JP2000152671A - 超音波モータ - Google Patents

超音波モータ

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JP2000152671A
JP2000152671A JP10315047A JP31504798A JP2000152671A JP 2000152671 A JP2000152671 A JP 2000152671A JP 10315047 A JP10315047 A JP 10315047A JP 31504798 A JP31504798 A JP 31504798A JP 2000152671 A JP2000152671 A JP 2000152671A
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JP
Japan
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rotor
ultrasonic
ultrasonic motor
linear
motor according
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JP10315047A
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Inventor
Toshiro Higuchi
俊郎 樋口
Minoru Kurosawa
実 黒澤
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Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Corp
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/103Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/002Driving devices, e.g. vibrators using only longitudinal or radial modes
    • H02N2/0025Driving devices, e.g. vibrators using only longitudinal or radial modes using combined longitudinal modes

Landscapes

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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が容易な小さな超音波振動子を複数個配
置して、大きなトルクを発生させることができる超音波
モータを提供する。 【解決手段】 超音波モータにおいて、ロータ1と、こ
のロータ1の外周面に多数個配置するとともに、2個の
超音波振動子4を直交配置した駆動子2と、この駆動子
2を前記ロータ1の外周面に押し付ける予圧手段と、前
記2個の超音波振動子4に接続される位相の異なる交流
電源10A,10Bとを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータに係
り、特に2つの超音波振動子を組み合わせた駆動子を複
数個用いることにより大トルクを発生する超音波モータ
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、従来の超音波振動子(圧電振動子)を用いた超
音波モータが、種々提案されている(特開平5−211
787号公報、特開平6−189571号公報等参
照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の超音波モータでは、大きなPZT焼結体を作る
のは困難であり、従って、大きなトルクを発生させるの
は困難であった。
【0004】そこで、本発明では、製造が容易な小さな
超音波振動子を複数個配置して、大きなトルクを発生さ
せることができる超音波モータを提供することを目的と
する。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕超音波モータにおいて、ロータと、このロータの
外周面に多数個配置するとともに、2個の超音波振動子
を直交配置した駆動子と、この駆動子を前記ロータの外
周面に押し付ける予圧手段と、前記2個の超音波振動子
に接続される位相の異なる交流電源とを具備するように
したものである。
【0006】〔2〕超音波モータにおいて、ロータと、
このロータの内周面に多数個配置するとともに、2個の
超音波振動子を直交配置した駆動子と、この駆動子を前
記ロータの内周面に押し付ける予圧手段と、前記2個の
超音波振動子に接続される位相の異なる交流電源とを具
備するようにしたものである。
【0007】〔3〕超音波モータにおいて、ロータと、
このロータの外周面及び内周面に多数個配置するととも
に、2個の超音波振動子を直交配置した駆動子と、この
駆動子を前記ロータの外周面及び内周面に押し付ける予
圧手段と、前記2個の超音波振動子に接続される位相の
異なる交流電源とを具備するようにしたものである。
【0008】〔4〕上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載
の超音波モータにおいて、前記駆動子は、所定角度に開
いた2つの翼片のそれぞれに超音波振動子を配設した1
対の駆動源を持ち、この2つの翼片の合わさる部位を前
記ロータの外周面、内周面又は内外周面に当接させるよ
うにしたものである。
【0009】〔5〕上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載
の超音波モータにおいて、前記超音波振動子は圧電体振
動子である。
【0010】〔6〕上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載
の超音波モータにおいて、前記位相の異なる交流信号は
高周波の交流信号である。
【0011】〔7〕上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載
の超音波モータにおいて、前記ロータは円環状ロータで
ある。
【0012】〔8〕上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載
の超音波モータにおいて、前記ロータはキャップ付き円
筒状ロータである。
【0013】
〔9〕上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載
の超音波モータにおいて、前記ロータの外周面、内周面
及び内外周面にはテーパ面を有するようにしたものであ
る。
【0014】〔10〕超音波モータにおいて、リニア可
動子と、このリニア可動子の外側面に多数個配置すると
ともに、2個の超音波振動子を直交配置した駆動子と、
この駆動子を前記リニア可動子の外側面に押し付ける予
圧手段と、前記2個の超音波振動子に接続される位相の
異なる交流電源とを具備するようにしたものである。
【0015】〔11〕超音波モータにおいて、リニア可
動子と、このリニア可動子の内側面に多数個配置すると
ともに、2個の超音波振動子を直交配置した駆動子と、
この駆動子を前記リニア可動子の内側面に押し付ける予
圧手段と、前記2個の超音波振動子に接続される位相の
異なる交流電源とを具備するようにしたものである。
【0016】〔12〕超音波モータにおいて、リニア可
動子と、このリニア可動子の外側面及び内側面に多数個
配置するとともに、2個の超音波振動子を直交配置した
駆動子と、この駆動子を前記リニア可動子の外側面及び
内側面に押し付ける予圧手段と、前記2個の超音波振動
子に接続される位相の異なる交流電源とを具備するよう
にしたものである。
【0017】〔13〕上記〔10〕、〔11〕又は〔1
2〕記載の超音波モータにおいて、前記駆動子は、所定
角度に開いた2つの翼片のそれぞれに超音波振動子を配
設した1対の駆動源を持ち、この2つの翼片の合わさる
部位を前記リニア可動子の外側面、内側面又は内外側面
に当接させるようにしたものである。
【0018】〔14〕上記〔10〕、〔11〕又は〔1
2〕記載の超音波モータにおいて、前記超音波振動子は
圧電体振動子である。
【0019】〔15〕上記〔10〕、〔11〕又は〔1
2〕記載の超音波モータにおいて、前記位相の異なる交
流信号は高周波の交流信号である。
【0020】〔16〕上記〔10〕、〔11〕又は〔1
2〕記載の超音波モータにおいて、前記リニア可動子は
枠状の可動子である。
【0021】〔17〕上記〔10〕、〔11〕又は〔1
2〕記載の超音波モータにおいて、前記リニア可動子は
キャップ付き可動子である。
【0022】〔18〕上記〔10〕、〔11〕又は〔1
2〕記載の超音波モータにおいて、前記リニア可動子の
外側面、内側面又は内外側面にはテーパ面を有するよう
にしたものである。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
【0024】図1は本発明の第1実施例を示す超音波モ
ータの平面図、図2はその側面図、図3はその超音波モ
ータの駆動子の一部破断平面図、図4はその1個の駆動
子の配置状態を示す構成図である。
【0025】これらの図において、1はロータ(回転
体)、1Aはロータ軸、2は駆動子であり、この駆動子
2は、所定角度(例えば、90度)に開いた二つの金属
翼片のそれぞれに圧電振動子(超音波振動子)4を配設
した1対の駆動源を持ち、この二つの金属翼片の合わさ
るカット部7を有する先端部8がロータ1と接触するよ
うにこのロータ1の周辺部にこれらを複数個配設し、前
記一対の駆動源のそれぞれには位相の異なる交流信号を
与える交流電源10A,10Bが接続され、ロータ1に
回転力を発生させる。
【0026】即ち、90度に開いた一対の金属翼片のそ
れぞれにPZT等の圧電体を設置し、それぞれのPZT
には位相を変えた30kHzの交流信号を印加すると、
各翼に設置されたPZTの超音波振動はそれぞれの金属
翼片を伝わり、二つの金属翼片が合わさった先端部8で
は超音波振動の合成がなされる。そして、この圧電駆動
子2の保持部9には圧縮方向の予圧をかけるようにして
いる。すなわち、図3に示すように、電極5を有する2
枚の圧電振動子4が押し付けボルト6とナット3によっ
て保持部9を挟んで締め付けられる。
【0027】図4はこのようにして得られた1個の駆動
子2の配置図である。
【0028】この図において、11は保持部9に固定さ
れる連結体、12はスプリング、13はブッシングボル
ト、14はリニアスライダー、15は固定台である。
【0029】ここで、駆動子2はリニアスライダー14
に固定されており、ロータ1の軸方向に1自由度をも
つ。圧電振動子4のロータ1への押し付け力は、駆動子
2の後方のスプリング12と押し付けボルト6によって
調整できる。
【0030】次に、駆動子2について詳細に説明する。
【0031】図5は本発明の超音波モータの駆動子の解
析モデルの形状を示す図、図6はその超音波モータの駆
動子の動作を示す図である。
【0032】また、圧電振動子4の持つ固有振動モード
の中には、A,B部分が同相縦振動して先端部8が縦振
動するモード〔図6(a)〕と、A,B部分が逆相縦振
動して先端部8が横振動するモード〔図6(b)〕とが
存在する。
【0033】この2つの振動モード共振周波数を一致さ
せることにより、二つの振動モードは縮退する。モード
が縮退する共振周波数で、一方の圧電振動子4にα・s
inωt(αは定数)の電圧を、もう一方の圧電振動子
4にα・cosωtの電圧を加えると、先端部8は楕円
運動をするようになる。楕円運動をする駆動子2の先端
部8に縦振動の方向と直角にロータ1を押し付けること
で、ロータ1は横振動方向の推力を受けることになる。
推力の方向は先端部8の楕円運動の方向により決定され
る。先端部8の楕円運動の方向は、駆動子2に加える電
圧の位相差により変えることができる。
【0034】したがって、駆動子2の先端部8をロータ
1に接触させれば、電圧の位相に応じ順転、逆転の回転
力を起こすモータとなる。これらの対をロータ1の外周
部に多く配設すれば、大きなトルクを発生させることが
可能である。即ち、大きなPZT焼結体を作り大きなト
ルクを発生させるのは困難であるが、本発明では、製造
が容易な小さなPZT焼結体で、限りなく大きなトルク
を発生させることが容易にできるようになった。
【0035】また、その応用として、駆動源とロータの
相対配設に際して、ロータの周面にテーパ面を設けて、
そのテーパ面に上記した駆動子2を配置することによ
り、「くさび効果」を発生させる構造を採用し「軸受け
不要」の回転構造体とすることもできる。
【0036】更に、ロータ1の外周に駆動子2を複数個
配置することにより、トルクの合成を行い、高トルク化
を図る。現状では、駆動子2の一つの推力は50N(5
0cm/秒)であり、ここでは直径40cmのロータに
3個取り付けると、30Nmのトルクとなる。
【0037】この実施例では、ロータの外周に3個の駆
動子2を配置する場合について説明したが、図7に示す
ように、多数の駆動子2を配置するようにしてもよい。
【0038】図8は本発明の第2実施例を示す超音波モ
ータの平面図である。
【0039】この実施例では、ロータを円環状ロータ2
1となし、その円環状ロータ21の内周面に複数(ここ
では、3個)の駆動子2を作用させるように配置する。
【0040】図9は本発明の第3実施例を示す超音波モ
ータの平面図である。
【0041】この実施例によれば、ロータを円環状ロー
タ31となし、その円環状ロータ31の外周面及び内周
面に複数の駆動子2を作用させるように配置する。
【0042】図10は本発明の第4実施例を示す超音波
モータの側面図である。
【0043】この実施例によれば、ロータをキャップ4
1A付き円筒状ロータ41となし、その外周面及び内周
面に複数の駆動子2を作用させるように配置する。
【0044】このように構成することにより、キャップ
41Aをテーブルとして用いることができる。
【0045】図11は本発明の第5実施例を示す超音波
モータの側面図である。
【0046】この実施例では、ロータ51の外周面にテ
ーパ面51aを形成し、このテーパ面51a付き外側面
を駆動子2で駆動することにより、くさび効果により、
ロータ51の自重だけでも大きな予圧を作用させること
ができ、軸受けなしでの駆動が可能である。
【0047】図12は本発明の第6実施例を示す超音波
モータの側面図である。
【0048】この実施例によれば、ロータを円環状ロー
タ61となし、その円環状ロータ61の外周面及び内周
面にテーパ面61a,61bを形成し、そのテーパ面6
1a,61bにそれぞれ駆動子2を配置する。
【0049】このように、テーパ面を有する円環状ロー
タ61の内外から駆動することにより、大きなトルクを
得ることができるとともに、軸受なしでロータを保持す
ることができる。
【0050】図13は本発明の第7実施例を示す超音波
モータの側面図である。
【0051】この実施例では、ロータをキャップ71A
付き円筒状ロータ71とし、その外周面及び内周面にテ
ーパ面71a,71bを形成し、そのテーパ面71a,
71bにそれぞれ複数の駆動子2を作用させるように配
置する。
【0052】このように構成することにより、キャップ
71Aをテーブルとして用いることができる。
【0053】図14は本発明の第8実施例を示すリニア
型超音波モータの平面図、図15はそのリニア型超音波
モータの側面図である。
【0054】この実施例では、平行な枠状のリニア可動
子81の外側面81aに複数の駆動子2を配置する。
【0055】このように構成することにより、リニア可
動子81の直線方向の駆動を行わせることができる。
【0056】図16は本発明の第9実施例を示すリニア
型超音波モータの平面図、図17はそのリニア型超音波
モータの側面図である。
【0057】この実施例では、キャップ92付きの平行
な枠状の外側面91a及び内側面91bを有するリニア
可動子91を配置し、その外側面91a及び内側面91
bに複数の駆動子2を配置する。
【0058】このように構成することにより、キャップ
92をテーブルとして用いることができる。
【0059】図18は本発明の第10実施例を示すリニ
ア型超音波モータの側面図である。
【0060】この実施例では、テーパ面101aを有す
るリニア可動子101の外側面に複数の駆動子2を配置
する。
【0061】このように、テーパ面101aを有するリ
ニア可動子101の外側面から駆動することにより、軸
受なしでロータを保持することができる。
【0062】図19は本発明の第11実施例を示すリニ
ア型超音波モータの側面図である。
【0063】この実施例では、キャップ112付きの内
外側面のテーパ面111b,111aを有するリニア可
動子111の内外側面のテーパ面111b,111aに
複数の駆動子2を配置する。
【0064】このように、キャップ112付きテーパ面
を有するリニア可動子111の内外側面のテーパ面11
1b,111aから駆動することにより、大きなトルク
を得ることができるとともに、軸受なしでロータを保持
することができる。
【0065】また、キャップ112をテーブルとして用
いることができる。
【0066】なお、上記実施例としては、振動子として
は圧電体を用いたが、これに代わる超音波振動子であれ
ば、どのようなものでもよい。
【0067】また、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0068】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【0069】(A)製造が容易な小さな超音波振動子を
複数個配置して、大きなトルクを発生させることができ
る。
【0070】例えば、巨大クレーン、巨大アンテナ、巨
大望遠鏡等を含む巨大構造物の微少量制御回転や直線駆
動を行わせることができる。
【0071】また、駆動部が薄型にできる点を利用し
て、微小薄型モータを得ることができる。
【0072】(B)ロータ又はリニア可動子の内外側面
に複数個の超音波モータの駆動子を作用させることによ
り、より大きなトルクを発生させることができる。
【0073】(C)ロータ又はリニア可動子にテーパ面
を形成し、そのテーパ面に複数個の超音波モータの駆動
子を作用させることにより、大きなトルクを得ることが
できるとともに、軸受なしでロータを保持することがで
きる。
【0074】(D)キャップ付きのロータ又はリニア可
動子とすることにより、キャップをテーブルとして用い
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す超音波モータの平面
図である。
【図2】本発明の第1実施例を示す超音波モータの側面
図である。
【図3】本発明の第1実施例を示す超音波モータの駆動
子の一部破断平面図である。
【図4】本発明の第1実施例を示す超音波モータの1個
の駆動子の配置状態を示す構成図である。
【図5】本発明の超音波モータの駆動子の解析モデルの
形状を示す図である。
【図6】本発明の超音波モータの駆動子の動作を示す図
である。
【図7】本発明の第1実施例を示す超音波モータの変形
例を示す図である。
【図8】本発明の第2実施例を示す超音波モータの平面
図である。
【図9】本発明の第3実施例を示す超音波モータの平面
図である。
【図10】本発明の第4実施例を示す超音波モータの側
面図である。
【図11】本発明の第5実施例を示す超音波モータの側
面図である。
【図12】本発明の第6実施例を示す超音波モータの側
面図である。
【図13】本発明の第7実施例を示す超音波モータの側
面図である。
【図14】本発明の第8実施例を示すリニア型超音波モ
ータの平面図である。
【図15】本発明の第8実施例を示すリニア型超音波モ
ータの側面図である。
【図16】本発明の第9実施例を示すリニア型超音波モ
ータの平面図である。
【図17】本発明の第9実施例を示すリニア型超音波モ
ータの側面図である。
【図18】本発明の第10実施例を示すリニア型超音波
モータの側面図である。
【図19】本発明の第11実施例を示すリニア型超音波
モータの側面図である。
【符号の説明】
1,51 ロータ(回転体) 1A ロータ軸 2 駆動子 3 ナット 4 圧電振動子(超音波振動子) 5 電極 6 押し付けボルト 7 カット部 8 先端部 9 保持部 10A,10B 交流電源 11 連結体 12 スプリング 13 ブッシングボルト 14 リニアスライダー 15 固定台 21,31,61 円環状ロータ 41A,71A,92,112 キャップ 51a,61a,61b,71a,71b,101a,
111a,111bテーパ面 41,71 キャップ付き円筒状ロータ 81,91,101,111 リニア可動子 81a,91a 外側面 91b 内側面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H680 AA01 AA08 AA19 BB11 BB12 BB13 BB15 BB20 BC10 CC02 DD01 DD14 DD23 DD27 DD37 DD43 DD53 DD72 DD73 DD82 DD88 DD93 FF04 FF26 FF33 GG02

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a)ロータと、(b)該ロータの外周面
    に多数個配置するとともに、2個の超音波振動子を直交
    配置した駆動子と、(c)該駆動子を前記ロータの外周
    面に押し付ける予圧手段と、(d)前記2個の超音波振
    動子に接続される位相の異なる交流電源とを具備するこ
    とを特徴とする超音波モータ。
  2. 【請求項2】(a)ロータと、(b)該ロータの内周面
    に多数個配置するとともに、2個の超音波振動子を直交
    配置した駆動子と、(c)該駆動子を前記ロータの内周
    面に押し付ける予圧手段と、(d)前記2個の超音波振
    動子に接続される位相の異なる交流電源とを具備するこ
    とを特徴とする超音波モータ。
  3. 【請求項3】(a)ロータと、(b)該ロータの外周面
    及び内周面に多数個配置するとともに、2個の超音波振
    動子を直交配置した駆動子と、(c)該駆動子を前記ロ
    ータの外周面及び内周面に押し付ける予圧手段と、
    (d)前記2個の超音波振動子に接続される位相の異な
    る交流電源とを具備することを特徴とする超音波モー
    タ。
  4. 【請求項4】 請求項1、2又は3記載の超音波モータ
    において、前記駆動子は、所定角度に開いた2つの翼片
    のそれぞれに超音波振動子を配設した1対の駆動源を持
    ち、該2つの翼片の合わさる部位を前記ロータの外周
    面、内周面又は内外周面に当接させることを特徴とする
    超音波モータ。
  5. 【請求項5】 請求項1、2又は3記載の超音波モータ
    において、前記超音波振動子は圧電体振動子であること
    を特徴とする超音波モータ。
  6. 【請求項6】 請求項1、2又は3記載の超音波モータ
    において、前記位相の異なる交流信号は高周波の交流信
    号であることを特徴とする超音波モータ。
  7. 【請求項7】 請求項1、2又は3記載の超音波モータ
    において、前記ロータは円環状ロータであることを特徴
    とする超音波モータ。
  8. 【請求項8】 請求項1、2又は3記載の超音波モータ
    において、前記ロータはキャップ付き円筒状ロータであ
    ることを特徴とする超音波モータ。
  9. 【請求項9】 請求項1、2又は3記載の超音波モータ
    において、前記ロータの外周面、内周面及び内外周面に
    はテーパ面を有することを特徴とする超音波モータ。
  10. 【請求項10】(a)リニア可動子と、(b)該リニア
    可動子の外側面に多数個配置するとともに、2個の超音
    波振動子を直交配置した駆動子と、(c)該駆動子を前
    記リニア可動子の外側面に押し付ける予圧手段と、
    (d)前記2個の超音波振動子に接続される位相の異な
    る交流電源とを具備することを特徴とする超音波モー
    タ。
  11. 【請求項11】(a)リニア可動子と、(b)該リニア
    可動子の内側面に多数個配置するとともに、2個の超音
    波振動子を直交配置した駆動子と、(c)該駆動子を前
    記リニア可動子の内側面に押し付ける予圧手段と、
    (d)前記2個の超音波振動子に接続される位相の異な
    る交流電源とを具備することを特徴とする超音波モー
    タ。
  12. 【請求項12】(a)リニア可動子と、(b)該リニア
    可動子の外側面及び内側面に多数個配置するとともに、
    2個の超音波振動子を直交配置した駆動子と、(c)該
    駆動子を前記リニア可動子の外側面及び内側面に押し付
    ける予圧手段と、(d)前記2個の超音波振動子に接続
    される位相の異なる交流電源とを具備することを特徴と
    する超音波モータ。
  13. 【請求項13】 請求項10、11又は12記載の超音
    波モータにおいて、前記駆動子は、所定角度に開いた2
    つの翼片のそれぞれに超音波振動子を配設した1対の駆
    動源を持ち、該2つの翼片の合わさる部位を前記リニア
    可動子の外側面、内側面又は内外側面に当接させること
    を特徴とする超音波モータ。
  14. 【請求項14】 請求項10、11又は12記載の超音
    波モータにおいて、前記超音波振動子は圧電体振動子で
    あることを特徴とする超音波モータ。
  15. 【請求項15】 請求項10、11又は12記載の超音
    波モータにおいて、前記位相の異なる交流信号は高周波
    の交流信号であることを特徴とする超音波モータ。
  16. 【請求項16】 請求項10、11又は12記載の超音
    波モータにおいて、前記リニア可動子は枠状の可動子で
    あることを特徴とする超音波モータ。
  17. 【請求項17】 請求項10、11又は12記載の超音
    波モータにおいて、前記リニア可動子はキャップ付き可
    動子であることを特徴とする超音波モータ。
  18. 【請求項18】 請求項10、11又は12記載の超音
    波モータにおいて、前記リニア可動子の外側面、内側面
    又は内外側面にはテーパ面を有することを特徴とする超
    音波モータ。
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