JPS62247773A - 振動波モータ装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は振動波モータの振動体駆動用印加電圧と振動セ
ンサ出力との位相差に基づく振動波モータの駆動方式に
関するものである。

〔発明の背景〕

進行性振動波を利用して移動体を摩擦駆動する振動波モ
ータは最近実用化されつつあり、その概要は下記のよう
なものである。

全周長が成る長さλの整数倍であるような弾性材料製の
リング状の振動板の片面に、周方向に配列された二群の
複数個の圧電素子を固着したものをステータとする。こ
れら圧電素子は各群内ではのずれがあるように配置され
ている。圧電素子の両群には夫々電極膜が施されている
。いずれかの一群のみに交流電圧を印加すれば、上記振
動板におきの点が腹の位置、また該層の位置間の中央点
が節の位置であるような曲げ振動の定在波（波長λ）が
該振動板の全周に亘って発生する。他の一群のみに交流
電圧を印加すれば、同様に定在波が生ずるが、その腹お
よび節の位置は前記定在波にじで且つ時間的位相差が７
の交流電圧を同時に印加すると両者の定在波の合成の結
果、振動板には周方向に進行する曲げ振動の進行波（波
長λ）が発生し、このとき、厚みを有する上記振動板の
他面上の各点は一種の楕円運動をする。よって、振動板
の該他面にロータとしてリング状移動体を加圧接触させ
ておけば、該移動体は振動板から周方向の摩擦力を受け
、回転駆動される。その回転方向は、両圧電素子群に印
加する交流電圧の位相差を正負に切換えることにより、
反転できる。以上がこの種の振動波モータの概要である
。

従来、この種の振動波モータは上記二群の圧電素子（こ
れを駆動用圧電素子という）の他に、前記リング状振動
板の一部分に振動センサとして電極付きの圧電素子を設
け、とのセンサ出力と駆動印加電圧（駆動用圧電素子へ
の印加電圧）との位相差を一定にする条件を満たす周波
数で駆動して振動板の振動状態を一定に保ち、モータ出
力を安定させる駆動方法がとられている。

上記のような駆動方法において、従来は、第３図に示す
ような電極配置となっていた。即ち、センサ電極Ｓを二
群（これを人相およびＢ相という）の駆動用電極Ａ、−
ＡｓおよびＢ１−Ｂ５のうちの１群（例えば第１図では
人相）と空間的に同位相の位置に設け、Ａ相印加電圧と
センサ出力との時間的位相差がある一定値を保つような
条件で駆動し、この場合１位相差は回転方向によらず常
に一定としていた。しかし、このように振動センサの電
極Ｓを一方の群の駆動用電極と空間的に同位相（第３図
の場合、人相電極と同相）の位置に設けると１人相駆動
の振動モードの共振周波数が、Ｂ相駆動の振動モードの
共振周波数より高くなってしまい１人相で駆動される定
在波とＢ相で駆動される定在波の振幅を一致させること
が困難となる。従ってＡ、Ｂ各相の定在波の合成である
進行波が乱れ、モータの駆動効率を損うことになる。

上記欠点を補うため、振動センサの位置をＡ。

Ｂ両相の駆動電極の中間の位置、あるいは、それと等価
の位置（人相による定在波の腹の位置とＢ相による定在
波の腹の位置との中間点、あるいは。

人相による定在波の節の位置とＢ相による定在波の節の
位置との中間点）とし、Ａ相駆動による振動モードとＢ
相駆動による振動モードの共振周波数を一致させる方法
も行われている。

しかし、この方法では、モータの回転方向によりモータ
の出力が変わるという欠点があった。即ちセンサ出力と
Ａ相駆動電圧との位相差を一定として駆動した場合１回
転方向によって、共振点ｆ］（ｌ：１） 近での１振動状態”が変わってしまうためである。

ことで”振動状態”とは各駆動圧電素子の電極間のアド
ミタンスのループ上の位置のことを言う。

第４図に示すように、駆動電極間のアドミタンスＹ＝Ｇ
＋ｊＢの周波数特性は共振点付近では、ループを描く。

点ｆが振動体の機械的共振点で、そのときのアドミタン
スがＹ、である。この場合、例えば、振動波モータの回
転方向が時計方向回り（ＣＷ）ではｆ！の”振動状態”
となり、振動波モータの回転方向が反時計方向回り（Ｃ
ＣＷ　）ではｆ３の１振動状態”となる。従って、振動
波モータの回転方向によシ振動体のアドミタンスがＹｌ
　、Ｙ。

と変わってしまい、定電圧（定電圧振幅）で駆動した場
合１回転方向で入力が変わシ出力もそれに応じて変化し
てしまう。

以上述べたように、従来の駆動方法では、Ａ相Ｂ相の振
幅バランスが悪くて効率が低くなるか、あるいは回転方
向による出力の差が大きいなどの欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明は、上述のように効率を損う、あるいは、回転方
向による出力差が太きい、という従来の振動波モータ駆
動方法の欠点を除去することを目的とする。

〔発明の概要〕

弾性材料製の振動板に二群の駆動用電気−機械にて且つ
電圧印加時の伸縮の極性が交互に逆であるように、配列
固着し、該駆動用電気−機械エネルギー変換素子区画の
二群に互に９０°の時間的位相差を有する交流電圧を夫
々印加することによって、該振動板に波長λの進行性振
動波を生ぜしめ、以て該振動板に加圧接触した移動体を
摩擦駆動するようにした振動波モータにおいて、上記駆
動用電気−機械エネルギー変換素子区画群間にて上記振
動板に振動検出用電気−機械エネルギー変換電子区画を
設け、駆動用電気−機械変換素子区画群に印加する交流
電圧と振動検出用電気−機械エネルギー変換素子区画の
検出電圧との位相差を、振動波モータの回転方向に応じ
てΔψだけ変化させることを特徴とする振動波モータの
駆動方式。

（但し、Δψ−２θ又はΔψ＝３６０°−２θであり、
θは、いずれか一群の最端部に位置する駆動用電気−機
械エネルギー変換素子区画の中央点と振動検出用電気−
機械エネルギー変換素子区画の中央点との間隔をｔとし
たとき θ＝７　Ｘ　３６０°で表わされる角度である。）〔発
明の実施例〕 第１図は本発明の実施例における振動板の駆動用電極と
センサ用重極の配置を示した平面図で、Ａｔ−Ａ、はＡ
相駆動電極で、Ｂｌ　〜ＢｓはＢ相駆動電極である。Ａ
ｌ　　＊　Ａｓ　　＊　Ａ５　　ｒ　Ｂｌ　　＊　ＢＳ
　＊Ｂ、の部分の圧電素子は同極性例えば十に分極処理
され、Ａ鵞　＋　Ａ４　　＋　Ｂｌ　　＋　８４の部分
の圧電素子はそれと逆の極性例えば−に分極処理されて
いる。Ｓは振動検出用電極で、この部分の圧電素子も十
又は−に分極処理されている。ａ′は振動板の反対側に
圧接された不図示のロータ（移動体）がロータ側から見
て時計方向（ＣＷ）に回るときのロータの回転方向を示
し、ａはそのときの振動板の波の進行方向を示す。ｂ′
およびｂ　ｉｔ同様に反時計方向（ＣｃＷ　）に回ると
きのロータの回転方向と波の進行方向を夫々示す。

第２図は第１図のセンサ電極付近の電極および振動体の
波の位置関係を示す図で、ＷＡ、　ＷＢは、それぞれＡ
相、Ｂ相による定住波の振幅分布を示す、ａおよびｂは
夫々ＣＷ回転およびＣＣｗ回転の場合の波の進行方向を
示す。θはＡ相電極Ａ５の中央点即ち入相による定在波
の腹の位置を原点としたときの空間的位相座標を示す。

この図では振動検出電極Ｓの位置がθ−３１５°であり
、この位置は人相による定在波の腹の位置とＢ相による
定在波の腹の位置の中間にあり、人相の振動モードとＢ
相の振動モードの共振点が振動検出電極Ｓの設置により
ずれることがない。これはθ＝１３５゜又は２２５°に
振動検出電極Ｓを設けた場合でも同様である。その他の
位置に振動検出電極Ｓを設けた場合には、人相、Ｂ相の
振動モードの共振点がずれて効率は多少低下するが、後
述するような駆動条件を満たせば、回転方向による出力
差は防ぐことができる。

第５図は機械的共振点、即ち、第４図のアドミタンスの
ループ上の点である周波数ｆで駆動する場合の人相駆動
電圧と振動検出電極Ｓの出力交流電圧との時間的位相関
係を人相駆動電圧ｖＡを基準として示した図である。第
５図（、）は撮動波モータの回転方向が時計回り（ＣＷ
）のときの位相関係でｖ８（１８ｏＯ）はθ−１８０°
の位置に駆動用電極Ａ１１と逆極性に分極処理された振
動検出電極Ｓがある場合（従来のもの）の振動検出電極
Ｓの出力交流電圧の位相を示す。ｖｓ（，８ｏｏ）はｖ
Ａに対し９０゜進んでいる。ｖＩＩ（！５１５ｏ）はθ
＝３１５°の位置に振動検出電極Ｓがある場合（本発明
実施例のもの）の振動検出電極Ｓの出力交流電圧の位相
を示す。振動波モータの回転方向が時計方向（ＣＷ）の
ときは第１図、第２図に示すように振動波の進行方向は
矢印ａであるため、ｖａ（５１５０）はＶａ　（＋ａｏ
’　）に対し１３５°の位相遅れがあシ、結局、ＶＡに
対し、４５゜遅れる。第５図（ｂ）はＣＣＷ駆動の場合
であり、ｖｍ　（１８０’）とｖＡの位相関係は変わら
ないが、第１図、第２図に示すように波の進行方向が矢
印すであるため、ｖ８（５，５ｏ）は、Ｖ　　　ｏに対
し１３５°進み、結、（１８０） 局ｖＡに対し１３５°遅れる。

以上の関係があるため、θ−３１５°の位置にセンサを
配置した場合、回転方向により同じ１振動状態″（この
場合、第４図のアドミタンスのループ上の点である周波
数ｆ　）とするためには、回転方向に志じて駆動電圧ｖ
Ａとセンサ出力ｖｓ（３＋ｓ’）　　との時間的位相関
係を一４５°と一１３５°に変えなければ々らない。こ
の場合この位相差変化量Δψは９００である。Δψの値
は“振動状態”にはよらない。

例えば第４図のｆｌの点で駆動したい場合でも、Δψ＝
９０°であれば、回転方向によらず第４図のアドミタン
スのループ上の点である周波数ｆ！の状態で駆動される
。しかし、センサ相の位置θがθ＝１３５°又はそれか
ら９０°おきの位置以外の位置のときはΔψも変えなけ
ればならない。この場合、Δψ−２０−３６０°の条件
を満たせば、回転方向により振動体のアドミタンスが変
わることがなく、常に第４図のアドミタンスのループ上
の点である周波数ｆｒ（すなわち振動波モータの機械的
共振点）で駆動することができる。

第６図は上述したように回転方向によって駆動電圧と振
動検出用電極Ｓの出力交流電圧との位相関係を一４５°
と一１３５°に変えるという駆動条件を満足させるだめ
の駆動回路の実施例である。第６図において、６，１８
．２４はコンパレータ、７．１２．１９は位相比較器（
ｐｃ　）、８，１３゜２０は抵抗、９．１４．２１はコ
ンデンサ、１０゜１５．２２は電圧制御発振器（Ｖ、Ｃ
，Ｏ，）、１１゜２３は増幅器、１６はｎ分周回路、１
７は１段シフトレジスタ、１７＆〜ｄは９段シフトレジ
スタ１７の出力端子、２５は回転方向切換用二連スイッ
チである。

振動検出用電極Ｓからの信号（Ｓ相信号）をコン・卆レ
ータ６により論理レベルに変換シ、エツジトリが型位相
比較器７に入力すると共に、エツジトリが型位相比較器
７には１段シフトレジスタの出力１７ｍ又は１７ｂを正
転逆転切換用二連スイッチ２５により入力する。エツジ
トリが型位相比較器７へのこれら二つの入力は同位相、
同周波数である。

エツジトリガ型位相比較器１２、積分用抵抗１３、積分
用コンデンサ１４、電圧制御型発振器１５、ｎ分周回路
を図示の如く接続することにより入相駆動周波数のｎ倍
の周波数の信号を作ることができ、これを９段シフトレ
ジスタ１７のクロック信号として入力する。また９段シ
フトレジスタ１７へのデータは、人相駆動用電圧をコン
ツヤレータ１８によシ入力する。

この様な回路構成により１人相駆動用電圧は振動検出用
電極ＳからのＳ相信号と１段シフトレジスタの出力端子
１７＆又は１７ｂからの信号とが同位相になるため、シ
フトレジスタ１７によりｓ相した分だけ位相がＳ相信号
に対してずれる。

ｎ＝８＋１６＋２４＋３２＋・・・の様に（３６０°／
４５°−８）、ｎを８の倍数にとれば、シフトレジスタ
１７の出力からは人相駆動電圧に対して４５゜刻みの位
相ずれを発生させることができる。Ｂ相駆動用電圧は二
連スイッチ２５を介して９段シフトレジスタ１７の出力
１７ｃ又は１７ｄから図示の回路構成によって与えられ
る。

第２図の実施例の場合には、第６図のシフトレジスタ１
７の出力端子１７ｍに一４５°、１７ｂに一１３５°、
１７ｅに一９０°、１７ｄに−２７００の位相ずれを持
つ出力を発生させ１回転方向切換えＳＷ２５を、ＣＷ駆
動のときは１７１と１７ｅに、また■Ｗ駆動のときは１
７ｂと１７ｄにつなぐようにするのである。

以上説明したような条件を満たすように位相差の設定、
切換えを行えば効率良く、回転方向による差もなく、駆
動できる。しかし実際は、前述の条件を厳密に満足させ
ることは困難である。第１図および第２図に示した前述
の実施例の場合のＡ相駆動電圧ｖＡとセンサ出力電圧ｖ
ｓ（３１５ｏ）の位相差と入力電力の関係を第７図に示
す。この図より、回転方向による入力差をなるべく少な
くするためには、ＣＷ駆動の場合上記位相差が一４５°
、またＣｃＷ駆動の場合」二足位相差が一１３５°のと
き電力カーブがピークを示すので、この付近に該位相差
を設定すれば、設定誤差に対し入力差が少なく、且つ、
低電圧で大きな入力即ち大きな出力が取り出せることに
なる。又、通常の実用上、回転方向による出力差１０％
程度が許されるとすると１位相差設定誤差の限界は±２
０°とするのがよい。

なお、以上の実施例では圧電素子を用いたが、他の電気
−機械エネルギー変換素子たとえば電歪素子を用いるこ
ともできる。

以上は実施例として１面外曲げ振動モードを利用する振
動波モータについて説明したが、本発明は伸縮モードあ
るいは面内曲げモード、さらにはリニアタイプの振動波
モータにも同様に適用可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば振動波モータの回
転方向によシ、振動検出用電極の出力交流電圧と駆動電
圧との位相差を切り換え、その切シ換え量を適切にする
ことによって、モータ回転方向による出力差がなくなる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の圧電素子の電極・母ターンを示
す図、 第２図は同実施例における振動センサの位置を表示する
位相座標軸およびＡ、Ｂ両相定在波を示す図、 第３図は従来の振動波モータの圧電素子の電極パターン
を示す図。 第４図は振動体の共振点付近のアドミタンス特係を示す
図、 第６図は本発明を実現するための駆動回路の構成図、 第７図は振動波モータの駆動電圧に対するセンサ出力の
位相差と入力電力の関係を示す図である。 Ａ１〜Ａ５・・・Ａ相電極。 Ｂｌ〜Ｂ５・・・Ｂ相電極、 Ｓ・・・振動検出電極、　　６，１８．２４・・・コン
パレータ、７．１２．１９・・・位相比較器。 １０．１５．２２・・・電圧制御発振器、１１．２３・
・・増幅器、　　１６・・・ｎ分周器、１７・・・１段
シフトレジスタ、 ２５・・・正転逆転切換えスイッチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 弾性材料製の振動板に二群の駆動用電気−機械エネルギ
   ー変換素子区画を、群内では等ピッチλ／２にて且つ電
   圧印加時の伸縮の極性が交互に逆であるように、而して
   群間にはλ／４の奇数倍のずれがあるように、配列固着
   し、該駆動用電気−機械エネルギー変換素子区画の二群
   に互に９０°の時間的位相差を有する交流電圧を夫々印
   加することによって、該振動板に波長λの進行性動波を
   生ぜしめ、以て該振動板に加圧接触した移動体を摩擦駆
   動するようにした振動波モータにおいて、上記駆動用電
   気−機械エネルギー変換素子区画群間にて上記振動板に
   振動検出用電気−機械エネルギー変換素子区画を設け、
   駆動用電気−機械変換素子区画群に印加する交流電圧と
   振動検出用電気−機械エネルギー変換素子区画の検出電
   圧との位相差を、振動波モータの回転方向に応じてΔψ
   だけ変化させることを特徴とする振動波モータの駆動方
   式。（但し、Δψ＝２θ又はΔψ＝３６０°−２θであ
   りθは、いずれか一群の最端部に位置する駆動用電気−
   機械エネルギー変換素子区画の中央点と振動検出用電気
   −機械エネルギー変換素子区画の中央点との間隔をｌと
   したとき θ＝ｌ／λ×３６０°で表わされる角度である。）