JPH07170768A

JPH07170768A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH07170768A
Application number: JP5342630A
Authority: JP
Inventors: Tadao Takagi; 忠雄高木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-12-14
Filing date: 1993-12-14
Publication date: 1995-07-04
Also published as: US5932952A

Abstract

(57)【要約】【目的】最適な制御が可能な超音波モータを提供す
る。【構成】導電性を有する弾性体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第１及び第２の圧電素子１２，１３
と、弾性体１１に結合して、弾性体１１に発生する振動
を電気信号に変換する第３の圧電素子１５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、弾性体の振動状態を検知できなかったの
で、最適な制御ができない、という問題点があった。そ
こで、本発明の目的は、前述の課題を解決し、最適な制
御が可能な超音波モータを提供することである。

【０００８】

【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、導
電性を有する弾性体（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
を生じさせる第１及び第２の電気機械変換素子（１２，
１３）と、前記弾性体に結合して、前記弾性体に発生す
る振動を電気信号に変換する第３の電気機械変換素子
（１５）とを有することを特徴とする。

【０００９】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、前記弾性体に結合して、前記弾性体
の電位を表面に設けられた電極を介して伝達する第４の
電気機械変換素子（１４）を有することを特徴とする。

【００１０】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、前記各電気機械変換素子
は、単一の電気機械変換材料中に設けられていることを
特徴とする。

【００１１】第４の解決手段は、第２又は第３の解決手
段の超音波モータにおいて、前記第３及び第４の電気機
械変換素子は、前記第１及び第２の電気機械変換素子の
外側であって、対称の位置になるように設けられている
ことを特徴とする。

【００１２】第５の解決手段は、第２〜第４のいずれか
１つの解決手段の超音波モータにおいて、前記第４の電
気機械変換素子は、その表面に設けられた電極が前記弾
性体と導電性のある樹脂によって電気的に接続されてい
ることを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明によれば、弾性体の振動状態を検知する
ための電気機械変換素子を設けて、振動を制御するよう
にしたので、容易に制御できるようになった。

【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、圧電素子１２，１３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。

【００１５】圧電素子１２，１３は、縦振動Ｌ１モード
と、屈曲弾性Ｂ４モードとを発生させるための素子であ
り、弾性体１１の上面に接着されている。圧電素子１２
の表面には、電極１２ａが焼き付られており、電極１２
ａを介して圧電素子１２にＡ端子の電圧が印加される。
また、圧電素子１３の表面には、電極１３ａが焼き付ら
れており、電極１３ａを介して圧電素子１３にＢ端子の
電圧が印加される。

【００１６】圧電素子１２と圧電素子１３の厚み方向の
分極方向は、互いに同方向である。また、Ａ端子の電圧
とＢ端子の電圧とは、周波数が同一で、位相がπ／２だ
けずれている。この実施例では、圧電素子１２，１３
は、図１（Ｃ）のように、分極されており、後述する図
３（Ａ）のような２相の入力電圧Ａ，Ｂが印加される。

【００１７】また、圧電素子１４は、弾性体１１の上面
に接着されており、その表面に電極１４ａが焼き付られ
ている。圧電素子１４の電極１４ａが配置されている面
とは逆側の面は、電気的に弾性体１１と同電位であり、
その電位は、導電性の塗料１６を経由して、Ｇ端子に伝
えられる。Ｇ端子を弾性体１１に半田などによって直接
貼り付けようとしても、溶着に必要な温度が弾性体１１
に逃げてしまう。そこで、この実施例のように、圧電素
子１４を接着したのちに、導電性の塗料１６によって接
続した。

【００１８】圧電素子１５は、弾性体１１の上面に接着
されており、その表面に電極１５が焼き付けられてい
る。弾性体１１の振動状態は、電圧素子１５により電気
信号に変換され、電極を介してＰ端子に伝えられる。こ
の電気信号には、４次の屈曲振動Ｂ４モードの振動状態
と、１次の縦振動Ｌ１モードの振動状態との、異なる２
つの振動モードが合成された形で含まれている。そし
て、弾性体１１の合成された振動振幅に略応じた大きさ
の信号が得られる。なお、電極１２ａと電極１３ａ及び
電極１４ａと電極１５ａは、それぞれ同寸法であり、左
右対称に配置されている。このため、同じ特性が得られ
る。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】次に、第１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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】図３は、第１の実施例に係る超音波モータ
の駆動制御回路を示すブロック図である。発振器２１か
らの出力は、弾性体１１と圧電素子１２〜１５から構成
される部材の、４次の屈曲振動Ｂ４モード及び１次の縦
振動Ｌ１モードに相当する周波数が出力される。増幅器
２４の出力は、Ａ端子を経由して電極１２ａに、増幅器
２３の出力は、Ｂ端子を経由して電極１３ａに、それぞ
れ入力される。Ｐ端子の出力は、比較器２５に入力され
る。比較器２５は、基準電圧発生器２６により予め設定
された電圧と、Ｐ端子の出力とを比較して、Ｐ端子の出
力の方が小さいときには、周波数を低く、また、Ｐ端子
の出力の方が大きいときには、周波数を高くするよう
に、発振器２１を制御する。これにより、超音波モータ
の振動振幅が一定に保持される。

【００２８】図４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の上面には、単一の圧電素子１７が接着
されており、その表面に、電極１２ａ，１３ａ，１４
ａ，１５ａが焼き付けられている。このようにすれば、
圧電素子１７の接着が１回で済み、製造が簡単になる。

【００２９】図５は、本発明による超音波モータの電気
機械変換素子の取り付け位置を説明するための図であ
る。図５（Ｂ）に示すように、円環型の超音波モータで
は、圧電素子をピックアップ端子Ｐに接続したものがあ
る（特願昭５８−７７３８０、ＵＳＰ４５１０４１１
等）。しかし、円環型の超音波モータは、本発明の超音
波モータのような振動の節がないので、弾性体の上面の
いずれの位置でもよい。

【００３０】本発明では、振動の節の真上を避けた位置
に、振動検出用の圧電素子１５を設けている（Ａ−
１）。振動の節と左右対称の位置に設けた場合には、振
動が打ち消しあって、弾性体１１の振動を検出すること
ができない（Ａ−３）。なお、非対称の位置であれば、
振動の節の真上に一部が重なっていても、検出すること
は可能である。

【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、弾性体の振動状態を検知するための電気機械変換
素子を設けて、振動を制御するようにしたので、容易に
制御できる、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１の実施例を駆
動制御回路を示すブロック図である。

【図４】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５】本発明による超音波モータの電気機械変換素子
の取り付け位置を説明するための図である。

【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、１４、１５圧電素子１６塗料１７圧電素子１８相対運動部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性を有する弾性体と、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第１及び第２の電気機
械変換素子と、前記弾性体に結合して、前記弾性体に発生する振動を電
気信号に変換する第３の電気機械変換素子とを有するこ
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、前記弾性体に結合して、前記弾性体の電位を表面に設け
られた電極を介して伝達する第４の電気機械変換素子を
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、前記各電気機械変換素子は、単一の電気機械変換材料中
に設けられていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】請求項２又は請求項３に記載の超音波モ
ータにおいて、前記第３及び第４の電気機械変換素子は、前記第１及び
第２の電気機械変換素子の外側であって、対称の位置に
なるように設けられていることを特徴とする超音波モー
タ。
【請求項５】請求項１〜請求項４のいずれか１項に記
載の超音波モータにおいて、前記第４の電気機械変換素子は、その表面に設けられた
電極が前記弾性体と導電性のある樹脂によって電気的に
接続されていることを特徴とする超音波モータ。