JP2008160913A - 超音波モータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 超音波モータ10は、複数の圧電セラミックスシート46が交互に積層された振動子1,2と、振動子1,2に2相の共通する駆動交番電圧を印加する制御装置60とを有し、振動子1,2に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、振動子1,2の摩擦接触子50に略楕円振動を生じさせて、振動子1,2とこれに接触するロータ6とを相対的に移動させるモータあって、制御装置60が、振動子1,2の振動を検出し平均の振動検出信号を出力する振動検出回路66と、振動子1,2に印加する2相の駆動交番電圧の何れか一方と平均振動検出信号との位相差を検出する位相比較回路68と、この位相差が所定の値となるように駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御回路70とを備える。
【選択図】図16
Description
(1)ギヤなしで高トルクが得られる。
(2)電気OFF時に保持力がある。
(3)高分解能である。
(4)静粛性に富んでいる。
(5)磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
本発明は、第1の圧電素子と第2の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子と、複数の該超音波振動子に2相の共通する駆動交番電圧を印加する制御部とを有し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、前記制御部が、各前記超音波振動子の振動を検出し、平均の振動検出信号を出力する振動検出手段と、各前記超音波振動子に印加する2相の前記駆動交番電圧の何れか一方と前記平均の振動検出信号との位相差を検出する位相比較手段と、該位相比較手段により検出される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御手段とを備える超音波モータを提供する。
なお、振動検出手段とは、第1の実施形態においては、振動子1に設けられたC相の内部電極56(例えば、図9,図10参照)と振動子2に設けられたC相の内部電極56と振動検出回路66(図16参照)とを含むものとする。
なお、振動検出手段とは、第2の実施形態においては、振動子1に設けられたC相の内部電極56(例えば、図9,図10参照)と振動子2に設けられたC相の内部電極56と振動検出回路82,84(図21参照)とを含むものとする。
この結果、被駆動体の回転のムラの発生を防ぐとともに、モータの駆動効率を一定に保持することができ、安定したモータの駆動方法を実現させることができる。
この結果、被駆動体の回転のムラの発生を防ぐとともに、例えば、各超音波振動子の共振周波数に比較的大きな差がある場合でも、駆動力が大きい安定したモータ駆動を実現させることができる。
〔第1の実施形態〕
図1は、本実施形態に係る超音波モータ10の平面図であり、図2は、図1のA−A矢視断面図である。
本実施形態に係る超音波モータ10は、図1に示されるように、円環形状をした回転型モータである。
超音波モータ10は、モータ機構12と、後述する制御装置(制御部)60(図16参照)とを備えている。
なお、摺動部材8は、例えば、アルミナセラミクスが用いられる。
ロータ6には、その一部に半径方向内方に突出する出力取り出し部28が設けられている。
前記板バネ保持部材16は、振動子1,2に押圧力を付与する板バネ30を備え、ネジ32(図1参照)によりカバー14に固定されるようになっている。図3および図4に示すように、板バネ30にはその中央部に突起32が設けられ、振動子1,2の略中央位置に押圧力を加えるようになっている。
なお、図2の符号38はベース4とカバー14の連結部材を、図3および図4の符号42はビスを、符号44はネジ32を通す穴を示し、図5の符号40はネジ32のネジ穴を示している。
振動子1,2は、図6に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート(電気機械変換素子)46の片側面にシート状の内部電極56(図9および図10参照)を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体48と、該圧電積層体48の一側面に接着された2個の摩擦接触子50(出力端)と、振動子保持部材52とを備えている。
内部電極56(C+)は、圧電セラミックスシート46の幅方向の中央部において、圧電セラミックスシート46の長さ方向に沿って帯状に設けられている。具体的には、内部電極56(C+)は、図13に示すように、圧電セラミックスシート46を長手方向に2等分および幅方向に2等分して第1の領域乃至第4の領域からなる4つの領域に区分した場合に、第1から第4の各領域における占有面積が略等しくなるように配置されている。
内部電極56(C−)は、図10に示した圧電セラミックスシート46において、図9に示した圧電セラミックスシート46における内部電極56(C+)に対応する位置に配置されている。同様に、内部電極56(A−),56(B−)についても、図9に示した内部電極56(A+),56(B+)にそれぞれ対応する位置に配置されている。
図9に示される圧電セラミックスシート46と、図10に示される圧電セラミックスシート46とは交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体48を構成している。
具体的には、図6〜図8に示されるように、圧電積層体48の長さ方向の一端には、圧電積層体48の他側面の側(図において上側)からC相の外部電極58(C+),B相の外部電極58(B+),58(B−)が設けられ、これに対向する面には、C相の外部電極58(C−),A相の外部電極58(A+),58(A−)が設けられている。
具体的には、A相の外部電極58(A+),58(A−)にそれぞれ接続される1対の配線、並びに、B相の外部電極58(B+),58(B−)にそれぞれ接続される1対の配線は、図16に示されるように、それぞれA相、B相の駆動用信号線として、制御装置60のドライブIC64に接続される。
同様に、振動子1のC相の外部電極58(C−)および振動子2のC相の外部電極58(C−)にそれぞれ接続される1対の配線L2は、制御装置60の振動検出回路66に接続される。
A相の外部電極58(A+),58(A−)およびB相の外部電極58(B+),58(B−)に同位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加すると、図11に示されるような1次の縦振動が励起されるようになっている。また、このとき、前述した圧電セラミックスシート46に生ずる電荷は、例えば、図13に示すように、圧電セラミックシート46を4つの領域に区分した場合、図14に示すように、第1の領域から第4の領域において正電荷もしくは負電荷が同時に励起された状態となる。
なお、対をなす内部電極56(C+),56(C−)には、互いに異符号の電荷がそれぞれ励起されることとなる。
圧電積層体48を製造するには、まず、圧電セラミックスシート46を製造する。圧電セラミックスシート46は、例えば、PZTの仮焼粉末と所定のバインダとを混合して作成された泥しょうをドクターブレード法によってフィルム(図示せず)上にキャスティングした後に乾燥し、フィルムから剥離することにより製造する。製造された圧電セラミックスシート46にはそれぞれ内部電極56のパターンを有するマスクを用いて内部電極材料を印刷する。
最後に、対向する内部電極56間に直流高電圧を加えることにより圧電セラミックスシート46を分極処理し、圧電的に活性化する。
なお、摩擦接触子50は、例えば、PPS樹脂中にチタン酸カリウムの繊維、カーボンの繊維、PTFE(4フッ化エチレン)等が混入された素材からなる。
保持部52aは、圧電積層体48の幅方向の一側から圧電積層体48を囲むようにして、例えば、シリコン樹脂またはエポキシ樹脂により圧電積層体48に接着されている。保持部52aが圧電積層体48に接着された状態で、保持部52aの両側面に一体的に設けられた2つのピン54は同軸に配置されるようになっている。
図16に示すように、制御装置60は、2相の駆動制御信号を発生する駆動パルス発生回路62と、該駆動パルス発生回路62から出力される駆動制御信号に基づいて駆動交番電圧を生成するドライブIC64と、振動子1,2の振動を検出する振動検出回路66と、該振動検出回路66から出力される振動検出信号と前記駆動パルス発生回路62から発生される駆動制御信号との位相差を求める位相比較回路(位相比較手段)68と、前記位相差に応じて振動子1,2に印加する駆動交番電圧を制御する周波数制御回路(周波数制御手段)70と、周波数設定回路72と、方向指示回路74とを備えている。
なお、図19において、横軸は駆動周波数f(kHz)を、縦軸はモータ速度を示している。
そこで、本実施形態においては、上述のように、A相の駆動制御信号と平均振動検出信号との位相差φが、常に一定の値となるように、駆動周波数を制御することとしている。
なお、図20において、横軸は駆動周波数f(kHz)を、縦軸は位相差φを示している。
なお、基準位相差φrefの値については、特に限定されることなく、超音波モータ10の駆動効率、換言すると、所望のモータ速度に応じて設計事項により任意に決定できる。
まず、駆動パルス発生回路62から所定の駆動周波数、および、所定の位相差θ(=90°)の2相の駆動制御信号がドライブIC64に入力され、これに基づいて、所定の位相差、および、所定の駆動周波数の2相の駆動交番電圧が振動子1および振動子2の上述したA相の外部電極58(A+),58(A−)、およびB相の外部電極58(B+),58(B−)にそれぞれ印加される。
これにより、振動子1および振動子2には、縦振動と屈曲振動とが同時に励起され、摩擦接触子50に略楕円振動が発生し、その楕円振動の接線方向に沿ってロータ6(図2参照)との間に生ずる摩擦力により、ロータ6が回転させられることになる。
周波数制御回路70において、差分Δφの符号(プラス、または、マイナス)に基づいて周波数の変化量Δfの符号(プラス、または、マイナス)が決められ、この変化量Δfが周波数設定回路72に出力される。
これにより、A相の駆動制御信号と平均振動検出信号との位相差φが基準位相差φrefとなるようなフィードバック制御が行われることとなり、温度変化に追従した所望の駆動周波数で図1に示した超音波モータ10を駆動することが可能となる。その結果、温度変化にかかわらずに常に安定したモータ駆動を実現させることができる。
なお、上記構成に変えて、振動子1および振動子2の振動を個別に検出し、これらの各振動検出信号を平均化することにより、平均振動検出信号を得ることとしてもよい。
次に、本発明の第2の実施形態に係る超音波モータについて、図21〜図23を参照して説明する。
本実施形態に係る超音波モータは、その制御装置が、各振動子に対して、それぞれ振動検出回路および位相比較回路を備え、さらに選択回路を備えている点で、上述した第1の実施形態と異なる。以下、本実施形態の超音波モータについて、上述した第1の実施形態に係る超音波モータ10と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。
制御装置80は、振動子1の振動を検出する振動検出回路82と、振動子2の振動を検出する振動検出回路84と、A相の駆動制御信号と前記振動検出回路82から出力される振動検出信号との位相差を検出する位相比較回路86と、A相の駆動制御信号と前記振動検出回路84から出力される振動検出信号との位相差を検出する位相比較回路88と、前記位相比較回路86,88により検出されたそれぞれの位相差の内、最大となる位相差を選択し、基準位相差φrefとの差分Δφを出力する選択回路(選択手段)90とを備えている。
同様に、振動子2の縦振動が振動検出回路84により検出され、その振動検出信号が位相比較回路88に出力される。位相比較回路88は、この振動検出信号とA相の駆動制御信号との位相差φ2を求め、この位相差φ2を選択回路90へ出力する。
周波数制御回路70は、選択回路90から与えられた差分Δφに基づいて制御を行う。
図22に振動子1,2の駆動周波数と駆動力の関係の一例を示す。この図において、横軸は駆動周波数f(kHz)、縦軸は駆動力を示している。図22に示すように、例えば、振動子1の共振周波数をf1、振動子2の共振周波数をf2(f2>f1)とした場合、各振動子1,2は、それぞれの共振周波数f1,f2で駆動した場合に最大の駆動力を得る。また、駆動周波数が共振周波数f1,f2よりも大きくなると駆動力は緩やかに減少し、駆動周波数が共振周波数f1,f2よりも小さくなると駆動力は急激に減少する。
したがって、駆動周波数が共振周波数からずれる場合、駆動周波数が共振周波数よりも高い方へずれる方が、駆動力の低減を抑制できることとなる。
6 ロータ(被駆動体)
10 超音波モータ
46 圧電セラミックスシート(第1の圧電素子,第2の圧電素子)
50 摩擦接触子(出力端)
60 制御装置(制御部)
66 振動検出回路
66 位相比較回路(位相比較手段)
70 周波数制御回路(周波数制御手段)
Claims (6)
- 第1の圧電素子と第2の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子と、複数の該超音波振動子に2相の共通する駆動交番電圧を印加する制御部とを有し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、
前記制御部が、
各前記超音波振動子の振動を検出し、平均の振動検出信号を出力する振動検出手段と、
各前記超音波振動子に印加する2相の前記駆動交番電圧の何れか一方と前記平均の振動検出信号との位相差を検出する位相比較手段と、
該位相比較手段により検出される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御手段と
を備える超音波モータ。 - 第1の圧電素子と第2の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子と、複数の該超音波振動子に2相の共通する駆動交番電圧を印加する制御部とを有し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、
前記制御部が、
各前記超音波振動子の振動を検出し、各振動検出信号を出力する振動検出手段と、
各前記超音波振動子に印加する2相の前記駆動交番電圧の何れか一方と各前記振動検出信号との位相差をそれぞれ検出する位相比較手段と、
該位相比較手段により検出された複数の前記位相差の内、最大となる位相差を選択する選択手段と、
該選択手段により選択される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御手段と
を備える超音波モータ。 - 前記振動検出信号が、各前記超音波振動子の縦振動に比例する縦振動検出信号または屈曲振動に比例する屈曲振動検出信号である請求項1または請求項2に記載の超音波モータ。
- 第1の圧電素子と第2の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子に2相の共通する駆動交番電圧を印加し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの駆動方法であって、
各前記超音波振動子の振動を検出し、平均の振動検出信号を出力する振動検出過程と、
各前記超音波振動子に印加する2相の前記駆動交番電圧の何れか一方と前記平均の振動検出信号との位相差を検出する位相比較過程と、
該位相比較過程により検出される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御過程と
を備える超音波モータの駆動方法。 - 第1の圧電素子と第2の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子に2相の共通する駆動交番電圧を印加し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの駆動方法であって、
各前記超音波振動子の振動を検出し、各振動検出信号を出力する振動検出過程と、
各前記超音波振動子に印加する2相の前記駆動交番電圧の何れか一方と各前記振動検出信号との位相差をそれぞれ検出する位相比較過程と、
該位相比較過程により検出された複数の前記位相差の内、最大となる位相差を選択する選択過程と、
該選択過程により選択される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御過程と
を備える超音波モータの駆動方法。 - 前記振動検出信号が、各前記超音波振動子の縦振動に比例する縦振動検出信号または屈曲振動に比例する屈曲振動検出信号である請求項4または請求項5に記載の超音波モータの駆動方法。
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