JPH03178579A - 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しこ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の改良に関する
。

（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０．１〜０．２ｋｇ
ｆ−ｃｍに過ぎない。

これに対し、特開昭６１−５２１６３号公報に開示され
ている足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６２−
１４９７２６号公報、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、　８
２１−８２２（１９８８年１０月）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２図に示す。

図に於て、１１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或されている。１２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。１５リアマス、
１３は支持板であり、これらと圧電素子１１．１２はＡ
１合金からできたヘッドマス１４、ボルト１６、ナツト
１７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ｌＯを構成する。また、２１はロータ１８を
ステータに圧接させる働きをするバネ、２０は台座、２
３はシャフト、２２はナツトである。ナツト２２により
バネの圧接力を加減することが出来る。また２４は耐摩
耗材、１９はベアリングである。この超音波モータの動
作原理を第３図に示す。縦振動は、言わばクラッチの働
きをしており、一方向の捩り変位のみロータに伝達させ
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２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題） こ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、捩りの
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
数を一致させることは困難であった。第２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。しがし、縦の共振周波数ｆ
Ｌは、ロータの質量、ロータとステータの圧接力に依存
１−、ロータの質量が軽く、前記圧接力が大きいほど捩
りの共振周波数に近づく。即ち、第２図に示した構成の
超音波モータでは、一般にｆ７　＞　ｆＬである。

従って、ｒＴ＝＃ｆＬを実現しようとすれば、まずロー
タを軽くすることは、ロータの高さを小さくすることに
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２図に示した超音波モータでは、実際の
ハイパワー駆動時において、ｆＴ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％程度で
あった。

（課題を解決するための手段） 本発明は縦振動駆動用圧電素子と捩り振動駆動用圧電素
子を２個のブロックで挾んだ縦−捩り複合振動子をステ
ータとし、該ステータにロータを圧接させた構成の超音
波モータにおいて、ロータ側に配置されている金属ブロ
ックと縦振動駆動用圧電セラミック素子の間に、密度と
弾性率の積が該金属ブロックの材料よりも大きくかつ該
金属ブロックと接する側に四部が形成されたブロックが
配置されていることを特徴とした超音波モータである。

（作用） 本発明は、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、縦と捩りの共振周波数を実際のハイパワ
ー駆動時において一致させ、モータの効率を高めるため
になされたものである。このため、本発明では、ステー
タ部分のうち特にヘッドマス部分に使用する材料、ヘッ
ドマス構成を最適化することにより、縦と捩りの共振を
一致させている。以下に詳細に説明する。

従来の第２図に示す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（ａ）、（ｂ）に示す。縦と捩
りの振動変位分布が異なっているが、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が、中空円筒に関
して ＺＯＬ＝ｐｃＬＡ＝（ｒｘ　７４）　ｖｐｃｒ、（Ｄｏ
”−Ｄ■２）　　　　（１）捩りの特性機械インピーダ
ンスｚｏＴは、同じく中空円筒に関して ＺＯＴ＝　ｐｃＴＪｐ＝（ＩＮ　／　３２）　４不り。

’−ＤＩ４）　　　　（２）で与えられ、ｚｏＬは直径
の２乗、ｚｏＴは直径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 ｐ　；密度 ｃＬ；縦弾性波の位相速度 ｃＴ；捩り弾性波の位相速度 Ａ・中空円筒の断面積 Ｄｏ；外径 り工；内径 ＪＰ；断面極２次モーメント である。第４図（ａ）、（ｂ）のイ従と捩りの振動モー
ドを詳細に見ると、ヘッドマス部分と捩りの圧電セラミ
ック素子部分において振幅が大きく異なっていることが
分かる。即ち、本発明の原理はヘッドマス部分あるいは
捩り圧電セラミック素子部分において、特性機械インピ
ーダンスＺＯＬ、ｚｏＴ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。

本発明では、特にヘッドマス部分の特性機械インピーダ
ンスを最適化することにより、ハイパワー駆動時におけ
る縦と捩りの共振周波数を一致させている。

第２図の従来の縦・捩り複合振動子をステータとする超
音波モータのへラ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に於て、
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ｒＬより
高い。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、ヘッドマスを二つ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はＡ
１合金、Ｔｉ合金等の軽量で剛性の大きな材料で構威し
、ヘッドマス底部は密度と弾性率のともに大きなステン
レススチール、超硬合金などでできている。さらに、本
発明に於て、より効果的に回転慣性質量を実現させるた
めに、ヘッドマス底部は凹型の形状をしており、内部の
間部分に中心軸を一致させてヘッドマス先端部が配置さ
れ、こ°れらのヘッドマス先端部と底部はボルト、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
、ハイパワー駆動時において、ｆＴ＝ｒＬを実現するこ
とが可能である。

（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図の実施例に示した超音波モータの
全長は７０ｍｍ、直径は２０ｍｍである。

ヘッドマス１４ａはＡ１合金製で、鍔２５のついたステ
ンレス鋼製ボルト１６に溶着に・より一体化されている
。ヘッドマス１４ｂはステンレス鋼製で凹部が丁度ヘッ
ドマス１４ａと嵌合するようになっている。ヘッドマス
全体の高さは１１ｍｍで、このうちへラドマス１４ｂ部
分の内側の高さは４ｍｍ、外側の高さは８ｍｍ、内径は
２０．１　ｍｍ、外形は２４ｍｍであり、ヘツドマス１
４ａ部分の外径は２０ｍｍである。１１は縦振動励振用
ジルコン、チタン酸鉛系圧電セラミック素子で、１２は
捩り振動励振用ジルコン・チタン酸鉛系圧電セラミック
素子、１３は支持板でステンレス鋼製、１５はリアマス
で黄銅製である。ヘッドマス１４ａからリアマス１５ま
ではボルト１６とナツト１７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１０を構成する。

１８はステア１／ス鋼製ロータで高さは８ｍｍ、１９は
ヘアリング、２０は台座で同じくステンレス鋼製、２３
はシャフト、２１はバネ、２２はナンドで、シャフト２
３、バネ２１、ナツト２２はロータ１８をステータに圧
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、２４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１８に接
着されている。縦圧電素子１１と捩り圧電素子１２に電
圧を印加し、電圧の位相差を適当に調節し、また、ハイ
パワー励振時において、縦と捩りの共振周波数を一致さ
せた場合、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。ヘッドマス１４ｂ部の突起部１４ｃ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がある。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一定と
し、縦及び捩り圧電セラミック素子の駆動電圧をともに
８０ｖｒｍ８として、ハイパワー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１４ｂの突起部
１４ｃを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５図に示
す。この超音波モータの詣特性は無負荷時回転数５２０
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
することが確言、３され、その特性は、第５図に示した
ものとほぼ同じであった。

（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技術的有用性は
大きく、応用技術、派生技術の広い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの断面図、第２図は従来
の超音波モータの断面図、第３図は超音波モータの動作
原理図、第４図（ａ）、（ｂ）は従来の超音波モータの
変位分布図、第５図は本発明の超音波モータの実施例の
特性図である。 図において、１０はステータ部、１１は縦振動駆動用圧
電セラミック素子、１２は捩り振動駆動用圧電セラミッ
ク素子、１３は支持板、１４．１４ａ、　１４ｂはヘッ
ドマス、１４ｃは突起、１５はリアマス、１６はボルト
、１７はナツト、１８はロータ、１９はベアリング、２
０は台座、２１はバネ、２２はナツト、２３はポル）・
、２４は耐摩耗材、２５は鍔を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　縦振動駆動用圧電素子と捩り振動駆動用圧電素子を２
   個のブロックで挟んだ縦−捩り複合振動子をステータと
   し、該ステータにロータを圧接させた構成の超音波モー
   タにおいて、ロータ側に配置されている金属ブロックと
   縦振動駆動用圧電セラミック素子の間に、密度と弾性率
   の積が該金属ブロックの材料よりも大きくかつ該金属ブ
   ロックと接する側に凹部が形成されたブロックが配置さ
   れていることを特徴とした超音波モータ。