JP2902712B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超音波モータ、詳しくは超音波振動により被
駆動部材に駆動力を発生させる超音波モータに関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic motor, and more particularly, to an ultrasonic motor that generates a driving force on a driven member by ultrasonic vibration.
［従来の技術］ 定在波の節を利用して被駆動部材である移動体を駆動
させる超音波モータは、例えば、特開昭63−69472号公
報に開示されている。これは、厚み屈曲振動の定在波を
発生する円板状の振動子の一方側の同一円周上で定在波
の節となる部分に法線方向に突出した突起を配置し、こ
の振動子の他方側に突起の部分を１つおきに逆位相で厚
み方向に振動させる手段を配置し、この突起に回転子を
圧接することにより定在波によって突起の円周方向の傾
きが変化するので、この変化により回転子に一定方向の
回転力を与えるようにしたものである。そして、上記公
知例中には、円板屈曲振動子の節の位置に複数の横効果
を利用した縦振動子を取り付けた提案も開示されてい
る。2. Description of the Related Art An ultrasonic motor that drives a moving body, which is a driven member, using a node of a standing wave is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-69472. This is because a protrusion protruding in the normal direction is arranged at a node serving as a node of a standing wave on the same circumference on one side of a disk-shaped vibrator that generates a standing wave of thickness bending vibration. Means for oscillating in the thickness direction every other protrusion in opposite phase on the other side of the rotor is arranged, and by pressing the rotor against this protrusion, the circumferential inclination of the protrusion changes due to the standing wave. Therefore, a rotational force in a certain direction is applied to the rotor by this change. In the above-mentioned known example, there is also disclosed a proposal in which a plurality of vertical vibrators utilizing the lateral effect are attached to the positions of the nodes of the disk bending vibrator.
また、特開昭59−96881号公報によって提案されてい
る進行波形のリニア型超音波モータでは、進行波を効率
よく発生させるために閉ループ形状の屈曲振動子を用い
る必要があり、振動子が非常に大型になって、この振動
子の支持機構も複雑化し、モータの効率自体も数％と必
ずしも効率の高い小型のリニアタイプの超音波モータに
はならなかった。In the linear ultrasonic motor having a traveling waveform proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-96881, it is necessary to use a closed-loop bending vibrator in order to efficiently generate a traveling wave. However, the supporting mechanism of the vibrator has become complicated, and the efficiency of the motor itself has been several percent.
また特開昭63−277477号公報に開示されているような
板の屈曲共振と板の長手方向の縦共振振動を合成する型
のリニアタイプの超音波モータの場合には、板の屈曲共
振と縦共振の共振周波数を一致させないと高効率なモー
タを実現することができず、大きさや形に制約されてし
まう。従って、小型化，高効率化が容易ではなかった。
更にまた、このモータでは摩擦力を発生させるための振
動が圧電体の横効果（電圧印加方向）に対し、振動方向
が直交している）を用いているため、圧着力を大きくす
ることができず、大きな駆動力を発生させることができ
ないという欠点も有していた。In the case of a linear type ultrasonic motor that combines bending resonance of a plate and longitudinal resonance vibration in the longitudinal direction of the plate as disclosed in JP-A-63-277477, the bending resonance of the plate is Unless the resonance frequencies of the longitudinal resonance are matched, a highly efficient motor cannot be realized, and the size and shape are restricted. Therefore, miniaturization and high efficiency were not easy.
Furthermore, in this motor, the vibration for generating the frictional force uses the transverse effect (voltage application direction) of the piezoelectric body, and the vibration direction is orthogonal to the vibration, so that the pressing force can be increased. In addition, there is a disadvantage that a large driving force cannot be generated.
［発明が解決しようとする課題］ ところで、上記特開昭63−69472号公報記載の提案に
よる構成では、第１の振動子で発生された曲げ振動に同
期して、第２の振動子で発生させた曲げ振動により第１
の振動子の節上に配置された突起を厚み方向に振動させ
なければならない。このためには、第１の振動子の共振
周波数と第２の振動子の共振周波数を合わせこむ必要が
あり、振動子製作に高度な技術が要求される。また、第
１の振動子を振動させても、この第１の振動子に配置さ
れている第２の振動子によって、第１の振動子の振動が
抑制されてしまうし、逆に、第２の振動子の振動は第１
の振動子によってその振動を抑制されてしまうので、振
動エネルギーの損失が大きい。[Problem to be Solved by the Invention] By the way, in the configuration proposed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-69472, the second vibrator generates the vibration in synchronization with the bending vibration generated by the first vibrator. The first bending vibration
The projections arranged on the nodes of the vibrator must be vibrated in the thickness direction. For this purpose, it is necessary to match the resonance frequency of the first vibrator with the resonance frequency of the second vibrator, and high technology is required for manufacturing the vibrator. Further, even if the first vibrator is vibrated, the vibration of the first vibrator is suppressed by the second vibrator arranged on the first vibrator, and conversely, The vibration of the vibrator is the first
Since the vibration is suppressed by the vibrator, the loss of vibration energy is large.
また、上記特開昭63−69472号には屈曲円板の節上に
圧電体の横効果を利用した縦振動子を使用する手段も開
示されているが、この場合、移動体を駆動するために必
要な振幅で駆動するには、 縦振動子に高電圧信号を印加する。Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-69472 discloses a means for using a vertical vibrator utilizing a lateral effect of a piezoelectric body on a node of a bending disk. To drive with the required amplitude, a high voltage signal is applied to the vertical vibrator.
縦振動子を長くする。Lengthen the vertical oscillator.
縦振動子を共振させる。Resonates the vertical vibrator.
等の手段が考えられる。しかしながら、上述の各手段を
実施しようとすると、多くの問題点があるので、第19図
により、その問題点を以下に説明する。And the like. However, there are many problems in implementing the above-described means, and the problems will be described below with reference to FIG.
第19図は、縦振動子の動作を説明するための斜視図で
ある。図において、縦振動子101に圧電体の横効果を利
用するための厚み方向に電圧を印加する場合、縦振動子
の元の長さをＬ（ｍ），厚みをＴ（ｍ），幅をＷ
（ｍ），長さＬ方向の圧電歪定数をd31（m/V），印加電
圧をＶ（ｖ）とすると、変位ΔＬ（ｍ）は なる関係式で表わされる。FIG. 19 is a perspective view for explaining the operation of the vertical vibrator. In the figure, when a voltage is applied to the vertical vibrator 101 in the thickness direction for utilizing the lateral effect of the piezoelectric body, the original length of the vertical vibrator is L (m), the thickness is T (m), and the width is T (m). W
(M), the piezoelectric strain constant in the length L direction is d 31 (m / V), and the applied voltage is V (v), the displacement ΔL (m) is It is represented by the following relational expression.
そこで、長さ10mm,幅2mmの縦振動子に100Vの電圧を印
加する場合を考える。この場合、電圧印加方向は分極方
向A1に対し逆なのでＶ＝−100Vとなる。今、圧電歪定数
d31を超音波モータに使用される圧電素子材料の標準値
である d31＝−130×10-12m/V とすると、変位ΔＬ（ｍ）は ΔＬ＝−130×10-12×0.01/0.002×（−100） ＝6.5×10-8ｍ ……（1a） となる。即ち、負の100Vの電圧を印加しても、変位ΔＬ
（ｍ）は、たかだか0.065μｍの伸びにしかならない。
そこで、変位ΔＬを大きくする手段を以下に検討する。Therefore, consider a case in which a voltage of 100 V is applied to a vertical vibrator having a length of 10 mm and a width of 2 mm. In this case, the V = -100 V since the voltage application direction opposite to the direction of polarization A 1. Now, the piezoelectric strain constant
If d 31 is d 31 = −130 × 10 −12 m / V, which is a standard value of the piezoelectric element material used in the ultrasonic motor, the displacement ΔL (m) is ΔL = −130 × 10 −12 × 0.01 / 0.002 × (−100) = 6.5 × 10 −8 m (1a) That is, even if a negative voltage of 100 V is applied, the displacement ΔL
(M) only elongates at most 0.065 μm.
Therefore, means for increasing the displacement ΔL will be discussed below.
先ず、上記項のように、電圧を高くして変位ΔＬを
かせぐ場合を考える。例えば、変位μｍを得ようとする
と、上記（1a）式ではＶ＝100VでΔＬ＝0.065μｍだっ
たので、 1/0.065＝15 つまり、100Vの15倍にあたる1500Vという非常に高い印
加電圧Ｖを必要とすることになる。First, consider the case where the voltage is increased to increase the displacement ΔL as described in the above section. For example, in order to obtain the displacement μm, in the above equation (1a), ΔL = 0.065 μm at V = 100 V, so 1 / 0.065 = 15 In other words, a very high applied voltage V of 1500 V, which is 15 times 100 V, is required. It will be.
次に、上記項のように縦振動子を長くして充分な変
位ΔＬ＝１μｍをかせぐ場合を考える。上記（１）式を
変形して縦振動子の元の長さＬを求めると、 となる。そこで、上式に実際の数値を代入すると、 となる。つまり、１μｍの変位をかせぐためには、15.3
cmもの長さの縦振動子を必要とすることになる。Next, consider the case where the longitudinal vibrator is lengthened and a sufficient displacement ΔL = 1 μm is obtained as described in the above item. When the original length L of the longitudinal vibrator is obtained by transforming the above equation (1), Becomes So, substituting the actual numerical value into the above equation, Becomes In other words, to obtain a displacement of 1 μm, 15.3
A vertical vibrator as long as cm is required.
更に、上記項の共振を利用する場合を考える。今、
長さ方向の周波数定数をN2（Hz−ｍ）、長さをＬ（ｍ）
とすると、長さ方向の共振周波数fr（Hz）は fr＝N2/L……（２） なる関係式で表わされる。この（２）式を変形すると、 Ｌ＝N2／fr……（2a） が得られる。そこで、長さ方向の周波数定数N2として超
音波モータに通常使用される材料の値1570（Hz−ｍ）
を、縦振動子の長さ方向の共振周波数frとして超音波モ
ータの一般的な駆動周波数40KHzを、それぞれ上記（2
a）式に代入すれば、縦振動子の長さＬは、 Ｌ＝1570/40000 ＝0.03925（ｍ） となる。つまり、40KHzで共振する縦振動子の長さＬ
は、約4cm程度となるから、上記項の検討で得られた1
5.3cmの約1/4の長さとなるが、これでも縦振動子として
はかなり長くなってしまう。このような約4cmの長さの
縦振動子では、屈曲の共振点がこれより低い周波数の所
に存在するから縦振動の動作が不安定になり実用的でな
く、圧電体自体も折れやすくなる。Further, a case where the resonance of the above term is used will be considered. now,
The frequency constant in the length direction is N 2 (Hz-m), and the length is L (m)
Then, the resonance frequency f r (Hz) in the length direction is expressed by a relational expression: f r = N 2 / L (2) By transforming the equation (2), L = N 2 / f r (2a) is obtained. Therefore, the value of the materials commonly used in the ultrasonic motor as frequency constant N 2 in the length direction 1570 (Hz-m)
A vertical vibrator as the resonant frequency f r in the longitudinal direction of the common drive frequency 40KHz ultrasonic motor, respectively the (2
By substituting into the equation a), the length L of the longitudinal vibrator is L = 1570/40000 = 0.03925 (m). That is, the length L of the longitudinal vibrator resonating at 40 KHz
Is about 4 cm, so 1 obtained in the examination of the above section
The length is about 1/4 of 5.3cm, but this is still quite long for a vertical oscillator. In such a vertical vibrator with a length of about 4 cm, since the resonance point of bending exists at a lower frequency, the operation of the vertical vibration becomes unstable and it is not practical, and the piezoelectric body itself is easily broken. .
また、縦振動子を円板上に多数並べる場合、縦振動子
で発生された駆動力を回転子に有効に伝達するために
は、回転子に各縦振動子先端を均一に接触させねばなら
ない。従って、各振動子の接触面の平面性を保つことが
難しくなってしまう。In addition, when a large number of vertical vibrators are arranged on a disk, in order to effectively transmit the driving force generated by the vertical vibrators to the rotor, the tips of the respective vertical vibrators must uniformly contact the rotor. . Therefore, it is difficult to maintain the flatness of the contact surface of each transducer.
そこで本発明の目的は、上述の問題点を解消し、生産
性が高く、高効率で応答性のよい超音波モータを提供す
るある。Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide an ultrasonic motor having high productivity, high efficiency and good responsiveness.
［課題を解決するための手段および作用］ 本発明による超音波モータは、板状もしくは棒状の弾
性体と、該弾性体に固定され交流電圧を印加されること
により該弾性体に定在波型の屈曲振動を起こす屈曲振動
子と、上記弾性体の表面で上記屈曲振動の節線上に設け
られており上記屈曲振動子により該節線を中心として揺
動され交流電圧を印加されて上記屈曲振動の振幅方向に
伸縮する、上記弾性体の厚み方向に積層された圧電素子
によって形成された縦振動子とからなる駆動体と、上記
縦振動子の先端面に圧接される被駆動部材と、を具備
し、上記屈曲振動に同期して上記縦振動子を伸縮させる
ことにより、上記駆動体と被駆動部材とを相対移動させ
ることを特徴とし、 また、記駆動体の支持部と上記縦振動子は、上記屈曲
振動の位相が同一または異なる節を通り、かつ上記屈曲
振動の中立面に垂直な軸上に配置されたことを特徴と
し、更に、上記縦振動子が設けられた屈曲振動子の反対
側の面には、上記駆動体の屈曲振動の中立面を、上記弾
性体の厚み方向の略中心に一致させる付加質量体を設け
たことを特徴とするものである。Means and Action for Solving the Problems An ultrasonic motor according to the present invention comprises a plate-shaped or rod-shaped elastic body, and a standing wave type fixed to the elastic body, and applied with an AC voltage to the elastic body. A bending vibrator that generates bending vibration of the elastic body, and is provided on a node of the bending vibration on the surface of the elastic body. A driving body consisting of a vertical vibrator formed by a piezoelectric element laminated in the thickness direction of the elastic body, and a driven member pressed against the distal end face of the vertical vibrator. The driving body and the driven member are relatively moved by extending and contracting the vertical vibrator in synchronization with the bending vibration; and a support portion of the driving body and the vertical vibrator. Are the same Or passing through different nodes, and is arranged on an axis perpendicular to the neutral plane of the bending vibration, further, on the opposite surface of the bending vibrator provided with the longitudinal vibrator, An additional mass body is provided which makes the neutral plane of the bending vibration of the driving body substantially coincide with the center in the thickness direction of the elastic body.
［実施例］ 以下、図示の実施例により本発明を説明する。先ず、
本発明の実施例を説明するに先立って、本発明の基本原
理を述べた後、第20図を用いて圧電素子を積層して形成
した縦振動子を、また第2,3図を用いて屈曲振動子と縦
振動子等からなる駆動体の構造，動作，振動姿態等をそ
れぞれ説明する。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described with reference to the illustrated examples. First,
Prior to describing the embodiments of the present invention, after describing the basic principle of the present invention, a longitudinal vibrator formed by laminating piezoelectric elements using FIG. 20, and using FIGS. 2 and 3 The structure, operation, vibration mode, and the like of a driving body including a bending oscillator and a vertical oscillator will be described.
本発明の超音波モータの基本原理を説明すると、両端
部を有する棒状または板状の弾性体に１個または複数個
の圧電素子を固着して厚み屈曲振動の定在波を発生する
屈曲振動子と、この屈曲振動子から励起される定在波の
節線上且つ中立軸より同一高さに厚み縦効果を利用した
圧電素子を複数積層して屈曲振動の振動の振幅方向に振
動する縦振動子とからなる駆動体、および、この縦振動
子の端面に圧接された被駆動部材からなり、屈曲振動子
と縦振動子とを所定の位相差を有する交流電圧で駆動
し、上記駆動体と被駆動部材を相対移動させることを特
徴とするものである。そして、この超音波モータでは、
屈曲振動子を共振，縦振動子を非共振でそれぞれ使用す
るため、屈曲振動子と縦振動子の共振周波数を合わせこ
む必要がないから、生産性がよくなる。また、屈曲振動
子は節をもつので低損失支持が可能となる。更に、縦振
動子が非共振ということは共振に比較して振動形態が非
常に安定することになるので高効率の超音波モータとす
ることができる。The basic principle of the ultrasonic motor according to the present invention will be described. A bending vibrator which generates a standing wave of thickness bending vibration by fixing one or a plurality of piezoelectric elements to a rod-shaped or plate-shaped elastic body having both ends. And a vertical vibrator vibrating in the amplitude direction of the bending vibration by laminating a plurality of piezoelectric elements utilizing the thickness vertical effect on the nodal line of the standing wave excited from the bending vibrator and at the same height from the neutral axis. And a driven member pressed against the end face of the vertical vibrator, and drives the bending vibrator and the vertical vibrator with an AC voltage having a predetermined phase difference, and The drive member is relatively moved. And in this ultrasonic motor,
Since the bending oscillator is used in resonance and the vertical oscillator is used in non-resonance, it is not necessary to match the resonance frequencies of the bending oscillator and the vertical oscillator, thereby improving the productivity. Further, since the bending vibrator has a node, low loss support is possible. Furthermore, since the non-resonance of the vertical vibrator means that the vibration form is very stable compared to the resonance, a highly efficient ultrasonic motor can be obtained.
次に、圧電素子を積層して形成された積層縦振動子の
構成，動作を第20図により説明する。図において、積層
縦振動子の電圧を印加していないときの長さをｌ
（ｍ），積層した枚数をn,高さｌ方向の圧電歪定数をd
33（m/V），印加電圧をＶ（ｖ）とすると、圧電体を電
気的に並列にｎ層重ねて電圧を印加したときの変位Δｌ
（ｍ）は、一般的に、 Δｌ＝nd33V……（３） なる関係式で表わせる。この（３）式を変形すると、 となる。そこで、圧電歪定数d33として積層アクチュエ
ータに使用される圧電素子材料の標準値 d33＝635×10-12m/V を、積層縦振動子に印加する電圧として100Vを、それぞ
れ上記（3a）式に代入すれば、変位１μｍをかせぐのに
必要とする積層枚数ｎは、 となる。つまり、１μｍの変位をかせぐのに圧電素子を
16枚使用すればよいことになる。Next, the configuration and operation of a laminated longitudinal vibrator formed by laminating piezoelectric elements will be described with reference to FIG. In the figure, the length when no voltage is applied to the laminated longitudinal vibrator is represented by l.
(M), the number of stacked layers is n, and the piezoelectric strain constant in the height l direction is d.
33 (m / V), and the applied voltage is V (v), the displacement Δl when a voltage is applied by superposing n layers of piezoelectric bodies electrically in parallel.
(M) can be generally expressed by the following relational expression: Δl = nd 33 V (3) By transforming this equation (3), Becomes Therefore, the standard value d 33 = 635 × 10 −12 m / V of the piezoelectric element material used for the laminated actuator is set as the piezoelectric strain constant d 33 , and the voltage applied to the laminated longitudinal vibrator is set at 100 V, as described in (3a) above. Substituting into the equation, the number of laminations n required to earn a displacement of 1 μm is Becomes In other words, a piezoelectric element is required to obtain a displacement of 1 μm.
You only have to use 16 cards.
例えば、厚み0.12mmの圧電素子を使用した場合 16×0.12＝1.92（mm） となるから、１μｍの変位を得るには、約2mmの高さの
積層縦振動子に100Vの電圧を印加すればよいことにな
る。このように、縦振動子として圧電素子を積層して使
用することにより、外形が非常に小型になると共に、低
電圧で駆動可能な超音波モータを得ることができる。For example, when a piezoelectric element with a thickness of 0.12 mm is used, 16 × 0.12 = 1.92 (mm). To obtain a displacement of 1 μm, apply a voltage of 100 V to a laminated vertical vibrator having a height of about 2 mm. It will be good. As described above, by laminating and using the piezoelectric elements as the vertical vibrator, it is possible to obtain an ultrasonic motor which is extremely small in size and can be driven at a low voltage.
次に、本発明の超音波モータに使用される駆動体の構
造，動作，振動姿態を説明する。Next, the structure, operation, and vibration state of the driving body used in the ultrasonic motor of the present invention will be described.
第２図（Ａ），（Ｂ）は、圧電素子６を含む屈曲振動
子１と第1,第２の縦振動子3,4とからなる駆動体2の正面
図と振動状態を示す作用図とである。図において、屈曲
振動子１を屈曲振動させても変位のない点が節N,N′で
あり、この節N,またはＮ′を通り紙面に垂直な方向に引
かれた線が節線である。また、図中の矢印は分極方向を
示している。更に、５は縦振動子3,4の先端面に圧接さ
れる被駆動部材である移動体を示す。2 (A) and 2 (B) are a front view of a driving body 2 including a bending oscillator 1 including a piezoelectric element 6 and first and second vertical oscillators 3 and 4, and an action diagram showing a vibration state. And In the figure, points where there is no displacement even when the bending oscillator 1 is subjected to bending vibration are nodes N and N ', and lines passing through the nodes N and N' in a direction perpendicular to the paper surface are node lines. The arrows in the figure indicate the directions of polarization. Reference numeral 5 denotes a moving body which is a driven member that is pressed against the end faces of the vertical vibrators 3 and 4.
屈曲振動子１は板状弾性体７とその下面に板厚方向に
分極された圧電素子６が接着されて構成され、また、屈
曲振動子１の節線上に、分極方向が互いに向き合うよう
に積層された第１の縦振動子3,第２の縦振動子４が屈曲
振動子表面より突出されて配置されている。The bending vibrator 1 is constituted by bonding a plate-like elastic body 7 and a piezoelectric element 6 polarized in the thickness direction to the lower surface thereof, and is laminated on the node line of the bending vibrator 1 so that the polarization directions face each other. The first longitudinal vibrator 3 and the second longitudinal vibrator 4 are arranged so as to protrude from the surface of the bending vibrator.
このような構造において、屈曲振動子１が屈曲振動を
すると、第２図（Ｂ）に示すように屈曲振動の節の部分
では節N,N′を中心とした微小回転往復運動を生ずる。
そこで、第1,第２の縦振動子3,4は互いに回転方向が異
なる微小回転往復運動、つまり揺動されることになる。
また、この縦振動子3,4上に移動体５が圧接されてい
る。そして、微小回転往復運動のうち往動作あるいは復
動作のうちいずれか一方の動作を移動体５に作用させる
ように縦振動子3,4を駆動し、移動体５を一方向に相対
的に駆動するようになっている。In such a structure, when the bending vibrator 1 performs bending vibration, as shown in FIG. 2 (B), a minute rotation reciprocating motion around the nodes N and N 'occurs at the nodes of the bending vibration.
Therefore, the first and second longitudinal vibrators 3 and 4 are reciprocated in a minute rotation having different rotational directions, that is, are rocked.
A moving body 5 is pressed onto the vertical vibrators 3 and 4. Then, the vertical vibrators 3 and 4 are driven so that either one of the forward operation and the backward operation of the minute rotary reciprocating motion acts on the moving body 5, and the moving body 5 is relatively driven in one direction. It is supposed to.
次に、圧電素子６および縦振動子3,4の分極方向と積
層方法並びに配線方法を第３図に示す。第３図におい
て、圧電素子６の下側の電極に印加される交流電圧が正
なら屈曲振動子１は上に凸状に屈曲しており、負なら下
に凸状に屈曲している。また、縦振動子3,4の交流電圧
が正なら、第１の縦振動子３は伸張した状態になり、第
２の縦振動子４は収縮した状態になる。そして、縦振動
子3,4の交流電圧が負なら、第１の縦振動子３は収縮し
た状態になり、第２の縦振動子４は伸張した状態にな
る。なお、図中の矢印は分極方向を示している。Next, FIG. 3 shows the polarization directions of the piezoelectric element 6 and the longitudinal vibrators 3 and 4, the lamination method, and the wiring method. In FIG. 3, if the AC voltage applied to the lower electrode of the piezoelectric element 6 is positive, the bending vibrator 1 is bent upward and convex if it is negative. If the AC voltages of the vertical vibrators 3 and 4 are positive, the first vertical vibrator 3 is in an expanded state and the second vertical vibrator 4 is in a contracted state. If the AC voltages of the vertical vibrators 3 and 4 are negative, the first vertical vibrator 3 is in a contracted state and the second vertical vibrator 4 is in an expanded state. The arrows in the figure indicate the polarization directions.
次に、第２図（Ｂ）を用いて、動作の説明をする。屈
曲振動子１と縦振動子3,4とは位相が互いに90°シフト
した交流電源で駆動されるから、第１の縦振動子３が伸
張して移動体５に圧接，第２の縦振動子４が収縮して移
動体５から離脱するのに同期して、第１の縦振動子３が
配置された屈曲振動子１の節Ｎの位置では、この節Ｎを
中心とした第１の縦振動子３の先端Ｐの微少な反時計方
向回転Ｐ′→Ｐが生ずるので、第１の縦振動子３は移動
体５を右から左へ蹴り上げるように作用し、水平方向の
移動力を移動体５に付与する。このとき、第２の縦振動
子４が配置された屈曲振動子１の節Ｎ′の位置では、こ
の節Ｎ′を中心とした微少な時計方向回転Ｍ′→Ｍが生
じるが、第２の縦振動子４は収縮して移動体５と接触し
ていないので移動体５に逆方向の力を付与することはな
い。Next, the operation will be described with reference to FIG. Since the bending oscillator 1 and the vertical oscillators 3 and 4 are driven by an AC power supply whose phases are shifted by 90 ° from each other, the first vertical oscillator 3 is extended and pressed against the moving body 5, and the second vertical oscillation is performed. At the position of the node N of the bending vibrator 1 in which the first vertical vibrator 3 is arranged, in synchronization with the contraction of the vibrator 4 and the detachment from the moving body 5, the first vertical centered on this node N Since a slight counterclockwise rotation P ′ → P of the tip P of the vibrator 3 occurs, the first vertical vibrator 3 acts to kick the moving body 5 from right to left, and reduces the horizontal moving force. Applied to the moving body 5. At this time, at the position of the node N 'of the bending oscillator 1 on which the second vertical oscillator 4 is disposed, a slight clockwise rotation M' → M around this node N 'occurs, but the second vertical oscillator Since the vibrator 4 contracts and is not in contact with the moving body 5, no force is applied to the moving body 5 in the opposite direction.
また、第１の縦振動子３が収縮して移動体５から離
脱，第２の縦振動子４が伸張して移動体５と圧接するの
に同期して、第２の縦振動子４が配置された屈曲振動子
１の節Ｎ′の位置では、この節Ｎ′を中心とした微少な
反時計方向回転Ｍ→Ｍ′が生ずるので、第２の縦振動子
４は移動体５を右から左へ蹴り上げるように作用し、水
平方向の移動力を移動体５に付与する。このとき第１の
縦振動子３が配置された屈曲振動子１の節Ｎの位置で
は、この節Ｎを中心とした微少な時計方向回転Ｐ→Ｐ′
を生ずるが、第１の縦振動子３は収縮して移動体５と接
触していないので移動体５に逆方向の力を付与すること
はない。従って、この動作の繰返しにより移動体５が水
平左方向に動くことになる。Further, in synchronization with the contraction of the first vertical vibrator 3 and the detachment from the moving body 5 and the expansion of the second vertical vibrator 4 and the pressing of the second vertical vibrator 4 with the moving body 5, the second vertical vibrator 4 is moved. At the position of the node N 'of the arranged bending oscillator 1, a slight counterclockwise rotation M → M' around the node N 'occurs, so that the second vertical oscillator 4 moves the moving body 5 from the right. Acts to kick up to the left and applies a moving force in the horizontal direction to the moving body 5. At this time, at the position of the node N of the bending oscillator 1 on which the first longitudinal oscillator 3 is disposed, a minute clockwise rotation P → P ′ around the node N
However, since the first vertical vibrator 3 contracts and is not in contact with the moving body 5, no force is applied to the moving body 5 in the opposite direction. Therefore, the repetition of this operation causes the moving body 5 to move horizontally leftward.
移動体５を逆方向に動かすには、屈曲振動子１に対す
る第1,第２の縦振動子3,4の伸縮タイミングを逆にすれ
ばよい。即ち、屈曲振動子１または第1,第２の縦振動子
3,4に印加する信号を上記の場合に対して180°位相をず
らせば、移動体５を上記とは逆の方向に駆動することが
できる。In order to move the moving body 5 in the opposite direction, the expansion and contraction timing of the first and second vertical oscillators 3 and 4 with respect to the bending oscillator 1 may be reversed. That is, the bending oscillator 1 or the first and second vertical oscillators
If the signals applied to 3, 4 are shifted by 180 ° from the above case, the moving body 5 can be driven in the opposite direction.
以上が本発明の超音波モータに使用される駆動体の構
造，動作，振動姿態の説明である。次に、本発明の具体
的な実施例を図面に基づいて説明する。The above is the description of the structure, operation, and vibration state of the driving body used in the ultrasonic motor of the present invention. Next, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図，第４図，第５図は、本発明の第１実施例を示
す超音波モータのそれぞれ側断面図、正面図，斜視図で
ある。また、第６図は、この第１実施例における屈曲振
動子に励起された３次の振動状態を示す線図である。な
お、上記第３図までの説明では、屈曲振動子や縦振動子
が固定されていて、被駆動部材である移動体を移動する
としていたが、この第１実施例では、上記被駆動部材に
相当するリニアレールがモータ本体に固定されていて屈
曲振動子や縦振動子等からなる駆動体を移動するものと
して説明する。1, 4, and 5 are a side sectional view, a front view, and a perspective view, respectively, of an ultrasonic motor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing a third-order vibration state excited by the bending vibrator in the first embodiment. In the description up to FIG. 3, the bending vibrator and the vertical vibrator are fixed, and the moving body that is the driven member is moved. However, in the first embodiment, the driven member is The description will be made on the assumption that a corresponding linear rail is fixed to the motor body and moves a driving body composed of a bending oscillator, a vertical oscillator, and the like.
図において、屈曲振動子１は、ステンレス，黄銅，リ
ン青銅，アルミニウム等からなる弾性体７の下面に第６
図に示す比率に配置された圧電素子６が一体に接着され
て構成されている。このように圧電素子６を配置すると
両端自由の３次の屈曲振動が最も効率よく励起でき、そ
の場合第６図に示すような位置に振動の節ができる。こ
の屈曲振動子１の節の位置、つまり弾性体７の左右長手
方向の両側面から（0.0944＋0.2614）/1の比率の位置に
厚み方向に分極された複数の圧電素子板を積層してなる
第1,第２の縦振動子3,4が接着されており、その縦振動
子3,4の端面はリニアレール８の摺動面8aに直交する方
向に圧接されている。ここで第1,第２の縦振動3,4は同
一の分極構造を持っている。In the figure, a bending vibrator 1 is provided on a lower surface of an elastic body 7 made of stainless steel, brass, phosphor bronze, aluminum or the like.
The piezoelectric elements 6 arranged in the ratio shown in the figure are integrally bonded. By arranging the piezoelectric element 6 in this manner, the tertiary bending vibration free at both ends can be excited most efficiently, and in this case, a node of the vibration is formed at a position as shown in FIG. A plurality of piezoelectric element plates polarized in the thickness direction are laminated at positions of nodes of the bending vibrator 1, that is, at positions of a ratio of (0.0944 + 0.2614) / 1 from both side surfaces in the left-right longitudinal direction of the elastic body 7. The first and second vertical vibrators 3 and 4 are bonded, and the end faces of the vertical vibrators 3 and 4 are pressed against each other in a direction orthogonal to the sliding surface 8a of the linear rail 8. Here, the first and second longitudinal vibrations 3 and 4 have the same polarization structure.
なお、本実施例では、第1,第２の縦振動子3,4の下面
つまり、屈曲振動子１との接着面に絶縁層９を設けてい
る。この絶縁層９が必要になるのは、圧電体を積層した
第1,第２の縦振動子3,4の上面のリニアレール摺動面8a
への接触部が正の電極になる場合である。しかし、リニ
アレール摺動面8aへの接触部が負の電極の場合には、リ
ニアレール８を接地すればよく、この場合絶縁層９は不
要になる。そして、この縦振動子3,4の上面つまり、リ
ニアレール８の摺動面8aとの接触面に高分子材料，セラ
ミックス，複合材料等の絶縁性及び耐摩耗性のある摩擦
材27を張り付ければ、縦振動子3,4に印加された電圧が
リニアレール８へ漏れるのを防止できると共に、耐久性
のあるモータにすることができる。In the present embodiment, the insulating layer 9 is provided on the lower surfaces of the first and second longitudinal vibrators 3 and 4, that is, on the bonding surface with the bending vibrator 1. This insulating layer 9 is required because the linear rail sliding surface 8a on the upper surface of the first and second vertical vibrators 3 and 4 on which the piezoelectric bodies are laminated.
This is the case where the contact portion to the positive electrode becomes the positive electrode. However, when the contact portion to the linear rail sliding surface 8a is a negative electrode, the linear rail 8 may be grounded, and in this case, the insulating layer 9 becomes unnecessary. Then, an insulating and wear-resistant friction material 27 such as a polymer material, ceramics, or a composite material is attached to the upper surfaces of the vertical vibrators 3 and 4, that is, the contact surface with the sliding surface 8 a of the linear rail 8. If this is the case, it is possible to prevent the voltage applied to the vertical vibrators 3 and 4 from leaking to the linear rail 8 and to provide a durable motor.
また、本実施例では摩擦材27の先端は蒲鉾状の部分円
柱形をしているが、これは第２図（Ｂ）のように屈曲振
動子１が屈曲振動を起こすと節の部分では節を中心とし
た微少回転往復運動をしているため、縦振動子3,4の先
端が円弧を描くことになる。摩擦材27の先端つまりリニ
アレール８との接触面が角型だと、リニアレール８への
接触箇所が角→平面→角と接触していくため接触状態が
不安定となり、リニアレール８の相対移動速度に斑が発
生する。そこで、摩擦材27の先端、つまりリニアレール
８との接触面を部分円柱状にすることにより、摩擦材27
の先端とリニアレール８は常に安定した接触状態にな
る。そして、摩擦材27の部分円柱部の面の曲率半径Ｒ
は、第２図（Ｂ）を例にとると、縦振動子3,4と摩擦材2
7の合計高さに関連する、摩擦材の先端Ｐ′（または
Ｍ′）から節Ｎまでの長さＰ′Ｎ（またはＭ′Ｎ）にす
るのが望ましい。In this embodiment, the tip of the friction material 27 has a semicylindrical partial cylindrical shape. However, when the bending vibrator 1 causes bending vibration as shown in FIG. Because of the micro-rotational reciprocating movement centered at the center, the tips of the vertical vibrators 3 and 4 draw circular arcs. If the tip of the friction material 27, that is, the contact surface with the linear rail 8 is square, the contact state with the linear rail 8 will contact the corner → plane → corner, and the contact state will become unstable, Mottles occur in the moving speed. Therefore, by making the tip of the friction material 27, that is, the contact surface with the linear rail 8 into a partially cylindrical shape, the friction material 27
And the linear rail 8 are always in a stable contact state. Then, the radius of curvature R of the surface of the partial cylindrical portion of the friction material 27
In the example of FIG. 2 (B), the longitudinal vibrators 3 and 4 and the friction material 2
It is desirable to have a length P'N (or M'N) from the tip P '(or M') of the friction material to the node N, which is related to the total height of 7.
更に、摩擦材27を張り付けることにより、摩擦材27の
厚みを調整することや圧電素子と上記摩擦材27を一体成
形した後に摩擦材を研磨することによって、縦振動子3,
4のリニアレール摺動面8aとこのリニアレール８との接
触を最良の状態にすることができる。Further, by attaching the friction material 27, by adjusting the thickness of the friction material 27, or by polishing the friction material after integrally forming the piezoelectric element and the friction material 27, the longitudinal oscillator 3,
The contact between the linear rail sliding surface 8a and the linear rail 8 can be made the best condition.
この屈曲振動子１の上記各々の節の位置には、弾性体
の両幅方向の側面に４個の、屈曲振動子１の支持部とな
る支持ピン10a,10b,10c,10dが取り付けられている。第
７図（Ａ），（Ｂ）は駆動体2の側面図，正面図であっ
て、この駆動体2は弾性体7,圧電素子6,第1,第２の縦振
動子3,4および４個の支持ピン10a,10b,10c,10dより構成
されている。なお図中の矢印は分極方向を示している。Four support pins 10a, 10b, 10c, and 10d serving as support portions of the bending vibrator 1 are attached to the respective positions of the nodes of the bending vibrator 1 on both side surfaces of the elastic body in both width directions. I have. Figure 7 (A), (B) is a side view of the driving body 2, a front view, the driving body 2 is an elastic body 7, the piezoelectric element 6, the first, second longitudinal vibrators 3 and 4 and It is composed of four support pins 10a, 10b, 10c, 10d. The arrow in the figure indicates the polarization direction.
駆動体２を形成している弾性体７の側面から出ている
４個の支持ピン10a,10b,10c,10dは、屈曲振動によって
生ずる節の微少回転往復運動を妨げないように短円柱体
で形成されており、支持台取付板11に固定された支持台
12で支持されている。そして、この支持台12の上面は、
支持ピン10a,10b,10c,10dとの接触部であり、支持ピン
と同様屈曲振動子の屈曲振動を妨げないことと位置決め
が必要であるため、Ｖ字型の溝になっている。また、こ
の支持台12は駆動体２で発生する不要な振動を支持台取
付板11の方へ漏れないように、クランク状の薄肉部を有
していると共に、駆動体２が屈曲振動子１の振動方向と
垂直方向にずれないように、支持ピン10a,10b,10c,10d
の短円柱部に段差が設けられており、ずれようとすると
支持台12に当て付くようになっている。The four support pins 10a, 10b, 10c, and 10d protruding from the side surface of the elastic body 7 forming the driving body 2 are short cylindrical bodies so as not to hinder the minute reciprocating movement of the node caused by the bending vibration. A support base formed and fixed to the support base mounting plate 11
Supported by 12. And the upper surface of this support 12 is
It is a contact portion with the support pins 10a, 10b, 10c, and 10d, and has a V-shaped groove because it does not hinder the bending vibration of the bending vibrator and needs to be positioned similarly to the support pins. The support base 12 has a crank-shaped thin portion so that unnecessary vibration generated in the driving body 2 does not leak toward the support base mounting plate 11, and the driving body 2 has Support pins 10a, 10b, 10c, 10d so that they do not
A step is provided in the short column portion of the support member 12 so that the step comes into contact with the support base 12 when the member is to be displaced.
支持台取付板11には、支持台取付板11の中心部に支持
用ボルト18の先端部が通るような穴が設けられている。
また、上下のバネ押え14,16でガイドされた圧力調整用
バネ15とバネ圧調整ナット17がボルト18に通され、この
ボルト18の上方先端部が支持台取付板11の中心部の穴に
嵌合されている。そして、このバネ圧調整ナット17は、
ボルト18のネジ部に噛合しているので、このバネ圧調整
ナット17を回すことによって、図の上方に圧力調整用バ
ネ15を移動調整することができる。そして、支持台取付
板11が上方へ移動し、移動体に取り付けられた縦振動子
3,4の各々の端部を、リニアレール８の摺動面8aに圧接
するようになっている。The support base mounting plate 11 is provided with a hole in the center of the support base mounting plate 11 so that the tip of the support bolt 18 passes through.
Further, a pressure adjusting spring 15 and a spring pressure adjusting nut 17 guided by upper and lower spring retainers 14 and 16 are passed through a bolt 18, and an upper end of the bolt 18 is inserted into a hole at the center of the support base mounting plate 11. Mated. And this spring pressure adjusting nut 17
Since the spring 18 is engaged with the screw portion of the bolt 18, the spring 15 for adjusting the pressure can be moved and adjusted upward in the figure by turning the nut 17 for adjusting the spring pressure. Then, the support base mounting plate 11 moves upward, and the vertical vibrator attached to the moving body.
Each end of 3 and 4 is pressed against the sliding surface 8a of the linear rail 8.
下板19の中央には、ネジが切られており、上記ボルト
18の下方が下板19に螺着されている。そして、ボルト18
の下部は円板状になっており、この円板の下面が下板19
の上面に接するため、ボルト18はガタがなく固定されて
いる。そして、リニアレール８の摺動面8bには、軸23に
挿通されたベアリング26に取り付けられ回転自在の車輪
22が載置されている。A screw is cut in the center of the lower plate 19, and the bolt
The lower part of 18 is screwed to the lower plate 19. And bolt 18
The lower part of the disk has a disk shape, and the lower surface of this disk is
The bolt 18 is fixed without backlash because it is in contact with the upper surface of the bolt. On the sliding surface 8b of the linear rail 8, a rotatable wheel attached to a bearing 26 inserted through the shaft 23
22 are placed.
上板21と下板19は、左右の両側板20で固定されてお
り、上板21,下板19,両側板20は剛体で形成されている。
そして、第１図，第４図に示すように両側板20の中心部
の上方に上記車輪22を通した軸23が固定されている。上
記支持台取付板11の両側面には、第１図の手前側と奥側
に各１本の取付板ガイド棒25が埋設されていて、この取
付板ガイド棒25は側板20の壁面中央の上下方向に穿設さ
れた溝24にガイドされるようになっている。これによっ
て、上記リニアレール摺動面8aと縦振動子3,4との接触
圧の調整時に上下する支持台取付板11が、ガタつかない
ようになっている。The upper plate 21 and the lower plate 19 are fixed by left and right side plates 20, and the upper plate 21, the lower plate 19, and the both side plates 20 are formed of a rigid body.
As shown in FIGS. 1 and 4, a shaft 23 passing through the wheel 22 is fixed above the center of both side plates 20. On each side surface of the support base mounting plate 11, one mounting plate guide rod 25 is buried on the near side and the back side in FIG. 1, and the mounting plate guide rod 25 is located at the center of the wall surface of the side plate 20. The guide is guided by a groove 24 formed in the vertical direction. Thus, the support base mounting plate 11 that moves up and down when adjusting the contact pressure between the linear rail sliding surface 8a and the vertical vibrators 3 and 4 does not rattle.
このように構成されたこの第１実施例において、リニ
アレール８以外の移動対象をリニアレールに沿って第１
図の矢印Ａのように右方向に移動する方法を、第８図，
第９図により以下に説明する。In the first embodiment thus configured, a moving object other than the linear rail 8 is moved along the linear rail by the first
The method of moving rightward as indicated by arrow A in the figure is shown in FIG.
This will be described below with reference to FIG.
屈曲振動子１に、第８図（Ａ）に示すような振幅V0で
角周波数ωの正弦波形l1の交流電圧V0sinωｔを印加す
る。また、第１の縦振動子３に第８図（Ｂ）に示すよう
な上記正弦波形l1より90°位相が進んだ正弦波形l2の交
流電圧を印加する。そして、第２の縦振動子４に第１の
縦振動子３に加えた正弦波形l2と180°位相の異なる正
弦波形l3の交流電圧を印加すると、第９図（Ａ）〜
（Ｄ）に示すように第１の縦振動子３が伸張，第２の縦
振動子４が収縮するのに同期して屈曲振動子１が駆動さ
れ、縦振動子3,4がハの字型から逆ハの字型になる屈曲
振動をする。すると、摺動面8aに第１の縦振動子３が圧
接し、第２の縦振動子４が離れる。そこで、上記駆動体
2は、第１の縦振動子３がリニアレール８の摺動面8aを
右から左に蹴り上げることになり、その結果、駆動体2
が右方向に移動する。An AC voltage V 0 sinωt having a sine waveform l 1 having an amplitude V 0 and an angular frequency ω as shown in FIG. 8A is applied to the bending oscillator 1. Moreover, applying a first vertically vibrator 3 Figure 8 AC voltage of a sine waveform l 2 has advanced the sinusoidal waveform l 1 from the 90 ° phase as shown in (B). Then, upon application of a second AC voltage on the vertical vibrator 4 first sinusoidal waveform l 2 different sinusoidal l 3 of 180 ° phase was added to the vertical vibrator 3, FIG. 9 (A) ~
As shown in (D), the bending oscillator 1 is driven in synchronization with the expansion of the first vertical oscillator 3 and the contraction of the second vertical oscillator 4, and the vertical oscillators 3 and 4 are shaped like "C". The bending vibration changes from a mold to an inverted C shape. Then, the first vertical vibrator 3 comes into pressure contact with the sliding surface 8a, and the second vertical vibrator 4 separates. Therefore, the driving body
2, will be first vertical vibrator 3 kick left the sliding surface 8a of the linear rail 8 from the right, as a result, driving body 2
Moves to the right.
次に、第９図（Ｅ）〜（Ｈ）において第１の縦振動子
３が収縮，第２の縦振動子４が伸張するのに同期して屈
曲振動子１が駆動され、縦振動子3,4が逆ハの字型から
ハの字型になる屈曲振動をする。すると、摺動面8aと第
２の縦振動子４が圧接し、第１の縦振動子３は離れるの
で、駆動体2は第２の縦振動子４が摺動面8aを右から左
に蹴り上げることになり、その結果、駆動体2が右方向
に移動する。Next, in FIGS. 9 (E) to 9 (H), the bending oscillator 1 is driven in synchronization with the contraction of the first vertical oscillator 3 and the expansion of the second vertical oscillator 4, and the vertical oscillator 3 and 4 make a bending vibration that changes from an inverted C shape to a C shape. Then, the sliding surface 8a and the second vertical vibrator 4 are pressed against each other and the first vertical vibrator 3 is separated, so that the driving body 2 moves the second vertical vibrator 4 from the right to the left of the sliding surface 8a. The driver 2 is kicked up, and as a result, the driver 2 moves rightward.
そして、上記作動の連続繰返しにより駆動体2は屈曲
振動子１の屈曲に伴って移動する。これと共に、上下板
19,21に一体となった移動対象がリニアレール８の摺動
面8b上の車輪22を回動しながら右側へ走行する。尚、リ
ニアレール以外の移動対象を左側へ走行させる場合に
は、屈曲振動子に対する縦振動子3,4の伸縮タイミング
を逆にすればよい。つまり、屈曲振動子１または縦振動
子3,4に印加する信号を上記の場合に対して180°位相を
ずらせば、第１図におけるリニアレール８以外の移動対
象を矢印Ａとは逆の方向に駆動することができる。Then, the driving body 2 moves with the bending of the bending vibrator 1 due to the continuous repetition of the above operation. Along with this, the upper and lower plates
The moving object integrated with 19 and 21 runs to the right while rotating the wheel 22 on the sliding surface 8b of the linear rail 8. When the moving object other than the linear rail is caused to travel to the left, the expansion / contraction timing of the vertical vibrators 3 and 4 with respect to the bending vibrator may be reversed. In other words, if the signals applied to the bending vibrator 1 or the vertical vibrators 3 and 4 are shifted by 180 ° from the above case, the moving object other than the linear rail 8 in FIG. Can be driven.
この第１実施例における上記移動対象の移動速度と駆
動力は、屈曲振動子１の屈曲振動振幅と縦振動子3,4の
振動振幅との振幅比に関係することになるので、第10図
によりこれを説明する。第10図（Ａ），（Ｂ）は縦振動
子の振動振幅が零で屈曲振動子の屈曲振動のみが発生し
ているときの駆動体の動作を示す作用図である。また、
第10図（Ｃ），（Ｄ）は屈曲振動子１の屈曲振動振幅と
縦振動子3,4の振動振幅が合成された場合の縦振動子3,4
の先端Ｔ（第10図（Ａ），（Ｂ）参照）の軌跡を示す線
図である。この第10図において、（Ａ），（Ｃ）は屈曲
振動子１の振動振幅が大きい場合を、（Ｂ），（Ｄ）は
小さい場合にそれぞれ示している。第10図（Ｃ），
（Ｄ）において、縦振動子3,4の振動振幅UMは同じであ
る。これは、縦振動子3,4に印加する電圧振幅を一定に
保つことによって実現できる。このときの縦振動子の振
幅は被駆動部材（リニアレール８）との接触面の面精度
以上の値であることが必要で、実用的には0.1μｍ以上
の振幅を必要とする。また、縦振動子3,4の発生力は縦
振動子に印加する電圧に比例し、被駆動部材（リニアレ
ール８）への圧接力に抗して上述の必要な振幅0.1μｍ
以上を発生させるだけの値が必要である。リニアレール
８への圧接力はモータの駆動力に比例し、駆動力を大き
くする場合は圧接力を大きく、かつ縦振動子への印加電
圧を高くすればよい。Since the moving speed and the driving force of the moving object in the first embodiment are related to the amplitude ratio between the bending vibration amplitude of the bending vibrator 1 and the vibration amplitude of the vertical vibrators 3 and 4, FIG. This will be described below. FIGS. 10 (A) and 10 (B) are action diagrams showing the operation of the driver when the vibration amplitude of the vertical vibrator is zero and only the bending vibration of the bending vibrator is generated. Also,
FIGS. 10C and 10D show longitudinal oscillators 3 and 4 when the flexural vibration amplitude of flexural oscillator 1 and the vibration amplitude of longitudinal oscillators 3 and 4 are combined.
11 is a diagram showing a trajectory of a tip T (see FIGS. 10 (A) and (B)) of FIG. In FIG. 10, (A) and (C) show the case where the vibration amplitude of the bending oscillator 1 is large, and (B) and (D) show the case where it is small. FIG. 10 (C),
In (D), the vibration amplitude U M of vertical vibrators 3 and 4 are the same. This can be realized by keeping the voltage amplitude applied to the vertical vibrators 3 and 4 constant. At this time, the amplitude of the vertical vibrator needs to be equal to or greater than the surface accuracy of the contact surface with the driven member (linear rail 8), and practically requires an amplitude of 0.1 μm or more. Further, the generated force of the vertical vibrators 3 and 4 is proportional to the voltage applied to the vertical vibrators, and the required amplitude of 0.1 μm as described above is resisted against the pressing force against the driven member (linear rail 8).
It is necessary to have a value enough to generate the above. The pressing force on the linear rail 8 is proportional to the driving force of the motor. To increase the driving force, it is sufficient to increase the pressing force and increase the voltage applied to the longitudinal vibrator.
次に、移動速度は第10図で屈曲振動子１の屈曲振動に
よって生ずる水平方向成分UV1，UV2に比例し、これは屈
曲振動子１と一体の圧電体に印加する電圧に比例する。
即ち、縦振動子3,4のみ駆動し、屈曲振動子１を駆動し
ない場合は、移動速度は零で被駆動部材は移動しない。
従って移動対象も動かない。その状態から徐々に屈曲振
動子１への振幅を増してゆくと、移動速度はそれに比例
して速くなる。屈曲振動子１の振幅を変化させるには上
述の印加電圧を変化する方法の他、屈曲振動子１の駆動
周波数を共振点から変化させる方法、屈曲振動子に印加
する高周波電圧をバースト信号として間欠的にする方法
等がある。これらの方法を用いて速度０から縦振動子と
被駆動部材（リニアレール８）との接触面間に滑りの発
生しない最大の速度まで無段階に速度を変えることがで
きる。Next, the moving speed is proportional to the horizontal components U V1 and U V2 generated by the bending vibration of the bending oscillator 1 in FIG. 10, which is proportional to the voltage applied to the piezoelectric body integrated with the bending oscillator 1.
That is, when only the vertical vibrators 3 and 4 are driven and the bending vibrator 1 is not driven, the moving speed is zero and the driven member does not move.
Therefore, the moving object does not move. When the amplitude to the bending vibrator 1 is gradually increased from that state, the moving speed increases in proportion thereto. In order to change the amplitude of the bending oscillator 1, in addition to the above-described method of changing the applied voltage, a method of changing the driving frequency of the bending oscillator 1 from a resonance point, an intermittent high-frequency voltage applied to the bending oscillator as a burst signal There is a method of making it. Using these methods, the speed can be steplessly changed from zero speed to the maximum speed at which no slippage occurs between the contact surface between the vertical vibrator and the driven member (linear rail 8).
また、この第１実施例では縦振動子3,4の屈曲振動子
１への接着部における、屈曲振動子１の長さ方向に沿っ
た縦振動子3,4の幅は小さい方がよい。何故なら、屈曲
振動子１には屈曲振動が起っているので、縦振動子3,4
の幅を広くすると、屈曲振動子１に起っている屈曲振動
を妨げることになるからである。一方、縦振動子3,4の
幅をあまり狭くすると、屈曲振動子１への接着力が弱ま
るから、屈曲振動子１の屈曲振動によって縦振動子3,4
と屈曲振動子１の接着部や縦振動子の破壊が起こる可能
性がある。しかし、この第１実施例では、縦振動子に積
層縦振動子を使用しているため、縦振動子の高さ方向を
十分に低くすることができ、これによって縦振動子が破
壊する虞がない。In the first embodiment, it is preferable that the width of the longitudinal vibrators 3 and 4 along the length direction of the flexural vibrator 1 at the bonding portion of the longitudinal vibrators 3 and 4 to the flexural vibrator 1 is smaller. This is because bending vibration occurs in the bending vibrator 1, so that the longitudinal vibrators 3, 4
This is because, if the width is increased, the bending vibration occurring in the bending vibrator 1 will be hindered. On the other hand, if the widths of the vertical oscillators 3 and 4 are too small, the adhesive force to the bending oscillator 1 is weakened.
In this case, there is a possibility that the bonded portion of the bending oscillator 1 and the vertical oscillator may be broken. However, in the first embodiment, since the laminated longitudinal vibrator is used as the longitudinal vibrator, the height direction of the longitudinal vibrator can be made sufficiently low, whereby the longitudinal vibrator may be broken. Absent.
この第１実施例では縦振動子3,4は幅1.5mm、長さ7.4m
m、高さ2mm程度の寸法のものを使用している。この縦振
動子では、長さ方向の共振周波数が約200KHz付近、縦方
向の共振周波数が約700KHz付近に存在している。また、
屈曲振動子の屈曲振動の共振周波数は40KHz付近であ
り、縦振動子の長手方向の共振周波数の1/3以下なの
で、屈曲振動子の共振時に縦振動子は屈曲振動の影響を
受けることがない。In the first embodiment, the longitudinal vibrators 3 and 4 are 1.5 mm wide and 7.4 m long.
m, with a height of about 2mm. In this longitudinal vibrator, the resonance frequency in the length direction is around 200 KHz, and the resonance frequency in the longitudinal direction is around 700 KHz. Also,
The resonance frequency of the bending vibration of the bending vibrator is around 40 KHz, which is less than 1/3 of the longitudinal resonance frequency of the vertical vibrator. .
前記第15図で詳細に述べたが、縦振動子は本実施例の
場合、変位１μｍかせぐのに板厚0.12mmの板状圧電体16
枚を積層した高さ2mm程度のものに電圧100Vを印加すれ
ばよく、非常に小型で且つ低電圧で駆動可能な超音波モ
ータを得ることができる。As described in detail with reference to FIG. 15, in the case of the present embodiment, the longitudinal vibrator is a plate-like piezoelectric body 16 having a plate thickness of 0.12 mm for a displacement of 1 μm.
A voltage of 100 V only needs to be applied to a stack of about 2 mm in height, and an extremely small ultrasonic motor that can be driven at a low voltage can be obtained.
更に、屈曲振動子の屈曲振動をしている変位の殆んど
ない点、つまり第10図（Ａ），（Ｂ）における屈曲振動
子１の中立面S1，S2に垂直で、その交線が節線l4，l5と
なる節N1，N2の面内に縦振動子3,4と支持部位を配置し
たことにより、屈曲振動子１で発生してる屈曲振動の漏
れを最小限にしたから、屈曲振動を最もよく励振するこ
とができる。Further, the point where there is almost no displacement of the bending vibrator causing bending vibration, that is, perpendicular to the neutral planes S 1 and S 2 of the bending vibrator 1 in FIGS. 10 (A) and 10 (B), By arranging the longitudinal vibrators 3 and 4 and the supporting parts in the plane of the nodes N 1 and N 2 where the intersection lines are the node lines l 4 and l 5 , the leakage of the bending vibration generated in the bending vibrator 1 is reduced. Since it is minimized, it is possible to excite the bending vibration best.
そして、節面上で縦振動子3,4の縦振動方向と同一方
向に圧接力が働くよう支持部位を配置してある。そし
て、屈曲振動子１が屈曲振動をする場合、屈曲振動子の
中立面は節を中心として紙面上で左右の部分が上下に振
動することになる。このため屈曲振動の節の位置以外に
支持部を設けると屈曲振動子の屈曲振動を妨げることに
なり、振動状態が不安定になるからモータ効率が低下す
ることになる。また、縦振動子3,4の縦振動方向と支持
部位の支持のための力の方向と位置が略一致しているた
めに、縦振動によって圧接力が有効に被駆動部材（リニ
アレール８）に伝わるから効率の高い安定したモータが
実現できる。The supporting portions are arranged on the nodal surfaces so that a pressing force acts in the same direction as the longitudinal vibration directions of the longitudinal vibrators 3 and 4. When the bending oscillator 1 performs bending vibration, the neutral surface of the bending oscillator vibrates up and down on the left and right portions of the paper centering on the nodes. For this reason, if the supporting portion is provided at a position other than the position of the node of the bending vibration, the bending vibration of the bending vibrator is hindered, and the vibration state becomes unstable, so that the motor efficiency is reduced. In addition, since the direction of longitudinal vibration of the longitudinal vibrators 3 and 4 and the direction of the force for supporting the supporting portion substantially coincide with each other, the pressure contact force is effectively generated by the longitudinal vibration and the driven member (linear rail 8). , A highly efficient and stable motor can be realized.
以上説明したこの第１実施例では、リニアレール８を
固定し、屈曲振動子１や縦振動子3,4からなる駆動体2を
含めた移動対象を、リニアレール８に沿って走行させる
ように構成した、例えば自走式モータを示していた。し
かしながら、上記移動対象を固定し、リニアレール８を
移動させるようにしたこの第１実施例における変形例
を、第11図（Ａ），（Ｂ）により以下に説明する。In the first embodiment described above, the linear rail 8 is fixed, and the moving object including the driving body 2 including the bending vibrator 1 and the vertical vibrators 3 and 4 travels along the linear rail 8. For example, a self-propelled motor was shown. However, a modification of the first embodiment in which the moving object is fixed and the linear rail 8 is moved will be described below with reference to FIGS. 11 (A) and 11 (B).
第11図（Ａ），（Ｂ）は、この変形例の正面図と側面
図である。図において、下板19aで固定された一対の支
持台12aの上に、屈曲振動子1aや縦振動子3a,4aからなる
駆動体が載り、該駆動体の縦振動子3a,4aと被駆動部材
である移動体29の下面の一部が接触している。また、そ
の上部には圧力調整用バネ15a,15bで下方に引張された
支軸23aに車輪22aを取着したものが配置されている。こ
の車輪22aは、移動体29に接触して回転できるようにな
っていて、この車輪22aの支軸23aと圧力調整用バネ15a,
15bは、車輪が上下に移動可能な構造のフレーム30に組
み込まれ、このフレーム30は下板19aに取り付けられて
いる。そして、圧力調整用バネ15a,15bにより、移動体2
9と、駆動体との接触圧力を調整するようになってい
る。この駆動体に前記第１実施例と同じ位相差の交流電
圧を屈曲振動子1aおよび縦振動子3a,4aに印加すると、
移動体29のみがリニアに移動することになる。また、こ
の変形例では、移動体29の摺動面29b上には車輪22aがリ
ニアレールの幅方向に外れないように車輪の幅よりやや
広い溝29aが設けられている。FIGS. 11A and 11B are a front view and a side view of this modified example. In the figure, a driving body composed of a bending vibrator 1a and vertical vibrators 3a and 4a is mounted on a pair of support bases 12a fixed by a lower plate 19a, and is driven by the vertical vibrators 3a and 4a of the driving body. A part of the lower surface of the moving body 29, which is a member, is in contact with the moving body 29. At the upper part, there is provided a support shaft 23a pulled downward by the pressure adjusting springs 15a and 15b and a wheel 22a attached thereto. The wheel 22a is adapted to rotate in contact with the moving body 29, and the support shaft 23a of the wheel 22a and the pressure adjusting spring 15a,
15b is incorporated in a frame 30 having a structure in which wheels can move up and down, and this frame 30 is attached to a lower plate 19a. The moving body 2 is moved by the pressure adjusting springs 15a and 15b.
9 and the contact pressure with the driving body is adjusted. When an AC voltage having the same phase difference as that of the first embodiment is applied to the driving body to the bending vibrator 1a and the vertical vibrators 3a and 4a,
Only the moving body 29 moves linearly. Further, in this modification, a groove 29a slightly wider than the width of the wheel is provided on the sliding surface 29b of the moving body 29 so that the wheel 22a does not come off in the width direction of the linear rail.
第12図（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例を示す
超音波モータの正面図と側面図で、縦振動子が１個の場
合を示している。上記第１実施例が節が４つある両端自
由の３次屈曲振動モードを使用していたのに対し、この
第２実施例では節が１個である一端クランプの２次屈曲
振動モードを使用した点が異なる。12 (A) and 12 (B) are a front view and a side view of an ultrasonic motor according to a second embodiment of the present invention, showing a case where there is one longitudinal vibrator. Whereas the first embodiment uses a tertiary bending vibration mode with four nodes and free ends, the second embodiment uses a secondary bending vibration mode with one end clamp having one node. Is different.
振動モードとしては、第12図（Ｃ）に示すように、片
側を完全にクランプした状態の２次屈曲共振モードを考
えると、この板の屈曲振動の節は全長を１とした場合、
板の先端から0.2165の所にあることになる。よって、本
実施例では屈曲振動子1Aの一端を完全にクランプするよ
うに側板21Aに固定し、該屈曲振動子1Aの先端から（0.2
165/1）の比率の節の位置に縦振動子3Aを配置してい
る。そして、該縦振動子3Aを配置した節の位置に、上記
第１実施例と同じように、支持台12A,被駆動部材である
移動体5A,圧力調整用バネ15A,15B,車輪22A,一対のフレ
ーム33を配置する。なお、上記屈曲振動子1Aと縦振動子
3Aとは駆動体を構成する。そこで、上記駆動体に上記第
１実施例と同じ位相差の交流電圧を印加すれば、移動体
5Aのみがリニアに移動することになる。ここで、移動体
5Aが水平方向に移動した場合、移動体5Aが傾むくことが
ないように車輪22Aの両側に、フレーム33に横架した２
本の支軸28a,28bに回転可能な小型の車輪31,32をそれぞ
れ取り付け、これらを移動体5Aに押し当てている。As a vibration mode, as shown in FIG. 12 (C), considering a secondary bending resonance mode in which one side is completely clamped, when a node of bending vibration of this plate has a total length of 1,
It will be 0.2165 from the end of the board. Therefore, in the present embodiment, one end of the bending oscillator 1A is fixed to the side plate 21A so as to be completely clamped, and from the tip of the bending oscillator 1A (0.2
The longitudinal oscillator 3A is arranged at the position of the node having the ratio of 165/1). Then, as in the first embodiment, the support base 12A, the moving member 5A as a driven member, the pressure adjusting springs 15A and 15B, the wheels 22A, Frame 33 is arranged. The bending oscillator 1A and the vertical oscillator
3A constitutes a driving body. Therefore, if an AC voltage having the same phase difference as that of the first embodiment is applied to the driving body,
Only 5A will move linearly. Where the mobile
When the moving body 5A moves in the horizontal direction, two sides of the frame 33 are mounted on both sides of the wheel 22A so that the moving body 5A does not tilt.
Small rotatable wheels 31, 32 are attached to the spindles 28a, 28b, respectively, and these are pressed against the moving body 5A.
この第２実施例の場合も上記第１実施例と同様移動体
5Aの摺動面5Aa上に溝29aが設けられている。In the case of the second embodiment, the moving body is similar to that of the first embodiment.
A groove 29a is provided on the sliding surface 5Aa of 5A.
以上が本発明の第２実施例を示す超音波モータの概要
である。次に、これら第1,第２実施例を示す超音波モー
タの応用例として、超音波モータをカメラのレンズ鏡筒
に適用した例を第13図（Ａ），（Ｂ）により説明する。The above is the outline of the ultrasonic motor according to the second embodiment of the present invention. Next, as an application example of the ultrasonic motor according to the first and second embodiments, an example in which the ultrasonic motor is applied to a lens barrel of a camera will be described with reference to FIGS. 13 (A) and 13 (B).
第13図（Ａ），（Ｂ）は、上記超音波モータを使用し
てカメラのレンズ鏡筒のような円筒の中にある内部移動
体、例えばレンズ支持枠を移動させるようにした応用例
である。FIGS. 13A and 13B show an application example in which the ultrasonic motor is used to move an internal moving body, for example, a lens support frame, inside a cylinder such as a lens barrel of a camera. is there.
第13図（Ａ）は、レンズ鏡筒の断面図であり、第13図
（Ｂ）は、第13図（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図であ
る。図において、この応用例は、鏡筒外壁41に圧力調整
用板バネ42が固定され、該圧力調整用板バネ42が駆動体
である圧電素子43および縦振動子44の貼着された屈曲振
動子45を固定支持しており、該屈曲振動子45に貼着され
た縦振動子44の先端が、円筒状からなり内部にレンズを
固定した内部移動体47に圧力調整用板バネ42によって圧
力調整されて接している。また、被駆動部材である内部
移動体47の縦振動子44に接している箇所は、屈曲振動子
45と縦振動子44で発生した駆動力を効率よく伝達させる
ように平面状になっており、また、平面状であるめに不
要な回転が発生しない。そして、上記屈曲振動子45と縦
振動子44に上記実施例と同様の位相の異なる電圧を印加
すると、レンズを固定した内部移動体47を外壁41の中心
軸に沿って平行に移動させることができる。FIG. 13 (A) is a cross-sectional view of the lens barrel, and FIG. 13 (B) is a cross-sectional view along line XX of FIG. 13 (A). In this application example, a flexural vibration in which a pressure adjusting leaf spring 42 is fixed to a lens barrel outer wall 41 and the piezoelectric element 43 serving as a driving body and a vertical vibrator 44 are attached to the pressure adjusting leaf spring 42 is shown in FIG. The tip of a vertical vibrator 44 attached to the bending vibrator 45 is fixed by a pressure adjusting leaf spring 42 to an internal moving body 47 in which a lens is fixed inside. It is adjusted and touched. The portion of the internal moving body 47 that is the driven member in contact with the vertical vibrator 44 is a bending vibrator.
It is flat so that the driving force generated by 45 and the vertical vibrator 44 can be efficiently transmitted, and unnecessary rotation does not occur due to the flat shape. Then, when voltages having different phases similar to those in the above-described embodiment are applied to the bending oscillator 45 and the vertical oscillator 44, the internal moving body 47 to which the lens is fixed can be moved in parallel along the central axis of the outer wall 41. it can.
本実施例では内部移動体47として円筒状の中にレンズ
46を固定したものを示し、このレンズ46を第13図（Ｂ）
の矢印Ｅ方向に移動させたが、内部移動体47は、円筒，
円柱または円筒の中へ取り付けられるものならどんなも
のであってもよい。In this embodiment, a lens is provided inside the cylinder as the internal moving body 47.
FIG. 13 (B) shows the lens 46 fixed.
Is moved in the direction of arrow E of FIG.
Anything that can be mounted in a cylinder or cylinder.
上記各実施例では、屈曲振動子の支持部分と縦振動子
は屈曲振動の同一節線上屈曲振動の振幅方向にあるが、
屈曲振動子の支持部分と縦振動子は屈曲振動の節線上で
あり、かつ上記屈曲振動の支持部と縦振動子は屈曲振動
子のそれぞれ左右対称の位置にあれば同一節線上でなく
てもよい。即ち、屈曲振動子の支持部と縦振動子は、屈
曲振動の同一または異なる節を通り、かつ屈曲振動の振
幅方向に延びる直線上に配置されてもよい。In each of the above embodiments, the supporting portion of the bending oscillator and the vertical oscillator are in the same node of the bending vibration in the amplitude direction of the bending vibration,
The supporting portion of the bending oscillator and the vertical oscillator are on the node of the bending vibration, and the supporting portion of the bending oscillator and the vertical oscillator are not on the same node if the bending oscillator is at the left-right symmetric position. Good. That is, the support portion and the vertical vibrator of the bending vibrator may be arranged on a straight line passing through the same or different nodes of the bending vibration and extending in the amplitude direction of the bending vibration.
次に本発明の第３実施例を示す超音波モータについて
説明する。本実施例の超音波モータは、付加質量体を設
けることによって、縦振動子及び屈曲振動子の屈曲振動
の１次の共振の節の位置を弾性体自体の厚み方向の中心
面上に位置せしめるものであって、駆動時に節回りの微
少往復振動である屈曲振動ができる限り阻害されないよ
うにした効率のよい超音波モータである。Next, an ultrasonic motor according to a third embodiment of the present invention will be described. In the ultrasonic motor of this embodiment, by providing the additional mass body, the position of the primary resonance node of the bending vibration of the vertical vibrator and the bending vibrator is positioned on the center plane in the thickness direction of the elastic body itself. This is an efficient ultrasonic motor in which bending vibration, which is minute reciprocating vibration around the node, is minimized during driving.
また、上記本発明の屈曲振動子と縦振動子とで構成さ
れる駆動体を用いた超音波モータにおいては、第21図の
模式図に示されるように、その駆動体82においては屈曲
振動子81の片側に縦振動子84a,84bが取り付けられてい
る。従って駆動体82の屈曲振動の節82b,82cの位置は、
縦振動子のアンバランス質量により屈曲振動子81自体の
節81b,81cの位置と少しずれる。また、屈曲振動子81自
体の節の位置も弾性体85の片側にのみ圧電素子86が取り
付けられているため、実際には弾性体厚み方向中央には
無く、わずかに圧電素子側にずれている。そこで、第21
図の駆動体82における上記節82b,82cの位置と屈曲振動
子81自体の節81b,82cの差異の原因となるアンバランス
質量について説明する。まず、第21図の駆動体82のＡ−
Ａ面からＢ−Ｂ面の範囲を考えた場合、縦振動子84aが
固着されていない上側の等価質量をm1とし、その等価質
量の中心から仮想の回転軸までの距離をr1とする。ま
た、縦振動子84aが固着される下側の等価質量をm2と
し、その質量中心から上記軸心までの距離をr2とする
（第22図参照）。上記仮想回転軸回りの上，下側の回転
慣性質量I1，I2はそれぞれ となる。いま、仮想回転軸を従来例のように屈曲振動子
81の中立面81a上の節81bとした場合、この節位置は、圧
電素子86が軽量であるので弾性体85の中心位置の近傍に
位置する。従って、上記距離r1，r2はr1＜r2の関係を持
つ。また、質量m1，m2の関係はm2には縦振動子84aが付
加されているので、m1＜m2となる。上記（１），（２）
式より節81bを回転軸とした上，下回転慣性質量I1，I2
の関係はI1＜I2となり、アンバランス状態であって、節
81bが駆動体82の屈曲振動の真の節とはならない。そし
て、そのような屈曲振動子81の節81bを中心とする支持
部85a,85bを支持して駆動体82を屈曲振動させた場合
は、その屈曲振動は阻害され、効率のよい駆動が不可能
となる。In the ultrasonic motor using the configured drive member in the bending vibrator and longitudinal vibrator of the present invention, as shown in the schematic diagram of FIG. 21, the bending transducer in the drive member 82 The longitudinal oscillators 84a and 84b are attached to one side of 81. Therefore, the positions of the nodes 82b and 82c of the bending vibration of the driving body 82 are
The position of the nodes 81b and 81c of the bending oscillator 81 itself slightly shifts due to the unbalance mass of the vertical oscillator. Also, the position of the node of the bending vibrator 81 itself is not at the center of the elastic body in the thickness direction but slightly shifted to the piezoelectric element side because the piezoelectric element 86 is attached to only one side of the elastic body 85. . So, the 21st
The unbalanced mass that causes the difference between the positions of the nodes 82b and 82c in the driving body 82 and the nodes 81b and 82c of the bending oscillator 81 itself will be described. First, the driver 82 of FIG. 21 A-
Considering the range of A surface of the B-B plane, the upper equivalent weight of vertically transducer 84a is not fixed and m 1, the distance from the center of the equivalent mass to virtual rotary axis r 1 . The equivalent mass on the lower side to which the vertical oscillator 84a is fixed is m 2, and the distance from the center of mass to the axis is r 2 (see FIG. 22). The rotational inertial masses I 1 and I 2 above and below the virtual rotation axis are respectively Becomes Now, the virtual rotation axis is set to the bending oscillator as in the conventional example.
In the case where the node 81b is on the neutral surface 81a of the 81, the node position is located near the center position of the elastic body 85 because the piezoelectric element 86 is lightweight. Therefore, the distances r 1 and r 2 have a relationship of r 1 <r 2 . The relationship of the mass m 1, m 2 because the vertical vibrator 84a is added to the m 2, the m 1 <m 2. The above (1), (2)
From the equation, the upper and lower rotary inertia masses I 1 and I 2
Is I 1 <I 2 , and is in an unbalanced state.
81b is not a true node of the bending vibration of the driver 82 . When the driving body 82 is bent and vibrated while supporting the support portions 85a and 85b centered on the nodes 81b of the bending vibrator 81, the bending vibration is disturbed, and efficient driving is impossible. Becomes
上記のように駆動体82における屈曲振動に対する中立
面82a上の真の節をそれぞれ節82b,82cとするならば（第
21図参照）、第22図に示されるように回転軸心Ｃから上
側の質量m1の位置までの距離r1は、縦振動子のある下側
の質量m2の位置までの距離r2よりも短くなるような軸心
Ｃが上記節82bあるいは82cとなる。しかしながら、この
節82b,82cの位置を計算等で求めるのは極めて困難であ
る。As described above, if the true nodes on the neutral surface 82a for the bending vibration of the driving body 82 are nodes 82b and 82c, respectively (the
21), the distance r 1 from the rotation axis C to the position of the upper mass m 1 as shown in FIG. 22 is the distance r 2 from the lower mass m 2 of the longitudinal vibrator to the position of the lower mass m 2. The axis C that is shorter than the above becomes the above-mentioned node 82b or 82c. However, it is extremely difficult to calculate the positions of the nodes 82b and 82c by calculation or the like.
そこで本実施例の超音波モータにおいては、前述のよ
うに縦振動子の質量に相当する質量を持つ付加質量体を
弾性体の縦振動子対向位置に固着した駆動体を用いるも
のである。そして、その駆動体における上記等価質量
m1，m2および節までの距離r1，r2はそれぞれm1＝m2，r1
＝r2の関係を持ち、上記節回りの上下の回転慣性質量の
値もバランスのとれた構造となる。従って、その駆動体
の屈曲振動の節は弾性体の中立面上に位置するようにな
る。そして、その節を支持部とし支持体で支持するよう
に駆動体を構成する。この駆動体を用いるならば、屈曲
振動の節部回りの微少往復振動は阻害されない状態で駆
動体を効率よく振動せしめることができる。Therefore, in the ultrasonic motor according to the present embodiment, as described above, a driving body in which an additional mass body having a mass corresponding to the mass of the vertical vibrator is fixed to a position of the elastic body opposed to the vertical vibrator. And the equivalent mass of the driving body
m 1 , m 2 and the distances r 1 , r 2 to the nodes are m 1 = m 2 , r 1
= R 2 , and the value of the rotational inertial mass above and below the node is also balanced. Accordingly, the node of the bending vibration of the driving body is located on the neutral plane of the elastic body. Then, the driving body is configured so that the node is used as a supporting portion and supported by the supporting body. If this driving body is used, the driving body can be efficiently vibrated in a state where the minute reciprocating vibration around the node of the bending vibration is not hindered.
第14図（Ａ）は、上記第３実施例の超音波モータの要
部縦断面図であって、本モータにおける駆動体62は、縦
振動子54a,54bと屈曲振動子61および付加質量体65a,65b
で構成される。屈曲振動子61は、平面形状が長方形をな
す比較的厚みのある板状の弾性体55の上面および下面
に、板厚方向に分極された薄板状圧電素子56a,56bを接
着して形成されている。上記圧電素子56a,56bは、その
分極方向に高周波電圧を印加すると屈曲振動子61は屈曲
振動を生じ、更に特定の周波数の信号を印加すれば、共
振の屈曲定在波振動をする。本実施例の場合は１次の屈
曲共振振動が最も効率よく励振されるような構成の屈曲
振動子61となっている。FIG. 14 (A) is a longitudinal sectional view of an essential part of the ultrasonic motor according to the third embodiment. The driving body 62 in this motor includes longitudinal oscillators 54a and 54b, a bending oscillator 61 and an additional mass body. 65a, 65b
It consists of. The bending vibrator 61 is formed by bonding thin plate-like piezoelectric elements 56a and 56b polarized in the plate thickness direction to the upper and lower surfaces of a relatively thick plate-like elastic body 55 having a rectangular planar shape. I have. When a high-frequency voltage is applied in the direction of polarization of the piezoelectric elements 56a and 56b, the bending oscillator 61 generates bending vibration, and when a signal of a specific frequency is further applied, resonance bending standing wave vibration occurs. In the case of the present embodiment, the bending vibrator 61 is configured so that the primary bending resonance vibration is most efficiently excited.
一方、上記縦振動子54a,54bは、上記屈曲振動子61よ
り幅広（第14図（Ａ）参照）の積層圧電素子で形成され
ている。そして、上記屈曲振動子61の１次の屈曲振動の
それぞれ２つの節の位置から屈曲振動の振幅方向に延び
る直線上の屈曲振動子61の弾性体55の表面に固着されて
いる。この縦振動子54a,54bは高周波電圧が印加される
と屈曲振動子61の板厚方向に振動する。また、この縦振
動子54a,54bの固着された屈曲振動子の弾性体55の面と
は反対側の面で屈曲振動の節に対して対称な位置に該縦
振動子と同比重で、同形状の付加質量体65a,65bが固着
されている。さらには、上記縦振動子54a,54bの先端面
には、それぞれ耐摩耗性の摩擦材で形成されたスライダ
54c,54dが固着されている。On the other hand, the vertical vibrators 54a and 54b are formed of laminated piezoelectric elements wider than the bending vibrator 61 (see FIG. 14A). The bending oscillator 61 is fixed to the surface of the elastic body 55 of the bending oscillator 61 on a straight line extending from the position of each of the two nodes of the primary bending vibration in the amplitude direction of the bending vibration. The vertical oscillators 54a and 54b vibrate in the thickness direction of the bending oscillator 61 when a high-frequency voltage is applied. Further, on the surface opposite to the surface of the elastic body 55 of the bending oscillator to which the vertical oscillators 54a and 54b are fixed, at a position symmetrical with respect to the node of the bending vibration at the same specific gravity as the vertical oscillator, Shaped additional mass bodies 65a, 65b are fixed. Further, sliders formed of wear-resistant friction material are provided on the end faces of the vertical vibrators 54a and 54b, respectively.
54c and 54d are fixed.
そして、このスライダ54c,54dは、図示被駆動部材で
あるレール部材52の上面に固着された耐摩耗性摩擦材の
スライド板52bに圧接され、摩擦接触が保持される。な
お、上記レール部材52は図示されない他の不動部材に固
定されるものとする。The sliders 54c and 54d are pressed against a slide plate 52b of a wear-resistant friction material fixed to the upper surface of the rail member 52, which is a driven member in the drawing, to maintain the frictional contact. It is assumed that the rail member 52 is fixed to another immovable member (not shown).
他方、上記レール部材52の、上記スライド板52bの固
着されていない側の面には、断面半円状の直線状の２列
のガイド溝52aが駆動体62の駆動される方向に平行に穿
設されている。また、上記レール部材52の一部および前
記屈曲振動子61はモータ支持枠51内に配設されており、
このモータ支持枠51は上記レール部材52の一部と前記屈
曲振動子61を囲むように断面Ｕの字型のチャンネル状部
材で形成されている。この支持枠51には上記ガイド溝52
aに相対向する位置にガイド溝52aと同様な断面半円状を
なす直線状の平行な有端のボール収納溝51aが穿設され
ていて、このボール収納溝51aと上記ガイド溝52aとの両
溝内には複数個のベアリングボール63が配設されてい
る。これによって支持枠51はボール63をボール収納溝51
a内に保持した状態でレール部材52のガイド溝52aの方向
にのみ可動し得るように構成される。On the other hand, on the surface of the rail member 52 on the side where the slide plate 52b is not fixed, two rows of linear guide grooves 52a having a semicircular cross section are formed in parallel with the driving direction of the driving body 62. Has been established. Further, a part of the rail member 52 and the bending oscillator 61 are disposed in the motor support frame 51,
The motor support frame 51 is formed of a channel-shaped member having a U-shaped cross section so as to surround a part of the rail member 52 and the bending vibrator 61. The support frame 51 has the guide groove 52
A linear parallel-ended ball storage groove 51a having a semicircular cross section similar to the guide groove 52a is formed at a position facing the a, and the ball storage groove 51a and the guide groove 52a are A plurality of bearing balls 63 are disposed in both grooves. As a result, the support frame 51 moves the ball 63 into the ball storage groove 51.
It is configured to be movable only in the direction of the guide groove 52a of the rail member 52 while being held in a.
そして、前記屈曲振動子61は上記支持枠51に対して次
のようにして取り付けられている。即ち、屈曲振動子61
の屈曲振動の節の位置には、屈曲振動子61の幅方向に突
出する円柱軸状の支持ピン55a,55b,55c,55dが弾性体55
に一体的に左右対称位置であって、弾性体55の厚み方向
の中心位置上に４ヶ所設けられている。この支持ピンは
屈曲振動子の支持部となる。支持ピン55a〜55dの外周に
はそれぞれフランジ付の摺動性の良い材質からなる支持
部材64a,64b,64c,64dが固着または嵌合されている。The bending oscillator 61 is attached to the support frame 51 as follows. That is, the bending oscillator 61
At the positions of the nodes of the bending vibration, cylindrical shaft-shaped support pins 55a, 55b, 55c, and 55d projecting in the width direction of the bending vibrator 61 have elastic members 55.
The elastic body 55 is provided at four positions on the center of the elastic body 55 in the thickness direction. This support pin becomes a support portion of the bending oscillator. Support members 64a, 64b, 64c, 64d each having a flange and made of a material having good slidability are fixed or fitted to the outer periphery of the support pins 55a to 55d, respectively.
駆動体62の保持部材である保持体57は、屈曲振動子61
を上方から囲むように断面逆Ｕ字型に形成されたチャン
ネル状部材からなり、その左右両側縁部の、上記支持ピ
ン55a〜55dに対向する部位に、係合切欠部57c,57d,57e,
57fが穿設されている。屈曲振動子61の弾性体55に設け
られる支持ピン55a〜55dはその係合切欠部57c〜57eに支
持部材64a〜64dを介して回動自在に嵌着されるものとす
る。そして、上記保持体57は左右両側縁部の中程が上方
に向けて折り曲げられて幅方向の外方左右に向けて水平
に張り出した取付片57a,57bを有しており、上記支持ピ
ン55a〜55dを係合切欠部57c〜57eに嵌着した保持体57の
両取付片57a,57bを上記支持枠51の上面に載置し、皿ば
ね58およびスペーサ59を介して２本のビス60を取付片57
a,57bに貫通させて支持枠51の上面にねじ込む。このよ
うにして保持体57は支持枠51に固定される。また、この
取付状態において取付片57a,57bと支持枠51上面との間
には僅かな隙間が生じるように設計されている。A holding body 57 as a holding member of the driving body 62 includes a bending vibrator 61.
Is formed in a channel-shaped member having an inverted U-shaped cross-section so as to surround the support pins 55a to 55d on the left and right side edges thereof, and engaging notches 57c, 57d, 57e,
57f is drilled. The support pins 55a to 55d provided on the elastic body 55 of the bending oscillator 61 are rotatably fitted to the engagement notches 57c to 57e via the support members 64a to 64d. The holding body 57 has mounting pieces 57a, 57b that are bent upward in the middle of both right and left side edges and horizontally project outward and left and right in the width direction. The two mounting pieces 57a, 57b of the holding body 57, in which the screws 55a to 55d are fitted into the engagement notches 57c to 57e, are placed on the upper surface of the support frame 51, and two screws 60 are provided via a disc spring 58 and a spacer 59. The mounting piece 57
a, 57b and screwed into the upper surface of the support frame 51. In this way, the holder 57 is fixed to the support frame 51. Further, it is designed such that a slight gap is generated between the mounting pieces 57a, 57b and the upper surface of the support frame 51 in this mounting state.
上記皿ばね58によって発生するばね付勢力の一方は上
記保持体57,振動子54a,54b等を介してスライダ54c,54d
に伝達される。他の一方のばね付勢力は、支持枠51,レ
ール部材52等を介してスライド板52bに伝達される。従
って、その付勢力はスライダ54c,54dとスライド板52bと
の接触面の圧接付勢力として作用する。そして、その付
勢力の調節は上記スペーサ59の厚みを変化させることに
よって行われる。以上のようにして屈曲振動子61と縦振
動子54a,54bおよび付加質量体65a,65bからなる駆動体62
をレール部材52のスライド板52aに適切な圧接力で圧接
することが可能となる。One of the spring urging forces generated by the disc spring 58 is applied to the sliders 54c and 54d via the holder 57, the vibrators 54a and 54b, and the like.
Is transmitted to The other spring biasing force is transmitted to the slide plate 52b via the support frame 51, the rail member 52, and the like. Therefore, the urging force acts as a pressure urging force of the contact surface between the sliders 54c and 54d and the slide plate 52b. The adjustment of the biasing force is performed by changing the thickness of the spacer 59. As described above, the driving body 62 including the bending oscillator 61, the vertical oscillators 54a and 54b, and the additional mass bodies 65a and 65b.
Can be pressed against the slide plate 52a of the rail member 52 with an appropriate pressing force.
上述したように、上記第３実施例の超音波モータによ
れば、まず、屈曲振動子61は弾性体55の中立面61aに対
して、形状及び質量が対称になるように同形状の圧電素
子56a,56bを弾性体55の上下面に固着する。更に、縦振
動子54a,54bに対しては上記中立面61aに関して対称の位
置に同形状、同質量の付加質量体65a,65bが固着され
る。従って、駆動体62の屈曲振動の節62b,62cは上記中
立面61a上に位置する。なお、具体的にはその節62b,62c
は弾性体55の板厚方向の中央に位置せしめることにな
る。As described above, according to the ultrasonic motor of the third embodiment, first, the bending vibrator 61 has the same shape as the piezoelectric body 55 with respect to the neutral surface 61a so that the shape and the mass are symmetrical. The elements 56a and 56b are fixed to the upper and lower surfaces of the elastic body 55. Further, additional mass bodies 65a, 65b having the same shape and the same mass are fixed to the longitudinal vibrators 54a, 54b at symmetric positions with respect to the neutral surface 61a. Therefore, the nodes 62b and 62c of the bending vibration of the driving body 62 are located on the neutral surface 61a. In addition, specifically, the section 62b, 62c
Is located at the center of the elastic body 55 in the thickness direction.
以上のように構成されたこの第３実施例の超音波モー
タは、屈曲振動子61並びに縦振動子54a,54bにそれぞれ
位相制御された交流電圧を印加することによって駆動さ
れる。そして、レール部材52のスライド板52bに圧接さ
れる縦振動子54a,54bに固着されたスライダ54c,54dが前
述の第１実施例の場合に示したような円または楕円軌跡
の挙動を行う。従って、レール部材52に沿って支持枠51
が移動せしめられ、支持枠51に取付けられる移動対象
（図示せず）も同時に駆動されることになる。The ultrasonic motor of the third embodiment configured as described above is driven by applying alternating-current voltages whose phases are controlled to the bending oscillator 61 and the vertical oscillators 54a and 54b. Then, the sliders 54c and 54d fixed to the vertical vibrators 54a and 54b pressed against the slide plate 52b of the rail member 52 behave in a circular or elliptical locus as shown in the case of the first embodiment. Therefore, the support frame 51 is moved along the rail member 52.
Is moved, and a moving object (not shown) attached to the support frame 51 is simultaneously driven.
本実施例の超音波モータによれば、駆動部である駆動
体62の屈曲振動の節を正確に弾性体の中立面上に設定す
ることができて、その部分を保持体57で支持するので、
その屈曲振動が阻止されることなく、効率のよい安定し
た駆動状態が実現され、更に、駆動時の不快な可聴音の
発生を防止できる。また、弾性体自体の設計も容易にな
り、更に、部品の誤差によって節の位置が多少ずれたり
した場合でも、付加質量の大きさを調節することによっ
て簡単に修正することもできる。According to the ultrasonic motor of the present embodiment, the node of the bending vibration of the driving body 62 as the driving unit can be accurately set on the neutral surface of the elastic body, and that portion is supported by the holding body 57. So
An efficient and stable driving state is realized without preventing the bending vibration, and furthermore, generation of unpleasant audible sound during driving can be prevented. Further, the design of the elastic body itself is facilitated, and even if the position of the node slightly shifts due to an error of the component, it can be easily corrected by adjusting the magnitude of the additional mass.
上記第３実施例では屈曲振動の次数は１次であった
が、これは他の２次とか３次とかもっと高い次数の振動
であっても勿論適用できる。また、支持ピン55a〜55dは
縦振動子の取り付けられた位置と同じであったが、これ
も勿論異なる節位置としてもよい。また、圧電素子56a,
56bは弾性体55の両側に取り付けられているがこれも片
側のみでも構わない。更に、付加質量体65a,65bは縦振
動子54a,54bと同比重、同形状であったが、節回りの回
転慣性質量が節の上下、即ち、振幅方向で等しくなるよ
うにすれば異なる比重とか形状を持っていてもよいこと
は勿論である。例えば、付加質量体65a,65bと弾性体55
を一体に形成してもよい。この場合、構成要素が少なく
なり、また、付加質量体を弾性体に取り付ける工数も不
用となる。In the third embodiment, the order of the bending vibration is the first order. However, it is needless to say that the order of the bending vibration can be applied to other second-order or third-order vibrations. Further, the support pins 55a to 55d are at the same positions where the vertical vibrators are attached, but may be of course at different node positions. Also, the piezoelectric elements 56a,
56b is attached to both sides of the elastic body 55, but this may be only one side. Further, the additional mass bodies 65a and 65b have the same specific gravity and the same shape as the longitudinal vibrators 54a and 54b, but different specific gravities if the rotational inertial mass around the nodes is equal in the vertical direction of the nodes, that is, in the amplitude direction. Of course, it may have a shape. For example, the additional mass bodies 65a and 65b and the elastic body 55
May be integrally formed. In this case, the number of components is reduced, and the number of steps for attaching the additional mass body to the elastic body is unnecessary.
第15図は上記第３実施例の変形例を示す駆動体69の側
面図である。第３実施例の駆動体62と異なる点は、弾性
体55に圧電素子56a,56b、縦振動子54a,54b、付加質量体
65a,65bの取り付け位置決めのための溝55e,55fと55g,55
hと55i,55jを設けたことと、更に、付加質量体65a,65b
に比重の大きい材質を用いて、付加質量体65a,65bの寸
法を小さくしたことである。このようにすると振動子の
製作誤差をより小さく抑えることができるので、屈曲振
動は、より振動の対称性の精度を増し、より安定で高効
率なものとなる。また、駆動体69を小型にすることが可
能となる。上記付加質量体65a,65bの材質としては鉄
系，銅系などの金属が好適である。さらに小型化するに
はタングステンなどが良い。FIG. 15 is a side view of a driving body 69 showing a modification of the third embodiment. The difference from the driving body 62 of the third embodiment is that the piezoelectric element 56a, 56b, the longitudinal vibrators 54a, 54b,
Grooves 55e, 55f and 55g, 55 for mounting positioning of 65a, 65b
h and 55i, 55j, and additional mass bodies 65a, 65b
That is, the dimensions of the additional mass bodies 65a and 65b are reduced by using a material having a large specific gravity. In this way, the manufacturing error of the vibrator can be suppressed to a smaller value, so that the bending vibration has higher accuracy of vibration symmetry, and is more stable and more efficient. Further, it is possible to reduce the size of the driving body 69 . As the material of the additional mass bodies 65a and 65b, a metal such as an iron-based or copper-based metal is preferable. For further miniaturization, tungsten or the like is preferable.
第16図は上記第３実施例の別の変形例の駆動体を示
す。この変形例の駆動体72は、特別な付加質量体を用い
ないものであって、縦振動子74a,74bの質量を小さく
し、また、片側に付けた圧電素子76が付加質量の作用を
するものである。この変形例では弾性体75の質量が縦振
動子74a,74bの質量よりも充分大きいので、特別に付加
質量体を付けなくても、屈曲振動の節に対する回転慣性
質量は節の上下に関してあまり大きな差が無くなり屈曲
振動のアンバランスはほとんど生じない。従って、本変
形例による駆動体を適用した超音波モータは上述の第３
実施例の超音波モータと同様、そのモータの駆動におい
て、その屈曲振動が阻害されることが少なく、効率のよ
い超音波モータを提供することが可能となる。FIG. 16 shows a driving body according to another modification of the third embodiment. The driving body 72 of this modification does not use a special additional mass body, reduces the mass of the vertical vibrators 74a, 74b, and the piezoelectric element 76 attached to one side acts as an additional mass. Things. In this modification, the mass of the elastic body 75 is sufficiently larger than the masses of the longitudinal vibrators 74a and 74b. The difference disappears and there is almost no imbalance in bending vibration. Therefore, the ultrasonic motor to which the driving body according to this modification is applied is the third motor described above.
As in the case of the ultrasonic motor according to the embodiment, it is possible to provide an efficient ultrasonic motor in which the bending vibration is hardly hindered in driving the motor.
第17図は、前述の第３実施例の更に別の変形例である
駆動体を示す。この変形例は、上記変形例と同様に特別
な付加質量体を設ける必要のないものである。そして、
駆動体92を支持する支持部55a,55bを必ずしも弾性体95
の振動方向の中立面91a上には設定しないものである。
その屈曲振動方向の圧電素子96や弾性体95あるいは縦振
動子94a,94bの回転慣性質量のバランス、あるいは弾性
体の剛性のバランス等を考慮して、計算上あるいは実験
上の上記中立面91aとの変位量ｄだけずれた節の位置を
求め、その位置に駆動体92を支持する４つの支持ピン55
a,55b（他の支持部は図示せず）を配設するものであ
る。FIG. 17 shows a driving body which is still another modification of the third embodiment. This modification does not require the provision of a special additional mass body as in the above-described modification. And
The supporting portions 55a and 55b supporting the driving body 92 are not necessarily elastic bodies 95.
Are not set on the neutral surface 91a of the vibration direction.
In consideration of the balance of the rotational inertial mass of the piezoelectric element 96, the elastic body 95 or the vertical vibrators 94a and 94b in the bending vibration direction, or the balance of the rigidity of the elastic body, the neutral plane 91a is calculated or experimentally determined. And the four support pins 55 for supporting the driver 92 at that position.
a, 55b (other supporting portions are not shown).
本変形例の駆動体を用いた超音波モータは、上記変形
例を用いたものと同様、効率もよく、不快な可聴音等も
発生しない。なお、前述の第３実施例およびその変形例
による超音波モータにおいては、支持体を移動部材と
し、レール部材を固定支持するものとした。しかし、上
記支持体を固定支持し、レール部材を移動部材とした超
音波モータを提供することも勿論可能である。The ultrasonic motor using the driving body of the present modified example has high efficiency and does not generate unpleasant audible sound or the like, similarly to the ultrasonic motor using the above modified example. In the ultrasonic motor according to the third embodiment and its modification, the support is a moving member and the rail member is fixedly supported. However, it is of course possible to provide an ultrasonic motor in which the support is fixedly supported and the rail member is a moving member.
次に、本発明の第４実施例を示す超音波モータについ
て第18図を用いて説明する。Next, an ultrasonic motor according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施例では、駆動体106，109に圧接される被駆動部
材が円板状の移動体110である回転駆動型の超音波モー
タに本発明を適用したものである。上記移動体110を駆
動する駆動体106，109はそれぞれ支持ピン105a,108aを
有する屈曲振動子105,108および縦振動子104,107とで構
成される。そして、上記縦振動子104,107はそれぞれ支
持体（図示しない）を介して移動体110に圧接せしめら
れる。また、上記移動体110は、軸受け111により移動体
110と一体の出力軸部110aで軸支して支持される。その
他、上記駆動体106，109は前述の各実施例に用いられる
ものと同様の構造を有する。In the present embodiment, the present invention is applied to a rotary driving type ultrasonic motor in which a driven member pressed against the driving bodies 106 and 109 is a disk-shaped moving body 110. The driving bodies 106 and 109 for driving the moving body 110 are composed of bending vibrators 105 and 108 and longitudinal vibrators 104 and 107 having support pins 105a and 108a, respectively. The vertical vibrators 104 and 107 are pressed against the moving body 110 via support members (not shown). The moving body 110 is moved by the bearing 111.
The output shaft portion 110a integrated with the shaft 110 supports and is supported. In addition, the driving bodies 106 and 109 have the same structure as that used in each of the above-described embodiments.
以上のように構成された本実施例の超音波モータの動
作について説明すると、まず、駆動体106，109の各振動
子にそれぞれ位相制御された交流電圧を印加して振動を
与え、移動体110を左または右回転駆動し出力軸部110a
により負荷とする移動対象（図示せず）を駆動せしめ
る。The operation of the ultrasonic motor of the present embodiment configured as described above will be described. First, an AC voltage whose phase is controlled is applied to each of the vibrators of the driving bodies 106 and 109 to vibrate, and the moving body 110 Is driven to the left or right to rotate the output shaft 110a
Drives a moving object (not shown) as a load.
本実施例によれば、同様に、高効率を有し、更に安定
した特性を有する回転型の超音波モータを提供すること
ができる。なお、本実施例においては、二つの駆動体10
6，109を用いたが、他に一つの駆動体のみを用いて超音
波モータを構成することも可能である。According to the present embodiment, similarly, a rotary ultrasonic motor having high efficiency and more stable characteristics can be provided. In this embodiment, two driving bodies 10 are used.
6 , 109 , but it is also possible to construct an ultrasonic motor using only one driving body.
［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、屈曲振動子によ
って発生する定在波振動の節線上に縦振動子を設け、屈
曲振動子と縦振動子との伸縮タイミングを調整すること
により、縦振動子先端に接した被駆動部材を移動できる
ようにしたものなので、タイミング変換によって移動方
向を調整でき、電圧制御により駆動力を調整できる。し
かも、この制御が容易であり、また屈曲振動子は共振状
態で、縦振動子は非共振状態でそれぞれ駆動されるので
屈曲振動子と縦振動子の共振周波数を合わせこむ必要が
なく製作も容易にできる。そして、屈曲振動子と厚さの
薄い縦振動子のみで駆動体を構成でき、非常に小型で薄
形のモータを得ることができる等の数々の顕著な効果が
発揮される。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a vertical oscillator is provided on a node of a standing wave vibration generated by a bending oscillator, and the expansion and contraction timing of the bending oscillator and the vertical oscillator is adjusted. By doing so, the driven member in contact with the tip of the vertical vibrator can be moved, so that the moving direction can be adjusted by timing conversion, and the driving force can be adjusted by voltage control. Moreover, this control is easy, and the bending oscillator is driven in a resonance state and the vertical oscillator is driven in a non-resonance state. Therefore, it is not necessary to match the resonance frequencies of the bending oscillator and the vertical oscillator, so that the manufacturing is easy. Can be. The driving body can be constituted only by the bending vibrator and the thin vertical vibrator, and various remarkable effects such as a very small and thin motor can be obtained.
第１図は、本発明の第１実施例を示す超音波モータの側
断面図、 第２図（Ａ），（Ｂ）は、本発明の超音波モータに使用
される駆動体の側面図と振動状態を示す作用図、 第３図は、上記第２図（Ａ）における圧電素子と縦振動
子への交流電圧を印加する際の配線方法の一例と、この
ときの分極方向の状態を示す線図、 第４図と第５図は、上記第１図における超音波モータの
正面図と斜視図、 第６図は、上記第１図における屈曲振動子に励起された
３次の屈曲振動状態を示す線図、 第７図（Ａ），（Ｂ）は、上記第１図における駆動体の
側面図と正面図、 第８図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、上記第１図における
屈曲振動子，第１の縦振動子，第２の縦振動子のそれぞ
れに印加する交流電圧の位相を示す波形図、 第９図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），
（Ｆ），（Ｇ），（Ｈ）は、上記第１図における駆動体
に、上記第８図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す交流電圧
を印加したときのリニアレールに対する駆動体の動きを
説明する作用図、 第10図（Ａ），（Ｂ）は、上記第１実施例における縦振
動子の振動振幅が零で、屈曲振動子の屈曲振動のみが発
生しているときの駆動体の動作を示す作用図、第10図
（Ｃ），（Ｄ）は、縦振動子の先端の軌跡を示す線図
で、第10図（Ａ），（Ｃ）は屈曲振動振幅が大きい場合
を、第10図（Ｂ），（Ｄ）は屈曲振動振幅が小さい場合
をそれぞれ示す図、 第11図（Ａ），（Ｂ）は、上記第１実施例において、駆
動体を固定してリニアレールが移動するようにした変形
例の正面図と側面図、 第12図（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例を示す超
音波モータの正面図と側面図で、第12図（Ｃ）はこの第
２実施例の振動状態の作用図、 第13図（Ａ），（Ｂ）は、本発明の超音波モータを、例
えばカメラのレンズ鏡筒に適用した場合の応用例におけ
るレンズ鏡筒の断面図とＸ−Ｘ線に沿う断面図、 第14図（Ａ）は、本発明の第３実施例を示す超音波モー
タの要部縦断面図、 第14図（Ｂ）は、上記第14図（Ａ）のＸ−Ｘ断面図、 第15図は、上記第14図（Ａ），（Ｂ）の第３実施例の変
形例を示す駆動体の要部側面図、 第16図は、上記第14図（Ａ）の第３実施例の別の変形例
を示す駆動体の要部側面図、 第17図は、上記第14図（Ａ）の第３実施例の更に別の変
形例を示す駆動体の要部側面図、 第18図は、本発明の第４実施例を示す超音波モータの要
部概略の斜視図、 第19図と第20図は、縦振動子の動作を説明する斜視図
で、第19図は従来の、第20図は積層型の、それぞれの縦
振動子を示した図、 第21図は、従来例の駆動体の要部側面図、 第22図は、上記第21図の駆動体の回転慣性質量のバラン
ス状態を示す図である。2 ，62，69，72，92，106，109……駆動体 1,1a,1A,61,71,105,108……屈曲振動子 3,4,3a,4a,3A……積層圧電素子からなる縦振動子 54a,54b,74,74b……積層圧電素子からなる縦振動子 94a,94b,104,107……積層圧電素子からなる縦振動子 5,5A,29,110……移動体（被駆動部材） ８……リニアレール（被駆動部材） 52……レール部材（被駆動部材） 6,6A,56a,56b,76,96……屈曲振動を与える圧電素子 7,55,75,95……弾性体 10a,10b,10c,10d……支持ピン（屈曲振動子の支持ピ
ン） 55a,55b,55c,55d……支持ピン（屈曲振動子の支持ピ
ン） 75a,75b,95a,95b……支持ピン（屈曲振動子の支持ピ
ン） 105a,108a……支持ピン（屈曲振動子の支持ピン）FIG. 1 is a side sectional view of an ultrasonic motor showing a first embodiment of the present invention, and FIGS. 2A and 2B are side views of a driving body used in the ultrasonic motor of the present invention. FIG. 3 is an operation diagram showing a vibration state. FIG. 3 shows an example of a wiring method when an AC voltage is applied to the piezoelectric element and the vertical vibrator in FIG. 2A and a state of a polarization direction at this time. 4 and 5 are a front view and a perspective view of the ultrasonic motor in FIG. 1, and FIG. 6 is a third-order bending vibration state excited by the bending vibrator in FIG. 7 (A) and (B) are side and front views of the driving body in FIG. 1, and FIGS. 8 (A), (B) and (C) are diagrams in the first embodiment. 9 (A), 9 (B) and 9 (C) are waveform diagrams showing the phases of AC voltages applied to the bending oscillator, the first vertical oscillator, and the second vertical oscillator, respectively. ), (D), (E),
(F), (G), and (H) show driving of the linear rail when the AC voltage shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C is applied to the driving body in FIG. FIGS. 10 (A) and 10 (B) are operation diagrams for explaining the movement of the body, wherein the vibration amplitude of the vertical vibrator in the first embodiment is zero and only the bending vibration of the bending vibrator is generated. 10 (C) and 10 (D) are diagrams showing the trajectory of the tip of the vertical vibrator, and FIGS. 10 (A) and 10 (C) show the bending vibration amplitude. FIGS. 10 (B) and (D) show the case where the bending vibration amplitude is small, and FIGS. 11 (A) and (B) show the case where the driving body is fixed in the first embodiment. 12 (A) and (B) are front views of an ultrasonic motor according to a second embodiment of the present invention. FIG. 12 (C) is an operation diagram of the vibration state of the second embodiment, and FIGS. 13 (A) and 13 (B) are diagrams showing the ultrasonic motor of the present invention in a lens barrel of a camera, for example. FIG. 14A is a sectional view of a main part of an ultrasonic motor according to a third embodiment of the present invention, in which a sectional view of a lens barrel and a sectional view taken along line XX in an application example when applied. FIG. 14 (B) is a sectional view taken along line XX of FIG. 14 (A), and FIG. 15 is a driving body showing a modification of the third embodiment of FIGS. 14 (A) and (B). 16 is a side view of a main part of a driving body showing another modified example of the third embodiment of FIG. 14 (A), and FIG. 17 is a side view of FIG. 14 (A). FIG. 18 is a side view of a main part of a driving body showing still another modified example of the third embodiment, FIG. 18 is a schematic perspective view of a main part of an ultrasonic motor showing a fourth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 20 is a perspective view illustrating the operation of the vertical vibrator. , FIG. 19 is a diagram showing a conventional vertical vibrator, FIG. 20 is a diagram showing each vertical vibrator, FIG. 21 is a side view of a main part of a conventional driving body, FIG. It is a figure which shows the balance state of the rotational inertial mass of the drive body of a figure. 2 , 62 , 69 , 72 , 92 , 106 , 109 …… Driver 1,1a, 1A, 61,71,105,108 …… Bending vibrator 3,4,3a, 4a, 3A …… Vertical vibrator made of laminated piezoelectric element 54a, 54b, 74, 74b: Vertical vibrator composed of laminated piezoelectric elements 94a, 94b, 104, 107: Vertical vibrator composed of laminated piezoelectric elements 5, 5A, 29, 110: Moving body (driven member) 8: Linear Rail (driven member) 52 ... Rail member (driven member) 6,6A, 56a, 56b, 76,96 ... Piezoelectric element that gives bending vibration 7,55,75,95 ... Elastic body 10a, 10b, 10c, 10d: Support pin (support pin for bending oscillator) 55a, 55b, 55c, 55d: Support pin (support pin for bending oscillator) 75a, 75b, 95a, 95b: Support pin (for bending oscillator) Support pins) 105a, 108a ... Support pins (support pins for bending oscillators)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−65075（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−66097（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02N 2/00 - 2/18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-3-65075 (JP, A) JP-A-63-66097 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H02N 2/00-2/18
Claims (3)
固定され、交流電圧を印加されることにより該弾性体に
定在波型の屈曲振動を起こす屈曲振動子と、上記弾性体
の表面で上記屈曲振動の節線上に設けられており、上記
屈曲振動子により該節線を中心として揺動され、交流電
圧を印加されて上記屈曲振動の振幅方向に伸縮する、上
記弾性体の厚み方向に積層された圧電素子によって形成
された縦振動子と、からなる駆動体と、 上記縦振動子の先端面に圧接される被駆動部材と、 を具備し、 上記屈曲振動に同期して上記縦振動子を伸縮させること
により、上記駆動体と被駆動部材とを相対移動させるこ
とを特徴とする超音波モータ。1. A plate-shaped or rod-shaped elastic body, a bending vibrator fixed to the elastic body and causing a standing wave type bending vibration to the elastic body when an AC voltage is applied thereto, and the elastic body The elastic body is provided on the nodal line of the bending vibration on the surface of the elastic body, is oscillated around the nodal line by the bending vibrator, and is applied with an AC voltage to expand and contract in the amplitude direction of the bending vibration. A vertical vibrator formed by piezoelectric elements stacked in the thickness direction; and a driven member pressed against the distal end surface of the vertical vibrator. An ultrasonic motor, wherein the driving body and the driven member are relatively moved by expanding and contracting the vertical vibrator.
記屈曲振動の位相が同一または異なる節を通り、かつ上
記屈曲振動の中立面に垂直な軸上に配置されたことを特
徴とする請求項１記載の超音波モータ。2. A method according to claim 1, wherein said supporting portion of said driving body and said longitudinal vibrator are arranged on an axis which passes through nodes having the same or different phases of said bending vibration and is perpendicular to a neutral plane of said bending vibration. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein:
対側の面には、上記駆動体の屈曲振動の中立面を、上記
弾性体の厚み方向の略中心に一致させる付加質量体を設
けたことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。3. An additional mass for making the neutral plane of the bending vibration of the driving body substantially coincide with the center of the elastic body in the thickness direction on the surface on the opposite side of the bending vibrator provided with the longitudinal vibrator. The ultrasonic motor according to claim 1, further comprising a body.
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