JPS61224879A - 表面波モ−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〉 本発明は表面波“モーター、特に分極処理された圧電又
は電歪素子を周期的に配列させ九１群の相と位相差をも
つ之もう１群の相に互いに位相差をもった２つの同一周
波数の交流電圧を印加し、表面あるいはその他の面に凹
凸の進行波を発生させ、その部分に摩擦接触している物
体を動かす構造をもつ超音波による表面波モータの駆動
回路に属する。

〈従来技術〉 進行性振動波によって駆動する表面波回転型モータの実
施例の櫃略図を第１図（ａｔ　ｔ　（ｂ＞に示す。同図
で１は撮動体を示し真ちゅうなどの弾性体にて構成され
ている。２は圧電又は電歪素子（例えばＰＺＴ（チタン
酸ジルコン鉛））で振動体１と接合されている。この電
歪素子は例えば第１図（Ｃ）に示すように分極処理がな
され円環あるいは円環状に配列した個々の圧電又は電歪
素子である。圧電又は電歪素子は２群に分かれており一
群２−　ａの素子に対しもう一群の素子２ｂは与えるべ
き振動波の波長λの１／４だけずれたピッチで配置され
る。又各群内での素子は波長λの１７２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。図
中の＋、−の符号は分極処理の符号で十とあるものは電
極側が一的、弾性体側が十的になっていて、−とあるも
のはこれらの逆になる。

３及び４は各群に対応し念電極腹であシ圧電又は電歪素
子２に電圧が印加できるようになっている０５は後述す
る共振状態雪検知する電極である。６は１〜５の固定子
（ステータ）に加圧接触している回転子（ロータ）であ
る。

このような構成の表面波回転型モータで一群の素子の電
極３にＶＯｓｉｎ　ｗｔの交流電圧を印加しもう一万の
群の素子の電極４にＶＯＣＯ３ｗｔの交流電圧を印加す
ると、谷群内の素子は相隣り合うものどうし極性が逆向
きで２つの群どうし９０°位相がずれて伸縮運動をする
。なおこれらの素子は弾性体１に接合されており％素子
の伸縮はステータ全体の曲げ振動に変換され、円環の表
面に屈曲波が生ずることになる。この様子を第２図に示
す。

第２図（ａ）は圧電又は電歪素子２及び弾性体１、電極
３の断面の概略図であり、圧電体又は電歪素子２は十で
分極処理をされ友為に電極３側がマイナス、弾性体側が
プラスに分極している。第２図（ｂ）は電極３にプラス
電圧を印加した状態を示しておシ素子２が横方向に縮み
弾性体１の上部が矢印のように膨張している。第２図（
Ｃ）はマイナス電圧を印加した状態を示しておシ素子２
が横方向に伸び弾性体１の上部が矢印のように収縮して
いる。

ここで圧電又は電歪素子の分極Ｐの分布を三角関数で近
似すると第１式のように表わされる。

但しｎは位置を表わす変数で第３図、第４図（ａ）に示
すように約束され例えばａ点はｎ　＝　１．５と表わさ
れる。またＰの添字は加振電圧を加える電極の番号であ
る。次に電極への加振周波電圧を第２式のようにする。

ここで■の添字は電極の番号を示している。

加振周波電圧に対する機械的な変動の応答にπ／２の時
間の遅れがあるとすると各位置におけるたて方向（円環
の厚み方向）（垂直方向）の第４図（ｂ）に示される変
位置Ｚは第３式で与えられる。尚、π／２の遅れがある
時加えた電気エネルギーはすべて機械エネルギーに変換
されるのは周知のとうりである。

Ｚ　＝　Ｐｏ　ｓｉｎ　ｎπ＊　Ｖａｓｉｎ（ｗｔ−π
／２）＋Ｐｏ　ｓｉｎ　（ｎπ−π／２）ａＶｏ　ｓｉ
ｎ　ｗｔ　＝　Ｐａ　Ｖａ　５ｉｎ（（ｎ＋１）　π＋
ｗｔ　）・・−・−第３式 この、たて方向の変位は進行波となり第４図（ｂ）の如
く円環上を時計方向に進行する。またステータ表面では
だ円運動をしておシ上記念て方向と共に円環方向向かつ
て横変位（水平変位）をしている。

この円環方向の横変位をＸとしｎの向きにとると円環方
向への変位成分は第４式のようになる。

・＝−梧 ＝−ｐＨＶｅπｃｏｓ（（ｎ＋１）π＋ｗｔ　）　・−
・−＠　４式この横方向の速度はこれを時間微分すれば
求められ、第５式とする。

ｘ ＵＸ−■ ＝　ｐａ　Ｖｏπｗ　ｓｉｎ　（（ｎ＋１）　π＋ｖｔ
　）−・・・・・第５式ここでＲＩＶ６　Ｓπ、Ｗとも
正の数である。

第３式と第５式から明らかなように屈曲によって頂点に
達した質点、例えば時刻ｔ＝Ｑにおけるａ点（ｎ　＝　
ｔ　５　）はＸの＋の方向つまり反時計まわりに最大の
速度をもって移動中であるという事であり屈曲波の頂点
の質点は反時間まわりに移動し、屈曲波全体の形は第４
図（ｂ）に示す如く円環上をａ　−ｂ　−ｃ・・・・・
・ｅの如く時計まわりに移動していく上述の進行波とな
る。該ステータの表面に回転子６を加圧接触すると、こ
の回転子６はステータの屈曲の頂点の質点の動きに摩擦
によって引っばられ回転力を得る。尚電極３にＶｎ　ｃ
ｏｓ　ｗｔ　、電極４に■。ｓｉｎ　ｗｔの交流電圧を
印加した場合はこれと全く逆になり逆方向の回転力を得
られ回転子は上述の場合と逆方向に移動することとなる
。

さて上記の様に周波電圧を印加して進行波を得ることに
て回転子を、駆動するモーターにおいて超音波周波電圧
にてステータを加振すると、ステータ固有の共振周波数
でないと効率的な加振ができないばかりか周波数によっ
て撮動モードが異なり、必要とする振動が得られない欠
点がある。そこで必要な撮動モードを得るべき特定の共
振周波数を安定して供給する必要があるが、この共振周
波数の帯域は非常にせまく高精度なものが必要であるう
え更に温度や加圧力等環境の変化に対してその共振周波
数が変動してしまうのでこの変動に自動追縦する工夫が
必要となる。

この共振周波数追従には周波電圧が印加された電歪素子
の共振振動によるインピーダンス変化を発振回路にフィ
ードバックさせて駆動周波数が共振周波数となるように
自動的に制御して振動波モーターの効率を向上させる技
術が特願昭５９−２４０２３号にて本出願人より出願さ
れている。

この方式によれば一度共振周波数に安定すればその後共
ホ周波数を追従するが、初期状態において上記共振周波
数の帯域に入っていない場合には共振周波数にて駆動が
出来ず駆動初期において例えば手動にて上記周波数台わ
せを行なう必要がある。

〈発明の目的〉 本発明に上記共振周波追従に際し、駆動初期に自動的に
共振周波数に設定する表面波モーターの駆動回路を提供
せんとするものである。

〈実施例〉 第５図は本発明の駆動回路の一実施徊を示す回路図であ
る。図においで、２は上記＄１図（Ｃ）の如く空間的に
配された二群の圧電又は電歪素子、３．４は各群の圧電
又は電歪素子に周波電圧を印加する電極、５は上記二群
の素子２の中間に配された圧電又は電歪素子のインピー
ダンス検知用端子、９は上記インピーダンス検知用端子
にて検知され穴インピーダンスに基づいた周波数にて発
振する発振回路としてのミーチャム／回路のアンプ１０
はフィルター、１１は移相器、８は９０°位相器、７は
それぞれ各群の電極３，４に周波電圧を印加する増巾器
、１３は正・逆回転切換スイッチである。上記の構成に
おいて、検知用端子５にて電歪素子のインピーダンスが
検知される。このインピーダンスは振動周波数によって
変化し共振周波数の時に最小の値を取る。よって、電歪
素子の加振状態が検知されアンプ９の出力として圧電又
は電歪素子の加振状態がフィードバックされた発振周波
数の周波電圧が出力される。この周波電圧はフィルター
１０．移相器１１、増巾器７を介して電極３に酢加され
ると共にフィルター１０、移相器１１．９０’移相器８
、増巾器７を介して電極４に印加される。この回路にあ
っては一度共振周波数にて駆動され九後系の共振周波数
が変化した場合にあっても、この変化がインピーダンス
として端子５にて検知されこの周波数変化がフィードバ
ックされ発振周波数が変化後の共振周波数に追従し、共
振周波数の自動追従による効率の良い駆動がなされる。

しかしながら、駆動初期にあっては一般的に共振周波数
にて駆動されていない友め、可変抵抗１２を設けて、こ
の抵抗１２を手動にて調定し、共振周波数を初期調定す
る必要がある。

本発明では、この初期調定動作を自動的に行なわせるも
のであり、実施例にあってはＬＥＤＩ５とＣｄ８１４か
ら成るフォトカプラー及びＩ、ＥＤ１５の輝度を三角波
的に制御する三角波発振器１６を設けである。

ＬＥＤＩ６の輝度は発振器１６の出力Ｋ１ｇじて変化す
るため、（：’ｄＳ１４の抵抗値が、それに応じて変化
するため、抵抗１２を手動調定しなくとも徐々に周波電
圧が変化し共振周波数へ移行させることが出来る。又、
一度共振周波数に設定されれば以後に上述の如く共振周
波数に対する追従動作が行なわれモーターは共振周波数
にて駆動される。

第６図（ａ）（ｂ）（Ｃ）は上記自動調定を行なう回路
の他の実施例を示す回路図である。第６図＜ａ）では始
めスイッチ２０にてコンデンサーを充電しておき駆動開
始時にスイッチ２０をＬＥＤＩ５側に切換え、コンデン
サー１９の電荷をＬＥＤＩ　５に放電するものであり、
これにてＩ、ＥＤ１５の輝度が漸時減少し、Ｃｄ８１４
の抵抗値を漸時変化させ周波数の調定を行なう様なして
いる。

第６図（ｂ）にあっては抵抗１２と直列接続されｔ抵抗
に対してＣｄ５１４を並列接続し念もので、この方法に
よれば第５図のものに比して周波数の微少づつ変化させ
て調定を行なうことが出来る。

第６図（Ｃ）にあってはアンプ９の出力である周波電圧
を波形変換器１７を介して分周回路１８に入力し、分局
出力にてＬＥＤ１５駆動する様なし念ものであシ、周波
電圧の周波数に応じて分局出力が変化しＬＥＤ１５の輝
度がそれに応じて漸時変化するので、周波電圧の周波数
の上記調定を自動釣行ない得る。

第７図は更に他の実施例を示すもので、該第７図におい
てはマイクロコンピュータ−２１を設け、マイクロコン
ピュータ−２１からの命令信号（制御信号）にてＤ／Ａ
変換器２２を介してトランジスター２３のベース電流を
調定している。

この様にすればトランジスター２３のベース電流を予め
プログラムした命令により任意に調定することが出来駆
動時にベース電流を徐々に変化させ共振周波数へ移行さ
せることはもちろん、ベース電流を大きく変化させるこ
とにて共振周波数からはずして表面波モータの回転子を
止める事も可能となる。つまり静止、回転をくりかえし
て、任意の回転動作をさせる事ができる。

また本実施例では発振回路としてミーチャム回路を用い
たが、圧電素子又は電歪素子の共振周波数でのインピー
ダンスの変化を用いた他の発振器でその回路を構成する
抵抗器の値をフォトカプラ等で可変する手法を用いても
同様の効果が得られることはもちろんである。

〈効果〉 以上の説明のごとく、本発明によればミーチャム回路の
周波数可変ボリュームの抵抗値を変えたものと等価なよ
うにフォトカプラ等で抵抗値をふってやる事により電源
投入直後の共振周波数合わせが自動化され、更にその後
の共振周波数の追従性を備えた理想的な超音波による表
面波モータの駆動が可能となる。特にフォトカプラ等を
使って間接的に制御できる為ミーチャム回路との不要な
干渉がなく、また周波数をふらせる幅や速度なども比較
的自由に設定できるので目的に応じて使い分けが考えら
れマイコン等の導入にも有利となる。

また回路的にも簡単に構成でき調整もほとんど必要ない
ので小型化、低価格化に役立つものである０

【図面の簡単な説明】

＠１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）Ｆｉ表表面モモ
２ターの構成を示す概略図、第２図（ａ）　ｔ　（ｂ）
　＊　（ｃ）は表面波モーターのステーターの動作を示
す断面図、第３図（ａ）　、　（ｂ）はステーターの座
標と分極の関係を示す説明図、第４図（ａ）　、　（ｂ
）は表面波モーターの動作を説明する説明図、第５図は
本発明に係る表面波モーターの駆動回路の一実施例を示
す回路図、第６図（ａ）　ｔ　（ｂ）　ｔ　（ＣＩは、
本発明の駆動回路の他の実施例をそれぞれ示す回路図、
Ｗｃ７図は本発明の駆動回路の他の実施例を示す回路図
である。 １４・・・・・・ＣｄＳ、１６・・・・・・発振器、１
５・・・・・・ＥＤ 茗　７　しりとａ） 顎トジ２［し］θジ　　ｙトリ２図と１））　　　　　
弯ｒジ２にり６≦しフＰシロ０とａ）　　　　　　　　
　　　第６四〕（シ少第６ＣＤとＣ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　周波電圧の印加にて圧電又は電歪素子を振動させ進行
   性振動波を発生させて、該振動波により移動体を磨擦駆
   動する表面波モーターにおいて、前記周波電圧を圧電又
   は電歪素子の加振状態を検知することにて共振周波数に
   追従させるフイードバツク系を含む駆動制御回路と、駆
   動初期にあつて駆動制御回路の出力周波電圧を除々に変
   化させ共振周波数へ移行させるための調定回路とを設け
   たことを特徴とする表面波モーターの駆動回路。