JPH04161078A

JPH04161078A - 定在波型超音波モータの駆動装置

Info

Publication number: JPH04161078A
Application number: JP2282980A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yamaguchi; 昌樹山口
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1990-10-20
Filing date: 1990-10-20
Publication date: 1992-06-04

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、超音波振動エネルギを駆動源とする定在波
型超音波モータの駆動装置、特に、当該駆動回路の小型
化、高効率化のための改良に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、超音波振動子の高周波機械振動エネルギーを利用
し、かつ対象物との間の相対的な摩擦力を駆動源とする
超音波モータが種々開発され、その応用研究が鋭意進め
られている。

こ＼で、この種の超音波モータは、例えば、相互にほぼ
直交する２方向の共振振動によって励振される複合振動
子を備えると共に、当該複合振動子に所要の高周波振動
を与える駆動装置を設け、複合振動子に対して、対象物
となる可動子などを圧着させると共に、この圧着力に起
因する相対的な摩擦力により推力を発生させて、当該可
動子どの間に所要の相対運動を行なわせるようにした駆
動装置である。

［発明が解決しようとする課題〕しかしながら、このように構成した従来の超音波モータ
においては、駆動装置による超音波振動子の駆動中に発
生する摩擦熱の温度上昇、ならびに周囲温度の上昇によ
る影響などの温度変化に起因して当該超音波振動子の共
振周波数が変化してしまい、この結果、超音波振動子の
振動振幅が小さくなって駆動速度、および駆動効率が低
下するという問題点があり、特に、相互にほぼ直交する
２方向の共振振動によって励振される複合振動子を用い
る超音波モータでは、共振周波数の差向体が大きくなっ
てしまい、駆動周波数の調節だけでは所要速度を維持し
得ないものであった。

この発明は、従来の超音波モータにおけるこのような各
問題点を改善するためになされたものであって、その目
的とするところは、定在波型超音波モータの駆動装置に
おいて、温度上昇に起因する駆動速度、駆動効率の低下
を防止し得るようにすること−である。

［課題を解決するための手段］前記目的を達成するために、この発明に係る定在波型超
音波モータの駆動装置は、相互にほぼ直交する方向の少
な（とも２つの振動が励振される超音波振動子を有し、
当該超音波振動子を位相の異なる各別の周波数信号によ
って共振振動させるようにした定在波型超音波モータの
駆動装置において、前記超音波振動子の温度を検出し、
当該検出温度に対応した信号を出力する温度検出手段と
、前記温度検出手段の検出信号に対応して、前記超音波
振動子への各周波数信号入力を制御する周波数制御手段
とを、少なくとも備えて構成したことを特徴としている
。

また、前記定在波型超音波モータの駆動装置において、
前記２方向の振動のうち、少なくとも一方の共振周波数
信号を他方の共振周波数信号に−致させるように制御す
る共振周波数調節手段を備えて構成したことを特徴とし
ている。

〔作　　　用Ｊ前記構成による定在波型超音波モータの駆動装置では、
温度検出手段によって超音波振動子の温度を検出し、当
該検出温度に対応した信号を出力することにより、周波
数制御手段によって超音波振動子への各周波数信号入力
を制御でき、この結果、超音波振動子の温度上昇に起因
する超音波モータの駆動速度、駆動効率の低下を防止し
得るのである。

また、超音波振動子に励振される複数振動において、温
度上昇に起因する共振周波数の変化に対応し、共振周波
数調節手段によって２方向の各振動のうち、少な（とも
一方の共振周波数信号を他方の共振周波数信号に一致さ
せるように制御するので、常に両振動の共振周波数を一
致し得るのである。

〔実　施　例〕

以下、この発明に係る定在波型超音波モータの駆動装置
の一実施例につき、第１図ないし第８図を参照して詳細
に説明する。

この実施例における定在波型超音波モータの一例として
は、例えば、本願人の先の出願に係る特願平１−４６８
６６号の願書に添付の明細書および図面により提案され
ているような機械的共振器を含む超音波振動子を用いた
定在波型超音波モータであってよい。

第１図は当該既提案に係る定在波型超音波モータの概要
構成を模式的に示す平面図である。

この第１図に示す定在波型超音波モータの装置構成にお
いて、超音波振動子１１は、矩形角柱形状を有する弾性
体２１の長手方向に沿う上面部に、当該弾性体２１に曲
げ振動を励振させるための第１圧電体２２を着設させて
あり、かつこの着設面とほぼ直交する左右の各側面部に
あっては、当該弾性体２１に縦振動を励振させるための
各第２圧電体２３ａ。

２３ｂをそれぞれに着設させである。

また、前記弾性体２１の長手方向両側面の中心部は、そ
れぞれに固定ボルト２４ａ、　２４ｂを介して基台２５
ａ、　２５ｂ側に固定され、当該弾性体２１自体がアー
スミ極を兼ねて、これらの各固定ボルト２４ａ、　２４
ｂを介することで基台２５ａ、　２５ｂに接地されてお
り、さらに、前記第１圧電体２２の上面に対しては、電
極２６が付設され、かつ各第２圧電体２３ａ、２３ｂの
上面に対しては、電極２７ａ、　２７ｂがそれぞれに付
設されると共に、これらの第１圧電体電極２６．および
各第２圧電体電極２７ａ、　２７ｂからは、それぞれ各
別に入力端子を取り出しである。

そして、前記弾性体２１については、厚さ方向に所定の
周波数ｆにおいて両端の自由端が２次モードで曲げ振動
し、かつ同一の周波数ｆにおいて長さ方向に両端の自由
端が１次モードで縦振動し得るように、その各部の形状
９寸法が調整されている。

こＳで一般に、弾性体中を伝搬する縦振動の共振周波数
は、当該弾性体の長さに依存し、また、弾性体の厚さ方
向の曲げ振動の共振周波数は、当該弾性体の長さ、およ
び厚さに依存することが知られており、これらの点で、
前記のように作用される弾性体２１を得るのは極めて容
易であり、その詳細についての説明は省略する。

続いて、前記構成による超音波振動子１１の作用につい
て述べる。

まず、前記第１圧電体２２に対して、周波数ｆの交流電
圧を印加して振動させると、前記弾性体２１は、曲げ振
動２次モードで共振して定在波が励振され、ついで、前
記各第２圧電体２３ａ、　２３ｂに対して、同様に、周
波数ｆの交流電圧を印加して振動させると、当該弾性体
２１は、縦振動１次モードで共振して定在波が励振され
る。すなわち、当該弾性体２１においては、各固定ボル
ト２４ａ、　２４ｂによる固定位置相当部分が、それぞ
れの各定在波の節になる。

また、このとき、これらの第１圧電体２２．および各第
２圧電体２３ａ、　２３ｂに印加させる電圧の振幅、お
よび位相を調節するときは、これらの縦振動１次モード
と曲げ振動２次モードとの励振の合成により、前記弾性
体２１に対して、任意の形状によるほぼ楕円運動状の振
動を発生させることが可能である。

なお、この実施例の場合には、弾性体２１に対して、縦
振動１次モードと、曲げ振動２次モードとを励振させ、
その合成によって、はぼ楕円運動状の振動を発生させる
超音波振動子１１について述べたが、当該振動の態様に
ついては、これに限定されるものではな（、その他の各
振動９例えば、縦振動１曲げ振動、せん断振動、ねじり
振動などの種々の振動の合成が考えられるほか、より高
次モードを利用することもまた効果的である。

次に、前記構成による超音波振動子１１を効果的に利用
した超音波モータの基本動作を第２図、および第３図に
ついて述べる。

第２図（ａ）ないしくｄ）は当該超音波振動子１１の動
作を各段階毎に示す動作説明図であって、こ＼では、理
解を容易にするために、各動作の形態を幾分か誇張して
表わしである。

この第２図の装置構成において、超音波モータ３０は、
前記超音波振動子１１の最大振幅を与える両端下部に対
して、それぞれに駆動子３２．３２を形成させると共に
、これらの各駆動子３２．３２が第２の弾性体であるレ
ール部３４に相対的に当接し得るように配置されている
。

また、第３図は当該超音波モータ３０を構成する超音波
振動子１１の第１圧電体２２．および各第２圧電体２３
ａ、　２３ｂにそれぞれ印加させる入力駆動信号の電圧
波形を示す説明図である。

第２図の超音波モータ３０において、前記超音波振動子
１１に対し、第３図に示す交流駆動信号を印加して励振
させると、□当該超音波振動子１１は、同第２図（ａ）
ないしくｄ）に示すような縦振動、および曲げ振動を繰
り返すことによって所要の駆動力を発生する。

すなわち、前記超音波振動子１１における縦９曲げ両振
動の位相を調整しておくことにより、第２図（ａ）に示
す最初の縦振動の収縮時には、この場合、左方側対応の
駆動子３２がレール部３４に圧接されると共に、時間の
経過に伴った伸長時には、その状態で同図（ｂ）のよう
に伸長され、また、同図（ｃ）に示す次の縦振動の収縮
時には、右方側対応の駆動芋３２がレール部３４に圧接
され、かつこ−でも時間の経過に伴った伸長時には、そ
の状態で同図（ｄ）のように伸長されるものであり、以
上の作動を順次に繰り返すことによって、これらのレー
ル部３４への各駆動子３２の圧接時点で摩擦力に起因す
る駆動力を受け、矢印Ａ、Ｈに示す同一方向に推力を発
生することになる。

そして、このときの超音波振動子１１の速度については
、前記した入力される駆動信号の電圧、および位相によ
って任意に調整でき、かつまた、その駆動方向について
も、同様に、当該位相によって任意に設定できる。また
、こＳでは、超音波振動子１１側を可動子とする場合に
ついて述べたが、逆にレール部３４側を可動子とするこ
とも可能である。

次に、この発明の一実施例による定在波型超音波モータ
の駆動装置における構成、および動作の詳細を第４図、
および第５図について述べる。

第４図はこの実施例による定在波型超音波モータの駆動
装置の概要を示す構成図であり、また、第５図は同上駆
動装置における共振周波数と温度との関係を示す説明図
である。

第４図の一実施例による装置構成において、定在波型超
音波モータの駆動装置４０は、発振器４１を有しており
、当該発振器４１の周波数信号出力は、移相器４２にお
いて位相の異なる２つの電圧信号にされた後、これらの
各電圧信号がアンプ４３ａ、　４３ｂを介して、前記超
音波モータ３０の超音波振動子１１に設けられた第１圧
電体２２の電極２６．および各第２圧電体２３ａ、　２
３ｂの電極２７ａ、　２７ｂに印加され、このようにし
て前記した超音波モータ３０の駆動がなされる。また、
一方、前記超音波振動子１１の弾性体２１には、その表
面温度を測定するための温度検出手段としての熱電対５
０が付設されており、当該熱電対５０によって検出され
た温度情報は、周波数制御手段としての、この場合は、
演算回路５１に入力され、当該演算回路５１によって、
前記発振器４１の周波数信号、ひいては、超音波振動子
１１に入力される周波数信号を検出温度に対応して制御
させ得るようにしたものである。

こＳで、前記超音波モータ３０における共振周波数ｆと
温度Ｔとの関係については、第５図に実測値として示し
た共振周波数ｆ−温温度時特性見られるように、温度上
昇に伴って共振周波数が低下することになるもので、た
とえ、この超音波モータ３０が高効率動作可能であると
は言っても、その損失は、殆んど摺動面における摩擦熱
となって、超音波振動子１１の温度変化の原因となる。

そこで、この第４図に示す実施例構成においては、第５
図のような実測結果に従い、温度変化に対応して当該超
音波振動子１１の駆動周波数を制御することにより、温
度上昇に起因する駆動効率。

駆動速度の低下を良好かつ効果的に防止し得るのである
。

また、一方、特に、複数方向の共振振動を励振する超音
波振動子を用いた超音波モータ３０にあっては、これら
の複数振動の共振周波数差が、こＳでも、温度変化に伴
って変化する場合があり、この結果、前記と同様に、超
音波モータ３０の駆動効率、駆動速度が大幅に低下する
ことになる。

そこで、この実施例においては、別に、前記複数振動で
の温度上昇に起因した共振周波数差を制御して解消する
ために共振周波数調節手段を設ける。

この実施例において、当該共振周波数の制御方法として
は、例えば、本願人の先の出願に係る特願平１−４６８
６８号の願書に添付の明細書および図面により提案され
ている制御方法を用いることができ、当該制御方法によ
れば、はぼ直交する２方向振動のうち、一方の振動の共
振周波数のみを他方の共振周波数に合わせて制御し得る
。

続いて、この実施例による定在波型超音波モータの駆動
装置での別個としての共振周波数調節手段を用いた構成
、および動作の詳細を第６図、ないし第８図について述
べる。

第６図は当該周波数調節手段の一例を適用した定在波型
超音波モータの駆動装置の概要を示す構成図であり、ま
た、第７図、および第８図は同上装置の周波数調節手段
の等価回路、および共振周波数とインダクタンスとの関
係を示すそれぞれに説明図である。

この第６図実施例構成におい°Ｃは、前記超音波振動子
１１に励振されるほぼ直交する２方向振動のうち、一方
の振動、この場合には、例えば、縦振動の共振周波数を
制御するための周波数調節手段として、当該超音波振動
子１１の縦振動の節部に対し、制御用圧電素子６０を付
設させると共に、可変インダクタンスコイル６１を介し
てこれを前記演算回路５１に接続させたものであり、一
方、当該可変インダクタンスコイル６１のインダクタン
ス値については、演算回路５１によって制御可能にされ
ている。

こＳで、前記制御用圧電素子６０と可変インダクタンス
コイル６１の等価回路は、第７図のように表わすことが
できる。すなわち、制御用圧電素子６０は、コンデンサ
Ｃ１，力係数をパラメータとする四端子定数Ｍ、および
コンデンサＣ２のそれぞれによって表わされ、これに可
変インダクタンスコイル６１が並列に接続されている。

また、この場合、前記制御用圧電素子６０は、超音波振
動子１１の縦振動の節部に付設されているために、縦振
動の共振周波数のみを制御できるものであって、その実
測結果を第８図に示しており、これは、共振周波数と可
変インダクタンスコイル６１との相関を表わしている。

つまり、この場合には、可変インダクタンスコイル６１
と制御用圧電素子６０のコンデンサＣ７とか、並列反共
振を起こすにつれて、当該制御用圧電素子６０の弾性が
大きくなる。

そして、前記超音波振動子１１に励振される縦振動と曲
げ振動との各共振周波数は、予め、各々独立に前記した
第５図に示すような温度依存性が測定されている。因っ
て、この場合、前記熱電対５０によって検出される超音
波振動子１１の温度上昇対応に、共振周波数差が増加す
ることになるが、このとき、前記演算回路５１からは、
可変インダクタンスコイル６１のインダクタンスを変化
させるように信号出力がなされ、この結果、前記各振動
のうち、縦振動の共振周波数のみを変化させることにな
るもので、こ＼では、これらの複数振動の各共振周波数
を常に一致させておくことができるのである。

なお、前記実施例においては、超音波振動子の温度検出
手段として、熱電対を用いる場合を例にして述べたが、
これのみに限定されるものではなく、その他にも、例え
ば、内部抵抗の温度依存性を有する半導体素子を用いる
など９種々の手段が考えられる。

また、前記実施例においては、超音波振動子の弾性体と
して、角柱型の複合共振器を例にして説明したが、これ
のみに限定されるものではなく、例えば、平板状９円板
状２円環状１円筒状などの種々の形状を有する同様な共
振器を用いることも可能であり、かつまた、実施例では
、弾性体の励振源として圧電体を用いているが、電気エ
ネルギを機械エネルギに変換し得るその他の素子１例え
ば、磁歪素子などを用いることができ、かつその形状に
ついても、平板状以外に、円板状、積層状などの種々の
形状が考えられる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、この発明によれば、相互にほぼ直
交する方向の少なくとも２つの振動が励振される超音波
振動子を有し、当該超音波振動子を位相の異なる各別の
周波数信号によって共振振動させるようにした定在波型
超音波モータの駆動装置において、超音波振動子の温度
を検出して、当該検出温度に対応した信号を出力する温
度検出手段と、温度検出手段の検出信号に対応して、超
音波振動子への各周波数信号入力を制御する周波数制御
手段とを備えて構成したから、温度検出手段によって超
音波振動子の温度を検出し、検出温度に対応する信号出
力を用いることで、周波数制御手段により超音波振動子
への各周波数信号入力を制御できるもので、この結果、
超音波振動子の温度上昇に起因する超音波モータの駆動
速度、駆動効率の低下を効塁的かつ良好に防止し得るの
であり、また、超音波振動子に励振される２方向の振動
のうち、少な（とも一方の共振周波数信号を他方の共振
周波数信号に一致させるように制御する共振周波数調節
手段を備えて構成したので、温度上昇に起因する共振周
波数の変化に対応して、周波数調節手段によって２方向
の各振動のうち。

少なくとも一方の共振周波数信号を他方の共振周波数信
号に一致させるさせことができ、これによって−層、効
果的な駆動を行なわせ得るなどの優れた特長がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に適用する定在波型超音波モータの概
要構成を模式的に示す平面図であり、第２図（ａ）ない
しくｄ）は同上定在波型超音波モータにおける超音波振
動子の動作を各段階毎に示す動作説明図、第３図は同上
複合振動子の圧電体に印加させる入力駆動信号の電圧波
形を示す説明図である。また、第４図はこの実施例による定在波型超音波モータ
の駆動装置の概要を示す構成図、第５図は同上駆動装置
における共振周波数と温度との関係を示す説明図であり
、第６図は同上周波数調節手段の一例を適用した定在波
型超音波モータの駆動装置の概要を示す構成図、第７図
、および第８図は同上装置の周波数調節手段の等価回路
、および共振周波数とインダクタンスとの関係を示すそ
れぞれに説明図である。１１・・・・複合振動子、　２１・・・・弾性体、２２
および２３ａ、　２３ｂ・・・・第１および第２圧電体
、２４ａ、　２４ｂ・・・・固定ボルト、２５ａ、２５
ｂ　＝　＝基台、２６および２７ａ、２７ｂ　−−−−電極、３０・・・
・超音波モータ、３２・・・・駆動子、３４・・・・レ
ール部、　　４０・・・・駆動回路、４１・・・・発振
器、　　　４２・・・・移相器、４３ａ、４３ｂ　＝　
＝アンプ、５０・・・・熱電対（温度検出手段）、５１・・・・演
算回路（周波数制御手段）、６０、６１・・・・制御用
圧電素子、可変インダクタンスコイル（周波数調節手段
）。特許出願人　　　ブラザー工業株式会社代理人弁理士　
　舘　　野　　公　　−第１図第３図第２図（Ｑ）（ｂ）／／　　　　　　　　　ｌ−−諷（Ｃ）（ｄ）第４図１４５図超音波振動子の温度Ｔ第６図６１　　　　　印稟８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）相互にほぼ直交する方向の少なくとも２つの振動
が励振される超音波振動子を有し、当該超音波振動子を位相の異なる各別の周波数信号によ
って共振振動させるようにした定在波型超音波モータの
駆動装置において、前記超音波振動子の温度を検出し、当該検出温度に対応
した信号を出力する温度検出手段と、前記温度検出手段
の検出信号に対応して、前記超音波振動子への各周波数
信号入力を制御する周波数制御手段とを、少なくとも備えて構成したことを特徴とする定在波型超
音波モータの駆動装置。
（２）請求項１記載の定在波型超音波モータの駆動装置
において、前記２方向の振動のうち，少なくとも一方の共振周波数
信号を他方の共振周波数信号に一致させるように制御す
る共振周波数調節手段を備えて構成したことを特徴とする定在波型超音波モータの駆動装置。