JPH0297285A - 超音波モータ駆動装置 - 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 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、圧電セラミンク等を用いて、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シ、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６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、４６°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９００ずらしてはシあわせ、圧電体２１
と圧電体２２の各々に時間的に位相の９００異なる数１
ｏ　ｋＨｚ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−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。

３　ベー／ 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、ビヌである
。

第６図は、振動体２３のＡ点が進行波に依って、長袖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
より小さく々る。

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ＭＧｏ　と圧電効果に寄
与するり、Ｃ，、Ｒとの並列に結合したものと考えられ
、ｃｏに流れる電流は電気腕電流と呼ばれ、Ｌ、Ｃ，、
Ｈ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
ラヌ演算子５＝ｊ２πｆ） Ｙ（Ｓ）−（Ｓ／Ｌ）／（Ｓ２＋（Ｒ／Ｌ）ｓ十（１／
ＬＣ１）） （１）式において共振周波数は１／（２π−ＪＬＣｌ　
）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、
Ｃ，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の積で決まシ、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７は一定であシ一定電圧５　ヘ一／ 定周波数であれば、機械腕電流は、一定である。

発明が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シ、温度変化によって電気的イン
ビーダンヌが変動する。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
動するだめ固定容量の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
、」二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
。

６　ヘ一／ 課題を解決するだめの手段 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
の電気腕容量と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、＠配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−７　＼ 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＠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、超音波モーフ装
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、駆動型１王の周波数を変化させる方法や駆動
型ｑ二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−１、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
丁重体９と抵抗素子５とを直列接続し、可変容量コンデ
ンサ−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Ｃ６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−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γ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
ることによシ、電気腕電流コ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りと比較する。

前記機械腕電流振幅ｇが＠記機械腕電流設定値りより低
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りと等しくなるように周波数
制御信号上を出力し、前記機械腕電流振幅ｇが前記機械
腕電流振幅設定値りより大きいときには、駆動周波数＆
を高くして、機械腕電流振幅ｇが機械腕電流振幅設定値
り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１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
交流信号すと交流信号Ｃを出力する。電力増幅器３．４
は交流信号すと交流信号Ｃを各々増幅し、電極部７．圧
電体及び電極部８．圧電体９９　ヘ一／ 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フの電気腕容■
の温度特性の実験値である。温度が２０°Ｃの時と比較
した増減率を示す。超音波モータの温度が９０’Ｃのと
きには、電気腕容量は２０’Ｃ時に比べ約４４％増加し
、−４０°Ｃ時には約２０％減少する。この結果、電気
腕電流を検出するだめのコンデンサー容量が２０°Ｃ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°Ｃ以上では過小
に、２０°Ｃ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°Ｃ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、はぼ比
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Ｏ
Ｅ圧電体の温度を検出し、あらかじめ１０　へ−７ 求めておいた第３図のデータによシ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Ｃ８が変化しても、前記のように容量決定
装置１６は、温度検出器１６によシ圧電体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
電流設定値り等しくなるように周波数制御信号１を出力
する。

電圧制御周波数発振器１は、周波数制御信−８１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
印加し超音波モーフを駆動する。

１１　ヘージ 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だ回転数で回転する。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ヌが変化しても、前述のように周
波数自動追尾がかか９、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［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りに制御でき
、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
値りを変えることによシ、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、円板型超音波モーフを用いて
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１３　ベーン 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。

まだ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太きい。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１　４　、、−＞ 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、９．１
０・・・・・・超音波モーフの圧電体、１１・・・・・
・可変容量コンデンサ、１２・・・・・・機械腕電流検
出器、１３・・・・・・振幅検出器、１４・・・・・・
差動増幅器、１６・・・・・・容量決定装置、１６・・
・・・・温度検出器。 代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名！ｔ ＠擬都 憾

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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。