JPH03150080A - 超音波モータ - 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、回転トルクの発生源として、縦・捩り複合振
動子をステータとしステータ上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。

（従来の技術） 超音波モータとは、超音波楕円振動をする振動体である
ステータに圧接されたロータが摩擦力を介して受ける回
転トルクを利用したモータである。

円環あるいは円板の円周方向に沿って伝搬するたわみ進
行波を利用した超音波モータが特開昭５８−１４８６８
２号公報により開示されて以来、超音波モータは電磁形
モータと比べて低速で高トルクであるという特徴を有し
ていることから、盛んに研究開発が行なわれるようにな
った。しかしながら、この超音波モータはたわみ振動を
利用しているため、小径にすると高トルクを得ることが
難しいという欠点がある。例えば、直径２ｃｍの進行波
型超音波モータのトルクは、たかだか０．１〜（１２ｋ
ｇｆ−ｃｍに過ぎない。

これに対し、特開昭６１−５２１６３号公報に開示され
ている定在波型超音波モータは、ロータとステータの界
面に効率よく強力な楕円振動の発生を可能とした。しか
しながら、これとて圧電縦振動を用いて捩り振動を励振
するものでモード変換を要するため構成条件に制約があ
り、振動子の形状、サイズが限定され、しかも発生する
楕円振動の回転の向きは構成条件によって、右廻り、左
廻りの何れかとなり、回転の向きを自由に変えられない
と言う欠点があった。

回転方向を自由に変えられ、しかも小径で高トルクを有
するモータの出現が望まれていたが、このような機能を
有する超音波モータとして本発明者らは、特願昭６３−
１４９７２６号明細書、及び昭和６３年日本音響学会秋
期研究発表会講演論文Ｎｏ、　２−４−１０、ｐｐ、　
８２１−８２２（１９８８年１０月）及び日刊工業新聞
社刊行の雑誌［トリがー４１９８９年１月号の５０頁か
ら５１頁にかけて開示されている縦・捩り複合振動子を
ステータとする超音波モータを提案した。この超音波モ
ータの構成を第３図に示す。図に於て、３１は縦振動を
励振させる圧電セラミック素子で、板厚方向に分極処理
が成されている。３２は捩り振動を励振させる圧電セラ
ミック素子で板面に平行で且つ円周方向に分極処理が施
されている。３３はＡＩ合金からできた金属ブロック（
以降これをヘッドマスとよぶ）、３４はリアマス、３５
は支持板で、これらと圧電素子３１．３２はボルト３６
、ナツト３７およびヘッドマス３３により強固に締め付
けられ、超音波楕円振動子であるステータ３８を構成す
る。また、３９はロータ４０をステータ３８に圧接され
る働きをするバネ、４１は台座、４２はシャフト、４３
はナツトである。ナツト４３によりバネの圧接力を加減
することが出来る。

また４４は耐摩耗材、４５はベアリングである。

この超音波モータは、ステータとロータの界面に縦と捩
り振動で合成された楕円振動を効率よく強勢に励振させ
るために、縦と捩り振動を同時に共振駆動させることを
目的として提案されたものである。共振駆動を行うため
には、縦と捩りの共振周波数を一致させる必要がある。

第３図に示した超音波モータにおいて、ステータ上に適
当な太さのシャフトを立て、ロータとステータの圧接力
を調整することで弱電界時において辛うじて縦と捩りの
共振周波数を一致させることができた。

（発明が解決しようとする課Ｍ） しかしシャフトを太くすると、モータ外径を太くしない
限り駆動素子である圧電セラミック素子の体積を減少さ
せることになリモータ出力が低下してしまう。

また前述の縦と捩りの共振周波数の一致は、弱電界時の
一致であり、実際にモータを強電界で駆動する際には、
捩り共振周波数ｆＴが縦の共振周波数ｆＬより高くなっ
てしまい、実際の駆動状態である強電界時において共振
周波数を一致されることは困難であった。第３図に示し
た構成の超音波モータでは、捩りの共振周波数ｆＴは、
ステータ部分の長さでほぼ決定されてしまい、圧接力に
それほど影響されることはない。しかし、縦の共振周波
・数ｆＬは、ロータの質量、ロータとステータの圧接力
に依存し、ロータの質量が軽く、前期圧接力が大きいほ
ど捩りの共振周波数に近づく。即ち、第３図に示した構
成の超音波モータでは、一般にｆＴ＞ｆＬである。

従って、ｆＴ：ｆＬを実現しようとすれば、ロータの高
さを低くして軽くすることになり、このような形状のロ
ータでは剛性が小さくなり、大きなトルクの発生は困難
となる。次に、圧接力を極端に大きくすることが必要で
ある。圧接力をきわめて大きな状態にすることは、必然
的にベアリングに過大な応力を与える事になり、ベアリ
ングの損傷、はたまたベアリングの寿命の短命化につな
がり、極めて危険である。従って、従来の第３図に示し
た超音波モータでは、実際の強電界駆動時において、ｆ
ＴがｆＬより高くなってしまい、得られる効率はせいぜ
い２５％〜４０％程度あった。

本発明の目的は、縦・捩り複合振動子をステータとする
超音波モータに於て、強電界駆動時でも弱電界駆動時で
も縦と捩りの共振周波数を一致させ、モータの効率を高
めることにある。

（課題を解決するための手段） 本発明では、ヘッドマスに使用する材料を使用する材料
を少なくとも２種類の密度の異なる材料と断面積の異な
る材料を用いて最適化することにより、縦と捩りの共振
周波数を一致させている。つまりヘッドマスのロータ接
触側の材料を圧電振動子側より低密度にし、しかも少な
くともロータ接触側はロータに向かって断面積が小さく
なるようにする。

第３図に示す従来の超音波モータおよび本発明の超音波
モータの高電界駆動時における振動変位分布を第４図に
示す。実践が本発明、破線が従来例である。上の図は模
式的なモータ構成図を示している。本発明のモータはヘ
ッドマスに２種類の密度と断面積の異なる材料を用いた
例を示しである。真ん中の図はモータの縦方向（モータ
軸方向）の振動変位分布、下の図はモータの捩り方向（
円周方向）の振−動分布を示す。第４図において従来例
では縦と捩りの振動変位分布が異なっている。この理由
は、縦の位相速度が捩りの位相速度の１．６倍はど大き
いこと、縦の特性機械インピーダンスＺＯＬおよび捩り
の特性機械インピーダンスＺＯＴが、中空円筒に関して
それぞれ ＺＯＬ”９ＣＬＡ＝（ｎ１４）ｐｃＬ（Ｄ２０　Ｄ２ｔ
）　　　　（１）”ｏｒ＝ｐｃＴＪｐ＝（ｒｄ３２）ｐ
ｅｄＤ０−ｎｌ）（２）で与えられ、ＺＯＬは直径の２
乗、ＺＯＴは直径の４乗の関数となっていることによる
。ただし、（１）式、（２）式において ９；　密度 ０５１　　縦弾性波 卿；　捩り弾性波の位相速度 Ａ；　中空円筒の断面積 Ｄｏ；外径 Ｄ［；　　内径 ５９１　　断面積２次モーメント である。第４図の従来例の縦と捩りの振動モードを詳細
に見ると、縦振動モードではヘッドマス３３のロータ４
０に近い側が振幅が大きいが、捩じれ振動モードではヘ
ッドマス３３の圧電セラミック素子に近い側が振幅が大
きいことがわかる。

第４図の従来の縦・捩り復号振動子をステータとする超
音波モータのヘッドマス部分の振動変位分布に関して、
ヘッドマスの縦圧電セラミック素子に近い部分は、縦振
動に関しては、振動節部に近い位置にあり、スチフネス
として動作している。また、捩り振動に関しては、振動
腹部となり慣性質量として動作している。この状態に於
て、捩り共振周波数ｆＴは縦の共振周波数ｆＬより高い
。

本発明の原理ではヘッドマス部分において特性機械イン
ピーダンスＺＯＬ、ｚｏｒを変えてやることにより、振
動モードに変化を与え、縦と捩りの共振周波数を一致さ
せることにある。本発明に基づく超音波モータではｆＴ
＝ｆＬを実現させるために縦振動に対して、より大きな
スチフネスを実現し、捩り振動に関しては、より大きな
慣性質量を実現するために、ヘッドマスを少なくとも二
つ以上の要素で構成している。即ち、ロータ部分に接触
するヘッドマス先端部ＡＩ合金、Ｔｉ合金といった軽量
で剛性の大きな材料で構成し、圧電素子との接合側すな
わちヘッドマス底部は密度と弾性率の大きなステンレス
スチール、超硬合金などでできている。またさらにヘッ
ドマス先端部は先端に沿って断面積が小さくなる形状に
し、またヘッドマス底部は前記のヘッドマス先端部より
断面積が大きい。このヘッドマスはボルト、ナツトによ
り強固に圧接され、一体となって振動する。従って、本
発明に基づく超音波モータでは、ヘッドマス部分の改良
により捩りの共振周波数ｆＴを低下させ、縦の共振周波
数ｆｌを上昇させることが出来るわけであるから、強電
界駆動時あるいは弱電界駆動時において、ｆＴ：ｆＬを
実現することが可能である。このようにして振動モード
においても第４図中の実線で示すようにロータ界面で両
振動モードの振幅を最大にすることができ効率を高める
ことができる。

（作用） （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。第１図は本発明の実施例に示す超音波モ
ータの断面図である。第１図において、超音波モータの
全長は７０ｍｍであり、ヘッドマス１１はＡＩ合金、ヘ
ッドマス１２はそれより高密度材料のステンレススチー
ルであり、これらは溶着、接着、打ち込みなどの手段で
接合一体化され、また鍔１３のついてステンレス鋼製１
４に溶着により一体化されている。ヘッドマス全体の高
さは１１ｍｍで、このうちヘッドマス１２の高さは４ｍ
ｍ。

外径は２４ｍｍであり、またヘッドマス１１の高さは７
ｍｍで外径は根元で２０ｍｍ、先端部１６ｍｍのテーパ
ー形状である。１５は縦振動励振用ＰＺＴ系圧電セラミ
ック素子で、１６は捩り振動励振用ＰＺＴ例圧電セラミ
ック素子、１７は支持板でステンレス鋼製、１８はリア
マスで黄銅層である。ヘッドマス１１からリアマス１８
まではボルト１４とナツト１９により強固に締め付けら
れ、縦・捩り複合振動子であるステータ２０を構成する
。

２１はステンレス鋼製ロータで高さは８ｍｍ、２２はベ
アリング、２３は台座で同じくステンレス鋼製、２４は
バネ、２５はナツトで、バネ２４、ナツト２５はロータ
２１をステータ２０に圧接する力を供給する。

ロータとステータ間の圧接力はナツトの回転角を調節す
ることにより微妙に変えることが可能である。また、２
６はエンジニアリング・プラスティックでできた耐摩耗
材で、この場合、ロータ２１に接着されている。縦圧電
素子１５と捩り圧電素子１６に電圧を印加し、電圧の位
相差を適当に調節し、また、強電界励振時において、縦
と捩りの共振周波数を一致させをな場合、ステータとロ
ータの界面において、縦と捩りの振幅で合成された強力
な楕円振動を引き起こすことができる。ヘフトマス１１
．１２は縦振動に対してはスチフネスをそれほど持たな
いために、縦振動の共振周波数の変化には寄与しないが
、捩り振動に関しては、大きな慣性質量として作用する
ため捩り振動の共振周波数を著しく低下させる働きかは
ある。実施例の第１図に示した状態の寸法形状を有する
超音波モータにおいて、ロータとステータ間の圧接力を
５０ｋｇｆ−定とし、縦及び捩り圧電セラミック素子の
駆動電圧をともに８０■、として、強電界の励振を行っ
たとき縦の共振周波数３１．６ｋＨｚ、捩りの共振周波
数３１−１ｋＨｚであった。そこで、ヘッドマスの突起
部５０を少し削って突起部の質量を落とすことで、周波
数調整を行ったところ、３１．５ｋＨｚで縦と捩りの共
振周波数が一致した。

次に、駆動電圧をそのままにして、縦と捩りの印加電圧
の位相差を７０度駆動すると、時計廻り方向に回転した
。その時の回転数−トルク特性の測定結果を第２図に示
す。この超音波モータの諸特性は無負荷時回転数５２Ｏ
ｒ−ｐ−ｍ−、最大トルク５−１ｋｇｆ−ｃｍ、最大効
率６３％である。

その他、本実施例に示した超音波モータは、駆動電圧の
位相差を２５０度とすることにより、反時計方向の反転
することが確認され、その特性は、第２図に示したもの
とほぼ同じであった。

尚、本発明の実施例では密度の大きいヘッドマスを一定
の直径の突起部を設けたが、その突起部５０をテーバー
形状としてもよい。またヘッドマスにＭとステンレスス
チールの２種類の材料を用いているが、他にＭｌステン
レス、タングステンといった３種類の材料を用いても共
振の−致化が可能であり、モータ高出力の同様の効果が
得られる。

（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
は強電界駆動時あるいは弱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できる。従って、本発明に基づく
超音波モータ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
。

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の回転数−トルク特性
図、第３図は従来の超音波モータの断面図、第４図は従
来および本発明の超音波モータの振動変位分布を説明す
るための図である。

図中各記号はそれぞれ次の内容を示す。

１１．１２．１３−・・ヘッドマス、１３・・・鍔、１
４．３６・−・ボルト、１５．３１−・・縦振動用圧電
セラミック素子、１６．３２・・。

捩り振動用圧電セラミック素子、１７．３５−・・支持
板、１８、３フー・・リアマス、１９．２５．３７．４
３−・・ナツト、２０．３８・・・ステータ、２１、４
０−・・ロータ、２２．４５・・・ベアリング、２３．
４１−・・台座、２４．３９−・−バネ　２６．４４−
・・耐摩耗材、５０・、。

第１図 ２５ナツト 第２図 トルクＴ　（ｋｇｆｃｍ） 第３図 ４２　シャフト ３６ポルト 爾４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 縦、捩り複合圧電振動子をヘッドマスとリアマスではさ
   んだステータと、このステータのヘッドマスに圧接され
   たロータとを備えた超音波モータにおいて、前記ヘッド
   マスとして圧電振動子側に比べてロータ接触側の材料が
   低密度で、しかも少なくともロータ接触側はロータに向
   かって断面積が小さくなっていることを特徴とする超音
   波モータ。