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JP2504197B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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Publication number
JP2504197B2
JP2504197B2 JP1178554A JP17855489A JP2504197B2 JP 2504197 B2 JP2504197 B2 JP 2504197B2 JP 1178554 A JP1178554 A JP 1178554A JP 17855489 A JP17855489 A JP 17855489A JP 2504197 B2 JP2504197 B2 JP 2504197B2
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JP
Japan
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vibration
ultrasonic motor
longitudinal
stator
rotor
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JP1178554A
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修 大西
修 冥加
武志 井上
忠保 内川
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NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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Priority to US07/548,574 priority patent/US5051647A/en
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、回転トルクの発生源として、縦‐捩り複合
振動子をステータとしステータ上に圧接されたロータを
摩擦力を介して回転させる超音波モータの改良に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial field of application) The present invention uses a longitudinal-torsion composite oscillator as a stator to rotate a rotor pressed against the stator through frictional force as a source of rotational torque. The present invention relates to improvement of a sonic motor.

(従来の技術) 超音波モータとは、超音波楕円振動をする振動体であ
るステータに圧接されたロータが摩擦力を介して受ける
回転トルクを利用したモータである。
(Prior Art) An ultrasonic motor is a motor that utilizes a rotational torque received by a rotor pressed against a stator, which is a vibrating body that performs ultrasonic elliptical vibration, through frictional force.

円環あるいは円板の円周方向に沿って伝搬する屈曲進
行波を利用した超音波モータが特開昭58-148682号公報
により開示されて以来、超音波モータは電磁型モータと
比べて低速で高トルクであるという特徴を有しているこ
とから、盛んに研究開発が行われるようになった。しか
しながら、この超音波モータは屈曲振動を利用している
ため、小径にすると高トルクを得ることが難しいという
欠点がある。例えば、直径2cmの進行波型超音波モータ
のトルクは、たかだか0.1〜0.2kgf・cmに過ぎない。
Since the ultrasonic motor utilizing the bending traveling wave propagating along the circumferential direction of the ring or the disk is disclosed by JP-A-58-148682, the ultrasonic motor has a lower speed than the electromagnetic motor. Since it has a characteristic of high torque, research and development have been actively conducted. However, since this ultrasonic motor utilizes bending vibration, there is a drawback in that it is difficult to obtain high torque when the diameter is small. For example, the torque of a traveling wave type ultrasonic motor having a diameter of 2 cm is at most 0.1 to 0.2 kgf · cm.

これに対し、特開昭61-52163号公報に開示されている
定在波型超音波モータは、ロータとステータの界面に効
率よく強力な楕円振動の発生を可能とした。しかしなが
ら、これとて圧電縦振動を用いて捩り振動を励振するも
のでモード変換を要するため構成条件に制約があり、振
動子の形状、サイズが限定され、しかも発生する楕円振
動の回転の向きは構成条件によって、右廻り、左廻りの
何れか一方となり、回転方向を自由に変えられないと言
う欠点があった。
On the other hand, the standing wave type ultrasonic motor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 61-52163 enables efficient generation of strong elliptical vibration at the interface between the rotor and the stator. However, this also excites torsional vibration using piezoelectric longitudinal vibration and requires mode conversion, so there are restrictions on the configuration conditions, the shape and size of the vibrator are limited, and the direction of rotation of the elliptic vibration generated is limited. Depending on the constitutional conditions, there is one of clockwise and counterclockwise rotation, and there is a drawback that the direction of rotation cannot be freely changed.

回転方向を自由に変えられ、しかも小径で高トルクを
有するモータの出現が望まれていたが、このような機能
を有する超音波モータとして本発明者らは、特願昭63-1
49726号、及び昭和63年日本音響学会秋季研究発表会講
演論文集No.2-4-10、pp.821-822(1988年10月)等にお
いて開示した縦・捩り複合振動子をステータとする超音
波モータを提案した。この超音波モータの構成を第3図
に示す。第3図に於て、11は縦振動を励振させる圧電セ
ラミック素子で、板厚方向に分極処理が施されている。
12は捩り振動を励振させる圧電セラミック素子で板面に
平行で且つ円周方向に分極処理が施されている。これら
の圧電素子11,12は、Al合金からできたヘッドマス13、
リアマス14、ボルト15により強固に締め付けられ、超音
波楕円振動子であるステータ30を構成する。また、20は
ロータ17をステータに圧接させる働きをするバネ、19は
台座、22はシャフト、21はナットである。このナット21
によりバネの圧接力を加減することが出来る。また、18
はベアリングである。この超音波モータの動作原理を第
4図に示す。縦振動は、言わばクラッチの働きをしてお
り、一方向の捩り変位のみロータに伝達される。
It has been desired to develop a motor whose rotation direction can be freely changed and which has a small diameter and high torque. However, as an ultrasonic motor having such a function, the present inventors have proposed Japanese Patent Application No. 63-1.
The stator is the longitudinal / torsional composite oscillator disclosed in 49726, and the 1988 Autumn Meeting of the Acoustical Society of Japan No.2-4-10, pp.821-822 (October 1988), etc. An ultrasonic motor was proposed. The structure of this ultrasonic motor is shown in FIG. In FIG. 3, reference numeral 11 denotes a piezoelectric ceramic element for exciting longitudinal vibration, which is subjected to a polarization treatment in the thickness direction.
Reference numeral 12 is a piezoelectric ceramic element that excites torsional vibration, and is polarized in a circumferential direction parallel to the plate surface. These piezoelectric elements 11 and 12 are head masses 13 made of Al alloy,
The rear mass 14 and the bolts 15 are firmly tightened to form a stator 30 which is an ultrasonic elliptical oscillator. Further, 20 is a spring that acts to press the rotor 17 against the stator, 19 is a pedestal, 22 is a shaft, and 21 is a nut. This nut 21
With this, the pressure contact force of the spring can be adjusted. Also, 18
Is a bearing. FIG. 4 shows the operation principle of this ultrasonic motor. The longitudinal vibration acts as a clutch, so to speak, and only torsional displacement in one direction is transmitted to the rotor.

この超音波モータは、ステータとロータの界面に縦と
捩り振動で合成された楕円振動を効率よく強勢に励振さ
せるために、縦と捩り振動を同時に共振駆動させること
を目的として提案されたものである。共振駆動を行うた
めには、縦と捩りの共振周波数を一致させる必要があ
る。第3図に示した超音波モータにおいて、ステータ上
に適当な太さのシャフトを立て、ロータとステータの圧
接力を調整することにより、弱電界時において辛うじて
縦振動と捩り振動の共振周波数を一致させることができ
た。
This ultrasonic motor was proposed for the purpose of resonantly driving longitudinal and torsional vibrations at the same time in order to efficiently and strongly excite elliptical vibrations synthesized by longitudinal and torsional vibrations at the interface between the stator and rotor. is there. In order to perform the resonance drive, it is necessary to match the resonance frequencies of the vertical and the torsion. In the ultrasonic motor shown in Fig. 3, by setting a shaft with an appropriate thickness on the stator and adjusting the pressure contact force between the rotor and the stator, the resonance frequencies of longitudinal vibration and torsional vibration are barely matched under a weak electric field. I was able to do it.

(発明が解決しようとする課題) この縦振動と捩り振動の共振周波数の一致は、弱電界
時の一致であり、実際にモータを強電界で駆動する際に
は、捩りの共振周波数fTが縦の共振周波数fLより高くな
ってしまい、実際の駆動状態である強電界時において共
振周波数を一致させることは困難であった。第3図に示
した構成の超音波モータでは、捩り振動の共振周波数fT
は、ステータ部分の長さでほぼ決定してしまい、圧接力
にそれほど影響されることはない。しかし、縦振動の共
振周波数はfLは、ロータの質量、ロータとステータの圧
接力に依存し、ロータの質量が軽く、前記圧接力が大き
いほど捩りの共振周波数に近づく。即ち、第3図に示し
た構成の超音波モータでは、一般にfT>fLである。従っ
て、fT=fLを実現しようとすれば、まずロータを軽くす
る必要があり、そのためにはロータの高さを小さくせざ
るを得ないが、このような形状のロータでは剛性が小さ
くなり、大きなトルクの発生は困難となる。あるいは、
圧接力を極端に大きくすることが必要であるが、圧接力
をきわめて大きな状態にすることは、必然的にベアリン
グに過大な応力を与える事になり、ベアリングの損傷や
寿命の短命化につながり、極めて危険である。したがっ
て、従来の第3図に示した超音波モータでは、実際のハ
イパワー駆動時において、fTがfLより高い状態であり、
得られる効率はせいぜい25%〜40%程度である。
(Invention Problems to be Solved) matching the resonant frequency of the longitudinal vibration and torsional vibration are coincident at a weak electric field, when driving actually the motor at high electric field, the torsional resonance frequency f T Since the vertical resonance frequency f L is higher than the vertical resonance frequency f L , it is difficult to match the resonance frequencies in a strong electric field which is an actual driving state. In the ultrasonic motor having the configuration shown in FIG. 3, the resonance frequency f T of the torsional vibration is
Is almost determined by the length of the stator portion and is not so affected by the pressure contact force. However, the resonance frequency f L of the longitudinal vibration depends on the mass of the rotor and the pressure contact force between the rotor and the stator, and as the mass of the rotor is lighter and the pressure contact force increases, the resonance frequency approaches the torsion resonance frequency. That is, in the ultrasonic motor having the configuration shown in FIG. 3, generally f T > f L. Therefore, in order to realize f T = f L , it is necessary to lighten the rotor first, and in order to do so, it is unavoidable to reduce the height of the rotor. However, it becomes difficult to generate a large torque. Alternatively,
It is necessary to make the pressure contact force extremely large, but making the pressure contact force extremely large inevitably causes excessive stress to the bearing, leading to damage to the bearing and shortening the life of the bearing, It is extremely dangerous. Therefore, in the ultrasonic motor shown in the conventional Figure 3, at the time of actual high-power drive, a state f T is higher than f L,
The efficiency obtained is at most 25% to 40%.

(課題を解決するための手段) 本発明は、縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子を2個
のブロックで挟んだ縦‐捩り複合振動子をステータとし
該ステータにロータを圧接する構成の超音波モータにお
いて、ロータ側に位置するブロックと圧電素子の間に、
圧電素子の外径より大きな外径で、密度と弾性率の積が
該金属ブロックの材料よりも大きい材料で作製された円
板を配置したことを特徴とする超音波モータである。
(Means for Solving the Problem) The present invention provides an ultrasonic wave configuration in which a longitudinal-torsion composite oscillator in which a longitudinal vibration piezoelectric element and a torsional vibration piezoelectric element are sandwiched between two blocks is used as a stator and a rotor is pressed against the stator. In the motor, between the block located on the rotor side and the piezoelectric element,
The ultrasonic motor is characterized in that a disk made of a material having an outer diameter larger than that of the piezoelectric element and having a product of density and elastic modulus larger than that of the material of the metal block is arranged.

(作用) 本発明は、縦‐捩り複合振動子をステータとする超音
波モータに於て、縦と捩りの共振周波数を実際のハイパ
ワー駆動時において完全に一致させ、モータの効率を高
めるためになされたものである。このため、本発明で
は、ステータ部分のうち特にヘッドマス部分に使用する
材料、ヘッドマス構成を最適化することにより、縦振動
と捩り振動の共振周波数を一致させている。以下に詳細
に説明する。
(Operation) In the ultrasonic motor using the longitudinal-torsion composite oscillator as a stator, the longitudinal and torsional resonance frequencies are made to completely match at the time of actual high-power driving to improve the efficiency of the motor. It was made. For this reason, in the present invention, the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the torsional vibration are matched by optimizing the material used for the head mass part of the stator part and the head mass structure. The details will be described below.

従来の第3図に示す超音波モータの高電界駆動時にお
ける振動変位分布を第5図(a)、(b)に示す。縦振
動と捩り振動の振動変位分布が異なっているが、この理
由は、縦弾性波の位相速度が捩り弾性波の位相速度の1.
6倍ほど大きいこと、縦振動の特性機械インピーダンスZ
0Lが、中空円筒に関して Z0L=ρcLA=(II/4)(ρE)0.5(DO 2−DI 2)(1) 捩り振動の特性機械インピーダンスZ0Tは、同じく中
空円筒に関して Z0T=ρcTJP=(II/32)(ρG)0.5(DO 4−DI 4
(2) で与えられ、Z0Lは直径の2次関数、Z0Tは直径の4次関
数となっていることによる。ここで(1)式、(2)式
において ρ ;密度 cL ;縦弾性波の位相速度 cT ;捩り弾性波の位相速度 A ;中空円筒の断面積 E ;縦弾性率 G ;ずれ弾性率 DO ;外径 DI ;内径 JP ;中空円筒の断面極2次モーメント である。第5図の縦振動と捩り振動の振動モードを詳細
に見ると、ヘッドマス部分において振幅が大きく異なっ
ていることが分かる。即ち、本発明の原理はヘッドマス
部分において、特性機械インピーダンスZ0L、Z0Tを変え
てやることにより、振動モードに変化を与え、縦振動と
捩り振動の共振周波数を一致させることにある。
The vibration displacement distribution of the conventional ultrasonic motor shown in FIG. 3 when driven by a high electric field is shown in FIGS. The vibration displacement distributions of longitudinal vibration and torsional vibration are different, because the phase velocity of the longitudinal elastic wave is 1.
About 6 times larger, longitudinal vibration characteristic mechanical impedance Z
0L is, Z 0L = ρc L A = (II / 4) with respect to the hollow cylinder (ρE) 0.5 (D O 2 -D I 2) (1) characteristic mechanical impedance Z 0T of the torsional vibration, like Z regard hollow cylinder 0T = Ρ c T J P = (II / 32) (ρ G ) 0.5 (D O 4 −D I 4 )
(2) given by, Z 0L is due to that is the quadratic function, quartic function of Z 0T diameter diameter. Here, in the equations (1) and (2), ρ; density c L ; phase velocity of longitudinal elastic wave c T ; phase velocity of torsional elastic wave A; cross-sectional area E of hollow cylinder E; longitudinal elastic modulus G; shear elastic modulus D O ; outer diameter D I ; inner diameter J P ; second polar moment of area of the hollow cylinder. When the vibration modes of the longitudinal vibration and the torsional vibration shown in FIG. 5 are examined in detail, it is found that the amplitudes are greatly different in the head mass portion. That is, the principles of the present invention in Heddomasu portion, characteristic mechanical impedance Z 0L, by'll change the Z 0T, given a change in the vibration mode is to match the resonant frequency of the longitudinal vibration and torsional vibration.

本発明では、特にヘッドマス部分の特性機械インピー
ダンスを最適化することにより、ハイパワー駆動時にお
ける縦と捩りの共振周波数を一致させている。
According to the present invention, the characteristic mechanical impedance of the head mass portion is optimized to match the longitudinal and torsional resonance frequencies during high power driving.

第5図(a)、(b)に示す従来の縦‐捩り複合振動
子をステータとする超音波モータの振動変位分布のヘッ
ドマス部分に注目すると、ヘッドマスの縦圧電セラミッ
ク素子に近い部分において、縦振動に関しては振動節部
に近い位置にあるスチフネスとして動作しており、捩り
振動に関しては振動腹部となり慣性質量として動作して
いる。この状態において、捩り振動の共振周波数fTは縦
振動の共振周波数fLにより高い。しかしながら、本発明
に基づく超音波モータでは、Al合金やTi合金等の比較的
軽量なヘッドマスと圧電素子の間に、圧電素子の外径よ
り大きな外径で、Al合金やTi合金よりも密度と弾性率が
ともに大きなステンレス鋼、超硬合金等の材料で作製さ
れた円板を配置することによって、ヘッドマス部は、縦
振動に対してより大きなスチフネスを実現し、捩り振動
に関してはより大きな慣性質量を実現している。したが
って、本発明の超音波モータでは、以上の改良により、
捩り振動の共振周波数fTを低下させ、縦振動の共振周波
数fLを上昇させることが出来るわけであるから、ハイパ
ワー駆動時において、fT=fLを実現することが可能とな
る。
Focusing on the head mass portion of the vibration displacement distribution of the ultrasonic motor using the conventional longitudinal-torsion composite oscillator shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b) as a stator, the longitudinal portion of the head mass is close to the longitudinal piezoelectric ceramic element. Regarding vibration, it operates as a stiffness in the position close to the vibration node, and regarding torsional vibration, it functions as a vibration antinode and operates as an inertial mass. In this state, the resonance frequency f T of torsional vibration is higher than the resonance frequency f L of longitudinal vibration. However, in the ultrasonic motor according to the present invention, between the relatively lightweight head mass such as Al alloy or Ti alloy and the piezoelectric element, the outer diameter is larger than the outer diameter of the piezoelectric element, and the density is higher than that of the Al alloy or Ti alloy. By arranging a disk made of a material such as stainless steel or cemented carbide, which has a large elastic modulus, the head mass section realizes greater stiffness against longitudinal vibration and a larger inertial mass with respect to torsional vibration. Has been realized. Therefore, in the ultrasonic motor of the present invention, by the above improvement,
Since the resonance frequency f T of the torsional vibration can be lowered and the resonance frequency f L of the longitudinal vibration can be increased, f T = f L can be realized during high power driving.

(実施例) 本発明の実施例の側断面図を第1図に示す。以下、図
面にしたがって説明する。実施例に示した超音波モータ
の全長は70mm、リアマス14の直径は20mmである。Al合金
製のヘッドマス13は外径20mm、高さ6mm、ステンレス鋼
製のヘッドマス16は内径9mm、外径24mm、高さ5mmであ
る。11は外径20mm、内径10mmの縦振動励振用PZT系圧電
セラミック素子で、12は同じく外径20mm、内径10mmの捩
り振動励振用PZT系圧電セラミック素子、14はステンレ
ス鋼製リアマスである。ヘッドマス13からリアマス14ま
ではステンレス鋼性ボルト15により強固に締め付けら
れ、縦‐捩り複合振動子であるステータ10を構成する。
なお、本実施例ではボルト15はヘッドマス13に締め付け
られているが、ヘッドマス13とヘッドマス16を溶接等の
手段により一体化しボルト15をヘッドマス16に対して締
め付けても、本実施例と同様の効果が得られるのは明白
である。
(Embodiment) A side sectional view of an embodiment of the present invention is shown in FIG. Hereinafter, description will be given with reference to the drawings. The ultrasonic motor shown in the embodiment has a total length of 70 mm and the rear mass 14 has a diameter of 20 mm. The head mass 13 made of Al alloy has an outer diameter of 20 mm and a height of 6 mm, and the stainless steel head mass 16 has an inner diameter of 9 mm, an outer diameter of 24 mm and a height of 5 mm. Reference numeral 11 is a PZT-based piezoelectric ceramic element having an outer diameter of 20 mm and inner diameter of 10 mm for longitudinal vibration excitation, 12 is also a PZT-based piezoelectric ceramic element of 20 mm outer diameter and an inner diameter of 10 mm for torsional vibration excitation, and 14 is a stainless steel rear mass. The head mass 13 to the rear mass 14 are firmly tightened by stainless steel bolts 15 to form a stator 10 which is a vertical-torsion composite oscillator.
Although the bolt 15 is fastened to the head mass 13 in the present embodiment, the head mass 13 and the head mass 16 may be integrated by means such as welding and the bolt 15 may be fastened to the head mass 16 with the same effect as in the present embodiment. It is clear that

17はステンレス鋼製ロータで高さは8mm、18はベアリ
ング、19ステンレス鋼製台座、22はステンレス鋼製シャ
フト、20はバネ、21はナットで、シャフト22、バネ20、
ナット21はロータ17をステータ10に圧接する力を供給す
る。ロータとステータ間の圧接力はナットの回転角を調
節することにより微妙に変えることが可能である。縦振
動励振用圧電素子11と捩り振動励振用圧電素子12に交流
電圧を印加し、電圧の位相差を適当に調節し、また、ハ
イパワー励振時において、縦振動と捩り振動の共振周波
数を一致させた場合、ステータ10とロータ17の界面にお
いて、縦振動と捩り振動の振幅が合成された強力な楕円
振動を引き起こすことができる。ヘッドマス16は、縦振
動に対してはスチフネスの増加により共振周波数を高く
し、捩り振動に関しては大きな慣性質量として作用する
ため共振周波数を著しく低下させる働きがある。実施例
の第1図に示した状態の寸法形状を有する超音波モータ
において、ロータとステータ間の圧接力を50kgf一定と
し、縦及び捩り圧電セラミック素子の駆動電圧をともに
80Vrmsとして、ハイパワーの励振を行ったとき縦振動の
共振周波数は32.2kHz、捩り振動の共振周波数は31.1kHz
であった。そこで、ヘッドマス16の外周を削って質量を
落とすことで、周波数調整を行ったところ、32.1kHzで
縦振動と捩り振動の共振周波数が一致した。次に、駆動
電圧をそのままにして、圧電素子11と12に印加する電圧
の位相差を70度で駆動すると、時計廻り方向に回転し
た。その時の回転数‐トルク特性測定結果を第2図に示
す。この超音波モータの諸特性は無負荷時回転数560r.
p.m.、最大トルク5.3kgf・cm、最大効率65%である。
17 is a stainless steel rotor with a height of 8 mm, 18 is a bearing, 19 stainless steel pedestal, 22 is a stainless steel shaft, 20 is a spring, 21 is a nut, shaft 22, spring 20,
The nut 21 supplies a force for pressing the rotor 17 against the stator 10. The pressure contact force between the rotor and the stator can be delicately changed by adjusting the rotation angle of the nut. An AC voltage is applied to the piezoelectric element 11 for longitudinal vibration excitation and the piezoelectric element 12 for torsional vibration excitation to adjust the phase difference of the voltage appropriately, and the resonance frequency of longitudinal vibration and torsional vibration coincide with each other during high power excitation. In this case, a strong elliptical vibration in which the amplitudes of the longitudinal vibration and the torsional vibration are combined can be caused at the interface between the stator 10 and the rotor 17. The head mass 16 increases the resonance frequency by increasing the stiffness with respect to the longitudinal vibration, and acts as a large inertial mass with respect to the torsional vibration, and thus has a function of remarkably decreasing the resonance frequency. In the ultrasonic motor having the dimensions and shape shown in FIG. 1 of the embodiment, the pressure contact force between the rotor and the stator is kept constant at 50 kgf, and the driving voltages of the longitudinal and torsional piezoelectric ceramic elements are both set.
Resonance frequency of longitudinal vibration is 32.2kHz, resonance frequency of torsional vibration is 31.1kHz when high-power excitation is performed at 80V rms.
Met. Therefore, when the frequency was adjusted by cutting the outer periphery of the head mass 16 to reduce the mass, the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the torsional vibration were matched at 32.1 kHz. Next, when the driving voltage was maintained and the phase difference between the voltages applied to the piezoelectric elements 11 and 12 was driven at 70 degrees, the piezoelectric elements rotated clockwise. FIG. 2 shows the results of measurement of the rotational speed-torque characteristics at that time. The characteristics of this ultrasonic motor are 560r.
pm, maximum torque 5.3kgf · cm, maximum efficiency 65%.

本実施例に示した超音波モータは、駆動電圧の位相差
を250度とすることにより、反時計方向の反転すること
が確認され、その特性は、第2図に示したものとほぼ同
じであった。
It was confirmed that the ultrasonic motor shown in the present embodiment was inverted in the counterclockwise direction by setting the phase difference of the drive voltage to 250 degrees, and its characteristics are almost the same as those shown in FIG. there were.

上記実施例においてはヘッドマス16にステンレス鋼、
ヘッドマス13にAl合金を用いており、ヘッドマス16とヘ
ッドマス13の密度と弾性率の積の平方根の比k=(ρbE
b0.5/(ρaEa0.5は2.8である。ヘッドマス16の材
料をk=2.4の銅、k=1.7のチタンに替えても、圧接力
50kgfの条件下においてヘッドマス16の外径24mm以下で
縦振動と捩り振動の共振周波数を一致させることがで
き、その時の超音波モータの特性は第2図とほぼ同じで
あった。しかしながらk=1.4の錫を用いた場合では、
ヘッドマス16の外径24mmにおいてもfL<fTであり共振周
波数を一致させることができなかった。この場合、ヘッ
ドマス16の外径をさらに大きくすれば共振周波数が一致
するのは明白であるが、超音波モータの全体の小径化に
はヘッドマス16の外径は小さい方が望ましく得策ではな
い。ヘッドマス16とヘッドマス13の比が1.2以下の状態
で縦振動と捩り振動の共振周波数を一致させるには、密
度と弾性率の積の比が1.5以上であることが必要であ
る。
In the above embodiment, the head mass 16 is made of stainless steel,
An Al alloy is used for the head mass 13, and the ratio of the square root of the product of the density and the elastic modulus of the head mass 16 and the head mass 13 is k = (ρ b E
b ) 0.5 / (ρ a E a ) 0.5 is 2.8. Even if the material of the head mass 16 is changed to copper with k = 2.4 and titanium with k = 1.7, the pressure contact force
Under the condition of 50 kgf, the resonance frequency of the longitudinal vibration and the torsional vibration can be matched with the outer diameter of the head mass 16 of 24 mm or less, and the characteristics of the ultrasonic motor at that time were almost the same as those in FIG. However, with tin of k = 1.4,
Even when the outer diameter of the head mass 16 was 24 mm, f L <f T , and the resonance frequencies could not be matched. In this case, it is obvious that if the outer diameter of the head mass 16 is further increased, the resonance frequencies match each other. However, it is desirable that the outer diameter of the head mass 16 is small in order to reduce the overall diameter of the ultrasonic motor. In order to make the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the torsional vibration coincide with each other when the ratio of the head mass 16 and the head mass 13 is 1.2 or less, the ratio of the product of the density and the elastic modulus needs to be 1.5 or more.

(発明の効果) 以上詳述した如く、本発明に従った構成の超音波モー
タは高電界駆動時において、縦振動と捩り振動の共振周
波数を完全に一致させることができ、僅かな消費電力で
ステータとロータの界面に大振幅の楕円振動を発生させ
ることができ、高効率、高トルクの超音波モータを実現
することが出来る。したがって、本発明に基づく超音波
モータ技術的有用性は計り知れないほど大きく、応用技
術、派生技術の広さも予測しきれないものがある。
(Effects of the Invention) As described above in detail, the ultrasonic motor having the configuration according to the present invention can completely match the resonance frequency of the longitudinal vibration and the torsional vibration during the high electric field driving, and consumes little power. A large-amplitude elliptical vibration can be generated at the interface between the stator and the rotor, and a high-efficiency, high-torque ultrasonic motor can be realized. Therefore, the technical usefulness of the ultrasonic motor based on the present invention is immeasurable, and there are some applications and derived technologies that cannot be predicted.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は発明の超音波モータの実施例の側断面図、第2
図は本発明の超音波モータの特性図、第3図は従来型超
音波モータの側断面図、第4図は超音波モータの動作原
理図、第5図(a)、(b)は従来型超音波モータの変
位分布図である。 図において、10,30…ステータ、11…縦振動駆動用圧電
セラミック素子、12…捩り振動駆動用圧電セラミック素
子、13…ヘッドマス、14…リアマス、15…ボルト、16…
円板状のヘッドマス、17…ロータ、18…ベアリング、19
…台座、20…コイルバネ、21…ナット、22…シャフト。
FIG. 1 is a side sectional view of an embodiment of an ultrasonic motor of the invention, FIG.
FIG. 3 is a characteristic diagram of the ultrasonic motor of the present invention, FIG. 3 is a side sectional view of a conventional ultrasonic motor, FIG. 4 is an operation principle diagram of the ultrasonic motor, and FIGS. 5 (a) and 5 (b) are conventional. FIG. 3 is a displacement distribution map of the ultrasonic ultrasonic motor. In the figure, 10, 30 ... Stator, 11 ... Longitudinal vibration driving piezoelectric ceramic element, 12 ... Torsional vibration driving piezoelectric ceramic element, 13 ... Head mass, 14 ... Rear mass, 15 ... Bolt, 16 ...
Disc-shaped head mass, 17 ... Rotor, 18 ... Bearing, 19
… Pedestal, 20… Coil spring, 21… Nut, 22… Shaft.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】縦振動圧電素子と捩り振動圧電素子が2個
のブロックで挟まれた縦‐捩り複合振動子をステータと
し該ステータにロータを圧接する構成の超音波モータに
おいて、ロータ側に位置するブロックと圧電素子の間
に、圧電素子の外径より大きな外径で、密度と弾性率の
積が前記ブロックの材料よりも大きい材料で作製された
円板を配置したことを特徴とする超音波モータ。
1. An ultrasonic motor having a structure in which a longitudinal-torsion composite oscillator, in which a longitudinal vibration piezoelectric element and a torsional vibration piezoelectric element are sandwiched between two blocks, is used as a stator, and the rotor is pressed against the stator. Between the block and the piezoelectric element, a disc made of a material having an outer diameter larger than that of the piezoelectric element and having a product of density and elastic modulus larger than that of the block is arranged. Sonic motor.
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