JPH07241090A

JPH07241090A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH07241090A
Application number: JP6029466A
Authority: JP
Inventors: 忠雄 ▲高▼木; Tadao Takagi; Takatoshi Ashizawa; 隆利芦沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1994-02-28
Publication date: 1995-09-12

Abstract

(57)【要約】【目的】ロータの相対運動の方向に振動する第１振動
モードの共振周波数を、ロータの相対運動の方向と直交
する方向に振動する第２振動モードの共振周波数以上に
することにより、超音波モータを安定に駆動させる。【構成】駆動力取り出し部１３，１４を有する弾性体
１Ａと、弾性体の上面に接着された圧電素子１１，１
２，１５，１６とを備える超音波モータに適用される。
位相がπ／２異なる高周波電圧が圧電素子１１，１２に
それぞれ印加されると、弾性体１Ａに屈曲振動と縦振動
が起こり、ロータ２と接触する駆動力取り出し部１３，
１４は楕円運動を行う。また、１次の縦振動の共振周波
数が４次の屈曲振動の共振周波数以上になるように弾性
体１Ａの形状は加工されているため、圧電素子１１，１
２に印加する高周波電圧の周波数を１次の縦振動の共振
周波数以上にすれば、超音波モータは安定に駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動を利用した
超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の超音波モータとして、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」に記載されている「異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ
４モード・平板モータ」が知られている。図４は上記文
献に記載されている超音波モータの構造を示す図であ
り、図４（ａ）はこの超音波モータを真上から見た図、
図４（ｂ）はこの超音波モータを図のＰ方向から見た断
面図、図４（ｃ）は図のＱ方向から見た断面図である。
図４において、１は弾性体であり、その上面には圧電素
子１１，１２が接着され、圧電素子１１，１２の上面に
は不図示の電極がそれぞれ接着されている。また、弾性
体１の下面には突起部１３，１４が形成され、この突起
部１３，１４によって弾性体１に発生した振動が取り出
される。以下、この突起部１３，１４を駆動力取り出し
部と呼ぶ。圧電素子１１，１２は同一方向に分極してお
り、各圧電素子１１，１２には電極を介して互いに９０
度（π／２）位相の異なる高周波電圧が印加される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図７は図４の超音波モ
ータの圧電素子１１，１２に印加する高周波電圧の周波
数と弾性体１に発生する振動振幅との関係を示す図であ
る。図示のように、高周波電圧の周波数を最大周波数ｆ
maxから次第に下げていくと振動振幅は徐々に大きくな
る。そして、振動振幅が最大になる周波数ｆbよりも高
周波電圧の周波数が低くなると振動振幅は急減し、超音
波モータは停止状態になる。なお、図示の振動振幅が最
も大きくなる周波数は一般に共振周波数と呼ばれ、この
周波数で超音波モータを駆動させると、最も効率よく超
音波モータを駆動できる。一方、高周波電圧の周波数を
最小周波数ｆminから次第に上げていくと、周波数ｆbよ
りも高い周波数である周波数ｆaを越えた時点で振動振
幅が急増して超音波モータは駆動を開始し、以後徐々に
振動振幅は減少する。

【０００４】図４に示す超音波モータでは、圧電素子１
１，１２に印加する高周波電圧の周波数を変化させるこ
とにより、超音波モータの速度を制御することができ
る。ところが、例えば図示の周波数ｆb〜ｆaの間の周波
数で超音波モータを駆動させようとする場合、最大周波
数ｆmax側から徐々に周波数を下げていく場合には、上
記周波数範囲で超音波モータを問題なく駆動できるのに
対し、最小周波数ｆmin側から徐々に周波数を上げてい
く場合には、図７に示すように上記周波数範囲では超音
波モータは停止したままである。したがって、例えば共
振周波数で超音波モータを駆動させようとして、高周波
電圧の周波数を種々変化させて共振周波数の検索を行う
ような場合、場合によっては周波数を下げすぎて超音波
モータを起動できなくなるおそれがある。

【０００５】本発明の目的は、ロータの相対運動の方向
に振動する第１振動モードの共振周波数を、ロータの相
対運動の方向と直交する方向に振動する第２振動モード
の共振周波数以上にすることにより、超音波モータを安
定に駆動させるようにした超音波モータを提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】実施例を示す図１に対応
づけて本発明を説明すると、本発明は、周波電圧に応じ
て振動する固定子１Ａと、この固定子の振動に応じて相
対運動を行う移動子２とを有する超音波モータに適用さ
れ、移動子２の相対運動の方向に振動する第１振動モー
ドと、移動子２の相対運動の方向と直交する方向に振動
する第２振動モードとを有するように固定子１Ａを構成
し、第１振動モードの共振周波数を第２振動モードの共
振周波数以上にすることにより、上記目的は達成され
る。請求項２に記載の発明は、周波電圧に応じて振動す
る電気機械変換素子１１，１２，１５，１６と、この電
気機械変換素子１１，１２，１５，１６の振動に応じ
て、高調波成分を含む縦振動および屈曲振動を行う弾性
体１Ａとを有し、高調波成分を含む縦振動のうちｎ次の
縦振動の共振周波数を、高調波成分を含む屈曲振動のう
ちｍ次の屈曲振動の共振周波数以上にしたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載された超音波
モータにおいて、ｎ次の縦振動の共振周波数がｍ次の屈
曲振動の共振周波数以上になるように、弾性体１Ａの厚
さを薄くしたものである。請求項４に記載の発明は、請
求項２に記載された超音波モータにおいて、弾性体１Ａ
の縦方向長さと厚さとの比が、ｎ次の縦振動の共振周波
数とｍ次の屈曲振動の共振周波数とが一致する際の比よ
り小さくなるように、弾性体１Ａの縦方向長さと厚さを
調整するものである。請求項５に記載の発明は、請求項
２〜４のいずれかに記載された超音波モータにおいて、
弾性体１Ａがｎ次の縦振動の共振周波数以上で振動する
ように、周波電圧の周波数を調整する電圧調整手段１０
７，１０８を備えるものである。請求項６に記載の発明
は、請求項２に記載された超音波モータにおいて、１次
の縦振動の共振周波数を（２×ｋ）次の屈曲振動（ｋは
０以上の整数）の共振周波数以上にしたものである。

【０００７】

【作用】請求項１に記載の発明では、固定子１Ａの有す
る第１振動モードの共振周波数を固定子１Ａの有する第
２振動モードの共振周波数以上にしているため、第１振
動モードの共振周波数以上の周波数の周波電圧によって
固定子１Ａを振動させれば、超音波モータは安定に駆動
する。請求項２に記載の発明では、弾性体１Ａに発生す
るｎ次の縦振動の共振周波数をｍ次の屈曲振動の共振周
波数以上にしているため、ｎ次の縦振動の共振周波数以
上の周波数の周波電圧によって電気機械変換素子１１，
１２，１５，１６を振動させれば、超音波モータは安定
に駆動する。請求項３に記載の発明では、弾性体１Ａの
厚さが薄いほど屈曲振動の共振周波数は高くなるため、
弾性体１Ａの厚さを薄くすることによってｎ次の縦振動
の共振周波数をｍ次の屈曲振動の共振周波数以上にす
る。請求項４に記載の発明では、ｎ次の縦振動の共振周
波数とｍ次の屈曲振動の共振周波数とが一致する際の弾
性体１Ａの縦方向長さと厚さの比よりも、この比が小さ
くなるように弾性体１Ａの縦方向長さと厚さを調整す
る。これにより、ｎ次の縦振動の共振周波数はｍ次の屈
曲振動の共振周波数以上になる。請求項５に記載の発明
では、電圧調整手段１０７，１０８を設けることによ
り、弾性体１Ａがｎ次の縦振動の共振周波数以上で振動
するように周波電圧の周波数を調整する。

【０００８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【０００９】

【実施例】図１は本発明による超音波モータの構造を示
す図であり、図１（ａ）はこの超音波モータを真上から
見た図、図１（ｂ）はこの超音波モータの縦方向断面図
である。また、図５は図４の構造を有する超音波モータ
の動作を示す図である。以下、図１に示す本実施例の超
音波モータを説明する前に、図５を用いて図４の構造を
有する超音波モータの動作原理を説明する。なお以下で
は、図４の圧電素子１１に印加される高周波電圧を高周
波電圧Ａ、圧電素子１２に印加される高周波電圧を高周
波電圧Ｂと呼ぶ。また図４では、各圧電素子１１，１２
が同一方向に分極している例を示すが、逆方向に分極し
ていてもよい。

【００１０】図４の超音波モータでは、各圧電素子１
１，１２に高周波電圧が印加されると、各圧電素子１
１，１２は高周波電圧の周波数に応じて振動する。この
振動は弾性体１に伝達され、弾性体１は屈曲振動と縦振
動を行う。ここで屈曲振動とは、図４（ｂ）と同一方向
から見た場合に弾性体１が図５（ｂ）のように振動する
ことをいい、一方縦振動とは、図４（ａ）と同一方向か
ら見た場合に弾性体１が図５（ｃ）のように振動するこ
とをいう。弾性体１に発生した屈曲振動と縦振動は弾性
体１内部で合成され、弾性体１の駆動力取り出し部１
３，１４はこれらの振動の合成によって楕円振動を行
う。

【００１１】図５（ａ）は圧電体１１，１２に印加され
る高周波電圧Ａ，Ｂの時間的変化を示す図であり、図示
の時間ｔ１〜ｔ９はそれぞれπ／４ずつ異なる時間を示
す。また、図５（ａ）の横軸は高周波電圧の振幅値を示
し、図５（ａ）の角度θは高周波電圧の位相を示す。一
方、図５（ｂ）は弾性体１に発生する屈曲振動の波形
図、図５（ｃ）は弾性体１に発生する縦振動の波形図、
図５（ｄ）は弾性体１の駆動力取り出し部１３，１４の
楕円振動の波形図である。図５（ｂ）〜図５（ｄ）はい
ずれも図５（ａ）の時間ｔ１〜ｔ９に対応して描かれて
いる。

【００１２】まず時間ｔ１では、図５（ａ）に示すよう
に、ともに正の電圧である高周波電圧Ａ，Ｂを圧電素子
１１，１２に印加する。高周波電圧Ａによって弾性体１
に発生する屈曲振動と、高周波電圧Ｂによって弾性体１
に発生する屈曲振動の位相は互いにπ／２相違するた
め、これら屈曲振動は互いに打ち消し合い、弾性体１に
は屈曲振動は起こらない。

【００１３】図５（ｂ）では、弾性体１の駆動力取り出
し部１３，１４での屈曲振動の振幅をそれぞれ質点Ｙ
１，Ｚ１で示しており、この質点Ｙ１，Ｚ１の振幅はい
ずれも０になる。また時間ｔ１において弾性体１に働く
縦振動は、図５（ｃ）のように弾性体１を縦方向に伸ば
す方向に働く。図５（ｃ）では、駆動力取り出し部１
３，１４での縦振動の振幅を質点Ｙ２，Ｚ２で示してお
り、縦振動による弾性体１の伸び量は時間ｔ１において
最大となる。駆動力取り出し部１３，１４には質点Ｙ１
とＹ２を合成した質点Ｙで示す振動が発生し、駆動力取
り出し部１４には質点Ｚ１とＺ２を合成した質点Ｚで示
す振動が発生する（図５（ｄ）参照）。

【００１４】時間ｔ２では、図５（ａ）に示すように、
高周波電圧Ａは最大になり、高周波電圧Ｂは０になる。
このため、弾性体１に発生する屈曲振動は図５（ｂ）の
ようになり、質点Ｙ１は正方向に屈曲し、質点Ｚ１は負
方向に屈曲する。また時間ｔ２では、時間ｔ１と同様に
弾性体１を縦方向に伸ばす方向に縦振動するが、その伸
び量は図５（ｃ）に示すように時間ｔ１よりも小さい。
したがって、質点Ｙ、Ｚはともに、図５（ｄ）に示すよ
うに時間ｔ１から右回りに４５度楕円状に移動する。

【００１５】時間ｔ３では、図５（ａ）に示すように、
高周波電圧Ａは正の電圧に、高周波電圧Ｂは負の電圧に
なる。このため、弾性体１に発生する屈曲振動は図５
（ｂ）のようになり、質点Ｙ１の屈曲量は正方向に最大
になり、質点Ｚ１の屈曲量は負方向に最大になる。ま
た、この場合の縦振動は、図５（ｃ）に示すように０に
なる。したがって、質点Ｙ，Ｚはともに、図５（ｄ）に
示すように時間ｔ２から右方向に４５度楕円状に移動す
る。

【００１６】時間ｔ４では、図５（ａ）に示すように、
高周波電圧Ａは０になり、高周波電圧Ｂは負の最大値に
なる。このため、弾性体１に発生する屈曲振動は図５
（ｂ）のようになり、質点Ｙ１は正方向に屈曲し、質点
Ｚ１は負方向に屈曲する。また、時間ｔ４では、図５
（ｃ）に示すように弾性体を縮める方向に縦振動する。
したがって、質点Ｙ，Ｚはともに、図５（ｄ）に示すよ
うに時間ｔ３から右方向に４５度楕円状に移動する。

【００１７】時間ｔ５では、図５（ａ）に示すように、
高周波電圧Ａ，Ｂはともに負の電圧になるため、図５
（ｂ）に示すように弾性体１は屈曲振動を起こさない。
またこの場合にも弾性体１を縮める方向に縦振動が発生
し、図５（ｃ）に示すように弾性体が縮む量は最大にな
る。したがって、質点Ｙ，Ｚはともに、図５（ｄ）に示
すように時間ｔ４から右方向に４５度楕円状に移動す
る。

【００１８】以下同様に、時間ｔ６〜ｔ９の場合にも弾
性体１に屈曲振動と縦振動が発生し、この結果、質点
Ｙ，Ｚは右方向に４５度ずつ楕円状に移動する。

【００１９】このように、図４の超音波モータでは、弾
性体１に発生する屈曲振動と縦振動との合成によって、
弾性体１の駆動力取り出し部１３，１４に楕円運動を発
生される。したがって、駆動力取り出し部１３，１４に
接する位置に例えば図６に示すようなロータ２を設けれ
ば、図示の矢印の向きにロータ２を移動させることがで
きる。また、圧電素子１１，１２に印加する高周波電圧
の周波数を変化させると、それに応じて弾性体１に発生
する屈曲振動と縦振動の周波数が変化するため、駆動力
取り出し部１３，１４の楕円運動の周波数も変化し、し
たがってロータ２の移動速度も変化する。すなわち、図
４の超音波モータでは、圧電素子１１，１２に印加する
高周波電圧の周波数を制御することにより、超音波モー
タの速度を制御することができる。

【００２０】以下、図１に示す本実施例の超音波モータ
を説明する。なお、図１では、図４に示す従来の超音波
モータと共通する構成部分には同一符号を付しており、
以下では相違点を中心に説明する。図１において、弾性
体１Ａは主振動部１ａと駆動力取り出し部１３，１４と
によって構成され、弾性体１Ａの材質にはステンレスや
アルミ合金などの金属、またはプラスチックなどが用い
られる。図１では、弾性体１Ａの厚さをｔ、縦方向長さ
をｈ、幅をｂとしている。

【００２１】弾性体１Ａの上面には図４と同様に圧電素
子１１，１２が接着されており、これら圧電素子１１，
１２の上面にはそれぞれ不図示の電極が焼き付けられて
いる。これら電極を介して圧電素子１１には高周波電圧
Ａが、圧電素子１２には高周波電圧Ｂがそれぞれ印加さ
れ、各高周波電圧が印加されると圧電素子１１，１２は
同一方向に分極する。また、各圧電素子１１，１２に印
加される高周波電圧Ａ，Ｂは、周波数が同一で位相が互
いにπ／２相違している。

【００２２】この他、弾性体１Ａの上面には圧電素子１
５，１６が接着されており、各圧電素子１５，１６の上
面にはそれぞれ不図示の電極が焼き付けられている。こ
のうち、圧電素子１５上の電極には接地端子が接続さ
れ、またこの電極と弾性体１Ａの上面とは導電性の塗料
４（図３参照）によって接続されている。このため、弾
性体１Ａの上面の電位は接地レベルになる。さらに、各
圧電素子１１，１２，１５，１６の下面はいずれも弾性
体１Ａの上面に接着されているため、各圧電素子１１，
１２，１５，１６の下面もほぼ接地レベルになる。

【００２３】圧電素子１６は弾性体１Ａに発生した振動
を電気信号に変換し、この電気信号は圧電素子１６上の
電極から取り出される。弾性体１Ａは、前述したように
屈曲振動と縦振動を行うため、圧電素子１６によって変
換される電気信号にも、屈曲振動成分と縦振動成分とが
含まれている。また上記電気信号の振幅は、屈曲振動と
縦振動との合成による振動振幅に応じて変化する。上記
弾性体１Ａおよび圧電素子１１，１２，１５，１６によ
ってステータ３が構成され、また弾性体１Ａの下面の駆
動取り出し部１３，１４にはロータ２が接触されてお
り、ロータ２とステータ３とによって超音波モータが構
成される。

【００２４】図２は本実施例の超音波モータの弾性体１
Ａの振動周波数と振動振幅との関係を示す図である。図
中の曲線Ｌ１は縦振動曲線を示し、曲線Ｂ４は屈曲振動
曲線を示す。なお、所定周波数の高周波電圧Ａ，Ｂが圧
電素子１１，１２に印加された場合に、弾性体１Ａに発
生する縦振動および屈曲振動の各振動周波数は１種類だ
けではなく、高調波成分を含んだ状態で振動する。例え
ば、図５（ｂ）は駆動取り出し部１３，１４の間で４周
期分の屈曲振動を行う例を示しており、このような振動
を４次の屈曲振動と呼ぶ。図２の曲線Ｌ１は１次の縦振
動の振動曲線を示し、曲線Ｂ４は４次の屈曲振動の振動
曲線を示している。また、曲線Ｌ１，Ｂ４の振動振幅が
最大となる共振周波数はそれぞれｆL1、ｆB4で示してい
る。

【００２５】図示のように、本実施例では、弾性体１Ａ
に発生する１次の縦振動の共振周波数ｆL1が４次の屈曲
振動の共振周波数ｆB4よりも大きくなるようにされてい
る。以下、その理由を説明する。超音波モータの速度制
御をするためには、前述したように、圧電素子１１，１
２に印加する高周波電圧の周波数を変化させればよい
が、高周波電圧の周波数が超音波モータの共振周波数以
下になると、前述したように超音波モータが起動しなか
ったり、過負荷時に駆動停止状態になったりする。この
ため、超音波モータは共振周波数以上の周波数で駆動さ
せるのが望ましい。

【００２６】また、本実施例のように、弾性体１Ａに発
生させた屈曲振動と縦振動とによって超音波モータを駆
動させる場合、図６に示すように、弾性体１Ａに接する
ロータ２の移動に主体的に寄与するのは縦振動である。
したがって、縦振動の振動曲線に基づいて速度制御を行
うのが望ましい。ところが、縦振動の共振周波数よりも
屈曲振動の共振周波数の方が高い場合には、圧電素子１
１，１２に印加した高周波電圧の周波数が縦振動の共振
周波数以上であっても屈曲振動の共振周波数以下になる
場合があり、このような場合には屈曲振動が発生しない
おそれがある。このため本実施例では、１次の縦振動の
共振周波数を４次の屈曲振動の共振周波数よりも高くし
ている。このようにすれば、圧電素子１１，１２に印加
する高周波電圧の周波数を１次の縦振動の共振周波数以
上に設定することにより、その周波数を４次の屈曲振動
の共振周波数以上にすることができ、超音波モータは安
定に駆動する。

【００２７】（１）式は弾性体の厚さｔ、弾性体の長さ
ｈ、縦弾性係数Ｅおよび密度ρと４次の屈曲振動の共振
周波数ｆB4との関係を示す式、（２）式は弾性体の長さ
ｈ、縦弾性係数Ｅおよび密度ρと１次の縦振動の共振周
波数ｆL1との関係を示す式である。

【数１】（１）式において、弾性体１Ａの厚さｔを薄くすると、
４次の屈曲振動の共振周波数を高くすることができる。
一方、（２）式に示すように、１次の縦振動の共振周波
数は弾性体１Ａの厚さｔに依存しない。したがって、弾
性体１Ａの厚さｔを薄くすれば、１次の縦振動の共振周
波数を４次の屈曲振動の共振周波数より高くすることが
できる。

【００２８】また、（２）式に示す１次の縦振動の共振
周波数が、（１）式に示す４次の屈曲振動の共振周波数
以上になるための条件を（１），（２）式に基づいて求
めると、（３）式のようになる。

【数２】（３）式の関係を満たすように弾性体１Ａの厚さｔと長
さｈを調整すれば、１次の縦振動の共振周波数を４次の
屈曲振動の共振周波数よりも高くすることができる。

【００２９】このように、１次の縦振動の共振周波数を
４次の屈曲振動の共振周波数よりも高くするためには、
弾性体１Ａの厚さｔを薄くするか、あるいは（３）式の
関係を満たすように弾性体１Ａの厚さｔと長さｈを調整
すればよい。なお、共振周波数ｆＢ４，ｆL1を精度よく
求めるためには、圧電素子１１，１２の種類や駆動取り
出し部１３，１４の形状による影響などを考慮する必要
があり、（１），（２）式よりもかなり複雑な式にな
る。そこで、（１），（２）式の代わりに各種の影響を
考慮に入れた式に従って、１次の縦振動の共振周波数が
４次の屈曲振動の共振周波数より高くなるように、弾性
体１Ａの形状等を定めてもよい。

【００３０】図３は図１に示した超音波モータの駆動を
制御する制御回路の一実施例のブロック図である。図３
において、１０１は圧電素子１１，１２に印加する高周
波電圧と同一周波数の高周波信号を出力する発信器であ
る。１０２は電源投入直後に発信器１０１から出力する
高周波信号の周波数情報などを記憶する初期設定部であ
る。１０３は発信器１０１から出力された高周波信号を
増幅して高周波電圧Ｂを出力する第１増幅器、１０４は
発信器１０１から出力された高周波信号の位相をπ／２
ずらす位相器、１０５は位相器１０４から出力された高
周波信号を増幅して高周波電圧Ａを出力する第２増幅器
である。

【００３１】１０６は第１増幅器１０３から出力された
高周波電圧Ｂと圧電素子１６から出力された電気信号と
の位相差を検出する位相差出力回路である。１０７は上
記高周波電圧Ｂと電気信号との位相差の基準値を記憶す
るリファレンス位相差出力回路であり、位相差出力回路
１０６の出力とリファレンス位相差出力回路１０７の出
力はともに比較器１０８に入力されて比較される。比較
器１０８による比較結果は発信器１０１に入力され、比
較器１０８の比較結果が一致するように、発信器１０１
の周波数をフィードバック制御する。

【００３２】以下、図３の動作を説明する。不図示の電
源スイッチがオンされると、初期設定部１０２に記憶さ
れている初期駆動周波数は発信器１０１に入力される。
図２に示す振動曲線の共振周波数は、経時変化や周囲温
度などによって変化する場合があるため、共振周波数が
変化しても初期駆動周波数が共振周波数以下にならない
ように、共振周波数よりも十分に高い周波数を初期駆動
周波数として設定しておく。

【００３３】発信器１０１から出力された高周波信号は
第１増幅器１０３で増幅されて高周波電圧Ｂとして圧電
素子１２に印加される。また、発信器１０１から出力さ
れた信号は位相器１０４によってπ／２位相がずらされ
た後、第２増幅器１０５で増幅されて高周波電圧Ａとし
て圧電素子１１に印加される。これにより、圧電素子１
１，１２は高周波電圧Ａ，Ｂの周波数に応じた振動を行
い、この振動は圧電素子１６によって電気信号に変換さ
れて位相差出力回路１０６に入力される。また、位相差
出力回路１０６には高周波電圧Ｂも入力され、両者の位
相差が位相差出力回路１０６から出力される。位相差出
力回路１０６の出力は比較器１０８に入力され、リファ
レンス位相差出力回路１０７から出力された基準値と比
較され、比較結果が発信器１０１に入力される。発信器
１０１は、比較器１０８の比較結果が一致するように、
すなわち高周波電圧Ｂの位相と圧電素子１６から出力さ
れる電気信号の位相とが一致するように、高周波信号の
周波数を調整する。これにより、弾性体１Ａは所定の振
動振幅で安定に振動する。

【００３４】ここで、圧電素子１１，１２に印加される
高周波電圧の周波数が１次の縦振動の共振周波数以下の
場合には、前述したように超音波モータの駆動が停止す
るおそれがあるため、高周波電圧の周波数が縦振動の共
振周波数以下にならないように、リファレンス位相差出
力回路１０７に所望の基準値を設定するのが望ましい。
また、リファレンス位相差出力回路１０７内に、超音波
モータの駆動速度ごとに異なる基準値を複数記憶してお
き、そのうちのいずれかと高周波電圧Ｂとを比較器１０
８で比較するようにしてもよい。このようにすれば、超
音波モータの駆動速度を多段階で切り換えることができ
る。

【００３５】上記実施例では、弾性体１Ａに圧電素子１
１，１２，１５，１６が接着されている例を示したが、
電気信号を機械的な振動に変換できる部材であれば圧電
素子に限定されず、例えば印加電圧のｎ乗に比例して振
動する電歪素子などを用いてもよい。上記実施例では、
１次の縦振動と４次の屈曲振動を弾性体１Ａに発生させ
る例を示したが、振動モードは実施例に限定されず、例
えばｎ次の縦振動と２^m次の屈曲振動（ｎおよびｍは０
以上の整数）のあらゆる組み合わせについて本実施例を
適用できる。上記実施例では、弾性体および圧電素子に
よって構成されるステータを固定させてロータを移動さ
せる超音波モータについて説明したが、逆にロータを固
定させてステータを移動させるようにしてもよい。ま
た、本発明による超音波モータは直線上に駆動させるも
のであってもよく、あるいは回転駆動させるものであっ
てもよい。

【００３６】上記実施例では、弾性体１Ａに２ヶ所の駆
動力取り出し部１３，１４を設けているが、この数は実
施例に限定されない。また、弾性体上に設けられる圧電
素子の数も実施例に限定されない。さらに、弾性体およ
び圧電素子の形状や材質などは実施例に限定されない。
図３の制御回路では、高周波電圧Ｂの位相と圧電素子１
６の出力の位相とを位相差出力回路１０６で比較してい
るが、高周波電圧Ａの位相と圧電素子１６の出力の位相
とを比較してもよい。図３の制御回路によって速度制御
する際に、圧電素子１１，１２に印加される高周波電圧
の周波数が弾性体１Ａの縦振動の共振周波数に常に一致
するように、リファレンス位相差出力回路１０６のリフ
ァレンス電圧を調整してもよい。上記実施例では、弾性
体の形状を変えることにより、１次の縦振動の共振周波
数を４次の屈曲振動の共振周波数よりも高くする例を説
明したが、共振周波数を変える手段は実施例に限定され
ず、例えば圧電素子の形状や個数を変えたり、あるいは
弾性体と圧電素子の材質を変えてもよい。

【００３７】このように構成した実施例にあっては、弾
性体１Ａが固定子に、ロータ２が移動子に、圧電素子１
１，１２，１５，１６が電気機械変換素子に、リファレ
ンス位相差出力回路１０７および比較器１０８が電圧調
整手段に、それぞれ対応する。

【００３８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、移動子の相対運動の方向に振動する第１振動モー
ドの共振周波数を移動子の相対運動の方向と直交する方
向に振動する第２振動モードの共振周波数以上にするた
め、周波電圧の周波数を第１振動モードの共振周波数以
上にすれば、超音波モータを安定に駆動させることがで
きる。また請求項２に記載の発明によれば、弾性体に発
生するｎ次の縦振動の共振周波数をｍ次の屈曲振動の共
振周波数以上にするため、電気機械変換素子に印加する
周波電圧の周波数をｎ次の縦振動の共振周波数以上にす
れば、超音波モータを安定に駆動させることができる。
また請求項３に記載の発明によれば、弾性体の厚さを薄
くするため、これによりｎ次の縦振動の共振周波数をｍ
次の屈曲振動の共振周波数以上にすることができる。ま
た請求項４に記載の発明によれば、弾性体の長さと厚さ
の比が、ｎ次の縦振動の共振周波数とｍ次の共振周波数
の屈曲振動の共振周波数とが一致する際の弾性体の縦方
向長さと厚さの比よりも小さくなるように、弾性体の長
さと厚さを調整するため、ｎ次の縦振動の共振周波数を
ｍ次の屈曲振動の共振周波数以上にすることができる。
また請求項５に記載の発明では、電気機械変換素子に印
加する周波電圧の周波数を調整できるようにしたため、
弾性体をｎ次の縦振動の共振周波数以上で安定に振動さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波モータの構造を示す図であ
る。

【図２】弾性体に発生する屈曲振動と縦振動の周波数と
振動振幅との関係を示す図である。

【図３】図１の超音波モータの駆動を制御する制御回路
のブロック図である。

【図４】従来の超音波モータの構造を示す図である。

【図５】図４の超音波モータの弾性体に発生する屈曲振
動と縦振動を説明する図である。

【図６】ステータとロータとの位置関係を示す図であ
る。

【図７】従来の超音波モータの駆動周波数と振動振幅と
の関係を示す図である。

【符号の説明】

１，１Ａ弾性体２ロータ３ステータ１１，１２，１５，１６圧電素子１３，１４駆動力取り出し部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周波電圧に応じて振動する固定子と、この固定子の振動に応じて相対運動を行う移動子とを有
する超音波モータにおいて、前記固定子は、前記移動子の相対運動の方向に振動する第１振動モード
と、前記移動子の相対運動の方向と直交する方向に振動する
第２振動モードとを有し、前記第１振動モードの共振周波数を前記第２振動モード
の共振周波数以上にしたことを特徴とする超音波モー
タ。
【請求項２】周波電圧に応じて振動する電気機械変換
素子と、この電気機械変換素子の振動に応じて、高調波成分を含
む縦振動および屈曲振動を行う弾性体とを有し、前記高調波成分を含む縦振動のうちｎ次の縦振動の共振
周波数を、前記高調波成分を含む屈曲振動のうちｍ次の
屈曲振動の共振周波数以上にしたことを特徴とする超音
波モータ。
【請求項３】請求項２に記載された超音波モータにお
いて、前記ｎ次の縦振動の共振周波数が前記ｍ次の屈曲振動の
共振周波数以上になるように、前記弾性体の厚さを薄く
することを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】請求項２に記載された超音波モータにお
いて、前記弾性体の縦方向長さと厚さとの比が、前記ｎ次の縦
振動の共振周波数と前記ｍ次の屈曲振動の共振周波数と
が一致する際の前記比より小さくなるように、前記弾性
体の縦方向長さと厚さを調整することを特徴とする超音
波モータ。
【請求項５】請求項２〜４のいずれかに記載された超
音波モータにおいて、前記弾性体が前記ｎ次の縦振動の共振周波数以上で振動
するように、前記周波電圧の周波数を調整する電圧調整
手段を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】請求項２に記載された超音波モータにお
いて、１次の縦振動の共振周波数を（２×ｋ）次の屈曲振動
（ｋは０以上の整数）の共振周波数以上にしたことを特
徴とする超音波モータ。