JP3279021B2

JP3279021B2 - 超音波モータとその製造方法

Info

Publication number: JP3279021B2
Application number: JP30861993A
Authority: JP
Inventors: 忠雄高木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-11-15
Filing date: 1993-11-15
Publication date: 2002-04-30
Anticipated expiration: 2017-04-30
Also published as: JPH07143771A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

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

【０００２】

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

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

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

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

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

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した図５
のモータは、弾性体１の一部に駆動力を取り出すための
突起部１ｂ，１ｃを一体に形成する構造であったので、
製作段階における機械加工によって突起部１ｂ，１ｃ以
外の部分を大きく削り取る必要があり、加工によるスト
レスが使用中に加工歪みとして発生する等して性能が低
下する、という問題点があった。

【０００８】本発明の目的は、前述の課題を解決し、加
工歪みに起因する性能低下が使用中に発生しないような
構造の超音波モータを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明による超音波モータの第１の解決手段は、略
直方体形状を有する弾性体（１１）と、前記弾性体に結
合して、その弾性体に縦振動モードと屈曲振動モードと
を調和的に発生させる電気機械変換素子（１２，１３）
と、前記弾性体との間で相対的な運動を行う相対運動部
材（１６）と、前記弾性体と前記相対運動部材との間に
位置し、前記弾性体の略直方体を形成する一面に接合さ
れ、前記縦振動モードと前記屈曲振動モードとの合成振
動により生ずる楕円運動によって、前記弾性体と前記相
対運動部材との間に相対運動を生じさせる、１又はそれ
以上の出力取出部材（１４，１５）とを有することを特
徴とする。

【００１０】本発明による超音波モータの第２の解決手
段は、第１の解決手段の超音波モータにおいて、前記出
力取出部材を接合させる前記弾性体の面は、単一平面で
あることを特徴とすることができる。本発明による超音
波モータの第３の解決手段は、第１又は第２の解決手段
の超音波モータにおいて、前記出力取出部材は、前記屈
曲振動モードの腹の位置に配置されることを特徴とする
ことができる。

【００１１】本発明による超音波モータの第４の解決手
段は、第１〜第３の解決手段の超音波モータにおいて、
前記出力取出部材は、前記弾性体と異なる材質であるこ
とを特徴とすることができる。

【００１２】本発明による超音波モータの第５の解決手
段は、第１〜第４の解決手段の何れか１つの超音波モー
タにおいて、前記出力取出部材は、複数個設けられてお
り、それらの全部又は一部が異なる材質であることを特
徴とすることができる。

【００１３】本発明による超音波モータの製造方法の第
１の解決手段は、第１〜第５の解決手段の超音波モータ
を製造する超音波モータの製造方法において、前記弾性
体を棒状又は板状に加工する加工工程と、前記弾性体に
前記出力取出部材を接合する接合工程とを含むことを特
徴とする。

【００１４】本発明による超音波モータの製造方法の第
２の解決手段は、第１の解決手段の超音波モータの製造
方法において、前記出力取出部材の寸法及び／又は材質
の異なるものを複数種類用意し、前記弾性体に選択的に
取り付けることを特徴とすることができる。

【００１５】

【作用】本発明によれば、弾性体と出力取出部材とを別
部材としたので、加工歪みに起因する出力低下が使用中
に発生することはなくなる。

【００１６】

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

【００１７】また、弾性体１１の下面には、２つの出力
取出部材１４，１５が配置されている。この実施例で
は、出力取出部材１４，１５の材質は、弾性体１１と同
じ金属であって、弾性体１１と出力取出部材１４，１５
とは、図１（Ａ）に示すように、別々に機械加工し（加
工工程）、図１（Ｂ）に示すように、エポキシ系の接着
剤によって接合されている（接合工程）。これにより、
図５の超音波モータのように、製作段階における機械加
工によって突起部以外の部分を大きく削り取る必要がな
くなり、加工によるストレスが使用中に加工歪みとして
発生して、性能が低下することはなくなった。また、出
力取出部材１４，１５の材質が、弾性体１１と同じ金属
であるので、温度変化に対する変形はない。

【００１８】図１に示すように、この超音波モータは、
２つの圧電素子１２，１３に高周波電圧Ａ，Ｂを印加す
ることによって、屈曲振動と縦振動との複合振動を起こ
し、これにより出力取出部材１４，１５との先端に楕円
運動を発生させ、駆動力を発生させる構成になってい
る。ここで、Ｇはグランドである。また、２つの圧電素
子１２，１３は、互いに極性が同一方向になるように分
極され、高周波電圧Ａ，Ｂは、π／２の時間的位相差を
有している。なお、２つの圧電素子１２，１３の分極は
互いに逆方向であってもよい。

【００１９】図２（Ａ）は、超音波モータに入力される
２相の高周波電圧Ａ，Ｂの時間的変化をｔ１〜ｔ９で示
している。図２（Ａ）の横軸は、高周波電圧の実効値を
示している。図２（Ｂ）は、超音波モータの断面の変形
の様子を示し、超音波モータに発生する屈曲振動の時間
的変化（ｔ１〜ｔ９）を示している。図２（Ｃ）は、超
音波モータの断面の変形の様子を示し、超音波モータに
発生する縦振動の時間的変化（ｔ１〜ｔ９）を示してい
る。図２（Ｄ）は、超音波モータの出力取出部材１４，
１５とに発生する楕円運動の時間的変化（ｔ１〜ｔ９）
を示している。

【００２０】次に、この実施例の超音波モータの動作
を、時間的変化（ｔ１〜ｔ９）ごとに説明する。時間ｔ
１において、図２（Ａ）に示すように、高周波電圧Ａは
正の電圧を発生し、同様に高周波電圧Ｂは同一の正の電
圧を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧
Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消し合い、質点Ｙ１
とＺ１とが振幅零となる。また、図２（Ｃ）に示すよう
に、高周波電圧Ａ，Ｂによる縦振動は伸張する方向に発
生する。質点Ｙ２とＺ２とは矢印で示されるように、節
Ｘを中心にして最大の伸長を示す。その結果、図２
（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点Ｙ１
とＹ２との運動の合成が質点Ｙの運動となり、また、質
点Ｚ１とＺ２との運動の合成が質点Ｚの運動となる。

【００２１】時間ｔ２において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ｂは零となり、高周波電圧Ａは正の電圧
を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ａに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１が正方向に振幅し、質
点Ｚ１が負方向に振幅する。また、図２（Ｃ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａによる縦振動が発生し、質点Ｙ２と
質点Ｚ２とが時間ｔ１のときよりも縮む。その結果、図
２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点Ｙ
とＺとが時間ｔ１のときよりも右回りに移動する。

【００２２】時間ｔ３において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図２（Ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ及びＢによる屈曲運動が合成されて
増幅され、質点Ｙ１が時間ｔ２のときよりも正方向に増
幅され、最大の正の振幅値を示す。質点Ｚ１が時間ｔ２
のときよりも負方向に増幅され、最大の負の振幅値を示
す。また、図２（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ及び
Ｂによる縦振動が互いに打ち消しあい、質点Ｙ２とＺ２
とが元の位置に戻る。その結果、図２（Ｄ）に示すよう
に、上記両振動が複合され、質点ＹとＺとが時間ｔ２の
ときよりも右回りに移動する。

【００２３】時間ｔ４において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは零となり、高周波電圧Ｂは負の電圧
を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ｂに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１は時間ｔ３のときより
も振幅が低下し、質点Ｚ１時間ｔ３のときよりも振幅が
低下する。また、図２（Ｃ）に示すように、高周波電圧
Ｂによる縦振動が発生し、質点Ｙ２とＺ２が収縮する。
その結果、図２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合
され、質点ＹとＺとが時間ｔ３のときよりも右回りに移
動する。

【００２４】時間ｔ５において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは負の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図２（Ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消
し合い、質点Ｙ１とＺ１とが振幅零となる。また、図２
（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる縦振動は
収縮する方向に発生する。質点Ｙ２とＺ２とは矢印で示
されるように、節Ｘを中心にして最大の収縮を示す。そ
の結果、図２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合さ
れ、質点ＹとＺとが時間ｔ４のときよりも右回りに移動
する。

【００２５】時間ｔ６〜ｔ９に変化するにしたがって、
上述の原理と同様に屈曲振動及び縦振動が発生し、その
結果、図２（Ｄ）に示すように、質点Ｙ及び質点Ｚが右
回りに移動し、楕円運動をする。以上の原理により、こ
の超音波モータは、出力取出部材１１ａ，１１ｂとの先
端に楕円運動を発生させ、駆動力を発生させる構成とな
っている。従って、出力取出部材１４，１５の先端を固
定子１９に加圧すると、弾性体１１は、固定部１９に対
して自走する。

【００２６】図３は、本発明による超音波モータの第２
の実施例を示した模式図である。なお、前述した第１の
実施例と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付
して重複する説明は省略する。第２の実施例では、出力
取出部材１４，１５は、弾性体１１と別の材質にしてあ
る。ここでは、弾性体１１をアルミニウム合金にし、出
力取出部材１４，１５をニッケルにしてある。このた
め、軽量で摺動面の硬い超音波モータが得られる。

【００２７】また、出力取出部材１５（出力取出部材１
４も同様である）には、凸部１５ａが設けられており、
弾性体１１に形成された凹部１１ａと嵌合するようにし
てある。このとき、図３（Ｂ）に示す出力取出部材１５
Ａのように、高さの異なるものを用意しておき、組み込
む装置に応じて、出力取出部材を選択して取り付けるよ
うにしてもよい。

【００２８】以上説明した実施例に限定されず、種々の
変形や変更が可能であって、それらも本発明に含まれ
る。弾性体１１と出力取出部材１４，１５の材質は、前
述のものに限られず、例えば、弾性体１１をステンレス
にし、出力取出部材１４，１５を耐磨耗性の高い樹脂に
することができる。このようにすれば、耐久性のよい超
音波モータが得られる。耐磨耗性の高い樹脂としては、
例えば、四フッ化エチレンを８０％（Ｗ）、ガラス繊維
を１５％（Ｗ）、二硫化モリブデンを５％（Ｗ）含んだ
材料があげられる。

【００２９】また、出力取出部材１４，１５の材質は、
同一である必要はなく、例えば、往路は精密位置決めの
ためにゆっくり進み、復路は復帰のために速く戻る場合
など進む方向によって速度が異なるような場合には、出
力取出部材１４，１５の材質を異ならせることが好まし
い。さらに、出力取出部材１４，１５の弾性体１１への
接合は、接着、嵌合の他に、ねじ止め等であってもよ
い。

【００３０】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、弾性体と出力取出部材とを別部材としたので、加
工歪みに起因する出力低下が使用中に発生することはな
くなる、という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波モータの第１の実施例を示
した模式図である。

【図２】第１の実施例の超音波モータの駆動動作を説明
する図である。

【図３】本発明による超音波モータの第２の実施例を示
した模式図である。

【図４】リニア型超音波モータの従来例を示す図であ
る。

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

【符号の説明】

１１弾性体１２、１３圧電素子１４、１５出力取出部材１６固定部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】略直方体形状を有する弾性体と、前記弾性体に結合して、その弾性体に縦振動モードと屈
曲振動モードとを調和的に発生させる電気機械変換素子
と、前記弾性体との間で相対的な運動を行う相対運動部材
と、前記弾性体と前記相対運動部材との間に位置し、前記弾
性体の略直方体を形成する一面に接合され、前記縦振動
モードと前記屈曲振動モードとの合成振動により生ずる
楕円運動によって、前記弾性体と前記相対運動部材との
間に相対運動を生じさせる、１又はそれ以上の出力取出
部材とを有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】請求項１に記載の超音波モータにおい
て、前記出力取出部材を接合させる前記弾性体の面は、単一
平面であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の超音波モ
ータにおいて、前記出力取出部材は、前記屈曲振動モードの腹の位置に
配置されることを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】請求項１〜請求項３に記載の超音波モー
タにおいて、前記出力取出部材は、前記弾性体と異なる材質であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項５】請求項１〜請求項４の何れか１項に記載
の超音波モータにおいて、前記出力取出部材は、複数個設けられており、それらの
全部又は一部が異なる材質であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の
超音波モータを製造する超音波モータの製造方法におい
て、前記弾性体を棒状又は板状に加工する加工工程と、前記弾性体に前記出力取出部材を接合する接合工程とを含むことを特徴とする超音波モータの製造方法。
【請求項７】請求項６に記載の超音波モータの製造方
法において、前記出力取出部材の寸法及び／又は材質の異なるものを
複数種類用意し、前記弾性体に選択的に取り付けることを特徴とする超音波モータの製造方法。