JPS61139278A - 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、圧電体を用いて駆動力を発生する超音波モー
タに関するものである。

（従来例の構成とその問題点） 近年、圧電セラミック等の圧電体を用いて超音波振動を
励振することにより、回転、あるいは直線または曲線運
動をする超音波モータが発表され、構成が簡単で、小型
、軽量などの点で注目されている。

第１図は超音波モータの一例であり、円環型の弾性体１
の円環面の一方に圧電体２を貼り合わせて圧電駆動体３
を構成している。４は耐摩耗材料のスライダで、５は弾
性体であり、互いに貼り合わせられて動体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６圧電体２に電界を印加すると駆動体３に曲げ振
動の進行波が励起され、これにより動体６が回転する。

第２図は、第１図の超音波モータに使用した圧電体２の
形状と電極構造の一例を示している。同図では、円周方
向に曲げ振動が９波長のるようにしである。Ａ、Ｂはそ
れぞれ２分の１波長相当の８個の小領域からなる電極群
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。したがって、Ａの電極群とＢの電極群とは位置
的に４分の１波長（９０°）の位相のずれがある。電極
群Ａ、Ｂ内の隣り合う小電極部は互いに反対方向に厚さ
方向に分極されている。圧電体２の弾性体１との接着面
は、第２図に示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２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
を説明する。

圧電体２の電極群ＡにＶｏ　５ｉｎ（ωｔ）′ｒ：表わ
される電圧を印加すると（ただしＶｏは瞬時値、ωは角
周波数、ｔは時間）、駆動体３は円周方向に曲げ振動す
る。

第３図は、第１図の超音波モータの一部分の斜視図であ
り、同図の上は圧電体２に電圧を印加していないときで
あり、同図の下は圧電体２に電圧を印加したときの様子
を示す。

第４図は動体６と、駆動体３の接触状態を拡大して示し
たものである。圧電体２の電極群ＡにＶｏ　５ｉｎ（ω
ｔ）、他の電極群ＢにＶｏ　ｃｏｓ（（１１ｔ）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εとすればε＝ε。ＣＯＳ　（ωｔ
）−ｋｘ　　・・・・・・・・・・・・（１）ただし、
ε。・・・・・・　波の大きさの瞬時値ｋ・・・・・・
・・・波数（２π／λ）、λは波長Ｘ・・・・・・・・
・位置 で表わせる。（■）式は ｔ　＝　Ｅ　、（Ｃｏｇ　ωｔ°ｃｏｓ　ｋｘ＋ｓｉｎ
　ｗｔ−ｓｉｎ　ｋｘｌ　−−＝　（２）と書き直すこ
とができ、（２）式は進行波が時間的にπ／２だけを位
相のずれた波ｃｏｓωｔとｓｉｎωｔ。

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。上記の説明より、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をも
っているので、それぞれに時間的に位相のπ／２だけず
れた電圧を印加すれば駆動体３に曲げ振動の進行波を作
れる。

第４図は駆動体のＡ点が進行波によって、長軸２ω、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＝ω・Ｕの速度で運動する様
子を示している。すなわち、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、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。両者の間に滑りがあるときは速度がＶ
より小さくなる。

以上説明した超音波モータの速度は、 ■＝ω“ｕｏｏ　ω６ε。＝−＝＝−−−＝１−−　　
（３）で表わされ、駆動体３の曲げ振動の振幅最大値ε
。に比例する１曲げ振動の振幅の大きさは、圧電体２に
流れる電流値によってきまる。一定電圧で圧電体２をそ
の共振周、波数に磨いて駆動しても、温度や負荷変動等
で圧電体２の共振点でのインピーダンスが変動するので
、流入電流が変化し、したがって曲げ振動の大きさが変
化し、超音波モータの速度が変化する。従来の超音波モ
ータは速度制御手段を持っていないので、上記で述べた
ように環境により速度が変化する欠点があった。

（発明の目的） 本発明の目的は、従来の欠点を解消し、超音波モータに
速度制御手段を付加することにより、温度変化や負荷変
動等に対して安定な速度を持ち、さらに速度の可変可能
な超音波モータを提供することである。

（発明の構成） 本発明の超音波モータ装置は、弾性体と、１７４波長相
当分だけの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わせた圧電駆動体を備え、この
圧電駆動体上に動体を設置し、前記２つの電極群の１つ
に抵抗を直列に接続して、その抵抗の両端電圧を帰還信
号とするか、またはその２つの電極群の１つを分割する
か、もしくは別電極を設けて、その誘起電圧を帰還信号
として自励発振回路を構成し、他の電極群には、その自
励発振回路の信号を時間的に９０°ずらせた信号を印加
することにより、前記圧電駆動体中に曲げ振動の進行波
を励起し、前記動体を移動させるよう構成され、前記の
２つの電極群のうち、いずれか一方または双方ともに、
自励発振回路の出力を搬送波とする任意にその間隔とバ
ーストの時間を設定され得るバースト信号を印加するこ
とにより。

超音波モータ装置の動体の速度を制御可能にしたもので
ある。

（実施例の説明） 本発明の一実施例を第５図ないし第９図に基づいて説明
する。

第５図は本発明の超音波モータ装置のブロック図である
。同図において１／４λだけ位置的に位相の異なる２つ
の電極群Ａ、Ｂのうち一方の電極群Ａには常時信号電圧
を印加し、他方の電極群Ｂにはバースト信号を印加して
、バーストの比率を替えることにより速度制御をしてい
る。

同図の部品番号で第１図と同じものは、その説明を省略
する。駆・動体３の圧電体２の図面に書かれていない裏
側はベタ電極であり、アースに接続されている。Ｒは圧
電体２に直列に接続された帰還用抵抗器で、圧電体２に
流入した電流に比例した電圧を端子間に発生する。抵抗
器Ｒの端子間電圧は、バンドパスフィルタ増幅器７に入
力され。

圧電駆動体３の他の振動姿態の信号および着目している
振動姿態（図では９次の曲げ振動）の次数の異なる振動
姿態の信号を除去し、着目している振動姿態の成分だけ
を抜き出し、所定のレベルまで増幅している。８は電力
増Ｍ器で、バンドパスフィルタ増幅器７の出力を、駆動
体３に所定の振動をさせるために必要なレベルにまで増
幅している。このループにより、共振周波数で自励発振
回路を構成している。９は９０°移相器でバンドパスフ
ィルタ増幅器７の出力が入力されて、９０＠位相をずら
せている。１０は電力増幅器で、電力増幅器８と同様に
駆動体３を所定のレベルだけ振動させるのに必要なレベ
ルまで増幅している。（２）式からも明らかなように、
駆動体３に曲げ振動の進行波を作ることができる。１１
はタイマー回路で、スイッチＳ１を動作させるための信
号を出力している。

スイッチＳ□が閉じれば、バンドパスフィルタ増幅器７
の出力は９０”移相器９に入力されて、駆動体３中に進
行波を作り、スイッチＳ１が開いていれば駆動体３中に
は定常波だけが立つ。したがってスイッチＳ工によって
駆動体３上に置かれた動体６は動いたり、動かなかった
りする。

第６図は、第５図の実施例における各部の信号波形であ
り、Ａは電極群Ａに印加される信号波形であり、Ｓｌは
スイッチＳ１を動作させるためのタイマー回路１１の出
力波形でｔｏの間だけスイッチＳ１は閉じ、ｔ２の間は
開いている。Ｂは電極群已に印加される信号波形であり
、電極群Ａと帰還抵抗器Ｒ、バンドパスフィルタ増幅器
７と電力増幅器８で構成する自励発振回路の発振周波数
の９０°移和したものを搬送波とするバースト信号であ
る。同図において、時間ｔ工の間は超音波モータ装置の
動体６は動き、時間ｔ２の間は動体６は停止している。

したがって、時間ｔ１とｔ２の比率を変えれば超音波モ
ータの速度は制御できる。この速度制御方式の特徴は圧
電バンドパスフィルタ増幅器７に流す電流値は一定なの
で、駆動体３の曲げ振動の振幅は一定となり、駆動体３
と動体６の接触面の表面粗さ等による影響が少なくなる
。曲げ振動の振幅値が小さくなれば表面粗さの影響を受
は速度が不安定になったり、止まったりするという欠点
が解消さ九、はぼＯに近い低速までがバースト比率を変
えることにより実現できる。

時間ｔ２の間は自励発振強度を、増幅器８の利得を制御
することにより弱めて、全体の消費電力を減少させるこ
とができる。

第７図は本発明の超音波モータ装置の速度制御特性を示
す図である。

第８図は本発明の第２の実施例である超音波モータ装置
のブロック図である。

同図において、スイッチＳ２は、タイマー回路１１によ
って、自励発振回路を構成している。電極群Ａ、帰還抵
抗器Ｒ、バンドパスフィルタ増幅器７および電力増幅器
８のループを切って発振を停止すると同時に、電極群Ｂ
に入力するための信号ループをも切っている。

第９図は、第８図の実施例のブロック図における各部の
信号波形で、Ｓ２はスイッチＳ２の制御波形であり、Ａ
、Ｂはそれぞれ電極群Ａ、Ｂに印加される信号波形であ
る。同図より５時間ｔ□のスイッチＳ２が閉じている間
は電極群Ａ、Ｂにはそれぞれ９０°位相のずれた信号が
入力され、したがって駆動体３には曲げ振動の進行波が
励起され、駆動体３上の動体６は移動し１時間ｔ２の間
は駆動体３は第５図の実施例では定在波が立っているの
と異なり、完全に静止の状態にある。したがって、消費
電力は小さくなるが、応答速度は自励発振するまでの時
間だけおそくなる。

（発明の効果） 本発明によれば、圧電駆動体を構成する圧電体の４分の
１波長だけ位置的に位相のずれた２つの電極のうち、少
なくとも１つは使用振動姿態の周波数を搬送波とするバ
ースト信号とすることにより、超低速度まで安定した速
度制御ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波モータの断面図、第２図は同圧電
セラミックの形状と電極構造の平面図。 第３図は超音波モータの一部分を示す斜視図、第４図は
超音波モータの原理の説明図、第５図は本発明の第１実
施例による超音波モータ装置のブロック図、第６図は、
第５図に示す各部の信号波形図、第７図は本発明の超音
波モータ装置の速度制御特性を示す図、第８図は本発明
の第２実施例による超音波モータ装置のブロック図、第
９図は、第８図に示す各部の信号波形図である。 １．５　・・・弾性体、　２・・・圧電体、　３　・・
・圧電駆動体、　４　・・・スライダ、　６　・・・動
体、７・・・バンドパスフィルタ増幅器、８，１０・・
・電力増幅器、　９　・・・９０°移相器、１１・・・
タイマー回路、　Ｒ・・・帰還用抵抗器、Ｓｌ、Ｓ、・
・・　スイッチ。 特許出願人　松下電器産業株式会社 第１図 第３図 と 第４図 第５図 第６図 第７図 バーストにｆｔ／１／（ｔ１÷な） 第８図 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 弾性体と、４分の１波長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わせた圧電
   駆動体を備え、該圧電駆動体上に動体を設置し、前記２
   つの電極群の１つに抵抗を直列に接続して、該抵抗の両
   端電圧を帰還信号とするか、または前記２つの電極群の
   １つを分割するか、もしくは別電極を設けて、その誘起
   電圧を帰還信号として自励発振回路を構成し、他の電極
   群には、前記自励発振回路の信号を時間的に９０°ずら
   せた信号を印加することにより、前記圧電駆動体中に曲
   げ信号の進行波を励起し、前記動体を移動させるよう構
   成され、前記２つの電極群のうち、いずれか一方、また
   は双方ともに、自励発振回路の出力を搬送波とする任意
   にその間隔とバーストの時間を設定され得るバースト信
   号を印加することにより、超音波モータ装置の動体の速
   度を制御可能にしたことを特徴とする超音波モータ装置
   。