JPS63124783A - 非線形共振系を用いた超音波モ−タ - Google Patents

非線形共振系を用いた超音波モ−タ

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JPS63124783A
JPS63124783A JP61269908A JP26990886A JPS63124783A JP S63124783 A JPS63124783 A JP S63124783A JP 61269908 A JP61269908 A JP 61269908A JP 26990886 A JP26990886 A JP 26990886A JP S63124783 A JPS63124783 A JP S63124783A
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stator
ultrasonic
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Akio Kumada
熊田 明生
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
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    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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〕 本発明は超音波モータに係り、さらに詳しくはその周波
数特性を改良した非線形共振系を用いた超音波モータに
関する。
〔従来の技術〕
従来の超音波モータはそのステータに発生する強力な超
音波楕円振動を駆動源とするもので、これを発生させる
手段として超音波共振器を用いて来た。共振器は一般に
、損失の少ない品質係数(QualHy factor
: Q)が高いほど振動が激しくなり、振幅増幅率が高
いので強力な振動を発生させるのに好都合である。しか
し、反面Qが高い共振系は共振周波数近傍における諸特
性の周波数依存性が太き(、しかも共振周波数そのもの
が一般に温度変化を示すので諸特性の温度依存性も太き
(なる。それ故Qの高い線形共振形を用いた超音波モー
タでは、駆動信号の周波数をモータの周囲温度、自己発
熱に併せて精密に制御しなければならず、その上負荷変
動があるとQの変化を通して周波数変動となり、実用性
がないので、Qを低下させ共振特性を鈍くして使用する
ことになり、それだけ効率の悪い使い方をせざるを得な
かったというような欠点があった。
なお、この種の超音波モータとしては、本願出願人の出
願にかかる特開昭61−52163号公報に記載された
ものを挙げることができる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この発明は、従来の線形共振系を用いた超音波モータが
持っていた諸特性の周波数依存性、温度依存性が大きす
ぎ、動作帯域が挟ますぎたという欠点を解決し、以って
周波数特性、温度特性を安定にし、ドリフトの少ない超
音波モータを提供することを目的とする。
〔問題を解決するための手段〕
非線形共振系の例として鉄共振の現象が古くから知られ
ている。第4図は鉄共振現象の説明図であって、横軸に
周波数を、縦軸に振幅を示す。鉄共振とは鉄片を片持梁
状に支え、支持部の加振周波数を変えながら梁先端の振
幅の大きさを測定すると、小振動で加振したときは、共
振周波数で鋭い共鳴が見られ、振幅の周波数変化は共振
周波数の位置だけに鋭いピークが現れる。しかし大振動
で加振すると、小振動での共振周波数でピークが現れる
が、周波数が高くなっても消えず、共振周波数が連続に
ずれる様相を呈し、さらに周波数が高くなると突然振幅
が小さい値にジャンプする(第4図(a))。このジャ
ンプ周波数は、加振周波数を増し乍ら測った場合と、減
じ乍ら測・つた場合とで異なり、履歴を示すのが普通で
ある。
この鉄共振現象ではピークを示す周波数帯域が広くなる
ので、Qを低くして振幅を大幅に犠牲にすることなく、
大振幅のまま平坦な周波数特性が得られる。鉄共振の生
ずる原因は鉄の弾性定数が、大振幅の場合、振動の大き
さに応じて変化するためであると知られている。振幅が
大きくなると硬くなる漸硬ばねでは第4図(al、振幅
が大きくなると軟らかくなる酒飲ばねでは第4図(b)
のような曲線を描く。ここでは超音波モータを構成する
ステータとロータを圧着する機構に非線形効果を持たせ
ることにより、鉄共振現象を再現させた。
〔作用〕
超音波モータを構成するステータとロータを圧着する構
造に非線形ばね機構を用いたことにより、Qを大幅に低
下させることなく、広い周波数帯域に亘って、回転数、
トルク及び入出力等の諸特性をほぼ一定に保つことがで
きる動作特性が得られる。
〔実施例〕
以下、本発明の非線形共振系を用いた超音波モータを、
ねじり結合子型超音波モータに適用した場合を一実施例
として以下に説明する。ここに用いたねじり結合子型超
音波モータの構造、動作原理、形状などは、本発明者が
特開61−52163を初めとし数10件を超して提案
して来たものと同じであり、差異は圧着機構に非線形効
果を持たせたこと、すなわち非線形ばねを利用して非線
形共振系を構成した点にある。
第1図は本発明による非線形共振系を用いた超音波モー
タの一実施例の構造を示す部分断面図であって、1はね
じり結合子、1°は梁、l”は三日月状端面、2は胴部
、3,3”は圧電体、4゜4°は端子板、5は座金、6
はキャップボルト、7はロータ、8はボルト、9はベア
リング、10は非線形ばね、1)はシャフトである。
例えばPb (ZrTi)03系セラミツクからなる2
枚のドーナツ状圧電体3,3゛は端子板4“をはさんで
配置され、圧電体3側に端子Fi4、さらにアルミニウ
ムからなるドーナツ状の胴部2が配置されている。また
、圧電体3゛側には、アルミニラム等からなるドーナツ
状の座金5が配置されている。これら胴部2)圧電体3
. 3’ 、座金5は同一外径、内径であって、例えば
、各々30龍、31)1)である。また、胴部2)座金
5の厚さは例えば1)1重であり、圧電体3,3”の厚
さは例えば2重−である。例えば燐青銅板からなる端子
板4,4′は一方が正極用、他方が負極用であってリー
ド線が付いており、厚さは例えば0.2mmである。
胴部2の端面側に配置されるねじり結合子1は、アルミ
ニウム等からなり、例えば直径30m1、厚さ3 mm
の円板部の一方の面(下面)に、例えば、幅8酊、深さ
l amの溝が刻まれて2つの三日月状端面1”が形成
されるとともに、この溝の中心に例えば直径8mm、深
さ71■のねし孔が設けられ、さらに、この円板部の他
方の面(上面)に、上記溝と対角位に例えば高さ10龍
、厚さ71■で幅方向の端面が上記円板部の外周に一致
する梁1°が一体に設けられている。このねじり結合子
1は三日月状端面1”が胴部2の端面側となるように配
置される。
キャップボルト6は座金5側から圧電体3°、端子板4
”、圧電体3、端子板4、胴部2を通してねじり結合子
1のねし孔に嵌め込まれ、トルクレンチによって150
kgf−ωのトルクでこれを締めつけ一体化することに
より、ねじり結合子1を有する超音波楕円振動子が構成
され、これがステータとなる。このステータにおけるね
じり結合子1の梁1゛の端面にロータ7が圧着される。
ロータ7は鋼からなり、例えば直径301朧、厚さ7重
嘗の円板状をなしている。このロータフの中心部には厚
さ方向に貫通孔が設けられ、この貫通孔の一部は例えば
直径10n、他の部分は例えば直径151)である。こ
のロータフの貫通孔の直径が大きい方何に例えば内径1
51)、高さ30龍、肉[10の円筒状の例えば鋼製シ
ャフト1)が一体に設けられている。このシャフト1)
の内面はロータフの貫通孔の大きい直径部分の内面と連
続している。
一方、ねじり結合子1の梁1′の端面側には、例えば直
径5nのねし孔が設けられている。ロータフの貫通孔の
大きな直径の部分には、例えば外径151)、内径6寵
のベアリング9が底の棚で止まるように挿入されており
、非線形ばね10を通した例えば直径6鰭、長さ25t
mの先端に径5酊のねじを施したボルト8を、シャフト
1)の内孔からベアリング9を通り、ねじり結合子1の
梁1°に設けられたねし孔に嵌め込む。そして、このボ
ルト8を締めつけてシャフト1)と一体のロータ7を梁
1°の端面に正置する。圧着力が30kgfになるまで
ボルト8を締めつけたところ、ロータ7はステータに強
く圧着され、ロータ7を手で回わそうとしても回わらな
かった。
第2図は、第1図に示した本発明による非線形共振系を
用いた超音波モータの一実施例の回転数の周波数特性の
説明図であって、横軸に周波数を、縦軸に回転数を示す
第3図は従来の線形共振系を用いた超音波モータの回転
数の周波数特性図であって、本発明の詳細説明のための
ものである。
さて、第2図の曲線100.200及び300は第1図
に示すモータのリード線15及び16の間に、それぞれ
80ボルト、100ボルト、120ボルトの正弦波電圧
を印加した場合の無負荷回転数の周波数特性である。6
0ボルトではロータは回転しなかった。
これを第3図に示す従来の超音波モータの無負荷回転数
の周波数特性図と比較すると、本発明による非線形共振
系を用いた超音波モータの無負荷回転数が周波数依存性
の少ないこと、つまり一定の大きさの駆動電圧に対して
広い周波数帯域に亘って一定の回転数が得られることが
わかる。第3図の曲線21.22.23及び24は第1
図に示す本発明のモータと外観同一の従来モータに正弦
波駆動電圧60ボルト、75ボルト、100ボルト、1
20ボルトを印加した場合の無負荷回転数の周波数特性
であり、同一駆動電圧に対する無負荷回転数が本発明の
モータの半分以下であること、及び本発明のモータの場
合は定格電圧約100ボルトに対して闇値電圧が約80
ボルトであり、定格電圧の172電圧では全く回転しな
いこと、これに対して従来モータでは定格電圧(ここで
は約100ボルト)の172電圧が闇値電圧になること
などが示されている。
第1図に示す本発明による非線形共振系を用いた超音波
モータは、前記した如く直径301m厚さ2龍の圧電素
子3.3°の2枚をリード線15及び16の付いた燐青
銅製の端子板でサンドイッチし、直径301m厚さ12
.5鰭のアルミニウム円板5と同じくアルミニウムの直
径30m5厚さ1)鶴の円板2とにセットした直径8n
長さ25.2龍のスチール製キャップボルトによって直
径30鶴厚さ7鶴の円板をベースとするねじり結合子1
のねし孔に締め付けて一体化したステータに直径30m
厚さ7鶴の焼入れ鋼からなる円板に内径15龍の円筒が
付いた形状のロータフの内側にセットした外径15m内
径61)のベアリング9に直径61mのキャップボルト
8に通した非線形ばね10を用いてロータをステータに
圧着したものである。ここで非線形効果に重要な役割を
果たすばね10は通常のコイルスプリングを、コイルが
丁度互いに重なり合うまで締め付けて用いても良いし、
ウレタンスプリングの径を適当な大きさに選んだもの、
又は座屈ばね等を用いてもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、超音波楕円振動
をするステータに圧着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超音波モータにおいて、楕円
振動を発生する共振系に非線形共振特性を示す非線形共
振系を用いて超音波モータを構成したから、Qを大幅に
低下させることなく、広い周波数帯域に亘って、回転数
、トルク及び入出力などの緒特性がほぼ一定に保たれる
動作特性を得ることができ、しかも、回転数、出力とも
に従来の超音波モータの数倍の値を示し、その上温度変
動、時間変動が少ないので、−20’Cから806Cに
至る実用温度範囲内を同一周波数電源で駆動することが
できたなど、実用上顕著な特性安定の効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による非線形共振系を用いた超音波モー
タの一実施例の構造を示す部分断面図、第2図は本発明
による非線形共振系を用いた超音波モータの無負荷回転
数の周波数依存特性図、第3図は従来の線形共振系を用
いた超音波モータの無負荷回転数の周波数依存特性図、
第4図は鉄共振現象を示す説明図であり、(a)は漸硬
ばね山)は溜飲ばねの鉄共振曲線であり振幅がジャンプ
する周波数の履歴を示している図である。 1・−・・−・ねじり結合子、2.5−・−・−・アル
ミニウム円板、3,3°・−・−圧電素子、7・−・・
ロータミ8−・−−−一−・圧着ボルト、9−・−・ベ
アリング、10−・−・−非線形ばね、15.16−−
−−−−−リード線。 第1図 第2図 周吸救f(にHz) 第3図 周波教(にHz) (a)     (b)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)超音波楕円振動をするステータに圧着されたロー
    タが摩擦力を介して受ける回転トルクを利用した超音波
    モータにおいて、前記楕円振動を発生する共振系に非線
    形共振特性を示す非線形共振系を用いた超音波モータ。
  2. (2)特許請求の範囲第(1)項記載の非線形共振系を
    用いた超音波モータにおいて、前記超音波モータのステ
    ータ単体は鋭い線形共振特性を示し、ロータが最適圧着
    力で圧着されモータとして構成された状態で非線形共振
    特性を示す非線形共振系を用いた超音波モータ。
  3. (3)特許請求の範囲第(1)項記載の非線形共振系を
    用いた超音波モータにおいて、前記共振系が非線形共振
    特性を示す要因をロータ圧着機構としたことを特徴とす
    る非線形共振系を用いた超音波モータ。
  4. (4)特許請求の範囲第(1)項記載の非線形共振系を
    用いた超音波モータにおいて、前記超音波モータのロー
    タを除去するか又は該ロータの圧着力を所定値から変更
    すると、前記超音波モータのステータが共振状態から逸
    脱することを特徴とする非線形共振系を用いた超音波モ
    ータ。
  5. (5)特許請求の範囲第(1)項記載の非線形共振系を
    用いた超音波モータにおいて、前記ロータ圧着機構に非
    線形ばねを用いたことを特徴とする超音波モータ。
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