JPH03256579A - 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、
応用研究か進められている。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８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Ａ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。

このような超音波モータに於いては、速度制御などを行
なうために、検出量として電流・電圧・振動・変位の振
幅あるいは位相情報を用い、制御量として駆動電圧・電
流の振幅、或はその位相を用いるものがあった。例えば
、特開昭５９−２０４４７７号公報に提案されている超
音波モータは、超音波振動子に設けられた圧電体の電圧
が印加されていない部分から励振電圧をモニターし、入
力電圧の最適周波数を決定するという方法をとっている
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、超音波モータは、その負荷の大きさによ
り超音波振動子の振動姿態が変化するため、駆動速度特
性も負荷変動につれて変化してしまうという問題点があ
る。そのために、上述の検出情報だけでは所望の駆動速
度特性が得られているとはいえなかった。

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、負荷変動に関わらず所望の速度で駆動でき、
特に厳密な速度制御が必要な装置に適した超音波モータ
の駆動装置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、振
動方向が互いに略直交する少なくとも２つの振動が励振
される超音波振動子を備えた定在波型超音波モータに於
いて、前記定在波型超音波モータに加わる負荷を検出す
る負荷検出手段と、前記定在波型超音波モータに加えら
れる種々の負荷に対応する駆動速度と駆動周波数との関
係情報を記憶しておくための周波数記憶手段と、前記負
荷検出手段の出力に対応する駆動速度と駆動周波数との
関係情報に基すいて、前記超音波モータの駆動周波数を
制御する周波数制御手段とを備えている。

［作用］ 上記の構成を有する超音波モータの駆動装置に於いては
、必要に応じて種々の負荷に於ける該超音波モータの速
度と駆動周波数との関係をあらかじめ測定し、周波数記
憶手段に記憶しである。そして、起動時及び負荷変動時
には負荷検出手段により負荷を検出し、周波数制御手段
により該超音波モータの駆動周波数を制御する。超音波
モータに於いては、その駆動速度は駆動周波数に相関を
有するので、該駆動周波数を制御することによって、所
望速度を得ることができる。

［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より提案さ
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、矩形角柱形状を有し、材質が黄銅
でできた弾性体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２
３ａ及び２３ｂか着設されている。

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次モートで曲げ振動し、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。ます、第１圧電体２２に前記所定周波数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、定在波が励振される。次
に第２圧電体２３ａ及び２３ｂに前記所定周波数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、定在波が励振される。つまり、
前記固定ボルト２４ａ及び２４ｂ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、上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、本実施例に於いて弾性体の形状として角柱形状を
例にとり説明したが、それに限定される事なく平板形状
、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、フェノール樹脂にガラス繊維が分散され
た材質でできた駆動子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）乃至（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３６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で上下方向に自由度を有す
るよう支持されている。前記ヨークは、２本のリニアベ
アリング４３ａ及びリニアベアリング用レール４３ｂに
よって基台４４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及びホルタ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。

以上のような構成をとっているので、上述の超音波モー
タ３６に於いては、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だけで、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３６
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３６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
ができるものである。

次に、前記超音波モータ３６の駆動装置について第６図
を参照しつつ以下に詳述する。

前記第１圧電体２２の電極２６及び前記第２圧電体２３
ａ及び２３ｂの電極２７ａ及び２７ｂは、アンプ６０ａ
及び６０ｂに結線されており、該アンプ６０ａ、６０ｂ
の入力端子にはフェーズシフタ６１を通して周波数制御
回路６２が接続されている。該周波数制御回路６２は図
示していないが、電源及び発振器を具備している。

一方、前記超音波モータ３６には、負荷接続部位６３が
形成されており、該負荷接続部位６３には搬送台車６４
が設けられ、所望の負荷６５が載置されている。該負荷
接続部６３は、前記負荷に起因する搬送台車６４の摩擦
抵抗を検出し、その大きさに応じた電気信号を出力する
ための検出機構であり、例えば歪ゲージ等が用いられる
。

そして、該負荷接続部位６３の出力は周波数記憶回路６
６に接続されている。該周波数記憶回路６６は、種々の
負荷に於ける前記超音波モータ３６の速度と駆動周波数
との関係を、あらかじめ測定した結果を既知情報として
記憶しておく装置である。該周波数記憶回路６６は、前
記周波数制御回路６２に接続されている。

該周波数記憶回路６６は、第６図（ｂ）に示すようにＣ
ＰＵ７１．ＲＯＭ７２．ＲＡＭ７３．Ｉ１０バス７４、
所望の速度を設定するための速度設定手段７５とより構
成されている。ＲＯＭ７２には、あらかじめ測定した種
々の負荷に於ける前記超音波モータ３６の速度と駆動周
波数との関係が格納されている。速度設定手段７５は、
所望の速度の数値を入力することができるように構成さ
れている。

超音波モータの負荷をパラメータとした、速度と周波数
の関係は、第７図の速度−周波数特性に示されるように
、例えば、負荷がＯ〜０．　３ｋｇｆに変化しただけで
、その速度はかなり変化するとともに、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。従って、負荷
０．１ｋｇｆ毎の速度−周波数特性をＲＯＭ７２に予め
記憶させておいて、負荷接続部位６３の出力に応じて種
々の負荷に於ける前記超音波モータ３６の速度と駆動周
波数との関係を表すテーブルを読みだして制御すればよ
い。

以下に、その制御方法につき説明する。

起動時及び負荷変動時には、前記搬送台車６４には載置
された負荷６５に応じた摩擦抵抗が生しるため、前記負
荷接続部位６３により摩擦抵抗を検出し、該負荷情報を
周波数記憶回路６６に信号を送る。周波数記憶回路６６
では、前記負荷情報に応じて周波数記憶回路６６のＲＯ
Ｍ７２に記憶された超音波モータ３６の速度と駆動周波
数との関係を１表すテーブルを読みだして、速度設定手
段７５によって入力された所望の速度が得られる周波数
を選択して、その周波数情報を周波数制御回路６２に送
る。すると、該周波数制御回路６２は速度設定手段７５
によって設定された所望速度が得られる周波数ｆを出力
する。

そのため、超音波モータ３６を常に一定速度で駆動した
りすることができる。

また、負荷が変動した時の最大速度が得られる周波数ｆ
をＲＯＭ７２より読みだし、該駆動周波数ｆを制御する
ことによって、最大速度を得ることができる用に設定す
れば、超音波モータ３６を常に最大速度で駆動できる。

このような超音波モータは、例えば僅かな速度変化か特
性に影響するような、厳密な速度制御が必要な種々の装
置の駆動源として適していると考えられる。

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、積層形状なと種々
の形状か考えられる。

また、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、磁気力の応用などが考えられる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形か
考えられる。

［発明の効果コ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、負荷変動に関わらす所望の速度で駆動でき、特に厳密
な速度制御か必要な装置に適した超音波モータの駆動装
置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第７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、本実施例の超音波振動子の説明図であり、 第２図は、上記超音波振動子を好適に用いた超音波モー
タの動作原理を示す図であり、 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及び側面の詳細
図であり、 第５図は、第４図中におけるＣ−Ｃ−断面を示す図であ
り、 第６図は、本発明の超音波モータの駆動装置を示す図で
あり、 第７図は、超音波モータの速度−周波数特性を示す図で
ある。 第８図は、超音波モータの従来例を示す図である。 ６６　　・・・ ６２　　・・・ ６３　　・・ ２１　　・・・ ２２　　・・ ２３ａ及び２３ 周波数記憶手段 周波数制御手段 負荷接続部位 弾性体 第１圧電体 ｂ・・・第２圧電体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．振動方向が互いに略直交する少なくとも２つの振動
   が励振される超音波振動子を備えた定在波型超音波モー
   タに於いて、 前記定在波型超音波モータに加わる負荷を検出する負荷
   検出手段と、 前記定在波型超音波モータに加えられる種々の負荷に対
   応する駆動速度と駆動周波数との関係情報を記憶してお
   くための周波数記憶手段と、前記負荷検出手段の出力に
   対応する駆動速度と駆動周波数との関係情報に基づいて
   、前記超音波モータの駆動周波数を制御する周波数制御
   手段とを具備することを特徴とする超音波モータ。