JP2536661B2 - 超音波モ―タ - Google Patents
超音波モ―タInfo
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- JP2536661B2 JP2536661B2 JP2098112A JP9811290A JP2536661B2 JP 2536661 B2 JP2536661 B2 JP 2536661B2 JP 2098112 A JP2098112 A JP 2098112A JP 9811290 A JP9811290 A JP 9811290A JP 2536661 B2 JP2536661 B2 JP 2536661B2
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- JP
- Japan
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- longitudinal
- ultrasonic motor
- vibration
- piezoelectric element
- sec
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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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、回転トルクの発生源として、縦・捩り複合
振動子をステータとする超音波モータの改良に関する。
振動子をステータとする超音波モータの改良に関する。
（従来の技術） 縦・捩り複合振動子をステータとする従来の超音波モ
ータは、ステンレス鋼製リング、縦振動駆動用圧電素
子、支持具、捩り振動駆動用圧電素子、ステンレス鋼製
リアマスの順で配置された部材を前記ステンレス鋼製リ
ングと当接する側に配置したアルミニュウム合金製ヘッ
ドマスと該リアマスと当接する側に配置したステンレス
鋼製ナットでボルトを介して締め付ける構成の縦・捩り
複合振動子をステータとして使用しており、ステータ全
長に縦及び捩り振動駆動用圧電素子の長さ比が大きい。
また、縦及び捩り振動用圧電素子は駆動圧電を低くする
ために薄いリング状圧電セラミックを積層して製作され
ている。
ータは、ステンレス鋼製リング、縦振動駆動用圧電素
子、支持具、捩り振動駆動用圧電素子、ステンレス鋼製
リアマスの順で配置された部材を前記ステンレス鋼製リ
ングと当接する側に配置したアルミニュウム合金製ヘッ
ドマスと該リアマスと当接する側に配置したステンレス
鋼製ナットでボルトを介して締め付ける構成の縦・捩り
複合振動子をステータとして使用しており、ステータ全
長に縦及び捩り振動駆動用圧電素子の長さ比が大きい。
また、縦及び捩り振動用圧電素子は駆動圧電を低くする
ために薄いリング状圧電セラミックを積層して製作され
ている。
（発明が解決しようとする課題） 縦及び捩り振動は各々の節の位置で歪が最大であり、
縦及び捩り振動駆動用圧電素子は各々の振動の節の位置
に配置されることが望ましい。節の位置から離れて配置
された圧電素子はステータを効率よく励振することがで
きない。またリング状圧電セラミックの積層数を多く
し、各圧電セラミックを電気的に並列に接続した縦及び
捩り駆動用圧電素子は電気的なインピーダンスが小さく
なる。従って、上記従来の超音波モータは圧電素子の材
料費及び製造費の占める割合が大きく、高価な超音波モ
ータとなる。また、必要以上に電流が流入して消費電流
が大きくなる。以上の問題点は超音波モータの低価格化
及び高効率化のために解決すべき重要な課題である。
縦及び捩り振動駆動用圧電素子は各々の振動の節の位置
に配置されることが望ましい。節の位置から離れて配置
された圧電素子はステータを効率よく励振することがで
きない。またリング状圧電セラミックの積層数を多く
し、各圧電セラミックを電気的に並列に接続した縦及び
捩り駆動用圧電素子は電気的なインピーダンスが小さく
なる。従って、上記従来の超音波モータは圧電素子の材
料費及び製造費の占める割合が大きく、高価な超音波モ
ータとなる。また、必要以上に電流が流入して消費電流
が大きくなる。以上の問題点は超音波モータの低価格化
及び高効率化のために解決すべき重要な課題である。
縦・捩り複合振動子をステータとする超音波モータ
は、モータ効率を高めるために、縦及び捩り振動の共振
周波数を一致させ、更に縦振動の節及び捩り振動の節を
各々縦振動用圧電素子及び捩り振動用圧電素子の長手方
向の中央部に位置するように構成されている。上記問題
点を解決するために、従来の超音波モータに配置されて
いる縦及び捩り振動駆動用圧電素子の長さを短くして各
々の振動の節を圧電セラミック素子の中央部に位置させ
ると、縦振動の位相速度が捩りの位相速度の1.6倍ほど
大きいために共振周波数を一致させることは不可能であ
る。
は、モータ効率を高めるために、縦及び捩り振動の共振
周波数を一致させ、更に縦振動の節及び捩り振動の節を
各々縦振動用圧電素子及び捩り振動用圧電素子の長手方
向の中央部に位置するように構成されている。上記問題
点を解決するために、従来の超音波モータに配置されて
いる縦及び捩り振動駆動用圧電素子の長さを短くして各
々の振動の節を圧電セラミック素子の中央部に位置させ
ると、縦振動の位相速度が捩りの位相速度の1.6倍ほど
大きいために共振周波数を一致させることは不可能であ
る。
（課題を解決するための手段） 本発明は、ヘッドマス、縦振動駆動用圧電素子、第１
および第２のリング部材、捩り振動駆動用圧電素子、リ
アマスの順で配置された各部材をナットとボルトで締め
付ける構成の縦・捩り複合振動子をステータとする超音
波モータであって、縦振動駆動用圧電素子側の第１リン
グ部材は密度と音速の積が27.28kg/m2・sec以上で50.66
kg/m2・sec以下であり、捩り振動駆動用圧電素子側の第
２のリング部材の密度と音速の積は18.71kg/m2・sec以
上で34.75kg/m2・sec以下であり、リアマスの密度と音
速の積は18.71kg/m2・sec以上で、34.75kg/m2・sec以下
であることを特徴とする超音波モータである。縦及び捩
り振動の節を縦及び振動駆動用圧電素子の中央部に位置
することができ、各々の共振周波数を一致させることが
出来る。
および第２のリング部材、捩り振動駆動用圧電素子、リ
アマスの順で配置された各部材をナットとボルトで締め
付ける構成の縦・捩り複合振動子をステータとする超音
波モータであって、縦振動駆動用圧電素子側の第１リン
グ部材は密度と音速の積が27.28kg/m2・sec以上で50.66
kg/m2・sec以下であり、捩り振動駆動用圧電素子側の第
２のリング部材の密度と音速の積は18.71kg/m2・sec以
上で34.75kg/m2・sec以下であり、リアマスの密度と音
速の積は18.71kg/m2・sec以上で、34.75kg/m2・sec以下
であることを特徴とする超音波モータである。縦及び捩
り振動の節を縦及び振動駆動用圧電素子の中央部に位置
することができ、各々の共振周波数を一致させることが
出来る。
従来の超音波モータは、捩り振動の共振周波数の方が
縦振動の共振周波数より高く、ロータとステータの圧接
力に対して捩り振動の共振周波数は僅かに増加して飽和
し、縦振動の共振周波数は著しく増加して捩り振動の共
振周波数に接近し、圧接力を更に増加させると各々の共
振周波数が一致する。しかし、圧接力がかなり大きいと
振動振幅が抑制され、超音波モータは回転しなくなる。
従って、程々の圧接力で縦及び捩り振動の共振周波数を
一致させる必要がある。
縦振動の共振周波数より高く、ロータとステータの圧接
力に対して捩り振動の共振周波数は僅かに増加して飽和
し、縦振動の共振周波数は著しく増加して捩り振動の共
振周波数に接近し、圧接力を更に増加させると各々の共
振周波数が一致する。しかし、圧接力がかなり大きいと
振動振幅が抑制され、超音波モータは回転しなくなる。
従って、程々の圧接力で縦及び捩り振動の共振周波数を
一致させる必要がある。
次に部材の材質を限定した理由を説明する。
縦及び捩り振動の共振周波数を一致させるためには、
捩り振動の共振周波数を減少させるか、縦振動の共振周
波数を増加させるかの２通りの方法がある。縦振動の共
振周波数を増加させるには、ヘッドマスの材質をステン
レス鋼のような密度と音速の積（pc積）の大きい材料に
すればよいが、振動振幅が小さくなると言う欠点があ
る。従って、リアマスの材質を選択する方が適当であ
る。捩り振動の共振周波数を減少させるには、リアマス
の材質をpc積の小さい材料にすればよい。しかし、pc積
が18.71kg/m2・secを下回わる材料では縦振動と捩り振
動の共振周波数が一致する圧接力が著しく低くなり、3
4.75kg/m2・secを上回る材料では縦振動と捩り振動の共
振周波数が一致する圧接力が著しく高くなる。捩り振動
駆動用圧電素子側に配置するリング材質もリアマスの場
合と同様である。縦振動駆動用圧電素子側に配置するリ
ング材質のpc積が27.28kg/m2・secを下回る材料では縦
振動と捩り振動の共振周波数が一致する圧接力が著しく
低くなり、50.66kg/m2・secを上回る材料では縦振動と
捩り振動の共振周波数が一致する圧接力が著しく高くな
る。
捩り振動の共振周波数を減少させるか、縦振動の共振周
波数を増加させるかの２通りの方法がある。縦振動の共
振周波数を増加させるには、ヘッドマスの材質をステン
レス鋼のような密度と音速の積（pc積）の大きい材料に
すればよいが、振動振幅が小さくなると言う欠点があ
る。従って、リアマスの材質を選択する方が適当であ
る。捩り振動の共振周波数を減少させるには、リアマス
の材質をpc積の小さい材料にすればよい。しかし、pc積
が18.71kg/m2・secを下回わる材料では縦振動と捩り振
動の共振周波数が一致する圧接力が著しく低くなり、3
4.75kg/m2・secを上回る材料では縦振動と捩り振動の共
振周波数が一致する圧接力が著しく高くなる。捩り振動
駆動用圧電素子側に配置するリング材質もリアマスの場
合と同様である。縦振動駆動用圧電素子側に配置するリ
ング材質のpc積が27.28kg/m2・secを下回る材料では縦
振動と捩り振動の共振周波数が一致する圧接力が著しく
低くなり、50.66kg/m2・secを上回る材料では縦振動と
捩り振動の共振周波数が一致する圧接力が著しく高くな
る。
（実施例） 以下、本発明に基づく超音波モータの実施例を図面に
従って説明する。
従って説明する。
第１図に示す本発明に基づいて製作された超音波モー
タは、全長が45.15mmである。ヘッドマス12aはアルミニ
ュウム合金製で直径12mm、長さ7mmである。ヘッドマス1
2bはステンレス鋼製で直径13mm,長さ3mmのリング、ボル
ト15はステンレス鋼製で直径4mm、長さ25.1mmであり、
ヘッドマス12aに一体化されている。縦振動駆動用圧電
素子10は厚さ1mmで直径12mmのリングを２枚接着して構
成している。捩り振動駆動用圧電素子11は厚さ1mmで直
径12mmのリングを２枚接着して構成している。縦振動駆
動用圧電素子10と捩り振動駆動用圧電素子11の間の縦振
動駆動用圧電素子10側にステンレス鋼（pc積38.97kg/m2
・sec）製の直径12mm、長さ2.9mmの中間シリンダ16a、
捩り振動駆動用圧電素子２側に真鋳（pc積26.73kg/m2・
sec）製の直径12mm、長さ2.9mmの中間シリンダ16bを配
置し、該中間シリンダの間に0.5厚さのステンレス鋼製
支持具17を挟んで、これらの部材をヘッドマス3aと直径
12mm、長さ11.5mmの真鋳（pc積26.73kg/m2・sec）製リ
アマス13で挟み、ステンレス鋼製ナット14で強固に締め
付けられている。以上の構成のステータに直径12mm、高
さ10mmのロータ18がヘッドマス12aに一体になっている
シャフトを中心として回転するように、ベアリングを介
してスプリングでロータ18をステータに圧接している。
タは、全長が45.15mmである。ヘッドマス12aはアルミニ
ュウム合金製で直径12mm、長さ7mmである。ヘッドマス1
2bはステンレス鋼製で直径13mm,長さ3mmのリング、ボル
ト15はステンレス鋼製で直径4mm、長さ25.1mmであり、
ヘッドマス12aに一体化されている。縦振動駆動用圧電
素子10は厚さ1mmで直径12mmのリングを２枚接着して構
成している。捩り振動駆動用圧電素子11は厚さ1mmで直
径12mmのリングを２枚接着して構成している。縦振動駆
動用圧電素子10と捩り振動駆動用圧電素子11の間の縦振
動駆動用圧電素子10側にステンレス鋼（pc積38.97kg/m2
・sec）製の直径12mm、長さ2.9mmの中間シリンダ16a、
捩り振動駆動用圧電素子２側に真鋳（pc積26.73kg/m2・
sec）製の直径12mm、長さ2.9mmの中間シリンダ16bを配
置し、該中間シリンダの間に0.5厚さのステンレス鋼製
支持具17を挟んで、これらの部材をヘッドマス3aと直径
12mm、長さ11.5mmの真鋳（pc積26.73kg/m2・sec）製リ
アマス13で挟み、ステンレス鋼製ナット14で強固に締め
付けられている。以上の構成のステータに直径12mm、高
さ10mmのロータ18がヘッドマス12aに一体になっている
シャフトを中心として回転するように、ベアリングを介
してスプリングでロータ18をステータに圧接している。
本発明の超音波モータの縦振動及び捩り振動駆動用圧
電素子に、機械振動の位相差が90度になるように同時に
各々実効値で50（Ｖ）を印加し、周波数特性を測定し
た。ロータとステータの圧接力を変化させた場合の各々
の共振周波数をプロットすると第２図に示す結果が得ら
れた。その結果、本発明の超音波モータは、圧接力20kg
fで縦及び捩り振動の共振周波数が一致した。この超音
波モータの圧接力、駆動周波数及び縦と捩り振動駆動用
圧電素子に印加する電圧の位相差をロータ回転数が最大
になるように調節し、回転数−トルク特性及び効率を測
定すると、第３図に示す性能が得られた。
電素子に、機械振動の位相差が90度になるように同時に
各々実効値で50（Ｖ）を印加し、周波数特性を測定し
た。ロータとステータの圧接力を変化させた場合の各々
の共振周波数をプロットすると第２図に示す結果が得ら
れた。その結果、本発明の超音波モータは、圧接力20kg
fで縦及び捩り振動の共振周波数が一致した。この超音
波モータの圧接力、駆動周波数及び縦と捩り振動駆動用
圧電素子に印加する電圧の位相差をロータ回転数が最大
になるように調節し、回転数−トルク特性及び効率を測
定すると、第３図に示す性能が得られた。
第４図に示す従来の超音波モータは、全長が37.3mmで
ある。ヘッドマス12aはアルミニュウム合金製で直径12m
m、長さ7mmである。ヘッドマス12bはステンレス鋼製で
直径13mm、長さ3mmのリンク、ボルト15はステンレス鋼
製で直径4mm、長さ18.3mmであり、ヘッドマス12aに一体
化されている。縦振動駆動用圧電素子10は厚さ1mmで直
径12mmのリングを４枚接着して構成している。捩り振動
駆動用圧電素子11は厚さ1mmで直径12mmのリングを４枚
接着して構成している。縦振動駆動用圧電素子10と捩り
振動駆動用圧電素子11の間に0.5厚さステンレス鋼製支
持具17を挟み、これら部材をヘッドマス12aと直径12m
m、長さ1mmのステンレス鋼製リアマス13で挟み、ナット
14で強固に締め付けられている。以上の構成のステータ
に直径12mm、高さ10mmのロータ18がヘッドマス12aに一
体になっているシャフトを中心として回転するように、
ベアリングを介してスプリングでロータ18をステータに
圧接している。
ある。ヘッドマス12aはアルミニュウム合金製で直径12m
m、長さ7mmである。ヘッドマス12bはステンレス鋼製で
直径13mm、長さ3mmのリンク、ボルト15はステンレス鋼
製で直径4mm、長さ18.3mmであり、ヘッドマス12aに一体
化されている。縦振動駆動用圧電素子10は厚さ1mmで直
径12mmのリングを４枚接着して構成している。捩り振動
駆動用圧電素子11は厚さ1mmで直径12mmのリングを４枚
接着して構成している。縦振動駆動用圧電素子10と捩り
振動駆動用圧電素子11の間に0.5厚さステンレス鋼製支
持具17を挟み、これら部材をヘッドマス12aと直径12m
m、長さ1mmのステンレス鋼製リアマス13で挟み、ナット
14で強固に締め付けられている。以上の構成のステータ
に直径12mm、高さ10mmのロータ18がヘッドマス12aに一
体になっているシャフトを中心として回転するように、
ベアリングを介してスプリングでロータ18をステータに
圧接している。
従来の超音波モータの縦振動及び捩り振動駆動用圧電
素子に、機械振動の位相差が90度になるように同時に各
々実効値で50（Ｖ）を印加し、周波数特性を測定した。
ロータとステータの圧接力を変化させた場合の各々の共
振周波数をプロットすると第５図に示す結果が得られ
た。その結果、従来の超音波モータは、圧接力23kgfで
縦及び捩り振動の共振周波数が一致した。この超音波モ
ータの圧接力、駆動周波数、縦及び捩り振動駆動用圧電
素子に印加する電圧の位相差をロータ回転数が最大にな
るように調節し、回転数−トルク特性及び効率を測定す
ると、第６図に示すように本発明に比べて大幅に劣った
性能しか得られなかった。
素子に、機械振動の位相差が90度になるように同時に各
々実効値で50（Ｖ）を印加し、周波数特性を測定した。
ロータとステータの圧接力を変化させた場合の各々の共
振周波数をプロットすると第５図に示す結果が得られ
た。その結果、従来の超音波モータは、圧接力23kgfで
縦及び捩り振動の共振周波数が一致した。この超音波モ
ータの圧接力、駆動周波数、縦及び捩り振動駆動用圧電
素子に印加する電圧の位相差をロータ回転数が最大にな
るように調節し、回転数−トルク特性及び効率を測定す
ると、第６図に示すように本発明に比べて大幅に劣った
性能しか得られなかった。
また本発明の構成でpc積が18.71kg/m2・sec下回る金
属材料を中間シリンダ16b及びリアマスとして使用した
場合、低圧接力条件下で縦振動の共振周波数の方が捩り
振動の共振周波数より高くなってしまった。pc積が34.7
5kg/m2・secを上回る金属材料を中間シリンダ16b及びリ
アマスを使用した場合、従来の超音波モータより高圧接
力条件下でしか縦及び捩り振動の共振周波数が一致しな
かった。さらに、pc積が27.28kg/m2・secを下回る金属
材料を中間シリンダ16aとして使用した場合、低圧接力
条件下で縦振動の共振周波数の方が捩り振動の共振周波
数より高くなってしまった。pc積が50.66kg/m2・secを
上回る金属材料を中間シリンダ16bとして使用した場
合、従来の超音波モータより高圧接力条件下でしか縦及
び捩り振動の共振周波数が一致しなかった。
属材料を中間シリンダ16b及びリアマスとして使用した
場合、低圧接力条件下で縦振動の共振周波数の方が捩り
振動の共振周波数より高くなってしまった。pc積が34.7
5kg/m2・secを上回る金属材料を中間シリンダ16b及びリ
アマスを使用した場合、従来の超音波モータより高圧接
力条件下でしか縦及び捩り振動の共振周波数が一致しな
かった。さらに、pc積が27.28kg/m2・secを下回る金属
材料を中間シリンダ16aとして使用した場合、低圧接力
条件下で縦振動の共振周波数の方が捩り振動の共振周波
数より高くなってしまった。pc積が50.66kg/m2・secを
上回る金属材料を中間シリンダ16bとして使用した場
合、従来の超音波モータより高圧接力条件下でしか縦及
び捩り振動の共振周波数が一致しなかった。
（発明の効果） 以上詳述した如く、本発明に従った構成の超音波モー
タは高電界駆動時において、縦と捩りの共振周波数を完
全に一致させることができ、僅かな消費電力でステータ
とロータの界面に大振幅の楕円振動を発生させることが
でき、高効率、高トルクの超音波モータを実現すること
が出来る。従って、本発明に基づく超音波モータの技術
的有用性は計り知れないほど大きく、応用技術、派生技
術の広さも予測しきれないものがある。
タは高電界駆動時において、縦と捩りの共振周波数を完
全に一致させることができ、僅かな消費電力でステータ
とロータの界面に大振幅の楕円振動を発生させることが
でき、高効率、高トルクの超音波モータを実現すること
が出来る。従って、本発明に基づく超音波モータの技術
的有用性は計り知れないほど大きく、応用技術、派生技
術の広さも予測しきれないものがある。
第１図は本発明の超音波モータの断面図、第２図は実施
例に使用した本発明の超音波モータの共振周波数−圧接
力特性図、第３図は実施例に使用した本発明の超音波モ
ータのモータ特性図、第４図は従来の超音波モータの断
面図、第５図は実施例に使用した従来の超音波モータの
共振周波数−圧接力特性図、第６図は実施例に使用した
従来の超音波モータのモータ特性図を示す。 図において、10……縦振動駆動用圧電素子、11……捩り
振動駆動用圧電素子、12a……アルミニュウム合金製ヘ
ッドマス、12b……ステンレス鋼製ヘッドマスリング、1
3……真鋳製リアマス、14……ナット、15……ボルト、1
6a,16b……真鋳製中間シリンダー、17……支持具、18…
…ロータを示す。
例に使用した本発明の超音波モータの共振周波数−圧接
力特性図、第３図は実施例に使用した本発明の超音波モ
ータのモータ特性図、第４図は従来の超音波モータの断
面図、第５図は実施例に使用した従来の超音波モータの
共振周波数−圧接力特性図、第６図は実施例に使用した
従来の超音波モータのモータ特性図を示す。 図において、10……縦振動駆動用圧電素子、11……捩り
振動駆動用圧電素子、12a……アルミニュウム合金製ヘ
ッドマス、12b……ステンレス鋼製ヘッドマスリング、1
3……真鋳製リアマス、14……ナット、15……ボルト、1
6a,16b……真鋳製中間シリンダー、17……支持具、18…
…ロータを示す。
Claims (1)
- 【請求項１】ヘッドマス、縦振動駆動用圧電素子、第１
および第２のリング部材、捩り振動駆動用圧電素子、リ
アマスの順で配置された各部材をナットとボルトで締め
付ける構成の縦・捩り複合振動子をステータとする超音
波モータであって、縦振動駆動用圧電素子側の第１リン
グ部材は密度と音速の積が27.28kg/m2・sec以上で50.66
kg/m2・sec以下であり、捩り振動駆動用圧電素子側の第
２のリング部材の密度と音速の積は18.71kg/m2・sec以
上で34.75kg/m2・sec以下であり、リアマスの密度と音
速の積は18.71kg/m2・sec以上で34.75kg/m2・sec以下で
あることを特徴とする超音波モータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2098112A JP2536661B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | 超音波モ―タ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2098112A JP2536661B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | 超音波モ―タ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04277A JPH04277A (ja) | 1992-01-06 |
| JP2536661B2 true JP2536661B2 (ja) | 1996-09-18 |
Family
ID=14211241
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2098112A Expired - Lifetime JP2536661B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | 超音波モ―タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2536661B2 (ja) |
-
1990
- 1990-04-13 JP JP2098112A patent/JP2536661B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04277A (ja) | 1992-01-06 |
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