JP5483845B2 - 振動波モータ - Google Patents

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Description

本発明は、振動体に振動波を生じさせ、この振動体に接触する移動体を摩擦力により相対移動させる振動波モータに関し、例えば、複数のリニア型振動波モータを用いる多自由度駆動機構に好適な振動波モータの構成に関する。
従来、直動型の圧電振動体に振動波を発生させ、この振動体に接触する移動体を摩擦力により相対移動させる振動波モータが提案されている(特許文献1)。
図13は、上記従来の振動波モータの一例を示す図である。
この振動波モータは、突起部19を有する弾性体18と圧電素子部17とを接着剤等を介して一体化した振動体11を備える。そして、圧電素子部17に電圧を印加することにより、振動体11に所定の振動モードが発生し、振動体11の突起部19に加圧接触する移動体20が図の矢印方向に直線移動する。
図14は、駆動方向が異なるように配置された3つの振動体6a〜6cを有する駆動装置を示す図である。
この駆動装置は、3つの振動体6a〜6cに駆動力を与えることで、ベクトル8a,8b,8cを合成した方向に移動体11を2次元平面上で移動させるようにしている(特許文献2)。
特開2004−320846号公報 特公平07−034660号公報
しかし、上記特許文献1では、移動体20が棒形状であるため、突起部19との接触部分に加圧方向の振動を受けたとき、移動体20がその加振力の不要な振動を吸収して突起部19との接触が不安定となる。
このため、振動体11の振動が移動体20に効率良く伝達されないという問題がある。また、移動体20と突起部19との接触が不安定になることから、該接触部分に異常な振動音が発生する問題もある。
一方、上記特許文献2では、移動体1に対して複数の振動体6a〜6cから加振力が加えられるため、それぞれの振動が干渉して異常な振動音が発生する問題がある。
そこで、本発明は、異常な振動音を発生させることなく、振動体の振動を効率良く移動体に伝達することができる振動波モータを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の振動波モータは、振動体に振動波を生じさせ、この振動体に加圧接触する移動体を摩擦力により相対移動させる振動波モータであって、前記移動体は、前記振動体に加圧接触することが可能な第1の領域と、前記第1の領域の周囲に配置され、前記振動体が接触しない第2の領域とを備え、前記第1の領域は、前記第2の領域より剛性が低く、かつ前記振動体の加圧方向に弾性変形が可能であり、前記移動体は、前記第1の領域の周囲において、前記第1の領域と前記第2の領域との間に、前記第1の領域の周囲に、周方向に沿って複数の切欠きが形成されていることを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明の振動波モータは、振動体に振動波を生じさせ、この振動体に加圧接触する移動体を摩擦力により相対移動させる振動波モータであって、前記移動体は、前記振動体に加圧接触することが可能な第1の領域と、前記第1の領域の周囲に配置され、前記振動体が接触しない第2の領域とを備え、前記第1の領域は、前記第2の領域より剛性が低く、かつ前記振動体の加圧方向に弾性変形が可能に構成され、前記移動体は、前記第1の領域を複数有し、互いに駆動方向が異なる複数の前記振動体が、前記複数の第1の領域に対して個別に加圧接触するように配置され、前記移動体において、複数の前記第1の領域のうち、少なくとも1つが、他の第1の領域に対して前記振動体の加圧方向の剛性が異なるよう構成され、前記移動体は、前記第1の領域の周囲において、前記第1の領域と前記第2の領域との間に、複数の切欠きが形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、異常な振動音を発生させることなく、振動体の振動を効率良く移動体に伝達して、移動体の安定した駆動を確保することができる。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態である振動波モータを説明するための図であり、(a)は振動体を示す図、(b)は移動体を示す図、(c)は振動体と移動体とを加圧接触させた状態を示す図である。
本実施形態の振動波モータは、図1に示すように、突起部19を有する弾性体18と圧電素子部17とを接着剤等を介して一体化した振動体11を備える。振動体11は、ベース板9に支持部9a,9bを介して支持されている。
移動体31は、図1(b)に示すように、円形状をなしており、その中央部には、振動体11の突起部19が加圧接触する円状の接触部31aが設けられている。接触部31aの周囲には、円弧状の複数(図では4箇所)の切欠き31bが円周方向に等間隔で形成されている。
これにより、移動体31において、接触部31aの加圧方向の剛性が、切欠き31bの外周側の剛性より低くなり、かつ接触部31aが振動体11の加圧方向に対して弾性変形可能とされている。
次に、図2及び図3を参照して、振動波モータの駆動原理について説明する。
図2は、弾性体18の裏面に貼り付けられた圧電素子部17の電極パターンを示す図であり、この電極パターンには、長手方向(X方向)で2等分された電極領域が形成されている。また、各電極領域における分極方向は、同一方向(「+」)となっている。
圧電素子部17の2つの電極領域のうち、図2の右側に位置する電極領域には交流電圧(V1)が印加され、左側に位置する電極領域には交流電圧(V2)が印加される。
図2において、V1およびV2を振動体11の共振周波数近傍の周波数で、かつ位相が180°ずれた交流電圧とすると、ある瞬間には、圧電素子部17の右側の電極領域が縮むとともに、左側の電極領域が伸びる。また、別の瞬間には逆の関係となる。この結果、振動体11には、図3(a)に示すAモードの振動が発生することになる。
また、V1およびV2を振動体11の共振周波数近傍の周波数で、かつ同位相の交流電圧とすると、圧電素子部17の全体(2つの電極領域)がある瞬間には伸び、また別の瞬間には縮むことになる。この結果、振動体11には、図3(b)に示すBモードの振動が発生することになる。
このようなそれぞれの振動をある時間的位相関係で合成することにより、突起部19の先端にはX方向とZ方向を径とする楕円状の運動が発生する。
そして、この楕円運動を移動体31が振動体11の摩擦力として受けることで、図3(a)の矢印方向に駆動される。また、AモードとBモードの発生比を圧電素子部17の2等分された電極領域へ入力する電圧の位相差を変えることにより変化させることが可能であり、前記楕円運動の縦横比もこの発生比によって変化する。
本実施形態の振動体11では、前記発生比を変えることにより突起部19と移動体31との接触部の駆動力を変えられるため移動体31の速度をコントロールすることが可能となる。
図4は、振動波モータを駆動するドライバ部の回路構成を示す図である。
図4の回路構成において、スイッチング回路はスイッチング素子にFET51〜58を用いている。
ここで、図4に示すように、A相パルスがHiになるとFET51,54がオンとなりA相から/A相に向かって電流が流れる。逆に、/A相パルスがHiになるとFET53,52がオンとなり、/A相からA相に向かって電流が流れる。
B相に対しても同様に、与えられたパルス信号に応じてFET55〜58がオンして振動体11に電圧を印加する構成となっている。なお、A相と/A相およびB相と/B相は、それぞれ180°位相がずれており、パルス幅は等しいパルス信号となっている。
インピーダンス素子41,42は、振動波モータとのインピーダンスを整合させる素子であり、本実施形態では、インダクタンス素子を用いている。なお、不図示ではあるが、インピーダンスを整合させるために容量素子を、振動体11と並列に設ける場合もある。このようにインピーダンス素子41,42を配置することで、低電圧でかつ高効率で振動波モータを駆動することができる。
図5は、突起部19における振動体11の変位と、突起部19との接触部31aにおける移動体31のZ方向の変位との理想的な関係を示すグラフ図である。
図5において、横軸は時間であり、振動体11は、固有振動によりZ方向にサインカーブ状に変位する。移動体31側では、振動体11の振動が効率良く伝達されるためには、図5に示すサインカーブ状の加振力に対して振動の山の領域で突起部19との接触状態を維持し、谷の領域では突起部19と非接触状態であるのが望ましい。
ここで、図13に示す従来の移動体20では、図5に示すサインカーブ状の加振力に対して振動の山の領域で突起部19との接触状態を維持できず、駆動力が伝達される前に非接触になってしまう場合がある。
また、図13に示す従来の移動体20では、図5に示す理想的な振動伝達ができないため、移動体20に不要な振動が発生し、この振動が振動体11側に伝達されて異常な振動音を発生させてしまう。
これに対し、本実施形態では、振動体11の突起部19が加圧接触する移動体31の接触部31aがZ方向に弾性変形可能とされている。このため、図1(c)に示すように、接触部31aが振動体11の突起部19と接触してないときは点線のように移動体31は変形しない状態となる。
また、接触部31aが振動体11の突起部19と接触しているときには突起部19の振動に追従して接触部31aがZ方向(加圧方向)に弾性変形し、図5に示す理想的な接触状態が得られる。
これにより、振動体11の駆動力が移動体31に効率良く伝達され、また、移動体31と突起部19との接触が安定するため、該接触部分に異常な振動音が発生するのを回避することができ、移動体31の安定した駆動を確保することができる。
また、移動体31の中央部の接触部31aのみがバネ構造を持って変形するため、移動体31の外周側を保持する保持部などの駆動伝達部には振動の影響が発生しないという効果も得られる。
なお、移動体31や接触部31aの形状は特に限定されず、例えば、図6(b)に示すように、移動体31に対して切欠き31bの位相を略45°ずらして配置した移動体32であってもよい。
(第2の実施形態)
次に、図7を参照して、本発明の第2の実施形態である振動波モータについて説明する。
図7において、(a)は移動体を示す図、(b)は振動体の突起部が移動体の接触部に加圧接触している状態を示す図で(a)のA−A線断面図、(c)は振動体の突起部が移動体の接触部に加圧接触している状態を示す図で、(a)のB−B線断面図である。なお、上記第1の実施形態に対して重複或いは相当する部分については、図に同一符号を付してその説明を省略する。
本実施形態の振動波モータは、移動体33の接触部31aの周囲に等間隔で形成した4ヶ所の円弧状の切欠き31bについて、それぞれのA−A線側の端部に一カ所の不連続部33aが設けられている。これにより、移動体33の接触部31aのA−A線方向(振動体11の駆動方向(矢印))の剛性が、A−A線方向に直交するB−B線方向の剛性より高くなっている。
図7(b)に示すように、振動体11の駆動方向の力を受けても移動体11は駆動方向にはほとんど変形しない。一方、図7(c)に示すように、移動体33の接触部31aにおける振動体11の駆動方向(A−A線方向)と直交するB−B線方向には、外力などにより移動体33を変形させる力が発生する。
従って、移動体33の振動体11との接触面には上記外力による摩擦力が伝わらないようにする必要があり、特に周波数の高い振動を減衰させる必要がある。このため、接触部31aにおける振動体11の駆動方向と直交するB−B線方向は、該駆動方向の剛性より低い剛性のバネ性を有する構造になっている。
このように、本実施形態では、移動体33の接触部31aにおける振動体11の駆動方向(A−A線方向)の剛性を該駆動方向と直交するB−B線方向の剛性より高くしている。これにより、移動体33の変形を防止しつつ駆動方向に振動体11の駆動力を効率良く伝達することができる。その他の構成及び作用効果は、上記第1の実施形態と同様である。
なお、移動体33や接触部31aの形状は特に限定されない。例えば、図7(d)に示すように、接触部31aの周囲において、B−B線方向に対向する部位に一対の円弧状の切欠き34aを形成し、A−A線方向に対向する部位にそれぞれ複数の短円弧状の切欠き34bを形成した移動体34であってもよい。
(第3の実施形態)
次に、図8及び図9を参照して、本発明の第3の実施形態である振動波モータについて説明する。
本実施形態の振動波モータは、図8(a)に示すように、ベース板9に3つの振動体11a〜11cが不図示の支持部を介して支持されている。
3つの振動体11a〜11cは、移動体35に対して個別に加圧接触して互いに異なる駆動方向M1〜M3に駆動力を持ち、その合成力によって移動体35を駆動する。なお、振動体11a〜11cの構成は、上記第1の実施形態で説明した振動体11と同一であるのでその説明を省略する。
移動体35は、円形状をなしており、図8(b)及び図8(c)に示すように、振動体11a〜11cの各突起部19がそれぞれ加圧接触する3箇所の円状の接触部31aが設けられている。接触部31aの周囲には、上記第2の実施形態(図7(a)参照)と同様の切欠き31bが形成されている。
これにより、移動体35において、接触部31aの剛性が、切欠き31bの外周側の剛性より低くなり、かつ接触部31aが振動体11a〜11cの加圧方向に対して弾性変形可能とされている。
図8(a)に示すように、ベース板9のX方向に沿う一辺部には、移動体35のX方向の位置を検出する位置センサ21が配置され、ベース板9のY方向に沿う両辺部には、移動体35のY方向の位置を検出する位置センサ22,23が配置されている。
また、図8(b)に示すように、移動体35には、位置センサ21,22,23に対応する位置にそれぞれマーク(スリット)を有するスケール部21′、22′、23′が配置されている。このスケール部21′、22′、23′を介して得られる信号により位置センサ21,22,23が位置情報を得る。
図9は、3つの振動体11a〜11cの駆動を制御する制御回路を示すブロック図である。
図9において、演算処理部40はマイクロコンピュータなどからなり、位置センサ21,22,23及び発振器61が接続される。位相シフタ62,63,64は、振動体11a,11b,11cに対応して設けられ、発振器61に対しそれぞれ位相が異なる信号を出力する。スイッチング回路部65,66,67は、図4の回路構成と同様であり、それぞれ振動体11a,11b,11cに接続される。
そして、スケール部21′がX方向に移動することで、その移動量に応じた位置信号が位置センサ21から出力され、スケール部22′,23′がY方向に移動することで、その移動量に応じた位置信号が位置センサ22,23から出力される。
演算処理部40は、位置センサ21〜23から出力された位置信号を演算することで、移動体35の移動位置を検出し、検出した移動位置が目標位置に達するように発振器61の発振周波数を決定する。そして、位相シフタ62〜64を介してスイッチング回路部65〜67に図4と同様にしてA相パルス、/A相パルス、B相パルス、/B相パルスが入力される。
また、スイッチング回路部65から振動体11aには、M1_A相、M1_/A相、M1_B相、M1_/B相が出力され、スイッチング回路部66から振動体11bには、M2_A相、M2_/A相、M2_B相、M2_/B相が出力される。スイッチング回路部67から振動体11cには、M3_A相、M3_/A相、M3_B相、M3_/B相が出力される。
ここで、移動体35の移動速度を変化させるパラメータとしては、それぞれの振動体11a〜11cに加える駆動周波数、駆動電圧、A相B相パルスの位相差、A相B相パルスのパルス幅などが選択できる。
このように、本実施形態では、3つの振動体11a〜11cの各突起部19が移動体35に設けられた3箇所の接触部31aにそれぞれ加圧接触し、それぞれの接触部31aが加圧方向に弾性変形可能とされている。
これにより、移動体35が3つの振動体11〜11cの振動に追従して加圧方向に変形して、振動体11a〜11cの駆動力が移動体35に効率良く伝達される。
また、移動体35と突起部19との接触が安定し、しかも3つの振動体11〜11cの振動が干渉することもないため、異常な振動音が発生するのを回避することができる。
更に、本実施形態においても、上記第2の実施形態と同様に、移動体35の各接触部31aにおいて、振動体11a〜11cの駆動方向(M1〜M3)の剛性を該駆動方向と直交する方向の剛性より高くするための切欠き31bを形成している。
これにより、移動体35の駆動方向に振動体11a〜11cの駆動力を移動体35に効率良く伝達することができる。
(第4の実施形態)
次に、図10を参照して、本発明の第4の実施形態である振動波モータについて説明する。なお、上記第3の実施形態に対して重複又は相当する部分については図に同一符号を付してその説明を省略する。
本実施形態の振動波モータは、図10に示すように、移動体36の3つの接触部31aが振動体11a〜11c側に向けて突出する凸形状となっている。この凸形状は、例えばプレス加工等により容易に形成することができる。
通常、振動波モータにおいて、振動体11a〜11cの突起部19が加圧接触する移動体36の接触部31aは、面荒れしていると摩耗粉などが発生しやすく、また、摩耗粉により摩耗が促進され、性能劣化の原因になる。
そのため、接触部31aの表面粗さを小さくする必要があるが、接触部31aが他の面と同一面にあると、移動体36の全面を研磨加工する必要があり、精度を出すのも困難でかつ製作に時間を要する。
本実施形態では、3つの接触部31aのみが振動体11a〜11c側に向けて突出する凸形状になっているため、容易に接触部31aを研磨加工して表面粗さを小さくすることが可能となる。
また、凸形状が3ヶ所あるので、接触部31aの平面形状の精度が出しやすく、更には、凸形状の高さを調整することで、加圧方向のバネ剛性を変えることができる。
なお、本実施形態では、複数(例えば3つ)の接触部31aを例示したが、接触部31aが1つの場合にも適用できるのは勿論である。その他の構成及び作用効果は、上記第1または2の実施形態と同様である。
(第5の実施形態)
次に、図11及び図12を参照して、本発明の第4の実施形態である振動波モータについて説明する。なお、上記第3の実施形態に対して重複又は相当する部分については図に同一符号を付してその説明を省略する。
本実施形態の振動波モータは、図11(a)に示すように、3つの振動体11a〜11cのうち、2つの振動体11b,11cが振動体11aに比べて高出力が出せるように大型化されている。
振動波モータにおいて、移動体37が例えばカメラの撮像素子に取り付けられている場合がある。このような場合、振動波モータは、縦置きとされ、図11に示すように、矢印方向に重力が作用する。そこで、2つの振動体11b,11cを振動体11aに比べて高出力が出せるように大型化して、重力に対して十分な力を持たせている。
また、図11(b)に示すように、移動体37において、振動体11b,11cに対応する接触部31a',31a'の面積は、振動体11aに対応する接触部31aの面積より大きく形成されている。
これにより、振動体11b,11cに対応する接触部31a',31a'の剛性を振動体11aに対応する接触部31aの剛性より低くしている。この結果、振動体11b,11cに対応する接触部31a',31a'は、振動体11aに対応する接触部31aに比べて加圧方向に弾性変形しやすくなっている。
図12は、振動体の振幅小の場合と振幅大の場合において、振動体と移動体との接触状態を示すグラフ図である。
図12において、横軸が時間、縦軸が変位であり、振動体が高出力になると振動変位が増え、移動体との接触領域が小さくなってしまい、振動体の振動を効率良く駆動力に使うことができず、駆動効率が落ちてしまう。
そこで、振動体11b,11cに対応する接触部31a',31a'を、振動体11aに対応する接触部31aに比べて加圧方向に弾性変形しやすくして、振動体11b,11cの各突起部19と接触部31a',31a'との最適は接触状態を確保している。
なお、本実施形態では、接触部31aの面積さを変えてバネ剛性を変えたが、接触部31aの形状を変えることなどによってもバネ剛性を変えることは可能である。その他の構成及び作用効果は、上記第3の実施形態と同様である。
なお、本発明は上記各実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
本発明の第1の実施形態である振動波モータを説明するための図であり、(a)は振動体の平面図、(b)は移動体の平面図、(c)は移動体に振動体が加圧接触している状態を示す断面図である。 振動体の圧電素子部の電極パターンを示す図である。 振動体の振動モードを説明するための説明図であり、(a)はAモードを示す図、(b)はBモードを示す図である。 振動波モータを駆動するドライバ部の回路構成を示す図である。 移動体の突起部との接触部における振動体の変位と、移動体のZ方向の変位との理想的な関係を示すグラフ図である。 本発明の第1の実施形態である振動波モータの変形例を説明するための図であり、(a)は振動体の平面図、(b)は移動体の平面図、(c)は移動体に振動体が加圧接触している状態を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態である振動波モータを説明するための図であり、(a)は移動体の平面図、(b)は(a)のA−A線断面図、(c)は(a)のB−B線断面図、(d)は移動体の他の例を示す平面図である。 本発明の第3の実施形態である振動波モータを説明するための図であり、(a)は振動体の平面図、(b)は移動体の平面図、(c)は移動体に振動体が加圧接触している状態を示す断面図である。 3つの振動体の駆動を制御する制御回路を示すブロック図である。 本発明の第4の実施形態である振動波モータを説明するための図であり、(a)は移動体の平面図、(b)は移動体に振動体が加圧接触している状態を示す断面図である。 本発明の第5の実施形態である振動波モータを説明するための図であり、(a)は振動体の平面図、(b)は移動体の平面図である。 振動体の振幅小の場合と振幅大の場合において、振動体と移動体との接触状態を示すグラフ図である。 従来例の振動波モータを説明するための斜視図である。 従来の多自由度の駆動装置を説明するための一部を破断した斜視図である。
符号の説明
11 振動体
17 圧電素子部
18 弾性体
19 突起部
21 X位置センサ
22,23 Y位置センサ
21′,22′,23′ スケール部
31a 接触部
31b 切欠き
31〜37 移動体
40 演算処理部
41,42 インピーダンス素子
51〜58 FET
61 発振器
62〜64 位相シフタ
65〜67 スイッチング回路部

Claims (5)

  1. 振動体に振動波を生じさせ、この振動体に加圧接触する移動体を摩擦力により相対移動させる振動波モータであって、
    前記移動体は、前記振動体に加圧接触することが可能な第1の領域と、前記第1の領域の周囲に配置され、前記振動体が接触しない第2の領域とを備え、前記第1の領域は、前記第2の領域より剛性が低く、かつ前記振動体の加圧方向に弾性変形が可能であり、
    前記移動体は、前記第1の領域の周囲において、前記第1の領域と前記第2の領域との間に、前記第1の領域の周囲に、周方向に沿って複数の切欠きが形成されていることを特徴とする振動波モータ。
  2. 前記移動体の前記第1の領域において、前記振動体が前記移動体を駆動させる駆動方向の剛性に対して前記駆動方向と直交する方向の剛性を低くした、
    ことを特徴とする請求項1に記載の振動波モータ。
  3. 前記移動体の前記第1の領域が、前記第2の領域に対して前記振動体の側に突出する凸形状とされている、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の振動波モータ。
  4. 前記移動体は、前記第1の領域を複数有し、互いに駆動方向が異なる複数の前記振動体が、前記複数の第1の領域に対して個別に加圧接触するように配置される、
    ことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の振動波モータ。
  5. 振動体に振動波を生じさせ、この振動体に加圧接触する移動体を摩擦力により相対移動させる振動波モータであって、
    前記移動体は、前記振動体に加圧接触することが可能な第1の領域と、前記第1の領域の周囲に配置され、前記振動体が接触しない第2の領域とを備え、前記第1の領域は、前記第2の領域より剛性が低く、かつ前記振動体の加圧方向に弾性変形が可能に構成され
    前記移動体は、前記第1の領域を複数有し、互いに駆動方向が異なる複数の前記振動体が、前記複数の第1の領域に対して個別に加圧接触するように配置され、
    前記移動体において、複数の前記第1の領域のうち、少なくとも1つが、他の第1の領域に対して前記振動体の加圧方向の剛性が異なるよう構成され、
    前記移動体は、前記第1の領域の周囲において、前記第1の領域と前記第2の領域との間に、複数の切欠きが形成されていることを特徴とする振動波モータ。
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