JP3122881B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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JP3122881B2
JP3122881B2 JP01152113A JP15211389A JP3122881B2 JP 3122881 B2 JP3122881 B2 JP 3122881B2 JP 01152113 A JP01152113 A JP 01152113A JP 15211389 A JP15211389 A JP 15211389A JP 3122881 B2 JP3122881 B2 JP 3122881B2
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洋 清水
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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機器等に用いられる圧電振動子の超音波振
動を用いたいわゆる超音波モータに関し、特に構造が簡
単な縦−捩り振動子型超音波モータに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a so-called ultrasonic motor using ultrasonic vibration of a piezoelectric vibrator used for office automation equipment and the like, and particularly to a longitudinal-torsional vibrator type having a simple structure. It relates to an ultrasonic motor.

[従来の技術] 第7図は従来の縦−捩り振動子型超音波モータに用い
られている縦−捩り複合振動子101の構造例の斜視図で
あり、圧電捩り振動子102および圧電縦振動子103が金属
円柱104を介して接合され、さらにこれらの両側に金属
円柱105及び106が接合されている。この場合、金属円柱
105の代りに金属円筒を用いることができる。
[Prior Art] FIG. 7 is a perspective view of a structural example of a longitudinal-torsional combined vibrator 101 used in a conventional longitudinal-torsional vibrator type ultrasonic motor, and illustrates a piezoelectric torsional vibrator 102 and a piezoelectric longitudinal vibration. The child 103 is joined via a metal cylinder 104, and metal cylinders 105 and 106 are joined on both sides of the metal 103. In this case, a metal cylinder
A metal cylinder can be used instead of 105.

第8図は第7図に示した縦−捩り複合振動子101を用
いて構成した超音波モータの構造例を示す斜視図であ
り、縦−捩り複合振動子101の一方の端部の中心に軸107
が立てられ、軸受け108により回転自在に支持されたロ
ーター109がコイルバネ110及びナット111により前記縦
−捩り複合振動子101の端面に圧接される。
FIG. 8 is a perspective view showing an example of the structure of an ultrasonic motor constituted by using the vertical-torsion composite vibrator 101 shown in FIG. Axis 107
The rotor 109 rotatably supported by the bearing 108 is pressed against the end face of the composite longitudinal-torsion oscillator 101 by the coil spring 110 and the nut 111.

第9図は第7図に示した圧電捩り振動子の構造例であ
り、円筒状の圧電捩り振動子102は4個の4分割された
扇形圧電セラミックス板112が接合されて構成されてい
る。各々の扇形の圧電セラミックス板112は、第10図に
示すようにそれぞれ扇の弦の方向112aに分極処理が施さ
れており、扇形の圧電セラミックス板112の上下面に電
極を施し、上下電極間に直流電圧を印加すると扇形の圧
電セラミックス板には板厚と平行なすべり歪みが発生す
る。
FIG. 9 shows an example of the structure of the piezoelectric torsional vibrator shown in FIG. 7, in which a cylindrical piezoelectric torsional vibrator 102 is formed by joining four quadrant fan-shaped piezoelectric ceramic plates 112. Each of the fan-shaped piezoelectric ceramic plates 112 is subjected to a polarization process in the chord direction 112a of the fan as shown in FIG. When a DC voltage is applied to the fan, slip distortion occurs parallel to the thickness of the fan-shaped piezoelectric ceramic plate.

第9図に示すように、4個の扇形の圧電セラミックス
板112が円板状に接合されている場合、各々の扇形の圧
電セラミックス板112に発生したすべり歪みは合成され
て、円板の上下面が捩じれるような捩り歪みとなる。交
流電圧を印加した場合には、このような、捩じり歪みを
生ずる振動(捩り振動と呼ぶ)が励起される。
As shown in FIG. 9, when four fan-shaped piezoelectric ceramic plates 112 are joined in a disk shape, the slip strain generated in each of the fan-shaped piezoelectric ceramic plates 112 is synthesized, and The torsional distortion is such that the lower surface is twisted. When an AC voltage is applied, such a vibration causing torsional distortion (referred to as torsional vibration) is excited.

第9図に示した従来の圧電捩り振動子を作製する場合
は、まず、第11図に示すように、幅方向に分極処理され
た圧電セラミックス板113から超音波加工により扇形の
圧電セラミックス板を打ち抜いて第10図に示すような扇
の弦の方向に分極された扇形の圧電セラミックス板112
を作り、これを4個接着して円板状に構成するか、第12
図(a)に示すように、厚さ方向(矢印)に分極された
圧電セラミックスのブロック114から、第12図(b)に
示すように分極方向が対角線の方向となるような正四角
柱115を切り出し、第12図(c)に示すように、4本の
正四角柱115を分極方向が閉じたループとなるように重
ねて接着し、第12図(d)に示すように外周をパイプ状
に研磨した後、第12図(e)に示すように円板状に切断
することにより形成している。
When manufacturing the conventional piezoelectric torsional vibrator shown in FIG. 9, first, as shown in FIG. 11, a sector-shaped piezoelectric ceramics plate is ultrasonically processed from a piezoelectric ceramics plate 113 polarized in the width direction. A sector-shaped piezoelectric ceramic plate 112 which is punched and polarized in the direction of the chord of the sector as shown in FIG.
And glue them together to form a disk, or
As shown in FIG. 12A, a square prism 115 whose polarization direction is a diagonal direction is formed from a piezoelectric ceramic block 114 polarized in the thickness direction (arrow) as shown in FIG. 12B. As shown in FIG. 12 (c), four square prisms 115 are overlapped and bonded so as to form a closed loop of the polarization direction, as shown in FIG. 12 (c), and the outer periphery is formed into a pipe shape as shown in FIG. 12 (d). After polishing, it is formed by cutting into a disk shape as shown in FIG. 12 (e).

第13図は従来の圧電縦振動子103の一構造例であり、
両面に電極が施され、厚さ方向に分極された圧電セラミ
ックスリング116に電圧を印加し厚さ方向の振動(縦振
動と呼ぶ)を得るものである。
FIG. 13 is a structural example of a conventional piezoelectric longitudinal vibrator 103,
Electrodes are applied to both sides, and a voltage is applied to the piezoelectric ceramics ring 116 polarized in the thickness direction to obtain vibration in the thickness direction (called longitudinal vibration).

低い印加電圧で大きな振動振幅を得るために、第14図
のように薄い圧電セラミックスリング116′を複数個積
層して、圧電縦振動子103′を構成する場合もある。
In order to obtain a large vibration amplitude at a low applied voltage, a plurality of thin piezoelectric ceramic rings 116 'may be laminated to form a piezoelectric longitudinal vibrator 103' as shown in FIG.

[発明が解決しようとする課題] 第9図に示した従来の圧電捩り振動子102において
は、複数個の圧電セラミックスが接着されて構成されて
いるため、接着による特性のばらつきが大きい。また、
第10図、第11図および第12図に示したように圧電捩り振
動子102を得るための加工が複雑で、コスト的にも非常
に費用がかかるものであった。
[Problem to be Solved by the Invention] In the conventional piezoelectric torsional vibrator 102 shown in FIG. 9, since a plurality of piezoelectric ceramics are bonded, the characteristic variation due to the bonding is large. Also,
As shown in FIG. 10, FIG. 11, and FIG. 12, the processing for obtaining the piezoelectric torsional vibrator 102 was complicated and very costly.

そこで、本発明の技術的課題は、以上に示した従来の
圧電捩り振動子および縦−捩り複合振動子の欠点を除去
し、加工が簡単で、接着工程のない、ばらつきの少ない
圧電捩り振動子を提供し、さらに同一の圧電素子に縦振
動子を形成した圧電縦−捩り複合振動子を用いた超音波
モータを提供することにある。
Therefore, a technical problem of the present invention is to eliminate the drawbacks of the conventional piezoelectric torsional vibrator and the longitudinal-torsional composite vibrator described above, and to simplify the processing, eliminate the bonding process, and reduce the variation in the piezoelectric torsional vibrator. And an ultrasonic motor using a piezoelectric vertical-torsion composite vibrator in which a vertical vibrator is formed on the same piezoelectric element.

[課題を解決するための手段] 本発明によれば、外周面を有する第1の圧電セラミッ
クスを含み中心軸の回りに捩り振動を行う圧電捩り振動
子と、前記圧電捩り振動子の前記中心軸の延長線上両端
にこの延長線と一致する中心軸を備え前記圧電捩り振動
子の中心に対して対称となるように金属材を介して夫々
配置された第2の圧電セラミックスを含み前記中心軸方
向に夫々伸縮振動を行うように夫々配置された2つの圧
電縦振動子とを備え、前記捩り振動と前記伸縮振動が複
合された縦−捩り振動を行うように配された圧電捩り複
合振動子と、前記圧電縦−捩り振動子の端部に接合され
た耐磨耗部材と、前記耐磨耗部材を介して前記圧電縦−
捩り振動子に回転自在に圧接されるロータとを備え、前
記圧電捩り振動子は、該外周面に前記中心軸に対して交
差する方向に交互に配された複数の第1の斜め電極及び
複数の第2の斜め電極を施され、該第1の斜め電極及び
第2の斜め電極を用いて分極されていることを特徴とす
る超音波モータが得られる。
[Means for Solving the Problems] According to the present invention, a piezoelectric torsional vibrator including a first piezoelectric ceramic having an outer peripheral surface and performing torsional vibration around a central axis, and the central axis of the piezoelectric torsional vibrator And a second piezoelectric ceramic which is provided with a central axis at both ends on the extension of the piezoelectric ceramic and which is arranged symmetrically with respect to the center of the piezoelectric torsional vibrator via a metal material. A piezoelectric torsional composite vibrator provided with two piezoelectric longitudinal vibrators respectively arranged to perform stretching vibration, and arranged to perform longitudinal-torsional vibration in which the torsional vibration and the stretching vibration are combined. A wear-resistant member joined to an end of the piezoelectric longitudinal-torsional vibrator; and the piezoelectric longitudinal-
A rotor rotatably pressed against the torsional vibrator, wherein the piezoelectric torsional vibrator comprises a plurality of first oblique electrodes and a plurality of first oblique electrodes alternately arranged on the outer peripheral surface in a direction intersecting the central axis. The ultrasonic motor is characterized in that it is provided with the second oblique electrode and is polarized by using the first oblique electrode and the second oblique electrode.

[作 用] 本発明の超音波モータにおいては、圧電縦−捩り複合
振動子と耐磨耗部材とロータとを備えている。圧電縦−
捩り複合振動子は、圧電捩り振動子と少なくとも一つの
圧電縦振動子とを有し、 この圧電捩り振動子は、外周面を有する第1の圧電セ
ラミックスを含み、中心軸の回りに捩り振動を行う。即
ち、圧電捩り振動子は、この外周面にこの中心軸に対し
て交差する方向で交互に配された複数の第1の斜め電極
及び複数の第2の斜め電極を施され、該第1の斜め電極
及び第2の斜め電極を用いてこの圧電セラミックスに、
この複数の第1の斜め電極及び複数の第2の斜め電極の
長さ方向と直角な方向に分極処理を施している。
[Operation] An ultrasonic motor of the present invention includes a piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator, a wear-resistant member, and a rotor. Piezoelectric vertical
The torsional composite vibrator has a piezoelectric torsional vibrator and at least one piezoelectric longitudinal vibrator. The piezoelectric torsional vibrator includes a first piezoelectric ceramic having an outer peripheral surface, and generates torsional vibration around a central axis. Do. That is, the piezoelectric torsional vibrator is provided with a plurality of first diagonal electrodes and a plurality of second diagonal electrodes alternately arranged on the outer peripheral surface in a direction intersecting with the central axis, and Using the oblique electrode and the second oblique electrode, this piezoelectric ceramic
Polarization is performed in a direction perpendicular to the length direction of the plurality of first oblique electrodes and the plurality of second oblique electrodes.

この状態で前記第1及び第2の斜め電極に電圧を印加
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、電圧の極性がこの分極
時の電圧の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発
生する。
When a voltage is applied to the first and second oblique electrodes in this state, if the polarity of the voltage is the same as the polarity of the voltage at the time of polarization, stretching strain occurs in the direction of the polarization, and the polarity of the voltage becomes When the polarity is opposite to the polarity of the voltage, shrinkage distortion occurs in the direction of polarization.

分極方向に伸びあるいは縮み歪みが発生した場合は分
極方向と直角な方向にはそれぞれこれらと反対に縮みあ
るいは伸び歪みが発生する。
When an elongation or contraction strain is generated in the polarization direction, a contraction or elongation strain is generated in the direction perpendicular to the polarization direction, respectively.

従って、圧電捩り振動子に交流電圧を印加したとき
に、両端面が捩じれる捩り振動を生じる。
Therefore, when an AC voltage is applied to the piezoelectric torsional vibrator, torsional vibration occurs in which both end faces are twisted.

また、この圧電縦振動子は、第2の圧電セラミックス
を含み、中心軸方向に伸縮振動を行う。
Further, the piezoelectric longitudinal vibrator includes a second piezoelectric ceramic and performs expansion and contraction vibration in the direction of the central axis.

従って、圧電縦−捩り複合振動子は、この捩り振動と
この伸縮振動が複合された縦−捩り複合振動を行うよう
に、縦−捩り複合振動の節の部分が圧電捩り振動子の中
央部となり、この圧電捩り振動子及び前記圧電縦振動子
が、夫々の中心軸を一致させて配されている。
Accordingly, in the piezoelectric longitudinal-torsional composite vibrator, a node portion of the longitudinal-torsional composite vibration becomes a central portion of the piezoelectric torsional vibrator so as to perform a longitudinal-torsional composite vibration in which the torsional vibration and the stretching vibration are combined. The piezoelectric torsional vibrator and the piezoelectric longitudinal vibrator are arranged so that their respective central axes coincide.

また、耐磨耗部材は、この圧電縦−捩り複合振動子の
端部に接合されている。
Further, a wear-resistant member is joined to an end of the piezoelectric vertical-torsion composite vibrator.

ロータは、この耐磨耗部材を介して圧電縦−捩り複合
振動子に回転自在に圧接されている。
The rotor is rotatably pressed to the piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator via the wear-resistant member.

従って、このような少くとも一つの圧電縦振動子と圧
電捩り振動子とを備えた圧電縦−捩り複合振動子の両端
の内の一方に、耐磨耗部材を介して、ローターを圧接す
ることにより、この圧電縦−捩り複合振動子の中心軸に
沿う面内で捩り振動と伸縮振動との合成された複合振動
をローターの回転振動に変換することができる。
Therefore, the rotor is pressed into contact with one of the two ends of the piezoelectric longitudinal-torsional composite vibrator having at least one piezoelectric longitudinal vibrator and the piezoelectric torsional vibrator via a wear-resistant member. Thereby, the combined vibration of the torsional vibration and the expansion-contraction vibration in the plane along the central axis of the piezoelectric longitudinal-torsional composite vibrator can be converted into the rotational vibration of the rotor.

[実施例] 以下本発明の実施例について図面を参照しながら詳し
く説明する。
[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は本発明の実施例に係る超音波モータの構造を
示す斜視図である。後述する圧電縦−捩り複合振動子24
に軸7を貫通させ、この圧電縦−捩り複合振動子24の内
側の共振の節の部分で圧電縦−捩り複合振動子24に固定
し、更に両側に耐磨耗部材31,31′を介して軸受8,8′に
より回転自在に支持されたローター9,9をスプリング10,
10′,ナット11,11′により圧電縦−捩り振動子28の両
端面に夫々圧接することにより構成されている。
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention. Piezoelectric longitudinal-torsional composite vibrator 24 described later
Through the shaft 7, and fixed to the piezoelectric longitudinal-torsional composite vibrator 24 at the portion of the resonance inside the piezoelectric longitudinal-torsional composite vibrator 24, and further, wear-resistant members 31, 31 'on both sides. Rotors 9, 9 rotatably supported by bearings 8, 8 '
The piezoelectric longitudinal and torsional vibrator 28 is configured to be pressed against both end faces of the piezoelectric longitudinal torsion vibrator 28 by 10 'and nuts 11 and 11'.

圧電縦−捩り振動子24は、捩り振動の共振の節の付置
となる中央部をリング状の支持枠32で支持することが可
能で、この場合には、安定な支持ができる。
The piezoelectric longitudinal-torsional vibrator 24 can support a central portion where a node of resonance of torsional vibration is attached by a ring-shaped support frame 32. In this case, stable support can be achieved.

第2図(a),(b),(c)及び(d)は本発明の
実施例に係る超音波モータに用いる圧電縦−捩り複合振
動子の動作原理の説明図である。
2 (a), 2 (b), 2 (c) and 2 (d) are explanatory views of the operating principle of a piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator used in an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention.

第2図(a)において、圧電セラミックス板17の一方
の面には互いに交差する複数個の第1及び第2の交差電
極18,19が形成され、それぞれ一つおきに第1及び第2
の共通電極18′,19′に接続され、交差指電極を形成し
ている。
In FIG. 2 (a), a plurality of first and second cross electrodes 18 and 19, which cross each other, are formed on one surface of a piezoelectric ceramic plate 17, and the first and second cross electrodes 18 and 19 are provided every other one.
Are connected to the common electrodes 18 'and 19' to form interdigital electrodes.

第2図(b)において破線の矢印はこのような交差指
電極を用いて分極処理を施したときの分極の向きを示し
ており、第2図(c),(d)は第2図(b)のように
分極処理された圧電セラミックス板17に直流電圧を印加
した場合に発生する歪みの状態を示しており、実線の矢
印は電界の向きを示している。
2 (b), the dashed arrows indicate the direction of polarization when the polarization process is performed using such interdigital electrodes, and FIGS. 2 (c) and 2 (d) show the directions of polarization in FIG. The state of the distortion generated when a DC voltage is applied to the piezoelectric ceramic plate 17 subjected to the polarization treatment as shown in b) is shown, and the solid arrow indicates the direction of the electric field.

第2図(c)に示すように、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、
一方、第2図(d)に示すように電圧の極性が分極時の
電圧の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生す
る。
As shown in FIG. 2 (c), when the polarity of the voltage is the same as the polarity of the voltage at the time of polarization, stretching strain occurs in the direction of polarization,
On the other hand, when the polarity of the voltage is opposite to the polarity of the voltage at the time of polarization as shown in FIG. 2 (d), contraction distortion occurs in the direction of polarization.

第3図は圧電セラミックス中空円柱20の両端面が図の
実線の矢印のように捩じれている場合に、圧電セラミッ
クス中空円柱20の外周面に発生する歪みの状態を示して
おり、圧電セラミックス中空円柱20の軸方向に対して45
゜の角度の方向で、しかも捩じれの一点鎖線で示す矢印
の向きに伸び縮みが発生し、これと一点鎖線の矢印で示
すような直角な方向に縮み歪みが発生している。
FIG. 3 shows a state of distortion generated on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic hollow cylinder 20 when both end surfaces of the piezoelectric ceramic hollow cylinder 20 are twisted as indicated by solid arrows in the figure. 45 for 20 axial directions
The expansion and contraction occur in the direction of the angle of し か も and in the direction of the arrow indicated by the one-dot chain line, and the contraction distortion occurs in the direction perpendicular to the direction indicated by the one-dot chain arrow.

従って、第3図に示す圧電セラミックス中空円柱20の
外周面に、第2図で示したような第1及び第2の交差指
電極を、第3図に示すように交差指の方向が圧電セラミ
ックス中空円柱20の長さ方向に対して45゜の角度となる
ように形成し、この第1及び第2の交差指電極を用いて
分極処理を行い、同じ交差指電極に直流電圧を印加する
と、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合には、
圧電セラミックス中空円柱20は一方向に捩じれ、電圧の
極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は逆方向に捩じれ
る。
Accordingly, the first and second interdigital electrodes as shown in FIG. 2 are provided on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic hollow cylinder 20 shown in FIG. When formed at an angle of 45 ° with respect to the length direction of the hollow cylinder 20, polarization processing is performed using the first and second interdigital electrodes, and a DC voltage is applied to the same interdigital electrode. If the polarity of the voltage is the same as the polarity of the voltage during polarization,
The piezoelectric ceramic hollow cylinder 20 is twisted in one direction, and is twisted in the opposite direction when the polarity of the voltage is opposite to the polarity of the voltage at the time of polarization.

さらに、圧電セラミックス中空円柱20の外周面に、第
2図に示したような第1及び第2の交差指電極を交差指
の方向が圧電セラミックス20の円周方向と平行に形成
し、この第1及び第2の交差指電極を用いて分極処理を
行い、同じ交差指電極に直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に圧電セラミック
スは長さ方向に伸び、電圧の極性が分極時の電圧の極性
と逆の場合は逆に長さ方向に縮む。
Further, first and second interdigital electrodes as shown in FIG. 2 are formed on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic hollow cylinder 20 so that the direction of the interdigital finger is parallel to the circumferential direction of the piezoelectric ceramic 20. When a polarization process is performed using the first and second interdigital electrodes and a DC voltage is applied to the same interdigital electrode, when the polarity of the voltage is the same as the polarity of the voltage at the time of polarization, the piezoelectric ceramic extends in the length direction, When the polarity of the voltage is opposite to the polarity of the voltage at the time of polarization, it contracts in the length direction.

第4図は本発明の実施例に係る超音波モータに用いら
れる圧電捩り振動子21の一例を示す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing an example of the piezoelectric torsional vibrator 21 used in the ultrasonic motor according to the embodiment of the present invention.

この図において、圧電捩り振動子21は、圧電セラミッ
クス中空円柱21′の外周面の略全体に渡って、長さ方向
に対して45゜の角度となるように、互いに交差する複数
の第1及び第2の斜め電極22および23が形成され、それ
ぞれ第1及び第2の共通電極22′および23′に接続され
ている。
In this figure, the piezoelectric torsional vibrator 21 includes a plurality of first and second piezoelectric vibrators 21 that intersect with each other at an angle of 45 ° with respect to the length direction over substantially the entire outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic hollow cylinder 21 ′. Second oblique electrodes 22 and 23 are formed and connected to the first and second common electrodes 22 'and 23', respectively.

第4図において、第1及び第2の共通電極22′および
23′間に直流高電圧を印加して分極処理を施した後、こ
の複合振動子の共振周波数に等しい周波数の交流電圧を
印加すれば圧電セラミックス中空円柱21′は両端部が捩
じれるように共振する。
In FIG. 4, the first and second common electrodes 22 'and
After applying a DC high voltage between 23 'and applying a polarization process, if an AC voltage having a frequency equal to the resonance frequency of this composite vibrator is applied, the piezoelectric ceramic hollow cylinder 21' resonates so that both ends are twisted. I do.

第5図は本発明の実施例に係る超音波モータに用いら
れる圧電縦−捩り複合振動子の一構造例を示す斜視図で
ある。この図において、圧電縦−捩り複合振動子は、第
14図に示した圧電縦振動子103′と同様の構造の圧電縦
振動子25及び26の一端が金属材28,29を介して接合され
ている。さらに、この圧電縦振動子25及び26の他端に金
属材27,30が夫々接合されている。
FIG. 5 is a perspective view showing one structural example of a piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator used in the ultrasonic motor according to the embodiment of the present invention. In this figure, the piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator is
One ends of piezoelectric vertical vibrators 25 and 26 having the same structure as the piezoelectric vertical vibrator 103 'shown in FIG. 14 are joined via metal materials 28 and 29. Further, metal members 27 and 30 are joined to the other ends of the piezoelectric longitudinal vibrators 25 and 26, respectively.

これら、金属材27,28,29,30に縦振動駆動用電気端子2
7′,28′,29′,30′,が接続されている。
These metallic materials 27, 28, 29, 30
7 ', 28', 29 ', 30' are connected.

第5図の圧電縦−捩り複合振動子24の捩り振動駆動用
電気端子22′,23′間に圧電縦−捩り複合振動子24の捩
りモードの一波長共振の周波数の電圧を印加すると圧電
縦−捩り振動子24は両端部が逆方向に捩れるように共振
する。同様にして、圧電縦振動子25及び26の駆動端子2
7′,28′及び29′,30′に上記捩りモードの共振周波数
に等しい交流電圧を印加すれば、複合振動子24は、捩り
の共振周波数で縦振動する。縦振動に対しては、共振周
波数と異なった周波数となるために、縦方向の振動振幅
は、共振時の振幅よりかなり小さくなるので、実用的に
は十分な振幅が得られる。尚、第5図のように、圧電捩
り振動子21の中心軸方向両端に、圧電縦振動子25,26を
金属材28,29を介して圧電捩り振動子21の中心に対して
対称的に配置すれば、圧電複合振動の節は圧電捩り振動
子21の中心部分に形成される。
When a voltage having a frequency of one wavelength resonance in the torsional mode of the piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator 24 is applied between the electric terminals 22 'and 23' for driving torsional vibration of the piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator 24 of FIG. -The torsional vibrator 24 resonates such that both ends are twisted in opposite directions. Similarly, drive terminals 2 of piezoelectric longitudinal vibrators 25 and 26
When an AC voltage equal to the resonance frequency of the torsional mode is applied to 7 ', 28' and 29 ', 30', the composite vibrator 24 vibrates longitudinally at the torsional resonance frequency. Since the longitudinal vibration has a frequency different from the resonance frequency, the vibration amplitude in the vertical direction is considerably smaller than the amplitude at the time of resonance, so that a practically sufficient amplitude can be obtained. As shown in FIG. 5, piezoelectric longitudinal vibrators 25 and 26 are provided symmetrically with respect to the center of piezoelectric torsion vibrator 21 via metal members 28 and 29 at both ends in the central axis direction of piezoelectric torsion vibrator 21. When arranged, the node of the piezoelectric composite vibration is formed at the center of the piezoelectric torsional vibrator 21.

第6図(a)は圧電縦−捩り振動子24の捩りモード共
振時の振動変位を示す図である。
FIG. 6A is a diagram showing the vibration displacement of the piezoelectric longitudinal-torsional vibrator 24 at the time of torsional mode resonance.

第6図(a)から分かるように、圧電縦−捩り複合振
動子24の両端部は、逆向きに捩じれる。
As can be seen from FIG. 6 (a), both ends of the piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator 24 are twisted in opposite directions.

また、縦振動に対しては、印加電圧の周波数を捩りの
共振周波数と同じ周波数とすると、圧電縦−捩り複合振
動子24の両端部は逆向きに捩じれる。また、縦振動に対
しては、印加電圧の周波数を捩りの共振周波数と同じ周
波数とすると、圧電縦−捩り複合振動子24の両端部は、
捩りの共振と同期して長さ方向の伸縮振動をする。この
とき、圧電縦−捩り複合振動子24の両側に形成された圧
電縦振動子それぞれに印加する電圧の極性を逆向きにす
ると、伸縮歪みの方向は、第6図(b)に示すようにな
る。したがって、圧電縦−捩り複合振動子24の端部が振
動の節の位置から両側に伸びるときの捩り振動の変位の
向きが同じになり、圧電縦−捩り複合振動子24の端部に
同じ向きの楕円運動振動が発生する。この場合に捩り振
動の印加電圧か縦振動印加電圧の位相を180゜変化させ
ると楕円振動の向きが逆転する。
When the frequency of the applied voltage is equal to the resonance frequency of the torsional vibration, both ends of the piezoelectric longitudinal-torsional composite vibrator 24 are twisted in opposite directions. For longitudinal vibration, if the frequency of the applied voltage is the same as the resonance frequency of torsion, both ends of the piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator 24
It oscillates in the longitudinal direction in synchronization with the torsional resonance. At this time, when the polarity of the voltage applied to each of the piezoelectric longitudinal vibrators formed on both sides of the piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator 24 is reversed, the direction of the stretching strain becomes as shown in FIG. 6 (b). Become. Accordingly, the direction of displacement of the torsional vibration when the end of the piezoelectric longitudinal-torsional composite vibrator 24 extends to both sides from the position of the vibration node becomes the same, and the same direction is applied to the end of the piezoelectric longitudinal-torsional composite vibrator 24. Of the elliptical motion occurs. In this case, if the phase of the torsional vibration applied voltage or the longitudinal vibration applied voltage is changed by 180 °, the direction of the elliptical vibration is reversed.

[発明の効果] 以上示したように、本発明によれば、超音波モータ用
圧電捩り振動子として、通常一般的に適用されているプ
レス成型技術により容易に製造することが可能な棒状の
圧電セラミックスを用いて、これら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圧電縦−捩り複
合振動子が得られる。従って、この圧電縦−捩り複合振
動子を用いて超音波モータを構成したので、構造が簡単
で、特性のばらつきの少ない超音波モータが得られ、実
用的な効果が大きい。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, as a piezoelectric torsional vibrator for an ultrasonic motor, a rod-shaped piezoelectric element that can be easily manufactured by a generally used press molding technique. A piezoelectric torsional vibrator can be obtained by applying electrode printing, which is also a common technique, to these outer peripheral surfaces using ceramics, which makes it easy to manufacture, and makes it easy to manufacture products with variations in characteristics due to bonding and complicated processing. A small piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator can be obtained. Accordingly, since the ultrasonic motor is configured using the piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator, an ultrasonic motor having a simple structure and small variations in characteristics can be obtained, and the practical effect is large.

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

第1図は本発明の実施例に係る超音波モータの構造例を
示す斜視図、第2図(a),(b),(c),(d)は
交差指電極を用いて分極および電圧印加を行った場合の
歪みの発生状態の説明図、第3図は圧電セラミックス中
空円柱を捩ったときの歪みの発生状態の説明図、第4図
は本発明の実施例に係る圧電捩り振動子の構造を示す斜
視図、第5図は本発明の超音波モータに用いられる圧電
縦−捩り複合振動子の構造例を示す斜視図、第6図
(a)は第5図の圧電縦−捩り複合振動子の捩り変位の
相対的な大きさを示す図、第6図(b)は第5図の圧電
縦−捩り複合振動子の伸び変位の相対的な大きさを示す
図、第7図は従来の縦−捩りランジュバン型振動子の構
造を示す斜視図、第8図は従来の縦−捩り型超音波モー
タの構造を示す斜視図、第9図は従来の捩り振動子の構
造を示す斜視図、第10図および第11図は従来の捩り振動
子の製造工程の説明図、第12図(a),(b),
(c),(d),(e)は従来の捩り振動子の製造工程
の説明図、第13図は従来の縦振動子の構造を示す斜視
図、第14図は従来の縦振動子の他の構造を示す斜視図で
ある。 図中、1……圧電縦−捩り複合振動子、2……圧電捩り
振動子、3……圧電縦振動子、4,5,6……金属中空円
柱、7……軸、8,8′……軸受、9,9′……ローター、1
0,10′……スプリング、11,11′……ナット、17……圧
電セラミックス薄板、18,19……交差指電極、18′,19′
……共通電極、20……中空円柱状弾性体、21……圧電セ
ラミックス中空円柱、22,23……捩り振動子用交差指電
極、22′,23′……共通電極、24……圧電縦−捩り複合
振動子、25,26……圧電縦振動子、27,28,29,30……金属
材、27′,28′,29′,30′……圧電縦振動子駆動用電気
端子、31,31′……耐磨耗材、32……支持枠、101……圧
電縦−捩り複合振動子、102……圧電捩り振動子、103,1
03′……圧電縦−振動子、104,105,106……金属中空円
柱、107……軸、108……軸受、109……ローター、110…
…スプリング、111……ナット、112……扇型圧電セラミ
ックス板、113,114……圧電セラミックス板、115……圧
電セラミックス板角柱、116,116′……圧電セラミック
スリング。
FIG. 1 is a perspective view showing a structural example of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 (a), (b), (c) and (d) show polarization and voltage using interdigital electrodes. FIG. 3 is an explanatory view of a state of occurrence of distortion when application is performed, FIG. 3 is an explanatory view of a state of occurrence of distortion when a hollow cylindrical piezoelectric ceramic is twisted, and FIG. 4 is a piezoelectric torsional vibration according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a perspective view showing a structure example of a piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator used in the ultrasonic motor of the present invention, and FIG. FIG. 6B shows the relative magnitude of the torsional displacement of the torsional composite vibrator. FIG. 6B shows the relative magnitude of the elongation displacement of the piezoelectric longitudinal-torsional composite vibrator of FIG. FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a conventional longitudinal-twisted Langevin type vibrator, and FIG. 8 is a perspective view showing the structure of a conventional longitudinal-twisted ultrasonic motor. Figure 9 is a perspective view showing a structure of a conventional torsional vibrator, FIGS. 10 and 11 are explanatory views of manufacturing steps of a conventional torsional vibrator, Figure 12 (a), (b),
(C), (d) and (e) are explanatory views of the manufacturing process of the conventional torsional vibrator, FIG. 13 is a perspective view showing the structure of the conventional vertical vibrator, and FIG. It is a perspective view showing other structures. In the figure, 1 ... piezoelectric longitudinal-torsional oscillator, 2 ... piezoelectric torsional oscillator, 3 ... piezoelectric longitudinal oscillator, 4,5,6 ... hollow metal cylinder, 7 ... shaft, 8,8 ' …… Bearing, 9,9 ′ …… Rotor, 1
0,10 '... Spring, 11,11' ... Nut, 17 ... Piezoelectric ceramic thin plate, 18,19 ... Cross finger electrode, 18 ', 19'
... common electrode, 20 ... hollow cylindrical elastic body, 21 ... piezoelectric ceramic hollow cylinder, 22, 23 ... interdigital electrode for torsional vibrator, 22 ', 23' ... common electrode, 24 ... piezoelectric vertical -Torsional composite vibrator, 25, 26 ... piezoelectric longitudinal vibrator, 27, 28, 29, 30 ... metal material, 27 ', 28', 29 ', 30' ... electric terminal for driving piezoelectric longitudinal vibrator, 31, 31 ': abrasion-resistant material, 32: support frame, 101: piezoelectric longitudinal-torsion composite vibrator, 102: piezoelectric torsion vibrator, 103, 1
03 ': Piezoelectric longitudinal-vibrator, 104, 105, 106: Metal hollow cylinder, 107: Shaft, 108: Bearing, 109: Rotor, 110
… Spring, 111… Nut, 112… Fan-shaped piezoceramic plate, 113,114… Piezoceramic plate, 115… Piezoelectric plate prism, 116,116 ′… Piezoceramic ring.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−13282(JP,A) 特開 平2−174573(JP,A) 特開 昭63−146477(JP,A) 実開 昭63−202191(JP,U) 特許2729829(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00 - 2/18 H01L 41/00 - 41/09 Continuation of the front page (56) References JP-A-2-13282 (JP, A) JP-A-2-174573 (JP, A) JP-A-63-164477 (JP, A) JP-A-63-202191 (JP, A) , U) Patent 2729829 (JP, B2) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H02N 2/00-2/18 H01L 41/00-41/09

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】外周面を有する第1の圧電セラミックスを
含み中心軸の回りに捩り振動を行う圧電捩り振動子と、
前記圧電捩り振動子の前記中心軸の延長線上両端にこの
延長線と一致する中心軸を備え前記圧電捩り振動子の中
心に対して対称となるように金属材を介して夫々配置さ
れた第2の圧電セラミックスを含み前記中心軸方向に夫
々伸縮振動を行うように夫々配置された2つの圧電縦振
動子とを備え、前記捩り振動と前記伸縮振動が複合され
た縦−捩り振動を行うように配された圧電捩り複合振動
子と、 前記圧電縦−捩り振動子の端部に接合された耐磨耗部材
と、 前記耐磨耗部材を介して前記圧電縦−捩り振動子に回転
自在に圧接されるロータとを備え、 前記圧電捩り振動子は、該外周面に前記中心軸に対して
交差する方向に交互に配された複数の第1の斜め電極及
び複数の第2の斜め電極を施され、該第1の斜め電極及
び第2の斜め電極を用いて分極されていることを特徴と
する超音波モータ。
1. A piezoelectric torsional vibrator including a first piezoelectric ceramic having an outer peripheral surface and performing torsional vibration around a central axis;
Second ends of the piezoelectric torsional vibrator which are provided at both ends on an extension of the central axis and which are arranged via a metal material so as to be symmetrical with respect to the center of the piezoelectric torsional vibrator are provided with central axes coinciding with the extension. Comprising two piezoelectric longitudinal vibrators each including a piezoelectric ceramic and arranged to perform stretching vibration in the direction of the central axis, and performing a torsional vibration in which the torsional vibration and the stretching vibration are combined. A piezoelectric torsional composite vibrator, a wear-resistant member joined to an end of the piezoelectric vertical-torsional vibrator, and a rotatable pressure contact with the piezoelectric vertical-torsional vibrator via the wear-resistant member. The piezoelectric torsional vibrator is provided with a plurality of first oblique electrodes and a plurality of second oblique electrodes alternately arranged on the outer peripheral surface in a direction intersecting with the central axis. Using the first oblique electrode and the second oblique electrode. Ultrasonic motor, characterized in that it is polarized.
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