JP2004147373A

JP2004147373A - Ultrasonic motor and design method therefor

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Publication number: JP2004147373A
Application number: JP2002306683A
Authority: JP
Inventors: Motoyasu Yano; 谷野　元康; Masafumi Ishikawa; 石川　雅史
Original assignee: Asmo Co Ltd
Current assignee: Asmo Co Ltd
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2004-05-20

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic motor capable of generating torsional oscillation for rotating a rotor with high efficiency. <P>SOLUTION: This ultrasonic motor comprises a stator 1 tightened by a bolt 9 inserted in an axial direction in inner parts of piezoelectric devices 5, 6 and metallic blocks 3, 4, and the rotor 2 pressurized and brought into contact with one end surface of the stator 1 so as to rotate freely with the first and second piezoelectric devices 5, 6 sandwiched by the lower side metallic blocks 3, 4. A slit 4a for converting oscillation by the first and the second piezoelectric devices 5, 6 into the torsion oscillation is formed at the lower side metallic block 4 of the stator 1. The length ha in an axial direction of one piece of the piezoelectric device 6 and length hs in an axial direction of the slit 4a is set at and ≥ 18% and 32% to length in an axial direction H of the stator 1. The length in a periphery direction ds of the slit 4a is set at ≥ 20% and ≤ 30% to the diameter D of the stator 1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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 claim 6, 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 having a slit formed in the metal block and configured to convert vibration of the piezoelectric element into torsional vibration; A rotor that is rotatably press-contacted to an end face thereof, and a high-frequency voltage is supplied to the piezoelectric element to generate vibration in the stator, whereby a method of designing an ultrasonic motor that rotates the rotor, By measuring the vibration speed with respect to the axial length while changing the axial length of the slit portion, measuring the axial length range where the vibration is substantially constant with high efficiency, changing the radial length of the slit portion While By measuring the vibration speed with respect to the direction length, measuring the radial length range where the vibration is substantially constant with high efficiency, the shape of the slit portion so as to be within the axial length range and within the radial length range To identify.
[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 claim 2, the total length of the axial length of the n / 2 piezoelectric elements and the axial length of the slit portion is 22% or more with respect to the axial length of the stator. At 27% or less. With this configuration, vibration for rotating the rotor is generated with high efficiency, and the rotor can be rotated with high efficiency. In addition, within the above range, the vibration for rotating the rotor is highly efficient and substantially constant. Therefore, for example, even if the manufacturing variation occurs in the axial length of the slit portion, a substantially constant high efficiency ultrasonic motor is used. Can be obtained.
[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 claim 6, while the axial length of the slit portion is changed, the vibration speed with respect to the axial length is measured, and the axial length range in which the vibration is substantially constant with high efficiency is measured. The vibration speed with respect to the radial length is measured while the radial length of the slit portion is changed, and the radial length range in which the vibration is highly efficient and substantially constant is measured. Then, the shape of the slit portion is specified so as to be within the axial length range and the radial length range. With this configuration, vibration for rotating the rotor is generated with high efficiency, and the ultrasonic motor capable of rotating the rotor with high efficiency can be easily designed without repeating trial and error. .
[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 stator 1 and a rotor 2. The stator 1 includes an upper metal block 3, a lower metal block 4, first and second piezoelectric elements 5, 6, first and second electrode plates 7, 8, bolts 9 as fastening members, and an insulating collar 10. ing.
[0020]
The upper and lower metal blocks 3 and 4 are made of a conductive metal, and are formed of an aluminum alloy in this embodiment. The upper metal block 3 is formed in a substantially cylindrical shape. A horn portion 3a is formed on the upper part of the upper metal block 3 to amplify the vibration generated on the upper end surface by increasing the inner diameter. A female screw 3b is formed on the inner peripheral surface of the upper metal block 3 except for the horn 3a. Note that the diameter (outer diameter) D of the upper metal block 3 in the present embodiment is set to 20 mm. Further, a thin friction material 11 is attached to the upper end surface of the upper metal block 3.
[0021]
The lower metal block 4 is formed in a substantially cylindrical shape having the same inner and outer diameters as the upper metal block 3. A slit (recess) 4a that generates torsional vibration based on the excited longitudinal vibration is formed on the outer periphery of the upper part (the upper part in FIGS. 1 to 3) of the lower metal block 4. A plurality (six in the present embodiment) of the slit portion 4a is formed in the circumferential direction. The slits 4a are each inclined with respect to the axial direction (as viewed from the direction perpendicular to the axis). The axial length hs of the slit portion 4a in the present embodiment is set to 5 mm. The radial length ds of the slit portion 4a in the present embodiment is set to 5 mm.
[0022]
A plurality of fixing protrusions 4b for fixing to the outside (a motor case or the like not shown) are formed in the outer periphery of a central portion (a central portion in the axial direction) of the lower metal block 4 in a circumferential direction. The fixing projection 4b is formed on the lower end side (one axial end side) of the slit section 4a. Further, the number of the fixing protrusions 4b is formed for each slit portion 4a, that is, the same number (nine in the present embodiment) as the number of the slit portions 4a.
[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 piezoelectric elements 5 and 6 are formed in a disk shape, and a through hole is formed at the center thereof. The inner diameters of the first and second piezoelectric elements 5, 6 are set larger than the inner diameters of the upper and lower metal blocks 3, 4. Note that the thickness (that is, the axial length) ha of each of the first and second piezoelectric elements 5 and 6 in the present embodiment is set to 3 mm.
[0024]
Each of the first and second electrode plates 7 and 8 is formed in a substantially disk shape, and a through hole is formed in the center thereof. The inner diameters of the first and second electrode plates 7, 8 are set to be the same as the inner diameters of the first and second piezoelectric elements 5, 6. Note that the thickness (that is, the length in the axial direction) of each of the first and second electrode plates 7 and 8 in the present embodiment is set to 0.2 mm. 1 to 3, the thicknesses of the first and second electrode plates 7 and 8 are schematically (slightly thicker).
[0025]
The bolt 9 has a substantially cylindrical shape with a male screw 9a formed on the outer periphery thereof, and can be screwed to the female screws 3b and 4c.
The insulating collar 10 is formed in a cylindrical shape with an insulating resin. The outer diameter of the insulating collar 10 is set to be the same as the inner diameter of the first and second piezoelectric elements 5 and 6, and the inner diameter of the first and second electrode plates 7 and 8. It is set to be the same as the outer diameter (the bolt 9 can be fitted inside).
[0026]
The upper and lower metal blocks 3, 4 sandwiching the first and second piezoelectric elements 5, 6 and the first and second electrode plates 7, 8 are fastened by bolts 9 that pass through the inside in the axial direction. Is done. More specifically, the lower metal block 4, the second electrode plate 8, the second piezoelectric element 6, the first electrode plate 7, the first piezoelectric element 5, and the upper metal block 3 are stacked in this order and inserted into the inside. The bolt 9 (male screw 9a) is screwed into the female screws 3b and 4c of the upper and lower metal blocks 3 and 4 for fastening. Note that, at this time, the first and second piezoelectric elements 5 and 6 are stacked so that the polarization directions are upside down. At this time, an insulating collar 10 is provided between the inner peripheral surfaces of the first and second piezoelectric elements 5, 6 and the first and second electrode plates 7, 8 and the outer peripheral surface of the male screw 9a of the bolt 9. Is interposed. Therefore, the inner peripheral surfaces of the first and second piezoelectric elements 5, 6 and the first and second electrode plates 7, 8 are electrically insulated from the outer peripheral surface of the bolt 9. At this time, the second electrode plate 8 is electrically connected to the upper metal block 3 via the lower metal block 4 and the bolt 9. In the present embodiment, the axial length H of the stator 1 configured as described above is set to 38 mm. That is, in the present embodiment, the axial length ha (3 mm) of one piezoelectric element (second piezoelectric element 6) and the axial length hs (slit) of the slit portion 4a with respect to the axial length H (38 mm) of the stator 1. 5 mm) is set at about 21% (8/38 =). In the present embodiment, the radial length ds (5 mm) of the slit portion 4a with respect to the diameter D (20 mm) of the stator 1 (upper metal block 3) is set to (5/20 =) 25%.
[0027]
The rotor 2 is formed in a substantially cylindrical shape having the same diameter (outer diameter) as the upper and lower metal blocks 3 and 4, and the upper surface of the stator 1, that is, the upper metal block 3 (the friction material 11 ) Is slidably pressed against the upper end surface. On the outer periphery of the rotor 2, a plurality of rotor slit portions (recesses) 2a that generate torsional vibration based on the excited longitudinal vibration are formed in the circumferential direction. The rotor slit portions 2a are each inclined with respect to the axial direction (as viewed from the direction perpendicular to the axis).
[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 second electrode plates 7 and 8, the first and second piezoelectric members are driven. The elements 5 and 6 generate longitudinal vibration. Then, torsional vibration is generated in the slit portion 4a of the stator 1 based on the vibration. At this time, the vibration of the upper surface of the stator 1, that is, the upper end surface of the upper metal block 3 (the friction material 11) is a composite vibration in which a large torsional vibration and a longitudinal vibration are combined. Then, the rotor 2 rotates in one direction (with the first rotation characteristic) by the buoyancy caused by the longitudinal vibration component and the propulsion force caused by the torsional vibration component of the stator 1 (stator-main mode).
[0029]
When a high-frequency voltage having the second resonance frequency f2 (see FIG. 6) is applied between the first and second electrode plates 7 and 8, longitudinal vibration occurs in the first and second piezoelectric elements 5 and 6. Generated. Then, torsional vibration is generated in the slit portion 4a of the stator 1 based on the vibration. At this time, the vibration of the upper surface of the stator 1, that is, the upper end surface of the upper metal block 3 (the friction material 11) is a combination of a small torsional vibration and a longitudinal vibration that are twisted in the opposite direction to the torsional vibration (stator main mode). It is a composite vibration. Here, the resonance frequency of the rotor 2 is set to overlap the second resonance frequency f2. For this reason, in the rotor 2, a large torsional vibration is generated in the rotor slit portion 2a based on (resonating) the vibration of the stator 1. At this time, the torsional vibration generated in the rotor slit portion 2a is a vibration that acts to rotate itself in the other direction (the direction opposite to the stator main mode). Therefore, the rotor 2 rotates in the other direction (with the second rotation characteristic) due to the buoyancy caused by the longitudinal vibration component of the stator 1, the propulsion force caused by the torsional vibration component, and the torsional vibration component of the rotor 2 itself (rotor main mode).
[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 slit portion 4a to the axial length H of the stator 1 ( (Ha + hs) / H). In this experiment, the radial velocity ds of the slit portion 4a was fixed at 5 mm, the axial length ha of the second piezoelectric element 6 was fixed at 3 mm, and the vibration velocity vθ when the axial length hs of the slit portion 4a was changed. Was measured.
[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 rotor 2 is generated with high efficiency.
[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 slit portion 4a with respect to the diameter D of the stator 1. In this experiment, the axial length hs of the slit portion 4a was fixed at 5 mm, and the vibration velocity vθ when the radial length ds of the slit portion 4a was changed was measured.
[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 rotor 2 is generated with high efficiency (substantially the highest value) (substantially constant).
[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 slit portion 4a is about the axial length H of the stator 1. It is set to 21%. With this configuration, vibration (torsional vibration) for rotating the rotor 2 is generated with high efficiency (see FIG. 4), and the rotor 2 can be rotated with high efficiency. Therefore, in the present embodiment, an ultrasonic motor having desired performance can be obtained. In the present embodiment, both the first and second resonance frequencies f1 and f2 for rotating the rotor 2 in one direction and the other direction are realized with high efficiency by being embodied in a two-rotation ultrasonic motor. Since it is generated (see FIG. 4), the rotor 2 can be rotated in one direction and the other direction with high efficiency.
[0036]
(2) The radial length ds of the slit portion 4a is set to 25% of the diameter D of the stator 1. By doing so, vibration (torsional vibration) for rotating the rotor 2 is generated with high efficiency, and the rotor 2 can be rotated with high efficiency. Moreover, when the radial length ds of the slit portion 4a is set as described above (25%), the vibration for rotating the rotor 2 becomes highly efficient and substantially constant within the range of 20% to 30% ( Therefore, for example, even if manufacturing variation occurs in the radial length ds of the slit portion 4a, it is possible to obtain a substantially constant high-efficiency ultrasonic motor. In this embodiment, since the diameter D of the stator 1 is set to 20 mm, if the radial length ds of the slit portion 4a is manufactured at 5 mm ± 1.0 mm, a substantially constant high efficiency A sonic motor can be obtained.
[0037]
(3) Since a plurality (nine) of the slit portions 4a are formed in the circumferential direction and are inclined, vibration (torsional vibration) for rotating the rotor 2 is generated with high efficiency.
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 slit portion 4a with respect to the axial length H of the stator 1 ( (Ha + hs) / H) is set to about 21%, but may be changed within a range of 18% or more and 32% or less. Even in this case, effects similar to the effects of the above embodiment can be obtained.
[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 slit portion 4a with respect to the axial length H of the stator 1 ( (Ha + hs) / H) is set to about 21%, but may be changed within a range from 22% to 27%. For example, the axial length hs of the slit portion 4a is changed to 6.5 mm, and the axial length ha (3 mm) of one piezoelectric element (second piezoelectric element 6) with respect to the axial length H (38 mm) of the stator 1. ) And the axial length hs (6.5 mm) of the slit portion 4 a may be set to (9.5 / 38 =) 25%. With this configuration, in the range of 22% to 27%, the vibration for rotating the rotor 2 becomes highly efficient (substantially the highest value) and substantially constant (see FIG. 4). Even if manufacturing variation occurs in the axial length hs, a substantially constant high-efficiency ultrasonic motor can be obtained. In this example, since the axial length H of the stator 1 is set to 38 mm, the axial length hs of the slit portion 4a is set to 6.5 mm + 0.76 mm-1.86 mm (5.36 mm to 7.26 mm). ), It is possible to obtain a substantially constant high-efficiency ultrasonic motor.
[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 slit portion 4a is 5 mm. The axial length ha of the piezoelectric element 6) may be changed. In this case, it is preferable that the axial length ha of the piezoelectric element (second piezoelectric element 6) is set not to be longer than the axial length hs of the slit portion 4a (higher efficiency can be achieved).
[0041]
The number of the first and second piezoelectric elements 5 and 6 in the above embodiment may be changed to n (n is an integer multiple of 2, for example, 4 or 6). In this case, the axial length ha is set as the axial length of n / 2 piezoelectric elements (for example, when changing to four piezoelectric elements, the axial length ha of the two piezoelectric elements is used). Are set in the same manner as in the above embodiment. Even in this case, effects similar to the effects of the above embodiment can be obtained.
[0042]
In the above-described embodiment, the present invention is embodied as a dual-rotation ultrasonic motor. However, an ultrasonic motor that rotates the rotor 2 in only one direction may be used. The ultrasonic motor of the above-described embodiment is, of course, an ultrasonic motor that rotates only in one direction depending on the application.
[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 rotor 2 is substantially constant with high efficiency (substantially the highest value) within the axial length range and the radial length range. For example, even if the axial length hs and the radial length ds of the slit portion 4a vary in production, a substantially constant high-efficiency ultrasonic motor can be obtained. Therefore, vibration for rotating the rotor 2 is generated with high efficiency, and the design of the ultrasonic motor capable of rotating the rotor 2 with high efficiency can be easily performed without repeating trial and error. In addition, by setting the axial length hs and the radial length ds of the slit portion to the values in the axial length range and the approximate center value in the radial length range, respectively, both ± errors (manufacturing variations) can be prevented. It can be evenly tolerated.
[0044]
-In the above-mentioned embodiment, although nine slit parts 4a were provided, the number may be changed suitably.
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 claim 5, wherein the stator is caused to rotate in one direction by generating a vibration having a first resonance frequency that acts to rotate the rotor in one direction. By generating vibration of a second resonance frequency overlapping with the resonance frequency of the rotor in the stator to generate vibration that acts on the rotor itself to rotate in the other direction, and rotating the rotor in the other direction. Ultrasonic motor. With this configuration, the 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 can be rotated in one direction and the other direction with high efficiency. .
[0046]
(B) The ultrasonic motor according to any one of claims 1 to 5, wherein a plurality of the slits are formed in a circumferential direction and are inclined. In this case, torsional vibration is efficiently generated.
[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 claim 6, it is possible to provide a method of designing an ultrasonic motor capable of generating torsional vibration for rotating a rotor with high efficiency.
[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 SYMBOLS 1 ... stator, 2 ... rotor, 3 ... upper metal block (metal block), 4 ... lower metal block (metal block), 4a ... slit part, 5, 6 ... 1st and 2nd piezoelectric element (piezoelectric element), 7: first electrode plate (electrode plate), 9: bolt (fastening member), D: diameter of upper metal block (stator), H: axial length of stator, ds: radial length of slit portion, ha ... 2 Axial length of piezoelectric element (n / 2 piezoelectric elements), hs: axial length of slit portion, f1: first resonance frequency, f2: second resonance frequency.

Claims

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.

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.

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.

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).

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).

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.