JPH02184274A

JPH02184274A - 超音波モータとその駆動方法

Info

Publication number: JPH02184274A
Application number: JP63201605A
Authority: JP
Inventors: Osamu Myoga; 修冥加; Osamu Onishi; 修大西; Takeshi Inoue; 武志井上; Sadayuki Takahashi; 高橋　貞行; Tadayasu Uchikawa; 内川　忠保
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1988-08-11
Publication date: 1990-07-18

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、超音波振動によりロータを回転して、駆動力
を発生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
面にロータを圧接してこれを回転させる構成の超音波モ
ータは、例えば前日による特開昭６１−１２１７７号公
報で開示されている。上記構成の超音波モータのステー
タ部分を第４図に示す。第４図に基づいて、この超音波
モータの動作原理を説明する。捩り振動励振用圧電素子
２（矢印は分極方向を示す）と縦振動励振用圧電素子３
とを円柱あるいは円筒状超音波振動体４，５で挟み、ボ
ルト６で締めつけることにより一体化したものをステー
タ１とし、捩り振動励振用圧電素子２と縦振動励振用圧
電素子３とにそれぞれ独立の交流電圧を印加して、ステ
ータの端面７に楕円振動を誘起し、この楕円振動を利用
して、ステータ端面７に圧接したロータに回転運動を与
えるものである。尚、第４図において、８．９．１０゜
１１は端子板であり、圧電素子２，３をそれぞれ独立に
駆動するために、絶縁板１２．１３．１４が設けられて
いる。

（発明が解決しようとする問題点）ところで、捩り振動波の位相速度は、縦振動波の位相速
度の約６割であるため、上記構成になるステータにおい
て、捩り振動の共振周波数と縦振動の共振周波数とを一
致させることは困難である。

従って、上記構成のステータでは捩り振動を共振駆動さ
せれば、縦振動は非共振駆動となり、逆に縦振動を共振
駆動させれば、捩り振動は非共振駆動となる。

周知の如く、非共振駆動は共振駆動と比較して、同一電
圧で駆動する場合には、極端に得られる振幅が小さくな
ってしまう。その結果、上記構成のステータの端面に誘
起される楕円振動の振幅は縦方向あるは横方向、いずれ
か一方の振動振幅が極端に小さくなってしまうために効
率の高いモータを実現することはできない。また、とく
に、捩り振動を共振駆動、縦振動を非共振駆動した場合
、縦振動の振幅が小さいために、ロータが一瞬たりとも
ステータ表面から離れることはできず、このため、ロー
タとステータの間に絶えず辷り摩擦が生ずる。この辷り
摩擦が発熱、摩耗の原因となり、しいてはモータの安定
性を劣化させ、長期間に亘って動作することができなく
なってしまうという欠点があった。

上記構成のステータにおいて、捩り振動励振用圧電素子
と縦振動励振用圧電素子とに互いに異った周波数の交流
電圧を印加して、２種類の振動を共振駆動することも可
能ではあるが、この場合は、位相速度の違いにより、捩
り振動と縦振動の共振周波数が大幅に異なるため、ステ
ータの端面に規則的に楕円振動を誘起することができな
い。従って、この場合も、ロータを安定して回転させる
ことは不可能である。

（問題を解決するための手段）本発明は、ロータ面と当接するステータ面に大きな縦振
動振幅を出力させる手段を講じることにより、上述した
従来技術の欠点を解消するものである。本発明に従う超
音波モータの構成を第１図に示す。第４図と第１図との
差異をみれば、本発明の特徴が明らかになる。捩り振動
励振用圧電セラミック素子１１と１１振動励振用圧電セ
ラミツク素子１２を二つの金属ブロック１３．１４で挟
み、ボルト１５、ナツト１６を用いて強固に締めつけ、
一体化してステータ１０を構成している。尚、１７は各
部材の熱膨張係数の差異による、ボルト・ナツト圧縮応
力印加手段により、印加される圧力の温度変化を極小化
するために設けられた皿ばねである。また、１８はロー
タであり、ベアリング１９がその中に嵌め込まれてあり
、ロータに当接するステータ面に生じた楕円振動により
、滑らかに回転するようになっている。

ロータと当接する金属ブロック１４部分には、同心円状
の結合子１４ｂが形成されており、この結合子１４ｂで
金属ブロック１４は切り込みにより上側部分１４ｃと下
側部分１４ａに分割され、この結合子とボルト１５及び
金属ブロック１４との相互作用の結果、圧電セラミック
素子１２で発生した縦振動変位を著しく拡大することが
でき、ロータは高効率で回転する。

（作用）従来の捩り一縦複合振動子で構成したステータでは、縦
振動の共振周波数と捩り振動の共振周波数が大幅に異る
ため、捩り振動で共振駆動を行ったとき、縦振動は非共
振状態となるため、大きな縦振幅（軸方向振幅）をロー
タに伝達することは困難である。

これに対して、本発明に従った超音波モータでは、結合
子、金属ブロック及びボルトで構成された、軸方向変位
拡大機構を用いて、大振幅の軸方向変位をロータに伝達
することができる。本発明に基づく超音波モータのステ
ータ部分のうち、軸方向変位拡大機構に係る縦振動圧電
セラミック素子１２、金属ブロック１４ｃ、結合子１４
ｂ、金属ブロック１４ｃ及びボルト１５部分について第
２図に示す。本発明の変位拡大機構に関して第２図に基
づいて説明する。

縦振動圧電セラミック素子１２が伸張したとき、圧電セ
ラミック素子の動作に連動して、ボルトは強制的に引き
伸ばされ、また、金属ブロック１４ａ、結合子１４ｂを
介して、金属ブロック１４ｃは上方に持ち上げられよう
とする。このとき、ボルト部分において、ボルトかもと
の位置に復元しようとする力、が生ずる。このボルトの
復元力が原因となって、金属ブロワ、り１４ｃ内に、第
２図矢印で示すような剪断力が働き、結合子１４ｂも若
干撓み変位することになる。即ち、結合子１４ｂ部分を
支点として、てこの原理に基づき、図中、点線で示した
如く、拡大された変位が生ずるわけである。金属ブロッ
ク１４ｃの端面は同時にステータの端面となっており、
ステータの端面のとくに外縁部には、縦振動に基づく軸
方向の変位と金属ブロックの屈曲振動に基づく軸方向の
変位が同位相で重畳され形となって生ずる。従って、第
４図に示したような従来の縦、捩り複合振動子をステー
タとした超音波モータと比べて、数倍の変位をステータ
面に生じさせることができる。

さらに、本発明に従った超音波モータでは、ボルト１５
、縦振動圧電セラミック素子１２、結合子１４ｂ、金属
ブロック１４ａ、　１４ｃの構成要素によって引き起こ
される、第２図点線で示した如き屈曲振動の共振周波数
は、上記各部材の寸法、弾性定数によって決まり、この
屈曲振動の共振周波数をステータ全体の捩り共振周波数
と一致させることができるという長所を有する。即ち、
本発明に基づくステータでは、捩り振動の共振周波数、
縦振動と金属ブロック１４部分の屈曲振動による合成さ
れた軸方向振動の共振周波数を一致させて駆動すること
ができる。このため、ロータに大きな軸方向の変位を容
易に与えることができ、ロータを高効率で回転させるこ
とができる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。第１図は、本発明の一実施例を示す図で、原理と
構成は先に述べた通りである。捩り振動励振用圧電セラ
ミック素子１１は、外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ１
．０ｍｍの円周方向に分極した圧電セラミック板を４積
層層して構成されている。各セラミック板の表裏面はメ
タライズされ、間に金属薄板を挾んで、極性が互いに逆
になるように積層されている。金属薄板が外部で電気的
に並列接続されている。一方、縦振動励振用圧電セラミ
ック素子１２は厚み方向に分極した圧電セラミック板（
外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を１２枚
積層したもので、構成は上記捩り振動励振用圧電セラミ
ック素子１１に準じる。金属ブロック１３．１４０−タ
１８及び台座２１はすべてステンレススチールとした。

また、静的、あるいは動的に大きな応力の加わるボルト
１５、ナツト１６．２０は高張力鋼を用いた。ロータ１
８は、ベアリング１９、台座２１、コイルばね２２、ボ
ルト１５、ナツト２０を用いて、ステータの金属ブロッ
ク１４ｃ部分に圧接されている。２３．２４．２５は捩
り振動励振用圧電セラミック素子１１と縦振動励振用圧
電セラミック素子１２をそれぞれ独立に駆動可能とする
ために、挿入された絶縁板でＡｌ２Ｏ３製で板厚は０．
４ｍｍである。また、２３は有機材料でできた耐摩耗材
である。

次に、本発明の構成に基づく超音波モータの捩り振動の
半波長共振周波数と、ステータとロータの系全体できま
る縦振動とほぼ金属ブロック１４周辺部分できまる屈曲
振動の合成振動である軸方向振動の共振周波数を一致さ
せるために、ステータとロータ間の圧接力を４５ｋｇｆ
一定の条件で、金属ブロック１４ａ部分の高さを３ｍｍ
一定とし、金属ブロック１４ｃ部分の高さを１０ｍｍな
いし１５ｍｍに変えて実験を行った。その結果、金属ブ
ロック１４ｃ部分の高さが１３．５ｍｍのとき、丁度二
つの共振周波数を一致させることができた。共振周波数
は２４．２ｋＨｚであった。

さらに、捩り振動及び縦振動励振用圧電セラミック素子
に互いに位相が９０°異なる２４．２ｋＨｚ、電圧１２
０ｖの正弦波が印加された。その結果、第３図に示す如
く、無負荷回転速度２８Ｏｒｐｍ、最大トルク３．６ｋ
ｇｆ−ａｍという従来にない高性能を実現できた。

また、本超音波モータを１時間連続運転させた結果、ロ
ータ部分の室温からの温度上昇は３０°Ｃ以下に留まっ
た。従来より超音波モータにおける温度上昇は、摩擦熱
がその原因の大部分を占めており、本発明による超音波
モータは、軸方向の振幅が大きいために、ステータとロ
ータ間の辷りが著しく減少したことにより、低発熱を実
現できたわけである。ちなみに、共振周波数においてス
テータ端面の外縁部分における軸方向振動変位は７１１
ｍに達した。

一方、縦と屈曲の軸方向に平行な変位成分を持つ合成振
動の共振周波数は、結合子１４ｂの撓みスチフネスを変
えてやるとそれに応じて変化する。この撓みスチフネス
は結合子１４ｂの高さと幅寸法との関数である。即ち、
結合子１４ｂの幅寸法を外周部分から機械加工により研
削してやることにより、超音波モータを組み立てた後で
も、周波数調整を行うことができる。

（発明の効果）本発明に基づく超音波モータは、上述した如く捩り振動
の共振周波数と縦振動と屈曲振動の軸方向に振動変位を
有する合成振動の共振周波数を一致させることが可能で
ある。従って、高効率の実用性の高い超音波モータを実
現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の超音波モータの構成を示
す断面図、第２図は、本発明の超音波モータの変位拡大
機構を示す図、第３図は、本発明の超音波モータの特性
を示す図、第４図は従来の縦−捩り復号振動子を用いた
超音波モータのステータ部分を示す斜視図である。図中、１は従来の超音波モータのステータ部分、２．１
１は捩り振動励振用圧電素子、３，１２は縦振動励振用
圧電素子、４，５は超音波振動体、６，１５はボルト、
７はステータ端面、３８．３９．４０．４１は端子板、
２３．２４゜２５、４２．４３．４４は絶縁板、１０は
本発明のステータ部分、１３．１４は金属ブロック、１
４ａ、　１４ｃは金属ブロック１４を構成する金属ブロ
ック要素、１４ｃは金属ブロック１４中に設けられた結
合子、１６．２０はナツト、１７は皿ばね、１８はロー
タ、１９はベアリング、２１は台座、２２はコイルばね
、２３は耐摩耗材。

Claims

【特許請求の範囲】

　１．ステータにロータを当接させてなる超音波モータ
において、ロータに当接するステータのブロックの中間
部分に、同心円状の切り込みを設け、さらに、縦振動圧
電セラミック素子と捩り振動圧電セラミック素子を前記
ブロックと別のブロックで挟み、これらをボルト締めし
た構成を備えたことを特徴とする超音波モータ。
２．特許請求の範囲１項の超音波モータの駆動方法にお
いて、ステータ端面に縦振動と前記切り込みを有するブ
ロックの屈曲振動との合成振動である軸方向振動の共振
周波数と捩り振動の共振周波数を一致させることにより
、駆動することを特徴とする超音波モータの駆動方法。