JP2004147373A - Ultrasonic motor and design method therefor - Google Patents
Ultrasonic motor and design method therefor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004147373A JP2004147373A JP2002306683A JP2002306683A JP2004147373A JP 2004147373 A JP2004147373 A JP 2004147373A JP 2002306683 A JP2002306683 A JP 2002306683A JP 2002306683 A JP2002306683 A JP 2002306683A JP 2004147373 A JP2004147373 A JP 2004147373A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stator
- rotor
- vibration
- ultrasonic motor
- axial length
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ、及び超音波モータの設計方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の超音波モータとしては、略円柱形状の定在波型(所謂ボルト締めランジュバン型)のものがある(例えば、特許文献1参照。)。この超音波モータは、ステータとロータとを備えている。ステータは、2枚の圧電素子が複数の金属ブロックに挟まれた状態で、該圧電素子及び該金属ブロックの内部で軸方向に挿通するボルトにより締結されてなり、略円柱形状に形成されている。このステータの下部外周、即ち下側の金属ブロックの外周には、圧電素子による振動を捩り振動に変換するためのスリット部が圧電素子に隣接して形成されている。ロータは、略円筒状に形成され、図示しない加圧機構によりステータの上面、即ち上側の金属ブロックの上端面に回転可能に加圧接触される。
【0003】
この超音波モータでは、圧電素子に高周波電圧が供給されると、圧電素子にて縦振動が発生されるとともに、スリット部にて縦振動に基づいた捩り振動が発生されることでロータが回転駆動される。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−155288号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような超音波モータにおいては、ステータの構造や形状によっては、前記捩り振動を高効率で発生させることができず、ロータを高効率で回転させることができないことがある。言い換えると、上記のようにステータに、捩り振動を高効率で発生させるには、ステータの設計に試行錯誤が必要であった。
【0006】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ロータを回転させるための捩り振動を高効率で発生することができる超音波モータ、及び超音波モータの設計方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明では、電極板を挟んだn枚(nは2の整数倍)の同じ厚さの圧電素子が複数の金属ブロックに挟まれた状態で、該圧電素子及び該金属ブロックの内部で軸方向に挿通する締結部材により締結されてなる略円柱形状のステータと、前記ステータの一端面に回転可能に加圧接触されるロータとを備え、前記圧電素子に高周波電圧を供給して前記ステータに振動を発生させることで、前記ロータを回転させる超音波モータにおいて、前記ステータの前記金属ブロックには、前記圧電素子による振動を捩り振動に変換するためのスリット部が形成され、前記ステータの軸方向長に対して、n/2枚の前記圧電素子の軸方向長と前記スリット部の軸方向長とを合わせた長さを、18%以上で32%以下とした。
【0008】
請求項2に記載の発明では、電極板を挟んだn枚(nは2の整数倍)の同じ厚さの圧電素子が複数の金属ブロックに挟まれた状態で、該圧電素子及び該金属ブロックの内部で軸方向に挿通する締結部材により締結されてなる略円柱形状のステータと、前記ステータの一端面に回転可能に加圧接触されるロータとを備え、前記圧電素子に高周波電圧を供給して前記ステータに振動を発生させることで、前記ロータを回転させる超音波モータにおいて、前記ステータの金属ブロックには、前記圧電素子による振動を捩り振動に変換するためのスリット部が形成され、前記ステータの軸方向長に対して、n/2枚の前記圧電素子の軸方向長と前記スリット部の軸方向長とを合わせた長さを、22%以上で27%以下とした。
【0009】
請求項3に記載の発明では、請求項1又は2に記載の超音波モータにおいて、前記ステータに前記ロータを一方向に回転させるように働く第1の共振周波数の振動を発生させることで前記ロータを一方向に回転させ、同ステータに前記ロータの共振周波数と重なる第2の共振周波数の振動を発生させることで前記ロータ自身に他方向に回転するように働く振動を発生させて前記ロータを他方向に回転させる。
【0010】
請求項4に記載の発明では、請求項1乃至3に記載の超音波モータにおいて、前記ステータの直径に対して、前記スリット部の径方向長を、20%以上で30%以下とした。
【0011】
請求項5に記載の発明では、電極板を挟んだn枚(nは2の整数倍)の同じ厚さの圧電素子が複数の金属ブロックに挟まれた状態で、該圧電素子及び該金属ブロックの内部で軸方向に挿通する締結部材により締結されてなる略円柱形状のステータと、前記ステータの一端面に回転可能に加圧接触されるロータとを備え、前記圧電素子に高周波電圧を供給して前記ステータに振動を発生させることで、前記ロータを回転させる超音波モータにおいて、前記ステータの前記金属ブロックには、前記圧電素子による振動を捩り振動に変換するためのスリット部が形成され、前記ステータの直径に対して、前記スリット部の径方向長を、20%以上で30%以下とした。
【0012】
請求項6に記載の発明では、電極板を挟んだn枚(nは2の整数倍)の同じ厚さの圧電素子が複数の金属ブロックに挟まれた状態で、該圧電素子及び該金属ブロックの内部で軸方向に挿通する締結部材により締結されてなり、前記金属ブロックに前記圧電素子による振動を捩り振動に変換するためのスリット部が形成された略円柱形状のステータと、前記ステータの一端面に回転可能に加圧接触されるロータとを備え、前記圧電素子に高周波電圧を供給して前記ステータに振動を発生させることで、前記ロータを回転させる超音波モータの設計方法であって、前記スリット部の軸方向長を変更しながら該軸方向長に対する振動速度を測定して、振動が高効率で略一定となる軸方向長範囲を測定し、前記スリット部の径方向長を変更しながら該径方向長に対する振動速度を測定して、振動が高効率で略一定となる径方向長範囲を測定し、前記軸方向長範囲内且つ前記径方向長範囲内となるように、前記スリット部の形状を特定する。
【0013】
(作用)
請求項1に記載の発明によれば、ステータの軸方向長に対して、n/2枚の前記圧電素子の軸方向長とスリット部の軸方向長とを合わせた長さは、18%以上で32%以下とされる。このようにすると、ロータを回転させるための振動が高効率で発生され、ロータを高効率で回転させることができる。
【0014】
請求項2に記載の発明によれば、ステータの軸方向長に対して、n/2枚の前記圧電素子の軸方向長とスリット部の軸方向長とを合わせた長さは、22%以上で27%以下とされる。このようにすると、ロータを回転させるための振動が高効率で発生され、ロータを高効率で回転させることができる。しかも、上記範囲内においては、ロータを回転させるための振動が高効率で略一定となるため、例えば、スリット部の軸方向長に製造バラツキが生じても、略一定の高効率の超音波モータを得ることができる。
【0015】
請求項3に記載の発明によれば、ロータを一方向及び他方向に回転させるための第1及び第2の共振周波数の振動が高効率で発生され、ロータを一方向及び他方向に高効率で回転させることができる。
【0016】
請求項4に記載の発明によれば、ステータの直径に対して、スリット部の径方向長は、20%以上で30%以下とされる。このようにすると、ロータを回転させるための振動が高効率で発生され、ロータを高効率で回転させることができる。しかも、上記範囲内においては、ロータを回転させるための振動が高効率で略一定となるため、例えば、スリット部の径方向長に製造バラツキが生じても、略一定の高効率の超音波モータを得ることができる。
【0017】
請求項5に記載の発明によれば、ステータの直径に対して、スリット部の径方向長は、20%以上で30%以下とされる。このようにすると、ロータを回転させるための振動が高効率で発生され、ロータを高効率で回転させることができる。しかも、上記範囲内においては、ロータを回転させるための振動が高効率で略一定となるため、例えば、スリット部の径方向長に製造バラツキが生じても、略一定の高効率の超音波モータを得ることができる。
【0018】
請求項6に記載の発明によれば、スリット部の軸方向長が変更されながら該軸方向長に対する振動速度が測定されて、振動が高効率で略一定となる軸方向長範囲が測定され、スリット部の径方向長が変更されながら該径方向長に対する振動速度が測定されて、振動が高効率で略一定となる径方向長範囲が測定される。そして、前記軸方向長範囲内且つ前記径方向長範囲内となるように、スリット部の形状が特定される。このようにすると、ロータを回転させるための振動が高効率で発生され、ロータを高効率で回転させることができる超音波モータの設計を、試行錯誤等を繰り返すことなく、容易に行なうことができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図1〜図6に従って説明する。図1及び図2に示すように、超音波モータは、ステータ1とロータ2とを備えている。ステータ1は、上側金属ブロック3、下側金属ブロック4、第1及び第2圧電素子5,6、第1及び第2電極板7,8、締結部材としてのボルト9、及び絶縁カラー10を備えている。
【0020】
上側及び下側金属ブロック3,4は、導電性金属よりなり、本実施形態ではアルミ合金にて形成されている。上側金属ブロック3は、略円筒状に形成されている。上側金属ブロック3の上部には、その内径が大きくされることで、上端面に発生する振動を増幅するためのホーン部3aが形成されている。又、上側金属ブロック3のホーン部3aを除く内周面には、雌ネジ3bが形成されている。尚、本実施の形態における上側金属ブロック3の直径(外径)Dは、20mmに設定されている。又、上側金属ブロック3の上端面には薄肉の摩擦材11が貼付されている。
【0021】
下側金属ブロック4は、内外径が上側金属ブロック3と同じ略円筒状に形成されている。下側金属ブロック4の上部(図1〜図3中、上部)外周には、励起される縦振動に基づいて捩り振動を発生するスリット部(凹部)4aが形成されている。このスリット部4aは、周方向に複数(本実施の形態では9個)形成されている。又、スリット部4aは、(軸直交方向から見て)それぞれ軸方向に対して傾斜している。尚、本実施の形態におけるスリット部4aの軸方向長hsは、5mmに設定されている。又、本実施の形態におけるスリット部4aの径方向長dsは、5mmに設定されている。
【0022】
又、下側金属ブロック4の中央部(軸方向中央部)外周には、外部(図示しないモータケース等)に固定するための固定用凸部4bが周方向に複数形成されている。この固定用凸部4bは、スリット部4aの下端側(軸方向一端側)に形成されている。又、固定用凸部4bは、スリット部4a毎に、即ちスリット部4aの数と同数(本実施の形態では9個)形成されている。
【0023】
又、下側金属ブロック4の内周面(図2中、破線で示す)には、雌ネジ4cが形成されている。
第1及び第2圧電素子5,6は円板状に形成され、その中心部に貫通孔がそれぞれ形成されている。この第1及び第2圧電素子5,6の内径は、上側及び下側金属ブロック3,4の内径より大きく設定されている。尚、本実施の形態の第1及び第2圧電素子5,6の厚さ(即ち軸方向長)haは、それぞれ3mmに設定されている。
【0024】
第1及び第2電極板7,8は略円板状に形成され、その中心部には貫通孔がそれぞれ形成されている。この第1及び第2電極板7,8の内径は、第1及び第2圧電素子5,6の内径と同じに設定されている。尚、本実施の形態の第1及び第2電極板7,8の厚さ(即ち軸方向長)は、それぞれ0.2mmに設定されている。又、図1〜図3においては、第1及び第2電極板7,8の厚さを模式的に(やや厚めに)図示している。
【0025】
ボルト9は、その外周に雄ネジ9aが形成された略円柱形状のものであって、前記雌ネジ3b,4cに螺合可能とされている。
絶縁カラー10は、絶縁性樹脂にて円筒状に形成されている。この絶縁カラー10は、その外径が前記第1及び第2圧電素子5,6、第1及び第2電極板7,8の内径と同じに設定され、その内径がボルト9の雄ネジ9aの外径と同じ(ボルト9を内嵌可能)に設定されている。
【0026】
そして、第1及び第2圧電素子5,6と第1及び第2電極板7,8とを挟んだ上側及び下側金属ブロック3,4は、その内部を軸線方向に挿通するボルト9により締結される。詳述すると、下側金属ブロック4、第2電極板8、第2圧電素子6、第1電極板7、第1圧電素子5、上側金属ブロック3は、この順で積層され、その内部に挿通されるボルト9(雄ネジ9a)が上側及び下側金属ブロック3,4の雌ネジ3b,4cに螺合されることで締結されている。尚、このとき、第1及び第2圧電素子5,6は、分極方向がそれぞれ互いに上下逆になるように積層される。又、このとき、第1及び第2圧電素子5,6、第1及び第2電極板7,8の内周面と、ボルト9の雄ネジ9aの外周面との間には、絶縁カラー10が介在される。従って、第1及び第2圧電素子5,6、第1及び第2電極板7,8の内周面と、ボルト9の外周面とは電気的に絶縁状態とされる。又、このとき、第2電極板8は、下側金属ブロック4及びボルト9を介して上側金属ブロック3と電気的に接続状態となる。尚、本実施の形態では、上記のように構成されたステータ1の軸方向長Hは、38mmに設定されている。即ち、本実施の形態では、ステータ1の軸方向長H(38mm)に対する、1枚の圧電素子(第2圧電素子6)の軸方向長ha(3mm)とスリット部4aの軸方向長hs(5mm)とを合わせた長さが(8/38=)約21%に設定されている。又、本実施の形態では、ステータ1(上側金属ブロック3)の直径D(20mm)に対するスリット部4aの径方向長ds(5mm)が(5/20=)25%に設定されている。
【0027】
ロータ2は、前記上側及び下側金属ブロック3,4と直径(外径)が同じの略円筒状に形成され、図示しない加圧機構によりステータ1の上面、即ち上側金属ブロック3(摩擦材11)の上端面に摺動回転可能に加圧接触されている。このロータ2の外周には、励起される縦振動に基づいて捩り振動を発生するロータスリット部(凹部)2aが周方向に複数形成されている。このロータスリット部2aは、(軸直交方向から見て)それぞれ軸線方向に対して傾斜している。
【0028】
このように構成された超音波モータでは、第1及び第2電極板7,8間に、第1の共振周波数f1(図6参照)の高周波電圧が印加されると、第1及び第2圧電素子5,6にて縦振動が発生される。すると、該振動に基づいてステータ1のスリット部4aにて捩じり振動が発生される。このとき、ステータ1の上面、即ち上側金属ブロック3(摩擦材11)の上端面の振動は、大きな捩り振動と縦振動とが合成された複合振動となっている。すると、ステータ1の縦振動成分による浮力と捩り振動成分による推進力にてロータ2が一方向に(第1の回転特性で)回転する(ステータ主体モード)。
【0029】
又、第1及び第2電極板7,8間に、第2の共振周波数f2(図6参照)の高周波電圧が印加されると、第1及び第2圧電素子5,6にて縦振動が発生される。すると、該振動に基づいてステータ1のスリット部4aにて捩じり振動が発生される。このとき、ステータ1の上面、即ち上側金属ブロック3(摩擦材11)の上端面の振動は、前記捩り振動(ステータ主体モード)の反対方向に捩れる小さい捩り振動と縦振動とが合成された複合振動となっている。ここで、ロータ2の共振周波数は、前記第2の共振周波数f2と重なるように設定されている。このことから、ロータ2では、ステータ1の振動に基づいて(共振して)ロータスリット部2aにて大きな捩り振動が発生される。このとき、ロータスリット部2aにて発生される捩り振動は、自身を他方向(ステータ主体モードの逆方向)に回転させるように働く振動である。よって、ステータ1の縦振動成分による浮力と捩り振動成分による推進力とロータ2自身の捩り振動成分にてロータ2が他方向に(第2の回転特性で)回転する(ロータ主体モード)。
【0030】
ここで、上記のような超音波モータ(ステータ1)における軸方向割合HW−振動速度vθ特性の実験結果を図4に従って説明する。尚、軸方向割合HWは、ステータ1の軸方向長Hに対する、1枚の圧電素子(第2圧電素子6)の軸方向長haとスリット部4aの軸方向長hsとを合わせた長さ((ha+hs)/H)である。この実験では、スリット部4aの径方向長dsを5mmで一定、第2圧電素子6の軸方向長haを3mmで一定とし、スリット部4aの軸方向長hsを変化させた際の振動速度vθを測定した。
【0031】
図4に示すように、前記軸方向割合HWが0.18(即ち18%)以上、0.32(即ち32%)以下の状態で、第1及び第2の共振周波数f1,f2の高周波電圧を印加した際の振動速度vθが共に10m/secを超え、ロータ2を回転させるための振動が高効率で発生している。
【0032】
又、図4に示すように、前記軸方向割合HWが0.22(即ち22%)以上、0.27(即ち27%)以下の状態で、第1及び第2の共振周波数f1,f2の高周波電圧を印加した際の振動速度vθが共に高効率(略最高値)で略一定(その範囲内で略一定)となっている。
【0033】
次に、上記のような超音波モータ(ステータ1)における、径方向割合DW−振動速度vθ特性の実験結果を図5に従って説明する。尚、径方向割合DWは、ステータ1の直径Dに対するスリット部4aの径方向長ds(ds/D)である。この実験では、スリット部4aの軸方向長hsを5mmで一定とし、スリット部4aの径方向長dsを変化させた際の振動速度vθを測定した。
【0034】
図5に示すように、前記径方向割合DWが0.20(即ち20%)以上、0.30(即ち30%)以下の状態で、第1及び第2の共振周波数f1,f2の高周波電圧を印加した際の振動速度vθが共に11m/secを超え、ロータ2を回転させるための振動が高効率(略最高値)で(略一定に)発生している。
【0035】
次に、上記実施の形態の特徴的な作用効果を以下に記載する。
(1)ステータ1の軸方向長Hに対して、1枚の圧電素子(第2の圧電素子6)の軸方向長haとスリット部4aの軸方向長hsとを合わせた長さは、約21%に設定されている。このようにすると、ロータ2を回転させるための振動(捩り振動)が高効率で発生され(図4参照)、ロータ2を高効率で回転させることができる。よって、本実施の形態では、所望の性能の超音波モータを得ることができる。尚、本実施の形態では、両回転の超音波モータに具体化して、ロータ2を一方向及び他方向に回転させるための第1及び第2の共振周波数f1,f2の振動が共に高効率で発生される(図4参照)ため、ロータ2を一方向及び他方向に高効率で回転させることができる。
【0036】
(2)ステータ1の直径Dに対して、スリット部4aの径方向長dsは、25%に設定されている。このようにすると、ロータ2を回転させるための振動(捩り振動)が高効率で発生され、ロータ2を高効率で回転させることができる。しかも、スリット部4aの径方向長dsを上記(25%)のように設定すると、20%〜30%の範囲内においては、ロータ2を回転させるための振動が高効率で略一定となる(図5参照)ため、例えば、スリット部4aの径方向長dsに製造バラツキが生じても、略一定の高効率の超音波モータを得ることができる。尚、本実施の形態では、ステータ1の直径Dが20mmに設定されていることなどから、スリット部4aの径方向長dsを5mm±1.0mmで製造すれば、略一定の高効率の超音波モータを得ることができる。
【0037】
(3)スリット部4aは、周方向に複数(9個)形成され傾斜しているため、ロータ2を回転させるための振動(捩り振動)が高効率で発生される。
上記実施の形態は、以下のように変更してもよい。
【0038】
・上記実施の形態では、ステータ1の軸方向長Hに対する、1枚の圧電素子(第2の圧電素子6)の軸方向長haとスリット部4aの軸方向長hsとを合わせた長さ((ha+hs)/H)を、約21%に設定したが、18%以上、32%以下の範囲内で変更してもよい。このようにしても、上記実施の形態の効果と同様の効果を得ることができる。
【0039】
・上記実施の形態では、ステータ1の軸方向長Hに対する、1枚の圧電素子(第2の圧電素子6)の軸方向長haとスリット部4aの軸方向長hsとを合わせた長さ((ha+hs)/H)を、約21%に設定したが、22%以上、27%以下の範囲内に変更してもよい。例えば、スリット部4aの軸方向長hsを6.5mmに変更して、ステータ1の軸方向長H(38mm)に対する、1枚の圧電素子(第2圧電素子6)の軸方向長ha(3mm)とスリット部4aの軸方向長hs(6.5mm)とを合わせた長さを(9.5/38=)25%に設定してもよい。このようにすると、22%〜27%の範囲内においては、ロータ2を回転させるための振動が高効率(略最高値)で略一定となる(図4参照)ため、例えば、スリット部4aの軸方向長hsに製造バラツキが生じても、略一定の高効率の超音波モータを得ることができる。尚、この例では、ステータ1の軸方向長Hが38mmに設定されていることなどから、スリット部4aの軸方向長hsを6.5mm+0.76mm−1.86mm(5.36mm〜7.26mm)で製造すれば、略一定の高効率の超音波モータを得ることができる。
【0040】
・上記実施の形態では、1枚の圧電素子(第2圧電素子6)の軸方向長haを3mmとし、スリット部4aの軸方向長hsを5mmとしたが、1枚の圧電素子(第2圧電素子6)の軸方向長haを変更してもよい。尚、この場合、圧電素子(第2圧電素子6)の軸方向長haが、スリット部4aの軸方向長hsより大きくならないように設定することが好ましい(高効率化を図ることができる)。
【0041】
・上記実施の形態の第1及び第2圧電素子5,6は、n枚(nは2の整数倍であって、例えば、4枚や6枚)に変更してもよい。尚、この場合、前記軸方向長haをn/2枚の圧電素子の軸方向長として(例えば、4枚の圧電素子に変更した場合、2枚の圧電素子の軸方向長haとして)上記実施の形態と同様に設定する。このようにしても、上記実施の形態の効果と同様の効果を得ることができる。
【0042】
・上記実施の形態では、両回転の超音波モータに具体化したが、ロータ2を一方向にのみ回転させる超音波モータとしてもよい。尚、上記実施の形態の超音波モータは勿論、用途に応じて一方向のみに回転させる超音波モータとなる。
【0043】
・上記実施の形態(別例)と略同様の超音波モータ(ステータ)は、以下のように設計するようにしてもよい。まずステータのスリット部の軸方向長hsを変更しながら該軸方向長hsに対する振動速度vθを測定して(図4参照)、振動が高効率で略一定となる軸方向長範囲を測定する。又、スリット部の径方向長dsを変更しながら該径方向長dsに対する振動速度vθを測定して(図5参照)、振動が高効率で略一定となる径方向長範囲を測定する。そして、前記軸方向長範囲内且つ前記径方向長範囲内となるように、スリット部の形状(軸方向長hs及び径方向長ds)を特定する。このように設計された超音波モータでは、前記軸方向長範囲内且つ前記径方向長範囲内においては、ロータ2を回転させるための振動が高効率(略最高値)で略一定となるため、例えば、スリット部4aの軸方向長hsや径方向長dsに製造バラツキが生じても、略一定の高効率の超音波モータを得ることができる。よって、ロータ2を回転させるための振動が高効率で発生され、ロータ2を高効率で回転させることができる超音波モータの設計を、試行錯誤等を繰り返すことなく、容易に行なうことができる。尚、スリット部の軸方向長hs及び径方向長dsを、それぞれ前記軸方向長範囲内、前記径方向長範囲内の略中心の値に設定することで±のどちらの誤差(製造バラツキ)も均等に許容することができるようになる。
【0044】
・上記実施の形態では、スリット部4aを9個設けたが、その個数は適宜変更してもよい。
上記各実施の形態から把握できる技術的思想について、以下にその効果とともに記載する。
【0045】
(イ)請求項5に記載の超音波モータにおいて、前記ステータに前記ロータを一方向に回転させるように働く第1の共振周波数の振動を発生させることで前記ロータを一方向に回転させ、同ステータに前記ロータの共振周波数と重なる第2の共振周波数の振動を発生させることで前記ロータ自身に他方向に回転するように働く振動を発生させて前記ロータを他方向に回転させることを特徴とする超音波モータ。このようにすると、ロータを一方向及び他方向に回転させるための第1及び第2の共振周波数の振動が高効率で発生され、ロータを一方向及び他方向に高効率で回転させることができる。
【0046】
(ロ)請求項1乃至5のいずれか1項に記載の超音波モータにおいて、前記スリット部は、周方向に複数形成され傾斜していることを特徴とする超音波モータ。このようにすると、効率良く捩り振動が発生される。
【0047】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項1〜5に記載の発明によれば、ロータを回転させるための捩り振動を高効率で発生することができる超音波モータを提供することができる。
【0048】
又、請求項6に記載の発明によれば、ロータを回転させるための捩り振動を高効率で発生することができる超音波モータの設計方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態における超音波モータの斜視図。
【図2】本実施の形態における超音波モータの要部断面図。
【図3】本実施の形態における超音波モータの分解斜視図。
【図4】本実施の形態におけるステータの軸方向割合−振動速度特性図。
【図5】本実施の形態におけるステータの径方向割合−振動速度特性図。
【図6】共振周波数を説明するための周波数−インピーダンス特性図。
【符号の説明】
1…ステータ、2…ロータ、3…上側金属ブロック(金属ブロック)、4…下側金属ブロック(金属ブロック)、4a…スリット部、5,6…第1及び第2圧電素子(圧電素子)、7…第1電極板(電極板)、9…ボルト(締結部材)、D…上側金属ブロック(ステータ)の直径、H…ステータの軸方向長、ds…スリット部の径方向長、ha…第2圧電素子(n/2枚の圧電素子)の軸方向長、hs…スリット部の軸方向長、f1…第1の共振周波数、f2…第2の共振周波数。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic motor and a method for designing an ultrasonic motor.
[0002]
[Prior art]
As a conventional ultrasonic motor, there is a substantially cylindrical standing wave type (so-called bolted Langevin type) (for example, see Patent Document 1). This ultrasonic motor includes a stator and a rotor. The stator is fastened by bolts inserted in the axial direction inside the piezoelectric element and the metal block in a state where the two piezoelectric elements are sandwiched between a plurality of metal blocks, and is formed in a substantially cylindrical shape. . On the outer periphery of the lower portion of the stator, that is, on the outer periphery of the lower metal block, a slit portion for converting vibration by the piezoelectric element into torsional vibration is formed adjacent to the piezoelectric element. The rotor is formed in a substantially cylindrical shape, and is rotatably pressed against the upper surface of the stator, that is, the upper end surface of the upper metal block, by a pressing mechanism (not shown).
[0003]
In this ultrasonic motor, when a high-frequency voltage is supplied to the piezoelectric element, a longitudinal vibration is generated in the piezoelectric element, and a torsional vibration based on the longitudinal vibration is generated in the slit portion, thereby rotating the rotor. Is done.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-155288
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the ultrasonic motor as described above, the torsional vibration cannot be generated with high efficiency depending on the structure and shape of the stator, and the rotor cannot be rotated with high efficiency. In other words, in order to generate torsional vibration in the stator with high efficiency as described above, the design of the stator requires trial and error.
[0006]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor capable of generating torsional vibration for rotating a rotor with high efficiency, and a design of the ultrasonic motor. It is to provide a method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, in a state where n (n is an integral multiple of 2) piezoelectric elements of the same thickness sandwiching the electrode plate are sandwiched between the plurality of metal blocks, the piezoelectric element and the metal block are provided. A substantially cylindrical stator fastened by a fastening member inserted in the axial direction inside the rotor, and a rotor rotatably press-contacted to one end surface of the stator, and supplies a high-frequency voltage to the piezoelectric element. In the ultrasonic motor that rotates the rotor by generating vibration in the stator, a slit portion for converting vibration by the piezoelectric element into torsional vibration is formed in the metal block of the stator, The total length of the axial length of the n / 2 piezoelectric elements and the axial length of the slit portion is 18% or more and 32% or less with respect to the axial length of the stator.
[0008]
According to the second aspect of the present invention, in a state where n (n is an integer multiple of 2) piezoelectric elements of the same thickness sandwiching the electrode plate are sandwiched by the plurality of metal blocks, the piezoelectric element and the metal block A substantially cylindrical stator fastened by a fastening member inserted in the axial direction inside the rotor, and a rotor rotatably press-contacted to one end surface of the stator, and supplies a high-frequency voltage to the piezoelectric element. In the ultrasonic motor that rotates the rotor by generating vibration in the stator, a slit portion for converting vibration by the piezoelectric element into torsional vibration is formed in the metal block of the stator; The total length of the axial length of the n / 2 piezoelectric elements and the axial length of the slit portion is set to 22% or more and 27% or less with respect to the axial length.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the ultrasonic motor according to the first or second aspect, the stator generates vibration at a first resonance frequency that operates to rotate the rotor in one direction. Is rotated in one direction, and the stator generates vibration having a second resonance frequency that overlaps with the resonance frequency of the rotor, thereby causing the rotor itself to generate vibration acting to rotate in the other direction, thereby causing the rotor to rotate in the other direction. Rotate in the direction.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the ultrasonic motor according to any one of the first to third aspects, the radial length of the slit portion is set to 20% or more and 30% or less with respect to the diameter of the stator.
[0011]
According to the fifth aspect of the present invention, in a state where n (n is an integral multiple of 2) piezoelectric elements of the same thickness sandwiching the electrode plate are sandwiched by the plurality of metal blocks, the piezoelectric element and the metal block A substantially cylindrical stator fastened by a fastening member inserted in the axial direction inside the rotor, and a rotor rotatably press-contacted to one end surface of the stator, and supplies a high-frequency voltage to the piezoelectric element. In the ultrasonic motor that rotates the rotor by generating vibration in the stator, a slit portion for converting vibration by the piezoelectric element into torsional vibration is formed in the metal block of the stator, The length of the slit portion in the radial direction is set to 20% or more and 30% or less with respect to the diameter of the stator.
[0012]
In the invention according to
[0013]
(Action)
According to the first aspect of the present invention, the total length of the axial length of the n / 2 piezoelectric elements and the axial length of the slit portion is 18% or more of the axial length of the stator. Is 32% or less. With this configuration, vibration for rotating the rotor is generated with high efficiency, and the rotor can be rotated with high efficiency.
[0014]
According to the invention described in
[0015]
According to the third aspect of the present invention, vibrations of the first and second resonance frequencies for rotating the rotor in one direction and the other direction are generated with high efficiency, and the rotor is efficiently moved in one direction and the other direction. Can be rotated.
[0016]
According to the fourth aspect of the present invention, the radial length of the slit portion is not less than 20% and not more than 30% with respect to the diameter of the stator. With this configuration, vibration for rotating the rotor is generated with high efficiency, and the rotor can be rotated with high efficiency. Moreover, within the above range, the vibration for rotating the rotor is substantially constant with high efficiency, so that, for example, even if manufacturing variations occur in the radial length of the slit portion, a substantially constant high-efficiency ultrasonic motor is used. Can be obtained.
[0017]
According to the fifth aspect of the invention, the radial length of the slit portion is not less than 20% and not more than 30% with respect to the diameter of the stator. With this configuration, vibration for rotating the rotor is generated with high efficiency, and the rotor can be rotated with high efficiency. Moreover, within the above range, the vibration for rotating the rotor is substantially constant with high efficiency, so that, for example, even if manufacturing variations occur in the radial length of the slit portion, a substantially constant high-efficiency ultrasonic motor is used. Can be obtained.
[0018]
According to the invention as set forth in
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic motor includes a
[0020]
The upper and
[0021]
The
[0022]
A plurality of fixing
[0023]
A female screw 4c is formed on the inner peripheral surface of the lower metal block 4 (indicated by a broken line in FIG. 2).
The first and second
[0024]
Each of the first and
[0025]
The
The insulating
[0026]
The upper and
[0027]
The
[0028]
In the ultrasonic motor configured as described above, when a high-frequency voltage of the first resonance frequency f1 (see FIG. 6) is applied between the first and
[0029]
When a high-frequency voltage having the second resonance frequency f2 (see FIG. 6) is applied between the first and
[0030]
Here, the experimental results of the axial ratio HW-vibration velocity vθ characteristics in the ultrasonic motor (stator 1) as described above will be described with reference to FIG. Note that the axial ratio HW is a length obtained by adding the axial length ha of one piezoelectric element (second piezoelectric element 6) and the axial length hs of the
[0031]
As shown in FIG. 4, when the axial direction ratio HW is not less than 0.18 (ie, 18%) and not more than 0.32 (ie, 32%), the high-frequency voltages of the first and second resonance frequencies f1, f2 are set. , The vibration speed vθ exceeds 10 m / sec, and the vibration for rotating the
[0032]
Further, as shown in FIG. 4, when the axial ratio HW is not less than 0.22 (ie, 22%) and not more than 0.27 (ie, 27%), the first and second resonance frequencies f1, f2 are not changed. The vibration velocity vθ when a high-frequency voltage is applied is both high efficiency (substantially the highest value) and substantially constant (substantially constant within the range).
[0033]
Next, the experimental result of the radial ratio DW-vibration speed vθ characteristic in the ultrasonic motor (stator 1) as described above will be described with reference to FIG. The radial ratio DW is a radial length ds (ds / D) of the
[0034]
As shown in FIG. 5, when the radial ratio DW is not less than 0.20 (ie, 20%) and not more than 0.30 (ie, 30%), the high-frequency voltages of the first and second resonance frequencies f1, f2 are set. , The vibration speed vθ exceeds 11 m / sec, and the vibration for rotating the
[0035]
Next, the characteristic operation and effect of the above embodiment will be described below.
(1) The total length of the axial length ha of one piezoelectric element (second piezoelectric element 6) and the axial length hs of the
[0036]
(2) The radial length ds of the
[0037]
(3) Since a plurality (nine) of the
The above embodiment may be modified as follows.
[0038]
In the above embodiment, the total length of the axial length ha of one piezoelectric element (second piezoelectric element 6) and the axial length hs of the
[0039]
In the above embodiment, the total length of the axial length ha of one piezoelectric element (second piezoelectric element 6) and the axial length hs of the
[0040]
In the above embodiment, the axial length ha of one piezoelectric element (second piezoelectric element 6) is 3 mm, and the axial length hs of the
[0041]
The number of the first and second
[0042]
In the above-described embodiment, the present invention is embodied as a dual-rotation ultrasonic motor. However, an ultrasonic motor that rotates the
[0043]
-An ultrasonic motor (stator) substantially similar to the above-described embodiment (another example) may be designed as follows. First, while changing the axial length hs of the slit portion of the stator, the vibration velocity vθ with respect to the axial length hs is measured (see FIG. 4), and the axial length range where the vibration is highly efficient and substantially constant is measured. Also, while changing the radial length ds of the slit portion, the vibration speed vθ with respect to the radial length ds is measured (see FIG. 5), and the radial length range in which the vibration is highly efficient and substantially constant is measured. Then, the shape of the slit portion (axial length hs and radial length ds) is specified so as to be within the axial length range and the radial length range. In the ultrasonic motor designed as described above, the vibration for rotating the
[0044]
-In the above-mentioned embodiment, although nine
The technical ideas that can be grasped from the above embodiments are described below together with their effects.
[0045]
(A) The ultrasonic motor according to
[0046]
(B) The ultrasonic motor according to any one of
[0047]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the first to fifth aspects of the present invention, it is possible to provide an ultrasonic motor capable of generating torsional vibration for rotating a rotor with high efficiency.
[0048]
Further, according to the invention described in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an ultrasonic motor according to an embodiment.
FIG. 2 is a sectional view of a main part of the ultrasonic motor according to the embodiment.
FIG. 3 is an exploded perspective view of the ultrasonic motor according to the embodiment.
FIG. 4 is an axial ratio-vibration speed characteristic diagram of a stator in the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a radial ratio-vibration speed characteristic of a stator according to the present embodiment.
FIG. 6 is a frequency-impedance characteristic diagram for explaining a resonance frequency.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記ステータ(1)の一端面に回転可能に加圧接触されるロータ(2)と
を備え、前記圧電素子(5,6)に高周波電圧を供給して前記ステータ(1)に振動を発生させることで、前記ロータ(2)を回転させる超音波モータにおいて、
前記ステータ(1)の前記金属ブロック(4)には、前記圧電素子(5,6)による振動を捩り振動に変換するためのスリット部(4a)が形成され、
前記ステータ(1)の軸方向長(H)に対して、n/2枚の前記圧電素子(6)の軸方向長(ha)と前記スリット部(4a)の軸方向長(hs)とを合わせた長さを、18%以上で32%以下としたことを特徴とする超音波モータ。In a state where n (n is an integral multiple of 2) piezoelectric elements (5, 6) of the same thickness sandwiching the electrode plate (7) are sandwiched between the plurality of metal blocks (3, 4), A substantially cylindrical stator (1) fastened by a fastening member (9) inserted in the metal block (3, 4) in the axial direction inside the metal block (3, 4);
A rotor (2) rotatably press-contacted to one end surface of the stator (1); a high-frequency voltage is supplied to the piezoelectric elements (5, 6) to generate vibration in the stator (1); Thereby, in the ultrasonic motor for rotating the rotor (2),
The metal block (4) of the stator (1) is provided with a slit (4a) for converting vibrations of the piezoelectric elements (5, 6) into torsional vibrations,
With respect to the axial length (H) of the stator (1), the axial length (ha) of n / 2 piezoelectric elements (6) and the axial length (hs) of the slit portion (4a) are calculated. An ultrasonic motor having a combined length of 18% or more and 32% or less.
前記ステータ(1)の一端面に回転可能に加圧接触されるロータ(2)と
を備え、前記圧電素子(5,6)に高周波電圧を供給して前記ステータ(1)に振動を発生させることで、前記ロータ(2)を回転させる超音波モータにおいて、
前記ステータ(1)の金属ブロック(4)には、前記圧電素子(5,6)による振動を捩り振動に変換するためのスリット部(4a)が形成され、
前記ステータ(1)の軸方向長(H)に対して、n/2枚の前記圧電素子(6)の軸方向長(ha)と前記スリット部(4a)の軸方向長(hs)とを合わせた長さを、22%以上で27%以下としたことを特徴とする超音波モータ。In a state where n (n is an integral multiple of 2) piezoelectric elements (5, 6) of the same thickness sandwiching the electrode plate (7) are sandwiched between the plurality of metal blocks (3, 4), A substantially cylindrical stator (1) fastened by a fastening member (9) inserted in the metal block (3, 4) in the axial direction inside the metal block (3, 4);
A rotor (2) rotatably press-contacted to one end surface of the stator (1); a high-frequency voltage is supplied to the piezoelectric elements (5, 6) to generate vibration in the stator (1); Thereby, in the ultrasonic motor for rotating the rotor (2),
A slit (4a) is formed in the metal block (4) of the stator (1) to convert vibrations generated by the piezoelectric elements (5, 6) into torsional vibrations.
With respect to the axial length (H) of the stator (1), the axial length (ha) of n / 2 piezoelectric elements (6) and the axial length (hs) of the slit portion (4a) are calculated. An ultrasonic motor having a combined length of 22% or more and 27% or less.
前記ステータ(1)に前記ロータ(2)を一方向に回転させるように働く第1の共振周波数(f1)の振動を発生させることで前記ロータ(2)を一方向に回転させ、同ステータ(1)に前記ロータ(2)の共振周波数と重なる第2の共振周波数(f2)の振動を発生させることで前記ロータ(2)自身に他方向に回転するように働く振動を発生させて前記ロータ(2)を他方向に回転させることを特徴とする超音波モータ。The ultrasonic motor according to claim 1 or 2,
The rotor (2) is rotated in one direction by causing the stator (1) to generate a vibration having a first resonance frequency (f1) that acts to rotate the rotor (2) in one direction. 1) generating a vibration at a second resonance frequency (f2) overlapping with the resonance frequency of the rotor (2), thereby generating vibration acting on the rotor (2) itself so as to rotate in the other direction; An ultrasonic motor wherein (2) is rotated in another direction.
前記ステータ(1)の直径(D)に対して、前記スリット部(4a)の径方向長(ds)を、20%以上で30%以下としたことを特徴とする超音波モータ。The ultrasonic motor according to claim 1, wherein
An ultrasonic motor, wherein a radial length (ds) of the slit portion (4a) is not less than 20% and not more than 30% with respect to a diameter (D) of the stator (1).
前記ステータ(1)の一端面に回転可能に加圧接触されるロータ(2)と
を備え、前記圧電素子(5,6)に高周波電圧を供給して前記ステータ(1)に振動を発生させることで、前記ロータ(2)を回転させる超音波モータにおいて、
前記ステータ(1)の前記金属ブロック(4)には、前記圧電素子(5,6)による振動を捩り振動に変換するためのスリット部(4a)が形成され、
前記ステータ(1)の直径(D)に対して、前記スリット部(4a)の径方向長(ds)を、20%以上で30%以下としたことを特徴とする超音波モータ。In a state where n (n is an integral multiple of 2) piezoelectric elements (5, 6) of the same thickness sandwiching the electrode plate (7) are sandwiched between the plurality of metal blocks (3, 4), A substantially cylindrical stator (1) fastened by a fastening member (9) inserted in the metal block (3, 4) in the axial direction inside the metal block (3, 4);
A rotor (2) rotatably press-contacted to one end surface of the stator (1); a high-frequency voltage is supplied to the piezoelectric elements (5, 6) to generate vibration in the stator (1); Thereby, in the ultrasonic motor for rotating the rotor (2),
The metal block (4) of the stator (1) is provided with a slit (4a) for converting vibrations of the piezoelectric elements (5, 6) into torsional vibrations,
An ultrasonic motor, wherein a radial length (ds) of the slit portion (4a) is not less than 20% and not more than 30% with respect to a diameter (D) of the stator (1).
前記ステータ(1)の一端面に回転可能に加圧接触されるロータ(2)と
を備え、前記圧電素子(5,6)に高周波電圧を供給して前記ステータ(1)に振動を発生させることで、前記ロータ(2)を回転させる超音波モータの設計方法であって、
前記スリット部(4a)の軸方向長(hs)を変更しながら該軸方向長(hs)に対する振動速度(vθ)を測定して、振動が高効率で略一定となる軸方向長範囲を測定し、
前記スリット部(4a)の径方向長(ds)を変更しながら該径方向長(ds)に対する振動速度(vθ)を測定して、振動が高効率で略一定となる径方向長範囲を測定し、
前記軸方向長範囲内且つ前記径方向長範囲内となるように、前記スリット部(4a)の形状を特定することを特徴とする超音波モータの設計方法。In a state where n (n is an integral multiple of 2) piezoelectric elements (5, 6) of the same thickness sandwiching the electrode plate (7) are sandwiched between the plurality of metal blocks (3, 4), (5, 6) and a fastening member (9) inserted in the inside of the metal block (3, 4) in the axial direction, and the metal block (4) is vibrated by the piezoelectric element (5, 6). A substantially cylindrical stator (1) formed with a slit portion (4a) for converting the vibration into torsional vibration;
A rotor (2) rotatably press-contacted to one end surface of the stator (1); a high-frequency voltage is supplied to the piezoelectric elements (5, 6) to generate vibration in the stator (1); Thus, a method for designing an ultrasonic motor for rotating the rotor (2),
While changing the axial length (hs) of the slit portion (4a), the vibration speed (vθ) with respect to the axial length (hs) is measured, and the axial length range where the vibration is highly efficient and substantially constant is measured. And
The vibration speed (vθ) with respect to the radial length (ds) is measured while changing the radial length (ds) of the slit portion (4a), and the radial length range in which the vibration is highly efficient and substantially constant is measured. And
A method for designing an ultrasonic motor, comprising: specifying a shape of the slit portion (4a) so as to be within the axial length range and the radial length range.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002306683A JP2004147373A (en) | 2002-10-22 | 2002-10-22 | Ultrasonic motor and design method therefor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002306683A JP2004147373A (en) | 2002-10-22 | 2002-10-22 | Ultrasonic motor and design method therefor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004147373A true JP2004147373A (en) | 2004-05-20 |
Family
ID=32453372
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002306683A Pending JP2004147373A (en) | 2002-10-22 | 2002-10-22 | Ultrasonic motor and design method therefor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004147373A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010077260A (en) * | 2008-09-25 | 2010-04-08 | Kobelco Eco-Solutions Co Ltd | Combustible gas-forming apparatus for gasifying waste and process for producing combustible gas |
-
2002
- 2002-10-22 JP JP2002306683A patent/JP2004147373A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010077260A (en) * | 2008-09-25 | 2010-04-08 | Kobelco Eco-Solutions Co Ltd | Combustible gas-forming apparatus for gasifying waste and process for producing combustible gas |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4705980A (en) | Drive control method of ultrasonic vibrator | |
JP3823340B2 (en) | Vibration motor | |
US5376858A (en) | Ultrasonic motor | |
JP4053896B2 (en) | Ultrasonic motor | |
JP2004147373A (en) | Ultrasonic motor and design method therefor | |
JPH0514512B2 (en) | ||
US20040007946A1 (en) | Vibration type drive unit | |
JP2003111454A (en) | Ultrasonic motor and its stator | |
JP3802390B2 (en) | Ultrasonic motor and stator of ultrasonic motor | |
JP3708821B2 (en) | Ultrasonic motor and method for changing resonance frequency of ultrasonic motor | |
JPH05344759A (en) | Ultrasonic motor | |
JPS60148387A (en) | Piezoelectric motor of standing wave type | |
JPS62238101A (en) | Ultrasonic piezoelectric transducer and its driving control method | |
JP3297211B2 (en) | Ultrasonic motor | |
JP2003164171A (en) | Oscillatory wave drive unit | |
JP3164683B2 (en) | Ultrasonic motor | |
JP2002199756A (en) | Ultrasonic motor and stator | |
JP2002369560A (en) | Ultrasonic motor, stator and design method thereof | |
JPH0150196B2 (en) | ||
JP2002199754A (en) | Ultrasonic motor, stator and method of manufacturing the same | |
JP3673172B2 (en) | Ultrasonic motor and stator | |
JP2003189643A (en) | Ultrasonic motor, and stator thereof | |
JPH078912A (en) | Ultrasonic vibrator | |
JPS6344970A (en) | Ultrasonic vibrator and drive control method thereof | |
JP2004064890A (en) | Ultrasonic motor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041019 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20071114 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071120 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080408 |