JPH07213078A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 印加する電圧を大きくすることなく、大きな
駆動力、駆動速度を取り出すことを可能とする。 【構成】 弾性体１１と，弾性体１１のいずれかの面に
接合されて、その弾性体１１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る第１の圧電素子１２−
１，１３−１とを含む超音波モータにおいて、弾性体１
１の第１の圧電素子１２−１，１３−１が接合されてい
る面以外の面に接合される第２の圧電素子１２−２，１
３−２を備えた。

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８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８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９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９
（Ａ）は正面図、図９（Ｂ）は側面図、図９（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】前述した図９のモータ
では、圧電体２，３は、弾性体１の駆動面（下面）と反
対側の面だけに貼られていた。このモータは、大きな駆
動力又は駆動速度が必要とされる用途では、印加する電
圧を大きくして、出力を大きくする方法が考えられる。
しかし、印加する電圧を大きくし過ぎた場合には、消費
電力が増大して発熱し、圧電体２，３の温度が上昇する
ために、圧電体２，３の分極を破壊してしまう可能性が
あった。

【０００８】本発明の目的は、前述の課題を解決し、印
加する電圧を大きくすることなく、大きな駆動力又は駆
動速度を取り出すことができる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，前記弾性体のいずれかの面に接合され
て、その弾性体に縦振動モードと屈曲振動モードとを調
和的に発生させる第１の電気機械変換素子（１２−１，
１３−１）とを含む超音波モータにおいて、前記弾性体
の前記第１の電気機械変換素子が接合されている面以外
の面に接合される第２の電気機械変換素子（１２−２，
１３−２，１２−３，１３−３，１２−４，１３−４）
を備えたことを特徴としている。

【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、平板状であり、前記
第２の電気機械変換素子（１２−２，１３−２）は、前
記弾性体の前記第１の電気機械変換素子が接合されてい
る面と反対側の面に接合されることを特徴としている。

【００１１】第３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、平板状であり、前記
第２の電気機械変換素子（１２−３，１２−４，１３−
３，１３−４）は、前記弾性体の移動方向の側面の片側
又は両側に接合されることを特徴としている。第４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
記第２の電気機械変換素子は、前記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ることを特徴
としている。

【００１２】

【作用】本発明によれば、第１の電気機械変換素子に加
えて、弾性体の別の面に第２の電気機械変換素子を接合
したので、同じ電圧を印加したときに生ずる屈曲振動及
び／又は縦振動の変形が大きくなり、駆動力及び／又は
駆動速度を向上させることができる。このために、高ト
ルク及び／又は高速度でモータを使用する場合であって
も、発熱を抑えることができ、各電気機械変換素子の分
極を破壊することを防止できる。

【００１３】

【実施例】

（第１の実施例）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に、それぞれ電
気的に絶縁された４つの圧電素子１２−１，１２−２，
１３−１，１３−２が配置されている。各要素の機能
は、前述した図９に示したものと同様である。圧電素子
１２−１，１３−１は、弾性体１１の駆動面と反対の面
に接合されており、圧電素子１２−２，１３−２は、弾
性体１１の駆動面に設けられた突起部１１ｂ，１１ｃの
間の面に接合されている。

【００１４】図２は、第１の実施例の超音波モータの駆
動回路を示すブロック図である。この実施例では、圧電
素子１２−１，１２−２，１３−１，１３−２は、図２
のように分極されている。つまり、圧電素子１２−１，
１２−２の分極方向は、両者に同じ位相の交流電圧が印
加された場合に、一方が伸びたときに、他方は縮むよう
な関係になっている。また、圧電素子１３−１，１３−
２の分極方向も、圧電素子１２−１，１２−２の関係と
同様になっている。

【００１５】図２に示すように、発振器２１は、駆動用
の交流電圧を出力し、一方は、増幅器２２によって増幅
されたのちに、圧電素子１２−１，１２−２に接続さ
れ、他方は、移相器２３によって位相を９０度ずらした
のちに、増幅器２２を介して、圧電素子１３−１，１３
−２に接続されており、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。なお、圧電素子１２
−１，１２−２及び圧電素子１３−１，１３−２には、
各々Ａ相、Ｂ相の電圧を印加するので、以下の動作で
は、圧電素子１２及び圧電素子１３と省略して説明す
る。

【００１６】図３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。

【００１７】図３（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３（Ａ）の横軸は、高周波電圧の実効値を
示している。図３（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３（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３（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。

【００１８】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３（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３（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３（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３
（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。

【００１９】時間ｔ２において、図３（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３（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３（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
３（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。

【００２０】時間ｔ３において、図３（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３（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３（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３（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。

【００２１】時間ｔ４において、図３（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３（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３（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３（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。

【００２２】時間ｔ５において、図３（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３（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３
（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３（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。

【００２３】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３（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。第１の実施例では、弾性体１１の２つの面に、圧電
素子１２−１，１３−１及び圧電素子１２−２，１３−
２を接合したので、図９に示したように、弾性体の片面
に圧電素子を接合したモータと比較して、同じ電圧を印
加したときに生ずる屈曲振動を大きくして、駆動力を向
上させることができる。

【００２４】（第２の実施例）図４は、本発明による超
音波モータの第２の実施例を示したブロック図である。
なお、以下に説明する各実施例では、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の実施例では、圧電素子１２
−２’，１３−２’の極性を、逆の極性にしてある。こ
の場合には、圧電素子１２−２’，１３−２’に圧電素
子１２−１，１３−１と同じ位相の交流電圧が印加する
と、一方が伸びたときに他方も伸び、一方が縮んだとき
に他方も縮むような関係になってしまうので、圧電素子
１２−２’，１３−２’には、極性反転器２５，２６に
よって、それぞれ極性を反転させた駆動電圧を印加して
いる。

【００２５】（第３の実施例）図５は、本発明による超
音波モータの第３の実施例を示した模式図である。第３
の実施例では、弾性体１１の移動方向の両側側面にも、
圧電素子１２−３，１３−３及び１２−４，１３−４を
貼付したものである。この圧電素子１２−３，１２−４
の分極方向は、圧電素子１２−１と共通の電圧を印加し
たときに、伸縮が同位相で発生する方向になっており、
圧電素子１３−３，１３−４は、圧電素子１３−１に介
して同様の関係になっている。そして、圧電素子１２−
１，１２−３，１２−４にＡ相の交流電圧、圧電素子１
３−１，１３−３，１３−４にＢ相の電圧を印加する。
このことにより、縦振動を大きくして、駆動速度を向上
させることができる。なお、圧電素子１２−３，１２−
４及び１３−３，１３−４の分極方向が上記の方向と逆
である場合には、図４に示したような極性反転器を通し
て、Ａ相，Ｂ相を入力すればよい。また、弾性体１１の
両側でなく、圧電素子１２−３，１３−３又は圧電素子
１２−４，１３−４のいずれか一方側にのみ設けてもよ
い。

【００２６】（第４の実施例）図６は、本発明による超
音波モータの第４の実施例を示した模式図である。第４
の実施例では、圧電素子１２−１，１３−１及び圧電素
子１２−２，１３−２として、圧電材料１２ａ−１，１
３ａ−１及び１２ａ−２，１３ａ−２上に、電極１２ｂ
−１，１３ｂ−１及び１２ｂ−２，１３ｂ−２を形成し
たものである。

【００２７】（第５の実施例）図７は、本発明による超
音波モータの第５の実施例を示した模式図である。第５
の実施例では、弾性体１１の上面及び下面に、それぞれ
圧電材料１４，１５を貼り付け、その圧電材料１４，１
５の表面には、それぞれ２つの部分に分かれた電極１２
ｂ−１，１３ｂ−１及び１２ｂ−２，１３ｂ−２が形成
されている。このようにすれば、圧電材料１４，１５が
１枚ずつで済むので、接合作業が簡単になり、作業性を
向上させることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、第２の電気機械変換素子が、弾性体の第１の電気
機械変換素子の接合されている面と別の面に接合されて
いるので、同じ電圧を印加したときに生ずる屈曲振動、
縦振動の変形が大きくなり、駆動力、駆動速度を向上さ
せることができる。このために、高トルク、高速度でモ
ータを使用する場合であっても、発熱を抑えることがで
き、各電気機械変換素子の分極を破壊することを防止で
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回路を示す
ブロック図である。

【図３】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４】本発明による超音波モータの第２の実施例を示
したブロック図である。

【図５】本発明による超音波モータの第３の実施例を示
した模式図である。

【図６】本発明による超音波モータの第４の実施例を示
した模式図である。

【図７】本発明による超音波モータの第５の実施例を示
した模式図である。

【図８】リニア型超音波モータの従来例を示す図であ
る。

【図９】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 １２−１，１２−２，１２−３，１２−４，１３−１，
１３−２，１３−３，１３−４ 圧電素子 ２１ 発振器 ２２，２４ 増幅器 ２３ 移相器 ２５，２６ 極性反転器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体と；前記弾性体のいずれかの面に
   接合されて、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る第１の電気機械変換素子と；
   を含む超音波モータにおいて、 前記弾性体の前記第１の電気機械変換素子が接合されて
   いる面以外の面に接合される第２の電気機械変換素子を
   備えたことを特徴とする超音波モータ。
2. 【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、平板状であり、 前記第２の電気機械変換素子は、前記弾性体の前記第１
   の電気機械変換素子が接合されている面と反対側の面に
   接合されることを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の超音波モータにおい
   て、 前記弾性体は、平板状であり、 前記第２の電気機械変換素子は、前記弾性体の移動方向
   の側面の片側又は両側に接合されることを特徴とする超
   音波モータ。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の超音波モータにおい
   て、 前記第２の電気機械変換素子は、前記弾性体に縦振動モ
   ードと屈曲振動モードとを調和的に発生させることを特
   徴とする超音波モータ。