JPH0488889A - 超音波モータの駆動装置 - 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
ータに関し、さらに詳しくはその駆動装置に関するもの
である。

［従来技術］ 従来、定在波型超音波モータは、振動方向が互いに略直
交する２方向の定在波振動を励振するための第１励振源
と、第２励振源とを備えた超音波振動子に対し、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っている。その１従来例を第９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−端に駆動部４が
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。

上述の超音波モータでは一般に前記第１及び第２励振源
として圧電体を用いており、超音波モータの駆動方向及
び速度を制御するためには、該２つの圧電体に互いに位
相の異なる電圧を印加する必要がある。この移相器及び
移相反転器は、周波数に対して良好な利得及び位相特性
を得るために、一般に能動素子を用いて構成される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来高電圧に耐え得る能動素子を得るの
が困難であったため、超音波モータの駆動装置に於ては
、例えば特願平１−２８２２４０号「超音波振動子及び
超音波モータ」に添付した明細書及び図面に見られるよ
うに、発振器の出力を移相器或は移相反転器を介してか
ら２つの増幅器に入力し、所定電圧に増幅して前記２つ
の圧電体に入力すると言う方法をとっていた。大電力の
交流増幅器は大型になるため、該駆動装置の簡略化及び
小型・軽量化が困難であると言うであると言う問題があ
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、構造が簡単で、小型・軽量化の容易な超音波
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の駆動
装置に於いては、振動方向が互いに略直交する２方向の
振動を励振するための第１励振源及び第２励振源を備え
た超音波振動子を用いた超音波モータに於て、交流電気
信号を発生するための発振器と、前記第１励振源及び第
２励振源に各々トランスを備え、該トランスの１次側と
２次側の巻数比が１：ｎ（ｎ≧１）となっている。

また、前記トランスの少なくとも一方は、二次側巻線に
巻き数の異なる複数の巻線を有し、該トランスの二次側
巻線を選択できる切り替え手段を備えている。

さらに、前記トランスの一方は、二次側巻線に巻き方向
が互いに逆方向の２つの巻線を有し、該トランスの二次
側巻線を選択できる切り替え手段を備えている。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の超音波モータでは、交流電
気信号の電圧振幅変換手段としてトランスを用い昇圧す
るので、該電圧振幅変換手段を小型化することができる
。

また、該トランスの二次側に巻き数比の異なる複数の巻
線を設けたので、電圧振幅変換率を変化させることが出
来る。

さらに、前記トランスの一方は、二次側巻線に巻き方向
が互いに逆方向の２つの巻線を有し、該トランスの二次
側巻線を選択できる切り替え手段を備えているので、位
相反転手段を簡略化できる。

［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
る。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励振源として、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励振源と
して、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に大略前記周波数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、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。

上述の超音波振動子を好適に利用した超音波モータの動
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３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３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３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。この駆動し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出水されるように、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３５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。

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３５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３５
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。

さらに、一般に超音波モータは電磁モータに比べて停止
精度及び応答性に優れていると言う特徴もある。

次に、第６図乃至第８図を例にとり、超音波モータの駆
動回路の構成について説明する。

第６図（ａ）は、超音波モータの駆動回路６０の第１実
施例を示している。同図に於て、任意の周波数の交流電
気信号を励振する発振器６１には、２出力端子が設けら
れ、一方は直接第１昇圧トランス６２ａに接続され、他
の一方は、移相器６３及び移相反転器６４を介して第２
昇圧トランス６２ｂに接続されている。

前記第１・第２昇圧トランス６２ａ及び６２ｂは、その
１次側と２次側の巻線比を１：ｎ、ｎ≧１とすることに
より、二次側の電圧振幅を超音波モータ３５の駆動に十
分な振幅まで昇圧している。

該超音波モータ３５に於いては、その駆動周波数は一般
に２０ｋＨｚ−数百ｋＨｚにあり、且つ駆動効率が良好
なことに起因して駆動電流が小さいので、前記第１・第
２昇圧トランス６２ａ及び６２ｂの形状寸法を非常に小
さくできる。その結果、前記駆動回路６０全体を小型化
することができる。

本超音波モータに於いて、その速度制御は前記移相器６
３による駆動電圧位相の制御や、前記発振器６１の駆動
周波数を制御することによって制御することが可能であ
る。

又、第６図（ｂ）に示される第２実施例のように、超音
波モータの駆動回路７０は、前記第１・第２昇圧トラン
ス７１ａ及び７１ｂの二次巻線を巻数の異なる複数の巻
線ｎ１〜ｎｍＸｎ１〜ｎｎで構成し、各々に巻線選択ス
イッチ７２ａ及び７２ｂを設けることによって、前記超
音波モータ３５の駆動電圧を任意の値にすることが可能
となり、その結果、駆動電圧振幅による速度制御も可能
となる。

さらに、第７図に示される第３実施例では、前記第１実
施例の駆動回路６０に増幅器８１ａ及び８１ｂを追加し
て超音波モータの駆動回路８０を構成することによって
、該増幅器８１ａ及び８１ｂで補助的に電圧振幅を増幅
するので、前記第１・第２昇圧トランス６２ａ及び６２
ｂの二次巻線の巻数を少なくすることができ、その結果
該トランス６２ａ及び６２ｂの形状寸法をさらに小さく
できるとともに、本実施例に於いても駆動電圧振幅によ
る速度制御が可能となる。

またさらに、第８図に示される第４実施例に示した駆動
回路９０では、前記発振器６１の出力の一方には第１ト
ランス９１を直接接続し、他の一方には移相器６３を介
して第２トランス９２を接続している。該第２トランス
９２は、二次側巻線に巻き方向が互いに逆方向の２つの
巻線を有し、該トランスの二次側巻線を選択できる切り
替えスイッチ９３を設けである。よって、前記移相反転
器６４を設けずとも該切り替えスイッチ９３によって巻
線を選択することにより移相反転を容易に行なうことが
できる。その結果、該駆動回路の簡略化が可能となる。

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、それに限定されるものではなく、電気エネルギを機
械エネルギに変換できるその他の素子、例えば電歪素子
、磁歪素子等を用いてもよい。又その形状も平板に限ら
ず種々の形状が考えられる。さらに、前記第１弾性体の
形状は、角柱形状に限定されるものではなく、平板状、
円板状、円環状、円筒状など、種々の形状が考えられる
。

又、本実施例に於いてリニア超音波モータを例にとり説
明したが、回転型モータに応用しても同じ効果が得られ
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
、構造が簡単で、小型・軽量化の容易な超音波モータの
駆動装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第８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説明図であ
り、 第２図は、超音波モータの動作説明図であり、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
を示す説明図であり、 第４図は、リニア超音波モータの上面図及び側面図であ
り、 第５図は、上図中におけるＣ−Ｃ−断面を示す図であり
、 第６図は、超音波モータの駆動回路の第１及び第２実施
例を示すブロック図であり、 第７図は、超音波モータの駆動回路の第３実施例を示す
ブロック図であり、 第８図は、超音波モータの駆動回路の第３実施例を示す
ブロック図である。 第９図は、超音波モータの一従来例を示す構成図である
。 ２２　・・・　第１弾性体 ２３　・・・　第２弾性体 ６２ａ・６２ｂ　　７１ａ・７１ｂ、９１．９２＝−ト
ランス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．振動方向が互いに略直交する２方向の振動を励振す
   るための第１励振源及び第２励振源を備えた超音波振動
   子を用いた超音波モータに於て、交流電気信号を発生す
   るための発振器と、 前記第１励振源及び第２励振源に各々トランスを備え、
   該トランスの１次側と２次側の巻数比が１：ｎ（ｎ≧１
   ）となっていることを特徴とする超音波モータの駆動装
   置。
2. ２．請求項１記載の超音波モータの駆動装置に於て、 前記トランスの少なくとも一方は、二次側巻線に巻き数
   の異なる複数の巻線を有し、 該トランスの二次側巻線を選択できる切り替え手段を備
   えていることを特徴とする超音波モータの駆動装置。
3. ３．請求項１或は２記載の超音波モータの駆動装置に於
   て、 前記トランスの一方は、二次側巻線に巻き方向が互いに
   逆方向の２つの巻線を有し、 該トランスの二次側巻線を選択できる切り替え手段を備
   えていることを特徴とする超音波モータの駆動装置。