JPH03190576A - 超音波モータ装置 - 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１ 本発明は圧電素子を利用した超音波モータの駆動回路に
関するものである。 〔発明の概要〕 本発明は、圧電素子に流れる消費電流が前記振動体の共
振周波数近傍で最大となることをとらえて、超音波モー
タを安定に効率よく動かし、しかも、外部からの衝撃等
で、前記共振周波数が急激な変動をしても、安定に駆動
を行なわせるためのものである。 〔従来の技術Ｊ 超音波モータは圧電素子に周波電圧を印加し。 弾性体を振動させ信号波を励起し、圧接する移動体を摩
擦駆動せしめるものであるが、圧電素子に印加する周波
電圧の周波数は、振動体（弾性体十圧電素子）の機械的
共振周波数（１ｍ　）で振幅が最大となり、このｆｌｌ
又は、これに近い周波数でなければならない、ｆ７又は
その近傍の周波電圧を圧電素子に印加することにより、
初めて移動体を駆動するだけの駆動力が得られる。ｆｌ
ｌは、環境温度や、周波電圧の大きさによっても変化し
。 超音波モータを安定に駆動するための装置として、特願
昭６３−２７１３８７号の超音波モータ装置として、本
出願人により、提案されている。 〔発明が解決しようとする課題］ 特願昭６３−２７１３８７号の超音波モーフ装置は、圧
電素子に流れる電流がｆ８近傍で最大になることを利用
して、前記電流を電圧に変換するモニタ抵抗と、前記抵
抗で電流により発生する電圧信号を整流増幅してＶＣＯ
制御電圧として入力し、消費電流の増減を帰還させて、
ＶＣＯの出力周波数が常に超音波モータのｆｌｌ近傍に
なるようにしたものである。この装置は、環境温度や印
加信号の大きさの変動によるｆ、ｌの変化や消費電流の
変化には、ＶＣＯの周波数が追従できるようになってお
り、負荷変動の少ない、据置型の超音波モーフの駆動に
適している。しかし、例えば、超音波モータを落下した
場合の急激な衝撃が加わった場合のｆいや電流の変化に
は追従できず、場合によっては、ＶＣＯの出力周波数が
ｆｌｌと大きくずれたところで安定してしまい、超音波
モータが止まってしまうことがある。つまり、超音波モ
ーフを腕時計などの携帯機器に組み込み、落下などの衝
撃を受けた場合に、超音波モータが止まりっばなしにな
る可能性がある。 ［課題を解決するための手段］ 上記の課題を解決するために、本発明においては、超音
波モーフの圧電素子に流れる電流が。 ｆＲ近傍で最大となることを利用し、超音波モータの消
費電流を電圧に変換するモニタ抵抗と、前記抵抗で電流
により発生する電圧信号を整流増幅して、ＶＣＯに制御
電圧として入力し、消費電流の増減を帰還させＶＣＯの
出力周波数をｆ。近傍にすると同時に、前記整流増幅さ
れた交流信号を直流信号に変換する平滑手段を設け、こ
の平滑手段の出力信号と、前記整流増幅の基準電圧との
差が、超音波モータの消費電流に比例して変化すること
に着眼し、前記平滑手段の出力電圧と前記基準電位の差
を比較して、ＶＣＯの出力周波数がｆ７近傍であるか、
ｆ、ｌよりずれてしまったかを検出し、ｆｏよりずれて
しまった場合には、再び、ＶＣＯの出力周波数をｆ２近
傍になるようにしたものである。 ［作用］ 上記のような構成によれば、衝撃等で、ＶＣＯの出力周
波数がｆｌｌよりずれてしまっても、再び、ＶＣＯの出
力周波数をｆ宍近傍にすることが可能となり、超音波モ
ータは停止したままとはならない。 〔実施例） 以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお
１本発明において駆動源とした圧電素子を用いた超音波
モータについての駆動原理を説明する。第１２図は進行
波方式の超音波モータにおける進行波発生の原理の一例
を示した図である。 １７１は圧電素子で１図示するように幅すにて等間隔分
極されており、隣どうしの分極方向は互いに逆方向とな
っている。各圧電素子には銀などの導電材料を蒸着、メ
ツキ等の手法によりｉ７２に示す電極が形成されており
、それらが１７３．１７４の信号線で結線されることに
より、それぞれ異なる信号源で駆動される。また信号線
１７３゜１７４でそれぞれ結線された電極群の間には幅
Ｃなる部分を設ける。従ってＣをはさむ電極の中心間距
離なａとする。この際、幅Ｃなる部分は分極の有無なら
びに電極の有無はどちらでも構わないこととする０以上
図および信号をもとに以下に進行波発生のメカニズムに
ついて説明する０図中■の圧電素子部分の中点を基準に
考えると進行波と後退波（進行波と波の進む方向が逆）
からなる屈曲振動波は次の様に表せる。 Ａｓ１ｎ　　（ωｔ−Ｋｘ）　　＋Ａｓ１ｎ　　（ωｔ
＋Ｋｘ）・・・（１）式 ここで（１）式はいわゆる定在波を示していることにな
る。これに対して■に示す圧電素子による屈曲振動波は
次の様に表せる。 Ｂ　ｓｉｎ　　（ωｔ　＋　Ｋ　（ｘ　＋　ａ　）＋ψ
）＋Ｂｓ１ｎ　（ωｔ−Ｋ　（ｘ＋ａ）＋ψ）・（２）
式％式％ ：１ ψ：■に対する位相差角 （２）式において、 とおくと、　（２）式は次のように表される。 Ｂ　ｓｉｎ　　　（（ＩＪ　　ｔ　−Ｋ　　ｘ　＋　　
ａ　ｎ　）　　＋Ｂｓ１ｎ　（ωｔ＋Ｋｘ＋β７Ｃ）　
　　＝（４）式従って、■、■より励振される屈曲振動
波は、（１）式と（４）式を加え合わせたものになる。 ここで、進行波だけが存在するための条件を（４）式の
展開式から考えるとαが１／２の偶数倍、βが１／２の
奇数倍の場合であることがわかる。 ここで（３）式よりａとψについてαとβの式で表すと
次のようになる。 すなわち、（α、β）＝　（０，１）、（２゜ってそれ
ぞれのａ、ψを同時に満足するときに進行波が存在する
ことになる。−例を挙げると、（１）式＋（２）式は次
のようになる。 Ａｓ１ｎ　　（ωｔ−Ｋｘ）　＋Ａｓ１ｎ　　（ωｔ−
Ｋｘ）　＋Ｂｓ１ｎ　　（ωｔ−Ｋｘ）　＋Ｂｓ１ｎ　
　（ωｔ＋Ｋｘ）・・・（６）式 ここで駆動回路より出される両者の信号の振幅ＡとＢが
Ａ＝Ｂならば、（６）式は２Ａｓｉｎ　　（（Ｌｌｔ−
Ｋｘ）となり進行波成分のみが残ることがわかる。また
、逆転駆動させるためには後退波のみを残せば良いわけ
であるから、（５）式におけるαとβを逆にしてαが１
／２の奇数倍、βが１／２の偶数倍になるようにすれば
良い、実際上は■を基準にして考えると、■に加＾られ
る信号の位相な正転駆動させる時に比べて１８０°ずら
してやればよいことになる。 第１３図は超音波モータが進行波によって回転する原理
を示す図である０図で１８１は固定子、すなわち振動体
で、第１２図に示した原理で進行波が生じると表面部の
１点は左方向へ楕円軌跡を描くために、１８２の移動体
部は進行波の進行方向とは逆方向に進むわけである０以
上は日経メカニカル（１９８５，９，２３）などに掲載
されており振動体部の表面上の点が楕円軌跡になる詳細
な説明も同文献に記されているのでここでは割愛するこ
とにする。 第１図に本発明の代表的な実施例を示す、第１図で記号
１は、超音波モータで、圧電素子を代表させて示しであ
る。圧電素子１の共通電極は、抵抗２を通じて接地され
ている。昇圧手段９により圧電素子１に周波電圧が印加
されると、電流は抵抗２を通って流れることになる。抵
抗２に電流が流れるとその両端に電圧差が生じる。 この時の電圧差は、電流なｉとすれば、ｉ・Ｒカになる
。抵抗２で電流ｉに応じた電圧信号が得られ、この信号
をカップリングコンデンサ３を通して整流増幅手段５に
入力され、整流増幅される整流増幅手段の一例を第２図
に示す、また、第２図の回路で整流増幅された波形Ｖ１
を第７図の（ｉ）に示す、整流増幅のときの基準電圧Ｖ
　ｒ　ｅ　ｔは基準電圧生成手段４により入力される。 整流増幅手段５の出力Ｖ１は、周波数制御電圧としてＶ
ＣＯ６に入力される。■、は交流信号であるが、ＶＣＯ
６の平均出力周波数は、はぼＶ、の平均電圧Ｖ′、が入
力された場合に相当する周波数になる。ＶＣＯ６の出力
ｆ　６１１ｔを分周するのが分周手段７で、この出力を
受けて、基準信号と基準信号に対して、１／４周期進め
るか遅らすかした信号を生成するのが、位相分配手段８
である。前述した、ｖｃｏｓと分周手段７、位相分配手
段８の回路を第４図に示す。 位相分配手段８の２つの信号ＣＫＩとＣＫ２を受けて、
前記圧電素子ｌに電圧昇圧して印加するのが、昇圧手段
９でその例を第５図に示す。 第６図はＶＣＯ６の印加電圧と分周後の出力周波数の関
係を示すグラフであるが、グラフ中には、１音波モータ
の共振周波数ｆｌｌとそのときのＶＣＯの印加電圧ｖＲ
１又、基準電位生成手段４で設定された基準電位Ｖｏを
も示しである。 このグラフの関係式を便宜的に ＣＫ１＝ａＶ、　十ｂ　（Ｈｚ）　　　　　−（１）式
＜ａ＝傾き係数、ｂ＝　（Ｖ、＝ＯＶのときの周波数）
〉と表す。 超音波モータの電流波形は、交流信号であり、これを整
流増幅した電圧信号Ｖ、も、第７図の（ｉ）に示すごと
く交流信号である。この■、をＶＣＯに直接入力すると
、（ｉｉ）のようにＶ。 の値に合った周波数の信号を出力する。これをイ分周し
たのが（ｉ　ｉ　ｉ）に示す波形で、これを更に分周し
たのが（ｉ　ｖ）に示す信号ＣＫＩ　　（ＣＫ２）であ
る。 ＶＣＯ６のＶ−Ｆ特性が一次式で表されるとすれば、Ｃ
ＫＩ　（ＣＫ２）（７）周波数は、■、を平滑した電圧
Ｖ′、を印加しても、■、を交流のまま印加した場合と
ほぼ同じになる。 つまり、（１）式はＶ、の平滑電圧をＶ′、とじた場合
、次のようにも表すことができる。 ＣＫ　ｌ　＝ａＶ’　、　＋ｂ　　　　　−（２）式次
にＶ、は超音波モータの消費電流により、その振幅は変
化し、その平滑電圧ｖ′、は次式で表すことができる。 Ｖ′、　＝Ｖ、、、　−Ｉ　−Ｒ，・Ａ　・−（３）式
ここでＩ＝超音波モータの消費電流 Ｒ，＝電流モニタ抵抗２の抵抗値 Ａ＝整流増幅手段５の増幅度 （３）式を（２）式に代入して ＣＫｌ＝ａ　ＣＶｔ＊ｔ−ｌ−Ｒ１１・Ａ）＋ｂ・・・
（４）式 ％式％ Ｉ−Ｒ，・Ａが、消費電流工の増減による帰還環である
。第３図で、Ｒｅａｓｔ信号が１か６０に変わったとき
、Ｖ　ｔ　＠　ｔはＯｖからＣＲの時定数をもってＶｏ
まで徐々に上昇してい＜−（Ｖ−ｔの変化を第９図に示
す、）それに従いＶＣＯのＣＫＩも徐々に周波数が下が
っていき、共振周波数ｆ１．ｌに近づき、超音波モータ
の圧電素子に流れる電流Ｉも増えてい＜、Ｉが増えると
、（４）式より、ＣＫＩ　（ＣＫ２）の低下は鈍ること
になる。ここで、電流Ｉの最大値を工３．８としたとき
１次の（５）式の関係が満たされれば、ＣＫＩ　（ＣＫ
２）は、共振周波数ｆ、より少し高めの周波数で安定す
ることになる。 ｖ　＊　−ｖ　−−ｔ　　ｌ≦Ｉ１．□　・Ｒ１・Ａ１
・・・（５）式 ％式％ Ｉ　１．、、　・Ｒ，−ＡＩを超えなイヨウニ、ｖｌｌ
より高く設定すれば、ＶＣＯの出力周波数の分周後の周
波数ＣＫＩ　（ＣＫ２）は、超音波モータの共振周波数
近傍で安定することになる。 超音波モータが、何の衝撃も受けず安定的に駆動してい
た場合には、■１．．は変化しない、ところが衝撃が加
わり、移動体の加圧力が急激に増加した場合には、圧電
素子への電流の流入は妨げられ、Ｉ　＋ｓａｌが小さく
なってしまう、この関係を第９図に示す＊Ｉ＠ａｍが衝
撃等で変動すれば、（５）式に示す条件が満たされなく
なる場合が生じ、下に示すような関係になる場合があり
得る。 ＶＷ−ｔ　−’Ｖ、＋　＞　Ｔ−−−・Ｒ−・ＡＶ、ｒ
　−Ｉ　、−・Ｒ−・Ａ＞Ｖ＊　　・”　（６）式トナ
リ、Ｖｃｏへの印加電圧（Ｖｒｓｔ　−１ｍａｎＲｌ・
Ａ）が■７より高くなり、ＣＫＩの周波数はｆ、より小
さくなる。ＣＫ１がｆえより小さくなると、第８図に示
すように、電流Ｉは急激に小さくなり、（４）式の電流
の帰還環Ｉ−Ｒ，・Ａ項が小さくなり、ＶＣＯへの印加
電圧は、Ｖ　ｒ　ｓ　ｔにより近づき、ＣＫＩの周波数
もｆ＋ｔから大きくずれて安定することになる。第３図
にＶｒ＠ｆ”−Ｉ−Ｒ，・ｆの変化の様子を示す、また
、衝撃がなくなり、負荷が除かれ、圧電素子の周波数−
電流特性が元に戻っても、−度（６）式のような状態に
なると、ＶＣＯの出力周波数ＣＫＩは、電流Ｉの帰還が
かからないため、ｆ７からずれたままとなる。 衝撃力が排除されたときに、再び、電流■の帰還を得る
ためには前に述べた様に、Ｖ　ｒｏｔをＯｖから徐々に
ｖｏまで上昇させてやれば、電流Ｉの帰還によりＣＫＩ
はｆ７近傍の少し高めの周波数で安定することになる１
以上の動作を図を用いて説明する。 第２図で、１１は圧電素子の電流を電圧に変換した電圧
信号ｖＩ＊を整流増幅手段５で整流増幅した出力信号Ｖ
、を直流信号ｖ′、に変換する平滑手段である。１３は
、Ｖ　ｒａｔの最終到達電圧であるｖｏから第２の基準
電圧Ｖ　ｃｏｍ、を生成する第２の基準電圧生成手段で
ある。１２は、前記Ｖ′。 とＶ　ｃａｍｐの電圧を比較して、Ｖ′、がＶ　ｅｅｓ
＋＋よりも大きい場合に、コンデンサ４０４の電荷を放
電せしめるために充分な時間トランジスタ４０５をＯＮ
せしめるための信号Ｒ＊５ｓｔ２を出力する比較手段で
ある。第３図に示すようにｖ′、がＶ　ｃｏ、ｅよりも
小さい場合には、電流のＩの帰還がかかり、ＣＫＩはｆ
７近傍で安定し、超音波モータは駆動する。しかし、ｖ
′、がＶ、。１．より大きいときには、超音波モータは
駆動できないというのがわかる。 第１０図は本発明の動作を示すタイミングチャートで、
衝撃印加等で、Ｖ、、ｆ−Ｉ−Ｒ，−Ａ＞Ｖｌｌとなっ
てしまった場合の検出は、Ｖ′１がＶ　ｃｏ＋＋＋ｐを
超えたかどうかで可能である０図のように、衝撃印加で
ｖ′、がｖ６゜、、を超えたときには、Ｒｅａｓｔ信号
が出力され、■７．．は、再度ＯＶからｖｏへ徐々に上
昇し、電流Ｉの帰還が働く。 衝撃が排除されて圧電素子の電流特性が元に戻っていれ
ば、超音波モータは再度駆動されることになる。

【発明の効果】

本発明によれば、超音波モータを駆動する場合、Ｎ下な
どによる急激な負荷変動により、超音波モータの周波数
−電流特性が変化して、ＶＣＯの出力周波数がｆｌｌか
らずれても、再度ｆ、の追従動作が行なわれ、超音波モ
ータが停止のままとはならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の代表的な実施例を示す機能ブロック図
、第２図は本発明の主要部分を示す回路図、第３図はＲ
ｅａｓｔ解除後の基準電圧Ｖ１．．とｖ′、の変化を示
すタイミングチャート図、第４図は負の傾きを持つＶＣ
Ｏの一例を示す回路図、第５図は昇圧手段の一例を示す
回路図、第６図は第４図に示したＶＣＯの電圧と周波数
の関係を示す図、第７図は半波増幅手段５の出力ｖ、、
と。 Ｖ、（７）平滑電圧Ｖ′、と、前記Ｖ、がｖ　ｃ　ｏ　
ｇ＝大入力れたときのＶＣＯの出力波形を示すタイミン
グチャート図、第８図は超音波モータの駆動周波数と消
費電流、移動体の回転数の関係を示す図。 第９図は移動体の圧接力と超音波モータのＩ　ｗａｘの
関係を示す図、第１０図は本発明によるＶ　ｒａｔ　＊
　Ｖ’　ａ等の動作を示すタイミングチャート図である
。第１１図は第２図のワンショットマルチバイブレーク
１２０２の一例を示す回路図、第１２図は進行波発生の
原理図の一例を示す図、第１３図は進行性超音波モータ
の回転原理図の一例を示す図である。 ｌ・・・・・・・圧電素子 ２・・・・・・・超音波モータの消費電流のモニタ抵抗 ３・・・・・・・カップリングコンデンサ９０１．９０
２・・・昇圧コイル ９０３．９０４・・・スイッチングトランジスタ以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　弾性体に圧電素子が貼られた振動体の圧電素子に周波
   電圧を印加することにより、弾性体の表面に進行波を励
   起し、前記進行波によって弾性体に圧接される移動体を
   駆動せしめる超音波モータにおいて、前記圧電素子に流
   れる電流を電圧に変換してモニターするための抵抗と、
   前記抵抗の両端の電圧信号を整流増幅する整流増幅手段
   と、整流増幅の基準電圧を生成する基準電圧生成手段と
   、制御電圧に応じた周波信号を発生する電圧制御型発振
   手段（ＶＣＯ）と、前記ＶＣＯの出力信号を分周する分
   周手段と、前記分周手段の信号を受けて、信号の位相を
   １／４周期だけ進めるか、遅らせることができる移相分
   配手段と、前記移相分配手段の２つの信号を受けて、そ
   の信号を増幅して、前記圧電素子に印加する昇圧手段と
   、前記整流増幅手段の交流信号と平滑するための平滑手
   段と、前記基準電圧生成手段の生成する基準電圧から、
   第二の基準電圧を生成する第二の基準電圧生成手段と、
   前記平滑手段と第二の基準電圧生成手段の２つの信号を
   比較して、その大小関係により、前記基準電圧生成手段
   に制御信号を出力する比較手段からなることを特徴とす
   る超音波モータ装置。