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JPH0632569B2 - Ultrasonic motor driving method - Google Patents
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JPH0632569B2 - Ultrasonic motor driving method - Google Patents

Ultrasonic motor driving method

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Publication number
JPH0632569B2
JPH0632569B2 JP59155146A JP15514684A JPH0632569B2 JP H0632569 B2 JPH0632569 B2 JP H0632569B2 JP 59155146 A JP59155146 A JP 59155146A JP 15514684 A JP15514684 A JP 15514684A JP H0632569 B2 JPH0632569 B2 JP H0632569B2
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vibrating body
ultrasonic motor
moving body
vibration
surface roughness
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晃 徳島
修 川崎
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N2/16Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
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Landscapes

  • 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、圧電セラミックなどの圧電体を用いて振動体
に弾性振動を発生し、振動体に加圧接触して設置された
移動体を、この弾性振動を駆動力として移動させる超音
波モータの駆動方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial field of application) The present invention relates to a moving body that is installed by generating elastic vibration in a vibrating body using a piezoelectric body such as a piezoelectric ceramic and pressingly contacting the vibrating body. The present invention relates to a driving method of an ultrasonic motor that moves using this elastic vibration as a driving force.

(従来例の構成とその問題点) 以下、図面を参照しながら超音波モータの従来技術につ
いて説明を行う。
(Structure of Conventional Example and Problems Thereof) Hereinafter, a conventional technique of an ultrasonic motor will be described with reference to the drawings.

第5図はリング型超音波モータの切り欠き斜視図であ
る。同図において、1はリング面の一方に多数個の突起
体を形成したリング形の弾性基板であり、リング面の他
方に駆動用の圧電体としてリング形圧電セラミック2を
接着等の手段でともに結合して、リング形振動体3を構
成している。4は耐摩耗性材料の摩擦材、5は弾性体で
あり、互いに貼合せられて移動体6を構成している。移
動体6は摩擦材4を介して、ここでは図示していない
が、皿ばね等の加圧手段により振動体3と加圧接触して
設置される。
FIG. 5 is a cutaway perspective view of a ring type ultrasonic motor. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a ring-shaped elastic substrate having a large number of protrusions formed on one of the ring surfaces, and a ring-shaped piezoelectric ceramic 2 as a driving piezoelectric body is bonded to the other of the ring surfaces by means such as bonding. The ring-shaped vibrating body 3 is formed by coupling. Reference numeral 4 is a friction material made of a wear resistant material, and 5 is an elastic body, which are bonded to each other to form a moving body 6. Although not shown here, the moving body 6 is installed in pressure contact with the vibrating body 3 via a friction material 4, which is not shown here, by a pressing means such as a disc spring.

第6図は圧電セラミック2に形成される駆動電極の構造
例を示す図であり、振動体3に起こす弾性進行波の1/4
波長相当分だけ位置的にずれた2組の駆動電極Aと駆動
電極Bを形成している。ここで、駆動電極Aと駆動電極
Bは撓み振動を効率良く起こすように、それぞれ1/2波
長相当の長さを持つ小電極群から成っている。そして、
電極CとDは、それぞれ3/4波長と1/4波長相当の長さを
持ち、駆動電極AとBに1/4波長相当の位置的なずれを
作るために形成されている。従って、超音波モータの動
作に必要な駆動電極はAとBのみであり、電極CとDの
部分は電極を形成しなくてもよい。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the structure of the drive electrode formed on the piezoelectric ceramic 2, which is a quarter of the elastic traveling wave generated in the vibrating body 3.
Two sets of drive electrode A and drive electrode B are formed that are displaced in position by the wavelength equivalent. Here, the drive electrode A and the drive electrode B are each composed of a group of small electrodes each having a length corresponding to ½ wavelength so that flexural vibration can be efficiently generated. And
The electrodes C and D have lengths corresponding to 3/4 wavelength and 1/4 wavelength, respectively, and are formed to create a positional shift corresponding to 1/4 wavelength between the drive electrodes A and B. Therefore, the drive electrodes required for the operation of the ultrasonic motor are only A and B, and the electrodes C and D do not have to form electrodes.

駆動電極AとBに、それぞれ90度位相の異なる2つの
交流電圧を印加すると(例えばsin波とcos波)、
第7図に示すような撓み振動の進行波がそれぞれ振動体
3に励振される。ここで、第7図(a)は撓み振動の振
動姿態を示し、第7図(b)は径方向の変位分布を示し
ている。リング型超音波モータでは径方向1次で周方向
3次以上の撓み振動の進行波が振動体3に励振される。
移動体6は、この進行波の波頭の横方向成分により摩擦
駆動されて回転運動をする。
When two AC voltages having different phases of 90 degrees are applied to the drive electrodes A and B (for example, sin wave and cos wave),
Traveling waves of flexural vibration as shown in FIG. 7 are excited in the vibrating body 3, respectively. Here, FIG. 7 (a) shows the vibration mode of flexural vibration, and FIG. 7 (b) shows the displacement distribution in the radial direction. In the ring-type ultrasonic motor, a progressive wave of flexural vibration in the radial first order and the circumferential third order or higher is excited in the vibrating body 3.
The moving body 6 is frictionally driven by the lateral component of the wave front of the traveling wave to make a rotational movement.

第8図は別の従来例であるディスク型超音波モータの切
り欠き斜視図である。同図において、7はディスク面の
一方に多数個の突起体9aを形成したリング形の弾性基
板であり、圧電セラミック8を接着等の手段でともに結
合して、ディスク形振動体9を構成している。10は耐
摩耗性材料の摩擦材、11は弾性体であり、互いに貼合
せられて移動体12を構成している。移動体12は振動
体9と加圧接触して設置される。圧電セラミック8には
1/4波長相当分だけ位置的にずれた2組みの駆動電極A
と駆動電極Bが形成されている。
FIG. 8 is a cutaway perspective view of another conventional disk type ultrasonic motor. In the figure, 7 is a ring-shaped elastic substrate having a large number of protrusions 9a formed on one side of the disk, and the piezoelectric ceramics 8 are bonded together by means such as adhesion to form the disk-shaped vibrating body 9. ing. Reference numeral 10 is a friction material made of a wear-resistant material, and 11 is an elastic body, which are bonded to each other to form a moving body 12. The moving body 12 is installed in pressure contact with the vibrating body 9. For the piezoelectric ceramic 8
Two sets of drive electrodes A, which are positionally displaced by 1/4 wavelength
And a drive electrode B are formed.

第10図は上記のような構成の超音波モータを駆動させ
るための駆動回路のブロック構成図である。第10図に
おいて、101は出力発振周波数を印加電圧により可変
する制御端子Tを有する発振回路であり、超音波モータ
の駆動交流信号を出力する。発振回路101の出力信号
は2分割され、一方は移相回路102により所定の位相
(例えば90度)だけ移相してから電力増幅回路103
に入力される。もう一方の信号はそのまま電力増幅回路
104に入力され、それぞれ超音波モータを駆動するの
に十分なレベルに電力増幅された後、それぞれ超音波モ
ータの振動体の2つの駆動端子に入力される。超音波モ
ータの振動体には弾性進行波が励振され移動体は移動を
始める。超音波モータの振動体の一方に駆動端子には固
定抵抗素子107が接続され、振動体の振動振幅が駆動
端子に流れる電流に比例することを利用して、固定抵抗
素子107の両端電圧から振動検出回路105が振動体
の振動振幅を検出する。
FIG. 10 is a block diagram of a drive circuit for driving the ultrasonic motor having the above configuration. In FIG. 10, reference numeral 101 is an oscillator circuit having a control terminal T for changing the output oscillation frequency by an applied voltage, and outputs a drive AC signal for the ultrasonic motor. The output signal of the oscillation circuit 101 is divided into two, one of which is phase-shifted by the phase shift circuit 102 by a predetermined phase (for example, 90 degrees), and then the power amplification circuit 103.
Entered in. The other signal is input as it is to the power amplification circuit 104, is power-amplified to a level sufficient to drive each ultrasonic motor, and is then input to the two drive terminals of the vibrating body of each ultrasonic motor. An elastic traveling wave is excited in the vibrating body of the ultrasonic motor, and the moving body starts moving. The fixed resistance element 107 is connected to the drive terminal on one side of the vibrating body of the ultrasonic motor, and the fact that the vibration amplitude of the vibrating body is proportional to the current flowing through the drive terminal is used to vibrate from the voltage across the fixed resistance element 107. The detection circuit 105 detects the vibration amplitude of the vibrating body.

比較回路106は、設定値108と振動検出回路105
の出力である振動体の振動振幅値を比較して、この結果
を可変発振回路101の制御端子Tに入力する。
The comparison circuit 106 includes a set value 108 and a vibration detection circuit 105.
The vibration amplitude value of the vibrating body, which is the output of the above, is compared, and this result is input to the control terminal T of the variable oscillation circuit 101.

今、駆動電極AとBに、それぞれ90度位相の異なる2
つの交流電圧(例えばsin波とcos波)を印加する
と、第9図に示すような高次の撓み振動の進行波がそれ
ぞれ振動体9に励振される。ここで、第9図(a)は撓
み振動の振動姿態を示し、第9図(b)は径方向の変位
分布を示している。ディスク型超音波モータでは径方向
2次で周方向3次以上の撓み振動の進行波が振動体9に
励振される。移動体6は進行波の波頭の横方向成分によ
り摩擦駆動されて回転運動をし、回転軸13を介して出
力を取り出すことができる。
Now, the drive electrodes A and B have two 90 degrees different phases.
When two AC voltages (for example, sin wave and cos wave) are applied, traveling waves of high-order flexural vibration as shown in FIG. 9 are excited in the vibrating body 9, respectively. Here, FIG. 9A shows the vibration mode of flexural vibration, and FIG. 9B shows the displacement distribution in the radial direction. In the disk type ultrasonic motor, a progressive wave of flexural vibration in the radial second order and the circumferential third order or higher is excited in the vibrating body 9. The moving body 6 is frictionally driven by the lateral component of the wave front of the traveling wave to make a rotary motion, and an output can be taken out via the rotary shaft 13.

第11図は、超音波モータの振動体と、その表面に当接
する移動体との接触状況を描いたものであり、振動体の
表面の任意の点は弾性進行波により楕円運動をする。こ
の運動は表面波の場合にはよく知られたものであり(た
とえば御子柴宣夫著「音波物性」昭和48年三省堂社発
行を参照)、弾性体の表面上の1つの点Aに着目する
と、長軸2w、短軸2uの楕円上の軌跡を描いている。
ここで弾性進行波の周波数をとし、移動体が振動体の
楕円軌跡の頂点で接触すると、点Aはx軸の負の方向に V=2πu の速度を持つので、移動体は楕円軌跡により摩擦力を介
して波の進行と逆方向に速度Vで駆動される。このよう
に、超音波モータは振動体に進行波を発生させることに
より振動体表面に楕円軌跡を描かせて運動させ、当接す
る移動体を摩擦力により回転させる。この楕円軌跡の長
軸w方向の振幅は、最大でも数μm程度以下であり、ま
た短軸u方向の振幅も同様に最大でも周μm程度以下で
ある。
FIG. 11 illustrates a contact state between a vibrating body of an ultrasonic motor and a moving body that is in contact with the surface of the vibrating body. An arbitrary point on the surface of the vibrating body makes an elliptical motion due to an elastic traveling wave. This movement is well known in the case of surface waves (for example, see Nobuo Mikoshiba “Sonic Properties”, published by Sanseidosha in 1973), and if one point A on the surface of the elastic body is considered, The locus on the ellipse of the axis 2w and the minor axis 2u is drawn.
Letting the frequency of the elastic traveling wave be the contact point of the moving body at the apex of the elliptical locus of the vibrating body, point A has a velocity of V = 2πu in the negative direction of the x-axis. It is driven at a velocity V in the direction opposite to the traveling of the wave via force. As described above, the ultrasonic motor causes the vibrating body to generate a traveling wave to draw an elliptical locus on the surface of the vibrating body to move the vibrating body, and the frictional force causes the abutting moving body to rotate. The amplitude of this elliptical locus in the major axis w direction is about several μm or less at the maximum, and the amplitude in the minor axis u direction is also about μm or less at the maximum.

(発明が解決しようとする課題) 超音波モータが利用している弾性進行波の振幅は、最大
でも数μm程度以下であり、その極めて小さな振動振幅
を摩擦力を介して駆動力として安定に取り出すのは困難
であった。そして、超音波モータはトルクが大きく、応
答性に優れているという特徴を有するが、低速動作時の
安定性が悪いため実用化は困難とされていた。そして従
来は安定性を向上するために、超音波モータの振動体と
移動体の両方の接触面とも鏡面研磨していた。しかし、
移動体の接触面である摩擦材は通常プラスチツクから成
る複合マトリックスであるので鏡面研磨することが困難
であり、摩擦材を金属で構成しても振動体と移動体の両
方を鏡面研磨するのは製造コストが高くなるという課題
があった。従って、従来の実用化を目指した超音波モー
タは動作が不安定であり、特定の動作の実現のために正
確な制御をすることも困難であった。また駆動効率も1
0%程度以下と低いため駆動時には発熱が大きく信頼性
にも問題があった。
(Problem to be Solved by the Invention) The amplitude of the elastic traveling wave used by the ultrasonic motor is about several μm or less at the maximum, and the extremely small vibration amplitude is stably extracted as a driving force through frictional force. It was difficult. The ultrasonic motor has the characteristics of large torque and excellent responsiveness, but it has been difficult to put it into practical use because of its poor stability during low-speed operation. In the past, in order to improve stability, both the contact surfaces of the vibration body and the moving body of the ultrasonic motor were mirror-polished. But,
Since the friction material, which is the contact surface of the moving body, is usually a composite matrix made of plastic, it is difficult to polish the mirror surface, and even if the friction material is made of metal, it is difficult to polish both the vibrating body and the moving body. There is a problem that the manufacturing cost becomes high. Therefore, the operation of the conventional ultrasonic motor aiming at practical use is unstable, and it is difficult to perform accurate control for realizing a specific operation. Also, the driving efficiency is 1
Since it is as low as about 0% or less, heat is generated during driving and there is a problem in reliability.

(発明の目的) 本発明の目的は、上記の課題を解決するものであり、振
動体の弾性振動による駆動力を効率よく取り出すことに
より、低速時の動作を安定させると共に駆動効率を高
め、しかも製造コストを低減することができる実用的な
超音波モータの駆動方法を提供することにある。
(Object of the Invention) An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems. By efficiently extracting the driving force due to the elastic vibration of the vibrating body, the operation at low speed is stabilized and the driving efficiency is increased, and An object of the present invention is to provide a practical ultrasonic motor driving method capable of reducing the manufacturing cost.

(発明の構成) 本発明による超音波モータの駆動方法は、弾性体に圧電
体を貼り合わせて構成した振動体に弾性進行波を発生さ
せて、振動体上に接触して設置した移動体を移動させる
超音波モータにおいて、低速移動時における振動体に発
生する弾性進行波の振動変位が、振動体の移動体との接
触面の表面粗さの1.5倍以上であるように駆動するも
のである。
(Structure of the Invention) A method of driving an ultrasonic motor according to the present invention generates an elastic traveling wave in a vibrating body configured by laminating a piezoelectric body on an elastic body, and a moving body installed in contact with the vibrating body. An ultrasonic motor to be moved is driven so that the vibrational displacement of the elastic traveling wave generated in the vibrating body at low speed movement is 1.5 times or more the surface roughness of the contact surface of the vibrating body with the moving body. Is.

(実施例の説明) 本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。Description of Embodiments Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は、超音波モータの動作時における振動体と移動
体の接触状況を拡大して示したものである。第1図
(a)は、振動体に励振する弾性進行波の振幅が振動体
の接触表面の粗さよりも小さい時の、1波長相当分の範
囲の振動体と移動体の接触状況である。同図では、移動
体の接触面の表面粗さを8〜10μmに仕上げており、
振動体の接触表面の粗さを約1μmに仕上げている。そ
して、振動体に0.5μm程度の微小な振動振幅を発生
させている。同図からわかるように、移動体が振動体に
発生した弾性進行波の振動の山だけでなく谷にも接触し
ている。超音波モータでは、弾性進行波の振動の山と谷
では駆動力が逆方向に働くので、振動体の弾性進行波の
山と谷に同時に接触したのでは、駆動力を移動体に有効
に作用することができない。従って、このような条件で
実験した時には超音波モータの特性は不安定で、その効
率も低いものであった。
FIG. 1 is an enlarged view showing a contact state between a vibrating body and a moving body during operation of the ultrasonic motor. FIG. 1 (a) shows a contact state between the vibrating body and the moving body within a range corresponding to one wavelength when the amplitude of the elastic traveling wave excited on the vibrating body is smaller than the roughness of the contact surface of the vibrating body. In the figure, the surface roughness of the contact surface of the moving body is finished to 8 to 10 μm,
The roughness of the contact surface of the vibrator is finished to about 1 μm. Then, a minute vibration amplitude of about 0.5 μm is generated in the vibrating body. As can be seen from the figure, the moving body is in contact with not only the peaks but also the valleys of the vibration of the elastic traveling wave generated in the vibrating body. In an ultrasonic motor, the driving force acts in the opposite direction on the peaks and troughs of the vibration of the elastic traveling wave, so contacting the peaks and troughs of the elastic traveling wave of the vibrating body at the same time effectively applies the driving force to the moving body. Can not do it. Therefore, the characteristics of the ultrasonic motor were unstable and the efficiency thereof was low when the experiment was conducted under such conditions.

また、移動体の接触面に表面粗さを8〜10μmから約
1μmに仕上げ、振動体の接触表面の粗さを約1μmに
仕上げて、振動体に0.5μm程度の微小な振動振幅を
発生させた場合でも、同様に安定な特性を得ることはで
きなかった。
In addition, the contact surface of the moving body is finished with a surface roughness of 8 to 10 μm to about 1 μm, and the contact surface of the vibrating body is finished with a roughness of about 1 μm to generate a minute vibration amplitude of about 0.5 μm on the vibrating body. Even when it was made to be stable, similarly stable characteristics could not be obtained.

第1図(b)は、超音波モータの動作時における振動体
と移動体の接触状況を示したものである。同図では、移
動体の接触面の表面粗さを8〜10μmに仕上げてお
り、振動体の接触表面の粗さを約1μmに仕上げてい
る。そして、振動体に発生させる弾性進行波の振動振幅
を1.5〜2μm程度の振幅になるように駆動してい
る。この状態では、振動体に発生した弾性進行波の振動
の山近傍において移動体と振動体の接触が行われてお
り、移動体への力の作用方向が逆方向となる振幅の谷近
傍では接触点は少なくなっている。この結果、移動体の
接触面の表面粗さが粗くても、駆動効率の高い、しかも
安定した特性を実現することができた。なお、移動体の
接触面の表面粗さを、振動体の接触表面粗さと同様に約
1μmに仕上げた場合にも、振動体の振動振幅を1.5
〜2μm程度になるように駆動すれば、勿論、同様に安
定な特性を得ることができた。
FIG. 1 (b) shows a contact state between the vibrating body and the moving body during operation of the ultrasonic motor. In the figure, the surface roughness of the contact surface of the moving body is finished to 8 to 10 μm, and the surface roughness of the contact surface of the vibrating body is finished to about 1 μm. The elastic traveling wave generated in the vibrating body is driven so that the vibration amplitude is about 1.5 to 2 μm. In this state, the moving body and the vibrating body are in contact with each other in the vicinity of the peak of the vibration of the elastic traveling wave generated in the vibrating body, and in the vicinity of the valley of the amplitude in which the direction of the force acting on the moving body is the opposite direction. There are few points. As a result, even if the surface roughness of the contact surface of the moving body is rough, it is possible to realize stable characteristics with high driving efficiency. Even when the surface roughness of the contact surface of the moving body is finished to about 1 μm as in the case of the contact surface roughness of the vibrating body, the vibration amplitude of the vibrating body is 1.5
By driving so as to have a thickness of about 2 μm, of course, similarly stable characteristics could be obtained.

つまり、弾性進行波を駆動力とする超音波モータでは、
移動体の接触面の表面粗さはあまり特性に大きな影響を
及ぼすことなく、振動体の表面粗さに対する振動体に励
振する弾性進行波の振幅が大きな影響を及ぼすことがわ
かる。
In other words, in an ultrasonic motor that uses elastic traveling waves as the driving force,
It can be seen that the surface roughness of the contact surface of the moving body does not greatly affect the characteristics, and the amplitude of the elastic traveling wave excited in the vibrating body has a great influence on the surface roughness of the vibrating body.

第2図は、移動体および振動体の表面粗さを一定にし
て、振動体に発生させる振動振幅を大きくしていった時
に、移動体の走行速度が大きくなっていく様子を示した
ものである。ここで、横軸は振動体に励振する弾性進行
波の振動変位を振動体の表面粗さでわった値であり、縦
軸は同図の最高速度で規格化した移動体の走行速度であ
る。また、移動体の表面粗さは8〜10μm程度であ
り、振動体の表面粗さは約1μmである。超音波モータ
では、動作理論上より移動体の速度は振動体の振動の大
きさに比例する。従って、横軸に弾性進行波の振動変位
をとり、縦軸に移動体の走行速度をとれば、理論上は超
音波モータの特性は直線を示すことになる。しかし、実
際には第2図より、振動体に発生する振動振幅が振動体
の接触面の表面粗さの1.5倍以下では、振動体から移
動体への駆動力の伝達損失が大きく、走行速度が理論値
より小さくなり、そして振動体に発生する振動振幅が振
動体の接触面の表面粗さの1.5倍以上では、振動体か
ら移動体への駆動力の伝達が安定に、しかも効率よく行
われるので、走行速度が理論で説明している直線に近づ
いている。
FIG. 2 shows how the traveling speed of the moving body increases when the surface roughness of the moving body and the vibrating body is kept constant and the vibration amplitude generated in the vibrating body is increased. is there. Here, the horizontal axis is the value obtained by dividing the vibrational displacement of the elastic traveling wave excited in the vibrating body by the surface roughness of the vibrating body, and the vertical axis is the traveling speed of the moving body normalized by the maximum speed in the figure. . The surface roughness of the moving body is about 8 to 10 μm, and the surface roughness of the vibrating body is about 1 μm. In the ultrasonic motor, the speed of the moving body is proportional to the magnitude of vibration of the vibrating body according to the theory of operation. Therefore, if the horizontal axis represents the vibrational displacement of the elastic traveling wave and the vertical axis represents the traveling speed of the moving body, the characteristics of the ultrasonic motor theoretically show a straight line. However, in reality, as shown in FIG. 2, when the vibration amplitude generated in the vibrating body is less than 1.5 times the surface roughness of the contact surface of the vibrating body, the transmission loss of the driving force from the vibrating body to the moving body is large, When the traveling speed becomes lower than the theoretical value and the vibration amplitude generated in the vibrating body is 1.5 times or more the surface roughness of the contact surface of the vibrating body, the transmission of the driving force from the vibrating body to the moving body is stable, Moreover, since it is performed efficiently, the running speed approaches the straight line explained in theory.

つまり、振動体に励振する弾性進行波の振動変位の大き
さが、振動体の接触面の表面粗さの1.5倍以下では、
振動体は固定子の振動振幅の山や谷にも接触するため
に、移動体の速度は振動体の持つ最大駆動力を取り出す
ことはできず、移動体との接触点の速度の平均値に近い
低スピードになっている。そして、振動体に発生させる
弾性進行波の振動振幅の大きさが、振動体の表面粗さの
1.5倍程度以上では、振動体の弾性進行波による駆動
力は、効率よくしかも安定に移動体に伝えられる。
That is, when the magnitude of the vibration displacement of the elastic traveling wave excited on the vibrating body is 1.5 times or less the surface roughness of the contact surface of the vibrating body,
Since the vibrating body also contacts the peaks and troughs of the vibration amplitude of the stator, the moving body's velocity cannot extract the maximum driving force of the vibrating body, and the average value of the velocity at the contact point with the moving body is used. It is near low speed. When the magnitude of the vibration amplitude of the elastic traveling wave generated in the vibrating body is about 1.5 times the surface roughness of the vibrating body or more, the driving force by the elastic traveling wave of the vibrating body moves efficiently and stably. It is transmitted to the body.

第2図の特性例では、移動体の表面粗さは8〜10μm
程度であるが、移動体の表面粗さを変えても同様のこと
が実験で確認できた。また、第2図の特性例では振動体
の表面粗さは約1μmであるが、振動体の表面粗さを変
えても同様のことが実験で確認できた。このことは、超
音波モータの特性が移動体の接触表面の表面粗さにはあ
まり関係なく、振動体に発生させる振動振幅が、移動体
の接触面の表面粗さの1.5倍以上になるように超音波
モータを駆動することにより、超音波モータの駆動効率
を向上するとともに、その特性を安定させることができ
るという実用上極めて重要なことを見い出せたことを示
している。
In the characteristic example of FIG. 2, the surface roughness of the moving body is 8 to 10 μm.
It was confirmed that the same result was obtained by changing the surface roughness of the moving body. Further, in the characteristic example of FIG. 2, the surface roughness of the vibrating body is about 1 μm, but the same thing was confirmed by the experiment even if the surface roughness of the vibrating body was changed. This means that the characteristics of the ultrasonic motor have little relation to the surface roughness of the contact surface of the moving body, and the vibration amplitude generated in the vibrating body is 1.5 times or more the surface roughness of the contact surface of the moving body. By driving the ultrasonic motor as described above, it is possible to improve the driving efficiency of the ultrasonic motor and to stabilize its characteristics, which is extremely important for practical use.

第3図(a)は本発明の駆動方法を実現する駆動回路の
1実施例のブロック図を示している。同図において、2
0は出力発振周波数を印加電圧により可変できる制御端
子Tを有する発振回路であり、超音波モータの駆動交流
信号を出力する。発振回路20の出力信号は2分割さ
れ、一方は移相回路21により所定の位相(例えば90
度)だけ移相してから電力増幅回路22に入力される。
もう一方の信号はそのまま電力増幅回路23に入力さ
れ、それぞれ超音波モータを駆動するのに十分なレベル
に電力増幅された後、それぞれ超音波モータの振動体の
2つの駆動端子に入力される。超音波モータの振動体に
は弾性進行波が励振され、移動体は移動を始める。超音
波モータの振動体の一方の駆動端子には固定抵抗素子2
5が接続され、振動体の振動振幅が駆動端子に流れる電
流に比例することを利用して、固定抵抗素子25の両端
電圧から振動検出回路24が振動体の振動振幅を検出す
る。比較回路26は、振動体の表面粗さの1.5倍に相
当する振動振幅に基づいて予め定められた設定値27と
振動検出回路24の出力である振動体の振動振幅値を比
較して、この結果を可変発振回路20の制御端子Tに入
力する。
FIG. 3A shows a block diagram of one embodiment of a drive circuit for realizing the drive method of the present invention. In the figure, 2
Reference numeral 0 denotes an oscillator circuit having a control terminal T whose output oscillation frequency can be changed by an applied voltage, and outputs a drive AC signal for the ultrasonic motor. The output signal of the oscillator circuit 20 is divided into two, and one of them is divided into a predetermined phase (for example, 90
Phase) and then input to the power amplifier circuit 22.
The other signal is input as it is to the power amplification circuit 23, is power-amplified to a level sufficient to drive each ultrasonic motor, and is then input to two drive terminals of the vibrating body of each ultrasonic motor. An elastic traveling wave is excited in the vibrating body of the ultrasonic motor, and the moving body starts moving. A fixed resistance element 2 is provided on one drive terminal of the vibrator of the ultrasonic motor.
5 is connected and the vibration detection circuit 24 detects the vibration amplitude of the vibrating body from the voltage across the fixed resistance element 25 by utilizing the fact that the vibration amplitude of the vibrating body is proportional to the current flowing through the drive terminal. The comparison circuit 26 compares a preset value 27 based on the vibration amplitude corresponding to 1.5 times the surface roughness of the vibrating body with the vibration amplitude value of the vibrating body which is the output of the vibration detection circuit 24. The result is input to the control terminal T of the variable oscillator circuit 20.

第4図は第3図(a)の超音波モータの駆動回路の動作
を説明する特性図である。同図の横軸は超音波モータの
振動体の駆動周波数であり、縦軸は振動体の振動振幅で
ある。予め超音波モータの振動体の表面粗さを計測して
おいて、その値の1.5倍に相当する振動振幅値より大
きい値を設定値27として設定しておく。そして、第3
図(a)の駆動回路で、振動体の弾性進行波の振幅値が
設定値より小さくなった時には、比較回路26がこのこ
とを検出して、制御端子Tを介して超音波モータの駆動
周波数をシフトさせる。この制御により超音波モータの
振動体の振動振幅は振動体の表面粗さの1.5倍よりも
常に大きく保たれ、安定な動作と効率の向上を実現した
超音波モータを提供できる。なお第4図において、超音
波モータの駆動周波数は、動作が安定し高効率が得られ
るように、共振周波数よりも高く、振動体の振動振幅が
振動体の表面粗さの1.5倍よりも大きくなる周波数に
設定している。
FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining the operation of the drive circuit for the ultrasonic motor shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the drive frequency of the vibrating body of the ultrasonic motor, and the vertical axis represents the vibration amplitude of the vibrating body. The surface roughness of the vibration body of the ultrasonic motor is measured in advance, and a value larger than the vibration amplitude value corresponding to 1.5 times that value is set as the set value 27. And the third
When the amplitude value of the elastic traveling wave of the vibrating body becomes smaller than the set value in the drive circuit of FIG. 7A, the comparison circuit 26 detects this and drives the ultrasonic motor drive frequency through the control terminal T. Shift. By this control, the vibration amplitude of the vibrating body of the ultrasonic motor is always kept larger than 1.5 times the surface roughness of the vibrating body, and it is possible to provide an ultrasonic motor that realizes stable operation and improved efficiency. In FIG. 4, the driving frequency of the ultrasonic motor is higher than the resonance frequency and the vibration amplitude of the vibrating body is 1.5 times the surface roughness of the vibrating body in order to obtain stable operation and high efficiency. Is set to a frequency that also increases.

振動体の振幅値が設定値からずれた場合に、発振回路2
0の周波数を制御する代りに、第3図(b)に示したよ
うに、電力増幅回路22及び23を制御して振動体にか
かる電圧を変えても、振動体の振幅を制御することがで
きる。
When the amplitude value of the vibrating body deviates from the set value, the oscillation circuit 2
Instead of controlling the frequency of 0, the amplitude of the vibrating body can be controlled even if the voltage applied to the vibrating body is changed by controlling the power amplifying circuits 22 and 23 as shown in FIG. 3 (b). it can.

第4図おけるV1〜V5は、第3図(b)の回路で、電力
増幅回路22及び23を制御して振動体にかかる電圧を
変化させた場合の振動体の振動振幅の変化を示したもの
である。このように、振動体の振動振幅は、電圧、周波
数のいずれを制御しても振動体の表面粗さの1.5倍以
上に保つことができる。
V 1 ~V 5 to definitive Figure 4 is a circuit FIG. 3 (b), the change in vibration amplitude of the vibrating body in the case of changing the voltage applied to the vibrator by controlling the power amplifier circuit 22 and 23 It is shown. As described above, the vibration amplitude of the vibrating body can be maintained at 1.5 times or more of the surface roughness of the vibrating body regardless of whether the voltage or the frequency is controlled.

第3図の実施例では、振動体の表面粗さの1.5倍の振
動振幅の検出を、振動体の駆動端子に流れる電流値によ
り検出しているが、振動体の駆動端子に流れる機械腕電
流値、振動振幅に比例した圧電素子に構成したセンサ電
極の発生電圧、移動体に設置したエンコーダの出力によ
り速度を検出して振動振幅を算出する等を利用して検出
しても同様の制御が実現できる。
In the embodiment of FIG. 3, the detection of the vibration amplitude 1.5 times the surface roughness of the vibrating body is detected by the value of the current flowing through the drive terminal of the vibrating body. Even if the detection is performed using the arm current value, the voltage generated by the sensor electrode configured in the piezoelectric element that is proportional to the vibration amplitude, and the output of the encoder installed on the moving body to calculate the vibration amplitude Control can be realized.

以上に、超音波モータにおいて、振動体の振動振幅を振
動体の表面粗さの1.5倍よりも常に大きく保つことに
より、低速動作時においても安定な動作と駆動効率の向
上を実現することができることを述べた。超音波モータ
の移動体の速度は、動作理論から振動体に励振する弾性
進行波の振動振幅に比例し、振動体の表面粗さは弾性進
行波の振動振幅の1.5分の1より小さくすることが必
要である。例えば、直径50mmのリング型の超音波モー
タで600rpm程度の速度、あるいは直径40mmのディ
スク型の超音波モータで1200rpm程度の高速な動作
をするものの振動体の表面粗さは大きくてよいが、それ
以下の低速で安定な動作を実現するためには振動体の表
面粗さをもっと小さくすることが必要である。つまり、
超音波モータは安定動作を行う速度により、必要な振動
体の表面粗さが決まるということである。
As described above, in the ultrasonic motor, by always keeping the vibration amplitude of the vibrating body larger than 1.5 times the surface roughness of the vibrating body, it is possible to realize stable operation and improvement of drive efficiency even at low speed operation. That can be done. The speed of the moving body of the ultrasonic motor is proportional to the vibration amplitude of the elastic traveling wave excited in the vibrating body from the theory of operation, and the surface roughness of the vibrating body is smaller than 1 / 1.5 of the vibration amplitude of the elastic traveling wave. It is necessary to. For example, a ring type ultrasonic motor having a diameter of 50 mm operates at a speed of about 600 rpm, or a disk type ultrasonic motor having a diameter of 40 mm operates at a high speed of about 1200 rpm, but the surface roughness of the vibrator may be large. In order to realize the following stable operation at low speed, it is necessary to further reduce the surface roughness of the vibrating body. That is,
This means that the required surface roughness of the vibrating body is determined by the speed at which the ultrasonic motor performs stable operation.

以上で述べてきた超音波モータの駆動方法は、弾性体に
圧電体を貼り合わせて構成した振動体に弾性進行波を発
生させて、上記弾性体上に接触して設置した移動体を移
動させる方式の他の超音波モータにおいても、同様に成
立することは明らかである。
In the ultrasonic motor driving method described above, the elastic traveling wave is generated in the vibrating body configured by bonding the piezoelectric body to the elastic body, and the moving body placed in contact with the elastic body is moved. It is obvious that the same applies to other ultrasonic motors of the type.

(発明の効果) 以上のように、本発明の超音波モータの駆動方法によれ
ば、移動体の接触面精度によらず、低速動作時における
振動体に発生する振動振幅が、振動体の移動体との接触
面の表面粗さの1.5倍以上になるように駆動すること
により、振動体の駆動力が移動体に効率よくかつ安定に
伝達され、超音波モータの駆動効率が向上するととも
に、動作が安定する。しかも、移動体の接触面精度を必
要以上に上げなくてもよいので、製造コストの低減を図
ることができるという優れた効果を奏するものである。
(Effects of the Invention) As described above, according to the ultrasonic motor driving method of the present invention, the vibration amplitude generated in the vibrating body at the time of low-speed operation is the movement of the vibrating body regardless of the contact surface accuracy of the moving body. By driving so that the surface roughness of the contact surface with the body is 1.5 times or more, the driving force of the vibrating body is efficiently and stably transmitted to the moving body, and the driving efficiency of the ultrasonic motor is improved. At the same time, the operation becomes stable. Moreover, since it is not necessary to raise the contact surface accuracy of the moving body more than necessary, the manufacturing cost can be reduced, which is an excellent effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は超音波モータの振動体と移動体の接触状況を拡
大して示した図、 第2図は振動体に発生させる振動振幅と移動体の走行速
度の特性図、 第3図(a),(b)はそれぞれ本発明の駆動方法を実
現する駆動回路の実施例のブロック図、 第4図は第3図の超音波モータの駆動回路の動作を説明
する特性図、 第5図は従来のリング型超音波モータの切り欠き斜視
図、 第6図は圧電セラミックに形成される駆動電極の構造
図、 第7図(a)はリング型超音波モータの撓み振動の振動
姿態図、 第7図(b)はリング型超音波モータの径方向の変位分
布図、 第8図は従来例のディスク型超音波モータの切り欠き斜
視図、 第9図(a)はディスク型超音波モータの撓み振動の振
動姿態図、 第9図(b)はディスク型超音波モータの径方向の変位
分布図、 第10図は従来の超音波モータの駆動回路を示す図、 第11図は超音波モータの振動体とその表面に当接する
移動体との接触状況を示す図である。 20……発振回路、21……移相回路、22,23……
電力増幅回路、24……振動検出回路、25……固定抵
抗素子、26……比較回路、27……設定値。
FIG. 1 is an enlarged view showing a contact state between a vibrating body of an ultrasonic motor and a moving body, and FIG. 2 is a characteristic diagram of a vibration amplitude generated in the vibrating body and a traveling speed of the moving body, and FIG. ) And (b) are block diagrams of an embodiment of a drive circuit for realizing the drive method of the present invention, FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining the operation of the drive circuit of the ultrasonic motor of FIG. 3, and FIG. A cutaway perspective view of a conventional ring type ultrasonic motor, FIG. 6 is a structural diagram of a drive electrode formed on a piezoelectric ceramic, and FIG. 7A is a vibration mode diagram of bending vibration of a ring type ultrasonic motor. 7 (b) is a radial displacement distribution diagram of the ring type ultrasonic motor, FIG. 8 is a cutaway perspective view of a conventional disc type ultrasonic motor, and FIG. 9 (a) is a disc type ultrasonic motor. Vibration mode diagram of flexural vibration, Fig. 9 (b) shows radial displacement of disk type ultrasonic motor FIG. 10 is a distribution diagram, FIG. 10 is a diagram showing a drive circuit of a conventional ultrasonic motor, and FIG. 11 is a diagram showing a contact state between a vibrating body of the ultrasonic motor and a moving body that is in contact with the surface thereof. 20 ... Oscillation circuit, 21 ... Phase shift circuit, 22, 23 ...
Power amplification circuit, 24 ... Vibration detection circuit, 25 ... Fixed resistance element, 26 ... Comparison circuit, 27 ... Set value.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】弾性体に圧電体を貼り合わせて構成した振
動体に弾性進行波を発生させて、前記振動体上に接触し
て設置した移動体を移動させる超音波モータにおいて、
低速移動時における前記振動体に発生する弾性進行波の
振動変位が、前記振動体の前記移動体との接触面の表面
粗さの1.5倍以上であるように駆動することを特徴と
する超音波モータの駆動方法。
1. An ultrasonic motor for generating an elastic traveling wave in a vibrating body formed by laminating a piezoelectric body on an elastic body, and moving a moving body that is placed in contact with the vibrating body.
The driving is performed so that the vibrational displacement of the elastic traveling wave generated in the vibrating body during low speed movement is 1.5 times or more the surface roughness of the contact surface of the vibrating body with the moving body. Driving method of ultrasonic motor.
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