JPS6292781A - 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
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超音波振動を励
振することにより、回転あるいは直線又は曲線運動をす
る超音波モータが発表され、構造が簡単、小型・軽量な
どの特徴から注目されている。

以下、図面を参照しながら超音波モータの従来技術につ
いて説明を行う。

第３図は超音波モータの一例であり、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、６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。圧電体２に電界を印加する
と駆動体３の周方向に曲げ振動が励起され、これが進行
波となることにより、動体６が回転する。

第４図は第３図の超音波モータに決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
に曲げ振動が９波艮のるようにしである。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。

従って、ムの電極群とＢの電極群とは位置的に４分の１
波長（＝９０度）の位相ずれがある。電極群ム、Ｂ内の
隣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４図に
しめされた面と反対の面であり、電極はベタ電極である
。使用時には電極群ム、Ｂは第４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の電極群ムにＶＯ−
ｇｉｎ　（ωｔ）で表される電圧を印加すると（ただし
ｙｏ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３図の超音波モータの一部分の斜視図であり
、同図（亀）は圧電体２に電圧全印加していない時であ
り、同図は圧電体２に電圧を印加した時の様子を示す。

第６図は動体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の電極群ムにＶ（３−ｓｉｎ
　（ωｔ）、他の電極群Ｂ　Ｉｃ　７０−　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、７−　ｃｏｓ　（ωｔ　−Ｋｘ　）　　−山−
−−−−−山−（１）ただしξ０：波の大きさの瞬時値 Ｋ　：波数　（＝２π／λ） λ　：波長 Ｘ　：位置 で表せる。（１）式は ξ＝ξｇ−（ｃｏｓ（ωｔ）　−ｃｏｓ　（Ｋｘ）＋５
ｉｎ（ωｔ）・５ｉｎ（Ｋｘ））−・（２）と書き直せ
、（２）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５ｉｎ（Ｋ
ｘ）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ム、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６図は駆動体の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シ、波の
進行方向とは逆方向にマ＝ωＵの速度で運動する様子を
示している。即ち動体ｅ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マで駆動さ
れる。両者の間にすべりがおる時は、速度が上記のマよ
りも小さくなる。また、上記に示した超音波モータの速
度マは、 マ＝ωｕｃ１０ωξ０　　・　　　　　・・・・・・・
・・・・（３）で表せ、駆動体３の曲げ振動の振幅瞬時
値ξ０に比例する。その念め超音波モータの駆動は小さ
な電圧で大きな電流が流れる駆動体３の共振周波数で駆
動する。第７図に駆動周波数対モータ回転数の特性図を
示す。

発明が解決しようとする問題点 しかし、超音波モータの始動時と動作中では、第８図に
示すように駆動体３のインピーダンスの周波数特性が異
なる。これは始動時では駆動体３は動体６と面と面で接
触しているが、動作中には第６図に示したように線状に
接触しているからである。第８図において、ａは静止時
、および始動時の、そしてｂは動作中の駆動体３のイン
ピーダンスの周波数特性である。また同図において、ｆ
ｒｌは動作時での共振周波数であり、ｆｒ２は始動時で
の共振周波数である。つまり、始動時と動作時では最適
駆動周波数である共振周波数が変動する。故に従来のよ
うに、始動時と動作中で同周波数で超音波モータを駆動
したのでは、常に効率の良い駆動はできない。

そのため始動時でも動作中でも常に駆動体３の共振周波
数で駆動しなければならない。また共振周波数は負荷お
よび温度の変動によっても変化するので、この変化に対
しても追従しなければならない。

本発明はかかる点に北みてなされたもので、簡単な回路
構成で、始動時でも動作中でも常に駆動体の共振周波数
を自動追尾する効率のよい超音波モータ装置を提供する
ことを目的としている。

問題点を解決するための手段 可変範囲内に駆動体の共振周波数が存在するようにした
可変発振器の出力を２分割し、一方は９０°　移相した
後、他方はそのまま増幅して圧電体に印加し、上記いず
れか一方の信号の電圧と電流波形の位相比較をして、そ
の位相差が設定レベル以下になるように、上記可変発振
器を制御する。

作用 電圧と電流波形の位相差を設定レベル以下にすることに
よシ、常に駆動体の共振周波数近傍で駆動ができ、効率
の良い、しかも安定な駆動が得られる。

実施例 以下図に従って本発明の一実施例について説明をする。

第１図は本発明の一実施例の超音波モーフ装置の機能ブ
ロック図である。同図において、７は第３図に示したよ
うな圧電駆動体３を駆動する交流信号を発生する可変発
振器であり、可変発振器Ｔの出力は２分割され、一方は
ｃｈｉ　ｏｏ　　移相器８で９００移相された後、他方
は直接に、それぞれ電力増幅器９，９′に入力され、所
定のレベルにまで増幅されて、圧電駆動体３に印加され
る。

Ｒ１は電流検出をするための抵抗素子で、抵抗Ｒ１の両
端電圧より電流検出が電流検出器１ｏでされる。同時に
電圧検出器１１で圧電駆動体３を構成する圧電セラミッ
クに印加する電圧が検出される。電流検出器１Ｑおよび
電圧検出器１１の出力はロジックレベルに波形整形され
て出てぐる。尚ここでは、電力増幅器９′の出力の電圧
・電流を検知しているが、電力増幅器９の呂カでも同様
である。

駆動体３はその共振周波数では、印加電圧と電流の位相
が合うので、位相差の最小の周波数近傍で駆動すれば効
率の良い、駆動ができる。この時モータの速度は第７図
からもわかるように最大である。

１２は電流検出器１ｏの出力ｖ１と電圧検出器１１の出
力ｖ２が入力される排他的ＯＲ回路（ＩＣｘ−ＯＲと略
す）である。第２図は出力ｖ１とｖ２の位相差とｌＣｘ
−０Ｒ１２の出力との関係を示すチャート図である。ｖ
３はＥＸ−ＯＲ１２の出力波形であり、ｖ４は抵抗素子
Ｒ２と容量素子Ｃ２とから成る整流回路の出力である。

第２図の（＆）は電流波形ｖ１と電圧波形ｖ２の位相が
合っている時の各部の波形を示しており、整流回路の出
力ｖ４は０になっている。（ｂ）は位相がずれた時で、
出力ｖ４は０ではなくある値になる。つまυ、出力ｖ４
のレベルによシ圧電セラミック２の電圧・電流の位相差
がわかる。

第１図の１３は電圧比較器であり、出力ｖ４と設定電圧
Ｖｒｅｆ　とを比較する。電圧比較器１３の出力は出力
ｖ４が設定電圧Ｖｒｅｆ　　よりも大きい時はロジック
レベルのＨであり、逆の時はＬになる。

許容位相差が決定すれば、それに対応する設定電圧Ｖｒ
ｅ　ｆを設定し、電圧比較器の出力がＨになれば制御回
路１４を動作させて可変発振器７の出方周波数を変化さ
せ、電圧比較器の出力がＬになるように、つまり設定電
圧’／ｒｅｆに対応する位相差よりも、印加電圧と電流
の位相差が小さくなるように制御する。

例えば、可変発振器７としてＶＣＯ（電圧制御発振器）
を用い、制御回路１４としてラッチ機能付きのＤ　／　
Ａ変換器を用いても良いし、可変発振器７としてＲＣ発
振器を用い、制御回路１４として抵抗素子とアナログス
イッチを組み合わせて、ＲＣ発振器のＲ値を変えて周波
数制御をしても良い。

発明の効果 本発明によれば、簡単な構成で、始動時および動作中に
おいても、温度・負荷の変動に対しても、常に駆動体の
共振周波数近傍で駆動ができるので、安定な動作が効率
よくできる超音波モータ装置を提供できる。

【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装置のブロッ
ク図、第２図は第１図の電圧・電流の位相比較部の説明
のチャート図、第３図は超音波モータの断面図、第４図
は第１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
、第７図は駆動周波数対モータ回転数を示す特性図、第
８図は駆動体の周波数特性図である。 ７・・・・・・可変発振器、８・・・・・・９０°移相
器、９．９’・・・・・・電力増幅器、１０・・・・・
・電流検出器、１１・・・・・・電圧検出器、１２・・
・・・・排他的論理和回路、１３・・・・・・電圧比較
器、１４・・・・・・制御回路。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 ドｒｑ 第２図 ［ｆｌｌ　　４１ＬａｈＶｈ、ｌ１ｌ （ｂＸｋ朝１ｉ　７’＃（た碑 第３図 益 第４図 第５図 第６図 第７図 Ｊ＃ 駈動周り灸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電体を駆動源として弾性進行波を行ることにより、物
   体を移動させる超音波モータにおいて、上記圧電体に印
   加する交流を発生し、上記圧電体が構成する駆動体の共
   振周波数がその周波数可変範囲内にある可変発振器と、
   上記圧電体に印加する交流の電圧検出器と、上記圧電体
   に流れる電流を検出する電流検出器と、上記検出器の電
   圧と電流の位相差を検出する位相比較器と、上記位相比
   較器の出力と設定電圧値とを比較する電圧比較器と、上
   記電圧比較器に従って上記可変発振器を制御する制御回
   路を有することを特徴とする超音波モータ装置。