JPH10323063A - Vibration actuator - Google Patents

Vibration actuator

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Publication number
JPH10323063A
JPH10323063A JP9130648A JP13064897A JPH10323063A JP H10323063 A JPH10323063 A JP H10323063A JP 9130648 A JP9130648 A JP 9130648A JP 13064897 A JP13064897 A JP 13064897A JP H10323063 A JPH10323063 A JP H10323063A
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JP
Japan
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vibration
vibrator
torsional vibration
rotation axis
elastic member
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Application number
JP9130648A
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Japanese (ja)
Inventor
Isao Sugaya
功 菅谷
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide vibration actuator which obtains degeneracy, creates vibration with a large amplitude, is high in Q-value, and generates less heat. SOLUTION: The actuator is provided with a rotating member 13 which is rotatable on a specified rotary shaft; an elastic member 4 which creates longitudinal vibration in the direction of the rotary shaft and torsional vibration around the rotary shaft, thereby producing elliptic motion at the end face in the direction of the rotary shaft; and a piezoelectric element which is installed on the elastic member in a position where there is a node of torsional vibration, and excites torsional vibration in the elastic member 4. In this case, the rigidity of the elastic member 4 varies along the rotary shaft, so that the maximum degree of sharpness does not become 0 or above when the distribution of the shearing strain is observed in terms of the direction of the rotary shaft.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、弾性部材の振動を
利用して回転部材に駆動力を発生させる振動アクチュエ
ータに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration actuator for generating a driving force on a rotating member by utilizing the vibration of an elastic member.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の振動アクチュエータに
は、例えば、特開平8−103089号又は特開平8−
140377号に開示された振動アクチュエータがあ
る。図9は、特開平8−140377号に開示された振
動アクチュエータ(以下「従来の振動アクチュエータ」
という)を示す断面図、また、図10は、図9の振動ア
クチュエータの固定子を示す斜面図である。
2. Description of the Related Art Conventionally, a vibration actuator of this type has been disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No.
There is a vibration actuator disclosed in 140377. FIG. 9 shows a vibration actuator disclosed in JP-A-8-140377 (hereinafter referred to as "conventional vibration actuator").
FIG. 10 is a sectional view showing the stator of the vibration actuator shown in FIG.

【0003】図9に示すように、従来の振動アクチュエ
ータは、シャフト107に固定子101と移動子106
を取り付け、移動子106を固定子101に加圧接触さ
せる構成となっている。移動子106は、移動子母材1
06−1と、移動子母材の固定子101と接触する面に
備えられ、固定子101と摺動する摺動材106−2と
からなる。また、固定子101は、図10に示すよう
に、厚肉の円筒部材を2分割して得られる弾性体10
2、及び103と、2種類の板状の圧電体(電気機械エ
ネルギー変換素子104、及び105とから構成されて
いる。固定子101は、圧電体104及び105を弾性
体102及び103の間に挟み込み、全体としてほぼ円
筒状の形状となるように組み立てられている。
As shown in FIG. 9, a conventional vibration actuator has a stator 107 and a moving element 106 mounted on a shaft 107.
Is attached, and the moving element 106 is brought into pressure contact with the stator 101. The mover 106 is a mover base material 1
06-1 and a sliding member 106-2 provided on a surface of the moving element base material that comes into contact with the stator 101 and sliding with the stator 101. Further, as shown in FIG. 10, the stator 101 has an elastic body 10 obtained by dividing a thick-walled cylindrical member into two parts.
2 and 103, and two types of plate-like piezoelectric bodies (electromechanical energy conversion elements 104 and 105). The stator 101 includes the piezoelectric bodies 104 and 105 between the elastic bodies 102 and 103. It is sandwiched and assembled so as to have a substantially cylindrical shape as a whole.

【0004】ここで、圧電体104は、板厚方向に電圧
を印加すると、固定子101の中心軸A1に沿って伸縮
変形を行う素子であり、一方、圧電体105は、同じよ
うに電圧を印加すると、中心軸A1に沿ってせん断変形
をする素子である。従来の振動アクチュエータでは、圧
電体104及び105に所定の周波電圧を90度の位相
差をもって印加し、固定子101に、中心軸A1に沿う
方向の縦振動と、中心軸A1を中心に捩る方向の捩り振
動とを励振する。この結果、固定子101の端面(以下
「駆動面」という)D1が楕円運動を行い、さらに、そ
の楕円運動の一部が移動子106に伝達されて、移動子
106が一定の方向に回転する。
Here, the piezoelectric body 104 is an element that expands and contracts along the central axis A1 of the stator 101 when a voltage is applied in the plate thickness direction, while the piezoelectric body 105 similarly applies a voltage. When applied, the element undergoes shear deformation along the central axis A1. In a conventional vibration actuator, a predetermined frequency voltage is applied to the piezoelectric bodies 104 and 105 with a phase difference of 90 degrees, and a longitudinal vibration in a direction along the center axis A1 and a direction of twisting about the center axis A1 are applied to the stator 101. Excites torsional vibration. As a result, the end face (hereinafter referred to as “driving face”) D1 of the stator 101 performs an elliptical motion, and a part of the elliptical motion is transmitted to the moving element 106, and the moving element 106 rotates in a certain direction. .

【0005】従来の振動アクチュエータは、上述したよ
うに、弾性体102及び103の分割面に、圧電体を配
置する構成を採用していたので、大面積の板状の圧電体
を使用して、高トルク及び高回転数のアクチュエータを
実現することを可能としていた。
As described above, the conventional vibration actuator employs a configuration in which a piezoelectric body is disposed on the divided surfaces of the elastic bodies 102 and 103. Therefore, a large-area plate-like piezoelectric body is used. It has made it possible to realize an actuator with a high torque and a high rotational speed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来の振動アクチュエ
ータにおいて、駆動面D1に楕円運動を効率的に発生さ
せるためには、固定子101の捩り振動の固有振動数と
縦振動の固有振動数とが一致していることが必要であ
る。これは、これらの固有振動数が一致していないと、
振動のいわゆる縮退が生じないからである。しかしなが
ら、固定子101が単なる円柱形状等を有している場合
には、固定子単体ではそれら固有振動数が一致せず、効
率よく振動アクチュエータを駆動することが困難である
という問題があった。上記問題に対し、本願出願人は、
固定子の外周に溝部を設けることにより、上記固有振動
数の大きさを調整、一致させ、駆動効率を向上させた振
動アクチュエータを発明し、これを特願平7−2416
23号等に開示している。
In the conventional vibration actuator, in order to efficiently generate an elliptical motion on the driving surface D1, the natural frequency of the torsional vibration of the stator 101 and the natural frequency of the longitudinal vibration are required. Must match. This means that if these natural frequencies do not match,
This is because so-called degeneration of the vibration does not occur. However, when the stator 101 has a simple columnar shape or the like, the natural frequencies of the stators do not match, and there is a problem that it is difficult to efficiently drive the vibration actuator. In response to the above problems, the applicant of the present application
By providing grooves on the outer periphery of the stator to adjust and match the magnitudes of the above natural frequencies, and invented a vibration actuator with improved driving efficiency, this is disclosed in Japanese Patent Application No. 7-2416.
No. 23 and the like.

【0007】一方、振動アクチュエータは、圧電体等の
電気機械エネルギー変換素子の発生する力をきっかけと
して所望モードの振動をステータに引き起こす。したが
って、電気機械エネルギー変換素子を弾性体のいずれに
配置するかは、極めて重要であり、この点についても、
既に本出願人は、特願平7−241623号等に開示し
ている。それによれば、電気機械エネルギー変換素子
は、励振しようとする振動の節部(歪みの集中している
部分)の位置に配置するのが最も望ましく、かかる位置
に配置したときに、励振効率が最も高くなる。
On the other hand, the vibration actuator causes a stator to vibrate in a desired mode by using a force generated by an electromechanical energy conversion element such as a piezoelectric body. Therefore, it is extremely important to place the electromechanical energy conversion element on the elastic body.
The present applicant has already disclosed in Japanese Patent Application No. 7-241623 and the like. According to this, it is most preferable that the electromechanical energy conversion element is arranged at a position of a node (a portion where strain is concentrated) of the vibration to be excited. Get higher.

【0008】よって、固定子に溝部を設けることは、縮
退を得ることと同時に、歪みをその部分に集中させ、必
要最小限の電気機械エネルギー変換素子をはり、そこに
のみ電気エネルギーを与えることができるようになると
いう意味で非常に有効な手段である。また、溝部を設け
ることは、固定子に生じる振動の振幅を拡大するという
面でも効果的である。しかしながら、極端な歪みの集中
化は、一方で発熱の発生を非常に大きくする。このよう
な発熱は、共振周波数のシフトをもたらし、また、振動
アクチュエータの動作特性の安定性を損ねてしまう。さ
らにまた、極端な歪みの集中化は、Q値の低下をも招
く。
Accordingly, providing the groove in the stator not only obtains the degeneration but also concentrates the strain on that portion, mounts the minimum necessary electromechanical energy conversion element, and applies electric energy only to it. It is a very effective means in the sense that it becomes possible. Provision of the groove is also effective in increasing the amplitude of vibration generated in the stator. However, the extreme concentration of distortion, on the other hand, greatly increases the generation of heat. Such heat generation causes a shift in the resonance frequency, and also impairs the stability of the operating characteristics of the vibration actuator. Furthermore, extreme concentration of distortion also causes a decrease in the Q value.

【0009】ここでQ値とは、振動子の振動特性の評価
に用いられる値であり、一般には局所的な歪みの集中が
ないほど高くなる値である。Q値は、高い方が振動特性
が良く、Q値が高いと移動子の最高回転数の上限値を引
き上げることが可能となる。さらに、Q値が高いと、発
熱も抑えられ、その結果、振動アクチュエータの低電圧
駆動が可能となる。
Here, the Q value is a value used for evaluating the vibration characteristics of the vibrator, and is generally a value that increases as local distortion does not concentrate. The higher the Q value, the better the vibration characteristics. The higher the Q value, the higher the upper limit value of the maximum number of rotations of the moving element can be. Furthermore, when the Q value is high, heat generation is also suppressed, and as a result, low-voltage driving of the vibration actuator becomes possible.

【0010】ところで、Q値の最も高くなる振動子の形
状とは、溝部などが全くない、主軸方向に断面形状が一
定である丸棒の形状又は板の形状である。しかし、振動
アクチュエータの固定子としての利用を考えると、前述
のように、このような丸棒のごとき形状では、捩り振動
と縦振動の共振周波数が一致せず、いわゆる縮退が生じ
なくなる。また、励振された振動の振幅も小さくなるな
どの問題がある。このために、従来の振動アクチュエー
タでは、溝部が必要であり、固定子の形状をQ値が最高
の値となるものにすることは困難であった。つまり、従
来の振動アクチュエータでは、固定子に生じる振動を縮
退させ、大きな振幅を得ることと、Q値を向上させるこ
とという相反する要求を同時に満たさなければならない
点が開発上の大きな課題となっていた。
By the way, the shape of the vibrator having the highest Q value is a round bar shape or a plate shape having no groove or the like and having a constant cross-sectional shape in the main axis direction. However, considering the use of the vibration actuator as a stator, as described above, the resonance frequency of the torsional vibration does not coincide with that of the longitudinal vibration in such a round bar shape, and so-called degeneration does not occur. Further, there is a problem that the amplitude of the excited vibration becomes small. For this reason, in the conventional vibration actuator, a groove is required, and it is difficult to make the shape of the stator such that the Q value has the highest value. That is, in the conventional vibration actuator, a major problem in development is that the contradictory requirements of degenerating the vibration generated in the stator to obtain a large amplitude and improving the Q value are simultaneously satisfied. Was.

【0011】そこで、本発明は、いわゆる縮退が得ら
れ、また、大きな振幅の振動を行う一方で、Q値が高
く、発熱が低い振動アクチュエータを得ることを課題と
する。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a vibration actuator which has so-called degeneration and performs vibration of a large amplitude while having a high Q value and low heat generation.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項1に係る発明は、所定の回転軸回りに回転可
能な回転部材と、前記回転軸方向の縦振動及び前記回転
軸回りの捩り振動を行うことにより前記回転軸方向の端
面に楕円運動を発生させる弾性部材と、前記捩り振動の
節部のある位置で前記弾性部材に設置され、前記弾性部
材に前記捩り振動を励振する圧電素子とを有する振動ア
クチュエータにおいて、前記弾性部材の剛性は、前記捩
り振動に起因して生じるせん断の歪み分布を前記回転軸
方向についてみた場合、最大の尖度が0以上となること
がないように、前記回転軸に沿って変化していることを
特徴とする振動アクチュエータである。請求項2に係る
発明は、請求項1に記載の振動アクチュエータにおい
て、前記弾性部材は、前記回転軸に垂直な断面の形状を
前記回転軸に沿って変化させることにより前記剛性を変
化させていることを特徴としている振動アクチュエータ
である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a rotating member rotatable about a predetermined rotation axis, a longitudinal vibration in the direction of the rotation axis, and a rotation about the rotation axis. An elastic member that generates an elliptical motion on the end face in the rotation axis direction by performing torsional vibration of the torsional vibration, and the elastic member is installed at a position where a node of the torsional vibration is present, and excites the torsional vibration to the elastic member. In a vibration actuator having a piezoelectric element, the rigidity of the elastic member is such that a maximum kurtosis does not become 0 or more when a strain distribution of shear generated due to the torsional vibration is viewed in the rotation axis direction. In addition, the vibration actuator is characterized by changing along the rotation axis. According to a second aspect of the present invention, in the vibration actuator according to the first aspect, the elastic member changes the rigidity by changing a shape of a cross section perpendicular to the rotation axis along the rotation axis. A vibration actuator characterized in that:

【0013】請求項3に係る発明は、請求項2に記載の
振動アクチュエータにおいて、前記弾性部材は、外周面
に溝を設けることにより前記断面の形状を前記回転軸に
沿って変化させていることを特徴とする振動アクチュエ
ータである。請求項4に係る発明は、請求項1に記載の
振動アクチュエータにおいて、前記弾性部材は、異なる
弾性係数を有する2以上の部材又は部位から構成される
ことにより前記剛性を変化させていることを特徴として
いる振動アクチュエータである。請求項5に係る発明
は、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の
振動アクチュエータにおいて、前記振動発生源は、圧電
素子であることを特徴とする振動アクチュエータであ
る。
According to a third aspect of the present invention, in the vibration actuator according to the second aspect, the elastic member changes a shape of the cross section along the rotation axis by providing a groove on an outer peripheral surface. A vibration actuator characterized by the following. According to a fourth aspect of the present invention, in the vibration actuator according to the first aspect, the elastic member has two or more members or portions having different elastic coefficients to change the rigidity. This is the vibration actuator. The invention according to claim 5 is the vibration actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the vibration generation source is a piezoelectric element.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(第1実施形態)以下、本発明の実施形態を添付図面を
参照しながら詳細に説明する。なお、以降の各実施形態
の説明は、振動アクチュエータとして超音波の振動域を
利用する超音波モータを例にとって行う。
(First Embodiment) Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of each embodiment, an ultrasonic motor using an ultrasonic vibration region as a vibration actuator will be described as an example.

【0015】図1は、第1実施形態の超音波モータ1の
構造を示す縦断面図である。同図において、振動子2
は、駆動信号を入力されることにより励振される電気機
械変換素子である圧電体3と、圧電体3をその内部に軸
方向と平行な方向に挟んだ状態で保持するとともに圧電
体3の励振により1次の縦振動(第1振動)と2次の捩
り振動(第2振動)とが発生することにより駆動面4c
に駆動力を発生する弾性体4とから構成される。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the structure of the ultrasonic motor 1 according to the first embodiment. In FIG.
Is a piezoelectric body 3, which is an electromechanical transducer that is excited by input of a drive signal, and holds the piezoelectric body 3 in a state of being sandwiched therein in a direction parallel to the axial direction and excites the piezoelectric body 3. As a result, a primary longitudinal vibration (first vibration) and a secondary torsional vibration (second vibration) are generated, so that the drive surface 4c
And an elastic body 4 that generates a driving force.

【0016】弾性体4は、ステンレス鋼又はアルミニウ
ム合金等の金属材料又はプラスチック材料等の弾性材料
からなる。弾性体4は、中空円柱状の弾性部材を縦に2
つに分割することにより得られる2つの半弾性体4a、
4bを、再度円柱状に組み合わせることにより構成され
る。弾性体4は、外周面に周溝5d、5e及び5fを設
けることにより3つの小径部5a、5b及び5cが形成
されている。また、弾性体4の外周面には、これらの小
径部5a〜5cによって区切られることにより、4つの
大径部5A、5B、5C、5Dが形成される。小径部5
a、5b、5cは、弾性体に発生する1次の縦振動と2
次の捩じり振動とを縮退させるために配置される。
The elastic body 4 is made of a metal material such as stainless steel or an aluminum alloy or an elastic material such as a plastic material. The elastic body 4 is composed of a hollow cylindrical elastic member and
Two semi-elastic bodies 4a obtained by dividing into two
4b is again assembled in a columnar shape. The elastic body 4 has three small diameter portions 5a, 5b, and 5c formed by providing peripheral grooves 5d, 5e, and 5f on the outer peripheral surface. In addition, four large-diameter portions 5A, 5B, 5C, and 5D are formed on the outer peripheral surface of the elastic body 4 by being partitioned by these small-diameter portions 5a to 5c. Small diameter part 5
a, 5b, and 5c represent the primary longitudinal vibration generated in the elastic body and 2
It is arranged to degenerate the next torsional vibration.

【0017】弾性体4の2つの分割面それぞれには、後
述する図2に示すように圧電体3a、3b及び3cが2
層ずつ挟み込まれた状態で保持される。圧電体3bは、
圧電定数d31を用いる圧電体であって、弾性体4に発生
する1次の縦振動の節付近(振動子2の長手方向略中央
部)の一箇所に配置される。また、圧電体3a、3c
は、いずれも、圧電定数d15を用いる圧電体であって、
弾性体4に発生する2次の捩じり振動の節付近の二箇所
に配置される。
As shown in FIG. 2 to be described later, piezoelectric members 3a, 3b and 3c are provided on two divided surfaces of the elastic member 4, respectively.
It is held in a state sandwiched by layers. The piezoelectric body 3b is
A piezoelectric element using a piezoelectric constant d 31, is disposed at one position near the section of the primary longitudinal vibration generated in the elastic body 4 (substantially longitudinal center portion of the vibrator 2). Also, the piezoelectric bodies 3a, 3c
Are piezoelectric materials using a piezoelectric constant d 15 ,
It is arranged at two places near the node of the secondary torsional vibration generated in the elastic body 4.

【0018】弾性体4a、4bの外周面に形成された4
つの大径部5A〜5Dそれぞれの長さ方向の略中心に
は、圧電体3a〜3cの積層方向と略平行な方向に向け
て貫通孔6a、6b、6c、6dが設けられる。これら
の貫通孔6a〜6dにボルト7a、7b、7c、7dを
挿入し、ボルト7a〜7dそれぞれの両端部側にナット
8a、8b、8c、8dをネジ止めすることにより、弾
性体4a、4bは、2つの分割面に圧電体3a〜3cを
2層ずつ積層した状態で、締結固定される。
4 is formed on the outer peripheral surface of the elastic bodies 4a and 4b.
Through holes 6a, 6b, 6c, 6d are provided substantially at the centers of the large diameter portions 5A to 5D in the length direction thereof in a direction substantially parallel to the laminating direction of the piezoelectric bodies 3a to 3c. Bolts 7a, 7b, 7c, 7d are inserted into these through holes 6a to 6d, and nuts 8a, 8b, 8c, 8d are screwed to both ends of each of the bolts 7a to 7d, so that elastic members 4a, 4b are formed. Are fastened and fixed in a state where two piezoelectric bodies 3a to 3c are laminated on each of the two divided surfaces.

【0019】また、小径部5bであって1次の縦振動の
節付近には、貫通孔9が設けられる。一方、締結固定さ
れた弾性体4a、4bの中央部には、縦方向に中空部が
形成されており、この中空部と隙間を有した状態で、固
定軸10が設置される。この固定軸10の長手方向の貫
通孔9形成位置と一致する位置には、貫通孔9と同一内
径の貫通孔11が形成される。貫通孔9及び貫通孔11
には、これらに嵌合する外径を有する支持部材である支
持ピン12が嵌め合わされる。この支持ピン12によ
り、弾性体4a、4bは、固定軸10に固定・支持され
る。
A through hole 9 is provided near the node of the primary longitudinal vibration in the small-diameter portion 5b. On the other hand, a hollow portion is formed in the longitudinal direction at the center of the elastic bodies 4a and 4b fixed and fastened, and the fixed shaft 10 is installed in a state having a gap with the hollow portion. A through-hole 11 having the same inner diameter as the through-hole 9 is formed at a position corresponding to the position where the through-hole 9 is formed in the longitudinal direction of the fixed shaft 10. Through hole 9 and through hole 11
Is fitted with a support pin 12 which is a support member having an outer diameter to be fitted therein. The elastic members 4 a and 4 b are fixed and supported on the fixed shaft 10 by the support pins 12.

【0020】相対運動部材である移動子13は、中空円
柱体である移動子母材13aと、移動子母材13aの振
動子2側の端面に貼付されて振動子2の駆動面4cに接
触する環状の摺動材13bとにより構成される。移動子
母材13aは、例えばアルミニウム合金等の軽合金材料
又はステンレス鋼等の鉄鋼材料により構成される。ま
た、摺動材13bは、例えばPTFE等の摺動抵抗低減
材により構成される。移動子母材13aの反振動子側の
端面内周部には、溝部14が環状に形成されており、こ
の溝部14に位置決め部材であるベアリング15が嵌合
される。ベアリング15は、固定軸10に装着されて位
置決めされており、これにより、移動子12は固定軸1
0に対して回転自在に装着される。
The moving element 13 as a relative moving member is in contact with the moving element base material 13a, which is a hollow cylindrical body, and the end face of the moving element base material 13a on the vibrator 2 side, and comes into contact with the driving surface 4c of the vibrator 2. Annular sliding member 13b. The moving element base material 13a is made of, for example, a light alloy material such as an aluminum alloy or a steel material such as stainless steel. The sliding member 13b is made of, for example, a sliding resistance reducing material such as PTFE. A groove 14 is formed in an annular shape on the inner peripheral portion of the end face of the movable element base material 13a on the anti-vibrator side, and a bearing 15 as a positioning member is fitted in the groove 14. The bearing 15 is mounted and positioned on the fixed shaft 10, whereby the moving member 12 is fixed to the fixed shaft 1.
It is rotatably mounted with respect to 0.

【0021】固定軸10の端部には、加圧力調整部材で
あるナット16がネジ止めされており、ナット16と移
動子13との間には、加圧部材である皿バネ17、加圧
力伝達部材であるワッシャ18が、固定軸10に取付け
られる。皿バネ17のバネ力により、移動子12は振動
子2に向けて加圧される。なお、ナット16のネジ止め
位置を調整することにより、皿バネ17の変位量が調整
され、これにより加圧力が調整される。皿バネ17は、
加圧力を連続的に変化させることができる。このよう
に、本実施形態の超音波モータ1では、固定軸10は、
振動子2を固定支持するとともに、移動子13を回転自
在に支持し、さらに皿バネ17を支持することにより移
動子12を振動子2に向けて加圧する。
A nut 16 serving as a pressing force adjusting member is screwed to the end of the fixed shaft 10. A disc spring 17 serving as a pressing member, a pressing force is applied between the nut 16 and the movable element 13. A washer 18 as a transmission member is attached to the fixed shaft 10. The moving element 12 is pressed toward the vibrator 2 by the spring force of the disc spring 17. The displacement of the disc spring 17 is adjusted by adjusting the screwing position of the nut 16, thereby adjusting the pressing force. The disc spring 17 is
The applied pressure can be changed continuously. Thus, in the ultrasonic motor 1 of the present embodiment, the fixed shaft 10
The vibrator 2 is fixedly supported, the mover 13 is rotatably supported, and the disc spring 17 is further supported to press the mover 12 toward the vibrator 2.

【0022】固定軸10の他端は、超音波モータ搭載機
器の固定部19に固定されており、これにより、超音波
モータ1が搭載機器に搭載される。図2は、本実施形態
の超音波モータ1における振動子2に装着された圧電体
3a〜3cの配置を示す説明図であって、図2(a)は
中心線よりも左半分を断面で示す側面図であり、図2
(b)は図2(a)におけるA−A断面、B−B断面及
びC−C断面を、制御ブロックとともに併せて示す説明
図である。
The other end of the fixed shaft 10 is fixed to a fixing portion 19 of the ultrasonic motor mounted device, whereby the ultrasonic motor 1 is mounted on the mounted device. FIG. 2 is an explanatory view showing the arrangement of the piezoelectric bodies 3a to 3c mounted on the vibrator 2 in the ultrasonic motor 1 of the present embodiment. FIG. 2A is a cross section of a left half from the center line. FIG. 2 is a side view showing FIG.
FIG. 2B is an explanatory diagram showing an AA section, a BB section, and a CC section in FIG. 2A together with a control block.

【0023】本実施形態の振動子2では、圧電体は大別
すると3群の圧電体3a〜3cにより構成される。ま
た、各群の圧電体3a〜3cはそれぞれ2層から構成さ
れる。前述したように、3群の圧電体のうちの1群の圧
電体3bは、圧電定数d31を用いる圧電体であって、弾
性体4a、4bに発生する1次の縦振動の節付近の一箇
所に配置される。一方、残り2群の圧電体3a、3c
は、圧電定数d15を用いる圧電体であって、弾性体4
a、4bに発生する2次の捩じり振動の節付近の二箇所
に配置される。
In the vibrator 2 of this embodiment, the piezoelectric body is roughly composed of three groups of piezoelectric bodies 3a to 3c. Each group of the piezoelectric bodies 3a to 3c is composed of two layers. As described above, one group of piezoelectric 3b of the piezoelectric body 3 group is a piezoelectric element using a piezoelectric constant d 31, the elastic member 4a, 4b the primary longitudinal vibration nodes near that occur It is arranged in one place. On the other hand, the remaining two groups of piezoelectric bodies 3a, 3c
Is a piezoelectric body using a piezoelectric constant d 15 ,
a, 4b, are arranged at two locations near nodes of secondary torsional vibration generated.

【0024】図2(b)に示すように、圧電定数d15
用いる圧電体3a、3cは、弾性体4a、4bの長手方
向に対して剪断変位を発生する。図2(b)におけるA
−A断面、C−C断面それぞれにおける2群の圧電体3
a、3cは、発生する剪断変形が円周方向に対して手前
方向とその反対方向とが交互になるように、配置され
る。また、圧電体3a、3cは、A−A断面、C−C断
面それぞれにおいて捩じれる方向が逆向きになるよう
に、配置される。圧電体3a、3cが図2(a)及び図
2(b)に示すような向きに配置され、圧電体3a、3
cがそれぞれ剪断変形すると、振動子2には節数が二つ
存在する2次の捩じり変位が発生する。一方、圧電定数
31を用いる圧電体3bは、弾性体4a、4bの長手方
向に対して伸縮変位を発生する。B−B断面における1
群の縦振動用圧電体3bのすべては、ある電位が印加さ
れると同じ方向へ変位が発生するように配置される。
As shown in FIG. 2 (b), the piezoelectric body 3a, 3c using a piezoelectric constant d 15 generates a shear displacement with respect to the longitudinal direction of the elastic body 4a, 4b. A in FIG. 2 (b)
-Two groups of piezoelectric bodies 3 in each of the A section and the CC section
a, 3c are arranged such that the shearing deformation that occurs is alternately in the direction toward and away from the circumferential direction. Further, the piezoelectric bodies 3a and 3c are arranged such that the twisting directions are opposite in the AA section and the CC section, respectively. The piezoelectric bodies 3a and 3c are arranged in the directions as shown in FIGS.
When c undergoes shear deformation, a second-order torsional displacement occurs in the vibrator 2 having two nodes. On the other hand, the piezoelectric 3b using a piezoelectric constant d 31 generates the elastic displacement with respect to the longitudinal direction of the elastic body 4a, 4b. 1 in the BB section
All of the longitudinal vibration piezoelectric bodies 3b of the group are arranged such that displacement occurs in the same direction when a certain potential is applied.

【0025】このように、圧電定数d15を用いる捩じり
振動用圧電体3a、3cと、圧電定数d31を用いる圧電
体3bとを配置し、捩じり振動用圧電体3a、3cに正
弦波電圧を入力することにより、振動子2にはこれに応
じて捩じり振動が発生する。一方、縦振動用圧電体3b
に正弦波電圧を入力することにより、振動子2にはこれ
に応じて縦振動が発生する。
[0025] Thus, the piezoelectric constant d 15 to use torsional vibration piezoelectric member 3a, and 3c, arranged a piezoelectric 3b using a piezoelectric constant d 31, the torsional vibration piezoelectric member 3a, to 3c By inputting the sine wave voltage, torsional vibration is generated in the vibrator 2 in response thereto. On the other hand, the piezoelectric body 3b for longitudinal vibration
, A longitudinal vibration is generated in the vibrator 2 accordingly.

【0026】図2(b)に示すように、駆動回路20
は、駆動信号を発振する発振部21と、発振された駆動
信号を(1/4)λ位相差のある信号に分ける移相部2
2と、捩じり振動用圧電体3a、3cに入力する駆動信
号を増幅するT増幅部23と、縦振動用圧電体3bに入
力する駆動信号を増幅するL増幅部24とにより構成さ
れる。なお、図2(a)に示すように、弾性体4a、4
bは接地される。
As shown in FIG. 2B, the driving circuit 20
Is an oscillator 21 for oscillating a drive signal, and a phase shifter 2 for dividing the oscillated drive signal into signals having a (1/4) λ phase difference.
2, a T amplifier 23 for amplifying the drive signal input to the torsional vibration piezoelectric bodies 3a and 3c, and an L amplifying section 24 for amplifying the drive signal input to the longitudinal vibration piezoelectric body 3b. . In addition, as shown in FIG.
b is grounded.

【0027】以上のような構成によると、発振部21は
駆動信号を発振し、発振された駆動信号は移相部22に
より(1/4)λ位相差のある2つの信号に分割され、
それぞれT増幅部23及びL増幅部24により増幅され
る。T増幅部23により増幅された駆動信号は捩じり振
動用圧電体3a、3cに入力し、一方、L増幅部24に
より増幅された駆動信号は縦振動用圧電体3bに入力す
る。駆動信号が入力された捩じり振動用圧電体3a、3
c及び縦振動用圧電体3bは、それぞれ振動を起こし、
振動子2に2次の捩じり振動と1次の縦振動とを発生さ
せる。
According to the configuration described above, the oscillating section 21 oscillates the drive signal, and the oscillated drive signal is divided by the phase shift section 22 into two signals having a (1 /) λ phase difference.
The signals are amplified by the T amplifier 23 and the L amplifier 24, respectively. The drive signal amplified by the T amplifier 23 is input to the torsional vibration piezoelectric bodies 3a and 3c, while the drive signal amplified by the L amplifier 24 is input to the longitudinal vibration piezoelectric body 3b. The torsional vibration piezoelectric bodies 3a, 3 to which the drive signal is input
c and the piezoelectric body 3b for longitudinal vibration cause vibration, respectively,
The secondary torsional vibration and the primary longitudinal vibration are generated in the vibrator 2.

【0028】図3は、振動子2に発生する2次の捩じり
振動(T2モード)、1次の縦振動(L1モード)の波
形例を示す説明図である。同図に示すように、駆動信号
が入力された振動子2は、捩じり振動用圧電体3a、3
c及び縦振動用圧電体3bの励振により、振動の腹及び
節を有する1次の縦振動(L1モード)と2次の捩じり
振動(T2モード)とが発生する。このとき、捩じり振
動用圧電体3a、3c及び縦振動用圧電体3bそれぞれ
に印加する周期電圧の位相差を(1/4)λ(λ:波
長)ずらして設定すると、1次の縦振動(L1モード)
と2次の捩じり振動(T2モード)との合成振動である
楕円運動が駆動面4cに発生する。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a waveform example of the secondary torsional vibration (T2 mode) and the primary longitudinal vibration (L1 mode) generated in the vibrator 2. As shown in the figure, the vibrator 2 to which the drive signal has been input is the torsional vibration piezoelectric bodies 3a, 3b.
Excitation of c and the piezoelectric body 3b for longitudinal vibration generates a first-order longitudinal vibration (L1 mode) and a second-order torsional vibration (T2 mode) having antinodes and nodes of the vibration. At this time, if the phase difference of the periodic voltage applied to each of the torsional vibration piezoelectric bodies 3a and 3c and the longitudinal vibration piezoelectric body 3b is set to be shifted by (1/4) λ (λ: wavelength), the primary longitudinal Vibration (L1 mode)
An elliptical motion is generated on the drive surface 4c, which is a composite vibration of the vibration and the secondary torsional vibration (T2 mode).

【0029】このとき、捩じり振動(T2モード)は、
捩じり剛性の弱い小径部5a、5cの2箇所に節が生
じ、駆動面4cは腹となる。一方、縦振動(L1モー
ド)は、小径部5b付近に節が生じ、駆動面4cが腹と
なる。駆動面4cに加圧接触する移動子13は、振動子
2から摩擦的に駆動力を受け、駆動される。
At this time, the torsional vibration (T2 mode) is
Knots are formed at the two small-diameter portions 5a and 5c having low torsional rigidity, and the drive surface 4c becomes an antinode. On the other hand, in the longitudinal vibration (L1 mode), a node occurs near the small diameter portion 5b, and the driving surface 4c becomes an antinode. The moving element 13 that comes into pressure contact with the driving surface 4c receives a driving force from the vibrator 2 frictionally and is driven.

【0030】図4は、振動子2に発生する縦振動(L1
モード)及び捩じり振動(T2モード)を組み合わせて
駆動面4cに楕円運動を発生させることを経時的に示す
説明図である。なお、図4では、説明の便宜上、駆動面
4cを介して振動子2に加圧接触する移動子13は図示
を省略している。振動子2に発生する捩じり振動の周期
と縦振動の周期との位相差を(1/4)λずらして設定
すると、駆動面4c上の点には、楕円運動が発生する。
この際、駆動信号の周波数を、1次の縦振動の固有振動
数と2次の捩じり振動の固有周波数とに近い値に設定す
ると、共振して縦振動振幅、捩じり振動振幅ともに拡大
される。これにより、駆動面4cには大きな楕円運動が
発生する。
FIG. 4 shows a longitudinal vibration (L1) generated in the vibrator 2.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing, over time, generation of an elliptical motion on the drive surface 4c by combining the torsional vibration (T2 mode) and the torsional vibration (T2 mode). In FIG. 4, for convenience of explanation, the moving element 13 that comes into pressure contact with the vibrator 2 via the driving surface 4c is not shown. When the phase difference between the period of the torsional vibration generated in the vibrator 2 and the period of the longitudinal vibration is set to be shifted by (1/4) λ, an elliptical motion is generated at a point on the drive surface 4c.
At this time, if the frequency of the drive signal is set to a value close to the natural frequency of the primary longitudinal vibration and the natural frequency of the secondary torsional vibration, resonance occurs and both the longitudinal vibration amplitude and the torsional vibration amplitude are changed. It is enlarged. As a result, a large elliptical motion occurs on the drive surface 4c.

【0031】図4において、駆動周波数をfとし、この
時の駆動信号の角周波数をωとすると、t=0の時に
は、捩じり振動の変位は左側に最大である。一方、縦振
動の変位は零である。この状態では、移動子は、加圧部
材により振動子2側へ向けて加圧されることにより、振
動子2の駆動面4cに加圧された状態で接触する。t=
0の時からt=(4/4)・(π/ω)の時までは、捩
じり振動は左側の最大から右側の最大まで変位する。一
方、縦振動は零から上側の最大に変位して再び零に戻
る。したがって、振動子2の駆動面4cは移動子を押し
ながら右方向へ回転し、移動子は右方向へ回転駆動され
る。
In FIG. 4, if the drive frequency is f and the angular frequency of the drive signal at this time is ω, the displacement of the torsional vibration is maximum on the left side when t = 0. On the other hand, the displacement of the longitudinal vibration is zero. In this state, the moving element is pressed against the vibrator 2 by the pressing member, and thus comes into contact with the driving surface 4c of the vibrator 2 in a pressed state. t =
From 0 to t = (4/4) · (π / ω), the torsional vibration is displaced from the maximum on the left to the maximum on the right. On the other hand, the longitudinal vibration is displaced from zero to an upper maximum and returns to zero again. Therefore, the driving surface 4c of the vibrator 2 rotates rightward while pressing the mover, and the mover is driven to rotate rightward.

【0032】次に、この時からt=(6/4)・(π/
ω)の時を経てt=(8/4)・(π/ω)の時まで
は、捩じり振動は右側の最大から左側の最大まで変位す
る。一方、縦振動は、零から下側の最大に変位し、再び
零に戻る。したがって、振動子2の駆動面4cは、移動
子から離れながら左方向に回転するため、移動子は駆動
されない。このときに、移動子は、加圧部材により加圧
されているが、加圧部材の固有振動数が超音波振動域よ
りも低いため、移動子は振動子2の縮みに追従しない。
本実施形態の超音波モータ1は、振動子2単体で捩じり
共振振動数と縦共振振動数とを一致させることができる
ため、移動子13の形状を比較的自由に設定することが
できるという利点がある。
Next, from this time, t = (6/4) · (π /
ω), until t = (8/4) · (π / ω), the torsional vibration is displaced from the maximum on the right to the maximum on the left. On the other hand, the longitudinal vibration is displaced from zero to a lower maximum and returns to zero again. Therefore, since the driving surface 4c of the vibrator 2 rotates leftward while moving away from the moving element, the moving element is not driven. At this time, the moving element is pressed by the pressing member, but since the natural frequency of the pressing member is lower than the ultrasonic vibration range, the moving element does not follow the contraction of the vibrator 2.
In the ultrasonic motor 1 of the present embodiment, since the torsional resonance frequency and the longitudinal resonance frequency can be matched with the transducer 2 alone, the shape of the moving element 13 can be set relatively freely. There is an advantage.

【0033】次に、振動子の形態について、より詳細に
説明する。図5は、小径部の位置及び幅を異にする5種
類の振動子の性能を示す比較図である。図5の最上段に
は、各振動子の模式図と、それぞれ縦振動又は捩り振動
を励振した場合に、その振動子に生じる歪みの分布とが
示されている。また、2段目以下には、振動子のQ値等
の性能が星取り表形式で示されている。なお、5種類の
振動子とは、図中左から順に、くびれ無し型、溝幅均等
A型、溝幅均等B型、L溝−幅広型、及びT溝−幅広型
のことである。また、図6は、溝幅均等A型の振動子と
T溝−幅広型の振動子の寸法を例示する図である。
Next, the form of the vibrator will be described in more detail. FIG. 5 is a comparative diagram showing the performance of five types of vibrators having different positions and widths of the small diameter portion. The uppermost part of FIG. 5 shows a schematic diagram of each vibrator and a distribution of strain generated in the vibrator when longitudinal vibration or torsional vibration is excited. In the second and lower stages, the performance such as the Q value of the vibrator is shown in the form of a star chart. The five types of vibrators are a constriction-free type, a uniform groove width A type, a uniform groove width B type, an L groove-wide type, and a T groove-wide type in order from the left in the figure. FIG. 6 is a diagram illustrating dimensions of an A-type vibrator having a uniform groove width and a T-groove-wide type vibrator.

【0034】以下、図5を用いて振動子の形状と性能に
ついて説明する。くびれ無し型の振動子は、小径部を有
さない形状の振動子である。くびれ無し型の振動子で
は、振動子の全体において、捩り振動に対する剛性及び
縦振動に対する剛性が一様である。このために、くびれ
無し型の振動子に捩り振動、縦振動を励振した場合に
は、歪みが分散し、縦振動のQ値(以下「QL値」とい
う)及び捩り振動のQ値(以下「QT値」という)は高
い。したがって、くびれ無し型の振動子は、共振子とし
ての性能が良い。しかし、縦振動と捩り振動の共振周波
数が異なるので、振動子単体での異モード(縦捩り)の
縮退が困難であり、縮退を生じさせるためには、常に移
動子と組み合わされていなければならない。なお、前述
のように、歪みは分散しているので、振動子における発
熱は少ない。
Hereinafter, the shape and performance of the vibrator will be described with reference to FIG. The constriction-free type vibrator is a vibrator having no small diameter portion. In a constrictorless vibrator, the rigidity against torsional vibration and the rigidity against longitudinal vibration are uniform throughout the vibrator. For this reason, when torsional vibration and longitudinal vibration are excited in a non-constriction type vibrator, distortion is dispersed, and the Q value of longitudinal vibration (hereinafter referred to as “QL value”) and the Q value of torsional vibration (hereinafter “Q value”). QT value) is high. Therefore, the constrictionless vibrator has good performance as a resonator. However, since the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the torsional vibration are different, it is difficult to reduce a different mode (longitudinal torsion) by the vibrator alone. In order to cause the degeneracy, the vibrator must always be combined with the moving element. . As described above, since the strain is dispersed, heat generation in the vibrator is small.

【0035】溝幅均等A型の振動子は、縦振動の節部に
対応した位置に設けられた周溝(以下「L溝」という)
を1つと、捩り振動の節部に対応した位置に設けられた
周溝(以下「T溝」という)を2つとの計3つの周溝を
外周面に有する。図6(a)に示すように、3つの周溝
の溝幅はすべて等しい。また、各周溝は、その幅方向の
中心が振動の節部と一致する位置に設けられている。溝
幅均等B型の振動子は、溝幅均等A型の振動子と同様
に、互いに溝幅の等しい1つのL溝と、2つのT溝とを
有する。ただし、T溝は、その幅方向の中心が捩り振動
の節部より振動子の端面側に位置するように設けられて
おり、この点において、溝幅均等B型の振動子は溝幅均
等A型の振動子と相違している。
An A-type vibrator having a uniform groove width has a circumferential groove (hereinafter referred to as an "L groove") provided at a position corresponding to a node portion of the longitudinal vibration.
And two peripheral grooves (hereinafter, referred to as “T grooves”) provided at positions corresponding to the nodes of the torsional vibration on the outer peripheral surface. As shown in FIG. 6A, all three circumferential grooves have the same groove width. Each circumferential groove is provided at a position where the center in the width direction coincides with the node of vibration. The B-type vibrator having the uniform groove width has one L groove and two T grooves having the same groove width, similarly to the A-type vibrator having the uniform groove width. However, the T-groove is provided such that the center in the width direction is located closer to the end face of the vibrator than the node portion of the torsional vibration. It is different from the type of vibrator.

【0036】これらの振動子では、周溝を設けることに
より、縦振動と捩り振動の共振周波数を一致させてい
る。したがって、これらの振動子では、振動子単体で縮
退が可能である。また、周溝のある部位では、振動子の
剛性が低いことから、振動の歪みが集中する。図7は、
溝幅均等B型振動子に生じる外径近傍のせん断歪みの分
布図であり、縦振動に基づいて生じる歪みと、捩り振動
に基づいて生じる歪みのそれぞれの分布が示されてい
る。図7に示されるように、捩り振動に係る歪みの集中
はT溝において顕著である。図7において、T溝での歪
み分布は、尖度が0を越えた正の値であり、当該歪み分
布が正規分布より尖った形状であることが示される。な
お、尖度は、式(1)に基づいて求められた値をいう。
In these vibrators, by providing a circumferential groove, the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the torsional vibration are matched. Therefore, these vibrators can be degenerated by the vibrator alone. Further, in a portion having a circumferential groove, vibration distortion is concentrated because the rigidity of the vibrator is low. FIG.
FIG. 4 is a distribution diagram of shear strain in the vicinity of an outer diameter generated in a uniform groove width B-type vibrator, showing respective distributions of a strain generated based on a longitudinal vibration and a strain generated based on a torsional vibration. As shown in FIG. 7, the concentration of distortion due to torsional vibration is remarkable in the T groove. In FIG. 7, the strain distribution in the T-groove is a positive value having a kurtosis exceeding 0, which indicates that the strain distribution has a sharper shape than the normal distribution. Note that the kurtosis refers to a value obtained based on Expression (1).

【0037】[0037]

【数1】 (Equation 1)

【0038】溝幅均等型の振動子では、上記のように歪
みが集中することから、QL値及びQT値がともに比較
的低い値となる(図5参照)。また、歪みが集中する部
位では、部材の内部損失が大きいために発熱も大きい。
このことは、歪みが特に集中する、T溝において顕著で
ある。ところで、圧電体は、コンデンサとしての性質を
も有する素子である。そして、その静電容量は面積に比
例する。したがって、圧電体の面積が大きい場合には、
その静電容量が大きくなり、圧電体において生じる電気
エネルギーの損失も大きい。一方、溝幅均等型振動子で
は、歪みが小径部に集中していることから、小径部に面
積の小さい圧電体を配置することで、縦振動、捩り振動
を効率よく励振できるという利点がある。
In the resonator of the uniform groove width, since the strain is concentrated as described above, both the QL value and the QT value are relatively low (see FIG. 5). Further, in a portion where the strain is concentrated, heat is also large due to a large internal loss of the member.
This is remarkable in a T-groove where distortion is particularly concentrated. By the way, the piezoelectric body is an element that also has the property of a capacitor. The capacitance is proportional to the area. Therefore, when the area of the piezoelectric body is large,
The capacitance is increased, and the loss of electric energy generated in the piezoelectric body is also large. On the other hand, in the uniform groove width type vibrator, since the distortion is concentrated on the small diameter portion, there is an advantage that the longitudinal vibration and the torsional vibration can be efficiently excited by disposing the piezoelectric body having a small area in the small diameter portion. .

【0039】L溝−幅広型の振動子は、溝幅均等型の振
動子と同様に3つの周溝を備えた振動子である。ただ
し、L溝の幅は、溝幅均等型の振動子のそれより幅広と
なっている。L溝−幅広型振動子は、小径部を設けるこ
とにより縦振動と捩り振動の共振周波数を一致させてい
る点では溝幅均等型の振動子と同じである。よって、L
溝−幅広型振動子は、溝幅均等型振動子と同様に振動子
単体での縮退が可能である。一方、L溝−幅広型の振動
子では、L溝が幅広になっているため、QL値が溝幅均
等型の振動子のそれより高い。しかしながら、振動子に
おける発熱の大部分は、歪みの集中が大きいT溝におい
て生じるために、駆動時の発熱は、溝幅均等型の振動子
と同様に大きい。
The L-groove-wide vibrator is a vibrator having three circumferential grooves, like the vibrator of the uniform groove width type. However, the width of the L-groove is wider than that of the vibrator of the uniform groove width. The L-groove-wide oscillator is the same as the oscillator having the uniform groove width in that the small-diameter portion is provided so that the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the torsional vibration are matched. Therefore, L
The groove-wide transducer can be contracted by itself as in the case of the uniform-groove-width transducer. On the other hand, in the L-groove-wide type vibrator, since the L-groove is wide, the QL value is higher than that of the uniform groove width type vibrator. However, since most of the heat generated in the vibrator is generated in the T-slot where the concentration of distortion is large, the heat generated during driving is large as in the case of the oscillator having the uniform groove width.

【0040】T溝−幅広型の振動子は、本発明に係る超
音波モータにおいて使用する振動子であり、図1の振動
子2に該当するものである。図6(b)に示すように、
T溝−幅広型振動子は、溝幅均等型の振動子(図6
(a))のT溝の幅を拡大した振動子である。したがっ
て、T溝−幅広型振動子では、捩り振動の節部における
歪みの集中度が低く、歪みの分布は、溝幅均等型の振動
子におけるそれより平坦なものとなる。図8は、T溝−
幅広型振動子に生じる外径部近傍のせん断歪みの分布図
である。図8に示された捩り振動に係る歪みの分布は、
式(1)に基づいて求めた尖度が約−0.13である。
つまり、T溝−幅広型振動子では、捩り振動に係る歪み
の分布が正規分布より平坦である。
The T-groove-wide transducer is a transducer used in the ultrasonic motor according to the present invention, and corresponds to the transducer 2 in FIG. As shown in FIG.
The T-groove-wide oscillator is a uniform-groove-width oscillator (FIG. 6).
(A) A vibrator in which the width of the T-groove is increased. Therefore, in the T-groove-wide type vibrator, the degree of concentration of distortion at the node of the torsional vibration is low, and the distribution of distortion is flatter than that in the uniform groove width type vibrator. FIG. 8 shows a T-slot.
It is a distribution diagram of the shear strain near the outer diameter part which arises in a wide type vibrator. The distribution of strain related to torsional vibration shown in FIG.
The kurtosis obtained based on the equation (1) is about -0.13.
That is, in the T-groove-wide type vibrator, the distribution of the strain related to the torsional vibration is flatter than the normal distribution.

【0041】ここで、本発明に係る超音波モータにおけ
る縦振動と捩り振動のそれぞれの役割について考える。
まず、縦振動は、振動子と移動子とを間欠的に接触させ
るためのクラッチ的な役割を果たすものである。したが
って、縦振動は、移動子から加わる予圧に負けない程度
の力が出せればよく、振幅自体は大きい必要はない。む
しろ、縦振動の必要以上の振幅は、超音波モータの出力
として現れないので、結果的に超音波モータの効率を低
下させる。
Here, the respective roles of longitudinal vibration and torsional vibration in the ultrasonic motor according to the present invention will be considered.
First, the longitudinal vibration plays a clutch-like role to intermittently contact the vibrator and the moving element. Therefore, the longitudinal vibration only needs to be able to produce a force that does not lose the preload applied from the moving element, and the amplitude itself does not need to be large. Rather, an unnecessary amplitude of the longitudinal vibration does not appear as an output of the ultrasonic motor, and as a result, the efficiency of the ultrasonic motor is reduced.

【0042】これに対し、捩り振動は、移動子に回転力
を与える役割を担うものである。よって、捩り振動の振
幅が大きければ、それだけ超音波モータの出力回転数も
増し、高速回転モータとしての特質を備えることができ
る。このために、超音波モータでは、捩り振動の振幅を
大きくすべく、捩り振動用の圧電体に高電圧を印加す
る、あるいは、捩り振動の節部における振動子の径を小
さくするなどして、捩り振動の一層の振幅拡大を図って
いる。しかし、このような処置は、捩り振動の節部に、
縦振動の節部と比較してより大きな歪みの集中を生じさ
せ、捩り振動用の圧電体への大電流の流入、大量の発熱
等を引き起こす原因となる。また、捩り振動の節部から
の大量の発熱は、振動子の共振周波数の変化などを引き
起こす原因ともなっていた。
On the other hand, the torsional vibration plays a role of giving a rotational force to the moving element. Therefore, if the amplitude of the torsional vibration is large, the output rotation speed of the ultrasonic motor is increased accordingly, and the characteristic as a high-speed rotation motor can be provided. For this reason, in the ultrasonic motor, in order to increase the amplitude of the torsional vibration, a high voltage is applied to the piezoelectric body for the torsional vibration, or the diameter of the vibrator at the node of the torsional vibration is reduced, and so on. The amplitude of torsional vibration is further expanded. However, such a treatment, at the node of torsional vibration,
This causes a larger concentration of strain as compared with the node part of the longitudinal vibration, and causes a large current to flow into the piezoelectric body for torsional vibration and a large amount of heat generation. In addition, a large amount of heat generated from the nodes of the torsional vibration causes a change in the resonance frequency of the vibrator.

【0043】ここで、T溝−幅広型の振動子は、前述し
たようにT溝を従来より幅広とすることにより、極端な
歪みの集中化を回避している。この結果、図5に示され
るように、振動子における発熱が低下し、QT値も向上
している。また、T溝−幅広型の振動子では、QT値の
みならず、QL値も溝幅均等型の振動子よりも良くなっ
ている。これは、T溝の拡大が縦振動に係る歪みの適度
な分散化にも貢献するためである。
Here, in the T-groove-wide type vibrator, as described above, the T-groove is made wider than before so as to avoid excessive concentration of distortion. As a result, as shown in FIG. 5, heat generation in the vibrator is reduced, and the QT value is also improved. Further, in the T-groove-wide type vibrator, not only the QT value but also the QL value are better than those of the uniform groove width type vibrator. This is because the enlargement of the T-groove also contributes to appropriate dispersion of distortion due to longitudinal vibration.

【0044】一方、T溝−幅の拡大は、振動子の発熱部
の表面積拡大にもつながることから、T溝−幅広型の振
動子では、放熱効率も向上している。また、Q値の向上
は、共振抵抗値を低下させるので、圧電体への共振点付
近での最高流入電流を増大させることが可能となり、そ
の結果、移動子の最高回転数が大きい超音波モータが実
現される。さらに、Q値が向上したことより、T溝−幅
広型振動子を用いた超音波モータは、従来のものより低
い電圧で駆動する。このことは、超音波モータを小型の
昇圧回路を用いて駆動できること、又は電池により直接
駆動できることを意味する。したがって、T溝−幅広型
振動子を用いたアクチュエータは、電池で動作する携帯
用の小型機器に適し、小型、高トルクという超音波モー
タの本質的利点を最大限発揮することができる。
On the other hand, an increase in the width of the T-groove leads to an increase in the surface area of the heat generating portion of the vibrator. Therefore, in the case of the T-groove-wide type vibrator, the radiation efficiency is also improved. In addition, since the improvement of the Q value lowers the resonance resistance value, it is possible to increase the maximum inflow current near the resonance point to the piezoelectric body, and as a result, the ultrasonic motor having the maximum rotation speed of the moving element is large. Is realized. Further, due to the improvement in the Q value, the ultrasonic motor using the T-groove-wide transducer is driven at a lower voltage than the conventional one. This means that the ultrasonic motor can be driven using a small booster circuit or can be directly driven by a battery. Therefore, the actuator using the T-groove-wide transducer is suitable for a portable small device operated by a battery, and can maximize the essential advantages of the ultrasonic motor, such as small size and high torque.

【0045】なお、本実施形態の振動子においては、ね
じり振動によって生じるせん断歪みは、振動子の軸に近
い内径側よりも外径側の方が大きくなる。そのため、振
動子の軸方向に関するせん断の歪み分布の尖度を見る場
合、振動子の内径側と外径側とを比べると、外径部近傍
での歪み分布に基いて得られた尖度が最大になると考え
られる。本実施形態では、振動子のせん断の歪み分布を
振動子の軸方向について見た場合に、尖度が最大となる
振動子の外径部近傍における尖度が0未満となるように
設定することで、振幅が大きい、Q値が高い、発熱およ
び駆動電圧が低いといった利点を得ているものである。
In the vibrator of the present embodiment, the shear strain caused by the torsional vibration is greater on the outer diameter side than on the inner diameter side near the axis of the vibrator. Therefore, when looking at the kurtosis of the shear strain distribution in the axial direction of the vibrator, when comparing the inner diameter side and the outer diameter side of the vibrator, the kurtosis obtained based on the strain distribution near the outer diameter part is smaller. It is thought to be the largest. In the present embodiment, when the strain distribution of the shear of the vibrator is viewed in the axial direction of the vibrator, the kurtosis is set to be less than 0 near the outer diameter portion of the vibrator where the kurtosis is maximum. Thus, advantages such as large amplitude, high Q value, heat generation and low drive voltage are obtained.

【0046】(その他の実施形態)なお、本発明は、上
記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態
は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された
技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効
果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技
術的範囲に包含される。例えば、上記実施形態では、弾
性体に捩り2次モ−ド振動と縦1次モ−ド振動が生じる
異形モード縮退型振動子の場合の特に捩り2次モードに
ついて説明したが、本発明に係る技術的思想は、振動波
を利用したアクチュエータであれば他の振動モードで振
動するものにも適用可能である。
(Other Embodiments) The present invention is not limited to the above embodiment. The above embodiment is an exemplification, and has substantially the same configuration as the technical idea described in the scope of the claims of the present invention. It is included in the technical scope of the invention. For example, in the above-described embodiment, the torsional secondary mode, particularly the torsional secondary mode in the case of the deformed mode degenerate type vibrator in which the torsional secondary mode vibration and the longitudinal primary mode vibration occur, has been described according to the present invention. The technical idea can be applied to an actuator that vibrates in another vibration mode as long as it is an actuator using a vibration wave.

【0047】また、上記実施形態では、周溝を設けるこ
とにより弾性体の剛性を局部的に変化させることとして
いたが、これは、例えば弾性体を異なる弾性係数を有す
る2以上の部材から構成することで、その剛性を局部的
に変化させることであってもよい。あるいは、弾性体は
一種類の部材から構成されるが、その部材を局部的に焼
きなますなどにより、弾性体は異なる弾性係数を有する
2以上の部位から構成されることであってもよい。
In the above-described embodiment, the rigidity of the elastic body is locally changed by providing the circumferential groove. For example, the elastic body is formed of two or more members having different elastic coefficients. Thus, the rigidity may be locally changed. Alternatively, the elastic body may be composed of one type of member, but the elastic body may be composed of two or more parts having different elastic coefficients by locally annealing the member.

【0048】さらに、上記実施形態では、弾性体に捩り
振動又は縦振動を励振する振動発生源として圧電体を用
いている場合を例に説明したが、これは、本発明におい
て使用可能な振動発生源の種類を何ら制限する意味のも
のではない。振動発生源は、弾性体に所定の振動を与え
ることができるものであればよく、磁歪その他、電気エ
ネルギー、磁気エネルギー又は熱エネルギー等を機械的
変位に変換することで弾性体を励振する素子であっても
よい。
Further, in the above embodiment, the case where the piezoelectric body is used as a vibration source for exciting torsional vibration or longitudinal vibration in the elastic body has been described as an example. It is not meant to limit the type of source in any way. The vibration source may be any element that can apply a predetermined vibration to the elastic body, and is an element that excites the elastic body by converting magnetostriction and other electric energy, magnetic energy or heat energy into mechanical displacement. There may be.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、捩り振動に起因して生じるせん断の歪み分布を回
転軸方向についてみた場合に、最大の尖度が0以上とな
ることがないように、回転軸に沿って変化しているの
で、いわゆる縮退が得られ、また、大きな振幅の振動を
行う一方で、Q値が高く、発熱及び駆動電圧が低い振動
アクチュエータを得ることが可能となった。
As described above in detail, according to the present invention, the maximum kurtosis does not become 0 or more when the shear strain distribution caused by the torsional vibration is viewed in the rotation axis direction. As described above, since it changes along the rotation axis, so-called degeneration can be obtained. Further, it is possible to obtain a vibration actuator having a high Q value, a low heat generation and a low driving voltage while performing vibration of a large amplitude. became.

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

【図1】本発明に係る超音波モータの構造を示す縦断面
図である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a structure of an ultrasonic motor according to the present invention.

【図2】振動子に装着された圧電体の配置を示す説明図
である。
FIG. 2 is an explanatory view showing an arrangement of a piezoelectric body mounted on a vibrator.

【図3】振動子に発生する2次の捩じり振動(T2モー
ド)、1次の縦振動(L1モード)の波形例を示す説明
図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a waveform example of a secondary torsional vibration (T2 mode) and a primary longitudinal vibration (L1 mode) generated in a vibrator.

【図4】振動子に発生する縦振動及び捩じり振動を組み
合わせて駆動面に楕円運動を発生させることを経時的に
示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing, over time, generation of an elliptical motion on a drive surface by combining longitudinal vibration and torsional vibration generated in a vibrator.

【図5】小径部の位置及び幅を異にする5種類の振動子
の性能を示す比較図である。
FIG. 5 is a comparative diagram showing the performance of five types of vibrators having different positions and widths of the small diameter portion.

【図6】溝幅均等A型の振動子とT溝−幅広型の振動子
の寸法を例示する図である。
FIG. 6 is a diagram exemplifying dimensions of an A-type vibrator with a uniform groove width and a T-groove-wide type vibrator.

【図7】溝幅均等B型振動子に生じる歪みの分布図であ
る。
FIG. 7 is a distribution diagram of distortion generated in a B-type vibrator having a uniform groove width.

【図8】T溝−幅広型振動子に生じる歪みの分布図であ
る。
FIG. 8 is a distribution diagram of distortion generated in a T-groove-wide oscillator.

【図9】特開平8−140377号に開示された振動ア
クチュエータを示す断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing a vibration actuator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-140377.

【図10】特開平8−140377号に開示された振動
アクチュエータの固定子を示す斜面図である。
FIG. 10 is a perspective view showing a stator of the vibration actuator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-140377.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 超音波モータ 2 振動子 3 圧電体 4 弾性体 5d、5e、5f 周溝 10 固定軸 13 移動子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic motor 2 Vibrator 3 Piezoelectric body 4 Elastic body 5d, 5e, 5f Peripheral groove 10 Fixed axis 13 Moving element

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 所定の回転軸回りに回転可能な回転部材
と、 前記回転軸方向の縦振動及び前記回転軸回りの捩り振動
を行うことにより前記回転軸方向の端面に楕円運動を発
生させる弾性部材と、 前記捩り振動の節部のある位置で前記弾性部材に設置さ
れ、前記弾性部材に前記捩り振動を励振する振動発生源
とを有する振動アクチュエータにおいて、 前記弾性部材の剛性は、前記捩り振動に起因して生じる
せん断の歪み分布を前記回転軸方向についてみた場合、
最大の尖度が0以上となることがないように、前記回転
軸に沿って変化していることを特徴とする振動アクチュ
エータ。
A rotating member rotatable about a predetermined rotation axis; and an elastic member for generating an elliptical motion on an end face in the rotation axis direction by performing longitudinal vibration in the rotation axis direction and torsional vibration about the rotation axis. A vibration source having a member and a vibration source installed on the elastic member at a position where a node of the torsional vibration is present and exciting the torsional vibration to the elastic member. When viewing the shear strain distribution caused by the rotation axis direction,
A vibration actuator characterized by changing along the rotation axis so that the maximum kurtosis does not become 0 or more.
【請求項2】 請求項1に記載の振動アクチュエータに
おいて、 前記弾性部材は、前記回転軸に垂直な断面の形状を前記
回転軸に沿って変化させることにより前記剛性を変化さ
せていることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. The vibration actuator according to claim 1, wherein the elastic member changes the rigidity by changing a shape of a cross section perpendicular to the rotation axis along the rotation axis. Vibration actuator.
【請求項3】 請求項2に記載の振動アクチュエータに
おいて、 前記弾性部材は、外周面に溝を設けることにより前記断
面の形状を前記回転軸に沿って変化させていることを特
徴とする振動アクチュエータ。
3. The vibration actuator according to claim 2, wherein the elastic member changes a shape of the cross section along the rotation axis by providing a groove on an outer peripheral surface. .
【請求項4】 請求項1に記載の振動アクチュエータに
おいて、 前記弾性部材は、異なる弾性係数を有する2以上の部材
又は部位から構成されることにより前記剛性を変化させ
ていることを特徴とする振動アクチュエータ。
4. The vibration actuator according to claim 1, wherein the elastic member is configured by two or more members or portions having different elastic coefficients to change the rigidity. Actuator.
【請求項5】 請求項1から請求項4までのいずれか1
項に記載の振動アクチュエータにおいて、 前記振動発生源は、圧電素子であることを特徴とする振
動アクチュエータ。
5. The method according to claim 1, wherein:
The vibration actuator according to claim 1, wherein the vibration generation source is a piezoelectric element.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015192468A (en) * 2014-03-27 2015-11-02 株式会社フコク Stator of vibration actuator and vibration actuator

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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