JP3000591B2 - 超音波モータ - Google Patents
超音波モータInfo
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- JP3000591B2 JP3000591B2 JP1176519A JP17651989A JP3000591B2 JP 3000591 B2 JP3000591 B2 JP 3000591B2 JP 1176519 A JP1176519 A JP 1176519A JP 17651989 A JP17651989 A JP 17651989A JP 3000591 B2 JP3000591 B2 JP 3000591B2
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- Japan
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- torsional vibration
- vibration
- stator
- piezoelectric ceramic
- ultrasonic motor
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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、圧電振動子をステータとし、それに超音波
楕円振動を励振させ、前記ステータ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に関するもの
である。
楕円振動を励振させ、前記ステータ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することにより回転力を発生させる
構成の超音波モータの例として、本発明者らの提案によ
るものが特開昭63−149726号公報で開示されている。こ
の超音波モータの構成の側断面図を第３図に示す。以
下、図面を参照にしながら説明する。
端面にロータを圧接することにより回転力を発生させる
構成の超音波モータの例として、本発明者らの提案によ
るものが特開昭63−149726号公報で開示されている。こ
の超音波モータの構成の側断面図を第３図に示す。以
下、図面を参照にしながら説明する。
円筒あるいは円柱状で厚さ方向に分極された縦振動励
振用圧電セラミック素子11と円周方向に分極された捩り
振動励振用圧電セラミック素子12を、支持板15ととも
に、両圧電素子と同様に円筒あるいは円柱状の弾性体1
6、17で挟んだものをステータとし、縦振動励振用圧電
セラミック素子11と捩り振動励振用圧電セラミック素子
12にそれぞれ交流電源から同一周波数で位相が異なる交
流電圧を印加することによりステータの端面に超音波楕
円振動を励起する。このとき、駆動周波数ステータの捩
り振動の共振周波数に一致させると、ステータの円周方
向の振動振幅が非常に大きい超音波楕円振動を得ること
ができる。ステータの端面にはロータ21が配置され、こ
のロータ21は、ステータに固定されているシャフト26
に、ベアリング22、スペーサ23、バネ24、ナット25を設
置することにより、ステータに対して圧接されている。
このように、超音波楕円振動状態にあるステータにロー
タを圧接することにより、ロータに強い回転力が発生す
る。
振用圧電セラミック素子11と円周方向に分極された捩り
振動励振用圧電セラミック素子12を、支持板15ととも
に、両圧電素子と同様に円筒あるいは円柱状の弾性体1
6、17で挟んだものをステータとし、縦振動励振用圧電
セラミック素子11と捩り振動励振用圧電セラミック素子
12にそれぞれ交流電源から同一周波数で位相が異なる交
流電圧を印加することによりステータの端面に超音波楕
円振動を励起する。このとき、駆動周波数ステータの捩
り振動の共振周波数に一致させると、ステータの円周方
向の振動振幅が非常に大きい超音波楕円振動を得ること
ができる。ステータの端面にはロータ21が配置され、こ
のロータ21は、ステータに固定されているシャフト26
に、ベアリング22、スペーサ23、バネ24、ナット25を設
置することにより、ステータに対して圧接されている。
このように、超音波楕円振動状態にあるステータにロー
タを圧接することにより、ロータに強い回転力が発生す
る。
（発明が解決しようとする課題） 第３図に示す従来の超音波モータでは、あらかじめ設
定した周波数で駆動せざるを得ないため、温度変化や負
荷変動により超音波モータの捩り振動の共振周波数が変
化した場合に、駆動周波数が捩り振動の共振周波数から
ずれてしまい、回転速度が遅くなってしまう問題があっ
た。
定した周波数で駆動せざるを得ないため、温度変化や負
荷変動により超音波モータの捩り振動の共振周波数が変
化した場合に、駆動周波数が捩り振動の共振周波数から
ずれてしまい、回転速度が遅くなってしまう問題があっ
た。
（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とが支
持板を介して配置された縦−捩り複合振動子を有するス
テータと、このステータに圧接されたロータとを備え、
ロータの圧接力により縦振動と捩り振動の共振周波数を
一致させ、その共振周波数と同一でそれぞれ位相が異な
る交流電源により縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子を
駆動し、縦振動と捩り振動を共にに共振状態で使用する
超音波モータであって、ステータ中央部の支持板と捩り
振動圧電素子の間に、円周方向に分極され両主面に電極
が形成された捩り振動共振状態検出用圧電セラミック板
を駆動電源には接続されない状態で配置し、両主面電極
を捩り振動共振状態検出用電極として取り出した構造を
特徴とする超音波モータである。
持板を介して配置された縦−捩り複合振動子を有するス
テータと、このステータに圧接されたロータとを備え、
ロータの圧接力により縦振動と捩り振動の共振周波数を
一致させ、その共振周波数と同一でそれぞれ位相が異な
る交流電源により縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子を
駆動し、縦振動と捩り振動を共にに共振状態で使用する
超音波モータであって、ステータ中央部の支持板と捩り
振動圧電素子の間に、円周方向に分極され両主面に電極
が形成された捩り振動共振状態検出用圧電セラミック板
を駆動電源には接続されない状態で配置し、両主面電極
を捩り振動共振状態検出用電極として取り出した構造を
特徴とする超音波モータである。
（作用） 第１図は、本発明における超音波モータの、ステータ
部の構成例を示す断面図である。以下、図面を参照しな
がら説明する。
部の構成例を示す断面図である。以下、図面を参照しな
がら説明する。
機械エネルギーの発生源は、第３図に示す従来の超音
波モータと同様に、円筒あるいは円柱状で厚さ方向に分
極された縦振動励振用圧電セラミック素子11と円周方向
に分極された捩り振動励振用圧電セラミック素子12が支
持板15をはさんだ構造のステータである。本発明の超音
波モータでは、これら二つの駆動用圧電セラミック素子
意外に、捩り振動状態検出用として、円板あるいは円環
状で円周方向に分極された圧電セラミック板13を支持板
15と捩り振動励振用圧電セラミック素子12の間に配置す
る。この圧電セラミック板13の両面には金属電極を形成
しそこから電気端子131、132を取り出す。また、この金
属電極とステータの間の電気的絶縁を保つためにスペー
サ14を配置する。圧電セラミック素子11、12、13とスペ
ーサ14を支持板15とともに、圧電素子と同様に円筒ある
いは円柱状の弾性体16、17で挟んだものをステータとす
る。
波モータと同様に、円筒あるいは円柱状で厚さ方向に分
極された縦振動励振用圧電セラミック素子11と円周方向
に分極された捩り振動励振用圧電セラミック素子12が支
持板15をはさんだ構造のステータである。本発明の超音
波モータでは、これら二つの駆動用圧電セラミック素子
意外に、捩り振動状態検出用として、円板あるいは円環
状で円周方向に分極された圧電セラミック板13を支持板
15と捩り振動励振用圧電セラミック素子12の間に配置す
る。この圧電セラミック板13の両面には金属電極を形成
しそこから電気端子131、132を取り出す。また、この金
属電極とステータの間の電気的絶縁を保つためにスペー
サ14を配置する。圧電セラミック素子11、12、13とスペ
ーサ14を支持板15とともに、圧電素子と同様に円筒ある
いは円柱状の弾性体16、17で挟んだものをステータとす
る。
縦振動励振用圧電セラミック素子11と捩り振動励振用
圧電セラミック素子12からはそれぞれ111、112、121、1
22の電気端子を取り出す（第２図）。電子端子111、112
間には縦振動駆動用の交流電源から交流電圧VL＝ALsin
ωｔを印加する。一方、電気端子121、122間には捩り振
動駆動用の交流電源から同一周波数で位相が異なる交流
電圧VT＝ATsin（ωｔ＋Φ）を印加する。このように二
つの圧電セラミック素子に交流電圧を印加することによ
り、縦振動と捩り振動の合成された超音波楕円振動が励
起される。
圧電セラミック素子12からはそれぞれ111、112、121、1
22の電気端子を取り出す（第２図）。電子端子111、112
間には縦振動駆動用の交流電源から交流電圧VL＝ALsin
ωｔを印加する。一方、電気端子121、122間には捩り振
動駆動用の交流電源から同一周波数で位相が異なる交流
電圧VT＝ATsin（ωｔ＋Φ）を印加する。このように二
つの圧電セラミック素子に交流電圧を印加することによ
り、縦振動と捩り振動の合成された超音波楕円振動が励
起される。
第１図のステータが捩り振動状態にある時、捩り振動
の変位はｕ＝Bsin（ωｔ＋Φ＋θ）で表され、駆動周
波数が共振周波数よりも低い場合は０゜＜θ＜90゜、
駆動周波数が共振周波数と等しければθ＝90゜、駆動
周波数が共振周波数よりも高い場合は90゜＜θ＜180゜
の関係がある。また振動の歪は、Ｓ＝−Csin（ωｔ＋Φ
＋θ）で表される。ここで歪量Ｃは位置の関数であり、
このＣが最も大きくなるのは振動の節の位置である支持
板15の付近である。そこで、支持板15に隣接する様に圧
電セラミック板13を配置すれば、電気端子131、132間に
は圧電効果により歪に比例した電圧VS＝−ASsin（ωｔ
＋Φ＋θ）が発生する。この電圧VSのθは、先に示した
ように振動状態により変化する。逆にこのθを測定する
ことにより、駆動周波数と共振周波数のずれを知ること
が可能である。
の変位はｕ＝Bsin（ωｔ＋Φ＋θ）で表され、駆動周
波数が共振周波数よりも低い場合は０゜＜θ＜90゜、
駆動周波数が共振周波数と等しければθ＝90゜、駆動
周波数が共振周波数よりも高い場合は90゜＜θ＜180゜
の関係がある。また振動の歪は、Ｓ＝−Csin（ωｔ＋Φ
＋θ）で表される。ここで歪量Ｃは位置の関数であり、
このＣが最も大きくなるのは振動の節の位置である支持
板15の付近である。そこで、支持板15に隣接する様に圧
電セラミック板13を配置すれば、電気端子131、132間に
は圧電効果により歪に比例した電圧VS＝−ASsin（ωｔ
＋Φ＋θ）が発生する。この電圧VSのθは、先に示した
ように振動状態により変化する。逆にこのθを測定する
ことにより、駆動周波数と共振周波数のずれを知ること
が可能である。
（実施例） 以下、本発明の実施例について図を参照にしながら説
明する。
明する。
第２図は本発明の実施例の一つを示す超音波モータの
断面図である。第２図中、11は縦振動励振用の円筒状圧
電セラミック素子で、外径20mm、内径8mm、厚さ0.5mmの
厚み方向に分極されたセラミック板を12枚積層したもの
である。各セラミック板の上下面はメタライズされ、電
極取り出し用の金属薄板を挟みながら今極の向きが交互
になるように積層されている。金属薄板から取り出した
電極は電気端子111、112を通して外部で縦振動駆動用交
流電源に接続され、電圧VLが印加される。一方、12は捩
り振動励振用円筒状圧電セラミック素子で、外径20mm、
内径8mm、厚さ1mmの円周方向に分極されたセラミックを
８枚積層したものである。積層方法は前記圧電セラミッ
ク素子11と同様で電気端子121、122を通して外部で捩り
振動駆動用交流電源に接続され、電圧VTが印加される。
13は捩り振動状態検出用の円板状圧電セラミック板で、
外径20mm、内径8mm、厚さ0.5mmの円周方向に分極された
圧電セラミック板で、上下主面はメタライズされ電気端
子131、132が接続されている。14は絶縁用のアルミナ板
で、外径20mm、内径8mm、厚さ0.5mmである。第２図では
圧電セラミック板13の両主面にアルミナ板14を配置して
いるが、駆動電源と捩り振動状態検出電圧を共通アース
にし、今回は金属を用いた支持板15に絶縁体を用いれ
ば、アルミナ板14は省略可能である。２個の駆動用圧電
セラミック素子11、12、捩り振動検出用圧電セラミック
板13、アルミナ板14を円柱状の金属製弾性体16、17で挟
み、ステータを構成している。
断面図である。第２図中、11は縦振動励振用の円筒状圧
電セラミック素子で、外径20mm、内径8mm、厚さ0.5mmの
厚み方向に分極されたセラミック板を12枚積層したもの
である。各セラミック板の上下面はメタライズされ、電
極取り出し用の金属薄板を挟みながら今極の向きが交互
になるように積層されている。金属薄板から取り出した
電極は電気端子111、112を通して外部で縦振動駆動用交
流電源に接続され、電圧VLが印加される。一方、12は捩
り振動励振用円筒状圧電セラミック素子で、外径20mm、
内径8mm、厚さ1mmの円周方向に分極されたセラミックを
８枚積層したものである。積層方法は前記圧電セラミッ
ク素子11と同様で電気端子121、122を通して外部で捩り
振動駆動用交流電源に接続され、電圧VTが印加される。
13は捩り振動状態検出用の円板状圧電セラミック板で、
外径20mm、内径8mm、厚さ0.5mmの円周方向に分極された
圧電セラミック板で、上下主面はメタライズされ電気端
子131、132が接続されている。14は絶縁用のアルミナ板
で、外径20mm、内径8mm、厚さ0.5mmである。第２図では
圧電セラミック板13の両主面にアルミナ板14を配置して
いるが、駆動電源と捩り振動状態検出電圧を共通アース
にし、今回は金属を用いた支持板15に絶縁体を用いれ
ば、アルミナ板14は省略可能である。２個の駆動用圧電
セラミック素子11、12、捩り振動検出用圧電セラミック
板13、アルミナ板14を円柱状の金属製弾性体16、17で挟
み、ステータを構成している。
ステータの上部にはシャフト26を固定してある。さら
に、円筒状のロータ21をステータに接触するように配置
し、ベアリング22、スペーサ23、コイルバネ24、ナット
25により、ロータ21をステータに対して圧接している。
超音波モータの特性はロータの圧接力により変化する
が、この圧接力はナット25を締め付けることにより最適
値に調整可能である。
に、円筒状のロータ21をステータに接触するように配置
し、ベアリング22、スペーサ23、コイルバネ24、ナット
25により、ロータ21をステータに対して圧接している。
超音波モータの特性はロータの圧接力により変化する
が、この圧接力はナット25を締め付けることにより最適
値に調整可能である。
この超音波モータの捩り振動の共振周波数は、インピ
ーダンス測定の結果32.3kHzであった。この超音波モー
タを共振周波数よりも低い27kHzで駆動したところ捩り
振動駆動電圧VTと捩り振動状態検出電圧VSの位相差θは
18゜であった。ここから駆動周波数を上げて行くととも
に位相差θも増加し、共振周波数付近の32.1kHzで90゜
となり、36KHzでは163゜となった。
ーダンス測定の結果32.3kHzであった。この超音波モー
タを共振周波数よりも低い27kHzで駆動したところ捩り
振動駆動電圧VTと捩り振動状態検出電圧VSの位相差θは
18゜であった。ここから駆動周波数を上げて行くととも
に位相差θも増加し、共振周波数付近の32.1kHzで90゜
となり、36KHzでは163゜となった。
（発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば捩り振動の状態が
共振、非共振のどちらであるかが検出できるので、駆動
周波数が常に捩り振動の共振周波数である状態で超音波
モータの駆動ができる。そのため温度等の環境が変化し
ても常に最適な条件で駆動を続けることができるといっ
た長所を有し、工業的価値が多大である。
共振、非共振のどちらであるかが検出できるので、駆動
周波数が常に捩り振動の共振周波数である状態で超音波
モータの駆動ができる。そのため温度等の環境が変化し
ても常に最適な条件で駆動を続けることができるといっ
た長所を有し、工業的価値が多大である。
第１図は本発明のステータ部の一例を示す構成断面図、
第２図は本発明の超音波モータの実施例を示す断面図、
第３図は従来の超音波モータの側断面図である。 図において、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……捩り
振動状態検出用圧電セラミック板、14……絶縁板、15…
…金属製支持板、16,17……金属製弾性体、21……ロー
タ、22……ベアリング、23……スペーサ、24……コイル
バネ、25……ナット、26……シャフト、111,112,121,12
2,131,132……電気端子。
第２図は本発明の超音波モータの実施例を示す断面図、
第３図は従来の超音波モータの側断面図である。 図において、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……捩り
振動状態検出用圧電セラミック板、14……絶縁板、15…
…金属製支持板、16,17……金属製弾性体、21……ロー
タ、22……ベアリング、23……スペーサ、24……コイル
バネ、25……ナット、26……シャフト、111,112,121,12
2,131,132……電気端子。
───────────────────────────────────────────────────── 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 昭62−213584（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02N 2/10 - 2/16
Claims (2)
- 【請求項１】縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子とが支
持板を介して配置された縦−捩り複合振動子を有するス
テータと、このステータに圧接されたロータとを備え、
ロータの圧接力により縦振動と捩り振動の共振周波数を
一致させ、その共振周波数と同一でそれぞれ位相が異な
る交流電源により縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子を
駆動し、縦振動と捩り振動を共に共振状態で使用する超
音波モータであって、ステータ中央部の支持板と捩り振
動圧電素子の間に、円周方向に分極され両主面に電極が
形成された捩り振動共振状態検出用圧電セラミック板を
駆動電源には接続されない状態で配置し、両主面電極を
捩り振動共振状態検出用電極として取り出した構造を特
徴とする超音波モータ。 - 【請求項２】円周方向に分極され両面に電極が形成され
た圧電セラミック板は絶縁板を介して支持板と捩り振動
圧電素子の間に配置されている特許請求の範囲第１項記
載の超音波モータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1176519A JP3000591B2 (ja) | 1989-07-06 | 1989-07-06 | 超音波モータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1176519A JP3000591B2 (ja) | 1989-07-06 | 1989-07-06 | 超音波モータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0340773A JPH0340773A (ja) | 1991-02-21 |
| JP3000591B2 true JP3000591B2 (ja) | 2000-01-17 |
Family
ID=16015044
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1176519A Expired - Lifetime JP3000591B2 (ja) | 1989-07-06 | 1989-07-06 | 超音波モータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3000591B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3171887B2 (ja) * | 1991-10-21 | 2001-06-04 | キヤノン株式会社 | 振動波駆動装置 |
-
1989
- 1989-07-06 JP JP1176519A patent/JP3000591B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0340773A (ja) | 1991-02-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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