JPS622869A - 超音波モ−タ駆動装置 - 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 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波モータ
の駆動装置に関する。

従来め技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いて超音波振動を励
振することにより、回転あるいは直線又は曲線運動をす
る超音波モータが発表され、構造が簡単、小型・軽量な
どの特徴から注目されている。

以下、図面を参照しながら超音波モータの従来技術につ
いて説明を行う。

第５図は超音波モータの一例であシ、円環形の弾性体１
の円環面の一方に圧電体として円環形圧電セラミック２
を貼合せて圧電駆動体３を構成している。４は耐磨耗性
材料のスライダで、６は弾性体であり、互いに貼合せら
れて動体６を構成している。動体６はスライダ４を介し
て駆動体３と接触している。圧電体２に電界を印加する
と駆動体３の周方向に曲げ振動が励起され、これが進行
波となることにより、動体６が回転する。

第６図は第５図の超音波モータに使用した圧電セラミッ
ク２の電極構造の一例を示している。同図では円周方向
に曲げ振動が９波長のるようにしである。同図において
、ム、Ｂはそれぞれ２分の１波長相当の小領域から成る
電極群で、Ｃは４分の３波長、Ｄは４分の１波長の長さ
の電極である。

従って、ムの電極群とＢの電極群とは位置的に４分の１
波長（＝９０度）の位相ずれがある。電極群ム、Ｂ内の
隣合う小電極部は互いに反対に厚み方向に分極されてい
る。圧電セラミック２の弾性体１との接着面は第６図に
しめされた面と反対の面であシ、電極はペタ電極である
。使用時には電極群ム、Ｂは第６図に斜線で示されたよ
うに、それぞれ短絡して用いられる。

以上のように構成された超音波モータについて、その動
作を以下に説明する。前記圧電体２の電極群ムにＶｏ−
ｓｉｎ　（ωｔ）で表される電圧を印加すると（ただし
ｖｏは電圧の瞬時値、ωは角周波数、ｔは時間）、駆動
体３は円周方向に曲げ振動をする。

第７図は第５図の超音波モータの一部分の斜視図であり
、同図（ＩＬ）は圧電体２に電圧を印加していない時で
あシ、同図は圧電体２に電圧を印加した時の様子を示す
。

第８図は動体６と駆動体３の接触状況を拡大して描いた
ものである。前記圧電体２の電極群ムにＶｏ−ｓｉｎ（
ωｔ）、他の電極群ＢＫＶｇ−００５（ωｔ）の互いに
位相がπ／２だけずれた電圧を印加すれば、駆動体３の
円周方向に曲げ振動の進行波を作ることができる。一般
に進行波は振をξとすればξ＝ξｇ　−ｃｏｓ　（ｃｃ
＋ｔ−ｋｘ　）　　　　　　・・・−・（１）ただしξ
０：波の大きさの瞬時値 に：波数（＝２π／λ） λ：波長 Ｘ：位置 で表せる。（１）式は ξ＝ξＧ−（Ｃｏ！ｌ（ωｔ）−ｃｏｔ（ｋｘ）十５ｉ
ｎ（ωｔ）−ｇｉｎ（ｋｘ））　　・−・−（２）と書
き直せ、（２）式は進行波が時間的にπ／２だけ位相の
ずれた波ｃｏｓ（ωｔ）と５ｉｎ（ωｔ）、および位置
的にπ／２だけ位相のずれたｃｏｊｓ（ｋｘ）と５ｉｎ
（ｋｘ）とのそれぞれの積の和で得られることを示して
いる。前述の説明よシ、圧電体２は互いに位置的にπ／
２（＝λ／４）だけ位相のずれた電極群ム、Ｂを持って
いるので、駆動体３の共振周波数に等しい周波数出力を
持つ発振器の出力から、それぞれに時間的に位相のπ／
２だけずれた交流電圧を作り、前記電極群に印加すれば
駆動体３に曲げ振動の進行波を作れる。

第８図は駆動体のム点が進行波によって、長軸２Ｗ、短
軸２ｕの楕円運動をしている様子を示し駆動体３上に置
かれた動体６が楕円の頂点で接触することにより、波の
進行方向とは逆方向にＶ＝ωＵの速度で運動する様子を
示している。即ち動体６は任意の静圧で駆動体３に押し
付けられて、駆動体３の表面に接触し、動体６と駆動体
３との摩擦力で波の進行方向と逆方向に速度マで駆動さ
れる。

両者の間にすベシがある持越、速度が上記のＶよシも小
さくなる。

上記に示した超音波モータの速度マは、マ；ωｔｃｌＣ
ωξ０　　　　　　　　・・・・・・（３）で表せ、駆
動体３の曲げ振動の振幅最大値ξ０に比例する。曲げ振
動の振幅の大きさは、印加電圧が同じでも駆動周波数が
異なれば違ってくる。第９図は駆動体３のインピーダン
スおよび感度（振幅／印加電圧、つまシ単位印加電圧で
の振幅値で定義）の周波数特性である。同図より、第６
図の電極構造の圧電体を用いたとき、駆動体３の共振は
本来の共振周波数ｆｏの下と上にそれぞれ一つ比較的大
きな共振が現れ、感度はそれぞれの共振周波数で極大と
なり、本来の共振周波数ｆｏで最大となる。

故に超音波モータを効率良く駆動するためには、駆動体
３の共振周波数で駆動するのが良い。

発明が解決しようとする問題点 ところが、駆動体３の共振周波数は第１０図に示すよう
に、駆動体３と動体６を押し付けるための静荷重および
負荷によって変化し、駆動体３の温度によっても変化す
る。一般に駆動体の温度が高くなると共振周波数は低く
なる。駆動体３は駆動中に機械損失によって発熱するの
で、共振周波数は負荷変動と発熱により刻々変化する。

つまシ駆動体３を上記のように一定周波数の発振回路を
用いて駆動する場合、常に効率の良い最適駆動は出来な
い。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、駆動体の共
振周波数が変化しても常に効率の良い最適駆動が可能な
超音波モータ駆動装置を提供することを目的としている
。

問題点を解決するだめの手段 電圧制御発振回路の出力で圧電体を含む駆動体を駆動し
、圧電体への流入電流のうちの駆動電圧と同相成分を検
出回路で検出し、上記検出値を設定時間毎のタイミング
で記憶回路に記憶し、一つ前のタイミングにおける記憶
回路の記憶績、果と現在の記憶結果とを比較回路で比較
し、その比較結果により、前記検出値が犬となる側に前
記発振回路の制御端子の電圧値を変化させて、前記電圧
制御発振回路の発振周波数を設定する。

作用 一つ前の記憶結果が現在の記憶結果より大きい場合であ
って、発振回路の一つ前の記憶時の制御電圧よシ現在の
記憶時の制御電圧を大きくしている時には、制御電圧を
小さくシ、反対に一つ前の記憶時の制御電圧より現在の
記憶時の制御電圧を小さくしている時には、制御電圧を
大きくする。

また一つ前の記憶結果が現在の記憶結果よシ小さい場合
であって、一つ前の記憶時の制御電圧が現在のそれより
も大きい時にはさらに小さくし、一つ前の記憶時の制御
電圧が現在のそれよシも小さい時にはさらに小さくする
。

故に負荷や温度によって駆動体の共振周波数が変化して
も、常に発振回路の出力周波数を上記共振周波数にあわ
せる。つまり、同印加電圧に対して同相電流が一番大き
くなる共振周波数で圧電駆動体を駆動することができる
。

実施例 以下図に従って本発明の実施例について説明を行なう。

第１図は本発明の１実施例を示すブロック図である。第
２図は、第５図及び第６図に示した圧電駆動体３におけ
る圧電体２の電極群ムまたはＢから見た共振周波数付近
での等価回路で、第２図の（ａ）は共振周波数付近での
等価回路、（ｂ）は共振周波数での等価回路を示す。同
図において、ｃ。

は電気的容量を表わし、Ｃ１は機械的弾性、Ｌｌは質量
、Ｒ１は機械的損失を表わし、前記Ｃｏを電気腕、ＣＩ
　＋　ＬｌおよびＲ１の直列回路を機械腕と言う。共振
周波数ではＣ１とＬｌが共振する。またｉｓは電気的電
流、−は機械的電流（つま多速度）を表わす。故に駆動
体３を共振周波数で駆動すれば、同電圧で鐘が最大に流
れる。つまり最大の変位を得られることになシ、（３）
式より最大の動体６の速度が得られることになる。

第１図において、Ｒ１は圧電駆動体３の圧電セラミック
２に接続された圧電セラミック２への流入電流の検出用
抵抗、Ｃ１，Ｃ２は圧電セラミック２の電極群ム、Ｂと
裏面の電極間の電気的容量と同じ値のコンデンサ、Ｒ２
は抵抗Ｒ１と同じ値の抵抗である。故に抵抗Ｒ１と抵抗
Ｒ２の端子電圧の差を差動増幅器１ｏでとれば、電気的
電流ｉｏは相殺されて機械的電流ムだけが出力として取
シ出され、この−を最大になるように制御すれば同一印
加電圧で振幅ξＧが最大にでき最適駆動ができる。

７は電圧制御発振回路で、発振周波数制御端子７！Ｌの
電圧値によって、第３図に示すように発振周波数が変え
られる。８は９０°移相器で発振回路７の出力を９０°
だけ移相する。発振器７の出力と９００移相された信号
は、それぞれ電力増幅器９龜。

９ｂで増幅されて、位置的に９０’位相の異なる２つの
電極群ム、Ｂに入力される。１２ａＬと１２ｂは記憶回
路であシ、差動増幅器１０の出力を整流回路１１により
直流に変換した値を記憶する。１３はタイミング回路で
記憶回路１２＆および１２ｂに記憶する時間を制御する
。

今、ある時間に制御回路１４により、制御端子７１Ｌに
制御電圧が印加されていると、発振器７は第３図の発振
器の発振周波数の制御特性によって決まる周波数で発振
する。例えば制御端子の電圧をｖｌとすれば、発振周波
数はｆｌとなる。この発振出力は９０°移相器８に入力
されてｅｏ’移相されて後、あるいは直接に電力増幅器
ｅａ、ｅｂにそれぞれ入力されて、動体６を所定の速度
で回転するために必要なレベルにまで増幅される。増幅
された信号は電極群ム、Ｂに入力され、前述したように
駆動体３に曲げ振動の進行波を作る。この時に流入する
機械的電流−を差動増幅器１ｏにより得て、整流回路１
１で交流値を直流に変換して、タイミング回路１３の作
るタイミングで記憶回路１２１Ｌに記憶する。

次に制御回路１６は端子７１Ｌに印加する制御電圧を設
定値だけ増加して第３図のＶ、にする。すると発振器７
の発振周波数はｆ３となる。このｆ３による駆動的での
機械的電流−をタイミング回路１３により記憶回路１２
ｂに記憶し、一つ前の記憶回路１２１の記憶結果と比較
器１４で比較して、機械的電流−が小さくなった時には
、制御電圧をｖ５よＦ）Ｖｌにもどし、大きくなった時
にはｖ２を再び設定値だけ増加して、その時の機械的電
流−を記憶回路１２＆に記憶して比較器１４で比較する
。

このように、制御電圧を増加させて、その時の機械的電
流−が増加した時には再び制御電圧を設定値だけ増加し
、同様に制御電圧を増加させて、機械的電流−が減少し
た時には制御電圧を設定値だけ減少させる。また、制御
電圧を減少させて、機械的電流−が増加した時には制御
電圧をさらに設定値だけ減少させ、同様に制御電圧を減
少させて、機械的電流−が減少した時には制御電圧を設
定値だけ増加する。この結果、制御電圧の可変範囲を駆
動体３の共振周波数の変化する範囲に一致させておけば
、制御回路１６は常に駆動体３の駆動周波数を共振周波
数に一致させるように発振器７の出力周波数を制御する
。故に、常に同一印加電圧に対して最大の機械的電流−
が得られる効率の良い駆動ができる。

第４図は機械的電流−のみを取シ出す別の回路例でＳ＃
）、圧電セラミック２と並列に昇圧トラ／ス１６１Ｌ、
１６ｂのインダクタンスＬがはいシ、このインダクタン
スＬを容量値ｃｏとで駆動周波数近傍で並列共振をする
ように選んである。これにより抵抗Ｒ１には機械的電流
−に比例した端子電圧が発生する。

発明の効果 本発明によれば、温度や静荷重および負荷の変動などに
より、圧電駆動体のインピーダンス特性や共振周波数が
変化しても、常に安定に最適駆動ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超音波モータ駆動は第１図
の実施例に用いた電圧制御発振回路の制御特性図、第４
図は圧電体に流入する機械的電流検出回路の他の例を示
すブロック図、第６図は従来の超音波モータの断面図、
第６図は第１図に用いられている圧電体の形状と電極構
造を示す平面図、第７図は超音波モータの駆動体部の振
動状態を示すモデル図、第８図は超音波モータの原理の
説明図、第９図は駆動体のインピーダンスと感度の周波
数特性図、第１０図は駆動体のインピーダンス特性の負
荷による変化を示す特性図である。 ７・・・・・・電圧制御発振器、８・・・・・・９ｏ度
移相器、９１Ｌ、９ｂ・・・・・・電力増幅器、１ｏ・
・・・・・差動増幅器、１１・・・・・・整流回路、１
２ａ、１２ｂ・・・・・・記憶回路、１３・・・・・・
タイミング回路、１４・・・・・・比較器、１５・・・
・・・制御回路、１６１Ｌ、１６ｂ・・・・・・昇圧ト
ランス。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 （α）　　　　　　　　　Ｃ１１） 第３図 発採回冶ｉ’制御電、圧、（ｖ） 第４図 第５図 第６図 跳７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　弾性体と圧電体とを貼合せて圧電駆動体を構成し、上
   記圧電駆動体に電圧を印加することにより、上記駆動体
   に曲げ振動を励起して進行波を作り、上記弾性体の貼合
   せ面に相対する面上の質点を楕円運動させることにより
   、前記弾性体上に置かれた物体を移動させる超音波モー
   タにおいて、制御端子に印加する電圧を制御することに
   より周波数を可変できる、前記圧電体を駆動するための
   交流電圧を発生する電圧制御発振回路と、前記圧電体に
   上記駆動電圧を印加した時に流入する電流の機械腕に流
   入する電流成分の検出回路と、上記電流検出回路の出力
   を設定時間おきに記憶する記憶回路と、上記記憶回路の
   一つ前の時点での出力と現在の出力とを比較する比較回
   路と、上記比較回路の比較結果により常に上記圧電体に
   流入する上記電流成分が最大になるように、前記発振回
   路の発振周波数を前記制御端子の印加電圧により制御す
   る制御回路とを具備することを特徴とする超音波モータ
   駆動装置。