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JPH07170768A - 超音波モータ - Google Patents

超音波モータ

Info

Publication number
JPH07170768A
JPH07170768A JP5342630A JP34263093A JPH07170768A JP H07170768 A JPH07170768 A JP H07170768A JP 5342630 A JP5342630 A JP 5342630A JP 34263093 A JP34263093 A JP 34263093A JP H07170768 A JPH07170768 A JP H07170768A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
elastic body
vibrations
ultrasonic motor
vibration
electromechanical conversion
Prior art date
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Pending
Application number
JP5342630A
Other languages
English (en)
Inventor
Tadao Takagi
忠雄 高木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP5342630A priority Critical patent/JPH07170768A/ja
Publication of JPH07170768A publication Critical patent/JPH07170768A/ja
Priority to US08/707,760 priority patent/US5932952A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/003Driving devices, e.g. vibrators using longitudinal or radial modes combined with bending modes
    • H02N2/004Rectangular vibrators
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/0075Electrical details, e.g. drive or control circuits or methods
    • H02N2/008Means for controlling vibration frequency or phase, e.g. for resonance tracking
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/026Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors by pressing one or more vibrators against the driven body

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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 (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
JP5342630A 1993-12-14 1993-12-14 超音波モータ Pending JPH07170768A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5342630A JPH07170768A (ja) 1993-12-14 1993-12-14 超音波モータ
US08/707,760 US5932952A (en) 1993-12-14 1996-09-04 Vibration motor having a two-phase drive of a longitudinal vibration and a bending vibration mode

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JP5342630A JPH07170768A (ja) 1993-12-14 1993-12-14 超音波モータ

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