JP2006187161A - Ultrasonic motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転あるいは直動用のモーターの一種として用いられる超音波モーターに関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic motor used as a kind of motor for rotation or linear motion.
超音波モーターは、従来の電磁モータとは動作原理が異なり、巻線がなく、構造が簡単で、小型かつ低速であっても高トルクが得られ、また高応答性、磁力線が出ない等、優れた特徴を生かし多くの分野での使用が期待されている。一般的に超音波モーターは、圧電セラミック素子、ステーター、ローター及び回転シャフトから構成されており、圧電セラミック素子は、定在波が生ずるように複雑な電極パターンから成り、位相差をもつように複数個から配列されている。 Ultrasonic motors have different operating principles from conventional electromagnetic motors, have no windings, have a simple structure, are small and low in speed, can provide high torque, have high responsiveness, no magnetic field lines, etc. It is expected to be used in many fields by taking advantage of its excellent features. In general, an ultrasonic motor is composed of a piezoelectric ceramic element, a stator, a rotor, and a rotating shaft. The piezoelectric ceramic element is composed of a complex electrode pattern so that a standing wave is generated, and a plurality of piezoelectric ceramic elements have a phase difference. It is arranged from pieces.
図7に示すように、ステーターの溝角度は、例えば特許文献1に開示されているように、90°に加工されることが一般的である。また、図8に示すように、ステーター及びローターの接触角については、例えば特許文献2に開示されているように、水平面で接触することが一般的である。しかしながら、これらの超音波モーターには、ステーターとローターとの摩耗等によるトルクの低下、回転停止など生じることがあり、性能・信頼性に関し大きな問題点があった。
As shown in FIG. 7, the groove angle of the stator is generally processed to 90 ° as disclosed in Patent Document 1, for example. As shown in FIG. 8, the contact angles of the stator and the rotor are generally in contact with each other on a horizontal plane as disclosed in
しかしながら、圧電セラミック素子を駆動し回転運動を得るためには、圧電素子及びステーターに進行波を発生させ、ローターを回転させ、シャフトに回転を出力する必要がある。そのためには、圧電セラミックを複雑なパターンに分極させなければならず、また90°異なる複数の交流電圧を印加しなければならない。従来の超音波モータの駆動回路では、2つの圧電セラミック素子に互いに位相の異なった2つの信号を独立に電力増幅しているので、スイッチング回路やトランス等が2組必要となる。このため回路自身が大型になってしまうという問題があり、構造が簡単であるという超音波モーターの本来の利点を生かすことができず、製品コストへ大きな影響を与えている。 However, in order to drive the piezoelectric ceramic element and obtain a rotational motion, it is necessary to generate traveling waves in the piezoelectric element and the stator, rotate the rotor, and output the rotation to the shaft. For this purpose, the piezoelectric ceramic must be polarized into a complicated pattern, and a plurality of alternating voltages different by 90 ° must be applied. In a conventional ultrasonic motor drive circuit, two signals having different phases are independently amplified in two piezoelectric ceramic elements, so two sets of switching circuits and transformers are required. For this reason, there is a problem that the circuit itself becomes large, and the original advantage of the ultrasonic motor that the structure is simple cannot be utilized, which greatly affects the product cost.
本発明は、これら欠点を除去するために、従来の位相の異なる2回路の電源を排除し、単相の1回路電源のみで供給し、駆動電源部の簡素化を可能にし、進行波を発生させずに回転機能を生じさせる超音波モーターを提供することである。また、超音波モーターとしての堅牢性を高め、信頼性の高い構造を有する超音波モーターを提供することを目的としている。 In order to eliminate these drawbacks, the present invention eliminates the conventional two-phase power supply with different phases, supplies only a single-phase single-circuit power supply, enables the drive power supply to be simplified, and generates a traveling wave. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic motor that generates a rotation function without causing the rotation. It is another object of the present invention to provide an ultrasonic motor having a highly reliable structure with improved robustness as an ultrasonic motor.
本発明は、前記課題の解決のため、圧電セラミックスの電極構造と、超音波モーターの構成を検討した結果なされたものである。 The present invention has been made as a result of studying the electrode structure of a piezoelectric ceramic and the configuration of an ultrasonic motor in order to solve the above problems.
即ち、本発明の超音波モーターは、図4に示すように、ステーター、ローター及び回転シャフトを組み合わせてなる構造であって、図5に示すように、圧電セラミックス素子は前記ステーターに装着され、ステーターと一体になっている。以下、単にステーターと記述する。 That is, the ultrasonic motor of the present invention has a structure in which a stator, a rotor, and a rotating shaft are combined as shown in FIG. 4, and a piezoelectric ceramic element is mounted on the stator as shown in FIG. It is united with. Hereinafter, it is simply referred to as a stator.
また、前記スパイラル状の溝加工において、前記ステーターの外周から内側に向けて、かつ水平面に対し1°〜45°の角度を付けることにより、圧電セラミック素子の縦振動が、ステーター上では斜め振動に変化しローターに推力方向の力が発生することで、厚み方向の振動を円周方向の推進に変換することが出来る。即ち、ステーターの振動方向は、図5に示すように、振動方向の力Fに対して回転方向の力Fθは、下記の式で示される力が発生する。 In addition, in the spiral groove processing, by making an angle of 1 ° to 45 ° inward from the outer periphery of the stator and with respect to a horizontal plane, the longitudinal vibration of the piezoelectric ceramic element is changed to oblique vibration on the stator. By changing and generating a thrust force in the rotor, vibration in the thickness direction can be converted into circumferential propulsion. That is, as shown in FIG. 5, the vibration direction of the stator generates a force represented by the following formula as a rotational force Fθ with respect to the force F in the vibration direction.
Fθ=F×cos(θ) Fθ = F × cos (θ)
この力により回転方向への力が働きローターを回転させる。この時、ローターは、図6の主軸シャフト32に伝達され外部に回転運動が出力される。角度を45°より大きくすると、回転方向の力Fθが小さくなり、ローターを回転させるには、振動方向の力Fを大きくする必要があり、実用的ではない。
This force causes a force in the direction of rotation to rotate the rotor. At this time, the rotor is transmitted to the
前記ステーターと前記ローターとが加圧接触し、前記ステーターの水平面に対し1°〜45°の接触角度を有するとにより、ステーターとローターが凹凸状の接触構造となり、ステーターに回転方向の推力が得られるとともに、より広い接触面積が得られ、接触面の堅牢性が高まり信頼性が向上する。角度を45°より大きくすると、ステーターとローターとの接触面積が小さくなり、信頼性が低下する。 When the stator and the rotor are in pressure contact with each other and have a contact angle of 1 ° to 45 ° with respect to the horizontal plane of the stator, the stator and the rotor have an uneven contact structure, and a thrust in the rotational direction is obtained in the stator. In addition, a wider contact area is obtained, and the robustness of the contact surface is increased and the reliability is improved. When the angle is larger than 45 °, the contact area between the stator and the rotor is reduced, and the reliability is lowered.
さらに、前記圧電セラミック素子の面に異なった極性を有する電極あるいは全面同極電極をもち、前記電極構造が放射状、スパイラル状、あるいは全面が電極構造をもつ単純な構造にすることができ、例えば特許文献1に開示されているような、圧電セラミック素子を複雑なパターンで分極させる必要がなくなる。 Furthermore, the surface of the piezoelectric ceramic element has electrodes having different polarities or full-surface homopolar electrodes, and the electrode structure can be a radial structure, a spiral shape, or a simple structure in which the entire surface has an electrode structure. There is no need to polarize the piezoceramic element in a complicated pattern as disclosed in Document 1.
従来の圧電セラミック電極構造を有する超音波モーターにくらべ、駆動電源回路が簡素化され、コスト面で大きな利点を持つとともに、位相駆動方式によらない超音波モーターの提供が可能となった。 Compared to the conventional ultrasonic motor having a piezoelectric ceramic electrode structure, the drive power supply circuit is simplified, and there are significant advantages in terms of cost, and it is possible to provide an ultrasonic motor that does not depend on the phase drive system.
また、同時にステーターの溝加工による振動方向の変換、ステーターとローターの接触角度を変える構造にしたことで、堅牢性が高くなり信頼性の高い構造を有する超音波モーターの提供が可能となった。 At the same time, by changing the vibration direction by changing the groove direction of the stator and changing the contact angle between the stator and the rotor, it is possible to provide an ultrasonic motor having a high robustness and a highly reliable structure.
次に、本発明による超音波モーターの実施の形態について、具体的な例を挙げて説明する。 Next, embodiments of the ultrasonic motor according to the present invention will be described with specific examples.
図1は、本発明に使用される圧電セラミック素子の例であり、それぞれ図1(a)は放射状電極(4分割)を示し、図1(b)はスパイラル状電極を示し、図1(c)は全面電極を示す。本発明では、電極構造の図1(a)の4つに分割されたの電極を用い、それぞれの電極は同極の分極処理(1と3、2と4)が施されている。同極の電極1と3は、図6の電気端子1に、また同極の電極2と4は、図6の電気端子2に、それぞれリード線で短絡され、駆動電源33に接続されている。また、4分割の裏側は全面電極になっており、図6のG端子36を介して駆動電源に接続されている。なお、図6には、電気端子34及び電気端子35に電力供給を行う駆動回路の構成図を示した。駆動電源をスイッチング(オン、オフ)することによって、電気端子34、電気端子35への電力供給を制御するための周波数を変えている。この電気端子は、交互の電極へと電力を伝達する。また、ステーターの振動振幅が最大となるような構造共振周波数が適正に設定されている。
FIG. 1 is an example of a piezoelectric ceramic element used in the present invention. FIG. 1 (a) shows a radial electrode (4 divisions), FIG. 1 (b) shows a spiral electrode, and FIG. ) Indicates a full-surface electrode. In the present invention, the electrode divided into four electrodes as shown in FIG. 1 (a) is used, and each electrode is subjected to the same-polarization treatment (1, 3, 2, and 4). The
図2は、本発明の実施の形態に係る超音波モーターのステーターを示す図であり、図3はローターを示す図であり、図4は、ステーターとローターの組立図である。ステーターは、図2(a)に示すように、複数のスパイラル状の溝があり、内周部が、すり鉢状の凹形状のものを用いる。また、ローターについても、図3(a)に示すようなステーター同様、凸形状で、傾斜角度がついており、ステーターの凹部とローターの凸部とが勘合されるような構造になっている。 2 is a view showing a stator of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a view showing a rotor, and FIG. 4 is an assembly view of the stator and the rotor. As shown in FIG. 2 (a), the stator has a plurality of spiral grooves, and the inner peripheral portion has a mortar-like concave shape. Further, the rotor is also convex and inclined at the same angle as the stator as shown in FIG. 3A, so that the concave portion of the stator and the convex portion of the rotor are fitted together.
本発明の超音波モーターの特性を表1に示す。 Table 1 shows the characteristics of the ultrasonic motor of the present invention.
以上より、従来の超音波モーターに比べ、1°から45°の範囲内では、トルク、効率とも改善され、耐久性も向上した。 From the above, compared with the conventional ultrasonic motor, torque and efficiency were improved and durability was improved within the range of 1 ° to 45 °.
本発明による超音波モーターは、低速・高トルクの性能を生かし回転テーブルの微小制御等に使用可能であり、自動車用パワーウインドーモーター、ワイパーモーターなどに使用可能である。また、リニアモーターとして直動の位置決め等のロボット等に使用の可能性が期待できる。 The ultrasonic motor according to the present invention can be used for fine control of a rotary table by utilizing the performance of low speed and high torque, and can be used for a power window motor, a wiper motor and the like for automobiles. In addition, it can be expected to be used as a linear motor for robots for linear motion positioning.
1,3 電極(同極)
2,4 電極(同極)
5,6 電極
7 圧電セラミック素子
11 ステーター
12 溝
13 ローター
14 主軸シャフト
21 圧電セラミック素子
22 ステーター
23 溝
31 超音波モーターユニット
32 主軸シャフト
33 駆動電源
34,35 電気端子
36 G端子
37 スイッチング
38 アンプ
39 オシレーター
41 主軸シャフト
42 ベアリング
43 ローター
44 ステーター
45 圧電セラミック素子
46 溝
1,3 electrodes (same polarity)
2, 4 electrodes (same polarity)
5, 6
Claims (4)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004380212A JP2006187161A (en) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | Ultrasonic motor |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2004380212A Pending JP2006187161A (en) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | Ultrasonic motor |
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- 2004-12-28 JP JP2004380212A patent/JP2006187161A/en active Pending
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