JPH0799787A - 超音波モータの駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡単な構成で、より小型の超音波モータの駆動
回路を提供することを目的とする。 【構成】超音波振動を伝達拡大する２つの共振器９，１
８と、これら２つの共振器の間に配置され、正弦波電圧
の印加によって超音波振動を発生する圧電素子４，５
と、上記２つの共振器と圧電素子とを圧着固定して超音
波振動子を形成する締結部材３と、上記共振器の端面に
発生する楕円運動により移動される回転子１３と、この
回転子１３に固着され着磁された磁石３４と、この磁石
の磁束との相互作用により電気信号を発生するコイル３
５とを具備しており、上記電気信号を、上記正弦波電圧
を印加する導線４５に重畳して伝送することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータの駆動回
路、詳しくは、電気−機械エネルギー変換素子より発生
する振動を利用して回転する超音波モータの駆動回路に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波振動子を用いた超音波モー
タは種々提案されており、１例を図６および図７を参照
して説明する。

【０００３】図６は従来の超音波モータの１例を示した
斜視図であり、該モータの積層状態を示している。ま
た、図７は該超音波モータの中心軸から半分の組立断面
図を示している。

【０００４】図に示すように、中心に中空円部が形成さ
れた略円板形状の第１圧電素子４と第２圧電素子５は、
すべり振動子で分極方向（矢印）が軸に対して垂直にな
るように分極されている。また、該第１圧電素子４と第
２圧電素子５とは分極方向が９０°ずれて配置されてい
るる。

【０００５】上記第１圧電素子４の上方，第２圧電素子
５の下方および、該第１圧電素子４と第２圧電素子５と
の間にはそれぞれ電極板６，７，８が配置されている。
また、共振器９は振動伝達に優れた材質で構成されてい
て、上記電極板６との設置面には絶縁部材が薄膜状に形
成されている。該共振器９の中心部には締結部材３が貫
通する貫通孔１０が設けられ、超音波振動子１１の端面
となる方向から上記圧電素子４，５の方向へ共振器９の
端面が締結部材３と接触しないように円錐カップ形状の
中空部１２が形成されている。

【０００６】また、上記共振器９は、回転子１３の設置
される方向から上記圧電素子４，５の設置される方向
に、該共振器９の一部を８等分する溝１４が中心軸と平
行に形成され、８個の変位拡大振動片１５を構成してい
る。さらに、該共振器９の外周側面には、屈曲振動の節
となる部分と、変位拡大振動片１５の根元となる付近と
に所定深さの溝１６，１７が外周と同芯円形状に形成さ
れている。

【０００７】上記回転子１３における上記共振器９側の
端面には、等分に４極に着磁された磁石３４が回転子１
３と同軸になるように接着されている。

【０００８】一方、上記圧電素子４，５における他方の
端面に配置される共振器１８も上記共振器９と同材質で
構成されていて、その中心部には締結部材３と結合する
ネジ部１９が形成され、外周にはテーパー２０が形成さ
れている。該テーパー２０の突端には、中心軸周りに突
出部２１が形成され、外部の固定部材との接触面積を少
なくしている。

【０００９】上記超音波振動子１１は、図に示すように
上記第１圧電素子４，第２圧電素子５，電極板６，７，
８，共振器９を締結部材である２カ所のネジ部を有する
ボルト３に貫通させた状態で共振器１８と圧着ナット２
２間に挟み構成されている。なお、上記締結部材である
ボルト３は絶縁部材のセラミック材で構成され、共振器
９と共振器１８とを導通させないようになっている。

【００１０】上記ボルト３は超音波振動子１１を圧着構
成すると共に、その超音波振動子１１との端面に押圧機
構を有する回転子１３を支持している。

【００１１】また、上記電極板６と電極板７とには互い
に位相が９０°ずれた共振周波数付近の正弦波電圧が、
図示しない駆動回路から導線を通じて印加され、電極板
８は、導線によりアースに接続されるようになってい
る。

【００１２】さらに、上記圧着ナット２２の上方の上記
磁石３４の下方には、４等分に巻線用の溝が形成された
ボビン３５ａに導線３６を巻線をしてなるコイル３５が
該ボビン３５ａの中心部に形成された孔部を上記ボルト
３により挿通固定されている。

【００１３】以上説明した超音波モータは、２組の圧電
素子４，５に互いに位相が９０°ずれた共振周波数付近
の正弦波電圧を印加すると、超音波振動子１１に中心軸
の周りに回転する屈曲振動が発生する。これにより、超
音波振動子１１の端面には中心軸周りに回転する楕円運
動が発生し、押圧設置された回転子１３が回転する。ま
た、駆動電圧の位相差を１８０°にすると、超音波振動
子１１に逆回転の楕円運動が発生し、該回転子１３は逆
回転する。

【００１４】さらに、上記回転子１３と同時に回転する
磁石３４により、その近傍に配置された磁気−電気エネ
ルギー変換素子で構成された回転検出器である上記コイ
ル３５に鎖交する磁束が変化し、該磁気−電気エネルギ
ー変換素子には回転子１３の回転速度に比例した電圧ま
たは周波数の信号が発生する。

【００１５】この回転速度に比例した信号は、２組の圧
電素子４，５に正弦波電圧を印加するための導線とは別
に設けられた導線によって外部に導かれ、駆動回路に接
続されている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術手段では、超音波モータを駆動するために、圧
電素子に電力を供給するための導線と、磁気−電気エネ
ルギー変換素子で構成された回転検出器により検出され
た回転速度に比例した信号を外部の超音波モータ制御回
路へ導くための導線とが別々に必要となる。これによ
り、超音波モータとモータ制御回路とを接続する多数の
導線が、該超音波モータ装置の小型化を阻害していた。

【００１７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、簡単な構成で、より小型の超音波モータの駆
動回路を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段および作用】上記の目的を
達成するために本発明による超音波モータの駆動回路
は、超音波振動を伝達拡大する２つの共振器と、これら
２つの共振器の間に配置され、正弦波電圧の印加によっ
て超音波振動を発生する電気−機械エネルギー変換素子
と、上記２つの共振器と電気−機械エネルギー変換素子
とを圧着固定して超音波振動子を形成する締結手段と、
上記共振器の端面に発生する楕円運動により移動される
被駆動部材と、この被駆動部材に固着され着磁された磁
性体と、この磁性体の磁束との相互作用により電気信号
を発生する磁気−電気エネルギー変換素子を用いた移動
検出手段とを具備しており、上記電気信号を、上記正弦
波電圧を印加する導線に重畳して伝送することを特徴と
する。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００２０】図１は、本発明の第１実施例における超音
波モータを示す斜視図であり、該超音波モータの積層状
態を示している。また、図２は、該超音波モータの、中
心軸から半分の組立断面図を示している。なお、本実施
例では、電気−機械エネルギー変換素子として電圧印加
面に銀蒸着された圧電素子を用いている。また、図１に
は、本実施例の超音波モータの駆動回路のうち、該超音
波モータと一体に構成されるモータ内部回路部５３（図
３参照）のみを示しており、該超音波モータから離れて
配設される外部モータ制御回路部５２（図３参照）は示
していない。

【００２１】図に示すように、中空円部を有する略円板
形状の第１圧電素子４と第２圧電素子５とは、共にすべ
り振動子で構成され、図中、矢印で示す分極方向が軸に
対して垂直になるように分極されている。そして、第１
圧電素子４と第２圧電素子５とは分極方向が互いに９０
゜ずれて配置されている。

【００２２】また、上記第１圧電素子４の上方，第２圧
電素子５の下方および第１圧電素子４と第２圧電素子５
との間には、それぞれ電極板６，７，８が配置されてい
る。

【００２３】共振器９は振動伝達に優れた材質（アルミ
合金、ステンレス、リン青銅、ジュラルミン、チタン合
金等）で構成され、本実施例ではＳＵＳ４４０Ｃを熱処
理し、硬度をＨｖ８００以上にしており、上記電極板６
との設置面には絶縁部材が薄膜状に形成されている。

【００２４】また、上記共振器９の中心部には締結部材
３が貫通する貫通孔１０が設けられていて、超音波振動
子１１の端面となる方向から圧電素子４，５の方向へ該
共振器９の端面が該締結部材３と接触しないように円錐
カップ形状の中空部１２が形成されている。

【００２５】さらに、上記共振器９は、回転子１３の設
置される方向から圧電素子４，５の設置される方向に、
該共振器９の一部を８等分する溝１４が中心軸と平行に
形成され、８個の変位拡大振動片１５を構成している。
また、その外周側面には、屈曲振動の節となる部分と、
変位拡大振動片１５の根元となる付近とに所定深さの溝
１６，１７が外周と同芯円形状に形成されている。

【００２６】上記回転子１３における共振器９側の面に
は、等分に４極に着磁された永久磁石３４が該回転子１
３と同軸になるように一体に接着されている。

【００２７】上記第１圧電素子４，第２圧電素子５の他
方の端面に配置される共振器１８も上記共振器９と同等
の材質で構成されている。この共振器１８の中心部には
上記締結部材３と結合するネジ部１９が形成されてお
り、さらに、該共振器１８の外周面は下方に向けてテー
パー２０が形成されている。該テーパー２０の突端に
は、中心軸周りに突出部２１が形成され、外部の固定部
材との接触面積を少なくしている。

【００２８】超音波振動子１１は、上記第１圧電素子
４、第２圧電素子５、電極板６，７，８、共振器９を締
結部材である２カ所のネジ部を有する締結部材（ボル
ト）３に貫通させた状態で共振器１８と圧着ナット２２
間に挟み、各構成部材間にエポキシ系接着剤を塗布後、
圧着し、接着剤を硬化させて構成される。なお、締結部
材３は絶縁部材のセラミック材で構成され、上記共振器
９と共振器１８とを導通させないようになっている。

【００２９】上記締結部材３は超音波振動子１１を圧着
して構成すると共に、その超音波振動子１１ないの共振
器９の一端面に押圧機構を有する回転子１３を支持す
る。この実施例では、皿バネ２３をナット２４によって
圧着量を可変できる押圧機構を用いている。本実施例の
回転子１３はアルミ合金材でシュウ酸アルマイト摺動部
材が処理され、超音波振動子１１（共振器９）との接触
部近傍には、薄肉バネフランジ部２５が２カ所形成さ
れ、また、締結部材３はベアリング４２を介して回動自
在に支持されている。さらに、該回転子１３の接触部の
固有振動数を超音波振動子１１の駆動周波数よりも高く
している。

【００３０】また、上記ナット２２の上方で上記永久磁
石３４の下方には、４等分に巻線用の溝が形成されたボ
ビン３５ａに導線３６を巻線をしてなる磁気−電気エネ
ルギー変換素子であるコイル３５がボビン３５ａの中心
に設けた孔を締結部材３により挿通固定されている。ま
た、上記導線３６の他端には、導線５０が接続されてい
る。

【００３１】一方、上記共振器１８の外部の固定部材側
には回路基板５１が締結部材３により挿通固定されてい
る。

【００３２】図３は、本実施例の超音波モータの駆動回
路全体の電気的な構成を簡略化して示すブロック図であ
る。

【００３３】この図に示すように、上記電極板６と電極
板７とには互いに位相が９０°ずれた共振周波数付近の
正弦波電圧が外部モータ制御回路部５２内の駆動回路４
４から導線４５を通じて印加され、また、電極板８は導
線４５によりアースに接続されている。

【００３４】上記コイル３５の両端は導線５０を介し
て、上記回路基板５１上に設けられている増幅器４６
（モータ内部回路部５３に含まれる）の入力端子に接続
された増幅器４６の出力端は導線４５に接続される。上
記導線４５の外部モータ制御回路部５２側の端子は、モ
ータ駆動用正弦波電圧に回転信号が重畳され、上記駆動
回路４４の出力端子と信号分離回路４７の入力端子とに
接続されている。

【００３５】また、上記導線４５はモータ内部回路部５
３内の整流回路４８の入力端子に接続されており、該整
流回路４８の出力端子は上記増幅器４６の電源端子に接
続されている。さらに、上記信号分離回路４７の出力は
回転速度制御回路４９の入力端子に接続されていて、該
回転速度制御回路４９の出力は上記駆動回路４４へ入力
されている。

【００３６】図４は、上記回転速度制御回路４９をさら
に詳しく示したブロック図である。

【００３７】図に示すように、該回転速度制御回路４９
は、上記信号分離回路４７からの信号と基準信号発振回
路５４の信号との位相を比較する位相比較回路５５を具
備している。この位相比較回路５５では２つの入力信号
の位相差に比例した直流電圧を発生するようになってお
り、該出力直流電圧は電圧制御発振回路５６に入力され
発振回路は入力された直流電圧に比例した周波数の信号
を発生するようになっている。また、上記電圧制御発振
回路５６の出力は駆動回路４４へ入力され、所定の電圧
に調整された後、導線４５を通じてモータへ供給されモ
ータの回転を制御するようになっている。

【００３８】つぎに、本実施例の作用について説明す
る。

【００３９】２組の第１圧電素子４，第２圧電素子５に
互いに位相が９０°ずれた共振周波数付近の正弦波電圧
を印加すると、超音波振動子１１に中心軸の周りに回転
する屈曲振動が発生する。これにより、超音波振動子１
１の端面には中心軸周りに回転する楕円運動が発生し、
共振器９の一端面に押圧設置された回転子１３が回転す
る。駆動電圧の位相差を１８０°にすると、該超音波振
動子１１には逆回転の楕円運動が発生し、これにより、
回転子１３が逆回転する。

【００４０】また、上記回転子１３と一体に回転する磁
石３４により、その近傍に配置されたコイル３５に鎖交
する磁束が変化し、該コイル３５には回転子１３の回転
速度に比例した誘導電圧が発生する。この発生する誘導
電圧は交番電圧となり、その周波数は回転速度に比例す
る。

【００４１】該回転速度に比例した交番電圧は、モータ
の近傍、すなわち、上記回路基板５１に配設された増幅
器４６で増幅され、駆動電圧を印加する導線４５に重畳
して外部モータ制御回路部５２まで伝送される。

【００４２】そして、上記外部モータ制御回路部５２内
の信号分離回路４７では、第１圧電素子４，第２圧電素
子５の略共振周波数の駆動信号と、該駆動信号周波数よ
り低い回転信号が合成された信号から回転信号のみを分
離する。

【００４３】上記回転信号は上記外部モータ制御回路部
５２内の回転速度制御回路４９に入力され、該信号の位
相は位相比較回路５５により基準信号発振回路５４の信
号と比較される。該位相比較回路５５は２つの入力信号
の位相差に比例した直流電圧を発生する。そして、該位
相比較回路５５の出力直流電圧は電圧制御発振回路５６
に入力され、発振回路は入力された直流電圧に比例した
周波数の信号を発生する。上記電圧制御発振回路５６の
出力は駆動回路４４へ入力され、所定の電圧に調整され
た後、導線４５を通じてモータへ供給されモータの回転
を制御する。

【００４４】上記第１圧電素子４，第２圧電素子５の駆
動電圧を整流回路４８により整流して得られた直流電圧
は、増幅器４６の電源電圧源として増幅器を駆動する。

【００４５】このような本実施例によると、磁気−電気
エネルギー変換素子で検出された回転信号を、上記電気
−機械エネルギー変換素子に正弦波電圧を印加する導線
に、重畳して伝送することで、超音波モータとモータ制
御回路を接続する導線の本数を減少させることができ、
超音波モータを使用した装置を小型にすることができ、
また配線のコストも低下させることができる。

【００４６】つぎに、本発明の第２実施例について説明
する。

【００４７】図５は、本第２実施例の超音波モータを示
した斜視図である。

【００４８】この第２実施例は、上記磁気−電気エネル
ギー変換素子を、ホール素子にした実施例であり、その
他の構成は第１実施例と同等であるので、ここは、差異
のみを説明し、その他の同等部分の説明は省略する。ま
た、該磁気−電気エネルギー変換素子の配置のみを示し
たもので電極板等の他の構成部材は省略している。

【００４９】この第２実施例は、着磁された磁性体とし
て上記第１実施例と同様に永久磁石３４を用いている。
また、回転信号発生部となるホール素子４０は、印刷配
線板３８上に接着接続されている。なお、本第２実施例
では印刷配線板３８としてフレキシブル配線板を用いて
いる。また、本第２実施例では導線４５としてフレキシ
ブルである印刷配線板３８を使用し、上記第１実施例で
は、上記回路基板５１に配設されていた増幅器４６およ
び整流回路４８は、該印刷配線板３８上に配設されてい
る。

【００５０】次に、本第２実施例の作用について説明す
る。

【００５１】回転子１３に固着され、該回転子１３と一
体に回転する磁石３４により、ホール素子４０に鎖交す
る磁束が変化する。これにより、該ホール素子４０には
上記回転子１３の回転速度に比例した周波数の電圧変化
が発生する。

【００５２】この発生した電圧変化は、印刷配線板３８
上に配設された増幅器４６により増幅され、該印刷配線
板３８上の導体により外部へ取り出され、ホール素子４
０に与えるホール電流は、圧電素子の駆動電圧を整流回
路４８で整流した直流電圧により与えられる。

【００５３】この第２実施例の超音波モータの駆動回路
によると、ホール効果を利用しているため、回転子１３
が停止している状態でも磁束を検出することが可能であ
り、また、該回転子１３の速度のみではなく位置も検出
することが可能となる。さらに、ホール素子４０と増幅
器４６，整流回路４８を同一の印刷配線板３８上に形成
することができ、より超音波モータを小型化することが
可能となる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、簡
単な構成で、より小型の超音波モータの駆動回路を提供
することを目的とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における超音波モータの構
成を示した斜視図である。

【図２】上記超音波モータの中心軸より半分を断面で示
した側断面図である。

【図３】上記第１実施例の超音波モータの駆動回路全体
の電気的構成を示したブロック図である。

【図４】上記第１実施例の超音波モータの駆動回路にお
ける回転速度制御回路を示したブロック図である。

【図５】本発明の第２実施例における超音波モータの構
成を示した斜視図である。

【図６】従来の超音波モータの１例を示した斜視図であ
る。

【図７】従来の超音波モータの１例を示した組立断面図
である。

【符号の説明】

３…締結部材 ４…第１圧電素子 ５…第２圧電素子 ６，７，８…電極板 ９，１８…共振器 １１…超音波振動子 １３…回転子 ３４…永久磁石 ３５…コイル ３６…導線 ４４…駆動回路 ４５，５０…導線 ４６…増幅器 ４７…信号分離回路 ４８…整流素子 ４９…回転速度制御回路 ５１…回路基板 ５２…外部モータ制御回路部 ５３…モータ内部回路部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波振動を伝達拡大する２つの共振器
   と、 これら２つの共振器の間に配置され、正弦波電圧の印加
   によって超音波振動を発生する電気−機械エネルギー変
   換素子と、 上記２つの共振器と電気−機械エネルギー変換素子とを
   圧着固定して超音波振動子を形成する締結手段と、 上記共振器の端面に発生する楕円運動により移動される
   被駆動部材と、 この被駆動部材に固着され着磁された磁性体と、 この磁性体の磁束との相互作用により電気信号を発生す
   る磁気−電気エネルギー変換素子を用いた移動検出手段
   と、 を具備しており、上記電気信号を、上記正弦波電圧を印
   加する導線に重畳して伝送することを特徴とする超音波
   モータの駆動回路。