JP2712751B2 - 超音波モータの駆動回路 - Google Patents

超音波モータの駆動回路

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子と導電性弾性体を一体に形成し、
交流電圧を印加することにより圧電振動子に発生する超
音波進行波を利用する超音波モータの駆動回路に関す
る。
〔従来の技術〕
超音波モータは、例えば、第6図に示す圧電振動子11
と、その上面に第7図に示すロータ15を対向させた構成
を有している。
圧電振動子11は、第6図に示すように、例えば銅合金
を用いて成形加工したリング状の上部に、半径方向に沿
って多数のスリット13を狭い間隔で櫛歯状に形成した導
電性弾性体12と、導電性弾性体12の下面にエポキシ系接
着剤14等を用いて圧電素子1を貼付けることにより形成
したものである。
圧電素子1は第4図(上面斜視図)、第5図(下面斜
視図)に示すように、扁平なリング状に成形・焼成した
圧電板2と、この圧電板2を挾む上下両面に、対向して
設けた電極層からなり、圧電素子1の上面は第4図のよ
うに、所定の間隔を置いて円周方向に配列した複数個の
小電極3からなる第1区間電極4と、第1区間電極4と
同様に複数個の小電極5からなる第2区間電極6と、第
1区間電極4と第2区間電極6との間に設けた、超音波
振動波長λの3/4に相当する間隔を有する不活性部電極
9及びセンサ電極10とで構成されている。第1区間電極
4と第2区間電極6、また、不活性部電極9とセンサ電
極10は、互いに円周上のほぼ対称位置に形成されてい
る。
圧電板2の下面側は、第5図に示すように対称に形成
された細長い第1区間電極7及び第2区間電極8とから
なり、下面の第2区間電極8は上面の第2区間電極6
(小電極5からなる)と圧電板2を挾んで対向し、下面
第2の区間電極7は上面の第1区間電極4(小電極3か
らなる)と圧電板2を挾んで対向している。各電極3、
5、7、8は圧電板2に導電性金属材料を蒸着・印刷す
ることによって形成される。
圧電板2の隣合う小電極3および電極5の領域では交
互に厚み方向に対して分極が施され、また互いに隣り合
う小電極3の間、及び互いに隣合う小電極5の間に導電
材料19を塗布することによって、それぞれ小電極3、5
の幅より狭い幅で短絡接続され、これにより第1、第2
区間電極4、6はそれぞれ1個の電極を構成するように
なっている。
このような圧電振動子11を用いて、超音波モータとし
て作動させるには、第7図に示すように、下面の第1区
間電極7と導電性弾性体12との間に、圧電振動子11の固
有振動数に等しい周波数の、交流電圧Aを印加し、下面
の第2区間電極8と導電性弾性体12との間に、前記交流
電圧Aと周波数が等しく、位相が交流電圧Aと90°ずれ
ている交流電圧Bを印加する。これによって圧電素子1
の圧電板2が、その上面のすべての小電極3、5毎に交
互に矢印P、Qのように水平方向に伸縮する。すると圧
電素子1に貼付けた導電性弾性体12には、90°位相のず
れた2つの定在波が発生し、これら双方の定在波が干渉
して、第8図に示すような円周方向f1,f2,…,f9の位
置に波頭を有する9次の進行波が発生する。よって第6
図に示すように、導電性弾性体12の上に回転子であるロ
ータ15を載置すれば、第8図の進行波に基づいてロータ
15が回転しモータとして機能する。
第9図は超音波モータ50を駆動する電源回路図で、図
中、超音波モータ50の圧電素子のA相(第4図の電極3
と第5図の第1区間電極7とで構成)と、B相(第4図
の電極5と第5図の第2区間電極8とで構成)に対し
て、トランスを介して高周波交流電圧を印加している。
第10図に示す超音波モータ50の等価回路のように、超
音波モータ50の圧電素子1は、束縛容量Cdのコンデンサ
として働くので、電源の無効電流を打消すために、トラ
ンスのインダクタンスLと、束縛容量Cdとの並列共振周
波数が、超音波モータ50の駆動周波数ωと一致するよ
うに、マッチングされている。なお、束縛容量Cdとは、
圧電素子の形状から定まる静電容量に、超音波モータの
駆動に用いている振動形態以外の振動による影響分を加
えた容量を意味する。
実開昭60−47400号公報に開示されている発明は、周
囲温度の変化による圧電セラミックのもつ静電容量の変
化を補償するコンデンサを配設した超音波振動子に関す
るものであり、印加される電圧は20V〜30Vと小さいため
圧電素子の発熱量も小さく、室温における圧電素子の温
度上昇も殆どないため、ケースの内部に補償用コンデン
サを設置しておけば、圧電素子の温度とケース温度と雰
囲気温度とが概ね等しくなるものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
一方、例えば自動車用などのように、大きな振動エネ
ルギーを利用して回転力を取り出す超音波モータの場合
は発熱量が大であり、第11図に示すように、圧電素子の
温度が最初の10分間で上昇してしまう。また第12図に示
すように、環境温度と振動子の発熱量の和によって、例
えば雰囲気温度100℃では、圧電素子は140℃の温度に達
し、これより圧電振動子の共振周波数が決定されるが、
圧電素子とケースとを接着するのが原理的に不可能であ
り、金属性のステータに貼り付け、これをケースに固定
したとしても、圧電素子の放熱が不十分となり、圧電素
子の部分の温度がどうしても高くなる。従って、温度の
上昇と共に圧電素子1の容量が大きく変化してしまい、
超音波モータとしての効率の低下、圧電素子1の発熱、
多大の電流による回路部品の損傷という種々の問題発生
の原因となっていた。
さらに低温領域では、結露から氷結するに至り、超音
波モータがロックしたり、無理に駆動することにより部
品の損傷という事態も発生するが、摩擦駆動である超音
波モータとしては致命的な不具合となる。この発明は、
上記従来技術の問題点を解決することを目的としてなさ
れたものである。
〔課題を解決すための手段〕
上記の目的は、超音波モータと並列にコンデンサを配
設し、室温より高温側では超音波モータの束縛容量の変
化を打ち消すように、また0℃以下では前記束縛容量の
変化によるインピーダンス・アンマッチを残すか、さら
に増大させるように、誘電率の最大値を室温付近に有す
るように構成することにより達成される。
〔作用〕
上記の構成により、室温より高温側では無効電流によ
る超音波モータ内の温度上昇が抑制され、0℃以下の低
温域では所定の電流が流れ、超音波モータの回転の安定
と効率化が図られる。
圧電素子をアルミ青銅製のステータにTg200℃のエポ
キシ系接着剤により接着し、その静電容量の温度変化を
測定した結果をIに、また使用した圧電素子の材料定数
を表IIに示す。
この束縛容量の変化は、誘電率の温度特性TK(C)から
予測される値よりも大きい。
これより、例えば20℃の束縛容量の値9.7nFを用い、
L−C並列共振周波数が40kHzとなるLと求めると、1.6
mHとなる。これを100℃の条件で用いると、その並列共
振周波数は、34kHzまで下がり超音波モータの駆動周波
数から大幅にずれて、無効電流が多く流れるようにな
る。
これをキャンセルするためには、超音波モータと静電
容量の温度特性が全温度範囲において逆になる容量Co
コンデンサを並列に入れればよい。この時の容量は単純
に両者の和となるので、Cd+Co=一定となるように選べ
ばよい。
しかしながら、超音波モータが低温で使用すると、結
露により摩擦面に水分が入り込んだり、さらにはその水
分が氷結してモータの起動が困難になり、また起動後も
しばらく回転数が安定しないという問題が発生する。そ
こで、超音波モータの束縛容量の温度変化を補正するコ
ンデンサは、全温度範囲において温度特性が逆特性にな
るのではなく、マイナス側(0℃以下)では、超音波モ
ータと同じになるように0℃〜20℃付近に誘導率の極大
値を持つのものが好ましく、このコンデンサを用いれ
ば、20℃以上では無効電流の増加が抑えられ超音波モー
タの内部温度が低下し、0℃以下では無効電流がある程
度(経験的には3.5A以上)流れ、超音波モータの内部温
度が上昇し、また上昇する速度が速くなり、モータの起
動不良の減少回転数の安定化が達成できる。
〔実施例〕
本発明の一実施例を以下に説明する。
並列に配置するコンデンサとして、第2図(a)に示
すような温度特性規格E特性に相当する高誘電率系セラ
ミック・コンデンサを用いた。容量の測定はインピーダ
ンス・アナライザを用い、超音波モータの駆動周波数で
ある40kHzにて実施した。この測定値とCo+Cdの計算値
を表IIIに示し、この値をプロットしたものを第2図
a、b及び第3図cに特性図として示す。
20℃の容量に対する変化率は、100℃において、超音
波モータ単体では32.1%であるのに対し、17.2%とな
り、これは共振周波数では3kHzのずれに相当し大幅に改
善されている。
マイナス側は−20℃において、超音波モータ単体では
12.3%であったものが35.3%と逆に増加する結果となっ
ている。
次に実際に、従来技術の超音波モータと、本実施例の
コンデンサと超音波モータを並列に配設したものとを、
それぞれ−30℃から90℃の環境温度で駆動し、起動30分
経過後の超音波モータの内部温度変化を測定した値を第
13図と第15図に、また同様条件で、駆動電流の変化を測
定した値を第14図と第16図に示す。但し、本実施例では
トランスはインダクタンス1.0mHのものを使用した。
この結果によれば、室温付近の駆動電流では従来技術
と本実施例との間に変化はないが、80℃、90℃において
無効電流の抑制効果が本実施例に見られ、超音波モータ
の内部温度変化については、本実施例に10℃程度の低下
が認められる。
また低温側では本実施例で無効電流が増大し、内部温
度も若干高くなっている。低温側で起動後、時間の経過
とともに内部温度が高くなると、超音波モータの束縛容
量が増加するので、インピーダンス・マッチングがとれ
る方向に動く。そのため、低温起動時に電流が多く流
れ、その結果内部温度が上昇してくると電流が抑制され
る。これは、起動時だけヒータを入れ、不必要になった
らヒータを切るのと同一の自己制御性を有することと理
解される。
次に、90℃及び−30℃の環境温度条件における起動後
の経過時間(分)に対する内部温度の変化について、従
来技術(破線a)と本実施例(実線b)との比較特性図
を第17図、第18図に示す。これによると実施例は、環境
温度90℃では発熱量が抑えられ内部温度も低く、逆に−
30℃では発熱により内部温度の上昇が見られる。−30℃
においてモータを起動すると、従来の超音波モータで
は、回転数が安定するのに5分を要しているが、本実施
例では、概ね1分で回転数が安定している。
以上説明してきたように、本実施例によれば、その構
成を室温付近に誘電率のピークを持ち、室温より上では
超音波モータのステータの束縛容量の温度係数と逆符号
の温度係数をもち、その変化量の絶対値がほぼ等しく、
0℃以下では束縛容量の温度係数と同符号の温度係数を
持つコンデンサを超音波モータと並列に入れる構成とす
ることにより、接着剤の軟化により制限される温度範囲
の高温側では、無効電流による内部温度の上昇は小で信
頼性が高く、モータの結露、氷結により、回転ムラの出
る0℃以下の温度範囲では回転が安定するまでの時間を
大幅に短縮することができる。
〔発明の効果〕
本発明の実施により、室温より高温側の領域では、無
効電流による超音波モータ内の温度上昇が抑制され、0
℃以下の低温領域では、適正電流が流れることにより、
超音波モータの回転の安定と効率が向上し、信頼性の高
い超音波モータの駆動回路が得られ、その効果は顕著な
ものがある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る超音波モータの駆動回路の一実施
例を示す図、第2図、第3図は従来の超音波モータと本
発明に使用する補正コンデンサの環境温度と容量の関係
を示す特性図、第4図は従来の圧電素子の上面斜視図、
第5図は同じく下面斜視図、第6図は従来の圧電振動子
の組立斜視図、第7図は従来の超音波モータの構造断面
図、第8図は圧電素子の動作状態を示す斜視図、第9図
は従来の超音波モータの駆動電源回路図、第10図は同じ
く振動子の等価回路図、第11図は室温における経過時間
と圧電素子の温度特性を示す図、第12図は環境温度〜10
0℃において30分経過後の圧電素子の温度との関係を示
す特性図、第13図は環境温度において起動後30分経過時
の内部温度の変化を示す従来技術の特性図、第15図は第
13図と同様条件での本発明実施例の内部温度の変化を示
す特性図、第14図は第13図と同様条件での従来技術の超
音波モータの駆動電流の変化を示す特性図、第16図は第
14図と同様条件での本発明実施例の駆動電流の変化を示
す特性図、第17図、第18図は高温環境と低温環境におけ
る起動後の経過時間と内部温度の変化を、従来技術と本
発明実施例とで比較した特性図である。 1……圧電素子、2……圧電板 3、5……小電極 4、7……第1区間電極、6、8……第2区間電極 9a、9b……不活性部電極 10a、10b……センサ電極 11……圧電振動子、12……導電性弾性体 13……スリット、14……接着剤 15……ロータ 18a……A相端、18b……アース端 19……導電性材料 50……超音波モータ 100……束縛容量補正用コンデンサ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電素子と導電性弾性体を一体に形成した
    ステータに、交流電圧を印加するトランスを有する超音
    波モータの駆動回路において、 前記トランスの2次側に超音波モータと並列に接続した
    コンデンサを備え、 このコンデンサは、室温近傍で容量Coの極大値をもち、
    室温より高温の領域での誘電率の温度係数が超音波モー
    タの束縛容量Cdと逆符号でかつCo+Cd≒一定の関係を有
    し、また0℃以下では前記束縛容量Cdと同符号であるこ
    とを特徴とする超音波モータの駆動回路。
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