JPH0241682A - 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、
この撓み振動から生ずる進行波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於いて、圧電素子を介
して流れる電流を検出すると共に、通電時間を、（ｔｎ
／ｌ　ｏ）　−（Ｎ／Ｎｘ）で定まるデユーティ比によ
って制御することにより、超音波モータを常に最大の効
率で駆動できるようにしたものである。

〔従来の技術〕

超音波モータも含め、一般にモータの効率は、第１１図
に示すように或る限られた回転数と負荷トルクの時に最
大となり、それ以外の範囲では、低下傾向を値を示すの
が普通である。

〔発明が解決しようとする課題〕

モータの動作点は、通常、最大効率ηＭＡＸでない場合
が多く、例えばＶＴＲのリールモータなどは、極端に遅
い回転か或いは速い回転であり、いずれにしても効率の
低い範囲で使われている。超音波モータも例外ではなく
、同様に効率の低い範囲で使用されることが多い。そこ
で、かねてから使用条件の如何にかかわらず高い効率で
超音波モータを使用したいという要望があり、この点の
改善が望まれていた。

従ってこの発明の目的は、超音波モータを常に最大効率
で駆動し得る超音波モータの駆動回路を提供することに
ある。

〔課題を解決するだめの手段〕

この発明では、圧電素子によりステータを撓み振動させ
、この撓み振動から生ずる進行波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於いて、圧電素子を
介して流れる電流を検出する手段と、通電時間を（ｔ　
ｎ／ｌ　ｏ）　−（Ｎ／Ｎｘ）で定まるデユーティ比に
よって制？ｆｆｌする手段と、を備えた構成としている
。

〔作用〕

超音波モータの実際の駆動電圧ＶＤを検出して駆動電流
１０を求め、これに基づいて負荷トルクＴＸを求める。

そして或る負荷トルクＴＸに於いて効率が最大となる駆
動電圧（以下、最大効率駆動電圧ＶＸと称する）を求め
、この最大効率駆動電圧ＶＸで超音波モータを駆動する
。

この最大効率駆動電圧ＶＸに於ける回転数をＮｘとする
と、負荷トルクＴＸが変化しない限りでは、超音波モー
タの特性から、 駆動電圧ＶＤ≦最大効率駆動電圧ＶＸ の関係があるので、 設定回転数Ｎ≦回転数Ｎｘ となる。

そこで通電時間のデユーティ比（ｔｎ／ｔｏ）を（Ｎ／
Ｎｘ）によって定め、設定回転数Ｎ＝Ｎｘ・　（ｔｎ／
ｔｏ）の条件の下で超音波モータを間欠駆動させる。即
ち、駆動電圧の変化によって生ずる回転数の変動をデユ
ーティ比の変化により解消するものである。

超音波モータは、通電時間中のみ回転数Ｎｘで回転し、
休止時間中は停止するものの、上述の条件、即ち設定回
転数Ｎ＝Ｎｘ　−（ｔ　ｎ／ｌ　ｏ）に従って駆動され
るため、見掛は上は、設定回転数Ｎが得られる。

外部に対する仕事は、（Ｎ／Ｎｘ）に減少するが、超音
波モータは間欠駆動であるため、電流は駆動時間中しか
流れず、電流値も（Ｎ／Ｎｘ）に減少するので、効率は
相対的に変化しない。

上述したように、回転数Ｎｘは、最大効率駆動電圧Ｖ×
の下での回転数であるため、上述の条件の下で駆動され
る限りでは超音波モータ全体としての効率は最大となる
。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例について図面を参照して説明す
る。この実施例は、第１図乃至第１０図に示すように２
枚の圧電素子を用いた超音波モータに対し、この発明を
適用したものである。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）超音波モータの駆動回路の構成及び動作について （Ｃ）超音波モータの駆動について （Ａ）超音波モータの構成について 第８図及び第９図には超音波モータの全体的な構成が示
され、第１０図には圧電体の構成が示されている。

第８図の構成に於いて、超音波モータ１は、ステータ２
と、圧電体３，４と、ロークロと、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３４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１０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の裏面１１Ｂ側には全面にわたり
図示せぬアース用電極が形成されており、圧電体３，４
は、第１０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１０図Ａ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Ｉ６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、前述の裏面
１１Ｂに設けられているアース用全面電極〔図示せず〕
に対して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
ステータ２の裏面２Ｂ（金属面）に接着され、ステータ
２の裏面２Ｂが印加電極となる。

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を成す圧電素子１２の表面１２Ａには、第１０
図Ｂ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が設けられている。第１０図Ｃは、
圧電素子１２の裏面１２Ｂ側からみた圧電体４の斜視図
である。裏面１２Ｂ側には、全面銀電極２３が設けられ
ている。全面銀電極２３は、圧電体４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。この全面銀電極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は全面銀電極２３とリード線２１の
接続部分を示す。

また、圧電体４の外周部に形成されている切欠１９は、
圧電素子１１の裏面１１Ｂ側の図示せぬアース用電極と
リード線〔図示せず〕との接続部分の確保を容易にする
だめのものである。

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
の境界位置イ」近であり、最大振幅点は各電極１６．１
８の中央近傍位置である。従って、圧電体３．４の配置
は、第１０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
生ずるものである。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。ロークロの中心部には、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に嵌挿されることにより、
ロークロの回転を伝達するもので、ヘアリング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
は皿ハネ、３０はハネ押え、３１はクリップを夫々示す
。

超音波モータ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９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。このヘ
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９図に示されているように、受座金２８が
基板２７に、ヘアリング２６が受座金２８内に、そして
軸７がヘアリング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９
図に示されるように受座金２８の上端面３４及び、ヘア
リング２６に当接し、これによりステータ２は受座金２
８及びベアリング２６に固定される。

次いで、軸７は、ロータ６の円孔２５に対し、摺動可能
な状態で挿入され、ロータ６の外周部１０の裏面１０Ｂ
がステータ２の突起８に接触する状態で位置決めされる
。上述のロータ６と軸７は、回転に対しては一緒に回る
が、軸７の長手方向にはスライドするもので、その際バ
ネ２９による定圧予圧が加わることになる。更にロータ
６の凹部２４に皿ハネ２９が載置される。また軸７に対
しハネ押え３０の円孔３５が挿通せしめられ、皿ハネ２
９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を係合させハネ押え３０を固定す
る。

この結果、皿バネ２９０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）超音波モータの駆動回路の構成及び動作について 第１図は超音波モータの駆動回路の一実施例である。

第１図に示す構成に於いて、発振回路４５で形成され、
駆動周波数ｆｏとされる出力信号がゲート回路４６Ａに
供給される。

ゲート回路４６Ａでは、ＰＷＭ回路４７から供給される
パルス信号がハイレベル時のみ、ゲートがオンする。こ
のゲートがオンしている間、第３図に示されるような出
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。こ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５０を経てアースに至る。また上述の発振回路４５か
らの出力信号は、移相回路５１にも供給される。

移相回路５１では、発振回路４５からの出力信号がπ／
２移和される。この出力信号は、ゲート回路４６Ｂに供
給される。

ゲート回路４６Ｂでは、ＰＷＭ回路４７から供給される
パルス信号がハイレベル時のみ、ゲートがオンする。こ
のゲートがオンしている間、第３図に示されるような出
力信号がアンプ５２を介してトランジスタ５３のベース
に供給される。また、この出力信号に基づいてトランジ
スタ５３から出力されるエミッタ電流ＩＢ２は、圧電体
４、抵抗５０を経てアースに至る。

トランジスタ４９．５３は、そのコレクタが端子５４．
５５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５４．５５には夫々電源電圧十ＶＣ
Ｃが供給され、圧電体３，４は夫々抵抗５０を介してア
ースされている。

上述の圧電体３と抵抗５０間の点りに生ずる駆動電圧Ｖ
Ｄは、デユーティ設定回路５６にフィードバックされる
。

デユーティ設定回路５６には２つの対応関係が設定され
ている。その一つは、図示せぬものの超音波モータ１の
駆動時、負荷トルクＴ　ＯＰＴと、駆動電流１０の対応
関係（対応関係Ａ）である。他の一つは、第５図で示さ
れるように、超音波モータ１の駆動時、負荷トルクＴ　
ＯＰＴと、各負荷トルクＴＸに於いて効率ηが最大とな
る駆動電圧、即ち最大効率駆動電圧Ｖ　ＯＰＴの対応関
係（対応関係Ｂ）である。このデユーティ設定回路５６
に於ける各対応関係は、専用の回路を組んでも良く、或
いはマイクロコンピュータを用いソフトウェアで設定す
るようにしてもよい。また、デユーティ設定回路５６に
は端子５７から設定回転数ＮがＦＣにより供給される。

デユーティ設定回路５６では、検出された駆動電圧ＶＤ
から駆動電流ＩＯの値を求める。そして、この駆動電流
ＩＤの値と、上述の対応関係Ａに基づいて負荷トルクＴ
Ｘが求められ、更にこの負荷トルクＴＸ及び上述の対応
関係Ｂに基づいて第５図に示すように最大効率駆動電圧
ＶＸが求められる。デユーティ設定回路５６では、図示
せぬ電圧制御回路に制御信号を供給することにより、端
子５４．５５に印加される電源電圧を最大効率駆動電圧
ＶＸとし、超音波モータ１を最大効率駆動電圧Ｖχで駆
動する。尚、超音波モータ１の特性より最大効率駆動電
圧ＶＸ（負荷トルクＴＸ）に於ける超音波モータＩの回
転数をＮｘとする。

デユーティ設定回路５６では、超音波モータの特性によ
り、通常当初の駆動電圧ＶＤより最大効率駆動電圧ＶＸ
が大きくなるか或いは等しくなることから、設定回転数
Ｎよりも回転数Ｎｘが大となることもある。そこで回転
数Ｎχと、デユーティ比（ｔｎ／ｔｏ）との積が設定回
転数Ｎに等しくなるように、即ちＮ＝Ｎｘ　・　（ｔ　
ｎ／ｌ　ｏ）の条件が満たされるように、デユーティ比
（ｔｎ／ｔｏ）が新たに設定され、対応するレベルの制
御信号がＰＷＭ回路４７に供給される。

ＰＷＭ回路４７では、上述の制御信号に従って、デユー
ティ比（ｔｎ／ｔｏ）に基づ（パルス信号を形成し、そ
のパルス信号がゲート回路４６（４６Ａ、４６Ｂ）に夫
々供給される。

この結果、第３図のようなデユーティ比（ｔｎ／ｌＯ）
の出力信号がトランジスタ４９．５３のベースに夫々供
給され、この出力信号に基づいて超音波モータ１は、回
転数Ｎｘで通電時間ｔｎ中のみ駆動される。

上述の回転数Ｎｘは、最大効率駆動電圧ＶＸＯ下での回
転数であるため、超音波モータ１は、常に最大効率ηｍ
ａｘで駆動されることになる。

（Ｃ）超音波モータの駆動について 超音波モータ１は、普通、駆動周波数ｆｏで電圧駆動さ
れる。回転数は、第２図で示されるように、駆動電圧Ｖ
Ｄ（周波数ｆは、共振周波数ｆｏで一定）、或いは周波
数ｆ（電圧一定）を変化させることにより得られる。従
って、超音波モータ１の特性は、一般のモータと全く同
様である。

−船釣に、超音波モータ１の特性は、第４図のように示
される。

今、超音波モータ１の回転数をＮ（ｒｐｍ）、その時の
負荷ｌ・ルクをＴとし、超音波モータ１を連続運転した
とすると、駆動電圧ば■０、効率はη１−となる。この
ような場合には、超音波モータ１は、上述の効率η１の
ようなかなり低い効率で使用されることになる。

ところで、超音波モータ１の利点は、間欠駆動の可能な
ことと、超低速で安定したトルクが得られることである
。

そこでデユーティ設定回路５６に於いて、２つ通電時間
のデユーティ比（ｔｎ／ｔｏ）を（Ｎ／Ｎｘ）に等しく
定めると共に、Ｎ＝Ｎｘ・　（ｔｎ／　ｔ　ｏ　）の条
件を維持するように超音波モータ１を間欠駆動させるこ
とにより、最大効率で、見掛は上、設定回転数Ｎで連続
回転しているようにでき、しかもトルクは連続回転させ
た場合と同じにすることができる。

デユーティ設定回路５６には、前述したように２つの対
応関係が設定されており、一方デューテイ設定回路５６
に於いて、検出された駆動電圧ＶＤから駆動電流ＩＤの
値が求められる。そしてデユーティ設定回路５６に於い
て、駆動電流ＩＤの値と前述の対応関係Ａに基づいて負
荷トルクＴＸが求められ、そして更に、負荷トルクＴＸ
と対応関係Ｂに基づいて最大効率駆動電圧ＶＸが求めら
れる。

またデユーティ設定回路５６では、最大効率駆動電圧Ｖ
Ｘの下での回転数Ｎｘと、デユーティ比（ｔｎ／ｔｏ）
との積が設定回転数Ｎに等しくなるように、即ちＮ＝Ｎ
ｘ　−（ｔ　ｎ／ｌ　ｏ）の条件が満たされるように、
デユーティ比（ｔ　ｎ　／　ｔＯ）が新たに設定され、
これに基づいて、通電時間ｔｎが規定され、超音波モー
タ１が最大効率駆動電圧ＶＸにより駆動される。このた
め、超音波モータ１は、間欠駆動しているものの、見掛
は上の回転数は、設定回転数Ｎとなる。

ところで、外部に対する仕事は、（Ｎ／Ｎｘ）に減少す
るが、超音波モータ１は、間欠駆動しているため、電流
は駆動時間中しか流れず、また電流値も（Ｎ／Ｎｘ）に
減少するため、全体としての効率は相対的に変化しない
。上述の回転数Ｎｘは、最大効率駆動電圧ＶＸの下での
回転数であるため、超音波モータ１は、常に最大効率η
ＭＡＸで駆動されることになる。

効率−トルクの関係が第６図に示すような場合には、駆
動電圧ＶＤが上昇すれば効率も向上するため、ｖＣＣが
常に最大効率駆動電圧となる。

しかし、第７図に示すような場合には、駆動電圧ＶＤは
、負荷トルクに応じて変化するため、駆動電圧ＶＤを上
げても効率の向上にはならない。

このような場合には、トルクの変動に応じて最大効率駆
動電圧ＶＸと、デユーティ比をダイナミックに変化させ
ることが必要であるが、この実施例によれば最大効率駆
動電圧ＶＸとデユーティ比を適切に制御できるので、第
６図、第７図いずれの場合にあっても超音波モータ１を
常に最大効率で駆動でき、また省電力化できる。そして
超音波モータ１の発熱を最小限に抑えられる。

尚、この実施例では、駆動周波数ｆｏを一定とし最大効
率駆動電圧ｖｘを変化させる例について説明しているが
、これに限定されるものではなく、たとえば最大効率駆
動電圧ＶＸを一定とし駆動周波数ｆｏを変化させるよう
にしても良い。

〔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、通電時間を（ｔ
ｎ／１ｏ）−（Ｎ／Ｎｘ）で定まるデユーティ比によっ
て制御しているので、超音波モータを常に最大効率で駆
動できるという効果がある。また超音波モータは、電流
が駆動時間中しか流れず、また電流値も（Ｎ／Ｎｘ）に
減少するため、省電力化できるという効果がある。更に
上述の効果により、超音波モータの発熱を最小限に抑え
ることが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
図は超音波モータの特性図、第３図は通電時間と休止時
間の状態を示す路線図、第４図は超音波モータの特性図
、第５図は負荷トルクと最大効率駆動電圧の関係を示す
特性図、第６図及び第７図は効率とトルクの関係を示す
特性図、第８図は超音波モータを示す分解斜視図、第９
図は超音波モータの概略断面図、第１０図は夫々圧電体
の構成を説明する斜視図、第１１図は一般的なモータの
特性図である。 図面に於ける主要な符号の説明 １：超音波モータ、　　２：ステータ、３．４：圧電体
、　６：ロータ、 １１．１２：圧電素子、　５０：抵抗、５６：デユーテ
ィ設定回路、　　ＩＯ：駆動電流。 代理人　　　弁理士　杉　浦　正　知 ２　］ 区 萌岬１く右ミ七ト ≦；巾ｏＬ！：ｌ Ｏ ポロ 中 製機

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、この撓み振
   動から生ずる進行波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於いて、上記圧電素子を介して流
   れる電流を検出する手段と、 通電時間を、（ｔｎ／ｔｏ）＝（Ｎ／Ｎｘ）で定まるデ
   ューテイ比によって制御する手段と、を備えたことを特
   徴とする超音波モータの駆動回路。 （但し、ｔｎ：通電時間、ｔｏ：通電時間と休止時間の
   合計時間、Ｎ：設定回転数、Ｎｘ：或る負荷トルクに於
   いて効率が最大となる駆動電圧の下での回転数。）