JPH02303379A - 超音波モータ - 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］ 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、その起動性を改良した超音波モ
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表面進行波を
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って移動体に伝達
されることによって移動体を駆動するものである。次に
、その事例を説明する。

第７図は従来の超音波モータの構成を示す断面図、第８
図は従来の超音波モータ本体の構成を示す斜視図である
。

図において、１は超音波モータの回転軸、２は移動体で
あるロータ、３はロータ２を駆動する固定子であるステ
ータ、４は回転軸１を軸支するベアリング、５は軸受と
して機能するブツシュ、６はブツシュ５の反対側に位置
するブツシュ、７及び８は超音波モータの外郭をなすハ
ウジング、９は回転軸１と一体で回転するフランジ部材
、１０はロータ２とステータ３との接触圧力を増大させ
るための皿バネ、１１は防振材として機能するゴムシー
トである。１４はロータ２のステータ３側に貼設した摩
擦材であり、ロータ２とステータ３との摩擦力を増大し
ている。１３は応力により弾性変形する弾性体であり、
前記ロータ２側は櫛歯部１３ａとなっている。この櫛歯
部１３ａは弾性体１３に発生する表面進行波の振幅等を
大きくするために形成されている。１２はステータ３の
反ロータ２側に接合されている圧電体である。

従来の超音波モータは上記のように構成されており、ロ
ータ２の弾性体１３に接合した圧電体１２に位相のずれ
た所定の周波数の電力を順次印加して、圧電体１２及び
弾性体１３を振動させ、当該周波数に応じた所定の共振
状態の表面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ロータ２を回転し、この回
転力は皿バネ１０及びフランジ部材９を介して回転軸１
に伝達され、前記回転軸１が回転する。

上記のような超音波モータは、通常の電磁モータに比べ
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、付勢手段たる皿バネ１０により、
ロータ２をステータ３の方向に加圧し、ステータ３とロ
ータ２との接触圧力を増大させている。

通常、ロータ２が回転している間、ロータ２はステータ
３から高い周波数を有する振動圧力を受け、法線方向と
接線方向に振動する（第８図参照）。この時、ロータ２
に生じる振動はステータ３の振動と同じ周波数を有して
いる。ロータ２の振動とステータ３の振動が同じ周波数
を有している状態では、超音波モータの出力はステータ
３に供給される電力の大きさに応じて増大する。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記の構成の超音波モータでは、起動開始前
にはロータ２とステータ３とが圧接状態にあり、起動初
期にはロータ２とステータ３とが一体となって振動系を
構成し、その振動インピーダンスを高くしているから、
印加電圧及び起動周波数の大きさによっては、ロータ２
の駆動ができないことがある。これを、第９図によって
説明する。

第９図は超音波モータの起動時及び駆動時のロータとス
テータの状態を示す要部断面図であり、（ａ）はステー
タ３とロータ２が一体となって振動している状態を示し
、（ｂ）は正常な起動時及び駆動時のロータ２とステー
タ３の振動状態を示している。なお、図中、２．３及び
１４は上記第７図及び第８図の構成部分と同一または相
当する構成部分である。

例えば、第９図の（ａ）のように、ロータ２とステータ
３とが一体になって振動し、全く同一の振動形態（同一
波長、同−振幅及び同一位相の振動波）のときは、ロー
タ２を摩擦駆動することができない。即ち、ロータ２が
ステータ３の振動に対して追随性が良すぎるために起こ
る現象である。

この追随性はロータ２とステータ３との圧接力、ロータ
２の剛性或いはステータ３の振動時の振幅の大きさ等に
よって変化していた。

このため、従来は、圧電体１２への印加電圧を大きくし
て、ステータ３の振動時の振幅を大きくし、密着状態に
あるロータ２とステータ３を振動波に応じて離反するよ
うにしていた。即ち、第９図の（ｂ）のように、ロータ
２とステータ３°との間に所定の隙間Ｓを形成していた
。この結果、ステータ３の進行波による摩擦力はロータ
２に適当に伝達され、正常な起動が行なわれていた。そ
して、起動後に、正常な駆動状態に移行していた。

しかし、このような印加電圧を調整する起動方法では、
ロータ２とステータ３との接触圧力を増大すると、これ
に伴って印加する電圧も高くする必要があり、また、こ
の方法では印加電圧の調整に限度があった。さらに、ロ
ータ２とステータ３との接触圧力が均一でない場合には
、起動性にばらつきがあった。加えて、高電圧を印加で
きないような構造の超音波モータには使用できなかった
。

そこで、特開昭６３−３６６３号公報に開示された技術
では、印加する周波数を間欠的な制御によってエネルギ
ー供給時間を制御し、超音波モータの回転制御をしてい
る。

しかし、この種の超音波モータはロータ２とステータ３
との間にはスベリが存在していることから、ロータ２側
の負荷状態はステータ３側で正確に把握するものではな
く、上記特開昭６３−３６６３号公報に開示された技術
のようなステータ３側の位相差では十分に負荷状態が把
握できなかった。したがって、超音波モータの負荷変動
による回転の安定性及び起動性は、必ずしも、良好に制
御されるものではなかった。

例えば、通常、超音波モータは、第１０図に示す超音波
モータのトルク−駆動周波数の特性図に示すように、ス
テータ３の単体の共振周波数と、駆動開始周波数との間
で駆動される。その間の特定の周波数で駆動していても
、その超音波モータの共振周波数が負荷状態によって変
化する特性を持っているから、超音波モータの共振周波
数が負荷状態によって高くなり駆動周波数を越えてしま
う場合がある。このような事態が生ずると、超音波モー
タは負荷に対応できなくなり、ロータ２は回転を停止す
ることになる。

そこで、本発明は負荷変動による回転の安定性及び起動
性を良好とした超音波モータ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］ 第一の発明は弾性進行波を発生させるステータと、その
ステータを加圧する状態に配設され、前記ステータの弾
性進行波によって駆動されるロータとを具備する超音波
モータにおいて、ロータ側の負荷をトルクセンサによっ
て検出し、負荷に応じた駆動周波数制御を行なうもので
ある。

第二の発明は弾性進行波を発生させるステータと、その
ステータを加圧する状態に配設され、前記ステータの弾
性進行波によって駆動されるロータとを具備する超音波
モータにおいて、ロータ側の負荷をトルクセンサによっ
て検出し、負荷に応じた駆動周波数制御を行ない、また
、ロータの回転及びその回転方向を検出する回転センサ
によってロータの回転停止または逆回転時に再起動を行
なうものであ、る。

［作用］ 第一の発明の超音波モータにおいては、弾性進行波を発
生させるステータと、そのステータを加圧する状態に配
設され、前記ステータの弾性進行波によって駆動される
ロータ側の負荷をトルクセンサによって検出し、そのと
きの実負荷に応じた駆動周波数制御を行なうものである
。

第二の発明の超音波モータにおいては、弾性進行波を発
生させるステータと、そのステータを加圧する状態に配
設され、前記ステータの弾性進行波によって駆動される
ロータ側の負荷をトルクセンサによって検出し、そのと
きの実負荷に応じた駆動周波数制御を行ない、また、ロ
ータの回転及びその回転方向を検出する回転センサによ
ってロータの回転停止を検出したり、または共振周波数
がシフトしてロータが逆回転した時には、一旦停止させ
、再起動を行なうものである。

［実施例］ 第１図は第一の発明の一実施例の超音波モータの駆動回
路の概略構成を示すブロック図、第２図は第一の発明の
一実施例の超音波モータの駆動回路で用いたトルクセン
サ３０の出力のタイミングチャート、第３図は第一の発
明の実施例で用いた速度調整器２８及び比較回路２９及
び補正回路３２の具体的な回路例を示す回路図である。

なお、図中、従来例と同−符号及び記号は本実施例の構
成部分と同一または相当する構成部分を示すものである
から、ここでは重複する説明を省略する。

図において、入力端子の制御により発振周波数を変化さ
せる発振回路２０は、所謂、電圧制御形発振回路（Ｖ　
ＣＯ）からなるもので、所定の入力端子で所定の超音波
周波数を出力するものである。

９０度移相回路２１は前記発振回路２０からの所定の超
音波周波数の信号の位相を９０度ずらす回路である。ま
た、ドライバ回路２２はトランス２３を介して９０度移
相回路２１のｃｏｓ信号出力を、圧電体１２に接続され
た所定の電極１２ｃｌに印加するものであり、ドライバ
回路２４はトランス２５を介して発振回路２０のｓｉｎ
信号出力を、圧電体１２に接続された所定の電極１２ｃ
２に印加するものである。起動周波数の初期値設定用の
Ｃ−Ｒ充電回路等の時定数回路２６は、アナログゲート
３４を介して前記発振回路２０の入力となっており、超
音波モータの起動時に前記発振回路２０の出力周波数を
徐々に下降させるもので、この起動周波数は定常状態の
運転時の共振周波数よりも若干高めに設定される。また
、圧電体センサ１２０３は圧電体１２の振動状態、即ち
、弾性体、１３の振動時の歪み量を検出し、進行波の振
幅に略比例した信号を出力する。差動増幅回路２９は前
記圧電体センサ１２Ｃ３からの信号を平滑化した平滑回
路２７の出力と、可変抵抗器ＰＭからなる速度調整器２
８の出力を比較し、その差出力をアナログゲート３５に
人力している。前記比較回路２９の出力は、アナログゲ
ート３５を介して前記発振回路２０の人力となっている
。この比較回路２９からの入力電圧により発振回路２０
の出力周波数は変化する。

また、超音波モータの回転軸１にはトルクセンサ３０が
配設されている。本実施例のトルクセンサ３０は、回転
軸１に２個のマグネット３０ｇとマグネット３０ｂとを
その間を軸方向及び周方向に所定の距離だけ離して配設
し、前記回転軸１の２個のマグネット３０ａ及びマグネ
ット３０ｂに対応してホール素子３０ｃ及びホール素子
３０ｄを配設し、回転軸１の捩れによって負荷を検出す
るものである。前記トルクセンサ３０の出力は、トルク
検出回路３１で負荷に相当したアナログ量に変換し、補
正回路３２で発振回路２０の出力周波数のシフト量に対
応した所定の乗数を付与して、前記平滑回路２７の出力
に加算する。トルク検出回路３１の出力は、比較回路３
３を介してアナログゲート３４及びアナログゲート３５
の制御人力としている。なお、この比較回路３３は、ト
ルク検出回路３１の出力が所定の値以上のとき、その出
力を“Ｈ″とする比較及び波形整形回路として機能して
いる。

なお、第３図はこの実施例で用いた速度調整器２８及び
比較回路２９及び補正回路３２の具体的な回路例で、補
正回路３２はオペアンプＯＰＩと抵抗Ｒ１−Ｒ３で構成
され、抵抗Ｒ３で所定の乗数を付与している。また、補
正回路３２の出力は抵抗Ｒ４を介して比較回路２９に入
力し、平滑回路２ヤの出力は抵抗Ｒ５を介して比較回路
２９に′　入力し、前記補正回路３２の出力に加算して
いる。

比較回路２９はオペアンプＯＰ２と抵抗Ｒ６及び抵抗Ｒ
７及びコンデンサＣから構成されている。

そして、速度調整器２８は可変抵抗器ＰＭからなり、比
較回路２９を構成するオペアンプＱＰ２の他方の入力と
なっている。

この超音波モータの駆動回路は上記のように構成されて
おり、次のように動作するものである。

まず、時定数回路２６には通常の定常状態時の駆動周波
数よりも高い周波数である起動開始周波数が、発振回路
２０の出力周波数となるようにその電圧を設定しておく
。

超音波モータの駆動用の電源投入時には、トルクセンサ
３０の出力及びトルク検出回路３１の出力はゼロである
から、比較回路３３の出力によってアナログゲート３４
がオン及びアナログゲート３５がオフ状態となり、発振
回路２０には時定数回路２６の出力が人力され、通常の
定常状態時の駆動周波数よりも高い起動開始周波数によ
って、圧電体１２が振動し、ステータ３に生成される進
行波によってロータ２が回転する。前記ロータ２の回転
はその負荷に応じて回転軸１の捩れとなって現れる。即
ち、トルクセンサ３０の出力は第２図のタイミングチャ
ートに示すように、ホール素子３０ｃ及びホール素子３
０ｄの出力となる。ホール素子３０ｃ及びホール素子３
０ｄの出力は、マグネット３０ｂの幅に相当するパルス
幅ＴＩ及びパルス幅Ｔ２に対して、前記ホール素子３０
ｃとホール素子３０ｄのパルス間隔ｔｌ及びパルス間隔
ｔ２の比率は、回転軸１の回転速度にほぼ関係なく、負
荷である超音波モータのトルクに比例することになる。

そこで、トルク検出回路３１の出力は、パルス幅ＴＩで
パルス間隔ｔｌを徐した値またはパルス幅Ｔ２でパルス
間隔ｔ２を徐した値をアナログ出力とする。前記トルク
検出回路３１のアナログ出力は、比較回路３３を介して
アナログゲート３４をオフ、アナログゲート３５をオン
に切替える。

負荷トルクに比例するトルクセンサ３０の出力は、平滑
回路２７の出力電圧を負荷トルクの大きさによって補正
するために、平滑回路２７の出力に加算される。

したがって、負荷によって超音波モータの共振周波数が
変動しても、常に、超音波モータの共振周波数よりも高
い共振周波数で運転することができ、ロータ２の回転が
停止したり、逆転したりするのを防止できる。

このように、第一の発明の実施例の超音波モータは、弾
性進行波を発生させるステータ３と、前記ステータ３を
加圧する状態に配設され、前記ステータ３の弾性進行波
によって駆動されるロータ２とを具備し、前記ロータ２
側の負荷をトルクセンサ３０によって検出し、トルク検
出回路３１及び補正回路３２及び比較回路２９を介して
発振回路２０にフィードバックをかけて、負荷に応じた
駆動周波数制御を行なうものである。なお、前゛記トル
クセンサ３０によって負荷に応じた駆動周波数制御を行
なうトルク検出回路３１、補正回路３２、比較回路２９
を介して発振回路２０にフィードバックをかける回路は
周波数制御手段を構成する。

故に、本実施例の超音波モータは、第１０図の特性図に
示すように、ステータ３の単体の共振周波数と時定数回
路２６で決定される起動開始周波数との間で駆動され、
この間の特定の周波数で駆動しているとき、その超音波
モータの共振周波数が負荷状態によって変化する特性を
持っているから、超音波モータの共振周波数が負荷状態
によって高くなっても、駆動周波数がそれに応じて高く
なり、超音波モータの共振周波数が負荷状態によって駆
動周波数を越えて、超音波モータが負荷に対応できなく
なって、ロータ２が回転を停止することがない。

第４図は第二の発明の一実施例の超音波モータの駆動回
路の概略構成を示すブロック図、第５図及び第６図は第
二の発明の一実施例の超音波モータの駆動回路で用いた
回転センサ４０の出力のタイミングチャートである。な
お、図中、第一の発明の実施例と同−符号及び記号は本
実施例の構成部分と同一または相当する構成部分を示す
ものであるから、ここでは重複する説明を省略し、相違
点のみ説明する。

超音波モータの回転軸１には回転センサ４０が配設され
ている。本実施例の回転センサ４０は回転軸１に２個の
反射板４０ａと反射板４０ｂを、その間を軸方向及び周
方向に所定の距離だけ離して配設し、前記回転軸１の２
個の反射板４０ａ及び反射板４０ｂに光が反射して光結
合を行なうようにホトカプラ４０ｃ及びホトカプラ４０
ｄを配設し、回転軸１の回転を検出するものである。前
記回転センサ４０の出力は回転方向・停止検出回路４１
で、所定の時間内に前記ホトカプラ４０ｄ及びホトカプ
ラ４０ｃからの出力に信号変化がないとき、その回転停
止を判断する。前記ホトカプラ４０ｄの出力のパルス幅
ＮＬ、Ｎ２に対してホトカプラ４０ｃからホトカプラ４
０ｄまでのパルス間隔ｎｌ、ｎ２の比、即ち、ｎｌ／Ｎ
ｌ、ｎ２／Ｎ２及びｎ３　／Ｎ３　、ｎ４　／Ｎ４の大
小関係によって回転方向を判断する。なお、第５図のタ
イミングチャートは正転を、第６図のタイミングチャー
トは逆転を示すものである。

また、前記回転センサ４０の出力が回転方向・停止検出
回路４１に入力され、回転方向が逆回転のとき、及び／
または回転が停止したとき、その出力をＨ”とする。再
起動回路４２は前記回転方向・停止検出回路４１で回転
方向が逆回転、回転が停止したと判断し、その出力が“
Ｈ”のとき超音波モータの駆動回路の電源を開閉し、時
定数回路２６を再度投入する回路である。他の構成要素
については、第一実施例と同一なので説明を省略する。

このように構成された本実施例の超音波モータの駆動回
路は上記のように構成されており、次のように動作する
ものである。

瞬時に負荷が急変し、周波数制御手段による制御系では
対応できなくなった場合に、ロータ２が回転を停止した
り、或いは共振周波数の変動により逆回転に陥ると、回
転センサ４０の信号により回転方向・停止検出回路４１
が回転方向が逆回転または回転停止を判断し、その出力
によって再起動回路４２が時定数回路２６によって、再
度、超音波モータの起動を行なう。

なお、前記回転方向・停止検出回路４１及び再起動回路
４２は、本実施例のロータ２の回転停止または逆回転時
に再起動を行なう起動制御手段を構成する。

ところで、上記第一、第二実施例のロータ２側の負荷を
検出するトルクセンサ３０は、２個のマグネット３０ａ
及びマグネット３０ｂとホール素子３０ｃ及びホール素
子３０ｄからなるものであるが、本発明を実施する場合
には公知のトルクセンサの使用が可能である。しかし、
本実施例のように、回転部分に電力供給する必要のない
構成とすることにより、その寿命を長くすることができ
る。

また、上記第一、第二実施例のトルクセンサ３０によっ
て負荷に応じた駆動周波数制御・を行なう周波数制御手
段は、トルク検出回路３１及び補正回路３２及び差動増
幅回路２９を介して発振回路２０にフィードバックをか
けて、負荷に応じた駆動周波数制御を行なうものである
が、本発明を実施する場合には、トルクセンサ３０の出
力によって負荷に応じた駆動周波数制御を行なう回路で
あればよい。

そして、上記第二の発明の実施例のロータ２の回転及び
その回転方向を検出する回転センサ４０は、２個の反射
板４０ｇ及び反射板４０ｂとそれに光を反射して光結合
を行なうホトカブラ４０ｃ及びホトカプラ４０ｄからな
るものであるが、本発明を実施する場合には公知の回転
センサ４０の使用が可能である。しかし、本実施例のよ
うに、回転部分に電力供給する必要のない構成とするこ
とにより、その寿命を長くすることができる。

更に、上記第二の発明の実施例のロータ２の回転停止ま
たは逆回転時に再起動を行なう起動制御手段は、回転方
向・停止検出回路４１及び再起動回路４２からなるもの
であるが、本発明を実施する場合にはロータ２の回転停
止または逆回転時に再起動を行なう回路であればよい。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、第一の発明の超音波モータは、弾
性進行波を発生させるステータと、前記ステータを加圧
する状態に配設され、前記ステータの弾性進行波によっ
て駆動され回転するロータとを具備する超音波モータに
おいて、前記ロータ側の負荷をトルクセンサによって検
出し、負荷に応じた駆動周波数制御を行なうものである
。

したがって、通常、超音波モータは、ステータの単体の
共振周波数と時定数回路で決定される起動開始周波数と
の間で駆動されるが、この間の特定の周波数で駆動して
いるとき、その超音波モータの共振周波数が負荷状態に
よって変化し、超音波モータの共振周波数が負荷状態に
よって高くなっても、駆動周波数がそれに応じて高くな
り、超音波モータの共振周波数が負荷状態によって駆動
周波数を越えて、超音波モータが負荷に対応できなくな
ってロータが回転を停止することがない。

また、第二の発明の超音波モータは、上記第一の発明の
構成に、ロータの回転及びその回転方向を検出する回転
センサと、前記ロータの回転停止または逆回転時に再起
動を行なう起動制御手段とを付加したものであるから、
第一の発明の効果に加えて、譬え、瞬時に負荷が急変し
、周波数制御手段による制御系では対応できなくなった
場合にも、ロータが回転を停止したり、或いは共振周波
数の変動により逆回転に陥ると、起動制御手段によって
、再度、超音波モータの起動を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第一の発明の一実施例の超音波モータの駆動回
路の概略構成を示すブロック図、第２図は第一の発明の
一実施例の超音波モータの駆動回路で用いたトルクセン
サの出力のタイミングチャート、第３図は第一の発明の
実施例で用いた速度調整器及び比較回路及び補正回路の
具体的な回路例を示す回路図、第４図は第二の発明の一
実施例の超音波モータの駆動回路の概略構成を示すブロ
ック図、第５図及び第６図は第二の発明の一実施例の超
音波モータの駆動回路で用いた回転センサの出力のタイ
ミングチャート、第７図は従来の超音波モータ本体の構
成を示す断面図、第８図は従来の超音波モータの構成を
示す斜視図、第９図は超音波モータの起動時及び定常状
態時のロータとステータの状態を示す要部断面図、第１
０図は超音波モータのトルク−駆動周波数の特性図であ
る。 図において、 ２：ロータ　　　　　　３：ステータ ２９：差動増幅回路　　３０：トルクセンサ３１：トル
ク検出回路　３２：補正回路４０：回転センサ　　　４
２：再起動回路４１：回転方向・停止検出回路 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　弾性進行波を発生させるステータと、前記ステ
   ータを加圧する状態に配設され、前記ステータの弾性進
   行波によって駆動され回転するロータとを具備する超音
   波モータにおいて、 前記ロータ側の負荷をトルクセンサによって検出し、負
   荷に応じた駆動周波数制御を行なうことを特徴とする超
   音波モータ。
2. （２）　弾性進行波を発生させるステータと、前記ステ
   ータを加圧する状態に配設され、前記ステータの弾性進
   行波によって駆動され回転するロータとを具備する超音
   波モータにおいて、 前記ロータ側の負荷を検出するトルクセンサと、前記ト
   ルクセンサによって負荷に応じた駆動周波数制御を行な
   う周波数制御手段と、 前記ロータの回転及びその回転方向を検出する回転セン
   サと、 前記ロータの回転停止または逆回転時に再起動を行なう
   起動制御手段と を具備することを特徴とする超音波モータ。