JPH01264580A - 進行波形超音波モータの駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、未分極処理電極を介して２領域に分割され、
前記各領域が多数の電極に分割された圧電体と前記圧電
体に接着により一体化された弾性体とから成る振動体に
生ずる進行性屈曲波によって回転体を回転させる進行波
形超音波モータの前記２領域にそれぞれ９０°の位相差
のある前記振動体の駆動周波数に等しい交流電圧を入力
して駆動する進行波形超音波モータの駆動制御方法に関
する。

（従来の技術） 従来、磁石と、コイルに電流を流ずことによって生ずる
電磁石との相互作用によって、電気エネルギーを回転運
動としての機械エネルギーに変換するモータは広く用い
られている。この電磁力を応用したモータに代る！！ｉ
ｍとして超音波エネルギーを利用するモータが提案され
ている。第４図はこの種のモータの一例の進行波形超音
波モータ（以下進行波モータという）の動作原理の説明
図である。図において、１は弾性体で、その表面１′上
に進行波が形成された状態を示している。

弾性体１の表面１′上には楕円振動が形成される。今、
表面１′の質点Ａに着目すると、横振幅ａ　（上下方向
）と縦振幅ｂ　（左右方向）の楕円軌跡Ｑ上を矢印Ｍの
方向に運動しており、この状態の下で運動が自由な動体
２の表面を弾性体１の表面上に加圧接触させると動体２
は弾性体１の進行波の頂点Ａ及びＡ′の部分でのみ接触
しており、且つ、頂点Ａ、Ａ’　は矢印Ｍの方向に運動
しているので、動体２は弾性体１との摩擦によって矢印
Ｎの方向に駆動される。

上記の動作原理に基づく進行波モータの一例の断面図を
第５図に示す。図において、円環状弾性体１１は導電体
で作られ、その表面に円環状圧電体１２が接着され、円
環状圧電体１２が円環状弾性体１１を励振して一体とし
て振動するようになっている。１３は円環状弾性体１１
に圧接されて円環状弾性体１１に生ずる駆動ノＪにより
回転する回転子である。回転子１３はばね１４により適
度な加圧力で円環状弾性体１１に圧接されていて、出力
軸１５から回転エネルギーを出力している。

円環状圧電体１２の構成の一例を第６図に示す。

図において、（イ）図は円環状圧電体１２の表面の図で
、（ロ）図は裏面の図である。（イ）図に示すように円
環状圧電体１２．は例えば２０、°旬に分割された１６
個の互いに隣接する部分が交互に厚み方向に分極処理さ
れた電極２１〜２８及び３１〜３ムと未分極処理電極４
０及び４１で構成される。電極２１〜２８の８個の電極
から成る領域をＡとし、電極３１〜３８の８個の電極か
ら成る領域をＢとする。領域Ａと領域Ｂの各構成電極部
は成る瞬間の入力に対して奇数番号の素子が伸長すると
偶数番号の素子は収縮づるものである。図においてはそ
の瞬間において伸長する素子を゛十″、収縮する素子を
ｎ　　ｉ＋で表示している。（ロ）図は裏面の図で、電
極２１−２８から成る領域△の裏面の電極は一体化され
て電極Δ５１を構成し、電極３１〜３８から成る領域Ｂ
の裏面の電極は一体化されて電極Ｂ５２を構成している
。

上記のように構成された円環状圧電体１２において、表
面の各電極２１〜２８と３１〜３８及び未分極処理電極
４０と４１をすべそ円環状弾性体１１により電気的に一
体化してコモン電極とし、裏面の電極Ａ５１にリード線
５３を半ｉ付けし、電極Ｂ５２にリード線５４を半田付
けして、リード線５３にＶｏ　Ｓｉｎωｔ　、リード線
５４にＶｏｃ。

８０℃を印加する。この印加交流電圧の周波数が一体に
なっに円環状圧電体１２と円環状弾性体１１とで構成さ
れる振動体で決まる共振周波数と略等しくなった時、振
動体は共振し、円周方向に屈曲振動を起こす。ここで、
例えば第６図の未分極処理電極４１を各電極を）／２と
する共振周波数に対しく３／４）λに選ぶとこの領域へ
と領域Ｂとに発生した波が相互に干渉をｉこし、合成さ
れて進行波となり、回転子１３を回転させる。

（発明が解決しようとする１２題）゛ このように進行波モー々をその共振周波数で駆動するこ
とにより最大の効率と安定性が得られるが、共振周波数
は周囲の温度条件、自己発熱及びモータに加えら゛れる
鈎荷条件等の諸条件により変動じ、印加した交流電圧信
号の周波数とはずれてきて効率の低下が起り、安定性が
悪化してついには停止することになる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的
は、印加する交流電圧の駆動周波数を進行波モータの振
動体の共振周波数に合致させて最良の条件で進行波モー
タを駆動する進行波モータの駆動ＩＩＪ　ｍ方法を実現
することにある。

（課題を解決するための手段） 前記の課題を解決する本発明は、未分極処理電極を介し
て２領域に分割され、前記各領域が多数の電極に分割さ
れた圧電体と前記圧電体に接着により一体化された弾性
体とから成る振動体に生ずる進行性屈曲波によって回転
体を回転させる進行波形超音波モータの前記２領域にそ
れぞれ９０’の位相差のある前記振動体の駆動周波数に
等しい交流電圧を入力して駆動する進行波形超音波モー
タの駆動制御方法において、前記未分極処理電極の一部
に分極処理を行った少なくとも２箇所の電極を設（プ、
該電極間に生ずる前記進行性屈曲波にＪ、−）て発生す
る交流電圧信号の位相差を測定し、該位相差を一定に保
つように前記圧電体に印加する交流電圧の周波数を変化
させることを特徴とするものである。

（作用） 圧電体の２領域に交流電圧を入力し、未分極処理電極に
分極処理して得た２電極によって得られた交流電圧の位
相差を測定し、その位相差を一定に保つように駆動交流
電圧の周波数を調整する。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明づる
。

第１図は本発明の方法の実施に用いる円環状圧電体の構
造図である１１図において、第６図と同じ部分には同一
の符号を付しである。図中、６０は裏面の未分極処理電
極４３の電極△５１側に設（プて分極処理した電極、６
１は同じく未分極処理電極４３の電極Ｂ５２側に設けて
分極処理した電極で、電極６０からの引ぎ出し線６２の
引き出し点と電極６１からの引ぎ出し線６３の引き出し
点とはλ／２の間隔にしである。

ここで、第２図を参照して本発明の方法の原理を説明す
る。図は、説明のために第１図の円環状圧電体１２を直
線状に置き換えたものである。

（イ）図は直線状に置き換えた円環状圧電体の図、（口
〉図は領域ＡにＶｏｓｉｎωｔを印加した時に生ずる定
在波の図である。又、（ハ）図は領域ＢにＶｏＣＯ５ω
ｔを印加した時に生ずる定在波の図である。

（イ）図の円環状圧電体の未分極処理電極４１に距離！
の２点ａ、ｂにおける信号を考える。領域Ａに電圧ｖｏ
ｓｉｎωｔを印加した時のａ、ｂ間における位相差は次
式で与えられる。波長λｃａｎの長さに等しい長さの位
相差は２πラジアンなのでｚｃｍにおける位相差αラジ
アンは α−（２π／λ）！ 故にａ、ｂ２点間に得られる電圧は Ｖｏ　ｓｉｎ　　（（２π／λ）　１１　）　−５ｉｎ
　ωｔ　・（１）次に領１ｉｉｌ！Ｂにｙｏｃｏｓωｔ
を印加した時のａ。

ｂ２点間に得られる電圧は ＝　７− ｙ（、ｃｏｓ　　（＜２ｙｃ／λ）　　ｌ　）　　・ｃ
ｏｓ　　ωｔ−（２＞両者を同時に印加した時進行波が
発生する。この時のａ、ｂ２点間の電圧ＶＪは（１）＋
（２＞で次式の通りである。

ＶＪ　□□−Ｖｏ　Ｓ！ｎ　　（＜２π／λ）／）・ｓ
ｉｎωを十Ｖ＋＋　ＣＯ３（、（２π／２）ｄ）・ｃｏ
ｓωｔ＝ＶｏＣｏＳ（（２π／λ）Ｉ！−ωｔ）となる
。　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３）第１
図の円環状圧電体１２において、分極処理された電極６
０と６１は発生した機械的な進行性屈曲波ににす（３〉
式に示づ゛電圧を発生する。第１図のようにａ、ｂ２点
間の距離をλ／２に選ぶど、ぞの発生電圧Ｖｚは Ｖオーｙｏｃｏｓ（π−ωｔ）となる。

即ら、その位相差はπ−１８０°となる。逆に引き出し
線６２．６３間の電圧の位相差を測定し、１８０°の位
相差を保っＪ、うに、即らａ、ｂ間の距１Ｉｌｌｔ１２
がλ／２になるように印加交流電圧の周波数を変化させ
れば印加交流電圧の周波数は振動体の共振周波数に等し
くなる。

一８＝ 第３図は本発明の方法を実施するための回路の一例であ
る。図において、第１図と同じ部分には同一符号を付し
である。７０は電極６０と電極６１の出力電圧の位相を
比較してその位相差に比例する電圧に変換する位相比較
器、７１は位相比較器７０の位相差に比例Ｊ−る出力電
圧に対応する周波数の交流電圧を発生する電圧−周波数
変換器である。この出力の交流電圧信号は移相器７２で
ｓ１ｎωｔとＣＯＳω［との２信号に変換され、リード
線５３とリード線５４を介して電極Δ５１ど電極Ａ、５
２に供給される。

この回路にａ３いて、円環状圧電体の共振周波数が変化
すると位相比較器７０の出力電圧が変化し、電圧−周波
数変換器７１の発生周波数が変動した円環状圧電体１２
の共振周波数に一致づるＪ：うに変化する。従って、駆
動周波数と共振周波数とは常に一致づる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例
えば進行性屈曲波の位相差を測る測定点を（３／４．）
λの未分極処理電極４１の中でλ／２差の位置に選んで
いたが、λ／２ではなくλ／４とかλ／８等の値にして
もよく、又、未分極処理電極４２との間で測定してもよ
い。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように本発明によれば、周囲の温度
条件、自己発熱及びモータに加えられる真向条件の諸条
件により変動する共振周波数に駆動周波数を一致させる
ことができるようになり、実用上の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の方法を実施するための円環
状圧電体の構成図、第２図は本発明の方法の原Ｉ！Ｉ！
説明図、第３図は本発明の方法を実１１１！するための
回路、第４図は進行波モータの動作原理説明図、第５図
は従来の進行波モータの断面図、第６図は従来の進行波
モータの円環状圧電体の概略構成図である。 １１・・・円環状弾性体　　　１２・・・円環状圧電体
１３・・・回転子 ４０．４１．４２．４３・・・未分極処理電極５１・・
・電極Ａ　　　　　　　５２・・・電極Ｂ５３．５４・
・・リード線　　６０．６’１・・・電極６２．６３・
・・引き出し線 特許出願人　　　フォスター電機株式会社代　叩　人　
　　　弁理＋　井　′島　藤　治外１名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　未分極処理電極を介して２領域に分割され、前記各領
   域が多数の電極に分割された圧電体と前記圧電体に接着
   により一体化された弾性体とから成る振動体に生ずる進
   行性屈曲波によって回転体を回転させる進行波形超音波
   モータの前記２領域にそれぞれ９０゜の位相差のある前
   記振動体の駆動周波数に等しい交流電圧を入力して駆動
   する進行波形超音波モータの駆動制御方法において、前
   記未分極処理電極の一部に分極処理を行った少なくとも
   ２箇所の電極を設け、該電極間に生ずる前記進行性屈曲
   波によって発生する交流電圧信号の位相差を測定し、該
   位相差を一定に保つように前記圧電体に印加する交流電
   圧の周波数を変化させることを特徴とする進行波形超音
   波モータの駆動制御方法。