JPS6277070A - コ−ン状ステ−タを用いた圧電超音波モ−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］ 本発明は圧電超音波モータの改良に係り、所望の回転数
、所望のトルクを有するモータを提供することを目的と
する。

〔従来の技術］ 本発明者は、圧電超音波モータおよびこれを駆動する超
音波楕円振動子に関し多数の提供をして来た。中でも、
片持梁状超音波楕円振動子を用いたモータは実用上価れ
た特性を示すので、特願昭５９−１７０３８０号を始め
とし２０件余の出願をして来た。この片持梁型超音波モ
ータは、低速・大トルクを高効率で出力できる特徴があ
るので実用上の価値が高い。しかしながら一般にモータ
の出力は回転数とトルクの積であり、入力と効率が与え
られれば、出力特性は一義的に決まる。一方、超音波モ
ータでは原理的に径の細いモータは高速で低トルク、径
の太いモータは低速で高トルクである。したがって高速
・高１−ルクモータを実現することは原理的に不可能と
されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明は、上記した超音波モータの原理的欠陥とされ
ている高速・高トルク特性、小型低速特性などを有する
超−１３波モータを提供することを目的とする。

Ｃ問題を解決するための手段〕 振幅ａの積としてＳ−αｆａで表わされる。ただしαａ
はモータのステップであり、αはステップ係数である。

ａは圧電振動子の振幅に比例し、圧動振動子の振幅は入
力電力に比例するから、Ｓは駆動周波数ｆと駆動電圧Ｖ
によって決まる。そこで、駆動電圧が決まるとＳが決ま
り、モータのすとトルクＴが決まる。入力Ｐは圧電振動
子のアドミッタンスＹと駆動電圧■によって決まるが、
アドミッタンスすなわち共振抵抗の逆値は圧電振動子の
断面積に比例する。

高速回転を必要とするときは、１．ロータの径を細くす
るか又は２．αａを大きくする。ａは印加電圧の大きさ
に比例するから高電界を印加すればよい。一方振動子の
胴を細く絞ると超音波振動のエネルギー密度が増大する
。振動速度は絞り込み比の２乗（面積比）に比例する。

すなわちαば絞り込み比の２乗に比例すると言える。

以上の考察から、駆動電圧と駆動周波数を与えたとき、
回転数は摺動径つまりロータの径で決まり、出力トルク
はロータと径とは無関係に、圧電振動子の径で決まるこ
とが判かった。すなわち所望の回転数、所望のトルクを
有する超音波モータを設計するには、回転数によってロ
ータの径を決め、トルクによって圧電振動子の径を決め
ればよい。ロータ径と圧電振動子径とが従来品のように
同じ寸法ではなくなる。超音波振動子において振動子端
面の径と圧電振動子の径とが異なる場合は、振動体を台
形又はエクスポーネンシャル画数で表示される。コーン
又はボーン形状にするか或は振動の節部で振動子のサイ
ズを変えた段付形状の振動体を用いれば、圧電振動子の
駆動エネルギーをほとんど損失なしに振動子端面に伝え
られることが知られている。又ごの技術は、超音波加工
機ににおける振動子端面の振動振幅を大きくし、単位面
積当りのエネルギー密度を増大するための設計手法に用
いられており、その目的を満足する振動体の形状はコー
ン、ホーン、段付についてそれぞれ詳細に解明されてい
るので、本発明ではその知識を利用することができる。

ただし、これら従来技術では端面の断面積比に逆比例し
て振動速度を増大しているが、一般に回転数は端面の径
に逆比例するから、振動速度が径の２乗に逆比例するこ
とから結局胴を絞ったモータでは比例する回転数ｎは絞
り込み比の３乗にし圧電素子の径をＲｐ摺動面の径をＲ
Ｒとしたときの絞り込み比ｒミーＲ＋＋ に対して、γ−１の場合の回転数をｎ、とすれば、ｎ−
７”　ｎ、で表わすことができる。１−ルクが断面積比
に逆比例し、この点では従来技術と異なるので注意を要
する。

〔実施例〕

本発明に係るコーン状ステータを用いた圧電超音波モー
タの一実施例を第１図および第２図に示す。第１図はそ
の超音波モータの正面図、第２図はその超音波モータの
側面図であり、構成の基本は従来の片持梁型楕円振動子
を用いた超音波モータと同じである。

互に正極面同志対向させた二枚のセラミック圧電振動子
４，５の間にリード線のついた端子板６゜７を挾み、円
形座金８にセットした。キャップポルト９に通し、その
先にコーン状振動体３を通して、ポルト９の先端をねじ
り結合子２のねし孔に嵌め、全体が超音波楕円振動子と
して一体化するように締め付は固定し、ステータとして
構成した。

このステータの端面に圧着ボルトに通したコイルスプリ
ング（図示されていない）を用いて、ロータ１を圧着し
、モータを構成した。

従来との違いは、従来のモータでは振動子の径がロータ
の径と同しであったが、この実施例ではロータの径が細
いので、これらを接続する振動体を従来の円柱もしくは
円筒形ではなく、台形コーン状にしたことである。

具体的には、外径３５１璽、内径１５■蔦、厚さ２１１
１１の圧電振動子３，４を用いで、同じ径すなわち直径
３５ｍｍのロータと組み合わせたモータは１０００　Ｖ
、３６　Ｋ　）＋ｚの入力電圧に対し、６０ｒｐｍの回
転数でｌＱｋｇ−ｃｍのトルクを出力できた。これに対
し、必要としたのは８０ｒｐｍで５　ｋｇ　−ｃｍ以上
のトルクを出力できるモータであった。そこでロータ径
、圧電振動子径ともに３０１１のモータを試作したとこ
ろ、回転数は３Ｑｒｐｍになったが出力トルクが最大３
．５　ｋｇ−■であった。ここで、上述したようにロー
タ径を３０鳳璽とし、コーン状振動体を用いて４０龍径
の圧電振動子と組み合わせたところ、回転数９５ｒｐｍ
、最大トルク７ｋｇ−ｃｍを出力でき要求を満足した。

このようにコーン状の振動体を用いて径の異なる圧電振
動子とロータを組み合わせる場合、両者の径の比が大き
くなると共振特性が悪くなる。この場合はコーンを対数
曲面にしたホーンなどを用いると、共振のＱを改善でき
る。なお、前記実施例では圧電振動子に対してロータの
径を小さくし、絞り込み比の３乗に比例して回転数を上
げた例を示したが、逆にロータの径を太き（し、ｌ−ル
クを増大することもできることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明では少なくとも圧電振動子
とねじり結合子とを一体化し、圧電振動子で発生したた
て振動を同一周波数のねじり振動に変換することにより
、ねじり結合子の端面すなわちステータの端面に超音波
楕円振動を生じさせ、ステータ端面に圧着されているロ
ータに回転トルクを与えるように構成された圧電超音波
モータにおいて、ロータを摺動させるステータ端面と圧
電振動子とのそれぞれの径方向サイズを互に異ならしめ
、これらを結合する振動体をコーン状に構成した。その
ためステータ端面と圧電振動子とのそれぞれの径方向サ
イズを同一にした場合には得ることのできない出力特性
が得られた。

すなわちモータの出力は入力によって抑えられるので、
高出力モータを設計するには、大入力を要し、入力は一
般に圧電振動子の断面積に比例するので、サイズの大き
い圧電振動子を用いればよい。ところが、サイズの大き
い圧電振動子を用いて構成すると超音波楕円振動子すな
わちステータの端面のサイズも大きくなり、共振周波数
が低くなり低周波駆動となるので、回転数が低くなるう
えに、ロータ径が大きくなる分も相乗して低速回転とな
り、従来は高速・高トルクモータは実現不能であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるコーン状ステータを用いた圧電超
音波モータの一実施例を示す正面図、第２図は同超音波
モータの側面図である。 １・・・・・・コーン、２・・・・・・ねじり結合子、
３・・・・・・コーン状振動体、４．５・・・・・・圧
電振動子。 （装入末 第１図゛ ｌ　ロータ ４β°ル動探動３ 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも圧電振動子とねじり結合子とを一体化
   し、圧電振動子で発生したたて振動を同一周波数のねじ
   り振動に変換することにより、ねじり結合子の端面、す
   なわちステータの端面に超音波楕円振動を生じさせ、ス
   テータ端面に圧着されているロータに回転トルクを与え
   るように構成された圧電超音波モータにおいて、ロータ
   を摺動させるステータ端面と圧電振動子とのそれぞれの
   径方向のサイズを互いに異なるように構成したことを特
   徴とするコーン状ステータを用いた圧電超音波モータ。