JP3063108B2 - 超音波モータ - Google Patents
超音波モータInfo
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- JP3063108B2 JP3063108B2 JP2098113A JP9811390A JP3063108B2 JP 3063108 B2 JP3063108 B2 JP 3063108B2 JP 2098113 A JP2098113 A JP 2098113A JP 9811390 A JP9811390 A JP 9811390A JP 3063108 B2 JP3063108 B2 JP 3063108B2
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- Japan
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- ultrasonic motor
- longitudinal
- vibration
- torsional
- piezoelectric element
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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
長に対する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電圧を低
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
長に対する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電圧を低
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力
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力
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、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におい
て、前記ヘッドマスはロータが圧接されるアルミニウム
合金よりなる部分とステンレス鋼製のリング部分とから
なり、前記リング部材は支持具を挟持した中間シリンダ
よりなり、かつ前記リング部材と前記リアマスとして密
度と音速の積が18.71kg/m2・sec以上、34.75kg/m2・sec
以下の部材を用いたことを特徴とする超音波モータであ
る。本発明では縦及び捩り振動の節を縦及び捩り振動駆
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。
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におい
て、前記ヘッドマスはロータが圧接されるアルミニウム
合金よりなる部分とステンレス鋼製のリング部分とから
なり、前記リング部材は支持具を挟持した中間シリンダ
よりなり、かつ前記リング部材と前記リアマスとして密
度と音速の積が18.71kg/m2・sec以上、34.75kg/m2・sec
以下の部材を用いたことを特徴とする超音波モータであ
る。本発明では縦及び捩り振動の節を縦及び捩り振動駆
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。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。縦及び捩
り振動駆動用圧電素子間に配置する部材もリアマスの場
合と同様である。従って、上記の理由から前記部材のpc
積は18.71kg/m2・sec以上で34.75kg/m2・sec以下が望ま
しい。
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。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。縦及び捩
り振動駆動用圧電素子間に配置する部材もリアマスの場
合と同様である。従って、上記の理由から前記部材のpc
積は18.71kg/m2・sec以上で34.75kg/m2・sec以下が望ま
しい。
（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２の間に0.5
厚さのステンレス鋼製支持具17を挟んで、真鋳（pc積2
6.73kg/m2・sec）製の直径12mm、長さ2.9mmの中間シリ
ンダ16a及び16bを配置する。これらの部材をヘッドマス
12aと直径12mm、長さ11.5mmの真鋳（pc積26.73kg/m2・s
ec）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12a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２の間に0.5
厚さのステンレス鋼製支持具17を挟んで、真鋳（pc積2
6.73kg/m2・sec）製の直径12mm、長さ2.9mmの中間シリ
ンダ16a及び16bを配置する。これらの部材をヘッドマス
12aと直径12mm、長さ11.5mmの真鋳（pc積26.73kg/m2・s
ec）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12a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、単独で各々実効値で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14kgf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、単独で各々実効値で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14kgf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のリング、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２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のリング、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２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、単独で各々実効値で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、単独で各々実効値で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34.75k
g/m2・secを上回る金属材料を中間シリンダに使用した
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34.75k
g/m2・secを上回る金属材料を中間シリンダに使用した
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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−13282（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−19983（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−51375（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−202191（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02N 2/10 - 2/16
Claims (1)
- 【請求項１】ヘッドマス、縦振動駆動用圧電素子、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、前記ヘッドマスはロータが圧接されるアルミニウム
合金よりなる部分とステンレス鋼製のリング部分とから
なり、前記リング部材は支持具を挟持した中間シリンダ
よりなり、かつ前記リング部材と前記リアマスとして密
度と音速の積が18.71kg/m2・sec以上、34.75kg/m2・sec
以下の部材を用いたことを特徴とする超音波モータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2098113A JP3063108B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | 超音波モータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2098113A JP3063108B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | 超音波モータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04278A JPH04278A (ja) | 1992-01-06 |
| JP3063108B2 true JP3063108B2 (ja) | 2000-07-12 |
Family
ID=14211268
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2098113A Expired - Fee Related JP3063108B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | 超音波モータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3063108B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5159226A (en) * | 1990-07-16 | 1992-10-27 | Atlantic Richfield Company | Torsional force transducer and method of operation |
-
1990
- 1990-04-13 JP JP2098113A patent/JP3063108B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04278A (ja) | 1992-01-06 |
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