JPH0740793B2 - 超音波モータの駆動方法 - Google Patents

超音波モータの駆動方法

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JPH0740793B2
JPH0740793B2 JP61209896A JP20989686A JPH0740793B2 JP H0740793 B2 JPH0740793 B2 JP H0740793B2 JP 61209896 A JP61209896 A JP 61209896A JP 20989686 A JP20989686 A JP 20989686A JP H0740793 B2 JPH0740793 B2 JP H0740793B2
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piezoelectric
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修 川崎
克 武田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/16Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
    • H02N2/163Motors with ring stator

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波モータ
に関する。
従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いた駆動体に弾性振
動を励振し、これを駆動力とした超音波モータが注目さ
れている。
以下、図面を参照しながら超音波モータの従来の技術に
ついて説明を行う。
第4図は従来の超音波モータの斜視図であり、円環形の
弾性体1の円環面の一方に圧電体として円環形圧電セラ
ミック2を貼合わせて圧電駆動体3を構成している。4
は耐磨耗性材料のスライダ、5は弾性体であり、互いに
貼合せられて移動体6を構成している。移動体6はスラ
イダ4を介して駆動体3と接触している。圧電体2に電
界を印加すると駆動体3の周方向に曲げ振動の進行波が
励起され、移動体6を駆動する。尚、同図中の矢印は移
動体6の回転方向を示す。
第5図は第4図の超音波モータを使用した圧電セラミッ
ク2の電極構造の一例を示している。同図では円周方向
に9波長の弾性波がのるようにしてある。同図におい
て、A、Bはそれぞれ2分の1波長相当の小領域から成
る電極で、Cは4分の3波長、Dは4分の1波長の長さ
の電極である。従って、Aの電極とBの電極とは位置的
に4分の1波長(=90度)の位相ずれがある。電極A、
B内の隣り合う小電極部は互いに反対に厚み方向に分極
されている。圧電セラミック2の弾性体1との接着面は
第5図に示めされた面と反対の面であり、電極はベタ電
極である。使用時には電極群A、Bは第5図に斜線で示
されたように、それぞれ短絡して用いられる。
以上のように構成された超音波モータについて、その動
作を以下に説明する。前記圧電体2の電極Aに V=V1×sin(ωt) …(1) で表される電圧を印加すると(ただしV1は電圧の瞬時
値、ωは角周波数、tは時間)、駆動体3は円周方向に
曲げ振動をする。
第6図は第4図の超音波モータの駆動体を直線近似した
時の斜視図であり、同図(a)は圧電体2に電圧を印加
していない時、同図(b)は圧電体2に電圧を印加した
時の様子を示す。
第7図は移動体6と駆動体3の接触状況を拡大して描い
たものである。前記圧電体2の電極AにV1×sin(ω
t)、他の電極BにV1×cos(ωt)の互いに位相がπ/
2だけずれた電圧を印加すれば、駆動体3の円周方向に
曲げ振動の進行波を作ることができる。一般に進行波は
振幅をξとすれば ξ=ξ×cos(ωt−kx) …(2) ただし ξ1:波の大きさの瞬時値 k:波数(2π/λ) λ:波長 x:位置 で表せる。(2)式は ξ=ξ×(cos(ωt)×cos(kx) +sin(ωt)×sin(kx)) …(3) と書き直せ、(3)式は進行波が時間的にπ/2だけ位相
のずれた波cos(ωt)とsin(ωt)、および位置的に
π/2だけ位相のずれたcos(kx)とsin(kx)との、それ
ぞれの積の和で得られることを示している。前述の説明
より、圧電体2は互いに位置的にπ/2(=λ/4)だけ位
相のずれた電極群A、Bを持っているので、駆動体3の
共振周波数に等しい周波数出力を持つ発振器の出力か
ら、それぞれに時間的に位相のπ/2だけずれた交流電圧
を作り、前記電極群に印加すれば駆動体3に曲げ振動の
進行波を作れる。
第7図は駆動体のA点が進行波の励起によって、長軸2
w、短軸2uの楕円運動をしている様子を示し、駆動体3
上に置かれた移動体6が楕円の頂点で接触することによ
り、波の進行方向とは逆方向にv=ω×uの速度で運動
する様子を示している。即ち移動体6は任意の静圧で駆
動体3に押し付けられて、駆動体3の表面に接触し、移
動体6と駆動体3との摩擦力で波の進行方向と逆方向に
速度vで駆動される。両者の間にすべりがある時は、速
度が上記のvよりも小さくなる。
発明が解決しようとする問題点 以上、説明した様に従来の超音波モータは、駆動信号と
して時間的に位相がπ/2だけ異なる2つの交流電圧が必
要である。また回転方向の制御は上記2交流信号のうち
の1信号の位相を反転することにより行う。
駆動に2信号を必要とする従来の超音波モータでは、駆
動信号を2つ作る回路とともに、1駆動信号の位相を反
転させる回路が必要になり駆動回路が本質的に複雑にな
り、これに伴い回路コストが高くなるという問題を有し
た。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、1つの交流
信号のみで駆動でき、しかも回転方向の制御が簡単にで
きる超音波モータを提供することを目的としている。
問題点を解決するための手段 駆動体を構成する圧電体の電極として、圧電体面上の長
さが2分の1波長相当の少なくても複数個の平面に配置
された、長さが2分の1波長以下の小電極から成る第1
の電極、および第1の電極と4分の1波長だけ位置的に
位相が異なり、長さが2分の1波長相当の複数個の平面
に長さ方向の中心に対して非対称に配置された、長さが
4分の1波長未満の複数個の小電極から成る第2の電
極、および第1の電極と4分の1波長だけ位置的に位相
の異なり、長さが2分の1波長相当の上記複数個の平面
に長さ方向の中心に対して非対称に配置された、長さが
4分の1波長未満の複数個の小電極から成る第3の電極
を構成し、駆動時には第1の電極にのみ交流電圧信号を
印加し、第2および上記第3の電極のいずれか一方を共
通端子と短絡し、他を開放することにより弾性駆動波を
励振して動体を駆動する。また開放する電極の選択によ
り上記動体の回転方向を制御することができる。
作用 第1の電極を交流信号電圧により駆動して、第2の電
極、第3の電極のいずれかを短絡し開放するかを選択す
る。第1の電極を駆動して駆動体に第1の定在波を励振
すると、第2または第3の電極のうち開放した方の電極
に励起された電荷により、上記第1の定在波と時間的お
よび位置的にほぼ90度位相のずれた成分を持つ第2の定
在波が励振され、上記2つの定在波で弾性進行波が形成
される。そして、第2の電極、第3の電極のいずれかを
開放するかにより、第2の定在波の位置的な位相がほぼ
反転して弾性進行波の進行方向が変化して、動体の回転
方向を制御することができる。
実施例 以下、図面に従って本発明の一実施例について詳細な説
明を行う。
第1図は本発明の一実施例の超音波モータの駆動体を構
成する圧電体の平面図である。同図において、7は圧電
体であり、両面に電極付されている。Eは円周方向の長
さが2分の1波長相当の平面内に形成された2分の1波
長よりわずかに短い小電極から成る第一の電極で、駆動
体の共振周波数近傍の交流信号電圧を印加する。電極E
の小電極の分極方向と印加電圧の方向は、同方向と逆方
向とが交互になるようにする。同図では、隣り合う小電
極部の分極方向を逆にして、互いに短絡して駆動をして
いる。FとGは電極Eと4分の1波長だけ位置的に位相
のずれた、円周方向の長さが2分の1波長の領域内のさ
らに2分割された領域内に設置された、円周方向の長さ
が4分の1波長未満の小電極から成る第二および第三の
電極である。同図では、電極Eの駆動により励振した定
在数波により、電極FおよびGの小電極に誘起される電
荷が同電極の隣り合った小電極で同極性になるように、
隣り合った小電極部では分極の方向を逆にして、互いに
短絡して使用しているが、隣り合った小電極部の分極方
向を同じにして互いに短絡しないで使用することもでき
る。電極HとIは、それぞれ円周方向の長さが4分の3
波長相当、および4分の1波長相当にしており、電極E
と、FおよびGの置かれた領域との位置的位相差が4分
の1波長になるように形成しているものであり、超音波
モータの動作上は電極HとIは必ずしも必要ではない。
圧電体7の裏面はベタ電極である。以上説明したような
圧電体7の裏面を弾性体に貼合わせることにより駆動体
を構成する。
第2図は、第1図の圧電体を用いた駆動体の動作説明図
である。同図(a)は、電極Eから取り出したリード線
8に駆動体の共振周波数近傍の交流信号電圧V1を印加し
た時に、駆動体に曲げ振動の定在数9が励振されている
様子を示している。第5図に示した従来の超音波モータ
の電極構造では、Aの電極とBの電極はそれぞれ同様に
2分の1波長相当の小領域から成る電極で、位置的に4
分の1波長の位相ずれがあるから、第1の電極(例えば
A)により励振された定在波によって第2の電極(例え
ばB)に励起される電荷は相殺されて0である。
しかし、本実施例では同図(b)の上に示すように、電
極Eにより励振された定在数9が、電極Fに電荷を誘起
して、その結果定在数9と位置的に4分の1波長位相の
異なる定在数11を励振することができる。ただし、電極
Fから取り出したリード線10は開放状態である。同図
(b)の下は、同様に電極Gによって、定在数9と位置
的に4分の1波長位相の異なる定在数13を励振すること
ができる。ただし、定在数11と13は180度の位相が異な
る波であり、駆動時にはリード線10または12のいずれか
一方は短絡して用いる。同図(c)は、第1図の圧電体
により構成された駆動体の一部を直線化したモデル図で
ある。電極Eと電極FとGの各部の分極方向と、各位置
関係を示している。14はスイッチである。スイッチ14に
よりリード線10または12いずれかと短絡するために用い
る。
第3図は、第1図の圧電体を用いた駆動体の等価回路で
ある。同図において、C1、C2およびC3はそれぞれリード
線8、10および12からみた電気容量、T1、T2およびT3
電極E、FおよびGによる電気−機械変換のトランス、
Zmは駆動体の機械インピーダンス、Z1は駆動体に接触し
て設置された移動体の駆動体よりみた機械インピーダン
スである。同図より、交流信号電圧V1によりトランスT1
を介して駆動体に定在波9が励振できる。リード線10を
開放しておけば、定在数9によりトランスT2を介して電
極Fに電荷が誘起され、時間的にπ/2位相の異なる電圧
が誘起する。またリード線12を開放しておけば、定在波
9によりトランスT3を介して電極Gに電荷が誘起され、
時間的にπ/2位相の異なる電圧が誘起する。この誘起電
圧によって、上で述べたように定在波11または13が励振
され、定在波9と駆動体中で重畳されることにより、そ
れぞれ進行波を発生する。すなわちスイッチ14を切り替
えることにより、進行波の進行方向が変わり、従って移
動体の回転方向が変わる。
発明の効果 以上述べたように、本発明では1信号のみで弾性体内に
弾性進行波を励振できるので超音波モータを動作させる
ことができる。また、その進行方向もスイッチ1つで変
えることができ、つまり、動体の回転方向を変えるの
で、駆動回路を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の超音波モータの駆動体を構
成する圧電体の平面図、第2図は第1図の圧電体を用い
た駆動体の動作説明図、第3図は第2図の駆動体の等価
回路図、第4図は従来の超音波モータの斜視図、第5図
は第4図に用いられている圧電体の形状と電極構造を示
す平面図、第6図は超音波モータの駆動体部の振動状態
を示すモデル図、第7図は超音波モータの原理の説明図
である。 7……圧電体、8,10,12……リード線、9,11,13……定在
波、14……スイッチ、E,F,G……電極。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】弾性体と圧電体を結合して圧電駆動体を構
    成し、前記圧電体に形成された駆動電極に交流電圧信号
    を印加することにより、前記圧電駆動体に弾性進行波を
    励振して、前記弾性体に加圧接触して設置された動体を
    移動させる超音波モータの駆動方法あって、 前記駆動電極は、前記圧電体面上の長さが2分の1波長
    相当の少なくても複数個の平面に配置された、長さが2
    分の1波長以下の小電極から成る第1の電極と、前記第
    1の電極と4分の1波長だけ位置的に位相が異なり、長
    さが2分の1波長相当の複数個の平面に長さ方向の中心
    に対して非対称に配置された、長さが4分の1波長未満
    の複数個の小電極から成る第2の電極および長さが4分
    の1波長未満の複数個の小電極から成る第3の電極を具
    備し、 駆動時において、前記第1の電極にのみ前記交流電圧信
    号を印加し、前記第2および前記第3の電極のいずれか
    一方を共通端子と短絡し、他を開放することにより前記
    弾性駆動体に弾性進行波を励振して、前記動体を駆動す
    ることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
  2. 【請求項2】第2、第3の電極の何れを開放するかによ
    り動体の回転方向を制御することを特徴とする特許請求
    の範囲第1項に記載の超音波モータの駆動方法。
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