるので、それを説明するに。の第１図なら
びに第２図において、１．２は圧電セラミックからなる
圧電厚み振動子３．４は端子板、５は胴板、６はアルミ
ニウム類のボルト座金、７はアルミニウム類のねじり結
合子、８はロータ、９はアルミニウム類のキャップボル
トである。
との関係にあるので、それを説明するに。の第１図なら
びに第２図において、１．２は圧電セラミックからなる
圧電厚み振動子３．４は端子板、５は胴板、６はアルミ
ニウム類のボルト座金、７はアルミニウム類のねじり結
合子、８はロータ、９はアルミニウム類のキャップボル
トである。
第２図に示すようにキャップボルト９の首下面９ａと当
接する面からねじり結合子７の上面までの高さをＨ、キ
ャップボルト９の首下長さをし、キャップボルト９の締
め付はネジの部分を考慮した有効長さをＬ′とする。モ
ータを駆動する基本共振周波数ｆｒ（０）に対して、圧
電厚み振動子１．２が発生するたて波の１７４波長面が
ねじり結合子７の上面に一致するように胴板５の高さを
決め、逆転周波数ｆｒ（Ｒ）に対してはキャップボルト
９上のたて波の１７４波長がキャップボルト９の有効長
Ｌ′と一致するようにキャップボルト９の寸法とボルト
座金６の高さを決める。言い換えれば（ｆｒ（０） 〕
＝Ｈ１ならびにλ／４ （ｆｒ （Ｒ）） ＝ Ｌ ”
なる関係式を満足するように設計すれば良い。ここでキ
ャップボルト９の首下長さＬに対して、有効長さＬ′は
、キャップボルト９の先端ねじり結合子７に固定される
ことを考慮した長さである。
接する面からねじり結合子７の上面までの高さをＨ、キ
ャップボルト９の首下長さをし、キャップボルト９の締
め付はネジの部分を考慮した有効長さをＬ′とする。モ
ータを駆動する基本共振周波数ｆｒ（０）に対して、圧
電厚み振動子１．２が発生するたて波の１７４波長面が
ねじり結合子７の上面に一致するように胴板５の高さを
決め、逆転周波数ｆｒ（Ｒ）に対してはキャップボルト
９上のたて波の１７４波長がキャップボルト９の有効長
Ｌ′と一致するようにキャップボルト９の寸法とボルト
座金６の高さを決める。言い換えれば（ｆｒ（０） 〕
＝Ｈ１ならびにλ／４ （ｆｒ （Ｒ）） ＝ Ｌ ”
なる関係式を満足するように設計すれば良い。ここでキ
ャップボルト９の首下長さＬに対して、有効長さＬ′は
、キャップボルト９の先端ねじり結合子７に固定される
ことを考慮した長さである。
以下、具体的に実施例を示そう。本発明によるポイント
は超音波モータのステータに用いる超音波楕円振動子の
設計に有るので、ロータを除外した超音波楕円振動子に
ついてのべる。
は超音波モータのステータに用いる超音波楕円振動子の
設計に有るので、ロータを除外した超音波楕円振動子に
ついてのべる。
超音波楕円振動子には（１）ストレート型（第２図）、
（２）ステップ型（第３図’） 、（３１コーン型（第
４図）、および（４）ホーン型（第５図）の４種類があ
り、ねじり結合子１７．２７．３７には脚部が三日月脚
でなく、一定の幅で周方向に沿って弧状に設けられた堤
状層３８のものもあり、これらはいずれも本発明に適用
できる。この第３図ないし第５図において、１１．１２
．２１，２２．３１ならびに３２は圧電セラミックから
なる圧電厚み振動子、１３．１４，２３．２４．３３な
らびに３４は端子板、１５．２５ならびに３５は胴板、
１６，２６ならびに３６はアルミニウム類のボルト座金
、１７．２７ならびに３７はアルミニウム類のねじり結
合子、１９．２９ならびに３９はアルミニウム製のキャ
ップボルトである。
（２）ステップ型（第３図’） 、（３１コーン型（第
４図）、および（４）ホーン型（第５図）の４種類があ
り、ねじり結合子１７．２７．３７には脚部が三日月脚
でなく、一定の幅で周方向に沿って弧状に設けられた堤
状層３８のものもあり、これらはいずれも本発明に適用
できる。この第３図ないし第５図において、１１．１２
．２１，２２．３１ならびに３２は圧電セラミックから
なる圧電厚み振動子、１３．１４，２３．２４．３３な
らびに３４は端子板、１５．２５ならびに３５は胴板、
１６，２６ならびに３６はアルミニウム類のボルト座金
、１７．２７ならびに３７はアルミニウム類のねじり結
合子、１９．２９ならびに３９はアルミニウム製のキャ
ップボルトである。
本発明における設計条件はいずれもたて波に関する条件
の選定であるが、たて振動の波長λは、ねじり結合子に
ついては最適設計条件が別途提案されており、その−例
を示せば、ねじり結合子７は高さｈが１８．１ｍ、その
円板部の直径りが３０鶴、円板部の厚さＴが７鶴、溝幅
２Ｗが１６．５日、溝の深さＳが０．６１■、梁の高さ
が１０．５ｍ、梁の厚さ２ｄが１ｔｍのアルミニウム製
の部材である。厚さ２ｍ＋＋＋の圧電厚み振動子１．２
に０．２１ｍ厚の燐青銅の端子板３枚を重ね、さらにそ
の上に高さ１０．８鶴のアルミニウム円筒状胴板５を重
ねて、これらをアルミニウムの円板状座金６にセットし
たキャップボルト９を通し、その先端をねじり結合子７
のねじ孔に嵌めて締め付ると超音波楕円振動子が構成で
きる。
の選定であるが、たて振動の波長λは、ねじり結合子に
ついては最適設計条件が別途提案されており、その−例
を示せば、ねじり結合子７は高さｈが１８．１ｍ、その
円板部の直径りが３０鶴、円板部の厚さＴが７鶴、溝幅
２Ｗが１６．５日、溝の深さＳが０．６１■、梁の高さ
が１０．５ｍ、梁の厚さ２ｄが１ｔｍのアルミニウム製
の部材である。厚さ２ｍ＋＋＋の圧電厚み振動子１．２
に０．２１ｍ厚の燐青銅の端子板３枚を重ね、さらにそ
の上に高さ１０．８鶴のアルミニウム円筒状胴板５を重
ねて、これらをアルミニウムの円板状座金６にセットし
たキャップボルト９を通し、その先端をねじり結合子７
のねじ孔に嵌めて締め付ると超音波楕円振動子が構成で
きる。
４２ Ｋ Ｉｌｚの正弦波電圧を印加すると、梁の上面
に強力な楕円振動が発生すること、およびこのとき圧電
厚み振動子１．２で発生した振動は胴板５で増幅され、
梁上面にたて波の１／４波長面が一致していることを示
す。この超音波楕円振動子でステータを構成し、その端
面すなわち梁上面にロータを強く圧着するように組み立
てると、強力なトルクを出力する優れたモータを実現で
きることを別途提案した。
に強力な楕円振動が発生すること、およびこのとき圧電
厚み振動子１．２で発生した振動は胴板５で増幅され、
梁上面にたて波の１／４波長面が一致していることを示
す。この超音波楕円振動子でステータを構成し、その端
面すなわち梁上面にロータを強く圧着するように組み立
てると、強力なトルクを出力する優れたモータを実現で
きることを別途提案した。
さて、本発明ではこの一方向回転の超音波モータを可逆
回転できるように設計しなおすことを提案している。し
かし、すでにＨ＝３１．２ｍすなわち５４．２ＫＨｚの
たて波の１７４波長と等しい長さに決められているので
、変更できない。設計の余地はキャップボルトの有効長
さＬ′だけである。すなわり、ｆ ｒ （ａｌ＝ ４２
ＫＨｚに対してｆ （ｂ）／ ｆ （ａ）＜１．１で
は周波数安定性の上で問題があり、ｆ （ｂ）／ ｆ
（ａ）考える。
回転できるように設計しなおすことを提案している。し
かし、すでにＨ＝３１．２ｍすなわち５４．２ＫＨｚの
たて波の１７４波長と等しい長さに決められているので
、変更できない。設計の余地はキャップボルトの有効長
さＬ′だけである。すなわり、ｆ ｒ （ａｌ＝ ４２
ＫＨｚに対してｆ （ｂ）／ ｆ （ａ）＜１．１で
は周波数安定性の上で問題があり、ｆ （ｂ）／ ｆ
（ａ）考える。
これはＬ＝２５０のキャップボルトの先端を５鰭程度嵌
合させた状態に相当するのでこの条件を採用し、キャッ
プボルトの先端をねじり結合子円板のボルト孔に５ ｍ
ｓだけねじ込むよう、座金６のボルトの首下を支える部
分の長さＤ（第２図参照）を４１謹に選んだ。
合させた状態に相当するのでこの条件を採用し、キャッ
プボルトの先端をねじり結合子円板のボルト孔に５ ｍ
ｓだけねじ込むよう、座金６のボルトの首下を支える部
分の長さＤ（第２図参照）を４１謹に選んだ。
このように設計した超音波楕円振動子をステータとした
超音波モータを作り特性を評価した。正弦波電圧を７０
ボルド一定し、周波数を４２ Ｋ ｌｌｚにするとロー
タは５Ｑｒｐｍで右回転し３ｋｇ−３のトルクが得られ
、周波数を５８ Ｋ ｔｌｚにすると８Ｏｒｐｍで左回
転し同じ（３ｋｇ−ｃｍのトルクを得た。
超音波モータを作り特性を評価した。正弦波電圧を７０
ボルド一定し、周波数を４２ Ｋ ｌｌｚにするとロー
タは５Ｑｒｐｍで右回転し３ｋｇ−３のトルクが得られ
、周波数を５８ Ｋ ｔｌｚにすると８Ｏｒｐｍで左回
転し同じ（３ｋｇ−ｃｍのトルクを得た。
なお、第３図に示すステップ型、第４図に示すコーン型
、第５図に示すホーン型についても試作した結果は、そ
れぞれ４２ Ｋ１１ｚ、 ５８ Ｋ１１ｚで逆回転した
が、これらを用いたときはいづれも９０〜１２Ｏｒｐｍ
の比較的高い回転数であった。
、第５図に示すホーン型についても試作した結果は、そ
れぞれ４２ Ｋ１１ｚ、 ５８ Ｋ１１ｚで逆回転した
が、これらを用いたときはいづれも９０〜１２Ｏｒｐｍ
の比較的高い回転数であった。
前記実施例ではねじり結合子ならびにキャップボルトの
材質としてアルミニウムを使用したが、それ以外に超音
波振動の損失の少ない例えばステンレス、鉄、ニッケル
なども使用可能である。
材質としてアルミニウムを使用したが、それ以外に超音
波振動の損失の少ない例えばステンレス、鉄、ニッケル
なども使用可能である。
以上説明したように本発明では、圧電厚み振動子を含む
たて振動子とねじり結合子とをボルトで締めつけて一体
化した超音波楕円振動子をステータとし、その端面にロ
ータを圧着した構成によりロータが受ける回転トルクを
利用した超音波モータにおいて、駆動電圧の周波数の選
択によって回転方向を切り替えられるように、一方の周
波数ではたて振動のたて波の１７４波長面がステータの
ロータの圧着と一致するように、また他方の周波数では
ボルトのたて波の１７４波長がボルトの有効長と一致す
るように構成した。
たて振動子とねじり結合子とをボルトで締めつけて一体
化した超音波楕円振動子をステータとし、その端面にロ
ータを圧着した構成によりロータが受ける回転トルクを
利用した超音波モータにおいて、駆動電圧の周波数の選
択によって回転方向を切り替えられるように、一方の周
波数ではたて振動のたて波の１７４波長面がステータの
ロータの圧着と一致するように、また他方の周波数では
ボルトのたて波の１７４波長がボルトの有効長と一致す
るように構成した。
そのため一方の周波数では、ボルトがねじり結合子をし
っかりと支持した状態で屈曲共振状態を実現し、他方の
周波数では結合子のボルト孔が駆動点となって逆位相の
屈曲振動を作り出すので、一方の周波数でロータが右ま
わりすれば他方の周波数では左まわりする。すなわち、
二つの駆動周波数のいづれかを選択することにより、回
転方向を任意に制御することができ、強力で安定な回転
をする可逆回転型の超音波モータという新機能を実現す
る効果がある。
っかりと支持した状態で屈曲共振状態を実現し、他方の
周波数では結合子のボルト孔が駆動点となって逆位相の
屈曲振動を作り出すので、一方の周波数でロータが右ま
わりすれば他方の周波数では左まわりする。すなわち、
二つの駆動周波数のいづれかを選択することにより、回
転方向を任意に制御することができ、強力で安定な回転
をする可逆回転型の超音波モータという新機能を実現す
る効果がある。
第１図は本発明による可逆回転型超音波モータの一実施
例を示す斜視図、第２図はその可逆回転型超音波モータ
のステータを構成する超音波楕円振動子の形状・寸法の
説明図、第３図、第４図ならびに第５図は超音波楕円振
動子の別の実施例を示す説明図である。 １、 ２． １１． １２．２２．３１．３２・・・・
・・圧電厚み振動子、３，４，１３，１４，２３．２４
゜３３．３４・・・・・・端子板、５．１５，２５．３
５・・・・・・胴板、６，１６，２６．３６・・・・・
・ボルト座金、７．１？、２７．３７・・・・・・ねじ
り結合子、８・・・・・・ロータ、３８・・・・・・ね
じり結合子脚部、９．１９゜２９．３９・・・・・・キ
ャップボルト。 第１図 ９：キでｙｆボルト 第２図 第３図 第４図 第５図
例を示す斜視図、第２図はその可逆回転型超音波モータ
のステータを構成する超音波楕円振動子の形状・寸法の
説明図、第３図、第４図ならびに第５図は超音波楕円振
動子の別の実施例を示す説明図である。 １、 ２． １１． １２．２２．３１．３２・・・・
・・圧電厚み振動子、３，４，１３，１４，２３．２４
゜３３．３４・・・・・・端子板、５．１５，２５．３
５・・・・・・胴板、６，１６，２６．３６・・・・・
・ボルト座金、７．１？、２７．３７・・・・・・ねじ
り結合子、８・・・・・・ロータ、３８・・・・・・ね
じり結合子脚部、９．１９゜２９．３９・・・・・・キ
ャップボルト。 第１図 ９：キでｙｆボルト 第２図 第３図 第４図 第５図
Claims (3)
- （１）圧電厚み振動子を含むたて振動子とねじり結合子
とをボルトで締めつけて一体化した超音波楕円振動子を
ステータとし、その端面にロータを圧着した構成により
ロータが受ける回転トルクを利用した超音波モータにお
いて、駆動電圧の周波数の選択によつて回転方向を切り
替えることができるように構成されていることを特徴と
する可逆回転型超音波モータ。 - （２）特許請求の範囲第（１）項記載の可逆回転型超音
波モータにおいて、二つの駆動周波数のうち、一方の周
波数ではたて振動子のたて波の１／４波長面がステータ
のロータとの圧着面と一致するように、また他方の周波
数ではボルトのたて波の１／４波長面がステータのロー
タとの圧着面と一致するように、また他方の周波数では
ボルトのたて波の１／４波長がボルトの有効長と一致す
るように構成したことを特徴とする可逆回転型超音波モ
ータ。 - （３）特許請求の範囲第（１）項記載の可逆回転型超音
波モータにおいて、前記駆動電圧の周波数の選択範囲を
、低い周波数の１１０乃至２００％以下の範囲としたこ
とを特徴とする可逆回転型超音波モータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61059438A JPS62217873A (ja) | 1986-03-19 | 1986-03-19 | 可逆回転型超音波モ−タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61059438A JPS62217873A (ja) | 1986-03-19 | 1986-03-19 | 可逆回転型超音波モ−タ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62217873A true JPS62217873A (ja) | 1987-09-25 |
Family
ID=13113280
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61059438A Pending JPS62217873A (ja) | 1986-03-19 | 1986-03-19 | 可逆回転型超音波モ−タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62217873A (ja) |
-
1986
- 1986-03-19 JP JP61059438A patent/JPS62217873A/ja active Pending
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