DE3835090A1

DE3835090A1 - Antriebsvorrichtung fuer einen ultraschallmotor

Info

Publication number: DE3835090A1
Application number: DE3835090A
Authority: DE
Inventors: Kenichiroh Takahashi; Ritsuo Inaba; Nobukazu Sugano; Noriyuki Harao; Yukihiro Matsuyama; Hiromi Tanoue; Toru Kishi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-10-16
Filing date: 1988-10-14
Publication date: 1989-04-27
Also published as: US4888514A; DE3835090C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor, der eine Antriebskraft durch Verwendung piezoelektrischer Teile erzeugt, und insbesondere eine Antriebsvorrichtung, die dazu verwendet wird, piezoelektrische Teile anzutreiben, um einen elastischen Teil des Ultraschallmotors zu erregen.

In neueren Jahren haben Ultraschallmotoren beträcht liche Aufmerksamkeit auf sich gezogen als Folge der Tatsache, daß ein Ultraschallmotor höhere Energiedichte (Ausgang je Volumeneinheit) als ein gewöhnlicher Elektromotor hat. Der Ultraschallmotor führt Drehbewegung aus durch Erzeugen von Ultraschallschwingung, die in einem elektromechanischen Wand lerelement erregt wird, beispielsweise in einem piezoelektri schen keramischen Element.

Fig. 6 zeigt die allgemeine Ausführung eines übli chen Ultraschallmotors. Gemäß Fig. 6 umfaßt der Ultraschall motor einen Stator 4, einen Rotor 14, ein Lager 9, eine Feder 10 und eine Mutter 11. Der Stator 4 umfaßt scheibenförmige piezoelektrische Teile 1, 2 und einen scheibenförmigen ela stischen Teil 3. Die piezoelektrischen Teile 1, 2 und der elastische Teil 3 sind in Axialrichtung des Ultraschallmotors übereinander angeordnet. Der Rotor 14 umfaßt eine Rotorschei be 5, die auf einer Seite eine Welle 7, an deren Ende ein Schraubengewinde gebildet ist, und auf ihrer anderen Seite eine Ausgangswelle 8 aufweist, um Drehung auf einen zu dre henden nicht dargestellten Teil zu übertragen, sowie einen Auskleidungsteil 6, der an die Unterfläche der Rotorscheibe 5 gebunden ist, um mit dem Stator 4 reibungsmäßig in Berüh rung zu treten. Die Feder 10 und die Mutter 11 sind vorgese hen, um den Rotor 14 und den Stator 4 mit einem bestimmten Drehmoment zusammenzufügen, indem die Mutter 11 auf das Ge winde der Welle bzw. des Schaftes 7 geschraubt wird. Ein kreisförmiger Vorsprung 3 a ist an dem elastischen Teil des Stators 4 vorgesehen, um die Schwingung zu verkörpern, und die Drehkraft kann erhalten werden, indem den piezoelektrischen Teilen 1 und 2 elektrische Signale mit wechselseitig unter schiedlicher Phase aufgedrückt werden.

Fig. 7 zeigt einen Antriebsstromkreis 22 einer Antriebsvorrichtung für den Ultraschallmotor. Ein Oszillator 15 schwingt mit einer Antriebsfrequenz f _m, die dem Stator 4 eigen ist. Der Antriebsstromkreis 22 umfaßt einen Phasen schieber 17 und Verstärker 16 und 18. Das Ausgangssignal des Oszillators 15 wird direkt an den Verstärker 16 gelie fert und über den Phasenschieber 17 an den Verstärker 18 geliefert. Der Phasenschieber 17 liefert ein phasenverscho benes Signal, welches innerhalb eines Bereiches von +10° bis +170° (für Antrieb in normaler Richtung) und von -10° bis -170° (für Antrieb in Rückwärtsrichtung) verschoben ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 16 wird über Leiterdrähte 19 und 20 einem ersten piezoelektrischen Teil 1 aufgedrückt. Dadurch wird in dem Stator 4 eine Erregungswelle erzeugt. Der erste piezolelektrische Teil 1 hat acht Pole aus piezo elektrischen Wandlern 13 (Fig. 6) und er bildet vier Paare von polarisierten piezoelektrischen Wandlern 13. Jedes Paar besteht aus zwei benachbarten piezoelektrischen Wandlern 13, deren Polarisationsrichtungen zueinander entgegengesetzt sind, wobei ein Bereich jedes Paares einer Wellenlänge ent spricht. Demgemäß trägt die Erregungswelle vier Wellenlängen in Umfangsrichtung des ersten piezoelektrischen Teiles 1. Einem zweiten piezoelektrischen Teil 2 wird das Ausgangssi gnal des Verstärkers 18 über Leiterdrähte 20 und 21 aufge drückt. Demgemäß wird auch der zweite piezoelektrische Teil 2 in der gleichen Weise wie der erste piezoelektrische Teil 1 angetrieben.

Wenn der Stator 4 gemäß vorstehender Beschreibung angetrieben wird, treten Schwingungskämme (Schwingungsschlei fen) (Punkte maximaler Verschiebung) des Stators 4 an dem dem Rotor 14 zugewandten Teil mit dem Rotor 14 in Berührung, und die Schwingungskämme bewegen sich mit der Zeit. Daher wird dem Rotor 14 eine Kraft rund um die Welle bzw. den Schaft 8 erteilt. Auf diese Weise erhält der Rotor 14 wieder holt Kraft in Form einer wandernden Welle in Drehrichtung mit der Antriebsfrequenz f _m, welche die Eigenfrequenz des Stators 4 ist, wodurch der Rotor 14 Drehbewegung ausführt.

Bei dem oben genannten Ultraschallmotor ist es erforderlich, daß die Schwingungsfrequenz f _d des Oszillators 15 der Antriebsfrequenz f _m entspricht, die durch die Reso nanzfrequenz f _ro des Stators 4 bestimmt ist. Wenn jedoch die Umgebungsbedingungen sich ändern, beispielsweise die Umge bungstemperatur sich durch Selbsterhitzung oder durch irgend eine im Verlauf der Zeit hervorgerufene Änderung ändert, werden die Resonanzfrequenz f _ro und die Antriebsfrequenz f _m des Stators 4 geändert, und dadurch weicht die Antriebsfre quenz f _m beträchtlich von der Resonanzfrequenz f _d ab. Als Ergebnis verringert sich die Wirksamkeit der Erzeugung der wandernden Welle, so daß sich auch die Antriebswirksamkeit des Motors verringert. Im ungünstigsten Fall kommt der Motor zum Stillstand.

Fig. 8 ist ein Stromkreisdiagramm der üblichen Antriebsvorrichtung für den Ultraschallmotor, wie sie in der ungeprüften veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Sho 63-1 40 678 offenbart ist. Diese Antriebsvorrichtung dient dazu, das oben genannte Problem zu lösen.

Gemäß Fig. 8 ist ein Ultraschallmotor 23 vorgesehen, der einen elektrischen Stromkreis mit den piezoelektrischen Teilen 1 und 2 aufweist. Ein Stromfeststellkreis 35 um faßt den piezoelektrischen Teil 2, einen Widerstand 24, der zu dem piezoelektrischen Teil 2 in Reihe geschaltet ist, einen Kondensator 26, dessen eines Ende an eine Leitung 20 a eines Anschlußpunktes der piezoelektrischen Teile 1 und 2 ange schlossen ist, einen Widerstand 25, der an einem seiner Enden mit dem anderen Ende des Kondensators 26 und auch an seinem anderen Ende zusammen mit dem Widerstand 24 an eine Leitung 19 a angeschlossen ist, und einen Differentialverstärker 42. Der Differentialverstärker 42 umfaßt einen Operationsverstär ker 34 und Widerstände 30, 31, 32 und 33. Der Stromfeststell kreis 35 stellt Strom fest, der in dem piezoelektrischen Teil 2 proportional zu der mechanischen Schwingung fließt.

Nachstehend wird die Betriebsweise des Stromfest stellkreises 35 beschrieben. Fig. 10(a) ist ein Stromkreis diagramm, in welchem das piezoelektrische Element 2 darge stellt ist, und Fig. 10(b) ist ein zu der Darstellung der Fig. 10(a) äquivalenter Stromkreis. Dieser äquivalente Strom kreis ist in den Seiten 99 bis 102 von "ATSUDENZAIKAGAKU NO KISO (Fundamental Science of Piezoelectric Materials)" von TAKURO IKEDA beschrieben, veröffentlicht durch OHM Sha Japan. Wenn der gesamte Strom, der in dem piezoelektrischen Teil 2 fließt, als der Strom I _T definiert ist, besteht der Strom I _T aus einem Strom I _m, der in dem mechanischen Schwingungsteil X fließt und sich proportional zu der mechanischen Schwingung ändert, und einem Strom I _c, der in einem Kondensator C _o des piezoelektrischen Teiles 2 fließt und höhere Harmonische enthält, wie es in Fig. 10(b) dargestellt ist. Daher kann der Strom I _m entsprechend der mechanischen Schwingung berechnet werden durch Subtrahieren des Stromes I _c von dem Strom I _T. Bei dem Stromkreisdiagramm gemäß Fig. 8 ist die elektro statische Kapazität des Kondensators 26 gleich derjenigen des Kondensators C _o (Fig. 10(b)) des piezoelektrischen Teiles 2 ausgewählt, und der Widerstandswert des Widerstandes 24 ist gleich demjenigen des Widerstandes 25 gewählt. Dann ergibt sich der Strom I _m als eine Differenz, erhalten durch das Subtrahieren des Stromes I _c′, der in dem Kondensator 26 fließt (welcher gleich dem Strom I _c ist, der in der Kapazität C _o des piezoelektrischen Elementes 2 fließt), von dem Gesamtstrom I _T des piezoelektrischen Elementes 2. Dann erscheint an einem Ausgangsanschluß C des Differentialverstärkers 42 ein Ausgang entsprechend dem Strom I _m. Auf diese Weise wird ein Ausgangs signal entsprechend dem bzw. ansprechend auf den Strom I _m er halten, welches sich proportional zu der mechanischen Schwin gung ändert.

Fig. 11 ist eine graphische Darstellung von Aus gangswellenformen A, B und C von Signalen an den drei Punkten A, B bzw. C (Fig. 8). Die Wellenformen A und B sind durch die höheren Harmonischen verzerrt, jedoch hat die Wellenform C (welche den Strom I _m wiedergibt) keine wesentliche Verzerrung. Daher kann die Phase des Stromes I _m, die sich proportional zu der mechanischen Schwingung ändert, mit einer Spannungs wellenform verglichen werden.

Gemäß Fig. 8 stellt ein Spannungsfeststellkreis 36 die Spannung fest, die dem piezoelektrischen Teil 2 aufge drückt wird. Ein eine Phasendifferenz feststellender Kreis 37 vergleicht die Ausgangswellenformen des Stromfeststellkreises 35 und des Spannungsfeststellkreises 36 und liefert eine Gleich spannung beim Ansprechen auf die festgestellte Phasendifferenz. Die Fig. 8A und 8B zeigen innere Stromkreise des Spannungs feststellkreises 36 bzw. des Phasendifferenzfeststellkreises 37. Der Spannungsfeststellkreis 36 umfaßt eine Bezugsspan nungsquelle 36 a und einen Vergleicher 36 b. Der Phasendiffe renzfeststellkreis 37 umfaßt, wie in Fig. 8B dargestellt, eine Bezugsspannungsquelle 37 e, einen Vergleicher 37 d, einen integrierten Stromkreis 37 a, beispielsweise TP5081AP von TOSHIBA Co., Ltd.) für Phasenvergleich, einen Widerstand 37 b und einen Kondensator 37 c. Weiterhin umfaßt gemäß Fig. 8 ein Abweichungsverstärker 43 einen Operationsverstärker 40, der die Ausgänge des Phasendifferenzfeststellkreises 37 und eine Bezugsspannungsquelle 41 vergleicht, sowie Widerstände 38 und 39. Der Phasendifferenzfeststellkreis 37, der Abweichungsver stärker 43 und die Bezugsspannungsquelle 41 stellen einen Phasendifferenzdetektor 50 dar. Der Abweichungsverstärker 43 liefert eine Spannung entsprechend der festgestellten Ab weichungsspannung. Ein Oszillator 44 mit variabler Frequenz ändert seine Schwingungsfrequenz beim Ansprechen auf die Aus gangsspannung des Abweichungsverstärkers 43 und liefert die Schwingungsenergie an den Antriebsstromkreis 22. Widerstände 28, 29 und ein Kondensator 27 sind vorgesehen, um eine Balance oder einen Ausgleich der Spannung zu schaffen, die den piezo elektrischen Teilen 1 und 2 aufgedrückt wird.

Nachstehend werden Einzelheiten des Antriebsstrom kreises gemäß Fig. 8 beschrieben. Die Widerstände 24 und 28 sind in Reihe mit den piezoelektrischen Teilen 2 bzw. 1 ge schaltet, und ihre Widerstandswerte sind einander gleich.

Weiterhin sind die Kapazitäten der Kondensatoren 26 und 27 einander gleich, und auch die Widerstandswerte der Widerstände 25 und 29 sind einander gleich. Der Kondensator 27 und der Widerstand 29 sind zwischen den Leitungen 21 a und 20 a in Reihe miteinander geschaltet. Die Schaltung, welche die Widerstände 28, 29, den piezoelektrischen Teil 1 und den Kondensator 27 enthält, und die Schaltung, welche den Stromfeststellkreis 35 darstellt und die Widerstände 24 und 25, den piezoelektrischen Teil 2 und den Kondensator 26 enthält, sind mit Bezug auf die Leitung 20 a symmetrisch ausgeführt. Durch Bildung einer sol chen symmetrischen Ausführung wird, wenn der Spannungspegel, der zwischen den Leitungen 21 a und 20 a aufgedrückt wird, gleich demjenigen eingestellt wird, der zwischen den Leitungen 20 a und 19 a aufgedrückt wird (wobei die Phasen voneinander verschieden sind), der Spannungspegel, der dem piezoelektrischen Teil 1 aufgedrückt wird, gleich demjenigen am piezoelektrischen Teil 2. Daher ergibt sich kein Zustand geringer Wirksamkeit, der her vorgerufen werden würde durch einen Unterschied zwischen den Spannungspegeln, die an die piezoelektrischen Teile 1 und 2 geliefert werden. Daher kann stabile Drehung des Motors erhal ten werden.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, in welcher die Admittanz bzw. der Scheinleitwert über der Frequenz wieder gegeben ist. Wenn bei der oben beschriebenen Vorrichtung die Schwingungsfrequenz f _d des Ausgangssignales des Oszillators 44 so eingestellt wird, daß sie die Antriebsfrequenz f _m1 ist, die eine Phasendifferenz Δ P (entsprechend der Frequenzdifferenz) von der mechanischen Resonanzfrequenz f _ro1 des Stators 4 hat, gilt folgende Relation:

f _d = f _{m 1} (1)

Selbst wenn die mechanische Resonanzfrequenz f _ro1 zur Frequenz f _ro2 abweicht und die Antriebsfrequenz f _m1 zu f_m2 wird durch Änderung von Umgebungsbedingungen des Ultra schallmotors, beispielsweise als Folge einer Temperaturände rung durch Selbsterwärmung oder eine Änderung der Umgebungs temperatur oder irgendeine andere Änderung mit der Zeit, wird die Ausgangsschwingungsfrequenz, d.h. die Ausgangsfrequenz f _d des Antriebsstromkreises 22 zur Frequenz f _m2 gesteuert bzw. geregelt, so daß gilt:

f _d = f _{m 2} (2)

Demgemäß folgt die Ausgangsfrequenz f _d des Antriebs stromkreises 22 dauernd der mechanischen Resonanzfrequenz f _ro und der Antriebsfrequenz f _m.

Jedoch besteht bei der oben beschriebenen üblichen Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor das nachstehend erläuterte Problem: Fig. 12 ist eine graphische Darstellung, in welcher die Verhältnisse zwischen der Frequenz-Drehge schwindigkeit-Charakteristik und der Frequenz-Phasendifferenz- Charakteristik dargestellt sind. Wenn die Antriebsfrequenz f _m1 höher als die Resonanzfrequenz ist, ist die Drehgeschwin digkeit des Ultraschallmotors umgekehrt proportional zur An triebsfrequenz f _m1, wohingegen die Phasendifferenz (zwischen der den piezoelektrischen Teilen 1 und 2 aufgedrückten Span nung und dem durch diese proportional zur mechanischen Schwin gung fließenden Strom) sich allmählich verringert beim An sprechen auf die Erhöhung der Antriebsfrequenz f _m1 bei nied riger Frequenz, wobei sich eine nur geringfügige Änderung, bei hoher Frequenz ergibt. Daher ergibt sich bei einem hohen Wert der Antriebsfrequenz f _m1 (nämlich bei niedriger Drehge schwindigkeit) für eine Änderung der Phasendifferenz (nämlich eine Änderung der Resonanzfrequenz) eine große Änderung der Drehgeschwindigkeit, wodurch es schwierig ist, den Motor stabil zu steuern und feinzusteuern.

Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor zu schaf fen, welche die Drehung des Motors bei jeder Antriebsfrequenz genau und stabil steuern kann. Um diesen Zweck zu erfüllen, umfaßt eine Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor gemäß der Erfindung folgendes:

Eine Stromfeststelleinrichtung zum Feststellen des Stromes, welcher in einem piezoelektrischen Teil propor tional zur mechanischen Schwingung des Ultraschallmotors fließt,
eine Stromwertfeststelleinrichtung zum Feststel len des Stromwertes des Ausgangssignals der Stromfeststell einrichtung, und zum Vergleichen des Stromwertes mit der Bezugsspannung einer Bezugsspannungsquelle,
einen variablen Oszillator zum Liefern einer sich ändernden Schwingungsfrequenz beim Ansprechen auf das Aus gangssignal der Stromwertfeststelleinrichtung, um den Strom im wesentlichen konstant zu halten, und
einen Antriebsstromkreis zum Liefern einer An triebsspannung auf der Basis der Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Teiles.

Bei einer oben beschriebenen Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor gemäß der Erfindung dreht sich der Ultraschallmotor stabil, wobei bei jeder Antriebsfre quenz genaue Drehgeschwindigkeit erhalten wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeich nung beispielsweise erläutert:

Fig. 1 ist ein Stromkreisdiagramm einer Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 1A ist ein Stromkreisdiagramm eines inneren Stromkreises eines Stromwertfeststellkreises 51 gemäß Fig. 1;

Fig. 2(a) ist eine graphische Darstellung der Charakteristiken der Phasendifferenz P _d zwischen der Spannung und dem Strom, die proportional zur mechanischen Schwingung erhalten werden, des integrierten Wertes I _mi der Stromampli tude, des integrierten Wertes I _si der Amplitude unter Ver wendung eines piezoelektrischen Sensors und der Drehge schwindigkeit N über der Antriebsfrequenz;

Fig. 2(b) und 2(c) sind graphische Darstellungen von Charakteristiken der Drehgeschwindigkeit über dem Dreh moment, und zwar zum einen gemäß der Erfindung und zum ande ren gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 ist ein Stromkreisdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ist ein Stromkreisdiagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 ist ein Stromkreisdiagramm einer vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 6 ist eine auseinandergezogene schaubildli che Ansicht der allgemeinen Ausführung eines Ultraschallmo tors;

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht und ein Strom kreisdiagramm eines Ultraschallmotors und eines üblichen An triebsstromkreises für diesen;

Fig. 8 ist ein Stromkreisdiagramm einer üblichen Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor;

Fig. 8A ist ein Stromkreisdiagramm der inneren Stromkreise des Spannungsfeststellkreises 36 gemäß den Fig. 4, 5 und 8;

Fig. 8B ist ein Stromkreisdiagramm eines inneren Stromkreises des Phasendifferenzfeststellkreises 37 gemäß den Fig. 4, 5 und 8;

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Ad mittanz-Charakteristik eines piezoelektrischen Teiles in dem Ultraschallmotor über der Frequenz;

Fig. 10(a) und Fig. 10(b) zeigen den Stromkreis bzw. den äquivalenten Stromkreis eines piezoelektrischen Teiles in einem Ultraschallmotor;

Fig. 11 ist eine graphische Darstellung, welche Kurven von Signalen zeigt, die an den Stellen A, B und C gemäß den Fig. 1, 4 und 8 festgestellt worden sind;

Fig. 12 ist eine graphische Darstellung von Cha rakteristiken der Phasendifferenz P _d zwischen der Spannung und dem Strom proportional zur mechanischen Schwingung und der Drehgeschwindigkeit N über die Frequenz.

Fig. 1 ist ein Stromkreisdiagramm einer Antriebs vorrichtung für einen Ultraschallmotor gemäß einer bevorzug ten Ausführungsform der Erfindung. Gemäß der Darstellung um faßt ein Ultraschallmotor 23 eine elektrische Schaltung von piezoelektrischen Teilen 1 und 2. Ein Stromfeststellkreis 35 umfaßt den piezoelektrischen Teil 2, einen Widerstand 24, der mit dem piezoelektrischen Teil 2 in Reihe geschaltet ist, einen Kondensator 26, dessen eines Ende mit einer Leitung 20 a an einer Anschlußstelle der piezoelektrischen Teile 1 und 2 verbunden ist, einen Widerstand 25, der mit dem anderen Ende des Kondensators 26 und mit einer Leitung 19 a zusammen mit dem Widerstand 24 verbunden ist, und einen Differentialver stärker 42. Der Differentialverstärker 42 umfaßt einen Opera tionsverstärker 34 und Widerstände 30, 31, 32 und 33. Der Stromfeststellkreis 35 stellt Strom fest, der zu dem piezo elektrischen Teil 2 fließt und proportional zu dessen mechani scher Schwingung ist.

Die Betriebsweise des Stromfeststellkreises 35 ist die gleiche, wie sie oben in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben worden ist. Die elektrostatische Kapazität des Kondensators 26 wird so gewählt, daß sie gleich derjenigen des Kondensators C _o (Fig. 10(b)) des piezoelektrischen Teiles 2 ist, und der Widerstandswert des Widerstandes 24 wird gleich demjenigen des Widerstandes 25 gewählt. Dann ergibt sich der Strom I _m (Fig. 10(b)) als eine Differenz, gebildet durch Subtrahieren des Stromes I _c′, der in dem Kondensator 26 fließt (und der gleich dem Strom I _c ist, der in der Kapazität C _o des piezoelektrischen Elementes 2 fließt),von dem Gesamt strom I _T des piezoelektrischen Elementes 2. Dann erscheint an einem Ausgangsanschluß C des Differentialverstärkers 42 ein Ausgang entsprechend dem bzw. beim Ansprechen auf den Strom I _m. Auf diese Weise wird ein Ausgangssignal erhalten, welches auf den Strom I _m anspricht und welches sich propor tional zu der mechanischen Schwingung ändert.

Ausgangswellenformen A, B und C von Signalen an den betreffenden drei Punkten A, B bzw. C sind in Fig. 11 dargestellt, wie sie in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben worden sind. Die Wellenformen A und B sind durch die höheren Harmonischen verzerrt. Jedoch hat die Wellenform C (welche den Strom I _m wiedergibt) keine wesentliche Ver zerrung. Daher kann die Phase des Stromes I _m, die sich pro portional zur mechanischen Schwingung ändert, mit der Span nungswellenform verglichen werden. Das Ausgangssignal des Stromfeststellkreises 35, welches durch die Wellenform C dargestellt ist, wird an einen Stromwertfeststellkreis 51 geliefert. Das Ausgangssignal des Stromwertfeststellkreises 51 wird an einen der Eingangsanschlüsse eines Operationsver stärkers 54 über einen Widerstand 52 geliefert. Dieser Ein gangsanschluß ist über einen Widerstand 53 mit einem Aus gangsanschluß des Operationsverstärkers 54 verbunden. Der andere Eingangsanschluß ist mit einer Bezugsspannungsquelle 55 verbunden. Die Widerstände 52, 53 und der Operationsver stärker 54 stellen einen Abweichungsverstärker 56 dar. Ein Primäranschluß eines Herauftransformators (nicht dargestellt), der in dem Antriebsstromkreis 22 vorgesehen ist, ist mit dem Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 54 über einen Widerstand 57 verbunden. Der Stromwertfeststellkreis 51, der Widerstand 57, die Bezugsspannungsquelle 55 und der Ab weichungsverstärker 56 stellen eine Stromwertfeststell einrichtung 51 a dar. Fig. 1A ist ein Stromkreisdiagramm einer inneren Schaltung des Stromwertfeststellkreises 51. Der Stromwertfeststellkreis 51 umfaßt zwei Integratoren 51 a, 51 b, Widerstände 51 c, 51 d, 51 e, 51 f, 51 g, 51 h, Gleich richter 51 i und 51 j und einen Kondensator 51 k. Der Antriebs stromkreis 22 umfaßt Verstärker 16, 18 und einen Phasenschie ber 17, wie es in Verbindung mit Fig. 7 und dem Stand der Technik beschrieben worden ist.

Nachstehend werden die Einzelheiten des Antriebs stromkreises gemäß Fig. 1 beschrieben. Die Widerstände 24 und 28 sind in Reihe mit dem piezoelektrischen Teil 2 bzw. 1 ge schaltet und ihre Widerstandswerte sind einander gleich. Wei terhin sind die Kapazitäten der Kondensatoren 26 und 27 ein ander gleich und auch die Widerstandswerte der Widerstände 25 und 29 sind einander gleich. Der Kondensator 27 und der Widerstand 29 sind zwischen den Leitungen 21 a und 20 a in Reihe miteinander geschaltet. Die Schaltung, welche die Wider stände 28 und 29, den piezoelektrischen Teil 1 und den Konden sator 27 enthält, und die Schaltung, welche den Stromfest stellkreis 35 darstellt und die Widerstände 24, 25, den piezoelektrischen Teil 2 und den Kondensator 26 enthält, sind mit Bezug auf die Leitung 20 a symmetrisch angeordnet.

Der Stromfeststellkreis 35 stellt den Strom fest, der in dem piezoelektrischen Teil 2 fließt und zu der mechani schen Schwingung proportional ist, und er liefert den festge stellten Strom (der eine Amplitude hat) an den Stromwertfest stellkreis 51. In dem Stromwertfeststellkreis 51 wird der eingegebene Strom zu einem gleichgerichteten Halbwellenstrom umgeformt und danach wird der gleichgerichtete Halbwellen strom integriert und aus dem Kreis 51 ausgegeben. Das inte grierte Ausgangssignal des Stromwertfeststellkreises 51 wird durch den Durchgang durch den Widerstand 52 zu einem Span nungssignal umgeformt. Das Spannungssignal wird mit der Be zugsspannung der Bezugsspannungsquelle 55 im Operationsver stärker 54 verglichen, und die Abweichung zwischen diesen wird verstärkt und ausgegeben. Dieses Ausgangssignal wird an einen variablen Oszillator 44 geliefert. Die Schwingungs frequenz des variablen Oszillators 44 ändert sich beim An sprechen auf das Eingangssignal und sie wird über den An triebsstromkreis 22 an die piezoelektrischen Teile 1 und 2 angelegt, wodurch der Strom, der in den piezoelektrischen Teilen 1 und 2 proportional zu der mechanischen Schwingung fließt, im wesentlichen konstant gehalten wird, so daß die ausgewählte Drehzahl des Ultraschallmotors stabil gesteuert ist. Die Bezugsspannung der Bezugsspannungsquelle 55 ist derart ausgewählt, daß sie den vorbestimmten Wert entspre chend der gewünschten Drehgeschwindigkeit oder Drehzahl hat.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung von Charak teristiken mehrerer Variabler über der Antriebsfrequenz. Ge mäß Fig. 2 verläuft eine Kurve I _mi, die den integrierten Wert der Amplitude des proportional zur mechanischen Schwin gung fließenden Stromes zeigt, allmählich abwärts entspre chend einer Kurve N, welche die Drehzahl des Ultraschall motors zeigt, und zwar bis zu einem Bereich hoher Frequenz. Daher kann bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Drehzahl im Bereich hoher Antriebsfrequenz (d.h. niedrige Drehzahl) genau gesteuert werden auf einen vorbestimmten ausgewählten Wert durch Vergleichen der Bezugsspannung der Bezugsspannungsquelle 55 mit dem integrierten Wert der Amplitude des Stromes, der in dem piezoelektrischen Teil 2 proportional zur mechanischen Schwingung fließt. Fig. 2(b) und Fig. 2(c) sind graphische Darstellungen von Charakteri stiken der Drehgeschwindigkeit über dem Drehmoment, und zwar gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik. Gemäß dem Antriebsstromkreis nach Fig. 1 wird das an den Herauftransformator im Antriebsstromkreis 22 gelieferte Signal über den Widerstand 57 an den Operationsverstärker 54 geliefert. Es wird hierdurch möglich, Rückkopplungssteu erung der Antriebsspannung zu verwirklichen. Wie in Fig. 2(b) dargestellt, kann gemäß der Erfindung die Charakteristik der Drehgeschwindigkeit oder Drehzahl über dem Drehmoment ge ändert werden beim Ansprechen auf die betreffende Antriebs spannung, während beim Stand der Technik, wie in Fig. 2(c) dargestellt, diese Charakteristiken durch Änderung der An triebsspannung nicht geändert werden können. Demgemäß kann die Charakteristik von Drehzahl über dem Drehmoment geändert werden durch Änderung der Spannung, die an den Transformator gemäß der Erfindung geliefert wird, um dadurch bequem vielen Spezifizierungen von Kunden zu genügen.

Fig. 3 ist ein Stromkreisdiagramm einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung. Entsprechende Teile und Elemente der ersten Ausführungsform sind mit gleichen Bezugs zeichen und Markierungen versehen, und die zuvor erfolgte Be schreibung solcher Teile und Elemente gilt hier in ähnlicher Weise. Unterschiede und Merkmale dieser zweiten Ausführungs form gegenüber der ersten Ausführungsform sind wie folgt: Außer dem piezoelektrischen Teil 2 ist ein piezoelektrischer Sensor 58 vorgesehen. Ein Detektor 59 empfängt das Ausgangs signal von dem piezoelektrischen Sensor 58 und stellt einen Strom fest, der in dem piezoelektrischen Teil 2 proportional zur mechanischen Schwingung fließt. Der piezoelektrische Sensor 58 und der Detektor 59 stellen einen Stromfeststell kreis 35 a dar zusammen mit dem piezoelektrischen Teil 2 und dem Widerstand 24. Gemäß Fig. 2(a) verläuft eine Kurve I _si, die den integrierten Wert der Amplitude des Ausgangssignals des piezoelektrischen Sensors 58 zeigt, ebenfalls allmählich nach unten entsprechend der Kurve N, welche die Drehzahl des Ultraschallmotors zeigt, und zwar bis zum Hochfrequenzbe reich. Das Ausgangssignal des piezoelektrischen Sensors 58, nämlich das Signal des Stromes, der in dem piezoelektrischen Teil 2 proportional zur mechanischen Schwingung fließt, wird entsprechend der Anbringungsposition (mounting position, nicht dargestellt) in dem Stator 4 (Fig. 6, 7) geändert. Bei der oben beschriebenen Ausführung sind die Kondensatoren 26 und 27 (Fig. 1) usw. nicht erforderlich. Daher kann eine größere Ausgangsenergie als bei der ersten Ausführungsform von dem Antriebsstromkreis 22 an den Ultraschallmotor 23 angelegt wer den.

Fig. 4 ist ein Stromkreisdiagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Teile und Elemente, die den jenigen der ersten Ausführungsform entsprechen, sind mit glei chen Bezugszeichen bzw. Markierungen versehen und hinsicht lich ihrer Beschreibung wird auf die erste Ausführungsform verwiesen. Das Ausgangssignal des Stromfeststellkreises 35, welches durch die Wellenform C (Fig. 11) dargestellt ist, wird an den Stromwertfeststellkreis 51 und an einen Phasen differenzfeststellkreis 37 geliefert. Ein Spannungsfeststell kreis 36 stellt die Spannung fest, die dem piezoelektrischen Teil 2 aufgedrückt wird. Der Phasendifferenzfeststellkreis 37 vergleicht die Ausgangswellenformen des Stromfeststellkrei ses 35 und des Spannungsfeststellkreises 36 und er liefert eine Gleichspannung entsprechend der festgestellten Phasen differenz. Die innere Schaltung des Spannungsfeststellkrei ses 36 und des Phasendifferenzfeststellkreises 37 sind auch in den Fig. 8A bzw. 8B dargestellt. Der Spannungsfeststell kreis 36 umfaßt eine Bezugsspannungsquelle 36 a und einen Vergleicher 36 b. Der Phasendifferenzfeststellkreis 37 umfaßt eine Bezugsspannungsquelle 37 e, einen Vergleicher 37 d, einen integrierten Stromkreis 37 a (beispielsweise TP5081AP von TOSHIBA Co., Ltd.) für Phasenvergleich, einen Widerstand 37 b und einen Kondensator 37 c.

Weiterhin umfaßt gemäß Fig. 4 der Abweichungsver stärker 43 einen Operationsverstärker 40, der die Ausgänge des Phasendifferenzfeststellkreises 37 und einer Bezugs spannungsquelle 41 vergleicht, sowie Widerstände 38 und 39.

Der Phasendifferenzfeststellkreis 37, der Abweichungsver stärker 43 und die Bezugsspannungsquelle 41 stellen einen Phasendifferenzdetektor 50 dar. Der Abweichungsverstärker 43 liefert eine Spannung beim Ansprechen auf die festgestellte Abweichungsspannung. Der Oszillator 44 variabler Frequenz ändert seine Schwingungsfrequenz beim Ansprechen auf die Ausgangsspannungen der Abweichungsverstärker 43 und 56 und die Schwingungsfrequenz wird über den Antriebsstromkreis 22 an die piezoelektrischen Teile 1 und 2 angelegt, so daß die Phasendifferenz und der Strom, der in den piezoelektri schen Teilen 1 und 2 proportional zur mechanischen Schwingung fließt, im wesentlichen konstant gehalten werden und die aus gewählte Drehzahl des Ultraschallmotors stabil gesteuert wird. Die Bezugsspannungen der Bezugsspannungsquellen 41 und 55 werden so ausgewählt, daß sie die vorbestimmten Wer te entsprechend der gewünschten Drehzahl haben. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann die Drehzahl im Bereich hoher Antriebsfrequenz (niedrige Drehzahl) genau gesteuert werden zu einem vorbestimmten ausgewählten Wert durch Vergleichen der Bezugsspannung der Bezugsspannungs quelle 55 und des integrierten Amplitudenwertes des Stro mes, der in dem piezoelektrischen Teil 2 proportional zur mechanischen Schwingung fließt. Weiterhin kann die Dreh zahl im Bereich niedriger Antriebsfrequenz (beispielswei se etwa 70 kHz, entsprechend hoher Drehzahl) genau ge steuert werden auf einen vorbestimmten ausgewählten Wert durch Vergleichen der Bezugsspannung der Bezugsspannungs quelle 41 und der Phasendifferenz P _d (Fig. 2(a)) zwischen der dem piezoelektrischen Teil 2 aufgedrückten Spannung und dem darin proportional zur mechanischen Schwingung flie ßenden Strom. Weiterhin wird das Signal, welches an den Herauftransformator in dem Antriebsstromkreis 22 geliefert wird, an den Operationsverstärker 54 über den Widerstand 57 geliefert. Es wird daher möglich, Rückkopplungssteuerung der Antriebsspannung zu verwirklichen. Wie in Fig. 2(b) darge stellt, kann die Charakteristik der Drehzahl über dem Dreh moment geändert werden entsprechend der betreffenden An triebsspannung. Auf diese Weise kann die Charakteristik der Drehzahl über dem Drehmoment geändert werden durch Ändern der an den Transformator gelieferten Spannung, so daß be queme Anpassung an viele Spezifikationen oder Vorschriften von Kunden möglich ist.

Fig. 5 ist ein Stromkreisdiagramm einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Der ersten Ausführungsform entsprechende Teile und Elemente sind mit gleichen Bezugs zeichen und Markierungen bezeichnet und hinsichtlich ihrer Beschreibung wird auf die erste Ausführungsform Bezug ge nommen. Unterschiede und Merkmale dieser vierten Ausfüh rungsform gegenüber der ersten Ausführungsform sind wie folgt: Der Antriebsstromkreis gemäß dieser Ausführungsform ist erhalten durch Ersetzen des Stromfeststellkreises 35 der dritten Ausführungsform (Fig. 4) durch den Stromfest stellkreis 35 a der zweiten Ausführungsform (Fig. 3). Auch bei dieser Ausführungsform werden die Kondensatoren 26 und 27 (Fig. 1) usw. nicht benötigt. Die Ausgangsenergie, die von dem Antriebsstromkreis 22 an den Ultraschallmotor 23 angelegt wird, ist stärker als diejenige bei der ersten Ausführungsform.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Ände rungen möglich.

Claims

1. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor, gekennzeichnet durch
eine Stromfeststelleinrichtung (35, 35 a) zum Feststellen des Stromes, der in einen piezoelektrischen Teil (1, 2) proportional zur mechanischen Schwingung des piezo elektrischen Teiles fließt,
eine Stromwertfeststelleinrichtung (51 a) zum Feststellen des Stromwertes des Ausgangssignales der Stromfest stelleinrichtung (35, 35 a) und zum Vergleichen des Stromwertes mit der Bezugsspannung einer Bezugsspannungsquelle (55),
einen variablen Oszillator (44) zum Ändern der Schwingungsfrequenz entsprechend dem Ausgangssignal der Strom wertfeststelleinrichtung (51 a), um den Strom im wesentlichen konstant zu halten, und durch
einen Antriebsstromkreis (22) zum Liefern einer Antriebsspannung auf der Basis der Schwingungsfrequenz zu dem piezoelektrischen Teil (1, 2).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Stromwertfeststelleinrichtung (51 a) folgendes um faßt:
einen Stromwertfeststellkreis (51), der an die Stromfeststelleinrichtung (35, 35 a) angeschlossen ist,
eine Bezugsspannungsquelle (55) und
einen Abweichungsverstärker (56), dessen Eingangs anschlüsse mit dem Stromwertfeststellkreis (51) und der Bezugs spannungsquelle (55) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum variablen Steuern des Stromes beim Ansprechen auf bzw. entsprechend der Antriebsspannung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Widerstand (57) zum Verbinden des Antriebsstromkreises (22) mit einem Eingangsanschluß des Abweichungsverstärkers (56).

5. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor, gekennzeichnet durch
eine Stromfeststelleinrichtung (35, 35 a) zum Fest stellen von Strom, der in einem piezoelektrischen Teil (1, 2) proportional zu dessen mechanischer Schwingung fließt,
eine Spannungsfeststelleinrichtung (36) zum Fest stellen einer dem piezoelektrischen Teil (1, 2) aufgedrückten Spannung,
einer Phasendifferenzfeststelleinrichtung (50) zum Feststellen der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal der Stromfeststelleinrichtung (35, 35 a) und dem Ausgangssignal der Spannungsfeststelleinrichtung (36),
eine Stromwertfeststelleinrichtung (51 a) zum Feststellen des Stromwertes des Ausgangssignales der Strom feststelleinrichtung (35, 35 a) und zum Vergleichen des Strom wertes mit der Bezugsspannung einer Bezugsspannungsquelle (55),
einen variablen Oszillator (44) zum Liefern einer variablen Schwingungsfrequenz entsprechend den Ausgangssignalen der Phasendifferenzfeststelleinrichtung (50) und der Stromwert feststelleinrichtung (51 a), um die Phasendifferenz und den Strom im wesentlichen konstant zu halten, und durch
einen Antriebsstromkreis (22) zum Liefern einer Antriebsspannung an den piezoelektrischen Teil (1, 2) auf der Basis der Schwingungsfrequenz.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromwertfeststelleinrichtung (51 a) folgendes umfaßt:
einen Stromwertfeststellkreis (51), der an die Stromfeststelleinrichtung (35, 35 a) angeschlossen ist,
eine Bezugsspannungsquelle (55) und
einen Abweichungsverstärker (56), dessen Eingangs anschlüsse mit dem Stromwertfeststellkreis (51) und mit der Bezugsspannungsquelle (55) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum variablen Steuern des Stromes ent sprechend der Antriebsspannung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Widerstand (57) zum Verbinden des Antriebsstromkreises (22) mit einem Eingangsanschluß des Abweichungsverstärkers (56).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Stromfeststelleinrichtung (35 a) einen piezoelektrischen Sensor (58) aufweist, der mechanische Schwingung des piezoelektrischen Teiles (1, 2) feststellt.