JPH0374178A - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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Publication number
JPH0374178A
JPH0374178A JP1208960A JP20896089A JPH0374178A JP H0374178 A JPH0374178 A JP H0374178A JP 1208960 A JP1208960 A JP 1208960A JP 20896089 A JP20896089 A JP 20896089A JP H0374178 A JPH0374178 A JP H0374178A
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JP
Japan
Prior art keywords
ultrasonic
piezoelectric
elastic body
ultrasonic motor
elastic
Prior art date
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Pending
Application number
JP1208960A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaki Yamaguchi
昌樹 山口
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Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Brother Industries Ltd filed Critical Brother Industries Ltd
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Publication of JPH0374178A publication Critical patent/JPH0374178A/en
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Abstract

PURPOSE:To improve driving efficiency and to reduce the weight by providing a piezoelectric body for producing ultrasonic vibration upon application of an AC electrical signal and an elastic member to be excited, and composing the piezoelectric body and the elastic member of high polymer material. CONSTITUTION:In an ultrasonic vibrator 11, a first piezoelectric body 22 for exciting bending vibration in an elastic body 21 is applied onto the upper face of a rectangular elastic plate 12 and second piezoelectric bodies 23a, 23b for exciting longitudinal vibration is applied onto the side face approximately perpendicular to the elastic plate 12. The piezoelectric bodies 22, 23 are composed of high polymer material, and the elastic body 21 is composed of approximately same high polymer material as that of the piezoelectric bodies 22, 23.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、超音波モータに関するものである。[Detailed description of the invention] [Industrial application field] The present invention relates to an ultrasonic motor.

[従来技術] 従来、電気的な振動を機械的な振動に変換して超音波振
動を発生させるために、電歪あるいは磁歪素子を利用し
た電気機械変換素子が用いられている。超音波振動子は
これらの電気機械変換素子に共振弾性体を着設し、振幅
の大きな超音波振動を得るように構成されている。電歪
素子は磁歪素子に比べその蓄積エネルギが大きいため、
男在では電歪を利用したPZT系圧電セラミックが用い
られていることが多い。
[Prior Art] Conventionally, electromechanical transducers using electrostrictive or magnetostrictive elements have been used to convert electrical vibrations into mechanical vibrations and generate ultrasonic vibrations. The ultrasonic vibrator has a resonant elastic body attached to these electromechanical transducers, and is configured to obtain ultrasonic vibration with a large amplitude. Electrostrictive elements have a larger stored energy than magnetostrictive elements, so
In many cases, PZT-based piezoelectric ceramics that utilize electrostriction are used.

上記超音波振動子では、機械強度が大きい、内部損が小
さい、また安価であるという点から、主にアルミニウム
、黄銅等の金属材料が共振弾性体の材料として用いられ
てきた。
In the ultrasonic vibrator described above, metal materials such as aluminum and brass have been mainly used as the material for the resonant elastic body because of their high mechanical strength, low internal loss, and low cost.

一方、上述のような超音波振動子を好適に利用して、超
音波モータの開発が盛んに行われている。
On the other hand, ultrasonic motors are being actively developed by suitably utilizing the above-mentioned ultrasonic transducers.

超音波モータの動作原理は、略楕円振動が励起される超
音波振動子に対して、所定圧力で可動子を当接させ、略
楕円振動する各質点と可動子との摩擦力により可動子を
駆動するものである。
The operating principle of an ultrasonic motor is that a movable element is brought into contact with a predetermined pressure against an ultrasonic vibrator that generates approximately elliptical vibration, and the movable element is moved by the frictional force between each mass point vibrating approximately elliptically and the movable element. It is something that is driven.

このような超音波モータは構造が簡単であるために、前
記超音波振動子の占める体積が非常に大きく、該超音波
振動子の小型化、軽量化がモータ特性に大きな影響を与
えでいる。
Since such an ultrasonic motor has a simple structure, the ultrasonic vibrator occupies a very large volume, and reducing the size and weight of the ultrasonic vibrator has a great influence on the motor characteristics.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、超音波モータにおいて大きな体積を占め
る超音波振動子の弾性体に金属を用いているので、超音
波モータの軽量化が困難であった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, since metal is used for the elastic body of the ultrasonic vibrator, which occupies a large volume in the ultrasonic motor, it has been difficult to reduce the weight of the ultrasonic motor.

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、駆動効率が良く軽量な超音波モータを得る事
をその目的としている。
The present invention was made in order to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to obtain a lightweight ultrasonic motor with good drive efficiency.

[課題を解決するための手段] この目的を達成するために本発明の超音波モータは、交
流電気信号が印加される事により超音波振動が発生する
圧電体と、該圧電体の振動により励振される弾性体とを
具備する超音波振動子を備えた超音波モータにおいて、
該圧電体と該弾性体とが高分子材料により構成されてい
るという構成をとっている。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve this object, the ultrasonic motor of the present invention includes a piezoelectric body that generates ultrasonic vibrations when an alternating current electric signal is applied, and a piezoelectric body that is excited by the vibrations of the piezoelectric body. In an ultrasonic motor equipped with an ultrasonic vibrator having an elastic body,
The piezoelectric body and the elastic body are made of a polymer material.

また上述の超音波モータにおいて、前記圧電体と前記弾
性体とが直接接合されているという構成をとっている。
Further, in the above-mentioned ultrasonic motor, the piezoelectric body and the elastic body are directly joined.

[作用] 上記の構成を有する本発明の超音波モータにおいて高分
子材料で構成された超音波振動子に交流電気信号を印加
すると、該超音波振動子の所定の部位に大振幅の略楕円
振動が励振される。このとき、該超音波振動子の圧電体
と弾性体はその材質を選ぶ事によりインピーダンス整合
がとられているので、高効率で超音波振動を励振してい
る。該超音波振動子に所定圧力で可動子を当接すると、
該可動子が所定方向に駆動される。
[Function] When an AC electric signal is applied to the ultrasonic vibrator made of a polymer material in the ultrasonic motor of the present invention having the above configuration, a large-amplitude approximately elliptical vibration is generated at a predetermined portion of the ultrasonic vibrator. is excited. At this time, impedance matching is achieved by selecting the materials of the piezoelectric body and the elastic body of the ultrasonic vibrator, so that ultrasonic vibrations are excited with high efficiency. When the movable element is brought into contact with the ultrasonic vibrator at a predetermined pressure,
The mover is driven in a predetermined direction.

[実施例] 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。
[Example] Hereinafter, an example embodying the present invention will be described with reference to the drawings.

本実施例に用いる超音波振動子は、例えば特願平1−4
6866号の願書に添付された明細書及び図面に見られ
るような略直交する2方向の定在波を励振する超音波振
動子を用いる。その構成の一例を第1図及び第2図に示
す。
The ultrasonic transducer used in this example is, for example, Japanese Patent Application No. 1-4
An ultrasonic transducer that excites standing waves in two substantially orthogonal directions as seen in the specification and drawings attached to application No. 6866 is used. An example of the configuration is shown in FIGS. 1 and 2.

超音波振動子11は、矩形平板形状を有する弾性体21
の上面に、該弾性体21に曲げ振動を励振するための第
1圧電体22が着設されている。
The ultrasonic transducer 11 includes an elastic body 21 having a rectangular flat plate shape.
A first piezoelectric body 22 for exciting bending vibration in the elastic body 21 is attached to the upper surface of the elastic body 21 .

該弾性体21において、前記着設面と略直交する側面に
は、該弾性体21に縦振動を励振するための第2圧電体
23a及び23bが着設されている。
In the elastic body 21, second piezoelectric bodies 23a and 23b for exciting longitudinal vibration in the elastic body 21 are attached to the side surfaces substantially orthogonal to the mounting surface.

前記弾性体21の長平方向中心には、該弾性体21を固
定するための固定ボルト24a及び24bが固定されて
いる。該固定ボルト24a及び24bの他の一端は、基
台25a及び25bに固定されている。
Fixing bolts 24a and 24b for fixing the elastic body 21 are fixed at the center of the elastic body 21 in the longitudinal direction. The other ends of the fixing bolts 24a and 24b are fixed to bases 25a and 25b.

前記第1圧電体22の上面には、正電極26が着設され
ている。また前記第2圧電体23a及び23bの上面に
は、正電極27a及び27bが着設されている。該圧電
体22及び23の他の一面は基台25に接地されている
A positive electrode 26 is provided on the upper surface of the first piezoelectric body 22 . Further, positive electrodes 27a and 27b are provided on the upper surfaces of the second piezoelectric bodies 23a and 23b. The other surfaces of the piezoelectric bodies 22 and 23 are grounded to a base 25.

さらに該弾性体21は、その厚さ方向に所定の周波数f
において両端自由端2次モードで曲げ振動するようその
形状寸法により調節されている。
Furthermore, the elastic body 21 has a predetermined frequency f in its thickness direction.
The shape and dimensions are adjusted so that both free ends bend and vibrate in a secondary mode.

また同一の周波数fにより長さ方向に両端自由端1次モ
ードで縦振動するよう形状寸法により調節されている。
Further, the shape and dimensions are adjusted so that longitudinal vibration occurs in the first-order mode at both free ends in the length direction at the same frequency f.

一般に、弾性体中を伝播する縦振動の共振周波数は、該
弾性体の長さに依存する。また弾性体の厚さ方向の曲げ
振動の共振周波数は、前記長さ及び厚さに依存する。従
って、前述のような弾性体21を設計する事は容易であ
る。
Generally, the resonant frequency of longitudinal vibration propagating in an elastic body depends on the length of the elastic body. Further, the resonance frequency of bending vibration in the thickness direction of the elastic body depends on the length and thickness. Therefore, it is easy to design the elastic body 21 as described above.

以上のような構成を有する超音波振動子においては、縦
振動と曲げ振動の合成により前記弾性体21に略楕円振
動が励振される。この楕円形状は、印加電圧の振幅又は
位相を調節する事により、任意に制御可能である。
In the ultrasonic vibrator having the above configuration, substantially elliptical vibration is excited in the elastic body 21 by combining longitudinal vibration and bending vibration. This elliptical shape can be arbitrarily controlled by adjusting the amplitude or phase of the applied voltage.

以上のように構成された超音波振動子11において、前
記圧電体22及び23の材質を高分子材料、例えばポリ
フッ化ビニリデン(以下、PvDFと略す)等とする。
In the ultrasonic transducer 11 configured as described above, the piezoelectric bodies 22 and 23 are made of a polymeric material, such as polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as PvDF).

このPVDFとは、強電場下でポーリングし、安定な分
極を膜中に付与した分極化高分子であり、分子形態の鎖
が双極モーメントをもつ原子を含むために、電場中で大
きな圧電・焦電性を示すものである。
PVDF is a polarized polymer that is poled under a strong electric field to impart stable polarization to the film. Because the molecular chain contains atoms with a dipole moment, it has a large piezoelectricity and polarization in an electric field. It shows electrical property.

一方、該超音波振動子11の弾性体21を、前記圧電体
22及び23と機械的性質の近い、又はほぼ同等な高分
子材料で構成し、両者を直接接合する。その結果、PZ
T系の無機質圧電体と金属弾性体とを用いた従来の超音
波振動子に比べ、振動振幅などの振動特性をあまり変化
させる事なく、はるかに軽量の超音波振動子を得る事が
できる。
On the other hand, the elastic body 21 of the ultrasonic transducer 11 is made of a polymeric material having mechanical properties similar to or substantially the same as those of the piezoelectric bodies 22 and 23, and the two are directly bonded. As a result, PZ
Compared to a conventional ultrasonic vibrator using a T-based inorganic piezoelectric material and a metal elastic body, a much lighter ultrasonic vibrator can be obtained without significantly changing vibration characteristics such as vibration amplitude.

PVDF等の高分子圧電体は、このほか耐衝撃性がある
、可撓性がある、音響インピーダンスが小さいなどの高
分子特有の利点に加え、駆動電界による性能劣化や経時
劣化が少むいなど、無機圧電材料にはない種々の特徴を
もつ。
Polymer piezoelectric materials such as PVDF have other advantages unique to polymers, such as impact resistance, flexibility, and low acoustic impedance, as well as less performance deterioration due to driving electric fields and less deterioration over time. It has various characteristics not found in inorganic piezoelectric materials.

上述した超音波振動子11を好適に利用したリニア超音
波モータの構成についで、第3図に基づき説明する。
The configuration of a linear ultrasonic motor that suitably utilizes the ultrasonic transducer 11 described above will be explained based on FIG. 3.

同図において、第1図及び第2図と同じ符号の付された
各部材は、前記詳述した各構成部材と同一である事を意
味している。
In the same figure, each member given the same reference numeral as in FIGS. 1 and 2 means the same as each component described in detail above.

リニア超音波モータ31は、前記超音波振動子11の最
大振幅を与える端部に、駆動部32が形成され、支持部
材33によりレール34に圧着された構成をとっている
The linear ultrasonic motor 31 has a drive section 32 formed at the end that provides the maximum amplitude of the ultrasonic vibrator 11, and is crimped to a rail 34 by a support member 33.

該圧着力を与えるための圧着機構は、前記レール34と
前記支持部材33との間に配置され、ローラベアリング
35により支持された第1のガイド36と、コイルバネ
37及びバネガイド38゜バネおさえ3つより構成され
ている。これは該バネガイド38に付けられたスクリュ
ーミゾにそってバネおさえ39を回転させ、前記コイル
バネ37の長さを変化させて前記圧着力を調整するもの
である。
The crimping mechanism for applying the crimping force includes a first guide 36 disposed between the rail 34 and the support member 33 and supported by a roller bearing 35, a coil spring 37, a spring guide 38, and three spring pressers. It is composed of This is done by rotating a spring retainer 39 along a screw groove attached to the spring guide 38 and changing the length of the coil spring 37 to adjust the pressing force.

一方、前記支持部材33には、該リニア超音波モータ3
1の横ずれを防止するための第2のガイド40がボルト
41により固定されている。該第2のガイド40はロー
ラベアリング42でレール34を保持するという構成を
とっている。
On the other hand, the linear ultrasonic motor 3 is attached to the support member 33.
A second guide 40 is fixed with bolts 41 to prevent sideways displacement of the drive unit 1 . The second guide 40 is configured to hold the rail 34 with roller bearings 42.

さらに、該リニア超音波モータ31は、ヨーイングを防
止するための第1の支持材43及びローリングを防止す
るための第2の支持材44が形成されている。
Further, the linear ultrasonic motor 31 is formed with a first support member 43 for preventing yawing and a second support member 44 for preventing rolling.

以上のように構成したリニア超音波モータ31に交流電
気信号を印加すると、前記駆動部32に略楕円振動が発
生し、前記レール34との摩擦力に起因する駆動力を受
け、同図中矢印Bの方向へ移動する。
When an AC electric signal is applied to the linear ultrasonic motor 31 configured as described above, approximately elliptical vibration is generated in the drive unit 32, and it receives a driving force due to the frictional force with the rail 34, and as shown by the arrow in the figure. Move in direction B.

なお、上記実施例では定在波型リニア超音波モータを例
にとり説明したが、これに限定されるものではなく、進
行波型超音波モータ、回転型超音波モータなど、種々の
モータに用いても同様な効果が得られる。
Although the above embodiments have been explained using a standing wave type linear ultrasonic motor as an example, the invention is not limited to this, and can be used in various motors such as traveling wave type ultrasonic motors and rotary type ultrasonic motors. A similar effect can be obtained.

また、超音波振動子の弾性体及び圧電体を矩形平板とす
る例について説明したが、円板状、円筒状、円環状、方
形状、棒状等、種々の形状をとることが可能である。
Further, although an example in which the elastic body and piezoelectric body of the ultrasonic transducer are rectangular flat plates has been described, they can take various shapes such as a disk shape, a cylindrical shape, an annular shape, a rectangular shape, and a rod shape.

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が
可能である。
In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

[発明の効果] 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、高効率励振が可能で軽量な超音波振動子を得る事がで
き、該超音波振動子を好適に利用する事により駆動効率
が良く軽量な超音波モータを得る事ができる。
[Effects of the Invention] As is clear from the detailed description above, according to the present invention, it is possible to obtain a lightweight ultrasonic transducer capable of highly efficient excitation, and the ultrasonic transducer can be suitably used. As a result, it is possible to obtain a lightweight ultrasonic motor with good drive efficiency.

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

第1図から第3図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第1図は本実施例の超音波モータに用いる超
音波振動子の上面図、第2図はその側面図、第3図(a
)は本リニア超音波モータの側面図、第3図(b)は第
3図(a)のA−A断面図である。 図中、11は超音波振動子、21は弾性体、22は第1
圧電体、23は第2圧電体、31はリニア超音波モータ
である。
1 to 3 show embodiments embodying the present invention. FIG. 1 is a top view of the ultrasonic vibrator used in the ultrasonic motor of this embodiment, and FIG. 2 is a side view thereof. , Figure 3 (a
) is a side view of the present linear ultrasonic motor, and FIG. 3(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 3(a). In the figure, 11 is an ultrasonic transducer, 21 is an elastic body, and 22 is a first
A piezoelectric body, 23 is a second piezoelectric body, and 31 is a linear ultrasonic motor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、交流電気信号が印加される事により超音波振動が発
生する圧電体と、 該圧電体の振動により励振される弾性体とを具備する超
音波振動子を備えた超音波モータにおいて、 該圧電体と該弾性体とが高分子材料により構成されてい
る事を特徴とする超音波モータ。2、請求項1記載の超
音波モータにおいて、前記圧電体と前記弾性体とが直接
接合された事を特徴とする超音波モータ。
[Claims] 1. An ultrasonic transducer comprising a piezoelectric body that generates ultrasonic vibrations when an alternating current electric signal is applied, and an elastic body that is excited by the vibrations of the piezoelectric body. An ultrasonic motor, characterized in that the piezoelectric body and the elastic body are made of a polymer material. 2. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the piezoelectric body and the elastic body are directly joined.
JP1208960A 1989-08-11 1989-08-11 Ultrasonic motor Pending JPH0374178A (en)

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