JP3320117B2 - 振動波モータを備えた駆動装置 - Google Patents

振動波モータを備えた駆動装置

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、PZT等の電気−機械
エネルギー変換素子に電気エネルギーを供給することに
より、振動体を振動させ、該振動体の表面粒子を円また
は楕円運動させることで、これに押圧した移動体を摩擦
駆動する振動波モータを備えた駆動装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】図16は棒状振動波モータの振動子の分
解斜視図であり、図17は棒状振動波モータの縦断面図
である。
【0003】図16に示す振動子は、2枚の圧電素子板
PZT1,2を1群とする駆動用のA相圧電素子a1、
同様に2枚の圧電素子板PZT3,4を1群とする駆動
用のB相圧電素子a2、又1枚の圧電素子板からなるセ
ンサ用圧電素子s1を図示のように積層するとともに、
これらの圧電素子間に電気を供給するための電極板A
1,A2及びセンサ信号取り出し用の電極板Sがある。
またそれらと共にGND用電極板もGND電位を与える
ためにある。そしてこれらの圧電素子板および電極板を
挟持するように前後に黄銅、ステンレスなどの振動減衰
の比較的小さい金属製ブロックb1,b2を設け、締め
付けボルトcにより金属ブロックb1,b2を締め付け
ることにより一体化し圧電素子板に圧縮応力を付与して
いる。またこのときセンサ用圧電素子s1を一枚で済ま
せるためボルトcと金属ブロックb2の間に絶縁シート
dが入っている。
【0004】このときA相圧電素子a1、B相圧電素子
a2は位置的に90π/180radずれて配置されて
おり、各々が該振動子の軸を含む直行する2つの面内方
向の屈曲振動を励振させ、かつ適当な時間的位相差を持
たせることにより、振動子の表面粒子に円あるいは楕円
運動を生ぜしめ振動子上部に押圧された移動体を摩擦駆
動する。
【0005】このような振動子を棒状振動波モータに用
いた例を図17に示す。この例では、振動子の締結ボル
トcは、先端部に細径の支柱部c2を有し、この支柱部
c2の先端部に固定された固定部材gによりモータ自体
の固定を行えるようにし、又ロータrなどの回転支持の
作用も兼用している。ロータrは前金属ブロックb1の
先端面に接触し、加圧は固定部材gからベアリング部材
eとギヤfを介してロータrに内装されたバネケースi
のコイルバネhを押圧することであたえられる。振動検
出用のセンサ素子s1は、振動子が振動しているとき、
駆動用圧電素子に印加されている交流電圧と、ある位相
差の信号が得られる。
【0006】図18に図16のようにセンサ素子s1が
A相圧電素子a1と180π/180radずれた位置
に配置したときの、周波数に対するA相圧電素子a1の
印加電圧とセンサ素子s1の出力信号の位相差の関係
(θA−S)、および出力信号の大きさ(Vs)の関係
を示す。上記振動モードで振動体を駆動すると、共振周
波数frにおいて位相差θA−Sは、CW(時計廻り方
向)CCW(反時計廻り方向)共に−90π/180r
adになり、共振周波数より高い側の周波数では徐々に
ずれていく。出力信号の大きさ(Vs)は共振周波数付
近で最大値をとり高い側の周波数では徐々に小さくな
る。よって、振動を与えているときに、この位相差や出
力信号の大きさを見ることで振動の状態が共振状態にど
れほど近いかを知ることが出きる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで振動波モータ
は摩擦により振動子上部に押圧された移動体を駆動する
ため、回転スピードを知りたいとき、あるいは特定の場
所に停止させるときなどには位置センサが必要になり、
コストが高くなり、センサを実装するスペースも必要と
するという問題がある。
【0008】第1の発明は、振動体に配置された電気―
機械エネルギー変換素子部に周波信号を印加して、前記
振動体を励振させ、該振動体に接触する移動体を駆動す
る振動波モータを備えた駆動装置において、前記移動体
に前記振動体と移動体の接触状態が周方向で不均一とな
る部分を設け、振動体と移動体を周方向に不均一に接触
させるとともに、前記振動体に設けられた振動検知用電
気―機械エネルギー変換素子部からの信号と前記電気―
機械エネルギー変換素子部に印加される周波信号の位相
差を検知する位相差検出回路を設け、該位相差検出回路
にて検出される位相差信号の変動周期を検知して移動体
の移動量に関する情報を得るものである。第2の発明
は、振動体に配置された電気―機械エネルギー変換素子
部にインピーダンス整合素子を介して周波信号を印加し
て、前記振動体を励振させ、該振動体に接触する移動体
を駆動する振動波モータを備えた駆動装置において、
記移動体に前記振動体と移動体の接触状態が周方向で不
均一となる部分を設け、振動体と移動体を周方向に不均
一に接触させるとともに、前記インピーダンス整合素子
の一方の端と他方の端における信号の位相差を検知する
位相差検出回路を設け、該位相差検出回路にて検出され
る位相差信号の変動周期を検知して移動体の移動量に関
する情報を得るものである。
【0009】
【実施例】図1に本発明の第1の実施例の回路のブロッ
ク図を示し、図2に本実施例の棒状振動波モータのステ
ータ、ロータの斜視図を示す。ロータrには軸対称に2
カ所の凸部r1 ,r2 (不図示)が形成され、面圧
むらを作っている。図1において、1は演算マイコン、
2は発振器、3は移相器、4,5はアンプ、6,7はイ
ンピーダンス整合素子(本実施例ではコイル)である。
8は位相差検出器、9は信号処理部で、10は棒状振動
波モータである。
【0010】演算マイコン1は、ある周波数になるよう
に発振器2に指令を与える。そして発振器2から出た交
流電圧はアンプ4およびコイル6を介して駆動用圧電素
子a1に加えられる。また、移相器3により90/18
0πrad位相がずれた交流電圧、アンプ5およびコイ
ル7を介してB相駆動用圧電素子a2に印加される。そ
して位相差検出器8はA相印加電圧とそれと同相に配置
された振動検出素子からの出力との位相差信号(以後、
θA−Sと略す)を発生する。信号処理部9では、位相
差検出器8で得られた位相変動の周期をパルスに直して
いる。
【0011】図18からもわかるように駆動周波数がモ
ータの共振周波数に近ずくと、位相差信号θA−Sは徐
々に大きくなる。
【0012】図3に、一定周波数で駆動した場合のロー
タrの凸部r1 ,r2 の位置と位相差信号θA−Sとの
関係を示す。
【0013】ロータrの凸部r1 ,r2 がS相と同位相
の位置に来ると、ロータrからの面圧が大きくなり、S
相方向のモードの共振周波数が上がる。一定周波数で駆
動している場合、位相差信号θA−Sの値は相対的に上
がる。逆に凹部が来た場合、ロータrからの面圧が小さ
くなりS相方向のモードの共振周波数が下がる。一定周
波数で駆動している場合、位相差信号θA−Sの値は相
対的に下がる。ロータの凹凸は1回転に2回あるので、
ロータ1回転につき2周期の位相変動のカーブが得られ
る。よって、この周期が何回あるかでロータが何回回転
したかがわかる。また、この周期を時間で割れば回転ス
ピードもわかる。
【0014】図4に本発明の第2の実施例の回路のブロ
ック図を示す。
【0015】第1の実施例では印加電圧と振動検出素子
の出力との位相差を見ているが、本実施例ではインピー
ダンス整合素子(例えばコイル)6の前後の位相差(θ
Lf−Lb)を見ている。θLf−Lbも共振周波数付
近で徐々に変化する位相カーブを描くので(不図示)、
θLf−Lbでも同様のことができる。
【0016】また、振動検出素子がなくても実施できる
という利点がある。
【0017】図5に本発明の第3の実施例の回路のブロ
ック図を示す。
【0018】符号1〜7までは図1と同じで、位相差検
出器8に変わって振動検出手段の信号振幅検出器11を
使用したものである。図18からわかるように、振動検
出手段の信号振幅も駆動周波数がモータの共振周波数に
近ずくと徐々に大きくなる。よって第1の実施例と同様
に、振動検出手段の信号振幅もロータ1回転につき2周
期の振幅変動のカーブが得られる。振動検出手段の信号
振幅だと、A相印加電圧を見なくて良く、回路構成も簡
単になりうる。
【0019】図6に本発明の第4の実施例の回路のブロ
ック図を示す。
【0020】第3の実施例では振動検出手段の信号振幅
を見ているが、本実施例ではインピーダンス整合素子
(例えばコイル)6の後の電圧、すなわち圧電素子への
印加電圧の大きさも、共振周波数付近で徐々に変化する
振幅カーブを描くので(不図示)、同様のことができ
る。
【0021】図7,図8は本発明の第5の実施例を示
し、図7は振動子の分解斜視図を示す。
【0022】駆動用の圧電素子群a1,a2、および電
極板群A1,A2,G1,G2,G3は図16と同じ
で、振動検出用圧電素子が2枚になっており、それぞれ
が圧電素子a1の励振した振動を検出できるもの(s
1)と、それに対し位置的にθS1−S2ずれて配置さ
れているもの(s2)とに分かれている。振動検出用圧
電素子s1とs2の間にはお互いにショートしないよう
に絶縁シートd−1が入っている。
【0023】図8は図7の振動波モータの駆動回路のブ
ロック図を示す。図8は図1に対し、位相差検出器
8’、信号処理部9’が2個目の振動検出手段用に増え
ている。図9はθS1−S2=45π/180radの
ときの位相差検出器8,8’の出力信号の変動を示す。
【0024】の状態では 8 信号:ロータrの凹部が来てるから共振周波数は低
く位相変動の最小の値 8’信号:ロータrの凹凸の中心だから位相変動の中心
の値 の状態では 8 信号:ロータrの凹凸の中心だから位相変動の中心
の値 8’信号:ロータrの凹部が来てるから共振周波数は低
く位相変動の最小の値 の状態では 8 信号:ロータrの凸部が来てるから共振周波数は高
く位相変動の最小の値 8’信号:ロータrの凹凸の中心だから位相変動の中心
の値 の状態では 8 信号:ロータrの凹凸の中心だから位相変動の中心
の値 8’信号:ロータrの凸部が来てるから共振周波数は高
く位相変動の最小の値 よって、位相差検出器8,8’から90π/180ra
d位相のずれた位相変動信号が得られる。よってこの変
動成分をACカップリングなどして取り出しパルス化
し、これを4逓倍処理することで、1/2回転で4パル
ス、つまり45π/180rad毎に1パルスの信号を
出すことができる。
【0025】上記例と同様に、θS1−S2=22.5
π/180radにすると、位相差検出器8と8’から
45π/180rad位相のずれた信号が得られるとい
うふうに、振動検出用圧電素子s1に対し1回転の任意
の位置でパルスが出せるので、どの位置で止まるべきか
決まっているとき、その位置でパルスが出るよう設定で
きる。
【0026】図10に本発明の第6の実施例の回路のブ
ロック図を示す。
【0027】振動子はセンサs1とs2の位置的位相差
(θS1−S2)が90π/180radずらして配置
したものを用いている。また、センサs1,s2の信号
のゲインを変え+,−する演算処理部12が設けられて
いる。
【0028】このとき、センサs1の位置に対し、位置
的位相差がθxずれた位置の位相差信号は、 SIN(θx)×s1信号+COS(θx)×s2信号 という演算結果より得られる。
【0029】すなわち、θx=45π/180radの
ときの演算結果は第5の実施例(θS1−S2=45π
/180rad)のときと同じ位相差変動カーブを描
き、センサs1のみの位相差変動カーブに比べ90π/
180radずれる。
【0030】図11にθxの値と、そのとき得られる位
相差の変動カーブを示す。
【0031】図11のように、θxをπ/8radきざ
みにし、位相変動成分をACカップリングなどしたのち
コンパレータを通してパルス化し各々のORをとると、
1回転当たり16パルスの信号が得られる。このように
θxの値を細かく任意に変えれば、振動検出手段が2個
で多くの位置的位相差のずれた部分の信号が得られ、位
置検出の分解能が上がる。
【0032】図12は位相差変動カーブをACカップリ
ングせずにパルス化する方法を示す第7の実施例のブロ
ック図であり、図13は位相差検出器8,8’,8”の
出力信号を示す。
【0033】図12にはA相,B相への印加電圧のゲイ
ンを変え+,−する演算処理部13が設けられている
(あくまでも、モータに印加してるのは通常の駆動電
圧。)。例えば、 θ1= VA と s1 の位相差…8
の出力 θ2= VA と s2 の位相差…8’
の出力 θ3=(VA+VB)と(s1+s2)の位相差…8”
の出力 θ1,θ2,θ3の絶対値が変動しても、図13のよう
な位相関係が、常に成り立つ。
【0034】従って(θ1+θ2)/2と比較すること
によりパルスを作れば、ACカップリングしなくても良
い。これにより、低速度でも位置検出が可能である。
【0035】図14に第1の実施例で用いたロータrお
よび、他の形状のロータを示す。
【0036】図14の(a)は段差を付けてステータに
2カ所当たるようにしているのに対し、同図の(b)
は、なめらかな曲線状に2カ所当たるようなっている。
このとき、ロータのステータとの接触部のつば厚みはt
1 >t2 でt1 の部分が凸部r1 ,r2 に相当する。こ
のような形状だと2つ折れの状態で加工するなどして容
易に作ることが可能である。
【0037】同図の(c)は、ロータrの摩擦面2カ所
に薄いシート材のようなものを張りつけて凸部r1 ,r
2 を形成した例である。これも、加工が容易になる。
【0038】同図の(d)は、ロータrの摩擦面は平面
でありながら、ツバばねの硬さが2カ所だけ硬い所を凸
部r1 ,r2 にした例であり、この方法だとモータ効率
を落とさずに本発明が実施できる。
【0039】また、本発明は棒状振動波モータに限らず
円環形振動波モータに対しても適用することができる。
【0040】図15に本発明の棒状振動波モータを用い
た装置を示す。
【0041】56がスリット板、57がフォトカプラ、
54がモータと装置55をつなぐ軸である。
【0042】上記棒状振動波モータの出力は軸54を通
して装置55に伝達される。また、フォトカプラ57に
より回転状態が検出され、モータの制御に供される。
【0043】
【発明の効果】以上説明したように本発明により、エン
コーダなどの移動体の位置等を検出するセンサなしに位
置決めおよび回転数を検出ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の回路のブロック図。
【図2】第1の実施例の棒状振動波モータのロータ、ス
テータの斜視図。
【図3】第1の実施例におけるロータの凸部の位置と位
相差信号θA−Sとの関係を示す図。
【図4】本発明の第2の実施例の回路のブロック図。
【図5】本発明の第3の実施例の回路のブロック図。
【図6】本発明の第4の実施例の回路のブロック図。
【図7】第5の実施例に用いた振動子の分解斜視図。
【図8】図7の振動子を用いたときの回路のブロック
図。
【図9】図8の位相差検出器8,8’からの出力信号の
波形図。
【図10】本発明の第6の実施例の回路のブロック図。
【図11】θxの値とそのとき得られる位相差の変動カ
ーブを示す図。
【図12】本発明の第7の実施例の回路のブロック図。
【図13】図12の位相差検出器8,8’,8”からの
出力信号の波形図。
【図14】ロータ形状を示す図。
【図15】本発明の棒状振動波モータを用いた装置の概
略図。
【図16】従来の棒状振動波モータの分解斜視図。
【図17】従来の棒状振動波モータの縦断面図。
【図18】従来例の周波数とA−S位相差およびS相電
圧(Vs)の関係を示す図。
【符号の説明】
1…マイコン 2…発振器 3…移相器 4,5…アンプ 6,7…インピーダンス整合素子 8…位相差検出手
段 9…信号処理部 10…棒状振動波
モータ 11…信号振幅検出器 12,13…演算
処理部 56…スリット板 57…フォトカプ
ラ a1,a2…駆動用圧電素子 b1,b2…金属
ブロック c…締め付けボルト d,d−1…絶縁
シート e…ベアリング部材 F…ギヤ g…固定部材 h…コイルバネ i…バネケース r…ロータ S1,S2…振動検出用圧電素子
フロントページの続き (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】 振動体に配置された電気―機械エネルギ
    ー変換素子部に周波信号を印加して、前記振動体を励振
    させ、該振動体に接触する移動体を駆動する振動波モー
    タを備えた駆動装置において、前記移動体に前記振動体と移動体の接触状態が周方向で
    不均一となる部分を設け、振動体と移動体を周方向に
    均一に接触させるとともに、前記振動体に設けられた振
    動検知用電気―機械エネルギー変換素子部からの信号と
    前記電気―機械エネルギー変換素子部に印加される周波
    信号の位相差を検知する位相差検出回路を設け、該位相
    差検出回路にて検出される位相差信号の変動周期を検知
    して移動体の移動量に関する情報を得ることを特徴とす
    る振動波モータを備えた駆動装置。
  2. 【請求項2】 振動体に配置された電気―機械エネルギ
    ー変換素子部にインピーダンス整合素子を介して周波信
    号を印加して、前記振動体を励振させ、該振動体に接触
    する移動体を駆動する振動波モータを備えた駆動装置に
    おいて、前記移動体に前記振動体と移動体の接触状態が周方向で
    不均一となる部分を設け、振動体と移動体を周方向に
    均一に接触させるとともに、前記インピーダンス整合素
    子の一方の端と他方の端における信号の位相差を検知す
    る位相差検出回路を設け、該位相差検出回路にて検出さ
    れる位相差信号の変動周期を検知して移動体の移動量に
    関する情報を得ることを特徴とする振動波モータを備え
    た駆動装置。
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