JPH04178178A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、超音波モータに関し、特に真空容器内で微
細な位置制御を行う試料台〆移動用の−軸アクチュエー
タとして用いる超音波モータに関するものである。

［従来の技術］ 第１９図、第２０図は、本発明者の提案（特願平２−９
９６９号）になる超音波モータであり、金属などの弾性
体でなる円板上の基体（３１）の上面に駆動子（３５ａ
）、　　（３５ｂ）　　が突設されている。まだ、基体
（３１）の片面には、基体（３１）を励振させるための
圧電素子（３２ａ）、（３２す、（３２りと（３３ａ）
、（３３ｂ）、（３３Ｇ）の２つのグループがそれぞれ
固着されている。（３１ａ）は取付固定用の貫通孔であ
るっ以上の構成により、超音波領域の電気信号を圧電素
子（３２ａ）　〜（３２Ｃ）または（３３ａ）　〜（３
３ｃ）に加えると、基体（３１）は径方向伸縮モードと
、逆相屈曲モードの両方の周波数に共振する寸法にしで
あるので、両者の複合振動を発生する。

駆動子（３ｓａ）、（３５ｂ）にはスライダが圧接され
ており、圧電素子の２つのグループのどちらで励振する
かにより、逆相屈曲モードだけが反転することになるの
で、被移動体であるスライダに左右方向の直線移動を与
えることができる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のような従来の超音波モータは、径方向伸縮モード
と逆相屈曲モードの両方の振動を１個の同一の基体で発
生させているため、スライダの移動量に関与する径方向
伸縮モードだけを小さく絞り込むことが困難であり、１
ミクロン以下の微細な制御がむづかしいなどの問題点が
あった。

この発明は、上記の問題点を解決しようとするもので、
微細制御および高精度位置決めが可能な超音波モータを
得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る超音波モータは、スライダの移動を可能
にするための２つの振動成分を２つの振動子に別々に受
持たせ、かつ、移動量を決定する駆動子部分の寸法を任
意に設定する。

［作用］ この発明においては、駆動子に圧接される第２の振動体
が、即ち被移動体（スライダ）とな９、両者の共振周波
数を近接併振させることによシ、被移動体は駆動子の振
動方向に直線移動される。

［実施例］ 第１図〜第６図はこの発明の一実施例を示し、図におい
て、（１）は駆動用基体、（２）は接触用基体でそれぞ
れ角板状弾性体でなり、両者は第１、第２の振動子とし
て常に圧接された状態に保持組立てられている。

駆動用基体（１）には、長手方向の第２高調波の屈曲振
動を発生させるだめの圧電素子（３ａ）、（３ｂ）と（
４ａ）、（４ｂ）が取着されており、また、屈曲振動の
節部の軸心Ｃ１、Ｃ５に４個の駆動子（５ａ）〜（５ｄ
）が設けられている。表裏の圧電素子は同極−ドを発生
させる圧電素子（７）が取着されており、かつ、両端に
は接触片（８ａ）、（８ｂ）が設けられている。

なお、両基体（１）、（２）の組立機構、および、各圧
電素子に設けた電極へのリード線は煩雑を避けるために
図示を省略した。

次に動作について説明する。

基体（１）は−群の圧電素子（３ａ）、（３ｂ）、また
は他の一群の圧電素子（４ａ）、（４ｂ）による励振で
、第４図に示すような長手方向の第２高調波の屈曲振動
を発生する。ｃｌ、Ｃ２、Ｃ３は振動節部Ｎ上の回転中
心位置を示す。

また、接触用基体（２）は、圧電素子（７）により幅方
向の屈曲モードで励振されて、第６図の動作を行うので
、端部に設けた接触片（８ａ）、（８ｂ）は基体（１）
に設けた駆動子（５ａ）〜（５ｄ）に振動の都度突き当
たることになる。

いま、圧電素子（３ａ）、（３ｂ）と圧電素子（７）と
を並列駆動したとき、それぞれの動作線図が第４図と第
６図のようになる分極方向にしておくと、相互に正の半
サイクルにおいては、実線同志を重ね合せて考えればよ
い。即ち、駆動子（５ａ）〜（５ｄ）はＣ１、Ｃ３左回
転の動作中であり、このとき接触片（８ａ）　、　（ｓ
ｂ）は、第６図の実線のように、さらに当接せんとして
いるため、基体（２）は、θ１、θ、の矢印方向に突き
出されて左方へと移動することになる。

また、負の半サイクルにおいては、第６図の点線になる
ので、接触片（８ａ）、（８ｂ）が上側に離れ、移動力
は発生しない。　　・ このようにして１サイクルで１回の駆動力を受けること
になる。

次に、右方への移動は、圧電素子を第２グループ（４ａ
）、（４ｂ）側に切換えて圧電素子（７）との並列給電
にすればよい。このときは、基体に）の圧電素子の分極
は全部同じであるため第４図の動作線図は実線と点線が
入れ替わるので、右方への移動が達成される。

以上のように、基体相互の移動は圧電素子への給電切換
えによるため、発振回路はきわめて簡単になる。そのた
め、一般的には共振点でのインピーダンス変化を検知し
て発振させる自励回路や、２つの圧電素子グループの片
方からの発生電圧をフィードバック信号として利用する
自励回路が採用される。

なお、上記実施例では、移動方向の切換えを基体（１）
側の圧電素子グループで行ったが、これを基体（２）側
の表裏の２個の圧電素子で行っても全く同じである。

なお、接触用基体側の接触片は、第７図のように、基体
（９）の振動のノード（節）に近いところに接触片（ｌ
ｌａ）、（ｕｂ）を設定してもよい。

また、駆動子（５ａ）〜（５ｄ）の直径を犬きくしてい
くと、同一電圧での駆動スピードは増してゆく。

さらに、駆動子の設置場所は、駆動側基体のノード位置
の面上に設けてもよい。この場合の接触片は第８図のよ
うに、接触側基体（１０）の幅中央部に接触片（１２）
をセットすることができる。

また、ストロークを大きくとりたいときには、駆動子を
数多くするため、駆動側基体を長くして高次の振動を行
わせればよい。

一般的に、微細制御は、圧電素子への給電を断続的に行
うことと、電圧を加減することとを併用して行う。

第９図〜第１４図は別の実施例を示し、第１の振動子で
ある駆動側基体（１３）と第２の振動子となる接触側基
体（１４）を共に円板状にして回転するようにしている
。第１０図のように、駆動側基体（１３）の上下面に圧
電素子円板を固着し、それぞれの電極を６等分割してい
る。（１５）は分割線で上下面の位置を一致させる。

いま、１つ置きに３個の圧電素子を並列励振すると、第
１１図の動作線図を示す放射状の屈曲振動を発生する。

このとき、裏面の電極も１つずらして同様に１つ置きに
３個をさらに並列にして６個とすると、振動強度は倍加
する。（１６ａ）、（１６ｂ）　、（１６ｃ）は放射状
の屈曲モードのノード上に設けた駆動子である。（１３
ａ）は取付孔である。

第１２図、第１３図は、接触側の基体（１４）の上面図
で、円板状の圧電素子（１７）を取着し、さらにその上
側にリング状の接触片（１８）を設置している。第１４
図は動作線図で、円板屈曲モードの第２高調波を示して
いる。（１４ａ）は組立時のガイド孔である。

次に、動作を説明する。

まず、駆動側基体（１３）に設けた３箇所の駆動子（１
６ａ）、（１６ｂ）、（１６Ｃ）は、放射状屈曲振動の
ノード上に設置されているために、振動に伴って駆動子
は一斉に同一方向に首を振る。

一方、接触側基体（１４）は、第１４図のように、円板
屈曲モードの第２高調波で励振されるので、リング状の
接触片（１８）は、相手の駆動子（１６ａ）〜（１６Ｃ
）に当接と離反を繰シ返す。

いま、上記両者の共振周波数を近づけて並列励振すると
、第一の実施例の場合と同じく、接触片（１８）と駆動
子（１６ａ）〜（１６ｃ）が当接したとき、そのときの
駆動子の首振り方向に移動する力を受ける。したがって
１サイクルで１回宛この動作が繰り返されるので接触側
基体（１４）は回転するのである。

反対方向への回転は、第１０図の別のグループの圧電素
子へ切換えればよい。

方向切換えは、接触側の圧電素子で行っても同じである
。

駆動側振動子の圧電素子の分割数は２グループに同数に
なれば、いくつでもよいので、８分割、１０分割として
増やして行けば駆動子の数も多く設置することができる
と共に基体の厚みもうすくすることが出来る。

回転タイプで、さらに微細な制御を行わせるためには、
駆動側の回転半径を小さくして第１５図、第１６図に示
すように、駆動側基体（２０）の放射状屈曲モードのノ
ード軸心部分に駆動子（１９ａ）、（１９ｂ）、（１９
Ｃ）を設けるようにしてもよい。

このときの接触側の基体は、第１７図に示すように円板
屈曲モードの高調波を利用して、基体（２１）の外周部
分にリング状の接触片（２２）を設けたもので、同時に
これで芯出しのガイドを兼ねるようにする。この場合の
動作は、第一の実施例と同じく直線が回転に変っただけ
で、接触片（２２）が駆動子（１９ａ）〜（１９ｃ）に
当接したときに回転が発生すればよいことになる。第１
８図は組立て当接状態を示す。

接触側基体の振動モードは、円板のラジアルモード等い
ろいろと考えられる。例えば長さ共振を使ってもよく、
この場合はテコ比で縮小してゆけばさらに微細な制御が
可能になる。

［発明の効果コ 以上の説明から明らかなように、この発明は独立した第
１、第２の振動子を互いに圧接して併振することで駆動
力を得るようにしているので、電気入力もそれぞれに増
減することが可能になり、かつ、駆動子の機械的寸法も
任意に小さくできるため、微小な制御が容易になり、Ｏ
，ｔミクロン前後の制御が可能な高精度−軸アクチュエ
ータを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図はこの発明の一実施例を示し、第１図は
正面図、第２図は一部平面図、第３図は同じく側面図、
第４図は動作説明線図、第５図は一部正面図、第６図は
動作説明線図、第７図、第８図はそれぞれ一部の変形の
正面図である。 第９図〜第１４図は他の実施例を示し、第９図は側面図
、第１０図は一部平面図、第１１図は動作説明線図、第
１２図は一部下面図、第１３図は同じく側面図、第１４
図は動作説明線図である。 第１５図〜第１８図はさらに他の実施例を示し、第１５
図は一部平面図、第１６図は同じく側面図、第１７図は
一部側面図、第１８図は組立状態の側面図である。 第１９図は従来の超音波モータの要部平面図、第２０図
は同じく要部側断面図である。 （１）、（１３）、（２０）・・・駆動側基体、（２）
、（１４）、（２１）・・・接触側基体、（３ａ）、（
３ｂ）、（４ａ）、（４ｂ）、（７）、（１７）−・・
圧電素子、（５ａ）　〜（５ｄ）、（１６ａ）　〜（１
６ｃ）、（１９ａ）〜（１９ｃ）−・・駆動子、（８ａ
）、（８ｂ）、（１８）、（２２）・・・接触片。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 圧電素子が固着されて屈曲振動を行わせる板状弾性体で
   なり、振動節部に駆動子が設けられている第１の振動子
   と、 別の圧電素子が固着されて屈曲振動を行わせる板状弾性
   体でなり、振動部に前記駆動子に接離する接触片が設け
   られている第２の振動子と、を備え、前記第１、第２の
   振動子を圧接併振することにより、任意方向に移動力を
   生ぜしめる超音波モータ。