JPH04185288A

JPH04185288A - 超音波モータの駆動回路

Info

Publication number: JPH04185288A
Application number: JP2312749A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ichikawa; 聡市川; Masayuki Toda; 正之任田; Shigeki Yoshioka; 茂樹吉岡; Yasuhiko Kitajima; 康彦北島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 1992-07-02

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〕（産業上の利用分野）この発明は、圧電素子によって弾性体に形成される進行
性振動波により移動体を駆動する超音波モータの駆動回
路に関し、更に詳しくは、−台の駆動回路により複数の
超音波モータを同一の回転数で同時に駆動できるよう改
良した超音波モータの駆動回路に関する。

（従来の技術）この種の超音波モータは、例えば第４図（ａ）および（
Ｃ）に示すように環状の弾性体３１に同じ形状の移動体
３２をばね部材（図示せず）により所定の押圧力で押圧
した構成になっている。弾性体３１の裏面には圧電素子
３３が貼着され、圧電素子３３の表面には駆動用電極４
１．４２およびモニタ電極４３が設けられ、圧電素子３
３の裏面には前面電極４４が設けられている。

駆動電極４１．４２の下の圧電素子３３は複数個に分割
され、交互に互い違いに分極されており、さらに前面電
極４４は接地され、駆動電極４１と４２には互いに９０
＠位相のずれた高周波電圧が印加されることによって圧
電素子３３が振動し、これにより弾性体３１に進行性振
動波が形成され移動体３２を回転駆動する。

超音波モータの駆動回路として、従来は例えば実開昭６
３−１２７９号公報明細書に記載されたものがあり、第
５図は、かかる超音波モータの駆動回路を示す。第５図
中、５０はフィードバック回路であり、モニタ電極４３
に発生した電圧と、コンデンサＣ２および抵抗Ｒ２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φ１．φ２
．φ３．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６２か
ら出力されるパルス信号φ工、φ２．φ１．φ４により
作動する。

また、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。

つぎに、上述した駆動回路の動作をタイムチャートを用
いて説明する。

すなわち、第６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６２から発振されるパ
ルス信号φ１．φ２．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Ｔ１（Ｔ、−１
／４ｆ）のパルス信号Ｇが発振され、リングカウンタ６
２に入力される。リングカウンタ６２は、第６図に示す
ように、周期Ｔ１ごとにパルス幅Ｔ１のパルス信号φ１
．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６３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＋Ｅからトランス２４の１次側コイルを介して
端子ｖｌに電流が流れ、電圧信号φ、が入力されると、
電源電圧子Ｅからトランス２４の１次側コイルを介して
端子マ、に電流が流れる。したがって、トランス２４の
２次側から、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が入力すると、
電源電圧＋Ｅからトランス２５の１次側コイルを介して
端子１ｖ２に電流が流れ、電圧信号φ４が入力される。

すると、電源電圧子Ｅからトランス２５の１次側コイル
を介して端子ｖ４に電流が流れる。したがって、トラン
ス２５の２次側から、周波数ｆの高周波電圧が出力され
る。このとき、パルス信号φ０．φ、およびパルス信号
φ２．φ４は互いに位相が９０度ずれているため、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９０度ずつずれる。

次に、トランス２４．２５から出力され、位相が互いに
９０度ずつずれた高周波電圧は、それぞれ圧電素子４０
に設置された電極４１．４２に印加され、圧電素子３３
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３３の振動にともなって、圧電素子
３３のモニター相４７に振動電圧が生じ、発生した振動
電圧はモニター電極４３からフィードバック回路５０に
人力される。

Ｆ端子に入力された振動重圧は演算増幅器ＯＰによって
、コンデンサＣ２および可変抵抗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端子との間の電
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。

以上のようにして、圧電素子３３に対して超音波モータ
を駆動するために最適な周波数の高周波電圧が印加され
る。

次に、第７図に超音波モータの圧電素子３３゜と弾性体
３１から構成される圧電素子および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
。第７図中りはトランス２４．２５のインダクタンスで
あり、Ｃ１は圧電振動子として圧電素子３３の駆動電極
４１又は４２の片側だけを考えたときの束縛容量である
。

また、５１，５２．５３，５４．５５および５６は、そ
れぞれ超音波モータの圧電素子および弾性体の質量と形
状とにより定まる機械的な共振特性より求まる容量、抵
抗およびインダクタンスである。

（発明が解決しようとする課題）ところが、上述した従来の超音波モータの駆動回路によ
ると、超音波モータを、その機械的形状および機械的拘
束条件により定まる共振周波数近傍で駆動するため、超
音波モータの製造上手ずる特性のバラツキ等のため、そ
の共振周波数がコンマ数ヘルツ程度の差があると、１台
の駆動回路で、複数の超音波モータを同時に、同一回転
数で駆動することがてきないという欠点があった。

そこでこの発明は、従来の超音波モータの駆動回路にお
けるこのような欠点を除去するためになされたものであ
って、−台分の超音波モータの駆動回路により、複数の
超音波モータを同時に、しかも同一の回転数で駆動する
ことのできる超音波モータの駆動回路を提供しようとす
るものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）以上の課題を解決するため、この発明にかかる超音波モ
ータの駆動回路は、所定周波数の信号を発する一の発振手段と、この発振手
段から発せられる信号を四分周し位相が互いに９０＠ず
れた２つの矩形波を発生させる矩形波発生手段と、この
矩形波をそれぞれ昇圧する２個の昇圧トランスとを備え
、該昇圧トランスの２次出力側に超音波モータを少くと
も２個、互いに並列に接続すると共に、これら少くとも
２個の超音波モータのうち１個の超音波モータに、コン
デンサを直列に接続したものである。

（作用）以上のように、この発明の超音波モータの駆動回路によ
れば、発振手段から発せられる信号を四分周し位相が互
いに９０＠ずれた２つの矩形波を発生させ、この矩形波
をそれぞれ、該昇圧トランスの２次出力側に少くとも２
個、互いに並列に接続した超音波モータが駆動され、更
にこれら複数の超音波モータのうち１個の超音波モータ
に直列に接続されたコンデンサの静電容量を調整するこ
とにより、超音波モータの回転数を調節できるため、１
台分の駆動回路で少くとも２台の超音波モータの駆動が
できる。

（実施例）以下、図面に基づいてこの発明の超音波モータの駆動回
路の代表的な実施例について説明する。

ただし、説明を簡単化するため、２個の超音波モータを
備えた超音波モータの駆動回路について説明し、コンデ
ンサと昇圧トランスと使用する超音波モータの個数が従
来の超音波モータの駆動回路（第５図参照のこと。）と
異なるので、その部分を中心として説明することとする
。

第１図はこの発明の実施例にかかる超音波モータ（２個
）の駆動回路であり、２個の昇圧トランス１２４および
１２５の２次出力側に超音波モータ１および２が接続さ
れている。

そして、一方の超音波モータ２には（詳しくは圧電素子
１３３）駆動電極１４１，１４２に直列にコンデンサ１
０１，１０２が接続されている。

Ｆ／Ｂは超音波モータまたけて行なっている。

超音波モータ１，２は若干共振周波数が異なる為、同一
の周波数で駆動しても回転数が一致しない。本実施例で
は同一駆動周波数において超音波モータ２の方が回転数
が高い場合のものを扱う。

超音波モータの回転数を制御する方法としては（イ）印
加電圧を変える（口）駆動周波数を変える（ハ）ロータの加圧力を変える、等の方法が考えられる
が、（ロ）の方法は本実施例のように駆動回路をできるだけ
小型、軽量化するため、発振器６１、リングカウンター
６２、スイッチング電源６３、トランス１２４，１２５
を共通とする構成では、２台のモータの回転数を一致さ
せることは不可能である。また、（ハ）の方法では、モ
ータの加圧力を調節する手段が必要であり、モータの大
型化、コスト上昇につながる。（イ）の方法では、トラ
ンスを各２個用い、その昇圧比を変えたり、１次側の入
力電圧を可変にする事によっても可能であるが、トラン
スの個数が増加するため、回路が大きくなる。

そこで、超音波モータに直列にコンデンサを挿入するこ
とにより、超音波モータの束縛容量ｃｄとコンデンサの
容量Ｃ１駆動周波数ωより求まるインピーダンスの比で
印加電圧が配分されることを利用した。

超音波モータに印加される電圧第２図（ａ）に駆動周波数と回転数の関係、第２図（ｂ
）に挿入コンデンサのインピーダンスに対する、コンデ
ンサの容量、モータの束縛容量子コンデンサの合成容量
およびモータに印加される電圧の変化の態様を示す。

第２図（ａ、　）かられかるように駆動周波数が０゜１
ＫＨｚ違うだけで、回転数が１　Ｏｒ　ｐｍ近く変化す
る。

また、第２図（ｂ）から、挿入コンデンサの容量を５０
ｎＦから２００ｎＦとすると、モータに印加される電圧
も０．８６倍から０．９６倍に調節できる。

超音波モータの駆動回路ではトランスのインダクタンス
とモータの束縛容量から求まる並列共振周波数が、モー
タの機械的共振周波数から求まる駆動周波数（４０ＫＨ
ｚ）に一致するようになっている。モータの束縛容量が
８ｎＦ時、モータに印加される電圧の割合を０．８６倍
まで低下させるために４０ｎＦのコンデンサを直列に挿
入しても、モータの束縛容量に比べかなり大きいので、
合成容量も６．９ｎＦ（−１４％）にしかならない。並
列共振周波数のずれは容量のずれの半分であるので、３
〜４ＫＨｚとなり、この程度であれば実用上は問題がな
い。

また、第３図はこのモータに直列に５０ｎＦのコンデン
サを挿入した時の回転数を示し、従来構造の駆動回路に
比べ同一の周波数で約１０ｒｐｍ回転数を低下させるこ
とができた。

機械的な共振周波数のずれは、機械加工の精度を考える
と０．１〜０．２Ｈ，程度に合わせることは十分可能で
あるので、本発明の駆動回路を用いることによって、１
台分の駆動回路で２台の超音波モータを同一の回転数で
駆動することができる。例えば、自動車の電動格納ミラ
ーのように２台で１セツトの超音波モータから成るもの
を、１台分の駆動回路で、２個の超音波モータを同じ速
度で動かすことができる。

以上の実施例は、２個の超音波モータを同時に一台の駆
動回路で同じ回転数で駆動する例について説明したが、
これは、２個に限らず２個以上の複数の超音波モータを
１台の駆動回路で同じ回転数で同時に駆動することがで
きる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、駆動
回路のトランスの２次側出力に複数の超音波モータを互
いに並列に接続した後にコンデンサを特定の超音波モー
タに直列に接続することにより複数の超音波モータの回
転数を調節する構成にしているため、回転数を任意に調
節できるので、１台分の回路で少くとも２台のモータを
同一回転数で駆動でき、小型、軽量、低コストにした超
音波モータの駆動回路が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の超音波モータの駆動回路の基本構成
ブロック図、第２図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ超音
波モータの駆動周波数対回転数および接続するコンデン
サのインピーダンス対コンデンサの容量、モータの束縛
容量＋コンデンサの合成容量、モータに印加される電圧
との関係を示す特性図、第３図は超音波モータに直列に
コンデンサを接続したときの本発明の超音波モータの駆
動周波数対回転数の関係と従来の超音波モータにおける
駆動周波数対回転数の関係を示す特性図、第４図（ａ）
、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ超音波モータの構成を
示す正面図およびそのｂ−ｂ矢視断面図、第５図は従来
の超音波モータの駆動回路図、第６図は第５図の超音波
モータの駆動回路の動作を説明するためのタイムチャー
ト、第７図（ａ）および（ｂ）は超音波モータの圧電素
子と駆動回路のトランスとの駆動周波数附近における等
価回路図である。１．２・・・超音波モータ３３．１３３・・・圧電素子２４．２５，１２４，１２５・・・昇圧トランス４１、
．４２，１４１．１４２・・・駆動電極４３・・・モニ
タ電極４７・・・モニタ相５０・・・フィードバック回路６１・・・パルス発振器６２・・・リングカウンタ６３・・・スイッチ素子１０１．１０２・・・コンデンサ代理人　弁理士　　三　好　　秀　相回転数／ｒｐｍり）、０　　　　　　　　　　　　４０．５　　　　　
　　　　　　　４＋、０駆動周波数／ｋＨｚ第２図（ａ）第４図（ｂ）第５図

Claims

【特許請求の範囲】

所定周波数の信号を発する一の発振手段と、この発振手
段から発せられる信号を四分周し位相が互いに９０゜ず
れた２つの矩形波を発生させる矩形波発生手段と、この
矩形波をそれぞれ昇圧する２個の昇圧トランスとを備え
、該昇圧トランスの２次出力側に超音波モータを少くと
も２個、互いに並列に接続すると共に、これら複数の超
音波モータのうちの一の超音波モータにコンデンサを直
列に接続して成ることを特徴とする超音波モータの駆動
回路。