JPH0870587A

JPH0870587A - 超音波モータの駆動装置

Info

Publication number: JPH0870587A
Application number: JP6228859A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Tsubata; 敏晴津幡
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1996-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】複数の積層型圧電素子に印加する電圧とこれ
に流れる電流との位相差が所定範囲に入るように、駆動
周波数を変化させて、最適な駆動周波数にすることので
きる超音波モ−タの駆動装置を提供する。【構成】弾性体と該弾性体に固定された複数の積層型
圧電素子とからなる超音波振動子を備えた超音波モータ
の、前記複数の積層型圧電素子に互いに位相の異なる交
流電圧を二相発振器１により印加し、超音波振動を発生
させて移動体を移動する超音波モータの駆動装置におい
て、前記移動体の移動方向に応じて前記複数の積層型圧
電素子１１３Ａ，１１３Ｂから１つを選択し、選択した
積層型圧電素子に印加する交流電圧と流れる電流とが所
定の位相差になるように、交流電圧の周波数を制御する
手段４，５，６，７，８，９を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気−機械エネルギー
変換素子に交流電圧を印加し、超音波振動を発生させ、
これをエネルギー源とする超音波モータの駆動装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、弾性体に固定した複数の電気−機
械エネルギー変換素子に交流電圧を印加し、超音波振動
を発生させ、移動体を移動させる超音波モータについて
は、先に本出願人より出願された特開平６−１０５５７
１号公報所載の技術（従来技術１）が開示されている。

【０００３】図８は従来技術１の超音波モ−タの要部を
なす機械−電気エネルギー変換素子たる超音波振動子の
斜視図である。この超音波振動子１１０は、基本弾性体
１１１の上面に３つの保持用弾性体１１２を固定し、そ
れぞれの保持用弾性体１１２の間に積層型圧電素子１１
３Ａ，１１３Ｂを挟持固定したものである。

【０００４】基本弾性体１１１は、黄銅材料を直方体形
状に加工したもので、上面の両端と中央部の３個所（２
次の屈曲振動の節に相当する部分）に保持用弾性体１１
２をエポキシ系接着剤で固定した上、さらにネジ１１４
止めしている。そして、各々の保持用弾性体１１２の間
に積層型圧電素子１１３Ａ，１１３Ｂをつき当てて保持
している。即ち、積層型圧電素子１１３Ａ，１１３Ｂは
基本弾性体１１１と接触しないように保持用弾性体１１
２に接着固定されている。また、積層型圧電素子１１３
Ａ，１１３Ｂの側面部は樹脂被覆がなされている。ここ
で、図８の左側の積層型圧電素子１１３Ａへの電極を
Ａ、ＧとしＡ相と呼ぶことにする。同様に右側の積層型
圧電素子１１３Ｂへの電極をＢ、ＧとしＢ相と呼ぶこと
にする。

【０００５】基本弾性体１１１の底面両端部には、摺動
部材１１５が接着されている。この摺動部材１１５はポ
リイミドに充填剤としてカーボンファイバー（２０重量
％）とマイカ（３０重量％）とを混入したもので、厚さ
約０．１mmのものである。

【０００６】なお、超音波振動子１１０の諸元を参考に
記すと、基本弾性体１１１の寸法は幅３０mm、高さ８m
m、奥行４mmであり、保持用弾性体１１２の寸法は幅４m
m、高さ３mm、奥行４mmであり、積層型圧電素子１１３
はトーキン（株）のＮＬ−２×３×９で、寸法は２mm×
３．１mm×９mmである。

【０００７】次に、超音波振動子の動作について説明す
る。上記寸法の超音波振動子は、コンピュータシミュレ
ーションによれば、図９に示すような１次の共振縦振
動、及び図１０に示すような２次の共振屈曲振動がほぼ
同一周波数で励起できる。その周波数は５３．５ｋＨｚ
である。そこで、Ａ相及びＢ相に３０Ｖの直流電圧を印
加して積層型圧電素子１１３Ａ，１１３Ｂに圧縮予圧を
加えた上、Ａ相及びＢ相に周波数５３．５ｋＨｚ振幅１
０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加する。ここで、Ａ相とＢ相
の位相を同位相にすると、図９に示すような１次の共振
縦振動が励起される。つぎに、Ａ相とＢ相の位相を逆位
相にすると、図１０に示すような２次の共振屈曲振動が
励起される。つぎに、Ａ相とＢ相の位相を９０度ずらす
と、摺動部材１１５付近に超音波楕円振動を励起するこ
とができる。

【０００８】この摺動部材１１５に励起した超音波楕円
運動により、これに接する移動体を移動させるものであ
る。またこの移動体の移動方向を変えるのは、積層型圧
電素子１１３Ａ，１１３Ｂの電極Ａ相とＢ相に印加する
電圧の位相差を＋９０度または−９０度とするものであ
る。

【０００９】従来技術１によれば、積層型圧電素子を用
いて圧電縦効果を利用したので、電気−機械変換効率が
向上し、低電圧駆動が可能となった。また極めて簡易な
構成でコンパクトでありながら、出力の大きい超音波リ
ニアモータを得ることができるとともに、積層型圧電素
子に予圧をかけながら使用するので、モータの耐久性を
向上させることができる。

【００１０】一方、超音波モータの駆動周波数を最適な
ものとするために、電気−機械エネルギー変換素子に印
加する電圧と、これに流れる電流の位相差を所定範囲内
にするように交流電圧の周波数を制御する超音波モータ
装置として、特公平５−３８５５２号公報所載の技術
（従来技術２）が開示されている。

【００１１】図１１は従来技術２の超音波モータ装置の
機能ブロック図である。同図において、２０７は圧電駆
動体２０３を駆動する交流信号を発生する可変発振器で
あり、可変発振器２０７の出力は２分割され、一方は９
０°移相器２０８で９０°移相された後、他方は直接
に、それぞれ電力増幅器２０９，２０９’に入力され、
所定のレベルにまで増幅されて、圧電駆動体２０３に印
加される。

【００１２】Ｒ₁は電流検出をするための抵抗素子で、
抵抗Ｒ₁の両端電圧より電流検出が電流検出器２１０で
される。同時に電圧検出器２１１で圧電駆動体２０３を
構成する圧電セラミックに印加する電圧が検出される。
電流検出器２１０および電圧検出器２１１の出力はロジ
ックレベルに波形整形されて出てくる。尚ここでは、電
力増幅器２０９’の出力の電圧・電流を検知している
が、電力増幅器２０９の出力でも同様である。

【００１３】駆動体２０３はその共振周波数では、印加
電圧と電流の位相が合うので、位相差の最小の周波数近
傍で駆動すれば効率の良い駆動ができる。この時モータ
の速度は最大である。

【００１４】２１２は電流検出器２１０の出力Ｖ₁と電
圧検出器２１１の出力Ｖ₂が入力される排他的ＯＲ回路
（Ｅｘ−ＯＲと略す）である。図１２は出力Ｖ₁とＶ₂
の位相差とＥｘ−ＯＲ２１２の出力との関係を示すチャ
ート図である。Ｖ₃はＥｘ−ＯＲ２１２の出力波形であ
り、Ｖ₄は抵抗素子Ｒ₂と容量素子Ｃ₂とから成る整流
回路の出力である。図１２の（ａ）は電流波形Ｖ₁と電
圧波形Ｖ₂の位相が合っている時の各部の波形を示して
おり、整流回路の出力Ｖ₄は０になっている。（ｂ）は
位相がずれた時で、出力Ｖ₄は０ではなくある値にな
る。つまり、出力Ｖ₄のレベルにより圧電駆動体２０３
の電圧・電流の位相差がわかる。

【００１５】図１１の２１３は電圧比較器であり、出力
Ｖ₄と設定電圧Ｖ_refとを比較する。電圧比較器２１３
の出力は出力Ｖ₄が設定電圧Ｖ_refよりも大きい時はロ
ジックレベルのＨであり、逆の時はＬになる。許容位相
差が決定すれば、それに対応する設定電圧Ｖ_refを設定
し、電圧比較器の出力がＨになれば制御回路２１４を動
作させて可変発振器２０７の出力周波数を変化させ、電
圧比較器１３の出力がＬになるように、つまり設定電圧
Ｖ_refに対応する位相差よりも印加電圧と電流の位相差
が小さくなるように制御する。

【００１６】従来技術２によれば、簡単な構成で、始動
時および動作中においても、温度・負荷の変動に対して
も、常に共振周波数近傍で超音波モータを駆動できるの
で、動作が安定し、効率がよい。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、実験によれ
ば、従来技術１に記載の超音波振動子の駆動周波数を最
適な値にするために、積層型圧電素子に印加する電圧と
これに流れる電流の位相差が所定の値になるように周波
数を変化させようとすると、２つの積層型圧電素子にお
いては、それぞれの電流と電圧の位相差が全く異なり、
さらに移動体の移動方向を反転することにより、電流と
電圧の位相差が変化するという問題点が発見された。

【００１８】一方、従来技術２に記載の圧電駆動体に印
加する電圧とこれに流れる電流の位相差を検出する回路
は、圧電駆動体の一方のみを検出し、他方も同様である
としているが、上記実験結果により、いずれか一方の圧
電駆動体のみの検出により、最適な駆動周波数を決定す
ることは困難という問題点が明らかである。

【００１９】本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされ
たもので、請求項１または２に係る発明の目的は、複数
の積層型圧電素子に印加する電圧とこれに流れる電流と
の位相差が所定範囲に入るように、駆動周波数を変化さ
せて、最適な駆動周波数にすることのできる超音波モ−
タの駆動装置を提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１または２に係る発明は、弾性体と該弾性体
に固定された複数の積層型圧電素子とからなる超音波振
動子を備えた超音波モータの、前記複数の積層型圧電素
子に互いに位相の異なる交流電圧を二相発振器により印
加し、超音波振動を発生させて移動体を移動する超音波
モータの駆動装置において、前記移動体の移動方向に応
じて前記複数の積層型圧電素子から１つを選択し、選択
した積層型圧電素子に印加する交流電圧と流れる電流と
が所定の位相差になるように、印加する交流電圧の周波
数を制御する手段を設けたことを特徴とする。

【００２１】

【作用】請求項１または２に係る発明は、移動体の移動
方向に応じて複数の積層型圧電素子から１つを選択し、
選択した積層型圧電素子に印加する交流電圧と流れる電
流が所定の位相差になるように、交流電圧の周波数を制
御することにより、超音波モータの駆動周波数をつねに
最適な周波数範囲にする作用を有する。請求項２に係る
発明の作用は、上記作用に加え、マイクロコンピュータ
のプログラムにより、極短時間で移動体の移動方向が反
転するようなときに、電圧と電流の位相差を検出して周
波数を制御する動作を一時的に中止し、その直前の周波
数に固定することにより動作が安定することである。

【００２２】

【実施例１】図１〜図５は第１実施例を示し、図１は超
音波モータの駆動装置のブロック図、図２は超音波モー
タの正面図、図３〜５はＡ相、Ｂ相の電圧と電流の波形
を示す図表である。図２に示す超音波モータの超音波振
動子１１０は図８において示した従来技術１と同一のも
のであり、同一の部材には同一の符号を付し説明を省略
する。本実施例においては、この超音波振動子１１０の
摺動部材１１５に押圧接触した移動体２０が図示を省略
した手段で左右方向に移動自在に保持されて、超音波モ
ータを構成している。

【００２３】図１において、１は９０度位相の異なる二
相の交流電圧を発生する二相発振器であり、一方の出力
は電力増幅器２で電力増幅し超音波振動子１１０の一方
の積層型圧電素子１１３Ａの電極（以下Ａ相とよぶ）に
電力供給する。また、二相発振器１のもう一方の出力は
電力増幅器３で電力増幅し、超音波振動子１１０のもう
一方の積層型圧電素子１１３Ｂの電極（以下Ｂ相とよ
ぶ）に電力供給する。Ａ相、Ｂ相ともに、その電流を電
圧に変換するための検出抵抗器８、９が接続されてい
る。

【００２４】Ａ相またはＢ相の電圧および電流は、それ
ぞれスイッチ手段（ＦＥＴ、リレー、アナログスイッチ
など）６、７でＡ相またはＢ相の一方を選択し、位相検
波器４に入力され、電圧と電流の位相差を二相発振器１
の周波数を制御する電気信号に変換し、この電気信号は
二相発振器１の周波数制御端子に入力される。二相発振
器１の２つの出力の位相差は、スイッチ手段（ＦＥＴ、
リレー、アナログスイッチなど）５により、互いに＋９
０度または−９０度に切り替わる。３つのスイッチ手段
５、６、７は互いに連動して切り換えられる。

【００２５】図３〜図５はＡ相、Ｂ相の電圧と電流の波
形の測定結果を示す。図３は超音波モータの最適駆動周
波数より低い周波数での波形、図４は最適駆動周波数で
の波形、図５は最適駆動周波数より高い周波数での波形
を示す。図４の最適駆動周波数の場合には、Ａ相とＢ相
の電圧の位相差が＋９０度のとき、Ａ相の電圧と電流の
位相差は数十度であり、Ｂ相の電圧と電流の位相差はほ
ぼ０度となる。しかし、Ａ相とＢ相の電圧の位相差を−
９０度にして、移動方向を反転させると、Ａ相の電圧と
電流の位相差がほぼ０度に対し、Ｂ相の電圧と電流の位
相差は数十度になっている。また、図３および図５で
は、電圧と電流の位相差は図４と比較してずれているこ
とがわかる。

【００２６】上記測定結果から、Ａ相、Ｂ相いづれかの
電圧と電流の位相差がほぼ０度に合うように、周波数を
制御すれば最適な駆動周波数が得られることがわかる。
またこのとき移動体２０の移動方向が変わるときに、電
圧と電流の位相差がほぼ０度になる相がＡ相とＢ相とで
反転するので、電圧と電流の位相差を検出する相を換え
ることが必要になる。実験によると、図２に示す移動体
２０が向かって右に移動するときは積層型圧電素子１１
３Ａ、移動体２０が向かって左に動くときは積層型圧電
素子１１３Ｂを選択するとよいことがわかっている。

【００２７】以上の説明から明らかなように、図１に示
す超音波モータの駆動装置で、移動方向の切り換えと同
時に、電圧と電流の位相差を検出する相を切り換えて、
その位相差が所定の値になるように周波数を制御する
と、図２に示す超音波モータは最適な駆動周波数によ
り、駆動される。

【００２８】本実施例の効果について説明する。移動体
の移動方向によって、超音波モータの２つの積層型圧電
素子のいづれか一方を選択し、この積層型圧電素子に印
加する電圧と流れる電流の位相差が所定の範囲になるよ
うに周波数を制御することにより、超音波モータに供給
する交流電圧を最適な周波数に自動設定できる。

【００２９】なお、本実施例中の測定結果では、電圧と
電流の位相差がほぼ０度の場合が最適であるが、最適な
位相差はモータの構成により必ずしも０度ではなく、た
とえば、製造誤差により２つの積層型圧電素子の電気的
性能に差が生じた場合には、多少の位相差があるときが
最適の場合がある。従って、所定の位相差は０度に限定
するものではなく、位相差を調整自在に構成しておくの
が望ましい。

【００３０】

【実施例２】図６〜図７は第２実施例を示し、図６は超
音波モータの駆動装置のブロック図、図７は目標とする
位置と時間との関係を示す図表である。本実施例におい
ても、駆動される超音波モータは、既に説明した第１実
施例の図２および従来技術１の図８で示すものと同一の
ためその説明は省略する。

【００３１】図６において、２１は９０度位相の異なる
二相の交流電圧を発生する二相発振器であり、一方の出
力は電力増幅器２２で電力増幅し超音波振動子１１０の
一方の積層型圧電素子１１３Ａの電極（以下Ａ相とよ
ぶ）に電力供給する。また、二相発振器２１のもう一方
の出力は電力増幅器２３で電力増幅し、超音波振動子１
１０のもう一方の積層型圧電素子１１３Ｂの電極（以下
Ｂ相とよぶ）に電力供給する。Ａ相、Ｂ相ともに、その
電流を電圧に変換するための検出抵抗器２８、２９が接
続されている。

【００３２】Ａ相またはＢ相の電圧および電流は、それ
ぞれスイッチ手段（ＦＥＴ、リレー、アナログスイッチ
など）２６、２７でＡ相またはＢ相の一方を選択し、位
相検波器４に入力され、電圧と電流の位相差を電気信号
に変換する。この位相差信号はマイクロコンピュータ２
５に入力され、マイクロコンピュータ２５は、そのプロ
グラムにより、位相差信号をもとに、二相発振器２１の
２つの出力の位相差を＋９０度または−９０度に制御で
き、この位相差を変化させるときに、２つのスイッチ手
段２６、２７も切り換える。

【００３３】一般に、モータを制御する際には、エンコ
ーダなどの移動量検出センサを用いて、閉ループ制御す
ることが頻繁に行われる。そして、図７に示すように目
標とする位置に対して、移動量が不足しているときには
移動量が増すように、逆に大きすぎるときには減るよう
に駆動方向（移動方向）を制御する。このため、図７に
示すように目標とする位置の近くでは、頻繁にモータの
駆動方向（移動方向）が反転する現象が起き得る。

【００３４】ところで、この現象は第１実施例の場合に
も発生し、電圧と電流の位相差を検出する積層型圧電素
子の相を切り換えると、その切り換えた瞬間に周波数が
安定するまで、所定の時間を要する。さらに、本実施例
においても、比較的短時間で頻繁に移動方向が変化する
ような場合、積層型圧電素子の相を切り換えて、電圧−
電流の位相差が所定量になるよう周波数を制御している
と周波数が安定するまで時間がかかり、短時間で最適駆
動周波数を決定できない。

【００３５】そこで、本実施例では、ごく短時間で移動
方向が反転するようなときには、マイクロコンピュータ
２５のプログラムにより、電圧と電流の位相差を検出し
て周波数を制御する動作を一時的に中止し、その直前の
周波数に固定することにした。これにより、超音波モー
タの動作は安定する。実験によると、数秒程度の短時間
においては、超音波モータの発熱による共振周波数の変
化はあまり問題にならず、駆動周波数を固定しても最適
な周波数から大きくずれることはないことが確認され
た。

【００３６】本実施例においては、マイクロコンピュー
タにより周波数制御をプログラムでき、第１実施例に比
較して、移動体の移動方向が比較的短時間で反転すると
きに、必ずしも積層型圧電素子の電圧と電流の位相差だ
けで周波数を決定しなくてもよく、図７で示した移動体
の位置決めのように、頻繁に移動方向が切り換わる用途
でも、安定して最適な駆動周波数で超音波モータを駆動
することができる。

【００３７】

【発明の効果】請求項１〜２に係る発明によれば、複数
の積層型圧電素子に印加する電圧とこれに流れる電流と
の位相差が所定範囲に入るように、駆動周波数を変化さ
せて、最適な駆動周波数の超音波モ−タの駆動装置を提
供することができる。請求項２に係る発明によれば、上
記効果に加え、頻繁に移動方向が切り換わる用途でも、
安定して最適な駆動周波数で超音波モータを駆動するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の超音波モータの駆動装置を示すブロ
ック図である。

【図２】実施例１の超音波モータを示す正面図である。

【図３】実施例１のＡ相、Ｂ相の電圧と電流の波形を示
す図表である。

【図４】実施例１のＡ相、Ｂ相の電圧と電流の波形を示
す図表である。

【図５】実施例１のＡ相、Ｂ相の電圧と電流の波形を示
す図表である。

【図６】実施例２の超音波モータの駆動装置を示すブロ
ック図である。

【図７】実施例２の作用を説明するための図表である。

【図８】従来技術１の超音波振動子を示す斜視図であ
る。

【図９】従来技術１の超音波振動子の作用を示す斜視図
である。

【図１０】従来技術１の超音波振動子の作用を示す斜視
図である。

【図１１】従来技術２の超音波モータ装置を示すブロッ
ク図である。

【図１２】従来技術２の電圧・電流の位相比較部の説明
のチャート図である。

【符号の説明】

１二相発振器２電力増幅器３電力増幅器４位相検波器５スイッチ手段６スイッチ手段７スイッチ手段８検出抵抗器９検出抵抗器１１３Ａ積層型圧電素子１１３Ｂ積層型圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と該弾性体に固定された複数の積
層型圧電素子とからなる超音波振動子を備えた超音波モ
ータの、前記複数の積層型圧電素子に互いに位相の異な
る交流電圧を二相発振器により印加し、超音波振動を発
生させて移動体を移動する超音波モータの駆動装置にお
いて、前記移動体の移動方向に応じて前記複数の積層型圧電素
子から１つを選択し、選択した積層型圧電素子に印加す
る交流電圧と流れる電流とが所定の位相差になるよう
に、印加する交流電圧の周波数を制御する手段を設けた
ことを特徴とする超音波モータの駆動装置。
【請求項２】前記印加する交流電圧の周波数を制御す
る手段は、前記複数の積層型圧電素子に流れる電流を電
圧に変換する検出抵抗器と、前記複数の積層型圧電素子
の１つを選択するスイッチ手段と、前記スイッチ手段に
接続した位相検波器と、前記二相発振器、前記スイッチ
手段および前記位相検波器に接続したマイクロコンピュ
ータとからなることを特徴とする請求項１記載の超音波
モータの駆動装置。