JPH02119586A - 超音波モータ装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電素子を利用した超音波モータの駆動回路に
関するものである。

〔発明の概要〕

本発明は、圧電素子に流れる消費電流が前記振動体の共
振周波数近傍で最大となることをとらえて、超音波モー
タを安定にしかも効率よく動かすためのものである。

〔従来の技術〕

超音波モータは、圧電素子に周波電圧を印加し、弾性体
を振動させ、進行波を励起させ、圧接している移動体を
摩擦駆動せしめるものであるが、電歪素子に印加する周
波電圧の周波数は、振動体（弾性体＋圧電素子）の機械
的共振周波数で振幅は最大となり、この共振周波数又は
これに近い周波電圧を圧電素子に印加することにより、
初めて移動体を駆動するだけの駆動力が取り出される。

従来はあらかじめＦＦＴアナライザ等を用いて、振動体
の共振周波数を測定しておき、これに合った周波数を圧
電素子に印加して、移動体を駆動していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

超音波モータは、環境温度又は振動体そのものの発熱に
よる温度変化により、その共振周波数も変化する。また
、移動体は振動体に圧接されているが、この時の圧接力
によっても共振周波数は変化する。さらには、周波電圧
によっても共振周波数は変化する。この関係を第１０図
と第１）図に示す。

従来のように、圧電素子に印加する周波電圧の周波数を
固定すると、超音波モータの共振周波数が変化した場合
、種度に駆動力が低下したり、さらにけ、停止してしま
ったりする。

本発明の目的は、超音波モータの共振周波数が変化した
場合には、圧電素子に印加する周波電圧の周波数も一緒
に変化させ、常に超音波モータの共振周波数近傍の周波
数を圧電素子に印加して、安定に超音波モータを駆動す
ることである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するために、本発明においては、超音
波モータの圧電素子に流れる電流が、共振周波数で最大
となることに着眼し、超音波モータの消費電流を電圧に
変換するモニタ抵抗と、前記抵抗で電流により発生する
電圧信号を整流増幅して、ＶＣＯに制御電圧として入力
して、消費電流の増減を帰還させて、ＶＣＯの出力周波
数が常に超音波モータの共振周波数近傍になるようにし
たものである。

〔作用〕

上記のような構成によれば、振動体の圧電素子への印加
周波を常に共振周波数近傍に保つことができ、安定にし
かも効率よく超音波モータを駆動することが可能である
。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお
、本発明において駆動源とした圧電素子を用いた超音波
モータについての駆動原理を説明する。第１７図は進行
波方式の超音波モータにおける進行波発生の原理の一例
を示した図である。１７１は圧電素子で、図示するよう
に幅すにて等間隔分極されており、隣どうしの分極方向
は互いに逆方向となっている。各圧電素子には銀などの
導電材料を蒸着、メツキ等の手法により１７２に示す電
極が形成されており、それらが１７３．１７４の信号線
で結線されることにより、それぞれ異なる信号源で駆動
される。また信号線１７３．１７４でそれぞれ結線され
た電極群の間には幅Ｃなる部分を設ける。

従ってＣをはさむ電極の中心間距離をａとする。

この際、幅Ｃなる部分は分極の有無ならびに電極の有無
はどちらでも構わないこととする。以上図および信号を
もとに以下に進行波発生のメカニズムについて説明する
。図中■の圧電素子部分の中点を基準に考えると進行波
と後退波（進行波と波の進む方向が逆）からなる屈曲振
動波は次の様に表せる。

Ａｓ１ｎ　　（ωｔ−Ｋｘ）　＋Ａｓ１ｎ　　（ωｔ＋
Ｋｘ）（１）式 ここで＋１）式はいわゆる定在波を示していることにな
る。これに対して■に示す圧電素子による屈曲振動波は
次の様に表せる。

Ｂｓ１ｎ　　（ωｔ−Ｋ　（ｘ＋ａ）＋ψ）＋Ｂｓ１ｎ
　　（ωｔ＋Ｋ　（ｘ＋ａ）＋ψ）−・・−＋２１式％
式％ ：１ ψ：■に対する位相差角 とおくと、（２）式は次のように表される。

Ｂｓ１ｎ　　（ωｔ−Ｋｘ＋απ）　十Ｂｓ１ｎ　　（
ωｔ＋Ｋｘ＋βｙｒ）　−−−ｆ４１式従って、■、■
より励振される屈曲振動波は、（１）式と（４）式を加
え合わせたものになる。

ここで、進行波だけが存在するための条件を（４）式の
展開式から考えるとαが１７２の偶数倍、βが１／２の
奇数倍の場合であることがわかる。

ここで（３）式よりａとψについてαとβの式で表すと
次のようになる。

＝　（２，１）のときには、ａ＝□λ。

ψ−□πとなってそれぞれのａ、ψを同時にψ＝□πの
ときを考えればｆｌ１式＋（２）式は次のようになる。

Ａｓ１ｎ　　（ωｔ−Ｋｘ）　　＋Ａｓｊｎ　　（ωｔ
−Ｋｘ）　　＋Ｂｓ１ｎ　　（ωｔ−Ｋｘ）　−Ｂｓｉ
ｎ　　（ωｔ＋Ｋｘ）（６）式 ここで駆動回路より出される両者の信号の振幅ＡとＢが
Ａ＝Ｂならば、（６）式は２Ａｓｉｎ　　（ωｔ　−Ｋ
ｘ）となり進行波成分のみが残ることがわかる。

また、逆転駆動させるためには後退波のみを残せば良い
わけであるから、（５）式におけるαとβを逆にしてα
が１７２の奇数倍、βが１７２の偶数倍になるようにす
れば良い。実際上は■を基準にして考えると、■に加え
られる信号の位相を正転駆動させる時に比べて１８０　
′ずらしてやればよいことになる。

第１８図は超音波モータが進行波によって回転する原理
を示す図である。図で１８１は固定子、すなわち振動体
で、第１７図に示した原理で進行波が生じると表面部の
１点は左方向へ楕円軌跡を描くために、１８２の移動体
部は進行波の進行方向とは逆方向に進むわけである０以
上は日経メカニカル（１９８５，９，２３）などに掲載
されており振動体部の表面上の点が楕円軌跡になる詳細
な説明も同文献に記されているのでここでは割愛するこ
とにする。

第１図に本発明の代表的な実施例を示す、第１図で記号
１は、超音波モータで、圧電素子を代表させて示しであ
る。電歪素子ｌの共ｉｌ電極は、抵抗２を通じて接地さ
れている。昇圧手段９により圧電素子ｌに周波電圧が印
加されると、電流は抵抗２を通って流れることになる。

抵抗２に電流が流れるとその両端に電圧差が生じる。

この時の電圧差は、電流をｉとすれば、ｉ−Ｒ。

になる、抵抗２で電流ｉに応じた電圧信号が得られ、こ
の信号をカンプリングコンデンサ３を通して整流増幅手
段５に入力され、整流増幅される。

整流増幅手段の一例を第２図に示す、また、第２図の回
路で整流増幅された波形Ｖ、を第７図のｆｉｔに示す。

整流増幅のときの基準電圧Ｖ□、は基準電圧生成手段４
により入力される。整流増幅手段５の出力Ｖ、は、周波
数制御電圧としてｖＣＯ６に人力される。■、は交流信
号であるが、ｖＣＯ６の平均出力周波数は、はぼｖｌの
平均電圧Ｖ′が入力された場合に相当する周波数になる
。ｖＣＯ６の出力ｆ６□を分周するのが分周手段７で、
この出力を受けて、基準信号と基準信号に対して、２周
期差めるか遅らすかした信号を生成するのが、位相分配
手段８である。前述した、ｖＣＯ６と分周手段７、位相
分配手段８の回路を第４図に示す。

位相分配手段８の２つの信号ＣＫＩとＣＲ２を受けて、
前記圧電素子１に電圧昇圧して印加するのが、昇圧手段
９でその例を第５図に示す。

第６図はｖＣＯ６の印加電圧と分周後の出力周波数の関
係を示すグラフであるが、グラフ中には、超音波モータ
の共振周波数ｆＲとそのときのｖＣＯの印加電圧ｖ８、
又、基準電位生成手段４で設定された基準電位Ｖ−ｒ　
　ｌをも示しである。

このグラフの関係式を便宜的に ＣＫ　１　＝　ａ　Ｖ、　＋　ｂ　（Ｈｚ）　　−−−
−（１）式（ａ−傾き係数、ｂ−（Ｖ、＝ＯＶのときの
周波数）〉と表す。

超音波モータの電流波形は、交流信号であり、これを整
流増幅した電圧信号Ｖ、も、第７図の（ｉｌに示すごと
く交流信号である。この■、をｖＣＯに直接人力すると
、（１））のように■１の値に合った周波数の信号を出
力する。これを２分周したのが（ｉｉＤに示す波形で、
これを更に分周したのが６切に示す信号ＣＫＩ　　（Ｃ
Ｋ２）である。

ｖＣＯ６のＶ−Ｆ特性が一次式で表されるとすれば、Ｃ
ＫＩ　　（ＣＫ２）の周波数は、■、を平滑した電圧Ｖ
　ｌ、を印加しても、■、を交流のまま印加した場合と
同じになる。

つまり、＋１）式は■、の平滑電圧をＶ′、とじた場合
、次のようにも表すことができる。

ＣＫ　１　＝　ａ　Ｖ　’　、　＋　ｂ　　−−−−−
−（２１式次に■、は超音波モータの消費ｉｉ流により
、その振幅は変化し、その平滑電圧ｙ　ｒ、は次式で表
すことができる。

Ｖ　’　　＝Ｖ、、、　−１−Ｒ，：　Ａ　　　−−−
−−−＋３１式ここでＩ＝超音波モータの消費電流 Ｒ＝電流モニタ砥抗２の抵抗値 Ａ−整流増幅手段５の増幅度 （３）弐を（２）式に代入して ＣＫ　１　＝ａ　（Ｖ−−ｒ　　Ｉ　・Ｒ−Ａ＞　十ｂ
−（４１式％式％ ■・Ｒ−Ａが、消費電流Ｉの増減による帰還項である。

第４図で、Ｒ□１信号がＯから１に変わったとき、Ｖ　
ｒａｔは０■からＣＲの時定数をもってＶｏまで徐々に
上昇していく。（Ｖ、。、の変化を第９図に示す。）そ
れに従いｖＣＯのＣＫ１も徐々に周波数が下がっていき
、共振周波数ｒ８に近づき、超音波モータの圧電素子に
流れる電流Ｉも増えていく。■が増えると、（４１式よ
り、ＣＫＩ（ＣＫ２）の低下は鈍ることになる。ここで
、電流Ｉの最大値を！、□としたとき、次（５）式の関
係が満たされれば、ＣＫＩ　　（ＣＫ２）は、共振周波
数ｆｌｌより少し高めの周波数で安定することになよっ
て、Ｖ　ｒｓｆをｌ　Ｖ、’−ｖ−ｔ　　ｌの値が分周
後の周波数ＣＫＩ　　（ＣＫ２）は、超音波モータの共
振周波数近傍で安定することになる。

環境温度が変化したときに、ｆＲも変化するが（その関
係を第１０図に示す）、ｆ、が変化するということは、
第６図に示すｖＣＯの特性から、■７も変化することに
なり、Ｖ　ｒｍｔ＋　１）１８１）が一定とすれば、ｌ
　ＶＲＶ−ｒ　　ｌが変わり、（５）式の関係が満たさ
れなくなる場合も起こり得ることになるが、本発明では
、第４図の基準電位（ｖ、、ｒ　）の生成手段温度セン
サー４２１で、温度に対応じた電圧を生成する第２の電
圧生成手段を設け、この電圧をＶｒｅｆに加算されてい
るため、温度変化による■。

の変化にＶ　ｒｍｆが追従して、（５）式の関係は保持
される。

また、超音波モータへの印加電圧Ｖａａｌ　　（第５図
のｖ４．１）が変化しても、ｆＩＩや！、□が変化する
。その関係を第１）図に示す、印加電圧の変化によって
も（５）式の関係は満たされない場合が起こるが、本発
明では第４図に示すごとく、■−４１の値によって所定
の電圧を生成する第１の電圧生成手段４１を設け、■４
４１の値によりＶｌ、、も変わるようにしているため、
（５）式の関係は保持される。

前述の実施例は電圧−周波数特性が負の１頃きをもつｖ
ＣＯの場合について述べたが、逆に正の傾きを□もつｖ
ＣＯでも同様の動作を行うことができる。このときのｖ
ＣＯの一例を第１２図に示す。また、基準電圧発生手段
と半波増幅手段の一例を第１４図と第１６図に示す。

〔発明の効果〕

本発明によれば、超音波モータを駆動する場合、温度や
駆動電圧による共振周波数の変化に合わせて、駆動周波
数を変化させることができ、常に駆動周波数を共振周波
数近傍にでき、超音波モータを効率的に駆動可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の代表的な実施例を示す機能でブロック
図、第２図は半波増幅手段の一例を示す回路図、第３図
は基準電圧生成手段を示す回路図、第４図は負の傾きを
もつｖＣＯの一例を示す回路図、第５図は昇圧手段の一
例を示す回路図、第６図は第４図に示したｖＣＯの電圧
と周波数の関係を示す図、第７図は半波増幅回路（第２
図）の出力■、の電圧波形と、前記Ｖ、が前記ＶＣＯに
入力されたときの出力波形を示すタイムチャート図、第
８図は超音波モータの駆動周波数と消費電流、移動体の
回転数の関係を示す図、第９図は第３図においてＲａｓ
ａｔ信号が１から０になった後の基準電位Ｖ　ｒａｔの
変化を示すタイムチャート図、第１０図は温度と超音波
モータの共振周波数の関係を示す図、第１）図は超音波
モータの駆動電圧と消費電流の関係を示す図、第１２図
は正の傾きをもつＶＣＯの一例を示す回路図、第１３図
は第１２図で示したＶＣＯの電圧と周波数の関係を示す
図、第１４図は第１３図で示したＶＣＯを使った場合の
基準電圧（Ｖ−−ｒ　）の生成回路の一例を示す回路図
、第１５図は第１４図においてＲ１，、信号が１から０
になった後の基準電圧Ｖ　ｒａｔの変化を示すタイムチ
ャート図、第１６図は第１３図で示したＶＣＯを使った
場合の半波増幅手段の一例を示す回路図、第１７図は進
行波発生の原理図の一例を示す図、第１８図は進行性波
動モータの回転原理図の一例を示す図であ１・・・圧電
素子 ２・・・超音波モータの消費電流のモニタ抵抗３・・・
カブプリングコンデンサ ４１、４１２・・・第１の電圧生成手段４２、４２８・
・・第２の電圧生成手段４３、４３ａ・・・第３の電圧
生成手段４４、４４ａ・・・電圧加減算手段 ４５、４５ａ・・・電圧制御手段 ９０１．９０２　　・・・昇圧コイル ９０３．９０４　　・・・スイッチングトランジスタ以
上 出願人　セイコー電子工業株式会社 代理人　弁理士　　林　　　敬　之　助本茫明のイ大喪
的戸胃於倖ｊΣ示す勢能プロ、り図８１　図 基準電、理（Ｖｒｅｆ）生爪゛手段の一イダ１２ｆ、丁
ロ冷図第　３　図 ４−波増幅乎段の一イ刺乞示す口距図 第　２　図 ＶＣＯの一今１２示す回路図 第 図 昇圧手段の一例と示す回路口 第 δ 図 躬 図 ＶＣＯの１）Ｊと胴涙数の関係とホオ図第　６　図 生へ子段の一伸１と示１図 第 図 の支イこと示すタイムチャート図 躬 図 Ｑ 整涜〕賃幅手を災の一令’Ｈ示す厄■資？躬 図 進行シ皮発生の原理面の一伶）を示す２躬 図 毒ｌすす生：叉動モーフの回弘忌理図の−（Ｗ’＋　！
示す２弟 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性体に圧電素子を貼った振動体の圧電素子に周
   波電圧を印加することにより、弾性体の表面に進行波を
   励起し、前記進行波によって振動体に圧接される移動体
   を駆動せしめる超音波モータにおいて、前記圧電素子に
   流れる電流を電圧に変換してモニターするための抵抗と
   、前記抵抗の両端の電圧信号を整流増幅する整流増幅手
   段と、整流増幅の基準電位を生成する基準電圧生成手段
   と、制御電圧に応じた周波数信号を発生する電圧制御型
   発振手段（ＶＣＯ）と、前記ＶＣＯの出力信号を分周す
   る分周手段と、前記分周手段の信号を受けて、信号の位
   相を１／４周期だけ進めるか、遅らせることができる移
   相分配手段と、前記移相分配手段の２つの信号を受けて
   、その信号を増幅して、前記圧電素子に印加する昇圧手
   段からなることを特徴とする超音波モータ装置。
2. 　（２）基準電圧生成手段は、超音波モータの駆動電圧
   に応じた電圧を生成する第１の電圧生成手段と、環境温
   度に応じた電圧を生成する第２の電圧生成手段と、任意
   に電圧設定可能な第３の電圧生成手段と、前記第１，第
   ２，第３の電圧を加算、又は減算する加減算手段と、所
   定の電圧から前記加減算手段の出力電圧まで、ある特定
   数をもって変化させていく電圧制御手段からなることを
   特徴とする請求項１記載の超音波モータ装置。