JPS63240381A - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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JPS63240381A
JPS63240381A JP62072435A JP7243587A JPS63240381A JP S63240381 A JPS63240381 A JP S63240381A JP 62072435 A JP62072435 A JP 62072435A JP 7243587 A JP7243587 A JP 7243587A JP S63240381 A JPS63240381 A JP S63240381A
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JP
Japan
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slit
vibrating body
ultrasonic motor
vibrator
piezoelectric
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JP62072435A
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Osamu Kawasaki
修 川崎
Yukihiko Ise
伊勢 悠紀彦
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial 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

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PURPOSE:To improve the efficiency and to increase the output of an ultrasonic motor by radially forming a slit having a constant width on an elastic unit which forms a circular vibrator. CONSTITUTION:An ultrasonic motor constructs a vibrator 9 by bonding a circular piezoelectric ceramic 8 as a piezoelectric element to one main surface of a circular elastic unit 7. A slit 10 having a constant width is composed on the other main surface of the unit 7. The bending rigidity of bending vibration advancing direction can be apparently reduced by the slit 10. A frictional material 11 of a wear resistant material and an elastic unit 12 are bonded to construct a moving body 13, and contacted under pressure with the vibrator 9. When an electric field is applied to the ceramics 8, a traveling wave is excited at the vibrator 9 to rotatably drive the body 13 by a frictional force.

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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic motor that generates driving force using a piezoelectric material.

従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に弾性振
動を励振し、これを駆動力とした超音波モータが注目さ
れている。
2. Description of the Related Art In recent years, ultrasonic motors have attracted attention, in which elastic vibrations are excited in a vibrating body using a piezoelectric material such as a piezoelectric ceramic, and this vibration is used as a driving force.

以下、図面を参緻しながら超音波モータの従来技術につ
いて説明を行う。
Hereinafter, the conventional technology of an ultrasonic motor will be explained with reference to the drawings.

第5図は従来の円環形超音波モータの斜視図であり、円
環形の弾性体1の円環面の一方に圧電体として円環形の
圧電セラミック2を貼合せて振動体3を構成している。
FIG. 5 is a perspective view of a conventional toroidal ultrasonic motor, in which a vibrating body 3 is constructed by pasting a toroidal piezoelectric ceramic 2 as a piezoelectric body to one of the toric surfaces of a toroidal elastic body 1. There is.

4は耐磨耗性材料の摩擦材、5は弾性体であり、互いに
貼合せられて移動体6を構成している。移動体6は摩擦
材4を介して振動体3と接触している。圧電体2に電界
を印加すると振動体3の周方向に曲げ振動の進行波が励
起され、移動体6を駆動する。尚、同図中の矢印は移動
体6の回転方向を示す。
Reference numeral 4 indicates a friction material made of a wear-resistant material, and reference numeral 5 indicates an elastic body, which are pasted together to form a moving body 6. The moving body 6 is in contact with the vibrating body 3 via the friction material 4. When an electric field is applied to the piezoelectric body 2, a traveling wave of bending vibration is excited in the circumferential direction of the vibrating body 3, thereby driving the movable body 6. Note that the arrow in the figure indicates the rotation direction of the moving body 6.

第6図は第5図の超音波モータに使用した圧電セラミッ
ク2の電極構造の一例を示している。同図では円周方向
に9波の弾性波がのるようにしである。同図において、
AおよびBはそれぞれ2分の1波長相当の小領域から成
る電極群で、Cは4分の3波長、Dは4分の1波長の長
さの電極である。電極CおよびDは電極群AとBに位置
的に4分の1波長(=90度)の位相差を作っている。
FIG. 6 shows an example of the electrode structure of the piezoelectric ceramic 2 used in the ultrasonic motor of FIG. In the figure, nine elastic waves are placed in the circumferential direction. In the same figure,
A and B are electrode groups each consisting of a small region corresponding to a half wavelength, C is an electrode group having a length of three-quarters of a wavelength, and D is an electrode having a length of a quarter of a wavelength. Electrodes C and D create a positional phase difference of 1/4 wavelength (=90 degrees) between electrode groups A and B.

電極AとB内の隣り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6図に示めされた面と反対の面であり、電極はベタ
電極である。使用時には、電極群AおよびBは同図に斜
線で示されたように、それぞれ短絡して用いられる。
Adjacent small electrode portions in electrodes A and B are polarized oppositely to each other in the thickness direction. The adhesive surface of the piezoelectric body 2 with the elastic body 1 is the opposite surface to the surface shown in FIG. 6, and the electrode is a solid electrode. During use, electrode groups A and B are short-circuited, as indicated by diagonal lines in the figure.

以上のように構成された超音波モータの圧電体2の電極
AおよびBに V 1−V o xsin(ωt)        −
−−(1)V2−Voxcos(ωt)       
 −−−(2)ただし、vo:電圧の瞬時値 ω二角周波数 t:時間 で表される電圧v1およびv2をそれぞれ印加すれば、
振動体3には ξ−ξox(cos(ωt)xcos(kx)+5in
(ωt)xsin(kx)) −ξ o xcos(ωt−kx)         
     −−−(3)ただし ξ:曲げ振動の振幅値 ξ0:曲げ振動の瞬時値 k :波数(2π/λ) λ:波長 X :位置 で表せる、円周方向に進行する曲げ振動の進行波が励起
される。
V 1−V ox sin(ωt) − at electrodes A and B of the piezoelectric body 2 of the ultrasonic motor configured as described above.
--(1) V2-Voxcos(ωt)
---(2) However, if vo: instantaneous value of voltage ω, diagonal frequency t: time, voltages v1 and v2 are respectively applied,
The vibrating body 3 has ξ−ξox(cos(ωt)xcos(kx)+5in
(ωt)xsin(kx)) −ξ o xcos(ωt−kx)
---(3) However, ξ: Amplitude value of bending vibration ξ0: Instantaneous value of bending vibration k: Wave number (2π/λ) λ: Wavelength Excited.

第7図は振動体3の表面のA点が進行波の励起によって
、長軸2w、短軸2uの楕円運動をし、振動体3上に加
圧して設置された移動体6が、楕円の頂点近傍で接触す
ることにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向に
V−ωxuの速度で運動する様子を示している。
Fig. 7 shows that point A on the surface of the vibrating body 3 moves in an ellipse with a long axis 2w and a short axis 2u due to the excitation of the traveling wave, and the movable body 6 placed under pressure on the vibrating body 3 moves in an ellipse. This figure shows how the waves move at a speed of V-ωxu in a direction opposite to the direction of wave travel due to frictional force due to contact near the apex.

発明が解決しようとする問題点 第8図に円環形振動体モータの振動体の径方向の変位分
布を示す。超音波モータの出力を太き(するためには、
振動体の変位または質量を大きくして運動エネルギーを
大きくすればよい。振動体の外径が決まれば、内径をで
きるだけ小さくするか、厚さを厚(するか、または変位
を大きくしなければならない。しかし、内径を小さくし
ても、内径が小さくなるに従って、第8図に示すように
急に振幅値は小さくなり、振動体の穴を小さくしても運
動エネルギーはあまり大きくならない。そして、厚さを
厚(すれば振動体の曲げ剛性が大きくなり変位を太き(
することはできない。また、変位の増大は、破壊限界に
より上限が決まっている。従って、従来の円環の曲げ振
動を使用した超音波モータは出力を大きくできないとい
う問題点がある。
Problems to be Solved by the Invention FIG. 8 shows the radial displacement distribution of the vibrating body of the annular vibrating body motor. In order to increase the output of the ultrasonic motor,
The kinetic energy can be increased by increasing the displacement or mass of the vibrating body. Once the outer diameter of the vibrating body is determined, the inner diameter must be made as small as possible, the thickness must be increased, or the displacement must be increased. However, even if the inner diameter is made smaller, as the inner diameter becomes smaller, the As shown in the figure, the amplitude value suddenly decreases, and even if the hole in the vibrating body is made smaller, the kinetic energy does not increase much. (
I can't. Further, the upper limit of the increase in displacement is determined by the fracture limit. Therefore, there is a problem in that the conventional ultrasonic motor using bending vibration of an annular ring cannot increase its output.

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、同体積で出
力を太き(でき、しかも効率の良い超音波モータを提供
することを目的と、している。
The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor that has the same volume and high output and is highly efficient.

問題点を解決するための手段 円環形振動体を構成する弾性体に、径方向に複数個の幅
が一定なスリットを入れ、該スリットの近傍でのみ駆動
する。
Means for Solving the Problems A plurality of slits of constant width are made in the radial direction in the elastic body constituting the annular vibrating body, and the vibrator is driven only in the vicinity of the slits.

作  用 円環形振動体を構成する弾性体のスリットの幅を一定に
して、スリットの近傍でのみ駆動することにより、曲げ
振動を効率良く励振できるので、変位を大きくとり、し
かも振動体の機械的損失を小さくして、その結果出力が
大きく、効率の良い超音波モータを実現できる。
By keeping the width of the slit in the elastic body that makes up the annular vibrating body constant and driving it only in the vicinity of the slit, bending vibration can be excited efficiently, allowing a large displacement and reducing the mechanical strength of the vibrating body. It is possible to reduce loss, and as a result, realize a high-efficiency ultrasonic motor with a large output.

実施例 以下、図面に従って本発明の一実施例について詳細な説
明を行う。
EXAMPLE Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は本発明の超音波モータの構成を示す切り欠き斜
視図である。円環形の弾性体7の主面の一方に、圧電体
として円環形の圧電セラミック8を貼合せて振動体9を
構成している。また、弾性体7の他の主面には、幅が一
定なスリット10が構成されている。このスリット10
により、見掛は上曲げ振動の進行方向の曲げ剛性を小さ
くできる。11は耐磨耗性材料の摩擦材、12は弾性体
であり、互いに貼合せられて移動体13を構成している
。移動体13は、摩擦材11を介して振動体9にと加圧
接触している。圧電体8に電界を印加して駆動すると振
動体9の周方向に曲げ振動の進行波が励起され、移動体
13を摩擦力により駆動し、移動体13は回転運動を始
める。
FIG. 1 is a cutaway perspective view showing the configuration of the ultrasonic motor of the present invention. A vibrating body 9 is constructed by bonding a toroidal piezoelectric ceramic 8 as a piezoelectric body to one of the main surfaces of the toroidal elastic body 7. Furthermore, a slit 10 having a constant width is formed on the other main surface of the elastic body 7. This slit 10
As a result, the apparent bending rigidity in the direction of upward bending vibration can be reduced. 11 is a friction material made of a wear-resistant material, and 12 is an elastic body, which are pasted together to form a moving body 13. The moving body 13 is in pressure contact with the vibrating body 9 via the friction material 11. When an electric field is applied to the piezoelectric body 8 and the piezoelectric body 8 is driven, a traveling wave of bending vibration is excited in the circumferential direction of the vibrating body 9, and the movable body 13 is driven by a frictional force, and the movable body 13 starts rotating.

第2図は振動体9の側面図である。スリット10の入っ
ている部分と入っていない部分とでは振動体9の厚さが
太き(異なり、そのため曲げ剛性が双方で大きく異なり
、曲げ撮動の大部分はスリット10の部分で変位してい
る。弾性体7の径方向に入れられたスリット10は、そ
の幅を一定にしている。これにより、スリット部での駆
動は矩形の貼合素子と同様の動作をすることになり、内
外周のスリットの幅が異なる等価的に扇形の貼合素子と
みなせる場合よりも、機械損失の小さい駆動ができる。
FIG. 2 is a side view of the vibrating body 9. The thickness of the vibrating body 9 is thicker (different) between the part with the slit 10 and the part without it, so the bending rigidity is greatly different between the two parts, and most of the bending imaging is caused by displacement in the part with the slit 10. The slit 10 made in the radial direction of the elastic body 7 has a constant width.As a result, the driving at the slit portion operates in the same way as a rectangular bonding element, and the inner and outer peripheries Drive with smaller mechanical loss can be achieved than in the case where the slits have different widths and can be regarded as equivalent fan-shaped bonding elements.

また、第2図の14は圧電体8に設けられた駆動電極で
ある。前記に述べたようにスリット10の入っていない
部分では曲げ剛性が大きいので殆ど変異することはでき
ず、この部分を駆動しても損失になるのみである。従っ
て、駆動電極14はスリット10の入った部分にのみ設
けて、スリット10の近傍でのみ駆動するようにしてい
る。これにより、損失の小さい進行波の励振が可能にな
る。
Further, 14 in FIG. 2 is a drive electrode provided on the piezoelectric body 8. As mentioned above, the portion without the slit 10 has a large bending rigidity, so it can hardly be deformed, and even if this portion is driven, there will only be a loss. Therefore, the drive electrode 14 is provided only in the area where the slit 10 is inserted, so that it is driven only in the vicinity of the slit 10. This makes it possible to excite traveling waves with low loss.

第3図はスリットの近傍でのみ駆動する1具体例の振動
体9を構成する弾性体7と圧電体8の平面図である。弾
性体7のスリットに対応させて、圧電体8に駆動電極が
構成されている。圧電体8の裏はベタ電極であり、同図
中の十−の符号は分極の向きを示している。弾性体7の
スリットは1波長相当長に8つ入れられている。従って
、4つの小電極で2分の1波長に相当する。小電極を、
同図のように結線すれば、4分の1波長相当分だけ位置
的に位相の異なる2つの駆動電極群E、Fが構成できる
。この電極群に、それぞれ時間的に90度位相の異なる
2つの電圧sin波とcos波を印加すれば、振動体に
曲げ振動の進行波を励振することができる。曲げ撮動の
大部分を賄っているスリットの近傍でのみ、振動体を駆
動しているので、効率の良い駆動ができる。
FIG. 3 is a plan view of the elastic body 7 and piezoelectric body 8 that constitute the vibrating body 9 of one specific example that is driven only in the vicinity of the slit. Drive electrodes are formed on the piezoelectric body 8 to correspond to the slits in the elastic body 7. The back side of the piezoelectric body 8 is a solid electrode, and the symbol 10- in the figure indicates the direction of polarization. The elastic body 7 has eight slits each having a length equivalent to one wavelength. Therefore, four small electrodes correspond to one-half wavelength. small electrode,
If the wires are connected as shown in the figure, two drive electrode groups E and F can be formed which have different phases in position by an amount equivalent to a quarter wavelength. By applying two voltage sine waves and a cosine wave having temporally different phases by 90 degrees to this electrode group, a traveling wave of bending vibration can be excited in the vibrating body. Since the vibrating body is driven only in the vicinity of the slit, which handles most of the bending imaging, efficient driving is possible.

第4図はスリットの近傍でのみ駆動する別の具体例の振
動体の側面図である。同図で、スリット10の近傍での
み振動体を駆動するために、スリット10の近傍のみに
圧電体15を構成している。
FIG. 4 is a side view of another specific example of a vibrating body that is driven only in the vicinity of the slit. In the figure, in order to drive the vibrating body only in the vicinity of the slit 10, the piezoelectric body 15 is provided only in the vicinity of the slit 10.

本発明によれば、効率の良い、しかも出力の大きな超音
波モータを提供できる。
According to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic motor that is efficient and has a large output.

発明の効果 本発明によれば、円環形振動体を構成する弾性体に、幅
が一定なスリットを径方向に設け、スリットの近傍での
み振動体を駆動することにより、効率の良い、しかも出
力の大きな超音波モータを提供できる。
Effects of the Invention According to the present invention, a slit with a constant width is provided in the radial direction in the elastic body constituting the annular vibrating body, and the vibrating body is driven only in the vicinity of the slit, thereby achieving high efficiency and output. We can provide large ultrasonic motors.

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

第1図は本発明の円環形超音波モータの切り欠き斜視図
、第2図はスリットの近傍でのみ駆動する振動体の側面
図、第3図は弾性体とそれに対応した圧電体の平面図、
第4図はスリットの近傍でのみ駆動する別の振動体の側
面図、第5図は従来の円環形超音波モータの切り欠き斜
視図、第6図は第5図の超音波モータに用いた圧電体の
形状と電極構造を示す平面図、第7図は超音波モータの
動作原理の説明図、第8図は振動体の曲げ振動の振動状
態と径方向の変位分布図である。 7・・・・・・弾性体、8・・・・・・圧電体、9・・
・・・・振動体、10・・・・・・スリット、11・・
・・・・摩擦材、12・・・・・・弾性体、13・・・
・・・移動体、14・・・・・・駆動電極、15・・・
・・・圧電体。 代理人の氏名 弁理士 中尾敏男 ほか1名、第1図 第3図 第4[] /n 第5図 第 6 図 ハ 第7図 αク ズ妃i行万箇 第8図
Fig. 1 is a cutaway perspective view of the annular ultrasonic motor of the present invention, Fig. 2 is a side view of the vibrating body that is driven only in the vicinity of the slit, and Fig. 3 is a plan view of the elastic body and the corresponding piezoelectric body. ,
Figure 4 is a side view of another vibrating body that is driven only in the vicinity of the slit, Figure 5 is a cutaway perspective view of a conventional annular ultrasonic motor, and Figure 6 is a vibrator used in the ultrasonic motor of Figure 5. FIG. 7 is a plan view showing the shape and electrode structure of the piezoelectric body, FIG. 7 is an explanatory diagram of the operating principle of the ultrasonic motor, and FIG. 8 is a diagram of the vibration state of the bending vibration of the vibrating body and the radial displacement distribution diagram. 7...Elastic body, 8...Piezoelectric body, 9...
...Vibrating body, 10...Slit, 11...
...Friction material, 12...Elastic body, 13...
...Moving body, 14... Drive electrode, 15...
...Piezoelectric body. Name of agent: Patent attorney Toshio Nakao and one other person, Figure 1 Figure 3 Figure 4 [ ] /n Figure 5 Figure 6 Figure 7

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  圧電体を交流電圧で駆動して、該圧電体と弾性体とか
ら構成される振動体に弾性進行波を励振することにより
、該振動体上に接触して設置された移動体を移動させる
超音波モータにおいて、該振動体として円環形の振動体
を用い、該進行波として曲げ振動を用い、該振動体を構
成する該弾性体に、径方向に複数個の幅が一定なスリッ
トを入れ、該スリットの近傍でのみ駆動することを特徴
とする超音波モータ。
A superstructure that moves a moving body placed in contact with the vibrating body by driving a piezoelectric body with an alternating current voltage and exciting an elastic traveling wave in a vibrating body composed of the piezoelectric body and an elastic body. In the sonic motor, a ring-shaped vibrating body is used as the vibrating body, bending vibration is used as the traveling wave, and a plurality of slits having a constant width are provided in the radial direction in the elastic body constituting the vibrating body, An ultrasonic motor characterized in that it is driven only in the vicinity of the slit.
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