JPH09182469A

JPH09182469A - 超音波モータ及び超音波モータの駆動方法

Info

Publication number: JPH09182469A
Application number: JP7350946A
Authority: JP
Inventors: Motoyasu Yano; 元康谷野; Masahiko Komoda; 晶彦菰田; Masafumi Ishikawa; 雅史石川; Keisuke Honda; 敬介本多
Original assignee: Asmo Co Ltd; Honda Electronics Co Ltd
Current assignee: Asmo Co Ltd; Honda Electronics Co Ltd
Priority date: 1995-12-25
Filing date: 1995-12-25
Publication date: 1997-07-11
Anticipated expiration: 2015-12-25
Also published as: JP3441585B2

Abstract

(57)【要約】【課題】単相で双方向に回転可能な超音波モータ及び
超音波モータの駆動方法を提供することを目的とする。【解決手段】ステータ部２０の縦共振周波数の縦振動
又は捩り共振周波数の捩り振動を発生させる圧電素子２
２、２４と、縦振動又は捩り振動の一方から他方を発生
させて楕円振動が合成されるようにする斜めスリット溝
３８と、圧電素子２２、２４に縦振動及び捩り振動に対
応する周波数の交流電圧をスイッチ５２によって切り換
えて選択的に電圧を印加する電圧印加装置５０と、を有
することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波モータ及び超
音波モータの駆動方法に関し、特に定在波型超音波モー
タ及び超音波モータの駆動方法に関する。

【０００２】

【発明の背景】従来の定在波型超音波モータとして、ス
テータ部に傾斜したスリット溝を形成して、圧電素子の
縦振動により捩り振動を発生させ、縦振動と捩り振動と
が合成されて生じる楕円振動によって、ロータ部を回転
させるものが知られており、例えば特開平２−２６２８
１号公報に開示されている。

【０００３】しかし、このような定在波型超音波モータ
には、一方向に傾斜したスリット溝しか形成されていな
いため、ロータ部が一方向にしか回転せず、用途が限定
されるという問題を有していた。

【０００４】あるいは、傾斜したスリット溝を有しな
い、給電を２相式として位相が互いに反転した交流電圧
を印加し得る超音波モータにおいては、ロータ部は正逆
に回転することが出来る。

【０００５】しかし、この場合は給電のための回路が複
雑となってコスト高となる、あるいは、外形寸法が大き
くなるという問題を有している。

【０００６】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
で、単相で双方向に回転可能な超音波モータ及び超音波
モータの駆動方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、ステータ部の端面に、縦振
動及び捩り振動が合成されてなる楕円振動を発生させ
て、ロータ部を回転駆動する超音波モータにおいて、ス
テータ部の縦共振周波数の縦振動又は捩り共振周波数の
捩り振動を、印加される周波数の交流電圧に応じて発生
させる振動発生手段と、前記縦振動又は捩り振動の一方
から他方を発生させて、楕円振動が合成されるようにす
る振動変換手段と、前記振動発生手段に、前記縦振動及
び捩り振動に対応する周波数の交流電圧を、切り換えに
より選択的に電圧を印加する電圧印加手段と、を有する
ことを特徴とする。

【０００８】本発明によれば、振動発生手段は、ステー
タ部に縦振動又は捩り振動を生じさせるようになってお
り、詳しくは、ステータ部が大きく振動できるように、
縦共振周波数の縦振動、あるいは、ステータ部の捩り共
振周波数の捩り振動を生じさせるようになっている。

【０００９】例えば、ステータ部に縦振動を生じさせる
には、これに対応する周波数を選択して電圧印加手段に
より交流電圧を振動発生手段に印加する。そうすると、
ステータ部に生じた縦振動から振動変換手段を介して捩
り振動が生じ、両振動が合成されてステータ部の端面に
楕円振動が生じて、ロータ部が回転する。

【００１０】また、ステータ部に捩り振動を生じさせる
には、これに対応する周波数を選択して電圧印加手段に
より交流電圧を振動発生手段に印加する。そうすると、
ステータ部に生じた捩り振動から振動変換手段を介して
縦振動が生じ、両振動が合成されてステータ部の端面に
楕円振動が生じて、ロータ部が回転する。

【００１１】このように、振動発生手段に生じる振動
が、縦振動であっても捩り振動であっても、ロータ部は
回転するのであるが、その回転方向が逆になることが、
実験的に明らかになった。

【００１２】したがって、電圧印加手段から振動発生手
段に印加される交流電圧の周波数を切り換えることで、
ロータ部を正逆回転させることができる。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の超
音波モータにおいて、前記振動変換手段は、前記ステー
タ部の一部に形成された斜めスリット溝であることを特
徴とする。

【００１４】そして、このスリット溝によって、縦振動
又は捩り振動の一方から他方を発生させて、楕円振動が
合成されるようになっている。

【００１５】請求項３記載の発明は、ステータ部の端面
に、縦振動及び捩り振動が合成されてなる楕円振動を発
生させて、ロータ部を回転駆動する超音波モータの駆動
方法において、前記超音波モータは、ステータ部の縦共
振周波数の縦振動又は捩り共振周波数の捩り振動を、印
加される周波数の交流電圧に応じて発生させる振動発生
手段と、前記縦振動又は捩り振動の一方から他方を発生
させて、楕円振動が合成されるようにする振動変換手段
と、を有し、前記振動発生手段に、前記縦振動及び捩り
振動に対応する周波数の交流電圧を、切り換えにより選
択的に電圧を印加することで、前記ロータ部を正逆回転
させることを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、図面に基づいて本発明の実
施形態について詳細に説明する。図１は、本発明に従っ
て駆動する超音波モータの全体構成を示す図であり、図
２は、ステータ部２０の詳細構造および組み付け状態を
示す分解斜視図である。

【００１７】これらの図に示すように、この超音波モー
タは、回転駆動されるロータ部１０と、このロータ部１
０を一方の端面１２に発生する楕円振動によって回転駆
動するステータ部２０とを含んで構成される。そして、
端面１２がロータ接触面となる。

【００１８】ロータ部１０は、ステータ部２０の端面１
２に一定の圧力で接触する円板１４と、この円板１４の
回転中心に取り付けられた回転出力軸１６とを含んでい
る。従って、ステータ部２０の端面１２に楕円振動が発
生すると、ロータ部１０の円板１４は回転出力軸１６の
回りに回転駆動される。そして、円板１４と回転出力軸
１６は一体的に形成され、円板１４が回転することによ
り回転出力軸１６も回転するようになっている。

【００１９】また、ステータ部２０は、例えばセラミッ
クス等の圧電体を用いてリング状に形成された圧電素子
２２、２４と、一方の圧電素子２４の両側に全面で接触
するように配置された電極板２６、２８と、これら圧電
素子２２、電極板２６、圧電素子２４、電極板２８を両
側から挟持するように配置された第１の金属ブロック体
３０、第２の金属ブロック体３４と、これらを締め付け
固定するための結合ボルト３６（図２参照）とを含んで
いる。

【００２０】そして、第１の金属ブロック体３０および
第２の金属ブロック体３４のそれぞれの中心には、図示
しないネジ孔が形成されており、結合ボルト３６が螺合
するようになっている。

【００２１】さらに、圧電素子２２、電極板２６、圧電
素子２４、電極板２８のそれぞれには、結合ボルト３６
の外径よりも大きな内径を有するボルト挿通孔２２ａ、
２６ａ、２４ａ、２８ａが形成されている。そして、こ
れらボルト挿通孔２２ａ、２６ａ、２４ａ、２８ａの内
径は、圧電素子２２、電極板２６、圧電素子２４、電極
板２８を組み立てる際に結合ボルト３６の外側に挿通さ
れる絶縁カラー４４の外径とほぼ一致するように形成さ
れている。

【００２２】そして、第２の金属ブロック体３４の一方
の端面１３は、圧電素子２２と接しており、この端面１
３に複数の斜めスリット溝３８が形成されている。

【００２３】また、ステータ部２０は、第２の金属ブロ
ック体３４、圧電素子２２、電極板２６、圧電素子２
４、電極板２８、第１の金属ブロック体３０が連結され
て一体化した構造を有しており、一方の電極板２６から
は外部接続端子４０が、他方の電極板２８からは外部接
続端子４２がそれぞれ突出した形となっている。

【００２４】２つの外部接続端子４０、４２は、圧電素
子２４に対して、電圧印加装置５０から高周波交流電圧
を印加するようになっている。また、圧電素子２２に対
しては、外部接続端子４２から第１の金属ブロック体３
０を介し、結合ボルト３６を経て電気的に接続された第
２の金属ブロック体３４の端面１３が電極板として作用
するため、この第２の金属ブロック体３４と電極板２６
とによって一定周波数の高周波交流電圧が印加される。

【００２５】したがって、圧電素子２２、２４には、電
極板２６を共通にして、それぞれ第２の金属ブロック体
３４又は電極板２８から高周波交流電圧を印加するよう
にしてある。すなわち、圧電素子２２、２４には、それ
ぞれ上下逆の極性で高周波交流電圧が印加されるのであ
る。

【００２６】一方、圧電素子２２、２４は、図２に示す
ように分極方向がそれぞれ上下逆になっている。

【００２７】そうすると、圧電素子２２、２４は、分極
方向が上下逆で、印加される電圧の極性も上下逆である
ことから、対応する極性は同一となる。そして、一方の
圧電素子２２が伸びる場合には他方の圧電素子２４も伸
び、一方の圧電素子２２が縮む場合には他方の圧電素子
も縮むことになる。これにより、ステータ部２０全体と
しての縦方向（結合ボルト３６の長手方向）の振幅値を
大きく設定することができる。

【００２８】ステータ部２０の組み立ては、まず第１の
金属ブロック体３０に結合ボルト３６の一方端を螺合し
て取付け固定した後、絶縁カラー４４を挿通し、その後
この絶縁カラー４４の外周側に電極板２８、圧電素子２
４、電極板２６、圧電素子２２のそれぞれを順に挿通す
る。次に、第２の金属ブロック体３４を結合ボルト３６
の他方端に螺合させることにより、第１および第２の金
属ブロック体３０、３４によってそれ以外の部材を締め
付け固定する。

【００２９】ここで、結合ボルト３６は単に第１および
第２の金属ブロック体３０、３４を締め付けるために用
いているため、ピッチ、締め付け荷重および各種寸法精
度を厳しく管理する必要がなく、設計および製造が容易
となる。

【００３０】また、本実施形態の超音波モータは、ボル
トによる締め付けを利用して捩り振動を発生させている
わけではないため、各部材を締め付ける方法については
何でもよい。従って、一般に使われているナットを用い
たり、結合ロッドを単にかしめるだけでもよいので、部
品コストを低減することができるとともに、その製造工
程を簡略化することもできる。

【００３１】なお、本実施形態は、この連結固定に際
し、各部材の積層面の固定に接着剤を用いていないた
め、共振周波数のモータ毎のばらつきや、共振曲線の鋭
さを示すＱ値の低下を防ぐことができ、これにより超音
波モータの性能および信頼性の向上を図ることができ
る。

【００３２】図３は、ステータ部２０の第２の金属ブロ
ック体３４に形成された斜めスリット溝３８の詳細を示
す図である。同図（Ａ）は第２の金属ブロック体３４を
側面から見た図を示しており、複数の斜めスリット溝３
８が、第２の金属ブロック体３４の下側端面に部分的に
接するように配置された状態が示されている。これらの
斜めスリット溝３８は、第２の金属ブロック体３４の下
側あるいは横方向から切削することにより形成すること
ができるため、その形成は比較的容易に行うことができ
る。

【００３３】また、同図（Ｂ）は第２の金属ブロック体
３４を上側から見た図を示しており、金属ブロック体３
４に１２個の斜めスリット溝３８が形成された状態が示
されている。

【００３４】次に、電圧印加装置５０は、圧電素子２
２、２４に高周波交流電圧を印加するもので、スイッチ
５２によって、周波数ｆ1 又はｆ2 のいずれかの周波数
を選択できるようになっている。

【００３５】そして、本実施形態では、周波数ｆ1 又は
ｆ2 のいずれかを選択することで、ロータ部１０を正逆
回転できるようになっている。これは、実験により明ら
かになったもので、その実験データについて以下説明す
る。

【００３６】

【実施例】図４は、上記ステータ部２０における振動周
波数とインピーダンスとの関係を理論上導き出してグラ
フにしたもので、インピーダンスが低くなったところ
が、共振していることを示し、縦振動の一次共振周波数
をｆ1 、捩り振動の二次共振周波数をｆ2 で示す。

【００３７】ここで、縦振動の共振周波数は、ｖ／（２
Ｌ）で導かれ、捩り振動の共振周波数は、ｖ´／（２
Ｌ）で導かれる。なお、ｖは、アルミニウムの縦方向の
振動の伝搬速度でｖ＝５１００ｍ／ｓで、ｖ´は、アル
ミニウムの横方向の振動の伝搬速度でｖ´＝３０００ｍ
／ｓであり、Ｌは、ステータ部２０を全てアルミニウム
で構成した場合の長さを示す。また、二次共振周波数
は、一次共振周波数を２倍し、経験上導かれた定数１．
９を乗することで導くことができる。

【００３８】そして、ステータ部２０は、各金属ブロッ
ク体３０、３４がアルミニウムで構成され、直径が２０
ｍｍで長さが４０ｍｍであるが、圧電素子２２、２４が
それぞれ３ｍｍであるので、これをアルミニウムで構成
した場合に換算すると、３×２×５／３＝１０ｍｍとな
り、ステータ部２０の全長は、４０−（３×２）＋１０
＝４４ｍｍに換算される。これを上式に代入して、縦振動の一次共振周波数ｆ1 ＝５１００／（２×４４×１０^-3）＝５７．９５４５ｋＨｚ捩り振動の二次共振周波数ｆ2 ＝３０００／（２×４４×１０^-3）×２×１．９＝６４．７７１ｋＨｚとなる。

【００３９】以上の理論上の値を基にして、実際にステ
ータ部２０を、縦振動の一次共振周波数及び捩り振動の
二次共振周波数で振動させたところ、ロータ部１０が正
逆回転することがわかった。図５は、実験結果を示す図
表である。

【００４０】なお、上述した理論値では、縦振動の一次
共振周波数ｆ1 は約６０ｋＨｚであったが、この理論値
はステータ部２０が斜めスリット溝３８を有しない場合
の値であり、実際には５５ｋＨｚが縦振動の一次共振周
波数であった。同様に、実際の捩り振動の二次共振周波
数は、６３ｋＨｚであった。

【００４１】実験の結果は、図５に示すように、ステー
タ部２０の圧電素子２２、２４に、５５ｋＨｚの交流電
圧を印加したところロータ部１０は時計回りに回転し、
６３ｋＨｚの交流電圧を印加したところロータ部は、こ
れとは反対に反時計回りに回転するというものであっ
た。

【００４２】その作用を説明すると、５５ｋＨｚの交流
電圧を印加すると、圧電素子２２、２４の縦振動を介し
てステータ部２０は縦振動し、斜めスリット溝３８によ
って捩り振動が発生し、両振動が合成されて端面１２に
楕円振動が生じてロータ部１０が回転する。

【００４３】一方、６３ｋＨｚの交流電圧を印加する
と、圧電素子２２、２４の捩り振動を介してステータ部
２０は捩り振動し、斜めスリット溝３８によって縦振動
が発生し、両振動が合成されて端面１２に楕円振動が生
じてロータ部１０が回転する。

【００４４】このように、いずれの場合も、縦振動又は
捩り振動のいずれか一方から、斜めスリット溝３８によ
って他方が発生することで、楕円振動を合成させてロー
タ部１０を回転させることができる。

【００４５】しかしながら、その回転方向が逆となるの
は、縦振動から捩り振動が生じる場合と、捩り振動から
縦振動が生じる場合とでは、楕円振動の軌跡が異なるた
めであると考えられた。

【００４６】そこで、有限要素法によって振動状態を計
算した。図６（Ａ）は、縦振動の一次共振周波数に対応
する交流電圧を印加した場合の振動状態を示し、図６
（Ｂ）は、その振動の軌跡を示す図である。具体的に
は、理論上の値である６０ｋＨｚの交流電圧を印加した
場合として計算した。

【００４７】また、図７（Ａ）は、捩り振動の二次共振
周波数に対応する交流電圧を印加した場合の振動状態を
示し、図７（Ｂ）は、その振動の軌跡を示す図である。
具体的には、理論上の値である６５ｋＨｚの交流電圧を
印加した場合として計算した。

【００４８】これらの図から明らかなように、縦振動の
一次共振周波数に対応する交流電圧を印加した場合と、
捩り振動の二次共振周波数に対応する交流電圧を印加し
た場合とでは、振動の軌跡が逆方向となっている。この
ことから、ロータ部１０が逆回転することが、理論的に
も裏付けされた。

【００４９】なお、本実施形態では、斜めスリット溝３
８を振動変換手段としたが、本発明はこれに限定される
ものではなく、ボルトで締め付けることを振動変換手段
とし、斜めスリット溝を有しないボルト締めランジュバ
ン型の超音波モータにも本発明を適用することができ
る。

【００５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って駆動する超音波モータの全体構
成を示す図である。

【図２】ステータ部の詳細構造および組み付け状態を示
す分解斜視図である。

【図３】ステータ部の第２の金属ブロック体に形成され
た斜めスリット溝の詳細を示す図である。

【図４】ステータ部における振動周波数とインピーダン
スとの関係を理論上導き出してグラフに示す図である。

【図５】実験結果を示す図表である。

【図６】図６（Ａ）は、縦振動の一次共振周波数に対応
する交流電圧を印加した場合の振動状態を示し、図６
（Ｂ）は、その振動の軌跡を示す図である。

【図７】図７（Ａ）は、捩り振動の二次共振周波数に対
応する交流電圧を印加した場合の振動状態を示し、図７
（Ｂ）は、その振動の軌跡を示す図である。

【符号の説明】

１０ロータ１２端面２０ステータ２２、２４圧電素子（振動発生手段）３８スリット溝（振動変換手段）５０電圧印加装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石川雅史静岡県湖西市梅田390番地アスモ株式会社内 (72)発明者本多敬介愛知県豊橋市大岩町字小山塚20番地本多電子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステータ部の端面に、縦振動及び捩り振
動が合成されてなる楕円振動を発生させて、ロータ部を
回転駆動する超音波モータにおいて、ステータ部の縦共振周波数の縦振動又は捩り共振周波数
の捩り振動を、印加される周波数の交流電圧に応じて発
生させる振動発生手段と、前記縦振動又は捩り振動の一方から他方を発生させて、
楕円振動が合成されるようにする振動変換手段と、前記振動発生手段に、前記縦振動及び捩り振動に対応す
る周波数の交流電圧を、切り換えにより選択的に電圧を
印加する電圧印加手段と、を有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】請求項１記載の超音波モータにおいて、前記振動変換手段は、前記ステータ部の一部に形成され
た斜めスリット溝であることを特徴とする超音波モー
タ。
【請求項３】ステータ部の端面に、縦振動及び捩り振
動が合成されてなる楕円振動を発生させて、ロータ部を
回転駆動する超音波モータの駆動方法において、前記超音波モータは、ステータ部の縦共振周波数の縦振動又は捩り共振周波数
の捩り振動を、印加される周波数の交流電圧に応じて発
生させる振動発生手段と、前記縦振動又は捩り振動の一方から他方を発生させて、
楕円振動が合成されるようにする振動変換手段と、を有し、前記振動発生手段に、前記縦振動及び捩り振動に対応す
る周波数の交流電圧を、切り換えにより選択的に電圧を
印加することで、前記ロータ部を正逆回転させることを
特徴とする超音波モータの駆動方法。