JPH074074B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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JPH074074B2
JPH074074B2 JP63233803A JP23380388A JPH074074B2 JP H074074 B2 JPH074074 B2 JP H074074B2 JP 63233803 A JP63233803 A JP 63233803A JP 23380388 A JP23380388 A JP 23380388A JP H074074 B2 JPH074074 B2 JP H074074B2
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JP
Japan
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ultrasonic motor
piezoelectric ceramic
motion
piezoelectric
ceramic cylinder
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洋 清水
哲男 吉田
晃 白鳥
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Tokin Corp
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/106Langevin motors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/0015Driving devices, e.g. vibrators using only bending modes

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、電子機器などに用いられる超音波モータに関
し、特にロータ直径の小さい小型の超音波モータに関す
る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic motor used in electronic devices and the like, and more particularly to a small ultrasonic motor having a small rotor diameter.

[従来の技術] 超音波モータは従来の電磁モータと比較して、低回転で
高いトルクが得られること、停止保持力を有すること、
電磁ノイズが小さいことなどの利点を有しており、カメ
ラのオートフォーカス用や自動車用パワーモータ等に使
用されている。
[Prior Art] An ultrasonic motor is capable of obtaining a high torque at a low rotation and having a stop holding force as compared with a conventional electromagnetic motor
It has advantages such as low electromagnetic noise, and is used for autofocus of cameras and power motors for automobiles.

第7図及び第8図は従来の超音波モータの構造を示す概
略図であり、リング上の串歯状の突起部を設けた金属板
51の突起部の形成されている面の裏側に2枚の圧電セラ
ミック円板52,53を接着した構造のステータ51の上に円
板状ロータ54を圧接した構造となっている。圧電セラミ
ック円板52,53は、偶数等分に分極の向きが逆向きとな
っており、これら2枚の圧電セラミックス板は分割角度
の半分の角度だけずらして接着されている。
FIG. 7 and FIG. 8 are schematic views showing the structure of a conventional ultrasonic motor, which is a metal plate provided with comb-shaped projections on a ring.
The disk-shaped rotor 54 is pressed onto a stator 51 having two piezoelectric ceramic disks 52 and 53 bonded to the back side of the surface of the projection 51. The piezoelectric ceramic discs 52, 53 have polarization directions opposite to each other evenly evenly, and these two piezoelectric ceramic plates are bonded to each other with a shift of half the division angle.

[発明が解決しようとする課題] 第7図から判るように従来の超音波モータにおいては、
ステータの超音波振動を平面的にローターに伝達してい
るため、駆動トルクを大きくするには、ステータ及びロ
ータの直径を大きくする必要がある。その為、従来の超
音波モータの実用的な最小直径は20〜30mmに限定されて
いた。
[Problems to be Solved by the Invention] As can be seen from FIG. 7, in the conventional ultrasonic motor,
Since the ultrasonic vibration of the stator is transmitted to the rotor in a planar manner, it is necessary to increase the diameters of the stator and the rotor in order to increase the driving torque. Therefore, the practical minimum diameter of the conventional ultrasonic motor was limited to 20 to 30 mm.

そこで、本発明の技術的課題は、ローターの直径を小さ
くした小型の超音波モータを提供することにある。
Then, the technical subject of this invention is providing the small ultrasonic motor which reduced the diameter of the rotor.

本発明の他の技術的課題は、ローターの直径として、20
mm以下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 that the diameter of the rotor is 20
It is to provide an ultrasonic motor of mm or less.

[課題を解決するための手段] 本発明によれば、圧電セラミックス円柱の側面に設けら
れた長さ方向に平行な複数対の電極を有し、この圧電セ
ラミックス円柱の端面が円を含む楕円運動を行う圧電楕
円運動振動子と、この圧電楕円運動振動子の少なくとも
一方の端部に配された楕円運動−回転変換部材と、この
圧電セラミックス円柱の振動の節に設けられた絶縁材料
よりなる支持部材とを有し、前記圧電楕円運動振動子の
楕円運動を前記楕円運動−回転変換部材により回転運動
に変換して回転出力を得る超音波モータにおいて、 前記支持部材は、前記電極と対応した位置に導体パター
ンが形成されたリング形状を有し、前記電極と前記導体
パターンとを電気的に接続し、前記導体パターンより外
部リードを引き出した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, there are a plurality of pairs of electrodes provided on the side surface of a piezoelectric ceramic cylinder and parallel to the length direction, and the end surface of the piezoelectric ceramic cylinder has an elliptical motion including a circle. A piezoelectric elliptical motion oscillator, an elliptic motion-rotation conversion member disposed at at least one end of the piezoelectric elliptical motion oscillator, and a support made of an insulating material provided at a vibration node of the piezoelectric ceramic cylinder. An ultrasonic motor that has a member and converts the elliptical motion of the piezoelectric elliptical motion oscillator into a rotational motion by the elliptic motion-rotation conversion member to obtain a rotational output, wherein the support member has a position corresponding to the electrode. A supersonic wave having a ring shape in which a conductor pattern is formed, electrically connecting the electrode and the conductor pattern, and drawing an external lead from the conductor pattern. The motor can be obtained.

[作用] 本発明の超音波モータにおいては、圧電セラミックス円
柱の側面に設けられた長さ方向に平行な複数対の電極を
有し、この圧電セラミックス円柱の端面が円を含む楕円
運動を行う圧電楕円運動振動子の振動の節が、リング状
の支持枠で支持されているために、支持による振動への
影響が均一になり安定な楕円運動の励振が可能となる。
[Operation] In the ultrasonic motor of the present invention, the piezoelectric ceramic cylinder has a plurality of pairs of electrodes provided in the side surface and parallel to the length direction, and the end surface of the piezoelectric ceramic cylinder has an elliptical motion including a circle. Since the node of vibration of the elliptical motion oscillator is supported by the ring-shaped support frame, the influence of the support on the vibration is uniform, and stable elliptic motion excitation is possible.

さらに、圧電セラミックス円柱の側面に設けられた電極
と、前記支持枠状に設けられた導体部が半田等により、
電気的に接続された後にリード線は、前記支持枠上の導
体部から取り出されるため、リード線の断線も発生しに
くくなる。
Furthermore, the electrode provided on the side surface of the piezoelectric ceramic cylinder and the conductor portion provided in the support frame shape are soldered,
Since the lead wire is taken out from the conductor portion on the support frame after being electrically connected, disconnection of the lead wire is less likely to occur.

[実施例] 以下本発明の超音波モータについて、詳しく説明する。[Example] The ultrasonic motor of the present invention will be described in detail below.

第1図は本発明の実施例に係る超音波モータの構成を示
す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention.

この図において、超音波モータは、圧電セラミックス円
柱11と、リング状支持枠12と、カップ状ロータ13とを有
する。
In this figure, the ultrasonic motor has a piezoelectric ceramic cylinder 11, a ring-shaped support frame 12, and a cup-shaped rotor 13.

第2図は本発明の超音波モータに用いる圧電セラミック
ス円柱を示す斜視図である。第3図は本発明の超音波モ
ータに用いる圧電セラミックス円柱の断面図であり、第
3図(a)は電極32,34を(+),電極31,33を(−)に
して、電圧を印加した場合の分極の向きを破線の矢印で
示している。第3図(b)は、第3図(a)のように分
極した圧電セラミックス円柱において電極33,34を
(+)、電極31,32を(−)にして電圧を印加した場合
の断面の歪みを示す図である。第3図(b)において、
電圧は電極34から31,電極33から32に印加される。その
ために、分極方向に依存して、圧電セラミックス円柱の
周面に沿うように電極34,31間は伸び、電極33,32間は縮
む。その結果として、第3図(b)において、長さ方向
に下側が膨むように屈曲する。また、印加電圧の極性が
逆方向であれば、屈曲も逆になる。
FIG. 2 is a perspective view showing a piezoelectric ceramic cylinder used in the ultrasonic motor of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of a piezoelectric ceramic cylinder used in the ultrasonic motor of the present invention. FIG. 3 (a) shows electrodes 32 and 34 (+), electrodes 31 and 33 (-), and voltage The direction of polarization when applied is indicated by a dashed arrow. FIG. 3 (b) is a cross section of a piezoelectric ceramic cylinder polarized as shown in FIG. 3 (a) when a voltage is applied with the electrodes 33 and 34 (+) and the electrodes 31 and 32 (-). It is a figure which shows distortion. In FIG. 3 (b),
Voltages are applied to electrodes 34 to 31 and electrodes 33 to 32. Therefore, depending on the polarization direction, the electrodes 34 and 31 extend and the electrodes 33 and 32 contract along the circumferential surface of the piezoelectric ceramic cylinder. As a result, in FIG. 3B, the lower side is bent so as to bulge in the length direction. Moreover, if the polarity of the applied voltage is opposite, the bending is also opposite.

第4図(a)及び第4図(b)は圧電セラミックス円柱
11に交流電圧を加えた場合の振動状態の説明図である。
4 (a) and 4 (b) are piezoelectric ceramic cylinders.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a vibration state when an AC voltage is applied to 11.

電極33,34と電極31,32間に振動子の共振周波数に等しい
交流電圧を印加した場合、第4図(a)のように、白抜
き矢印の方向に屈曲振動を発生する。電極31,33及び32,
33を接続して同様に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ると、屈曲振動の方向は第4図
(a)の方向とは直角になる。したがって、以上の2つ
の方向の屈曲振動の位相を90°ずらせること、具体的に
は夫々の駆動電極の印加電圧の位相を90°ずらせること
により、圧電セラミックス円柱11の両端部に、第4図
(b)に示すような円運動を含む楕円運動を励起するこ
とが可能である。
When an AC voltage equal to the resonance frequency of the vibrator is applied between the electrodes 33, 34 and the electrodes 31, 32, bending vibration is generated in the direction of the white arrow as shown in FIG. 4 (a). Electrodes 31, 33 and 32,
When 33 is connected and an AC voltage having a frequency equal to the resonance frequency of the vibrator is applied in the same manner, the bending vibration direction becomes perpendicular to the direction of FIG. 4 (a). Therefore, by shifting the phase of the bending vibration in the above two directions by 90 °, specifically, by shifting the phase of the applied voltage of each drive electrode by 90 °, the piezoelectric ceramic cylinder 11 is provided with a It is possible to excite an elliptic motion including a circular motion as shown in FIG.

第5図は圧電セラミックス円柱の振動の節を固定するた
めのリング状支持枠12を示す図で、導体パターンが形成
されている。
FIG. 5 is a view showing a ring-shaped support frame 12 for fixing the vibration node of the piezoelectric ceramic cylinder, and a conductor pattern is formed.

第5図において、導体パターン35,36,37,38は絶縁体よ
りなる圧電セラミックス円柱の電極と位置が合うよう
に、円周方向に4等分された位置に夫々形成されてい
る。圧電セラミック円柱11をこのリング状支持枠12で支
持し、さらにその両端に回転出力伝達のための一端に突
出軸を有し、他端に孔部を有するカップ状ロータ13の他
端側より付けると第1図示の超音波モータとなる。
In FIG. 5, the conductor patterns 35, 36, 37, 38 are formed at four equally divided positions in the circumferential direction so as to be aligned with the electrodes of the piezoelectric ceramic cylinder made of an insulator. The piezoceramic column 11 is supported by the ring-shaped support frame 12, and the both ends of the cup-shaped rotor 13 have a protruding shaft at one end for transmitting rotational output and the other end have a hole portion. And the ultrasonic motor shown in FIG.

第6図は本発明の超音波モータにおいて圧電セラミック
ス円柱11をリング状支持枠で支持し、さらに円筒状外枠
に支持した場合の斜視図あり、圧電セラミックス円柱11
はリング状支持枠12でその振動の節を支持される。圧電
セラミックス円柱11の両端には、カップ状ローター13
が、その空筒部に前記圧電セラミックス円柱11の端部が
微小隙間をもって、挿入された状態で、装着されてい
る。リング状支持枠12は、円筒状外枠14に挿入され、円
筒状外枠に固定する。また、円筒状外枠14に設けられた
リード線引き出し穴16よりリード線が引き出されてい
る。第6図において、圧電セラミックス円柱11の端部が
楕円運動を行うと、カップ状ロータ13の軸は、外枠内に
挿入される軸受け17によって、回転自在に支持されてい
るために安定に回転する。
FIG. 6 is a perspective view of the piezoelectric ceramic cylinder 11 supported by a ring-shaped support frame and further supported by a cylindrical outer frame in the ultrasonic motor of the present invention.
Is supported by a ring-shaped support frame 12 at its node of vibration. At both ends of the piezoelectric ceramic cylinder 11, a cup-shaped rotor 13
However, the end portion of the piezoelectric ceramic cylinder 11 is attached to the hollow cylindrical portion with a minute gap therebetween. The ring-shaped support frame 12 is inserted into the cylindrical outer frame 14 and fixed to the cylindrical outer frame. In addition, lead wires are drawn out from lead wire drawing holes 16 provided in the cylindrical outer frame 14. In FIG. 6, when the end portion of the piezoelectric ceramic cylinder 11 makes an elliptic motion, the shaft of the cup-shaped rotor 13 is rotatably supported by the bearing 17 inserted into the outer frame, so that the rotor rotates stably. To do.

第1図に示したように、本発明においては、リング支持
枠を用いて圧電セラミックス円柱よりなる楕円運動振動
子の振動の節の部分を支持しており、支持枠の形状が対
称的であるため、円を含む楕円運動を励起するための互
いに直角な方向に対して支持による影響が同じように作
用するため、安定した楕円運動が可能であり、さらに、
外部リード線を圧電セラミックス円柱の電極と電気的に
接続されたリング状の支持枠の導体部より引き出すこと
により、リード線の断線も発生しにくくなる。
As shown in FIG. 1, in the present invention, the ring support frame is used to support the vibration node of the elliptical motion oscillator made of the piezoelectric ceramic cylinder, and the shape of the support frame is symmetrical. Therefore, since the influence of the support acts in the same direction in the directions orthogonal to each other for exciting the elliptical motion including the circle, stable elliptic motion is possible, and further,
By pulling out the external lead wire from the conductor portion of the ring-shaped support frame electrically connected to the electrode of the piezoelectric ceramic cylinder, disconnection of the lead wire is less likely to occur.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明の超音波モータにおいて
は、駆動力を発生させるための振動子の形状が単純で、
回転あるいは、楕円運動振動を発生させるための2つの
振動モードが同じ屈曲振動であることから、構造が簡単
になる。また、楕円運動振動子として、棒状の振動子を
使用しているため、ローターの直径を小さくすることが
容易で、ローター直径の小さい超音波モータを得ること
ができる。
[Effects of the Invention] As described above, in the ultrasonic motor of the present invention, the shape of the vibrator for generating the driving force is simple,
Since the two vibration modes for generating the rotational or elliptical motion vibration are the same bending vibration, the structure is simplified. Moreover, since a rod-shaped oscillator is used as the elliptical motion oscillator, it is easy to reduce the diameter of the rotor, and an ultrasonic motor with a small rotor diameter can be obtained.

さらに、本発明によれば、外部リード線も圧電セラミッ
クス円柱の電極より直接引き出さず、リング状支持枠の
導体パターンより半田付け等により引き出すことが可能
であるために、強度を増し、外部リード線の断線の可能
性も少なくなる。
Further, according to the present invention, the external lead wire can also be drawn out by soldering or the like from the conductor pattern of the ring-shaped support frame without directly drawing it out from the electrode of the piezoelectric ceramic cylinder, so that the strength of the external lead wire is increased. The possibility of wire breakage is reduced.

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

第1図は本発明の実施例に係る超音波モータの構成を示
す斜視図、第2図は本発明の超音波モータに用いる圧電
セラミックス円柱を示す斜視図、第3図は本発明の超音
波モータに用いる圧電セラミックス円柱の断面図、第3
図(a)は電極32,34を(+)、電極31,33を(−)にし
て電圧を印加した場合の分極の向きを示す図、第3図
(b)は第3図(a)のように分極した圧電セラミック
ス円柱において,電極33,34を(+)、電極31,32を
(−)にして印加した場合の断面の歪みを示す図、第4
図(a)及び第4図(b)は圧電セラミックス円柱に交
流電圧を加えた場合の振動状態の説明図、第5図は圧電
セラミックス円柱の振動の節を固定するためのリング状
支持枠を示す斜視図、第6図は本発明の超音波モータに
おいて圧電セラミックス円柱をリング状支持枠で支持
し、さらに円筒状外枠で支持した場合の斜視図、第7図
及び第8図は従来の超音波モータの構造例の説明に供す
る図である。 図中11は圧電セラミックス円柱、12はリング状支持枠、
13はカップ状ローター、14は円筒状外枠、16はリード線
引き出し穴、17は軸受け、31,32,33,34は電極、51は金
属板、52,53は圧電セラミック円板である。
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an ultrasonic motor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing a piezoelectric ceramic cylinder used in the ultrasonic motor of the present invention, and FIG. 3 is an ultrasonic wave of the present invention. Sectional view of piezoelectric ceramic cylinder used in motor, 3rd
FIG. 3 (a) is a diagram showing the direction of polarization when a voltage is applied with the electrodes 32 and 34 (+) and the electrodes 31 and 33 (-), and FIG. 3 (b) is FIG. 3 (a). FIG. 4 is a diagram showing the distortion of the cross section when the electrodes 33 and 34 are set to (+) and the electrodes 31 and 32 are set to (−) in the piezoelectric ceramic cylinder polarized as described above.
FIGS. 4A and 4B are explanatory views of a vibration state when an AC voltage is applied to the piezoelectric ceramic cylinder, and FIG. 5 shows a ring-shaped support frame for fixing a vibration node of the piezoelectric ceramic cylinder. FIG. 6 is a perspective view showing a case where a piezoelectric ceramic column is supported by a ring-shaped support frame and further supported by a cylindrical outer frame in the ultrasonic motor of the present invention, and FIGS. 7 and 8 are conventional perspective views. It is a figure with which an example of a structure of an ultrasonic motor is explained. In the figure, 11 is a piezoelectric ceramic cylinder, 12 is a ring-shaped support frame,
Reference numeral 13 is a cup-shaped rotor, 14 is a cylindrical outer frame, 16 is a lead wire drawing hole, 17 is a bearing, 31, 32, 33, 34 are electrodes, 51 is a metal plate, and 52, 53 are piezoelectric ceramic disks.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白鳥 晃 宮城県仙台市郡山6丁目7番1号 東北金 属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−220781(JP,A) 特開 昭61−106077(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Akira Shiratori Akira Shiratori 6-7-1, Koriyama, Sendai City, Miyagi Prefecture Tohoku Kinzoku Kogyo Co., Ltd. (56) Reference JP-A-63-220781 (JP, A) JP 61-106077 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】圧電セラミックス円柱の側面に設けられた
長さ方向に平行な複数対の電極を有し、該圧電セラミッ
クス円柱の端面が円を含む楕円運動を行う圧電楕円運動
振動子と、該圧電楕円運動振動子の少なくとも一方の端
部に配された楕円運動−回転変換部材と、該圧電セラミ
ックス円柱の振動の節に設けられた絶縁材料よりなる支
持部材とを有し、前記圧電楕円運動振動子の楕円運動を
前記楕円運動−回転変換部材により回転運動に変換して
回転出力を得る超音波モータにおいて、 前記支持部材は、前記電極と対応した位置に導体パター
ンが形成されたリング形状を有し、前記電極と前記導体
パターンとを電気的に接続し、前記導体パターンより外
部リードを引き出したことを特徴とする超音波モータ。
1. A piezoelectric elliptical motion oscillator having a plurality of pairs of electrodes provided on a side surface of a piezoelectric ceramics cylinder and parallel to a length direction, and an end face of the piezoelectric ceramics cylinder performing an elliptic motion including a circle. The piezoelectric elliptic motion includes an elliptic motion-rotation conversion member arranged at at least one end of the piezoelectric elliptical motion oscillator, and a supporting member made of an insulating material provided at a vibration node of the piezoelectric ceramic cylinder. In an ultrasonic motor that obtains a rotational output by converting the elliptical motion of an oscillator into a rotational motion by the elliptic motion-rotation conversion member, the support member has a ring shape in which a conductor pattern is formed at a position corresponding to the electrode. An ultrasonic motor comprising: the electrode and the conductor pattern electrically connected to each other, and an external lead being drawn from the conductor pattern.
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