JP2897259B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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JP2897259B2
JP2897259B2 JP1178553A JP17855389A JP2897259B2 JP 2897259 B2 JP2897259 B2 JP 2897259B2 JP 1178553 A JP1178553 A JP 1178553A JP 17855389 A JP17855389 A JP 17855389A JP 2897259 B2 JP2897259 B2 JP 2897259B2
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ultrasonic motor
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修 大西
修 冥加
武志 井上
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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しステータ上に圧接されたロータを
摩擦力を介して回転させる超音波モータの改良に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention relates to a super-torque in which a longitudinal-torsion composite vibrator is used as a stator and a rotor pressed on the stator is rotated through frictional force as a source of rotational torque. It relates to improvement of a sound wave motor.

(従来の技術) 超音波モータとは、超音波楕円振動をする振動体であ
るステータに圧接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モータである。
(Prior Art) An ultrasonic motor is a motor that uses a rotational torque received by a rotor that is pressed against a stator, which is a vibrating body that performs ultrasonic elliptical vibration, through frictional force.

円環あるいは円板の円周方向に沿って伝搬する屈曲進
行波を利用した超音波モータが特開昭58−148682号公報
により開示されて以来、超音波モータは電磁型モータと
比べて低速で高トルクであるという特徴を有しているこ
とから、盛んに研究開発が行われるようになった。しか
しながら、この超音波モータは屈曲振動を利用している
ため、小径にすると高トルクを得ることが難しいという
欠点がある。例えば、直径2cmの進行波型超音波モータ
のトルクは、たかだか0.1〜0.2kgf・cmに過ぎない。
Since an ultrasonic motor using a bending traveling wave propagating along the circumferential direction of a ring or a disk was disclosed by Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-148682, the ultrasonic motor has a lower speed than an electromagnetic motor. Due to its characteristic of high torque, research and development have been actively pursued. However, since this ultrasonic motor utilizes bending vibration, there is a disadvantage that it is difficult to obtain a high torque if the diameter is reduced. For example, the torque of a traveling wave type ultrasonic motor having a diameter of 2 cm is at most 0.1 to 0.2 kgf · cm.

これに対し、特開昭61−52163号公報に開示されてい
る定在波型超音波モータは、ロータとステータの界面に
効率よく強力な楕円振動の発生を可能とした。しかしな
がら、これとて圧電縦振動を用いて捩り振動を励振する
ものでモード変換を要するため構成条件に制約があり、
振動子の形状、サイズが限定され、しかも発生する楕円
振動の回転の向きは構成条件によって、右廻り、左廻り
の何れか一方となり、回転方向を自由に変えられないと
言う欠点があった。
On the other hand, the standing wave type ultrasonic motor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-52163 has enabled efficient generation of strong elliptical vibration at the interface between the rotor and the stator. However, since the torsional vibration is excited by using the piezoelectric longitudinal vibration, mode conversion is required, so there are restrictions on the configuration conditions.
The shape and size of the vibrator are limited, and the direction of rotation of the generated elliptical vibration is either clockwise or counterclockwise depending on the configuration conditions, and there is a disadvantage that the rotation direction cannot be freely changed.

回転方向を自由に変えられ、しかも小径で高トルクを
有するモータの出現が望まれていたが、このような機能
を有する超音波モータとして本発明者らは、特願昭63−
149726号、及び昭和63年日本音響学会秋季研究発表会講
演論文集No.2−4−10、pp.821−822(1988年10月)等
において開示した縦・捩り複合振動子をステータとする
超音波モータを提案した。この超音波モータの構成を第
3図に示す。第3図に於て、11は縦振動を励振させる圧
電セラミック素子で、板厚方向に分極処理が施されてい
る。12は捩り振動を励振させる圧電セラミック素子で板
面に平行で且つ円周方向に分極処理が施されている。こ
れらの圧電素子11,12は、Al合金からできたヘッドマス1
3、リアマス14、ボルト15により強固に締め付けられ、
超音波楕円振動子であるステータ30を構成する。また、
20はロータ17をステータに圧接させる働きをするバネ、
19は台座、22はシャフト、21はナットである。このナッ
ト21によりバネの圧接力を加減することが出来る。ま
た、18はベアリングである。この超音波モータの動作原
理を第4図に示す。縦振動は、言わばクラッチの働きを
しており、一方向の捩り変位のみロータに伝達される。
There has been a demand for the emergence of a motor that can freely change the rotation direction and has a small diameter and high torque. However, as an ultrasonic motor having such a function, the present inventors have disclosed in Japanese Patent Application No.
No. 149726, and the combined longitudinal and torsional oscillator disclosed in the 1988 Autumn Meeting of the Acoustical Society of Japan, No.2-4-10, pp.821-822 (October 1988), are used as the stator. An ultrasonic motor was proposed. FIG. 3 shows the configuration of this ultrasonic motor. In FIG. 3, reference numeral 11 denotes a piezoelectric ceramic element for exciting longitudinal vibration, which is subjected to a polarization treatment in the thickness direction. Reference numeral 12 denotes a piezoelectric ceramic element for exciting torsional vibration, which is polarized in a circumferential direction parallel to the plate surface. These piezoelectric elements 11 and 12 have a head mass 1 made of an Al alloy.
3, firmly tightened by rear mass 14, bolt 15,
The stator 30 is an ultrasonic elliptical vibrator. Also,
20 is a spring that functions to press the rotor 17 against the stator,
19 is a pedestal, 22 is a shaft, 21 is a nut. With this nut 21, the pressure contact force of the spring can be adjusted. Reference numeral 18 denotes a bearing. FIG. 4 shows the operation principle of this ultrasonic motor. The longitudinal vibration acts as a clutch, so to speak, only one-way torsional displacement is transmitted to the rotor.

この超音波モータは、ステータとロータの界面に縦と
捩り振動で合成された楕円振動を効率よく強勢に励振さ
せるために、縦と捩り振動を同時に共振駆動させること
を目的として提案されたものである。共振振動を行うた
めには、縦と捩り共振周波数を一致させる必要がある。
第3図に示した超音波モータにおいて、ステータ上に適
当な太さのシャフトを立て、ロータとステータの圧接力
を調整することにより、弱電界時において辛うじて縦振
動と捩り振動の共振周波数を一致させることができた。
This ultrasonic motor has been proposed with the aim of simultaneously driving longitudinal and torsional vibrations in resonance, in order to efficiently and effectively excite elliptical vibrations synthesized by longitudinal and torsional vibrations at the interface between the stator and rotor. is there. In order to perform resonance vibration, it is necessary to match the longitudinal and torsional resonance frequencies.
In the ultrasonic motor shown in FIG. 3, the resonance frequency of longitudinal vibration and torsional vibration is barely matched in a weak electric field by setting a shaft of appropriate thickness on the stator and adjusting the pressure contact force between the rotor and the stator. I was able to.

(発明が解決しようとする課題) この縦振動と捩り振動の共振周波数の一致は、弱電界
時の一致であり、実際にモータを強電界で駆動する際に
は、捩りの共振周波数fTが縦の共振周波数fLより高くな
ってしまい、実際の駆動状態である強電界時において共
振周波数を一致させることは困難であった。第3図に示
した構成の超音波モータでは、捩り振動の共振周波数fT
は、ステータ部分の長さでほぼ決定されてしまい、圧接
力にそれほど影響されることはない。しかし、縦振動の
共振周波数fLは、ロータの質量、ロータとステータの圧
接力に依存し、ロータの質量が軽く、前記圧接力が大き
いほど捩り共振周波数に近づく。即ち、第3図に示した
構成の超音波モータでは、一般にfT>fLである。従っ
て、fT=fLを実現しようとすれば、まずロータを軽くす
る必要があり、そのためにはロータの高さを小さくせざ
るを得ないが、このような形状のロータでは剛性が小さ
くなり、大きなトルクの発生は困難となる。あるいは、
圧接力を極端に大きくすることが必要であるが、圧接力
をきわめて大きな状態にすることは、必然的にベアベア
リングに過大な応力を与える事になり、ベアリングの損
傷や寿命の短命化につながり、極めて危険である。した
がって、従来の第3図に示した超音波モータでは、実際
のハイパワー駆動時において、fTがfLより高い状態であ
り、得られる効率はせいぜい25%〜40%程度である。
(Invention Problems to be Solved) matching the resonant frequency of the longitudinal vibration and torsional vibration are coincident at a weak electric field, when driving actually the motor at high electric field, the torsional resonance frequency f T Since the vertical resonance frequency f L is higher than the vertical resonance frequency f L , it is difficult to match the resonance frequencies in a strong electric field which is an actual driving state. In the ultrasonic motor having the configuration shown in FIG. 3, the resonance frequency f T of torsional vibration is used.
Is largely determined by the length of the stator portion, and is not significantly affected by the pressing force. However, the resonance frequency f L of the longitudinal vibration depends on the mass of the rotor and the pressure contact force between the rotor and the stator. The lighter the rotor mass and the larger the pressure contact force, the closer to the torsional resonance frequency. That is, in the ultrasonic motor having the configuration shown in FIG. 3, generally, f T > f L. Therefore, in order to achieve f T = f L , it is necessary to first reduce the weight of the rotor. For this purpose, the height of the rotor must be reduced. However, it is difficult to generate a large torque. Or,
It is necessary to increase the pressing force extremely, but making the pressing force extremely large inevitably results in excessive stress on the bare bearing, leading to damage to the bearing and shortened life. Is extremely dangerous. Therefore, in the ultrasonic motor shown in the conventional Figure 3, at the time of actual high-power drive, f T is higher than f L state, the resulting efficiency is at most about 25% to 40%.

(課題を解決するための手段) 本発明は、縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子を2個
のブロックで挟んだ縦−捩り複合振動子をステータとし
該ステータにロータを圧接する構成の超音波モータにお
いて、ロータ側に位置するブロックの外周に密度と弾性
率の積が前記ブロックの材料よりも大きい材料で作製さ
れた円環を配置したことを特徴とする超音波モータであ
る。
(Means for Solving the Problems) The present invention relates to an ultrasonic wave having a structure in which a vertical-torsion composite vibrator in which a vertical vibration piezoelectric element and a torsional vibration piezoelectric element are sandwiched between two blocks is used as a stator and a rotor is pressed against the stator. An ultrasonic motor, wherein an annular ring made of a material having a product of density and elastic modulus larger than that of the block is arranged on the outer periphery of a block located on the rotor side.

(作用) 本発明は、縦−捩り複合振動子をステータとする超音
波モータに於て、縦と捩りの共振周波数を実際のハイパ
ワー駆動時において完全に一致させ、モータの効率を高
めるためになされたものである。このため、本発明で
は、ステータ部分のうち特にヘッドマス部分に使用する
材料、ヘッドマス構成を最適化することにより、縦振動
と捩り振動の共振周波数を一致させている。以下に詳細
に説明する。
(Function) The present invention is intended to improve the motor efficiency by making the longitudinal and torsional resonance frequencies completely coincide with each other in the actual high-power driving in an ultrasonic motor using a longitudinal-torsional composite vibrator as a stator. It was done. Therefore, in the present invention, the resonance frequency of the longitudinal vibration and the resonance frequency of the torsional vibration are matched by optimizing the material used for the head mass portion, particularly the head mass configuration, of the stator portion. This will be described in detail below.

従来の第3図に示す超音波モータの高電界駆動時にお
ける振動変位分布を第5図(a)、(b)に示す。縦振
動と捩り振動の振動変位分布が異なっているが、この理
由は、縦弾性波の位相速度が捩り弾性波の位相速度の1.
6倍ほど大きいこと、縦振動の特性機械インピーダンスZ
0Lが、中空円筒に関して Z0L=ρcLA=(π/4)(ρE)0.5(DO 2−DI 2
(1) 捩り振動の特性機械インピーダンスZ0Tは、同じく中空
円筒に関して Z0T=ρcTJP=(π/32)(ρG)0.5(DO 4−DI 4
(2) で与えられ、Z0Lは直径の2次関数、Z0Tは直径の4次関
数となっていることによる。ここで(1)式、(2)式
において ρ;密度 cL;縦弾性波の位相速度 cT;捩り弾性波の位相速度 A ;中空円筒の断面積 E ;縦弾性率 G ;ずれ弾性率 DO;外径 DI;内径 JP;中空円筒の断面極2次モーメント である。第5図の縦振動と捩り振動の振動モードを詳細
に見ると、ヘッドマス部分において振幅が大きく異なっ
ていることが分かる。即ち、本発明の原理はヘッドマス
部分において、特性機械インピーダンスZ0L、Z0Tを変え
てやることにより、振動モードに変化を与え、縦振動と
捩り振動の共振周波数を一致させることにある。
FIGS. 5 (a) and 5 (b) show the vibration displacement distribution when the conventional ultrasonic motor shown in FIG. 3 is driven by a high electric field. The vibration displacement distributions of longitudinal vibration and torsional vibration are different, because the phase velocity of longitudinal elastic wave is 1.
6 times larger, characteristic of longitudinal vibration Mechanical impedance Z
0L is Z 0L = ρc L A = (π / 4) (ρE) 0.5 (D O 2 −D I 2 ) for the hollow cylinder
(1) characteristic mechanical impedance Z 0T of the torsional vibration, Z 0T = ρc T J P = (π / 32) with respect to same hollow cylinder (ρG) 0.5 (D O 4 -D I 4)
(2) where Z 0L is a quadratic function of the diameter and Z 0T is a quadratic function of the diameter. Here, in equations (1) and (2), ρ; density c L ; phase velocity of longitudinal elastic wave c T ; phase velocity of torsional elastic wave A; cross-sectional area of hollow cylinder E; longitudinal elastic modulus G; D O ; outer diameter D I ; inner diameter J P ; second pole moment of area of hollow cylinder. Looking at the vibration modes of the longitudinal vibration and the torsional vibration in FIG. 5 in detail, it can be seen that the amplitude is largely different in the head mass portion. That is, the principles of the present invention in Heddomasu portion, characteristic mechanical impedance Z 0L, by'll change the Z 0T, given a change in the vibration mode is to match the resonant frequency of the longitudinal vibration and torsional vibration.

本発明では、特にヘッドマス部分の特性機械インピー
ダンスを最適化することにより、ハイパワー駆動時にお
ける縦と捩りの共振周波数を一致させている。
In the present invention, the longitudinal and torsional resonance frequencies at the time of high power driving are matched by optimizing the characteristic mechanical impedance particularly at the head mass portion.

第5図(a)、(b)に示す従来の縦−捩り複合振動
子をステータとする超音波モータの振動変位分布のヘッ
ドマス部分に注目すると、ヘッドマスの縦圧電セラミッ
ク素子に近い部分において、縦振動に関しては振動節部
に近い位置にありスチフネスとして動作しており、捩り
振動に関しては振動腹部となり慣性質量として動作して
いる。この状態において、捩り振動の共振周波数fTは縦
振動の共振周波数fLにより高い。しかしながら、本発明
に基づく超音波モータでは、Al合金やTi合金等の比較的
軽量なヘッドマスの外周に、圧電素子の外径より大きな
内径で、Al合金やTi合金よりも密度と弾性率がともに大
きなステンレススチール、超硬合金等の材料で作製され
た円環を配置することによって、ヘッドマス部は、縦振
動に対してより大きなスチフネスを実現し、捩り振動に
関してはより大きな慣性質量を実現している。したがっ
て、本発明の超音波モータでは、以上の改良により、捩
り振動の共振周波数fTを低下させ、縦の共振周波数fL
上昇させることが出来るわけであるから、ハイパワー駆
動時において、fT=fLを実現することが可能となる。
Paying attention to the head mass portion of the vibration displacement distribution of the ultrasonic motor using the conventional longitudinal-torsion composite vibrator as a stator shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the portion of the head mass close to the vertical piezoelectric ceramic element has a vertical length. With respect to vibration, it is located near the vibration node and operates as stiffness, and with respect to torsional vibration, it acts as a vibration antinode and operates as an inertial mass. In this state, the resonance frequency f T of the torsional vibration is higher by the resonance frequency f L of the longitudinal vibration. However, in the ultrasonic motor according to the present invention, the outer periphery of a relatively lightweight head mass such as an Al alloy or a Ti alloy has an inner diameter larger than the outer diameter of the piezoelectric element, and both the density and the elastic modulus are higher than those of the Al alloy and the Ti alloy. By arranging a ring made of a material such as large stainless steel, cemented carbide, etc., the head mass part realizes a greater stiffness against longitudinal vibration and a larger inertial mass for torsional vibration. I have. Therefore, in the ultrasonic motor of the present invention, the above improvement, to reduce the resonance frequency f T of the torsional vibration, since it is not possible to increase the longitudinal resonance frequency f L, during high power drive, f T = f L can be realized.

(実施例) 本発明の実施例の側断面図を第1図に示す。以下、図
面にしたがって説明する。実施例に示した超音波モータ
の全長は70mm、リアマス14の直径は20mmである。Al合金
製のヘッドマス13は外径20mm、高さ11mm、ステンレス鋼
製のヘッドマス16は内径20mm、外径24mmである。本実施
例では打ち込みによってヘッドマス13と一体になってい
るが、溶接等他の方法を用いても差し支えない。11は外
径20mm、内径10mmの縦振動励振用PZT系圧電セラミック
素子で、12は同じく外径20mm、内径10mmの捩り振動励振
用PZT系圧電セラミック素子、14はステンレス鋼製リア
マスである。ヘッドマス13からリアマス14まではステン
レス鋼性ボルト15により強固に締め付けられ、縦−捩り
複合振動子であるステータ10を構成する。
(Example) FIG. 1 shows a side sectional view of an example of the present invention. Hereinafter, description will be made with reference to the drawings. The total length of the ultrasonic motor shown in the embodiment is 70 mm, and the diameter of the rear mass 14 is 20 mm. The head mass 13 made of Al alloy has an outer diameter of 20 mm and a height of 11 mm, and the head mass 16 made of stainless steel has an inner diameter of 20 mm and an outer diameter of 24 mm. In this embodiment, the head mass 13 is integrated by driving, but other methods such as welding may be used. Reference numeral 11 denotes a PZT-based piezoelectric ceramic element having an outer diameter of 20 mm and an inner diameter of 10 mm for longitudinal vibration excitation, 12 denotes a PZT-based piezoelectric ceramic element having the same outer diameter of 20 mm and inner diameter of 10 mm, and 14 denotes a rear mass made of stainless steel. The head mass 13 to the rear mass 14 are firmly fastened by stainless steel bolts 15 to constitute the stator 10 which is a vertical-torsion composite vibrator.

17はステンレス鋼製ロータで高さは8mm、18はベアリ
ング、19はステンレス鋼製台座、22はステンレス鋼製シ
ャフト、20はバネ、21はナットで、シャフト22、バネ2
0、ナット21はロータ17をステータ10に圧接する力を供
給する。ロータとステータ間の圧接力はナットの回転角
を調節することにより微妙に変えることが可能である。
縦振動励振用圧電素子11と捩り振動励振用圧電素子12に
交流電圧を印加し、電圧の位相差を適当に調節し、ま
た、ハイパワー励振時において、縦振動と捩り振動の共
振周波数を一致させた場合、ステータ10とロータ17の界
面において、縦振動と捩り振動の振幅が合成された強力
な楕円振動を引き起こすことができる。ヘッドマス16
は、縦振動に対してはスチフネスをそれほど持たないた
めに、縦振動の共振周波数の変化にはほとんど寄与しな
いが、捩り振動に関しては、大きな慣性質量として作用
するため捩り振動の共振周波数を著しく低下させる働き
がある。実施例の第1図に示した状態の寸法形状を有す
る超音波モータにおいて、ロータとステータ間の圧接力
を50kgf一定とし、縦及び捩り圧電セラミック素子の駆
動電圧とともに80Vrmsとして、ハイパワーの励振を行っ
たとき縦振動の共振周波数は31.6kHz、捩り振動の共振
周波数は31.1kHzであった。そこで、ヘッドマス16の外
周を削って質量を落とすことで、周波数調整を行ったと
ころ、31.5kHzで縦振動と捩り振動の共振周波数が一致
した。次に、駆動電圧をそのままにして、圧電素子11と
12に印加する電圧の位相差を70度で駆動すると、時計廻
り方向に回転した。その時の回転数−トルク特性測定結
果を第2図に示す。この超音波モータの諸特性は無負荷
時回転数520r.p.m.、最大トルク5.1kgf・cm、最大効率6
3%である。
17 is a stainless steel rotor with a height of 8 mm, 18 is a bearing, 19 is a stainless steel pedestal, 22 is a stainless steel shaft, 20 is a spring, 21 is a nut, a shaft 22, a spring 2
0, the nut 21 supplies a force for pressing the rotor 17 against the stator 10. The pressure contact force between the rotor and the stator can be delicately changed by adjusting the rotation angle of the nut.
An AC voltage is applied to the piezoelectric element 11 for longitudinal vibration excitation and the piezoelectric element 12 for torsional vibration excitation to adjust the phase difference of the voltage appropriately, and the resonance frequency of longitudinal vibration and torsional vibration coincide with each other during high power excitation. In this case, a strong elliptical vibration in which the amplitudes of the longitudinal vibration and the torsional vibration are combined can be caused at the interface between the stator 10 and the rotor 17. Head mass 16
Does not have much stiffness for longitudinal vibration, so it hardly contributes to the change of resonance frequency of longitudinal vibration.However, for torsional vibration, it acts as a large inertial mass, so the resonance frequency of torsional vibration is significantly reduced. There is a function to make it. In the ultrasonic motor having the dimensions and shape shown in FIG. 1 of the embodiment, a high-power excitation was performed with the pressure contact force between the rotor and the stator fixed at 50 kgf, and the driving voltage of the vertical and torsional piezoelectric ceramic elements set at 80 V rms. The resonance frequency of longitudinal vibration was 31.6 kHz and the resonance frequency of torsional vibration was 31.1 kHz. Then, the frequency was adjusted by shaving the outer periphery of the head mass 16 to reduce the mass, and the resonance frequency of the longitudinal vibration and the torsional vibration matched at 31.5 kHz. Next, while keeping the drive voltage, the piezoelectric element 11
When the phase difference of the voltage applied to 12 was driven at 70 degrees, it turned clockwise. FIG. 2 shows the measurement results of the rotational speed-torque characteristics at that time. The characteristics of this ultrasonic motor are: 520 rpm at no load, maximum torque 5.1 kgfcm, maximum efficiency 6
3%.

本実施例に示した超音波モータは、駆動電圧の位相差
を250度とすることにより、反時計方向の反転すること
が確認され、その特性は、第2図に示したものとほぼ同
じであった。
The ultrasonic motor shown in the present example was confirmed to reverse in the counterclockwise direction by setting the phase difference of the drive voltage to 250 degrees, and its characteristics were almost the same as those shown in FIG. there were.

上記実施例においてはヘッドマス16にステンレス鋼、
ヘッドマス13にAl合金を用いており、ヘッドマス16とヘ
ッドマス13の密度と弾性率の積の平方根の比k=(ρbE
b0.5/(ρaEa0.5は2.8である。ヘッドマス16の材
料をk=2.4の銅、k=1.7のチタンに替えても、圧接力
50kgfの条件下においてヘッドマス16の外径24mm以下で
縦振動と捩り振動の共振周波数を一致させることがで
き、その時の超音波モータの特性は第2図とほぼ同じで
あった。しかしながらk=1.4の錫を用いた場合では、
ヘッドマス16の外径24mmにおいてもfL<fTであり共振周
波数を一致させることができなかった。この場合、ヘッ
ドマス16の外径をさらに大きくすれば共振周波数が一致
するのは明白であるが、超音波モータの全体の小径化に
はヘッドマス16の外径は小さい方が望ましく得策ではな
い。ヘッドマス16とヘッドマス13の比が1.2以下の状態
で縦振動と捩り振動の共振周波数を一致させるには、密
度と弾性率の積の比が1.5以上であることが必要であ
る。
In the above embodiment, the head mass 16 is made of stainless steel,
The head mass 13 is made of an Al alloy, and the ratio of the square root of the product of the density and the elastic modulus of the head mass 16 and the head mass 13 is k = (ρ b E
b ) 0.5 / (ρ a E a ) 0.5 is 2.8. Even if the material of the head mass 16 is changed to k = 2.4 copper and k = 1.7 titanium,
Under the condition of 50 kgf, the resonance frequency of the longitudinal vibration and the resonance frequency of the torsional vibration could be matched with the outer diameter of the head mass 16 being 24 mm or less, and the characteristics of the ultrasonic motor at that time were almost the same as those in FIG. However, when using tin with k = 1.4,
Even when the outer diameter of the head mass 16 was 24 mm, f L <f T and the resonance frequencies could not be matched. In this case, if the outer diameter of the head mass 16 is further increased, it is clear that the resonance frequency will match. However, it is desirable that the outer diameter of the head mass 16 be smaller to reduce the overall diameter of the ultrasonic motor. In order to make the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the torsional vibration coincide with each other when the ratio between the head mass 16 and the head mass 13 is 1.2 or less, the ratio of the product of the density and the elastic modulus needs to be 1.5 or more.

(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、縦振動と捩り振動の共振周
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。したがって、本発明に基づく超音波
モータ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。
(Effects of the Invention) As described above in detail, the ultrasonic motor having the configuration according to the present invention can completely match the resonance frequency of the longitudinal vibration and the torsional vibration during the high electric field driving, and consumes little power. A large-amplitude elliptical vibration can be generated at the interface between the stator and the rotor, and a high-efficiency, high-torque ultrasonic motor can be realized. Therefore, the technical usefulness of the ultrasonic motor based on the present invention is immensely large, and the range of applied technologies and derivative technologies is unpredictable.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は発明の超音波モータの実施例を示す側断面図、
第2図は本発明の超音波モータの特性図、第3図は従来
型超音波モータの側断面図、第4図は超音波モータの動
作原理図、第5図(a)、(b)は従来型超音波モータ
の変位分布図である。 図において、10,30……ステータ、11……縦振動駆動用
圧電セラミック素子、12……捩り振動駆動用圧電セラミ
ック素子、13……ヘッドマス、14……リアマス、15……
ボルト、16……円環状のヘッドマス、17……ロータ、18
……ベアリング、19……台座、20……コイルバネ、21…
…ナット、22……シャフト。
FIG. 1 is a side sectional view showing an embodiment of the ultrasonic motor of the present invention,
FIG. 2 is a characteristic diagram of the ultrasonic motor of the present invention, FIG. 3 is a sectional side view of the conventional ultrasonic motor, FIG. 4 is an operation principle diagram of the ultrasonic motor, and FIGS. 5 (a) and 5 (b). FIG. 3 is a displacement distribution diagram of a conventional ultrasonic motor. In the figure, 10, 30 ... stator, 11 ... piezoelectric ceramic element for longitudinal vibration drive, 12 ... piezoelectric ceramic element for torsional vibration drive, 13 ... head mass, 14 ... rear mass, 15 ...
Bolt, 16 ... annular head mass, 17 ... rotor, 18
…… Bearing, 19 …… Pedestal, 20 …… Coil spring, 21…
... nuts, 22 ... shafts.

フロントページの続き (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 (56)参考文献 特開 平3−40772(JP,A) 特開 平3−40771(JP,A) 特開 昭55−145575(JP,A) 特許2504197(JP,B2) 特許2814583(JP,B2) 特許2596129(JP,B2) 特許2638943(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H02N 2/00 Continuation of the front page (72) Inventor Tadaho Uchikawa 5-33-1, Shiba, Minato-ku, Tokyo NEC Corporation (56) References JP-A-3-40772 (JP, A) JP-A-3-40771 ( JP, A) JP-A-55-145575 (JP, A) Patent 2504197 (JP, B2) Patent 2814583 (JP, B2) Patent 2596129 (JP, B2) Patent 2638943 (JP, B2) (58) Int.Cl. 6 , DB name) H02N 2/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子を2個
のブロックで挟んだ縦−捩り複合振動子をステータとし
該ステータにロータを圧接する構成の超音波モータにお
いて、ロータ側に位置するブロックの外周に、密度と弾
性率の積が前記ブロックの材料よりも大きい材料で作製
された円環を配置したことを特徴とする超音波モータ。
1. An ultrasonic motor having a structure in which a longitudinal-torsion composite vibrator in which a longitudinal vibration piezoelectric element and a torsional vibration piezoelectric element are sandwiched between two blocks is used as a stator and a rotor is pressed against the stator. An ultrasonic motor, wherein an annular ring made of a material whose product of density and elastic modulus is larger than that of the block is arranged on the outer periphery of the block.
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