JPH02303378A - 超音波モータの駆動装置 - 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］ この発明は超音波振動を駆動源とする超音波モータに関
するものであり、特に、その超音波モータの駆動装置に
関するものである。　　゛［従来の技術〕 従来より弾性体に接合した圧電体によって弾性進行波を
発生させ、これによって移動体を駆動する超音波モータ
が知られている。これらの超音波モータでは、弾性体に
発生した振動エネルギーが摩擦力により移動体に伝達さ
れることによって、移動体を駆動する。そして、この移
動体の駆動速度を所定の速度にするための駆動制御とし
て、弾性体及び圧電体等で構成されている振動体への供
給周波数の調整が行なわれている。

第４図は従来の超音波モータの駆動制御をしない場合の
負荷トルクと回転数との関係を示す特性図、第５図は従
来の超音波モータの駆動制御をした場合の負荷トルクと
回転数との関係を示す特性図である。

通常、超音波モータの回転数は何の制御もしない場合に
は、第４図の特性図に示すように、負荷トルクの増加に
つれて直線的に減少する。即ち、この特性は負荷の増大
により、振動体である固定子の振動周波数が変化するこ
とに起因している。

しかし、負荷の変化にも拘らず回転数を、常に、一定状
態に維持するためには（例えば、第５図のような特性に
するためには）、固定子の振動周波数を負荷の変動に応
じて適宜調整する必要がある。

なお、通常、この種の超音波モータでは、弾性体及び圧
電体等で構成されている振動体は共振周波数に近い所定
の周波数で振動するように設定されている。

そこで、従来の超音波モータの駆動装置では、超音波モ
ータに作用する負荷が変化した場合にも、常に、一定の
駆動速度が維持できるように構成されている。

第６図は従来の超音波モータの固定子の構造及び当該固
定子の振動時の歪量を検出する検出部を示す要部側面図
である。

図において、１は超音波モータの固定子、２は供給電圧
に応じて変形する圧電体、３は振動によって発生する応
力で弾性変形する弾性体である。

この弾性体３の一方の面には圧電体２が接合されており
、他方の面（可動子側）には櫛歯部３ａが形成されてい
る。この櫛歯部３ａは弾性体３に発生する弾性進行波の
振幅等を大きくする役割等を担っている。４は圧電体２
と弾性体３との間の接着層であり、圧電体２はこの接着
層４により弾性体３に接合されている。５は圧電体２に
電圧信号を供給するための電極、６は圧電体２に配設し
たセンサである。このセンサ６によって固定子１の振動
時の歪量を検出している。

従来の超音波モータの固定子１は、上記のように構成さ
れており、弾性体３に接合した圧電体２に位相のずれた
所定の周波数の電圧信号を順次印加することにより、圧
電体２及び弾性体３を振動させ、当該周波数に応じた所
定の共振状態の弾性進行波を発生させている。そして、
この進行波による摩擦駆動を利用して可動子を回転させ
て、回転軸等を回転駆動している。

また、この超音波モータの駆動装置では、振動時の固定
子１の歪量を、常時、センサ６で検出し、この歪量の変
化に応じて圧電体２に供給する電圧信号を変化させてい
る。即ち、これは、超音波モータに作用する負荷が変化
した場合にも、一定の駆動速度を維持するためである。

上記のような超音波モータは、電磁モータに比べて高ト
ルク低回転を特徴としている。そして、より大きなトル
クを得るために、通常、皿バネ等による固定子１と圧電
体２との接触圧力を増大さる手段を備えている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記構成の超音波モータでは、固定子１の可
動子との圧接部は櫛歯部３ａとなっており、しかも、固
定子１の振動時の歪量を検出するセンサ６は圧電体２に
配設されていた。このため、センサ６の検出出力と負荷
トルクとは、必ずしも、比例関係になかった。

第７図は従来の超音波モータの駆動装置におけるセンサ
電圧と負荷トルクとの関係を示す特性図である。このよ
うに、従来の固定子１の歪量を検出するセンサ６の検出
出力は、可動子に作用する負荷トルクが或一定量に達す
るまで増加することなく所定の出力状態となっていた。

この結果、超音波モータに作用する負荷を正確に検出す
ることができなかった。

この原因について、第８図を用いて説明する。

第８図は従来の超音波モータの固定子の櫛歯部の歪状態
を示す側面図である。

図において、３ａｌ及び３ａ２は固定子１の振動時の櫛
歯部を有する実際の櫛歯であり、３ａｌＯ及び３ａ２０
はそのときの櫛歯部のない仮想の櫛歯である。７は櫛歯
３　ａ　ｌ　＊　　３　ａ　２と圧接状態にある可動子
７である。また、Ａは櫛歯部を有する場合の櫛歯３　ａ
　１　＊　　３　ａ　２の振幅であり、Ｂは櫛歯部がな
い場合の櫛歯３ａｌ、３ａ２の振幅である。

前記櫛（ａ３ａｌ、３ａ２は第６図に示したように、弾
性体３の一部で構成されているため、可動子７が所定の
速度で駆動している間は櫛歯３ａＬ。

３ａ２自体も或一定の弾性変形状態となっている。

しかし、固定子１のセンサ６はこの櫛ｍ３ａｌ。

３ａ２を櫛歯部がない櫛歯３　ａ　１０．　３　ａ　２
０として捉えている。そして、この櫛歯３ａｌ、３ａ２
の振幅Ｂの変化量を検出して、所定の変形状態となるよ
うに固定子１に供給する駆動周波数を調整している。

しかし、可動子７には、常に、所定の加圧力が加わって
おり、可動子７に所定値以下の負荷が作用する場合は、
前記櫛歯３ａｌ、３ａ２もその影響を受けて変形を起こ
すものの、このときの変形は櫛歯３ａｌ、３ａ２の先端
部が撓むことで吸収されるから、櫛ｆｆ１３ａｌｏ、　
　３ａ２０の振幅Ｂの変化としては現れない。

このため、この負荷の変化をセンサ６が検出できず、負
荷トルクとセンサ検出出力との関係は第７図で示したよ
うな特性となっていた。

この結果、本来ならば、可動子７に作用する負荷により
生ずる櫛歯３ａｌ、３ａ２の歪の変化で、弾性体３及び
圧電体２で構成されている固定子１自体も変形し、その
弾性変形をセンサ６で検出して、元の弾性変形状態とな
るように固定子１の駆動周波数を変化すべきであるにも
拘らず、実際には、センサ６がこれを検出できないため
、回転数が低下していた。

したがって、この種の超音波モータでは使用態様に応じ
て問題となることがあった。

例えば、固定子１の櫛歯３ａｌ、３ａ２に可動子７の負
荷によって止ろうとする力が働いた場合に、その力を利
用して固定子１の振動を抑制し、回転を低下させるよう
な態様で使用する場合には何ら問題とはならない。とこ
ろが、固定子１の櫛歯３　ａ　ｌ　＋　　３　ａ　２に
可動子７の負荷によって止ろうとする力が働いた場合に
、その力を固定子１の櫛歯部３ａに発生する歪量の変化
としてセンサ６で検出して、圧電体２の振動を所定の状
態に維持するような態様で使用する場合には問題となっ
ていた。

そこで、この発明は可動子に作用する負荷に変動があっ
た場合には、その負荷の変動を正確に検出して、駆動速
度を所定の速度に維持することができる超音波モータの
駆動装置の提供を課題とするものである。

［課題を解決するための手段Ｊ この発明にかかる超音波モータの駆動装置は、一方の面
に貼着した圧電体によって他方の面に弾性進行波を発生
する固定子と、前記固定子に加圧され、固定子に発生し
た弾性進行波によって駆動される可動子とを具備する超
音波モータにおいて、可動子を振動により駆動する固定
子の振動時の歪量を、前記固定子の前記可動子との圧接
部に形成した櫛歯部で検出し、その検出信号の変化に応
じて前記固定子の駆動周波数を調整し、前記可動子の駆
動速度を調整するものである。

［作用］ この発明の超音波モータの駆動装置においては、固定子
の振動時の歪量を固定子の可動子との圧接部に形成した
櫛歯部で検出することにより、負荷の変動による櫛歯自
体の実際の歪量の変化を正しく検出できる。そして、こ
の検出結果を利用して、固定子の駆動周波数を調整し、
可動子の駆動速度を調整することにより、負荷の変動に
対しても、その影響を受けることなく、常に、所定の速
度での可動子の駆動を維持できる。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例である超音波モータの駆動
装置の概略構成を示すブロック回路図、第２図はこの発
明の超音波モータの駆動装置による固定子の振動時の歪
量を検出する検出部の一例を示す要部側面図である。な
お、図中、上記従来例で説明した記号及び符号と同一記
号または符号は、上記従来例の構成部分と同一または相
当する構成部分であるので、ここでは重複する説明を省
略する。

第１図において、発振回路１０は電圧制御によって出力
の周波数を制御する電圧制御形発振回路（Ｖ　ＣＯ）で
ある。９０度移相回路１１は発振回路１０からの信号の
位相を９０度ずらす移相回路である。ドライバ回路１２
ａ及び１２ｂは電圧変換用のトランス１３ａ、１３ｂを
介して、圧電体２の所定の電極５にｃｏｓまたはｓｉｎ
信号の電圧を印加するものである。時定数回路１４はＣ
−Ｒ充電回路等からなり、起動周波数の初期値設定用の
回路であり、この起動周波数は起動時の共振周波数より
も若干高めに設定されている。平滑回路１５はセンサ６
で検出した櫛歯の歪量である電圧信号を平滑化する回路
である。また、速度調整器１６はポテンショメータ等か
らなり、この超音波モータの回転軸等の回転速度を設定
するものである。比較回路１７は速度調整器１６からの
電圧信号と平滑回路１５からの電圧信号とを比較する回
路であり、この比較回路１７の出力の電圧信号の変化に
より、発振回路１０の出力周波数は変化する。

この超音波モータの駆動回路は１−記のように構成され
ており、次のように動作する。

まず、時定数回路１４で起動時の起動周波数を設定して
おく。この起動周波数は通常の駆動時の駆動周波数より
も高い周波数とする。そして、起動後は速度調整器１６
で設定した回転速度とセンサ６により間接的に検出され
る実際の回転速度とを比較して、設定速度よりも実際の
回転速度が速い場合には駆動周波数を低減し、逆に、設
定速度よりも回転速度が遅い場合には駆動周波数を増加
して、一定の回転速度を維持できるように固定子１の駆
動周波数を調整する。

特に、この実施例の超音波モータの駆動装置では、第２
図に示すように、圧電素子、或いは、歪ケージ等を利用
したセンサ６が固定子１の櫛歯部３ａに組込まれている
。そして、このセンサ６により固定子１の振動時の歪量
をセンサ６の出力信号として検出している。即ち、固定
子１の可動子７との圧接部に形成した櫛歯部３ａで固定
子１の振動時の歪量を検出する検出手段を構成している
。

また、この実施例では、前記検出手段からの検出出力と
速度調整器１６での設定電圧とを比較回路１７で比較し
、発振回路１０の発振周波数を変化させることにより、
固定子ｌの駆動周波数を調整し、可動子７の駆動速度を
調整する駆動速度調整手段を有している。

したがって、超音波モータの負荷の変動により櫛歯３ａ
ｌ、３ａ２自体が撓んだ場合にも、この櫛ｍ３ａｌ、３
ａ２の歪量の変化を、櫛歯部３ａに配設したセンサ６で
固定子１の振動時の歪量を確実に検出できるので、従来
の第７図で述べたようにセンサ６が負荷の変動を検出で
きない現象は生じない。即ち、負荷の変化量に比例して
センサ６の検出出力も確実に変動するので、固定子１の
振動状態の変化を正しく検出できる。そして、この検出
結果を利用して、固定子ｌの駆動周波数を正しく調整で
きる。

例えば、可動子７に作用する負荷が増加した場合には、
この負荷の増加により生ずる櫛歯３ａｌ　。

３ａ２の歪量の増加で、センサ６の検出出力も増加する
。このセンサ６の検出出力の増加により平滑回路１５の
出力電圧が速度調整器１６の設定電圧よりも大きくなっ
た場合には、発振回路１０の発振周波数を低減して、固
定子１の駆動周波数を共振周波数に近付ける。一方、可
動子７に作用する負荷が減少した場合には、この負荷の
減少により生ずる櫛歯３ａｌ、３ａ２の歪量の減少で、
センサ６の検出出力も減少する。このセンサ６の検出出
力の減少により平滑回路１５の出力電圧が速度調整器１
６での設定電圧よりも小さくなった場合には、発振回路
１０の発振周波数を増加して、固定子１の駆動周波数を
共振周波数から遠ざける。

このように、この実施例では、一方の面に貼着した圧電
体２によって他方の面に弾性進行波を発生する固定子１
と、前記固定子１に加圧され、固定子１に発生した弾性
進行波によって駆動される可動子７を具備する超音波モ
ータにおいて、固定子ｌの振動時の歪量を、固定子１の
可動子７との圧接部に形成した櫛歯部３ａで検出する検
出手段と、この検出手段からの信号の変化に応じて固定
子１の駆動周波数を調整し、可動子７の駆動速度を調整
する駆動速度調整手段とにより、可動子７の駆動速度を
適正に：Ａ整できる。

この結果、負荷の変動の影響を受けることなく、常に、
所定の駆動速度を維持することができるので、信頼性の
高い駆動制御が可能になる。なお、固定子１の共振周波
数は可動子７との加圧力及び固定子１の剛性等に応じて
相違するので、駆動周波数自体は各超音波モータに応じ
て異なる。

次に、固定子１の振動時の歪量を検出する検出部の他の
実施例について説明する。

第３図はこの発明の超音波モータの駆動装置による固定
子の振動時の歪量を検出する検出部の他の実施例を示す
要部側面図である。なお、図中、」二足従来例で説明し
た記号及び符号と同一記号または符号は、上記従来例の
構成部分と同一または相当する構成部分であるので、こ
こでは重複する説明を省略する。

第３図において、圧電センサ６０は櫛歯３ａ１゜３ａ２
の先端部に配設したものである。このセンサ６０は固定
子１の振動時の歪量を、固定子１の可動子７との圧接部
に形成した櫛歯部３ａで検出する検出手段として機能す
る。この構成の検出手段では、櫛歯３ａｌ、３ａ２の上
面の振動状態を正しく検出できる。そして、このセンサ
６０の検出出力は上記実施例で説明した第１図と同様の
駆動回路に入力される。

したがって、櫛歯部３ａの振動状態が減少し、センサ６
０の出力電圧が低下した場合には、発振回路１０の発振
周波数を低減して、固定子１の駆動周波数を共振周波数
に近付けるように制御でき、可動子７の駆動速度の調整
ができる。

また、センサ６０で固定子１の振動状態を検出すること
により、負荷の変動も同時に検出できる。

この結果、上記実施例と同様の効果を奏し、負荷の変動
の影響を受けることなく、常に、所定の駆動速度を維持
することができるので、信頼性の高い駆動制御が可能に
なる。

ところで、上記実施例では固定子１の振動時の歪量を検
出する検出手段として、センサ６を固定子１の櫛歯部３
ａに組込んだ構造、またはセンサ６０を櫛！！１３ａｌ
、３ａ２の先端部に配設した構造について説明したが、
本発明を実施する場合には、必ずしも、この構造に限定
されるものではない。即ち、櫛歯３ａｌ、３ａ２の歪量
の変化を正しく検出できる位置であればよく、例えば、
櫛歯３ａｌ、３ａ２の側面等にセンサを貼設することに
より検出手段を構成してもよい。

また、センサは上記実施例で説明したような圧電素子、
或いは、歪ケージ等を利用したものに限定されるもので
もない。例えば、加速度センサ等を利用してもよい。

さらに、上記実施例では移動体である可動子７が回転駆
動する超音波モータの起動装置について説明をしたが、
移動体が直線運動等の円運動以外の運動を行なう超音波
モータにも利用できる。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、この発明の超音波モータの駆動装
置は、固定子の振動時の歪量を固定子の可動子との圧接
部に形成した櫛歯部で検出することにより、負荷の変動
による櫛歯自体の実際の歪量の変化を正しく検出でき、
しかも、この検出結果を利用して、固定子の駆動周波数
を調整し、可動子の駆動速度を調整することにより、負
荷の変動に対しても、その影響を受けることなく、常に
、所定の速度での駆動を維持できるので、極めて信頼性
の高い駆動制御が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である超音波モータの駆動
装置の概略構成を示すブロック回路図、第２図はこの発
明の超音波モータの駆動装置による固定子の振動時の歪
量を検出する検出部の実施態様を示す要部側面図、第３
図は同じく検出部の他の実施態様を示す要部側面図、第
４図は従来の超音波モータの駆動制御をしない場合の負
荷トルクと回転数との関係を示す特性図、第５図は従来
の超音波モータの駆動制御した場合の負荷トルクと回転
数との関係を示す特性図、第６図は従来の超音波モータ
の固定子の構造及び当該固定子の振動時の歪量を検出す
る検出部を示す要部側面図、第７図は従来の超音波モー
タの駆動装置におけるセンサの検出出力と負荷トルクと
の関係を示す特性図、第８図は従来の超音波モータの固
定子の櫛歯部の歪状態を示す側面図である。 図において、 １：固定子　　　　　　２：圧電体 ３：弾性体　　　　　３ａ：櫛歯部 ３ａｌ　、３ａ２．３ａｌＯ，３ａ２０：櫛歯６．６０
：センサ　　　　　　７：可動子である。 なお、図中、同−符号及び同一記号は同一または相当部
分を示すものである。 特許出願人　アイシン精機株式会社 外１名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一方の面に貼着した圧電体によって他方の面に弾性進行
   波を発生する固定子と、 前記固定子に加圧され、固定子に発生した弾性進行波に
   よって駆動される可動子と、 前記可動子を駆動する固定子の振動時の歪量を、前記固
   定子の前記可動子との圧接部に形成した櫛歯部で検出す
   る検出手段と、 前記検出手段からの信号に応じて前記固定子の駆動周波
   数を調整し、前記可動子の駆動速度を調整する駆動速度
   調整手段と を具備することを特徴とする超音波モータの駆動装置。