JPH07170763A - 超音波モータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 モータ低速駆動時やモータ停止時などに、被
駆動体に発生する不要な固有振動を極力抑制することが
できるエネルギー効率の良い超音波モータの駆動方法を
提供する。 【構成】 弾性体およびこの弾性体に固着された圧電素
子とからなり、この圧電素子に駆動信号を印加すること
により表面に超音波振動を発生させる振動子と、この振
動子の表面に圧接され上記超音波振動により上記振動子
に対して移動される被駆動体とからなる超音波モータの
駆動方法において、上記被駆動体が有する固有振動の周
期の２分の１倍以下の周期で断続的に上記圧電素子に駆
動信号を印加して、固有振動が発生する前に次の段階の
駆動に移ることにより該固有振動の発生を抑制し、さら
に駆動を始めるときと停止するときには速度変化を緩や
かにして起動時および停止時の固有振動をも抑制する超
音波モータの駆動方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータの駆動方
法、より詳しくは、超音波振動を発生させる振動子とこ
の振動子に対して移動される被駆動体とからなる超音波
モータの駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子等の電気−機械エネルギー変換
素子を駆動源とする超音波モータは、従来より種々のも
のが提案されている。

【０００３】このようなものの一例としては、先に本出
願人が提案した特願平４−３２１０９６号公報に記載の
ものが上げられる。該公報に記載のものは、弾性体に固
定した２つの圧電素子を駆動源として、該弾性体に縦振
動および屈曲振動を発生させ、これらの振動を合成して
超音波楕円振動を起こす超音波振動子と、この振動子の
一部に押圧され、該振動子に対して相対的に移動する被
駆動部材とを備えた超音波リニアモータとなっている。

【０００４】この超音波リニアモータについて、図１９
から図２２を参照して、より詳しく説明する。この超音
波リニアモータは、超音波振動子に被駆動部材を圧接し
てなる。

【０００５】上記振動子は、図１９に示すように、弾性
体１００の上端面に、２つの積層圧電素子１０１，１０
２を３つの保持部材１０３，１０４，１０５により挟み
込んで固着し、また、上記弾性体１００の下端面の両端
部に摺動部材１０６，１０７を接着により固定して構成
されている。

【０００６】この振動子を、図２０に示すように、リニ
アガイド１０８，ガイドレール１０９，保持枠１１０，
ビス１１１，押圧力調整ネジ１１２，バネ１１３，摺動
子保持部材１１４により保持し、さらにこれらが摺動板
１１５を左右方向に直線移動可能なように保持しなが
ら、該振動子の上記摺動部材１０６，１０７が摩擦接触
するように押圧することで超音波リニアモータが構成さ
れている。

【０００７】そして、上記振動子の寸法を適当に調節し
て、積層圧電素子１０１，１０２に交番電圧を印加する
と、図２１に示すような縦共振振動と図２２に示すよう
な屈曲共振振動が同時に発生する。２つの積層圧電素子
１０１，１０２に印加する電圧の位相差を適当に調整す
ると、これら縦振動と屈曲振動が合成されて、屈曲振動
の腹位置に楕円振動が発生する。この楕円運動を行う部
分に摺動部材１０６，１０７を固定し、この摺動部材１
０６，１０７に摺動板１１５を押圧することで、該摺動
板１１５に駆動力が発生する。

【０００８】このような超音波リニアモータの従来の駆
動方法は次の通りである。すなわち、積層圧電素子に振
動子の縦振動および屈曲振動の共振周波数と一致する１
０Ｖ（ピークピーク）程度の交番電圧を印加し、この
際、２つの積層圧電素子に印加する交番電圧の位相差
を、一方の圧電素子に対して他方を＋９０度とした場合
に超音波リニアモータが一方へ移動し、また、一方の圧
電素子に対して他方の交番電圧の位相差を−９０度とす
ることにより、超音波リニアモータの移動方向が反転す
るというものである。

【０００９】また、この超音波リニアモータは、実測に
より最高速度が１００ｍｍ／ｓ〜１５０ｍｍ／ｓ程度に
達し、さらには、起動時の応答（速度０から所定の速度
に達するまで）や、停止時の応答（所定の速度から速度
０に達するまで）も速いという特徴が確認されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、一般に物体
を高速に動作・停止（ステップ応答）させると、図１５
に示すように、停止位置を中心とする系固有の振動が発
生する。

【００１１】このために、上記超音波リニアモータで単
純に電圧の印加をオン／オフするだけで位置決めを行う
と、移動体の応答が速いために大きい振動が発生すると
いう問題点がある。また、この移動体の動作の反作用に
より、固定部も振動する可能性があった。

【００１２】さらに上記超音波リニアモータでは、高速
応答ができる反面、低速動作が困難であった。そこで、
超音波リニアモータを低速に動作させるためには、例え
ば図１４に示すような、破線で示す目標とする動きに対
して、実線で示す実際の動きは、動作と停止を微小量ず
つ繰り返す段階的な動作とせざるを得なかった。

【００１３】この場合にも、各段階で微小な上記固有振
動が発生し、常に振動しながら動作することになるとい
う問題点があった。

【００１４】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、被駆動体に発生する不要な振動を極力抑制するこ
とができる効率の良い超音波モータの駆動方法を提供す
ることを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するために、本発明による超音波モータの駆動方法
は、弾性体及び該弾性体に固着された電気−機械エネル
ギー変換素子とからなり、該電気−機械エネルギー変換
素子に駆動信号を印加することにより表面に超音波振動
を発生させる振動子と、該振動子の表面に圧接され、上
記超音波振動により上記振動子に対して移動される被駆
動体とからなる超音波モータの駆動方法において、上記
被駆動体が有する固有振動の周期の２分の１倍以下の周
期で断続的に、上記電気−機械エネルギー変換素子に駆
動信号を印加するものである。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１から図１５は、本発明の第１実施例を示した
ものである。本実施例の超音波モータの駆動回路は、図
１のブロック図に示すようになっている。

【００１７】すなわち、この超音波モータの駆動回路
は、第１の発振器１と、この第１の発振器１の出力を受
けて±９０度の位相差を発生させる移相器２と、上記第
１の発振器１の出力電圧を増幅する電力増幅器３と、上
記位相器２の出力電圧を増幅する電力増幅器４と、これ
ら電力増幅器３，４からの出力電圧により駆動される超
音波リニアモータ５（以下モータ５という）とを備えて
いる。さらに、この超音波モータの駆動回路は、上記第
１の発振器１と移相器２の出力電圧を、第２の発振器６
により振幅変調（ＡＭ変調）するようになっている。

【００１８】なお、モータ５およびこのモータ５の駆動
に使われる図示しない超音波振動子は、図１９から図２
２を参照して説明した上記従来例と同様である。

【００１９】次に、この実施例の作用を説明する。第１
の発振器１および移相器２により、モータ５の超音波振
動子を励振する周波数の交番電圧を発生する。このモー
タ５に印加される電圧の振幅は、第２の発振器６で振幅
変調させることができ、すなわち、第２の発振器６の出
力波形により任意に変化させることができる。つまり、
第２の発振器６の出力を、例えば図２（Ａ）に示すよう
に、そのデューティーを任意に変化できる矩形波とする
ことにより、超音波振動子を励振する周波数電圧は、図
２（Ｂ）に示すようにパルス幅変調（ＰＷＭ）される。

【００２０】ここでは第２の発振器６は、その周波数を
所定の値に固定して、そのデューティーを徐々に増減す
るような波形を出力するものとする。

【００２１】上述のように超音波モータでは、高速応答
ができる反面、低速動作が困難であるので、低速に動作
させるために、図１４に示すような、破線で示す目標と
する動きに対して、実線で示すように動作と停止を微小
量ずつ繰り返す段階的な動作を行うことにより、被駆動
体の低速移動を実現している。このために、モータ５に
は、パルス状に電圧を印加している。

【００２２】以下、実験結果に基づいて、本実施例の超
音波モータの駆動方法によるモータ５の動作を示す。図
３から図７は、電圧印加１回当たりの印加時間を約１６
０μｓに固定して、電圧を印加する周期（電圧を印加す
る時間間隔）を種々変えたときの、モータ５の変位の様
子をオシロスコープで観察したものである。電圧印加周
期は、図３は３．３ｍｓ，図４は２ｍｓ，図５は１．４
ｍｓ，図６は１．１ｍｓ，図７は０．９ｍｓにそれぞれ
設定されている。

【００２３】各図において、上２段に表示されているパ
ルス状の波形はモータ５の印加電圧を、最下段に表示さ
れている細かく振動する波形は変位計の出力をそれぞれ
示している。

【００２４】なお、モータ５への印加電圧の波形は、よ
り詳細には、図８のような波形になっており、オシロス
コープの掃引時間のために図３から図７のようなパルス
状に見えるものである。また変位波形が太く見える部分
は、測定に使用した変位計の高周波ノイズに起因するも
のである。

【００２５】図３から図８までを観察すると、まず、図
３から図５まででは、電圧を印加する周期（電圧を印加
する時間間隔）に応じて、モータ５が変位方向に揺れて
いる様子が観察される。これが図６に示す状態になる
と、電圧を印加する周期に関らず、モータ５はほとんど
揺れることなく一定の移動を行う。さらに、図７に示す
状態においては、モータ５の駆動中は揺れることなく滑
らかに移動を行い、移動の最後の停止動作において、や
や揺れていることがわかる。このように各図から明らか
なように、電圧印加周期を１ｍｓ程度にすると、モータ
５を移動したときの振動がほぼなくなることがわかる。

【００２６】次に、このように振動がなくなる理由につ
いて説明する。モータ５に電圧を極めて短時間、図９に
示すように、１回だけ印加すると（図では印加電圧を１
相のみ示している。）、実験に使用したモータ５の移動
体（被駆動体）の場合には、同図９（あるいは、この図
９の要部を取り出した模式図は図１５に示すようにな
る。）に示すように変位して、約５００Ｈｚ（周期２ｍ
ｓ）の固有振動を行うことが観察される。

【００２７】この極めて短時間の電圧印加を繰り返した
場合、これらの電圧を印加する時間間隔、すなわち、図
１０に示すように、変位開始位置１，変位開始位置２，
変位開始位置３のなす間隔（電圧印加周期）が、図１０
（Ａ）に示すように長ければ、変位開始位置１と変位開
始位置２の間においては減衰する固有振動を行ってい
て、以下、変位開始位置２と変位開始位置３との間など
でも順次同様に減衰する固有振動を行う。

【００２８】電圧印加周期が図１０（Ｂ）に示すように
少し短くなって中程度になると、固有振動の周期は約５
００Ｈｚと一定であるために、一回の減衰振動の際の揺
れの回数が少なくなる。

【００２９】電圧印加周期をさらに短くすると、図１０
（Ｃ）に示すように、減衰する固有振動が発生する前に
次の変位動作が行われるために、結果的に移動中には振
動が発生しないことになる。このときの電圧印加周期
は、変位開始位置１，２，３と変位（振動）のピーク位
置１’，２’，３’の間隔、つまり固有振動の周期の１
／２以下であり、実験では固有振動周期２ｍｓの１／２
である１ｍｓが振動が発生しにくくなる条件になること
が観察された。

【００３０】しかしこの場合においても、上記図７に見
られるように最終ステップ（停止する時）の振動は依然
として残ることになる。これについては、この最終ステ
ップに至るまでに、減速を徐々に行えば良い。つまり、
移動を開始するとき、あるいは停止する際の固有振動を
減らすためには、加減速を徐々に行えば良いことは一般
に公知である。

【００３１】そこで速度を何等かの手段で制御する必要
があるが、モータ５に印加する駆動パルスの幅を変化さ
せることにより、速度制御を行うことを試みた。これを
実験で確認した結果を図１１に示す。

【００３２】図示のように、実験的にパルス幅が小さい
ほど速度が小さくなることが確認され、つまり、パルス
幅の増加に従って被駆動体の移動速度は単調に増加し
て、滑らかな曲線で結ばれることがわかった。

【００３３】これらの結果を踏まえて、パルスのデュー
ティーを５％，１０％，１５％，２０％，２５％，２５
％，２０％，１５％，１０％，５％と変えながら変位さ
せたとき（つまり、被駆動体を徐々に加速して、また徐
々に減速させたとき）の様子を、図１２に示す。図を見
ると明らかなように、停止時の振動が減って、極めて滑
らかな変位が得られていることがわかる。

【００３４】以上に説明したように、このような第１実
施例によれば、移動体が有する固有振動の周期の１／２
倍以下の周期で断続的に超音波モータに駆動電圧を印加
し、かつ、その断続的電圧印加の一回当たりの電圧印加
時間を調節し、モータに印加するエネルギーを制御して
被駆動体を徐々に加減速することにより、不要な振動を
大幅に減らすことができて、効率の良い超音波モータと
することができる。

【００３５】また、上述では被駆動体の移動速度をパル
ス幅を変化させることにより制御したが、この変形とし
て、パルス幅を一定にして電圧振幅を変化させることで
制御することも可能である。電圧振幅と移動速度との関
係は、図１３に示すようになっていて、振幅が小さいと
移動することはないが、ある一定の振幅を越えると、振
幅の増加に従って速度が単調に増加するようになる。そ
こで、この振幅と速度が単調増加の関係にある部分を用
いて、電圧を印加する時間（パルス幅）を固定として、
断続的に印加する電圧の振幅を変えることで、速度を制
御することができ、上述と同様な結果を得ることができ
る。

【００３６】図１６から図１８は、本発明の第２実施例
を示したものである。この第２実施例において、上述の
第１実施例と同様である部分については説明を省略し、
主として異なる点についてのみ説明する。この第２実施
例の超音波モータの駆動回路は、図１６に示すように、
発振器１１と、この発振器１１の出力を受けて±９０度
の位相差を発生させる移相器１２と、上記発振器１１の
出力電圧を増幅する電力増幅器１３と、上記位相器１２
の出力電圧を増幅する電力増幅器１４と、これら電力増
幅器１３，１４からの出力電圧により駆動される超音波
リニアモータ１５（以下モータ１５という）とを備えて
いる。さらに、この超音波モータの駆動回路は、上記発
振器１１の出力周波数は、周波数制御手段１６で決定さ
れるようになっている。

【００３７】なおモータ１５およびこのモータ１５の駆
動に使われる図示しない超音波振動子は、図１９から図
２２を参照して説明した上記従来例と同様である。

【００３８】次に、このような第２実施例の作用を説明
する。発振器１１および移相器１２により、モータ１５
の振動子を励振する周波数の交番電圧を発生する。これ
を周波数制御手段１６で、モータ１５の可動周波数を含
む周波数帯域を任意に掃引させることができる。

【００３９】図１８に、駆動周波数を掃引した場合のモ
ータ１５の移動速度の実験結果を示す。図１８（Ａ）は
低周波数から高周波数へ掃引した場合の速度曲線を示
し、周波数５５ｋＨｚ付近で急激なピークを有する以外
は、移動速度は０となっていて、パルス状の移動速度が
得られている。そして、ピークの両端部はほぼ漸近的に
移動速度０に収束している。

【００４０】図１８（Ｂ）は高周波数から低周波数に掃
引した場合の速度曲線を示し、上記図１８（Ａ）と同様
に、周波数５５ｋＨｚ付近で急激なピークを有する以外
は、移動速度は０となっていて、ピークの両端部はほぼ
漸近的に移動速度０に収束している。

【００４１】こうして、図１８（Ａ），（Ｂ）のいずれ
の場合でも、モータ１５は特定の周波数帯域でのみ動作
することがわかる。従って、発振器１０の発振周波数の
掃引を所定の時間間隔で行うことにより、モータ１５に
断続的に駆動力を発生させることができる。

【００４２】このようなモータ１５が特定の周波数付近
でのみ動作する性質を用いて、周波数帯域を掃引するこ
とによりモータ１５を駆動する方法において、移動速度
の制御は、掃引速度を変化させることにより行うことが
できる。

【００４３】すなわち、図１７（Ａ）に示すように、掃
引速度を遅くすることにより、モータ５の有効な駆動時
間（可動時間）を長くすることができて、これによって
移動速度を早くすることができる。

【００４４】反対に、図１７（Ｂ）に示すように、掃引
速度を速くすることにより、モータ５の有効な駆動時間
を短くすることができて、これによって移動速度を遅く
することができる。

【００４５】以上説明したようにこのような第２実施例
によれば、移動体の固有振動周期の１／２以下の周期
（掃引を行う時間間隔）で周波数掃引を行い、かつ掃引
速度を徐々に変えることにより、第１実施例で説明した
ような駆動電圧を断続的に印加して１回当たりの駆動時
間を徐々に変える方法とほぼ同様の効果を得ることがで
き、不要な振動を低減することができて、効率の良い超
音波モータとすることができる。

【００４６】さらに、モータ１５の振動子の共振周波数
が温度変動等により変動しても、周波数掃引幅をその変
動を考慮して広くとることにより、動作しなくなること
がなくなる。

【００４７】なお、周波数掃引を終了して次の掃引を行
うまでの時間に、発振器１１の出力を停止するようにす
れば、消費電力をより少なくすることができて、より一
層効率の良い超音波モータとすることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
駆動体に発生する不要な振動を極力抑制することができ
る効率の良い超音波モータの駆動方法となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波モータの駆動回路
を示すブロック図。

【図２】上記第１実施例の超音波モータの駆動におい
て、（Ａ）第２の発振器の出力，（Ｂ）超音波振動子を
励振する周波数電圧をそれぞれ示す線図。

【図３】上記第１実施例の超音波モータに電圧印加周期
３．３ｍｓの駆動パルスを印加したときの変位の様子を
示す線図。

【図４】上記第１実施例の超音波モータに電圧印加周期
２ｍｓの駆動パルスを印加したときの変位の様子を示す
線図。

【図５】上記第１実施例の超音波モータに電圧印加周期
１．４ｍｓの駆動パルスを印加したときの変位の様子を
示す線図。

【図６】上記第１実施例の超音波モータに電圧印加周期
１．１ｍｓの駆動パルスを印加したときの変位の様子を
示す線図。

【図７】上記第１実施例の超音波モータに電圧印加周期
０．９ｍｓの駆動パルスを印加したときの変位の様子を
示す線図。

【図８】上記第１実施例の超音波モータに印加する駆動
パルスを拡大して詳細を示した線図。

【図９】上記第１実施例の超音波モータに１パルスの駆
動電圧を印加した際に発生する固有振動を示す線図。

【図１０】上記第１実施例の超音波モータに電圧を印加
する際の周期が、（Ａ）長いとき，（Ｂ）中程度のと
き，（Ｃ）短いときのそれぞれの固有振動の発生状態を
示す線図。

【図１１】上記第１実施例の超音波モータに印加するパ
ルス電圧のパルス幅を変化させたときの被駆動体の速度
の変化を示す線図。

【図１２】上記第１実施例の超音波モータに印加するパ
ルス電圧のパルス幅を、最初は段々広くして次に狭くし
ていったときの被駆動体の変位の様子を示す線図。

【図１３】上記第１実施例の超音波モータに印加するパ
ルス電圧の振幅を変化させたときの被駆動体の速度の変
化を示す線図。

【図１４】上記第１実施例の超音波モータに緩やかな変
位を起こさせるときの、目標とする動きと実際の動きと
を示す線図。

【図１５】上記第１実施例の超音波モータに電圧を印加
する際に発生する固有振動の状態を模式的に示す線図。

【図１６】本発明の第２実施例の超音波モータの駆動回
路を示すブロック図。

【図１７】上記第２実施例の超音波モータに印加する電
圧の周波数を、（Ａ）緩やかに掃引した場合，（Ｂ）急
激に掃引した場合におけるそれぞれの可動時間の変化を
示す線図。

【図１８】上記第２実施例の超音波モータに印加する電
圧を、（Ａ）低周波数から高周波数へ掃引した場合，
（Ｂ）高周波数から低周波数に掃引した場合の速度曲線
をそれぞれ示す線図。

【図１９】従来の超音波振動子を示す斜視図。

【図２０】従来の超音波リニアモータを示す正面図。

【図２１】従来の超音波振動子の縦共振振動を示す図。

【図２２】従来の超音波振動子の屈曲共振振動を示す
図。

【符号の説明】

１…第１の発振器 ２，１２…位相器 ３，４，１３，１４…電力増幅器 ５，１５…モータ ６…第２の発振器 １１…発振器 １６…周波数制御手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体及び該弾性体に固着された電気−
   機械エネルギー変換素子とからなり、該電気−機械エネ
   ルギー変換素子に駆動信号を印加することにより表面に
   超音波振動を発生させる振動子と、該振動子の表面に圧
   接され、上記超音波振動により上記振動子に対して移動
   される被駆動体とからなる超音波モータの駆動方法にお
   いて、 上記被駆動体が有する固有振動の周期の２分の１倍以下
   の周期で断続的に、上記電気−機械エネルギー変換素子
   に駆動信号を印加することを特徴とする超音波モータの
   駆動方法。