JPH07231684A - Ultrasonic micromotor and manufacture of its stator - Google Patents
Ultrasonic micromotor and manufacture of its statorInfo
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- JPH07231684A JPH07231684A JP6022420A JP2242094A JPH07231684A JP H07231684 A JPH07231684 A JP H07231684A JP 6022420 A JP6022420 A JP 6022420A JP 2242094 A JP2242094 A JP 2242094A JP H07231684 A JPH07231684 A JP H07231684A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、圧電材料の薄膜技術を
応用した微小駆動が可能な超音波モータの構造に関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of an ultrasonic motor capable of micro-driving by applying a thin film technology of a piezoelectric material.
【０００２】[0002]
【従来の技術】今日、医療の分野をはじめとする様々な
分野で、微小駆動が可能な微小機械に関心が寄せられて
いる。超音波モータは、超音波振動子で発生した固体中
の機械振動を、主に摩擦力を介して、外部へ駆動力とし
て取り出し、直線運動あるいは回転運動へと変換する固
体アクチュエータである。駆動力源を圧電セラミックと
金属で構成し、力の伝達に摩擦駆動（トラクション駆
動）を用いたことにより、剛性が高く、発生力が大きい
という特徴がある。2. Description of the Related Art Today, there is an interest in micromachines that can be microactuated in various fields including the medical field. An ultrasonic motor is a solid-state actuator that takes out mechanical vibration in a solid generated by an ultrasonic vibrator as a driving force to the outside mainly through a frictional force and converts it into a linear motion or a rotary motion. The driving force source is made of piezoelectric ceramic and metal, and friction driving (traction driving) is used to transmit the force, so that the rigidity is high and the generated force is large.
【０００３】このように、一般に低速回転で高トルクを
得ることができ、ギヤを必要としない。また、ロータと
ステータの接触面における摩擦を利用しているため、ベ
ヤリング等を省くことができるといった利点を持つ〔例
えば、本願発明者によって発表されている、日本機械学
会（Ｎｏ．９３０−３８）講習会教材（１９９３年５月
１２日、神奈川，「圧電素子利用アクチュエータの基礎
と応用」参照〕。As described above, generally, a high torque can be obtained at a low speed rotation and a gear is not required. In addition, since the friction between the contact surfaces of the rotor and the stator is used, there is an advantage that the bearing and the like can be omitted [for example, the Japan Society of Mechanical Engineers (No. 930-38) announced by the present inventor). Workshop materials (see "Basics and Applications of Piezoelectric Actuators", Kanagawa, May 12, 1993).
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超音波モータは、円筒状の振動子の場合は、円筒を切断
した面に、輪切りにした圧電素子を積層するようにした
構造のものが多く、直径５ｍｍ以下の微小なモータを実
現するのが困難であった。本発明は、上記問題点を解決
するために、円筒状の固定（振動）子の側面に、圧電体
薄膜を形成することにより、製造が容易な超音波マイク
ロモータ及びその固定子の製造方法を提供することを目
的とする。However, in the case of a cylindrical vibrator, most conventional ultrasonic motors have a structure in which a sliced piezoelectric element is laminated on the cut surface of the cylinder. However, it was difficult to realize a minute motor having a diameter of 5 mm or less. In order to solve the above problems, the present invention provides an ultrasonic micromotor which is easy to manufacture by forming a piezoelectric thin film on the side surface of a cylindrical stator (vibrator), and a method for manufacturing the stator. The purpose is to provide.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔Ｉ〕超音波マイクロモータにおいて、 （Ａ）固定子を構成する円筒状の金属体と、該円筒状の
金属体の外周面に形成される圧電体膜と、その円筒状の
金属体の外周面の軸方向に形成される複数の電極と、こ
の複数の電極に電圧が印加され、前記円筒状の金属体の
端面の振動により駆動される回転子とを設けるようにし
たものである。In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides: [I] In an ultrasonic micromotor, (A) a cylindrical metal body constituting a stator, and the cylindrical metal. A piezoelectric film formed on the outer peripheral surface of the body, a plurality of electrodes formed in the axial direction on the outer peripheral surface of the cylindrical metal body, and a voltage applied to the plurality of electrodes, the cylindrical metal body And a rotor driven by the vibration of the end face of the.
【０００６】また、前記円筒状の金属体は円筒殻また
は円柱体からなる。 更に，前記複数の電極は４個に等分に配置され、２組
の対向する電極に互いに逆位相となり、各組の電極間に
９０度位相をずらした交流電圧を印加する。 （Ｂ）固定子を構成する円筒状の金属体と、この円筒状
の金属体の外周面に形成される圧電体膜と、その円筒状
の金属体の外周面の軸方向に形成される複数の電極と、
この複数の電極に電圧が印加され、前記円筒状の金属体
の端面の振動により駆動される回転子と、この回転子を
支持する軸と、前記固定子を保持する保持装置とを設け
るようにしたものである。The cylindrical metal body is composed of a cylindrical shell or a cylindrical body. Further, the plurality of electrodes are equally divided into four pieces, and two sets of opposing electrodes have opposite phases to each other, and an alternating voltage with a 90 ° phase shift is applied between the electrodes of each set. (B) Cylindrical metal body forming the stator, a piezoelectric film formed on the outer peripheral surface of the cylindrical metal body, and a plurality of axially formed outer peripheral surfaces of the cylindrical metal body. Electrodes of
Voltage is applied to the plurality of electrodes, and a rotor driven by the vibration of the end surface of the cylindrical metal body, a shaft for supporting the rotor, and a holding device for holding the stator are provided. It was done.
【０００７】また、前記保持装置は前記固定子の振動
部の節を保持してなる。 更に、前記保持装置は前記固定子の外周面または内周
面を保持してなる。 また、前記回転子を支持する軸の両側に回転子を配置
する。 〔II〕超音波マイクロモータの固定子の製造方法におい
て、 （Ａ）円筒状の金属体の外周面に圧電体膜を形成する工
程と、該圧電体膜上であって前記円筒状の金属体の軸方
向に複数の電極を形成する工程と、該複数の電極に前記
円筒状の金属体の端面の振動を生ぜしめる電圧が印加さ
れるリードを接続する工程とを施すようにしたものであ
る。Further, the holding device holds a node of the vibrating portion of the stator. Further, the holding device holds the outer peripheral surface or the inner peripheral surface of the stator. Further, rotors are arranged on both sides of a shaft that supports the rotor. [II] In a method of manufacturing a stator of an ultrasonic micromotor, (A) a step of forming a piezoelectric film on an outer peripheral surface of a cylindrical metal body, and the cylindrical metal body on the piezoelectric film. And forming a plurality of electrodes in the axial direction and connecting a lead to which a voltage that causes vibration of the end face of the cylindrical metal body is applied to the plurality of electrodes. .
【０００８】また、前記圧電体膜は水熱法により成膜
してなる。 更に、前記圧電体膜はゾルゲル法により成膜してな
る。The piezoelectric film is formed by a hydrothermal method. Further, the piezoelectric film is formed by a sol-gel method.
【０００９】[0009]
【作用】本発明によれば、固定（振動）子を構成する円
筒状の金属体の外周面に、圧電体膜であるＰＺＴ膜を形
成する。水熱法で成膜されるＰＺＴの膜厚は、せいぜい
数十μｍである。しかし、振動子を円筒状にすること
で、動作に十分な振幅を得ることができる。また、ＰＺ
Ｔを円筒状の金属体の外周面に成膜することにより、モ
ータの全面積に対するＰＺＴの体積を大きくすることが
できる。According to the present invention, the PZT film, which is a piezoelectric film, is formed on the outer peripheral surface of the cylindrical metal body that constitutes the stationary (vibrating) element. The film thickness of PZT formed by the hydrothermal method is at most several tens of μm. However, by making the vibrator cylindrical, it is possible to obtain a sufficient amplitude for operation. Also, PZ
By forming T on the outer peripheral surface of the cylindrical metal body, the volume of PZT with respect to the entire area of the motor can be increased.
【００１０】したがって、円筒状の固定（振動）子の端
面における振幅を大きくし、回転子の回転速度を高める
とともに、製造が容易な超音波マイクロモータを得るこ
とができる。Therefore, it is possible to obtain an ultrasonic micromotor which is easy to manufacture while increasing the amplitude at the end face of the cylindrical stationary (vibrating) element, increasing the rotational speed of the rotor.
【００１１】[0011]
【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明する。図１は本発明の第１の実施例を示す超音
波マイクロモータの固定子の製造工程図、図２はその超
音波マイクロモータの固定子の斜視図、図３はその超音
波マイクロモータの固定子の拡大断面図である。Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a stator of an ultrasonic micromotor showing a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of a stator of the ultrasonic micromotor, and FIG. 3 is a fixing of the ultrasonic micromotor. It is an expanded sectional view of a child.
【００１２】まず、超音波マイクロモータの固定子の製
造方法について説明する。まず、図１（ａ）に示すよう
に、固定子として微小な円筒殻１、例えば、チタン（φ
２．４ｍｍ×１０ｍｍ、肉厚０．２５ｍｍ）をワイヤ放
電加工機により、１．０ｃｍに切断したものを用意し
た。次に、図１（ｂ）に示すように、その円筒殻１の外
周面に、水熱法によりＰＺＴ（チタン酸鉛−ジルコン酸
鉛固溶体）膜２を成膜した。このＰＺＴ膜２の厚さは約
７〜９μｍであり、分極方向は、図３に矢印で示すよう
に径方向である。First, a method of manufacturing the stator of the ultrasonic micromotor will be described. First, as shown in FIG. 1A, a minute cylindrical shell 1 such as titanium (φ
2.4 mm × 10 mm, wall thickness 0.25 mm) was cut into 1.0 cm by a wire electric discharge machine. Next, as shown in FIG. 1B, a PZT (lead titanate-lead zirconate solid solution) film 2 was formed on the outer peripheral surface of the cylindrical shell 1 by a hydrothermal method. The thickness of the PZT film 2 is about 7 to 9 μm, and the polarization direction is the radial direction as shown by the arrow in FIG.
【００１３】ここで、水熱法について述べると、例え
ば、前記円筒殻１の外周面、つまり、チタン表面とジル
コニウム、鉛を含む水溶液を反応させ、ＰＺＴの結晶核
を生成させる。更に、この円筒殻１の外周面をチタン、
ジルコニウム、鉛を含む水溶液中で水熱処理して、結晶
核からＰＺＴ結晶を成長させる。ただし、ＰＺＴの結晶
核生成プロセスでは、専ら円筒殻１の表面反応が進行す
るようにし、また、ＰＺＴの結晶成長プロセスでは、専
ら結晶成長が進行するように水熱反応条件を制御するの
が望ましい。なお、水熱合成ＰＺＴ薄膜の形成そのもの
については、電子情報通信学会技術報告、ＵＳ９２−１
８／ＣＰＭ９２−３１、１９９２年６月１８日、Ｐ．３
５〜４２に詳細に発表されている。The hydrothermal method will be described. For example, the outer peripheral surface of the cylindrical shell 1, that is, the titanium surface is reacted with an aqueous solution containing zirconium and lead to generate PZT crystal nuclei. Furthermore, the outer peripheral surface of the cylindrical shell 1 is made of titanium,
Hydrothermal treatment is performed in an aqueous solution containing zirconium and lead to grow a PZT crystal from the crystal nucleus. However, it is desirable to control the surface reaction of the cylindrical shell 1 exclusively in the PZT crystal nucleation process, and to control the hydrothermal reaction conditions so that the crystal growth exclusively proceeds in the PZT crystal growth process. . Regarding the formation of the hydrothermally synthesized PZT thin film itself, see Technical Report of IEICE, US92-1.
8 / CPM92-31, June 18, 1992, p. Three
Details are presented in 5-42.
【００１４】このように、水熱法を用いることにより、
成膜時に影になる部分がなく、付着力が強く、かつ、化
学組成が制御されたＰＺＴ薄膜を形成することができ
る。次に、図１（ｃ）に示すように、ＰＺＴ膜２の上
に、更に電極（銀ペースト）３を等分に４分割してつけ
た。次いで、図１（ｄ）に示すように、電極３に導線
（φ０．１ｍｍ）４を接続した。この導線４の接続位置
は、円筒殻１の両端自由という条件のもとで、ノード
（節）となるところに施す必要がある。As described above, by using the hydrothermal method,
It is possible to form a PZT thin film that has no shadow in the film formation, has a strong adhesive force, and has a controlled chemical composition. Next, as shown in FIG. 1C, an electrode (silver paste) 3 was further divided into four equal parts on the PZT film 2. Then, as shown in FIG. 1D, a conductive wire (φ0.1 mm) 4 was connected to the electrode 3. The connection position of the conductor 4 needs to be provided at a node (node) under the condition that both ends of the cylindrical shell 1 are free.
【００１５】ここで、４等分された電極３を、第１の電
極３ａ、第２の電極３ｂ、第３の電極３ｃ、第４の電極
３ｄとすると、図２及び図３のようになる。このように
して、本発明の超音波マイクロモータの固定子５が得ら
れる。以下、具体例を示すと、固定子（振動子）の円筒
殻１をグランドとみなし、第１の電極３ａ〜第４の電極
３ｄに、２５Ｖ（ＶP-P 振幅値）の交流電圧を、位相９
０度ずつずらして印加する。すると分極方向（径方向）
に電界が生じると、ＰＺＴは軸方向に伸縮するため、固
定子５はたわみ振動をおこす。その結果、固定子５の端
面には進行波が励起される。その様子を以下に示す。2 and 3, assuming that the electrode 3 divided into four parts is the first electrode 3a, the second electrode 3b, the third electrode 3c, and the fourth electrode 3d. . In this way, the stator 5 of the ultrasonic micromotor of the present invention is obtained. As a specific example, the cylindrical shell 1 of the stator (vibrator) is regarded as the ground, and an alternating voltage of 25 V (V PP amplitude value) is applied to the first electrode 3 a to the fourth electrode 3 d in phase 9
It is applied by shifting by 0 degree. Then the polarization direction (radial direction)
When an electric field is generated in the stator, the PZT expands and contracts in the axial direction, so that the stator 5 causes flexural vibration. As a result, a traveling wave is excited on the end surface of the stator 5. The situation is shown below.
【００１６】図４は本発明の第１の実施例を示す固定子
に印加される周波数とたわみ振動の振幅の関係を示す図
である。この図において、横軸は周波数（ｋＨｚ）、縦
軸は振幅（ｎｍ）を示している。ここでは、レーザを固
定子の側面にあて、周波数によって振動が、どのように
変化するのかを測定した。この結果から、１０７ｋＨｚ
で固定子が共振していることが分かる。理論値１１０ｋ
Ｈｚにほぼ一致している。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the frequency applied to the stator and the amplitude of flexural vibration according to the first embodiment of the present invention. In this figure, the horizontal axis represents frequency (kHz) and the vertical axis represents amplitude (nm). Here, a laser was applied to the side surface of the stator, and how the vibration changed depending on the frequency was measured. From this result, 107 kHz
It can be seen that the stator is resonating. Theoretical value 110k
It almost matches with Hz.
【００１７】図５は本発明の第１の実施例を示す固定子
の振動モードを示す図である。この図において、横軸は
軸方向の距離（ｍｍ）、縦軸は振幅（ｎｍ）を示してい
る。ここでは、固定子の軸方向にレーザをスキャンする
ことにより、振動モードを測定した。設計どおり、２次
のモードで固定子が振動していることが分かる。FIG. 5 is a diagram showing the vibration modes of the stator showing the first embodiment of the present invention. In this figure, the horizontal axis represents the axial distance (mm) and the vertical axis represents the amplitude (nm). Here, the vibration mode was measured by scanning the laser in the axial direction of the stator. As designed, it can be seen that the stator is vibrating in the secondary mode.
【００１８】図６は本発明の第１の実施例を示す固定子
の端面の進行波特性図である。ここでは、固定子の端面
における振動がどのようになっているかを測定した。図
６において、横軸は、回転角θ（０〜２π）、縦軸は振
幅ｄ（ｎｍ）を示している（図７参照）。図６に示すよ
うに、共振周波数は１０９．２ｋＨｚである。４電極あ
るうち、２電極のみに２５Ｖ（ＶP-P 振幅値）の交流電
圧をかけ、他の２電極は開放にした。FIG. 6 is a traveling wave characteristic diagram of the end surface of the stator showing the first embodiment of the present invention. Here, the vibration at the end face of the stator was measured. In FIG. 6, the horizontal axis represents the rotation angle θ (0 to 2π) and the vertical axis represents the amplitude d (nm) (see FIG. 7). As shown in FIG. 6, the resonance frequency is 109.2 kHz. Of the four electrodes, an AC voltage of 25 V (V PP amplitude value) was applied to only two electrodes and the other two electrodes were opened.
【００１９】レーザードップラー速度計のレーザーのあ
たる位置を変化させ、図７に示す、固定子５の端面の回
転角θとその位置での端面上の波の振幅ｄを調べた。な
お、図７（ａ）は固定（振動）子の側面図、図７（ｂ）
は固定（振動）子の上面図、図７（ｃ）は図７（ａ）の
Ａ部の拡大図であり、固定（振動）子の端面を示してい
る。By changing the position of the laser of the laser Doppler velocimeter, the rotation angle θ of the end face of the stator 5 and the amplitude d of the wave on the end face at that position shown in FIG. 7 were examined. Note that FIG. 7A is a side view of the fixed (vibrating) element, and FIG.
Is a top view of the stationary (vibrating) element, and FIG. 7C is an enlarged view of part A of FIG. 7A, showing the end surface of the stationary (vibrating) element.
【００２０】上記したように、振動している固定子５の
端面ネジの回転子をのせると、回転子自身の重さが押さ
えつける力となり、回転することが確認された。すなわ
ち、この固定子５の上端面に、回転子６を載せて回転駆
動することができる。つまり、電極３ａと３ｃに、±Ｅ
0 ｓｉｎωｔの駆動電圧を加え、電極３ｂと３ｄには、
±Ｅ0 ｃｏｓωｔの駆動電圧を加える。As described above, when the rotor of the end surface screw of the vibrating stator 5 is placed, it is confirmed that the weight of the rotor itself serves as a pressing force to rotate the rotor. That is, the rotor 6 can be placed on the upper end surface of the stator 5 and driven to rotate. That is, ± E is applied to the electrodes 3a and 3c.
A drive voltage of 0 sin ωt is applied to the electrodes 3b and 3d,
A drive voltage of ± E 0 cos ωt is applied.
【００２１】すると、円筒殻１の第１の電極３ａ側は伸
長し、円筒殻１の第３の電極３ｃ側は縮小する。つま
り、円筒殻１は、図８（ａ）に示すように曲がる。次
に、円筒殻１の第２の電極３ｂ側は伸長し、円筒殻１の
第４の電極３ｄ側は縮小する。つまり、円筒殻１は、図
８（ｂ）に示すように曲がる。次に、円筒殻１の第１の
電極３ａ側は縮小し、円筒殻１の第３の電極３ｃ側は伸
長する。つまり、円筒殻１は、図８（ｃ）に示すように
曲がる。Then, the first electrode 3a side of the cylindrical shell 1 expands, and the third electrode 3c side of the cylindrical shell 1 contracts. That is, the cylindrical shell 1 bends as shown in FIG. Next, the second electrode 3b side of the cylindrical shell 1 expands, and the fourth electrode 3d side of the cylindrical shell 1 contracts. That is, the cylindrical shell 1 bends as shown in FIG. Next, the first electrode 3a side of the cylindrical shell 1 is contracted, and the third electrode 3c side of the cylindrical shell 1 is expanded. That is, the cylindrical shell 1 bends as shown in FIG.
【００２２】次に、円筒殻１の第２の電極３ｂ側は縮小
し、円筒殻１の第４の電極３ｄ側は伸長する。つまり、
円筒殻１は、図８（ｄ）に示すように曲がる。これにと
もない、回転子６が摩擦係合する固定子５の上端面は変
位して、回転することになる。更に、電圧の位相差を逆
向きにすることにより、回転子の回転方向も逆転した。Next, the second electrode 3b side of the cylindrical shell 1 is contracted, and the fourth electrode 3d side of the cylindrical shell 1 is expanded. That is,
The cylindrical shell 1 is bent as shown in FIG. Along with this, the upper end surface of the stator 5 with which the rotor 6 frictionally engages is displaced and rotates. Furthermore, by reversing the voltage phase difference, the rotation direction of the rotor was also reversed.
【００２３】また、印加電圧３２Ｖにおいて、３００ｒ
ｐｍの回転が認められた。理論的には、直径１ｍｍ、高
さ５ｍｍ、圧電体膜厚１０μｍの固定子（振動子）で、
駆動電圧１０Ｖrms とした時に、１００μＮｍのトルク
が得られる見込みである。図９は本発明の第１の実施例
を示す超音波マイクロモータの分解斜視図である。な
お、上記したと同様の部分については同じ番号を付し
て、その説明は省略する。At an applied voltage of 32 V, 300 r
Rotation of pm was observed. Theoretically, with a stator (vibrator) having a diameter of 1 mm, a height of 5 mm, and a piezoelectric film thickness of 10 μm,
A torque of 100 μNm is expected to be obtained when the driving voltage is 10 V rms . FIG. 9 is an exploded perspective view of the ultrasonic micromotor according to the first embodiment of the present invention. The same parts as those described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
【００２４】この図において、固定子５の中心軸部を貫
通する軸７が設けられ、その上下に回転子６が配置され
る。軸端にはストッパ８が設けられ、上部の回転子６と
ストッパ８間にはコイルスプリング９が設けられ、固定
子５の端面と回転子６間に適度な摩擦力が付与される。
固定子５は保持装置１０により保持される。すなわち、
固定子５の両端自由という条件のもとで、ノード（節）
となるところに、円環状支持体１１に装着されるビス１
２の先端を当接させて締着して、固定部１３に保持す
る。In this figure, a shaft 7 which penetrates the central shaft portion of the stator 5 is provided, and a rotor 6 is arranged above and below the shaft 7. A stopper 8 is provided at the shaft end, and a coil spring 9 is provided between the upper rotor 6 and the stopper 8 to apply an appropriate frictional force between the end surface of the stator 5 and the rotor 6.
The stator 5 is held by a holding device 10. That is,
Under the condition that both ends of the stator 5 are free,
Where the screw 1 is attached to the annular support 11.
The tip ends of the two are brought into contact with each other and fastened, and are held by the fixing portion 13.
【００２５】また、固定子５の電極３には固定子駆動回
路２０が接続される。その固定子駆動回路２０は、例え
ば、図１０に示すように、固定子５の電極３は４個に等
分に配置され、２組の対向する電極に互いに逆位相とな
り、各組の電極間に９０度位相をずらした交流電圧を印
加する。すなわち、発信機２１に増幅器２４を設け、ト
ランス２６の第１コイル２７を介して、１組の電極に互
いに逆位相の交流電圧を印加する。A stator drive circuit 20 is connected to the electrodes 3 of the stator 5. In the stator drive circuit 20, for example, as shown in FIG. 10, the electrodes 3 of the stator 5 are equally divided into four, and two opposite electrodes have opposite phases to each other, and the electrodes between the electrodes An alternating voltage with a 90-degree phase shift is applied to. That is, the oscillator 24 is provided with the amplifier 24, and alternating voltages having opposite phases are applied to the pair of electrodes via the first coil 27 of the transformer 26.
【００２６】一方、発信機２１にケーブル２３により接
続された同調機２２に増幅器２５を設け、トランス２６
の第２コイル２８を介して、他のもう１組の電極に互い
に逆位相の交流電圧を印加する。次に、本発明の第２の
実施例について説明する。図１１は本発明の第２の実施
例を示す超音波マイクロモータの固定子の製造工程図、
図１２はその固定子を用いた超音波マイクロモータの分
解斜視図である。On the other hand, an amplifier 25 is provided in a tuner 22 connected to a transmitter 21 by a cable 23, and a transformer 26 is provided.
AC voltages of opposite phases are applied to the other pair of electrodes through the second coil 28. Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a manufacturing process diagram of a stator of an ultrasonic micromotor showing a second embodiment of the present invention,
FIG. 12 is an exploded perspective view of an ultrasonic micromotor using the stator.
【００２７】この実施例では、固定子として、円筒殻で
はなく、円柱体を用いる。すなわち、図１１（ａ）に示
すように、固定子として微小な円柱体３１、例えば、チ
タンをワイヤ放電加工機により、１．０ｃｍに切断した
ものを用いる。次に、図１１（ｂ）に示すように、その
円柱体３１の外周面に水熱法により、ＰＺＴ膜３２を成
膜する。In this embodiment, a cylindrical body is used as the stator instead of a cylindrical shell. That is, as shown in FIG. 11A, a minute cylindrical body 31, for example, titanium cut into 1.0 cm by a wire electric discharge machine is used as a stator. Next, as shown in FIG. 11B, a PZT film 32 is formed on the outer peripheral surface of the cylindrical body 31 by a hydrothermal method.
【００２８】次に、図１１（ｃ）に示すように、ＰＺＴ
膜３２の上に、更に電極（銀ペースト）３３を等分に４
分割してつける。次いで、図１１（ｄ）に示すように、
電極３３に導線（φ０．１ｍｍ）３４を接続する。この
導線３４の接続位置は、円柱体３１の両端自由という条
件のもとで、ノード（節）となるところに施す必要があ
る。Next, as shown in FIG. 11C, PZT
On top of the film 32, an electrode (silver paste) 33 is evenly divided into 4 parts.
Split and attach. Then, as shown in FIG.
A conductive wire (φ0.1 mm) 34 is connected to the electrode 33. The connecting position of the conducting wire 34 needs to be provided at a node (node) under the condition that both ends of the cylindrical body 31 are free.
【００２９】このようにして、固定子３５を得る。次
に、図１２に示すように、このようにして得られた固定
子３５を用いて超音波マイクロモータを構成する。図１
２に示すように、円柱体３１からなる固定子３５の両端
面に、適度の摩擦力を得られるように回転子３６を配置
する。すなわち、軸３７の端部にはストッパ３８が設け
られ、回転子３６とストッパ３８間には、コイルスプリ
ング３９が設けられ、固定子３５の端面と回転子３６間
に適度な摩擦力が付与される。In this way, the stator 35 is obtained. Next, as shown in FIG. 12, an ultrasonic micromotor is constructed using the stator 35 thus obtained. Figure 1
As shown in FIG. 2, the rotor 36 is arranged on both end surfaces of the stator 35 formed of the columnar body 31 so as to obtain an appropriate frictional force. That is, a stopper 38 is provided at the end of the shaft 37, a coil spring 39 is provided between the rotor 36 and the stopper 38, and an appropriate frictional force is applied between the end surface of the stator 35 and the rotor 36. It
【００３０】固定子３５は保持装置１０により保持され
る。すなわち、固定子３５の両端自由という条件のもと
で、ノード（節）となるところに、円環状支持体１１に
装着されるビス１２の先端を当接させて締着して、固定
部１３に保持する。次に、本発明の第３の実施例につい
て説明する。図１３は本発明の第３の実施例を示す固定
子の断面図、図１４はその固定子を用いた超音波マイク
ロモータの分解斜視図である。なお、第１の実施例と同
じ部分については、同じ番号を付してそれらの説明は省
略する。The stator 35 is held by the holding device 10. That is, under the condition that both ends of the stator 35 are free, the tip of the screw 12 mounted on the annular support 11 is brought into contact with and tightened at the node (node). Hold on. Next, a third embodiment of the present invention will be described. 13 is a sectional view of a stator showing a third embodiment of the present invention, and FIG. 14 is an exploded perspective view of an ultrasonic micromotor using the stator. The same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【００３１】これらの図に示すように、円筒殻１からな
る固定子５の中心には軸７が貫通しており、その軸７か
らは４方向にアーム７ａが延び、そのアーム７ａの先端
部には押さえ部７ｂが形成され、その押さえ部７ｂは円
筒殻１の内周面であって、固定子５の両端自由という条
件のもとで、ノード（節）となるところに当接する。そ
して、軸７の下端は固定部４１に保持されるように構成
されている。なお、この実施例では、円筒殻１からなる
固定子５の上端面にのみ、回転子６を適度な摩擦力で当
接させる。As shown in these figures, a shaft 7 penetrates through the center of a stator 5 made of a cylindrical shell 1, and an arm 7a extends from the shaft 7 in four directions, and a tip portion of the arm 7a. A pressing portion 7b is formed on the inner surface of the cylindrical shell 1, and the pressing portion 7b abuts on the inner peripheral surface of the cylindrical shell 1 at a node (node) under the condition that both ends of the stator 5 are free. Then, the lower end of the shaft 7 is configured to be held by the fixed portion 41. In this embodiment, the rotor 6 is brought into contact with only the upper end surface of the stator 5 made of the cylindrical shell 1 with an appropriate frictional force.
【００３２】このように構成することにより、電極３と
は関係のない円筒殻１の内周面で、固定子５は保持され
ることになり、保持が容易になるとともに、構造の簡素
化を図ることができる。次に、本発明の第４の実施例に
ついて説明する。図１５は本発明の第４の実施例を示す
超音波マイクロモータの分解斜視図である。なお、第２
の実施例と同じ部分については、同じ番号を付してそれ
らの説明は省略する。With this structure, the stator 5 is held by the inner peripheral surface of the cylindrical shell 1 which is not related to the electrode 3, and the holding is facilitated and the structure is simplified. Can be planned. Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 15 is an exploded perspective view of an ultrasonic micromotor showing a fourth embodiment of the present invention. The second
The same parts as those of the embodiment are attached with the same numbers and their explanations are omitted.
【００３３】この実施例では、円筒殻１からなる固定子
５の上端面にのみ回転子３６を適度な摩擦力で当接させ
る。つまり、軸３７の端部にはストッパ３８が設けら
れ、回転子３６とストッパ３８間にはコイルスプリング
３９が設けられ、固定子３５の端面と回転子３６間に適
度な摩擦力が付与される。また、円筒殻１からなる固定
子５の外周面を保持装置１０により保持する。すなわ
ち、固定子５の両端自由という条件のもとで、ノード
（節）となるところに、円環状支持体１１に装着される
ビス１２の先端を当接させて締着して、固定部１３に保
持する。In this embodiment, the rotor 36 is brought into contact with only the upper end surface of the stator 5 composed of the cylindrical shell 1 with an appropriate frictional force. That is, a stopper 38 is provided at the end of the shaft 37, a coil spring 39 is provided between the rotor 36 and the stopper 38, and an appropriate frictional force is applied between the end surface of the stator 35 and the rotor 36. . Further, the outer peripheral surface of the stator 5 composed of the cylindrical shell 1 is held by the holding device 10. That is, under the condition that both ends of the stator 5 are free, the tip of the screw 12 mounted on the annular support 11 is brought into contact with and tightened at the node (node), and the fixing portion 13 is fixed. Hold on.
【００３４】以下に示すように、上記実施例は各種の変
更及び変形を行うことができる。 （１）上記実施例によれば、圧電体（ＰＺＴ）膜は水熱
法により成膜したが、これに代えて、ゾルゲル法により
成膜するようにしてもよい。 （２）更に、固定子はチタンのほか、他の高融点金属材
料などを用いることもできる。As shown below, the above embodiment can be variously modified and modified. (1) According to the above embodiment, the piezoelectric (PZT) film is formed by the hydrothermal method, but instead of this, the film may be formed by the sol-gel method. (2) Further, in addition to titanium, the stator may be made of another refractory metal material or the like.
【００３５】（３）また、回転子は固定子の一方の端面
のみに配置するか、両端面に配置するかは、適宜選定す
ることができる。 （４）更に、電極も４分割を８分割等の多分割構成とす
るなど、適宜設計することができる。 なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、それら
を本発明の範囲から排除するものではない。(3) Further, it is possible to appropriately select whether to arrange the rotor on only one end surface of the stator or on both end surfaces. (4) Furthermore, the electrodes can be appropriately designed by, for example, forming a multi-division structure such as 4-division into 8-divisions. The present invention is not limited to the above embodiment,
Various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.
【００３６】[0036]
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、固定（振動）子を構成する円筒状の金属体の外
周面に圧電体膜であるＰＺＴ膜を形成する。ＰＺＴの膜
厚はせいぜい数十μｍである。しかし、振動子を円筒状
にすることで、動作に十分な振幅を得ることができる。As described above in detail, according to the present invention, the PZT film, which is a piezoelectric film, is formed on the outer peripheral surface of the cylindrical metal body that constitutes the stationary (vibrating) element. The film thickness of PZT is at most several tens of μm. However, by making the vibrator cylindrical, it is possible to obtain a sufficient amplitude for operation.
【００３７】また、ＰＺＴを円筒状の金属体の外周面に
成膜することで、モータの全面積に対するＰＺＴの体積
を大きくすることができる。したがって、円筒状の固定
（振動）子の端面における振幅を大きくし、回転子の回
転速度を高めるとともに、製造が容易な超音波マイクロ
モータを得ることができる。By forming PZT on the outer peripheral surface of the cylindrical metal body, the volume of PZT with respect to the entire area of the motor can be increased. Therefore, it is possible to obtain an ultrasonic micromotor that is easy to manufacture while increasing the amplitude at the end surface of the cylindrical stationary (vibrating) element, increasing the rotational speed of the rotor.
【図１】本発明の第１の実施例を示す超音波マイクロモ
ータの固定子の製造工程図である。FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a stator of an ultrasonic micromotor showing a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第１の実施例を示す超音波マイクロモ
ータの固定子の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a stator of the ultrasonic micromotor showing the first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第１の実施例を示す超音波マイクロモ
ータの固定子の拡大断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the stator of the ultrasonic micromotor showing the first embodiment of the present invention.
【図４】本発明の第１の実施例を示す固定子に印加され
る周波数とたわみ振動の振幅の関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the frequency applied to the stator and the amplitude of flexural vibration according to the first embodiment of the present invention.
【図５】本発明の第１の実施例を示す固定子の振動モー
ドを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing vibration modes of the stator showing the first embodiment of the present invention.
【図６】本発明の第１の実施例を示す固定子の端面の進
行波特性図である。FIG. 6 is a traveling wave characteristic diagram of the end surface of the stator showing the first embodiment of the present invention.
【図７】本発明の第１の実施例を示す固定子の端面の進
行波特性の説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of traveling wave characteristics of the end surface of the stator showing the first embodiment of the present invention.
【図８】本発明の第１の実施例を示す超音波マイクロモ
ータの動作の説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of the operation of the ultrasonic micromotor according to the first embodiment of the present invention.
【図９】本発明の第１の実施例を示す超音波マイクロモ
ータの分解斜視図である。FIG. 9 is an exploded perspective view of the ultrasonic micromotor showing the first embodiment of the present invention.
【図１０】本発明の第１の実施例を示す超音波マイクロ
モータの固定子駆動回路図である。FIG. 10 is a stator drive circuit diagram of the ultrasonic micromotor showing the first embodiment of the present invention.
【図１１】本発明の第２の実施例を示す超音波マイクロ
モータの固定子の製造工程図である。FIG. 11 is a manufacturing process diagram of the stator of the ultrasonic micromotor according to the second embodiment of the present invention.
【図１２】本発明の第２の実施例を示す超音波マイクロ
モータの分解斜視図である。FIG. 12 is an exploded perspective view of an ultrasonic micromotor showing a second embodiment of the present invention.
【図１３】本発明の第３の実施例を示す超音波マイクロ
モータの固定子の拡大断面図である。FIG. 13 is an enlarged sectional view of a stator of an ultrasonic micromotor showing a third embodiment of the present invention.
【図１４】本発明の第３の実施例を示す超音波マイクロ
モータの分解斜視図である。FIG. 14 is an exploded perspective view of an ultrasonic micromotor showing a third embodiment of the present invention.
【図１５】本発明の第４の実施例を示す超音波マイクロ
モータの分解斜視図である。FIG. 15 is an exploded perspective view of an ultrasonic micromotor showing a fourth embodiment of the present invention.
１ 円筒殻 ２，３２ ＰＺＴ膜 ３，３３ 電極（銀ペースト） ４，３４ 導線 ３ａ 第１の電極 ３ｂ 第２の電極 ３ｃ 第３の電極 ３ｄ 第４の電極 ５，３５ 固定子 ６，３６ 回転子 ７，３７ 軸 ７ａ アーム ７ｂ 押さえ部 ８，３８ ストッパ ９，３９ コイルスプリング １０ 保持装置 １１ 円環状支持体 １２ ビス １３ 固定部 ２０ 固定子駆動回路 ２１ 発信機 ２２ 同調機 ２３ ケーブル ２４，２５ 増幅器 ２６ トランス ２７ 第１コイル ２８ 第２コイル ３１ 円柱体 ４１ 固定部 1 Cylindrical shell 2,32 PZT film 3,33 Electrode (silver paste) 4,34 Conductive wire 3a First electrode 3b Second electrode 3c Third electrode 3d Fourth electrode 5,35 Stator 6,36 Rotor 7,37 Shaft 7a Arm 7b Holding part 8,38 Stopper 9,39 Coil spring 10 Holding device 11 Annular support 12 Screw 13 Fixing part 20 Stator drive circuit 21 Transmitter 22 Tuner 23 Cable 24, 25 Amplifier 26 Transformer 27 1st coil 28 2nd coil 31 Cylindrical body 41 Fixed part
Claims (12)
と、（ｂ）該円筒状の金属体の外周面に形成される圧電
体膜と、（ｃ）前記円筒状の金属体の外周面の軸方向に
形成される複数の電極と、（ｄ）該複数の電極に電圧が
印加され、前記円筒状の金属体の端面の振動により駆動
される回転子とを具備することを特徴とする超音波マイ
クロモータ。1. A cylindrical metal body constituting a stator, (b) a piezoelectric film formed on an outer peripheral surface of the cylindrical metal body, and (c) the cylindrical metal body. A plurality of electrodes formed in the axial direction on the outer peripheral surface of (1) and (d) a rotor to which a voltage is applied to the plurality of electrodes and which is driven by the vibration of the end surface of the cylindrical metal body. A characteristic ultrasonic micromotor.
求項１記載の超音波マイクロモータ。2. The ultrasonic micromotor according to claim 1, wherein the cylindrical metal body comprises a cylindrical shell.
求項１記載の超音波マイクロモータ。3. The ultrasonic micromotor according to claim 1, wherein the cylindrical metal body is a cylindrical body.
れ、２組の対向する電極に互いに逆位相となり、各組の
電極間に９０度位相をずらした交流電圧を印加してなる
請求項１記載の超音波マイクロモータ。4. The plurality of electrodes are equally divided into four, and two sets of opposing electrodes have opposite phases to each other, and an alternating voltage with a 90-degree phase shift is applied between the electrodes of each set. The ultrasonic micromotor according to claim 1.
と、（ｂ）該円筒状の金属体の外周面に形成される圧電
体膜と、（ｃ）前記円筒状の金属体の外周面の軸方向に
形成される複数の電極と、（ｄ）該複数の電極に電圧が
印加され、前記円筒状の金属体の端面の振動により駆動
される回転子と、（ｅ）該回転子を支持する軸と、
（ｆ）前記固定子を保持する保持装置とを具備する超音
波マイクロモータ。5. (a) A cylindrical metal body constituting a stator, (b) a piezoelectric film formed on an outer peripheral surface of the cylindrical metal body, and (c) the cylindrical metal body. A plurality of electrodes formed in the axial direction on the outer peripheral surface of the rotor, and (d) a rotor that is driven by vibration of the end surface of the cylindrical metal body by applying a voltage to the plurality of electrodes, and (e) A shaft that supports the rotor,
(F) An ultrasonic micromotor including a holding device that holds the stator.
を保持してなる請求項５記載の超音波マイクロモータ。6. The ultrasonic micromotor according to claim 5, wherein the holding device holds a node of a vibrating portion of the stator.
持してなる請求項６記載の超音波マイクロモータ。7. The ultrasonic micromotor according to claim 6, wherein the holding device holds the outer peripheral surface of the stator.
持してなる請求項６記載の超音波マイクロモータ。8. The ultrasonic micromotor according to claim 6, wherein the holding device holds an inner peripheral surface of the stator.
を配置する請求項５記載の超音波マイクロモータ。9. The ultrasonic micromotor according to claim 5, wherein the rotor is arranged on both sides of a shaft supporting the rotor.
膜を形成する工程と、（ｂ）該圧電体膜上であって前記
円筒状の金属体の軸方向に複数の電極を形成する工程
と、（ｃ）該複数の電極に前記円筒状の金属体の端面の
振動を生ぜしめる電圧が印加されるリードを接続する工
程とを施すことを特徴とする超音波マイクロモータの固
定子の製造方法。10. A step of (a) forming a piezoelectric film on an outer peripheral surface of a cylindrical metal body, and (b) a plurality of electrodes on the piezoelectric film in the axial direction of the cylindrical metal body. And a step of (c) connecting a lead to which a voltage is applied to the plurality of electrodes to generate a vibration of the end face of the cylindrical metal body. Stator manufacturing method.
なる請求項１０記載の超音波マイクロモータの固定子の
製造方法。11. The method for manufacturing a stator of an ultrasonic micromotor according to claim 10, wherein the piezoelectric film is formed by a hydrothermal method.
してなる請求項１０記載の超音波マイクロモータの固定
子の製造方法。12. The method for manufacturing a stator of an ultrasonic micromotor according to claim 10, wherein the piezoelectric film is formed by a sol-gel method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6022420A JPH07231684A (en) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | Ultrasonic micromotor and manufacture of its stator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6022420A JPH07231684A (en) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | Ultrasonic micromotor and manufacture of its stator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07231684A true JPH07231684A (en) | 1995-08-29 |
Family
ID=12082193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6022420A Pending JPH07231684A (en) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | Ultrasonic micromotor and manufacture of its stator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07231684A (en) |
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