JPS6315677A - Ultrasonic motor-generator - Google Patents

Ultrasonic motor-generator

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Publication number
JPS6315677A
JPS6315677A JP61156256A JP15625686A JPS6315677A JP S6315677 A JPS6315677 A JP S6315677A JP 61156256 A JP61156256 A JP 61156256A JP 15625686 A JP15625686 A JP 15625686A JP S6315677 A JPS6315677 A JP S6315677A
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JP
Japan
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ultrasonic
vibrator
piezoelectric
vibration
rotor
Prior art date
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Pending
Application number
JP61156256A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akio Kumada
熊田 明生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maxell Ltd
Original Assignee
Hitachi Maxell Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPS6315677A publication Critical patent/JPS6315677A/en
Pending legal-status Critical Current

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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
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/0045Driving devices, e.g. vibrators using longitudinal or radial modes combined with torsion or shear modes
    • 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
    • H02N2/106Langevin motors

Abstract

PURPOSE:To enable mutual conversion between electric energy and mechanical energy in simple constitution, by a method wherein ultrasonic torsional vibration is produced in a piezo-electric torsional vibrator by electric energy, and a rotor is rotated by interaction to ultrasonic vertical vibration. CONSTITUTION:A stator 1 comprises an ultrasonic elliptic vibrator provided with a piezo-electric vertical vibrator 4 to which voltage of AC power source 20 is applied, and piezo-electric torsional vibrators 2, 3 to which an electric system 21 is connected, and a rotor 22 to which a mechanical system 24 is connected is press-fonded to the stator 1. Ultrasonic torsional vibration is produced in the piezo-electric torsional vibrators 2, 3 by the electric system 21 or the mechanical system 24, and at the same time the piezo-electric vertical vibrator 4 is vibrated electrically so that mutual conversion between electric energy of the electric system 21 and rotational energy of the mechanical system 24 is performed by pumping action.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明、超音波振動を利用した超音波電動発電機に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an ultrasonic motor generator using ultrasonic vibrations.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、圧電体素子の超音波振動を利用し、電気エネルギ
ーを機械エネルギーに変換する装置が注目され、研究開
発が進められている。かかる装置の一例としては、この
超音波振動を回転運動に変換する超音波電動機が知られ
ている。超音波電動機は超音波振動子のステータとこれ
に圧着されたロータとからなり、超音波振動子のロータ
圧着面をロータの中心軸に同軸な円筒面内で超音波楕円
振動させることにより、ロータを回転させるものである
In recent years, devices that convert electrical energy into mechanical energy using ultrasonic vibrations of piezoelectric elements have attracted attention, and research and development is underway. An example of such a device is an ultrasonic motor that converts this ultrasonic vibration into rotational motion. An ultrasonic motor consists of a stator of an ultrasonic vibrator and a rotor that is crimped onto the stator. It rotates.

本発明者は、先に、このように超音波楕円振動を発生す
る超音波振動子を種々堤案じたが、その1つの例は、超
音波厚み振動を生ずる圧電体素子を用い、この圧電体素
子をその厚み方向がロータの回転軸に平行となるように
配置し、圧電体素子に交流電圧を印加することによって
超音波振動子の中心軸に平行な方向の超音波振動(以下
、超音波縦振動という)を生じさせ、これを特定の構造
をなす変換手段によって、超音波楕円振動に変換するも
の(特願昭59−172429号)であり、他の例は、
上記の超音波楕円振動は超音波縦振動と超音波振動子の
中心軸を中心とした超音波捻れ振動とからなるものと考
えられることから、超音波厚み振動を生ずる円板状の圧
電体素子と超音波捻り振動を生ずる円板状の圧電素子と
を夫々の中心軸が超音波振動子の中心軸に一致するよう
に配置し、これらに同一周波数で位相が同期した交流電
圧を同時に印加し、これらから生ずる超音波縦振動と超
音波捻り振動とを合成して超音波楕円振動を生じさせる
もの(特願昭59−240823号)である。
The present inventor has previously devised various ultrasonic vibrators that generate ultrasonic elliptical vibrations in this way, and one example uses a piezoelectric element that generates ultrasonic thickness vibrations. The piezoelectric element is arranged so that its thickness direction is parallel to the rotational axis of the rotor, and an AC voltage is applied to the piezoelectric element to generate ultrasonic vibration (hereinafter referred to as ultrasonic vibration) in a direction parallel to the central axis of the ultrasonic transducer. This method generates longitudinal vibrations (called longitudinal vibrations) and converts them into ultrasonic elliptical vibrations using conversion means having a specific structure (Japanese Patent Application No. 172,429/1982). Other examples include:
Since the above-mentioned ultrasonic elliptical vibration is considered to consist of ultrasonic longitudinal vibration and ultrasonic torsional vibration centered on the central axis of the ultrasonic vibrator, a disk-shaped piezoelectric element that generates ultrasonic thickness vibration and a disc-shaped piezoelectric element that generates ultrasonic torsional vibration are arranged so that their respective central axes coincide with the central axis of the ultrasonic vibrator, and alternating current voltages with the same frequency and phase synchronization are simultaneously applied to them. , ultrasonic longitudinal vibration and ultrasonic torsional vibration generated from these are synthesized to generate ultrasonic elliptical vibration (Japanese Patent Application No. 59-240823).

かかる超音波振動子を用いた超音波電動機は、回転数が
低いが大きなトルクが得られるために小型に形成でき、
また、電力損失が少なく、構成が簡単で電動機価格の低
減をはかれるなどの優れた特徴を有している。
An ultrasonic electric motor using such an ultrasonic vibrator can be made compact because it has a low rotational speed but can obtain a large torque.
In addition, it has excellent features such as low power loss, simple configuration, and reduction in motor cost.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

ところで、コイルを用いて電磁相互作用を利用した電動
機、発電機、殊に交流回転機では、電動作用と発電作用
とが可逆的であることから、電動作用と発電作用とを兼
ね備えて機械エネルギーと電気エネルギーとの相互変換
を可能とした電動発電機が現に存在し、使用されている
。かかる電動発電機は、電力(を気エネルギー)を供給
することにより、これに連結された機械系に回転エネル
ギーを与え、また、供給される電気エネルギーによって
生ずる回転エネルギーよりも機械系が有する回転エネル
ギーが大きくなった場合や機械系の回転動作中に電気エ
ネルギーの供給を停止した場合などでは、逆に電気エネ
ルギーを発生し、これを消費させることによってブレー
キ作用が生じ、機械系を供給される電気エネルギーに見
合った回転状態や停止状態にすることができる。
By the way, in electric motors and generators, especially AC rotating machines, that utilize electromagnetic interaction using coils, the electric action and power generation action are reversible, so they can be combined to generate mechanical energy. Motor-generators that allow mutual conversion with electrical energy currently exist and are in use. Such a motor generator provides rotational energy to a mechanical system connected to it by supplying electric power (air energy), and the rotational energy possessed by the mechanical system is greater than the rotational energy generated by the supplied electrical energy. When the electrical energy supply becomes large, or when the supply of electrical energy is stopped while the mechanical system is rotating, electrical energy is generated and consumed, resulting in a braking action, which reduces the electrical energy supplied to the mechanical system. It can be rotated or stopped according to the energy required.

一方、圧電体素子は、電圧を印加すると変形し、変形さ
せると電圧を発生するという可逆的な機能を有している
。そこで、超音波発生装置として汎用されている2つの
同一特性のランジュバン型超音波振動子(縦モード超音
波振動子)を端面どおし圧着して直列接続し、一方の超
音波振動子に交流の駆動電圧を印加して超音波振動を発
生させると、他方の超音波振動子はこれに共鳴して振動
し、この他方の超音波振動子における圧電体素子に設け
られた端子間に交流電圧が発生する。すなわち、かかる
装置において、一方の超音波振動子で電気エネルギーが
機械エネルギーに変換され、他方の超音波振動子で機械
エネルギーが電気エネルギーに変換されていることにな
り、このことから、電気エネルギーとa械エネルギーと
の相互変換が可能となる。
On the other hand, a piezoelectric element has a reversible function in that it deforms when a voltage is applied to it, and generates a voltage when it is deformed. Therefore, we connected two Langevin-type ultrasonic transducers (longitudinal mode ultrasonic transducers) with the same characteristics, which are commonly used as ultrasonic generators, in series by crimping their end faces, and connected one ultrasonic transducer to an AC current. When a driving voltage of occurs. In other words, in such a device, one ultrasonic transducer converts electrical energy into mechanical energy, and the other ultrasonic transducer converts mechanical energy into electrical energy. Mutual conversion with mechanical energy becomes possible.

この考え方を延長すると、超音波電動機も、−見、電気
エネルギーと機械エネルギーとの相互交換が可能なよう
に考えられる。ところで、かかる超音波電動機は、超音
波振動子を備えたステータにロータが圧着され、超音波
振動子によってステータに超音波楕円振動を生じさせて
ロータを回転するようにしたものであり、これが発TL
)aとして作用するためには、コイルを用いて電磁相互
作用を利用した電動発電機と同様に、ロータを一方向に
回転させたときに、超音波振動子に交流電圧が発生しな
ければならない。しかし、圧電体振動子に交流電圧が発
生するためには、この超音波振動子で決まる高い固有周
波数の超音波振動が生じなければならず、ロータの一方
向の低速回転からこのような超音波振動を生じさせるこ
とば困難゛である。
Extending this idea, ultrasonic motors can also be thought of as being able to exchange electrical energy with mechanical energy. Incidentally, in such an ultrasonic electric motor, a rotor is crimped onto a stator equipped with an ultrasonic vibrator, and the ultrasonic vibrator generates ultrasonic elliptical vibration in the stator to rotate the rotor. TL
) In order to act as a, an alternating voltage must be generated in the ultrasonic vibrator when the rotor is rotated in one direction, similar to a motor generator that uses electromagnetic interaction using a coil. . However, in order to generate AC voltage in the piezoelectric vibrator, ultrasonic vibrations with a high natural frequency determined by the ultrasonic vibrator must be generated, and such ultrasonic waves are generated from the low speed rotation of the rotor in one direction. Words that cause vibrations are difficult.

つまり、ロータを一方向に回転させると、これ′が圧着
したステータの端面が単にロータとともに回転しようと
するだけであり、何ら超音波振動は発生しないし、また
、このステータの端面の回転が限界に達すると、この端
面とロータとの間でスリップが生じ、これらが摩耗して
しまうことになる。
In other words, when the rotor is rotated in one direction, the end face of the stator that is crimped simply tries to rotate together with the rotor, and no ultrasonic vibration is generated, and the rotation of this end face of the stator is at its limit. When this happens, slippage will occur between this end face and the rotor, resulting in wear.

もちろん、ロータをその周方向に振動させれば超音波振
動は生ずるが、これでは、ロータを回転させる電動作用
の逆作用とはならない。
Of course, if the rotor is vibrated in its circumferential direction, ultrasonic vibrations will occur, but this is not a reverse effect of the electric action that rotates the rotor.

そこで、機械系に連結されたロータの回転を停止させる
ために、圧電体振動子への交流電圧の供給を停止した場
合をみると、この機械系の回転エネルギーを消費するた
めには、ロータとステータとの摩擦によらざるを得す、
したがって、これらの摩耗が免れない。この摩耗速度は
機械系の慣性が大きい程高くなる。
Therefore, in order to stop the rotation of the rotor connected to the mechanical system, we stop supplying AC voltage to the piezoelectric vibrator. In order to consume the rotational energy of this mechanical system, it is necessary to due to friction with the stator,
Therefore, these wears are unavoidable. This wear rate increases as the inertia of the mechanical system increases.

本発明の目的は、圧電体振動子の可逆機能を利用し、電
気エネルギーと機械エネルギーとの相互交換を可能とし
た超音波電動発電機を提供することにある。
An object of the present invention is to provide an ultrasonic motor generator that utilizes the reversible function of a piezoelectric vibrator to enable mutual exchange of electrical energy and mechanical energy.

c問題点を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明は、交流電圧が印加
される圧電縦振動子と電気系が連結される圧電捻り振動
子とを備えた超音波楕円振動子からなるステータに、機
械系が連結されたロータを圧着させたものであり、該電
気系もしくは該機械系によって該圧電捻り振動子に超音
波捻り振動を生じさせると同時に圧電縦振動子を電気的
に振動し、そのポンピング作用により、該電気系の電気
エネルギーと該機械系の回転エネルギーとの相互変換を
可能とするものである。
c. Means for Solving Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides an ultrasonic ellipse comprising a piezoelectric longitudinal vibrator to which an alternating current voltage is applied and a piezoelectric torsional vibrator to which an electric system is connected. A rotor connected to a mechanical system is crimped onto a stator consisting of a vibrator, and the electric system or the mechanical system generates ultrasonic torsional vibration in the piezoelectric torsional vibrator and at the same time generates a vertical piezoelectric vibrator. It vibrates electrically, and its pumping action enables mutual conversion between the electrical energy of the electrical system and the rotational energy of the mechanical system.

〔作用〕[Effect]

圧電縦振動子に交流電圧を印加すると、ステータの端面
に縦振動が生ずる。この縦振動の振幅は非常に小さいが
、その加速度は極めて大きい。この縦振動の伸び位相で
は、ステータの端面がロータに押えつけられてステータ
は伸びきれない。しかし、縦振動の縮み位相では、大き
な加速度でステータが縮むためにロータはこれに追随で
きず、ロータはステータの端面から浮上することになる
When an alternating current voltage is applied to the piezoelectric vertical vibrator, longitudinal vibration occurs on the end face of the stator. Although the amplitude of this longitudinal vibration is very small, its acceleration is extremely large. In the extension phase of this longitudinal vibration, the end face of the stator is pressed against the rotor and the stator cannot extend. However, in the contraction phase of longitudinal vibration, the stator contracts with a large acceleration, so the rotor cannot follow this contraction, and the rotor ends up floating above the end face of the stator.

すなわち、圧電縦振動子に生ずる超音波縦振動により、
ステータの端面ば縦振動を生じ、その−周期毎にロータ
のステータ端面への圧着とロータのステータ端面からの
浮上とが生ずる。この場合、ロータがステータ端面に圧
着されたときには、両者間に強力な摩擦力が生ずる。
In other words, due to the ultrasonic longitudinal vibration generated in the piezoelectric longitudinal vibrator,
The end face of the stator generates longitudinal vibration, and the rotor is pressed against the end face of the stator and the rotor is lifted from the end face of the stator every cycle. In this case, when the rotor is pressed against the end face of the stator, a strong frictional force is generated between the two.

このように圧電縦振動子に交流電圧が印加された状態で
、この交流電圧と同一周波数で所定位相の交流電圧を電
気系から圧電捻り振動子に印加すると、圧電捻り振動子
に超音波捻り振動が生じ、ステータ端面はその中心軸を
中心とした捻り振動を行なう、この捻り振動と先の縦振
動との合成振動が楕円振動であるが、縦振動が伸び位相
でステータ端面がロータに圧着されているとき、捻り振
動によってステータ端面が回転し、これに伴なってロー
タも回転する。縦振動の次の縮み位相では、ロータはス
テータ端面から浮上し、ロータは慣性によってそのまま
回転状態を維持するが、ステ−夕は捻り振動によって捻
り状態から解放され、元の状態に復帰する。かかる動作
が縦、捻り振動の一周期毎に行なわれ、したがって、ロ
ータは回転する。これが本発明の電動作用である。
With an AC voltage applied to the piezoelectric longitudinal vibrator in this way, if an AC voltage with the same frequency and a predetermined phase as this AC voltage is applied from the electrical system to the piezoelectric torsion vibrator, ultrasonic torsional vibration will be generated in the piezoelectric torsion vibrator. occurs, and the stator end face undergoes torsional vibration around its central axis.The composite vibration of this torsional vibration and the previous longitudinal vibration is elliptical vibration, but the longitudinal vibration is in the extension phase and the stator end face is pressed against the rotor. During this time, the stator end face rotates due to torsional vibration, and the rotor also rotates accordingly. In the next contraction phase of longitudinal vibration, the rotor rises from the end face of the stator, and the rotor continues to rotate due to inertia, but the stator is released from the twisted state by torsional vibration and returns to its original state. This operation is performed for each period of vertical and torsional vibration, and thus the rotor rotates. This is the electric action of the present invention.

また、圧電縦振動子に交流電圧が印加されている状態で
機械系の回転エネルギーによってロータを回転させると
、縦振動の伸び位相でのステータ端面がロータに圧着さ
れたときには、ロータの回転とともにステータ端面が回
転し、ステータに捻りが生ずる。縦振動の次の縮み位相
では、ロータがステータ端面から浮上するから、ステー
タはロータの回転による捻り状態から解放され、元の状
態に復帰する。この動作は縦振動の一周期毎に行なわれ
、したがって、ステータに超音波捻り振動が生ずる。こ
の超音波捻り振動は圧電捻り振動子に伝達され、これに
よって圧電捻り振動子は交流電圧を発生する。これが本
発明の発電作用である。
In addition, when the rotor is rotated by the rotational energy of the mechanical system while an AC voltage is applied to the piezoelectric vertical vibrator, when the stator end face is pressed against the rotor in the extension phase of the longitudinal vibration, the stator rotates as the rotor rotates. The end face rotates, causing twisting in the stator. In the next contraction phase of the longitudinal vibration, the rotor rises from the end face of the stator, so the stator is released from the twisted state caused by the rotation of the rotor and returns to its original state. This operation is performed for each period of longitudinal vibration, and therefore ultrasonic torsional vibration is generated in the stator. This ultrasonic torsional vibration is transmitted to the piezoelectric torsional vibrator, which generates an alternating current voltage. This is the power generation effect of the present invention.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を図面によって説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明による超音波電動発電機の一実施例を示
す構成図であって、■はステータ、2゜3は圧電捻り振
動子、4は圧電縦振動子、5〜10は圧電体素子、11
〜13は電極、14〜17は超音波振動体、18.19
は端子、20は交流電圧源、21は電気系、22はロー
タ、23はシャフト、24は機械系である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of an ultrasonic motor generator according to the present invention, where ■ is a stator, 2°3 is a piezoelectric torsional vibrator, 4 is a piezoelectric longitudinal vibrator, and 5 to 10 are piezoelectric bodies. Motoko, 11
~13 is an electrode, 14-17 is an ultrasonic vibrator, 18.19
20 is an AC voltage source, 21 is an electric system, 22 is a rotor, 23 is a shaft, and 24 is a mechanical system.

同図において、圧電捻り振動子2は、1枚のリング状電
極11とこれを挾んだ2°枚のリング状圧電体素子5.
6とが一体化されてなっている。これら圧電体素子5.
6は電圧印加によって周方向に捻り変形が生じ、矢印で
示すように、互いに逆方向に捻り変形が生ずるように配
置されている。
In the figure, the piezoelectric torsion vibrator 2 includes one ring-shaped electrode 11 and 2° ring-shaped piezoelectric elements 5.
6 are integrated. These piezoelectric elements5.
6 are arranged so that twisting deformation occurs in the circumferential direction due to voltage application, and twisting deformation occurs in mutually opposite directions as shown by arrows.

圧電捻り振動子3も同様の構成をなしている。また、圧
電縦振動子4は、1枚リング状電極12とこれを挾んだ
2枚のリング状圧電体素子7,8とが一体化されてなっ
ている。これら圧電体素子は電圧印加によって厚み方向
の伸縮変形が生じ、矢印で示すように、互いに逆方向に
伸縮変形が生ずるように配置されている。すなわち、圧
電体素子5と6、圧電電体素子7と8は夫々互いに分極
方向が反対となるように配置されている。
The piezoelectric torsional vibrator 3 also has a similar configuration. Further, the piezoelectric vertical vibrator 4 is formed by integrating a ring-shaped electrode 12 and two ring-shaped piezoelectric elements 7 and 8 sandwiching the ring-shaped electrode 12. These piezoelectric elements are arranged so that expansion and contraction deformation occurs in the thickness direction when a voltage is applied, and expansion and contraction deformation occur in mutually opposite directions as shown by arrows. That is, the piezoelectric elements 5 and 6 and the piezoelectric elements 7 and 8 are arranged so that their polarization directions are opposite to each other.

超音波振動体14〜17はアルミニウムなどからなる円
筒状のものである。
The ultrasonic vibrators 14 to 17 are cylindrical and made of aluminum or the like.

・これら圧電捻り振動子2.3、圧電縦振動子4および
超音波振動体14〜17は、これらの中心軸が一致する
ように超音波振動体14−圧電捻り振動子2−超音波振
動体15−圧電縦振動子4−超音波振動体16−圧電捻
り振動子3−超音波振動体17の順で重ねられ、一体化
されてステータ1としての超音波振動子を形成している
- These piezoelectric torsional vibrators 2.3, piezoelectric longitudinal vibrators 4, and ultrasonic vibrators 14 to 17 are arranged so that their central axes coincide with each other. 15 - piezoelectric longitudinal vibrator 4 - ultrasonic vibrator 16 - piezoelectric torsional vibrator 3 - ultrasonic vibrator 17 are stacked in this order and integrated to form an ultrasonic vibrator as stator 1.

圧電捻り振動子2.3および圧電縦振動子4の各電極1
1.12からは端子18.19が忠出され、また、超音
波振動体14〜17は互いに電気的に接続されるなどし
て共に接地されている。端子18には後述する電気系2
1が接続される。端子19には交流電圧源20が接続さ
れ、これから電極12を介して交流電圧■が圧電縦振動
子4の各圧電体素子7.8に印加される。これにより、
圧電体素子7.8が同位相で伸縮変形し、圧電縦振動子
4は厚みが伸縮して超音波縦振動を生ずる。
Each electrode 1 of the piezoelectric torsional vibrator 2.3 and the piezoelectric longitudinal vibrator 4
Terminals 18 and 19 are taken out from 1.12, and the ultrasonic vibrators 14 to 17 are electrically connected to each other and grounded together. The terminal 18 is connected to the electrical system 2, which will be described later.
1 is connected. An alternating current voltage source 20 is connected to the terminal 19, and an alternating current voltage (2) is applied to each piezoelectric element 7.8 of the piezoelectric longitudinal vibrator 4 via the electrode 12. This results in
The piezoelectric elements 7.8 expand and contract in the same phase, and the thickness of the piezoelectric longitudinal vibrator 4 expands and contracts to generate ultrasonic longitudinal vibrations.

ここで、印加される交流電圧■の周波数を超音波振動体
14〜17の固有振動数に一致させると、超音波振動体
14〜17は共振状態となり、この超音波縦振動は超音
波振動体15、圧電捻り振動子2を介して超音波振動体
14に伝搬され、同様にして、超音波振動体16、圧電
捻り振動子3を介して超音波振動体17に伝搬される。
Here, when the frequency of the applied AC voltage (■) is made to match the natural frequency of the ultrasonic vibrators 14 to 17, the ultrasonic vibrators 14 to 17 enter a resonant state, and this ultrasonic longitudinal vibration 15, it is propagated to the ultrasonic vibrator 14 via the piezoelectric torsional vibrator 2, and similarly, it is propagated to the ultrasonic vibrator 17 via the ultrasonic vibrator 16 and the piezoelectric torsional vibrator 3.

そこで、超音波振動体14〜17の固有振動数をf’ 
Q 、波長をλとすると、圧電縦振動子4から超音波振
動体14の端面(すなわち、ステータ端面)14aまで
の距MHをλ/4に設定することにより、このステータ
端面14aは超音波縦振動に位置することになる。この
ために、ステータ端面14aはステータlの中心軸に平
行な方向(すなわち、縦方向)に振動するが、超音波振
動体17の端面17aを固定し、かつステータ1を圧電
縦振動子4の電極12に関して対象に構成しておくと、
圧電縦振動子4から超音波振動体14に伝搬される超音
波縦振動と超音波振動体17に伝搬される超音波縦振動
とは同相であるために、これらによる縦振動がステータ
端面14aに加算されて現われ、したがって、このステ
ータ端面14aは大きく縦振動する。
Therefore, the natural frequency of the ultrasonic vibrators 14 to 17 is f'
Q. If the wavelength is λ, by setting the distance MH from the piezoelectric longitudinal vibrator 4 to the end face (that is, the stator end face) 14a of the ultrasonic vibrating body 14 to λ/4, the stator end face 14a is It will be located in the vibration. For this reason, the stator end face 14a vibrates in a direction parallel to the central axis of the stator l (that is, in the vertical direction), but the end face 17a of the ultrasonic vibrator 17 is fixed, and the stator 1 is If the electrode 12 is configured symmetrically,
Since the ultrasonic longitudinal vibrations propagated from the piezoelectric longitudinal vibrator 4 to the ultrasonic vibrator 14 and the ultrasonic longitudinal vibrations propagated to the ultrasonic vibrator 17 are in phase, the longitudinal vibrations due to these are transmitted to the stator end face 14a. This appears as an addition, and therefore, this stator end face 14a undergoes a large vertical vibration.

ロータ22はステータ端面14aに所定の圧着力で圧着
されている。この圧着方法としては、たとえば、ステー
タ1の中心孔を通してボルトを挿入し、これによってロ
ータ22をステータ端面14aに締めつければよい。ロ
ータ22にはシャフト23が一体に設けられ、このシャ
フト23に機械系24が連結している。
The rotor 22 is crimped onto the stator end face 14a with a predetermined crimping force. This crimping method may be achieved, for example, by inserting a bolt through the center hole of the stator 1 and thereby tightening the rotor 22 to the stator end face 14a. A shaft 23 is integrally provided with the rotor 22, and a mechanical system 24 is connected to this shaft 23.

このように、ロータ22がステータlに圧着された状態
で、交流電圧源20から圧電縦振動子4に超音波振動体
14〜17の固有振動数f0に一敗した周波数1の交流
電圧■を印加すると、圧電縦振動子4に超音波縦振動が
生じてステータ端面14aは縦振動する。この振動の振
幅は±1μm前後と非常に小さいが、加速度は重力の加
速度gの104倍前後と極めて大きい。そこで、この超
音波縦振動がステークlを伸長させる伸び位相のときに
は、ステータ端面14aがロータ22に圧着され、ステ
ーク■の伸長は阻止されるが、超音波縦振動がステータ
1を収縮させる縮み位相のときには、ステータ端面14
aの振動の加速度が非常に大きいために、ステータ1の
縮みにロータ22が追随できず、ロータ22はステータ
端面L4aから浮上した状態となる。ロータ22のかか
る状態は超音波縦振動の一周期(したがって、圧電縦振
動子4に印加される交流電圧Vの一周期)毎に行なわれ
、したがって、ロータ22はステータ端面14aに対し
て圧着、浮上を繰り返す。
In this way, while the rotor 22 is crimped to the stator l, an AC voltage (2) with a frequency of 1, which is equal to the natural frequency f0 of the ultrasonic vibrators 14 to 17, is applied from the AC voltage source 20 to the piezoelectric vertical vibrator 4. When applied, ultrasonic longitudinal vibration occurs in the piezoelectric longitudinal vibrator 4, and the stator end face 14a longitudinally vibrates. The amplitude of this vibration is very small, about ±1 μm, but the acceleration is extremely large, about 104 times the acceleration of gravity g. Therefore, when the ultrasonic longitudinal vibration is in the extension phase in which the stake 1 is extended, the stator end face 14a is pressed against the rotor 22, and the extension of the stake 1 is prevented, but in the contraction phase in which the ultrasonic longitudinal vibration is in the contraction phase in which the stator 1 is contracted. When , the stator end face 14
Since the acceleration of the vibration of a is very large, the rotor 22 cannot follow the contraction of the stator 1, and the rotor 22 is in a state of floating above the stator end surface L4a. This state of the rotor 22 is carried out every cycle of ultrasonic longitudinal vibration (therefore, one cycle of the AC voltage V applied to the piezoelectric longitudinal vibrator 4), and therefore the rotor 22 is crimped against the stator end face 14a. Repeat surfacing.

そこで、ロータ22が設けられていないときには、超音
波縦振動により、ステータ端面14aは時間とともに正
弦波状の縦振動を行なうが、上記のように、ロータ22
が圧着されたことにより、圧電縦振動子4が収縮すると
きのみステータ端面14aが変位し、したがって、ステ
ータ端面14aは上記正弦波の縦振動が半波整流された
ような縦振動を行なう。なお、このときのステータ1に
対するロータ22の圧着力Noは次のように表わされる
Therefore, when the rotor 22 is not provided, the stator end face 14a performs sinusoidal longitudinal vibration over time due to ultrasonic longitudinal vibration, but as described above, the rotor 22
By being crimped, the stator end face 14a is displaced only when the piezoelectric longitudinal vibrator 4 contracts, and therefore the stator end face 14a performs longitudinal vibration as if the longitudinal vibration of the sine wave was half-wave rectified. Note that the pressing force No of the rotor 22 against the stator 1 at this time is expressed as follows.

但し、 e 33  :  18.6N/ VmR:圧電体素子
7.8の半径 Vrms :交流電圧源20からの交流電圧の実効値 i=圧電体素子7.8の厚さ また、ロータ22が圧着されていないときのステータ端
面14aの縦振動をa=a、sinωtとすると、この
振幅a0は次のようになる。
However, e33: 18.6N/VmR: Radius of piezoelectric element 7.8 Vrms: Effective value of AC voltage from AC voltage source 20 = Thickness of piezoelectric element 7.8 Also, when rotor 22 is crimped Assuming that the longitudinal vibration of the stator end face 14a when the stator is not in use is a=a and sinωt, the amplitude a0 is as follows.

Cρfo     L 但し、 C:超音波縦振動の超音波振動体14〜17での伝搬速
度 ρ:超音波振動体14〜17の密度 さらに、H=λ/4、かつC=λ「。であり、交流電圧
源21からの印加電圧の周波数fは固有振動数「。に等
しいから、 H−□            ・・・・・・ (3)
f となる。
Cρfo L However, C: Propagation speed of ultrasonic longitudinal vibration in the ultrasonic vibrators 14 to 17 ρ: Density of the ultrasonic vibrators 14 to 17 Further, H=λ/4 and C=λ". Since the frequency f of the applied voltage from the AC voltage source 21 is equal to the natural frequency ".," H-□... (3)
It becomes f.

かかる構成において、電気系21を交流電圧供給源とし
、圧電捻り振動子2に交流電圧V′を供給することによ
り、ロータ22が回転して電動機として動作する。以下
、これについて第2図により説明する。なお、同図にお
いて、25.26は切換スイッチ、27〜30は抵抗、
31は交流電圧源であり、第1図に対応する部分には同
一符号をつけている。また、同図では、圧電捻り振動子
2.3および圧電縦振動子4は概略的に図示されている
In this configuration, the electric system 21 is used as an AC voltage supply source, and by supplying AC voltage V' to the piezoelectric torsional vibrator 2, the rotor 22 rotates and operates as an electric motor. This will be explained below with reference to FIG. In addition, in the same figure, 25 and 26 are changeover switches, 27 to 30 are resistors,
31 is an AC voltage source, and parts corresponding to those in FIG. 1 are given the same reference numerals. Furthermore, in the figure, the piezoelectric torsional vibrator 2.3 and the piezoelectric longitudinal vibrator 4 are schematically illustrated.

第1図に示した実施例を電動機として作用させる場合に
は、電気系21は圧電捻り振動子2への交流電圧供給手
段となる。第2図では、この電気系21の一具体例を示
しており、ここでは、切換スイッチ25.26、抵抗2
7〜30および交流電圧源31からなっている。切換ス
イッチ25はロータ22を回転させるときA、側に閉じ
、ロータ22を停止させるときA2側に閉じる。抵抗2
7は制動用の抵抗である。また、切換スイッチ26は並
列関係にある抵抗28〜30を選択するものであり、交
流電圧源31で発生した交流電圧は、切換スイッチ26
で選択された抵抗28〜30のいずれを介し、圧電捻り
振動子2に印加される。
When the embodiment shown in FIG. 1 is operated as a motor, the electric system 21 serves as means for supplying alternating current voltage to the piezoelectric torsion vibrator 2. FIG. 2 shows a specific example of this electrical system 21, in which selector switches 25, 26, resistors 2
7 to 30 and an AC voltage source 31. The changeover switch 25 is closed to the A side when rotating the rotor 22, and closed to the A2 side when the rotor 22 is stopped. resistance 2
7 is a braking resistor. Further, the changeover switch 26 is used to select the resistors 28 to 30 in parallel relationship, and the AC voltage generated by the AC voltage source 31 is transferred to the changeover switch 26.
The voltage is applied to the piezoelectric torsional vibrator 2 through any of the resistors 28 to 30 selected in the above.

抵抗28〜30はロータ22の回転数を規定するもので
ある。
The resistors 28 to 30 define the rotation speed of the rotor 22.

ロータ22を回転させるためには、切換スイッチ25を
A1側に、また、切換スイッチ26をaI+ aZ=”
3側のいずれかに夫々間じて圧電捻り振動子2に交流電
圧v′を印加する。そこで、先に説明したように、圧電
縦振動子4によって超音波縦振動が生ずるが、これを同
時に、圧電捻り振動子2によって、ステータ1の中心軸
を中心としてステータ1を捻るような超音波捻り振動を
生ずる。
In order to rotate the rotor 22, set the changeover switch 25 to the A1 side, and turn the changeover switch 26 to aI+aZ=”
An alternating current voltage v' is applied to the piezoelectric torsion vibrator 2 between each of the three sides. Therefore, as explained earlier, the piezoelectric longitudinal vibrator 4 generates ultrasonic longitudinal vibration, but at the same time, the piezoelectric torsion vibrator 2 generates an ultrasonic wave that twists the stator 1 about the central axis of the stator 1. Causes torsional vibration.

すなわち、第1図に示したように、圧電捻り振動子2は
2枚のリング状圧電体素子5.6とこれらによって挾ま
れるリング状電極llとからなっているが、この電極1
1に交流電圧を印加すると、圧電体素子5.6には、そ
の中心軸を中心して周方向の捻り変形が生ずる。この捻
り変形量は交流電圧V゛の周波数で変化するが、ここで
、圧電体素子5,6はそれらの変形方向が互いに逆方向
となるように配置されており、超音波振動体17の端面
17aが固定されているから、圧電体素子6は、その超
音波振動体15側端面が固定されてその電極11側端面
が周方向に変位するように捻れる。また、圧電体素子5
の捻れ方向は圧電体素子6の捻れ方向とは逆であるが、
圧電体素子5の一方の端面ば電極11を介して圧電体素
子5の捻れが生ずる端面に固定されているために、圧電
体素子5の捻れにともなって、反作用により、圧電体素
子5の超音波振動体14側端面は電極11に関して圧電
体素子6と同方向に捻れる。以上のことから、交流電圧
v′の印加により、圧電捻り振動子2の超音波振動体1
4側端面は周方向に変位し、この変位量は印加された交
流電圧V′の周波数で時々刻々変化する。
That is, as shown in FIG. 1, the piezoelectric torsional vibrator 2 consists of two ring-shaped piezoelectric elements 5.6 and a ring-shaped electrode ll sandwiched between them.
When an alternating current voltage is applied to the piezoelectric element 5.6, the piezoelectric element 5.6 undergoes twisting deformation in the circumferential direction about its central axis. The amount of torsional deformation changes with the frequency of the alternating current voltage V', but the piezoelectric elements 5 and 6 are arranged so that their deformation directions are opposite to each other, and the end face of the ultrasonic vibrator 17 is 17a is fixed, the piezoelectric element 6 is twisted such that its end face on the ultrasonic vibrating body 15 side is fixed and its end face on the electrode 11 side is displaced in the circumferential direction. Moreover, the piezoelectric element 5
The twisting direction of is opposite to the twisting direction of the piezoelectric element 6, but
Since one end face of the piezoelectric element 5 is fixed via the electrode 11 to the end face where the piezoelectric element 5 is twisted, as the piezoelectric element 5 is twisted, a reaction force causes the superposition of the piezoelectric element 5 to The end face of the acoustic wave vibrator 14 is twisted in the same direction as the piezoelectric element 6 with respect to the electrode 11 . From the above, by applying the AC voltage v', the ultrasonic vibrator 1 of the piezoelectric torsional vibrator 2
The fourth side end face is displaced in the circumferential direction, and the amount of displacement changes moment by moment depending on the frequency of the applied alternating current voltage V'.

これによって圧電捻り振動子2から超音波捻り振動が生
じ、超音波振動体14を介してステータ端面14aに伝
搬され、ステータ端面14aはその中心軸を中心として
周方向に変位(すなわち、回転)する。
As a result, ultrasonic torsional vibration is generated from the piezoelectric torsional vibrator 2 and propagated to the stator end face 14a via the ultrasonic vibrator 14, and the stator end face 14a is displaced (i.e., rotated) in the circumferential direction about its central axis. .

なお、他方の圧電捻り振動子3は必ずしも設けなければ
ならないものではない。しかし、これを設けることによ
り、先に説明したように、ステータlを圧電縦振動子4
に関して対称とすることができるし、また、圧電捻り振
動子2のみを設けた場合に比べてステータ端面14aに
おける捻り振動を大きくすることができる。つまり、圧
電捻り振動子2のみを設けた場合には、圧電捻り振動子
2とステータ端面14aとの中間に関して圧電捻り振動
子とステータ端面14aは互いに反対方向に捻れ振動す
るが、これに分極方向が異なる2つの圧電体素子9,1
0が圧電捻り振動子2とは逆に配置されてなる圧電捻り
振動子3が付加され、これに圧電捻り振動子2と同じ交
流電圧■゛が印加されると、圧電縦振動子4に関して圧
電捻り振動子2.3が互いに反対方向に捻り振動を起し
、この圧電縦振動子4から圧電捻り振動子2よりも離れ
たステータ端面14aの捻り振動の振幅が大きくなる。
Note that the other piezoelectric torsional vibrator 3 does not necessarily have to be provided. However, by providing this, as explained earlier, the stator l can be connected to the piezoelectric longitudinal vibrator 4.
Furthermore, the torsional vibration at the stator end face 14a can be made larger than in the case where only the piezoelectric torsional vibrator 2 is provided. In other words, when only the piezoelectric torsional vibrator 2 is provided, the piezoelectric torsional vibrator and the stator end surface 14a torsionally vibrate in opposite directions with respect to the middle between the piezoelectric torsional vibrator 2 and the stator end surface 14a. Two piezoelectric elements 9, 1 with different
When a piezoelectric torsion vibrator 3 in which the voltage 0 is arranged opposite to the piezoelectric torsion vibrator 2 is added, and the same AC voltage as that of the piezoelectric torsion vibrator 2 is applied to it, the piezoelectric longitudinal vibrator 4 becomes piezoelectric. The torsional oscillators 2.3 generate torsional vibrations in mutually opposite directions, and the amplitude of the torsional vibration of the stator end face 14a, which is further away from the piezoelectric longitudinal oscillator 4 than the piezoelectric torsional oscillator 2, becomes larger.

そこで、第2図において、ステータ端面14aは、圧電
縦振動子4からの超音波縦振動と圧電捻り振動子2.3
からの超音波捻り振動とにより、縦振動と捻り振動とを
同時に行なっており、全体的には、これらの合成振動を
行なっている。ここで、超音波縦振動と超音波捻り振動
とを互いに周波数が同一で位相が90″異なると、楕円
振動が生ずる。
Therefore, in FIG. 2, the stator end face 14a is connected to the ultrasonic longitudinal vibration from the piezoelectric longitudinal vibrator 4 and the piezoelectric torsional vibrator 2.3.
Due to the ultrasonic torsional vibration from , vertical vibration and torsional vibration are performed at the same time, and overall, these combined vibrations are performed. Here, if the ultrasonic longitudinal vibration and the ultrasonic torsional vibration have the same frequency but a phase difference of 90'', elliptic vibration occurs.

以下、ステータ端面14aが楕円振動するように、圧電
縦振動子4、圧電捻り振動子2から夫々超音波縦振動、
超音波捻り振動が生ずるようにするが、この場合には、
換言すると、このステータ端面14aに超音波楕円振動
が与えられたことになる。また、超音波捻り振動の振動
数、位相は圧電捻り振りJ子2に印加される交流電圧V
′の周波数、位相に一致する。したがって、圧電捻り振
動子2に印加される交流電圧■゛は、圧電縦振動子4に
印加される交流電圧■に対して、周波数は等しく位相は
90″ずれている。
Hereinafter, ultrasonic longitudinal vibrations are generated from the piezoelectric longitudinal vibrator 4 and the piezoelectric torsional vibrator 2, respectively, so that the stator end surface 14a vibrates elliptically.
Ultrasonic torsional vibration is generated, but in this case,
In other words, ultrasonic elliptical vibration is applied to this stator end face 14a. In addition, the frequency and phase of the ultrasonic torsional vibration are determined by the AC voltage V applied to the piezoelectric torsional vibration J element 2.
′ frequency and phase match. Therefore, the AC voltage {circle around (2)} applied to the piezoelectric torsional vibrator 2 has the same frequency and is out of phase by 90'' with respect to the AC voltage {circle over (2)} applied to the piezoelectric longitudinal vibrator 4.

ここで、超音波捻り振動をb=b、)cosωtとし、
交流電圧V′の実効値をV’rms、超音波捻り震動体
14での超音波捻り振動の伝搬速度をC1とすると、 ・・・・・・・・・・・・(4) となる。したがって、上記(2)、  (4)式から、
ロータ22がステータ1に圧着されていないときには、
端面14aは、楕円率δが次の式(5)で表わされる超
音波楕円振動が与えられたことになる。
Here, the ultrasonic torsional vibration is b=b, )cosωt,
Assuming that the effective value of the AC voltage V' is V'rms and the propagation speed of the ultrasonic torsional vibration in the ultrasonic torsional vibrator 14 is C1, the following equation is obtained. Therefore, from equations (2) and (4) above,
When the rotor 22 is not crimped to the stator 1,
The end face 14a is subjected to ultrasonic elliptic vibration whose ellipticity δ is expressed by the following equation (5).

・・・・・・・・・・・・(5) 但し、Vrms=V′rmsのときの式(5)の右辺を
δ。とすると、楕円率δは次のように設定される。
・・・・・・・・・・・・(5) However, the right side of equation (5) when Vrms=V'rms is δ. Then, the ellipticity δ is set as follows.

δ。−0,26゜≦δ≦δ。+0.26゜なお、超音波
捻り振動に対して、ステータ端面14aが最大振幅で捻
り振動させるために、ステータ端面14aがこの超音波
捻り振動の腹に位置するように、圧電捻り振動子2の位
置を設定する。
δ. −0,26°≦δ≦δ. +0.26° In order to cause the stator end face 14a to torsionally vibrate with maximum amplitude in response to ultrasonic torsional vibration, the piezoelectric torsional vibrator 2 is adjusted so that the stator end face 14a is located at the antinode of this ultrasonic torsional vibration. Set the position.

したがって、超音波捻り振動の超音波振動体14での波
長をλ′とすると、圧電捻り振動子2から超音波振動体
14の端面14aまでの距離h(第1図)はλ′/4で
あり、かつ、C,=λ′fであるから、 r である。ここで、超音波振動体14〜17をアルミニウ
ム円筒とすると、C=5000m/s e c。
Therefore, if the wavelength of ultrasonic torsional vibration at the ultrasonic vibrator 14 is λ', then the distance h (Fig. 1) from the piezoelectric torsional vibrator 2 to the end surface 14a of the ultrasonic vibrator 14 is λ'/4. , and C,=λ'f, so r. Here, if the ultrasonic vibrators 14 to 17 are aluminum cylinders, C=5000 m/sec.

Cs =3040m/secであることから、上記(3
)、  (63式により、 H>h        ・・・・・・・・・・−・(7
)である。
Since Cs = 3040m/sec, the above (3
), (by formula 63, H>h ・・・・・・・・・・・・−(7
).

次に、超音波振動体14の端面14aがかかる楕円振動
することにより、ロータ22が回転することについて説
明する。
Next, the rotation of the rotor 22 due to the elliptical vibration of the end surface 14a of the ultrasonic vibrator 14 will be explained.

まず、第3図において、超音波縦振動や超音波捻り振動
が与えられていないときのステータ端面14aを含む平
面を基準面32とすると、これら超音波振動による超音
波楕円振動が与えられたときには、このステータ端面1
4aは上記式(5)で表わされる楕円率δの楕円振動す
る。第3図(a)はこのステータ端面14aのある点P
の変位を示し、破線矢印で示すように、楕円軌跡を画い
て振動する。
First, in FIG. 3, if the plane including the stator end face 14a when no ultrasonic longitudinal vibration or ultrasonic torsional vibration is applied is the reference plane 32, then when ultrasonic elliptical vibration due to these ultrasonic vibrations is applied, , this stator end face 1
4a vibrates elliptically with an ellipticity δ expressed by the above equation (5). FIG. 3(a) shows a point P on this stator end face 14a.
It vibrates in an elliptical trajectory as shown by the dashed arrow.

第3図(b)はステータ1にロータ22を圧着した状態
を示す。ステータ端面14aは超音波縦振動によって基
準面32に対して上下するが、ロータ22はステータ端
面14aの基準面32からの上弄を阻止するように、ス
テータlに圧着される。したがって、ステータ端面14
a上のある点Pの変位をみると、超音波縦振動がステー
タ端面14aを基準面32よりも持上げようとする半周
期には、この点Pは基準面32内にある。しかしながら
、この半周期では、超音波捻り振動によってステータ端
面14aは一定方向に変位し、したがって点Pは基準面
32上を破線矢印のように変位する。超音波縦振動の残
りの半周期では、ステータ端面14aは基準面32から
下降し、したがって、点Pは、破線矢印で示すように、
楕円の半分の軌跡で変位する。
FIG. 3(b) shows a state in which the rotor 22 is pressed onto the stator 1. Although the stator end surface 14a moves up and down with respect to the reference surface 32 due to ultrasonic longitudinal vibration, the rotor 22 is crimped to the stator l so as to prevent the stator end surface 14a from moving upward from the reference surface 32. Therefore, the stator end face 14
Looking at the displacement of a certain point P on a, this point P is within the reference plane 32 during the half period in which the ultrasonic longitudinal vibration attempts to lift the stator end face 14a above the reference plane 32. However, in this half cycle, the stator end face 14a is displaced in a certain direction due to the ultrasonic torsional vibration, and therefore the point P is displaced on the reference plane 32 as indicated by the broken line arrow. In the remaining half period of the ultrasonic longitudinal vibration, the stator end face 14a descends from the reference plane 32, and therefore, the point P, as shown by the dashed arrow,
It is displaced along the trajectory of half the ellipse.

そこで、超音波縦振動がステータ端面14aを基準面3
2よりも持上げようとする期間では、ロータ22がステ
ータ端面14aに圧着され、これら間の摩擦力により、
第4図(a)に示すように、端面14aとともにロータ
22が矢印方向に変位する。この変位は超音波振動体1
4の中心軸に関して周方向であり、したがって、ロータ
22は回転力が与えられる。
Therefore, the ultrasonic longitudinal vibration moves the stator end face 14a to the reference plane 3.
2, the rotor 22 is pressed against the stator end surface 14a, and due to the frictional force between them,
As shown in FIG. 4(a), the rotor 22 is displaced together with the end surface 14a in the direction of the arrow. This displacement is the ultrasonic vibrator 1
The rotational force is applied to the rotor 22 in the circumferential direction with respect to the central axis of the rotor 22 .

次に、超音波縦振動の次の半周期でステータ端面14a
は基準面32から下降するが、これにロータ22が追随
できない。このために、第4図(b)に示すように、ロ
ータ22はステータ端面14aから浮上した状態となり
、第4図(a、)の場合と同方向に回転しようとする。
Next, in the next half cycle of the ultrasonic longitudinal vibration, the stator end face 14a
falls from the reference plane 32, but the rotor 22 cannot follow this. For this reason, as shown in FIG. 4(b), the rotor 22 is in a state of floating above the stator end face 14a, and attempts to rotate in the same direction as in the case of FIG. 4(a).

また、このとき、超音波捻り振動はステータ端面14a
を逆方向(矢印)に変位させる。そして、超音波縦振動
の次の半周期では再びステータ端面14aが上昇してロ
ータ22に圧着し、第4図(a)に示す状態となる。
Also, at this time, the ultrasonic torsional vibration is caused by the stator end face 14a.
is displaced in the opposite direction (arrow). Then, in the next half cycle of the ultrasonic longitudinal vibration, the stator end face 14a rises again and presses against the rotor 22, resulting in the state shown in FIG. 4(a).

このように、第4図(a)、  (b)の状態が超音波
振動の1周期毎に操り返され、ロータ22は一定方向に
回転することになる。このときのロータ22に対する圧
着力が上記式(1)で示したNOである。
In this way, the states shown in FIGS. 4(a) and 4(b) are reversed every cycle of ultrasonic vibration, and the rotor 22 rotates in a constant direction. The pressing force against the rotor 22 at this time is NO shown in the above equation (1).

ところで、超音波捻り振動の振幅b0が大きいほど、そ
の1周期でのロータ22の回転角は大きい。したがって
、上記式(4)から超音波捻り振動子2に印加される交
流電圧v′の実効値V ’ r+ssが大きい程、ロー
タ22の回転数nは大きいことになる。因みに実効値V
’rmSに対する最大回転数n0は次のように表わされ
る。
Incidentally, the larger the amplitude b0 of the ultrasonic torsional vibration, the larger the rotation angle of the rotor 22 in one period. Therefore, from the above equation (4), the larger the effective value V'r+ss of the AC voltage v' applied to the ultrasonic torsional transducer 2, the larger the rotation speed n of the rotor 22. By the way, the effective value V
The maximum rotational speed n0 for 'rmS is expressed as follows.

πzC1ρR・  l ・・・・・・・・・・・・ (8) この最大回転数n0は、超音波縦振動が伸び位相のとき
、ステータ端面14aが超音波捻り振動によって一方向
に回転し、超音波縦振動が縮み位相のとき、ステータ端
面14aが超音波捻り振動によって逆方向に回転するよ
うに、超音波縦振動と超音波捻り振動との位相差が正確
に90°の場合の回転数である。しかしながら、これら
超音波振動と超音波捻り振動との位相差を90°よりも
異ならせると、第5図に示すように、ステータ端面14
aは傾いた楕円振動をなし、したがって、同図の場合、
超音波縦振動の伸び位相で一旦逆方向にわずかに回転し
ようとした後、所望方向に回転する。この結果、ロータ
22の回転数nは上記(8)式で表わされる回転数00
よりも小さくなる。
πzC1ρR・l ・・・・・・・・・・・・ (8) This maximum rotation speed n0 means that when the ultrasonic longitudinal vibration is in the extension phase, the stator end face 14a rotates in one direction due to the ultrasonic torsional vibration, The rotation speed when the phase difference between the ultrasonic longitudinal vibration and the ultrasonic torsional vibration is exactly 90° so that the stator end face 14a rotates in the opposite direction due to the ultrasonic torsional vibration when the ultrasonic longitudinal vibration is in the contraction phase. It is. However, if the phase difference between these ultrasonic vibrations and ultrasonic torsional vibrations is made to differ by more than 90 degrees, as shown in FIG.
a has a tilted elliptical vibration, so in the case of the same figure,
It attempts to rotate slightly in the opposite direction during the extension phase of the ultrasonic longitudinal vibration, and then rotates in the desired direction. As a result, the rotation speed n of the rotor 22 is 00 as expressed by the above equation (8).
becomes smaller than

第5図に示す楕円振動の傾きは超音波縦振動と超音波捻
り振動の位相差に応じて異なる。そこで、第2図に示す
ように、圧電振動子は電気的にはコンデンサとして作用
するから、切換スイッチ26で抵抗28〜30を選択す
ることにより、交流電圧V′の位相が変化して圧電捻り
振動の位相も変化し、この結果、ロータ22の回転数を
変化させることができる。
The slope of the elliptical vibration shown in FIG. 5 differs depending on the phase difference between the ultrasonic longitudinal vibration and the ultrasonic torsional vibration. Therefore, as shown in FIG. 2, since the piezoelectric vibrator electrically acts as a capacitor, by selecting the resistors 28 to 30 with the changeover switch 26, the phase of the AC voltage V' changes and the piezoelectric twisting occurs. The phase of the vibration also changes, and as a result, the rotation speed of the rotor 22 can be changed.

また、超音波捻り振動子2に印加される交流電圧V′を
位相反転すると、第3図で破線矢印で示す楕円軌道の方
向が反転し、したがって、ロータ22の回転方向が反転
する。
Furthermore, when the phase of the alternating current voltage V' applied to the ultrasonic torsion transducer 2 is reversed, the direction of the elliptical orbit indicated by the broken line arrow in FIG. 3 is reversed, and therefore the rotational direction of the rotor 22 is reversed.

以上が第7図に示した実施例の電動作用の説明である。The above is an explanation of the electric operation of the embodiment shown in FIG.

次に、その発電作用について第6図により説明する。な
お、同図において、第1図に対応する部分には同一符号
をつけている。
Next, the power generation effect will be explained with reference to FIG. In this figure, parts corresponding to those in FIG. 1 are given the same reference numerals.

第6図において、この場合の機+d系24は、水車など
のように、機械的エネルギーを発生するものであって、
これによってロータ22が回転駆動される。また、電気
系21はこの実施例で発生される電力を消費する任意の
負荷である。
In FIG. 6, the machine+d system 24 in this case is one that generates mechanical energy, such as a water wheel.
As a result, the rotor 22 is rotationally driven. Additionally, the electrical system 21 is any load that consumes the power generated in this embodiment.

この場合にも、交流電圧源20から超音波縦振動子4に
交流電圧Vが印加され、これから超音波縦振動が生ずる
ようにしである。ロータ22はステータ1に、第2図〜
第4図で説明したように、圧着されており、したがって
、先に説明したように、この超音波縦振動により、その
1周期毎に、ロータ22がステータ端面14aに対して
圧着、浮上を繰り返している。
In this case as well, the AC voltage V is applied from the AC voltage source 20 to the ultrasonic longitudinal vibrator 4, so that ultrasonic longitudinal vibrations are generated. The rotor 22 is connected to the stator 1 in FIG.
As explained in FIG. 4, the rotor 22 is crimped against the stator end face 14a and floats repeatedly due to the ultrasonic longitudinal vibration, as explained earlier. ing.

そこで、いま、ロータ22がこのステータ端面14aに
圧着された状態をみると、第7図(a)に示すように、
ロータ22に加えられた圧着力とロータ22)ステータ
端面14a間の摩擦力とにより、ロータ22の矢印方向
の回転とともにステータ端面14aも同方向に回転する
。これにより、第6図において、超音波捻り振動子2は
その超音波振動体15側端面を基準として捻れが生ずる
Now, looking at the state in which the rotor 22 is crimped to the stator end face 14a, as shown in FIG. 7(a),
Due to the pressing force applied to the rotor 22 and the frictional force between the rotor 22 and the stator end surface 14a, as the rotor 22 rotates in the direction of the arrow, the stator end surface 14a also rotates in the same direction. As a result, in FIG. 6, the ultrasonic torsion transducer 2 is twisted with respect to the end surface on the side of the ultrasonic vibrator 15.

このために、第1図において、圧電体素子5,6に同程
度で同一方向の捻れが生ずる。この捻り方向は圧電体素
子5,6の分極方向に一致するから、夫々の圧電体素子
5,6に分極方向と捻り方向に応じた方向に電圧が生ず
るが、これらの分極方向は互いに逆方向となっているの
で、これら電圧による電極11の圧電体素子5側表面と
圧電体素子6側表面との電位が等しい。したがって、圧
電捻り振動子2から電圧Eが出力される。この場合、ロ
ータ22の回転に伴なう圧電体素子5,6の捻り量に応
じてこれらに生ずる電圧の値が大きくなる。
For this reason, in FIG. 1, the piezoelectric elements 5 and 6 are twisted to the same extent and in the same direction. Since this twisting direction coincides with the polarization direction of the piezoelectric elements 5 and 6, a voltage is generated in each piezoelectric element 5 and 6 in a direction corresponding to the polarization direction and the twisting direction, but these polarization directions are opposite to each other. Therefore, the potentials of the surface of the electrode 11 on the piezoelectric element 5 side and the surface on the piezoelectric element 6 side due to these voltages are equal. Therefore, the voltage E is output from the piezoelectric torsional vibrator 2. In this case, the value of the voltage generated in the piezoelectric elements 5 and 6 increases depending on the amount of twisting of the piezoelectric elements 5 and 6 as the rotor 22 rotates.

次に、超音波縦振動の縮み位相のときにステータ端面1
4aが、第7図(b)に示すように、基準面32から下
降すると、ロータ22はこのステータ端面14aから浮
上した状態となり、ステーク端面14aはロータ22か
ら解放された状態となって、捻れの状態から元の状態に
復帰する。この結果、圧電体素子5.6で生じていた電
圧が減衰していく。そして、超音波縦振動によってステ
ータ端面14aが上昇し、再びロータ22に圧着すると
、ロータ22の回転によって圧電捻り振動子2に電圧が
生ずる。
Next, when the ultrasonic longitudinal vibration is in the contraction phase, the stator end face 1
4a descends from the reference surface 32, as shown in FIG. 7(b), the rotor 22 floats above the stator end surface 14a, and the stake end surface 14a becomes released from the rotor 22, causing twisting. to return to the original state. As a result, the voltage generated in the piezoelectric element 5.6 is attenuated. Then, when the stator end face 14a rises due to the ultrasonic longitudinal vibration and is pressed against the rotor 22 again, a voltage is generated in the piezoelectric torsional vibrator 2 due to the rotation of the rotor 22.

このように、超音波縦振動の1周期毎に、圧電捻り振動
子2から出力される電圧は1周期分変化し、したがって
、この圧電捻り振動子2からは、圧電縦振動子4で生ず
る超音波縦振動の振動故に等しい周波数で位相がこれに
同期した交流電圧Eが得られる。この交流電圧Eは、機
械系24によってロータ22が回転している限り、連続
して得られる。
In this way, the voltage output from the piezoelectric torsional oscillator 2 changes by one period for each period of ultrasonic longitudinal vibration, and therefore, from this piezoelectric torsional oscillator 2, the ultrasonic wave generated in the piezoelectric longitudinal oscillator 4 Because of the vibration of the acoustic longitudinal vibration, an alternating current voltage E having the same frequency and synchronized in phase can be obtained. This AC voltage E is continuously obtained as long as the rotor 22 is rotated by the mechanical system 24.

なお、圧電体素子の捻り振動と誘起電圧との関係は可逆
的であり、したがって、ロータ22の回転数が00のと
きには、圧電縦振動子2から出力される交流電圧Eの実
効値は、上記式(8)から求められるV’rmsに等し
い。
The relationship between the torsional vibration of the piezoelectric element and the induced voltage is reversible. Therefore, when the rotational speed of the rotor 22 is 00, the effective value of the AC voltage E output from the piezoelectric longitudinal vibrator 2 is as described above. It is equal to V'rms obtained from equation (8).

以上が第1図で示した実施例の発電作用である。The above is the power generation effect of the embodiment shown in FIG.

機械系24をたとえば直流モータあるいは商用交流モー
タとしても、高周波電力を発生させることができる。
High frequency power can also be generated if the mechanical system 24 is, for example, a DC motor or a commercial AC motor.

ところで、この実施例が発電作用を有していることから
、第2図において、圧電縦振動子4に交流電圧aiX2
0から交流電圧■を印加し、切換スイッチ25をA1側
に閉じて圧電捻り振動子2に交流電圧V′を印加してロ
ータ22を回転させておき、その後、切換スイッチ25
をA2側に切換えて圧電捻り振動子2への交流電圧V′
を遮断すると、ステータ端面14aは縦振動のみを行な
い、ステータlはロータ22への回転力は生じない。
By the way, since this embodiment has a power generation function, in FIG.
0, apply AC voltage ■, close the changeover switch 25 to the A1 side, apply AC voltage V' to the piezoelectric torsional vibrator 2 to rotate the rotor 22, and then turn the changeover switch 25
is switched to the A2 side and the AC voltage V' to the piezoelectric torsional vibrator 2 is changed.
When the stator l is cut off, the stator end face 14a performs only longitudinal vibration, and the stator l does not generate any rotational force to the rotor 22.

しかし、ロータ22は機械系24の慣性によって回転状
態を維持しようとする。この状態は、まさしく、第6図
および第7図で説明した発電作用を行なう状態と同じで
ある。
However, the rotor 22 attempts to maintain its rotating state due to the inertia of the mechanical system 24. This state is exactly the same as the state in which power generation is performed as explained in FIGS. 6 and 7.

そこで、圧電捻り振動子2は交流電力を発生するが、こ
の交流電力は切換スイッチ25を介して抵抗27に供給
され、その抵抗27でジュール熱となって消費される。
Therefore, the piezoelectric torsional vibrator 2 generates alternating current power, which is supplied to the resistor 27 via the changeover switch 25 and is consumed as Joule heat in the resistor 27.

すなわち、機械系の回転エネルギーは電気エネルギーに
変換されて抵抗27で消費され、抵抗27の抵抗値を適
宜設定することにより、ロータ22を、ステータ端面1
4aとのスリップを生ずることなく、急速に停止させる
ことができる。
That is, the rotational energy of the mechanical system is converted into electrical energy and consumed by the resistor 27, and by appropriately setting the resistance value of the resistor 27, the rotor 22 is
It can be stopped quickly without causing a slip with 4a.

また、ロータ22の回転駆動中、このロータ22の負荷
(機械系24)が変動する場合もある。いま、ロータ2
2の負荷が減少したものとすると、この負荷に対する回
転エネルギーが増大し、電気系21から供給される電気
エネルギーに見合った回転エネルギーよりも大きくなる
。このことは、等価的に回転エネルギーが電気エネルギ
ーよりも大きくなったことになり、ロータ22の回転数
が増加する。すると、このロータ22の回転数増加によ
ってステータ端面14aは交流電圧V′で生ずる超音波
捻り振動による捻りよりもさらに捻られ、この捻れ分だ
けステータlに超音波捻り振動が生ずる。この結果、圧
電捻り振動子2に電気エネルギーが生じ、電気系21で
これが消費されてロータ22の回転数は低下していく。
Furthermore, while the rotor 22 is being driven to rotate, the load on the rotor 22 (mechanical system 24) may vary. Now rotor 2
If the load No. 2 is reduced, the rotational energy for this load increases and becomes larger than the rotational energy commensurate with the electrical energy supplied from the electrical system 21. This means that the rotational energy is equivalently larger than the electrical energy, and the rotational speed of the rotor 22 increases. Then, due to the increase in the rotational speed of the rotor 22, the stator end face 14a is twisted more than the twist caused by the ultrasonic torsional vibration generated by the AC voltage V', and ultrasonic torsional vibration is generated in the stator l by the amount of this twist. As a result, electrical energy is generated in the piezoelectric torsional vibrator 2, which is consumed by the electrical system 21, and the rotation speed of the rotor 22 decreases.

逆に、ロータ22の負荷が増大して等価的に機械系24
の回転エネルギーが電気エネルギーよりも小さくなると
、ロータ22の回転数は供給される電気エネルギーによ
って生ずる超音波捻り振動で生ずべき回転数よりも低下
する。このために、ロータ22の回転によってステータ
端面14aの捻れ振動が制限されるが、これを補うよう
に電気系21からの電流が増大する。この結果、ロータ
22の回転数は増加する。
Conversely, the load on the rotor 22 increases, equivalently increasing the load on the mechanical system 24.
When the rotational energy of the rotor 22 becomes smaller than the electrical energy, the rotational speed of the rotor 22 becomes lower than the rotational speed that should be generated by the ultrasonic torsional vibration generated by the supplied electrical energy. For this reason, the rotation of the rotor 22 limits the torsional vibration of the stator end face 14a, but the current from the electrical system 21 increases to compensate for this. As a result, the rotation speed of the rotor 22 increases.

このように、ロータ22は常に安定な回転状態に保持さ
れる。
In this way, the rotor 22 is always maintained in a stable rotating state.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明によれば、電気エネルギー
によって圧電捻り振動子に超音波捻り振動を生じさせ、
超音波縦振動と相まってロータを回転させることができ
るとともに、ロータの回転によって超音波捻り振動を生
じさせ、該圧電捻り振動子に電気エネルギーを生じさせ
ることができ、構成が簡単で小型、安価な超音波電動発
電機を提供することができる。
As explained above, according to the present invention, ultrasonic torsional vibration is caused in a piezoelectric torsional vibrator by electric energy,
In combination with ultrasonic longitudinal vibration, the rotor can be rotated, and the rotation of the rotor can generate ultrasonic torsional vibration, which can generate electrical energy in the piezoelectric torsional vibrator, and the structure is simple, small, and inexpensive. An ultrasonic motor generator can be provided.

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

第1図は本発明による超音波電動発電機の一実施例を示
す構成図、第2図はこの実施例の電動作用を示す構成図
、第3図は第2図におけるロータが圧着されるステータ
端面の振動を示す説明図、第4図は同じくステータ端面
の振動によるロータの回転動作を示す説明図、第5図は
第1図に示した実施例の変速作用の説明図、第6図は第
1図に示した実施例の発電作用を示す構成図、第7図は
第5図におけるロータの回転によるステータの捻り振動
の発生過程を示す説明図である。 1・・・・・・ステータ(超音波振動子)、2・・・・
・・圧電捻り振動子、4・・・・・・圧電縦振動子、1
4〜17・・・・・・超音波振動体、20・・・・・・
交流電圧源、21・・・・・・電気系、22・・・・・
・ロータ、24・・・・・・機械系。 第1図 \17a 第2図 第3図 tσノ                      
         (b)(a)          
   第 4  図          (b)第5図 第6図
Fig. 1 is a block diagram showing an embodiment of the ultrasonic motor generator according to the present invention, Fig. 2 is a block diagram showing the electric operation of this embodiment, and Fig. 3 is a stator to which the rotor in Fig. 2 is crimped. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the vibration of the end surface of the stator, FIG. 4 is an explanatory diagram showing the rotational movement of the rotor due to the vibration of the stator end surface, FIG. 5 is an explanatory diagram of the speed change action of the embodiment shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 1 is a block diagram showing the power generation action of the embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 7 is an explanatory diagram showing the process of generating torsional vibration of the stator due to rotation of the rotor in FIG. 5. 1... Stator (ultrasonic vibrator), 2...
...Piezoelectric torsional vibrator, 4...Piezoelectric longitudinal vibrator, 1
4-17... Ultrasonic vibrator, 20...
AC voltage source, 21...Electrical system, 22...
・Rotor, 24... Mechanical system. Figure 1\17a Figure 2 Figure 3 tσノ
(b)(a)
Figure 4 (b) Figure 5 Figure 6

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1) 交流電圧が印加された圧電縦振動子と電気系が
連結される圧電捻り振動子とを備えた超音波振動子から
なるステータに機械系が連結されるロータを圧着し、該
交流電圧によつて該圧電縦振動子に超音波縦振動を生じ
させるとともに、該電気系もしくは該機械系によつて該
圧電捻り振動子に超音波捻り振動を生じさせ、該電気系
の電気エネルギーと該機械系の回転エネルギーとの相互
変換を可能に構成したことを特徴とする超音波電動発電
機。
(1) A rotor to which a mechanical system is connected is crimped to a stator consisting of an ultrasonic vibrator equipped with a piezoelectric longitudinal vibrator to which an AC voltage is applied and a piezoelectric torsional vibrator to which an electrical system is connected, and the rotor to which the mechanical system is connected is crimped. to generate ultrasonic longitudinal vibration in the piezoelectric longitudinal vibrator, and to generate ultrasonic torsional vibration in the piezoelectric torsional vibrator by the electric system or the mechanical system, and to combine the electric energy of the electric system with the electric energy of the electric system. An ultrasonic motor generator characterized by being configured to enable mutual conversion with rotational energy of a mechanical system.
(2) 特許請求の範囲第(1)項において、前記電気
系は交流電圧供給源であつて、前記機械系が有する回転
エネルギーが前記電気系が有する電気エネルギーよりも
小さいとき、前記電気系から印加される交流電圧によつ
て前記圧電捻り振動子が超音波捻り振動を生じ、該超音
波捻り振動と前記超音波縦振動との合成振動によつて前
記ロータが回転し、前記回転エネルギーが前記電気エネ
ルギーよりも大きいときには、前記ロータの回転に伴な
つて前記交流電圧源からの交流電圧の印加による超音波
捻り振動以上の超音波捻り振動が前記圧電捻り振動子に
生じ、これによつて前記圧電捻り振動子に電圧が生じて
発電を可能としたことを特徴とする超音波電動発電機。
(2) In claim (1), the electrical system is an alternating current voltage supply source, and when the rotational energy of the mechanical system is smaller than the electrical energy of the electrical system, The piezoelectric torsional vibrator generates ultrasonic torsional vibration due to the applied alternating current voltage, the rotor rotates due to the combined vibration of the ultrasonic torsional vibration and the ultrasonic longitudinal vibration, and the rotational energy is transferred to the When the electric energy is larger than the electric energy, as the rotor rotates, an ultrasonic torsional vibration that is greater than the ultrasonic torsional vibration caused by the application of the AC voltage from the AC voltage source is generated in the piezoelectric torsional vibrator. An ultrasonic motor generator characterized in that a voltage is generated in a piezoelectric torsion vibrator to enable power generation.
(3) 特許請求の範囲第(2)項において、前記圧電
縦振動子と前記圧電捻り振動子とに印加される交流電圧
は同一周波数であつて、前記合成振動は、楕円率δが、 δ_o−0.2δ_o≦δ≦δ_o+0.2δ_o但し
、 δ_o=bo/ao=8/π・C_s/C・μao:超
音波縦振動の振幅 bo:超音波捻り振動の振幅 C_s:超音波振動子での超音波捻り振動の伝搬速度 C:超音波振動子での超音波縦振動の伝搬 速度 μ:ロータとステータとの圧着面での摩擦 係数 の超音波楕円振動であることを特徴とする超音波電動発
電機。
(3) In claim (2), the alternating current voltages applied to the piezoelectric longitudinal vibrator and the piezoelectric torsional vibrator have the same frequency, and the composite vibration has an ellipticity δ of δ_o −0.2δ_o≦δ≦δ_o+0.2δ_o However, δ_o=bo/ao=8/π・C_s/C・μao: Amplitude of ultrasonic longitudinal vibration bo: Amplitude of ultrasonic torsional vibration C_s: Propagation speed of ultrasonic torsional vibration C: Propagation speed of ultrasonic longitudinal vibration in ultrasonic vibrator μ: Ultrasonic elliptical vibration with friction coefficient on the crimped surface of rotor and stator. Generator.
(4) 特許請求の範囲第(1)項において、前記機械
系は前記ロータを回転させる駆動装置であつて、前記ロ
ータの回転によつて前記圧電捻り振動子に超音波捻り振
動を生じさせたときに、前記圧電捻り振動子に発生する
電力を前記電気系に送電可能としたことを特徴とする超
音波電動発電機。
(4) In claim (1), the mechanical system is a drive device that rotates the rotor, and the rotation of the rotor causes ultrasonic torsional vibration in the piezoelectric torsional vibrator. An ultrasonic motor generator, wherein the electric power generated in the piezoelectric torsional vibrator can be transmitted to the electric system.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0469883A2 (en) * 1990-08-03 1992-02-05 Canon Kabushiki Kaisha Vibration driven motor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0469883A2 (en) * 1990-08-03 1992-02-05 Canon Kabushiki Kaisha Vibration driven motor
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