JPH01174281A - 振動波モータ - 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、電磁力によらないで、機械的動力を発生する
超音波モータに関するもので、とくに、カメラ等の小型
のポータプル機器に搭載するのに好適な小型にして、か
つ、軽量な超音波モータに関するものである。

［従来の技術］ 広義のモータである回転動力発生機には、動力発生原理
によって種々のものが知られているが、電磁力を利用し
て機械的回転力を発生させる電気モータが、最も小型で
実用性が高いため、該モータが狭義のモータとして知ら
れている。

この電気モータは、近年の技術進歩によって非常に小型
化できるようになったため、カメラを初めとして種々の
小型のポータプル機器にも、小型の電気モータが搭載さ
れ、該モータが該機器の性能の向上に寄与している。

しかしながら、カメラ等に搭載されている小型の電気モ
ータは、高速回転はできるが、低速回転で大トルクを発
生することができないので、減速機構が必要であり、し
たがって、その減速機構のために該モータと該減速機構
とを含めた動力発生装置の体積が、かなり大きくなって
しまうという欠点があった。このため、減速機構を必要
としないので、低速での大トルクを発生することができ
て、しかも、小型で、かつ、軽量のモータの開発が望ま
れていた。

このような事情を背景として、近年、電気−機械エネル
ギー変換素子を動力発生源として利用しようとする試み
が行なわれた結果、電気−機械エネルギー変換素子によ
って生ずる超音波振動を回転運動に変換させる形式の超
音波モータが、最近において、開発されている。

この公知の超音波モータは、円環形のステータと円環形
のロータとを有しており、該ステータの端面に環状に接
着されている電気−機械エネルギー変換素子によって該
ステータに進行性の弾性表面波を発生させ、これにより
該ステータの端面に接している該ロータを回転させるよ
うに構成されている。

この公知の超音波モータは、低速で大トルクを発生する
ことができるので、減速機構が不要となり、したがって
、カメラ等のオートフォーカス用モータとして好適では
あるが、この公知の超音波モータでは、ステータに生じ
る振動が、該ステータを支持および加圧することにより
大きく減衰してしまい、振動減衰のないように該ステー
タを支持および加圧することが難かしいという問題点が
あった。

そこで、本出願人が、さきに出願した特願昭６１−２８
６２４２号の超音波モータでは、振動の節のはっきりし
ている定在波型の振動子を用いることによって、円環型
のステータよりも、かなり小さなモータとなり、また支
持による振動減衰が抑えられる特徴をもっている。

そして、従来の超音波モータにおけるステータへの給電
方法は、第２図に示すように、ステータ本体１の上下面
および両側面の中央部に加圧接着した４枚の電気−機械
エネルギー変換素子２　（Ａ）、２　（Ｂ）、２　（Ｃ
）、２　（Ｄ）のうち、対向した２枚の該変換素子２　
（Ａ）　、　２　（Ｃ）を１組とし、また該変換素子２
　（Ｂ）　、　２　（Ｄ）をもう１組として、その１組
にある周波数と振幅の交番電圧を加え、もう１組には該
交番電圧と位相差をもった別の交番電圧を加えることで
、ステータ本体１を励振させ、２方向のたわみ振動を起
こさせていた。

［発明が解決しようとする問題点コ 第２図で説明した従来の超音波モータの給電方法による
と、信号の流れは、発振器→（穆相器）−増幅器−電気
−機械エネルギー変換素子→スデータ本体というオーブ
ンループの形となり、ステータ本体１に何かの外乱が起
こった際に、たとえは、該ステータ本体１に移動体を強
く押しあてると、その押したてた方向の撮動の共振周波
数が増加するが、給電の周波数、交番電圧抛幅、該位相
差等は、なんら変化せずに給電を続けるため、最初に設
定した該ステータ本体１を最適に動かそうとする給電状
態よりはずれてしまい、該ステータ本体１と接触してい
る移動体の移動力および移動速度が小さくなったり、該
移動体が全く動かなくなってしまうこともあるという問
題点がある。その他、外乱としては、温度、湿度、加圧
力、負荷トルクなどもある。

またステータ本体１および電気−機械エネルギー変換素
子２　（Ａ）、２　（Ｂ）、２　（Ｃ）、２　（Ｄ）の
製作誤差、該ステータ本体１と該変換素子２（Ａ）、２
（Ｂ）　、　２　（Ｃ）　、　２　（Ｄ）との加圧接着
位置精度、接着層厚さのばらつき、材料定数のばらつき
、材質のばらつき等により、ステータ個々の特性も、か
なりばらついてくる。このばらつきにより、２方向振動
の周波数および振幅のばらつき、振動方向の傾き等がで
てくる。したがって、同じように給電しても、該ステー
タ本体１の振動がそれぞれ違ったものになるという問題
点がある。

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするもの
である。

［問題点を解決するための手段］ 移動体と、該移動体の移動方向に直角な方向に延在して
静止部材に仮止めされているとともに外周部周面を該移
動体の外周面または内周面あるいはその両面に近接させ
ている１本以上の振動棒とを備え、かつ、該移動体の移
動方向と直交する平面内で該振動棒の先端に回転運動を
生じさせる振動励起手段を該振動棒の２つ以上の側面に
設けた超音波モータにおいて、該振動棒のとなり合う２
つ以上の側面にそれぞれ取付けられた振動センサと、該
振動センサからの出力信号により前記振動励起手段に加
えられる信号を制御する制御回路とを有するものとした
。

［作　　用コ 本発明によれば、従来のようなオープンループ給電方式
ではなく、振動棒の振動状態を振動センサで検出し、外
乱や該振動棒の特性ばらつきに対しても、前記振動状態
が一定となるように、該センサからの信号をフィードバ
ックし、給電をクローズトループ的な制御系とすること
により、超音波モータとして安定した出力が得られる。

［実　施　例コ 第１図は本発明の第１実施例を示している。

第１図において、１は振動棒であるステータ本体で、こ
のステータ本体１は、第２図の切断線Ａ−Ａ”に沿う断
面で示されている。

また２　（Ａ）、２　（Ｂ）、２　（Ｃ）、２　（Ｄ）
は、該ステータ本体１の４側面にそれぞれ加圧接着され
た冨気−機械エネルギー変換素子で、このうち、該変換
素子２（Ａ）は前記ステータ本体１を垂直方向に励振さ
せるために設けられており、該変換素子２（Ｂ）は同じ
く水平方向に励振させるために設けられている。また該
変換素子２（Ｃ）は前記ステータ本体１の垂直方向の振
動を検出するための振動センサとして設けられており、
該変換素子２（Ｄ）は同じく水平方向の撮動を検出する
ための振動センサとして設けられている。そして、ステ
ータ本体１が振動している時の該変換素子２　（Ｃ）、
２　（Ｄ）のセンサ出力交番電圧の振幅は、ステータ本
体１の振動の振幅に比例する。

また３は前記変換素子２　（Ａ）　、　２　（Ｂ）に給
電する給電する交番電圧の素を発生する発振器、４は該
発振器３の交番電圧の位相差を変化させる移相器、５と
６は該発振器３または移相器４からの交番電圧の振幅を
増進するための増幅器（Ａ）　と増幅器（Ｂ）であり、
増幅された交番電圧はそれぞれ前記変換素子２　（八）
　、　２　（Ｂ）へ給電される。７は前記増幅器５（ま
たは増幅器６）の出力と振動センサとしての該変換素子
２（Ｃ）（または該変換素子２（Ｄ））の出力から垂直
方向振動（または水平方向振動）の共振点を求めて接続
された発振器３の発振周波数を制御する共振点追従回路
、８前記振動センサとしての該変換素子２（Ｃ）からの
人力によって垂直方向振動の振幅を知って可変抵抗１１
により設定された振幅になっているかを比較してその出
力により、接続された増幅器５を制御する振幅追従回路
（八）、９は水平方向振動に対して前記振幅追従回路８
と同様な働きをする振幅追従回路（Ｂ）　、　　１０は
振動センサとしての該変換素子２（Ｃ）　、　２　（Ｄ
Ｊから得られる２信号の位相差を検出して接続された移
相器４を制御する位相追従回路である。

第１図に示すような回路を有する超音波モータにおいて
は、動作原理については、従来の超音波モータと同様で
あるので、その原理についての説明は省略するが、第１
図および第３図により、動作を説明する。

ここで、第３図に示すような周波数特性を示すステータ
を考え、該ステータの撮動軌跡を円にすることを考える
。

第３図中、曲線Ａは該ステータの垂直方向振動の振幅を
表わし、曲線Ｂは水平方向振動の振幅を表わす。また曲
線Ｃ，Ｄはそれぞれ増幅器５．６とセンサとしての該変
換素子２（Ｃ）。

２（Ｄ）との位相差を示している。ここで、垂直方向と
水平方向の振動は、外乱により、共振周波数、振幅の大
きさ共に差がある。

まず、発振器３からある周波数の交番電圧を発生させ、
該交番電圧は、移相器４、増幅器（八）５、増幅器（Ｂ
）６を介してステータ本体１を駆動する該変換素子２　
（Ａ）　、　２　（Ｂ）へ人力され、ステータ本体１は
２方向たわみ振動を始める。この振幅により、振動セン
サとしての該変換素子２（Ｃ）は垂直方向の振動を交番
電圧として出力し、その信号と増幅器（八）５の出力と
が共振点追従回路７へ人力される。垂直方向の共振点で
は、該変換素子２（Ａ）に加えられる交番電圧に対し、
センサとしての該変換素子２（Ｃ）の出力の交番電圧の
位相が９０’遅れるので、第３図の曲線Ｃと一９０°の
線との交点の周波数が共振周波数であり、共振点追従回
路７では、この共振周波数を求め、接続された発振器３
に該共振周波数で発振するように制御をする。そして、
振動軌跡を円にするために垂直方向と水平方向の振動の
振幅を合わせる必要がある。まず、求めたい振幅の値を
可変抵抗１１゜１２により、ボリューム設定しておき、
センサとしての該変換素子２　（Ｃ）　、　２　（［１
）の出力交番電圧の振幅が求めたいステータ本体１の垂
直方向と水平方向の振幅に見合うだけの振幅になるよう
に増幅器（Ａ）５と増幅器（Ｂ）６を制御する。

第３図の場合、水平方向の振幅を垂直方向の振幅に合わ
せるように可変抵抗１２によりボリュームを設定し、振
幅追従回路（Ｂ）９により増幅器（Ｂ）６が増幅率を上
げるように制御されている。その結果、曲線Ｂは曲線Ｂ
′のようになり、垂直方向振動の共振周波数上で両方向
振動振幅が等しくなっている。しかし、この時、センサ
としての該変換素子２　（［：）　、　２　（Ｄ）の出
力交番電圧の位相差は９０゛ではなく、傾いた円振動を
していることが多い。そのため、可変抵抗１３によりボ
リュームを９０°　とセットし、センサとしての該変換
素子２　（（：）　、　２　（Ｄ）の出力をみて、位相
差追従回路１０が働き、穆・和語４を制御し、センサと
しての該変換素子２（Ｃ）、２（Ｄ）の出力交番電圧の
位相差が９０°、すなわち、円振動となるようにしてい
る。

以上のように、共振点追従回路７、振幅追従回路（Ａ）
８、振幅追従回路（Ｂ）９、位相差追従回路１０の４回
路が、それぞれ単独で働くことで、ステータ本体１の振
動状態を保っていく。

なお振動形態は円に限らず、任意であり、可変抵抗１１
，１２．１３によって定めることができる。

前記４つの追従回路は、常時、追従しようとしており、
外乱の影響を受けにくく、またステータ本体１０個体差
による振動のばらつきも、これらの回路構成内で吸収し
てしまう特徴かある。

なお、前記共振点追従回路７は、増幅器（８）６の出力
とセンサとしての該変換素子２（Ｄ）の出力を人力とし
てもよく、その場合、水平方向振幅の共振点追従回路と
なる。

また上記第１実施例では、駆動用の電気−機械エネルギ
ー変換素子は２　（Ａ）　、　２　（Ｂ）の２枚であり
、第２図に示した従来のものの４枚に比較して半分にな
っているため、人力の入り方が半分になり、出力として
取出せる力も、はぼ半分になる。

そこで、駆動用の電気−機械エネルギー変換素子を従来
通り４枚とし、そのほかに、振動センサを取付けた例を
第４図と第５図に示す。

すなわち、第４図は本発明の第２実施例を示し、第５図
は本発明の第３実施例を示している。

第４図では、電気−機械エネルギー変換素子２　（Ａ）
、２　（Ｂ）、２　（Ｃ）、２　（Ｄ）を駆動用とし、
該変換素子２（八）、２（Ｂ）の両側に、振動の節ａ、
　ｂの支持の妨げにならない程度の垂直方向振動センサ
１４と水平方向振動センサ１５を貼っている。第４図の
ように、駆動用の該変換素子２　（Ａ）、２　（Ｂ）、
２　（Ｃ）、２　（Ｄ）があるので、従来のものと同じ
力を取出すことができ、第１図の回路を用いて振動を制
御することができる。

第５図では、垂直方向振動センサ１４と水平方向振動セ
ンサ１５の出力を大きく取るために、該センサ１４．１
５の面積を大きくし、スデータ本体１の振動の中で最も
曲率の大きい中央の位置に該センサ１４，１５を取付け
ている。この場合、該センサ１４，１５は前記変換素子
２　（Ａ）　、　２　（Ｂ）の上に絶縁板１６を介して
接着しである。このようにすることにより、第４図の場
合よりも大きなセンサ出力が得られ、制御回路中のセン
サ出力の増幅回路が不要となり、制御回路の構成が簡素
化される。

なお振動センサとして、電気−機械エネルギー変換素子
を用いないで、その代りに、ステータ本体の表面に圧電
物質を蒸着かつ分極して用いてもよく、そのようにすれ
ば、該変換素子の厚みが数μｍ程度となり、振動棒とし
ての大きさが、多少コンパクトにできる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、ステータである
振動棒のとなり合う２つ以上の側面のそれぞれに振動セ
ンサをつけ、該センサの出力信号をみることで、ステー
タの振動状態がわかり、該出力信号を制御回路によって
フィードバックすることにより、任意所望の振動形態を
外乱の影響なしに一定に保ち、またステータ等の個体差
による振動形態のばらつきを吸収して任意所望の該振動
形態を維持することができる。これにより、安定した振
動形態が得られ、すなわち、ステータに接触する移動体
から安定した機械的出力が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示した説明図、第２図は
従来の技術の一例を示した正面図、第３図はステータの
駆動周波数と振動振幅および位相差の関係を示した説明
図、第４図は本発明の第２実施例を示した説明図、第５
図は同じく第３実施例を示した説明図である。 １・・・ステータ本体 ２　（Ａ）、２　（Ｂ）、２　（Ｃ）、２　（Ｄ）　　
・・・電気−機械エネルギー変換素子 ３・・・発振器　　　　　４・・・移相器５．６・・・
増幅器　　　７・・・共振点追従回路８．９・・・振幅
追従回路 １０・・・位相差追従回路 １４．１５・・・振動センサ 第２図 第３図 駆剰彫皮牧

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　移動体と、該移動体の移動方向に直角な方向に延在し
   て静止部材に仮止めされているとともに外周部周面を該
   移動体の外周面および内周面の少なくとも一方の面に近
   接させている適数本の振動棒とを有し、かつ、該移動体
   の移動方向と直交する平面内で該振動棒の先端に回転運
   動を生じさせる振動励起手段を該振動棒の２つ以上の側
   面に設けた超音波モータにおいて、該振動棒のとなり合
   う２つ以上の側面のそれぞれに取付けられた振動センサ
   と、該振動センサからの出力信号により前記振動励起手
   段に加えられる信号を制御する制御回路とを有すること
   を特徴とする超音波モータ。