JP3114954B2 - Ultrasonic motor drive - Google Patents
Ultrasonic motor driveInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ステータの圧電素子に
駆動用電極と発振用電極を備えた進行波型超音波モータ
の駆動装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a driving apparatus for a traveling wave type ultrasonic motor having a driving element and an oscillating electrode on a piezoelectric element of a stator.
【0002】[0002]
【従来の技術】進行波型の超音波モータを駆動するため
の駆動周波数は超音波モータのステータの共振周波数
(固有振動数)と同じか、或いはそれに近い周波数が最
も効率が良く回転数及び発生トルクは最高となる。しか
しながら、図5においてモータの駆動周波数■mがステ
ータの共振周波数■0と一致してしまうと、共振をおこ
して振動が増大し、いわゆるサージングが発生して振動
音を発生したり、圧電素子を破損したりするという問題
がある。従って、振動音を発生しない範囲で最も共振点
に近く、共振点よりも高い周波数の駆動周波電圧でステ
ータを駆動することによって、高い回転数及びトルクの
発生と、共振による振動の抑制を両立させている。しか
しながら、モータの温度上昇によりステータの温度が上
昇するとステータの共振周波数が変化し、ステータの共
振周波数が駆動周波数に一致または近くなり過ぎて、振
動が増大してしまうことがある。また、駆動周波数が最
適な周波数領域を逸脱すると、効率が悪くなってしま
う。従って、駆動周波数はステータの温度変化に伴って
制御しなければ安定な回転を得ることができない。2. Description of the Related Art The driving frequency for driving a traveling wave type ultrasonic motor is the same as or close to the resonance frequency (natural frequency) of the stator of the ultrasonic motor, and the frequency and generation frequency are the most efficient. The torque will be the highest. However, if the drive frequency ■ m of the motor matches the resonance frequency ■ 0 of the stator in FIG. 5, resonance occurs, and vibration increases, so-called surging occurs, generating vibration noise, or the piezoelectric element There is a problem that it is damaged. Therefore, by driving the stator with a drive frequency voltage having a frequency closest to the resonance point and higher than the resonance point within a range where vibration noise is not generated, it is possible to achieve both a high rotation speed and a high torque and a suppression of vibration due to resonance. ing. However, when the temperature of the stator rises due to an increase in the temperature of the motor, the resonance frequency of the stator changes, and the resonance frequency of the stator becomes too close to or close to the drive frequency, so that the vibration may increase. Further, when the driving frequency deviates from the optimum frequency range, the efficiency is deteriorated. Therefore, stable rotation cannot be obtained unless the drive frequency is controlled according to the temperature change of the stator.
【0003】従来、上記問題点を解決し確実な起動を確
保するために、特開平3−150076号公報において
は、ステータの振動の振幅を検出するモニタ用圧電素子
電極の出力電圧が一定になるように、フィードバック回
路によって発振回路の発振周波数を初期の発振周波数に
リセットし駆動周波数を制御している。しかしながら、
前記の方式によると超音波モータの高温時や高負荷時に
モニタ用圧電素子の出力電圧が一定の基準電圧に達せ
ず、超音波モータを駆動できなくなるという問題点があ
る。特開平4−75474号公報においては前記問題点
の解決案が開示されている。その解決案によると、検出
振動量と所定の基準電圧値との比較結果に基づいて駆動
周波数を制御し、駆動周波数が所定値に達するとモニタ
用圧電素子の出力電圧と比較するための基準電圧値を下
げることによって、モニタ用圧電素子の出力電圧が基準
電圧に達しなくなるのを防いで、超音波モータのステー
タが駆動できなくなるのを防止している。Conventionally, in order to solve the above-mentioned problem and to ensure a reliable start, Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 3-150076 discloses that the output voltage of a monitoring piezoelectric element electrode for detecting the amplitude of vibration of a stator becomes constant. As described above, the drive frequency is controlled by resetting the oscillation frequency of the oscillation circuit to the initial oscillation frequency by the feedback circuit. However,
According to the above method, the output voltage of the monitoring piezoelectric element does not reach a certain reference voltage when the ultrasonic motor is at a high temperature or under a high load, so that the ultrasonic motor cannot be driven. Japanese Patent Laying-Open No. 4-75474 discloses a solution to the above problem. According to the solution, the driving frequency is controlled based on a comparison result between the detected vibration amount and a predetermined reference voltage value, and when the driving frequency reaches a predetermined value, a reference voltage for comparing with the output voltage of the monitoring piezoelectric element. By decreasing the value, the output voltage of the monitoring piezoelectric element is prevented from reaching the reference voltage, and the stator of the ultrasonic motor is prevented from being unable to be driven.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
特開平4−75474号公報に開示された、検出振動量
と所定の基準電圧値との比較結果に基づいて駆動周波数
を制御し、駆動周波数が所定値に達すると基準電圧を下
げる方式によると、図7に示すように所定の周波数設定
手段、周波数監視手段及び基準変更手段をなすマイコン
が必要となる。そのため、構造が複雑になり、またコス
ト高であるという問題点がある。本発明は、上記の問題
点を解決するためになされたもので、高温時にステータ
の温度が上昇しても、ステータを安定に駆動することが
でき、構造が簡略で安価である超音波モータの駆動装置
を提供することを目的とする。However, the driving frequency is controlled on the basis of the result of comparison between the detected vibration amount and a predetermined reference voltage value disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-75474. According to the method of lowering the reference voltage when a predetermined value is reached, a microcomputer serving as predetermined frequency setting means, frequency monitoring means and reference changing means is required as shown in FIG. Therefore, there are problems that the structure is complicated and the cost is high. The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and it is possible to stably drive the stator even when the temperature of the stator rises at a high temperature, and to provide a simple and inexpensive ultrasonic motor. It is an object to provide a driving device.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記目
的を達成するための具体的手段として、図1に示すよう
に、弾性体15の一表面に圧電素子3を固着し、該圧電
素子に駆動用電極3−1、3−2及び発振用電極3−3
を設けたステータ2と、前記ステータ2の発振用電極3
−3のリアクタンス分を利用した発振によって基準周波
電圧を発生する発振手段7と、前記発振手段の基準周波
電圧によって所定の位相差及び駆動周波数を有する駆動
周波電圧を生成し、該駆動周波電圧を前記ステータ2の
駆動用電極3−1、3−2に印加する駆動周波電圧生成
手段4−1〜4−2、5−1〜5−4、6、8、9と、
を具備することを特徴とする超音波モータの駆動装置1
が提供される。According to the present invention, as a specific means for achieving the above object, as shown in FIG. 1, a piezoelectric element 3 is fixed to one surface of an elastic body 15, and Driving electrodes 3-1 and 3-2 and an oscillating electrode 3-3 in the element
And an oscillation electrode 3 of the stator 2
Oscillating means 7 for generating a reference frequency voltage by oscillation using a reactance component of -3, and a driving frequency voltage having a predetermined phase difference and a driving frequency is generated by the reference frequency voltage of the oscillating means. Driving frequency voltage generating means 4-1 to 4-2, 5-1 to 5-4, 6, 8, 9 for applying to the driving electrodes 3-1 and 3-2 of the stator 2;
Ultrasonic motor drive device 1 comprising:
Is provided.
【0006】[0006]
【作用】上記構成の超音波モータの駆動装置1によれ
ば、圧電素子3のリアクタンス分(静電容量分及びイン
ダクタンス分)から、発振手段7により駆動周波電圧の
基準となる基準周波電圧を発生させている。従って、ス
テータ2の温度が変化して圧電素子3が影響を受けてス
テータ2の共振周波数が変化しても、温度係数が同一な
圧電素子3のリアクタンス分を使って基準周波電圧を発
生しているため、その共振周波数の温度変化割合と基準
周波数の温度変化割合を同一とすることができるため、
ステータ弾性体の温度が変化しても温度変化を基にして
基準周波電圧を生成することにより、温度変化に応じた
最適な駆動周波電圧を得る。According to the ultrasonic motor driving apparatus 1 having the above-described configuration, the oscillation means 7 generates the reference frequency voltage which is the reference of the driving frequency voltage from the reactance (capacitance and inductance) of the piezoelectric element 3. Let me. Therefore, even if the temperature of the stator 2 changes and the piezoelectric element 3 is affected and the resonance frequency of the stator 2 changes, the reference frequency voltage is generated using the reactance of the piezoelectric element 3 having the same temperature coefficient. Therefore, since the temperature change rate of the resonance frequency and the temperature change rate of the reference frequency can be made equal,
Even when the temperature of the stator elastic body changes, a reference frequency voltage is generated based on the temperature change, so that an optimal drive frequency voltage according to the temperature change is obtained.
【0007】[0007]
【実施例】本発明の超音波モータの駆動装置1の一実施
例を添付図面を参照して説明する。図1は超音波モータ
の駆動装置1を示す構成図である。弾性体15及び圧電
素子3からなるステータ2に、位相の異なる駆動周波電
圧を印加する駆動用電極3−1、3−2及び駆動周波数
を決定する発振周波数を発振するための発振用電極3−
3を設ける。前記駆動用電極3−1及び3−2は、それ
ぞれ変成器4−1及び4−2の2次側に接続される。前
記変成器4−1及び4−2の1次側には両端にそれぞれ
スイッチングトランジスタ5−1〜5−4のコレクタ側
が接続され、中間タップにそれぞれ12Vの電圧が印加
されている。前記スイッチングトランジスタ5−1〜5
−4のベース側はリングカウンタ6の出力端子に接続さ
れ、エミッタ側はアースに接続されている。また、リン
グカウンタ6の入力側は発振器7に接続され、発振器7
は発振用電極3−3に接続される。発振器7は、図3に
示すようにコルピッツ型の発振器の静電容量成分を、発
振用電極3−3を用いて構成している。図2に示すよう
に、ステータ2はリング状を成しており、図示略のリン
グ状の圧電素子が固着されると共に、駆動用電極3−1
及び3−2と発振用電極3−3が設けられている。図4
は超音波モータの断面図であり、ケーシング16に弾性
体15を固定し、その弾性体15に圧電素子3を固着す
ることによりステータ2を構成している。ロータ17は
ケーシング16に回転自在に支持されたロータ軸18に
挿嵌されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the ultrasonic motor driving device 1 according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a driving device 1 of an ultrasonic motor. Driving electrodes 3-1 and 3-2 for applying driving frequency voltages having different phases to the stator 2 composed of the elastic body 15 and the piezoelectric element 3, and an oscillating electrode 3- for oscillating an oscillation frequency for determining the driving frequency.
3 is provided. The driving electrodes 3-1 and 3-2 are connected to secondary sides of transformers 4-1 and 4-2, respectively. The collectors of the switching transistors 5-1 to 5-4 are connected to both ends of the primary sides of the transformers 4-1 and 4-2, respectively, and a voltage of 12 V is applied to the intermediate tap. The switching transistors 5-1 to 5
The base side of -4 is connected to the output terminal of the ring counter 6, and the emitter side is connected to ground. The input side of the ring counter 6 is connected to an oscillator 7, and the oscillator 7
Is connected to the oscillation electrode 3-3. As shown in FIG. 3, the oscillator 7 includes a capacitance component of a Colpitts oscillator using an oscillation electrode 3-3. As shown in FIG. 2, the stator 2 has a ring shape, and a ring-shaped piezoelectric element (not shown) is fixed thereto, and the driving electrode 3-1 is formed.
And 3-2 and an oscillation electrode 3-3. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the ultrasonic motor. The stator 2 is configured by fixing an elastic body 15 to a casing 16 and fixing the piezoelectric element 3 to the elastic body 15. The rotor 17 is inserted into a rotor shaft 18 rotatably supported by a casing 16.
【0008】上記実施例の作動について説明する。発振
器7に電源電圧が印加されると、基準周波電圧が生成さ
れリングカウンタ6にクロック信号として送られる。リ
ングカウンタ6では、基準周波電圧の1振幅ごとに、ス
イッチングトランジスタの5−1から5−4まで順次信
号を送ることによって位相差のある駆動周波電圧を発生
させる。従って、基準周波電圧は駆動周波電圧の1/n
(nはリングカウンタ6の出力端子数、本実施例はn=
4)の周波数になるように発振器7の静電容量、インダ
クタンス及び抵抗を設定する必要がある。リングカウン
タ6からの信号を受けたスイッチングトランジスタ5−
1〜5−4はそれぞれオンになって、接続された変成器
4−1及び4−2に電流を通す。そして、変成器4−1
及び4−2の2次側に所定位相差及び駆動周波数を有す
る駆動周波電圧が発生する。その駆動周波電圧が駆動用
電極3−1及び3−2に印加されて、圧電素子3により
弾性体15に屈曲振動波が生成されることによってロー
タ17が駆動される。The operation of the above embodiment will be described. When a power supply voltage is applied to the oscillator 7, a reference frequency voltage is generated and sent to the ring counter 6 as a clock signal. The ring counter 6 generates a driving frequency voltage having a phase difference by sequentially transmitting signals from the switching transistors 5-1 to 5-4 for each amplitude of the reference frequency voltage. Therefore, the reference frequency voltage is 1 / n of the drive frequency voltage.
(N is the number of output terminals of the ring counter 6; in this embodiment, n =
It is necessary to set the capacitance, inductance and resistance of the oscillator 7 so that the frequency becomes 4). Switching transistor 5 receiving a signal from ring counter 6
1 to 5-4 are respectively turned on, and pass current to the connected transformers 4-1 and 4-2. And the transformer 4-1
And 4-2, a driving frequency voltage having a predetermined phase difference and a driving frequency is generated on the secondary side. The driving frequency voltage is applied to the driving electrodes 3-1 and 3-2, and a bending vibration wave is generated in the elastic body 15 by the piezoelectric element 3, whereby the rotor 17 is driven.
【0009】次に、超音波モータの駆動中にステータ2
に、温度変化があった場合の作動を説明する。基準周波
電圧を圧電素子3の静電容量成分の一部を使って発振器
7により発振させることにより、ステータ2の共振周波
数の温度変化割合と基準周波数の温度変化割合を同一に
することができるため、温度が変化しても発振器7の基
準周波電圧から、リングカウンタ6、スイッチングトラ
ンジスタ5−1〜5−4、及び変成器4−1〜4−2に
よる駆動周波電圧を生成することにより、温度変化に応
じて駆動周波数を変化させることができ、従来のマイコ
ンを必要とすることなく、温度変化に対して安定に超音
波モータを駆動することができる。Next, during driving of the ultrasonic motor, the stator 2
Next, the operation when there is a temperature change will be described. Since the reference frequency voltage is oscillated by the oscillator 7 using a part of the capacitance component of the piezoelectric element 3, the temperature change rate of the resonance frequency of the stator 2 and the temperature change rate of the reference frequency can be made equal. Even if the temperature changes, a driving frequency voltage generated by the ring counter 6, the switching transistors 5-1 to 5-4, and the transformers 4-1 to 4-2 is generated from the reference frequency voltage of the oscillator 7 to obtain the temperature. The drive frequency can be changed according to the change, and the ultrasonic motor can be driven stably with respect to temperature change without requiring a conventional microcomputer.
【0010】また、他の実施例として図6に示すように
発振器7の基準周波電圧をそのまま電力増幅器9によっ
て増幅したものと、移相器8を通して位相差を生じさせ
たものを電力増幅器9によって増幅することによって、
駆動周波電圧を生成することも可能である。また、発振
手段としてはコルピッツ発振原理を用いる発振器7に限
らず、その他の発振器を用いることができる。さらに、
圧電素子3のインダクタンスを含むリアクタンス成分を
利用することも可能である。以上述べた実施例による
と、基準周波電圧から駆動周波電圧を生成するため、従
来例のように駆動周波数及び温度を監視しながらモニタ
電圧の比較基準値を変更するという手順を省くことがで
き、従来例のマイコンによる制御を必要としない。As another embodiment, as shown in FIG. 6, a power amplifier 9 directly amplifies a reference frequency voltage of an oscillator 7 by a power amplifier 9 and a power amplifier 9 generates a phase difference through a phase shifter 8. By amplifying,
It is also possible to generate a driving frequency voltage. The oscillating means is not limited to the oscillator 7 using the Colpitts oscillation principle, and other oscillators can be used. further,
It is also possible to use a reactance component including the inductance of the piezoelectric element 3. According to the embodiment described above, since the drive frequency voltage is generated from the reference frequency voltage, it is possible to omit the procedure of changing the monitor voltage comparison reference value while monitoring the drive frequency and the temperature as in the conventional example, No control by a conventional microcomputer is required.
【0011】[0011]
【発明の効果】本発明の超音波モータ駆動装置は上記し
た構成を有し、簡略で安価な構成で高温時などにステー
タの温度が上昇しても、圧電素子のリアクタンス成分の
一部を使って発振手段7により基準となる基準周波電圧
を発振し、駆動周波電圧を生成するために前記基準周波
電圧を利用しているから、超音波モータを安定に駆動す
ることができるという優れた効果がある。The ultrasonic motor driving apparatus according to the present invention has the above-described structure, and uses a part of the reactance component of the piezoelectric element even when the temperature of the stator rises at a high temperature or the like with a simple and inexpensive structure. Since the reference frequency voltage is oscillated by the oscillating means 7 and the reference frequency voltage is used to generate the drive frequency voltage, an excellent effect that the ultrasonic motor can be driven stably is provided. is there.
【図1】本発明の超音波モータの駆動装置を示す構成図
である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a driving device of an ultrasonic motor according to the present invention.
【図2】ステータを示す正面図である。FIG. 2 is a front view showing a stator.
【図3】発振器を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing an oscillator.
【図4】超音波モータの実施例を示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing an embodiment of the ultrasonic motor.
【図5】ステータの発生周波数と振幅の関係を示す説明
図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between a generated frequency and an amplitude of a stator.
【図6】超音波モータの駆動装置の他の実施例を示す構
成図である。FIG. 6 is a configuration diagram showing another embodiment of the driving device of the ultrasonic motor.
【図7】従来例を示す構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram showing a conventional example.
1...超音波モータの駆動装置、 2...ステータ、
3...圧電素子、 3−1〜3−2...駆動用電極、 3
−3...発振用電極、 4−1〜4−2...変成器、
5−1〜5−4...スイッチングトランジスタ、
6...リングカウンタ、7...発振器、 8...移相
器、 9...電力増幅器、15...弾性体。1. Ultrasonic motor drive 2. Stator
3. Piezoelectric element, 3-1 to 3-2 ... Driving electrode, 3
-3 ... Oscillation electrode, 4-1 to 4-2 ... transformer,
5-1 to 5-4 ... switching transistors,
6 ... Ring counter, 7 .... Oscillator, 8 ... phase shifter, 9 .... Power amplifier, 15 ... elastic body.
Claims (1)
置であって、 弾性体の一表面に圧電素子を固着し、該圧電素子に駆動
用電極及び発振用電極を設けたステータと、 前記発振用電極のリアクタンス分を利用した発振によっ
て基準周波電圧を発生する発振手段と、 前記発振手段の基準周波電圧によって所定の位相差及び
駆動周波数を有する駆動周波電圧を生成し、該駆動周波
電圧を前記ステータの駆動用電極に印加する駆動周波電
圧生成手段と、 を具備してなることを特徴とする超音波モータの駆動装
置。1. A driving device for driving a traveling wave type ultrasonic motor.
A location, fixing a piezoelectric element to one surface of the elastic body, a stator provided with a drive electrode and oscillation electrodes to the piezoelectric element, depending on the oscillation utilizing reactance of the oscillator electrode <br / An oscillating means for generating a reference frequency voltage, a driving frequency voltage having a predetermined phase difference and a driving frequency is generated by the reference frequency voltage of the oscillating means, and the driving frequency voltage is applied to a driving electrode of the stator. A driving device for an ultrasonic motor, comprising: driving frequency voltage generation means.
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