JPS63124784A - 超音波モ−タの駆動制御方法 - 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、超音波振動する振動体にロータ等の可動体を
圧着させ、接合面の摩擦力により駆動させる超音波モー
タの駆動制御方法に関する。

従来の技術 従来、超音波振動子によって発生させた楕円などの複合
振動によりロータなどの可動体を駆動させる超音波モー
タとしては特開昭６１−５２１６３号公報に示されるも
のがある。これは、梁状突起を持つねじり変換体を縦型
振動子と一体に締着してなる振動子の、梁状突起部分に
円板状ロータをその軸を合せて加圧したものである。そ
して、縦型振動子により軸方向振動を発生させると、ね
じり変換体の梁状突起の端面には楕円振動が発生し、こ
れによりロータが駆動力を受けて回転するものである。

しかし、このようなねじり変換型の場合、出力端面の楕
円振動の楕円率が、ねじり変換体の形状によって一律に
決まってしまう。従って、摩擦駆動に最適な楕円率への
制御や、その回転方向を制御することは不可能である。

このようなことから、軸方向振動とねじり方向振動とを
各々個別に駆動発生させることで複合振動を発生させる
手段が本出願人により提案され、特開昭６１−２８４８
２号公報により開示されている。又、このような振動子
を用いてなる超音波モータも特開昭６１−３０９７２号
公報により開示されている。

これらは、要約すると、ねじり振動子のノード部分に位
置させて軸に直角でその共振周波数をねじり共振周波数
と同一に設定した径方向又は長さ方向共振体と、その駆
動用電歪素子とを一体に締着した振動子を設け、各々の
振幅又は相対位相、或いは振幅及び相対位相を制御する
ことにより、出力端部における複合振動の振動姿態を制
御して、接合面の摩耗が少なく、最大トルクで効率よく
駆動できるように構成したものである。

更には、これらと同様な振動姿態に制御できる振動子が
本出願人により、例えば特、廓昭６０−２６６６１７号
や特願昭６０−２９１７３２号により提案されている。

これらは、厚み方向に分極された電歪素子本体の一面に
互いに周方向に二分割されて対となった電極を形成し、
他面には共通電極を形成した電歪素子の一枚又は複数枚
の両面に、金属部材を一体的に締着して振動子を構成し
たものである。

このように構成された電歪素子の電極対を対角的に並列
に接続して本の端子として取出し、共通電極との間に各
々の振幅及び相対位相の制御された交番電圧を印加する
と、出力端部に複合振動が発生するというものである。

このような振動子の共振モトとしては、たわみ振動によ
り発生したねじり振動と、軸振動との複合振動である。

そして、これを更に改良したものとして特願昭６１−９
１８８０８号も提案されている。

更には、ねじり振動用電歪素子と軸振動用電歪素子とを
各々設け、その合成により複合振動を発生させるように
した振動子も、本出願人により特願昭６１−８１９２２
号として提案されている。

これは、ねじり駆動用と軸駆動用との各々の電歪素子と
、ねじり共振周波数と軸共振周波数とが一致するように
断面形状を変形形成してなる金属部材とを一体的に締着
したものである。

このように種々の振動子について本出願人により提案が
なされている。これらの内、特願昭６０−２６６６１７
号や特願昭６０−２９１７３２号等によるものは、上述
したように出力端部に発生する複合振動の姿態を駆動に
最適な形に制御するものであるが、更に軸方向成分とね
じり方向（又は軸と直角方向）成分とに分けて駆動させ
る制御方法も、本出願人により特願昭６１−９１８８１
号として提案されている。この提案内容によれば、前述
したような本出願人により既に提案されている全ての是
音波モータ駆動用振動子は、軸方向とねじり方向（又は
軸と直角方向）成分に分けて駆動させることが可能とな
ったものである。

つまり、このように軸方向振動成分と、ねじり方向振動
成分（又は軸と直角方向振動成分）とに分けて駆動でき
る駆動方式にあっては、一定負荷状態（即ち、一定トル
ク、−定回転数、−定方向）の下で駆動した時に、最良
の駆動状態となる振動姿態が得られるように、各々の振
動振幅と相対位相を制御すればよいといえる。

発明が解決しようとする問題点 ところが、このような駆動方式にあっても、負荷条件が
変化した場合には、再び制御条件を変更設定し直さなけ
ればならず、制御が複雑となる。

即ち、負荷の変化に対応して例えば軸方向の駆動振幅レ
ベルを変えると、軸方向とねじり方向（又は軸と直角方
向）との間の共振周波数の差が変化してしまう。これに
より、それらの相対位相が変わり、最良の楕円振動姿態
も変化してしまうので、再び相対位相をも制御する必要
が生ずるものである。

問題点を解決するための手段 超音波振動子と可動体とを圧着させ、前記超音波振動子
の軸方向成分と前記可動体の駆動方向成分（即ち、ねじ
り方向成分又は軸と直角方向成分）とを各々個別に駆動
制御して複合振動を生じさせて前記可動体を駆動させる
超音波モータにおいて、まず、軸方向成分中の軸方向振
動振幅を最良の駆動状態、即ち駆動効率が大きくて大き
なトルク出力が得られる状態となるように設定する。こ
の後、駆動方向成分中の振動振幅の可変により可動体の
駆動速度を制御する。更には、圧着力をも含めてこのよ
うな初期設定を行なう。

作用 まず、可動体を駆動させるための摩擦力を得るための軸
方向の振動振幅が最良状態となる設定で一定となるので
、可動体の速度に関係なく常に大きな効率及びトルクが
得られる。そして、可動体の速度はねじり方向等の駆動
方向の振幅の制御のみで大幅に変化される。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図ないし第６図に基づいて
説明する。なお、本実施例で用いる振動子構造、配線等
は本出願人により特願昭６１−９１８８１号として提案
されているものと同一である。そこで、最初にその構造
及び動作について説明する。

まず、第３図は扇状に４分割されて中心孔を持つ円環型
電歪素子１を示すものである。このような電歪素子１は
両面に電極２を有し、厚さ方向に分極されている。この
ような電歪素子１が第２図に示すように２枚設けられ、
両者間に前記電極２と同一形状に形成され外周に端子３
を持つ電極板４を挾んで向い合せ状態で重ねられる。そ
して、これらの両側より、一方の端面が一状でそれと直
角に２本の溝５が形成された第１の金属部材６と、端部
を残して周上に前記溝５に対応する２本の溝７を等分に
形成した第２の金属部材８とにより、その底部よりボル
ト（図示せず）により一体的に締着される。又、第１の
金属部材６には共通端子９が設けられている。このよう
にして、振動子１０が構成されている。

このような振動子１０において、まず、全ての電極板４
を並列に接続し、共通端子９に対して駆動電圧を印加し
、その周波数を軸方向共振周波数に調整する。この時、
振動子１０は通常の軸方向振動子と同様に軸方向に共振
し、出力端面１１は最大変位で共振振動する。

次に、電極板４を２つずつ対角的に並列に接続し、共通
端子９に対し互いに逆相の駆動電圧を印加し、その周波
数をたわみ共振周波数に調整する。

この時、振動子１０はねじり方向に共振して出力端面１
１の径方向両端部にて最大変位で共振振動する。これは
、第３図に示したような電歪素子１の周方向に隣合う素
子毎にその伸縮が逆となるため、金属部材６，８はたわ
み振動し、出力端面１１ではねじり振動となるものであ
る。ここに、このねじり振動方向がロータの駆動方向と
なる。

二二に、第１の金属部材６の軸方向断面形状は、軸方向
振動振幅の拡大と、ねじり振動振幅の拡大を行なうもの
であり、更に可動体としてのロータ１２を所要の力で圧
着した時に軸方向とねじり方向の共振周波数を一致させ
るように決定されるのが好ましい。又、これらの金属部
材６，８に形成した溝５，７はたわみ振動時の有害な応
力を開放するために有用なものである。

そして、このように軸方向駆動電圧とねじり方向駆動電
圧とが重畳された状態で振動子１０を駆動するための結
線図を第４図に示す。まず、振動子１０の共通端子９は
軸方向駆動電源１３のアース側端子を介してアースされ
ている。又、４つの端子３（電極板４）は１つ置きに隣
合う毎に並列に接続され、各々トランス１４の二次コイ
ル１５の両端１６，１７に接続されている。又、この二
次コイル１５のセンタタップ１８は前記軸方向駆動電源
１３に接続されている。又、トランス１４の一次コイル
１９はねじり方向駆動電源２ｏに接続され、その一方は
アースされている。このような結線の下に、軸方向駆動
電源１３とねじり方向駆動電源２ｏとの各々の振幅及び
相対位相を制御することにより、振動子１０の出力端面
１１の周上点Ａの振動姿態を多様なものとすることがで
きるものである。

即ち、正弦波振動の直角合成は従来よりよく知られてい
るように、直線振動、傾斜直線振動、円振動、楕円振動
、傾斜楕円振動及びその振動方向を多様に変化させるこ
とができる。

例えば、各々の駆動電源１３．２０の相対位相を９０’
　とし、ねじり方向駆動電源２０の出力を０として、軸
方向駆動電源１３のみで駆動させると、出力端面１１の
周上点Ａの振動姿態は第１図（ｄ）に示すように軸方向
のみの振動となる。そして、ねじり方向駆動電源２０側
の振幅を増加させていくと、周上点Ａの振動姿態は第１
図（ｅ）から（ｆ）、更には（ｇ）に示すように横長楕
円となる振動姿態に変化していく。又、駆動電源１３．
２０の相対位相を一９０°とし、ねじり方向駆動電源２
０の振幅を増加させていくと、周上点Ａの振動姿態は第
１図（Ｃ）から（ｂ）、更には（ａ）に示すように回転
方向が先程とは反転し、かつ、徐々に横長楕円となる振
動姿態に変化していく。

一方、今度は軸方向駆動電源１３の電圧をＯとし、ねじ
り方向駆動電源２０のみにより電圧を印加すると、周上
点Ａの振動姿態は第５図（ｄ）に示すように軸と直角方
向にのみねじり振動する状態となる。そこで、軸方向駆
動電源１３の振幅を増加させていくと、その振幅と相対
位相９０°の進み又は遅れにより、第４図（ｅ）（ｆ）
（ｇ）又は同図（ｃ）（ｂ）（ａ）に示す如く、周上点
Ａには楕円率と回転方向とを変化させた振動姿態が得ら
れることとなる。

そこで、第２図に示すように振動子１ｏの出力端面１１
の中心軸上に形成した雌ねじ２１に螺合するボルト２２
により円板状のロータ１２を、ばね２３及びスラストベ
アリング２４を介して振動子１０に加圧圧着させると、
駆動電源１３．２０の制御によりロータ１２は接合面の
摩擦により回転駆動されるのである。例えば、出力端面
１１の周上点Ａの振動姿態が第２図に示すような楕円振
動に制御されると、ロータ１２は矢印２５に示す方向に
回転駆動されることとなる。

このような駆動制御については、前述したように本出願
人提案の特願昭６１−９１８８１号において開示されて
いるところである。

しかるに、最適な駆動状態について、更に詳細に観察し
たところ、次のようなことが判明したものである。

■　取出し得る出力トルクは、出力端面とロータとの接
合面間の摩擦力に依存する。従って、駆動の振動姿態が
同じとすると、出力トルクは、接合面の材質や表面状態
による摩擦係数と圧着力とによって決まる。

■　振動の軸方向成分は、ねじり方向振動のロータ１２
の回転方向振動時に接合させ、反回転方向時に引き離す
ため（即ち、ねじり方向振動成分の整流作用を行なうた
め）のものであり、この軸方向成分が少ないと楕円振動
の半周期以上に渡って接合面が接触状態となる。これに
より、逆方向スリップを増大させるとともに回転数が低
下する。逆に、軸方向成分が大きすぎると、ロータ１２
に衝撃的に当ってビビリ振動を発生させ、出力トルクを
激減させることとなる。又。

このような軸方向振動成分の最適値は回転数には殆ど依
存しない。

■　軸方向共振周波数は、接合面の圧着力及び軸方向振
動振幅に依って変化する。即ち、圧着力を大きくしてい
くと軸方向共振周波数は高い方向に変化する。又、軸方
向振幅を大きくしていくと軸方向共振周波数は低い方向
に変化する。

そして、軸方向とねじり方向との共振周波数の差が変化
して各々の振動成分間の位相が変わり、複合振動姿態が
変化する。

■　ねじり方向振動成分は、その半周期以下がロータ１
２の回転駆動に寄与するもので、その振動速度が大きい
程、回転数は速くなる。又、ねじり方向振幅によっては
その共振周波数は変化しない。

しかして、本実施例ではこのような検討結果に基づき、
圧着力及び軸方向振動成分をスリップやビビリ振動など
の有害損失が少なくて最も大きなトルクが得られる状態
に設定し、負荷条件が変わっても常に最良の駆動状態を
得るとともに、回転数の制御はねじり方向振動成分の制
御により行なうことで幅広い回転数における良好なる駆
動状態を得るようにしたものである。

即ち、ロータ１２を出力端面１１に圧着した時に、軸方
向振幅と、ねじり方向振幅及び相対位相の制御により、
例えば第１図に示すように、軸方向の振幅を一定とし、
ねじり方向の振幅によって回転数を制御するというもの
である。この第４図においては、（ｄ）に示す振動姿態
の時にロータ１２は静止状態となる。つまり、このよう
な状態で最良の駆動状態となるように軸方向の駆動振幅
を設定し、その一定値に固定させる。そして、このよう
な軸方向振幅が固定された状態で、同図（ｅ）（ｆ）（
ｇ）のようにねじり方向の振幅を増加させていくに従い
回転数も増大する。又、相対位相を反転させ、同様にね
じり方向の振幅を増加させていくと、同図（ｃ）（ｂ）
（ａ）に示すように逆方向へその回転数が増大すること
となる。この時、各々の回転数における出力トルクは最
も大きなものが得られる。

つまり、第４図の結線図で考えると、ロータ１２と出力
端面１１との所定の圧着力の下で最良の状態、即ち異常
振動がなく最大のトルクが得られるように軸方向振幅、
即ち軸方向駆動電源１３の電圧を設定し、その電圧値に
固定する。前述した検討結果によれば出力トルクは圧着
力も影響するので、このような軸方向振幅の設定に際し
ては、ロータ１２と出力端面１１との間の圧着力も最良
の駆動状態が得られるように設定するのがよい。

このような初期設定の後は、ねじり方向駆動電源２０の
電圧を可変させて、ねじり方向の振動振幅を可変させる
だけでロータ１２の駆動速度を制御するものである。従
って、最良状態に設定した後は、回転負荷の変化に対し
て定速度制御を行なう場合であっても、ねじり方向駆動
電源２０の制御のみで最良の制御ができることになり、
駆動制御系が簡単になる。

又、振動姿態としては、第１図に示すような正楕円の場
合に限らず、軸方向に対するねじり方向の相対位相の制
御によっては、第６図に示すように傾斜楕円なる振動姿
態で駆動させることも、全く同様になし得る。

次に、本発明の第二の実施例を第７図ないし第１０図に
より説明する。本実施例で用いる超音波振動子３０は、
本出願人により提案されている特願昭６１−８１９２２
号によるものである。まず、振動子３０は円環状に形成
された縦振動用電歪素子３１．３２とねじり振動用電歪
素子３３．３４とを具備する。ここに、縦振動用電歪素
子３１゜３２は厚さ方向に分極を施したものであり、厚
さ方向に電界を印加することにより軸方向に伸縮振動が
発生するものである。一方、ねじり振動用電歪素子３３
．３４は周方向に分極を施したものであり、厚さ方向に
電界を印加することにより周方向にすベリ振動が発生す
るものである。

ここに、このようなねじり振動用電歪素子３３゜３４は
、従来公知の構成のものでよいが、ここでは本出願人に
より提案されている特願昭６１−２０２４４０号による
ものを第８図ないし第１０図に示す。

まず、第８図は電歪材料をその厚さ方向に直角に矢印で
示すように分極した後、扇状にカットし、厚さ方向の両
面に電極３５を設けてなるブロック状電歪素子３６を示
す。次いで、第９図にはこのようなブロック状電歪素子
３６を装着する枠体３７を示す。この枠体３７は正八角
形の外周縁部３８を有し、この外周縁部３８の各屈曲部
から中心方向に一定長さの隔壁３９を一体的に形成して
なる。このような枠体３７の各隔壁３９内に８個のブロ
ック状電歪素子３６を装着する。この際、第１０図に示
すようにこれらのブロック状電歪素子３６の分極方向が
同一の周方向に向けて揃うように配列させて組立る。こ
のようにして、ねじり振動用電歪素子３３．３４が形成
される。

そして、電歪素子３１，３２，３３．３４については、
厚さ方向に電界を印加するために、各々隣接する素子間
には電極板４０，４１．４２が挿入されている。又、電
歪素子２と金属部材４３との間には共通電極板４４が挿
入されている。ここに、金属部材４３の外周部には小径
部４５が形成され、外端部軸中心に浅い座ぐり４６と雌
ねじ４７が形成されている。又、内端部には雌ねじ（図
示せず）が形成されている。そして、他端側の金属部材
４８にも中心孔と座ぐりが形成され、締着ボルト（図示
せず）により金属部材４８．４３間の部材が全て一体的
に締着され、振動子３０が構成されている。ここに、４
９が出力端部となる。

このような振動子３０の雌ねじ４７に螺合するボルト５
０によりロータ５１を出力端部４９上に取付ける。この
際、ボルト５ｏ軸上にばばね５２とスラストベアリング
５３が介在され、ロータ５１を加圧圧着させる。ここに
、前述した金属部材４３の小径部４５は、軸方向とねじ
り方向との共振周波数を一致させるために形成したもの
であり、より好ましくはこのようにロータ５１を圧着し
適切な軸方向振動を与えた時に各々の周波数が一致する
ように予め構成される。

このような振動子３０とロータ５１とを含むモータ構成
の下、真中の電極４１を共通電極板４４に接続すること
により、駆動電源の共通端子に接続する。そして、電極
板４ｏには軸方向駆動電源を接続し、電極板４２にはね
じり方向駆動電源を接続する。

しかして、各々の振幅及び相対位相を制御することによ
り、振動子３０の出力端部４９の周上点が前述した第４
図（ａ）〜（ｇ）に示すような振動姿態を取るように制
御する。ここに、最初に、電極板４０に接続した軸方向
駆動電源の電圧制御により最大の回転トルクが得られる
最良の軸方向振幅に設定する（第４図（ｄ）の状態）。

このような設定により、軸方向駆動電源の電圧値を一定
値に固定した後は、電極板４２に対するねじり方向駆動
電源の振幅（電圧）によりねじり振動振幅を可変させる
ことでロータ５１の回転速度及び回転方向を制御するの
である。

本実施例の振動子３０による場合は、前記実施例と異な
り、軸方向とねじり方向とで駆動素子（電歪素子３１〜
３４））を個別に備えているため、駆動回路はより簡単
となる。そして、出力端部４９の全周をロータ５１との
接合に使用できるので、大きなトルクが得られる。

なお、これらの実施例では回転モータの場合で説明した
が、リニア駆動モータについても同様に適用できる。こ
の場合、駆動方向成分としては、軸と直角方向の振動成
分として把握すればよい。

発明の効果 本発明は、上述したように最良の駆動状態となるように
軸方向振動振幅を設定した後、ねじり方向等の駆動方向
振動振幅を可変することにより可動体の駆動速度を制御
するようにしたので、摩擦力を得るための軸方向振動振
幅が一定値に固定されることとなり、可動体の駆動速度
に関係なく常に大きなトルクを得ることができ高効率の
ものとすることができ、かつ、軸方向振動振幅を設定し
た後は駆動方向振動振幅の値のみを可変させるだけで可
動体の駆動速度を大幅に制御することができ、結局、幅
広い速度において良好なる駆動状態を確保することがで
き、可動体負荷の変化に対して定速度制御を行なう場合
でも駆動方向成分の振幅制御のみでよく、駆動制御系も
簡略化し得るものであり、又、軸方向振動振幅の設定に
際して圧着力をも最良の駆動状態となるように設定する
ことにより、より良好なる制御を行なうことができるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の第一の実施例を示すもの
で、第１図は正楕円の振動姿態の変化を示すグラフ、第
２図は超音波モータの分解斜視図、第３図は電歪素子の
斜視図、第４図は振動子の駆動結線図、第５図は振動姿
態の変化を示すグラフ、第６図は傾斜楕円の振動姿態の
変化を示すグラフ、第７図ないし第１０図は本発明の第
二の実施例を示すもので、第７図は超音波モータの分解
斜視図、第８図はブロック状電歪素子の斜視図、第９図
は枠体の斜視図、第１０図は電歪素子の平面図である。 １０・・・振動子、１２・・・ロータ（可動体）、３０
・・・振動子、５１・・・ロータ（可動体）出　願　人
　　　多賀電気株式会社 、％ＩＪ図 、％５図 （ａ）　　（ｂ）　　（ｃ）　　（ｃｌ）　　（ｅ）　
　ｌ）　　（９）ＯＯΦ−ｏｏＱ ３６図 （ａ）　　（ｂ）　　（ｃ）　　（江）　　（ｅ）　　
（干）　（８）０θ　０１０００ 手続補正帯（自発） 昭和６２年　１月　５日

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．超音波振動子と可動体とを圧着させ、前記超音波振
   動子の軸方向成分と前記可動体の駆動方向成分とを各々
   個別に駆動制御して複合振動を生じさせて前記可動体を
   駆動させる超音波モータにおいて、前記軸方向成分中の
   軸方向振動振幅を最良の駆動状態となるように設定した
   後、前記駆動方向成分中の振動振幅の可変により前記可
   動体の駆動速度を制御することを特徴とする超音波モー
   タの駆動制御方法。
2. ２．超音波振動子と可動体とを圧着させ、前記超音波振
   動子の軸方向成分と前記可動体の駆動方向成分とを各々
   個別に駆動制御して複合振動を生じさせて前記可動体を
   駆動させる超音波モータにおいて、前記軸方向成分中の
   軸方向振動振幅及び前記圧着力を最良の駆動状態となる
   ように設定した後、前記駆動方向成分中の振動振幅の可
   変により前記可動体の駆動速度を制御することを特徴と
   する超音波モータの駆動制御方法。
3. ３．軸方向成分の共振周波数と、駆動方向成分の共振周
   波数が一致する状態で、軸方向成分中の軸方向振動振幅
   及び前記圧着力を設定した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の駆動制御方法。