JPH0322875A - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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JPH0322875A
JPH0322875A JP1152110A JP15211089A JPH0322875A JP H0322875 A JPH0322875 A JP H0322875A JP 1152110 A JP1152110 A JP 1152110A JP 15211089 A JP15211089 A JP 15211089A JP H0322875 A JPH0322875 A JP H0322875A
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piezoelectric
vibrator
torsional
electrodes
voltage
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Hiroshi Shimizu
洋 清水
Tetsuo Yoshida
哲男 吉田
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Tokin Corp
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Abstract

PURPOSE:To obtain a piezoelectric torsional oscillator, simple in working, having no bonding process and small in variability, by providing a piezoelectric torsional oscillation unit and a piezoelectric longitudinal oscillation unit. CONSTITUTION:A piezoelectric composite longitudinal-torsional oscillator 21 is provided with diagonal electrodes 22, 23, formed at the central part of a piezoelectric ceramics pipe 20' so as to have an angle of 45 deg. with respect to the longitudinal direction of the pipe, whereby a piezoelectric torsional oscillation unit 21a is constituted. Circumferential electrodes 24, 25 are formed at one end of the piezoelectric torsional oscillator unit 21a whereby a piezoelectric torsional oscillator unit 21b is constituted. The circumferential electrodes 26, 27 are also formed at the other end of the piezoelectric oscillation unit 21a whereby another piezoelectric oscillation unit 21b' is constituted. When an AC voltage is impressed on the piezoelectric composite longitudinal-torsional oscillator 21, the piezoelectric ceramics pipe 20' is resonated so that both ends thereof are twisted whereby the pipe can be utilized as an ultrasonic motor. According to this method, the ultrasonic motor, simple in structure and small in the variability of characteristics, may be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】 C産業上の利用分野] 本発明はOAi″a等に用いられる圧電振動子の超音波
振動を用いたいわゆる超音波モータに関し、特に構造が
簡単な縦一捩り振動子型超音波モータに関する。
[Detailed Description of the Invention] Field of Industrial Application] The present invention relates to a so-called ultrasonic motor using ultrasonic vibration of a piezoelectric vibrator used in OAi''a, etc., and in particular to a vertical torsional vibrator with a simple structure. Regarding type ultrasonic motor.

[従来の技術] 第7図は従来の縦一捩り振動子型超音波モータに用いら
れている縦一捩り複合振動子101の構造例の斜視図で
あり、圧電捩り振動子102および圧電縦振動子103
が金属円柱104を介して接合され、さらにこれらの両
側に金属円柱105及び106が接合されている。この
場合、金属円柱105の代りに金属円筒を用いることが
できる。
[Prior Art] FIG. 7 is a perspective view of a structural example of a vertical single-torsion composite vibrator 101 used in a conventional vertical single-torsion vibrator type ultrasonic motor, in which a piezoelectric torsional vibrator 102 and a piezoelectric longitudinal vibration Child 103
are joined via a metal cylinder 104, and metal cylinders 105 and 106 are further joined to both sides thereof. In this case, a metal cylinder can be used instead of the metal cylinder 105.

第8図は第7図に示した縦一捩り複合振動子101を用
いて構成した超音波モータの構造例を示す斜視図であり
、縦一捩り複合振動子101の一方の端部の中心に軸1
07が立てられ、軸受け8により回転自在に支持された
ローター109がこの軸107に貫通され、コイルバネ
110及びナット111により前記縦一捩り複合振動子
101の端面に圧接される。
FIG. 8 is a perspective view showing an example of the structure of an ultrasonic motor configured using the vertical single-twist composite vibrator 101 shown in FIG. axis 1
07 is erected, and a rotor 109 rotatably supported by a bearing 8 is passed through the shaft 107 and is pressed against the end face of the single vertical twist composite vibrator 101 by a coil spring 110 and a nut 111.

第9図は第7図に示した圧電捩り振動子の構造例であり
、円板状の圧電捩り振動子102は4個の扇形の圧電セ
ラミックス板112が接合されて構成されている。各々
の扇形の圧電セラミックス板112は、第10図に示す
ようにそれぞれ扇の弦の方向112aに分極処理が施さ
れており、扇形の圧電セラミックス板112の上下面に
電極を施し、一ヒ下電極間に直流電圧を印加すると扇形
の圧電セラミックス板には板厚と平行なすべり歪みが発
生する。
FIG. 9 shows an example of the structure of the piezoelectric torsional vibrator shown in FIG. 7, and the disc-shaped piezoelectric torsional vibrator 102 is constructed by joining four fan-shaped piezoelectric ceramic plates 112. Each fan-shaped piezoelectric ceramic plate 112 is polarized in the chord direction 112a of the fan, as shown in FIG. When a DC voltage is applied between the electrodes, a sliding strain parallel to the plate thickness occurs in the fan-shaped piezoelectric ceramic plate.

第9図に示すように、4個の扇形の圧電セラミックス板
112が円板状に接合されている場合、各々の扇形の圧
電セラミックス板112に発生したすべり歪みは合成さ
れて、円板の上下面が捩じれるような捩り歪みとなる。
As shown in FIG. 9, when four fan-shaped piezoelectric ceramic plates 112 are joined in a disk shape, the sliding strain generated in each sector-shaped piezoelectric ceramic plate 112 is combined and This results in torsional distortion such that the lower surface is twisted.

交流電圧を印加した場合には、このような、捩じり歪み
を生ずる振動(捩り振動と呼ぶ)が励起される。
When an alternating current voltage is applied, such vibrations that cause torsional distortion (referred to as torsional vibrations) are excited.

第9図に示した従来の圧電捩り振動子を作製する場合は
、まず、第11図に示すように、幅方向に分極処理され
た圧電セラミックス板113から超音波加工により扇形
の圧電セラミックス板を打ち抜いて第10図に示すよう
な扇の弦の方向に分極された扇形の圧電セラミックス板
112を作り、これを4個接着して円板状に構成するか
、第12図(a)に示すように、厚さ方向に分極された
圧電セラミックスのブロック114から、第12図(b
)に示すように分極方向が対角線の方向となるような正
四角柱115を切り出し、第12図(c)に示すように
、4本の正四角柱115を分極方向が閉じたループとな
るように重ねて接着し、第12図(d)に示すように外
周をパイプ状に研磨した後、第12図(e)に示すよう
に円板状に切断することにより形成している。
When manufacturing the conventional piezoelectric torsional vibrator shown in FIG. 9, first, as shown in FIG. 11, a fan-shaped piezoelectric ceramic plate is formed by ultrasonic processing from a piezoelectric ceramic plate 113 that has been polarized in the width direction. Punch out a fan-shaped piezoelectric ceramic plate 112 polarized in the direction of the chord of the fan as shown in FIG. 10, and then glue four pieces together to form a disk-like structure, as shown in FIG. 12(a). From the piezoelectric ceramic block 114 polarized in the thickness direction as shown in FIG.
), cut out a regular square prism 115 with the polarization direction diagonal, and stack four regular square prisms 115 so that the polarization direction forms a closed loop, as shown in FIG. 12(c). The outer periphery is polished into a pipe shape as shown in FIG. 12(d), and then cut into a disk shape as shown in FIG. 12(e).

第13図は従来の圧電縦振動子103の一橋造例であり
、両面に電極が施され、厚さ方向に分極された圧電セラ
ミックス円板116に電圧を印加し厚さ方向の振動(縦
振動と呼ぶ)を得るものである。
FIG. 13 shows an example of a conventional piezoelectric vertical vibrator 103 made of Hitotsubashi construction, in which a voltage is applied to a piezoelectric ceramic disk 116 that has electrodes on both sides and is polarized in the thickness direction. ).

低い印加電圧で大きな振動振幅を得るために、薄い圧電
セラミックス円板116゛を複数個積層して、第14図
の103′のように構成する場合もある。
In order to obtain a large vibration amplitude with a low applied voltage, a plurality of thin piezoelectric ceramic discs 116' may be laminated to form a structure as shown at 103' in FIG. 14.

[発明が解決しようとする課題] 第9図に示した従来の圧電捩り振動子102においては
、複数個の圧電セラミックスが接着されて構或されてい
るため、接着による特性のばらつきが大きい。また、第
10図、第11図および第12図に示したように圧電捩
り振動子102を得るための加工が複雑で、コスト的に
も非常に費用がかかるものであった。さらに捩り振動と
縦振動を同時に得ようとした場合は第9図に示した圧電
捩り振動子102と第13図又は第14図に示した圧電
縦振動子103を接着するため、やはり接着による特性
のばらつきと接着コストがかかるという問題があった。
[Problems to be Solved by the Invention] Since the conventional piezoelectric torsional vibrator 102 shown in FIG. 9 is constructed by bonding a plurality of piezoelectric ceramics, there are large variations in characteristics due to bonding. Furthermore, as shown in FIGS. 10, 11, and 12, the processing to obtain the piezoelectric torsional vibrator 102 is complicated and extremely expensive. Furthermore, when trying to obtain torsional vibration and longitudinal vibration at the same time, the piezoelectric torsional vibrator 102 shown in FIG. 9 and the piezoelectric longitudinal vibrator 103 shown in FIG. There was a problem with the variation in the amount of adhesive and the high cost of adhesion.

そこで、本発明の技術的課題は、以上に示した従来の圧
電捩り振動子および縦一捩り複合振動子の欠点を除去し
、加工が簡単で、接着工程のない、ばらつきの少ない圧
電捩り振動子を提供し、さらに同一の圧電素子に縦振動
子を形成した圧電縦一捩り複合振動子を用いた超音波モ
ータを提供することにある。
Therefore, the technical problem of the present invention is to eliminate the drawbacks of the conventional piezoelectric torsional vibrator and vertical single-torsion composite vibrator as described above, and to create a piezoelectric torsional vibrator that is easy to process, does not require a bonding process, and has little variation. Furthermore, it is an object of the present invention to provide an ultrasonic motor using a piezoelectric vertical single-torsion composite vibrator in which a longitudinal vibrator is formed in the same piezoelectric element.

また、本発明の別の技術的課題は中空状の圧電縦一捩り
複合振動子を用いることにより、中空部を貫通する軸に
より二つのローターを前記圧電縦−捩り複合振動子の両
端部に圧接した2ローター型の超音波モータを提供する
ことにある。
Another technical problem of the present invention is to use a hollow piezoelectric vertical-torsional composite vibrator, and to press two rotors to both ends of the piezoelectric vertical-torsional composite vibrator by means of a shaft penetrating the hollow part. An object of the present invention is to provide a two-rotor type ultrasonic motor.

[課題を解決するための手段] 本発明によれば、中心軸の回りに捩り振動を行う圧電捩
り振動子部と該捩り振動子部の一端及び他端に夫々連続
して前記中心軸方向に伸縮振動を行う第1及び第2の圧
電縦振動子部とを有する複合振動子と、前記複合振動子
の両端に夫々の一端が接合された一対の金属材と、前記
一対の金属材の他端に夫々圧接される一対のロータとを
有し、前記複合振動子は外屑面を有する圧電セラミック
スを含み、前記圧電捩り振動子部は、前記外周面の中央
部に前記中心軸に対して交差する方向で交互に配された
複数の第1の斜め電極及び複数の第2の斜め電極を有し
、前記第1の圧電縦振動子部は前記外周面の一端部に円
周方向に交互に配された複数の第1の周電極及び複数の
第2の周電極とを有し、前記第2の圧電縦振動子部は前
記外周面の他端部に円周方向に交互に配された複数の第
3の周電極及び複数の第4の周電極とを有することを特
徴とする超音波モータが得られる。
[Means for Solving the Problems] According to the present invention, a piezoelectric torsional vibrator section that torsionally vibrates around a central axis, and a piezoelectric torsional vibrator section that is continuous with one end and the other end of the torsional vibrator section in the direction of the central axis. A composite vibrator having first and second piezoelectric vertical vibrator sections that perform stretching and contraction vibrations, a pair of metal materials each having one end joined to both ends of the composite vibrator, and a pair of metal materials other than the pair of metal materials. a pair of rotors that are press-contacted at respective ends, the composite vibrator includes piezoelectric ceramics having an outer scrap surface, and the piezoelectric torsion vibrator section has a center portion of the outer circumferential surface that is disposed relative to the central axis. It has a plurality of first diagonal electrodes and a plurality of second diagonal electrodes arranged alternately in intersecting directions, and the first piezoelectric vertical vibrator section has a plurality of first diagonal electrodes arranged alternately in the circumferential direction at one end of the outer peripheral surface. a plurality of first circumferential electrodes and a plurality of second circumferential electrodes arranged on the outer circumferential surface; An ultrasonic motor characterized by having a plurality of third circumferential electrodes and a plurality of fourth circumferential electrodes is obtained.

[作 用] 本発明に用いる圧電縦一捩り複合振動子は、圧電セラミ
ックスの外周面の中央部に形或された圧電捩り振動子部
と、圧電セラミックスの外周面の一端部及び他端部に夫
々形威された第1及び第2の圧電縦振動子部とを有する
[Function] The piezoelectric longitudinal single-torsion composite vibrator used in the present invention includes a piezoelectric torsional vibrator portion formed at the center of the outer circumferential surface of the piezoelectric ceramic, and a piezoelectric torsional vibrator portion formed at one end and the other end of the outer circumferential surface of the piezoelectric ceramic. It has first and second piezoelectric vertical vibrator parts each having a shape.

圧電捩り振動子部は、この圧電セラミックスの長さ方向
に対して好ましくは45″の方向に第1及び第2の斜め
電極を施して二端子とし、つぎにこの第1及び第2の斜
め電極を用いて前記圧電セラミックスに分極方向は前記
第1及び第2の斜め電極の長さ方向と直角な方向に分極
処理を施している。この状態で前記第1及び第2の斜め
電極に電圧を印加すると、電圧の極性が分極時の電圧の
極性と同じ場合は分極の方向に伸び歪みが発生し、電圧
の極性がこの分極時の電圧の極性と逆の場合は分極の方
向に縮み歪みが発生する。分極方向に伸びあるいは縮み
歪みが発生した場合は分極方向と直角な方向にはそれぞ
れこれらと反対に縮みあるいは伸び歪みが発生する。
The piezoelectric torsional vibrator section has two terminals by forming first and second diagonal electrodes in a direction preferably 45'' with respect to the length direction of the piezoelectric ceramic, and then attaching the first and second diagonal electrodes. The piezoelectric ceramic is polarized in a direction perpendicular to the length direction of the first and second diagonal electrodes.In this state, a voltage is applied to the first and second diagonal electrodes. When applied, if the polarity of the voltage is the same as the polarity of the voltage during polarization, stretching will occur in the direction of polarization, and if the polarity of the voltage is opposite to the polarity of the voltage during polarization, contraction will occur in the direction of polarization. When an elongation or contraction strain occurs in the polarization direction, a contraction or expansion strain occurs in the direction perpendicular to the polarization direction, respectively, in the opposite direction.

以上の結果として前記圧電セラミックスに捩り変位が発
生する。
As a result of the above, torsional displacement occurs in the piezoelectric ceramic.

また、第1の圧電縦振動子部は、この圧電セラミックス
の円周方向に第1及び第2の周電極を施して二端子とし
、つぎに、この第1及び第2の周電極を用いて前記圧電
セラミックスに前記第1及び第2の電極の長さ方向と直
角な方向即ち圧電セラミックスの長さ方向に分極処理を
施している。
Further, the first piezoelectric vertical vibrator section is formed by applying first and second circumferential electrodes in the circumferential direction of the piezoelectric ceramic to form two terminals, and then using the first and second circumferential electrodes. The piezoelectric ceramic is polarized in a direction perpendicular to the length direction of the first and second electrodes, that is, in the length direction of the piezoelectric ceramic.

この状態で前記第1及び第2の周電極に電圧を印加する
と、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極
の方向に伸び歪みが発生し、電圧の極性が分極時の電圧
の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する。
When a voltage is applied to the first and second circumferential electrodes in this state, if the polarity of the voltage is the same as the polarity of the voltage at the time of polarization, an elongation strain will occur in the direction of polarization, and the polarity of the voltage will change to the voltage at the time of polarization. If the polarity is opposite to that of , shrinkage distortion occurs in the direction of polarization.

即ち、圧電セラミックスの長さ方向の伸縮変位を発生す
る。
That is, an expansion/contraction displacement is generated in the length direction of the piezoelectric ceramic.

更に、12の圧電縦振動子部は、第1の圧電縦振動部と
同様に圧電セラミックスの円周方向に第3及び第4の周
電極を施して二端子とし、つぎにこの第3及び第4の周
電極を用いて前記圧電セラミックスに前記第3及び第4
の電極の長さ方向と直角な方向即ち圧電セラミックスの
長き方向に分極処理を施している。
Further, in the 12 piezoelectric vertical vibrator sections, third and fourth circumferential electrodes are applied in the circumferential direction of the piezoelectric ceramic to form two terminals, similarly to the first piezoelectric longitudinal vibrator section. The third and fourth electrodes are attached to the piezoelectric ceramic using four circumferential electrodes.
Polarization treatment is performed in a direction perpendicular to the length direction of the electrode, that is, in the long direction of the piezoelectric ceramic.

この状態で前記第3及び第4の周電極に電圧を印加する
と、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合は分極
の方向に伸び歪みが発生(2、電圧の極性が分極時の電
庄の極性と逆の場含は分極の方向に縮み歪みが発生する
When a voltage is applied to the third and fourth circumferential electrodes in this state, if the polarity of the voltage is the same as the polarity of the voltage during polarization, an elongation strain will occur in the direction of polarization (2. In the case where the polarity is opposite to the electric field, shrinkage distortion occurs in the direction of polarization.

即ち,圧電セラミックスの長さ方向の伸縮変位を発生す
る。
That is, an expansion/contraction displacement is generated in the length direction of the piezoelectric ceramic.

従って、このような圧電縦一捩り複合振動子の両端に、
圧電セラミックスの中心軸と直交する方向での断面が同
形の金属材を接合し、更に、端部にローターを圧接する
ことにより、この圧電縦一捩り複合振動子両端の金属材
の中心軸に沿う市内で捩り振動と伸縮振動との合成され
た複合振動をローターの回転振動に変換することができ
る。
Therefore, at both ends of such a piezoelectric vertical single-torsion composite vibrator,
By joining metal materials with the same cross-section in the direction orthogonal to the central axis of the piezoelectric ceramics, and further press-fitting a rotor to the ends, the piezoelectric vertical single-twist composite vibrator can be made along the central axis of the metal materials at both ends. The combined vibration of torsional vibration and stretching vibration within the city can be converted into rotational vibration of the rotor.

[実施例] 以下本発明の実施例について図面を参照しなから詳しく
説明する。
[Examples] Examples of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

実施例1 第1図は本発明の第1の実施例に係る超音波モータの構
造を示す斜視図である。第4図に示す中空の圧電縦一捩
り複合振動子21の両側に金属円j 筒5、及び6゛を接合し、この圧電縦一捩り複合振動子
21に支持枠3を設けてランジュバン型縦一捩り振動子
31とし、このランジュバン型縦一捩り振動子31の中
空部に軸7を貫通させ、この軸7の両端部に軸受8,8
′により回転自在に支持されたローター9.9をスプリ
ング1.0, .1 0 ”を介してナット11.11
−によりランジュバン型縦一捩り振動子31の端面に夫
々圧接することにより構成されている。
Embodiment 1 FIG. 1 is a perspective view showing the structure of an ultrasonic motor according to a first embodiment of the present invention. Metal circular tubes 5 and 6 are joined to both sides of the hollow piezoelectric single-torsion composite vibrator 21 shown in FIG. A single-torsion vibrator 31 is used. A shaft 7 is passed through the hollow part of the Langevin type vertical single-torsion vibrator 31, and bearings 8, 8 are attached to both ends of the shaft 7.
A rotor 9.9 rotatably supported by springs 1.0, . 1 0” through nut 11.11
- are configured by being pressed against the end faces of the Langevin-type vertical single-torsion vibrator 31, respectively.

このランジュバン型縦一捩り振動子31は、捩り振動の
共振の節の付置となるリング状の支持枠3で支持するこ
とにより、安定な支持が可能になる。
This Langevin-type vertical torsional vibrator 31 can be stably supported by supporting it with a ring-shaped support frame 3 on which a resonance node of torsional vibration is attached.

第2図(a) ,(b) ,(c)及び(d)は本発明
の実施例に係る超音波モータに用いる圧電縦一捩り複合
振動子の動作原理の説明図である。
FIGS. 2(a), (b), (c), and (d) are explanatory diagrams of the operating principle of a piezoelectric vertical single-torsion composite vibrator used in an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention.

第2図(a)において、圧電セラミックス板17の一方
の面には互いに交差する複数個の第1及び第2の交差電
極18.19が形成され、それぞれ一つおきに、第1及
び第2の共通電極18′19′に接続され、交差指電極
を形或している。
In FIG. 2(a), a plurality of first and second crossed electrodes 18 and 19 are formed on one surface of the piezoelectric ceramic plate 17, and the first and second crossed electrodes are arranged every other electrode. The common electrode 18'19' is connected to the common electrode 18'19', forming an interdigital electrode.

第2図(b)において破線の矢印はこのような交差指電
極を用いて分極処理を施したときの分極の向きを示して
おり、第2図(c) , (d)は第2図(b)のよう
に分極処理された圧電セラミックス板17に直流電圧を
印加した場合に発生する歪みの状態を示しており、実線
の矢印は電界の向きを示している。
In Fig. 2(b), the dashed arrow indicates the direction of polarization when polarization processing is performed using such interdigital electrodes, and Fig. 2(c) and (d) indicate the direction of polarization in Fig. 2(c) and (d). It shows the state of distortion that occurs when a DC voltage is applied to the polarized piezoelectric ceramic plate 17 as shown in b), and the solid arrow indicates the direction of the electric field.

第2図(C)に示すように、電圧の極性が分極時の電圧
の極性と同じ場合は分極の方向に伸び歪みが発生し、一
方、第2図(d)に示すように電圧の極性が分極時の電
圧の極性と逆の場合は分極の方向に縮み歪みが発生する
As shown in Figure 2 (C), when the polarity of the voltage is the same as the polarity of the voltage during polarization, an elongation strain occurs in the direction of polarization, while as shown in Figure 2 (d), the polarity of the voltage If the polarity is opposite to the polarity of the voltage during polarization, shrinkage distortion occurs in the direction of polarization.

第3図は圧電セラミックスパイプ20の両端面が図の実
線の矢印のように捩じれている場合に、圧電セラミック
スパイプ20の外周面に発生する歪みの状態を示してお
り、圧電セラミックスパイプ20の軸方向に対して45
9の角度の方向で、しかも捩じれの破線で示す矢印の向
きに伸び縮みが発生し、これと一点鎖線の矢印で示す直
角な方向に縮み歪みが発生している。
FIG. 3 shows the state of distortion that occurs on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic pipe 20 when both end surfaces of the piezoelectric ceramic pipe 20 are twisted as shown by the solid arrows in the figure. 45 for the direction
Expansion and contraction occur in the direction of the angle 9, moreover in the direction of the arrow indicated by the broken torsional line, and shrinkage distortion occurs in the direction perpendicular to this as indicated by the dashed-dotted line.

従って、第3図に示す圧電セラミックスバイブ20の外
周面に、第2図で示したような第1及び第2の交差指電
極を、第3図に示すように交差指の方向が圧電セラミッ
クスバイブ20の長さ方向に対して45″の角度となる
ように形成し、この第1及び第2の交差指電極を用いて
分極処理を行い、同じ交差指電極に直流電圧を印加する
と、電圧の極性が分極時の電圧の極性と同じ場合には、
圧電セラミックスバイブ20は一方向に捩じれ、電圧の
極性が分極時の電圧の極性と逆の場合は逆方向に捩じれ
る。
Therefore, first and second interdigital electrodes as shown in FIG. 2 are placed on the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic vibrator 20 shown in FIG. The first and second interdigital electrodes are formed at an angle of 45'' with respect to the length direction of the electrode, and when polarization is performed using the first and second interdigital electrodes and a DC voltage is applied to the same interdigital electrodes, the voltage If the polarity is the same as the polarity of the voltage during polarization,
The piezoelectric ceramic vibrator 20 is twisted in one direction, and twisted in the opposite direction when the polarity of the voltage is opposite to the polarity of the voltage during polarization.

さらに、圧電セラミックスパイプ20の外周面に、第2
図に示したような第1及び第2の交差指電極を交差指の
方向が圧電セラミックス20の円周方向と平行に形成し
、この第1及び第2の交差指電極を用いて分極処理を行
い、同じ交差指電極に直流電圧を印加すると、電圧の極
性が分極時の電圧の極性と同じ場合に圧電セラミックス
は長さ方向に伸び、電圧の極性が分極時の電圧の極性と
逆の場合は逆に長さ方向に縮む。
Furthermore, a second
First and second interdigital electrodes as shown in the figure are formed so that the direction of the interdigital fingers is parallel to the circumferential direction of the piezoelectric ceramic 20, and polarization processing is performed using the first and second interdigital electrodes. When a DC voltage is applied to the same interdigital electrode, the piezoelectric ceramic will elongate in the length direction if the polarity of the voltage is the same as the polarity of the voltage during polarization, and if the polarity of the voltage is opposite to the polarity of the voltage during polarization. On the contrary, it shrinks in the length direction.

第4図は本発明の実施例に係る超音波モータに用いられ
る圧電縦一捩り複合振動子の一例を示す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing an example of a piezoelectric vertical single-torsion composite vibrator used in an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention.

この図において、圧電縦一捩り複合振動子21は、圧電
セラミックスバイブ20′の外周面の中央部に長さ方向
に対して45°の角度となるように、互いに交差する複
数の第1及び第2の斜め電極22および23が形威され
、それぞれ第1及び第2の共通電極22′及び23′に
接続されて圧電捩り振動部21aが構成されている。さ
らに、圧電捩り振動子部21aの一端側の外周面に円周
方向と平行に互いに交差する複数の第1及び第2の周電
極24及び25が形或され、それぞれ図中で同じ番号の
電極が第3及び第4の共通電極24′及び25゛により
電気的に接続されて第1の圧電捩り振動子部21bが構
成されている。一方、圧電捩り振動子部21aの他端側
の外周面に円周方向と平行に互いに交差する複数の第3
及び第4の周電極26および27が形成され、それぞれ
図中で同じ番号の電極が第5及び第6の共通電極26′
及び27′により電気的に接続されて第2の圧電捩り振
動子部21eが構或されている。
In this figure, the piezoelectric longitudinal single-torsion composite vibrator 21 has a plurality of first and second oscillators that intersect with each other at an angle of 45° with respect to the length direction at the center of the outer peripheral surface of the piezoelectric ceramic vibrator 20'. Two oblique electrodes 22 and 23 are formed and connected to first and second common electrodes 22' and 23', respectively, to constitute a piezoelectric torsional vibration section 21a. Further, a plurality of first and second circumferential electrodes 24 and 25 are formed on the outer circumferential surface of one end side of the piezoelectric torsional vibrator section 21a, and are arranged parallel to the circumferential direction and intersect with each other. are electrically connected by third and fourth common electrodes 24' and 25' to constitute a first piezoelectric torsional vibrator section 21b. On the other hand, a plurality of third
and fourth circumferential electrodes 26 and 27 are formed, and the electrodes with the same numbers in the figure are the fifth and sixth common electrodes 26', respectively.
and 27' to form a second piezoelectric torsional vibrator section 21e.

第4図において、第1及び第2の共通電極22′及び2
3′間に直流高電圧を印加して分極処理を施した後、こ
の複合振動子の共振周波数に等しい周波数の交流電圧を
印加すれば圧電セラミックスパイプ20′は両端部が捩
じれるように共振する。
In FIG. 4, first and second common electrodes 22' and 2
After performing polarization by applying a DC high voltage between the piezoelectric ceramic pipes 20' and 3', if an AC voltage with a frequency equal to the resonant frequency of this composite vibrator is applied, the piezoelectric ceramic pipe 20' resonates so that both ends are twisted. .

同様にして第1及び第2の周電極24及び25間.及び
第3及び第4の周電極26及び27間の夫々に直流高電
圧を印加して分極処理を施した後、上記捩りの共振周波
数に等しい交流電圧を印加すれば圧電セラミックスパイ
プ20−は捩りの共振周波数でこの圧電セラミックスバ
イブの長さ方向に伸縮振動(縦振動)する。縦振動に対
しては共振周波数と異なった周波数となるため、縦方向
の振動振幅は共振時の振幅よりかなり小さくなるが実用
的には充分な振幅が得られる。
Similarly, between the first and second circumferential electrodes 24 and 25. After applying a DC high voltage between the third and fourth circumferential electrodes 26 and 27 to perform polarization treatment, the piezoelectric ceramic pipe 20- is twisted by applying an AC voltage equal to the resonance frequency of the twist. This piezoelectric ceramic vibrator undergoes stretching vibration (longitudinal vibration) in the length direction at a resonance frequency of . For longitudinal vibration, the frequency is different from the resonance frequency, so the vibration amplitude in the longitudinal direction is considerably smaller than the amplitude at resonance, but a sufficient amplitude can be obtained for practical use.

第5図は本発明の実施例に係る超音波モータに用いられ
るバイブ状ランジュバン型圧電縦一捩り複合振動子の一
橋造例を示す斜視図である。この図において、バイブ状
ランジュバン型圧電縦一捩り複合振動子31は、第4図
に示した圧電縦一捩り複合振動子21の両側に長さの等
しい金属バイプ5、及び6を接合し、更に中央部分にリ
ング状の支持枠3を設けて構成されている。圧電縦一捩
り複合振動子21の位置は第5図に示したように、捩り
振動子の部分の中心がランジュバン型振動子31の全長
のほぼ半分の位置に配置する。この場合、ランジュバン
型振動子31の振動状態は第6図に示すようになる。す
なわち、捩り振動に対しては、ランジュバン型振動子3
1の中央部分が振動の節となる。
FIG. 5 is a perspective view showing an example of a hitotsubashi structure of a vibrator-shaped Langevin type piezoelectric vertical single-torsion composite vibrator used in an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention. In this figure, a vib-shaped Langevin type piezoelectric single-torsion composite vibrator 31 is constructed by joining metal vipes 5 and 6 of equal length to both sides of the piezoelectric single-torsion vertical composite vibrator 21 shown in FIG. It is constructed by providing a ring-shaped support frame 3 in the central part. As shown in FIG. 5, the piezoelectric longitudinal single-torsion composite vibrator 21 is located at a position where the center of the torsional vibrator portion is approximately half of the total length of the Langevin type vibrator 31. In this case, the vibration state of the Langevin type vibrator 31 is as shown in FIG. In other words, for torsional vibration, the Langevin type oscillator 3
The central part of 1 becomes the node of vibration.

第6図(a)及び第6図(b)は、このランジュバン型
振動子31に共振周波数に等しい交流電圧を印加したと
きの振動状態を示す図で、横軸はランジュバン型振動子
の捩り振動子の中央を中心にして、両端に向かう方向で
の位置を示している。
6(a) and 6(b) are diagrams showing the vibration state when an AC voltage equal to the resonance frequency is applied to this Langevin type vibrator 31, and the horizontal axis represents the torsional vibration of the Langevin type vibrator. The position is shown from the center of the child toward both ends.

第6図(a)から分かるように、ランジュバン型振動子
31の両端部は、実線で示す右回りの場合も、破線で示
す左回りの場合も、互いに逆向きに捩じれる。
As can be seen from FIG. 6(a), both ends of the Langevin type vibrator 31 are twisted in opposite directions, both in the case of clockwise rotation as shown by the solid line and in the case of counterclockwise rotation as shown by the broken line.

また、第6図(b)から分かるように、縦振・イ゛)に
対しては、印加電圧の周波数を捩りの共振周波数と同じ
周波数とすると、ランジュバン型振動子31の両端部は
捩りの共振と同期して長さ方向の伸縮振動をする。
Furthermore, as can be seen from FIG. 6(b), for longitudinal vibration (i), if the frequency of the applied voltage is the same as the torsion resonance frequency, both ends of the Langevin type vibrator 31 will be affected by the torsion. Extends and contracts in the length direction in synchronization with resonance.

このとき、前記圧電縦一捩り複合振動子21の両側に形
成された伸縮歪みの発生部夫々に印加する電圧の極性を
逆向きにすると、伸縮歪みの方向は、第9図に示すもの
と同様になる。
At this time, if the polarities of the voltages applied to the stretching strain generation parts formed on both sides of the piezoelectric vertical single-torsion composite vibrator 21 are reversed, the direction of the stretching strain will be the same as that shown in FIG. become.

(7たがって、ランジュバン型縦一捩り振動子31の端
部が、振動の節の位置から両側に伸びるときの捩り振動
の変位の向きが同じになり、ランジュバン型縦一捩り振
動子31の端部に同じ向きに楕円振動が発生する。この
場合に、捩り振動の印加電圧または縦振動印加の位相を
180°変化させると楕円振動の向きが逆転する。
(7) Therefore, when the ends of the Langevin-type vertical single-torsion oscillator 31 extend from the vibration node position to both sides, the direction of displacement of torsional vibration is the same, and the end of the Langevin-type vertical single-torsion oscillator 31 In this case, if the voltage applied to the torsional vibration or the phase of the applied longitudinal vibration is changed by 180°, the direction of the elliptical vibration is reversed.

[発明の効果] 以上示したように、本発明によれば、超音波モータ用圧
電縦振動子及び捩り振動子として、通常一般的に適用さ
れているプレス成型技術により容易に製造することが可
能な圧電セラミックスを用いて、これらの外周面にこれ
も一般的な技術である電極印刷を施すことにより圧電捩
り振動子及び圧電縦振動子が一体形状として得られるた
め、製造が容易で、接着工程や複雑な加工工程による特
性のばらつきの少ない圧電縦一捩り複合振動子が得られ
る。
[Effects of the Invention] As shown above, according to the present invention, piezoelectric longitudinal vibrators and torsional vibrators for ultrasonic motors can be easily manufactured using commonly used press molding techniques. The piezoelectric torsional vibrator and the piezoelectric longitudinal vibrator can be obtained as an integrated piece by using a piezoelectric ceramic and printing electrodes on their outer peripheral surfaces, which is also a common technique. It is possible to obtain a piezoelectric longitudinal single-torsion composite vibrator with less variation in characteristics due to complicated processing steps.

また、本発明によれば、圧電縦一捩り複合振動子の形状
をバイブ状に構成した場合には、中空部に軸を貫通させ
、2つのローターを同時に回転させる方式の超音波モー
タができる。
Further, according to the present invention, when the piezoelectric longitudinal single-torsion composite vibrator is configured in the shape of a vibrator, an ultrasonic motor of a type in which a shaft penetrates a hollow portion and rotates two rotors simultaneously can be obtained.

このように、圧電縦一捩り複合振動子を用いて超音波モ
ータを構成すれば構造が簡単で、特性のばらつきの少な
い超音波モータが得られ、実用的な効果が大きい。
In this way, if an ultrasonic motor is constructed using a piezoelectric vertical single-torsion composite vibrator, an ultrasonic motor with a simple structure and less variation in characteristics can be obtained, which has great practical effects.

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

第1図は本発明の実施例に係る超音波モータの構造例を
示す斜視図、第2図(a),(b),(c),(d)は
交差指電極を用いて分極および電圧印加を行った場合の
歪みの発生状態の説明図、第3図は圧電セラミックスバ
イブを捩ったときの歪みの発生状態の説明図、第4図は
本発明の実施例に係る圧電縦一捩り複合振動子の構造を
示す斜視図、第5図は本発明の超音波モータに用いられ
るバイブ状ランジュバン振動子の構造例を示す斜視図、
第6図(a)は第5図のパイプ状ランジュバン振動子の
捩り変位の相対的な大きさを示す図、第6図(b)は第
5図のパイプ状ランジュバン振動子の伸び変位の相対的
な大きさを示す図、第7図は従来の縦一捩リランジュバ
ン型振動子の構造を示す斜視図、第8図は従来の縦一捩
り型超音波モータの構造を示す斜視図、第9図は従来の
捩り振動子の構造を示す斜視図、第10図および第11
図は従来の捩り振動子の製造工程の説明図、第12図(
a),(b),(C).(d),(e)は従来の捩り振
動子の製造工程の説明図、第13図は従来の縦振動子の
構造を示す斜視図、第14図は従来の縦振動子の他の構
造を示す斜視図であ.:7a {・唖中、3・・・支持枠、4,5,6,・・・金属円
筒、7・・・軸、8.8″・・・軸受、9.9’・・・
ローター10.10’・・・スプリング、11.11’
 ・・・ナット、17・・・圧電セラミックス薄板、1
8.19:交差指電極、18’.19’・・・共通電極
、20・・・圧電セラミックスパイプ、21・・・圧電
縦一捩り複合振動子、21a・・・圧電捩り振動子部、
2lb22c・・・圧電縦振動部、22.23・・・斜
め電極、23,24,25.26・・・周電極、22′
23’  24’.25’,26−,27=・・・共通
電極、2つ・・・圧電捩り振動子部、30・・・圧電縦
振動部、101・・・圧電縦一捩り複合振動子、102
・・・圧電捩り振動子、103,103−・・・圧電縦
振動子、104,105,106・・・金属円柱、10
7・・・軸、108・・・軸受、109・・・ローター
・110・・・スプリング、111・・・ナット、11
2・・・扇型圧電セラミックス板、113,114・・
・圧電セラミックス板、115・・・圧電セラミックス
板角柱、116,116−・・・圧電セラミックス円板
である。 第3図 第8図 第5図 第6圓 第9図 第10図 第11図 第13図 第14図 k103
FIG. 1 is a perspective view showing a structural example of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2(a), (b), (c), and (d) show polarization and voltage using interdigital electrodes. FIG. 3 is an explanatory diagram of how distortion occurs when a piezoelectric ceramic vibrator is twisted. FIG. 4 is an illustration of how distortion occurs when a piezoelectric ceramic vibrator is twisted. FIG. FIG. 5 is a perspective view showing a structure of a composite vibrator; FIG.
FIG. 6(a) is a diagram showing the relative magnitude of torsional displacement of the pipe-shaped Langevin oscillator in FIG. FIG. 7 is a perspective view showing the structure of a conventional vertical single-twist Lilangevin type vibrator; FIG. 8 is a perspective view showing the structure of a conventional vertical single-twist ultrasonic motor; Figure 9 is a perspective view showing the structure of a conventional torsional vibrator, Figures 10 and 11.
The figure is an explanatory diagram of the manufacturing process of a conventional torsional oscillator, and Figure 12 (
a), (b), (C). (d) and (e) are explanatory diagrams of the manufacturing process of a conventional torsional oscillator, Fig. 13 is a perspective view showing the structure of a conventional longitudinal oscillator, and Fig. 14 shows another structure of a conventional longitudinal oscillator. This is a perspective view. :7a {・Must, 3...Support frame, 4,5,6,...Metal cylinder, 7...Shaft, 8.8''...Bearing, 9.9'...
Rotor 10.10'...Spring, 11.11'
... Nut, 17 ... Piezoelectric ceramic thin plate, 1
8.19: Interdigital electrode, 18'. 19'... Common electrode, 20... Piezoelectric ceramic pipe, 21... Piezoelectric vertical single torsion composite vibrator, 21a... Piezoelectric torsional vibrator section,
2lb22c... Piezoelectric longitudinal vibration part, 22.23... Oblique electrode, 23, 24, 25.26... Circumferential electrode, 22'
23'24'.25', 26-, 27=...Common electrode, two...Piezoelectric torsional vibrator section, 30...Piezoelectric longitudinal vibrating section, 101...Piezoelectric longitudinal one-torsion composite vibrator, 102
...Piezoelectric torsional vibrator, 103,103-...Piezoelectric longitudinal vibrator, 104,105,106...Metal cylinder, 10
7... Shaft, 108... Bearing, 109... Rotor, 110... Spring, 111... Nut, 11
2...Fan-shaped piezoelectric ceramic plate, 113, 114...
- Piezoelectric ceramic plate, 115... piezoelectric ceramic plate prism, 116, 116-... piezoelectric ceramic disc. Figure 3 Figure 8 Figure 5 Figure 6 Circle Figure 9 Figure 10 Figure 11 Figure 13 Figure 14 Figure k103

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.中心軸の回りに捩り振動を行う圧電捩り振動子部と
該捩り振動子部の一端及び他端に夫々連続して前記中心
軸方向に伸縮振動を行う第1及び第2の圧電縦振動子部
とを有する複合振動子と、前記複合振動子の両端に夫々
の一端が接合された一対の金属材と、前記一対の金属材
の他端に夫々圧接される一対のロータとを有し、 前記複合振動子は外周面を有する圧電セラミックスを含
み、 前記圧電捩り振動子部は、前記外周面の中央部に前記中
心軸に対して交差する方向で交互に配された複数の第1
の斜め電極及び複数の第2の斜め電極を有し、前記第1
の圧電縦振動子部は前記外周面の一端部に円周方向に交
互に配された複数の第1の周電極及び複数の第2の周電
極とを有し、前記第2の圧電縦振動子部は前記外周面の
他端部に円周方向に交互に配された複数の第3の周電極
及び複数の第4の周電極とを有することを特徴とする超
音波モータ。
1. A piezoelectric torsional vibrator section that performs torsional vibration around a central axis, and first and second piezoelectric longitudinal vibrator sections that continuously perform stretching vibration in the direction of the central axis at one end and the other end of the torsional vibrator section, respectively. a pair of metal materials each having one end joined to both ends of the composite vibrator, and a pair of rotors press-welded to the other ends of the pair of metal materials, respectively; The composite vibrator includes a piezoelectric ceramic having an outer circumferential surface, and the piezoelectric torsion vibrator section includes a plurality of first electrodes arranged alternately in a direction intersecting the central axis at the center of the outer circumferential surface.
a diagonal electrode and a plurality of second diagonal electrodes;
The piezoelectric vertical vibrator section has a plurality of first circumferential electrodes and a plurality of second circumferential electrodes arranged alternately in the circumferential direction at one end of the outer circumferential surface, and the second piezoelectric longitudinal vibration An ultrasonic motor characterized in that the child part has a plurality of third circumferential electrodes and a plurality of fourth circumferential electrodes arranged alternately in the circumferential direction at the other end of the outer circumferential surface.
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