JP2601268B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は位置的に位相のずれた圧電振動子群に時間的
に位相の異なる高周波電圧を印加することによって発生
する振動波を利用した超音波モータに関する。

〔発明の概要〕

本発明は、駆動回路の出力する駆動信号を入力して、
複数の圧電素子群の幾つかに振動体に振動波を発生させ
るための電気信号を印加する選択回路を有し、超音波モ
ータの高精度で高効率な動作を制御するものである。

〔従来の技術〕

従来の進行波成分を利用したモータにおける移動体の
回転制御方法としては、例えば印加する高周波電圧の周
波数可変による方法であるとか、特開昭61−124275号公
報に示されるように電圧振幅値の可変や２つの高周波電
圧印加信号の位相差を可変するとかの技術によるもので
あった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような印加する高周波電圧の周波数可変の方法
によると、圧電振動子および振動体からなる進行波成分
励振部におけるメカニカル的な共振点付近をはずれるこ
とにより、効率の低下につながりやすい。また、２つの
高周波電圧印加信号の位相差を可変する方法も技術的に
は難しく、特に高周波電圧の矩形パルスを入力信号とし
て用いた時には顕著である。さらに進行波成分の強度を
弱めることにもなりやすい。これに対して電圧振幅値の
可変による方法はDCモータの速度制御にも用いられてい
るように容易かつ有効な手段ではあるが、所望の回転数
を得るためには多数の分割抵抗を用いて分圧しなければ
ならない等粗調が難しく、単に回転の補正手段として用
いる場合には逆に回路が複雑になりやすいなどの課題を
有していた。

〔発明の目的〕

そこで本発明では従来のこのような課題を解決するた
め、移動体の回転状態を制御する際には、効率の低下や
複雑な回路を有することなく、容易に自由度の大きい回
転制御が可能な超音波モータを得ることを目的としてい
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するために、本発明は、駆動回路の
出力する駆動信号を入力して、複数の圧電素子群の幾つ
かに振動体に振動波を発生させるための電気信号を印加
する選択回路を有し、超音波モータの高精度で高効率な
動作を制御するようにした。

また、移動体の回転の状態を検出する検出回路と、検
出回路の出力する検出信号を入力して超音波モータを駆
動する補正信号を出力する駆動補正回路と、駆動補正回
路の出力する補正信号を入力して複数の圧電素子群のい
ずれかに振動体に振動波を発生させるための電気信号を
印加する選択回路を有する構成とした。

〔作用〕

第１図は、本発明の基本構成の代表的な一例を示すブ
ロック図である。

進行性波動モータ105は、圧電素子群106と振動体108
と移動体109を有する。移動体109は、振動体部107に所
定の圧力で接触する。

位相回路102は、発振回路101の出力する高周波電圧信
号を入力して、互いに位相の異なる２つの高周波電圧信
号に変換する。

駆動回路103a、103bは、位相回路102の出力する高周
波電圧信号を入力して、選択回路104a、104bに進行性波
動モータ105を駆動するための駆動信号を出力する。

選択回路104a、104bは、駆動回路の出力する駆動信号
を入力して、複数の圧電素子群106の中の幾つかに振動
体108に振動波を発生させるための電気信号を印加す
る。

検出回路110は、移動体109の回転の状態を検出する。
駆動補正回路112は、検出回路110の出力する検出信号11
1を入力して進行性波動モータ105を駆動する補正信号11
3を出力する。

ここで、検出回路110は、移動体109の回転始動時の静
止摩擦の状態と外乱による負荷の状態や、電源電圧の低
下などによる移動体109の回転数の変動等を検出する。

また、選択回路104a、104bは、駆動補正回路112の出
力する補正信号113を入力して複数の圧電素子群106のい
ずれかに振動体に振動波を発生させるための電気信号を
印加する。

圧電素子群106の中の幾つかに電気信号を印加する
と、振動体108に振動波が発生し、移動体109は回転す
る。

本発明の制御回路114により、圧電素子群106の中のど
の圧電振動子に高周波電圧を印加するかを制御するの
で、振動体108に強度の異なる進行波を発生させること
ができる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。な
お、圧電振動子を利用した超音波モータとしては、定在
波方式と進行波方式があり、例えば、「新方式／新原理
モータ開発・実用化の要点」（昭和59年、日本工業技術
センター発行）等にこのような超音波モータの構造が記
載されている。

第２図は進行性波動モータにおける進行波発生原理の
一例を示した図である。201は圧電セラミック、圧電結
晶体からなる圧電振動子で、図示するように幅ｂにて等
間隔に分極されており、隣りどうしの分極方向は互いに
逆方向となっている。各圧電振動子には銀，ニッケルな
どの導電材料を蒸着，メッキ等の手法により202に示す
電極が形成されており、それらを信号線203,204で結線
し、それぞれ異なる信号源からの高周波電圧が印加され
ることになる。また、信号線203,204をそれぞれ結線さ
れた電極群の間には、幅ｃなる空隙部分を設ける。この
際、幅ｃなる空隙部分は分極の有無ならびに電極の有無
はどちらでもかまわないこととする。ここで、説明の都
合上ｃをはさむ電極の中心間距離はａとする。以上の図
および信号をもとに以下に進行波発生のメカニズムにつ
いて説明する。図中の電極部分の中点を基準に考える
と進行波と後退波からなる屈曲振動波は次の様に表わせ
る。

Asin（wt−kx）＋Asin（wt＋kx） （１）式 ここで（１）式はいわゆる定在波を示していることに
なる。これに対してに示す電極部分による屈曲振動波
は次の様に表わせる。

Bsin（wt−ｋ（ｘ＋ａ）＋） ＋Bsin（wt＋ｋ（ｘ＋ａ）＋） （２）式 ここで、ｋ＝w/ν＝２π／λ λ：波長，：に対する位相差角 とおくと、（２）式は次のように表わせる。

Bsin（wt−kx＋απ） ＋Bsin（wt＋kx＋βπ） （４）式 従って、，より励振される屈曲振動波は（１）式
と（４）式を加え合わせた型で表わされる。ここで、進
行波成分だけが存在するための条件を（４）式の展開式
から考えるとαが偶数，βが奇数の場合であることがわ
かる。ここで（３）式よりａとについてαとβの式で
表わすと次のようになる。

すなわち、（α，β）＝（0,1），（2,3）の時には （α，β）＝（2,1）の時には （α，β）＝（0,3）の時には となって、それぞれのα，を同時に満足する時に進行
波成分のみが存在することになる。一例をあげると、 の場合を考えれば、（１）式＋（２）式は次のようにな
る。

Asin（wt−kx）＋Asin（wt＋kx） ＋Bsin（wt−kx）＝Bsin（wt＋kx） （６）式 ここで駆動回路より出される高周波電圧信号の振幅Ａ
およびＢがＡ＝Ｂならば（６）式は2Asin（wt−kx）と
なり、進行波成分のみが残ることがわかる。また、逆転
駆動させるためには後退波成分のみを残せば良いわけで
あるから、（５）式におけるαとβを逆にしてαが奇
数、βが偶数となるようにすれば良い。実際上はを基
準にして考えると、に加える信号の位相を正転駆動さ
せる時に比べて180゜ずらしてやれば良いことになる。

第３図は進行性波動モータが進行波成分によって回転
する原理を示した図である。301は振動体で、圧電振動
子が弾性部材に接着されているために屈曲振動が生じる
ことになる。ここで、振動体301は第２図に示した原理
で右方向への進行波が生じると表面部の１点は左方向へ
の楕円軌跡を描くために、ロータ部302は進行波の進行
方向とは逆方向に移動するわけである。以上は日経メカ
ニカル（1985.9.23）などに掲載されており、振動体301
の表面上の一点が楕円軌跡を描くことに関する詳細な説
明も同文献に記されている。

第４図は従来の進行性波動モータの制御回路を示した
ものである。図にて401は２回路からなる圧電振動子群
を等価的に表わした図である。駆動回路402および403は
それぞれ圧電振動子401に構成された２回路に高周波電
圧を印加するためのもので、先に説明したように進行波
発生の原理から駆動回路402と403はお互いにある位相差
をもつ高周波電圧を出力することになる。ここでは、駆
動回路402,403に対して、制御信号404が加わることによ
り、出力される高周波電圧の振幅，周波数，位相等を可
変して、移動体の回転状態を制御するというものであっ
た。従って、制御信号404を得るために、電圧調整，周
波数調整，位相差調整などのためにそれぞれ複雑な回路
構成を必要としていた。

第５図は、本発明に係る超音波モータの制御回路の一
実施励を示したもので、２回路からなる圧電振動子群10
6に対して、高周波電圧を印加する圧電振動子を個々にO
N/OFF制御して進行波の強度を可変させるようにしたも
のである。この結果、移動体の回転状態が可変されるこ
とになるが、先にも述べたように、移動体の回転状態は
検出回路110によって感知されており、検出回路110から
の検出信号に応じて駆動補正回路112より出力される補
正信号に従って選択回路104a,104bではどの圧電振動子
をON状態とするかを決めているわけである。ここでは圧
電振動子群を構成する１回路の圧電振動子の数が多いほ
ど、それを制御する選択回路104a,104bも大規模なもの
となるが、その場合には幾つかの圧電振動子をまとめて
同一制御しても良く、そのような場合も本発明に該当す
るものであることは言うまでもない。また、本実施例に
おいて高周波電圧を印加する圧電振動子の数は多ければ
多いほど、進行波成分の振幅が大きくなることから、第
２図に示した楕円軌跡が大きくなり、移動体の回転に寄
与するエネルギーは増える。これらのことは、高周波電
圧を印加する圧電振動子の数が多い方が、各圧電振動子
にて励振される屈曲振動波が減衰しにくくなることや、
（１）式〜（６）式を見ても明らかなように、励振され
る波が重ね合わされて進行波成分の振幅が大きくなるこ
とにより説明できる。

第６図は本発明に係る進行性波動モータの制御回路の
他の実施例を示したもので、２回路からなる圧電振動子
群を複数個設けて、高周波電圧を印加する圧電振動子群
を群ごとにまとめてON/OFF制御するようにしたものであ
る。本実施例では移動体の回転状態に従って、選択回路
104aならびに104bにて、圧電振動子群106a,106bをそれ
ぞれ単独または同時にON状態とすることによって進行波
の強度を可変するようにしたものである。ここで、高周
波電圧を印加する圧電振動子群の数が多い方が、先の実
施例でも述べたように、進行波成分の振幅が大きくなる
とか、電界強度が増す等の効果が生じて移動体の回転に
寄与するエネルギーが増えることになる。なお本実施例
では２つの圧電振動子群のON/OFF制御例について示した
が、２つ以上の圧電振動子群を制御する際も有効であ
る。先の第５図に示した実施例と組み合わせて用いても
本発明に該当するものであることは言うまでもない。

第７図から第９図にかけても、先の第５図，第６図に
説明した制御回路の実施例にもとずいたもので、本発明
に係る選択回路による圧電振動子への高周波電圧の印加
例を示したものである。

第７図は、第５図に示した等価回路によるもので、円
環または円板状の振動体701に対して圧電振動子702a,70
2bが周方向に配置されており、駆動回路からの高周波電
圧信号703,704が移動体の回転状態に従って選択回路104
a,104bにて制御されている様子を示している。図では圧
電振動子702aはONされており、逆に702bがOFFされた状
態を示しているが、言うまでもなく圧電振動子702a,702
bが共にONされた状態が、最も進行波成分が強く励振さ
れているわけで、移動体の回転数最大ならびに重負荷の
状態に該当する。

第８図，第９図は、第６図に示した等価回路によるも
ので、共に円環または円板の振動体701への圧電振動子
群802a,802bの配置を径方向の断面図にて示したもので
ある。第８図は、圧電振動子群802a,802bが積層されて
配置されたところに、駆動回路からの高周波電圧信号70
3,704が選択回路104にてON/OFF制御されるもので、圧電
振動子群802a,802bの厚みを薄くして積層構造をとるこ
とで、電界強度が強められることを利用したものであ
る。これに対して第９図は、圧電振動子群802a,802bを
内周，外周にわけて配置し、選択回路104にてそれぞれ
への高周波電圧信号703,704が制御されるもので、内周
と外周とでは径方向の振動モードの振幅が異なることを
利用したものである。従って振動体の形状によって異な
るため一義的には言えないが、振動モードの節よりも腹
に近く配置された圧電振動子群を励振させた方が、進行
波成分は大きくなると言える。なお、第８図，第９図ど
ちらに示した例についても、圧電振動子群802a,802bを
共にONした状態が、最も強く進行波成分が励振された状
態ということになる。

第10図は本発明に係る制御回路の具体的一実施例を示
す回路図である。本発明によれば、移動体の回転状態を
検出回路110より検出し、検出信号111を駆動補正回路11
2に送る。ここで、検出信号111がある定められた時間内
に発生しているか否かを駆動補正回路内のカウンタによ
って監視しており、発生している際には補正信号113a→
LOW（以下“L"と略す）,113b→HIGH（以下“H"と略す）
を発生することにより選択回路104にて駆動回路103から
の高周波電圧が制御されて、アナログスイッチ1014bの
みがアクティブな状態となり、その結果圧電振動子群10
6bのみが進行波励振に寄与できる状態となる。これに対
して、重負荷状態などで検出信号111がある定められた
時間内より遅れて発生する際には駆動補正回路112から
の補正信号113a,113bは共に“H"となるために、選択回
路104におけるアナログスイッチ1014a,1014bは共にアク
ティブな状態となるため、圧電振動子群106a,106bすべ
てに高周波電圧が印加されて進行波の励振に寄与するた
めに、移動体の回転エネルギーは通常の状態に比べて増
加することになるわけである。なお、オアゲート1001,1
002は、外部操作信号により、起動・停止・速度可変等
を人為的に制御するためのもので、ハーフラッチ1003,1
004ならびにナンドゲート1007,1008,インバータ1005,10
06,1009〜1013は、駆動補正回路112からの補正信号113
a,113bに応じてアナログスイッチ1014a,1014bをON/OFF
に切換えて圧電振動子群106への高周波電圧の印加を制
御するためのものである。また、検出回路110の検出手
段としては、例えば光学的手段，機械的接点を用いた手
段、静電容量検出による手段、磁気による手段などが考
えられる。

〔発明の効果〕

本発明の超音波モータによれば、移動体の回転始動時
及び外乱などの重負荷状態、ならびに電源電圧低下時や
移動体の回転数の可変時においては、高周波電圧を印加
する圧電振動子の数を増減するという簡単な構成で、移
動体の回転状態を制御することが可能となるために、複
雑な回路構成を用いることなく起動が容易で高精度な回
転数ならびに位置決め可能な進行性波動モータが得られ
る。他に高効率かつ低消費電力化につながると共に、特
にステップ駆動の際には従来に比べて以上に述べた効果
はさらに大きいものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成を示すブロック図、第２図は
進行波発生の原理図の一例を示す図、第３図は進行性波
動モータの回転原理図の一例を示す図、第４図は従来の
進行性波動モータの制御回路、第５図，第６図は本発明
に係る進行性波動モータの制御回路の一実施例を示す
図、第７図，第８図および第９図は本発明に係る選択回
路による圧電振動子への高周波電圧の印加例を示した
図、第10図は本発明に係る制御回路の具体的一実施例を
示す回路図である。 101……発振回路 102……位相回路 103,103a,103b,402,403……駆動回路 104,104a,104b……選択回路 105……進行性波動モータ 106,106a,106b,401,802a,802b……圧電振動子群 201,702a,702b……圧電振動子 107,701……振動体部 108,301……振動体 109,302……移動体 110……検出回路 111……検出信号 112……駆動補正回路 113,113a,113b……補正信号 114……制御回路

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の圧電素子群（106）を有する振動体
   （108）と、振動体（108）に所定の圧力で接触して摩擦
   駆動する移動体（109）を有する超音波モータであっ
   て、 超音波モータを駆動するための駆動信号を出力する駆動
   回路（103a、103b）と、 超音波モータの駆動状態を検出する検出回路（110）
   と、 前記検出回路（110）の出力する駆動状態検出信号に基
   づき、駆動信号を印加する圧電素子数を選択し、選択さ
   れた数の振動子へ前記駆動信号を出力する選択回路（10
   4a、104b）と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】移動体（109）の回転の状態を検出する検
   出回路（110）と、 検出回路（110）の出力する検出信号を入力して超音波
   モータの駆動を制御する補正信号を出力する駆動補正回
   路（112）と、 前記駆動補正回路（112）の出力する補正信号と前記駆
   動回路の出力する駆動信号を入力し、前記補正信号に基
   づいて駆動信号を印加する圧電素子数を選択し、選択さ
   れた数の振動子へ前記駆動信号を出力する選択回路（10
   4a、104b）とを有する特許請求の範囲第１項に記載の超
   音波モータ。
3. 【請求項３】検出回路（110）は、移動体（109）にかか
   る負荷を検出する特許請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の超音波モータ。
4. 【請求項４】検出回路（110）は、移動体（109）の回転
   速度を検出する特許請求の範囲第１項又は第２項に記載
   の超音波モータ。