JP2615892B2 - 超音波モータとその駆動方法 - Google Patents
超音波モータとその駆動方法Info
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- JP2615892B2 JP2615892B2 JP63201616A JP20161688A JP2615892B2 JP 2615892 B2 JP2615892 B2 JP 2615892B2 JP 63201616 A JP63201616 A JP 63201616A JP 20161688 A JP20161688 A JP 20161688A JP 2615892 B2 JP2615892 B2 JP 2615892B2
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- Japan
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- stator
- rotor
- ultrasonic motor
- resonance frequency
- vibration
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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） 本発明は超音波振動によりロータを回転して、駆動力
を発生させる超音波モータに関するものである。
を発生させる超音波モータに関するものである。
（従来の技術） 縦−捩り複合圧電振動子をステータとし、ステータの
端面にロータを圧接して、これを回転させる構成の超音
波モータは、例えば熊田による特開昭61−12177号公報
で開示されている。
端面にロータを圧接して、これを回転させる構成の超音
波モータは、例えば熊田による特開昭61−12177号公報
で開示されている。
ここでは、捩り振動励振用圧電素子と縦振動励振用圧
電素子とを円柱あるいは円筒状超音波振動体ではさみ一
体化したものをステータとし、捩り振動励振用圧電素子
と縦振動励振用圧電素子とにそれぞれ独立に交流電圧を
印加して、ステータの端面に楕円振動を誘起し、この楕
円振動を利用してステータ端面に圧接したロータに回転
運動を与えるものである。
電素子とを円柱あるいは円筒状超音波振動体ではさみ一
体化したものをステータとし、捩り振動励振用圧電素子
と縦振動励振用圧電素子とにそれぞれ独立に交流電圧を
印加して、ステータの端面に楕円振動を誘起し、この楕
円振動を利用してステータ端面に圧接したロータに回転
運動を与えるものである。
（発明が解決しようとする問題点） ところで、捩り振動波の位相速度は縦振動波の位相速
度の約６割であるため、上記構成になるステータにおい
て、捩り振動の共振周波数と縦振動の共振周波数を一致
させることが困難である。従って、上記構成のステータ
では、捩り振動を共振駆動させれば、縦振動は非共振駆
動となり、逆に縦振動を共振駆動させれば、捩り振動は
非共振駆動となる。
度の約６割であるため、上記構成になるステータにおい
て、捩り振動の共振周波数と縦振動の共振周波数を一致
させることが困難である。従って、上記構成のステータ
では、捩り振動を共振駆動させれば、縦振動は非共振駆
動となり、逆に縦振動を共振駆動させれば、捩り振動は
非共振駆動となる。
周知の如く、非共振駆動は共振駆動と比較して、同一
電力で駆動する場合には、極端に得られる振幅が小さく
なってしまう。その結果、上記構成のステータの端面に
誘起される楕円振動の振幅は縦方向あるいは捩り方向い
ずれか一方の振幅が極端に小さくなってしまうために効
率の高いモータを実現することは不可能である。
電力で駆動する場合には、極端に得られる振幅が小さく
なってしまう。その結果、上記構成のステータの端面に
誘起される楕円振動の振幅は縦方向あるいは捩り方向い
ずれか一方の振幅が極端に小さくなってしまうために効
率の高いモータを実現することは不可能である。
上記構成のステータにおいて、捩り振動励振用圧電素
子と縦振動励振用圧電素子とに互いに異った周波数の交
流電圧を印加して、２種類の振動を共振駆動することも
可能ではあるが、この場合には共振周波数が異なるため
にステータの端面に規則的に楕円振動を誘起することが
できないため、ロータを安定して回転させることは不可
能である。
子と縦振動励振用圧電素子とに互いに異った周波数の交
流電圧を印加して、２種類の振動を共振駆動することも
可能ではあるが、この場合には共振周波数が異なるため
にステータの端面に規則的に楕円振動を誘起することが
できないため、ロータを安定して回転させることは不可
能である。
（問題を解決するための手段） 本発明に従った超音波モータの構成を第１図に示す。
捩り振動圧電セラミック素子１と縦振動励振用圧電セラ
ミック素子２を二つの円柱あるいは円筒状金属ブロック
３と４で挟み、ボルト５を用いて強固に締めつけて、ス
テータ主要部を構成する。このときステータ主要部分だ
けを考えたとき、縦振動の半波長共振周波数は、矢張
り、捩り振動の半波長共振周波数の約1.6倍となってい
る。縦と捩りの共振周波数がこのように大幅に違ってい
れば、高性能の超音波モータを実現することが緒しく困
難になるので、縦と捩りの共振周波数を十分近づけるた
めに金属ブロックの下方に、たとえばベアリングあるい
は小さな摩擦係数を有する摺動材13などを介して、円筒
あるいは円柱状の金属あるいはセラミックスなどの高剛
性材からなるブロックで構成したサブステータ６を設け
る。また、上記ステータの端面（金属ブロック３の端
面）に、耐摩耗材７を介して、ロータ８をベアリング
９、ナット10、台座11、コイルばね12を用いて圧接し、
超音波モータを構成する。この際、ロータ８、ベアリン
グ９、耐摩耗材７、ナット10、ボルト５、サブステータ
６及びロータのステータに対する圧接力は超音波モータ
全体の縦共振周波数が捩り振動の半波長共振周波数と一
致するように選ぶ。
捩り振動圧電セラミック素子１と縦振動励振用圧電セラ
ミック素子２を二つの円柱あるいは円筒状金属ブロック
３と４で挟み、ボルト５を用いて強固に締めつけて、ス
テータ主要部を構成する。このときステータ主要部分だ
けを考えたとき、縦振動の半波長共振周波数は、矢張
り、捩り振動の半波長共振周波数の約1.6倍となってい
る。縦と捩りの共振周波数がこのように大幅に違ってい
れば、高性能の超音波モータを実現することが緒しく困
難になるので、縦と捩りの共振周波数を十分近づけるた
めに金属ブロックの下方に、たとえばベアリングあるい
は小さな摩擦係数を有する摺動材13などを介して、円筒
あるいは円柱状の金属あるいはセラミックスなどの高剛
性材からなるブロックで構成したサブステータ６を設け
る。また、上記ステータの端面（金属ブロック３の端
面）に、耐摩耗材７を介して、ロータ８をベアリング
９、ナット10、台座11、コイルばね12を用いて圧接し、
超音波モータを構成する。この際、ロータ８、ベアリン
グ９、耐摩耗材７、ナット10、ボルト５、サブステータ
６及びロータのステータに対する圧接力は超音波モータ
全体の縦共振周波数が捩り振動の半波長共振周波数と一
致するように選ぶ。
上記構成の超音波モータにおいて、捩り振動励振用圧
電セラミックスと縦振動励振用圧電セラミックスとに独
立に交流電圧を印加し、この周波数を共振周波数とし、
かつ90゜の位相差を与えるとロータは高効率で回転す
る。
電セラミックスと縦振動励振用圧電セラミックスとに独
立に交流電圧を印加し、この周波数を共振周波数とし、
かつ90゜の位相差を与えるとロータは高効率で回転す
る。
（作用） 本発明の超音波モータを構成するステータは、単体で
は捩り振動半波長共振周波数と縦振動半波長共振周波数
は異なるが、ベアリングあるいは摺動材を介して、サブ
ステータを設け、前記ステータ部分とサブステータ部分
をボルトを強固に締めつけて一体化することにより、捩
り振動に関する共振周波数は、サブステータ部分を設け
てもほとんど変化しないのに対して、縦共振周波数は大
幅に低下し、捩り共振周波数に近づく。さらにロータを
圧接すると、同様に、捩り共振周波数は殆んど変化しな
いのに対して、縦共振周波数はロータの厚さ、質量の関
数となって、さらに低下する。この際、ロータとステー
タとの締め付け圧を調整することにより、二つの共振周
波数を高精度で一致させることができる。従って、捩り
振動と縦振動とを同一周波数で共振駆動することができ
る。
は捩り振動半波長共振周波数と縦振動半波長共振周波数
は異なるが、ベアリングあるいは摺動材を介して、サブ
ステータを設け、前記ステータ部分とサブステータ部分
をボルトを強固に締めつけて一体化することにより、捩
り振動に関する共振周波数は、サブステータ部分を設け
てもほとんど変化しないのに対して、縦共振周波数は大
幅に低下し、捩り共振周波数に近づく。さらにロータを
圧接すると、同様に、捩り共振周波数は殆んど変化しな
いのに対して、縦共振周波数はロータの厚さ、質量の関
数となって、さらに低下する。この際、ロータとステー
タとの締め付け圧を調整することにより、二つの共振周
波数を高精度で一致させることができる。従って、捩り
振動と縦振動とを同一周波数で共振駆動することができ
る。
以上述べた如く、本発明による超音波モータは捩り共
振と縦共振とを同一周波数で駆動するものであり、高効
率のモータが実現できる。
振と縦共振とを同一周波数で駆動するものであり、高効
率のモータが実現できる。
（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説
明する。第１図は、本発明の一実施例を示す断面図で、
原理と構成は先に述べた通りである。捩り振動励振用圧
電セラミック素子１は、外径20mm、内径8mm、厚さ0.5mm
の円周方向に分極した圧電セラミック板を８枚積層して
構成されている。各セラミック板の表裏面にメタライズ
され、間に金属薄板を挟んで、極性が互いに逆相になる
ように積層されている。金属薄板は外部で電気的に並列
接続されている。一方、縦振動励振用圧電セラミック素
子２は、厚み方向に分極した圧電セラミック板（外径20
mm、内径8mm、厚さ0.5mm）を12枚積層したもので、構成
は上記捩り振動励振用圧電セラミック素子１に準じる。
金属ブロック3,4,サブステータ６、台座９はすべてステ
ンレススチールを用いた。また、静的、あるいは動的に
大きな応力の加わるボルト５、ナット14、10の部分は、
高張力鋼、ロータ部分８には軽量で剛性の大きなアルミ
ナセラミックスを用いた。ロータ８は、ベアリング９、
台座11、コイルばね12、ボルト５、ナット10を用いて、
ステータの金属ブロック３に圧接されている。16,17,18
は、圧電素子1,2をそれぞれ独立に駆動可能とするため
に、挿入された絶縁板でアルミナセラミックス製で板厚
は0.4mmである。７は有機材料でできた耐摩耗材であ
る。15は皿ばねで、温度変化による圧電素子1,2に加わ
るバイアス応力の変化を極力少なくするために設けられ
たものである。
明する。第１図は、本発明の一実施例を示す断面図で、
原理と構成は先に述べた通りである。捩り振動励振用圧
電セラミック素子１は、外径20mm、内径8mm、厚さ0.5mm
の円周方向に分極した圧電セラミック板を８枚積層して
構成されている。各セラミック板の表裏面にメタライズ
され、間に金属薄板を挟んで、極性が互いに逆相になる
ように積層されている。金属薄板は外部で電気的に並列
接続されている。一方、縦振動励振用圧電セラミック素
子２は、厚み方向に分極した圧電セラミック板（外径20
mm、内径8mm、厚さ0.5mm）を12枚積層したもので、構成
は上記捩り振動励振用圧電セラミック素子１に準じる。
金属ブロック3,4,サブステータ６、台座９はすべてステ
ンレススチールを用いた。また、静的、あるいは動的に
大きな応力の加わるボルト５、ナット14、10の部分は、
高張力鋼、ロータ部分８には軽量で剛性の大きなアルミ
ナセラミックスを用いた。ロータ８は、ベアリング９、
台座11、コイルばね12、ボルト５、ナット10を用いて、
ステータの金属ブロック３に圧接されている。16,17,18
は、圧電素子1,2をそれぞれ独立に駆動可能とするため
に、挿入された絶縁板でアルミナセラミックス製で板厚
は0.4mmである。７は有機材料でできた耐摩耗材であ
る。15は皿ばねで、温度変化による圧電素子1,2に加わ
るバイアス応力の変化を極力少なくするために設けられ
たものである。
金属ブロック３から金属ブロック４までのステータ本
体の長さは36mmであり、ステータ本体をボルト締めした
ときの捩りの共振周波数は26.7kHz縦の共振周波数は38.
3kHzであった。さらに、ベアリング13を介してサブステ
ータ６を付加して、皿ばね15とともに圧電素子1,2に120
kg/cm2の圧縮バイアス応力が加わるようにボルト５、ナ
ット14で締めつけた結果、捩りの共振周波数の変化は20
0Hz程度であったのに対して、縦振動の共振周波数は25k
Hzとなった。次に、厚み3mmのロータ８を耐摩耗材７を
介して、ステータにコイルばね12等を用いて圧接し、ス
テータとロータ間の圧接力を種々変えることにより、縦
共振周波数と捩り共振周波数を完全に一致させることを
試みた。その結果、圧接力を大きくすると縦共振周波数
は上昇することがわかり、圧接力45kgfで二つの共振周
波数は26.2kHzで一致させることができた。
体の長さは36mmであり、ステータ本体をボルト締めした
ときの捩りの共振周波数は26.7kHz縦の共振周波数は38.
3kHzであった。さらに、ベアリング13を介してサブステ
ータ６を付加して、皿ばね15とともに圧電素子1,2に120
kg/cm2の圧縮バイアス応力が加わるようにボルト５、ナ
ット14で締めつけた結果、捩りの共振周波数の変化は20
0Hz程度であったのに対して、縦振動の共振周波数は25k
Hzとなった。次に、厚み3mmのロータ８を耐摩耗材７を
介して、ステータにコイルばね12等を用いて圧接し、ス
テータとロータ間の圧接力を種々変えることにより、縦
共振周波数と捩り共振周波数を完全に一致させることを
試みた。その結果、圧接力を大きくすると縦共振周波数
は上昇することがわかり、圧接力45kgfで二つの共振周
波数は26.2kHzで一致させることができた。
さらに、ロータの厚さを種々変えて、同一電力でモー
タの駆動力を測定したが、ロータの厚みが厚くなるほど
逆にトルク及び回転速度とも減少した。即ち、本構成の
超音波モータでは、ロータの厚みは、ロータの剛性さえ
保つことができれば、薄くするほど高効率のモータが得
られると言える。これは、ロータが薄いほど、ステータ
とロータの界面が縦振動の自由端に近くなり、大きな振
動が確保されるからである。
タの駆動力を測定したが、ロータの厚みが厚くなるほど
逆にトルク及び回転速度とも減少した。即ち、本構成の
超音波モータでは、ロータの厚みは、ロータの剛性さえ
保つことができれば、薄くするほど高効率のモータが得
られると言える。これは、ロータが薄いほど、ステータ
とロータの界面が縦振動の自由端に近くなり、大きな振
動が確保されるからである。
第２図は、本実施例のモータの特性を示す図である。
捩り振動及び縦振動励振用圧電セラミック素子には、位
相が90゜異なる周波数26.2kHz、電圧100Vの正弦波が印
加された。その結果、無負荷回転速度280rpm、最大トル
ク4.0kgf・cmという従来にない高性能を実現できた。
捩り振動及び縦振動励振用圧電セラミック素子には、位
相が90゜異なる周波数26.2kHz、電圧100Vの正弦波が印
加された。その結果、無負荷回転速度280rpm、最大トル
ク4.0kgf・cmという従来にない高性能を実現できた。
（発明の効果） 本発明は上述のように、ステータ本体のみではなく、
サブステータを含めたモータ全体で共振周波数が決まる
縦共振と捩り共振を利用したものであり、かつ縦振動の
共振周波数のみロータとステータとの圧接力で変化する
構成となっているため、容易に二つの共振周波数を一致
させることができる。従って、高効率で実用性の高い超
音波モータが実現できる。
サブステータを含めたモータ全体で共振周波数が決まる
縦共振と捩り共振を利用したものであり、かつ縦振動の
共振周波数のみロータとステータとの圧接力で変化する
構成となっているため、容易に二つの共振周波数を一致
させることができる。従って、高効率で実用性の高い超
音波モータが実現できる。
第１図は、本発明のモータの構成を示す図。第２図は、
本発明に従った実施例のモータの特性を示す図。 図中１は捩り振動励振用圧電セラミック素子、２は縦振
動励振用圧電セラミック素子、3,4は金属ブロック、５
はボルト、６はサブステータ、７は耐摩耗材、８はロー
タ、9,13はベアリング、10,14はナット、11は台座、12
はコイルばね、15は皿ばね、16,17,18は絶縁板である。
本発明に従った実施例のモータの特性を示す図。 図中１は捩り振動励振用圧電セラミック素子、２は縦振
動励振用圧電セラミック素子、3,4は金属ブロック、５
はボルト、６はサブステータ、７は耐摩耗材、８はロー
タ、9,13はベアリング、10,14はナット、11は台座、12
はコイルばね、15は皿ばね、16,17,18は絶縁板である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 貞行 東京都港区芝５丁目33番１号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 内川 忠保 東京都港区芝５丁目33番１号 日本電気 株式会社内
Claims (2)
- 【請求項１】縦−捩り複合圧電振振動子をステータと
し、これにロータを圧接して構成する超音波モータにお
いて、ステータ本体を構成する縦−捩り複合振動子の片
端面に、所定の摺動部を介してサブステータを設けたこ
とを特徴とする超音波モータ。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項の超音波モータの駆
動方法において、サブステータを設けることにより捩り
と縦の２つの共振周波数を近づけ、さらにステータにロ
ータを圧接し、かつ圧接力を調整し、２つの共振周波数
を一致させることを特徴とする超音波モータの駆動方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63201616A JP2615892B2 (ja) | 1988-08-11 | 1988-08-11 | 超音波モータとその駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63201616A JP2615892B2 (ja) | 1988-08-11 | 1988-08-11 | 超音波モータとその駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0251378A JPH0251378A (ja) | 1990-02-21 |
| JP2615892B2 true JP2615892B2 (ja) | 1997-06-04 |
Family
ID=16444014
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63201616A Expired - Lifetime JP2615892B2 (ja) | 1988-08-11 | 1988-08-11 | 超音波モータとその駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2615892B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03253267A (ja) * | 1990-02-28 | 1991-11-12 | Brother Ind Ltd | 超音波モータ |
-
1988
- 1988-08-11 JP JP63201616A patent/JP2615892B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0251378A (ja) | 1990-02-21 |
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