JPH02174573A - 超音波モータとその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、超音波振動により駆動力を発生させてロータ
を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、該ステータの
端面にロータを圧接して該ロータを回転させる超音波モ
ータは、例えば特開昭６１−１２１７７号公報で開示さ
れている。該公報は、捩り振動励振用圧電素子と縦振動
励振用圧電素子を円柱あるいは円筒状超音波振動体で挾
み、ボルトで締め付けることにより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
電素子に各々独立の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、該楕円振動を利用してステータの
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課題） 縦−捩り複合圧電振動子をステータに用いた従来の超音
波モータは、捩り振動の節を支持して固定し、支持位置
から片側の捩り振動振幅と縦振動振幅を利用して片側端
面に圧接して配置されているロータに駆動力を与え、該
ロータを回転させるものであり、支持位置から片側の振
動振幅のみを駆動力の源として利用している。従って、
該超音波モータは駆動力の源となる捩り振動振幅を有効
に利用していないと言う欠点があった。また、前記従来
の超音波モータは、縦振動振幅を非共振状態で生じさせ
ており、該振動振幅は共振状態で得られる振動振幅に比
較して非常に小さい。従って、消費される電力のうち機
械エネルギーに変換される割合が低く、且つ、縦振動振
幅が小さいとステータとロータが圧接された状態で滑る
ため滑り摩擦が生じ、ステータとロータ界面の発熱及び
摩耗が起こる。その結果、長時間にわたって安定した性
能を保つことが出来なくなると言う問題点があった。

本発明は、上記課題を解決することのできる超音波モー
タを実現することを目的とするものである。

（問題を解決するための手段） 本発明は、第１図（ａ）に例示するように捩り振動励振
用リング状圧電セラミック素子１１と、該圧電セラミッ
ク素子Ｌ１の両側に、縦振動励振用リング状圧電セラミ
ック素子１２ａ及び１２ｂを配置し、その両側からブロ
ック１３ａ及び１３ｂで挾んでなる縦−捩り複合振動体
をステータ２０とし、該ステータの両側にロータ１４ａ
及び１４ｂを圧接して構成し、且つ、第１図（ｂ）に示
す一次縦振動Ｌ１と二次捩り振動Ｔ２の共振周波数を一
致させて共振駆動を行い、ステータの両側に配置されて
いるロータを同一方向に回転させるものである。

（作用） 本発明の超音波モータの構成例と利用する振動モードを
示す第１図（ａ）及び（ｂ）に基づき、本発明の詳細な
説明する。

捩り振動励振用圧電セラミック素子１１は周方向に分極
された円筒状のものであり、電気端子１５ａと１５ａ゛
に高周波電圧を印加すると圧電セラミック素子１１は中
心線Ａを軸として捩り振動を起こす。該捩り振動励振用
圧電セラミック素子１１の両側に縦振動励振用圧電セラ
ミック素子１２ａと１２ｂを配置する。

該圧電セラミック素子１２ａと１２ｂは、電気端子１６
ａシ１６ａ′及び１６ｂと１６ｂ′に各々高周波電圧を
印加すると中心線Ａの方向に縦振動を起こす。ここで、
該圧電セラミック素子１２ａと１２ｂは、電気端子１６
ａと１６ａ′及び１６ｂと１６ｂ″に各々高周波電圧を
印加した場合、圧電セラミック素子１２ａは中心線久方
向に伸び、その時圧電セラミック素子１２ｂは中心線久
方向に縮むように分極方向あるいは電気端子１６ａと１
６ａ′及び１６ｂと１６ｂ′の配線を選択する。前記圧
電セラミック素子１１．１２ａ及び１２ｂからなる圧電
セラミック素子群１゜を両側からブロック１３ａと１３
ｂで挾み、縦−捩り複合振動体２０とする。該複合振動
体２０は、電気端子１５ａと１５ａ゛、１６ａと１６ａ
′及び１６ｂと１６ｂ′に高周波電圧を印加すると二次
捩り振動（Ｔ２）と一次縦振動（Ｌｌ）が起こり、該複
合体であるステータ２０の両側表面に楕円振動が誘起さ
れる。該複合振動体をステータ２ｏとし、該ステータの
両端にロータ１４ａ及び１４ｂを圧接して配置し、超音
波モータを形成する。前記したように電気端子に高周波
電圧を印加すると、前記ステータ２０の片方の端面は右
回転の捩り振動と伸びる方向の縦振動が同時に起こりロ
ータ１４ａが右回転する。一方、前記複合振動体の他方
の端面ば左回転の捩り振動と縮む方向の縦振動が同時に
起こりロータ１４ｂは回転しない。しかしながら、高周
波電圧の次の半周期では、前記支持部の両側の振動状態
が前記した半周期前の振動状態と反対になり、ロータ１
４ａは右回転の力を請けず、ロータ１４ｂが右回転する
。このような振動状態が連続して繰り返され、ロータ１
４ａ及び１４ｂは同一方向に回転する。

上記の事から本発明は、駆動力の源となる捩り振動振幅
を有効に利用することによって、高トルク、高効率、且
つ、長時間にわたって安定した性能を有する超音波モー
タを実現できる。

（実施例） 次に本発明の実施例を図を参照しながら説明する。

第１図に示した本発明の超音波モータの構成とその駆動
方法に基づいて、第２図に示す超音波モータを作製した
。二次捩り振動励振用圧電セラミック素子２１は外径２
０ｍｍ、内径８ｍｍの形状で周方向に分極されている。

一次縦振動励振用圧電セラミック素子２２ａ及び２２ｂ
は外径２０ｍｍ、内径８ｍｍの形状で厚さ方向で同一方
向に分極されている。電気的に絶縁を取るためにアルミ
ナ絶縁板２７ａ、　２７ａ’、　２７ｂ及び２７ｂ′を
配置し、５ＵＳ３０４ステンレス鋼からなる外径２０ｍ
ｍのブロック２３ａ及び２３ｂで前記圧電セラミック素
子をボルト２１５を介して強固に締め付けた。フロック
２３ａ及び２３ｂの端面には外径２０ｍｍ、厚さ０．１
ｍｍのエンジニアリング・プラスティック２９ａ及び２
９ｂが接着されている。ブロック２３ａ及び２３ｂの端
面には回転軸２１４ａ及び２１４ｂが配置され、８０８
３０４ステンレス鋼からなるロータ２４ａ及び２４ｂが
ベアリング２１０ａ及び２１０ｂ、台座２１１ａ及び２
１１ｂ、バネ２１２ａ及び２１２ｂを介してナツト２１
３ａ及び２１３ｂでエンジニアリング・プラスティック
面に圧接されている。この超音波モータは高周波電圧１
００ｖｐ−ｐを電気端子２５ａと２５ｂ及び２６ａと２
６ｂに位相差９０度を与えて共振状態で駆動した。その
結果、回転数３０Ｏｒｐｍ、最大トルク３．５ｋｇｆ０
ｃｍの性能が得られた。本発明の超音波モータは、２０
００時間以上安定して稼働した。

（発明の効果） 本発明にしたがった超音波モータは上述のように、縦−
捩り複合振動体であるステータが、互いに接近した縦と
捩りの共振周波数を有しており、且つ、縦と捩りの共振
周波数はロータとステータとの締め付は圧で完全に一致
させる事が出来、共振駆動が可能である。従って、高効
率で、実用性の高い超音波モータが実現できた。

【図面の簡単な説明】

第１　図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、本発明の超音波モ
ータの構成例と利用した振動モードを示す図。第２図は
、実施例に用いた超音波モータを示す図。 図において、１１．２１・・・捩り振動用リング状圧電
セラミック素子、１２ａ、　１２ｂ、　２２ａ、　２２
ｂ・・・縦振動励振用リング状圧電セラミック素子、１
３ａ、　１３ｂ、　２３ａ、　２３ｂ・・・ブロック、
１４ａ、　１４ｂ、　２４ａ、　２４ｂ−・・ロータ、
１５ａ、　１５ａ’、　２５ａ。 ２５ｂ、　２６ａ、　２６ｂ・・・電気端子、２０・・
・ステータ、２７ａ、　２７ａ’。 ２７ｂ、　２７ｂ’・・・アルミナ絶縁板、２９ａ、　
２９ｂ１．・エンジニアＪ７７ リング・プラスティック、２１０ａ、　２１０ｂ・・・
ベアリング、２１１ａ、　２１１ｂ−・・台座、２１２
ａ、　２１２ｂ−・・バネ、２１３ａ、　２１３ｂ・・
・ナツト、２１４ａ、　２１４ｂ・・・回転軸、２１５
・・・ボルト。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）捩り振動励振用リング状圧電セラミック素子と該
   捩り振動励振用リング状圧電セラミック素子の両側に配
   置した縦振動励振用リング状圧電セラミック素子と該縦
   振動励振用リング状圧電セラミック素子の両側に配置し
   たブロックとを備え、これらが圧接して構成されたステ
   ータと、該ステータの両側に圧接して配置されるロータ
   とを備えたことを特徴とする超音波モータ。
2. （２）特許請求の範囲第１項の超音波モータにおいて、
   一次縦振動と二次捩り振動の共振周波数を一致させて共
   振駆動を行い、ステータの両側に配置されているロータ
   を同一方向に回転させることを特徴とした超音波モータ
   の駆動方法。