JP2723122C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】 本発明は、超音波モータに関するものである。 【０００２】 【従来技術】 まず図１にもとずいて超音波モータを説明する。 図１ａは超音波モータの一例を示すものであり、図において１はＰＺＴなどの
リング状圧電体であり、銀等からなるリング状の共通電極２は、リング状圧電体
１の一方の面全体にコート（被覆）されている。リング状圧電体１の他方の面に
は銀等から成るセグメント電極群３がコートされている。セグメント電極群３は
１６個のセグメント電極３ａ−３ｐから成る。そのうち、セグメント電極３ａは
円周方向に３／４λの長さ（本明細書中λは屈曲振動波長）を有しており、セグ
メント電極３ｂは円周方向に１／４λの長さを有しており、セグメント電極３ａ
と１８０°ずれている。セグメント電極３ｃ〜３ｉは各々円周方向にλ／２の長
さを有しており、セグメント電極３ａと３ｂとの間の一方側にある。一方、セグ
メント電極３ｊ〜３ｐは各々円周方向にλ／２の長さを有しており、電極３ａと
３ｂとの間の他方側にある。 【０００３】 長さλ／２のセグメント電極３ｃ〜３ｉおよび３ｊ〜３ｐの各々が対向してい
るリング状圧電体１の各領域は、隣接する領域と分極方向が異なる様に分極され
ている。例えば、リング状圧電体１はセグメント電極３ｃの接触している領域と
セグメント電極３ｄの接触している領域とが分極方向を逆にしている。図におい
て 【表１】 それぞれ分極方向が逆であることを示している。長さλ／２のセグメント電極３
ｃ〜３ｉは駆動交流印加用電極であり、互に導電性ペースト４ａにより接続され
、これらには入力端子Ｒから入力交流電圧が印加される。セグメント電極３ｊ〜
３ ｐも駆動交流印加用電極であり、同様にペースト４ｂにより接続され、入力端子
Ｌから入力交流電圧が印加される。長さ３／４λのセグメント電極３ａは、リン
グ状圧電体１の裏面のリング状の共通電極２とリング状圧電体１の外周端に設け
られた導電ペースト４ｃにより接続されている。セグメント電極３ａには接地端
子Ｇより接地電位が印加される。すなわち、このセグメント電極３ａはリング状
の共通電極２の引き出し電極としての働きをしているにすぎない。またセグメン
ト電極３ｂは、セグメント電極群３の作製工程で単に形成されたにすぎず、作用
を何ら果たしていない。リング状圧電体１はリング電極２の側に接着剤５により
、黄銅等から成る弾性体のリング６が固着されている。ロータ７は弾性体のリン
グ６に対して或る接触圧で当接されている。リング状圧電体１と弾性体のリング
６により振動子２０を構成している。 【０００４】 次に、上述の如き構成の超音波モータの作用について説明する。 入力端子Ｒ−Ｇ間と入力端子Ｌ−Ｇ間とに互に９０°位相のずれた所定周波数
の交流電圧を加えると、リング状圧電体１と弾性体のリング６に波長λの屈曲振
動が生じ、ロータ７が回転される。このモータの効率を高くするには、上記交流
の周波数を最適値に保つことが必要である。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】 しかしながらこの最適値は、例えばロータ７と弾性体のリング６との接触圧や
モータの温度などの外部条件の変動によって変化するものである。したがって、
上記交流電圧の周波数を常に一定値に保っていると、高効率な超音波モータが得
られない。上記のような問題点を解決するために、進行性振動波の振動状態を検
出する検出手段を設けて、入力電源の周波数を常時外部条件に応じた最適値に保
持することが考えられる。しかし、弾性体に検出手段を設けると超音波モータが 大型化するという問題がある。そこで、本発明は、原理上必要で且つ入力を印加
できない所定の空間的位相差の位置にある圧電体を利用して、超音波モータを大
型化せずに、超音波モータの振動状態を検出できる超音波モータを提供すること
を目的とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】 上記目的の達成のために、本発明による超音波モータ（１２）は、弾性体（６
）と、弾性体に設置されて弾性体に進行性振動波を発生させる電気機械変換素子
（リング状圧電体１のセグメント電極３ｃ〜３ｐに対応する部分）と、弾性体に
設置されて進行性振動波の振動を電気信号に変換する機械電気変換素子（リング
状圧電体１のセグメント電極３ｂに対応する部分）とを備え、電気機械変換素子
は、第１駆動信号（交流電圧）が入力される複数の第１入力部（リング状圧電体
１のセグメント電極３ｃ〜３ｉに対応する部分）と、第１駆動信号と所定の時間
的位相差を有する第２駆動信号（９０°位相のずれた交流電圧）が入力される複
数の第２入力部（リング状圧電体１のセグメント電極３ｊ〜３ｐに対応する部分
）とを有し、複数の第１入力部は、互いが電気的に接続（導電性ペースト４ａ）
されてグループ化された状態で弾性体の一つの第１領域に配置され、複数の第２
入力部は、互いが電気的に接続（導電性ペースト４ｂ）されてグループ化された
状態で、第１領域との間にλ／４（λは進行性振動波の波長）の空間的位相差を
有する弾性体の一つの第２領域に配置され、機械電気変換素子は、弾性体上のλ
／４の空間的位相差の場所に配置されている。 【作用】 前記構成により、原理上必要で且つ入力を印加できないλ／４の空間的位相差
の位置に機械電気変換素子を配置したので、超音波モータを大型化せずに、超音
波モータの振動状態を検出することができる。 【０００７】 【実施例】 図２は本発明の好適な一実施例を示すものである。図１のセグメント電極３ｂ
に対応する部分に図２の実施例では端子Ｓが設けである点と、このセグメント電
極３ｂに対向するリング状圧電体１の領域も第二実施例では分極させてある点と
においてのみ図２のものは図１のものと異なり、図２の実施例の他の構造は図１
のものと同一である。 【０００８】 図２においても、このセグメント電極３ｂは入力交流電圧が印加されない電極
であるので、モータが駆動し、リング状圧電体１に屈曲振動が生ずると、セグメ
ント電極３ｂにはこの屈曲振動に応じた交流が現われる。この現象は、圧電体は
交流を印加されると振動を生ずると共に、逆に振動を与えられると交流を生ずる
という性質によるものである。 【０００９】 図３は、図２の超音波モータの回転制御回路である。回転制御回路は制御可能
な発振器８、９０°位相移相器９、アンプ１０ａ、１０ｂ、インダクタンス１１
ａ、１１ｂ、図２に示す超音波モータ１２、バンドパスフィルタ１３、発振制御
器１４より構成されている。発振器８からある周波数の正弦波が出力され、アン
プ１０ａと９０°位相移相器９に入力される。９０°位相移相器９の出力はアン
プ１０ｂに入力される。アンプ１０ａ、１０ｂは互いに９０°位相のずれた交流
電圧を整合用インダクタンス１１ａ、１１ｂを介して端子Ｒ、Ｌから超音波モー
タ１２に印加する。超音波モータの回転状態はセグメント電極３ｂに接続した端
子Ｓより交流電圧の大きさで出力され、バンドパスフィルタ１３に入力する。図
５を参照して後述するようにバンドパスフィルタ１３で不用な信号が除去され、
回転を制御するのに有用な信号のみが発振制御器１４に入力され、制御可能な発 振器８にフィードバックされる。 【００１０】 なお、発振手段とは、図３中の発振器８、位相移相器９、アンプ１０ａ、１０
ｂを示している。 【００１１】 図４は図２の超音波モータへの入力周波数ｆの時の超音波モータの回転数をＮ
とし、その時超音波モータの振動検出用セグメント電極３ｂの端子Ｓに出力され
る電圧を検出し、その検出電圧（例えば実効値）をＶとした時の関係を示す特性
曲線図である。図において、ある外的条件の下での入力周波数に対するモータ回
転数Ｎ１の特性および検出電圧Ｖ１の特性は図のようになり、ともに最適入力周
波数ｆ１で最大となる。また、外的条件が変化した時入力周波数に対するモータ
回転数特性および検出電圧特性はＮ２、Ｖ２となり、この時最適入力周波数ｆ２
に対してＮ２、Ｖ２は最大となっている。この様に、ある外的条件において、モ
ータ回転数のピークを与える周波数と検出電圧のピークを与える周波数とはほぼ
一致することが実験的に見出された。今、外的条件の変化にも拘らず、入力周波
数が依然として、例えばｆ１に保持されると、モータ回転数Ｎも検出電圧Ｖも大
きく低下することになる。そこで、本発明では図３の回路図に示す如く、超音波
モータのセグメント電極３ｂの端子Ｓからの出力電圧（すなわち上記検出電圧）
に応じて、発振制御器１４が発振器８を制御して、常にその時の外的条件の最適
値（例えばｆ１２）に発振周波数すなわち超音波モータへの入力周波数を制御す
る。 【００１２】 上述した外的条件の最適値とは電圧信号がピークとなる点を示している。発振
制御器１４は、端子Ｓからの電圧信号がピークとなるように発振周波数を制御す
る装置であり、その制御には、すでに特開昭５６−５１１６４号公報等で公知で ある山登り回路を利用している。発振制御器１４は、図７に示すように検出部１
５と差分ホールド回路１６と発振制御部１７とからなる。なお、山登り回路は図
中１８で示され、バンドパスフィルタ１３、検出部１５、差分ホールド回路１６
とからなる回路である。バンドパスフィルタ１３を通して不要な周波数帯域を取
り除かれた電圧信号は、検出部１５によって常時連続して検出され、検出された
電圧信号は、差分ホールド回路１６に出力される。差分ホールド回路１６では電
圧信号を一定時間毎にサンプルホールドし、比較演算することにより、電圧信号
が時間経過に対して増加方向にあるか減少方向にあるかを判断する。得られた情
報は、発振制御部１７に出力され、発振制御部１７では電圧方向が常に増加する
ように発振器８を制御する。 【００１３】 こうすれば超音波モータにおけるリング状圧電体と弾性体との間の共振周波数
が、外乱の影響で変化しても常に最適の周波数が発振器８より出力され、したが
って超音波モータの回転は、最適に保たれる。 【００１４】 一方、超音波モータのセグメント電極３ｂに接続された端子Ｓからの検出電圧
Ｖは、前述した如くモータ回転数Ｎの最大値を与えるモータへの入力周波数にお
いて最大値をとると共に、図５に示すようにそこからかなり離れた周波数ｆ３に
おいて小さなピークを呈する場合がある。そこで、図３の制御回路においてはバ
ンドパスフィルタ１３をモータ側出力端子Ｓと発振制御回路１４との間に設けて
、モータ回転数Ｎの最大値を与える周波数帯域、例えば図４の周波数ｆ１〜ｆ２
付近を通し、上述の周波数ｆ３を含む如きそれ以外の周波数帯域をカットするよ
うにしてある。 【００１５】 なお図２の実施例では、振動検出用のセグメント電極３ｂを、リング状圧電体 １の最内周から最外周まで分布させたが、本発明の振動検出用セグメント電極の
設置はこれに限るものでなく、圧電体の振動を検出できる箇所であれば任意の位
置でよい。例えば、図６の如く、電極３ｂをリング状圧電体の外周部のみにコー
トしてもよい。また、振動検出用の電極は、セグメント電極３ｂを用いる必要は
なく、例えば、図６の電極３ａを半径方向に分割し、互いに絶縁した２つの内周
側及び外周側電極を形成し、この内周側電極を導電性ペーストによりリング状の
共通電極２と接続し、かつ接地端子Ｇと接続してリング状電極の引出し電極とし
て使用し、また外周側電極に端子Ｓを接続し振動検出用電極とする。同様にセグ
メント電極３ｃ〜３ｐのいずれかを分割し駆動交流印加用電極と振動検出用電極
とを作成することもできる。 【００１６】 振動検出用電極を図６の如くリング状圧電体の外周側に設けた場合の利点を以
下に述べる。 【００１７】 弾性体がたとえば図２のようなリング状であると、そのリングの内側と外側で
は、その共振周波数は異なる。また、超音波モータ、具体的にはロータを駆動す
る表面波はリングの外側に集中する。したがって、モニタ電圧としては、圧電体
のリング外周の振動を検出したものであることが望ましい。そこで振動検出用セ
グメント電極をリング状圧電体の外周部にのみコートすることにより、リング状
圧電体の外周部での振動を検出できる。 【００１８】 上述の実施例では、セグメント電極群３の一部に振動検出用セグメント電極を
設け、この振動検出用電極とこれに圧電体１をはさんで対向したリング状電極２
との間から振動検出信号を取出したが、本発明はこれに限るものでなく、例えば
、リング状電極２の小部分を残部から絶縁し、この小部分を振動検出用電極とし
、 他方この振動検出用電極に圧電体１をはさんで対向したセグメント電極群３の部
分を他から絶縁し、この部分を振動検出用電極の対向電極とし、この振動検出用
電極と対向電極とから振動検出信号を取出すこともできる。もちろんこの対向電
極が、交流電圧が印加されないセグメント電極３ａ叉は３ｂに該当する場合には
、この電極３ａ叉は３ｂをそのまま対向電極として使用できる。 【００１９】 上述の例では振動を検出する一対の電極として圧電体を挟んで対向した振動検
出用電極と対向電極とを用いたが、この一対の電極を共にリング状の共通電極２
の側にもしくはセグメント電極群３側に設けることもできる。具体的には、例え
ば他から絶縁した一対の隣接電極を共に圧電体の同一分極領域内に位置するよう
に圧電体のいずれか一方の面に設ければ良い。 【００２０】 【効果】 以上のように本発明によれば、原理上必要でかつ入力を印加できない、λ／４
の空間的位相差の位置を利用して、機械電気変換素子を配置したので、超音波モ
ータを大型化することなく、超音波モータの振動状態を検出することができる。
また、交流電圧印加用電極である入力相を減らすことなく、モニタ電極を設ける
ことができるので、超音波モータの効率を低下させずに、超音波モータの振動状
態を検出することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 超音波モータを示すものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその正面図。 【図２】 本発明の一実施例の超音波モータの平面図。 【図３】 図２の超音波モータの回転制御回路を示す図。 【図４】 異なった外的条件における超音波モータへの入力周波数に対するモータ回転数
および図２端子からの検出電圧との関係を示す特性曲線図。 【図５】 入力周波数に対するモータ回転数および検出電圧の関係を示す特性曲線にピー
クが複数個現われる場合を示す図。 【図６】 本発明による超音波モータの別の実施例を示す平面図。 【図７】 図３の発振制御器１４の構成を示す図。 【符号の説明】 １ 電気機械変換素子 ６ 弾性体のリング ７ 相対運動部材 ３ｃ〜３ｉ 第１の電気機械変換素子 ３ｊ〜３ｐ 第２の電気機械変換素子 ３ｂ 機械電気変換素子 Ｓ 端子 ８ 発振器 １４ 発振制御器 １５ 検出部 １７ 発振制御部 １８ 山登り回路 ２０ 振動子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．弾性体と、前記弾性体に設置されて該弾性体に進行性振動波を発生させる電
   気機械変換素子と、前記弾性体に設置されて前記進行性振動波の振動を電気信号
   に変換する機械電気変換素子とを備え、 前記電気機械変換素子は、第１駆動信号が入力される複数の第１入力部と、前
   記第１駆動信号と所定の時間的位相差を有する第２駆動信号が入力される複数の
   第２入力部とを有し、 前記複数の第１入力部は、互いが電気的に接続されてグループ化された状態で
   前記弾性体の一つの第１領域に配置され、 前記複数の第２入力部は、互いが電気的に接続されてグループ化された状態で
   、前記第１領域との間にλ／４（λは進行性振動波の波長）の空間的位相差を有
   する前記弾性体の一つの第２領域に配置され、 前記機械電気変換素子は、前記弾性体上の前記λ／４の空間的位相差の場所に
   配置されていることを特徴とする超音波モータ。 ２．前記機械電気変換素子は、前記λ／４の空間的位相差の場所の一部に設けら
   れて前記進行性振動波の振動を電気信号に変換することを特徴とする請求項１に
   記載の超音波モータ。