JPH0669300B2 - 超音波モ−タ装置 - Google Patents

超音波モ−タ装置

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JPH0669300B2
JPH0669300B2 JP60139440A JP13944085A JPH0669300B2 JP H0669300 B2 JPH0669300 B2 JP H0669300B2 JP 60139440 A JP60139440 A JP 60139440A JP 13944085 A JP13944085 A JP 13944085A JP H0669300 B2 JPH0669300 B2 JP H0669300B2
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JP
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ultrasonic motor
piezoelectric
frequency
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修 川崎
律夫 稲葉
晃 徳島
宏 大内
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/142—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. speed, torque, starting, stopping, reversing
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/16—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
    • H02N2/163—Motors with ring stator

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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
装置に関するものである。
従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いて超音波振動を励
振することにより、回転あるいは直線又は曲線運動をす
る超音波モータが発表され、構造が簡単、小型・軽量な
どの特徴から注目されている。
以下、図面を参照しながら超音波モータの従来の技術に
ついて説明を行う。
第3図は超音波モータの一例であり、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
材料のスライダで、5は弾性体であり、互いに貼合せら
れて動体6を構成している。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が励起され、これが進行
波となることにより、動体6が回転する。
第4図は第3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
に曲げ振動が9波長のるようにしてある。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
る電極群で、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の電極群とBの電極群とは
位置的に4分の1波長(=90度)の位相ずれがある。電
極群A、B内の隣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4図に示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A、Bは第4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の電極群AにV0・si
n(ωt)で表される電圧を印加すると(ただしV0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5図は第3図の超音波モータの一部分の斜視図であ
り、同図(a)は圧電体2に電圧を印加していない時で
あり、同図(b)は圧電体2に電圧を印加した時の様子
を示す。
第6図は動体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の電極群AにV0・sin(ω
t)、電極群BにV0・cos(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
曲げ振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=ξ0・cos(ωt−kx) ……(1) ただし ξ0:波の大きさの瞬時値 k:波数(=2π/λ) λ:波長 x:位置 で表せる。(1)式は ξ=ξ0・(cos(ωt)・cos(kx)+sin(ωt)・s
in(kx)) ……(2) と書き直せ、(2)式は進行波が時間的にπ/2だけ位
相のずれた波cos(ωt)とsin(ωt)、および位置的
にπ/2だけ位相のずれたcos(kx)とsin(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
振動の進行波を作れる。
また同図は駆動体のA点が進行波によって、長軸2w、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v=ωuの速度で運動する様子を示
している。即ち動体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、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。両者の間にすべりがある時は、速度が上記のvより
も小さくなる。上記に示した超音波モータの速度vは、 v=ωt∝ωξ0 ……(3) で表せ、駆動体3の曲げ振動の振幅瞬時値ξ0に比例す
る。そのため超音波モータの駆動は小さな電圧で大きな
電流が流れる駆動体3の共振周波数で駆動する。
発明が解決しようとする問題点 しかし、超音波モータの始動時と動作中では、第7図に
示すように駆動体3のアドミッタンスの周波数特性が異
なる。これは始動時では駆動体3は動体6と面と面で接
触しているが、動作中には第6図に示したように線状に
接触しているからである。第7図において、aは静止
時、および始動時の、そしてbは動作中の駆動体3のア
ドミッタンスの周波数特性である。また同図において、
fr1は動作時での共振周波数であり、fr2は始動時での
共振周波数である。つまり、始動時と動作時では最適駆
動周波数である共振周波数が変動する。故に従来のよう
に、始動時と動作中で同周波数で超音波モータを駆動し
たのでは、常に安定で効率の良い駆動はできない。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、常に効率の
良い、しかも安定な動作が可能な超音波モータ装置を提
筑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 本発明は上記問題点を解決するものであり、他励方式の
駆動回路では発振周波数が始動時と動作中とで変えられ
る発振器と、利得の変えられる増幅器のうちの、前記発
振器のみが、又は、双方とも有する。また、自励方式で
はその中心周波数が可変な周波数選択回路と利得が可変
な増幅器のうちの前記周波数選択回路のみが、双方とも
を有するものである。
作 用 他励方式,自励方式ともに、超音波モータの駆動周波数
を始動時および動作時の駆動体の共振周波数に一致させ
て、始動時と動作時のインピーダンスの変化を増幅器の
利得を変えて吸収する。また前記駆動周波数のみを常に
駆動周波数に一致させて、常に効率の良い、安定な動作
が行なえるようにしている。
実施例 以下図面を参照しながら本発明の一実施例について説明
する。第1図は本発明の超音波モータ装置の一実施例を
示すブロック図である。同図において、7は発振器で8
は増幅器である。発振器7の発振周波数は抵抗R1,R2お
よびコンデンサC1によって決まり、増幅器8の利得は抵
抗R3,R4,R5によって決まる。電源電圧Vccが印加される
と、バッファ9の入力に抵抗R6とコンデンサC2で決まる
充電電圧が印加され、電源電圧Vccが印加された直後は
バッファ9の出力はロジックレベルの“L"になり、充電
電圧がバッファ9のスレッシホールド電圧を越えると、
バッファ9の出力はロジックレベルの“H"になる。つま
り、超音波モータの始動時には発振器7の発振周波数f
rは ただしKは定数 で決まり、発振周波数frを第7図のfr2に等しくして
おく。また増幅器8の利得Gは G=−R4/R3 ……(5) で決まる。発振器7の出力は増幅器8で超音波モータを
起動するに充分なレベルにまで増幅される。増幅後の信
号は一方は90゜移相器11に入力されて電力増幅器12に入
力される。また他方は直接電力増幅器13に入力される。
これら2つの90゜位相の異なる駆動信号は超音波モータ
の駆動体3の圧電セラミック2に印加され、安定に超音
波モータが起動される。
起動直後、バッファ9の出力は“H"になり、アナログス
イッチ10は両方とも閉じる。これにより発振器7の発振
周波数frは 2に印加される駆動信号をトランス16で抜き出し、バッ
ファ15を通した後に所定の周波数範囲のみを通過させる
ことにより、発振周波数を駆動体3の共振周波数に一致
させる役目を果たす。このバンドパスフィルタがないと
すると、発振条件さえ満たせば、どの周波数でも発振す
るので、注目のモード以外でも発振してしまう。
起動時には、インバータ18の入力はそのスレッシホール
ド電圧まで達していないので、その出力は“H"となりア
ナログスイッチ17は双方とも閉じられる。この時のバン
ドパスフィルタの特性は ただしArは増幅率,frは中心周波数,Qはフィルタの選
択度 で表わされる。上記の中心周波数frを第7図のfr2に
等しくして、抵抗R7,R8,R10,R11を(9)式より増幅器
の利得を決めて、(8),(9)式よりfr=fr2とな
るようにQを決める。
次にインバータ18の入力は抵抗R12を介じてコンデンサC
4が電源電圧Vccから充電されているのでスレッシホー
ルド電圧を越える。その時より出力は“L"となり、アナ
ログスイッチ17は双方ともに開き、バンドパスフィルタ
の特性は により決まる。前述と同様に中心周波数frを第7図の
fr1に等しくし、利得Ar,選択度Qを抵抗R7,R10によ
り決める。
バンドパスフィルタを通過した信号は増幅器19により一
定量だけ増幅されて、90゜移相器9,電力増幅器10,11に
より、超音波モータの駆動信号になる。
上記に述べたように、起動時にも動作中にも第2図の実
施例は駆動体3の共振周波数で超音波モータを駆動し、
インピーダンスの変化を利得を調節することにより吸収
しているので安定な自励駆動装置となる。
本実施例では始動時と動作中で駆動周波数と駆動電圧の
両方とも変えたが、駆動周波数を変えるだけでも十分な
効果がある。
発明の効果 以上述べてきたように、本発明によれば超音波モータの
始動時にも動作中にも、常に効率の良い、そして安定し
た駆動ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の超音波モータ装置のブロッ
ク図、第2図は本発明の別の実施例の超音波モータ装置
のブロック図、第3図は超音波モータの断面図、第4図
は超音波モータ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5図超音波モータの駆動体部の振動
状態を示すモデル図、第6図は超音波モータの原理の説
明図、第7図は超音波モータの駆動体のインピーダンス
の周波数特性図である。 7……発振器、8……演算増幅器、9……バッファ、10
……アナログスイッチ、11……90度移相器、12,13……
電力増幅器、14……演算増幅器、15……バッファ、16…
…トランス、17……アナログスイッチ、18……インバー
タ、19……増幅器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大内 宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−22480(JP,A)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】弾性体と圧電体を結合して圧電駆動体を構
    成し、上記圧電駆動体の上記圧電に交流電圧を印加する
    ことにより、上記圧電駆動体に弾性振動を励振し、上記
    弾性体に接触して設置された動体を移動させる超音波モ
    ータであって、 始動時と通常動作時で発振周波数が変わる発振器と、始
    動時と通常動作時を判別し上記発振器の周波数を変える
    制御を行う制御器からなる他励駆動回路を有することを
    特徴とする超音波モータ装置。
  2. 【請求項2】更に、始動時と通常動作時で利得の変えら
    れる増幅器を具備した特許請求の範囲第1項に記載の超
    音波モータ装置。
  3. 【請求項3】弾性体と圧電体を結合して圧電駆動体を構
    成し、上記圧電駆動体の上記圧電体に交流電圧を印加す
    ることにより、上記圧電駆動体に弾性振動を励振し、上
    記弾性体に接触して設置された動体を移動させる超音波
    モータであって、 始動時と通常動作時で中心周波数が変わる周波数選択回
    路と、始動時と通常動作時を判別し上記周波数選択回路
    の中心周波数を変える制御を行う制御器からなる自励駆
    動回路を有することを特徴とする超音波モータ装置。
  4. 【請求項4】更に、始動時と通常動作時で利得の変えら
    れる増幅器を具備した特許請求の範囲第3項に記載の超
    音波モータ装置。
JP60139440A 1985-06-26 1985-06-26 超音波モ−タ装置 Expired - Lifetime JPH0669300B2 (ja)

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JPS622868A JPS622868A (ja) 1987-01-08
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WO2025004730A1 (ja) 2023-06-30 2025-01-02 コニカミノルタ株式会社 塗膜形成方法

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