JPH0345172A - 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７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屈曲進行
波を利用した超音波モータが特開昭５８−１４８６８２
号公報により開示されて以来、超音波モータは電磁型モ
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屈曲振動を利用し
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０．１〜０．２ｋｇｆ−
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
廻りの何れか一方となり、回転方向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、及び昭和６３年日本音響学会秋期研究
発表会講演論文集Ｎｏ、２−４−ＬＯ，ｐｐ。

８２１−８２２　（１９８８年１０月）等において開示
した縦・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。

第３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施されている。

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。１３
は支持板であり、実際にモータを駆動するときには支持
板でモータを固定する。これらの圧電素子１１．１２及
び支持板１３は、Ａ１合金からできたヘッドマス１４、
リアマス１５、ボルト１６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１０を一構成する。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、２３はシャフト、２２はナツトで
ある。このナツト２２によりバネの圧接力を加減するこ
とが出来る。また、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４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
タに伝達される。

この超音波モータは、ステータとロータの界面に縦と捩
り振動で脅威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
を調整することにより、弱電界時において辛うじて縦振
動と捩り振動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） この縦振動と捩り振動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ｒ７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３図に
示した構成の超音波モータでは、捩り振動の共振周波数
ｆ１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、縦振
動の共振周波数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、荊記圧接力
が大きいほど捩りの共振周波数に近づく。即ち、第３図
に示した構成の超音波モータでは、一般にｆ、＞　ｆＬ
である。従って、ｆ、＝＝　ｆＬを実現しようとすれば
、まずロータを軽くする必要があり、そのためにはロー
タの高さを小さくせざるを得ないが、このような形状の
ロータでは剛性が小さくなり、犬きなトルクの発生は困
難となる。あるいは、圧接力を極端に大きくすることが
必要であるが、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、ベアリングの損傷や寿命の短命化につながり、極め
て危険である。したがって、従来の第３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、ｆｌ
が丘より高い状態であり、得られる効率はせいぜい２５
％〜４０％程度である。

（課題を解決するための手段） 本発明は、縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子を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する構成の超音波モータにおい
て、ロータ側に位置するブロックと圧電素子の間に、圧
電素子の外径より大きな外径で、密度と弾性率の積が前
記ブロックの材料よりも大きい材料で作製され、外周部
に溝が等間隔に形成された円板を配置したことを特徴と
する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
ー駆動時において完全に一致させ、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、縦振動と捩
り振動の共振周波数を一致させている。以下に詳細に説
明する。

従来の第３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５図（ａ）、（ｂ）に示す。縦振動
と捩り振動の振動変位分布が異なっているが、この理由
は、縦弾性波の位相速度が捩り弾性波の位相速度の１，
６倍はど大きいこと、縦振動の特性機械イ捩り振動の特
性機械インピーダンス２゜Ｔは、同じく中空円筒に関し
て ＺｏＴ＝ｐｃＴＪ、＝（ｎ／３２）１（Ｄｏ−Ｄｌ）　
　　（２）で与えられ、ｚＯＬは直径の２次関数、ｚＯ
Ｔは直径の４次関数となっていることによる。ここで（
１）式、（２）式において ｐ　・　密度 ｃＬ；　縦弾性波の位相速度 ζ；　捩り弾性波の位相速度 Ａ・　中空円筒の断面積 Ｅ　・　縦弾性率 Ｇ・　ずれ弾性率 り。・　外径 ＤＩ・　内径 Ｊ、・　中空円筒の断面積２次モーメントである。第５
図（ａ）、　（ｂ）の縦振動と捩り振動の振動モードを
詳細に見ると、ヘッドマス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
マス部分において、特性機械インピーダンス２゜Ｌ’　
ｚＯＴを変えてやることにより、振動モードに変化を与
え、縦振動と捩り振動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５図に示す従来の縦−捩り複合振動子をステータとす
る超音波モータの振動変位分布のへラドマス部分に注目
すると、ヘッドマスの縦圧電セラミック素子に近い部分
において、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おり、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
おいて、捩り振動の共振周波数ｆ１は縦振動の共振周波
数ｒＬより高い。しかしながら、本発明に基づく超音波
モータでは、Ａ１合金やＭｇ合金等の比較的軽量なヘッ
ドマスと圧電素子の間に、圧電素子の外径より大きな外
径で、Ａ１合金やＭｇ合金よりも密度と弾性率がともに
大きなステンレス鋼、超硬合金等の材料で作製された外
周部に溝が形成されている円板を配置することによって
、ヘッドマス部は、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
実現している。したがって、本発明の超音波モータでは
、以上の改良により、捩り振動の共振周波数らを低下さ
せ、縦振動の共振周波数ｆ、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、ｆ、、：
　ｆ、を実現することが可能となる。

（実施例） 本発明の実施例の側断面図を第１図に示す。第２図は第
１図の本発明の超音波モータを上方から見た図である。

以下、図面にしたがって説明する。実施例に示した超音
波モータの全長は７０ｍｍ、リアマス１５の直径は２０
ｍｍである。Ａ１合金製のへラドマス１４は外径２０ｍ
ｍ、高さ６ｍｍ、ステンレス鋼製のへラドマス１７は内
径９ｍｍ、外径２４ｍｍ、高さ５ｍｍである。１１は外
径２０ｍｍ、内径１０ｍｍの縦振動励振用ＰＺＴ系圧電
セラミック素子で、１２は同じく外径２０ｍｍ、内径１
０ｍｍの捩り振動励振用ＰＺＴ系圧電セラミック素子、
１５はステンレス鋼製リアマスである。ヘッドマス１４
からリアマス１５の間にある部材はステンレス鋼性ボル
ト１６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。なお、本実施例ではボ
ルト１６はへラドマス１４に締め付けられているが、ヘ
ッドマス１４とへラドマス１７を溶接等の手段により一
体化しボルト１６をヘッドマス１７に対して締め付けて
も、本実施例と同様の効果が得られるのは明白である。

１８はステンレス鋼製ロータで高さは８ｍｍ、１９はベ
アリング、２０はステンレス鋼製台座、２３はステンレ
ス鋼製シャフト、２１はバネ、２２はナツトで、シャフ
ト２３、バネ２１．ナツト２２はロータ１８をステータ
１０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。縦振動励振用
圧電素子１１と捩り振動励振用圧電素子１２に交流電圧
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、縦振動と捩り振動の共振周波数を
一致させた場合、ステータ１０とロータ１８の界面にお
いて、縦振動と捩り振動の振幅が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１７は、縦
振動に対してはスチフネスの増加により共振周波数を高
くし、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と
ともに８０■　　として、ハイパワーの励ｍＳ 振を行ったとき縦振動の共振周波数は３２．２ｋＨｚ、
捩り振動の共振周波数は３１．１ｋＨｚであった。そこ
で、ヘッドマス１７の外周を削って質量を落とすことで
、周波数調整を行ったところ、３２．１ｋＨｚで縦振動
と捩り振動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、圧電素子１１と１２に印加する電圧の
位相差を７０度で駆動すると、時計廻り方向に回転した
。その時の回転数−トルク特性測定結果を第６図に示す
。この超音波モータの緒特性は無負荷時回転数５６０ｒ
、　ｐ、　ｍ、、最大トルク５．３ｋｇｆ−ｃｍ、最大
効率６５％である。

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６図に示したものとほぼ同
じであった。

上記実施例においてはヘッドマス１６にステンレス鋼、
ヘッドマス１３にＡ１合金を用いており、ヘッドマス１
６とへラドマス１３の密度と弾性率の積の平方根の比に
＝ψＨは２．８である。ヘッドマス１６の材料をに＝２
．４の銅、ｋ＝１．７のチタンに替えても、圧接力５０
ｋｇｆの条件下においてへラドマス１６の外径２４ｍｍ
以下で縦振動と捩り振動の共振周波数を一致させること
ができ、その時の超音波モータの特性は第２図とほぼ同
じであった。しかしながらに＝１．４の錫を用いた場合
では、ヘッドマス１６の外径２４ｍｍにおいてもｆＬ＜
ｆ、であり、共振周波数を一致させることができなかっ
た。この場合、ヘッドマス１６の外径をさらに大きくす
れば共振周波数が一致するのは明白であるが、超音波モ
ータ全体の小径化にはへラドマス１６とへラドマス１３
の比が１．２以下の状態で縦振動と捩り振動の共振周波
数を一致させるには、密度と弾性率の積の比が１．５以
上であることが必要である。

（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
は高電界駆動時において、縦振動と捩り振動の共振周波
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
ることが出来る。したがって、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図は発明の超音波モータの実施例を示す側断面図、
第２図は本発明の超音波モータを上方から見た図、第３
図は従来型超音波モータの側断面図、第４図は超音波モ
ータの動作原理図、第５図は従来型超音波モータの変位
分布図、第６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・・・ステータ、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、１３・・・支持板、１４・・・ヘッ
ドマス、１５・・・リアマス、１６・・・ボルト、１７
・・・円板状のヘッドマス、１８・・・ロータ、１９・
・・ベアリング、２０・・・台座、２１・・・コイルバ
ネ、２２・・・ナツト、２３・・・シャフト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子を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
   ロータを圧接する構成の超音波モータにおいて、ロータ
   側に位置するブロックと圧電素子の間に、圧電素子の外
   径より大きな外径で、密度と弾性率の積が前記ブロック
   の材料よりも大きい材料で作製され、外周部に溝が等間
   隔に形成された円板を配置したことを特徴とする超音波
   モータ。