JP2589721B2 - 振動波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電磁力によらないで、機械的動力を発生す
る振動波モータに関するもので、とくに、カメラ等の小
型のポータブル機器に搭載するのに好適な小型にして、
かつ、軽量な振動波モータに関するものである。

［従来の技術］ 広義のモータである回転動力発生機には、動力発生原
理によって種々のものが知られているが、電磁力を利用
して機械的回転力を発生させる電気モータが、最も小型
で実用性が高いため、該モータが狭義のモータとして知
られている。

この電気モータは、近年の技術進歩によって非常に小
型化できるようになったため、カメラを初めとして種々
の小型のポータブル機器にも、小型の電気モータが搭載
され、該モータが該機器の性能の向上に寄与している。

しかしながら、カメラ等に搭載されている小型の電気
モータは、高速回転はできるが、低速回転で大トルクを
発生することができないので、減速機構が必要であり、
したがって、その減速機構のために該モータと該減速機
構とを含めた動力発生装置の体積が、かなり大きくなっ
てしまうという欠点があった。このため、減速機構を必
要としないので、低速での大トルクを発生することがで
きて、しかも、小型で、かつ、軽量のモータの開発が望
まれていた。

このような事情を背景として、近年、電気−機械エネ
ルギー変換素子を動力発生源として利用しようとする試
みが行なわれた結果、電気−機械エネルギー変換素子に
よって生ずる超音波振動を回転運動に変換させる形式の
振動波モータが、最近において、開発されている。

この公知の振動波モータは、円環形のステータと円環
形のロータとを有しており、該ステータの端面に環状に
接着されている電気−機械エネルギー変換素子によって
該ステータに進行性の弾性表面波を発生させ、これによ
り該ステータの端面に接している該ロータを回転させる
ように構成されている。

この公知の振動波モータは、低速で大トルクを発生す
ることができるので、減速機構が不要となり、したがっ
て、カメラ等のオートフォーカス用モータとして好適で
はあるが、この公知の振動波モータでは、ステータに生
じる振動が、該ステータを支持および加圧することによ
り大きく減衰してしまい、振動減衰のないように該ステ
ータを支持および加圧することが難かしいという問題点
があった。

そこで、本出願人が、さきに出願した特願昭61−2862
42号の振動波モータでは、振動の節のはっきりしている
定在波型の振動子を用いることによって、円環型のステ
ータよりも、かなり小さなモータとなり、また支持によ
る振動減衰が抑えられる特徴をもっている。

そして、従来の振動波モータにおけるステータへの給
電方法は、第２図に示すように、ステータ本体１の上下
面および両側面の中央部に加圧接着した４枚−電気−機
械エネルギー変換素子２（Ａ）,2（Ｂ）,2（Ｃ）,2
（Ｄ）のうち、対向した２枚の該変換素子２（Ａ）,2
（Ｃ）を１組とし、また該変換素子２（Ｂ）,2（Ｄ）を
もう１組として、その１組にある周波数と振幅の交番電
圧を加え、もう１組には該交番電圧と位相差をもった別
の交番電圧を加えることで、ステータ本体１を励振さ
せ、２方向のたわみ振動を起こさせていた。

［発明が解決しようとする問題点］ 第２図で説明した従来の振動波モータの給電方法によ
ると、信号の流れは、発振器→（移相器）→増幅器→電
気−機械エネルギー変換素子→ステータ本体というオー
プンループの形となり、ステータ本体１に何かの外乱が
起こった際に、たとえば、該ステータ本体１に移動体を
強く押しあてると、その押したてた方向の振動の共振周
波数が増加するが、給電の周波数、交番電圧振幅、該位
相差等は、なんら変化せずに給電を続けるため、最初に
設定した該ステータ本体１を最適に動かそうとする給電
状態よりはずれてしまい、該ステータ本体１と接触して
いる移動体の移動力および移動速度が小さくなったり、
該移動体が全く動かなくなってしまうこともあるという
問題点がある。その他、外乱としては、温度、湿度、加
圧力、負荷トルクなどもある。

またステータ本体１および電気−機械エネルギー変換
素子２（Ａ）,2（Ｂ）,2（Ｃ）,2（Ｄ）の製作誤差、該
ステータ本体１と該変換素子２（Ａ）,2（Ｂ）,2
（Ｃ）,2（Ｄ）との加圧接着位置精度、接着層厚さのば
らつき、材料定数のばらつき、材質のばらつき等によ
り、ステータ個々の特性も、かなりばらついてくる。こ
のばらつきにより、２方向振動の周波数および振幅のば
らつき、振動方向の傾き等がでてくる。したがって、同
じように給電しても、該ステータ本体１の振動がそれぞ
れ違ったものになるという問題点がある。

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするも
のである。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本願第１の発明では、発振
手段からの周波信号が印加される第一の駆動用電気−機
械エネルギー変換素子部と、該第一の変換素子部に印加
される周波信号に対して所定の位相差を有する周波信号
が印加される第二の駆動用電気−機械エネルギー変換素
子部とが配設された棒状振動体を有し、前記第一および
第二の変換素子部への前記周波信号の印加にてそれぞれ
異なる方向に定在波振動を形成して異なる方向のたわみ
振動を前記棒状振動体に発生させ、該たわみ振動の合成
にて駆動力を得る振動波モータにおいて、前記第一の駆
動用変換素子部の作用にて発生した定在波振動を検知す
る第一の振動検知用電気−機械エネルギー変換素子部と
前記第二の駆動用変換素子部の作用にて発生した定在波
振動を検知する第二の振動検知用電気−機械エネルギー
変換素子部とを前記棒状振動体に設けるとともに、該第
一の振動検知用変換素子部の出力と第二の振動検知用変
換素子部の出力との間の位相差を検知する位相差検知手
段と、該位相差検知手段の出力に応じて前記第一および
第二の駆動用変換素子部に印加される周波信号の位相差
を制御する位相差調定手段とを設け、前記第一および第
二の振動検知用変換素子部の出力間の位相差を所定位相
差に規制するようにしている。

また、本願第２の発明では、発振手段からの周波信号
が印加される第一の駆動用電気−機械エネルギー変換素
子部と、該第一の変換素子部に印加される周波信号に対
して所定の位相差を有する周波信号が印加される第二の
駆動用電気−機械エネルギー変換素子部とが配設された
棒状振動体を有し、前記第一および第二の変換素子部へ
の前記周波信号の印加にてそれぞれ異なる方向に定在波
振動を形成して異なる方向のたわみ振動を前記棒状振動
体に発生させ、該たわみ振動の合成にて駆動力を得る振
動波モータにおいて、前記第一の駆動用変換素子部の作
用にて発生した定在波振動を検知する第一の振動検知用
電気−機械エネルギー変換素子部と前記第二の駆動用変
換素子部の作用にて発生した定在波振動を検知する第二
の振動検知用電気−機械エネルギー変換素子部とを前記
棒状振動体に設けるとともに、該第一の振動検知用変換
素子部の出力に応じて前記第一の駆動用変換素子部に印
加される周波信号のレベルを調定する第一のレベル調定
手段と、前記第二の振動検知用変換素子部の出力に応じ
て前記第二の駆動用変換素子部に印加される周波信号の
レベルを調定する第二のレベル調定手段とを設け、前記
第一および第二の駆動用変換素子部にて形成される定在
波振動レベルを所定の関係に規制するようにしている。

［作用］ 本発明によれば、従来のようなオープンループ給電方
式ではなく、棒状振動体の振動状態を振動検知用変換素
子で検出し、外乱や該棒状振動体の特性のばらつきに対
しても、前記振動状態が一定になるように、該振動検知
用変換素子からの信号をフィードバックし、給電をクロ
ーズドループ的な制御系とすることにより、振動波モー
タとして安定した出力が得られる。

［実施例］ 第１図は本発明の第１実施例を示している。

第１図において、１は振動棒であるステータ本体で、
このステータ本体１は、第２図の切断線Ａ−Ａ′に沿う
断面で示されている。

また２（Ａ）,2（Ｂ）,2（Ｃ）,2（Ｄ）は、該ステー
タ本体１の４側面にそれぞれ加圧接着された電気−機械
エネルギー変換素子で、このうち、該変換素子２（Ａ）
は前記ステータ本体１を垂直方向に励振させるために設
けられており、該変換素子２（Ｂ）は同じく水平方向に
励振させるために設けられている。また該変換素子２
（Ｃ）は前記ステータ本体１の垂直方向の振動を検出す
るための振動センサとして設けられており、該変換素子
２（Ｄ）は同じく水平方向の振動を検出するための振動
センサとして設けられている。そして、ステータ本体１
が振動している時の該変換素子２（Ｃ）,2（Ｄ）のセン
サ出力交番電圧の振幅は、ステータ本体１の振動の振幅
に比例する。

また３は前記変換素子２（Ａ）,2（Ｂ）に給電する給
電する交番電圧の素を発生する発振器、４は該発振器３
の交番電圧の位相差を変化させる移相器、５と６は該発
振器３または移相器４からの交番電圧の振幅を増進する
ための増幅器（Ａ）と増幅器（Ｂ）であり、増幅された
交番電圧はそれぞれ前記変換素子２（Ａ）,2（Ｂ）へ給
電される。７は前記増幅器５（または増幅器６）の出力
と振動センサとしての該変換素子２（Ｃ）（または該変
換素子２（Ｄ）の出力から垂直方向振動（または水平方
向振動）の共振点を求めて接続された発振器３の発振周
波数を制御する共振点追従回路、８前記振動センサとし
ての該変換素子２（Ｃ）からの入力によって垂直方向振
動の振幅を知って可変抵抗11により設定された振幅にな
っているかを比較してその出力により、接続された増幅
器５を制御する振幅追従回路（Ａ）（特許請求の範囲に
いうレベル調定手段）、９は水平方向振動に対して前記
振幅追従回路８と同様な働きをする振幅追従回路（Ｂ）
（特許請求の範囲にいうレベル調定手段）、10は振動セ
ンサとしての該変換素子２（Ｃ）,2（Ｄ）から得られる
２信号の位相差を検出して接続された移相器４を制御す
る位相追従回路（特許請求の範囲にいう位相差検知手段
兼位相差調定手段）である。

第１図に示すような回路を有する振動波モータにおい
ては、動作原理については、従来の振動波モータと同様
であるので、その原理についての説明は省略するが、第
１図および第３図により、動作を説明する。

ここで、第３図に示すような周波数特性を示すステー
タを考え、該ステータの振動軌跡を円にすることを考え
る。

第３図中、曲線Ａは該ステータの垂直方向振動の振幅
を表わし、曲線Ｂは水平方向振動の振幅を表わす。また
曲線C,Dはそれぞれ増幅器5,6とセンサとしての該変換素
子２（Ｃ）,2（Ｄ）との位相差を示している。ここで、
垂直方向と水平方向の振動は、外乱により、共振周波
数、振幅の大きさ共に差がある。

まず、発振器３からある周波数の交番電圧を発生さ
せ、該交番電圧は、移相器４、増幅器（Ａ）５、増幅器
（Ｂ）６を介してステータ本体１を駆動する該変換素子
２（Ａ）,2（Ｂ）へ入力され、ステータ本体１は２方向
たわみ振動を始める。この振幅により、振動センサとし
ての該変換素子２（Ｃ）は垂直方向の振動を交番電圧と
して出力し、その信号と増幅器（Ａ）５の出力とが共振
点追従回路７へ入力される。垂直方向の共振点では、該
変換素子２（Ａ）に加えられる交番電圧に対し、センサ
としての該変換素子２（Ｃ）の出力の交番電圧の位相が
90゜遅れるので、第３図の曲線Ｃと−90゜の線との交点
の周波数が共振周波数であり、共振点追従回路７では、
この共振周波数を求め、接続された発振器３に該共振周
波数で発振するように制御をする。そして、振動軌跡を
円にするために垂直方向と水平方向の振動の振幅を合わ
せる必要がある。まず、求めたい振幅の値を可変抵抗1
1,12により、ボリューム設定しておき、センサとしての
該変換素子２（Ｃ）,2（Ｄ）の出力交番電圧の振幅が求
めたいステータ本体１の垂直方向と水平方向の振幅に見
合うだけの振幅になるように増幅器（Ａ）５と増幅器
（Ｂ）６を制御する。

第３図の場合、水平方向の振幅を垂直方向の振幅に合
わせるように可変抵抗12によりボリュームを設定し、振
幅追従回路（Ｂ）９により増幅器（Ｂ）６が増幅率を上
げるように制御されている。その結果、曲線Ｂは曲線
Ｂ′のようになり、垂直方向振動の共振周波数上で両方
向振動振幅が等しくなっている。しかし、この時、セン
サとしての該変換素子２（Ｃ）,2（Ｄ）の出力交番電圧
の位相差は90゜ではなく、傾いた円振動をしていること
が多い。そのため、可変抵抗13によりボリュームを90゜
とセットし、センサとしての該変換素子２（Ｃ）,2
（Ｄ）の出力をみて、位相差追従回路10が働き、移相器
４を制御し、センサとしての該変換素子２（Ｃ）,2
（Ｄ）の出力交番電圧の位相差が90゜、すなわち、円振
動となるようにしている。

以上のように、共振点追従回路７、振幅追従回路
（Ａ）８、振幅追従回路（Ｂ）９、位相差追従回路10の
４回路が、それぞれ単独で働くことで、ステータ本体１
の振動状態を保っていく。なお振動形態は円に限らず、
任意であり、可変抵抗11,12,13によって定めることがで
きる。

前記４つの追従回路は、常時、追従しようとしてお
り、外乱の影響を受けにくく、またステータ本体１の個
体差による振動のばらつきも、これらの回路構成内で吸
収してしまう特徴がある。

なお、前記共振点追従回路７は、増幅器（Ｂ）６の出
力とセンサとしての該変換素子２（Ｄ）の出力を入力と
してもよく、その場合、水平方向振幅の共振点追従回路
となる。

また上記第１実施例では、駆動用の電気−機械エネル
ギー変換素子は２（Ａ）,2（Ｂ）の２枚であり、第２図
に示した従来のものの４枚に比較して半分になっている
ため、入力の入り方が半分になり、出力として取出せる
力も、ほぼ半分になる。

そこで、駆動用の電気−機械エネルギー変換素子を従
来通り４枚として、そのほかに、振動センサを取付けた
例を第４図と第５図に示す。

すなわち、第４図は本発明の第２実施例を示し、第５
図は本発明の第３実施例を示している。

第４図では、電気−機械エネルギー変換素子２
（Ａ）,2（Ｂ）,2（Ｃ）,2（Ｄ）を駆動用とし、該変換
素子２（Ａ）,2（Ｂ）の両側に、振動の節a,bの支持の
妨げにならない程度の垂直方向振動センサ14と水平方向
振動センサ15を貼っている。第４図のように、駆動用の
該変換素子２（Ａ）,2（Ｂ）,2（Ｃ）,2（Ｄ）があるの
で、従来のものと同じ力を取出すことができ、第１図の
回路を用いて振動を制御することができる。

第５図では、垂直方向振動センサ14と水平方向振動セ
ンサ15の出力を大きく取るために、該センサ14,15の面
積を大きくし、ステータ本体１の振動の中で最も曲率の
大きい中央の位置に該センサ14,15を取付けている。こ
の場合、該センサ14,15は前記変換素子２（Ａ）,2
（Ｂ）の上に絶縁板16を介して接着してある。このよう
にすることにより、第４図の場合よりも大きなセンサ出
力が得られ、制御回路中のセンサ出力の増幅回路が不要
となり、制御回路の構成が簡素化される。

なお振動センサとして、電気−機械エネルギー変換素
子を用いないで、その代りに、ステータ本体の表面に圧
電物質を蒸着かつ分極して用いてもよく、そのようにす
れば、該変換素子の厚みが数μｍ程度となり、振動棒と
しての大きさが、多少コンパクトにできる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、第一および第
二の振動検知用変換素子からの出力信号によって棒状振
動体の振動状態がわかり、該出力信号をフィードバック
することにより、任意所望の振動形態を外乱の影響を受
けずに一定に保つことができ、また、棒状振動体の個体
差による振動形態のばらつきを吸収して任意所望の振動
形態を維持することができる。これにより、安定した振
動形態が得られ、棒状振動体から安定した機械的出力を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示した説明図、第２図は
従来の技術の一例を示した正面図、第３図はステータの
駆動周波数と振動振幅および位相差の関係を示した説明
図、第４図は本発明の第２実施例を示した説明図、第５
図は同じく第３実施例を示した説明図である。 １……ステータ本体 ２（Ａ）,2（Ｂ）,2（Ｃ）,2（Ｄ）……電気−機械エネ
ルギー変換素子 ３……発振器、４……移相器 5,6……増幅器、７……共振点追従回路 8,9……振幅追従回路 10……位相差追従回路 14,15……振動センサ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発振手段からの周波信号が印加される第一
   の駆動用電気−機械エネルギー変換素子部と、該第一の
   変換素子部に印加される周波信号に対して所定の位相差
   を有する周波信号が印加される第二の駆動用電気−機械
   エネルギー変換素子部とが配設された棒状振動体を有
   し、前記第一および第二の変換素子部への前記周波信号
   の印加にてそれぞれ異なる方向に定在波振動を形成して
   異なる方向のたわみ振動を前記棒状振動体に発生させ、
   該たわみ振動の合成にて駆動力を得る振動波モータにお
   いて、 前記第一の駆動用変換素子部の作用にて発生した定在波
   振動を検知する第一の振動検知用電気−機械エネルギー
   変換素子部と前記第二の駆動用変換素子部の作用にて発
   生した定在波振動を検知する第二の振動検知用電気−機
   械エネルギー変換素子部とを前記棒状振動体に設けると
   ともに、 該第一の振動検知用変換素子部の出力と第二の振動検知
   用変換素子部の出力との間の位相差を検知する位相差検
   知手段と、該位相差検知手段の出力に応じて前記第一お
   よび第二の駆動用変換素子部に印加される周波信号の位
   相差を制御する位相差調定手段とを設け、前記第一およ
   び第二の振動検知用変換素子部の出力間の位相差を所定
   位相差に規制することを特徴とする振動波モータ。
2. 【請求項２】発振手段からの周波信号が印加される第一
   の駆動用電気−機械エネルギー変換素子部と、該第一の
   変換素子部に印加される周波信号に対して所定の位相差
   を有する周波信号が印加される第二の駆動用電気−機械
   エネルギー変換素子部とが配設された棒状振動体を有
   し、前記第一および第二の変換素子部への前記周波信号
   の印加にてそれぞれ異なる方向に定在波振動を形成して
   異なる方向のたわみ振動を前記棒状振動体に発生させ、
   該たわみ振動の合成にて駆動力を得る振動波モータにお
   いて、 前記第一の駆動用変換素子部の作用にて発生した定在波
   振動を検知する第一の振動検知用電気−機械エネルギー
   変換素子部と前記第二の駆動用変換素子部の作用にて発
   生した定在波振動を検知する第二の振動検知用電気−機
   械エネルギー変換素子部とを前記棒状振動体に設けると
   ともに、 該第一の振動検知用変換素子部の出力に応じて前記第一
   の駆動用変換素子部に印加される周波信号のレベルを調
   定する第一のレベル調定手段と、前記第二の振動検知用
   変換素子部の出力に応じて前記第二の駆動用変換素子部
   に印加される周波信号のレベルを調定する第二のレベル
   調定手段とを設け、前記第一および第二の駆動用変換素
   子部にて形成される定在波振動レベルを所定の関係に規
   制することを特徴とする振動波モータ。