JPS63140680A - 超音波モ−タ駆動回路 - 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】 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
タの駆動回路に関するものである。

従来の技術 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、直線運動する超音
波モータが小形、高トルクなどの点で注目されている。

第４図は、従来の超音波モータの一例であり、円板形の
弾性体１の円板面の一方に圧電体２，３を貼り合わせ固
定台４に装着してステータＡを構成している。５は耐摩
耗材料のライニングで、弾性体６に貼り合わせられ、ロ
ータＢを構成している。ロータＢはライニング５を介し
てステータＡの突起部１ａと接触している。又、弾性対
６に設けた軸７は軸受８にて支持され、ライニング５が
突起部１ａと摩擦接触するようナツト９にて締結されて
いる。第５図は、第４図の超音波モータに使用した圧電
体２，３の形状と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４波長のるようにしである。

そして隣り合う小電極部は互いに反対方向に分極されて
いる。このように分極された圧電体２と３とは位置的に
４分の１波長（９０’）の位相ずれをもたせて貼り合わ
せられている。尚、圧電体２と３の第５図に示された面
と反対の面は、全面電極になっている。

以上のように構成された超音波モータにおいて、圧電体
２にｖｏ−５ｉｎ（ｗｔ）、圧電体３にＶｏ−ｃＯ８（
ｗｔ）の互いに位相がπ／２だけずれた電圧を印加する
と、ステータＡに曲げ振動の進行波が励起され、突起部
１ａにより、その振動の円周方向成分が増幅され、ロー
タＢが駆動される。

発明が解決しようとする問題点 このようなモータ構成で、たとえばＩＷ〜１０Ｗ程度の
モータ出力を得ようとすると、超音波モータの特性上、
電圧■０として３０〜５０Ｖ程度の高電圧が必要となる
。従来は、第６図に示すような駆動方法が用いられてい
た。すなわち、圧電体２（圧電体３も同様）の電気入力
端子のそれぞれに互いに逆位相で作動する２個１体のス
イッチング素子１１と１２．１５と１６．１３と１４゜
１７と１８を付加し、さらにこれらのスイッチング素子
対をそれぞれ高電圧の直流電源１９に接続し、３０Ｖ〜
５０Ｖの高電圧を印加した状態で各スイッチング素子を
特定の周波数でスイッチングするようにしたものである
。しかし、この様な駆動方法では、高電圧の直流電源が
必要であったり、圧電体２と圧電体３を電気的に互いに
絶縁しなければならないとか、スイッチング素子数が多
いという問題点がある。

問題点を解決するための手段 この発明は、上述した従来技術の欠点を解消するもので
、圧電体の電気入力端子を、巻数比１：ｎに構成した変
成器の２次側端子に接続し、その変成器の１次側端子に
はスイッチング素子を接続し、機械振動の周波数で直流
電源をオン・オフすることｌこより、圧電体に高電圧の
高周波電圧を印加して、超音波モータを駆動しようとす
るものである。

作用 本構成では、低電圧の直流電源（たとえば５ＶＤＣとか
１２ＶＤＣ）であっても、変成器の巻数比を適当に選ぶ
ことによって、圧電体に高電圧（たとえば３０〜５０Ｖ
ｏ−ｐ）の高周波電圧を印加することができる。又変成
器の２次側は、１次側と完全に絶縁できるため、超音波
モータを構成する２枚の圧電体の接合面を共通電極とす
る構成が可能となり、２枚の圧電体をそれぞれ絶縁する
必要がない。これはモータ製作上非常に有利であり、モ
ータとしての特性向上もはかれるし、少ないスイッチン
グ素子数で超音波モータ駆動回路が構成できる。

尚、スイッチング周波数が高いため（２０ｋ　Ｈｚ〜１
００ｋＨｚ）変成器の形状は、小形にすることが可能で
ある。

実施例 以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。第
１図は本発明第一の実施例の超音波モータ駆動回路であ
る。図に於いて２，３は超音波モータのステータに貼り
合わせられた圧電体を示し、この圧電体２，３の接合面
が、電気的に導通しており、同電位になっていることを
示す。これらの圧電体２，３の電気入力端子は、それぞ
れ巻数比１：ｎに構成された変成器２１．２２の二次側
端子に接続されている。変成器２１．２２の一次側端子
の一方は、互いに逆位相で作動する２個一対のスイッチ
ング素子１１と１２．１３と１４の接続点にそれぞれ接
続されている。変成器２１゜２２の一次側端子の他方は
、共に共通電位レベルに接続されている。スイッチング
素子対１１と１２．１３と１４は、直流電源１９，２０
の正負端子間に接続されている。直流電源１９と２０は
、電圧の大きさが同じであり、その結合点は、共通電位
レベルに接続されている。圧電体２，３に、９０”位相
差の高周波電圧が印加され、スイッチング素子対１１と
１２と１３と１４は互いに９０”の位相差をもってスイ
ッチングされるようになっている。尚、スイッチング素
子１１，１２゜１３．１４はバイポーラのパワートラン
ジスタとか、パワーＭＯ３ＦＥＴのようなスイッチング
損失の少ないもので構成する。

以上のように構成された超音波モータ駆動回路の動作に
ついて説明する。

スイッチング素子対１１と１２は、互いに逆位相で作動
するため、スイッチング素子１１がオンのときには、素
子１２はオフになっている。このとき、変成器２１の一
次側端子には、直流電源１９の正端子が接続され、電圧
ｖ１が印加される。

反対にスイッチング素子１２がオンのときには、素子１
１はオフになっており、変成器の一次側端。

子には、直流電源２０の負端子が接続され、極性が反対
の同電圧Ｖｌが印加される。このようにして変成器２１
の一次側端子には正負の電圧が交互に印加されるため、
誘起電圧作用によって、変成器２１の２次側に電圧が誘
起され、その変成器の巻数比が１：ｎであれば、１次側
電圧Ｖ＋の０倍の電圧が誘起されることになる。スイッ
チング素子対１３と１４、変成器２２、圧電体３で構成
される回路も全く同様に動作しスイッチング素子１１．
１２，１３．１４をスイッチングすることによって、超
音波モータを駆動することができる。

第２図は、本発明の他の実施例の超音波モータ駆動回路
である。第一の実施例と異なるところは、変成器に中間
タップ付の変成器２３．２４を用いたことである。変成
器２３．２４の一次側中間タツブは、直流電源１９の正
端子に接続されている。

変成器２３．２４の一次側の他の２端子には、それぞれ
、スイッチング素子１１と１２．１３と１４が接続され
ている。変成器２３．２．４の二次側は、本発明の第一
の実施例と同様、超音波モータを構成している圧電体２
，３の電気入力端子に接続されている。尚変成器２３．
２４の巻数比は、図にも示しているよう１　：　１　：
ｎである。

スイッチング素子１１と１２は互いに逆位相で作動する
。同様に、スイッチング素子１３と１４も互いに逆位相
で作動する。圧電体２，３に、９０”位相差の高周波電
圧が印加されるよう、スイッチング素子対１１と１２と
１３と１４は互いに９０゜の位相差をもってスイッチン
グされる。

以上の様に構成された超音波モータ駆動回路の動作につ
いて説明する。

スイッチング素子対１１と１２は、互いに逆位相で作動
するため、スイッチング素子１１がオンのときには、素
子１２はオフになり、このとき変成器２３の一次側巻線
２３ａに、直流電源１９の電圧ｖ１が印加される。反対
にスイッチング素子１２がオンのときには、素子１１は
オフになっており、変成器２３の一次巻腺２３ａ′に、
直流電源１９の電圧ｖ１が印加される。−次巻線２３ａ
。

２３ａ′は同一方向に巻かれている為、上述のように直
流電圧ｖ１を一次巻線２３ａ、２３ａ’に交互に印加す
ることによって、変成器２３の二次側に振幅の大きさが
ｎＶ＋の交流電圧を誘起することができる。スイッチン
グ素子対１３と１４．変成器２４．圧電体３で構成され
る回路も同様に動作する。そして、スイッチング素子１
１．１２及び１３．１４を超音波モータの特性周波数で
スイッチングすることによって、圧電体２，３に電力を
供給し、超音波モータを駆動することができる。

このように、本構成では、低電圧の直流電源（たとえば
５ＶＤＣとか１２ＶＤ　Ｃ）　テアリーｃモ、変成器の
巻数比を適当に選ぶことによって、圧電体に高電圧（た
とえば３０〜５０Ｖｏ−ｐ）の高周波電圧を印加するこ
とができる。又変成器の２次側を１次側と完全に絶縁で
きるため、超音波モータを構成する２枚の圧電体の接合
面を共通電極とする構成が可能となり、２枚の圧電体を
それぞれ絶縁する必要がない。モしてモータ製作上、非
常に有利であり、モータとしての特性向上が図れ、少な
いスイッチング素子数（従来例の半分）で、それらの一
方をすべて共通にした簡略な超音波モータ駆動回路が構
成できる。尚、スイッチング周波数が高い（２０ＫＨｚ
　〜１００ＫＨｚ　）ため、変成器の形状は、小形にす
ることが可能である。

第３図は、本発明の他の実施例で、第２の実施例の変形
である。変成器２３．２４の２次側に圧電体２，３と直
列に、インダクタンス２５．２６が接続され、またスイ
ッチング素子１１，１２．。

１３．１４と並列にダイオード２７，２８，２９゜３０
が接続されている。尚、インダクタンス２５゜２６は変
成器２３．２４の１次側と２次側の磁気的結合を弱め、
漏れインダクタンスを変成器２３゜２４に内蔵させるこ
とによって作ることができる。

以上のように構成された超音波モータ駆動回路の動作は
第２の実施例とほぼ同様であり、動作の違うところのみ
説明する。圧電体２，３は、電気→機械変換素子である
が、セラミックで構成されているので、必ず電気的静電
容量を有している。

スイング素子１１，１２，１３．１４はスイッチング損
失をできる限り小さくするため、高速にスイッチングさ
れる。従って、変成器２３．２４の二次側の電圧の立ち
上がり及び立ち下がりが急峻になる。このような急峻な
電圧が印加されると、圧電体２，３には、前述の静電容
量を充電するための大きなサージ電流が流れる。（この
電流は、超音波モータの出力に寄与しない無効電流であ
る。）インダクタンス２５．２６は、上述のような急峻
な変化に対してインピーダンスを大きくし、圧電体２，
３には、変化のゆるやから正弦波状の電圧が印加される
ようにしている。インダクタンス２５．２６が挿入され
ると、変成器２３．２４の一次側に流れる電流に遅れを
生じ、スイ“ツチング素子がオフとなった後も、電流を
流す経路をつくる必要があるため、ダイオード２７，２
８゜２９．３０がスイッチング素子１１，１２，１３゜
１４に並列に接続されている。

発明の効果 以上の様に、変成器を用いた超音波モータ駆動回路は、
低電圧の直流電源であっても、変成器の巻数比を適当に
選ぶことによって、圧電体に高電圧（たとえば３０　Ｖ
　ｏ　−ｐ　〜５０　Ｖ　ｏ　−ｐ　）の周波電波を印
加することができる。また変成器の２次側は１次側と完
全に絶縁できるため、超音波モータを構成する２枚の圧
電体の接合面を共通電極とする構成が可能となり、２枚
の圧電体をそれぞれ絶縁する必要がなくなる。モしてモ
ータ製作上非常に有利であり、またモータとしての特性
向上が図れ、少ないスイッチング素子数で超音波モータ
駆動回路が構成でき、実用的効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の超音波モータ駆動回路
図、第２図は本発明の第２の実施例の超音波モータ駆動
回路図、第３図は本発明の第３の実施例の超音波モータ
駆動回路図、第４図は従来の超音波モータの一例を示し
た断面図、第５図は第４図の超音波モータに使用する圧
電体の形状と電極構造を示した図、第６図は従来の超音
波モータ駆動回路図である。 １・・・・・・弾性体、２，３・・・・・・圧電体、１
１．１２゜１３．１４，１５，１６．１７．１８・・・
・・・スイッチング素子、１９．２０・・・・・・直流
電源、２１゜２２．２３．２４・・・・・・変成器、２
５．２６・・・・・・インダクタンス、２７，２８，２
９．３０・・・・・・ダイオード。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名２３．２４
−−一変へ器 第２図 ２５．２６−−−１リダフルス 第４図 第５図 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性体と、その弾性体を励振させる圧電体とを有
   し、その圧電体に高周波電圧を印加して生ずる機械振動
   で移動体を駆動する超音波モータの圧電体への電気入力
   端子を巻数比１：ｎに構成した変成器の２次側端子に接
   続し、前記変成器の一次側端子にはスイッチング素子を
   接続し、前記機械振動の周波数で、変成器に入力される
   直流電源をオン・オフすることにより、前記圧電体に前
   記高周波電圧を印加するよう構成した超音波モータ駆動
   回路。
2. （２）前記変成器の１次側の一端をスイッチング素子に
   接続し、他端を共通端子に接続し、前記機械振動の周波
   数で、正負直流電源をオン・オフする特許請求の範囲第
   １項記載の超音波モータ駆動回路。
3. （３）前記変成器の一次側を、中間タップ付にし、その
   中間タップに直流電源を接続し、前記変成器の一次側の
   他の２端子にそれぞれスイッチング素子を接続し、前記
   機械振動の周波数で変成器の入力１次側直流電源をオン
   ・オフする特許請求の範囲第１項記載の超音波モータ駆
   動回路。
4. （４）前記変成器の１次側と２次側の磁気的結合を弱め
   前記変成器に漏れインダクタンスをもたせた特許請求の
   範囲第１項又は第２項又は第３項記載の超音波モータ駆
   動回路。