JP2506859B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/16—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
- H02N2/163—Motors with ring stator
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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
タに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic motor that uses piezoelectric material to generate driving force.
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, attention has been paid to ultrasonic motors which use elastic vibration as a driving force by exciting elastic vibration in a vibrating body using a piezoelectric body such as a piezoelectric ceramic.
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, a conventional technique of an ultrasonic motor will be described with reference to the drawings.
第６図は従来の円環型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。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。FIG. 6 is a perspective view of a conventional annular ultrasonic motor,
A vibrating body 3 is constructed by laminating an annular piezoelectric ceramic 2 as a piezoelectric body on one of the annular surfaces of the annular elastic body 1. Reference numeral 4 is a friction material made of a wear resistant material, and 5 is an elastic body, which are bonded to each other 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 to drive the moving body 6. 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てある。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。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との接触
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。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 arranged in the circumferential direction. In the figure, A and B are electrode groups each consisting of a small region corresponding to a half wavelength, C is a quarter wavelength, and D is a quarter wavelength electrode. The electrodes C and D have a phase difference of a quarter wavelength (= 90 degrees) between the electrode groups A and B. Adjacent small electrode portions in the electrodes A and B are polarized in the thickness direction opposite to each other. The contact surface of the piezoelectric body 2 with the elastic body 1 is the surface opposite to the surface shown in FIG. 7, and the electrode is a solid electrode. At the time of use, the electrode groups A and B are short-circuited and used as indicated by the hatched lines in FIG.
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 V1＝V0×sin（ωｔ） ……（１） V2＝V0×cos（ωｔ） ……（２） ただし、V0：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＝ξ0×（cos（ωｔ）×cos（kx） ＋sin（ωｔ）×sin（kx）） ＝ξ0（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 0 × sin (ωt) (1) V 2 = V 0 × cos (ωt) (2) on the electrodes A and B of the piezoelectric body 2 of the ultrasonic motor configured as described above. However, if each of the voltages V 1 and V 2 represented by V 0 : instantaneous value of voltage ω: angular frequency t: time is applied to the vibrating body 3, ξ = ξ 0 × (cos (ωt) × cos ( kx) + sin (ωt) × sin (kx)) = ξ 0 (ωt−kx) (3) where ξ: amplitude of bending vibration ξ 0 : instantaneous value of bending vibration k: wave number (2π / λ) λ : A traveling wave of bending vibration that propagates in the circumferential direction, which can be expressed as a wavelength x: position, is excited.
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
＝ω×ｕの速度で運動する様子を示している。FIG. 8 shows that the point A on the surface of the vibrating body 3 makes an elliptical motion of the long axis 2w and the short axis 2u by the excitation of the traveling wave, and the moving body 6 installed by pressing on the vibrating body 3 has an elliptical shape. By contacting in the vicinity of the apex, frictional force causes v in the direction opposite to the traveling direction of the wave.
It shows that the object moves at a speed of ω × u.
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、厚さを厚くするか、または
変位を大きくしなければならない。FIG. 9 shows the radial displacement distribution of the vibrator of the annular ultrasonic motor. In order to increase the output of the ultrasonic motor, the displacement or mass of the vibrating body may be increased to increase the kinetic energy. Once the outer diameter of the vibrating body is determined, the inner diameter must be reduced as much as possible, the thickness must be increased, or the displacement must be increased.
発明が解決しようとする問題点 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９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、厚さを厚くすれば振動体の曲げ剛性
が大きくなり変位を大きく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 However, even if the inner diameter is made smaller, the amplitude value suddenly becomes smaller as shown in FIG. 9 as the inner diameter becomes smaller, and the kinetic energy becomes smaller even if the hole of the vibrating body is made smaller. Doesn't grow much. If the thickness is increased, the bending rigidity of the vibrating body increases, and the displacement cannot be increased. Also,
The increase in displacement is limited by the fracture limit. Accordingly, there is a problem that the output of the conventional ultrasonic motor using the bending vibration of the ring cannot be increased.
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 the above, and an object of the present invention is to provide an efficient ultrasonic motor capable of increasing the output with the same volume.
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
スリットを入れ、圧電体の厚さ（ｔ）とスリット間の1/
2（ｗ）との比（w/t）が0.3〜３の比率を有する構成と
する。Means for Solving the Problems A plurality of slits are formed in the radial direction in an elastic body that constitutes the ring-shaped vibrating body, and the thickness (t) of the piezoelectric body and 1 /
The ratio (w / t) with 2 (w) has a ratio of 0.3 to 3.
作用 上記の構成により、曲げ振動を効率良く例振すること
ができ、かつ変位を大きくとり、しかも圧電体の曲げ振
動に寄与しない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提供することがで
きる。Action With the above configuration, bending vibration can be efficiently oscillated, displacement can be increased, and mechanical loss that does not contribute to bending vibration of the piezoelectric body can be reduced, resulting in a large output and high efficiency. An ultrasonic motor can be provided.
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。Embodiment Hereinafter, one embodiment 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の貼合せて振動体９
を構成している。また、弾性体７の他の主面には、スリ
ット10が構成されている。このスリット10により、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による進
行波が励振され、移動体13を摩擦力で駆動することによ
り、移動体13は回転運動を始める。FIG. 1 is a cutaway perspective view showing the configuration of an ultrasonic motor according to the present invention. A ring-shaped piezoelectric ceramic 8 as a piezoelectric body is bonded to one of the main surfaces of the ring-shaped elastic body 7 to form a vibrating body 9.
Is composed. A slit 10 is formed on the other main surface of the elastic body 7. The slit 10 can reduce the bending rigidity in the traveling direction of the bending vibration. Reference numeral 11 is a friction material made of a wear resistant material, and 12 is an elastic body, which are bonded to each other 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 to drive it, a traveling wave due to bending vibration is excited in the circumferential direction of the vibrating body 9, and the moving body 13 is driven by a frictional force, so that the moving body 13 starts rotational movement.
第２図は振動体９の側面図で、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
く異なる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。第３図
は、第２図中に示したスリット間の1/2（ｗ）と圧電体
の厚み（ｔ）との比（w/t）をパラメータとした時の圧
電体の厚みと歪み率との関係を、厚み0.3mmの試料につ
いて示したものである。同図より、比が0.1のときに
は、すぐに歪み率が飽和し、ほとんどが圧電体の伸縮の
ためにエネルギーが消費されている。また、比が５以上
では曲げ振動に寄与する歪み率が小さく効率が悪い。一
方、比が0.3〜３好ましくは1.0の時に、最大の歪み率つ
まり最大の曲げ振動を生じる事がわかった。また、第２
図の14は、比を0.3〜３として圧電体８上のスリット10
に対応して設けた駆動電極である。上記に述べたように
スリット10の入っていない部分では曲げ剛性が大きいた
め殆ど変位することができず、この部分を駆動しても損
失になるのみである。FIG. 2 is a side view of the vibrating body 9. Since the thickness of the vibrating body 9 is greatly different between the portion where the slit 10 is provided and the portion where the slit 10 is not provided, the bending rigidity is greatly different between both, and most of the bending vibration is It is displaced at the slit 10. FIG. 3 shows the piezoelectric body thickness and strain rate when the ratio (w / t) of 1/2 (w) between the slits and the piezoelectric body thickness (t) shown in FIG. 2 is used as a parameter. Is shown for a sample with a thickness of 0.3 mm. From the figure, when the ratio is 0.1, the strain rate immediately saturates, and most of the energy is consumed due to expansion and contraction of the piezoelectric body. If the ratio is 5 or more, the strain rate that contributes to bending vibration is small and the efficiency is poor. On the other hand, it has been found that when the ratio is 0.3 to 3, preferably 1.0, the maximum strain rate, that is, the maximum bending vibration occurs. Also, the second
14 in the figure shows the slit 10 on the piezoelectric body 8 with the ratio of 0.3 to 3.
Is a drive electrode provided corresponding to. As described above, the portion where the slit 10 is not provided has a large bending rigidity, so that it cannot be displaced, and even if this portion is driven, only a loss occurs.
第４図に比が1.0（実線）と5.0（点線）時のφ50mmの
円環形超音波モータの効率とトルクの関係を示す。同図
によれば、スリット間の1/2（ｗ）と圧電体の厚み
（ｔ）との比（w/t）を最適化することにより、大幅に
効率の向上がはかれる事がわかる。Fig. 4 shows the relationship between the efficiency and torque of the φ50 mm annular ultrasonic motor when the ratio is 1.0 (solid line) and 5.0 (dotted line). According to the figure, it is understood that the efficiency can be significantly improved by optimizing the ratio (w / t) of 1/2 (w) between the slits and the thickness (t) of the piezoelectric body.
第５図は、１具体例における振動体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上にスリット間の1/2（ｗ）と圧
電体の厚み（ｔ）との比（w/t）が0.3〜３になる様に駆
動電極14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＋−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つの小電極は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
９に曲げ振動の進行波を励振することができる。曲げ振
動の変位が最大で、かつ最大効率となる、例えば、スリ
ット間の1/2（ｗ）と圧電体の厚み（ｔ）との比（w/t）
を0.3〜３で振動体９を駆動するので、効率の良い駆動
ができる。FIG. 5 is a plan view of the elastic body 7 and the piezoelectric body 8 constituting the vibrating body 9 in one specific example. A drive electrode corresponding to the slit of the elastic body 7 so that the ratio (w / t) of 1/2 (w) between the slits and the thickness (t) of the piezoelectric body 8 is 0.3 to 3 on the piezoelectric body 8. 14 are configured. The back side of the piezoelectric body 8 is a solid electrode, and the + and-signs in the figure indicate the direction of polarization.
Eight slits of the elastic body 7 are put in a length corresponding to one wavelength. Therefore, the four small electrodes correspond to one-half wavelength.
If the small electrodes are connected as shown in the figure, two drive electrode groups E and F whose phases are spatially different by a quarter wavelength can be formed. By applying two voltages, a sin wave and a cos wave, which are 90 degrees out of phase with each other to this electrode group, a traveling wave of bending vibration can be excited in the vibrating body 9. The displacement of bending vibration is maximum and the efficiency is maximum. For example, the ratio (w / t) of 1/2 (w) between slits and the thickness (t) of the piezoelectric body.
Since the vibrating body 9 is driven at 0.3 to 3, efficient driving can be performed.
本発明によれば、スリット間の1/2（ｗ）と圧電体の
厚み（ｔ）との比（w/t）を最適化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。According to the present invention, an ultrasonic motor having high efficiency and high output is provided by optimizing the ratio (w / t) of 1/2 (w) between the slits and the thickness (t) of the piezoelectric body. it can.
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、
スリットを径方向に設け、スリット間の1/2（ｗ）と圧
電体の厚み（ｔ）との比（w/t）を0.3〜３と最適化して
振動体を構成することにより、効率の大幅な向上と出力
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, an elastic body that constitutes a ring-shaped vibrator,
By providing slits in the radial direction and optimizing the ratio (w / t) of 1/2 (w) between the slits and the thickness (t) of the piezoelectric body to 0.3 to 3, the efficiency is improved by constructing the vibrator. It is possible to provide an ultrasonic motor with a large improvement and a large output.
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図はスリット間の1/2（ｗ）と圧電体の厚み
（ｔ）との比（w/t）をパラメータとした時の、圧電体
の厚みと歪み率の関係を示す図、第４図は比が１と５に
おける効率とトルクの関係を示す図、第５図（ａ）およ
び（ｂ）は弾性体とそれに対応した圧電体の平面図、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。FIG. 1 is a cutaway perspective view of an annular ultrasonic motor of the present invention, FIG. 2 is a side view of a vibrating body driven only in the vicinity of slits, and FIG. 3 is 1/2 (w) between slits and a piezoelectric element. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the thickness of the piezoelectric body and the strain rate when the ratio (w / t) to the body thickness (t) is used as a parameter. FIG. 4 shows the relationship between efficiency and torque when the ratio is 1 and 5. 5 (a) and 5 (b) are plan views of an elastic body and a piezoelectric body corresponding thereto, FIG. 6 is a cutaway perspective view of a conventional annular ultrasonic motor, and FIG. 7 is FIG. Fig. 8 is a plan view showing the shape and electrode structure of the piezoelectric body used in the ultrasonic motor of Fig. 8, Fig. 8 is an explanatory diagram of the operating principle of the ultrasonic motor, and Fig. 9 is the vibration state of bending vibration of the vibrating body and the radial displacement. There is a distribution map. 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.
Claims (1)
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の径方向に複数
個のスリットと前記スリットに対応した前記圧電体上に
駆動電極を設け、前記圧電体の厚さ（ｔ）と前記スリッ
ト間の1/2（ｗ）との比（w/t）を0.3〜３としたことを
特徴とする超音波モータ。1. A movement installed in contact with the vibrating body by driving the piezoelectric body with an alternating voltage to excite an elastic traveling wave in the vibrating body composed of the piezoelectric body and the elastic body. In an ultrasonic motor for moving a body, a ring-shaped vibrating body is used as the vibrating body, bending vibration is used as the traveling wave, and a plurality of slits and the slits are formed in a radial direction of the elastic body forming the vibrating body. Drive electrodes are provided on the piezoelectric body corresponding to, and the ratio (w / t) between the thickness (t) of the piezoelectric body and 1/2 (w) between the slits is set to 0.3 to 3. And ultrasonic motor.
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| JPH01148083A (en) | 1989-06-09 |
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