JPH0417580A - 超音波モータの駆動回路 - 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。

Ｃ従来の技術〕 超音波モータは、例えば、第６図に示す圧電振動子１１
と、その上面に第７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６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。

圧電素子１は第４図（上面斜視図）、第５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
けた電極層がらなり、圧電素子１の上面は第４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からなる妊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５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、下面筒２
の区間電極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か施され、また互いに隣り合
う小電極３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７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’すれている交流電圧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８図に示すような円周方向ｆ、　
　ｆ、、・・・、ｆｌ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
８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９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５ｏの圧電素子のＡ相（第４図の電極
３と第５図の第１区間電極７とで構成）と、Ｂ相（第４
図の電極５と第５図の第２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１０図に示す超音波モータ５０の等価回路のように、
超音波モータ５０の圧電素子１は、束縛容量Ｃｄ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Ｃｄ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
る影響骨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。

［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１１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１２図
に示すように、環境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℃
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。

さらに低温領域では、結露から氷結するに至り、超音波
モータがロックしたり、無理に駆動することにより部品
の損傷という事態も発生するが、摩擦駆動である超音波
モータとしては致命的な不具合となる。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。

〔課題を解決すための手段〕

上記の目的は、超音波モータと並列にコンデンサを配設
し、室温より高温側では超音波モータの束縛容量の変化
を打ち消すように、また０℃以下では前記束縛容量の変
化によるインピーダンス・アンマツチを残すか、さらに
増大させるように、誘電率の最大値を室温付近に有する
ように構成することにより達成される。

［作用］ 上記の構成により、室温より高温側では無効電流による
超音波モータ内の温度上昇が抑制され、０℃以下の低温
域では所定の電流が流れ、超音波モータの回転の安定と
効率化が図られる。

圧電素子をアルミ青銅製のステータに Ｔｇ２００℃のエポキシ系接着剤により接着し、その静
電容量の温度変化を測定した結果を表１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 ℃ 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■ メーカ　　　　　　　　　　　トーキン■比誘電率（Ｃ
ｄ，Ｔ／ε。）　　　　　　１４００損失係数　ｔａｎ
δ（％）０．３ ０ｍ （Ｒ，Ｔ〜２００℃） （ｐｐｍ／℃）　２０℃〜６０℃　　　　　　３０００
こ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。

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、１．６ｍＨ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。

これをキャンセルするためには、超音波モータと静電容
量の温度特性が全温度範囲において逆になる容量Ｃｏの
コンデンサを並列に入れればよい。

この時の容量は単純に両者の和となるので、Ｃ−＋　Ｃ
ｏ＝一定となるように選べばよい。

しかしながら、超音波モータを低温で使用すると、結露
により摩擦面に水分が入り込んだり、さらにはその水分
が氷結してモータの起動が困難になり、また起動後もし
ばらく回転数が安定しないという問題が発生する。そこ
で、超音波モータの束縛容量の温度変化を補正するコン
デンサは、全温度範囲において温度特性が逆特性になる
のではなく、マイナス側（０℃以下）では、超音波モー
タと同じになるようにＯ℃〜２０℃付近に誘電率の極大
値を持つのものが好ましく、このコンデンサを用いれば
、２０℃以上では無効電流の増加が抑えられ超音波モー
タの内部温度が低下し、０℃以下では無効電流がある程
度（経験的には３．５Ａ以下）流れ、超音波モータの内
部温度が上昇し、また上昇する速度が速くなり、モータ
の起動不良の減少回転数の安定化が達成できる。

［実施例］ 本発明の一実施例を以下に説明する。

並列に配置するコンデンサとして、第２図（ａ）に示す
ような温度特性規格Ｅ特性に相当する高誘電率系セラミ
ック・コンデンサを用いた。容量の測定はインピーダン
ス・アナライザを用い、超音波モータの駆動周波数であ
る４０ｋＨｚにて実施した。この測定値とＣ，＋Ｃｎの
計算値を表■に示し、この値をプロットしたものを第２
図ａ、ｂ及び第３図Ｃに特性図として示す。

表ｍ ２０℃の容量に対する変化率は、１００’Ｃにおいて、
超音波モータ単体では３２．１％であるのに対し、１７
．２％となり、これは共振周波数では３ｋＨｚのずれに
相当し大幅に改善されている。

マイナス側は一２０’Ｃにおいて、超音波モータ単体で
は１２．３％であったものが３５．３％と逆に増加する
結果となっている。

次に実際に、従来技術の超音波モータと、本実施例のコ
ンデンサと超音波モータを並列に配設したものとを、そ
れぞれ−３０℃から９０℃の環境温度で駆動し、起動３
０分経過後の超音波モータの内部温度変化を測定した値
を第１３図と第１５図に、また同様条件で、駆動電流の
変化を測定した値を第１４図と第１６図に示す。但し、
本実施例ではトランスはインダクタンス１．０＋ｎＨの
ものを使用した。

この結果によれば、室温付近の駆動電流では従来技術と
本実施例との間に変化はないが、８０℃、９０℃におい
て無効電流の抑制効果が本実施例に見られ、超音波モー
タの内部温度変化については、本実施例に１０℃程度の
低下が認められる。

また低温側では本実施例で無効電流が増大し、内部温度
も若干高くなっている。低温側で起動後、時間の経過と
ともに内部温度が高くなると、超音波モータの束縛容量
が増加するので、インピーダンス・マツチングがとれる
方向に動く。そのため、低温起動時に電流が多く流れ、
その結果内部温度が上昇してくると電流が抑制される。

これは、起動時だけヒータを入れ、不必要になったらヒ
ータを切るのと同一の自己制御性を有することと理解さ
れる。

次に、９０℃及び−３０℃の環境温度条件における起動
後の経過時間（分）に対する内部温度の変化について、
従来技術（破Ａｉ　ａ　）と本実施例（実線ｂ）との比
較特性図を第１７図、第１８図に示す。これによると実
施例は、環境温度９０℃では発熱量が抑えられ内部温度
も低く、逆に一３０℃では発熱により内部温度の上昇が
見られる。−３０℃においてモータを起動すると、従来
の超音波モータでは、回転数が安定するのに５分を要し
ているが、本実施例では、概ね１分で回転数が安定して
いる。

以上説明してきたように、本実施例によれば、その構成
を室温付近に誘電率のピークを持ち、室温より上では超
音波モータのステータの束縛容量の温度係数と逆符号の
温度係数をもち、その変化量の絶対値がほぼ等しく、０
℃以下では束縛容量の温度係数と同符号の温度係数を持
つコンデンサを超音波モータと並列に入れる構成とする
ことにより、接着剤の軟化により制限される温度範囲の
高温側では、無効電流による内部温度の上昇は小で信頼
性が高く、モータの結露、氷結により、回転ムラの出る
０℃以下の温度範囲では回転が安定するまでの時間を大
幅に短縮することができる。

〔発明の効果〕

本発明の実施により、室温より高温側の領域では、無効
電流による超音波モータ内の温度上昇が抑制され、０℃
以下の低温領域では、適正電流が流れることにより、超
音波モータの回転の安定と効率が向上し、信頼性の高い
超音波モータの駆動回路が得られ、その効果は顕著なも
のがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波モータの駆動回路の一実施
例を示す図、第２図、第３図は従来の超音波モータと本
発明に使用する補正コンデンサの環境温度と容量の関係
を示す特性図、第４図は従来の圧電素子の上面斜視図、
第５図は同じく下面斜視図、第６図は従来の圧電振動子
の組立斜視図、第７図は従来の超音波モータの構造断面
図、第８図は圧電素子の動作状態を示す斜視図、第９図
は従来の超音波モータの駆動電源回路図、第１０図は同
じく振動子の等価回路図、第１１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１２図は環境温
度〜１００℃において３０分経過後の圧電素子の温度と
の関係を示す特性図、第１３図は環境温度において起動
後３０分経過時の内部温度の変化を示す従来技術の特性
図、第１５図は第１３図と同様条件での本発明実施例の
内部温度の変化を示す特性図、第１４図は第１３図と同
様条件での従来技術の超音波モータの駆動電流の変化を
示す特性図、第１６図は第１４図と同様条件での本発明
実施例の駆動電流の変化を示す特性図、第１７図、第１
８図は高温環境と低温環境における起動後の経過時間と
内部温度の変化を、従来技術と本発明実施例とで比較し
た特性図である。 ■・・・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９
ａ、９ｂ・・・不活性部電極 Ｏａ、１０ｂ・・・センサ電極 １・・・圧電振動子　　　　１２・・・導電性弾性体３
・・・スリット　　　　　１４・・・接着剤５・・・ロ
ータ ８ａ・・・Ａ相端　　　　　１８ｂ・・・アース端９・
・・導電性材料 Ｏ・・・超音波モータ ００・・・束縛容量補正用コンデンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、室温近傍で容量Ｃ＿ｏの極大値をも
   ち、室温より高温の領域での誘電率の温度係数が超音波
   モータの束縛容量Ｃ＿ｄと逆符号でかつＣ＿ｏ＋Ｃ＿ｄ
   ≒一定の関係を有し、また０℃以下では前記束縛容量Ｃ
   ＿ｄと同符号であることを特徴とする超音波モータの駆
   動回路。