JP3000709B2 - 超音波ステップモータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明の超音波ステップモータは
検出回路等によるフィードバック制御なくして、ステッ
プ駆動が可能な超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータは特開昭５８−９３
４７７、特公報昭５９−３７６７３、特開昭５９−１２
２３８５、特開昭６０−５１４７８などに示される様に
非常に多くの方式が提案、実現されている。いずれも駆
動波形を印加している限りは連続に回転するものであっ
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】したがって従来の超音
波モータの回転数、停止位置、回転速度の制御をする為
にはフィードバック制御を施す必要があった。

【０００４】そこで本発明の目的は、シーケンス制御が
容易なステップ駆動ができる超音波モータを提供する事
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波ステップ
モータは、少なくとも２組の振動子を備えたステータ
と、該ステータと接するロータと、位相の異なる複数の
定在波励振によって形成される合成振動と、同相の定在
波励振によって形成される定在波振動とを切り換えるこ
とによって、前記ロータの非回転状態または回転状態を
選択するよう構成された超音波ステップモータにおい
て、前記ステータが前記ロータに接触するための複数の
接触部を備え、該接触部のロータ回転方向の幅が定在波
振動の波長に比べて十分に短く、且つ前記接触部が前記
定在波振動の半波長の整数倍の距離をもって離間してお
り、さらに、ロータが定在波で励振される場合の節の位
置の整数分の一の間隔で、ロータ回転方向に関して前記
ロータが不均一な剛性または質量を有すること、または
前記ロータ上に振動子を有することにより振動モードの
節を所望の位置に設けたことを特徴とする。

【０００６】また、本発明の請求項２に記載の超音波ス
テップモータは、請求項１に記載の超音波ステップモー
タにおいて、前記ステータは定在波振動の腹の位置に逃
げ部を設け、節の位置でロータと接触することを特徴と
する。

【０００７】また、本発明の超音波ステップモータ定在
波振動の腹の位置に逃げ部を設け、節の位置でロータと
接触する事を特徴とする。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の概要を示すブロックダイヤグ
ラムである。１０１は発振回路Ａ、１０２は発振回路Ｂ
であり、共に振動子１０６を添付したステータ１０５の
共振周波数近傍の周波数の信号を送出する。１０３は制
御回路であり、発振回路Ａ１０１及び発振回路Ｂ１０２
の信号を切り換え、ドライバ回路１０４を介して振動子
１０６に供給している。１０７はロータであり、ステー
タ１０５と摩擦接触しておりステータの振動により駆動
される。ステータ１０５における発振回路Ａ１０１と発
振回路Ｂ１０２による振動モードの形状は同じであるが
位置がずれている。したがって従来の進行波形超音波モ
ータの例で周知の様に例えば１／４波長ずれた位置に２
つの定在波振動を励振するとステータ１０５の表面は楕
円運動をし（進行波）、ロータを駆動する事ができる。
この際、駆動する周波数は等しく、位相が異なるので、
発振回路は２つある必要はなく、位相をずらす手段があ
れば良い。尚、発振回路Ａ１０１または発振回路Ｂ１０
２を単独あるいは同位相で同時に駆動すると、１つの定
在波の振動モードが形成される。進行波が励振されてい
る時はロータは連続して動き、定在波が励振されている
場合には、ロータは所定の位置に位置決めされ、励振さ
れていない時にはロータとステータの摩擦力で保持され
る。所定の位置に位置決めされる原理については後述す
る。以上の様な構成において進行波と定在波の励持を順
次切り換えるとロータはステップ（間欠）駆動される。
また励振しない区間を設ける事により省電力化ができ
る。

【０００９】図２（ａ）〜（ｃ）は本発明の超音波ステ
ップモータにおける位置決めの原理を示す説明図であ
り、例えば圧電材料等からなる振動子１０６を添付した
ステータ１０５には逃げ部５１と、ロータ１０７と接触
する接触部５２を設けてある。例えば振動子１０６の励
振によりロータ１０７定在波の撓み振動が励振されると
図２（ａ）に示す様に駆動方法によって定まる選択的な
位置にノード１０７ａが形成される。細線及び破線はロ
ータ１０７の振動状態を示しておりこの振動モードは変
位しない。次に、図２（ｂ）に示す様にノード１０７ａ
の位置がステータ１０５の接触部５２に対して左側にあ
ると、ロータ１０７が下側に変形した時のみ接触部５２
を圧し矢印７１の方向に力を与える。この力は垂直方向
の力７１ａと水平方向の力７１ｂに分解でき、水平方向
の力７１ｂの反作用によりロータは矢印７２の方向に移
動する。次に図２（ｃ）に示す様にノード１０７ａの位
置がステータ１０５の接触部５２に対して右側にある
と、図２（ｂ）の場合と逆に矢印８１の方向に力を与
え、垂直方向の力８１ａと水平方向の力８１ｂのうち水
平方向の力８１ｂにより矢印８２の方向にロータが移動
する。したがってステータの接触部５２とロータのノー
ド１０７ａの位置が一致する様にロータが移動する。即
ち、ステータ１０７の振動モードの位置が定まっていれ
ば、ロータは位置決めされる事になる。

【００１０】図３はロータの振動モードとステータの接
触部の関係を示す一実施例を示す説明図であり、ノード
１０７ａの位置全てに接触部５２が対応していない。ま
た、ノード１０７ａ近傍の振動振幅が少ない所と接触部
５２が接すれば良い為、接触部５２、逃げ部５１の形状
は何ら限定するものではないし、振動モードの次数につ
いても何ら限定するものではない。

【００１１】図４は本発明の超音波ステップモターの一
実施例を示す断面図であり、円板状のステータ２に圧電
素子からなる振動子３を添付し、ステータ２と電極パタ
ーン３ａとの間にリード線８を介して交番電圧を印加し
ている。定在波の撓み振動が励振されるロータ１は外部
に回転力を取り出す為のピニオン７が係合しており、案
内板５によって回転自由に位置決めされている。ステー
タ２はフレーム４にネジ６によって固定されており、ロ
ータ１の振動を妨げない為の逃げ部５１と、ロータ１と
接触し摩擦駆動する為の接触部５２を設けてある。この
様な構成において圧電素子は電圧を印加すると歪む為、
ステータ２は撓み振動を起こす。また、ロータ１は接触
部５２から振動を伝えられ、定在波の撓み振動を起こ
す。この時、ロータ１が共振周波数近傍で振動すれば円
板状の形状であっても振動モードの方向は加工上や材料
特性のばらつき等から特定の方向に定まり、図２（ａ）
〜（ｃ）で説明した様にステータ２の接触部５２に対し
て特定の方向に停留する。次に、振動子２を複数の状態
で加振し、ステータ２に進行波を形成すると、ロータ１
は接触部５２によって連続駆動される。したがって、ス
テータにおいて進行波と定在波の振動を切り換えると連
続回転、位置決めの切り換えができる。例えば、ロータ
１に３本の節直径があり、ステータ２に６分割の位置の
全てまたはいずれかに接触部があれば、１周６分割のス
テップ駆動が可能である。

【００１２】図５は本発明の超音波ステップモータのロ
ータ１の第１の実施例を示す斜視図であり、共振状態で
振動モードの方向を選択的な方向に定める為にカット部
１１を設けてある。この様な構成においては、振動モー
ドの縮退が容易に解かれ、定まった方向のみに振動モー
ドが形成される。

【００１３】図６は本発明の超音波ステップモータのロ
ータ１の第２の実施例を示す斜視図であり、ロータ１の
上面にスリット１２を設けてある。この様な構成におい
てはスリット１２により、ロータの剛性の強弱、質量の
大小に分布ができ、選択的な方向に振動モードの方向が
定まる。

【００１４】図７は本発明の超音波ステップモータのロ
ータの第３の実施例を示す斜視図であり、ロータ１の下
面に突起部１３を設けてある。図６の例と同様に剛性の
強弱、質量の大小に分布ができ振動モードの方向が定ま
る。この場合は、突起部１３部の剛性が大きく、又ステ
ータの接触部と接する為、節になりやすい。

【００１５】前述の図６の実施例、図７の実施例におい
ては、剛性と質量の分布が等分割的であり、かつ、ステ
ータの振動モードの節に対応していれば、強制的に励振
する事ができる。即ち、共振周波数でない周波数であっ
ても、剛性や質量の高い部分が節となる振動を励振する
事ができる。

【００１６】図８（ａ）〜（ｃ）は本発明の超音波ステ
ップモータのロータが強制的に励振されている状態を示
す説明図であり、リニア型の例で示している。ステータ
２に添付した振動子３により破線ａで示した定在波振動
をしている。また定在波振動における節の位置に接触部
５２を設けてありロータ１と接触している。ロータ１に
はステータにおける振動の節毎に同等に分割する位置に
突起部１３を設けてある為、選択的な位置に突起部１３
が節になる破線ｂで示した振動モード（ステータの振動
モードと同じ形状）で強制的に駆動される。したがって
ロータ１は図８（ａ）の位置で安定する。次に、ステー
タ２に進行波を励振するとロータ１は左方に移動する。
そしてステータ２に再び定在波を励振すると図８（ｂ）
に示した様にステータ２には再び破線ａに示した振動モ
ードが励振される。一方ロータ１には（図８ａ）の場合
から右側へずれた位置に破線ｃで示した振動モードが励
振される。したがって図２（ａ）〜（ｃ）に示した様な
原理で図８（ｃ）の如くロータとステータの振動モード
が重なる方向にロータが移動し位置決めされる。以上明
らかな様に、剛性や質量を分割したロータを構成する事
により、ステータ及びロータに選択的な方向に振動モー
ドが形成されその分割数に応じたステップ駆動が実現で
きる。

【００１７】図９は本発明の超音波ステップモータのロ
ータの第４の実施例を示す上面図であり、ロータ１には
スリット１４が例えば６０ヶ設けてあり、ステータ２に
は例えば６組の接触部５２と逃げ部５を構成してある。
この様な構成においては、ロータのスリットがプレス加
工等により容易に形成できる。また、この場合、節の方
向は６組形成できるので、１周６０分割のステップ駆動
が可能である。

【００１８】図１０は本発明の超音波ステップモータの
ロータの第５の実施例を示す斜視図であり、ロータ１に
例えば圧電素子等からなる振動子２を添付してある。
＋，−は分極方向を示しており、外部から交番電圧を印
加する事により例えば４λの定在波の振動モードが励振
される。したがってステータの振動状態に影響を受けず
位置決めする事ができる。一方、同じ構成において外部
から交番電圧を印加しない場合においても、ステータの
励振によりロータが加振され、圧電素子に電荷が発生す
るとその影響により外部から電圧を印加した場合と同等
の効果を発生する。尚、形状や圧電素子の分極のパター
ン等は何ら本実施例の構成に限定するものではない。

【００１９】以上実施例をあげて本発明の超音波ステッ
プモータについて詳述したが、前述の例においては特定
の方向に振動モードを形成する為の構成を示したもので
あり、その目的を達せられるのであれば、何ら前述の実
施例の構成に限定するものではない。例えば材料を複合
化するなどして密度や剛性等を変える事が考えられる。

【００２０】図１１は本発明の超音波ステップモータの
駆動回路の一実施例を示す回路図であり、制御回路１０
３は、基準信号ＣＬＫを基準にしトランスミッションゲ
ート等からなる切り換えスイッチ３１，３２で発振回路
Ａ１０１、発振回路Ｂ１０２の信号を開閉する。１０６
はステータ２に添付した振動子であり、本実施例では
正，逆（＋，−）に分極した圧電素子６０を用いてい
る。分極は一実施例として、図示の角度の配置してあ
る。ドライバ回路１０４のドライバＡ４１２を介し、Ａ
で示した部分に電圧を印加する事により、ａを含む６０
°毎に節を有する３λの振動モードを励起し、ドライバ
Ｂ４２を介し、Ｂの部分を駆動するとｂを含む６０°毎
に節を有する３λの振動モードを励起する。この様な構
成においてはＡ，Ｂそれぞれの部分を単独で駆動すると
それぞれの位置に定在波が形成され、９０°位相がずれ
た信号で駆動する事により進行波が形成される。

【００２１】図１２は図１１における回路図の各部にお
ける信号波形の例を示すタイミングチャートであり、Ｃ
ＬＫに同期し、スイッチング信号ｃ，ｄが送出され発振
回路Ａ，Ｂの信号がスイッチングされｅ，ｆが振動子に
印加される。発振回路Ａ，発振回路Ｂは周波数は同じで
位相が９０°ずれている為、期間イでは進行波が形成さ
れてロータが回転し、ロではａの位置に定在波が形成さ
れ位置決めされ、ハでは励振されない為、ロータは移動
せず電力の供給が不要である。

【００２２】尚図１１、図１２において一実施例を示し
たが、その目的は進行波と、定在波の励振及び休止を切
り換える事が目的である為、振動の次数や励振のし方、
駆動のタイミングや長さ等、何ら限定するものではな
い。また、定在波の励振においては進行波の励振でロー
タを間欠的に送り、時々定在波で位置決めする様な励振
であっても良い。さらに、Ａの部分を駆動して定在波を
励振する場合、１３の部分を駆動して励振する場合のど
ちらを利用しても良いし、組み合わせても良い。

【００２３】図１３は本発明の超音波ステップモータに
おけるステータの第１の実施例を示す上面図であり、ス
テータ２に破線で示した３λの振動モードを励振する場
合である。ステータ２にはロータ（図示せず。側面図は
４参照）の撓み振動を妨げない為の逃げ部５１が振動モ
ードの腹の位置に構成してあり、残りの接触部５２が振
動モードの節の位置にありロータと摩擦接触している。
この様な構成においてはステータとロータの撓み振動が
相互に干渉する事がなく、接触部５２は節になりやすい
為、振動モードが安定する。

【００２４】図１４は本発明の超音波ステップモータの
ステータの第２の実施例を示す上面図であり、接触部５
２を外周部のみに設け、ステータ２におけるロータとの
干渉を避ける逃げ部５１の他に外周逃げ部５１ａを設け
ている。この様な構成においては節は破線の位置にでき
る。また外周を歯割り加工等によって削除する事によっ
て接触部５２が容易に形成できる。

【００２５】図１５は本発明の超音波ステップモータの
ステータの第３の実施例を示す上面図であり、ステータ
２は円板状ではないが中心に対して軸対称になっている
ので、破線の位置に節ができるし、加工も図１４の例と
同様に容易である。

【００２６】尚、図１３，図１４，図１５のステータの
形状の実施例においては、ステータとロータの撓み振動
が互いに干渉しない様に、ステータに逃げ部を設け、振
動の節の部分でロータと接触する事により振動を安定す
る事が目的である為、逃げ部や接触部の形状、振動モー
ドの種類等何ら限定するものではない。

【００２７】

【発明の効果】以上、いくつかの実施例をあげ詳述した
様に、本発明の超音波ステップモータによれば、ロータ
に質量や剛性の分布を設け、また振動子を添付した事に
より、振動モードの方向を特定する事ができた。さら
に、ステータの駆動において定在波の励振を組み合わす
事により、進行波の励振と定在波の励振を切り換え、前
述のロータをステップ駆動させる事ができた。したがっ
てフィードバック等の制御が不要でありながらシーケン
ス的に所望の回転量を得る事ができた。また、定在波の
励振時に、振動モードの腹の位置に逃げ部を設けた事に
より、相互の干渉を防ぐ事ができ振動モードを安定化す
る事ができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概要を示すブロックダイヤグラム。

【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は位置決めの原理を示
す説明図。

【図３】ロータの振動モードとステータの接触部の関係
を示す説明図。

【図４】本発明の超音波ステップモータの一実施例を示
す断面図。

【図５】ロータの第１の実施例を示す斜視図。

【図６】ロータの第２の実施例を示す斜視図。

【図７】ロータの第３の実施例を示す斜視図。

【図８】（ａ），（ｂ）は、ロータが強制的に励振され
ている状態を示す説明図。

【図９】ロータの第４の実施例を示す斜視図。

【図１０】ロータの第５の実施例を示す斜視図。

【図１１】本発明の超音波ステップモータの駆動回路の
一実施例を示す回路図。

【図１２】図１１における各部の信号波形の例を示すタ
イミングチャート。

【図１３】ステータの第１の実施例を示す上面図。

【図１４】ステータの第２の実施例を示す上面図。

【図１５】ステータの第３の実施例を示す上面図。

【符号の説明】

１ ロータ ２ ステータ ３ 振動子 １２ スリット １３ 突起部 ２１ 振動子 ３１，３２ 切り換えスイッチ ５１ 逃げ部 ５１ａ 外周逃げ部 ５２ 接触部 ６０ 圧電素子 １０１ 発振回路Ａ １０２ 発振回路Ｂ １０３ 制御回路 １０４ ドライバ回路 １０５ ステータ １０６ 振動子 １０７ ロータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−38180（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−253882（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−139278（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−26283（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−70277（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−207281（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】「少なくとも２組の振動子を備えたステー
   タと、 該ステータと接するロータと、 位相の異なる複数の定在波励振によって形成される合成
   振動と、同相の定在波励振によって形成される定在波振
   動とを切り換えることによって、前記ロータの非回転状
   態または回転状態を選択するよう構成された超音波ステ
   ップモータにおいて、 前記ステータが前記ロータに接触するための複数の接触
   部を備え、該接触部のロータ回転方向の幅が定在波振動
   の波長に比べて十分に短く、且つ前記接触部が前記定在
   波振動の半波長の整数倍の距離をもって離間しており、 さらに、ロータが定在波で励振される場合の節の位置の
   整数分の一の間隔で、ロータ回転方向に関して前記ロー
   タが不均一な剛性または質量を有すること、または前記
   ロータ上に振動子を有することにより振動モードの節を
   所望の位置に設けたこと、を特徴とする超音波ステップ
   モータ。」
2. 【請求項２】「請求項１に記載の超音波ステップモータ
   において、前記ステータは定在波振動の腹の位置に逃げ
   部を設け、節の位置でロータと接触することを特徴とす
   る超音波ステップモータ。」