JP2007135267A - Ultrasonic motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は超音波モータに関し、詳しくはロータに接するステータの振動片を振動させてロータを駆動する超音波モータに関する。 The present invention relates to an ultrasonic motor, and more particularly to an ultrasonic motor that drives a rotor by vibrating a vibrating piece of a stator in contact with the rotor.
従来から、磁力を使わずにステータ側の圧電素子の振動により、そのステータに接するロータを駆動することができる超音波モータの開発が進んでいる。 2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic motor that can drive a rotor in contact with a stator by vibration of a piezoelectric element on the stator side without using magnetic force has been developed.
超音波モータではステータの数やロータの形状を工夫することによって様々な用途に用いることができ、たとえばディスク型やリング型のロータがすでによく知られている。また最近では、ロータを球体にした球面超音波モータの開発も進んできている。 Ultrasonic motors can be used for various purposes by devising the number of stators and the shape of the rotor. For example, disk-type and ring-type rotors are already well known. Recently, development of a spherical ultrasonic motor having a rotor as a sphere has also been advanced.
このような超音波モータのステータは、たとえば平板円環状の圧電素子の所定個所を所定方向に分極させてA相およびB相を形成して圧電素子部材とし、この圧電素子部材のA相、B相ごとに設けた駆動電極に対して所定電圧を印加して圧電素子部材上の弾性体の振動片にて進行波の振動を発生させる。ステータに接するロータはこの振動片の振動にて駆動される。 A stator of such an ultrasonic motor is formed by, for example, polarizing a predetermined portion of a flat plate-shaped piezoelectric element in a predetermined direction to form an A phase and a B phase as piezoelectric element members. A predetermined voltage is applied to the drive electrode provided for each phase to generate a traveling wave vibration on the elastic vibrating piece on the piezoelectric element member. The rotor in contact with the stator is driven by the vibration of this vibrating piece.
特許文献1や特許文献2には、従来の超音波モータの圧電素子部材の分極構造が開示されている。この構造について図8を参照して以下に説明する。
図8は従来の超音波モータの圧電素子部材の構造を示す図であり、(a)は従来の超音波モータの圧電素子部材の斜視図であり、(b)は(a)を一点鎖線で示す軸Y−Yで回転させて裏から見た斜視図であり、(c)は(a)の一部を破断して示す部分破断斜視図である。 FIG. 8 is a diagram showing the structure of a piezoelectric element member of a conventional ultrasonic motor, (a) is a perspective view of the piezoelectric element member of a conventional ultrasonic motor, and (b) is a dotted line. It is the perspective view seen from the back, rotated with the axis | shaft YY shown, (c) is a partially broken perspective view which fractures | ruptures and shows a part of (a).
図8(a)、図8(b)および図8(c)に示すように、従来の超音波モータの圧電素子部材131は、平板円環状の圧電素子136と、圧電素子136のうちの所定の圧電素子片にA相のための所定方向の分極をさせるための個別電極134と、圧電素子136のうちの所定の圧電素子片にB相のための所定方向の分極をさせるための個別電極135と、A相の圧電素子片を駆動するための駆動電極138と、B相の圧電素子片を駆動するための駆動電極137と、圧電素子136のうちの所定の圧電素子片に振動検出用の所定方向の分極をさせるための個別電極150と、圧電素子136の振動によって個別電極150下の圧電素子片が発生する電位を検出するための振動検出用電極151と、A相の駆動電極138に電圧印加するための配線140と、B相の駆動電極137に電圧印加するための配線141と、振動検出用電極151から電位検出するための配線142とを有して構成される。
As shown in FIG. 8A, FIG. 8B, and FIG. 8C, the
図8(a)〜(c)に示すように、従来の超音波モータの圧電素子部材131では、平板円環状の圧電素子136の円周方向の一部をA相、円周方向の他の一部をB相とし、A相とB相とを時間的に位相をずらして駆動して、振動の進行波を発生させるようにしていた。
As shown in FIGS. 8A to 8C, in the
ところが、上述の従来技術には以下のような問題があった。 However, the above-described prior art has the following problems.
すなわち図8(a)〜(c)に示すような従来例では、進行波を発生させるために円周方向に分割したA相とB相とを時間的に位相をずらして駆動するため、片相駆動時はその対極側がフリー状態になり、円周上に振動ムラが生じやすく、安定したトルクが発生されず、極端な場合はロータを駆動することができなくなってしまうという問題があった。 That is, in the conventional example as shown in FIGS. 8A to 8C, the A phase and the B phase divided in the circumferential direction in order to generate traveling waves are driven with the phases shifted in time. At the time of phase driving, the counter electrode side is in a free state, vibration unevenness is likely to occur on the circumference, stable torque is not generated, and in extreme cases, the rotor cannot be driven.
また、ロータとステータとの接触状態が外乱等により均一でなくなると、安定した進行波が形成されず、トルクのばらつきが生じてしまうという問題があった。 Further, when the contact state between the rotor and the stator is not uniform due to disturbance or the like, there is a problem that a stable traveling wave is not formed and torque variation occurs.
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、ロータに接するステータの振動片を圧電素子によって振動させてロータを動かす超音波モータにおいて、ロータとステータとの接触に偏りが生じてしまった場合にも安定したトルクを維持することができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points. In an ultrasonic motor that moves a rotor by vibrating a vibrating piece of a stator in contact with the rotor by a piezoelectric element, contact between the rotor and the stator is biased. It is another object of the present invention to maintain a stable torque.
本発明は、ロータに接するステータの振動片を圧電素子によって振動させてロータを駆動する超音波モータにおいて、前記ステータの進行波を発生するための各相を、前記圧電素子の内周と外周とに配置したことを特徴とする。 The present invention relates to an ultrasonic motor that drives a rotor by vibrating a vibrating piece of a stator in contact with a rotor by a piezoelectric element, and each phase for generating a traveling wave of the stator is divided into an inner circumference and an outer circumference of the piezoelectric element. It is characterized by having been arranged in.
また本発明は請求項1に記載の発明において、前記圧電素子が平板環状であることを特徴とする。
The present invention is also characterized in that, in the invention described in
また本発明は請求項1に記載の発明において、前記ロータが球体であることを特徴とする。
In the invention according to
本発明によれば、ロータに接するステータの振動片を圧電素子によって振動させてロータを動かす超音波モータにおいて、ロータとステータとの接触に偏りが生じてしまった場合にも安定したトルクを維持することができる。 According to the present invention, in an ultrasonic motor that moves a rotor by vibrating a vibrating piece of a stator that is in contact with the rotor by a piezoelectric element, a stable torque is maintained even when the contact between the rotor and the stator is biased. be able to.
また本発明は、構造的に振動ムラが生じにくく、ロータとステータとの接触状態によらず安定した進行波が形成され、安定したトルクを発生することができる。 In addition, the present invention is structurally resistant to vibration unevenness, forms a stable traveling wave regardless of the contact state between the rotor and the stator, and can generate a stable torque.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing a spherical ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention.
本実施の形態ではロータが球体である球面超音波モータの場合について説明するが、本発明による超音波モータではロータの形状を問わず、たとえば平板状のロータを用いることもできる。 In the present embodiment, a case of a spherical ultrasonic motor having a spherical rotor is described. However, in the ultrasonic motor according to the present invention, a flat rotor can be used regardless of the shape of the rotor.
図1に示すように、本実施の形態による超音波モータ1は、球体のロータ2を、枠部材4に設けられた3個のステータ3a、3bおよび3cによって保持して回転させる。ステータ3a、3bおよび3cのロータ2と接する面には後に図2に示す多数の振動片33が設けられており、この振動片33が振動して進行波を発生し、これによってロータ2が回転させられる。
As shown in FIG. 1, the
図2は、図1に示したステータ3bを、ロータ2に押し付ける面から見た平面図である。
FIG. 2 is a plan view of the
図2に示すように、ステータ3bのロータ2に押し付ける面には、ステータ3bの円周に沿って多数の振動片33が設けられている。これらの振動片33の下には後に図3に示す圧電素子部材31が設けられており、その圧電素子部材の圧電素子は電圧印加によって伸縮し振動片33を振動させる。超音波モータ1では、この振動を制御することによってロータ2を任意の方向に回転させることができる。
As shown in FIG. 2, a large number of vibrating
なお、本実施の形態においては各ステータ3a、3b、3cの構造は同様であるので、以下では代表してステータ3bについて説明する。
In the present embodiment, the structures of the
図3は、図2に示したステータ3bを弾性体30と圧電素子部材31とに分解して示す分解斜視図である。
3 is an exploded perspective view showing the
図3に示すように、ステータ3bは弾性体30と圧電素子部材31とから構成される。
As shown in FIG. 3, the
弾性体30の表面には、図2にも示したように、多数の振動片33が設けられている。
As shown in FIG. 2, a large number of
圧電素子部材31は、平板円環状の圧電素子36と、圧電素子36のうちの所定の圧電素子片にA相のための所定方向の分極をさせるための個別電極34と、圧電素子36のうちの所定の圧電素子片にB相のための所定方向の分極をさせるための個別電極35と、A相の圧電素子片を駆動するための駆動電極38と、B相の圧電素子片を駆動するための駆動電極37と、A相の駆動電極38に電圧印加するための配線40と、B相の駆動電極37に電圧印加するための配線41とを有して構成される。
The
個別電極34、個別電極35、駆動電極37および駆動電極38はたとえば銀電極であり、配線40および配線41のそれぞれは、たとえばハンダ付けによって、配線40が駆動電極38に、配線41が駆動電極37に接続される。
The
図4は、図3に示したステータ3bの圧電素子部材31の構造を示す図であり、(a)は圧電素子部材31の斜視図であり、(b)は(a)を一点鎖線で示す軸X−Xで回転させて裏から見た斜視図であり、(c)は(a)の一部を破断して示す部分破断斜視図である。
4A and 4B are views showing the structure of the
図4(a)、図4(b)および図4(c)に示すように、本実施の形態の超音波モータ1の圧電素子部材31では、平板円環状の圧電素子36の円周の内側部分をA相、円周の外側部分をB相とし、A相とB相とを時間的に位相をずらして駆動して振動の進行波を発生させる。
As shown in FIG. 4A, FIG. 4B, and FIG. 4C, in the
なお、本実施の形態における圧電素子部材31では、圧電素子36の円周方向の全周にわたってA相およびB相それぞれの圧電素子片を形成するようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、円周方向のある部分にはA相やB相が形成されない構造であってもかまわない。
In the
また、本実施の形態では、図3に示したように圧電素子部材31の個別電極34や個別電極35が設けられた面が弾性体30に接するように構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、圧電素子部材31の駆動電極37や駆動電極38が設けられた面が弾性体30に接するように構成してもよい。
In the present embodiment, the surface of the
また、本実施の形態では、図4(b)に示したように圧電素子部材31に駆動電極37および駆動電極38を設けるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、図4(b)の駆動電極37の領域および駆動電極38の領域の両方に行き渡る1つの電極を設けて構成してもよい。
In the present embodiment, the
図5は圧電素子部材の分極方向を示す図であり、(a)は図4(a)に示した本実施の形態の圧電素子部材31の分極方向を示す平面図であり、(b)は図8(a)に示した従来例の圧電素子部材131の分極方向を示す平面図である。
5A and 5B are diagrams showing the polarization direction of the piezoelectric element member, FIG. 5A is a plan view showing the polarization direction of the
図5(a)に示すように、本実施の形態の圧電素子部材31は、円周の内側部分がA相とされ、そのA相にて分極方向が逆の圧電素子片が交互に、それぞれ36°の角度を有して設けられており、また、円周の外側部分がB相とされ、そのB相にて分極方向が逆の圧電素子片が交互に、それぞれ36°の角度を有して設けられている。また、図5(a)に示すように、A相とB相とは18°ずらして構成されている。
As shown in FIG. 5A, in the
一方、図5(b)に示すように、従来例の圧電素子部材131は、円周方向左側部分がA相とされ、そのA相にて分極方向が逆の圧電素子片が交互に、それぞれたとえば36°の角度を有して設けられており、また、円周方向右側部分がB相とされ、そのB相にて分極方向が逆の圧電素子片が交互に、それぞれたとえば36°の角度を有して設けられている。また、図5(b)に示すように、A相とB相とはたとえば18°ずらして構成されている。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the
図5(a)と図5(b)とを比較してわかるように、本実施の形態では、圧電素子において各相を内側と外側との2重にリング状に配置しており、それぞれがステータの全周を加振するため各相の定在波が均一に生成し、ロスのない安定した進行波を発生させることができる。 As can be seen by comparing FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b), in the present embodiment, each phase of the piezoelectric element is arranged in a double ring shape between the inner side and the outer side. Since the entire circumference of the stator is vibrated, a standing wave of each phase is generated uniformly, and a stable traveling wave without loss can be generated.
図6はステータのインピーダンス特性の実験値を示す図であり、(a)は図2に示した本実施の形態のステータ3bのインピーダンス特性を示す図であり、(b)は図8(a)に示した従来例の圧電素子部材131を用いたステータのインピーダンス特性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing experimental values of the impedance characteristics of the stator, (a) is a diagram showing the impedance characteristics of the
本実施の形態のステータ3bによれば、図6(a)に示すように、ある1つの周波数範囲にて大きな共振が示されている。これに対して従来例の圧電素子部材131を用いたステータでは、図6(b)に示すように、複数の周波数範囲にて共振が示され、それぞれが本実施の形態と比べて小さなものである。このため、本実施の形態によれば、従来よりも効率のよい超音波モータを提供することができる。
According to the
図7は、超音波モータのステータをロータに押し付ける力と、その超音波モータのトルクとの関係の実験値を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing experimental values of the relationship between the force pressing the stator of the ultrasonic motor against the rotor and the torque of the ultrasonic motor.
図7に示すように、本実施の形態の超音波モータおよび従来例の超音波モータの両者とも、押し付け力の増加とともにトルクも増加するが、本実施の形態の超音波モータの方が高トルクを発生することができる。 As shown in FIG. 7, both the ultrasonic motor of the present embodiment and the conventional ultrasonic motor increase the torque as the pressing force increases, but the ultrasonic motor of the present embodiment has a higher torque. Can be generated.
なお、上述の実施の形態では、円環状の圧電素子をステータとして用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、たとえば楕円の環状にしてもよく、進行波の経路がループしていればどのような形状であってもかまわない。 In the above-described embodiment, an annular piezoelectric element is used as a stator. However, the present invention is not limited to this, and for example, an elliptical annular element may be used, and a traveling wave path may be looped. Any shape can be used.
また、本実施の形態は、ロータがステータの進行波経路の全周に同時に接して駆動されるものについて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、たとえば、ステータに比べてロータが小型であり、進行波経路の一部にロータが載せられ、進行波経路のループにそってそのロータを移動させるような場合(たとえばレール上を車両が移動する場合において車両をロータとし、レールをステータの進行波経路とする場合)にも、本発明は適用することができる。 In the present embodiment, the rotor is driven in contact with the entire circumference of the traveling wave path of the stator at the same time. However, the present invention is not limited to this. When the rotor is mounted on a part of the traveling wave path and the rotor is moved along a loop of the traveling wave path (for example, when the vehicle moves on the rail, the vehicle is used as the rotor and the rail is The present invention can be applied to a traveling wave path of a stator.
1 超音波モータ
2 ロータ
3a、3b、3c ステータ
4 枠部材
33 振動片
34、35 固定電極
36 圧電素子
37、38 駆動電極
40、41 配線
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ステータの進行波を発生するための各相を、前記圧電素子の内周と外周とに配置したことを特徴とする超音波モータ。 In an ultrasonic motor that drives a rotor by vibrating a vibrating piece of a stator in contact with the rotor by a piezoelectric element,
An ultrasonic motor characterized in that each phase for generating a traveling wave of the stator is arranged on an inner periphery and an outer periphery of the piezoelectric element.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2005323735A JP2007135267A (en) | 2005-11-08 | 2005-11-08 | Ultrasonic motor |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2005323735A JP2007135267A (en) | 2005-11-08 | 2005-11-08 | Ultrasonic motor |
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JP2007135267A true JP2007135267A (en) | 2007-05-31 |
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JP2005323735A Withdrawn JP2007135267A (en) | 2005-11-08 | 2005-11-08 | Ultrasonic motor |
Country Status (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR200452241Y1 (en) | 2009-05-19 | 2011-02-14 | 대성전기공업 주식회사 | Automatic room mirror device for automobile |
US8061047B2 (en) | 2009-04-08 | 2011-11-22 | Schlumberger Technology Corporation | Active positioning of downhole devices using spherical motors |
-
2005
- 2005-11-08 JP JP2005323735A patent/JP2007135267A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US8061047B2 (en) | 2009-04-08 | 2011-11-22 | Schlumberger Technology Corporation | Active positioning of downhole devices using spherical motors |
KR200452241Y1 (en) | 2009-05-19 | 2011-02-14 | 대성전기공업 주식회사 | Automatic room mirror device for automobile |
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Legal Events
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