JP5275734B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor Download PDF

Info

Publication number
JP5275734B2
JP5275734B2 JP2008244346A JP2008244346A JP5275734B2 JP 5275734 B2 JP5275734 B2 JP 5275734B2 JP 2008244346 A JP2008244346 A JP 2008244346A JP 2008244346 A JP2008244346 A JP 2008244346A JP 5275734 B2 JP5275734 B2 JP 5275734B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric vibrator
vibration mode
resonance frequency
ultrasonic motor
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2008244346A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009240149A (en
Inventor
了一 福永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiheiyo Cement Corp
Original Assignee
Taiheiyo Cement Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiheiyo Cement Corp filed Critical Taiheiyo Cement Corp
Priority to JP2008244346A priority Critical patent/JP5275734B2/en
Publication of JP2009240149A publication Critical patent/JP2009240149A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5275734B2 publication Critical patent/JP5275734B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータに関する。   The present invention relates to an ultrasonic motor that generates a driving force when a rectangular piezoelectric vibrator vibrates in a multiple vibration mode that combines a spread vibration mode and a bending vibration mode.

従来から、圧電素子を矩形に形成し、第一次縦振動モード(L1)と第二次屈曲振動モード(F2)とを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータが知られている。例えば、特開2006−094597号公報には、複数の圧電体を積層し、L1F2共振モードで駆動する超音波振動子が開示されている。この超音波振動子は、圧電素子と内部電極とが交互に積層されており、この積層方向と直交する第2の方向および第3の方向に沿って、概ね4分割された内部電極群を備えている。また、それらの内部電極群とそれぞれ導通する第1の外部電極群および第2の外部電極群とを有している。そして、第1および第2の外部電極群に電圧を印加することにより、第2の方向に発生する縦振動モードと、第3の方向に発生する屈曲振動モードとが同時に励起することによって、楕円振動を発生させる。   Conventionally, an ultrasonic motor that generates a driving force by forming a piezoelectric element in a rectangular shape and oscillating in a multiple vibration mode in which a primary longitudinal vibration mode (L1) and a secondary bending vibration mode (F2) are combined. It has been known. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-094597 discloses an ultrasonic transducer in which a plurality of piezoelectric bodies are stacked and driven in the L1F2 resonance mode. The ultrasonic transducer includes piezoelectric elements and internal electrodes that are alternately stacked, and includes an internal electrode group that is substantially divided into four along a second direction and a third direction orthogonal to the stacking direction. ing. In addition, the first external electrode group and the second external electrode group that are electrically connected to the internal electrode group, respectively. Then, by applying a voltage to the first and second external electrode groups, the longitudinal vibration mode generated in the second direction and the bending vibration mode generated in the third direction are excited simultaneously, thereby causing an elliptical Generate vibration.

また、特表2007−538484号公報には、振動子を長さLおよび高さHの圧電プレートで形成して、ラーメモードで駆動する圧電超音波モータが開示されている。この圧電超音波モータでは、圧電プレートで一次非対称定在波が励起され、摺動チップが楕円運動をすることによって駆動力を発生させる。
特開2006−094597号公報 特表2007−538484号公報
JP-T-2007-538484 discloses a piezoelectric ultrasonic motor in which a vibrator is formed of a piezoelectric plate having a length L and a height H and is driven in a lame mode. In this piezoelectric ultrasonic motor, a primary asymmetric standing wave is excited by the piezoelectric plate, and the sliding tip makes an elliptical motion to generate a driving force.
JP 2006-094597 A Special table 2007-538484 gazette

従来から、超音波モータは種々の目的に用いられているが、工業的に超音波モータに求められる主な特性は、小型であること、効率が高いこと、構造が簡単であることである。ここで、超音波モータが小型であることとは、圧電振動子の共振周波数がなるべく低いことを意味する。また、効率が高いとは、圧電振動子の機械−電気結合係数が大きいことを意味する。   Conventionally, ultrasonic motors have been used for various purposes, but the main characteristics required for ultrasonic motors industrially are small size, high efficiency, and simple structure. Here, the fact that the ultrasonic motor is small means that the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is as low as possible. Moreover, high efficiency means that the mechanical-electrical coupling coefficient of the piezoelectric vibrator is large.

しかしながら、第一次縦振動モード(L1)と第二次屈曲振動モード(F2)とを組み合わせた多重振動モードで超音波モータを駆動させようとする場合、主面を4つの領域に分けて、それぞれに電力を配置し、対角に位置する電極同士を接続しなければならず、電極構造が複雑にならざるを得ない。また、ラーメモードで超音波モータを駆動させようとする場合、他のモードと比較して共振周波数が高いため、他のモードと同じ共振周波数で駆動させようとした場合は、他のモードを用いる場合よりも超音波モータが大きくなってしまい、小型化を図ることが困難となる。   However, when the ultrasonic motor is driven in a multiple vibration mode that combines the primary longitudinal vibration mode (L1) and the secondary bending vibration mode (F2), the main surface is divided into four regions, Electric power must be arranged for each of the electrodes, and the electrodes positioned diagonally must be connected, and the electrode structure must be complicated. Also, when trying to drive the ultrasonic motor in the lame mode, the resonance frequency is higher than in other modes, so when trying to drive at the same resonance frequency as other modes, use other modes. The ultrasonic motor becomes larger than the case, making it difficult to reduce the size.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型化を図ると共に、効率が高く、さらに構造が簡単である超音波モータを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor that is small in size, high in efficiency, and simple in structure.

(1)上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをLとし、他方の組の辺の長さをwとし、w/Lを変数として、w/Lと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、w/Lと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるw/Lの値に基づいて形成されていることを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, the present invention takes the following measures. That is, the ultrasonic motor of the present invention is an ultrasonic motor that generates a driving force when a rectangular piezoelectric vibrator vibrates in a multiple vibration mode that combines a spread vibration mode and a bending vibration mode. Of the two sides of the rectangular piezoelectric vibrator, the length of one side is L, the length of the other side is w, and w / L is a variable. When the resonance frequency of the vibration mode is made to correspond, and the w / L is made to correspond to the resonance frequency of the bending vibration mode, the piezoelectric vibrator substantially has a resonance frequency of the expansion vibration and a resonance frequency of the bending vibration. It is characterized by being formed based on the same w / L value.

このように、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるw/Lの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、L1F2モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力を従来のものよりも大きく取ることが可能となる。なお、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるw/Lの値とは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが多少ずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、w/Lの値は実質的に同一であると言える。逆に言えば、w/Lの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とがちょうど同じ値でなければならないわけではない。   In this way, since the resonance frequency of the spread vibration and the resonance frequency of the bending vibration are formed based on the value of w / L, which is substantially the same, the driving is performed in another mode, for example, the L1F2 mode. Also, the shape of the main surface of the piezoelectric vibrator can be made close to a square. As a result, the overall dimension does not become flat, and the depth dimension can be reduced. Thereby, it becomes possible to take a power input larger than the conventional one. The w / L value at which the resonance frequency of the spread vibration and the resonance frequency of the bending vibration are substantially the same means a range in which the piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor. Even if the resonance frequency of the spread vibration and the resonance frequency of the bending vibration are somewhat different, if the piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor, it can be said that the value of w / L is substantially the same. . Conversely, if the piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor, the value of w / L must be the same value as the resonance frequency of the spread vibration and the resonance frequency of the bending vibration. is not.

(2)また、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをLとし、他方の組の辺の長さをwとし、w/Lを変数として、w/Lと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、w/Lと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、前記w/Lの値が0.75から0.90の範囲に収まるように形成されていることを特徴としている。   (2) The ultrasonic motor of the present invention is an ultrasonic motor that generates a driving force when a rectangular piezoelectric vibrator vibrates in a multiple vibration mode that combines a spreading vibration mode and a bending vibration mode. Of the two sets of sides of the rectangular piezoelectric vibrator, the length of one set of sides is L, the length of the other set of sides is w, and w / L is a variable. When L is associated with the resonance frequency of the spreading vibration mode and w / L is associated with the resonance frequency of the bending vibration mode, the piezoelectric vibrator has a value of w / L of 0.75 to 0. It is characterized by being formed so as to be within the range of 90.

このように、圧電振動子は、前記w/Lの値が0.75から0.90の範囲に収まるように形成されているので、他のモード、例えば、L1F2モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。   Thus, since the piezoelectric vibrator is formed so that the value of w / L falls within the range of 0.75 to 0.90, the piezoelectric vibrator is more piezoelectric than when driven in other modes, for example, the L1F2 mode. The shape of the main surface of the vibrator can be close to a square. As a result, the overall dimension does not become flat, and the depth dimension can be reduced. As a result, the power input can be made larger than the conventional one.

(3)また、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをLとし、他方の組の辺の長さをwとし、w/Lを変数として、w/Lと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、w/Lと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、前記w/Lの値が実質的に0.85となるように形成されていることを特徴としている。   (3) In addition, the ultrasonic motor of the present invention is an ultrasonic motor that generates a driving force when a rectangular piezoelectric vibrator vibrates in a multiple vibration mode that combines a spread vibration mode and a bending vibration mode. Of the two sets of sides of the rectangular piezoelectric vibrator, the length of one set of sides is L, the length of the other set of sides is w, and w / L is a variable. When L is associated with the resonance frequency of the spreading vibration mode and w / L is associated with the resonance frequency of the bending vibration mode, the piezoelectric vibrator has a value of w / L substantially equal to 0.85. It is characterized by being formed.

このように、圧電振動子は、w/Lの値が実質的に0.85となるように形成されているので、他のモード、例えば、L1F2モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力が従来のものよりも大きく取ることが可能となる。なお、w/Lの値が実質的に0.85であるとは、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能する範囲という意味である。w/Lの値が0.85の前後にずれていても、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、w/Lの値は実質的に0.85であると言える。逆に言えば、w/Lの値は、圧電振動子が超音波モータとして実用的に機能するのであれば、ちょうど0.85でなければならないわけではない。   As described above, the piezoelectric vibrator is formed so that the value of w / L is substantially 0.85. Therefore, the piezoelectric vibrator is more main than the case of driving in another mode, for example, the L1F2 mode. The shape of the surface can be close to a square. As a result, the overall dimension does not become flat, and the depth dimension can be reduced. As a result, the power input can be made larger than the conventional one. Note that the value of w / L is substantially 0.85 means a range in which the piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor. Even if the value of w / L is deviated around 0.85, it can be said that the value of w / L is substantially 0.85 if the piezoelectric vibrator practically functions as an ultrasonic motor. . In other words, the value of w / L does not have to be exactly 0.85 if the piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor.

(4)また、本発明の超音波モータにおいて、前記圧電振動子は、いずれか一方の主面上に並設された2枚の電極を備え、前記2枚の電極の少なくとも一方に印加された電圧によって駆動することを特徴としている。   (4) In the ultrasonic motor according to the present invention, the piezoelectric vibrator includes two electrodes arranged in parallel on one of the main surfaces, and is applied to at least one of the two electrodes. It is characterized by being driven by voltage.

このように、いずれか一方の主面上に2枚の電極が並設されているため、L1F2モードの場合よりも電極構造を簡単にすることができる。   Thus, since two electrodes are arranged in parallel on one of the main surfaces, the electrode structure can be simplified as compared with the case of the L1F2 mode.

(5)また、本発明の超音波モータは、前記圧電振動子は、いずれか一方の前記電極に第1の交流電圧を印加すると共に、いずれか他方の前記電極に前記第1の交流電圧と位相がπ/2ずれた第2の交流電圧を印加する2相信号入力方式、またはいずれか一方の前記電極に交流電圧を印加すると共に、いずれか他方の前記電極を開放する1相信号入力方式のいずれか一方の方式で駆動することを特徴としている。   (5) In the ultrasonic motor of the present invention, the piezoelectric vibrator applies a first AC voltage to any one of the electrodes, and the first AC voltage to any one of the electrodes. A two-phase signal input method for applying a second AC voltage whose phase is shifted by π / 2, or a one-phase signal input method for applying an AC voltage to one of the electrodes and opening the other electrode It is characterized by driving by either one of the methods.

この構成により、2相信号入力方式または1相信号入力方式のいずれの方式でも圧電振動子を駆動することが可能となる。   With this configuration, the piezoelectric vibrator can be driven by either the two-phase signal input method or the one-phase signal input method.

本発明によれば、圧電振動子が、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるw/Lの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、L1F2モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力を従来のものよりも大きく取ることが可能となる。   According to the present invention, the piezoelectric vibrator is formed based on the value of w / L in which the resonance frequency of the spreading vibration and the resonance frequency of the bending vibration are substantially the same. The shape of the main surface of the piezoelectric vibrator can be made closer to a square than when driven in the L1F2 mode. As a result, the overall dimension does not become flat, and the depth dimension can be reduced. Thereby, it becomes possible to take a power input larger than the conventional one.

従来、圧電トランスにおいては、拡がり振動(輪郭振動)を用いると共に、曲げ振動(スプリアス振動)を回避することによって、動作性の良い圧電トランスを実現していた。すなわち、圧電トランスでは曲げ振動を回避する方策が採られていた。本発明者は、この点に着目し、矩形型の圧電振動子を、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動させることにより駆動力を発生させることを見出した。また、本発明者は、圧電振動子のいずれか一方の主面上に2枚の電極を並設した超音波モータは知られているが、矩形型の圧電振動子において、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となる場合を利用した超音波モータは実現されていなかった点に着目し、圧電振動子を、その時の寸法に基づいて形成することによって、超音波モータの小型化、高効率化および構成の簡略化を実現することができることを見出し、本発明をするに至った。   Conventionally, piezoelectric transformers have realized high-operability piezoelectric transformers by using spreading vibration (contour vibration) and avoiding bending vibration (spurious vibration). That is, the piezoelectric transformer has taken measures to avoid bending vibration. The inventor paid attention to this point and found that a driving force is generated by vibrating a rectangular piezoelectric vibrator in a multiple vibration mode in which a spread vibration mode and a bending vibration mode are combined. In addition, the present inventor has known an ultrasonic motor in which two electrodes are arranged in parallel on one main surface of a piezoelectric vibrator. However, in a rectangular piezoelectric vibrator, a resonance frequency of spreading vibration is known. Focusing on the fact that an ultrasonic motor using the case where the resonance frequency of the bending vibration and the resonance frequency of the bending vibration are substantially the same has not been realized, the ultrasonic vibrator is formed by forming the piezoelectric vibrator based on the dimensions at that time. The present inventors have found that it is possible to realize miniaturization, high efficiency and simplification of the configuration of the motor.

すなわち、本発明は、矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをLとし、他方の組の辺の長さをwとし、w/Lを変数として、w/Lと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、w/Lと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、前記圧電振動子は、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるw/Lの値に基づいて形成されていることを特徴とする。   That is, the present invention is an ultrasonic motor in which a rectangular piezoelectric vibrator generates a driving force by vibrating in a multiple vibration mode that combines a spreading vibration mode and a bending vibration mode, and the rectangular piezoelectric vibrator Of the two sets of sides of the vibrator, the length of one set of sides is L, the length of the other set of sides is w, and w / L is a variable. When the frequency is made to correspond and w / L is made to correspond to the resonance frequency of the bending vibration mode, the piezoelectric vibrator has the resonance frequency of the expansion vibration substantially the same as the resonance frequency of the bending vibration. It is formed based on the value of / L.

これにより、本発明者は、小型化、高効率化および構成の簡略化を図ることを可能とした。以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。   As a result, the inventor has made it possible to reduce the size, increase the efficiency, and simplify the configuration. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1から図3は、本実施形態に係る圧電振動子の平面図である。この圧電振動子1は、圧電セラミックスから形成されており、紙面に対して垂直方向に分極している。この圧電振動子1には、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス等の公知の材料を用いることができる。一般的なセラミックスの製造プロセス、例えば、圧電セラミックス粉末の成形(脱脂)、焼成、加工という製造プロセスに従って、圧電振動子1を作製する。作製した圧電振動子1に銀ペーストをスクリーン印刷等により所定のパターンで塗布し、焼成することによって、一方の主面に、後述する2つの電極を設けることができる。   1 to 3 are plan views of the piezoelectric vibrator according to the present embodiment. The piezoelectric vibrator 1 is made of piezoelectric ceramics and is polarized in a direction perpendicular to the paper surface. A known material such as a lead zirconate titanate ceramic can be used for the piezoelectric vibrator 1. The piezoelectric vibrator 1 is manufactured according to a general ceramic manufacturing process, for example, a manufacturing process of forming (degreasing), firing, and processing of piezoelectric ceramic powder. By applying a silver paste to the manufactured piezoelectric vibrator 1 in a predetermined pattern by screen printing or the like and baking it, two electrodes described later can be provided on one main surface.

また、圧電振動子1の紙面に対して上側の中央部に、駆動力を伝達する摺動チップ2が設けられている。この摺動チップ2は、耐摩耗性に優れた材料が用いられる。例えば、アルミナやジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックス部品や、超剛等の耐摩耗性金属部品、硬質金属材料の表面にセラミックス薄膜やダイヤモンド薄膜をコーティングした部品等が好適に用いられる。   In addition, a sliding chip 2 for transmitting a driving force is provided in the central portion on the upper side with respect to the paper surface of the piezoelectric vibrator 1. The sliding tip 2 is made of a material having excellent wear resistance. For example, ceramic parts such as alumina, zirconia, silicon nitride, and silicon carbide, wear-resistant metal parts such as super-rigid, parts with a ceramic thin film or diamond thin film coated on the surface of a hard metal material, and the like are preferably used.

なお、図2および図3において、点線で示すように、圧電振動子1の紙面に対して上側の両端部に摺動チップ3aおよび3bを設けても良い。圧電振動子1の紙面に対して上側の中央部に摺動チップ2を設けた場合は、円板や球体等の回転体を駆動するのに好適であり、圧電振動子1の紙面に対して上側の両端部に摺動チップ3aおよび3bを設けた場合は、直線的に動作する摺動体を駆動するのに好適である。また、図1に示すように、矩形型の圧電振動子1の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さはLであり、他方の組の辺の長さはwである。   2 and 3, sliding chips 3a and 3b may be provided at both ends on the upper side with respect to the paper surface of the piezoelectric vibrator 1 as indicated by dotted lines. When the sliding tip 2 is provided at the center portion on the upper side with respect to the paper surface of the piezoelectric vibrator 1, it is suitable for driving a rotating body such as a disk or a sphere, and with respect to the paper surface of the piezoelectric vibrator 1. When the sliding tips 3a and 3b are provided at both upper ends, it is suitable for driving a linearly moving sliding body. Also, as shown in FIG. 1, the length of one set of the two sides of the rectangular piezoelectric vibrator 1 is L, and the length of the other set of sides is w.

図2は、圧電振動子1が拡がり振動をしている様子を示す図である。この拡がり振動とは、矩形型の圧電振動子1が、中心から四辺の方向へ伸縮を繰り返す振動である。圧電振動子1の電位分布は、等電位線がほぼ平行に端面に向かって高くなる。図3は、圧電振動子1が曲げ振動を起こしている様子を示す図である。この曲げ振動とは、矩形型の圧電振動子1が二次元的に屈曲するのであるが、電位分布は、出力側中心部とその幅方向の両側に逆符号の電位が発生する。図2に示す拡がり振動モードと図3に示す曲げ振動モードとが合成(縮退)することによって、摺動チップ2、または摺動チップ3aおよび3bは、楕円運動をし、駆動力が生ずる。   FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the piezoelectric vibrator 1 is expanding and vibrating. This spreading vibration is a vibration in which the rectangular piezoelectric vibrator 1 repeatedly expands and contracts in the direction of four sides from the center. The potential distribution of the piezoelectric vibrator 1 becomes higher toward the end face with equipotential lines almost in parallel. FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which the piezoelectric vibrator 1 is causing bending vibration. The bending vibration means that the rectangular piezoelectric vibrator 1 bends two-dimensionally. However, in the potential distribution, potentials having opposite signs are generated at the output-side central portion and both sides in the width direction. When the expansion vibration mode shown in FIG. 2 and the bending vibration mode shown in FIG. 3 are combined (degenerated), the sliding tip 2 or the sliding tips 3a and 3b perform an elliptical motion, and a driving force is generated.

次に、本実施形態に係る超音波モータの駆動原理について説明する。図4は、矩形型の圧電振動子を、拡がり振動モード(Expand Mode)および曲げ振動モード(Flexural Mode)で振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。矩形型の圧電振動子1の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さはLであり、他方の組の辺の長さはwであるとし、図4に示すように、w/Lを変数として、w/Lと圧電振動子の拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、w/Lと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させる。なお、図4ではL=20mmで固定し、w(Width)のみを変化させている。この場合、wが1
7.0mm、すなわち、縦横の二辺の比(以下、「辺比」と呼称する。)w/Lが、0.85付近で両者の共振周波数が一致し、二つの振動が縮退する。このときの共振周波数は、107kHz〜108kHzとなっている。
Next, the driving principle of the ultrasonic motor according to this embodiment will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating a frequency spectrum when a rectangular piezoelectric vibrator is vibrated in an expansion vibration mode (Expand Mode) and a bending vibration mode (Flexural Mode). Of the two sets of sides of the rectangular piezoelectric vibrator 1, the length of one set of sides is L and the length of the other set of sides is w. As shown in FIG. Using / L as a variable, w / L and the resonance frequency of the vibration mode of the piezoelectric vibrator are made to correspond, and w / L and the resonance frequency of the bending vibration mode are made to correspond. In FIG. 4, L is fixed at 20 mm, and only w (Width) is changed. In this case, w is 1
7.0 mm, that is, the ratio of the two sides in the vertical and horizontal directions (hereinafter referred to as “side ratio”) w / L is around 0.85, the resonance frequencies of the two coincide, and the two vibrations degenerate. The resonance frequency at this time is 107 kHz to 108 kHz.

このように、辺比が0.85であり、一辺が20mm程度の正方形となるため、小型化を図ることが可能となる。   Thus, the side ratio is 0.85, and one side is a square having a length of about 20 mm, so that the size can be reduced.

図5は、実施例1に係る超音波モータの概略構成を示す図である。この超音波モータ10は、圧電振動子1の紙面に対して左端の中央部に摺動チップ2を1つ備える構成を採る。この構成では、円板や球体等の回転体を駆動するのに好適であり、実施例1では、円板50を図5中、矢印の方向に回転させる。超音波モータ10において、圧電振動子1は、矩形の圧電基板1bの一方の主面を2分割するように、電極4aと電極4bとが設けられている。他方の主面は接地されている。これらの電極4a、4bは、互いに絶縁された状態で個別に設けられる。超音波モータ10の駆動回路は、2つの交流電圧源5a、5bによって構成される。交流電圧源5aは、電極4bにVsinωtの電圧を印加し、交流電圧源5bは、電極4aにVcosωtの電圧を印加する。このように、圧電振動子1の電極4a、4bに対して位相がπ/2ずれた電圧VsinωtおよびVcosωtが印加されると、圧電振動子1には、図2および図3に示すように、拡がり振動モードの振動と、曲げ振動モードの振動とが発生する。そして、拡がり振動モードの共振周波数と、曲げ振動モードの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成(縮退)され、圧電振動子1のチップ(図5に図示せず)には楕円振動が発生する。なお、電圧VsinωtとVcosωtとは、それぞれ第1の交流電圧と第2の交流電圧とに該当する。両者が入れ替わっても何ら問題はない。 FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration of the ultrasonic motor according to the first embodiment. The ultrasonic motor 10 employs a configuration in which one sliding chip 2 is provided at the center of the left end with respect to the paper surface of the piezoelectric vibrator 1. This configuration is suitable for driving a rotating body such as a disk or a sphere, and in Embodiment 1, the disk 50 is rotated in the direction of the arrow in FIG. In the ultrasonic motor 10, the piezoelectric vibrator 1 is provided with an electrode 4a and an electrode 4b so that one main surface of the rectangular piezoelectric substrate 1b is divided into two. The other main surface is grounded. These electrodes 4a and 4b are individually provided in a state of being insulated from each other. The drive circuit of the ultrasonic motor 10 is composed of two AC voltage sources 5a and 5b. The AC voltage source 5a applies a voltage of V 0 sin ωt to the electrode 4b, and the AC voltage source 5b applies a voltage of V 0 cos ωt to the electrode 4a. As described above, when the voltages V 0 sin ωt and V 0 cos ωt having a phase shift of π / 2 with respect to the electrodes 4a and 4b of the piezoelectric vibrator 1 are applied, the piezoelectric vibrator 1 is applied to the piezoelectric vibrator 1 shown in FIGS. As shown, vibration in the spread vibration mode and vibration in the bending vibration mode are generated. When the resonance frequency of the spreading vibration mode and the resonance frequency of the bending vibration mode are equal, both vibration modes are combined (degenerate), and the chip of the piezoelectric vibrator 1 (not shown in FIG. 5) has an elliptical vibration. Will occur. The voltages V 0 sin ωt and V 0 cos ωt correspond to the first AC voltage and the second AC voltage, respectively. There is no problem even if the two are interchanged.

このように、いずれか一方の主面上に2枚の電極が並設されているため、L1F2モードの場合のように、主面を4つの領域に分けて、それぞれに電力を配置し、対角に位置する電極同士を接続しなければならない構成よりも簡単な構成にすることができる。   As described above, since two electrodes are arranged side by side on either one of the main surfaces, the main surface is divided into four regions as in the L1F2 mode, and electric power is arranged in each region. The configuration can be made simpler than the configuration in which the electrodes positioned at the corners must be connected.

図6は、実施例2に係る超音波モータの概略構成を示す図である。この超音波モータ10は、圧電振動子1の紙面に対して左端の両端部に摺動チップ3a、3bを2つ備える構成を採る。この構成では、直線的に動作する摺動体を駆動するのに好適であり、実施例2では、リニアガイド60にスライド自在に配置されたスライダ61を、図6中、矢印の方向にスライドさせる。   FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic configuration of the ultrasonic motor according to the second embodiment. The ultrasonic motor 10 employs a configuration in which two sliding chips 3 a and 3 b are provided at both ends at the left end with respect to the paper surface of the piezoelectric vibrator 1. This configuration is suitable for driving a sliding body that operates linearly. In the second embodiment, a slider 61 that is slidably disposed on the linear guide 60 is slid in the direction of the arrow in FIG.

なお、図5および図6では、2相信号入力の構成を示したが、本発明は、これに限定されるわけではない。例えば、図7に示すように、1相信号入力の構成を採ることも可能である。この場合、一方の電極4bに、交流電源5aによってVsinωtの交流信号を印加し、他方の電極4aを開放状態とすることで動作させることも可能である。 5 and 6 show the configuration of the two-phase signal input, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 7, it is possible to adopt a configuration of a one-phase signal input. In this case, it is also possible to operate by applying an AC signal of V 0 sin ωt to the one electrode 4b by the AC power source 5a and opening the other electrode 4a.

以上説明したように、本実施形態によれば、圧電振動子1が、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるw/Lの値に基づいて形成されているので、他のモード、例えば、L1F2モードで駆動させる場合よりも圧電振動子の主面の形状を正方形に近いものとすることができる。その結果、全体の寸法が扁平とならないため、奥行き寸法を小さくすることができる。これにより、パワー入力を従来のものよりも大きく取ることが可能となる。   As described above, according to this embodiment, the piezoelectric vibrator 1 is formed based on the value of w / L at which the resonance frequency of the spreading vibration and the resonance frequency of the bending vibration are substantially the same. Therefore, the shape of the main surface of the piezoelectric vibrator can be made closer to a square than when driven in another mode, for example, the L1F2 mode. As a result, the overall dimension does not become flat, and the depth dimension can be reduced. Thereby, it becomes possible to take a power input larger than the conventional one.

本実施形態に係る圧電振動子の平面図である。It is a top view of the piezoelectric vibrator concerning this embodiment. 圧電振動子1が拡がり振動をしている様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the piezoelectric vibrator 1 is expanding and vibrating. 圧電振動子1が曲げ振動を起こしている様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the piezoelectric vibrator 1 is raising the bending vibration. 矩形型の圧電振動子を、拡がり振動モード(Expand Mode)および曲げ振動モード(Flexural Mode)で振動させたときの周波数スペクトラムを示す図である。It is a figure which shows a frequency spectrum when a rectangular-shaped piezoelectric vibrator is vibrated in an expansion vibration mode (Expand Mode) and a bending vibration mode (Flexural Mode). 実施例1に係る超音波モータの概略構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an ultrasonic motor according to Embodiment 1. FIG. 実施例2に係る超音波モータの概略構成を示す図である。6 is a diagram illustrating a schematic configuration of an ultrasonic motor according to Embodiment 2. FIG. 1相信号入力方式の超音波モータの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the ultrasonic motor of a 1 phase signal input system.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電振動子
1b 圧電基板
2 摺動チップ
4a 電極
4b 電極
5a 交流電圧源
5b 交流電圧源
10 超音波モータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric vibrator 1b Piezoelectric substrate 2 Sliding tip 4a Electrode 4b Electrode 5a AC voltage source 5b AC voltage source 10 Ultrasonic motor

Claims (3)

矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、
前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをLとし、他方の組の辺の長さをwとし、w/Lを変数として、w/Lと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、w/Lと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、
前記圧電振動子は、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるw/Lの値に基づいて、前記w/Lの値が0.75から0.90の範囲に収まるように形成されており、
前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された2枚の電極と、
前記2枚の電極のうちの一方に対して、交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる第1の交流電源と、
前記2枚の電極のうちの他方に対して、交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる第2の交流電源と、を備え、
前記第1の交流電源が、前記2枚の電極のうちの一方に対して第1の交流電圧を印加すると共に、前記第2の交流電源が、前記2枚の電極のうちの他方に対して前記第1の交流電圧と位相がπ/2ずれた第2の交流電圧を印加することで、前記圧電振動子は、2相信号入力方式で駆動されることを特徴とする超音波モータ。
A rectangular piezoelectric vibrator is an ultrasonic motor that generates a driving force by oscillating in a multiple vibration mode that combines a spread vibration mode and a bending vibration mode,
Of the two sets of sides of the rectangular piezoelectric vibrator, the length of one set of sides is L, the length of the other set of sides is w, w / L is a variable, and w / L When the resonance frequency of the spreading vibration mode is made to correspond, and w / L and the resonance frequency of the bending vibration mode are made to correspond,
In the piezoelectric vibrator, the w / L value is in the range of 0.75 to 0.90 based on the w / L value at which the resonance frequency of the spreading vibration and the resonance frequency of the bending vibration are substantially the same. It is formed to fit in,
Two electrodes juxtaposed on one main surface of the piezoelectric vibrator;
A first AC power source for driving the piezoelectric vibrator by applying an AC voltage to one of the two electrodes;
A second AC power source for driving the piezoelectric vibrator by applying an AC voltage to the other of the two electrodes;
The first AC power source applies a first AC voltage to one of the two electrodes, and the second AC power source applies to the other of the two electrodes. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is driven by a two-phase signal input method by applying a second AC voltage whose phase is shifted by π / 2 from the first AC voltage .
矩形型の圧電振動子が、拡がり振動モードと曲げ振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータであって、
前記矩形型の圧電振動子の二組の辺のうち、一方の組の辺の長さをLとし、他方の組の辺の長さをwとし、w/Lを変数として、w/Lと拡がり振動モードの共振周波数とを対応させると共に、w/Lと曲げ振動モードの共振周波数とを対応させた場合、
前記圧電振動子は、拡がり振動の共振周波数と曲げ振動の共振周波数とが実質的に同一となるw/Lの値に基づいて、前記w/Lの値が0.75から0.90の範囲に収まるように形成されており、
前記圧電振動子のいずれか一方の主面上に並設された2枚の電極と、
前記2枚の電極のうちの一方に対して、交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる交流電源を備え、
前記交流電源が、前記2枚の電極のうちの一方に交流電圧を印加すると共に、前記他方の電極が、開放されることで、前記圧電振動子は、1相信号入力方式で駆動されることを特徴とする超音波モータ。
A rectangular piezoelectric vibrator is an ultrasonic motor that generates a driving force by oscillating in a multiple vibration mode that combines a spread vibration mode and a bending vibration mode,
Of the two sets of sides of the rectangular piezoelectric vibrator, the length of one set of sides is L, the length of the other set of sides is w, w / L is a variable, and w / L When the resonance frequency of the spreading vibration mode is made to correspond, and w / L and the resonance frequency of the bending vibration mode are made to correspond,
In the piezoelectric vibrator, the w / L value is in the range of 0.75 to 0.90 based on the w / L value at which the resonance frequency of the spreading vibration and the resonance frequency of the bending vibration are substantially the same. It is formed to fit in,
Two electrodes juxtaposed on one main surface of the piezoelectric vibrator;
An AC power source for driving the piezoelectric vibrator by applying an AC voltage to one of the two electrodes;
The AC power source applies an AC voltage to one of the two electrodes, and the other electrode is opened, so that the piezoelectric vibrator is driven by a one-phase signal input method. Ultrasonic motor characterized by
前記圧電振動子は、前記w/Lの値が実質的に0.85となるように形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の超音波モータ。 The ultrasonic motor according to claim 1 , wherein the piezoelectric vibrator is formed so that the value of w / L is substantially 0.85.
JP2008244346A 2008-03-06 2008-09-24 Ultrasonic motor Expired - Fee Related JP5275734B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008244346A JP5275734B2 (en) 2008-03-06 2008-09-24 Ultrasonic motor

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008056386 2008-03-06
JP2008056386 2008-03-06
JP2008244346A JP5275734B2 (en) 2008-03-06 2008-09-24 Ultrasonic motor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009240149A JP2009240149A (en) 2009-10-15
JP5275734B2 true JP5275734B2 (en) 2013-08-28

Family

ID=41253418

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008244346A Expired - Fee Related JP5275734B2 (en) 2008-03-06 2008-09-24 Ultrasonic motor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5275734B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012056620A1 (en) * 2010-10-27 2012-05-03 スミダコーポレーション株式会社 Ultrasonic motor
JP2012182951A (en) * 2011-03-02 2012-09-20 Ngk Insulators Ltd Piezoelectric actuator and piezoelectric actuator array

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0732611B2 (en) * 1987-11-30 1995-04-10 日本電気株式会社 Ultrasonic motor oscillator
JP2646668B2 (en) * 1988-06-14 1997-08-27 日本電気株式会社 Driving method of ultrasonic motor and vibrator for ultrasonic motor
JPH06121552A (en) * 1992-02-28 1994-04-28 Toko Inc Piezoelectric actuator
JPH07178370A (en) * 1993-12-24 1995-07-18 Ricoh Co Ltd Vibrator and vibrating actuator
JP3353998B2 (en) * 1994-03-24 2002-12-09 オリンパス光学工業株式会社 Ultrasonic transducer
JP2007124840A (en) * 2005-10-28 2007-05-17 Nsk Ltd Piezoelectric actuator
JP4676395B2 (en) * 2006-07-21 2011-04-27 東光株式会社 Piezoelectric vibrator and ultrasonic motor having the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009240149A (en) 2009-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5594435B2 (en) Ultrasonic transducer
US5345137A (en) Two-dimensionally driving ultrasonic motor
JP4209465B2 (en) Drive device
JP5665522B2 (en) Vibrating body and vibration type driving device
JP2004304887A (en) Oscillatory drive unit
JP2008278712A (en) Drive device
Delibas et al. L1B2 piezo motor using D33 effect
JP5275734B2 (en) Ultrasonic motor
JPH05146171A (en) Ultrasonic oscillator
JP5296469B2 (en) Ultrasonic motor
JP2008278710A (en) Piezoelectric element and vibration actuator
JP5491718B2 (en) Ultrasonic motor
JP5457651B2 (en) Ultrasonic motor
US11569430B2 (en) Method for operating an ultrasonic motor
JP2009219352A (en) Laminated piezoelectric vibrator, ultrasonic motor, and electronic appliance having the same ultrasonic motor
JP2008067539A (en) Ultrasonic actuator and method of manufacturing its vibrator
JP2007312600A (en) Piezoelectric element and ultrasonic actuator
JP5612940B2 (en) Ultrasonic motor
JP2004248399A (en) Vibrator and ultrasonic motor
JP2011211795A (en) Ultrasonic motor and method of driving the same
JP2010004625A (en) Piezoelectric vibrator and method of driving the same
US11195984B2 (en) Piezoelectric transformer
JP2010110151A (en) Ultrasonic motor and ultrasonic motor device
JP5144097B2 (en) Ultrasonic motor device
JP5491719B2 (en) Ultrasonic motor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110324

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120928

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20121016

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121127

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130514

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130516

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees