This paper proposed optimal design and microcontroller driver for driving the thin-type ultrasonic motor. To find the optimal size of the stator, motions of the motor were simulated using ATILA by changing length, width and thickness of the ceramics. Two sinusoidal waves which have 90 degree phase difference were needed for driving the thin-type motor. The thin-type ultrasonic motor driver was composed of microcontroller(Atmega128), push-pull inverter, encoder and AD-converter. Microcontroller generates four square waves which have variable frequency and 25[%] duty ratio in $20{\sim}150$[kHz]. The output signals of microcontroller were converted to sine wave and cosine wave by push-pull inverter and were applied to the thin-type ultrasonic motor. The encoder and AD-converter were used for maintaining speed of the thin-type ultrasonic motor. The AD-converter controlled DC voltage of inverter in accordance with output signal of encoder. Using the driver, characteristics of the motor as speed and torque were measured.
In this study, novel structured thin ultrasonic rotary motor has been proposed. Ultrasonic motors are based on an elliptical motion on the surface of elastic body. ATILA ver. 5.2.4 was used for optimizing stator. The motor was fabricated by using designed stator. And characteristics of the motor were compared with simulated results. When the motor was fabricated with these results, 860[rpm] speed was obtain by input voltage of 16[Vrms] at 92.5[kHz].
In this study, novel structured thin ultrasonic rotary motor has been proposed. Ultrasonic motors are based on an elliptical motion on the surface of elastic body. Thin brass plate was used as a cross shaped vibrator and eight ceramic plates were attached on upper side and bottom side of the brass plate. From the thin stator, elliptical displacements of the four contact tips were obtained. To find the optimal size of the stator, motions of the motors were simulated using ATILA by changing length, width and thickness of the ceramics. The stators had commonly three resonance peaks and contact tips of the stator moved on tangential or normal trajectories at these resonance peaks. The maximum displacements at the resonance peaks were compared. As results, maximum displacements of the contact tips were obtained at the length of 16 mm, width of 6 mm and thickness of 0.4 mm. Changes of the resonance frequencies were inversely proportional to the length of ceramic and proportional to the width of ceramic. The motor was fabricated by using the designed stator. And, the characteristics of the motor were compared with the simulated results. When the motor was fabricated with these results, speed fo 935 rpm was obtained by input voltage of 25 Vrms at 93.5 kHz.
In this paper, the characteristics of a thin-type ultrasonic motor generating elliptical displacements analyzed by FEM are presented, and then fabrication of the motor is then described. The structure of the motor consists of sixteen ceramic pieces attached to the upper and bottom surfaces of an elastic body. The principle of the motor is to apply alternating voltages which have a 90 phase difference to the attached ceramics, and then elliptical displacements are generated at four edges of the elastic body. Then the rotor is moved by the elliptical displacements. In the case of a ceramic thickness of 1.5, the highest speed was obtained at 79 kHz. In the case of a ceramic thickness of 2 mm, the highest speed was obtained at 77.5 kHz. Consequently, the speed and torque of the ultrasonic motor (USM) increased linearly with increasing applied voltage.
In the paper, the novel linear ultrasonic motor for precision position control was designed and fabricated. It was composed of two piezoelectric actuators with longitudinal ultrasonic fluctuations and shaking beam. When two AC electric fields ($Usin{\omega}t$, $Ucos{\omega}t$) were applied in two piezoelectric actuators respectively, the middle part of shaking beam had an elliptical trajectory. According to experimental results, good symmetrical characteristic of two piezoelectric actuators were obtained.
Design of a piezoelectric actuator for the ultrasonic motor must ensure that contact point has elliptic trajectory of movement. The new idea of an elliptic trajectory formation of the piezoelectric actuator is investigated in the paper. Shaking beam for the piezoelectric linear ultrasonic motor was introduced to realize this new idea. The principle is based on the excitation of longitudinal and flexural vibrations of the actuator by using two sources of longitudinal mechanical vibrations shifted by $\pi$/2. Mode-frequency and harmonic response analyses of the actuator based on FEM have been carried out. The moving trajectory of the contact point has been defined. Finally, The experimental research of shaking beam has been confirmed an opportunity of the elliptic trajectory reception with the help of one stable mode of the vibrations.
In this study, novel structured thin ultrasonic rotary motor has been proposed. Ultrasonic motors are based on an elliptical motion on the surface of elastic body. ATILA ver. 5.2.4 was used for optimizing stator. The motor was fabricated by using designed stator. And characteristics of the motor were compared with simulated results. When the motor was fabricated with these results, 935[rpm] speed was obtain by input voltage of 25[Vrms] at 93.5[khz].
Nowadays, application fields using piezoelectric ceramics are various. On this paper, Characteristics of thin-type ultrasonic motor generating elliptical displacements has been analyzed by FEM, and then the motor was fabricated. Structure of the motor consists of sixteen ceramic pieces attached elastic body upper and bottom. Principle of the motor is to apply alternative voltages which have 90 phase difference to attached ceramics, and then elliptical displacements is generated at four edges of clastic body. And then rotor is rotated by the elliptical displacements. In case of ceramic thickness 1.5[mm], characteristic of the highest speed was found at 79[kHz]. In case of ceramic thickness 2[mm], Characteristic of the highest speed was observed at 77.5 [kHz]. Consequently, speed and torque of USM were increased linearly with increasing in applied voltage.
Newly designed structure of a thin ultrasonic rotary motor was proposed. Thin brass plate was used as a cross shaped vibrator and eight ceramic plates were attached on the upper and bottom sides of the brass plate as in Figure 1. The thin type ultrasonic motor has the structure adherent piezoelectric ceramic on the top and bottom surface of the thin elastic body. The direction of polarization is decided so as to occur the elliptical displacement in regular sequence at touch point A, B, C and D of stator contacted with rotor. By applying two electric fields which have 90 degree phase difference on the ceramics, each contact points make rotational displacements as in figure 2. Finite element analysis program ATILA was used to find the optimal size of the stator. As a result of the simulation, elliptical displacements of the tips were obtained at off-resonance frequencies. The maximum displacements of the contact tips were obtained at the length of 16[mm], width of 6[mm] and thickness of 0.4[mm]. Changes of the resonance frequencies were inversely proportional to the length of ceramic and proportional to the width of ceramic. Elliptical motions of the contact tips. of the stator were consistently obtained at off resonance frequencies. From a prototype motor, speed of 600[rpm] was obtained at 20[Vrms].
The standing waves of the fourth bending mode of vibration and first longitudinal mode of vibrator were utilized to construct a ultrasonic linear motor. The geometrical dimensions of the vibrator were determined by Euler-Bernoulli theoty. FEM(finite element method) employed to calculate the vibration mode of the metal-piezoceramic composite thin plate vibrator. ANSYS was used to design positions of the projections and calculate displacement of vibrator.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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