JPH0340774A

JPH0340774A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH0340774A
Application number: JP1176520A
Authority: JP
Inventors: Osamu Onishi; 修大西; Osamu Myoga; 修冥加; Takeshi Inoue; 武志井上; Tadayasu Uchikawa; 内川　忠保
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-07-06
Filing date: 1989-07-06
Publication date: 1991-02-21
Anticipated expiration: 2014-03-10
Also published as: JP2870022B2

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、圧電振動子をステータとし、それに超音波楕
円振動を励振させ、前記ステータ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
面にロータを圧接することにより回転力を発生させる構
成の超音波モータの例と・して、本発明者らの提案によ
るものが特開昭６３−１４９７２６号公報で開示されて
いる。この超音波モータの構成の側断面図を第３図に示
す。以下、図面を参照にしながら説明する。

円筒あるいは円柱状で厚さ方向に分極された縦振動励振
用圧電セラミック素子１１と円周方向に分極された捩り
振動励振用圧電セラミック素子１２を、支持板１５とと
もに、両圧電素子と同様に円筒あるいは円柱状の弾性体
１６．１７で挾んだものをステータとし、縦振動励振用
圧電セラミック素子１１と捩り振動励振用圧電セラミッ
ク素子１２にそれぞれ交流電源から同一周波数で位相が
異なる交流電圧を印加することによりステータの端面に
超音波楕円振動を励起する。このとき、駆動周波数をス
テータの縦振動の共振周波数に一致させると、ステータ
の長手方向の振動振幅が非常に大きい超音波楕円振動を
得ることができる。ステータの端面にはロータ２１が配
置され、このロータ２１は、ステータに固定されている
シャフト２６に、ベアリング２２、スペーサ２３、バネ
２４、ナツト２５を設置することにより、ステータに対
して圧接されている。このように、超音波楕円振動状態
にあるステータにロータを圧接することにより、ロータ
に強い回転力が発生する。

（発明が解決しようとする課題）第３図に示す従来の超音波モータでは、あらがしめ設定
した周波数で駆動せざるを得ないため、温度変化や負荷
変動により超音波モータの縦振動の共振周波数が変化し
た場合に、駆動周波数が縦振動の共振周波数からずれて
しまい、回転力が弱くなってしまう問題があった。

（課題を解決するための手段）本発明は、縦、捩り複合振動子をステータとして超音波
楕円振動を励起し、そのステータにロータを圧接するこ
とにより回転力を発生させる超音波モータにおいて、ス
テータ中央部の支持板と縦振動励振用圧電セラミックの
間に、厚み方向に分極された圧電セラミック板を駆動電
源には接続されない状態で配置し、該圧電セラミック板
の主面から共振状態検出用電極を取り出した構造を特徴
とする超音波モータである。

（作用）第１図は、本発明における超音波モータの、ステータ部
の構成例を示す断面図である。以下、図面を参照しなが
ら説明する。

機械エネルギーの発生源は、第３図に示す従来の超音波
モータと同様に、円筒あるいは円柱状で厚さ方向に分極
された縦振動励振用圧電セラミソク素子１１と円周方向
に分極された捩り振動励振用圧電セラミック素子１２が
支持板１５をはさんだ構造のステータである。本発明の
超音波モータでは、これら二つの駆動用圧電セラミック
素子以外に、縦振動状態検出用として、円板あるいは円
環状で厚み方向に分極された圧電セラミソク板１３を支
持板１５と縦振動励振圧電セラミック素子１１の間に配
置する。この圧電セラミック板１３の両面には金属電極
を形成しそこから電気端子１３１．１３２を取り出す。

また、この金属電極とステータの間の電気的絶縁を保つ
ためにスペーサ１４を配置する。圧電セラミック素子１
１．１２．１３とスペーサ１４を支持板１５とともに、
圧電素子と同様に円筒あるいは円柱状の弾性体１６．１
７で挾んだものをステータとする。

縦振動励振用・圧電セラミック素子１１と捩り振動励振
用圧電セラミック素子１２からはそれぞれ１１１．１１
２．１２１．１２２の電気端子を取り出す（第２図）。

電子端子１１１．１１２間には縦振動駆動用の交流電源
から交流電圧ｖＬ＝ＡＬｓｉｎωｔを印加する。一方、
電気端子１２１．１２２間には捩り振動駆動用の交流電
源から同一周波数で位相が異なる交流電圧Ｖ、＝　ＡＴ
ｓｉｎ（ωｔ＋Φ）を印加する。このように二つの圧電
セラミック素子に交流電圧を印加することにより、縦振
動と捩り振動の合成された超音波楕円振動が励起される
。

第１図のステータが縦振動状態にある時、振動の変位は
ｕ　＝　Ｂｓ１ｎ（ωｔ＋φ＋ｅ）で表され、■駆動周
波数が共振周波数よりも低い場合は０’＜ｅ＜９０°、
■駆動周波数が共振周波数と等しければｅ＝９０°、■
駆動周波数が共振周波数よりも高い場合は９０°＜８＜
１８０’の関係がある。また振動の歪は、５＝−Ｃｓｉ
ｎ（ωｔ＋Φ＋ｅ）で表される。ここで歪量Ｃは位置の
関数であり、このＣが最も大きくなるのは振動の節の位
置である支持板１５の付近である。そこで、支持板１５
に隣接する様に圧電セラミック板１３を配置すれば、電
気端子１３１．１３２間には圧電効果により歪に比例し
た電圧Ｖ８＝　−Ａｓ５ｉｎ（ωｔ＋０）が発生する。

この電圧ｖ８のｅは、先に示したように振動状態により
変化する。逆にこのｅを測定することにより、駆動周波
数と共振周波数のずれを知ることが可能である。

（実施例）以下、本発明の実施例について図を参照にしながら説明
する。

第２図は本発明の実施例の一つを示す超音波モータの断
面図である。第２図中、１１は縦振動励振用の円筒状圧
電セラミック素子で、外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍの厚み方向に分極されたセラミンク板を１２
２枚積したものである。各セラミック板の上下面はメタ
ライズされ、電極取り出し用の金属薄板を挾みながら分
極の向きが交互になるように積層されている。金属薄板
から取り出した電極は電気端子１１１．１１２を通して
外部で縦振動駆動用交流電源に接続され、電圧■、が印
加される。

一方、１２は捩り振動励振用円筒状圧電セラミック素子
で、外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ１ｍｍの円周方向
に分極されたセラミックを８枚積層したものである。積
層方法は前記圧電セラミック素子１１と同様で電気端子
１２１．１２２を通して外部で捩り振動駆動用交流電源
に接続され、電圧■１が印加される。１３は縦振動状態
検出用の円板状圧電セラミック板で、外径２０ｍｍ、内
径８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの厚み方向に分極された圧電
セラミック板で、上下主面はメタライズされ電気端子１
３１．１３２が接続されている。１４は絶縁用のアルミ
ナ板で、外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍで
ある。第２図では圧電セラミック板１３の両主面にアル
ミナ板１４を配置しているが、駆動電源と縦振動状態検
出電圧を共通アースにし、今回は金属を用いた支持板１
５に絶縁体を用いれば、アルミナ板１４は省略可能であ
る。２個の駆動用圧電セラミック素子１１．１２、縦振
動検出用圧電セラミック板１３、アルミナ板１４を円柱
状の金属製弾性体１６．１７で挟み、ステータを構成し
ている。

ステータの上部にはシャフト２６を固定しである。さら
に、円筒状のロータ２１をステータに接触するように配
置し、ベアリング２２、スペーサ２３、コイルバネ２４
、ナツト２５により、ロータ２１をステータに対して圧
接している。超音波モータの特性はロータの圧接力によ
り変化するが、この圧接力はナツト２５を締め付けるこ
とにより最適値に調整可能である。

この超音波モータの縦振動の共振周波数は、インピーダ
ンス測定の結果３１．７ｋＨｚであった。この超音波モ
ータを共振周波数よりも低い２７ｋＨｚで駆動したとこ
ろ縦振動駆動電圧■、と縦振動状態検出電圧ｖ８の位相
差ｅは１５°であった。ここから駆動周波数を上げて行
くとともに位相差０も増加し、共振周波数付近の３１．
４ｋＨｚで９０°となり、３６ＫＨｚでは１６７°とな
った。

（発明の効果）以上述べたように、本発明によれば振動状態が共振、非
共振のどちらであるかが検出できるので、駆動周波数が
常に縦振動の共振周波数である状態で超音波モータの駆
動ができる。そのため温度等の環境が変化しても常に最
適な条件で駆動を続けることができるといった長所を有
し、工業的価値が多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のステータ部の構成例を示す断面図、第
２図は本発明の超音波モータの実施例を示す断面図、第
３図は従来の超音波モータの側断面図である。図において、１１・・・縦振動駆動用圧電セラミック素
子、１２・・・捩り振動駆動用圧電セラミック素子、１
３・・・縦振動状態検出用圧電セラミック板、１４・・
・絶縁板、１５・・・金属製支持板、１６．１７・・・
金属製弾性体、２１・・・ロータ、２２・・・ベアリン
グ、２３・・・スペーサ、２４・・・コイルバネ、２５・・・ナツト、２６・・・シャフト、１１１、１１２゜１２１、１２２．１３１．１３２・・・電気端子。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子とが支持板を
介して配置された縦−捩り複合振動子を有するステータ
と、このステータに圧接されたロータとを備えた超音波
モータにおいて、ステータ中央部の支持板と縦振動圧電
素子の間に、厚み方向に分極され両面に電極が形成され
た圧電セラミック板が配置されている構造を特徴とする
超音波モータ。
（２）厚み方向に分極され両面に電極が形成された圧電
セラミック板は絶縁板を介して支持板と縦振動圧電素子
の間に配置されている特許請求の範囲第１項記載の超音
波モータ。