JP2658233B2 - 超音波モータとその駆動方法 - Google Patents

超音波モータとその駆動方法

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JP2658233B2 JP63201607A JP20160788A JP2658233B2 JP 2658233 B2 JP2658233 B2 JP 2658233B2 JP 63201607 A JP63201607 A JP 63201607A JP 20160788 A JP20160788 A JP 20160788A JP 2658233 B2 JP2658233 B2 JP 2658233B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は超音波振動により、ロータを回転して駆動力
を発生させる超音波モータに関するものである。
(従来の技術) 縦−捩り複合圧電振動子をステータとし、ステータの
端面にロータを圧接して、これを回転させる超音波モー
タは、例えば熊田による特開昭61−12177号公報で開示
されている。
ここでは、捩り振動励振用圧電素子と縦振動励振用圧
電素子とを円柱あるいは円筒状超音波振動体で挟み、ボ
ルトで締めつけることにより一体化したものをステータ
とし、捩り振動励振用圧電素子と縦振動励振用圧電素子
とにそれぞれ独立の交流電圧を印加して、ステータの端
面に楕円振動を誘起し、この楕円振動を利用してステー
タの端面に圧接したロータに回転運動を与えるものであ
る。
(発明が解決しようとする問題点) ところで、捩り振動波の位相速度は、縦振動波の位相
速度の約6割であるため、上記構成になるステータにお
いて、捩り振動の共振周波数と縦振動の共振周波数を一
致させることは困難である。従って、上記構成のステー
タでは捩り振動を共振駆動させれば、縦振動は非共振駆
動となり、逆に縦振動を共振駆動させれば、捩り振動は
共振駆動となる。
周知の如く、非共振駆動は共振駆動と比較して、同一
電圧で駆動する場合には、極端に得られる振幅が小さく
なってしまう。その結果、上記構成のステータの端面に
誘起される楕円振動の振幅は縦方向あるいは横方向、い
ずれか一方の振動振幅が極端に小さくなってしまうため
に効率の高いモータを実現することはできない。とく
に、捩り振動を共振駆動、縦振動を非共振駆動した場
合、縦振動の振幅が小さいために、ロータが一瞬たりと
もステータ表面から離れることはできず、このためロー
タとステータ間には絶えず辷り摩擦が生ずる。この辷り
摩擦が発熱、摩耗の原因となり、しいてはモータの安定
性を劣化させ、長期間に亘って動作することができなく
なってしまうといった欠点があった。
上記構成のステータにおいて、捩り振動励振用圧電素
子と縦振動励振用圧電素子とに互いに異なった周波数の
交流電圧を印加して、2種類の振動を共振駆動すること
も可能ではあるが、この場合は両者の位相速度の違いに
より、捩り振動と縦振動の共振周波数が大幅に異なるた
め、ステータの端面に規則的に楕円振動を誘起できな
い。従って、この場合もロータを安定して回転させるこ
とは不可能である。
(問題を解決するための手段) 本発明に従った超音波モータの構成例を第1図に示
す。捩り振動励振用リング状圧電セラミック素子11を円
筒状ブロック12と底面にボルトを貫通させる穴が開けら
れたブロック13で挾んだ構成とすることにより捩り振動
体主要部を形成する。該円筒状ブロック12と該リング状
捩り振動励振用圧電セラミック素子11の内側にボルト締
めランジュバン型縦駆動素子14を配し、固定し一体化す
る。底面がほぼ閉じられた捩り振動体主要部と該ランジ
ュバン型縦駆動素子14とは一体となった複合振動体15、
すなわち超音波モータのステータを形成し、このような
構成により、後述する如く、縦共振周波数と捩り共振周
波数を著しく接近させることが可能である。さらに、上
記ステータの端面にロータ16、ベアリング17、耐摩耗材
18、ボルト19、ナット20、コイルばね26を用いて圧接し
超音波モータを形成する。この際、ロータを含めた超音
波モータの縦共振周波数は捩りの共振周波数に比べて、
ロータとステータ間の圧接力に対する依存性が強く、圧
接力を大きくすると縦共振周波数は上昇する。従って、
圧接力を適当に選ぶことにより、縦振動の共振周波数を
捩り振動の共振周波数に完全に一致させることができ
る。
上記構成の超音波モータにおいて、捩り振動励振用圧
電セラミック素子と縦振動励振用圧電セラミック素子と
に独立に交流電圧を印加し、交流電圧の周波数を共振周
波数に一致させ、かつ90゜の位相差を与えるとロータは
高効率で回転する。
(作用) 本発明に基づく超音波モータは、ステータ単体で縦振
動の共振周波数と捩り振動の共振周波数をかなり接近さ
せることができ、ロータと当接するステータ端面におい
て強勢な楕円振動を励振させることができる。
本ステータにおいて、縦共振周波数と捩り共振周波数
が接近する理由を以下に述べる。縦振動及び捩り振動は
ともに断面自由度1の分布定数系の振動に属し、均一断
面の単一の構造材料でできた棒では、周知の如く位相速
度(弾性波速度)が大幅に異なるだけではほとんど類似
したふるまいを示すことが知られている。しかしなが
ら、振動体が複数の構造材料から構成され、しかも各部
の断面積が異なる場合には、周知の如く、縦及び捩り振
動の共振周波数は、ともに部材の長さと特性機械インピ
ーダンスとの関数となる。部材の密度をρ、縦弾性波の
速度をc1、断面積をSとすると、縦振動に関する特性機
械インピーダンスZ1はρc1sとなる。Sは直径の2乗に
比例する。
一方、捩り振動に関する特性機械インピーダンスZt
ρctJpで表わされ、ここでctは捩り弾性波の速度、Jp
断面極二次モーメントである。Jpは直径の4乗に比例す
る。従って、Z1は直径の2乗に比例するのに対して、Zt
は直径の4乗に比例する。
本構成の超音波モータでは、ボルト締めランジュバン
型縦駆動素子14は、円筒状の捩り振動体主要部分に比べ
て直径がかなり小さいため、縦駆動素子14部分は捩り振
動子の共振周波数にそれほど大きな影響を与えない。即
ち、縦駆動素子14が円筒状捩り振動体の内側に設けられ
た構成により、捩り共振周波数は縦共振周波数に比べて
それほど大きく低下しない。ステータ内における捩り振
動は、その両端が振動の腹部に相当するような、2分の
1波長モード共振に近い動作を行う。
一方、先に述べた理由により、ボルト締めランジュバ
ン型縦駆動素子14はステータ内の縦共振周波数には、大
きな影響を与える。本構成のステータの場合、縦駆動素
子14と当接する円柱状金属ブロック13部分を縦振動の振
動節点とすることが可能である。即ち、縦振動の共振モ
ードは、この場合、金属ブロック13部分で折り返された
恰好になり、ロータに当接するステータの端面は縦振動
の腹となる。従って、本構成のステータは、縦振動に関
して、4分の1波長モードに近い動作を行うため、実際
のステータの長さの割には、縦振動の共振周波数を相当
低く実現することができる。さらにはまた、ステータの
底部13は縦駆動素子との断面積との違いにより、若干撓
み振動が乗り、この部分が撓みコンプラインスとして働
くため、縦振動モードの低周波化に有効に作用する。
以上述べた理由により、本発明に基づく超音波モータ
のステータ部分において、縦共振周波数を捩り共振周波
数に、かなり近づけることが可能である。
(実施例) 以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。第1図は本発明の実施例を示す図で原理と構成は
先に述べた通りである。捩り振動励振用リング状圧電セ
ラミック素子11は外径30mm、内径20mm、厚さ0.5mmの周
方向に分極したセラミック板を積層して構成されてい
る。各セラミック板の上下面はメタライズされ、間に0.
1mm厚の金属薄板を挾んで、隣接するセラミック板どう
しは極性が互いに逆向きになるように積層されている。
金属薄板は外部で電気的に並列接続されている。ボルト
締めランジュバン型縦駆動素子14は、積層圧電セラミッ
ク素子21を、金属ブロック22を介して、中空ボルト23と
ナット24、25で強固に締めつけた構成となっている。
ロータ16はステータ端面に、軸を一致させて、厚さ0.
1mmの耐摩耗材を介して置かれている。またロータの中
央部には、同じく軸を一致させてベアリングが配されて
いる。ロータとステータ間の圧接力は、ボルト19、ナッ
ト20、コイルばね26、台座27を用いて印加される。尚、
積層圧電セラミック素子21は、積層セラミックプロセス
技術を用いて製造され、内部電極としてPtが用いられ、
層間隔100μm、外径18mm、内径8mmである。本実施例に
おいて、金属ブロック12、13、22及び台座27にいずれも
ステンレススチールを用い、ボルト19、23、ナット24、
25及び高張力鋼を用いた。超音波モータの寸法は、全長
約40mmである。
ロータ部分を除いた、縦−捩り複合振動子であるステ
ータ部分の縦共振周波数は31kHzで、捩り共振周波数は
それより僅か4kHz低い27kHzであった。種々の実験の結
果、ステータにロータを圧接すると捩り共振周波数はそ
れほど変化しないが、縦共振周波数はロータの質量と圧
接力に依存し低下することがわかった。本実施例では、
縦と捩りの共振周波数がそれほど離れていないことか
ら、ロータの材料として軽量で剛性の高いAl合金を用い
た。このようにロータの質量を軽くすることにより、超
音波モータの応答速度が速いという特長を増長すること
ができる。締付圧を48kgfとしたとき本実施例の超音波
モータにおいて、捩り・縦双方の共振周波数が28kHzで
一致した。さらに、捩り圧電セラミック素子に100Vの正
弦波、縦圧電セラミック素子に20Vの正弦波を互いに位
相が90゜異なるように印加して共振駆動を行った結果、
無負荷回転速度250rpm、最大トルク6.9kgf・cmを容易に
実現することができた。
(発明の効果) 本発明に従った超音波モータは上述のように、縦−捩
り複合振動子であるステータ自身が、互いに接近した縦
と捩りの共振周波数を有しており、かつ縦と捩りの共振
周波数はロータとステータとの締付圧で完全に一致させ
ることができ、共振駆動が可能である。従って、高効率
で実用性の高い超音波モータが実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の超音波モータ構成を示す図。 図において、11は捩り振動励振用リング状圧電セラミッ
ク素子、12は円筒状金属ブロック、13は円柱状金属ブロ
ック、14はボルト締めランジュバン型縦駆動素子、15は
ステータ、16はロータ、17はベアリング、18は耐摩耗
材、19はボルト、20はナット、21は縦振動励振用圧電セ
ラミック素子、22は金属ブロック、23は中空ボルト、2
4、25はナット、26はコイルばね、27は台座である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 貞行 東京都港区芝5丁目33番1号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 内川 忠保 東京都港区芝5丁目33番1号 日本電気 株式会社内

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】捩り振動励振用リング状圧電セラミック素
    子を円筒状ブロックと他のブロックで挟んでなる捩り振
    動体部分と、該捩り振動体部分のリング内側に、中心軸
    を一致させて配置されたボルト締めランジュバン型縦駆
    動素子とを備えた縦−捩り複合振動体をステータとし、
    該ステータにロータを圧接して構成したことを特徴とす
    る超音波モータ。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項の超音波モータの駆
    動方法において、ステータとロータの圧接力を調整し、
    縦と捩りの二つの共振周波数を一致させ、共振駆動を行
    うことを特徴とした超音波モータの駆動方法。
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DE102006034313A1 (de) * 2006-07-21 2008-01-24 Basf Plant Science Gmbh Verfahren zur Herstellung von Arachidonsäure und/oder Eicosapentaensäure
EP2390338B1 (en) * 2006-10-23 2013-08-21 E. I. du Pont de Nemours and Company Delta-8 desaturases and their use in making polyunsaturated fatty acids

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