JPH0417578A - 超音波モータの駆動回路 - Google Patents
超音波モータの駆動回路Info
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- JPH0417578A JPH0417578A JP2115834A JP11583490A JPH0417578A JP H0417578 A JPH0417578 A JP H0417578A JP 2115834 A JP2115834 A JP 2115834A JP 11583490 A JP11583490 A JP 11583490A JP H0417578 A JPH0417578 A JP H0417578A
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Links
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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。
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、圧電素子と導電性弾性体を一体に形成し、交
流電圧を印加することにより圧電振動子に発生する超音
波進行波を利用する超音波モータの駆動回路に関する。
流電圧を印加することにより圧電振動子に発生する超音
波進行波を利用する超音波モータの駆動回路に関する。
〔従来の技術］
超音波モータは、例えば、第５図に示す圧電振動子１１
と、その上面に第６図に示すロータ１５を対向させた構
成を有している。
と、その上面に第６図に示すロータ１５を対向させた構
成を有している。
圧電振動子１１は、第５図に示すように、例えば銅合金
を用いて成形加工したリング状の上部に、半径方向に沿
って多数のスリット１３を狭い間隔で櫛歯状に形成した
導電性弾性体１２と、導電性弾性体１２の下面にエポキ
シ系接着剤１４等を用いて圧電素子１を貼付けることに
より形成したものである。
を用いて成形加工したリング状の上部に、半径方向に沿
って多数のスリット１３を狭い間隔で櫛歯状に形成した
導電性弾性体１２と、導電性弾性体１２の下面にエポキ
シ系接着剤１４等を用いて圧電素子１を貼付けることに
より形成したものである。
圧電素子１は第３図（上面斜視図）、第４図（下面斜視
図）に示すように、扁平なリング状に成形・焼成した圧
電板２と、この圧電板２を挾む上下両面に、対向して設
けた電極層からなり、圧電素子１の上面は第３図のよう
に、所定の間隔を置いて円周方向に配列した複数個の小
電極３からなる第１区間電極４と、第１区間電極４と同
様に複数個の小電極５からなる第２区間電極６と、第１
区間電極４と第２区間電極６との間に設けた、超音波振
動波長λの３／４に相当する間隔を有する不活性部電極
９及びセンサ電極１０とで構成されている。第１区間電
極４と第２区間電極６、また、不活性部電極９とセンサ
電極１０は、互いに円周上のほぼ対称位置に形成されて
いる。
図）に示すように、扁平なリング状に成形・焼成した圧
電板２と、この圧電板２を挾む上下両面に、対向して設
けた電極層からなり、圧電素子１の上面は第３図のよう
に、所定の間隔を置いて円周方向に配列した複数個の小
電極３からなる第１区間電極４と、第１区間電極４と同
様に複数個の小電極５からなる第２区間電極６と、第１
区間電極４と第２区間電極６との間に設けた、超音波振
動波長λの３／４に相当する間隔を有する不活性部電極
９及びセンサ電極１０とで構成されている。第１区間電
極４と第２区間電極６、また、不活性部電極９とセンサ
電極１０は、互いに円周上のほぼ対称位置に形成されて
いる。
圧電板２の下面側は、第４図に示すように対称に形成さ
れた細長い第１区間電極７及び第２区間電極８とからな
り、下面の第２区間電極８は上面の第２区間電極６（小
電極５からなる）と圧電板２を挾んで対向し、下面の第
１区間電極７は上面の第１区間電極４（小電極３からな
る）と圧電板２を挾んで対向している。各電極３．５．
７．８は圧電板２に導電性金属材料を蒸着・印刷するこ
とによって形成される。
れた細長い第１区間電極７及び第２区間電極８とからな
り、下面の第２区間電極８は上面の第２区間電極６（小
電極５からなる）と圧電板２を挾んで対向し、下面の第
１区間電極７は上面の第１区間電極４（小電極３からな
る）と圧電板２を挾んで対向している。各電極３．５．
７．８は圧電板２に導電性金属材料を蒸着・印刷するこ
とによって形成される。
圧電板２の隣合う小電極３および小電極５の領域では交
互に厚み方向に対して分極が施され、また互いに隣り合
う小１ｔｔｉ３の間、及び互いに隣合う小電極５の間に
導電材料１９を塗布することによって、それぞれ小電極
３．５の幅より狭い幅で短絡接続され、これにより第１
、第２区間電極４．６はそれぞれ１個の電極を構成する
ようになっている。
互に厚み方向に対して分極が施され、また互いに隣り合
う小１ｔｔｉ３の間、及び互いに隣合う小電極５の間に
導電材料１９を塗布することによって、それぞれ小電極
３．５の幅より狭い幅で短絡接続され、これにより第１
、第２区間電極４．６はそれぞれ１個の電極を構成する
ようになっている。
このような圧電振動子１１を用いて、超音波モータとし
て作動させるには、第６図に示すように、下面の第１区
間電極７と導電性弾性体１２との間に、圧電振動子１１
の固有振動数に等しい周波数の、交流電圧Ａを印加し、
下面の第２区間電極８と導電性弾性体１２との間に、前
記交流電圧Ａと周波数が等しく、位相が交流電圧Ａと９
０’ずれている交流電圧Ｂを印加する。これによって圧
電素子１の圧電板２が、その上面のすべての小電極３．
５毎に交互に矢印Ｐ、Ｑのように水平方向に伸縮する。
て作動させるには、第６図に示すように、下面の第１区
間電極７と導電性弾性体１２との間に、圧電振動子１１
の固有振動数に等しい周波数の、交流電圧Ａを印加し、
下面の第２区間電極８と導電性弾性体１２との間に、前
記交流電圧Ａと周波数が等しく、位相が交流電圧Ａと９
０’ずれている交流電圧Ｂを印加する。これによって圧
電素子１の圧電板２が、その上面のすべての小電極３．
５毎に交互に矢印Ｐ、Ｑのように水平方向に伸縮する。
すると圧電素子１に貼付けた導電性弾性体１２には、９
０°位相のずれた２つの定在波が発生し、これら双方の
定在波が干渉して、第７図に示すような円周方向ｆｌｌ
ｆ＊＋・・・、ｆ、の位置に波頭を有する９次の進行波
が発生する。よって第６図に示すように、導電性弾性体
１２の上に回転子であるロータ１５を載置すれば、第７
図の進行波に基づいてロータ１５が回転しモータとして
機能する。
０°位相のずれた２つの定在波が発生し、これら双方の
定在波が干渉して、第７図に示すような円周方向ｆｌｌ
ｆ＊＋・・・、ｆ、の位置に波頭を有する９次の進行波
が発生する。よって第６図に示すように、導電性弾性体
１２の上に回転子であるロータ１５を載置すれば、第７
図の進行波に基づいてロータ１５が回転しモータとして
機能する。
第８図は超音波モータ５０を駆動する電源回路図で、図
中、超音波モータ５０の圧電素子のＡ相（第３図の電極
３と第４図の第１の区間電極７とで構成）と、Ｂ相（第
３図の電極５と第４図の第２の区間電極８とで構成）に
対して、トランスを介して高周波交流電圧を印加してい
る。
中、超音波モータ５０の圧電素子のＡ相（第３図の電極
３と第４図の第１の区間電極７とで構成）と、Ｂ相（第
３図の電極５と第４図の第２の区間電極８とで構成）に
対して、トランスを介して高周波交流電圧を印加してい
る。
第９図に示す超音波モータ５０の等何回路のように、超
音波モータ５０の圧電素子１は、束縛容量Ｃ−のコンデ
ンサとして働くので、電源の無効電流を打消すために、
トランスのインダクタンスＬと、束縛容量Ｃ−との並列
共振周波数が、超音波モータ５０の駆動周波数ω−と一
致するように、マツチングされている。なお、束縛容量
Ｃ−とは、圧電素子の形状から定まる静電容量に、超音
波モータの駆動に用いている振動形態以外の振動による
影響分を加えた容量を意味する。
音波モータ５０の圧電素子１は、束縛容量Ｃ−のコンデ
ンサとして働くので、電源の無効電流を打消すために、
トランスのインダクタンスＬと、束縛容量Ｃ−との並列
共振周波数が、超音波モータ５０の駆動周波数ω−と一
致するように、マツチングされている。なお、束縛容量
Ｃ−とは、圧電素子の形状から定まる静電容量に、超音
波モータの駆動に用いている振動形態以外の振動による
影響分を加えた容量を意味する。
実開昭６０−４７４００号公報に開示されている発明は
、周囲温度の変化による圧電セラミックのもつ静電容量
の変化を補償するコンデンサを配設した超音波振動子に
関するものであり、印加される電圧は２０Ｖ〜３０Ｖと
小さいため圧電素子の発熱量も小さく、室温における圧
電素子の温度上昇も殆どないため、ケースの内部に補償
用コンデンサを設置しておけば、圧電素子の温度とケー
ス温度と雰囲気温度とが概ね等しくなるものである。
、周囲温度の変化による圧電セラミックのもつ静電容量
の変化を補償するコンデンサを配設した超音波振動子に
関するものであり、印加される電圧は２０Ｖ〜３０Ｖと
小さいため圧電素子の発熱量も小さく、室温における圧
電素子の温度上昇も殆どないため、ケースの内部に補償
用コンデンサを設置しておけば、圧電素子の温度とケー
ス温度と雰囲気温度とが概ね等しくなるものである。
［発明が解決しようとする課題］
一方、例えば自動車用などのように、大きな振動エネル
ギーを利用して回転力を取り出す超音波モータの場合は
発熱量が大であり、第１０図に示すように、圧電素子の
温度が最初の１ｏ分間で上昇してしまう。また第１１図
に示すように、雰囲気温度と振動子の発熱量の和によっ
て、例えば雰囲気温度１００℃では、圧電素子は１４０
’Ｃの温度に達し、これより圧電振動子の共振周波数が
決定されるが、圧電素子とケースとを接着するのが原理
的に不可能であり、金属性のステータに貼り付け、これ
をケースに固定したとしても、圧電素子部の放熱が不十
分となり、圧電素子の部分の温度がどうしても高くなる
。従って、温度の上昇と共に圧電素子１の容量が大きく
変化してしまい、超音波モータとしての効率の低下、圧
電素子１の発熱、多大の電流による回路部品の損傷とい
う種々の問題発生の原因となっていた。
ギーを利用して回転力を取り出す超音波モータの場合は
発熱量が大であり、第１０図に示すように、圧電素子の
温度が最初の１ｏ分間で上昇してしまう。また第１１図
に示すように、雰囲気温度と振動子の発熱量の和によっ
て、例えば雰囲気温度１００℃では、圧電素子は１４０
’Ｃの温度に達し、これより圧電振動子の共振周波数が
決定されるが、圧電素子とケースとを接着するのが原理
的に不可能であり、金属性のステータに貼り付け、これ
をケースに固定したとしても、圧電素子部の放熱が不十
分となり、圧電素子の部分の温度がどうしても高くなる
。従って、温度の上昇と共に圧電素子１の容量が大きく
変化してしまい、超音波モータとしての効率の低下、圧
電素子１の発熱、多大の電流による回路部品の損傷とい
う種々の問題発生の原因となっていた。
この発明は、上記従来技術の問題点を解決することを目
的としてなされたものである。
的としてなされたものである。
上記の目的は、超音波モータを駆動し、定常状態に達し
た−ときの圧電素子の温度から束縛容量を求め、束縛容
量Ｃ，と逆の温度係数を有するコンデンサ容量Ｃを Ｃ＊＋ Ｃ＝一定となるように並列に設けることによっ
て達成される。
た−ときの圧電素子の温度から束縛容量を求め、束縛容
量Ｃ，と逆の温度係数を有するコンデンサ容量Ｃを Ｃ＊＋ Ｃ＝一定となるように並列に設けることによっ
て達成される。
［作用］
上記の構成により束縛容量ｃｄの温度変化が打ち消され
、トランスのインダクタンスＬと、束縛容量とコンデン
サの容量の和Ｃ＋Ｃ，＋との並列共振周波数が、超音波
モータの駆動周波数ω、と一致する。
、トランスのインダクタンスＬと、束縛容量とコンデン
サの容量の和Ｃ＋Ｃ，＋との並列共振周波数が、超音波
モータの駆動周波数ω、と一致する。
圧電素子に流れる無効電流の温度変化による増大が防止
され、超音波モータの使用温度範囲全体において超音波
モータの効率の向上が図られる。
され、超音波モータの使用温度範囲全体において超音波
モータの効率の向上が図られる。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。圧
電素子をアルミ青銅製のステータに、Ｔｇ２００’Ｃの
エポキシ系接着剤を用いて接着し、その静電容量の温度
変化を測定した結果を表Ｉに、また使用した圧電素子の
材料定数を表■に示す。
電素子をアルミ青銅製のステータに、Ｔｇ２００’Ｃの
エポキシ系接着剤を用いて接着し、その静電容量の温度
変化を測定した結果を表Ｉに、また使用した圧電素子の
材料定数を表■に示す。
環境温度
℃
２゜
但し変化率は２
表Ｉ
サンプル
静電容量ｎＦ （変化率％）
８．３６ （−１３，６）
８．４９ （−１２，３）
８．８７ （−８，４）
９．１３ （−５，７）
９．４０ （−２，９）
９．６８ （０，０）
１０．２７ （６，１）
１１．０５ （１４，２）
１１．８９ （２２，８）
１２．７９ （３２，１）
１３．７６ （４２，１）
１４．８１ （５３，０）
１６．１７ （６７，０）
０℃に対する増減％を示す。
表■
（Ｒ，７〜２００℃）
二の束縛容量の変化は、誘電率の温度特性ＴＫ（Ｃ）か
ら予測される値よりも大きい。
ら予測される値よりも大きい。
これより、例えば２０℃の束縛容量の値９．７ｎＦを用
い、Ｌ−Ｃ並列共振周波数が４０に比となるしと求める
と、１ 、６ ｍ Ｈとなる。これを１００℃の条件で
用いると、その並列共振周波数は、３４ｋＨｚまで下が
り超音波モータの駆動周波数から大幅にずれて、無効電
流が多く流れるようになる。
い、Ｌ−Ｃ並列共振周波数が４０に比となるしと求める
と、１ 、６ ｍ Ｈとなる。これを１００℃の条件で
用いると、その並列共振周波数は、３４ｋＨｚまで下が
り超音波モータの駆動周波数から大幅にずれて、無効電
流が多く流れるようになる。
そこで、これをキャンセルするために、超音波モータと
静電容量の温度特性が逆であるコンデンサＣを並列に入
れる。その時の静電容量は単純に和となるのでＣｎ＋Ｃ
＝一定となるように選べばよい。
静電容量の温度特性が逆であるコンデンサＣを並列に入
れる。その時の静電容量は単純に和となるのでＣｎ＋Ｃ
＝一定となるように選べばよい。
第１１図に示すように、雰囲気温度２０℃では、超音波
モータの圧電素子部の温度は〜５０℃である。このとき
、束縛容量Ｃ，は１０．７ｎＦである。また、雰囲気温
度１００℃では圧電素子部の温度は〜１４０℃になるか
ら、束縛容量ｃｄは１２．８ｎＦである。従って２０℃
で９．３ｎＦ、１００℃で７．２ｎＦの静電容量をもつ
コンデンサを並列に接続すると、Ｃｍ ＋ Ｃ＃ ２０
ｎ Ｆとなる。駆動周波数が４０ｋＨｚであれば、Ｌ
＝０．８ｍＨのトランスを使用すればよい。第１２図は
、本実施例の超音波モータを雰囲気温度２０℃において
駆動したときの経過時間と圧電素子の温度変化を示す特
性図であるが、圧電素子の温度上昇とともに並列コンデ
ンサによる駆動電流の自己制御効果が認められる。
モータの圧電素子部の温度は〜５０℃である。このとき
、束縛容量Ｃ，は１０．７ｎＦである。また、雰囲気温
度１００℃では圧電素子部の温度は〜１４０℃になるか
ら、束縛容量ｃｄは１２．８ｎＦである。従って２０℃
で９．３ｎＦ、１００℃で７．２ｎＦの静電容量をもつ
コンデンサを並列に接続すると、Ｃｍ ＋ Ｃ＃ ２０
ｎ Ｆとなる。駆動周波数が４０ｋＨｚであれば、Ｌ
＝０．８ｍＨのトランスを使用すればよい。第１２図は
、本実施例の超音波モータを雰囲気温度２０℃において
駆動したときの経過時間と圧電素子の温度変化を示す特
性図であるが、圧電素子の温度上昇とともに並列コンデ
ンサによる駆動電流の自己制御効果が認められる。
また従来の超音波モータに比して圧電素子の温度が定常
に達するまでの時間も短縮されている。
に達するまでの時間も短縮されている。
このとき、回転数は無負荷で１００ｒｐｍ、 を源電流
０．８Ａであり、さらに、この超音波モータを１００℃
の雰囲気下で駆動したところ１１００ｒｐ、電源電流０
．８Ａが得られた。
０．８Ａであり、さらに、この超音波モータを１００℃
の雰囲気下で駆動したところ１１００ｒｐ、電源電流０
．８Ａが得られた。
［発明の効果］
本発明の実施により、圧電素子の発熱による無効電流の
増加が防止され、広い温度範囲における超音波モータの
自己制御効果により効率と信頼性が向上する。
増加が防止され、広い温度範囲における超音波モータの
自己制御効果により効率と信頼性が向上する。
第１図は本発明に係る超音波モータの一実施例を示す回
路図、第２図は第１図実施例の超音波モータの構成図、
第３図は従来の圧電素子の上面斜視図、第４図は同じく
下面斜視図、第５図は従来の圧電振動子の組合せ斜視図
、第６図は従来の超音波モータの構造断面図、第７図は
圧電振動子の動作状態を示す斜視図、第８図は従来の超
音波モータの駆動電源回路図、第９図は同じく振動子の
等価回路図、第１０図は室温における経過時間と圧電素
子の温度特性を示す図、第１１図は雰囲気温度〜１００
℃と３０分経過後の圧電素子部温度の関係を示す特性図
、第１２図は本実施例の超音波モータを雰囲気温度２０
℃において駆動したときの経過時間と圧電素子の温度変
化を示す特性図である。 〕・・・圧電素子 ２・・・圧電板３．５・
・・小電極 ４．７・・・第１区間電極 ６．８・・・第２区間電極
９ａ、９ｂ・・・不活性部電極 １０ａ、１０ｂ・・・センサ電極 １１・・・圧電振動子 １２・・・導電性弾性体
１３・・・スリット １４・・・接着剤１５・
・・ロータ １６・・・ケーシング１７・・
・カバー １８・・・リード線１８ａ・・
・Ａ相端 １８ｂ・・・アース端１９・・・導
電性材料 ５ｏ・・・超音波モータ １００・・・補正用コンデンサ
路図、第２図は第１図実施例の超音波モータの構成図、
第３図は従来の圧電素子の上面斜視図、第４図は同じく
下面斜視図、第５図は従来の圧電振動子の組合せ斜視図
、第６図は従来の超音波モータの構造断面図、第７図は
圧電振動子の動作状態を示す斜視図、第８図は従来の超
音波モータの駆動電源回路図、第９図は同じく振動子の
等価回路図、第１０図は室温における経過時間と圧電素
子の温度特性を示す図、第１１図は雰囲気温度〜１００
℃と３０分経過後の圧電素子部温度の関係を示す特性図
、第１２図は本実施例の超音波モータを雰囲気温度２０
℃において駆動したときの経過時間と圧電素子の温度変
化を示す特性図である。 〕・・・圧電素子 ２・・・圧電板３．５・
・・小電極 ４．７・・・第１区間電極 ６．８・・・第２区間電極
９ａ、９ｂ・・・不活性部電極 １０ａ、１０ｂ・・・センサ電極 １１・・・圧電振動子 １２・・・導電性弾性体
１３・・・スリット １４・・・接着剤１５・
・・ロータ １６・・・ケーシング１７・・
・カバー １８・・・リード線１８ａ・・
・Ａ相端 １８ｂ・・・アース端１９・・・導
電性材料 ５ｏ・・・超音波モータ １００・・・補正用コンデンサ
Claims (1)
- １．圧電素子と導電性弾性体を一体に形成したステータ
に、交流電圧を印加するトランスを有する超音波モータ
の駆動回路において、前記トランスの２次側に超音波モ
ータと並列に接続したコンデンサを備え、このコンデン
サは、前記圧電素子の束縛容量と逆の温度係数を有する
と共に、前記束縛容量と前記コンデンサの容量の和が、
超音波モータの使用温度範囲において概ね一定となるよ
うに構成されていることを特徴とする超音波モータの駆
動回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2115834A JPH0417578A (ja) | 1990-05-07 | 1990-05-07 | 超音波モータの駆動回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2115834A JPH0417578A (ja) | 1990-05-07 | 1990-05-07 | 超音波モータの駆動回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0417578A true JPH0417578A (ja) | 1992-01-22 |
Family
ID=14672276
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2115834A Pending JPH0417578A (ja) | 1990-05-07 | 1990-05-07 | 超音波モータの駆動回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0417578A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102361428A (zh) * | 2011-10-17 | 2012-02-22 | 南京航空航天大学 | 用于压电作动器的驱动器的可控电感装置 |
| JP2013121195A (ja) * | 2011-12-06 | 2013-06-17 | Seiko Epson Corp | 圧電モーターの駆動装置、圧電モーターの駆動方法、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、ロボットハンド、及びロボット |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6047400B2 (ja) * | 1981-11-20 | 1985-10-21 | 功 小澤 | 単一型を用いて一反分の生地に染料を適用する染色加工法 |
| JPH02241376A (ja) * | 1989-03-14 | 1990-09-26 | Canon Inc | 振動波モータ |
-
1990
- 1990-05-07 JP JP2115834A patent/JPH0417578A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6047400B2 (ja) * | 1981-11-20 | 1985-10-21 | 功 小澤 | 単一型を用いて一反分の生地に染料を適用する染色加工法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102361428A (zh) * | 2011-10-17 | 2012-02-22 | 南京航空航天大学 | 用于压电作动器的驱动器的可控电感装置 |
| JP2013121195A (ja) * | 2011-12-06 | 2013-06-17 | Seiko Epson Corp | 圧電モーターの駆動装置、圧電モーターの駆動方法、電子部品搬送装置、電子部品検査装置、ロボットハンド、及びロボット |
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