JPH03164076A - 超音波モータの駆動方法 - 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１表　圧電セラミック等の圧電体を用いて弾性波
を励振することにより駆動力を発生する超音波モータの
駆動方法に関する。

従来の技術 近抵　圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に弾性
振動を励振レ　これを駆動カとした超音波モータが注目
されていも 以下、図面を参照しながら従来の超音波モータ並びにそ
の駆動方法について説明を行う。

第６図（よ　円環形超音波モータの主要部の切り欠き斜
視図であり、円環形の弾性体ｌの円環面の一方に圧電体
として円環形圧電セラミック２を貼合せて振動体３を構
成していも　４は耐磨耗性材料の摩擦材、　５は弾性体
であり、互いに貼合せられて移動体６を構成していも　
移動体６は摩擦材４を介して振動体３と加圧接触して（
加圧手段は図示せず）設置される。

圧電体２に交流電圧を印加すると、第７図（ａ）に示す
ような形状敷　径方向■次・周方向３次以上の撓み振動
の進行波が振動体３に励振される。

この進行波の波頭の横方向戊分により、移動体６は摩擦
駆動され回転運動をする。第７図（ｂ）は圧電体の径方
向の変位を拡大して示したものである。

第８図（よ　円板形超音波モータの主要部を示す切り欠
き斜視図であり、円板形の弾性体７の円板面の一方に円
板形圧電体８を貼合せて振動体９を構戊している。　Ｉ
Ｏは摩擦材、　１１は弾性体であり、互いに貼合せられ
て移動体ｌ２を構成している。移動体ｌ２は摩擦材１０
を介して振動体９と加圧接触して設置される。

圧電体８に交流電圧を印加すると、第９図（ａ）に示す
ような径方向２次・周方向３次以上の撓み振動の進行波
が振動体９に励振される。この進行波の波頭の横方向戊
分により、移動体６は摩擦駆動され回転軸ｌ３を中心に
して回転運動をする。

同図（ｂ）ｉ友　　圧電体の径方向の変位を拡大して示
したものである。

第１０図（表　振動体に励振された撓み振動の進行波に
より、移動体が駆動される原理を示す説明図である。振
動体ｌ４の表面の任意のＡ点（よ　撓み振動の進行波の
励振によって、長軸２Ｗ．短軸２ｕの楕円運動をする。

振動体ｌ４上に加圧して設置された移動体１　５　｛ｉ
　　楕円軌跡の頂点近傍で振動体と接触することにより
、接触面の摩擦力により進行波の進行方向とは逆方向に
運動すん　振動体の振動振幅は圧電体に流入する機械腕
電流により決まり、進行波の波頭の横方向或分Ｕは振動
体の振動振幅によって決まる。移動体ｌ５の移動速度ｖ
　Ｌｔ，　　上記の進行波の波頭の横方向戊分Ｕと撓み
振動の角周波数ωの積により次式のように決ま　り、 ■　＝ω　×　ｕ 出力トルクは振動体と移動体の間の摩擦力によって決ま
る。

超音波モータ（よ　圧電体に所定の位置だけずらした２
組の駆動電極を構成して駆動端子を取り出よ　この２つ
の駆動端子に所定の位相の異なる交流電圧をそれぞれ印
加することにより、振動体に位置のずれた２つの撓み振
動の定在波を励振しその結果として撓み振動の進行波を
励振することができる。

この時２つの定在波の振幅が等しれけば定在波或分の小
さい進行波が得られ　動作原理から効率良く移動体を駆
動することができる。振動体は圧電体単体の時と同様に
　駆動端子からみると共振・反共振特性を示す。

従って、従来？＆　　低電圧で効率よく駆動するために
共振周波数近傍で駆動を行なうことが行なわれている。

発明が解決しようとする課題 以上説明した様に従来の超音波モータは　振動体の共振
周波数近傍で駆動していｔも かかる場合には、　特にモータの低速運転時にモータの
動作制御が不安定となり、ワウ・フラッターが増大する
などの問題が生ずることがあり丸本発明（よ　この様な
従来の課題を解決し　常に安定した状態でモータを駆動
することの出来る駆動方法を提供するものである。

課題を解決するための手段 上記課題を解決する為の手段（よ　駆動電圧の周波数力
交　超音波モータの振動体の共振周波数近傍に存在す久
　アドミタンスが一意に定まらない不安定周波数領域（
後述する）より低下しないように　駆動電圧の周波数を
制御することである。

また　超音波モータの起動時に（よ　駆動周波数を振動
体の上記不安定周波数領域より高い周波数から掃引を開
始し　駆動周波数を制御することである。

作用 駆動電圧の周波数力交　超音波モータの振動体の共振周
波数近傍に存在する上記不安定周波数領域より低下しな
いように駆動電圧の周波数を制御することにより、駆動
電極に流れる機械腕電流の安定化が図れ　モータ動作は
安定化するのである。

まな　超音波モータの起動時には　駆動周波数を振動体
の不安定周波数領域より高い周波数から掃引を開始Ｌ　
　駆動周波数を制御することにより、安定な起動が行え
るのである。

実施例 実施例の説明に先立板　上記従来例の不安定動作に関し
て本願発明人が見いだした新たな事実の説明を行なう。

第５図に示すように　超音波モータの振動体は非線形効
果により特有のアドミッタンスの周波数特性を示す。し
か転　図中に示すように　ｒ２からｒ３の周波数帯域で
Ｃｔ　　周波数の掃引方向（同図特性曲線中に矢印で示
す）でアドミッタンスはヒステリシスを示すと共に　加
えて、そのヒステリシスも同一特性を再現するものでな
く、図中に示す通り複数の特性を示すことが判明した 従ってこの領域内｛よ　周波数に対してアドミタンスが
一意に定まらないという、モータの駆動制御が事実上不
可能な領域となり、周波数を掃引する際にこの領域内を
経由すると、あるいはこの領域内で動作を行なわせよう
とすると、制御動作が正常に行えないのである。

本願発明（友　上記した不安定領域の存在という？たに
見いだした事実に基づきなされたもので、以下、図面に
従って本発明の実施例について詳細な説明を行う。

第１図は本発明の超音波モータの駆動・方法の一実施例
におけるモータ制御回路のブロック図である。　１０１
は電圧制御発振器であり、不安定周波数領域より高い周
波数（第５図のｆ３以上の周波■の超音波モータ駆動交
流信号を発生す，Ｓ，，　　１０２は電圧制御発振器１
０１の出力信号を、所定の位相差を有する２つの駆動信
号に分割する分割回路である。分割回路１０２の出力は
電力増幅器１０３および１０４によって、超音波モータ
を駆動するに充分なレベルにまで増幅され　超音波モー
タ１０６の２つの駆動端子にそれぞれ印加される。

一方の駆動端子に流入する電流は抵抗１０５と電流検出
器１０７によって検出される。位相検出器１０８は電廊
と駆動電圧の位相差を検出する。

１０９は電圧制御発振器１０１の出力周波数を制御する
発振制御器である。

超音波モータの起動時に（よ　電圧制御発振器１０１（
よ　第５図の不安定周波数領域（ｆ２からｒ３の範囲）
より高Ｌ＼　例えば第５図に示される周波数ｆ４で発振
を開始する。そして低い方へ駆動周波数を掃引するよう
に　発振制御器１０９で制御される。位相検出器１０８
の出力が設定位相Ｖｐに等しくなったら掃引を停止し　
位相検出器１０８の出力が常に設定位相Ｖｐに等しくな
るように発振制御器１０９は電圧制御発振器１０１を制
御する。ここで設定位相Ｖ　ｐ　Ｉ＆　　第２図の不安
定周波数領域の最も高い値ｆ２よりも高い周波数で駆動
されるように設定されている。

第２図は本発明の他の実施例におけるモータ制御回路の
ブロック図である。

１１０は電圧制御発振器であり、不安定周波数領域（第
５図のｆ２からｆ３）より高い周波数の超音波モータ駆
動交流信号を発生する。　１１１は電圧制御発振器１１
０の出力信号を、所定の位相差を有する２つの駆動信号
に分割する分割回路であん　分割回路１１１の出力は電
力増幅器１１２および１ｌ３によって、超音波モータを
駆動するに充分なレベルにまで増幅され　超音波モータ
１１５の２つの駆動端子にそれぞれ印加されも　一方の
駆動端子に流入する電流が抵抗１１４と電流検出器１１
６によって検出される。　１１７は電圧制御発振器１１
０１の出力周波数を制御する発振制御器であも 超音波モータの起動時に（ぬ　電圧制御発振器１ｔ　Ｏ
　＋＆　　第５図の不安定周波数領域（ｆ２がらｆ３の
範囲）より高（＼　例えば第５図に示される周波数ｆ４
で発振を開始し　低い方へ駆動周波数を掃引するように
　発振制御器１１７で制御すも　そして、電流検出器１
１６の出力が設定位相Ｖｉに等しくなったら掃引を停止
し　電流検出器１１６の出力が設定位相ｖｐに常に等し
くなるように　発振制御器１１７は電圧制御発振器１１
０を制御する。ここで設定位相Ｖ　ｉ　ｌ＆　　第２図
の不安定周波数領域の最も高い値ｆ２よりも高い周波数
で駆動されるように設定されていも 上記の実施例は電流として、圧電体の駆動電極に流れる
全電流を採用した力交　機械腕電流を採用することも容
易である。

第３図は共振周波数近傍における振動体の駆動端子から
みた等価回路である。同図において、電気腕におけるＣ
ｉは容量素子であり、機械腕におけるＣ１、Ｌ１、Ｒ１
はそれぞれ弾怯　質量、損失を表す等価素子である。駆
動端子に駆動電圧を印加すると、電流１が駆動端子に流
入する。この電流ｉは電気腕の電流１０と機械腕の電流
ｌ．に分かれる。

振動体の振動振幅は機械腕の電流ｉ．に比倒すもそこで
、第４図のように超音波モータの駆動端子に抵抗１１８
を接続し　差動増幅器１１９で電流ｉを検出する。また
　電気腕の容量素子Ｃｓの値に等しい容量素子１．　２
　０　＋Ｑ　　抵抗１１８に値の等しい抵抗１２１を直
列接続して、差動増幅器１２２で電気腕の電流１◆を検
出し　差動増幅器１２３で電流ｉから電流ｌ●を差し引
いて機械腕の電流ｉ．を検出する。

以上の各実施例においては　従来例におけるワウ・フラ
ッタの増大等の問題は一切発生せず、低速駆動時におい
て板　常に安定した運転が可能である。

発明の効果 以上述べたように　本発明の駆動方法によれば常に振動
体の特性の安定した周波数領域で、超音波モータを駆動
することにより、起動の安定したしかも動作の安定した
超音波モータを提供できも

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の駆動方法における回路ブロ
ックは　第２図は本発明の他の実施例の駆動方法におけ
る回路ブロックは　第３図は超音波モータの振動体の１
駆動端子からみた等価回路は　第４図は機械腕電流の検
出回路阻　第５図は振動体のアドミッタンスの周波数特
性猛　第６図は円環形超音波モータの切り欠き斜視は　
第７図は円環形超音波モータの振動体の径方向の振動変
位＠　第８図は円板形超音波モータの切り欠き斜視猛　
第９図は円板形超音波モータの振動体の径方向の振動変
位＠　第ｌＯ図は超音波モータの動作原理の説明図であ
る。 １、　７・・・弾性依　２、　８・・・圧電依　３、　
９・・・振動｛＆６、　ｌ２・・・移動休　１０１・・
・電圧制御発振１ｉ１０２・・・分割回跋　１０３・・
・電力増幅銖　１０４・・・電力増幅ａ　１０５・・・
抵仇　１０６・・・超音波モー久　１０７・・・電流検
出沫　１０８・・・位相検出器　１０９・・・発振制御
掠　１１０・・・電圧制御発振沫　１１１・・・分割回
３１１２・・・電力増幅沫１１３・・・電力増幅ＩＬｌ
１４・・・抵Ｋ　　１１５・・・超音波モー久　１１６
・・・電流検出銖　ｔｔ７・・・発振制御沫　１１８・
・・抵底　１１９・・・差動増幅沫　１２０・・・コン
デンサ、　１２１・・・抵仇　１２２・・・差動増幅凰
　１２３・・・差動増幅昆

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性体と圧電体とから構成される振動体に移動体
   を加圧接触させ、前記圧電体に複数の駆動電極によって
   互いに位相差を有した駆動電圧を印加して前記振動体に
   進行波を励振して前記移動体を移動させる超音波モータ
   の駆動方法において、前記複数駆動電極に印加される駆
   動電圧の周波数が、前記振動体の共振周波数近傍に存在
   する、アドミタンスが一意に定まらない周波数領域より
   低下しないように前記駆動電圧の周波数を制御すること
   を特徴とする超音波モータの駆動方法。
2. （２）超音波モータの起動時には、駆動周波数を、アド
   ミタンスが一意に定まらない周波数領域より高い周波数
   から掃引を開始しすることを特徴とする請求項１記載の
   超音波モータの駆動方法。