JP5039974B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
Ultrasonic motor Download PDFInfo
- Publication number
- JP5039974B2 JP5039974B2 JP2007508187A JP2007508187A JP5039974B2 JP 5039974 B2 JP5039974 B2 JP 5039974B2 JP 2007508187 A JP2007508187 A JP 2007508187A JP 2007508187 A JP2007508187 A JP 2007508187A JP 5039974 B2 JP5039974 B2 JP 5039974B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- vibrator
- rotor
- peripheral surface
- tip
- ultrasonic motor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 49
- 239000011162 core material Substances 0.000 claims description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 25
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 10
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 10
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 8
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 7
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 3
- PYVHTIWHNXTVPF-UHFFFAOYSA-N F.F.F.F.C=C Chemical compound F.F.F.F.C=C PYVHTIWHNXTVPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010009 beating Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000003292 diminished effect Effects 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000002674 endoscopic surgery Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000005297 pyrex Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/106—Langevin motors
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
本発明は、筒型の振動子を駆動源とする超音波モータに関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic motor using a cylindrical vibrator as a drive source.
従来、超音波モータは、高トルク出力であることに加え構造が比較的単純であるため、ミリメートルオーダまたはそれ以下の高出力マイクロモータとして有力視されており、昨今では、カメラに内蔵してオートフォーカスにおけるレンズの焦点距離の調整に用いられたりしている。 Conventionally, an ultrasonic motor is regarded as a high-power micromotor of millimeter order or less because it has a relatively simple structure in addition to a high torque output. It is used to adjust the focal length of the lens in focus.
超音波モータは、用途に応じて多種多様な形態が提案されており、特に高トルク出力が得られる超音波モータとして、撓み振動する筒型の振動子を用いた超音波モータが知られている。 Various types of ultrasonic motors have been proposed depending on the application, and in particular, an ultrasonic motor using a cylindrical vibrator that flexures and vibrates is known as an ultrasonic motor capable of obtaining a high torque output. .
筒型の振動子を駆動源とする超音波モータでは、振動子の先端を振動子の長手方向と直交する方向に撓ませており、振動子の撓む向きを移動させることにより振動子の先端端面に進行波を励起させることにより撓み振動を生じさせているものである。 In an ultrasonic motor using a cylindrical vibrator as a drive source, the tip of the vibrator is bent in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the vibrator, and the tip of the vibrator is moved by moving the direction of bending of the vibrator. The bending vibration is generated by exciting the traveling wave on the end face.
このような振動子を用いた超音波モータでは、撓み振動する振動子の節部分をワイヤで吊って固定したり、節部分にOリングを装着したりして振動子を固定し、振動子の両端から駆動力を取出し可能としている(例えば、非特許文献1参照。)。
このような超音波モータは各種の用途に用いられているが、利用範囲を拡大させるためにミリオーダーサイズとした超小型の超音波モータが求められているものの、従来の超音波モータをスケールダウンによって小型化すること、加工精度の関係上、極めて困難であるという問題があった。 Although such ultrasonic motors are used in various applications, there is a need for ultra-small ultrasonic motors of the order of millimeters to expand the range of use, but scale down conventional ultrasonic motors. Therefore, there is a problem that it is extremely difficult to reduce the size and processing accuracy.
しかも、撓み振動を行う振動子を用いた超音波モータの場合には、小型化された振動子の確実な固定が極めて困難であって、固定が不十分となることによって撓み振動のエネルギーが散逸されることとなり、十分な出力特性の超音波モータを提供することが困難となっていた。 Moreover, in the case of an ultrasonic motor using a vibrator that performs flexural vibration, it is extremely difficult to securely fix a miniaturized vibrator, and the energy of the flexural vibration is dissipated due to insufficient fixing. Therefore, it has been difficult to provide an ultrasonic motor with sufficient output characteristics.
本発明者らはこのような現状に鑑み、所望の出力特性を有しながら、取扱いやすい小型の超音波モータを提供すべく研究開発を行って本発明を成すに至ったものである。 In view of the current situation, the present inventors have conducted research and development to provide a small ultrasonic motor that has desired output characteristics and is easy to handle, and has achieved the present invention.
本発明の超音波モータでは、中空部を有する筒状として、外周面には周方向に沿って複数の電極を設けるとともに、内周面にも電極を設けて、前記の各電極に所定の電圧を印加することにより基端に対して先端を軸線回りの円形軌跡に沿って振動させる圧電体からなる振動子と、この振動子と同軸上に配置して、基端を前記振動子の先端に当接させたロータと、一端に軸受を介して前記ロータを回転自在に支持するとともに他端を前記振動子の基端側に装着する筒状のケーシングと、前記ロータと前記軸受との間に設けて前記ロータの基端を前記振動子の先端に押圧させる付勢体とを備え、前記振動子の振動にともなって前記ロータを軸線方向に回転させる超音波モータにおいて、前記ロータの基端には、前記振動子側に向けて拡開状としたテーパ面と、同テーパ面の内側で前記振動子側に向けて突出した前記振動子の前記中空部に挿入する円錐体状の挿入体とを設け、前記テーパ面に前記振動子の先端縁を当接させ、前記円錐体状の挿入体の周面に前記振動子における前記中空部の先端縁を当接させた。 In the ultrasonic motor of the present invention, a cylindrical shape having a hollow portion is provided, and a plurality of electrodes are provided on the outer peripheral surface along the circumferential direction, and electrodes are also provided on the inner peripheral surface. And a vibrator made of a piezoelectric body that vibrates along the circular trajectory around the axis line with respect to the base end by applying a base, and the base end is placed on the tip of the vibrator. Between the rotor and the bearing, a rotor in contact, a cylindrical casing that rotatably supports the rotor via a bearing at one end and the other end attached to the proximal end side of the vibrator And an urging member that presses the proximal end of the rotor against the distal end of the vibrator, and an ultrasonic motor that rotates the rotor in the axial direction along with the vibration of the vibrator. Is expanded toward the vibrator side And over tapered surface, and a cone-shaped insert to be inserted into the hollow portion of the vibrator projecting toward the vibrator-side inside of the tapered surface is provided, the tip end of the transducer to the tapered surface And the tip edge of the hollow portion of the vibrator is brought into contact with the peripheral surface of the conical insert .
さらに、以下の点にも特徴を有するものである。すなわち、
(1)前記テーパ面と前記振動子の外周面とのなす角と、前記円錐体の周面と前記振動子の内周面とのなす角を同じ角度としたこと。
(2)前記振動子の内周面には、前記圧電体よりも高硬度とした筒状の芯材を設けるとともに、この芯材の前記振動子における先端側の端部は前記振動子の先端から突出させて突出端部とし、この突出端部における外周面の先端縁を前記テーパ面に当接させたこと。
Furthermore, the following points are also characteristic. That is,
(1) before SL and the angle between the outer peripheral surface of the tapered surface and the transducer, that the angle between the circumferential surface and the inner peripheral surface of the vibrator of the cone were the same angle.
(2) A cylindrical core material having a hardness higher than that of the piezoelectric body is provided on the inner peripheral surface of the vibrator, and an end portion of the core material on the tip side of the vibrator is a tip of the vibrator. And projecting end portion to form a projecting end portion, and the tip edge of the outer peripheral surface of the projecting end portion is brought into contact with the tapered surface.
本発明によれば、中空部を有する筒状として、外周面には周方向に沿って複数の電極を設けるとともに、内周面にも電極を設けて、各電極に所定の電圧を印加することにより基端に対して先端を軸線回りの円形軌跡に沿って振動させる圧電体からなる振動子と、この振動子と同軸上に配置して、基端を振動子の先端に当接させたロータと、一端に軸受を介してロータを回転自在に支持するとともに他端を振動子の基端側に装着する筒状のケーシングと、ロータと軸受との間に設けてロータの基端を振動子の先端に押圧させる付勢体とを備え、振動子の振動にともなってロータを軸線方向に回転させる超音波モータとしたことによって、小型の超音波モータを精度よく形成できる。 According to the present invention, as a cylindrical shape having a hollow portion, a plurality of electrodes are provided on the outer peripheral surface along the circumferential direction, and electrodes are also provided on the inner peripheral surface, and a predetermined voltage is applied to each electrode. A vibrator made of a piezoelectric body that vibrates the tip with respect to the base end along a circular locus around the axis, and a rotor arranged coaxially with the vibrator and having the base end in contact with the tip of the vibrator A cylindrical casing that rotatably supports the rotor via a bearing at one end and the other end mounted on the base end side of the vibrator, and a base end of the rotor provided between the rotor and the bearing. A small ultrasonic motor can be formed with high accuracy by using an ultrasonic motor that includes an urging body that is pressed against the tip of the motor and that rotates the rotor in the axial direction in accordance with the vibration of the vibrator.
特に、本発明の超音波モータでは、一端に軸受を介してロータを回転自在に支持するとともに他端を振動子の基端側に装着する筒状のケーシングを設けていることにより、このケーシングを利用して所定位置への超音波モータの配置を行いやすくすることができ、超音波モータの取扱い性を向上させることができる。 In particular, in the ultrasonic motor of the present invention, the casing is provided with a cylindrical casing that rotatably supports the rotor via a bearing at one end and is attached to the proximal end side of the vibrator at the other end. By using this, it is possible to easily arrange the ultrasonic motor at a predetermined position, and it is possible to improve the handleability of the ultrasonic motor.
さらに、ロータの基端には、振動子側に向けて拡開状としたテーパ面を設け、このテーパ面に振動子の先端縁を当接させたことによって出力トルクを増大させることができ、小型でありながら高トルク出力の超音波モータとすることができる。 Further, the base end of the rotor is provided with a taper surface that is widened toward the vibrator side, and the output torque can be increased by bringing the tip edge of the vibrator into contact with the taper surface, Although it is small, an ultrasonic motor with high torque output can be obtained.
また、ロータの基端に設けられたテーパ面の内側に振動子の中空部に挿入する挿入体を設けた場合には、筒状とした振動子の軸線上にロータの回転軸を容易に配置でき、ロータを容易に適正位置に配置できる。 In addition, when an insertion body that is inserted into the hollow portion of the vibrator is provided inside the tapered surface provided at the base end of the rotor, the rotor rotation shaft can be easily arranged on the axis of the vibrator that has a cylindrical shape. And the rotor can be easily placed at an appropriate position.
また、挿入体は振動子側に向けて突出した円錐体として、この円錐体の周面に振動子における中空部の先端縁を当接させた場合には、振動子先端の回転運動を、ロータ基端のテーパ面と円錐体の周面とで受けることができ、出力トルクをさらに増大させることができる。 In addition, the insertion body is a cone projecting toward the vibrator side, and when the tip edge of the hollow portion of the vibrator is brought into contact with the circumferential surface of the cone, the rotational movement of the vibrator tip is transferred to the rotor. It can be received by the taper surface of the base end and the peripheral surface of the cone, and the output torque can be further increased.
特に、テーパ面と振動子の外周面とのなす角と、円錐体の周面と振動子の内周面とのなす角を同じ角度とすることによって、振動子とテーパ面との接触状態と、及び振動子と円錐体の周面との接触状態とが可及的に等しくなるようにすることができ、いずれか一方に偏って振動子とロータ基端とが接触することを抑制できるので、ロータを効率よく回転させることができる。 In particular, the contact state between the vibrator and the taper surface can be obtained by setting the angle between the taper surface and the outer peripheral surface of the vibrator and the angle between the circumferential surface of the cone and the inner circumference of the vibrator to be the same angle. , And the contact state between the vibrator and the peripheral surface of the cone can be made as equal as possible, and it is possible to prevent the vibrator and the rotor base end from being in contact with each other. The rotor can be efficiently rotated.
また、振動子の内周面には、圧電体よりも高硬度とした筒状の芯材を設け、この芯材の振動子における先端側の端部を振動子の先端から突出させて突出端部とし、この突出端部における外周面の先端縁をテーパ面に当接させた場合には、ロータの基端部が太径となることを防止でき、さらに小型化された超音波モータとすることができる。 In addition, a cylindrical core material having a hardness higher than that of the piezoelectric body is provided on the inner peripheral surface of the vibrator, and the end portion on the tip side of the vibrator of the core material is projected from the tip of the vibrator to project the projecting end. When the tip end of the outer peripheral surface at the protruding end is brought into contact with the tapered surface, the base end of the rotor can be prevented from becoming a large diameter, and a further miniaturized ultrasonic motor can be obtained. be able to.
10 振動子
11 振動部
12 台座部
13 中空部
14-1 第1電極
14-2 第2電極
14-3 第3電極
14-4 第4電極
14-5 内部電極
20 ロータ
21 当接部
22 テーパ面
23 挿入体
30 ケーシング
31 軸受
32 コイルバネ
33 挿通孔
34 軸受支持壁
35 環状凹部10 transducers
11 Vibration section
12 pedestal
13 Hollow part
14-1 First electrode
14-2 Second electrode
14-3 Third electrode
14-4 Fourth electrode
14-5 Internal electrode
20 Rotor
21 Contact part
22 Tapered surface
23 Insert
30 casing
31 Bearing
32 Coil spring
33 Insertion hole
34 Bearing support wall
35 Annular recess
本発明の超音波モータは、図1の分解組立図、及び図2の縦断面図に示すように、筒状とした圧電体で構成した振動子10と、この振動子10の先端に基端を当接させながら振動子10の軸線上に配置した棒状のロータ20と、一端に軸受31を介してロータ20を回転自在に軸支するとともに他端を振動子10の基端側に装着可能とした筒状のケーシング30と、ロータ20と軸受31との間に設けてロータ20の基端を振動子10の先端に押圧させる付勢体であるコイルバネ32とで構成している。
As shown in the exploded view of FIG. 1 and the longitudinal sectional view of FIG. 2, the ultrasonic motor of the present invention includes a
振動子10は、本実施形態では所定の内径の空洞部を有する円筒状としたチタン酸ジルコン酸鉛製セラミックスで構成している。特に、本実施形態では、振動子10は、最初に、直径1.3mm、長さ3.4mmとした円柱状のチタン酸ジルコン酸鉛製セラミックスである円柱基体とし、この円柱基体の一方の端部側を直径0.8mm、長さ2.2mmの円柱状に研削して円柱基体に細径の振動部11を形成し、次いで、円柱基体の中心軸に沿って内径0.4mmの貫通孔を穿設して中空部13を設けた円筒状としている。振動子10は、細径の振動部11の形成にともなって相対的に太径となった台座部12を有している。
In this embodiment, the
その後、振動部11と台座部12とが形成された円筒状のチタン酸ジルコン酸鉛製セラミックスである円筒基体には、めっきなどによって全表面に金属膜を製膜しており、円筒基体の外表面を被覆した金属膜を、円筒基体の周方向に沿って複数に分離している。本実施形態では、円筒基体の外周面において円筒基体の長手方向に沿ってレーザビームを走査させることにより金属膜を分離しており、特に、図2のX−X断面図である図3に示すように、振動子10には、円筒基体の周方向に沿って第1電極14-1と、第2電極14-2と、第3電極14-3と、第4電極14-4の4つの電極を形成している。
Thereafter, a metal film is formed on the entire surface of the cylindrical substrate made of the lead zirconate titanate ceramic with the
また、円筒基体の振動部11側の端部である先端の金属膜と、円筒基体の台座部12側の端部である基端の金属膜も除去して、円筒基体の内周面に設けた金属膜と、円筒基体の外周面に設けた第1〜4電極14-1〜4と電気的に分離させて、円筒基体の内周面に設けた金属膜を内部電極14-5としている。
Also, the metal film at the tip, which is the end of the cylindrical base on the vibrating
本実施形態では、円筒基体の外周面には、第1〜4電極14-1〜4の4つの電極を設けているが、電極の数は4つに限定するものではなく、さらに多数の電極を設けてもよい。また、本実施形態では、第1〜4電極14-1〜4、及び内部電極14-5はニッケル金属膜で構成しているが、ニッケル金属膜以外の導電膜で各電極14-1〜5を形成してもよい。さらに、本実施形態では、振動子10をチタン酸ジルコン酸鉛製セラミックスで形成しているが、他の圧電材料で形成してもよい。
In the present embodiment, four electrodes of the first to fourth electrodes 14-1 to 14-4 are provided on the outer peripheral surface of the cylindrical base body. However, the number of electrodes is not limited to four, and a larger number of electrodes. May be provided. In the present embodiment, the first to fourth electrodes 14-1 to 14-4 and the internal electrode 14-5 are made of a nickel metal film. However, the electrodes 14-1 to 5 are made of a conductive film other than the nickel metal film. May be formed. Furthermore, in this embodiment, the
ロータ20は、本実施形態では、所定の径寸法を有するSUS製の円柱体で構成し、一端の端部を基端として、振動子10の先端に当接させる当接部21を設けている。
In this embodiment, the
当接部21は、振動子10の振動部の径寸法よりも大きくした径寸法を有する円柱体とし、この円柱体の振動子10側の底面には、図1に一部切欠させて示すように、振動子10側に向けて拡開したすり鉢状のテーパ面22を設けている。ロータ20は、このテーパ面22において、図2に示すように、振動子10の振動部11における外周面の端縁と当接するようにしている。
The abutting
さらに、当接部21における振動子10側の底面には、テーパ面22の内側に、円筒状の振動子10の中空部13に挿入する挿入体23を設けている。
Further, an
しかも、挿入体23は、振動子10側に向けて突出させた円錐体とし、この円錐体の周面24において、図2に示すように、振動子10の振動部11における中空部13の端縁と当接するようにしている。
Moreover, the
特に、円錐体の周面24と振動子10の内周面とのなす角は、テーパ面22と振動子10の外周面とのなす角と同じ角度としている。
In particular, the angle formed between the
このように、円錐体の周面24と振動子10の内周面とのなす角と、テーパ面22と振動子10の外周面とのなす角を同じ角度とすることにより、円錐体の周面24とテーパ面22とがそれぞれ振動子10と当接する際に、一方が他方よりも強く当接することを抑制して、ほぼ同等の当接状態とすることができる。
Thus, by setting the angle formed between the
ロータ20に装着する軸受31は、本実施形態では四フッ化エチレン樹脂製の円筒体で構成し、円筒体とした軸受31の中空部31aにロータ20を挿通させて軸受31をロータ20に装着している。
In this embodiment, the bearing 31 to be mounted on the
四フッ化エチレン樹脂製の軸受31は、表面の摩擦抵抗が小さいことによって、軸受31を介してロータ20を円滑に回転させることができ、軸受31として機能させることができる。
Since the
軸受31にロータ20を挿通させる前に、ロータ20は円筒状となったコイルバネ32に挿通させ、その後、ロータ20を軸受31に挿通させており、図2に示すように、ロータ20の当接部と軸受31との間でコイルバネ32を挟持状態に保持し、コイルバネ32の付勢によってロータ20の基端の当接部21を振動子10の先端に押圧させている。本実施形態では、小型が容易なためにコイルバネ32を用いているが、弾性体であれば何を用いてもよく、コイルバネ32の代わりに皿バネや、円筒状としたゴムチューブなどを用いることもできる。
Before inserting the
ケーシング30は、本実施形態ではガラス製の円筒体としており、一方の端部にはロータ20を挿通させる挿通孔33を設けた軸受支持壁34を備え、他方の端部には内周面に環状凹部35を備え、環状凹部35に振動子10の台座部12を嵌挿可能としている。本実施形態では、ケーシング30は、外径1.8mm、内径1.0mm、長さ5.8mmとしており、環状凹部35部分の内径は1.3mmとしている。
The
ケーシング30は、ガラス製に限定するものではなく、以下の条件を満たすものであれば何であってもよい。
(1)振動子10に生じさせた撓み振動でケーシング30に撓みが生じて、目的とする撓み振動モードの減殺を生じさせないこと。
(2)振動子10と電気的に絶縁されていること。
(3)軽量であること。すなわち、密度が小さいこと。The
(1) The
(2) It is electrically insulated from the
(3) It must be lightweight. That is, the density is small.
なお、ケーシング30の材料特定にあたっては、12種類の材料について有限要素法によるモーダル解析を行った。その結果を表1に示す。同表中、ヤング率、ポアソン比、及び密度は、「理科年表」(国立天文台編)によるものである。また、モーダル解析結果は、ケーシング30の最大変位を振動部先端の変位で割った値としている。同表の判定欄はモーダル解析結果が設計条件、即ち、振動モードの条件に合うかどうかを示し、同結果が0.2未満のものを○、0.2以上0.4未満のものを△、0.4以上のものを×としており、○が最も好ましく、△、×の順に悪化する。
In specifying the material of the
モーダル解析の結果、ケーシング30は、ヤング率が約3N/m2以上の材料であることが好ましく、望ましくは約5N/m2以上であった。ヤング率が約5N/m2より小さいほど、振動子10の撓み振動に共振してケーシング30が振動し、撓み振動による駆動力が減殺されるとともに、ケーシング30を介して振動の伝播が生じるおそれがあった。この場合、ポアソン比の大小とは相関が見られず、絶縁性の材料についてのみ比較をすると石英ガラス、パイレックス(登録商標)ガラスについては上記した条件を満たしていた。
As a result of the modal analysis, the
ケーシング30に生じた振動は、ケーシング30の弾性変形であることから、各材料について、ヤング率を密度で割った値により比較を行った結果を表2に示す。表2では、表1に示した材料と同じものについて、ヤング率を密度で割った値について降順に並べている。絶縁性の材料について比較を行うと、表1と同様の結果が得られる。しかし、金属材料も含めて比較を行った場合には、ヤング率を密度で割った値で条件を満たすかどうか判断できるとはいえない。
Since the vibration generated in the
超音波モータでは、コイルバネ32及び軸受31を順次装着したロータ20をケーシング30内に挿入し、ロータ20の先端をケーシング30の軸受支持壁34に設けた挿通孔33に挿通させ、さらに、ケーシング30内に振動子10を挿入してケーシング30の環状凹部35を振動子10の台座部12に嵌着して一体化している。超音波モータでは、ケーシング30から突出させたロータ20の先端を出力軸している。
In the ultrasonic motor, the
ロータ20の基端に設けた当接部21には、振動子10側に向けて拡開したすり鉢状のテーパ面22を設けていることにより、ロータ20を振動子10の軸線上に容易に配置することができる。
The
さらに、テーパ面22の内側に振動子10の中空部13に挿入する挿入体23を設けた場合には、この挿入体23によってロータ20が振動子10の規制を受けることにより、振動子10の軸線上にロータ20を配置させやすくすることができる。
Further, when the
ケーシング30は、振動子10への嵌着によって装着を行っていることにより、極めて容易にケーシング30の装着を行うことができ、極めて微小な超音波モータを精度よく形成することができる。
Since the
ケーシング30を振動子10に嵌着する際には、ケーシング30が嵌着された振動子10の台座部12が全てケーシング30で被覆されるのではなく、図2に示すように、台座部12の下端はケーシング30で被覆されないように台座部12の長さまたは環状凹部35の長さを設定している。
When the
このように、台座部12の下端はケーシング30から露出させて、露出した第1〜4電極14-1〜4を外部接続端子としている。
Thus, the lower end of the
そして、例えば図4に示すように、超音波モータが立設される基板40には、第1電極14-1と電気的に接続する第1基板電極40-1と、第2電極14-2と電気的に接続する第2基板電極40-2と、第3電極14-3と電気的に接続する第3基板電極40-3と、第4電極14-4と電気的に接続する第4基板電極40-4を輪状に設けている。
For example, as shown in FIG. 4, the
超音波モータを基板40に立設する場合には、第1〜4基板電極40-1〜4にそれぞれ半田ペーストを塗布し、次いで、第1基板電極40-1上に第1電極14-1を、第2基板電極40-2上に第2電極14-2を、第3基板電極40-3上に第3電極14-3を、第4基板電極40-4上に第4電極14-4を配置して、半田ペーストの半田をリフローさせて電気的に導通可能としている。
When the ultrasonic motor is erected on the
なお、超音波モータは基板40に直接的に立設させる場合だけでなく、基板40上に適宜のソケット(図示せず)を設けて、このソケットに装着してもよい。
Note that the ultrasonic motor may be mounted not only on the
本実施形態では、第1基板電極40-1にはV0sinωtの電位信号を、第2基板電極40-2には-V0cosωtの電位信号を、第3基板電極40-3には-V0sinωtの電位信号を、第4基板電極40-4にはV0cosωtの電位信号を入力している。なお、内部電極14-5は、第1〜4基板電極40-1〜4への電圧印加にともなって、等価的に0Vとなっている。 In the present embodiment, a potential signal of V0sinωt is applied to the first substrate electrode 40-1, a potential signal of −V0cosωt is applied to the second substrate electrode 40-2, and a potential signal of −V0sinωt is applied to the third substrate electrode 40-3. The potential signal of V0 cos ωt is input to the fourth substrate electrode 40-4. Note that the internal electrode 14-5 is equivalently 0 V as a voltage is applied to the first to fourth substrate electrodes 40-1 to 40-4.
それぞれの電位信号は、第1〜4基板電極40-1〜4を介して第1〜4電極14-1〜4に入力され、第1〜4電極14-1〜4では各電位信号に基づく電位が印加されることによって、振動子10に物理的な変形を生じさせることができる。
The respective potential signals are input to the first to fourth electrodes 14-1 to 4-4 via the first to fourth substrate electrodes 40-1 to 40-4, and the first to fourth electrodes 14-1 to 14-4 are based on the respective potential signals. By applying a potential, the
特に、振動子10には、基板40に接続された基端側を厚肉の台座部12とし、先端側を薄肉の振動部11としていることによって、振動子10では、基端に対して先端を軸線回りの円形軌道に沿ってω/2πの周波数で回転させる撓み振動を生じさせることができる。
In particular, the
ロータ20は、コイルバネ32の付勢によって当接部21を振動子10の先端に押圧されており、振動子10の先端の撓み振動にともなって、撓み振動の回転方向と逆方向に回転し、所定のトルクの出力を得ることができる。
The
ロータ20基端の当接部21には、図1及び図2に示すようにテーパ面22と円錐体状の挿入体23を設けるのではなく、図5に示すように、テーパ面22のみを設けてもロータ20を十分に回転させることができる。
The abutting
このように、当接部21にテーパ面22のみを設けた場合には、円錐体状の挿入体23を設けない分だけロータ20を小型化しやすく、超音波モータをさらに小型化すべく振動子10、ロータ20、ケーシング30、軸受31、コイルバネ32をそれぞれスケールダウンした際にも、テーパ面22を精度よく形成することができるので、当接部21を振動子10に確実に当接させて所望の出力を得ることができる。
As described above, when only the tapered
なお、図6に示すように、ロータ20基端の当接部21には、円錐体状の挿入体23のみを設けてもよい。
As shown in FIG. 6, only the
ただし、円錐体状の挿入体23を介してロータ20を回転駆動させる場合には、ロータ20をケーシング30に正しく組み付けやすい一方で、大きな出力トルクが得られない傾向があった。
However, when the
すなわち、V0=25V、コイルバネ32のバネ定数を0.01N/mmとして、このコイルバネ32でロータ20に5mNの予圧を与えた状態でのロータ20の起動トルクを測定したこところ、図5に示すように、ロータ20基端の当接部21に円錐体状の挿入体23のみを設けた場合には、0.61μNmであったのに対して、図5に示すように、ロータ20基端の当接部21にテーパ面22のみを設けた場合には、1.0μNmであった。
That is, when V0 = 25V, the spring constant of the
テーパ面22は、振動子10が最も大きく撓む振動子10の先端外周縁と当接していることによって、振動子10の先端外周縁とテーパ面22との接触部分の単位時間当たりの変位量を大きくすることができるので、起動トルクを向上させることができているものと思われる。
The
さらに、図1及び図2に示すように、ロータ20基端の当接部21にテーパ面22と、円錐体状の挿入体23とを設けて、振動子10の先端外周縁をテーパ面22に当接させるとともに、振動子10の中空部13の先端内周縁を挿入体23の円錐体の周面24に当接させた場合には、起動トルクは1.7μNmであった。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, a
この場合には、ロータ20と振動子10とが2箇所で接触していることにより、ロータ20により大きな起動トルクを生じさせることができているものと思われる。
In this case, it is considered that a large starting torque can be generated by the
なお、テーパ面22は、振動子10における振動部11の外周面となす角が30〜60°となるようにして当接させることが望ましく、また、挿入体23における円錐体の周面24は、振動子10における中空部13の内周面となす角が30〜60°となるようにして当接させることが望ましい。
The tapered
なお、30°よりも小さくした場合には、ロータ20基端の当接部21の大きさが長さ方向に大きくなりやすく、当接部21の重量が増大することによりロータ20が回転しにくくなって、ロータ20から出力される回転量が低下するおそれがある。
If the angle is smaller than 30 °, the size of the
一方、60°よりも大きくした場合には、テーパ面22及び周面24での振動子10端縁の滑りが生じるおそれがあり、振動子10の撓み振動をロータ20の回転運動に変換する変換効率が低下するおそれがある。
On the other hand, if the angle is larger than 60 °, there is a possibility that the edge of the
さらに、前述したように、円錐体の周面24と振動子10における中空部13の内周面とのなす角と、テーパ面22と振動子10における振動部11の外周面とのなす角を同じ角度としておくことにより、円錐体の周面24とテーパ面22とがそれぞれ振動子10と当接する際にそれぞれ同等の当接状態とすることができ、ロータ20を円滑に回転させることができるので、効率よくトルクを取り出すことができる。
Further, as described above, the angle formed by the
なお、円錐体の周面24と振動子10における中空部13の内周面とのなす角、及びテーパ面22と振動子10における振動部11の外周面とのなす角は、それぞれ40〜50°程度が最も望ましい。
The angle formed between the
本実施形態では、ロータ20基端の当接部21には、円錐体状の挿入体23を設けているが、挿入体23は円錐体形状に限定するものではなく、例えば、図7に示すように、半球体状に形成してもよく、適宜の形状としてよい。
In this embodiment, the
また、変容例として、図8に示すように、筒状とした振動子10の内周面には、振動子10を構成する圧電体よりも高強度とした筒状の芯材15を設け、しかも、芯材15は振動子10の先端よりもロータ20側に突出させて設けて、振動子10から突出した芯材15の突出部分を突出端部15'とし、この突出端部15'部分にロータ20を当接させてもよい。
Further, as a modification example, as shown in FIG. 8, a
特に、突出端部15'の外周面の先端縁を前記テーパ面に当接させることにより、ロータ20の当接部21を小径とすることができるので、ロータ20を小型化しやすくすることができ、超音波モータのさらなる小型化を可能とすることができる。
In particular, by bringing the tip edge of the outer peripheral surface of the projecting
芯材15には、アルミナセラミックスや窒化珪素セラミックスなどの構造用セラミックスなどを用いることができる。なお、芯材15は、筒状とした振動子10の内周面に設ける場合だけでなく、外周面に設けてもよい。この場合、振動子10は、台座部12を振動部11寄りも必ずしも太径に形成する必要はなく、振動子10を囲繞する構造用セラミックスに所要の台座部を設けてもよい。
For the
小型で高出力の超音波モータを提供できるので、カメラにおけるレンズの位置制御だけでなく、時計などの民生用電気機器製品における鼓動装置や、内視鏡手術などに関連した小型化が必要な医療機器の駆動装置、さらには産業用製造機械の駆動装置、あるいはマイクロロボット用駆動アクチュエータとして利用できる。 Because it can provide a small, high-power ultrasonic motor, medical devices that need to be miniaturized not only for lens position control in cameras but also for beating devices in consumer electronic products such as watches and endoscopic surgery It can be used as a drive device for an apparatus, a drive device for an industrial manufacturing machine, or a drive actuator for a micro robot.
Claims (3)
この振動子と同軸上に配置して、基端を前記振動子の先端に当接させたロータと、
一端に軸受を介して前記ロータを回転自在に支持するとともに他端を前記振動子の基端側に装着する筒状のケーシングと、
前記ロータと前記軸受との間に設けて前記ロータの基端を前記振動子の先端に押圧させる付勢体と
を備え、
前記振動子の振動にともなって前記ロータを軸線方向に回転させる超音波モータにおいて、
前記ロータの基端には、前記振動子側に向けて拡開状としたテーパ面と、同テーパ面の内側で前記振動子側に向けて突出した前記振動子の前記中空部に挿入する円錐体状の挿入体とを設け、前記テーパ面に前記振動子の先端縁を当接させ、前記円錐体状の挿入体の周面に前記振動子における前記中空部の先端縁を当接させたことを特徴とする超音波モータ。As a cylindrical shape having a hollow portion, a plurality of electrodes are provided on the outer peripheral surface along the circumferential direction, and electrodes are also provided on the inner peripheral surface, and a predetermined voltage is applied to each of the electrodes to form a base end. On the other hand, a vibrator made of a piezoelectric body that vibrates the tip along a circular locus around the axis,
A rotor arranged coaxially with the vibrator and having a base end in contact with the tip of the vibrator;
A cylindrical casing that rotatably supports the rotor via a bearing at one end and is attached to the base end side of the vibrator at the other end;
An urging body provided between the rotor and the bearing to press the proximal end of the rotor against the distal end of the vibrator;
In the ultrasonic motor that rotates the rotor in the axial direction along with the vibration of the vibrator,
At the proximal end of the rotor, a tapered surface that is widened toward the vibrator side, and a cone that is inserted into the hollow portion of the vibrator that protrudes toward the vibrator side inside the tapered surface. a body-shaped insert is provided, abut the leading edge of the transducer to the tapered surface, is abutted against the leading edge of the hollow portion of the vibrator on the peripheral surface of the cone-shaped insert An ultrasonic motor characterized by that.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007508187A JP5039974B2 (en) | 2005-03-15 | 2006-03-15 | Ultrasonic motor |
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005073236 | 2005-03-15 | ||
JP2005073236 | 2005-03-15 | ||
PCT/JP2006/305149 WO2006098375A1 (en) | 2005-03-15 | 2006-03-15 | Ultrasonic motor |
JP2007508187A JP5039974B2 (en) | 2005-03-15 | 2006-03-15 | Ultrasonic motor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2006098375A1 JPWO2006098375A1 (en) | 2008-08-28 |
JP5039974B2 true JP5039974B2 (en) | 2012-10-03 |
Family
ID=36991718
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007508187A Active JP5039974B2 (en) | 2005-03-15 | 2006-03-15 | Ultrasonic motor |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5039974B2 (en) |
WO (1) | WO2006098375A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01177878A (en) * | 1988-01-08 | 1989-07-14 | Nec Corp | Oscillatory wave motor |
JPH02294280A (en) * | 1989-05-09 | 1990-12-05 | Piezo Tec Kk | Tubular electrostrictive rotor and motor |
JPH04133676A (en) * | 1990-09-21 | 1992-05-07 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Driving method for actuator and ultrasonic actuator realizing this driving method |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01177876A (en) * | 1988-01-08 | 1989-07-14 | Nec Corp | Oscillatory wave motor |
JPH0744856B2 (en) * | 1988-12-16 | 1995-05-15 | 株式会社トーキン | Ultrasonic motor |
JPH07231684A (en) * | 1994-02-21 | 1995-08-29 | Kanagawa Kagaku Gijutsu Akad | Ultrasonic micromotor and manufacture of its stator |
JPH08336288A (en) * | 1995-06-08 | 1996-12-17 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Ultrasonic motor |
-
2006
- 2006-03-15 JP JP2007508187A patent/JP5039974B2/en active Active
- 2006-03-15 WO PCT/JP2006/305149 patent/WO2006098375A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH01177878A (en) * | 1988-01-08 | 1989-07-14 | Nec Corp | Oscillatory wave motor |
JPH02294280A (en) * | 1989-05-09 | 1990-12-05 | Piezo Tec Kk | Tubular electrostrictive rotor and motor |
JPH04133676A (en) * | 1990-09-21 | 1992-05-07 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | Driving method for actuator and ultrasonic actuator realizing this driving method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPWO2006098375A1 (en) | 2008-08-28 |
WO2006098375A1 (en) | 2006-09-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1665336B1 (en) | Ultrasonic lead screw motor | |
JP2007049897A (en) | Stator and ceramics tube ultrasonic motor using same | |
JPS63134935A (en) | Circular direction vibration type viscosity detecting device | |
JP4896020B2 (en) | Mechanism including ultrasonic lead screw motor | |
US20130038173A1 (en) | Multi degree-of-freedom piezoelectric micro-actuator with an energy efficient isolation structure | |
JP4841432B2 (en) | Ultrasonic motor for lead screw | |
JP5039974B2 (en) | Ultrasonic motor | |
JP3744711B2 (en) | Spindle structure in ultrasonic machine | |
JP2002291263A (en) | Vibrator and vibration wave drive device | |
JP2011142732A (en) | Ultrasonic motor | |
JP4901597B2 (en) | Vibration type actuator | |
JP2003339176A (en) | Ultrasonic motor and electronic apparatus with ultrasonic motor | |
JP2008072831A (en) | Vibrating actuator, drive unit for the vibrating actuator, lens barrel, and camera | |
JP2010172157A (en) | Ultrasonic motor driving apparatus | |
WO2016002917A1 (en) | Vibration-type actuator, lens barrel, image-capturing device, and automatic stage | |
Mazeika et al. | Three degree of freedom piezoelectric actuator for precise positioning | |
JP2019165525A (en) | Piezoelectric driving device, control device, and driving method of piezoelectric driving device | |
US20220252869A1 (en) | Light control system and optical reflection element | |
JP2019161901A (en) | Ultrasonic actuator | |
JP2015035909A (en) | Vibration actuator | |
JP2004336956A (en) | Ultrasonic motor and electronic apparatus therewith | |
JP2010141996A (en) | Ultrasonic motor | |
JPH02146967A (en) | Ultrasonic actuator | |
JP2019165524A (en) | Driving device of piezoelectric driving device and driving method of piezoelectric driving device | |
JPH04117185A (en) | Rodlike ultrasonic motor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090105 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110823 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111005 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120612 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |