JPS6389071A - 最大負荷トルクの半分を定格トルクとした超音波モ−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】 本発明は、ステータの超音波楕円振動によってロータに
回転トルクを生じさせるようにした超音波モータに関す
る。

〔従来の技術〕

超音波モータは、超音波楕円振動をするステータの端面
にロータを圧着したものであって、ステータ端面が超音
波楕円振動すると、ステータとロータとの圧着面での摩
擦力により、ロータに回転トルクが生ずる。

この超音波楕円振動はステータ端面に垂直な縦振動成分
とステータ端面に平行なねじり振動成分とに分けること
ができる。この縦振動成分はロータのステータ端面への
圧着とロータのステータ端面からの浮上とを交互に繰り
返えさせるが、ねじり振動成分は縦振動成分に位相同期
していることから、縦振動成分によってロータがステー
タ端面に圧着しているとき、ねじり振動成分によってス
テータ端面が一方向に変位するように、ステータ端面へ
ロータを圧着するための圧着力を設定すると、ステータ
、ロータの圧着面での摩擦力により、ロータは一方向の
回転力が与えられる。

このように、ステータ端面における超音波楕円振動の縦
振動成分により、ロータに浮力が生じることになるが、
このロータに圧着力が加わると、この浮力と圧着力とが
バランスした状態でロータは静止しているときのステー
タ端面の位置からΔＸだけ浮上していることになる。し
たがって、圧着力が大きくなるほど浮上量ΔＸは減少す
るが、これとともにロータ、ステータの圧着面での摩擦
力が増大する。

なお、ロータの圧着力を増すほど浮上量が減少するが、
このことは、超音波楕円振動の縦振動成分の伸び位相（
ステータ端面が静止状態のときよりも上方（ロータ側）
に変位している期間の状態）が抑圧されたことになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

かかる動作をする超音波モータによると、ロータ、ステ
ータの圧着面での摩擦力が大きい程出力トルクが大きく
なる。このためには、ロータの圧着力を大きくして摩擦
力を大きくすればよいが、圧着力が大きくなると上記圧
着面での摩耗が激しくなり、摩耗傷によって回転むらが
生じて安定した回転が得られず、充分な出力が得られな
いまま寿命となることが多かった。

通常のモータにおいては、安定に動作しかつ長寿命化を
はかるために定格値が定められているが、超音波モータ
においては、その特性が極めて複雑なことから、従来、
その特性解明は籠単にはできないものと考えられてきて
おり、入出力効率が極めて高くなることが知られていな
がら、超音波モータを安定した状態で、最大出力、最大
効率が得られる最も有効な使用条件を知ることができず
、このことが超音波モータの実用化を阻害する１つの原
因となっている。特に、同一部品を用いて超音波モータ
を組み立てても、製品毎に特性が異なり、このために、
最大出力、最大効率を得るための統一的な条件を定める
ことができない。

本発明の目的は、かかる問題点を解消し、優れた耐久性
、安定性を確保して最大の出力、最大効率が得られるよ
うにした超音波モータを提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、定格電圧に対す
る最大負荷トルクの１／２を定格トルクとするものであ
る。

〔作用〕

本発明者は、超音波モータに関する研究を重ねた結果、
超音波モータの特性の本質を理論的に見出し、これから
のずれを実験的に解明する研究を続けてきた。この結果
、特性のばらつきをなくし、さらにある程度任意の特性
の超音波モータを作製することができるようになったが
、このように特性が任意に得られるようになると、作製
された超音波モータの定格値を決めることは容易でな（
、厳密には、寿命テストを完遂して使用できなくなるま
でに得られたデータから定格値を決定すべきであること
が判明した。

しかし、一方では、上記研究の結果、寿命、安定性を決
める要因も把握することができ、このことから、以下に
述べるようなロータの圧着力に対する理想条件、最適条
件が判明し、これをもとにして定格値を決めることがで
きるようになった。

先に説明したように、ロータ、ステータの圧着面の摩擦
力が大きい程大きな出力が得られる。この摩擦力を大き
くするためには、ロータの圧着力を大きくすればよいが
、これを余り大きくすると、ロータ、ステータの圧着面
に摩耗が生ずる。

ところで、この摩耗の原因は、本発明者の上記研究によ
って、ロータ、ステータ間の速度差によるものであるこ
とが判明した。すなわち、ロータの圧着力により、超音
波楕円振動の縦振動成分の伸び位相のときのみロータが
ステータ端面に圧着されるならば、超音波楕円振動のね
じり振動成分によるステータ端面の変位方向は一定であ
るから問題はないが、ロータの圧着力が増大し、縦振動
成分の伸び位相を越えた期間もロータがステータ端面に
圧着していると、ねじり振動成分により、ステータ端面
の変位方向は縦振動成分の伸び位相期間がすぎて反転す
る。これに対して、ロータは、慣性により、同一方向に
回転しようとし、このために、ロータ、ステータ間に速
度差が生じてそれらの圧着面に摩耗が生ずるのである。

そこで、ロータ、ステータ間に速度差がな（て最大の摩
擦力が得られるのは、超音波楕円振動の縦振動成分の伸
び位相期間とロータがステータ端面に圧着されている期
間とが一致する状態である。

このような状態では、縦振動成分の伸び位相は完全に抑
圧されて超音波楕円振動は超音波半楕円振動となってお
り、超音波半楕円振動の１／２周期であるねじり振動成
分によってステータ端面が一方向に変位する期間中ロー
タはステータ端面に圧着され、超音波半楕円振動の次の
１／２周朋であるステータ端面が逆方向に変位する期間
ロータはステータ端面から浮上する。

このような状態が生ずるようにしたロータの圧着力が最
適圧着力Ｎ０であるが、この最適圧着力Ｎ０とバランス
して超音波半楕円振動を生じさせるロータに対する浮力
が上記定格電圧Ｖ０によって得られるのである。

超音波モータがこの定格電圧Ｖ０で駆動されるとき、ス
テータ、ロータの圧着面で摩擦力が最大となり、かつ摩
耗がほとんど起らずに安定した運転が可能となり、耐久
性に優れたものとなる。

一方、超音波モータにおいても、通常のモータと同様に
、負荷トルクと回転数との間に典型的な垂下特性が現わ
れることが予想され、膨大な実験の結果、このことが明
らかとなった。このことから、超音波モータを安定した
状態で運転し、最大出力、最大効率を得ることは、駆動
電圧を定格電圧Ｖ、とし、最大負荷トルク（超音波モー
タを回転状態にしておくことが可能な最大の負荷トルク
）の１／２を定格トルクとすることによって実現可能と
なる。

〔実施例〕

圧電体が設けられた超音波振動子をステータとし、この
ステータの端面に最適圧着力Ｎ０でロータを圧着したと
き、ロータに次のような摩擦力Ｆが生ずる。

Ｆ＝μＮ０　　・・・・・・・・・・・・（１）（但し
、μはロータ、ステータ間の摩擦係数）したがって、ス
テータに駆動電圧を印加せずに、ステータを静止状態と
してロータを囲わすのに必要なトルク、すなわち静止保
持トルクＴｈは、ロータの有効半径をＲとすると、 Ｔｈ＝μＲＮ　ｏ　　・・・・・・・・・・・・（２）
となる。

一方、ステータに駆動電圧Ｖが印加されると、ステータ
端面に超音波楕円振動が発生し、その縦振動成分によっ
てロータをステータ端面から浮上させる浮力型が生ずる
が、圧電体の厚さをｔ１圧電率を６３３とすると、浮力
型は次のように表わされる。

■ 甲＝ｎｅ３３Ｒ”□・・・・・・・・・・・（３）し この超音波楕円振動における縦振動成分の伸び位相が最
適圧着力Ｎ０が加えられるロータによって完全に抑圧さ
れ、超音波楕円振動が超音波半楕円振動になったときに
は、このときにステータに印加される駆動電圧Ｖ０によ
る式（３）の浮力型と最適圧着力Ｎ０とが釣り合ってい
ることになる。

この駆動電圧Ｖ０を定格電圧とするものであり、Ｖ＝Ｖ
０とする弐（３）が最適圧着力Ｎ０に等しいことから、
定格電圧■。は次式のように表わすことができる。

したがって、式（２）、　　（４）から、となる。

また、超音波モータを定格電圧Ｖ０で運転したときの回
転数ｎは、負荷トルクをＴ、ロータが回転可能な最大の
負荷トルク（最大負荷トルク）をＴｍ、無負荷時の回転
数をｎ、、とすると、と表わされ、典型的な垂下特性を
示している。この超音波モータの出力Ｐは、 Ｐ＝２πｎＴ　　・・・・・・・・・・・・（７）で表
わされ、Ｔｍ１／２Ｔ、のときに出力Ｐは最大となる。

この負荷トルクＴを定格トルクＴ。とする。

次に、超音波モータの一例を、数値を具体的に示しなが
ら、第２図によって説明する。なお、同図において、１
はねじり結合子、１′は梁、１＃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はコイルスプリング、１１はシャフト
である。

Ｐｂ　（ＺｒＴｉ）Ｏ，系セラミックからなる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側に端子板４、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、アルミニウム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３０ｍ、
８龍である。また、胴部２）座金５の厚さは例えば１１
ｎであり、圧電体３．３′の厚さは例えば２ｎ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０．２＊＊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
ニウムからなり、例えば直径３０１１、厚さ８鶴の円板
部の一方の面（下面）に、例えば、幅８龍、深さ１ｎ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３ｍｍ、深さ７１ｍ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Ｌｏｗ、厚さ７鶴
で幅方向の端面が上記円板部の外周に一致する梁１′が
一体に設けられてなる。このねじり結合子ｌ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
ｌのねし孔に嵌め込まれ、トルクレンチによって１５０
ｋｇｆ−ｃｍ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３０璽１、厚さ７１
ｍ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１ＯＮ、他の部分は例えば直径４１１である。この
ロータ７の貫通孔の直径が大きい方何に例えば内径１０
ｍ１、高さ３０龍、肉厚１１１の円筒状の例えば鋼製シ
ャフト１１が一体に設けられている。このシャフト１１
の内面はロータ７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４鰭のねじ孔が設けられている。ロータ７の貫通孔の
大きな直径の部分には、例えば外径１０１１、内径４　
ｎ＋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、コイルスプリング１゜を通した例えば直径４龍、
長さ２５■■のボルト８を、シャフト１１の内孔がらベ
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を締めっけ
てシャフト１１と一体のロータ７を梁１′の端面に圧着
する。圧着力が３０　ｋｇ　ｆ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。

かかる超音波モータのステータに、駆動電圧を印加する
ことなく、トルク測定器にセットし、ロータにトルクを
作用させて回り始める静止保持トルクＴｈを測定したと
ころ、Ｔｈ　＝９．０　ｋｇ−情であった。このＴ、の
値と、ｔ　＝０．２　、　　ｅ　３：１＝１８．６、μ
＝０．２　、Ｒ＝１．５を上記式（５）に代入すること
により、定格電圧■。＝１００ボルトが算出された。

そこで、超音波モータを負荷特性測定装置にセットし、
４３．２ｋＨｚ、１００ポルトの正弦波定格電圧を印加
し、負荷トルクＴを変えながら回転数ｎの変化を測定し
たところ、第１図に示すように、直線１２で表わされる
結果が得られた。このｎ　−Ｔ直線１２は上記式（６）
に良く一致し、これを延長して横軸と交わる点を最大負
荷トルクＴ、とした。実際には、超音波モータの負荷ト
ルクを大きくしていくと、最大負荷トルクＴ１に達する
前に回転数ｎは零となり、しかも、測定のたびにこの回
転数ｎが雰となる負荷トルクは異なって再現性が得られ
なかったが、この負荷トルクまでのｎ−Ｔ直、線１２の
再現性は良好であり、したがって、このｎ−Ｔ直線１２
は点１１０で折れ曲り、この点１１０にバラツキがある
が、このｎ−Ｔ直線１２を延長して得られる最大負荷ト
ルクＴｍはバラツキがなく、上記の数値例の場合、９　
ｋｇ　−ｃｍと良く収れんした。

次に、このｎ−Ｔ直線１２をもとに、 Ｐ　＝　２　ｙｃ　ｎＴ／１０．２Ｘ　６０　−−−＝
　（８）から出力Ｐを求めると、第１図の特性曲線１３
が得られる。このとき、最大負荷トルクＴ、での出力Ｐ
は零となり、これ以上の負荷トルクに対しては出力が得
られない。したがって、この最大負荷トルクＴ１は定格
電圧■。に対する真の限界負荷トルクと考えられ、これ
放置大負荷トルクとするものである。

上記式（８）と垂下特性を表わすｎ−Ｔ直線１２（式（
６））から、したがって、出力特性面ｖＡ１３から最大
出力、最大効率が得られる負荷トルクは最大負荷トルク
ＴＩＩの１／２である。この負荷トルクを定格トルクＴ
０とし、これによる回転数を定格回転数ｎｏ、最大出力
を定格出力Ｐ０とするものである。

これら定格トルクＴ０、定格出力Ｐ０の値は、最適圧着
力Ｎ０を正確に保つ限り再現性が良くて一定である。超
音波モータを定格電圧■。、定格負荷トルクＴ０で運転
すると、回転むらがな（安定した回転状態が得られ、ロ
ータ、ステータの圧着面での摩耗テストも最善の結果が
得られたし、しかも、常に最大出力を得ることができた
。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、定格電圧に対す
る最大負荷トルクの１７２を定格トルクとするものであ
るから、製品の特性がまちまちであっても、最大出力が
得られるための条件、すなわち定格トルクが容易にかつ
正確に得ることができ、回転むらがなくて安定した回転
状態で最大出力を得べき運転が容易に可能となる。また
、定格電圧■。、定格負荷トルクＴ０、無負荷回転数ｎ
ｆｉ、定格回転数ｎ０が容易に得られることから、回転
数−負荷トルクの垂下特性から任意の出力特性を容易に
得ることができ、出力特性の安定化が実現できて実用上
の効果ははかり知れないものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波モータの一実施例を説明す
るための特性図、第２図は超音波モータの一具体的構成
を示す図である。 １・・・・・・ねじり結合子、２・・・・・・胴部、３
，３′・・・・・・圧電体、４，４′・・・・・・端子
板、５・・・・・・座金、６・・・・・・キャップボル
ト、７・・・・・・ロータ、１１・旧・・シャフト。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波楕円振動を発生するステータの端面にロー
   タを圧着し、該ステータと該ロータとの間の摩擦力を介
   して該ロータに回転トルクを生じさせるようにした超音
   波モータにおいて、定格電圧に対する最大負荷トルクの
   １／２を定格トルクとしたことを特徴とする超音波モー
   タ。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項において、許容負荷ト
   ルクを前記定格トルクの２倍未満としたことを特徴とす
   る超音波モータ。