JP2975065B2 - 超音波モータ - Google Patents

超音波モータ

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JP2975065B2
JP2975065B2 JP2215616A JP21561690A JP2975065B2 JP 2975065 B2 JP2975065 B2 JP 2975065B2 JP 2215616 A JP2215616 A JP 2215616A JP 21561690 A JP21561690 A JP 21561690A JP 2975065 B2 JP2975065 B2 JP 2975065B2
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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、超音波モータに関する。
【従来の技術】
超音波モータは、圧電素子からなる超音波振動子の振
動により回転力を得る新しい原理に基づくモータであ
る。 この超音波モータは、電流と磁界の相互作用に基づく
従来の電磁型モータに比べて、小型、軽量である上に低
速で、且つ単位体積当たりのトルクが大きく、又ロータ
の静的な保持力も大きいという特徴がある。従って、低
速で使用する場合、ギヤレス化、ブレーキレス化が可能
であり、又慣性質量が小さいことから応答性にも優れる
ため、種々の制御装置の駆動源として近年注目されてき
ている。 これまで種々の超音波モータが提案されているが、例
えば回転方向の切換えを容易に行うことのできる進行波
型超音波モータが特開昭58−148682、同59−96881号公
報等に開示されている。 進行波型超音波モータは、第6図(A)、(B)に示
されるように、円板弾性体Aに圧電セラミック板Bを貼
ったステータCの円周における撓み振動を利用するもの
で、ステータCに時間と共に移動する進行波を2相ある
いは多相の駆動法によって励振し、対面圧接したロータ
Dを回転させるものである。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の進行波型超音波モータ
は、いずれも屈曲進行波を用いるものであったため、ロ
ータから見たステータのコンプライアンスが大きく、そ
のため中程度の駆動力は比較的容易に得られる反面、高
い駆動力を得ることが難しいという問題があった。 又、進行性の振動波を用いていたため、該振動波をと
ぎれることなく進行させるために多数の圧電素子を循環
して設置せざるを得ず、これに伴ってリード線を多数設
置せざるを得ないという問題もあった。 更には、従来の進行性の振動波を用いた超音波モータ
では、原理的に縦波振幅と横波振幅との間に常に一定の
比例関係が保たれている必要があるため、本来、ロータ
の駆動力となるべき縦波振幅とロータの支持力となるべ
き横波振幅とを自由に制御することが困難であり、要求
される負荷や速度の変化に対応して制御するのが難しい
という問題もあった。 この型式の超音波モータで大トルクを得ようとした場
合、一般的には圧電素子に対する印加電圧を大きくする
ことになるが、そのためには高圧電源が高耐圧圧電素子
が必要となり、駆動回路が大型化するばかりでなく装置
のコストが大幅に増大してしまうことになるため実用上
問題が多い。 又、この型式の超音波モータは屈曲進行波を用いてい
るため、ステータに振動の節部がなく、ステータの位置
固定が困難である。そのためステータの振動が外部の他
機械に伝播し、悪影響を与えるという問題もある。 本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたも
のであって、より簡単な構成でより大トルクを得ること
ができ、又、外部への超音波振動の伝播を極力防止する
ことのできる超音波モータを提供することを目的とす
る。
【課題を解決するための手段】
本発明は、超音波モータにおいて、ロータと、該ロー
タと接触する弾性材料からなる略円筒形状の共振子と、
該共振子を軸方向に振動させる1枚以上の超音波振動子
と、該超音波振動子を振動させる駆動回路と、を備え、
前記共振子とロータとの接触面に斜板の首振り揺動を複
数結合した運動と等価な運動を発生させると共に、前記
略円筒状の共振子をその軸方向においてロータ接触面側
の第1共振子、ケーシング取付面側の第2共振子の2つ
の共振子に分割して、前記超音波振動子を該第1、第2
共振子で挾持し、第1共振子の方を、そのロータ接触面
側の肉厚を第2共振子側の肉厚より薄くすることによっ
て低剛性として、前記斜板の首振り運動と等価な振動モ
ードの発生のために用い、第2共振子の方を相対的に高
剛性として、ケーシングへの固定のために用いたことに
より上記目的を達成したものである。 又、本発明は、超音波モータにおいて、前記第2共振
子にフランジを形成し、該フランジをケーシングへの固
定のために用いたことにより上記目的を達成したもので
ある。
【実施例】
以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明す
る。 第1図において、ロータ1は、回転軸2に固定されて
おり、該回転軸2はケーシング3に軸受Bを介して軸方
向移動可能且つ回転自在に設けられている。ロータ1の
端面11には弾性材料からなる共振子4が部分的に接して
設けられている。 この実施例では共振子4は第1共振子41と第2共振子
42とに分割されており、該第1共振子41と第2共振子42
との間に2層の超音波振動子(振動板)5が挾着されて
いる。なお、超音波振動子5は1層以上であればよい。 第1共振子41は、超音波振動子5の振動を受けて「斜
板の首振り揺動を複数結合した運動と等価な運動」を発
生するべく弾性材料(剛性の低い材料)によって構成さ
れている。又、この第1共振子41には円錘状の凹部12が
設けられており、この凹部12の存在により第1共振子41
のロータ接触面側の肉厚が第2共振子42側の肉厚より薄
くなり、結果として第1共振子41の剛性が第2共振子42
の剛性より小さくなるように工夫してある。これに対
し、第2共振子42は、第1共振子41と同一、又はこれよ
り剛性の高い材料で構成されている。この第2共振子42
は、最低限の加工しか行われておらず、フランジ7が形
成されていることと相まって第1共振子41に比べ高剛性
となるように設計されている。なお、前記凹部12が存在
することによって、この構成だけで第1共振子41の剛性
を第2共振子42の剛性より小さくできることから、両者
の材料については必ずしも別にする必要はなく、同一の
素材を用いてもよい。 このような設計を行うと、低剛性の第1共振子41の部
分の固有振動数と高剛性の第2共振子42の部分の固有振
動数の値が異なってくるため、加振する周波数によって
は低剛性の第1共振子41の部分のみが激しく振動するモ
ードを励振させることができる(無論高剛性の第2共振
子42の部分のみが振動するモードや共振子4全体が振動
するモードも存在する)。 このように、第1、第2共振子41、42に剛性の差を持
たせたことにより、第2共振子42の部分をほとんど振動
しないようにすることができ、従って、この第2共振子
42に設けたフランジ7を介してケーシング3に固定する
ことにより該ケーシング3に振動がほとんど伝達されな
い超音波モータを得ることができる。 ところで、前述したように第1共振子41には円錘状の
凹部12が形成されており、該第1共振子41の解放端面13
がロータ1の端面11と接するようになっている。解放端
面13の断面形状はこの実施例では円弧形状となっている
がテーパ形状等であってもよい。 ロータ1の端面11は、共振子4が変形しながら接触す
るものであるため、該共振子4の振動変位を有効に取出
すために僅かに傾斜する円錘面とされており、共振子4
の解放端面13には摩耗防止のための表面硬化処理、例え
ば熱処理、アルマイト処理、硬質クロムめっき処理等が
なされている。なお、ロータ1の傾斜は必ずしも必要な
構成ではなく、平面であってもよい。 、回転軸2にはねじ21が切られており、該ねじ21には
ナット9が螺合されている。又、スプリング10によつて
離反方向に付勢される2個のスペーサ11が軸受Bとナッ
ト9とに接して設けられ、該ナット9を回転させること
によりスプリング10の付勢力を変更し、ロータ1の端面
11と共振子4の解放端面13との圧着力を可変としてい
る。 超音波振動子5には、第2図に示すように、8個の扇
形の圧電素子51〜58が円周上に分割して設けられ、同図
に示されるように配線されている。又、各圧電素子51
58の中央にボルト6が貫通する孔15が形成されている。 なお、超音波振動子5は、扇形に分離した圧電素子を
円周方向に複数(図示の例で8個)並べてもよく、又、
1枚の圧電素子の分極方向を扇形に区分するようにして
もよい。 次に、この実施例の作用を説明する。 第1図に示される装置を第3図に示されるようにモデ
ル化し、FEM固有振動解析(有限要素法を用いたコンピ
ュータ解析)を行った結果を第4図に示す。第4図
(A)は解放端面側から見た正面図、同図(B)は側面
図である。第4図から明らかなように、第1共振子41
円錘状の凹部12が形成されている部分(の解放端面1
31、132)があたかも、2個の斜板が上下に結合したか
のように振動変位する反面、第2共振子42の部分がほと
んど振動しないことが判る。 このことから次のようなことが言える。 第1に、一般に、超音波モータは、振動子の振動によ
ってロータを駆動するものであるため、振動子をケーシ
ング等に保持したとき、該振動子の振動が外部に伝搬
し、他の機械に悪影響を与えることが多かった。しかし
ながら、上述の実施例によれば、振動しない第2共振子
42の部分でケーシング3と結合することにより外部に振
動が伝搬するのを防止することができる。即ち、共振子
4の共振周波数は、第1共振子41の形状(凹部12の形
状)等に応じた剛性値から決定され、第2共振子42の形
状にはほとんど依存しない。従って、この実施例の如く
第2共振子42の部分にフランジ7を設け、ケーシング3
に固定することにより、非常に静粛な超音波モータを得
ることができるものである。 第2に、第1共振子41の側の振動モードから回転力を
効率的に取出すことができる。即ち、この実施例では超
音波振動子5の構成が第2図のようになっているため、
あたかも斜板の首振り揺動運動の原理に基づくコマが2
個結合して回転しているかのような現象を発生させるこ
とができ、これからロータ1に回転力を取出すことがで
きる。 この実施例によれば、このように振動源の構造として
超音波振動板5を第1、第2共振子41、42によって挾持
し、ボルト6で強く締め付けられた構造を採用している
ため、構造が簡単で低コスト、高効率、長寿命で、且つ
単位体積当たり、あるいは単位重量当たりの出力を極め
て大きく確保することができる。即ち、このような構造
で軸方向の振動によって駆動力を得ているため、従来の
進行波型の超音波モータに比べて非常に高い駆動力を得
ることができる。 又、第1共振子41及び第2共振子42の剛性を変えるこ
とにより、第2共振子42の方をほとんど振動しないよう
にすることができ、従ってこの第2の共振子42の側にフ
ランジ7を形成し、このフランジ7を介してケーシング
3に固定しているため、振動子によって発生する振動を
ケーシング3にまで伝搬させないようにすることがで
き、非常に静粛な超音波モータを得ることができる。 第5図に凹部12の3次の振動モードのFEM解析図を示
す。これから2次以上の高次モードを使っても同様に駆
動できることが判る。
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、簡易な構成で従
来より大きなトルクを容易に得ることができ、しかも静
粛な超音波モータを得ることができるようになるという
優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の駆動方法による超音波モータの実施
例を示す縦断面図、 第2図は、上記実施例の超音波振動子の構成を示す平面
図、 第3図は、第1図の装置をモデル化した縦断面図、 第4図は、このモデル化した装置のFEM解析図、 第5図は、3次の振動モードのFEM解析図を示す線図、 第6図は、従来の進行波型超音波モータの原理を説明す
るための斜視図である。 1……ロータ、2……回転軸、 3……ケーシング、B……軸受、 4……共振子、41……第1共振子、 42……第2共振子、5……超音波振動子、 51〜58……圧電素子、 12……凹部、13……解放端面。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ロータと、該ロータと接触する弾性材料か
    らなる略円筒形状の共振子と、該共振子を軸方向に振動
    させる1枚以上の超音波振動子と、該超音波振動子を振
    動させる駆動回路と、を備え、 前記共振子とロータとの接触面に斜板の首振り揺動を複
    数結合した運動と等価な運動を発生させると共に、 前記略円筒状の共振子をその軸方向においてロータ接触
    面側の第1共振子、ケーシング取付面側の第2共振子の
    2つの共振子に分割して、前記超音波振動子を該第1、
    第2共振子で挾持し、 第1共振子の方を、そのロータ接触面側の肉厚を第2共
    振子側の肉厚より薄くすることによって低剛性として、
    前記斜板の首振り運動と等価な振動モードの発生のため
    に用い、第2共振子の方を相対的に高剛性として、ケー
    シングへの固定のために用いたことを特徴とする超音波
    モータ。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の超音波モータにおいて、
    前記第2共振子にフランジを形成し、該フランジをケー
    シングへの固定のために用いたことを特徴とする超音波
    モータ。
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