JPS62239875A - 超音波振動子の駆動制御方法 - 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〕 本発明は超音波モータに適用して有用な超音波振動子の
駆動制御方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、軸方向に共振振動する縦型振動子に、軸方向振動
をねじり方向に変換する変換部材を一体に設け、得られ
た出力端部の楕円振動によるロータなどの回転体や移動
体との摩擦接触によって駆動する超音波モータが知られ
ている。

その−例として特公昭５９−３７６７２号公報に記載さ
れた超音波振動を利用した回転駆動装置を用いたものが
ある。この回転駆動装置は、ケーシング本体内に、単数
または複数の超音波振動子の一端面に設けられた振動板
と、回転軸の一端面とを対向配置し、両者間に回転軸の
軸方向に対して傾斜角度を有する振動片を回転軸または
振動板のいずれか一方と一体形成することにより、超音
波振動子の往復運動を回転軸の回転運動に変換すること
を特徴とするものであって、軸方向振動子の出力端部に
振動片を設け、ロータなどの可動部材の接合面の法線を
振動子の軸と僅かに傾斜させて加圧すると、振動片先端
部が楕円振動を生じてロータなど可動部材を摩擦駆動す
るようにしたものである。

また、第１５図に示すような超音波モータもある。この
超音波モータは、縦型振動子６０と、一方の面に幅の広
い溝６１を設け、他方の面に前記溝６１とある角度をも
って梁状突起６２を設けたねじり変換体６３を一体に締
着し、前記梁状突起６２の中央に設けられた雌ねじに螺
合するボルト６４とコイルばね６５によりロータ６６を
梁状突起６２に押圧させたもので、縦振動がねじり変換
体６３に加わると、該変換体６３は曲げ振動を生じ、そ
のたわみ角に応じて梁状突起６２はその両端で逆方向に
傾き、図中矢印の方向の楕円振動を発生するため、それ
に接するロータ６６は矢印６７のように時計方向に回転
するものである。

以上のように単一方向振動子の振動方向を変換体によっ
て複合振動に変換させるものに対して、軸方向及びねじ
り方向振動をそれぞれ個別に駆動して複合振動を発生さ
せる方法として、本出願人により出願された特開昭６１
−２８４８２号公報に開示された方法がある。即ち、こ
の発明は、ねじり振動子のノード部分に位置させて軸に
直角でその共振周波数をねじり共振周波数と同一に設定
した径方向又は長さ方向共振体とその駆動素子を一体的
に締着した振動子において、それぞれの振幅又は相対位
相、或いは振幅と相対位相を変えることにより出力端部
における合成複合振動の姿態を制御するもので、このよ
うな振動子をもって例えば超音波モータを構成したもの
として、同じく本出願人によって出願された特開昭６１
−３０９７２号公報に開示されたものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

然しながら、前記の振動片型や、第１５図に示した縦ね
じり変換型のものは、その出力端部の振動姿態である楕
円振動の楕円率がねじり変換体６３の形状によって一律
に決まってしまうものであり、摩擦駆動に最適な楕円率
への制御やその回転方向を制御することは不可能である
。即ち、いずれもロータの単一方向のみの駆動であり、
更に。

接触面の摩耗を少なく、最大トルクでの駆動を効率良く
行うために必要な楕円形状に制御できないものである。

さらに前記特開昭６１−２８４８２号公報及び特開昭６
１−３０９７２号公報に開示されたものにおいては、ね
じり方向と軸方向を個別に駆動できるため、それぞれの
振幅と相対位相を制御することにより多様な複合振動を
得ることができるが、ねじり振動子に対して径方向又は
長さ方向共振体の構成要素が大きくなり、従って振動子
或いはモータとして大型となる欠点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上述のような従来技術の問題点を解決すること
を目的としてなされたもので、その構成は、振動板の両
側面に電歪素子板を装着してなる超音波振動子において
、前記振動板の出力端面がその軸方向及びたわみ方向の
合成された複合振動をなすように、対となったそれぞれ
の電極に位相の反転したたわみ方向駆動電源と、それぞ
れに重畳させた軸方向駆動電源を印加することを主な特
徴とするもので、上記によりそれぞれの振幅又は相対位
相、もしくはそれぞれの振幅と相対位相を制御しようと
するものである。

〔作　用〕

上記手段により、振動板出力端面にねじり又は軸と直角
方向振動と、軸方向振動の合成された直線振動、円振動
及び楕円振動が任意の方向に発生させることができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図により説明する。

第１図に示すものは、金属などの弾性体からなる矩形状
振動板１の長さ方向中央部両面に、厚さ方向に分極され
その両面に電極の設けられた電歪素子板２及び３を導電
性接着剤などにより接着したものであり、電歪素子板２
の一方の電極４及び電歪素子板３の一方の電極５から半
田付けなどで接続されたリード端子６及び７が引き出さ
れ、それぞれの電歪素子板２及び３の他方の電極は振動
板１と電気的に接続されて共通リード端子８として取り
出される。

上記のように構成された超音波振動子は、そのリード端
子６及び７を並列に接続して共通リード端子８との間に
交流電圧を印加し、その周波数を振動板１の長さ方向共
振周波数に調節すると、従来良く知られているように、
振動板１の両端面９及び１０が矢印Ａのように最大変位
をもって軸方向に共振振動する。

一方、リード端子６及び７に印加する交流ｆ！注の位相
差を１８０度、即ち位相を反転させて、その周波数をた
わみ共振周波数に合わせると、振動板１の端面９及び１
０は第１図の矢印Ｂに示すように、たわみ方向即ち軸と
直角方向に直線状に振動する。

ここで、電歪素子板２及び３を含めて振動板１は、その
長さ方向共振周波数とたわみ共振周波数とが一致するよ
うに形成される。

第２図に、上記の超音波振動子を駆動する時の結線図を
示す。振動子の共通リード端子８は駆動電源１１のアー
ス側端に接続されアースされる。

リード端子６及び７は、それぞれトランス１２の二次コ
イル両端１３及び１４に接続され、又、センタータップ
１５は駆動電源１１に、さらに−次コイル１６は駆動電
源１７に接続されて一方がアースされる。

そこで、駆動電源１１と１７とを共振周波数を以て同相
で駆動すると、出力端部９の点Ｃの振動は、第３図に示
すように、軸方向振動２０とたわみ方向振動２１とは互
いに直角であるからその合成振動は直線２２となり、相
対位相を反転させて軸方向振動を点線２３とすると、そ
の合成振動は点線２４となってその振動方向は９０度変
化する。

又、相対位相を９０度とすると、合成振動は円振動２５
となり、進相或いは遅相によってその回転方向は反転す
る。さらにその相対振幅を変化させることにより楕円振
動に、又、相対振幅と相対位相の組み合せにより傾斜楕
円となるなど、正弦波振動を直角合成することにより、
従来より良く知られているように、多様な複合振動姿態
を作り出すことができる。

それらの振動姿態を第４図ないし第１０図に示す。まず
駆動電源１７の振幅をＯとして、駆動電源１１のみを駆
動すると、出力端部９の点Ｃの振動は第４図（ｄ）のよ
うに、軸方向に振動する。そこで駆動電源１７の駆動電
源１１に対する相対位相を９０度としてその振幅を増加
して行くと、同図（ｃ）から（ｂ）、更に（ａ）のよう
に横長楕円、円。

縦長楕円へとその振動姿態が変化して行く。又、相対位
相を一９０度とすると同図（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）のよ
うに回転方向を前記と反転させてその振動姿態が変化し
てゆく。

次に、駆動電源１１の振幅をＯとして、駆動電源１７の
みを印加すると、前記点Ｃは第５図（ｄ）のように軸と
直角方向にたわみ振動する。そこで駆動電源１１の゛振
幅を上げて行くと、その振幅と相対位相９０度の進相又
は遅相により同図（Ｃ）、（ｂ）、（ａ）或いは（ｅ）
、（ｆ）、（ｇ）のように楕円率と回転方向を変化させ
た振動姿態が得られる。

次に、駆動電源１１の振幅を一定として、駆動型ｇ１７
の位相を同相としたまま、その振幅を０から増加して行
くと、第６図（ａ）から（ｅ）のように、軸方向からそ
の傾斜角を変えながら振動振幅が増加して行く。又、開
駆動電源間の位相を反転させて、駆動電源１７の振幅を
０から増加させて行くと、第７図（、）から（ｅ）のよ
うに軸方向振動からその傾斜角を第６図とは反対に変え
ながら振動振幅が増加して行く。

次に、駆動電源１７のたわみ駆動信号を一定として、駆
動電源１１の軸方向駆動信号の位相を同相としたまま、
その振幅を０から増加して行くと、第８図（ａ）から（
ｅ）のように、たわみ方向振動からその傾斜角を変えな
がら振動振幅が増大して行く。

又、開駆動電源間の位相を反転させて、駆動電源１１の
振幅を０から増加して行くと、第９図（ａ）から（ｅ）
のように、たわみ方向振動からその傾斜角を反対に変え
ながら振動振幅が増加して行く。

次に、軸方向、たわみ方向振動振幅が同じとなるように
、それぞれ駆動電源１１及び１７を制御し、面駆動電源
の相対位相を０度とすると、第１０図（ｅ）のように、
軸にたいして４５度の傾斜直線振動が得られるが、その
相対位相の制御により傾斜楕円、円、反対傾斜楕円そし
て、反対傾斜直線が（ｄ）、（ｃ）、（ｂ）、（ａ）の
ように得られ、又、相対位相を反転すると、同様に（ｆ
）から（ｉ）のように回転方向の逆転した振動が得られ
る。

第１１図に示すものは、矩形状振動板３１の長さ方向中
央部に設けられた電歪素子板３２及び３３の外面側電極
を軸方向中心で電極３４及び３５と、電極３６及び３７
に分割し、それぞれの電極からリード端子３８，３９，
４０及び４１を、さらに振動板３１から共通リード端子
４２を導出した超音波振動子であって、そのリード端子
３９と４１．３８と４０即ち対角位置の電極同士をそれ
ぞれ並列に接続して第２図と同様に接続し、それぞれの
駆動電源１１及び１７を共振周波数に調節して相対位相
を９０度とすると、振動板３１の四隅の振動姿態は矢印
に示すように、幅方向両端ではその回転方向が反転した
楕円振動をなすのである。

その振動状態を理解しやすくするために示したものが第
１２図で、振動板３１の厚み方向最大変位状態を二点鎖
線で表わしている。即ち、ある半周期には中心軸に対し
て幅方向右半分が上向きに、同じく左半分が下向きに反
り返り、次の半周期には互いに逆向きに反転しながらそ
れと９０度の位相差をもって軸方向の伸縮を行っている
。但し、ここでは理解しやすく説明するために、第一次
のたわみ振動で例示したが、それは振動体の構成に依っ
て決まるものであり、高次のものであっても良い。

更に、第１３図は第１１図と同じ構成でリード端子の組
み合せを変えたものであり、リード端子３９と４０．３
８と４１をそれぞれ並列に接続し、第２図と同様にそれ
ぞれの駆動電源１１及び１７を共振周波数に調節して相
対位相を９０度とすると、上記と同様の原理により幅方
向両端は矢印のようにそれぞれの面で一様に楕円振動を
行う。

以上詳細に述べた原理説明により明らかなように、振動
板の軸方向端面における振動姿態は、軸方向及びたわみ
方向の複合振動である直線、円及び楕円とその回転方向
を、対となった電極にそれぞれ位相の反転したたわみ方
向駆動電源と、それに重畳させた軸方向駆動電源の、そ
れぞれの振幅又は相対位相、もしくはそれぞれの振幅と
相対位相により自由に制御できるのである。

従って、超音波振動子を上記のように構成し、振動板の
出力端面をロータなどの回転体や移動体に圧接させて、
上記の駆動方法により前記振動子を駆動するようにすれ
ば、その回転方向の制御や回転体等との最適な駆動条件
即ち、最大の摩擦係数と最小の摩耗で、最大のトルクを
もって駆動する楕円振動の形状の制御が可能となるので
ある。

因に、第１図に示した振動子を用い、本発明方法よりそ
れを駆動してリニアモータを構成する例について説明す
れば、次の通りである。

即ち、第１４図は第１図に示した超音波振動子における
振動板の出力側にＲ段部を設けてステップホーン形状の
振動体１を構成し、前記振動板１の出力端面９の振動姿
態を図中矢印のように制御して対向するレールＲの面に
押圧すると、超音波振動子は太矢印の方向に移動するの
である。

上記実施例においては、出力端部が一状に形成された振
動子について説明したが、たわみ共振にて振動を発生し
、出力端部において軸振動との合成振動として取り出す
振動板の両側面に電歪素子板を装着した振動子即ち、本
出願人によりすでに出願された特願昭６０−２７１６４
４号及び特願昭６０−２９３１１０号に記載された全て
の振動子についても同様に適用できる。

尚、本発明においてそれぞれの振幅又は相対位相、或い
はそれぞれの振幅と相対位相を制御する駆動電源は、従
来良く知られた定電圧駆動或いは定電流駆動のいずれに
ついても同様であることは勿論であり、定電圧駆動は並
列共振周波数にて、定電流駆動は直列共振周波数にてそ
れぞれ適用されるのが好ましい。従って駆動電源の振幅
或いは相対位相とは、駆動電圧又は駆動電流の振幅或い
は相対位相を意味するものである。

〔発明の効果〕

本発明は上述の通りであるから、超音波モータに使用す
る振動子の駆動制御方法として、極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法により駆動制御される超音波振動子
の一例の斜視図、第２図は前記振動子を駆動するときの
結線図、第３図は本発明方法の原理を説明するための図
、第４図乃至第１０図は本発明方法による振動子の振動
姿態を示す図、第１１図は本発明方法により駆動制御さ
れる超音波振動子の別個の斜視図、第１２図は第１１図
々示の振動子の振動状態の説明図、第１３図は第１１図
々示の振動子のリード端子の組み合せを変えた振動子の
斜視図、第１４図は第１図々示の超音波振動子を用い、
本発明方法により駆動してリニアモータを構成した例の
斜視図、第１５図は従来の超音波モータの一例の斜視図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　振動板の両側面に電歪素子板を装着してなる超音波
   振動子において、前記振動板の出力端面がその軸方向及
   びたわみ方向の合成された複合振動をなすように、対と
   なったそれぞれの電極に位相の反転した駆動電源と、そ
   れぞれに重畳させた駆動電源を印加することを特徴とす
   る超音波振動子の駆動制御方法。 ２　それぞれの駆動電源の振幅、又は相対位相、或いは
   振幅と相対位相を制御することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の超音波振動子の駆動制御方法。 ３　それぞれの駆動電源の相対位相を９０度とし、それ
   ぞれの振幅を制御することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の超音波振動子の駆動制御方法。 ４　振動板の両側面に電歪素子板を装着してなる超音波
   振動子において、前記振動板の出力端面がその軸方向及
   びたわみ方向の合成され幅方向両端部または軸方向両端
   部が互いに逆方向の複合振動をなすように、対となった
   それぞれの電極に位相の反転した駆動電源と、それぞれ
   に重畳させた駆動電源を印加することを特徴とする超音
   波振動子の駆動制御方法。 ５　それぞれの駆動電源の振幅、又は相対位相、或いは
   振幅と相対位相を制御することを特徴とする特許請求の
   範囲第４項記載の超音波振動子の駆動制御方法。 ６　それぞれの駆動電源の相対位相を９０度とし、それ
   ぞれの振幅を制御することを特徴とする第４項記載の超
   音波振動子の駆動制御方法。 ７　振動板の両側面に電歪素子板を装着してなる超音波
   振動子において、前記振動板の出力端面がその軸方向及
   びたわみ方向の合成された複合振動をなすように、対と
   なったそれぞれの電極に、トランスの二次コイルの両端
   を接続し、トランスの二次コイルの中点に軸方向駆動電
   源を、さらにトランスの一次コイルにたわみ方向駆動電
   源を印加することを特徴とする超音波振動子の駆動制御
   方法。 ８　それぞれの駆動電源振幅又は相対位相、或いは振幅
   と相対位相を制御することを特徴とする特許請求の範囲
   第７項記載の超音波振動子の駆動制御方法。 ９　それぞれの駆動電源の相対位相を９０度とし、それ
   ぞれの振幅を制御することを特徴とする特許請求の範囲
   第７項記載の超音波振動子の駆動制御方法。 １０　振動板の両側面に電歪素子板を装着してなる超音
   波振動子において、前記振動板の出力端面がその軸方向
   及びたわみ方向の合成され幅方向両端部または軸方向両
   端部が互いに逆方向の複合振動をなすように、対となっ
   たそれぞれの電極にトランスの二次コイルの両端を接続
   し、トランスの二次コイルの中点に軸方向駆動電源を、
   さらにトランスの一次コイルにたわみ方向駆動電源を印
   加することを特徴とする超音波振動子の駆動制御方法。 １１　それぞれの駆動電源の振幅、又は相対位相、或い
   は振幅と相対位相を制御することを特徴とす特許請求の
   範囲第１０項記載の超音波振動子の駆動制御方法。 １２　それぞれの駆動電源の相対位相を９０度とし、そ
   れぞれの振幅を制御することを特徴とする特許請求の範
   囲第１０項記載の超音波振動子の駆動制御方法。