JPS61124274A - 超音波モ−タ装置 - 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 本発明は弾性進行波を駆動力として利用する超音波モー
タ装置に関する。

従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いて、駆動体中に弾
性進行波を励起し、駆動体上に設置された動体を移動さ
せる超音波モータが発表され、構造が簡単、軽薄短小と
いう特徴のために話題に１っている。（例えば日経メカ
ニカル・８３　２／２８Ｐ４４〜４９） 以下、図面を参照しながら従来の超音波モータ装置につ
いて説明を行なう。

第３図は円環形の超音波モータの断面図である。

同図において、円環形の弾性体１の主面の一方に円環形
圧電セラミック２を貼合せて圧電駆動体３を構成してい
る。４は耐磨耗性材料のスライダで、５は弾性体であり
、互いに貼合せられて動体６を構成している。動体６は
スライダ４を介して駆動体３と接触している。圧電セラ
ミック２に電界を印加すると駆動体３に曲げ撮動の進行
波が励起され、動体６が回転する。

第２図は第１図の超音波モータに使用している圧電セラ
ミック２の電極構造を示している。同図では円周方向に
曲げ振動が９波長のるように電極を構成している。Ａ、
Ｂはそれぞれ２分の１波長相当の８個の小領域から成る
電極群で、ＣＵａ分の３波長、Ｄは４分の１波長相当分
の長さの電極である。電極群Ａ、Ｂ内の隣合う小電極部
分は互いに反対方向に厚み方向に分極されている。第２
図に示された面の反対面はベタ電極であり、弾性体１と
貼合せられる。従って弾性体１が導電体ならば、電極の
一方として弾性体１から端子を取出すこともできる。使
用時には電極群Ａ、Ｂは第２図に斜線で示されたように
短絡されて、上記のベタ電極との間に電圧が印加される
。上記の説明により電極群Ａ、Ｂはそれぞれ４分の１波
長相当分の位置的な位相ずれがある。

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。前記圧電セラミック２の電極群Ａに Ｖ　＝　ＶＯ５１ｎ　（ωｔ　）　　　　　　　　　−
・−・−（１）ｖｏ：電圧■の瞬時値 ω　：角周波数 ｔ　：時間 で表せる電圧■を印加すると、駆動体３は円周方向に曲
げ振動をする。

第３図は第１図の超音波モータの駆動体３のモデル化し
た斜視図であり、同図上は圧電セラミック２に電圧を印
加する前の状態で、同図下は圧電セラミック２に電圧を
印加した時の状態を示す。

第４図は動体６と駆動体３の接触状況を拡大して描いて
いる。圧電セラミック２の電極群ＡにＶ　＝　Ｖｏｓ＋
ｎ　（ωｔ　）　　　　　　　　・・・・・（２）もう
一方の電極群Ｂに Ｖ　＝　Ｖｏｃｏｓ　（ωｔ）、、、、・・（３）の互
いに時間的に位相がπ／２だけ異なる電圧を印加すれば
、駆動体３の円周方向に曲げ振動の進行波が作られる。

何故なら、一般に進行波は振幅をξとすれば ξ＝ξ０ｃｏｓ　（ωｔ　−ｋｘ　）　　　　　−（４
）ξ。二波幅ξの瞬時値 ｋ　：波数（２π／λ）、λ：波長 Ｘ　：位置 で乗せる。（４）式は ξ＝ξ０〔ｃｏＳωｔｃｏＳｋｘ　＋ｓ＋ｎωｔ　ｓｉ
ｎ　ｋｘ〕・・・・（５）と書き直せ、（５）式は進行
波が、時間的にπ／２だけ位相のずれた波ｃｏｓωｔ、
：ｓｉｎωｔ１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、圧電セラミック２は互いに位置的にπ
／２だけ位相のずれた電換群Ａ、Ｂを有しており、それ
ぞれに時間的にπ／２だけ位相のずれた電圧を印加すれ
ば駆動体３に曲げ振動の進行波が作れる。第６図は駆動
体３のＡ点が進行波によって、長軸２Ｗ、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　＝　ｍ　＊　ｕ　　　　　　　　　　　　・由・・
（６）の速度で運動する株子を示している。即ち動体６
は任意の静圧で駆動体３に押しつけられて駆動体部に対
してなす仕事がこの摩擦力より犬さい時には、動体６と
駆動体３の間に滑りが生じ速度はＶよりも小さくなる。

発明が解決しようとする問題点 以上説明してきた超音波モータの速度はＶ＝ω・ｕＬ：
ｘ：ω・ξ　■ω・Ｉ　　　・・・・（力で決まる。即
ち駆動体３の曲げ振動の振幅の瞬時１直ξ　に比例し、
この瞬時値ξ。は電極群Ａ、Ｂに流れる電流値に比例す
る。電極群Ａ、Ｂへの機械的負荷が一定ならば、電極群
Ａ、Ｂからみた電気インピーダンスは同一で一定となり
、同一電圧値を印加すれば同一電流が流れ、電極群Ａ、
Ｂ部での振幅ξ。は同一となる。しかし、実際には動体
６が回転しているため電極群Ａ、Ｂ部での機械的負荷が
変化したり、温度上昇が起きたりして、電極群Ａ、Ｂか
ら見た電気インピーダンスが変化すれば、同一電圧を印
加しても同一電流とならず、同一電圧の印加では電極群
Ａ、Ｂ部によって励起される曲げ振動の変位ξは同一と
はならない。

今、電極群Ａ、Ｂ部によって励起される曲げ振動の変位
をξ。、ξ。＋Δξ。とすれば（６）式よりξ＝ξ０［
ｃｏｓ　ωｔ　ｃｏｓ　ｋｘ　＋ｓｉｎ　ωｔ　ｓｉｎ
　ｔｕｔ　）＋Δξｏ　ｓ＋ｎ　ｔｏ　ｔ　＠ｓ＋ｎ　
ｋ、ｘ＝ξＯｃｏ’４　ωｔ　−ｋｘ　）＋ΔξＱＳＩ
ｎωｔ・５ｌｎｋｘ・・・（８）となり、変位の振幅の
差Δξ。の分だけは駆動体３に定在波が立つ。この定在
波の分だけ駆動体３内での損失が増加し、動体６の移動
速度Ｖば（６）式で示された値よりも小さくなり、機械
出力が小さくなり効率が低下するなどの問題点がある。

本発明では上記の問題点を解決して、効率の良い機体出
力の太きい、超音波モータを提供することを目的とする
。

問題点を解決するだめの手段 弾性体と４分の１波長相当分だけ互いに位置的に位相の
ずれた２つの電極群を有する圧電体とを貼り合せて圧電
駆動体を構成し、上記駆動体上に動体を設置し、上記２
つの電極群に互いに時間的に位置の９００異なる２つの
電気信号を印加して、上記駆動体に曲げ振動の進行波を
励起し、上記動体を移動させる超音波モータにおいて、
上記２つの電極群Ａ、Ｈにそれぞれ抵抗素子を直列接続
し、上記２つの直列接続体に駆動電圧を印加して、上記
抵抗素子の端子電圧により上記２つの電極群への流入電
流を検出して、上記２つの′電極群に流れる電流値を実
時間で一致させることにより、駆動体中に立つ定在波を
なくして、進行波成分のみを励起する。この結果、機械
出力を犬きくして、効率を高くできる。

作　　用 圧電セラミックに形成された、位置的にπ／２だけ位相
のずれた２つの電極群Ａ、Ｂにそれぞれ接続された抵抗
素子の両端電圧により、上記電極群Ａ、Ｂに流入する電
流値を一致させることにより、電極群Ａ、Ｂ部によって
起こされる曲げ振動の変位を、それぞれξＡ、ξＢとす
ればであるから、駆動体３の曲げ振動は（９）式より、
ξ　＝　ξ０ｃｏｓ　　（ｏ）ｔ　　−ｋｘ）　　　　
　　　　　　　　　　−＝−（１０）となり、定在波が
ｆ！、＜　ｉ−１’ｔ、最適条件で超音波モータの駆動
ができる。

この作用は２つの電極群Ａ、Ｂにそれぞれ直列接続され
た抵抗素子の端子電圧を一定で同一にすることによって
も、上記２つの抵抗素子の一方の端子電圧を一定にして
、一方の電極群への流入電流値を一定にし、他方は一方
の電流値と等しくなるように制御することによっても得
られる。

また双方の電極群への電流値を一定化せず、単に電流値
を一定にするだけでも、（１Ｑ）式のξ。

の値が変わるだけで定在波はたたず効率の良い駆動がで
きる。ξ。を−走化すれば、小動体と動体の間にすべり
のない間は定速回転が得られる。

実施例 以下図に従って本発明の実施例について詳１ｆＩＩＩな
説明を行なう。第１図は本発明の一実施例の超音波モー
タ装置のブロック図である。同図において電気信号の処
理をわかりやすくするために、超音波モータは圧電セラ
ミック２のみが描かれているが、実際には第３図に示し
たように構成されている。電極群Ａには抵抗素子ＲＡが
直列接続されており、電力増幅器９により駆動電圧が印
加される。

電極群Ａに流入した電流は抵抗系子Ｒへの円端電圧とし
て差動増幅器７により検出され、バンドパスフィルタ増
幅器８に入力される。ここで駆動周波数成分のみが抜き
出され、電力増幅器９に入力される。このループにより
駆動周波数と同一の周波数で自励発振される。差動増幅
器７、バンドパスフィルタ増幅器８および電力増幅器９
が駆動周波数で入出力の位相差が０になるように設定す
れば、発振周波数は駆動体３の共振周波数に一致する。

バンドパスフィルタ増幅器８の出力を９０°移相器１Ｑ
に入力して電力増幅器１１に入力する。

電力増幅器１１は所定のレベルまで増幅した信号を抵抗
素子ＲＢ全全通て電極群Ｂに入力する。これで駆動体３
には曲げ振動の進行波が励起される。

抵抗素子ＲＢの両端電圧には差動増幅器１２に入力され
、電極群Ｂに流入した電流値が検出される。

電極群Ａに流入した電流値に比例した電圧値が差動増幅
器７の出力として、電極群Ｂに流入した電流値に比例し
た電圧値が差動増幅器１２の出力として得られる。それ
ぞれの出力は差動増幅器１３に入力されて、電極群Ａ、
Ｂへの流入電流差の比例した電圧値に直される。差動増
幅器１３の出力は電力増幅器１１の一入力端子に入れら
れる。従って電極Ｂへの電流値が電極Ａの電流値よりも
犬きくなれば、差動増幅器１３の出力は正となり、電力
増幅器１１の出力レベルが低くなり′電極群Ａ。

３間の電流値を一致させるように働く。

上の実施例において、自動発振回路の発振強度を一定に
なるようにすれば超音波モータは定速回転し、そうでな
い場合には定速回転はしないが共に定在波はたたず効率
の良い駆動ができる。

第２図は本発明の別の実施Ｖ」のブロック図である。発
振器１４は超音波モータの駆動周波数で発振し、電力増
幅器９により所定のレベルまで増幅される。増幅後、抵
抗素子ＲＡを通して電極群Ａに印加される。電極群Ａへ
の流入電流値は抵抗素子ＲＡの端子電圧を差動増幅器７
に入力することにより、比例した電圧値に変換される。

差動増幅器７の出力は発振器１４の制御端子に入力され
、抵抗素子ＲＡの両端電圧が一定（電極Ａへの流入電流
が一定）になるように制御される。発振器１４の出力は
、また９０°移相器１０にも入力され、９００だけ位相
をンフトされて電力増幅器１１により所定のレベルまで
増幅される。電力増幅器ｔの出力は抵抗素子ＲＢを通し
て電極群Ｂに印加される。電極群Ｂに流入された電流値
は、抵抗素子ＲＢの端子電圧を差動増幅器１２に入力す
ることにより、比例した値の電圧値に変換される。電極
Ａ、Ｂ間の電流値の差は差動増幅器１３の出力電圧とし
て得られ、電力増幅器１１の一端子に入力することによ
り電極群Ａ、Ｂ間の電流差を常に０にするように働く。

第２図の実施例において、差動増幅器１３をなくして差
動増幅器１２の出力を電力増幅器１１の一端子に入力し
て、抵抗素子ＲＢの端子紙圧を抵抗素子ＲＡの端子電圧
に等しくなるように、差動増幅器１２の利得を微調して
も、電極Ａ、Ｂ間の電流差を０にできる。しかし、この
場合は電極群Ａ、Ｂの電流値をそれぞれ微調しなければ
ならないＯ 発明の詳細 な説明したように、２つの電極群に流入する電流値を実
時間で一致させることにより、圧電駆動体に曲げ振動の
進行波のみを励起し、定在波がたたないようにしている
ので、損失が小さく、動体の移動速度の大きい、即ち効
率の良い駆動ができる超音波モータ装置を提供できる。

上記電流値が一定であれば、動体の速度を一定にでさる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である超音波モータ装置のブ
ロック図、第２図は別の実施例のブロック図、第３図は
超音波モータの断面図、第４図は第２図に用いられてい
る圧電セラミックの形状と電極構造を示す平面図、第５
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６図は超音波モータの原理の説明図である。 ７　・・′・差動増幅器、８　°゛バンドパスフィルタ
増幅器、９・・・・・電力増幅器、１０　・・９０°移
相器、１１・・・・電力増幅器、１２　・−・差動積幅
器、１３・・・・差動増幅器、１４−・・・・発振器。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第　２　図 第３図 第４図 第　５（！ｆｉ 第　６　Ａ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性体と４分の１波長相当分だけ互いに位置的に
   位相のずれた２つの電極群を有する圧電体とを貼り合せ
   て圧電駆動体を構成し、上記駆動体上に動体を設置し、
   上記２つの電極群に互いに時間的に位置の９０°異なる
   ２つの電気信号を印加して、上記駆動体に曲げ振動の進
   行波を励起し、上記駆動体上の動体を移動させる超音波
   モータにおいて、上記２つの電極群に印加する上記電気
   信号を、上記２つの電極群のうち１つを使用するか、別
   電極を構成して使用するかして自励発振回路を構成する
   ことにより作るか、別の発振回路により作り、上記２つ
   の電極群のそれぞれに抵抗素子を直列接続した２つの直
   列接続体に上記電気信号を印加し、上記２つの電極群に
   流入する電流値を、上記２つの抵抗素子の端子電圧で検
   出して、上記２つの電極群に流れる電流値を実時間で一
   致させることを特徴とする超音波モータ装置。
2. （２）２つの電極群のうち双方とも定電流駆動をするこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波モー
   タ装置。
3. （３）２つの電極群のうち１方を定電流駆動し、他方を
   ２つの抵抗素子の端子電圧の差により、上記１方の電極
   群の電流値に実時間で一致させることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の超音波モータ装置。
4. （４）２つの電極群の双方とも定電流駆動とせず、２つ
   の抵抗素子の端子電圧の差の検出により、双方の電極群
   への電流値を実時間で一致させることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の超音波モータ装置。