JP2543144B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波モー
タに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic motor that uses a piezoelectric body to generate a driving force.
従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に弾性
振動を励振し、これを駆動力とした超音波モータが注目
されている。2. Description of the Related Art In recent years, attention has been paid to ultrasonic motors which use elastic vibration as a driving force by exciting elastic vibration in a vibrating body using a piezoelectric body such as a piezoelectric ceramic.
以下、図面を参照しながら超音波モータの従来技術に
ついて説明を行う。Hereinafter, a conventional technique of an ultrasonic motor will be described with reference to the drawings.
第４図は従来の円環形超音波モータの斜視図であり、
円環形の弾性体１の円環面の一方に圧電体として円環形
の圧電体２を貼合せて振動体３を構成している。４は耐
磨耗性材料の摩擦材、５は弾性体であり、互いに貼合せ
られて移動体６を構成している。移動体６は摩擦材４を
介して振動体３と接触している。圧電体２に電界を印加
すると振動体３の周方向に曲げ振動の進行波が励起さ
れ、移動体６を駆動する。尚、同図中の矢印は移動体６
の回転方向を示す。FIG. 4 is a perspective view of a conventional annular ultrasonic motor,
The vibrating body 3 is configured by laminating the annular piezoelectric body 2 as a piezoelectric body on one of the annular surfaces of the annular elastic body 1. Reference numeral 4 is a friction material made of a wear resistant material, and 5 is an elastic body, which are bonded to each other to form a moving body 6. The moving body 6 is in contact with the vibrating body 3 via the friction material 4. When an electric field is applied to the piezoelectric body 2, a traveling wave of bending vibration is excited in the circumferential direction of the vibrating body 3 to drive the moving body 6. The arrow in FIG.
Indicates the rotation direction of.
第５図は第４図の超音波モータに使用した圧電体２の
電極構造の一例を示している。同図では円周方向に９波
の弾性波がのるようにしてある。同図において、Ａおよ
びＢはそれぞれ２分の１波長相当の小領域から成るで電
極群で、Ｃは４分の３波長、Ｄは４分の１波長の長さの
電極である。電極ＣおよびＤは電極群ＡとＢに位置的に
４分の１波長（＝90度）の位相差を作っている。電極Ａ
とＢ内の隣り合う小電極部は互いに厚み方向に、分極さ
れている。圧電体２の弾性体１との接着面は、第５図に
示めされた面と反対の面であり、電極はベタ電極であ
る。使用時には、電極群ＡおよびＢは第５図に斜線で示
されたように、それぞれ短絡して用いられる。FIG. 5 shows an example of the electrode structure of the piezoelectric body 2 used in the ultrasonic motor of FIG. In the figure, nine elastic waves are arranged in the circumferential direction. In the figure, A and B are electrode groups each consisting of a small region corresponding to one-half wavelength, C is an electrode having a three-quarter wavelength, and D is an electrode having a one-quarter wavelength length. The electrodes C and D have a phase difference of a quarter wavelength (= 90 degrees) between the electrode groups A and B. Electrode A
Adjacent small electrode portions in B and B are polarized in the thickness direction. The bonding surface of the piezoelectric body 2 with the elastic body 1 is a surface opposite to the surface shown in FIG. 5, and the electrodes are solid electrodes. In use, the electrode groups A and B are short-circuited and used as indicated by the hatched lines in FIG.
以上のように構成された超音波モータの圧電体２の電
極ＡおよびＢに V1＝V0×sin（ωｔ） ……（１） V2＝V0×cos（ωｔ） ……（２） ただし、 V0:電圧の瞬時値 ω：角周波数 t:時間 で表される電圧V1およびV2をそれぞれ印加すれば、振動
体３には ξ＝ξ０×（cos（ωｔ）×（cos（kx） ＋sin（ωｔ）×sin（kx）） ＝ξ０×cos（ωｔ−kx） ……（３） ただし ξ：曲げ振動の振幅値 ξ0:曲げ振動の瞬時値 k:波数（２π／λ） λ：波長 x:位置 で表せる、円周方向に進行する曲げ振動の進行波が励起
される。V 1 = V 0 × sin (ωt) (1) V 2 = V 0 × cos (ωt) (2) on the electrodes A and B of the piezoelectric body 2 of the ultrasonic motor configured as described above. However, if the voltages V 1 and V 2 represented by V 0 : instantaneous value of voltage ω: angular frequency t: time are respectively applied, ξ = ξ 0 × (cos (ωt) × (cos (Kx) + sin (ωt) × sin (kx)) = ξ 0 × cos (ωt−kx) (3) where ξ: bending vibration amplitude value ξ 0 : bending vibration instantaneous value k: wave number (2π / λ) λ: Wavelength x: A traveling wave of bending vibration that propagates in the circumferential direction, which can be expressed as a position, is excited.
第７図は振動体３の表面のＡ点が進行波の励起によっ
て、長軸2w、短軸2uの楕円運動をし、振動体３上に加圧
して設置された移動体６が、楕円の頂点近傍で接触する
ことにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向にｖ
＝ω×ｕの速度で運動する様子を示している。FIG. 7 shows that the point A on the surface of the vibrating body 3 makes an elliptical motion of the long axis 2w and the short axis 2u by the excitation of the traveling wave, and the moving body 6 installed by pressing on the vibrating body 3 has an elliptical shape. By contacting in the vicinity of the apex, frictional force causes v in the direction opposite to the traveling direction of the wave.
It shows that the object moves at a speed of ω × u.
発明が解決しようとする課題 超音波モータを効率良く駆動させるためには、振動体
の持っている運動エネルギーを大きくすればよい。運動
エネルギーは振動体の質量と速度の２乗に比例するの
で、振動体の質量、或は速度を増やせば出力を増加でき
る。超音波モータの外径が決まれば、質量を増やすため
に振動体の穴の大きさを小さくし、速度を大きくするた
めには振動の振幅を大きくすればよい。しかし、圧電体
の許容歪みにより、振動の振幅には制限がある。また、
従来の超音波モータは径方向１次、周方向３次以上の円
環曲げ振動を使用しているので、第６図に示すように、
内周近傍では急に振幅値は小さくなり、振動体の穴を小
さくしても運動エネルギーは余り大きくはならない。従
って、従来のように径方向１次、周方向３次以上の円環
の曲げ振動を使用した超音波モータは出力を大きくでき
ないという問題点がある。Problems to be Solved by the Invention In order to drive an ultrasonic motor efficiently, it is sufficient to increase the kinetic energy of the vibrating body. Since the kinetic energy is proportional to the square of the mass and speed of the vibrating body, the output can be increased by increasing the mass or speed of the vibrating body. When the outer diameter of the ultrasonic motor is determined, the size of the hole of the vibrating body may be reduced to increase the mass, and the vibration amplitude may be increased to increase the speed. However, the vibration amplitude is limited due to the allowable strain of the piezoelectric body. Also,
Since the conventional ultrasonic motor uses the circular bending vibration of the primary in the radial direction and the tertiary in the circumferential direction, as shown in FIG.
The amplitude value suddenly decreases near the inner circumference, and the kinetic energy does not become so large even if the hole of the vibrating body is made small. Therefore, there is a problem in that the output cannot be increased in the ultrasonic motor using the bending vibration of the circular ring of the first order in the radial direction and the third order or more in the circumferential direction as in the related art.
また、円環型超音波モータの振動体は、第６図に示す
ように全体が振動しているので、振動体の位置固定は困
難であり、固定によって機械的な損失は避けられない。
その上、振動体と移動体との接触面の状態によっては、
振動体と移動体とが、安定した接触を保つことができ
ず、効率の良い駆動が得られないという問題点もある。Further, since the entire vibrating body of the annular ultrasonic motor vibrates as shown in FIG. 6, it is difficult to fix the position of the vibrating body, and fixing causes mechanical loss.
Moreover, depending on the state of the contact surface between the vibrating body and the moving body,
There is also a problem that a stable contact cannot be maintained between the vibrating body and the moving body, and efficient driving cannot be obtained.
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、同体積で
出力が大きくでき、しかも、振動体と移動体との接触面
の状態の影響が少なく、駆動効率の良い超音波モータを
提供することを目的としている。The present invention has been made in view of the above points, and provides an ultrasonic motor that can increase the output with the same volume and that is less affected by the state of the contact surface between the vibrating body and the moving body and that has good driving efficiency. It is an object.
課題を解決するための手段 振動体として円板形の振動体を用い、振動モードとし
て径方向２次、周方向３次以上の曲げ振動を用い、かつ
振動体の厚みを回転軸の周囲だけ薄くする。Means for Solving the Problems A disk-shaped vibrating body is used as a vibrating body, a bending vibration of a radial second order, a circumferential third order or more is used as a vibration mode, and the thickness of the vibrating body is thin only around the rotation axis To do.
作 用 上記の構成によれば、振動体の内側も有効に振動体の
運動エネルギーに寄与するようにし、不要な定在波を励
振することなく、容易に理想的な進行波が励振でき、ま
た、振動体と移動体との接触面の状態の変化を吸収する
ことができ、振動体と移動体との安定した接触状態を保
つことができるため、安定した動作が得られ、駆動効率
の良い超音波モータを実現することができる。Operation According to the above configuration, the inside of the vibrating body also effectively contributes to the kinetic energy of the vibrating body, and an ideal traveling wave can be easily excited without exciting unnecessary standing waves. Since the change in the state of the contact surface between the vibrating body and the moving body can be absorbed and the stable contact state between the vibrating body and the moving body can be maintained, stable operation can be obtained and the driving efficiency is good. An ultrasonic motor can be realized.
実施例 以下、図面に従って本発明の一実施例について詳細な
説明を行う。Embodiment Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第１図は本発明の超音波モータの構成を示す切り欠き
斜視図であり、第２図は上記超音波モータの構成を示す
断面図である。円板形の弾性体７の主面の一方に、圧電
体として円板形の圧電体８を貼合わせて振動体10を構成
している。また、弾性体７の他の主面には、機械出力取
り出し用の突起体９が構成されている。11は耐磨耗性材
料の摩擦材、12は、弾性体であり、互いに貼合せられて
移動体13を構成している。移動体13は、摩擦材11を介し
て、振動体10に設置された突起体９と加圧接触してい
る。圧電体８に電界を印加すると振動体10の周方向に曲
げ振動の進行波が励起され、移動体13を摩擦力により駆
動する。移動体13は回転軸14を中心にして回転運動を始
める。FIG. 1 is a cutaway perspective view showing the structure of the ultrasonic motor of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view showing the structure of the ultrasonic motor. A vibrating body 10 is configured by laminating a disc-shaped piezoelectric body 8 as a piezoelectric body on one of the main surfaces of the disc-shaped elastic body 7. Further, on the other main surface of the elastic body 7, a projection body 9 for taking out mechanical output is formed. Reference numeral 11 denotes a friction material made of a wear resistant material, and 12 an elastic body, which are bonded to each other to form a moving body 13. The moving body 13 is in pressure contact with the protrusion 9 provided on the vibrating body 10 via the friction material 11. When an electric field is applied to the piezoelectric body 8, a traveling wave of bending vibration is excited in the circumferential direction of the vibrating body 10, and the moving body 13 is driven by a frictional force. The moving body 13 starts rotating motion around the rotation axis 14.
第３図は径方向２次、周方向３次の曲げ振動を励振し
た時の振動体10の振動変位状態と変位分布図である。径
方向１次の振動モードを使用した時と異なり、内周部で
も変位は急に小さくなることはない。従って、超音波モ
ータが同一体積を占有した時、径方向１次の振動モード
を使用した時よりも、振動体10の運動エネルギーを大き
くすることができ、大きな出力を取り出せる超音波モー
タを実現できる。FIG. 3 is a vibration displacement state and a displacement distribution diagram of the vibrating body 10 when the secondary vibration in the radial direction and the bending vibration in the circumferential direction are excited. Unlike the case where the radial first-order vibration mode is used, the displacement does not suddenly decrease even in the inner peripheral portion. Therefore, when the ultrasonic motor occupies the same volume, the kinetic energy of the vibrating body 10 can be made larger than when the first-order radial vibration mode is used, and an ultrasonic motor capable of obtaining a large output can be realized. .
また、振動体10は回転軸14の周囲において、厚みが薄
くなっている。これは、振動体10と移動体13との接触面
の状態の影響を少なくするための機構である。これによ
って初期の振動体10と移動体13との接触面の表面精度を
上げる必要がなく、また、上記接触面の経時的な変化に
も有効である。従って、上記振動体10の構造により、振
動体10と移動体13との安定した接触状態を保つことがで
きるため、安定した駆動が得られる。Further, the vibrating body 10 is thin around the rotary shaft 14. This is a mechanism for reducing the influence of the state of the contact surface between the vibrating body 10 and the moving body 13. This eliminates the need to increase the surface accuracy of the initial contact surface between the vibrating body 10 and the moving body 13, and is also effective in changing the contact surface with time. Therefore, since the vibrating body 10 can maintain a stable contact state between the vibrating body 10 and the moving body 13, a stable drive can be obtained.
本発明によれば、振動体と移動体との接触状態の影響
が少なく、安定した駆動が得られる駆動効率の良い、し
かも出力の大きな超音波モータを提供できる。According to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic motor that has little influence of the contact state between the vibrating body and the moving body, has stable driving, has high driving efficiency, and has a large output.
発明の効果 本発明によれば、振動モードとして径方向２次、周方
向３次の曲げ振動を用い、その上、振動体の厚みを、回
転軸の周囲だけ薄くすることにより、振動体と移動体と
の接触面の状態の影響が少なく、安定した駆動が得られ
る駆動効率の良い、しかも出力の大きな超音波モータを
提供できる。EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, the bending vibration of the radial second order and the circumferential third order is used as the vibration mode, and further, the thickness of the vibrating body is reduced only around the rotation axis to move the vibrating body. It is possible to provide an ultrasonic motor that has a small influence of the state of the contact surface with the body and has stable driving, high driving efficiency, and high output.
第１図は本発明の円板形超音波モータの切り欠き斜視
図、第２図は上記円板型超音波モータの断面図、第３図
は振動モードとして径方向２次、周方向３次の曲げ振動
を用いた時の振動体の振動状態と径方向の変位分布図、
第４図は円環形超音波モータの切り欠き斜視図、第５図
は第４図の超音波モータに用いた圧電体の形状と電極構
造を示す平面図、第６図は振動モードとして径方向１
次、周方向８次の曲げ振動を用いた時の振動体の振動状
態と径方向の変位分布図、第７図は超音波モータの動作
原理の説明図である。 １……弾性体、２……圧電体、３……振動体、４……摩
擦材、５……弾性体、６……移動体、７……弾性体、８
……圧電体、９……突起体、10……振動体、11……弾性
体、12……摩擦材、13……移動体、14……回転軸。FIG. 1 is a cutaway perspective view of a disc type ultrasonic motor of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of the disc type ultrasonic motor, and FIG. 3 is a radial secondary mode and a circumferential tertiary mode as vibration modes. Vibration distribution of the vibrating body when using the bending vibration of
FIG. 4 is a cutaway perspective view of the annular ultrasonic motor, FIG. 5 is a plan view showing the shape and electrode structure of the piezoelectric body used in the ultrasonic motor of FIG. 4, and FIG. 6 is a vibration mode in the radial direction. 1
Next, the vibration state of the vibrating body when using the bending vibration of the eighth order in the circumferential direction and the displacement distribution diagram in the radial direction, and FIG. 1 ... elastic body, 2 ... piezoelectric body, 3 ... vibrating body, 4 ... friction material, 5 ... elastic body, 6 ... moving body, 7 ... elastic body, 8
...... Piezoelectric body, 9 ...... projection body, 10 ...... vibration body, 11 ...... elastic body, 12 ...... friction material, 13 ...... moving body, 14 ...... rotating shaft.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−23573（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−196080（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−51477（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-63-23573 (JP, A) JP-A-62-196080 (JP, A) JP-A-60-51477 (JP, A)
Claims (1)
弾性体とから構成される振動体に弾性進行波を励振する
ことにより、該振動体上に接触して設置された移動体を
移動させる超音波モータにおいて、該振動体として円板
形の振動体を用い、振動モードとして径方向２次、周方
向３次以上の曲げ振動を用い、かつ該振動体の厚みが、
回転軸の周囲だけ薄いことを特徴とする超音波モータ。1. A movement installed in contact with the piezoelectric body by driving the piezoelectric body with an alternating voltage to excite an elastic traveling wave in the vibrating body composed of the piezoelectric body and the elastic body. In an ultrasonic motor for moving a body, a disc-shaped vibrating body is used as the vibrating body, bending vibration of radial second order, circumferential third order or more is used as a vibration mode, and the thickness of the vibrating body is
An ultrasonic motor characterized by being thin only around the axis of rotation.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63173345A JP2543144B2 (en) | 1988-07-12 | 1988-07-12 | Ultrasonic motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63173345A JP2543144B2 (en) | 1988-07-12 | 1988-07-12 | Ultrasonic motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0226277A JPH0226277A (en) | 1990-01-29 |
| JP2543144B2 true JP2543144B2 (en) | 1996-10-16 |
Family
ID=15958698
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63173345A Expired - Lifetime JP2543144B2 (en) | 1988-07-12 | 1988-07-12 | Ultrasonic motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2543144B2 (en) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6051477A (en) * | 1983-08-26 | 1985-03-22 | Seiko Instr & Electronics Ltd | Piezoelectric motor |
| JPS62196080A (en) * | 1986-02-20 | 1987-08-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic motor |
| JPS6323573A (en) * | 1986-07-15 | 1988-01-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic motor |
-
1988
- 1988-07-12 JP JP63173345A patent/JP2543144B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0226277A (en) | 1990-01-29 |
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