JPH07143770A

JPH07143770A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH07143770A
Application number: JP5308618A
Authority: JP
Inventors: Tadao Takagi; 忠雄高木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-11-15
Filing date: 1993-11-15
Publication date: 1995-06-02
Anticipated expiration: 2017-04-30
Also published as: FR2712514A1; DE4440679A1; JP3279020B2; FR2712514B1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】縦振動モードと屈曲振動モードのいずれの振
動に対しても、その振動を極力減衰させることなく、支
持損失を少なくすることを可能にする。【構成】弾性体１と、弾性体１１に結合される圧電素
子１２，１３とを有し、圧電素子１２，１３により弾性
体１１に縦振動モードと屈曲振動モードとを発生させ、
それらの合成振動により生ずる楕円運動によって、弾性
体１１の所定の位置から駆動力を得る超音波モータにお
いて、縦振動モードの節と屈曲振動モードの節とが一致
する位置１４及びその周辺の位置で前記弾性体を支持す
る支持手段１５，１６，１７，１８を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、棒状弾性体に楕円運動
を発生させて駆動力を得る超音波モータに関し、特に、
縦振動モードと屈曲振動モードを２相駆動する超音波モ
ータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、リニア型超音波モータの従来例
を示す図である。従来のリニア型超音波モータは、棒状
弾性体１０１の一端側に加振用の変成器１０２が配置さ
れ、他端側に制振用の変成器１０３が配置されている。
各変成器１０２，１０３には、振動子１０２ａ，１０３
ａが接合されている。加振用の振動子１０２ａに発振器
１０２ｂから交流電圧を印加して棒状弾性体１０１を振
動させ、この振動が棒状弾性体１０１を伝播することに
より進行波となる。この進行波により、棒状弾性体１０
１に加圧接触された移動体１０４が駆動される。

【０００３】一方、棒状弾性体１０１の振動は、制振用
の変成器１０３を通じて振動子１０３ａに伝えられ、こ
の振動子１０３ａによって振動エネルギーが電気エネル
ギーに変換される。この振動子１０３ａに接続された負
荷１０３ｂにより電気エネルギーを消費することにより
振動を吸収する。この制振用の変成器１０３により、棒
状弾性体１０１の端面の反射を抑制して、棒状弾性体１
０１の固有モードの定在波の発生を防いでいる。

【０００４】図４のリニア型超音波モータは、移動体１
０４の移動範囲だけ、棒状弾性体１０１の長さが必要で
あり、その棒状弾性体１０１の全体を加振しなければな
らず、装置が大型化するとともに、固有モードの定在波
の発生を防止するために、制振用の変成器１０３などが
必要となる、という問題があった。

【０００５】このような問題を解決するために、自走式
の超音波モータが種々提案されており、例えば、「第５
回電磁力関連のダイナミックスシンポジウム講演論文
集」の「２２２光ピックアップ移動を目的とした圧電
リニアモータ」に記載されている「異形縮退縦Ｌ１−屈
曲Ｂ４モード・平板モータ」が知られている。

【０００６】図５は、異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード
・平板モータの従来例を示す模式図であって、図５
（Ａ）は正面図、図５（Ｂ）は側面図、図５（Ｃ）は平
面図である。弾性体１は、矩形平板状の基礎部１ａと、
その基礎部１ａの一方の面に形成された突起部１ｂ，１
ｃとから構成されている。圧電素子２，３は、弾性体１
の基礎部１ａの他方の面に貼付され、縦振動Ｌ１モード
と屈曲振動Ｂ４モードを発生させる素子である。弾性体
１の突起部１ｂ，１ｃは、基礎部１ａに発生する屈曲振
動Ｂ４モードの腹の位置に設けられており、ガイドレー
ル（不図示）に押し付けられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した図５
のモータは、弾性体１に縦振動モードと屈曲振動モード
の２つのモードの振動が発生するので、その弾性体１の
支持が適切でないと、発生した振動を減衰させてしま
う、という問題点があった。

【０００８】本発明の目的は、前述の課題を解決し、縦
振動モードと屈曲振動モードのいずれの振動に対して
も、その振動を極力減衰させることなく、支持損失を少
なくした超音波モータを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明による超音波モータの第１の解決手段は、弾
性体（１）と、前記弾性体に結合される電気機械変換素
子（２，３）とを有し、前記電気機械変換素子により前
記弾性体に縦振動モードと屈曲振動モードとを発生さ
せ、それらの合成振動により生ずる楕円運動によって、
前記弾性体の所定の位置から駆動力を得る超音波モータ
において、前記縦振動モードの節と前記屈曲振動モード
の節とが一致する位置及びその周辺の位置で前記弾性体
を支持する支持手段（１４，１５，１６，１７，１８）
を備えたことを特徴とする。

【００１０】第２の解決手段は、第１の解決手段の超音
波モータにおいて、前記支持手段は、前記弾性体の縦振
動方向のほぼ中央部を支持することを特徴とする。

【００１１】第３の解決手段は、第１の解決手段の超音
波モータにおいて、前記支持手段は、前記弾性体を固定
部に押さえるようにして加圧接触させることを特徴とす
ることができる。

【００１２】第４の解決手段は、第１の解決手段の超音
波モータにおいて、前記支持手段は、前記弾性体を固定
部に引き込むようにして加圧接触させることを特徴とす
ることができる。

【００１３】

【作用】本発明によれば、縦振動モードの節と屈曲振動
モードの節とが一致する位置及びその周辺を利用して支
持するようにしたので、縦振動モード及び屈曲振動モー
ドの何れの振動もほとんど減衰させることなく、支持損
失の少ない支持を行うことができる。

【００１４】

【実施例】以下、図面等を参照して、実施例につき、さ
らに詳細に説明する。図１は、本発明による超音波モー
タの第１の実施例を示した模式図である。弾性体１１
は、基礎部１１ａと、２つの突起部１１ｂ，１１ｃとを
有し、その基礎部１１ａには、縦振動Ｌ１モードと屈曲
振動Ｂ４モードとを発生させるための圧電素子１２，１
３が配置されている。各要素の機能は、前述した図５に
示したものと同様である。この実施例では、圧電素子１
２，１３は、図１（Ｂ）のように、分極されており、後
述する図２（Ａ）のような２相の入力電圧Ａ，Ｂが印加
される。

【００１５】弾性体１１は、基礎部１１ａの中心部に１
対のピン１４が配置されている。この位置は、後述する
図２から明らかなように、縦振動Ｌ１モードと屈曲振動
Ｂ４モードの両振動の節になる位置である。このピン１
４の位置は、弾性体１１の厚み方向、長さ方向の中心位
置である。従って、この位置及びその周辺を支持するこ
とが支持効率の点から最も適している。

【００１６】支持子１５は、加圧手段（例えば、バネ）
１６とベアリング部材（例えば、ローラ）１７，１８を
介して、ピン１４を固定部２０から離し、固定部１９を
押さえる方向に加圧する。加圧された弾性体１１は、２
つの突起部１１ｂ，１１ｃの先端部が固定部１９に加圧
接触することになり、２つの突起部１１ｂ，１１ｃと固
定部１９との間に相対運動が起こる。

【００１７】図１に示すように、この超音波モータは、
２つの圧電素子１２，１３に高周波電圧Ａ，Ｂを印加す
ることによって、屈曲振動と縦振動との複合振動を起こ
し、これにより突起部１１ｂ，１１ｃとの先端に楕円運
動を発生させ、駆動力を発生させる構成になっている。
ここで、Ｇはグランドである。また、２つの圧電素子１
２，１３は、互いに極性が同一方向になるように分極さ
れ、高周波電圧Ａ，Ｂは、π／２の時間的位相差を有し
ている。なお、２つの圧電素子１２，１３の分極は互い
に逆方向であってもよい。

【００１８】図２（Ａ）は、超音波モータに入力される
２相の高周波電圧Ａ，Ｂの時間的変化をｔ１〜ｔ９で示
している。図２（Ａ）の横軸は、高周波電圧の実効値を
示している。図２（Ｂ）は、超音波モータの断面の変形
の様子を示し、超音波モータに発生する屈曲振動の時間
的変化（ｔ１〜ｔ９）を示している。図２（Ｃ）は、超
音波モータの断面の変形の様子を示し、超音波モータに
発生する縦振動の時間的変化（ｔ１〜ｔ９）を示してい
る。図２（Ｄ）は、超音波モータの突起部１１ｂ，１１
ｃとに発生する楕円運動の時間的変化（ｔ１〜ｔ９）を
示している。

【００１９】次に、この実施例の超音波モータの動作
を、時間的変化（ｔ１〜ｔ９）ごとに説明する。時間ｔ
１において、図２（Ａ）に示すように、高周波電圧Ａは
正の電圧を発生し、同様に高周波電圧Ｂは同一の正の電
圧を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧
Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消し合い、質点Ｙ１
とＺ１とが振幅零となる。また、図２（Ｃ）に示すよう
に、高周波電圧Ａ，Ｂによる縦振動は伸張する方向に発
生する。質点Ｙ２とＺ２とは矢印で示されるように、節
Ｘを中心にして最大の伸長を示す。その結果、図２
（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点Ｙ１
とＹ２との運動の合成が質点Ｙの運動となり、また、質
点Ｚ１とＺ２との運動の合成が質点Ｚの運動となる。

【００２０】時間ｔ２において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ｂは零となり、高周波電圧Ａは正の電圧
を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ａに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１が正方向に振幅し、質
点Ｚ１が負方向に振幅する。また、図２（Ｃ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａによる縦振動が発生し、質点Ｙ２と
質点Ｚ２とが時間ｔ１のときよりも縮む。その結果、図
２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点Ｙ
とＺとが時間ｔ１のときよりも右回りに移動する。

【００２１】時間ｔ３において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図２（Ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ及びＢによる屈曲運動が合成されて
増幅され、質点Ｙ１が時間ｔ２のときよりも正方向に増
幅され、最大の正の振幅値を示す。質点Ｚ１が時間ｔ２
のときよりも負方向に増幅され、最大の負の振幅値を示
す。また、図２（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ及び
Ｂによる縦振動が互いに打ち消しあい、質点Ｙ２とＺ２
とが元の位置に戻る。その結果、図２（Ｄ）に示すよう
に、上記両振動が複合され、質点ＹとＺとが時間ｔ２の
ときよりも右回りに移動する。

【００２２】時間ｔ４において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは零となり、高周波電圧Ｂは負の電圧
を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ｂに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１は時間ｔ３のときより
も振幅が低下し、質点Ｚ１時間ｔ３のときよりも振幅が
低下する。また、図２（Ｃ）に示すように、高周波電圧
Ｂによる縦振動が発生し、質点Ｙ２とＺ２が収縮する。
その結果、図２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合
され、質点ＹとＺとが時間ｔ３のときよりも右回りに移
動する。

【００２３】時間ｔ５において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは負の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図２（Ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消
し合い、質点Ｙ１とＺ１とが振幅零となる。また、図２
（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる縦振動は
収縮する方向に発生する。質点Ｙ２とＺ２とは矢印で示
されるように、節Ｘを中心にして最大の収縮を示す。そ
の結果、図２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合さ
れ、質点ＹとＺとが時間ｔ４のときよりも右回りに移動
する。

【００２４】時間ｔ６〜ｔ９に変化するにしたがって、
上述の原理と同様に屈曲振動及び縦振動が発生し、その
結果、図２（Ｄ）に示すように、質点Ｙ及び質点Ｚが右
回りに移動し、楕円運動をする。以上の原理により、こ
の超音波モータは、突起部１１ａ，１１ｂとの先端に楕
円運動を発生させ、駆動力を発生させる構成となってい
る。従って、突起部１１ｂ，１１ｃの先端を固定子１９
に加圧すると、弾性体１１は、固定部１９に対して自走
する。

【００２５】図３は、本発明による超音波モータの第２
の実施例を示した模式図である。なお、第１の実施例と
同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重
複する説明は省略する。支持子２１は、加圧手段（バ
ネ）２２とベアリング部材（ローラ）２３，２４を介し
て、ピン１４Ａを固定部２５に引き込む方向に加圧す
る。この支持子２１、加圧手段２２、ベアリング部材２
３，２４は、ピン１４Ａと反対側にあるピン１４Ｂにも
同様に設けられている。加圧された弾性体１１は、２つ
の突起部１１ｂ，１１ｃの先端部が固定部２５に加圧接
触することになり、２つの突起部１１ｂ，１１ｃと固定
部２５との間に相対運動が起こる。

【００２６】以上説明した実施例に限定されず、種々の
変形や変更が可能であって、それらも本発明に含まれ
る。例えば、弾性体１１は、自重により固定部１９に押
圧されるようにしてもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、縦振動モードの節と屈曲振動モードの節とが一致
する位置及びその周辺を利用して支持するようにしたの
で、縦振動モード及び屈曲振動モードの何れの振動もほ
とんど減衰させることなく、支持損失の少ない支持を行
うことができる、という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波モータの第１の実施例を示
した模式図である。

【図２】第１の実施例の超音波モータの駆動動作を説明
する図である。

【図３】本発明による超音波モータの第２の実施例を示
した模式図である。

【図４】リニア型超音波モータの従来例を示す図であ
る。

【図５】異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード・平板モータ
の一例を示す模式図である。

【符号の説明】

１１弾性体１２、１３圧電素子１４ピン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と、前記弾性体に結合される電気機械変換素子とを有し、前記電気機械変換素子により前記弾性体に縦振動モード
と屈曲振動モードとを発生させ、それらの合成振動によ
り生ずる楕円運動によって、前記弾性体の所定の位置か
ら駆動力を得る超音波モータにおいて、前記縦振動モードの節と前記屈曲振動モードの節とが一
致する位置及びその周辺の位置で前記弾性体を支持する
支持手段を備えたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】請求項１に記載の超音波モータにおい
て、前記支持手段は、前記弾性体の縦振動方向のほぼ中央部
を支持することを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】請求項１に記載の超音波モータにおい
て、前記支持手段は、前記弾性体を固定部に押さえるように
して加圧接触させることを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】請求項１に記載の超音波モータにおい
て、前記支持手段は、前記弾性体を固定部に引き込むように
して加圧接触させることを特徴とする超音波モータ。