JP2537848B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- 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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic motor that uses a piezoelectric body to generate a 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。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. 5 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。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 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 bonding surface of the piezoelectric body 2 with the elastic body 1 is the surface opposite to the surface shown in FIG. 6, 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×cos（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 the voltages V 1 and V 2 represented by V 0 : instantaneous value of voltage ω: angular frequency t: time are respectively applied, ξ = ξ 0 × (cos (ωt) × cos ( kx) + sin (ωt) × sin (kx) = ξ 0 × cos (ωt-kx) ...... (3) However, ξ: bending amplitude value of the vibration ξ 0: bending the instantaneous value k of the vibration wave number (2π / λ ) Λ: Wavelength x: A traveling wave of bending vibration that propagates in the circumferential direction, which can be expressed as a position, is 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
＝ω×ｕの速度で運動する様子を示している。FIG. 7 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.
発明が解決しようとする問題点 第８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が、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 FIG. 8 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 displacement or mass of the vibrating body may be increased to increase the kinetic energy. Once the outside diameter of the vibrating body is determined, the inside diameter should be made as small as possible, but the thickness should be increased or the displacement should be increased. However, even if the inner diameter is made smaller, the amplitude value suddenly becomes smaller as shown in FIG. 8 as the inner diameter becomes smaller, and the kinetic energy does not become so large even if the hole of the vibrating body is made smaller. If the thickness is increased, the bending rigidity of the vibrating body increases, and the displacement cannot be increased. The upper limit of the displacement increase is determined 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 上記目的を達成するために、本発明の超音波モータ
は、圧電体を交流電圧で駆動して、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、振動体に加圧接触して設置された移動体を移動させ
る超音波モータであって、振動体として円環形の振動体
を用い、弾性進行波として曲げ振動を用い、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、振動体を構成する圧電体の駆動電極がスリット
に相対する近傍のみの部分に形成されているか、圧電体
がスリットに相対する近傍のみの部分に構成されている
ことを特徴とするものである。Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, an ultrasonic motor of the present invention drives a piezoelectric body with an alternating voltage to cause an elastic traveling wave in a vibrating body composed of the piezoelectric body and an elastic body. Is an ultrasonic motor that moves a moving body that is placed in pressure contact with a vibrating body by exciting a ring-shaped vibrating body as a vibrating body and bending vibration as an elastic traveling wave. A plurality of slits having a constant width in the radial direction are inserted in the elastic body forming the body, and the driving electrode of the piezoelectric body forming the vibrating body is formed only in the vicinity of the slit, or the piezoelectric body is formed. It is characterized in that it is formed only in the vicinity of the slit.
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。Bending vibration can be efficiently excited by making the width of the slit of the elastic body that constitutes the working ring-shaped vibrating body constant and driving only in the vicinity of the slit.
In addition, the mechanical loss of the vibrating body can be reduced, resulting in a large output, and an efficient ultrasonic motor can be realized.
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、見掛け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 an ultrasonic motor according to the present invention. A ring-shaped piezoelectric ceramic 8 is bonded to one of the main surfaces of the ring-shaped elastic body 7 as a piezoelectric body to form a vibrating body 9.
Is composed. On the other main surface of the elastic body 7, a slit 10 having a constant width is formed. The slit 10 can apparently 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 the piezoelectric body 8 is driven by applying an electric field, a traveling wave of bending vibration is excited in the circumferential direction of the vibrating body 9, the moving body 13 is driven by a frictional force, and the moving body 13 starts rotational movement.
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
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 greatly different between the portion with the slit 10 and the portion without the slit 10, and therefore the bending rigidity is greatly different between both, and most of the bending vibration is displaced at the slit 10. The slit 10 provided in the radial direction of the elastic body 7 has a constant width. Thereby, the driving in the slit portion performs the same operation as the rectangular bonding element, and the mechanical loss is smaller than that in a case where the widths of the slits on the inner and outer circumferences can be regarded as equivalently fan-shaped bonding elements. Can be driven.
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 described above, the portion where the slit 10 is not formed has a large bending rigidity, so that it cannot be changed, and even if this portion is driven, only a loss occurs. Therefore, the drive electrode 14 is provided only in the portion including the slit 10 so that it is driven only in the vicinity of the slit 10.
As a result, it is possible to excite a traveling wave with a small loss.
第３図はスリットの近傍でのみ駆動する一具体例の振
動体９を示しており、同図（ａ）は振動体９を構成する
弾性体７の平面図であり、同図（ｂ）は振動体９を構成
する圧電体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は厚さ方向に分極されており、同図（ｂ）に示した
面の裏面はベタ電極であり、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。曲げ振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 shows a vibrating body 9 of one specific example which is driven only near the slit. FIG. 3A is a plan view of the elastic body 7 constituting the vibrating body 9, and FIG. 3 is a plan view of a piezoelectric body 8 that constitutes a vibrating body 9. FIG. The piezoelectric body 8 is provided with a drive electrode corresponding to the slit of the elastic body 7. The piezoelectric body 8 is polarized in the thickness direction, the back surface of the surface shown in FIG. 7B is a solid electrode, and the +/- sign in the drawing indicates the direction of polarization. Eight slits of the elastic body 7 are put in a length corresponding to one wavelength. Therefore, four small electrodes correspond to a 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. Since the vibrating body is driven only in the vicinity of the slit that covers most of the bending vibration, efficient driving can be performed.
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 a vibrating body of another specific example which is driven only near the slit. In the figure, in order to drive the vibrating body only near the slit 10, the piezoelectric body 15 is formed only near 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 having high efficiency and high 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, an elastic body that constitutes a ring-shaped vibrator,
By providing a slit having a constant width in the radial direction and driving the vibrating body only near the slit, it is possible to provide an ultrasonic motor having high efficiency and high 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。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 near a slit, and FIG. 3 is a plan view of an elastic body and a piezoelectric body corresponding thereto. , FIG. 4 is a side view of another vibrating body which is driven only near the slit, FIG. 5 is a cutaway perspective view of a conventional annular ultrasonic motor, and FIG. 6 is for the ultrasonic motor of FIG. FIG. 7 is a plan view showing the shape of the piezoelectric body and the electrode structure, FIG. 7 is an explanatory view of the operation principle of the ultrasonic motor, and FIG. 8 is a vibration state of bending vibration of the vibrating body and a radial displacement distribution chart. 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、前記振動体に加圧接触して設置された移
動体を移動させる超音波モータであって、 前記振動体として円環形の振動体を用い、前記弾性進行
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、径方向に複数個の幅が一定なスリットを入れ、
前記振動体を構成する前記圧電体の駆動電極が前記スリ
ットに相対する近傍のみの部分に形成されているか、前
記圧電体が前記スリットに相対する近傍のみの部分に構
成されていることを特徴とする超音波モータ。1. A piezoelectric body is driven by an alternating voltage to excite an elastic traveling wave into a vibrating body composed of the piezoelectric body and an elastic body, so that the vibrating body is placed in pressure contact with the vibrating body. An ultrasonic motor for moving a moving body, wherein a circular ring-shaped vibrating body is used as the vibrating body, and bending vibration is used as the elastic traveling wave, and a plurality of elastic bodies constituting the vibrating body are radially arranged. Insert a slit with a constant width,
The drive electrode of the piezoelectric body that constitutes the vibrating body is formed only in a portion near the slit, or the piezoelectric body is configured only in a portion near the slit. Ultrasonic motor to do.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP62072435A JP2537848B2 (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Ultrasonic motor |
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| JPS63240381A JPS63240381A (en) | 1988-10-06 |
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| JP62072435A Expired - Lifetime JP2537848B2 (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Ultrasonic motor |
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-
1987
- 1987-03-26 JP JP62072435A patent/JP2537848B2/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
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| JPS63240381A (en) | 1988-10-06 |
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