JPH0236773A - Piezoelectric vibrator and vibrator type actuator - Google Patents

Piezoelectric vibrator and vibrator type actuator

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JPH0236773A
JPH0236773A JP1151374A JP15137489A JPH0236773A JP H0236773 A JPH0236773 A JP H0236773A JP 1151374 A JP1151374 A JP 1151374A JP 15137489 A JP15137489 A JP 15137489A JP H0236773 A JPH0236773 A JP H0236773A
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vibrator
piezoelectric
piezoelectric ceramic
vibration
electrode
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Koji Toda
耕司 戸田
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Abstract

PURPOSE:To easily and accurately control a vibrating direction by electrically dividing an electrode formed on one end face into two electrodes, and switching the application of a signal to the electrodes. CONSTITUTION:An electrode of one side of a piezoelectric porcelain 1a for forming a vibrator 11 split (into 1bA, 1bB), and the phase of a radial vibration is electrically controlled by selecting the electrode to receive an input signal. An ultrasonic motor is driven with the vibrator 11 as a driven power source to rotate a rotor 13 in contact therewith. The rotor 13 is brought into contact with a section having a larger axial size of a columnar side face of a piezoelectric magnesium 1a, and the output voltage of an AC power source 12 is switched between terminals P, Q by switching a switch 14. Thus, the rotating direction of the rotor 13 in the motor is arbitrarily controlled by switching the switch 14.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、超音波モータ等の振動子型アクチュエータに
おける電気−機械変換素子として用いて好適な圧電振動
子およびこの圧電振動子を駆動源とする振動子型アクチ
ュエータに関する。
Detailed Description of the Invention (Field of Industrial Application) The present invention relates to a piezoelectric vibrator suitable for use as an electro-mechanical conversion element in a vibrator-type actuator such as an ultrasonic motor, and a piezoelectric vibrator that can be used as a drive source. This invention relates to a vibrator type actuator.

(従来の技術) 振動子型アクチュエータは、電気エネルギーを機械エネ
ルギーに変換する電気機械変換手段として圧電振動子を
用いる。振動子型アクチュエータのうちで超音波モータ
の開発が特に活発に行われており、既に実用化されてい
る。
(Prior Art) A vibrator type actuator uses a piezoelectric vibrator as an electromechanical conversion means for converting electrical energy into mechanical energy. Among vibrator-type actuators, ultrasonic motors are being particularly actively developed and have already been put into practical use.

超音波モータは、圧電振動子の振動形態によって3種類
の方式に分けられる。第1の方式は進行波形またはモー
ド回転型と呼ばれるものであり、第2の方式は定在波を
利用する定在波型であり、第3の方式が複合共振型と呼
ばれるものである。
Ultrasonic motors can be divided into three types depending on the vibration form of the piezoelectric vibrator. The first method is called a traveling wave type or mode rotation type, the second method is a standing wave type that uses standing waves, and the third method is called a complex resonance type.

(発明が解決しようとする課題) ところが、従来から知られている超音波モータはどの方
式のものも構造が複雑で高価であった。
(Problems to be Solved by the Invention) However, all conventionally known ultrasonic motors have complex structures and are expensive.

また、その従来の超音波モータでは、圧電振動子に供給
する電力は該モータの回転方向を制御するためには多相
である必要があり、該電力を供給する駆動回路は複雑で
あった。
Furthermore, in the conventional ultrasonic motor, the power supplied to the piezoelectric vibrator must be multiphase in order to control the rotational direction of the motor, and the drive circuit for supplying the power is complicated.

そこで、本発明の目的は超音波モータ等の振動子型アク
チュエータの構造やその振動子型アクチュエータの駆動
回路を簡単にできるとともに振動変位方向を容易に制御
できる圧電振動子およびアクチュエータを提供すること
にある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator and actuator that can simplify the structure of a vibrator type actuator such as an ultrasonic motor and the drive circuit of the vibrator type actuator, and can easily control the direction of vibration displacement. be.

(課題を解決するための手段) 前述の課題を解決するなめに本発明の圧電振動子は、分
極軸に垂直な両端面に@極が形成されて成る柱状の圧電
磁器を備え、少なくとも一方の前記端面に形成されてい
る電極が2つの電極に分割されている。また、分極軸に
垂直な両端面に電極が形成されて成る柱状の圧電磁器を
備え、少なくとも一方の前記端面に形成されている電極
は一部にのみ形成されている。さらに、上述圧電振動子
の側面に生ずる振動変位を用いてアクチュエーターを構
成している。
(Means for Solving the Problems) In order to solve the above-mentioned problems, the piezoelectric vibrator of the present invention includes a columnar piezoelectric ceramic in which @poles are formed on both end faces perpendicular to the polarization axis. The electrode formed on the end face is divided into two electrodes. Further, it includes a columnar piezoelectric ceramic in which electrodes are formed on both end faces perpendicular to the polarization axis, and the electrodes formed on at least one of the end faces are formed only in a part. Furthermore, an actuator is constructed using the vibrational displacement generated on the side surface of the piezoelectric vibrator.

(作用) 本発明では1分極軸に垂直な第1と第2の端面を有し、
前記端面に電極が形成されている圧電振動子において、
少なくとも一方の端面に形成されている電極を電気的に
2つの電極に分割している。
(Function) The present invention has first and second end surfaces perpendicular to the polarization axis,
In the piezoelectric vibrator in which electrodes are formed on the end face,
An electrode formed on at least one end surface is electrically divided into two electrodes.

そして、この分割された電極への信号印加を切り換える
ことによって振動子の振動変位の向きを制御可能として
いる。また、端面に形成される電極は全面ではなく一部
とすることにより非対称要素を導入して一方向性の振動
変位を実現している。
The direction of the vibration displacement of the vibrator can be controlled by switching the signal application to the divided electrodes. In addition, by forming the electrode on a part of the end face rather than the entire surface, an asymmetrical element is introduced and unidirectional vibration displacement is realized.

更に、かかる構成の圧電振動子を励振したときに生ずる
振動変位を用いることにより簡易、高精度且つ振動方向
制御可能なアクチュエータが得られる。
Furthermore, by using the vibration displacement that occurs when the piezoelectric vibrator having such a configuration is excited, a simple, highly accurate actuator that can control the vibration direction can be obtained.

(実施例) 次に本発明について詳細に説明する。(Example) Next, the present invention will be explained in detail.

先ず、本発明の詳細な説明の前に本発明の基本原理を説
明する。
First, before a detailed explanation of the present invention, the basic principle of the present invention will be explained.

本発明の圧電振動子は前筒した複合共振型に属し、圧電
磁器は柱状の形をなしている。圧電磁器が円柱状である
圧電振動子の結合共振(複合共振の一種)について以下
に詳しく述べる。
The piezoelectric vibrator of the present invention belongs to a front-tube complex resonance type, and the piezoelectric ceramic has a columnar shape. The coupled resonance (a type of compound resonance) of a piezoelectric vibrator whose piezoelectric ceramic is cylindrical will be described in detail below.

円柱型振動子の振動は、長さ方向の振動と断面の広がり
振動の二次元結合と考えてよいことが既に報告されてい
る0円柱型振動子の長さを9、密度をρ、ヤング率をE
とすると、その方向の縦振動の共振角周波数ω、は、 円柱形振動子の半径をr、ポアソン比をσとすると、径
方向の共振角周波数ω、は、 で与えられる。ただしζは次のベッセル関数Jの根であ
る。
It has already been reported that the vibration of a cylindrical oscillator can be considered as a two-dimensional combination of longitudinal vibration and cross-sectional spreading vibration.0 The length of the cylindrical oscillator is 9, the density is ρ, and Young's modulus is E
Then, the resonant angular frequency ω of longitudinal vibration in that direction is: If the radius of the cylindrical vibrator is r and the Poisson's ratio is σ, then the resonant angular frequency ω in the radial direction is given by: However, ζ is the root of the following Bessel function J.

ζJo(ζ)−(1−δ)Jl (ζ)=O(3)一般
に等方性の振動体における共振角周波数は次式で与えら
れる。
ζJo(ζ)−(1−δ)Jl(ζ)=O(3) Generally, the resonance angular frequency in an isotropic vibrating body is given by the following equation.

ω’  (1−3μ2−2μ′) 一部4 (1−μ2)(ω、′+ωb2+ω、2)+ω
2 (ω、2ωb2+ωb2ω。
ω'(1-3μ2-2μ') Part 4 (1-μ2) (ω,'+ωb2+ω,2)+ω
2 (ω, 2ωb2+ωb2ω.

+ω。′ω、2)−ω12ωb2ω。+ω. ′ω, 2)−ω12ωb2ω.

=OC!4) 円柱の3次元結合振動の基本式は(4)式において ω1=ωJ+ ωb=ω「、ω噛=ωr  (5)とお
いて得られる。
=OC! 4) The basic formula for the three-dimensional coupled vibration of a cylinder is obtained as follows in equation (4): ω1=ωJ+ ωb=ω", ω=ωr (5).

とω、の2次元結合の式と一致する。長さ方向に分極し
た圧電磁器を駆動するときには第1項から得られる なる振動は観測されない。
It matches the expression of the two-dimensional combination of and ω. When driving a piezoelectric ceramic polarized in the length direction, the vibration obtained from the first term is not observed.

(7)式から、第1、第2共振周波数は、−ω2 (ω
12+ω、2)十ωj2ωr2)=O(6) (6)式において第2項は、 ただし、 なる関係式を用いると、 ω4 (1〜η2)−ω2 (ωJ2+ω 2)十ω 
2ω、2=O(7) で与えられる。
From equation (7), the first and second resonance frequencies are −ω2 (ω
12+ω, 2) 10ωj2ωr2)=O(6) In equation (6), the second term is, however, using the relational expression ω4 (1~η2)−ω2 (ωJ2+ω 2)10ω
2ω, 2=O(7) is given.

P〉〉1すなわちr>>Aの極限においてはω。P>>1, that is, ω in the limit of r>>A.

は(2)式に等しくなり、ω2は、 となり、見かけ上結合係数がηであるようなω1となっ
て薄円板の厚み振動に相当するものが得られる。
is equal to equation (2), and ω2 becomes ω1 such that the apparent coupling coefficient is η, which corresponds to the thickness vibration of a thin disk.

またpくく1すなわちr<<j!なる極限においてはω
1は(1)式に一致し、ω1は、となり、無限長円柱の
径方向の拡がり振動に相当する。
Also, pkuku1, that is, r<<j! In the limit where ω
1 corresponds to equation (1), and ω1 becomes, which corresponds to the radial expansion vibration of an infinitely long cylinder.

第8図には、同一材料で直径りや長さしを変えた場合、
及び定数の異なる材料(71Bと910)を用いて第1
共振周波数f1と第2共振周波数で2を(9)、(10
)式を用いて計算した計算値と、実測値の対応について
示されている。やや誤差が大きいがこれは上記の計算式
が純弾性振動の場合、あるいは電気機械結合係数の小さ
い振動子の場合に適用されるものであるのに対して、こ
の実験で用いた振動子の電気機械結合係数が70%以上
と大きく、弾性的な振動に加えて圧電性の項が無視でき
なくなったための誤差が生じたものと考えられる。
Figure 8 shows the results when the diameter and length are changed using the same material.
and the first one using materials (71B and 910) with different constants.
2 at the resonant frequency f1 and the second resonant frequency (9), (10
) The correspondence between calculated values calculated using the formula and actually measured values is shown. Although the error is somewhat large, this is because the above calculation formula is applied to pure elastic vibration or to a vibrator with a small electromechanical coupling coefficient, whereas the electric vibration of the vibrator used in this experiment is It is thought that the error occurred because the mechanical coupling coefficient was as large as 70% or more, and in addition to the elastic vibration, the piezoelectric term could no longer be ignored.

第9図には円柱状振動子(FM−71B材)の自由アド
ミ・yタンスおよび位相の周波′tIl#性が示されて
いる0周波数の低い方から、第1共振、第2共振に対応
する。振動姿態については第1共振の振動が、軸方向と
径方向の振動が互いに逆位相であるような振動(逆相モ
ードの結合振動)に対応し、第2共振は軸方向と径方向
の振動が互いに同位相であるような振動(同相モードの
結合振動)である、逆相モードの場合には、直交する2
つの振動がπ/2の位相差をもって励振されることにな
るので振動子の側面において楕円運動が形成される。同
相モードの振動においても楕円運動は形成されるが、振
動強度が第1共振の振動に比べて弱いため楕円変位も小
さいことが予想される。
Figure 9 shows the free admittance and phase frequency 'tIl# characteristics of a cylindrical vibrator (FM-71B material).The first resonance and the second resonance correspond to the lowest zero frequency. do. Regarding the vibration mode, the first resonance corresponds to vibration in which the axial and radial vibrations are in antiphase to each other (coupled vibration in antiphase mode), and the second resonance corresponds to the vibration in the axial and radial directions. are in phase with each other (coupled vibration of in-phase modes), and in the case of anti-phase mode, two orthogonal
Since two vibrations are excited with a phase difference of π/2, an elliptical motion is formed on the side surface of the vibrator. Although elliptical motion is also formed in the in-phase mode vibration, the elliptical displacement is expected to be small because the vibration intensity is weaker than the first resonance vibration.

以下、上記振動B様について数式的な検討を行う。Below, the above-mentioned vibration B will be mathematically studied.

第10図に示すように円柱の直径なa、長さをρ、径方
向をr、軸方向を2と座標を定めることにする0円柱内
での任意の質点における2方向の変位をus、r方向の
変位をU、とし、それぞれJイ U s  =UIIo−c o  s ωt     
          (14)Ur  =Uro−c 
o s  (ωt−φ)        (15)で表
わされるものとする。ここで、U、、、U、。はそれぞ
れの変位振幅、ω、φは超音波振動の角周波数および位
相を表わす。
As shown in Figure 10, the coordinates are defined as the diameter of the cylinder a, the length ρ, the radial direction r, and the axial direction 2.0 The displacement in two directions at any mass point within the cylinder is us, Let the displacement in the r direction be U, and JiUs = UIIo-cos ωt
(14) Ur = Uro-c
o s (ωt−φ) (15). Here, U,,,U,. are the respective displacement amplitudes, and ω and φ represent the angular frequency and phase of the ultrasonic vibration.

また、 IJto=A−s i nkt ・z        
(16)A:z=±1/2、r=oにおける軸方向変位
、B : z=o、r = a / 2における径方向
変位、K、、k、:波長定数、 Jl :1次のBe5sel関数 である、逆相モードで振動する場合にはφ−π/2であ
るので、質点の軌跡は、で表わされ、楕円運動を描くこ
とがわかる。ここでは、φをπ/2としたが、任意のφ
について質点の軌跡は楕円になる。
Also, IJto=A-s inkt ・z
(16) A: axial displacement at z=±1/2, r=o, B: radial displacement at z=o, r=a/2, K,,k,: wavelength constant, Jl: first-order When it vibrates in the anti-phase mode, which is the Be5sel function, it is φ-π/2, so the locus of the mass point is expressed as , and it can be seen that it draws an elliptical motion. Here, φ is set to π/2, but any φ
The locus of the mass point becomes an ellipse.

さて、円柱状振動子の2つの振動成分の結合度は、その
寸法比および材料定数により決定されるが、振動変位も
これらと相関関係を持っている。
Now, the degree of coupling between the two vibration components of a cylindrical vibrator is determined by their size ratio and material constant, and vibration displacement also has a correlation with these.

寸法比および材料定数と変位分布の関係を明らかにする
なめに、寸法比、および材料定数の異なる振動子を用い
て、それぞれの側面における機械的な変位分布を観測し
、相違点を検討した。実験方法は、ベアリング(直径1
9+m、幅5關)を振動子側面に圧着し、その回転方向
を変位の方向、ベアリングの回転数を変位の強さに対応
づけている。
In order to clarify the relationship between the dimension ratio and material constants and displacement distribution, we observed the mechanical displacement distribution on each side using vibrators with different dimension ratios and material constants, and examined the differences. The experimental method was to use a bearing (diameter 1
9+m wide, 5 mm wide) is crimped to the side of the vibrator, and its rotation direction corresponds to the direction of displacement, and the number of rotations of the bearing corresponds to the strength of displacement.

第11図に今回使用した振動子の材料定数を示す。Figure 11 shows the material constants of the vibrator used this time.

ここに示した数値は、長さが10mA、直径が10m、
の場合であり、分極は4種類とも軸方向に施されている
。また、以下の説明は全て第1共振の振動モードに関し
て行っている。
The numbers shown here are 10 mA in length, 10 m in diameter,
In this case, all four types of polarization are applied in the axial direction. In addition, all the following explanations are made regarding the vibration mode of the first resonance.

第12図に観測結果である円柱状振動子表面における変
位分布特性を示す、ここで、矢印の方向はベアリングの
回転方向、長さは回転の強さを表わしている。電極形状
の対称性から非軸対称振動は圧電的には励振されないの
で、軸方向の変位は2=0平面を境に対照的な分布を示
している。また、4種類の振動子とも全く同じ変位分布
が観測されている。第13図は楕円運動変位形成の概念
について示す楕円運動変位形式のモード図である。
FIG. 12 shows the observed displacement distribution characteristics on the surface of the cylindrical vibrator, where the direction of the arrow represents the direction of rotation of the bearing, and the length represents the strength of rotation. Because non-axisymmetric vibrations are not piezoelectrically excited due to the symmetry of the electrode shape, the axial displacement shows a symmetrical distribution with the 2=0 plane as the boundary. Furthermore, exactly the same displacement distribution was observed for the four types of vibrators. FIG. 13 is a mode diagram of an elliptic displacement format showing the concept of elliptic displacement formation.

第12図の観測結果とよく対応しているのが分かる。It can be seen that this corresponds well to the observation results in Figure 12.

第14図は、振動子に印加する電圧と振動子側面に圧着
されたベアリングの回転数との関係について測定したも
のである9回転は、電気機械結合係数kss、および圧
電定数dssの値が大きな71B材、91C材の振動子
が強く、これらの値が小さい71A材、71D材の振動
子では回転が弱いことが読み取れるが、これは、縦振動
と径方向振動の弾性的な結合度の差によるものと考えら
れる。
Figure 14 shows the measured relationship between the voltage applied to the vibrator and the rotational speed of the bearing crimped to the side surface of the vibrator.9 rotations indicates that the electromechanical coupling coefficient kss and the piezoelectric constant dss have large values. It can be seen that the vibrators made of materials 71B and 91C are strong, while the vibrators made of materials 71A and 71D, which have smaller values, have weaker rotation, but this is due to the difference in the degree of elastic coupling between longitudinal vibration and radial vibration. This is thought to be due to

次に、寸法比(p=長さ/直径)との関係を検討するた
めに、p=1のときに最も強い回転運動が観測された7
1B材を用いて、寸法比pを、0.73−0.5と変化
させたときの変位分布について、上述の方法により観測
を行った。その結果、変位分布はpが1の・場合と同様
に、2=0平面に関して対称的であるが、第14図に示
すように、同一人力に対する回転数はp=1の場合に比
べて弱くなることが分かる。
Next, in order to examine the relationship with the size ratio (p = length / diameter), the strongest rotational motion was observed when p = 1.
Using the 1B material, the displacement distribution when the dimension ratio p was varied from 0.73 to 0.5 was observed by the method described above. As a result, the displacement distribution is symmetrical with respect to the 2=0 plane, as in the case where p is 1, but as shown in Figure 14, the number of rotations for the same human force is weaker than in the case where p=1. I know it will happen.

以上の結果から、効率的に楕円運動変位を形成するため
には、電気機械結合係数ksx、および圧電定数dos
が大きく、寸法比1の振動子を選択すれば良い。
From the above results, in order to efficiently form elliptical displacement, the electromechanical coupling coefficient ksx and the piezoelectric constant dos
It is sufficient to select a vibrator with a large dimension ratio of 1.

円柱型圧電振動子において長さ方向(軸方向)の変位が
大きい円柱状側面を移動子に接触させ、長さ方向の変位
が小さい円柱状側面を固定部で支持することにより、効
率のよいアクチュエータを実現できる。
In a cylindrical piezoelectric vibrator, the cylindrical side surface with a large displacement in the longitudinal direction (axial direction) is brought into contact with the mover, and the cylindrical side surface with a small longitudinal displacement is supported by the fixed part, resulting in an efficient actuator. can be realized.

但し、上記各図に示した圧電振動子では振動変位の方向
を制御することができないから、この振動子を駆動力源
とするアクチュエータでは振動子を任意の方向へ動かす
ことはできない、超音波モータとしての応用を考えた場
合、楕円運動変位は同−側面で一方向性である方が梢成
上好ましい。
However, since the piezoelectric vibrator shown in each figure above cannot control the direction of vibration displacement, an actuator that uses this vibrator as a driving force source cannot move the vibrator in any direction. When considering the application as such, it is preferable for the elliptic motion displacement to be unidirectional on the same side.

そこで、本発明の圧電振動子では柱状の圧電磁器の端面
に形成しである電極のうちの少なくとも一方を2つの部
分に分割した構造を採用することにより、振動変位の向
きを任意に容易に制御できるようにしている。このよう
に2つに分割された電極を設けておけば、交流電力を電
極AおよびBに切り替えて印加するだけで、圧電磁器に
おける振動変位の向きを任意に変更することができる。
Therefore, in the piezoelectric vibrator of the present invention, by adopting a structure in which at least one of the electrodes formed on the end face of the columnar piezoelectric ceramic is divided into two parts, the direction of vibration displacement can be easily controlled arbitrarily. I'm trying to make it possible. By providing two divided electrodes in this manner, the direction of vibration displacement in the piezoelectric ceramic can be arbitrarily changed by simply switching and applying alternating current power to electrodes A and B.

また、本発明では、片側の電極の一部を取り除いて、非
対称要素を導入することにより非軸対称な径方向振動を
励振させ、同一側面において、一方向性の振動変位を実
現している。
Further, in the present invention, by removing a part of the electrode on one side and introducing an asymmetric element, non-axisymmetric radial vibration is excited, and unidirectional vibration displacement is realized on the same side surface.

第1図には片側電極を2分割した振動子の一実施例の斜
視図が、第2図(a)、(b)および(c)にはそれぞ
れ第1図実施例の左側面図、正面図および右側面図が示
されている。
Fig. 1 is a perspective view of an embodiment of a vibrator in which one electrode is divided into two, and Figs. 2 (a), (b), and (c) are a left side view and a front view of the embodiment in Fig. 1, respectively. Figure and right side view are shown.

本発明における片側電極2分割による振動変位方向制御
は、前述の通り、楕円運動変位の方向は縦振動と径方向
振動の位相関係で決定される。即ち、振動の位相制御が
可能であれば、振動子側面における楕円運動変位の方向
も制御可能であることに着目したものである。
In the vibration displacement direction control by dividing one side electrode into two in the present invention, as described above, the direction of the elliptical displacement is determined by the phase relationship between the longitudinal vibration and the radial vibration. That is, the present invention focuses on the fact that if the phase of vibration can be controlled, the direction of elliptical displacement on the side surface of the vibrator can also be controlled.

本発明では、振動子11を構成する圧電磁器1aの片側
の電極を2分割しくlbA、lbe )、入力信号を印
加する!@の選択により、径方向振動の位相を電気的制
御可能としている0図中、1cは他側の電極を示す。
In the present invention, the electrode on one side of the piezoelectric ceramic 1a constituting the vibrator 11 is divided into two (lbA, lbe), and an input signal is applied! By selecting @, the phase of radial vibration can be electrically controlled. In Figure 1, 1c indicates the electrode on the other side.

第3図は、縦振動と非軸対称振動の結合振動の振動モー
ド図である。図に示す如く、電極1bAに信号が印加さ
れた場合には点線で示す径方向振動が、電極1bsに信
号が印加された場合には実線で示される径方向振動がそ
れぞれ励振される。
FIG. 3 is a vibration mode diagram of coupled vibration of longitudinal vibration and non-axisymmetric vibration. As shown in the figure, when a signal is applied to the electrode 1bA, radial vibration is excited as shown by the dotted line, and when a signal is applied to the electrode 1bs, radial vibration is excited as shown by the solid line.

信号を印加する電極をスイッチによって切り換えること
により径方向振動をπだけ移相させることができるため
、楕円運動変位の方向を変えることが可能となり、同一
側面において楕円変位の反転が°実現できる。
Since the radial vibration can be phase-shifted by π by switching the electrode to which the signal is applied, the direction of the elliptical displacement can be changed, and the elliptical displacement can be reversed on the same side.

第4図には本発明をアクチュエータとして用いた実施例
が示されている。
FIG. 4 shows an embodiment in which the present invention is used as an actuator.

第4図のアクチュエータは超音波モータであり、第1図
実施例の圧電振動子を駆動力源とし、この圧電振動子1
1に接触するロータ13を回転させる(本図ではロータ
13の回転軸は省略されている)、12は交流電源であ
り、14は端子P、Qを有するスイッチである。ロータ
13は、圧電磁器1aの円柱状側面のうち軸方向の振動
変位の大きい部分に接触させである(但し、第4図では
ロータ13を圧電磁器1aに圧接させる手段は省いであ
るが、その圧接手段にはバネなどが用いられる)。スイ
ッチ14の切り替えにより、交流電源12の出力電圧を
端子PまたはQに切り替える。
The actuator in FIG. 4 is an ultrasonic motor, which uses the piezoelectric vibrator of the embodiment in FIG. 1 as a driving force source, and this piezoelectric vibrator 1
12 is an AC power source, and 14 is a switch having terminals P and Q. The rotor 13 is brought into contact with a portion of the cylindrical side surface of the piezoelectric ceramic 1a that experiences a large vibrational displacement in the axial direction (however, in FIG. 4, the means for bringing the rotor 13 into pressure contact with the piezoelectric ceramic 1a is omitted; (A spring or the like is used as the pressure welding means.) By switching the switch 14, the output voltage of the AC power supply 12 is switched to the terminal P or Q.

上述した如く、第4図の超音波モータにおけるロータ1
3の回転方向はスイッチ14の切り替えにより任意に制
御できる。
As mentioned above, the rotor 1 in the ultrasonic motor shown in FIG.
The rotational direction of 3 can be arbitrarily controlled by switching the switch 14.

第4図の超音波モータでは、駆動回路が単相の交流電源
12とスイッチ14だけでこでき、圧電振動子11自体
も円柱型圧電磁器1aと電極1bA、1b@およびIC
とでなる極く単純な構成である。
In the ultrasonic motor shown in FIG. 4, the drive circuit is made up of only a single-phase AC power supply 12 and a switch 14, and the piezoelectric vibrator 11 itself is composed of a cylindrical piezoelectric ceramic 1a, electrodes 1bA, 1b@, and an IC.
It has an extremely simple configuration.

次に電極の一部を取り除いた例を説明する。Next, an example in which part of the electrode is removed will be explained.

第5図には電極の一部を取り除いた振動子および振動子
表面における変位分布特性の観測結果が模式的に示され
ている0図から明らかなように、軸方向に変位の大きな
部分は周方向の変位が小さく、周方向に変位の大きな部
分では軸方向に変位が小さく、中心軸に関して非対称な
変位分布を示している。軸方向の変位は同一側面におい
て一方向性であり、さらに軸方向に変位の小さい側面部
分が存在するため、支持の容易性ら合わせ持っているこ
とが確認できる。
Figure 5 schematically shows the observation results of the displacement distribution characteristics on the vibrator surface with a part of the electrode removed.As is clear from Figure 0, the part with large displacement in the axial direction is In areas where the displacement in the direction is small and the displacement is large in the circumferential direction, the displacement in the axial direction is small, showing an asymmetrical displacement distribution with respect to the central axis. The displacement in the axial direction is unidirectional on the same side surface, and since there is a side surface portion where the displacement is small in the axial direction, it can be confirmed that support is easy.

第6図には、本例における振動子の自由ドアミツタンス
および位相の周波数特性が示されており、第1共振点が
電極を取り除いたことにより共振割れを起こしているこ
とがわかる。
FIG. 6 shows the free admittance and phase frequency characteristics of the vibrator in this example, and it can be seen that resonance cracking occurs at the first resonance point due to the removal of the electrode.

また、第7図には楕円運動変位形成のモード図が示され
ており、観測結果によく対応していることがわかる。
Further, FIG. 7 shows a mode diagram of elliptic motion displacement formation, and it can be seen that it corresponds well to the observation results.

上述の通り、電極の一部を取り除くことにより、電極の
対称性を失わせて振幅変位の大きい面と小さい面を確認
できる。
As described above, by removing a portion of the electrode, the symmetry of the electrode is lost, and surfaces with large and small amplitude displacements can be identified.

(発明の効果) 以上に詳しく述べたように、本発明によれば、超音波モ
ータ等の振動子型アクチュエータの構造や振動子型アク
チュエータの駆動回転を極く単純にできる圧電振動子を
提供できる。また、振動子の振動変位方向の制御が容易
に可能となる。
(Effects of the Invention) As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric vibrator that can extremely simplify the structure of a vibrator type actuator such as an ultrasonic motor and the drive rotation of the vibrator type actuator. . Furthermore, the direction of vibration displacement of the vibrator can be easily controlled.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例を示す斜視図、第2図(a)
、(b)および(c)はそれぞれ第1図実施例の左側面
図、正面図および右側面図、第3図は本実施例における
縦振動と非軸対称振動の結合振動を示す図、第4図は第
1図実施例を駆動力源とする超音波モータの概念図、第
5図は本発明の他の実施例における振動子表面における
変位分布特性図、第6図は第5図実施例における自由ア
ドミッタンスおよび位相の周波数特性図、第7図は第5
図実施例における楕円運動変位構成のモード図、第8図
〜第14図は本発明の基本原理を説明するための図で、
第8図は円柱状振動子の結合共振周波数の計算値および
実測値を示す図、第9図は自由アドミッタンスおよび位
相の周波数特性図、第10図は円柱の座標系を示す図、
第11図は実験に用いた振動子および材料諸室数を示す
図、第12図は円柱状振動子表面における変位分布特性
図、第13図は楕円運動変位形成のモード図、第14図
は印加電圧とベアリングの回転数の関係を示す図である
。 la−・・圧電磁器、lbA、lbs 、1c・・・電
極、11・・・振動子、12・・・交流電源、13・・
・ロータ、14・・・スイッチ。
Fig. 1 is a perspective view showing an embodiment of the present invention, Fig. 2(a)
, (b) and (c) are respectively a left side view, a front view, and a right side view of the embodiment in FIG. 1, and FIG. Fig. 4 is a conceptual diagram of an ultrasonic motor using the embodiment shown in Fig. 1 as a driving force source, Fig. 5 is a displacement distribution characteristic diagram on the surface of a vibrator in another embodiment of the present invention, and Fig. 6 is a diagram showing the embodiment shown in Fig. 5. The frequency characteristic diagram of free admittance and phase in the example, Figure 7 is
The mode diagrams of the elliptic motion displacement configuration in the illustrated embodiment and FIGS. 8 to 14 are diagrams for explaining the basic principle of the present invention,
Fig. 8 is a diagram showing calculated values and actual measured values of the coupled resonance frequency of a cylindrical resonator, Fig. 9 is a diagram showing the frequency characteristics of free admittance and phase, and Fig. 10 is a diagram showing the coordinate system of the cylinder.
Figure 11 is a diagram showing the number of oscillators and material chambers used in the experiment, Figure 12 is a displacement distribution characteristic diagram on the surface of a cylindrical oscillator, Figure 13 is a mode diagram of elliptic motion displacement formation, and Figure 14 is FIG. 3 is a diagram showing the relationship between applied voltage and bearing rotation speed. la--piezoelectric ceramic, lbA, lbs, 1c...electrode, 11...vibrator, 12...AC power supply, 13...
・Rotor, 14...Switch.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)分極軸に垂直な両端面に電極が形成されて成る柱
状の圧電磁器を備え、少なくとも一方の前記端面に形成
されている電極が2つの電極に分割されていることを特
徴とする圧電振動子。
(1) A piezoelectric device comprising a columnar piezoelectric ceramic having electrodes formed on both end faces perpendicular to the polarization axis, and characterized in that the electrode formed on at least one end face is divided into two electrodes. vibrator.
(2)分極軸に垂直な両端面のうち少なくとも一端面に
2つに分割された電極が形成された柱状の圧電磁器を備
え、前記圧電磁器の共振周波数と等しい周波数の交流信
号が印加されたときに側面に生する振動変位を用いるこ
とを特徴とする振動子型アクチュエータ。
(2) A columnar piezoelectric ceramic is provided in which an electrode divided into two is formed on at least one of both end surfaces perpendicular to the polarization axis, and an alternating current signal having a frequency equal to the resonant frequency of the piezoelectric ceramic is applied. A vibrator-type actuator characterized by using vibrational displacement that sometimes occurs on the side.
(3)分極軸に垂直な両端面に電極が形成されて成る柱
状の圧電磁器を備え、少なくとも一方の前記端面に形成
されている電極は一部にのみ形成されていることを特徴
とする圧電振動子。
(3) A piezoelectric device comprising a columnar piezoelectric ceramic in which electrodes are formed on both end faces perpendicular to the polarization axis, and the electrode formed on at least one of the end faces is formed only on a part of the piezoelectric ceramic. vibrator.
(4)分極軸に垂直な両端面のうち少なくとも一端面の
一部に電極が形成された柱状の圧電磁器を備え、前記圧
電磁器の共振周波数と等しい周波数の交流信号が印加さ
れたときに側面に生ずる振動変位を用いることを特徴と
する振動子型アクチュエータ。
(4) A columnar piezoelectric ceramic in which an electrode is formed on at least a part of one of both end surfaces perpendicular to the polarization axis, and when an alternating current signal of a frequency equal to the resonance frequency of the piezoelectric ceramic is applied, the side surface A vibrator-type actuator characterized in that it uses vibrational displacement caused by.
(5)前記圧電磁器が円柱状であり、前記分極軸が前記
圧電磁器の軸に平行であることを特徴とする請求項1ま
たは3記載の圧電振動子。
(5) The piezoelectric vibrator according to claim 1 or 3, wherein the piezoelectric ceramic has a cylindrical shape, and the polarization axis is parallel to the axis of the piezoelectric ceramic.
(6)前記一方の端面に形成されている前記分割された
2つの電極は同じ大きさの半円状をなしており、前記他
方の端面には全面に電極が形成されていることを特徴と
する請求項1記載の圧電振動子。
(6) The two divided electrodes formed on the one end surface have semicircular shapes of the same size, and the electrodes are formed on the entire surface of the other end surface. The piezoelectric vibrator according to claim 1.
(7)前記圧電磁器は、電気機械結合係数および圧電定
数が大きく、長さと直径が略等しいことを特徴とする請
求項1または3記載の圧電振動子。
(7) The piezoelectric vibrator according to claim 1 or 3, wherein the piezoelectric ceramic has a large electromechanical coupling coefficient and a large piezoelectric constant, and has substantially equal length and diameter.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102708665A (en) * 2012-06-04 2012-10-03 深圳市励创微电子有限公司 Broadband code signal detection circuit and wireless remote signal decoding circuit thereof

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