JP2004289914A

JP2004289914A - Ultrasonic motor

Info

Publication number: JP2004289914A
Application number: JP2003077535A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Fukunaga; 了一福永
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To offer an ultrasonic motor which can move a driven element in multiple directions. <P>SOLUTION: The ultrasonic motor 10 possesses a head 13 which contacts with the driven element 15, three pieces of bar-shaped ultrasonic oscillators 51a and 51b which are equipped with piezoelectric plates 24a and 24b, and retaining members 12 which retain the ultrasonic oscillators 11a, 11b and, 11c. The head 13 has a substantially globular shoe 13a which contacts with the driven element 15, and three pieces of feet 13b, 13c, and 13d which are connected severally with the three pieces of ultrasonic oscillators 11a-11c. This ultrasonic motor shifts the driven element 15 in multiple directions within an X-Y plane by driving at least two of the ultrasonic oscillators 11a-11c with voltages with their phases shifted. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種機械の駆動装置として使用される超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に示すように、個々に圧電素子を備えた２個の超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを所定の角度（例えば、９０度）で保持する保持部材１０２と、略Ｖ字型の形状を有し、その頂点部で被駆動体であるロータ１０５と接し、その翼部（Ｖ字型に開いている方）で超音波振動子１０１ａ・１０１ｂと接続されたヘッド１０３と、を備えた共振型の超音波モータ１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、ヘッド１０３の２つの翼部はそれぞれ超音波振動子１０１ａ・１０１ｂの構成要素でもある。
【０００３】
この超音波モータ１００では、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂの各圧電素子に位相が約９０度ずれた共振周波数の電圧を印加して各圧電素子を伸縮させて、超音波振動子１０１ａ・１０１ｂを振動させることにより、ヘッド１０３の先端部に楕円運動を生じさせる。こうして楕円運動するヘッド１０３を一定の力でロータ１０５の端面に押し付けると、ヘッド１０３とロータ１０５との間に生ずる摩擦力によってロータ１０５の外周の接線方向へ力が加わるために、ロータ１０５を回転させることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１５２６７１号公報（第２４〜２９段落、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波モータ１００ではヘッド１０３と接する被駆動体を一軸方向にしか移動させることができない。例えば、図４に示すロータ１０５をＸ−Ｙステージで置き換え、このＸ−Ｙステージの裏面にヘッド１０３が接する構成とした場合には、Ｘ−ＹステージをＹ方向にしか移動させることができない。このため、Ｘ−Ｙステージを紙面に垂直な方向であるＸ方向に動かすためには、超音波モータ１００が２台必要となる。
【０００６】
この場合には、２台の超音波モータ１００をＶ字型に開いた方向を直交させて配置する必要があるために、２台の超音波モータ１００のヘッド１０３は必然的に一定の距離を空けて配置されることとなる。ここで、２台の超音波モータ１００のヘッド１０３は常にＸ−Ｙステージに接している状態としなければならないので、Ｘ−Ｙステージを動かすことができる範囲は、Ｘ−Ｙステージの面積よりも狭くなる。換言すれば、所望する面積の範囲でＸ−Ｙステージを移動させるためには、実際には、この所望する面積よりも広い面積のステージが必要となるために、装置が大型化する。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、被駆動体を多方向で移動させることができる超音波モータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、多角錐状に所定の角度で配置され、個々に圧電素子を備えた略棒状の３本以上の超音波振動子と、
前記３本以上の超音波振動子とそれぞれ接続される３以上の脚部と、被駆動体に接する接頭部を有する接頭部材と、
前記３本以上の超音波振動子を保持する保持部材と、
を具備し、
前記３本以上の超音波振動子のうち少なくとも２本の超音波振動子の各圧電素子に所定の位相差を有する交流電圧を印加して前記超音波振動子を振動させることにより前記接頭部に所定の楕円運動を生じさせて、前記被駆動体を動かすことを特徴とする超音波モータ、が提供される。
【０００９】
このような超音波モータによれば、被駆動体を二次元面内において多方向に移動させることができる。３本の超音波振動子のうちの２本の超音波振動子が交差する角度は全て等しく、かつ、その角度は１５度以上１７５度以下とすることが好ましい。この交差角度が小さい場合には駆動力が大きくなり、この交差角度が大きい場合には被駆動体の駆動速度を上げることができる。
【００１０】
超音波振動子としては、板状でその略中心部に孔部を有し、その表裏面に電極が形成された圧電素子と、圧電素子の孔部に挿通して配置される軸部材と、前記軸部材の両端に圧電素子を所定の力で締め付けるように取り付けられる第１および第２の締結部材と、を有するものが挙げられる。ここで接頭部材を第２の締結部材とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は超音波モータ１０の概略構成を示す斜視図であり、図２は超音波モータ１０の概略平面図であり、図３は超音波モータ１０を構成する超音波振動子１１ａの断面図である。超音波モータ１０は、被駆動体１５と接するヘッド（接頭部材）１３と、三角錐状に配置された棒状の３本の超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃと、超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃを保持する保持部材１２と、有している。
【００１２】
ヘッド１３は、被駆動体１５と接する略球状の接頭部１３ａと、３本の超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃとそれぞれ接続される３本の脚部１３ｂ・１３ｃ・１３ｄと、を有している。３本の脚部１３ｂ・１３ｃ・１３ｄのうちの２本が交差する角度θ（脚部の長手方向が交差する角度）はそれぞれ等しくなっており、この角度θは３本の超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃのうち２本が交差する角度でもある。脚部１３ｂ・１３ｃ・１３ｄのそれぞれの端部にはボルト部１３ｅが形成されており、このボルト部１３ｅと超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃの第２ナット２３とがネジ止めされることによって、ヘッド１３と超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃが接続される。
【００１３】
超音波振動子１１ａ〜１１ｃは全て同じ構造を有するので、超音波振動子１１ａを例に挙げてその構造を詳しく説明する。超音波振動子１１ａは、両端がネジ切りされたボルト２１と、ボルト２１の一方のネジ溝に嵌合するネジ穴を有する第１ナット２２と、ボルト２１の他方のネジ溝に嵌合するネジ穴およびヘッド１３の脚部１３ｂ〜１３ｄが具備するボルト部１３ｅのネジ溝に嵌合するネジ穴を有する第２ナット２３と、ボルト２１を挿通させることができる２枚のリング状の圧電板２４ａ・２４ｂと、ボルト２１を挿通させることができるリング状の電極板（金属板）２５ａ・２５ｂ・２５ｃと、から構成される。なお、圧電板２４ａ・２４ｂの表裏面には電極（図示せず）が形成されている。
【００１４】
保持部材１２は三つ又の形状を有し、各超音波振動子１１ａ〜１１ｃのボルト２１を挿通させるための孔部が設けられている。保持部材１２は、第１ナット２２と第２ナット２３との間が所定の力で締め付けられることによって、超音波振動子１１ａ〜１１ｃを保持する。
【００１５】
超音波振動子１１ａ〜１１ｃのうちの２本が交差する角度、つまりヘッド１３の３本の脚部１３ｂ〜１３ｄのうちの２本が交差する角度θは、好ましくは１５度〜１７５度とされる。この角度θが小さい場合には、接頭部１３ａから被駆動体１５に作用するＺ方向の力が強くなるために、被駆動体１５を動かす駆動力を大きくとることができる。逆に、角度θを大きくするとＺ方向と直交する方向の力が大きくなるので、被駆動体１５の移動速度を速くすることができるようになる。なお、保持部材１２の形状は、この角度θによって定められる超音波振動子１１ａ〜１１ｃの位置に応じて、適宜、適切な形状に設定する。
【００１６】
超音波モータ１０は次のようにして組み立てられる。最初に、ヘッド１３の脚部１３ｂ〜１３ｄに第２ナット２３を取り付ける。次に、保持部材１２に設けられた３箇所の孔部のそれぞれにボルト２１を通し、これらのボルト２１のそれぞれに圧電板２４ａ・２４ｂが電極板２５ａ〜２５ｃに挟まれるように交互に通して、各ボルト２１の一端を各第２ナット２３に軽くねじ込む。続いて、各ボルト２１を各第２ナット２３に所定の力でねじ込んで固定する。さらに、各ボルト２１の他端に第１ナット２２を所定の力で締め付けて固定する。これによって圧電板２４ａ・２４ｂは所定の力で締め付けられ、ランジュバン型の超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃが角度θで配置された超音波モータ１０が得られる。
【００１７】
圧電板２４ａ・２４ｂには、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミックスが好適に用いられる。圧電板２４ａ・２４ｂの分極の向きは、圧電板２４ａ・２４ｂの間に挟まれている電極板２５ｂについて対称となっている。また、電極板２５ａ・２５ｃは互いに電気的に接続されている。したがって、電極板２５ｂと電極板２５ｃとの間に電圧を印加すると、圧電板２４ａ・２４ｂには同じ位相で変位（振動）が生ずる。つまり、圧電板２４ａ・２４ｂがその厚み方向に共に伸び、または、共に縮む。
【００１８】
通常、ボルト２１と第１ナット２２と保持部材１２には金属材料が用いられる。この場合には電極板２５ａ・２５ｃは保持部材１２を介して第１ナット２２と導通する。このため、保持部材１２または超音波振動子１１ａの第１ナット２２を圧電板２４ａ・２４ｂを駆動するための接地電極として用いると、超音波振動子１１ｂ・１１ｃの圧電板２４ａ・２４ｂを駆動する際のアースを同時にとることができる。
【００１９】
ヘッド１３には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、ステンレスや超硬合金等の金属材料が用いられる。ヘッド１３が金属製である場合には、ヘッド１３は電極板２５ａと導通するために、保持部材１２または超音波振動子１１ａ・１１ｂ・１１ｃの第１ナット２２のいずれかを接地すれば、ヘッド１３もまた接地される。なお、ヘッド１３の接頭部１３ａの表面に耐摩耗材料、例えば、窒化ケイ素等のコーティングを施すことも好ましい。
【００２０】
保持部材１２には押圧機構１４が取り付けられており、この押圧機構１４によってヘッド１３の接頭部１３ａは被駆動体１５に所定の力で押し付けられている。押圧機構１４としては、例えば、エアーシリンダや油圧シリンダ、スプリングコイル等が用いられる。被駆動体１５はＸ方向およびＹ方向に移動自在な機構（図示せず）に保持されている。
【００２１】
このような構造を有する超音波モータ１０の駆動方法としては、３本の超音波振動子１１ａ〜１１ｃのうち２本を駆動する方法と、３本の超音波振動子１１ａ〜１１ｃ全てを駆動する方法とがある。
【００２２】
例えば、超音波振動子１１ａと超音波振動子１１ｂとを位相が約９０度ずれた共振周波数またはその近傍の周波数の交流電圧で駆動し、超音波振動子１１ｃを駆動しない場合には、図２の直線Ｐで示される方向、つまり、超音波振動子１１ａ・１１ｂを含む平面とＸ−Ｙ平面とが交わる直線Ｐの長手方向で、被駆動体１５を移動させることができる。より具体的に例を挙げれば、超音波振動子１１ａの電極板２５ｂにＶ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）（Ｖ_０；ゼロ−ピーク電圧、ｆ；周波数、ｔ；時間）の交流電圧を印加し、これと同時に超音波振動子１１ｂの電極板２５ｂにＶ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）の交流電圧を印加すると、接頭部１３ａに生ずる楕円運動によって被駆動体１５は矢印Ｐ１の向きに移動する。超音波振動子１１ａ・１１ｂを駆動する電圧を逆にすると、被駆動体１５を矢印Ｐ２の方向へ移動させることができる。
【００２３】
同様に、超音波振動子１１ｂ・１１ｃを位相が約９０度ずれた共振周波数またはその近傍の周波数の交流電圧で駆動すると、被駆動体１５を直線Ｑの方向、つまりＸ方向で移動させることができる。また、超音波振動子１１ｃ・１１ａを位相が約９０度ずれた共振周波数またはその近傍の周波数の交流電圧で駆動すると、被駆動体１５を直線Ｒの方向で移動させることができる。
【００２４】
３本の超音波振動子１１ａ〜１１ｃを全て駆動する例としては、例えば、超音波振動子１１ａ〜１１ｃのうちの２本を位相差のない同じ電圧で駆動し、残りの１本を位相が約９０度ずれた電圧で駆動する場合が挙げられる。より具体的には、超音波振動子１１ｂ・１１ｃを電圧Ｖ＝Ｖ_０ｓｉｎ（２πｆｔ）で駆動し、超音波振動子１１ａを電圧Ｖ＝Ｖ_０ｃｏｓ（２πｆｔ）で駆動する場合が一例と挙げられる。この場合には、超音波振動子１１ｂ・１１ｃに生ずる振動のＸ方向成分は互いに打ち消され、Ｙ方向成分どうしが重なり合い、またＺ方向成分も重なり合う。一方、超音波振動子１１ａの振動は、Ｙ方向成分とＺ方向成分のみを有している。したがって、超音波振動子１１ａ〜１１ｃの振動による接頭部１３ａの楕円運動はＹ−Ｚ面内で生じ、これによって、被駆動体１５を直線Ｓで示される方向、つまりＹ方向で移動させることができる。
【００２５】
同様に、超音波振動子１１ｃ・１１ａを１組として、これらと超音波振動子１１ｂとを位相が約９０度ずれた電圧で駆動することによって、被駆動体１５を図２中の直線Ｔで示す方向で移動させることができる。また、超音波振動子１１ａ・１１ｂを１組として、これらと超音波振動子１１ｃを位相が約９０度ずれた電圧で駆動することによって、被駆動体１５を図２中の直線Ｕで示す方向で移動させることができる。
【００２６】
以上、本発明の超音波モータの実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、ヘッド１３の脚部１３ｂ〜１３ｄと第２ナット２３とは一体であってもよい。つまり、ヘッド１３の脚部１３ｂ〜１３ｄにボルト２１を固定するためのネジ穴を設けて、脚部１３ｂ〜１３ｄと第１ナット２２によって、圧電板２４ａ・２４ｂを所定の力で締め付ける構造としてもよい。
【００２７】
また、超音波振動子１１ａ〜１１ｃのうちの２本が交差する角度θが全て同じである超音波モータ１０について説明したが、超音波振動子１１ａ・１１ｂの交差角度と、超音波振動子１１ｂ・１１ｃの交差角度と、超音波振動子１１ｃ・１１ａの交差角度は、それぞれ異なっていてもよい。さらに、２枚の圧電板２４ａ・２４ｂを備えた超音波振動子１１ａ〜１１ｃを示したが、圧電板は１枚でもよく３枚以上であってもよい。さらに、セラミックグリーンシートを用いた同時焼成法（一体焼成法）により作製された、圧電セラミック薄板と電極とが交互に積層された積層型圧電素子を圧電板２４ａ等として用いてもよい。さらにまた、１個の超音波モータを構成する超音波振動子の数は３本に限定されるものではない。例えば、４本の超音波振動子が略四角錐型となるように配置された超音波モータや、６本の超音波動子が略六角錐型となるように配置された超音波モータであってもよい。このような超音波モータにおいても、少なくとも２本の超音波振動子を位相差を設けて駆動することによって、被駆動体を多方向に移動させることができる。
【００２８】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、被駆動体を二次元面内において多方向に移動させることができる。このため、をＸ−Ｙステージ等の少なくとも２方向に動かすことが必要とされる装置の駆動源として本発明の超音波モータを用いることによって、装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波モータの一実施形態を示す概略斜視図。
【図２】図１に示す超音波モータの概略平面図。
【図３】図１に示す超音波モータを構成する超音波振動子の概略断面図。
【図４】従来の超音波モータの概略の構造を示す説明図。
【符号の説明】
１０；超音波モータ
１１ａ・１１ｂ・１１ｃ；超音波振動子
１２；保持部材
１３；ヘッド
１３ａ；接頭部
１３ｂ・１３ｃ・１３ｄ；脚部
１４；押圧機構
１５；被駆動体
２１；ボルト
２２；第１ナット
２３；第２ナット
２４ａ・２４ｂ；圧電板
２５ａ〜２５ｃ；電極板
１００；超音波モータ
１０１ａ・１０１ｂ；超音波振動子
１０２；保持部材
１０３；ヘッド
１０５；ロータ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic motor used as a driving device for various machines.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 4, two ultrasonic vibrators 101a and 101b each having a piezoelectric element, and a holding member 102 for holding the ultrasonic vibrators 101a and 101b at a predetermined angle (for example, 90 degrees) , Having a substantially V-shaped shape, the vertex of which is in contact with the rotor 105 as a driven body, and whose wings (the ones that are open in a V-shape) are connected to the ultrasonic transducers 101a and 101b. A resonance type ultrasonic motor 100 including a head 103 is known (for example, see Patent Document 1). The two wings of the head 103 are also components of the ultrasonic transducers 101a and 101b.
[0003]
In the ultrasonic motor 100, a voltage of a resonance frequency having a phase shifted by about 90 degrees is applied to each of the piezoelectric elements of the ultrasonic transducers 101a and 101b to expand and contract each piezoelectric element. By causing the head 103 to vibrate, an elliptical motion is generated at the tip of the head 103. When the head 103 that moves in an elliptical manner is pressed against the end face of the rotor 105 with a constant force, a force is applied in a tangential direction on the outer periphery of the rotor 105 due to a frictional force generated between the head 103 and the rotor 105, and the rotor 105 Can be done.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-152671 (paragraphs 24-29, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the ultrasonic motor 100 can only move the driven body in contact with the head 103 in one axial direction. For example, if the rotor 105 shown in FIG. 4 is replaced with an XY stage and the head 103 is in contact with the back surface of the XY stage, the XY stage can be moved only in the Y direction. Therefore, two ultrasonic motors 100 are required to move the XY stage in the X direction, which is a direction perpendicular to the plane of the paper.
[0006]
In this case, since the two ultrasonic motors 100 need to be arranged so that the directions in which they are opened in a V-shape are orthogonal to each other, the heads 103 of the two ultrasonic motors 100 necessarily have a fixed distance. It will be arranged in a space. Here, since the heads 103 of the two ultrasonic motors 100 must always be in contact with the XY stage, the range in which the XY stage can be moved is larger than the area of the XY stage. Narrows. In other words, in order to move the XY stage within a desired area range, a stage having an area larger than the desired area is actually required, so that the size of the apparatus is increased.
[0007]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide an ultrasonic motor that can move a driven body in multiple directions.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, three or more substantially rod-shaped ultrasonic vibrators arranged at a predetermined angle in a polygonal pyramid shape and individually provided with piezoelectric elements,
Three or more legs respectively connected to the three or more ultrasonic transducers, and a prefix member having a prefix in contact with the driven body,
A holding member for holding the three or more ultrasonic transducers,
With
By applying an AC voltage having a predetermined phase difference to each of the piezoelectric elements of at least two of the three or more ultrasonic transducers to cause the ultrasonic transducer to vibrate, An ultrasonic motor is provided, in which a predetermined elliptical motion is caused to move the driven body.
[0009]
According to such an ultrasonic motor, the driven body can be moved in multiple directions in a two-dimensional plane. It is preferable that the angles at which two ultrasonic transducers of the three ultrasonic transducers intersect are all equal and that the angle is 15 degrees or more and 175 degrees or less. When the intersection angle is small, the driving force increases, and when the intersection angle is large, the driving speed of the driven body can be increased.
[0010]
As the ultrasonic transducer, a piezoelectric element having a plate-like shape having a hole in a substantially central portion thereof, electrodes formed on the front and back surfaces thereof, and a shaft member inserted through the hole of the piezoelectric element and First and second fastening members attached to both ends of the shaft member so as to fasten the piezoelectric element with a predetermined force. Here, the prefix member can be a second fastening member.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of the ultrasonic motor 10, FIG. 2 is a schematic plan view of the ultrasonic motor 10, and FIG. 3 is a cross-sectional view of an ultrasonic vibrator 11a constituting the ultrasonic motor 10. is there. The ultrasonic motor 10 includes a head (prefix member) 13 in contact with the driven body 15, three rod-shaped ultrasonic transducers 11a, 11b, and 11c arranged in a triangular pyramid shape, and ultrasonic transducers 11a and 11b. A holding member 12 for holding 11c;
[0012]
The head 13 has a substantially spherical prefix 13a in contact with the driven body 15, and three legs 13b, 13c, and 13d connected to the three ultrasonic transducers 11a, 11b, and 11c, respectively. ing. The angle θ at which two of the three legs 13b, 13c, and 13d intersect (the angle at which the longitudinal directions of the legs intersect) is equal, and the angle θ is equal to the three ultrasonic transducers 11a. It is also the angle at which two of 11b and 11c intersect. A bolt 13e is formed at each end of the legs 13b, 13c, 13d, and the bolt 13e is screwed to the second nut 23 of the ultrasonic transducers 11a, 11b, 11c. The head 13 and the ultrasonic transducers 11a, 11b, 11c are connected.
[0013]
Since the ultrasonic transducers 11a to 11c all have the same structure, the structure will be described in detail by taking the ultrasonic transducer 11a as an example. The ultrasonic vibrator 11a includes a bolt 21 having both ends threaded, a first nut 22 having a screw hole fitted into one thread groove of the bolt 21, and a screw fitted into the other thread groove of the bolt 21. A second nut 23 having a hole and a screw hole to be fitted in a screw groove of a bolt portion 13e provided in the leg portion 13b to 13d of the head 13, and two ring-shaped piezoelectric plates 24a through which the bolt 21 can be inserted. 24b and ring-shaped electrode plates (metal plates) 25a, 25b, 25c through which the bolts 21 can be inserted. Note that electrodes (not shown) are formed on the front and back surfaces of the piezoelectric plates 24a and 24b.
[0014]
The holding member 12 has a three-pronged shape, and is provided with a hole through which the bolt 21 of each of the ultrasonic transducers 11a to 11c is inserted. The holding member 12 holds the ultrasonic vibrators 11a to 11c by tightening the space between the first nut 22 and the second nut 23 with a predetermined force.
[0015]
The angle at which two of the ultrasonic transducers 11a to 11c intersect, that is, the angle θ at which two of the three legs 13b to 13d of the head 13 intersect, is preferably 15 to 175 degrees. You. When the angle θ is small, the force in the Z direction acting on the driven body 15 from the prefix 13a increases, so that the driving force for moving the driven body 15 can be increased. Conversely, when the angle θ is increased, the force in the direction orthogonal to the Z direction increases, so that the moving speed of the driven body 15 can be increased. The shape of the holding member 12 is appropriately set in accordance with the positions of the ultrasonic transducers 11a to 11c determined by the angle θ.
[0016]
The ultrasonic motor 10 is assembled as follows. First, the second nut 23 is attached to the legs 13b to 13d of the head 13. Next, bolts 21 are passed through each of the three holes provided in the holding member 12, and the piezoelectric plates 24a and 24b are alternately passed through each of the bolts 21 so as to be sandwiched between the electrode plates 25a to 25c. Then, one end of each bolt 21 is lightly screwed into each second nut 23. Subsequently, each bolt 21 is screwed into each second nut 23 with a predetermined force and fixed. Further, the first nut 22 is fixed to the other end of each bolt 21 by a predetermined force. As a result, the piezoelectric plates 24a and 24b are tightened with a predetermined force, and the ultrasonic motor 10 in which the Langevin type ultrasonic transducers 11a, 11b and 11c are arranged at an angle θ is obtained.
[0017]
For the piezoelectric plates 24a and 24b, lead zirconate titanate (PZT) -based piezoelectric ceramics are preferably used. The polarization directions of the piezoelectric plates 24a and 24b are symmetric with respect to the electrode plate 25b sandwiched between the piezoelectric plates 24a and 24b. The electrode plates 25a and 25c are electrically connected to each other. Therefore, when a voltage is applied between the electrode plate 25b and the electrode plate 25c, displacement (vibration) occurs in the piezoelectric plates 24a and 24b in the same phase. That is, the piezoelectric plates 24a and 24b both expand or contract in the thickness direction.
[0018]
Usually, a metal material is used for the bolt 21, the first nut 22, and the holding member 12. In this case, the electrode plates 25 a and 25 c are electrically connected to the first nut 22 via the holding member 12. Therefore, when the holding member 12 or the first nut 22 of the ultrasonic vibrator 11a is used as a ground electrode for driving the piezoelectric plates 24a and 24b, the piezoelectric plates 24a and 24b of the ultrasonic vibrators 11b and 11c are driven. The ground can be taken at the same time.
[0019]
For the head 13, a material having excellent wear resistance, for example, a metal material such as stainless steel or cemented carbide is used. In the case where the head 13 is made of metal, the head 13 is electrically connected to the electrode plate 25a, so that either the holding member 12 or the first nut 22 of the ultrasonic transducers 11a, 11b, 11c is grounded. 13 is also grounded. It is also preferable to apply a coating of a wear-resistant material, for example, silicon nitride, on the surface of the prefix 13a of the head 13.
[0020]
A pressing mechanism 14 is attached to the holding member 12, and the prefix 13 a of the head 13 is pressed against the driven body 15 by a predetermined force by the pressing mechanism 14. As the pressing mechanism 14, for example, an air cylinder, a hydraulic cylinder, a spring coil, or the like is used. The driven body 15 is held by a mechanism (not shown) movable in the X and Y directions.
[0021]
As a driving method of the ultrasonic motor 10 having such a structure, a method of driving two of the three ultrasonic transducers 11a to 11c and a method of driving all the three ultrasonic transducers 11a to 11c are used. There is a way.
[0022]
For example, when the ultrasonic transducer 11a and the ultrasonic transducer 11b are driven by an AC voltage having a resonance frequency whose phase is shifted by about 90 degrees or a frequency near the resonance frequency and the ultrasonic transducer 11c is not driven, FIG. , That is, the driven body 15 can be moved in the longitudinal direction of the straight line P where the plane including the ultrasonic transducers 11a and 11b and the XY plane intersect. To give a more specific example, the ultrasonic transducer 11a of the electrode plate 25b to _{V = V 0 sin (2πft)} (V 0; Zero - peak voltage, f; frequency, t; time) AC voltage is applied At the same time, when an AC voltage of V = V ₀ cos (2πft) is applied to the electrode plate 25b of the ultrasonic transducer 11b, the driven body 15 moves in the direction of the arrow P1 due to the elliptical motion generated in the prefix 13a. When the voltage for driving the ultrasonic transducers 11a and 11b is reversed, the driven body 15 can be moved in the direction of the arrow P2.
[0023]
Similarly, when the ultrasonic transducers 11b and 11c are driven by an AC voltage having a resonance frequency whose phase is shifted by about 90 degrees or a frequency near the resonance frequency, the driven body 15 can be moved in the direction of the straight line Q, that is, in the X direction. it can. Further, when the ultrasonic transducers 11c and 11a are driven by an AC voltage having a resonance frequency whose phase is shifted by about 90 degrees or a frequency near the resonance frequency, the driven body 15 can be moved in the direction of the straight line R.
[0024]
As an example of driving all three ultrasonic transducers 11a to 11c, for example, two of the ultrasonic transducers 11a to 11c are driven at the same voltage without a phase difference, and the remaining one is driven with the same phase. There is a case of driving with a voltage shifted by about 90 degrees. More specifically, the case where the ultrasonic transducers 11b and 11c are driven at a voltage V = V ₀ sin (2πft) and the ultrasonic transducer 11a is driven at a voltage V = V ₀ cos (2πft) is an example. Can be In this case, the X-direction components of the vibrations generated in the ultrasonic transducers 11b and 11c are canceled each other, the Y-direction components overlap, and the Z-direction components also overlap. On the other hand, the vibration of the ultrasonic transducer 11a has only a Y-direction component and a Z-direction component. Therefore, the elliptical motion of the prefix 13a due to the vibration of the ultrasonic transducers 11a to 11c occurs in the YZ plane, whereby the driven body 15 can be moved in the direction indicated by the straight line S, that is, in the Y direction. it can.
[0025]
Similarly, the driven body 15 is represented by a straight line T in FIG. 2 by driving the ultrasonic transducers 11c and 11a as a set and driving them and the ultrasonic transducer 11b with voltages having phases shifted by about 90 degrees. It can be moved in the direction shown. Further, by driving the ultrasonic transducers 11a and 11b as one set and driving them and the ultrasonic transducer 11c with voltages having phases shifted by about 90 degrees, the driven body 15 is moved in a direction indicated by a straight line U in FIG. Can be moved.
[0026]
The embodiment of the ultrasonic motor according to the present invention has been described above, but the present invention is not limited to such an embodiment. For example, the legs 13b to 13d of the head 13 and the second nut 23 may be integrated. That is, a screw hole for fixing the bolt 21 is provided in the legs 13b to 13d of the head 13, and the piezoelectric plates 24a and 24b are tightened with a predetermined force by the legs 13b to 13d and the first nut 22. Good.
[0027]
Also, the ultrasonic motor 10 in which two of the ultrasonic transducers 11a to 11c intersect at the same angle θ has been described, but the intersection angle between the ultrasonic transducers 11a and 11b and the ultrasonic transducer 11b The intersection angle of the ultrasonic transducers 11c and 11a may be different from each other. Furthermore, although the ultrasonic transducers 11a to 11c having two piezoelectric plates 24a and 24b are shown, the number of piezoelectric plates may be one or three or more. Further, a laminated piezoelectric element in which piezoelectric ceramic thin plates and electrodes are alternately laminated, which is manufactured by a simultaneous firing method (integrated firing method) using ceramic green sheets, may be used as the piezoelectric plate 24a or the like. Furthermore, the number of ultrasonic transducers constituting one ultrasonic motor is not limited to three. For example, an ultrasonic motor in which four ultrasonic transducers are arranged in a substantially quadrangular pyramid shape, or an ultrasonic motor in which six ultrasonic transducers are arranged in a substantially hexagonal pyramid shape. You may. Also in such an ultrasonic motor, the driven body can be moved in multiple directions by driving at least two ultrasonic transducers with a phase difference provided therebetween.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a driven body can be moved in multiple directions in a two-dimensional plane. Therefore, the size of the apparatus can be reduced by using the ultrasonic motor of the present invention as a drive source of the apparatus that needs to be moved in at least two directions, such as an XY stage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an embodiment of an ultrasonic motor according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view of the ultrasonic motor shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic sectional view of an ultrasonic vibrator constituting the ultrasonic motor shown in FIG. 1;
FIG. 4 is an explanatory view showing a schematic structure of a conventional ultrasonic motor.
[Explanation of symbols]
10; ultrasonic motors 11a, 11b, 11c; ultrasonic vibrator 12, holding member 13, head 13a, prefixes 13b, 13c, 13d; legs 14, pressing mechanism 15, driven body 21, bolt 22, first. Nut 23; second nuts 24a and 24b; piezoelectric plates 25a to 25c; electrode plate 100; ultrasonic motors 101a and 101b; ultrasonic vibrator 102; holding member 103;

Claims

多角錐状に所定の角度で配置され、個々に圧電素子を備えた略棒状の３本以上の超音波振動子と、
前記３本以上の超音波振動子とそれぞれ接続される３本以上の脚部と、被駆動体に接する接頭部を有する接頭部材と、
前記３本以上の超音波振動子を保持する保持部材と、
を具備し、
前記３本以上の超音波振動子のうち少なくとも２本の超音波振動子の各圧電素子に所定の位相差を有する交流電圧を印加して前記超音波振動子を振動させることにより前記接頭部に所定の楕円運動を生じさせて、前記被駆動体を動かすことを特徴とする超音波モータ。Three or more substantially rod-shaped ultrasonic vibrators arranged at a predetermined angle in a polygonal pyramid shape and individually provided with piezoelectric elements,
Three or more legs respectively connected to the three or more ultrasonic transducers, and a prefix member having a prefix in contact with the driven body,
A holding member for holding the three or more ultrasonic transducers,
With
By applying an AC voltage having a predetermined phase difference to each of the piezoelectric elements of at least two of the three or more ultrasonic transducers to cause the ultrasonic transducer to vibrate, An ultrasonic motor, wherein the driven body is moved by generating a predetermined elliptical motion.

前記３本以上の超音波振動子のうちの２本の超音波振動子が交差する角度は全て等しく、かつ、その角度は１５度以上１７５度以下であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。The angle at which two ultrasonic transducers among the three or more ultrasonic transducers intersect is all equal, and the angle is 15 degrees or more and 175 degrees or less. Ultrasonic motor.

前記超音波振動子は、
板状で略中心部に孔部を有し、その表裏面に電極が設けられた圧電素子と、
前記圧電素子の孔部に挿通して配置される軸部材と、
前記軸部材の両端に前記圧電素子を所定の力で締め付けるように取り付けられる第１および第２の締結部材と、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。The ultrasonic transducer,
A piezoelectric element having a plate-like shape having a hole in a substantially central portion thereof, and electrodes provided on the front and back surfaces thereof,
A shaft member inserted through the hole of the piezoelectric element,
First and second fastening members attached to both ends of the shaft member so as to fasten the piezoelectric element with a predetermined force;
The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the ultrasonic motor has:

前記接頭部材が前記第２の締結部材であることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。The ultrasonic motor according to claim 3, wherein the prefix member is the second fastening member.