JP2529784Y2

JP2529784Y2 - 振動波モータ

Info

Publication number: JP2529784Y2
Application number: JP1988168764U
Authority: JP
Inventors: 豊治佐々木
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-12-26
Filing date: 1988-12-26
Publication date: 1997-03-19
Anticipated expiration: 2003-12-26
Also published as: JPH0288482U

Description

【考案の詳細な説明】［産業上の利用分野］本考案は、振動波モータ、更に詳しくは、使用中に振
動波モータの温度が変化しても、常に効率よく回転する
駆動周波数を自動的に追尾する帰還回路を有する振動波
モータに関する。

［従来の技術］圧電素子の縦振動を圧電素子の配置や振動子の構造に
よって楕円振動に変換する振動波モータが種々提案され
ているが、これら縦振動を利用した定在波型振動波モー
タは、小型で低速高トルクが得られ、効率が大変良く、
また構造が簡単であることから、他の進行波型の振動波
モータ等に比べより注目されるようになってきた。

このような定在波型振動波モータとしては、例えば特
開昭61−49670号公報に開示されている片持梁状超音波
捻り楕円振動子を用いたモータが挙げられる。第８図，
第９図は上記モータの構造を示したもので、以下にその
構造と動作原理を簡単に説明する。

第8,9図において、中央部に貫通孔5c,5dを有するリン
グ状の圧電素子5a,5bは、その正分極電極面同志が互い
に向かい合って端子板7bを挾み込むように配設されてい
る。上記圧電素子5a,5bには、端子板7a,7cを介して中空
円筒状のアルミニュームで形成された前振動体3,後振動
体６がそれぞれ圧着されている。この圧着は、前振動体
３の上部に載置された捻り結合子２に、上記後振動体６
の下方より、第９図に示すように挿入されたボルト12を
螺合して行なわれる。上記捻り結合子２は、梁2aと円板
状台座2bとからなり、この台座2bの下端面に設けられた
溝2cが梁2aに対し約20度周方向にずれた位置に設けられ
ているので、上記ボルト12で強く締め付けると、この台
座2bの脚部2dを支点として溝2cに対応した中央部が下に
凸となるような反り変形が生じ、その結果、梁2aが僅か
に捻れ変形するようになる。これが片持梁状超音波捻り
振動子13の構造である。

この振動子13の上にロータを形成する移動体１を載置
し、ボールベアリング11,皿バネ10を介して移動体締め
付けボルト９で締め付けたものが振動波モータとなる。

今、端子板7a,7cに設けられたリード線取付用端子８
および端子板7bに設けられた端子４に、それぞれ接地電
位グランドおよび後述する駆動回路から出力された周波
数f₀の交流電圧V₀を供給すると、圧電素子5a,5bが振動
し、それが振動子全体で共鳴して大きな縦振動が発生す
る。捻り結合子２の脚の部分2d、即ち前振動体３と接触
している部分には縦振動が伝わり、上下方向に振動する
が、捻り結合子２の中心点はボルト12により強く締め付
けられており、しかも前振動体３とは接触していないか
ら、縦振動は伝わらない。従って、縦振動は捻り結合子
２の台座2bの部分で撓み振動となる。この台座2bの上
に、梁2aが捻り結合子の脚2dのない部分と丁度、対角線
をなす位置に立っており、そのため、台座2bに撓み振動
が発生すると、この梁2aの部分で捻り振動が発生する。
即ち、捻り結合子２の脚2dを突き上げたときには梁2aは
内側（２本の脚2dの中線側を内側とする）へ捻れ、逆に
脚が下がる方向になったときには外側へ捻れる。これに
より、捻り結合子２の梁2a上には楕円振動が生じて移動
体１を摩擦駆動する。これが片持梁状超音波捻り振動子
を用いたモータの動作原理である。

このモータを使用して駆動するのに最適な周波数f₀を
選んでやれば、低速で高トルクが得られ、これによって
従来のDCモータの場合のように、ギアーで減速する必要
がなくなるので、ダイレクト駆動が可能となる。しか
も、減速ギアーで発生していた音がなくなると共に、モ
ータ自体音を発生しないから、例えば、カメラ等に使用
すると、動作音の小さいものができるといった長所があ
る。

［考案が解決しようとする課題］しかしながら、このタイプの振動波モータの最適な駆
動周波数f₀は、温度によって変化することが解ってき
た。第10図は、最適駆動周波数f₀の温度Ｔに対する関係
の一例を示す線図である。この第10図から解るように、
温度Ｔが上昇すると、最適駆動周波数f₀が低くなる傾向
にあるが、この傾向は必ずしもリニアな関係になるとは
限らず、第11図に示すように非線形になることもある。

周囲温度の変化に対処するめに、例えば特開昭63−17
1175号公報に開示されているように、回路に温度補正を
かける方法もある。しかし、モータ自体、回転時に発熱
するので、この発熱量が進行波型の振動波モータに比
し、定在波型振動波モータは格段に大きく、定在波型振
動波モータを連続的に、あるいは断続的に使用すると、
モータの温度が徐々に上昇してゆき、周囲の温度とモー
タの温度とが異なってくるようになる。このため、駆動
回路の出力周波数がモータの最適駆動周波数f₀からずれ
てきてしまい、結果として、モータの回転数が低下して
不安定になり、条件が悪ければ停止してしまうことにな
る。

そこで本考案の目的は、上述の問題点を解消し、モー
タが温度上昇してもその温度における最適駆動周波数に
自動追尾することのできる振動波モータを提供するにあ
る。

［課題を解決するための手段および作用］第１の考案においては、圧電素子を固着した弾性体
と、この弾性体に圧着されるねじり結合子とからなる振
動子と、ねじり結合子の先端面に圧接された移動体とを
有し、圧電素子に交流電圧を印加することにより、ねじ
り結合子の先端面に楕円振動を発生させ、移動体を駆動
する振動波モータにおいて、上記ねじり結合子の台座における上記移動体と対向す
る表面に、温度検出器を固着し、該温度検出器より出力
される信号に基づいて上記交流電圧の周波数を変化させ
ることを特徴とする。

第２の考案においては、圧電素子を固着した弾性体か
らなる振動子と、この振動子の表面に、該振動子の略中
央部を貫通して設けられた圧着部材により圧着されたね
じり結合子と、このねじり結合子の先端面に圧接された
移動体とを有し、圧電素子に交流電圧を印加することに
より、ねじり結合子の先端面に楕円振動を発生させ、移
動体を駆動する振動波モータにおいて、上記圧着部材の表面に、上記移動体及び振動子と接触
することなく温度検出器を固定し、該温度検出器より出
力される信号に基づいて上記交流電圧の周波数を変化さ
せることを特徴とするものである。

［実施例］以下、図面を参照して本考案を具体的に説明する。な
お、以下の実施例においては、上記第８図〜第11図中に
示した従来例における構成部材と全く同一の構成部材に
ついては、同一符号を付すに止め、その説明が重複する
のを避けてこれを省略する。

第１図は、本考案の第１実施例を示す振動波モータの
外観図である。この第１実施例においては、振動波モー
タの最適駆動周波数f₀のモータ温度Ｔに対する関係が、
前記第10図に示すようにリニアであるとしている。第１
図において、温度検出器16を図のように捻り結合子２の
台座2bの上につけ、接着剤などで固定する。この温度検
出器16はサーミスタや熱電対などでもよいが、ここでは
ツェナ・ダイオードに代表される半導体温度センサを用
いている。このツェナ・ダイオード16を、第２図（Ａ）
に示すように抵抗15を介して電源電圧Vccの定電圧源に
接続すると、ツェナ・ダイオード16の定電圧特性により
上記抵抗15とツェナ・ダイオード16の接続点は、一定の
電圧値を示すが、このセンサではその定電圧値V
_Tempが、第２図（Ｂ）に示すように正の温度係数を有
し、これによって温度が変わると変化するようになって
いる。しかも、この温度一定電圧値特性は、同図に示す
ようにリニアなので温度検出が容易である。

このような振動波モータの温度を検出し、最適駆動周
波数でモータを駆動する回路の一例を第３図に示す。こ
の回路では、温度その他の条件で発振周波数が変化しな
いように、発振源には水晶振動子を用いている。通常の
LC発振などでは周囲温度により発振周波数がずれてきて
しまうため、温度補償をしなければならないが、水晶振
動子は温度変化に対して極めて安定なのでその必要がな
くなる。この水晶振動子を用いた水晶発振器21は、例え
ば、12MHzの高周波クロックパルスを出力する。

このクロックパルスを８ビットのプリセッタブルダウ
ンカウンタ22またはディバイダにより分周する。このカ
ウンタ22は、最初にプリセット入力端P₁,P₂，……，P₈
（P₁がLSBでP₈がMSB）に印加されたプリセット信号によ
りプリセットし、その値からダウンカウントして出力が
（00……０）になるとボロー出力端▲▼からワンシ
ョットパルスが出力される。このワンショットパルスは
ロード入力端▲▼にも印加されているので、再びプ
リセットしてダウンカウントを行なう…ということを繰
返しながら、分周している。従って、プリセット信号の
論理レベルを変えてやると分周比が変わるから周波数も
変わることとなり、これによって周波数の調整および温
度センサ出力による周波数補正は、このプリセット信号
の論理レベルを変えることで実現できる。このことにつ
いては後に述べる。

ボロー出力端▲▼から出力されたダウンカウンタ
出力信号は、リングカウンタ23に送られて更に1/4分周
され、第４図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すよ
うにそれぞれ90°ずつ位相シフトしたリングカウンタ出
力信号Q1〜Q4の４出力が得られる。このうち、信号Q1と
信号Q3をプッシュプル電力増幅器24で電力増幅すると、
第４図（ｅ）の点線で示す正弦波近似のモータ駆動信号
V₀が得られる。このモータ駆動信号V₀は、その電圧値が
約150V_p-p、周波数が約70KHzで、これをモータ25に印加
すると、モータ25が回転することになる。

次に、モータ25に固着されたツェナ・ダイオード16に
代表される温度センサにより、周波数を補正する部分に
ついて説明する。抵抗15とツェナ・ダイオード16との接
続点から得られる温度センサ出力電圧は、温度検出回路
27によりディジタル値に変換される。即ち、コンパレー
タComp1〜Comp10により、温度センサ出力電圧V_Tempと、
抵抗R1〜R11によって分割された基準電圧V₁〜V₁₀とが比
較される。この基準電圧V₁〜V₁₀の電位は、ツェナ・ダ
イオード16が−20℃，−10℃,0℃，……,60℃,70℃のと
きの温度センサ出力電圧V_Tempになるように設定されて
いるから、コンパレータComp1は−20℃以上で、コンパ
レータComp2は−10℃以上で、………コンパレータComp1
0は70℃以上でそれぞれ“L"レベルとなる。これによ
り、センサ温度が−20℃以下，−10〜−20℃,0〜−10
℃，……,60〜70℃,70℃以上のいずれの温度領域にある
かが解ることになる。

温度検出回路27から出力されたコンパレータ出力信号
は、エンコーダ28により２進数のエンコーダ出力信号Q1
1（LSB）,Q12,Q13,Q14（MSB）に変換される。即ち、セ
ンサ温度が−20℃以下のときにはエンコーダ出力信号
（Q11,Q12,Q13,Q14）が（L,H,L,H），−20〜−10℃のと
きには（H,L,L,H），−10〜０℃のときには（L,L,L,
H），……60〜70℃のときには（H,L,L,L）,70℃以上で
は（L,L,L,L）とそれぞれ変換される。

このエンコーダ出力信号Q11,Q12,Q13,Q14は温度補正
用ナンドゲート29に入力されるが、この温度補正用ナン
ドゲート29のナンド出力信号Q21〜Q24はリングカウンタ
出力信号Q1が“H"レベルのときを除いて、即ち、第４図
で示した時間t₁〜t₄中の時間t₂,t₃,t₄のときには、リン
グカウンタ出力信号Q1が“L"レベルだから常に“H"レベ
ルとなる。リングカウンタ出力信号Q1が“H"レベルのと
き、つまり時間t₁の間は、温度補正用ナンドゲート出力
信号Q21〜Q24は、エンコーダ出力信号Q11〜Q14を位相反
転した信号▲▼〜▲▼に等しい信号とな
る。この時間t₁では、もう一つの別の周波数調整用ナン
ドゲート30の出力は、リングカウンタ出力信号Q3が“L"
レベルなので、一義的に“H"レベルとなる。従って、ア
ンドゲート31の出力信号Q41〜Q44は、温度補正用ナンド
ゲート出力信号Q21〜Q24に等しくなり、更にエンコーダ
出力信号Q11〜Q14を位相反転した信号▲▼〜▲
▼に等しくなる。

このように構成された本実施例のモータ駆動回路にお
いては、アンドゲート31の出力信号Q41〜Q44は、前記プ
リセッタブルダウンカウンタ22のプリセット入力端P₁,P
₂，……，P₈中の下位４入力端P₁〜P₄に接続されてお
り、上位４入力端P₅,P₆,P₇,P₈は、予じめ設定してあっ
て、この場合ではP₅＝H,P₆＝L,P₇＝L,P₈＝Ｌとしてある
から、アンドゲート31の出力によってプリセット値が変
化することになる。従って、リングカウンタ出力信号Q1
が“H"レベルのときプリセット入力端P₁〜P₄には、エン
コーダ出力信号Q11〜Q14を位相反転した信号▲▼
〜▲▼が入力されている。そこで、前記ダウンカ
ウンタ22のボロー出力端▲▼にアクティブな信号が
出力されるとロード入力端▲▼に印加されるので、
上記信号▲▼〜▲▼の値がダウンカウンタ
22にプリセットされ、再びダウンカウントするので、結
局、第４図（ｂ）に示した時間t₂の値だけが変化する。
つまり、ツェナ・ダイオード16から入力された温度セン
サ出力信号電圧によりリングカウンタ出力信号Q2が“H"
レベルのときの時間t₂だけを変化させてモータ駆動信号
の周波数を変えている。こうすると、モータ駆動信号の
電圧V₀の波形は完全な正弦波ではなくなるが、実際には
波形の歪みはさほど大きいものではなく、モータの回転
には支障ない。

同様に、リングカウンタ出力信号Q3が“H"レベルのと
き、つまり第４図（ｃ）に示す時間t₃においては、プリ
セット入力端P₁〜P₄には周波数調整用信号Q51〜Q54を位
相反転した信号▲▼〜▲▼がプリセットさ
れるので、周波数の調整は上記第４図（ｄ）に示す時間
t₄を変化させて行なっていることとなる。

以上の事柄を踏まえて、モータ駆動信号の駆動周波数
f₀の値は次の式で表わせる。

但し、A,Bは、Ａ＝２′×▲▼＋2²×▲▼＋2³×▲
▼＋2⁴×▲▼ Ｂ＝２′×▲▼＋2²×▲▼＋2³×▲
▼＋2⁴×▲▼ で表わされる数値である。

上記（１）式より、例えばＢ＝18とすれば、 −20℃以下のとき、Ａ＝20 f₀＝72.29KHz 20〜30℃のとき、Ａ＝25 f₀＝70.18KHz 70℃以上のとき、Ａ＝30 f₀＝68.19KHz という値になる。即ち、モータ温度が10℃変化すると、
約400Hz変化する設定になる。

このように回路を構成することで、ツェナ・ダイオー
ド16からの温度センサ出力電圧によりモータ駆動信号の
駆動周波数f₀を補正することができる。なお、もっと細
かな精度で周波数を切り換えたい場合には、発振器の周
波数を24MHzにして、分解能を200Hzとし、温度検出回路
27の切換ステップを５℃ずつにしておけばよい。また、
例えば、７℃で約400Hz変化するようにしたい場合に
は、温度検出回路27の１ステップを７℃に設定すればよ
い。

上述の実施例では、モータ温度−最適駆動用周波数特
性が、第10図に示すようにリニアであるとして説明した
が、モータの温度−最適駆動周波数特性が第11図のよう
に非線形である場合について次に説明する。第11図に示
したように、400Hz毎に温度を区切っていくと、区切り
点の温度がT₁,T₂，……，T₇といったように分かれる。
従って、上記第３図の温度検出回路の基準電圧V₁〜V
₇を、区切り点温度T₁〜T₇のときの温度センサ出力電圧V
_Tempの値となるように設定すればよいことになる。な
お、この場合、基準電圧V₈〜V₁₀は使用しない。

第５図は、本考案の第２実施例を示す振動波モータの
モータ駆動回路のブロック系統図である。この第２実施
例が上記第１実施例と大きく異なる点は、モータの温度
−最適駆動周波数特性が複雑になった場合のために、上
記第１実施例におけるエンコーダ28をCPU33に置き換え
た点である。

この第２実施例においては、予じめ、温度によって選
び出す周波数を定めておき、そのデータをCPU33にメモ
リしておくから、温度検出回路27からの信号により、CP
U33はモータの温度を知ることができる。そこで、予じ
めメモリしてあるデータをもとにCPU33は温度補正用ナ
ンドゲート29へ信号を出力し、これによって、上記第１
実施例で説明したと同様にモータの最適駆動周波数に自
動追尾することができる。

第６図は、本考案の第３実施例を示す振動波モータの
断面図である。この第３実施例が上記各実施例と異なる
点は、温度検出器16の装着場所を捻り結合子２の上部か
ら第６図に示すようにボルト12の下に移動したことであ
る。一般に、温度検出器16の装着場所は、振動波モータ
を、例えばカメラ等に組込んだりする場合に、支障をき
たすことがないような箇所に固着しているが、勿論、支
障をきたさないような取り付け箇所であれば、前振動体
３や後振動体６の周囲や、後振動体６の底の部分などと
いった場所に固着しても同様な作用，効果が得られるこ
とは言うまでもない。

ところで、上記各実施例においては、振動波モータの
駆動回路として、温度補正の必要のない安定な回路につ
いて述べたが、第７図に示すような従来のモータ駆動回
路を使用しても構わない。この場合、駆動周波数が温度
によって大きく変化する場合や、ノイズなどの影響を受
けやすいものについては温度補正、またはノイズ対策を
施こす必要がある。

第７図において、符号34は電圧制御発振器であり、以
下リングカウンタ23〜エンコーダ28までは上記第１実施
例で述べた通りとなる。エンコーダ28の出力は、Ｄ−Ａ
コンバータ35によりアナログ値に変換され、そのアナロ
グ値がVCO34の制御電圧信号V_contとなってVCO34の発信
周波数を変えるようになっている。また、他のタイプの
定在波型超音波モータにも、この駆動手段が適用できる
こと勿論である。

［従来の効果］以上述べたように本考案によれば、振動波モータに温
度検出器を固着してモータの温度をモニタして駆動周波
数を変えていくようにしたから、外部の温度環境および
モータ自身の発熱による温度変化が発生しても常に最適
な駆動周波数に自動追尾でき、これによって、振動波モ
ータを効率良く、安定に回転することができるという顕
著な効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案の第１実施例を示す振動波モータの分
解斜視図、第２図（Ａ）は、本考案に使用される温度検出器の回路
図で、第２図（Ｂ）は、周囲温度に対する温度検出器出
力電圧を示す線図、第３図は、上記第１図に示す振動波モータの駆動回路の
ブロック系統図、第４図は、上記第３図における各部信号のタイミングチ
ャート、第５図は、本考案の第２実施例を示す振動波モータの駆
動回路のブロック系統図、第６図は、本考案の第３実施例を示す振動波モータの断
面図、第７図は、本考案の振動波モータを従来のモータ駆動回
路で駆動する場合における従来のモータ駆動回路を示す
ブロック系統図第８図，第９図は、従来の振動波モータのそれぞれ分解
斜視図と断面図、第10図，第11図は、上記第８図，第９図に示す従来の振
動波モータにおける周囲温度に対する最適駆動周波数の
関係を示す線図で、第10図はリニアな関係にある場合
を、第11図はノンリニアな関係にある場合を、それぞれ
示す図である。１……移動体 5a,5b……圧電素子 13……振動子 16……温度検出器

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】圧電素子を固着した弾性体と、この弾性体
に圧着されるねじり結合子とからなる振動子と、ねじり
結合子の先端面に圧接された移動体とを有し、圧電素子
に交流電圧を印加することにより、ねじり結合子の先端
面に楕円振動を発生させ、移動体を駆動する振動波モー
タにおいて、上記ねじり結合子の台座における上記移動体と対向する
表面に、温度検出器を固着し、該温度検出器より出力さ
れる信号に基づいて上記交流電圧の周波数を変化させる
ことを特徴とする振動波モータ。
【請求項２】圧電素子を固着した弾性体と、この弾性体
の表面に、該振動子の略中央部を貫通して設けられた圧
着部材により圧着されたねじり結合子とからなる振動子
と、ねじり結合子の先端面に圧接された移動体とを有
し、圧電素子に交流電圧を印加することにより、ねじり
結合子の先端面に楕円振動を発生させ、移動体を駆動す
る振動波モータにおいて、上記圧着部材の表面に、上記移動体及び振動子と接触す
ることなく温度検出器を固定し、該温度検出器より出力
される信号に基づいて上記交流電圧の周波数を変化させ
ることを特徴とする振動波モータ。