JPH0833370A - 超音波モータ - Google Patents
超音波モータInfo
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- JPH0833370A JPH0833370A JP6186686A JP18668694A JPH0833370A JP H0833370 A JPH0833370 A JP H0833370A JP 6186686 A JP6186686 A JP 6186686A JP 18668694 A JP18668694 A JP 18668694A JP H0833370 A JPH0833370 A JP H0833370A
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Abstract
数を変えて、任意の周波数において共振を発生させられ
るようにして、効率的に駆動できる超音波モータを提供
することにある。 【構成】 縦振動と捩り振動との合成にて発生する楕円
振動を用いる超音波モータにおいて、ステータ部は、高
周波交流電圧によって縦振動を発生させる圧電素子2
2、24と、交流電源側に接続されて圧電素子22、2
4に高周波交流電圧の印加を行う電極板26、28と、
圧電素子22、24を挟んで締め付けるブロック体3
0、32と、縦振動から捩り振動発生させる手段と、を
含み、ブロック体32は、縦振動における一次共振周波
数と、捩り振動における二次共振周波数と、の差が縮ま
るように、凹部50が形成されてなることを特徴とす
る。
Description
合成により生じる楕円振動によって回転駆動を行う定在
波型の超音波モータに関する。
り、ボルト締めランジュバン型の超音波モータが周知で
あり、例えば特開昭61−49670号公報にかかる片
持ち梁状捩り超音波振動子を用いた圧電モータや、特開
昭63−217984号公報にかかる超音波モータ等が
知られている。
型超音波モータの一例を示す図である。同図において、
金属のブロック体104、106が、ボルト108にて
圧電素子100、102を締めつけるように固定される
ことで、楕円振動を発生させるステータ部120を構成
している。
00、102に高周波交流電圧を印加すると、圧電素子
100、102の厚み方向への振動により縦振動が生じ
るとともに、ボルト108の捩りにより捩り振動が生
じ、ブロック体104、106の端面には縦振動と捩り
振動を合成した楕円振動が発生する。
112が配置され、この円板112は、バネ114によ
ってブロック体106の端面に付勢されて接触してお
り、中心に設けられた回転軸116が軸受118にて支
持されている。
端面に接触していることから、ブロック体106の端面
に発生した楕円振動は円板112に伝達され、この楕円
振動によって円板112は回転する。さらに、この回転
出力は、回転軸116から取り出すことができる。
の振動数をもっているが、縦振動における固有振動数と
横振動における固有振動数とは、縦弾性係数および横弾
性係数等の違いから異なってくるものである。そして、
このことから、縦振動における共振周波数と捩り振動に
おける共振周波数とは異なることが導かれる。
て、ステータ部120をアルミニウムで形成するととも
に、直径が35mmで長さLが90mm(圧電素子10
0、102の長さもアルミニウムに換算するものとす
る)とした場合の縦振動における一次共振周波数f01、
二次共振周波数f02のそれぞれを計算すると、
周波数f12、三次共振周波数f13のそれぞれを計算する
と、
方向および横方向の振動の伝搬速度であり、それぞれ5
100m/s、3000m/sとして計算してある。
振動とで異なる値となる。しかしながら、実際に発生す
る縦振動及び捩り振動は、いずれも同一の圧電素子10
0、102による励振によって生じるので、同一の周波
数になる。例えば、縦振動の一次共振周波数(28kH
z )で圧電素子100、102を振動させると、縦振動
も捩り振動も、いずれも28kHz の振動となる。
より増幅されるのに対し、捩り振動の振幅は増幅されな
い。その理由は、捩り振動の周波数が、一次共振周波数
(17kHz )又は二次共振周波数(34kHz )から
離れているため、共振が発生しないからである。あるい
は、逆に、捩り振動の一次共振周波数で励振させると、
縦振動において共振が発生しない。
動及び捩り振動の両方の振幅を共振により増幅させるに
は、比較的近似した縦振動の二次共振周波数と捩り振動
の三次共振周波数とを選択する必要があった。
kHz であり、捩り振動の三次の共振周波数が51kH
z であり、両者は比較的近いのでこれらを選択し、いず
れの周波数にも近い例えば53kHz で振動させれば、
縦振動及び捩り振動のいずれにおいても共振が発生し、
振幅が増幅されるのである。
には、低い周波数で縦振動及び捩り振動を生じさせるこ
とが好ましい。その理由は、周波数を小さくした方が大
きな振幅を得られるからである。上述した例で言えば、
53kHz の振動よりも、さらに低い周波数で振動する
方が大きな振幅が得られる。
共振を、低い周波数の振動で発生させることができれ
ば、最も縦振動及び捩り振動の振幅を大きくできて、大
きな駆動力を出せることとなる。あるいは、高い周波数
であっても、任意の周波数の振動で共振を発生させるこ
とができれば、種々の周波数の振動で効率よく駆動でき
る超音波モータを得られる。そして、交流電源の周波数
を決めておいてから、超音波モータの設計をすることも
可能となる。
の共振周波数を任意に変える手段が要望された。これが
可能になれば、縦振動及び捩り振動のいずれにおいて
も、任意の周波数で共振を発生させることができるので
ある。
あり、その目的は、縦振動の共振周波数又は捩り振動の
共振周波数を変えて、任意の周波数において共振を発生
させられるようにして、効率的に駆動できる超音波モー
タを提供することにある。
ために請求項1記載の発明は、ロータ部とステータ部と
を有し、縦振動と捩り振動とが合成されて発生する楕円
振動によって、前記ステータ部が前記ロータ部を回転駆
動する超音波モータにおいて、前記ステータ部は、高周
波交流電圧によって縦振動を発生させる圧電素子と、前
記圧電素子に高周波交流電圧の印加を行う電極と、前記
圧電素子を挟んで締め付ける複数のブロック体と、前記
縦振動によって前記捩り振動を発生させる捩り振動発生
手段と、を含み、前記ブロック体は、縦振動における所
定次数の共振周波数と、捩り振動における所定次数の共
振周波数と、の差が縮まるように、凹部、溝、穴、又は
中空部のうち少なくとも一つが形成されてなることを特
徴とする。
超音波モータにおいて、前記楕円振動は、一次共振周波
数の縦振動と二次共振周波数の捩り振動とが合成されて
発生することを特徴とする。
て発生する縦振動に基づいて、捩り振動発生手段により
捩り振動が発生する。したがって、縦振動及び捩り振動
は、いずれも同一の周波数となる。
周波数が異なることから、一方の振動において共振が発
生しても、他方の振動において共振が生じるとは限ら
ず、一般には、共振が生じないことが多い。
は中空部のうち少なくとも一つを形成したところ、縦振
動及び捩り振動の両方において共振が発生することが実
験的に明らかになった。
ゆる縦一次と捩り二次の振動を合成させて、大きな振幅
の振動でロータ部を回転駆動できることが判明した。
て詳細に説明する。なお、本発明は、ブロック体に凹
部、溝、穴、又は中空部を形成したことを特徴とする
が、この点については、図5に基づいて後述する。
全体構成を示す図であり、図2は、ステータ部20の詳
細構造および組み付け状態を示す分解斜視図である。
タは、一定方向に回転駆動されるロータ部10と、この
ロータ部10を一方の端面12に発生する楕円振動によ
って回転駆動するステータ部20とを含んで構成され
る。そして、端面12がロータ接触面となる。
2に一定の圧力で接触する円板14と、この円板14の
回転中心に取り付けられた回転出力軸16とを含んでい
る。従って、ステータ部20の端面12に楕円振動が発
生すると、ロータ部10の円板14は回転出力軸16の
回りに一方向に回転駆動される。そして、円板14と回
転出力軸16は一体的に形成され、円板14が回転する
ことにより回転出力軸16も回転するようになってい
る。
クス等の圧電体を用いてリング状に形成された圧電素子
22、24と、一方の圧電素子24の両側に全面で接触
するように配置された電極板26、28と、これら圧電
素子22、電極板26、圧電素子24、電極板28を両
側から挟持するように配置された第1の金属ブロック体
30、第2の金属ブロック体32、第3の金属ブロック
体34と、両端に位置する第1の金属ブロック体30お
よび第3の金属ブロック体34を締め付け固定するため
の結合ボルト36(図2参照)とを含んでいる。
第3の金属ブロック体34のそれぞれの中心には、図示
しないネジ孔が形成されており、結合ボルト36が螺合
するようになっている。また、第2の金属ブロック体3
2の中心には、結合ボルト36の外径にほぼ等しい内径
を有するボルト挿通孔32aが形成されている。
素子24、電極板28のそれぞれには、結合ボルト36
の外径よりも大きな内径を有するボルト挿通孔22a、
26a、24a、28aが形成されている。そして、こ
れらボルト挿通孔22a、26a、24a、28aの内
径は、圧電素子22、電極板26、圧電素子24、電極
板28を組み立てる際に結合ボルト36の外側に挿通さ
れる絶縁カラー44の外径とほぼ一致するように形成さ
れている。
の端面12は、上述したようにロータ接触面となるが、
他方の端面13は第2の金属ブロック32と接してお
り、この端面13に端部が一致するように複数の斜めス
リット溝38が形成されている。従って、ステータ部2
0を組み立てた後は、第2の金属ブロック体32と第3
の金属ブロック体34とが一体となり、そのほぼ中央部
近傍に複数の斜めスリット溝38が形成されることにな
る。
して使用した、例えば銀、ニッケル面を分極終了後に研
磨して除去したものを用いる。
ック体34、第2の金属ブロック体32、圧電素子2
2、電極板26、圧電素子24、電極板28、第1の金
属ブロック体30が連結されて一体化した構造を有して
おり、一方の電極板26からは外部接続端子40が、他
方の電極板28からは外部接続端子42がそれぞれ突出
した形となっている。
子24に対して一定周波数の高周波交流電圧を印加する
ようになっている。また、圧電素子22に対しては、外
部接続端子42から結合ボルト36を経て電気的に接続
された第2の金属ブロック体32の端面33が電極板と
して作用するため、この第2の金属ブロック体32と外
部接続端子40とによって一定周波数の高周波交流電圧
が印加される。
極板26を共通にして、それぞれ上側の第2の金属ブロ
ック体32又は下側の電極板28から高周波交流電圧を
印加するようにしてある。すなわち、圧電素子22、2
4には、それぞれ上下逆の極性で高周波交流電圧が印加
されるのである。
ように分極方向がそれぞれ上下逆になっている。
方向が上下逆で、印加される電圧の極性も上下逆である
ことから、対応する極性は同一となる。そして、一方の
圧電素子22が伸びる場合には他方の圧電素子24も伸
び、一方の圧電素子22が縮む場合には他方の圧電素子
も縮むことになる。これにより、ステータ部20全体と
しての縦方向(結合ボルト36の長手方向)の振幅値を
大きく設定することができる。
金属ブロック体30に結合ボルト36の一方端を螺合し
て取付け固定した後、絶縁カラー44を挿通し、その後
この絶縁カラー44の外周側に電極板28、圧電素子2
4、電極板26、圧電素子22のそれぞれを順に挿通す
る。次に、第2の金属ブロック体32を結合ボルト36
に挿通し、最後に第3の金属ブロック体34を結合ボル
ト36の他方端に螺合させることにより、第1および第
3の金属ブロック体30、34によってそれ以外の部材
を締め付け固定する。
第3の金属ブロック体30、34を締め付けるために用
いているため、ピッチ、締め付け荷重および各種寸法精
度を厳しく管理する必要がなく、設計および製造が容易
となる。
による締め付けを利用して捩り振動を発生させているわ
けではないため、各部材を締め付ける方法については何
でもよい。従って、一般に使われているナットを用いた
り、結合ロッドを単にかしめるだけでもよいので、部品
コストを低減することができるとともに、その製造工程
を簡略化することもできる。
各部材の積層面の固定に接着剤を用いていないため、共
振周波数のモータ毎のばらつきや、Q値の低下を防ぐこ
とができ、これにより超音波モータの性能および信頼性
の向上を図ることができる。
ック体34に形成された斜めスリット溝38の詳細を示
す図である。同図(A)は第3の金属ブロック体34を
側面から見た図を示しており、複数の斜めスリット溝3
8が、第3の金属ブロック体34の下側端面に部分的に
接するように配置された状態が示されている。これらの
斜めスリット溝38は、第3の金属ブロック体34の下
側あるいは横方向から切削することにより形成すること
ができるため、その形成は比較的容易に行うことができ
る。なお、多少切削しにくくなるものの、第2および第
3の金属ブロック体32、34を1つの金属ブロック体
で形成し、その中間付近に横方向から刃を入れることに
より斜めスリット溝38を形成するようにしてもよい。
34を上側から見た図を示しており、金属ブロック体3
4に12個の斜めスリット溝38が形成された状態が示
されている。
22、24及び斜めスリット溝38の位置を説明するた
めの図である。そして、同図(A)にステータ部20が
示され、これに対応して同図(B)に縦振動における一
次共振振動の波形が示され、同図(C)に捩り振動にお
ける二次共振振動の波形が示されている。
24は、ステータ部20の軸方向の中央に設けられてい
る。こうすることで、この圧電素子22、24の励振に
よって実際に生じる縦振動(図示せず)は、ステータ部
20の中央に節が位置するようになる。
おける一次共振振動の波形は、中央に節が位置するよう
になっている。したがって、圧電素子22、24を上述
した位置に設けると一次共振振動を発生させることがで
きる。
うに、斜めスリット溝38は、捩り振動における二次共
振振動の節の位置から多少ずれた位置に形成されてい
る。また、縦振動との関係でいえば、縦振動の略腹と節
の中間とすることが好ましい。
振動における二次共振振動の節の位置から多少ずれた位
置に形成することにより、斜めスリット溝38はその中
心を境として異なる方向に伸び縮みすることになる。し
かも、斜めスリット溝38の傾斜方向と縦振動の振動方
向とは異なっているため、このような伸び縮みが生じる
と、中心部を回転中心として一定の角度範囲で回転する
方向に歪む現象が生ずる。これにより、第3の金属ブロ
ック体34の斜めスリット溝38部分には捩り方向の振
動が発生し、この振動が他の金属ブロック体30、32
にも伝搬するため、ステータ部20の全体に捩り振動が
生じることになる。従って、圧電素子22、24により
直接発生させた縦振動と、斜めスリット溝38の作用に
より発生した捩り振動とが合成され、ロータ接触面12
上には一定方向の楕円振動が生じ、この楕円振動によっ
てロータ部10が一方向に回転駆動される。
向は、斜めスリット溝38の傾斜方向を反対にすること
で逆方向にすることも可能である。したがって、斜めス
リット溝38の傾斜方向のみによってロータ部10の回
転方向を設定することが可能となる。
して斜めスリット溝38の傾斜方向が反対であるものを
2種類用意しておけば、そのいずれを使用するかによっ
てモータの回転方向を反対に設定することができ、部品
の共用化による製造コスト低減等の効果が大となる。こ
れは、従来のボルト締めランジュバン型モータの場合に
は結合ボルトおよび2つの金属ブロック体の両方を交換
しなければならなかったのに比べ、その差は明らかであ
る。
は、ロータ接触面12と反対側のステータ端面にも楕円
振動が発生する。すなわち、図4に示す下側の端面46
にも楕円振動が発生するため、この端面をロータ接触面
として使用することにより、2つのロータ部を同時に回
転駆動する超音波モータとすることもできる。
又は中空部について説明する。図5は、上記ステータ部
20の縦断面図である。同図に示すように、金属ブロッ
ク体30には、ロータ接触面12のほぼ中央部に、凹部
50が形成されている。この凹部50は、ほぼ円柱形状
に形成されたもので、この凹部50を形成する目的は、
次の通りである。
課題」の欄で述べたように、圧電素子の励振により実際
に振動する縦振動及び捩り振動は、同じ周波数の振動で
あるが、共振周波数は、縦振動又は捩り振動において異
なるものである。したがって、縦振動又は捩り振動のい
ずれか一方において共振が生じるように励振すると、他
方の共振が生じないこととなる。
捩り振動のそれぞれの共振周波数を近づける手段を見出
すために、種々の実験を行ったところ、ブロック体に凹
部、溝、穴、又は中空部を形成することが有効であるこ
とを確認した。
照して説明する。まず、二つのステータ部を用意した。
これらのステータ部は、縦長さをいずれも38mm、直
径をいずれも20mmとし、スリット溝を50度の角度
で6箇所に形成したものである。また、いずれのステー
タ部にも図5に示すように凹部を形成し、この凹部は、
いずれも内径を14mmとした。
1)の凹部は、深さを10mmとして、内底面が捩り振
動の二次共振振動の節の位置(図4参照)に配置される
ようにした。また、他方のステータ部(実験NO.2)
の凹部は、深さを5mmとして、内底面が捩り振動の二
次共振振動の節と腹との中間位置(図4参照)に配置さ
れるようにした。
テータ部を想定し、縦振動の一次共振周波数と、捩り振
動の二次共振周波数と、を理論上計算により求めると、 縦振動の一次共振周波数 :65kHz 捩り振動の二次共振周波数:78kHz となり、両者は大きく異なることが分かる。したがっ
て、一方の振動に共振が生じるような励振を行うと、他
方の振動には共振が生じないこととなる。
記ステータ部を、圧電素子22、24によって、60k
Hz で励振して共振周波数を測定したところ、次の結果
が出た。
振動の一次共振周波数と、捩り振動の二次共振周波数と
が接近することが分かった。したがって、逆に言えば、
このような凹部を形成したステータ部を用いた場合に
は、縦振動の一次共振周波数又は捩り振動の二次共振周
波数に近い周波数で励振すると、縦振動及び捩り振動の
いずれにおいても共振が生じることが導かれる。
低い周波数で励振しても、縦と捩りのいずれにも共振を
発生させることが可能となる。そして、低い周波数で励
振した方が大きな振幅が得られることから、結局、一層
大きな振幅を得ることができるようになる。こうして、
大きな駆動力を出せる超音波モータが得られるのであ
る。
ではなく、図7から図9のように変形してもよい。な
お、図7及び図9においては、スリット溝が図示されな
い状態で示されている。
は、図7に示すようにしてもよい。すなわち、図7にお
いて、ステータ部52は、金属ブロック体54に他との
取付部56が形成されている。また、このステータ部5
2に形成された凹部58は、図5における凹部50より
も浅く形成されている。凹部として必要な深さは、ステ
ータ部の体格や励振周波数などによって異なるので、実
験により確認しながら最適の深さを見出すことが必要で
ある。
8に示すように形成してもよい。同図は、実施例の変形
例に係るブロック体の縦断面図である。例えば、同図
(A)に示す金属ブロック体60は、円錐台形状をな
し、先細り形状の凹部62が形成されてなるものであ
る。また、同図(B)に示す金属ブロック体64は、円
柱形状をなし、上記凹部62よりは緩やかな先細り形状
の凹部66が形成されてなるもので、同図(C)に示す
金属ブロック体68も円柱形状をなして、ややテーパー
の付けられた凹部70が形成されてなるものである。さ
らに、同図(D)に示す金属ブロック体72は、円錐台
形状をなし、テーパーの付けられない凹部74が形成さ
れてなるものである。
成してもよい。例えば、図9(A)に示すステータ部7
6には、金属ブロック体78の周面に溝80が形成され
ている。また、同図(B)に示すステータ部82には、
金属ブロック体84の端面に凹部86を形成し、この凹
部86側に金属ブロック体88を取り付けてある。こう
することで、凹部86によって中空部が形成されること
となる。さらに、同図(C)に示すステータ部90に
は、金属ブロック体92、94が重ねて取り付けてあ
り、金属ブロック体94の端面に凹部96を形成し、こ
の凹部96を金属ブロック体92の端面に向けて金属ブ
ロック体94を取り付けてある。こうすることで、凹部
96によって中空部が形成されることとなる。
っても、縦と捩りの共振周波数が近づくものである。あ
るいは、これら凹部、溝、又は中空部の他に、穴を形成
したものであってもよい。
共振周波数と捩り振動の二次共振周波数とを組み合わせ
たものであるが、これに限定されず、縦振動の二次共振
周波数と捩り振動の三次共振周波数との組み合わせ、又
は縦振動の三次共振周波数と捩り振動の五次共振周波数
とを組み合わせてもよい。
場合には、この二次共振周波数における波形の節の位置
に圧電素子を配置して、実際に生じる振動における波形
の節の位置と、二次共振周波数における波形の節の位置
とを一致させることで必要である。こうすることで、縦
振動の共振を発生させることができる。
て捩り振動を発生させたが、これに限定されるものでは
なく、図11に示すようなボルト108によって捩り振
動を発生させるものに本発明を適用してもよい。
ることで捩り振動を発生させるものに、本発明を適用し
てもよい。
て捩り振動を発生させる構成については、特願平5−2
65617号に開示されており、これを図10に示す。
すなわち、同図において、ステータ部220は、斜め方
向に分極された2つの圧電素子222、224と、これ
らに一定周波数の高周波交流電圧を印加するための2つ
の電極板226、228と、さらに外側からこれらを挟
持するように配置された第1及び第2の金属ブロック体
230、232と、金属ブロック体を締め付けるための
結合ボルト336とを含む。斜め方向に分極された圧電
素子222、224を振動させると、ロータ部210の
回転軸216に沿った縦振動と、ロータ部210の回転
方向に沿った捩り振動とを同時に発生させることができ
る。これにより、ロータ接触面212上にはこれらの縦
振動と捩り振動とが合成された楕円振動が発生し、ロー
タ部210を回転駆動することができる。
縦振動の共振周波数又は捩り振動の共振周波数を変え
て、任意の周波数において共振を発生させて、効率的に
駆動することができる。
な振幅の振動による大きな駆動力を出すことができる。
体構成を示す図である。
す分解斜視図である。
た斜めスリット溝の詳細を示す図である。
ための図である。
である。
る。
タの一例を示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 ロータ部とステータ部とを有し、縦振動
と捩り振動とが合成されて発生する楕円振動によって、
前記ステータ部が前記ロータ部を回転駆動する超音波モ
ータにおいて、 前記ステータ部は、高周波交流電圧によって縦振動を発
生させる圧電素子と、前記圧電素子に高周波交流電圧の
印加を行う電極と、前記圧電素子を挟んで締め付ける複
数のブロック体と、前記縦振動によって前記捩り振動を
発生させる捩り振動発生手段と、を含み、 前記ブロック体は、縦振動における所定次数の共振周波
数と、捩り振動における所定次数の共振周波数と、の差
が縮まるように、凹部、溝、穴、又は中空部のうち少な
くとも一つが形成されてなることを特徴とする超音波モ
ータ。 - 【請求項2】 請求項1記載の超音波モータにおいて、 前記楕円振動は、一次共振周波数の縦振動と二次共振周
波数の捩り振動とが合成されて発生することを特徴とす
る超音波モータ。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP18668694A JP3297211B2 (ja) | 1994-07-15 | 1994-07-15 | 超音波モータ |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP18668694A JP3297211B2 (ja) | 1994-07-15 | 1994-07-15 | 超音波モータ |
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JPH0833370A true JPH0833370A (ja) | 1996-02-02 |
JP3297211B2 JP3297211B2 (ja) | 2002-07-02 |
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ID=16192870
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