JPH0787712B2 - 超音波モータ - Google Patents
超音波モータInfo
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- JPH0787712B2 JPH0787712B2 JP1316655A JP31665589A JPH0787712B2 JP H0787712 B2 JPH0787712 B2 JP H0787712B2 JP 1316655 A JP1316655 A JP 1316655A JP 31665589 A JP31665589 A JP 31665589A JP H0787712 B2 JPH0787712 B2 JP H0787712B2
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- Japan
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- ultrasonic motor
- longitudinal
- torsional
- stator
- rotor
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- Expired - Lifetime
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
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。
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。
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0.1〜0.2kgf・cmに過ぎない。
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。
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62−14
9726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.821−822(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成されてい
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Al合金からできたヘッドマス14、ボルト16、ナット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10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、23はシャフト、
22はナットである。ナット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。
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。
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fT>fLである。従って、fT≠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。
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である。
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
タ部分のうち時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。
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倍ほど大きいこと、縦
の特性機械インピーダンスZOLが、中空円筒に関して 捩りの特性機械インピーダンスZ0Tは、同じく中空円筒
に関して で与えられ、Z0L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 ρ;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 DI;内径 JP;断面極2次モーメント である。第4図(a)、(b)の縦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Z0L、Z0T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。
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の一致させている。
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fL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Al合金、
Ti合金等の軽量で剛性の大きな材料で構成し、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、内部の凹部分に
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、ナットにより強
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=fLを実現することが可能である。
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Al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、このうちヘッド
マス14b部分の内側の高さは4mm、外側の高さは8mm、内
径は20.1mm、外形は24mmであり、ヘッドマス14a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とナット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。
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はナットで、シャフト23、バネ21、ナット
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ッ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1
4c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50
kgf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80Vrms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諸特性は無負荷時回転数520r.p.
m.、最大トルク5.1kgf・cm、最大効率63%である。
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5図に示したものと
ほぼ同じであった。
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。
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はナット、18はロー
タ、19はベアリング、20は台座、21はバネ、22はナッ
ト、23はボルト、24は耐摩耗材、25は鍔を示す。
Claims (1)
- 【請求項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。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1316655A JPH0787712B2 (ja) | 1989-12-05 | 1989-12-05 | 超音波モータ |
US07/620,776 US5115161A (en) | 1989-12-04 | 1990-12-03 | Ultrasonic motor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1316655A JPH0787712B2 (ja) | 1989-12-05 | 1989-12-05 | 超音波モータ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03178579A JPH03178579A (ja) | 1991-08-02 |
JPH0787712B2 true JPH0787712B2 (ja) | 1995-09-20 |
Family
ID=18079435
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1316655A Expired - Lifetime JPH0787712B2 (ja) | 1989-12-04 | 1989-12-05 | 超音波モータ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0787712B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2088234C (en) | 1992-01-29 | 1999-09-14 | Akio Atsuta | A vibration driven motor or actuator |
JP2003103315A (ja) * | 2001-09-28 | 2003-04-08 | Amada Eng Center Co Ltd | パンチング加工方法およびパンチング加工機 |
-
1989
- 1989-12-05 JP JP1316655A patent/JPH0787712B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
JAPANESEJOURNALOFAPPLIEDPHYSICS,Vol.26,Suppl.26−21978,P.188〜190 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH03178579A (ja) | 1991-08-02 |
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Legal Events
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