JPH03289375A - 振動型モータ - 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、電磁力によらず機械的動力を発生するモータ
に係り、詳しくは軸方向における伸縮振動の合成により
振動子に励起される円運動を利用し、振動子と同軸的に
嵌合する被駆動体を摩擦駆動により回転させる棒状超音
波モータに関するものである。

（従来の技術） 従来、この種の超音波モータとしては、例えば第１３図
に示すようなものが提案されている。

１は先端部の小径軸部１ａと後端部の大径軸部１ｂとの
間に径が先端部に向は漸減するホーン形状のホーン部１
ｃを形成した金属丸棒からなる振動体、２は振動体１の
大径軸部１ｂと同径の外径に形成された軸心にボルト通
し孔２９を有する金属丸棒からなる押え体、３及び４は
大径軸部ｌｂと同径の外径に形成された円環形状の圧電
素子板、５は圧電素子板３．４の電極板で、振動体１と
押え体２との間に、電極板５を挟むようにして圧電素子
板３．４を配し、ボルト６により押え休２を振動体１に
固定することにより、圧電素子板３．４を振動体１と押
え体２との間に固定して、振動子Ａを構成している。ボ
ルト６はその頭部が円環状の絶縁体７を介して押え体２
に接し、且つ軸部が圧電素子板３．４＆び電極板５と非
接触状態に保持されている。

圧電素子板３．４は、片面側に分極方向が互いに異なり
、且つ厚み方向に分極された２つの電極（＋電極ａ、−
電極ｂ）が中心軸線位置に形成された絶縁部ｄの両側に
対称に形成されると共に、他面側に生電極ａ、−電極す
の共通電極Ｃが形成されていて、振動子Ａの軸線に対し
て互いに位置的位相が９０”の角度ずれて配置されてい
る。なお、圧電素子板３の分極電極（＋電ＦｉＡａ、−
電極ｂ）は導電体である振動体１の後端面に接し、また
圧電素子板４は導電体である押え休２の前端面に接して
いる。

そして、電極板５と振動子１との間に交流電圧Ｖ、を、
また電極板５と押え体２との間に交流電圧Ｖ、を印加す
ることにより、圧電素子板３の厚み方向における伸縮変
位による振動と、圧電素子板４の厚み方向における伸縮
変位による振動との合成により振動子Ａを振動させる。

交流電圧Ｖ、と交流電圧ｖ２とは、第１４図に示すよう
に、振幅及び周波数が共に同じで、時間的、空間的位相
が９０°のずれを有している。

したがって、振動子Ａは軸心を中心とし、縄飛びの縄の
ような円運動（以下縄飛び振動と称す）を行なうことに
なる。なお、この円運動が生じる原理については、公知
であるので説明は省略する。

第１５図に示す様にロータ８は、振動子Ａの軸心角と同
軸に嵌合し、ロータ８の内径部の後端部（以下摩擦接触
部と称す）ａｂを摺動部Ｂに対応する位置まで延出し、
摩擦接触部８ｂをホーン部ＩＣの摺動部Ｂに当接させて
いる。該ホーン部は軸方向の加圧力を受ける事で、摺動
部Ｂにおいて適切な摩擦力を得るため設けられている。

そして、この摺動部Ｂは振動体１において、縄飛び振動
の履になっている。

ロータ８の内径部８ａの内径は、低摩擦係数の部材８ｄ
を介して、振動体１において縄飛び振動の節の位置に接
する構造になっており、摺動部Ｂ以外で生じる振動に対
して接触して音を発生するのを防ぐため、ロータ８には
逃げ８ｃが設けられている。

ロータ８の摩擦接触部８ｂは、摺動部Ｂの外周形状と合
致する内径が漸増する形状に拡開し、振動体１の縄飛び
運動時に摺動部Ｂと面接触する。

ロータ８は、例えば不図示のスラストベアリングを介し
て不図示のバネ等により第１４図中矢印方向に押されて
、前述の適切な漸増形状を有する摺動部により摩擦接触
部８ｂと摺動部Ｂとの接触部に所定の摩擦力を発生させ
、また該スラストベアリングにより軸方向の回転が許容
されている。

以上の構造よりロータの摩擦Ｉ妾触部８ｂに振動体１の
振動が回転力となって伝わりロータを回転させる超音波
モータＭを成立させている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、−殻内にこの種の超音波モータは、数十キロヘ
ルツ程度に共振周波数を持ち、この周波数付近で駆動し
なければ大きな振幅が得られず、モータとしては勅かな
い。又、モータの共振周波数は、温湿度等の環境条件や
負荷条件により変動する。

従って、一定の周波数で駆動していたのでは回転数が不
安定になるという問題点がある。

本発明の目的は、このような問題を解消し、常に最適な
駆動周波数での駆動を可能とする超音波モータを提供す
ることにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の目的を達成するための要旨とするところは、棒
状振動子に配置された電気−機械エネルギー変換素子に
交流電界を印加することによって、棒状振動子に、時間
的に位相差を有する同形の屈曲モードの振動を異なる複
数の平面内に励起させることにより、振動体の表面粒子
に円又は楕円運動を行わしめ、振動体に押圧した部材と
の間に摩擦駆動による相対運動を生ゼしぬる棒状超音波
モータにおいて、該振動子に振動検出用の電気−８１械
エネルギー変換素子を設けたことを特徴とする棒状超音
波モータにある。

〔作　　　用〕

上記した構成の棒状超音波モータは、振動検出用の素子
により振動子の振動状態の検出が可能となり、振動子が
共振状態にどの程度近いかを検知でき、最適な駆動周波
数で駆動することができる。

〔実　施　例〕

第１の実施例 第１図は本発明の第１の実施例を示す振動波モータの分
解斜視図である。図中符号１〜８は従来の実施例と同じ
である。

９は振動検出用素子としての圧電素子、１０は駆動用の
圧電素子３に給電するための電極板、１１は圧電素子９
を接地するための電極板、１２は電極板１０．１１を非
接触状態に保持する絶縁部材である。

圧電素子９は圧電素子３．４と同じ構造のもので、圧電
素子３と位置的位相が一致するように配置されている。

駆動の原理は、従来例と同じなので省略する。

第２図に、第１の実施例における共振周波数ｆｒ近傍で
の周波数対圧電素子９の出力符号の振幅を示す。

圧電素子９の出力信号は、共振周波数ｆｒで最大となり
、その前後で減少していく。

よって、共振周波数ｆｒを求める方法として、圧電素子
９の出力信号振幅最大になる周波数を選択する方法など
が考えられる。

第３図に第１の実施例における共振周波数近傍での、周
波数対入力端子■１と振動検出周圧素子９の出力信号と
の位相差の関係を示す。

第３図かられかるように、入力電圧Ｖ、とセンサ用圧電
素子９の出力信号Ｖｓの位相差θＡ−８は共振周波数よ
り高い周波数でＯｏ、そして共振周波数に近ずくに従っ
て徐々に上がり、共振周波数ｆ「で９０°となり、共振
周波数ｆｒより低い周波数では増加し１８０°へと近す
いていく。

上記位相差は、圧電素子と振動検出用圧電素子９とが位
置的位相Ｏ°で配置されているので時計回転方向ＣＷ、
反時計方向ＣＣＷのどちらの場合でも同じ位相関係が得
られる。ＣＶＩはｖｌがｖ２より時間的に９０”進んで
る場合で、ＣＣＷは遅れている場合である。

以上の位相関係より、圧電素子３への入力端子Ｖ、と振
動検出用圧電素子９との位相差を９０°にするように周
波数を制御することにより、共振周波数に合わせること
ができる。

第４図に上記棒状超音波モータにおける制御回路のブロ
ック図を示す。

発振器１７は周波数指令部２４により発した信号により
決められた周波数で発振し、９０゜（もしくは２７０’
）移相された信号と共に２相になって増幅器２０．２１
で増幅されたのち、電極板１０と押え体２に人力される
。このとき押え体２は導電体でなければならない。

電極板１１からは、振動検出用圧電素子９からの信号が
得られ、位相差検出器２２において、増幅器２０からの
信号ｖ１どの位相差が求められる。

次に演算回路２３によって、共振周波数ｆｒからどの程
度離れているかが求まり、周波数指令部２４を変化させ
る。

以上の動作の繰り返して共振周波数に保ったまま駆動す
ることが可能となる。

又、圧電素子９は円形であるので、２方向の振動の共振
周波数を一致させたままに設けることができ、外径が、
振動子や他の駆動用圧電素子と同じであるので、組立時
に外径をそろえることで、他の部品との同軸性を保つこ
とが容易である。さらに駆動用圧電素子と同じものを使
用しているので振動検出用として別部品を作る必要がな
く、コスト上昇を小さく抑えることができる。

第２の実施例 第５図は本発明の第２の実施例を示す、振動波モータの
分解斜視図である。

図中、振動検出用圧電素子９は、圧電素子３に対して位
置的に９０°ずれた位置に配置されている。すなわち、
圧電素子４と位置的位相０°のところにある。その他の
構成は第１の実施例と同じである。

このとき、周波数対圧電素子９の出力信号の振幅は、第
１の実施例と同じである。

第６図に第２の実施例における共振周波数近傍での周波
数対入力電圧Ｖ、と振動検出用圧電素子の出力信号Ｖｓ
どの位相差θＡ−１の関係を示す。

第６図のように、圧電素子３への入力電圧Ｖ、と振動検
出用圧電素子９の出力信号との位相差θＡ−５は、共振
周波数ｆｒでＣＷのとき０゜（ＣＣＷで一１８０°）に
なるようなカーブを描く。

よって、共振周波数に合わせる場合、ＣＷで０°　（Ｃ
ＣＷでは一１８０’　）になるよう周波数を制御すれば
良い。

又、逆に、位相差θＡ−５の領域がｃｗ、ｃｃｗで全く
異なるので、θＡ−５よりｃｗ、ｃｃｗかがわかる。

以上、実施例１．２では、振動検出用圧電素子９が圧電
素子３に対し、位置的にＯｏずれた場合と、９０°ずれ
た場合を示したが、それ以外の位置関係であっても、入
力端子ｖ１と振動検出用圧電素子９の出力信号との位相
差θＡ−８は、ある決まった関係が得られる。

第３実施例 第７図は本発明の第３の実施例を示す。

図中、駆動用圧電素子３．４は各々２枚構成に積層され
ている。このように駆動用圧電素子を増加していくと、
圧電素子の駆動に使われる面積が増え、低電圧駆動が可
能になることは公知である。

振動検出用圧電素子９も２枚で構成しており、位置的位
相は一方が圧電素子３に対しＯ。

の位置、他方が９０°ずれた位置に配置されている。

このとき電極板１５から得られる圧電素子９からの出力
信号と、入力端子■１どの位相差０Ａ−３は、第８図に
示すようになる。

第８図かられかるように、入力端子ｖ１と振動検出用圧
電素子９の出力信号との位相差０Ａ−８は、共振周波数
ｆｒでＣＷのとき＋４５゜（ｃｃｗで＋　＋３５°）に
なるようなカーブを描く。

このようなカーブは、振動検出用圧電素子が１枚で、駆
動用圧電素子３との位置的位相が４５°ずれた場合と同
じになる。但し、振幅は異なる。

以上のように、振動検出用圧電素子が複数枚て構成され
ても良く、この場合その位置的位相の決め方により様々
な出力信号の取り出し方ができる。

又、１枚に比べ、大きな出力電圧を取り出すことができ
る。

しかも、駆動用および振動検出用圧電素子ＰＺＴが２ｎ
枚（ｎ　＝　１、２・−・・）であると、絶縁体が必要
なく、しかも給電が全て電極板を介してできるという利
点がある。

第４の実施例 第９図は第４の実施例を示す棒状超音波モータの側面図
である。

１６は、例えばポリフッ化ビニリデンからなる振動検出
用素子で、振動体１のホーン部１ｃに接着剤により接着
している。

振動検出用素子１６からは上記の各実施例と同様にある
振幅で、ある位相関係の信号が得られ、振動検出用素子
１６の貼りつけ位置により、その関係が決まる。

以上の様な振動検出用素子を貼りつける場合できるだけ
、振動体と移動体（ロータ）の接触する部分に近い方が
望ましい。

又、ロータ側に振動検出用素子を貼りつけても良い。

この場合、駆動のために、ステータに人力している信号
とは、位相関係は一致しない。

よって、振幅最大になるような制御方法が考えられる。

第５の実施例 第１０図は第５の実施例を示す棒状超音波モータの側面
図である。

本実施例は、振動検出用圧電素子９を駆動用圧電素子３
．４と異なる径の部分に設けている。

第１０図のように、径の小さい部分に、振動検出用圧電
素子９を設けた場合、電極面積が第１の実施例などに比
べ小さいため、出力電圧も小さくなる。

よって、第１の実施例などで、振動検出出力電圧が大き
すぎて、回路側で小さくしなければならない場合などに
、振動検出用圧電素子９を振動体の径の小さい部分に設
けると良い。

又、逆に振動検出出力電圧が小さい場合は、振動体の径
の大きい部分に振動検出用圧電素子を設けると大きな出
力電圧が得られる。

又、このとき、電極パターンが同じで駆動用ＰＺＴの内
径より外径が小さいか駆動用ＰＺＴの外径より内径の大
きいＰＺＴを振動検出用に用いれば、１枚のシートから
駆動用と振動検出用のＰＺＴが一個づつ取り出せる。

第６の実施例 第１１図は、第６の実施例を示す振動検出用圧電素子９
の電極パターンである。

第１の実施例では、圧電素子９は形状がドーナツ状で、
第１１図ｄに示す如くその半分づつを、プラス（＋）、
マイナス（−）に分極した電極パターンとしているが第
６の実施例ではその電極パターンを変えたものを振動検
出用圧電素子として用いている。

第１１図（ａ）の電極パターンの圧電素子を用いると、
電極面積が小さいため、出力電圧を小さくすることがで
き、第５の実施例と同様の効果が得られる。

第１１図（ｂ）の電極パターンは、上記効果に加えて、
振動体の振動を阻害しにくい応力分布をした電極パター
ンである。

第１１図（Ｃ）の電極パターンは、片方向のみ分極され
ており、圧電素子を作るとき、片方向分極で済むという
利点がある。

第１２図は、本発明によるモータを使用して光学レンズ
の鏡筒などを駆動する場合のシステム構成図である。

２５はバネポスト部、２６はベアリングなどの回転絶縁
部材、２７は、コイルバネであり、ハネポスト部２５と
コイルバネ２７によってロータ８が加圧される。ロータ
の回転は、回転絶縁部材２６により絶縁され、バネポス
ト部２５は回転しない。

２８はロータ８と同軸的に接合された歯車で、回転出力
を歯車２９に伝達し、歯車２９と噛み合う歯車をもった
鏡筒３ｏを回転させる。

ロータ８および鏡筒３ｏの回転位置、回転速度を検出す
るために、光学式エンコーダスリット板３１が歯車２９
と同軸に配置され、フォトカブラ３２で位置、速度を検
出する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、超音波モータに振
動検出手段を設けることにより、正確に共振周波数に合
わせることができ、効率の良い駆動ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示した分解斜視図、第
２図は第１の実施例における振動検出信号と周波数の関
係を示す図、第３図は第１の実施例における振動検出信
号と入力端子との位相差対周波数の関係を示す図、第４
図は本発明の第１の実施例の制御回路ブロック図、第５
図は本発明の第２の実施例を示した分解斜視図、′ｓ６
図は第２の実施例における振動検出信号と入力端子の位
相差対周波数の関係を示す図、第７図は本発明の第３の
実施例を示した分解斜視図、第８図は第３の実施例にお
ける振動検出信号と入力電圧の位相差対周波数の関係を
示す図、第９図は本発明の第４の実施例を示した側面図
、第１０図は本発明の第５の実施例を示した側面図、第
１１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の第６の実施例を示す振
動検出用圧電素子のＮ極パターン図、第１２図は本発明
の棒状超音波モータを組み込んだシステム図、第１３図
は従来例を示した分解斜視図、第１４図は圧電素子板に
印加する交流電源の波形図、第１５図は従来例の超音波
モータの組み付は側面図である。 １・・・振動体　　　　　２・・・押え体３．４・・・
圧電素子板 ５．１０．１１．１ ６・・・ボルト ８・・・ロータ １６・・・振動検出素子 １８・・・９０１移相器 ２０．２１・・・増幅器 ２３・・・演算回路 ２５・・・バネポスト部 ２７・・・コイルバネ ３０・・・鏡筒 ３１・・・光学式エンコーダスリ ット板 ３．１４．１５・・・電極板 ７．１２・・・絶縁体 ９・・・振動検出用圧電素子 １７・・・発振器 １９・・・１８０°移相器 ２２・・・位相差検出器 ２４・・・周波数指令 ２６・・・回転絶縁部材 ２８．２９・・・歯車 ３２・・・フォトカブラ 他４名 第 ９ 図 （ａ） 第 ０ 図 第 １ 図 （１）） ｆｃ） （ｄ） 第 ２ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　棒状振動子に配置された電気−機械エネルギー変換
   素子に交流電界を印加することによって、棒状振動子に
   、時間的に位相差を有する同形の屈曲モードの振動を異
   なる複数の平面内に励起させることにより、振動体の表
   面粒子に円又は楕円運動を行わしめ、振動体に押圧した
   部材との間に摩擦駆動による相対運動を生ぜじめる棒状
   超音波モータにおいて、該振動子に振動検出用の電気−
   機械エネルギー変換素子を設けたことを特徴とする棒状
   超音波モータ。 ２　振動検出用の電気−機械エネルギー変換素子は、円
   形としたことを特徴とする請求項１に記載の棒状超音波
   モータ。 ３　振動検出用素子は、該振動検出用素子の配置される
   周囲の振動子と合致した形状に形成していることを特徴
   とする請求項１又は２に記載の棒状超音波モータ。 ４　駆動用電気−機械エネルギー変換素子と振動検出用
   の電気−機械エネルギー変換素子とを同径としたことを
   特徴とする請求項１、２又は３に記載の棒状超音波モー
   タ。 ５　振動検出用電気−機械エネルギー変換素子は、駆動
   用電気−機械エネルギー変換素子と同じ電極パターンと
   したことを特徴とする請求項１、２、は３又は４に記載
   の棒状超音波モータ。 ６　振動検出用の電気−機械エネルギー変換素子と駆動
   用の電気−機械エネルギー変換素子とは、同じ基板から
   形成され、同じ取付方法で振動子に設けることを特徴と
   する請求項１、２、３、４又は５に記載の棒状超音波モ
   ータ。