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JPH08163879A - 超音波振動子および超音波モータ - Google Patents

超音波振動子および超音波モータ

Info

Publication number
JPH08163879A
JPH08163879A JP6303330A JP30333094A JPH08163879A JP H08163879 A JPH08163879 A JP H08163879A JP 6303330 A JP6303330 A JP 6303330A JP 30333094 A JP30333094 A JP 30333094A JP H08163879 A JPH08163879 A JP H08163879A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ultrasonic
elastic body
prismatic elastic
longitudinal direction
piezoelectric element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP6303330A
Other languages
English (en)
Inventor
Tomoki Funakubo
朋樹 舟窪
Takenao Fujimura
毅直 藤村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP6303330A priority Critical patent/JPH08163879A/ja
Publication of JPH08163879A publication Critical patent/JPH08163879A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 単純な構成で低電圧駆動が可能な高耐久性を
有する超音波振動子および超音波モータを得る。 【構成】 超音波振動子10は基本弾性体11と積層型
圧電素子15と挟持用弾性体16と駆動子17とから構
成されている。基本弾性体11の4側面には積層型圧電
素子15が接着されている。超音波振動子10の上端に
はロータが押圧固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気機械変換素子を駆
動源とした超音波振動子およびそれを用いた超音波モー
タに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電磁型モータに代わる新しいモー
タとして超音波モータが注目されている。この超音波モ
ータは、従来の電磁型モータに比べて以下のような利点
を有している。 (1)ギヤなしで低回転高トルクが得られる。 (2)保持力が大きい。 (3)高分解能である。 (4)静粛性にとんでいる。 (5)磁気的ノイズを発生せず、またノイズの影響を受
けない。
【0003】上記のような利点を有する超音波モータの
発明としては、先に本出願人が提案した特開平5−32
8755号公報記載の発明がある。上記発明は、図11
に示すように、超音波モータは角柱形状の超音波振動子
1と回転子2と締結部材3と押圧手段4とから構成され
る。超音波振動子1は圧電素子群5,6と共振器7,8
と複数の電極板とから構成されている。
【0004】上記構成の超音波モータは、圧電素子群
5,6に位相の90°異なる正弦波電圧を印加すると振
動面の直交した1次の屈曲振動が励起され、これにより
超音波振動子の端面に超音波楕円振動が励起される。す
ると、回転子2は楕円の向きに対応して時計回り、また
は反時計回りに回転する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記特開平
5−328755号公報に記載される超音波モータには
以下のような問題点があった。すなわち、圧電素子およ
び共振器を締結部材により締結させるのであるが、その
締結圧力のばらつきにより共振周波数が大幅に変化して
しまう。また、圧電素子として0.3〜0.5mm厚の
ものを使用するため、駆動電圧が数百Vp−pと高くな
ってしまう。
【0006】請求項1の目的は、共振周波数がばらつか
ない超音波振動子を提供するとともに、低電圧駆動可能
な超音波振動子を提供することにある。請求項2の目的
は、共振周波数がばらつかない超音波モータを提供する
とともに、低電圧駆動可能な超音波モータを提供するこ
とにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、角柱
状弾性体と、該角柱状弾性体の長手方向と平行な4側面
のうちの少なくとも2面にその変位方向が角柱状弾性体
の長手方向となるように挟持された複数の積層型圧電素
子と、前記角柱状弾性体の長手方向と直角な端面に接合
された円環状駆動子とからなり、前記複数の積層型圧電
素子のそれぞれに位相差を持たせた交番電圧を印加する
ことにより、互いに振動モード面が直交する縮退した屈
曲共振振動を同時に励起し、前記円環状駆動子の位置で
超音波楕円振動を励起することを特徴とする超音波振動
子である。
【0008】請求項2の目的は、角柱状弾性体と、該角
柱状弾性体の長手方向と平行な4側面のうちの少なくと
も2面にその変位方向が角柱状弾性体の長手方向となる
ように挟持された複数の積層型圧電素子と、前記角柱状
弾性体の長手方向と直角な端面に接合された円環状駆動
子と、該円環状駆動子に対して押圧保持されたロータと
からなり、前記複数の積層型圧電素子のそれぞれに位相
差を持たせた交番電圧を印加することにより、互いに振
動モード面が直交する縮退した屈曲共振振動を同時に励
起し、前記円環状駆動子の位置で超音波楕円振動を励起
させて前記ロータを回転駆動させることを特徴とする超
音波モータである。
【0009】
【作用】請求項1の作用は、複数からなる積層型圧電素
子の内、第1の一対の積層型圧電素子に電圧を印加する
と第1の屈曲共振振動が励起出来る。また、第2の一対
の積層型圧電素子に電圧を印加すると前記第1の屈曲振
動の振動面と直交する第2の屈曲共振振動が励起出来
る。第1の一対の積層型圧電素子と第2の一対の積層型
圧電素子とに位相がπ/2異なる電圧を印加すると、第
1の屈曲共振振動と第2の屈曲共振振動とが同時に励起
され、円環状駆動子の位置で超音波楕円振動を形成する
ことが出来る。
【0010】請求項2の作用は、請求項1の作用により
超音波楕円振動が励起された円環状駆動子にロータを押
圧すると、超音波楕円振動の振動に向きにしたがってロ
ータは時計廻りもしくは反時計廻りに回転駆動される。
【0011】
【実施例1】図1〜図7は本実施例を示し、図1は超音
波振動子の正面図、図2は基本弾性体の正面図、図3は
超音波振動子の平面図、図4は静止状態と共振状態とを
示す説明図、図5は超音波モータの正面図、図6は同平
面図、図7は部材の一部を示す分解断面図である。
【0012】図1に示すように、超音波振動子10は基
本弾性体11と積層型圧電素子15と挟持用弾性体16
と駆動子17とから構成されている。図2に示すよう
に、基本弾性体11はステンレス材からなり断面が正方
形状をした角柱形状であり、ほぼ上半分はその断面が大
きく形成され(8mm×8mm)、残りの下半分は小さ
く形成され(4mm×4mm)、その境には段差部14
が設けられている。そして、長手方向中心部にはφ3m
mの穴12があけられるとともに中心部にはφ2mmの
タップ13が切られている。
【0013】以下、超音波振動子10の作成方法につい
て説明する。図1に示すように、基本弾性体11の4側
面に積層型圧電素子15を図のように段差14につき当
てるようにして挟持用弾性体16によりビスを用いて固
定する。この時、50Nから200N程度の圧縮力を加
えながら、エポキシ系の接着剤を用いて固定する。接着
する面は、積層型圧電素子15が基本弾性体11および
挟持用弾性体16と接するすべての面である。図3に示
すβ,γ,δの方向から見た面に関しても同様の方法で
作成する。
【0014】積層型圧電素子15から出ている電気端子
は、それぞれ対向する面に設けられた積層型圧電素子1
5どうしが逆の伸縮となるように結線する。具体的に
は、例えば図1に示すB(+)とB’(−),B(−)
とB’(+)のように結線する。結線したA,A’端子
を以下電気端子Aとし(A’端子はA端子の積層型圧電
素子15と対向する面に配設された積層型圧電素子15
からでる電気端子であり図示を省略する)、B,B’端
子を以下電気端子Bとする。振動子の先端部には円環状
の樹脂にアルミナセラミックの砥粒を分散させた砥石か
らなる駆動子17が接合されている。
【0015】次に、超音波振動子10の作用について説
明する。超音波振動子10は積層型圧電素子15の電気
端子Aに50kHzの交番電圧を印加すると、図4に示
すようなα(β)方向の2次の屈曲振動が励起できる。
積層圧電素子の電気端子Bに50kHzの交番電圧を印
加すると、図4に示すようなγ(δ)方向の2次の屈曲
振動が励起できる。そこで、電気端子Aに共振周波数周
波で振幅10Vp−pの交番電圧を印加し、電気端子B
に位相が90度ずれた同一周波数,同振幅の交番電圧を
印加すると、図1に示すように、駆動子17の各部分に
おいて円環の接線方向の超音波楕円振動(C.W.また
はC.C.W.)が励起出来た。
【0016】次に、上記超音波振動子10を用いた超音
波モータ20について説明する。図5に示すように、超
音波モータ20は超音波振動子10とネジの切られた軸
21とロータ24とコイルバネ22と調節ネジ23との
各部材から構成される。以下、超音波モータ20の作成
方法について、図7を参考に説明する。超音波振動子1
0の穴12に軸21が挿入されてタップ13の切られた
部分で接着される。ロータ24は図7にその断面図を示
すように、中心部にベアリング26が圧入され、また超
音波振動子10の駆動子17と接触する部分にはジルコ
ニアセラミクスからなる円環状の摺動部材25が接合さ
れている。ロータ24はバネ22により超音波振動子1
0に押圧固定される。押圧力は調節ネジ23により調節
される。超音波モータ20を固定する場合にはその下部
に突き出た軸21を図示しない基台にねじ込み固定す
る。
【0017】上記構成の超音波モータ20は、先に示し
たように超音波振動子10の電気端子Aと電気端子Bと
に周波数50kHz,振幅10Vp−p、位相差+90
度または−90度の交番電圧を印加する。すると、ロー
タ24が時計廻りまたは反時計廻りに回転する。
【0018】本実施例によれば、振動源として積層型圧
電素子を用いたので駆動電圧を下げることができる。ま
た、圧電素子および共振器を締結部材により締結させる
構造ではないので、共振周波数もばらつきも押さえられ
る。さらに、積層型圧電素子を圧縮力を加えた状態で組
み立ててあるため圧電素子内部での破壊が無くなり、寿
命が大幅に延びる。また、屈曲2次振動を用いたので振
動子の中央部に節ができ、そこで振動子を固定できる。
さらに、単純な構造であるのでコストダウンが図りやす
い。また、この振動子を利用して超音波モータを構成し
た場合は、高効率な超音波モータを提供することができ
る。
【0019】
【実施例2】図8〜図10は本実施例を示し、図8は超
音波振動子の正面図、図9は同平面図、図10は静止状
態と共振状態とを示す説明図である。
【0020】本実施例の超音波振動子30が前記実施例
1の超音波振動子10に対して主に異なる点は、基本弾
性体11の4側面を平面に形成し、4側面のほぼ長手方
向全長にわたって積層型圧電素子15を設けた点であ
る。電気的な配線に関しては前記実施例1と同様であ
る。超音波振動子30の製造方法については前記実施例
1と同様なので説明を省略する。
【0021】超音波振動子30の作用が前記実施例1と
異なる点は、図10に示すように、超音波振動子30に
振動面が直交する2方向の1次の屈曲振動を励起する点
である。これにより、駆動子17の各部において前記実
施例1に示したものと同様な超音波楕円振動を発生させ
ることができる。
【0022】本実施例の超音波振動子30を用いた超音
波モータの構成が前記実施例1と異なる点は、図示を省
略したが、前記実施例1と同様な軸を超音波振動子30
の穴12に挿入し、1次の屈曲振動の節位置で固定する
点である。超音波モータの作用は、前記実施例1と同様
であり、説明を省略する。
【0023】本実施例によれば、前記実施例1に比べて
積層圧電素子の接着面積を大きくしたので振動の出力を
大きくすることができる。また、それによりモータ出力
を大きくすることができる。
【0024】以上の各実施例においては、直交する1次
または2次の屈曲振動を利用した超音波振動子または超
音波モータについて述べたが、本発明はこれに限定する
ものではなく、さらに高次の屈曲振動を用いても良い。
【0025】
【発明の効果】請求項1の効果は、振動源として積層型
圧電素子を用いたので駆動電圧を下げることができる。
また、圧電素子および共振器を締結部材により締結させ
る構造ではないので、共振周波数もばらつきも押さえら
れる。さらに、積層型圧電素子を圧縮力を加えた状態で
組み立ててあるため圧電素子内部での破壊が無くなり、
寿命が大幅に延びる。また、単純な構造であるのでコス
トダウンが図りやすい。
【0026】請求項2の効果は、請求項1により得た超
音波振動子を用いたことにより、単純な構成で低電圧駆
動が可能な高耐久の回転モータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1を示す正面図である。
【図2】実施例1を示す正面図である。
【図3】実施例1を示す平面図である。
【図4】実施例1を示す説明図である。
【図5】実施例1を示す正面図である。
【図6】実施例1を示す平面図である。
【図7】実施例1を示す分解断面図である。
【図8】実施例2を示す正面図である。
【図9】実施例2を示す平面図である。
【図10】実施例2を示す説明図である。
【図11】従来例を示す斜視図である。
【符号の説明】
10 超音波振動子 11 基本弾性体 15 積層型圧電素子 16 挟持用弾性体 17 駆動子 20 超音波モータ 21 軸 22 コイルバネ 23 調節ネジ 24 ロータ 25 摺動材 26 ベアリング

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 角柱状弾性体と、該角柱状弾性体の長手
    方向と平行な4側面のうちの少なくとも2面にその変位
    方向が角柱状弾性体の長手方向となるように挟持された
    複数の積層型圧電素子と、前記角柱状弾性体の長手方向
    と直角な端面に接合された円環状駆動子とからなり、前
    記複数の積層型圧電素子のそれぞれに位相差を持たせた
    交番電圧を印加することにより、互いに振動モード面が
    直交する縮退した屈曲共振振動を同時に励起し、前記円
    環状駆動子の位置で超音波楕円振動を励起することを特
    徴とする超音波振動子。
  2. 【請求項2】 角柱状弾性体と、該角柱状弾性体の長手
    方向と平行な4側面のうちの少なくとも2面にその変位
    方向が角柱状弾性体の長手方向となるように挟持された
    複数の積層型圧電素子と、前記角柱状弾性体の長手方向
    と直角な端面に接合された円環状駆動子と、該円環状駆
    動子に対して押圧保持されたロータとからなり、前記複
    数の積層型圧電素子のそれぞれに位相差を持たせた交番
    電圧を印加することにより、互いに振動モード面が直交
    する縮退した屈曲共振振動を同時に励起し、前記円環状
    駆動子の位置で超音波楕円振動を励起させて前記ロータ
    を回転駆動させることを特徴とする超音波モータ。
JP6303330A 1994-12-07 1994-12-07 超音波振動子および超音波モータ Withdrawn JPH08163879A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006340424A (ja) * 2005-05-31 2006-12-14 Ngk Insulators Ltd 圧電ステータ素子及びそれを用いたマイクロ超音波モータ
EP2423190A1 (en) 2002-05-16 2012-02-29 Shionogi&Co., Ltd. Compounds Exhibiting PGD 2 Receptor Antagonism
CN112994517A (zh) * 2021-04-23 2021-06-18 吉林大学 一种微小型设备用超薄压电超声电机及其驱动方法

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Legal Events

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Effective date: 20020305