JPS63220775A - 超音波モータ - 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〕 本発明は位置的に位相のずれた圧電振動子群に時間的に
位相の異なる高周波電圧を印加することによって生じる
屈曲進行波成分を利用した進行性波動モータの制御回路
に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明は屈曲進行波成分を利用した進行性波動モータに
おいて、移動体の回転状態に応じて高周波電圧を印加す
る圧電振動子の数を選択制御し、進行波成分の強度を可
変させることによって移動体の回転状態を制御するよう
にしたものである。

〔従来の技術〕

従来の進行波成分を利用したモータにｔ３＜Ｊる移動体
の回転制御方法としては、例えば印加する高周波電圧の
周波数可変による方法であるとか、特開昭６１−１２４
２７５Ｍ公報に示されるように電圧振幅値の可変や２つ
の高周波電圧印加信号の位相差を可変するとかの技術に
よるものであった。

（発明が解決しようとする問題点〕 上記のような印加する高周波電圧の周彼敗可変の方法に
よると、圧電振動子および振動体からなる進行波成分励
振部におけるメカニカル的な共振点付近をはずれること
になり、効率の低下につながりやすい。また、２つの高
周波電圧印加信号の位相差を可変する方法も技術的には
難しく、特に高周波電圧の矩形パルスを用いた時には顕
著である。さらに進行波成分の強度を弱めることにもな
りやすい。これに対して電圧振幅値の可変による方法は
ＤＣモータの速度制御にも用いられているように容易か
つ有効な手段ではあるが、所望の回転数を得るためには
多数の分割抵抗を用いて分圧しなければならない等粗調
が難しく、単に回転の補正手段として用いる場合には逆
に回路が複雑になりやすいなどの欠点を有していた。

〔発明の目的〕

そこで本発明では従来のこのような欠点を解決するため
、移動体の回転状態を制御する際には、効率の低下や複
雑な回路を有することなく、容易に自由度の大きい回転
制御が可能な進行性波動モータを得ることを目的として
いる。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するために、本発明においては進行性
波動モータの制御回路を、移動体の回転状態を検出した
負荷の重さや、回転数に応じた検出信号を出力するため
の検出回路と、検出信号に応じて補正信号を出力するた
めの駆動補正回路と、補正信号に応じて進行波の励起に
寄与する圧電振動子への高周波電圧の印加を０Ｎ１０Ｆ
Ｆ制御する選択回路とからなる構成とすることにより、
進行性波動モータの移動体の回転を制御するようにした
。

〔作用〕

上記の様な構成によれば、振動体周方向に構成した圧電
振動子群への高周波電圧印加数は回転状態に応じて各々
制御され、進行波の励振に寄与する圧電振動子の数が増
減するため、これが進行波成分の撮幅すなわち強度を可
変（）て、移動体の回転状態を容易に制御することがで
きるのである。

〔実施例〕

以下に本発明の実廊例を図面に基づいて説明づ゛る。な
お、圧電振動子を利用した波動モータについては定在波
方式と進行波方式などが考えられるが（たとえば「新方
式／新原理モータ開発・実用化の要点」昭和５９年日本
工業技術センター発行を参照）、本発明は振動体と移動
体との摩擦駆動面の摩耗が比較的少なく、正逆転駆動が
容易な進行波方式を利用した進行性波動−〔−夕を対象
としでいる。

第２図は進行性波動モータにおける進行波発生原理の一
例を示した図である。２０１は圧電セラミック、圧電結
晶体からなる圧電振動子で、図示するように幅すにて等
間隔に分極されており、隣りどうしの分極方向は互いに
逆方向となっている。

各圧電振動子には銀、ニッケルなどの′ｆ４Ｔｉ材料を
蒸看、メッキ等の手法により２０２に示す電極が形成さ
れており、それらを信号線２０３，２０４で結線し、そ
れぞれ異なる信号源からの高周波電圧が印加されること
になる。また、信号線２０３゜２０４をそれぞれ結線さ
れた電極群の間には、幅Ｃなる空隙部分を設ける。この
際、幅Ｃなる空隙部分は分極の有無ならびに電極の有無
はどちらでもかまわないこととする。ここで、説明の都
合上Ｃをはさむ電極の中心間距離はａとする。以上の図
および信号をもとに以下に進行波発生のメカニズムにつ
いて説明する。図中■の電極部分の中点を基準に考える
と進行波と後退波からなる屈曲振動波は次の様に表わせ
る。

Ａｓｉｎ（ｗｔ−ｋｘ）＋Ａｓｉｎ（ｗｔ＋ｋｘ）（１
）式 ここで（１）式はいわゆる定在波を示していることにな
る。これに対して■に示す電極部分による屈曲振動波は
次の様に表わせる。

Ｂ　ｓｉｎ（ｗ　ｔ　−ｋ　（ｘ　＋　ａ　）＋ψ）＋
３ｓｉｎ（ｗｔ＋　ｋ　（ｘ＋ａ）＋ψ）（２）式 ％式％ λ：波長、ψ：■に対する位相差角 とおくと、〈２）式は次のように表わせる。

３　ｓｉｎ（ｗ　ｔ　−ｋ　ｘ　＋　ａ　ｙｃ　）＋　
１３　ｓｉｎ（ｗ　ｔ　＋　ｋ　ｘ　＋　Ｂπ）（４）
式従って、■、■より励振される屈曲振動波はく１）式
とく４）式を加え合わせた型で表わされる。ここで、進
行波成分だＣプが存在するための条件を（４）式のｆＦ
＆開式から考えるとαが偶数、βが奇数の場合であるこ
とがわかる。ここで（３）式よりａとψについてαとβ
の式で表わすと次のようになる。

すなわち、（α、β）＝　（０，１）、（２，３）の時
にはａ−λ、ψ＝工、（α、β）＝（２，１）λ の時にはａ−−−−、ψ−ユπ、（α、β＞　＝　＜ｏ
。

３）の時には日−ジλ　ｔｐ　＝　：３πとなって、そ
れぞれのα、ψを同時に満足する時に進行波成分のみが
存在することになる。−例をあげると、２１−・３　　
　　λ 一λ、ｂ＝＋、ψ−ユπの場合を考えれば、（１）式＋
（２）式は次のようになる。

Ａ　５ｉｎ（Ｗ　ｔ　−ｋ　Ｘ　）　＋Ａ　５ｉｎ（Ｗ
　ｔ　十ｋ　Ｘ　）＋ＢＳ！ｎ（Ｗ　’ｊ　　　ｋ　Ｘ
　）　　−＝Ｂｓｉｎ（ｗ　ｔ　＋　ｋ　Ｘ　）（６）
式 ここで駆動回路より出される高周波電圧信号の振幅Ａお
よびＢがＡ＝８ならば（６）式は２　Ａ　ｓｉｎ（ｗｔ
−ｋｘ）となり、進行波成分のみが残ることがわかる。

また、逆転駆動させるためには後；口波成分のみを残せ
ば良いわけであるから、（５）式におけるαとβを逆に
してαが奇数、βが偶数となるようにすれば良い。実際
Ｆは■を基準にして考えると、■に加える信号の位相を
正転駆動させる時に比べて１８０”ずらしてやれば良い
ことになる。

第３図は進行性波動を−９が進行波成分によつ−Ｃ回転
する１ネ叩を示した図である。３０１は振動体で、圧電
振動子が弾性部材に接看されている１＝めに屈曲振動が
生じることになる。ここで、振動体３０１は第２図に示
した原理ぐ右方向への進行波が生じると表面部の１点シ
よ左す向への楕円軌跡を描くために、ロータ部３０２は
進行波の進行方向とは逆方向に移動するわけである。以
上は日経メカニカル（１９８５，９，２３＞などに掲載
されており、振動体３０１の表面上の一点が楕円軌跡を
描くことに関する詳細な説明も同文献に記されでいる。

第４図は従来の進行性波動モータのｉｉｌ制御回路を示
したものである。図にて４０１は２回路からなる圧電振
動子群をを等両面に表わした図である。

駆動回路４０２　＃３よび４０３はそれぞれ圧電振動子
４０１に構成された２回路に高周波電圧を印加するため
のもので、先に説明したように進行波発生の原理から駆
動回路４０２と４０３はお互いにある位相差をもつ高周
波電圧を出力り゛ることになる。ここでは、駆動回路４
０２．４０３に対して、制御信号４０４が加わることに
より、出力される高周波電圧の娠幅１周波数１位相等を
可変して、移動体の回転状態を制御するというしのであ
った。

従って、υｊ御信＠４０４を得るために、電圧調整。

周波数調整１位相差調整などのためにそれぞれ複雑な回
路構成を必要としていた。

第１図ｔま本発明の基本構成を示すブロック図である。

１０５は進行性波動モータであり、少なくとも圧電振動
子群１０６．振動体部１０７よりなる振動体１０８と、
移動体１０９より構成されている。図にて発振回路１０
１より出力された高周波電圧信号は位相回路１０２によ
り互いに位相のずれた２本の高周波電圧信号に変換され
、駆動回路１０３ａ、１０３ｂならびに選択回路１０４
ａ、１０４ｂ＠経て進行性波動モータ１０５に印加され
ることになる。従来は、第４図に示したように駆動回路
４０２．４０３より出力された高周波電几がそのまま進
行性波動モータの圧電振動′ｆ４０１に印加されていた
のに対し、本発明では、移動体１０９の回転状態を検出
して検出信号１１１を出力づるための検出回路１１０と
、検出信号１１１に応じた補正信号１１３を出力するた
めの駆動補正回路１１２と、補正信号１１３に応じて圧
電振動子群１０６のうちのどの圧電振動子に高周波電圧
を印加して、進行波を励振させるかを決めるための選択
回路１０４とからなる制御回路１１４を構成することに
より、移動体１０９の回転状態に応じて圧電振動子群１
０６のどの圧電振動子に高周波電圧を印加するかによっ
て進行波を励振させるかという方法で、移動体１０９の
回転状態を制御するようにした。ここで言う回転状態と
は、例えば回転始動時の静止９．擦の状態および外乱に
よる重負荷状態、さらには電源電圧の低下時や人為的に
回転数を増減させる状Ｓ等を意味するものである。

第５図は本発明に係る進行性波動・〔−夕のｔ１１制御
回路の一実施例を示したもので、２回路からなる圧電振
動子群１０６に対して、高周波電圧を印加する圧電振動
子を個々にｏＮ１０ＦＦｌｌｉｌＩｗＪシて進行波の強
度を可変させるようにしたものである。

この結果、移動体の回転状態が可変されることになるが
、先にも述べたように、移動体の回転状態は検出回路１
１０によって感知されており、検出回路１１０からの検
出信号に応じて駆動補正回路１１２より出力される補正
信号に従って選択回路１０４ａ、１０４ｂではどの圧電
振動子をＯＮ状態とするかを決めているわけである。こ
こでは圧電振動子群を構成する１回路の圧電振動子の数
が多いほど、それを制御する選択回路１０４ａ、１０４
ｂも大規模なものとなるが、その場合には幾つかの圧電
振動子をまとめて同一制御しても良く、そのような場合
も本発明に該当するものであることは言うまでもない。

また、本実施例において高周波電圧を印加する圧電振動
子の数は多ければ多いほど、進行波成分の振幅が大きく
なることから、第２図に示した楕円軌跡が大きくなり、
移動体の回転に寄与するエネルギーは増える。これらの
ことは、高周波電圧を印加する圧電振動−ｆの数が多い
方が、各圧電振動子にて励振される屈曲振動波が減衰し
にくくなることや、（１）式・・・・（６）式を見ても
明らかなように、励振される波が重ね合わされて進行波
成分の振幅が多きくなることにより説明できる。

第６図は本発明に係る進行性波！ｌｌ’［−夕の制御回
路の他の実施例を示したもので、２回路からなる圧電振
動子群を複数個設けて、高周波電圧を印加する圧電振動
子群を群ごとにまとめで０Ｎ１０Ｆｆｌｌｉ御するよう
にしたものである。本実施例では移動体の回転状態に従
って、選択回路１０４ａならびに１０４ｂにて、圧電振
動子群１０６ａ。

１０６ｂをそれぞれ単独または同時にＯＮ状態とするこ
とによって進行波の強度を可変するようにしたものであ
る。ここで、高周波電圧を印加する圧電振動子群の数が
多い方が、先の実施例でも述べたように、進行波成分の
振幅が大きくなるとか、電界強度が増す等の効果が生じ
て移動体の回転に寄与するエネルギーが増えることにな
る。なお本実施例では２つの圧電振動子群の０Ｎ１０Ｆ
Ｆ制御例について示したが、２つ以上の圧電振動子群を
制御する際も右動であるし、先の第５図に示した実施例
と組み合わせて用いても本発明に該当するものであるこ
とは言うまでもない。

第７図から第９図にかけては、先の第５図、第６図に説
明した制御回路の実施例にもとずいたもので、本発明に
係る選択回路による圧電振動子への高周波電圧の印加例
を示したものである。

第７図は、第５図に示した等価回路によるもので、円環
または円板状の振動体７０１に対して圧電振動子７０２
ａ、７０２ｂが周方向に配置されており、駆動回路から
の高周波電圧信号７０３゜７０４が移動体の回転状態に
従って選択回路１０４ａ、１０４ｂにて制御されている
様子を示している。図では圧電振動子７０２はＯＮされ
ており、逆に７０２ｂがＯＦＦされた状態を示している
が、言うまでもなく圧電振動子７０２ａ。

７０２ｂが共にＯＮされた状態が、最も進行波成分が強
く励振されているわけで、移動体の回転数最大ならびに
重負荷の状態に該当する。

第８図、第９図は、第６図に示した′５１１１ｉ回路に
よるもので、共に円環または円板の振動体７０１への圧
電振動子群８０２ａ、８０２ｂの配置を径方向の断面図
にて示したものである。第８図は、圧電振動子群８０２
ａ、８０２ｂが積層されて配置されたところに、駆動回
路からの高周波電圧信号７０３．７０４が選択回路１０
４にて０Ｎ１０ＦＦ制御されるもので、圧電振動子群８
０２ａ。

８０２ｂの厚みを薄くして積層構造をとることで、？Ｆ
ｆＰｉＩ強度が強められることを利用したものである。

これに対して第９図は、圧電振動子群８０２ａ。

８０２ｂを内周、外周にわけて配置し、選択回路１０４
にてそれぞれへの高周波電圧信号７０３゜７０４が制御
されるもので、内周と外周とでは径方向の振動モードの
振幅が異なることを利用したものである。従って振動体
の形状によって異なるため一義的には言えないが、振動
モードの節よりも腹に近く配置された圧電振動子群を励
振さゼた方が、進行波成分は大きくなると言える。なお
、第８図２第９図どららに示した例についても、圧電振
動子群８０２ａ、８０２ｂを共にＯＮした状態が、最も
強く進行波成分が励振された状態ということになる。

第１０図は本発明に係る制御回路の具体的一実施例をホ
ケ回路図である。本発明によれば、移動体の回転状態を
検出回路１１０より検出し、検出信号１１１を駆動補正
回路１１２に送る。ここで、検出信号１１１がある定め
られた時間内に発生し、（いるか否かを駆動補正回路内
のカウンタによ）て監視しており、発生している際には
補正信号１１３ａ→ＬＯＷ（以下＋１１”と略す）、１
１３ｂ−１ＨＩＧＨ（以下“Ｈ″と略す）を発生するこ
とにより選択回路１０４にて駆動回路１０３からの高周
波電圧が制御されて、アナログスイッチ１０１４ｂのみ
がアクティブな状態となり、その結果圧電振動子群１０
６ｂのみが進行波励振に寄与できる状態となる。これに
対して、重負荷状態などで検出信号１１１がある定めら
れた時間内よりｄれて発生する際には駆動補正回路１１
２からの補正信号１１３ａ、１１３ｂは共に“ｉ−４”
となるために、選択回路１０４におけるアナログスイッ
チ１０１４ａ、１０１４ｂは共にアクティブな状態とな
るため、圧電振動子群１０６ａ、１０６ｂすべてに高周
波電圧が印加されて進行波の励振に寄与する１こめに、
移動体の回転エネル−ｔ′−・ｔ、１通常の状態に比べ
て増加することになるわ【′ｊ′″Ｃあろ４、なお、オ
アゲート１００ｉ、１００２は、外部操作信号により、
起動・停止・速醜可変等を人為的に制御するためのもの
で、ハーフ）ツヂ１００３゜１００４ならびにナントゲ
ート１００７．１００Ｆ３　（ンバータ１００５．１０
０６．１００９〜１０１３は、駆動補正回路１１２から
の補正信号１１３ａ、１１３ｋ）に応じてアナログスイ
ッチ１（’）１４ａ、１０１４ｂを０Ｎ１０ＦＦに切換
えし・−（圧電振動子群１０６への高周波電圧の印加を
ｉｌ’ｌ　＠　’するためのものである。また、検出回
路１１０の検出手段どしては、例えば光学的手段。

６１く的接ｊ；１を用いた１段、静電容量検出による手
Ｌυ、磁気による手段などが、ζユノうれる。

ｒ発明の効果〕 本発明による進行性波動モータの制御回路によ机ば、移
動体の回転始動時及び外乱などのｆｆＬｆ？Ｊ荷１、（
熊、（ｊらびに電源亀冒・を低下時や移動体の回転数ｊ
、わ・可′・で時に、ｆ３いでは、高周波電圧を印加す
る圧電娠す１ｊ＝の敗を！！１減するという簡ＩＩな構
成で、移動体つ′ハ回転状態をａｉ制御づ−６ごとが可
能となるために、複雑な回路植成を用いることなく起動
が容易で高精度・１；暮回φΔ数ならびに位置決め可能
な進行性波動モータが得られる。他に高効率かつ低消費
電力化につながると共に、特にステップ駆動の際には従
来に比べて以上に述べた効果はさらに大きいものがある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成を示すブロック図、第２図は
進行波発生の原理図の一例を示す１４、第３図は進行性
波動モータの回転原理図の一例を示す図、第４図は従来
の進行性波動モータのｆｌｉｔ！御回路、第５図、第６
図は本発明に係る進行ｒ波＄ＪＪ　ｆｕ−夕の制御回路
の一実施例を示す図、第７図、第８図および第９図は本
発明に係る選択回ｆ”ｌ’：よる圧電振動子への高周波
電圧のり加例を示’Ｊ　ｒｙ、図、第１０図は本発明に
係るｉｌｌ　１１１回路の具体的−・実施例を示す回路
図である。 １０１・・・発振回路 １０２・・・位相回路 １０３．１０３ａ、１０３ｂ、４０２．４０３・・・駆
動回路 １０４、１０４．ａ、１１０４ｂ−沢回路１０５・・・
進行性波初モータ １０６、　１０６ａ、　　１０６ｂ、　　４０１．８０
２ａ、８０２ｂ・・・圧電振動子群 ２０１．７０２ａ、７０２ｂ−・・圧電振動子１０７．
７０１・・・振動体部 １０８．３０１・・・振動体 １０９．３０２・・・移動体 １１０・・・検出回路 １１１・・・検出１８月 １１２・・・駆動補正回路 １１３．１１３ａ、１１３ｂ−・・補正信号１１４・・
・制御回路 出験人　　セイ」−電ｉ”Ｉ業株式会社第２図 菫打性末動そ一タの回靭理図め一例資図第３図 Ｌ±」 第５図 ｓＳ図 第　９　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも、発振回路、位相回路、駆動回路、制御回路
   、複数個の分極処理された圧電振動子を周方向に構成し
   た振動体、前記振動体に加圧接触して摩擦駆動される移
   動体とからなる進行性波動モータにおいて、前記制御回
   路は、前記移動体の回転状態を検出して検出信号を出力
   するための検出回路と前記検出信号に応じた補正信号を
   出力するための駆動補正回路と、前記補正信号によりど
   の圧電振動子に高周波電圧を印加して進行波を励振させ
   るかを決めるための選択回路とからなり、前記制御回路
   は負荷の変動時ならびに回転速度可変時には前記高周波
   電圧を印加する圧電振動子の数を増減することによって
   前記移動体の回転を制御するよう構成されたことを特徴
   とした進行性波動モータ。