JPH03118780A - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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JPH03118780A
JPH03118780A JP1256345A JP25634589A JPH03118780A JP H03118780 A JPH03118780 A JP H03118780A JP 1256345 A JP1256345 A JP 1256345A JP 25634589 A JP25634589 A JP 25634589A JP H03118780 A JPH03118780 A JP H03118780A
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JP
Japan
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oscillation
ultrasonic
vibration
ultrasonic motor
excited
Prior art date
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Pending
Application number
JP1256345A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaki Yamaguchi
昌樹 山口
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Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Publication date
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enable stable high efficiency operation by adjusting the voltage so that the oscillation speed of the other oscillation may be maximum when the displacement of one oscillation of two-way oscillation becomes maximum and that the speed may be the shifting speed at which a driving part abuts on the position of nearly the loop of both oscillation amplitude. CONSTITUTION:When the first piezoelectric body 22 is oscillated by applying the AC voltage of frequency f to a positive electrode 41, a first ultrasonic oscillator 20 is excited. When the second piezoelectric body 30 is oscillated by applying the AC voltage of frequency f/2 to a positive electrode 42 at the same time, a second ultrasonic oscillator 40 is excited. When a driving part 26 formed at the end being the loop of the oscillation of the second ultrasonic oscillator 40 at this time, the first ultrasonic oscillator 20 receives driving force in the direction determined by the phase of two-way oscillation. And if the application voltage is adjusted to set speed so that the first ultrasonic oscillator 20 may be at the position of the loop of the second oscillator 40 after oscillation of one cycle, the first ultrasonic oscillator 20 receives the driving force again.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、定在波型超音波モータに関するものである。[Detailed description of the invention] [Industrial application field] The present invention relates to a standing wave type ultrasonic motor.

[従来技術] 定在波型超音波モータの動作原理は、略楕円運動が励振
される超音波振動子に対して所定圧力で移動子を当接さ
せ、略楕円運動する各質点と移動子との摩擦力により移
動子を駆動するものである。
[Prior art] The operating principle of a standing wave type ultrasonic motor is that a moving element is brought into contact with a predetermined pressure against an ultrasonic vibrator that is excited into an approximately elliptical motion, and each mass point moving approximately in an elliptical manner is connected to the moving element. The movable element is driven by the frictional force.

定在波型超音波振動子は、高効率振動を実現する構成が
得やすいために、定在波型モータは進行波型モータに比
較して高効率、大出力という長所がある。
Since the standing wave type ultrasonic vibrator can easily be configured to achieve highly efficient vibration, the standing wave type motor has the advantage of higher efficiency and larger output than the traveling wave type motor.

従来の定在波型モータに利用される超音波振動子は、略
楕円運動を高効率に励起するために、弾性体と励振体と
の接触面では単一方向振動を、また一方、弾性体と移動
子との接触面では楕円振動を行う固有振動モードを有す
る機械共振系を用いることで略楕円運動を得ている。こ
のような超音波モータは、特願昭63−234450号
、特願平1−46866号に提案されている。
The ultrasonic vibrator used in conventional standing wave motors generates unidirectional vibration at the contact surface between the elastic body and the exciting body in order to excite approximately elliptical motion with high efficiency. At the contact surface between the rotor and the mover, approximately elliptical motion is obtained by using a mechanical resonance system having a natural vibration mode that performs elliptical vibration. Such an ultrasonic motor has been proposed in Japanese Patent Application No. 63-234450 and Japanese Patent Application No. 1-46866.

しかしながら、これら超音波モータにおいては単一の弾
性体に2方向の振動を励振しているため、その形状寸法
に大きな制限がある。また、構造上の不完全性から前記
2方向振動が結合しやすいという欠点があった。
However, since these ultrasonic motors excite vibrations in two directions in a single elastic body, there are large limitations on their shape and dimensions. Furthermore, there is a drawback that the two-way vibrations are likely to be coupled due to structural imperfections.

そこで、振動方向毎に弾性体を分割し、各々を独立励振
させる超音波モータが特願昭62−292730号に提
案されている。その従来例を第4図に示す。
Therefore, Japanese Patent Application No. 62-292730 proposes an ultrasonic motor that divides the elastic body in each vibration direction and excites each part independently. A conventional example is shown in FIG.

ここで、ホルダ100は有底円筒状を成し、機枠などの
図示しない位置固定の部材に固定されるものである。ホ
ルダ100の底部には回転軸120が摺動可能に嵌合さ
れており、回転軸120の一端部に螺合されたナツト1
40とホルダ100内の底面との間には、予圧状態のコ
イルスプリング150とスラストベアリング160とが
介挿され、これにより、回転軸120が回転可能な状態
でナツト140側へ常時付勢されている。
Here, the holder 100 has a cylindrical shape with a bottom, and is fixed to a fixed position member (not shown) such as a machine frame. A rotating shaft 120 is slidably fitted to the bottom of the holder 100, and a nut 1 is screwed onto one end of the rotating shaft 120.
A preloaded coil spring 150 and a thrust bearing 160 are inserted between 40 and the bottom surface of the holder 100, so that the rotating shaft 120 is always urged toward the nut 140 in a rotatable state. There is.

固定側振動部材180は、上記ホルダ100に対して同
心に固定されており、回転軸120が遊嵌される貫通孔
200が形成され、ホルダ100に固定された軸断面正
方形状のボス部220と、ボス部220の外周の4面か
ら四方へ同じ長さだけ突設され、軸心を含む平面内に位
置する矩形の平板部240と、この平板部240の外周
側の一隅を相互に連結する円環状の環状圧接部260と
から構成されている。また、280,400は圧電素子
、320は可動側振動部材、360は平板部、380は
環状圧接部である。
The fixed vibration member 180 is fixed concentrically to the holder 100, has a through hole 200 into which the rotating shaft 120 is loosely fitted, and has a boss portion 220 fixed to the holder 100 with a square cross section. , a rectangular flat plate part 240 that protrudes from four sides of the outer periphery of the boss part 220 by the same length in all directions, and is located in a plane including the axis, and one corner of the outer peripheral side of this flat plate part 240 is interconnected. It is composed of an annular pressure contact portion 260. Further, 280 and 400 are piezoelectric elements, 320 is a movable vibration member, 360 is a flat plate portion, and 380 is an annular pressure contact portion.

[発明が解決しようとする課8] 上述の超音波モータにおいて、安定した動作を行なうた
めには、超音波モータの振動面全体を同相で励振しなけ
ればならない。しかし、実際には振動面に励振振動以外
の不要振動が発生しやすく、その結果安定、高効率な動
作が困難であった。
[Problem 8 to be solved by the invention] In order to perform stable operation of the above-mentioned ultrasonic motor, the entire vibration surface of the ultrasonic motor must be excited in the same phase. However, in reality, unnecessary vibrations other than excitation vibrations tend to occur on the vibrating surface, making stable and highly efficient operation difficult.

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、超音波モータの振動面全体を同相で励振する
必要がなく、不要振動が発生しにくいので、超音波振動
子の形状の自由度が大きく、また安定、高効率動作が可
能な超音波モータを得ることをその目的としている。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and since it is not necessary to excite the entire vibration surface of the ultrasonic motor in the same phase and unnecessary vibrations are less likely to occur, the shape of the ultrasonic vibrator can be changed. The objective is to obtain an ultrasonic motor that has a large degree of freedom and is capable of stable, highly efficient operation.

[課題を解決するための手段] この目的を達成するために本発明の超音波モータは、略
直交する2方向振動の合成により相対的に略楕円振動を
励振する複数の超音波振動子を備えた定在波型超音波モ
ータにおいて、第1の電気機械変換素子が取付けられ、
少なくとも曲げ振動が励振される第1の弾性体と、第2
の電気機械変換素子が取付けられ、少なくとも縦振動が
励振される第2の弾性体と、該弾性体のいずれか一方の
略振動の腹の位置に形成された駆動子とを具備する。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve this object, the ultrasonic motor of the present invention includes a plurality of ultrasonic vibrators that relatively excite substantially elliptical vibrations by combining vibrations in two substantially orthogonal directions. In the standing wave type ultrasonic motor, a first electromechanical transducer is attached,
a first elastic body to which at least bending vibration is excited;
The second elastic body is provided with an electromechanical transducer element attached thereto, and is provided with a second elastic body that is excited at least in longitudinal vibration, and a driver formed at a position approximately at the antinode of one of the elastic bodies.

さらに、前記弾性体のいずれか一方は矩形平板形状を有
し、他の一方の弾性体をレールとするという構成をとっ
ている。
Further, one of the elastic bodies has a rectangular flat plate shape, and the other elastic body is a rail.

[作用] 上記の構成を有する本発明の超音波モータにおいて、一
方の弾性体に曲げ振動が励振され、他の一方の弾性体に
縦振動が励振される。このとき、該2方向振動の一方の
振動変位が最大となる時に、他方の振動の振動速度が最
大となり、かつ両振動振幅の略腹の位置で接触する移動
速度となるよう駆動電圧により調整されている。その結
果、該2つの弾性体は相対運動を行う。
[Operation] In the ultrasonic motor of the present invention having the above configuration, bending vibration is excited in one elastic body, and longitudinal vibration is excited in the other elastic body. At this time, when the vibration displacement of one of the two-directional vibrations is maximum, the vibration speed of the other vibration is maximum, and the driving voltage is adjusted so that the movement speed is such that the two vibrations come into contact at approximately the antinode position. ing. As a result, the two elastic bodies perform relative motion.

C実施例〕 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。
C Embodiment] Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図乃至第3図は、本実施例の超音波モータである。1 to 3 show the ultrasonic motor of this embodiment.

本実施例の超音波モータ100に用いられる第1の超音
波振動子20は、矩形平板形状を有し黄銅材により構成
された弾性体21に、第1圧電体22が着設されている
。該第1圧電体22は厚さ方向に分極され、長さ振動モ
ードで振動し、その結果前記弾性体21に縦振動が励振
される。
The first ultrasonic vibrator 20 used in the ultrasonic motor 100 of this embodiment has a rectangular flat plate shape and a first piezoelectric body 22 attached to an elastic body 21 made of brass material. The first piezoelectric body 22 is polarized in the thickness direction and vibrates in a longitudinal vibration mode, and as a result, longitudinal vibration is excited in the elastic body 21.

前記第1の超音波振動子20はその振動の節点に形成さ
れた支持部23において、ホルダ24によってヨーク2
5に結合されている。また、該弾性体21の端部には駆
動部26が形成されている。
The first ultrasonic vibrator 20 is mounted on a yoke 2 by a holder 24 at a support portion 23 formed at the vibration node.
5. Furthermore, a drive section 26 is formed at the end of the elastic body 21.

該ヨーク25は両端部においてローラベアリング27に
より支持され、弾性材料より形成されたレール28に圧
着されている。該レール28は、ボルト29により基台
30に固定されている。更に、該レール28には第2圧
電体31が着設されており、第2の超音波振動子40を
形成している。該第2圧電体31は厚さ方向に分極され
、長さ振動モードで振動し、その結果前記レール28に
曲げ振動の定在波が励振されるものである。
The yoke 25 is supported at both ends by roller bearings 27, and is press-fitted to a rail 28 made of an elastic material. The rail 28 is fixed to a base 30 with bolts 29. Furthermore, a second piezoelectric body 31 is attached to the rail 28, forming a second ultrasonic transducer 40. The second piezoelectric body 31 is polarized in the thickness direction and vibrates in a longitudinal vibration mode, so that a standing wave of bending vibration is excited in the rail 28.

また、前記第1圧電体22には正電極41が着設され、
前記第2圧電体31には正電極42が着設されており、
前段レール2Bは共通電極として接地されている。
Further, a positive electrode 41 is attached to the first piezoelectric body 22,
A positive electrode 42 is attached to the second piezoelectric body 31,
The front rail 2B is grounded as a common electrode.

前記第1の超音波振動子20は、所定の周波数fにおい
て両端自由端1次モードで縦振動するようその形状寸法
により調節されている。また、前記第2の超音波振動子
40は大略周波数f/2において曲げ振動するようその
形状寸法により調節されている。これら2つの振動子は
各々単一の振動に共振振動すればよいので、その形状寸
法の自由度は大きい。
The first ultrasonic transducer 20 is adjusted in shape and dimension so that it longitudinally vibrates in a primary mode with both free ends at a predetermined frequency f. Further, the shape and dimensions of the second ultrasonic vibrator 40 are adjusted so that it bends and vibrates at approximately a frequency of f/2. Since each of these two vibrators only needs to vibrate resonantly with a single vibration, the degree of freedom in their shape and size is large.

以上のように構成された超音波モータ100の作用を第
2図を参照しつつ以下に説明する。
The operation of the ultrasonic motor 100 configured as described above will be explained below with reference to FIG. 2.

まず、正電極41に周波数fの交流電圧を印加して前記
第1圧電体22を振動させると、前記第1の超音波振動
子20は第2図(a−1)のような速度分布を有する振
動が励振される。同時に、正電極42に周波数f/2の
交流電圧を印加して前記第2圧電体30を振動させると
、前記第2の超音波振動子40は第2図(a−2)のよ
うな振幅分布を有する振動が励振される。
First, when an AC voltage of frequency f is applied to the positive electrode 41 to vibrate the first piezoelectric body 22, the first ultrasonic vibrator 20 exhibits a velocity distribution as shown in FIG. 2(a-1). The vibrations that it has are excited. At the same time, when an AC voltage with a frequency f/2 is applied to the positive electrode 42 to vibrate the second piezoelectric body 30, the second ultrasonic vibrator 40 has an amplitude as shown in FIG. 2 (a-2). Vibration with a distribution is excited.

このとき、前記第1の超音波振動子20の振動の腹であ
る端部に形成された駆動部26を、該第2の超音波振動
子40の振動の腹の位置A点に当接すると、該第1の超
音波振動子20は前記2方向振動の位相により決定され
る方向に駆動力を受ける。そして、前記第1の超音波振
動子20が1周期振動し、第2図(c−1)の状態にな
ったときに、前記第2の超音波振動子の腹の位置B点に
くるよう、印加電圧を調節して速度を設定すると、該第
1の超音波振動子20はまた駆動力を受ける。
At this time, when the driving part 26 formed at the end of the first ultrasonic vibrator 20, which is the antinode of the vibration, is brought into contact with the point A of the antinode of the vibration of the second ultrasonic vibrator 40. , the first ultrasonic transducer 20 receives a driving force in a direction determined by the phase of the two-way vibration. Then, when the first ultrasonic transducer 20 vibrates for one period and reaches the state shown in FIG. , when adjusting the applied voltage to set the speed, the first ultrasonic transducer 20 also receives a driving force.

このように、前記2方向振動の周波数と印加電圧により
決定される速度を選ぶことにより、該第1の超音波振動
子20は連続して所定方向に駆動力を受ける。
In this manner, by selecting the speed determined by the frequency of the two-way vibration and the applied voltage, the first ultrasonic transducer 20 continuously receives a driving force in a predetermined direction.

次に、前記レール28を円環形状にした回転型超音波モ
ータの構成について、第3図に基づき説明する。同図に
おいて、第1図と同じ符号の付された各部材は、前記詳
述した各構成部材と同一である事を意味している。
Next, the structure of a rotary ultrasonic motor in which the rail 28 is annular will be explained based on FIG. 3. In this figure, each member with the same reference numeral as in FIG. 1 means the same as each component described in detail above.

第2の超音波振動子40を形成するレール28は円環形
状を有しており、ゴムローラ43によって回転可能なよ
うに支持されている。
The rail 28 forming the second ultrasonic transducer 40 has an annular shape and is rotatably supported by a rubber roller 43.

上述のように構成された超音波モータ100において、
超音波振動子20及び40を励振すると、レール28は
前述の駆動力を受は一定速度で回転する。
In the ultrasonic motor 100 configured as described above,
When the ultrasonic transducers 20 and 40 are excited, the rail 28 receives the aforementioned driving force and rotates at a constant speed.

尚、上記実施例では縦振動1次モードを例にとって説明
したが、さらに高次モードを利用する事も可能である。
Although the above embodiment has been explained by taking the first-order mode of longitudinal vibration as an example, it is also possible to use higher-order modes.

また、上記実施例は振動子の駆動素子として圧電体を使
用したがこれに限定されるものではなく、で電気エネル
ギーを機械エネルギーに変換できるその他の素子、例え
ば電歪素子、磁歪素子等を用いても良い。また、超音波
振動子の形状を平板状とする例について説明したが、そ
の形状は平板形状に限定されるものではなく、円板状2
円環状。
Furthermore, although the above embodiment uses a piezoelectric material as the driving element of the vibrator, it is not limited to this, and other elements that can convert electrical energy into mechanical energy, such as an electrostrictive element or a magnetostrictive element, may be used. It's okay. In addition, although an example in which the ultrasonic transducer is shaped like a flat plate has been described, the shape is not limited to a flat plate shape, and the shape is not limited to a flat plate shape.
Circular.

円筒状、棒状、方形状等を用いても良い。その他、本発
明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変型が可能である。
A cylindrical shape, a rod shape, a rectangular shape, etc. may also be used. In addition, various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.

[発明の効果] 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、超音波モータにおいて、超音波振動子の形状の自由度
が大きく、また安定で高効率な動作が可能な超音波モー
タを実現することができる。
[Effects of the Invention] As is clear from the detailed description above, the present invention provides an ultrasonic motor that has a large degree of freedom in the shape of the ultrasonic vibrator and that can operate stably and with high efficiency. A sonic motor can be realized.

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

第1図から第3図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第1図は本実施例の超音波モータの側面図、
第2図は超音波振動子の速度及び振幅分布図、第3図は
回転型超音波モータの一実施例の平面図、第4図は従来
の超音波モータの側面図である。 図中、100は超音波モータ、20は第1の超音波振動
子、21は弾性体、22は第1圧電体、28はレール、
31は第2圧電体、40は第2の超音波振動子である。
1 to 3 show embodiments embodying the present invention, and FIG. 1 is a side view of the ultrasonic motor of this embodiment;
FIG. 2 is a speed and amplitude distribution diagram of an ultrasonic transducer, FIG. 3 is a plan view of an embodiment of a rotary ultrasonic motor, and FIG. 4 is a side view of a conventional ultrasonic motor. In the figure, 100 is an ultrasonic motor, 20 is a first ultrasonic vibrator, 21 is an elastic body, 22 is a first piezoelectric body, 28 is a rail,
31 is a second piezoelectric body, and 40 is a second ultrasonic vibrator.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、略直交する2方向振動の合成により相対的に略楕円
振動を励振する複数の超音波振動子を備えた定在波型超
音波モータにおいて、 第1の電気機械変換素子が取付けられ、少なくとも曲げ
振動が励振される第1の弾性体と、第2の電気機械変換
素子が取付けられ、少なくとも縦振動が励振される第2
の弾性体と、 該弾性体のいずれか一方の略振動の腹の位置に形成され
た駆動子とを具備することを特徴とする超音波モータ。 2、請求項1記載の超音波モータにおいて、前記弾性体
のいずれか一方は矩形平板形状を有し、他の一方の弾性
体をレールとする事を特徴とする超音波モータ。
[Claims] 1. In a standing wave ultrasonic motor equipped with a plurality of ultrasonic transducers that relatively excite approximately elliptical vibrations by combining vibrations in two directions that are orthogonal to each other, the first electromechanical conversion a first elastic body to which an element is attached and to which at least bending vibration is excited; a second elastic body to which a second electromechanical transducer is attached and to which at least longitudinal vibration is excited;
An ultrasonic motor comprising: an elastic body; and a driver formed at a position approximately at the antinode of vibration of either one of the elastic bodies. 2. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein one of the elastic bodies has a rectangular flat plate shape, and the other elastic body is a rail.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5672930A (en) * 1993-12-21 1997-09-30 Nikon Corporation Vibration motor
JP2009106156A (en) * 2002-07-12 2009-05-14 Seiko Instruments Inc Piezoelectric motor and electronic equipment with same
US8156792B2 (en) * 2005-05-23 2012-04-17 Endress + Hauser Flowtec Ag Method and apparatus for ascertaining and/or monitoring a process variable

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