JPH02228275A

JPH02228275A - 超音波モータとその駆動方法

Info

Publication number: JPH02228275A
Application number: JP1048860A
Authority: JP
Inventors: Tadayasu Uchikawa; 内川　忠保; Osamu Myoga; 修冥加; Osamu Onishi; 修大西
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1989-02-28
Publication date: 1990-09-11

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）本発明は超音波モータ及びその駆動方法に関し、特にス
テータである圧電振動子に超音波振動を励起させ前記ス
テータに圧接されたロータを摩擦力によって回転させる
超音波モータ及びその駆動方法間する。

（従来の技術）従来、かかる超音波モータとしては、縦一捩り複合圧電
振動子を有するステータの端面にロータを圧接し、これ
を摩擦力により回転・させる構成の超音波モータが知ら
れている。例えばががるモータは特開昭６１−１２１７
７号公報にも記載されている通りである。第６図はかか
る従来の一例を示す超音波モータの断面図である。第６
図に示すようにこの従来のモータは捩り振動励起用圧電
素子６１と縦感動励起用圧電素子６２とを円柱あるいは
円筒状超音波振動体６３．６４で挾み、ボルトで締め付
けることにより一体化したステータと、このステータ端
面に圧接したロータ６５とを有し、捩り振動励起用圧電
素子６１と縦振動励起用圧電素子６２とにそれぞれ独立
の交流電圧を印加してステータ端面に楕円運動を誘起し
、この楕円運動を利用してロータ６５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）ところで、捩り振動波の音速は縦振動波の約６割である
ため、上述した構成の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を一致させることは困難で
ある。従って上述した構成のステータにおいて捩り振動
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。

周知のように、非共振駆動は共振駆動と比較して同一電
力で駆動する場合には得られる振幅が極端に小さくなる
。その結果、上述した構成のステータ端面に誘起される
楕円運動の振幅は縦方向あるいは捩れ方向いづれか一方
の振動振幅が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ができないという欠点がある。

また、上述した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なった
周波数の交流電圧を印加することにより、二種類の振動
を共振駆動させることも可能ではあるが、この場合には
共振周波数が異なるためステータの端面に規則的に楕円
運動を誘起することができず、ロータを安定して回転さ
せることができないという欠点がある。

本発明の目的はかかるステータ及びロータを高効率でか
つ安定して回転させることのできる超音波モータとその
駆動方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の超音波モータは、縦一捩り複合圧電振動子をス
テータとして超音波振動を励起させ、前記ステータに圧
接されたロータを回転させる超音波モータにおいて、前
記ロータとステータの間に摺動材料を挿入し、前記摺動
材料の剛性を変えてモータ全体の捩り振動と縦振動の共
振周波数をほぼ一致させてなることを特徴とする。

また本発明の駆動方法は前記超音波モータの駆動方法で
あって、捩りと縦の振動振幅が、縦と捩り圧電振動子境
界で節となり、かつ前記摺動材料近傍で最大となるよう
な振動モードで駆動することを特徴とする。

（作用）本発明の超音波モータを構成するステータは単体では捩
り振動と縦振動の共振周波数は異なる。そのステータに
例えばプラスチック系の複合材料である摺動材を介して
ロータを圧接すると、ステータと摺動材料とロータから
なるモータ全体の捩り振動はその捩り方向（回転方向）
の機械的拘束力が低く共振周波数の変化は小さい。しか
しながら、縦方向（圧接される軸方向）は圧接力により
ステータ上にロータ質量が作用する構造となるため共振
周波数が変化する。したがって共振周波数の変化はステ
ータとロータの間に挿入され結合部材としての摺動材料
の剛性に左右される。周知のように剛性は材料のヤング
率をＥとし、厚さを１とし、断面積をＡとするとＥＡ／
１で表され、もしヤング率Ｅを一定とするならば圧接力
により摺動材料の厚みｌが小さくなり剛性は増す。また
複合材料は圧縮によりヤング率Ｅ自身も大きくなる非線
型性を有しており、剛性は増加する。一方、圧接力を一
定とするならばヤング率Ｅが大きいほど剛性は大きいこ
とは言うまでもない。この剛性を変化させることにより
、ステータとロータとの結合力が増し、共振周波数も変
化でき、縦と捩りの共振周波数を一致させることができ
る。

また、振動の変位分布を表す振動モードは、共振周波数
の変化と同様にロータ圧接力と摺動材料の剛性によって
変化するため振動モードも調整できる。上述の調整によ
り縦と捩り振動ともステータの一部を節とし、摺動材料
近傍の振動振幅を最大とするモードを生じせしめること
によりロータを駆動する楕円運動軌跡を最大にしロータ
回転力を増大できる。

（実施例）次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の実施例を示す超音波モータの断面図で
ある。第１図に示すように本実施例はステータ１０とロ
ータ１１とその間に挿入された摺動材料１２を備えてい
る。このステータ１０は捩り振動励振用圧電セラミック
素子（以降捩り振動子と言う）１３と縦振動励振用圧電
セラミック素子（以降縦振動子と言う）１４とが固定板
１５を挟み二つの金属ブロック１６．１７で挟まれ、ボ
ルト１８、ナツト１９を用いて強固に締付けて構成され
る。この捩り振動子１３は外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、
厚さ０．５ｍｍの円周方向に分極されたセラミック板が
積層されて構成されている。

また縦振動子１４は厚み方向に分極されたセラミック板
（外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を積層
したものである。このようなステータ１０に対向して配
置されたロータ１１はベアリング２０が挿入されボルト
１８にはめ込まれ圧接用ナツト２１およびスペーサ２２
、ばね２３によりステータ１０に圧接される。またその
ステータ１０とロータ１１の間にはポリエステル系の複
合材料である摺動材料１２が挿入されている。これはポ
リエステル樹脂をテフロンに混合したエンジニアリング
プラスチックであり、例えばエコノール系（商品名、住
友化学）を使用する。このような構成で縦振動子１４と
捩り振動子１３に交流電圧を印加すると縦方向、捩り方
向に励振される。

第２図は上記実施例のモータにおけるロータ圧接力と縦
および捩り方向の共振周波数の関係の測定値である。印
加電圧は１ｏｏｖとした。ロータ１１とステータ１０の
圧接力を変えると縦、捩れの共振周波数が変化すること
がわかる。本例では圧接力を４７ｋｇｆにしたときに縦
と捩り振動の共振周波数が一致した。

第３図は本実施例のモータの共振周波数におけるモータ
各部の振動振幅の分布を表す振動モードの測定値である
。ａ図は模式的なモータ構成図、ｂ図は縦方向（モータ
軸方向）の振動モード、Ｃ図は捩り方向（円周方向）の
振動モードを示す。第３図において、各振動モードは固
定板１５を不動点（節）とし、ロータ摺動面が大振幅と
なることがわかる。この結果、固定板を支持することが
できるとともに、ロータ摺動部では縦振動と捩れ振動の
合成によって大きな楕円運動が形成でき、高出力でロー
タが回転できる。かかる超音波モータの特性は捩り振動
子及び縦振動子に位相が９０°異なる周波数２５ＫＨｚ
、電圧１００Ｖの正弦波を印加して無負荷回転速度２８
Ｏｒｐｍ、最大トルク３ｋｇｆｃｍという高性能の特性
を実現できた。またロータ圧接力が３０〜６０ｋｇｆの
広い範囲においても回転動作を確認できた。さらに捩り
振動子と縦振動子の電圧位相差を反転することによりロ
ータは逆回転もぐきた。

第４、第５図は本発明を、説明するための超音波モータ
を構成する摺動材料の断面図である。第４．５図に示す
ように摺動材料４１，５１は縦方向（軸方向）に例えば
ガラス繊維やカーボン繊維のような材料をナイロンやビ
ニールといった材料中に配列したり、チップ化して複合
したものでも、前述した実施例と同様に共振周波数を一
致させることができる。本発明では摺動材料の材質、形
状いづれもその剛性と圧接力の調整により共振周波数を
一致することができる。

（発明の効果）以上説明したように本発明はモータ全体の構成で共振周
波数が決められる縦振動と捩り振動の各々の共振を利用
したものであり、しかもロータとステータの間に挿入し
た摺動材料の剛性を変えることにより容易に二つの共振
周波数を一致させることができるので、高効率でトルク
の大きい超音波モータを実現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である超音波モータの断面図
、第２図は本発明の超音波モータを説明するためのロー
タ圧接力と共振周波数の関係を示す図、第３図は本発明
の超音波モータの振動モードを示す図、第４図、第５図
は本発明の摺動材料の断面図、第６図は従来の超音波モ
ータの断面図である。図中各記号はそれぞれの内容を示す。１０・・・ステータ、１１・・・ロータ、１２，４１．
５１・・・摺動材料、１３・・・捩り振動励振用圧電セ
ラミック素子、１４・・・縦振動励振用圧電セラミック
素子、１５・・・固定板、１６、１７・・・金属ブロッ
ク、１８・・・ボルト、１９・・・ナツト、２０・・・
ベアリング、２１・・・圧接用ナツト、２２・・・スペ
ーサ、２３・・・ばね、６１・・・捩り振動励振用圧電
素子、６２・・・縦振動励振用圧電素子、６３．６４・
・・円筒状超音波振動体、６５・・・ロータ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　縦一捩り複合圧電振動子をステータとして超音
波振動を励起させ、前記ステータに圧接されたロータを
回転させる超音波モータにおいて、前記ロータとステー
タの間に摺動材料を挿入し、前記摺動材料の剛性を変え
てモータ全体の捩り振動と縦振動の共振周波数をほぼ一
致させてなることを特徴とする超音波モータ。
（２）　請求項１記載の超音波モータの駆動方法であっ
て、捩りと縦の振動振幅が捩りと縦の圧電振動子境界で
節となり、かつ前記摺動材料近傍で最大となるような振
動モードで駆動することを特徴とする超音波モータの駆
動方法。