JPH07264882A

JPH07264882A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH07264882A
Application number: JP6051514A
Authority: JP
Inventors: Tadao Takagi; 忠雄高木; Takatoshi Ashizawa; 隆利芦沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 1995-10-13
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: JP3453838B2

Abstract

(57)【要約】【目的】縦振動モードと屈曲振動モードのような異な
るモードの振動を利用した場合であっても、安定した駆
動制御を行うことを可能にする。【構成】弾性体１１と、弾性体１１に結合される電気
機械変換素子１２，１３とを有し、前記電気機械変換素
子により前記弾性体に縦振動モードと屈曲振動モードと
を発生させ、それらの合成振動により生ずる楕円運動に
よって、相対運動部材との間で相対運動を生じさせる場
合に、縦振動モード（Ｌ１）と屈曲振動モード（Ｂ４）
の共振周波数（ｆ_L1，ｆ_B4）のうち、高い方の共振周波
数（ｆ_L1）よりも高い範囲で制御するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、縦振動モードと屈曲
振動モード等のような異なるモードの振動を利用して、
相対運動部材との間で相対運動を生じさせる超音波モー
タに関し、特に、その駆動制御方法を改良した超音波モ
ータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は、リニア型超音波モータの従来例
を示す図である。従来のリニア型超音波モータは、棒状
弾性体１０１の一端側に加振用の変成器１０２が配置さ
れ、他端側に制振用の変成器１０３が配置されている。
各変成器１０２，１０３には、振動子１０２ａ，１０３
ａが接合されている。加振用の振動子１０２ａに発振器
１０２ｂから交流電圧を印加して棒状弾性体１０１を振
動させ、この振動が棒状弾性体１０１を伝播することに
より進行波となる。この進行波により、棒状弾性体１０
１に加圧接触された移動体１０４が駆動される。

【０００３】一方、棒状弾性体１０１の振動は、制振用
の変成器１０３を通じて振動子１０３ａに伝えられ、こ
の振動子１０３ａによって振動エネルギーが電気エネル
ギーに変換される。この振動子１０３ａに接続された負
荷１０３ｂにより電気エネルギーを消費することにより
振動を吸収する。この制振用の変成器１０３により、棒
状弾性体１０１の端面の反射を抑制して、棒状弾性体１
０１の固有モードの定在波の発生を防いでいる。

【０００４】図５のリニア型超音波モータは、移動体１
０４の移動範囲だけ、棒状弾性体１０１の長さが必要で
あり、その棒状弾性体１０１の全体を加振しなければな
らず、装置が大型化するとともに、固有モードの定在波
の発生を防止するために、制振用の変成器１０３などが
必要となる、という問題があった。

【０００５】このような問題を解決するために、自走式
の超音波モータが種々提案されており、例えば、「第５
回電磁力関連のダイナミックスシンポジウム講演論文
集」の「２２２光ピックアップ移動を目的とした圧電
リニアモータ」に記載されている「異形縮退縦Ｌ１−屈
曲Ｂ４モード・平板モータ」が知られている。

【０００６】図６は、異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード
・平板モータの従来例を示す模式図であって、図６
（Ａ）は正面図、図６（Ｂ）は側面図、図６（Ｃ）は平
面図である。弾性体１は、矩形平板状の基礎部１ａと、
その基礎部１ａの一方の面に形成された突起部１ｂ，１
ｃとから構成されている。圧電素子２，３は、弾性体１
の基礎部１ａの他方の面に貼付され、縦振動Ｌ１モード
と屈曲振動Ｂ４モードを発生させる素子である。弾性体
１の突起部１ｂ，１ｃは、基礎部１ａに発生する屈曲振
動Ｂ４モードの腹の位置に設けられており、相対運動部
材（不図示）に加圧接触させられ、相対運動を行う。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した図６
のモータは、縦振動モードと屈曲振動モードのように、
２つのモードの振動が発生するので、同一の振動モード
を重ね合わせて進行性振動波を発生する従来の超音波モ
ータ駆動回路（例えば、特開昭６３−２０９４８２号な
ど）を使用したのでは、安定した駆動制御を行うことが
できなかった。具体的には、入力周波電圧の周波数を変
更して速度制御を行う場合に、その周波数の範囲の選択
のしかたによっては、負荷が変動したとき等に駆動でき
なくなる場合が発生する、という問題があった。

【０００８】本発明の目的は、前述の課題を解決し、縦
振動モードと屈曲振動モードのような異なるモードの振
動を利用した場合であっても、安定した駆動制御を行う
ことを可能にする超音波モータを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明による超音波モータの第１の解決手段は、第
１の振動モードと第２の振動モードとの異なるモードの
振動を利用して、相対運動部材との間で相対運動を生じ
させる超音波モータにおいて、前記第１又は第２の振動
モードの共振周波数のうち、高い方の共振周波数よりも
高い範囲で制御する駆動制御手段を設けたことを特徴と
している。

【００１０】第２の解決手段は、弾性体（１１）と、前
記弾性体に結合される電気機械変換素子（１２，１３）
とを有し、前記電気機械変換素子により前記弾性体に縦
振動モードと屈曲振動モードとを発生させ、それらの合
成振動により生ずる楕円運動によって、相対運動部材と
の間で相対運動を生じさせる超音波モータにおいて、前
記縦振動モード（Ｌ１）と前記屈曲振動モード（Ｂ４）
の共振周波数（ｆ_L1，ｆ_B4）のうち、高い方の共振周波
数（ｆ_L1）よりも高い範囲で制御する駆動制御手段を設
けたことを特徴としている。

【００１１】第３の解決手段は、第１又は第２の解決手
段の超音波モータにおいて、前記駆動制御手段は、起動
時に高い周波数から低い周波数に向かって、周波数を変
更することを特徴としている。

【００１２】第４の解決手段は、第１〜第３の解決手段
のいずれか１つの超音波モータにおいて、前記駆動制御
手段は、入力電圧とモニタ電圧の位相差に応じた検出位
相差信号を出力する位相差検出器（２６）と、目標出力
に相当する目標位相差信号を出力する目標位相差設定器
（２８）と、前記位相差検出器と前記目標位相差設定器
の出力を比較して、前記検出位相差信号が前記目標位相
差信号に近付くように制御する位相差制御器（２７）と
を含み、異なる振動モードの共振周波数の高い方の共振
点よりも高い範囲に、前記目標位相差信号を設定してあ
ることを特徴としている。

【００１３】

【作用】本発明によれば、第１のモードと第２のモード
の異なるモード、例えば、縦振動モードと屈曲振動モー
ド等の振動を利用して、相対運動部材との間に相対運動
を生じさせる場合に、異なる振動のうちで、高い方の共
振周波数よりも高い範囲で制御するようにしたので、負
荷の変動などにより駆動しなくなるようなことがなくな
り、常に安定した駆動をすることができる。

【００１４】

【実施例】以下、図面等を参照して、実施例につき、さ
らに詳細に説明する。図１は、本発明による超音波モー
タの実施例を示した模式図である。弾性体１１は、基礎
部１１ａと、２つの突起部１１ｂ，１１ｃとを有し、そ
の材質には、ステンレスやアルミニウム合金などの金属
又はプラスチック等が用いられる。この実施例では、弾
性体１１の厚さをｔ，長さをｈ，幅をｂとする。

【００１５】圧電素子１２〜１５は、弾性体１１の基礎
部１１ａの上面に接着されている。圧電素子１２，１３
は、縦振動Ｌ１モードと屈曲振動Ｂ４モードとを発生さ
せるための素子である。圧電素子１２，１３は、その表
面に電極１２ａ，１３ａが焼き付けられており、電極１
２ａを介して、圧電素子１２にＡ端子の電圧が印加さ
れ、電極１３ａを介して、圧電素子１３にＢ端子の電圧
が印加される。この実施例では、圧電素子１２，１３
は、図１（Ｃ）のように、厚み方向に分極されており、
分極方向は互いに同方向である。また、Ａ端子の電圧と
Ｂ端子の電圧とは、周波数が同一で、位相がπ／２だけ
ずれている。なお、２つの圧電素子１２，１３の分極は
互いに逆方向であってもよい。

【００１６】圧電素子１４は、その表面に電極１４ａが
焼き付けられており、この電極１４ａは、弾性体１１と
導電性の塗料１６によって電気的に接続されている。圧
電素子１２，１３は、電極１２ａ，１３ａの配置されて
いる面とは逆側の面が弾性体１１と電気的に同電位であ
り、その電位は、導電性の塗料１６、電極１４ａを経由
して、Ｇ端子に伝えられる。なお、圧電素子１４は、駆
動力の低下や駆動方向の性能差をなくすために、分極処
理を施さないことが好ましい。

【００１７】圧電素子１５は、その表面に電極１５ａが
焼き付けられている。弾性体１１の振動状態は、圧電素
子１５によって、電気信号に変換され、電極１５ａを介
してＰ端子に伝えられる。この電気信号には、４次の屈
曲振動モードの振動状態と、１次の縦振動モードの振動
状態との、異なる２つの振動モードが縮退された形で含
まれている。そして、弾性体１１の合成された振動振幅
にほぼ応じた大きさの信号が得られる。

【００１８】図２は、本発明による超音波モータの動作
を説明する図である。図２（Ａ）は、超音波モータに入
力される２相の高周波電圧Ａ，Ｂの時間的変化をｔ１〜
ｔ９で示している。図２（Ａ）の横軸は、高周波電圧の
実効値を示している。図２（Ｂ）は、超音波モータの断
面の変形の様子を示し、超音波モータに発生する屈曲振
動の時間的変化（ｔ１〜ｔ９）を示している。図２
（Ｃ）は、超音波モータの断面の変形の様子を示し、超
音波モータに発生する縦振動の時間的変化（ｔ１〜ｔ
９）を示している。図２（Ｄ）は、超音波モータの突起
部１１ｂ，１１ｃとに発生する楕円運動の時間的変化
（ｔ１〜ｔ９）を示している。

【００１９】次に、この実施例の超音波モータの動作
を、時間的変化（ｔ１〜ｔ９）ごとに説明する。時間ｔ
１において、図２（Ａ）に示すように、高周波電圧Ａは
正の電圧を発生し、同様に高周波電圧Ｂは同一の正の電
圧を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧
Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消し合い、質点Ｙ１
とＺ１とが振幅零となる。また、図２（Ｃ）に示すよう
に、高周波電圧Ａ，Ｂによる縦振動は伸張する方向に発
生する。質点Ｙ２とＺ２とは矢印で示されるように、節
Ｘを中心にして最大の伸長を示す。その結果、図２
（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点Ｙ１
とＹ２との運動の合成が質点Ｙの運動となり、また、質
点Ｚ１とＺ２との運動の合成が質点Ｚの運動となる。

【００２０】時間ｔ２において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ｂは零となり、高周波電圧Ａは正の電圧
を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ａに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１が正方向に振幅し、質
点Ｚ１が負方向に振幅する。また、図２（Ｃ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａによる縦振動が発生し、質点Ｙ２と
質点Ｚ２とが時間ｔ１のときよりも縮む。その結果、図
２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点Ｙ
とＺとが時間ｔ１のときよりも右回りに移動する。

【００２１】時間ｔ３において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図２（Ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ及びＢによる屈曲運動が合成されて
増幅され、質点Ｙ１が時間ｔ２のときよりも正方向に増
幅され、最大の正の振幅値を示す。質点Ｚ１が時間ｔ２
のときよりも負方向に増幅され、最大の負の振幅値を示
す。また、図２（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ及び
Ｂによる縦振動が互いに打ち消しあい、質点Ｙ２とＺ２
とが元の位置に戻る。その結果、図２（Ｄ）に示すよう
に、上記両振動が複合され、質点ＹとＺとが時間ｔ２の
ときよりも右回りに移動する。

【００２２】時間ｔ４において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは零となり、高周波電圧Ｂは負の電圧
を発生する。図２（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ｂに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１は時間ｔ３のときより
も振幅が低下し、質点Ｚ１時間ｔ３のときよりも振幅が
低下する。また、図２（Ｃ）に示すように、高周波電圧
Ｂによる縦振動が発生し、質点Ｙ２とＺ２が収縮する。
その結果、図２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合
され、質点ＹとＺとが時間ｔ３のときよりも右回りに移
動する。

【００２３】時間ｔ５において、図２（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは負の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図２（Ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消
し合い、質点Ｙ１とＺ１とが振幅零となる。また、図２
（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる縦振動は
収縮する方向に発生する。質点Ｙ２とＺ２とは矢印で示
されるように、節Ｘを中心にして最大の収縮を示す。そ
の結果、図２（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合さ
れ、質点ＹとＺとが時間ｔ４のときよりも右回りに移動
する。

【００２４】時間ｔ６〜ｔ９に変化するにしたがって、
上述の原理と同様に屈曲振動及び縦振動が発生し、その
結果、図２（Ｄ）に示すように、質点Ｙ及び質点Ｚが右
回りに移動し、楕円運動をする。以上の原理により、こ
の超音波モータは、突起部１１ａ，１１ｂの先端に楕円
運動を発生させ、駆動力を取り出す構成となっている。
従って、突起部１１ｂ，１１ｃの先端を相対運動部材
（不図示）に加圧すると、弾性体１１は、その相対運動
部材に対して自走する。

【００２５】図３は、本実施例による超音波モータの周
波数と振動振幅の関係を示した線図であり、横軸は周波
数、縦軸は振動振幅を表している。本実施例の超音波モ
ータは、１次の縦振動モードの共振周波数ｆ_L1が、４次
の屈曲振動モードの共振周波数ｆ_B4以上になるように構
成されている。その理由は、以下の通りである。

【００２６】超音波モータは、一般に、入力周波数を変
更して速度制御する。このときに、共振周波数よりも低
い周波数によって駆動すると、起動できなかったり、過
負荷時に駆動が停止してしまったりする現象が発生する
ことがある。従って、共振周波数以上で作動させる必要
がある。ところが、この実施例の超音波モータのよう
に、縦振動モードと屈曲振動モードの２種類の振動モー
ドの縮退を利用して駆動する原理のモータでは、速度に
対して支配的に寄与する縦振動モードを対象にして周波
数を変更し、速度制御を行うことが望ましいと考えられ
る。そのときに、屈曲振動モードがその共振周波数ｆ_B4
よりも低い周波数で駆動されることになると、屈曲振動
が停止してしまう可能性がある。そこで、この実施例で
は、１次の縦振動モードの共振周波数ｆ_L1は、４次の屈
曲振動モードの共振周波数ｆ_B4以上になるように構成し
た。これにより、入力周波数を１次の縦振動モードの共
振周波数ｆ_L1以上のどの範囲に設定しても、４次の屈曲
振動モードの共振周波数ｆ_B4以上よりも低くなることが
ないので、起動できなかったり、過負荷時に駆動が停止
してしまったりする現象が発生しなくなり、駆動が安定
する。

【００２７】ここで、１次の縦振動モードの共振周波数
ｆ_L1を、４次の屈曲振動モードの共振周波数ｆ_B4よりも
高くするためには、弾性体１１の厚さｔ（４次の屈曲振
動モードの振動方向）を薄目にすればよい。弾性体１１
の長さをｈ、縦弾性係数をＥ、密度をρとすると、１次
の縦振動モードの共振周波数ｆ_L1と４次の屈曲振動モー
ドの共振周波数ｆ_B4とは、概ねｆ_B4＝（１４．１３７／２πＬ²）・（Ｅ／ρ）^1/2・
（ｔ／１２^1/2）ｆ_L1＝（１／２Ｌ）・（Ｅ／ρ）^1/2 として表される。弾性体１１の厚さｔを薄目にすること
により、１次の縦振動モードの共振周波数ｆ_L1を、４次
の屈曲振動モードの共振周波数ｆ_B4よりも高くすること
ができる。なお、正確には、ＰＺＴ等の圧電材料や突起
部１１ｂ，１１ｃの影響も考慮して、共振周波数を求め
ることが望ましい。

【００２８】図４は、本実施例による超音波モータの駆
動回路を示すブロック図である。初期値発生手段２１
は、電源をオンにより超音波モータ１０の起動の指示が
されると、発振器２２に初期周波数を指示する。この初
期周波数は、１次の縦振動モードの共振周波数ｆ_L1より
も十分に大きい周波数であり、環境温度などの変化によ
って、１次の縦振動モードの共振周波数ｆ_L1が変化して
も、それを上回ることのない値になっている。

【００２９】発振器２２は、初期値発生手段２１から指
示された初期周波数を発振するものであり、その出力は
分岐して、一方の出力は、第１増幅器２３によって増幅
された後に、Ｂ層電圧として、圧電素子１３の電極１３
ａに入力される。また、分岐した他方の出力は、移相器
２４に接続されており、この移相器２４によって、Ｂ層
電圧とはπ／２だけ位相をずらしてＡ層電圧とした後
に、第２増幅器２５を介して、圧電素子１２の電極１２
ａに入力される。

【００３０】位相差回路２６は、第１増幅器２３からの
Ｂ層電圧と、圧電素子１５に接続されるＰ端子の出力が
入力されており、両電圧の位相差を求める回路であり、
その出力は、比較器２７に入力される。比較器２７は、
リファレンス位相差出力回路２８で設定されていたリフ
ァレンス位相差と、位相差回路２６の出力とを比較し
て、２つの位相差の差に相当する信号を、発振器２２に
出力する。発振器２２は、その位相差の差に相当する信
号が０になる方向に発信周波数を変更する。これによ
り、超音波モータの振動振幅が所定の大きさに保持され
る。

【００３１】リファレンス位相差出力回路２８は、その
リファレンス位相差が、図３に示した制御範囲内（≧ｆ
_L1）に対応した値に設定されているので、発振周波数
は、常に、１次の縦振動モードの共振周波数ｆ_L1以上に
なり、かつ、４次の屈曲振動モードの共振周波数ｆ_B4よ
りも、低くなることもないので、起動できなかったり、
過負荷時に駆動が停止してしまったりする現象が発生し
なくなり、駆動が安定する。

【００３２】なお、初期値発生手段１１から発振器１２
に初期周波数が指示されて起動すると、その直後は、初
期周波数から徐々に低い周波数に変更されることにな
る。

【００３３】以上説明した実施例に限定されず、種々の
変形や変更が可能であって、それらも本発明に含まれ
る。例えば、電気機械変換素子として、圧電素子の例で
説明したが、電歪素子であってもよい。また、異なる振
動モードとして、Ｌ１−Ｂ４モードの振動を例に説明し
たが、Ｌ１−Ｂ２，Ｌ１−Ｂ６，Ｌ２−Ｂ４などの他の
モードを使用するようにしてもよい。さらに、異なる振
動モードとして、縦振動と屈曲振動の例により説明した
が、縦振動と捩じり振動の２つの振動モードの場合で
も、同様に適用できる。さらにまた、３種類以上の振動
モードを使用する場合には、最も高い共振周波数よりも
高い範囲で制御するようにすればよい。なお、自走式の
例で説明したが、弾性体側を固定して、長尺ものの相対
運動部材を移動させるようにしてもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、異なるモードの振動を利用して、相対運動部材と
の間に相対運動を生じさせる場合に、異なる振動のうち
で、高い方の共振周波数よりも高い範囲で制御するよう
にしたので、負荷の変動などにより駆動しなくなるよう
なことがなくなり、常に安定した駆動をすることができ
る、という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波モータの実施例を示した模
式図である。

【図２】本実施例の超音波モータの駆動動作を説明する
図である。

【図３】本実施例による超音波モータの周波数と振動振
幅の関係を示す線図である。

【図４】本実施例による超音波モータの駆動回路を示す
ブロック図である。

【図５】リニア型超音波モータの従来例を示す図であ
る。

【図６】異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード・平板モータ
の一例を示す模式図である。

【符号の説明】

１１弾性体１２，１３，１４，１５圧電素子２１初期値発生手段２２発振器２３第１増幅器２４移相器２５第２増幅器２６位相差回路２７比較器２８リファレンス位相差出力回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の振動モードと第２の振動モードと
の異なるモードの振動を利用して、相対運動部材との間
で相対運動を生じさせる超音波モータにおいて、前記第１又は第２の振動モードの共振周波数のうち、高
い方の共振周波数よりも高い範囲で制御する駆動制御手
段を設けたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】弾性体と、前記弾性体に結合される電気機械変換素子とを有し、前記電気機械変換素子により前記弾性体に縦振動モード
と屈曲振動モードとを発生させ、それらの合成振動によ
り生ずる楕円運動によって、相対運動部材との間で相対
運動を生じさせる超音波モータにおいて、前記縦振動モードと前記屈曲振動モードの共振周波数の
うち、高い方の共振周波数よりも高い範囲で制御する駆
動制御手段を設けたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の超音波モ
ータにおいて、前記駆動制御手段は、起動時に高い周波数から低い周波
数に向かって、周波数を変更することを特徴とする超音
波モータ。
【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれか１項に記
載の超音波モータにおいて、前記駆動制御手段は、入力電圧とモニタ電圧の位相差に応じた検出位相差信号
を出力する位相差検出器と、目標出力に相当する目標位相差信号を出力する目標位相
差設定器と、前記位相差検出器と前記目標位相差設定器の出力を比較
して、前記検出位相差信号が前記目標位相差信号に近付
くように制御する位相差制御器と、を含み、前記目標位相差設定器は、異なる振動モードの共振周波
数の高い方の共振点よりも高い範囲に、前記目標位相差
信号を設定してあることを特徴とする超音波モータ。