JPH02241376A - 振動波モータ - 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］ この発明は高周波振動を発生する振動体の振動エネルギ
ーを連続的な機械的運動として取出すように構成されて
いる振動波モータに関する。

［従来の技術］ 最近、超音波モータもしくは圧電モータと称される振動
波モータが開発され、本出願人等によって実用化されて
いる。この振動波モータは、既によく知られているよう
に、圧電素子もしくは電歪素子に交番電圧を印加するこ
とによって該素子に高周波振動を発生させ、その振動エ
ネルギーを連続的な機械運動として取出すように構成さ
れた非電磁駆動式の新型式のモータであり、圧電素子も
しくは電歪素子に発生する振動の種類によって定在波型
モータと進行波型モータとがある。

第８図は従来の進行波型振動波モータの駆動回路を示し
たものであり、第９図は第８図の等価回路図である。

第８図において、１は圧電素子もしくは電歪素子と弾性
体との結合体から成る振動体、１ａ〜ＩＣは該圧電素子
もしくは電歪素子に交番電圧を印加するための駆動電極
、２は交番電圧を発生する発振器、３は９０”移相器、
４ａ及び４ｂは増幅器、５ａ及び５ｂはマツチングコイ
ル、である。

第９図において、１ｅは振動体１の等価回路であり、１
ｄは振動体１の機械的振動部分の等価回路である。機械
的振動部分の等価回路１ｄはＬＣＲ直列回路として表わ
され、自己インダクタンスＬｍの等価コイル１ｇ及び静
電容量Ｃｍの等価コンデンサ１ｈ並びに抵抗値）ｔｓの
等価抵抗１１から成っている。振動体１の等価回路１ｅ
は機械的振動部分の等価回路１ｄと、該等価回路１ｄに
並列に接続された振動体１の固有静電容量であるコンデ
ンサ１ｆと、から構成されており、該コンデンサ１ｆの
静電容量はＣＯとなっている。

なお、力係数をＡ、振動体１の質量をｍ、振動体１のバ
ネ定数をｋ、振動体１の機械的抵抗をｒ、とすると、 八２ Ｌｍ　＝　＋＋、　　［：ｍ　＝　＋＋、　　Ｒｍ　＝
−、として表わすこＡ”　　　　　　　　　ｋ　　　　
　　　　　Ａ２とができ、従って、電気的エネルギ一方
程式と機械的運動方程式とを対応させることができる。

■Ａは駆動電極１ａ−１ａ間（もしくは駆動電極１ｂ−
１ａ間）の電圧、Ｖ言よ第８図の点ｐ＋−ｐ３間もしく
は点ｐ２　　Ｐｓ間の電圧、である。

マツチングコイル５ａ及び５ｂは点ｐ＋（もしくは＋１
２）−９ａ間の、電圧Ｖｌが矩形波である場合には電圧
ｖＡを正弦波状に変換させる役目を有するとともに、振
動体１を機械的共振点かられずかに離れた周波数で駆動
する場合に昇圧比第１０図は駆動電極１ａ及び１ｂの構
成を示した図である。

え 電極１８及び１ｂは周方向長さ−（えは振動波の波長）
の電極片６個を円周方向に沿って配列した構成となって
いる。該電極片は１個の環λ 状の電極片を−の長さ毎に交互に逆特性に分極処理した
ものであり、電極１ａ及び１ｂのそれλ ぞれの一方の端部は−だけ離されている。電極１ａの各
電極片は導電体７ａに固定され、電極１ｂの各電極片は
導電体７ｂに固定されている。

前記の如き構成を有する従来の振動波モータはそれ自身
のトルク−回転数特性やトルク−消費電力特性が専ら駆
動電圧の大きさのみに左右されるという性質を有してい
る。

第７図は第９図の等価回路図においてマツチングコイル
５ａ　（５ｂ）の自己インダクタンスＬｏが１．８ｍＨ
（ミリヘンリー）、振動体１の固有静電容量Ｃｏが６．
５ｎＦ（ナノファラッド）に設計されている従来の振動
波モータに対して前記電圧ｖ１（１）ｌ−１）３間及び
＋１２−１１３間の電圧）として３０Ｖｐｐ（ｐｅａｋ
　　ｔｏ　　ｐｅａｋｖｏｌｔａｇｅ）　　３３Ｖｐｐ
、３６ＶＰ、、３９Ｖｐｐの交番電圧を印加して該振動
体１が共振状態（すなわち出力状態）になっている時の
特性を示したものであり、曲線１０ａはＶ、＝　３０ボ
ルトにおけるＴ−Ｎ特性、曲線１１ａはＶ、＝　３３ボ
ルトに招けるＴ−Ｎ特性、曲線１２ａはｖ１雪３６ボル
トにおけるＴ−Ｎ特性、１３ａはＶ、＝　３９ボルトに
おけるＴ−Ｎ特性、曲線１０ｂはＶ、＝　３０ボルトに
おけるＴ−ＰＩ特性、曲線１１ｂはＶ、＝　３３ボルト
におけるＴ−Ｐ、特性、曲線１２ｂはｖ１＝３６ボルト
におけるＴ−Ｐ、特性、曲線１３ｂはＶ皇＝　３９ボル
トにおけるＴ−Ｐ、特性、である。

なお、図では各特性線が直線のように表示されているが
、実際は曲線である。

［発明が解決しようとする課題］ 前述した従来の振動波モータには次のような問題点があ
った。

■　圧電素子もしくは電歪素子に印加する駆動電圧が数
十ボルト乃至数百ボルトに至る高電圧であるため大きな
昇圧回路や高耐圧トランジスタを必要とし、駆動回路の
製造コストが高い。

■　モータ出力が印加電圧の大きさのみに依存し、また
、振動体の共振周波数が振動体の形状や大きさによって
左右されるのでモータの特性はモータの寸法や形状によ
って著しく左右される。このためモータ設計技法に汎用
性が少く、従って昇圧回路は個々のモータの形状毎に設
計しなければならない。

■　モータのトルク−回転数特性やトルク−出力特性が
印加電圧のみに依存する上、印加電圧の増減のみによっ
ては、顕著な特性変化を期待できないので更に特性のよ
いモータを開発することはてぎない。

■　圧電素子もしくは電歪素子の静電容量が温度により
て変化するため、モータの使用環境によってＴ−Ｎ特性
が変化し、モータ性能が変動する。

■　第７図かられかるように、従来の振動波モータは高
トルク且つ低速回転時には一般に消費電力ＰＩも減少す
る傾向があるため、低速時に高出力を発生させるための
用途に対しては必ずしも満足できるものではなかった。

本発明の目的は、形状や寸法の異ったモータ毎に昇圧回
路を設計する必要がなく、また、昇圧回路に高価な高耐
圧トランジスタを用いる必要性がなく、昇圧回路を安価
なコストで製造できる振動波モータを提供することであ
り、更に、温度変化によって性能が低下する恐れがなく
、しかも従来品よりも特性のよい振動波モータをｔ是イ
共することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の振動波モータでは、圧電素子もしくは電歪素子
と直列にコイル等の誘導性素子を接続するとともに並列
にコンデンサ等の容量性素子を接続することによってモ
ータ特性の変更を容易にし、且つ、駆動電圧の低下を可
能としたことを特徴とする。また、本発明の振動波モー
タでは、該容量性素子の温度特性を該圧電素子もしくは
電歪素子の温度特性とは逆特性とすることによって温度
によるモータ性能の変動を防止している。

［作　　　用コ 本発明による振動波モータでは第１図に示すように振動
体１の駆動電極１ａ及び１ｂに直列接続されたコイル５
ａ及び５ｂに対して並列に接地コンデンサ６ａ及び６ｂ
が接続されている。本発明の振動波モータでは駆動電圧
を変更することなく種々のＴ−Ｎ特性及びＴ−ＰＩ特性
を有したモータ設計が可能となり、たとえば第３図乃至
第５図の如き特性を有した振動波モータを実現すること
ができる。本発明によれば、従来のように個々のモータ
毎に昇圧回路を設計する必要がなくなり、また、昇圧回
路に高価な高耐圧トランジスタを用いる必要がなくなる
ため、昇圧回路の設計コスト及び製造コストを大巾に低
減することができる。また、本発明の振動波モータは従
来の振動波モータよりもすぐれた特性を有しているため
、振動波モータの適用分野が拡大し、各種機器の性能向
上に貢献する。更に、本発明の振動波モータでは該並列
コンデンサ温度特性を圧電素子もしくは電歪素子の静電
容量の温度特性とは逆特性にすることによって従来の振
動波モータの欠点であった温度による性能低下を完全に
防止することができる。

［実　施　例］ 以下に、第１図乃至第６図を参照して本発明による振動
波モータの実施例を説明する。

第１図は本発明の振動波モータの電気的構成を示した図
、第２図は第１図の電気的構成の等価回路図、である。

両図において第８図及び第９図と同じ符号で表示された
回路要素は従来の振動波モータの構成要素と同じもので
あり、従って、従来の振動波モータと同じ回路要素につ
いては説明を省略する。

第１図及び第２図に示された振動波モータにおいては、
マツチングコイル５ａに対して並列にコンデンサ６ａが
接続されるとともに該コンデンサ６ａが接地されており
、マッチングコイル５ｂに対してコンデンサ６ｂが接続
されるとともに該コンデンサ６ｂが接地されている。

第２図に示す等価回路では、コンデンサ６ａ（６ｂ）の
静電容量はＣ１となっている。

ｖＳ３図は第２図に示した等価回路において、Ｖ１＝　
３０Ｖｐｐ、？　ッチングコイル５ａ（５ｂ）の自己イ
ンダクタンスＬ０＝　１．８ｍ）Ｉ（ミリヘンリー）、
振動体１の固有静電容量Ｇｏ＝８．５ｎＦ（ナノファラ
ッド）とし並列コンデンサ６ａ（６ｂ）の静電容量Ｃ１
を、０．１．８．３．９．５，６ｎＦにした場合のＴ−
Ｎ特性及びＴ−ＰＩ特性を表わしたものである。

なお、同図において、 １４ａ：Ｃ，＝Ｏの場合のＴ−Ｎ特性 １５ａ　：　Ｃ，＝　１．８ｎＦの場合のＴ−Ｎ特性１
６ａ　　：　　Ｃ＝３．９ｎＦ　　　　　　　　）１１
７ａ　　：　　Ｃ＝５．６ｎＦ　　　　　　　　））１
４ａ：Ｃ，＝Ｏの場合の”ｒ−ｐｔ特性１５ａ　　：　
　Ｃ＝１．８ｎＦ　　　　　　　　ｎ１６ａ　：　Ｃ＝
３．９ｎＦ　　　　／／１７ａ　：　Ｃ＝５．６ｎＦ　
　　　／／である。

第３図から明らかであるように、Ｃ１が大きくなるに従
って高トルク時において電力ＰＩも大きくなり、高出力
時に高トルクを発生する特性が得られることがわかる。

第４図は、第１図及び第２図に示した構成におイテ、ｖ
、　＝　３０ＶＰＰ、Ｃ，＝　６．５ｎＦ、（：、　ｗ
　Ｏとし、マツチングコイル５ａ及び５ｂの自己インダ
クタンスＬ０を１．２ｍＨ，１，８ｍＨ，２，２ｍ１（
，２，７ｍ）Ｉにした場合のＴ−Ｎ特性とＴ−Ｐ、特性
とを示したものである。

なお、同図において、 １８ａ　：　Ｌｏ”　１．２ｍＨとした場合のＴ−Ｎ特
性１９ａ　　：　　Ｌ。＝　　１．８ｍ）Ｉ　　　　　
　　　　　／／２０ａ　　：　Ｌ、＝２．２ｍ１（１）
２１ａ　：　Ｌ、＝２．７＋ｎＨ１） １８ｂ　　：　Ｌｏ”　１．２ｍＨとした場合のＴ−Ｐ
Ｉ特性１９ｂ　　：　Ｌｏ＝　１．８ｍＨ／／２０ｂ　
：　Ｌ、＝２．２ｍＨ／／ ２１ｂ　　：　Ｌｏ＝２．７ｍＨ／／ である。

第４図から明らかであるように、直列コイル５ａ及び５
ｂの自己インダクタンスを大キくシてゆくと、Ｔ−Ｎ曲
線の傾斜はゆるやかになり、Ｔ−Ｐ、曲線は左上りから
右上りに変わってくることがわかる。すなわち、従来の
振動波モータ（Ｃ＋＝　Ｏ＞の場合も直列コイル５ａ及
び５ｂの自己インダクタンスを増加させると、トルク変
化に対する回転数の増減が少なくなり、また、高トルク
を発生するモータが得られることになる。

第６図は圧電素子又は電歪素子の等価抵抗ＲＩ１１とト
ルクＴ及び電力Ｐムとの関係を示した図である。振動波
モータは振動体１が共振状態もしくは共振状態近傍にあ
る時に機械的出力を生じつる状態となるので、振動体１
の共振状態においては、Ｌｍ及びＣｍを考慮する必要が
なくなるため、Ｒ［１１とトルクＴ及び電力Ｐｌとの関
係を図示することによってトルクＴ及び電力ｐｔの特性
を明確にすることができ、また、Ｒｍを定めることによ
って等価回路の定数を定めることができる。

第２図の等価回路においてＬＣＲ直列回路が共振状態に
ある場合は、第６図に示すように、トルクＴの増加に伴
って振動体１の機械抵抗が上昇し、振動体１の等価抵抗
Ｒｍは曲線２２のようにほぼ２次曲線状に変化する。（
但し、振動体１の振幅が一定となるようにトルクＴを変
化させると、Ｒｍは直線状となる。） 一方、振動体１の共振状態において振動体１の等価抵抗
Ｒｍと消費電力ＰＬとの関係を求めると、第６図の曲線
２３ａ〜２３ｃの如く、あるＲｍの値において消費電力
Ｐ１が最大となることがわかる。この特性はＬｏ、　Ｃ
ｏ、　Ｃ＋、　Ｖ＋及び駆動周波数によって変化する。

（これは、ｗｉＩＪ体１の駆動電極１ａ及び１ｂに印加
される電圧ｖＡが上記の回路定数によって変化するから
である。）ところで、９皿変化させた場合は、第６図に
おいて電力Ｐ１は曲線２３ａから曲線２３ｃへほぼ平行
移動し、トルク変化を伴わずに電力Ｐ１のみが増加する
ことになり、従って回転数Ｎが増加することになる。

この特性は第７図に示した従来の振動波モータの特性で
あり、第８図に示した回路構成を有する従来の振動波モ
ータでは電力ＰＩや回転数Ｎの絶対量を増減させるには
駆動電圧ｖ１を増減させることが必要であった。

なお、第２図の回路構成においてＣ，＝　Ｏとし、直列
コイル５ａ及び５ｂのインダクタンスＬ０を変化させる
場合も、電力ＰＩや回転数Ｎの絶対量を増減させるには
駆動電圧ｖｌを増減させることが必要である。

本発明による振動波モータでは、並列コンデンサ６ａ及
び６ｂを駆動電極１ａ及び１ｂの駆動回路は接続したの
で圧電素子もしくは電歪素子の静電容量を実質的に大き
くすることができ、従って第３図の如きＴ−ＰＩ特性を
実現することができる。また、直列コイル５ａ及び５ｂ
の自己インダクタンスし。の大きさによって第４図の如
きＴ−Ｐ、特性を実現することもでき、並列コンデンサ
６ａ及び６ｂの静電容量とコイル５ａ及び５ｂ自己イン
ダクタンスとを適当に設定することによって第３図の特
性と第４図の特性とを組合せた種々の特性を実現するこ
とができる。

第５図はコイル５ａ及び５ｂの自己インダクタンスｔ、
ｏとコンデンサ６ａ及び６ｂの静電容量Ｃ１とを適当に
設定した場合のモータ特性の一例であり、従来の振動波
モータにおいてＶ、を変化させた場合と同じような特性
が得られることを示している。なお、第５図において、
Ｔ−Ｎ特性８ａとＴ−Ｐ、特性８ｂとはＬＯ＝　１．５
ｍＨ，（：＋　＝２．７ｎＦに設定した場合であり、Ｔ
−Ｎ特性９ａとＴ−Ｐ、特性９ｂとはＬｏ＝　１．０ｍ
Ｈ，Ｃ＋＝　５．６ｎＦに設定した場合である。なお、
第１図及び第２図の構成を有する本発明の振動波モータ
において、並列コンデンサ６ａ及び６ｂの静電容量の温
度特性が圧電素子もしくは電歪素子の静電容量の温度特
性に対して逆特性となるように並列コンデンサ６ａ及び
６ｂを設計すれば、温度変化や使用環境によって性能低
下を生じない振動波モータが実現できる。

以上の説明では、振動体１の共振時の場合について説明
したが、共振点近傍でモータが動作する範囲であれば圧
電素子もしくは電歪素子の等価コイル１ｇと等価コンデ
ンサ１ｈによる影響は少ないので振動体１の共振点近傍
でモータが動作する場合も前記と同じ効果が得られる。

また、振動体１の共振点もしくは共振点近傍の振動にお
いて動作する定在波型の振動波モータに対しても本発明
の適用が可能である。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明の振動体モータでは圧電
素子もしくは電歪素子に対して並列に静電容量素子を接
続したので種々のＴ−Ｎ特性及びＴ−Ｐ、特性を有した
モータの設計が可能となり、従来のように個々のモータ
毎に昇圧回路を設計する必要がなくなった。また、駆動
電圧を高くする必要がないので昇圧回路に高価な高耐圧
トランジスタを用いる必要がなくなり、しかも昇圧回路
を形状の異るモータに対して汎用化できるため昇圧回路
に製造コストを大巾に低減することができた。更に、本
発明の振動波モータは従来の振動波モータよりもすぐれ
た特性を有しているため、モータ性能が向上した。

また、本発明の振動波モータでは該並列コンデンサの温
度特性を圧電素子もしくは電歪素子の温度特性とは逆特
性とすることにより、使用温度によってモータ性能が低
下するという現象の発生を完全に除くことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による振動波モータの駆動回路を示した
図、第２図は第１図の等価回路図、第３図は第２図の等
価回路で表わされる本発明の振動波モータにおいて駆動
電圧及びＬｏ並びに００を一定としてＣ１を変化させた
場合のＴ−Ｎ特性及びＴ−Ｐ、特性を示した図、第４図
は第２図の等価回路で表わされる本発明の振動波モータ
におイ”Ｃ（Ｃ＋　＝　ｏ　、　Ｖ、及びＣ０を一定）
としてＬｏを変化させた場合のＴ−Ｎ特性及びＴ−Ｐ、
特性を示した図、第５図は本発明の振動波モータにおい
て駆動電圧を一定に保ってＬｏ及びＣＩを変化させた場
合のＴ−Ｎ特性及びＴ−Ｐ、特性を示した図、第６図は
第２図の等価回路で表わされる本発明の振動波モータの
振動体が共振状態にある時に該振動体の等価抵抗の値Ｒ
ｍとトルクＴ及び電力Ｐｌとの関係を示した図、第７図
は従来の振動波モータにおいて駆動電圧を変化させた場
合のＴ−Ｎ特性及びＴ−Ｐ、特性を示した図、第８図は
従来の振動波モータの駆動回路を示した図、第９図は第
８図の等価回路図、第１０図は第８図の振動波モータ及
び第１図の振動波モータの駆動電極を示す正面図、であ
る。 １・・・振動体　　　　　１ａ〜１ｃ・・・駆動電極２
・・・発振器　　　　　３・・・９０°移相器４ａ及び
４ｂ・・・増幅器 ５ａ及び５ｂ・・・マツチングコイル ６ａ及び６ｂ・・・並列コンデンサ １氾　４　る トルクＴ　（ｇｆ−ｃｍｌ トルクＴ　Ｉ、Ｂ（−ｃｍ） トルクＴ　（ｇｒ−ｃｍｌ 電力Ｐ１ トルクＴ 第 図 トルクＴ　Ｃｇｆ−ｃｍ） 第 図 第 図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　１　圧電素子もしくは電歪素子に交番電圧を印加する
   ことによって該素子に振動を発生さ せ、該振動のエネルギーを機械的出力として取出すよう
   に構成されている振動波モータにおいて、 該圧電素子もしくは電歪素子と直列に接続 されたインダクタンス素子と、該圧電素子もしくは電歪
   素子と並列に接続された静電容量素子と、を有している
   ことを特徴とする振動波モータ。 　２　該圧電素子もしくは電歪素子に生ずる振動が進行
   波振動である請求項１記載の振動波 モータ。 　３　該圧電素子もしくは電歪素子の静電容量の温度特
   性と該静電容量素子の温度特性とが互いに逆特性となっ
   ていることを特徴とする請求項１記載の振動波モータ。