JPS61203873A - 振動波モ−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〉 本発明は進行性振動波により移動体を摩擦駆動する振動
波モータの駆動回路、特に該撮動波を安定な共振状態に
て発生させるための駆動回路の振動検出用の電歪素子の
配置に関する。

〈従来技術〉 最近実用化されつつある駆動用の電歪素子に周波電圧を
印加することによって生じる進行性振動波によって駆動
する振動波モータの駆動回路として振動検出用の電歪素
子を振動波モータに設は電歪素子のインピーダンスの変
化に応じて駆動用の電歪素子に印加する周波電圧の周波
数を自動的に共振周波数として、振動波モータを最も効
塞良く駆動させることができる駆動回路が本出願人によ
り特願昭５９−２７６９６２号として提案されている。

しかしながらかかる提案においては振動検出用の電歪素
子を設ける位置によっては振動検出用の電歪素子に伝わ
る振動によって生じる逆起電力の位相と駆動回路の出力
の位相とがずれてしまうととＫより駆動回路から駆動用
の電歪素子に印加する周波電圧の周波数が共振周波数か
゛らずれてしまい、振動波モータが動車良く駆動できな
いばかりか、全く駆動しない場合も生じることがあると
いう欠点があった。

〈発明の目的〉 本発明は上述の従来の振動波モータの駆動回路の欠点を
解消することを目的とし、かかる目的の基で本発明は振
動検出用の電歪素子から出力される逆起電力の位相と駆
動回路の出力の位相とを所定の関係忙するための手段を
設けていることを特徴としている。

〈実施例〉 第１図は本発明の第１の実施例の駆動回路を説明する図
面である。同図（ａ）け電歪素子１の分極処理状態を示
す図であり、読図（ａ）に於て１　ａ’は振動体２に接
着された電歪素子１上の電極を示す。を極１ａ′で各々
振動体に生じる屈曲波の波長の％ごとに逆向きに電歪素
子１を分極処理しである。図中の＋、−けその分極処理
の向きを示す。１ｂ′も電極１ａ′と同様で電歪素子１
上の電極である。電極１３′と電極１　ｂ’とは位置的
に前記波長のＫだけずれて配置されている。

ｌ　ｃ’は振動検出用電極で電極１３′、１ｂ′と同様
に電歪素子１上にある。又１本実施例に於ては。

駆動用電歪素子１ａ′と同相の位置にある。同図（ｂ）
は本実施例の駆動回路のブロック図であり、読図に於て
１０は振動波モータ本体、１１は発振部、１２け９０°
移相部、１３け１８００移相部、１４．１５は電力増幅
部、ＳＷは正転・逆転切換えスイッチである。

同図（Ｃ）　＃ｉ第怪図（ｂ）に示したブロック図を詳
細に示した回路図であり、読図に於て、Ｒ１−Ｒ６は抵
抗、Ｃ１はコンデンサ、ＯＰ１〜ＯＰ３は演算増幅器、
Ａ１．Ａ２け電力増幅用増幅器である。

第１図（ｂ）で発振部１１は振動波モータ本体１０の電
歪素子の振動検出用電極ＩＣ′からの信号を検出し該信
号に応じて振動波モータの振動が最も動車の良い振動す
なわち共振状態となって駆動するのに必要な周波数で発
振する。発振部１１の信号は増幅部１４と９０°移相部
１２へ伝わる。増幅部１４はその信号を増幅し振動波モ
ータ本体１０上の駆動用電極１ａ′を介して振動波モー
タの電歪素子て位相Ｏ０の周波電圧を印加する。９０’
移相部１２は、発振部１１の信号を９０″移相（９０’
位相を進ませる）する。又この信号は１８０°移相器１
３に伝えられ合せて２７０°（−９０°）移相する。（
すなわち９０°位相を遅らせる）この発振部１１の周波
電圧に対し各々９０’、２７０°（−９０°）の位相差
を持つ２つの信号を増幅部１５忙入力する前に正転・逆
転切換えスイッチＳＷにより切換える。該スイッチＳＷ
によシ選ばれた位相差によシ振動波モータ本体１０の電
歪素子に印加される周波電圧の位相が決まる。増幅部１
５の周波電圧の位相を９０゜とするとき振動波モータが
正転するなら、増幅部１５０周波電圧の位相を２７０’
（−９０°）とするとき振動波モータは逆転するという
ようにスイッチＳＷにより振動波モータの回転方向は選
択される。

次にかかる動作を第１図（ｃ）を用いて詳しく説明する
。振動波モータ本体上の電極１ａ′はすべて電力増幅器
Ａ１の出力に接続されている。

同様忙電極ｔ　ｂ’もすべて電力増幅器Ａ２の出力に接
続されている。又、振動検出用の電極１　ｃ’は演算増
幅器ＯＰＩの反転入力側に接続されている。尚電歪素子
１の振動板２側の面すなわち図の裏面は全面が分割され
てない電極が設けられており接地回路に接続されている
。

尚第１図（ｄ）は振動波モータの概略を示す図である。

第１図（ｄ）においてｌａ、ｌｂけ電歪素子で例えばＰ
ＺＴ（チタン酸ジルコン鉛）で、２は振動体で弾性物質
からなり、電歪素子１ａ。

ｌｂ、、ｌｃを接着しである。振動体２け電歪素子１ａ
・１ｂ″・１ｃと共にステータ（不図示）側に保持され
ている。３は移動体で振動体２に対し抑圧接触されてい
てロータを形成する。電歪素子１ａ及び１ｂは夫々複数
個接着されており、そのうちの一群の電歪素子１ａに対
し、もう一群の電歪素子１ｂは振動波の波長λの阿波長
分だけずれたピッチで配置される。群内での、各電歪素
子１ａ・１ａ・１ａ・・・・・・・・・は％波長のピッ
チで、相隣り合うものの極性が逆になるように配置され
ている。電歪素子１ｂ・１ｂ・１ｂ・・・・・・・・・
についても同様に阿波長のピッチで、相隣り合うものけ
逆極性である。ＩＣは第１図（ａ）に示した様な位置に
配置されている。また電歪素子１ａ・１ｂ・ＩＣの表裏
には図示を省略したが、夫々電極膜が設けられて、電歪
素子１ａ及び１ｂに夫々交流電圧が印加できるように々
っている。また電歪素子ＩＣから信号を検出できるよう
に々っている。

このような構成の振動波モータの駆動原理を実施例の説
明の前にまず説明する。該モータで一群の電歪素子１ａ
にＶｏ８ｉｎωＴの交流電圧を印加し、もう一方群の電
歪素子１ｂに■０ＣＯ５ωＴの交流電圧を印加する。従
って各電歪素子は相隣り合うものどうし極性が逆向きで
二つの群どうし９０°位相のずれだ交流電圧が印加され
て伸縮振動をする。この振動が伝えられて振動体２は電
歪素子１ａ・１ｂの配置ピッチに従って曲げ振動をする
。振動体２が一つおきの電歪素子の位置で出っ張ると、
他の一つおきの電歪素子の位置が引っ込む。一方、前記
の如く電歪素子１ａは電歪素子１ｂに対し、阿波長ずれ
た位置にあるため曲げ振動が進行する。交流電圧が印加
されている間、次々と振動が励起されて、進行性曲げ振
動波となって振動体２を伝わってゆく。

第２図（ａ）〜（Ｃ）は電歪素子の性質を説明する図で
ある。１６は電歪素子、１７は分極処理用高電圧源、１
８は電源、１９は電圧計、２０は電歪素子の変位方向を
示す矢印、２１は電歪素子に加える力を示す矢印である
。電歪素子例えば圧電性セラミックスは分極処理を行な
うことによってその特性であるカー電気の変換を行なう
性質を有するようになる。分極処理というのけ圧電性セ
ラミックスをそのキュリ一点近くまで温度を上げ高い電
圧を印加しある程度の時間保持する処理である。同図（
ａ）はその概略を示している。電歪素子１６の上・下面
には電極が存在する（不図示）。図に示す方向に高電圧
が印加され分極処理された電歪素子１６の内の誘電体の
分極の向きは図中に示されるように高圧電源１７の正の
極側に一、接地側に十となる。

こむで同図（ｂ）のように電源１８を電歪素子１６に接
続すると電歪素子１６は矢印２０に示されるように伸び
る。次に同図（Ｃ）のように電圧計１９に接続し矢印２
１に示される力を加えると電圧計１９には負の電圧が示
される。このように同じ変位を示す場合に圧電効果（同
図（Ｃ））と圧電逆効果（同図（ｂ））とでは発生電圧
の方向と印加電圧の方向は逆となる。第１図（Ｃ）にも
どって、電極１０′に於ける電気的なインピーダンス２
は第３図に示すように共振周波数ｆｔで極小値、反共振
周波数ｆａでは極大値を示す。演算増幅器ＯＰＩより成
る発振部１１の動作は先に示した特願昭５５−２７６９
６２に示されているがここで詳細にその動作を以下に示
す。

演算増幅器ＯＰＩの非反転入力端子電圧ｖ十は抵抗比２
とＲ３とＫより演算増幅器ＯＰｌの出力電圧Ｖ、ｕｉを
分圧した値 Ｖ＋＝（Ｒ３／（Ｒｚ＋Ｒａ）ｌｖｏｕｔ　　＋＋・＋
＋　　（１）になる。同様に演算増幅器ＯＰ１の反転入
力端子電圧■−は、抵抗Ｒ１と振動検出用電極ＩＣ′で
の電歪素子１のインピーダンス２により演算増幅器ＯＰ
Ｉの出力電圧Ｖｏｕｔを分圧した値Ｖ−＝（ｚ／（ｚ＋
几、））　・Ｖｏｌｔ　　　　・・・・・・　　（２）
に々る。先に示したようにインピーダンス２は周波数に
より変化する。（２）式を周波数ｆで微分すると ｄＶ−ｄｚＲｓ ゴ「＝…・ＧＴＩ７　　・・・・・・・・・・・・・・
・　（３）従って演算増幅器０Ｐ１０入力端子電圧の電
位差Ｖｉｎ＝（Ｖ＋）　　（Ｖ　　）ｈ周波ａｆｏ変化
により次表のように変化する。

この表からも解るように電歪素子の共振周波数ｆｒのと
き入力電位差Ｖｉｎが最大値になる。従って、上記の関
係を満足する抵抗Ｒ１〜Ｒ３を決める。なおそのときの
Ｑけ電歪素子のＱをＱＯとすれば、Ａｏ−Ｑｏとなる（
ＡＯは演算増巾器ＯＰＩの増巾度）。

第４図は第１図（ｂ）に示した回路の演算増幅器ＯＰＩ
付近の回路を示す図である。同図中振動検出用電極１ｃ
′に於ける電歪素子のインピーダンスを２で示し、圧電
効果によ）発生する電圧をｅで示している。電圧ｅは振
動波モータ本体１０に生ずる振動振幅が小さいときけ無
視できるので前記の説明のように演算増幅器ＯＰＩは共
振周波数ｆｒで発振する。振動波モータ本体１０に生ず
る振動振幅が大きくなると圧電効果により生ずる電圧は
無視できなくなる。

第２図の説明のように圧電効果により生ずる電圧ｅの位
相は駆動電圧の位相とけ１８０°ずれている。よって演
算増幅器ＯＰ１の出力電圧Ｖｏｕｔの位相と圧電効果に
よシ生じる電圧ｅの位　　　□相とけ１８０°ずれてい
る。かかる圧電効果により生じる電圧ｅも考慮に入れて
演算増幅器ＯＰＩの入力端子電圧の電位差Ｖｉｎを示す
と周波数が共振周波数ｆ「のとき となる。ただし出力電圧Ｖｏｕｔの位相と圧電効果によ
シ生じる電圧の位相とは１８００ずれているのでｅ　＝
　−ｅｌＶｏ　ｕ　ｔ　　で近似しである。ｅｌけ演算
増幅器ＯＰＩの出力電圧Ｖｏｕｔと圧電効果にょ）生ず
る電圧ｅとの関係を示す。

きなくなるほど大きくなっても発振する。

ここで従来の様に振動検出用電極ＩＣの位置を適当に決
定してしまうと圧電効果により生じる電圧ｅの位相と駆
動電圧の位相は必らずしも１８０°ずれるわけではなく
振動検出用電極ＩＣの位置における電歪素子の屈曲運動
と駆動用電極１ａ、ｌｂの位置における電歪素子の屈曲
運動の位相差に応じてずれてしまうことになる。

すなわち先に説明した（４）式におけるした項との位相
がずれることＫなり振幅が大きくなり、圧電効果ｅの項
が無視できなくなると入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕ
ｔとの位相がずれるため正常な帰遷により発振が行われ
なくなる。

したがって従来は発振回路の出力する周波電圧の周波数
が共振周波数ｆｒに追従せず、振動波モータが共振状態
で振動しなくなって動車が低下したり、駆動しなくなっ
たりするという欠点があったが本実施例に依ればかかる
欠点を前記した項の電圧の位相が合い正常な帰遷が行わ
れる条件を満す様に検出用電極ＩＣの配置する場所を決
めることによって解消している。

すなわち第１ｆｆｉ　（ａ）に示す様に検出用電極ＩＣ
の配置する位置にすれば該電極ＩＣと駆動用電極１ａと
における振動の位相を一致させて前述の条件を満す様に
することができる。

以上説明したように従来は振動振幅が大きくなると演算
増幅器ＯＰＩによる発振部１１の発振が起こらなくなっ
たことがあるが、本発明に依れば振動振幅が小さいとき
でも大きいときでも発振することが可能である。

また発振部１１からの周波電圧は電力増幅器Ａ１より成
る電力増幅部１４と演算増幅部ＯＦ２より成る９０°移
相部１２に入力される。発振部１１からの信号は電力増
幅器Ａ１により増幅され振動波モータ上の振動検出用電
極ＩＣ′と屈曲運動の位相が同位相となるようにならべ
られた駆動用電極１ａ’に印加され振動波モータを励振
する。演算増幅器ＯＰ２は反転の積分器を構成するから
発振部１１の信号に対して９０°位相が−進む。次にこ
の９０°移相部の信号は演算増幅器ＯＰ３より成る１８
０°移相部１３に入力する。

よって演算増幅器ＯＰ３の出力信号は発振部１１の信号
の位相に対し２７０°（−９０°）の位相差をもつこと
になる。正転・逆転切換えスイッチＳＷによりこれら９
０°、−９０°の位相差をもつ２つの信号を切換えるこ
とができる。これにより電力増幅器Ａ２は電力増幅器Ａ
Ｉの印加電圧の位相と９０°又は−９０’の位相差を持
つ印加電圧を電歪素子１上の駆動用電極１ｂ′に加える
ことができる。よって振動波モータの屈曲進行波の回転
方向を正転・逆転に切換えることができる。

次に第５図（ａ’）〜（Ｃ）に本発明の他の実施例を示
す。第１図（ａ）で示された振動検出用電極ＩＣ′にお
ける電歪素子の分極方向が隣り合う駆動用′電極１　ａ
’における電歪素子の分極方向と逆であったのが第５図
（ａ）に示す実施例において−同じ釦なっている。この
場合には第５図（ｂ）のように発振部１１の出力電圧の
位相を演算増幅器ＯＰ４と抵抗Ｒ７とＲ８とにより成る
反転器を通して電力増幅器Ａ１と９０’位相器である演
算増幅器ＯＰ２に入力させることにより第１図（Ｃ）で
示した回路と同様な動作を行わせることができる。また
第５図（Ｃ）のように電力増幅器Ａ１の前に第５図（ｂ
）に示した前記の反転器を入れても同様な効果が得られ
る。

又、振動振幅が大きい場合には、発振部１１の帰還回路
内に第５図（ｄ）のようだ反転器を入れても発振を持続
させることができる。

次に振動検出用電極ＩＣ′を設ける位置の他の実施例に
ついて説明する。前述の様に振動検出用電極ＩＣ′は該
電極１　ｃ’における振動の位相が駆動用電極１ａ’に
おける振動の位相と同位相になる様な位置にあることが
必要な条件である。

第６図にその例を示す。第６図（ａ’）では第１図（ａ
）に示した電極素子と全く同様に分極処理された電歪素
子の別の結線方法を示す。この様に振動検出用電極の位
置は前述の条件を満せばどこでもよい。第６図（ｂ）の
ように振動検出用電極ＩＣ′を９０’位置的位相の異な
る駆動用電極１ｂ′が設けられている箇所の内部に設け
ることもできる。かかる図に示す実施例でも駆動用電極
１３′と振動検出用電極ＩＣ′とにおける振動の位相は
合っている。第６図（Ｃ）に第６図（ｂ）の電歪素子を
用いた場合の結線方法を示す。

次に振動検出用電極ＩＣ′の大きさについて第７図を用
いて説明する。第７図は振動検出用電極ＩＣ′付近の拡
大図である。第７図においてλ／２は振動波モータ本体
１０上の屈曲進行振動波の波長の半分の長さを示す。ｌ
け振動検出用電極ＩＣ′の周方向長さ、ωは振動検出用
電極ＩＣ′の幅を示す。一点鎖線は駆動用電極１ａ′と
同じ位置的位相を示す中心線を示す。

長さｌは中心線を中心にｌ〈λ／２が望まれる。

λ／２よすも大きい場合は、振動検出用電極１ｄ内で圧
電効果等を打ち消すため無駄になってしまう。次に幅ω
は特に中心を決めることもない。

しかしながら振動検出用電極ＩＣ′は他の不用な振動を
検出しない形状が望まれる。例えば、振動検出用電極Ｉ
Ｃけ電歪素子１の第７図の点線にて示す様に中心部分の
みに設けた方が電歪素子１の不要な振動（電歪素子１の
周方向のねじり振動）の影蕃を受けにくいという効果が
ある。

又、面積が大きい方がインピーダンス２が低く謔音が低
くなる。

また最近直線ばりを用いたＩＪ　ニア型振動波モータの
研究例が知られている（日本音響学会講演論文集昭和５
９年３月Ｐ、６０３　）が、そのような振動波モータに
も本発明を適用することができることを第８図（ａ）、
（ｂ）を用いて説明する。

第８図（ａ）　、（ｂ）に於て、２け振動板、２２は振
動吸収用振動子、２３は励振用振動子、Ｒ９は振動エネ
ルギー吸収用抵抗、Ｌは振動子２２゜２３との間の距離
、Ｌｌは振動子２３から振動検出用電歪素子１ｃまでの
距離である。同図（ａ）では振動吸収用振動子に直接発
振用演算増幅器ＯＰＩを接続しである。同図（ｂ）では
振動検出用電歪素子を振動板２上に設けである。ここで
各々の距離りとＬｌけ λ　　　　　　　　　λ 、Ｌ＝ｍ　−−、Ｌ　ｌ＝ｍ１＊Ｔ を満すことにより前述の第１図（Ｃ）の回路例と同様に
発振をすることができる。ただしｍ　、　ｒｎ　１は整
数、λけ屈曲波の波長である。

尚上述した実施例の説明およびその他の部分において電
歪素子という言句を使って電気−機械変換素子を表現し
た。したがって本明細書においては電歪素子とけ圧電効
果を有する素子をすべて含む。

〈発明の効果〉 以上説明した様に本発明に依れば、振動検出用の電歪素
子に伝わる振動によって生じる逆起電力の位相と駆動回
路の出力の位相がずれてしまって振動波モータの駆動動
車が低下する、あるいは駆動しなくなるということがな
くなり、常に高い効惠で振動波モータを駆動することが
できる。

第２図は電歪素子の動作を説明する図、第３図は振動検
出電極での電歪素子の周波数−インピーダンス特性図、 第４図は電歪素子の圧電効果を考慮した発振部の等価回
路図、 第５図は振動検出用電極に於ける分極の向きが逆の場合
の実施例の駆動回路図、 第６図は振動検出用電極の他の位置の例を示す図、 第７図は振動検出用電極の大きさを示す図、第８図はＩ
Ｊ　ニア型振動波モータに本発明を適用した実施例の回
路図である。

１、ｌａ、ｌｂ、ＩＣは電歪素子、１ａ／　、　、　ｂ
ｒけ駆動用電極、ＩＣ′は振動検出用電極、２は振動体
、３は移動体、１０け振動波モータ本体、１１け発振部
、１２け９０°移相部、１３け１８０移相部、１４．１
５は電力増幅部、１６は電歪素子、１７は分極処理用高
電圧電源、１８は電源、１９は電圧計、２０け電歪素子
１６の変位を示す矢印、２１は電歪素子１６に加える力
を示す矢印、２２は振動吸収用振動子、２３け励振用振
動子である。

ＯＰｔ〜ＯＰ４は演算増幅器、Ａ１〜Ａ２Ｆｉ電力増幅
器、Ｒ１−Ｒ９は抵抗、Ｃ１けコンデンサ、２は振動検
出用電極ｌＣ′での電歪素子１のインピーダンス、ｅは
、振動検出用電極１０′での電歪素子１の圧電効果によ
り生ずる電圧、ＳＷは正転・逆転切換えスイッチ、λは
屈曲進行振動波の波長、ｌは振動検出用電極ＩＣ′の長
さ、ωは振動検出用電極ＩＣ′の幅、Ｌは振動子間の距
離、Ｌｌは振動子２３と振動検出用電歪素子ＩＣの間の
距離である。

第１図 （ａン （ｂ） 第１図（Ｃ） （ｄ） 笑２図 （α）（ｂ）　　　　　この 第３図 第４図 第５図 （α） 第５図 （ｄ） 第８図 Ｑ））

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）周波電圧が印加された駆動用電歪素子の伸縮運動
   が共振して生じる進行性振動波で移動体を駆動する振動
   波モータの駆動回路において、前記進行性振動波の振動
   検出用電歪素子と、前記周波電圧を発生する回路であつ
   て前記振動検出用電歪素子から得られた信号に応じて前
   記周波電圧の周波数を振動波モータの共振周波数に追従
   させる回路と、該回路から出力される周波電圧の位相と
   、前記振動検出用電歪素子から得られた信号の位相とを
   前記共振が持続する様合わせる手段とを具備したことを
   特徴とする振動波モータの駆動回路。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の振動波モータの駆動
   回路において、前記合わせる手段を前記振動検出用電歪
   素子における前記振動波の位相と前記駆動用電歪素子に
   おける前記振動の位相とが一致する位置に前記振動検出
   用電歪素子を配置したことを特徴とする振動波モータの
   駆動回路。