JP2006078390A - 超音波モーターの特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電界および磁界のカップリングノイズを遮断して正確な特性値を測定する。
【解決手段】 電圧検出回路１０ａは、電磁シールド板１４により覆ったアッテネーター１２により超音波モーター１の駆動電圧を分圧して検出し、電流検出回路１０ｂは、一次巻き線に流れる電流により発生する磁界を電気的に絶縁された二次巻き線により検出するＣＴ１６を備えるとともに、ＣＴ１６の一次巻き線に電界を遮断して磁界を透過するシールド線１５を用い、ＣＴ１６の一次巻き線に駆動装置２から超音波モーター１に流れる駆動電流を通電する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波モーターの電圧、電流、電力などの特性を測定する装置、超音波モーターの製造方法、および電流測定装置に関する。

圧電素子に所定の電圧と周波数の駆動信号を印加して駆動するリニア型振動アクチュエーターの電力や効率などの特性を測定する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開平１１−２５２９５７号公報

しかしながら、上述した従来の特性測定装置により超音波モーターの電圧、電流、電力などの特性を測定しようとすると次のような問題が発生する。
数１０Ｖより高い電圧と１０ｋＨｚを超える周波数で駆動する超音波モーターでは、電圧測定回路と電流測定回路において電界および磁界のカップリングノイズが発生する。特に駆動電圧波形と駆動電流波形との間に位相差が生じて力率が１未満となる場合には、電界および磁界のカップリングノイズにより電圧と電流が相互に干渉して正確な測定値が得られず、電圧と電流の測定結果に基づく有効電力や効率などの特性値も正確な値が得られない。
一般に、電界および磁界のカップリングノイズは電界シールド、磁気シールドを適宜使用することによって低減することができる。しかし、電界シールドや磁気シールドは試行錯誤により実装されることが多く、汎用的に実装しても十分な効果が得られない。また、電力線の配線によっては電界シールドや磁気シールドを設置できない場合もある。

（１） 請求項１の発明は、駆動装置により駆動される超音波モーターの特性を測定する装置であって、駆動装置から超音波モーターに印加される駆動電圧を検出する電圧検出回路と、駆動装置から超音波モーターに流れる駆動電流を検出する電流検出回路とを備え、電圧検出回路は、電磁シールド板により覆った分圧回路により超音波モーターの駆動電圧を分圧して検出し、電流検出回路は、一次巻き線に流れる電流により発生する磁界を電気的に絶縁された二次巻き線により検出する電流検出器を備えるとともに、電流検出器の一次巻き線に電界を遮断して磁界を透過するシールド線を用い、電流検出器の一次巻き線に駆動装置から超音波モーターに流れる駆動電流を通電する。
（２） 請求項５の発明は、超音波モーターの製造方法であって、請求項２に記載の超音波モーターの特性測定装置により検出した超音波モーターの力率が、超音波モーターの効率の良否を判定するために予め設定した良否判定基準値以上であれば、その超音波モーターを良品と判定して出荷する。
（３） 請求項６の発明は、超音波モーターの製造方法であって、請求項４に記載の超音波モーターの特性測定装置により検出した超音波モーターの有効電力が、超音波モーターの効率の良否を判定するために予め設定した良否判定基準値以上であれば、その超音波モーターを良品として出荷する。
（４） 請求項７の発明は、交流機器に流れる交流電流を測定する電流測定装置であって、一次巻き線に流れる電流により発生する磁界を電気的に絶縁された二次巻き線により検出する電流検出器を備えるとともに、電流検出器の一次巻き線に電界を遮断して磁界を透過するシールド線を用い、電流検出器の一次巻き線に交流機器に流れる交流電流を通電する。

（１） 本発明の超音波モーターの特性測定装置によれば、電界および磁界のカップリングノイズを遮断することができ、特に電圧波形と電流波形に位相差が生じて力率が１未満になっても電圧と電流の相互干渉が防止され、同時刻の電圧と電流を正確に検出することができる。
（２） 本発明の超音波モーターの製造方法によれば、品質の良い超音波モーターを安定して市場に供給できる。
（３） 本発明の電流測定装置によれば、電界カップリングノイズを防止して交流電流を正確に検出することができる。

図１は一実施の形態の構成を示す図である。超音波モーター１の駆動装置２は、所定電圧の電源２の直流電力を可変電圧、可変周波数の交流電力に変換して超音波モーター１へ印加し、超音波モーター１を駆動する。特性測定装置１０は、駆動中の超音波モーター１の駆動電圧、駆動電流、有効電力、力率などの特性を測定する。

超音波モーター駆動装置２の出力は特性測定装置１０の測定端子ＴＢ１へ接続され、超音波モーター１の圧電素子の両端は特性測定装置１０の測定端子ＴＢ２とＴＢ３に接続される。端子ＴＢ４は特性測定装置１０の接地端子である。この一実施の形態の特性測定装置１０では、接地端子ＴＢ４からツリー状に入力信号接地線ＧＮＤ１、高圧電力部と低圧信号部との分離用接地線ＧＮＤ２、測定回路交流接地線ＧＮＤ３および測定回路直流接地線ＧＮＤ４を分岐する。これにより、接地線の共通インピーダンスを最小化して耐ノイズ性を向上させ、測定精度を向上させることができる。また、分離用接地線ＧＮＤ２により、超音波モーター駆動用高圧電力回路と特性測定用低圧信号回路とを分離することができ、電界および磁界のカップリングノイズの発生を抑制することができる。

特性測定装置１０は電圧検出回路１０ａ、電流検出回路１０ｂおよび測定回路１０ｃを備えている。

電圧検出回路１０ａは、測定端子ＴＢ１の電圧、すなわち駆動装置２から超音波モーター１へ印加される駆動電圧を非磁性導体シールド線１１を介してアッテネーター１２へ導き、アッテネーター１２により駆動電圧を分圧して測定回路１０ｃへ出力する。アッテネーター１２は、図２に示すように、抵抗器Ｒ１とＲ２を直列に接続して構成され、超音波モーター１の駆動電圧を分圧して測定回路１０ｃの電圧信号増幅器１３へ出力する。

非磁性導体シールド線１１は電界を遮断して磁界を透過するシールド線であり、例えば銅網線やアルミ網線などのシールド線を用いることができる。このシールド線１１のシールド部の一カ所を、超音波モーター１の高圧電力回路と特性測定装置１０の低圧信号回路とを分離するための接地線ＧＮＤ２上の、アッテネーター１２に近い地点に最短距離で接続し、片接地する。これにより、電圧検出回路１０ａにおいて、超音波モーター１の高圧電力線から放射される電界を遮断でき、電界カップリングノイズの発生を防止できる上に、シールド線１１のシールド部と接地線ＧＮＤ２とを結ぶ閉ループ配線がなく、シールドのアンテナ効果を最小限に抑制して電磁波ノイズの伝搬を低減することができる。

次に、電圧検出回路１０ａのアッテネーター１２を電磁シールド板１４で覆い、電磁シールド板１４の一カ所を、超音波モーター１の高圧電力回路と特性測定装置１０の低圧信号回路とを分離する接地線ＧＮＤ２上の、アッテネーター１２に近い地点に最短距離で接続し、片接地する。これにより、アッテネーター１２からの電界および磁界ノイズの放射を遮断することができる。

電流検出回路１０ｂは、測定端子ＴＢ１からＴＢ２までの間を非磁性導体シールド線１５によりカレントトランス（以下、ＣＴという）１６を介して接続し、ＣＴ１６により超音波モーター１に流れる電流を検出して測定回路１０ｃへ出力する。図３に示すように、超音波モーター１の高圧電力線である非磁性導体シールド線１５をＣＴ１６の一次巻き線としてＣＴコア１６ａを貫通させる。ＣＴ１６の二次巻き線１６ｂはコア１６ａに巻き付けられており、二次巻き線１６ｂの一端を測定回路１０ａの電流信号増幅器１７へ接続し、他端を測定回路１０ｃの直流接地線ＧＮＤ４へ接続する。

ＣＴ１６の一次と二次の巻き線比は、中電力の超音波モーター１の場合１：数１００以上とされ、二次巻き線１６ｂには超音波モーター１に流れる電流の巻き線比に逆比例した電流が流れる。

非磁性導体シールド線１５は電界を遮断して磁界を透過するシールド線であり、例えば銅網線やアルミ網線などのシールド線を用いることができる。このシールド線１５のシールド部の一カ所を、超音波モーター１の高圧電力回路と特性測定装置１０の低圧信号回路とを分離するための接地線ＧＮＤ２上の、ＣＴ１６に近い地点に最短距離で接続し、片接地する。これにより、電流検出回路１０ｂにおいて、超音波モーター１の高圧電力線から放射される電界を遮断でき、電界カップリングノイズの発生を防止できる上に、シールド線１５のシールド部と接地線ＧＮＤ２とを結ぶ閉ループ配線がなく、シールドのアンテナ効果を最小限に抑制して電磁波ノイズの伝搬を低減することができる。

電流検出回路１０ｂでは非磁性導体シールド線１５を用いたので、超音波モーター１の高圧電力線から放射される電界を遮断でき、ＣＴ１６の一次、二次間の浮遊容量を介して電界ノイズが測定回路１０ｃ側に伝搬されるのを防止できる。なお、非磁性導体シールド線１５は超音波モーター１の高圧電力線から放射される磁界を透過するので、ＣＴ１６の電流検出機能を妨げることはない。

また、電流検出回路１０ｂのＣＴ１６において、ＣＴ１６のハウジングに非磁性導体シールド線１５を密着固定する。これにより、ＣＴコア１６ａと非磁性導体シールド線１５との位置関係が変動して検出電流値が変動するのを防止することができる。

このように、特性測定装置１０内の超音波モーター１の高圧電力線をすべて、電界を遮断し磁界を透過する非磁性導体シールド線を用いて配線したので、駆動電圧波形と駆動電流波形との間に位相差が生じて力率が１未満となっても、電界カップリングノイズの発生を防止することができ、超音波モーター１の電圧と電流を同時刻に正確に測定できる。

次に、測定回路１０ｃにおいて、電圧信号増幅器１３は電圧検出回路１０ａのアッテネーター１２から送られる超音波モーター１の駆動電圧信号を増幅し、駆動電圧瞬時値Ｖを出力する。また、電流信号増幅器１７は電流検出回路１０ｂのＣＴ１６から送られる超音波モーター１の駆動電流信号を電圧信号に変換して増幅し、駆動電流瞬時値Ｉを出力する。乗算回路１８は電圧信号増幅器１３の駆動電圧瞬時値Ｖと電流信号増幅器１７の駆動電流瞬時値Ｉとを乗算し、駆動電力瞬時値Ｐを算出する。ローパスフィルター（以下、ＬＰＦという）１９は乗算器１８の駆動電力瞬時値Ｐの平均値を求め、超音波モーター１の有効駆動電力Ｐe（＝Ｖ・Ｉ・cosφ；cosφは力率）として出力端子ＴＢ５から出力する。

ＲＭＳ／ＤＣコンバーター２０は電圧信号増幅器１３の駆動電圧瞬時値Ｖを実効値に変換し、超音波モーター１の駆動電圧実効値Ｖrmsとして出力端子ＴＢ６から出力する。また、ＲＭＳ／ＤＣコンバーター２１は電圧信号増幅器１７の駆動電流瞬時値Ｉを実効値に変換し、超音波モーター１の駆動電流実効値Ｉrmsとして出力端子ＴＢ７から出力する。

上述したように、一実施の形態の特性測定回路１０では、電圧検出回路１０ａと電流検出回路１０ｂにより超音波モーター１の電圧波形と電流波形とを相互干渉なく正確に測定できるので、駆動電圧と駆動電流の位相差φと力率cosφを正確に求めることができる。また、駆動電圧瞬時値Ｖと駆動電流瞬時値Ｉを各時刻で乗算することによって各時刻における正確な駆動電力瞬時値Ｐを求めることができる。さらに、駆動電圧瞬時値Ｖと駆動電流瞬時値Ｉの位相差φは負荷に起因する純粋な位相差のみとなり、力率cosφを考慮した有効電力Ｐeを算出することができる。

なお、有効電力Ｐeと力率cosφは超音波モーターの効率ηと相関があり、有効電力Ｐeまたは力率cosφから超音波モーターの効率ηの良否を判定することができる。つまり、有効電力Ｐeあるいは力率cosφが予め設定した良否判定基準値以上であれば、効率ηの良い超音波モーターであるとして出荷することができ、品質の良い超音波モーターを安定に市場に供給することができる。

このように、一実施の形態によれば、駆動装置２により駆動される超音波モーター１の特性を測定する装置であって、駆動装置２から超音波モーター１に印加される駆動電圧を検出する電圧検出回路１０ａと、駆動装置２から超音波モーター１に流れる駆動電流を検出する電流検出回路１０ｂとを備え、電圧検出回路１０ａは、電磁シールド板１４により覆ったアッテネーター１２により超音波モーター１の駆動電圧を分圧して検出し、電流検出回路１０ｂは、一次巻き線に流れる電流により発生する磁界を電気的に絶縁された二次巻き線により検出するＣＴ１６を備えるとともに、ＣＴ１６の一次巻き線に電界を遮断して磁界を透過するシールド線１５を用い、ＣＴ１６の一次巻き線に駆動装置２から超音波モーター１に流れる駆動電流を通電するようにした。
これにより、電界および磁界のカップリングノイズを遮断することができ、特に電圧波形と電流波形に位相差が生じて力率が１未満になっても駆動電圧と駆動電流の相互干渉が防止され、同時刻の駆動電圧と駆動電流を正確に検出することができる。

また、一実施の形態によれば、電圧検出回路１０ａにより検出した超音波モーター１の駆動電圧と、電流検出回路１０ｂにより検出した超音波モーター１の駆動電流とに基づいて超音波モーターの力率を検出するようにしたので、同時刻に検出された正確な駆動電圧と駆動電流に基づいて超音波モーター１の正確な力率を検出することができる。

さらに、一実施の形態によれば、電圧検出回路１０ａにより検出した超音波モーター１の駆動電圧と、電流検出回路１０ｂにより検出した超音波モーター１の駆動電流とを乗算する乗算回路１８を備え、この乗算回路１８により超音波モーター１の駆動電力を検出するようにしたので、同時刻に検出された正確な駆動電圧と駆動電流に基づいて超音波モーター１の正確な駆動電力を検出することができる。

さらにまた、一実施の形態によれば、乗算回路１８の出力から低周波数成分のみを抽出するローパスフィルター１９を備え、ローパスフィルター１９により超音波モーター１の有効電力を検出するようにしたので、同時刻に検出された正確な駆動電圧と駆動電流に基づいて超音波モーター１の正確な有効電力を検出することができる。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、電圧検出回路１０ａが電圧検出回路を、電流検出回路１０ｂが電流検出回路を、アッテネーター１２が分圧回路を、ＣＴ１６が電流検出器を、乗算回路１８が乗算回路を、ローパスフィルター１９がローパスフィルターをそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

上述した一実施の形態の電流測定回路１０ｂは、超音波モーターの駆動電流に限定されず、比較的高い電圧と高い周波数で駆動される一般的な交流機器に対して適用することができる。これにより、電界カップリングノイズを防止して交流機器に流れる交流電流を正確に検出することができる。

また、上述した一実施の形態では超音波モーターの駆動電流を測定するためにＣＴを用いた例を示したが、超音波モーターの駆動電流を測定するための検出器はＣＴに限定されず、例えばホール素子などのように一次巻き線電流により発生する磁界を二次巻き線により検出する方式の電流検出器であればよい。

さらに、上述した一実施の形態では非磁性導体シールド線として銅網線シールド線とアルミ網線シールド線を例に上げて説明したが、非磁性導体シールド線は上述した一実施の形態に限定されず、電界を遮断して磁界を透過するシールド線であればよい。

一実施の形態の構成を示す図である。 一実施の形態の電圧検出回路の詳細を示す図である。 一実施の形態の電流検出回路の詳細を示す図である。

符号の説明

１ 超音波モーター
２ 駆動装置
３ 電源
１０ 特性測定装置
１０ａ 電圧検出回路
１０ｂ 電流検出回路
１０ｃ 測定回路
１１、１５ 非磁性導体シールド線
１２ アッテネーター
１３ 電圧信号増幅器
１４ 電磁シールド板
１６ ＣＴ
１７ 電流信号増幅器
１８ 乗算回路
１９ ローパスフィルター
２０、２１ ＲＭＳ／ＤＣコンバーター
ＴＢ１〜ＴＢ７ 端子
ＧＮＤ１〜ＧＮＤ４ 接地線

Claims (7)

1. 駆動装置により駆動される超音波モーターの特性を測定する装置であって、
   前記駆動装置から前記超音波モーターに印加される駆動電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記駆動装置から前記超音波モーターに流れる駆動電流を検出する電流検出回路とを備え、
   前記電圧検出回路は、電磁シールド板により覆った分圧回路により前記超音波モーターの駆動電圧を分圧して検出し、
   前記電流検出回路は、一次巻き線に流れる電流により発生する磁界を電気的に絶縁された二次巻き線により検出する電流検出器を備えるとともに、前記電流検出器の一次巻き線に電界を遮断して磁界を透過するシールド線を用い、前記電流検出器の一次巻き線に前記駆動装置から前記超音波モーターに流れる駆動電流を通電することを特徴とする超音波モーターの特性測定装置。
2. 請求項１に記載の超音波モーターの特性測定装置において、
   前記電圧検出回路により検出した前記超音波モーターの駆動電圧と、前記電流検出回路により検出した前記超音波モーターの駆動電流とに基づいて前記超音波モーターの力率を検出することを特徴とする超音波モーターの特性測定装置。
3. 請求項１に記載の超音波モーターの特性測定装置において、
   前記電圧検出回路により検出した前記超音波モーターの駆動電圧と、前記電流検出回路により検出した前記超音波モーターの駆動電流とを乗算する乗算回路を備え、
   前記乗算回路により前記超音波モーターの駆動電力を検出することを特徴とする超音波モーターの特性測定装置。
4. 請求項３に記載の超音波モーターの特性測定装置において、
   前記乗算回路の出力から低周波数成分のみを抽出するローパスフィルターを備え、
   前記ローパスフィルターにより前記超音波モーターの有効電力を検出することを特徴とする超音波モーターの特性測定装置。
5. 請求項２に記載の超音波モーターの特性測定装置により検出した超音波モーターの力率が、超音波モーターの効率の良否を判定するために予め設定した良否判定基準値以上であれば、その超音波モーターを良品と判定して出荷することを特徴とする超音波モーターの製造方法。
6. 請求項４に記載の超音波モーターの特性測定装置により検出した超音波モーターの有効電力が、超音波モーターの効率の良否を判定するために予め設定した良否判定基準値以上であれば、その超音波モーターを良品として出荷することを特徴とする超音波モーターの製造方法。
7. 交流機器に流れる交流電流を測定する電流測定装置であって、
   一次巻き線に流れる電流により発生する磁界を電気的に絶縁された二次巻き線により検出する電流検出器を備えるとともに、前記電流検出器の一次巻き線に電界を遮断して磁界を透過するシールド線を用い、前記電流検出器の一次巻き線に前記交流機器に流れる交流電流を通電することを特徴とする超音波モーターの特性測定装置。

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