JPH0322871A - 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】 ［発明の目的］ （産業−１−の利用分野） 本発明は超音波モータ駆動装置に関し、特に温度変化等
が生じた場合であっても、適切に超音波モータを保護す
るようにした超音波モータ駆動装置に関するものである
。

（従来の技術） 近年、超音波振動により駆動力を得る、いわゆる超音波
モータが秤々開発され実用化されるに到っている。

この超音波モータは従来のモータに比べ部品点数が少な
く簡易な構成であり、低速回転域で安定した高いトルク
を発生し、応答性及び保持トルクが高いなどの種々の利
点を有する。

このような超音波モータを駆動するための従来の駆動装
置としては！ｌｆｓ１２図に示すようなものが知られて
いる。

弾性体である固定子１０１の表面１二には圧電体として
複数に分極された区分Ａと区分Ｂの電爪素子が接着剤に
より固着されている。これらの区分Ａと区分Ｂとのそれ
ぞれの電歪素子は互いに位相が９０’異なるように配置
されている。また区分Ａと区分Ｂのそれぞれの電歪素子
」二には電極１０１ａ，１０ｌｂが設けられている。こ
の電極１０１ａ、１０ｌｂには互いに位相が９０″異な
る駆動電源が与えられる。また、電極１０１Ｃは、電歪
素子」二の振動波の振動状態を検出するためのモータ用
の電極である。

２極双投スイッチで成る起動スイッチＳＷ＋−＋，Ｓ　
Ｗ　１−　２を開放状態に設定すると、パルス発振器１
０８はコンデンサＣ３と可変抵抗Ｒ３によって定まる所
定の発振周波数で発振する。

次に起動スイッチＳ　Ｗ　＋　−　＋を閉じると、リン
グカウンタ１０っは起動スイッチＳ　Ｗ　，　−　，を
介してパルス発振器１０８からのパルス信号を人力し、
このパルス信号から相互に位相の異なるパルス信号φ１
．φ２，φ３，φ４を生成してスイッチング素子１１０
へ出力する。スイッチング素子１１０はトランス１１１
と接続されており、パルス信号φ１とφ３とによって正
弦波が生戊され、この正弦波が電極１０１ａへ与えられ
る。またパルス信号φ２，φ４とによって余弦波が生成
され重極１０１ｂへ与えられる。これにより固定子１０
１が励振され、進行性の振動波が発生して図示しない回
転子を回転させるようになっている。

コントロール回路１１２はモニタ用の電極１０１ｃから
の検出電圧と所定の基準電圧とを比較し、双方の差電圧
に応じてパルス発振器１０８の発振周波数を制御する。

このパルス発振器１０８の発振周波数を制御することに
より、電極１０１ａと１０１ｂへ印加される駆動電源の
位相を９０゜異ならせるようにしている。

以−Ｌの如く電極１０１ａと１０１ｂへ印加される駆動
電源の位相差が９０°に設定されると共に、この駆動電
源の駆動周波数が超音波モータの共振周波数よりもわず
かに高い値に設定されると超音波モータは回転駆動状態
を保持する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら第１２図に示した従来例（，ｔ、。電極１
０１ａへ印加される周波電圧の位相と、市極１０１ｃか
らの検出電圧の位相が９０゜異なるように制御され、ま
た電極１０１ａ”−印加さ才］る］１′４波電圧の駆動
周波数が超音波モータの共振周波数の近傍の値に設定さ
れており、環境温度の変化等によってはこの設定された
駆動周波数が変動する場合が生じる。また環境温度が７
０℃以上又は超音波モータの表面温度が８０℃以上に達
すると、弾性体と圧電素子を接着する接着剤が軟化し、
圧電素子の振動が弾性体へ伝わりにくくなる。例えば周
波電圧として最大振幅と最小振幅とのあいだの電圧、す
なわち振幅電圧３００Ｖを電極１０１ａ，１０ｌｂへ印
加すると、環境温度７０℃以下では電横１　０　１　ｃ
から得れらる振輪電圧が１００Ｖである場合に、環境温
度が８０℃に達すると電極１０１ｃから得られる振幅電
圧が６０Ｖに低下する。更に環境温度が」二昇して８４
℃に達すると電極１０１ｃから得られる振幅電極が２０
Ｖに低下する。このように環境温度が上昇すると電歪素
子の電気的インピーダンスが小さくなり、電市素子へ過
大な電極が流れ込み、この電Ｊ′！素子が焼損してしま
う場合が生じる。

本発明は上記課題を鑑みてなされたもので、環境温度が
」二昇した場合であっても、確実に電歪素子の焼損を防
止し得る超音波モータ駆動装置を提供することを１」的
とする。

上記目的を達戊するための本発四が提供する手段は、第
１図に示すように弾性体と貼り合わされて一体に構戊さ
れる圧電体に所定の周波数の電住を印加して弾性体に超
音波振動を発生せし，める電源供給千段２と、前記圧電
体に流れる電流を検出する検出手段４と、この検出手段
４で検出される前記圧電体に流れる電流値が所定の値と
なるように前記電源供給手段２によって印加される駆動
周波数を制御する制御千段６とを有して構成した。

（作用） 本発明の超音波モータ駆動装置は、圧電体に電源供給千
段２からの所定の周波数の電斤を印加して該ｎ［重体に
超音波振動を発生せしめ、この汗電体に発生した超音波
振動を当該斤電体と貼り合わされて一体に構成される弾
性体で増幅して駆動力を得るようにしている。また検出
千段４をｈしており、この検出千段４を用いて前記圧電
体に流れる電流を検出し、この検出信号から前記圧電体
に流れる電流値が所定の値となるように制御千段６が前
記電源供給手段２によって印加される駆動周波数を制御
するようにした。

（実施例） 以下図面を参照して本発明に係る一実施例を詳細に説明
する。

まず、第２図乃至第４図を参照して構成を説明する。

第４図に示す如く超音波モータは回転子であるロータ１
０に対して弾性体である固定子１が接触状態に配置され
ており、弾性体に生じた進行性振動波によってロータ１
０を回転させるようにしている。また弾性体である固定
子１の表面には圧電体として分極処理された複数の電市
素子が接着剤により固着されている。これらの複数の電
龍素子は区分Ａと区分Ｂとでなる２群の電歪素子を形戊
し、区分Ａと区分Ｂとの電歪素了は位相が９０゜異なる
ように配置されいる。

また第３図に示すように区分Ａの電歪素了には電極１ａ
が設けられるとともに、他方の区分Ｂの電東素子には電
極１ｂが設けられている。これらの電極１ａと電極１ｂ
には互いに位相が９０°異なる駆動電源が与えられるよ
うになっている。例えば電極１ａに対して正弦波形で戒
る駆動周波数の周波電圧が与えられるとともに、電極１
ｂに対しては余弦波形で成る駆動周波数の周波電圧が与
えられる。また電極ＩＣは、前述した電極１　ａ　ｚ１
ｂとは絶縁された電歪素子１二に配置され、この電歪素
子の振動状態に応じた検出信号を出力する。

また電ＩＩＶ！１ｄは電極１ａ、１ｂおよびＩＣに対す
る共通の電極である。

次に第２図を参照するにマイクロコンピュータ３はＡ／
Ｄ変換器２９と接続されるとともに、Ｄ／Ａ変換器５と
接続されており、Ａ／Ｄ変換器２９からの出力データを
読み取るとともに、この読み取った値に応じて超音波モ
ータの駆動周波数を決定し、この決定した駆動周波数に
関するデータをＤ／Ａ変換器５へ出力する。従ってマイ
クロコンピュータ３からの出力データに基づいて超音波
モー夕の駆動周波数が決定されるようになっている。

またマイクロコンピュータ３は超音波モータの起動開始
時においては、予め設定された可変範囲内の駆動周波数
の値のうち、駆動周波数が−１二眼の値となるようなデ
ータを出力する。

Ｄ／Ａ変換器５は電圧制御発振器（ＶＣＯ）７と接続さ
れており、マイクロコンピュータ３から人力したディジ
タル信号のデータをアナログ信号のデータへ変換し、て
電圧制御発振器７へ出力する。

電圧制御発振器７は人力した信″−Ｊ電圧に応じて発振
周波数を変化させるものであり、この変化し得る発振周
波数の値は超音波モータの最適な駆動周波数を設定し得
る所定の範囲内の値に制限されている。また電圧制御発
振器７は超音波モータの最適な駆動状態においては、例
えば１．２８ＭＨｚの発振周波数の矩形パルスを出力す
るようになっている。

分周器９は電圧制御発振器７と接続されるとともに、増
幅器１１およびコイル１３を介して電桶１ａと接続され
ている。分周器９は電圧制御発振器７から出力される矩
形パルスの周波数を１／３２に分周して出力する。この
分周器９によって分周されたパルス信号は増幅器１１に
よって増幅された後にコイルｌ３を介して電極１ａへ印
加される。

シフトレジスタ１５のクロック人力端子Ｖは電圧制御発
振器７と接続されるとともに、データ人力端子Ｄが分周
器９の出力端子と接続されている。

またシフトレジスタ１５の出力端子Ｑ８が増幅器１７、
眠抗１８およびコイル１９を介して電極１ｂと接続され
ている。このシフトレジスタ１５はデータ入力端子Ｄか
ら人力したパルス信号、すなわち分周器９によって分周
されたパルス信号の１１′ｒ−相を９０°だけ遅延させ
て出力端子Ｑ８から出力する。このシフトレジスタ１５
からのパノレスｆ言号は増幅器１７によって増幅された
後に抵抗１８及びコイルｌ９を介して電極１ｂへ印加さ
れる。従って、７１ｂｉｌａへ印加される周波電圧の位
相とは９０°だけ異なる位相の周波電圧が電極１ｂへ印
加されるようになっている６ 増幅器１７とコイル１つとの間に接続された抵抗１８は
、電歪素子へ流れる電流を検出するための検出抵抗であ
り、この抵抗１８の両端が差動増幅器２１と接続されて
いる。従って電歪素子へ流れる電流に相応する電圧が差
動増幅器２１へ与えられる。

バンドパスフィルタ（Ｂ，Ｐ．Ｆ）２５は差動増幅器２
１と接続されるとともに、整流器２７と接続されている
。このバンドパスフィルタ２５は差動増幅器２１からの
出力信号のうち基本波成分、すなわち電歪素子へ印加さ
れる周波電圧の周波数と対応する信号成分のみを抽出し
て整流器２７へ出力する。

整流器２７はＡ／Ｄ変換器２９を介してマイクロコンピ
ュータ３と接続されている。整流器２７はバンドパスフ
ィルタ２５からの出力信号を整流して直流電圧に変換す
る。Ａ／Ｄ変換器２９は整流器２７からのアナログ量で
戊る電圧信号をディジタル信号に変換してマイクロコン
ピュータ３へ出力する。マイクロコンビュ・一タ３はＡ
／Ｄ変換器２９から人力した信号を解読して、電歪素子
へ流れる電流値ｔｄを判別し、この電流値１ｄが予め設
定し７た基準値１０と等しくなるように駆動周波数を制
御する。

ここで基準値■０は電歪素子へ電流を流したときに、こ
の電歪素子が破損などの異常とならない程度の電流値に
設定される。

次に作用を説明する。

第５図に示すステップＳ１では図示しない電源スイッチ
がオン操作されるとマイクロコンピュータ３が動作を開
始して上限値の駆動周波数に関するデータをＤ／Ａ変換
器５を介して電圧制御発振器７へ出力する。これにより
第６図（Ａ）に示すように時刻ｔ１において上限値の駆
動周波数でなる周波電圧が電極１ａへ印加される。また
同時に？［ｈｉｌｂには前述した電極１ａへ印加される
周波電圧の位相とは９０°だけ異なる周波電圧が印加さ
れる。

ここで超音波モータの起動開始時におけるＬ限値の駆動
周波数について第７図を参照して説明する。

第７図は超音波モータヘ印加される周波電圧の周波数を
変化させた場合における超音波モータのインピーダンス
を示したものであり、インピーダンスの値が低くなる第
１の共振周波数ｆ。．と、この第１の共振周波数ｆ。．
を有する共振点の次の共振点となる第２の共振周波数ｆ
。，とが認められる。

ここに超音波モータを駆動するに際して最適な駆動周波
数ｆ１が第１の共振周波数ｆ。，よりもわずかに高く■
つ反共振点の周波数ｆ３より低い値、例えば４０ＫＨｚ
である場合には、この最適な駆動周波数ｆ１より高い値
で■つ第２の共振周波数ｆｏｂよりも低い値の駆動周波
数ｆ，が起動開始時における上限値の駆動周波数として
設定される。

すなわち、使用する共振点の仕様最低温度における共振
周波数から、前記共振点の高周波側の次の共振点の仕様
最高温度における共振周波数までのうち任意の周波数を
起動開始時における−１二限値の駆動周波数として設定
する。仕様最高温度、仕様最低温度とは、例えばこの超
音波・モータの温度仕様が−３０℃〜１００℃とすると
、１００℃を仕様最高温度とし、−３０℃を仕様最低温
度とする。

再び第５図を参照するに、ステップＳ３ではＡ／Ｄ変換
器２９、整流器２７及びバンドパスフィルタ２５を介し
て得られた差動振幅器２１からの信号に基づいて電歪素
子へ流れる電流値１ｄを読み取る。ここで第７図に示す
ように起動開始時において、駆動周波数ｆ５の周波電圧
が超音波モータヘリえらられたとしても、駆動周波数ｆ
，の値が最適な駆動周波数ｆ１よりも大きくがけ離れて
いるため超音波モータは駆動しない。

続いてステップＳ５では、ステップＳ３において読み取
った電流値１ｄと基準値ＩＯとを比較しており、第６図
（ｂ）に示す如く時刻ｈて電流値１ｄが基準値Ｎｏを下
回る場合にはステップＳ９へ進む。ステップＳ９では駆
動周波数の値を前述した上限値の駆動周波数ｆ，より０
．１ＫＨｚだけ低い値に設定する。

続いてステップＳｌｌでは前記ステップｓ９において設
定した新な駆動周波数に関するデータをＤ／Ａ変換器５
へ出力する。これにより電圧制御発振器７は３．　　２
ＫＨｚ　（０、ＩＫＨｚＸ３２）だけ低い発振周波数の
矩形パルスを出力する。この電圧制御発振７から出力さ
れる矩形パルスは分周器９で分周された後に、増幅器１
１およびコイル１３を介して亀極１ａへ印加される。ま
た同様に電圧制御発振器７から出力される矩形パルスは
シフトレジスタ１５によって位相を９０″だけ遅延した
後に増幅器１７およびコイル１９を介して他方の電極１
ｂへ印加される。

ステップ８１１から再びステップＳ３へ戻り、前述した
動作を繰返して実行し、第６図に示す期間ＴＩ３のあい
だ電極１ａおよびｌｂ−．印加される駆動電源の駆動周
波数の値を順次０．ＩＫＨｚずつ下げていく。

以］二の如く電極１ａおよび１ｂへ印加される駆動電源
の駆動周波数を順次下げていくと第６図（Ａ）および（
Ｂ）に示すように、時刻ｔ３において超音波モータが駆
動を開始する。

超音波モータが駆動を開始する時刻ｔ３から時刻ｔ４ま
での期間においては、電流値１ｄが基準値１０以下であ
るから、再びステップｓ３からステップＳｌｌまでの処
理を実行し、更に駆動周波数の値を０，ＩＫＨｚずつ低
下させていく。

このように駆動周波数を周波数ｆ１へ向けて順次下げて
いくことにより、超音波モータはその回転数とトルクが
徐々に増加し、これに応じて電流素子へ流れる電流値ｆ
ｄも基準値ｉｏへ近づいていく。

ここで電極１ａおよび１ｂへ印加される周波電圧の駆動
周波数の値が最適な駆動周波数ｆ１を飛び越えて、さら
に低い値に設定された場合には第６図に示す如く電流値
１ｄが基準値１０を上回ってしまう。このように電流値
！ｄが基準値ＩＯを１回ると、ステップＳ５からステッ
プ８１３へ進み、駆動周波数の値を０．１ＫＨｚだけ増
加させる。

これにより電極１ａおよび１ｂへ印加される周波電圧の
駆動周波数の値が第１の共振周波数ｆ。．の近傍であっ
て、且つこの第１の共振周波数ｆ。．よりもわずかに高
い値、例えば最適な駆動周波数ｆ，として４０ＫＨＺが
設定される。

このように電流値Ｉｄを基準値１０と等しくなるように
駆動周波数を制御することにより、電極１ａおよび１ｂ
へ印加される実際の駆動周波数の値が最適な駆動周波数
ｆ，に設定される次に環境温度が上昇した場合の作用を
説明する。

第８図は周波電圧の駆動周波数に対する電希素子のイン
ピーダンスを示した図であり、ｒｌｈ線ａ，ｂ，ｃは超
音波モータの表面温度（圧電体の温度）がそれぞれ３０
℃，５０℃，８０℃のときの特性鋤線である。第８図に
示す如く超音波モータの表面温度が上昇するに応じてイ
ンビー・ダンスが低下する。また同時に超音波モータの
回転数も低下する。

ここで、第６図に示す時刻ｔ７において超音波モータの
表面温度が８０℃以上に上昇したとすると、電歪素子と
弾性体とを接着している接着剤が軟化し、電歪素子から
の振動が弾性体へ伝わりにくくなり、弾性体における振
動波の振幅も小さくなって、超音波モータの回転数も低
下する。またこのように超音波モータの表面温度が８０
℃以上に上昇すると、第８図に示す如く電歪素子のイン
ピーダンスが低下し、電歪素子へ流れる電流値Ｉｄが増
加する。このため電流値Ｉｄが基準値１ｏを」二回ると
ステップＳ５からステップ３１３へ進み、振動周波数を
０，ＩＫＨｚだけ上昇させる。

これにより電歪素子へ流れる電流値１ｄが小さくなるよ
うに制御されるので電歪素子の焼損を確実に防止するこ
とができる。

また超音波モータの表面温度が通常の使用温度範囲内に
低下した場合には、７ｍ正素子へ流れる電流値１ｄが基
準値１．と等しくなるように制御されるので、超音波モ
ータを最適な駆動周波数ｆ１で正常に駆動させることが
できる。

次に第９図乃至第１１図を参照して本発明に係る他の実
施例を説門する。

本実施例はＡ／Ｄ変換器２つ、整流器２７及びバンドパ
スフィルタ２５を介して得られる差動増幅機２１からの
出力信号に基づいて電歪素子へ流れる電流値Ｉｄが予め
設定した閾値Ｉｓを」二回った場合には、超音波モータ
の表面温度が所定温度以−１二に−１二昇したと゛Ｐｌ
１断して電極１ａ，ｌｂに対する駆動電源の供給を停止
するようにしたことを特徴とする。

第９図においてバンドパスフィルタ３１はモニタ用の電
＋ｉｌｃからの検出信号を人力し、この検出信号のうち
基本波成分、すなわち電歪素子へ印加される周波電圧の
周波数と対応する信号戊分のみを抽出する。整流器３３
はバンドパスフィルタ３１からの出力信号を整流して直
流電圧に変換する。Ａ／Ｄ変換器３５は整流器３３から
のアナログ量で戊る電圧信号をデイジタル信号に変換し
てマイクロコンピュータ３へ出力する。

マイクロコンピュータ３はこのＡ／Ｄ変換器３５からの
信号に応じて駆動周波数の値を制御する。

尚、前述した回路部以外の回路部については第２図に示
した実施例と同様であり、同一番号を付して詳細な説明
を省略する。

次に第１０図を参照して第９図に示した実施例の作用を
説明する。

第１０図は第５図と対応するものであり、同一の制御処
理については同一の番号を付している。

第１０図に示すステップＡ５では電歪素子へ流れる電流
値１ｄと予め設定した閾値Ｉｓとを比較しており、第１
１図に示す如く超音波モータの起動開始時における時刻
ｔｌ！では電流値１ｄが閾値Ｉｓ以下であるのでステッ
プＳ６へ進む。

ステップＳ６ではＡ／Ｄ変換器３５からの人力信号を解
読して電歪素子の振動波の振輻値Ｈｄを読み取る。

続いてステップＳ８では振幅値Ｈｄと予め設定した閾値
Ｈａとを比較しており、振幅値Ｈｄが閾値ＨＯ以下であ
る場合には、ステップＳ９へ進み駆動周波数をＱ，ｌＫ
Ｈｚ低下させる。

以上の如く順次駆動周波数を低下させると、第１１図に
示す時刻ｔ＋３において超音波モータが起動し、以下駆
動周波数を低下する毎にトルク及び回転数が上昇する。

ここで駆動周波数が共振周波数ｆｏａと一致するまで（
ご低下してしまうと、不快音を発生したり、回転数がト
ルクに脈動が生じるので、このような状態に達する前に
振幅値Ｈｄが閾値ＨＯを上回るようになっている。この
ように振幅値Ｈｄが閾値ＨＯを上回るとステップＳ８か
らステップ８１３へ進み駆動周波数を０．１ＫＨｚだけ
上昇させる。

以−１二のように、振幅値Ｈｄが基準値である閾値｝Ｎ
ｏと等しくなるように、駆動周波数を制御することによ
り、最終的に共振周波数ｆ　ａｓと反共振点の周波数ｆ
３とのあいだの最適な駆動周波数ｆ１に設定される。

次に超音波モータの表面温度が所定温度以１ユに」二昇
した場合の作用を説門する。

第１１図に示す時刻ｔ　＋５において超音波モータの表
面温度が例えば８０℃以」二に」二昇したとすると、電
歪素子へ流れる電流値１ｄが増大する。この電流値Ｉｄ
が閾値Ｉｓを上回ると、ステップＳ５からステップＳ１
４へ進み、電極１ａ，ｌｂに対する駆動電源の供給を停
止する。これにより電正素子の焼損を防止することがで
きる。また超音波モータの表面温度が下がった場合には
、再び超音波モータを起動して正常に駆動することがで
きる。

尚、本実施例はいわゆる進行波方式の超音波モ・一夕に
ついて説明したが、定在波方式の超音波モータにも適用
できるものであり、これにより本願の要旨を逸脱するも
のではないことはいうまでもないことである。

［発明の効果］ 以し説明してきたように本発明によれば、圧電体へ流さ
れる電流値が所定の値となるように駆動周波数を制御す
るように構成したので、超音波モータを効率良く作動さ
せることができるとともに、圧電体の温度が所定温度以
」二に４二昇した場合であっても確実に圧電体の焼損を
防止することができ、信頼性の向上を図ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はクレーム対応図、第２図は本発明に係る一実施
例のブロック図、第３図は超音波モータの電極構成を示
した説明図、第４図は超音波モータの縦断面図、第５図
は第２図の作用を示Ｌ７たフＤ−チャート、第６図は超
音波モータの駆動時における特性図、第７図は駆動電源
の周波数に対する電歪素子のインピーダンス特性を示し
，た特性図、第８図は電杏素子のインピーダンス特性を
各種温度毎に示した特性図、第９図は本発明に係る他の
実施例を示したブロック図、第１０図は第９図の作用を
示したフローチャート、第１１図は第９図の駆動時にお
ける特性図、第１２図は従来例を示したブロック図であ
る。 ２・・・電源供給手段 ４・・・検出手段 ６・・・制御手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 弾性体と貼り合わされて一体に構成される圧電体に所定
   の周波数の電圧を印加して弾性体に超音波振動を発生せ
   しめる電源供給手段と、 前記圧電体に流れる電流を検出する検出手段と、この検
   出手段で検出される前記圧電体に流れる電流値が所定の
   値となるように前記電源供給手段によって印加される駆
   動周波数を制御する制御手段と、 を有することを特徴とする超音波モータ駆動装置。