JP2512726B2 - 非線形共振系を用いた超音波モ−タ - Google Patents

非線形共振系を用いた超音波モ−タ

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JP2512726B2 JP61269908A JP26990886A JP2512726B2 JP 2512726 B2 JP2512726 B2 JP 2512726B2 JP 61269908 A JP61269908 A JP 61269908A JP 26990886 A JP26990886 A JP 26990886A JP 2512726 B2 JP2512726 B2 JP 2512726B2
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波モータに係り、さらに詳しくはその周
波数特性を改良した非線形共振系を用いた超音波モータ
に関する。
〔従来の技術〕
従来の超音波モータはそのステータに発生する強力な
超音波楕円振動を駆動源とするもので、これを発生させ
る手段として超音波共振器を用いて来た。共振器は一般
に、損失の少ない品質係数(Quality factor:Q)が高い
ほど振動が激しくなり、振幅増幅率が高いので強力な振
動を発生させるのに好都合である。しかし、反面Qが高
い共振系は共振周波数近傍における諸特性の周波数依存
性が大きく、しかも共振周波数そのものが一般に温度変
化を示すので諸特性の温度依存性も大きくなる。それ故
Qの高い線形共振形を用いた超音波モータでは、駆動信
号の周波数をモータの周囲温度、自己発熱に併せて精密
に制御しなければならず、その上負荷変動があるとQの
変化を通して周波数変動となり、実用性がないので、Q
を低下させ共振特性を鈍くして使用することになり、そ
れだけ効率の悪い使い方をせざるを得なかつたというよ
うに欠点があつた。
なお、この種の超音波モータとしては、本願出願人の
出願にかかる特開昭61−52163号公報に記載されたもの
を挙げることができる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この発明は、従来の線形共振系を用いた超音波モータ
が持つていた諸特性の周波数依存性、温度依存性が大き
すぎ、動作帯域が狭ますぎたという欠点を解決し、以つ
て周波数特性、温度特性を安定にし、ドリフトの少ない
超音波モータを提供することを目的とする。
〔問題を解決するための手段〕
非線形共振系の例として鉄共振の現象が古くから知ら
れている。第4図は鉄共振現象の説明図であつて、横軸
に周波数を、縦軸に振幅を示す。鉄共振とは鉄片を片持
梁状に支え、支持部の加振周波数を代えながら梁先端の
振幅の大きさを測定すると、小振動で加振したときは、
共振周波数で鋭い共鳴が見られ、振幅の周波数変化は共
振周波数の位置だけ鋭いピークが現れる。しかし大振動
で加振すると、小振動での共振周波数でピークが現れる
が、周波数が高くなつても消えず、共振周波数が連続に
ずれる様相を呈し、さらに周波数が高くなると突然振幅
が小さい値にジヤンプする(第4図(a))。このジヤ
ンプ周波数は、加振周波数を増し乍ら測つた場合と、減
じ乍ら測つた場合とで異なり、履歴を示すのが普通であ
る。
この鉄共振現象ではピークを示す周波数帯域が広くな
るので、Lを低くして振幅を大幅に犠牲にすることな
く、大振幅のまま平坦な周波数特性が得られる。鉄共振
の生ずる原因は鉄の弾性定数が、大振幅の場合、振動の
大きさに応じて変化するためであると知られている。振
幅が大きくなると硬くなる漸硬ばねでは第4図(a)、
振幅が大きくなると軟らかくなる漸軟ばねでは第4図
(b)のような曲線を描く。ここでは超音波モータを構
成するステータとロータを圧着する機構に非線形効果を
持たせることにより、鉄共振現象を再現させた。
〔作用〕
超音波モータを構成するステータとロータを圧着する
構造に非線形ばね機構を用いたことにより、Qを大幅に
低下させることなく、広く周波数帯域に亘つて、回転
数、トルク及び入出力等の諸特性をほぼ一定に保つこと
がでる動作特性が得られる。
〔実施例〕
以下、本発明の非線形共振系を用いた超音波モータ
を、ねじり結合子型超音波モータに適用した場合を一実
施例として以下に説明する。ここに用いたねじり結合子
型超音波モータの構造、動作原理、形状などは、本発明
者が特開61−52163を初めとし数10件を超して提案して
来たものと同じであり、差異は圧着機構に非線形効果を
持たせたこと、すなわち非線形ばねを利用して非線形共
振系を構成した点にある。
第1図は本発明による非線形共振系を用いた超音波モ
ータの一実施例の構造を示す部分断面図であつて、1は
ねじり結合子、1′は梁、1″は三日月状端面、2は胴
部、3,3′は圧電体、4,4′は端子板、5は座金、6はギ
ヤツプボルト、7はロータ、8はボルト、9はベアリン
グ、10は非線形ばね、11はシヤフトである。
例えばPb(ZrTi)O3系セラミツクからなる2枚のドー
ナツ状圧電体3,3′は端子板4′をはさんで配置され、
圧電体3側に端子板4、さらにアルミニウムからなるド
ーナツ状の胴部2が配置されている。また、圧電体3′
側には、アルミニウム等からなるドーナツ状の座金5が
配置されている。これら胴部2、圧電体3,3′、座金5
は同一外径、内径であつて、例えば、各々30mm、8mmで
ある。また、胴部2、座金5の厚さは例えば11mmであ
り、圧電体3,3′の厚さは例えば2mmである。例えば燐青
銅板からなる端子板4,4′は一方が正極用、他方が負極
用であつてリード線が付いており、厚さは例えば0.2mm
である。
胴部2の端面側に配置されるねじり結合子1は、アル
ミニウム等からなり、例えば直径30mm、厚さ8mmの円板
部の一方の面(下面)に、例えば、幅8mm、深さ1mmの溝
が刻まれて2つの三日月状端面1″が形成されるととも
に、この溝の中心に例えば直径8mm、深さ7mmのねじ孔が
設けられ、さらに、この円板部の他方の面(上面)に、
上記溝と対角位に例えば高さ10mm、厚さ7mmで幅方向の
端面が上記円板部の外周に一致する梁1′が一体に設け
られている。このねじり結合子1は三日月状端面″が胴
部2の端面側となるように配置される。
ギヤツプボルト6は座金5側から圧電体3′、端子板
4′、圧電体3、端子板4、胴部2を通してねじり結合
子1のねじ孔に嵌め込まれ、トルクレンチによつて150k
gf−cmのトルクでこれを締めつけ一体化することによ
り、ねじり結合子1を有する超音波楕円振動子が構成さ
れ、これがステータとなる。このステータにおけるねじ
り結合子1の梁1′の端面にロータ7が圧着される。
ロータ7は鋼からなり、例えば直径30mm、厚さ7mmの
円板状をなしている。このロータ7の中心部には厚さ方
向に貫通孔が設けられ、この貫通孔の一部は例えば直径
10mm、他の部分は例えば直径15mmである。このロータ7
の貫通孔の直径が大きい方側に例えば内径15mm、高さ30
mm、肉厚1mmの円筒状の例えば鋼製シヤフト11が一体に
設けられている。このシヤフト11の内面はロータ7の貫
通孔の大きい直径部分の内面と連続している。
一方、ねじり結合子1の梁1′の端面側には、例えば
直径5mmのねじ孔が設けられている。ロータ7の貫通孔
の大きな直径の部分には、例えば外径15mm、内径6mmの
ベアリング9が底の棚で止まるように挿入されており、
非線形ばね10を通した例えば直径6mm、長さ25mmの先端
に径5mmのねじを施したボルト8を、シヤト11の内孔か
らベアリング9を通り、ねじり結合子1の梁1′に設け
られたねじ孔に嵌め込む。そして、このボルト8を締め
つけてシヤフト11と一体のロータ7を梁1′の端面に圧
着する。圧着力が30kgfになるまでボルト8を締めつけ
たところ、ロータ7はステータに強く圧着され、ロータ
7を手で回わそうとしても回わらなかつた。
第2図は、第1図に示した本発明による非線形共振系
を用いた超音波モータの一実施例の回転数の周波数特性
の説明図であつて、横軸に周波数を、縦軸に回転数を示
す。
第3図は従来の線形共振系を用いた超音波モータの回
転数の周波数特性図であつて、本発明との対比説明のた
めのものである。
さて、第2図の曲線100、200及び300は第1図に示す
モータのリード線15及び16の間に、それぞれ80ボルト、
100ボルト、120ボルトの正弦波電圧を印加した場合の無
負荷回転数の周波数特性である。60ボルトではロータは
回転しなつた。これを第3図に示す従来の超音波モータ
の無負荷回転数の周波数特性図と比較すると、本発明に
よる非線形共振系を用いた超音波モータの無負荷回転数
が周波数依存性の少ないこと、つまり一定の大きさの駆
動電圧に対して広い周波数帯域に亘つて一定の回転数が
得られることがわかる。第3図の曲線21、22、23及び24
は第1図に示す本発明のモータと外観同一の従来モータ
に正弦波駆動電圧60ボルト、75ボルト、100ボルト、120
ボルトを印加した場合の無負荷回転数の周波数特性であ
り、同一駆動電圧に対する無負荷回転数が本発明のモー
タの半分以下であること、及び本発明のモータの場合は
定格電圧約100ボルトに対して閾値電圧が約80ボルトで
あり、定格電圧の1/2電圧では全く回転しないこと、こ
れに対して従来モータでは定格電圧(ここでは約100ボ
ルト)の1/2電圧が閾値電圧にあることなどが示されて
いる。
第1図に示す本発明による非線形共振系を用いた超音
波モータは、前記した如く直径30mm厚さ2mmの圧電素子
3、3′の2枚をリード線15及び16の付いた燐青銅製の
端子板でサンドイツチし、直径30mm厚さ12.5mmのアルミ
ニウム円板5と同じくアルミニウムの直径30mm厚さ11mm
の円板2とにセツトした直径8mm長さ25.2mmのスチール
製キヤツプボルトによつて直径30mm厚さ7mmの円板をベ
ースとするねじり結合子1のねじ孔に締め付けて一体化
したステータに直径30mm厚さ7mmの焼入れ鋼からなる円
板に内径15mmの円筒が付いた形状のロータ7の内側にセ
ツトした外径15mm内径6mmのベアリング9に直径6mmキヤ
ツプボルト8に通した非線形ばね10を用いてロータをス
テータに圧着したものである。ここで非線形効果に重要
な役割を果たすばね10は通常のコイルスプリング、コイ
ルが丁度互いに重なり合うまで締め付けて用いても良い
し、ウレタンスプリングの径を適当な大きさに選んだも
の、又は座屈ばね等を用いてもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、超音波楕円振
動をするステータに圧着されたロータが摩擦力を介して
受ける回転トルクを利用した超音波モータにおいて、楕
円振動を発生する共振系に非線形共振特性を示す非線形
共振系を用いて超音波モータを構成したから、Qを大幅
に低下させることなく、広い周波数帯域に亘つて、回転
数、トルク及び入出力などの諸特性がほぼ一定に保たれ
る動作特性を得ることができ、しかも、回転数、出力と
もに従来の超音波モータの数倍の値を示し、その上温度
変動、時間変動が少ないので、−20℃から80℃に至る実
用温度範囲内を同一周波数電源で駆動することができた
など、実用上顕著な特性安定の効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による非線形共振系を用いた超音波モー
タの一実施例の構造を示す部分断面図、第2図は本発明
による非線形共振系を用いた超音波モータの無負荷回転
数の周波数依存特性図、第3図は従来の線形共振系を用
いた超音波モータの無負荷回転数の周波数依存特性図、
第4図は鉄共振現象を示す説明図であり、(a)は漸硬
ばね(b)は漸軟ばねの鉄共振曲線であり振幅がジヤン
プする周波数の履歴を示している図である。 1……ねじり結合子、2,5……アルミニウム円板、3,3′
……圧電素子、7……ロータ、8……圧着ボルト、9…
…ベアリング、10……非線形ばね、15,16……リード
線。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超音波楕円振動をするステータに圧着され
    たロータが摩擦力を介して受ける回転トルクを利用した
    超音波モータにおいて、前記楕円振動を発生する共振系
    に非線形共振特性を示す非線形共振系を用いた超音波モ
    ータ。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第(1)項記載の非線形共
    振系を用いた超音波モータにおいて、前記超音波モータ
    のステータ単体は鋭い線形共振特性を示し、ロータが最
    適圧着力で圧着されモータとして構成された状態で非線
    形共振特性を示す非線形共振系を用いた超音波モータ。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第(1)項記載の非線形共
    振系を用いた超音波モータにおいて、前記共振系が非線
    形共振特性を示す要因をロータ圧着機構としたことを特
    徴とする非線形共振系を用いた超音波モータ。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第(1)項記載の非線形共
    振系を用いた超音波モータにおいて、前記超音波モータ
    のロータを除去するか又は該ロータの圧着力を所定値か
    ら変更すると、前記超音波モータのステータが共振状態
    から逸脱することを特徴とする非線形共振系を用いた超
    音波モータ。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲第(1)項記載の非線形共
    振系を用いた超音波モータにおいて、前記ロータ圧着機
    構に非線形ばねを用いたことを特徴とする超音波モー
    タ。
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JPS62203575A (ja) * 1985-11-20 1987-09-08 Nippon Kogaku Kk <Nikon> 超音波振動を利用した表面波モ−タ−

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