JPH0527348B2

JPH0527348B2 -

Info

Publication number: JPH0527348B2
Application number: JP58077380A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hakamata; Tadao Takagi; Yukio Hyodo
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1983-05-04
Filing date: 1983-05-04
Publication date: 1993-04-20
Also published as: JPS59204477A; US4510411A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、超音波モーターの駆動制御回路に関
するものである。

まず、第１図にもとずいて超音波モーターを説
明する。

第１図ａは超音波モーターの一例を示すもので
あり、図において１はPZTなどのリング状圧電
体であり、銀等からなるリング状の共通電極２
は、リング状圧電体１の一方の面全体にコート
（被覆）されている。リング状圧電体１の他方の
面には銀等から成るセグメント電極群３がコート
されている。セグメント電極群３は16個のセグメ
ント電極３ａ−３ｐから成る。そのうち、セグメ
ント電極３ａは円周方向に３／４λの長さ（本明細書中λは屈曲振動波長）を有しており、セグメン
ト電極３ｂは円周方向に１／４λの長さを有しており、セグメント電極３ａと180゜ずれている。セグ
メント電極３ｃ〜３ｉは各々円周方向にλ／２の長さを有しており、セグメント電極３ａと３ｂとの
間の一方側にある。一方、セグメント電極３ｊ〜
３ｐは各々円周方向にλ／２の長さを有しており、電極３ａと３ｂとの間の他方側にある。

長さλ／２のセグメント電極３ｃ〜３ｉおよび３ｊ〜３ｐの各々が対向しているリング状圧電体１
の各領域は、隣接する領域と分極方向が異なる様
に分極されている。例えば、リング状圧電体１は
セグメント電極３ｃの接触している領域とセグメ
ント電極３ｄの接触している領域とが分極方向を
逆にしている。図において○・とは夫々分極方向
が逆であることを示している。長さλ／２のセグメント電極３ｃ〜３ｉは駆動交流印加用電極であ
り、互に導電性ペースト４ａにより接続され、こ
れらには入力端子Ｒから入力交流電圧が印加され
る。セグメント電極３ｊ〜３ｐも駆動交流印加用
電極であり、同様にペースト４ｂにより接続さ
れ、入力端子Ｌから入力交流電圧が印加される。
長さ３／４λのセグメント電極３ａは、リング状圧電体１の裏面のリング状の共通電極２とリング状
圧電体１の外周端に設けられた導電ペースト４ｃ
により接続されている。セグメント電極３ａには
接地端子Ｇより接地電位が印加される。すなわ
ち、このセグメント電極３ａはリング状の共通電
極２の引き出し電極としての働きをしているにす
ぎない。またセグメント電極３ｂは、セグメント
電極群３の作製工程で単に形成されたにすぎず、
作用を何ら果していない。リング状圧電体１はリ
ング電極２の側に接着剤５により、黄銅等から成
る弾性体のリング６が固着されている。ロータ７
は弾性体のリング６に対して或る接触圧で当接さ
れている。

次に、上述の如き構成の超音波モーターの作用
について説明する。

入力端子Ｒ−Ｇ間と入力端子Ｌ−Ｇ間とに互に
90゜位相のずれた所定周波数の交流電圧を加える
と、リング状圧電体１と弾性体のリング６に波長
λの屈曲振動が生じ、ロータ７が回転される。こ
のモータの効率を高くするには、上記交流の周波
数を最適値に保つことが必要である。しかしなが
らこの最適値は、例えばロータ７と弾性体のリン
グ６との接触圧やモータの温度などの外部条件の
変動によつて変化するものである。したがつて、
上記交流電圧の周波数を常に一定値に保つている
と、高効率な超音波モーターが得られない。

本発明は、上記のような問題点を解決するため
に、入力電源の周波数を常時外部条件に応じた最
適値に保持することのできる超音波モーターの駆
動回路を提供することを目的とする。

上記目的の達成のために、本発明では第一周波
電圧及び前記第一周波電圧と位相の異なる第二周
波電圧を出力する発振手段８，９，１０ａ，１０
ｂと、圧電体１の片面に配置され前記第一周波電
圧が印加される第一電極３Ｃ〜３ｉと、前記圧電
体１の前記片面に配置され前記第二周波電圧が印
加される第二電極３ｊ〜３ｐと、前記第一及び第
二周波電圧の入力周波数と前記超音波モーターの
駆動出力との関係を変化させる外部条件の変動が
あつた時に、弾性体６の励振状態の変動に応じた
検出電圧を出力するように、前記圧電体１の前記
片面に配置され且つ前記第一電極と第二電極とか
ら電気的に絶縁されたモニター電極３ｂと、前記
超音波モーターの駆動中の間、連続して前記モニ
ター電極３ｂから前記検出電圧を検出する検出部
１５と、前記外部条件が変化すると前記外部条件
の変化の影響を除去するように前記検出部１５か
らの出力に応じて、前記発振手段８，９，１０
ａ，１０ｂが出力する前記第一及び第二周波電圧
の入力周波数を制御する発振制御手段１７とを有
するように超音波モーターを構成した。

第２図は本発明の好適な一実施例を示すもので
ある。第１図セグメント電極３ｂに対応する部分
に第２図の実施例では端子Ｓが設けてある点と、
このセグメント電極３ｂに対向するリング状圧電
体１の領域も第２実施例では分極させてある点と
においてのみ第２図のものは第１図のものと異な
り、第２図の実施例の他の構造は第１図のものと
同一である。

第２図においても、このセグメント電極３ｂは
入力交流電圧が印加されない電極であるので、モ
ータが駆動し、リング状圧電体１に屈曲振動が生
ずると、セグメント電極３ｂにはこの屈曲振動に
応じた交流が現われる。この現象は、圧電体は交
流を印加されると振動を生ずると共に、逆に振動
を与えられると交流を生ずるという性質によるも
のである。

第３図は、第２図の超音波モーターの回転制御
回路である。回転制御回路は制御可能な発振器
８、90゜位相移相器９、アンプ１０ａ，１０ｂ、
インダクタンス１１ａ，１１ｂ、第２図に示す超
音波モータ１２、バンドパスフイルタ１３、発振
制御器１４より構成されている。発振器８からあ
る周波数の正弦波が出力され、アンプ１０ａと
90゜位相移相器９に入力される。90゜位相移相器９
の出力はアンプ１０ｂに入力される。アンプ１０
ａ，１０ｂは互いに90゜位相のずれた交流電圧を
整合用インダクタンス１１ａ，１１ｂを介して端
子Ｒ，Ｌから超音波モーター１２に印加する。超
音波モーターの回転状態はセグメント電極３ｂに
接続した端子Ｓより交流電圧の大きさで出力さ
れ、バンドパスフイルタ１３に入力する。第５図
を参照して後述するようにバンドパスフイルタ１
３で不用な信号が除去され、回転を制御するのに
有用な信号のみが発振制御器１４に入力され、制
御可能な発振器８にフイードバツクされる。

なお、特許請求の範囲記載の発振手段とは、第
３図中の発振器８、位相移相器９、アンプ１０
ａ，１０ｂを示している。

第４図は第２図の超音波モーターへの入力周波
数の時の超音波モーターの回転数をＮとし、そ
の時超音波モーターの振動検出用セグメント電極
３ｂの端子Ｓに出力される電圧を検出し、その検
出電圧（例えば実効値）をＶとした時の関係を示
す特性曲線図である。図において、ある外的条件
の下での入力周波数に対するモータ回転数N₁の
特性および検出電圧V₁の特性は図のようになり、
ともに最適入力周波数₁で最大となる。また、外
的条件が変化した時入力周波数に対するモータ回
転数特性および検出電圧特性はN₂、V₂となり、
この時最適入力周波数₂に対してN₂、V₂は最大
となつている。この様に、ある外的条件におい
て、モータ回転数のピークを与える周波数と検出
電圧のピークを与える周波数とはほぼ一致するこ
とが実験的に見出された。今、外的条件の変化に
も拘らず、入力周波数が依然として、例えば₁に
保持されると、モータ回転数Ｎも検出電圧Ｖも大
きく低下することになる。そこで、本発明では第
３図の回路図に示す如く、超音波モーターのセグ
メント電極３ｂの端子Ｓからの出力電圧（すなわ
ち上記検出電圧）に応じて、発振制御器１４が発
振器８を制御して、常にその時の外的条件の最適
値（例えば₁₂）に発振周波数すなわち超音波モ
ーターへの入力周波数を制御する。

上述した外的条件の最適値とは電圧信号がピー
クとなる点を示している。発振制御器１４は、端
子Ｓからの電圧信号がピークとなるように発振周
波数を制御する装置であり、その制御には、すで
に特開昭56−51164号公報等で公知である山登り
回路を利用している。発振制御器１４は、第８図
に示すように検出部１５と差分ホールド回路１６
と発振制御部１７とからなる。なお、山登り回路
は図中１８で示され、バンドパスフイルター１
３、検出部１５、差分ホールド回路１６とからな
る回路である。バンドパスフイルター１３を通し
て不要な周波数帯域を取り除かれた電圧信号は、
検出部１５によつて常時連続して検出され、検出
された電圧信号は、差分ホールド回路１６に出力
される。差分ホールド回路１６では電圧信号を一
定時間毎にサンプルホールドし、比較演算するこ
とにより、電圧信号が時間経過に対して増加方向
にあるか減少方向にあるかを判断する。得られた
情報は、発振制御部１７に出力され、発振制御部
１７では電圧方向が常に増加するように発振器８
を制御する。

こうすれば超音波モーターにおけるリング状圧
電体と弾性体との間の共振周波数が、外乱の影響
で変化しても常に最適の周波数が発振器８より出
力され、したがつて超音波モーターの回転は、最
適に保たれる。

一方、超音波モーターのセグメント電極３ｂに
接続された端子Ｓからの検出電圧Ｖは、前述した
如くモータ回転数Ｎの最大値を与えるモータへの
入力周波数において最大値をとると共に、第５図
に示すようにそこからかなり離れた周波数₃にお
いて小さなピークを呈する場合がある。そこで、
第３図の制御回路においてはバンドパスフイルタ
１３をモータ側出力端子Ｓと発振制御回路１４と
の間に設けて、モータ回転数Ｎの最大値を与える
周波数帯域、例えば第４図の周波数₁〜₂付近を
通し、上述の周波数₃を含む如きそれ以外の周波
数帯域をカツトするようにしてある。

尚第２図の実施例では、振動検出用のセグメン
ト電極３ｂを、リング状圧電体１の最内周から最
外周まで分布させたが、本発明の振動検出用セグ
メント電極の設置はこれに限るものでなく、圧電
体の振動を検出できる箇所であれば任意の位置で
よい。例えば、第６図の如く、電極３ｂをリング
状圧電体の外周部のみにコートしてもよい。ま
た、振動検出用の電極は、セグメント電極３ｂを
用いる必要はなく、例えば、第６図の電極３ａを
半径方向に分割し第７図の様に互に絶縁した二つ
の電極３０ａと３０ｂとを形成し、この内周側電
極３０ａを導電性ペースト４ｃによりリング状の
共通電極２と接続し、かつ接地端子Ｇと接続して
リング状電極の引出し電極として使用し、また外
周側電極３０ｂに端子Ｓを接続し振動検出用電極
とする。同様にセグメント電極３ｃ〜３ｐのいず
れかを分割し駆動交流印加用電極と振動検出用電
極とを作成することもできる。

振動検出用電極を第６図や第７図の如くリング
状圧電体の外周側に設けた場合の利点を以下に述
べる。

弾性体がたとえば第２図のようなリング状であ
ると、そのリングの内側と、外側ではその共振周
波数は異なる。また、超音波モーター、具体的に
はロータを駆動する表面波はリングの外側に集中
する。したがつて、、モニタ電圧としては、圧電
体のリング外周の振動を検出したものであること
が望ましい。そこで振動検出用セグメント電極を
リング状圧電体の外周部にのみコートすることに
より、リング状圧電体の外周部での振動を検出で
きる。

上述の実施例では、セグメント電極群３の一部
に振動検出用セグメント電極を設け、この振動検
出用電極とこれに圧電体１をはさんで対向したリ
ング状電極２との間から振動検出信号を取出した
が、本発明はこれに限るものでなく、例えば、リ
ング状電極２の小部分を残部から絶縁し、この小
部分を振動検出用電極とし、他方この振動検出用
電極に圧電体１をはさんで対向したセグメント電
極群３の部分を他から絶縁し、この部分を振動検
出用電極の対向電極とし、この振動検出用電極と
対向電極とから振動検出信号を取出すこともでき
る。もちろんこの対向電極が、交流電圧が印加さ
れないセグメント電極３ａ又は３ｂに該当する場
合には、この電極３ａ又は３ｂをそのまま対向電
極として使用できる。

上述の例では振動を検出する一対の電極として
圧電体を挾んで対向した振動検出用電極と対向電
極とを用いたが、この一対の電極を共にリング状
の共通電極２の側にもしくはセグメント電極群３
側に設けることもできる。具体的には、例えば他
から絶縁した一対の隣接電極を共に圧電体の同一
分極領域内に位置するように圧電体のいずれか一
方の面に設ければ良い。

以上のように本発明によれば、モニター電極部
より表面波モータの駆動中、繰り返し電圧を検出
しているので、駆動中に外的条件が変化して最適
周波数が変化したとしても常に該検出された電圧
に応じて駆動周波数を制御でき、容易に最適な駆
動ができる。また、圧電体の励振に直接寄与しな
い部分を利用して、その部分から弾性体の振動状
態を検知できる為に、新たに検出回路を設ける必
要がなく、コストの上昇と形状の増大化を招くこ
とがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波モーターを示すものであり、第
１図ａはその平面図、第１図ｂはその正面図、第
２図は本発明の一実施例の超音波モーターの平面
図、第３図は第２図の超音波モーターの回転制御
回路を示す図、第４図は異なつた外的条件におけ
る超音波モーターへの入力周波数に対するモータ
回転数および第２図端子からの検出電圧との関係
を示す特性曲線図、第５図は入力周波数に対する
モータ回転数および検出電圧の関係を示す特性曲
線にピークが複数個現われる場合を示す図、第６
図は本発明による超音波モーターの別の実施例を
示す平面図、第７図は本発明による超音波モータ
ーのさらに別の実施例を示す平面図である。第８
図は第３図の発振制御器１４の構成を示す図であ
る。主要部分の符号の説明、１……リング状圧電
体、６……弾性体のリング、７……ロータ、３ｂ
……振動検出用のセグメント電極、Ｓ……端子、
８……発振器、１４……発振制御器、１５……検
出部、１７……発振制御部、１８……山登り回
路。

Claims

【特許請求の範囲】１発振手段８，９，１０ａ，１０ｂと、モニタ
ー電極３ｂ，３０ｂと、制御手段１４とを備えた
超音波モーターの駆動制御回路であつて、超音波モーターは、弾性体６と、該弾性体を励
振する圧電体１と、弾性体６に圧接される可動子
７とから成り、該圧電体はその片面に配置される
第一電極３ｃ〜３ｉと第二電極３ｊ〜３ｐとを有
するものであり、発振手段８，９，１０ａ，１０ｂは、第一周波
電圧及び該第一周波電圧と位相の異なる第二周波
電圧を出力するものであつて、第一電極３ｃ〜３
ｉと第二電極３ｊ〜３ｐとに接続され、モニター電極３ｂ，３０ｂは、圧電体１に配置
され、第一電極３ｃ〜３ｉと第二電極３ｊ〜３ｐ
とから電気的に絶縁され、外部条件の変動に応じ
た弾性体６の励振状態を検出するものであり、出
力部（端子Ｓ）を有し、該出力部（端子Ｓ）が超
音波モーターの駆動中に、連続してモニター電極
からの検出電圧を出力するものであり、制御手段１４は、出力部（端子Ｓ）からの検出
電圧を入力し、外部条件の変動の影響を除去する
ように検出電圧の入力に応じた制御信号を発振手
段８，９，１０ａ，１０ｂに出力するものであ
り、該制御信号が第一及び第二周波電圧の入力周
波数を制御するものである。超音波モーターの駆動制御回路。２モニター電極３ｂは、円周方向に1/4λ（λは
超音波振動の屈曲振動波長）の長さを有する特許請求の範囲第１項記載の超音波モーターの
駆動制御回路。３モニター電極３０ｂは、圧電体１の片面かつ
外周側部分に配置されている特許請求の範囲第１項記載の超音波モーターの
駆動制御回路。４制御手段１４は、入力周波数を含む所定の周
波数帯域以外の入力周波数をカツトするフイルタ
ー手段１３を有し、入力周波数を該周波数帯域内
で制御する特許請求の範囲第１項記載の超音波モーターの
駆動制御回路。５入力周波数は、前記超音波モーターを高回転
する入力周波数（f2）である特許請求の範囲第４項記載の超音波モーターの
駆動制御回路。