JPH07123750A

JPH07123750A - 超音波モータの駆動回路

Info

Publication number: JPH07123750A
Application number: JP5272773A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nojima; 貴志野島; Katsumi Imada; 勝己今田; Masanori Sumihara; 正則住原; Tetsuo Ootsuchi; 哲郎大土; Takahiro Nishikura; 孝弘西倉; Osamu Kawasaki; 修川崎; Katsu Takeda; 克武田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1995-05-12

Abstract

(57)【要約】【目的】小型，軽量，低コストで全駆動領域において
低消費電力であり、安定に効率よく超音波モータを駆動
する超音波モータの駆動回路を実現すること。【構成】圧電体10，超音波モータの駆動周波数により
出力パルスのデューティ比を調整するパルス幅変調器6
4，パルス幅変調器64の出力パルスにより入力電力を調
整するＤＣ−ＤＣコンバータ67を備えた超音波モータの
駆動回路。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電体により励振され
た弾性振動を駆動力とする超音波モータ、詳しくは超音
波モータの駆動回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電セラッミク等の圧電体および
金属等の弾性基板により構成された振動体を交流電圧で
駆動して弾性振動を励振し、これを駆動力とする超音波
モータが注目されている。以下に図面を参照しながら従
来の超音波モータについて説明する。図11は従来の超音
波モータの縦断面図であり、弾性基板101の一面に圧電
体102を貼り合わせて振動体103を構成している。また弾
性基板101の他方の面には、突起体101aが設置されてい
る。104は弾性体、105は耐摩耗性材料よりなる摩擦材で
あり、互いに貼り合わせて移動体106を構成している。1
07は外部に移動体106の回転力を伝達する出力伝達軸で
あり、移動体106の回転を安定に効率よく伝達するため
に突起部107aが設けられており、出力取り出し部107bよ
り外部に回転を取り出す。108は出力伝達軸107の異常振
動等を吸収補正し、移動体106の回転を安定に効率よく
出力伝達軸107に伝えるために設置された摩擦係数の大
きな弾性体である。109は振動体103の振動を阻害するこ
となく振動体103を支持する支持部材、110はベアリン
グ、111は皿バネである。112は加圧力調整手段であり、
移動体106は、摩擦材105を介して振動体103に皿バネ111
により加圧接触させられている。113は超音波モータを
支持するベース部である。ベアリング110は、このベー
ス部113に設置されており、出力伝達軸107の位置規制を
行っている。

【０００３】図12は上記超音波モータにおける圧電体10
2の電極構造の一例を示しており、周方向に４波の曲げ
振動を励振するように構成している。図12において、Ａ
₀，Ｂ₀はそれぞれ励振される進行波の２分の１の波長相
当の３つの小領域電極からなる駆動電極である。Ｃ₀は
４分の１の波長相当、Ｄ₀は４分の３の波長相当の長さ
の電極である。したがって、Ａ₀の駆動電極とＢ₀の駆動
電極とは互いに、位置的に４分の１波長(＝90度)の位相
差を持つ。また、駆動電極Ａ₀，Ｂ₀内の隣り合う２分の
１の波長相当の各小電極部は、厚みの方向に交互に反対
に分極されている。圧電体102の弾性基板101との接着面
は図12に示された面と反対側の面であり、電極は全面電
極である。使用時には斜線で示したように、Ａ₀の駆動
電極とＢ₀の駆動電極を構成する小領域は、それぞれ短
絡して用いられる。この駆動電極Ａ₀，Ｂ₀に(数１)，
(数２)で表される90度の位相差を有する電圧Ｖ₁および
Ｖ₂をそれぞれ印加すれば、振動体103には(数３)で表さ
れる円周方向に進行する曲げ振動の進行波が励振され
る。

【０００４】

【数１】Ｖ₁＝Ｖ₀sin(ωt)

【０００５】

【数２】Ｖ₂＝Ｖ₀cos(ωt)

【０００６】

【数３】ξ＝ξ₀cos(ωt−ｋx) ただし、Ｖ₀は電圧の最大値、ωは角周波数、ｔは時
間、ξは曲げ振動の振幅値、ξ₀は曲げ振動の振幅の最
大値、ｋは波数、ｘは位置を示す。

【０００７】図13は動作状態を説明する説明図である。
図13において、振動体103に進行波を励振することによ
って、振動体103の表面の任意のＡ点は、長軸ｗ，短軸
ｕの楕円運動をし、振動体103に加圧して設置された移
動体106は、摩擦材105を介して、振動体103の表面の任
意の点が描く楕円の頂点Ａ近傍で接触し、摩擦力により
波の進行方向とは逆方向に(数４)で表される速度ｖで運
動する。

【０００８】

【数４】ｖ＝ω×W 図14は振動体103の駆動端子からみた等価回路であり、
電気的容量(Ｃ_e)114、電気系−機械系変換トランス(変
換係数Ｎ)115、機械的弾性定数(Ｃ_m)116、質量(Ｌ_m)11
7、機械的損失(Ｒ_m)118とで表され、力Ｆとして出力さ
れる。圧電体102に電圧Ｖを印加すると、その周波数，
絶対値に応じた総電流(ｉ)119が流れる。この総電流
(ｉ)119は、圧電体102の電気的容量(Ｃ_e)114に流れる電
流である電気腕電流(ｉ_e)120と電気系−機械系変換トラ
ンス115に流れる電流である機械腕電流(ｉ_m)121とから
なる。この機械腕電流(ｉ_m)121は(数５)で表される変位
速度ｖ_dである。

【０００９】

【数５】ｖ_d＝ｄξ／ｄt したがって、総電流(ｉ)119、あるいは機械腕電流(ｉ_m)
121によって、振動体103の振動変位ξを求めることがで
きる。移動体106の回転速度は、振動体103の曲げ振動の
振幅値に比例し、曲げ振動の振幅値は振動体103を構成
する圧電体102に流れる機械腕電流(ｉ_m)121に比例す
る。そこで、この機械腕電流(ｉ_m)121を検出し、これを
利用することにより移動体106の回転速度を安定に制御
することができる。

【００１０】図15は従来の超音波モータの駆動回路であ
る。電圧制御発振器122から、超音波モータの目標回転
速度に対応する駆動周波数の信号が発生される。ここで
前記信号は２分割され、一方は90度位相器123を通り、
電力増幅器124によって電力増幅された後、変圧器125で
超音波モータを駆動する電圧に昇圧される。また、他方
は電力増幅器126によって電力増幅された後、変圧器127
によって超音波モータを駆動する電圧に昇圧される。さ
らに変圧器125から発せられた信号はコイル１２８を通
って圧電体１０２上の２組の駆動電極の一方の駆動電極
129に印加されるとともに、この駆動電極129下の圧電体
102の静電容量と等価な静電容量を有するキャパシタ130
に印加される。同様に変圧器127から発せられた信号
は、コイル131を通って圧電体102上の２組の駆動電極の
他方の駆動電極132に印加されるとともに、この駆動電
極132下の圧電体102の静電容量と等価な静電容量を有す
るキャパシタ131に印加される。このとき、振動体103上
には周方向に進行する曲げ振動が励振され、摩擦材105
と振動体103の突起体101aの間に作用する摩擦力によ
り、移動体106が進行波の進行方向と逆向きに駆動され
る(図11参照)。また圧電体102には、前述したように駆
動電圧の周波数、その絶対値に応じた総電流119が流れ
(図14参照)、この総電流119は抵抗134により電圧信号に
変換され、差動増幅器136の一方の入力に印加される。
また、キャパシタ133とキャパシタ130にも印加電圧の絶
対値およびその周波数に応じた圧電体102上の２組の駆
動電極を流れる電気腕電流120と等価な電流が流れ、そ
れぞれを加え合わせたものが抵抗135により電圧信号に
変換され、差動増幅器136の他方の入力端に入力され
る。差動増幅器136の出力は、２組の駆動電極に流れる
総機械腕電流に比例した電圧値であり、前述したよう
に、これは超音波モータの移動体の回転速度に比例した
ものである。この後、差動増幅器136の出力は、整流器1
37により直流電圧に変換された後に、差動増幅器138に
より速度設定値139と比較処理される。差動増幅器138の
出力は、電圧制御発振器122の周波数制御端子に印加さ
れ、超音波モータの回転速度が一定となるように超音波
モータの駆動周波数を調整する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図15の
超音波モータの駆動回路では、駆動電圧を得るために駆
動信号を電力増幅器で電力増幅後、変圧器により所望の
電圧に昇圧しており超音波モータが小型になるに従い、
超音波モータと駆動回路よりなるシステムに占める駆動
回路(特に変圧器)の体積，重量および価格の割合が大き
くなるなるという課題を有するとともに、駆動周波数が
回路構成による制約から離散的なものしか得られない場
合には、このような駆動周波数の操作のみでは超音波モ
ータを安定に効率良く駆動することが困難であるという
課題を有していた。本発明は上記課題を解決し、小型，
軽量，低コストで、かつ効率よく安定に超音波モータを
駆動することができる超音波モータの駆動回路を提供す
ることを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の駆動回路は、圧電体の静電容量Ｃとコイル
のインダクタンスＬよりなる直列共振回路の共振周波数
を超音波モータの駆動周波数の1.05倍から1.2倍の範囲
で設定するとともに、超音波モータの駆動周波数が直列
共振回路の共振周波数に近い場合には出力電圧を小さく
し、超音波モータの駆動周波数が直列共振回路の共振周
波数より離れている場合には出力電圧を大きくする調整
手段を有する電源回路と、この電源回路の出力電圧を直
流電源とする電力増幅回路より構成したものである。

【００１３】

【作用】したがって、本発明の駆動回路は、直列共振回
路の共振周波数を超音波モータの駆動周波数の1.05倍か
ら1.2倍の範囲で設定し、超音波モータの駆動周波数が
直列共振回路の共振周波数に近い場合には電源回路の出
力電圧を小さくし、超音波モータの駆動周波数が直列共
振回路の共振周波数より離れている場合には電源回路の
出力電圧を大きくすることにより、超音波モータの全駆
動領域において低消費電力駆動が可能な超音波モータの
小型軽量の駆動回路を提供することができる。また、超
音波モータの駆動周波数とともに、電源回路の出力電圧
を調整することにより超音波モータに印加される電圧の
絶対値の操作をすることにより、移動体の回転速度の精
度のよい調整が可能である超音波モータの駆動回路を提
供することができる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の第１の実施例を図１を参照し
ながら説明する。図１は本発明の第１の実施例である超
音波モータの駆動回路のブロック図である。図１におい
て、電圧制御発振器40の出力は２分割され、一方は直
接、電力増幅部41に、他方は90度位相器42により90度位
相して電力増幅部43に接続されている。電力増幅部41の
出力は、コイル44を通して圧電体10に設けられた駆動電
極45に印加されるとともに、この駆動電極45下の圧電体
10の静電容量と等価な静電容量を有するキャパシタ46に
印加される。また、電力増幅部43の出力はコイル47を介
して圧電体10上に設けられた駆動電極48に印加されると
ともに、この駆動電極48下の圧電体10の静電容量と等価
な静電容量を有するキャパシタ49に印加されている。そ
して、キャパシタ46とキャパシタ49の出力は、それぞれ
抵抗50の一端に接続され、抵抗50の他端は接地されてい
る。また、圧電体10には抵抗51が接続されており、抵抗
51の他端は接地されている。ここで、抵抗50と抵抗51の
抵抗値は互いに等しく設定されている。

【００１５】抵抗50のキャパシタ46およびキャパシタ49
に接続されている側および抵抗51の圧電体10に接続され
ている側は、差動増幅器52の入力にそれぞれ接続されて
おり、差動増幅器52の出力は整流器53に接続されてい
る。整流器53の出力は、差動増幅器54の一方の入力端子
に接続されており、差動増幅器54の他方の入力端子には
速度設定値55が接続されている。差動増幅器54の出力は
２分割され、一方は電圧制御発振器40の周波数制御端子
に接続され、他方はコンパレータ56の一方の入力端子に
接続されており、コンパレータ56の他方の入力端子には
基準電圧57が接続されている。コンパレータ56の出力
は、マルチプレクサ58のコントロール端子に接続されて
いる。抵抗59は、一端を直流電源Ｖcc60に他端を抵抗61
に接続されており抵抗61は他端を接地している。抵抗62
は、一端を電源Ｖcc60に接続し、他端を抵抗63に接続
し、抵抗63の他端は接地している。また、抵抗61の抵抗
59と接続されている側と抵抗63の抵抗62と接続されてい
る側は、それぞれマルチプレクサ58の入力端子に接続さ
れている。マルチプレクサ58の出力端子は、パルス幅変
調器64の制御端子に接続されている。また、パルス幅変
調器64には一定周波数で発振する発振器65が接続されて
いる。パルス幅変調器64の出力は、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ67のスイッチング素子に接続されており、ＤＣ−ＤＣ
コンバータ67には直流電源Ｖcc66が接続されている。Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータ67の出力は２分割され、一方は電力
増幅部41の直流電源に、他方は電力増幅部43の直流電源
に接続されている。

【００１６】以上のように構成された超音波モータの駆
動回路について、以下にその動作を説明する。電圧制御
発振器40から、超音波モータの目標回転速度に対応する
周波数の駆動信号が発生される。ここで前記信号は２分
割され、一方は90度位相器42を通り電力増幅部43によっ
て、ＤＣ−ＤＣコンバータ67から供給される直流電圧に
応じて超音波モータを駆動するのに必要な電力を有する
信号に増幅される。また、他方は電力増幅部41によって
ＤＣ−ＤＣコンバータ67から供給される直流電圧に応じ
て超音波モータを駆動するのに必要な電力を有する信号
に増幅される。電力増幅部43から発せられた駆動電圧
は、コイル47を通って圧電体10上に設けられた駆動電極
48に印加されるとともに、この駆動電極48下の圧電体10
の静電容量と等価な静電容量を有するキャパシタ49に印
加される。同様に電力増幅部41から発せられた駆動電圧
は、コイル44を通って圧電体10上に設けられた他方の駆
動電極45に印加されるとともに、この駆動電極45下の静
電容量と等価な静電容量を有するキャパシタ46に印加さ
れる。このとき、圧電体10の２組の駆動電極には印加さ
れた電圧の絶対値およびその周波数に応じた総電流(図1
4の119相当)が流れ、抵抗51によりこの総電流は電圧信
号に変換され、差動増幅器52の一方の入力端に入力され
る。また、キャパシタ46とキャパシタ49にも印加電圧の
絶対値およびその周波数に応じた圧電体10上の２組の駆
動電極を流れる電気腕電流(図14の120相当)と等価な電
流が流れ、それぞれを加え合わせたものが抵抗50により
電圧信号に変換され、差動増幅器52の他方の入力端に入
力される。差動増幅器52の出力は、圧電体10に流れる総
電流より得られる電圧値から、キャパシタ46とキャパシ
タ49より得られる圧電体10を流れる電気腕電流と等価な
電流より得られる電圧値を差し引いたもので、これは圧
電体10を流れる総機械腕電流に比例した電圧値であり、
これは超音波モータの回転速度に比例した信号である。

【００１７】差動増幅器52の出力は、整流器53により整
流され直流電圧信号に変換され、差動増幅器54により速
度設定値55と比較処理される。その後、差動増幅器54の
出力は２分割され、一方は電圧制御発振器40の電圧制御
端子に印加される。そして、電圧制御発振器40は移動体
の回転速度が目標値となるように超音波モータの駆動周
波数を調整する。他方はコンパレータ56の一方の入力端
に印加され、コンパレータ56の他方の入力端に接続され
ている基準電圧57と比較処理され、駆動周波数がＬ−Ｃ
直列共振回路の共振周波数に近いか離れているかを判断
し、マルチプレクサ58の入力端子が選択される。ここで
抵抗59，抵抗61，抵抗62，抵抗63の関係は(数６)のよう
になっている。

【００１８】

【数６】

【００１９】ゆえに抵抗59，抵抗61による電源Ｖcc60の
分圧値の方が、抵抗62，抵抗63による電源Ｖcc60の分圧
値より大きく、駆動周波数がＬ−Ｃ直列共振回路の共振
周波数に近い場合には、抵抗62と抵抗63で電源Ｖcc60を
分割して得られる電圧値が選択され、また駆動周波数が
Ｌ−Ｃ直列共振回路の共振周波数より離れている場合に
は抵抗59と抵抗61で分割された電圧値がコンパレータ56
とマルチプレクサ58によりそれぞれ選択され、パルス幅
変調器64の制御端子に印加される。また、パルス幅変調
器64は図２のような性質を持っており、制御端子に印加
される電圧が大きくなるに従い、出力パルスのデューテ
ィ比が大きくなり、マルチプレクサ58より送られてくる
電圧信号により発振器65から得られるパルスの幅を変調
する。パルス幅変調器64の出力は、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ67のスイッチング素子に印加され、電源Ｖcc66からＤ
Ｃ−ＤＣコンバータ67への入力電力を制御する。ここで
ＤＣ−ＤＣコンバータ67は、図３のようにスイッチング
素子に印加されるパルスのデューティ比に応じて電源Ｖ
cc66からＤＣ−ＤＣコンバータ67への入力電力が変わ
り、図４に示すようにパルスのデューティ比に応じて出
力電圧が増大する性質を持っている。また、コイル44と
駆動電極45下の圧電体10の静電容量とキャパシタ46がな
すＬ−Ｃ回路、およびコイル47と駆動電極48下の圧電体
10の静電容量とキャパシタ49がなすＬ−Ｃ回路は、図５
に示されるような周波数とアドミタンスの関係を有して
おり、Ａの部分がＬ−Ｃ回路の共振点、Ｂの部分が振動
体の共振点に対応している。また、図６は駆動周波数と
超音波モータの回転速度の関係、図７は超音波モータの
回転数と消費電力の関係を示している。図５，図６と図
７の横軸はそれぞれ同じ周波数領域に対応している。ま
た、ＤＣ−ＤＣコンバータ67のスイッチング素子に印加
するパルスのデューティ比を一定とした場合、図８に示
されるように出力端に接続される負荷のアドミタンスが
小さいほど、ＤＣ−ＤＣコンバータ67の出力電圧は大き
くなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ67の入力電力は大きくな
る。仮にＤＣ−ＤＣコンバータ67に印加するパルスのデ
ューティ比を一定として超音波モータを駆動した場合、
図５，図６，図７と図８より超音波モータの低速駆動
時、超音波モータのアドミタンスが小さいところで駆動
するためにＬ−Ｃ回路のアドミタンスが小さくなり、そ
の結果、駆動電圧が高くなり超音波モータの駆動には無
効な電力が、電源Ｖcc66からＤＣ−ＤＣコンバータ67へ
投入される。このため、超音波モータの低速回転域で
は、抵抗62と抵抗63で電源Ｖcc60を分割して得られる電
圧値が選択されるようにコンパレータ56とマルチプレク
サ58は設定されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ67に印加
するパルスデューティ比を小さくすることにより、無効
な電力を小さく抑えている。

【００２０】また、図９はＤＣ−ＤＣコンバータ67に印
加するパルスデューティ比Ｄ1，Ｄ2と駆動周波数，超音
波モータの回転数の関係であり、Ｄ1，Ｄ2はそれぞれＤ
Ｃ−ＤＣコンバータ67のスイッチング素子に印加するパ
ルスのデューティ比であり、(数７)のような関係にあ
る。

【００２１】

【数７】Ｄ1 ＞Ｄ2 この図よりＤＣ−ＤＣコンバータ67のスイッチング素子
に印加するパルスデューティ比が小さい場合には、超音
波モータの振動体に十分な機械腕電流を流すことができ
ないために、超音波モータを高速回転させることができ
ないことがわかる。このために、高速回転時にはＤＣ−
ＤＣコンバータ67のスイッチング素子に印加するパルス
のデューティ比を大きくすることにより十分に電力を供
給する。この場合、図５に見られるようにアドミタンス
が大きく電源Ｖcc66から供給される電力で無効となるも
のは小さい。そして、低速回転時にはＤＣ−ＤＣコンバ
ータ67のスイッチング素子に印加するパルスのデューテ
ィ比を小さくして供給する。この場合にはアドミタンス
が小さく電源Ｖcc66から供給される電力が小さくなるの
で無効電力となるものは小さい。このように、本発明に
よれば、小型，軽量，低コストで、超音波モータの全駆
動領域で消費電力の少ない超音波モータの駆動回路が得
られる。

【００２２】次に、本発明の第２の実施例を図10を用い
て説明する。マイコン89からの２つのデータ出力は、分
周回路68とＤ／Ａ変換器69に接続されている。分周回路
68には一定周波数で発振する発振器70が接続されてい
る。分周回路68の出力は２分割され、一方は直接電力増
幅部71に、他方は90度位相器72を介して電力増幅部73に
接続されている。上記電力増幅部71の出力側は、コイル
74を通して圧電体10上に設けられた駆動電極75に印加さ
れるとともに、この駆動電極75下の圧電体10の静電容量
と等価な静電容量を有するキャパシタ76に印加される。
また、電力増幅部73の出力はコイル77を介して圧電体10
上に設けられた駆動電極78に印加されるとともに、この
駆動電極78下の圧電体10の静電容量と等価な静電容量を
有するキャパシタ79に印加されている。また、キャパシ
タ76とキャパシタ79には抵抗80が接続され、抵抗80の他
端は接地されている。また、圧電体10の出力側は抵抗81
に接続されており、抵抗81の他端は接地されており、抵
抗80と抵抗81の抵抗値は互いに等しい。抵抗80のキャパ
シタ76およびキャパシタ79に接続されている側および抵
抗81の圧電体10に接続されている側は、差動増幅器82の
入力端にそれぞれ接続されており、差動増幅器82の出力
は整流器83に接続されている。整流器83の出力はＡ／Ｄ
変換器84に接続されており、Ａ／Ｄ変換器84の出力はマ
イコン89に接続されている。また、Ｄ／Ａ変換器69の出
力はパルス幅変調器85の制御端子に接続されており、パ
ルス幅変調器85には一定周波数で発振する発振器86が接
続されている。また、パルス幅変調器85の出力はＤＣ−
ＤＣコンバータ87のスイッチング素子に接続されてお
り、ＤＣ−ＤＣコンバータ87には電源Ｖcc88が接続され
ている。ＤＣ−ＤＣコンバータ87の出力は、２分割され
一方は電力増幅部71の電力入力端子に、他方は電力増幅
部73の電力入力端子に接続されている。

【００２３】以上のように構成された超音波モータの駆
動回路について、以下にその動作を説明する。マイコン
89から超音波モータの駆動周波数に対応したデータが出
力され分周回路68に送られるとともに、マイコン89から
一定値のデータがＤ／Ａ変換器69に送られる。分周回路
68は、このデータにより発振器70よりのパルス信号列を
分周して、超音波モータの駆動信号を生成する。このと
き、分周回路68の発生できる駆動信号の周波数は離散的
である。分周回路68の出力は２分割され、一方は90度位
相器72を通り電力増幅部73によって、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータ87から供給される電力により超音波モータを駆動す
るのに必要な電力を有する信号に増幅される。また、他
方は電力増幅部71によって、ＤＣ−ＤＣコンバータ87か
ら供給される電力により超音波モータを駆動するのに必
要な電力を有する信号に増幅される。さらに、電力増幅
部73から発せられた電圧は、コイル77を通って圧電体10
上に設けられた駆動電極78に印加されるとともに、駆動
電極78下の静電容量と等価な静電容量を有するキャパシ
タ79に印加される。同様に電力増幅部71から発せられた
電圧はコイル74を通って、圧電体10上に設けられた他方
の駆動電極75に印加されるとともに、この駆動電極75下
の静電容量と等価な静電容量を有するキャパシタ76に印
加される。このとき、圧電体10上には、２組の駆動電極
上に印加された電圧の絶対値および、その周波数に応じ
た総電流が流れ、抵抗81によりこの総電流は電圧信号に
変換され差動増幅器82の一方の入力端に入力される。ま
た、キャパシタ76とキャパシタ79にも印加電圧の絶対値
およびその周波数に応じた圧電体10上の２組の駆動電極
を流れる電気腕電流と等価な電流が流れ、それぞれ加え
合わせたものが抵抗80により電圧信号に変換され、差動
増幅器82の他方の入力端に入力される。差動増幅器82の
出力は、圧電体10に流れる総電流より得られる電圧値か
ら、キャパシタ76とキャパシタ79より得られる圧電体10
を流れる電気腕電流と等価な電流より得られる電圧値を
差し引いたものであり、これは圧電体10を流れる総機械
腕電流に比例した電圧値であり、これは超音波モータの
回転速度に比例した信号である。差動増幅器82の出力
は、整流器83により整流され直流電圧信号に変換され
る。整流器83の出力は超音波モータの回転速度に比例し
た直流電圧信号であり、これはＡ／Ｄ変換器84によりデ
ジタル値に変換されマイコン89に取り込まれる。マイコ
ン89のメモリには、この機械腕電流に比例したデジタル
値と超音波モータの回転数の関係が格納されており、こ
れを基に演算処理をして離散的な駆動周波数を決定し、
分周回路68にそのデータを送る。また演算処理の結果、
超音波モータの回転数と目標回転数の差がある一定値内
になった場合には、マイコン89から分周回路68に送られ
るデータ値は固定され、駆動周波数は一定とされる。こ
のとき、マイコン89からＤ／Ａ変換器69に送られるデー
タは超音波モータの回転数が一定となるように調整さ
れ、例えば超音波モータの回転数が目標速度に対して遅
い場合には、Ｄ／Ａ変換器69の出力が大きくなるような
出力となる。またパルス幅変調器85は、図２のような性
質が持たされており、印加電圧に比例して出力パルスの
デューティ比が増大する。またＤＣ−ＤＣコンバータ87
は、図３と図４のような性質を持たされており、スイッ
チング素子に印加されるパルス幅変調器85よりのパルス
のデューティ比により電源Ｖcc88よりの入力電力と出力
電圧を調整して超音波モータの回転速度が一定となるよ
うに、超音波モータの駆動電圧を制御し、このようにす
ることにより離散的な駆動周波数しか得られない場合に
も、超音波モータの駆動電圧を調整することにより超音
波モータを効率よく安定に駆動することができる。

【００２４】以上のように、本発明の超音波モータの駆
動回路によって超音波モータの駆動周波数に応じて回路
入力電力を制御することにより、小型，軽量，低コスト
で超音波モータの全駆動領域で低消費電力を可能とし、
安定に効率よく超音波モータを駆動できる超音波モータ
の駆動回路を提供できる。なお、前記第１の実施例で
は、駆動周波数に応じて２つのデューティ比を用いる場
合を説明したが、３つ以上のデューティ比を用いる場合
にも本発明が有効であることは勿論である。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明の駆動回路によっ
て小型，軽量，低コストで、しかも超音波モータが駆動
される全領域において低消費電力駆動が可能であり、安
定に効率よく超音波モータを駆動できる超音波モータの
駆動回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における超音波モータの
駆動回路のブロック図である。

【図２】実施例におけるパルス幅変調器の制御端子電圧
と出力パルスのデューティ比との関係図である。

【図３】実施例におけるＤＣ−ＤＣコンバータのスイッ
チング素子に印加するパルスのデューティ比とＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータへの入力電力の関係図である。

【図４】実施例におけるＤＣ−ＤＣコンバータのスイッ
チング素子に印加するパルスのデューティ比と出力電圧
の関係図である。

【図５】実施例における駆動周波数とＬ−Ｃ回路のアド
ミタンスの関係である。

【図６】実施例における駆動周波数と超音波モータの回
転数の関係である。

【図７】実施例における駆動周波数と超音波モータの消
費電力の関係である。

【図８】実施例における負荷のアドミタンスとＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータの入力電力の関係である。

【図９】ＤＣ−ＤＣコンバータの印加パルスのデューテ
ィ比と駆動周波数，回転数の関係である。

【図１０】本発明の第２の実施例における超音波モー
タの駆動回路のブロック図である。

【図１１】従来例における超音波モータの縦断面であ
る。

【図１２】従来例における超音波モータの圧電体の電極
構造を示す平面である。

【図１３】従来例における超音波モータの動作原理であ
る。

【図１４】従来例における振動体の等価回路である。

【図１５】従来例における超音波モータの駆動回路のブ
ロックである。

【符号の説明】

10，102…圧電体、 40，122…電圧制御発振器、 41，
43，71，73…電力増幅部、 42，72，123…90度位相
器、 44，47，74，77，128，131…コイル、 45，48，
75，78，129，132…駆動電極、 46，49，76，79，13
1，133…キャパシタ、50，51，59，61，62，63，80，8
1，134，135…抵抗、 52，54，82，136，138…差動増
幅器、 53，83，137…整流器、 55，139…速度設定
値、 56…コンパレータ、 57…基準電圧、 58…マル
チプレクサ、 60，66，88…Ｖcc、 64，85…パルス幅
変調器、 65，86，70，86…発振器、 67，87…ＤＣ−
ＤＣコンバータ、 68…分周回路、 69…Ｄ／Ａ変換
器、 84…Ａ／Ｄ変換器、 89…マイコン、 101…弾
性基板、 101a…突起体、 103…振動体、 104，108
…は弾性体、 105…摩擦材、 106…移動体、 107…
出力伝達軸、 107a…突起部、107b…出力取り出し部、
109…支持部材、 110…ベアリング、 111…皿バ
ネ、 112…加圧力調整手段、 113…ベース部、 114
…電気的容量(Ｃ_e)、 115…電気系−機械系変換トラン
ス、 116…機械的弾性定数(Ｃ_m)、 117…質量(Ｌ_m)、
118…機械的損失(Ｒ_m)、 119…総電流(ｉ)、 120…
電気腕電流(ｉ_e)、 121…機械腕電流(ｉ_m)、 124，12
6…電力増幅器、 125，127…変圧器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大土哲郎大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者西倉孝弘大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者川崎修大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者武田克大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体にＡ相，Ｂ相の２つの電極群を配
置し、前記電極群に各々交流電圧を印加し、前記圧電体
と弾性体とから構成される振動体に弾性進行波を励振す
ることにより、前記振動体上に加圧接触して設置された
移動体を回転させる超音波モータの駆動回路において、駆動信号を出力する駆動信号発生回路と、出力電圧調整
手段を有する電源回路と、前記電源回路の直流出力を直
流電源とし、前記駆動信号発生回路より出力された駆動
信号を増幅する電力増幅回路と、前記Ａ相，Ｂ相の各電
極群の静電容量とコイルの共振周波数が前記振動体の共
振周波数の1.05倍から1.2倍の範囲で高く設定された直
列共振回路と、前記駆動信号の周波数が前記直列共振回
路の共振周波数に近い場合には前記電源回路への入力電
力を小さくし、前記駆動信号の周波数が前記直列共振回
路の共振周波数より離れている場合には前記電源回路へ
の入力電力を大きくする制御回路より構成されることを
特徴とする超音波モータの駆動回路。
【請求項２】前記出力電圧調整手段を有する電源回路
としてＤＣ−ＤＣコンバータを用いることを特徴とする
請求項１記載の超音波モータの駆動回路。
【請求項３】前記電力増幅回路としてＳＥＰＰ(Singl
e Ended Push Pull)を用いることを特徴とする請求項１
記載の超音波モータの駆動回路。
【請求項４】圧電体にＡ相，Ｂ相の２つの電極群を配
置し、前記電極群に各々交流電圧を印加し、前記圧電体
と弾性体とから構成される振動体に弾性進行波を励振す
ることにより、前記振動体上に加圧接触して設置された
移動体を回転させる超音波モータの駆動回路において、駆動信号を出力する駆動信号発生回路と、出力電圧調整
手段を有する電源回路と、前記電源回路の直流出力を直
流電源とし、前記駆動信号発生回路より出力された駆動
信号を増幅する電力増幅回路と、前記Ａ相，Ｂ相の各電
極群下の静電容量とコイルの共振周波数が前記振動体の
共振周波数の1.05倍から1.2倍の範囲で高く設定された
直列共振回路と、前記移動体の回転速度調整を前記駆動
信号とともに前記電源回路の出力電圧を微調整すること
により行う速度調整回路から構成することを特徴とする
超音波モータの駆動回路。
【請求項５】前記入力電力調整手段を有する電源回路
としてＤＣ−ＤＣコンバータを用いることを特徴とする
請求項４記載の超音波モータの駆動回路。
【請求項６】前記電力増幅回路としてＳＥＰＰを用い
ることを特徴とする請求項４記載の超音波モータの駆動
回路。