JP5457651B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor Download PDF

Info

Publication number
JP5457651B2
JP5457651B2 JP2008221605A JP2008221605A JP5457651B2 JP 5457651 B2 JP5457651 B2 JP 5457651B2 JP 2008221605 A JP2008221605 A JP 2008221605A JP 2008221605 A JP2008221605 A JP 2008221605A JP 5457651 B2 JP5457651 B2 JP 5457651B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric vibrator
vibration mode
ultrasonic motor
primary longitudinal
resonance frequency
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
JP2008221605A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009225655A (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 JP2008221605A priority Critical patent/JP5457651B2/en
Publication of JP2009225655A publication Critical patent/JP2009225655A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5457651B2 publication Critical patent/JP5457651B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

本発明は、超音波モータに関し、特に、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲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, and more particularly, an ultrasonic motor that generates a driving force when a rectangular piezoelectric vibrator vibrates in a multiple vibration mode in which a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending vibration mode are combined. The present invention relates to a sonic motor.

従来から、圧電振動子を振動させることによって、ロータや回転軸等を駆動する超音波モータが知られている。この超音波モータは、圧電振動子を振動させる際に、複数種類の振動(共振)モードを合成することによって、駆動力を発生するように構成されている。   Conventionally, an ultrasonic motor that drives a rotor, a rotating shaft, and the like by vibrating a piezoelectric vibrator is known. This ultrasonic motor is configured to generate a driving force by combining a plurality of types of vibration (resonance) modes when vibrating a piezoelectric vibrator.

図6は、矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モード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。ここで、F1、F2およびF3は、屈曲振動を示し、L1およびL2は縦振動を示す。矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モード(L1)で振動する際の伸縮方向の長さをLとし、また、圧電振動子が、第二次屈曲振動モード(F2)で振動する際の剪断方向の長さをdとする。そして、図6に示すように、d/Lを変数として、d/Lと圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、d/Lと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させる。なお、図6ではL=20mmで固定し、d(Width)のみを変化させている。この場合、縦横の二辺の比(以下、「辺比」と呼称する。)d/Lが、0.272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。そのため、従来は、辺比d/Lが0.272付近となるように、圧電振動子を形成していた。   FIG. 6 is a diagram showing a frequency spectrum when a rectangular piezoelectric vibrator is vibrated in a plurality of types of vibration modes. Here, F1, F2 and F3 indicate bending vibration, and L1 and L2 indicate longitudinal vibration. The length of the expansion / contraction direction when the rectangular piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode (L1) is L, and the piezoelectric vibrator vibrates in the secondary bending vibration mode (F2). Let d be the length in the shearing direction. Then, as shown in FIG. 6, with d / L as a variable, d / L is associated with the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode of the piezoelectric vibrator, and d / L and the secondary longitudinal vibration mode are correlated. Corresponds to the resonance frequency. In FIG. 6, L = 20 mm is fixed, and only d (Width) is changed. In this case, when the ratio of two sides in the vertical and horizontal directions (hereinafter referred to as “side ratio”) d / L is around 0.272, the resonance frequencies of the two coincide, and the two vibrations are degenerated. Therefore, conventionally, the piezoelectric vibrator has been formed so that the side ratio d / L is around 0.272.

一方、特開平5−003688号公報には、圧電振動子として、共振周波数が若干異なる縦振動モードと屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで駆動する超音波モータが開示されている。この超音波モータでは、圧電振動子の長手縦振動の共振周波数ftと、偶数次の面内屈曲振動の共振周波数fpとが若干異なる値を有する。具体的には、圧電振動子の短辺の長さと長辺の長さの比を0.26:1から外し、例えば、0.28:1や、0.24:1などの比となるように、圧電振動子を形成する。これにより、超音波モータを安定して駆動させるようにしている。
特開平5−003688号公報
On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 5-003688 discloses an ultrasonic motor that is driven as a piezoelectric vibrator in a multiple vibration mode in which a longitudinal vibration mode and a bending vibration mode having slightly different resonance frequencies are combined. In this ultrasonic motor, the resonance frequency ft of the longitudinal longitudinal vibration of the piezoelectric vibrator and the resonance frequency fp of the even-order in-plane bending vibration have slightly different values. Specifically, the ratio of the short-side length to the long-side length of the piezoelectric vibrator is removed from 0.26: 1, for example, a ratio such as 0.28: 1 or 0.24: 1. Next, a piezoelectric vibrator is formed. Thereby, the ultrasonic motor is driven stably.
JP-A-5-003688

上記のように、従来は、圧電振動子の辺比d/Lは0.272である場合のみが注目されていた。ところが、第一次縦振動モードの共振周波数と第二次屈曲振動モードの共振周波数とが一致する場合の辺比d/Lは、一通りではない。図6に示すように、辺比d/Lが0.272付近である場合の他、辺比d/Lが0.6付近である場合も第一次縦振動モードの共振周波数と第二次屈曲振動モードの共振周波数とが一致する。しかしながら、従来は、圧電振動子の辺比d/Lを0.6付近として超音波モータを構成することは行なわれていなかった。   As described above, conventionally, attention has been focused only on the case where the side ratio d / L of the piezoelectric vibrator is 0.272. However, the side ratio d / L in the case where the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode and the resonance frequency of the secondary bending vibration mode are not the same. As shown in FIG. 6, in addition to the case where the side ratio d / L is near 0.272, the case where the side ratio d / L is around 0.6 also includes the resonance frequency and the secondary in the primary longitudinal vibration mode. The resonance frequency of the bending vibration mode matches. However, conventionally, an ultrasonic motor has not been configured with a side ratio d / L of the piezoelectric vibrator of around 0.6.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電振動子を従来とは異なる辺比で構成した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 in which a piezoelectric vibrator is configured with a side ratio different from the conventional one.

(1)上記の目的を達成するため、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、第一次縦振動モードと第二次屈曲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、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをLとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをdとし、d/Lを変数として、d/Lと前記圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、d/Lと第二次縦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、同一のd/Lの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から、第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算した減算値が、負の数から正の数に変わるときのd/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 has taken the following measures. That is, the ultrasonic motor of the present invention is an ultrasonic wave that generates a driving force when a rectangular piezoelectric vibrator vibrates in a multiple vibration mode that combines a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending vibration mode. The length of the extension direction when the piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode is L, and the length in the shear direction when the piezoelectric vibrator vibrates in the secondary bending vibration mode. D / L is a variable, and d / L and the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode of the piezoelectric vibrator are made to correspond to each other, and d / L and the resonance frequency of the secondary longitudinal vibration mode are When the piezoelectric vibrator has a corresponding value, the piezoelectric vibrator has a subtraction value obtained by subtracting the value of the resonance frequency of the secondary bending vibration mode from the value of the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode for the same d / L value. Based on the value of d / L when changing from a negative number to a positive number It is characterized in that it is had to form.

このように、d/Lを変数として、d/Lと圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、d/Lと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させた場合、d/Lが小さい場合は、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも第一次縦振動モードの共振周波数の方が大きく、d/Lが0.272付近を越えると、その大きさが逆転する。さらにd/Lを大きくしていくと、第一次縦振動モードの共振周波数が、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも大きくなる。すなわち、同一のd/Lの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から、第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算した減算値が、負の数から正の数に変わる。本発明は、そのときのd/Lの値によって、圧電振動子を構成する。これにより、圧電振動子は、従来のように、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。   In this way, with d / L as a variable, d / L and the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode of the piezoelectric vibrator are made to correspond to each other, and d / L and the resonance frequency of the secondary longitudinal vibration mode are made to correspond to each other. When d / L is small, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode is larger than the resonance frequency of the secondary bending vibration mode, and when d / L exceeds about 0.272, The size is reversed. When d / L is further increased, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode becomes higher than the resonance frequency of the secondary bending vibration mode. That is, the subtraction value obtained by subtracting the resonance frequency value of the secondary bending vibration mode from the resonance frequency value of the primary longitudinal vibration mode for the same d / L value changes from a negative number to a positive number. . In the present invention, the piezoelectric vibrator is configured by the value of d / L at that time. As a result, the piezoelectric vibrator has a so-called wall thickness and a length in the longitudinal direction that is smaller than that in the conventional case where the side ratio d / L is around 0.272. As a result, downsizing can be achieved. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved.

(2)また、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲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、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをLとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをdとした場合、前記圧電振動子は、d/Lの値が0.55から0.65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) Also, the ultrasonic motor of the present invention generates a driving force when a rectangular piezoelectric vibrator vibrates in a multiple vibration mode that combines a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending vibration mode. An ultrasonic motor that performs shearing when the piezoelectric vibrator vibrates in the secondary bending vibration mode, where L is the length in the expansion / contraction direction when the piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode. When the length in the direction is d, the piezoelectric vibrator is formed so that the value of d / L falls within the range of 0.55 to 0.65.

このように、d/Lの値が0.55から0.65の範囲に収まるため、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。   Thus, since the value of d / L falls within the range of 0.55 to 0.65, the thickness ratio is longer than the case where the side ratio d / L is near 0.272 and the length in the longitudinal direction is longer. Becomes smaller. As a result, downsizing can be achieved. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved.

(3)また、本発明の超音波モータは、矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲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、前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをLとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをdとした場合、前記圧電振動子は、d/Lの値が実質的に0.63となるように形成されていることを特徴としている。   (3) Also, the ultrasonic motor of the present invention generates a driving force when a rectangular piezoelectric vibrator vibrates in a multiple vibration mode that combines a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending vibration mode. An ultrasonic motor that performs shearing when the piezoelectric vibrator vibrates in the secondary bending vibration mode, where L is the length in the expansion / contraction direction when the piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode. When the length in the direction is d, the piezoelectric vibrator is formed so that the value of d / L is substantially 0.63.

このように、d/Lの値は、実質的に0.63であるため、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。なお、d/Lの値が実質的に0.63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。d/Lの値が0.63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、d/Lの値は実質的に0.63であると言える。逆に言えば、d/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0.63でなければならないわけではない。   As described above, since the value of d / L is substantially 0.63, the thickness ratio is longer than the case where the side ratio d / L is near 0.272, and the length in the longitudinal direction is larger. Get smaller. As a result, downsizing can be achieved. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved. In addition, the value of d / L being substantially 0.63 means a range in which the piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor. Even if the value of d / L is deviated around 0.63, if the piezoelectric vibrator practically functions as an ultrasonic motor, it can be said that the value of d / L is substantially 0.63. . Conversely, the value of d / L does not have to be just 0.63 if the piezoelectric vibrator functions practically as an ultrasonic motor.

本発明によれば、圧電振動子は、従来のように、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。   According to the present invention, the piezoelectric vibrator has a so-called thickness and a length in the longitudinal direction that are smaller than those in the case where the side ratio d / L is around 0.272 as in the prior art. As a result, downsizing can be achieved. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved.

[第1の実施形態]
次に、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。図1は、本実施形態に係る圧電振動子の斜視図である。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、分極方向は、図1に示す座標軸のz軸方向に一致している。また、圧電振動子1が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、x軸と平行であり、圧電振動子1のx軸方向の長さはLである。また、圧電振動子1が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向は、y軸と平行であり、圧電振動子1のy軸方向の長さ(厚さ)はdである。
[First Embodiment]
Next, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric vibrator according to this embodiment. The piezoelectric vibrator 1 is made of piezoelectric ceramics, and the polarization direction coincides with the z-axis direction of the coordinate axis shown in FIG. The expansion / contraction direction when the piezoelectric vibrator 1 vibrates in the primary longitudinal vibration mode is parallel to the x axis, and the length of the piezoelectric vibrator 1 in the x axis direction is L. Further, the shearing direction when the piezoelectric vibrator 1 vibrates in the second bending vibration mode is parallel to the y-axis, and the length (thickness) of the piezoelectric vibrator 1 in the y-axis direction is d.

図2は、圧電振動子1の第一次縦振動の様子を示す図である。第一次縦振動は、図2の矢印AおよびBに示すように、圧電振動子1の長手方向に伸縮を繰り返すことにより生ずる。また、図3は、圧電振動子1の第二次屈曲振動の様子を示す図である。第二次屈曲振動は、図3の矢印Cに示すように、圧電振動子1の厚さ方向に、相互に向きが異なる剪断力により屈曲を繰り返すことにより生ずる。これらの第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成(縮退)することにより、圧電振動子1に設けられたチップが楕円運動をし、駆動力が生ずる。   FIG. 2 is a diagram illustrating a state of the primary longitudinal vibration of the piezoelectric vibrator 1. The primary longitudinal vibration is generated by repeatedly expanding and contracting in the longitudinal direction of the piezoelectric vibrator 1 as indicated by arrows A and B in FIG. FIG. 3 is a diagram showing a state of the secondary bending vibration of the piezoelectric vibrator 1. As shown by an arrow C in FIG. 3, the secondary bending vibration is generated by repeatedly bending in the thickness direction of the piezoelectric vibrator 1 by shearing forces having different directions. By synthesizing (degenerate) these primary longitudinal vibrations and secondary bending vibrations, the chip provided in the piezoelectric vibrator 1 performs an elliptical motion to generate a driving force.

図4は、圧電振動子1が被駆動体2を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。図4において、圧電振動子1は、チップ1aを備えている。圧電振動子1の第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成することで、圧電振動子1が伸縮と屈曲を繰り返し、1サイクルで被駆動体を距離lだけ移動させている。   FIG. 4 is a diagram showing stepwise how the piezoelectric vibrator 1 drives the driven body 2 in the right direction in the drawing. In FIG. 4, the piezoelectric vibrator 1 includes a chip 1a. By synthesizing the primary longitudinal vibration and the secondary bending vibration of the piezoelectric vibrator 1, the piezoelectric vibrator 1 repeats expansion and contraction and bending, and the driven body is moved by the distance l in one cycle.

圧電振動子1は、このような原理で駆動力を発生させるのであるが、従来は、圧電振動子1の辺比d/Lは、0.272付近のみが注目されていた。すなわち、d/Lを変数として、d/Lと圧電振動子の第一次縦振動モードの共振周波数とを対応させると共に、d/Lと第二次縦振動モードの共振周波数とを対応させた場合、図6に示すように、d/Lが小さい場合は、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも第一次縦振動モードの共振周波数の方が大きい。そして、d/Lが0.272となると、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが一致するので、d/Lが0.272である圧電振動子のみが利用されていた。d/Lが0.272を超えると、第二次屈曲振動モードの共振周波数が第一次縦振動モードの共振周波数よりも大きくなる。   The piezoelectric vibrator 1 generates a driving force based on such a principle. However, conventionally, the side ratio d / L of the piezoelectric vibrator 1 has attracted attention only in the vicinity of 0.272. That is, with d / L as a variable, d / L is associated with the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode of the piezoelectric vibrator, and d / L is associated with the resonance frequency of the secondary longitudinal vibration mode. In this case, as shown in FIG. 6, when d / L is small, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode is higher than the resonance frequency of the secondary bending vibration mode. When d / L becomes 0.272, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode and the resonance frequency of the secondary bending vibration mode coincide with each other, so that the piezoelectric vibrator having d / L of 0.272 is obtained. Only was used. When d / L exceeds 0.272, the resonance frequency of the secondary bending vibration mode becomes higher than the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode.

ところが、さらにd/Lを大きくしていくと、第一次縦振動モードの共振周波数が、第二次屈曲振動モードの共振周波数よりも大きくなる。すなわち、同一のd/Lの値に対する第一次縦振動モードの共振周波数の値から、第二次屈曲振動モードの共振周波数の値を減算した減算値が、負の数から正の数に変わる。つまり、この点においても、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが一致するのである。本実施形態では、そのときのd/Lの値によって、圧電振動子を構成する。具体的には、本実施形態では、d/Lの値は実質的に0.63である。   However, when d / L is further increased, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode becomes higher than the resonance frequency of the secondary bending vibration mode. That is, the subtraction value obtained by subtracting the resonance frequency value of the secondary bending vibration mode from the resonance frequency value of the primary longitudinal vibration mode for the same d / L value changes from a negative number to a positive number. . That is, also in this respect, the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode matches the resonance frequency of the secondary bending vibration mode. In the present embodiment, the piezoelectric vibrator is configured by the value of d / L at that time. Specifically, in the present embodiment, the value of d / L is substantially 0.63.

これにより、圧電振動子1は、従来のように、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。   As a result, the piezoelectric vibrator 1 has a so-called thickness and a length in the longitudinal direction that are smaller than those in the case where the side ratio d / L is around 0.272 as in the prior art. As a result, downsizing can be achieved. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved.

図5は、本実施形態に係る超音波モータの概略構成を示す図である。圧電振動子1は、矩形の圧電基板1bの一方の主面を4分割するように、互いに対角に対向する一組の電極4aと一組の電極4b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た後、互いに対角に位置する各電極4a、4bがそれぞれ相互に電気的に接続されている。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、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、剪断方向に屈曲する第二次屈曲振動モードの振動とが発生する。そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲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。 FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the ultrasonic motor according to the present embodiment. The piezoelectric vibrator 1 is provided with a pair of electrodes 4a and a pair of electrodes 4b that face each other diagonally so as to divide one main surface of a rectangular piezoelectric substrate 1b into four. The other main surface is grounded. The electrodes 4a and 4b are individually provided in a state of being insulated from each other, and then the electrodes 4a and 4b positioned diagonally to each other are electrically connected to 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, the vibration in the primary longitudinal vibration mode that expands and contracts in the longitudinal direction and the vibration in the secondary bending vibration mode that flexes in the shear direction are generated. When the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode is equal to the resonance frequency of the secondary bending vibration mode, both vibration modes are combined (degenerated), and the chip of the piezoelectric vibrator 1 (not shown in FIG. 5). No.) generates elliptical vibration.

なお、図5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、1相信号入力の構成を採ることも可能である。この場合、対角に対向する一組の電極に交流信号を印加し、他方の組の電極を開放状態とすることで動作させることも可能である。   Although FIG. 5 shows the configuration of the two-phase signal input, the present invention is not limited to this. For example, it is possible to adopt a configuration of a one-phase signal input. In this case, it is possible to operate by applying an AC signal to a pair of electrodes opposed to each other and opening the other pair of electrodes.

[第2の実施形態]
本実施形態では、圧電振動子は、単板セラミックスを使用した。この単板セラミックスを、20.0mm×12.8mm×3.0mmに加工した後、20.0mm×12.8mmの一面に2行2列の4分割、その裏面には全面に銀電極を印刷塗布し、850℃で焼付けを行なった。その後、120℃のシリコンオイル中で、2kV/mmの電界強度で一様に分極処理して圧電振動子を作製した。摺動チップは、球状アルミナセラミックスを半球化したものを使用した。
[Second Embodiment]
In this embodiment, a single plate ceramic is used for the piezoelectric vibrator. After processing this single plate ceramic to 20.0 mm x 12.8 mm x 3.0 mm, 2 rows and 2 columns are divided into 4 rows on 20.0 mm x 12.8 mm, and a silver electrode is printed on the entire back surface. It was applied and baked at 850 ° C. Thereafter, the piezoelectric vibrator was manufactured by performing a uniform polarization treatment with an electric field strength of 2 kV / mm in 120 ° C. silicon oil. The sliding tip used was a hemispherical spherical alumina ceramic.

上記のように作製した圧電振動子を用いて、推力−速度特性の測定を行なった。この測定では、精密リニアテーブル側面に、鏡面仕上げしたアルミナ板に超音波モータ(圧電振動子)を予圧接触させた駆動機構を用いた。それに定滑車を用いて錘をつるし、ガラススケールで位置情報を読み取った。   Thrust-speed characteristics were measured using the piezoelectric vibrator manufactured as described above. In this measurement, a driving mechanism was used in which an ultrasonic motor (piezoelectric vibrator) was pre-contacted with a mirror finished alumina plate on the side surface of a precision linear table. A weight was suspended using a fixed pulley, and position information was read on a glass scale.

次に、上記のように作製した圧電振動子を用いた超音波モータについて、FEM解析を行なった。図7は、周波数−駆動速度特性を示す図である。駆動周波数が82kHzのとき、2相入力時の最大速度は、340mm/sであった。図8は、推力−速度特性を示す図である。120Vrms入力時、最大6Nの推力を得られた。図9は、推力−効率特性を示す図である。図9に示すように、最大効率は、10%であった。以上のように、辺比d/Lが0.272のみならず、0.63付近の矩形圧電振動子を用いた超音波モータも有望であることが分かった。   Next, FEM analysis was performed on the ultrasonic motor using the piezoelectric vibrator manufactured as described above. FIG. 7 is a diagram showing frequency-driving speed characteristics. When the driving frequency was 82 kHz, the maximum speed at the time of two-phase input was 340 mm / s. FIG. 8 is a diagram showing thrust-speed characteristics. A maximum thrust of 6N was obtained at 120Vrms input. FIG. 9 is a diagram showing thrust-efficiency characteristics. As shown in FIG. 9, the maximum efficiency was 10%. As described above, it has been found that an ultrasonic motor using a rectangular piezoelectric vibrator having a side ratio d / L not only of 0.272 but also around 0.63 is promising.

以上説明したように、本実施形態によれば、圧電振動子1は、辺比d/Lが実質的に0.63であるため、従来のように、辺比d/Lが0.272付近である場合よりも、いわゆる肉厚となると共に、長手方向の長さが小さくなる。その結果、小型化を図ることができる。また、従来よりも肉厚となることから、疲労や過入力による破損が生じ難くなり、耐久性を向上させることが可能となる。   As described above, according to this embodiment, since the side ratio d / L of the piezoelectric vibrator 1 is substantially 0.63, the side ratio d / L is around 0.272 as in the related art. As compared with the case where it is, it becomes so-called thickness and the length in the longitudinal direction becomes smaller. As a result, downsizing can be achieved. Moreover, since it becomes thicker than before, damage due to fatigue or over-input is less likely to occur, and durability can be improved.

本実施形態に係る圧電振動子の斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric vibrator concerning this embodiment. 圧電振動子の第一次縦振動の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the primary longitudinal vibration of a piezoelectric vibrator. 圧電振動子の第二次屈曲振動の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the secondary bending vibration of a piezoelectric vibrator. 圧電振動子が被駆動体を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。It is a figure which shows a mode that a piezoelectric vibrator drives a to-be-driven body rightward in a figure. 本実施形態に係る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 which concerns on this embodiment. 矩形型の圧電振動子を複数種類の振動モード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 a plurality of types of vibration modes. 周波数−駆動速度特性を示す図である。It is a figure which shows a frequency-drive speed characteristic. 推力−速度特性を示す図である。It is a figure which shows a thrust-speed characteristic. 推力−効率特性を示す図である。It is a figure which shows a thrust-efficiency characteristic.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電振動子
1a チップ
1b 圧電基板
2 被駆動体
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 1a Chip 1b Piezoelectric substrate 2 Driven body 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、第一次縦振動モードと第二次屈曲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、
前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをLとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをdとした場合、
前記圧電振動子は、d/Lの値が0.55から0.65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2行2列に形成された4枚の電極と、
前記4枚の電極のうち、対角に位置する2枚の電極同士をそれぞれ電気的に接続し、2組の電極部を形成する接続部と、
前記2組の電極部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の交流電圧源と、
前記2組の電極部のうちの他方に対して、前記第1の交流電圧源による交流電圧の位相とはπ/2ずれた交流電圧を印加して前記圧電振動子を駆動させる第2の交流電圧源と、を備え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 vibrating in a multiple vibration mode that combines a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending vibration mode,
The length in the expansion / contraction direction when the piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode is L, and the length in the shear direction when the piezoelectric vibrator vibrates in the secondary bending vibration mode is d . If
The piezoelectric vibrator is formed so that the value of d / L falls within the range of 0.55 to 0.65,
Four electrodes formed in two rows and two columns on one main surface of the piezoelectric vibrator;
Of the four electrodes, two electrodes located diagonally are electrically connected to each other to form two sets of electrode portions; and
A first AC voltage source for driving the piezoelectric vibrator by applying an AC voltage to one of the two sets of electrode portions;
A second alternating current that drives the piezoelectric vibrator by applying an alternating voltage shifted by π / 2 from the phase of the alternating voltage by the first alternating voltage source to the other of the two sets of electrode portions. An ultrasonic motor comprising: a voltage source.
矩形型の圧電振動子が、第一次縦振動モードと第二次屈曲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、
前記圧電振動子が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向の長さをLとし、前記圧電振動子が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向の長さをdとした場合、
前記圧電振動子は、d/Lの値が0.55から0.65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2行2列に形成された4枚の電極と、
前記4枚の電極のうち、対角に位置する2枚の電極同士をそれぞれ電気的に接続し、2組の電極部を形成する接続部と、
前記2組の電極部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圧源と、を備え、
前記2組の電極部のうちの他方を開放状態とす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 vibrating in a multiple vibration mode that combines a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending vibration mode,
The length in the expansion / contraction direction when the piezoelectric vibrator vibrates in the primary longitudinal vibration mode is L, and the length in the shear direction when the piezoelectric vibrator vibrates in the secondary bending vibration mode is d. If
The piezoelectric vibrator is formed so that the value of d / L falls within the range of 0.55 to 0.65 ,
Four electrodes formed in two rows and two columns on one main surface of the piezoelectric vibrator;
Of the four electrodes, two electrodes located diagonally are electrically connected to each other to form two sets of electrode portions; and
An AC voltage source for driving the piezoelectric vibrator by applying an AC voltage to one of the two sets of electrode portions,
An ultrasonic motor, wherein the other of the two sets of electrode portions is opened .
前記圧電振動子は、d/Lの値が実質的に0.63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 a value of d / L is substantially 0.63.
JP2008221605A 2008-02-18 2008-08-29 Ultrasonic motor Expired - Fee Related JP5457651B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008221605A JP5457651B2 (en) 2008-02-18 2008-08-29 Ultrasonic motor

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008036520 2008-02-18
JP2008036520 2008-02-18
JP2008221605A JP5457651B2 (en) 2008-02-18 2008-08-29 Ultrasonic motor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009225655A JP2009225655A (en) 2009-10-01
JP5457651B2 true JP5457651B2 (en) 2014-04-02

Family

ID=41241827

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008221605A Expired - Fee Related JP5457651B2 (en) 2008-02-18 2008-08-29 Ultrasonic motor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5457651B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5185716B2 (en) * 2008-07-14 2013-04-17 オリンパス株式会社 Ultrasonic motor
CN115755491A (en) * 2022-11-17 2023-03-07 华为技术有限公司 Iris diaphragm, harmonic oscillator, lens assembly and electronic equipment

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH074071B2 (en) * 1987-10-02 1995-01-18 日本電気株式会社 Ultrasonic motor
JP3118251B2 (en) * 1990-11-21 2000-12-18 ニスカ株式会社 Ultrasonic driving device and method
JPH053688A (en) * 1991-06-21 1993-01-08 Omron Corp Ultrasonic motor
JPH07241090A (en) * 1994-02-28 1995-09-12 Nikon Corp Ultrasonic motor
JPH08172783A (en) * 1994-12-19 1996-07-02 Olympus Optical Co Ltd Supersonic actuator
JP2000032785A (en) * 1998-07-14 2000-01-28 Nikon Corp Vibratory actuator device and lens barrel
JP2005237102A (en) * 2004-02-19 2005-09-02 Seiko Epson Corp Piezoelectric actuator, clock, and electronic equipment
JP2005304147A (en) * 2004-04-08 2005-10-27 Seiko Epson Corp Piezoelectric actuator and device
JP2006304490A (en) * 2005-04-20 2006-11-02 Seiko Epson Corp Method of driving piezoelectric actuator, driver in piezoelectric actuator, electronic device, control program and recording medium of driver in piezoelectric actuator

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009225655A (en) 2009-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4510179B2 (en) Ultrasonic motor and electronic equipment with ultrasonic motor
JP4891053B2 (en) Ultrasonic motor
Yun et al. A piezoelectric ultrasonic linear micromotor using a slotted stator
JP4119903B2 (en) Flat plate piezoelectric ultrasonic motor
Liu et al. A novel plate type linear piezoelectric actuator using dual-frequency drive
JP2008278712A (en) Drive device
JP5457651B2 (en) Ultrasonic motor
KR101053805B1 (en) Vibrating actuator
JPH05146171A (en) Ultrasonic oscillator
JP5275734B2 (en) Ultrasonic motor
JP5296469B2 (en) Ultrasonic motor
JP5179918B2 (en) Ultrasonic motor device
JP5612940B2 (en) Ultrasonic motor
JP2010187538A (en) Ultrasonic motor and electronic apparatus having ultrasonic motor
JPS61221584A (en) Drive circuit of vibration wave motor
Park Single vibration mode standing wave tubular piezoelectric ultrasonic motor
JP4981427B2 (en) Vibration drive device
JPH05252767A (en) Ultrasonic motor
JP5571521B2 (en) Ultrasonic motor and driving method thereof
JP2010110151A (en) Ultrasonic motor and ultrasonic motor device
JP2006352989A (en) Drive unit of ultrasonic motor, its method and ultrasonic motor system
KR101085808B1 (en) Vibration actuator and method of driving the same
JP2011211795A (en) Ultrasonic motor and method of driving the same
JP2010004625A (en) Piezoelectric vibrator and method of driving the same
JP4388273B2 (en) Ultrasonic motor and electronic device with 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

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130507

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20130624

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: 20140107

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140110

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