JP3575569B2

JP3575569B2 - Rotor floating ultrasonic motor

Info

Publication number: JP3575569B2
Application number: JP06369296A
Authority: JP
Inventors: 中村　　健太郎; 芳樹橋本
Original assignee: Kaijo Corp
Current assignee: Kaijo Corp
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1996-02-26
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2016-02-26
Also published as: JPH09233870A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用してロータを回転せしめる超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のモータとして、図８に示すものが知られている。
【０００３】
図示のように、この超音波モータは、夫々円形にして対向配置され且つ互いに接触したステータ１０１及びロータ１０２と、該ロータ１０２とは反対側にて該ステータ１０１に結合された圧電素子１０３とを有している。該圧電素子１０３には高周波電源１０５及び１０６が接続され、該両電源より印加される高周波の電圧にて駆動されて超音波振動を発する。
【０００４】
上記構成において、圧電素子１０３に通電することにより所要の超音波振動を発生させると、ステータ１０１が固有の振動数を以て励振され、ロータ１０２との接合側に符合Ｕにて示す波状の振動モードが生ずる。
【０００５】
ここで、両高周波電源１０５、１０６より各々印加される電圧は所要の位相差を有し、それ故に振動の波は例えば矢印Ｐ方向に向う進行波となる。このとき、該波の頂点は符合Ｔで示すような楕円運動を行い、ステータ１０１に接触しているロータ１０２は摩擦によって矢印Ｑ方向に作動する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかる超音波モータにおいては、超音波振動するステータ１０１と回転するロータ１０２とが直接接触し、その間の摩擦力を利用しているため、接触面の摩耗による寿命の問題を避けることができないという欠点がある。
【０００７】
また、ステータ１０１の振動速度でロータ１０２を駆動するので、ロータ回転速度はステータ１０１の最高振動速度以下に制限されるが、ステータ１０１の材料強度で決定されるこの最高振動速度は線速度で高々数ｍ／ｓに過ぎない。この値は電磁型モータと比較するとかなり低速で、応用範囲が限られている。
【０００８】
更に、接触部分については、高い加工精度及び表面処理が要求され、また、特別な耐摩耗材料を必要とし、これらに伴う製造工程の増大等によってコストの削減が図り難い。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、長寿命化を達成すると共に高速作動を可能とし、しかも製造コストの低減が図り易い等、実用上有用な種々の効果を併せ奏し得る超音波モータを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のために、本発明による超音波モータは、円環状のステータと、前記ステータ内に挿通されて非接触にて回転可能で断面が円形形状のロータと、前記ステータの外周部にホーンと振動子を有して結合されてなる超音波振動部と、高周波電源とを有する第１及び第２の超音波励振手段とを備え、前記第１及び第２の超音波励振手段は、前記ステータの周方向において離間配置されて時間的位相差をもって駆動することによって、前記ステータが該ステータの周方向に進行するたわみ振動モードを発生して前記ロータを非接触で回転させる構成としたことを特徴とする。また、前記第１及び第２の超音波励振手段の位相差は時間的位相差であり、９０°に設定されていることを特徴とする。前記第１及び第２の超音波励振手段の離間角度は３／４波長であることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、上記第１及び第２の超音波励振手段の作動に基づいてステータに周方向の進行波が発生し、ロータは該ステータ内における音波の放射圧によって浮揚し、進行波に乗るようにして回転せしめられる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
超音波モータは、圧電現象を利用することから、モータ自体からの磁場の発生を嫌う測定機器等への適用が可能であり、又その逆に強磁場に曝される環境下でも悪影響を受けることなく使用することができ、しかも部品点数が少なく簡素な構造であるから超小型化が図り易い等、電磁型モータでは困難な条件に適するものである。
【００１３】
本発明は、このような超音波モータ本来の優位性に加え、更に、長寿命、高速回転、低コストであることなど、当該超音波モータが組み込まれるべき装置等を設計する上で従来要求することが不可能であった諸条件を満たすことが出来るものとして実施される。
【００１４】
【実施例】
次に、本発明の実施例としてのロータ浮揚式超音波モータを添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１に示すように、本発明に係るロータ浮揚式超音波モータは、円環状に形成されたステータ１と、同じく円環状に且つ該ステータ１の内径よりも小径に形成されて該ステータ１内に挿通されたロータ２とを有している。
【００１６】
ステータ１及びロータ２は、夫々その素材として金属、例えばジュラルミン（質量１１．３ｇ）が選定される。
【００１７】
また、本実施例においては、ステータ１の外径Ｄ_１−１及び内径Ｄ_１−２が各々、５９ｍｍ及び５０．２ｍｍに設定されている。よって、厚みｔは４．４ｍｍである。
【００１８】
また、ロータ２の外径は５０ｍｍに設定されている。すなわち、ステータ１及び該ロータ２の隙間２ｅ（直径の差）は０．２ｍｍ（＝５０．２ｍｍ−５０ｍｍである。
【００１９】
そして、ステータ１及びロータ２の環中心方向（図１における紙面に対して直角な方向）の寸法は共に１４ｍｍとなされている。
【００２０】
上記ステータ１の外周部には、互いに同様又はほぼ同様に構成された一対の超音波振動発生部５及び６が結合されている。両超音波振動発生部５、６は、ステータ１の周方向において離間して配置されている。
【００２１】
両超音波振動発生部５及び６は、ステータ１を励振するためのもので、各々ランジュバン（Ｌａｎｇｅｖｉｎ）タイプの振動子５ａ、６ａと、該各振動子とステータ１との間に介装されたコーン（ｃｏｒｎ）型のホーン５ｂ、６ｂとを有している。
【００２２】
上記両振動子５ａ及び６ａには高周波電源９及び１０が夫々接続されており、該各電源より印加される高周波の電圧によって駆動されて超音波振動を発する。矢印Ｕで示すように、各振動子５ａ、６ａが発する振動は縦振動である。各ホーン５ｂ及び６ｂは、この振動子５ａ、６ａからの振動を機械的に増幅する作用をなす。
【００２３】
上記超音波振動発生部５とこれに接続された高周波電源９、又、他方の超音波振動発生部６及び高周波電源１０は夫々、ステータ１を励振する超音波励振手段を構成する。一方の超音波振動発生部５及び高周波電源９を第１の超音波励振手段と総称し、他方の超音波振動発生部６及び高周波電源１０を第２の超音波励振手段と総称する。
【００２４】
上記構成において、上記第１及び第２の超音波励振手段、すなわち各超音波振動発生部５及び６は、ステータ１の環中心を中心とする角度４５°で離間せしめられている。
【００２５】
一方、上記両高周波電源９及び１０の発振周波数は、例えば４４．５ｋＨｚに設定され、且つ、互いに９０°の時間的位相差を持つように設定されている。このように、両高周波電源９、１０から送出される駆動周波数に時間的位相差９０°を持たせたことと、上記のように両超音波振動発生部５、６の離間角度を４５°に設定したこととが相まって、ステータ１には符号Ｇ_６で示すような、６次にして周方向に進行するたわみ振動モードが発生する。
【００２６】
この状態で、ロータ２はステータ１内における音波の放射圧によって浮揚し、進行波に乗るようにして回転せしめられる。
【００２７】
すなわち、ロータ２がステータ１とは完全に非接触にて回転する。故に、ステータ１及びロータ２相互の摩耗は皆無であり、摩耗の点に関しては半永久的な寿命が保証される。
【００２８】
また、ロータ２の回転速度については、上述した両高周波電源９、１０よりの駆動周波数の時間的位相差が１つのパラメータとなり、又、両超音波振動発生部５及び６の離間角度が２つ目のパラメータとなり、これらのパラメータを適宜変えれば自在に増減させることができる。
【００２９】
前述した時間的位相差９０°及び離間角度４５°はこれらパラメータの具体例であり、６次の進行たわみ振動モードにして所望の回転速度を得るための数値であるが、後述の実験結果からも明らかなように、これらの数値に基づき得られる回転速度は現時点でも実用に質し得る程度である。そしてこれら９０°、４５°の数値は、いわゆる切りがよい数字であるから、当該ロータ浮揚式超音波モータを実用に供すべく設計及び製作する場合に好ましい。因に、この４５°とは、上記６次のたわみ振動の１波長の３／４に相当する。
【００３０】
上述のように、当該ロータ浮揚式超音波モータは、ロータ２の回転速度がステータ１の振動速度で制限されることがなく、それ故に、圧電現象を利用したモータでありながら従来の高速電磁型モータと同等、あるいはそれ以上の高速回転を行うことが可能となっている。しかも、従来の超音波モータと同様に低速回転にも勿論適用し得るので、低速、中速及び高速と、あらゆる要望に応えることができ、汎用性に優れている。
【００３１】
更に、従来の超音波モータでは、接触部分に高度な加工精度や表面処理技術が要求されたり、特別な耐摩耗材料を必要としたが、本発明による超音波モータではこれらは不要で、製造コストの低減が図り易い。
【００３２】
なお、本実施例では、上記両パラメータ、すなわち、両高周波電源９、１０よりの駆動周波数の時間的位相差と、両超音波振動発生部５及び６の離間角度とを、夫々９０°、４５°に設定し、以て６次の進行たわみ振動モードを得ているが、パラメータの設定を変えることにより、図２乃至図４に符号Ｇ_２乃至Ｇ_４で夫々示す２次乃至４次のたわみ振動モードやそれ以上の高次振動モードとすることもできる。これら種々の次数の振動モードのものに関しても、同じくパラメータを適宜設定することによって進行波の進行速度、すなわちロータの回転速度を自在に設定することができる。但し、１次の振動モード、すなわち、ステータ１が単に拡径、縮径を繰り返すような振動モードは、モータとしての作用はなさない。
【００３３】
又、本実施例では、ロータ２を中空の環状としているが、中実等のものとしてもよく、その場合、該ロータの軽量化等に鑑みて材質の吟味を要する。加えて、ステータ１及びロータ２の径、厚み、並びに両者の隙間等についても、本実施例の数値に限らず、種々可変であることは勿論である。
【００３４】
ここで、図１に示した構成のロータ浮揚式超音波モータを使用して行った実験の結果について説明する。但し、下記の文章は、平成７年９月２９日に日本音響学会秋季研究発表会において発表された内容からの抜粋である。
【００３５】
〈モータの構造〉
２本のホーン付きＬａｎｇｅｖｉｎ振動子（４７ｋＨｚ）を円環状ステータにねじ止めし、ステータにたわみ振動の周方向進行波を励振させ、差し込んだロータを回転させる。ステータ円環はジュラルミン製で外径５９ｍｍ、内径５０．２ｍｍ、奥行き１４ｍｍであり、この寸法は振動子の駆動周波数で、ステータ円環に径方向に変位を持つ６次たわみ振動が励振されるように決定されている。
【００３６】
また、時間的、空間的に位相差を９０度を持つ定在波をそれぞれ励振し、その２つの定在波の重ね合わせにより、進行波を励振するため、振動子間隔は角度４５度（３／４波長）となっている。ロータは直径５０ｍｍ、質量１１．３ｇのジュラルミン円環である。なお、ステータの内径とロータの外径間のギャップは０．２ｍｍである。
【００３７】
〈振動特性〉
２つの振動子Ａ、Ｂ（図１における５ａ、６ａ）の一方のみを励振した場合のステータ外面の面外振動の周方向分布をレーザドップラ振動計で測定した結果を図５に示す。Ａ、Ｂにより１／４波長だけ空間的に位置がずれた定在波が励振されていることが分かる。
【００３８】
次に、Ａ、Ｂを９０度の時間的位相差で同時に励振した場合の振動分布を図６に示す。定在波成分が残留しているものの、定在波比１．３〜１．８程度の進行波が得られていることが確認できる。
【００３９】
〈モータの特性〉
ステータの振動速度とロータ回転数の関係を測定した結果を図７に示す。時計回りで２．０μｍ、反時計回りで２．８μｍ以上の振動振幅でロータが浮上し、回転を始め急速に回転数が増大する様子が確認できる。最高で１２０ｒｐｍ程度が得られた。回転方向により特性が異なるのは、２つの振動子の共振周波数の差等により方向によって、得られる進行波の大きさが異なるためと思われる。
【００４０】
〈まとめ〉
ロータを浮上させる新しい超音波モータを提案、試作し、実際に浮上、回転することを確認した。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による超音波モータにおいては、一対の超音波励振手段の作動に基づいてステータに周方向の進行波が発生し、ロータはステータ内における音波の放射圧によって浮上し、この進行波に乗るようにして回転する。
すなわち、ロータがステータとは完全に非接触にて回転するものである。よって、摩耗は皆無であり、この点に関しては半永久的な寿命が保証される。
また、ロータの回転速度がステータの振動速度で制限されることがないので、圧電現象を利用したモータでありながら従来の高速電磁型モータと同等、あるいはそれ以上の高速回転を行うことが可能である。
更に、従来の超音波モータでは、接触部分に高度な加工精度や表面処理技術が要求されたり、特別な耐摩耗材料を必要としたが、本発明に係る超音波モータではこれらは不要で、製造コストの低減が図り易い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例としてのロータ浮揚式超音波モータの、一部断面を含む正面図である。
【図２】図２は、ステータが２次の振動を行う状態を示す図である。
【図３】図３は、ステータが３次の振動を行う状態を示す図である。
【図４】図４は、ステータが４次の振動を行う状態を示す図である。
【図５】図５は、図１に示した超音波モータについて行った実験に関し、２つの振動子の一方のみを励振した場合のステータ外面の面外振動の周方向分布を測定した結果を示すグラフである。
【図６】図６は、２つの振動子を９０°の時間的位相差で同時に励振した場合の振動分布を示すグラフである。
【図７】図７は、ステータの振動速度とロータ回転数の関係を測定した結果を示すグラフである。
【図８】図８は、従来の超音波モータの概略斜視図である。
【符号の説明】
１ステータ
２ロータ
５、６超音波振動発生部
９、１０高周波電源[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic motor that rotates a rotor using ultrasonic waves.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a motor shown in FIG. 8 has been known as this type of motor.
[0003]
As shown in the figure, the ultrasonic motor includes a stator 101 and a rotor 102, which are circularly opposed to each other and are in contact with each other, and a piezoelectric element 103 coupled to the stator 101 on the side opposite to the rotor 102. Have. High-frequency power supplies 105 and 106 are connected to the piezoelectric element 103, and are driven by high-frequency voltages applied from both power supplies to generate ultrasonic vibration.
[0004]
In the above configuration, when the required ultrasonic vibration is generated by energizing the piezoelectric element 103, the stator 101 is excited with a unique frequency, and the wave-shaped vibration mode indicated by the symbol U on the joint side with the rotor 102 is set. Occurs.
[0005]
Here, the voltage applied from each of the high-frequency power supplies 105 and 106 has a required phase difference, so that the vibration wave is a traveling wave directed in the direction of arrow P, for example. At this time, the peak of the wave performs an elliptical motion as indicated by the symbol T, and the rotor 102 in contact with the stator 101 operates in the direction of arrow Q due to friction.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In such an ultrasonic motor, since the stator 101 that ultrasonically vibrates and the rotor 102 that rotates are in direct contact with each other and use the frictional force therebetween, the problem of the life due to wear of the contact surface cannot be avoided. There is.
[0007]
Further, since the rotor 102 is driven at the vibration speed of the stator 101, the rotor rotation speed is limited to the maximum vibration speed of the stator 101 or less, but the maximum vibration speed determined by the material strength of the stator 101 is at most a linear speed. It is only a few m / s. This value is considerably lower than that of the electromagnetic motor, and the range of application is limited.
[0008]
Further, the contact portion requires high processing accuracy and surface treatment, and requires a special wear-resistant material, which makes it difficult to reduce the cost due to an increase in the number of manufacturing steps.
[0009]
The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks of the related art, and has as its object to achieve a long life, enable high-speed operation, and easily reduce manufacturing costs. An object of the present invention is to provide an ultrasonic motor that can achieve various useful effects.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an ultrasonic motor according to the present invention includes an annular stator, a rotor having a circular cross-section inserted in the stator and rotatable in a non-contact manner, and a horn on an outer peripheral portion of the stator. And an ultrasonic vibrating unit coupled with a vibrator, and first and second ultrasonic exciting means having a high frequency power supply, wherein the first and second ultrasonic exciting means are The stator is arranged so as to be spaced apart in the circumferential direction and driven with a time phase difference, so that the stator generates a flexural vibration mode that advances in the circumferential direction of the stator and rotates the rotor in a non-contact manner. Features. Further, the phase difference between the first and second ultrasonic excitation means is a temporal phase difference and is set to 90 °. The separation angle between the first and second ultrasonic excitation means is 3/4 wavelength.
[0011]
According to this configuration, the traveling wave in the circumferential direction is generated in the stator based on the operation of the first and second ultrasonic excitation means, and the rotor is levitated by the radiation pressure of the sound wave in the stator, and is formed into the traveling wave. It is rotated like riding.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Since ultrasonic motors use the piezoelectric phenomenon, they can be applied to measuring equipment that dislikes the generation of a magnetic field from the motor itself, and vice versa even in environments exposed to strong magnetic fields. It can be used without difficulty, and has a simple structure with a small number of parts, so that it can be easily miniaturized.
[0013]
The present invention, in addition to the inherent advantages of the ultrasonic motor, further requires long-life, high-speed rotation, low cost, etc. in designing an apparatus or the like in which the ultrasonic motor is to be incorporated. It is carried out on the condition that the various conditions that cannot be satisfied can be satisfied.
[0014]
【Example】
Next, a rotor levitation type ultrasonic motor as an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0015]
As shown in FIG. 1, a rotor levitation type ultrasonic motor according to the present invention includes a stator 1 formed in an annular shape, and a stator 1 formed in the same annular shape and having a smaller diameter than the inner diameter of the stator 1. And the rotor 2 inserted through the rotor.
[0016]
Metals, for example, duralumin (mass 11.3 g) are selected as the materials for the stator 1 and the rotor 2, respectively.
[0017]
In the present embodiment, the outer diameter _{D 1-1} and the inner diameter _{D 1-2} of the stator 1 are each set to 59mm and 50.2 mm. Therefore, the thickness t is 4.4 mm.
[0018]
The outer diameter of the rotor 2 is set to 50 mm. That is, the gap 2e (difference in diameter) between the stator 1 and the rotor 2 is 0.2 mm (= 50.2 mm-50 mm).
[0019]
The dimensions of the stator 1 and the rotor 2 in the ring center direction (the direction perpendicular to the plane of FIG. 1) are both 14 mm.
[0020]
A pair of ultrasonic vibration generators 5 and 6 having the same or substantially the same configuration are connected to the outer peripheral portion of the stator 1. The two ultrasonic vibration generators 5 and 6 are arranged apart from each other in the circumferential direction of the stator 1.
[0021]
The two ultrasonic vibration generators 5 and 6 are for exciting the stator 1, and are interposed between each of the Langevin type vibrators 5 a and 6 a and each of the vibrators and the stator 1. And a horn 5b, 6b of a cone type.
[0022]
High-frequency power supplies 9 and 10 are connected to the vibrators 5a and 6a, respectively, and are driven by high-frequency voltages applied from the power supplies to emit ultrasonic vibrations. As indicated by the arrow U, the vibration generated by each of the vibrators 5a and 6a is a longitudinal vibration. The horns 5b and 6b function to mechanically amplify the vibrations from the vibrators 5a and 6a.
[0023]
The ultrasonic vibration generator 5 and the high-frequency power supply 9 connected thereto, and the other ultrasonic vibration generator 6 and the high-frequency power supply 10 constitute ultrasonic excitation means for exciting the stator 1. One ultrasonic vibration generator 5 and high-frequency power supply 9 are collectively referred to as first ultrasonic excitation means, and the other ultrasonic vibration generator 6 and high-frequency power supply 10 are collectively referred to as second ultrasonic excitation means.
[0024]
In the above configuration, the first and second ultrasonic excitation means, that is, the respective ultrasonic vibration generators 5 and 6 are separated at an angle of 45 ° about the center of the ring of the stator 1.
[0025]
On the other hand, the oscillation frequencies of the high-frequency power sources 9 and 10 are set to, for example, 44.5 kHz, and are set so as to have a time phase difference of 90 ° from each other. As described above, the drive frequencies transmitted from the high-frequency power sources 9 and 10 have a temporal phase difference of 90 °, and the separation angle between the ultrasonic vibration generators 5 and 6 is set to 45 ° as described above. and that the set is coupled with the stator 1, as shown by reference numeral G _6, 6 then it is flexural vibration mode traveling in the circumferential direction occurs.
[0026]
In this state, the rotor 2 is levitated by the radiation pressure of the sound wave in the stator 1 and is rotated so as to ride on the traveling wave.
[0027]
That is, the rotor 2 rotates completely out of contact with the stator 1. Thus, there is no wear between the stator 1 and the rotor 2 and a semi-permanent life is guaranteed in terms of wear.
[0028]
As for the rotational speed of the rotor 2, the temporal phase difference between the drive frequencies from the high-frequency power sources 9 and 10 is one parameter, and the separation angle between the ultrasonic vibration generators 5 and 6 is two. It becomes an eye parameter, and can be freely increased or decreased by appropriately changing these parameters.
[0029]
The above-mentioned temporal phase difference of 90 ° and the separation angle of 45 ° are specific examples of these parameters, and are numerical values for obtaining a desired rotation speed in the sixth-order traveling bending vibration mode. As is evident, the rotational speed obtained on the basis of these figures is still practically practicable. Since the numerical values of 90 ° and 45 ° are so-called sharp numbers, they are preferable when designing and manufacturing the rotor levitation type ultrasonic motor for practical use. This 45 ° corresponds to 相当 of one wavelength of the sixth-order flexural vibration.
[0030]
As described above, in the rotor levitation type ultrasonic motor, the rotation speed of the rotor 2 is not limited by the vibration speed of the stator 1 and, therefore, a conventional high-speed electromagnetic It is possible to perform high-speed rotation equal to or higher than that of a motor. In addition, since it can be applied to low-speed rotation as well as a conventional ultrasonic motor, it can meet all demands of low speed, medium speed and high speed, and is excellent in versatility.
[0031]
Furthermore, in the conventional ultrasonic motor, high machining accuracy and surface treatment technology were required for the contact portion, and special wear-resistant materials were required. Is easy to reduce.
[0032]
In the present embodiment, the two parameters, that is, the temporal phase difference between the driving frequencies from the high-frequency power sources 9 and 10 and the separation angle between the ultrasonic vibration generators 5 and 6 are set to 90 ° and 45 °, respectively. ° set, but has gained 6 primary progressive bending vibration mode of Te than by changing the setting of the parameter, the code G ₂ through G ₄ deflection of secondary or fourth-order shown respectively in FIGS. 2 to 4 A vibration mode or a higher vibration mode can be set. Also in these vibration modes of various orders, the traveling speed of the traveling wave, that is, the rotation speed of the rotor, can be freely set by appropriately setting the parameters similarly. However, the primary vibration mode, that is, the vibration mode in which the stator 1 simply repeats increasing and decreasing in diameter, does not function as a motor.
[0033]
Further, in this embodiment, the rotor 2 has a hollow annular shape. However, the rotor 2 may be a solid one or the like. In this case, it is necessary to examine the material in view of the weight reduction of the rotor. In addition, the diameters and thicknesses of the stator 1 and the rotor 2 and the gap between them are not limited to the numerical values of the present embodiment, but may be variously changed.
[0034]
Here, results of an experiment performed using the rotor levitation type ultrasonic motor having the configuration shown in FIG. 1 will be described. However, the following text is an excerpt from the content announced at the Fall Meeting of the Acoustical Society of Japan on September 29, 1995.
[0035]
<Motor structure>
Two Langevin vibrators with horn (47 kHz) are screwed to an annular stator, and a circumferential traveling wave of flexural vibration is excited in the stator to rotate the inserted rotor. The stator ring is made of duralumin and has an outer diameter of 59 mm, an inner diameter of 50.2 mm, and a depth of 14 mm. The dimensions are the driving frequency of the vibrator so that the sixth-order flexural vibration having radial displacement in the stator ring is excited. Has been determined.
[0036]
Further, a standing wave having a phase difference of 90 degrees in time and space is excited, and a traveling wave is excited by superimposing the two standing waves. / 4 wavelength). The rotor is a duralumin ring with a diameter of 50 mm and a mass of 11.3 g. The gap between the inner diameter of the stator and the outer diameter of the rotor is 0.2 mm.
[0037]
<Vibration characteristics>
FIG. 5 shows the results of measuring the circumferential distribution of out-of-plane vibration on the outer surface of the stator when only one of the two vibrators A and B (5a and 6a in FIG. 1) was excited by a laser Doppler vibrometer. It can be seen that the standing waves whose positions are spatially shifted by １／ wavelength are excited by A and B.
[0038]
Next, FIG. 6 shows a vibration distribution when A and B are simultaneously excited with a temporal phase difference of 90 degrees. Although the standing wave component remains, it can be confirmed that a traveling wave having a standing wave ratio of about 1.3 to 1.8 is obtained.
[0039]
<Motor characteristics>
FIG. 7 shows the result of measuring the relationship between the vibration speed of the stator and the number of rotations of the rotor. It can be seen that the rotor floats with a vibration amplitude of 2.0 μm in the clockwise direction and 2.8 μm or more in the counterclockwise direction, and starts to rotate and the number of rotations rapidly increases. A maximum of about 120 rpm was obtained. It is considered that the characteristics differ depending on the rotation direction because the magnitude of the obtained traveling wave differs depending on the direction due to a difference in resonance frequency between the two vibrators.
[0040]
<Summary>
We proposed and prototyped a new ultrasonic motor that levitates the rotor, and confirmed that it actually levitated and rotated.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, in the ultrasonic motor according to the present invention, a traveling wave in the circumferential direction is generated in the stator based on the operation of the pair of ultrasonic excitation means, and the rotor floats by the radiation pressure of the sound waves in the stator, It rotates so as to ride on this traveling wave.
That is, the rotor rotates without contacting the stator completely. Thus, there is no wear and a semi-permanent life is guaranteed in this regard.
In addition, since the rotation speed of the rotor is not limited by the vibration speed of the stator, it is possible to perform a high-speed rotation equal to or higher than that of a conventional high-speed electromagnetic motor while using a piezoelectric phenomenon. is there.
Furthermore, in the conventional ultrasonic motor, high machining accuracy and surface treatment technology were required for the contact portion, and a special wear-resistant material was required. It is easy to reduce costs.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view including a partial cross section of a rotor levitation type ultrasonic motor as an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which a stator performs secondary vibration.
FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which a stator performs third-order vibration.
FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which a stator performs fourth-order vibration.
FIG. 5 shows the results of measuring the circumferential distribution of out-of-plane vibration on the outer surface of the stator when only one of the two vibrators is excited, with respect to the experiment performed on the ultrasonic motor shown in FIG. 1; It is a graph.
FIG. 6 is a graph showing a vibration distribution when two vibrators are simultaneously excited with a temporal phase difference of 90 °.
FIG. 7 is a graph showing the result of measuring the relationship between the vibration speed of the stator and the number of revolutions of the rotor.
FIG. 8 is a schematic perspective view of a conventional ultrasonic motor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stator 2 Rotor 5, 6 Ultrasonic vibration generator 9, 10 High frequency power supply

Claims

円環状のステータと、
前記ステータ内に挿通されて非接触にて回転可能で断面が円形形状のロータと、
前記ステータの外周部にホーンと振動子を有して結合されてなる超音波振動部と、高周波電源とを有する第１及び第２の超音波励振手段とを備え、
前記第１及び第２の超音波励振手段は、前記ステータの周方向において離間配置されて時間的位相差をもって駆動することによって、前記ステータが該ステータの周方向に進行するたわみ振動モードを発生して前記ロータを非接触で回転させる構成としたこと
を特徴とするロータ浮揚式超音波モータ。An annular stator;
A rotor having a circular cross-section, which is inserted into the stator and is rotatable in a non-contact manner,
An ultrasonic vibrating unit coupled to the outer periphery of the stator having a horn and a vibrator, and first and second ultrasonic exciting means having a high-frequency power supply;
The first and second ultrasonic excitation means are arranged separately in the circumferential direction of the stator and are driven with a temporal phase difference to generate a flexural vibration mode in which the stator advances in the circumferential direction of the stator. A rotor floating ultrasonic motor, wherein the rotor is rotated in a non-contact manner.

前記第１及び第２の超音波励振手段の位相差は時間的位相差であり、９０°に設定されていることを特徴とする請求項１記載のロータ浮揚式超音波モータ。2. The rotor levitation type ultrasonic motor according to claim 1, wherein the phase difference between the first and second ultrasonic excitation means is a temporal phase difference and is set to 90 [deg.].

前記第１及び第２の超音波励振手段の離間角度は３／４波長であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のロータ浮揚式超音波モータ。3. The rotor levitation type ultrasonic motor according to claim 1, wherein a separation angle between the first and second ultrasonic excitation units is 3/4 wavelength.