JP5129184B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
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Description
本発明は、超音波振動を駆動力源として被駆動体を駆動する超音波モータに関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic motor that drives a driven body using ultrasonic vibration as a driving force source.
例えば、下記特許文献1には、振動子の縦振動とねじれ振動を合成して楕円振動を発生させ、ロータを回転させる超音波モータが提案されている。そして、下記特許文献1の図1には、振動子の分解斜視図が描かれており、振動子軸方向に対し斜めにカッティングされた弾性体の間に複数枚の圧電素子が挿入された構成となっている。また、該圧電素子の正電極は2分割されており、ここでは、それぞれA相、B相と称するものとする。 For example, Patent Document 1 below proposes an ultrasonic motor that rotates a rotor by synthesizing longitudinal vibration and torsional vibration of a vibrator to generate elliptical vibration. FIG. 1 of Patent Document 1 below shows an exploded perspective view of the vibrator, in which a plurality of piezoelectric elements are inserted between elastic bodies cut obliquely with respect to the vibrator axis direction. It has become. In addition, the positive electrode of the piezoelectric element is divided into two parts, which are referred to herein as A phase and B phase, respectively.
ここで、A相とB相に同位相の交番電圧を印加することで、棒状振動子に縦振動を発生させることができる。また、A相とB相に逆位相の交番電圧を印加することで、棒状振動子にねじれ振動を発生させることができる。尚、振動子の溝位置を調整して縦振動の共振周波数と、ねじれ振動の共振周波数を、ほぼ一致するようにしておく。そして、A相とB相にπ/2位相の異なる交番電圧を印加すると、縦振動とねじれ振動が同時に発生し、棒状弾性体上面に楕円振動を発生させることができる。棒状弾性体上面にロータを押圧することにより、ロータを時計方向(CW方向)若しくは反時計方向(CCW方向)に回転させることができる。 Here, by applying an alternating voltage having the same phase to the A phase and the B phase, longitudinal vibration can be generated in the rod-shaped vibrator. Further, torsional vibration can be generated in the rod-shaped vibrator by applying alternating voltages having opposite phases to the A phase and the B phase. The groove position of the vibrator is adjusted so that the resonance frequency of the longitudinal vibration and the resonance frequency of the torsional vibration are substantially matched. When alternating voltages having different π / 2 phases are applied to the A phase and the B phase, longitudinal vibration and torsional vibration are generated simultaneously, and elliptical vibration can be generated on the upper surface of the rod-shaped elastic body. By pressing the rotor against the upper surface of the rod-shaped elastic body, the rotor can be rotated clockwise (CW direction) or counterclockwise (CCW direction).
しかしながら、上記特許文献1に記載された超音波モータは、その図1に示されるように、弾性体を斜めにカットしなければならない、縦振動とねじれ振動の周波数を合わせるために弾性体の一部に溝部を設けなければならない、等の課題があった。また、圧電素子の中央部に穴部を設けてあるので、圧電素子がそれ自体で、若しくは特にシャフトと触れた際には破損しやすい等の課題があった。 However, as shown in FIG. 1, the ultrasonic motor described in the above-mentioned Patent Document 1 has to cut the elastic body diagonally. In order to match the frequencies of the longitudinal vibration and the torsional vibration, it is one of the elastic bodies. There was a problem that a groove portion had to be provided in the portion. In addition, since the hole is provided in the center of the piezoelectric element, there is a problem that the piezoelectric element is easily damaged by itself or particularly when touching the shaft.
したがって本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、溝部が不要であり、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で楕円振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and the object thereof is to eliminate the need for a groove portion, to provide a hole portion in the piezoelectric element, and to easily excite elliptical vibration with a simple structure. It is possible to provide an ultrasonic motor that can rotate a rotor by elliptic vibration generated in an ultrasonic vibrator.
すなわち本発明は、略直方体形状の各辺の比が、略1:1:0.45となっている振動子と、該振動子の楕円振動発生面に接して該振動子の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動される被駆動体と、を少なくとも備えた超音波モータであって、前記振動子は、該振動子の同一面に発生するもので、その短辺を含む面の中心線を軸に両端を前記回転軸方向に振動させる輪郭すべり振動と、該両端を前記回転軸と直交する方向に振動させる面たわみ振動を、所定の位相差で同時に励起し、該輪郭すべり振動と該面たわみ振動が発生する面と直交する面に生じた楕円振動の発生部位に接触して前記被駆動体を回転駆動させることを特徴とする。 That is, according to the present invention, an oscillator in which the ratio of each side of the substantially rectangular parallelepiped shape is approximately 1: 1: 0.45 and the generation of the elliptical vibration of the vibrator in contact with the elliptical vibration generation surface of the oscillator An ultrasonic motor including at least a driven body that is driven to rotate about a central axis orthogonal to the surface, and the vibrator is generated on the same surface of the vibrator, and has a short side Contour slip vibration that vibrates both ends in the direction of the rotation axis about the center line of the surface including the surface and flexural vibration that vibrates the both ends in the direction orthogonal to the rotation axis are simultaneously excited with a predetermined phase difference, The driven body is rotationally driven in contact with a generation site of elliptical vibration generated on a surface orthogonal to a surface where the contour sliding vibration and the surface deflection vibration are generated.
本発明によれば、溝部が不要であり、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で楕円振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することができる。 According to the present invention, there is no need for a groove portion, there is no need to provide a hole in the piezoelectric element, elliptic vibration can be easily excited with a simple structure, and the rotor is rotated by elliptic vibration generated in the ultrasonic vibrator. An ultrasonic motor can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
先ず、図1乃至図13を参照して、本発明の第1の実施形態について説明する。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る超音波モータを示す外観斜視図である。また、図2は図1の振動子を示したもので、(a)は振動子の外観斜視図、(b)は(a)の振動子に摩擦接触子が接着された状態の振動子の外観斜視図である。 FIG. 1 is an external perspective view showing an ultrasonic motor according to the first embodiment of the present invention. 2 shows the vibrator of FIG. 1. FIG. 2 (a) is an external perspective view of the vibrator, and FIG. 2 (b) is a diagram of the vibrator with a friction contact bonded to the vibrator of FIG. It is an external perspective view.
この超音波モータ10は、振動子を構成する積層圧電素子(振動子)11と、摩擦接触子12a及び12bと、外部電極13(13a〜13d)と、ロータ15と、ベアリング16と、ばね17と、ばね保持リング18と、振動子ホルダ20と、シャフト固定リング21と、シャフト22と、から構成されている。
The
尚、本第1の実施形態に於いて、振動子11は圧電素子が複数積層されて構成されている。
In the first embodiment, the
摩擦接触子12a及び12bは、積層圧電素子11の長手方向と直交する面に接着されて、被駆動体であるロータ15と接触するようになっている。但し、この摩擦接触子12a及び12bは、必ずしも必要なものではない。外部電極13(13a〜13d)は、詳細を後述する各相毎に、図2(a)及び(b)では、図面の右側面には4箇所と、図には示されないが左側面にも4箇所設けられている。
The
振動子11は、図1に示されるように、3つの側面(この場合、下側面、右側面、左側面)のほぼ中央部で振動子ホルダ20により保持されている。該振動子ホルダ20の上面部からは振動子11の上面の中央部に向かって外周にネジが切られたシャフト22が固定延出され、ベアリング内側面に固定されている。ベアリング16の外側面は、ロータ15内側面に固定されており、該ベアリング内側部にはばね17が接触している。ばね保持リング18を回転させると該ばね17は縮められ、その結果、ベアリング16の内側面に押圧がかけられ、最終的にロータ15と振動子11間に所定の押圧力が印加される。
As shown in FIG. 1, the
振動子ホルダ20は、振動子11のほぼ中央部に固定されてシャフト22及び振動子11を保持するための保持部材である。この振動子ホルダ20は、アルマイト処理が施されたアルミ材料、若しくは絶縁処理が施された金属材料から成るものであって、一体として形成されている。そして、振動子ホルダ20は、シャフト22が貫通する上面部20aと、振動子11の側面を覆うように対向配置された側面部20b、20cと、該側面部20b、20cの下端部同士を接続する案内部20d、20e(20eは図示されない)と、該案内部20d、20eの中間部から該案内部20d、20eと直交する方向に延出形成された案内部20f、20g(20gは図示されない)と、案内部20fと案内部20gとを接続する底面部20hと、を有して構成されている。
The vibrator holder 20 is a holding member that is fixed to substantially the center of the
更に、前記側面部20b、20cの下端部と、底面部20hは、後述するように、輪郭すべり振動モードの節部及び面たわみ振動の節部と、幾何学的にほぼ一致している。そして、振動子11は、側面部20bと案内部20dとの接続点、側面部20bと案内部20eとの接続点、側面部20cと案内部20dとの接続点、側面部20cと案内部20eとの接続点、案内部20fと底面部20hとの接続点、案内部20gと底面部20hとの接続点、のみで支持されている。
Furthermore, the lower end portions of the
また、シャフト固定リング21は、振動子ホルダ20とシャフト22を固定する部材である。尚、シャフト22の長手方向を中心軸方向と定義する。 The shaft fixing ring 21 is a member that fixes the vibrator holder 20 and the shaft 22. The longitudinal direction of the shaft 22 is defined as the central axis direction.
次に、振動子11について詳細に説明する。
Next, the
本振動子11は、図2(a)に示されるように、各辺の長さがa,b,cの直方体形状をなしており、圧電セラミクスと内部電極の積層構造を有する積層圧電素子から構成される。
As shown in FIG. 2A, the
図2(a)に於いて、右側面には外部電極(A+相)13a、外部電極(B+相)13b、外部電極(C+相)13c、外部電極(D+相)13dが、設けられている。前記右側面と対向する左側面には、図示されないが、外部電極(A−相)、外部電極(B−相)、外部電極(C−相)、外部電極(D−相)が、同様の位置に設けられている。 In FIG. 2A, an external electrode (A + phase) 13a, an external electrode (B + phase) 13b, an external electrode (C + phase) 13c, and an external electrode (D + phase) 13d are provided on the right side surface. . Although not shown in the figure, the external electrode (A-phase), the external electrode (B-phase), the external electrode (C-phase), and the external electrode (D-phase) are the same on the left side facing the right side. In the position.
尚、図の手前の寸法aと寸法bが作る面をab表面と定義する。また、それと対向する裏面をab裏面と定義する。 Note that the surface formed by the dimension a and dimension b in front of the figure is defined as the ab surface. Moreover, the back surface opposite to it is defined as ab back surface.
図2(b)は、振動子11の上面で楕円振動が発生する部位に摩擦接触子12a、12bが接着により設けられている様子を示している。摩擦接触子12a、12bは、アルミナやジルコニア等のセラミクス材料、若しくはPPSやPEEK等のエンジニアリングプラスチック材料から構成される。詳細は後述するが、この摩擦接触子12a、12bの位置に、図示されるように、ロータ16を回転させるような向きに、時計方向(CW方向)若しくは反時計方向(CCW方向)の楕円振動が形成される。
FIG. 2B shows a state in which the
本振動子の外径寸法としては、例えば、a=10mm、b=10mm、c=4.5mmとする。また、摩擦接触子の厚みは0.1mmから1mm程度とする。 As the outer diameter dimension of the vibrator, for example, a = 10 mm, b = 10 mm, and c = 4.5 mm. The thickness of the friction contact is about 0.1 mm to 1 mm.
図3は、積層圧電素子の圧電シート構成を示す分解斜視図である。 FIG. 3 is an exploded perspective view showing a piezoelectric sheet configuration of the laminated piezoelectric element.
本積層圧電素子11は、所定の内部電極パターンが形成された、チタン酸ジルコン酸鉛(以下PZTと記す)等の薄い圧電シートが積層されて構成されたものである。圧電シート25は、厚さ10μmから100μm程度のPZT材料から成るもので、圧電シート1(以下、圧電シート(1)と記す)25a、圧電シート2(以下、圧電シート(2)と記す)25b、圧電シート3(以下、圧電シート(3)と記す)25c、圧電シート4(以下、圧電シート(4)と記す)25d、及び圧電シート5(以下、圧電シート(5)と記す)25eを有して構成される。このうち、圧電シート(1)25a、圧電シート(2)25b、圧電シート(3)25c、圧電シート(4)25dの一方の面には、それぞれ同様の内部電極26のパターンが印刷されており、唯一それぞれ側面への延出用電極の位置が異なっている。尚、圧電シート(5)25eは、内部電極が印刷されていない圧電シートである。
The laminated
本実施形態に於いては、最も外側に1枚の圧電シート(1)25aが配置され、該圧電シート(1)25aの内部電極26が設けられている側に、複数枚(n枚)の圧電シート(2)25b、複数枚(n枚)の圧電シート(3)25c、が積層され、更に1枚の圧電シート(4)25d、最後に1枚の圧電シート(5)25eが、配置された構成となっている。そして、圧電シート(1)25aには、前述した外部電極13cに接続するための延出電極27cが設けられ、同様に、圧電シート(2)25bには外部電極13aに接続するための延出電極27aが、圧電シート(3)25cには外部電極13bに接続するための延出電極27bが、圧電シート(4)25dには外部電極13dに接続するための延出電極27dが、それぞれ設けられている。
In the present embodiment, one piezoelectric sheet (1) 25a is disposed on the outermost side, and a plurality (n) of sheets are provided on the side of the piezoelectric sheet (1) 25a where the
内部電極26は、銀−パラジウム合金から成るもので、厚さは数μm程度である。内部電極26は、図示されるように、交差指電極構造となっている。ここで、交差指電極とは、例えば、+相の電極と−相の電極とが、交互に組み合わされて配置されているような電極を指すものとする。そして、交差指電極は、その側面内でできるだけ大きな面積となるようにするため、実際には、その側面部の一面に形成されている。
The
交差指内部電極の幅は、0.1mm〜1mm程度の範囲に設定され、間の絶縁幅も0.1mm〜1mm程度の範囲に設定する。詳細は後述するが、交差指電極は略45度傾けて圧電シート25のほぼ全面に設けられている。先ず、圧電シート(1)25aが1枚積層される。これは振動検出の役目を担っている。その後、圧電シート(2)25bがn枚積層(nの具体的な数値は、本実施形態では21であるが、以降nと記す)される。これは駆動電極としての役目を担っている。次に、圧電シート(3)25cがn枚積層される。これも駆動電極としての役目を担っている。その後、圧電シート(4)25dが1枚積層される。これは振動検出の役目を担っている。
The width of the interdigital finger electrode is set to a range of about 0.1 mm to 1 mm, and the insulation width therebetween is also set to a range of about 0.1 mm to 1 mm. As will be described in detail later, the interdigitated electrodes are provided on substantially the entire surface of the
次に、本積層圧電素子11の作成方法について説明する。
Next, a method for producing the multilayer
焼成前の圧電シート(1)25aに内部電極パターンが印刷されたものを1枚、圧電シート(2)25bに内部電極パターンが印刷されたものをn枚、圧電シート(3)25cに内部電極パターンが印刷されたものをn枚、圧電シート(4)25dに内部電極パターンが印刷されたものを1枚、最後に内部電極が印刷されていない圧電シート(5)25eを1枚用意する。そして、これらの圧電シートを積層後に、プレス、所定の大きさにカットした後、所定の温度で焼成を行う。その後、外部電極を所定の位置に印刷、焼付けする。その後、分極を行うことで積層圧電素子11が完成する。
One sheet having an internal electrode pattern printed on the piezoelectric sheet (1) 25a before firing, n sheets having the internal electrode pattern printed on the piezoelectric sheet (2) 25b, and an internal electrode on the piezoelectric sheet (3) 25c Prepare n sheets with the printed pattern, one sheet with the internal electrode pattern printed on the piezoelectric sheet (4) 25d, and finally one piezoelectric sheet (5) 25e with no internal electrode printed. And after laminating | stacking these piezoelectric sheets, after pressing and cutting to a predetermined magnitude | size, it bakes at predetermined temperature. Thereafter, the external electrode is printed and baked at a predetermined position. Thereafter, the laminated
次に、分極について図4を参照して説明する。 Next, polarization will be described with reference to FIG.
図4は、図3のA−A′線に沿って示した分極方向を含む積層方向の断面図である。尚、図4に矢印で示した分極ベクトルは、一方の側の極から中央部で多少の膨らみをもって、もう一方の極に向かって分極が形成されている。尚、このべクトルは、電場のべクトルとも一致している。 FIG. 4 is a cross-sectional view in the stacking direction including the polarization direction shown along line AA ′ in FIG. 3. The polarization vector indicated by the arrow in FIG. 4 is polarized toward the other pole with a slight bulge from the pole on one side to the center. This vector also coincides with the electric field vector.
次に、図2に示される本振動子11の動作について説明する。
Next, the operation of the
図2(a)に示された直方体形状の振動子11の各辺a,b,cの各寸法について、a=bとし、cを適当な値とすることで、輪郭すべり振動の共振周波数と面たわみ振動の共振周波数を一致させるようにしている。
With respect to the dimensions of the sides a, b, and c of the
図5は各振動モードの振動状態を概略的に示したもので、(a)は輪郭すべり振動モードの振動状態を概略的に示した図、(b)は面たわみ振動モードの振動状態を概略的に示した図である。尚、(a)、(b)に於いて、破線は静止時11aの形状を示した図、実線はそれぞれの振動モードの振動時11b、11cの形状を示した図である。
FIG. 5 schematically shows the vibration state of each vibration mode, (a) schematically shows the vibration state of the contour sliding vibration mode, and (b) schematically shows the vibration state of the surface deflection vibration mode. FIG. In (a) and (b), the broken line shows the shape of the
図5(a)に示される輪郭すべり振動では、その上面に着目すると、その端部は上下方向に振動する成分を有している。実際は斜め方向に振動している訳であるが、そのべクトルの成分として、矢印で示すような上下方向の振動成分を有している。但し、図からも明らかなように、上面の両端部の上下振動の位相はπだけずれている。また、4つの側面のほぼ中央部には、振動変位がないか、若しくは非常に小さい部位である節線30a、30b、30c、30dが存在する。
In the contour sliding vibration shown in FIG. 5A, when attention is paid to the upper surface, the end portion has a component that vibrates in the vertical direction. Actually, it vibrates in an oblique direction, but has a vertical vibration component as indicated by an arrow as a component of the vector. However, as is apparent from the figure, the phase of the vertical vibration at both ends of the upper surface is shifted by π. In addition, there are
次に、図5(b)に示される面たわみ振動では、その上面に着目すると、その端部は水平方向に振動する成分を有している。但し、図からも明らかなように、上面の両端部の水平振動の位相は同位相である。また、4つの側面のほぼ中央部には、振動変位がないか、若しくは非常に小さい部位である節線31a、31b、31c、31dが存在する。
Next, in the surface deflection vibration shown in FIG. 5B, when focusing on the upper surface, the end portion has a component that vibrates in the horizontal direction. However, as is clear from the figure, the phases of the horizontal vibrations at both ends of the upper surface are the same phase. In addition,
これら2つの振動を合成して上面端部に楕円振動を発生させる訳であるが、それぞれの振動モードの節線は共通の部位に存在しており、振動子11を保持する際に、該共通の節部を保持可能となる。
The two vibrations are combined to generate an elliptical vibration at the upper end. However, the nodal lines of the respective vibration modes exist at a common part, and the common line is held when the
ここで、図6乃至図8を参照して、前述した各振動モードについて詳細に説明する。 Here, with reference to FIG. 6 thru | or FIG. 8, each vibration mode mentioned above is demonstrated in detail.
図6は輪郭すべり振動モードについて、図2(a)示されるab表面に対して垂直な方向から見た図であり、(a)と(b)とは位相がπだけずれた振動状態を示している。すなわち、実線で示される振動時11b1 と11b2 とが、位相πだけずれた状態を表している。尚、図6(a)、(b)に示される黒丸33a、33b、33c、33dの位置が、振動のほぼ節部に対応している。
FIG. 6 is a view of the contour sliding vibration mode as seen from a direction perpendicular to the ab surface shown in FIG. 2A. FIGS. 6A and 6B show vibration states whose phases are shifted by π. ing. That is, the vibrations 11b 1 and 11b 2 indicated by the solid lines represent a state shifted by the phase π. Note that the positions of
図7は面たわみ振動モードを上面から見た図であり、(a)と(b)は振動の位相がπだけずれた状態を示している。ここで、実線で示される振動時11c1 と11c2 とが、位相πだけずれた状態を表している。尚、図示矢印は、各頂点の振動変位を示している。 FIG. 7 is a view of the surface deflection vibration mode as viewed from above, and (a) and (b) show a state in which the phase of vibration is shifted by π. Here, the vibrations 11c 1 and 11c 2 indicated by the solid line represent a state shifted by the phase π. In addition, the illustrated arrow has shown the vibration displacement of each vertex.
図8は図5(b)の中央部断面32部分を示した図である。この位置の断面は、図8に示されるように、両端部がちょうど節線31b、31dの位置に対応しており、中央部が振動変位(膨らみ)を有している。ここで、図8(a)と(b)は、振動の位相がπだけずれた状態を示している。このような振動を、面たわみ振動モードとする。
FIG. 8 is a view showing a cross section 32 at the center of FIG. In the cross section at this position, as shown in FIG. 8, both end portions correspond to the positions of the
図9は、振動子の辺a=b(一定)として、cを変化させた時の、c/a値と各モードの共振周波数をプロットした図である。これから、輪郭すべり振動の共振周波数はc/aに依存せず、ほぼ一定の値をとる。しかしながら、面たわみ振動の共振周波数はc/a値が増えれば増える程、単調に増加する。その結果、輪郭すべり振動の共振周波数と面たわみ振動の共振周波数は、c/a値がほぼ0.45の時に一致することがわかる。 FIG. 9 is a diagram in which the c / a value and the resonance frequency of each mode are plotted when c is changed with the side a = b (constant) of the vibrator. From this, the resonance frequency of the contour sliding vibration does not depend on c / a and takes a substantially constant value. However, the resonance frequency of surface flexural vibration increases monotonically as the c / a value increases. As a result, it can be seen that the resonance frequency of the contour sliding vibration and the resonance frequency of the surface flexural vibration coincide with each other when the c / a value is approximately 0.45.
図10は、その輪郭すべり振動発生時のab表面の歪み(主歪み)の様子を示した図である。輪郭すべり振動時は、ある瞬間には図に示されるような場所で、図10(a)に示されるように、右45度の方向に伸び歪みが発生し、それと直交する方向には縮み歪みが発生している。図10(b)は、(a)と振動の位相がπだけずれた瞬間の歪みの様子を示した図である。この場合には、逆に右45度の方向に縮み歪みが発生し、それと直交する方向には伸び歪みが発生している。尚、33oは、ab表面の中心を表している。 FIG. 10 is a diagram showing a state of distortion (main strain) on the ab surface when the contour sliding vibration is generated. At the time of contour sliding vibration, at a certain moment, as shown in FIG. 10 (a), an elongation distortion occurs in the direction of 45 degrees to the right, and a contraction distortion occurs in a direction perpendicular to it. Has occurred. FIG. 10B is a diagram showing the state of distortion at the moment when the phase of vibration is shifted by π from FIG. In this case, conversely, shrinkage distortion is generated in the direction of 45 degrees to the right, and elongation distortion is generated in the direction orthogonal thereto. Note that 33o represents the center of the ab surface.
また、図5(a)からも明らかなように、ab裏面の歪みも全く同様の符号の歪みをしている。尚、歪みの正負は、伸び歪みを正、縮み歪みを負と定義する。 Further, as is clear from FIG. 5A, the distortion on the back side of ab is also distorted by the same sign. In addition, the positive / negative of a strain defines an elongation strain as positive and a shrinkage strain as negative.
図11は、面たわみ振動発生時のab表面の歪み(主歪み)の様子を示した図である。面たわみ振動時は、ある瞬間には図に示されるような場所で、図11(a)に示されるように、右45度の方向に伸び歪みが発生していて、それと直交する方向にも同様に伸び歪みが発生している。それと振動の位相がπだけずれた瞬間の歪みの様子が、図11(b)に示されている。この場合には、逆に右45度の方向に縮み歪みが発生していて、それと直交する方向にも同様に縮み歪みが発生している。 FIG. 11 is a diagram showing a state of distortion (main strain) on the ab surface when surface deflection vibration occurs. At the time of surface deflection vibration, at a certain moment, as shown in FIG. 11 (a), there is an elongation strain in the direction of 45 degrees to the right, and also in the direction perpendicular to it. Similarly, elongation strain occurs. The state of distortion at the moment when the vibration phase is shifted by π is shown in FIG. In this case, conversely, shrinkage distortion occurs in the direction of 45 degrees to the right, and shrinkage distortion similarly occurs in the direction orthogonal thereto.
尚、図5(b)からも明らかなように、ab裏面の歪みの符号はab表面の符号とは逆の符号の歪みをしている点に注意すべきである。 As is clear from FIG. 5B, it should be noted that the sign of the distortion on the back surface of the ab is distorted with the sign opposite to the sign of the ab surface.
次に、このような輪郭すべり振動と面たわみ振動を発生させるための内部電極パターンについて、図12を参照して説明する。 Next, an internal electrode pattern for generating such contour sliding vibration and surface deflection vibration will be described with reference to FIG.
内部電極パターン26は、ほぼ45度傾けた交差指電極とすることで、図4にも示されたように、正負の交差指電極間にほぼ面内の分極が生じる。駆動時に、交差指電極に共振周波数に対応した交番電圧を印加すると、ある瞬間には右45度方向に、図12(a)に示されるような引張力Fが働く。これは、電気力線が分極ベクトルの方向に沿って働いており、圧電縦効果による力である。この力は、圧電定数e33に比例する。
When the
交番電圧印加時には、実は、同時に、圧電横効果も発生しており、図には示されないが、力Fと直交する方向に発生している。圧電横効果による力は、圧電定数e31に比例する。但し、通常用いられるPZT等の圧電セラミクスではe31の絶対値はe33の絶対値に比べてかなり小さいのが一般的であり、本実施形態に於いては、圧電横効果については考慮しないものとする。 When an alternating voltage is applied, in fact, a piezoelectric lateral effect is also generated at the same time, and is generated in a direction orthogonal to the force F, although not shown in the figure. The force due to the piezoelectric lateral effect is proportional to the piezoelectric constant e31. However, in general piezoelectric ceramics such as PZT, the absolute value of e31 is generally much smaller than the absolute value of e33. In this embodiment, the piezoelectric lateral effect is not considered. .
図12(b)は、図12(a)に示される状態から交番電圧の位相がπだけずれた時点での力を示した図である。この場合、図12(a)に示される例と方向は同じであるが、圧縮力が働く。このようにして、45度傾いた交差指電極を内部電極として用いることにより、45度傾いた交番応力を発生させることができる。 FIG. 12B is a diagram showing the force when the phase of the alternating voltage is shifted by π from the state shown in FIG. In this case, the direction is the same as in the example shown in FIG. In this way, by using the crossed finger electrode inclined at 45 degrees as the internal electrode, an alternating stress inclined at 45 degrees can be generated.
このような交番力Fから各振動モードが励起できることについて、図13を参照して説明する。 The fact that each vibration mode can be excited from such an alternating force F will be described with reference to FIG.
本実施形態の振動子11は、図3に示されたように、45度傾けられた交差指電極が印刷された圧電シートが積層された構造となっている。駆動用の圧電シートに限って考えてみると、図13の中央面35を境に、奥側半分領域112に圧電シート(2)がn枚、手前側半分領域111に圧電シート(3)がn枚、同数だけ積層され、それぞれ外部電極のA相、B相と電気的に連結されている。図13に示される奥側半分領域112には、A相に加わる交番電圧により、破線で示された矢印の力F1が働くと考えてよい。また、手前側半分領域111には、B相に加わる交番電圧により、実線で示された矢印の力F2が働くと考えてよい。
As shown in FIG. 3, the
さて、A相とB相に同位相で各モードの共振周波数の交番電圧を印加すると、奥側半分領域112と手前側半分領域111では、同位相の力が発生することになり、図10、図11を考慮すると、面たわみ振動は発生せず、輪郭すべり振動のみが発生する。一方、A相とB相に逆位相で、各モードの共振周波数の交番電圧を印加すると、奥側半分領域112と手前側半分領域111では、逆位相の力が発生することになり、同様に図10、図11を考慮すると、輪郭すべり振動は発生せず、面たわみ振動のみが発生する。
Now, when an alternating voltage having the resonance frequency of each mode in the same phase is applied to the A phase and the B phase, forces in the same phase are generated in the rear
次に、図1に示されるように構成された超音波モータ10の動作について説明する。
Next, the operation of the
前述したように、図2(a)、(b)に示されるA相(この場合A+相13a)とB相(この場合B+相13b)に同位相の交番電圧を印加すると、輪郭すべり振動のみが発生する。また、A相13aとB相13bに逆位相の交番電圧を印加すると、面たわみ振動のみが発生する。A相13aとB相13bに同位相、若しくは逆位相以外のある位相差を有する交番電圧を印加すると、輪郭すべり振動と面たわみ振動が同時に励起される。それらは、同時に所定の位相差をもって励起されるために、図2(b)に示されるように、振動子11の上面端部には楕円振動が発生する。
As described above, when an alternating voltage having the same phase is applied to the A phase (in this case, the A +
図5に示されるように、上面の両端部に着目すると、輪郭すべり振動では両端部は逆位相で振動しており、面たわみ振動では同位相で振動している。したがって、楕円振動が発生している場合は、左端部の楕円振動と右端部の楕円振動は回転の向きは逆であり、その位相はπだけずれている。 As shown in FIG. 5, when attention is paid to both ends of the upper surface, both ends vibrate in opposite phases in the contour sliding vibration, and in the same phase in the surface deflection vibration. Therefore, when elliptical vibration is occurring, the elliptical vibration at the left end and the elliptical vibration at the right end have opposite directions of rotation and their phases are shifted by π.
図1に示されるように構成された超音波モータ10では、前述したように、楕円振動している摩擦接触子12a、12bがロータ15と接触することにより、ロータ15に力を与える。そして、2つの摩擦接触子12a、12bの楕円振動が逆向きとなっているために、ロータ15に回転力を与え、ロータ15を回転させることができる。A相13aとB相13bの位相差を逆にすると、逆方向にロータ15を回転させることができる。
In the
次に、図3に示される圧電シート(1)25a、圧電シート(4)25dによる振動検出の動作について説明する。 Next, the vibration detection operation by the piezoelectric sheet (1) 25a and the piezoelectric sheet (4) 25d shown in FIG. 3 will be described.
圧電シート(1)25aと圧電シート(4)25dは、図13に示される中央面35に対して対称に配置されている。駆動用の圧電シート(2)25bと圧電シート(3)25cも、該中央面35に対して対称に配置されていたのと同様である。駆動時の動作原理を前述したが、振動検出の動作原理は、それの全く逆に考えればよい。 The piezoelectric sheet (1) 25a and the piezoelectric sheet (4) 25d are arranged symmetrically with respect to the central surface 35 shown in FIG. The driving piezoelectric sheet (2) 25b and the piezoelectric sheet (3) 25c are the same as those arranged symmetrically with respect to the central surface 35. Although the operation principle at the time of driving has been described above, the operation principle of vibration detection can be considered to be completely opposite.
すなわち、図10に示されるように、輪郭すべり振動のみが励起されている場合は、図13に示される中央面35の奥側半分領域112も手前側半分領域111も、同じ符号の歪みが発生している。その結果、圧電効果により、圧電シート(1)25aと圧電シート(4)25dには、同位相で大きさの等しい電圧が発生している。したがって、C相の+とD相の+を接続した端子とC相の−とD相の−を接続した端子間(並列順接続と定義する)には、輪郭すべり振動の大きさ、位相に比例した信号が出力される。
That is, as shown in FIG. 10, when only the contour sliding vibration is excited, distortion of the same sign occurs in both the back
一方、図11に示されるように、面たわみ振動のみが励起されている場合は、図13に示される中央面35の奥側半分領域112と手前側半分域111では、逆の符号の歪みが発生している。その結果、圧電効果により、圧電シート(1)25aと圧電シート(4)25dには、逆位相で大きさの等しい電圧が発生している。したがって、C相の+とD相の−を接続した端子と、C相の−とD相の+を接続した端子間(並列逆接続と定義する)には、面たわみ振動の大きさ、位相に比例した信号が出力される。したがって、C相とD相の結線方法(並列順接続若しくは並列逆接続)を選択することにより、輪郭すべり振動若しくは面たわみ振動を独立に検出することが可能である。
On the other hand, as shown in FIG. 11, when only the plane flexural vibration is excited, in the back
次に、このような振動検出相(C相、D相)を用いてモータを駆動する方法について説明する。 Next, a method of driving a motor using such a vibration detection phase (C phase, D phase) will be described.
駆動相であるA相若しくはB相の信号の位相と振動検出相(例えばC相とD相を並列逆接続したもの)の位相の位相差は、面たわみ振動の共振周波数での動作時に所定の値Ωをとることが知られている。したがって、この場合には、駆動相と検出相の位相差を常にΩになるように周波数を調整し駆動することで、モータ自身の発熱による温度上昇や周囲環境温度の変化による共振周波数変化や負荷変動による共振周波数変化があった場合でも、常に面たわみ振動の共振周波数近傍で駆動できるので、常に最適な周波数で効率よく駆動することができる。これは、輪郭すべり共振周波数近傍で駆動する場合も同様の考え方で可能である。 The phase difference between the phase of the A phase or B phase signal that is the driving phase and the phase of the vibration detection phase (for example, the C phase and the D phase are reversely connected in parallel) is predetermined during operation at the resonance frequency of the surface flexural vibration. It is known to take the value Ω. Therefore, in this case, by adjusting the frequency so that the phase difference between the drive phase and the detection phase is always Ω, the temperature is increased due to the heat generated by the motor itself, the resonance frequency changes due to changes in the ambient temperature, and the load. Even when there is a change in the resonance frequency due to fluctuations, it can always be driven near the resonance frequency of the surface flexural vibration, so that it can always be efficiently driven at the optimum frequency. This is also possible with the same concept when driving near the contour slip resonance frequency.
このように、第1の実施形態によれば、弾性体の一部に溝部を設ける必要がなく、また圧電素子にも穴部を設ける必要がない。よって、構成が単純になり、試作が容易になるばかりでなく、安定したモータ特性が得られる。更に、本実施形態では圧電素子が積層構造を有しているので、低電圧駆動が可能である。また、振動検出相も設けられているので、その信号を利用して常に最適な周波数で駆動可能である。 Thus, according to the first embodiment, it is not necessary to provide a groove in a part of the elastic body, and it is not necessary to provide a hole in the piezoelectric element. Therefore, not only the configuration becomes simple and the trial production becomes easy, but also stable motor characteristics can be obtained. Furthermore, in this embodiment, since the piezoelectric element has a laminated structure, it can be driven at a low voltage. Further, since a vibration detection phase is also provided, it is possible to always drive at an optimum frequency using the signal.
また、本実施形態の振動子は、4側面の中央部に2つの振動モードの共通の節が存在するので、そこを保持することが可能である。その場合には、しっかり振動子を固定できるだけでなく、保持部材を介した振動の漏れを最小限に抑えることができ、ひいては高効率のモータを実現することができる。 In addition, the vibrator according to the present embodiment has a common node for two vibration modes at the center of the four side surfaces, and can therefore hold the node. In this case, not only can the vibrator be firmly fixed, but also leakage of vibrations through the holding member can be minimized, and thus a highly efficient motor can be realized.
尚、交差指電極の傾きは本実施形態では45度としているが、2つのモードが励起できる範囲で、すなわち本実施形態中で述べた原理上可能な範囲で、45度近傍の任意の角度で設定可能である。また、振動子寸法については、a:b:cを1:1:0.45としているが、例えば振動子ホルダの接合やロータの押圧により、共振周波数がずれる場合があり、その場合には、前述した原理に違わぬ範囲で、その比率を多少変更する必要がある。 Note that the inclination of the crossed finger electrode is 45 degrees in the present embodiment, but within the range in which the two modes can be excited, that is, in the range possible in principle described in the present embodiment, at an arbitrary angle near 45 degrees. It can be set. As for the vibrator dimensions, a: b: c is 1: 1: 0.45. For example, the resonance frequency may be shifted due to bonding of the vibrator holder or pressing of the rotor. It is necessary to change the ratio somewhat within the range not departing from the principle described above.
本実施形態では、振動検出用に圧電シートが2枚用いられていたが、これに限られるものではなく、4枚、8枚等の偶数枚を用いても良い。 In the present embodiment, two piezoelectric sheets are used for vibration detection. However, the present invention is not limited to this, and an even number such as four or eight may be used.
本第1の実施形態の超音波モータについて、前述していないが、ロータの外周面を凹凸として、ギヤ係合方式でモータ出力を外部に取り出しても良いし、ロータの外周面からベルトを介して出力を取り出しても良い。 Although not described above for the ultrasonic motor according to the first embodiment, the motor output may be taken out by the gear engagement method with the outer peripheral surface of the rotor being uneven, or from the outer peripheral surface of the rotor via a belt. To extract the output.
また、本実施形態の振動子は、駆動用圧電シートを挟み込むようにして振動検出用圧電シートを配置しているが、逆に、振動検出用圧電シートを挟み込むようにして駆動用圧電シートを配置しても構わない。更に、本実施形態の振動子は、駆動用圧電シートと振動検出用圧電シートが積層された構成となっているが、駆動用圧電シートのみで構成しても良い。 In the vibrator of this embodiment, the vibration detecting piezoelectric sheet is disposed so as to sandwich the driving piezoelectric sheet. Conversely, the driving piezoelectric sheet is disposed so as to sandwich the vibration detecting piezoelectric sheet. It doesn't matter. Further, the vibrator of the present embodiment has a configuration in which a driving piezoelectric sheet and a vibration detecting piezoelectric sheet are laminated, but may be configured only by a driving piezoelectric sheet.
(第2の実施形態)
次に、図14乃至図16を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
尚、本第2の実施形態に於いては、前述した第1の実施形態とは、振動子の構成のみ異なっている。したがって、ここでは振動子の構成について説明し、その他の超音波モータの基本的な構成及び動作については、前述した第1の実施形態と同じであるので、説明の重複を避けるため、同一の部分には同一の参照番号を付して、その図示及び詳細な説明を省略する。 In the second embodiment, only the configuration of the vibrator is different from the first embodiment described above. Therefore, the configuration of the vibrator will be described here, and the basic configuration and operation of other ultrasonic motors are the same as those in the first embodiment described above. Are denoted by the same reference numerals, and illustration and detailed description thereof are omitted.
また、本実施形態に於いても、振動子の外径寸法(a:b:c)は前述した第1の実施形態と同様である。 Also in this embodiment, the outer diameter dimensions (a: b: c) of the vibrator are the same as those in the first embodiment described above.
図14は、本発明の第2の実施形態に於ける圧電シートの構成を示す分解斜視図である。 FIG. 14 is an exploded perspective view showing the configuration of the piezoelectric sheet in the second embodiment of the present invention.
第2の実施形態に於ける積層圧電素子111 は、全部で2枚の圧電シート(1)40aと、全部で2枚の圧電シート(2)40bと、全部で2n枚の圧電シート(3)40cと、全部で2枚の圧電シート(4)40dと、全部で2枚の圧電シート(5)40eと、1枚の圧電シート6(以下、圧電シート(6)と記す)40fとを有して構成される。このうち、圧電シート(1)40a、圧電シート(2)40b、圧電シート(4)40d、圧電シート(5)40eは、その縁部に、例えば0.2〜1mmの絶縁部を残して、ほぼ全面に電極が施されている。但し、圧電シート(1)40a、圧電シート(2)40b、圧電シート(4)40d、圧電シート(5)40eは、それぞれ設けられている延出用電極27b1 、27b2 、27b11、27b12の位置のみが異なっている。
The laminated
また、圧電シート(3)40cは、前述した第1の実施形態と同様な交差指電極26が印刷されているもので、偶数枚(全部で2n枚:本実施形態に於いてはn=18、36枚)用意される。そして、これらの圧電シート(3)には、延出用電極27a1 、27a2 が設けられている。尚、圧電シート(6)40fは、内部電極が印刷されていない圧電シートである。
Also, the piezoelectric sheet (3) 40c is printed with the
以下、圧電シートが積層される順番に従って説明する。 Hereinafter, it demonstrates according to the order in which a piezoelectric sheet is laminated | stacked.
まず、圧電シート(1)40a、圧電シート(2)40b、圧電シート(1)40a、圧電シート(2)40bの順番で、それぞれ1枚ずつ積層される。次に、圧電シート(3)40cが2n枚積層される。その後、圧電シート(4)40d、圧電シート(5)40e、圧電シート(4)40d、圧電シート(5)40eの順番で、それぞれ1枚ずつ積層される。そして、最後に、内部電極が印刷されていない圧電シート(6)40fが1枚積層される。 First, the piezoelectric sheet (1) 40a, the piezoelectric sheet (2) 40b, the piezoelectric sheet (1) 40a, and the piezoelectric sheet (2) 40b are laminated one by one in this order. Next, 2n piezoelectric sheets (3) 40c are laminated. Thereafter, the piezoelectric sheet (4) 40d, the piezoelectric sheet (5) 40e, the piezoelectric sheet (4) 40d, and the piezoelectric sheet (5) 40e are laminated one by one in this order. Finally, one piezoelectric sheet (6) 40f on which no internal electrode is printed is laminated.
本実施形態の積層圧電素子(振動子)111 の作成方法については、前述した第1の実施形態と同様なので説明を省略する。 The method for creating the multilayered piezoelectric element (vibrator) 11 1 of this embodiment is the same as that of the first embodiment described above, and a description thereof will be omitted.
次に、図15を参照して、本第2の実施形態の振動子の外観を説明する。 Next, with reference to FIG. 15, the appearance of the vibrator of the second embodiment will be described.
図15に於いて、右側面には外部電極が形成されている。このうち、最上部には圧電シート(3)40cの延出用電極27a1 の位置に対応したA+相の外部電極13aが、下方には圧電シート(1)40aに対応した位置にB1+相の外部電極13b1 が、そして、圧電シート(4)40dに対応した位置にはB2+相の外部電極13b11が、それぞれ設けられている。尚、図15には示されないが、左側面にも、最上部に圧電シート(3)40cの延出用電極27a2 に対応した位置にA−相の外部電極、下方には圧電シート(2)40bに対応した位置にB1−相の外部電極、圧電シート(5)40eに対応した位置にB2−相の外部電極が、それぞれ設けられている。
In FIG. 15, an external electrode is formed on the right side surface. Of these, the
本振動子111 を用いた超音波モータの構成に関しては、前述した第1の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
Since Regarding ultrasonic motor configuration using the
次に、このように構成された積層圧電素子111 の動作について説明する。
Next, description thus configured for operation of the laminated
図13を参照すると、振動子の中央面35に対して、本第2の実施形態に於ける圧電シート(3)40cは対称に配置されており、該圧電シート(3)は全てA相に属するものである。このA相に共振周波数に対応する交番電圧を印加すると、輪郭すべり振動のみが励起される。 Referring to FIG. 13, the piezoelectric sheet (3) 40c in the second embodiment is symmetrically arranged with respect to the center surface 35 of the vibrator, and all the piezoelectric sheets (3) are in the A phase. It belongs to. When an alternating voltage corresponding to the resonance frequency is applied to the A phase, only the contour slip vibration is excited.
次に、面たわみ振動について説明するが、それに先立ち、図16を参照して、圧電シート(2)のみを取り出してその動作について説明する。 Next, surface deflection vibration will be described. Prior to that, only the piezoelectric sheet (2) will be described with reference to FIG.
図16(a)は圧電シート(2)40bを示したもので、その表面には、ほぼ全面に内部電極26が設けられている。また、裏面にも同様な電極が設けられている(圧電シート(1)40aが寄与する電極)。さて、分極後、交番電圧が印加されると、圧電横効果により、図16(b)に示されるような、全体的に拡がったり、縮んだりする振動が行われる。
FIG. 16A shows the piezoelectric sheet (2) 40b, and the
ここで、図14及び図15を参照すると、振動子のB1+相とB1−相間に共振周波数の交番電圧が印加されると、圧電シート(1)40aと圧電シート(2)40bの圧電シート群は、図16(b)に示されるような振動を行おうとする。すなわち、静止時111 に対して最大変位時111 a最小変位時111 bとの間で変位する。しかしながら、それと一体となっている圧電シート(3)40cは変位しないのであるから、振動子全体としては、図5(b)に示される、面たわみ振動が行われることになる。 14 and 15, when an alternating voltage having a resonance frequency is applied between the B1 + phase and the B1-phase of the vibrator, the piezoelectric sheet group of the piezoelectric sheet (1) 40a and the piezoelectric sheet (2) 40b. Tries to vibrate as shown in FIG. That is, the displacement between the 11 1 b at the maximum displacement at 11 1 a minimum displacement relative to the resting 11 1. However, since the piezoelectric sheet (3) 40c integrated therewith is not displaced, the entire vibrator is subjected to surface deflection vibration as shown in FIG. 5B.
同様に、振動子のB2+相とB2−相間に共振周波数の交番電圧が印加されると、圧電シート(4)40dと圧電シート(5)40eの圧電シート群は、図16(b)に示されるような振動を行おうとする。しかしながら、それと一体となっている圧電シート(3)40cは変位しないのであるから、振動子全体としては、図5(b)に示される面たわみ振動が行われることになる。 Similarly, when an alternating voltage having a resonance frequency is applied between the B2 + phase and the B2-phase of the vibrator, the piezoelectric sheet group of the piezoelectric sheets (4) 40d and (5) 40e is shown in FIG. Try to vibrate like this. However, since the piezoelectric sheet (3) 40c integrated therewith is not displaced, the entire vibrator is subjected to the surface deflection vibration shown in FIG. 5B.
実際の駆動方法は、B1相とB2相とが逆相で駆動される。尚、B相として、B1相とB2相を用いるのは、振動子全体としての対称性を良くするためである。以降、B1相とB2相は逆相で駆動する条件の下、これらをB相と記すことにする。 In an actual driving method, the B1 phase and the B2 phase are driven in opposite phases. The reason why the B1 phase and the B2 phase are used as the B phase is to improve the symmetry of the entire vibrator. Hereinafter, the B1 phase and the B2 phase are referred to as the B phase under the condition of driving in the opposite phase.
以上より、A相とB相を所定の位相差を持って駆動することにより、振動子上面に楕円振動を励起させることができる。 As described above, by driving the A phase and the B phase with a predetermined phase difference, elliptical vibration can be excited on the upper surface of the vibrator.
本振動子111 を用いた超音波モータの駆動方法に関しては、前述した第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
Since respect to the ultrasonic motor driving method using the
このように、第2の実施形態によれば、前述した第1の実施形態による効果以外に、以下のような効果を得ることができる。 Thus, according to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment described above, the following effects can be obtained.
すなわち、輪郭すべり振動と面たわみ振動を独立に励起することができるので、その両振動の大きさ、位相等を自由に変えることができ、結果として自由度の高い楕円振動が形成可能である。 That is, since the contour sliding vibration and the surface deflection vibration can be excited independently, the magnitude and phase of both vibrations can be freely changed, and as a result, a highly flexible elliptical vibration can be formed.
尚、本第2の実施形態では、振動検出素子が設けられていないが、前述した第1の実施形態と同様な考え方で構成可能である。また、その場合の駆動方法も第1の実施形態と同様な方法で実現が可能である。 In the second embodiment, the vibration detecting element is not provided, but it can be configured in the same way as the first embodiment described above. Also, the driving method in that case can be realized by the same method as in the first embodiment.
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
図17は本発明の第3の実施形態に係る振動子の構成を示すもので、(a)は表面側の外観斜視図であり、(b)は裏面側から見た平面図である。 FIGS. 17A and 17B show a configuration of a vibrator according to the third embodiment of the present invention. FIG. 17A is an external perspective view of the front surface side, and FIG. 17B is a plan view viewed from the back surface side.
尚、本第3の実施形態に於いては、前述した第1及び第2の実施形態とは、振動子の構成のみ異なっている。したがって、ここでは振動子の構成について説明し、その他の超音波モータの基本的な構成及び動作については、前述した第1及び第2の実施形態と同じであるので、説明の重複を避けるため、同一の部分には同一の参照番号を付して、その図示及び詳細な説明を省略する。 Note that the third embodiment differs from the first and second embodiments described above only in the configuration of the vibrator. Therefore, here, the configuration of the vibrator will be described, and the basic configuration and operation of the other ultrasonic motor are the same as those in the first and second embodiments described above. The same parts are denoted by the same reference numerals, and illustration and detailed description thereof are omitted.
また、本実施形態に於いても、振動子の外径寸法(a:b:c)は前述した第1及び第2の実施形態と同様である。 Also in this embodiment, the outer diameter dimensions (a: b: c) of the vibrator are the same as those in the first and second embodiments described above.
本第3の実施形態の振動子が、前述した第1の実施形態と異なるのは、積層構造でない点である。 The vibrator of the third embodiment is different from the first embodiment described above in that it does not have a laminated structure.
図17(a)に於いて、振動子の表面には、駆動用の交差指電極46及び振動検出用の交差指電極47が、分割して設けられている。交差指電極46、47の傾きは45度である。駆動用交差指電極46はA+相、A−相のA相用電気端子49a1 、49a2 と連結している。外部リード線等は、これらの電気端子49a1 、49a2 で接続する。振動検出用交差指電極47は、C+相、C−相のC相用電気端子50c1 、50c2 と連結している。 In FIG. 17A, a cross finger electrode 46 for driving and a cross finger electrode 47 for detecting vibration are separately provided on the surface of the vibrator. The inclination of the interdigital electrodes 46 and 47 is 45 degrees. The driving cross finger electrode 46 is connected to A phase electrical terminals 49a 1 and 49a 2 of A + phase and A− phase. External lead wires and the like are connected by these electric terminals 49a 1 and 49a 2 . The vibration detecting cross finger electrode 47 is connected to C-phase and C-phase C-phase electrical terminals 50c 1 and 50c 2 .
図17(b)に示されるように、裏面にも同様に駆動用の交差指電極46及び振動検出用の交差指電極47が設けられている。交差指電極の傾きは45度であり、交差指電極の方向は、表面の交差指電極の方向と同じである。駆動用交差指電極46はB+相、B−相のB相用電気端子50d1 、50d2 と連結している。振動検出用交差指電極47は、D+相、D−相のD相用電気端子と連結している。 As shown in FIG. 17B, a driving cross finger electrode 46 and a vibration detecting cross finger electrode 47 are similarly provided on the back surface. The inclination of the cross finger electrode is 45 degrees, and the direction of the cross finger electrode is the same as the direction of the cross finger electrode on the surface. The driving cross finger electrode 46 is connected to B-phase and B-phase B-phase electrical terminals 50d 1 and 50d 2 . The vibration detecting cross-finger electrode 47 is connected to D-phase and D-phase electrical terminals.
本振動子を用いた超音波モータの構成に関しては、前述した第1及び第2の実施形態と同様であるので、説明を省略する。 Since the configuration of the ultrasonic motor using this vibrator is the same as that of the first and second embodiments described above, the description thereof is omitted.
次に、このように構成された圧電素子の動作について説明する。 Next, the operation of the piezoelectric element configured as described above will be described.
動作に関しては、前述した第1及び第2の実施形態が積層構造であったものが、本第3の実施形態では単板構造となっただけであり、その他の構成については前述した第1及び第2の実施形態と同様なので説明を省略する。また、振動検出電極の信号を用いた周波数フィードバック制御についても、同様であるので説明を省略する。 Regarding the operation, the first and second embodiments described above have a laminated structure, but the third embodiment has only a single plate structure, and the other configurations are the first and second embodiments described above. Since it is the same as that of 2nd Embodiment, description is abbreviate | omitted. The same applies to the frequency feedback control using the signal of the vibration detection electrode, and a description thereof will be omitted.
このように、第3の実施形態によれば、本実施形態の振動子は、低電圧では駆動できないものの、構造が非常に簡単になり、量産性に富む。 As described above, according to the third embodiment, the vibrator according to the present embodiment cannot be driven at a low voltage, but the structure becomes very simple and the mass productivity is high.
尚、本第3の実施形態では、同一面内に駆動用交差指電極と振動検出用交差指電極が分割されて印刷されているとして説明したが、圧電シートに同様に印刷したものを用いて、前述した第1の実施形態のような積層構造の振動子にしても良い。 In the third embodiment, the driving cross-finger electrode and the vibration detecting cross-finger electrode are divided and printed on the same plane. However, the same printed on the piezoelectric sheet is used. Alternatively, a vibrator having a laminated structure as in the first embodiment may be used.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態以外にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, in the range which does not deviate from the summary of this invention other than embodiment mentioned above, this invention can be variously modified.
更に、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。 Further, the above-described embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention Can be extracted as an invention.
本発明によれば、溝部が不要であり、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で楕円振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させる超音波モータが得られる。 According to the present invention, there is no need for a groove portion, there is no need to provide a hole in the piezoelectric element, elliptic vibration can be easily excited with a simple structure, and the rotor is rotated by elliptic vibration generated in the ultrasonic vibrator. An ultrasonic motor to be obtained is obtained.
10…超音波モータ、11、111 …積層圧電素子(振動子)、12a、12b…摩擦接触子、13a、13b、13c、13d…外部電極、15…ロータ、16…ベアリング、17…ばね、18…ばね保持リング、20…振動子ホルダ、21…シャフト固定リング、22…シャフト、25…圧電シート、25a…圧電シート1(圧電シート(1))、25b…圧電シート2(圧電シート(2))、25c…圧電シート3(圧電シート(3))、25d…圧電シート4(圧電シート(4))、25e…圧電シート5(圧電シート(5))、26…内部電極(交差指電極)、27a、27b、27c、27d…延出用電極、30a、30b、30c、30d、31a、31b、31c、31d…節線、32…中央部断面、33a、33b、33c、33d…節部、35…中央面、111…手前側半分領域、112…奥側半分領域。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記振動子は、該振動子の同一面に発生する輪郭すべり振動と面たわみ振動を、所定の位相差で同時に励起し、該輪郭すべり振動と該面たわみ振動が発生する面と直交する面に生じた楕円振動の発生部位に接触して前記被駆動体を回転駆動させることを特徴とする超音波モータ。 A substantially rectangular parallelepiped vibrator whose section perpendicular to the central axis has a rectangular length ratio, and a central axis perpendicular to the elliptical vibration generating surface of the vibrator in contact with the elliptical vibration generating surface of the vibrator is rotated. An ultrasonic motor comprising at least a driven body that is rotationally driven as an axis,
The vibrator simultaneously excites a contour slip vibration and a surface deflection vibration generated on the same surface of the vibrator with a predetermined phase difference, and forms a surface orthogonal to the surface on which the contour slip vibration and the surface deflection vibration are generated. An ultrasonic motor characterized in that the driven body is rotationally driven in contact with a portion where the generated elliptical vibration is generated.
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