JPH0226285A - 超音波モータの駆動回路 - 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〕 この発明は、超音波モータの駆動回路に関する。

〔発明の概要〕

この発明は、圧電素子によりステータを撓み振動させ、
ステータの撓み振動によりロータを回転駆動させる超音
波モータの駆動回路において、圧電素子を介して流れる
電流を検出する手段と、電流値を略々一定値に制御する
手段とを備えたことにより、駆動回路の加熱・焼損、圧
電素子（圧電セラミックス）の加熱・滅極更には破壊を
防止できるようにしたものである。

〔従来の技術〕

超音波モータ（特開昭６０−１８３９８２号参照）は、
例えば２枚の圧電素子でステータを撓み振動させ、この
撓み振動で生ずる進行波によりロータを回転駆動させる
ものである。上述の圧電素子は、通常、パワートランジ
スタ（ＦＥＴ）により直接駆動されるか、或いは出カド
ランスを介して駆動される。

超音波モータを、例えばＶＴＲなどに用いる場合、出カ
ドランスを使用すると駆動電圧が高いことから磁束が発
生してしまい好ましくない、そこで、圧電素子は、多く
の場合、直結駆動とされている。

また圧電素子は、その性質上、−ａ的に定電圧で駆動さ
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、超音波モータは、ステータと、圧電素子から
構成される圧電体との共振現象を利用しているため、等
価回路のＱは極めて高く　（９０〜数千）、且つ変動す
る。従って、作動条件によっては、インピーダンスが、
例えば数１０にΩ（非共振状態）から数Ω（共振状態、
無負荷）へと急変する恐れがある。

前述のように圧電素子は、−船釣に定電圧駆動されてい
るため、インピーダンスが急減すると大電流が流れ、駆
動回路の加熱・焼損、圧電素子（圧電セラミックス）の
加熱・減極更には破壊といったような問題を生ずる危険
性があった。また、上述のような問題にまで至らずとも
電流波形の歪が発生するため、超音波モータの安定的な
駆動の点から好ましくないという問題点があり、改善が
望まれていた。

従って、この発明の目的は、定電流ドライブが可能な、
超音波モータの駆動回路を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明では、圧電素子によりステータを撓み゛振動さ
せ、ステータの撓み振動によりロータを回転駆動させる
モータの駆動回路において、圧電素子を介して流れる電
流を検出する手段と、電流値を略々一定値に制御する手
段とを備えた構成としている。

〔作用〕

駆動回路から圧電素子を介して流れる電流は、常に一定
で且つ適正な値に制御されている。従って何らかの原因
によりインピーダンスが急変しても大電流の流れること
はな（、駆動回路の加熱・焼損、圧電素子の加熱・減極
等の生ずる危険性が解消される。また大電流が流れない
ため電流波形の歪が発生せず、超音波モータを安定的に
駆動できる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例について第１図乃至第５図を
参照して説明する。尚、この説明は以下の順序でなされ
る。

（Ａ）超音波モータの構成について （Ｂ）第１実施例について （Ｃ）第２実施例について （Ａ）超音波モータの構成について 第３図及び第４図には超音波モータの全体的な構成が示
され、第５図には圧電体の構成が示されている。

第３図の構成において、超音波モータ１は、ステータ２
と、圧電体３．４と、ロータ６と、軸７とから主に構成
される。

ステータ２は、密着せしめられている圧電体３゜４の夫
々に位相の異なる交流電圧が印加されることにより、撓
み振動を生じ、進行波を発生するものである。このステ
ータ２の表面２Ａ側には、多数の突起８が環状に形成さ
れ、ステータ２の略々中央部には、軸７挿通用の円孔９
が形成され、そしてステータ２の裏面２Ｂ側には、前述
の圧電体３．４及びアース用電極１５が取付けられてい
る。

上述の突起８は、ロータ６の外周部１０に当接してロー
タ６を回転させるものであり、突起８は一定の間隔を置
いて設けられている。

圧電体３．４は、位相の異なった２つの交流電圧が印加
されることでステータ２に進行波を発生させるものであ
る。第５図に示されるように、圧電体３．４は、夫々円
板形状の圧電素子１１．１２によって形成され、圧電体
３，４の中心部には受座金２８挿通用の円孔１４が形成
されている。

そして、この圧電体３．４間には例えばアルミニウム製
のアース用電極１５が配されており、圧電体３，４及び
アース用電極１５は、第５図に示す順序で重ね合わされ
ている。

圧電体３は、圧電素子（例えば圧電セラミックス）１１
の表面１１Ａに、第５図Ａに示されるように、例えば４
５°毎の領域に分割された８個の電極１６が設けられる
ことで構成される。この電極１６は導電性の良い金属材
料を用いて、表面１１Ａに印刷、蒸着或いはメツキなど
の適宜の方法により形成されている。そして圧電体３は
、相隣合う電極１６に対応する領域毎に、板厚方向に極
性が交互に異なるようにして分極が行われる。この結果
交互にプラス極性或いはマイナス極性とされている領域
１７からなる８極、４組の強制励振振動子が構成される
。電極１６は、分極後、−括して電圧を印加できるよう
に接続される。尚、圧電体３の外周部に形成されている
切欠１９は、アース用電極１５と図示せぬリード線との
接続部分の確保を容易にするためのものである。

圧電体４は、圧電体３と略々同様の構造であり、交互に
プラス極性或いはマイナス極性とされる領域５からなる
８極、４組の強制励振振動子が構成される。

圧電体４は、圧電素子１２の表面１２Ａに、第５図Ｃに
示されるように、例えば４５°毎の領域に分割された８
個の電極１８が設けられ、そして第５図りに示されるよ
うに、電極１８を被覆する銀電極２３が設けられること
で構成されている。

銀電極２３は、上述の電極１８に電圧を供給するための
もので、銀フィラーを含有する導電性接着剤の塗布・焼
付けにより形成されている。この銀電極２３には、リー
ド線２１が上述の導電性接着剤により固着されている。

尚、２２は銀電極２３とリード線２１の接続部分を示し
、１２Ｂは、圧電素子１２の裏面を示す。

この圧電体３．４の重合わせは、以下のようにして行わ
れる。

圧電体３．４の最小振幅点は、相隣合う電極１６．１８
の境界位置付近であり、最大振幅点は各電極１６．１８
の中央近傍位置である。従って、圧電体３．４の配置は
、第５図に示されるように圧電体３の電極１６の中央近
傍（最大振幅点）に、圧電体４の電極１８の境界（最小
振幅点）が対応するように重ね合わされている。

ロータ６は、ステータ２に進行波が発生すると、ステー
タ２との間に生ずる摩擦力によって回転し、駆動力を発
生するものである。このロータ６の内周側は凹部２４と
され、鍔状の外周部１０に対し若干低い状態の段差が設
けられている。ロータ６の中心部には、軸７嵌挿用の円
孔２５が形成され、ロータ６の外周部１０の裏面１０Ｂ
には、ステータ２の突起８が当接するため、摩擦力発生
用のライナーが設けられている。

軸７は、ロータ６の円孔２５に嵌合されることにより、
ロータ６の２回転を伝達するもので、ベアリング２６に
よって回転自在に軸支されている。

図中、２７は、超音波モータ７を支持すると共に、他の
部材（図示せず）に固定される基板を示す。また、２９
は皿バネ、３０はバネ押え、３１はクリップを夫々示す
。

超音波モータ１の組付けは以下のようにして行われる。

基板２７の円孔３２には、受座金２８の下部３３が嵌合
され、そして受座金２８の内部には、第４図に示すよう
にベアリング２６が嵌合され、夫々固定される。このベ
アリング２６は、軸７を回転自在に軸支している。この
状態では、第４図に示されているように、受座金２８が
基板２７に、ベアリング２６が受座金２８内に、そして
軸７がベアリング２６に夫々取付けられている。

上述の軸７に対し、圧電体３．４及びアース用電極１５
の取付けられているステータ２の円孔９が挿通せしめら
れ、ステータ２が取付けられる。

ステータ２の裏面２Ｂの円孔９近傍は、第４図に示され
るように受座金２８の上端面３４及び、ベアリング２６
に当接し、これによりステータ２は受座−金２８及びベ
アリング２６に固定される。

次いで、軸７に対し、ロータ６の円孔２５が嵌合され、
ロータ６の外周部１０の裏面１０Ｂがステータ２の突起
８に接触する状態で固定される。

更にロータ６の凹部２４に皿バネ２９が載置される。ま
た軸７に対しバネ押え３０の円孔３５が挿通せしめられ
、皿バネ２９を上方から押圧する状態とし、次いで軸７
先端の係合部３６にクリップ３１を係合させバネ押え３
０を固定する。

この結果、皿バネ２９の弾性によって、ロータ６の外周
部１０の裏面１０Ｂが、ステータ２の突起８の端面３７
に当接された状態で、超音波モータ１が構成される。

（Ｂ）第１実施例について 第１図には、超音波モータの駆動回路の第１実施例が示
されている。

第１図に示す構成において、差動増幅器４５の、＋側入
力端には端子５８を介して第１基準電圧■Ｒ１、−個入
力端には圧電体３と抵抗４６間の検出電圧ＶＤが夫々入
力される。この差動増幅器４５では第１基準電圧ＶＲＩ
と検出電圧ＶＤの差電圧ＶＳが形成され、この差電圧Ｖ
Ｓが電圧制御発振回路４７　〔以下、ＶＣＯと称す〕に
供給される。

ＶＣＯ４７では、上述の差電圧ｖＳに応じて発振周波数
が変化される。ＶＣＯ４７からの出力信号がアンプ４８
を介してトランジスタ４９のベースに供給される。また
上述の出力信号は、移相回路５０にも供給される。

移相回路５０ではＶＣＯ４７からの出力信号がπ／２移
和され、この出力信号はアンプ５１を介してトランジス
タ５２のベースに供給される。

トランジスタ４９．５２は、コレクタが端子５３．５４
に夫々接続され、エミッタが圧電体３゜４に夫々接続さ
れている。端子５３．５４には夫々電源電圧＋ＶＣＣが
供給され、圧電体３．４は、抵抗４６．５５を介して夫
々アースされている。

抵抗４６と圧電体３間の点りは、差動増幅器４５の一側
入力端、及びコンパレータ５６の＋側入力端に夫々接続
されている。コンパレータ５６の一側入力端には端子５
９を介して第２基準電圧ＶＲ２が供給されており、コン
パレータ５６の出力信号がリミッタ信号として端子５７
から取出される。

次に、第１図に示される駆動回路の動作について説明す
る。

ＶＣＯ４７からの出力信号に基づいて、トランジスタ４
９から出力されるエミッタ電流ＩＥＩは、圧電体３、抵
抗４６を経てアースに至る。この時、圧電体３と抵抗４
６間の点りに生ずる検出電圧ＶＤによりエミッタ電流Ｉ
ＥＩＯ値を知ることができる。上述の検出電圧ＶＤは、
差動増幅器４５に供給される。

差動増幅器４５では、許容し得るエミッタ電流に基づき
設定されている第１基準電圧ＶＲＩと検出電圧ＶＤとが
比較されることにより、差電圧■Ｓが形成される。

差電圧ＶＳの大小に応じて次のような制御動作が行われ
る。

〔１〕差電圧ＶＳが小さい場合 この場合は、上述のエミッタ電流ＩＥＩが多く流れてい
るので、この駆動回路は、エミッタ電流ＩＥ１を減少さ
せる方向に働く。

ＶＣＯ４７の特性は、差電圧ＶＳが増加するにつれて発
振周波数も増加するようにされているので、差電圧ＶＳ
が小さい場合は、これに応じてＶＣＯ４７の発振周波数
も低下される。これによって圧電体３に供給されるエミ
ッタ電流■Ｅｌの周波数は圧電体３の共振周波数の近傍
で、且つ共振周波数から遠ざかる方向に働く。一方、圧
電素子３゜４のインピーダンスは、共振周波数では、例
えば数Ω、といったように極めて低いものの、周波数軸
上で共振周波数から離れるに従って増大する傾向を示す
、この結果、圧電体３のインピーダンスが増大し、圧電
体３を流れるエミッタ電流ＩＥＩが減少し、エミッタ電
流ＩＥＩが一定値になるように制御される。

ＶＣＯ４７からの出力信号は、トランジスタ５２のベー
スにも供給されているため、ＶＣＯ４７の発振周波数の
低下は、圧電体４に供給されているエミッタ電流ＩＥ２
の周波数の低下となる。この結果、上述したのと同様に
、圧電体４を流れるエミッタ電流ＩＥ２が減少し、一定
の電流値になるように制御される。尚、エミッタ電流Ｉ
Ｈ２は、エミッタ電流ＩＥｌに対しπ／２移相されてい
る。

ところで、上述の検出電圧ＶＤはコンパレータ５６にも
供給されており、このコンパレータ５６にて第２基準電
圧ＶＲ２との比較が行われる。もし検出電圧ＶＤが第２
基準電圧ＶＲ２より大きくなると、コンパレータ５６か
ら、リミッタ信号が出力される。このリミッタ信号が出
力された場合、図示せぬものの駆動回路が遮断されて、
超音波モータ１が停止するようにされている。

〔２〕差電圧ＶＳが大きい場合 この場合は、上述のエミッタ電流ＩＥＩが少ないので、
エミッタ電流ＩＥＩを増加させる方向に働く。

差電圧ＶＳが大きい場合は、これに応じてｖＣ０４７の
発振周波数が増加される。従って圧電体３に供給される
エミッタ電流ＩＥＩの周波数は圧電体３の共振周波数の
近傍で、且つ共振周波数に近づく方向に働く、この結果
、圧電体３のインピーダンスは低下し、圧電体３を流れ
るエミッタ電流■Ｅ１が増加する。これにより、エミッ
タ電流ＩＥ１が一定値となるように制御される。

ＶＣＯ４７からの出力信号は、トランジスタ５２のベー
スにも供給されているため、ＶＣＯ４７の発振周波数の
増加は、圧電体４に供給されているエミッタ電流ＩＥ２
の周波数の増加となる。この結果、上述したのと同様に
圧電体４を流れるエミッタ電流ＩＥ２が増加し、一定の
電流値になるよう制御される。

このようにＶＣＯ４７の発振周波数が差電圧ＶＳに基づ
いて共振周波数の近傍で且つ共振周波数に至らない範囲
で変化される。この結果、圧電体３．４を介して流れる
エミッタ電流ＩＥ１．　１８２が略々一定値になるよう
に制御されるため、定電流ドライブが可能となる。この
結果駆動回路の加熱・焼損、圧電体３，４の圧電素子１
１．１２（圧電セラミックス）の加熱・減極・破壊が防
止される。また大電流が流れないため、電流波形の歪が
発生せず超音波モータｌを安定的に駆動できる。

尚、超音波モータＩでは、ロータ６とステータ２との摩
擦を始め、各種の理由により、例えば１分間で８０℃程
度発熱する。これによりメカニカルな共振点（共振曲線
）が低い周波数へ移るため、インピーダンスも変化する
。従って、超音波モータｌの駆動電流も変化するが、こ
のような場合でも上述の実施例の構成によれば超音波モ
ータ１の定電流ドライブが可能である。

（Ｃ）第２実施例について 第２図には、超音波モータの駆動回路の第２実施例が示
されている。

第２図の構成において、発振回路６ｏの出力信号がゲイ
ンコントロール回路６１に供給される。

ゲインコントロール回路６１では、利得調整が行われ、
ゲインコントロール回路６１からの出力信号がアンプ６
２を介してトランジスタ６３のベースに供給される。ま
た上述の出力信号は、移相回路６４にも供給される。

移相回路６４では、ゲインコントロール回路６１からの
出力信号の位相がπ／２移和され、この出力信号は、ア
ンプ６５を介してトランジスタ６６のベースに供給され
る。

トランジスタ６３．６６は、コレクタが端子５３．５４
に夫々接続され、エミッタが圧電体３゜４に夫々接続さ
れている。端子５３．５４には夫々電源電圧＋ＶＣＣが
供給され、圧電体３，４は抵抗６７．６８を介して夫々
アースされている。

抵抗６７と圧電体３間の点りはゲインコントロール回路
６１の利得調整入力端に接続されている。

次に、第２図に示される駆動回路の動作について説明す
る。

発振回路６０では、共振周波数の近傍で且つ共振周波数
に迄達しない一定周波数の出力信号が形成され、この出
力信号がゲインコントロール回路６１、アンプ６２を経
てトランジスタ６３のベースに供給される。この出力信
号に基づいてトランジスタ６３から出力されるエミッタ
電流ＩＥＩは、圧電体３、抵抗６７を経てアースに至る
。この時、圧電体３と抵抗６７間の点りに生ずる検出電
圧ＶＤによりエミッタ電流ＩＨＩの値を知ることができ
る。そこで上述の検出電圧ＶＤは、ゲインコントロール
回路６１に供給される。

ゲインコントロール回路６１では、フィードバックされ
た検出電圧ＶＤに応じてトランジスタ６３．６６のベー
ス電流が増減される。即ち、上述の検出電圧ＶＤが高い
場合は、それに応じて利得調整しトランジスタ６３．６
６のベース電流を減少させ、検出電圧ＶＤが低い場合は
、トランジスタ６３．６６のベース電流を増加させる。

これにより、圧電体３．４を流れるエミッタ電流ＩＥＩ
。

ＩＥ２が一定の電流値になるよう制御される。

尚、その他の内容は、前記第１実施例と同様につき、同
一部分を同一符号で示すに止め重複する説明を省略する
。

〔発明の効果〕

この発明に係る、超音波モータの駆動回路では、圧電素
子を介して流れる電流を検出すると共に、電流値が略々
一定値になるよう制御しているので、駆動回路の加熱・
焼損、圧電素子の加熱・減極更には破壊を防止できると
いう効果がある。これにより超音波モータが破壊されて
しまうことを防止できるという効果がある。また、電流
は常に略々一定の値に制御され、大電流の流れることが
ないため、電流波形の歪が発生せず、超音波モータを安
定的に駆動できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例を示すブロック図、第２
図はこの発明の第２実施例を示すブロック図、第３図は
超音波モータを示す分解斜視図、第４図は超音波モータ
の概略断面図、第５図は夫々圧電体の構成を説明する斜
視図である。 超音波モータ、　２：ステータ、 ４：圧電体、　　６：ロータ、 １２：圧電素子、　４５ ５５．６７．６８：抵抗、 ：電圧制御発振回路、　６０：発振回路、ニゲインコン
トロール回路。 ：差動増幅器、 １　： ３゜ １１゜ ４６゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　圧電素子によりステータを撓み振動させ、上記ステー
   タの撓み振動によりロータを回転駆動させる超音波モー
   タの駆動回路において、 上記圧電素子を介して流れる電流を検出する手段と、 上記電流値を略々一定値に制御する手段とを備えてなる
   超音波モータの駆動回路。