JPH06106029B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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JPH06106029B2
JPH06106029B2 JP63128023A JP12802388A JPH06106029B2 JP H06106029 B2 JPH06106029 B2 JP H06106029B2 JP 63128023 A JP63128023 A JP 63128023A JP 12802388 A JP12802388 A JP 12802388A JP H06106029 B2 JPH06106029 B2 JP H06106029B2
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JP
Japan
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piezoelectric element
slider
ultrasonic
base body
mode
Prior art date
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JP63128023A
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JPH01298968A (en
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数馬 鈴木
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Rion Co Ltd
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Rion Co Ltd
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超音波モータに関し、特に、圧電素子に超
音波信号を印加することにより一軸アクチュエータとし
て動作する超音波モータに関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic motor, and more particularly to an ultrasonic motor that operates as a uniaxial actuator by applying an ultrasonic signal to a piezoelectric element.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、この種の超音波リニアモータとして、この発明者
の提案(実願昭61−161013号)になるものがあり、これ
を第4図について説明すると、鉄、アルミニウム、プラ
スチックなどの弾性部材である基体(11)の一側面に、
2つの駆動子(12a)、(12b)が突設されている。また
基体(11)には屈曲モード用の2つの圧電素子(13
a)、(13b)が、駆動子(12a)、(12b)の各側面には
圧電素子(14)がそれぞれ設けられている。(15)は取
付穴、(A1)、(A2)、(B1)、(B2)、(B)は各圧
電素子の接続リードの端子、(FB)はフィードバック端
子である。
Conventionally, as this kind of ultrasonic linear motor, there is one proposed by the present inventor (Japanese Utility Model Application No. 61-161013), which will be described with reference to FIG. 4 by using elastic members such as iron, aluminum and plastic. On one side of a certain base (11),
Two driver elements (12a) and (12b) are provided in a protruding manner. Further, the base body (11) has two piezoelectric elements (13
a) and (13b), and piezoelectric elements (14) are provided on the respective side surfaces of the driver elements (12a) and (12b). (15) is a mounting hole, (A1), (A2), (B1), (B2), and (B) are terminals of connection leads of each piezoelectric element, and (FB) is a feedback terminal.

以上の構成になる超音波ユニットにおいて、超音波領域
の電圧を端子(A1)と(B)間に加えると、基体(1
1)および駆動子(12a)、(12b)は一点鎖線で示すよ
うに屈曲し、駆動子(12a)が駆動子に圧接されている
スライダを矢印(M)の方向へ蹴り出す。端子(A1)と
(B)にの電圧が印加されると、超音波ユニットは破
線で示すように屈曲し、こんどは駆動子(12b)がスラ
イダを矢印(M)の方向に蹴り出す。
In the ultrasonic unit having the above configuration, when a voltage in the ultrasonic region is applied between the terminals (A1) and (B), the base (1
1) and the driver elements (12a) and (12b) are bent as shown by the one-dot chain line, and the slider in which the driver element (12a) is pressed against the driver element is kicked out in the direction of arrow (M). When voltage is applied to the terminals (A1) and (B), the ultrasonic unit bends as shown by the broken line, and the driver (12b) kicks the slider in the direction of arrow (M).

以上の電圧印加を、端子(A2)と(B)に対して行う
と、圧電素子(13a)、(13b)の分極が逆であることか
ら動作が逆となり、スライダは矢印(N)の方向へ駆動
される。
When the above voltage is applied to the terminals (A2) and (B), the operation is reversed because the polarizations of the piezoelectric elements (13a) and (13b) are reversed, and the slider moves in the direction of arrow (N). Be driven to.

かようにして、被駆動体であるスライダに、互いに逆向
きの直線移動を任意に与えることができる。
In this way, the sliders, which are the driven bodies, can be given arbitrary linear movements in opposite directions.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

以上のような従来の超音波モータは、駆動子(12a)、
(12b)にも圧電素子(14)を設ける必要があることか
ら、超音波ユニットの高さ寸法が大きくなって薄形化が
難かしく、かつ、圧電素子の貼設箇所が多く、製造作業
が複雑になるなどの問題点があった。
The conventional ultrasonic motor as described above has a driver (12a),
Since it is necessary to provide the piezoelectric element (14) also in (12b), it is difficult to make the ultrasonic unit thinner because the height of the ultrasonic unit becomes large, and there are many places where the piezoelectric element is attached, which makes the manufacturing work difficult. There was a problem that it became complicated.

この発明は上記の問題点を解消しようとするもので、駆
動子とモータ本体を一体化して極薄形化とすることがで
き、小形化も達成することができる超音波モータを得る
ことを目的とするものである。
The present invention is intended to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain an ultrasonic motor which can integrate a driver and a motor body into an ultra-thin structure and can be downsized. It is what

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

この発明に係る超音波モータは、弾性体でなり中心部に
スライダが係合する貫通孔をもった円板状の基体と、こ
の基体の両面にそれぞれ固着され超音波領域の電気信号
が印加される板状の圧電素子とからなっている。
The ultrasonic motor according to the present invention is a disk-shaped base body which is made of an elastic body and has a through hole at the center of which a slider engages, and both sides of the base body are fixed to which an electric signal in the ultrasonic region is applied. And a plate-shaped piezoelectric element.

〔作用〕[Action]

この発明においては、圧電素子に超音波信号を印加する
ことにより、基体には、円板屈曲モードと径方向の伸縮
モードでなる複合共振が生じる。
In the present invention, by applying an ultrasonic signal to the piezoelectric element, a composite resonance including a disc bending mode and a radial expansion / contraction mode is generated in the substrate.

〔実施例〕〔Example〕

第1図、第2図はこの発明の一実施例を示し、第1図
(a)、(b)において、弾性体である基体(1)は、
中心に貫通孔(1a)が形成された円板状をなしており、
基体(1)の両面には円環板状の圧電素子(3)、
(4)がそれぞれ固着されている。
1 and 2 show an embodiment of the present invention. In FIGS. 1 (a) and 1 (b), the base body (1) which is an elastic body is
It has a disk shape with a through hole (1a) formed in the center,
An annular plate-shaped piezoelectric element (3) is provided on both sides of the substrate (1),
(4) are fixed respectively.

基体(1)を形成する弾性材としては、大振幅での超音
波領域振動時における弾性損失が少なく、熱膨張係数が
セラミックでなる圧電素子の熱膨張係数と同程度である
材料がよく、ニッケル鋼、カーボンガラスなどが適して
いる。
As the elastic material forming the base body (1), a material having a small elastic loss during ultrasonic vibration at a large amplitude and having a thermal expansion coefficient similar to that of a piezoelectric element made of ceramic is preferable. Steel and carbon glass are suitable.

基体(1)の貫通孔(1a)には被移動体である円筒形の
スライダ(2)が係着されており、スライダ(2)は、
第2図に示すように、軸線と平行な切欠き(2a)を形成
して径方向へのバネ性を持たせている。
A cylindrical slider (2), which is a movable body, is attached to the through hole (1a) of the base body (1), and the slider (2) is
As shown in FIG. 2, a notch (2a) parallel to the axis is formed to give a spring property in the radial direction.

なお、圧電素子(3)、(4)に設けた電極や接続リー
ドは図示を省略した。
The electrodes and connection leads provided on the piezoelectric elements (3) and (4) are not shown.

次に動作について説明する。円板状の基体(1)は、円
板バイモルフを形成する圧電素子(3)、(4)による
屈曲モードと径方向モード(ラジアルモード)を同時に
発生することができる。
Next, the operation will be described. The disk-shaped substrate (1) can simultaneously generate a bending mode and a radial mode (radial mode) by the piezoelectric elements (3) and (4) forming the disk bimorph.

この実施例においては、圧電素子(3)ないしは(4)
に超音波信号を印加したとき、基体(1)が円板屈曲第
二次モードと径方向モードの複合共振を起こすような寸
法関係に形成されている。このときの振動姿態と動作状
態を詳細に説明すると、基体(1)は圧電素子(3)、
あるいは(4)により励振されて、第二次円板屈曲モー
ドと同時に径方向の伸縮振動を行っているので、円筒状
のスライダ(2)は、径方向モードに起因して、貫通孔
(1a)の周壁への圧着、解放を繰返えされる。一方、円
板屈曲モードに起因して、スライダ(2)は軸方向に左
右に振られることになる。
In this embodiment, the piezoelectric element (3) or (4)
When an ultrasonic signal is applied to the substrate, the substrate (1) is formed in such a dimensional relationship that it causes a composite resonance of the disc bending secondary mode and the radial mode. The vibration mode and operating state at this time will be described in detail. The base body (1) is composed of the piezoelectric element (3),
Alternatively, the cylindrical slider (2) is excited by (4) and simultaneously performs radial stretching vibration at the same time as the secondary disk bending mode. ) Is repeatedly pressed and released to the peripheral wall. On the other hand, due to the disc bending mode, the slider (2) will be swung left and right in the axial direction.

いま、圧電素子(3)に電気信号が印加され、スライダ
(2)がクランプされたとき、基体(1)が第1図
(b)で右方に振られたとすると、スライダ(2)は同
図で右方へ移動する。次の負の半サイクルにおいては、
スライダ(2)のクランプ状態が解放されるのと同時に
基体(1)内周は左に振ることになるのでスライダ
(2)は解放位置に取残される。そして、次の正の半サ
イクルでは、先程と同様に、クランプ、右への移動動作
が信号印加の周期で繰返えされるので、スライダ(2)
は右方へ急速に移動する。
Now, when an electric signal is applied to the piezoelectric element (3) and the slider (2) is clamped, if the base body (1) is swung to the right in FIG. 1 (b), the slider (2) is the same. Move to the right in the figure. In the next negative half cycle,
At the same time that the clamped state of the slider (2) is released, the inner circumference of the base body (1) swings to the left, so that the slider (2) is left in the released position. Then, in the next positive half cycle, as in the previous case, the clamp and rightward movement operations are repeated in the signal application cycle, so that the slider (2)
Moves rapidly to the right.

次にスライダ(2)を反対の左方へ移動するには、圧電
素子(4)の分極極性を圧電素子(3)と同じにして基
体(1)に固着しておいて、同様の信号を印加すればよ
い。これは、径方向の位相はそのままで、円板第二次屈
曲モードの位相のみ反対になるので、スライダ(2)の
反転が達成されるのである。
Next, in order to move the slider (2) to the opposite left side, the piezoelectric element (4) is fixed to the substrate (1) with the same polarization polarity as the piezoelectric element (3), and a similar signal is applied. It may be applied. This is because the phase in the radial direction remains the same and only the phase of the disk secondary bending mode is reversed, so that the reversal of the slider (2) is achieved.

以上のことから、スライダ(2)の移動方向の反転切替
えは、圧電素子(3)、(4)への給電を切替えればよ
いので、駆動回路はきわめて簡略化され、自励回路の動
作も単純化されるので、設計が容易になる。
From the above, inversion switching of the moving direction of the slider (2) can be performed by switching the power supply to the piezoelectric elements (3) and (4), so that the drive circuit is extremely simplified and the operation of the self-excited circuit is also performed. The simplification simplifies the design.

スライダ(2)の構造は、基体(1)の貫通孔(1a)周
壁に一定の力で常に内接触しているのが望ましく、その
ためには種々の構造のものが考えられる。
Regarding the structure of the slider (2), it is desirable that the slider (2) is always in contact with the peripheral wall of the through hole (1a) of the base body (1) with a constant force, and various structures can be considered for that purpose.

なお、上記実施例は円板屈曲モードに第二次高調波を使
用した場合であるが、大出力を要求する場合には円板の
直径を大きくして第三次高調波との組合せや、また、小
形にして第一次屈曲モード等、使用目的に応じて弾力的
に多種多様に仕様を変えることができる。
In the above example, the second harmonic is used for the disc bending mode, but when a large output is required, the diameter of the disc is increased and the combination with the third harmonic is used. In addition, the specifications can be flexibly and variously changed according to the purpose of use such as a small size and a primary bending mode.

また、スライダに発生する推力を更に増大させる為に、
上記の特性の揃った超音波モータを2個または3個貫通
して並列に駆動させる手段も考えられる。
In order to further increase the thrust generated on the slider,
A means of driving two or three ultrasonic motors having the above-mentioned characteristics in parallel and driving them in parallel is also conceivable.

更に、大径時における第三次屈曲モードの圧電素子の配
置は、第3図(a)、(b)に示すようにおのおのの振
動の腹部分にも圧電素子を独立に配設(本実施例ではス
クリーン印刷等の手段により圧電素子は電極のみ分割し
て使用されている。)する。即ち3aは表面外周の圧電素
子、4bは表面内周の圧電素子、4aは裏面外周の圧電素
子、3bは裏面内周の圧電素子であり、電極切離溝7によ
って電極6が分割されており、従って圧電素子は独立に
配設されている。尚、分極はすべて同極で行い、第3図
(c)に示す如く結線時に、表裏面の外周圧電素子と内
周圧電素子、即ち3aと3b、及び4bと4aとを並列に使用す
れば、円板屈曲モードと径方向モードの両方の振動を同
時に効率よく発生させることができる。
Further, as to the arrangement of the piezoelectric element in the third bending mode when the diameter is large, the piezoelectric element is independently arranged also in the antinode portion of each vibration as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). In the example, only the electrodes of the piezoelectric element are divided and used by means such as screen printing.). That is, 3a is a piezoelectric element on the outer surface of the surface, 4b is a piezoelectric element on the inner surface of the surface, 4a is a piezoelectric element on the outer surface of the back surface, 3b is a piezoelectric element on the inner surface of the back surface, and the electrode 6 is divided by the electrode separation groove 7. Therefore, the piezoelectric elements are arranged independently. In addition, all the polarization is performed with the same polarity, and when the outer peripheral piezoelectric element and the inner peripheral piezoelectric element on the front and back surfaces, that is, 3a and 3b, and 4b and 4a are used in parallel when connecting as shown in FIG. 3 (c). It is possible to efficiently generate both the disk bending mode and the radial mode vibration at the same time.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上の説明から明らかなように、この発明は、中心部に
スライダ用の貫通孔をもった円板状の基体の両面に駆動
用の圧電素子を設けて励振し、円板屈曲モードと径方向
モードとの複合共振を基体に起こすことで、スライダを
2個の圧電素子への給電切替えで左、右任意の方向に移
動するようにしたので、きわめて簡単な構造で、高効率
で小形な一軸アクチュエータとしての機能が得られる効
果がある。
As is apparent from the above description, the present invention is provided with piezoelectric elements for driving on both surfaces of a disk-shaped base body having a through hole for a slider in the center thereof for excitation, and the disk bending mode and the radial direction are set. By causing the composite resonance with the mode to occur in the substrate, the slider can be moved in any direction to the left or right by switching the power supply to the two piezoelectric elements, so it is a very simple structure, highly efficient and small uniaxial There is an effect that the function as an actuator can be obtained.

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

第1図、第2図はこの発明の一実施例を示し、第1図
(a)は正面図、同図(b)は側断面図、第2図はスラ
イダの横断面図である。 第3図は本考案の他の実施例を示し、第3図(a)は正
面図、第3図(b)は側断面図、第3図(c)は結線図
である。 第4図は従来の超音波モータの側面図である。 (1)…基体、(1a)…貫通孔、(2)…スライダ、
(3)(4)…圧電素子。
1 and 2 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a front view, FIG. 1 (b) is a side sectional view, and FIG. 2 is a transverse sectional view of a slider. FIG. 3 shows another embodiment of the present invention, FIG. 3 (a) is a front view, FIG. 3 (b) is a side sectional view, and FIG. 3 (c) is a connection diagram. FIG. 4 is a side view of a conventional ultrasonic motor. (1) ... Base, (1a) ... Through hole, (2) ... Slider,
(3) (4) ... Piezoelectric element.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】中心部に被移動体が係合する貫通孔が形成
され弾性体円板でなる基体と、この基体の両面にそれぞ
れ固着され超音波領域の電気信号が印加される複数個の
圧電素子とを備えてなり、前記基体に円板屈曲モードと
径方向伸縮モードの複合共振を生じさせる超音波モー
タ。
1. A base body made of an elastic disk having a through-hole formed in the center for engaging with a body to be moved, and a plurality of base bodies fixed to both sides of the base body to which electric signals in an ultrasonic region are applied. An ultrasonic motor comprising a piezoelectric element, which causes a composite resonance of a disc bending mode and a radial expansion / contraction mode in the base.
JP63128023A 1988-05-25 1988-05-25 Ultrasonic motor Expired - Lifetime JPH06106029B2 (en)

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JP2009219281A (en) * 2008-03-11 2009-09-24 Fukoku Co Ltd Piezoelectric actuator
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信学技報Vol.87No.46〔US87−5〕、1987年5月25日、P.29−36

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