JPS63283477A - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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Publication number
JPS63283477A
JPS63283477A JP62117352A JP11735287A JPS63283477A JP S63283477 A JPS63283477 A JP S63283477A JP 62117352 A JP62117352 A JP 62117352A JP 11735287 A JP11735287 A JP 11735287A JP S63283477 A JPS63283477 A JP S63283477A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
slits
piezoelectric
vibrating body
traveling wave
slit
Prior art date
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Pending
Application number
JP62117352A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Osamu Kawasaki
修 川崎
Yukihiko Ise
伊勢 悠紀彦
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.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP62117352A priority Critical patent/JPS63283477A/en
Publication of JPS63283477A publication Critical patent/JPS63283477A/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
    • H02N2/10Electric 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

Abstract

PURPOSE:To reduce loss accompanying driving, by providing predetermined slits on the elastic body of an oscillating body radially at equal intervals. CONSTITUTION:The oscillating body 9 of an ultrasonic motor is constituted by bonding a piezoelectric body of an annular piezoelectric ceramics 8 to one of the main surfaces of an annular elastic body 7. Further slits 10 having a given width are formed on the other main surface of the elastic body 7. The bending rigidity in the traveling direction of bending oscillation is reduced in appearance by the slits 10. A moving body 13 is constituted by bonding the friction member 11 of an abrasion resistant material to an elastic body 12. The moving body 13 is pushed to come into contact with the oscillation body 9 by pressure through the friction member 11. According to this constitution, a traveling wave is excited in the oscillating body 9 and the moving body 13 rotates when electric field is impressed on the piezoelectric body 8. Further, an ideal traveling wave may be obtained when the number of the slits 10 is the integral multiplies of four (4) per one wave length of the traveling wave of the circumferential bending oscillation.

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て構成した振動体
に弾性撮動を励摂し、これを駆動力とした超音波モータ
が注目されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION In recent years, ultrasonic motors have attracted attention, in which a vibrating body made of a piezoelectric material such as a piezoelectric ceramic is excited with elastic motion, and this is used as a driving force.

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。
Hereinafter, the conventional technology of an ultrasonic motor will be explained with reference to the drawings.

第6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. 6 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の周方向に曲げ撮動の進行波が励
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 for bending and imaging 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7図は第6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25)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波長く=90度)の位相差を作っている
FIG. 7 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 area corresponding to one wavelength of 25), C is an electrode with a length of three-quarters of a wavelength, and D is an electrode with a length of one-quarter of a wavelength. Electrodes C and D create a positional phase difference of 1/4 wave length (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7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. 7, 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 t−Voxsin(ωt)        −−−
(1)V2−Vo×cos(ωt)        −
−−(2)ただし、vo:電圧の瞬時値 ω;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□ 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 t-Voxsin (ωt) at the electrodes A and B of the piezoelectric body 2 of the ultrasonic motor configured as above.
(1) V2-Vo×cos(ωt) −
--(2) However, if vo: instantaneous value of voltage ω; angular frequency t: voltages v1 and v2 expressed in time are applied,
The vibrating body 3 has ξ−ξox(cos(ωt)xcos(kx)+5in
(ωt)xsin(kx)) −ξ□ xcos(ωt−kx) −−−(
3) However, ξ: amplitude value of bending vibration ξ0: instantaneous value of bending vibration k: wave number (2π/λ) λ: wavelength

第8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−ωx14の速度で運動する様子を示している。
Fig. 8 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. The figure shows how the waves move at a speed of V-ωx14 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9図に円環形超音波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大きくするためには、
振動体の変位または質量を太き(して運動エネルギーを
太き(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、厚さを厚くするか、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、従来の円環の曲げ撮
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. 9 shows the radial displacement distribution of the vibrating body of the annular ultrasonic 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 can be made as small as possible, the thickness can be increased, or the displacement can be increased. However, even if the inner diameter is made smaller, as the inner diameter becomes smaller, the amplitude value suddenly decreases as shown in FIG. 8, and even if the hole in the vibrating body is made smaller, the kinetic energy does not increase much. Then, increase the thickness (the bending rigidity of the vibrating body will increase and the displacement will increase ()).
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 annular bending imaging 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
力を大きくでき、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 these points, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor that can increase output with the same volume and is highly efficient.

問題点を解決するための手段 振動体を構成する弾性体に、径方向に等間隔に曲げ振動
の1波長当たりに4の倍数個の幅が一定のスリットを入
れ、振動体を構成する圧電体のスリットの近傍のみに駆
動電極を設けるか、またはスリットの近傍のみに圧電体
を設け、曲げ振動の1波長当たりのスリットの数に時分
割した駆動信号を圧電体に印加する。
Means for solving the problem A piezoelectric body is formed by inserting slits with a width that is a multiple of 4 per wavelength of bending vibration at equal intervals in the radial direction in the elastic body that constitutes the vibrating body. Either a drive electrode is provided only in the vicinity of the slit, or a piezoelectric body is provided only in the vicinity of the slit, and drive signals time-divided according to the number of slits per wavelength of bending vibration are applied to the piezoelectric body.

作  用 スリットを設けることにより、曲げ剛性をあまり大きく
せずに振動体の質量を大きくでき、またスリットの近傍
のみに駆動電極を設けるか、またはスリットの近傍のみ
に圧電体を設けて駆動することにより、駆動に伴う損失
を小さくすることができる。
By providing a working slit, the mass of the vibrating body can be increased without increasing the bending rigidity too much, and it is also possible to drive by providing a drive electrode only near the slit or a piezoelectric body only near the slit. As a result, loss associated with driving can be reduced.

実施例 以下、図面に従って本発明の実施例について詳細な説明
を行う。
EXAMPLES Hereinafter, examples 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.

スリットの数を周方向の曲げ振動の進行波の1波長当た
りに4の整数倍とし、径方向に等間隔に入れれば、進行
波を構成する2つの定在波のいずれから見ても位置関係
が同じとなり、理想的な進行波が得られる。
If the number of slits is an integer multiple of 4 per wavelength of the traveling wave of bending vibration in the circumferential direction, and if they are placed at equal intervals in the radial direction, the positional relationship can be seen from either of the two standing waves that make up the traveling wave. are the same, and an ideal traveling wave is obtained.

第2図は1実施例の振動体9の側面図である。FIG. 2 is a side view of the vibrating body 9 of one embodiment.

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の厚さが大きく異なり、そのため曲げ剛性が
双方で大きく異なり、曲げ振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愼的
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。
The thickness of the vibrating body 9 is greatly different between the part with the slit 10 and the part without the slit 10, so the bending rigidity is greatly different between the two parts, and most of the bending vibration is caused by the slit 10.
It is displaced in the part. The slit 10 formed in the radial direction of the elastic body 7 has a constant width. As a result, the drive at the slit section operates in the same way as a rectangular bonding element, and the mechanical loss is lower than in the case where the slits on the inner and outer peripheries can be regarded as equidistant fan-shaped bonding elements with different widths. Can be driven small.

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を設置している。
FIG. 3 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 installed only in the vicinity of the slit 10.

第4図は駆動方法を示すための圧電体の平面図であり、
同図の塗り潰した部分は、第2図に示したような駆動電
極部とみなしても、第3図に示したような圧電体部とみ
なしても同様である。本例では、周方向に9波長の曲げ
振動を励振し、1波長当たりに8つ、合計72のスリッ
トを入れている。各駆動電極からはリード線が取り出さ
れて、同図に示された番号の駆動信号が印加される。
FIG. 4 is a plan view of the piezoelectric body to show the driving method;
The shaded portions in the same figure may be regarded as drive electrode portions as shown in FIG. 2 or as piezoelectric body portions as shown in FIG. 3. In this example, nine wavelengths of bending vibration are excited in the circumferential direction, and eight slits are provided for each wavelength, for a total of 72 slits. Lead wires are taken out from each drive electrode, and drive signals numbered as shown in the figure are applied.

第5図は第4図に示す各駆動電極に印加する駆動信号の
タイミング・チャートである。両図の番号は互いに対応
し、同じ番号の電極に駆動信号が印加される。駆動信号
は上記より駆動の波長を8分割して得ている。駆動信号
は、駆動周波数の8倍の周波数信号をシフトレジスタに
入力することにより簡単に得られる。駆動信号が各電極
に印加されると、振動体に進行波が合成され、移動体1
3を駆動する。
FIG. 5 is a timing chart of drive signals applied to each drive electrode shown in FIG. Numbers in both figures correspond to each other, and drive signals are applied to electrodes with the same number. The drive signal is obtained by dividing the drive wavelength into eight parts as described above. The drive signal can be easily obtained by inputting a frequency signal eight times the drive frequency to the shift register. When a drive signal is applied to each electrode, a traveling wave is synthesized on the vibrating body, and the moving body 1
Drive 3.

発明の効果 本発明によれば、体積当たりの出力を太き(でき、しか
も効率の良い超音波モータを提供することができる。
Effects of the Invention According to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic motor that can increase the output per volume and is highly efficient.

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

第1図は本発明の一実施例における円環形超音波モータ
の切り欠き斜視図、第2図は同実施例の振動体の要部の
側面図、第3図は他の実施例における振動体の要部の側
面図、第4図は駆動方法の説明のための圧電体の平面図
、第5図は駆動信号のタイミング・チャート、第6図は
従来の円環形超音波モータの切り欠き斜視図、第7図は
第6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8図は超音波モータの動作原理の説明
図、第9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2図 O 攻動を優 第3図 第4図 第5図 第6図 第7図 第8図 移虻体の3を佇7#1 に) ;波の違Jテ万匂 第9図 一一
FIG. 1 is a cutaway perspective view of an annular ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side view of a main part of a vibrating body according to the same embodiment, and FIG. 3 is a vibrating body according to another embodiment. 4 is a plan view of the piezoelectric body for explaining the driving method, 5 is a timing chart of the drive signal, and 6 is a cutaway perspective view of a conventional annular ultrasonic motor. Figure 7 is a plan view showing the shape and electrode structure of the piezoelectric body used in the ultrasonic motor in Figure 6, Figure 8 is an explanatory diagram of the operating principle of the ultrasonic motor, and Figure 9 is the bending of the vibrating body. It is a vibration state of vibration and a 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 1 other person Figure 1 Figure 2 O Attack on Titan Figure 3 Figure 4 Figure 5 Figure 6 Figure 7 Figure 8 3 of the moving body 7#1 ); wave difference Jtemanyo Figure 9 11

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電体と弾性体と
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、前記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、前記振動体として円環形の
振動体を用い、前記進行波として曲げ振動を用い、前記
振動体を構成する前記弾性体に、径方向に等間隔に前記
曲げ振動の1波長当たりに4の倍数個の幅が一定のスリ
ットを入れ、前記圧電体の前記スリットの近傍のみに駆
動電極を設けるか、または前記スリットの近傍のみに前
記圧電体を設け、前記曲げ振動の1波長当たりの前記ス
リットの数に時分割した駆動信号を前記圧電体に印加す
ることにより、前記振動体を駆動することを特徴とする
超音波モータ。
A piezoelectric body is driven by an alternating current voltage to excite an elastic traveling wave in a vibrating body composed of the piezoelectric body and an elastic body, thereby moving a movable body placed in contact with the vibrating body. In the sonic motor, an annular vibrating body is used as the vibrating body, a bending vibration is used as the traveling wave, and the elastic body constituting the vibrating body is provided with vibrations per wavelength of the bending vibration at equal intervals in the radial direction. Either a multiple of 4 slits with a constant width are provided and a drive electrode is provided only in the vicinity of the slit of the piezoelectric material, or the piezoelectric material is provided only in the vicinity of the slit, and the number of slits per wavelength of the bending vibration is An ultrasonic motor characterized in that the vibrating body is driven by applying a drive signal time-divided according to the number of slits to the piezoelectric body.
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