JPH03285575A - 超音波モーター - 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、超音波モーター自体と駆動用回路とによって
構成される共振回路の共振周波数を、容易に調整できる
超音波モーターに関する。

〈従来の技術〉 従来の超音波モーターの駆動用回路としては、特開昭６
３−１２７９号公報に記載されたようなものがある。第
４図に、このような超音波モーターの駆動用回路の一例
を示す。

４０は超音波モーターの圧電素子（分極された圧電体）
であり、一方の面に駆動用電極４１．４２およびモニタ
ー電極４３が設置されている。圧電素子４０は、駆動用
電極４１．４２に互いに９０度位相のずれた高周波電圧
が印加されることによって、進行波を発生し、図示しな
い動体を駆動させる。

５０はフィードバック回路であり、モニター電極４３に
発生した電圧と、コンデンサＣ１および抵抗Ｒ１によっ
て定まる電圧とを比較し、比較した電圧の差を演算増幅
器ＯＰで増幅して出力する。

６１はパルス信号Ｇを発振するパルス発振器であり、パ
ルス信号Ｇはフィードバック回路５０から出力された電
圧によって発振周波数が可変となる。６２はリングカウ
ンターであり、パルス発振器６１からのパルス信号Ｇを
受け、４つの出力端子からそれぞれパルス信号φｌ、φ
２．φ１．φ４を出力する。６３はスイッチング素子で
あり、リングカウンター６２からのパルス信号φ１．φ
２．φ３゜φ４により作動する。

２４．２５はトランスであり、スイッチング素子６３か
らの矩形波を周波数ｆの高周波電圧として出力する。

次に、上記の駆動回路の動作を、第４図および第５図に
基づいて説明する。

第５図はパルス発振器６１から発振されるパルス信号Ｇ
およびリングカウンター６２から発振されるパルス信号
φｌ、φ：、φ３．φ４のタイムチャートである。

まず、発振回路６１の出力端子から周期Ｔ＋　（Ｔｔ＝
１／４ｆ）のパルス信号Ｇが発振され、リングカウンタ
ー６２に入力される。リングカウンター６２は、第５図
に示すように、周期Ｔｌごとにパルス幅Ｔ１のパルス信
号φｌ、φ２．φ３．φ４を順次出力する。そして、パ
ルス信号φ１．φ２．φ３．φ４はスイッチング素子６
３に入力される。

スイッチング素子６３に電圧信号φ１が入力されると、
電源電圧十Ｅからトランス２４０１次側コイルを介して
端子ψ１に電流が流れ、電圧信号φ３が入力されると、
電源電圧＋Ｅからトランス２４０１次側コイルを介して
端子ψ３にｔ流が流れる。従って、トランス２４０２次
ψ１１から、周波数ｆの高周波電圧が出力される。また
、スイッチング素子６３に電圧信号φ２が入力されると
、電源電圧＋Ｅからトラフ１２５０１次側コイルを介し
て端子ψ２に電流が流れ、電圧信号φ番が入力されると
、電源０２次側から、周波ｅｆの高周波電圧が出力され
る。このとき、パルス信号φｌ、φ３′ｊ６よびパルス
信号φ冨、φ４は互いに位相が９０［ずれているため、
トランス２４．２５から出力される高周波電圧の位相は
、互いに９０１ｆずつずれる。

次に、トランス２４．２５から出力され、位相が互いに
９０ｆ：ずつずれた高周波電圧は、それぞれ圧電素子４
０に設置された（極４１．４２に印加される。そして、
圧電素子４０が振動して進行波を発生し、超音波モータ
ーが駆動される。また、圧電素子４０の振動にともなっ
て、圧電素子４０のモニター相４７に振動電圧が生じ、
振動電圧はモニター１極４３からフィードバック回路５
０に入力される。

Ｆｇｓ子に入力された振動電圧は演算増幅器ＯＰによっ
て、コンデンサＣ２′ｊ６よび可変抵抗Ｒ２によって定
まる電圧と比較され、その差は発振器６１に出力される
。発振器６１は演算増幅器ＯＰからの出力によって発振
周波数を変化させるため、演算増幅器ＯＰのＦ端子とＤ
端子との間の電圧が等しくなるまで、周波数を変化させ
続ける。そして、演算増幅器ＯＰのＦ端子とＤ端子との
闇の゛電圧が等しくなると、発振器６１は安定した周波
数で発振し続ける。

以上の動作によって、圧電素子４０には超音波モーター
を駆動するために最適な周波数（以下、ＩｋＡ駆動周波
数と℃・う。）の高周波電圧が印加される。

次に、第６図は超音波モーターの圧′ｉａ素子４０と駆
動回路のトランス２４．２５との駆動周波数付近におけ
る等価回路を示す。図中、Ｌはトランス２４．２５のイ
ンダクタンスであり、ｃｄは圧！素子４０および電極４
１または４２によって構成されるコンデンサ４６．４７
の束縛谷箪である。

トランス２４または２５およびコンデンサ４６または４
７によって並列共振回路が構成される、超音波モーター
の最適駆動周波数は、圧電体および弾性体の質量とコン
プライアンスと制動係数とで定まる超音波モーターの機
械的な共振周波数と反共振周波数との間にある所定の周
波数である。そして、最適駆動周波数と第６図の回路の
共振周波数とが一致する周波数で１＠好彼モーターを駆
動させると、電気エネルギーを機械エネルギーに変換す
る効率が高くなり、動作も安定する。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、第６図の束縛容量Ｃｄは圧電素子４０を
製造する段階でバラツキが生じることが多い。束縛容量
Ｃｄにバラツキが生じると、トランス２４または２５お
よびコンデンサ４６または４７によって構成すれる並列
共振回路の共振周波数が設計段階で求められたものとず
れてしまう。

一方、超音波モーターの機械的な共振周波数と反共振周
波数は、製造段階で生じるバラツキによって大きく変化
することはないため、最適駆動周波数もほとんど変化し
ない。その結果、最適駆動周波数と回路の共振周波数が
一致しなくなり、超音波モーターの効率が低下するとい
う問題が生じる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、共
振周波数の調整が容易な超音波モーターの提供を目的と
する。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、分極された第１の圧電体と、分極されていな
い第２の圧電体と、前記第２の圧電体の一方の面に設置
された薄膜抵抗と、前記第１の圧電体の一方の面に設置
され、前記薄膜抵抗の一端と電気的Ｋｍ続された駆動用
電極と、高周波電圧を発生し、前記薄膜抵抗の他漏と電
気的に接続される駆動用回路と、一方の面が前記第１の
圧電体の他方の面および前記第２の圧電体の他方の面に
接着された弾性体と、前記弾性体の他方の面に加圧接触
された動体と（を備えることを特徴とする。

〈作用〉 本発明の構成によれば、駆動用回路から高周波電圧が薄
膜抵抗を介して分極された第１の圧電体に設置された駆
動用電極に印加される。そして、第１および第２の圧電
体が振動し、一方の面が第１および第２の圧電体に接着
された弾性体の他方の面に進行波が発生する。この進行
波によって、弾性体の他方の面に加圧接触された動体が
駆動される。

ところで、駆動用回路は高周波電圧を発生させるための
インダクタンスを含んでおり、また、圧電体は＊ｎ電体
であるため、コンデンサを構成している。そして、薄膜
抵抗は一端を駆動用電極と電気的に接続され、他端を駆
動用回路と電気的に接続されている。そのため、薄膜抵
抗、インダクタンス、コンデンサによって共振回路が構
成される。ここで、薄膜抵抗の抵抗値を変えることによ
って、共振回路の共振周波数を容易に、１ｌｉｌ！する
ことができる。

〈実施例〉 第１図から第３図に基づき本発明の実施例について説明
する。第１図（ａ）は本笑施例装置の部分断面図である
。ｌは圧電体であり、分極された部分（以下、圧電素子
という。）および分極されていない部分からなる。２は
金属弾性体であり、周部２ａの一方の面には金属弾性体
２０半径方向に旧って、多数のスリット４が設けられ℃
いる。周部２ａの内側には円盤部２ｂが形成され、さら
Ｋその内側に中心部２Ｃが形成される。また、周部２ａ
のスリット４が設けられている面の反対側の面と、圧電
体ｌとの関には全面電極（図示省略）が設置され、圧電
体ｌの片側全面と金属弾性体２とが電気的に接続されて
いる。そして、金属弾性体２は中心部２Ｃでグランドに
接続されている。

すなわち、圧電体ｌの金属弾性体２側の全面が接地され
ている。

５は動体としてのロータであり、周部５ａの一方の面は
金属弾性体２の周部２ａのスリット４が設けられている
面に加圧接触されている。６は回動軸であり、ロータ５
の中心部に固定されている。

７は超音波モーターの台であり、金属弾性体２の中心部
２Ｃと固定されて（・る。

第１図（ｂ）は圧電体１を台７側から見た図である。１
１．１２は超音波モーターを駆動するための高周波電圧
を、圧電素子１５．１６に印加するための駆動用電極で
ある。また、１３は、圧電素子１７に発生する電圧を検
出し、圧電体ｌの振動状態を検出するためのモニター電
極である。駆動用電極１１．１２に互いに９０度ずつ位
相のずれた高周波電圧を印加することによって、第１図
（ａ）における金属弾性体２の周部２ａの表面に進行波
が発生する。この進行波によって、回動軸６を中心とし
て、ロータ５が回動する。

第１図（ｂ）において、２０．２１は、銀（Ａｇ）また
はニッケル（Ｎｉ）などの金属にセラミックスを混ぜた
ものを、スクリーン印刷または蒸着により設置した薄膜
状のトリミング抵抗である。トリミング抵抗２０．２１
は分極されていない圧電体１４に設置され、トリミング
抵抗２０．２１の一端は電極１１．１２ＧＣ掛がってい
る。また、トリミング抵抗２０．２１の他端は、駆動用
回路（第４図参照）からの高周波電圧を印加するための
リード線２２．２３に、それぞれ接続されている。

第２図は、駆動用回路のトランス２４．２５、トリミン
グ抵抗２０．２１および圧電素子１５゜１６によって構
成される駆動周波数付近での等何回路である。トランス
２４および２５のインダクタンスはそれぞれＬａ［Ｈ］
、Ｌｂ［Ｈ：］である。トリミング抵抗２０および２１
の抵抗値はそれぞれＲａ［Ω）、Ｒｂ［Ω〕である。ま
た、電極１１と、圧電体１と、圧電体ＩＫ設置された全
面電極（図示せず）とによって、束縛容量ＣａＣＦ〕の
コンデンサ２６が構成され、同様に電極１２と、圧電体
１と、圧電体１に設置された全面電極（図示せず）とに
よって、束縛容量Ｃｂ［Ｆ）のコンデンサ２７が構成さ
れる。駆動用回路の電源電圧＋Ｅから見た共振回路は、
電源電圧子Ｅおよびグランド間で、抵抗２０または２１
１　トランス２４または２５およびコンデンサ２６また
は２７によって構成される並列共振回路となる、 まず、第２図の抵抗２０、トランス２４、コンデンサ２
６で構成される等何回路で電源電圧＋Ｅとグランド間で
共振周波数ｆｎ［Ｈｚ）を求めると、ｆ０＝２π（Ｌａ
Ｃａ−Ｒａ”Ｃａ２）１／２”’■となる。ここで、共
振周波数ｆ。（Ｈ２）はＨｉ音波モーターの最適駆動周
波数に一致させる。また、インダクタンスｒ、ａｃＨＥ
は、トランス２４０巻き数や鉄心の誘磁率などによって
定まる定数であり、束縛容量Ｃａ［Ｆ〕は、圧電体１の
誘電率や電極１１の面積などＫよって定まる定数である
。従って、設計段階では■式にこれらの数値を代入する
ことＫよって、■式の条件を満たすようなＲａの値が求
められる。具体的には、共振周波１［ｆｏを４０［ｋＨ
ｚ］、インダクタンスＬａを２（ｍＨ）、束縛容量Ｃａ
を９　（ｎＦ）とすれば、抵抗値Ｒａはおよそ１６４〔
Ω〕となる。

しかし、製造段階では束縛容′１ｋＣａまたはインダク
タンスＬａＫバラツキが生じ、束縛容量Ｃａまたはイン
ダクタンスＬａの正確な値が不明なので、抵抗値Ｒａが
求まらない。

このような場合、トリミング抵抗２０の抵抗値の設定は
以下のように行う。姑めに抵抗値が百数十〔Ω〕のトリ
ミング抵抗２０を第１図（ｂ）に示す位置に設置する。

次に、リード４Ｉ２２を接続した後、電源電圧子Ｅとグ
ランドとの間に電流を流す。そして、電流が最小となる
周波数、丁なわち共振周波ａｆｏを測りながら、レーザ
ー光線によってトリミング抵抗２０に切り込み３０を入
れる。

トリミング抵抗２０の切り込み３０’に大きくしてい（
と、切り込み３０の付近で電流が流れにくくなるため、
トリミング抵抗２０の抵抗値Ｒａが徐々に増加する。そ
して、抵抗値Ｒａがある値になつたとき、共振周波数ｆ
Ｑは最適駆動周波数と一致するので、レーザー光線を止
め、切り込み３ｏを入れるのを停止する。このまうに、
束縛容量Ｃａ、インダクタンスＬａＫ製造上のバラツキ
があった場合でも、トリミング抵抗２ｏの抵抗値Ｒａを
ｉ更するだけで、共振周波数ｆＯを所定の値（例えば４
０　［ｋｕｚ〕）に容易に調整できる。

また、トランス２５、コンデンサ２７およびトリミング
抵抗２１によって構成される並列共振回路についても、
同様にして、共振周波数ｆＯが調整される。

なお、環境温度や自発熱によって圧電体ｌの温度が変化
すると、束縛容量Ｃａ、Ｃｂが変化する場合がある。こ
のような場合、トリミング抵抗２０゜２１に所定の温度
特性をもった材質を使用することＫよって、広（・温度
範囲で、共振周波数ｆ。を〜定に保つことができる。例
えば、束縛容量ＣａおよびｃｂＯ値が温度によって表１
に示されろように変化する場合、設定したい共振周波数
ｆ０を４゜［ｋｌｔｚ）とすれば、抵抗値Ｒａ、Ｒｂは
式■より第３図に示されるようになる。第３図において
、曲線３１，３２，３３．３４は、それぞれインダクタ
ンスＬａ（＝Ｌｂ）が２　［ｍＨ）、Ｚ５　［ｍＨ）。

３　ＣｍＨｌ　、　４　［ｍＨ，］のときの抵抗値Ｒａ
（＝Ｒｂ）を示す。

表　　１ トリミング抵抗２０．２１は圧電体１１Ｃ接して設置さ
れているため、圧電体１の温度とトリミング抵抗２０．
２１の温度とは等しくなる。従って、トランス２４．２
５のインダクタンスＬａ、Ｌｂに応じて、トリミング抵
抗２０．２１を所定の温度特性を有する材質に変えるこ
とによって、広い温度範囲で共振周波数ｆＯを一定にす
ることができる。

以上のように本実施例によれば、一端が電極１１．１２
に掛かるように、トリミング抵抗２０゜２１を分極され
ていない圧電体１４に設置し、トリミング抵抗２０．２
１の他端に駆動用回路と接続されたリード線２２．２３
を接続して、圧電素子１５．１６に高周波電圧を印１し
、駆動用回路のトランス２４または２５、圧を素子１５
または１６、およびトリミング抵抗２０または２１によ
って並列共振回路を構成するようにした。そのため、ト
リミング抵抗２０．２１の抵抗値Ｒａ、Ｒｂを調節する
ことＫよって、容易に共振周波数ｆ。

を超音波モーターを駆動するために最適な値に調整でき
るという効果が得られる。また、インダクタンスＬａ、
Ｌｂや束縛容量Ｃａ、Ｃｂの製造上のバラツキ忙左右さ
れずに簡単に共振周波数を調整できるため、安価な超音
波モーターを提供することができる。さらに、　　トリ
ミング抵抗２０．２１を分極されていない圧電体１４に
設置したため、装置が小型化でき、また、トリミング抵
抗２０　、２１に所定の温度特性を有する材質を使用す
ることによって、広い温度範囲で共振周波数ｆＯを一定
に保つことができるという効果が得られる。

〈発明の効果〉 本発明によれば、分極されていない第２の圧電体に薄膜
抵抗を設置し、分極された第１の圧電体に前記薄膜抵抗
の一端と接続された駆動用電極を設置し、薄膜抵抗の他
端に駆動用電極を接続し、第１の圧電体および第２の圧
電体に弾性体を接着し、弾性体に動体を加圧接触するよ
５Ｋした。そのため、薄膜抵抗の抵抗値を変えることに
よつ℃、回路の共振周波数を簡単に調整できるという効
果が得られる。また、超音波モーターの共振周波数を調
整するための抵抗を、超音波モーターの外部に設置する
必要がないため、装置が小型化できるという効果が得ら
れる。

図はトリミング抵抗の温度特性図、第４図は駆動用回路
図、第５図は駆動用回路のタイムチャート、符許出願人 日産目勧車株式会社 体の平面図、第２図は実施例の等価回路図、第３第 １ 図 （ａ） 第 図 （ｂ） 第 図 第４ 区 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 分極された第１の圧電体と、 分極されていない第２の圧電体と、 前記第２の圧電体の一方の面に設置された薄膜抵抗と、 前記第１の圧電体の一方の面に設置され、前記薄膜抵抗
   の一端と電気的に接続された駆動用電極と、 高周波電圧を発生し、前記薄膜抵抗の他端と電気的に接
   続される駆動用回路と、 一方の面が前記第１の圧電体の他方の面および前記第２
   の圧電体の他方の面に接着された弾性体と、 前記弾性体の他方の面に加圧接触された動体と、を備え
   ることを特徴とする超音波モーター。