JP4477915B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
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Description
本発明は新規な構造を有する超音波モータに関する。 The present invention relates to an ultrasonic motor having a novel structure.
共振型超音波モータとして、図7に示すように、伸縮変位を生ずる圧電素子101a・101bをヘッド102を介して互いに直交するように配置して、圧電素子101a・101bを位相の異なる交流電圧で駆動することにより、ヘッド102に楕円運動を生じさせる超音波モータ100が知られている(例えば、特許文献1参照)。ヘッド102を回転自在なロータ103の側面に押しあてることによってロータ103を回転させ、所定角度回転させた所定の位置で静止させることができる。
As a resonance type ultrasonic motor, as shown in FIG. 7,
しかし、圧電素子101a・101bを共振周波数帯域の所定の周波数の電圧を印加して圧電素子101a・101bを駆動し、その後に圧電素子101a・101bへの電圧の印加を終了しても、ヘッド102が慣性によって楕円運動を続けてしまうことや、駆動電圧の立ち下がりに微小の時間がかかるためにヘッド102がロータ103を押してしまうことによって、ロータ103を高精度で位置決めすること(例えば、ナノメートルオーダーでの位置決め)が困難となっている。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高精度な位置決めを可能とする新たな超音波モータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a new ultrasonic motor that enables highly accurate positioning.
本発明の第1の観点によれば、1つ以上の超音波振動部を備えた略柱状の構造体と、
前記構造体の側面の所定位置に被駆動体と接するように設けられた複数の摩擦摺動部と、
を具備し、
前記超音波振動部が、前記構造体に撓み振動を、その撓みの向きが連続的に変化することによって前記複数の摩擦摺動部に位相がずれた楕円運動が生ずるように、発生させることにより、前記被駆動体を前記構造体の長手方向と垂直な方向に移動させることを特徴とする超音波モータ、が提供される。
According to a first aspect of the present invention, a substantially columnar structure including one or more ultrasonic vibration parts;
A plurality of friction sliding portions provided so as to be in contact with the driven body at a predetermined position on a side surface of the structure;
Comprising
The ultrasonic vibration unit generates a flexural vibration in the structure so that an elliptical motion out of phase is generated in the plurality of friction sliding units by continuously changing the direction of the flexure. There is provided an ultrasonic motor, wherein the driven body is moved in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the structure.
この第1の観点に係る超音波モータでは、前記超音波振動部として2つの圧電素子を前記構造体の長手方向中央について対称な位置に備え、前記2つの圧電素子はそれぞれ、前記構造体の長手方向に独立して伸縮可能で、実質的に同形状な3つの駆動部を有し、前記2つの圧電素子の各駆動部は、各圧電素子の各駆動部の伸縮によって前記構造体に生ずる撓みが合わされて前記構造体により大きな撓みを生ずるように、位相を120度ずつずらして駆動される構成とすることが好ましい。 In the ultrasonic motor according to the first aspect, two piezoelectric elements are provided as the ultrasonic vibration section at symmetrical positions with respect to the center in the longitudinal direction of the structure, and the two piezoelectric elements are respectively arranged in the longitudinal direction of the structure. It has three drive parts that can be expanded and contracted independently in the direction and have substantially the same shape, and each drive part of the two piezoelectric elements is bent by the expansion and contraction of each drive part of each piezoelectric element. It is preferable that the phase is shifted by 120 degrees so that a large deflection is generated in the structure by combining the two.
本発明の第2の観点によれば、2つ以上の超音波振動部を備えた略柱状の構造体と、
前記構造体の側面の所定位置に被駆動体と接するように設けられた複数の摩擦摺動部と、
を具備し、
前記2つ以上の超音波振動部がそれぞれ前記構造体を異なる方向に撓ませる2つ以上の撓み振動を前記構造体に発生させ、これらの撓み振動が合成されることにより前記構造体の長手方向と直交する面において前記複数の摩擦摺動部に位相がずれた楕円運動を生じさせて、前記被駆動体を前記構造体の長手方向と垂直な方向に移動させることを特徴とする超音波モータ、が提供される。
According to a second aspect of the present invention, a substantially columnar structure provided with two or more ultrasonic vibration parts;
A plurality of friction sliding portions provided so as to come into contact with the driven body at a predetermined position on a side surface of the structure;
Comprising
The two or more ultrasonic vibration parts respectively generate two or more flexural vibrations that cause the structure to bend in different directions, and the flexural vibrations are combined to generate a longitudinal direction of the structure. An ultrasonic motor characterized in that an elliptical motion out of phase is generated in the plurality of friction sliding portions on a plane orthogonal to the longitudinal direction of the structure to move the driven body in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the structure. Is provided.
この第2の観点に係る超音波モータでは、前記超音波振動部として、2つの圧電素子を有する2つの圧電素子群を前記構造体の長手方向中央について対称な位置に備え、前記圧電素子群を構成する2つの圧電素子は、前記構造体の長手方向に独立して伸縮可能であり、かつ、伸縮の位相が逆転している実質的に同形状な2つの駆動部をそれぞれ有し、前記圧電素子群において、前記2つの圧電素子は、一方の圧電素子の伸縮による前記構造体の撓み振動の方向と、他方の圧電素子の伸縮による前記構造体の撓み振動の方向とが、直交するように配置され、前記2つの圧電素子群による前記構造体の撓み振動が合成されてより大きな撓み振動が前記構造体に生ずる構成とすることが好ましい。また、第2の観点に係る超音波モータでは、前記構造体を異なる方向に撓ませる2つ以上の撓み振動の共振周波数を一致させ、その共振周波数で駆動することが好ましい。 In the ultrasonic motor according to the second aspect, as the ultrasonic vibration section, two piezoelectric element groups having two piezoelectric elements are provided at symmetrical positions with respect to the center in the longitudinal direction of the structure, and the piezoelectric element group is provided. The two piezoelectric elements constituting each of the piezoelectric elements have two drive parts that are extendable independently in the longitudinal direction of the structure and that have substantially the same shape with the phases of expansion and contraction reversed. In the element group, the two piezoelectric elements are arranged such that the direction of flexural vibration of the structure due to expansion and contraction of one piezoelectric element is orthogonal to the direction of flexural vibration of the structure due to expansion and contraction of the other piezoelectric element. It is preferable that the structure is configured such that a larger bending vibration is generated in the structure body by combining the bending vibrations of the structure body by the two piezoelectric element groups. In the ultrasonic motor according to the second aspect, it is preferable that the resonance frequencies of two or more flexural vibrations that cause the structure to bend in different directions are matched and driven at the resonance frequency.
本発明の超音波モータによれば、共振駆動により被駆動体を高速移動させることができ、また非共振駆動により被駆動体を高精度で移動させることができる。 According to the ultrasonic motor of the present invention, the driven body can be moved at high speed by resonant driving, and the driven body can be moved with high accuracy by non-resonant driving.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1に第1の実施形態に係る超音波モータ10の概略断面図を示す。超音波モータ10は略柱状の構造体であり、好ましい形状は円柱状である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an
超音波モータ10は、筒状(または円板環状)の第1圧電素子11と、筒状の第2圧電素子12と、両端に所定のネジ溝が形成されている枢軸13と、凹型の保持部材14と、第1圧電素子11と第2圧電素子12との間に設けられた第1スペーサ18と、第1圧電素子11・第2圧電素子12と保持部材14との間に設けられた2つの第2スペーサ19と、枢軸13の両端に形成されたネジ溝に螺合する2つの固定部材17と、を有している。
The
枢軸13は、第1・第2圧電素子11・12と第1・第2スペーサ18・19と保持部材14に挿通されている。被駆動体5に当接する第1摩擦摺動部材16aは、超音波モータ10の長手方向中央部において第1スペーサ18の側面に設けられており、第2摩擦摺動部材16bは超音波モータ10の長手方向端部において2つの固定部材17の側面に設けられている。
The
第1圧電素子11と第2圧電素子12は、超音波モータ10における超音波振動部である。図2に第1圧電素子11と第2圧電素子12の概略構造を示す斜視図を示す。図2に示されるように、第1圧電素子11は、筒状の圧電体21と、圧電体21の端面で2分割され、かつ、圧電体21を挟んで形成されている2組の電極、つまり第1電極22、第2電極23と、を有している。図2に示されるように、圧電体21において、第1電極22間に挟まれている部分(以下「第1駆動部31」という)と、第2電極23間に挟まれている部分(以下「第2駆動部32」という)では、分極Pの向きが逆となっている。
The first
なお、第1電極22と第2電極23はそれぞれ枢軸13と導通しないように圧電体21に形成されている。図2においては、第1電極22と第2電極23とは独立して形成されているが、これは圧電体21を図2に示すように分極処理するためのものであり、分極処理が終了した後には、圧電体21の端面ごとに第1電極22と第2電極23とを導通させてもよい。図2では第1電極22と第2電極23を、これらを図示するための便宜上、厚く描いている。これらのことは、後述する第2圧電素子12の第3電極25と第4電極26についても同様である。
The
第2圧電素子12は実質的には第1圧電素子11と同じ構造を有している。つまり、第2圧電素子12は、筒状の圧電体24と、圧電体24の端面で2分割され、かつ、圧電体24を挟んで形成されている2組の電極、つまり第3電極25、第4電極26と、を有している。圧電体24において、第3電極25間に挟まれている部分(以下「第3駆動部33」という)と、第4電極26間に挟まれている部分(以下「第4駆動部34」という)では、分極Pの向きが逆となっている。
The second
超音波モータ10においては、第1圧電素子11と第2圧電素子12は、第1電極22と第2電極23の境界線がX軸と一致し、第3電極25と第4電極26の境界線がY軸に一致するように、Z軸回りに90度ずらして配置されている。
In the
第1・第2スペーサ18・19としては、後に図3を参照しながら説明する撓み振動が生じやすい材料、例えば、ステンレスやジュラルミン、鋳鉄等の金属材料を用いることが好ましい。ここで、第1圧電素子11と第2圧電素子12は絶縁されなければならないので、第1スペーサ18に金属材料を用いる場合には、第1スペーサ18と第1圧電素子11との間および第1スペーサ18と第2圧電素子12との間にそれぞれ図示しない絶縁板を配置する必要がある。なお、第1スペーサ18のようにその厚さが薄い場合には、第1スペーサ18自体を、例えば、アルミナやジルコニア、窒化珪素等の絶縁性のセラミックス材料で構成することも好ましい。
As the first and
同様に、第2スペーサ19に金属材料を用いる場合には、第1圧電素子11と第2圧電素子12から保持部材14を絶縁するために、第2スペーサ19と第1圧電素子11との間および第2スペーサ19と第2圧電素子12との間にそれぞれ図示しない絶縁板を配置する必要がある。もちろん、第2スペーサ19をアルミナ等の絶縁性のセラミックス材料で構成してもよいが、この場合には、これらのセラミックス材料は前述の金属材料と比較して撓み難いために、撓み振動の振幅が小さくなる傾向が現れる。以降の説明においては、特に明示しない場合を除いて、圧電素子に隣接しているスペーサは、その圧電素子と絶縁されているか、またはそれ自体が絶縁体であるものとする。
Similarly, when a metal material is used for the
また、枢軸13、保持部材14、2つの固定部材17としては、ステンレスや鋳鋼等の金属材料が好適に用いられる。2つの固定部材17は、第1圧電素子11・第2圧電素子12および第1・第2スペーサ18・19が図1に示す順序で枢軸13が挿通配置された状態で、これらが所定の力で締め付けられるように、枢軸13の両端にそれぞれ取り付けられている。
Further, as the
保持部材14は、後述するように超音波モータ10に撓み振動を生じさせた際の振動の節となる位置において、枢軸13に取り付けられている。
As will be described later, the holding
第1摩擦摺動部材16aは、第1スペーサ18と一体であっても構わないし、接着剤等により第1スペーサ18に接着されていてもよい。同様に、第2摩擦摺動部材16bは、固定部材17と一体であっても構わないし、接着剤等により固定部材17に接着されていてもよい。好ましくは、摩耗速度が同じとなるように、第1摩擦摺動部材16aと第2摩擦摺動部材16bとを同じ材質とする。第1・第2摩擦摺動部材16a・16bが設けられている位置は、後述するように、超音波モータ10に撓み振動を生じさせた際の振動の腹となる位置である。
The first
第1摩擦摺動部材16a・16bを被駆動体5に所定の力で押圧するための予圧機構15が保持部材14に取り付けられている。この予圧機構15としては、コイルスプリング、エアーシリンダ、油圧シリンダ等が用いられる。
A
続いて、超音波モータ10の駆動方法について、共振周波数で駆動した場合について説明する。第1圧電素子11と第2圧電素子12は位相が90度ずれた駆動電圧で駆動する。例えば、第1電極22と第2電極23には同位相の駆動電圧V1=V0sin2πft(f:共振周波数)を印加し、第3電極25と第4電極26には同位相の駆動電圧V2=V0cos2πftを印加する。
Next, the driving method of the
この場合、第1圧電素子11だけに着目すると、先に図2に示したように、第1圧電素子11における第1駆動部31と第2駆動部32では、分極の向きが逆転しているために、一方の駆動部に分極の向きと同じ向きの電界(以下「順電界」という)が掛かっているときには、他方の駆動部には分極の向きとは逆の向きの電界(以下「逆電界」という)が掛かる。つまり、第1駆動部31が伸張する際には第2駆動部32は収縮する。ここで、第1駆動部31と第2駆動部32との境界はX軸に一致しているから、第1圧電素子11を駆動電圧V1=V0sin2πftで駆動した場合には、超音波モータ10にはY方向で撓み振動が発生することとなる。
In this case, paying attention only to the first
一方、第2圧電素子12だけに着目すると、第2圧電素子12における第3駆動部33と第4駆動部34では、分極の向きが逆転しており、第3駆動部33と第4駆動部34との境界はY軸に一致しているから、第2圧電素子12を駆動電圧V2=V0cos2πftで駆動した場合には、超音波モータ10にはX方向で撓み振動が起こることとなる。
On the other hand, focusing only on the second
超音波モータ10では、このような第1圧電素子11によるY方向の撓み振動と第2圧電素子12によるX方向の撓み振動という撓み方向の異なる2つの撓み振動を発生させ、これらの撓み振動が合成されることにより、第1摩擦摺動部材16a・16bにZ軸に直交する面内において楕円運動を生じさせる。
The
このような超音波モータ10の駆動形態をより詳細に説明するため、図3に超音波モータ10の撓み振動の形態を示す模式図を示す。ここで、図3において、第1圧電素子11では第1駆動部31が+Y側に、第2駆動部32が−Y側に位置し、第2圧電素子12では第3駆動部33が+X側に、第4駆動部34が−X側に位置しているとする。また、図3各図におけるY−Z面図では紙面の裏面側が+X側であり、紙面の表側が−X側である。図3におけるX−Y面図では、第1摩擦摺動部材16aの位置を点Qで、第2摩擦摺動部材16bの位置を点Sでそれぞれ示すこととする。
In order to describe the driving mode of the
図3(a)は超音波モータ10が静止した状態を示している。この状態において、第1・第2摩擦摺動部材16a・16bはそれぞれZ方向から見ると重なった位置にある。
FIG. 3A shows a state where the
図3(b)はsin2πft=0、cos2πft=1で、第1圧電素子11に駆動電圧V1=0、第2圧電素子12に駆動電圧V2=V0がそれぞれ印加され、第3駆動部33に順電界が、第4駆動部34に逆電界が掛かっている状態を示している。この場合には、第3駆動部33が伸張し、第4駆動部34が収縮することにより、超音波モータ10の両端がそれぞれ−Xの向きに移動するような撓みが生ずる。このとき、第1摩擦摺動部材16aは+X側に、第2摩擦摺動部材16bは−X側にそれぞれ位置する。
In FIG. 3B, sin 2πft = 0 and cos2πft = 1, the driving voltage V 1 = 0 is applied to the first
図3(c)は図3(b)に示す状態から90度位相が進み、sin2πft=1、cos2πft=0で、第1圧電素子11に駆動電圧V1=V0、第2圧電素子12に駆動電圧V2=0がそれぞれ印加され、第1駆動部31に順電界が、第2駆動部32に逆電界が掛かっている状態を示している。この場合には、第1駆動部31が伸張し、第2駆動部32が収縮することにより、超音波モータ10の両端が−Yの向きに移動し、超音波モータ10の中央部が+Yの向きに移動するような撓みが生ずる。したがって、このとき第1摩擦摺動部材16aは+Y側に、第2摩擦摺動部材16bは−Y側にそれぞれ位置する。
In FIG. 3C, the phase advances 90 degrees from the state shown in FIG. 3B, and sin 2πft = 1 and cos2πft = 0, the drive voltage V 1 = V 0 is applied to the first
なお、超音波モータ10は予圧機構15によりY方向で被駆動体5に押圧されているために、Y方向での撓みが抑制され、これによってY方向の撓み量はX方向での撓み量よりも小さくなる。
In addition, since the
図3(b)に示す状態から図3(c)に示す状態に移行する過程においては、超音波モータ10の両端の−X方向での撓み量が減少し、かつ、−Y方向での撓み量が増加するから、第2摩擦摺動部材16bは−X/−Y領域内を楕円軌道を描きながら、図3(b)に示す位置から図3(c)に示す位置に移動する。同様に、第1摩擦摺動部材16aは、+X/+Y領域内を楕円軌道を描きながら図3(b)に示す位置から図3(c)に示す位置に移動する。
In the process of shifting from the state shown in FIG. 3B to the state shown in FIG. 3C, the amount of bending in the −X direction at both ends of the
図3(d)は図3(c)に示す状態から90度位相が進み、sin2πft=0、cos2πft=−1で、第1圧電素子11に駆動電圧V1=0、第2圧電素子12に駆動電圧V2=−V0がそれぞれ印加され、第3駆動部33に逆電界が、第4駆動部34に順電界が掛かっている状態を示している。この場合には、第3駆動部33が収縮し、第4駆動部34が伸張することにより、超音波モータ10の両端が+Xの向きに、超音波モータ10の中央部が−Xの向きに、それぞれ移動するような撓みが生ずる。これにより、第1摩擦摺動部材16aは−X側に、第2摩擦摺動部材16bは+X側にそれぞれ位置する。
In FIG. 3D, the phase advances 90 degrees from the state shown in FIG. 3C, and sin 2πft = 0 and cos2πft = −1, the drive voltage V 1 = 0 for the first
図3(c)に示す状態から図3(d)に示す状態に移行する過程においては、超音波モータ10の両端の−Y方向での撓み量が減少し、かつ、+X方向での撓み量が増加するから、第2摩擦摺動部材16bは+X/−Y領域内を楕円軌道を描きながら図3(c)に示す位置から図3(d)に示す位置に移動する。同様に、第1摩擦摺動部材16aは、−X/+Y領域内を楕円軌道を描きながら図3(c)に示す位置から図3(d)に示す位置に移動する。
In the process of shifting from the state shown in FIG. 3C to the state shown in FIG. 3D, the amount of deflection in the −Y direction at both ends of the
図3(e)は図3(d)に示す状態から90度位相が進み、sin2πft=−1、cos2πft=0で、第1圧電素子11に駆動電圧V1=−V0、第2圧電素子12に駆動電圧V2=0がそれぞれ印加され、第1駆動部31に逆電界が、第2駆動部32に順電界が掛かっている状態を示している。この場合には、第1駆動部31が収縮し、第2駆動部32が伸張することにより、超音波モータ10の両端が+Yの向きに移動し、超音波モータ10の中央部が−Yの向きに移動するような撓みが生ずる。したがって、このとき第1摩擦摺動部材16aは−Y側に、第2摩擦摺動部材16bは+Y側にそれぞれ位置する。
In FIG. 3E, the phase is advanced by 90 degrees from the state shown in FIG. 3D, and sin 2πft = −1 and cos2πft = 0, the drive voltage V 1 = −V 0 is applied to the first
図3(d)に示す状態から図3(e)に示す状態に移行する過程においては、超音波モータ10の両端の+X方向での撓み量が減少し、かつ、+Y方向での撓み量が増加するから、第2摩擦摺動部材16bは+X/+Y領域内を楕円軌道を描きながら図3(d)に示す位置から図3(e)に示す位置に移動する。同様に、第1摩擦摺動部材16aは、−X/−Y領域内を楕円軌道を描きながら図3(d)に示す位置から図3(e)に示す位置に移動する。
In the process of transition from the state shown in FIG. 3D to the state shown in FIG. 3E, the amount of bending in the + X direction at both ends of the
図3(e)に示す状態からさらに90度位相が進むと、図3(b)に示した状態に戻る。この過程では、超音波モータ10の両端の+Y撓み量が減少し、かつ、−X撓み量が増加するから、第2摩擦摺動部材16bは−X/+Y領域内を楕円軌道を描きながら図3(e)に示す位置から図3(b)に示す位置に移動する。同様に、第1摩擦摺動部材16aは、+X/−Y領域内を楕円軌道を描きながら図3(e)に示す位置から図3(b)に示す位置に移動する。
When the phase further advances by 90 degrees from the state shown in FIG. 3 (e), the state returns to the state shown in FIG. 3 (b). In this process, since the + Y deflection amount at both ends of the
このように超音波モータ10では、図3(b)→図3(c)→図3(d)→図3(e)→図3(b)の繰り返しによる撓み振動を生じさせることにより、第1摩擦摺動部材16aと第2摩擦摺動部材16bに、Z軸に直交する面内において楕円運動を生じさせる。これにより、被駆動体5を+Xの向きに移動させることができる。被駆動体5を−Xの向きに移動させるためには、図3の例では、例えば、第2圧電素子12の駆動電圧をそのままにして、第1圧電素子11に印加する駆動電圧の位相を180度ずらせばよい。
In this way, in the
超音波モータ10では、第1摩擦摺動部材16aと第2摩擦摺動部材16bの楕円運動の位相が180度ずれているために、これらは交互に被駆動体5を蹴るように被駆動体5を摩擦駆動するため、高速で被駆動体5を移動させることができる。
In the
また、超音波モータ10では、上述した共振駆動のみでなく、共振周波数よりも低い非共振周波数での駆動も可能であり、その際の超音波モータ10の撓み振動の形態は図3に示したものと同じとなる。このため、超音波モータ10を非共振駆動した場合には、被駆動体5を低速で移動させることができ、これによって被駆動体5の移動慣性を低下させ、また超音波モータ10自体の振動慣性も小さくなるために、高い精度で被駆動体5を移動させることができる。
In addition, the
次に、第2の実施形態について説明する。図4に第2の実施形態に係る超音波モータ50の概略構造を示す説明図を示す。この図4には、超音波モータ50の概略断面図に、超音波モータ50が具備する第1・第2圧電素子11・12の配置形態を示す斜視図を並記している。
Next, a second embodiment will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic structure of an
この超音波モータ50は、先に説明した第1圧電素子11と第2圧電素子12とを1つの圧電素子群とする2つの圧電素子群51・52を備えている。2つの第1圧電素子11は超音波モータ50の長手方向中央について対称な位置に配置され、同様に、2つの第2圧電素子12も超音波モータ50の長手方向中央について対称な位置に配置されている。これにより、先に図3に示した共振モードの振動が立ちやすくなる。
The
また、超音波モータ50は、両端に所定のネジ溝が形成されている枢軸53と、保持部材54と、2つの第1圧電素子11間に設けられた第1スペーサ55と、第1圧電素子11と保持部材54との間に設けられた2つの第2スペーサ56と、第2圧電素子12と保持部材54との間に設けられた2つの第3スペーサ57と、枢軸53の両端に形成されたネジ溝に螺合する金属製の2つの固定部材59と、第2圧電素子12と固定部材59との間に設けられた絶縁材料からなる第4スペーサ58と、を備えている。被駆動体5に当接する第1摩擦摺動部材60aは第1スペーサ55の側面に、第2摩擦摺動部材60bは固定部材59の側面に、それぞれ設けられている。
Further, the
圧電素子群51・52における第1圧電素子11と第2圧電素子12の配置形態は、図4に示す通りである。超音波モータ50の駆動は、先に説明した超音波モータ10と同様に、第1・第2圧電素子群51・52の各第1圧電素子11に、例えば、駆動電圧V1=V0sin2πftを印加し、第1・第2圧電素子群51・52の各第2圧電素子12に、駆動電圧V2=V0cos2πftを印加することにより行われる。
The arrangement form of the first
このときの超音波モータ50の撓み振動の形態は超音波モータ10と同様であるから、ここでは詳細な説明は省略する。超音波モータ50では、圧電素子群51による撓み振動と圧電素子群52による撓み振動とが合成されて、超音波モータ10よりも大きな撓み振動が生じる。このため、超音波モータ10よりも大きなトルクを発生させることができる。
Since the form of the flexural vibration of the
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図5に第3の実施形態に係る超音波モータ70の概略構造を示す説明図を示す。この図5には、超音波モータ70の概略断面図に、超音波モータ70が具備する圧電素子71の配置形態を示す斜視図を並記している。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram showing a schematic structure of an
超音波モータ70もまた柱状の構造体である。この超音波モータ70は、筒状の圧電素子71と、枢軸72と、凹型の保持部材73と、圧電素子71と保持部材73との間に設けられた2つのスペーサ74と、枢軸72の両端に形成されたネジ溝に螺合する2つの固定部材75と、を有している。枢軸72は、圧電素子71とスペーサ74と保持部材73とに挿通されている。被駆動体5(図5に図示せず)に当接する第1摩擦摺動部材76aは圧電素子71の側面に設けられ、第2摩擦摺動部材76bは2つの固定部材75の側面に設けられている。
The
図5に示すように、圧電素子71は、圧電体81と、圧電体81を挟んで形成された略同形状の3組の電極(第1電極82、第2電極83、第3電極84、とする)を有している。圧電体81は一様にその厚さ(長さ)方向で分極されている。第1〜第3電極82〜84は、圧電体81を分極処理するために形成した電極を分極後にダイシング等により分割して形成してもよく、最初から3つに分けて形成されていてもよい。以下、第1電極82に挟まれた部分を第1駆動部85、第2電極83に挟まれた部分を第2駆動部86、第3電極84に挟まれた部分を第3駆動部87、とする。
As shown in FIG. 5, the
超音波モータ70では、第1電極82、第2電極83、第3電極84に、それぞれ位相が120度(2π/3ラジアン)ずれた駆動電圧、例えば、第1電極82にV1=V0sin(2πft+2π/3)を、 第2電極83にV2=V0sin2πftを、第3電極84にV3=V0sin(2πft−2π/3)を、それぞれ印加する。これにより、第1駆動部85〜第3駆動部87の伸縮のタイミングがずれて、図3に示したような撓みの向きが連続的に変化する撓み振動と実質的に同じ撓み振動を発生させることができ、第1・第2摩擦摺動部材76a・76bの楕円運動により、被駆動体5(図示せず)を移動させることができる。
In the
超音波モータ70では、第1摩擦摺動部材76aが伸縮変位を生ずる圧電素子71に設けられているために、第1摩擦摺動部材76aが圧電素子71から剥離するおそれがある。そこで、圧電素子71を用いて超音波モータを構成する場合には、圧電素子71を偶数備えた構成とすることが好ましい。
In the
例えば、図6に2つの圧電素子71を備えた、第4の実施形態に係る超音波モータ90の概略構造を示す説明図を示す。図6では、超音波モータ90の概略断面図に、圧電素子71の配置形態を示す斜視図を並記している。
For example, FIG. 6 shows an explanatory diagram showing a schematic structure of an
超音波モータ90において、2つの圧電素子71は撓み振動が立ちやすいように、超音波モータ90の長手方向中央について対称な位置に配置されている。また、超音波モータ90は、また、枢軸91と、保持部材92と、2つの圧電素子71の間に設けられた第1スペーサ93と、2つの圧電素子71と保持部材92との間にそれぞれ設けられた2つの第2スペーサ94と、枢軸91の両端に形成されたネジ溝に螺合する2つの固定部材95と、を有している。枢軸91は、2つの圧電素子71と第1スペーサ93と保持部材92とに挿通されている。被駆動体5(図6に図示せず)に当接する第1摩擦摺動部材96aは第1スペーサ93の側面に設けられ、第2摩擦摺動部材96bは2つの固定部材95の側面に設けられている。
In the
超音波モータ90において、Z方向から見たときに、2つの圧電素子71の各第1駆動部85が重なるように2つの圧電素子71は配置されている。つまり、2つの圧電素子71の各第2駆動部86もZ方向から見たときに重なり、各第3駆動部87もZ方向から見たときに重なる。
In the
例えば、2つの第1駆動部85をV1=V0sin(2πft+2π/3)で駆動し、2つの第2駆動部86をV2=V0sin2πftで駆動し、2つの第3駆動部87をV3=V0sin(2πft−2π/3)で駆動することにより、2つの圧電素子71によって生ずる撓み振動が合成されてより大きな撓み振動を発生させることができる。また、第1摩擦摺動部材96aは第1スペーサ93に取り付けられているために、第1摩擦摺動部材96aが第1スペーサ93に接着により取り付けられていても剥離し難く、また、第1摩擦摺動部材96aを第1スペーサ93と一体で設けることもできる。
For example, the two
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、超音波モータ10の駆動形態として、第1圧電素子11および第2圧電素子12の両方に最大電圧(振幅)が±V0となる駆動電圧を印加した場合について説明したが、第1圧電素子11に印加する最大電圧と第2圧電素子12に印加する最大電圧とは異なっていてもよい。この場合には、電圧の大きさにしたがって、第1・第2摩擦摺動部材16a・16bに生ずる楕円軌跡が変化する。
As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to such a form. For example, as a driving form of the
また、超音波モータ10を構成する第1圧電素子11と第2圧電素子12を用いて、例えば、1つの第2圧電素子12をスペーサを介して2つの第1圧電素子11で挟み込んだ構造や、2つの第1圧電素子11と3つの第2圧電素子12とをスペーサを介して交互に配置した構造を有する超音波モータを構成した場合でも、図3を参照しながら説明した撓み振動を生じさせることができる。
Further, using the first
さらに、超音波モータ10に設けられた第1圧電素子11および第2圧電素子12からなる圧電素子群を2つ備えた超音波モータ50について説明したが、3つ以上の圧電素子群を各圧電素子群による撓み振動が合成されてより大きな撓み振動が発生するように備えた構成とすることもできる。
Further, the
超音波モータ10・50を構成する第1圧電素子11では、第1駆動部31と第2駆動部32では圧電体21における分極Pの向きが逆であったが、例えば、圧電体21における分極Pの向きを一様とし、かつ、第1電極22と第2電極23とを独立させて、例えば、第1電極22にV1=V0sin2πftを印加すると同時に、第2電極23にV1′=−V0sin2πftを印加してもよい。
In the first
超音波モータ70では、圧電素子71に実質的に等価な3つの第1〜第3駆動部85〜87を設けたが、このような駆動部は4つ以上であってもよい。この場合、駆動部の数に応じて、各駆動部に印加する駆動電圧の位相をずらす。例えば、駆動部が4つの場合には90度、駆動部が6つの場合は60度ずつずらせばよい。また、超音波モータ70を超音波モータ90に変形したように、超音波モータ70を構成する圧電素子を3つ以上備えた超音波モータでも、図3に示した撓み振動を発生させることができる。
In the
上記説明においては、圧電素子として筒状の圧電セラミックスからなる構造のものを示したが、この圧電素子の厚みは所定の変位量が得られる限りにおいて、薄くすることができる。つまり、圧電素子は円環板状であってもよい。また、圧電素子として無垢の圧電セラミックスからなるものを示したが、圧電素子は、複数の圧電セラミックス層と電極(内部電極)とを交互に積層してなる積層型素子であってもよい。 In the above description, the piezoelectric element has a structure made of cylindrical piezoelectric ceramics. However, the thickness of the piezoelectric element can be reduced as long as a predetermined amount of displacement is obtained. That is, the piezoelectric element may be an annular plate. Moreover, although what consists of innocent piezoelectric ceramics was shown as a piezoelectric element, the piezoelectric element may be a multilayer element formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric ceramic layers and electrodes (internal electrodes).
本発明は、半導体製造装置等に装着されるX−Yステージ装置の駆動装置として好適である。 The present invention is suitable as a driving device for an XY stage apparatus mounted on a semiconductor manufacturing apparatus or the like.
5;被駆動体
10・50・70・90;超音波モータ
11;第1圧電素子
12;第2圧電素子
13;枢軸
14;保持部材
15;予圧機構
16a;第1摩擦摺動部材
16b;第2摩擦摺動部材
17;固定部材
18;第1スペーサ
19;第2スペーサ
21;圧電体
22;第1電極
23;第2電極
24;圧電体
25;第3電極
26;第4電極
31;第1駆動部
32;第2駆動部
33;第3駆動部
34;第4駆動部
51・52;圧電素子群
53;枢軸
54;保持部材
55;第1スペーサ
56;第2スペーサ
57;第3スペーサ
58;第4スペーサ
59;固定部材
60a;第1摩擦摺動部材
60b;第2摩擦摺動部材
71;圧電素子
72;枢軸
73;保持部材
74;スペーサ
75;固定部材
76a;第1摩擦摺動部材
76b;第2摩擦摺動部材
81;圧電体
82;第1電極
83;第2電極
84;第3電極
85;第1駆動部
86;第2駆動部
87;第3駆動部
91;枢軸
92;保持部材
93;第1スペーサ
94;第2スペーサ
95;固定部材
96a;第1摩擦摺動部材
96b;第2摩擦摺動部材
100;超音波モータ
101a・101b;圧電素子
102;ヘッド
103;ロータ
5; driven
Claims (6)
前記構造体の側面の所定位置に被駆動体と接するように設けられた複数の摩擦摺動部と、
を具備し、
前記超音波振動部が、前記構造体に撓み振動を、その撓みの向きが連続的に変化することによって前記複数の摩擦摺動部に位相がずれた楕円運動が生ずるように、発生させることにより、前記被駆動体を前記構造体の長手方向と垂直な方向に移動させることを特徴とする超音波モータ。 A substantially columnar structure including one or more ultrasonic vibrators;
A plurality of friction sliding portions provided so as to come into contact with the driven body at a predetermined position on a side surface of the structure;
Comprising
The ultrasonic vibration unit generates a flexural vibration in the structure so that an elliptical motion out of phase is generated in the plurality of friction sliding units by continuously changing the direction of the flexure. An ultrasonic motor characterized in that the driven body is moved in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the structure.
前記2つの圧電素子はそれぞれ、前記構造体の長手方向に独立して伸縮可能で、実質的に同形状な3つの駆動部を有し、
前記2つの圧電素子の各駆動部は、各圧電素子の各駆動部の伸縮によって前記構造体に生ずる撓みが合わされて前記構造体により大きな撓みを生ずるように、位相を120度ずつずらして駆動されることを特徴とする請求項1に記載の超音波モータ。 Two piezoelectric elements as the ultrasonic vibration part are provided at symmetrical positions with respect to the longitudinal center of the structure,
Each of the two piezoelectric elements can be extended and contracted independently in the longitudinal direction of the structure, and has three driving parts having substantially the same shape,
The drive portions of the two piezoelectric elements are driven with a phase shift of 120 degrees so that the flexures generated in the structure are combined by the expansion and contraction of the drive portions of the piezoelectric elements to produce a large flexure in the structure. The ultrasonic motor according to claim 1.
前記構造体の側面の所定位置に被駆動体と接するように設けられた複数の摩擦摺動部と、
を具備し、
前記2つ以上の超音波振動部がそれぞれ前記構造体を異なる方向に撓ませる2つ以上の撓み振動を前記構造体に発生させ、これらの撓み振動が合成されることにより前記構造体の長手方向と直交する面において前記複数の摩擦摺動部に位相がずれた楕円運動を生じさせて、前記被駆動体を前記構造体の長手方向と垂直な方向に移動させることを特徴とする超音波モータ。 A substantially columnar structure including two or more ultrasonic vibration parts;
A plurality of friction sliding portions provided so as to come into contact with the driven body at a predetermined position on a side surface of the structure;
Comprising
The two or more ultrasonic vibration parts respectively generate two or more flexural vibrations that cause the structure to bend in different directions, and the flexural vibrations are combined to generate a longitudinal direction of the structure. An ultrasonic motor characterized in that an elliptical motion out of phase is generated in the plurality of friction sliding portions on a plane orthogonal to the longitudinal direction of the structure to move the driven body in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the structure. .
前記圧電素子群を構成する2つの圧電素子は、前記構造体の長手方向に独立して伸縮可能であり、かつ、伸縮の位相が逆転している実質的に同形状な2つの駆動部をそれぞれ有し、
前記圧電素子群において、前記2つの圧電素子は、一方の圧電素子の伸縮による前記構造体の撓み振動の方向と、他方の圧電素子の伸縮による前記構造体の撓み振動の方向とが、直交するように配置され、
前記2つの圧電素子群による前記構造体の撓み振動が合成されてより大きな撓み振動が前記構造体に生ずることを特徴とする請求項3に記載の超音波モータ。 As the ultrasonic vibration unit, two piezoelectric element groups having two piezoelectric elements are provided at symmetrical positions with respect to the longitudinal center of the structure,
The two piezoelectric elements constituting the piezoelectric element group can be expanded and contracted independently in the longitudinal direction of the structure, and two substantially identical drive units with the phases of expansion and contracting reversed are respectively provided. Have
In the piezoelectric element group, in the two piezoelectric elements, the direction of flexural vibration of the structure due to expansion and contraction of one piezoelectric element is orthogonal to the direction of flexural vibration of the structure due to expansion and contraction of the other piezoelectric element. Arranged as
The ultrasonic motor according to claim 3, wherein a bending vibration of the structure body by the two piezoelectric element groups is combined to generate a larger bending vibration in the structure body.
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