JPH0697861B2 - 超音波モ−タ - Google Patents

超音波モ−タ

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JPH0697861B2
JPH0697861B2 JP61067931A JP6793186A JPH0697861B2 JP H0697861 B2 JPH0697861 B2 JP H0697861B2 JP 61067931 A JP61067931 A JP 61067931A JP 6793186 A JP6793186 A JP 6793186A JP H0697861 B2 JPH0697861 B2 JP H0697861B2
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JP
Japan
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rotor
ultrasonic motor
stator
low friction
traveling wave
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JP61067931A
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JPS62225185A (ja
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朋樹 舟窪
日出夫 安達
澄夫 川合
隆司 児玉
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Olympus Corp
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Olympus Optic Co Ltd
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    • 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

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、円環状圧電素子および振動板からなるステー
タに屈曲進行波を励起し、この屈曲進行波によるステー
タ表面の楕円軌跡の頂点にロータを接することによって
ロータを回転させる超音波モータに関する。
〔従来の技術〕
最近、従来の電磁型モータに代わる新しいモータとして
超音波モータが脚光を浴びている。この超音波モータは
原理的に新しいというだけでなく、従来の電磁型モータ
に比べて次のような利点を有している。
中心軸を必要としない。
薄型、軽量である。
磁気的影響の授受がない。
部品構成が単純で、信頼性が高い。
ギヤなしで低速,高トルクが得られる。
バックラッシュがなく位置決めが容易である。
ステータに対してロータが、回転,チャック,浮遊,
の三態をとり得る。
かくして、これらの利点を生かすべく、種々の応用技術
の研究が進められている。
第6図は代表的な従来型の回転型超音波モータを示す図
である。その原理は円環状圧電素子1と一体化した金属
製ドーナツ形振動板2に逆圧電効下によって進行波を励
起し、これによって発生する表面各点の後方楕円運動軌
跡の頂点に接するようにロータ3を押圧配置することに
より、同ロータ3を矢印Aのように回転させるというも
のである。上記進行波の励起法について以下説明する。
第7図は一般的な超音波モータを構成する圧電素子の分
極状態図を示す図であり、第6図の下方より見た図に相
当する。分極方向が…のように交互に逆向きに
なるように、リング状圧電体を分極するか、または分割
した複数の圧電素子を分極方向が互いに逆向きになる様
に配置する。この様な配置において、分極方向が互いに
逆向きになった隣り合わせの1組を1波長λに対応させ
る。そして、180°異なる位置に各々、3/4λ,1/4λ長の
未分極部1a,1bを配し、これらを結んだ中心線に対して
対称に分極体nλ個分づつ配置する。ただし分極の向き
は、円周方向に分極方向が交互に逆向きになる様に連続
的に配置する。
この様な分極配置のうち、3/4λ,1/4λ未分極部1a,1bを
間に挟んだ左半分の振動板に接していない面を第8図の
ように一つの電極でおおい、これを一方の片側共通電極
4aとし、右半分の振動板に接触していない面を同じく第
8図のように別の電極でおおい、これを他の片側共通電
極4aとする。そして、振動板2側の電極4cは振動板2と
導通させ、すべての圧電素子のアース側電極として共通
化している。
以上の様な構成体への電気信号入力端子は、第8図に示
す様に3端子a,b,cを有する構造となる。この様な分極
配置,電極配置を有した構成体を駆動する場合には、端
子a−c間とb−c間に互いにπ/2位相差を有し、λ,
円環の内・外径,厚み,圧電セラミクスと振動板の平均
的弾性定数,密度,で決定される固有振動数ωを有する
電気信号を入力する。今、端子a−c間に印加する電圧
を V0 sin ωt とすると、端子b−c間には V0 cos ωt なる電圧が印加されることになる。
一方、進行波による円環状のある点の変位yは一般に y=A sin(cp−ωt) ……(1) で表わされる。ここでAは最大変位量,cは2π/λ,ω
は先記固有周波数,pは円環状のある点の位置を示してい
る。
(1)式より y=Asin 2π/λ pcosωt+Asin(2π/λp−π/
2)sinωt …(2) となる。従って、 y1=A sin 2π/λ p cos ωt なる振動と y2=A sin 2π/λ(p−λ/4)sin ωt なる振動を、点pにおいて重ね合わせれば進行波が得ら
れることになる。時間項sinωtとcosωtは、点pにお
いて位相がπ/2ずれた振動であり、またsin2πP/λとsi
n2π/λ(P−λ/4)は位置的にλ/4ずらすことを意味
している。第7図において、電極配置がλ/4,3λ/4の未
分極部を有しているのは以上の理由によっている。
以上の様に電極配置をλ/4ずらすこと、および電気的入
力信号をπ/2ずらすことによって進行波が得られる。
次にこの様な進行波励起状態においてロータと接する側
の表面の各点が、進行波の進行方向変位成分xpと、表面
に垂直な変位成分ypとにおいて、第9図に示す様な楕円
軌跡を描くことについて説明する。進行波の振動は圧電
セラミクスと金属板の貼り合わせによる屈曲振動によっ
て得られる板波であるが、その屈曲が板厚方向に沿って
同等の屈曲をするものであると、表面点pの変位成分yp
は yp=Asin(2π/λ×xp−ωt)−e(1−cosθ) …
…(3) と表わされる。ただし、ここでθpは点pにおける環状
体の中立軸に垂直な軸とx軸とのなす角、eは板厚の1/
2である。今、 であり、従って(3)式は yp≒Asin(2π/λxp−ωt) ……(4) となる。また、変位成分xpは として xp=e sinθp≒eθp であるが、(4)式により θp=dyp/dxp=ACcos(2π/λxp−ωt) xp=AC e cos(2π/λxp−ωt) ……(5) となる。したがって(4),(5)式より (λxp/2Aeπ)2+(yp/A)2=1 ……(6) となり、楕円軌跡を描くことがわかる。そして、この楕
円軌跡の頂点は常に同方向に向っているので、楕円軌跡
の頂点に設置されたロータが移動していくことになる。
実際に超音波モータとして応用していく場合には振動板
を固定し、それに対しロータを相対的に回転させる必要
がある。
第10図は従来例(超音波モータ概念図)を示す。圧電振
動子1により振動板2に屈曲振動波が励起され、ステー
タ1,2(S)とロータ3(R)との関係においてロータ
3が回転する。圧電素子1の下面には、ステータの回転
防止と防振のため、例えばゴム等の弾性コンプライアン
ス定数の大きな部材5が貼られている。
なお第10図中、6は軸、7は外枠、8はバネ部材、9は
ベアリングである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来の超音波モータでは、ステータ(S)の固定お
よび防振のためにゴム板等の弾性部材5を用いている
が、実際に超音波モータを駆動する場合には、第10図の
ステータ(S)、ロータ(R)等がモータの回転軸6に
対して安定せず、ロータ(R)の回転が不安定となる。
しかるに金属板の様な弾性コンプライアンス定数の小さ
な部材を配置すれば、ステータ,ロータ共に安定し、ロ
ータの回転も安定となるが、反面において屈曲進行波の
xp変位成分により、摩擦力が生じて大きなエネルギーロ
スが生じてしまうという問題があった。
そこで本発明は、エネルギーロスが少なく、かつステー
タを安定に固定でき、ひいてはロータを安定に回転させ
得る超音波モータを提供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の超音波モータは、上記問題点を解決し目的を達
成するために、次の如く構成されている。
圧電素子および振動板からなるステータに屈曲進行波を
励起し、この屈曲進行波によるステータ表面の楕円軌跡
の頂点にロータを圧接することによってロータを回転さ
せる超音波モータにおいて、前記振動板の一部に設けら
れた複数の穴部と、この穴部に遊かんするピン状の突部
を有する支持部材と、前記ロータが配設された面とは反
対の面に配設された低摩擦部材とを具備することを特徴
としている。
なお、低摩擦部材はテフロン等の合成樹脂であることが
好ましい。また低摩擦部材は、シリコンオイル、ステア
リン酸亜鉛、テフロン粉等の潤滑材が塗布された板であ
ることが好ましい。さらに低摩擦部材はベアリング部材
であることが好ましい。
〔作用〕
このような手段を講じたことにより、次のような作用を
生じる。圧電素子の下に低摩擦係数を有する部材が配さ
れるので、エネルギーロスが減少する。なおこの場合、
そのままではステータが回転してしまうが、例えば金属
板の側面中央部に凹部を設け(3個以上)、この凹部に
その断面積より小さな断面をもつ小さなピンを挿入する
といった支持手段によって振動板が支持固定されるの
で、ステータの安定固定が可能となる。かくして進行波
励起状態において、圧電素子と低摩擦部材とが摩擦を起
こしても、ほとんどエネルギーロスは生じないものとな
る。
〔実施例〕
第1図〜第3図は本発明の第1実施例を示す図で、第1
図は構成を示す断面図、第2図は第1図の主要部を示す
拡大断面図、第3図は外観を示す斜視図である。なお第
10図と同一部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略
する。第1図〜第3図に示すように、圧電素子1の下部
には低摩擦部材としてテフロン等の合成樹脂材10が配置
されている。振動板2およびロータ3は例えば黄銅等に
て形成されている。振動板2の外周面中央部には固定用
の穴が設けられており、この穴にピン11の先端が遊挿さ
れている。バネ部材8による圧力が、ベアリング9を介
してロータ3に加圧している。
このように構成された本実施例においては、圧電素子1
に交流電圧を印加すると、ステータ(S)に屈曲進行波
が励起され、ロータ3に回転力が働き、ロータ3は回転
する。
一方、圧電素子1側に励起された屈曲進行波によって、
圧電素子1と合成樹脂10との間に摩擦が起る。しかし、
その摩擦は低摩擦部材である合成樹脂材10の存在によ
り、著しく軽減され、エネルギーロスはほとんど生じな
い。かくして、ステータ(S)、ロータ(R)は中心軸
6に対して安定に保持され、円滑な回転が行なわれる。
第4図は本発明の第2実施例の構成を示す断面図であ
る。この第2実施例が前記第1実施例と異なる点は、ス
テータ(S)の下部に配置される低摩擦部材として、シ
リコンオイル、ステアリン酸亜鉛,テフロン粉等の潤滑
剤12を、その上面に塗布した金属板13を用いた点であ
る。
本実施例においても、前記第1実施例と同様の作用を生
じる。
第5図は本発明の第3実施例を示す断面図である。この
第3実施例が前記第1実施例と異なる点は、ステータ
(S)の下部に配置される低摩擦部材として、ベアリン
グ14をバネ部材15で支えたものを用いた点である。本実
施例においても、前記第1実施例と同様の作用を生じ
る。なお本実施例の場合、ステータ(S)の下部に生ず
る屈曲進行波によりベアリング14が回転するが、ベアリ
ング14はダミーであり、トルクはほとんどないから、こ
こでのエネルギーロスはほとんどない。
なお本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である
のは勿論である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、圧電素子の下に低摩擦係数を有する部
材が配されるので、エネルギーロスが少なく、しかも支
持手段によって振動板が支持固定されるので、ステータ
を安定に固定できひいてはロータを安定に回転させ得る
超音波モータを提供できる。
【図面の簡単な説明】 第1図〜第3図は本発明の第1実施例を示す図で、第1
図は構成を示す断面図、第2図は第1図の主要部を示す
拡大断面図、第3図は外観を示す斜視図である。第4図
は本発明の第2実施例を示す断面図、第5図は本発明の
第3の実施例を示す断面図である。第6図〜第10図は従
来技術を示す図で、第6図は超音波モータの概念図、第
7図および第8図は圧電素子の構成を示す図、第9図は
回転の原理を示す図、第10図は従来例の構成を示す断面
図である。 1……圧電素子、2……振動板、3……ロータ、5……
弾性部材、6……軸、7……外枠、8……バネ部材、9
……ベアリング、10……合成樹脂材、11……ピン、12…
…潤滑剤、13……金属板、14……ベアリング、15……バ
ネ部材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 児玉 隆司 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−49672(JP,A) 特開 昭62−193577(JP,A) 特開 昭62−207182(JP,A)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電素子および振動板からなるステータに
    屈曲進行波を励起し、この屈曲進行波によるステータ表
    面の楕円軌跡の頂点にロータを圧接することによってロ
    ータを回転させる超音波モータにおいて、 前記振動板の一部に設けられた複数の穴部と、 この穴部に遊かんするピン状の突部を有する支持部材
    と、 前記ロータが配設された面とは反対の面に配設された低
    摩擦部材と、 を具備することを特徴とする超音波モータ。
  2. 【請求項2】低摩擦部材は、テフロン等の合成樹脂材で
    ある特許請求の範囲第1項に記載の超音波モータ。
  3. 【請求項3】低摩擦部材は、シリコンオイル、ステアリ
    ン酸亜鉛、テフロン粉等の潤滑材が塗布された板である
    特許請求の範囲第1項に記載の超音波モータ。
  4. 【請求項4】低摩擦部材は、ベアリング部材である特許
    請求の範囲第1項に記載の超音波モータ。
JP61067931A 1986-03-26 1986-03-26 超音波モ−タ Expired - Lifetime JPH0697861B2 (ja)

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JPS62225185A JPS62225185A (ja) 1987-10-03
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6149672A (ja) * 1984-08-17 1986-03-11 Showa Electric Wire & Cable Co Ltd 超音波モ−タ
JPH0642787B2 (ja) * 1986-02-20 1994-06-01 松下電器産業株式会社 超音波モ−タ
JPS62207182A (ja) * 1986-03-06 1987-09-11 Canon Inc 振動波モ−タ−

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