JPS6356177A - 超音波モ−タ駆動方法 - 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 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波モータ
の駆動方法に関する。

従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いた駆動体に弾性振
動を励撮し、これを駆動力とした超音波モータが注目さ
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２図は従来の超音波モータの斜視図であり、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、５は弾性体であり、互いに貼
合せられて移動体６を構成している。移動体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の進行波が励
起され、移動体６を駆動する。尚、同図中の矢印は移動
体６の回転方向を示す。

第３図は第２図の超音波モータに使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９波長の弾性波が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、Ａの電極とＢの電極とは位置的に４分の１波長
く＝９０度）の位相ずれがある。電極Ａ１Ｂ内の隣り合
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３図に示め
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Ａ１・Ｂは第３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Ａに Ｖ＝Ｖｔ　ｘｓｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　　−−−
（１）で表される電圧を印加すると（ただしｖｌ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４図は第２図の超音波モータの駆動体を直線近似した
時の斜視図であり、同図（ａ）は圧電体２に電圧を印加
していない時、同図（ｂ）は圧電体２に電圧を印加した
時の様子を示す。

第５図は移動体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ＡにＶｌ　ｘｓｉｎ
（ωｔ）、他の電極ＢにＶｌｘｃｏｓ（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
円周方向に曲げ撮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−ξ１　ｘｃｏｓ（ωｔ
−ｋｘ）　　　　　　　−−−（２）ただし　ξ１　：
波の大きさの瞬時値 ｋ　：波数（２π／λ） λ：波長 Ｘ　：位置 で表せる。（２）式は ξ−ξ１ｘ（ｃｏｓ（ωｔ　）ｘｃｏｓ（ｋｘ　）＋５
ｉｎ（ωｔ）ｘｓｉｎ（ｋｘ））　　　−−−（３）と
書き直せ、（３）式は進行波が時間的にπ／２だけ位相
のずれた波ｃｏｓ（ωｔ）と５ｉｎ（ωｔ）、および位
置的にπ／２だけ位相のずれたｃｏｓ（ｋｘ）と５ｉｎ
（ｋＸ）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Ａ、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に曲げ撮動の進行波を作れる。

第５図は駆動体のＡ点が進行波の励起によって、長軸２
　ｗ　１短軸２ｕの楕円運動をしている様子を示し、駆
動体３上に置かれた移動体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シーωＸＬＩの速
度で運動する様子を示している。即ち移動体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、移動体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。

上記の楕円の短軸（進行方向）は、波の振幅に比例して
いるので、速度を大きくするためには波の振幅を大きく
しなければならない。また、波の振幅を低電圧で大きく
するためには駆動体の共振周波数近傍で駆動しなければ
ならない。ところが第６図に示すように駆動体は非線形
性を持ち、駆動周波数の掃引方向により共振周波数がｆ
ｌからｆ２で示されるヒステリシスループを示す。同図
の矢印は駆動周波数の掃引の方向を示す。このループ内
もしくはループの近傍のより低い周波数では、駆動体の
アドミッタンスが不安定に変化し、一定電圧で駆動した
場合駆動体の振幅が不安定に変化するので、移動体の速
度が不安定に変化する。

発明が解決しようとする問題点 以上、説明した様に従来の超音波モータは、時間的に位
相がπ／２だけ異なる２つの交流電圧を駆動信号として
、駆動体の共振周波数で駆動していた。そのため、移動
体の速度が不安定に変化して、モータの特性が変わって
しまうという問題点があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、常に安定な
動作をする超音波モータを実現する駆動法を提供するこ
とを目的としている。

問題点を解決するための手段 駆動体が非線形効果により示す共振周波数のヒステリシ
スループの最も高い値よりも高く、駆動体の反共振周波
数よりも低い周波数で、駆動体を駆動する。

作　　用 駆動体が非線形効果により示す共振周波数のヒステリシ
スループの最も高い値よりも高（、駆動体の反共振周波
数よりも低い周波数で、駆動体を駆動すれば、移動体の
アドミッタンスは不安定にまた急激に変化することなく
、移動体は常に安定に回転することができる。

実施例 以下図に従って、本発明の一実施例について詳細な説明
を行う。

第１図は本発明の超音波モータの駆動体のアドミッタン
スおよび移動体の回転数の周波数特性図である。同図に
おいて、矢印ＳｌおよびＳＱは駆動周波数の掃引の方向
を示し、ｆｌおよびｆ２は、それぞれ駆動周波数を低い
方および高い方がら掃引した時の駆動体の共振周波数で
ある。また、矢印Ｊは駆動体のアドミッタンスが非線形
性によりジャンプ現象をおこし、それにともなって移動
体の速度が急激に低下したことを示す。このジャンプ現
象は周波数ｆ！とｆ２の領域でおきる。また、このジャ
ンプ現象がおきな（でも、共振周波数ｆｌとｆ２のごく
近傍では、すこしの駆動周波数変化により移動体の回転
数が変化してしまう。これは、駆動周波数が一定で駆動
体の共振周波数が変化する時も同様である。また、駆動
周波数が同図中の反共振周波数ｆ５以上に設定すれば、
駆動体のアドミッタンスが太き（なり、そのため低電圧
では電流が流れに（（なり、その結果撮動の娠幅値が小
さくなって移動体の速度が低下する。

従って、駆動周波数を同図中のｆ３からｆ４の範囲に設
定すれば、駆動体のアドミッタンスは大きく変化するこ
とな（、移動体の回転数も安定させることができる。

発明の効果 本発明によれば、温度や負荷が変動しても常に安定な動
作をする超音波モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの駆動方法を実現する駆
動周波数を決定するための超音波モータの周波数特性図
、第２図は従来の超音波モータの斜視図、第３図は第２
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４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５図は超音波モータの原理の説明図ｖ甚喝
、第６図は駆動体のアドミッタンスの周波数特性図であ
る。 ｆｘ、ｆｚ・・・・・・共振周波数の上限、下限、ｆ３
、ｆ４・・・・・・駆動周波数の設定範囲、ｆ５・・・
・・・反共振周波数％Ｓ１、Ｓ２・・・・・・掃引の方
向、Ｊ・・・・・・ジャンプ現象を示す矢印。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名第１図 ｆＺｆｆｈｆ４　　　　ｆ５ 馬　液邂久 第２図 第３図 ハ 第４図 第　５　図 第６図 ｆ２　干！ 属う皮数

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　圧電体を交流電圧で駆動して、該圧電体と弾性体とか
   ら構成される駆動体に弾性進行波を励振することにより
   、該駆動体上に接触して設置された移動体を移動させる
   超音波モータにおいて、前記駆動体が非線形効果により
   示す共振周波数のヒステリシスループの最も高い値より
   も高く、該駆動体の反共振周波数よりも低く、前記交流
   駆動電圧の駆動周波数を設定することを特徴とする超音
   波モータ駆動方法。