JPH0687671B2

JPH0687671B2 - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH0687671B2
Application number: JP59100116A
Authority: JP
Inventors: 忠雄高木; 健歌川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1984-05-18
Filing date: 1984-05-18
Publication date: 1994-11-02
Anticipated expiration: 2009-11-02
Also published as: JPS60245482A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は、弾性体と、該弾性体を励振させる圧電体（電
気−機械変換振動子）とを有する超音波モータに関す
る。

（発明の背景）このような超音波モータの原理を第４図〜第９図に基づ
いて説明する。

第４図はリニア型の超音波モータの原理を説明するため
の図であり、弾性体（１）を励振させて、その表面に表
面波（波長をλとする進行波）を生じさせた状態を示し
ている。

第４図において、表面波の進行方向（Ｎ）とし、表面波
の１つの山の頂点（Ａ）の付近の粒子の運動に着目する
と、その運動は第４図に示すような楕円運動の軌跡を描
いており、運動の方向は弾性体（１）の表面において表
面波の進行方向（Ｎ）と逆の方向になる。

したがって、この弾性体（１）の表面波の生じている部
分に動体（２）を圧接させると、動体（２）は表面波の
進行方向（Ｎ）と逆の方向（Ｍ）に移動する。

これがリニア型超音波モータの基本的な原理である。

次に、第５図に基づいて回転型超音波モータの基本的な
原理を説明する。

第５図において、リング状の弾性体（10）の表面（10
a）にＮ方向に進行する表面波を生じさせ、表面（10a）
にリング状の動体（以下、ローターと呼ぶ）（20）を圧
接させると、ローター（20）はＭ方向に回動する。

次に、第４図に示すリニア型超音波モータにおいて、表
面波を発生させる為に弾性体（１）を励振させる方法を
第６図（ａ）〜第６図（ｃ）に基づいて説明する。

第６図（ａ）〜第６図（ｃ）において、弾性体（１）に
圧電体（３）が導電性を有する導電接着剤で接着され、
圧電体（３）の中央部（3a）は圧電体（３）の両側部
（3b），（3c）とは逆方向に分極されている。この分極
方向が矢印で示されている。圧電体（３）の面（3d），
（3e）にはそれぞれ電極が全面に焼成されており、面
（3e）は前記導電接着剤を介してグランドに落されてい
る。

第６図（ａ）に示すように、圧電体（３）の面（3d）を
オープン状態にする（面（3d）に電圧を印加しない）
か、あるいは面（3e）と同電位のグランドに落した場合
には、圧電体（３）に伸縮が起らないため、弾性体
（１）は平面形状のままである。

第６図（ｂ）に示すように、面（3d）の負の電圧を印加
すると、分極方向の違いにより圧電体（３）の中央部
（3a）は長手方向に縮み、両側部（3b），（3c）は長手
方向に伸びる。この時、弾性体（１）は圧電体（３）の
伸縮に逆らって第６図（ａ）の状態の長手方向の長さを
保とうとする為、圧電体（３）と弾性体（１）とが第６
図（ｂ）に示すように屈曲する。

第６図（ｃ）に示すように、面（3d）に正の電圧を印加
すると、第６図（ｂ）に示す形状とは逆に屈曲する。

したがって、圧電体（３）の面（3d）に正弦波電圧を印
加すると、弾性体（１）は屈曲運動をする。

次に、第６図（ａ）〜第６図（ｃ）を使って説明した弾
性体（１）の励振方法を回転型超音波モータのリング状
弾性体に適用した場合を第７図〜第９図に基づいて説明
する。第７図は超音波モータの正面図を示し、第８図は
第７図のVIII−VIII矢視断面図を示し、第９図は第７図
の背面図を示す。

リング状の弾性体（10）に導電接着剤で接着されたリン
グ状の圧電体（30）の面（30a）は弾性体（10）を介し
てグランドに落されている。

圧電体（30）の面（30b）には４つのセグメント電極（4
a）〜（4d）が焼成されており、かつ第６図（ａ）〜第
６図（ｃ）の矢印を先端側から見た先端部表示（Ｔ）と
後端側から見た後端部表示（Ｂ）とで示すように、電極
（4b）下の圧電体部分と電極（4a），（4c）下の圧電体
部分とは逆方向に分極されている。

セグメント電極（4a）〜（4c）に正弦波電圧を印加する
と弾性体（10）が屈曲運動を起こし、第７図に示すよう
に励振源（10b）から表面波が伝播する。

しかしながら、この表面波は励振源（10b）から同時に
弾性体（10）の両方向に伝播してゆく為、互いに干渉し
合い、定常波になってしまう。このため、弾性体（10）
にローター（20）を圧接しても、ローター（20）は回動
されない。

したがって、ローター（20）を回動させる為には、リン
グ状の弾性体（10）を一方向に伝播する表面波（進行
波）を発生させる工夫が必要である。

次に、日経マグロウヒル社発行の日経メカニカル1983.
2.28号等に開示されている超音波モーターを説明する。

表面波モーターとしては、例えば第10図〜第13図に示す
ような回転型の超音波モータがある。第10図は超音波モ
ータの斜視図を示し、第11図は第10図の圧電体の正面図
を示す。

第10図，第11図において、リング状の圧電体（30）とリ
ング状の弾性体（10）とは導電接着剤で接着され、ロー
ター（20）は不図示の機構によって弾性体（10）に圧接
されている。

圧電体（30）の面（30b）には電気的にそれぞれ独立し
たセグメント電極（40e）〜（40n）が焼成され、セグメ
ント電極（40a）は導電接着剤（42）によって弾性体（1
0）に電気的に接続されている。したがって、導電接着
剤によって弾性体（10）と接着した圧電体（30）に焼成
された電極（41）全体が、弾性体（10），導電接着剤
（42）およびセグメント電極（40a）を介してグランド
に落されている。

セグメント電極（40b）〜（40g）および（40i）〜（40
n）の下の各圧電体部分は、前記先端部表示（Ｔ）と後
端部表示（Ｂ）とで示すように、交互に逆方向に分極さ
れている。

このように圧電体（30）を分極した後に、セグメント電
極（40b）〜（40g）が導電接着剤（43）によって電気的
に接続されるとともに、セグメント電極（40i）〜（40
n）が導電接着剤（44）によって電気的に接続されてい
る。

また電極（40a）は表面波の波長（λ）の3/4の長さに、
電極（40h）は波長（λ）の1/4の長さに、電極（40b）
〜（40g）および（40i）〜（40n）は各々波長（λ）の1
/2の長さにそれぞれ相当している。

そして、セグメント電極（40b）〜（40g）に正弦波電圧
（V1）を印加するとともに、セグメント電極（40i）〜
（40n）に電圧（V1）に対してπ/2の位相差を有する正
弦波電圧（V2）を印加すると、各電極（40b）〜（40g）
および（40i）〜（40n）の下の圧電体部分が伸縮して、
リング状の弾性体（10）に一方向に伝播する表面波（進
行波）が生じる様な屈曲振動が起こり、ローター（20）
が回動する。

このローター（20）の回動方向は、電圧（V1）に対する
電圧（V2）の位相をπ/2進めるか、π/2遅らせるかによ
って決まる。

次に、上記超音波モータにおいて、励振によって波が発
生し、進行してゆく様子を第12図，第13図（ａ）〜第13
図（ｃ）に基づいて説明する。

第12図は、第11図をセグメント電極（40a）と（40b）と
の間で切って、便宜上直線状に展開した図である。

第13図（ａ）〜第13図（ｃ）は、図の左側でベクトル表
示された正弦波電圧（V1），（V2）が印加された時に、
圧電体（30）および弾性体（10）が屈曲する様子を示し
た波形図で、横軸方向の位置は第12図の各電極（40a）
〜（40n）の位置に対応している。また、前記ベクトル
表示において、横軸方向成分は実効値を表わしており、
右方向が正の電位、左方向が負の電位を表わしている。

第13図（ａ）〜第13図（ｃ）において、波形部（η_１）
は、電極（40b）〜（40g）の下の圧電体部分および弾性
体部分が正弦波電圧（V1）の印加によって励振されて、
屈曲した状態を示しており、波形部（η₁₀）は、波形部
（η_１）が位相を変えずにそのまま伝播してゆく状態を
示しており、波形部（η_２）は、電極（40i）〜（40n）
の下の圧電体部分および弾性体部分が正弦波電圧（V2）
の印加によって励振されて、屈曲した状態を示してお
り、波形部（η₂₀）は、波形部（η_２）が位相を変えず
にそのまま伝播してゆく様子を示している。

したがって、実際に弾性体（10）の表面に生じる波形
は、波形部（η_１）と波形部（η_２）との合成波とな
る。

この現象を数式を用いて表わすと次のようになる。

第13図（ａ）〜第13図（ｃ）において、長手方向をｘと
し、波形部（η_１），（η_２）の振幅を共に（η_０）、
正弦波電圧（V1），（V2）の周波数を（ω_０）とする
と、合成波（η）は、となり、定常波どうしの和になる。さらに、上式を整理
すると、となり、定常波どうしの和が進行波になることが確認さ
れる。

しかしながら、このような超音波モータにおいては、電
極（40b）〜（40g）の下の電圧体部分および弾性体部分
を含む第１励振領域（A1）において励振された波形部
（η_１）が、電極（40i）〜（40n）の下の圧電体部分お
よび弾性体部分を含む第２励振領域（A2）に減衰しなが
ら波形部（η₁₀）のように伝播して、第２励振領域（A
2）で励振された波形部（η_２）と合成され、逆に、波
形部（η_２）が減衰しながら波形部（η₂₀）のように伝
播して、波形部（η_１）と合成されることによって、リ
ング状の弾性体（10）に屈曲運動が起こるように構成さ
れているので、前記波形部（η_１）および（η_２）が伝
播の際に実際に合成される２つの波の間には、必ず強弱
が生じて駆動効率を低下させてしまう欠点があった。

（発明の目的）本発明は、上記問題点に着目して成されたもので、一方
の交流電圧によって励振される第１の励振部と他方の交
流電圧によって励振される第２の励振部と交互に、全周
にわたって分布させ駆動に必要な進行波成分以外の不要
な振動成分の発生を少量に抑え、それによる効率の低下
を防止し、また、複数の電気−機械変換振動子の素子間
の不連続性による振動減衰をなくし、それにより効率の
低下も防止することにより上記問題点を解決し、駆動効
率の良い超音波モータを提供することを目的とする。

（発明の概要）かかる目的を達成するため、本発明においては、弾性体
と該弾性体を励振させる電気−機械変換振動子とから成
る固定子と、前記固定子の弾性体平面に発生した進行波
により駆動させる可動子とを有する超音波振動を利用し
た超音波モータにおいて、前記電気−機械変換振動子は、その一方の平面には、前
記進行波の波長の1/4に相当する電極を隣接させて列状
に配した入力用電極群と、該入力用電極群に隣接される
とともに前記入力用電極の単位長さの複数倍の長さに相
当するスペース内に配したグランド電極とが設けられ、
また、その他方の平面には、該グランド電極と電気的に
接続された共通電極が設けられ、また、前記電気−機械
変換振動子が少なくとも前記進行波の波長の１波長以上
にわたって１個物で形成されるとともに、前記電気−機
械変換振動子の全長が少なくとも３波長以上となるよう
形成されており、前記入力用電極群の隣接する２つの電極の下に位置する
前記電気−機械変換振動子の部分を１つの振動子ユニッ
トとしたときに、隣接する該振動子ユニット同士は、互
いに逆方向に分極されており、前記入力用電極群の１つおきの電極と前記グランド電極
間に、第１の交流電圧が印加され、残りの電極と前記グ
ランド電極間に、該第１の交流電圧に対してπ/2の位相
差を有する第２の交流電圧が印加されることを特徴とす
る超音波モータとしたものである。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。な
お、従来例と同様の部位には同一符号を付する。

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示している。

第１図に示す一実施例に係る回転型の超音波モータにお
いて、リング状の圧電体（30）とリング状の弾性体（1
0）とは導電性接着剤で接着され、ロータ（20）は不図
示の機構によって弾性体（10）に圧接されているという
構成は、第10図および第11図に示す従来の回転型の超音
波モーターと同じである。

第10図を参照して第１図に示す回転型の超音波モーター
を以下説明する。

リング状の圧電体（30）の面（30b）には、電気的にそ
れぞれ独立し、列状に配されたセグメント電極（６
α），（6a）〜（6z）から成る電極群が焼成されてお
り、セグメント電極（６α）は、第10図に示すセグメン
ト電極（40a）と同様に導電接着剤（42）によって弾性
体（10）に電気的に接続されている。したがって、導電
接着剤によって弾性体（10）と接着した圧電体（30）の
面（30a）全体が、弾性体（10），導電接着剤（42）お
よびセグメント電極（６α）を介してグランドに落され
ている。

セグメント電極（６α）は表面波の波長（λ）の1/2の
長さに相当している。

セグメント電極（6a）〜（6z）はそれぞれ波長（λ）の
1/4の長さに相当している。

隣接する２つの電極（6a）・（6b），（6c）・（6d）…
および（6y）・（6z）のそれぞれを一単位とし、各単位
下の各圧電体部分（圧電ユニット）が交互に逆方向に分
極されて配列されている。このように圧電体（30）が分
極された分極方向が前期先端部表示（Ｔ）と後端部表示
（Ｂ）とで示されている。

第２図は第１図をセグメント電極（6a）と（６α）との
間で切って、便宜上直線状に展開した図であり、この第
２図に示すように、電極群の各セグメント電極に一つお
きに第１の正弦波電圧（V1）が印加されているととも
に、第１の正弦波電圧（V1）が印加された各電極間の各
セグメント電極に、第１の正弦波電圧（V1）に対しπ/2
の位相差を有する第２の正弦波電圧（V2）が印加されて
いる。

すなわち、各セグメント電極（6a），（6c），（6e），
（6g），（6i），（6k），（6m），（6o），（6q），
（6s），（6u），（6w）および（6y）には第１の正弦波
電圧（V1）が各セグメント電極（6b），（6d），（6
f），（6h），（6j），（6l），（6n），（6p），（6
r），（6t），（6v），（6x）および（6z）には第２の
正弦波電圧（V2）がそれぞれ印加されている。

このようにして、第１の正弦波電圧（V1）によって励振
される第１の励振部と第２の正弦波電圧（V2）によって
励振される第２の励振部とが交互に、リング状の圧電体
（30）の全周にわたって分布されている。

次に、上記構成を有する回転型の超音波モーターの動作
を、第３図（ａ）〜第３図（ｃ）を用いて説明する。

第３図（ａ）〜第３図（ｃ）は、第13図（ａ）〜第13図
（ｃ）と同様の図であり、図の左側でベクトル表示され
た正弦波電圧（V1），（V2）が印加された時に、リング
状の圧電体（30）および弾性体（10）が屈曲する様子を
示した波形図で、横軸方向の位置は第２図の各セグメン
ト電極（６α），（6a）〜（6z）の位置に対応してい
る。また、前期ベクトル表示において、横軸方向成分は
実効値を表わしており、右方向が正の電位、左方向が負
の電位を表わしている。

第３図（ａ）〜第３図（ｃ）において、波形部（η_１）
は各セグメント電極（6a），（6c），（6e）…（6w）お
よび（6y）の下の圧電体部分および弾性体部分が第１の
正弦波電圧（V1）の印加によって励振されて、屈曲した
状態を示しており、波形部（η_２）は、各セグメント電
極（6b），（6d），（6f）…（6x）および（6Z）の下の
圧電体部分および弾性体部分が第２の正弦波電圧（V2）
の印加によって励振されて、屈曲した状態を示してい
る。

第３図（ａ）に示すように、図の左側でベクトル表示さ
れた正弦波電圧（V1），（V2）が印加されると、各セグ
メント電極（6a），（6c），（6e）…（6w）および（6
y）の下の圧電体部分および弾性体部分は、波形部（η
_１）…で示すようにそれぞれ屈曲しようとしているのに
対して、各セグメント電極（6b），（6d），（6f）…
（6x）および（6z）の下の圧電体部分および弾性体部分
は、波形部（η_２）…で示すように平面状態を保とうと
している。

ところが、圧電体（30）および弾性体（10）は１つのリ
ングを形成した連続体であるため、圧電体（30）および
弾性体（10）は、波形部（η_１）と波形部（η_２）とが
集合した複雑な形状にはならず、正弦波に近い形の合成
波（η）で示されるように屈曲する。

そして、正弦波電圧（V1），（V2）がπ/2に位相差を保
ちながら、第３図（ａ）に示す状態から第３図（ｃ）に
示す状態へと時系列的に変化してゆくので、圧電体（3
0）および弾性体（10）の屈曲状態が第３図（ａ）に示
す状態から第３図（ｃ）に示す状態へと変化し、弾性体
（10）の表面に第３図（ａ）の合成波（η）から第３図
（ｃ）の合成波（η）へと変化する進行波が生じ、ロー
ター（20）が回動される。

（発明の効果）本発明に係る超音波モータによれば、第１の交流電圧に
よって励振される第１の励振部と第２の交流電圧によっ
て励振される第２の励振部とを交互に、全周にわたって
分布させたことにより、第１の励振部で生じた波と第２
の励振部で生じた波とがほとんど減衰しない状態で合成
されるので、弾性体の屈曲運動が効率よく行なわれ、超
音波モータの駆動効率が向上する。さらに、駆動費必要
な進行波成分以外の不要な振動成分の発生が少量に抑え
られるので、それによる効率の低下が防止されるととも
に駆動の安定が得られる。また、複数の電気−機械変
換振動子の素子間の不連続性による振動減衰をなくな
り、それによる効率の低下が防止される。

また、電気−機械変換振動子の一方の面に、進行波の波
長の1/4の入力用電極群を設けると共に、同一面に該入
力用電極群に隣接してグランド電極を設けるので、回路
の入力用の配線が簡単となる。

さらに、電気−機械変換振動子を全部１個物にすること
により、製造時に表裏の貼り間違えの防止がなされ、個
々の間隔調整工程の省略も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示しており、第１
図は一実施例に係る回転型の超音波モータの電極構造等
を示す平面図、第２図は、第１図の展開図、第３図
（ａ）〜第３図（ｃ）は、図の左側でベクトル表示され
た交流電圧（V1），（V2）が印加された時に、弾性体等
が屈曲する様子を示した波形図、第４図〜第９図は超音
波モータの原理を示しており、第４図はリニア型の超音
波モータの原理説明図、第５図は回転型の超音波モータ
の原理説明図、第６図（ａ）〜第６図（ｃ）は、リニア
型の超音波モータにおける弾性体の励振方法を示す説明
図、第７図〜第９図は、第６図（ａ）〜第６図（ｃ）で
示した励振方法を回転型の超音波モータにそのまま適用
した状態を示す説明図、第10図〜第13図は超音波モータ
を示しており、第10図は超音波モータの斜視図、第11図
は超音波モータの電極構造等を示す平面図、第12図は第
11図の展開図、第13図（ａ）〜第13図（ｃ）は、図の左
側でベクトル表示された交流電圧（V1），（V2）が印加
された時に、弾性体等が屈曲する様子を示した波形図で
ある。（V1）……第１の正弦波電圧（第１の交流電圧）（V2）……第２の正弦波電圧（第２の交流電圧）（6a）〜（6z）……電極（セグメント電極）（10）……弾性体、（30）……圧電体（30b）……圧電体の表面（面）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−148682（ＪＰ，Ａ) 応用機械工学、24〔５〕（昭58−５− １）大河出版Ｐ．88−93 日経メカニカル（1983−２−28）日経マグロウヒル社Ｐ．44−49

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と該弾性体を励振させる電気−機械
変換振動子とから成る固定子と、前記固定子の弾性体平
面に発生した進行波により駆動させる可動子とを有する
超音波振動を利用した超音波モータにおいて、前記電気−機械変換振動子は、その一方の平面には、前
記進行波の波長の1/4に相当する電極を隣接させて列状
に配した入力用電極群と、該入力用電極群に隣接される
とともに前記入力用電極の単位長さの複数倍の長さに相
当するスペース内に配したグランド電極とが設けられ、
また、その他方の平面には、該グランド電極と電気的に
接続された共通電極が設けられ、また、前記電気−機械
変換振動子が少なくとも前記進行波の波長の１波長以上
にわたって１個物で形成されるとともに、前記電気−機
械変換振動子の全長が少なくとも３波長以上となるよう
形成されており、前記入力用電極群の隣接する２つの電極の下に位置する
前記電気−機械変換振動子の部分を１つの振動子ユニッ
トとしたときに、隣接する該振動子ユニット同士は、互
いに逆方向に分極されており、前記入力用電極群の１つおきの電極と前記グランド電極
間に、第１の交流電圧が印加され、残りの電極と前記グ
ランド電極間に、該第１の交流電圧に対してπ/2の位相
差を有する第２の交流電圧が印加されることを特徴とす
る超音波モータ。
【請求項２】前記電気−機械変換振動子は１個物で形成
されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の超音波モータ。