JPS62196081A - Ultrasonic motor - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To transmit the mechanical energy of a driving unit efficiently to a mover, by a method wherein the disc-formed driving unit is adopted, and wherein the progressive wave of a tertiary or more bending oscillation mode in the peripheral direction and a secondary or more bending oscillation mode in the diameter direction is excited, and wherein a projection is set at the nodal position of oscillation. CONSTITUTION:A piezo-electric unit 7 is put on an elastic unit 8 to compose a driving unit 9. At the nodal circle section of oscillation when the progressive wave of a higher bending oscillation mode tertiary or more in the peripheral direction and secondary or more in the diameter direction is excited on the driving unit 9, a concentric-circle-formed projection 10 is set. The driving unit 9 is positioned and fixed on a base 14 via the projection 10. A slider 11 is put on an elastic unit 12 to compose a mover 13. When the progressive wave of bending oscillation is excited on the driving unit 9 by the piezo-electric unit 7, then the mover 13 is rotated with a rotary shaft 16 for the center.

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。BACKGROUND OF THE INVENTION In recent years, ultrasonic motors have attracted attention, in which elastic vibrations are excited in a drive body using a piezoelectric body 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原理について
説明を行う。The principle of the ultrasonic motor will be explained below with reference to the drawings.

第３図は超音波モータの１例であり、円環形の弾性体１
の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。Figure 3 shows an example of an ultrasonic motor, with an annular elastic body 1
An annular piezoelectric ceramic 2 is pasted on one of the annular surfaces of the
It constitutes a piezoelectric drive body 3. 4 is a slider made of a wear-resistant material, and 6 is an elastic body, which are pasted together to form the moving body 6. The moving body 6 is in contact with the driving body 3 via the slider 4.

圧電セラミック２に電界を印加すると、駆動体３の周方
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。When an electric field is applied to the piezoelectric ceramic 2, a traveling wave of bending vibration is excited in the circumferential direction of the driving body 3, thereby driving the moving body 6. Note that the arrow in the figure indicates the direction of rotation of the moving body 6.

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、
人、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、人の電極群とＢの電極群
とけ周方向に４分の１波長（＝９０度）の位相ずれがあ
る。電極群ム、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
、電極はペタ電極である。使用時には電極群ム、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。FIG. 4 shows an example of the electrode structure of the piezoelectric ceramic 2 used in the ultrasonic motor of FIG. In the figure, nine waves of bending vibration are applied in the circumferential direction. In the same figure,
Person and B are electrode groups each consisting of a small region corresponding to a half wavelength, and C and D are electrodes having a length of three-quarter wavelength and one-quarter wavelength, respectively. Therefore, there is a phase shift of a quarter wavelength (=90 degrees) in the circumferential direction between the electrode group of the person and the electrode group of B. Adjacent small electrode portions in electrode group B are polarized in mutually opposite directions in the thickness direction. The adhesive surface of the piezoelectric ceramic 2 with the elastic body 1 is the surface opposite to the surface shown in FIG. 4, and the electrode is a peta electrode. When in use, the electrode groups M and B are short-circuited, as indicated by diagonal lines in FIG. 4, and the peta electrode is used as a common electrode.

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＝Ｖｏ−ｓｉｎ（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６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ａは圧電体２に電圧
を印加していない時、同図すは圧電体２に電圧を印加し
た時の様子を示す。The operation of the ultrasonic motor configured as above will be described below. Voltage V=Vo-sin(wt) on the electrode group of the piezoelectric body 2 ------
- When (1) is applied, the driver 3 bends and vibrates in the circumferential direction. FIG. 6 is a perspective view of the driving body of the ultrasonic motor in FIG. 3 when approximated by a straight line. This shows what happens when voltage is applied.

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の電極郡部にＶｏ−ｓｉｎ（
ｗｔ）　、電極群Ｂ　ＫＶｏ−ｃｏｓ（ｗｔ）の互いに
位相がπ／２だけずれた電圧を印加すれば、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−ξ。−ｃｏｇ（ｗｔ−
ｋｘ）　　　　　　　−−−−−−（２１で表せる。（
２）式は ξ＝ξ。・（００８（ｗｔ）　Ｔ００８　（ｋ）Ｃ）＋
ｔｓＬｎ　（Ｗｔ）　・Ｓｉｎ　ＣｋＸ）　）−（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ｃｏｓ（ｗｔ）とｓｉｎ（ｗｔ）　、および位
置的にπ／２だけ位相のずれたｃｏｗ（ｋｘ）と５ｉｎ
（ｋｘ）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（＝λ／４　）だけ位相のずれた電極群ム。FIG. 6 is an enlarged depiction of the contact situation between the moving body 6 and the driving body 3. Vo-sin (
wt) and electrode group B KVo-cos(wt), a traveling wave of bending vibration can be created in the circumferential direction of the driving body 3 by applying voltages whose phases are shifted by π/2 from each other. Generally speaking, if the amplitude of a traveling wave is ξ, then ξ−ξ. -cog(wt-
kx) --------(Can be expressed as 21.(
2) The formula is ξ=ξ.・(008(wt) T008 (k)C)+
tsLn (Wt) ・Sin CkX) ) - (Rewrite as 3, (Equation 3 shows the traveling wave as waves cos(wt) and sin(wt) whose phase is shifted by π/2 in time, and π/2 in position. cow(kx) out of phase by 2 and 5in
(kx) and the sum of the respective products. From the above explanation, the piezoelectric bodies 2 are positioned at π
The electrode group has a phase shift of /2 (=λ/4).

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。B, a traveling wave of bending vibration can be created in the driving body 3 by applying voltages with a phase difference of π/2 to each of the electrode groups.

第６図は駆動体３の表面入点が進行波の励起により、長
袖２Ｗ、短軸２ｕの楕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７＝ｌｊ・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
、速度は上記のマよりも小さくなる。Figure 6 shows that the surface entry point of the driving body 3 is moving in an ellipse with a long axis 2W and a short axis 2u due to the excitation of the traveling wave, and the moving body 6 placed on the driving body 3 is at the vertex of the ellipse. The figure shows how, due to contact, the waves move at a speed of 7=lj·U in the opposite direction to the direction in which the waves travel. That is, the moving body 6 is pressed against the driving body 3 with an arbitrary static pressure, comes into contact with the surface of the driving body 3, and is driven at a speed V in the direction opposite to the direction of wave propagation due to the frictional force between the moving body 6 and the driving body 3. be done. When there is slippage between the two, the velocity will be smaller than the above Ma.

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周方向９次、径方向１次の曲
げ振動の変位分布を示している。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、 マ＝　ｙ−１１ｏｃ　ｙ・ξｏ−ｈ・・・・・・（４１
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次の曲げ振動モードを使う時
には、動体が外周部に接触するように設置すれば、速度
Ｖを最大にできる。Problems to be Solved by the Invention FIG. 7 shows the displacement distribution of the ninth-order bending vibration in the circumferential direction and the first-order bending vibration in the radial direction of an annular driving body. From the figure, the displacement increases toward the outer diameter. The speed Ma of the ultrasonic motor is Ma = y-11oc y・ξo-h (41
It can be expressed as Therefore, when using a bending vibration mode of third or higher order in the circumferential direction and first order in the radial direction of an annular shape as shown in Fig. 7, if the moving object is installed so that it is in contact with the outer circumference, the velocity V can be maximized. Can be done.

駆動体の固定はおもに機械振動を阻害しないように、フ
ェルトなどの物質を介して行なわれるが、それでも振動
エネルギの一部は失なわれ、その結果速度マが小さくな
ったり、駆動効率が落ちたりする。また位置固定の精度
が出しにくいという欠点も有する。The drive body is mainly fixed using a material such as felt so as not to interfere with mechanical vibration, but some of the vibration energy is still lost, resulting in a decrease in speed and drive efficiency. do. It also has the disadvantage that it is difficult to achieve accurate position fixation.

問題点を解決するための手段 駆動体として円板を用いて、該駆動体に周方向３次以上
、径方向２次の高次の曲げ振動を進行波として励振し、
該駆動体の曲げ振動の節円部に突起を設けて、該突起を
介して該駆動体の位置固定を行なう。Means for solving the problem A disk is used as a driving body, and high-order bending vibrations of 3rd order or more in the circumferential direction and 2nd order in the radial direction are excited in the driving body as traveling waves,
A protrusion is provided on the bending vibration node of the drive body, and the position of the drive body is fixed via the protrusion.

作用 円板形部動体に高次の曲げ振動を励振し、その振動の節
円部を介して該駆動体の固定をすることによって、固定
による機械的エネルギの損失を小さくし、機械出力とし
て生かせるようにする。また位置固定の精度を出せるよ
うにする。By exciting high-order bending vibration in the working disk-shaped moving body and fixing the driving body through the nodal part of the vibration, the loss of mechanical energy due to fixation can be reduced and can be utilized as mechanical output. Do it like this. It also allows for more accurate position fixation.

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
。EXAMPLE An example of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第１図は本発明の一実施例の超音波モータの断面図であ
る。同図において、７は圧電体であり、弾性体８に貼付
けられて駆動体９を構成する。駆動体９に周方向３次以
上、径方向２次以上の高次の曲げ振動モードの進行波を
励起した時の、振動の筒内部に同心円状の突起１ｏを設
ける。駆動体９は突起１０を介して土台１４に位置固定
されるので、位置固定は確実に行なえ、しかも曲げ振動
の節円を利用しているので振動を位置固定によって阻害
することはない。１１は耐磨耗性のスライダで、駆動体
の曲げ振動の腹から出力を取出すために、振動の腹の位
置に対応して配される。スライダ１１は弾性体１２と貼
付けられて動体１３を構成する。動体１３はベアリング
１５ｔ−介して、土台１４に取付けられた回転軸１６に
位置固定される。圧電体７により駆動体９に曲げ振動の
進行波が励起されると、動体１３はこの回転軸１６を中
心にして回転する。FIG. 1 is a sectional view of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention. In the figure, 7 is a piezoelectric body, which is attached to an elastic body 8 to constitute a driving body 9. A concentric protrusion 1o is provided inside the vibration cylinder when a traveling wave of a high-order bending vibration mode of 3rd order or higher in the circumferential direction and 2nd or higher order in the radial direction is excited in the driving body 9. Since the drive body 9 is fixed in position to the base 14 via the protrusion 10, the position can be fixed reliably, and since the nodal circle of bending vibration is utilized, the vibration is not hindered by the position fixation. Reference numeral 11 denotes a wear-resistant slider, which is disposed corresponding to the position of the vibration antinode in order to extract output from the vibration antinode of the driving body. The slider 11 is attached to an elastic body 12 to form a moving body 13. The moving body 13 is fixed in position to a rotating shaft 16 attached to a base 14 via a bearing 15t. When a traveling wave of bending vibration is excited in the driving body 9 by the piezoelectric body 7, the moving body 13 rotates around this rotating shaft 16.

第２図は第１図の実施例の超音波モータの駆動体の断面
図とその曲げ振動の径方向の変位分布図である。同図の
ように径方向２次以上では必ず振幅が０になる節円をも
つ。変位分布曲線ξｒは径方向２次の振動モードである
。また、動体１３の速度の最大点は（４１式より、振幅
最大点で得られ、同図では振動の腹の位置から機械出力
を得ることで実現できる。なお、曲げ振動のモードは、
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。FIG. 2 is a sectional view of the driving body of the ultrasonic motor of the embodiment shown in FIG. 1 and a radial displacement distribution diagram of its bending vibration. As shown in the figure, there is a nodal circle where the amplitude is always 0 in the radial direction of secondary order or higher. The displacement distribution curve ξr is a second-order vibration mode in the radial direction. In addition, the maximum point of the velocity of the moving body 13 is obtained from the maximum amplitude point (from formula 41, and in the figure, it can be realized by obtaining the mechanical output from the antinode position of the vibration.The mode of bending vibration is
It can be selected by appropriately setting the external drive frequency in relation to the electrode configuration.

第８図は本実施例の駆動体を構成する圧電体の電極構造
を示す平面図である。同図の裏面は弾性体８との接着面
でベタ電極であり、電極人、Ｂはそれぞれ周方向に阿波
長相当の小電極から成り、図中の十−は分極の向きで厚
み方向に分極されている。Ｃ，Ｄは３／４　　、　１／
４　波長領域であり、電極人、Ｂに互いにπ／２の位相
差をつけるために存在する。駆動時には、電極ム、Ｂは
それぞれ短絡されて、それぞれｓｉｎ波、　ＣＯｘ波の
電圧がベタ電極に対して印加される。電圧印加により、
（模式よシ曲げ振動の進行波が励起できる。この例では
周方向３次が振動モードとして使用されているが、原理
上３次以上であればよい。FIG. 8 is a plan view showing the electrode structure of the piezoelectric body constituting the driving body of this embodiment. The back side of the figure is the adhesive surface with the elastic body 8 and is a solid electrode, and the electrodes B and B are each made of small electrodes equivalent to a wavelength in the circumferential direction. has been done. C, D are 3/4, 1/
4 wavelength range, and exists to give the electrodes and B a phase difference of π/2 from each other. During driving, electrodes M and B are short-circuited, and sine wave and COx wave voltages are applied to the solid electrodes, respectively. By applying voltage,
(A traveling wave of a schematic bending vibration can be excited. In this example, the 3rd order in the circumferential direction is used as the vibration mode, but in principle, any vibration mode of 3rd order or higher is sufficient.

本実施例では駆動体として中心部に穴を有する円板を用
いているが、円板の中央部ではほとんど振動がないので
、穴をなくして回転軸を付けても同様の効果が得られる
。In this embodiment, a disk having a hole in the center is used as the driving body, but since there is almost no vibration in the center of the disk, the same effect can be obtained even if the hole is omitted and a rotating shaft is provided.

発明の効果 以上述べたように、本発明によれば円板形部動体を採用
し、周方向３次以上、径方向２次以上の曲げ振動モード
の進行波を励起し、該振動の節円の位置に突起を設け、
該突起を介して駆動体の位置固定をしているので、位置
固定が確実にでき、しかも駆動体の機械振動を阻害する
ことがないので、駆動体の機械エネルギを効率よく動体
に伝達できる。Effects of the Invention As described above, according to the present invention, a disk-shaped moving body is used to excite traveling waves in the bending vibration mode of the third order or more in the circumferential direction and the second or more order in the radial direction. A protrusion is provided at the position of
Since the position of the driving body is fixed through the protrusion, the position can be reliably fixed, and the mechanical vibration of the driving body is not inhibited, so that the mechanical energy of the driving body can be efficiently transmitted to the moving body.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明の一実施例の超音波モータの断面図、第
２図は第１図の実施例に用いた駆動体の梼側噛時〒径方
向２次のモードの径方向の変位分布曲淑で第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６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駆動体の
変位分布図、第８図は第１図の実施例に用いた圧電体の
電極構造を示す平面図である。 了・・・・・・圧電体、８・・・・・・弾性体、９・・
・・・・駆動体、１ｏ・・・・・・突起、１１・・・・
・・スライダ、１２・・・・・・弾性体、１３・・・・
・・動体、１４・・・・・・土台、１６・・川・ベアリ
ング、１６・・・・・・回転軸。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２ｒＸＪ 第３図 第４図 第５図 （α） ど 第６図 第７図 第８図Fig. 1 is a sectional view of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention, and Fig. 2 is a radial displacement of the second-order mode in the radial direction when the driving body used in the embodiment of Fig. 1 engages on the paddle side. Figure 3 shows a cutaway perspective view of a conventional ultrasonic motor, Figure 4 is a plan view of the piezoelectric body used in the conventional example shown in Figure 3, and Figure 6 shows vibrations of the driver of the ultrasonic motor. A model diagram showing the state, Fig. 6 is a diagram explaining the principle of the ultrasonic motor, Fig. 7 is a displacement distribution diagram of the driving body of the annular ultrasonic motor, and Fig. 8 is the piezoelectric body used in the example of Fig. 1. FIG. 3 is a plan view showing the electrode structure of FIG. End...Piezoelectric body, 8...Elastic body, 9...
...Driver, 1o...Protrusion, 11...
...Slider, 12...Elastic body, 13...
...moving body, 14...foundation, 16...river/bearing, 16...rotating axis. Name of agent: Patent attorney Toshio Nakao and 1 other person No. 1
Figure 2rXJ Figure 3 Figure 4 Figure 5 (α) Figure 6 Figure 7 Figure 8

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 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、該駆動体に励起する進行波として、円周方向
に３次以上、径方向に２次以上の曲げ振動を使用し、該
円板形駆動体の曲げ振動の節円部に突起を設け、該突起
を介して該駆動体の位置固定を行なうことを特徴とする
超音波モータ。In an ultrasonic motor that moves a moving body placed in contact with the driving body by exciting an elastic traveling wave in the driving body made of an elastic body and a piezoelectric body, a disk is used as the driving body, and the As a traveling wave excited in the driving body, bending vibration of third or higher order in the circumferential direction and second or higher order in the radial direction is used, and a protrusion is provided at the nodal part of the bending vibration of the disc-shaped drive body, and the protrusion is An ultrasonic motor characterized in that the position of the driving body is fixed through a.