JPH07222467A

JPH07222467A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH07222467A
Application number: JP6009823A
Authority: JP
Inventors: Tadao Takagi; 忠雄高木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 1995-08-18
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: US5852336A; JP3412648B2

Abstract

(57)【要約】【目的】弾性体の所定部分に生ずる微小な振幅の振動
を効果的に伝達して、表面の軟らかい相対運動部材であ
っても駆動を可能にする。【構成】弾性体１１と，弾性体１１に結合して、その
弾性体１１に縦振動モードと屈曲振動モードとを調和的
に発生させ、弾性体１１の所定部分に楕円運動を生じさ
せる圧電体１２，１３と，弾性体１１の所定部分に接し
て、楕円運動による変位を取り出す第１の回転部材２１
と，第１の回転部材２１によって回転駆動される相対運
動部材３１とを有する。

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８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８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９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９
（Ａ）は正面図、図９（Ｂ）は側面図、図９（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
ル等の相対運動部材（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９
のモータでは、弾性体１の所定部分に生ずる楕円運動の
振動振幅は、一般的に数μｍ程度であり、大きくても１
０μｍ以下であるので、相対運動部材として、例えば、
表面の軟らかい光ファイバー等を被駆動物とする場合に
は、弾性体１の所定部分によって、その相対運動部材を
直接駆動することができない、という問題があった。

【０００８】本発明の目的は、前述の課題を解決し、弾
性体の所定部分に生ずる微小な振幅の振動を効果的に伝
達して、表面の軟らかい相対運動部材であっても容易に
駆動できる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（１１）と，前記弾性体に結合して、その弾性体に
縦振動モードと屈曲振動モードとを調和的に発生させ、
前記弾性体の所定部分に楕円運動を生じさせる電気機械
変換素子（１２，１３）と，前記弾性体の所定部分に接
して、前記楕円運動による変位を取り出す第１の回転部
材（２１）とを有することを特徴としている。

【００１０】第２の解決手段は、弾性体（１１）と，前
記弾性体に結合して、その弾性体に縦振動モードと屈曲
振動モードとを調和的に発生させ、前記弾性体の所定部
分に楕円運動を生じさせる電気機械変換素子（１２，１
３）と，前記弾性体の所定部分に接して、前記楕円運動
による変位を取り出す第１の回転部材（２１）と，前記
第１の回転部材によって回転駆動される相対運動部材
（３１）とを有することを特徴としている。

【００１１】第３の解決手段は、第２の解決手段の超音
波モータにおいて、前記相対回転部材は、その表面硬度
が前記弾性体の所定部分に生ずる楕円運動によっては直
接駆動できず、前記第１の回転部材により駆動できる程
度の硬さであることを特徴としている。

【００１２】第４の解決手段は、第１〜第３のいずれか
１つの解決手段の超音波モータにおいて、前記第１の回
転部材を支持する第１の支持部材（２３）と，前記弾性
体を支持する第２の支持部材（２４）と，前記弾性体と
前記第１の回転部材とを接する方向に加圧する加圧部材
（２５）とを有することを特徴としている。

【００１３】第５の解決手段は、第２又は第３の解決手
段の超音波モータにおいて、前記弾性体の所定部分に接
して、前記楕円運動による変位を取り出す第１の回転部
材（２１）と，前記第１の回転部材と共に前記相対運動
部材を挟むように配置された第２の回転部材（２２）
と，前記第１及び第２の回転部材を支持する第１の支持
部材（２３）と，前記弾性体を支持する第２の支持部材
（２４）と，前記弾性体と前記第１の回転部材とが接触
する方向に加圧する加圧部材（２５）とを有することを
特徴としている。

【００１４】第６の解決手段は、第２〜第５のいずれか
１つの解決手段の超音波モータにおいて、前記第１及び
／又は第２の回転部材は、前記相対運動部材の位置を規
制するガイド部を有することを特徴としている。

【００１５】第７の解決手段は、第６の解決手段の超音
波モータにおいて、前記第１及び／又は第２の回転部材
のガイド部は、前記相対運動部材の外形に対応した溝部
（２１ａ，２２ａ）であることを特徴としている。

【００１６】第８の解決手段は、第２〜第７のいずれか
１つの解決手段の超音波モータにおいて、前記第１及び
／又は第２の回転部材は、前記相対運動部材の圧縮撓み
を吸収できる方向に変位できる変位吸収手段を有するこ
とを特徴としている。

【００１７】第９の解決手段は、第８の解決手段の超音
波モータにおいて、前記変位吸収部材は、前記第１の支
持部材に形成され、前記第１及び／又は第２の回転部材
を前記変位の方向に移動可能に案内するガイド部（２３
ａ）と，前記第１及び／又は第２の回転部材を前記変位
とは逆方向に付勢する付勢部材（２５）とを有すること
を特徴としている。

【００１８】

【作用】本発明によれば、弾性体に生ずる微小な楕円運
動は、回転部材を介して、相対運動部材に伝達されるの
で、微小な振幅の振動は、相対運動部材に効果的に伝達
され、表面の軟らかい相対運動部材の駆動が可能とな
る。

【００１９】

【実施例】

（実施例１）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９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２（Ｄ）のように、分極されており、後
述する図３（Ａ）のような２相の入力電圧Ａ，Ｂが印加
される。

【００２０】回転部材２１（２１−１，２１−２），２
２（２２−１，２２−２）は、円筒又は円柱形状をして
おり、固定部２６に固定された支持部材２３（２３−
１，２３−２）に、回転自在に支持されている。回転部
材２１（２１−１，２１−２）は、上下（相対運動部材
３１の撓む方向）に変位できるように、支持部材２３
（２３−１，２３−２）の長孔２３ａ−１，２３ａ−２
によって支持されている。この回転部材２１−１，２１
−２は、弾性体１１の突起部１１ｂ，１１ｃに接してい
る。そして、回転部材２１，２２の間には、被駆動物と
なる相対運動部材３１が挟まれている。

【００２１】相対運動部材３１は、表面が軟らかい物
質、例えば、軟らかい樹脂、軟らかい金属又は軟らかい
木材若しくは紙などの有機物質などからなる部材、又は
表面に前記軟らかい物質の層を持つ部材などが適用さ
れ、その形状は紐状、糸状、シート状、カード状、ブロ
ック状などを問わない。また、相対運動部材３１は、プ
ランジャのような棒であり、その先端で被駆動物を駆動
するようにしてもよい。具体的には、軟らかい樹脂によ
って被覆された光ファイバなどが例にあげられる。第１
の実施例の超音波モータは、光ファイバ３１を移動さ
せ、その光ファイバ３１を他の光ファイバ３２の端部に
設けられたコネクタ３３によって結合する用途に使用さ
れる。

【００２２】回転部材２１は、弾性体１１に発生する楕
円運動を効率よく取り出すために、少なくともその表面
を樹脂によって構成するとよい。また、回転部材２１
は、その表面を金属により構成する場合には、弾性体１
１の回転部材２１と接する部分に樹脂層などを形成する
ようにしてもよい。

【００２３】加圧部材２５（２５−１，２５−２）は、
固定部２６に固定された支持部材２４（２４−１，２４
−２）の鍔部２４ａ（２４ａ−１，２４ａ−２）と、弾
性体１１に設けられた張り出し部１１ｄ，１１ｅ（図２
参照）との間に配置され、弾性体１１を相対運動部材３
１に加圧する。

【００２４】図２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。

【００２５】図３（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３（Ａ）の横軸は、高周波電圧の実効値を
示している。図３（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３（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３（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。

【００２６】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３（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３（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３（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３
（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。

【００２７】時間ｔ２において、図３（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３（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３（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
３（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。

【００２８】時間ｔ３において、図３（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３（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３（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３（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。

【００２９】時間ｔ４において、図３（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３（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３（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３（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。

【００３０】時間ｔ５において、図３（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３（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３
（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３（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。

【００３１】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３（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、加圧部材
２５によって回転部材２１に加圧すると、回転部材２１
が回転して、回転部材２１と回転部材２２との間に挟ま
れた、相対運動部材３１が移動する。

【００３２】（第２の実施例）図４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。第２の実施
例では、第１の実施例の超音波モータにおける回転部材
２２−１，２２−２を省略したものである。第２の実施
例は、相対運動部材３１と固定部２６との間の摩擦力が
小さい場合に適用され、小型化、低コスト化が図れると
いう利点がある。

【００３３】（第３の実施例）図５は、本発明による超
音波モータの第３の実施例を示した模式図である。第３
の実施例では、第１の実施例の超音波モータにおける回
転部材２１−１，２１−２，２２−１，２２−２に、そ
れぞれガイド部２１ａ−１，２１ａ−２，２２ａ−１，
２２ａ−２（２１ａ−１，２２ａ−１は不図示）を設け
たものである。第３の実施例は、相対運動部材３１の位
置を規定できる利点がある。ガイド部の形状は、相対運
動部材３１の外形に対応した形状であれば、特に限定さ
れない。

【００３４】（第４の実施例）図６は、本発明による超
音波モータの第４の実施例を示した模式図である。第４
の実施例では、第１の実施例の超音波モータにおける弾
性体１１の突起部１１ｂ，１１ｃを設けない例である。
この場合には、回転部材２１−１，２１−２は、基礎部
１１ａに直接接触することになる。このように、回転部
材２１−１，２１−２を設けることにより、突起部１１
ｂ，１１ｃがなくても、駆動力を取り出すことができ
る。

【００３５】（第５の実施例）図７は、本発明による超
音波モータの第５の実施例を示した模式図である。第５
の実施例では、第１の実施例の超音波モータにおける加
圧部材２５を、支持部材２３側に設けたものであり、相
対移動部材３１を固定すれば、自走式の超音波モータと
することができる。つまり、前述した第１〜第４の実施
例のように、超音波モータ（１１〜１４）側が固定され
る場合には、相対運動部材３１が被駆動物になるが、相
対運動部材３１を固定すれば、この超音波モータは、自
走式となる。なお、第５の実施例の構造であっても、弾
性体１１を固定すれば、相対運動部材３１を被駆動物と
することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、弾性体に生ずる微小な楕円運動を回転部材を介し
て、相対運動部材に伝達するので、微小な振幅の振動
は、相対運動部材に効果的に伝達され、表面の軟らかい
相対運動部材の駆動が可能となる、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弾性体を示す模
式図である。

【図３】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４】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５】本発明による超音波モータの第３の実施例を示
した模式図である。

【図６】本発明による超音波モータの第４の実施例を示
した模式図である。

【図７】本発明による超音波モータの第５の実施例を示
した模式図である。

【図８】リニア型超音波モータの従来例を示す図であ
る。

【図９】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２１，２２回転部材２３，２４支持部材２５加圧部材２６固定部３１，３２相対運動部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と；前記弾性体に結合して、その
弾性体に縦振動モードと屈曲振動モードとを調和的に発
生させ、前記弾性体の所定部分に楕円運動を生じさせる
電気機械変換素子と；前記弾性体の所定部分に接して、
前記楕円運動による変位を取り出す第１の回転部材と；
を有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】弾性体と；前記弾性体に結合して、その
弾性体に縦振動モードと屈曲振動モードとを調和的に発
生させ、前記弾性体の所定部分に楕円運動を生じさせる
電気機械変換素子と；前記弾性体の所定部分に接して、
前記楕円運動による変位を取り出す第１の回転部材と；
前記第１の回転部材によって回転駆動される相対運動部
材と；を有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】請求項２に記載の超音波モータにおい
て、前記相対回転部材は、その表面硬度が前記弾性体の所定
部分に生ずる楕円運動によっては直接駆動できず、前記
第１の回転部材により駆動できる程度の硬さであること
を特徴とする超音波モータ。
【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれか１項に記
載の超音波モータにおいて、前記第１の回転部材を支持する第１の支持部材と；前記
弾性体を支持する第２の支持部材と；前記弾性体と前記
第１の回転部材とを接する方向に加圧する加圧部材と；
を有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項５】請求項２又は請求項３に記載の超音波モ
ータにおいて、前記弾性体の所定部分に接して、前記楕円運動による変
位を取り出す第１の回転部材と；前記第１の回転部材と
共に前記相対運動部材を挟むように配置された第２の回
転部材と；前記第１及び第２の回転部材を支持する第１
の支持部材と；前記弾性体を支持する第２の支持部材
と；前記弾性体と前記第１の回転部材とが接触する方向
に加圧する加圧部材と；を有することを特徴とする超音
波モータ。
【請求項６】請求項２〜請求項５のいずれか１項に記
載の超音波モータにおいて、前記第１及び／又は第２の回転部材は、前記相対運動部
材の位置を規制するガイド部を有することを特徴とする
超音波モータ。
【請求項７】請求項６に記載の超音波モータにおい
て、前記第１及び／又は第２の回転部材のガイド部は、前記
相対運動部材の外形に対応した溝部であることを特徴と
する超音波モータ。
【請求項８】請求項２〜請求項７のいずれか１項に記
載の超音波モータにおいて、前記第１及び／又は第２の回転部材は、前記相対運動部
材の圧縮撓みを吸収できる方向に変位できる変位吸収手
段を有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項９】請求項８に記載の超音波モータにおい
て、前記変位吸収部材は、前記第１の支持部材に形成され、前記第１及び／又は第
２の回転部材を前記変位の方向に移動可能に案内するガ
イド部と；前記第１及び／又は第２の回転部材を前記変
位とは逆方向に付勢する付勢部材と；を有することを特
徴とする超音波モータ。