JPH03289366A - Torsion coupler ultrasonic motor - Google Patents

Torsion coupler ultrasonic motor

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Publication number
JPH03289366A
JPH03289366A JP2087187A JP8718790A JPH03289366A JP H03289366 A JPH03289366 A JP H03289366A JP 2087187 A JP2087187 A JP 2087187A JP 8718790 A JP8718790 A JP 8718790A JP H03289366 A JPH03289366 A JP H03289366A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
piezoelectric elements
ultrasonic motor
piezoelectric element
section
Prior art date
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Pending
Application number
JP2087187A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Otsuka
謙一 大塚
Eisaku Matsumoto
松本 栄作
Akio Kumada
熊田 明生
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.)
PIEZO TEC KK
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
PIEZO TEC KK
Nippon Steel Chemical 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.)
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Publication date
Application filed by PIEZO TEC KK, Nippon Steel Chemical Co Ltd filed Critical PIEZO TEC KK
Priority to JP2087187A priority Critical patent/JPH03289366A/en
Publication of JPH03289366A publication Critical patent/JPH03289366A/en
Pending legal-status Critical Current

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

Abstract

PURPOSE:To make uniform the characteristic of each piezoelectric element by laminating four sheets of piezoelectric elements into a piezoelectric means and preferably polarizing the piezoelectric element, at once, upon lamination. CONSTITUTION:Four sheets of piezoelectric elements, e.g. piezoelectric ceramics 11-14, are laminated into a piezoelectric section 3. Longitudinal vibration at the piezoelectric section 3 can be made symmetrical by laminating even number of piezoelectric elements 1. When the piezoelectric elements 11-14 are polarized, an upper electrode 1a, a lower electrode 1b and a common electrode 1c2 are connected to the minus side whereas a common electrodes 1c1 and 1c3 are connected to plus side and then the piezoelectric elements 11-14 are polarized simultaneously. Consequently, fluctuation in the characteristics of the piezoelectric elements 11-14 is suppressed resulting in a uniform characteristic.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、たとえば圧電素子とねじり結合子とを一体的
に結合することにより超音波楕円振動を発生さセるねし
り結合子型超音波モーフに関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a torsion coupler type ultrasonic wave generator that generates ultrasonic elliptical vibration by integrally coupling a piezoelectric element and a torsion coupler, for example. It's about morphs.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

超音波モータは、ステータ部に圧着されたロータ部を超
音波楕円振動により回転させる。したかっ“C1超音波
モータでは、超音波楕円振動を発生ずる振動子が必要と
μる。この超音波楕円振動を発佳さセるものとして、た
とえば、ねしり結合子を用いたものがある(特開昭6l
−0521(i3 q、特開昭61−052167号)
。
The ultrasonic motor uses ultrasonic elliptical vibration to rotate a rotor portion that is press-fitted to a stator portion. "The C1 ultrasonic motor requires a vibrator that generates ultrasonic elliptic vibration. For example, there is a device that uses a torsion coupler to generate ultrasonic elliptic vibration. (Special Publication Showa 6l
-0521 (i3 q, JP-A-61-052167)
.

ねじり結合子型超音波モーフは、構造が簡単で、しかも
効率良く超音波楕円振動を発生さ一ヒることかできる。
The torsion coupler type ultrasonic morph has a simple structure and can efficiently generate ultrasonic elliptic vibrations.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

従来より、ドーナツ状の圧電素子2個を重ねて圧電部を
形成したねしり結合子型超音波モーフがある。この超音
波モータを駆動するには、超音波モータの駆動電圧に闇
値があるので、少なくとも約60V程度の交流電圧が必
要になる。このため、市販の電池を用いて駆動する場合
には、電源部のスペースが大きくなり、小型化する際に
問題となっていた。また従来のねじり結合子型超音波モ
ータは、駆動電圧が高いので、人体にも危険であり、改
良が望まれていた。
Conventionally, there is a torsion coupling type ultrasonic morph in which a piezoelectric portion is formed by stacking two donut-shaped piezoelectric elements. To drive this ultrasonic motor, an alternating current voltage of at least about 60 V is required since the driving voltage of the ultrasonic motor has a dark value. For this reason, when driving using a commercially available battery, the space of the power supply section becomes large, which poses a problem when downsizing. Further, since the conventional torsion coupling type ultrasonic motor requires a high driving voltage, it is dangerous to the human body, and an improvement has been desired.

本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、低電
圧化及び小型化が容易なねじり結合子型超音波モータを
提供することを目的とするものである。
The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a torsion connector type ultrasonic motor that can be easily reduced in voltage and size.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記の目的を達成するための本発明は、圧電手段とねじ
り結合手段とを有するステータ部と、該ステータ部に圧
着されるロータ部とを備え、前記ステータ部の楕円振動
とにより前記ロータ部を回転するねじり結合子型超音波
モータにおいて、前記圧電手段は少なくとも4枚の圧電
素子を積層して形成したものであることを特徴とするも
のである。
To achieve the above object, the present invention includes a stator section having a piezoelectric means and a torsion coupling means, and a rotor section crimped to the stator section, and the rotor section is moved by the elliptical vibration of the stator section. In the rotating torsion coupling type ultrasonic motor, the piezoelectric means is formed by laminating at least four piezoelectric elements.

また、前記圧電手段は、前記圧電素子を積層後に一度に
分極することが望ましい。
Further, it is preferable that the piezoelectric means polarizes the piezoelectric elements at once after laminating the piezoelectric elements.

〔作用〕[Effect]

本発明は前記の構成によって、少なくとも4枚の圧電素
子を11層して圧電手段を形成したことにより、圧電素
子を並列に接続して従来の駆動電圧よりも低い駆動電圧
で、従来と同等の出力を得ることができる。
According to the above structure, the present invention forms a piezoelectric means by forming 11 layers of at least four piezoelectric elements, so that the piezoelectric elements can be connected in parallel and the driving voltage can be lower than that of the conventional one. You can get the output.

また、圧電手段は、各圧電素子を積層後に一度に分極す
ることにより、各圧電素子の特性を均一なものとするこ
とができる。
Moreover, the piezoelectric means can make the characteristics of each piezoelectric element uniform by polarizing each piezoelectric element at once after laminating the piezoelectric elements.

〔実施例〕〔Example〕

以下に本発明の一実施例を第1図乃至第3図を参照して
説明する。第3図は本発明のねじり結合子型超音波モー
タの概略構造図である。本発明のねじり結合子型超音波
モータは、たて振動子10とねじり結合子20とを含む
ステータ部30と、ロータ部40とから成る。たて振動
子10は、後述する圧電素子lを4枚積層して形成した
圧電部(圧電手段)3とアルミニウム製円板5とを含む
ものである。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 3 is a schematic structural diagram of the torsion coupling type ultrasonic motor of the present invention. The torsion coupler type ultrasonic motor of the present invention includes a stator section 30 including a vertical vibrator 10 and a torsion coupler 20, and a rotor section 40. The vertical vibrator 10 includes a piezoelectric portion (piezoelectric means) 3 formed by laminating four piezoelectric elements 1, which will be described later, and an aluminum disc 5.

上記構成のねじり結合子型超音波モータは、たて振動子
10によって発生した縦振動を、ねしり結合子20によ
りねしり振動に変換し、ねしり結合子20の上端面に超
音波楕円振動を発生させ、この超音波楕円振動によりロ
ータ部40を回転する。
The torsion coupler type ultrasonic motor having the above configuration converts the longitudinal vibration generated by the vertical vibrator 10 into torsional vibration by the torsion coupler 20, and generates ultrasonic elliptical vibration on the upper end surface of the torsion coupler 20. is generated, and the rotor section 40 is rotated by this ultrasonic elliptical vibration.

第1図は圧電部3の拡大構造図である。圧電部3は4枚
の圧電素子(たとえば、圧電型セラ旦ソクス)1.〜1
4を積層して形成したものである。
FIG. 1 is an enlarged structural diagram of the piezoelectric section 3. As shown in FIG. The piezoelectric section 3 includes four piezoelectric elements (for example, piezoelectric ceramic elements)1. ~1
It is formed by laminating 4.

圧電素子1を同図に示すように偶数枚8層することによ
り、圧電部3の縦振動の振幅を対称なものとすることが
できる。また、1aはドーナツ状の圧電素子11の上面
の全体に形成された上部電極、同様にlbは下部電極、
ICは共通電極である。
By forming an even number of eight layers of piezoelectric elements 1 as shown in the figure, the amplitude of the longitudinal vibration of the piezoelectric section 3 can be made symmetrical. Further, 1a is an upper electrode formed on the entire upper surface of the doughnut-shaped piezoelectric element 11, similarly lb is a lower electrode,
IC is a common electrode.

このように圧電素子1表面の全面に電極を形成するのは
、部分的に電極を形成したものに比べて、圧電素子1の
トルク等の特性が向上するからである。尚、同図の矢印
は分極の方向を示す。
The reason why the electrodes are formed on the entire surface of the piezoelectric element 1 in this way is that the characteristics such as torque of the piezoelectric element 1 are improved compared to the case where the electrodes are formed only partially. Note that the arrow in the figure indicates the direction of polarization.

ところで、圧電素子1の分極を行う場合に、各圧電素子
11〜14毎に個別に分極を行うと、各圧電素子1 l
” 14の特性にばらつきが生ずる。
By the way, when polarizing the piezoelectric element 1, if polarization is performed individually for each piezoelectric element 11 to 14, each piezoelectric element 1 l
” Variations occur in the characteristics of 14.

このような圧電素子11〜14を積層して形成した圧電
部3を用いた超音波モータは、低電圧で駆動することは
できるが、特性の点で従来のものに比べて、若干劣る。
An ultrasonic motor using the piezoelectric section 3 formed by laminating such piezoelectric elements 11 to 14 can be driven at a low voltage, but its characteristics are slightly inferior to conventional motors.

そこで、本実施例では、第2図に示すように上部電極1
aと下部電極1bと共通電極lczとを直流電源6のマ
イナス側に、また共通電極1c+と共通電極IC3とを
プラス側に接続して、各圧電素子1.〜14を一度に分
極する。これにより、分極を行う際の各圧電素子11〜
14の特性のばらつきを抑え、特性を揃えることができ
る。また、各圧電素子II〜14を駆動するときには、
各圧電素子1.〜14を図示しない交流電源に並列に接
続する。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG.
a, the lower electrode 1b, and the common electrode lcz are connected to the negative side of the DC power supply 6, and the common electrode 1c+ and the common electrode IC3 are connected to the positive side, and each piezoelectric element 1. ~14 at once. This allows each piezoelectric element 11 to
It is possible to suppress variations in the characteristics of No. 14 and make the characteristics uniform. Moreover, when driving each piezoelectric element II to 14,
Each piezoelectric element1. - 14 are connected in parallel to an AC power source (not shown).

ところで、超音波モータは、圧電素子の電界強度E=V
/d (ただし、■は駆動電圧、dは圧電素子の厚さで
ある。)が変わると、そのトルク等の特性が変わる。上
記構成の圧電部3によれば、圧電素子を4枚積層して各
圧電素子lを並列に接続して駆動するので、圧電部3の
厚さ、内径及び外形を従来のものと同一にした場合、各
圧電素子1に印加する駆動電圧Vを約半分に低減しても
、各圧電素子lの電界強度Eは従来のものと同等にする
ことができる。このように、本実施例の圧電部3を用い
た超音波モータは従来のモータに比べて駆動電圧Vを約
半分に低減しても、各圧電素子1の電界強度Eを従来と
同じにすることができるので、原理的には従来の超音波
モータと同様の回転数及びトルクが発生するはずである
。
By the way, in the ultrasonic motor, the electric field strength of the piezoelectric element E=V
When /d (where ■ is the drive voltage and d is the thickness of the piezoelectric element) changes, its torque and other characteristics change. According to the piezoelectric section 3 having the above configuration, four piezoelectric elements are stacked and each piezoelectric element l is connected in parallel and driven, so the thickness, inner diameter and outer shape of the piezoelectric section 3 are the same as those of the conventional one. In this case, even if the driving voltage V applied to each piezoelectric element 1 is reduced by about half, the electric field strength E of each piezoelectric element 1 can be made equal to that of the conventional one. In this way, the ultrasonic motor using the piezoelectric section 3 of this embodiment can maintain the electric field strength E of each piezoelectric element 1 the same as the conventional one even if the driving voltage V is reduced to about half compared to the conventional motor. Therefore, in principle, the same rotation speed and torque as a conventional ultrasonic motor should be generated.

本発明者等は、厚さ0.5−1内径3m、外形15Mの
ドーナツ状の圧電素子1を4枚積層して形成した圧電部
3を使用した超音波モータを試作して実験を行った。各
圧電素子II〜14を並列に接続して約25Vの駆動電
圧を印加して測定した結果、従来の2uの圧電部(1u
厚の圧電素子2個を重ねて形成したもの)を有するモー
タを100Vの交流電圧で駆動した場合と略同様の出力
を得た。
The present inventors prototyped an ultrasonic motor using a piezoelectric part 3 formed by laminating four donut-shaped piezoelectric elements 1 with a thickness of 0.5-1, an inner diameter of 3 m, and an outer diameter of 15 m, and conducted experiments. . As a result of measurement by connecting each piezoelectric element II to 14 in parallel and applying a drive voltage of approximately 25V, it was found that the conventional 2u piezoelectric element (1u
The output was approximately the same as that obtained when a motor having a motor (formed by stacking two thick piezoelectric elements) was driven with an AC voltage of 100V.

また、本発明者等は、厚さ0.25M、内径3紬、外形
15闘のドーナツ状の圧電素子をB枚積層して形成した
圧電部3を使用した超音波モータを試作して実験した。
The inventors also prototyped and experimented with an ultrasonic motor using a piezoelectric part 3 formed by laminating B donut-shaped piezoelectric elements with a thickness of 0.25M, an inner diameter of 3M, and an outer diameter of 15M. .

各圧電素子を並列に接続して約13Vの駆動電圧を印加
して測定した結果、この場合も、上記の従来のものと略
同様の出力を得た。
As a result of measurement by connecting each piezoelectric element in parallel and applying a driving voltage of about 13 V, in this case as well, substantially the same output as the above-mentioned conventional one was obtained.

上記の場合、両者とも共振のQ値はやや低くなった。ま
た、本実施例の圧電素子は円板状ではなくドーナツ状で
あるが、円板状の圧ii素子に使用する電気機械結合係
数(Kp)を用いて従来のものと本実施例とを比較して
みると、本実施例のKp値は略従来のものと同様であっ
た。また、圧電素子を積層して形成することにより、単
体のものに比べて、アドミッタンスを小さくすることが
できる。更に、アドミ・7タンスの最大値は各々の圧電
素子lのアドミツタンス値の総和の約95%となった。
In the above cases, the resonance Q value was somewhat low in both cases. Furthermore, although the piezoelectric element of this example is not disk-shaped but doughnut-shaped, the conventional piezoelectric element and this example are compared using the electromechanical coupling coefficient (Kp) used for the disk-shaped piezoelectric element. As a result, the Kp value of this example was approximately the same as that of the conventional one. Further, by stacking and forming piezoelectric elements, the admittance can be made smaller than that of a single piezoelectric element. Furthermore, the maximum value of admittance was approximately 95% of the total admittance value of each piezoelectric element l.

上記の実施例によれば、駆動電圧を・12■以下にする
ことも可能であり、電池駆動する場合に、容易に小型化
することができる。
According to the embodiment described above, it is possible to reduce the driving voltage to .12 .mu. or less, and when the device is driven by a battery, it can be easily miniaturized.

また、上記の実施例によれば、駆動電圧を低電圧化する
ことができるので、間違って電源部に触れた場合でも、
人体に害を及ぼすことのない超音波モータとすることが
できる。
Furthermore, according to the above embodiment, since the drive voltage can be lowered, even if the power supply section is touched by mistake, the drive voltage can be reduced.
The ultrasonic motor can be made without causing any harm to the human body.

更に、駆動電圧の低電圧化により、絶縁も簡易なもので
よく、したがって1!1縁処理が容易になり、製造コス
トが廉価になると共に、より小型化が可能となる。
Furthermore, since the driving voltage is lowered, insulation may be simpler, and therefore 1!1 edge processing becomes easier, manufacturing costs are lowered, and further miniaturization becomes possible.

尚、圧電素子1の厚さは薄ければ薄い程、積層できる・
枚数が多くなるので、より低電圧で駆動することが可能
となる。しかし、圧電素子1の厚さをあまり薄くすると
、Q値が低下し、しかも機械的強度が弱くなり割れ易く
なるので、この点で積層で゛きる枚数は、4〜10枚程
度程度ることが実用上好ましい。
Note that the thinner the piezoelectric element 1 is, the more laminated it can be.
Since the number of sheets increases, it becomes possible to drive at a lower voltage. However, if the thickness of the piezoelectric element 1 is made too thin, the Q value will decrease and the mechanical strength will become weaker, making it more likely to break. Practically preferred.

また、多数の圧電素子を積層した場合には、旦直列に接
続したものを並列に接続するようにしてもよい。
Furthermore, when a large number of piezoelectric elements are stacked, those connected in series may be connected in parallel.

更に、11・厚の圧電素子を4枚積層して形成した圧電
部を用いた超音波モータと、従来の2u厚の圧電素子を
2枚重ねたものとを同一の駆動電圧(交流60v)で駆
動して両者の特性を測定したところ、この超音波モータ
の回転数やトルクは従来のものの約2倍になった。この
ように、本実施例では、駆動電圧を従来と同一にすれば
、超音波モータの特性の向上を図ることができる。
Furthermore, an ultrasonic motor using a piezoelectric part formed by laminating four piezoelectric elements with a thickness of 11 mm and a conventional one made by stacking two piezoelectric elements with a thickness of 2 μ are operated at the same driving voltage (60 V AC). When we drove it and measured the characteristics of both, we found that the rotational speed and torque of this ultrasonic motor were about twice that of conventional motors. In this way, in this embodiment, the characteristics of the ultrasonic motor can be improved by keeping the drive voltage the same as the conventional one.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明によれば、少なくとも4枚の
圧電素子を積層して圧電手段を形成することにより、低
電圧でも、従来と同様の出力を得ることができ、また既
存の電池を用いて駆動する場合に小型化が容易なねしり
結合子型超音波モータを提供することができる。
As explained above, according to the present invention, by stacking at least four piezoelectric elements to form a piezoelectric means, it is possible to obtain the same output as before even at low voltage, and also to use existing batteries. Therefore, it is possible to provide a helical coupling type ultrasonic motor that can be easily miniaturized when driven by a coil.

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

第1図は圧電部の拡大構造図、第2図は圧電素子の分極
を説明するための図、第3図は本発明の−・実施例であ
るねしり結合子型超音波モータの概略構造図である。 11〜14・・・圧電素子、1a・・・上部電極、1b
・・・下部電極、IC・・・共通電極、3・・・圧電部
、5・・・アルミニウム製円板、10・・・ランジュバ
ン振動子、 40 ・・ ねしり結合子、30・・・ステータ部、ロータ部。
Fig. 1 is an enlarged structural diagram of the piezoelectric part, Fig. 2 is a diagram for explaining polarization of the piezoelectric element, and Fig. 3 is a schematic structure of a helical coupling type ultrasonic motor which is an embodiment of the present invention. It is a diagram. 11-14... Piezoelectric element, 1a... Upper electrode, 1b
... lower electrode, IC ... common electrode, 3 ... piezoelectric part, 5 ... aluminum disk, 10 ... Langevin oscillator, 40 ... torsion coupler, 30 ... stator section, rotor section.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)圧電手段とねじり結合手段とを有するステータ部
と、該ステータ部に圧着されるロータ部とを備え、前記
ステータ部の縦振動とねじり振動とにより前記ロータ部
を回転するねじり結合子型超音波モータにおいて、前記
圧電手段は少なくとも4枚の圧電素子を積層して形成し
たものであることを特徴とするねじり結合子型超音波モ
ータ。
(1) A torsion coupling type comprising a stator section having a piezoelectric means and a torsional coupling means, and a rotor section crimped to the stator section, the rotor section being rotated by longitudinal vibration and torsional vibration of the stator section. A torsion coupling type ultrasonic motor, wherein the piezoelectric means is formed by laminating at least four piezoelectric elements.
(2)前記圧電手段は、前記圧電素子を積層後に一度に
分極したことを特徴とする請求項1記載のねじり結合子
型超音波モータ。
(2) The torsion coupling type ultrasonic motor according to claim 1, wherein the piezoelectric means polarizes the piezoelectric elements at once after laminating the piezoelectric elements.
(3)前記圧電手段は、10枚以下の圧電素子を積層し
て形成したものであることを特徴とする請求項1記載の
ねじり結合子型超音波モータ。
(3) The torsion coupling type ultrasonic motor according to claim 1, wherein the piezoelectric means is formed by laminating ten or less piezoelectric elements.
JP2087187A 1990-03-31 1990-03-31 Torsion coupler ultrasonic motor Pending JPH03289366A (en)

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