JPS63194580A - 超音波モ−タ - 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〕 この発明は圧電素子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り、特に超音波モータのステータ
の振動状態を検出し、回転状態を制御するものに関する
。

〔従来の技術〕

近年、圧電アクチュエータの１つとして、超音波モータ
が注目されている。これは従来と全く異なった原理に基
づくというだけでな〈従来の電磁型モータに比べて、次
のような特徴を有し、この特徴が例えばカメラ、ＯＡ機
器等の応用に極めて有用であるということがわかってき
たからである。

特徴１．高出力トルクで低速回転型であるのでギヤが不
要となる。

２、バンクラッシュがないので起動、停止が速やか。

３、中心軸を必要としないため円環状モータが容易に実
現できる。

４、磁気的影響を授受しない。

５、掻かないので位置決め精度がよい。

など、これらの特徴を有する超音波モータの動作方法等
に関しては、「日経メカニカルＪ　１９Ｂ３゜２．２８
号、特開昭５８−１４８６８２号、特開昭５９−９６８
８１号公報等に記載されている。

第１１図は上記文献等に示されている代表的な従来型超
音波モータを示す図である。その駆動原理は、まず円環
状圧電素子１と、金属などからなる弾性体２とを一体に
形成したステータ３に、上記圧電素子を挟んで両面に貼
設された電極（図示せず）に電圧を印加することにより
、進行波を励起する。そして、この進行波により発生す
る弾性体２表面各点の後方楕円運動軌跡の頂点に接する
ようにロータ４を押圧載置することによりロータ４を矢
印Ａのように回転させるというものである。

第１２図は上記超音波モータを構成する圧電素子の分極
状態を示す図であり、第１１図の下方より見た図に相当
する０分極方向が＋−＋−・・−・−・・−のように交
互に逆向きになるように、リング状圧電体を分極するか
、または分割した複数の圧電素子を分極方向が互いに逆
向きになる様に配置する。この様な配置において、分極
方向が互いに逆向きになった隣り合わせの１組を１波長
λに対応させる。そして、１８０°異なる位置に各々、
３／４λ、１／４λ長の未分極部１ａ。

１ｂを配し、これらを結んだ中心線に対して対称に分極
体を４λ個分づつ配置する。ただし分極の向きは、円周
方向に分極方向が交互に逆向きになる様に連続的に配置
する。

この様な分極配置のうち、３／４λ、１／４λ未分極部
１ａ、ｌｂを間に挟んだ左半分の振動板に接していない
面ＩＣを第１３図にように一つの電極でおおい、これを
一方の振動励起用電極５ａとし、右半分の振動板に接触
していない面１ｄを同じく第１３図のように別の電極で
おおい、これを他の振動励起用電極５ｂとする。そして
、弾性体２側の電極５ｃは弾性体２と導通させ、すべて
の圧電素子のアース側電極として共通化している。

以上の様な構成体への電気信号入力端子は図に示す様に
３端子Ｒ，Ｌ、Ｇを有する構造となる。この様な分極配
置、電極配置を有した構成体を駆動する場合には、端子
Ｒ−Ｇ間とＬ−０間に互いにπ／２位相差を有し、λ　
（波長）。

円環の内径・外径、厚み、圧電セラミクスと振動板の平
均的弾性定数、密度で決定される固有振動数ωを有する
電気信号を入力する。今、端子Ｒ−Ｇ間に印加する電圧
をＶ、ｓｉｎωｔとすると、端子Ｌ−Ｇ間には、Ｖ　６
ＣＯ８ωｔなる電圧が印加されることになる。

ところで、上記のような従来の超音波モータにおいては
実用上次のような問題がある。

それは、上記超音波モータは、それぞれのモータに固有
の振動数（共振周波数）に等しい周波数（数十ＫＨ，）
の超音波振動を与えることにより駆動されるのであるが
、上記共振周波数は、モータの動作に必要な押圧力など
の負荷条件の変動や、温度、湿度等の環境条件の変動に
大きく影響され、この共振周波数と、印加している超音
波振動の周波数が一致しなくなると振動体が振動せず超
音波モータは駆動しなくなる。

そこで、常に共振周波数を印加してモータが安定駆動で
きるように、超音波モータの回転状態を検出し、その検
出信号に応じて印加する周波数を制御することが必要と
なり、これに関する提案が種々なされている。（例えば
、特開昭５９−２０４４８１号、特開昭６０−２２４８
０号公報等）これらの提案で共通していることは、回転
状態を検出しその検出情報に応じて周波数制御を行うと
いうものである。

第１４図は上記制御手段を採用した超音波モータのステ
ータ３の断面を示す図、第１５図はこの超音波モータを
構成する圧電素子の形状及び電極形状を示す図である。

第９図〜第１１図に示した従来の超音波モータと同一の
部材には同一の符号を付し詳細は省略する。

図に示されるように、この制御手段を採用した超音波モ
ータが従来の超音波モータと異なる所は、従来の超音波
モータにおいて未分極部であった３／４λ部１ａ、１／
４λ部ｌｂの内、少な（とも３／４λ部１ａを隣り合う
圧電素子の分極部と互いに異なる向きに分極させ、この
部分に振動検出用電極６を設けた点にある。このように
、上記３／４λ部１ａを分極させているので、円環状の
ステータ３に進行波が励起されると、その振動の振幅に
応じて、上記電極６に電圧が発生する。そして、この発
生した電圧を検出して、進行波を励起するために印加す
る電圧の周波数を制御することにより、モータの共振周
波数と印加電圧の周波数のずれをなくそうとするもので
ある。

上記の様に印加電圧の周波数を制御する方法としては、
上記電極６に発生する電圧が常に最大となる様に、印加
電圧の周波数を制御する方法や、印加電圧と上記出力電
圧との位相差を算出し、この算出した値に基づいて入力
電圧の周波数をＭｉ制御する方法（特開昭６１−２５１
４９０号）、及び上記出力電圧を帰還信号として自動発
振回路を構成する方法（特開昭６１−１１６９８１号）
等が提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで上記の様な周波数制御方法においては、いづれ
も、入力電圧の印加されない１／４λ、３／４λ領域部
１ａ、ｌｂを振動検出部として用いている。

しかしながら、上記３／４λ、１／４λ＄１域部１ａ、
ｌｂの出力信号を用いる方法は、以下の理由で安定な動
作が行えないということがわかってきた。

すなわち、■本来、上記３／４λ、１／４λ頭域部１ａ
、ｌｂは、安定した進行波を励起する様に、未分極状態
にしであるのだが、振動状態を検出するためにこの部分
に分極を施している。そのため上記領域部１ａ、ｌｂを
進行波が通過する時に発生する電荷をどの様なインピー
ダンスで放電させるかにより進行波の進行速度に影響を
及ぼしステータの振動が不安定になる。

■上記１／４λ、３／４λ領域部１ａ、ｌｂの出力電圧
は種々のスプリアス振動成分を含んでおり、この振動成
分も帰還してしまう、■ステータの全周部に対してわず
かな部分の振動しか検出していないので、ステータ全体
の振動を正確に検出しているとは言い難い。■電圧印加
部であるＩＣ部、ｌｄ部と振動検出部であるｌａ。

ｌｂ部における共振周波数が互いにずれやすく、自動発
振状態が不安定となる。といった問題点がある。

そこで、この発明は以上の様な問題点に着目してなされ
たもので、上記１／４λ、３／４λ領域部１ａ、ｌｂに
分極を施すことなく、振動状態を検出して圧電素子への
印加信号を制御することにより、常に安定した振動状態
を得ることができ、効率の高い超音波モータを提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕この発明は上
記問題点を解決し、目的を達成するために・次のような
手段を講じた。

弾性体と圧電素子からなるステータと、ステータに押圧
ｅ置されて回転するロータと、圧電素子に貼付された振
動励起用電極と、ステータの振動状態を検出する振動検
出用電極とを備え、上記振動検出用電極を上記圧電素子
の円周にそって帯状に設け、この検出信号に応じて圧電
素子への印加信号を制御するものである。

このような手段を講じたことにより、ステータの振動状
態をより正確に検出することができ、圧電素子に印加す
る信号を制御して、確実にロータの回転状態を制御し、
安定した回転状態が得られろ。

以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。第９
図（ａ）〜（ｈ）は円環状のステータ３を振動させて、
進行波を励起した時の進行波の進む様子を説明するため
の図で、それぞれの時点での進行波の様子を単位時間経
過ごとに示したもので、わかり易くするために円環状の
ステータ３を直線に書き換え弾性体２を省略して、圧電
素子ｌだけを示した図である０図において進行波の波形
はＡｓ１ｎ（ｋ　ｘ−ψ）で表される。ここでｋは波数
、ψは時間項であり、上記進行波矢印Ｂ方向に進んでい
る。第９図ｔａ＋はψ＝０としたときの図を示しており
、以下ψ−１／８λ、２／８λ、３／８λ・−・−・・
・と１／８λごとに第９図（ｂ）から（ｈｌまで示して
いる。又、圧電素子１の各分極部内の矢印は各分極部の
分極方向を示しており、１／２λごとに分極方向を変え
て、４λの長さ分極部ＩＣを配置したところで１／４λ
の長さの未分極部１ｂを挟み、さらに１／２λごとに分
極方向を変えて４λの長さ分極部１ｄとし、そして３／
４λの長さの未分極部１ａを配置することで、この圧電
素子１には波数が９の振動、すなわち９λの波長の進行
波が励起される。

上記、進行波の波の山、谷の頂点と、各分極部の分極方
向（図の矢印方向）が、同方向のとき各分極部には十の
電荷が発生し、逆方向のときは−の電荷が発生する。こ
の各分極部に発生する電荷の量は１／２λの長さを持つ
各分極部の中心点と、波の頂点が完全に一致して、分極
方向と頂点の向きが同じときに＋、逆のときには−の電
荷の発生する量が最大となり、各分極部の両端に波の山
、谷の両方の頂点が一致したときに発生する電荷はＯと
なる。

この様にして各分極部にそれぞれ発生した電荷を、各分
極部を１枚の電極で結合して得られる発生電荷の総和の
ψ−〇からψ−λまでの変化の様子を第１０図に示す、
φは時間項であるので第１０図は発生電荷の総和の時間
変化と見ることができ、図に示すように発生電荷は、ψ
＝λ／８のとき十で最大となり、φ＝５／８λのとき−
で最大となり、φ−３／８λ、７／８λのときＯとなっ
ている。この発生電荷は、ステータの振幅が大きいほど
多くなる、従って、この発生電荷を電圧にして、この電
圧によって周波数制御できる。又、この電圧を帰還して
自助発振回路を構成することも可能であり、さらに、印
加電圧との位相差検出で周波数制御することも可能であ
る。

この様に各分極部で発生する電荷を総和した出力は、従
来のように一部だけの振動状態を表わしているのではな
く、全ての分極部分による振動を平均化したものであり
、進行波の振動状態を最もよく表わしている。又、１／
４λ、３／４λ部のスペース部は未分極状態であり、従
ってここに電極があっても、従来方法の様に進行波の進
行速度に影響を及ぼすことはない。

そこで、この発明は振動検出用電極を圧電素子の円周に
そって帯状に設けることにより、ステータ全体の振動状
態を正確に検出し、圧電素子に印加する信号を制御して
、確実にステータの振動状態を制御し、ロータの安定し
た回転状態を得るようにしたものである。

〔実施例〕

以下、実施例に基づいてこの発明を説明する。

第１図〜第３図はこの発明の第１実施例を示す図であり
、第１図はこの第１実施例による超音波モータのステー
タ３の全体の構成を説明するための図、第２図は第１図
のＡ−Ａ　”線断面図、第３図は圧電素子の形状及び電
極形状を説明するための図である。上記従来の技術の説
明したものと同一の部材には同一の符号を付し詳細は省
略する。

図に示すように、圧電素子１は１／２λ長ごとに互いに
分極方向が異なる様に、中心線に対して左右対称にそれ
ぞれ４λの長さに相当する分極部１ｃ、ｌｄが配置され
、中心線上には３／４λ及び１／４λの長さに相当する
未分極部１ａ、ｌｂが配置されている。

圧電素子１を挟んで両面に電極が貼付されている。圧電
素子ｌの弾性体２と接触しない面の内周部には上記左右
の分極部１ｃ、ｌｄに対応して、２枚の振動励起用電極
５ａ、５ｂが設けられ、さらにこの振動励起用電極５ａ
、５ｂの外周部には、この電極５ａ、５ｂと接触しない
様間隔をあけて、振動検出用電極６がリング状に設けら
れている。圧電素子１と弾性体２との間にはアース側電
極５Ｃが、上記各電極に対して共通して用いられる様に
、全周にわたってリング状に設けられている。上記振動
励起用電極５ａ、５ｂにはそれぞれＲ端子、Ｌ端子が設
けられアース側電極５ｃにはグランドに接地されたＧ端
子が設けられている。又、振動検出用電極６にはＳ端子
が設けられている。

第４図はこの発明に用いる超音波モータの駆動制御回路
の一例を示すブロック図である０発振器７から出力され
た電気信号は移相器８及び増幅器９に入力される。移送
器８は発振器７から入力された信号の位相をπ／２移相
して出力し、増幅器１０に入力する。増幅器９．１０は
入力された信号を増幅して出力する。増幅器９の出力は
位相差算出回路１１と、Ｒ端子を介して振動励起用電ｆ
ｆ１５ｂに入力され、増幅器１０の出力はＬｉｆｉ子を
介して振動励起用電［５ａに入力される。アース側電極
５ＣはＧ端子を介してグランドに接続され、Ｒ−Ｇ端子
間及びＬ−Ｇ端子間には整合用インダクタンス１２．１
３がそれぞれ並列に接続されている。振動検出用電極６
からの出力はＳ端子を介して位相差算出回路１１に入力
される０位相差算出回路は上記電極５ｂへの入力信号と
、上記電極６からの出力信号の位相差を算出し、この値
と予め設定された最適位相差とを比較しその位相のズレ
量を位相−周波数変換回路１４に出力する０位相−周波
数変換回路１４は上記ズレ量より、入力信号の周波数が
最適値となる様に発振器７を制御する信号を出力する。

次にこのような超音波モータの動作について説明する。

上記の様な分極配置、電極配置を有した超音波モータを
駆動するには、従来のものと同様に、上記端子Ｒ−Ｇ間
とＬ−０間にそれぞれＶ・ｓｉｎωｔ、　Ｖａｃｏｓω
ｔの様な適当な周波数を有し互いにπ／２位相差を有す
る電気信号を入力する。

すると、弾性体２が屈曲振動することにより進行波が励
起され、この進行波によりステータ３に押圧載置された
ロータ（図示せず）が回転罵区動する。

ところで、このように弾性体２が屈曲振動して進行波が
励起されると、上記圧電素子ｌの各分極部の入力電圧が
印加されない部分、すなわち圧電素子外周部の振動検出
用電極６が貼設された部分には、振動状態に応じて電圧
が発生する。この発生した電圧は振動検出用電極６に接
続されたＳ端子から出力されて、位相差算出回路１１に
入力される０次にこの位相差算出回路１１で、上記Ｓ端
子からの出力電圧と、発振器１１から振動励起用電極５
ｂに印加されている入力電圧の位相差を算出し、予め設
定された最適位相差と比較し、この位相のずれ量を位相
−周波数変換回路１２に入力し、入力電圧の周波数が最
適値（超音波モータの共振周波数）となる様に発振器７
を制御する。

上記の様に振動検出用電極６を圧電素子外周部にリング
状に設けたことにより、ステータの全周部の振動状態を
検出するので、不要振動成分を除去することができ、ス
テータ全体の振動状態を正確に検出できる。さらに３／
４λ。

１／４λ領域部１ａ、ｌｂを未分掻状態にしておけるの
で、安定した振動状態が得られる。又、振動検出用電極
が設けられた圧電素子の外周部には入力電圧が印加され
ないため、外周部での振動振幅がおさえられ、圧電素子
のすりばち状振動（内周部より外周部の方が振幅が大き
い振動）が軽減されるので、ロータにテーバを入れたり
することなく駆動効率を向上することができる。

第５図及び第６図はこの発明による第２実施例を示す図
で、第５図はこの第２実施例によるステータの断面を示
す図、第６図は圧電素子に貼設した電極形状を説明する
ための図である。

この第２実施例が上記第１実施例と異なる点は、図に示
される様に振動検出用電極６を内周部６ａ及び外周部６
ｂの２ケ所に設け、この２つの電極を３／４λ部１Ｍ、
１／４λ部ｌｂの両スペース部で接続させた点にある。

振動検出用電極６をこの様な形状にすると、第１実施例
と同様な作用効果が得られるだけでなく、内外周部の電
極６ａ、６ｂを接続させていることにより、円環の内、
外周部での位相のずれや、ねじれ振動などによる不要振
動が除去され、より正確な振動状態が検出できる。

第７図及び第８図はこの発明による第３実施例を示した
図で、第７図はこの実施例によるステータの断面図、第
８図はこの実施例による圧電素子に貼設した電極形状を
説明するための図である。

この第３実施例においては、上記第２実施例と同様に内
、外周部の２ケ所に振動検出用電極６ａ、６ｂを設け、
３／４λ部１ａ、１／４λ部ｌｂで接続させると共に、
圧電素子１と弾性体２との間に設けたアース側電極５Ｃ
の一部を突出させ、その突出部を折り返して圧電素子１
の反対側の面の３／４λ部１ａに貼設したものである。

このようにしても上記実施例と同様の作用効果が得られ
る。さらに、上記の様にすると、アース側電極５Ｃに接
続するＧ端子の取り付は部が側面ではなく、他の電極と
同様に底面部となるので、端子が取り付けやすくなり、
又、側面部に比べて広い面で接続できるので接続が確実
になる。

なお、上記実施例では、入力電圧を制御するのに入力電
圧と出力電圧との位相差を検出して、その位相差が最適
値となるように入力電圧を制御するようにしたが、出力
電圧が常に最大となる様に入力電圧の周波数を制御する
方法や、出力電圧を帰還信号として自助発振回路を構成
することで周波数をＩＩＩ　？１１する方法など他の制
御方法を用いてもよい。

この発明は上記実施例に限定されるものではなく、この
発明の要旨の範囲内で種々変形実施可能である。

〔発明の効果〕

以上説明した様にこの発明によれば、圧電素子の円周に
そってリング状に振動検出用電極を設けたことにより、
ステータの振動状態をより正確に検出することができ、
この検出信号に基づき圧電素子に印加する電気信号を制
御することにより、常に安定した振動状態を得られ、効
率の高い超音波モータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はこの発明による第１実施例を説明する
ための図で、第１図は第１実施例による超音波モータの
ステータを示す斜視図、第２図は第１図のＡ−Ａ　’線
断面図、第３図はこの実施例による圧電素子の形状及び
電極形状を示す平面図、第４図は、この発明に用いる超
音波モータの駆動制御回路の一例を示すブロック図、第
５図はこの発明の第２実施例によるステータを示す断面
図、第６図はこの第２実施例による圧電素子の形状及び
電極形状を示す平面図、第７図はこの発明の第３実施例
によるステータを示す断面図、第８図はこの第３実施例
による圧電素子の形状及び電極形状を示す平面図、第９
図ｆａｔ〜（ｈ）はステータを振動させ進行波を励起し
た時の進行波が進む様子を説明するための説明図で同図
（ａｌをψ＝０とし、以下同図（ｂ）から（ｈｌまでψ
−１／８λからψ−７／８λまで、１／８λごとに示し
た図、第１０図は圧電素子の各分極部に発生した電荷の
総和の変化を示す図、第１１図〜第１５図は従来の超音
波モータを示す図で、第１１図は従来の超音波モータの
概略図、第１２図及び第１３図は第１１図に示した超音
波モータを構成する圧電素子の形状及び電極形状を示す
図、第１４図は周波数を制御する手段を採用した超音波
モータのステータを示す断面図、第１５図は第１４図の
超音波モータの圧電素子の形状及び電極形状を示す図で
ある。 １−・−・−圧電素子、２・・・−・−・〜弾性体３・
・−・・・−ステータ ４・−・・・−・−口−り ５　ａ　、　　５　ｂ−−−−一・・・−振動励起用電
極５ｃ・・・−・・−アース側電極 ６・−・−・−振動検出用電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　弾性体と圧電素子とからなるステータと、ステータに
   押圧載置されて回転するロータと、圧電素子に貼付され
   た振動励起用電極と、ステータの振動状態を検出する振
   動検出用電極とを備え、上記振動検出用電極を上記圧電
   素子の円周にそって帯状に設け、この検出信号に応じて
   圧電素子への印加信号を制御することを特徴とする超音
   波モータ