JPH02299480A - 振動波モータ - 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） 本発明は超音波を駆動源とした振動波モータに関し、特
に振動波モータに励振される振動の最適化を行なう振動
波モータの制御に関するものである。

（従来の技術） はじめに信号波を用いた振動波モータの従来の構成につ
いて第８図を用いて説明した後に、従来の振動波モータ
の周波数制御について第９図を用いて説明する。

一般に、進行波を利用した振動波モータは、第８図に示
すように、弾性体の共振子８−１の裏面に、この共振子
８−１と同様な形状の振動子８−２を接合して一体化し
たステータ８−３を構成している。ステータ８−３の右
方には、ロータ８−４が設けられており、ばね８−８等
の加圧手段によって所定の圧力で押圧されている。ロー
タ８−４のステータ８−３との摺動面には、耐摩耗性を
有する材料（例えば芳香族ポリイミド繊維を充填材とし
、ポリウレタン樹脂をマトリックスとした複合プラスチ
ック材料）で形成したライニング８−５を設けることに
より、共振子８−１との摩耗を防止している。

前記の振動子８−２は一般的に圧電素子が用いられてい
るがこの振動子８．２は電極を２つの電極群に区分し、
）Ｊ４（λはステータ８−３の固有振動モードの波長）
だけ周方向にずらして配置する。２つの電極群にそれぞ
れ時間的位相をｎ／２［ｒａｄｌずらした交流電圧を印
加すると、バイモルフ効果によりステータ８−３にたわ
み振動が発生する。その結果、２組の電極に位置、位相
とも互いにｎ／２［ｒａｄｌずつすれた二つの定在波が
発生し、それらがステータ８−３上で合成されて進行波
となる。

このようにして振動波型を有する信号を入力してステー
タ８−３に進行性のたわみ振動を発生される。ステータ
８−３上の進行波は、ステータ８−３の表面上の一点に
着目すると、この点は楕円状の軌跡を描く。ロータ８−
４はステータ８−３の進行波の頂点に接触しており、ロ
ータ８−４は楕円の頂点の軌跡の方向へ摩擦によって移
動できるため、ロータ８−４進行波の進行方向とは逆の
方向に進む。従って、ロータ８−４はステータ８−３上
の進行波の進行方向とは逆の方向に回転する。

さて、振動子に入力する振動性の駆動信号はステータの
共振周波数の近傍かあるいは一致する周波数のときにモ
ータの駆動が最適な状態でおこなうことができ、共振周
波数近傍に設定された最適駆動周波数からはずれるに従
って、モータの効率や動作安定性が失われる。このため
に従来においては、振動子に入力するモータ駆動信号の
電圧と電流との位相差を検出する手法、振動子にステー
タの振動を検出するための電極を設け、この電極より得
られる信号の振幅を利用する手法、振動子にステータの
振動を検出する電極からの信号とモータ駆動信号との位
相差を利用する手法により最適動作の周波数とのずれを
検出し、このずれ周波数を駆動信号にフィードバックす
ることによりモータの駆動を安定したものにしていた。

特開昭６３−２０６１７０号公報は振動子に入力する信
号の電流と電圧との位相差を検出する手段を備え、この
位相差に基づきステータの状態を判別し適切な信号を発
振器に送ることによりモータの駆動を最適なものとする
発明が記載されている。モータを駆動している信号は±
３０［Ｖ］〜±１００［Ｖ］と通常の制御用半導体集積
回路の電源電圧よりも高圧であり、電流を検出するため
には導線を多数巻いた電磁誘導型電流センサか耐圧の高
い差動増幅器を用いる必要がある。

特開昭６２−２０３５７５号公報、特開昭６３−１３７
９号公報などに記載された発明は、振動子にステータの
振動を検出するための電極を設け、この振動検出部の電
極より得られる信号の出力レベルに応じ、モータを駆動
する発振器の周波数を制御してモータを最適な状態で駆
動させるものである。振動検出部からの信号はステータ
駆動周波数を主成分とする振動性の信号で、ステータの
振幅の大きさに密接に関係する。この信号をコンデンサ
と抵抗で構成されるローパスフィルタに入力して信号の
平滑化を行なう。しかし、周波数の高低に対して平滑化
を行なった振幅検出信号はステータの共振周波数近傍で
ピークをもつ。したがって予め設定していた周波数が、
ステータのもつ特性が外乱等で変化して振幅検出信号の
ピークをとる周波数が大幅に変化し、周波数の高いほう
から低いほうに変化させた場合に振幅検出信号が犬から
小に変化するといった増減関係が反転することがおこる
。このために周波数の変化に対して振幅検出信号の大き
さがピ工りであるかいなかを常に検出しながら振動波モ
ータを駆動するか、使用環境で起こる外乱に対しても上
述の増減関係が反転を防止する目的で振幅検出信号の大
きさがピーク値をとる周波数から十分に離れた周波数に
おいて振動波モータを駆動しなければならない。

特開昭６０−２２５６５５号公報、特開昭６２−１５４
０７４号公報、特開昭６３−２３４８８１号公報などは
、振動子にステータの振動を検出するための電極を設け
この電極より得られる信号とモータ駆動信号との位相差
を検出し、この位相差と設定位相差のずれを発振器の周
波数制御に入力する手法である。第９図に位相差による
周波数制御のブロック図を示す。この手法においては、
位相差検出回路９−２２は電極９−１０で発生する信号
と駆動信号発生部９−２６と発生した信号を分岐して得
た信号との位相差を検出し、位相差検出回路９−２２の
出力信号と、振動波モータが最適状態のときに位相差検
出回路から得られる信号が設定されている位相差設定回
路９−２３の出力信号との誤差が誤差演算回路９−２４
で演算される。この結果を発振器９−２５にフィードバ
ックし、モータ駆動信号の周波数を制御するものである
。この手法においては駆動信号発生部９−２６からステ
ータ９−３に入力される振動性信号とステータの振動と
、ステータ９−３の振動と電極９−１０から出力信号と
の間で位相は確かに変化するが、位相回転の理由が明ら
かでなく、また個々のモータによって位相差の生じ方が
異なる。

（発明が解決しようとする課題） 振動波モータは一般に、振動子に入力する振動性の駆動
信号がステータの共振周波数の近傍かあるいは一致する
周波数のときに最適な状態で駆動される。しかし、周囲
の温度変化、共振による発熱、摩擦摩耗によるステータ
とロータの加圧力の変化により共振周波数が変化する。

この共振周波数の変化に対応して振動波モータを駆動す
る信号の周波数も自動的に追尾させる必要がある。

さて、従来の技術のところで説明した共振周波数自動追
尾の手法は、モータ駆動信号の電圧と電流を検出する手
法では導線を多数回巻いた電磁誘導型電流センサか耐圧
の高い差動増幅器を用いる必要があり、小型化が困難で
あったり、特別な半導体が必要となる。またステータの
振動の大きさを検出する手法においては振幅検出信号は
ステータの共振周波数近傍でピークをもち、外乱等で、
周波数の高低と振幅検出信号の大小といった対応が反転
することが生じこれを防止するためには回路が複雑にな
ったり、ステータの共振周波数とは異なる周波数で駆動
しなければならないためにモータの効率が低下する。以
上、従来の技術のところで説明した手法によれば、省ス
ペース化、低コスト化、信頼性の向上、省エネルギー化
に対して課題がある。

本発明の目的はこれらの課題を解決した振動波モータを
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、振動波形を有する電気振動を機械振動に変換
する振動子と共振子とを接合した構造のステータとロー
タとを加圧接触させる振動波モータと、前記の振動子に
入力する振動波形を有する電気信号を生成する駆動信号
発生部とからなる振動波モータにおいて、前記振動子に
３つの振動検出部を設け、前記３つの振動検出部は２つ
の距離が他の１つから距離より小さくなるように接近し
て配置することとし、前記の近接して配置された２つの
振動検出部の内のどちらが一方と前記の近接していない
１つの振動検出部との間の差信号を検出する差信号検出
回路と、前記の近接して配置された２つの振動検出部の
うちの前記とは別の一方と振動子の接地との差信号を検
出する差信号検出回路と、前記２組の差信号検出回路が
らの信号の位相差を検出する位相差検出回路と、前記の
位相差信号の出力値を設定する位相差設定回路と、前記
の位相差検出回路から得られる信号と位相差設定回路か
ら得られる信号との誤差を演算する誤差演算回路と、誤
差演算回路からの信号を受けて周波数が変化する発振回
路とを備えることを特徴とする振動波モータである。あ
るいは前述の振動波モータにおいて、前記３つの振動検
出部と、前記の電流検出回路と、前記の差信号検出回路
に代えて、前記の振動子に４つの振動検出部を設け、前
記の４つの振動検出部は３つの互いの距離が他の１つか
らの距離より小さくなるように近接して配置することと
し、前記の近接して配置された３つの振動検出部の内の
一つと前記の近接していない１つの振動検出部との間の
差信号を検出する差信号検出回路と、前記の近接した３
つのうち前記の振動検出部を１つ除いた２つの近接して
配置された振動検出部の間の差信号を検出する差信号検
出回路とを備えることを特徴とする振動波モータである
。

（作用） 第１図（ａ）、（ｂ）で示される本発明の実施例の原理
を説明するために第７図（ａ）、（ｂ）、第２図（ａ）
、（ｂ）、と第３図（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。

第７図（ａ）に示すような振動波モータの共振子１−１
に接合された振動子７−２に２つ設けた振動検出部７−
１０．７−１１と外部抵抗７−３４から構成される機械
共振を機械共振と外部抵抗を含めた系を電気回路と同形
の類推回路に置き換えて考えると、第７図（ｂ）に示す
ように仮想電源７−３８による起電力Ｅ。と仮想抵抗７
−３５による抵抗成分、仮想コンデンサー７．３６によ
る容量成分、仮想コイル７−３７によるインダクタンス
成分からなる直列共振回路で近似される。前記の直列共
振回路のうち起電力Ｅ。の発生は仮想電源７−３８で生
じ、また周波数変化に対する出力の変化はステータの機
械共振のインピーダンス変化によるものである。直列共
振回路において共振近傍で周波数が変化すると、回路に
流れる振動性電流と回路で発生する仮想電源の振動性電
圧とは位相が変化する。

ところで振動検出部を含む電気等価回路において共振近
傍の周波数で電圧と電流とに位相差が生じるが、振動検
出部で発生する起電力が機械共振回路の場合には仮想電
源と仮想直列共振回路とを切り離し、仮想電源単体の電
圧信号である起電力Ｅｏを取り出すことは困難である。

そこで本発明では異なる距離を隔てた２組の振動検出部
を設けて検出信号を２種類とり出している。すなわち、
第２図（ａ）に示すように、一つの振動検出部２−１２
（端子２−３２）と接地（端子２−３３）間との信号と
、距離を隔てた別の２つの振動検出部１ａ−１０（端子
２−３０）、１ａ−１１（端子２−３１）間の信号との
２つの信号を取り出すか、あるいは第３図（ａ）に示す
ように近接した２つの振動検出部１ｂ−１２（端子３−
３２）、１ｂ−１３（端子３−３３）間の信号と離れた
２つの振動検出部１ｂ−１０（端子３−３０）、１ｂ−
１１（端子３−３１）間の信号の２つの信号を取り出し
ている。このようにすると、２つの信号の内、振動検出
部と接地間あるいは近接した検出部間の信号は、振動検
出部間の距離が大きい信号に比べて機械共振の影響が小
さく、仮想電源の信号に類似する。従って振動検出部間
の距離を異なるように設定した２組の信号は、共振近傍
の周波数においてインダクタンスおよび容量成分の現れ
かたが異なり、２組の信号に位相差は共振周波数近傍に
おいて変化する。尚、第２図、第３図ではインダクタン
スおよび容量成分の影響を強調し、説明をわかりやすく
するために２組の振動検出部からの信号回路のうちの一
方には電源のみの回路としである。この位相変化の様子
の測定結果を第２図、第３図の振動子に対応してそれぞ
れ第４図、第５図に示す。図中−で示される周波数が最
適駆動周波数でこの周波数の前後で位相が変化している
ことがわかる。

ところで、第１図（ａＸｂ）に示す位相差設定回路１ａ
−２３，１ｂ−２３において振動波モータが最適の駆動
状態である時の位相差を設定し、共振周波数の変動によ
り検出される位相差信号と前記の位相差設定回路で設定
された位相差信号とのづれ量を誤差演算回路１ａ−２４
，１ｂ−２４で演算する。誤差演算回路の出力信号は最
適駆動周波数からのづれを示しており、この出力信号を
振動波モータの駆動信号を生成する発振器１ａ−２５，
１ｂ−２５に入力する。前記の発振器は誤差演算回路の
出力信号に応じて発振周波数が変化する。変化量を調整
して最適駆動周波数からのずれた分の周波数とすること
により、振動波モータの駆動信号の周波数をリアルタイ
ムに最適な駆動用波数に追従させてモータを駆動するこ
とができる。

（実施例） 第１図（ａＸｂ）は本発明の振動波モータの構成を説明
図である。

第１図（ａ）において、ステータ１ａ−３は燐青銅やア
ルミ青銅などの弾性を有する材料で形成された直径３０
ｍｍの共振子１−１と厚さ０．５ｍｍの振動子（圧電素
子）ｌａ−２とを接着した構造であり、ロータ１−４は
摺動材をステータ接触面に持ち、皿ばねによりステータ
と加圧接触している。振動子の一方の端面にはモータ駆
動用の電極と振動検出用の電極である振動検出部１ａ−
１０，１ａ−１１，１ａ−１２が設けられている。

振動子のもう一方の端面は共振子と接着剤により接合さ
れており、前記の振動子の端面と共振子と電気的に本装
置のグランドに接地されている。３つの振動検出部の内
、２つは他の１つまでの距離に比べ近接して設けられて
おり、近接していない振動検出部１ａ−１０と１ａ−１
１（あるいは１ａ−１２）とから２つの信号が出力され
る。そして両者の差信号が差信号検出回路１ａ−２１に
より生成される。また近接する２つのうち、残りの一方
の振動検出部１ａ−１２（あるいは１ａ−１１）からの
出力信号と接地との差信号は差信号検出回路１ａ−２０
により生成される。２つの差信号検出回路から出力され
た２組の信号は位相差検出回路１ａ−２２により２組の
信号位相差に対応した信号が生成される。位相差設定回
路１ａ−２３では、振動波モータが最適の振動状態のと
きに差信号検出回路から出力される信号が予め設定され
、その信号が出力されている。前記の位相差検出回路１
ａ−２２からの出力信号と位相差設定回路１ａ−２３か
らの出力信号とを受けて、２つの信号の差を誤差演算回
路１ａ−２４で検出する。発振器１ａ−２５は外部から
の信号によって発振周波数が変えられる可変周波数発振
器で前記の誤差演算回路１ａ−２４からの信号により発
振器１ａ−２５の発振周波数が制御される。発振器１ａ
−２５の出力信号は駆動信号発生部１ａ−２６によって
１ａ−２が必要とする多相信号が振動子１ａ−２に供給
される。以上説明したようなＰＬＬ（フェイズロックル
ーカの構成をもつ制御によって発振器の周波数を制御し
て位相差検出回路の出力と位相差設定回路で定める出力
とが等しく成るようにする。この結果、ステータの共振
周波数の変化に対して駆動信号の周波数も変化し、振動
波モータが最適の状態となるように発振周波数が制御さ
れる。

振動子の一部に振動検出部を設ける代わりに、振動変位
により素子の抵抗値が変化する歪ゲージや、あるいは圧
電材料の一つであるＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）
にみられるような振動に対応して信号を生成する素材を
ステータの共振子に接合することにより振動検出部を構
成してもよい。

また、第１図（ｂ）は本発明の第２の実施例を示してい
る。この振動子１ｂ−２においては振動検出部１ｂ−１
０と１ｂ−１１との差信号と、振動検出部１ｂ−１２と
１ｂ−１３との差信号といったように近接する２つの振
動検出部から信号の差信号と近接しない２つの信号の差
信号を検出する。位相差検出回路は２組の差信号を受け
て、この２組の信号の位相差を出力する。この後の信号
処理は前述の第１図（ａ）で示した処理と同じである。

さらに、第１図（ａ）と第１図（ｂ）とに示した振動子
の振動検出部をそれぞれ第６図（ａ）、第６図（ｂ）に
示すように電極の分割を行なってもよい。°第６図（ａ
）で示す振動子では近接する振動検出部６１−１１と接
地との差信号、第６（ｂ）の振動子では近接する３つの
振動検出部のうち例えば６ｂ−１１と６ｂ−１２との差
信号と近接しない振動検出部６ｂ−１０と６ｂ−１３と
の差信号を検出信号とする。

（発明の効果） 本発明の振動波モータは、ステータの振動を２組の検出
信号で検知し、機械共振回路に流れる電流信号と起電力
の電圧信号との位相差を利用した共振周波数追尾回路を
備えているため、簡単な動作原理により実時間で駆動信
号の周波数を最適な値に制御することができ、省スペー
ス、省エネルギー化と振動波モータの駆動安定性を向上
させる効果がある。

図面の簡単な説明 第１図（ａ）、（ｂ）は本発明により振動波モータを示
す斜視図を含むブロック図、第２図は第１図（ａ）にお
ける振動波モータに用いられている振動子の等価回路を
説明するための斜視図（ａ）および回路図（ｂ）、第３
図は第１図（ｂ）の振動波モータに用いられている振動
子の等価回路を説明するための斜視図（ａ）および回路
図（ｂ）、第４図は第１図（ａ）で示した振動検出部か
ら得られる信号の位相差を示した説明図、第５図は第１
図（ｂ）で示した振動検出部から得られる信号の位相差
を示した説明図、第６図（ａ）、（ｂ）は本発明による
別の実施例による振動検出部のパターンを示した正面図
、第７図（ａＸｂ）は振動検出部に於ける等価回路の考
え方を示した説明図、第８図は従来の振動波モータを示
した斜視図を含むブロック図、第９図は従来の周波数制
御機能をもつ振動波モータを示した斜視図を含むブロッ
ク図である。

図において、１−１．８−１−・・共振子、１ａ−２，
１ｂ−２，６ａ−２゜６ｂ−２，７−２，８−２−・・
振動子、１ａ−３，１ｂ−３，８−３−・・ステータ、
１−４．８−４・・・ロータ、８−５・・・ライニング
、８−７・・・軸、８−８・・・ばね、８−９−・・ロ
ータ基板、１ａ−１０，１ａ−１１，１ａ−１２，１ｂ
−１０゜１ｂ−１１，１ｂ−１２，１ｂ−１３，６ａニ
ー１０．６ａ−１１，６ａ−１２，６ｂ−１０，６ｂ−
１１゜６ｂ−１２，６ｂ−１３，７−１０，７−１１・
・・振動検出部、１ａ−２０，１ａ−２１゜１ｂ−２０
，１ｂ−２１−・・差信号検出回路、１ａ−２２，１ｂ
−２２−・・位相差検出回路、１ａ−２３，１ｂ−２３
・・・位相差設定回路、１ａ−２４゜１ｂ−２４・・・
誤差演算回路、１ａ−２５，１ｂ−２５，８−２５・・
・発振器、１ａ−２６，１ｂ−２６，８−２６・・・駆
動信号発生器、２−３０．２−３１．２−３２、２−３
３．３−３０．３−３１．３−３２．３−３３．７−２
０．７−２１・・・端子、２−３４、３−３４．７−３
４．２−３５．３−３５．７−３５・・・抵抗、２−３
６．３−３６．７−３６・・・コンデンサ、２−３７．
３−３７．７−３７・・・コイル、２−３８−、３−３
８、７−３８．２−３９．３−３９−・・電源、Ｅｏ、
　Ｅｏ’、　・・・起電力、ｆ、−・・最適駆動周波数
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）振動波形を有する電気振動を機械振動に変換する
   振動子と共振子とを接合した構造のステータとロータと
   を加圧接触させる振動波モータと、前記の振動子に入力
   する振動波形を有する電気信号を生成する駆動信号発生
   部とからなる振動波モータにおいて、前記振動子に３つ
   の振動検出部を設け、前記３つの振動検出部は２つの距
   離が他の１つから距離より小さくなるように接近して配
   置することとし、前記の近接して配置された２つの振動
   検出部の内のどちらか一方と前記の近接していない１つ
   の振動検出部との間の差信号を検出する差信号検出回路
   と、前記の近接して配置された２つの振動検出部のうち
   の前記とは別の一方と振動子の接地との差信号を検出す
   る差信号検出回路と、前記２組の差信号検出回路からの
   信号の位相差を検出する位相差検出回路と、前記の位相
   差信号の出力値を設定する位相差設定回路と、前記の位
   相差検出回路から得られる信号と位相差設定回路から得
   られる信号との誤差を演算する誤差演算回路と、誤差演
   算回路からの信号を受けて周波数が変化する発振回路と
   を備えることを特徴とする振動波モータ。
2. （２）請求項１記載の振動波モータにおいて、前記３つ
   の振動検出部と、前記の電流検出回路と、前記の差信号
   検出回路に代えて、前記の振動子に４つの振動検出部を
   設け、前記の４つの振動検出部は３つの互いの距離が他
   の１つからの距離より小さくなるように近接して配置す
   ることとし、前記の近接して配置された３つの振動検出
   部の内の一つと前記の近接していない１つの振動検出部
   との間の差信号を検出する差信号検出回路と、前記の近
   接した３つのうち前記の振動検出部を１つ除いた２つの
   近接して配置された振動検出部の間の差信号を検出する
   差信号検出回路とを備えることを特徴とする振動波モー
   タ。