JPH07231680A

JPH07231680A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH07231680A
Application number: JP6016513A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Tobe; 通宏戸部
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1994-02-10
Publication date: 1995-08-29

Abstract

(57)【要約】【目的】電気機械変換素子が損傷を受けにくく、しか
も、接着時の位置合わせを容易とする。【構成】弾性体１１と、弾性体１１に結合され、縦振
動と屈曲振動とを調和的に発生させる電気機械変換素子
１２，１３とからなり、弾性体１１に生ずる前記縦振動
と前記屈曲振動の合成振動による楕円運動によって、そ
の弾性体１１の所定の位置から駆動力を得る超音波モー
タにおいて、弾性体１１に電気機械変換素子１２，１３
を内部に接合する溝部１１ｄを設けた。

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（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７のモータ
では、圧電素子２，３は、弾性体１の駆動面と反対の面
に貼付されていた。しかし、弾性体１の圧電素子２，３
との接合面は平坦であるために、両者を接着した状態で
は、圧電素子２，３は、その厚さの分だけ弾性体１の上
に突出した形状となっている。このモータは、弾性体１
を圧電素子２，３の上部から加圧して使用するので、前
述した形状のモータの場合には、圧電素子２，３に全て
の加圧力がかかってしまう。この圧電素子２，３は、弾
性体１と比較して強度が弱いために、加圧によって、圧
電素子２，３が損傷を受ける可能性があった。

【０００８】また、弾性体１が衝撃（特に、図７の下か
ら上の方向への衝撃）を受けた場合に、圧電素子２，３
は、弾性体１とその上部の加圧部材（不図示）との間に
囲まれているので、その衝撃力が圧電素子２，３にかか
り、圧電素子２，３が損傷する可能性ががあった。

【０００９】一方、弾性体１に圧電素子２，３を接着す
る場合に、２つの圧電素子２，３の境界を弾性体１の長
手方向の中心に一致させなければならないが、従来の構
造では、位置合わせが困難であり、作業能率が悪かっ
た。

【００１０】本発明の第１の目的は、前述の課題を解決
し、電気機械変換素子が損傷を受けにくい構造の超音波
モータを提供することである。本発明の第２の目的は、
弾性体に対する電気機械変換素子の位置合わせが容易に
できる超音波モータを提供することである。

【００１１】

【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、前記弾性体に結合され、縦振動と屈曲
振動とを調和的に発生させる電気機械変換素子（１２，
１３）とからなり、前記弾性体に生ずる前記縦振動と前
記屈曲振動の合成振動による楕円運動によって、その弾
性体の所定の位置から駆動力を得る超音波モータにおい
て、前記弾性体に前記電気機械変換素子を内部に接合す
る溝部（１１ｄ）を設けたことを特徴としている。

【００１２】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、前記溝部は、その深さが前記電気機
械変換素子の厚み以上であること特徴としている。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、前記溝部は、前記電気機械変換素子と同じ大
きさであることを特徴としている。

【００１３】第４の解決手段は、第１〜第３のいずれか
１つの解決手段の超音波モータにおいて、前記弾性体
は、平板状であって、前記溝部は、前記弾性体の上面及
び／又は下面に形成されており、前記電気機械変換素子
は、前記弾性体の上下面に形成された溝部の双方又は一
方に接合されていることを特徴としている。

【００１４】

【作用】本発明によれば、弾性体の電気機械変換素子と
の接合面に溝部を設け、その内部に電気機械変換素子を
接合するようにした。このときに、溝部が電気機械変換
素子の厚さと同等の場合には、弾性体と電気機械変換素
子の両方に加圧部材が接触し、加圧力が弾性体と電気機
械変換素子の両方に分散される。また、弾性体の駆動面
側から衝撃力が加わった場合にも、その衝撃力は、同様
に、弾性体と電気機械変換素子の両方に分散される。さ
らに、溝部の深さを、電気機械変換素子の厚さよりも深
くした場合には、弾性体のみに前述した加圧力又は衝撃
力がかかるので、その加圧力又は衝撃力によって、電気
機械変換素子が損傷することはなくなる。一方、溝部を
電気機械変換素子の大きさと同等にした場合には、接合
時の位置決めが容易にでき、接合作業を効率よく行うこ
とができる。なお、溝部は、弾性体の上面に限らず、下
面であっても、同様に作用する。

【００１５】

【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の、電気的に絶
縁された２つの圧電素子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。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２（Ａ）
のような２相の入力電圧Ａ，Ｂが印加される。弾性体１
１は、圧電素子１２，１３との接触面には、その圧電素
子１２，１３の厚さと同等の深さをもつ溝部１１ｄが形
成されており、圧電素子１２，１３は、その溝部１１ｄ
の内側に接合されている。また、溝部１１ｄの幅は、２
枚の圧電材料１２ａ，１３ａの幅の和に対応しており、
圧電材料１２ａ，１３ａの表面には、電極１２ｂ，１３
ｂが形成されている。

【００１６】加圧部材１４は、図１（Ｂ）に示すよう
に、弾性体１１を相対運動部材（固定部）１５に押し付
けるように加圧する。加圧された弾性体１１は、２つの
突起部１１ｂ，１１ｃの先端部が相対運動部材１５に加
圧接触することになり、２つの突起部１１ｂ，１１ｃと
相対運動部材１５との間に相対運動が起こる。なお、弾
性体１１側を固定して、突起部１１ｂ，１１ｃを相対運
動部材（移動体）に加圧接触することにより、移動体を
駆動することもできる。

【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はグランドであり、弾性体１１はグランド電
位となっている。また、２つの圧電素子１２，１３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となってい
る。従って、突起部１１ｂ，１１ｃの先端を相対運動部
材１５に加圧すると、弾性体１１は、相対運動部材１５
に対して自走する。

【００２５】この実施例では、弾性体１１に溝部１１ｄ
を設けて、その内部に、圧電素子１２，１３を接合した
ので、圧電素子１２，１３が弾性体１１の上部に突出し
ない構造となった。このために、加圧部材１４が弾性体
１１及び圧電素子１２，１３に接触し、その加圧力が弾
性体１１及び圧電素子１２，１３に分散されるので、従
来の加圧力が圧電素子１２，１３のみにかかっていた場
合と比較して、圧電素子１２，１３にかかる力が小さく
なった。したがって、圧電素子１２，１３が加圧によっ
て、損傷することを防止することができる。また、弾性
体１１が衝撃力を受けた場合でも、その衝撃力が弾性体
１１，圧電素子１２，１３に分散されるので、圧電素子
１２，１３の損傷を防ぐことができる。

【００２６】さらに、溝１１ｄの幅は、接合される圧電
素子１２，１３を構成する圧電材料１２ａ，１３ａの幅
の和に一致させてあるので、接着するときに、圧電材料
１２ａ，１３ａを溝部１１ｄに嵌めるだけで、位置合わ
せが完了するので、接着作業の効率が向上する。

【００２７】（第２の実施例）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、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１の実施例では、図３（Ａ）に示
すように、溝部１１ｄの深さｔ₁は、圧電素子１２，１
３の厚さｔ₂と略等しくしてあったが、第２の実施例で
は、図３（Ｂ）に示すように、溝部１１ｄ’の深さ
ｔ₁’は、圧電素子１２，１３の厚さｔ₂よりも深くし
てある。このために、前述した加圧力又は衝撃力は、弾
性体１１のみ加圧力がかかり、その加圧力又は衝撃力に
よって、圧電素子１２，１３が損傷することはなくな
る。

【００２８】（第３の実施例）図４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
の実施例は、圧電素子１２，１３は、１枚の圧電材料１
６で構成し、その表面に電極１２ｂ，１３ｂを形成した
ものである。第３の実施例は、第１又は第２の実施例と
比較して、接着作業をさらに効率よく行うことができ
る、という利点がある。

【００２９】（第４の実施例）図５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
の実施例は、溝部１１ｄを弾性体１１の下面に形成し、
その溝部１１ｄに圧電素子１２，１３を接着したもので
ある。弾性体１１に発生する楕円運動は、突起部１１
ｂ，１１ｃがなくても発生し、相対運動部材１５との隙
間がわずかでもあれば、相対運動を行うことができる。
この場合には、突起部１１ｂ，１１ｃに相当する位置に
薄い摺動部材１７ｂ，１７ｃを貼付した構造にすればよ
い。第４の実施例の場合にも、弾性体１１の下面に形成
した溝部１１ｄに圧電素子１２，１３を設ければ、前述
の加圧力や衝撃力が圧電素子１２，１３に直接加わるこ
とがなくなり、位置合わせも容易である。

【００３０】以上説明した実施例に限定されず、種々の
変形や変更が可能であって、それらも本発明に含まれ
る。例えば、電気機械変換素子として、圧電素子を例に
説明したが、電気エネルギーを機械変位に変換できるも
のであればよく、例えば、電歪素子等であってもよい。
また、電気機械変換素子は、弾性体の上面又は下面に設
けた例で説明したが、両面に設けてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、請求項１に
よれば、弾性体の電気機械変換素子との接合面に溝部を
設け、その内部に電気機械変換素子を接合するので、電
気機械変換素子にのみ加圧力又は衝撃力が加わることが
なくなり、電気機械変換素子の損傷を防ぐことができ
る。

【００３２】請求項２によれば、溝部の深さを電気機械
変換素子の厚さ以上にしてあるので、溝部が電気機械変
換素子の厚さと同等の場合には、弾性体と電気機械変換
素子の両方に加圧部材が接触し、加圧力が弾性体と電気
機械変換素子の両方に分散される。また、弾性体の駆動
面側から衝撃力が加わった場合にも、その衝撃力は、同
様に、弾性体と電気機械変換素子の両方に分散される。
さらに、溝部の深さを、電気機械変換素子の厚さよりも
深くした場合には、弾性体のみに前述した加圧力又は衝
撃力がかかる。このために、その加圧力又は衝撃力によ
って、電気機械変換素子が損傷することはなくなる。

【００３３】請求項３によれば、溝部を電気機械変換素
子の大きさと同等にしたので、弾性体に電気機械変換素
子を接着するときの位置決めが容易にでき、接着作業を
効率よく行うことができ、接着後の位置ずれを防止でき
る。請求項４によれば、溝部は弾性体の上面に限らず下
面であっても、同様の効果を得ることができる。

【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４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１１ａ基礎部１１ｂ，１１ｃ突起部１１ｄ溝部１２、１３圧電素子１２ａ，１３ａ圧電材料１２ｂ，１３ｂ電極１４加圧部材１５相対運動部材１６圧電材料１７ｂ，１７ｃ摺動部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と、前記弾性体に結合され、縦振動と屈曲振動とを調和的に
発生させる電気機械変換素子とからなり、前記弾性体に生ずる前記縦振動と前記屈曲振動の合成振
動による楕円運動によって、その弾性体の所定の位置か
ら駆動力を得る超音波モータにおいて、前記弾性体に前記電気機械変換素子を内部に接合する溝
部を設けた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、前記溝部は、その深さが前記電気機械変換素子の厚み以
上であること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、前記溝部は、前記電気機械変換素子と同じ大きさである
ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれか１項に記
載の超音波モータにおいて、前記弾性体は、平板状であって、前記溝部は、前記弾性体の上面及び／又は下面に形成さ
れており、前記電気機械変換素子は、前記弾性体の上下面に形成さ
れた溝部の双方又は一方に接合されていることを特徴と
する超音波モータ。