JP3453838B2 - Ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic motor

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JP3453838B2
JP3453838B2 JP05151494A JP5151494A JP3453838B2 JP 3453838 B2 JP3453838 B2 JP 3453838B2 JP 05151494 A JP05151494 A JP 05151494A JP 5151494 A JP5151494 A JP 5151494A JP 3453838 B2 JP3453838 B2 JP 3453838B2
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【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、縦振動モードと屈曲
振動モード等のような異なるモードの振動を利用して、
相対運動部材との間で相対運動を生じさせる超音波モー
タに関し、特に、その駆動制御方法を改良した超音波モ
ータに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention utilizes vibrations of different modes such as a longitudinal vibration mode and a bending vibration mode,
The present invention relates to an ultrasonic motor that produces relative motion with a relative motion member, and more particularly to an ultrasonic motor with an improved drive control method.

【0002】[0002]

【従来の技術】図5は、リニア型超音波モータの従来例
を示す図である。従来のリニア型超音波モータは、棒状
弾性体101の一端側に加振用の変成器102が配置さ
れ、他端側に制振用の変成器103が配置されている。
各変成器102,103には、振動子102a,103
aが接合されている。加振用の振動子102aに発振器
102bから交流電圧を印加して棒状弾性体101を振
動させ、この振動が棒状弾性体101を伝播することに
より進行波となる。この進行波により、棒状弾性体10
1に加圧接触された移動体104が駆動される。
2. Description of the Related Art FIG. 5 is a diagram showing a conventional example of a linear ultrasonic motor. In a conventional linear ultrasonic motor, a vibrating transformer 102 is arranged on one end side of a rod-shaped elastic body 101 and a vibrating transformer 103 is arranged on the other end side.
Each of the transformers 102, 103 includes a vibrator 102a, 103
a is joined. An alternating voltage is applied from the oscillator 102b to the vibrator 102a for vibration to vibrate the rod-shaped elastic body 101, and this vibration propagates through the rod-shaped elastic body 101 to become a traveling wave. Due to this traveling wave, the rod-shaped elastic body 10
The moving body 104 that is brought into pressure contact with 1 is driven.

【0003】一方、棒状弾性体101の振動は、制振用
の変成器103を通じて振動子103aに伝えられ、こ
の振動子103aによって振動エネルギーが電気エネル
ギーに変換される。この振動子103aに接続された負
荷103bにより電気エネルギーを消費することにより
振動を吸収する。この制振用の変成器103により、棒
状弾性体101の端面の反射を抑制して、棒状弾性体1
01の固有モードの定在波の発生を防いでいる。
On the other hand, the vibration of the rod-shaped elastic body 101 is transmitted to the vibrator 103a through the vibration damping transformer 103, and the vibrator 103a converts the vibration energy into electric energy. The load 103b connected to the vibrator 103a consumes the electric energy to absorb the vibration. This vibration damping transformer 103 suppresses the reflection of the end surface of the rod-shaped elastic body 101, and the rod-shaped elastic body 1
The generation of standing waves of 01 eigenmodes is prevented.

【0004】図5のリニア型超音波モータは、移動体1
04の移動範囲だけ、棒状弾性体101の長さが必要で
あり、その棒状弾性体101の全体を加振しなければな
らず、装置が大型化するとともに、固有モードの定在波
の発生を防止するために、制振用の変成器103などが
必要となる、という問題があった。
The linear type ultrasonic motor shown in FIG.
The length of the rod-shaped elastic body 101 is required only for the moving range of 04, and the whole of the rod-shaped elastic body 101 has to be vibrated, so that the device becomes large and the standing wave of the eigenmode is generated. In order to prevent this, there has been a problem that the vibration damping transformer 103 and the like are required.

【0005】このような問題を解決するために、自走式
の超音波モータが種々提案されており、例えば、「第5
回電磁力関連のダイナミックスシンポジウム講演論文
集」の「222 光ピックアップ移動を目的とした圧電
リニアモータ」に記載されている「異形縮退縦L1−屈
曲B4モード・平板モータ」が知られている。
In order to solve such problems, various self-propelled ultrasonic motors have been proposed.
The "degenerate vertical L1-bending B4 mode flat plate motor" described in "222 Piezoelectric linear motor for moving optical pickup" in "Proceedings of Dynamics Symposium on Electromagnetic Force" is known.

【0006】図6は、異形縮退縦L1−屈曲B4モード
・平板モータの従来例を示す模式図であって、図6
(A)は正面図、図6(B)は側面図、図6(C)は平
面図である。弾性体1は、矩形平板状の基礎部1aと、
その基礎部1aの一方の面に形成された突起部1b,1
cとから構成されている。圧電素子2,3は、弾性体1
の基礎部1aの他方の面に貼付され、縦振動L1モード
と屈曲振動B4モードを発生させる素子である。弾性体
1の突起部1b,1cは、基礎部1aに発生する屈曲振
動B4モードの腹の位置に設けられており、相対運動部
材(不図示)に加圧接触させられ、相対運動を行う。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a conventional example of a modified degenerate vertical L1-bending B4 mode flat plate motor.
6A is a front view, FIG. 6B is a side view, and FIG. 6C is a plan view. The elastic body 1 includes a rectangular flat plate-shaped base portion 1a,
Protrusions 1b, 1 formed on one surface of the base 1a
and c. The piezoelectric elements 2 and 3 are elastic bodies 1.
Is an element that is attached to the other surface of the base portion 1a to generate a longitudinal vibration L1 mode and a bending vibration B4 mode. The protrusions 1b and 1c of the elastic body 1 are provided at antinodes of the bending vibration B4 mode generated in the base portion 1a, and are brought into pressure contact with a relative motion member (not shown) to perform relative motion.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した図6
のモータは、縦振動モードと屈曲振動モードのように、
2つのモードの振動が発生するので、同一の振動モード
を重ね合わせて進行性振動波を発生する従来の超音波モ
ータ駆動回路(例えば、特開昭63−209482号な
ど)を使用したのでは、安定した駆動制御を行うことが
できなかった。具体的には、入力周波電圧の周波数を変
更して速度制御を行う場合に、その周波数の範囲の選択
のしかたによっては、負荷が変動したとき等に駆動でき
なくなる場合が発生する、という問題があった。
However, as shown in FIG.
The motor is like a longitudinal vibration mode and a bending vibration mode,
Since two modes of vibration are generated, if a conventional ultrasonic motor drive circuit (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 63-209482) that generates a progressive vibration wave by superposing the same vibration mode is used, Stable drive control could not be performed. Specifically, when speed control is performed by changing the frequency of the input frequency voltage, depending on how to select the range of the frequency, there is a problem that driving may not be possible when the load fluctuates. there were.

【0008】本発明の目的は、前述の課題を解決し、縦
振動モードと屈曲振動モードのような異なるモードの振
動を利用した場合であっても、安定した駆動制御を行う
ことを可能にする超音波モータを提供することである。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to enable stable drive control even when vibrations of different modes such as a longitudinal vibration mode and a bending vibration mode are utilized. It is to provide an ultrasonic motor.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明による超音波モータの第1の解決手段は、相
対運動部材の移動方向に対して平行な方向に振動する第
1の振動モードと、前記相対運動部材の移動方向に対し
て交差する方向に振動する第2の振動モードとを利用し
て、相対運動部材との間で相対運動を生じさせる超音波
モータにおいて、前記第1の振動モードの共振周波数お
よび前記第2の振動モードの共振周波数のいずれよりも
高い範囲で制御する駆動制御手段を設けるとともに、前
記第1の振動モードの共振周波数を前記第2の振動モー
ドの共振周波数よりも高くし、前記駆動制御手段は、起
動時に高い周波数から低い周波数に向かって、周波数を
変更することを特徴としている。
In order to solve the above problems, a first solution means of an ultrasonic motor according to the present invention is a first vibration vibrating in a direction parallel to a moving direction of a relative motion member. In the ultrasonic motor, which uses the mode and a second vibration mode that vibrates in a direction intersecting with a moving direction of the relative motion member, a relative motion is generated between the relative motion member and the relative motion member. Drive control means for controlling in a range higher than both the resonance frequency of the vibration mode and the resonance frequency of the second vibration mode, and the resonance frequency of the first vibration mode to the resonance of the second vibration mode. Higher than the frequency , and the drive control means
Frequency from high frequency to low frequency
It is characterized by changing .

【0010】第2の解決手段は、弾性体(11)と、前
記弾性体に結合される電気機械変換素子(12,13)
とを有し、前記電気機械変換素子により前記弾性体に
対運動部材の駆動方向に振動する縦振動モードとその縦
振動モードと交差する方向に振動する屈曲振動モードと
を発生させ、それらの合成振動により生ずる楕円運動に
よって、相対運動部材との間で相対運動を生じさせる超
音波モータにおいて、前記縦振動モード(L1)と前記
屈曲振動モード(B4)の共振周波数(fL1,fB4)の
うち、高い方の共振周波数(fL1)よりも高い範囲で制
御する駆動制御手段を設けるとともに、前記縦振動モー
ドの共振周波数を前記屈曲振動モードの共振周波数より
も高くしたことを特徴としている。
A second solution is an elastic body (11) and electromechanical conversion elements (12, 13) coupled to the elastic body.
It has the door, phase to the elastic body by the electromechanical transducer
Longitudinal vibration mode oscillating in the driving direction of a pair of moving members and its longitudinal
In the ultrasonic motor that generates a bending vibration mode that vibrates in a direction intersecting with the vibration mode and causes relative motion with the relative motion member by the elliptical motion generated by their combined vibration, the longitudinal vibration mode (L1 ) and the bending resonance frequency of the vibration mode (B4) (fL1, fB4) of, Rutotomoni provided a drive control means for controlling at a higher range than the higher resonance frequency (fL1), the longitudinal vibration mode
From the resonance frequency of the bending vibration mode
It is also characterized by making it higher .

【0011】第3の解決手段は、第1又は第2の解決手
段の超音波モータにおいて、前記駆動制御手段は、起動
時に高い周波数から低い周波数に向かって、周波数を変
更することを特徴としている。
A third solving means is the ultrasonic motor according to the first or second solving means, wherein the drive control means changes the frequency from a high frequency to a low frequency at the time of starting. .

【0012】第4の解決手段は、第1〜第3の解決手段
のいずれか1つの超音波モータにおいて、前記駆動制御
手段は、入力電圧とモニタ電圧の位相差に応じた検出位
相差信号を出力する位相差検出器(26)と、目標出力
に相当する目標位相差信号を出力する目標位相差設定器
(28)と、前記位相差検出器と前記目標位相差設定器
の出力を比較して、前記検出位相差信号が前記目標位相
差信号に近付くように制御する位相差制御器(27)と
を含み、異なる振動モードの共振周波数の高い方の共振
点よりも高い範囲に、前記目標位相差信号を設定してあ
ることを特徴としている。
A fourth solving means is the ultrasonic motor according to any one of the first to third solving means, wherein the drive control means outputs a detected phase difference signal according to a phase difference between the input voltage and the monitor voltage. The phase difference detector (26) for outputting, the target phase difference setting device (28) for outputting a target phase difference signal corresponding to the target output, and the outputs of the phase difference detector and the target phase difference setting device are compared. And a phase difference controller (27) for controlling the detected phase difference signal so as to approach the target phase difference signal, and the target is set in a range higher than a resonance point having a higher resonance frequency of different vibration modes. The feature is that a phase difference signal is set.

【0013】[0013]

【作用】本発明によれば、第1のモードと第2のモード
の異なるモード、例えば、縦振動モードと屈曲振動モー
ド等の振動を利用して、相対運動部材との間に相対運動
を生じさせる場合に、異なる振動のうちで、高い方の共
振周波数よりも高い範囲で制御するようにしたので、負
荷の変動などにより駆動しなくなるようなことがなくな
り、常に安定した駆動をすることができる。
According to the present invention, the relative motion is generated between the relative motion member by utilizing the vibrations of the first mode and the second mode different from each other, for example, the longitudinal vibration mode and the bending vibration mode. In this case, among the different vibrations, the control is performed in a range higher than the higher resonance frequency, so that driving is not stopped due to load fluctuations, etc., and stable driving can always be performed. .

【0014】[0014]

【実施例】以下、図面等を参照して、実施例につき、さ
らに詳細に説明する。図1は、本発明による超音波モー
タの実施例を示した模式図である。弾性体11は、基礎
部11aと、2つの突起部11b,11cとを有し、そ
の材質には、ステンレスやアルミニウム合金などの金属
又はプラスチック等が用いられる。この実施例では、弾
性体11の厚さをt,長さをh,幅をbとする。
Embodiments Embodiments will be described in more detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of an ultrasonic motor according to the present invention. The elastic body 11 has a base portion 11a and two protruding portions 11b and 11c, and the material thereof is metal such as stainless steel or aluminum alloy, or plastic. In this embodiment, the elastic body 11 has a thickness t, a length h, and a width b.

【0015】圧電素子12〜15は、弾性体11の基礎
部11aの上面に接着されている。圧電素子12,13
は、縦振動L1モードと屈曲振動B4モードとを発生さ
せるための素子である。圧電素子12,13は、その表
面に電極12a,13aが焼き付けられており、電極1
2aを介して、圧電素子12にA端子の電圧が印加さ
れ、電極13aを介して、圧電素子13にB端子の電圧
が印加される。この実施例では、圧電素子12,13
は、図1(C)のように、厚み方向に分極されており、
分極方向は互いに同方向である。また、A端子の電圧と
B端子の電圧とは、周波数が同一で、位相がπ/2だけ
ずれている。なお、2つの圧電素子12,13の分極は
互いに逆方向であってもよい。
The piezoelectric elements 12 to 15 are bonded to the upper surface of the base portion 11a of the elastic body 11. Piezoelectric elements 12, 13
Is an element for generating a longitudinal vibration L1 mode and a bending vibration B4 mode. The piezoelectric elements 12 and 13 have electrodes 12a and 13a printed on their surfaces.
The voltage of the A terminal is applied to the piezoelectric element 12 via 2a, and the voltage of the B terminal is applied to the piezoelectric element 13 via the electrode 13a. In this embodiment, the piezoelectric elements 12 and 13 are
Is polarized in the thickness direction as shown in FIG.
The polarization directions are the same. Further, the voltage of the A terminal and the voltage of the B terminal have the same frequency and are out of phase with each other by π / 2. The polarizations of the two piezoelectric elements 12 and 13 may be opposite to each other.

【0016】圧電素子14は、その表面に電極14aが
焼き付けられており、この電極14aは、弾性体11と
導電性の塗料16によって電気的に接続されている。圧
電素子12,13は、電極12a,13aの配置されて
いる面とは逆側の面が弾性体11と電気的に同電位であ
り、その電位は、導電性の塗料16、電極14aを経由
して、G端子に伝えられる。なお、圧電素子14は、駆
動力の低下や駆動方向の性能差をなくすために、分極処
理を施さないことが好ましい。
An electrode 14a is printed on the surface of the piezoelectric element 14, and the electrode 14a is electrically connected to the elastic body 11 by a conductive paint 16. The piezoelectric elements 12 and 13 have the same electric potential as the elastic body 11 on the surface opposite to the surface on which the electrodes 12a and 13a are arranged, and the electric potential passes through the conductive paint 16 and the electrode 14a. Then, it is transmitted to the G terminal. It is preferable that the piezoelectric element 14 is not subjected to polarization treatment in order to reduce the driving force and eliminate the performance difference in the driving direction.

【0017】圧電素子15は、その表面に電極15aが
焼き付けられている。弾性体11の振動状態は、圧電素
子15によって、電気信号に変換され、電極15aを介
してP端子に伝えられる。この電気信号には、4次の屈
曲振動モードの振動状態と、1次の縦振動モードの振動
状態との、異なる2つの振動モードが縮退された形で含
まれている。そして、弾性体11の合成された振動振幅
にほぼ応じた大きさの信号が得られる。
The piezoelectric element 15 has an electrode 15a printed on its surface. The vibration state of the elastic body 11 is converted into an electric signal by the piezoelectric element 15 and transmitted to the P terminal via the electrode 15a. This electric signal contains two different vibration modes, that is, the vibration state of the fourth bending vibration mode and the vibration state of the first longitudinal vibration mode, in a degenerated form. Then, a signal having a magnitude substantially corresponding to the combined vibration amplitude of the elastic body 11 is obtained.

【0018】図2は、本発明による超音波モータの動作
を説明する図である。図2(A)は、超音波モータに入
力される2相の高周波電圧A,Bの時間的変化をt1〜
t9で示している。図2(A)の横軸は、高周波電圧の
実効値を示している。図2(B)は、超音波モータの断
面の変形の様子を示し、超音波モータに発生する屈曲振
動の時間的変化(t1〜t9)を示している。図2
(C)は、超音波モータの断面の変形の様子を示し、超
音波モータに発生する縦振動の時間的変化(t1〜t
9)を示している。図2(D)は、超音波モータの突起
部11b,11cとに発生する楕円運動の時間的変化
(t1〜t9)を示している。
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the ultrasonic motor according to the present invention. FIG. 2 (A) shows time changes of two-phase high-frequency voltages A and B input to the ultrasonic motor from t1.
It is shown at t9. The horizontal axis of FIG. 2A shows the effective value of the high frequency voltage. FIG. 2B shows how the cross section of the ultrasonic motor is deformed, and shows a temporal change (t1 to t9) of the bending vibration generated in the ultrasonic motor. Figure 2
(C) shows the state of deformation of the cross section of the ultrasonic motor, and changes in longitudinal vibration (t1 to t) generated in the ultrasonic motor.
9) is shown. FIG. 2D shows a temporal change (t1 to t9) of the elliptic motion generated in the protrusions 11b and 11c of the ultrasonic motor.

【0019】次に、この実施例の超音波モータの動作
を、時間的変化(t1〜t9)ごとに説明する。時間t
1において、図2(A)に示すように、高周波電圧Aは
正の電圧を発生し、同様に高周波電圧Bは同一の正の電
圧を発生する。図2(B)に示すように、高周波電圧
A,Bによる屈曲運動は互いに打ち消し合い、質点Y1
とZ1とが振幅零となる。また、図2(C)に示すよう
に、高周波電圧A,Bによる縦振動は伸張する方向に発
生する。質点Y2とZ2とは矢印で示されるように、節
Xを中心にして最大の伸長を示す。その結果、図2
(D)に示すように、上記両振動が複合され、質点Y1
とY2との運動の合成が質点Yの運動となり、また、質
点Z1とZ2との運動の合成が質点Zの運動となる。
Next, the operation of the ultrasonic motor of this embodiment will be described for each time change (t1 to t9). Time t
2, the high frequency voltage A generates a positive voltage, and the high frequency voltage B similarly generates the same positive voltage, as shown in FIG. As shown in FIG. 2B, the bending motions due to the high frequency voltages A and B cancel each other out, and the mass point Y1
And Z1 have zero amplitude. Further, as shown in FIG. 2C, the longitudinal vibrations due to the high frequency voltages A and B are generated in the extending direction. The mass points Y2 and Z2 show the maximum elongation around the node X, as indicated by the arrow. As a result,
As shown in (D), the above-mentioned both vibrations are combined, and the mass point Y1
The synthesis of the motion of Y and Y2 becomes the motion of the mass point Y, and the synthesis of the motion of the mass points Z1 and Z2 becomes the motion of the mass point Z.

【0020】時間t2において、図2(A)に示すよう
に、高周波電圧Bは零となり、高周波電圧Aは正の電圧
を発生する。図2(B)に示すように、高周波電圧Aに
よる屈曲運動が発生し、質点Y1が正方向に振幅し、質
点Z1が負方向に振幅する。また、図2(C)に示すよ
うに、高周波電圧Aによる縦振動が発生し、質点Y2と
質点Z2とが時間t1のときよりも縮む。その結果、図
2(D)に示すように、上記両振動が複合され、質点Y
とZとが時間t1のときよりも右回りに移動する。
At time t2, as shown in FIG. 2 (A), the high frequency voltage B becomes zero and the high frequency voltage A generates a positive voltage. As shown in FIG. 2 (B), a bending motion is generated by the high frequency voltage A, the mass point Y1 oscillates in the positive direction, and the mass point Z1 oscillates in the negative direction. Further, as shown in FIG. 2 (C), longitudinal vibration due to the high frequency voltage A occurs, and the mass points Y2 and Z2 contract more than at time t1. As a result, as shown in FIG. 2D, the above-mentioned both vibrations are combined, and the mass Y
And Z move clockwise relative to the time t1.

【0021】時間t3において、図2(A)に示すよう
に、高周波電圧Aは正の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Bは同一の負の電圧を発生する。図2(B)に示すよ
うに、高周波電圧A及びBによる屈曲運動が合成されて
増幅され、質点Y1が時間t2のときよりも正方向に増
幅され、最大の正の振幅値を示す。質点Z1が時間t2
のときよりも負方向に増幅され、最大の負の振幅値を示
す。また、図2(C)に示すように、高周波電圧A及び
Bによる縦振動が互いに打ち消しあい、質点Y2とZ2
とが元の位置に戻る。その結果、図2(D)に示すよう
に、上記両振動が複合され、質点YとZとが時間t2の
ときよりも右回りに移動する。
At time t3, as shown in FIG. 2 (A), the high frequency voltage A generates a positive voltage and the high frequency voltage B similarly generates the same negative voltage. As shown in FIG. 2 (B), the bending motions due to the high frequency voltages A and B are combined and amplified, and the mass point Y1 is amplified in the positive direction more than at the time t2, showing the maximum positive amplitude value. Mass point Z1 is time t2
It is amplified in the negative direction more than, and shows the maximum negative amplitude value. Further, as shown in FIG. 2C, the longitudinal vibrations due to the high frequency voltages A and B cancel each other out, and the mass points Y2 and Z2
And return to their original positions. As a result, as shown in FIG. 2D, both of the above vibrations are combined, and the mass points Y and Z move clockwise relative to the time t2.

【0022】時間t4において、図2(A)に示すよう
に、高周波電圧Aは零となり、高周波電圧Bは負の電圧
を発生する。図2(B)に示すように、高周波電圧Bに
よる屈曲運動が発生し、質点Y1は時間t3のときより
も振幅が低下し、質点Z1時間t3のときよりも振幅が
低下する。また、図2(C)に示すように、高周波電圧
Bによる縦振動が発生し、質点Y2とZ2が収縮する。
その結果、図2(D)に示すように、上記両振動が複合
され、質点YとZとが時間t3のときよりも右回りに移
動する。
At time t4, as shown in FIG. 2 (A), the high frequency voltage A becomes zero and the high frequency voltage B generates a negative voltage. As shown in FIG. 2 (B), a bending motion is generated by the high frequency voltage B, and the amplitude of the mass point Y1 is lower than that at the time t3, and the amplitude is lower than that at the mass point Z1 time t3. Further, as shown in FIG. 2C, longitudinal vibration due to the high frequency voltage B is generated, and the mass points Y2 and Z2 contract.
As a result, as shown in FIG. 2 (D), both of the above vibrations are combined, and the mass points Y and Z move clockwise relative to the time t3.

【0023】時間t5において、図2(A)に示すよう
に、高周波電圧Aは負の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Bは同一の負の電圧を発生する。図2(B)に示すよ
うに、高周波電圧A,Bによる屈曲運動は互いに打ち消
し合い、質点Y1とZ1とが振幅零となる。また、図2
(C)に示すように、高周波電圧A,Bによる縦振動は
収縮する方向に発生する。質点Y2とZ2とは矢印で示
されるように、節Xを中心にして最大の収縮を示す。そ
の結果、図2(D)に示すように、上記両振動が複合さ
れ、質点YとZとが時間t4のときよりも右回りに移動
する。
At time t5, as shown in FIG. 2A, the high frequency voltage A produces a negative voltage, and similarly, the high frequency voltage B produces the same negative voltage. As shown in FIG. 2B, the bending motions due to the high frequency voltages A and B cancel each other out, and the masses Y1 and Z1 have zero amplitude. Also, FIG.
As shown in (C), the longitudinal vibration due to the high frequency voltages A and B is generated in the contracting direction. The mass points Y2 and Z2 show the maximum contraction around the node X, as indicated by the arrow. As a result, as shown in FIG. 2 (D), both of the above vibrations are combined, and the mass points Y and Z move clockwise relative to the time t4.

【0024】時間t6〜t9に変化するにしたがって、
上述の原理と同様に屈曲振動及び縦振動が発生し、その
結果、図2(D)に示すように、質点Y及び質点Zが右
回りに移動し、楕円運動をする。以上の原理により、こ
の超音波モータは、突起部11a,11bの先端に楕円
運動を発生させ、駆動力を取り出す構成となっている。
従って、突起部11b,11cの先端を相対運動部材
(不図示)に加圧すると、弾性体11は、その相対運動
部材に対して自走する。
As the time t6 to t9 changes,
Flexural vibrations and longitudinal vibrations are generated in the same manner as the above-described principle, and as a result, as shown in FIG. 2D, the mass points Y and Z move clockwise and make an elliptic motion. Based on the above principle, this ultrasonic motor is configured to generate an elliptic motion at the tips of the protrusions 11a and 11b to extract the driving force.
Therefore, when the tips of the protrusions 11b and 11c are pressed against the relative motion member (not shown), the elastic body 11 self-propels to the relative motion member.

【0025】図3は、本実施例による超音波モータの周
波数と振動振幅の関係を示した線図であり、横軸は周波
数、縦軸は振動振幅を表している。本実施例の超音波モ
ータは、1次の縦振動モードの共振周波数fL1が、4次
の屈曲振動モードの共振周波数fB4以上になるように構
成されている。その理由は、以下の通りである。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between frequency and vibration amplitude of the ultrasonic motor according to this embodiment, where the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents vibration amplitude. The ultrasonic motor of this embodiment is configured so that the resonance frequency f L1 of the first longitudinal vibration mode is equal to or higher than the resonance frequency f B4 of the fourth bending vibration mode. The reason is as follows.

【0026】超音波モータは、一般に、入力周波数を変
更して速度制御する。このときに、共振周波数よりも低
い周波数によって駆動すると、起動できなかったり、過
負荷時に駆動が停止してしまったりする現象が発生する
ことがある。従って、共振周波数以上で作動させる必要
がある。ところが、この実施例の超音波モータのよう
に、縦振動モードと屈曲振動モードの2種類の振動モー
ドの縮退を利用して駆動する原理のモータでは、速度に
対して支配的に寄与する縦振動モードを対象にして周波
数を変更し、速度制御を行うことが望ましいと考えられ
る。そのときに、屈曲振動モードがその共振周波数fB4
よりも低い周波数で駆動されることになると、屈曲振動
が停止してしまう可能性がある。そこで、この実施例で
は、1次の縦振動モードの共振周波数fL1は、4次の屈
曲振動モードの共振周波数fB4以上になるように構成し
た。これにより、入力周波数を1次の縦振動モードの共
振周波数fL1以上のどの範囲に設定しても、4次の屈曲
振動モードの共振周波数fB4以上よりも低くなることが
ないので、起動できなかったり、過負荷時に駆動が停止
してしまったりする現象が発生しなくなり、駆動が安定
する。
The ultrasonic motor generally controls the speed by changing the input frequency. At this time, if the drive is performed at a frequency lower than the resonance frequency, a phenomenon may occur in which the drive cannot be started or the drive is stopped at the time of overload. Therefore, it is necessary to operate above the resonance frequency. However, in the motor of the principle that is driven by utilizing the degeneracy of two kinds of vibration modes, that is, the longitudinal vibration mode and the bending vibration mode, like the ultrasonic motor of this embodiment, the longitudinal vibration that mainly contributes to the speed is increased. It is considered desirable to control the speed by changing the frequency for each mode. At that time, the bending vibration mode has its resonance frequency f B4.
When it is driven at a lower frequency, the bending vibration may stop. Therefore, in this embodiment, the resonance frequency f L1 of the first longitudinal vibration mode is set to be equal to or higher than the resonance frequency f B4 of the fourth bending vibration mode. As a result, even if the input frequency is set to any range higher than the resonance frequency f L1 of the first longitudinal vibration mode, it does not become lower than the resonance frequency f B4 of the fourth bending vibration mode, so that it can be started. It will not occur or the phenomenon that the drive will stop when overloaded will not occur, and the drive will be stable.

【0027】ここで、1次の縦振動モードの共振周波数
L1を、4次の屈曲振動モードの共振周波数fB4よりも
高くするためには、弾性体11の厚さt(4次の屈曲振
動モードの振動方向)を薄目にすればよい。弾性体11
の長さをh、縦弾性係数をE、密度をρとすると、1次
の縦振動モードの共振周波数fL1と4次の屈曲振動モー
ドの共振周波数fB4とは、概ね fB4=(14.137/2πL2 )・(E/ρ)1/2
(t/121/2 ) fL1=(1/2L)・(E/ρ)1/2 として表される。弾性体11の厚さtを薄目にすること
により、1次の縦振動モードの共振周波数fL1を、4次
の屈曲振動モードの共振周波数fB4よりも高くすること
ができる。なお、正確には、PZT等の圧電材料や突起
部11b,11cの影響も考慮して、共振周波数を求め
ることが望ましい。
Here, in order to make the resonance frequency f L1 of the first longitudinal vibration mode higher than the resonance frequency f B4 of the fourth bending vibration mode, the thickness t of the elastic body 11 (the fourth bending) The vibration direction of the vibration mode) may be thinned. Elastic body 11
Is h, the longitudinal elastic modulus is E, and the density is ρ, the resonance frequency f L1 of the first-order longitudinal vibration mode and the resonance frequency f B4 of the fourth-order bending vibration mode are approximately f B4 = (14 .137 / 2πL 2 ) ・ (E / ρ) 1/2
It is expressed as (t / 12 1/2 ) f L1 = (1 / 2L) · (E / ρ) 1/2 . By making the thickness t of the elastic body 11 thin, the resonance frequency f L1 of the first longitudinal vibration mode can be made higher than the resonance frequency f B4 of the fourth bending vibration mode. To be precise, it is desirable to determine the resonance frequency in consideration of the influence of the piezoelectric material such as PZT and the protrusions 11b and 11c.

【0028】図4は、本実施例による超音波モータの駆
動回路を示すブロック図である。初期値発生手段21
は、電源をオンにより超音波モータ10の起動の指示が
されると、発振器22に初期周波数を指示する。この初
期周波数は、1次の縦振動モードの共振周波数fL1より
も十分に大きい周波数であり、環境温度などの変化によ
って、1次の縦振動モードの共振周波数fL1が変化して
も、それを上回ることのない値になっている。
FIG. 4 is a block diagram showing the drive circuit of the ultrasonic motor according to this embodiment. Initial value generation means 21
When the power is turned on and the ultrasonic motor 10 is instructed to start, the oscillator 22 instructs the oscillator 22 to have an initial frequency. This initial frequency is sufficiently larger frequency than the resonance frequency f L1 of the primary longitudinal vibration mode, by a change in environmental temperature, even if the resonance frequency f L1 of the primary longitudinal vibration mode is changed, it It does not exceed the value.

【0029】発振器22は、初期値発生手段21から指
示された初期周波数を発振するものであり、その出力は
分岐して、一方の出力は、第1増幅器23によって増幅
された後に、B層電圧として、圧電素子13の電極13
aに入力される。また、分岐した他方の出力は、移相器
24に接続されており、この移相器24によって、B層
電圧とはπ/2だけ位相をずらしてA層電圧とした後
に、第2増幅器25を介して、圧電素子12の電極12
aに入力される。
The oscillator 22 oscillates the initial frequency instructed by the initial value generating means 21, its output is branched, and one output is amplified by the first amplifier 23, and then the B layer voltage. As the electrode 13 of the piezoelectric element 13
Input to a. The other branched output is connected to the phase shifter 24. The phase shifter 24 shifts the phase of the B layer voltage by π / 2 to obtain the A layer voltage, and then the second amplifier 25. Through the electrode 12 of the piezoelectric element 12
Input to a.

【0030】位相差回路26は、第1増幅器23からの
B層電圧と、圧電素子15に接続されるP端子の出力が
入力されており、両電圧の位相差を求める回路であり、
その出力は、比較器27に入力される。比較器27は、
リファレンス位相差出力回路28で設定されていたリフ
ァレンス位相差と、位相差回路26の出力とを比較し
て、2つの位相差の差に相当する信号を、発振器22に
出力する。発振器22は、その位相差の差に相当する信
号が0になる方向に発信周波数を変更する。これによ
り、超音波モータの振動振幅が所定の大きさに保持され
る。
The phase difference circuit 26 is a circuit to which the B layer voltage from the first amplifier 23 and the output of the P terminal connected to the piezoelectric element 15 are input, and which calculates the phase difference between the two voltages.
The output is input to the comparator 27. The comparator 27 is
The reference phase difference set by the reference phase difference output circuit 28 is compared with the output of the phase difference circuit 26, and a signal corresponding to the difference between the two phase differences is output to the oscillator 22. The oscillator 22 changes the oscillation frequency in the direction in which the signal corresponding to the phase difference becomes zero. As a result, the vibration amplitude of the ultrasonic motor is maintained at a predetermined magnitude.

【0031】リファレンス位相差出力回路28は、その
リファレンス位相差が、図3に示した制御範囲内(≧f
L1)に対応した値に設定されているので、発振周波数
は、常に、1次の縦振動モードの共振周波数fL1以上に
なり、かつ、4次の屈曲振動モードの共振周波数fB4
りも、低くなることもないので、起動できなかったり、
過負荷時に駆動が停止してしまったりする現象が発生し
なくなり、駆動が安定する。
In the reference phase difference output circuit 28, the reference phase difference is within the control range (≧ f
Since it is set to a value corresponding to L1 ), the oscillation frequency is always equal to or higher than the resonance frequency f L1 of the first longitudinal vibration mode and is higher than the resonance frequency f B4 of the fourth bending vibration mode. It won't get too low, so you can't start,
The phenomenon that the drive stops when overloaded does not occur and the drive becomes stable.

【0032】なお、初期値発生手段11から発振器12
に初期周波数が指示されて起動すると、その直後は、初
期周波数から徐々に低い周波数に変更されることにな
る。
The initial value generating means 11 to the oscillator 12
When the initial frequency is instructed to start up, immediately after that, the initial frequency is gradually changed to a lower frequency.

【0033】以上説明した実施例に限定されず、種々の
変形や変更が可能であって、それらも本発明に含まれ
る。例えば、電気機械変換素子として、圧電素子の例で
説明したが、電歪素子であってもよい。また、異なる振
動モードとして、L1−B4モードの振動を例に説明し
たが、L1−B2,L1−B6,L2−B4などの他の
モードを使用するようにしてもよい。さらに、異なる振
動モードとして、縦振動と屈曲振動の例により説明した
が、縦振動と捩じり振動の2つの振動モードの場合で
も、同様に適用できる。さらにまた、3種類以上の振動
モードを使用する場合には、最も高い共振周波数よりも
高い範囲で制御するようにすればよい。なお、自走式の
例で説明したが、弾性体側を固定して、長尺ものの相対
運動部材を移動させるようにしてもよい。
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and changes are possible, which are also included in the present invention. For example, as the electromechanical conversion element, the piezoelectric element has been described as an example, but an electrostrictive element may be used. Further, as the different vibration modes, the vibration of the L1-B4 mode has been described as an example, but other modes such as L1-B2, L1-B6, L2-B4 may be used. Further, the different vibration modes have been described by using the example of the longitudinal vibration and the bending vibration, but the same can be applied to the case of the two vibration modes of the longitudinal vibration and the torsional vibration. Furthermore, when using three or more types of vibration modes, control may be performed in a range higher than the highest resonance frequency. Although the self-propelled example has been described, the elastic body side may be fixed and the long relative movement member may be moved.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、異なるモードの振動を利用して、相対運動部材と
の間に相対運動を生じさせる場合に、異なる振動のうち
で、高い方の共振周波数よりも高い範囲で制御するよう
にしたので、負荷の変動などにより駆動しなくなるよう
なことがなくなり、常に安定した駆動をすることができ
る、という効果がある。
As described in detail above, according to the present invention, when vibrations of different modes are utilized to cause relative motion with the relative motion member, the higher vibration of the different vibrations is used. Since the control is performed in a range higher than the resonance frequency of No. 1, there is an effect that driving is not stopped due to a change in load, and stable driving can always be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による超音波モータの実施例を示した模
式図である。
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of an ultrasonic motor according to the present invention.

【図2】本実施例の超音波モータの駆動動作を説明する
図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a driving operation of the ultrasonic motor according to the present embodiment.

【図3】本実施例による超音波モータの周波数と振動振
幅の関係を示す線図である。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between frequency and vibration amplitude of the ultrasonic motor according to the present embodiment.

【図4】本実施例による超音波モータの駆動回路を示す
ブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram showing a drive circuit of the ultrasonic motor according to the present embodiment.

【図5】リニア型超音波モータの従来例を示す図であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing a conventional example of a linear ultrasonic motor.

【図6】異形縮退縦L1−屈曲B4モード・平板モータ
の一例を示す模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a modified degenerate vertical L1-bending B4 mode flat plate motor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 弾性体 12,13,14,15 圧電素子 21 初期値発生手段 22 発振器 23 第1増幅器 24 移相器 25 第2増幅器 26 位相差回路 27 比較器 28 リファレンス位相差出力回路 11 elastic body 12, 13, 14, 15 Piezoelectric element 21 initial value generation means 22 oscillator 23 First amplifier 24 Phase shifter 25 Second amplifier 26 Phase difference circuit 27 comparator 28 Reference phase difference output circuit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−344764(JP,A) 特開 平5−161369(JP,A) 特開 昭63−56178(JP,A) 特開 平5−91766(JP,A) 特開 平5−344765(JP,A) 特開 平3−22870(JP,A) 特開 平3−164076(JP,A) 特開 平5−3688(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-5-344764 (JP, A) JP-A-5-161369 (JP, A) JP-A-63-56178 (JP, A) JP-A-5- 91766 (JP, A) JP 5-344765 (JP, A) JP 3-22870 (JP, A) JP 3-164076 (JP, A) JP 5-3688 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H02N 2/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 相対運動部材の移動方向に対して平行な
方向に振動する第1の振動モードと、前記相対運動部材
の移動方向に対して交差する方向に振動する第2の振動
モードとを利用して、相対運動部材との間で相対運動を
生じさせる超音波モータにおいて、 前記第1の振動モードの共振周波数および前記第2の振
動モードの共振周波数のいずれよりも高い範囲で制御す
る駆動制御手段を設けるとともに、前記第1の振動モー
ドの共振周波数を前記第2の振動モードの共振周波数よ
りも高くし、前記駆動制御手段は、起動時に高い周波数
から低い周波数に向かって、周波数を変更することを特
徴とする超音波モータ。
1. A first vibration mode that vibrates in a direction parallel to the moving direction of the relative motion member, and a second vibration mode that vibrates in a direction intersecting the moving direction of the relative motion member. In the ultrasonic motor that utilizes the relative motion member to generate a relative motion, a drive for controlling in a range higher than both the resonance frequency of the first vibration mode and the resonance frequency of the second vibration mode. The resonance frequency of the first vibration mode is set higher than the resonance frequency of the second vibration mode while the control means is provided, and the drive control means sets the high frequency at the time of startup.
The ultrasonic motor is characterized by changing the frequency from low to low .
【請求項2】 弾性体と、 前記弾性体に結合される電気機械変換素子とを有し、 前記電気機械変換素子により前記弾性体に相対運動部材
の駆動方向に振動する縦振動モードとその縦振動モード
と交差する方向に振動する屈曲振動モードとを発生さ
せ、それらの合成振動により生ずる楕円運動によって、
前記相対運動部材と前記弾性体との間で相対運動を生じ
させる超音波モータにおいて、 前記縦振動モードと前記屈曲振動モードの共振周波数の
うち、高い方の共振周波数よりも高い範囲で制御する駆
動制御手段を設けるとともに、前記縦振動モードの共振
周波数を前記屈曲振動モードの共振周波数よりも高くし
たことを特徴とする超音波モータ。
2. A longitudinal vibration mode having an elastic body and an electromechanical conversion element coupled to the elastic body, wherein the electromechanical conversion element causes the elastic body to vibrate in a driving direction of a relative motion member and a longitudinal vibration mode thereof. A bending vibration mode that vibrates in a direction intersecting with the vibration mode is generated, and the elliptical motion generated by their combined vibration causes
In an ultrasonic motor that causes relative motion between the relative motion member and the elastic body, a drive for controlling in a range higher than the higher resonance frequency of the resonance frequencies of the longitudinal vibration mode and the bending vibration mode. An ultrasonic motor characterized in that a resonance frequency of the longitudinal vibration mode is set higher than a resonance frequency of the bending vibration mode while providing control means.
【請求項3】 求項2に記載の超音波モータにおい
て、 前記駆動制御手段は、起動時に高い周波数から低い周波
数に向かって、周波数を変更することを特徴とする超音
波モータ。
The ultrasonic motor according to claim 3] Motomeko 2, the drive control unit, ultrasonic motor toward lower frequencies from a frequency higher at startup, and changing the frequency.
【請求項4】 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記
載の超音波モータにおいて、 前記駆動制御手段は、 入力電圧とモニタ電圧の位相差に応じた検出位相差信号
を出力する位相差検出器と、 目標出力に相当する目標位相差信号を出力する目標位相
差設定器と、 前記位相差検出器と前記目標位相差設定器の出力を比較
して、前記検出位相差信号が前記目標位相差信号に近付
くように制御する位相差制御器と、 を含み、 前記目標位相差設定器は、異なる振動モードの共振周波
数の高い方の共振点よりも高い範囲に、前記目標位相差
信号を設定してあることを特徴とする超音波モータ。
4. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the drive control unit outputs a detected phase difference signal according to a phase difference between an input voltage and a monitor voltage. A phase difference detector, a target phase difference setting device that outputs a target phase difference signal corresponding to the target output, and comparing the outputs of the phase difference detector and the target phase difference setting device, the detected phase difference signal is And a phase difference controller for controlling so as to approach the target phase difference signal, wherein the target phase difference setter is a target phase difference signal in a range higher than a resonance point of a resonance frequency of a different vibration mode. The ultrasonic motor is characterized by setting.
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