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JP2006262635A - Ultrasonic motor - Google Patents

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JP2006262635A
JP2006262635A JP2005076918A JP2005076918A JP2006262635A JP 2006262635 A JP2006262635 A JP 2006262635A JP 2005076918 A JP2005076918 A JP 2005076918A JP 2005076918 A JP2005076918 A JP 2005076918A JP 2006262635 A JP2006262635 A JP 2006262635A
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JP
Japan
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stator
ultrasonic motor
ceramic
motor
rotor
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Application number
JP2005076918A
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Japanese (ja)
Inventor
Ritsuo Inaba
律夫 稲葉
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Individual
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce weight and cost, by changing the material of stator from a metal to ceramics and the material of a rotor to ceramics or to plastics. <P>SOLUTION: To improve the characteristics of an ultrasonic motor, the weight of the stator 2 is reduced to half, by changing the material of the stator to a metal or ceramics. The non-metal ultrasonic motor is obtained, by changing the material of the rotor 1, to ceramics or plastics to achieve further weight reduction, and by changing the material of stator 2 to ceramics, operation under high torque is further stabilized. Furthermore, for utilization of the characteristics of lightness in weight and high-torque function, a sensor introduced inside the motor to facilitate the control of the motor. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は超音波モータに関するもので、特に超音波モータの構造を改良することにより、動作の安定したかつ高効率の超音波モータを実現するものである。さらに超音波モータ構造材料を選択することで、軽量小型化を可能にすることとし、高出力で制御性の高い超音波モータを実現する。 The present invention relates to an ultrasonic motor, and in particular, by improving the structure of the ultrasonic motor, an ultrasonic motor with stable operation and high efficiency is realized. Furthermore, by selecting an ultrasonic motor structural material, it is possible to reduce the weight and size, and realize an ultrasonic motor with high output and high controllability.

従来機械的な力を得るためには、電磁力、流体の利用(油圧、空気圧)、エンジン等の内燃機関によるもの、水力風力、などが一般的な方法であった。小型モータの領域に限るならば電気、流体、バネ力に限られている。
超音波モータは振動体のエネルギーの一部を、摩擦力を介して、機械的な力として取り出すもので、上記の方法のいずれとも異なる新しい機械出力の取り出し方法である。超音波モータが発明されてからすでに20年は経過しているにも関わらず、他のモータとは異なる多くの特徴を備えたモータであるがその特徴が十分に生かされていないため限られた範囲の応用となっている。期待されているほど広がっていない中でも、トルクが大きく、かつ非動作時の保持トルクが大きいため精密動作機構のサーボモータへの応用が現時点では特に有用である。トルクが大きいことは小型機器への応用に際して非常に優位である。一般に小型機器で高トルクを得る場合は、必然的にモータの回転数で出力を稼いでギヤーでトルクを得ることになる。その際振動と回転音の発生が伴ってくる。超音波モータは振動あるいはモータ音の課題は全く生じない。さらに他の応用として軽量でかつトルクの大きい特長を利用した応用として近年ロボットへの導入も盛んになってきた。
Conventionally, in order to obtain mechanical force, electromagnetic force, use of fluid (hydraulic pressure, air pressure), those using an internal combustion engine such as an engine, hydraulic wind power, and the like have been common methods. If it is limited to the area of a small motor, it is limited to electricity, fluid and spring force.
The ultrasonic motor extracts a part of the energy of the vibrating body as a mechanical force via a frictional force, and is a new method for extracting a mechanical output different from any of the above methods. Despite the fact that 20 years have passed since the invention of the ultrasonic motor, it is a motor with many features that are different from other motors, but these features are not fully utilized, so they are limited. It has become a range application. Even though it is not as wide as expected, the torque is large and the holding torque during non-operation is large, so that application of a precision motion mechanism to a servomotor is particularly useful at this time. The large torque is very advantageous when applied to small equipment. Generally, when a high torque is obtained with a small device, the output is inevitably gained by the rotation speed of the motor and the torque is obtained by a gear. At that time, vibration and rotation sound are generated. An ultrasonic motor does not have any problem of vibration or motor sound. As another application, in recent years, introduction to robots has become popular as an application utilizing the features of light weight and large torque.

超音波モータの取り組まなければならない課題点の中で取り残されている課題点を挙げる。
超音波モータの特徴の一つにあげられる小型でかつ高トルクに関しては研究段階ではその通りであり、今までの実用段階でもその特長は生かされてきた。しかし高トルクだけでは応用が限られてきることもわかってきた。今後の発展を考えるとき以下の項目の改善が必要となる。(1)実用化には超音波モータの機構設計の検討が遅れているためその特長が生かしきれていない、(2)接触動作であるための寿命の心配、(3)コストが高い。以上の3点の課題点からその応用範囲は限られていて、例外的に多量に使われた応用例としてカメラレンズ駆動用への応用がある。従来の電磁力モータの大幅な展開に比べて超音波モータは当初に掲げた目標ほどは使われていない。
超音波モータの特長の一つに上げられる制御性に関しても課題点が残されている。実用化されている超音波モータには制御用センサーがついていないため、サーボモータとして応用する際には新たにセンサーを付け加えて使わなければならない。応用する側から見たときは角度を検知するセンサーを付け、さらに超音波モータとセンサーとのやり取りを行うためのソフト開発が必要となる。これは特に超音波モータに限った事ではないが超音波モータは実績が乏しいため応用する側の負担が大きいことであり、ステッピングモータ、サーボモータなどを超える使い方をするためには余分な仕事が発生する。以上が従来の電磁力を用いたサーボモータに追いつけない理由である。超音波モータの提供する側が、応用する側の要求に答えてゆきその特徴を生かすための取り組みが不足している。結局はどうしても超音波モータを必要とする、ごく限られた応用範囲にのみ生かされているだけである。
しかしその中でも形状の利点と軽量化の利点を生かした応用例がレンズ駆動用モータである。これは発明当初から明確な応用意図を持ってモータとシステムの開発が進んだためで幸運な組み合わせと言える。
Listed below are issues that must be addressed in ultrasonic motors.
The small size and high torque that are listed as one of the features of ultrasonic motors are the same at the research stage, and the features have been utilized at the practical stage so far. However, it has also been found that the application is limited by high torque alone. The following items need to be improved when considering future development. (1) Since the examination of the mechanism design of the ultrasonic motor is delayed in practical use, its features are not fully utilized. (2) Life is concerned because of the contact operation, and (3) Cost is high. The application range is limited due to the above three problems, and there is an application for driving a camera lens as an application example that is exceptionally used in large quantities. Compared to the significant development of conventional electromagnetic motors, ultrasonic motors are not used as much as the initial goals.
There are still problems with controllability that is one of the features of ultrasonic motors. Ultrasonic motors that have been put to practical use do not have a control sensor, so when applied as a servomotor, a new sensor must be added. When viewed from the application side, it is necessary to attach a sensor to detect the angle, and to develop software for exchanging between the ultrasonic motor and the sensor. This is not particularly limited to ultrasonic motors, but ultrasonic motors have a poor track record, so the burden on the application side is large, and extra work is required to use them beyond stepping motors, servo motors, etc. appear. This is the reason why the conventional servo motor using electromagnetic force cannot be caught up. There is a lack of efforts to provide the features of ultrasonic motors and to respond to the demands of the application side. In the end, it is only used in a very limited range of applications that require an ultrasonic motor.
However, among them, a lens driving motor is an application example that takes advantage of the advantages of shape and weight reduction. This is a fortunate combination because the development of the motor and system has progressed with a clear application intention from the beginning of the invention.

次に上げられる課題点はコストにある。この数十年小型モータの出荷台数は桁違いに増大している。また価格も反比例した形で低減している。モータを応用する側から見ればそのコストは重要ではあるが、機器設計の段階でモータのコストを吸収するゆとりがあり、さらにモータ製造側でもコスト低減が可能であったためその結果として用途拡大に繋がった。一方超音波モータはその流れに付いてゆけないため、価格の低減が出来なかった。現状でもシステム設計の立場からは特性上使いたいのだが価格の点で使用を見合わせる場合が多い。
もう一点、電磁力モータとの比較において超音波モータ固有のハンディキャップは駆動エネルギーとなる振動を得るための発振回路が必要となる。他のモータはそのような回路は必要としないことから、この部分は出来る限りモータ全体の価格に反映しないための努力が必要となる。出来るだけ低コストの発振回路が求められる。従来のモータに比較して性能の点と価格の点でほどほどのバランスが取れるモータが製造できるならば、より多くの発展が可能である。本発明の目的の一つは、如何にして低価格の超音波モータが実現できるかを示したもので、以下にその詳細をしるす。
The next issue is cost. In recent decades, the number of small motors shipped has increased by orders of magnitude. Prices are also decreasing in inverse proportion. From the viewpoint of motor application, the cost is important, but there is a margin to absorb the motor cost at the device design stage, and the cost can be reduced even at the motor manufacturing side. It was. On the other hand, ultrasonic motors could not keep up with the flow, so the price could not be reduced. Even in the present situation, from the standpoint of system design, I would like to use it due to its characteristics, but there are many cases where I do not use it in terms of price.
In addition, in comparison with the electromagnetic force motor, the handicap inherent in the ultrasonic motor requires an oscillation circuit for obtaining vibration as drive energy. Since other motors do not require such a circuit, it is necessary to make an effort not to reflect this part in the price of the entire motor as much as possible. An oscillation circuit as low as possible is required. If a motor can be manufactured that has a moderate balance in terms of performance and price compared to conventional motors, more development is possible. One of the objects of the present invention is to show how a low-cost ultrasonic motor can be realized, which will be described in detail below.

図1にリング型超音波モータの基本構成を示す。超音波モータの構造は、超音波振動の振動体でありかつ駆動源となるステータ2と、そのステータに接して摩擦力を介してステータから回転力を受けるロータ1の部分から成り立つ。
ステータは振動体の機械共振を起こすための共振体と、図3に示す振動励起用の圧電体がその基部(ロータとの接触面の反対側)に貼り付けてある。振動エネルギーからロータの回転力を得るためには、ステータに同一周波数の位相の90度異なる二組の振動を発生させることでロータとの接触面が円運動を発生させ、円運動を行う振動の頂点となって、そこで接するロータ部に摩擦力を介して回転力を与える。
1枚の圧電体でステータ上に位相の90度異なる二組の振動発生のための(円運動の発生用)圧電体の電極構造を図3に示す。圧電体上に二組の振動発生用電極が90度の位相の異なる配置に設けてあり(A相、B相と名付けると、左側31がA相でA1+,A1-,A2+,A2-, A3+,A3-と成っている。さらに右側32が,B相でB1+,B1-,B2+,B2-,B3+,B3-の振動励起用の素子が設けられている)、それぞれの電極部が振動駆動源となり全体でそのモードとなるステータの共振を得る。超音波モータの基本構造となる主要部分はステータとロータの二つであるが、さらに摩擦力を得るための加圧機構、出力を取り出すための回転シャフト、さらにモータの支持部分などが加わる。
図1ではリング型の超音波モータでその基本構造と原理を示したが、図2でディスク型超音波モータの構造図を示す。ディスク型超音波モータでは円板のたわみ振動を用いるもので、図1のディスクが超音波モータとは振動モードが異なる。21は円板の共振器でモータのすテータとなる。リング型のステータ同様に振動拡大部を設けてその頂点で駆動力を得る。22はロータ、23は圧電体を裏面に接着してある。24は摩擦力を得るためのライニング材である。図4にディスク型超音波モータ用の圧電体を示す。図4の圧電体はA相、B相それぞれ位相を90度異なるようにした2枚をステータ上に貼り付けて使用する。図5はディスク型超音波モータの断面図を示す。
図1のリング型超音波モータおよび図2のディスク型超音波モータのいずれにおいても、ステータである共振子に単に電気入力を入れたときの歪は非常に小さくまた変位量も少なく機械出力を取り出すことは出来ない。機械出力を取り出すためにはステータに機械共振を発生させ共振分だけ表面の変位の大きさを増大させる。共振子の振動振幅、すなわち円運動の大きさは共振で拡大されていても機械出力として取り出すためにはやはり小さいものである。この変位振幅が大きければ大きいほど機械出力は取り出し易い。振動振幅を大きくするためには幾つかの工夫がなされている。その一つは共振器のQを大きく取ることである。
一般的に共振子はQと呼ばれる値(振動エネルギーとして蓄えられる運動エネルギー量と入力する電気エネルギーとの比)で評価される。共振子となるステータは一定直流を与えた時の圧電体が発生する歪によってステータが撓んで発生する変位量(非常にわずかの量である)、のQ倍の振幅を発生するので超音波モータのステータのQは出来る限り大きくなるよう設計する。Qはステータの構造、用いるステータ材料、圧電体の選択、組み立て技術等で変わる。
上記に記述したことは電圧が小さい場合の小振幅の場合に成り立つ(モータでは取り出す力が少ない場合)。一方超音波モータは出来るだけ小型で、高出力が求められるため、一定形状の振動子となるステータに出来るだけ多くの電気入力を入れて、多くの機械出力を取り出したい。その場合には先に記した小振幅の条件すなわち、電気入力に対してQ倍の機械振動が発生する条件が大振幅の場合には成り立たなくなる。
大振幅の場合はステータを構成する圧電体、接着剤、ステータ材料のそれぞれの材料で歪を発生するが、最も弱い材料中で振動の基本となる物理法則であるフックの法則、すなわち力と歪が比例する関係が成立しなくなる。増加した分の電気エネルギーのすべてが外部への取り出し可能な機械エネルギーとならずその増加分の大部分が内部損失を介して熱エネルギ−となって効率の低下あるいはモータの破壊に繋がって行く。
一方同一のQ値を持つステータであってもステータの形状構造を工夫することによって、機械出力を取り出し易くすることが出来る。本発明人が提案した機械出力のための振動拡大機構、いわゆる櫛歯構造をとることによって超音波モータを実用領域まで効率を引き上げることを実証した。公開特許公報昭61-191278、およびIEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM PROCEEDIBGS 1987,P747−P756
櫛歯構造をとらない場合には電気機械変換効率は数%程度のものが、櫛歯構造の導入と最適入力条件下では変換効率が約60%まで上昇することが出来た。その理由は線形領域内(電気入力と機械出力との関係が比例する範囲)で十分な機械振幅が取り出すことが可能となったためである。
FIG. 1 shows a basic configuration of a ring type ultrasonic motor. The structure of the ultrasonic motor is composed of a stator 2 that is a vibrating body of ultrasonic vibration and serves as a driving source, and a portion of the rotor 1 that is in contact with the stator and receives a rotational force from the stator via a frictional force.
In the stator, a resonance body for causing mechanical resonance of the vibration body and a piezoelectric body for vibration excitation shown in FIG. 3 are attached to the base (opposite the contact surface with the rotor). In order to obtain the rotational force of the rotor from the vibration energy, the contact surface with the rotor generates a circular motion by generating two sets of vibrations of 90 degrees different in phase at the same frequency in the stator, and the vibration of the circular motion is generated. At the apex, a rotational force is applied to the rotor portion in contact therewith via a frictional force.
FIG. 3 shows an electrode structure of a piezoelectric body (for generating circular motion) for generating two sets of vibrations having a phase difference of 90 degrees on a stator with one piezoelectric body. Two sets of vibration generating electrodes are arranged on the piezoelectric body at 90 degrees of phase difference (named A phase and B phase, the left side 31 is A phase and A1 +, A1-, A2 +, A2-, A3 + Furthermore, the right side 32 is provided with vibration excitation elements B1 +, B1-, B2 +, B2-, B3 +, B3- in the B phase). The resonance of the stator that becomes the source and the mode as a whole is obtained. There are two main parts that constitute the basic structure of an ultrasonic motor: a stator and a rotor. In addition, a pressurizing mechanism for obtaining a frictional force, a rotating shaft for extracting output, and a supporting part for the motor are added.
Although FIG. 1 shows the basic structure and principle of a ring type ultrasonic motor, FIG. 2 shows the structure of a disk type ultrasonic motor. The disk type ultrasonic motor uses a flexural vibration of a disk, and the vibration mode of the disk of FIG. 1 is different from that of the ultrasonic motor. Reference numeral 21 denotes a disk resonator which serves as a motor stator. Like the ring type stator, a vibration expansion portion is provided to obtain a driving force at the apex. 22 is a rotor, and 23 is a piezoelectric body bonded to the back surface. Reference numeral 24 denotes a lining material for obtaining a frictional force. FIG. 4 shows a piezoelectric body for a disk type ultrasonic motor. The piezoelectric body shown in FIG. 4 is used by attaching two sheets of which the phases are different from each other by 90 degrees on the stator. FIG. 5 shows a cross-sectional view of a disk-type ultrasonic motor.
In both the ring-type ultrasonic motor of FIG. 1 and the disk-type ultrasonic motor of FIG. 2, the distortion when the electrical input is simply applied to the resonator as the stator is very small and the displacement is small, and the mechanical output is taken out. I can't do that. In order to take out the mechanical output, mechanical resonance is generated in the stator, and the magnitude of the surface displacement is increased by the amount of resonance. The vibration amplitude of the resonator, that is, the magnitude of the circular motion is still small to take out as mechanical output even if it is enlarged by resonance. The greater the displacement amplitude is, the easier it is to extract the machine output. Several ideas have been made to increase the vibration amplitude. One of them is to increase the Q of the resonator.
In general, a resonator is evaluated by a value called Q (a ratio between an amount of kinetic energy stored as vibration energy and input electric energy). The stator as a resonator generates an amplitude Q times the displacement amount (very small amount) generated by bending of the stator due to distortion generated by the piezoelectric body when a constant direct current is applied. The stator Q is designed to be as large as possible. Q varies depending on the structure of the stator, the stator material to be used, the selection of the piezoelectric body, the assembly technique, and the like.
What has been described above holds true when the amplitude is small when the voltage is small (when the power to be extracted by the motor is small). On the other hand, since an ultrasonic motor is as small as possible and requires a high output, it is desirable to input as much electrical input as possible into a stator that is a vibrator having a fixed shape and extract as much mechanical output as possible. In that case, the condition of the small amplitude described above, that is, the condition that the mechanical vibration of Q times with respect to the electric input is generated is not satisfied.
In the case of large amplitude, distortion is generated in each of the piezoelectric material, adhesive, and stator material that constitutes the stator, but in the weakest material, Hook's law, which is the fundamental law of vibration, that is, force and strain Is not established. Not all of the increased electrical energy becomes mechanical energy that can be extracted to the outside, and most of the increased energy becomes thermal energy through internal loss, leading to a decrease in efficiency or motor breakdown.
On the other hand, even if the stator has the same Q value, the mechanical output can be easily taken out by devising the shape structure of the stator. The inventors have demonstrated that the efficiency of an ultrasonic motor can be increased to a practical range by adopting a so-called comb-tooth structure for a mechanical output for mechanical output proposed by the present inventors. Published Patent Publication Sho 61-191278, and IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM PROCEEDIBGS 1987, P747-P756
When the comb-tooth structure is not used, the electromechanical conversion efficiency is about several percent, but the conversion efficiency can be increased to about 60% under the introduction of the comb-tooth structure and the optimum input condition. This is because a sufficient mechanical amplitude can be extracted within the linear region (a range in which the relationship between the electric input and the mechanical output is proportional).

公開特許公報昭61-191278Published Patent Publication 61-191278 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM PROCEEDIBGS 1987,P747−P756IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM PROCEEDIBGS 1987, P747−P756

実用化への課題の解決に振動体の構造を櫛歯構造にとることを示したが、それでも多くの課題点が残されている。本発明ではステータ材料を改善することでより優れた超音波モータを実現したものである。
先に振動体の機械的Qについて記したが、Q値は材料によって大きく異なる。従来ステータに用いられる材料は機械的Qの高い材料でかつ機械加工が容易な材料として、鉄系の合金特にステンレス合金、リン青銅等が用いられている。ここで付け加えておかなければならない点は、上記の特定の材料でも、さらに特定の形状であってもQ値は異なる。その理由はステータ材料の内部の不均一性によって生じる。一定形状の振動体でも材料の性質が部分的に異なる場合、密度の不均一性、硬さの不均一性、内部歪の不均一性などが存在していてその結果Qを下げる。不均一性を微細に見ればミクロの領域で振動が伝わる速度が異なるため全体として一致した運動が出来ないためである。内部の不均一性を抱えた材料を用いた場合はステータ全体の振動が不均一となり、ステータ全体が均一に振動できないことになる。
実際のモータの実施例では、ステータが不均一の振動を発生するためにロータとの接触が、面全体が均一な接触が得られないため効率の低いモータとなる(図1で示す圧電体のモータでは7個の接触面が7個とも均等な駆動力となる振動を行うかどうかとなる)。さらに不均一な接触は振動の非線形性を介して低次の振動モードである可聴音の発生が生じる。勿論機械的なQ値も小さくなっている。機械的な寸法の違いなどはステータ製造時点で容易にチェック出来るが、使用する材料の均一性に関しては見出す知見が無いため設計者の経験に頼らなければならない事もステータ設計の課題の一つである。
Although it has been shown that the structure of the vibrator is a comb-teeth structure for solving the problems for practical use, many problems still remain. In the present invention, an improved ultrasonic motor is realized by improving the stator material.
The mechanical Q of the vibrator is described above, but the Q value varies greatly depending on the material. Conventionally, materials used for the stator are materials with high mechanical Q and materials that can be easily machined, and iron-based alloys, particularly stainless alloys, phosphor bronze, and the like are used. The point that must be added here is that the Q value is different for the above-mentioned specific material and even a specific shape. The reason is caused by the non-uniformity inside the stator material. If the material properties are partially different even in a constant-shaped vibrating body, there are density non-uniformity, hardness non-uniformity, internal strain non-uniformity, and the like. As a result, Q is lowered. This is because if the non-uniformity is viewed in detail, the speed at which vibration is transmitted in the micro area is different, so that it is not possible to perform a consistent movement as a whole. When a material having internal non-uniformity is used, the vibration of the entire stator becomes non-uniform, and the entire stator cannot be uniformly vibrated.
In an actual motor embodiment, since the stator generates non-uniform vibration, contact with the rotor is not efficient because the entire surface cannot be evenly contacted (the piezoelectric body shown in FIG. 1). In the motor, it is determined whether or not the seven contact surfaces all perform vibrations with equal driving force). Furthermore, non-uniform contact results in the generation of audible sound, which is a low-order vibration mode, through vibration nonlinearity. Of course, the mechanical Q value is also small. Differences in mechanical dimensions can be easily checked at the time of stator production, but there is no knowledge to find out about the uniformity of the materials used, so one of the challenges of stator design is that it must rely on the experience of the designer. is there.

本発明人はステータ材料を検討した結果セラミック材料が幾つかの観点から判断して最も適していることを見出した。ステータに要求される条件として、複雑なステータ構造が容易に作れるか、その際機械加工寸法精度が取れるか、Q値が十分大きいか、モータ用の部品として妥当なコストであるか、モータ出力を得るための共振時の機械的な強度は保証されるか、経時変化は無いか、環境テスト(マイナス30度―90度)に耐えるか、有害物質と成らないか等の条件で、従来の金属ステータとの比較を行った結果多くの点でセラミック材料が最も適していることを見出したものである。   As a result of studying the stator material, the present inventor has found that the ceramic material is most suitable judging from several viewpoints. The conditions required for the stator include that a complicated stator structure can be easily produced, that machined dimensional accuracy can be obtained, that the Q value is sufficiently large, that the cost is reasonable for motor parts, and that the motor output is The conventional metal can be used under the conditions that the mechanical strength at the time of resonance is guaranteed, does not change with time, can withstand environmental tests (minus 30 ° -90 °), and does not become a harmful substance. As a result of comparison with the stator, it was found that the ceramic material is most suitable in many respects.

さらにセラミックは比重が金属の半分以下であることも軽量化モータの特徴をさらに高めることに寄与する。
超音波モータに使用されるエンジニアリングセラミック材料と従来の金属材料との比較を行う。Q値に関してセラミックと金属との比較を行うと、厳密に形状を確保した場合はセラミックは金属よりは弾性損失は少ない(Qが大きい)。しかし寸法精度を厳密に確保した一定形状のセラミックは、特にステータ形状にする場合には機械加工が難しいためコスト上昇を招く点で金属と比較して不利である。超音波モータへの適用において小振幅の場合は双方に大きな違いは生じない。しいて言えばセラミックがやや優れているがその場合も作製条件で大きく変わる。今問題にしなければならないのは大振幅の場合の比較である。応力と歪の関係においてセラミックは明確な降伏点が無く応力の増加に伴い歪も増加してゆき、最終的には破壊に繋がる。金属の場合は応力と歪の関係が比例するが、入力の増加につれて比例関係で無くなる。比例関係からずれるいわゆる降伏点を過ぎてもすぐには破壊には繋がらない。どの歪点で動作させるか(何処まで機械出力を取り出すか)にかかるが、一般的には金属ステータは比例関係を超えた点での動作では不安定な動作が発生しやすい。その点セラミックステータの方が線形領域が広いので安定動作を得やすい。
超音波モータの駆動源となるステータを再度見直したとき、振動の駆動源となる電気機械変換部は圧電体である。圧電体をステータに貼り付けて圧電体とステータ金属の複合体を共振器として用いるが、共振器は出来る限り一様な条件で振動させたい。圧電体とステータを含めた形で最適化を測らなければならない。ステータをセラミックにする理由の一つは圧電体がセラミックであるため、圧電体とステータの複合体は最も自然な振動が得られるることで、さらにセラミックステータ部の線形成の大きいこともあいまって金属を用いるよりは安定な動作が得られる。その理由の一つには熱膨張係数が等しく、機械的な性質が似ているなどの理由と両者の接着時に余分な残留歪を与えない点で容易であるなどの特長が挙げられる。
超音波モータのステータにセラミックを用いる利点の一つにモータの軽量化が上げられる。金属とセラミックの重量の比較を行うならばセラミックが軽いことは明らかである。超音波モータの重量が2分の1以下になれば、その特徴がさらに生かし易くなることは明確である。さらに本発明ではロータも軽量化のためにセラミックかプラスティイクを用いることでモータ全体の軽量化に繋がる。ロータの構造に関しては従来作りやすい金属からの変換だけで問題は無い。
第3の利点として、コスト低減が挙げられる。今まではステータの製造は金属を機械加工によるもので、加工精度が要求されるためコストの上昇に繋がった。
機械加工精度が要求される要因はQを保障した安定な共振を得るためである。特にステータの溝加工はコスト上昇を招いている。
In addition, the fact that the specific gravity of ceramic is less than half that of metal also contributes to further enhancing the characteristics of lightweight motors.
A comparison is made between engineering ceramic materials used in ultrasonic motors and conventional metal materials. When the ceramic and the metal are compared with respect to the Q value, when the shape is strictly secured, the ceramic has less elastic loss than the metal (Q is large). However, a ceramic with a fixed shape with strict dimensional accuracy is disadvantageous compared to a metal in that it is difficult to machine, especially when it is in the shape of a stator, leading to an increase in cost. In application to an ultrasonic motor, there is no significant difference between the two in the case of a small amplitude. In other words, ceramic is slightly better, but in that case, it varies greatly depending on the fabrication conditions. What must be considered now is a comparison in the case of a large amplitude. In relation to stress and strain, ceramic does not have a clear yield point, and strain increases with increasing stress, eventually leading to failure. In the case of metal, the relationship between stress and strain is proportional, but it disappears as the input increases. Even if it passes the so-called yield point that deviates from the proportional relationship, it does not lead to destruction immediately. Although it depends on which strain point is operated (how far the machine output is taken out), generally, a metal stator tends to generate unstable operation when operated at a point exceeding the proportional relationship. In that respect, the ceramic stator has a wider linear region, so that stable operation can be easily obtained.
When the stator that becomes the drive source of the ultrasonic motor is reviewed again, the electromechanical transducer that becomes the drive source of vibration is a piezoelectric body. A piezoelectric body is attached to the stator and a composite of the piezoelectric body and the stator metal is used as a resonator. The resonator is desired to vibrate under as uniform conditions as possible. Optimization must be measured in a form that includes a piezoelectric body and a stator. One of the reasons for making the stator ceramic is that the piezoelectric body is ceramic, so the composite of the piezoelectric body and the stator can provide the most natural vibration, combined with the large line formation of the ceramic stator section. Stable operation can be obtained rather than using metal. One of the reasons is that the thermal expansion coefficients are the same and the mechanical properties are similar, and that it is easy in that it does not give excessive residual strain when the two are bonded.
One advantage of using ceramic for the stator of an ultrasonic motor is that the motor is lighter. If the weight of metal and ceramic is compared, it is clear that the ceramic is light. It is clear that when the weight of the ultrasonic motor is reduced to half or less, the characteristics are more easily utilized. Furthermore, in the present invention, the rotor is also made lighter by using ceramic or plastic to reduce the weight of the entire motor. With regard to the structure of the rotor, there is no problem simply by converting from metal, which is easy to make conventionally.
A third advantage is cost reduction. Until now, stators were manufactured by machining metal, which required high machining accuracy, leading to increased costs.
The factor that requires machining accuracy is to obtain a stable resonance that guarantees Q. In particular, the groove processing of the stator causes an increase in cost.

一方セラミックの場合は、ステータ基本構造をセラミックの成型“型”で一度作製するため量産性がありコストの低減が図れる。精度の確保はセラミック全体の焼成時、収縮率の制御の出来不出来に関わる。セラミックは焼成によって15%内外の収縮が生じる。この収縮を見込んで初期の形状を決めておく。問題点はその収縮が均一に起こるかどうかである。現時点ではステータ全体で収縮率のバランスの崩れは0.5%以下であることを確認している。この値でも形状確保のための追加工なしで十分安定なステータ振動が得られる。   On the other hand, in the case of ceramic, since the basic structure of the stator is manufactured once by a ceramic “mold”, it is mass-productive and the cost can be reduced. Ensuring accuracy is related to the inability to control the shrinkage rate when firing the entire ceramic. Ceramics shrink by 15% inside and outside upon firing. The initial shape is determined in anticipation of this contraction. The problem is whether the shrinkage occurs uniformly. At present, it has been confirmed that the balance of shrinkage in the entire stator is less than 0.5%. Even at this value, sufficiently stable stator vibration can be obtained without additional work for securing the shape.

本発明によれば、超音波モータのステータにセラミックを用いることにより動作の安定した高トルクでかつ高効率を有する超音波モータを実現することが出来た。さらにロータ部を非金属材料で構成して、モータ全体が非金属から成る軽量化超音波モータを実現することが出来た。特に上記の軽量超音波モータの内部に角度センサーを設けることによりサーボモータとしての特性を待たせることが可能となった。 According to the present invention, the use of ceramic for the stator of the ultrasonic motor can realize an ultrasonic motor having stable operation and high torque and high efficiency. Furthermore, the rotor part is made of a non-metallic material, and a light weight ultrasonic motor in which the entire motor is made of a non-metal can be realized. In particular, by providing an angle sensor inside the above-described lightweight ultrasonic motor, it has become possible to wait for the characteristics as a servo motor.

ステータに用いるセラミック材料は振動損失が少なく機械的に丈夫でなければならないためいわゆるエンジニアリングセラミックといわれる中から選んだ。エンジニアリングセラミックスには、アルミナ(Al2O3),
ムライト(3Al2O3・2SiO2)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si3N4)、窒化アルミ(AlN)、
ジルコニア(ZrO3)、チタニアなどが挙げられる。
The ceramic material used for the stator was selected from so-called engineering ceramics because it must be mechanically strong with low vibration loss. Engineering ceramics include alumina (Al2O3),
Mullite (3Al2O3 ・ 2SiO2), silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si3N4), aluminum nitride (AlN),
Examples include zirconia (ZrO3) and titania.

今回これらのセラミックの中から、一般的に最も多く用いられているアルミナと最も高強度のセラミックであるジルコニアと、さらに圧電セラミックに組成が似ているチタニアの3つの材料で超音波モータのステータの作成を行い超音波モータを作製した。
ここで金属とセラミックのステータに用いる場合の材料特性の比較を行う
大きな特徴は金属に比べてセラミックは軽くて丈夫であると言っても良い。セラミックを用いる場合には共振器としての応用であることを十分知った上で設計と作製に当たらなければならない。表1にステータに用いられる金属材料とセラミック材料の物理定数をまとめる。
Of these ceramics, the three most commonly used alumina, zirconia, which is the strongest ceramic, and titania, which is similar in composition to piezoelectric ceramics, are used in the stator of an ultrasonic motor. The ultrasonic motor was produced by making it.
Here, it can be said that the major feature of comparing the material characteristics when used for a metal and ceramic stator is that the ceramic is lighter and stronger than the metal. When ceramic is used, it must be designed and fabricated with sufficient knowledge that it is an application as a resonator. Table 1 summarizes the physical constants of the metal material and ceramic material used in the stator.

表1 ステータ材料比較
Table 1 Stator material comparison

二つのステータ材料比較を行う時特に両者にどちらが優位であるか無いかの情報を得ることは出来ない。今までセラミック材料が用いられなかった理由は、ステータへの機械加工精度要求が厳しすぎるためで、厳密な精度を要求した場合には安価に入手することが出来なかったためである。   When comparing two stator materials, it is not possible to obtain information on which is superior or not. The reason why ceramic materials have not been used so far is that the machining accuracy requirement for the stator is too strict, and when strict accuracy is required, it cannot be obtained at a low cost.

本発明人が以下の3種類のエンジニアリングセラミックを用いて検討した。
(1) アルミナ 96%以上 見かけ密度 3.7g/cm3
(2) アルミナ 99.5% 見かけ密度 3.9g/cm3
(3) ジルコニア 見かけ密度 5.6g/cm3
(4) チタニア 見かけ密度 4.5g/cm3
(1)(2)(3)(4)の材料の選定理由は産業機械用セラミックとして最も一般的な材料であるアルミナとジルコニア、チタニアに絞って検討を行ったもので、(1)(2)は比較的焼成温度が低くセラミックの中でもコスト重視の観点から選んだ。(3)は(1)に比べて高密度であり機械強度も高いものである。(3)のジルコニアセラミックは機械強度が最も高く、最も超音波モータのステータに適していると思われるものである。
ステータの作製の概略を以下に記す
原料の仕込み 粉砕と混合を行い粒度のそろった泥小の作製
成型 ラバープレスで大まかな形状を作製 外形の切削加
(この段階で外形形状の大まかな作製)
焼成 材料に応じた雰囲気下で焼結
表面の平坦化 ロータとの接触面のラッピング加工
圧電体接着
上記の工程でステータの製造を行う。注意しなければならないことはセラミックの焼成の場合は高温での焼成で寸法が15%ほど収縮することを知った上で元の形を決めなければ成らない。さらに最終的な形状寸法は1%から0.5%の範囲でばらつくことを認めなければならない。これは駆動周波数のバラツキに繋がる。
超音波モータのステータに要求される寸法精度はその絶対値は要求されない。
ステータ全体の寸法のバラツキが無いことが重要と成る。精度の点で最も大きく寄与する部分は振動部の板厚である。現在2mm内外(焼き縮みを考えて)で設計しているが、2mmの0.5%は10μとなり、この価は単に数値の比較だけならば金属の機械加工精度の一般加工精度に匹敵する。追加工なしに満足できる値である。
セラミックのステータ固有の作業として表面のラッピングが必要になる。その理由は、ステータ全体の平面度の確保が難しいので焼成時の反りを認めて、モータ組み立て時にロータとの接触面の均一な接触の確保のためと、さらに焼き上がりのセラミックの表面は一般的にはザラザラした表面となるため、表面の摩擦力を安定にするためと、ロ−タに設けた摩擦材の磨耗を減らすためにセラミック表面を研磨する必要がある。
ステータ作製の最後に圧電体の接着がある。ステータ材料と圧電体はともにセラミックであるため、金属ステータに比べたときにはその作業性は容易である。
これは通常作製のノウハウとして表に出てこないが、接着時の圧力と温度(通常接着後接着剤硬化のため温度を上げる)の影響で残留歪が発生するが、互いに似た性質を持つ材料どうしではその影響が少ないことである。さらにステータ表面は適当な粗さでザラザラしていることも接着剤の塗布には都合が良い。
従来のステータは金属を用いたので一方の電極をステータから取ることが出来たが、セラミックステータの場合には非導電性であるため、圧電体上から通電出来るように電極構造を変える必要がある。
セラミックステータを用いた理由の一つにモータの軽量化が挙げられる。ステータは軽量化された時、ロータも軽量化しなければならない。ロータの軽量化のための材料として、軽量で剛性の有する材料ならば殆どの材料がそのまま用いることが可能となる。具体的な材料は、セラミック。エンジニアリングプラスティック、アルミニウム合金、マグネシウム合金などが上げられる。ロータをプラスチックで作った場合は、モータ全体の主要部分がすべて非金属で出来ることになる。実施例ではエンジニアリングプラスチックを用いて機械加工で切りだして用い他。特性の上で特に問題は生じない。
従来モータは鉄と銅の塊りと思われていたものがそのすべてが変わることになりその波及効果は大きい。
超音波モータの応用としてサーボモータとして用いてその優位性を増すためには特に角度センサーの内蔵が望ましい。超音波モータの構造はステータとロータのほかに摩擦力を得るためのバネなどの加圧機構が入るだけで非常に単純である。
本発明ではステータ或いはロータ上に角度検出部を設けた超音波モータの実現を行った。用いた角度検出器はロータ上にエンコーダを貼り付けて、ステータ上に設けたホトダイオードとホトディテクターの組み合わせで角度検出を行った。
角度センサーを設けえることによって全体の重量などの増加は殆ど生じない。さらにステータ上に設けたホトダイオードとホトディテクターの設置もステータの振動に影響を与えることは無かった。
The present inventor studied using the following three types of engineering ceramics.
(1) Alumina 96% or more Apparent density 3.7g / cm3
(2) Alumina 99.5% Apparent density 3.9g / cm3
(3) Zirconia Apparent density 5.6g / cm3
(4) Titania Apparent density 4.5g / cm3
(1) (2) (3) The reason for selecting the material (4) has been studied focusing on alumina, zirconia, and titania, which are the most common materials for industrial machine ceramics. ) Was selected from the viewpoint of cost priority among ceramics, which has a relatively low firing temperature. (3) is higher in density and mechanical strength than (1). The zirconia ceramic of (3) has the highest mechanical strength and is considered to be most suitable for the stator of an ultrasonic motor.
The outline of stator production is described below.
Raw material preparation Crushing and mixing to produce small-sized mud and small molds Making rough shape with rubber press Cutting external shape (rough production of external shape at this stage)
Sintering surface flattening in an atmosphere according to the firing material Lapping process piezoelectric bonding of the contact surface with the rotor The stator is manufactured by the above process. It should be noted that in the case of firing ceramics, the original shape must be determined after knowing that the dimensions shrink by about 15% when firing at high temperatures. Furthermore, it should be noted that the final geometry varies from 1% to 0.5%. This leads to variations in driving frequency.
The absolute value of the dimensional accuracy required for the stator of the ultrasonic motor is not required.
It is important that there is no variation in the dimensions of the entire stator. The part that contributes most in terms of accuracy is the thickness of the vibrating part. Currently designed 2mm inside and outside (considering shrinkage), 0.5% of 2mm is 10μ, and this value is comparable to the general machining accuracy of metal machining accuracy if only numerical comparison is made. It is a satisfactory value without any additional work.
Surface wrapping is required as an operation unique to ceramic stators. The reason for this is that it is difficult to ensure the flatness of the entire stator, so warpage during firing is recognized, to ensure uniform contact of the contact surface with the rotor during motor assembly, and the surface of the baked ceramic is common. Therefore, it is necessary to polish the ceramic surface in order to stabilize the frictional force of the surface and reduce the wear of the friction material provided in the rotor.
There is adhesion of the piezoelectric body at the end of the stator fabrication. Since both the stator material and the piezoelectric body are ceramic, their workability is easier when compared to a metal stator.
Although this does not appear in the table as normal production know-how, residual strain occurs due to the effect of pressure and temperature at the time of bonding (usually raising the temperature to cure the adhesive after bonding), but materials with similar properties to each other There is little influence between them. Furthermore, it is convenient for application of the adhesive that the stator surface is rough with an appropriate roughness.
Since the conventional stator used metal, one electrode could be taken from the stator. However, in the case of a ceramic stator, since it is non-conductive, it is necessary to change the electrode structure so that electricity can be applied from the piezoelectric body. .
One reason for using a ceramic stator is to reduce the weight of the motor. When the stator is lighter, the rotor must be lighter. As a material for reducing the weight of the rotor, almost all materials can be used as they are if they are lightweight and rigid. The specific material is ceramic. Engineering plastic, aluminum alloy, magnesium alloy etc. are raised. If the rotor is made of plastic, the main part of the entire motor can be made of non-metal. In the embodiment, it is cut out by machining using engineering plastic. There is no particular problem in terms of characteristics.
Conventional motors were thought to be a lump of iron and copper, but all of them changed, and the ripple effect was great.
In order to increase the advantage of using an ultrasonic motor as a servo motor, it is particularly desirable to incorporate an angle sensor. The structure of the ultrasonic motor is very simple with only a pressurizing mechanism such as a spring for obtaining a frictional force in addition to the stator and the rotor.
In the present invention, an ultrasonic motor having an angle detection unit on a stator or a rotor is realized. As the angle detector used, an encoder was attached to the rotor, and the angle was detected by a combination of a photodiode and a photodetector provided on the stator.
By providing the angle sensor, there is almost no increase in the overall weight or the like. Furthermore, the installation of the photodiode and the photo detector provided on the stator did not affect the vibration of the stator.

リング型超音波モータRing type ultrasonic motor ディスク型超音波モータDisc type ultrasonic motor リング型超音波モータ圧電セラミックRing type ultrasonic motor piezoelectric ceramic ディスク型超音波モータ圧電セラミックDisc type ultrasonic motor piezoelectric ceramic ディスク型超音波モータ断面図Cross section of disk type ultrasonic motor

符号の説明Explanation of symbols

1…リング形超音波モータロータ
2…リング型超音波モータステータ
3…リング形超音波モータ固定枠
21…ディスク型超音波モータステータ
22…ディスク型超音波モータロータ
23…ディスク型超音波モータ圧電セラミック
24…ライニング材料
25…ベアリング
26…加圧バネ
27…ナット
28…モータ固定台
29…回転軸
31…ステータ励起用圧電電極
32…90度位相のずれたステータ励起用圧電電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ring type ultrasonic motor rotor 2 ... Ring type ultrasonic motor stator 3 ... Ring type ultrasonic motor fixed frame 21 ... Disc type ultrasonic motor stator 22 ... Disc type ultrasonic motor rotor 23 ... Disc type ultrasonic motor piezoelectric ceramic 24 ... Lining material 25 ... Bearing 26 ... Pressure spring 27 ... Nut 28 ... Motor fixing base 29 ... Rotating shaft 31 ... Stator excitation piezoelectric electrode 32 ... Stator excitation piezoelectric electrode 90 degrees out of phase

Claims (7)

超音波モータ駆動のための振動体であるステータにセラミックを用いた超音波モータ Ultrasonic motor using ceramic as stator for vibrating body for driving ultrasonic motor 主要駆動源をセラミックのステータとプラスティック又はセラミック材料を用いたロータから成る非金属製の軽量超音波モータ Non-metallic lightweight ultrasonic motor consisting of a ceramic stator and a rotor using a plastic or ceramic material as the main drive source 主要駆動源をセラミックのステータとプラスティック又はセラミック又はアルミニウム(合金を含む)又はマグネシウム(合金を含む)材料を用いたロータから成る軽量超音波モータ Lightweight ultrasonic motor consisting of a rotor made of ceramic stator and plastic or ceramic or aluminum (including alloy) or magnesium (including alloy) as the main driving source 超音波モータのステータ材料としてアルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、窒化アルミ、炭化珪素、ムライトなどのいずれかの材料を用いた超音波モータ Ultrasonic motor using any material such as alumina, zirconia, titania, silicon nitride, aluminum nitride, silicon carbide, mullite as the stator material of ultrasonic motor 超音波モータ駆動のための振動体であるステータにセラミックを用いた超音波モータにおいて、ステータ上に振動振幅拡大用の溝を設けたことを特長とする超音波モータ An ultrasonic motor using ceramics for a stator, which is a vibrator for driving an ultrasonic motor, wherein a groove for expanding vibration amplitude is provided on the stator. 請求項1から4に範囲において、特にステータあるいはロータ上に回転角度検出用のセンサーを取り付けて角度および速度を制御して用いる超音波モータ 5. An ultrasonic motor according to claim 1, wherein a sensor for detecting a rotation angle is mounted on a stator or a rotor to control an angle and a speed. 請求項1から請求項3のセラミックステータにおいて、ステータ作製の際に特に型を用いて、ステータ形状を作製したことを特長とする超音波モータ
4. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein a stator shape is produced by using a mold particularly when the stator is produced.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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