JP2537996B2 - 超音波モ―タ駆動装置 - Google Patents

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
ータ装置に関する。

従来の技術 近年、圧電セラミック等を用いて、電気−機械変換素
子を用いて種々の超音波振動を励振することにより、回
転あるいは走行運動を得る超音波モータが高いエネルギ
ー密度を有することから注目されている。

第５図に超音波モータの分解斜視図を示す。振動体の
底面には、円板形状で放射状に例えば８分割し、45゜ご
との逆方向に分極した圧電体21と圧電体22を互いに空間
的な位相を90゜ずらしてはりあわせ、圧電体21と圧電体
22の各々に時間的に位相の90゜異なる数10kHzの駆動信
号A,Bの印加により、圧電体21,22には、互いに時間的に
も空間的にも位相の90゜異なった定在波が生ずる。２つ
の前記定在波の振幅が等しくなるようにすると、振動体
23には前記定在波が合成されて、円周方向に進む、曲げ
振動波が生じる。その振動波によって移動体24が回転す
る。

なお24,25は、各々圧電体21,22に設けられた電極部で
ある。26,27,28は移動体24,振動体23および圧電体を一
体化するねじ、ばね、ビスである。

第６図は、振動体23のＡ点が進行波に依って、長軸2
w,短軸2uの楕円運動をしている様子を示し、振動体23に
加圧設置された移動体24が楕円の頂点で接触することに
より、波の進行波とは逆方向にＶ＝ｗ・ｕ……（１）
（ｗは進行波の周波数）の速度で運動している事を示し
ている。移動体24は、振動体23との間の摩擦力で波の進
行波とは逆方向に駆動され、外部に対してなす仕事がこ
の摩擦力に対して無視できない時、移動体24と振動体23
の間にすべりが生じ、速度はＶより小さくなる。

第２図は、圧電体21又は22の電気的等価回路図であ
り、圧電効果には寄与しない容量C₀と圧電効果に寄与す
るL,C₁,Rとの並列に結合したものと考えられ、C₀に流れ
る電流は電気腕電流と呼ばれ、L,C₁,Rに流れる電流を機
械腕電流と呼ばれる。前記機械腕電流と前記短軸の振幅
2uとは比例関係にある。機械腕のアドミタンスＹ（ｓ）
は次式で与えられる（ｓはラプラス演算子ｓ＝j2πｆ） Ｙ（ｓ）＝（s/L）／（s²＋（R/L）ｓ＋（1/LC₁）） （１）式において共振周波数は1/（２π√LC₁）で与え
られる。

圧電体21,22に印加する電圧と周波数を一定にして
も、周囲温度や機械的負荷の変動によって、前記圧電体
21,22の電気的アドミタンスが変化して（R,L,C₁が変化
して）移動速度が変化してしまう。

以上に説明したように、超音波モータの移動速度は、
進行波の周波数ｗと楕円運動の短軸ｕの積で決まり、短
軸ｕの大きさは機械腕電流に比例する周波数ｗの変動幅
に比べ短軸ｕの変動幅は大きく、移動速度はほぼ機械腕
電流により決まる。圧電体21,22の機械的負荷が一定で
あれば、電気的インピーダンスは一定であり一定電圧，
一定周波数であれば、機械腕電流は、一定である。

発明か解決しようとする課題 しかしながら、実際には、移動体が移動しているため
機械腕的負荷が変動したり、温度変化によって電気的イ
ンピーダンスが変動する。特に圧電体に流入する機械腕
電流を検出するには圧電体の電気腕容量と等しい容量の
コンデンサーを用いて電気腕電流を相殺する必要がある
が、圧電体の電気腕容量は圧電体の温度によって大幅に
変動するため固定容量コンデンサー用いて機械腕電流を
検出すると機械腕電流検出値に誤差が生じる。その結
果、温度変化によって実際に流れている機械腕電流が変
化して移動速度が変動するという問題点がある。本発明
は、上記の問題点を解決して、温度変動に対して、正確
な超音波モータに流れる機械腕電流を検出し、機械腕電
流の振幅を制御して、温度変動と負荷変動に対して、移
動速度の変動の軽減と回転の安定化を実現し、また移動
速度の選べる、超音波モータ装置を提供することにあ
る。

課題を解決するための手段 圧電体に周波電圧の駆動信号を印加し、この圧電体と
弾性体とから構成される振動体に弾性波を励振すること
により前記振動体上に加圧接触して設置された移動体を
移動させる超音波モータにおいて、前記圧電体の温度を
検出する手段と、可変容量コンデンサーと、前記圧電体
の温度に応じて、前記可変容量コンデンサーを前記圧電
体の電気腕容量の等しい容量にする容量決定装置と、こ
の容量を用いて電気腕電流を相殺することによって、前
記圧電体に流入する機械腕電流の振幅を検出する手段を
有し、前記機械腕電流の振幅を所定の大きさに制御す
る。

作用 圧電体の温度を検出する手段と、可変容量コンデンサ
ーと、前記圧電体の温度に応じて、前記可変容量コンデ
ンサーを前記圧電体の電気腕容量と等しい容量にし、電
気腕電流を相殺することによって、前記圧電体に流入す
る機械腕電流の振幅を検出する手段を有し、前記機械腕
電流の振幅を一定値あるいは任意の大きさに制御するこ
とにより、振動体の進行波の振幅が所定の大きさにな
り、機械的負荷、温度の各変動に対して移動速度の変動
と軽減と回転の安定化を実現し、また移動速度の選べ
る、超音波モータ装置を提供する。機械腕電流の振幅を
制御する具体的方法例として、駆動電圧の周波数を変化
させる方法や駆動電圧の波形の振幅を変化させる方法が
ある。

実施例 以下、図に従って、本発明の実施例について詳細な説
明を行う。第１図は、本発明の一実施例の超音波モータ
の駆動装置の具体回路のブロック図である。電極部７に
は圧電体９と抵抗素子５とを直列接続し、可変容量コン
デンサー11と抵抗素子６を直列接続し、前記圧電体と抵
抗素子より成る直列接続体と並列に接続する。容量決定
装置はあらかじめ求めておいた電気腕容量C₀の温度特性
（第３図）に基づき、圧電体の温度検出器による温度信
号より可変容量コンデンサー11の容量を第２図に示す電
気腕容量に等しく設定する。電極部７の抵抗素子５と抵
抗素子６の各電位の差を差動増幅器７を用いて求めるこ
とにより、電気腕電流ｊを相殺して機械腕電流ｆを検出
する。機械腕電流ｆは交流であるので振幅検出器８を用
いて機械腕電流振幅ｇを求め、機械腕電流振幅制御器12
において、機械腕電流振幅設定値ｈと比較する。前記機
械腕電流振幅ｇが前記機械腕電流設定値ｈより低いとき
には、駆動周波数ａを低くして、機械腕電流振幅ｇが機
械腕電流振幅設定値ｈと等しくなるように周波数制御信
号ｉを出力し、前記機械腕電流振幅ｇが前記機械腕電流
振幅設定値ｈより大きいときには、駆動周波数ａを高く
して、機械腕電流振幅ｇが機械腕電流振幅設定値ｈと等
しくなるように周波数制御信号ｉを出力する。

電圧制御周波数発振器１は、前記周波数制御信号ｉに
基づき、所定の駆動周波数ａを出力する。90゜位相器２
は、互いに時間的に位相の90゜異なる交流信号ｂと交流
信号ｃを出力する。電力増幅器3,4は交流信号ｂと交流
信号ｃを各々増幅し、電極部7,圧電体及び電極部8,圧電
体9,10に駆動信号e,dを印加する。

第３図は、本実施例に用いた超音波モータの電気腕容
量の温度特性の実験値である。温度が20℃の時と比較し
た増減率を示す。超音波モータの温度が90℃のときに
は、電気腕容量は20℃時に比べ約44％増加し、−40℃時
には約20％減少する。この結果、電気腕電流を検出する
ためのコンデンサー容量が20℃時の電気腕容量値に固定
であるとき、温度によって検出される機械腕電流に誤差
が生じる。20℃以上では過小に、20℃以下では過大に検
出され機械腕電流の検出誤差は温度が20℃から離される
ほど大きい。

第４図は本実施例に用いた超音波モータの一定な温
度、負荷時の、回転数と機械腕電流の振幅の周波数特性
曲線の実験値である。機械腕電流の振幅と回転数は、ほ
ぼ比例関係にある。

以下本実施例の動作を第３図を用いて説明する。モー
タ起動時、例えば圧電体９の駆動開始温度がＡ点にある
とき容量決定装置15は、温度検出器16により圧電体９の
温度を検出し、あらかじめ求めておいた第３図のデータ
により圧電体の電気腕容量と等しい容量に可変容量コン
デンサーを設定する。

動作中に圧電体９の温度が移動体24と振動体23の摩擦
や圧電体の発熱により温度が上昇し、Ｂ点に示すように
電気腕容量C₀が変化しても、前記のように容量決定装置
15は、温度検出器16により圧電体９の温度を検出し、あ
らかじめ求めておいた第３図のデータにより圧電体の電
気腕容量と等しい容量に可変容量コンデンサーを設定し
圧電体９の温度変化によらず正確な機械腕電流ｆが差動
増幅器14を用いて検出できる。

振幅検出器13は機械腕電流ｆを平滑し機械腕電流ｇを
出力し、機械腕電流制御器12は機械腕電流ｇが機械腕電
流設定値ｈ等しくなるように周波数制御信号ｉを出力す
る。

電圧制御周波数発振器１は、周波数制御信号ｉにより
駆動周波数信号ａを出力し90゜位相器２、電力増幅器3,
4を通じて、圧電体9,10に各駆動信号e,dを印加し超音波
モータを駆動する。

結局、超音波モータには設定値に等しい機械腕電流が
流れ移動体は機械腕電流に比例した回転数で回転する。
回転中に、機械的負荷，温度，駆動電圧の各変動によっ
て圧電体のインピーダンスが変化しても、前述のように
周波数自動追尾がかかり、常に超音波モータには設定値
に等しい振幅の機械腕電流が流れ移動体は機械腕電流の
振幅に比例した回転数で回転する。

以上のように、圧電体の温度変化による電気腕容量の
変化に可変容量コンデンサーを追随させ、正確に電気腕
電流ｊをキャンセルして正確な機械腕電流ｆを検出す
る。かつ機械腕電流の振幅ｇが機械腕電流振幅設定値ｈ
に等しくなるように駆動周波数信号ａを決めることによ
り、機械腕電流振幅ｇを機械腕電流振幅設定値ｈに制御
でき、機械的負荷，温度，電源電圧の各変動に対し、回
転数の変動を軽減することができる。また、機械腕電流
設定値ｈを変えることにより、第４図の範囲で、任意に
回転数の大きさを選ぶことができる。

なお、本実施例では駆動周波数を変化させて機械腕電
流の振幅を制御したが、例えば、電力増幅器の増幅度を
変化させて駆動周波数成分の振幅を変化させて機械腕電
流の振幅を制御してもよい。さらに、可変容量コンデン
サーを用いるかわりに、電気腕容量の温度変化範囲をカ
バーする、容量の異なる複数個のコンデンサーを用意
し、温度検出器の信号に応じて電気腕電流を相殺するコ
ンデンサーを切り替えても機械腕電流検出の誤差を低減
させる方法でもよい。

なお本実施例の説明では、円板型超音波モータを用い
て説明したが、本発明は、円板型超音波モータに限定さ
れるものではなく、円環型超音波モータや直線移動のリ
ニア超音波モータにも適応できる。

発明の効果 以上に説明したように、圧電体の温度を検出しその温
度に応じて、電気腕電流を相殺するための容量を圧電体
の電気腕容量に一致させることにより、圧電体の電気腕
容量の温度変化に対して機械腕電流の検出の誤差をなく
すことができる。そして、超音波モータの機械腕電流の
振幅と回転数が比例関係にあることを考慮し、機械腕電
流の振幅を検出する手段を設けて、機械腕電流の振幅に
応じて、例えば駆動周波数、または２つの駆動信号の波
形の振幅を変化させて、機械腕電流の振幅を常に一定に
制御すると、超音波モータの機械的負荷，温度の各変動
に対し移動体の移動速度の変動を小さくできる。また駆
動周波数によって機械腕電流の振幅を制御する場合に
は、電源電圧変動に対しても回転数の変動を軽減するこ
とができる。また機械腕電流の設定値を選ぶことにより
移動速度を選択でき、これらの実用的効果は大きい。こ
れらの効果により超音波モータの利用範囲が拡大し、例
えば、自動車，航空機，船舶等の輸送機のように電圧変
動や温度変動の激しい所にも超音波モータの応用が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における超音波モータの駆動
方法を実現する具体回路のブロック図、第２図は同モー
タの電気等価回路図、第３図は本実施例に用いた超音波
モータの電気腕容量の温度特性の実験値、第４図は同モ
ータの回転数と機械腕電流の大きさの関係を示す特性
図、第５図は本発明に用いる円板型超音波モータの分解
斜視図、第６図は同モータの原理説明図である。 １……電圧制御周波数発振器、２……90゜位相器、3,4
……電力増幅器、9,10……超音波モータの圧電体、11…
…可変容量コンデンサー、12……機械腕電流検出器、13
……振幅検出器、14……差動増幅器、15……容量決定装
置、16……温度検出器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電体に周波電圧の駆動信号を印加し、前
   記圧電体と弾性体とから構成される振動体に、弾性波を
   励振することにより前記振動体上に加圧接触して設置さ
   れた移動体を移動させる超音波モータと、前記圧電体の
   温度検出手段と、可変容量コンデンサーと、前記温度検
   出より得た前記圧電体の温度に応じて、前記可変容量コ
   ンデンサーを前記圧電体の電気腕容量と等しい容量にす
   る容量決定装置と、前記容量設定装置で決定された容量
   を用いて電気腕電流を相殺することによって、前記圧電
   体に流入する機械腕電流の振幅を検出する手段を具備
   し、前記機械腕電流の振幅を所定の大きさに制御するこ
   とを特徴とする超音波モータ駆動装置。