JPH0479238B2 - - Google Patents

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JPH0479238B2
JPH0479238B2 JP61035966A JP3596686A JPH0479238B2 JP H0479238 B2 JPH0479238 B2 JP H0479238B2 JP 61035966 A JP61035966 A JP 61035966A JP 3596686 A JP3596686 A JP 3596686A JP H0479238 B2 JPH0479238 B2 JP H0479238B2
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JP
Japan
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electrode
ultrasonic motor
driving
drive
piezoelectric body
Prior art date
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Application number
JP61035966A
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English (en)
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JPS62196084A (ja
Inventor
Katsu Takeda
Osamu Kawasaki
Ritsuo Inaba
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP61035966A priority Critical patent/JPS62196084A/ja
Publication of JPS62196084A publication Critical patent/JPS62196084A/ja
Publication of JPH0479238B2 publication Critical patent/JPH0479238B2/ja
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/16Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
    • H02N2/163Motors with ring stator

Landscapes

  • 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、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。
従来の技術 近年、圧電セラミツク等の圧電体を用いて超音
波振動を励振することにより、回転、直線または
曲線の運動をする超音波モータが発表され、構造
が簡単、小型・軽量などの特徴から注目されてい
る。
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。
第3図は超音波モータの一例であり、円環形の
弾性体1の円環面の一方に円環形圧電体2を貼り
合わせて駆動体3を構成している。4は耐摩耗性
のスライダで、5は弾性体であり、互いに貼り合
わされて動体6を構成している。動体6はスライ
ダ4を介して駆動体3と加圧接触している。圧電
体2に電解を印加すると駆動体3の円周方向に曲
げ振動の進行波が励起され、動体6が摩擦力によ
り回転する。
第4図は第3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
周方向に曲げ振動が9波長のるようにしてある。
同図において、A,Bはそれぞれ2分の1波長
相当の小領域から成る電極群で、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。従つ
て、Aの電極群とBの電極群とは位置的に4分の
1波長(=90度)の位相ずれがある。電極群A,
B内の隣合う小電極部は、互いに反対に厚み方向
に分極されている。圧電体2の弾性体1との接着
面は、第4図に示された面と反対の面であり、電
極はべた電極である。使用時には、電極群A,B
は第4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。
以上のように構成された超音波モータについ
て、その動作を以下に説明する。圧電体2の電極
群AにVp・sin(ωt)で表される電圧を印加する
と(ただし、Vpは電圧の瞬時値、ωは角周波数、
tは時間)、電極群A,Bを構成する小電極部が、
厚み方向に分極されているため、この分極方向に
応じて伸縮し、その上、隣合う小電極部は、厚み
方向に対して互いに反対方向に分極されているた
め、圧電体2と弾性体1とで構成している駆動体
3は、円周方向に曲げ振動をする。
第5図は第3図の超音波モータの一部分の斜視
図であり、同図aは圧電体2に電圧を印加してい
ない時であり、同図bは圧電体2に電圧を印加し
た時の様子を示す。
第6図は動体6と駆動体3との接触状況を拡大
して描いたものである。圧電体2の電極群Aに
Vp・sin(ωt)、他の電極群BにVp・cos(ωt)の互
いに時間的にπ/2だけ位相がずれた電圧を印加
すれば、駆動体3の円周方向に曲げ振動の進行波
を作ることができる。
一般に、進行波は振幅をξとすると、 ξ=ξp・cos(ωt−kx) ……(1) で表せる。(1)式は、 ξ=ξp・(cos(ωt)・cos(kx)+sin
(ωt)・sin(kx))……(2) と書き直すことができ、(2)式は進行波が時間的に
π/2だけ位相のずれた波cos(ωt)とsin(ωt)、
および位置的にπ/2だけ位相のずれたcos(kx)
とsin(kx)とのそれぞれの積の和で得られるこ
とを示している。前述の説明より、圧電体2は互
いに位置的にπ/2(=λ/4、ただしλは波長)
だけ位相のずれた電極群A,Bを持つているの
で、駆動体3の共振周波数に等しい周波数出力を
持つ発振器の出力から、それぞれ時間的にπ/2
だけずれた交流電圧を作り、前記電極群に印加す
れば駆動体3に曲げ振動の進行波を作ることがで
きる。
第7図は第3図の超音波モータに使用した圧電
体2の電極構造の他の例を示している。同図では
円周方向に曲げ振動が9波長のるようにしてあ
る。
同図において、A,Bはそれぞれ同心円上に配
置され、2分の1波長相当の小領域から成る外
側、内側の電極群で、一方の電極群の電極の中央
に、他方の電極群の電極の境界があるように配置
されている。従つて、Aの電極群とBの電極群と
は4分の1波長の位相のずれがある。電極群A,
B内の隣合う小電極部は互いに反対に厚み方向に
分極されている。圧電体2の弾性体1との接着面
は第7図に示された面と反対の面であり、電極は
べた電極である。使用時にはA,Bの電極群ごと
に短短して用いられる。
以上のように構成された超音波モータの電極群
A,BにそれぞれVp・sin(ωt)、Vp・cos(ωt)で
表される時間的にπ/2だけ位相がずれた電圧を
印加すると、電極群A,Bは位置的に互いに位相
がπ/2だけずれているので、駆動体3に前記(2)
式を満たす曲げ振動の進行波が得られる。
第6図は駆動体3の動体6と接触している面上
の頂点Aが進行波によつて、長軸2w、短軸2u
の楕円運動をしている様子を示し、駆動体3上に
置かれた動体6が楕円の頂点で接触することによ
り、波の進行方向とは逆方向にv=ωuの速度で
運動する様子を示している。即ち動体6は任意の
静圧で駆動体3に押し付けられて、駆動体3の表
面に接触し、動体6と駆動体3との摩擦力で波の
進行方向と逆方向に速度vで駆動される。両者の
間にすべりがある時は、速度が上記のvよりも小
さくなる。また、上記に示した超音波モータの速
度vは、 v=ωu∝ωξp ……(3) で表すことができ、駆動体3の曲げ振動の瞬時値
ξpに比例する。そのため、小さな電圧で大きな電
流が流れる駆動体3の共振周波数で駆動すれば、
大きな速度が得られる。第8図に、駆動周波数と
モータの回転数との関係を示す同図でfpは共振周
波数である。
発明が解決しようとする問題点 第9図に圧電体の等価回路を示す。同図に示す
ように圧電体は、電気的容量Cp、電気系−機械系
トランス(変換係数N)、機械的弾性定数Cn、質
量Ln、機械的損失Rnとで表され、圧電体の電極
に電圧Vを印加すると、電気エネルギーが機械エ
ネルギーに変換され、力Fとして出力される。
圧電体の電極に印加した電圧Vにより発生する
電荷密度D3を電極の面積で積分すると電荷Qが
得られる。この電荷Qを時間微分したものが電流
iであり、この電流のうち、電気的容量Cpに流れ
る以外の電流が電気系−機械系トランスにより、
変位速度ξ〓(=∂ξ/∂t)に変換される。従つて、
印加電圧Vと電極構造で電荷Qを求めることがで
き、この電荷Qにより変位ξを求めることができ
る。即ち、駆動に用いる振動モードを安定して励
振させるためには、この振動モードに応じた電荷
を誘起できるように駆動電極構造を決めれば良
い。
しかし第4図や第7図のような従来の電極構造
の場合、各電極は圧電体の幅方向にほぼ一定であ
るため、円周方向に対して各駆動電極上で誘起さ
れる電荷の割合はほぼ一定である。従つて、駆動
周波数の交流電圧を印加しても、駆動電極により
誘起される電荷は、駆動電極の中央部における変
位が最大で、両端に向かうにつれて小さくなると
いう駆動に用いる振動モードに寄与する電荷以外
にも現れ、駆動に用いる振動モードに寄与する以
外の電荷により、不要振動が励振される。このた
め雑音が発生し、加えてモータの駆動効率も低下
させている。
本発明はかかる点に鑑みて、電極の構造によ
り、駆動振動モード以外の不要振動を減少させる
ことにより雑音の発生を抑制することができ、し
かもモータの駆動効率を向上することができる超
音波モータを提供することを目的としている。
問題点を解決するための手段 超音波モータの駆動源である圧電体上に設置さ
れた各電極のうち、曲げ振動の進行波を励振する
駆動電極を、中央部近傍で前記圧電体の幅方向に
最大で、前記圧電体の円周方向の両端に向かうに
つれて小さくなる形状、もしくは前記圧電体の円
周方向の一方の端近傍で前記圧電体の幅方向に最
大で、前記円周方向の他方の端に向かうにつれて
細くなる形状であり、かつ前記電圧体の円周方向
の最も長い部分で前記進行波の2分の1波長の長
さをもつ形状である小電極群で構成する。
作 用 上記圧電体の電極構造により、駆動周波数の電
界を印加して発生する電荷のうち、超音波モータ
を駆動する振動モード以外の振動に寄与する電荷
量が減少する。このため、駆動振動モード以外の
振動により発生する雑音も減少し、モータの駆動
効率も上昇する。
実施例 以下、実施例を示す。
実施例 1 第1図は本発明の一実施例である。第1図は前
記駆動体3を構成する超音波モータの駆動源であ
る圧電体2の電極構造図で、前記駆動体に対し第
4図と同じ面を示している。即ち、第1図に示し
た面と反対側の面はべた電極であり、第1図の反
対側の面を前記弾性体1に接着して前記駆動体3
を構成するため、第4図と同様の動作原理であ
る。
同図において、電極群A,Bを構成する小電極
はそれぞれ、中央部近傍で圧電体の幅方向に最大
で、円周方向の両端に向かうつれて細くなつてお
り、円周方向に最も長い部分は励振する進行波の
2分の1波長に相当し、各小電極は電極群A,B
ごとに円周方向の両端で短絡している。またCは
4分の3波長、Dは4分の1波長に相当する電極
である。
第1図のような電極構造を用いると、駆動電極
の中央部における変位が最大で、両端に向かうに
つれて小さくなるという駆動に用いる振動モード
に寄与する電荷が、その電極構造により誘起され
易くなると共に、駆動に用いる振動モードに寄与
する以外の電荷が、第4図のような従来の電極構
造に比べて誘起され難くなる。
従つて、モータの駆動に用いる振動モード以外
の電荷により励振される不要振動を抑制すること
ができるため、雑音が減少し、モータの駆動効率
も上がる。
実施例 2 第2図は本発明の他の実施例である。第2図は
前記駆動体3を構成する超音波モータの駆動源で
ある圧電体2の電極構造図で、前記駆動体に対し
第7図と同じ面を示している。即ち、第2図に示
した面と反対側の面はべた電極であり、第2図の
反対側の面を前記弾性体1に接着して前記駆動体
3を構成するため、第7図と同様の動作原理であ
る。第2図において、電極群Aを構成する小電極
は、励振する進行波の2分の1波長相当の底辺を
圧電体の外周側にもち、中央部近傍で圧電体の幅
方向に最大となる構造である。また、電極群Bを
構成する小電極は、前記進行波の2分の1波長相
当の底辺を圧電体の内周側にもち、中央部近傍で
圧電体の幅方向に最大となる構造である。使用時
には第7図の場合と同様に、A,Bそれぞれの電
極群は、例えば隣接する底辺の両端同志を短絡し
て用いられる。この場合も前記実施例1の場合と
同様な効果が得られる。加えて、本実施例の場
合、駆動面に対して電極総面積を大きくとれるの
で、駆動力を大きくできる。従つて、駆動力を大
きくでき、しかも雑音を減少させ、高効率を得ら
れる。
なお、上記実施例においては、回転型の超音波
モータについて記載したが、直線型の超音波モー
タにおいても同様の技術が適用できることは言う
までもない。
発明の効果 本発明によれば、雑音が小さく、駆動効率の良
い超音波モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例における超音波モー
タの駆動源である圧電体の電極構造を示す平面
図、第2図は本発明の他の実施例における電極構
造を示す平面図、第3図は超音波モータの構成を
示す一部切欠き斜視図、第4図および第7図は従
来の超音波モータの電極構造を示す平面図、第5
図は超音波モータの要部の斜視図で、同図aは圧
電体に電圧を印加していない場合を示す図、同図
bは印加している場合を示す図、第6図は超音波
モータの駆動原理を示す要部の拡大斜視図、第8
図は駆動周波数とモータ回転数の関係を表したグ
ラフ、第9図は圧電体の評価回路図である。 1……弾性体、2……圧電体、3……駆動体、
4……スライダ、5……(動体の)弾性体、6…
…動体。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 圧電体2を駆動源とし、圧電体2と弾性体1
    とで構成される駆動体3に曲げ振動の弾性進行波
    を励振し、駆動体3に加圧接触させた動体6を摩
    擦力により駆動する超音波モータであつて、前記
    圧電体2上に設置され進行波を励振する駆動電極
    は、小電極を圧電体2の円周方向に並べて形成さ
    れており、この小電極、形状は、その中央部近傍
    が最大幅で円周方向の両端部分に向かうにつれて
    幅が狭くなるとともに、円周方向に最も長い部分
    の長さが前記進行波の波長の2分の1である超音
    波モータ。
JP61035966A 1986-02-20 1986-02-20 超音波モ−タ Granted JPS62196084A (ja)

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