JPH0870584A

JPH0870584A - 超音波モータとその製造方法

Info

Publication number: JPH0870584A
Application number: JP6204965A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Tobe; 通宏戸部
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1996-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】走行方向にかかわらず駆動特性がそろった効
率のよい超音波モータを提供する。【構成】弾性体１１と、弾性体１１に結合され、その
弾性体１１に縦振動と屈曲振動とを調和的に発生させる
圧電体１２ａ，１２ｂとを有し、圧電体の共通電極部
は、金属箔１３によって形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、縦振動モードと屈曲振
動モードの合成振動により、平板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とその製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７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７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８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８
（Ａ）は正面図、図８（Ｂ）は側面図、図８（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２ａ，２ｂ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、相対移
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８
のモータを実際に駆動しようとした場合には、圧電体に
電圧を印加するための電極は、２相の交流電圧に対して
１つずつ、さらに、それらの共通のグランド用が１つの
合計３つの電極が必要となる。また、弾性体に発生する
振動状態をモニタするための圧電体を付加する場合に、
必要な電極は合計４つとなる。

【０００８】圧電体は、両面に銀電極がスクリーン印刷
又はスパッタ等によって形成されたものを用いるのが一
般的であり、その銀電極の片面（弾性体との接着面と反
対側の面）をモータの電極として利用する。

【０００９】図６は、超音波モータの一例（比較例）を
示す図である。図６は、４枚の圧電体２ａ、２ｂ、２
ｐ、２ｇを用いて、その４つの電極を利用する場合の圧
電体の配置の一例を示している。圧電体２ａ、２ｂの境
界は、弾性体１の長手方向の中心（Ｃ−Ｃ’線）に一致
している。この圧電体２ａ、２ｂには、位相が９０度異
なる交流電圧が印加される。圧電体２ｐは、弾性体１の
振動状態をモニタするために用いられ、制御回路に接続
される。

【００１０】また、弾性体１は、グランド電位に設定さ
れるのが一般的であり、グランドを取るには、弾性体１
の本体１ａに配線を半田付けすることが困難なことか
ら、圧電体の銀電極を利用することが考えられる。圧電
体２ｇの銀電極は、導電性塗料５によって弾性体１と導
通しており、グランド電位に接続される。そして、４枚
の圧電体２ａ、２ｂ、２ｐ、２ｇの接着面の銀電極と弾
性体１は、接着によって導通しているために、共通の電
位となっている。

【００１１】図６の電極配置では、圧電体２ｇの両面の
銀電極は短絡しており、圧電体２ｐの両面の銀電極は短
絡していない。圧電体は、振動の機械的エネルギーを電
気エネルギーに変換する働きがあるので、電源と見なせ
るが、圧電体２ｇには小さなインピーダンス（ほぼ０に
近い）が接続され、圧電体２ｐには大きなインピーダン
ス（制御回路の入力インピーダンスは一般的に大きい）
が接続されていると考えられる。このことは、圧電体２
ｐ、２ｇの振動特性が異なる原因となる。図６の超音波
モータは、縦振動１次モードと屈曲振動４次モードを調
和的に発生させるので、弾性体１の長手方向の中心（図
６のＣ−Ｃ’線）が２つのモードの共通の節となり、こ
の軸に対して対称的な振動が発生することが望ましい。
しかし、この超音波モータは、圧電体２ｐ、２ｇの振動
特性が異なるために、弾性体１の振動モードの形状が非
対称になる。このために、モータの駆動特性が駆動方向
によって異なる、という問題点があった。

【００１２】また、図６の超音波モータは、複数の振動
モードを調和的に発生させているので、圧電体２ｇの電
極を弾性体１と短絡してグランドをとる方法を用いる場
合には、グランド用の圧電体２ｇの位置によっては、弾
性体１の振動を抑えてしまうために、超音波モータの効
率を低下させる、という問題点があった。

【００１３】本発明の目的は、走行方向にかかわらず駆
動特性がそろった効率のよい超音波モータを提供するこ
とである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、弾性体１１と、前記弾性体に結
合され、その弾性体に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１２ａ，１２ｂとを有する超
音波モータにおいて、前記電気機械変換素子の共通電極
部は、金属箔１３によって形成されていることを特徴と
している。

【００１５】請求項２の発明は、請求項１に記載の超音
波モータにおいて、前記電気機械変換素子の共通電極部
は、前記弾性体の前記電気機械変換素子が接合されてい
る面と反対側の面に設けられていることを特徴とする。

【００１６】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載の超音波モータにおいて、前記電気機械変換素子
の共通電極部は、前記弾性体の走行方向の中心部に設け
られていることを特徴とする。

【００１７】請求項４の発明は、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を製造する超音波モ
ータの製造方法において、前記金属箔にリード線を半田
付けする第一の工程と、前記金属箔を前記弾性体に接合
する第二の工程とを含むことを特徴としている。

【００１８】

【作用】請求項１の発明においては、電気機械変換素子
の共通電極部は、金属箔によって形成されており、質
量、剛性ともに小さいので、図６の比較例のように圧電
体を用いた場合に比べて、弾性体に発生する振動に与え
る影響が小さいために、モータの駆動効率が向上する。

【００１９】請求項２の発明おいては、電気機械変換素
子の共通電極部は、弾性体の電気機械変換素子が配置さ
れている面の反対側の面に設けられているので、駆動用
の電気機械変換素子を小さくすることがなく、駆動効率
が向上する。

【００２０】請求項３の発明においては、電気機械変換
素子の共通電極部は、弾性体の走行方向の中心部に設け
られているので、移動方向に対して、駆動特性がそろっ
たものとなる。

【００２１】請求項４の発明においては、金属箔にリー
ド線を半田付けした後に、その金属箔を弾性体に接合す
るので、弾性体及び電気機械変換素子は、半田付けの熱
の影響を受けることがない。

【００２２】

【実施例】

（第１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実施例を示した模式図であって、図１
（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は正面図、図１（Ｃ）は底
面図である。第１実施例の超音波モータは、基礎部１１
ａ及び２つの突起部１１ｂ，１１ｃを有する弾性体１１
と、この弾性体１１に接合された４つの圧電体１２ａ，
１２ｂ，１２ｐ，１２ｐ’と、弾性体１１の裏面に接合
された金属箔１３等とから構成されている。弾性体１１
は、ステンレス、アルミニウム合金などの金属又はプラ
スチックなどにより作製されている。各圧電体１２ａ，
１２ｂ，１２ｐ，１２ｐ’は、ＰＺＴなどの圧電材料の
両面に、銀電極が焼き付けられており、銀電極の片面
（弾性体１１の接着面と反対側の面）をモータの電極と
して利用している。

【００２３】圧電体１２ａ，１２ｂは、弾性体１１に縦
振動Ｌ１モードと屈曲振動Ｂ４モードとを発生させるた
めの駆動用の圧電体であり、この圧電体１２ａ，１２ｂ
は、図１（Ｂ）のように分極されており、後述する図２
（Ａ）のような位相が９０度異なる２相の入力電圧Ａ，
Ｂが印加される。圧電体１２ｐ，１２ｐ’は、弾性体１
１に発生する振動の状態をモニタするための振動モニタ
用の圧電体であり、後述する図３に示す制御回路２０に
接続されている。振動モニタ用の圧電体１２ｐ，１２
ｐ’は、駆動用の圧電体１２ａ，１２ｂの両側に配置さ
れている。したがって、これらの４つの圧電体１２ａ，
１２ｂ，１２ｐ，１２ｐ’は、弾性体１１の長手方向の
中心（Ｉ−Ｉ線）に関して、線対称の位置に配置されて
いることになる。

【００２４】金属箔１３は、弾性対１１の裏面であっ
て、長手方向の中心（縦振動と屈曲振動の節の位置）に
配置されている。この金属箔１３は、リード線を半田付
けした後（第一の工程）に、弾性体１１の裏面に、導電
性の接着剤によって接合されている（第二の工程）。こ
のように、金属箔１３にリード線を半田付けした後に、
その金属箔１３を弾性体１１に接合するので、弾性体１
１及びその弾性体１１に予め接合された圧電体１２ａ，
１２ｂ，１２ｐ，１２ｐ’は、半田付けの熱の影響を受
けることがない。

【００２５】第１実施例の超音波モータは、図１に示す
ように、２つの圧電体１２ａ，１２ｂ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。また、２つの圧電体１２ａ，１２ｂ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
の圧電体１２ａ，１２ｂの分極は互いに逆方向であって
もよい。

【００２６】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。

【００２７】次に、第１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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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（不図示）に加圧すると、弾性体１１は、その相対運
動部材に対して自走する。

【００３３】図３は、第１実施例による超音波モータの
駆動回路を示すブロック図である。発振器２１は、弾性
体１１と圧電体１２から構成される振動体の１次の縦振
動モードと４次の屈曲振動モードに相当する周波数の信
号を発振するためのものである。発振器２１の出力は分
岐して、一方の出力は、増幅器２３によって増幅された
後に、Ａ相電圧として、圧電体１２ａの電極に入力され
る。また、分岐した他方の出力は、移相器２２に接続さ
れており、この移相器２２によって、Ａ相電圧とはπ／
２だけ位相をずらしてＢ相電圧とした後に、増幅器２４
を介して、圧電体１２ｂの電極に入力される。

【００３４】制御回路２５は、圧電体１２ｐ，１２ｐ’
の出力電圧が入力されており、予め設定されていた基準
電圧と比較して、ｐ，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，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所
定の大きさに保持される。

【００３５】本実施例の超音波モータは、４つの圧電体
１２ａ，１２ｂ，１２ｐ，１２ｐ’を弾性体１１の長手
方向の中心に対して対称に配置したので、弾性体１１に
発生する振動モードの形状を対称にし、駆動方向による
特性の差を小さくすることができる。また、この超音波
モータは、金属箔１３を用いたので、図６の比較例のよ
うにグランド用圧電体２ｇを用いた場合と比べて、弾性
体１１に発生する振動に与える影響が小さく、モータの
効率が向上する、という利点がある。

【００３６】（第２実施例）図４は、本発明による超音
波モータの第２実施例を示した斜視図である。なお、以
下に説明する各実施例では、第１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
適宜省略する。第２実施例の超音波モータは、第１実施
例と同様の構造を持っているが、駆動部、振動モニタ部
の圧電体１２を一体型とし、表面の電極（１４ａ、１４
ｂ、１４ｐ、１４ｐ’）だけが分離されている。弾性体
１１の裏面には、リード線が半田付けされた金属箔１３
が接合されており、そのリード線がグランド電位に接合
される。電極１４ａ、１４ｂには、位相がπ／２だけ異
なる交流電圧が印加される。電極１４ｐ、１４ｐ’は、
振動モニタ用の圧電体の電極として用いられ、制御回路
２０に接続される。本実施例においては、圧電体１２が
１枚であるので、弾性体１１との接着作業が簡単にな
る、という利点がある。

【００３７】（第３実施例）図５は、本発明による超音
波モータの第３実施例を示した平面図、正面図及び底面
図である。第３実施例の超音波モータは、第１実施例と
同様な構造を持っているが、弾性体１１の裏面には、リ
ード線が半田付けされた金属箔１３−１が接合されてお
り、そのリード線がグランド電位に接合される。この金
属箔１３−１は、図５（Ｃ）に示すように、長手方向の
中央であって、幅方向の中央部のみに設けられている。
この実施例では、金属箔１３−１が小さくて済み、簡単
かつ安価に製造することができる。

【００３８】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、圧電体の例で説
明したが、電歪素子であってもよい。

【００３９】さらに、異なる振動モードとして、Ｌ１−
Ｂ４モードの振動を例に説明したが、Ｌ１−Ｂ２，Ｌ１
−Ｂ６，Ｌ２−Ｂ４などの他のモードを使用するように
してもよい。さらにまた、自走式の例で説明したが、弾
性体側を固定して、長尺もの等の相対運動部材を移動さ
せるようにしてもよい。なお、弾性体１１に圧電体１２
があらかじめ接合されていない場合には、弾性体１１
に、金属箔１３を用いることなく、リード線を直接半田
付けすることも可能である。

【００４０】

【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、電気機械変換素子の共通電極部は、金属箔によ
って形成されており、質量、剛性ともに小さいので、図
６の比較例のように圧電体を用いた場合に比べて、弾性
体に発生する振動に与える影響が小さいために、モータ
の駆動効率が向上する。

【００４１】請求項２によれば、電気機械変換素子の共
通電極部は、弾性体の電気機械変換素子が配置されてい
る面の反対側の面に設けられているので、駆動用の電気
機械変換素子を小さくすることがなく、駆動効率が向上
する。

【００４２】請求項３によれば、電気機械変換素子の共
通電極部は、弾性体の走行方向の中心部に設けられてい
るので、移動方向に対して、駆動特性がそろったものと
なる。

【００４３】請求項４によれば、金属箔にリード線を半
田付けした後に、その金属箔を弾性体に接合するので、
弾性体及び電気機械変換素子は、半田付けの熱の影響を
受けることがない、等々の効果がある。

【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実施例を示し
た模式図である。

【図２】第１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】第１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４】本発明による超音波モータの第２実施例を示し
た斜視図である。

【図５】本発明による超音波モータの第３実施例を示し
た斜視図である。

【図６】超音波モータの比較例を示した模式図である。

【図７】リニア型超音波モータの従来例を示す図であ
る。

【図８】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１２圧電体１２ａ，１２ｂ圧電体（駆動用）１２ｐ，１２ｐ’ 圧電体（振動モニタ用）１３，１３−１金属箔（グランド用）１４ａ，１４ｂ電極（駆動用）１４ｐ，１４ｐ’ 電極（振動モニタ用）

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、その弾性体に縦振動と屈曲振動
とを調和的に発生させる電気機械変換素子とを有する超
音波モータにおいて、前記電気機械変換素子の共通電極部は、金属箔によって
形成されてい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、前記電気機械変換素子の共通電極部は、前記弾性体の前
記電気機械変換素子が接合されている面と反対側の面に
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、前記電気機械変換素子の共通電極部は、前記弾性体の走
行方向の中心部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１〜請求項３のいずれか１項に記
載の超音波モータを製造する超音波モータの製造方法に
おいて、前記金属箔にリード線を半田付けする第一の工程と、前記金属箔を前記弾性体に接合する第二の工程とを含む
超音波モータの製造方法。