JPH01291674A - Ultrasonic vibrator and ultrasonic motor - Google Patents
Ultrasonic vibrator and ultrasonic motorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野コ
本発明は、超音波振動子及びその超音波振動子を利用し
た定在波型超音波モータに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an ultrasonic vibrator and a standing wave type ultrasonic motor using the ultrasonic vibrator.
し従来技術]
従来、超音波モータは進行波型モータと定在波型モータ
とに大別される。超音波モータの基本動作原理は、略楕
円運動が励起される超音波振動子に対して所定圧力で可
動子を当接させ、略楕円運動する各質点と可動子との摩
擦力により可動子を駆動するものである。定在波型超音
波振動子は、高効率振動を実現する構成が得やすいため
に、定在波型モータは進行波型モータに比較して高効率
。BACKGROUND ART Conventionally, ultrasonic motors are broadly classified into traveling wave motors and standing wave motors. The basic operating principle of an ultrasonic motor is that a movable element is brought into contact with a predetermined pressure against an ultrasonic vibrator that is excited in approximately elliptical motion, and the movable element is moved by the frictional force between each mass point moving approximately in an elliptical motion and the movable element. It is something that is driven. Standing wave type ultrasonic vibrators can easily be configured to achieve high-efficiency vibration, so standing wave type motors are more efficient than traveling wave type motors.
大出力という長所がある。It has the advantage of high output.
[発明か解決しようとする課題]
しかしたがら、従来の超音波振動子では、その構造上、
得られる超音波振動には限界があった。[Problem to be solved by the invention] However, in the conventional ultrasonic transducer, due to its structure,
There were limits to the amount of ultrasonic vibration that could be obtained.
従って、従来の超音波振動子を用いた超音波モータもま
た、その高出力、高効率化1回転方向・回転数の変化、
負荷変動に対する制御性の向上等を併せもつことには限
界があった。Therefore, ultrasonic motors using conventional ultrasonic vibrators also have high output, high efficiency, changes in direction and rotation speed per rotation,
There was a limit to the ability to improve controllability against load fluctuations.
本発明は上述した問題点を解決するなめになされたもの
であり、その目的は、強力な超音波振動を効率よく発生
すると同時に高度の制御性を有する超音波振動子を提供
することにあり、さらにその超音波振動子を利用した大
出力可能な超音波モータを提供することにある。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide an ultrasonic vibrator that efficiently generates powerful ultrasonic vibrations and at the same time has a high degree of controllability. Furthermore, it is an object of the present invention to provide an ultrasonic motor that utilizes the ultrasonic vibrator and is capable of high output.
[課題を解決するための手段〕
この目的を達成するために、本発明の超音波振動子の構
成は、基部弾性体を設け、その基部弾性体に複数の電気
機械変換素子を収り付け、前記基部弾性体上であって前
記電気機は変換素子によって発生される定在波の節点が
存在する部分の近傍から、前記定在波のi&幅方向に延
出した片持ちはり状弾性体を設けている。[Means for Solving the Problem] In order to achieve this object, the configuration of the ultrasonic transducer of the present invention is such that a base elastic body is provided, a plurality of electromechanical transducers are housed in the base elastic body, On the base elastic body, the electric machine has a cantilever-like elastic body extending in the i&width direction of the standing wave from the vicinity of the part where the node of the standing wave generated by the conversion element exists. It is set up.
また、本発明の超音波モータは、前記超音波振動子と、
前記定在波を含む平面と略直交する方向の振動を前記片
持ちはり状弾性体に励振する第2の電気機械変換素子と
、前記片持ちはり状弾性体に圧接された可動子とを備え
ている。Further, the ultrasonic motor of the present invention includes the ultrasonic vibrator;
A second electromechanical transducer that excites vibration in a direction substantially perpendicular to a plane containing the standing wave in the cantilever-shaped elastic body, and a movable element that is pressed against the cantilever-shaped elastic body. ing.
また、基部弾性体を固定する基台を設け、その基部弾性
体と基台を結合する位置を、前記電気機械変換素子によ
って発生される定在波の節点が存在する部分にしている
。Further, a base for fixing the base elastic body is provided, and the position where the base elastic body and the base are coupled is a portion where a node of a standing wave generated by the electromechanical transducer exists.
[伴用コ
上記の構成を有する本発明の超音波振動子では、電気機
械変換素子を振動させることによって、基部弾性体に定
在波を発生させる。片持ちはり状弾性体の延出している
位置が、基部弾性体上に存在する定在波の節点付近にあ
るため、片持ちはり状弾性体3の自由端の変位が最も大
きくなり、効率よく片持ちはり状弾性体に超音波振動を
発生させることができる。In the ultrasonic transducer of the present invention having the above configuration, a standing wave is generated in the base elastic body by vibrating the electromechanical transducer. Since the extending position of the cantilever-shaped elastic body is near the node of the standing wave existing on the base elastic body, the displacement of the free end of the cantilever-shaped elastic body 3 is the largest, and it can be efficiently Ultrasonic vibrations can be generated in the cantilevered elastic body.
また、本発明の超音波モータでは、前記超音波振動子に
よって励振される超音波振動と、第2の電気機械変換素
子によって励振される超音波振動を複合することによっ
て前記片持ちはり状弾性体先端に略楕円運動が発生され
る。その略楕円運動によって、前記片持ちはり状弾性体
に圧接させられた可動子が回転する。Further, in the ultrasonic motor of the present invention, the cantilever-like elastic body is A substantially elliptical motion is generated at the tip. Due to the approximately elliptical motion, the movable element pressed against the cantilevered elastic body rotates.
また、前記電気機械変換素子によって発生する定在波の
節点が存在する部分は、振幅が最も小さいので、結合手
段は基部弾性体の振動を減衰させることなく基台と基部
弾性体とを結合することができる。Further, since the amplitude of the portion where the node of the standing wave generated by the electromechanical transducer exists is the smallest, the coupling means couples the base and the base elastic body without attenuating the vibration of the base elastic body. be able to.
[実施例]
以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。[Example] Hereinafter, an example embodying the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は超音波モータの横断面図であり、第2図は本実
施例の超音波振動子の構成を示す斜視図である。先ず、
本実施例の構成を説明すると、第1図に示すように第1
ハウジング体1a及び第2ハウジング体1bよりなる中
空状に形成されたモータ本体1の上部内壁面には、基台
としての円筒状の固定部2が突設されている。その固定
部2には円環形状の基部弾性体3が、その基部弾性体3
の所定位置に突設されたねじ孔3a部分において結合手
段としてのボルト4によって固定されている。このボル
ト4は、後述するように基部弾性体3に定在波が発生す
る時に、その定在波の節点の位置で固定部2と基部弾性
体3を固定するようになっている。また、基部弾性体3
上であって、前記定在波の節点のうちの1周期毎の節点
が存在する部分の近傍からは、4本の片持ちはり状弾性
体5が、基部弾性体3の径方向、すなわち、前記定在波
の振幅方向に延出している。固定部2と基部弾性体3の
間には、円環形状を有する厚さ振動モードの圧電素子6
が着設されている。該圧電素子6に印加される交流電圧
によって片持ちはり状弾性体4に上下方向の曲げ振動が
励振される。FIG. 1 is a cross-sectional view of the ultrasonic motor, and FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the ultrasonic vibrator of this embodiment. First of all,
To explain the configuration of this embodiment, as shown in FIG.
A cylindrical fixing portion 2 serving as a base is protruded from an upper inner wall surface of a hollow motor body 1 formed of a housing body 1a and a second housing body 1b. The fixed part 2 has an annular base elastic body 3, and the base elastic body 3 has an annular shape.
It is fixed by a bolt 4 as a coupling means at a screw hole 3a protruding from a predetermined position. This bolt 4 is designed to fix the fixing part 2 and the base elastic body 3 at the position of the node of the standing wave when a standing wave is generated in the base elastic body 3 as described later. In addition, the base elastic body 3
Above, from the vicinity of the portion where the node of each period among the nodes of the standing wave exists, four cantilever-shaped elastic bodies 5 are arranged in the radial direction of the base elastic body 3, that is, It extends in the amplitude direction of the standing wave. Between the fixed part 2 and the base elastic body 3, there is a piezoelectric element 6 having an annular shape and having a thickness vibration mode.
has been installed. The alternating current voltage applied to the piezoelectric element 6 excites vertical bending vibrations in the cantilever-shaped elastic body 4 .
第2図に示すように、基部弾性#:3の中心内孔側面に
は長さ振動モードの圧電素子7を8個@設させ、それら
はとなり合った圧電素子の振動位相が逆になるように配
置されている。該圧電素子7に印加される交流電圧によ
って基部弾性体4に径方向の曲は振動か励振される。As shown in Fig. 2, eight length vibration mode piezoelectric elements 7 are installed on the side surface of the center inner hole of base elasticity #3, and they are arranged so that the vibration phases of adjacent piezoelectric elements are opposite to each other. It is located in The alternating current voltage applied to the piezoelectric element 7 causes the base elastic body 4 to vibrate or to bend in the radial direction.
なお、本発明の超音波振動子は、前記基部弾性体3と片
持はり状弾性体4と圧電素子7とによって構成されてい
る。The ultrasonic transducer of the present invention is constituted by the base elastic body 3, the cantilever-shaped elastic body 4, and the piezoelectric element 7.
第1図に示すように、前記固定部2には出力軸8か挿通
され、その下部には板はね止め8aが形成されている。As shown in FIG. 1, an output shaft 8 is inserted through the fixing portion 2, and a plate spring stopper 8a is formed at the bottom of the output shaft 8.
又、可動子としてのロータ9は、出力軸8に嵌合されて
いる。板ばね止め8aとロータ9との間には緩衝体10
と板ばね11か介装され、その板はね11の力によりロ
ータ9か前記各片持はり状弾性体5に圧接されている。Further, the rotor 9 as a movable element is fitted to the output shaft 8. A buffer body 10 is provided between the leaf spring stopper 8a and the rotor 9.
A leaf spring 11 is also interposed, and the force of the leaf 11 presses the rotor 9 against each of the cantilever-like elastic bodies 5.
モータ本体1の上部と底部には、前記出力軸8をモータ
本体1に対して回転可能に支持するための軸受12及び
13が装着されている。Bearings 12 and 13 are mounted on the top and bottom of the motor body 1 to rotatably support the output shaft 8 relative to the motor body 1.
第3図(a)、(b)乃至(c)は、片持ちはり状弾性
体5及び基部弾性体3の振動動作を概念的に示す図であ
る。第3図(a)に示すように長さ′fR動モードの圧
電素子7を基部弾性体3に貼りつけ、となり合った圧電
素子の振動位相か逆になるように配置した。圧電素子7
に電圧を印加すると、第3図(b)のように基部弾性体
3は前記圧電素子7が仲ひたflJ!Iは谷になり、縮
んだ側は山となりたわみか生じる。圧電索子7に印加す
る電圧の極性を反転すると、第3図(C)に示すように
基部弾性体3のたわみも反転する。従って圧電索子7に
交流電圧を印加すれば、基部弾性体3にはその径方向(
第3図においては上下方向)に振動する定在波が発生し
、片持はり状弾性体5には周方向の定常波が発生する。3(a), (b) to (c) are diagrams conceptually showing the vibration motion of the cantilever beam-like elastic body 5 and the base elastic body 3. FIG. As shown in FIG. 3(a), a piezoelectric element 7 having a length 'fR motion mode was attached to the base elastic body 3 and arranged so that the vibration phases of adjacent piezoelectric elements were opposite to each other. Piezoelectric element 7
When a voltage is applied to , as shown in FIG. 3(b), the base elastic body 3 causes the piezoelectric element 7 to move between flJ! I becomes a valley, and the contracted side becomes a mountain, creating a deflection. When the polarity of the voltage applied to the piezoelectric cord 7 is reversed, the deflection of the base elastic body 3 is also reversed, as shown in FIG. 3(C). Therefore, if an AC voltage is applied to the piezoelectric cord 7, the base elastic body 3 will be applied in its radial direction (
A standing wave vibrating in the vertical direction (in FIG. 3) is generated, and a standing wave in the circumferential direction is generated in the cantilever-shaped elastic body 5.
このとき、片持ちはり状弾性体5の延出している位置が
、基部弾性体3上に存在する前記定在波の節点付近にあ
るため、片持ちはり状弾性体5の自由端は、基部弾性体
3の周方向(第3図においては左右方向)への変位が最
ら大きくなり、一番効率よく片持はり状弾性fk5に周
方向の定常波を発生することができる。At this time, since the extending position of the cantilever beam-shaped elastic body 5 is near the node of the standing wave existing on the base elastic body 3, the free end of the cantilever beam-shaped elastic body 5 is located on the base elastic body 3. The displacement of the elastic body 3 in the circumferential direction (horizontal direction in FIG. 3) is the largest, and a standing wave in the circumferential direction can be generated in the cantilever-shaped elastic fk5 most efficiently.
又、基部弾性体3と固定部2を、前記基部弾性体3上に
存在する前記定在波の節点においてポルト5で固定すれ
ば、結合部分の振幅か小さいことから、他の部分で固定
するのに比べ基部弾性体3の振動をほとんど減衰せずに
固定できる。なお、片持ちはり状弾性体5の長さや形状
は、ロータ9との接触部分における振幅が最大となるよ
うに、片持はり状弾性体5の材質や圧電素子7に印加さ
れる交流電圧の周波数等の条件により選定される。Moreover, if the base elastic body 3 and the fixing part 2 are fixed at the port 5 at the node of the standing wave existing on the base elastic body 3, the amplitude of the connected part is small, so it is fixed at another part. Compared to the above, the vibration of the base elastic body 3 can be fixed with almost no damping. The length and shape of the cantilever-shaped elastic body 5 are determined based on the material of the cantilever-shaped elastic body 5 and the AC voltage applied to the piezoelectric element 7 so that the amplitude at the contact portion with the rotor 9 is maximized. Selection is made based on conditions such as frequency.
又、片持ちはり状弾性体5は、ロータ9を回転させる際
に、振動を打ち消しあわないように、第3図に示すよう
に基部弾性体上に存在する定在波の一周期毎の節点が存
在する部分の近傍から延出し°ζいる。尚、圧電素子7
は、各圧電素子の分極方向が一致するように設定し、と
なり合った圧電素子の印加電圧位相が逆になるよう交流
電圧を印加することも可能である。In addition, the cantilever-shaped elastic body 5 is arranged so that when the rotor 9 is rotated, the nodes of each period of the standing waves existing on the base elastic body are arranged so that the vibrations do not cancel each other out. Extends from the vicinity of the part where it exists. Furthermore, the piezoelectric element 7
It is also possible to set the polarization directions of each piezoelectric element to match, and apply an alternating current voltage so that the applied voltage phases of adjacent piezoelectric elements are opposite.
次に、ロータ9を回転させる場合は、圧電素子6に交流
電圧を印加して、基部弾性体3を励振すると、各片持は
り状弾性体5には上下方向の振動が励起される。さらに
、圧電素子7に交流電圧を印加して、前記基部弾性体5
を励振すると、前述したように、該片持はり状弾性体5
には周方向の振動か励起される。Next, when rotating the rotor 9, when an alternating current voltage is applied to the piezoelectric element 6 and the base elastic body 3 is excited, each cantilever-like elastic body 5 is excited to vibrate in the vertical direction. Further, by applying an AC voltage to the piezoelectric element 7, the base elastic body 5
When excited, as described above, the cantilever-shaped elastic body 5
Circumferential vibrations are excited.
すると、各片持はり状弾性体5の先端は、前記上下方向
及び周方向の振動の複合により発生する略楕円軌跡に沿
って振動され、その略楕円振動に基づいてロータ9及び
出力fill 8か一体に所定方向へ回転される。そし
て、その凹転運度及び方向は、各圧電索子6及び7に印
加される電圧位相を調整することによって任意に変更さ
れる。Then, the tip of each cantilever-like elastic body 5 is vibrated along a substantially elliptical locus generated by the combination of the vertical and circumferential vibrations, and the rotor 9 and the output fill 8 are vibrated based on the substantially elliptical vibration. They are rotated together in a predetermined direction. The concave rotation degree and direction can be arbitrarily changed by adjusting the voltage phase applied to each piezoelectric cable 6 and 7.
本発明は、以上詳述した本実施例に限定されるものでは
なく、その趣旨を逸脱したい範囲において種々の変更を
加えることができる。例えば、上記実施例では基部弾性
体の形状を円環形状とする例について説明したか、定在
波が発生するものならばその形状は円環形状に限定され
るものではなく、例えば四角柱・六角柱形状でもよい。The present invention is not limited to the present embodiment described in detail above, and various changes can be made within the scope of the invention. For example, in the above embodiment, the shape of the base elastic body is an annular shape, but the shape is not limited to an annular shape as long as a standing wave is generated. A hexagonal column shape may be used.
又、基部弾性体を直方体形状にして、本発明の超音波振
動子をリニア超音波モータに応用することも可能である
。又、圧電素子は、基部弾性体の内孔側面に@設されて
いるが、外周面上に着設してもよい。It is also possible to apply the ultrasonic vibrator of the present invention to a linear ultrasonic motor by making the base elastic body into a rectangular parallelepiped shape. Further, although the piezoelectric element is provided on the side surface of the inner hole of the base elastic body, it may be provided on the outer peripheral surface.
また、超音波振動子の駆動素子として圧電素子を使用し
たか、これに限定されるものでなく、電気エネルギーを
機械エネルギーに変換できるその他の素子、例えば電歪
素子、磁歪索子等を用いてらよい。In addition, a piezoelectric element is used as a driving element of the ultrasonic transducer, or other elements capable of converting electrical energy into mechanical energy, such as an electrostrictive element, a magnetostrictive cord, etc. are used, but are not limited to this. good.
[発明の効果コ
本発明の超音波振動子によれば、超音波源として強力な
超音波振動を効率よく発生させることができる。又、本
発明の超音波モータは、上記超音波振動子を好適に利用
することにより大出力を可能とする。又、電気機械変換
素子によって発生される定在波の節点が存在する部分で
、基部弾性体と基台とを結合する手段を用いると、基部
弾性体の振動の減衰を小さく超音波振動子を固定できる
。[Effects of the Invention] According to the ultrasonic vibrator of the present invention, powerful ultrasonic vibrations can be efficiently generated as an ultrasonic source. Further, the ultrasonic motor of the present invention enables large output by suitably utilizing the ultrasonic vibrator. In addition, if a means is used to connect the base elastic body and the base at the part where the node of the standing wave generated by the electromechanical transducer exists, the vibration of the base elastic body can be reduced attenuation and the ultrasonic vibrator can be Can be fixed.
第1図から第3図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第1図は本発明を適用する実施例の超音波モ
ータの断面図、第2図は実施例の超音波モータを構成す
る超音波振動子の斜視図、第3図は実施例の超音波振動
子の振動動作を概念的に示す図である。
図中、1はモータ本体、2は固定部、3は基部弾性体、
4はボルト、5は片持梁状弾性体、6は圧電素子(厚み
振動モード)、7は圧電素子(長さ振動モード)、8は
出力軸、8aは板ばね止め、9はロータ、10は緩衝体
、11は板ばね、12゜13は軸受である。1 to 3 show embodiments embodying the present invention. FIG. 1 is a sectional view of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a perspective view of the ultrasonic vibrator constituting the motor, and is a diagram conceptually showing the vibration operation of the ultrasonic vibrator of the embodiment. In the figure, 1 is the motor body, 2 is the fixed part, 3 is the base elastic body,
4 is a bolt, 5 is a cantilever-shaped elastic body, 6 is a piezoelectric element (thickness vibration mode), 7 is a piezoelectric element (length vibration mode), 8 is an output shaft, 8a is a plate spring stopper, 9 is a rotor, 10 11 is a leaf spring, and 12 and 13 are bearings.
Claims (3)
波を励振する複数の電気機械変換素子と、前記基部弾性
体上であって、前記電気機械変換素子によって発生され
る定在波の節点が存在する部分の近傍から、前記定在波
の振幅方向に延出した片持はり状弾性体と を備えることを特徴とする超音波振動子。1. a base elastic body; a plurality of electromechanical transducers attached to the base elastic body to excite standing waves in the base elastic body; An ultrasonic transducer comprising: a cantilever-like elastic body extending in the amplitude direction of the standing wave from near a portion where a node of the standing wave exists.
持ちはり状弾性体に励振する第2の電気機械変換素子と
、 前記片持はり状弾性体に圧接された可動子とを備えるこ
とを特徴とする超音波モータ。2. The ultrasonic transducer according to claim 1; a second electromechanical transducer that excites the cantilever-shaped elastic body with vibration in a direction substantially perpendicular to a plane containing the standing wave; and the cantilever-shaped elastic body. An ultrasonic motor comprising: a movable element pressed against an elastic body.
つて発生される定在波の節点が存在する部分にて、基部
弾性体と基台とを結合する結合手段と を備えることを特徴とする請求項2記載の超音波モータ
。3. a base; and a coupling means for coupling the base elastic body and the base at a portion on the base elastic body where a node of a standing wave generated by the electromechanical transducer exists. The ultrasonic motor according to claim 2, further comprising: an ultrasonic motor according to claim 2;
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63117827A JPH01291674A (en) | 1988-05-13 | 1988-05-13 | Ultrasonic vibrator and ultrasonic motor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63117827A JPH01291674A (en) | 1988-05-13 | 1988-05-13 | Ultrasonic vibrator and ultrasonic motor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01291674A true JPH01291674A (en) | 1989-11-24 |
Family
ID=14721226
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63117827A Pending JPH01291674A (en) | 1988-05-13 | 1988-05-13 | Ultrasonic vibrator and ultrasonic motor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH01291674A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5041750A (en) * | 1989-12-15 | 1991-08-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Vibration wave driven apparatus |
US6104123A (en) * | 1997-09-22 | 2000-08-15 | Nikon Corporation | Vibration actuator having a supporting member to support a vibration member |
-
1988
- 1988-05-13 JP JP63117827A patent/JPH01291674A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5041750A (en) * | 1989-12-15 | 1991-08-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Vibration wave driven apparatus |
US6104123A (en) * | 1997-09-22 | 2000-08-15 | Nikon Corporation | Vibration actuator having a supporting member to support a vibration member |
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