JPH04145873A - 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、屈曲振動子と縦振動子とを組合わせ、屈曲振
動子の屈曲振動の節に縦振動子を取り付けた超音波モー
タに関する。

［従来の技術］ 最近、注目を集めている超音波モータは、周知のように
、低速駆動が容易で高トルク出力が得られるという特徴
を有しており、既に一部では商品化されている。しかし
、この商品化されている超音波モータは、回転形のタイ
プのモータであって、設計の自由度が高くて簡単に回転
形のモータにもできる小型のリニアタイプのモータは未
だ商品化されていない。その理由としては、高効、率で
高出力の小型のリニアタイプの超音波モータを製作する
ことが困難なためである。

例えば、特開昭５９−９６８８１号公報によって開示さ
れている進行波型のリニアタイプの超音波モータでは、
進行波を効率よく発生させるために閉ループ形状の屈曲
振動子を用いる必要があり、そのため振動子が非常に大
型になって、この振動子の支持機構も複雑化し、モータ
の効率自体も数％と、必ずしも効率の高い小型のリニア
タイプの超音波モータとはならない。

また、特開昭６３−２７７４７７号公報に開示されてい
るような板の屈曲共振と板の長手方向の縦共振振動を合
成する型のリニアタイプの超音波モータの場合には、板
の屈曲共振と縦共振の共振周波数を一致させないと高効
率なモータを実現することができず、大きさや形を制約
されてしまう。

従って、小型化、高効率化は容易ではなかった。

さらに、この超音波モータでは、摩擦力を発生させるた
めの振動が圧電体の横効果（電圧印加方向に対し、駆動
方向が直交している）を用いているため、圧着力を大き
くすることができず、大きな駆動力を発生させることが
できないという欠点も有している。

そこで、本出願人は、最近、上記従来の超音波モータの
欠点を除去するために、圧電体を貼着した板状屈曲振動
子に共振屈曲定在波を発生させ、その屈曲振動の節の位
置に、屈曲振動の中立軸に対して垂直方向に振動する積
層圧電体からなる縦振動子を設け、上記屈曲振動子が発
生する屈曲振動と縦振動子が発生する縦振動の位相を９
０°ずらずことによって、縦振動子の先端部に楕円振動
を発生させ、これにより縦振動子の先端部に圧着した移
動体を所定の方向に動かずように構成した小型のリニア
タイプの超音波モータを提案した（特願平２−７９８０
０号参照）。

この超音波モータによれば、モータ効率か高く、更に薄
型に構成することができるので、非常に利用価値の高い
ものとなる。すなわち、この小型のリニアタイプの超音
波モータは、小型であるため円形に並設したり、また、
屈曲振動子自体を円環形状とか円板形状にすれば、容易
に回転形の小型超音波モータを実現でき、さらに、摩擦
力を発生するための圧着力が加えられる方向には積層圧
電体の縦振動子を用いているので、小型でも大きな駆動
力を発生させることができるという数々のメリットが得
られる。

ところが、上記超音波モータは、屈曲振動子の節まわり
の微小回転運動を利用した速度制御をする場合、低速に
なると動作が安定しなかったり、はなはだしい場合には
突然停止してしまうといった不具合があった。これは、
従来の進行波型超音波モータに対して行なわれていた速
度制御方法をそのまま用いていたための不具合である。

そこで、たとえば、特開平１−２９１．６７６号公報に
開示されているように、駆動周波数を変化させて速度を
制御する方法、あるいは、特開平１−２３４０７３号公
報に開示されているように、駆動信号のパルス幅を変化
させて速度を制御する方法があるが、これらの方法では
、駆動に寄与する振動の振幅を変化させており、低速に
するためには振幅を小さくしなければならない。したが
って、駆動体と被駆動体との接触面の表面あらさよりも
、その振動振幅が小さくなると動作できなくなってしま
い、その振動振幅以下での低速制御が実現できない。

また、特開昭６３−７１７４号公報に開示されているよ
うに、間欠的に駆動信号を与えて速度制御をする方法も
あるが、この方法では間欠的に信号を与えるため、動作
自体が電磁ステッピングモタのように低速時に動作が間
欠振動的になり、また、逆に高速に動作させると、間欠
駆動から間欠駆動までの時間を周期とする振動や可聴音
が発生したり□するといった不具合が生じる。

さらに、上記の駆動方法を組合わせた速度制御方法も考
えられるが、各々の駆動方法に存在する不具合を解消す
ることはできない。

［発明が解決しようとする課題］ 従来は、上述したように、屈曲振動子の節まわりの微小
回転運動を利用した超音波モータの速度制御をする場合
、低速になると動作が安定しなかったり、最悪の場合は
突然動作を停止したりし、さらに振動や可聴音を発生し
てしまうという問題点があった。

そこで、本発明は、振動や可聴音の発生がなく、低速ま
で安定した速度制御ができる超音波モータを提供するこ
とを特徴とする特 許 ［課題を解決するための手段］ 本発明の超音波モータは、高周波電圧を印加されること
により屈曲振動を行なう屈曲振動子と、この屈曲振動子
上であって、上記屈曲振動の節線上に設けられており、
該屈曲振動により波節を中心として揺動されると共に、
高周波電圧を印加されて上記屈曲振動の振幅方向に伸縮
する縦振動子とからなる駆動部材と、上記縦振動子の先
端に圧接されることにより、上記駆動部材に対して上記
屈曲振動の波長方向に相対的に移動される被駆動部材と
を具備する超音波モータにおいて、上記屈曲振動に対し
て、上記縦振動子の伸縮の位相と振幅のうち少なくとも
一方を変化させることにより、上記駆動部材と被駆動部
材との相対速度を制御することを特徴とする。

［作用］ 本発明の超音波モータによれば、屈曲振動子の屈曲振動
に対して、縦振動子の伸縮の位相と振幅のうち少なくと
も一方を変化させて、駆動部材と被駆動部材との相対移
動の速度を制御することにより、振動や可聴音の発生が
なく、低速まで安定した速度制御か可能となる。

［実施例コ 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図（Ａ）（Ｂ）は、本発明に係る超音波モータの構
成を示すものである。すなわち、駆動体１は、縦振動子
２と屈曲振動子３とから構成されている。屈曲振動子３
は、平面形状が長方形をなす比較的厚みのある板状の弾
性体４の上面および下面に、板厚方向に分極された薄板
状の圧電体５゜５を各々分極方向が同じになるように接
着して構成されている。屈曲振動子３は、圧電体５の表
面電極に高周波電圧が印加されると屈曲振動を生じ、更
に特定の周波数の信号が印加されると共振の屈曲定在波
振動を生じる。本実施例の屈曲振動子３は、１次の屈曲
共振振動か最も効率よく励振されるような構成となって
いる。

一方、縦振動子２は、屈曲振動子３とほぼ同一幅の積層
圧電体で形成されていて、屈曲振動子３の１次の屈曲振
動の２つの節の位置で、弾性体４の板幅方向に設けられ
た溝部６に固着されており、高周波電圧が印加されると
屈曲振動子３の板厚方向に振動する。また、縦振動子２
の先端面には、耐磨耗性の摩擦材で形成されたスライダ
７が固着されている。スライダ７は、図示されない不動
部材に固定されたレール部材８の上面に固着された耐磨
耗性摩擦材で形成されたスライド板９に圧接し、摩擦接
触するようになっている。

レール部材８のスライド板９の固着されていない側の面
には、断面半円状の直線状のガイド溝８ａが駆動体１の
駆動される方向に２箇所平行に穿設されている。また、
レール部材８の一部および屈曲振動子３は、モータ支持
枠１０内に配設されていて、このモータ支持枠１０は、
レール部材８の一部と屈曲振動子３を囲むように断面が
Ｕ字形のチャンネル状部材で形成されている。

モータ支持枠１０には、ガイド溝８ａに相対向する位置
にガイド溝８８と同様な断面半円状をなす直線状の平行
な有端のボール収納溝１０ａが穿設されていて、このボ
ール収納溝１０ａとガイド溝８ａとの両溝内には複数個
のベアリングボール１１が配設されている。これによっ
て、モータ支持枠１０はベアリングボール１１をボール
収納溝１０ａ内に保持した状態でレール部材８のガイド
溝８ａの方向にのみ可動し得るように構成されている。

屈曲振動子３は、モータ支持枠１０に対して次のように
して取り付けられている。すなわち、屈曲振動子３の屈
曲振動の節の位置には、屈曲振動子３の幅方向に突出す
る円柱軸状の突出支持部４ａが弾性体４と一体となって
左右対称位置に４箇所設けられている。そして、突出支
持部４ａの外周には、フランジ（＝１の支持部１２が固
着または嵌合されていて、この支持部１２の外周部に設
けられた溝に、モータ支持枠１０にビス１３で取り付け
られた保持体１４の係合切欠部１４ｂが嵌着されること
により、屈曲振動子３はモータ支持枠１０に取り付けら
れている。

保持体１４は、屈曲振動子３を上方から囲むように断面
が逆Ｕ字形状に形成されたチャンネル状部材からなり、
その左右両側縁部の突出支持部４ａに対向する部位に係
合切欠部１４ｂが穿設され、また左右両側縁部の中程で
は、上方に向けて折り曲げられて幅方向の外方左右に向
けて水平に張り出した取付片１４ａとなっている。そし
て、保持体１４は、取付片１４ａをモータ支持枠１０の
上面に載置し、皿ばね１５およびスペーサ１６を介して
ビス１３を取付片１４ａを貫通させてモータ支持枠１０
の上面にねじ込むことにより、モータ支持枠１０に固定
されている。また、この取付状態において、取付片１４
ａとモータ支持枠１０上面との間には僅かな隙間が生じ
るように構成されている。これにより、とス１３のねじ
込み量をスペーサ１６で調節することにより、皿ばね１
５の弾力によって発生する圧着力が駆動体１に直接加わ
るので、スライダ７のスライド板９との接触面に対する
圧着力を最適に調整することができるようになっている
。

なお、支持部１２は、本実施例の場合、ゴム。

ウレタン、フェルト等の軟質弾性部材で作られている。

第２図は、本発明の第１実施例に係る超音波モー、夕の
駆動回路を示すものである。すなわち、発振器２１で発
生された高周波信号は、増幅器２２て電圧増幅されて圧
電体５に印加され、これにより屈曲振動子３に１次の屈
曲振動が発生する。また、発振器２１で発生された高周
波信号は位相器２３ａ　　２３ｂにも入力され、ここで
位相をそれぞれ変化された後、増幅器２２ａ、２２ｂで
電圧増幅されて各々の縦振動子２に印加される。これに
より、縦振動子２には屈曲振動とは位相の異なる縦振動
が発生する。

ここに、位相器２３ａ、２３ｂに設定する位相は、速度
制御部２４の出力信号２４ａ、２４ｂによって設定され
る。また、駆動体１の位置検出は、レール部材８の側面
に固着されたスケール２５の目盛をモータ支持枠１）１
１　ｏに固定されたセンサ２６が検出することによって
行なわれる。この位置検出信号は、速度制御部２４に入
力され、速度および位置制御のために用いられる。速度
制御部２４は、前記位置検出信号を微分することにより
速度信号を得ている。また、速度制御部２４には、速度
指令信号２４ｃおよび位置指令信号２４ｄが入力される
。

なお、スケール２５とセンサ２６の具体的な例としては
、たとえば、スケール２５として一定ピッチの着磁を行
なった磁気スケールを用い、センサ２６として磁気ヘッ
ドあるいは磁気抵抗素子、ホール素子などを用いること
が考えられる。その他の位置検出方法としては、光学的
なものとか静電的なものがある。

さて、速度制御部２４は、上記位置検出信号、速度信号
、速度指令信号２４ｃ１位置指令信号２４ｄに応じて最
適な駆動体１の動作が得られるように位相器２３ａ、２
３ｂの位相量を設定する信号２４ａ、２４ｂを出力する
。さらに、速度制御部２４は、屈曲振動子３の振動状態
を検出する圧電素子からなる振動検出素子２７からの信
号が入力されることにより、屈曲振動子３が常に共振点
付近の安定な振動をするように発振器２１の発振周波数
を制御している。なお、具体的な位相設定可能な発振周
波数の制御回路については、たとえば特願平１−３３０
１６１号あるいは特願平１１５９２４７号に記載された
技術を参照されたい。

次に、第１実施例の動作について説明する。第３図およ
び第４図は、屈曲振動と縦振動の位相を変化させた時の
縦振動子２の端面のそれぞれの質点ＰＩ（第３図）、Ｐ
２（第４図）の運動を示す。

この時、図示しない被駆動体は質点ＰＩ、Ｐ２の上側に
ある。本実施例の場合、２つの縦振動子２の相互の位相
は１８０°ずれて駆動され、また、１次の屈曲振動によ
って生ずる２つの節線上に縦振動子２が配置されている
ので、屈曲振動によって生ずる微小回転運動の各々の位
相も１８０°ずれて駆動される。

第３図（ａ）と第４図（ａ）、第３図（ｂ）と第４図（
ｂ）のように対応した図において、縦ラインとの交点（
○印）は、質点ＰＩ、Ｐ２の同一時刻の状態を示し、矢
印の方向に質点ＰＩ、Ｐ２か動いていくことを示す。被
駆動体が最も速く駆動される第３図（、Ｃ）、第４図（
Ｃ）の状態について見ると、質点Ｐ１はＢ点に位置し、
楕円軌跡上を時計回転方向に運動している。一方、同時
点で質点Ｐ２はＢ′点に位置し、時計回転方向に運動し
ている。この時、質点ＰＩ、Ｐ２が同時に被駆動体に作
用していると、質点ＰＩ、Ｐ２の図面左右方向の運動成
分が逆で、力および速度は同じなので被駆動体は動かな
い。しかし、質点Ｐ１は第３図（Ｃ）のＡＣ点より上側
に位置する時のみ被駆動体に作用するので、この時点で
は質点Ｐ１のみが被駆動体に作用し、被駆動体は第３図
（ｃ）の矢印の方向に移動される。質点Ｐ１が０点まで
来ると、今度は質点Ｐ２のＣ′点が被駆動体に作用しは
じめ、質点Ｐ１は被駆動体から離れ始める。

ここで、屈曲振動に対する各々の縦振動の位相を４５°
たけずらして第３図（ｂ）、第４図（ｂ）の状態にする
と、区間ＡＢＣでは質点Ｐ１の運動の水平方向成分は、
図に向って右側に動くように作用し、区間ＣＤでは全く
逆の左側方向に動くように作用し、区間ＤＥＦＡでは被
駆動体から離れる。したがって、被駆動体には、区間Ａ
ＢＣでは図面に向って右側に、区間ＣＤでは図面に向っ
て左側に動くように縦振動子２が作用する。

次に、質点Ｐ２の運動の水平方向成分は、区間Ａ’　Ｂ
’　Ｃ’　Ｄ’では被駆動体から離れていて、区間Ｄ’
　Ｅ’　Ｆ’では図面に向って右側に、区間Ｆ’　Ａ’
では図面に向って左側に動いて被駆動体に作用する。し
たがって、質点ＰＩ、Ｐ２各々の縦振動子２のトータル
の作用は、図面右側へ被駆動体を動かすように作用し、
区間ＣＤおよび区間Ｆ’　Ａ’のみ逆方向に作用するの
で、第３図（Ｃ）、第４図（Ｃ）の状態の場合に比べて
速度は低下する。しかし、この時の屈曲振動および縦振
動の各振幅は小さくなっていないので、被駆動体に作用
する力は第３図（Ｃ）、第４図（ｃ）の状態の場合と同
じで、安定した動作が得られる。

さらに、第３図（ａ）、第４図（ａ）の状態では、被駆
動体への作用はトータルとして零となり、被駆動体は動
かないか、区間ＡＢを振幅とする振動運動はしている。

したがって、この状態の時も、第３図（Ｃ）、第４図（
Ｃ）の状態と同じように縦振動と屈曲振動の振幅は変化
しないので動作は安定している。

このように、縦振動と屈曲振動の各位相を被駆動体が最
も速く動く状態、すなわち第３図（Ｃ）、第４図（Ｃ）
あるいは第３図（ｇ）、第４図（ｇ）の状態に設定した
のち、屈曲振動に対して縦振動の位相を一定量変化させ
ると、すなわち、速度制御部２４の出力信号２４ａ、２
４ｂで設定される位相量を同量変化させることにより、
屈ｍｌ振動および縦振動の振幅を一定にしたままで被駆
動体に作用する駆動体１の作用時間と方向を制御できる
ので、被駆動体の速度を変化させることができ、低速で
も安定した動作を確保することができる。

なお、第１実施例において、質点Ｐ１の縦振動子２と質
点Ｐ２の縦振動子２の分極を逆のものを用いれば、位相
器２３ａと２３ｂは１つの位相器でよい。

また、各縦振動子２に与えられる位相量は一定なので、
屈曲振動子３の位相を縦振動子２に対して変化させても
よい。

さらに、屈曲、振動子３は、１次の屈曲振動を用いたが
、他のもっと高次の屈曲振動を用いてもよいことは当然
である。高次の屈曲振動の場合は、屈曲振動の節は多数
になるが、それに応じて縦振動子２を多数配置してもよ
い。その時の駆動方法については、上述の考え方に従っ
て構成すれば簡単に実現できる。すなわち、屈曲振動の
位相は、上述したように互いに逆相の２種類しか存在し
ないので、質点Ｐ１と同相の節は質点Ｐ１と同じ動作を
、質点Ｐ２と同相の節は質点Ｐ２と同じ動作をするよう
にすればよい。このようにすれば、回路規模を最も小さ
くすることができる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

本実施例では、超音波モータの構成および駆動回路は第
１図、第２図に示すのと同じでよい。基本的な構成動作
は第１実施例と同じになるので、第１実施例と異なる点
についてのみ述べる。本実施例では、位相器２３ａ、２
３ｂに設定される縦振動の屈曲振動に対する位相が各々
異なるようにしている。たとえば、位相器２３ｂで位相
９０°に設定し、位相器２３ａの位相を速度制御部２４
の出力信号２４ａで変化させている。

第２実施例の動作を第３図および第４図を参照して説明
する。質点ＰＩ、Ｐ２が第３図（Ｃ）、第４図（Ｃ）の
状態で最も速く動作しているものを、質点Ｐ１は第３図
（ｂ）の状態に、質点Ｐ２は第４図（Ｃ）の状態にする
と、質点Ｐ１で区間ＣＤのみ逆方向に縦振動子２は被駆
動体に作用する。したがって、質点ＰＩ、Ｐ２が第３図
（Ｃ）、第４図（ｃ）の状態よりも被駆動体の速度は低
下することになる。また、質点Ｐ１は第３図（ｇ）の状
態に、質点Ｐ２は第４図（Ｃ）の状態の位相の組合わせ
にすると、縦振動子２は相殺するような運動をし、被駆
動体は左右方向の振動動作のみして動かない。

このような構成であると、第１実施例よりも被駆動体の
縦振動子２の位相変化に対する速度の変化率が小さくな
り、速度制御がしやすくなるというメリットがある。

なお、第２実施例において、位相器２３ａの位相も変化
させて制御すれば、位相を変化させる箇所が増加するが
、縦振動子２の位相変化に対する速度の変化率をより小
さくでき、速度制御をよりきめ細かくすることができる
。

次に、本発明の第３実施例について説明する。

なお、超音波モータの構成については第１実施例と同し
なので説明は省略する。第５図は、本実施例に係る超音
波モータの駆動回路を示し、第２図と異なるところは、
増幅率設定部２８が追加されているのみで他は同じであ
る。すなわち、増幅率設定部２８は、速度制御部２４と
増幅器２２ａとの間に設けられ、速度制御部２４からの
制御信号２４ｅに基づいて増幅器２２ａの増幅率を変化
させ、質点Ｐ２の縦振動子２の縦振動の振幅を制御して
いる。

第３実施例の動作を第３図ないし第７図を参照して説明
する。第３図（Ｃ）、第４図（Ｃ）の状態に設定されて
駆動体１が振動しているとして、増幅率設定部２８の設
定増幅率を変化させると、質点Ｐ２の縦振動のみが変化
し、質点Ｐ１は第６図（Ｃ）の状態、質点Ｐ２は第７図
（Ｃ）の状態のような振動軌跡を描く。このときの水平
方向運動成分は、質点Ｐｉ、Ｐ２ともに同じだが縦振動
は異なり、縦振動の大きさに比例して上記水平方向運動
成分の力は駆動体１から被駆動体に伝わるので、第６図
で区間ＡＢＣは効率よく被駆動体を動作させるが、第７
図において区間Ｃ’　Ｄ’　Ａ’で質点Ｐ２が被駆動体
に作用する区間では被駆動体を動作させる力は弱く、被
駆動体の速度は低下する。さらに、質点２の縦振動を小
さくして零とした場合、区間ＡＢＣの作用に区間Ａ’　
Ｂ″Ｃ′が打消す方向に作用し、区間ＣＤＡでは質点Ｐ
２が区間Ｃ’　Ｂ’　Ａ’のみ被駆動体に作用し、速度
は低下する。

このように、第３実施例によれば、縦振動子２のうち少
なくとも１つの縦振幅を変化することにより、縦振幅が
小さくなった縦振動子２にプレーキ作用が働き、被駆動
体の速度を低下することができる。

なお、第３実施例の動作方法は、第１実施例、第２実施
例の位相を制御する方法と組合わせて用いることも可能
である。

また、第１ないし第３実施例では、直進形の超音波モー
タしか例示してないが、本発明の原理によりなる回転形
の超音波モータにおいても同様な構成で速度制御できる
ことは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、屈曲振動子の屈曲
振動に対して、縦振動子の伸縮の位相と振幅のうち少な
くとも一方を変化させて、駆動部材と被駆動部材との相
対移動の速度を制御することにより、振動や可聴音の発
生がなく、低速まで安定した速度制御ができる超音波モ
ータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明に係る超音波モータの構成を示す
縦断面図、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）におけるＸ−Ｘ
矢視断面図、第２図は本発明の第１および第２実施例に
係る超音波モータの駆動回路を示す構成図、第３図およ
び第４図は本発明の第１および第２実施例において屈曲
振動と縦振動の位相を変化させたときの縦振動子端面の
質点の運動を示す図、第５図は本発明の第３実施例に係
る超音波モータの駆動回路を示す構成図、第６図および
第７図は本発明の第３実施例において屈曲振動と縦振動
の位相を変化させたときの縦振動子端面の質点の運動を
示す図である。 １・・・駆動体、２・・・縦振動子、３・・・屈曲振動
子、４・・・弾性体、５・・・圧電体、７・・・スライ
ダ、８・・・レール部材、９・・・スライド板、１０・
・・モータ支持枠、１２・・・支持部、２１・・・発振
器、２２゜２２ａ、２２ｂ−増幅器、２３ａ、２３ｂ−
＝位相器、２４・・・速度制御部、２８・・・増幅率設
定部。 出願人代理人　弁理士　坪井　　淳 第 図 第 図 第６ 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　高周波電圧を印加されることにより屈曲振動を行なう
   屈曲振動子と、この屈曲振動子上であって、上記屈曲振
   動の節線上に設けられており、該屈曲振動により該節を
   中心として揺動されると共に、高周波電圧を印加されて
   上記屈曲振動の振幅方向に伸縮する縦振動子とからなる
   駆動部材と、上記縦振動子の先端に圧接されることによ
   り、上記駆動部材に対して上記屈曲振動の波長方向に相
   対的に移動される被駆動部材とを具備する超音波モータ
   において、 上記屈曲振動に対して、上記縦振動子の伸縮の位相と振
   幅のうち少なくとも一方を変化させることにより、上記
   駆動部材と被駆動部材との相対速度を制御することを特
   徴とする超音波モータ。