JPH0433577A - 超音波モータの駆動回路 - 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】 ［発明のト１的］ （産業−１−の利用分野） この発明は、進行波により回転子を駆動する超合波モー
タの駆動回路、特に甲−駆動回路てザイズの菫なる２つ
の超音波モータを交互に、駆動する駆動回路に関するも
のである。

（従来の技術） 従来の超音波モータの駆動回路としては、たとえば第９
図に示すようなものがある。この駆動回路は、超音波モ
ータの振動検出素子に発生１７た電圧と設定電圧とを比
較１７、その差電圧を増幅し゛Ｃパルス発振器の周波数
を制御する制御回路と超音波モータの駆動周波数を発信
するパルス発振器、パルス発振器からの信号を受けて４
回路の信号を順次送りたずリングカウンタ、リングカウ
ンタのパルス信号をパワートランジスタまたはサイリス
ク等で短形波に変換し電力増幅を行なうスイッチング素
子、スイッチング素子からの矩形波を所定ｉｔ圧に昇圧
ｌ−交流とし、て出力する変圧器より構成されている（
公開特許公報、昭６３−１．、３７９参照）。

（発明が解決しよっとする課題） しかしながら、このような従来の超合波モータの駆動回
路にあっては、モ・−りに使用されている圧電素子（電
歪素子）と弾性体からなる振動子が、振動の共振点で容
量性のインピーダンス（制動容量）をもっているため、
発振器からの出力を有効に振動子に送り込むには、この
制動容量からりアクタンス分を除いて純抵抗とすること
が望ましく、このリアクタンス分を打ち消すために、コ
イルを振動子に直列または並列に入れる必要がある。こ
の場合、そのコイルの値は、振動子の共振周波数におけ
るリアクタンス分と絶対値が、等しいりアクタンスでな
ければならない。そこで、変圧器のリアクタンスと制動
容量とが整合するように変圧器を設計して使用しなけれ
ばならないようになっているため、制動容量やサイズの
異なる超音波モータを駆動する場合には、新たにインピ
ーダンスの整合がとれるようなりアクタンスを有する変
圧器を使用してモータを駆動せねばならず、結果的に、
駆動させる超音波モータ１−台、１台に駆動回路を設け
なければならないという問題点かあった。

そこで、この発明はサイズの異なるモータを使用するご
とにいちいち変圧器を交換することなく同一の変圧器を
用いて異なるサイズのモータを駆動し、もって効率良く
使用できる超音波モータの駆動回路を提供することによ
り、前記問題点を解決することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は、超音波モータ駆動回路の変圧器の出力側に
、変圧器の２次側コイルと並列にコイルを設け、モータ
のサイズに応じて変圧器の２次側とコイルとを断続する
スイッチを設けた構成とした。

（作用） サイズの異なる２つの超音波モータを使用する場合、サ
イズに応じて共振周波数を変えると同時に、スイッチ切
換えによりインピーダンス整合がなされるため、同一の
変圧器で効率良く両方のモータを交互に駆動することが
できる。

（実施例） 以下、この発明の一実施例であるモータの各別便用の場
合の例を第１図〜第７図の図面に基づいて説明する。第
１図は、この発明の一実施例を示す駆動回路図である。

まず構成を説明すると、図では回転子を除いた２台の超
音波モータ１および超音波モータ２２を示している。超
音波モータ１の固定子２は、第２図に示すごとく分極処
理され高周波電圧が供給される電極の組み込まれた圧電
素子（電歪素子ともいう）が、２つの電極群３および電
極群４にまとめられ互いに９０°位相をずらされて配置
されている。この電極群３および電極群４は、高周波電
圧が供給されると圧電素子を振動させ屈曲進行波を発生
させる駆動電極である。さらに、圧電素子に発生した振
動状態を検出するためのモニタ電極５と電極群３および
電極群４の共通電極６とから構成されている。超音波モ
ータ１の固定子２の上の電極群３は、リレー７の接点を
介して変圧器２０の出力側と接続され、電極群４は、リ
レー８の接点を介して変圧器２１の出力側とそれぞれ接
続されている。また、モニタ電極５は、リレー９の接点
を介して整流器１０に接続され、圧電素子の振動状態を
表わすモニタ電極５の交流出力が直流に変換されてＡ／
Ｄ変換器１１に供給される。マイクロコンピュータ］２
は、Ａ／Ｄ変換器１１の出力値に応じて超音波モータ１
の駆動周波数を決め、駆動周波数に相当するデータをＤ
／Ａ変換器１３に送る。つぎに、電圧制御発振器１４で
、Ｄ／Ａ変換器１３の出力値に応じた周波数のパルスを
発振する。発振されたパルスは、リングカウンタ１５で
４分周され゛、順次、トランジスタ１６．］。７．１８
，１．９に送られる。

トランジスタ１６，１．７，１８．１９は、リングカウ
ンタ１５の分周された出力パルスにより、それぞれＯＮ
、ＯＦＦを繰返し直流電源３０より供給される電流を変
圧器２０および変圧器２１の１次側に印加する交流電圧
に変換する。交流電圧が印加された変圧器２０および変
圧器２１は、それぞれ変圧器２次側コイルへ所定電圧に
昇圧された交流電圧を出力する。この交流電圧が、リレ
ー７の接点を介して電極群３に、リレー８の接点を介し
て電極群４にそれぞれ供給されて超音波モータ１を駆動
する。

一方、サイズの異なる、本例では小径の超音波モータ２
２の固定子２３は、超音波モータ１の固定子２と構成が
全く同一で、分極処理され高周波電圧が供給される電極
の組み込まれた圧電素子が、２つの電極群２４および電
極群２５にまとめられ互いに９０°位相をずらされて配
置されている。

この電極群２４および電極群２５は、高周波電圧が供給
されると圧電素子を振動させ屈曲進行波を発生させる駆
動電極である。さらに、圧電素子に発生した振動状態を
検出するためのモニタ電極２６と電極群２４および電極
群２５の共通電極２７とから構成されている。超音波モ
ータ２２の固定子２３上の電極群２４は、インピーダン
ス整合用のコイル２８を経て接地３１されると共にリレ
ー７の接点を介して変圧器２０の出力側と、また、電極
群２５は、同じように、インピーダンス整合用のコイル
２つを経て接地３１されると共にリレー８の接点を介し
て変圧器２１の出力側と、モニタ電極２６はリレー９を
介して整流器１０に、それぞれ接続される回路が形成さ
れ超音波モータ２２を駆動するように構成されている。

次に作用を説明する。

第３図にマイクロコンピュータ１２の作動フローチャー
１・を示ず。５ＴＡＲＴ　　第３図には図示されていな
いが、電源ＯＮによりマイクロコンピュータ１−２が作
動する。５ＴＥＰ−１駆動すべき超音波モータのサイズ
について判別する。ここで、たとえば駆動しようとする
超音波モータ１のサイズが６０ｍｍφで、圧電素子の制
動容量が７ｎＦ　（ｎ＝１．０−９．Ｆ＝ファラッド）
であると仮定する。変圧器２０および変圧器２１のリア
クタンスは、モータのサイズ６０ｍｍφの制動容量とイ
ンピーダンス整合がとれるように設計しであるため、イ
ンピーダンス整合用のコイル２８および２９の回路内へ
の挿入の必要性が無く、したがって、リレー７．８．９
は作動せず５ＴＥＰ−２を飛び越えて５ＴＥＰ−３に移
る。５ＴＥＰ−３マイクロコンピユータ１２は、超音波
モータ１の駆動周波数として上限の周波数を出力するよ
うに指示するが、この時の駆動周波数（第４図のモータ
入力電流ｔｌの時）は、圧電素子の共振周波数よりかな
り」ニにあるため超音波モータ１は駆動しない。５ＴＥ
Ｐ−４超音波モータ］の圧電素子の振動状態を検知する
モニタ電極５の電圧を整流器１０で整流し、Ａ／Ｄ変換
器１１で変換された振動振幅のデジタル値を読み取る。

５ＴＥＰ−５モニタ電極５で検知された振動増幅値が、
所定値Ａ（モータのサイズ、圧電素子の種類、使用条件
などから別途状められる値）より高い値か、等しい値か
、低い値かを判断する。現在の説明例では、振動増幅値
が所定値Ａより低い値を示したため図の右端のコースす
なわち振動増幅値〈所定値Ａを選択する。５ＴＥＰ’−
６５ＴＥＰ−５の判断結果によりマイクロコンピュータ
１２は、駆動周波数を０．１ＫＨｚ下げるように指示す
る。この結果、プログラムは５ＴＥＰ−１にバックされ
る。

一方、５ＴＥＰ−６で出されたマイクロコンピュータ１
２の指示により、Ｄ／Ａ変換器］３、電圧制御発振器１
４、リングカウンタ１５、トランジスタ１６．１７，１
８．１９を経て、変圧器２Ｏおよび変圧器２１に供給さ
れる駆動周波数が、０．１ＫＨｚ下げられるため、超音
波モータ１の固定子２上の電極群３および電極群４に印
加される駆動周波数も０．１ＫＨｚ下げられる。いま、
超音波モータ１は、駆動していないためモニタ電極５か
ら検知される振動増幅値は、所定値Ａよりも小さいので
コンピュータ１２はプログラムにより順次モータの駆動
周波数を下げて、圧電素子の共振周波数に近接させる（
第４図のｔｌとｔ３の間のｔｌの区間）。やがて、駆動
周波数が圧電素子の共振周波数近くまで下ってくると圧
電素子が徐々に振動し始める（第４図のｔ３点）。しが
し、モニタ電極５から検知される振動増幅値はいぜんと
して所定値Ａより低いため、この振動増幅値を読み取る
マイクロコンピュータ１２は、さらに、駆動周波数を下
げるように指示する。やがて駆動周波数は、圧電素子の
最適な共振周波数に近づくため、超音波モータ］の回転
数とトルクが徐々に増加する。引続き、マイクロコンピ
ュータ１２が駆動周波数を下げ続け、圧電素子の共振周
波数と駆動周波数とが完全に一致すると圧電素子のイン
ピーダンスが急激に小さくなるため、電流が過大に流れ
込み圧電素子を焼損してしまう。したがって、駆動周波
数と圧電素子の共振周波数とが一致する前に、マイクロ
コンピュータ１２は、モニタ電極５から検知される圧電
素子の振動増幅値か所定値Ａを越えた時点（第４図のｔ
４点）で、駆動周波数を０．１．ＫＨｚＪ：げるように
指示する。以上のように、モニタ電極５からの振動増幅
値が、所定値Ａになるように駆動周波数を制御すること
によって圧電素子の共振点を中心とした最適駆動周波数
で超音波モータ１を継続して駆動することができる（第
４図のｔ５点）。

つぎに、前記超音波モータ１の使用時の変圧器２０およ
び変圧器２１と圧電素子とのインピーダンス整合につい
て記述する。第５図に、変圧器２０と超音波モータ１の
等価回路３２を示す。−設面に、圧電素子を使用する超
音波モータ１は、圧電素子の共振点付近でコンデンザ的
に作用する圧電素子の直列配備のキャパシタンスＣｐと
コイルＬおよび抵抗Ｒ１さらに、これらと並列に配備さ
れる振動に関係しない制動容量Ｃｄとの等価回路３２に
置換することができる。この等価回路３２のり、ｃｐ、
Ｒの機械的な直列共振を利用して駆動させるため、ＬＳ
ＣｐＳＲに流れる電流Ｉ４をできるだけ大きくし、制動
容量Ｃｄを流れる電流Ｉ３を小さくして駆動効率を高め
ることが望ましい。そのためには、変圧器２０の持つリ
アクタンスと制動容量Ｃｄの合成インピーダンスを共振
周波数において無限大とし、Ｌ、ｃｐＳＲのみの直列回
路となるようにすればよいこととなる。第６図は、第５
図の変圧器２０と超音波モータ１の等価回路３２から、
説明に必要な変圧器２０と制動容量Ｃｄのみを取り出し
て図示したもので、変圧器２０の１次側コイルをＬｌ、
入力電流をＩ１、入力端子をＥｌ、２次側コイルをＬｌ
、出力電流をＩ２、出力電圧をＥ２　、Ｌ、とＬｌの相
互インダクタンスをＭとし、等価回路３２の制動容量Ｃ
ｄに流れる電流を１３、電圧をＥ３、制動容量ｃｄから
の電流をＩ４、電圧をＥ４とすると、変圧器２０の入力
関係は、 で表わされる。ここで、Ｎ、−変圧器１次側巻線数、ｎ
ｌ−変圧器２次側巻線数、ｊ−ｒ〒、ω−共振周波数と
する。

制動容量Ｃｄの入力関係は、 で表わされる。

また、変圧器２０と制動容量ｃｄのタンダム（縦）結合
の合成回路の入力・出力関係は、・・・・・・（３） ｎｌ　　　　　　　　　　　ｎｌ 変圧器２０の入力側よりみた変圧器２ｏと制動容量ｃｄ
の合成インピーダンスＺは、 ｎ１／ｎ２ （５）式より合成インピーダンスＺが無限大になる条件
は、 となり、この式を満足するように変圧器２０の相互イン
ダクタンスＭを設定すればよいこととなる。

たとえば、前記の６０ｍｍφの超音波モータ１の場合、
ω−２πＸ４０ＫＨｚ、制動容量Ｃｄ−７ｎＦ、変圧器
の巻線比ｎ２．／ｎ１−１０を（６）式に代入すると １／１０ −２．２６ｘｌｏ−’［Ｈ］　　　（Ｈ−ヘンリー）（
７）式の計算結果から、変圧器２０の相互インダクタン
スを２．２６Ｘ１０−’［Ｈ］にすればよい。

しかしながら、サイズ小の超音波モータ２２を使用する
場合のように、モータのサイズが異なる場合には、圧電
素子の共振周波数ωとモータの制動容量Ｃｄとが共に異
なるため、前記のごとく設計した変圧器２０を使用して
、ただ駆動周波数を圧電素子の制動容量Ｃｄに合わせて
変化させても制動容量Ｃｄに電流が流れるため超音波モ
ータは、駆動しない。したがって、新規に、モータの圧
電素子の共振周波数ωとモータの制動容量Ｃｄに合わせ
て、相互インダクタンスＭを設計し直した変圧器を使う
必要が生じ、１つの制御回路で異なるサイズの超音波モ
ータを駆動することはできない。

このため、１つの制御回路で異なるサイズの超音波モー
タを交互に、あるいは、同時に駆動するには、変圧器と
並列にコイルを回路内に挿入し、モータの制動容量Ｃｄ
とインピーダンス整合がとれるようにすれば駆動するこ
とができる。

第７図に、サイズの異なる２台の超音波モータを回路内
へのコイル挿入により各別に駆動しうるインピーダンス
整合の例を示す。この図においても、第６図の説明の際
に記述した如く変圧器２０と超音波モータ１の等両回路
３２から、説明に必要な変圧器２０と回路内に挿入され
たコイルＬ３および制動容量Ｃｄのみを取り出して図示
したものである。第７図に示すように、変圧器２０の１
次側コイルをり、、２次側コイルをＬ２、出力電流をＩ
２、出力電圧をＥ２、ＬＩとＬ２の相互インダクタンス
をＭとし、挿入コイルＬ３に流れる電流をＩ３、電圧を
Ｅ３、コイルＬ３からの電流を工４、電圧をＥ４、さら
に、制動容量Ｃｄへの入力電流をＩ５、電圧をＥ５、制
動容量Ｃｄからの電流をＩ６、電圧をＥ６とすると、こ
の場合には、変圧器２０の持つリアクタンスとコイルＬ
３および制動容量Ｃｄとの合成インピーダンスが無限大
になるようにコイルＬ３を設計すればよいことになる。

変圧器２０の入・出力関係は、 コイルＬ３の入・出力関係は、 制動容量Ｃｄの人・出力関係は、 変圧器２０とコイルＬ３、制動容量のタンデム結合の合
成回路の人・出力関係は、 ｎｌ ここで、Ｅ−−１Ｇ＝０、 変圧器２０の入力側よりみた変圧器２０とコイルＬ３お
よび制動容量Ｃｄの合成インピーダンスＺは、 ・・・・・・（■ （１２）式より合成インピーダンスＺが無限大になると
なり、（１力式を満足させるようにコイルＬ３のインダ
クタンスを設定すればよいこととなる。

たとえば、前記の６０ｍｍφ超音波モータ１よりもサイ
ズの小さい４５ｍｍφの超音波モータ２２を駆動する場
合は、ω−２πＸ５０ＫＨｚ、制動容量Ｃｄ＝６ｎＦ、
変圧器の巻線比ｎ２／ｎ１−１０１相互インダクタンス
Ｍ−２，２６Ｘ１０−４　［Ｈ］を（１３）式に代入す
ると、コイルＬ３のインダクタンスしは、 ・・・・・・（２） −６，６８ｘ　　１　０−３　［Ｈコ となる。したがって、−設面に、あるサイズのモータを
駆動するように変圧器を設計した場合、同一の変圧器を
使用して、サイズの異なるモータを駆動するには、（１
４）式で計算されるインダクタンスＬを有するコイルを
回路内に挿入すればよいことになる。

つぎに、サイズの異なる（本例ではサイズ小）モータを
駆動するプログラムを再び第３図を用いて説明する。

５ＴＡＲＴ　　第４図には図示されていないが、電源Ｏ
Ｎによりマイクロコンピュータ１２が作動する。５ＴＥ
Ｐ−１駆動すべき超音波モータのサイズについて判定す
る。この判定の結果、サイズ４５ｍｍφの超音波モータ
２２を駆動することになったとする。５ＴＥＩ’−２５
ＴＥＰ−１の判定結果により超音波モータ２２を駆動さ
せる際の変圧器２０および変圧器２１のリアクタンスは
、モータのサイズ６０ｍｍφの制動容量とインピーダン
ス整合がされるように設計しであるため、この状態のま
までは４５ｍｍφの制動容量とインピーダンス整合がと
れておらずモータは駆動しない。

そこでマイクロコンピュータ１２は、変圧器２０および
変圧器２１−のりアクタンスと４５ｍｍφの制動容量と
が整合するように前記（４）の計算式から導出され設置
されているインピーダンス整合用コイル２８と２９を回
路に挿入しかつ、モニタ切換するべくリレー７．８．９
を作動させリレー接点を切換える。そして、５ＴＥＰ−
３〜５ＴＥＰ−６および５ＴＥＰ−６から出されたマイ
クロコンピュータ１２の指示による作動アルゴリズムは
、前記した６０ｍｍφのサイズの超音波モータ１の作動
アルゴリズムと全く同様のプログラムで超音波モータ２
２か駆動する。

第８図に、他の実施例として、本発明による駆動回路で
サイズの異なる２台の超音波モータを同時に（実際には
同時ではないがあたかも同時に）駆動させる実施例を示
す。第８図は駆動のアルゴリズムを説明する為のタイム
チャートであ□す、横軸を時間Ｔで表わし縦軸に超音波
モータ１の電極群３および電極群４に印加される２相交
流と超音波モータ２２の電極群２４および電極群２５に
印加される２相交流を表わす。そして、時間Ｔ１の間は
、す１ノー７．８．９をＯＦＦの状態に保持し超音波モ
ータ１の電極群３および電極群４に２相交流を印加して
超音波モータ１を駆動する。つぎに時間Ｔ２の間は、リ
レー７．８．９をＯＮ状態にし超音波モータ２２の電極
群２４および電極群２５に２相交流を印加して超音波モ
ータ２２を駆動する。このようにして、リレー７．８．
９の切り換えを交１１に行なうことにより１台の駆動回
路でサイズの異なる２台の超音波モータを同時に駆動す
ることができる（特願昭１−１５６１２９号−２３−一 参照）。

［発明の効果］ 以」二説明してきたように、この発明によれば、その構
成を超音波モータ駆動回路の変圧器の２次側に、変圧器
の２次側コイルと並列にコイルを設置し、駆動する超音
波モータのサイズに応じて変圧器の２次側とコイルとを
断続させるスイッチを設けた構成としたため、１台の駆
動回路でサイズの異なる複数の超音波モータを交互に駆
動できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す超音波モータ用駆動
回路の説明図、第２図は、超音波モータ固定子の電極配
置正面図、第３図は、本発明に係るマイクロコンピュー
タのフローチャート図、第４図は、超音波モータの時間
に対する入力電流と駆動周波数との関係を示す説明図、
第５図は、変圧器と超音波モータの等価回路図、第６図
は、第５図の変圧器と制動容量とのインピーダンス整合
の説明図、第７図は、異なるモータサイズの場合の本発
明に係る変圧器とコイルおよび制動容量のインピーダン
ス整合の説明図、第８図は、本発明の他の実施例を示ず
タイムチャー１・図、第９図は、従来の超音波モータの
駆動回路図である。 １・・・超音波モータ　　　２・・・固定子３・・・電
極群　　　　　　４・・電極群５・・・モニタ電極　　
　　６・・・共通電極７〜９・・・リレー　　　１０・
・整流器１１・・・Ａ／Ｄ鹿換器 １２・・・マイクロコンピュータ １３・・・Ｄ／Ａ変換器　　１４・・・電圧制御発振器
１５・・・リングカウンタ １６〜１９・・・トランジスタ ２０・・・変圧器　　　　　２１・・・変圧器２２・・
・超音波モータ　　２３・・・固定子２４・・・電極群
　　　　　２５・・・電極群２６・・・モニタ電極　　
　２７・・・共通電極２８・・・インピーダンス整合用
コイル２つ・・・インピーダンス整合用コイル３０・・
・直流電源　　　　３１・・・接地３２・・・等価回路 発叡町馬拐 中−へ−＜−ｐｗ返

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）異なる位相に配置された圧電素子に、位相の異な
   る高周波電圧を印加し、発生する進行性振動波により回
   転体を駆動する超音波モータの駆動回路において、モー
   タに印加する駆動周波数を決める手段と、決められた周
   波数の交流電圧を発生させる変圧器と、駆動させるモー
   タのサイズに応じて、変圧器の２次側と該２次側に並列
   に設けられたコイルとを断続するスイッチ手段とを有す
   ることを特徴とする超音波モータの駆動回路。