JPH05300768A - 超音波モータの固有振動数調整方法、および超音波モータ、並びに超音波モータを用いた装置 - Google Patents

超音波モータの固有振動数調整方法、および超音波モータ、並びに超音波モータを用いた装置

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JPH05300768A
JPH05300768A JP5012669A JP1266993A JPH05300768A JP H05300768 A JPH05300768 A JP H05300768A JP 5012669 A JP5012669 A JP 5012669A JP 1266993 A JP1266993 A JP 1266993A JP H05300768 A JPH05300768 A JP H05300768A
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波モータの振動子に励振される2つの固
有モードの固有振動数の差をできる限り小さくするため
の調整方法を提供することを目的とする。 【構成】 棒状超音波モータの振動子において、90度
の位置的位相を有して屈曲振動する2相の固有モードの
固有振動数が一致していれば、該2相の固有モードの定
在波の合成振動は45度の位置に合成される。このた
め、両定在波を−45度から45度の範囲で変化させな
がらA相電流を検出し、A相電流が最大となる角度θの
位置を調整位置とし、そこをレーザ等により削り、固有
振動数を合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、棒状あるいは円環形状
の超音波モータの固有振動数調整方法、並びに超音波モ
ータおよび超音波モータを用いた装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図7は棒状超音波モータの振動子の分解
斜視図であり、図8は棒状超音波モータの縦断面図であ
る。
【0003】図7に示す振動子は、2枚の圧電素子板P
ZT1,PZT2を一群とする駆動用のA相圧電素子a
1 、同様に2枚の圧電素子板PZT3,PZT4を一群
とする駆動用のB相圧電素子a2 、又1枚の圧電素子板
からなるセンサ用圧電素子s1 を図示のように積層する
とともに、これらの圧電素子間に電気を供給するための
電極板A1,A2及びセンサ信号取り出し用の電極板S
がある。またそれらと共にGND用電極板G1,G2,
G3もGND電位を与えるためにある。そしてこれらの
圧電素子板および電極板を挟持するように前後に黄銅、
ステンレスなどの振動減衰の比較的小さい金属製ブロッ
クb1 ,b2 を設け、締め付けボルトcにより金属ブロ
ックb1 ,b2 を締め付けることにより一体化し圧電素
子板に圧縮応力を付与している。またこのときセンサ用
圧電素子s1 を一枚で済ませるためボルトcと金属ブロ
ックb2 の間に絶縁シートdが入っている。
【0004】このときA相圧電素子a1 、B相圧電素子
2 は位置的に90度ずれて配置されており各々が該振
動子の軸を含む直行する2つの面内方向の屈曲振動を励
振させ、かつ適当な時間的位相差を持たせることによ
り、振動子の表面粒子に円あるいは楕円運動を生ぜしめ
振動子上部に押圧された移動体を摩擦駆動する。
【0005】このような振動子を棒状超音波モータに用
いた例を図8に示す。この例では、振動子の締結ボルト
cは、先端部に細径の支柱部c2 を有し、この支柱部c
2 の先端部に固定された固定部材gによりモータ自体の
固定を行えるようにし、又ロータrなどの回転支持の作
用も兼用している。ロータrは前金属ブロックb1 の先
端面に接触し、加圧は固定部材gからベアリング部材e
とギヤfを介してロータrに内装されたバネケースiの
コイルバネhを押圧することであたえられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、棒状超音波
モータに限らず、円環形状の超音波モータにおいても、
高い効率を得るために、振動子に励起される2相の固有
モードの固有振動数が一致するように設計されている。
【0007】しかしながら、実際には振動子を構成する
金属ブロック等の材料のムラ、PZTを挟持する部分の
圧力ムラ等により両固有振動数にずれが生じ、同一周波
数で両相を駆動したとき、夫々の相によって発生させら
れる振幅に差が生じ、振動体の質点に生じる円運動が歪
み、モータ効率の低下を招くという問題があった。
【0008】本発明は、上記した従来の問題を解決する
ためになされたもので、振動子に励振される2つの固有
モードの固有振動数の差をできる限り小さくするための
調整方法を提供することを目的とする。
【0009】本発明の他の目的は、振動子に励起される
2相の固有モードの固有振動数を一致させるための処置
が施された超音波モータを提供せんとするものである。
【0010】本発明の更に他の目的は、以下に述べる発
明の詳細な説明から明らかとなろう。
【0011】
【本発明の課題を解決するための手段】本発明の目的を
実現する超音波モータの固有モード調整方法は、超音波
モータの振動子におけるA、B2相の駆動用電気−機械
エネルギー変換素子へ交流電圧を印加し、ある周波数に
おける電圧および電流の大きさと、その位相差から調整
位置を検出する。
【0012】あるいは、超音波モータの振動子における
A、B2相の駆動用電気−機械エネルギー変換素子へ印
加する交流電圧の大きさ及び位相差を変化させながら電
流値を計測し、計測電流値がピークとなる位置を固有モ
ード調整位置とする。
【0013】そして調整方法は、検出した調整位置を例
えばレーザーにより削り、2つの固有モードの固有振動
数の高いモードを低く、低いモードを高くして調整する
ことを特徴とする。
【0014】
【実施例】図1は、本発明による超音波モータの調整位
置検出方法を有効に実施することができる検出装置の一
実施例の回路ブロック図を示す。
【0015】1は装置全体の制御等を行う演算マイコ
ン、2は発振器、3,4は駆動用アンプ(A相,B相
用)、5はA相圧電素子a1 用、6はB相圧電素子a2
用の電圧検出器、7はA相圧電素子a1 用、8はB相圧
電素子a2 用の電流検出器(A相,B相用)、9はA相
の電圧とA相の電流の位相差を検出する位相差検出器、
10はB相の電圧とB相の電流の位相差を検出する位相
差検出器、11はA相の電流とB相の電圧の位相差を検
出する位相差検出器である。
【0016】演算マイコン1は、ある周波数範囲で発振
器2の出力周波数がスィープするよう原信号を発振器2
に与える。そしてその出力はアンプ3,4を介して図
7、図8で示したA相駆動用圧電素子a1 、およびB相
駆動用圧電素子a2 と同様な圧電素子a1 ,a2 に印加
される。このとき、ある固有モードの固有振動数がその
スィープ周波数の中に存在する場合は、アドミッタンス
(電流/電圧)がその周波数において最大になる。本発
明は、このことを利用して、固有振動数を検出するもの
である。
【0017】この周波数スィープ(スキャン)と電圧、
電流の測定をA相、B相それぞれに対し行うことによ
り、2つの方向の固有振動数を求めることができる。こ
の過程で得られるアドミッタンス特性の例を図2の
(a),(b),(c)に示す。
【0018】図2の(a)は、例えばX方向の剛性が高
く、該X方向と90°異なるY方向の剛性が低い振動子
(図7参照)の特性図で、実線はA相圧電素子a1 に印
加される電圧の周波数と、各周波数におけるアドミッタ
ンスの特性図である。
【0019】また、図2の(a)の点線はB相圧電素子
2 に印加される電圧の周波数と、各周波数におけるア
ドミッタンスの特性図である。
【0020】図2の(b)は図2の(a)のケースと異
なる振動子、即ちX方向の剛性が低く、Y方向の剛性の
高い振動子のアドミッタンス特性図で、実線はA相に交
流電圧を印加した時のA相アドミッタンスの特性図、点
線はB相に交流電圧を印加した時のB相のアドミッタン
スの特性図である。
【0021】図2の(c)は、高い剛性を持つ方向、低
い剛性を持つ方向が、図2の(a),(b)の振動子の
それらの方向と異なる振動子の特性図で、実線、点線
は、図2の(a),(b)のケースと同じである。
【0022】次に振動子の剛性の高い方向、低い方向
を、アドミッタンスおよび位相から求める方法を以下に
説明する。
【0023】ここで、A相圧電素子a1 の加振方向AP
D(図7参照)からのずれの角度をθ(図7参照)とす
る。
【0024】また振動子、即ち図7に示す振動子構成部
材a1 ,a2 ,b1 ,b2 ,c,dが本質的に持ってい
る剛性の高い方向をXモード、剛性の低い方向を、Yモ
ードと称する。
【0025】 Axa=A相の圧電素子a1 が振動子のXモードを駆動
する時の力係数 Aya=A相の圧電素子a1 が振動子のYモードを駆動
する時の力係数 Axb=B相の圧電素子a2 が振動子のXモードを駆動
する時の力係数 Ayb=B相の圧電素子a2 が振動子のXモードを駆動
する時の力係数 Zmx=振動子のXモードの振動の機械インピーダンス Zmy=振動子のYモードの振動の機械インピーダンス とする。
【0026】A相の圧電素子a1 駆動時のA相圧電素子
1 のアドミッタンスYaaは
【0027】
【数1】
【0028】B相の圧電素子a2 駆動時のB相圧電素子
2 のアドミッタンスYbbは
【0029】
【数2】
【0030】B相の圧電素子a2 駆動時のA相圧電素子
1 の電流とa2 の電圧の関係Yabは
【0031】
【数3】
【0032】である。
【0033】このとき、圧電素子a1 ,a2 の組み立て
誤差は無視できるものとする。
【0034】また √(A2 xa+A2 ya)=Aと
し、√(A2 xb+A2 yb)=Bとし、A=Bとす
る。
【0035】 尚 Axa=Acosθ Aya=Asinθ Ayb=Acosθ Axb=Asinθ である。
【0036】Yba=Yabとする。但し、YbaはA
相圧電素子a1 駆動時のB相圧電素子a2 の電流と、A
相圧電素子a1 の電圧の関係で、次式の通りである。
【0037】
【数4】
【0038】
【数5】
【0039】
【数6】
【0040】上記の式4,5からZmx,Zmy,Aを
消去すると
【0041】
【数7】
【0042】となる。
【0043】これらの演算式は、演算マイコン1に設定
されており、マイコン1(図1)に入力される各検出器
5〜11の出力情報により、マイコン1で前述のYa
a,Ybb及びYabを求め、前述したθ、即ち2つの
剛性の方向のうちの一方の方向が求められることにな
る。
【0044】また剛性が高い、または低い方向はどちら
であるかを図2に示したアドミッタンス特性図より求め
る。
【0045】すなわち、R1の方向(図7参照)の剛性
が高い場合は、アドミッタンス特性は図2の(d)の様
になり、逆にR2の方向(図7参照)の剛性が高い場合
は、A相圧電素子a1 ,B相圧電素子a2 夫々のアドミ
ッタンス特性は図2の(e)の様になる。
【0046】なお、θ=0でR1方向の剛性が高い場合
は図2の(a)、R2方向の剛性が高い場合は図2の
(b)となる。
【0047】そこで図2の(a)〜(e)に示すような
1 ,a2 のアドミッタンス特性を得て、これより振動
子の剛性の高い方向は、R1方向であるか、R2方向で
あるかを認識する。
【0048】そして、剛性の高い方向の線上又は略線上
で、かつ振動による歪が大きい振動子の表面に、2方向
の剛性を一致又は略一致させるために、レーザー等で適
当な深さ(この深さはアドミッタンス特性図の図2の
(a),図2の(b)に示す周波数f1 ,f2 ,f11
12の差、すなわち周波数差(f1 −f2 )又は(f11
−f12)に対応している)の凹部を設け、前述の方法に
おける振動子の剛性を減少させる。
【0049】又は前述の方向と90°方向の異なる方向
で、かつ振動による歪が小さい振動子表面上に、前述の
凹部の質量に相当する質量を減少させる。
【0050】図3は、他の検出装置の回路を示すブロッ
ク図である。
【0051】上記した図1の検出装置では、位相差検出
器9,10,11を用いて、θの演算を行なっていた
が、本実施例ではアンプ3,4からの出力はゲインコン
トローラ12,13により出力可変し、これによりθを
求め、前述の凹部加工位置、質量付加位置を決定する例
である。
【0052】すなわち、ゲインコントローラ12,13
の制御により、振動子には、A相圧電素子a1 の加振方
向のみの振動と、B相圧電素子a2 の加振方向のみの振
動を励振することができる。またA相圧電素子の加振方
向とB相圧電素子a2 の加振方向の振動はa1 ,a2
直交して配置される為に直交して形成される。またA
相、B相の圧電素子a1 ,a2 に同電圧を印加すれば、
その合成された2つの振動の方向はA相又はB相の圧電
素子a1 ,a2 の加振方向から−45°あるいは45°
ずれた方向となる。
【0053】この現象を利用して、前述のθを求める。
【0054】まず、A相圧電素子a1 又はB相圧電素子
2 に印加する交流電圧の周波数を順次変更し、図2の
(a)〜(e)の如きアドミッタンス特性を求め、f1
又はf1 近傍の周波数又はf2 又はf2 近傍の周波数を
求める。
【0055】次にこの周波数f1 又はf2 の交流電圧を
A相、B相圧電素子a1 ,a2 に印加する。
【0056】この時、A相圧電素子a1 、B相圧電素子
2 に印加する交流電圧の振幅を|Va|2 +|Vb|
2 =一定(但し、|Va|はa1 に対する印加電圧の絶
対値、|Vb|はa2 に対する印加電圧の絶対値)を満
足させながら次々に変え、その時の圧電素子a1 に流れ
る電流Iaを検出器7で検出する。なお、図3におい
て、図1に示される部材と同一機能を持った部材には同
一符号を付してある。
【0057】そして電流Ia(尚、圧電素子a2 に流れ
る電流Ibでも良い。理想的にはIa+Ibが望まし
い)の最大値を求める。
【0058】そして電流Iaの変化を図4で示す座標に
プロットする。ここで横軸はA相圧電素子a1 の印加電
圧の大きさをY軸上にとり、B相圧電素子a2 の印加電
圧の大きさをX軸上にとり、それら印加電圧の合成ベク
トルの方向とY軸とがなす角度がθであり、たて軸は電
流Iaの大きさである。
【0059】この角度θは圧電素子a1 による加振と、
圧電素子a2 による加振とによって振動子a1 ,a2
1 ,b2 ,c,d(図7参照)に生じる合成された加
振方向に一致している。
【0060】そして、電流Iaの最大値又は最大値近傍
の値に対応する角度θを図4より求める(勿論角度θは
図4の如きグラフを紙の上に描いて求める必要はなくコ
ンピュータを利用して求めてもよい。)。
【0061】この角度θは第1実施例で説明した角度θ
と同一内容(即ち、角度θは剛性の高い方向又は低い方
向と図7に示すADPとのなす角度を表わす)を表わす
ものであるから、この第2実施例の場合にも、この求め
られたθに基づく方向R1又はR2(図7参照)に一致
又は略一致した方向線上における振動子の表面又は内部
に凹部又は空洞を設けたり、或いはこの方向が剛性の低
い方向の場合には質量を付加する。
【0062】これにより剛性の2つの方向の強さを一致
させることができる。
【0063】いずれの方向の剛性が高いかの判断は第1
実施例同様、図2の(a)〜(c)で示す様な各圧電素
子のアドミッタンス特性を測定して決定する。
【0064】尚2つの方向の剛性の強さを完全に一致さ
せること、換言すれば、圧電素子a1 を励振した時の振
動子のあるモードの固有振動数とa2 を励振した時の振
動子の固有振動数とを完全に一致させることは必要な
い。固有振動数を用いて表現すれば、両振動数は200
Hz程度離れていても実際上は問題ない。図5は前述し
たレーザーによって振動子の表面に凹部を設ける実施例
の要部構成図である。
【0065】15はレーザーで振動子の金属ブロックb
1のくびれ部b11に照射するようになっている。そし
て、上記第1、第2実施例で求まった方向に一致又は略
一致した振動子の表面がレーザーの照射される部分にな
るように振動子ホルダー16に保持された振動子を回転
させる。そしてレーザーを照射する。周波数の修正量は
レーザーの照射時間もしくはスキャン幅で調整する。上
記例はレーザーを用いたが、やすり、ドリル、砥石等を
用いて削ってもよい。また、本発明は棒状超音波モータ
に限らず円環超音波モータに対しても適用することがで
きる。
【0066】図6に本発明の方法によって加工された棒
状超音波モータを用いた駆動装置を示す。56がスリッ
ト板、57がフォトカプラ、54がモータと装置、この
場合カメラの撮影レンズ駆動部55をつなぐ軸である。
上記棒状超音波モータの出力は軸54を通して装置55
に伝達される。
【0067】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
2つの固有振動数を所望の値にすることができ、モータ
の性能を向上させることができる。
【0068】また実際に組み立てられた状態で、振動子
の固有モード調整を有効に行うことが可能となり、モー
タ又はアクチュエータを安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法を有効に実施することができる検
出装置の一実施例の回路のブロック図。
【図2】図1の超音波モータの周波数とアドミッタンス
特性の関係図。
【図3】他の検出装置の実施例の回路のブロック図。
【図4】図3の実施例における角度と電流の関係図。
【図5】本発明により検出された角度の振動子の部分を
加工する加工方法を説明する図。
【図6】本発明により調整されたモータを駆動源とする
装置の要部構成図。
【図7】従来の超音波モータの分解斜視図。
【図8】棒状超音波モータの縦断面図。
【符号の説明】
1…マイコン 2…発振器 3、4…アンプ 5、6…電
圧検出器 7、8…電流検出器 9、10、
11…位相差検出器 12、13…ゲインコントローラ 54…接続
軸 55…装置 56…スリ
ット板 57…フォトカプラ a1、a2
…駆動用圧電素子 b1、b2…金属ブロック c…締め付
けボルト d…絶縁シート e…ベアリ
ング部材 f…ギヤ g…固定部
材 r…ロータ i…バネケ
ース

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 振動子に配置された位置的位相の異なる
    2相の電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加
    することにより、該振動子に2方向の振動を発生させ、
    両振動の合成により該振動子の表面粒子に円又は楕円運
    動を発生させる超音波モータにおける該振動子の固有振
    動数を調整する超音波モータの固有振動数調整方法であ
    って、以下の(a)、(b)、(c)の工程より成るこ
    とを特徴とする。 (a)該2相の電気−機械エネルギー変換素子を駆動す
    ることにより振動子の剛性の方向を決定する。 (b)該2相の電気−機械エネルギー変換素子の夫々の
    周波数対アドミッタンス特性から振動子の剛性の高い方
    向または低い方向を決定する。 (c)得られた剛性の高い方向又は低い方向の線上又は
    略線上に存在する振動子の質量を減少又は増加させる。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記剛性の方向は、
    少なくとも2相の電気−機械エネルギー変換素子を駆動
    した時に、該2相の電気−機械エネルギー変換素子の夫
    々に供給される電圧の値、該2相の電気−機械エネルギ
    ー変換素子の夫々に流れる電流値、該2相の電気−機械
    エネルギー変換素子の夫々に供給される電圧と、夫々に
    流れる電流の位相差により決定することを特徴とする超
    音波モータの固有振動数調整方法。
  3. 【請求項3】 請求項1において、剛性の方向の決定
    は、以下の(a)、(b)、(c)の工程を有すること
    を特徴とする超音波モータの固有振動数調整方法。 (a)2相の電気−機械エネルギー変換素子に印加する
    交流信号の周波数をスキャンし、該2相の電気−機械エ
    ネルギー変換素子の少なくとも一方の周波数対アドミッ
    タンス特性を得て、この特性のピーク又はピーク近傍に
    対応する周波数を得る。 (b)得られた周波数を持った交流信号を両方の電気−
    機械エネルギー変換素子に印加し、かつ夫々の交流信号
    の振幅を変更することにより、振動子に生じる振動のベ
    クトル方向を変更する。 (c)少なくとも該2相の電気−機械エネルギー変換素
    子の一方に流れる電流のピーク値又はピーク近傍値が得
    られた時における該ベクトル方向を求める。
  4. 【請求項4】 請求項1において、剛性の高い方向又は
    低い方向の決定は、2相の電気−機械エネルギー変換素
    子の夫々の周波数対アドミッタンス特性のピークから決
    定することを特徴とする超音波モータの固有振動数調整
    方法。
  5. 【請求項5】 請求項1において、振動子の質量を減少
    又は増加する際の源少量又は増加量の決定は、電気−機
    械エネルギー変換素子の周波数対アドミッタンス特性に
    おける夫々のピーク値又は略ピーク値に対応する周波数
    の差に応じて決定されることを特徴とする超音波モータ
    の固有振動数調整方法。
  6. 【請求項6】 振動子に配置された位置的位相の異なる
    2相の電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加
    することにより、該振動子に2方向の振動を発生させ、
    両振動の合成により該振動子の表面粒子に円又は楕円運
    動を発生させる超音波モータにおける該振動子の固有振
    動数を調整する超音波モータの固有振動数調整方法であ
    って、以下の(a)、(b)、(c)の工程より成るこ
    とを特徴とする。 (a)該2相の電気−機械エネルギー変換素子を駆動す
    ることにより振動子の剛性の方向を決定する。 (b)該2相の電気−機械エネルギー変換素子の夫々の
    アドミッタンス特性から振動子の剛性の高い方向又は低
    い方向を決定する。 (c)得られた剛性の高い方向又は低い方向の線上又は
    略線上に存在する振動子の質量を減少又は増加させる。
  7. 【請求項7】 請求項6において、剛性の方向は、少な
    くとも両電気−機械エネルギー変換素子を駆動した時
    に、該両電気−機械エネルギー変換素子の夫々に供給さ
    れる電圧の値、両電気−機械エネルギー変換素子の夫々
    に流れる電流値、両電気−機械エネルギー変換素子の夫
    々に供給される電圧と、夫々に流れる電流の位相差によ
    り決定することを特徴とする超音波モータの固有振動数
    調整方法。
  8. 【請求項8】 請求項6において、剛性の方向の決定
    は、以下の(a)、(b)、(c)の工程を有すること
    を特徴とする超音波モータの固有振動数調整方法。 (a)該2相の電気−機械エネルギー変換素子に印加す
    る交流信号の周波数をスキャンし、該2相の電気−機械
    エネルギー変換素子の少なくとも一方の周波数対アドミ
    ッタンス特性を得て、この特性のピーク又はピーク近傍
    に対応する周波数を得る。 (b)得られた周波数を持った交流信号を両電気−機械
    エネルギー変換素子に印加し、かつ夫々の交流信号の振
    幅を変更することにより、振動子に生じる振動のベクト
    ル方向を変更する。 (c)少なくとも該2相の電気−機械エネルギー変換素
    子の一方に流れる電流のピーク値又はピーク近傍値が得
    られた時における該ベクトル方向を求める。
  9. 【請求項9】 請求項6において、剛性の高い方向又は
    低い方向の決定は、2相の電気−機械エネルギー変換素
    子の夫々の周波数対アドミッタンス特性のピークから決
    定することを特徴とする超音波モータの固有振動数調整
    方法。
  10. 【請求項10】 請求項6において、振動子の質量を減
    少又は増加する際の源少量又は増加量の決定は、電気−
    機械エネルギー変換素子の周波数対アドミッタンス特性
    における夫々のピーク値又は略ピーク値に対応する周波
    数の差に応じて決定することを特徴とする超音波モータ
    の固有振動数調整方法。
  11. 【請求項11】 請求項1又は6において、振動子の質
    量の減少は、レーザー加工法を用いることを特徴とする
    超音波モータの固有振動数調整方法。
  12. 【請求項12】 請求項1ないし11のいずれかに記載
    の超音波モータの固有振動数調整方法により固有振動数
    が調整された振動子を有することを特徴とする超音波モ
    ータ。
  13. 【請求項13】 請求項12において、振動子は棒状に
    形成されていることを特徴とする超音波モータ。 【請求項13】 請求項12又は13に記載の超音波モ
    ータを駆動源とすることを特徴とする超音波モータを用
    いた装置。
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