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JP2011211795A - Ultrasonic motor and method of driving the same - Google Patents

Ultrasonic motor and method of driving the same Download PDF

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JP2011211795A
JP2011211795A JP2010075412A JP2010075412A JP2011211795A JP 2011211795 A JP2011211795 A JP 2011211795A JP 2010075412 A JP2010075412 A JP 2010075412A JP 2010075412 A JP2010075412 A JP 2010075412A JP 2011211795 A JP2011211795 A JP 2011211795A
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JP
Japan
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ultrasonic motor
driving
drive
vibration mode
frequency
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JP2010075412A
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Japanese (ja)
Inventor
Ryoichi Fukunaga
了一 福永
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Taiheiyo Cement Corp
Original Assignee
Taiheiyo Cement Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic motor which can get a high thrust and control the generation of particles by reducing a friction with a driven body at drive.SOLUTION: The rectangular ultrasonic motor 10 used for vibration in multiple vibration mode includes: a piezoelectric layer 11b; two-segmented driving electrodes 14a and 14b which are provided on one main face side of the piezoelectric layer 11b; and a ground electrode which is provided on the other main face of the piezoelectric layer 11b. It is driven at a frequency equal to or higher than an anti-resonant frequency in multiple vibration mode by a driving circuit 18 of single phase drive which applies a voltage to either of the two-segmented driving electrodes and opens the other. By driving the rectangular ultrasonic motor 10 by single-phase drive at a frequency equal to or higher than an anti-resonant frequency in multiple vibration mode, a high thrust can be obtained; and the generation of particles can be controlled by reducing the friction with the driven body at drive.

Description

本発明は、多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータおよびその駆動方法に関する。   The present invention relates to a rectangular ultrasonic motor used for vibration in a multiple vibration mode and a driving method thereof.

従来、圧電素子を矩形に形成し、縦振動モードと屈曲振動モードとを組み合わせた多重振動モードで振動することにより駆動力を発生する超音波モータが知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。特許文献1には、複数の圧電体を積層し、第一次縦振動モードと第二次屈曲振動モードとの組合せのL1F2共振モードで駆動する超音波振動子が開示されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic motor that generates a driving force by forming a piezoelectric element in a rectangular shape and vibrating in a multiple vibration mode combining a longitudinal vibration mode and a bending vibration mode is known (for example, Patent Documents 1 to 3). reference). Patent Document 1 discloses an ultrasonic transducer in which a plurality of piezoelectric bodies are stacked and driven in an L1F2 resonance mode that is a combination of a primary longitudinal vibration mode and a secondary bending vibration mode.

この超音波振動子は、圧電素子と内部電極とが交互に積層されており、この積層方向と直交する第2の方向および第3の方向に沿って、概ね4分割された内部電極群を備えている。また、それらの内部電極群とそれぞれ導通する第1の外部電極群および第2の外部電極群とを有している。そして、第1および第2の外部電極群に電圧を印加することにより、第2の方向に発生する縦振動モードと、第3の方向に発生する屈曲振動モードとが同時に励起することによって、楕円振動を発生させる。   The ultrasonic transducer includes piezoelectric elements and internal electrodes that are alternately stacked, and includes an internal electrode group that is substantially divided into four along a second direction and a third direction orthogonal to the stacking direction. ing. In addition, the first external electrode group and the second external electrode group that are electrically connected to the internal electrode group, respectively. Then, by applying a voltage to the first and second external electrode groups, the longitudinal vibration mode generated in the second direction and the bending vibration mode generated in the third direction are excited simultaneously, thereby causing an elliptical Generate vibration.

また、特許文献2には、2相信号入力方式と1相信号入力方式による駆動方法がそれぞれ開示されている。2相信号入力方式は、いずれか一方の電極に第1の交流電圧を印加するとともに、いずれか他方の電極に第1の交流電圧と位相がπ/2ずれた第2の交流電圧を印加する方式である。また、1相信号入力方式は、いずれか一方の電極に交流電圧を印加するとともに、いずれか他方の電極を開放する方法である。また、特許文献3には、2相信号入力方式による駆動方法が開示されている。   Patent Document 2 discloses a driving method using a two-phase signal input method and a one-phase signal input method. In the two-phase signal input method, a first AC voltage is applied to one of the electrodes, and a second AC voltage whose phase is shifted by π / 2 from the first AC voltage is applied to any one of the electrodes. It is a method. The one-phase signal input method is a method in which an AC voltage is applied to one of the electrodes and either one of the other electrodes is opened. Patent Document 3 discloses a driving method using a two-phase signal input method.

特開2006−094597号公報JP 2006-094597 A 特開2009−240148号公報JP 2009-240148 A 特開2009−225655号公報JP 2009-225655 A

しかし、単に上記のような方法で超音波モータを楕円振動させても、被駆動体への高い推力が必ずしも得られない。また、駆動時に超音波モータと被駆動体との間で摩擦が生じ、パーティクルの発生を抑えることができない。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる超音波モータおよびその駆動方法を提供することを目的とする。   However, even if the ultrasonic motor is caused to elliptically vibrate simply by the method as described above, a high thrust force to the driven body is not necessarily obtained. Further, friction is generated between the ultrasonic motor and the driven body during driving, and generation of particles cannot be suppressed. The present invention has been made in view of such circumstances, an ultrasonic motor capable of obtaining high thrust, reducing friction with a driven body during driving, and suppressing generation of particles, and a driving method thereof The purpose is to provide.

(1)上記の目的を達成するため、本発明の超音波モータは、多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、圧電層と、前記圧電層の一方の主面側に設けられた2区分の駆動電極と、前記圧電層の他方の主面側に設けられたグランド電極とを備え、前記2区分の駆動電極の一方に電圧を印加し、他方を開放する単相駆動の駆動回路により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動されることを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, an ultrasonic motor according to the present invention is a rectangular ultrasonic motor used for vibration in a multiple vibration mode, and includes a piezoelectric layer and one main surface side of the piezoelectric layer. Single-phase drive comprising a provided two-section drive electrode and a ground electrode provided on the other main surface side of the piezoelectric layer, applying a voltage to one of the two-section drive electrodes and opening the other The drive circuit is driven at a frequency equal to or higher than the anti-resonance frequency of the multiple vibration mode.

このように、本発明の超音波モータは、単相駆動により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動される。これにより、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。   Thus, the ultrasonic motor of the present invention is driven at a frequency equal to or higher than the anti-resonance frequency of the multiple vibration mode by single-phase driving. Thereby, high thrust can be obtained, friction with the driven body during driving can be reduced, and generation of particles can be suppressed.

(2)また、本発明の超音波モータの駆動方法は、矩形の超音波モータを単相の電圧印加で駆動する超音波モータの駆動方法であって、2区分の駆動電極とグランド電極との間に圧電層を有する矩形の超音波モータに対して、前記2区分の駆動電極の一方に電圧を印加し、他方を開放する単相駆動により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動させることを特徴としている。   (2) The ultrasonic motor driving method of the present invention is an ultrasonic motor driving method for driving a rectangular ultrasonic motor by applying a single-phase voltage, and includes two driving electrodes and a ground electrode. For a rectangular ultrasonic motor having a piezoelectric layer in between, drive at a frequency equal to or higher than the anti-resonance frequency of the multiple vibration mode by applying a voltage to one of the two drive electrodes and opening the other. It is characterized by letting.

このように、本発明の超音波モータの駆動方法は、矩形の超音波モータを単相駆動により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動させる。これにより、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。   As described above, according to the driving method of the ultrasonic motor of the present invention, the rectangular ultrasonic motor is driven at a frequency equal to or higher than the anti-resonance frequency of the multiple vibration mode by single-phase driving. Thereby, high thrust can be obtained, friction with the driven body during driving can be reduced, and generation of particles can be suppressed.

(3)また、本発明の超音波モータの駆動方法は、第一次縦振動モードと第一次または第二次屈曲振動モードとの多重振動モードで駆動させることを特徴としている。これにより、高推力が得られ、駆動時に被駆動体と摩擦しにくい軌道で超音波モータを駆動できる。   (3) Further, the driving method of the ultrasonic motor of the present invention is characterized in that it is driven in a multiple vibration mode of a primary longitudinal vibration mode and a primary or secondary bending vibration mode. As a result, high thrust can be obtained, and the ultrasonic motor can be driven in a track that is not easily rubbed against the driven body during driving.

(4)また、本発明の超音波モータの駆動方法は、前記多重振動モードの反共振周波数の100%以上110%以下の割合の周波数で前記超音波モータを駆動することを特徴としている。このような範囲の周波数で駆動することで、特に、範囲外の周波数で駆動する場合と比較して高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。   (4) The ultrasonic motor driving method of the present invention is characterized in that the ultrasonic motor is driven at a frequency of 100% to 110% of the anti-resonance frequency of the multiple vibration mode. By driving at a frequency in such a range, particularly high thrust can be obtained compared to driving at a frequency outside the range, and friction with the driven body at the time of driving is reduced, and particles are generated. Can be suppressed.

(5)また、本発明の超音波モータの駆動方法は、前記超音波モータは、前記駆動電極、圧電層およびグランド電極が複数積層した構造を有していることを特徴としている。このような積層構造により、変位を大きくとることができ、さらに高い推力を得ることができる。   (5) Further, the ultrasonic motor driving method of the present invention is characterized in that the ultrasonic motor has a structure in which a plurality of the driving electrodes, piezoelectric layers and ground electrodes are laminated. With such a laminated structure, a large displacement can be obtained and a higher thrust can be obtained.

本発明によれば、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。   According to the present invention, high thrust can be obtained, friction with a driven body during driving can be reduced, and generation of particles can be suppressed.

本発明に係る超音波モータの正面図である。It is a front view of the ultrasonic motor concerning the present invention. 本発明に係る超音波モータが第一次縦振動をしている様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the ultrasonic motor which concerns on this invention is performing the primary longitudinal vibration. 本発明に係る超音波モータが第一次屈曲振動をしている様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the ultrasonic motor which concerns on this invention is performing the primary bending vibration. 本発明に係る超音波モータの駆動層上の電極に対する配線を示す図である。It is a figure which shows the wiring with respect to the electrode on the drive layer of the ultrasonic motor which concerns on this invention. 本発明に係る超音波モータの斜視図である。1 is a perspective view of an ultrasonic motor according to the present invention. 駆動層上の電極パターンを示す平面図である。It is a top view which shows the electrode pattern on a drive layer. グランド電極のパターンを示す平面図である。It is a top view which shows the pattern of a ground electrode. 本発明に係る超音波モータの正面図である。It is a front view of the ultrasonic motor concerning the present invention. 本発明に係る超音波モータの第一次縦振動の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the primary longitudinal vibration of the ultrasonic motor which concerns on this invention. 本発明に係る超音波モータの第二次屈曲振動の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the secondary bending vibration of the ultrasonic motor which concerns on this invention. 本発明に係る超音波モータが被駆動体を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。It is a figure which shows a mode that the ultrasonic motor which concerns on this invention drives a to-be-driven body rightward in a figure. 本発明に係る超音波モータの駆動層上の電極に対する配線を示す。The wiring with respect to the electrode on the drive layer of the ultrasonic motor which concerns on this invention is shown. 本発明に係る超音波モータの斜視図である。1 is a perspective view of an ultrasonic motor according to the present invention. 駆動層上の電極パターンを示す平面図である。It is a top view which shows the electrode pattern on a drive layer. グランド電極のパターンを示す平面図である。図である。It is a top view which shows the pattern of a ground electrode. FIG. 各振動の周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the frequency of each vibration, and impedance. 楕円運動の周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the frequency of elliptical motion, and impedance. 駆動周波数と被駆動体の速度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a drive frequency and the speed of a to-be-driven body. 本発明に係る超音波モータによるパーティクルカウント数を示すグラフである。It is a graph which shows the particle count number by the ultrasonic motor which concerns on this invention.

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.

[第1の実施形態]
図1は、超音波モータ10の正面図である。超音波モータ10は、第一次縦振動および第一次屈曲振動により、楕円運動が可能となっている。図1に示すように、超音波モータ10は圧電振動子11と摺動チップ12を備えており、矩形積層型の圧電振動子11を多重振動モードで振動させることで駆動可能となっている。圧電振動子11は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層が紙面に対して垂直方向に分極している。第一次縦振動モードにおける伸縮方向の長さをL1とし、第一次屈曲振動モードにおける剪断方向の長さをw1とする。また、圧電振動子11の図中y方向端面の中央部に、駆動力を伝達する摺動チップ12が設けられている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a front view of the ultrasonic motor 10. The ultrasonic motor 10 can be elliptically moved by the primary longitudinal vibration and the primary bending vibration. As shown in FIG. 1, the ultrasonic motor 10 includes a piezoelectric vibrator 11 and a sliding chip 12, and can be driven by vibrating the rectangular laminated piezoelectric vibrator 11 in a multiple vibration mode. The piezoelectric vibrator 11 is formed of rectangular laminated piezoelectric ceramics, and each layer is polarized in a direction perpendicular to the paper surface. The length in the expansion / contraction direction in the primary longitudinal vibration mode is L1, and the length in the shear direction in the primary bending vibration mode is w1. In addition, a sliding tip 12 for transmitting a driving force is provided at the center of the end surface of the piezoelectric vibrator 11 in the y direction in the figure.

図2は、超音波モータが第一次縦振動をしている様子を示す図である。図2に示すように、圧電振動子11が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、図2中、矢印A1の方向と平行である。また、図3は、超音波モータが第一次屈曲振動をしている様子を示す図である。図3に示すように、圧電振動子11が第一次屈曲振動モードで振動する際の方向(剪断方向)は、図2に示す矢印A1と平行であるが、図3の矢印B1およびC1に示すように、圧電振動子11の両端で方向が互いに逆となる。図2に示す第一次縦振動モードと図3に示す第一次屈曲振動モードとが合成(縮退)することによって、摺動チップ12は楕円運動をし、駆動力が生ずる。   FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the ultrasonic motor is performing primary longitudinal vibration. As shown in FIG. 2, the expansion / contraction direction when the piezoelectric vibrator 11 vibrates in the primary longitudinal vibration mode is parallel to the direction of the arrow A1 in FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which the ultrasonic motor is performing primary bending vibration. As shown in FIG. 3, the direction (shear direction) when the piezoelectric vibrator 11 vibrates in the first bending vibration mode is parallel to the arrow A1 shown in FIG. 2, but the arrows B1 and C1 in FIG. As shown, the directions are opposite to each other at both ends of the piezoelectric vibrator 11. The first longitudinal vibration mode shown in FIG. 2 and the first bending vibration mode shown in FIG. 3 are combined (degenerated), so that the sliding tip 12 performs an elliptical motion, and a driving force is generated.

図4は、超音波モータ10の駆動層上の電極に対する配線を示す図である。図4では、圧電振動子11の駆動層上の電極面を模式的に切り出して示している。図4に示すように、超音波モータ10において、駆動層上には、矩形の圧電層11bの一方の主面を2分割するように、駆動電極14aと駆動電極14bとが2区分の駆動電極として設けられている。そして、駆動層の他方の主面にはグランド電極(図示せず)が設けられ、接地されている。駆動電極14a、14bは、互いに絶縁された状態で個別に設けられる。   FIG. 4 is a diagram showing wiring for electrodes on the drive layer of the ultrasonic motor 10. In FIG. 4, the electrode surface on the drive layer of the piezoelectric vibrator 11 is schematically cut out. As shown in FIG. 4, in the ultrasonic motor 10, on the drive layer, the drive electrode 14a and the drive electrode 14b are divided into two sections so that one main surface of the rectangular piezoelectric layer 11b is divided into two. It is provided as. A ground electrode (not shown) is provided on the other main surface of the drive layer and is grounded. The drive electrodes 14a and 14b are individually provided in a state of being insulated from each other.

超音波モータ10の駆動回路18は、一方の駆動電極14aに交流電圧源15aが接続され、他方の駆動電極14bは開放状態とされて構成される。交流電圧源15aは、駆動電極14aにVsinωtの電圧を印加する。このように、圧電振動子11の駆動電極14aに対して電圧Vsinωtが印加され、単相駆動がなされると、圧電振動子11には、図2および図3に示すように、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、幅方向(剪断方向)で屈曲する第一次屈曲振動モードの振動とが発生する。 The drive circuit 18 of the ultrasonic motor 10 is configured such that an AC voltage source 15a is connected to one drive electrode 14a, and the other drive electrode 14b is opened. The AC voltage source 15a applies a voltage of V 0 sin ωt to the drive electrode 14a. As described above, when the voltage V 0 sin ωt is applied to the drive electrode 14a of the piezoelectric vibrator 11 and single-phase driving is performed, the piezoelectric vibrator 11 has a longitudinal direction as shown in FIGS. Vibration in the first longitudinal vibration mode that expands and contracts in the first direction, and vibration in the first bending vibration mode that bends in the width direction (shear direction).

そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第一次屈曲振動モードの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成(縮退)され、圧電振動子11のチップ(図4に図示せず)には楕円振動が発生する。なお、電圧Vsinωtは、駆動電極14bに印加されてもよく、各電極の印加電圧が入れ替わってもよい。 When the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode is equal to the resonance frequency of the primary bending vibration mode, both vibration modes are combined (degenerate), and the chip of the piezoelectric vibrator 11 (not shown in FIG. 4). No.) generates elliptical vibration. The voltage V 0 sin ωt may be applied to the drive electrode 14b, and the applied voltage of each electrode may be switched.

この単相駆動において反共振周波数以上の周波数で超音波モータ10を駆動する。これにより、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。なお、各振動モードの反共振周波数のうち、最も大きい周波数以上で超音波モータ10を駆動する。特に、多重振動モードの反共振周波数の100%以上110%以下の割合の周波数で超音波モータ10を駆動することが好ましい。このような範囲の周波数で駆動することで、範囲外の周波数で駆動する場合と比較して高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。   In this single phase drive, the ultrasonic motor 10 is driven at a frequency equal to or higher than the antiresonance frequency. Thereby, high thrust can be obtained, friction with the driven body during driving can be reduced, and generation of particles can be suppressed. The ultrasonic motor 10 is driven at the highest frequency or higher among the anti-resonance frequencies of the respective vibration modes. In particular, it is preferable to drive the ultrasonic motor 10 at a frequency of 100% or more and 110% or less of the anti-resonance frequency of the multiple vibration mode. By driving at a frequency in such a range, high thrust can be obtained compared to driving at a frequency outside the range, and friction with the driven body during driving can be reduced, and generation of particles can be suppressed. .

[第2の実施形態]
図5は、超音波モータ20の斜視図である。超音波モータ20を構成する圧電振動子21は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層の分極方向は、図5に示す座標軸のz軸方向の正負のいずれかに一致している。また、圧電振動子21が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、x軸と平行であり、圧電振動子21のx軸方向の長さはL2である。また、圧電振動子21が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向は、y軸と平行であり、圧電振動子21のy軸方向の長さはw2である。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a perspective view of the ultrasonic motor 20. The piezoelectric vibrator 21 constituting the ultrasonic motor 20 is formed of rectangular laminated piezoelectric ceramics, and the polarization direction of each layer coincides with either positive or negative in the z-axis direction of the coordinate axis shown in FIG. . The expansion / contraction direction when the piezoelectric vibrator 21 vibrates in the primary longitudinal vibration mode is parallel to the x-axis, and the length of the piezoelectric vibrator 21 in the x-axis direction is L2. Further, the shear direction when the piezoelectric vibrator 21 vibrates in the secondary bending vibration mode is parallel to the y-axis, and the length of the piezoelectric vibrator 21 in the y-axis direction is w2.

圧電振動子21は、積層された圧電層21bの表面または層間に交互に設けられた駆動電極24a、24bおよびグランド電極24cを有している。超音波モータ20はこのような複数層が積層した構造を有していることが好ましい。このような積層構造により、変位を大きくとることができ、さらに高い推力を得ることができる。   The piezoelectric vibrator 21 has drive electrodes 24a and 24b and a ground electrode 24c that are alternately provided between the surfaces or layers of the laminated piezoelectric layers 21b. The ultrasonic motor 20 preferably has such a structure in which a plurality of layers are laminated. With such a laminated structure, a large displacement can be obtained and a higher thrust can be obtained.

図6は、駆動層上の電極パターンJ2を示す平面図である。駆動電極24a、24bは、2区分の駆動電極としてそれぞれ概ね主面の2分の1の面積に等分されている。そして、それぞれ圧電振動子21の側面に露出する取り出し部分を有している。電極パターンにおいて対角の関係にある駆動電極24aには所定の交流電圧が印加され、駆動電極24bは開放状態とされる。このような単相駆動の駆動回路を用いて反共振周波数以上の周波数で駆動する。特に、多重振動モードの反共振周波数の100%以上110%以下の割合の周波数で超音波モータ20を駆動することが好ましい。   FIG. 6 is a plan view showing the electrode pattern J2 on the drive layer. The drive electrodes 24a and 24b are each equally divided into two-segment drive electrodes so that the area is approximately one half of the main surface. And it has the extraction part exposed to the side surface of the piezoelectric vibrator 21, respectively. A predetermined alternating voltage is applied to the drive electrode 24a having a diagonal relationship in the electrode pattern, and the drive electrode 24b is opened. Using such a single-phase driving circuit, driving is performed at a frequency equal to or higher than the anti-resonance frequency. In particular, it is preferable to drive the ultrasonic motor 20 at a frequency of 100% or more and 110% or less of the anti-resonance frequency of the multiple vibration mode.

図7は、グランド電極のパターンGND2を示す平面図である。グランド電極24cと駆動電極24a、24bとの間に電界が生じることで、その間の圧電層21bが変位する。   FIG. 7 is a plan view showing a ground electrode pattern GND2. When an electric field is generated between the ground electrode 24c and the drive electrodes 24a and 24b, the piezoelectric layer 21b therebetween is displaced.

[第3の実施形態]
図8は、超音波モータ30の正面図である。図8に示すように、超音波モータ30は圧電振動子31とチップ31aを備えており、矩形型の圧電振動子31を多重振動モードで振動させることで駆動可能となっている。超音波モータ30の長さ(x方向)はL3、幅(y方向)はw3である。
[Third Embodiment]
FIG. 8 is a front view of the ultrasonic motor 30. As shown in FIG. 8, the ultrasonic motor 30 includes a piezoelectric vibrator 31 and a chip 31a, and can be driven by vibrating the rectangular piezoelectric vibrator 31 in a multiple vibration mode. The length (x direction) of the ultrasonic motor 30 is L3, and the width (y direction) is w3.

図9は、超音波モータ30の第一次縦振動の様子を示す図である。第一次縦振動は、図9の矢印A3およびB3に示すように、圧電振動子31の長手方向に伸縮を繰り返すことにより生ずる。また、図10は、超音波モータ30の第二次屈曲振動の様子を示す図である。第二次屈曲振動は、図10の矢印C3に示すように、圧電振動子31の厚さ方向に、相互に向きが異なる剪断力により屈曲を繰り返すことにより生ずる。これらの第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成(縮退)することにより、圧電振動子31に設けられたチップが楕円運動をし、駆動力が生ずる。   FIG. 9 is a diagram illustrating a state of the primary longitudinal vibration of the ultrasonic motor 30. The primary longitudinal vibration is generated by repeatedly expanding and contracting in the longitudinal direction of the piezoelectric vibrator 31, as indicated by arrows A3 and B3 in FIG. FIG. 10 is a diagram illustrating a state of secondary bending vibration of the ultrasonic motor 30. The secondary bending vibration is generated by repeatedly bending in the thickness direction of the piezoelectric vibrator 31 with shearing forces having different directions, as indicated by an arrow C3 in FIG. By synthesizing (degenerate) these primary longitudinal vibrations and secondary bending vibrations, the chip provided on the piezoelectric vibrator 31 performs an elliptical motion to generate a driving force.

図11は、圧電振動子31が被駆動体32を図中、右方向に駆動する様子を段階的に示す図である。図11に示すように、圧電振動子31は、チップ31aを備えている。圧電振動子31の第一次縦振動と第二次屈曲振動とを合成することで、圧電振動子31が伸縮と屈曲を繰り返し、1サイクルで被駆動体を距離l3だけ移動させている。圧電振動子31は、このような原理で駆動力を発生させる。   FIG. 11 is a diagram showing stepwise how the piezoelectric vibrator 31 drives the driven body 32 in the right direction in the drawing. As shown in FIG. 11, the piezoelectric vibrator 31 includes a chip 31a. By synthesizing the primary longitudinal vibration and the secondary bending vibration of the piezoelectric vibrator 31, the piezoelectric vibrator 31 repeats expansion and contraction and bending, and the driven body is moved by the distance l3 in one cycle. The piezoelectric vibrator 31 generates a driving force based on such a principle.

図12は、超音波モータ30の駆動電極に対する配線を示す図である。図12では、圧電振動子31の主面を模式的に示している。主面上には、矩形の圧電振動子31の一方の主面を4分割するように、互いに対角に対向する一組の駆動電極34aと一組の駆動電極34bが設けられている。一組の駆動電極34aと一組の駆動電極34bは、2区分の駆動電極を構成する。そして圧電振動子31の他方の主面にはグランド電極(図示せず)が設けられ、接地されている。駆動電極34a、34bは、互いに絶縁された状態で個別に設けられ、互いに対角に位置する駆動電極34a、34bがそれぞれ相互に電気的に接続されている。   FIG. 12 is a diagram illustrating wiring for the drive electrodes of the ultrasonic motor 30. In FIG. 12, the main surface of the piezoelectric vibrator 31 is schematically shown. On the main surface, a pair of drive electrodes 34a and a set of drive electrodes 34b that are diagonally opposed to each other are provided so that one main surface of the rectangular piezoelectric vibrator 31 is divided into four. The set of drive electrodes 34a and the set of drive electrodes 34b constitutes two sections of drive electrodes. A ground electrode (not shown) is provided on the other main surface of the piezoelectric vibrator 31 and is grounded. The drive electrodes 34a and 34b are individually provided in a state of being insulated from each other, and the drive electrodes 34a and 34b positioned diagonally to each other are electrically connected to each other.

超音波モータ30の駆動回路38は、対角に対向する一組の駆動電極34aに交流電圧源15aが接続され、他方の組の駆動電極34bは開放状態とされて構成される。交流電圧源15aは、駆動電極34aにVsinωtの電圧を印加する。このように、圧電振動子31の駆動電極34aに対して電圧Vsinωtが印加されると、圧電振動子31には、図9および図10に示すように、長手方向に伸縮する第一次縦振動モードの振動と、剪断方向に屈曲する第二次屈曲振動モードの振動とが発生する。そして、第一次縦振動モードの共振周波数と、第二次屈曲振動モードの共振周波数とが等しいときに、両振動モードが合成(縮退)され、圧電振動子31のチップ(図12に図示せず)に楕円振動が発生する。 The drive circuit 38 of the ultrasonic motor 30 is configured by connecting the AC voltage source 15a to a pair of diagonally opposed drive electrodes 34a and opening the other set of drive electrodes 34b. The AC voltage source 15a applies a voltage of V 0 sin ωt to the drive electrode 34a. As described above, when the voltage V 0 sin ωt is applied to the drive electrode 34a of the piezoelectric vibrator 31, the piezoelectric vibrator 31 is primarily expanded and contracted in the longitudinal direction as shown in FIGS. The vibration in the longitudinal vibration mode and the vibration in the second bending vibration mode that bends in the shear direction are generated. When the resonance frequency of the primary longitudinal vibration mode is equal to the resonance frequency of the secondary bending vibration mode, both vibration modes are synthesized (degenerate), and the chip of the piezoelectric vibrator 31 (not shown in FIG. 12). O) elliptical vibration occurs.

このような単相駆動において反共振周波数以上の周波数で超音波モータ30を駆動する。これにより、高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。なお、各振動モードの反共振周波数のうち、最も大きい周波数以上で超音波モータ30を駆動する。特に、多重振動モードの反共振周波数の100%以上110%以下の割合の周波数で超音波モータ10を駆動することが好ましい。このような範囲の周波数で駆動することで、範囲外の周波数で駆動する場合と比較して高推力が得られ、かつ駆動時の被駆動体との摩擦を低減し、パーティクルの発生を抑制できる。   In such single-phase driving, the ultrasonic motor 30 is driven at a frequency equal to or higher than the antiresonance frequency. Thereby, high thrust can be obtained, friction with the driven body during driving can be reduced, and generation of particles can be suppressed. Note that the ultrasonic motor 30 is driven at the highest frequency or higher among the anti-resonance frequencies of the respective vibration modes. In particular, it is preferable to drive the ultrasonic motor 10 at a frequency of 100% or more and 110% or less of the anti-resonance frequency of the multiple vibration mode. By driving at a frequency in such a range, high thrust can be obtained compared to driving at a frequency outside the range, and friction with the driven body during driving can be reduced, and generation of particles can be suppressed. .

[第4の実施形態]
図13は、超音波モータ40の斜視図である。超音波モータ40を構成する圧電振動子41は、矩形積層型の圧電セラミックスから形成されており、各層の分極方向は、図13に示す座標軸のz軸方向の正負のいずれかに一致している。また、圧電振動子41が第一次縦振動モードで振動する際の伸縮方向は、x軸と平行であり、圧電振動子41のx軸方向の長さはL4である。また、圧電振動子41が第二次屈曲振動モードで振動する際の剪断方向は、y軸と平行であり、圧電振動子41のy軸方向の長さはw4である。圧電振動子41は、積層された圧電層41bの表面または層間に交互に設けられた駆動電極44a、44bおよびグランド電極44cを有している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 13 is a perspective view of the ultrasonic motor 40. The piezoelectric vibrator 41 constituting the ultrasonic motor 40 is formed of rectangular laminated piezoelectric ceramics, and the polarization direction of each layer coincides with either positive or negative in the z-axis direction of the coordinate axis shown in FIG. . The expansion / contraction direction when the piezoelectric vibrator 41 vibrates in the primary longitudinal vibration mode is parallel to the x-axis, and the length of the piezoelectric vibrator 41 in the x-axis direction is L4. Further, the shear direction when the piezoelectric vibrator 41 vibrates in the secondary bending vibration mode is parallel to the y-axis, and the length of the piezoelectric vibrator 41 in the y-axis direction is w4. The piezoelectric vibrator 41 includes drive electrodes 44a and 44b and a ground electrode 44c that are alternately provided between the surfaces or layers of the stacked piezoelectric layers 41b.

図14は、駆動層上の電極パターンJ4を示す平面図である。駆動電極44a、44bは、それぞれ概ね主面の4分の1の面積に等分されている。そして、それぞれ圧電振動子41の側面に露出する取り出し部分を有している。電極パターンにおいて対角の関係にある一組の駆動電極44aには所定の交流電圧が印加され、他の一組の駆動電極44bは開放状態にされている。一組の駆動電極44aと一組の駆動電極44bとは、2区分の駆動電極を構成している。このような単相駆動の駆動回路を用いて反共振周波数以上の周波数で駆動する。   FIG. 14 is a plan view showing an electrode pattern J4 on the drive layer. The drive electrodes 44a and 44b are each equally divided into a quarter of the main surface. Each of the piezoelectric vibrators 41 has an extraction portion exposed on the side surface. A predetermined alternating voltage is applied to a pair of drive electrodes 44a that are in a diagonal relationship in the electrode pattern, and the other set of drive electrodes 44b is open. The one set of drive electrodes 44a and the one set of drive electrodes 44b constitute two sections of drive electrodes. Using such a single-phase driving circuit, driving is performed at a frequency equal to or higher than the anti-resonance frequency.

図15は、グランド電極のパターンGND4を示す平面図である。グランド電極44cと駆動電極44a、44bとの間に電界が生じることで、その間の圧電層41bが変位する。超音波モータ40はこのような複数層が積層した構造を有していることが好ましい。このような積層構造により、変位を大きくとることができ、さらに高い推力を得ることができる。   FIG. 15 is a plan view showing a ground electrode pattern GND4. When an electric field is generated between the ground electrode 44c and the drive electrodes 44a and 44b, the piezoelectric layer 41b therebetween is displaced. The ultrasonic motor 40 preferably has such a structure in which a plurality of layers are laminated. With such a laminated structure, a large displacement can be obtained and a higher thrust can be obtained.

以上のように、矩形の超音波モータについて、第一次縦振動モードと第一次または第二次屈曲振動モードとの多重振動モードで駆動させることが好ましい。これにより、高推力が得られ、駆動時に被駆動体と摩擦しにくい軌道で超音波モータを駆動できる。   As described above, the rectangular ultrasonic motor is preferably driven in the multiple vibration mode including the primary longitudinal vibration mode and the primary or secondary bending vibration mode. As a result, high thrust can be obtained, and the ultrasonic motor can be driven in a track that is not easily rubbed against the driven body during driving.

次に、実施形態1における超音波モータ10を用いた実験について説明する。まず、超音波モータ10を単相駆動し、屈曲振動、伸縮振動について周波数とインピーダンスの関係を測定した。図16は、各振動の周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。図16に示すように、屈曲振動および伸縮振動では、それぞれ共振周波数のピークと反共振周波数のピークが現れている。それぞれ周波数が小さい側の下に凸のピークは共振周波数のピークである。また、周波数が大きい側の上に凸のピークが反共振周波数のピークである。   Next, an experiment using the ultrasonic motor 10 in the first embodiment will be described. First, the ultrasonic motor 10 was driven in a single phase, and the relationship between frequency and impedance was measured for bending vibration and stretching vibration. FIG. 16 is a graph showing the relationship between the frequency and impedance of each vibration. As shown in FIG. 16, in the bending vibration and the stretching vibration, a resonance frequency peak and an anti-resonance frequency peak appear, respectively. The peak protruding downward on the side where the frequency is small is the peak of the resonance frequency. Further, the peak that protrudes upward on the higher frequency side is the peak of the antiresonance frequency.

また、超音波モータ10の単相駆動による楕円運動について周波数とインピーダンスの関係を調べた。図17は、楕円運動の周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。楕円運動のグラフは、それぞれ屈曲振動および伸縮振動の挙動を足し合わせたようなものとなっている。このとき、反共振ピークをとる周波数の中で最も大きい周波数は77.5kHzであることが分かった。   Further, the relationship between the frequency and the impedance of the elliptical motion by the single phase driving of the ultrasonic motor 10 was examined. FIG. 17 is a graph showing the relationship between the frequency of the elliptical motion and the impedance. The graph of the elliptical motion is similar to the behavior of bending vibration and stretching vibration. At this time, it was found that the highest frequency among anti-resonance peaks was 77.5 kHz.

そこで、77.5kHz以上を含む周波数の範囲について、順方向および逆方向それぞれの駆動周波数と被駆動体の速度との関係を測定した。図18は、駆動周波数と被駆動体の速度との関係を示すグラフである。図18に示すように、周波数が77.3kHz程度では、速度が50mm/s以下であるのに対し、77.5kHzでは速度が120mm/s以上にも及び、顕著に速度が増大した。一方、周波数が78.5kHzを超えると速度は100mm/sを下まわり、これらの点では顕著に速度が異なっている。したがって、77.5kHzの100%以上110%以下の割合の周波数で特に速度が大きくなることが実証された。   Therefore, the relationship between the driving frequency in the forward direction and the reverse direction and the speed of the driven body was measured for a frequency range including 77.5 kHz or more. FIG. 18 is a graph showing the relationship between the drive frequency and the speed of the driven body. As shown in FIG. 18, when the frequency is about 77.3 kHz, the speed is 50 mm / s or less, while at 77.5 kHz, the speed reaches 120 mm / s or more, and the speed is remarkably increased. On the other hand, when the frequency exceeds 78.5 kHz, the speed is lower than 100 mm / s, and the speed is remarkably different in these points. Therefore, it was proved that the speed becomes particularly large at a frequency of 100% to 110% at 77.5 kHz.

また、78kHzで超音波モータ10を駆動しパーティクル数をカウントした。図19は、超音波モータによるパーティクルカウント数を示すグラフである。0.1μm以上、0.5μm程度以下の範囲の大きさのパーティクルはごく僅かであり、動作開始から終了までほとんどパーティクルが生じていなかった。このようにして、反共振周波数以上の周波数で単相駆動するとパーティクルがほとんど生じないことが実証された。   Further, the ultrasonic motor 10 was driven at 78 kHz to count the number of particles. FIG. 19 is a graph showing the particle count by the ultrasonic motor. There were very few particles having a size in the range of 0.1 μm or more and 0.5 μm or less, and almost no particles were generated from the start to the end of the operation. In this way, it has been demonstrated that almost no particles are generated when single-phase driving is performed at a frequency higher than the antiresonance frequency.

10 超音波モータ
11 圧電振動子
11b 圧電層
12 摺動チップ
14a、14b 駆動電極
15a 交流電圧源
18 駆動回路
20 超音波モータ
21 圧電振動子
21b 圧電層
24a、24b 駆動電極
24c グランド電極
30 超音波モータ
31 圧電振動子
31a チップ
32 被駆動体
34a、34b 駆動電極
38 駆動回路
40 超音波モータ
41 圧電振動子
41b 圧電層
44a、44b 駆動電極
44c グランド電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ultrasonic motor 11 Piezoelectric vibrator 11b Piezoelectric layer 12 Sliding chip 14a, 14b Drive electrode 15a AC voltage source 18 Drive circuit 20 Ultrasonic motor 21 Piezoelectric vibrator 21b Piezoelectric layer 24a, 24b Drive electrode 24c Ground electrode 30 Ultrasonic motor 31 Piezoelectric vibrator 31a Chip 32 Driven bodies 34a and 34b Drive electrode 38 Drive circuit 40 Ultrasonic motor 41 Piezoelectric vibrator 41b Piezoelectric layers 44a and 44b Drive electrode 44c Ground electrode

Claims (5)

多重振動モードの振動に用いられる矩形の超音波モータであって、
圧電層と、
前記圧電層の一方の主面側に設けられた2区分の駆動電極と、
前記圧電層の他方の主面側に設けられたグランド電極とを備え、
前記2区分の駆動電極の一方に電圧を印加し、他方を開放する単相駆動の駆動回路により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動されることを特徴とする超音波モータ。
A rectangular ultrasonic motor used for vibration in multiple vibration mode,
A piezoelectric layer;
Two sections of drive electrodes provided on one main surface side of the piezoelectric layer;
A ground electrode provided on the other main surface side of the piezoelectric layer,
An ultrasonic motor driven by a single-phase drive drive circuit that applies a voltage to one of the two drive electrodes and opens the other, at a frequency equal to or higher than the anti-resonance frequency of the multiple vibration mode.
矩形の超音波モータを単相の電圧印加で駆動する超音波モータの駆動方法であって、
2区分の駆動電極とグランド電極との間に圧電層を有する矩形の超音波モータに対して、前記2区分の駆動電極の一方に電圧を印加し、他方を開放する単相駆動により、多重振動モードの反共振周波数以上の周波数で駆動させることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
A method of driving an ultrasonic motor that drives a rectangular ultrasonic motor by applying a single-phase voltage,
For a rectangular ultrasonic motor having a piezoelectric layer between a drive electrode of two sections and a ground electrode, multiple vibrations are applied by applying a voltage to one of the drive electrodes of the two sections and opening the other. A method for driving an ultrasonic motor, wherein the driving is performed at a frequency equal to or higher than the antiresonance frequency of the mode.
第一次縦振動モードと第一次または第二次屈曲振動モードとの多重振動モードで駆動させることを特徴とする請求項2記載の超音波モータの駆動方法。   3. The method of driving an ultrasonic motor according to claim 2, wherein the driving is performed in a multiple vibration mode of a primary longitudinal vibration mode and a primary or secondary bending vibration mode. 前記多重振動モードの反共振周波数の100%以上110%以下の割合の周波数で前記超音波モータを駆動することを特徴とする請求項2または請求項3記載の超音波モータの駆動方法。   4. The method of driving an ultrasonic motor according to claim 2, wherein the ultrasonic motor is driven at a frequency of 100% to 110% of an anti-resonance frequency of the multiple vibration mode. 前記超音波モータは、前記駆動電極、圧電層およびグランド電極が複数積層した構造を有していることを特徴とする請求項2から請求項4のいずれかに記載の超音波モータの駆動方法。   5. The method of driving an ultrasonic motor according to claim 2, wherein the ultrasonic motor has a structure in which a plurality of the drive electrodes, piezoelectric layers, and ground electrodes are stacked.
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