JP3192029B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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JP3192029B2
JP3192029B2 JP11337693A JP11337693A JP3192029B2 JP 3192029 B2 JP3192029 B2 JP 3192029B2 JP 11337693 A JP11337693 A JP 11337693A JP 11337693 A JP11337693 A JP 11337693A JP 3192029 B2 JP3192029 B2 JP 3192029B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータ、より詳
しくは、弾性体に固定された2つの電気−機械エネルギ
ー変換素子を駆動源とする超音波モータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic motor, and more particularly, to an ultrasonic motor driven by two electro-mechanical energy conversion elements fixed to an elastic body.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、電磁型モータに代わる新しいモー
タとして超音波モータが注目されている。この超音波モ
ータは、従来の電磁型モータに比べて以下のような利点
を有している。 (1) ギヤーを用いることなく低速高推力が得られ
る。 (2) 保持力が大きい。 (3) ストロークが長く、高分解能である。 (4) 静粛性に富んでいる。 (5) 磁気的ノイズを発生せず、また該ノイズの影響
を受けることもない。
2. Description of the Related Art In recent years, an ultrasonic motor has attracted attention as a new motor replacing an electromagnetic motor. This ultrasonic motor has the following advantages over a conventional electromagnetic motor. (1) High thrust at low speed can be obtained without using gears. (2) Large holding force. (3) Long stroke and high resolution. (4) It is quiet. (5) It does not generate magnetic noise and is not affected by the noise.

【0003】このような種々の利点を有する超音波モー
タは、その駆動方法により回転型とリニア型に大別する
ことができる。これらの内のリニア型の超音波モータの
一例として、先に本出願人が提案した特願平4−321
096号に記載のものが上げられる。
[0003] Ultrasonic motors having such various advantages can be roughly classified into rotary type and linear type according to the driving method. An example of a linear type ultrasonic motor among these is disclosed in Japanese Patent Application No. 4-321 proposed by the present applicant.
No. 096.

【0004】以下、この特願平4−321096号に基
づいて、従来の超音波リニアモータについて説明する。
超音波振動子は、基本弾性体の一端面に、2次の共振屈
曲振動のほぼ腹に対応する部分に2つの積層型圧電素子
を配置し、保持用弾性体によりこれらを挟み込んで該基
本弾性体に固定して構成されている。このような超音波
振動子を、振動子保持部材により被駆動部材に対して接
触圧を調整可能に保持して、超音波モータが構成されて
いる。
A conventional ultrasonic linear motor will be described below based on Japanese Patent Application No. 4-321096.
In an ultrasonic transducer, two laminated piezoelectric elements are arranged on one end face of a basic elastic body at a portion corresponding to a substantially antinode of secondary resonance bending vibration, and these are sandwiched by a holding elastic body to form the basic elastic body. It is configured to be fixed to the body. An ultrasonic motor is configured by holding such an ultrasonic vibrator by a vibrator holding member so as to adjust the contact pressure with respect to a driven member.

【0005】このような超音波振動子を動作する際に
は、上記2つの積層型圧電素子に位相が90度あるいは
−90度ずれた交番電圧を印加することにより、一次の
共振縦振動と二次の共振屈曲振動を励起し、これらの合
成により時計周りまたは反時計周りの超音波楕円振動を
励起することができる。この際に、上記超音波振動子の
寸法を適当に調整することで、上記1次の共振縦振動と
2次の共振屈曲振動をほぼ同一周波数で励起するように
なっている。そして超音波楕円振動をしている部分に設
けられた摺動部材を、上記被駆動部材に押圧接触するこ
とにより、該被駆動部材が右方向または左方向に相対移
動するようになっている。
When such an ultrasonic vibrator is operated, an alternating voltage having a phase shifted by 90 degrees or -90 degrees is applied to the two laminated piezoelectric elements, thereby making it possible to obtain primary resonance longitudinal vibration and secondary resonance. The next resonance bending vibration is excited, and the clockwise or counterclockwise ultrasonic elliptical vibration can be excited by the combination thereof. At this time, by appropriately adjusting the dimensions of the ultrasonic vibrator, the primary resonance longitudinal vibration and the secondary resonance bending vibration are excited at substantially the same frequency. Then, the driven member relatively moves rightward or leftward by pressing a sliding member provided at a portion where the ultrasonic elliptical vibration is applied to the driven member.

【0006】このように、従来の超音波モータは、縦振
動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数を、基本的には
ほぼ一致させて駆動するものであった。
As described above, the conventional ultrasonic motor is basically driven by making the resonance frequency of the longitudinal vibration substantially equal to the resonance frequency of the bending vibration.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを
ほぼ一致させて駆動する場合には、駆動周波数に対する
速度の特性曲線は、その最大速度が得られる周波数の両
側で非対称になって低周波数側で急激に速度低下してし
まい、超音波モータの可動周波数範囲が非常に狭くなる
という問題点があった。これにともなって、例えば超音
波モータをオープンループで駆動した場合には、動作環
境の温度変動に従って共振周波数が変化して、少しの温
度変化でさえも超音波モータが停止してしまうことがあ
った。
However, in the case where the driving is performed with the resonance frequency of the longitudinal vibration and the resonance frequency of the bending vibration substantially coincident as described above, the characteristic curve of the speed with respect to the driving frequency has the maximum speed. Is asymmetric on both sides of the frequency at which the frequency is obtained, and the speed drops sharply on the low frequency side, resulting in a problem that the movable frequency range of the ultrasonic motor becomes very narrow. Accordingly, for example, when the ultrasonic motor is driven in an open loop, the resonance frequency changes according to the temperature fluctuation of the operating environment, and the ultrasonic motor may stop even with a small temperature change. Was.

【0008】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、駆動周波数に対して可動範囲が広く安定に動
作する超音波モータを提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor that has a wide movable range with respect to a driving frequency and operates stably.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による超音波モータは、弾性体と、弾性体に
固定された2つの電気−機械エネルギー変換素子と、上
記弾性体に押圧された被駆動部材とからなり、上記2つ
の電気−機械エネルギー変換素子にそれぞれ交流電圧を
印加することにより上記弾性体に縦振動および屈曲振動
を発生させて、上記被駆動部材を駆動する超音波モータ
において、前記電気−機械エネルギー変換素子は積層型
圧電素子で構成され、この積層型圧電素子は前記弾性体
の一部に挟み込まれるようにして固定されており、上記
屈曲振動の共振周波数が縦振動の共振周波数より低いこ
とを特徴とし、そして、前記屈曲振動の共振周波数は、
前記縦振動の共振周波数より3%程度低いことを特徴と
し、また、前記弾性体は、一部に突部を有する略直方体
形状の基本弾性体と、この基本弾性体に固定される二つ
の補助弾性体とを含み、前記積層型圧電素子のそれぞれ
は、前記基本弾性体における前記突部が形成された部分
に沿うように配置され、一端が前記突部に当接すると共
に、他端が前記補助弾性体に当接して固定されることを
特徴とする。
In order to achieve the above object, an ultrasonic motor according to the present invention comprises an elastic body, two electro-mechanical energy conversion elements fixed to the elastic body, and a pressing force applied to the elastic body. And an ultrasonic wave that drives the driven member by applying an AC voltage to each of the two electro-mechanical energy conversion elements to generate longitudinal vibration and bending vibration in the elastic body. In the motor, the electro-mechanical energy conversion element is configured by a laminated piezoelectric element, and the laminated piezoelectric element is fixed so as to be sandwiched by a part of the elastic body, and the resonance frequency of the bending vibration is vertically increased. Characterized by being lower than the resonance frequency of the vibration, and the resonance frequency of the bending vibration,
The elastic body is characterized by being about 3% lower than the resonance frequency of the longitudinal vibration, and the elastic body has a substantially rectangular parallelepiped basic elastic body partially having a projection, and two auxiliary bodies fixed to the basic elastic body. An elastic body, each of the laminated piezoelectric elements is disposed along a portion of the basic elastic body on which the protrusion is formed, one end of which contacts the protrusion, and the other. The end is fixed in contact with the auxiliary elastic body.

【0010】[0010]

【作用】上記2つの電気−機械エネルギー変換素子にそ
れぞれ交流電圧を印加することにより、上記弾性体に縦
振動およびこの縦振動の共振周波数より低い共振周波数
の屈曲振動を発生させて、上記被駆動部材を駆動する。
By applying an AC voltage to each of the two electro-mechanical energy conversion elements, a longitudinal vibration and a bending vibration having a resonance frequency lower than the resonance frequency of the longitudinal vibration are generated in the elastic body. Drive the member.

【0011】[0011]

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図1ないし図4は、本発明の第1実施例を示した
ものである。まず、図1を参照して超音波振動子の構成
について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 4 show a first embodiment of the present invention. First, the configuration of the ultrasonic transducer will be described with reference to FIG.

【0012】この第1実施例の超音波振動子2は、図1
に示すように、基本弾性体3の上部に、補助弾性体6に
より積層型圧電素子4を固定して、その主要部が構成さ
れている。
The ultrasonic vibrator 2 according to the first embodiment has a structure shown in FIG.
As shown in (1), a laminated piezoelectric element 4 is fixed on an upper part of a basic elastic body 3 by an auxiliary elastic body 6 to constitute a main part thereof.

【0013】上記基本弾性体3は、図1(A)に示すよ
うに、黄銅材により略直方体形状に形成されていて、そ
の上端面の中央部から上方に向かって矩形の凸部3aを
突設している。この基本弾性体3の寸法は、上記凸部3
aを除いて、例えば幅30mm,奥行4mmであり、そ
の高さ(図1において符号Hで示した高さ)については
7.25mm〜9mmの範囲のものを試作した。また、
上記凸部3aの寸法は、例えば幅4mm,高さ2.5m
m,奥行4mmである。さらに、該基本弾性体3には、
基本弾性体の幅方向の中心部でかつ底面から6mmの位
置に、圧入によってφ2mmのステンレス材からなるピ
ン3bが打ち込まれている。
As shown in FIG. 1A, the basic elastic body 3 is formed of a brass material in a substantially rectangular parallelepiped shape, and projects upward from a central convex portion 3a of the upper end surface thereof. Has been established. The dimensions of this basic elastic body 3 are
Except for a, a prototype having a width of 30 mm and a depth of 4 mm and a height (height indicated by reference numeral H in FIG. 1) in the range of 7.25 mm to 9 mm was prototyped. Also,
The dimensions of the protrusion 3a are, for example, 4 mm in width and 2.5 m in height.
m, depth 4 mm. Further, the basic elastic body 3 includes
A pin 3b made of a stainless steel material having a diameter of 2 mm is driven into the center portion of the basic elastic body in the width direction and at a position 6 mm from the bottom surface by press fitting.

【0014】このような基本弾性体3に対して、上記凸
部3aを両側から挟み込むように積層型圧電素子4を取
り付け、そのさらに両側から例えば幅4mm,高さ2.
5mm,奥行4mmに形成された上記補助弾性体6で挟
み込んで、ビス12により固定するようになっている。
この積層型圧電素子4は、電極処理された薄板形状の圧
電素子を数十枚から数百枚程度積層したものである。な
お、この第1実施例においては、株式会社トーキンの積
層型圧電素子NLA−2×3×9を用いており、その寸
法は、2mm×3.1mm×9mmである。積層圧電素
子の両端部以外の部分は、図示はしないがエポキシ系樹
脂により、例えば約0.5mm程度の被覆厚で被覆され
ている。
A laminated piezoelectric element 4 is attached to such a basic elastic body 3 so as to sandwich the convex portion 3a from both sides.
It is sandwiched by the auxiliary elastic body 6 formed to 5 mm and 4 mm in depth, and fixed by screws 12.
The laminated piezoelectric element 4 is formed by laminating tens to hundreds of thin plate-shaped piezoelectric elements that have been subjected to electrode treatment. In the first embodiment, a laminated piezoelectric element NLA-2 × 3 × 9 manufactured by Tokin Co., Ltd. is used, and its dimensions are 2 mm × 3.1 mm × 9 mm. Portions other than both ends of the laminated piezoelectric element are covered with an epoxy resin (not shown) with a coating thickness of about 0.5 mm, for example.

【0015】次に、上述のような超音波振動子2の組立
方法について説明する。まず、図1に示すように、基本
弾性体3の凸部3aの両側に積層型圧電素子4を載置す
る。そして上記保持用弾性部材6により、両側から挟み
込むようにして基本弾性体3上に保持し固定する。な
お、該基本弾性体3には、図示はしないが2カ所にネジ
のタップがきってあり、図示のように保持用弾性体6
は、2本のビス12を締結して基本弾性体3に固定され
るとともに、エポキシ系の接着剤により接着される。こ
のとき積層型圧電素子4は、基本弾性体3の凸部3aと
保持用弾性体6との間で付き当てで、または圧縮力をか
けた状態で保持固定される。
Next, a method of assembling the above-described ultrasonic vibrator 2 will be described. First, as shown in FIG. 1, the laminated piezoelectric element 4 is placed on both sides of the convex portion 3a of the basic elastic body 3. And it is held and fixed on the basic elastic body 3 by being sandwiched from both sides by the holding elastic member 6. Although not shown, the basic elastic body 3 has screw taps at two places, and as shown in FIG.
Are fixed to the basic elastic body 3 by fastening two screws 12, and are bonded with an epoxy-based adhesive. At this time, the multi-layer piezoelectric element 4 is held and fixed between the convex portion 3a of the basic elastic body 3 and the holding elastic body 6 in an applied state or under a compressive force.

【0016】また、積層型圧電素子4は、基本弾性体3
の凸部3aおよび保持用弾性体6と接触する部分にはエ
ポキシ系の接着剤を塗布して固定されているとともに、
基本弾性体3と接する下側面部分もやはりエポキシ系の
接着剤を用いて接着される。さらに、保持用弾性体6と
基本弾性体3の接触する部分もエポキシ系の接着剤によ
り接合される。
The laminated piezoelectric element 4 includes the basic elastic body 3
The portion which comes into contact with the convex portion 3a and the holding elastic body 6 is fixed by applying an epoxy adhesive.
The lower surface portion in contact with the basic elastic body 3 is also bonded using an epoxy adhesive. Further, the contact portion between the holding elastic body 6 and the basic elastic body 3 is also joined by an epoxy-based adhesive.

【0017】基本弾性体3の積層型圧電素子4が配置さ
れている面に対して反対側の面(すなわち、被駆動部材
と接触する側の面)の両端部から9mmの位置(共振屈
曲振動の振動振幅が極大値を示す位置)には、ステンレ
ス材、例えばSUS440Cをビッカース硬度で800
程度に焼入れ処理して形成した直方体形状の摺動部材5
が、エポキシ系の接着剤を用いて接着されていて、その
寸法は例えば幅3mm,奥行4mm,厚み1mmであ
る。
A position (resonant bending vibration) 9 mm from both ends of the surface of the basic elastic body 3 opposite to the surface on which the laminated piezoelectric element 4 is disposed (that is, the surface in contact with the driven member). At a position where the vibration amplitude of the sample has a maximum value), a stainless steel material, for example, SUS440C, having a Vickers hardness of 800
Rectangular parallelepiped sliding member 5 formed by quenching
However, the dimensions are, for example, 3 mm in width, 4 mm in depth, and 1 mm in thickness.

【0018】次に、上記超音波振動子2の動作について
説明する。なお、図1において、左手前側の積層型圧電
素子4に接続されている電気端子をA,G(A相と呼
ぶ)とし、右奥側の積層型圧電素子4に接続されている
電気端子をB,G(B相と呼ぶ)とする。超音波振動子
2を上述した寸法形状に形成すれば、1次の共振縦振動
および2次の共振屈曲振動を、ほぼ同一周波数Fr(5
3kHz〜56kHz程度)で励起することができる。
これらの振動を有限要素法を用いてコンピュータ解析し
た結果、図2(A)に示すような共振縦振動状態と、図
2(B)に示すような共振屈曲振動状態をとっているこ
とが分かり、実際に振動測定を行った結果、このような
振動状態になっていることが実証された。
Next, the operation of the ultrasonic transducer 2 will be described. In FIG. 1, electrical terminals connected to the left-side laminated piezoelectric element 4 are denoted by A and G (referred to as A-phase), and electric terminals connected to the right-rear laminated piezoelectric element 4 are denoted by A and G. B and G (referred to as B phase). If the ultrasonic vibrator 2 is formed in the above-described size and shape, the primary resonance longitudinal vibration and the secondary resonance bending vibration can be substantially the same frequency Fr (5
(About 3 kHz to 56 kHz).
As a result of computer analysis of these vibrations using the finite element method, it was found that a resonance longitudinal vibration state as shown in FIG. 2A and a resonance bending vibration state as shown in FIG. 2B were taken. As a result of actual vibration measurement, it was verified that such a vibration state was attained.

【0019】まず、A相に周波数Frで振幅10Vp-
pの交番電圧を印加し、B相に同一周波数かつ同振幅で
同位相の交番電圧を印加すると、図2(A)に示すよう
な一次の共振縦振動が励起されることがわかる。
First, an A phase having a frequency Fr and an amplitude of 10 Vp-
When the alternating voltage of p is applied and the alternating voltage of the same frequency, the same amplitude and the same phase is applied to the B phase, the primary resonance longitudinal vibration as shown in FIG. 2A is excited.

【0020】次に、A相に周波数Frで振幅10Vp-
pの交番電圧を印加し、B相に同一周波数かつ同振幅で
逆位相の交番電圧を印加すると、図2(B)に示すよう
な二次の共振屈曲振動が励起されることがわかる。
Next, in the A phase, a frequency Fr and an amplitude of 10 Vp-
When the alternating voltage of p is applied and the alternating voltage of the same frequency, the same amplitude, and the opposite phase is applied to the B phase, the secondary resonance bending vibration as shown in FIG. 2B is excited.

【0021】次に、図3を参照して、上記超音波振動子
2を用いて構成した超音波リニアモータ1について説明
する。超音波振動子2は、図3に示すように、そのピン
3bを介して2つの保持板21により両側面から挟み込
んで保持されている。すなわち、この保持板21には上
記ピン3bの直径とほぼ同径の孔21aが穿設されてい
て、この孔21aに対しピン3bが係入している。この
ように保持することで、超音波振動子2はピン3b周り
の回転に対してのみ自由度を有するようになっている。
Next, with reference to FIG. 3, an ultrasonic linear motor 1 constituted by using the ultrasonic transducer 2 will be described. As shown in FIG. 3, the ultrasonic vibrator 2 is sandwiched and held by two holding plates 21 via the pins 3b from both sides. That is, a hole 21a having a diameter substantially equal to the diameter of the pin 3b is formed in the holding plate 21, and the pin 3b is engaged with the hole 21a. By holding in this manner, the ultrasonic vibrator 2 has a degree of freedom only for rotation around the pin 3b.

【0022】上記保持板21は、その上端側でビス23
により保持板固定部材22に固定され、この保持板固定
部材22にはリニアブッシュ24が上方に向けて植立さ
れている。そして、このリニアブッシュ24は、軸25
に沿って上下方向にリニアに移動するようになってい
る。
The holding plate 21 has a screw 23 at its upper end.
The linear bush 24 is erected upward on the holding plate fixing member 22. The linear bush 24 is
It moves linearly in the vertical direction along the.

【0023】この軸25は、軸固定部材26の下端面か
ら下方に向かってに植立されていて、この軸固定部材2
6は、ベース27に対してビス26aにより固定されて
いる。軸固定部材26のほぼ中央部には上下方向に向か
って貫通したタップが切られていて、押圧ビス28が螺
合されている。この押圧ビス28のねじ部の下端面とと
上記保持板固定部材22との間には、押圧バネ29が介
入されている。
The shaft 25 is erected downward from the lower end surface of the shaft fixing member 26.
6 is fixed to the base 27 by screws 26a. A tap penetrating vertically is cut at a substantially central portion of the shaft fixing member 26, and a pressing screw 28 is screwed into the tap. A pressing spring 29 is interposed between the lower end surface of the screw portion of the pressing screw 28 and the holding plate fixing member 22.

【0024】一方、上記ベース27には、被駆動部材た
るクロスローラーガイド30が、その固定部31でビス
31aにより固定されている。このクロスローラーガイ
ド30は、上記固定部31に移動部32を添設してい
て、この移動部32に摺動部材保持部33を図示しない
ビスにより固定し、さらにこの摺動部材保持部33に例
えばHIP処理が施されたジルコニアセラミックスで形
成された摺動部材34を接着することにより構成されて
いる。
On the other hand, a cross roller guide 30 as a driven member is fixed to the base 27 by a screw 31a at a fixing portion 31 thereof. The cross roller guide 30 has a moving part 32 attached to the fixing part 31, and a sliding member holding part 33 is fixed to the moving part 32 by a screw (not shown). For example, it is configured by bonding a sliding member 34 formed of zirconia ceramics subjected to HIP processing.

【0025】また、上記摺動部材34には、移動方向に
対して直交する方向に等間隔に複数の溝が刻設されてい
て、この溝のピッチは0.4mmであり、その溝の幅は
0.15mm、深さは0.1mmである。
The sliding member 34 is provided with a plurality of grooves at regular intervals in a direction perpendicular to the moving direction, the pitch of the grooves being 0.4 mm, and the width of the grooves. Is 0.15 mm and the depth is 0.1 mm.

【0026】このような押圧機構の構成によれば、押圧
ビス28を調整することで超音波振動子2のクロスロー
ラーガイド30の摺動部材34への押圧力を調整するこ
とができる。
According to the structure of the pressing mechanism, the pressing force of the ultrasonic vibrator 2 on the sliding member 34 of the cross roller guide 30 can be adjusted by adjusting the pressing screw 28.

【0027】次に、この第1実施例の超音波リニアモー
タ1の動作について説明する。先に説明したように、超
音波振動子2のA相とB相に、周波数Fr,振幅10V
p-p,位相差+90度または−90度の交番電圧をそ
れぞれ印加すると、超音波振動子2の摺動部材5の位置
には、右周りまたは左周りの超音波楕円振動が発生す
る。そして上記クロスローラーガイド30の移動部32
は、この回転方向に従ってそれぞれ右方向または左方向
に駆動される。
Next, the operation of the ultrasonic linear motor 1 according to the first embodiment will be described. As described above, the frequency Fr and the amplitude of 10 V are applied to the A-phase and the B-phase of the ultrasonic vibrator 2.
When an alternating voltage of pp and a phase difference of +90 degrees or −90 degrees is applied, a clockwise or counterclockwise ultrasonic elliptical vibration is generated at the position of the sliding member 5 of the ultrasonic transducer 2. The moving part 32 of the cross roller guide 30
Are driven rightward or leftward, respectively, according to the rotation direction.

【0028】このような超音波リニアモータ1の動作に
おいて、上述のように、基本弾性体3の凸部3aを除い
た部分の高さである図1の符号Hに示す寸法を種々変化
させた超音波振動子2を試作して、そのモータ特性を評
価した。その結果を表1に示す。
In the operation of the ultrasonic linear motor 1 as described above, the dimension indicated by the reference numeral H in FIG. 1, which is the height of the portion of the basic elastic body 3 excluding the convex portion 3a, was variously changed. An ultrasonic transducer 2 was prototyped and its motor characteristics were evaluated. Table 1 shows the results.

【0029】[0029]

【表1】 この表1において、モータ動作で○印のものは動作した
ということ意味し、×印のものは動作しないか、もしく
は動作してもほとんど速度および推力が出ないものであ
ることを意味している。この結果から、屈曲振動共振周
波数が縦振動共振周波数以下でないと動作しないことが
明らかになった。
[Table 1] In Table 1, those indicated by a circle in the motor operation indicate that the motor has operated, and those indicated by a cross indicate that the motor does not operate, or that even when the motor operates, little speed and thrust appear. . From this result, it became clear that the operation would not be performed unless the bending vibration resonance frequency was lower than the longitudinal vibration resonance frequency.

【0030】次に、試作No.1から試作No.5まで
の超音波モータ(つまり、動作する超音波モータ)の駆
動周波数に対する移動速度の特性について計測した結果
を図4に示す。図4(A)は負荷がないときの特性を示
したものであり、図4(B)は負荷として1.86Nを
与えたときの特性を示したものである。
Next, the prototype No. No. 1 to prototype No. FIG. 4 shows the measurement results of the characteristics of the moving speed with respect to the driving frequency of the ultrasonic motor (that is, the operating ultrasonic motor) up to 5. FIG. 4A shows the characteristics when there is no load, and FIG. 4B shows the characteristics when 1.86 N is applied as the load.

【0031】この図4に示したデータと上記表1に示し
たデータを比較検討することにより、 (1) 最大速度を生ずる周波数は、ほぼ縦振動の共振
周波数に一致している。 (2) 屈曲振動の共振周波数が縦振動の共振周波数よ
り低くなればなるほど、その最大速度を生ずる周波数の
両側の速度特性がより対称的になる傾向がみられる。 ということが分かる。なお、この最大速度を生ずる周波
数の両側での対称性をより高めるには、屈曲振動の共振
周波数を縦振動の共振周波数より3%ほど低くすること
が望ましく、この場合にはほぼ対称の速度特性が得られ
る。
By comparing the data shown in FIG. 4 with the data shown in Table 1 above, (1) the frequency at which the maximum speed occurs is almost equal to the resonance frequency of the longitudinal vibration. (2) As the resonance frequency of the bending vibration becomes lower than the resonance frequency of the longitudinal vibration, there is a tendency that the velocity characteristics on both sides of the frequency that generates the maximum velocity become more symmetric. It turns out that. In order to further increase the symmetry on both sides of the frequency at which the maximum velocity is generated, it is desirable to lower the resonance frequency of the bending vibration by about 3% from the resonance frequency of the longitudinal vibration. Is obtained.

【0032】このような第1実施例によれば、屈曲振動
共振周波数が縦振動共振周波数より低く、駆動周波数が
縦振動共振周波数近傍である超音波モータとしたこと
で、駆動周波数に対して可動範囲が広く、その最大速度
の周波数の両側で速度特性が対称となる、推力および速
度とも最大の特性が得られる超音波モータとすることが
できる。
According to the first embodiment, the ultrasonic motor whose bending vibration resonance frequency is lower than the longitudinal vibration resonance frequency and whose drive frequency is near the longitudinal vibration resonance frequency is movable with respect to the drive frequency. An ultrasonic motor that has a wide range and has symmetrical speed characteristics on both sides of the frequency of the maximum speed, and can obtain the maximum characteristics in both the thrust and the speed.

【0033】図5,図6は本発明の第2実施例を示した
ものである。この第2実施例において、前述の第1実施
例と同様である部分については説明を省略し、主として
異なる点について説明する。この第2実施例の超音波振
動子2は、上記第1実施例に比べて、新たに振動検出用
の圧電素子41が、基本弾性体3に接着されている点が
主として異なる部分である。この検出用圧電素子41
は、図5に示すように、例えば0.3mm厚のPZTセ
ラミックスにより基本弾性体3の長手方向の長さよりも
やや短い長さの帯状に形成されていて、その厚み方向に
分極されている。そして、該検出用圧電素子41の両面
には銀電極処理が施されている。
FIGS. 5 and 6 show a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted, and different points will be mainly described. The ultrasonic vibrator 2 of the second embodiment is different from the first embodiment mainly in that a vibration detecting piezoelectric element 41 is newly bonded to the basic elastic body 3. This detecting piezoelectric element 41
As shown in FIG. 5, is formed of, for example, PZT ceramics having a thickness of 0.3 mm in a belt shape having a length slightly shorter than the length of the basic elastic body 3 in the longitudinal direction, and is polarized in the thickness direction. Then, both surfaces of the detection piezoelectric element 41 are subjected to silver electrode treatment.

【0034】このような検出用圧電素子41は、ピン3
bの上側であって積層型圧電素子4の下側となる基本弾
性体3の略上半分に、ほぼ全幅にわたって接着されてい
る。このような構成によれば、超音波振動子2が振動し
ているときに、その縦振動のみを検出することが可能で
ある。また、該検出用圧電素子41からはリード端子F
が導出されていて、一方、図示はしないが、基本弾性体
3からは共通のグランド端子が導出されている。
The piezoelectric element 41 for detection is provided with a pin 3
It is adhered to almost the upper half of the basic elastic body 3 on the upper side of b and below the laminated piezoelectric element 4 over substantially the entire width. According to such a configuration, when the ultrasonic transducer 2 is vibrating, it is possible to detect only the longitudinal vibration. Further, the lead terminal F
On the other hand, although not shown, a common ground terminal is derived from the basic elastic body 3.

【0035】次に、この第2実施例の作用について説明
する。上記第1実施例で述べた方法で積層型圧電素子4
に交番電圧を印加して、一次の縦振動を励起させる。こ
のときリード端子Fからは振動振幅に比例する略正弦波
の信号が得られた。
Next, the operation of the second embodiment will be described. According to the method described in the first embodiment, the multilayer piezoelectric element 4
To excite the primary longitudinal vibration. At this time, a substantially sine wave signal proportional to the vibration amplitude was obtained from the lead terminal F.

【0036】同様に第1実施例で述べた方法で積層型圧
電素子4に交番電圧を印加して、二次の屈曲振動を励起
させる。このときリード端子Fからはほとんど信号が得
られなかった。
Similarly, an alternating voltage is applied to the laminated piezoelectric element 4 by the method described in the first embodiment to excite secondary bending vibration. At this time, almost no signal was obtained from the lead terminal F.

【0037】次に第1実施例で述べた方法で積層型圧電
素子4に交番電圧を印加して、一次の縦振動と二次の屈
曲振動を同時に励起する。このときリード端子Fから正
弦波状の信号が得られた。この場合のリード端子Fから
の信号は一次の縦振動に比例していると考えられる。
Next, an alternating voltage is applied to the laminated piezoelectric element 4 by the method described in the first embodiment to simultaneously excite the primary longitudinal vibration and the secondary bending vibration. At this time, a sinusoidal signal was obtained from the lead terminal F. In this case, the signal from the lead terminal F is considered to be proportional to the primary longitudinal vibration.

【0038】超音波振動子2をさまざまな温度環境で動
作させる場合、超音波振動子の温度により共振周波数が
変化する。そのため振動子の振動状態を一定に保つため
には周波数を追尾する必要がある。図6に、この周波数
を追尾することができる超音波モータの駆動回路の一例
を示す。発振器43から出された縦振動周波数Fr近傍
の交番電圧は、増幅器(図においてAmpと略記す
る。)47で増幅されてA相に印加される。同時に移相
器45を介して位相を例えば+90度または−90度移
相した後に、増幅器48で増幅されてB相に印加され
る。そしてリード端子Fからの出力信号を増幅器46で
増幅して、モニター電圧として比較器44により発振器
43の信号と比較して、両者の位相差が一定になるよう
に発振器43を制御して、発振周波数を調整するかまた
はモニター電圧が常に極大となるように発振周波数を調
整する。
When the ultrasonic vibrator 2 is operated in various temperature environments, the resonance frequency changes depending on the temperature of the ultrasonic vibrator. Therefore, in order to keep the vibration state of the vibrator constant, it is necessary to track the frequency. FIG. 6 shows an example of a drive circuit of an ultrasonic motor capable of tracking this frequency. The alternating voltage near the longitudinal vibration frequency Fr output from the oscillator 43 is amplified by an amplifier (abbreviated as Amp in the figure) 47 and applied to the A-phase. At the same time, the phase is shifted by, for example, +90 degrees or -90 degrees through the phase shifter 45, and then amplified by the amplifier 48 and applied to the B phase. The output signal from the lead terminal F is amplified by the amplifier 46, compared with the signal of the oscillator 43 by the comparator 44 as a monitor voltage, and the oscillator 43 is controlled so that the phase difference between them is constant. Adjust the frequency or adjust the oscillation frequency so that the monitor voltage is always maximum.

【0039】このような周波数を自動追尾することがで
きる駆動回路を設けた超音波振動子を用いて上記図3に
示すような超音波モータを動作させたところ、広い温度
環境にわたって速度や推力が低下することのない超音波
モータが得られた。
When an ultrasonic motor as shown in FIG. 3 was operated using an ultrasonic vibrator provided with a drive circuit capable of automatically tracking such a frequency, the speed and thrust were varied over a wide temperature environment. An ultrasonic motor that does not deteriorate was obtained.

【0040】このような第2実施例によれば、上記第1
実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、縦振動の共
振周波数に周波数追尾をかけてモータ駆動を行うように
することで、温度変化した場合にも、推力や速度がより
低下しにくい超音波モータとすることができる。
According to the second embodiment, the first
The ultrasonic motor has almost the same effect as the embodiment, and performs the motor drive by performing frequency tracking on the resonance frequency of the longitudinal vibration, so that even when the temperature changes, the thrust and speed are less likely to decrease. It can be.

【0041】なお、上記各実施例においてはリニア型の
超音波モータについてのみ述べたが、本発明はこれに限
定されるものではなく、超音波振動子を用いて移動体を
回転体とすれば、回転型の超音波モータにも応用するこ
とができる。
In each of the above embodiments, only the linear type ultrasonic motor has been described. However, the present invention is not limited to this. If the moving body is a rotary body using an ultrasonic vibrator, the present invention is not limited to this. It can also be applied to a rotary ultrasonic motor.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、駆
動周波数に対して可動範囲が広く安定に動作する超音波
モータを提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic motor having a wide movable range with respect to the driving frequency and operating stably.

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

【図1】本発明の第1実施例を示す超音波振動子の斜視
図。
FIG. 1 is a perspective view of an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the present invention.

【図2】上記第1実施例の超音波振動子の、(A)共振
縦振動状態,(B)共振屈曲振動状態をそれぞれ示す線
図。
FIG. 2 is a diagram showing (A) a resonance longitudinal vibration state and (B) a resonance bending vibration state of the ultrasonic vibrator of the first embodiment.

【図3】上記第1実施例の超音波振動子を用いて構成し
た超音波リニアモータを示す正面図。
FIG. 3 is a front view showing an ultrasonic linear motor configured using the ultrasonic transducer of the first embodiment.

【図4】上記第1実施例の超音波リニアモータの、
(A)負荷をかけない場合,(B)負荷をかけた場合、
の周波数に対する速度の特性をそれぞれ示す線図。
FIG. 4 shows an ultrasonic linear motor according to the first embodiment.
(A) When no load is applied, (B) When load is applied,
FIG. 4 is a diagram showing characteristics of speed with respect to frequency of FIG.

【図5】本発明の第2実施例を示す超音波振動子の正面
図。
FIG. 5 is a front view of an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the present invention.

【図6】上記第2実施例の、周波数を追尾することがで
きる超音波モータの駆動回路の一例を示すブロック図。
FIG. 6 is a block diagram showing an example of a drive circuit of an ultrasonic motor capable of tracking a frequency according to the second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…超音波リニアモータ 2…超音波振動子 3…基本弾性体 4…積層型圧電素子 30…クロスローラーガイド 41…検出用圧電素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic linear motor 2 ... Ultrasonic transducer 3 ... Basic elastic body 4 ... Laminated piezoelectric element 30 ... Cross roller guide 41 ... Piezoelectric element for detection

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−45173(JP,A) 特開 平3−261385(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-3-45173 (JP, A) JP-A-3-261385 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H02N 2/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 弾性体と、弾性体に固定された2つの電
気−機械エネルギー変換素子と、上記弾性体に押圧され
た被駆動部材とからなり、上記2つの電気−機械エネル
ギー変換素子にそれぞれ交流電圧を印加することにより
上記弾性体に縦振動および屈曲振動を発生させて、上記
被駆動部材を駆動する超音波モータにおいて、 前記電気−機械エネルギー変換素子は積層型圧電素子で
構成され、この積層型圧電素子は前記弾性体の一部に挟
み込まれるようにして固定されており、上記屈曲振動の
共振周波数が縦振動の共振周波数より低いことを特徴と
する超音波モータ。
1. An elastic body, two electro-mechanical energy conversion elements fixed to the elastic body, and a driven member pressed by the elastic body. In an ultrasonic motor that drives the driven member by generating a longitudinal vibration and a bending vibration in the elastic body by applying an AC voltage, the electro-mechanical energy conversion element is configured by a laminated piezoelectric element. An ultrasonic motor, wherein the laminated piezoelectric element is fixed so as to be sandwiched by a part of the elastic body, and a resonance frequency of the bending vibration is lower than a resonance frequency of the longitudinal vibration.
【請求項2】 前記屈曲振動の共振周波数は、前記縦振
動の共振周波数より3%程度低いことを特徴とする請求
項1記載の超音波モータ。
2. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein a resonance frequency of the bending vibration is lower than a resonance frequency of the longitudinal vibration by about 3%.
【請求項3】 前記弾性体は、一部に突部を有する略直
方体形状の基本弾性体と、この基本弾性体に固定される
二つの補助弾性体とを含み、前記積層型圧電素子のそれ
ぞれは、前記基本弾性体における前記突部が形成された
部分に沿うように配置され、一端が前記突部に当接する
と共に、他端が前記補助弾性体に当接して固定されるこ
とを特徴とする請求項1記載の超音波モータ。
3. The elastic body includes a substantially rectangular parallelepiped basic elastic body partially having a projection, and two auxiliary elastic bodies fixed to the basic elastic body. Is formed with the protrusion in the basic elastic body
2. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the ultrasonic motor is arranged along the portion , one end of which is in contact with the protrusion, and the other end is in contact with and fixed to the auxiliary elastic body.
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