JPH07327379A

JPH07327379A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH07327379A
Application number: JP6116752A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Okazaki; 光宏岡崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-05-30
Filing date: 1994-05-30
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】【目的】電気機械変換素子と突起部とを弾性体の第１
面に設けた場合に、突起部の楕円運動の軌跡が傾かない
ようにして駆動効率の向上を図る。【構成】弾性体１、圧電素子、駆動力取り出し部４，
５を備える超音波モータに適用され、弾性体１の一方の
面に圧電素子を接着し、圧電素子に高周波電圧を印加す
ることによって弾性体１に縦振動と屈曲振動を起こす。
屈曲振動の腹の位置より外側で、かつ圧電素子が接着さ
れている面に駆動力取り出し部４，５を取り付ける。駆
動力取り出し部４，５の先端は、縦振動および屈曲振動
の合成による楕円運動をするとともに、ｘ方向に揺動運
動を行う。これにより、楕円運動の傾きが抑えられ、超
音波モータの駆動効率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動を利用した
超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の超音波モータとして、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」に記載されている「異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ
４モード・平板モータ」が知られている。図１６は上記
文献に記載されている超音波モータの構造を示す図であ
り、図１６（ａ）はこの超音波モータを真上から見た
図、図１６（ｂ）はこの超音波モータを図１６（ａ）に
示すＰ方向から見た断面図、図１６（ｃ）は図１６
（ａ）に示すＱ方向から見た断面図である。図１６にお
いて、１は弾性体であり、その上面には圧電素子２，３
が接着され、圧電素子２，３の上面には不図示の電極が
それぞれ接着されている。また、弾性体１の下面には突
起部４，５が取り付けられており、この突起部４，５に
よって弾性体１の振動による駆動力が取り出される。以
下、この突起部４，５を駆動力取り出し部と呼ぶ。圧電
素子２，３は同一方向に分極しており、各圧電素子２，
３には電極を介して互いに９０度（π／２）位相の異な
る高周波電圧が印加される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】まず、本発明者の解析
した結果に基づいて、図１６の超音波モータの動作を説
明し、あわせてその問題点に言及する。なお以下では、
図１６の圧電素子２に印加される高周波電圧を高周波電
圧Ａ、圧電素子３に印加される高周波電圧を高周波電圧
Ｂと呼ぶ。また図１６では、各圧電素子２，３が同一方
向に分極している例を示すが、逆方向に分極していても
よい。

【０００４】図１６の超音波モータでは、各圧電素子
２，３に高周波電圧が印加されると、各圧電素子２，３
は高周波電圧の周波数に応じて振動する。この振動は弾
性体１に伝達され、弾性体１は屈曲振動と縦振動を行
う。ここで屈曲振動とは、図１６（ｂ）と同一方向から
見た場合に弾性体１が図１７（ｂ）のように振動するこ
とをいい、一方縦振動とは、図１６（ａ）と同一方向か
ら見た場合に弾性体１が図１７（ｃ）のように振動する
ことをいう。弾性体１に発生した屈曲振動と縦振動は弾
性体１内部で合成され、弾性体の下面に取り付けられた
駆動力取り出し部４，５は楕円振動を行う。

【０００５】図１７は弾性体１の形状の変化と駆動力取
り出し部４，５の楕円運動を示す図であり、図示の時間
ｔ１〜ｔ９はそれぞれπ／４ずつ異なる時間を示す。図
１７（ａ）の横軸は高周波電圧の振幅値を示し、図１７
（ａ）の角度θは高周波電圧の位相を示す。一方、図１
７（ｂ）は弾性体１に発生する屈曲振動の波形図、図１
７（ｃ）は弾性体１に発生する縦振動の波形図、図１７
（ｄ）は弾性体１の駆動力取り出し部４，５の楕円振動
の波形図である。図１７（ａ）〜図１７（ｄ）はいずれ
も時間ｔ１〜ｔ９に対応して描かれている。

【０００６】まず時間ｔ１では、図１７（ａ）に示すよ
うに、ともに正の電圧である高周波電圧Ａ，Ｂを圧電素
子２，３に印加する。高周波電圧Ａによって弾性体１に
発生する屈曲振動と、高周波電圧Ｂによって弾性体１に
発生する屈曲振動の位相は互いにπ／２相違するため、
これら屈曲振動は互いに打ち消し合い、弾性体１には屈
曲振動は起こらない。

【０００７】図１７（ｂ）では、弾性体１の駆動力取り
出し部４，５での屈曲振動の振幅をそれぞれ質点Ｙ１，
Ｚ１で示しており、この質点Ｙ１，Ｚ１の振幅はいずれ
も０になる。また時間ｔ１において弾性体１に働く縦振
動は、図１７（ｃ）のように弾性体１を縦方向に縮める
方向に働く。図１７（ｃ）では、駆動力取り出し部４，
５での縦振動の振幅を質点Ｙ２，Ｚ２で示している。駆
動力取り出し部４には質点Ｙ１とＹ２を合成した質点Ｙ
で示す振動が発生し、駆動力取り出し部５には質点Ｚ１
とＺ２を合成した質点Ｚで示す振動が発生する（図１７
（ｄ）参照）。

【０００８】時間ｔ２では、図１７（ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは最大になり、高周波電圧Ｂは０にな
る。このため、弾性体１に発生する屈曲振動は図１７
（ｂ）のようになり、質点Ｙ１は負方向に屈曲し、質点
Ｚ１は正方向に屈曲する。また時間ｔ２では、質点Ｙ２
は弾性体１を縦方向に縮める方向に振動し、質点Ｚ２は
縦振動せず（図１７（ｃ）参照）、質点ＹとＺはともに
時間ｔ１から右回りに楕円状に移動する（図１７（ｄ）
参照）。時間ｔ３では、図１７（ａ）に示すように、高
周波電圧Ａは正の電圧に、高周波電圧Ｂは負の電圧にな
る。このため、弾性体１に発生する屈曲振動は図１７
（ｂ）のようになり、質点Ｙ１の屈曲量は負方向に最大
になり、質点Ｚ１の屈曲量は正方向に最大になる。ま
た、この時間ｔ３では、質点Ｙ２は弾性体１を縮める方
向に、質点Ｚ２は伸ばす方向に縦振動する。したがっ
て、質点ＹとＺはともに時間ｔ２から右回りに楕円状に
移動する（図１７（ｄ）参照）。

【０００９】時間ｔ４では、図１７（ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは０になり、高周波電圧Ｂは負の最大
値になる。このため、弾性体１に発生する屈曲振動は図
１７（ｂ）のようになり、質点Ｙ１は負方向に屈曲し、
質点Ｚ１は正方向に屈曲する。また、時間ｔ４では、質
点Ｙ２は縦振動せず、質点Ｚ２は弾性体１を伸ばす方向
に縦振動する。したがって、質点ＹとＺはともに時間ｔ
３から右回りに楕円状に移動する（図１７（ｄ）参
照）。時間ｔ５では、図１７（ａ）に示すように、高周
波電圧Ａ，Ｂはともに負の電圧になるため、図１７
（ｂ）に示すように弾性体１は屈曲振動を起こさない。
またこの時間ｔ５では、質点Ｙ２とＺ２はいずれも弾性
体１を伸ばす方向に縦振動するため、質点ＹとＺはとも
に時間ｔ４から右回りに楕円状に移動する（図１７
（ｄ）参照）。以下同様に、時間ｔ６〜ｔ９の場合にも
弾性体１に屈曲振動と縦振動が発生し、この結果、質点
Ｙ，Ｚは右回りに楕円を描くように移動する。

【００１０】このように、図４の超音波モータでは、弾
性体１に発生する屈曲振動と縦振動との合成によって、
駆動力取り出し部４，５を楕円運動させている。したが
って、駆動力取り出し部４，５に接する位置に例えば図
１８に示すようなロータ６を設ければ、このロータ６を
図示の矢印の向きに駆動することができる。

【００１１】ところで、従来の超音波モータは、図１６
に示すように、弾性体１上の圧電素子２，３が接着され
る面と反対側の面に駆動力取り出し部４，５を取り付け
るのが一般的である。また、駆動力取り出し部４，５と
ロータ６との間に隙間が生じると、ロータ６を効率よく
駆動できなくなるため、通常は加圧部材等によって加圧
して、駆動力取り出し部４，５とロータ６との間に隙間
ができないようにする。ところが、例えば圧電素子２，
３が接着されている面方向から加圧すると、加圧部材に
よって圧電素子２，３を破損するおそれがある。

【００１２】一方、圧電素子２，３には高周波電圧を印
加するための電極を接着する必要があるが、電極を接着
した面と同一面に加圧部材を設けると、電極への配線が
やりにくくなる。逆に、ロータ６を弾性体１の上に置い
て、すなわち駆動力取り出し部４，５を上に向けてロー
タ６を駆動する場合、弾性体１に接着された圧電素子
２，３は床側を向くため、圧電素子２，３が床に接触し
てショートする等の問題が生じる。上記の問題を解決す
るためには、圧電素子２，３と駆動力取り出し部４，５
を弾性体１の同一面に設けるのが望ましい。

【００１３】一方、超音波モータの駆動効率を上げるた
めには、最も大きく楕円運動する箇所に駆動力取り出し
部４，５を取り付けるのが望ましい。楕円運動は屈曲振
動と縦振動との合成によって生じるため、一般には最も
大きく屈曲する位置（以下、この位置を屈曲振動の腹と
呼ぶ）に駆動力取り出し部４，５が取り付けられる。と
ころが、屈曲振動の腹の位置に駆動力取り出し部４，５
を取り付けた場合の楕円運動の軌跡は、図１９のような
理想的な形にならず、図２０のように傾いた軌跡を描
く。このため、図２０のｘ方向にロータを駆動する場
合、楕円運動Ｃ１を行う駆動力取り出し部はロータ６を
常にｘ方向に押すのに対し、楕円運動Ｃ２を行う駆動力
取り出し部はロータ６をｘ方向と逆方向に押す箇所があ
る。したがって、この楕円運動Ｃ２によってロータ６を
ｘ方向に押す力が相殺され、超音波モータの駆動効率が
低下する。

【００１４】本発明の目的は、電気機械変換素子と突起
部とを弾性体の同一面に設けた場合に、突起部の楕円運
動の軌跡が傾かないようにして駆動効率の向上を図った
超音波モータを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】実施例を示す図１に対応
づけて本発明を説明すると、本発明は、第１面および該
第１面と対抗配置される第２面を有する弾性体１と、こ
の弾性体１の第１面側に結合される電気機械変換素子
２，３と、弾性体１の第１面側の所定箇所に取り付けら
れる突起部４，５とを備え、電気機械変換素子２，３に
より弾性体１に縦振動および屈曲振動を発生させ、これ
ら振動の合成によって突起部４，５を楕円運動させて駆
動力を取り出す超音波モータに適用され、突起部４，５
が第１面に直交する方向を軸として楕円運動するよう
に、突起部４，５の取り付け位置を定めることにより、
上記目的は達成される。請求項２に記載の発明は、請求
項１に記載された超音波モータにおいて、弾性体１に発
生される屈曲振動の腹のうち、基準となる腹の位置より
も外側に突起部４，５を取り付けたものである。請求項
３に記載の発明は、請求項２に記載された超音波モータ
において、弾性体１に発生される最も外側の腹を基準と
なる腹としたものである。請求項４に記載の発明は、請
求項２または３に記載された超音波モータにおいて、弾
性体１に発生される屈曲振動の腹の数がｎ個（ｎは１以
上の整数）で、かつ屈曲振動の波長がλの場合には、基
準となる腹の位置よりも外側に最大λ／４ずらして突起
部４，５を取り付けたものである。請求項５に記載の発
明は、請求項４に記載された超音波モータにおいて、弾
性体１に発生される４次の屈曲振動の最も外側の腹より
も外側に最大λ／４ずらして突起部４，５を取り付けた
ものである。請求項６に記載の発明は、請求項５に記載
された超音波モータにおいて、屈曲振動の腹における縦
振動の振幅をａ、屈曲振動の波長をλ、屈曲振動の振幅
をｂ、突起部４，５の突起長をｈとした場合に、基準と
なる腹の位置を原点とする突起部４，５の取り付け位置
ｘ_Qを、ｘ_Q＝±（λ／２π）・ｓｉｎ^-1｛２^1/2・λａ／（４π
ｂ・ｈ）｝ただし、２^1/2・λａ／（４πｂ・ｈ）≦１としたものである。

【００１６】

【作用】請求項１に記載の発明では、電気機械変換素子
２，３と同じ第１面側に突起部４，５を取り付ける際
に、第１面に直交する方向を軸として突起部４，５が楕
円運動するような位置に、突起部４，５を取り付ける。
請求項２に記載の発明では、弾性体１に発生される屈曲
振動の腹のうち、基準となる腹の位置よりも外側に突起
部４，５を取り付けるため、突起部４，５は第１面に直
交する方向を軸として楕円運動する。請求項３に記載の
発明では、弾性体１に発生される最も外側の腹を基準と
なる腹とするため、楕円運動の軌跡が最大になる。請求
項４に記載の発明では、弾性体１に発生される屈曲振動
の腹の数がｎ個で、屈曲振動の波長がλの場合には、基
準となる腹よりも外側に最大λ／４ずらして突起部４，
５を配置するため、弾性体１に発生される屈曲振動の腹
の数に関係なく、常に楕円運動の傾きを減少させること
ができる。請求項５に記載の発明では、弾性体１に４次
の屈曲振動を発生させる場合には、最も外側の腹よりも
外側に最大λ／４ずらして突起部４，５を取り付けるた
め、楕円運動の傾きを減少させることができる。請求項
６に記載の発明では、最も外側の腹よりも外側に、ｘ_Q＝±（λ／２π）・ｓｉｎ^-1｛２^1/2・λａ／（４π
ｂ・ｈ）｝ただし、２^1/2・λａ／（４πｂ・ｈ）≦１離れた位置に突起部４，５を設けるため、理論演算に基
づいて突起部４，５の位置を設定でき、楕円運動の傾き
を確実に減少できる。

【００１７】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１８】

【実施例】以下、図１を用いて本発明による超音波モー
タの一実施例を説明する。図１（ａ）は本発明による超
音波モータの一実施例の断面図であり、図１６に示す従
来の超音波モータと共通する構成部分には同一符号を付
している。図１（ａ）の１は弾性体であり、その下面に
は圧電素子２，３が接着され、圧電素子２，３の下面に
はそれぞれ不図示の電極が接着されている。また、弾性
体１の下面には突起部４，５が取り付けられており、こ
の突起部４，５の楕円運動を利用して超音波モータの駆
動力が取り出される。以下、この突起部４，５を駆動力
取り出し部と呼ぶ。この駆動力取り出し部４，５は、弾
性体１に発生する屈曲振動の腹の位置よりも外側に取り
付けられている。対比のため、図１（ｂ）に腹の位置に
駆動力取り出し部４，５を取り付けた例を示す。

【００１９】図１（ａ）の弾性体１の材料としては、ス
テンレス、アルミニウム、インバー等の金属、樹脂、炭
素繊維もしくはガラス繊維等を含有する金属、または樹
脂等が用いられる。また、圧電素子２，３は同一方向に
分極しており、各圧電素子２，３には電極を介して互い
に９０度（π／２）位相の異なる高周波電圧が印加され
る。この高周波電圧が印加されると各圧電素子２，３は
励振し、それに応じて弾性体１は縦振動および屈曲振動
を行う。そして、これらの振動が弾性体１内部で合成さ
れて、駆動力取り出し部４，５は楕円運動を行う。

【００２０】図２（ａ）は屈曲振動の腹の位置に駆動力
取り出し部４，５を取り付けた場合の駆動力取り出し部
４，５付近の形状変化を示し、図２（ｂ）は腹の位置よ
り外側に駆動力取り出し部４，５を取り付けた場合の駆
動力取り出し部４，５付近の形状変化を示す。腹の位置
に駆動力取り出し部４，５を取り付けると、駆動力取り
出し部４，５の先端と付け根のｘ方向（図２の矢印方
向）の位置は一致する。一方、腹の位置より外側に駆動
力取り出し部４，５を取り付けると、駆動力取り出し部
４，５の先端と付け根のｘ方向の位置は一致しない。こ
れは、駆動力取り出し部４，５の先端は楕円運動ととも
にｘ方向に揺動運動を行うためである。実際には、ｙ方
向（紙面の上下方向）にも揺動運動を行うが、ｘ方向の
揺動運動に比べて無視できるほど小さい。

【００２１】このように、屈曲振動の腹の位置より外側
に駆動力取り出し部４，５を取り付けると、駆動力取り
出し部４，５の先端は、縦振動および屈曲振動の合成に
よる楕円運動と、揺動運動とを足し合わせた軌跡を描く
と考えられる。これにより、駆動力取り出し部４，５
は、図１（ｃ）に示すように、駆動力取り出し部４，５
の長手方向を軸とした楕円運動を描く。対比のため、図
１（ｄ）には、屈曲振動の腹の位置に駆動力取り出し部
４，５を取り付けた場合の楕円運動を示す。

【００２２】上述した揺動運動の運動軌跡は、駆動力取
り出し部４，５の取り付け位置を腹から遠くにずらすほ
ど大きくなり、節の位置に駆動力取り出し部４，５を取
り付けたときに最も大きくなる。一方、駆動力取り出し
部４，５の付け根に発生する縦振動は弾性体１の両端で
最も大きく、弾性体１の中央付近に近づくほど小さくな
る。

【００２３】以上の振動特性を考慮に入れて後述する理
論演算を行った結果、腹の位置より外側に駆動力取り出
し部４，５を設けると、従来問題であった駆動力取り出
し部４，５での楕円運動の傾きが、図１（ｃ）に示すよ
うにほとんどなくなることがわかった。

【００２４】本実施例では、前述のような結果が得られ
たが、弾性体１の形状、材質、駆動力取り出し部４，５
の形状などが変わると、駆動力取り出し部４，５の最適
な取り付け位置も変化するため、これらの条件を考慮に
入れて駆動力取り出し部４，５の取り付け位置を定める
のが望ましい。ただし、駆動力取り出し部４，５を腹よ
りも内側に設けると、駆動力取り出し部４，５が行う楕
円運動は図１（ｄ）よりもさらに傾くため、駆動効率が
さらに低下する。したがって、駆動力取り出し部４，５
は腹よりも外側に取り付けた方がよい。

【００２５】一方、腹よりλ／４（λは屈曲振動の波
長）外側にずらした位置に駆動力取り出し部４，５を取
り付けると、この位置は屈曲振動の節の位置に相当する
ため、屈曲振動振幅が極端に低下し、所望の駆動力、駆
動速度が得られない。したがって、駆動力取り出し部
４，５を取り付ける位置は、図３に示すように腹から外
側にλ／４の範囲内が望ましい。また、取り付け位置
は、屈曲振動の腹に近い方がより大きな駆動力、駆動速
度が得られるため、なるべく腹に近い位置で、２つの駆
動力取り出し部４，５の運動軌跡が等しくなるような位
置を、弾性体１の形状、材質や、駆動力取り出し部４，
５の形状などを考慮に入れて選択するのが望ましい。

【００２６】次に、図４を用いて、駆動力取り出し部
４，５の取り付け位置を理論的に解析する。なお、以後
の説明では、弾性体１に１次の縦振動（Ｌ１モードと呼
ぶこともある）と、４次の屈曲振動（Ｂ４モードと呼ぶ
こともある）を発生させる場合について説明する。図４
（ａ）では弾性体１の中央部Ｐを固定した状態を仮定
し、駆動力取り出し部４，５の付け根を点Ｑ、先端を点
Ｒで示している。以下、弾性体１に発生するＬ１−Ｂ４
モード振動を、Ｌ１モードとＢ４モードに分けて考察す
る。また、Ｌ１モードの振幅をａ、Ｂ４モードの波長を
λ、振幅をｂとする。このときの運動軌跡は図４（ｂ）
のようになる。

【００２７】まず、点Ｑの振動を考えると、縦振動は図
４（ａ）のｘ方向に、屈曲振動はｙ方向に発生するた
め、点Ｑの軌跡はそれぞれ（１），（２）式によって表
される。

【数１】ｘ＝ａ・ｓｉｎ（ωｔ−π／４）・・・（１）ｙ＝ｂ・ｓｉｎωｔ・・・（２）（１）式を展開すると、（３）式のようになる。

【数２】ｘ＝（２^1/2／２）・ａ・ｓｉｎωｔ−（２^1/2／２）ｃｏｓωｔ・・・（３）（３）式において、例えば第１項成分がゼロであるとす
ると、ｘ方向成分とｙ軸方向成分との位相差はπ／２と
なり、楕円は傾かなくなる。逆に言えば、（３）式の第
１項成分がゼロでない限り、楕円は傾いてしまう。図４
（ｂ）に示すように、点Ｑは、ｙ軸の負方向に最も大き
く変位するときに、ｘ軸の負方向に変位する。このた
め、この場合にｘ軸の正方向に力を加えてやれば、楕円
の傾きを抑えることができる。

【００２８】図５は、駆動力取り出し部４，５の位置を
変化させた場合に、点Ｑと点Ｒがどのように変位するか
を示す図である。図５（ａ）はＢ４モードの腹の位置に
点Ｑを設けた場合であり、この場合は点Ｑと点Ｒを結ぶ
方向はｙ軸に平行になる。一方、図５（ｂ）は腹の位置
より内側に点Ｑを設けた場合、図５（ｃ）は腹の位置よ
り外側に点Ｑを設けた場合を示し、いずれも点Ｑと点Ｒ
を結ぶ方向はｙ軸に平行にならない。しかし、腹の位置
より外側に点Ｑを設けると、点Ｒはｘ軸の正方向に変位
することがわかる。

【００２９】ここで、図６（ａ）に示すように、駆動力
取り出し部４，５の長さ（線分ＱＲ）をｈとし、点Ｑか
ら鉛直に距離ｈ離れた点をＲ₀とすると、直線ＱＲの方
向を示すベクトルと、直線ＲＲ₀の方向を示すベクトル
は、それぞれ（４），（５）式のようになる。

【数３】

【００３０】また、直線ＱＲと直線ＱＲ₀のなす角θ
は、屈曲振動による角速度をωとすると、（６）式で示
される。

【数４】θ＝θ₀・ｓｉｎωｔ・・・（６）弾性体１が最も屈曲したときの形状は図６（ｂ）のよう
になり、この場合の波形は（７）式で示される。

【数５】ｙ＝ｂ・ｃｏｓ｛２π・（ｘ／λ）｝・・・（７）この場合の点Ｑでの傾きｔ_Qは、（８）式で示される。

【数６】ｔ_Q＝ｄｙ／ｄｘ＝−ｂ・（２π／λ）・ｓｉｎ｛２π（ｘ_Q／λ）｝・・・（８）

【００３１】弾性体が最も屈曲したときに、図６（ａ）
に示す角度θは最大値θ₀になると考えられ、このθ₀は
（９）式で示される。

【数７】θ₀＝ｔａｎ^-1ｔ_Q≒ｔ_Q ・・・（９）上記、（６），（８）式より、角度θは（１０）式のよ
うになる。

【数８】 θ＝ｔ_Q・ｓｉｎωｔ＝−ｂ・（２π／λ）・ｓｉｎ｛２π（ｘ_Q／λ）｝・ｓｉｎωｔ・・・（１０）（１０）式を（５）式に代入すると、ベクトルＲ₀Ｒは
（１１）式のようになる。

【数９】

【００３２】ベクトルＲ₀Ｒで示す揺動運動によって
（３）式の第１項を打ち消すためには、（１２）式の関
係を満たす位置に点Ｑを定めればよい。

【数１０】（２^1/2／２）・ａ−ｈ・ｂ・（２π／λ）・ｓｉｎ｛２π（ｘ_Q／λ）｝＝０・・・（１２）（１２）式を変形すると、（１３）式のようになる。

【数１１】ｓｉｎ｛２π（ｘ_Q／λ）｝＝２^1/2・λａ／（４πｂ・ｈ）・・・（１３）

【００３３】（１３）式をさらに変形すると、点Ｑの位
置ｘ_Qは（１４）式のようになる。

【数１２】ｘ_Q＝（λ／２π）・ｓｉｎ-1｛２^1/2・λａ／（４πｂ・ｈ）｝・・・（１４）ただし、（１３）式より、以下の（１５）式の条件を満
たす必要がある。

【数１３】２^1/2・λａ／（４πｂ・ｈ）≦１・・・（１５）（１４），（１５）式の条件を満たす位置ｘ_Qに駆動力
取り出し部４，５を取り付けると、駆動力取り出し部
４，５の先端の楕円運動の傾きを図７に示すようになく
すことができる。

【００３４】ここで、駆動取り出し部４，５の長さｈを
λ／５、Ｌ１モードの振動振幅ａとＢ４モードの振動振
幅ｂをいずれもλ／２００００とすると、点Ｑの位置ｘ
_Qは（１６）式で示される。

【数１４】ｘ_Q＝０．０９５λ ・・・（１６）この場合、ｘ方向の原点を屈曲振動の腹の位置に定めて
いるため、腹の位置から外側に０．０９５λずらした点
に点Ｑを定めれば、楕円の傾きを抑えることができるの
がわかる。

【００３５】図８〜１２は、屈曲振動の腹の位置から点
Ｑをずらした場合に、点Ｒの楕円運動がどのように変化
するかを示す図である。具体的には、図８は点Ｑが腹よ
り内側にある場合（図１３の）、図９は点Ｑが腹の位
置にある場合（図１３の）、図１０は点Ｑが腹と（１
５）式で示す位置ｘ_Qとの間にある場合（図１３の
）、図１１は点Ｑがｘ_Qにある場合（図１３の）、
図１２は点Ｑがｘ_Qより外側にある場合（図１３の）
をそれぞれ示す。これらの結果より、以下の２つのこと
がわかる。（ａ）点Ｑは腹より外側にあるのが望ましい。（ｂ）点Ｑは（１５）式で示すｘ_Qの位置が最も望まし
い。

【００３６】以上の理論計算に基づいて駆動力取り出し
部４，５の取り付け位置を定めると、ロータを効率的に
駆動できるが、駆動効率をより向上させるためには、図
１４のように加圧ローラ１１と加圧バネ１２によってロ
ータ１３を加圧するのが望ましい。これによりロータ１
３が駆動力取り出し部４，５に押しつけられるため、駆
動力取り出し部４，５の楕円運動による力を損失なくロ
ータ１３に伝達できる。また、弾性体１に発生する縦振
動と屈曲振動を弱めないように、弾性体１とベース板の
間にフェルトなどの緩衝材をはさんで弾性体１を支持す
るのが望ましい。さらに、図１４に示すように、弾性体
１の中央部を固定部材１５によって固定すると、弾性体
１のブレ等が抑制され、弾性体１に所望の縦振動と屈曲
振動を発生することができる。

【００３７】なお、弾性体１を固定部材１５によって固
定するためには、弾性体１の形状を例えば図１５のよう
にするのが望ましい。図１５（ａ）は弾性体１の中央部
に切り欠き部１６を設けた例を示し、一方、図１５
（ｂ）は弾性体１の中央部に突起部１７を設けた例を示
す。図１５（ａ）の場合、切り欠き部１６に固定部材１
５をはめ込むことによって弾性体１を固定することがで
き、一方、図１５（ｂ）の場合、突起部１７を固定部材
１５に差し込むことによって弾性体１を安定に固定する
ことができる。

【００３８】上記実施例では、弾性体１に接着される電
気機械変換素子として圧電素子を用いたが、電気信号を
機械的な振動に変換できる部材であれば圧電素子に限定
されず、例えば電歪素子などを用いてもよい。上記実施
例では、１次の縦振動と４次の屈曲振動を弾性体１に発
生させる例を示したが、振動モードは実施例に限定され
ず、ｎ次の縦振動とｍ次の屈曲振動（ｎおよびｍは０以
上の整数）のあらゆる組み合わせについて本実施例を適
用できる。上記実施例では、４次の屈曲振動の最も外側
にある腹を基準の腹として、この腹より外側に駆動力取
り出し部４，５を取り付ける例を説明したが、基準の腹
は最も外側の腹でなくてもよい。例えば、外側から２番
目にある腹を基準の腹として、この腹の外側λ／４以内
に駆動力取り出し部４，５を取り付けてもよい。上記実
施例では、弾性体１を固定させてロータを移動させる超
音波モータについて説明したが、逆にロータを固定させ
て弾性体１を移動させてもよい。また、本実施例の超音
波モータはロータを直線上に駆動させるものであって
も、あるいは回転させるものであってもよい。上記実施
例では、弾性体１に２個の駆動力取り出し部４，５を設
けているが、駆動力取り出し部４，５の個数は実施例に
限定されない。また、弾性体１上に設けられる圧電素子
の数も実施例に限定されない。さらに、弾性体１および
圧電素子の形状などは実施例に限定されない。

【００３９】このように構成した実施例にあっては、圧
電素子２，３が電気機械変換素子に、駆動力取り出し部
４，５が突起部に、それぞれ対応する。

【００４０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、電気機械変換素子と同じ第１面側に突起部を取り
付ける場合に、突起部が第１面に直交する方向を軸とし
て楕円運動するような位置に突起部を取り付けるように
したため、超音波モータの駆動効率を向上できる。請求
項２〜６に記載の発明によれば、腹よりも外側に突起部
を取り付けるようにしたため、突起部は第１面に直交す
る方向を軸として楕円運動するようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波モータの構造を示す図であ
る。

【図２】駆動力取り出し部付近の弾性体の形状の変化を
示す図である。

【図３】駆動力取り出し部の取り付け範囲を示す図であ
る。

【図４】弾性体各部の座標位置と駆動力取り出し部の楕
円運動を示す図である。

【図５】駆動力取り出し部の取り付け位置を変化させた
場合の駆動力取り出し部の先端と付け根の位置関係を示
す図である。

【図６】駆動力取り出し部の取り付け位置を説明する図
である。

【図７】楕円運動の運動軌跡の変化を示す図である。

【図８】図１３のに駆動力取り出し部を取り付けた場
合に駆動力取り出し部が行う楕円運動の運動軌跡を示す
図である。

【図９】図１３のに駆動力取り出し部を取り付けた場
合に駆動力取り出し部が行う楕円運動の運動軌跡を示す
図である。

【図１０】図１３のに駆動力取り出し部を取り付けた
場合に駆動力取り出し部が行う楕円運動の運動軌跡を示
す図である。

【図１１】図１３のに駆動力取り出し部を取り付けた
場合に駆動力取り出し部が行う楕円運動の運動軌跡を示
す図である。

【図１２】図１３のに駆動力取り出し部を取り付けた
場合に駆動力取り出し部が行う楕円運動の運動軌跡を示
す図である。

【図１３】駆動力取り出し部を取り付ける位置を示す図
である。

【図１４】ロータの加圧方法の一例を示す図である。

【図１５】弾性体の一部に切り欠き部または突起部を形
成した例を示す図である。

【図１６】従来の超音波モータの構造を示す図である。

【図１７】図１６の超音波モータの弾性体の振動を説明
する図である。

【図１８】ロータの移動を説明する図である。

【図１９】駆動力取り出し部が理想的な楕円運動を行な
う例を示す図である。

【図２０】駆動力取り出し部が傾いた楕円運動を行なう
例を示す図である。

【符号の説明】

１弾性体２，３圧電素子４，５駆動力取り出し部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面および該第１面と対抗配置される
第２面を有する弾性体と、この弾性体の前記第１面側に結合される電気機械変換素
子と、前記弾性体の前記第１面側の所定箇所に取り付けられる
突起部とを備え、前記電気機械変換素子により前記弾性体に縦振動および
屈曲振動を発生させ、これら振動の合成によって前記突起部を楕円運動させて
駆動力を取り出す超音波モータであって、前記突起部が前記第１面に直交する方向を軸として楕円
運動するように、前記突起部の取り付け位置を定めるこ
とを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】請求項１に記載された超音波モータにお
いて、前記突起部は、前記弾性体に発生される前記屈曲振動の
腹のうち、基準となる腹の位置よりも外側に取り付けら
れることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】請求項２に記載された超音波モータにお
いて、前記基準となる腹は、前記弾性体に発生される最も外側
の腹であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】請求項２または３に記載された超音波モ
ータにおいて、前記突起部は、前記弾性体に発生される前記屈曲振動の
腹の数がｎ個（ｎは１以上の整数）で、かつ前記屈曲振
動の波長がλの場合には、前記基準となる腹の位置より
も外側に最大λ／４ずらして取り付けられることを特徴
とする超音波モータ。
【請求項５】請求項４に記載された超音波モータにお
いて、前記突起部は、前記弾性体に発生される４次の屈曲振動
の最も外側の腹よりも外側に最大λ／４ずらして取り付
けられることを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】請求項５に記載された超音波モータにお
いて、前記屈曲振動の腹における前記縦振動の振幅をａ、前記
屈曲振動の波長をλ、前記屈曲振動の振幅をｂ、前記突
起部の突起長をｈとした場合に、前記基準となる腹の位
置を原点とする前記突起部の取り付け位置ｘ_Qは、ｘ_Q＝±（λ／２π）・ｓｉｎ^-1｛２^1/2・λａ／（４π
ｂ・ｈ）｝ただし、２^1/2・λａ／（４πｂ・ｈ）≦１であることを特徴とする超音波モータ。