JPH044766A - 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
動子をステータとする超音波モータの改良に関する。

（従来の技術） 縦・捩り複合振動子をステータとする従来の超音波モー
タは、ステンレス鋼製リング、縦振動駆動用圧電素子、
支持具、捩り振動駆動用圧電素子、ステンレス鋼製リア
マスの順で配置された部材を前記ステンレス鋼製リング
と当接する側に配置したアルミニュウム合金製ヘッドマ
スと該リアマスと当接する側に配置したステンレス鋼製
ナンドでボルトを介して締め付ける構成の縦、捩り複合
振動子をステータとして使用しており、ステータ全長に
対する縦及び捩り振動駆動用圧電素子の長さ比が太きい
。また、縦及び捩り振動用圧電素子は駆動圧電を低くす
るために薄いリング状圧電セラミックを積層して製作さ
れている。

（発明が解決しようとする課題） 縦及び捩り振動は各々の節の位置で歪が最大であり、縦
及び捩り振動駆動用圧電素子は各々の振動の節の位置に
配置されることが望ましし）。節の位置から離れて配置
された圧電素子はステータを効率よく励振することがで
きない。またリング状圧電セラミックの積層数を多くし
、各圧電セラミ・ツクを電気的に並列に接続した縦及び
捩り駆動用圧電Ｘ子は電気的なインピーダンスが小さく
なる。

従って、上記従来の超音波モータは圧電素子の材料費及
び製造費の占める割合が大きく、高価な超音波モータと
なる。また、必要以上に電流が流入して消費電力が大き
くなる。以上の問題点は超音波モータの低価格化及び高
効率化のために解決すべき重要な課題である。

縦・捩り複合振動子をステータとする超音波モータは、
モータ効率を高めるために、縦及び捩り振動の共振周波
数を一致させ、更に縦振動の節及び捩り振動の節を各々
縦振動用圧電素子及び捩り振動用圧電素子の長手方向の
中央部に位置するように構成されている。上記問題点を
解決するために、従来の超音波モータに配置されている
縦及び捩り振動駆動用圧電素子の長さを短くして各々の
振動の節を圧電セラミック素子の中央部に位置させると
、縦振動の位相速度が捩りの位相速度の１．６倍はど太
きいために共振周波数を一致させることは不可能である
。

（課題を解決するための手段） 本発明は、ヘッドマス、縦振動駆動用圧電素子、リング
部材、捩り振動駆動用圧電素子、リアマスの順で配置さ
れた各部材をナツトとボルトで締め付ける構成の縦・捩
り複合振動子をステータとする超音波モータであって、
前記リング部材は密度と音速の積が１８．７１ｋｇ／ｍ
２−ｓｅｃ以上で３４．７５ｋｇ／ｍ２−ｓｅｃ以下の
材料である縦・捩り複合振動子をステータとする超音波
モータである。本発明は縦及び捩り振動の節を縦及び捩
り振動駆動用圧電素子の中央部に位置することができ、
各々の共振周波数を一致させることが出来る。

従来の超音波モータは、捩り振動の共振周波数の方が縦
振動の共振周波数より高く、ロータとステータの圧接力
に対して捩り振動の共振周波数は僅かに増加して飽和し
、縦振動の共振周波数は著しく増加して捩り振動の共振
周波数に接近し、圧接力を更に増加させると各々の共振
周波数が一致する。しかし、圧接力がかなり太きいと振
動振幅が抑制され、超音波モータは回転しなくなる。従
って、程々の圧接力で縦及び捩り振動の共振周波数を一
致させる必要がある。

次に部材の材質を限定した理由を説明する。

縦及び捩り振動の共振周波数を一致させるためには、捩
り振動の共振周波数を減少させるか、縦振動の共振周波
数を増加させるかの２通りの方法がある。縦振動の共振
周波数を増加させるには、ヘッドマスの材質をステンレ
ス鋼のような密度と音速の積（ｐｃ積）の大きい材料に
すればよいが、振動振幅が小さくなると言う欠点がある
。捩り振動の共振周波数を減少させるために中間シリン
ダの材質をｐｃ積の小さい材料にすると、縦振動の共振
周波数の減少の程度より捩り振動の減少の程度の方が顕
著である。従って縦振動と捩り振動の共振周波数を従来
の超音波モータより低圧接力側で一致させることが出来
る。しかし、ｐｃ積が１８．７１ｋｇ／ｍ２−ｓｅｃを
下回る金属材料では縦振動と捩り振動の共振周波数が一
致する圧接力が著しく低くなり、３４．７５ｋｇ／ｍ２
．ｓｅｃを上回る金属材料では縦振動と捩り振動の共振
周波数が一致する圧接力が著しく高くなる。従って、上
記の理由からｐｃ積は１８．７１ｋｇ／ｍ２−ｓｅｃ以
上で３４．７５ｋｇ／ｍ２・ｓｅｃ以下が望ましい。

（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図に示す本発明に基づいて製作された超音波モータ
は、全長が４５．１５ｍｍである。ヘッドマス１２ａは
アルミニュウム合金製で直径１２ｍｍ、長さ７ｍｍであ
る。ヘッドマス１２ｂはステンレス鋼製で直径１３ｍｍ
、長さ３ｍｍのリング、ボルト１５はステンレス鋼製で
直径４ｍｍ、長さ２５．１ｍｍであり、ヘッドマス１２
ａに一体化されている。縦振動駆動用圧電素子１は厚さ
１ｍｍで直径１２ｍｍのリングを２枚接着して構成して
いる。捩り振動駆動用圧電素子１１は厚さ１ｍｍで直径
１２ｍｍのリングを２枚接着して構成している。縦振動
駆動用圧電素子１０と捩り振動駆動用圧電素子２の間に
０．５厚さのステンレス鋼製支持具１７を挾んで、真鋳
（ｐｃ積２６．７３ｋｇ／ｍ２・５ｅｅ）製の直径１２
ｍｍ、長さ２．９ｍｍの中間シリンダ１６ａ及び１６ｂ
を配置する。これらの部材をヘッドマス１２ａと直径１
２ｍｍ、長さ１１．５ｍｍのステンレス鋼製リアマス４
で挾み、ナツト１４で強固に締め付けられている。以上
の構成のステータに直径１２ｍｍ、高さ１０ｍｍのロー
タ１８がヘッドマス１２ａに一体になっているシャフト
を中心として回転するように、ベアリングを介してスプ
リングでロータ１８をステータ１２ａに圧接している。

本発明の超音波モータの縦振動及び捩り振動駆動用圧電
素子に、単独で各々実効値で５０（Ｖ）を印加し、周波
数特性を測定した。ロータとステータの圧接力を変化さ
せた場合の各々の共振周波数をプロットすると第２図に
示す結果が得られた。その結果、本発明の超音波モータ
は、圧接力２０ｋｇｆで縦及び捩り振動の共振周波数が
一致した。この超音波モータの圧接力、駆動周波数及び
縦と捩り振動駆動用圧電素子に印加する電圧の位相差を
ロータ回転数が最大になるように調節し、回転数−トル
ク特性及び効率を測定すると、第３図に示す性能が得ら
れた。

第４図に示す従来の超音波モータは、全長が３７．３ｍ
ｍである。ヘッドマス１２ａはアルミニュウム合金製で
直径１２ｍｍ、長さ７ｍｍである。ヘッドマス１２ｂは
ステンレス鋼製で直径１３ｍｍ、長さ３ｍｍのリング、
ボルト１５はステンレス鋼製で直径４ｍｍ、長さ１８．
３ｍｍであり、ヘッドマス１２ａに一体化されている。

縦振動駆動用圧電素子１０は厚さ１ｍｍで直径１２ｍｍ
のリングを４枚接着して構成している。捩り振動駆動用
圧電素子１１は厚さ１ｍｍで直径１２ｍｍのリングを４
枚接着して構成している。縦振動駆動用圧電素子１０と
捩り振動駆動用圧電素子２の間に０．５厚さステンレス
鋼製支持具１７を挾み、これら部材をヘッドマス１２ａ
と直径１２ｍｍ、長さ１ｍｍのステンレス鋼製リアマス
１３で挾み、ナツト１４で強固に締め付けられている。

以上の構成のステータに直径１２ｍｍ、高さ１０ｍｍの
ロータ１８がヘッドマス１２ａに一体になっているシャ
フトを中心として回転するように、ベアリングを介して
スプリングでロータ１８をステータに圧接している。

従来の超音波モータの縦振動及び捩り振動駆動用圧電素
子に、単独で各々実効値で５０（Ｖ）を印加し、周波数
特性を測定した。ロータとステータの圧接力を変化させ
た場合の各々の共振周波数をプロットすると第５図に示
す結果が得られた。その結果、従来の超音波モータは、
圧接力２３ｋｇｆで縦及び捩り振動の共振周波数が一致
した。この超音波モータの圧接力、駆動周波数、縦及び
捩り振動駆動用圧電素子に印加する電圧の位相差をロー
タ回転数が最大になるように調節し、回転数−トルク特
性及び効率を測定すると、第６図に示すように本発明に
比べて大幅に劣った性能しか得られなかった。

また本発明の構成でｐＣ積が１８．７１ｋｇ／ｍ２−ｓ
ｅｃ下回る金属材料を中間シリンダに使用した場合、低
圧接力条件下でｌＪ１振動の共振周波数の方が捩り振動
の共振周波数より高くなった。ｐＣ積が３４．７５ｋｇ
／ｍ２−ｓｅｃを上回る金属材料を中間シリンダに使用
した場合、従来の超音波モータより高圧接力条件下でし
か縦及び捩り振動の共振周波数が一致しなかった。

（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。従って、本発明に基づく超音波モータの技術的
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図は本発明の超音波モータの断面図、第２図は実施
例に使用した本発明の超音波モータの共振周波数−圧接
力特性図、第３図は実施例に使用した本発明の超音波モ
ータのモータ特性図、第４図は従来の超音波モータの断
面図、第５図は実施例に使用した従来の超音波モータの
共振周波数−圧接力特性図、第６図は実施例に使用した
従来の超音波モータのモータ特性図を示す。 図において、１０・・・縦振動駆動用圧電素子、１１・
・・捩り振動駆動用圧電素子、１２ａ・・・アルミニュ
ウム合金製へラドマス、１２ｂ・・・ステンレス鋼製ヘ
ッドマスリング、１３・・・真鋳製リアマス、１４・−
・ナツト、１５・・・ボルト、１６ａ、　１６ｂ・、・
真鋳製中間シリンダー、１７・・・支持具、１８・・・
ロータを示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ヘッドマス、縦振動駆動用圧電素子、リング部材、捩
   り振動駆動用圧電素子、リアマスの順で配置された各部
   材をナットとボルトで締め付ける構成の縦・捩り複合振
   動子をステータとする超音波モータであって、前記リン
   グ部材は密度と音速の積が１８．７１ｋｇ／ｍ＾２・ｓ
   ｅｃ以上で３４．７５ｋｇ／ｍ＾２・ｓｅｃ以下の材料
   であることを特徴とする超音波モータ。