JPH0223076A - ultrasonic motor - Google Patents
ultrasonic motorInfo
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- JPH0223076A JPH0223076A JP63173344A JP17334488A JPH0223076A JP H0223076 A JPH0223076 A JP H0223076A JP 63173344 A JP63173344 A JP 63173344A JP 17334488 A JP17334488 A JP 17334488A JP H0223076 A JPH0223076 A JP H0223076A
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- vibration
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- vibrator
- vibrating body
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- Pending
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
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3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
圧電体2を貼合せて振動体3を構成している。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
ると撮動体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60回
転方向を示す。FIG. 3 is a perspective view of a conventional annular ultrasonic motor, in which a vibrating body 3 is constructed by laminating a toroidal piezoelectric body 2 as a piezoelectric body to one of the toric surfaces of a toroidal elastic body 1. There is. 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 moving body 3,
The moving body 6 is driven. Note that the arrow in the figure indicates the rotation direction of the moving body 60.
第4図は第3図の超音波モータに使用した圧電体2の電
極構造の一例を示している。同図では円周方向に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波長く=90度)の位相差を作っている。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4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は第4図に斜線で示
されたように、それぞれ短絡して用いられる。FIG. 4 shows an example of the electrode structure of the piezoelectric body 2 used in the ultrasonic motor of FIG. In the figure, nine elastic waves are placed in the circumferential direction. In the figure, A and B are electrode groups each consisting of a small area 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 wave length (90 degrees) between electrode groups A and B. 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. 4, and the electrodes are solid electrodes. During use, electrode groups A and B are short-circuited, as indicated by diagonal lines in FIG. 4.
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 x −V o xsin(ωt )
−−−(1)V 2−V Oxcos(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、
撮動体3には
ξ−ξox(cos(ωt)xcos(kx)+5in
(ωt)xsin(kx))
−vo xcos(ωt−kx) −−−(
2)ただし ξ:曲げ撮動の振幅値
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 x −V ox sin(ωt ) at the electrodes A and B of the piezoelectric body 2 of the ultrasonic motor configured as above.
---(1) V2-V Oxcos(ωt)
---(2) However, if vo: instantaneous value of voltage ω: angular frequency t: voltages v1 and v2 expressed in time are applied,
The camera body 3 has ξ−ξox(cos(ωt)xcos(kx)+5in
(ωt)xsin(kx)) -vo xcos(ωt-kx) ---(
2) However, ξ: Amplitude value of bending imaging ξ0: Instantaneous value of bending vibration k: Wave number (2π/λ) λ: Wavelength .
第6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、撮動体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−ωx(Hの速度で運動する様子を示している。FIG. 6 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 photographing body 3 moves in an ellipse. The figure shows how the waves move at a speed of V-ωx (H) in the direction opposite to the direction of wave propagation due to frictional force due to contact near the apex.
発明が解決しようとする課題
超音波モータを効率良く駆動させるためには、撮動体の
持っている運動エネルギーを大きくすればよい。運動エ
ネルギーは撮動体の質量と速度の2乗に比例するので、
振動体の質量、或は速度を増やせば出力を増加できる。Problems to be Solved by the Invention In order to drive the ultrasonic motor efficiently, it is sufficient to increase the kinetic energy of the imaging object. Kinetic energy is proportional to the square of the mass and velocity of the object being photographed, so
The output can be increased by increasing the mass or speed of the vibrating body.
超音波モータの外径が決まれば、質量を増やすために振
動体の穴の大きさを小さくし、速度を太き(するために
は振動の振幅を大きくすればよい。しかし、圧電体の許
容歪みにより、振動の振幅には制限がある。また、従来
の超音波モータは径方向1次、周方向3次以上の円環曲
げ撮動を使用しているので、第5図に示すように、内周
近傍では急に振幅値は小さ(なり、振動体の穴を小さ(
しても運動エネルギーは余り大きくならない。従って、
従来のように径方向1次、周方向3次以上の円環の曲げ
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。Once the outer diameter of the ultrasonic motor is determined, the size of the hole in the vibrating body can be made smaller to increase the mass, and the amplitude of vibration can be increased to increase the speed. However, depending on the tolerance of the piezoelectric body There is a limit to the amplitude of vibration due to distortion.Also, since conventional ultrasonic motors use circular bending imaging with primary radial direction and tertiary or higher order circumferential direction, as shown in Figure 5, , the amplitude value suddenly becomes small near the inner circumference, and the hole in the vibrating body becomes small (
However, the kinetic energy does not increase much. Therefore,
Conventional ultrasonic motors that use annular bending imaging with a first order in the radial direction and a third order in the circumferential direction have a problem in that the output cannot be increased.
また、円環型超音波モータの撮動体は、第5図に示すよ
うに全体が撮動しているので、振動体の位置固定が困難
であり、固定によって機械的な損失は避けられない。そ
の上、外部からの負荷変動により、振動体の変位分布が
影響を受は易く、安定した駆動が得られないという問題
点もある。Furthermore, since the entire moving body of the annular ultrasonic motor is moving as shown in FIG. 5, it is difficult to fix the position of the vibrating body, and mechanical loss is unavoidable due to fixing. Furthermore, there is a problem in that the displacement distribution of the vibrating body is easily affected by external load fluctuations, making it difficult to obtain stable driving.
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、同体積で出
力が大きくでき、しかも負荷変動時にも、安定した駆動
が得られる駆動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 the above, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor with high drive efficiency, which can increase output with the same volume, and provide stable drive even when the load fluctuates.
課題を解決するための手段
撮動体として円板形の振動体を用い、振動モードとして
径方向2次、周方向3次以上の曲げ振動を用い、かつ振
動体に複数の同心円状に複数個の突起体を備える。Means for Solving the Problem A disc-shaped vibrating body is used as the imaging body, a bending vibration of 2nd order in the radial direction, 3rd order or more in the circumferential direction is used as the vibration mode, and the vibrating body has a plurality of concentric vibrations. Equipped with a protrusion.
作 用
上記の構成によれば、振動体の内側も有効に振動体の運
動エネルギーに寄与するようにし、不要な定在波を励振
することなく、容易に理想的な進行波が励振でき、−E
た、負荷変動時の径方向の変位分布の変化に対して、常
に該変位の最大点に突起体が存在するため、周方向の変
位を無駄なく増幅することができ、負荷変動時でも、安
定した動作が得られ、効率の良い超音波モータを実現す
ることができる。Effect According to the above configuration, the inside of the vibrating body also effectively contributes to the kinetic energy of the vibrating body, and ideal traveling waves can be easily excited without exciting unnecessary standing waves. E
In addition, since the protrusion always exists at the maximum point of displacement in response to changes in the radial displacement distribution during load fluctuations, circumferential displacement can be amplified without waste, resulting in stable performance even during load fluctuations. It is possible to obtain a highly efficient ultrasonic motor.
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。円板形の弾性体7の主面の一方に、圧電体
として円板形の圧電体8を貼合せて振動体10を構成し
ている。また、弾性体7の他の主面には、機械出力取り
出し用の突起体9が構成されている。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10に設置された突起体9と加圧接触
している。圧電体8に電界を印加すると振動体10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
力により駆動する。移動体13は回転軸14を中心にし
て回転運動を始める。FIG. 1 is a cutaway perspective view showing the configuration of the ultrasonic motor of the present invention. The vibrating body 10 is configured by pasting a disk-shaped piezoelectric body 8 as a piezoelectric body to one of the main surfaces of the disk-shaped elastic body 7. Further, on the other main surface of the elastic body 7, a protrusion 9 for taking out mechanical output is formed. 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 includes the friction material 11
It is in pressure contact with the protrusion 9 installed on the vibrating body 10 via. When an electric field is applied to the piezoelectric body 8, a traveling wave of bending vibration is excited in the circumferential direction of the vibrating body 10, and the movable body 13 is driven by frictional force. The moving body 13 starts rotating around the rotating shaft 14 .
第2図は径方向2次、周方向3次の曲げ振動を励振した
時の振動体10の撮動変位状態と変位分布図である。径
方向1次の振動モードを使用した時と異なり、内周部で
も変位は急に小さ(なることはない。従って、超音波モ
ータが同一体積を占有した時、径方向1次の撮動モード
を使用した時よりも、振動体10の運動エネルギーを太
き(することができ、大きな出力を取り出せる超音波モ
ータを実現できる。FIG. 2 is a photographic displacement state and a displacement distribution diagram of the vibrating body 10 when exciting secondary bending vibration in the radial direction and third order in the circumferential direction. Unlike when using the first-order radial vibration mode, the displacement suddenly becomes smaller even at the inner circumference. Therefore, when the ultrasonic motor occupies the same volume, the first-order radial imaging mode It is possible to increase the kinetic energy of the vibrating body 10 compared to when using an ultrasonic motor that can generate a large output.
また、突起体9は、同心円状に2列配置されている。こ
れは、負荷の変動によって、第2図に示した振動体10
の変位最大点が変化するため、変化する負荷に寄らず、
変位最大点上に常に突起体9が存在するように設置され
ている。例えば、低負荷時には外側の突起体が、振動体
9の変位の最大点に存在し、高負荷時には内側の突起体
が、上記変位の最大点に存在する。このように、負荷が
変動しても、振動体10の変位の最大点に突起体9が常
に存在するため、振動体10の振動を移動体13に最小
限の損失で伝えることができるため、負荷変動時におい
ても、安定した駆動かえられる。Further, the protrusions 9 are arranged in two concentric rows. This is caused by the fluctuation of the load on the vibrating body 10 shown in FIG.
Since the maximum displacement point of changes, it is independent of changing loads.
The protrusion 9 is installed so that it always exists above the maximum displacement point. For example, when the load is low, the outer protrusion exists at the maximum displacement point of the vibrating body 9, and when the load is high, the inner protrusion exists at the maximum displacement point. In this way, even if the load fluctuates, since the protrusion 9 is always present at the maximum displacement point of the vibrating body 10, the vibration of the vibrating body 10 can be transmitted to the movable body 13 with minimal loss. Stable drive change is possible even when the load fluctuates.
本発明によれば、負荷変動時にも安定した駆動が得られ
る駆動効率の良い、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 provides stable drive even when the load fluctuates, has good drive efficiency, and has a large output.
発明の効果
本発明によれば、振動モードとして径方向2次、周方向
3次の曲げ振動を用い、その上、振動体上に複数の同心
円状の突起体を複数個設置することにより、負荷変動時
にも安定した駆動が得られる駆動効率の良い、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, radial second-order and circumferential third-order bending vibrations are used as vibration modes, and a plurality of concentric protrusions are installed on the vibrating body to reduce the load. It is possible to provide an ultrasonic motor with high drive efficiency and large output that can provide stable drive even during fluctuations.
第1図は本発明の円板形超音波モータの切り欠き斜視図
、第2図は振動モードとして径方向2次、周方向3次の
曲げ振動を用いた時の振動体の振動状態と径方向の変位
分布図、第3図は円環形層音波モータの切り欠き斜視図
、第4図は第3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5図は振動モードとして径
方向1次、周方向8次の曲げ撮動を用いた時の振動体の
振動状態と径方向の変位分布図、第6図は超音波モータ
の動作原理の説明図である。
l・・・・・・弾性体、2・・・・・・圧電体、3・・
・・・・振動体、4・・・・・・摩擦材、5・・・・・
・弾性体、6・・・・・・移動体、7・・・・・・弾性
体、8・・・・・・圧電体、9・・・・・・突起体、1
0・・・・・・振動体、11・・・・・・弾性体、12
・・・・・・摩擦材、13・・・・・・移動体、14・
・・・・・回転軸。Fig. 1 is a cutaway perspective view of the disc-shaped ultrasonic motor of the present invention, and Fig. 2 shows the vibration state and diameter of the vibrating body when radial secondary and circumferential tertiary bending vibrations are used as vibration modes. Fig. 3 is a cutaway perspective view of the annular layer sound wave motor, Fig. 4 is a plan view showing the shape and electrode structure of the piezoelectric body used in the ultrasonic motor of Fig. 3, Fig. 5 6 is a diagram of the vibration state of the vibrating body and the radial displacement distribution when using bending imaging of the first order in the radial direction and the eighth order in the circumferential direction as the vibration mode, and FIG. 6 is an explanatory diagram of the operating principle of the ultrasonic motor. . l...Elastic body, 2...Piezoelectric body, 3...
... Vibrating body, 4 ... Friction material, 5 ...
- Elastic body, 6... Moving body, 7... Elastic body, 8... Piezoelectric body, 9... Protruding body, 1
0... Vibrating body, 11... Elastic body, 12
...Friction material, 13... Moving body, 14.
·····Axis of rotation.
Claims (1)
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、該振動体として円板形の振動体
を用い、振動モードとして径方向2次、周方向3次以上
の曲げ振動を用い、かつ該振動体に、複数の同心円状に
複数個の突起体を備えてい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 disk-shaped vibrating body is used as the vibrating body, a bending vibration of 2nd order in the radial direction, 3rd order or more in the circumferential direction is used as the vibration mode, and the vibrating body is provided with a plurality of concentrically arranged bending vibrations. An ultrasonic motor characterized by having a protrusion.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63173344A JPH0223076A (en) | 1988-07-12 | 1988-07-12 | ultrasonic motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63173344A JPH0223076A (en) | 1988-07-12 | 1988-07-12 | ultrasonic motor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0223076A true JPH0223076A (en) | 1990-01-25 |
Family
ID=15958681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63173344A Pending JPH0223076A (en) | 1988-07-12 | 1988-07-12 | ultrasonic motor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0223076A (en) |
-
1988
- 1988-07-12 JP JP63173344A patent/JPH0223076A/en active Pending
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