JP5612940B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
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Description
本発明は、超音波モータに関する。 The present invention relates to an ultrasonic motor.
従来、超音波モータの摺動部の摩耗を低減する方法として各種の方法がある。
例えば非特許文献１には、回転型の超音波モータにおいて、摺動面でのステータの振動速度とスライダの回転速度との速度差を極力無くすことにより摺動面での滑りを減らし、その結果、磨耗が減る、というものが記載されている。
Conventionally, there are various methods for reducing the wear of the sliding portion of the ultrasonic motor.
For example, in Non-Patent Document 1, in a rotary ultrasonic motor, slipping on the sliding surface is reduced by eliminating the difference in speed between the vibration speed of the stator on the sliding surface and the rotational speed of the slider as a result. It is described that wear is reduced.
超音波モータは、ステータ（又は振動子）に楕円振動を形成し、その楕円振動が形成されたステータにスライダ（又は可動体）を接触させることにより、スライダを移動させる、ということは公知である。図１２(a) は、その楕円振動の周速度における、スライダの移動方向成分の速度ベクトルを模式的に示す図である。なお、同図(a) では、その速度ベクトルを、横方向矢印として模式的に示している。同図(b) は、その速度ベクトルの大きさの時間的変化をグラフ化したものを示す図である。同図(b) に示したように、その時間的変化Ｖ1は、実線に示したように正弦波となる。一方、スライダの速度の時間的変化Ｖ2は、Ｖ1のように正弦波状に変化することはなく、点線に示したようにほぼ一定の速度になる。同図(b) において両者を比較すると、実線で示されるＶ1と点線で示されるＶ2との交点以外は速度差が生じていることがわかる。これはすなわち、ステータとスライダとの間に、速度差に起因する滑りが発生していることを意味している。滑りが発生すると接触部分の磨耗が増えることは日常の経験からわかっているので、滑りの発生を極力減らすことができれば磨耗を減らすことができると考えられる。そこで、非特許文献１では、滑りを発生し難くして磨耗を減らすための一つの方法として、楕円振動の周速度における、スライダの移動方向成分の速度ベクトルの大きさ（以下、これを「振動速度」という）の時間的変化を正弦波から矩形波にすることが考案されている。同図(c) は、このときの矩形波を示す図である。なお、同図(c) では、矩形波にされた振動速度の時間的変化をＶ3として示している。 It is known that an ultrasonic motor moves an slider by forming elliptical vibration in the stator (or vibrator) and bringing the slider (or movable body) into contact with the stator on which the elliptical vibration is formed. . FIG. 12A is a diagram schematically showing a velocity vector of a moving direction component of the slider at the peripheral velocity of the elliptical vibration. In FIG. 5A, the velocity vector is schematically shown as a horizontal arrow. FIG. 4B is a graph showing the temporal change in the magnitude of the velocity vector. As shown in FIG. 5B, the temporal change V 1 becomes a sine wave as shown by the solid line. On the other hand, the temporal change V 2 of the slider speed does not change in a sinusoidal manner like V 1 , and becomes a substantially constant speed as shown by the dotted line. Comparing both in FIG. 2B, it can be seen that there is a speed difference except at the intersection of V 1 indicated by the solid line and V 2 indicated by the dotted line. This means that slippage due to the speed difference has occurred between the stator and the slider. Since it is known from daily experience that the wear of the contact portion increases when slipping occurs, it is considered that the wear can be reduced if the occurrence of slipping can be reduced as much as possible. Therefore, in Non-Patent Document 1, as one method for making it difficult for slippage to occur and reducing wear, the magnitude of the velocity vector of the slider moving direction component at the peripheral velocity of elliptical vibration (hereinafter referred to as “vibration”). It has been devised to change the temporal change of speed) from a sine wave to a rectangular wave. FIG. 4C shows a rectangular wave at this time. In FIG. 3C, the temporal change in the vibration speed converted into a rectangular wave is shown as V 3 .
矩形波は、フーリエ級数に分解すると次式（１）のように表されることが知られている。 It is known that a rectangular wave is represented by the following equation (1) when decomposed into a Fourier series.
この式（１）から、振動速度の時間的変化を矩形波にするためには、その振動速度の振動に、（２ｎ＋１）倍の周波数で且つ振動速度の振幅が１／（２ｎ＋１）倍になるような振動を加算すればよいことがわかる。 From this equation (1), in order to change the temporal change of the vibration speed to a rectangular wave, the vibration speed has a frequency of (2n + 1) times and the vibration speed amplitude becomes 1 / (2n + 1) times. It can be seen that such vibrations should be added.
非特許文献１では、これを実現するために、３次モードの捩り振動が１次モードの捩り振動に対して略３倍の周波数で且つ振動速度の振幅が略１／３倍になるように、ステータを構成している。これにより、摺動部の磨耗を減らす、というものである。 In Non-Patent Document 1, in order to achieve this, the torsional vibration of the third-order mode has a frequency approximately three times that of the torsional vibration of the first-order mode and the amplitude of the vibration speed is approximately one-third. The stator is configured. Thereby, wear of the sliding portion is reduced.
一方、本出願人が出願した特許文献１には、縦振動（１次モードの縦振動）と屈曲振動（２次モードの屈曲振動）とを用いて楕円振動を形成するリニア型の超音波モータが提案されている。この超音波モータに対しても、非特許文献１に記載の超音波モータの場合と同様に、移動テーブルの移動方向の振動、即ち１次モードの縦振動に、奇数倍の周波数の高調波を付加させて振動速度の波形を矩形波に近づければ、磨耗を低減する効果が期待できるはずである。 On the other hand, in Patent Document 1 filed by the present applicant, a linear ultrasonic motor that forms elliptical vibration using longitudinal vibration (longitudinal vibration in primary mode) and bending vibration (bending vibration in secondary mode) is disclosed. Has been proposed. Similarly to the ultrasonic motor described in Non-Patent Document 1, for this ultrasonic motor, harmonics having an odd multiple of frequency are applied to vibration in the moving direction of the moving table, that is, longitudinal vibration in the primary mode. If the vibration velocity waveform is made closer to a rectangular wave, the effect of reducing wear should be expected.
特許文献１に記載の超音波モータにおいて、縦振動における１次モードと３次モードとの間での共振周波数の比は、ＦＥＭ（Finite Element Method）による計算及び実測の結果、およそ１：２．７〜１：２．８になっていた。上述のように振動速度の波形を矩形波に近づけるためには、この比を１：３にする必要があることから、この結果では、縦振動の３次モードの共振周波数が若干低くなっていることになる。また、縦振動における１次モードと５次モードとの間での共振周波数の比についても、同様の計算及び実測の結果をみると、１：５よりも若干ずれていた。このように、縦振動における１次モードとｎ次モード（但しｎは３以上の奇数）との間での共振周波数の比はちょうど１：ｎにはならず若干ずれている。従って、このままだと、振動速度の波形を矩形波に近づけることは困難であり、ひいては摺動部の摩耗低減という効果を得ることも困難となる。 In the ultrasonic motor described in Patent Document 1, the ratio of the resonance frequency between the first-order mode and the third-order mode in the longitudinal vibration is approximately 1: 2 as a result of calculation and measurement by FEM (Finite Element Method). It was 7 to 1: 2.8. As described above, in order to bring the vibration velocity waveform closer to a rectangular wave, this ratio needs to be 1: 3. Therefore, in this result, the resonance frequency of the third-order mode of longitudinal vibration is slightly lower. It will be. Further, the resonance frequency ratio between the first-order mode and the fifth-order mode in the longitudinal vibration was slightly deviated from 1: 5 in the same calculation and actual measurement results. Thus, the ratio of the resonance frequency between the first-order mode and the n-order mode (where n is an odd number of 3 or more) in longitudinal vibration is not exactly 1: n but is slightly shifted. Therefore, it is difficult to bring the vibration velocity waveform close to a rectangular wave, and it is difficult to obtain the effect of reducing the wear of the sliding portion.
本発明は、上記実情に鑑み、リニア型の超音波モータにおいて、振動速度の波形を矩形波に近づけることができ、ひいては摺動部の磨耗を低減することができる、超音波モータを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention provides an ultrasonic motor capable of making a vibration velocity waveform close to a rectangular wave in a linear ultrasonic motor, and thus reducing wear of a sliding portion. With the goal.
本発明の第１の態様に係る超音波モータは、１次モードの縦振動と２次モードの屈曲振動とを縮退させ、両振動の間に位相差を持たせることにより楕円振動を形成し、前記縦振動の振動方向の長さとして異なる複数の長さを有するように段差が設けられる振動子と、前記振動子に固定された駆動子に押圧接触し、前記振動子に前記楕円振動が形成されたときに前記振動子に対して一軸方向に相対移動する可動体と、を含み、前記段差は、前記振動子における前記縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つ前記縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられ、前記異なる複数の長さは、第１の長さと、第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さとからなり、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々は、当該長さにより決まるｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動の共振周波数が、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の共振周波数に対して略ｎ倍になる、という長さである、ことを特徴とする。 The ultrasonic motor according to the first aspect of the present invention degenerates the longitudinal vibration of the primary mode and the bending vibration of the secondary mode, and forms an elliptical vibration by giving a phase difference between the two vibrations , The elliptical vibration is formed in the vibrator by pressing and contacting a vibrator provided with steps so as to have different lengths in the vibration direction of the longitudinal vibration and a driver fixed to the vibrator. A movable body that moves relative to the vibrator in a uniaxial direction, and the step passes through the center of the length in the vibration direction of the longitudinal vibration of the vibrator and the vibration of the longitudinal vibration. Provided in plane symmetry with respect to a plane perpendicular to the direction, and the different lengths include a first length and a second length or different lengths including the second length, Each of a plurality of different lengths including two lengths or the second length The resonance frequency of the longitudinal vibration of the n-order mode (n is an odd number of 3 or more) determined by the length is approximately n times the resonance frequency of the longitudinal vibration of the primary mode determined by the first length. It is the length that becomes .
本発明の第２の態様に係る超音波モータは、上記第１の態様において、前記第２の長さにより決まる３次モードの縦振動の共振周波数が、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の共振周波数に対して略３倍になる、ことを特徴とする。 Ultrasonic motor according to a second aspect of the present invention, in the first aspect, before Symbol resonance frequency of the longitudinal vibration of a more determined third mode to the second length, more to the first length The resonance frequency of the longitudinal vibration of the determined primary mode is approximately three times the resonance frequency.
本発明の第３の態様に係る超音波モータは、上記第１又は２の態様において、前記振動子において、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動と前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々により決まるｎ次モードの縦振動との間の共通の節の位置に、電気機械エネルギー変換素子の電極が配置される、ことを特徴とする。 The third ultrasonic motor in accordance with aspects of the, in the first or second aspect, in the vibrator, the longitudinal vibration and the second length of more determined first-order mode in the first length of the present invention or the position of the common sections between the longitudinal vibration of a more determined n-th order mode in the plurality of different respective lengths comprising said second length, the electrodes of the electro-mechanical energy conversion element is disposed, that Features.
本発明の第４の態様に係る超音波モータは、上記第１乃至３の何れか一つの態様において、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動と前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々により決まるｎ次モードの縦振動との間の振動速度の位相差は、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々について、当該長さにより決まるｎ次モードの縦振動の振動速度をｖｓｉｎ（ｎωｔ＋φ）としたときに、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々についてφ≒０となる、ことを特徴とする。 Ultrasonic motor according to a fourth aspect of the present invention, the in any one of the embodiments of the first to third, longitudinal vibration and the second length of more determined first mode to said first length or longitudinal oscillation of the phase difference of the vibration velocity between the longitudinal vibration of the second, more determined n-th order mode in each of different lengths including length, more determined first mode to said first length vibration of the vibration velocity v 1 and sin (.omega.t), for each of a plurality of different lengths, including the second length or the second length, of the longitudinal vibration of a more determined n-th order mode in the length When the speed is vsin (nωt + φ), φ≈0 for each of the second length or a plurality of different lengths including the second length .
本発明の第５の態様に係る超音波モータは、上記第１乃至４の何れか一つの態様において、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の振動速度の振幅と前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々により決まるｎ次モードの縦振動の振動速度の振幅は、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々について、当該長さにより決まるｎ次モードの縦振動の振動速度をｖｓｉｎ（ｎωｔ＋φ）としたときに、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々についてｖ≒ｖ1／ｎとなる、ことを特徴とする。
Ultrasonic motor according to a fifth aspect of the present invention, in any one of the embodiments of the first to fourth, wherein the amplitude of the vibration velocity of the longitudinal vibration of a more determined first mode to said first length a length of 2 or the amplitude of the vibration velocity of the longitudinal vibration of the second, more determined n-th order mode in each of different lengths including length, vertical more determined first-order mode to the first length the vibration speed of the vibration v 1 and sin (.omega.t), for each of a plurality of different lengths, including the second length or the second length, of the longitudinal vibration of a more determined n-th order mode in the length When the vibration speed is vsin (nωt + φ), v≈v 1 / n for each of the second length or a plurality of different lengths including the second length .
本発明によれば、リニア型の超音波モータにおいて、振動速度の波形を矩形波に近づけることができるので、摺動部の磨耗を低減することができる。 According to the present invention, in a linear ultrasonic motor, the waveform of the vibration speed can be made close to a rectangular wave, so that wear of the sliding portion can be reduced.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明の実施例１に係る超音波モータの構成例を模式的に示す図である。
同図に示したように、本実施例に係る超音波モータは、振動子１、振動子１に接着固定された駆動子２、及び、可動体３を含む、リニア型の超音波モータである。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration example of an ultrasonic motor according to Embodiment 1 of the present invention.
As shown in the figure, the ultrasonic motor according to the present embodiment is a linear ultrasonic motor including a vibrator 1, a driver 2 bonded and fixed to the vibrator 1, and a movable body 3. .
振動子１は、１次モードの縦振動と２次モードの屈曲振動とを縮退させ、両振動の間に位相差を持たせることにより、楕円振動を形成するものである。可動体３は、振動子１に接着固定された駆動子２に押圧接触し、振動子１に楕円振動が形成されたときに振動子１に対して一軸方向（同図の両矢印に示す左右方向）に相対移動するものである。 The vibrator 1 degenerates the longitudinal vibration of the primary mode and the bending vibration of the secondary mode, and forms an elliptical vibration by giving a phase difference between the two vibrations. The movable body 3 is in press contact with the driver 2 that is bonded and fixed to the vibrator 1, and is uniaxial with respect to the vibrator 1 when elliptical vibration is formed in the vibrator 1 (left and right shown by double arrows in the figure). Direction).
振動子１は、材質をＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）とする圧電体（電気機械エネルギー変換素子の一例）を含み、積層構造を有する。
図２(a),(b) は、振動子１の積層構造を説明する図である。
The vibrator 1 includes a piezoelectric body (an example of an electromechanical energy conversion element) whose material is PZT (lead zirconate titanate) and has a laminated structure.
FIGS. 2A and 2B are views for explaining the laminated structure of the vibrator 1.
振動子１の積層構造は、同図(a) に示した３種類の単層素子４、５、６を、同図(b) に示した積層順（単層素子４、６、５、６を繰り返す積層順）に積層して一体焼結することにより得られる。 The layered structure of the vibrator 1 includes three types of single-layer elements 4, 5, and 6 shown in FIG. 10A, and the stacking order (single-layer elements 4, 6, 5, 6 shown in FIG. Is obtained by laminating them in the laminating order) and sintering them integrally.
ここで、単層素子４は、圧電体の一表面に５つの電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅを有する。単層素子５は、圧電体の一表面に５つの電極５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅを有する。単層素子６は、圧電体の一表面に１つの電極６ａを有する。 Here, the single layer element 4 has five electrodes 4a, 4b, 4c, 4d, and 4e on one surface of the piezoelectric body. The single layer element 5 has five electrodes 5a, 5b, 5c, 5d, and 5e on one surface of the piezoelectric body. The single layer element 6 has one electrode 6a on one surface of the piezoelectric body.
また、これらの単層素子４、５、６を積層する際には、隣接して積層される単層素子間において、一方の単層素子の電極が設けられている面と、他方の単層素子の電極が設けられていない面とが重ね合わせられるようにして積層される。 Further, when laminating these single layer elements 4, 5, 6, between the adjacent single layer elements, the surface on which the electrode of one single layer element is provided and the other single layer The elements are stacked so that the surfaces on which the electrodes are not provided are overlapped.
なお、同図(b) では、説明の便宜のために、７つの単層素子を積層した構造を示しているが、実際には、それよりも多くの単層素子を積層した構造となる。
そして、このような積層構造の振動子１において、電極６ａを負極として、電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに正電圧を印加したときに、電極４ａ、４ｄ、５ａ、５ｄの各電極に対応する圧電体部分が圧電横効果により面積が広がる方向に歪むように分極されると共に、電極４ｂ、４ｃ、５ｂ、５ｃの各電極に対応する圧電体部分が圧電横効果により面積が狭まる方向に歪むように分極される、ように分極処理を行う。また、電極６ａを負極として、電極４ｅ、５ｅに正電圧を印加したときに、電極４ｅ、５ｅに対応する圧電体部分が圧電横効果により面積が広がる方向に歪むように分極される、ように分極処理を行う。
In FIG. 5B, for convenience of explanation, a structure in which seven single-layer elements are stacked is shown. However, in reality, a structure in which more single-layer elements are stacked is shown.
In the vibrator 1 having such a laminated structure, when a positive voltage is applied to the electrodes 4a, 4b, 4c, 4d, 5a, 5b, 5c, and 5d with the electrode 6a as a negative electrode, the electrodes 4a, 4d, and 5a The piezoelectric portion corresponding to each electrode 5d is polarized so as to be distorted in the direction in which the area expands due to the piezoelectric lateral effect, and the piezoelectric portion corresponding to each electrode 4b, 4c, 5b, 5c is caused by the piezoelectric lateral effect. The polarization process is performed so that the area is polarized so as to be distorted in the direction of narrowing. Further, when the electrode 6a is a negative electrode and a positive voltage is applied to the electrodes 4e and 5e, the piezoelectric body portion corresponding to the electrodes 4e and 5e is polarized so as to be distorted in the direction in which the area expands due to the piezoelectric lateral effect. Process.
その後、同図(b) に示したように電気的な結線を行い、各単層素子の各電極を、屈曲振動用電極、グランド電極、又は縦振動用電極として用いるようにする。
また、振動子１は、縦振動の振動方向の長さとして異なる複数の長さを有するように、段差が設けられている。
Thereafter, electrical connection is performed as shown in FIG. 5B, and each electrode of each single-layer element is used as a bending vibration electrode, a ground electrode, or a longitudinal vibration electrode.
Further, the vibrator 1 is provided with steps so as to have a plurality of different lengths in the vibration direction of the longitudinal vibration.
図３(a),(b) は、その段差を説明する図である。
同図(a) は、図２(b) に示した振動子１を模式的に示す図であり、振動子１の斜視図でもある。なお、以下の説明では、振動子１の左右方向と言ったときには図３(a) に示したＸ軸方向を指し、振動子１の厚さ方向と言ったときには同図(a) に示したＹ軸方向を指し、振動子１の高さ方向と言ったときには同図(a) に示したＺ軸方向を指すものとする。
3A and 3B are diagrams for explaining the steps.
FIG. 2A schematically shows the vibrator 1 shown in FIG. 2B, and is also a perspective view of the vibrator 1. FIG. In the following description, when referring to the left-right direction of the vibrator 1, it indicates the X-axis direction shown in FIG. 3A, and when referring to the thickness direction of the vibrator 1, it is shown in FIG. When referring to the Y-axis direction and the height direction of the vibrator 1, the Z-axis direction shown in FIG.
同図(b) は、振動子１を同図(a) のＹ軸方向に沿って見たときの図である。
同図(b) に示したように、本実施例では、振動子１における縦振動の振動方向の長さ（振動子１の左右方向の長さ）として、異なる２つの長さＬ１、Ｌ２（Ｌ１＞Ｌ２）を有するように、振動子１の左右側面に段差が設けられている。なお、この段差は、振動子１における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものでもある。また、この段差は、左右方向の長さをＬ１とする直方体の四隅を切り欠いたときに得られるようなものでもある。ここで、長さＬ１は第１の長さの一例であり、長さＬ２は第２の長さの一例である。
FIG. 6B is a diagram when the vibrator 1 is viewed along the Y-axis direction of FIG.
As shown in FIG. 5B, in this embodiment, the length in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator 1 (the length in the left-right direction of the vibrator 1) is two different lengths L1 and L2 ( Steps are provided on the left and right side surfaces of the vibrator 1 so as to have L1> L2). This step is also provided symmetrically about a plane that passes through the center of the length of the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator 1 and is perpendicular to the vibration direction of the longitudinal vibration. Further, this step is also obtained when the four corners of a rectangular parallelepiped having a length in the left-right direction of L1 are cut out. Here, the length L1 is an example of a first length, and the length L2 is an example of a second length.
このような構成を有する振動子１において、グランド電極６ａと屈曲振動用電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとの間に交番電圧を印加すると、振動子１は圧電横効果により２次モードの屈曲振動をする。また、グランド電極６ａと縦振動用電極４ｅ、５ｅとの間に交番電圧を印加すると、振動子１は同様に圧電横効果により縦振動をする。ここで、その縦振動について、より詳しく説明する。 In the vibrator 1 having such a configuration, when an alternating voltage is applied between the ground electrode 6a and the flexural vibration electrodes 4a, 4b, 4c, 4d, 5a, 5b, 5c, and 5d, the vibrator 1 becomes piezoelectric laterally. Due to the effect, a bending vibration of the secondary mode is performed. When an alternating voltage is applied between the ground electrode 6a and the longitudinal vibration electrodes 4e and 5e, the vibrator 1 similarly vibrates longitudinally due to the piezoelectric lateral effect. Here, the longitudinal vibration will be described in more detail.
なお、以下の説明では、縦振動におけるｎ次振動モードを単に縦ｎ次モードと言い、縦共振振動における振動モードを単に縦共振モードと言い、縦振動における振動モードを単に縦モードと言い、ｎ次振動モードの縦振動を縦ｎ次モード振動と言う。また、屈曲振動におけるｎ次振動モードを単に屈曲ｎ次モードと言い、ｎ次振動モードの屈曲振動を屈曲ｎ次モード振動と言う。 In the following description, the n-order vibration mode in longitudinal vibration is simply referred to as a longitudinal n-order mode, the vibration mode in longitudinal resonance vibration is simply referred to as a longitudinal resonance mode, and the vibration mode in longitudinal vibration is simply referred to as a longitudinal mode. The longitudinal vibration in the secondary vibration mode is referred to as longitudinal n-order mode vibration. Further, the nth-order vibration mode in the bending vibration is simply referred to as a bending nth-order mode, and the bending vibration in the nth-order vibration mode is referred to as a bending nth-order mode vibration.
上述のとおり、振動子１は縦振動の振動方向の長さとして２つの長さＬ１、Ｌ２を有することから、長さＬ１に係る縦共振モードが存在し、縦１次モード、縦２次モード、縦３次モード等の振動モードが存在する。長さＬ２についても同様に、長さＬ２に係る縦共振モードが存在し、縦１次モード、縦２次モード、縦３次モード等の振動モードが存在する。長さＬ１に係る縦モードと長さＬ２に係る縦モードとは互いに独立なので、同じ次数の振動モードであっても共振周波数は異なる。そこで、２つの長さＬ１、Ｌ２を適当に選べば、長さＬ１に係る縦１次モードの共振周波数と長さＬ２に係る縦３次モードの共振周波数との比を１：３（限りなく１：３に近い略１：３も含む）にすることができる。長さＬ１に係る縦１次モードの共振振動と長さＬ２に係る縦３次モードの共振振動を、図４に示す。 As described above, since the vibrator 1 has the two lengths L1 and L2 as the lengths in the vibration direction of the longitudinal vibration, the longitudinal resonance mode related to the length L1 exists, and the longitudinal primary mode and the longitudinal secondary mode. There are vibration modes such as a vertical tertiary mode. Similarly, for the length L2, there is a longitudinal resonance mode related to the length L2, and there are vibration modes such as a longitudinal primary mode, a longitudinal secondary mode, and a longitudinal tertiary mode. Since the longitudinal mode according to the length L1 and the longitudinal mode according to the length L2 are independent from each other, the resonance frequencies are different even in the vibration modes of the same order. Therefore, if the two lengths L1 and L2 are appropriately selected, the ratio between the resonance frequency of the longitudinal first-order mode related to the length L1 and the resonance frequency of the longitudinal third-order mode related to the length L2 is 1: 3 (infinite (Including about 1: 3 which is close to 1: 3). FIG. 4 shows the longitudinal primary mode resonant vibration according to the length L1 and the longitudinal tertiary mode resonant vibration according to the length L2.
一般に、圧電素子に交番電圧を印加して振動モードを発生させるときには、振動変位の節の位置を歪ませると振動生成効率が良く振動モードを発生させるが、振動変位の腹の位置を歪ませると振動生成効率が悪く振動モードをほとんど発生させない。縦モードを発生させたときの節と腹の位置関係は、図５に示すように、縦１次モードと縦３次モード等の奇数次の縦モードでは中心位置が節の位置になっており、縦２次モード等の偶数次の縦モードでは中心位置が腹の位置になっている。図２(a),(b) に示した縦振動用電極４ｅ、５ｅとグランド電極６ａとの間に交番電圧を印加して振動子１に縦振動を生成させるとき、ちょうど縦振動用電極４ｅ、５ｅが縦１次モード、縦３次モード等の奇数次の縦モードの節の位置にあたり、縦２次モード等の偶数次の縦モードの腹の位置にあたる。このことから、奇数次の縦モードのみが生成され、偶数次の縦モードはほとんど生成されない。また、印加する交番電圧の周波数スペクトルに含まれない共振周波数をもつ縦共振モードもほとんど生成されない。 In general, when generating an oscillation mode by applying an alternating voltage to a piezoelectric element, distorting the position of the node of the vibration displacement generates a vibration mode with good vibration generation efficiency, but if the position of the antinode of the vibration displacement is distorted Vibration generation efficiency is poor and vibration modes are hardly generated. As shown in FIG. 5, the positional relationship between the nodes and the antinodes when the longitudinal mode is generated is such that the center position is the position of the nodes in the odd-order longitudinal modes such as the longitudinal primary mode and the longitudinal tertiary mode. In even-numbered vertical modes such as the vertical secondary mode, the center position is an antinode. When an alternating voltage is applied between the longitudinal vibration electrodes 4e and 5e shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b) and the ground electrode 6a to cause the vibrator 1 to generate longitudinal vibration, the longitudinal vibration electrode 4e is exactly the same. 5e corresponds to the position of the node of the odd-order vertical mode such as the vertical primary mode and the vertical tertiary mode, and corresponds to the position of the antinode of the even-order vertical mode such as the vertical secondary mode. Thus, only odd-order vertical modes are generated, and even-order vertical modes are hardly generated. In addition, a longitudinal resonance mode having a resonance frequency not included in the frequency spectrum of the applied alternating voltage is hardly generated.
なお、上述のとおり、縦振動用電極４ｅ、５ｅが縦１次モード、縦３次モード等の奇数次の縦モードの節の位置にあたることから、長さＬ１に係る縦１次モード振動と長さＬ２に係る縦３次モード振動との間の共通の節の位置に、電気機械エネルギー変換素子の縦振動用電極である電極４ｅ、５ｅが配置されている、ということになる。 As described above, since the longitudinal vibration electrodes 4e and 5e correspond to the positions of nodes of odd-order longitudinal modes such as the longitudinal primary mode and the longitudinal tertiary mode, the longitudinal primary mode vibration and the length according to the length L1 are obtained. This means that the electrodes 4e and 5e, which are the longitudinal vibration electrodes of the electromechanical energy conversion element, are arranged at a common node position between the longitudinal third-order mode vibrations related to the length L2.
このようなことから、本実施例に係る超音波モータでは、長さＬ１に係る縦１次モード振動の共振周波数と長さＬ２に係る縦３次モード振動の共振周波数との比が１：３（限りなく１：３に近い略１：３も含む）になるように、振動子１の２つの長さＬ１、Ｌ２が決定されている。これにより、図２(a),(b) に示した縦振動用電極４ｅ、５ｅとグランド電極６ａとの間に、長さＬ１に係る縦１次モード振動の共振周波数ｆ0とその３倍の共振周波数３ｆ0のスペクトルをもつ交番電圧を印加すると、長さＬ１に係る縦１次モードの共振振動と長さＬ２に係る縦３次モードの共振振動とを生成することができる。 For this reason, in the ultrasonic motor according to the present embodiment, the ratio between the resonance frequency of the longitudinal first-order mode vibration related to the length L1 and the resonance frequency of the longitudinal third-order mode vibration related to the length L2 is 1: 3. The two lengths L1 and L2 of the vibrator 1 are determined so as to be (including about 1: 3, which is nearly 1: 3 as much as possible). As a result, the resonance frequency f 0 of the longitudinal first-order mode vibration relating to the length L1 and the triple thereof between the longitudinal vibration electrodes 4e and 5e and the ground electrode 6a shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). When an alternating voltage having a spectrum with a resonance frequency of 3 f 0 is applied, it is possible to generate a longitudinal primary mode resonant vibration of length L1 and a longitudinal tertiary mode resonant vibration of length L2.
また、印加する交番電圧のスペクトルの周波数ｆ0と３ｆ0との間の振幅の比を調整すると、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度の振幅と長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度の振幅との比を３：１（限りなく３：１に近い略３：１も含む）にすることができる。この場合、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度の振幅と長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度の振幅は、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度をｖ2ｓｉｎ（３ωｔ＋φ）としたときに、ｖ2≒ｖ1／３となる。 Further, when the ratio of the amplitude between the frequencies f 0 and 3f 0 of the spectrum of the alternating voltage to be applied is adjusted, the amplitude of the vibration speed of the longitudinal primary mode related to the length L1 and the longitudinal tertiary mode related to the length L2 The ratio of the vibration speed to the amplitude of the vibration speed can be 3: 1 (including about 3: 1 which is almost 3: 1 as much as possible). In this case, the amplitude of the longitudinal primary mode according to the length L1 and the amplitude of the longitudinal tertiary mode according to the length L2 are expressed as v 1 sin. (.omega.t) and to the vibration velocity of the longitudinal tertiary mode according to the length L2 is taken as v 2 sin (3ωt + φ) , the v 2 ≒ v 1/3.
さらに、印加する交番電圧のスペクトルの周波数ｆ0と３ｆ0との間の位相差を調整すると、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度と長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度との間の位相差をゼロ（限りなくゼロに近い略ゼロも含む）にすることができる。この場合、長さＬ１に係る縦１次モード振動と長さＬ２に係る縦３次モード振動との間の振動速度の位相差は、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度をｖ2ｓｉｎ（３ωｔ＋φ）としたときに、φ≒０となる。 Furthermore, if the phase difference between the frequencies f 0 and 3f 0 of the spectrum of the alternating voltage applied is adjusted, the vibration speed of the longitudinal primary mode according to the length L1 and the vibration speed of the longitudinal tertiary mode according to the length L2. The phase difference between and can be made zero (including almost zero that is almost zero). In this case, the phase difference of the vibration speed between the longitudinal primary mode vibration related to the length L1 and the longitudinal tertiary mode vibration related to the length L2 indicates the vibration speed of the longitudinal primary mode related to the length L1 to v 1. When sin (ωt) is set and the vibration speed of the longitudinal third-order mode related to the length L2 is v 2 sin (3ωt + φ), φ≈0.
また、振動子１において、上述のようにして決定した長さＬ１、Ｌ２以外の、高さ方向の長さや厚み方向の長さ等の形状については、その長さＬ１、Ｌ２を保ったままで、屈曲２次モードの共振周波数が長さＬ１に係る縦１次モードの共振周波数ｆ0と一致するように、決定されている。 Further, in the vibrator 1, with respect to the shapes such as the length in the height direction and the length in the thickness direction other than the lengths L1 and L2 determined as described above, while maintaining the lengths L1 and L2, The resonance frequency of the bending secondary mode is determined so as to coincide with the resonance frequency f 0 of the longitudinal primary mode related to the length L1.
このような構成の振動子１において、縦振動用電極４ｅ、５ｅとグランド電極６ａとの間、及び、屈曲振動用電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとグランド電極６ａとの間に、それぞれ周波数ｆ0の異なる図示しない電圧源を接続して交番電圧を印加し、その２つの電圧源により印加される交番電圧の間に位相差を持たせるように調整すると、縦１次モード振動と屈曲２次モード振動とが合成され、駆動子２が固定された位置の振動変位が楕円になる振動が形成される。そして、このときの駆動子２に接する可動体３が移動する。ここで、更に、縦振動用電極４ｅ、５ｅに接続されている電圧源の交番電圧に３ｆ0の周波数成分を合成して印加するようにすると、縦３次モード振動が更に形成される。また、このときの周波数ｆ0と３ｆ0との間のスペクトル成分の振幅及び位相差を上述のように適当に調整すると、縦振動の振動速度の波形を矩形波に近づけることができる。すなわち、その周波数ｆ0と３ｆ0との間のスペクトル成分の振幅を、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度の振幅と長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度の振幅との比が３：１になるように調整すると共に、その周波数ｆ0と３ｆ0との間のスペクトル成分の位相差を、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度と長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度との間の位相差がゼロになるように調整すると、縦振動の振動速度の波形を矩形波に近づけることができる。このときの振動速度の波形と振動変位の波形との一例を、図６(a),(b) に示す。なお、矩形波に近づけるのは振動速度であり、振動変位の波形は振動速度の波形を積分した形状になるので、同図(a) に示したように振動速度の波形が矩形波に近づくと、同図(b) に示したように振動変位の波形は三角波に近づくことになる。 In the vibrator 1 having such a configuration, between the longitudinal vibration electrodes 4e and 5e and the ground electrode 6a, and the bending vibration electrodes 4a, 4b, 4c, 4d, 5a, 5b, 5c, and 5d and the ground electrode 6a. When a voltage source (not shown) having a different frequency f 0 is connected between the two voltage sources and an alternating voltage is applied, and the alternating voltage applied by the two voltage sources is adjusted to have a phase difference, The primary mode vibration and the bending secondary mode vibration are combined to form a vibration in which the vibration displacement at the position where the driver 2 is fixed is an ellipse. Then, the movable body 3 in contact with the driver 2 at this time moves. Here, if a frequency component of 3f 0 is synthesized and applied to the alternating voltage of the voltage source connected to the longitudinal vibration electrodes 4e and 5e, longitudinal third-order mode vibration is further formed. Further, if the amplitude and phase difference of the spectral components between the frequencies f 0 and 3f 0 at this time are appropriately adjusted as described above, the vibration velocity waveform of the longitudinal vibration can be brought close to a rectangular wave. That is, the amplitude of spectral components between a frequency f 0 and 3f 0, the vibration speed of the vertical first-order mode according to the length L1 of the amplitude and vibration speed of longitudinal third-order mode according to the length L2 of the amplitude The phase ratio of the spectral components between the frequencies f 0 and 3f 0 is adjusted so that the ratio is 3: 1, and the vibration speed of the longitudinal primary mode according to the length L1 and the longitudinal speed according to the length L2 are adjusted. If the phase difference from the vibration speed of the tertiary mode is adjusted to be zero, the vibration speed waveform of the longitudinal vibration can be brought close to a rectangular wave. Examples of the vibration velocity waveform and the vibration displacement waveform at this time are shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). Note that it is the vibration speed that approaches the rectangular wave, and the waveform of the vibration displacement has a shape that integrates the waveform of the vibration speed, so when the waveform of the vibration speed approaches the rectangular wave as shown in Fig. As shown in FIG. 5B, the vibration displacement waveform approaches a triangular wave.
以上、本実施例に係る超音波モータによれば、縦１次モード振動と縦３次モード振動との間での共振周波数の比が１：３になるように構成することできる。これにより、縦１次モード振動と縦３次モード振動とを同時に生成して振動速度の振幅と位相を調整することによって振動速度波形を矩形波に近づけることができる。このように振動速度波形を矩形波に近づけることによって、摺動面（駆動子２と可動体３との接触面）での滑りが減り、その結果、摺動面の磨耗を減らすことができる。 As described above, the ultrasonic motor according to the present embodiment can be configured such that the ratio of the resonance frequency between the longitudinal primary mode vibration and the longitudinal tertiary mode vibration is 1: 3. As a result, the vibration velocity waveform can be approximated to a rectangular wave by simultaneously generating the longitudinal primary mode vibration and the longitudinal tertiary mode vibration and adjusting the amplitude and phase of the vibration velocity. By bringing the vibration velocity waveform closer to a rectangular wave in this way, slipping on the sliding surface (the contact surface between the driver 2 and the movable body 3) is reduced, and as a result, wear on the sliding surface can be reduced.
なお、本実施例に係る超音波モータは、次のような変形が可能である。
例えば、振動子１に設けられる段差は、図３(a) 等に示した形状に限らず、他の形状により構成することも可能である。図７(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g) は、他の形状により構成された段差の変形例を示す図である。但し、何れの例における段差も、振動子における縦振動の振動方向の長さとして異なる２つの長さＬ１、Ｌ２を有するように設けられたものであり、その２つの長さＬ１、Ｌ２は、長さＬ１に係る縦１次モード振動の共振周波数と長さＬ２に係る縦３次モード振動の共振周波数との比が１：３（限りなく１：３に近い略１：３も含む）になるように決定されたものである。また、何れの例における段差も、振動子における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものである。同図(a) に示した振動子に設けられた段差は、図３(a) 等に示した段差に対して凹凸関係が逆になった段差の例である。図７(b) に示した振動子に設けられた段差は、直方体とする振動子における、高さ方向に平行な角部分を切り欠いたときに得られるような段差の例である。同図(c) に示した振動子に設けられた段差は、同図(b) に示した段差に対して凹凸関係が逆になった段差の例である。同図(d) に示した振動子に設けられた段差は、直方体とする振動子における、高さ方向に平行な角部分と厚み方向に平行な角部分とを切り欠いたときに得られるような段差の例である。同図(e) に示した振動子に設けられた段差は、同図(d) に示した段差に対して凹凸関係が逆になった段差の例である。同図(f) に示した振動子に設けられた段差は、振動子１の左右側面に、高さ方向に平行な段差が複数設けられた例である。同図(g) に示した振動子に設けられた段差は、同図(f) に示した段差に対して凹凸関係が逆になった段差の例である。なお、同図(f),(g) に示した段差は、左右方向の長さをＬ１とする直方体の単層素子と、左右方向の長さをＬ２とする直方体の単層素子とを積層することによって得ることもできる。このような他の形状により構成された段差によっても、上述の図３(a) 等に示した段差の場合と同様の効果を得ることができる。
The ultrasonic motor according to the present embodiment can be modified as follows.
For example, the step provided in the vibrator 1 is not limited to the shape shown in FIG. FIGS. 7 (a), (b), (c), (d), (e), (f), and (g) are diagrams showing modified examples of steps formed by other shapes. However, the steps in any of the examples are provided so as to have two different lengths L1 and L2 as lengths in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator, and the two lengths L1 and L2 are: The ratio of the resonance frequency of the longitudinal first-order mode vibration related to the length L1 to the resonance frequency of the longitudinal third-order mode vibration related to the length L2 is 1: 3 (including about 1: 3, which is almost 1: 3). It was decided to become. Further, the steps in any of the examples are provided symmetrically with respect to a plane that passes through the center of the length in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator and is perpendicular to the vibration direction of the longitudinal vibration. The step provided in the vibrator shown in FIG. 3A is an example of a step whose concavo-convex relationship is reversed with respect to the step shown in FIG. The step provided in the vibrator shown in FIG. 7B is an example of a step obtained when a corner portion parallel to the height direction is cut out in a vibrator having a rectangular parallelepiped. The step provided on the vibrator shown in FIG. 10C is an example of a step whose concavo-convex relationship is reversed with respect to the step shown in FIG. The level difference provided on the vibrator shown in Fig. 4 (d) is obtained when the corner part parallel to the height direction and the corner part parallel to the thickness direction are cut out in the vibrator having a rectangular parallelepiped. It is an example of an uneven step. The step provided on the vibrator shown in FIG. 5E is an example of a step in which the concavo-convex relationship is reversed with respect to the step shown in FIG. The step provided in the vibrator shown in FIG. 5F is an example in which a plurality of steps parallel to the height direction are provided on the left and right side surfaces of the vibrator 1. The step provided on the vibrator shown in FIG. 5G is an example of a step whose concavo-convex relationship is reversed with respect to the step shown in FIG. The steps shown in (f) and (g) of FIG. 5 are formed by stacking a rectangular parallelepiped single-layer element having a horizontal length L1 and a rectangular parallelepiped single-layer element having a horizontal length L2. Can also be obtained. The same effect as that of the step shown in FIG. 3A and the like can be obtained by the step formed by such other shapes.
また、例えば、振動子１も、図３(a) 等に示した形状に限らず、他の形状により構成することも可能である。図８(a),(b) は、他の形状により構成された振動子１の変形例を示す図である。同図(a) に示した振動子は、円柱体とする振動子において、その左右側面における外周部分を切り欠いたときに得られるような段差が設けられた例である。同図(b) に示した振動子は、同図(a) に示した振動子に対して段差の凹凸関係が逆になった振動子の例である。但し、何れの例における段差も、振動子における縦振動の振動方向の長さとして異なる２つの長さＬ１、Ｌ２を有するように設けられたものであり、その２つの長さＬ１、Ｌ２は、長さＬ１に係る縦１次モード振動の共振周波数と長さＬ２に係る縦３次モード振動の共振周波数との比が１：３（限りなく１：３に近い略１：３も含む）になるように決定されたものである。また、何れの例における段差も、振動子における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものである。このような他の形状により構成された振動子によっても、上述の図３(a) 等に示した振動子１の場合と同様の効果を得ることができる。 Further, for example, the vibrator 1 is not limited to the shape shown in FIG. 3A and the like, but can be configured by other shapes. FIGS. 8A and 8B are diagrams showing a modification of the vibrator 1 configured in another shape. The vibrator shown in FIG. 5A is an example in which a step is provided in a vibrator having a cylindrical body, which is obtained when the outer peripheral portions of the left and right side surfaces are cut away. The vibrator shown in FIG. 5B is an example of a vibrator in which the unevenness relationship of the steps is reversed with respect to the vibrator shown in FIG. However, the steps in any of the examples are provided so as to have two different lengths L1 and L2 as lengths in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator, and the two lengths L1 and L2 are: The ratio of the resonance frequency of the longitudinal first-order mode vibration related to the length L1 to the resonance frequency of the longitudinal third-order mode vibration related to the length L2 is 1: 3 (including about 1: 3, which is almost 1: 3). It was decided to become. Further, the steps in any of the examples are provided symmetrically with respect to a plane that passes through the center of the length in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator and is perpendicular to the vibration direction of the longitudinal vibration. The same effect as that of the vibrator 1 shown in FIG. 3 (a) and the like can be obtained by the vibrator having such another shape.
本発明の実施例２に係る超音波モータは、実施例１に係る超音波モータに対して、振動子の形状のみが異なり、その他の構成は同じである。そのため、本実施例の説明では、実施例１に係る超音波モータと同一の構成要素については同一の符号を付している。 The ultrasonic motor according to the second embodiment of the present invention is different from the ultrasonic motor according to the first embodiment only in the shape of the vibrator, and the other configurations are the same. Therefore, in the description of the present embodiment, the same components as those of the ultrasonic motor according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
図９は、本実施例に係る超音波モータの構成例を模式的に示す図である。
同図に示したように、本実施例に係る超音波モータの振動子１１は、実施例１に係る超音波モータの振動子１に設けられた段差とは異なる形状の段差を有する。すなわち、実施例１に係る振動子１では縦振動の振動方向の長さとして異なる２つの長さＬ１、Ｌ２を有するように段差（いわゆる一段の段差）が設けられていたのに対し、本実施例に係る振動子１１では縦振動の振動方向の長さとして異なる３つの長さを有するように段差（いわゆる二段の段差）が設けられている。
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the ultrasonic motor according to the present embodiment.
As shown in the figure, the vibrator 11 of the ultrasonic motor according to the present embodiment has a step having a shape different from the step provided on the vibrator 1 of the ultrasonic motor according to the first embodiment. That is, in the vibrator 1 according to the first embodiment, the step (so-called one step) is provided so as to have two different lengths L1 and L2 as the length in the vibration direction of the longitudinal vibration. The vibrator 11 according to the example is provided with steps (so-called two steps) so as to have three different lengths in the vibration direction of the longitudinal vibration.
図１０(a),(b) は、振動子１１に設けられている段差を説明する図である。
同図(a) は、振動子１１の斜視図である。なお、本実施例においても実施例１と同様に、振動子１１の左右方向と言ったときには同図(a) に示したＸ軸方向を指し、振動子１１の厚さ方向と言ったときには同図(a) に示したＹ軸方向を指し、振動子１１の高さ方向と言ったときには同図(a) に示したＺ軸方向を指すものとする。
FIGS. 10A and 10B are diagrams for explaining the steps provided in the vibrator 11.
FIG. 4A is a perspective view of the vibrator 11. In the present embodiment, as in the first embodiment, when referring to the left-right direction of the vibrator 11, it indicates the X-axis direction shown in FIG. When referring to the Y-axis direction shown in FIG. (A) and the height direction of the vibrator 11, the Z-axis direction shown in FIG.
同図(b) は、振動子１１を同図(a) のＹ軸方向に沿って見たときの図である。
同図(b) に示したように、本実施例では、振動子１１における縦振動の振動方向の長さ（振動子１１の左右方向の長さ）として、異なる３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５（Ｌ３＞Ｌ４＞Ｌ５）を有するように、振動子１１の左右側面に段差が設けられている。なお、この段差は、振動子１１における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものでもある。また、その３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５において、長さＬ３は第１の長さの一例であり、長さＬ４は第２の長さの一例である。
FIG. 4B is a diagram when the vibrator 11 is viewed along the Y-axis direction of FIG.
As shown in FIG. 5B, in this embodiment, three lengths L3, L4, which are different in length in the vibration direction of the vibrator 11 (length in the left-right direction of the vibrator 11), Steps are provided on the left and right side surfaces of the vibrator 11 so as to have L5 (L3>L4> L5). This step is also provided symmetrically about a plane that passes through the center of the length of the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator 11 and is perpendicular to the vibration direction of the longitudinal vibration. Of the three lengths L3, L4, and L5, the length L3 is an example of a first length, and the length L4 is an example of a second length.
ここで、その３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５は、長さＬ３に係る縦１次モード振動の共振周波数と、長さＬ４に係る縦３次モード振動の共振周波数と、長さＬ５に係る縦５次モード振動の共振周波数との比が１：３：５（限りなく１：３：５に近い略１：３：５も含む）になるように、決定されたものである。従って、長さＬ３に係る縦１次モード振動の共振周波数をｆ0とすると、長さＬ４に係る縦３次モード振動の共振周波数は３ｆ0、長さＬ５に係る縦５次モード振動の共振周波数は５ｆ0となる。 Here, the three lengths L3, L4, and L5 relate to the resonance frequency of the longitudinal first-order mode vibration related to the length L3, the resonance frequency of the longitudinal third-order mode vibration related to the length L4, and the length L5. The ratio is determined so that the ratio of the longitudinal fifth-order mode vibration to the resonance frequency is 1: 3: 5 (including about 1: 3: 5 which is close to 1: 3: 5 without limitation). Therefore, if the resonance frequency of the longitudinal first-order mode vibration related to the length L3 is f 0 , the resonance frequency of the longitudinal third-order mode vibration related to the length L4 is 3f 0 and the resonance of the longitudinal fifth-order mode vibration related to the length L5. frequency is 5f 0.
また、このようにして決定された長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５以外の、振動子１１における高さ方向の長さや厚み方向の長さ等の形状は、その長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５を保ったままで、屈曲２次モードの共振周波数が長さＬ３に係る縦１次モードの共振周波数ｆ0と一致するように、決定されたものである。 In addition to the lengths L3, L4, and L5 determined as described above, the lengths of the vibrator 11 such as the length in the height direction and the length in the thickness direction are maintained at the lengths L3, L4, and L5. Until, the resonance frequency of the bending secondary mode is determined so as to coincide with the resonance frequency f 0 of the longitudinal primary mode according to the length L3.
なお、振動子１１は、実施例１に係る超音波モータの振動子１に対して形状は異なるが構造は同じである。従って、各電極の位置関係も当然ながら振動子１と同じであり、長さＬ３に係る縦１次モード振動と、長さＬ４に係る縦３次モード振動と、長さＬ５に係る縦５次モード振動との間の共通の節の位置に、電気機械エネルギー変換素子の縦振動用電極である電極４ｅ、５ｅが配置されている、ということになる。 The vibrator 11 is different in shape from the vibrator 1 of the ultrasonic motor according to the first embodiment, but has the same structure. Accordingly, the positional relationship of each electrode is naturally the same as that of the vibrator 1, and the longitudinal primary mode vibration related to the length L3, the longitudinal tertiary mode vibration related to the length L4, and the longitudinal fifth order related to the length L5. This means that the electrodes 4e and 5e, which are longitudinal vibration electrodes of the electromechanical energy conversion element, are arranged at a common node position between the mode vibration and the mode vibration.
このような構成の振動子１１において、縦振動用電極４ｅ、５ｅとグランド電極６ａとの間、及び、屈曲振動用電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとグランド電極６ａとの間に、それぞれ周波数ｆ0の異なる図示しない電圧源を接続して交番電圧を印加し、その２つの電圧源により印加される交番電圧の間に位相差を持たせるように調整すると、縦１次モード振動と屈曲２次モード振動とが合成され、駆動子２が固定された位置の振動変位が楕円になる振動が形成される。そして、このときの駆動子２に接する可動体３が移動する。ここで、更に、縦振動用電極４ｅ、５ｅに接続されている電圧源の交番電圧に３ｆ0と５ｆ0の周波数成分を合成して印加するようにすると、縦３次モード振動と縦５次モード振動が更に形成される。このときの周波数ｆ0と３ｆ0と５ｆ0との間のスペクトル成分の振幅を、長さＬ３に係る縦１次モードの振動速度の振幅と長さＬ４に係る縦３次モードの振動速度の振幅と長さＬ５に係る縦５次モードの振動速度の振幅との比が５：３：１（限りなく５：３：１に近い略５：３：１も含む）になるように調整すると共に、周波数ｆ0と３ｆ0と５ｆ0との間のスペクトル成分の位相差を、長さＬ３に係る縦１次モードの振動速度と長さＬ４に係る縦３次モードの振動速度と長さＬ５に係る縦５次モードの振動速度との間の位相差がゼロ（限りなくゼロに近い略ゼロも含む）になるように調整すると、図１１に示すように、縦振動の振動速度の波形を、より矩形波に近づけることができる。 In the vibrator 11 having such a configuration, between the longitudinal vibration electrodes 4e and 5e and the ground electrode 6a, and the bending vibration electrodes 4a, 4b, 4c, 4d, 5a, 5b, 5c, and 5d and the ground electrode 6a. When a voltage source (not shown) having a different frequency f 0 is connected between the two voltage sources and an alternating voltage is applied, and the alternating voltage applied by the two voltage sources is adjusted to have a phase difference, The primary mode vibration and the bending secondary mode vibration are combined to form a vibration in which the vibration displacement at the position where the driver 2 is fixed is an ellipse. Then, the movable body 3 in contact with the driver 2 at this time moves. Here, if the frequency components of 3f 0 and 5f 0 are combined and applied to the alternating voltage of the voltage source connected to the longitudinal vibration electrodes 4e and 5e, the longitudinal third-order mode vibration and the longitudinal fifth-order are applied. A mode vibration is further formed. At this time, the amplitudes of the spectral components between the frequencies f 0 , 3f 0, and 5f 0 are set as the amplitudes of the vibration speeds of the longitudinal primary mode according to the length L3 and the vibration speeds of the longitudinal tertiary mode according to the length L4. Adjustment is made so that the ratio of the amplitude to the amplitude of the vibration speed of the longitudinal fifth-order mode related to the length L5 is 5: 3: 1 (including about 5: 3: 1 which is almost as close as 5: 3: 1). together, the vibration speed and the length of the longitudinal tertiary mode the phase difference, according to the vibration velocity and the length L4 of the longitudinal primary mode according to the length L3 of the spectral components between a frequency f 0 and 3f 0 and 5f 0 If the phase difference from the vibration speed of the fifth-order longitudinal mode related to L5 is adjusted to zero (including substantially zero that is almost zero), as shown in FIG. Can be made closer to a rectangular wave.
なお、この場合、長さＬ３に係る縦１次モードの振動速度の振幅と、長さＬ４に係る縦３次モードの振動速度の振幅と、長さＬ５に係る縦３次モードの振動速度の振幅は、長さＬ３に係る縦１次モードの振動速度をｖ3ｓｉｎ（ωｔ）とし、長さＬ４に係る縦３次モードの振動速度をｖ4ｓｉｎ（３ωｔ＋φ4）とし、長さＬ５に係る縦５次モードの振動速度をｖ5ｓｉｎ（５ωｔ＋φ5）としたときに、ｖ4≒ｖ3／３、ｖ5≒ｖ3／５となる。 In this case, the vibration velocity amplitude of the longitudinal primary mode according to the length L3, the vibration velocity amplitude of the longitudinal tertiary mode according to the length L4, and the vibration velocity of the longitudinal tertiary mode according to the length L5. As for the amplitude, the vibration speed of the longitudinal first-order mode related to the length L3 is v 3 sin (ωt), the vibration speed of the third-order longitudinal mode related to the length L4 is v 4 sin (3ωt + φ 4 ), and the length L5 the vibration velocity of the longitudinal 5-order mode when the v 5 sin (5ωt + φ 5 ) according becomes v 4 ≒ v 3/3, v 5 ≒ v 3/5.
また、長さＬ３に係る縦１次モード振動と、長さＬ４に係る縦３次モード振動と、長さＬ５に係る縦５次モード振動との間の振動速度の位相差は、長さＬ３に係る縦１次モードの振動速度をｖ3ｓｉｎ（ωｔ）とし、長さＬ４に係る縦３次モードの振動速度をｖ4ｓｉｎ（３ωｔ＋φ4）とし、長さＬ５に係る縦５次モードの振動速度をｖ5ｓｉｎ（５ωｔ＋φ5）としたときに、φ4≒０、φ5≒０となる。 In addition, the phase difference of the vibration speed between the longitudinal first-order mode vibration related to the length L3, the longitudinal third-order mode vibration related to the length L4, and the longitudinal fifth-order mode vibration related to the length L5 is the length L3. The vibration speed of the longitudinal first-order mode according to is v 3 sin (ωt), the vibration speed of the third-order longitudinal mode according to the length L4 is v 4 sin (3ωt + φ 4 ), and the vibration speed of the fifth-order longitudinal mode according to the length L5 is when the vibration velocity was v 5 sin (5ωt + φ 5 ), φ 4 ≒ 0, the φ 5 ≒ 0.
以上、本実施例に係る超音波モータによれば、縦１次モード振動と縦３次モード振動と縦５次モード振動との間での共振周波数の比が１：３：５になるように構成することできる。これにより、縦１次モード振動と縦３次モード振動と縦５次モード振動とを同時に生成して振動速度の振幅と位相を調整することによって、振動速度波形を、より矩形波に近づけることができる。このように、振動速度波形を、より矩形波に近づけることによって、摺動面（駆動子２と可動体３との接触面）での滑りが、より減少し、その結果、摺動面の磨耗を、より減らすことができる。 As described above, according to the ultrasonic motor according to the present embodiment, the ratio of the resonance frequencies among the longitudinal first-order mode vibration, the longitudinal third-order mode vibration, and the longitudinal fifth-order mode vibration is 1: 3: 5. Can be configured. Accordingly, the vibration velocity waveform can be made closer to a rectangular wave by simultaneously generating the longitudinal first-order mode vibration, the longitudinal third-order mode vibration, and the longitudinal fifth-order mode vibration and adjusting the amplitude and phase of the vibration speed. it can. Thus, by making the vibration velocity waveform closer to a rectangular wave, the sliding on the sliding surface (the contact surface between the driver 2 and the movable body 3) is further reduced, and as a result, the sliding surface is worn. Can be reduced more.
なお、本実施例に係る超音波モータは、次のような変形が可能である。
例えば、振動子１１に設けられる段差は、図１０(a) 等に示した形状に限らず、他の形状により構成することも可能である。例えば、図示はしないが、図１０(a) 等に示した段差に対して凹凸関係が逆になった段差とすることも可能である。但し、この場合も、その段差は、振動子における縦振動の振動方向の長さとして異なる３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５を有するように設けられたものであり、その３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５は、長さＬ３に係る縦１次モード振動の共振周波数と長さＬ４に係る縦３次モード振動の共振周波数と長さＬ５に係る縦５次モード振動の共振周波数との比が１：３：５（限りなく１：３：５に近い略１：３：５も含む）になるように決定されたものであるとする。また、その段差は、振動子における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものであるとする。このような他の形状により構成された段差によっても、上述の図１０(a) 等に示した段差の場合と同様の効果を得ることができる。
The ultrasonic motor according to the present embodiment can be modified as follows.
For example, the step provided on the vibrator 11 is not limited to the shape shown in FIG. For example, although not shown in the figure, it is possible to use a step whose concavo-convex relationship is reversed with respect to the step shown in FIG. However, also in this case, the step is provided to have three different lengths L3, L4, and L5 as lengths in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator, and the three lengths L3, L4 and L5 are the ratio of the resonance frequency of the longitudinal first-order mode vibration related to the length L3 to the resonance frequency of the longitudinal third-order mode vibration related to the length L4 and the resonance frequency of the longitudinal fifth-order mode vibration related to the length L5. It is assumed that it is determined to be 1: 3: 5 (including approximately 1: 3: 5, which is nearly 1: 3: 5 as much as possible). Further, it is assumed that the step is provided symmetrically with respect to a plane that passes through the center of the length in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator and is perpendicular to the vibration direction of the longitudinal vibration. The same effect as in the case of the step shown in FIG. 10 (a) and the like can be obtained by the step formed by such other shapes.
また、例えば、振動子１１も、図１０(a) 等に示した形状に限らず、他の形状により構成することも可能である。例えば、図示はしないが、円柱体とする振動子において、その左右側面の外周部分を二段階に切り欠いたときに得られるような段差が設けられた振動子とすることも可能である。但し、この場合の段差も、振動子における縦振動の振動方向の長さとして異なる３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５を有するように設けられたものであり、その３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５は、長さＬ３に係る縦１次モード振動の共振周波数と長さＬ４に係る縦３次モード振動の共振周波数と長さＬ５に係る縦５次モード振動の共振周波数との比が１：３：５（限りなく１：３：５に近い略１：３：５も含む）になるように決定されたものであるとする。また、その段差は、振動子における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものであるとする。このような他の形状により構成された振動子によっても、上述の図１０(a) 等に示した振動子１１の場合と同様の効果を得ることができる。 Further, for example, the vibrator 11 is not limited to the shape shown in FIG. 10A and the like, but can be configured by other shapes. For example, although not shown in the figure, a vibrator having a cylindrical body may be a vibrator provided with a level difference that is obtained when the outer peripheral portions of the left and right side surfaces are cut out in two stages. However, the step in this case is also provided to have three different lengths L3, L4, and L5 as lengths in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator, and the three lengths L3, L4, L5 has a ratio of the resonance frequency of the longitudinal first-order mode vibration related to the length L3 to the resonance frequency of the longitudinal third-order mode vibration related to the length L4 and the resonance frequency of the longitudinal fifth-order mode vibration related to the length L5. It is assumed that it is determined to be 3: 5 (including approximately 1: 3: 5, which is almost 1: 3: 5 as much as possible). Further, it is assumed that the step is provided symmetrically with respect to a plane that passes through the center of the length in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator and is perpendicular to the vibration direction of the longitudinal vibration. The same effect as that of the vibrator 11 shown in FIG. 10 (a) and the like can be obtained by using the vibrator having such another shape.
以上、実施例１及び２に係る超音波モータについて説明したが、振動子に設けられる段差は、実施例１及び２で説明したような段差、すなわち振動子における縦振動の振動方向の長さとして２つ又は３つの長さを有するように設けられた段差に限らず、その長さとして４つ以上の長さを有するように設けられた段差とすることも可能である。但し、この場合、その４つ以上の長さは第１の長さと３つ以上の長さとからなり、その３つ以上の長さの各々は、当該長さに係るｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動の共振周波数が、第１の長さに係る１次モードの縦振動の共振周波数に対して略ｎ倍になる、という長さとする。ここで、その３つ以上の長さは第２の長さを含み、その第２の長さに係る３次モードの縦振動の共振周波数が、第１の長さに係る１次モードの縦振動の共振周波数に対して略３倍になる、とすることもできる。また、段差は、振動子における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つ縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられるものとする。さらに、振動子において、第１の長さに係る１次モードの縦振動と３つ以上の長さの各々に係るｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動との間の共通の節の位置に、電気機械エネルギー変換素子の電極が配置されるものとする。また、第１の長さに係る１次モードの縦振動と３つ以上の長さの各々に係るｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動との間の振動速度の位相差は、第１の長さに係る１次モードの縦振動の振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、３つ以上の長さの各々について、当該長さに係るｎ次モードの縦振動の振動速度をｖｓｉｎ（ｎωｔ＋φ）としたときに、３つ以上の長さの各々についてφ≒０となる、とする。さらに、第１の長さに係る１次モードの縦振動の振動速度の振幅と３つ以上の長さの各々に係るｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動の振動速度の振幅は、第１の長さに係る１次モードの縦振動の振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、３つ以上の長さの各々について、当該長さに係るｎ次モードの縦振動の振動速度をｖｓｉｎ（ｎωｔ＋φ）としたときに、３つ以上の長さの各々についてｖ≒ｖ1／ｎとなる、とする。このような構成によっても、上述の実施例１及び２に係る超音波モータの場合と同様の効果を得ることができる。 As described above, the ultrasonic motors according to the first and second embodiments have been described. However, the step provided in the vibrator is the step as described in the first and second embodiments, that is, the length in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator. The step is not limited to the step provided to have two or three lengths, but may be a step provided to have four or more lengths. However, in this case, the four or more lengths include a first length and three or more lengths, and each of the three or more lengths is an n-order mode (n is 3). The resonance frequency of the above-mentioned odd number) longitudinal vibration is assumed to be approximately n times the resonance frequency of the longitudinal vibration of the first-order mode related to the first length. Here, the three or more lengths include the second length, and the resonance frequency of the longitudinal vibration of the third-order mode related to the second length is equal to the longitudinal length of the first-order mode related to the first length. It can also be about three times the resonance frequency of vibration. Further, the step is provided symmetrically with respect to a plane that passes through the center of the length in the vibration direction of the longitudinal vibration in the vibrator and is perpendicular to the vibration direction of the longitudinal vibration. Further, in the vibrator, a common between the longitudinal vibration of the first-order mode related to the first length and the longitudinal vibration of the n-order mode (n is an odd number of 3 or more) related to each of the three or more lengths. It is assumed that the electrode of the electromechanical energy conversion element is disposed at the position of the node. The phase difference of the vibration speed between the longitudinal vibration of the first-order mode according to the first length and the longitudinal vibration of the n-order mode (n is an odd number of 3 or more) according to each of the three or more lengths is The vibration speed of the longitudinal vibration of the first-order mode according to the first length is v 1 sin (ωt), and the vibration speed of the longitudinal vibration of the n-order mode according to the length for each of the three or more lengths. Is set to vsin (nωt + φ), and φ≈0 for each of the three or more lengths. Furthermore, the amplitude of the vibration velocity of the longitudinal vibration of the primary mode according to the first length and the amplitude of the vibration velocity of the longitudinal vibration of the n-order mode (n is an odd number of 3 or more) according to each of the three or more lengths. Is the vibration velocity of the longitudinal vibration of the first-order mode related to the first length, v 1 sin (ωt), and the vibration of the longitudinal vibration of the n-order mode related to the length for each of the three or more lengths. Assume that v≈v 1 / n for each of the three or more lengths when the speed is v sin (nωt + φ). Even with such a configuration, the same effects as those of the ultrasonic motors according to the first and second embodiments can be obtained.
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上述した各実施例に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to each Example mentioned above, A various improvement and change are possible within the range which does not deviate from the summary of this invention.
１ 振動子
２ 駆動子
３ 可動体
４ 単層素子
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ 電極
５ 単層素子
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ 電極
６ 単層素子
６ａ 電極
１１ 振動子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibrator 2 Driver 3 Movable body 4 Single layer element 4a, 4b, 4c, 4d, 4e Electrode 5 Single layer element 5a, 5b, 5c, 5d, 5e Electrode 6 Single layer element 6a Electrode 11 Vibrator
Claims (5)
前記振動子に固定された駆動子に押圧接触し、前記振動子に前記楕円振動が形成されたときに前記振動子に対して一軸方向に相対移動する可動体と、
を含み、
前記段差は、前記振動子における前記縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つ前記縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられ、
前記異なる複数の長さは、第１の長さと、第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さとからなり、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々は、当該長さにより決まるｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動の共振周波数が、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の共振周波数に対して略ｎ倍になる、という長さである、
ことを特徴とする超音波モータ。 Degenerate longitudinal vibration of the first mode and the bending vibration of the secondary mode, to form an elliptical vibration by providing a phase difference between the two vibrations, a plurality of lengths which differ as the length of the vibration direction of the longitudinal vibration A vibrator provided with a step so as to have a thickness ;
A movable body that presses and contacts a driver fixed to the vibrator and moves relative to the vibrator in a uniaxial direction when the elliptical vibration is formed on the vibrator;
Including
The step is provided symmetrically about a plane that passes through the center of the length of the longitudinal vibration in the vibrator and is perpendicular to the vibration direction of the longitudinal vibration.
The plurality of different lengths includes a first length and a plurality of different lengths including the second length or the second length, and the second length or the second length is defined as the second length or the second length. Each of the different lengths including the resonance frequency of the longitudinal vibration of the n-order mode (n is an odd number of 3 or more) determined by the length is the resonance frequency of the longitudinal vibration of the primary mode determined by the first length. The length is approximately n times the frequency.
An ultrasonic motor characterized by that.
ことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。 The resonance frequency of the longitudinal vibration of a more determined third mode to the second length, triples substantially against the resonance frequency of the longitudinal vibration of a more determined first mode to said first length,
The ultrasonic motor according to claim 1 .
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波モータ。 In the vibrator, the more determined n-th order mode in each of the first length of more determined first mode longitudinal vibration and the second length or the different lengths first including second length The electrode of the electromechanical energy conversion element is arranged at a common node position between the longitudinal vibration and
The ultrasonic motor according to claim 1 or 2 .
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の超音波モータ。 Between the longitudinal vibration of a more determined n-th order mode in each of said first length to a more determined first mode longitudinal vibration and the second length or the different lengths first including second length the phase difference between the vibration velocity of the vibration velocity of the longitudinal vibration of a more determined first mode to said first length v 1 and sin (.omega.t), including the second length or the second length for each of a plurality of different lengths, the vibration velocity of the longitudinal vibration of a more determined n-th order mode in the length when the vsin (nωt + φ), including different second length or the second length For each of a plurality of lengths, φ≈0.
The ultrasonic motor according to any one of claims 1 to 3 , wherein:
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超音波モータ。 More determined n-th order mode in each of said first length to a more determined first mode vertical vibration speed of the vibration amplitude and the second length or the different lengths first including second length the amplitude of the vibration velocity of the longitudinal vibration, the vibration velocity of the longitudinal vibration of a more determined first mode to said first length v 1 and sin (.omega.t), the second length and the second length for different each of a plurality of lengths including, a vibration velocity of the longitudinal vibration of a more determined n-th order mode in the length when the vsin (nωt + φ), including the second length or the second length V≈v 1 / n for each of the different lengths,
The ultrasonic motor according to any one of claims 1 to 4 , wherein the ultrasonic motor is provided.
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