JPH03261386A - 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〕 本発明は固定子上に振動を発生させ、該振動により移動
体を駆動する超音波モータに関し、特にその移動体の移
動速度の制御装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、超音波モータの移動速度を制御する方法としては
、超音波モータの固定子に印加する周波電圧の電圧レベ
ルを変化させる方法、あるいは本件出願人に依る特開昭
６０−１７６４７０号公報に開示されているような方法
、すなわち固定子に印加する周波電圧のデユーティ比を
制御する方法等が提案されている。

〔発明が解決しようとしている課題〕

しかしながら上述の前者の方法では、固定子に印加する
周波電圧のレベルは一般的に高電圧、且つ広範囲（５０
〜１００Ｖ程度）となるため、小型で、低電圧で駆動可
能な小型携帯機器への利用が困難であった。また、後者
の様に印加する周波電圧のデユーティ比を変えて移動速
度を変える方法では、モータへの通電→通電停止が繰り
返し行われる際、移動体と固定子との摩擦係数が大きい
のて移動体が移動−停止→移動を繰り返し、移動体の速
度変化が激しく、移動体が不安定な動きをすると共に、
その移動体と固定子の接触面の摩耗が激しく、耐久性に
問題が生じ易く、さらには移動体が移動→停止→移動を
繰り返す際、その過渡期に於いて、特に立ち上り時のト
ルク変動が激しく、立ち上り時に安定したトルクが得ら
れないという問題があった。

〔課題を解決するための手段（及び作用）〕本発明は上
述の従来の問題点、欠点を除去し安定した速度−トルク
特性を有する超音波モータを提供することを目的とする
もので、移動体を正方向と逆方向に駆動し、この正、逆
方向の印加時間の割合（デユーティ−比）を変化させる
ことで移動体の駆動、或いは移動体と固定子との相対速
度を制御するものである。このことにより移動体が移動
→停止−移動の繰り返す際、特に立ち上り時の過渡状態
である静摩擦駆動のみの状態がなくなり移動体、固定子
間は常に静摩擦係数よ゛りはるかに低い動摩擦係数上で
の速度の立ち上りが可能となるため移動体と固定子の接
触面の摩耗による耐久性が飛躍的に向上するばかりでな
く安定した速度−トルク特性を有する超音波モータを提
供することが可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る超音波モータの固定子１の端面に
貼着された電極の構成を示した図である。図中１はリン
グ形状をした固定子で、該固定子にはその表面に分極処
理された２群の圧電素子が配されている。尚、本実施例
では圧電素子を用いるが電歪素子あるいは磁歪素子等の
電気−機械エネルギー変換素子であればよい。又１−１
゜１−２は駆動波形を加える駆動電極であり、電極１−
１は前記圧電素子の一方の群の電極、電極１−２は他方
の電極であり、これらの２群の圧電素子は９０°の位相
差をもって配置され、また互いに９０°位相の異なる駆
動波形が印加される。

１−３は固定子１の共振状態を検出するための電極であ
り、また１−４は共通電極で電極１−１゜１−２．１−
３の各電極に対向する電極に接続されている。尚、該固
定子１自体の構成は公知であるため、その詳細な説明は
省略するが、上記電極に９０°位相の異なる駆動波形（
周波電圧）が印加されることにて固定子の表面に進行性
の振動波が発生する。

第２図は第１図示の超音波モータの固定子の電極１−１
．１−２への駆動波形と共振状態の検出電極１−３の出
力波形との位相関係を示す波形図である。第２図（ａ）
の電極１−１．１−２の駆動波形は超音波モータを正転
させる場合の波形を示しており、第２図（ｂ）の電極１
−１．１−２の駆動波形は超音波モータを逆転させる場
合の波形を示している。又、正転及び逆転時における共
振状態では図の如く電極１−３からの出力がそれぞれ電
極１−１の波形から９０°ずれた位相関係の波形が出力
される様上記電極１−３の位置が設定されている。尚該
実施例では上記の如く電極１−１、と電極１−３の波形
が９０°ずれているので、電極１−３の位置も電極１−
１に対して９０°ずれた位置に配されている。

以上述べたことが、本実施例に於ける超音波モータの正
、逆転の動作原理である。

第３図は本発明に係る超音波モータの駆動回路の一実施
例を示す回路図である。同図において１は進行性の屈曲
振動波を発生する第１図示の固定子を示し、１−１〜１
−４は第１図に述べた各電極を示している。１３はエン
コーダ等の構成された速度を検出する速度検出器で、そ
の出力はローパスフィルタ２に接続されている。３はた
とえばマイコンで構成される制御回路で、ローパスフィ
ルタ２から出力されるリング状の移動体１４の回転速度
に応じたアナログ信号を受けるポート３ａ１所望の設定
速度に応じた速度指示信号を受けるポート３ｂ、移動体
１４の回転方向に応じた回転方向指示信号を受けるポー
ト３Ｃ１及び第４図（ａ）で示す様な、設定速度指示信
号とエンコーダ１３からの実際の速度との速度差並びに
回転方向を示す時間幅Ｔ１のパルス信号を出力するポー
ト３ｄを有している。なお第４図（ａ）において、モー
タの速度が零の時にはＴ、／Ｔ２はＴ、／Ｔ、＝０．５
となり、ＴＩ　／Ｔ２　＜０．　５の時には移動体１４
は正方向に回転し、Ｔ、／Ｔ２＞０．５の時には移動体
１４は逆方向に回転する。

７は第４図（Ｃ）のような基本の正弦波を発生する発振
器で、該発振器７の出力は増幅器９、コイル１１を介し
て圧電素子の一方の群の電極１−１へ供給されると共に
、位相シフタ８にも供給される。該位置シフタ８は前記
発振器７から供給される正弦波の基準信号より９０°進
んだ信号を端子８ｂより出力し、また９０°遅れた信号
を端子８ａより出力する。６はデータセレクタで、制御
回路３からのパルス信号のレベルに応じて位相シフタ８
から供給される信号を選択的に増幅器１０へ供給する。

なお、制御回路３からの信号のレベルがローレベルであ
る時にはデータセレクタ６は位相シフタ８の出力端子８
ａから出力される、９０°遅れた信号を出力し、また制
御回路３からの信号レベルがハイレベルの時には、デー
タセレクタ６は位相シフタ８の出力端子８ｂから出力さ
れる、９０°進んだ信号を出力する。１１．１２は電極
１−１．１−２に夫々接続されたコイル、１４は固定子
１に加圧接触した移動体である。

次に上記構成にかかる超音波モータの動作について説明
するが、この場合、所望の速度はｎ、てあり、回転方向
は正方向が設定されたものとして説明する。

超音波モータの不図示のスイッチにより、モータスター
ト信号が制御回路３に与えられると、第３図示モータの
駆動回路の制御回路３は、まず速度ｎ１に相当した速度
指示信号ポート３ｂを介して読み取り、次に正方向を示
す回転方向指示信号をポート３ｃを介して読み取る。そ
して次にポート３ａから移動体１４の回転速度に対応し
た信号を読み取り、該アナログ信号をデジタル信号に変
換した後に制御回路３に設けられた不図示のメモリーに
記憶する。

このモータスタートの時点ては移動体１４の速度は零で
あるので、ポート３ａ、３ｂから入力する信号の差、設
定速度と実際の速度との速度差は大きいので、制御回路
は、時刻ｔ２においてローレベルからハイレベルに変化
する。第４図（ａ）の点線て示す様な信号をポート３ｄ
から出力するこの様な時間幅の信号が制御回路３から出
力されるとき、データセレクタ６は時刻ｔ、から時刻Ｔ
２の閉位相シフタ８の端子８ａから出力される９０’遅
れた駆動信号（第４図（ｂ）参照）を増幅器１０へ出力
する。この時、電極１−１には第４図（Ｃ）で示される
ような駆動信号が与えられているので移動体１４は固定
子１に発生した進行波によって正方向の回転力を受ける
。一方データセレクタ６は時刻ｔ２において、制御回路
３からの出力信号に応答して位相シフタ８の出力端子８
ｂから供給される９０°進んだ駆動信号（第４図（ｂ）
参照）を出力し、かつデータセレクタ６は時刻ｔａ　　
（第４図（ａ）参照）まで、該駆動信号を出力し続ける
ので、移動体１４はこの時刻ｔ２からｔ、までの間固定
子１から逆方向の回転力を受ける。この場合、移動体１
４には正方向の回転力が逆方向の回転力より多く与えら
れる為に、移動体１４は正方向に回転を開始する。次に
時刻ｔｓ　　（第４図（ａ）参照）において再度各ポー
ト３ａ、３ｂ、３ｃの信号が前述と同様な順番で読み取
られ、出力ポート３ｄから設定速度と実際の回転速度と
の速度差に応じた時間幅Ｔ１を有するパルス信号が出力
される。この結果、データセレクタはその出力端子より
、制御回路３からの出力パルスのＴ、／Ｔ、に応じて９
０’遅れた駆動信号、９０°進んだ駆動信号を順次出力
する。この場合には前述の速度差は減少しているので、
電極１−２側に印加される、正方向の回転力を発生し得
る駆動信号の印加時間幅は前回の場合より狭いものとな
る。時刻ｔ、より時間Ｔ２が経過すると、再度制御回路
３は速度差並びに回転方向の読み取りを行い、データセ
レクタ６は制御回路３から出力されるパルス信号に応じ
て位相シフタ８からの駆動信号を圧電素子の電極１−１
．１−２に供給する。そしてこの動作は繰り返され、制
御回路３は最終的には設定速度ｎ、に相当した時間幅Ｔ
１を有するパルス信号を出力し、この結果移動体１４は
設定速度ｎ１で正方向に回転するものである。

尚回転方向が逆方向の場合には、第４図（Ｃ）で示すよ
うな正方向回転の時とは逆位相のパルス信号がモータの
スタート時に発生し、これによりスタート時に位相シフ
タ８の端子８ｂから出力される、逆方向の回転力を発生
し得る駆動信号が前述の正方向回転の時より多く圧電素
子の電極１−２に印加される。この為、移動体１４は逆
方向の回転を開始する。そして前述の正方向回転の場合
と同様な動作が繰り返されて、最終的には移動体１４は
設定速度ｎ１で逆方向に回転するものである。

第５図は本発明の超音波モータのデユーティ比γ＝Ｔ、
／Ｔ、を変化させたときの移動体の回転スピード比ｎ　
／　ｎ　ｏの測定結果である。ｎはデユーティ比がある
値のときの移動体の回転スピード、ｎｏはデユーティ比
γ＝０のときの移動体のスピードである。また測定時の
モータへの負荷は、無負荷とし、回転速度は、移動体１
４上にスリット付のパルス発生板を取り付はフォトセン
サーで信号検出し、それぞれ回転数に換算した。

第５図に示す様に、デユーティ比の変化と、回転速度は
リニアに変化し、デユーティ比を変えることで速度制御
が可能であることが確認出来た。さらに第６図では本発
明で得られた超音波モータのトルク−速度特性を示す。

図中γはデユーティ比Ｔ＋／Ｔ２、ｎは回転数である。

第６図に示す様にデユーティ比γを変化させることによ
りトルク−速度特性の特性曲線はほぼ平行移動して原点
に近づく。このことは本発明の超音波モータが他の方式
（電磁型等）のモータと同等の速度制御が容易に可能な
事を物語るばかりでなく、超音波モータ特有の低速大ト
ルクの特性が十分に発揮されていることを示す。

〔他の実施例〕

前述の実施例では、電極１−１側の位相信号は常に一定
であったが、電極１−１側の位相信号もスイッチングし
、電極１−１側と電極１−２側のデユーティ比を制御し
ても良い事は言うまでもない。また前述の実施例は固定
子１は静止し、移動体１４を移動させる例であったが、
移動体１４を、たとえばプリンタの基板に固定し、固定
子１をプリンタのヘッドとして構成し、固定子１に発生
する進行波によって固定子１自身を相対的に移動させる
様に構成した場合にも前述と同様な効果が発生する。さ
らに、前述の実施例は固定子１に進行波を発生し、該進
行波によって移動体１４を移動させたが、進行波によら
ず２つの定在波を２つの弾性体に発生させ、一方の弾性
体により移動体を正方向を回転させ、他方の弾性体によ
って逆方向へ回転させるモータにも本発明は適用できる
ことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によれば、従来問題となって
いた耐久性を大巾に向上させるとともに、安定したトル
ク−速度特性を有する超音波モータを提供することが出
来る。さらに、本発明によれば、従来の電磁型モータと
同様な容易な速度制御が可能であるばかりでなく、超音
波モータ特有の低速高トルクのモータを提供てき、ロボ
ット等の関節用モーターとして、従来にない特性を有し
たモータが実現出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波モータの固定子の電極形状を示す説明図
、 第２図（ａ）、（ｂ）は従来の超音波モータの駆動波形
及び出力波形を示す波形図、 第３図は本発明に係る超音波モータの駆動回路の一実施
例を示す回路図、 第４図は本発明の駆動信号の詳細図、 第５図、第６図は本発明を利用して得られた超音波モー
タの緒特性図である。 １・・・固定子 ３・・・制御回路 ６・・・データセレクタ ８・・・位相シフタ １３・・・速度検出器 １４・・・移動体 ％　　グ　　［；Ｅ］ （α） 正 ９入 （ｂ） 私 転 ） １ ２ ３ ４ Ｏ！Ｉ 丹゛−−号イーＣＬ ｌ＝７ｈ２ 宇乙ロ ト）Ｌ７ （怜ｈｃ慨）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）供給される駆動信号に応じて振動波を発生する振
   動体と、該振動体に加圧接触した被接触部材とを有し、
   前記振動波によって前記振動体と被接触部材とが相対移
   動する超音波モータにおいて、前記被接触部材を正・逆
   方向に移動し得る第１、第２駆動信号を順次発生し、か
   つ該両駆動信号を前記振動体に供給する駆動信号発生手
   段を設け、前記第１、第２駆動信号に応じてモータを所
   定方向に駆動する超音波モータ。
2. （２）前記発生手段は、設定速度と被接触部材の移動速
   度との速度差に応じて前記第１、第２駆動信号の比を制
   御する制御回路を有することを特徴とする請求項（１）
   記載の超音波モータ。