JPS6389072A - 超音波モータの駆動方法 - 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、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　　。

夕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、ステータとロータの圧着面
での摩擦力により、ロータに回転トルクが住する。

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、ロータに浮力に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、大きな出力が得られてしかもロータ、ステ
ータの圧着面での摩耗がない状態が最良な状態であり、
この最良の状態が得られるべき条件を定格値とすべきで
あるが、従来、このような定格値を決定することは非常
に困難であり、しかも、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、
定格値を決めるための特性上のｔｉ的な披点が得られな
かった。

本発明の目的は、かかる問題点を解消し、優れた耐久性
、安定性を確保した最大限の出力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ｖ０を
次のように設定するものである。

Ｖ　ｏ　＝　Ｔ　ｈ　ｊ　／　ｎ　ｅ　３　ｘ　／Ｊ　
Ｒ’但し、Ｔｈ　：静止保持トルク ｔ：圧電素子の厚さ ｅ３３＝圧電率 μ：ロータ、ステータ間摩擦係数 Ｒ：ロータの有効半径 〔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（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く
、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くて最大の摩
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ク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周期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Ｎｏ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。

〔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
してロータを回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、　　・・・・・・・・・・・・（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がら浮上させる浮力型が生ずる
が、圧電体の厚さをｔ、圧電率を８３３とすると、浮力
型は次のように表わされる。

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Ｎ。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■。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、■＝■。とする式（３）が最適圧着力Ｎｏ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■。で運転したときの回
転数ｎは、負荷トルクをＴ、無負荷時の回転数をｎ、、
とすると、 ｈ 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、Ｔ＝１／２Ｔｈ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Ｔ０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）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３０ｎ
、８ｍｍである。また、胴部２、座金５の厚さは例えば
１１鰭であり、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０．２ｎ＋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３０鶴、厚さ８鶴の円板部
の一方の面（下面）に、例えば、幅８ｍｍ、深さ１１ｍ
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８Ｎ、深さ７Ｎ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１０１ｍ、厚さ７ｍ
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−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３０１ｍ、厚さ７鶴
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１０１１．他の部分は例えば直径４酊である。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１０Ｂ
、高さ３０ｍ、肉厚Ｉｎ＋の円筒状の例えば銅製シャフ
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４　ａｍのねし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１０１ｍ、内径
４１ｍ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２５ｍｍのボルト８を、シャフト１１の内孔から
ベアリング９を通り、ねじり結合子ｌ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Ｔ、、を測定した
とコロ、Ｔ＋、　＝９．０　ｋｇ−ａｍテあった。この
Ｔｈの値と、ｔ”０．２　、ｅｓｚ＝１８．６Ｖ　−ｍ
　／　Ｎ、ｐ　＝０．２　、Ｒ＝１．５を上記式（５）
に代入することにより、定角電圧■。＝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ボ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を延長して横軸を
交わる値、すなわち回転数ｎが零の静止保持トルクＴ１
を求めたところ、９ｋｇ−ｃｍとなって先に得られた静
止保持トルクＴ、と良く一致した。

次に、このｎ−Ｔ直線１２をもとにして出力Ｐ−２πｎ
　Ｔ／１０．２Ｘ　６０を計算して出力特性曲線１３を
得た。この出力特性曲線１３から出力Ｐが最大となるト
ルクＴ（すなわち、定格トルクＴｏ　）は、Ｔｏ　＝　
Ｔｈ　／　２　＝４．５　ｋｇ−値であり、このときの
回転数ｎ０は、ｎｏ　＝ｎｎ　／　２＝５２　ｒ　ｐｍ
であった。

かかる測定を繰り返し行なっても、これらの結果に高い
一致度が得られたし、また、駆動電圧■を定格電圧ｖｏ
　　（＝１００ボルト）からずらせて同様の測定を行な
ったが、定格電圧Ｖ。において、安定した回転で出力Ｐ
が最大となる最も良好な結果が得られた。

〔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■。を
、 Ｖｏ　＝Ｔｈ　ｔ／　ｎｅｓｓｕ　Ｒ’に設定するのも
であるから、該定格電圧ｖ０を駆動電圧とすると、ステ
ータ端面の超音波楕円振動によるロータへの浮力とロー
タに加わる圧着力とが釣合い、ステータ端面は超音波半
楕円振動をして、ロータは最も安定した定速回転を行な
うし、その負荷特性も典型的なｎ−Ｔ垂下特性を示すこ
とになり、定格トルクが静止保持トルクの１／２に等し
い負荷を加えたときに最大出力が得られ、回転数は無負
荷時の１／２になるなど、最も安定して理論通りの理想
的な特性が得られ、しかも、最大出力が得やすく、長寿
命化、制御の容易さなどの優れた効果が得られる。

【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１．４．４′・・・・・・端
子板、５・・・・・・座金、６・・・・・・キャップボ
ルト、７・・・・・・ロータ、１１・・・・・・シャフ
ト。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子の励振によつて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、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Ｖ＿０
   を、 Ｖ＿０＝Ｔ＿ｈｔ／√２ｅ＿３＿３μＲ＾３但し、Ｔ＿
   ｈ：静止保持トルク ｔ：圧電素子の厚さ ｅ＿３＿３：圧電率 μ：ロータ、ステータ間摩擦係数 Ｒ：ロータの有効半径 に定め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、定格トルク
   を静止保持トルクＴ＿ｈの１／２としたことを特徴とす
   る超音波モータ。