JPH07163161A

JPH07163161A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH07163161A
Application number: JP5339331A
Authority: JP
Inventors: Tadao Takagi; 忠雄高木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1995-06-23

Abstract

(57)【要約】【目的】耐久性の高い超音波モータを提供することで
ある。【構成】弾性体１１と、弾性体１１に結合して、その
弾性体に縦振動モードと屈曲振動モードとを調和的に発
生させ、前記弾性体の出力取出位置に楕円運動を生じさ
せる圧電体１２，１３と、弾性体１１との間で相対的な
運動を行う相対運動部材１５と、弾性体１１と相対運動
部材１５との間に位置し、弾性体１１の出力取出位置に
接合される摺動部材１４とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、棒状弾性体に楕円運動
を発生させて駆動力を得る超音波モータに関し、特に、
縦振動モードと屈曲振動モードを２相駆動する超音波モ
ータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、リニア型超音波モータの従来例
を示す図である。従来のリニア型超音波モータは、棒状
弾性体１０１の一端側に加振用の変成器１０２が配置さ
れ、他端側に制振用の変成器１０３が配置されている。
各変成器１０２，１０３には、振動子１０２ａ，１０３
ａが接合されている。加振用の振動子１０２ａに発振器
１０２ｂから交流電圧を印加して棒状弾性体１０１を振
動させ、この振動が棒状弾性体１０１を伝播することに
より進行波となる。この進行波により、棒状弾性体１０
１に加圧接触された移動体１０４が駆動される。

【０００３】一方、棒状弾性体１０１の振動は、制振用
の変成器１０３を通じて振動子１０３ａに伝えられ、こ
の振動子１０３ａによって振動エネルギーが電気エネル
ギーに変換される。この振動子１０３ａに接続された負
荷１０３ｂにより電気エネルギーを消費することにより
振動を吸収する。この制振用の変成器１０３により、棒
状弾性体１０１の端面の反射を抑制して、棒状弾性体１
０１の固有モードの定在波の発生を防いでいる。

【０００４】図６のリニア型超音波モータは、移動体１
０４の移動範囲だけ、棒状弾性体１０１の長さが必要で
あり、その棒状弾性体１０１の全体を加振しなければな
らず、装置が大型化するとともに、固有モードの定在波
の発生を防止するために、制振用の変成器１０３などが
必要となる、という問題があった。

【０００５】このような問題を解決するために、自走式
の超音波モータが種々提案されており、例えば、「第５
回電磁力関連のダイナミックスシンポジウム講演論文
集」の「２２２光ピックアップ移動を目的とした圧電
リニアモータ」に記載されている「異形縮退縦Ｌ１−屈
曲Ｂ４モード・平板モータ」が知られている。

【０００６】図７は、異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード
・平板モータの従来例を示す模式図であって、図７
（Ａ）は正面図、図７（Ｂ）は側面図、図７（Ｃ）は平
面図である。弾性体１は、矩形平板状の基礎部１ａと、
その基礎部１ａの一方の面に形成された突起部１ｂ，１
ｃとから構成されている。圧電素子２，３は、弾性体１
の基礎部１ａの他方の面に貼付され、縦振動Ｌ１モード
と屈曲振動Ｂ４モードを発生させる素子である。弾性体
１の突起部１ｂ，１ｃは、基礎部１ａに発生する屈曲振
動Ｂ４モードの腹の位置に設けられており、ガイドレー
ル等の相対運動部材（不図示）に押し付けられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した図７
のモータは、弾性体１に設けられた突起部１ｂ，１ｃに
直接接するために、摺動面が磨耗しやすく、耐久性が得
られない、という問題点があった。

【０００８】本発明の目的は、前述の課題を解決し、耐
久性の高い超音波モータを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明による超音波モータの第１の解決手段は、弾
性体（１１）と、前記弾性体に結合して、その弾性体に
縦振動モードと屈曲振動モードとを調和的に発生させ、
前記弾性体の出力取出位置に楕円運動を生じさせる電気
機械変換素子（１２，１３）と、前記弾性体との間で相
対的な運動を行う相対運動部材（１５）と、前記弾性体
と前記相対運動部材との間に位置し、前記弾性体の出力
取出位置に接合される摺動部材（１４）とを有すること
を特徴とする。

【００１０】第２の解決手段は、第１の解決手段の超音
波モータにおいて、前記弾性体は、前記出力取出位置に
突起部を有することを特徴とする。

【００１１】第３の解決手段は、第１又は第２の解決手
段の超音波モータにおいて、前記摺動部材は、合成樹脂
であることを特徴とする。

【００１２】第４の解決手段は、第３の解決手段の超音
波モータにおいて、前記摺動部材は、四フッ化エチレン
を含有していることを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明によれば、出力取出位置に摺動部材を設
けるようにしたので、出力取出位置と相対運動部材との
摺動面が磨耗しにくくなり、耐久性を向上させることが
できる。

【００１４】

【実施例】以下、図面等を参照して、実施例につき、さ
らに詳細に説明する。図１は、本発明による超音波モー
タの第１の実施例を示した模式図である。弾性体１１
は、基礎部１１ａと、２つの突起部１１ｂ，１１ｃとを
有し、その基礎部１１ａには、縦振動Ｌ１モードと屈曲
振動Ｂ４モードとを発生させるための圧電素子１２，１
３が配置されている。各要素の機能は、前述した図７に
示したものと同様である。この実施例では、圧電素子１
２，１３は、図１（Ｃ）のように、分極されており、後
述する図２（Ａ）のような２相の入力電圧Ａ，Ｂが印加
される。

【００１５】弾性体１１の下面には、２つの突起部１１
ｂ，１１ｃが形成されており、それらの突起部１１ｂ，
１１ｃには、摺動部材１４ａ，１４ｂがエポキシ系の接
着剤によって接着されている。摺動部材１４ａ，１４ｂ
の材料は、相対運動部材１５に対して耐久性を高めるた
めに、合成樹脂が好ましい。特に、耐久性の高い樹脂と
しては、四フッ化エチレンを含有したものがよく、例え
ば、四フッ化エチレンを８０％（Ｗ），ガラス繊維を１
５％（Ｗ），二硫化モリブデンを５％（Ｗ）含有した材
料によって高い耐久性が得られた。

【００１６】なお、図１（Ｄ）に示すように、突起部１
１ｂの側面まで回り込むように、摺動部材１４ａを形成
するようにしてもよい。また、相対運動部材１５は、こ
の超音波モータ（１１〜１４）が自走式の場合には固定
部材となり、逆に、超音波モータ（１１〜１４）側が固
定される場合には、被駆動部材になる。

【００１７】図１に示すように、この超音波モータは、
２つの圧電素子１２，１３に高周波電圧Ａ，Ｂを印加す
ることによって、屈曲振動と縦振動との複合振動を起こ
し、これにより突起部１１ｂ，１１ｃとの先端に楕円運
動を発生させ、駆動力を発生させる構成になっている。
ここで、Ｇはグランドである。また、２つの圧電素子１
２，１３は、互いに極性が同一方向になるように分極さ
れ、高周波電圧Ａ，Ｂは、π／２の時間的位相差を有し
ている。なお、２つの圧電素子１２，１３の分極は互い
に逆方向であってもよい。

【００１８】図２（Ａ）は、超音波モータに入力される
２相の高周波電圧Ａ，Ｂの時間的変化をｔ１〜ｔ９で示
している。図２（Ａ）の横軸は、高周波電圧の実効値を
示している。図２（Ｂ）は、超音波モータの断面の変形
の様子を示し、超音波モータに発生する屈曲振動の時間
的変化（ｔ１〜ｔ９）を示している。図２（Ｃ）は、超
音波モータの断面の変形の様子を示し、超音波モータに
発生する縦振動の時間的変化（ｔ１〜ｔ９）を示してい
る。図２（Ｄ）は、超音波モータの突起部１１ｂ，１１
ｃとに発生する楕円運動の時間的変化（ｔ１〜ｔ９）を
示している。

【００１９】次に、この実施例の超音波モータの動作
を、時間的変化（ｔ１〜ｔ９）ごとに説明する。時間ｔ
１において、図２（Ａ）に示すように、高周波電圧Ａは
正の電圧を発生し、同様に高周波電圧Ｂは同一の正の電
圧を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧
Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消し合い、質点Ｙ１
とＺ１とが振幅零となる。また、図２（Ｃ）に示すよう
に、高周波電圧Ａ，Ｂによる縦振動は伸張する方向に発
生する。質点Ｙ２とＺ２とは矢印で示されるように、節
Ｘを中心にして最大の伸長を示す。その結果、図２
（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点Ｙ１
とＹ２との運動の合成が質点Ｙの運動となり、また、質
点Ｚ１とＺ２との運動の合成が質点Ｚの運動となる。

【００２０】時間ｔ２において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ｂは零となり、高周波電圧Ａは正の電圧
を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ａに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１が正方向に振幅し、質
点Ｚ１が負方向に振幅する。また、図２（Ｃ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａによる縦振動が発生し、質点Ｙ２と
質点Ｚ２とが時間ｔ１のときよりも縮む。その結果、図
２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点Ｙ
とＺとが時間ｔ１のときよりも右回りに移動する。

【００２１】時間ｔ３において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図２（Ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ及びＢによる屈曲運動が合成されて
増幅され、質点Ｙ１が時間ｔ２のときよりも正方向に増
幅され、最大の正の振幅値を示す。質点Ｚ１が時間ｔ２
のときよりも負方向に増幅され、最大の負の振幅値を示
す。また、図２（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ及び
Ｂによる縦振動が互いに打ち消しあい、質点Ｙ２とＺ２
とが元の位置に戻る。その結果、図２（Ｄ）に示すよう
に、上記両振動が複合され、質点ＹとＺとが時間ｔ２の
ときよりも右回りに移動する。

【００２２】時間ｔ４において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは零となり、高周波電圧Ｂは負の電圧
を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ｂに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１は時間ｔ３のときより
も振幅が低下し、質点Ｚ１時間ｔ３のときよりも振幅が
低下する。また、図２（Ｃ）に示すように、高周波電圧
Ｂによる縦振動が発生し、質点Ｙ２とＺ２が収縮する。
その結果、図２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合
され、質点ＹとＺとが時間ｔ３のときよりも右回りに移
動する。

【００２３】時間ｔ５において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは負の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図２（Ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消
し合い、質点Ｙ１とＺ１とが振幅零となる。また、図２
（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる縦振動は
収縮する方向に発生する。質点Ｙ２とＺ２とは矢印で示
されるように、節Ｘを中心にして最大の収縮を示す。そ
の結果、図２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合さ
れ、質点ＹとＺとが時間ｔ４のときよりも右回りに移動
する。

【００２４】時間ｔ６〜ｔ９に変化するにしたがって、
上述の原理と同様に屈曲振動及び縦振動が発生し、その
結果、図２（Ｄ）に示すように、質点Ｙ及び質点Ｚが右
回りに移動し、楕円運動をする。以上の原理により、こ
の超音波モータは、突起部１１ａ，１１ｂとの先端に楕
円運動を発生させ、駆動力を発生させる構成となってい
る。従って、突起部１１ｂ，１１ｃの先端を固定子１９
に加圧すると、弾性体１１は、固定部１９に対して自走
する。

【００２５】図３は、本発明による超音波モータの第２
の実施例を示した模式図である。なお、第１の実施例と
同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重
複する説明は省略する。第２実施例の超音波モータで
は、弾性体１１に第１の実施例のような突起部１１ｂ，
１１ｃが設けられておらず、図３（Ａ）に示すように、
駆動力取出位置に摺動部材１４ａ，１４ｂが直接接着さ
れている。図３（Ｂ）に示すように、弾性体１１の表面
には、楕円運動をする位置が複数あるが、図２に示した
質点Ｙ，Ｚの位置が最も大きな半径となるので、この位
置を駆動力取出位置とすれば、薄い摺動部材１４ａ，１
４ｂを貼付するだけでも、駆動することができる。

【００２６】図４は、本発明による超音波モータの第３
〜第６の実施例を示す図、図５、本発明による超音波モ
ータの第７〜第１０の実施例を示す図である。なお、こ
れらの実施例は、突起部１１ｂを裏面から見た図であ
り、摺動部材１４ａの形成形態の違いを主に示してい
る。図４（Ａ）示す第３の実施例では、突起部１１ｂの
移動方向（矢印Ｘ）の前後端部に帯び状の摺動部材１４
ａ−１を設けたものであり、図４（Ｂ）示す第４の実施
例では、突起部１１ｂの周縁部に枠状に摺動部材１４ａ
−２を設けたものである。これらの実施例によれば、超
音波モータ（１１〜１４）と相対運動部材１５との間に
溜まるゴミや磨耗粉が除去できる利点がある。

【００２７】図４（Ｃ）示す第５の実施例では、突起部
１１ｂの摺動方向（矢印Ｘ）の両端部に帯び状の摺動部
材１４ａ−３を設けたものであり、図４（Ｄ）示す第６
の実施例では、突起部１１ｂの摺動方向（矢印Ｘ）の両
端よりも内側に帯び状の摺動部材１４ａ−４を設けたも
のである。これらの実施例によれば、超音波モータ（１
１〜１４）と相対運動部材１５との接触面が移動方向に
細長いので、安定した駆動が得られる。

【００２８】図５（Ａ）示す第７の実施例では、突起部
１１ｂの略前面にドット状の摺動部材１４ａ−５を設け
たものであり、図５（Ｂ）示す第８の実施例では、突起
部１１ｂに斜め方向に溝が形成されるように、摺動部材
１４ａ−６を設けたものである。これらの実施例によれ
ば、超音波モータ（１１〜１４）と相対運動部材１５と
の接触面の表面に水分があった場合にも、性能が低下す
ることはない。

【００２９】図５（Ｃ）示す第９の実施例では、第５又
は第６の実施例と類似しているが、多数の帯び状の摺動
部材１４ａ−７を設けたものであり、図５（Ｄ）示す第
１０の実施例では、突起部１１ｂに格子状の摺動部材１
４ａ−８を設けたものである。

【００３０】なお、前述した各実施例では、突起部１１
ｂについて説明したが、突起部１１ｃも同様な形状の摺
動部材１４ｂが設けられている。このとき、使用形態に
合わせて、突起部１１ｂと突起部１１ｃをそれぞれ別の
実施例の形状を組み合わせてもよい。また、摺動部材１
４ａの形状を示した例であり、第１の実施例のように、
突起部１１ｃに設けられた例で説明したが、第２の実施
例のように、弾性体１１に直接設けられているもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、出力取出位置に摺動部材を設けるようにしたの
で、出力取出位置と相対運動部材との摺動面が磨耗しに
くくなり、耐久性を向上させることができる、という効
果がある。

【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の実施例を示
した模式図である。

【図２】第１の実施例の超音波モータの駆動動作を説明
する図である。

【図３】本発明による超音波モータの第２の実施例を示
した模式図である。

【図４】本発明による超音波モータの第３〜第６の実施
例を示した模式図である。

【図５】本発明による超音波モータの第７〜第１０の実
施例を示した模式図である。

【図６】リニア型超音波モータの従来例を示す図であ
る。

【図７】異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード・平板モータ
の一例を示す模式図である。

【符号の説明】

１１弾性体１２、１３圧電素子１４摺動部材１５相対運動部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と、前記弾性体に結合して、その弾性体に縦振動モードと屈
曲振動モードとを調和的に発生させ、前記弾性体の出力
取出位置に楕円運動を生じさせる電気機械変換素子と、前記弾性体との間で相対的な運動を行う相対運動部材
と、前記弾性体と前記相対運動部材との間に位置し、前記弾
性体の出力取出位置に接合される摺動部材とを有するこ
とを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】請求項１に記載の超音波モータにおい
て、前記弾性体は、前記出力取出位置に突起部を有すること
を特徴とする超音波モータ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の超音波モ
ータにおいて、前記摺動部材は、合成樹脂であることを特徴とする超音
波モータ。
【請求項４】請求項３に記載の超音波モータにおい
て、前記摺動部材は、四フッ化エチレンを含有していること
を特徴とする超音波モータ。