JPS62196080A - 超音波モ−タ - Google Patents
超音波モ−タInfo
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- JPS62196080A JPS62196080A JP61035962A JP3596286A JPS62196080A JP S62196080 A JPS62196080 A JP S62196080A JP 61035962 A JP61035962 A JP 61035962A JP 3596286 A JP3596286 A JP 3596286A JP S62196080 A JPS62196080 A JP S62196080A
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- JP
- Japan
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- unit
- driving body
- driving
- driving unit
- piezoelectric
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Links
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
- H02N2/166—Motors with disc stator
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
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。
に関する。
従来の技術
近年、圧電セラミック等の圧電体を用いた駆動体に弾性
振動を励起し、これを、駆動力とした超音波モータが注
目されている。
振動を励起し、これを、駆動力とした超音波モータが注
目されている。
以下、図面を参照しながら超音波モータの原理について
説明を行う。
説明を行う。
第３図は超音波モータの１例であり、円環形の弾性体１
０円環面の一方に円環形圧電セラミック２を貼合せて、
圧電駆動体３を構成している。４は耐磨耗性材料のスラ
イダ、６は弾性体であり、互いに貼合せられて動体６を
構成している。動体６はスライダ４を介して駆動体３と
接触している。
０円環面の一方に円環形圧電セラミック２を貼合せて、
圧電駆動体３を構成している。４は耐磨耗性材料のスラ
イダ、６は弾性体であり、互いに貼合せられて動体６を
構成している。動体６はスライダ４を介して駆動体３と
接触している。
圧電セラミック２に電界を印加すると、駆動体３０周方
向に曲げ振動の進行波が励起されて、動体６を駆動する
。尚、同図中の矢印は動体６の回転方向を示す０ 第４図は第３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１例を示している。同図では円周方向
に曲げ振動が９波のるようにしである。同図において、
Ａ、 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，Ｄはそれぞれ４分の３波長、４分の１
波長の長さの電極である。従って、ムの電極群とＢの電
極群とけ周方向に４分の１彼長（＝９０度）の位相ずれ
がある。電悼郡部、Ｂ内の隣合う小電極部は互いに反対
方向に厚み方向に分極されている。圧電セラミック２の
弾性体１との接着面は第４図に示された面と反対の面で
あり、電極はベタ電極である。使用時には電極郡部、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、ペタ電極が共通電極として用いられる。
向に曲げ振動の進行波が励起されて、動体６を駆動する
。尚、同図中の矢印は動体６の回転方向を示す０ 第４図は第３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１例を示している。同図では円周方向
に曲げ振動が９波のるようにしである。同図において、
Ａ、 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，Ｄはそれぞれ４分の３波長、４分の１
波長の長さの電極である。従って、ムの電極群とＢの電
極群とけ周方向に４分の１彼長（＝９０度）の位相ずれ
がある。電悼郡部、Ｂ内の隣合う小電極部は互いに反対
方向に厚み方向に分極されている。圧電セラミック２の
弾性体１との接着面は第４図に示された面と反対の面で
あり、電極はベタ電極である。使用時には電極郡部、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、ペタ電極が共通電極として用いられる。
以上のように構成された超音波モータについて、その動
作を以下に説明する。前記圧電体２の電極群ムに電圧 Ｖ ＝ Ｖｑ−ｇｉｎ （ｗｔ） −・・・・・
（１）を印加すると、駆動体３は円周方向に曲げ振動を
する。第５図は第３図の超音波モータの駆動体を直線で
近似した時の斜視図であり、同図（＆）は圧電体２に電
圧を印加していない時、同図（ｂ）は圧電体２に電圧を
印加した時の様子を示す。
作を以下に説明する。前記圧電体２の電極群ムに電圧 Ｖ ＝ Ｖｑ−ｇｉｎ （ｗｔ） −・・・・・
（１）を印加すると、駆動体３は円周方向に曲げ振動を
する。第５図は第３図の超音波モータの駆動体を直線で
近似した時の斜視図であり、同図（＆）は圧電体２に電
圧を印加していない時、同図（ｂ）は圧電体２に電圧を
印加した時の様子を示す。
第６図は動体６と駆動体３の接触状況を拡大して描いた
ものである。前記圧電体２の電極群ＡにＶｏ−ｓｉｎ
（ｗｔ） 、電極群ＢにＶｏ−ｃｏｓ （ｗｔ）の互い
に位相がπ／２だけずれた電圧を印加すれば１．駆動体
３の円周方向に曲げ振動の進行波を作ることができる。
ものである。前記圧電体２の電極群ＡにＶｏ−ｓｉｎ
（ｗｔ） 、電極群ＢにＶｏ−ｃｏｓ （ｗｔ）の互い
に位相がπ／２だけずれた電圧を印加すれば１．駆動体
３の円周方向に曲げ振動の進行波を作ることができる。
一般に進行波は振幅をξとすればξ＝ξＱ−Ｃｏｇ（Ｗ
ｔ −ｋｘ） −−−−−−（２）で表せる。（巧式
は ξ＝ξ（、−（ｃｏｓ（ｗｔ）−ｃｏｓ Ｑｃｘ）＋ｓ
ｉｎ （ｗｔ）−ｓｉｎ（ｋｘ））・・・・・・ （３
） と書き直せ、（３）式は進行波が時間的にπ／２だけ位
相のずれた波ｃｏｇ（ｗｔ）とＳｉｎ （Ｗｔ）、およ
び位置的にπ／２だけ位相のずれたｃｏｓ（ｋｘ）と５
ｉｎＱｃｘ）との、それぞれの積の和で得られることを
示している。前述の説明より、圧電体２は互いに位置的
にπ／２（二λ／４）だけ位相のずれた電極郡部。
ｔ −ｋｘ） −−−−−−（２）で表せる。（巧式
は ξ＝ξ（、−（ｃｏｓ（ｗｔ）−ｃｏｓ Ｑｃｘ）＋ｓ
ｉｎ （ｗｔ）−ｓｉｎ（ｋｘ））・・・・・・ （３
） と書き直せ、（３）式は進行波が時間的にπ／２だけ位
相のずれた波ｃｏｇ（ｗｔ）とＳｉｎ （Ｗｔ）、およ
び位置的にπ／２だけ位相のずれたｃｏｓ（ｋｘ）と５
ｉｎＱｃｘ）との、それぞれの積の和で得られることを
示している。前述の説明より、圧電体２は互いに位置的
にπ／２（二λ／４）だけ位相のずれた電極郡部。
Ｂを持っているので、前記電極群のそれぞれにπ／２だ
け位相のずれた電圧を印加すれば、駆動体３に曲げ振動
の進行波を作れる。
け位相のずれた電圧を印加すれば、駆動体３に曲げ振動
の進行波を作れる。
第６図は駆動体３の表面入点が進行波の励起により、長
軸２ｗ、短軸２ｕの隋円運動をしている様子を示し、駆
動体３上に置かれた動体６が楕円の頂点で接触すること
により、波の進行方向とは逆方向にＶ＝Ｗ−Ｕ の速度
で運動する様子を示している。即ち、動体６は任意の静
圧で駆動体３に押し付けられて、駆動体３の表面に接触
し、動体６と駆動体３との摩擦力で波の進行方向と逆方
向に速度Ｖで駆動される。゛両者の間に滑りがある時に
は、速度は上記のＶよりも小さくなる。
軸２ｗ、短軸２ｕの隋円運動をしている様子を示し、駆
動体３上に置かれた動体６が楕円の頂点で接触すること
により、波の進行方向とは逆方向にＶ＝Ｗ−Ｕ の速度
で運動する様子を示している。即ち、動体６は任意の静
圧で駆動体３に押し付けられて、駆動体３の表面に接触
し、動体６と駆動体３との摩擦力で波の進行方向と逆方
向に速度Ｖで駆動される。゛両者の間に滑りがある時に
は、速度は上記のＶよりも小さくなる。
発明が解決しようとする問題点
第７図は円環形の駆動体の変位分布を示す図である。同
図より、変位は外径に向うにつれて大きくなる。超音波
モータの速度マは ｖ＝ｗ＠ｕｏｃｗ−ξｏＩＩｈ……（４）で表せる。従
って、第７図に示したような円環形の周方向に３次以上
、径方向に１次の曲げ撮動モードを使う時には、動体が
外周部に接触するように設置すれば、速度が最も大きい
。しかし、外周部は自由端であるので、ここに動体を負
荷として配置すれば振動に大きな影響を及ぼす。また、
円環形態動体は同一占有空間内での体積が小さいので、
駆動体のもつエネルギーを大きくできない。
図より、変位は外径に向うにつれて大きくなる。超音波
モータの速度マは ｖ＝ｗ＠ｕｏｃｗ−ξｏＩＩｈ……（４）で表せる。従
って、第７図に示したような円環形の周方向に３次以上
、径方向に１次の曲げ撮動モードを使う時には、動体が
外周部に接触するように設置すれば、速度が最も大きい
。しかし、外周部は自由端であるので、ここに動体を負
荷として配置すれば振動に大きな影響を及ぼす。また、
円環形態動体は同一占有空間内での体積が小さいので、
駆動体のもつエネルギーを大きくできない。
従って、負荷によるモータ特性の変動が大きい、機械出
力が大きくとれないなどの欠点がある。
力が大きくとれないなどの欠点がある。
問題点を解決するための手段
駆動体として中心部に穴のおいている円板か、または穴
のおいていない円板を用い、該駆動体に円周方向に３次
以上、径方向に２次の曲げ撮動モードの進行波を励起し
、該駆動体の動体との接触面側の該曲げ振動の腹の位置
を含むように突起体を設け、該突起体を介して動力伝達
を行なう。
のおいていない円板を用い、該駆動体に円周方向に３次
以上、径方向に２次の曲げ撮動モードの進行波を励起し
、該駆動体の動体との接触面側の該曲げ振動の腹の位置
を含むように突起体を設け、該突起体を介して動力伝達
を行なう。
作用
駆動体として同一占有空間で質量の大きくできる円板の
使用と高次の曲げ振動モードの採用により、駆動体内の
蓄積エネルギーを大きくし、周方向３次以上、径方向２
次の曲げ振動モードの腹の位置を含むように突起体を設
けることにより、大きな速度を安定に実現し、また機械
的出力を大きくする。
使用と高次の曲げ振動モードの採用により、駆動体内の
蓄積エネルギーを大きくし、周方向３次以上、径方向２
次の曲げ振動モードの腹の位置を含むように突起体を設
けることにより、大きな速度を安定に実現し、また機械
的出力を大きくする。
実施例
以下、図面に従って本発明の一実施例について説明する
。
。
第１因は本発明の１実施例の超音波モータの切欠き斜視
図である。同図において、７は圧電体で８の弾性体と貼
合せて同一空間内で質量の大きい円板形の、駆動体９を
構成している。１０は駆動体９の表面に設けられた突起
体で、駆動体１ｏに励起された円周方向に３次以上、径
方向２次の曲げ振動モードの腹の位置を必ず含むように
同心円状に設けている。１１は耐磨耗性のスライダで突
起体１ｏの先端に接触して配され、弾性体１２に貼付け
られて動体１３を構成している。１４は回転軸で、圧電
体７に駆動体９の上記曲げ振動の共振周波数近傍で２相
の交流電界を印加すれば、動体１３は回転軸１４を中心
にして回転する。なお、曲げ振動モードは、電極構成と
の関係において外部駆動周波数を適当に設定することに
より選択可能である。
図である。同図において、７は圧電体で８の弾性体と貼
合せて同一空間内で質量の大きい円板形の、駆動体９を
構成している。１０は駆動体９の表面に設けられた突起
体で、駆動体１ｏに励起された円周方向に３次以上、径
方向２次の曲げ振動モードの腹の位置を必ず含むように
同心円状に設けている。１１は耐磨耗性のスライダで突
起体１ｏの先端に接触して配され、弾性体１２に貼付け
られて動体１３を構成している。１４は回転軸で、圧電
体７に駆動体９の上記曲げ振動の共振周波数近傍で２相
の交流電界を印加すれば、動体１３は回転軸１４を中心
にして回転する。なお、曲げ振動モードは、電極構成と
の関係において外部駆動周波数を適当に設定することに
より選択可能である。
第２図１は第１図の実施例の、駆動体９を直線化した時
の図で、突起体１０による駆動体９の曲げ剛性の増加は
小さく、しかも中性面ＮＬの位置の変化も小さいので、
同図中に示すように距離ｈＨｈ’と大きくなり、同一駆
動に対して大きな横方向成分が得られ、（４）式より動
体１３の速度は大きくなる。また、この時動体１３の速
度を最大にしようとすれば、曲げ振動の振幅ξ０の大き
い振動の腹の部分が必ず突起体１ｏの内にあるようにす
ればよい。
の図で、突起体１０による駆動体９の曲げ剛性の増加は
小さく、しかも中性面ＮＬの位置の変化も小さいので、
同図中に示すように距離ｈＨｈ’と大きくなり、同一駆
動に対して大きな横方向成分が得られ、（４）式より動
体１３の速度は大きくなる。また、この時動体１３の速
度を最大にしようとすれば、曲げ振動の振幅ξ０の大き
い振動の腹の部分が必ず突起体１ｏの内にあるようにす
ればよい。
ところが、第８図に示すように、駆動体９を径方向２次
で用いても円周方向の次数によって振動の腹の位置が変
わる。第８図は円板の周方向３次、径方向２次の時の駆
動体９の振動の様子とその径方向変位分布を示し、周方
向の次数が６次になった時には、その変位分布が変化し
振動の腹の位置が外周方向へ移動することを示している
。一般に、径方向２次固定で周方向の次数が上るに従い
、振動の腹の位置は外側に移動する。故に、周方向の任
意の次数に対して常に最高速度を得ようとすれば、突起
体１ｏの位置は、振動の腹が突起体１゜内にあるように
、周方向の次数につれて突起体１０を同心円状に設置せ
ねばならない。
で用いても円周方向の次数によって振動の腹の位置が変
わる。第８図は円板の周方向３次、径方向２次の時の駆
動体９の振動の様子とその径方向変位分布を示し、周方
向の次数が６次になった時には、その変位分布が変化し
振動の腹の位置が外周方向へ移動することを示している
。一般に、径方向２次固定で周方向の次数が上るに従い
、振動の腹の位置は外側に移動する。故に、周方向の任
意の次数に対して常に最高速度を得ようとすれば、突起
体１ｏの位置は、振動の腹が突起体１゜内にあるように
、周方向の次数につれて突起体１０を同心円状に設置せ
ねばならない。
尚、上記の実施例の駆動体は穴なし円板を用い、円板の
中心はほとんど振動しないことを利用して、回転軸を」
動体の中心からとっているが、駆動体の中心部に穴をあ
けて、機械的振動を阻害しないようなフェルトのような
もので土台に固定し、その土台から回転軸を取出しても
同様の効果が得られる。
中心はほとんど振動しないことを利用して、回転軸を」
動体の中心からとっているが、駆動体の中心部に穴をあ
けて、機械的振動を阻害しないようなフェルトのような
もので土台に固定し、その土台から回転軸を取出しても
同様の効果が得られる。
第９図は本実施例に用いた圧電体の電極構造を示す平面
図で、図中のＡ／、 Ｂ／はそれぞれ互いに周方向に
π／２だけ位相の異なる電極で、双方の電極ｈ／、
Ｂ／はそれぞれ周方向に１／２波長相当の長さを有し、
隣接する小電極部は厚さ方向に逆方向に分極されている
小電極より成っている。ｃ／、 Ｄ／はそれぞれ周方
向に３／４．１７４波長の長さをもつ領域である。駆動
時には、電極Ａ／、 Ｂ／はそれぞれ短絡されて、そ
れぞれｓｉｎ波、ｃｏｓ波の交流電圧が印加される。つ
まり（３）式により、曲げ振動の進行波が駆動体中に励
起される。
図で、図中のＡ／、 Ｂ／はそれぞれ互いに周方向に
π／２だけ位相の異なる電極で、双方の電極ｈ／、
Ｂ／はそれぞれ周方向に１／２波長相当の長さを有し、
隣接する小電極部は厚さ方向に逆方向に分極されている
小電極より成っている。ｃ／、 Ｄ／はそれぞれ周方
向に３／４．１７４波長の長さをもつ領域である。駆動
時には、電極Ａ／、 Ｂ／はそれぞれ短絡されて、そ
れぞれｓｉｎ波、ｃｏｓ波の交流電圧が印加される。つ
まり（３）式により、曲げ振動の進行波が駆動体中に励
起される。
尚、上の実施例では周方向に３次を使ったが、３次以上
であれば任意の次数を選んでも、その動作上問題はない
。
であれば任意の次数を選んでも、その動作上問題はない
。
発明の効果
以上述べたように本発明では、駆動体として円板の採用
により、同一占有空間内で駆動体の質量を大きくし、円
板の円周方向３次以上、径方向２次の曲げ振動モードを
進行波として励起し、該振動の腹が必ず突起体内にある
ように突起体を該駆動体上に同心円状に設けることによ
り、横方向成分を拡大することによって、速度の太きい
、しかも機械的出力の大きい超音波モータを提供できる
。
により、同一占有空間内で駆動体の質量を大きくし、円
板の円周方向３次以上、径方向２次の曲げ振動モードを
進行波として励起し、該振動の腹が必ず突起体内にある
ように突起体を該駆動体上に同心円状に設けることによ
り、横方向成分を拡大することによって、速度の太きい
、しかも機械的出力の大きい超音波モータを提供できる
。
第１図は本発明の１実施例の超音波モータの切欠き斜視
図、第２図は突起体の動作説明のための直線化モデル図
、第３図は従来の超音波モータの切欠き斜視図、第４図
は第３図の従来例に用いた圧電体の平面図、第５図は超
音波モータの駆動体の振動状態を示すモデル図、第６図
は超音波モータの原理説明図、第７図は円環形超音波モ
ータの１図の実施例に用いる圧電体の平面図である。 ７・・・・・・圧電体、８・・・・・・弾性体、９・・
・・・・駆動体、１０・・・・・・突起体、１１・・・
・・・スライダ、１２・・・・・・弾性体、１３・・・
・・・動体、１４・・・・・・回転軸、ム′、Ｂ′・・
・・・・電極。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか１名第
１ 図 第２図 第 ３ 図 ＷＪ４図 第５図 第６図 第７図 ネε方向心叫１ｒ
図、第２図は突起体の動作説明のための直線化モデル図
、第３図は従来の超音波モータの切欠き斜視図、第４図
は第３図の従来例に用いた圧電体の平面図、第５図は超
音波モータの駆動体の振動状態を示すモデル図、第６図
は超音波モータの原理説明図、第７図は円環形超音波モ
ータの１図の実施例に用いる圧電体の平面図である。 ７・・・・・・圧電体、８・・・・・・弾性体、９・・
・・・・駆動体、１０・・・・・・突起体、１１・・・
・・・スライダ、１２・・・・・・弾性体、１３・・・
・・・動体、１４・・・・・・回転軸、ム′、Ｂ′・・
・・・・電極。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか１名第
１ 図 第２図 第 ３ 図 ＷＪ４図 第５図 第６図 第７図 ネε方向心叫１ｒ
Claims (1)
- 弾性体と圧電体とから成る駆動体に弾性進行波を励起す
ることにより、上記駆動体上に接触して設置された動体
を移動させる超音波モータにおいて、駆動体として円板
を使用し、該駆動体に円周方向に３次以上、径方向に２
次の曲げ振動モードの進行波を励起し、該駆動体の動体
との接触面側の該曲げ振動の腹の位置を含む位置に同心
円状に突起体を設け、該突起体を介して動体に動力伝達
をすることを特徴とする超音波モータ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61035962A JPS62196080A (ja) | 1986-02-20 | 1986-02-20 | 超音波モ−タ |
| EP87901637A EP0258449B1 (en) | 1986-02-18 | 1987-02-17 | Ultrasonic motor |
| US07/126,105 US4829209A (en) | 1986-02-18 | 1987-02-17 | Ultrasonic motor with stator projections and at least two concentric rings of electrodes |
| DE8787901637T DE3782301T2 (de) | 1986-02-18 | 1987-02-17 | Ultraschallmotor. |
| PCT/JP1987/000102 WO1987005166A1 (en) | 1986-02-18 | 1987-02-17 | Ultrasonic motor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61035962A JPS62196080A (ja) | 1986-02-20 | 1986-02-20 | 超音波モ−タ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62196080A true JPS62196080A (ja) | 1987-08-29 |
Family
ID=12456584
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61035962A Pending JPS62196080A (ja) | 1986-02-18 | 1986-02-20 | 超音波モ−タ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62196080A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6477482A (en) * | 1987-09-18 | 1989-03-23 | Nec Corp | Ultrasonic motor |
| JPS6454795U (ja) * | 1987-09-30 | 1989-04-04 | ||
| JPH0226277A (ja) * | 1988-07-12 | 1990-01-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波モータ |
-
1986
- 1986-02-20 JP JP61035962A patent/JPS62196080A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6477482A (en) * | 1987-09-18 | 1989-03-23 | Nec Corp | Ultrasonic motor |
| JPS6454795U (ja) * | 1987-09-30 | 1989-04-04 | ||
| JPH0226277A (ja) * | 1988-07-12 | 1990-01-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波モータ |
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