JP2903425B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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哲男 吉田
力 増子
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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OA機器や玩具に用いられる小型モータに関
し、特にロータ直径が小さい割りにトルクの大きい超音
波モータに関するものである。
The present invention relates to a small motor used for office automation equipment and toys, and more particularly to an ultrasonic motor having a large torque for a small rotor diameter.

[従来の技術] 超音波モータは従来の電磁モータと比較して、低い回
転で高いトルクが得られること、停止保持力を有するこ
と、電磁ノイズが小さいことなどの特徴を有しており、
カメラのオートフォーカス用や自動車パワーモータなど
に使用されている。第4図は従来の超音波モータの構造
を概略的に示す図である。第4図において、圧電捩り振
動子101および圧電縦振動子102を含む縦−捩り複合振動
子103の一方の端部に回転自在に支持されたロータ104を
圧接して構成されている。
[Prior art] Compared to conventional electromagnetic motors, ultrasonic motors have features such as being able to obtain high torque at low rotation, having a stop holding force, and having low electromagnetic noise.
It is used for autofocus of cameras and power motors of automobiles. FIG. 4 is a view schematically showing the structure of a conventional ultrasonic motor. In FIG. 4, a rotor 104 rotatably supported at one end of a combined longitudinal-torsional vibrator 103 including a piezoelectric torsional vibrator 101 and a piezoelectric longitudinal vibrator 102 is press-contacted.

第5図は従来の圧電捩り振動子101の構造を示す斜視
図である。第5図において弦の方向に分極された複数個
の扇形の圧電セラミックス板105が円板あるいはリング
状に各々の分極の向きが閉じるように接合されている。
FIG. 5 is a perspective view showing the structure of a conventional piezoelectric torsional vibrator 101. In FIG. 5, a plurality of sector-shaped piezoelectric ceramic plates 105 polarized in the direction of a chord are joined in a disk or ring shape so that the directions of polarization are closed.

第6図(a),(b)は縦−捩り型超音波モータの動
作原理の説明図である。第6図(a),(b)におい
て、縦−捩り複合振動子103の捩り振動変位と長さ方向
の伸縮変位の状態とロータの回転状態を示している。各
変位の向きは第6図(a),(b)中に示されている。
6 (a) and 6 (b) are explanatory diagrams of the operation principle of the longitudinal-twist type ultrasonic motor. 6 (a) and 6 (b) show the state of the torsional vibration displacement, the lengthwise extension / contraction displacement of the longitudinal-torsion composite vibrator 103, and the rotation state of the rotor. The direction of each displacement is shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).

[発明が解決しようとする課題] 第5図に示した従来の圧電捩り振動子101において
は、扇形の圧電セラミックス板105を複数個接着して構
成しているために、組み立て工程が複雑になる上に接着
による特性のばらつきが大きいという欠点がある。ま
た、一般に円柱状の振動子においては、捩り振動の共振
周波数と縦振動の共振周波数とが一致しないため、捩り
振動の共振周波数で駆動し、縦振動は非共振の状態で駆
動されることになる。従って、縦振動の振動振幅が小さ
くなり、超音波モータのトルクを大きくすることが難し
いという欠点がある。
[Problems to be Solved by the Invention] In the conventional piezoelectric torsional vibrator 101 shown in FIG. 5, since a plurality of sector-shaped piezoelectric ceramic plates 105 are bonded, the assembling process becomes complicated. Further, there is a drawback that the characteristics vary greatly due to adhesion. Also, in general, a cylindrical vibrator is driven at the resonance frequency of torsional vibration because the resonance frequency of torsional vibration does not match the resonance frequency of longitudinal vibration, and the longitudinal vibration is driven in a non-resonant state. Become. Therefore, there is a disadvantage that the vibration amplitude of the longitudinal vibration becomes small and it is difficult to increase the torque of the ultrasonic motor.

そこで、本発明の技術的課題は、ロータ直径を小さく
した小型でトルクの大きい超音波モータを提供すること
にある。
Therefore, a technical problem of the present invention is to provide a small-sized ultrasonic motor having a large torque and a small rotor diameter.

また、本発明の別の技術的課題は、構成部品の少ない
製造コストの安価な超音波モータを提供することにあ
る。
Another technical object of the present invention is to provide an inexpensive ultrasonic motor having a small number of components and a low manufacturing cost.

[課題を解決するための手段] 本発明によれば、第1の圧電セラミックス中空円柱の
外周面に長さ方向に対して45°の方向に交差指電極を形
成し、該交差指電極を用いて前記圧電セラミックス中空
円柱に分極及び駆動を行う捩り振動子と、第2の圧電セ
ラミックス中空円柱の外周面に円周方向及び長さ方向に
平行に交差指電極を形成し、該交差指電極を用いて前記
圧電セラミックス中空円柱に分極及び駆動を行う縦振動
子と、回転自在に支持されたロータとを備え、 前記捩り振動子及び縦振動子の一端を夫々固定すると
ともに、他端間にロータを挟むように圧接して構成した
ことを特徴とする超音波モータが得られる。
[Means for Solving the Problems] According to the present invention, an interdigital electrode is formed on an outer peripheral surface of a first piezoelectric ceramic hollow cylinder in a direction at 45 ° to a length direction, and the interdigital electrode is used. A torsional vibrator that polarizes and drives the piezoelectric ceramic hollow cylinder, and interdigital electrodes formed in the outer peripheral surface of the second piezoelectric ceramic hollow cylinder in the circumferential direction and the length direction in parallel with each other. A vertical vibrator for polarizing and driving the piezoelectric ceramic hollow cylinder using the same, and a rotatably supported rotor, wherein one end of each of the torsional vibrator and the vertical vibrator is fixed, and a rotor is provided between the other ends. Thus, an ultrasonic motor characterized in that the ultrasonic motor is configured to be in pressure contact with the nip therebetween.

[作用] 本発明においては、一端が固定された捩り振動子と縦
振動子との他端間にロータ挟むように圧接して構成され
ている。
[Operation] In the present invention, the rotor is press-contacted between the other ends of the torsional vibrator having one end fixed and the longitudinal vibrator so as to sandwich the rotor.

従って、捩り振動子の捩り振動の変位と同期して縦振
動子の長さが伸びると、ロータは2つの振動子に挟まれ
て捩り変位の方向に回転する。
Therefore, when the length of the longitudinal vibrator is increased in synchronization with the displacement of the torsional vibration of the torsional vibrator, the rotor is sandwiched between the two vibrators and rotates in the direction of the torsional displacement.

[実施例] 以下、本発明の超音波モータについて図面を用いて詳
しく説明する。
EXAMPLES Hereinafter, the ultrasonic motor of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は本発明の縦−捩り振動子圧接型超音波モータ
の構造例を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a structural example of a longitudinal-torsional vibrator press contact type ultrasonic motor of the present invention.

第1図において、圧電捩り振動子7及び圧電縦振動子
9の夫々の一方の端部を夫々固定ベース11及び12に固定
し、この圧電振動子7及びこの圧電振動子9の夫々の他
方の端部を対向させ、これら他の端部間に回転自在に支
持されたローター13を挟むように圧接して構成されてい
る。
In FIG. 1, one end of each of a piezoelectric torsional vibrator 7 and a piezoelectric longitudinal vibrator 9 is fixed to fixed bases 11 and 12, respectively, and the other end of each of the piezoelectric vibrator 7 and the piezoelectric vibrator 9 is fixed. The ends are opposed to each other, and the rotor 13 is rotatably supported between these other ends so as to sandwich the rotor 13 therebetween.

第2図は第1図の超音波モータに用いられる圧電捩り
振動子の構造を示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic view showing the structure of a piezoelectric torsional vibrator used in the ultrasonic motor of FIG.

第2図において、圧電セラミックス中空円柱8の外周
面に中空円柱の長さ方向に対して45°の方向の第1及び
第2の斜め電極5a,6aを有する第1及び第2の斜め交差
指電極5,6が形成され、夫々共通電極5b,6bに接続され二
端子を構成している。第1及び第2の斜め交差指電極5,
6を用いて分極処理を施すと、分極方向は、第1及び第
2の斜め電極5a,6aの長さ方向と直角な方向となる。こ
の状態で、第1及び第2の斜め交差指電極5,6に交流電
圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同
じ場合は、分極の方向に伸び歪みが発生し、電圧の極性
が分極時の電圧の極性と逆の場合は、分極方向に縮み振
動が発生する。分極方向に伸びあるいは縮み歪みが発生
した場合、分極方向と直角な方向には、これらと反対に
縮みあるいは伸び歪みが発生する。
In FIG. 2, first and second diagonal cross fingers having first and second diagonal electrodes 5a and 6a on the outer peripheral surface of a piezoelectric ceramic hollow cylinder 8 at 45 ° to the length direction of the hollow cylinder are shown. Electrodes 5 and 6 are formed and connected to common electrodes 5b and 6b, respectively, to form two terminals. First and second oblique interdigital electrodes 5,
When the polarization process is performed using 6, the polarization direction becomes a direction perpendicular to the length direction of the first and second oblique electrodes 5a and 6a. When an AC voltage is applied to the first and second oblique interdigital electrodes 5 and 6 in this state, if the polarity of the voltage is the same as the polarity of the voltage at the time of polarization, an elongation distortion occurs in the direction of the polarization, and the voltage is increased. Is opposite to the polarity of the voltage at the time of polarization, contraction vibration occurs in the polarization direction. When an elongation or contraction strain is generated in the polarization direction, a contraction or elongation distortion is generated in a direction perpendicular to the polarization direction.

以上の結果として、圧電セラミックス中空円柱8に捩
り変位が発生する。
As a result, torsional displacement occurs in the piezoelectric ceramic hollow cylinder 8.

第3図は本発明の超音波モータに用いられる縦振動子
9の構造を示す概略図である。
FIG. 3 is a schematic view showing the structure of the longitudinal vibrator 9 used in the ultrasonic motor of the present invention.

第3図において、圧電セラミックス中空円柱10の外周
面に円周方向に平行に第1及び第2の周電極3a,4aを有
する第1及び第2の横交差指電極3,4が形成され、この
第1及び第2の周電極は第1の接続電極(図示せず),
第2の接続電極4bに夫々接続され、二端子を構成してい
る。
In FIG. 3, first and second cross finger electrodes 3, 4 having first and second peripheral electrodes 3a, 4a are formed on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic hollow cylinder 10 in a circumferential direction, The first and second peripheral electrodes are a first connection electrode (not shown),
Each is connected to the second connection electrode 4b to form two terminals.

この第1及び第2の横交差指電極3,4を用いて分極処
理を施すと分極方向は、第1及び第2の横交差指電極3,
4の長さ方向と直角な方向となる。この状態で、交差指
電極に交流電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電
圧極性と同じ場合は、分極方向に伸び歪みが発生し、電
圧の極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は、分極方向
に縮み歪みが発生する。この結果として、圧電セラミッ
クス中空円柱は、長さ方向に伸縮する。
When the polarization process is performed using the first and second cross finger electrodes 3, 4, the polarization direction is changed to the first and second cross finger electrodes 3, 4.
4 is perpendicular to the length direction. When an AC voltage is applied to the interdigital electrode in this state, if the polarity of the voltage is the same as the voltage polarity at the time of polarization, stretching strain occurs in the polarization direction, and the polarity of the voltage is opposite to the polarity of the voltage at the time of polarization. In this case, shrinkage distortion occurs in the polarization direction. As a result, the piezoelectric ceramic hollow cylinder expands and contracts in the length direction.

第1図において、捩り振動の変位と同期して縦振動子
9の長さが伸びると、ロータ13は2つの振動子に挟まれ
て捩り変位の方向に回転する。この場合ロータの回転数
およびトルクは駆動周波数が一定の場合は、捩り振動及
び縦振動の振動振幅の大きさによって定まる。
In FIG. 1, when the length of the vertical vibrator 9 is increased in synchronization with the displacement of the torsional vibration, the rotor 13 is rotated between the two vibrators in the direction of the torsional displacement. In this case, the rotation speed and the torque of the rotor are determined by the magnitude of the vibration amplitude of the torsional vibration and the longitudinal vibration when the driving frequency is constant.

第1図に示した本発明の超音波モータにおいては、捩
り振動子7の捩り振動と,縦振動子9の捩り振動とは独
立しているため、それぞれの共振周波数は夫々の共振周
波数で駆動することが可能となり、捩り振動の振動振幅
と縦振動の振動振幅とを大きくすることが可能である。
In the ultrasonic motor of the present invention shown in FIG. 1, since the torsional vibration of the torsional vibrator 7 and the torsional vibration of the longitudinal vibrator 9 are independent, each resonance frequency is driven at each resonance frequency. It is possible to increase the vibration amplitude of the torsional vibration and the vibration amplitude of the longitudinal vibration.

ロータ13の回転方向は捩り振動駆動電圧と縦振動駆動
電圧の位相のいずれか一方を180°変化させることによ
り可能である。
The rotation direction of the rotor 13 can be changed by changing one of the phases of the torsional vibration drive voltage and the longitudinal vibration drive voltage by 180 °.

以上の説明では、圧電縦振動子9の構造として、圧電
セラミックス中空円柱の外周面に円周方向と平行な方向
に交差指電極を施した場合について、説明したが、圧電
セラミックス中空円柱の外周面に円柱の長さ方向と平行
な方向に交差指電極を施して、構成した圧電縦振動子と
しても良く、さらに、圧電セラミックス中空円柱の外周
面及び内周面のほぼ全面に電極を形成して構成した圧電
縦振動子としても同様の効果が得られる。
In the above description, as the structure of the piezoelectric vertical vibrator 9, the case where the interdigital electrodes are provided on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic hollow cylinder in a direction parallel to the circumferential direction has been described. It is also possible to form a piezoelectric vertical vibrator by applying interdigital electrodes in a direction parallel to the length direction of the cylinder, and furthermore, by forming electrodes on almost the entire outer peripheral surface and inner peripheral surface of the piezoelectric ceramic hollow cylinder. A similar effect can be obtained with the piezoelectric longitudinal vibrator thus configured.

[発明の効果] 以上示したように、本発明の超音波モータにおいて
は、駆動力を発生させるための圧電振動子の形状が単純
で、通常一般的に適用されているプレス成形技術により
容易に製造することが可能な圧電セラミックス中空円柱
を用いて、この外周面にこれも一般的な技術である電極
印刷を施すことにより、圧電捩り振動子及び圧電縦振動
子が得られるため、製造が容易で、接着工程や複雑な加
工工程による特性のばらつきの少ない超音波モータが得
られる。
[Effects of the Invention] As described above, in the ultrasonic motor of the present invention, the shape of the piezoelectric vibrator for generating the driving force is simple, and it is easy to use the generally used press molding technique. A piezoelectric torsional vibrator and a piezoelectric longitudinal vibrator can be obtained by applying electrode printing, which is also a general technique, to this outer peripheral surface using a piezoelectric ceramic hollow cylinder that can be manufactured. Thus, an ultrasonic motor having less variation in characteristics due to the bonding process and the complicated processing process can be obtained.

さらに、本発明の超音波モータにおいては、圧電捩り
振動子及び圧電縦振動子の共振周波数を夫々単独に調節
して一致させることが可能であるため、それぞれの振動
振幅を大きくすることができる。従って、トルクの大き
な超音波モータを提供することができる。
Further, in the ultrasonic motor according to the present invention, the resonance frequencies of the piezoelectric torsional vibrator and the piezoelectric longitudinal vibrator can be adjusted independently to be equal to each other, so that the respective vibration amplitudes can be increased. Therefore, an ultrasonic motor having a large torque can be provided.

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

第1図は本発明の縦−捩り振動子圧接型超音波モータの
構造例を示す斜視図、第2図は第1図の超音波モータに
用いられる圧電捩り振動子の構造を示す概略図、第3図
は本発明の超音波モータに用いられる縦振動子9の構造
を示す概略図、第4図は従来の超音波モータの構造を概
略的に示す図、第5図は第4図の超音波モータに用いら
れる圧電捩り振動子を示す図、第6図(a),(b)は
縦−捩り型超音波モータの動作原理の説明図である。 図中、3,4……第1及び第2の横交差指電極、4b……第
2の接続電極、3a,4a……第1及び第2の周電極、5,6…
…第1及び第2の斜め交差指電極、5a,6a……第1及び
第2の斜め電極、5b,6b……共通電極、7……圧電捩り
振動子、8……圧電セラミックス円柱、9……圧電縦振
動子、10……圧電セラミックス中空円柱、11,12……固
定ベース、13……ロータ、101……圧電捩り振動子、102
……圧電縦振動子、103……縦−捩り複合振動子、104…
…ロータ、105……圧電セラミックス板。
FIG. 1 is a perspective view showing a structural example of a longitudinal-torsional vibrator press-contact type ultrasonic motor of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram showing a structure of a piezoelectric torsional vibrator used in the ultrasonic motor of FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of a longitudinal vibrator 9 used in the ultrasonic motor of the present invention, FIG. 4 is a diagram schematically showing the structure of a conventional ultrasonic motor, and FIG. FIGS. 6A and 6B are diagrams showing a piezoelectric torsional vibrator used in an ultrasonic motor, and FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams of the operation principle of a vertical-torsional ultrasonic motor. In the figure, 3,4... First and second cross finger electrodes, 4b... Second connection electrode, 3a, 4a... First and second peripheral electrodes, 5,6.
.. First and second oblique interdigital electrodes, 5a, 6a... First and second oblique electrodes, 5b, 6b... Common electrode, 7. …… Piezo longitudinal oscillator, 10… Piezoelectric hollow cylinder, 11,12 …… Fixed base, 13 …… Rotor, 101 …… Piezo torsional transducer, 102
…… Piezo longitudinal oscillator, 103 …… Vertical-torsion combined oscillator, 104…
... rotor, 105 ... piezoelectric ceramic plate.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1の圧電セラミックス中空円柱の外周面
に長さ方向に対して45°の方向に交差指電極を形成し、
該交差指電極を用いて前記圧電セラミックス中空円柱に
分極及び駆動を行う捩り振動子と、第2の圧電セラミッ
クス中空円柱の外周面に円周方向及び長さ方向に平行に
交差指電極を形成し、該交差指電極を用いて前記圧電セ
ラミックス中空円柱に分極及び駆動を行う縦振動子と、
回転自在に支持されたロータとを備え、 前記捩り振動子及び縦振動子の一端を夫々固定するとと
もに、他端間にロータを挟むように圧接して構成したこ
とを特徴とする超音波モータ。
An interdigital electrode is formed on an outer peripheral surface of a first hollow column of a piezoelectric ceramic in a direction at 45 ° to a length direction,
A torsional vibrator that polarizes and drives the piezoelectric ceramic hollow cylinder using the interdigital electrode, and forms an interdigital electrode parallel to the circumferential direction and the length direction on the outer peripheral surface of the second piezoelectric ceramic hollow cylinder. A vertical vibrator that polarizes and drives the piezoelectric ceramic hollow cylinder using the interdigital electrodes,
An ultrasonic motor comprising: a rotatably supported rotor, wherein one end of each of the torsional vibrator and the vertical vibrator is fixed, and the rotor is pressed between the other ends so as to sandwich the rotor.
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