JPH05115183A - 超音波モータ - Google Patents

超音波モータ

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JPH05115183A
JPH05115183A JP3272680A JP27268091A JPH05115183A JP H05115183 A JPH05115183 A JP H05115183A JP 3272680 A JP3272680 A JP 3272680A JP 27268091 A JP27268091 A JP 27268091A JP H05115183 A JPH05115183 A JP H05115183A
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vibration
vibrator
ultrasonic motor
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bending
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貴之 月本
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/106—Langevin motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/22—Methods relating to manufacturing, e.g. assembling, calibration

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 棒形状に形成された振動子の固有振動の方向
を一意的に決定し、圧電素子による駆動効率の上昇を図
ることを目的とする。 【構成】 振動子の上部側の振動子構造体１０には、振
動変位を大きくするための周溝１０ｃを形成し、この周
溝１０ｃの上部及び下部に切欠き部１２、１３を２面取
りの状態で夫々形成する。そして、この切欠き部に直交
する２直線に合わせるようにして、駆動用のＰＺＴ１と
ＰＺＴ２とを取り付ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子（ＰＺＴ）等
の電気−機械エネルギー変換素子に電気エネルギーを供
給することにより、電気−機械エネルギー変換素子をそ
の厚み方向両側から挟持固定する、たとえばペンシル型
の振動体を屈曲振動させ、その該振動体表面粒子を円ま
たは楕円運動させることで、これに押圧した移動体を摩
擦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】従来の棒状超音波モータの振動子は、図
２および図３に示すように、Ａ相、Ｂ相の２組の駆動用
ＰＺＴ１、２、およびセンサー用ＰＺＴ３を鉄系、銅
系、またはアルミ系等の減衰の少ない金属等でできた振
動子構造体４、５にて挟み込んで締結用のボルト（不図
示）にて挟持固定し、かつ全体の形状が軸対称形状とな
るように構成し、これにより振動子が縮退状態、つまり
同形の、同一の固有振動数である直交した２つの屈曲固
有振動モードを有するようにする。なお、ｄ１〜１ｄ６
は電極板を示し、Ａ相ＰＺＴ１にはａ1 ｓｉｎωｔの駆
動信号が供給され、Ｂ相ＰＺＴ２にはａ2 ｃｏｓωｔの
駆動電圧が供給される。
【０００３】したがって、Ａ相とＢ相の２組のＰＺＴ間
の位置的位相差を９０度に保っておけば、振動はＰＺＴ
の加振力の方向に発生する。つまり２つの振動は、９０
度の位置位相差をもって発生する。
【０００４】またこれら駆動用ＰＺＴに与える交流電界
の時間的位相差を９０度に保っておけば、振動の時間的
位相もほぼ９０度に保たれる。さらに各々に加える交流
電界の強さを調整することで両振動の振幅は等しくな
る。
【０００５】この結果、振動子上の表面粒子は、軸に直
交する平面内で円運動を行い、これに押圧された移動体
は摩擦駆動されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、棒状超音波
モータは軸対称形状になるよう構成するが、現実には加
工誤差・ネジの存在等により、完全な軸対称形状はでき
ず、また材料物性不均一、挟持圧ムラ等の影響もあるた
め、モードの縮退は解け、直交する固有モードの方向は
各々一意に決まり、両固有振動数は異なってしまう。
【０００７】しかもこの原因が前述の如く不確定なもの
であるから、その方向を予め知ることはできない。
【０００８】このような現象は、駆動用ＰＺＴの配置さ
れる方向と、この一意的に決まる振動方向とが往々にし
て異なっている為、以下のような問題点が生じていた。
【０００９】例えば、図４に示すように直交配置される
Ａ相、Ｂ相ＰＺＴの配置方向Ａ、Ｂに対し、固有振動の
方向がＡΩ、ＢΩとΔΩずれているとする。
【００１０】このとき、Ａ相ＰＺＴａにより、ずれ量Δ
Ωに応じてＡΩ方向とＢΩ方向の２つの振動（定在波）
が励起される。
【００１１】ところで、加振力に対する変位の応答位相
は図６に示すように、固有振動数付近で大きく変化する
ため、ＡΩ方向とＢΩ方向の固有振動数が異なっている
場合、同図の（Ａ）に示すように、Ａ相ＰＺＴ１によっ
て励起される２方向の振動位相は異なり、この位相差を
ΔΦとする。
【００１２】このとき、励起振動変位の、ＡΩ方向成分
をａ×ｓｉｎ（ωｔ）とすると、ＢΩ方向はｂ×ｓｉｎ
（ωｔ＋ΔΦ）となる。
【００１３】一方、Ｂ相ＰＺＴ２に、Ａ相ＰＺＴ１に加
えた交流電界とΔΨ位相のずれた交流電界を加えると、
同様に２方向の振動（定在波）が励起され、ＡΩ方向お
よびＢΩ方向は、各々ｂ×ｓｉｎ（ωｔ＋ΔΨ）、ａ×
ｓｉｎ（ωｔ＋ΔΦ＋ΔΨ）となる。尚、ａ：ｂ＝ｃｏ
ｓΔΩ：ｓｉｎΔΩである。
【００１４】ここで、たとえばΔΦ＋ΔΨ＝９０ｄｅｇ
となるようΔΨを設定したとき、Ａ相ＰＺＴ１によるＡ
Ω方向振動成分と、Ｂ相ＰＺＴ２によるＢΩ方向振動成
分が重畳されたものは進行波を形成し、振動子表面粒子
は軸に直交する平面内で円運動をするが、残る２方向の
振動成分は（ΔΨ−ΔΦ）であり、上記が満足されるよ
うにΔΨを設定したとき、（９０＋２ΔΦ）ｄｅｇの時
間的位相差を持つため、両者を合成しても、円運動には
成らない。この運動は、移動体の摩擦駆動には寄与せ
ず、余分な振動エネルギーとしてモータのエネルギー損
失となってしまい、結果としてモータ効率の低下を招く
ことになる。
【００１５】この事情は前記の設定位相差ΔΨを幾つに
設定しても解消できず、振動子表面粒子の運動を円運動
のみとする事はできない。
【００１６】以上の問題点を解決するためには、ＰＺＴ
の電極パタ−ンの配置により意図した方向のみの振動が
励起されればよい。即ち、ΔΩ＝０で、Ａ相ＰＺＴ１に
よってＡ方向の振動のみ、Ｂ相ＰＺＴ２によってＢ方向
の振動のみを励起すればよい。
【００１７】そのためには、加工誤差等により直交する
２つの振動モードの位置が変化せず固定したものであれ
ば良い。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明の目的を解決する
ための超音波モータの一例は、棒状弾性体に配置された
電気−機械エネルギー変換素子に交流電界を印加するこ
とによって、棒状弾性体の軸を含む直交する２つの面方
向に屈曲振動を励振させ、かつ適当な時間位相差を持た
せることにより、振動体の表面粒子に円運動を行わしめ
る振動子と、振動体に押圧されて摩擦駆動される移動体
とを有する超音波モータにおいて、該２つの屈曲振動の
固有振動数が異なることを特徴とする
【００１９】
【作用】上記した超音波モーターは、棒状の弾性体の２
組の屈曲振動を利用し、この二組の振動は、軸を含む直
交する２つの面方向のものである。
【００２０】そしてこの屈曲振動によって、図９に示す
ように、振動子端面における移動体との接触位置におい
て、軸方向（Ｚ1 ）および径方向（Ｒ1 ）変位成分を持
つことになる。この分布は、全周において山一つ。谷１
つの１波である。
【００２１】したがって、２組の振動の位置位相差は９
０度である。また、両ＰＺＴに印加する交流電界に適当
な時間位相差を与えれば、２組の振動の時間位相差を９
０度とすることができる。
【００２２】ここで、両交流電界の強さを調節すること
で、各屈曲振動の振幅の大きさを等しくすることがで
き、このとき、振動子端面上の各振動子表面粒子は円運
動を行う。
【００２３】したがって、２組の屈曲振動のモード
（形）が、端面以外の部分、特に図７に示すように、軸
方向における径方向の変位分布等が完全に一致している
必要はない。
【００２４】ところで、図１に示すように、円柱断面を
有する棒状弾性体に２面取り等を施したとき、振動子の
曲げ１次振動モードは図６に示す２方向の直交したモー
ドとなる。そして、このモードの方向は２面取りの方向
に一致したものと、これに直交した方向に安定したもの
で、微少な加工誤差等に影響されない。
【００２５】したがって、これに一致した方向にＰＺＴ
を配せば、前述の２組の９０度位相差を持った振動を安
定に得ることができる。
【００２６】
【実施例】図１は本発明による超音波モータの第１実施
例を示す振動子である。
【００２７】１０，１１は円柱形状の振動子構造体で、
図２に示す従来例と同様にＡ相ＰＺＴ１とＢ相ＰＺＴ
２、振動を検出するセンサー用ＰＺＴ３、および電極板
を介装した状態でこれらを不図示の締結ボルトを介して
挟持固定している。
【００２８】図中上部側の振動子構造体１０は、不図示
の移動体に対して上面で接触し、該移動体を摩擦駆動す
る。その際、この振動子構造体１０の変位を大きくする
ために断面凹形状の周溝１０ｃを形成している。ここま
で述べた形状は、従来の振動子形状と同様であるが、本
実施例ではこの周溝１０ｃの上部に面取り部１２を対向
して形成し、Ａ相ＰＺＴ１は図６に示すように、この２
面取り面に直交したモード（ｒ１方向）を励起するた
め、図３に示した電極パタ−ン境界部と振動子に施され
た面取り面は図８に示すような位置関係としている。ま
た、Ｂ相ＰＺＴ２はこれに直角の方向（ｒ２方向）に配
置している。なお、本実施例の振動子構造体１０には、
周溝１０ｃの下部に上記した面取り部１２と同じ位置位
相に切欠き部１３を形成している。
【００２９】本実施例において、振動が発生している
時、面取り部１２では歪みが小さく変位が大きい。した
がって、面取りの存在によって、この振動モードの歪エ
ネルギー分の減少量より運動エネルギー分の減少量のほ
うが大きい為、ｒ１方向の固有振動数は上がる。一方、
切欠き部１３ではその逆である。また、ｒ２方向の固有
振動の変化の度合いは、両面取りの影響ともｒ１方向で
のものと比べ小さい。
【００３０】そこでこの性質を利用し、各々の面取り量
を変化することで、両固有モードの振動数差を調整する
ことができる。
【００３１】図１に示す振動子は全長１７．７ｍｍ、直
径１０ｍｍ、凹部直径６ｍｍで、また面取り部１２は面
取り深さ０．４ｍｍ、切欠き部１３は面取り深さ１．２
５ｍｍ、面取り長さ２．０５ｍｍ、構造体材料はＢｓ
で、両固有振動数は、ｒ２方向が４１．５４ＫＨｚ、ｒ
１方向が４１．５０ＫＨｚで、やや異なったものとなっ
ている。
【００３２】また、ｒ１方向振動の径方向変位分布とｒ
２方向振動の径方向変位分布を図７の（Ａ）、（Ｂ）に
示す。これより両モードはやや異なっていることが分か
るが、図９に示すように、振動子端面の移動体との接触
部における両モードの変形角度差（Ｚ1 とＲ1 の成す角
の差）は０．６度と小さく、これがモータ性能に与える
影響は非常に小さい。
【００３３】以上のように非軸対称断面部を有する振動
子とすることで、直交する２つの屈曲振動は、面取りの
方向に対して一意に決めることができる。
【００３４】また、この面取り部および切欠き部が振動
子全体に与える非軸対称性は、加工誤差等により発生す
るものより、極めて大きいため、振動方向の個体差は無
くなる。
【００３５】したがって、この方向に合わせて２組の駆
動用ＰＺＴを配置することで、必ず各１組のＰＺＴが１
つのモードを励起することになる。
【００３６】さらに、どちらかの方向に合わせて検出用
ＰＺＴを配すことで、必ずその方向のみの振動情報が得
られる為、Ａ相ＰＺＴ１又はＢ相ＰＺＴ２への印加電圧
とセンサー用ＰＺＴ３の出力電圧との位相検知により常
に周波数を調整し、常に共振状態を維持できる。なお、
センサー用ＰＺＴ３の配置の方向は、Ａ相ＰＺＴ１又は
Ｂ相ＰＺＴ２のいずれの方向でも良いが、一般には、固
有振動数の高い方のモードに合わせる。
【００３７】この理由は、超音波モータ振動子の振幅−
周波数特性が、図５の（Ｂ）に示したような非線形性を
有するからで、共振周波数より高周波側でなだらか、低
い方で急峻であるため、前述の設定位相をサ−チする
際、一般に高周波側から掃引する。
【００３８】このとき、前記検出位相差が規定値（９０
ｄｅｇ）となったときの周波数が、もう一方の振動モー
ドの共振周波数より高い側にずれていたほうが、ずれて
いることによるもう一方の非検出側の振動モードの振幅
の低下がすくなくてすむからである。
【００３９】つまり、固有振動数の低い方のモードの周
波数で駆動した場合、他方の振動モードにおいては共振
点より低い周波数にあたり、その周波数特性より極めて
小さい振幅となってしまうからである。このとき合成さ
れる振動による振動子表面粒子の運動は直線状であり、
移動体を効率よく摩擦駆動できない。
【００４０】以上により、モータ性能の個体差の少な
い、また移動体の回転方向によるモータ性能バラツキの
少ない振動子を提供することができる。
【００４１】一方、図１７の（Ａ）に示すように、両振
動モードの固有振動数差がΔｆあるため、Ａ相ＰＺＴと
Ｂ相ＰＺＴに対し、同一周波数の交流電界を印加する
と、これに対する振動変位の応答位相は異なるため、従
来のように２相の交流電界の位相差を９０度としても、
結果的に振動子に発生する機械振動の位相差は９０度に
はならない。この結果、モータ効率は悪化することにな
る。
【００４２】したがて、上記の応答位相差遅れを考慮し
て２相間の印加交流電界に位相差を設定する必要があ
る。
【００４３】具体的には、Δｆの周波数差に対応する位
相ずれ量を実験等により求め、その結果図１７の（Ｂ）
に示すように、Δθの応答位相遅れを有するとき、Ａ方
向印加交流電界をΔθ分進めて、Ｂ方向印加交流電界に
対して、（９０＋Δθ）度、または（−９０＋Δθ）度
の位相差を与えて印加することが望ましい。
【００４４】このことから、常に両方向の振動変位は共
に大きく、また位相差は９０度または−９０度となるた
め、モータ性能の個々によるバラツキは減少し、また効
率の良いモータが得られる。
【００４５】なお、上記した寸法および固有振動数にお
いて、２方向の応答位相差Δθは１０〜３０度であっ
た。
【００４６】また、上記した図１に示す形状の振動子に
限らず、センサー用ＰＺＴによって固有振動数の高低を
検出し、高い方の固有振動数によって駆動するようにし
ても良い。
【００４７】上記した本実施例の説明は、モータ効率の
向上を図ることについて述べたが、図１に示す形状に振
動子を形成することにより、「鳴き」の発生を防止でき
る効果も有する。
【００４８】棒状に形成されたペンシル型の超音波モー
タにおいて、駆動中に鳴きを発生することがある。この
現象は、例えばカメラ等に使用した場合に耳障りであ
り、その防止を発生する必要がある。
【００４９】鳴きの発生時にモータから発生している振
動成分をマクロフォンにより採取し、ＦＥＴアナライザ
ーにて分析した結果を図１８に示す。
【００５０】可聴域周波数（２０ＫＨZ 以下）にある振
動スペクトルａが鳴きである。振動スペクトルｂはモー
タ駆動用振動成分であり、振動成分ｄはその２倍の周波
数である。この成分は摩擦、接触等を主原因とする駆動
中振動子の有する振動非線形性によるもので、常に発生
する。
【００５１】次に、振動スペクトルｃの成分は振動子の
固有振動で、このモードを図３を用いて説明する。図３
の（Ａ）は、振動子の平面図、図３の（Ｂ）は振動子軸
を含む平面で切った断面図で、点線は振動変位分布を示
している。図１９の（Ｂ）に示すように、振動子は振動
子の軸上に存在する周溝１０ｃよりも上部の部分のみが
曲げ変形する固有振動モードである。
【００５２】また、移動体と接触する半径ｒ0 における
周上の軸方向変位分布を図２０に示す。これにより、周
上２次の正弦波状変位分布をもつ振動であることが理解
される。そして、振動スペクトルａの周波数は振動成分
ｃとｄの差周波数であり、固有振動ｃの発生により生じ
ている。したがって、この発生を抑えれば鳴きの発生を
防止することができることになる。
【００５３】一方、振動子や移動体等の形状やモータ負
荷、振動子の振幅等のモータ駆動条件等を変化させる
と、前述の振動モードではなく、図２１に示すような棒
の２次の屈曲振動等が発生することもあり、この固有振
動数をｃ2 とする。
【００５４】ところで、上記周波数の関係により、振動
成分ｃ、ｃ2 等鳴きの原因となる振動モードの固有振動
数を、振動成分ｂやｄと２０ＫＨZ 以上（可聴域外）離
れた振動子とすることも考えられるが、この方法では振
動子の形状、駆動周波数等が著しく制限され、振動成分
ｃやｄの発生する現象そのものは防止されないため、駆
動振動検出用ＰＺＴ３に上記振動成分が重畳され振動制
御上問題となることもあった。
【００５５】そこで、振動成分ｃ、ｃ2 の振動の発生を
防止することで、鳴きである振動スペクトルａの発生の
除去を図ることとした。
【００５６】ところで、これらのエネルギー源を考えて
みると、駆動用交流信号にこれらの周波数成分は含まれ
ず、モータ駆動中にしか発生しないことより、摩擦力で
あると考えられる。
【００５７】現実に、超音波モータは、移動体と振動子
の接触面において、滑り、つまり相対速度差を伴いなが
らモータ駆動を行っていることが、近年、測定・解析等
で確認されている。また、鳴きの発生原因となる振動ｃ
やｃ2 は進行波であった。
【００５８】以上より、上記相対速度差を相殺するよう
な振動、つまり接触部において円または楕円運動するよ
うな振動が自励的に発生していると考えられる。
【００５９】実際、振動ｃやｃ2 の進行波の発生により
振動子表面粒子は円または楕円運動をする。また、この
ような現象はカメラレンズＡＦ駆動用の円環型超音波モ
ータにおいても確認されている。（１９９０ 春季応用
物理学関係連合大会、講演予稿集、２９Ｐ−Ｚ−６
等）。
【００６０】したがって、鳴きの発生を防止するために
は、振動子の移動体との接触面における表面粒子が楕円
運動をする可能性のある振動モード、つまり本構成の超
音波モータにおいては振動子接触面がその面外に変位す
るモードの発生を防止すれば良い。
【００６１】ところで、進行波は直交する２つの固有モ
ードがともに励起され、その相対時間位相差が９０度に
保たれる時発生する。
【００６２】したがって、両固有振動数に大きな差があ
る場合、位相差が９０度で、かつ両振幅とも大きな値と
なる周波数の解は存在しないため、進行波、つまり鳴き
原因となる振動は発生しづらくなる。
【００６３】したがって、鳴きの原因となる振動のｓｉ
ｎおよびｃｏｓ振動モードの周波数を離せば良い。
【００６４】そのためには、鳴き振動の両モードのモー
ド質量と、モード剛性の比を変えれば良い。
【００６５】これは、振動子に部分的に動剛性不均一部
を設けることにより達成される。
【００６６】しかし、このとき駆動用屈曲振動モードの
ｓｉｎ，ｃｏｓ振動モードの固有振動数は概一致してい
る必要ことが望ましい。モータ性能確保のため駆動用振
動に対する悪影響を防止するのである。
【００６７】以上のことをを実現するためには、駆動用
振動モードのｓｉｎモードとｃｏｓモードに対するモー
ド質量とモード剛性の比を一定に保ち、かつその値は異
なるようする。
【００６８】その結果として鳴きの振動モードに対して
は、モード質量とモード剛性の比が異なるように振動子
の形状を定めれば良い。
【００６９】つまり、図１に示す振動子の形状はこの要
件を満足するものといえる。これは、鳴きの原因となる
振動モードｃに対しては、振動子構造体１０の面取り部
１２のみが固有振動に影響する。このモードは、振動子
の周溝１０ｃより下部においては振動変位をほとんど持
たぬためである。
【００７０】すなわち、振動子上部を上から見た図２２
において、図中示したｃ振動モードのｓｉｎ，ｃｏｓモ
ードへの面取りの影響が異なることは、図形的に明らか
である。
【００７１】また、図２３の（Ｂ）に、（Ａ）に示す振
動子のｃ2 振動及び駆動用振動モードの振動子軸部にお
ける径方向変位分布を示す。尚点線はｃ2 を実線は駆動
用振動を示す。
【００７２】また、振動子側面における軸方向歪み分布
を図２３の（Ｃ）に示す。
【００７３】これより、変位分布、歪分布共に両振動モ
ード間で差があることが分かり、面取り部１２と面取り
部１３の存在が両振動モードのモード質量、モード剛性
へ与える影響に差があることが分かる。
【００７４】したがって、駆動用モードについて、ｓｉ
ｎ，ｃｏｓモードの固有振動数（モード質量とモード剛
性の比）を概一致させるよう面取り部１２、１３の面取
り量を決定することにより、ｃ2 振動モードについては
固有振動数を不一致とすることができる。
【００７５】実際、駆動用振動モードに対する両固有振
動数は、Ｂ方向が４１．５４ＫＨｚ，Ａ方向が４１．５
０ＫＨｚと、４０Ｈｚ程度の差であるのに対し、振動モ
ードｃの両固有振動数は、６８．５ＫＨｚ，７０．２Ｋ
Ｈｚ，振動モードｃ2 の両固有振動数は８２．３ＫＨ
ｚ，８４．２ＫＨｚと各々１．７ＫＨｚ，２．１ＫＨｚ
離れている。したがって、モータ性能を損ねることな
く、鳴きの発生を防止するまた、本実施例では駆動用振
動モードを作為的に４０Ｈｚ高くなるよう設定している
が、完全に一致させることも可能である。
【００７６】なお、鳴き発生を防止できる振動子の形状
は、上記した図１の例のみならず、図２４〜２７に示す
形状であっても可能である。
【００７７】図２４に示す実施例は、振動子の周溝１０
ｃの上下に形成する面取り部１２、１３を振動子の角部
に設けている。このように角部に面取りを施すことで加
工上有利となるとともに、また上部の面取り部１２が移
動体との接触面にかかっていないため接触半径を大きく
取れる。
【００７８】図２５に示す実施例は、面取り部１２の代
わりに貫通孔１２０を周溝１０ｃの上部に形成し、また
面取り部１３の代わりに周溝１０ｃの小径軸部に貫通孔
１３０を夫々形成したものである。本実施例では加工上
有利であり、また本図に示したように面取り、穴等の動
剛性付均一部を振動子の周溝１０ｃに形成することも可
能である。
【００７９】図２６に示す実施例は、周溝１０ｃの下部
に形成する面取り部１３をＰＺＴ及び振動子構成体下部
にも施し各面を一致させている。このような構成とする
ことで、製造工程上、各ＰＺＴ間の電極パタ−ンを所望
の配置とするに際し、また振動子面取り面とＰＺＴの電
極パタ−ンを所望の配置とするに際し、面取り面を基準
面とすることができるため有利である。
【００８０】図２７に示す実施例において、図２７の
（Ａ）は、振動子をその軸を含む断面で切断し、この半
断面体斜め上部から眺めた斜視図である。この実施例
は、振動子の２次の屈曲振動モードの発生を抑えるため
のもので、振動子構造体１０と振動子構造体１１とはね
じ込み式で固定されるようになっており、上部の振動子
構造体１０には不図示の固定部材に振動子を固定する支
持用ピン１０Ａが形成され、このピン１０Ａに面取り部
１０Ｂを施している。
【００８１】図２７の（Ｂ）は駆動に利用している振動
子の１次の屈曲振動モードの径方向変位分布、図２７の
（Ｃ）は鳴きの原因となる２次の屈曲振動モードの径方
向変位分布を示す。
【００８２】本図より、支持用ピン１０Ａに施された面
取り部１０Ｂは、振動子の１次の振動モード発生時のピ
ンの振動モードの節付近、２次の振動モードの発生時は
腹付近に位置していることがわかる。
【００８３】したがって、非軸対称断面形状である面取
り部の存在が両振動モードの直交する２つの固有モード
の固有振動数差に与える影響は、１次、つまり駆動用振
動モードに対するものより、２次に対するものの方が大
きい。
【００８４】この結果、駆動用振動モードへの影響を小
さく抑えつつ、鳴きの原因となる２次の振動モードの２
つの直交する固有振動モードの固有振動数を離し、鳴き
発生の防止効果を得ることができる。
【００８５】また本実施例は鳴きに対し、以下のような
副次的な効果もある。
【００８６】すなわち、鳴き原因たる２次振動に対して
は、支持用ピンの振動変位がピン全体としても、振動子
変位に対して大きく、駆動用振動に対しては小さいこと
がわかる。
【００８７】したがって、駆動用振動発生時の支持用ピ
ンも含めた振動子の内部損失を小さく保ったまま、２次
振動の内部損失は大きくなっている。
【００８８】内部損失が大きいということは、この振動
成長のために、より大きなエネルギーが要求されること
であるから、モータ駆動効率を悪化させることなく、鳴
き原因振動を発生しづらくできるということである。
【００８９】これを実施するためには、支持用ピンを、
１次の屈曲振動モードの節付近かつ２次の屈曲振動モー
ドの振動変位の大きな部分から立て、２次の屈曲振動の
固有振動数近傍に支持用ピンの固有振動を持つようピン
形状を設定すれば良い。
【００９０】さらに、面取り部１０Ｂをこの固有振動モ
ードの腹付近に施すことで効果が得られる。
【００９１】尚、以上の実施例にて動剛性不均一部とし
ての面取り等を２面取りとしているが２面である必要は
なく、１面または３面以上でも良い。
【００９２】図１０は本発明の第２実施例を示す。
【００９３】上記した実施例は振動子構造体１０に面取
り部１２を形成しているが、本実施例は同様の効果を面
取り以外でも得るようにしたもので、図１０の（Ａ）で
は、前記面取りに変え凹溝２１を軸方向に形成してい
る。なお、この場合、この凹溝２１上に移動体の摺動径
があった場合、この溝を通して摩耗紛が除去されるメリ
ットもある。また凹溝２１に変え、図１０の（Ｂ）に示
すように、振動子を軸方向に貫通する穴２２等でも良
い。
【００９４】図１１は本発明の第３実施例を示す。
【００９５】本実施例は、振動子構造体１０の外周部に
突起部２３を対向して形成し、この一対の突起２３によ
り、振動子の非軸対称形を得ている。なお、この突起部
２３をフェルト等の吸振材料を介して支持手段（不図
示）により挟めば、振動子の支持も兼ねることができ
る。
【００９６】図１２は本発明の第４実施例を示す。
【００９７】本実施例は振動子構造体１０の面取り部１
２を、周溝１０ｃより上部の軸部、および周溝１０ｃの
小径軸部に形成したものである。
【００９８】本実施例において、周溝１０ｃの小径軸部
に存在する面取り部は、第１実施例における振動子の切
欠き部１３と同様の効果を持ち、面取り面に直交する方
向の振動の固有振動数を、これに直交する方向のものに
比べ著しく下げる。
【００９９】図１３は本発明の第５実施例を示す。
【０１００】本実施例は振動子構造体１０の周溝１０ｃ
より上部の軸部に凹溝２１を軸方向に沿って形成し、ま
た、下部の振動子構造体２の下部に面取り部２４を設け
たものである。
【０１０１】なお、振動子構造体に対する、面取り、
溝、突起等は、上記した各実施例のみならず適当に組み
合わせることができる。また、その場所も、以上示した
実施例に限らず、多々考えることができる。
【０１０２】図１４は本発明の第６実施例を示す。
【０１０３】上記した第１ないし第５実施例は振動子を
円柱形状としているが、本実施例の振動子３０は図１４
の（Ａ）に示すように、全体的に扁平平板形状としてお
り、丁度円柱の両面に、面取りを施した形状としたもの
で、図１４の（Ｂ）に示すように、Ａ方向に曲げの１次
モード、Ｂ方向に曲げの２次モードを利用したものであ
る。
【０１０４】本実施例では、振動子３０の形状がＢ方向
に薄くなるため、曲げの固有振動数が下がり、図１４の
（Ｄ）に示すＢ方向の２次モードと、図１４の（Ｃ）に
示すＡ方向の１次モードの固有振動数が概ね等しくな
る。
【０１０５】なお、直交するモードの形を変えるだけで
なく、その次数まで変えることによっても本発明を実施
することができる。
【０１０６】また、上記した各実施例のように駆動周波
数３５〜４５ＫＨｚのモーターにおいては、２方向の固
有振動数の差は、１００Ｈｚ程度までは回転数の大きな
低下を生じなかった。
【０１０７】図１５は本発明の第７実施例を示す。
【０１０８】以上の各実施例はいずれも振動子の形状を
一部非軸対称とすることにより、振動方向を一意に決定
するようにしているが、本実施例は材料定数（弾性係
数、密度等）等の振動子構造体の物性の異なる材料を非
軸対称状に配したもので、周溝４１ｃによりくびれ部を
形成している上部の振動子構造体４１に、例えば焼き入
れ等の処理により物性を異ならした異物性部４３、４４
を図のように形成している。
【０１０９】上記した各実施例の超音波モータは各種装
置の駆動源として利用することができ、図１６は図１５
に示した振動子を用いた超音波モータを駆動源とする駆
動装置を示しており、振動子構造体４１と４２は連結ボ
ルト４５によりＰＺＴ等を挟持して固定されている。
【０１１０】５０は出力取り出し用のギア部を外周面に
形成した出力部材で、加圧用のコイルバネ５１のバネ力
を受けるコイルバネ受を兼用し、プチルゴム５２を介し
て移動体５３と摩擦力により連結されている。５４は連
結ギアで、出力部材５０のギア部と噛合しており、移動
体５３の回転駆動力を例えばカメラの焦点調節部材５５
に伝達している。一方、連結ギア５４には、エンコ−ダ
スリット盤５６とフォトカプラ５７とが取り付けられて
おり、回転位置、速度等を検出している。
【０１１１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、振
動子の直交した２つの固有振動モードの方向は、予め既
知となるから、この方向に一致させて２組の駆動用電気
−機械エネルギー変換素子、例えば圧電素子を配するこ
とが可能となり、各組間に与える交流電界の位相差、電
圧振幅値を所定の値とすることで、理想的な円運動を振
動子駆動面に励起することができる。この結果、モータ
効率を向上させることができる。
【０１１２】また、２組の固有振動モードのうち、周波
数の高い方の固有振動モードの方向も既知となるから、
この方向に合わせて振動検出用の電気−機械エネルギー
変換素子を配することで、共振周波数検知による振動制
御も安定して行うことができる。
【０１１３】さらに、本発明による駆動用振動モードに
対しては、２組の固有振動数を概ね合わせ、かつ他の振
動モードの直交した固有振動モードの固有振動数を大き
く離すことができるため、駆動中に発生する鳴きの防止
を図ることも可能となる。
【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実施例を示す
斜視図。
【図２】振動子の従来例を示す斜視図。
【図３】ＰＺＴと電極パタ−ンおよびその配線を示す斜
視図。
【図４】Ａ、Ｂ相ＰＺＴの配置方向と固有振動の方向と
の関係を示す図。
【図５】超音波モータの振動子の特性曲線を示す図。
【図６】第１実施例の振動子の振動方向を示す図。
【図７】第１実施例の振動子の径方向における変位を示
す図。
【図８】第１実施例の電極パターンと面取り部の位置位
相関係を示す図。
【図９】振動子端面の移動体との接触部における両振動
モードによる変形角度差を示す図。
【図１０】第２実施例を示す図。
【図１１】第３実施例を示す図。
【図１２】第４実施例を示す図。
【図１３】第５実施例を示す図。
【図１４】第６実施例を示す図。
【図１５】第７実施例を示す図。
【図１６】超音波モータを駆動源とする装置の概略図。
【図１７】超音波モータの特性曲線を示す図。
【図１８】振動スペクトルを示す図。
【図１９】振動子の曲げ変形を示す図。
【図２０】図１９に示す振動子の軸方向変位分布を示す
図。
【図２１】２次の屈曲振動の発生状態を示す図。
【図２２】振動子の上部の平面図。
【図２３】振動子の径方向変位分布等を示す図。
【図２４】鳴き発生防止構造を有する振動子を示す図。
【図２５】鳴き発生防止構造を有する振動子を示す図。
【図２６】鳴き発生防止構造を有する振動子を示す図。
【図２７】鳴き発生防止構造を有する振動子を示す図。
【符合の説明】
１、２、３…圧電素子（ＰＺＴ） ４、５、１０、１１、４１、４２…振動子構造体 １２、１３…面取り部 ４５…連結ボルト ５０…出力部材 ５１…加圧用コイルバネ ５２…プチルゴム ５３…移動体 ５４…連結ギア ５５…焦点調節部材 ５６…エンコーダスリット盤 ５７…フォトカプラ

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 棒状弾性体に配置された電気−機械エネ
    ルギー変換素子に交流電界を印加することによって、棒
    状弾性体の軸を含む直交する２つの面方向に屈曲振動を
    励振させ、かつ適当な時間位相差を持たせることによ
    り、振動体の表面粒子に円運動を行わしめる振動子と、
    振動体に押圧されて摩擦駆動される移動体とを有する超
    音波モータにおいて、該２つの屈曲振動の固有振動数が
    異なることを特徴とする超音波モータ。
  2. 【請求項２】 請求項１において、弾性体の形状が、非
    軸対称断面部を有することを特徴とする超音波モータ。
  3. 【請求項３】 請求項１または２において、非軸対称断
    面が面取りにより構成されていることを特徴とする超音
    波モータ。
  4. 【請求項４】 請求項１、２または３において、面取り
    が、軸対称形を有する弾性体の対向する２面に複数施さ
    れていることを特徴とする超音波モータ。
  5. 【請求項５】 請求項１または２において、軸対称断面
    を有する棒状弾性体に１または、複数の凹部、穴、突起
    が設けられていることを特徴とする超音波モータ。
  6. 【請求項６】 請求項１において、弾性体材料を非軸対
    称状に１部不均一にすることにより２つの屈曲モードの
    固有振動数を変えたことを特徴とする超音波モータ。
  7. 【請求項７】 棒状弾性体に配置された電気−機械エネ
    ルギー変換素子に交流電界を印加することによって、棒
    状弾性体の軸を含む直交する２つの面方向に屈曲振動を
    励振させ、かつ適当な時間位相差を持たせることによ
    り、振動体の表面粒子に円運動を行わしめる振動子と、
    振動体に押圧されて摩擦駆動される移動体とを有する超
    音波モータにおいて、該２つの屈曲振動の固有振動数を
    違え、かつ該屈曲振動のうち固有振動数の高い方の共振
    周波数で駆動することを特徴とする超音波モータ。
  8. 【請求項８】 請求項７において、振動子は非軸対称形
    状断面部を有しており、かつ高い方の共振周波数を該振
    動子の振動検出用電気−機械エネルギー変換素子により
    検出することを特徴とする超音波モータ。
  9. 【請求項９】 請求項７または８において、屈曲振動の
    固有振動数差を原因とする応答位相差を考慮して、２つ
    の駆動用交流電界の位相差を設定したことを特徴とする
    超音波モータ。
  10. 【請求項１０】 棒状弾性体に配置された電気−機械エ
    ネルギー変換素子に交流電界を印加することによって、
    棒状弾性体の軸を含む直交する２つの面方向に屈曲振動
    を励振させ、かつ適当な時間位相差を持たせることによ
    り、振動体の表面粒子に円運動を行わしめる振動子と、
    振動体に押圧されて摩擦駆動される移動体とを有する超
    音波モータにおいて、駆動用屈曲振動以外の振動モード
    の直交する２つの固有振動モードの固有振動数が異なる
    ことを特徴とする超音波モータ。
  11. 【請求項１１】 請求項１０において、駆動用屈曲振動
    の２つの固有振動モードの固有振動数が概等しいことを
    特徴とする超音波モータ。
  12. 【請求項１２】 請求項１０または１１において、駆動
    用屈曲振動以外の振動モードが、移動体との接触面がそ
    の面外に変位する振動モードであることを特徴とする超
    音波モータ。
  13. 【請求項１３】 請求項１２において、面外に振動する
    振動モードが駆動用に利用している屈曲振動の次数の異
    なるモードであることを特徴とする超音波モータ。
  14. 【請求項１４】 請求項１２において、振動体には駆動
    に供する部分の振動変位を大きくするくびれ部を有し、
    面外振動モードが該駆動に供する部分のみを屈曲する振
    動モードであることを特徴とする超音波モータ。
  15. 【請求項１５】 請求項１０、１１、１２、１３、また
    は１４において、軸対称形状断面を有する振動子に複数
    の動剛性不均一部を設けたことを特徴とする超音波モー
    タ。
  16. 【請求項１６】 請求項１ないし１５のいずれか１つに
    記載した超音波モータを含む装置において、振動子に押
    圧されて摩擦駆動される部材から駆動力を得る出力部材
    を有することを特徴とする装置。
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