JPH03239170A - 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］ 本発明は、超音波振動エネルギを駆動源とする超音波モ
ータに関するものである。

［従来技術］ 近年、超音波振動子の高周波機械振動エネルギを利用し
、摩擦力を駆動源とする超音波モータが種々開発され、
応用研究が進められている。これは、超音波振動子に可
動子を圧着し、その圧着力に起因する摩擦力により推力
を発生して相対運動を行なうものである。その従来例を
第７図に示す。

リニア超音波モータ１は、ヨーク２に超音波振動子３が
固定されており、該超音波振動子３の一端に駆動部４か
形成されている。該駆動部４には、可動子５がゴムロー
ラ６により圧着されており、該可動子５は前記ヨーク２
に固定されたリニアベアリング７ａ及び７ｂによって支
持されている。

上述のように構成された従来のリニア超音波モータ１に
於て、超音波振動子３を励振すると、前記可動子５は該
超音波振動子３の略楕円運動振動による駆動力を受け、
図中矢印への方向に動く。

この駆動力は、前記駆動部４と前記可動子５との摩擦力
によって発生するものである。

このような従来の超音波モータに於いては、高速駆動或
は定速駆動を行なうために、例えば、超音波振動子に振
動状態検出用の圧電素子を設け、該超音波振動子の振動
振幅を制御するなどして高速駆動或は定速駆動を行なっ
ていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、超音波モータに用いる超音波振動子は、
その構造の不完全さなとのために、不要振動の発生を全
くなくすことが不可能である。そのため、振動状態検出
手段の出力信号が、該超音波振動子の実効状態と完全に
一致しているとは言えず、更に、ちょっとした負荷変動
によって、速度か大幅に変動してしまい、場合によって
は、全く動作しなくなってしまうということがあった。

。 本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、安定した速度で駆動でき、特にちょっとした
負荷変動によって、速度が大幅に変動しない超音波モー
タを得ることをその目的としている。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の超音波モータは、所
定の周波数で振動する超音波振動子と、該超音波振動子
に圧着した弾性体とを具備し、前記超音波振動子に励振
される定在波振動のエネルギにより前記弾性体が駆動さ
れ相対運動を行なう超音波モータに於て、該超音波モー
タの最大速度が得られる周波数ｆよりも僅かに高い駆動
周波数ｆ＋Δｆで該超音波振動子を駆動させる様に構成
されている。

更に、前記超音波モータの速度を検出し、該速度に応じ
た信号を出力するための速度検出手段と、前記速度検出
手段により出力される信号が最大になるような該超音波
振動子の駆動周波数を演算する周波数演算手段とを設け
、前記周波数演算手段によって得られる周波数ｆよりも
僅かに高い駆動周波数ｆ＋Δｆで該超音波振動子を駆動
させるように構成させてもよい。

また、前記周波数Δｆが１〜２００　Ｈｚ程度であるこ
とが望ましい。

また、前記周波数Δｆが前記周波数ｆの１％程度であっ
てもよい。

［作用］ 上記の構成を有する超音波モータに於いては、起動時或
は負荷変動時に、該超音波モータの速度が変動した時に
、光学式エンコーダ或は磁気式エンコーダ等の速度検出
手段によって該超音波モータの速度を検出し、同時に周
波数制御手段により超音波振動子の駆動周波数近傍に於
いて周波数を掃引し、最大速度が得られる周波数ｆを検
出する。

そして、該周波数ｆよりも１〜２００Ｈｚ程度高い、或
は、該周波数ｆよりも１％程度高い駆動周波数で超音波
振動子を駆動させている。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

本発明に用いる超音波振動子は、例えば特願平１−４６
８６６号の願書に添付した明細書及び図面に記載されて
いるような機械共振器を含んだ超音波振動子を用いれば
よい。以下にその構成の一例を第１図を参照しつつ説明
する。

超音波振動子１１は、矩形角柱形状を有する弾性体２１
の上面に、該弾性体２１に曲げ振動を励振するための第
１圧電体２２が着設されている。

該弾性体２１に於いて、前記着設面と略直交する側面に
は、該弾性体２１に縦振動を励振するための第２圧電体
２３ａ及び２３ｂが着設されている。

前記弾性体２１の長手方向中心は、該弾性体２１を固定
するための固定ボルト２４ａ及び２４ｂにより固定され
ている。該固定ボルト２４ａ及び２４ｂの他の一端は、
基台２５ａ及び２５ｂに固定されている。

前記第１圧電体２２の上面には、電極２７ａ及び２７ｂ
が着設されている。また前記弾性体２１自身は、アース
電極を兼ねており、該弾性体は前記固定ボルト２４ａ及
び２４ｂを介して基台２５ａ及び２５ｂに接地されてい
る。

さらに該弾性体２１は、その厚さ方向に所定の周波数ｆ
に於いて両端自由端２次モードで曲げ振動し、且つ、同
一の周波数ｆに於いて長さ方向に両端自由端１次モード
で縦振動するように形状寸法を調節されている。

一般に、弾性体中を伝ばんする縦振動の共振周波数は、
弾性体の長さに依存する。また弾性体の厚さ方向の曲げ
振動の共振周波数は、前記長さ及び厚さに依存する。従
って、前述のような弾性体２１を設計することは容易で
あるので、その詳細は省く。

以上のように構成された超音波振動子１１の作用を以下
に説明する。まず、第１圧電体２２に周波数ｆの交流電
圧を印加して振動させると、前記弾性体２１は曲げ振動
２次モードで共振し、定在波か励振される。次に第２圧
電体２３　ａ及び２３ｂに周波数ｆの交流電圧を印加し
て振動させると、前記弾性体２１は縦振動１次モードで
振動し、定在波か励振される。つまり、前記固定ポル［
・２４及び２４で固定される位置は、各定在波の節とな
っている。

この時、前記第１圧電体２２と第２圧電体２３及び２３
に印加する電圧の振幅及び位相を調節すると、前記弾性
体２１には任意の形状の略楕円振動を発生することが可
能となる。

尚、」二記実施例では縦振動１次モードと曲げ振動２次
モードを励振し、その合成により略楕円運動振動を発生
する超音波振動子について説明したが、これに限定され
るものではなく、縦振動、曲げ振動、せん断振動、ねじ
り振動など、種々の振動の合成が考えられ、また高次モ
ードを利用してもよい。また、前記超音波振動子１１の
形状として角柱形を例にとり説明したが、これに限定さ
れるものではなく、平板形状、円板形状、円環形状など
、種々の形状が考えられる。

上述の超音波振動子を好適に利用した超音波モータの基
本動作原理について、第２図及び第３図を参照しつつ説
明する。同図に於て、第１図と同じ符号の付された各部
材は、前記詳述した各構成部材と同一であることを示し
ている。

第２図に於て、前記超音波振動子１１の最大振幅を与え
る両端部には、駆動子３２が形成され、第２弾性体であ
るレール３４に当接されており、超音波モータ３５を構
成している。

第３図は、超音波振動子１１の圧電体２２及び２３ａ、
２３ｂに印加する入力信号の電圧波形を示した図である
。超音波振動子１１に交流電気信号を印加して励振させ
ると、該超音波振動子１１は第２図（ａ）〜（ｄ）に示
されるような縦及び曲げ振動を繰り返すことによって駆
動力を発生する。すなわち、第２図（ａ）では縦振動の
伸縮時に、駆動部３２の左端がレール３４に接するよう
に両振動の位相が調節されている。次に時間とともに第
２図（ａ）・（ｂ）・（ｃ）と超音波振動子１１の形状
が変化することによって、今度は縦振動の収縮時に駆動
部３２の右端がレール３４に接する。この駆動子３２と
レール３４とが接するときに、それらの摩擦力に起因す
る駆動力を受け、所定方向に推力を発生するものである
。その方向は、同図中矢印Ａ及びＢで示されるように、
常に同一方向を向いている。該超音波振動子１１の速度
は、前記入力信号の電圧及び位相によって調節可能であ
り、又その駆動方向は該位相により任意に変えられる。

次に、リニア超音波モータ３０を構成した具体例を、第
４図及び第５図を参照しつつ説明する。

第４図に於て、前記超音波振動子１１は、その節に於て
支持部材４０が形成されている。該支持部材４０は、ヨ
ーク４１に設けられた溝４２で１−下方向に自由度を有
するよう支持されでいる。［１；ｊ記ヨーク４１は、２
本のリニアベアリング４３ａ及び４３ｂによって基台４
４上に固定され、第２図中矢印Ａ方向に可動なようにな
っている。

一方、前記超音波振動子１１の上部には、板バネ５０．
バネ押え５１、バネガイド５２及びホルダ５３より構成
される圧着機構が形成されている。

これらは、ホルダ５３に支持されているバネガイド５２
に形成されたスクリュウミゾに沿って、バネ押え５１を
回転することにより、板バネ５０の高さを調節し、圧着
力を制御するものである。

又、前記基台４４上には、前記レール３４が前記超音波
振動子１１の駆動子３２に当接するように設置されてい
る。

上述の超音波モータは、固定子側のレール３４に構造上
の制限がなく、簡単な支持機構を設けるたけで、任意の
曲率の軌道を構成することができる。又、超音波モータ
は、非駆動時には摩擦力で保持されており、その力は通
常該超音波モータの駆動力の２倍から５倍以上の大きい
値であるので、０〜９０度の任意の角度の坂も構成する
ことかできるものである。

ここで、前記第１圧電体２２の電極２６及び前記第２圧
電体２３ａ及び２３ｂの電極２７ａ及び２７ｂには、ア
ンプ６０ａ及び６０ｂに結線されており、該アンプ６０
ａ、６０ｂの入力端子にはフェーズシフタ６１を通して
駆動周波数制御回路６２が接続されている。また、該駆
動周波数制御回路６２には交流電源３０が接続されてい
る。

方、前記２本のリニアベアリング４３ａ及び４３ｂの一
方である４３ｂには、光学式エンコーダ６３のスリット
が形成されており、該光学式エンコーダ６３の読み取り
部は前記ヨーク４１に設けられている。その電気出力は
、前記駆動周波数制御回路６２に接続されている。

駆動周波数制御回路６２は、前記光学式エンコーダ６３
の出力信号の変化に応じ、高帯域周波数成分を持った信
号を出力した後、所望周波数を出力するよう構成されて
いる。すなわち、その回路構成は、具体的には例えば速
度検出手段から、つ入力信号を比較し、最大速度を求め
るための比較回路、周辺の周波数を掃引するための高帯
域周波数成分の出力回路、及び最大速度が得られる周波
数より僅かに大きな周波数を発振する所望周波数の発振
回路より構成されており、該比較回路と出力回路は同期
駆動される。前記高帯域周波数成分を持った信号の出力
方法としては、所定範囲の周波数を連続的に短時間で掃
引したり、或は矩形波信号のパルスを出力するなど種々
の方法がある。

超音波モータの速度と周波数の関係は、実際には第６図
の速度−周波数特性に示されるように、速度制御をまっ
たくしなければ、負荷が０−０゜３　ｋｇｆに変化した
だけで、その速度はかなり変化するとともに、周波数に
対しても大きな依存性を示し、負荷によって最大速度が
得られる周波数も異なっている。すなわち、無負荷常態
に於いて最大速度が得られる周波数ｆ＝２６．８５ｋ）
Ｉｚで駆動すると、負荷０．３ｋｇｆに於いては、０．
　０８ｍ／ｓＬか得られず、なんらかの原因で周波数が
少し左にずれてしまうと、まったく動作しなくなるとい
う問題がある。よって、超音波モータに於いては、起動
時、或は負荷変動時に、速度調節を行なうことによって
、常に安定した速度で駆動するとともに、負荷変動があ
っても速度変化を小さくする必要がある。

以下に、この超音波モータの速度制御方法を説明する。

起動時、或は負荷変動時には、超音波振動子１１の振動
姿態が変化し、該リニア超音波モータ３０の速度が変動
する。この速度変化を、光学式エンコーダ６３の速度検
出手段によって該超音波モータの速度を検出し、同時に
駆動周波数制御回路６２に信号をおくる。すると、該駆
動周波数制御回路６２は超音波振動子１１の駆動周波数
近傍に於いて高帯域周波数成分を持った信号を瞬間的に
出力する。この時、この周波数変化にともなう速度変化
を再び前記光学式エンコーダ６３で検出し、前記駆動周
波数制御回路６２に信号をおくると、最大速度が得られ
るときの周波数ｆが該駆動周波数制御回路６２の比較回
路によって検出される。そして、該駆動周波数制御回路
６２の発振回路は該周波数ｆよりも高い駆動周波数ｆ＋
Δｆを出力するよう設定されているので、該リニア超音
波モータ３０は周波数ｆ＋Δｆで駆動されるものである
。すなわち、単に常に最大速度か得られる周波数ｆで駆
動するのではなく、速度特性の周波数依存性が小さい周
波数ｆよりも少し大きい周波数ｆ＋Δｆで駆動すること
によって、負荷変動があっても速度の急激な変化を防止
することができる。このような超音波モータは、例えば
僅かな速度変化が特性に影響するために厳密な速度制御
か必要な種々の装置の駆動源として適していると考えら
れる。

また、本実施例で例にとった超音波モータ３０に於いて
は、第６図により前記周波数Δｆは１〜２００　Ｈｚ程
度、あるいは周波数ｆの１％程度とすればよい。

本実施例に於いては、速度変化の検出手段として、光学
式エンコーダ６３を例にとり説明したが、これに限定さ
れるものではなく、磁気式エンコーダなどその他種々の
方法が考えられる。

また、本実施例に於いて弾性体の励振源として圧電体を
用いたが、その形状は平板に限らず円板状、積層形状な
ど種々の形状が考えられる。

さらに、本実施例では圧着機構に於て板バネを例にとり
説明したが、それに限定されるものではなく、コイルバ
ネ等の種々のバネや、磁気力の応用なとが考えられる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が
考えられる。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、安定した速度で駆動でき、特にちょっとした負荷変動
によって、速度か大幅に変動しない、超音波モータを提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第子図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、 第１図は、本実施例に用いる超音波振動子の構成図であ
り、 第２図は、超音波モータの動作説明図を示す図であり、 第３図は、超音波振動子の圧電体に印加する入力信号の
電圧波形を示す図であり、 第４図は、本発明の超音波モータの上面図及び側面図を
示す図であり、 第５図は、第４図におけるＣ−Ｃ−断面を示す図であり
、 第６図は、超音波モータの速度−周波数特性を示す図で
ある。 第７図は、超音波モータの従来例を示す構成図である。 第７図 ２２．２３ａ及び２３ｂ　　圧電体 １１　　　超音波振動子 ６３　　　速度検出手段 ６２　　　周波数制御手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定の周波数で振動する超音波振動子と、該超音波
   振動子に圧着した弾性体とを具備し、前記超音波振動子
   に励振される定在波振動のエネルギにより前記弾性体が
   駆動され相対運動を行なう超音波モータに於て、 該超音波モータの最大速度が得られる周波数ｆよりも僅
   かに高い駆動周波数ｆ＋Δｆで該超音波振動子を駆動さ
   せることを特徴とする超音波モータ。 ２、請求項１記載の超音波モータに於て、前記超音波モ
   ータの速度を検出し、該速度に応じた信号を出力するた
   めの速度検出手段と、 前記速度検出手段により出力される信号が最大になるよ
   うな該超音波振動子の駆動周波数を演算する周波数演算
   手段とを具備し、 前記周波数演算手段によって得られる周波数ｆよりも僅
   かに高い駆動周波数ｆ＋Δｆで該超音波振動子を駆動さ
   せることを特徴とする超音波モータ。 ３、請求項１或は２記載の超音波モータに於て、前記周
   波数Δｆが１〜２００Ｈｚ程度であることを特徴とする
   超音波モータ。 ４、請求項１或は２記載の超音波モータに於て、前記周
   波数Δｆが前記駆動周波数ｆの１％程度であることを特
   徴とする超音波モータ。