JP2590536B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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JP2590536B2 JP63176633A JP17663388A JP2590536B2 JP 2590536 B2 JP2590536 B2 JP 2590536B2 JP 63176633 A JP63176633 A JP 63176633A JP 17663388 A JP17663388 A JP 17663388A JP 2590536 B2 JP2590536 B2 JP 2590536B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、超音波振動エネルギーを利用したモータに
関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a motor using ultrasonic vibration energy.

(従来の技術) 超音波モータとして、従来弾性板の片面に圧電セラミ
ック板を接着し、長さ方向縦振動と幅方向屈曲振動の二
つの共振周波数を一致もしくは接近させ、その近傍の周
波数の電界を圧電体に印加することにより前記二つの振
動を縮退状態で励振する振動子(以後縦−屈曲多重モー
ド振動子と呼ぶ)を利用する定在波型超音波モータが提
案されている。以下図面を参照しながら説明する。
(Prior art) As an ultrasonic motor, a piezoelectric ceramic plate is adhered to one side of a conventional elastic plate, and the two resonance frequencies of the longitudinal vibration in the length direction and the bending vibration in the width direction are matched or approached. Is applied to a piezoelectric body to excite the two vibrations in a degenerate state (hereinafter, referred to as a vertical-bending multi-mode vibrator). This will be described below with reference to the drawings.

まず縦−屈曲多重モード振動子の一例を第4図(a)
〜(d)に示す。これは長さ方向の一次の縦振動と幅方
向の一次の屈曲振動を縮退状態で励振する振動子であ
る。第4図(a)は正面図、第4図(c)は側面図であ
る。厚さ方向に一様に分極した圧電セラミック板42の上
下両面に金属電極膜43を設け、それを弾性板41の底面に
張り合わせている。このとき弾性板41と圧電セラミック
板42は、長さ方向の1次の縦振動モードと幅方向の1次
の屈曲振動モードの共振周波数が一致するような寸法と
なっている。このような振動子の金属電極間に2つの振
動モードの共振周波数と等しい交流電圧を印加する事に
より、第4図(b)、(d)で表される振幅変位分布を
持つ定在波が励振される。ここで第4図(b)における
44は長さ方向の1次の縦振動の変位分布、第4図(d)
における45は幅方向の一次の屈曲振動の変位分布を示
す。このように縦−屈曲多重モード振動子は2種類の異
なる振動モードを縮退させて使用していた。
First, an example of a longitudinal-bending multimode vibrator is shown in FIG.
To (d). This vibrator excites the primary longitudinal vibration in the length direction and the primary bending vibration in the width direction in a degenerate state. FIG. 4 (a) is a front view, and FIG. 4 (c) is a side view. Metal electrode films 43 are provided on both upper and lower surfaces of a piezoelectric ceramic plate 42 uniformly polarized in the thickness direction, and the metal electrode films 43 are bonded to the bottom surface of the elastic plate 41. At this time, the elastic plate 41 and the piezoelectric ceramic plate 42 are dimensioned such that the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode in the length direction and the primary bending vibration mode in the width direction match. By applying an AC voltage equal to the resonance frequency of the two vibration modes between the metal electrodes of such a vibrator, a standing wave having an amplitude displacement distribution shown in FIGS. 4B and 4D is generated. Excited. Here, in FIG.
44 is the displacement distribution of the primary longitudinal vibration in the longitudinal direction, Fig. 4 (d)
Numeral 45 indicates the displacement distribution of the primary bending vibration in the width direction. As described above, the longitudinal-bending multi-mode vibrator uses two different vibration modes in a degenerate manner.

また、ローラは第5図に示すように弾性板41、シリコ
ンゴム53を介して、バネ52により匡体54に固定する構造
になっていた。
Further, the roller has a structure in which the roller is fixed to the housing 54 by a spring 52 via an elastic plate 41 and a silicon rubber 53 as shown in FIG.

(発明が解決しようとする問題点) 上記振動子を利用した定在波型超音波モータは、従来
の進行波を利用した超音波モータと比較して、速度・駆
動力が共に大きく、駆動方法、弾性板の形状に工夫を凝
らすことにより、更に高速度・高駆動力化が可能であ
る。
(Problems to be Solved by the Invention) The standing wave type ultrasonic motor using the above-described vibrator has both a large speed and a large driving force as compared with a conventional ultrasonic motor using a traveling wave, and a driving method. By further devising the shape of the elastic plate, it is possible to further increase the speed and driving force.

また、長さ方向縦振動と幅方向屈曲振動という複数の
モードの共振周波数を一致させる必要があるために、振
動子を設計する際に自由度が小さく、実際に使用する共
振モードである長さ方向縦振動モード付近に複数の高次
の長さ方向屈曲振動によるスプリアス振動が発生し、こ
れらのスプリアス振動を抑える事は極めて難しかった。
そのため自励式で駆動することが困難であるという欠点
があった。
In addition, since it is necessary to match the resonance frequencies of a plurality of modes, that is, longitudinal vibration in the longitudinal direction and bending vibration in the width direction, the degree of freedom in designing the vibrator is small, and the length is the length of the resonance mode actually used. Spurious vibrations due to a plurality of high-order longitudinal bending vibrations occurred near the longitudinal vibration mode, and it was extremely difficult to suppress these spurious vibrations.
Therefore, there is a drawback that it is difficult to drive in a self-excited manner.

また、ローラのトルクを大きくするためにはローラを
振動子に圧接する必要があるが、従来は第5図に示すよ
うにローラ51は匡体54との間にバネ52を挿入することに
より圧接していた。この方法では、匡体に力が加わる
ため匡体の薄型化・軽量化ができない、強い力で圧接
するとシリコンゴム53が変形し振動子が傾く、屈曲振
動が圧接に対して弱く、圧接力を強くすると振動振幅が
小さくなる、等の問題があった。
Further, in order to increase the torque of the roller, it is necessary to press the roller against the vibrator. However, conventionally, as shown in FIG. Was. In this method, a force is applied to the housing so that the housing cannot be made thinner and lighter.If the housing is pressed with strong force, the silicon rubber 53 is deformed and the vibrator is tilted. When it is increased, the vibration amplitude becomes smaller.

(問題点を解決するための手段) 本発明は、長手方向の縦振動2次モードで動作する矩
形状平板振動子の中央主面上に非共振で伸縮可能な積層
セラミックアクチュエータを接着して固定配置し、矩形
状振動子の縦振動2次モードと積層アクチュエータの非
共振振動を用いて、バネによって該アクチュエータに圧
接されているローラを回転させることを特徴とする超音
波モータである。
(Means for Solving the Problems) According to the present invention, a non-resonant expandable and contractible multilayer ceramic actuator is adhered and fixed on a central main surface of a rectangular plate vibrator operating in a longitudinal longitudinal secondary mode. An ultrasonic motor is provided, in which a roller pressed against the actuator is rotated by a spring using a longitudinal vibration secondary mode of a rectangular vibrator and non-resonant vibration of a laminated actuator.

(作用) 第1図(a)、(b)はそれぞれ本発明における超音
波モータの基本構成の側面図と変位分布図である。第2
図は第1図の主要部分の拡大図である。以下、図面を参
照しながら説明する。
(Operation) FIGS. 1A and 1B are a side view and a displacement distribution diagram, respectively, of a basic configuration of an ultrasonic motor according to the present invention. Second
The figure is an enlarged view of the main part of FIG. This will be described below with reference to the drawings.

矩形状平板振動子11は、ある周波数で長手方向の縦振
動2次モードが共振状態となる。そのときの変位分布を
第1図(b)15に示す。変位分布15から分かるように振
動子11の中央部で最大の変位が得られる。中央部に置け
る振動の様子は、第2図a、bで表される。アクチュエ
ータは第2図c、dの方向に変位可能であるから、矩形
状平板振動子とアクチュエータに印加する電界を同一周
波数にし、aとc、bとdが同時に起きるようにすれば
ローラ13のeの方向に回転する。逆にaとd、bとcが
同時に起きるようにすればローラ13はfの方向に回転す
る。
The rectangular plate vibrator 11 has a longitudinal longitudinal vibration secondary mode in a resonance state at a certain frequency. The displacement distribution at that time is shown in FIG. As can be seen from the displacement distribution 15, the maximum displacement is obtained at the center of the vibrator 11. The state of the vibration at the center is shown in FIGS. 2a and 2b. Since the actuator can be displaced in the directions shown in FIGS. 2c and 2d, if the electric field applied to the rectangular plate vibrator and the actuator is set to the same frequency and a and c and b and d occur simultaneously, the roller 13 Rotate in the direction of e. Conversely, if a and d and b and c occur simultaneously, the roller 13 rotates in the direction of f.

ローラ13の回転軸と、矩形状平板振動子11の間にはバ
ネが挿入されているため、ローラ13はアクチュエータに
対し静的に圧接されている。ここでバネの張力は長手方
向に対し垂直であり、バネのa、b方向の等価スティフ
ネスが小さいためにバネの影響で振動a、bが小さくな
ることはない。またバネの張力は矩形状平板振動子11と
ローラ13の間だけに作用するので、モータの特性は、外
部の匡体に依存しない。
Since a spring is inserted between the rotation axis of the roller 13 and the rectangular plate vibrator 11, the roller 13 is statically pressed against the actuator. Here, the tension of the spring is perpendicular to the longitudinal direction, and since the equivalent stiffness in the a and b directions of the spring is small, the vibrations a and b are not reduced by the influence of the spring. Further, since the tension of the spring acts only between the rectangular flat plate vibrator 11 and the roller 13, the characteristics of the motor do not depend on the external housing.

(実施例) 以下、本発明の実施例について図を参照しながら説明
する。
(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

第3図は本発明の超音波モータの実施例の一つを示す
図である。第3図中、31はステンレス鋼製矩形平板、32
は圧電アクチュエータ、33は銅製ローラ、34はステンレ
ス鋼製バネ、35、37、38、39は圧電セラミック板、36は
銀の焼付け電極である。振動子の寸法は、矩形平板31が
長さ160mm、幅18mm、厚さ3mm、圧電アクチュエータ32は
10mm立方、圧電セラミック35、37、38、39はいずれも長
さ50mm、幅18mm、厚さ0.5mmで、35、37のセラミック板
が伸びるときに38、39のセラミック板が縮む様な分極の
配置になっている。本振動子において長手方向縦振動2
次モードの共振周波数は25kHzとなる。またバネ13は静
的な張力が10kgfとなるように調整した。
FIG. 3 is a diagram showing one embodiment of the ultrasonic motor of the present invention. In FIG. 3, 31 is a rectangular plate made of stainless steel, 32
Is a piezoelectric actuator, 33 is a copper roller, 34 is a stainless steel spring, 35, 37, 38, and 39 are piezoelectric ceramic plates, and 36 is a baked silver electrode. The dimensions of the vibrator are as follows: rectangular flat plate 31 has length 160 mm, width 18 mm, thickness 3 mm, piezoelectric actuator 32 has
Each of the piezoelectric ceramics 35, 37, 38, and 39 has a length of 50 mm, a width of 18 mm, and a thickness of 0.5 mm, and has a polarization such that the ceramic plates 38 and 39 shrink when the ceramic plates 35 and 37 expand. It is arranged. Longitudinal longitudinal vibration 2
The resonance frequency of the next mode is 25 kHz. The spring 13 was adjusted so that the static tension became 10 kgf.

焼付け電極36からセラミック板35、37、38、39に25kH
zの交流電界を印加し、アクチュエータ32には同一周波
数で位相が20〜30゜進んだ交流電界を印加したところロ
ーラは矢印301の方向に回転した。縦−屈曲多重モード
振動子を用いた超音波モータに比べてセラミックの体積
が等しい場合、約1.5倍の最高速度、約3倍の起動トル
クが得られた。
25KH from ceramic electrode 36 to ceramic plate 35, 37, 38, 39
When an AC electric field of z was applied and an AC electric field having the same frequency and a phase advance of 20 to 30 ° was applied to the actuator 32, the roller rotated in the direction of the arrow 301. When the volume of the ceramic is equal to that of the ultrasonic motor using the longitudinal-bending multi-mode vibrator, the maximum speed of about 1.5 times and the starting torque of about 3 times were obtained.

(発明の効果) 以上述べたように、本発明によれば超音波エネルギー
を利用した薄型高駆動力のモータが実現でき、例えばOA
機器等の超薄型化・軽量化が図れるといった長所を有
し、工業的価値が多大である。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, it is possible to realize a thin and high driving force motor using ultrasonic energy.
It has the advantage of making devices and the like ultra-thin and lightweight, and has great industrial value.

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

第1図(a)、(b)は本発明の振動子の基本構成図、
第2図は主要部拡大図、第3図は実施例構成図、第4図
(a)、(c)は従来型振動子の基本構成図、第4図
(b)、(d)は変位分布図、第5図は従来型超音波モ
ータの基本構成図である。 図において、 11、41は矩形状平板、31はステンレス鋼製矩形状平板、
12は圧電アクチュエータ、32は圧電アクチュエータ、1
3、51はローラ、33は銅製ローラ、14、52はバネ、34は
ステンレス鋼製バネ、15、44、45は変位分布、35、37、
38、39、42は圧電セラミック板、36、43は銀の焼付け電
極、53はシリコンゴム、54は匡体、301はローラの回転
方向。
1 (a) and 1 (b) are basic structural diagrams of a vibrator of the present invention,
FIG. 2 is an enlarged view of a main part, FIG. 3 is a configuration diagram of an embodiment, FIGS. 4 (a) and 4 (c) are basic configuration diagrams of a conventional vibrator, and FIGS. 4 (b) and 4 (d) are displacements. FIG. 5 is a distribution diagram showing a basic configuration of a conventional ultrasonic motor. In the figure, 11 and 41 are rectangular flat plates, 31 is a stainless steel rectangular flat plate,
12 is a piezoelectric actuator, 32 is a piezoelectric actuator, 1
3, 51 are rollers, 33 is a copper roller, 14, 52 are springs, 34 is a stainless steel spring, 15, 44, 45 are displacement distributions, 35, 37,
38, 39, and 42 are piezoelectric ceramic plates, 36 and 43 are silver-baked electrodes, 53 is silicon rubber, 54 is a housing, and 301 is the rotation direction of the roller.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 貞行 東京都港区芝5丁目33番1号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 内川 忠保 東京都港区芝5丁目33番1号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−59777(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Sadayuki Takahashi 5-33-1, Shiba, Minato-ku, Tokyo Inside NEC Corporation (72) Inventor Tadasuho 5-3-1, Shiba, Minato-ku, Tokyo NEC (56) References JP-A-63-59777 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】長手方向の縦振動2次モードで動作する矩
形状平板振動子の中央主面上に非共振で伸縮可能な積層
セラミックアクチュエータを接着して固定配置されてお
り、該積層セラミックアクチュエータにはローラがバネ
により圧接されている構成を備えたことを特徴とする超
音波モータ。
1. A non-resonant, expandable and contractible multilayer ceramic actuator is fixedly arranged on a central main surface of a rectangular flat plate vibrator operating in a longitudinal longitudinal secondary mode in a longitudinal direction. An ultrasonic motor characterized in that a roller is provided with a pressure contact by a spring.
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