JPH06106027B2 - 超音波モ−タの駆動装置 - Google Patents

超音波モ−タの駆動装置

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JPH06106027B2
JPH06106027B2 JP61287030A JP28703086A JPH06106027B2 JP H06106027 B2 JPH06106027 B2 JP H06106027B2 JP 61287030 A JP61287030 A JP 61287030A JP 28703086 A JP28703086 A JP 28703086A JP H06106027 B2 JPH06106027 B2 JP H06106027B2
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健一郎 高橋
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/142Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. speed, torque, starting, stopping, reversing
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/16Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
    • H02N2/166Motors with disc stator

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、圧電体を用いて駆動力を発生する超音波モー
タに係わり、特に弾性体を励振させる圧電体を駆動する
駆動装置に関する。
従来の技術 近年、圧電体のセラミックス等の電気−機械変換子を用
いて種々の超音波振動を励振することにより、回転ある
いは走行運動を得る超音波モータが高いエネルギー密度
等を有することから注目されている。
例えば、第5図に示すような構造の超音波モータが提案
されている。すなわち、2つの円形の圧電体1,圧電体2
と円形の弾性体3とを厚み方向に重ねて構成したステー
タ4と、そのステータ4に面接触し下面にライニング6
を接合し、下部には加圧接触用の締結軸7を形成し、上
部には外部の被回転体に回転を伝達する機械出力軸8を
形成してなるロータ基体5と、軸受け9と、前記ロータ
基体5と、ステータ4とを任意の締結トルクで加圧して
組立てる為のバネ10と締結環11とを備え、前記ステータ
表面には振動エネルギーを作用させるためのリング状の
突起3aを有しており、圧電体1,2に互いに位相のずれた
電気信号を印加することにより回転力を得るようになっ
ている。
このような超音波モータの駆動装置としては、第6図に
示されるような構成が提案されている。この第6図に示
す超音波モータの動作原理について以下説明する。
まず、ステータ4により定まる駆動周波数fmにて発振器
15により発振された出力信号を分岐し、一方を直接増幅
器16に、他方を位相器17を介して増幅器18に入力する。
前記位相器17では正方向回転あるいは逆方向回転に使用
する±10°ないし±170°の範囲で位相シフトした信号
が整形される。前記発振器15の出力信号を直接増幅器16
に入力して増幅した信号をリード線19及び20により第1
圧電体1に印加する。それによりステータ4には、第1
圧電体1の分極方向が互いに異なるプラス極性あるいは
マイナス極性を有する領域の一対を1波長として周方向
に8曲、4組の振動子に対応する4波長の励振数が発生
される。第2圧電体2も増幅器18の出力をリード線20,2
1を介して印加することにより同様に駆動される。
これらの位相器17と、増幅器16,18とで駆動回路22を構
成している。
上述のようにステータ4を駆動すると、ステータ4にお
けるロータ14に面する側の振動の頂点がロータ14に接触
し、しかもその頂点が時間とともに移動するため、ロー
タ14には横方向成分を有する力が加えられることにな
る。かくしてロータ14は、ステータ4により定まる駆動
周波数fmにより横方向成分の進行波により位置移動を繰
り返す結果、回転運動を得ることができる。
発明が解決しようとする問題点 ところが、発振器により発振される出力信号の発振周波
数fdを、ステータ4の共振周波数froにより定まる駆動
周波数fmと一致するように設定しておいても、超音波モ
ータが駆動される環境が変化したり、自己発熱の影響に
よる温度変化や経時変化等がおこると、ステータ4の共
振周波数froおよび駆動周波数fmが変化してしまい駆動
周波数fmが発振周波数froから大きくずれる。従って、
進行波の発生効率が減少し、モータとしての駆動効率が
低下し、極端な場合はモータ停止もある。
本発明は、この欠点を解決し、発振器により発振される
出力信号すなわち超音波モータの駆動回路の出力信号の
周波数fdが、常にステータ4の機械系共振周波数fro
よって定まる駆動周波数fmの変化を追尾し、環境の変化
により超音波モータの駆動条件が変化しても超音波モー
タの駆動効率の低下を防止し、安定なモータ回転状態を
現出し得る機能をもつ超音波モータの駆動装置を提供す
ることを目的とする。
問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明の超音波モータの駆
動装置は、超音波モータを構成する圧電体に流れる機械
系振動に比例する電流を検出する電流検出手段と、この
圧電体に印加される電圧を検出する電圧検出手段と、前
記圧電体に流れる機械系振動に比例する電流と前記圧電
体に印加される電圧との位相差を検出する位相差検出手
段と、前記位相差を一定に保つように発振周波数を可変
できる可変発振器と、前記可変発振器の発振周波数で前
記超音波モータを構成する圧電体を駆動する駆動回路と
を備えたものである。
作用 本発明は、上記した構成によって、超音波モータを構成
する圧電体に流れる電流のうち、機械系振動に比例する
電流すなわち機械系振動に寄与する電流のみと、圧電体
に印加される電圧とを検出し、位相差検出回路により両
者の位相を比較し位相差ΔPに応じた出力電圧を得てい
る。さらに誤差増幅器で基準電圧源の出力電圧と比較
し、差電圧を増幅している。その誤差増幅器の出力電圧
に応じて発振器の発振周波数を可変している。
これにより、あらかじめ発振器により発振される出力信
号すなわち超音波モータの駆動回路の出力信号の周波数
fdを、ステータ4の機械系共振周波数fro1より位相差Δ
Pにある駆動周波数fm1に設定しておくと、 fd=fm1 −(1) 超音波モータが駆動される環境が変化したり、自己発熱
の影響による温度変化や経時変化がおこりステータ4の
機械系共振周波数fro1およびそれより位相差ΔPにある
駆動周波数fm1がそれぞれfro2,fm2に変化しても、発振
器により発振される出力信号すなわち超音波モータの駆
動回路の出力信号の周波数fdは、 fd=fm2 −(2) に制御される。(第2図参照) 従って、環境の変化により超音波モータの駆動条件が変
化しても超音波モータの駆動効率の低下を防止し、安定
なモータ回転状態を現出し得る。
実施例 以下本発明の一実施例の超音波モータの駆動装置につい
て、図面を参照しながら説明する。
第1図は本発明の一実施例における超音波モータの駆動
装置を示すものである。前記各図の従来例と同一部分に
は同一符号を付している。
23は超音波モータを構成する第1の圧電体1と第2の圧
電体2とを電気回路図で示したものである。35は圧電体
2と、圧電体2に直列に接続された抵抗24と、一方の端
子を前記圧電体2の抵抗24との接続端子Aと反対側の端
子20aに接続されたコンデンサ26と、前記コンデンサの
他方の端子に一方の端子を接続し、もう一方の端子を前
記抵抗24の圧電体2との接続端子Aと反対側の端子19a
に接続された抵抗25と、抵抗30〜33と演算増幅器34とで
構成された差動増幅回路42とを備えており、圧電体に流
れる機械振動に比例する電流を検出する電流検出回路で
ある。
ここでもう少し、機械系振動に比例する電流検出回路35
について詳しく説明する。圧電体2を電気回路の等価回
路で示すと第3図(a),(b)のようになる。(オー
ム社 池田拓郎著『圧電材科学の基礎』P99〜P102参
照)圧電体2に流れる全電流をITとすると、ITは第3図
(b)のように機械系振動に比例する電流Imと、圧電体
2の静電容量Coに流れ、高調波成分を含むIcとの和にな
る。従って圧電体2に流れる電流ITのうち、圧電体2の
静電容量Coに流れる電流Ioを差し引くと、機械系振動に
比例する電流Imが得られる。従ってコンデンサ26の静電
容量を圧電体2の静電容量に等しく設定し、抵抗24と抵
抗25とを等しく設定しておくと、差動増幅回路42により
圧電体2に流れる全電流ITから圧電体2の静電容量Co
流れる電流Ioに等しいコンデンサ26に流れる電流を差し
引いた機械系振動に比例する電流Imに応じた出力波形が
得られる。すなわち、機械系振動に比例する電流Imが検
出できる。第4図に、第1図に示されるA点,B点,C点の
波形を示す。これからわかるようにA点,B点には高周調
成分によるひずみ波形があらわれているが、C点には電
圧波形と位相比較可能な、機械系振動に比例する電流Im
の波形が得られる。
36は圧電体2に印加される電圧を検出する電圧検出回路
である。37は位相差検出回路で、機械系振動に比例する
電流検出回路35と電圧検出回路36との出力波形の位相を
比較し、その位相差に応じた直流電圧を出力する。
43は誤差増幅器で、前記位相差検出回路の出力電圧と基
準電圧源41の電圧とを比較し、その差電圧に応じた電圧
を出力する。
44は可変発振器で、前記誤差増幅器43の出力電圧に応じ
てその発振周波数が可変される。
なお第1図において、抵抗28,29コンデンサ27は圧電体
に印加される電圧のバランスをとる為に挿入されたもの
である。以下詳細に説明してゆく。
圧電体2に直列接続された抵抗24と等しい抵抗値を有す
る抵抗28を圧電体1に直列接続し、コンデンサ26と抵抗
25とにそれぞれ等しいコンデンサ27と抵抗29とで構成さ
れた直列回路をライン21aと20aとの間に接続し、機械系
振動に比例する電流検出回路を構成する圧電体2と抵抗
24と抵抗25とコンデンサ26とに対して、ライン20aで対
称形構成になるように圧電体1と、抵抗28と、抵抗29
と、コンデンサ27とを挿入している。前記対称形構成に
することにより、ライン21aと20aとの間に印加される電
圧レベルとライン20aと19aとの間に印加される電圧レベ
ルとが等しい(但し、位相は異なる)時、圧電体1と圧
電体2とに印加される電圧レベルもそれぞれ等しくな
る。従って、圧電体1と圧電体2とに印加される電圧レ
ベルが異なることにより生ずる不都合(例えばモータ効
率の低下など)は発生しなくなる。これにより安定なモ
ータ回転が得られる。
以上のように構成された超音波モータの駆動回路におい
ては、第2図に示したように、発振器44の出力信号の周
波数fdを、ステータ4の機械系共振周波数fro1より位相
差ΔPにある駆動周波数fm1に設定しておくと、 fd=fm1 −(1) 超音波モータが駆動される環境が変化したり、自己発熱
の影響による温度変化や経時変化がおこりステータ4の
機械系共振周波数fro1およびそれより位相差ΔPにある
駆動周波数fm1がそれぞれfro2,fm2に変化しても、発振
器による発振される出力信号すなわち超音波モータの駆
動回路22の出力信号の周波数fdは、 fd=fm2 に制御される。すなわちステータ4の機械系共振周波数
froの変化に対して、超音波モータの駆動回路22の出力
信号の周波数fdは常にfroとfmを追従していることにな
る。
発明の効果 以上のように本発明は、超音波モータを構成する圧電体
に流れる電流のうち、機械系振動に比例する電流を検出
する電流検出手段と、この圧電体に印加される電圧を検
出する電圧検出手段と、前記圧電体に流れる機械系振動
に比例する電流と前記圧電体に印加される電圧との位相
差を検出する位相差検出手段と、前記位相差を一定に保
つように発振周波数を可変できる可変発振器と、この可
変発振器の発振周波数で前記超音波モータを構成する圧
電体を駆動する駆動回路とを備えることにより、可変発
振器により発振される出力信号の発振周波数fdが、ステ
ータの共振周波数froにより定まる駆動周波数fmから大
きくずれることなく、常に追従し、進行波の発生効率が
減少することなく、モータとしての駆動効率が低下する
こともなく、環境の変化による超音波モータの駆動条件
が変化しても安定なモータの回転状態を現出し得る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例における超音波モータの駆動装
置のフロック図、第2図は超音波モータを構成する圧電
体のアドミッタンス特性図、第3図は超音波モータを構
成する圧電体の等価回路図、第4図は機械系振動に比例
する電流検出回路A,B,C点での波形図、第5図は従来の
超音波モータの分解斜視図、第6図は従来の超音波モー
タの駆動装置のブロック図である。 1,2……圧電体、4……ステータ、14……ロータ、15…
…発振器、22……駆動回路、24,25……抵抗、26,27……
コンデンサ、28,29,30,31,32,33……抵抗、34……演算
増幅器、35……機械系振動に比例する電流検出回路、36
……電圧検出回路、37……位相差検出回路、38,39……
抵抗、40……演算増幅器、41……基準電圧源、42……差
動増幅回路、43……誤差増幅器、44……可変発振器、50
……位相差検出器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超音波モータを構成する圧電体に流れる機
    械系振動に比例する電流を検出する電流検出手段と、前
    記圧電体に印加される電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記圧電体に流れる機械系振動に比例する電流と、前記
    圧電体に印加される電圧との位相差を検出する位相差検
    出手段と、この位相差を一定に保つように発振周波数を
    可変できる可変発振器と、この可変発振器の発振周波数
    で前記圧電体を駆動させる駆動回路とで構成された超音
    波モータの駆動装置であって、圧電体に直列に接続され
    た第1の抵抗と、前記圧電体と第1の抵抗との直列回路
    に並列に接続されたコンデンサと第2の抵抗とからな
    り、一方の入力端子を前記圧電体と前記第1の抵抗との
    接続点Aに接続し、他方の入力端子をコンデンサと第2
    の抵抗との接続点Bに接続した差動増幅回路で構成し圧
    電体に流れる機械系振動に比例する電流検出手段を備え
    てなることを特徴とする超音波モータの駆動装置。
JP61287030A 1986-12-02 1986-12-02 超音波モ−タの駆動装置 Expired - Fee Related JPH06106027B2 (ja)

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