JP2548248B2 - Ultrasonic motor controller - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
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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
タの制御装置に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control device for an ultrasonic motor that generates a driving force by using a piezoelectric body.
従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に例え
ば数10KHzの駆動電圧加えて弾性振動を励振し、この振
動体を伸縮振動又は厚み振動させ、この振動を駆動力と
してロータ等の被駆動体(移動体)を押圧駆動すること
により、移動体を回転又は直線運動させるようにした超
音波モータが注目されている。2. Description of the Related Art In recent years, for example, a driving voltage of several tens of KHz is applied to a vibrating body using a piezoelectric body such as a piezoelectric ceramic to excite elastic vibration, and the vibrating body is caused to expand and contract or to vibrate in thickness. Attention has been paid to an ultrasonic motor in which a driven body (moving body) is pressed and driven to rotate or linearly move the moving body.
以下、図面を参照しながら超音波モータの従来技術に
ついて説明を行う。Hereinafter, a conventional technique of an ultrasonic motor will be described with reference to the drawings.
第4図は円環型超音波モータの斜視図であり、円環型
の弾性体15に円環型圧電体14を貼り合わせて振動体16を
構成している。17は耐摩耗性材料の摩擦材、18は弾性体
であり、互いに貼り合わせられて移動体19を構成してい
る。移動体19は摩擦材17を介して振動体16と接触してい
る。圧電体14に電圧を印加すると振動体16の周方向に曲
げ振動が励起され、これが進行波となることにより、移
動体19を駆動する。尚、同図中の振動体16には、機械出
力取り出し用の突起体20が設置されている。FIG. 4 is a perspective view of a ring-shaped ultrasonic motor, in which a ring-shaped elastic body 15 and a ring-shaped piezoelectric body 14 are bonded together to form a vibrating body 16. Reference numeral 17 is a friction material made of a wear resistant material, and 18 is an elastic body, which are bonded to each other to form a moving body 19. The moving body 19 is in contact with the vibrating body 16 via the friction material 17. When a voltage is applied to the piezoelectric body 14, bending vibration is excited in the circumferential direction of the vibrating body 16, and this becomes a traveling wave, which drives the moving body 19. In addition, a protrusion 20 for extracting a mechanical output is installed on the vibrating body 16 in FIG.
第5図は第4図の超音波モータに使用した圧電体14の
電極構造の一例を示している。同図では円周方向に9個
の弾性波がのるように構成されている。同図において、
AおよびBはそれぞれ2分の1波長相当の小領域から成
る電極群で、Cは4分の3波長、Dは4分の1波長相当
の電極である。電極CおよびDは電極群AとBに位置的
に4分の1波長(=90゜)の位相差を作っている。電極
AとB内の隣合う小電極部は圧電体14を分極する際に用
いる電極で、圧電体14の弾性体15との接着面は、第5図
に示された面と反対の面であり、その面の電極は全面平
面電極である。使用時には、電極群AおよびBは第5図
の斜線で示されたように、それぞれ短絡して用いられ
る。FIG. 5 shows an example of the electrode structure of the piezoelectric body 14 used in the ultrasonic motor of FIG. In the figure, the configuration is such that nine elastic waves are laid in the circumferential direction. In the figure,
A and B are electrode groups each composed of a small area corresponding to a half wavelength, C is an electrode corresponding to three quarter wavelengths, and D is an electrode corresponding to a quarter wavelength. The electrodes C and D positionally make a phase difference of a quarter wavelength (= 90 °) between the electrode groups A and B. Adjacent small electrode portions in the electrodes A and B are electrodes used for polarizing the piezoelectric body 14, and the bonding surface of the piezoelectric body 14 with the elastic body 15 is a surface opposite to the surface shown in FIG. Yes, the electrodes on that surface are all-plane electrodes. In use, the electrode groups A and B are short-circuited and used as indicated by the hatched lines in FIG.
以上のように構成された超音波モータの圧電体14の電
極AおよびBに V1=V0・sin(ωt) ……(1) V2=V0・cos(ωt) ……(2) ただし、 V0:電圧の瞬時値 ω:角周波数 t:時間 で表される電圧V1およびV2をそれぞれ印加すれば、振動
体には ξ=ξ0・(cos(ωt)・cos(kX)+sin(ωt)・s
in(kX)) =ξ0・cos(ωt−kX) ……(3) ただし、 ξ:曲げ振動の振幅値 ξ0:曲げ振動の瞬時値 k:波数(2π/λ) λ:波長 X:位置 で表せる、円周方向に進行する曲げ振動が励起される。V 1 = V 0 · sin (ωt) ··· (1) V 2 = V 0 · cos (ωt) ··· (2) on the electrodes A and B of the piezoelectric body 14 of the ultrasonic motor configured as above. However, if V 0 : instantaneous value of voltage ω: angular frequency t: voltage V 1 and V 2 represented by time are applied respectively, ξ = ξ 0 · (cos (ωt) · cos (kX ) + Sin (ωt) ・ s
in (kX)) = ξ 0 · cos (ωt−kX) (3) where ξ: amplitude value of bending vibration ξ 0 : instantaneous value of bending vibration k: wave number (2π / λ) λ: wavelength X: A bending vibration, which can be represented by a position, and which advances in the circumferential direction is excited.
第6図は振動体16の表面のA点が進行波の励起によっ
て、長軸2W、短軸2Uの楕円運動をし、振動体16上に加圧
して設置された移動体19が、楕円の頂点近傍で接触する
ことにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向にv
=ωxUの回転速度で運動する様子を示している。また、
この速度は振動体16と移動体19の間にスベリがあるとき
は、上記のvより小さくなる。同図の矢印Bは、移動体
19の進行方向を示し、矢印Cは、この進行波の進行方向
を示す。また、上記した移動体19の速度vは、この曲げ
振動の瞬時値ξ0に比例する。FIG. 6 shows that the point A on the surface of the vibrating body 16 makes an elliptic motion of the long axis 2W and the short axis 2U by the excitation of the traveling wave, and the moving body 19 installed by pressing on the vibrating body 16 has an elliptical shape. By contacting in the vicinity of the apex, frictional force causes v in the direction opposite to the traveling direction of the wave.
= ΩxU. Also,
This speed becomes smaller than v when there is slip between the vibrating body 16 and the moving body 19. The arrow B in the figure indicates a moving body.
The traveling direction of 19 is shown, and the arrow C shows the traveling direction of this traveling wave. The velocity v of the moving body 19 described above is proportional to the instantaneous value ξ 0 of this bending vibration.
ところで、この超音波モータ6を等価回路で示すと第
7図のようになることが知られている。同図においてC0
は振動体16の電気的な静電容量で、C1は振動体16のコン
プライアンス、L1は質量、R1は機械的損失に相当するも
のである。このC1、L1、R1で構成された回路は振動等の
機械的動作に関係するもので機械椀と呼び、圧電体14の
電極に供給される電流iのうちこの機械椀に流れる電流
imを機械椀電流と呼ぶ。超音波モータ6に印加する周波
電圧のレベルを一定にし、その周波数を変化させた時、
機械腕電流imの大きさは第8図に示すような特性を示
す。この図は言い換えれば超音波モータ6の機械腕のア
ドミタンスが印加される周波電圧の周波数によって同じ
特性カーブで変化することを示している。この機械腕電
流imの大きさは先述したように振動体19の振動振幅と比
例関係にあり、従って移動体19の移動速度に比例するこ
とになる。By the way, it is known that the ultrasonic motor 6 is represented by an equivalent circuit as shown in FIG. In the figure, C 0
Is the electric capacitance of the vibrating body 16, C 1 is the compliance of the vibrating body 16, L 1 is the mass, and R 1 is the mechanical loss. The circuit composed of C 1 , L 1 and R 1 is related to mechanical operation such as vibration and is called a mechanical bowl. Of the current i supplied to the electrode of the piezoelectric body 14, the current flowing through this mechanical bowl.
i m is called the mechanical bowl current. When the level of the frequency voltage applied to the ultrasonic motor 6 is fixed and the frequency is changed,
The magnitude of the mechanical arm current i m exhibits the characteristics shown in FIG. In other words, this figure shows that the admittance of the mechanical arm of the ultrasonic motor 6 changes with the same characteristic curve depending on the frequency of the applied frequency voltage. The size of the machine arm current i m is proportional to the vibration amplitude of the vibrating body 19 as previously described, therefore proportional to the moving speed of the moving body 19.
さて上記のように構成された超音波モータ6を駆動
し、移動体19の移動速度が大体所定の値になればよいと
いった比較的ラフな制御をする場合、移動体19に周知の
FG(周波数発電機)の如き速度センサーを取り付けそこ
から得られる速度情報をもと超音波モータの速度制御を
行うのではなく、前記したように機械椀電流のレベル
(振幅)が移動体19の移動速度に比例することから、こ
の機械椀電流の振幅が所定の移動速度に対応した一定の
値になるように制御を行っている。When the ultrasonic motor 6 configured as described above is driven to perform a relatively rough control such that the moving speed of the moving body 19 is approximately a predetermined value, the moving body 19 is well known.
Instead of installing a speed sensor such as FG (frequency generator) to control the speed of the ultrasonic motor based on the speed information obtained from it, the level (amplitude) of the mechanical bowl current of the moving body 19 is as described above. Since it is proportional to the moving speed, the amplitude of this mechanical bowl current is controlled so as to have a constant value corresponding to a predetermined moving speed.
発明が解決しようとする問題点 ところで上記のように構成された超音波モータを起動
する場合、最初ある周波数の周波電圧を印加するのであ
るが、この周波数の決定が非常に難しい。何故なら、回
転に関する機械椀電流im(機械椀のアドミタンス)の周
波数特性は、温湿度や、外部からの負荷の状態が変化す
ることによって、第8図に示すように変化するからであ
る。即ち、ある状態で(e)のような特性であったの
が、上記したような環境の変化によって(g)のような
特性を示したり、(f)のような特性を示したりする。Problems to be Solved by the Invention By the way, when the ultrasonic motor configured as described above is started, a frequency voltage having a certain frequency is first applied, but it is very difficult to determine this frequency. This is because the frequency characteristic of the mechanical bowl current i m (admittance of the mechanical bowl) relating to rotation changes as shown in FIG. 8 due to changes in temperature and humidity and the state of load from the outside. That is, the characteristic like (e) in a certain state shows the characteristic like (g) or the characteristic like (f) due to the change of the environment as described above.
起動時の周波数を例えば第8図に示すf1に設定した場
合、機械椀電流imの特性が(f)のような状態即ち機械
椀のアドミタンスが非常に小さくなっていると、いくら
高い電圧(圧電体14が破壊しない範囲で)を印加しても
殆ど電流が流れず、超音波モータ6が全く起動しないと
いう現象が生じる。この起動時の対策として、従来共振
点(第6図の特性曲線におけるピークのところ)より周
波数が低くならないように温湿度の変化範囲や負荷の変
動を想定して実験的に起動時の周波数を設定している。When the frequency at start-up is set to f 1 shown in FIG. 8, for example, when the characteristic of the mechanical bowl current i m is as shown in (f), that is, when the admittance of the mechanical bowl is extremely small, no matter how high the voltage is, Even if (the piezoelectric body 14 is not destroyed) is applied, almost no current flows, and the ultrasonic motor 6 does not start at all. As a measure against this start-up, the start-up frequency was experimentally set by assuming the temperature and humidity change range and the load change so that the frequency does not become lower than the conventional resonance point (at the peak of the characteristic curve in FIG. 6). It is set.
しかしながらこのような周波数の設定では、(g)の
ような特性即ちその周波数でアドミタンスが小さくなる
ことも考え、印加する電圧のレベルをある程度大きく設
定しなければならず、そのため電源が大きくなるという
点や、圧電体14の分極状態が劣化してくる問題が生じ、
また設定した周波数が先とは逆に共振点近傍の周波数に
なった場合アドミタンスが増加するので上記したように
アドミタンスの小さい場合をも考慮したレベルの大きな
電圧が印加されていると起動時瞬間的に大きな機械椀電
流が流れ移動体19の速度が異常に速くなり、この超音波
モータ6が組み込まれた機器に損傷を与えるという問題
点も有している。However, in such a frequency setting, it is necessary to set the level of the applied voltage to a certain level in consideration of the characteristic (g), that is, the admittance becomes small at that frequency, and therefore the power supply becomes large. Or, the problem that the polarization state of the piezoelectric body 14 deteriorates occurs,
Also, when the set frequency becomes opposite to the frequency near the resonance point, the admittance increases.Therefore, if a large voltage is applied considering the case of small admittance as described above, the instantaneous There is also a problem that a large mechanical bowl current flows and the speed of the moving body 19 becomes abnormally high, which damages the equipment incorporating the ultrasonic motor 6.
本発明はかかる点に鑑み、超音波モータの起動時機械
椀の特性が変化しても安定に、かつ従来に比べ圧電体に
印加する電圧を低く出来る超音波モータの制御装置を提
供することを目的とする。In view of such a point, the present invention provides a control device for an ultrasonic motor that is stable even when the characteristics of a mechanical bowl at the time of starting the ultrasonic motor are changed, and that can lower the voltage applied to the piezoelectric body as compared with the related art. To aim.
問題点を解決するための手段 本発明は圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電体と
弾性体とから構成される振動体に弾性波を励振すること
により前記振動体上に接触して設置された移動体を移動
させる超音波モータと、前記振動体の振動振幅に対応し
た量を検出する振幅検出手段と、前記振幅検出手段の出
力を基に前記振動体の振動振幅を制御する振幅制御手段
と、前記振動体の振動振幅が所定の値に達したことを検
出し所定振幅検出信号を出力する所定振幅検出手段と、
前記周波電圧の周波数を高い方から低い方へ掃引する周
波数掃引手段とを有した超音波モータの制御装置であ
る。Means for Solving the Problems According to the present invention, a piezoelectric body is driven by an alternating voltage to excite an elastic wave in a vibrating body composed of the piezoelectric body and an elastic body, thereby contacting the vibrating body. An ultrasonic motor for moving the installed moving body, an amplitude detecting means for detecting an amount corresponding to the vibration amplitude of the vibrating body, and an amplitude for controlling the vibration amplitude of the vibrating body based on the output of the amplitude detecting means. Control means, a predetermined amplitude detection means for detecting that the vibration amplitude of the vibrating body has reached a predetermined value, and outputting a predetermined amplitude detection signal,
And a frequency sweeping means for sweeping the frequency of the frequency voltage from a higher frequency to a lower frequency.
作 用 本発明は前記した構成により、超音波モータ起動時に
おいて、前記周波数掃引手段を動作させ、所定振幅検出
手段より所定振幅検出信号が出力された後、周波数掃引
手段の掃引を停止し、振幅制御手段を動作させる。Operation According to the present invention, when the ultrasonic motor is activated, the frequency sweeping means is operated, the predetermined amplitude detecting means outputs the predetermined amplitude detection signal, and then the frequency sweeping means stops the sweeping operation. Operate the control means.
実施例 第1図は本発明の第1の実施例における超音波モータ
の制御装置のブロック図を示すものである。第1図にお
いて、1は可変発振器2の発振周波数を制御する可変発
振器制御回路、2は入力される電圧値によって出力周波
数が決まれ可変発振器、3は可変発振器2の出力から90
゜位相の異なった二つの信号を発生させる90゜移相回
路、4、5はこの90゜位相の異なった各々の信号を超音
波モータ6を駆動するのに必要な電圧レベルまで増幅し
て圧電体14の各々の電極に印加しその増幅度がコントロ
ール入力に印加される直流電圧値によって制御される電
力増幅回路、7は機械腕電流imを検出する機械腕電流検
出器、8は周波信号である機械腕電流検出器7の出力を
直流電圧に変換するための検波回路、9は検波回路8の
出力と設定機械腕電流値に相当する機械腕電流基準値V
irとを比較しその差に応じた誤差信号を出力する比較回
路、10は制御ループを安定にするための補償フィルタ、
11は比較回路9の出力を監視することによって超音波モ
ータに流入する機械腕電流imの振幅レベル(以下、単に
レベルという)が所定値に達したかどうかを検出するレ
ベル検出回路、12はその接点の選択をレベル検出回路11
の出力によって制御され電力増幅回路4、5のコントロ
ール入力に印加する信号が補償フィルタ10の出力もしく
は一定電圧Vr1になるよう切り換えられるスイッチ(S
W)、13は超音波モータ6の起動停止のためのコントロ
ール端子である。このブロック図において、機械腕電流
検出器7、検波回路8、比較回路9、補償フィルタ9、
電力増幅回路4、5及び超音波モータ6で機械腕電流の
レベルを所定設定値にする制御ループ(以下、機械腕電
流制御ループという)が形成される。第2図は機械腕電
流imの検出方法を説明するための図で、位相の異なった
二つの周波電圧のうち少なくともどちらか一方はトラン
ス21を介して圧電体14に印加される(図においては電力
増幅器4の出力)。また機械腕電流検出器7は同図のよ
うにトランス21の2次側に接続された抵抗R0とコンデン
サC0′およびR0にかかる電圧を増幅する増幅器より構成
される。ここでコンデンサC0′を第7図の等価回路のC0
と等しくしトランス21の巻線比を1:1にすると抵抗R0に
流れる電流iR0は iR0=(1/(2・R0・C0′・S+1))・im となるが、この式の右辺の第1項の折点周波数は数MHz
であり、それに比べ駆動周波数は数10KHzであるので上
式は iR0=im と近似できる。従って抵抗R0にかかる電圧は機械腕電流
imに比例した周波電圧となり、同図のようにこの電圧を
検出すれば機械腕電流imを検出することが出来る。First Embodiment FIG. 1 is a block diagram of an ultrasonic motor control device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a variable oscillator control circuit for controlling the oscillation frequency of the variable oscillator 2, 2 is an output frequency whose output frequency is determined by an input voltage value, and 3 is an output from the variable oscillator 2.
The 90 ° phase shift circuits 4 and 5 for generating two signals having different phases are amplified by amplifying the signals having different 90 ° phases to the voltage level necessary for driving the ultrasonic motor 6. power amplifier circuit which is controlled by a DC voltage value that amplification degree and applied to each electrode body 14 is applied to the control input, 7 mechanical arm current detector for detecting the mechanical arm current i m, 8 is frequency signal Is a detection circuit for converting the output of the mechanical arm current detector 7 into a DC voltage, and 9 is an output of the detection circuit 8 and a mechanical arm current reference value V corresponding to the set mechanical arm current value.
A comparison circuit that compares ir and outputs an error signal according to the difference, 10 is a compensation filter for stabilizing the control loop,
11 the amplitude level of the mechanical arm current i m flowing to the ultrasonic motor by monitoring the output of the comparator circuit 9 (hereinafter, simply referred to as level) level detection circuit detects whether or not reached a predetermined value, 12 The level detection circuit 11 selects the contact.
The switch (S which is controlled by the output of the power amplifier circuit 4 and 5 and applied to the control inputs of the power amplification circuits 4 and 5 is the output of the compensation filter 10 or the constant voltage V r1).
W) and 13 are control terminals for starting and stopping the ultrasonic motor 6. In this block diagram, the mechanical arm current detector 7, the detection circuit 8, the comparison circuit 9, the compensation filter 9,
A control loop (hereinafter, referred to as a machine arm current control loop) that sets the level of the machine arm current to a predetermined set value is formed by the power amplification circuits 4 and 5 and the ultrasonic motor 6. In view for FIG. 2 for explaining the method of detecting the mechanical arm current i m, in (figure at least one applied to the piezoelectric element 14 through the transformer 21 of the phase of different two frequency voltage Is the output of the power amplifier 4. The mechanical arm current detector 7 is composed of a resistor R 0 connected to the secondary side of the transformer 21 and an amplifier for amplifying the voltage applied to the capacitors C 0 ′ and R 0 as shown in the same figure. Wherein C 0 of the equivalent circuit of Figure 7 the capacitor C 0 '
When the winding ratio of the transformer 21 is set to 1: 1 and the current i R0 flowing through the resistor R 0 is i R0 = (1 / (2 · R 0 · C 0 ′ · S + 1)) · i m , The break frequency of the first term on the right side of this equation is several MHz
Since the driving frequency is several tens KHz, the above equation can be approximated as i R0 = i m . Therefore, the voltage applied to the resistor R 0 is the mechanical arm current.
i becomes frequency voltage proportional to m, it is possible to detect the mechanical arm current i m by detecting the voltage as in FIG.
第3図は第1図に示した超音波モータ6の駆動制御装
置の起動時における動作波形図で、(a)はコントロー
ル端子13に入力されるモータ起動停止指令信号で‘H'レ
ベルで起動、‘L'レベルで停止を指令する、(b)は可
変発振器制御回路1の出力で可変発振器制御信号、
(C)は比較回路9の出力で機械腕電流検出器7で検出
された機械腕電流imのレベルに応じた誤差信号、(d)
はレベル検出回路11の出力で機械腕電流imのレベルが所
定値に達したら‘H'レベルになるレベル検出信号であ
る。FIG. 3 is an operation waveform diagram at the time of starting the drive control device for the ultrasonic motor 6 shown in FIG. 1. (a) is a motor start / stop command signal input to the control terminal 13 and started at the'H 'level. , 'L' level gives a command to stop, (b) is the output of the variable oscillator control circuit 1, the variable oscillator control signal,
(C) an error signal corresponding to the level of the mechanical arm current i m which is detected by the mechanical arm current detector 7 at the output of the comparator circuit 9, (d)
Is a level detection signal level of the mechanical arm current i m at the output of the level detection circuit 11 becomes 'H' level reaches the predetermined value.
以上のように構成された本実施例の超音波モータの制
御装置について、以下その動作を説明する。The operation of the control device for the ultrasonic motor of the present embodiment configured as described above will be described below.
超音波モータ6を起動させるべく、コントロール端子
13に入力されるモータ起動停止信号(a)が‘L'レベル
から‘H'レベルになると、可変発振器制御回路1は、超
音波モータ6に周波電圧を印加するために可変発振器2
をオンすると同時に、後述するレベル検出回路11によっ
て超音波モータ6に流れる機械腕電流imのレベルが所定
の値に達したことが検出されるまでの期間(第2図
t)、可変発振器2の出力周波数が高い周波数(fH)か
ら低い周波数(fL)に掃引させるべく第3図に示すよう
に高い電圧から時間と共に低い電圧に変化する可変発振
器制御信号(b)を出力する。ここで周波数fHおよびfL
は先に説明した環境等の変化による機械椀の特性の変化
を十分カバーする範囲で設定される。可変発振器2の出
力は90゜移相回路3および電力増幅回路4、5を通じて
超音波モータ6(圧電体14)に印加される。この周波電
圧が印加されると移動体19は回転運動を開始する。この
時電力増幅回路4、5の増幅度は可変範囲の中心になる
ように各々のコントロール入力には一定の電圧Vr1が印
加される(SW12は1側に接続される)。従って超音波モ
ータ6には一定の周波電圧が印加されていることにな
る。Control terminal to start ultrasonic motor 6
When the motor start / stop signal (a) input to 13 changes from the “L” level to the “H” level, the variable oscillator control circuit 1 causes the variable oscillator 2 to apply the frequency voltage to the ultrasonic motor 6.
And at the same time on a time to the level of the mechanical arm current i m flowing to the ultrasonic motor 6 is detected to have reached a predetermined value by the level detecting circuit 11 to be described later (FIG. 2 t), variable oscillator 2 Output a variable oscillator control signal (b) that changes from a high voltage to a low voltage with time as shown in FIG. 3 in order to sweep the output frequency from a high frequency (f H ) to a low frequency (f L ). Where the frequencies f H and f L
Is set in a range that sufficiently covers the change in the characteristics of the mechanical bowl due to the change in the environment described above. The output of the variable oscillator 2 is applied to the ultrasonic motor 6 (piezoelectric body 14) through the 90 ° phase shift circuit 3 and the power amplification circuits 4 and 5. When this frequency voltage is applied, the moving body 19 starts rotating motion. At this time, a constant voltage V r1 is applied to each control input so that the amplification degree of the power amplification circuits 4 and 5 is at the center of the variable range (SW12 is connected to the 1 side). Therefore, a constant frequency voltage is applied to the ultrasonic motor 6.
この一定電圧のもとで、可変発振器制御回路1によっ
て可変発振器の発振周波数が低い方に変化して行くと、
機械椀の特性が(f)のようであれ(g)のようであ
れ、機械椀のアドミタンスは増加し、それにつれて機械
腕電流imも増加して行く。この増加していく機械腕電流
imのレベルは機械腕電流検出器7および検波回路8によ
ってそのレベルに比例した直流電圧に変換され比較回路
9に入力された後、ここで設定機械腕電流レベルに相当
する基準値である直流電圧Virと比較されその差に応じ
た誤差信号(第3図(C)の誤差信号)として取り出さ
れる。周知の電圧コンパレータ等で構成されるレベル検
出回路11は、この誤差電圧によって超音波モータ6に流
れる機械腕電流imを監視し、ある所定の機械腕電流即ち
誤差信号(C)が所定のレベル(Vr2)に達すると、第
3図に示すように出力を‘L'レベルから‘H'レベルにし
レベル検出信号(d)としてSW12および可変発振器制御
回路1に出力する。本実施例ではこの所定機械腕電流レ
ベルとして設定機械腕電流レベル(定常時に超音波モー
タ6に流したい機械腕電流レベル)に略一致させてい
る。Under this constant voltage, when the oscillating frequency of the variable oscillator changes to the lower side by the variable oscillator control circuit 1,
Long as the characteristics of the machine bowl is long as (f) (g), increased admittance machine bowl, it as go also increases mechanical arm current i m. This increasing mechanical arm current
The level of i m is converted into a direct current voltage proportional to the level by the mechanical arm current detector 7 and the detection circuit 8 and is input to the comparison circuit 9, where the direct current which is a reference value corresponding to the set mechanical arm current level is applied. The voltage is compared with the voltage V ir and extracted as an error signal (error signal in FIG. 3C) corresponding to the difference. Configured level detecting circuit 11 in a known voltage comparator or the like, this the error voltage monitor mechanical arm current i m flowing to the ultrasonic motor 6, a given mechanical arm current or error signal (C) is a predetermined level When it reaches (V r2 ), the output is changed from the “L” level to the “H” level as shown in FIG. 3 and is output to SW12 and the variable oscillator control circuit 1 as a level detection signal (d). In the present embodiment, the predetermined mechanical arm current level is substantially matched with the set mechanical arm current level (the mechanical arm current level desired to flow to the ultrasonic motor 6 in the steady state).
可変発振器制御回路1は、‘H'レベルのレベル検出信
号(d)が入力されると、第3図に示すように可変発振
器制御信号(b)の高い電圧から低い電圧への変化を停
止しその状態を保持する。従って可変発振器2による周
波数の掃引は停止しその時点の周波数の周波電圧が超音
波モータ6に印加され続けることになる。また、SW12は
レベル検出信号(d)が入力されるとm側に接続され
る。従って機械腕電流制御ループが閉じることになり、
以後は機械腕電流検出器7の情報を基に電力増幅回路
4、5の増幅度を変化させて超音波モータ6に印加する
電圧を変え機械椀電流imを常に設定値になるように制御
して移動体19の速度をほぼ一定にしている。When the'H 'level detection signal (d) is input, the variable oscillator control circuit 1 stops changing the variable oscillator control signal (b) from a high voltage to a low voltage, as shown in FIG. Hold that state. Therefore, the frequency sweep by the variable oscillator 2 is stopped, and the frequency voltage of the frequency at that time is continuously applied to the ultrasonic motor 6. SW12 is connected to the m side when the level detection signal (d) is input. Therefore, the mechanical arm current control loop is closed,
Thereafter controlled to always set value machine bowl current i m changing the voltage to be applied by varying the amplification degree of the power amplifier circuit 4, 5 on the basis of the information on the mechanical arm current detector 7 to the ultrasonic motor 6 Then, the speed of the moving body 19 is made substantially constant.
以上のように本実施例によれば、起動時、従来のよう
に周波数を固定するのではなく、周波数を高い方から低
い方へ掃引し機械椀のアドミタンスを変化させて(増加
させて)、設定機械椀電流imを得るようにしているの
で、特性の変化を考慮した高い電圧を印加する必要がな
く、機械椀の特性が変化しても起動時の印加すべき周波
電圧のレベルは常に従来の起動電圧よりも低いほぼ機械
腕電流制御時の動作中心になるレベルであればよい。従
って圧電体14の分極の劣化も従来に比べて少なくなる。
また周波数の掃引は上記したように必ずアドミタンスの
小さい方から行うので、起動時従来のように瞬間的に機
械椀電流imが流れ移動体19の速度が異常に速くなりすぎ
て機械に損傷を与えることもない。As described above, according to the present embodiment, at the time of startup, the frequency is not fixed as in the conventional case, but the frequency is swept from the higher side to the lower side to change (increase) the admittance of the mechanical bowl, Since the set mechanical bowl current i m is obtained, it is not necessary to apply a high voltage in consideration of changes in the characteristics, and the level of the frequency voltage to be applied at startup is always constant even if the characteristics of the mechanical bowl change. It may be a level that is lower than the conventional starting voltage and becomes the center of operation during the mechanical arm current control. Therefore, the polarization of the piezoelectric body 14 is less deteriorated than in the conventional case.
Since the sweep frequency is performed from the smaller always admittance as described above, startup and speed of the conventional way instantaneously machine bowl current i m flowing mobile 19 becomes too abnormally fast damage to the machine Not even give.
更に本実施例では、起動時、電力増幅回路4、5の増
幅度は可変範囲の中心になるよう設定されるので、機械
腕電流制御時、機械腕特性が第8図のような変動に対し
て十分なダイナミックレンジがとれるようになってい
る。Further, in this embodiment, since the amplification degree of the power amplification circuits 4 and 5 is set to be at the center of the variable range at the time of start-up, when the machine arm current is controlled, the machine arm characteristics against the fluctuation as shown in FIG. And a sufficient dynamic range can be obtained.
上記した実施例では、制御信号によって増幅度が変わ
る電力増幅回路を利用して超音波モータ6に印加する電
圧レベルを変化させることによって機械椀電流を制御す
る方法を採ったが、制御信号によってパルス幅を変化さ
せる所謂PWMした電圧を印加することによって超音波モ
ータ6に印加する電圧の平均値を変化させ機械椀電流を
制御する方法をとっても何ら問題なく同様の効果が得ら
れる。この場合、起動時レベル検出信号が出力されるま
でPWMのデューティを50:50に設定しておけば、上記した
場合と同様、機械腕電流制御時、ダイナミックレンジを
十分広くとることが出来る。In the above-described embodiment, the method of controlling the mechanical bowl current by changing the voltage level applied to the ultrasonic motor 6 using the power amplification circuit whose amplification degree changes according to the control signal is adopted. Even if a method of controlling the mechanical bowl current by changing the average value of the voltage applied to the ultrasonic motor 6 by applying a so-called PWM voltage for changing the width, the same effect can be obtained without any problem. In this case, if the PWM duty is set to 50:50 until the startup level detection signal is output, the dynamic range can be made sufficiently wide when the machine arm current is controlled, as in the case described above.
また上記した実施例では、振動体の振動増幅の検出を
機械腕電流を検出することによって行ったが、特開昭62
−85684号公報で提案されているような超音波モータの
駆動状態を検知するモニター電極を設け、それによって
振動体の振動振幅を検出しても何等問題はない。Further, in the above-mentioned embodiment, the vibration amplification of the vibrating body is detected by detecting the mechanical arm current.
There is no problem even if the monitor electrode for detecting the driving state of the ultrasonic motor as provided in Japanese Patent No. 85684 is provided and the vibration amplitude of the vibrating body is detected by the monitor electrode.
発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、温湿度や負荷
が変化して超音波モータの特性が変化しても必要以上の
電圧を印加することなく低電圧で安定に起動し、また機
械腕電流制御時もほぼ動作中心で制御することが出来る
超音波モータの制御装置を提供することができ、その実
用的効果は大きい。Effects of the Invention As described above, according to the present invention, even if the temperature and humidity and the load change and the characteristics of the ultrasonic motor change, stable starting is performed at a low voltage without applying an unnecessary voltage. Further, it is possible to provide a control device for an ultrasonic motor capable of controlling the mechanical arm current almost at the center of operation, and its practical effect is great.
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明における一実施例の超音波モータの制御
装置のブロック図、第2図は同実施例における機械腕電
流検出器のブロック図、第3図は同実施例の動作波形
図、第4図は円環型超音波モータの切り欠き斜視図、第
5図は第6図の超音波モータに用いた圧電体の形状と電
極構造を示す平面図、第6図は超音波モータの動作原理
の説明図、第7図は超音波モータの等価回路図、第8図
は機械腕電流の周波数特性図である。 1……可変発振器制御回路、2……可変発振器、3……
90゜移相回路、4・5……電力増幅回路、6……超音波
モータ、7……機械腕電流検出器、8……検波回路、10
……補償フィルタ、11……レベル検出回路、21……トラ
ンス。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of an ultrasonic motor controller according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of a mechanical arm current detector according to the same embodiment, and FIG. FIG. 4 is a cutaway perspective view of an annular ultrasonic motor, FIG. 5 is a plan view showing the shape of a piezoelectric body used in the ultrasonic motor of FIG. 6 and an electrode structure. 6 is an explanatory diagram of the operating principle of the ultrasonic motor, FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the ultrasonic motor, and FIG. 8 is a frequency characteristic diagram of the mechanical arm current. 1. Variable oscillator control circuit 2. Variable oscillator 3, 3.
90 ° phase shift circuit, 4.5 ... power amplification circuit, 6 ... ultrasonic motor, 7 ... mechanical arm current detector, 8 ... detection circuit, 10
…… Compensation filter, 11 …… Level detection circuit, 21 …… Transformer.
Claims (5)
と弾性体とから構成される振動体に弾性波を励振するこ
とにより前記振動体上に接触して設置された移動体を移
動させる超音波モータと、 前記振動体の振動振幅に対応した量を検出する振幅検出
手段と、 前記振幅検出手段の出力を基に前記振動体の振動振幅を
所定値に制御する振幅制御手段と、 前記振動体の振動振幅が所定の値に達したことを検出し
所定振幅検出信号を出力する所定振幅検出手段と、 前記交流電圧の周波数を高い方から低い方へ掃引する周
波数掃引手段とを有し、 前記超音波モータ起動時に、前記周波数掃引手段を動作
させて前記交流電圧の周波数を前記振動体の共振周波数
よりも高い周波数から低い周波数へ掃引を開始し、前記
振幅検出手段の出力が前記所定の値に達したことを前記
所定振幅検出手段が検出し、前記所定振幅検出手段が前
記所定振幅検出信号を出力した後は、前記周波数掃引手
段の周波数掃引動作を停止し、前記振動体の共振周波数
よりも高い前記掃引停止した周波数で前記振幅制御手段
を動作させて、前記振動体の振動振幅を所定値に抑制す
ることを特徴とした超音波モータの制御装置。1. A moving body placed in contact with the vibrating body by driving the piezoelectric body with an alternating voltage to excite elastic waves in the vibrating body composed of the piezoelectric body and the elastic body. An ultrasonic motor to be moved, an amplitude detecting means for detecting an amount corresponding to the vibration amplitude of the vibrating body, and an amplitude control means for controlling the vibration amplitude of the vibrating body to a predetermined value based on the output of the amplitude detecting means. A predetermined amplitude detecting means for detecting that the vibration amplitude of the vibrating body has reached a predetermined value and outputting a predetermined amplitude detection signal; and a frequency sweeping means for sweeping the frequency of the AC voltage from a higher side to a lower side. Having the ultrasonic motor, the frequency sweeping means is operated to start sweeping the frequency of the AC voltage from a frequency higher than a resonance frequency of the vibrating body to a lower frequency, and the output of the amplitude detecting means is The predetermined When the predetermined amplitude detection means detects that the predetermined amplitude has been reached, and the predetermined amplitude detection means outputs the predetermined amplitude detection signal, the frequency sweeping operation of the frequency sweeping means is stopped, and the resonance frequency of the vibrating body is exceeded. A control device for an ultrasonic motor, characterized in that the amplitude control means is operated at a frequency at which the sweeping is stopped to be high, and the vibration amplitude of the vibrating body is suppressed to a predetermined value.
波モータの機械腕に流入する機械腕電流の電流レベル
(振幅)を検出する振幅検出手段を有したことを特徴と
した特許請求の範囲第1項記載の超音波モータの制御装
置。2. An amplitude detecting means for detecting a current level (amplitude) of a mechanical arm current flowing into a mechanical arm of an ultrasonic motor as an amount corresponding to a vibration amplitude of a vibrating body. The control device for the ultrasonic motor according to claim 1.
ー電極を設け、振動体の振動振幅に対応した量として前
記モニター電極の出力振幅値を検出する振幅検出手段を
有したことを特徴とした特許請求の範囲第1項記載の超
音波モータの制御装置。3. A monitor electrode for detecting a driving state of an ultrasonic motor is provided, and an amplitude detecting means for detecting an output amplitude value of the monitor electrode as an amount corresponding to a vibration amplitude of a vibrating body is provided. The control device for the ultrasonic motor according to claim 1.
号によって振幅度が変化し超音波モータに印加する周波
電圧を増幅する電圧制御増幅手段を有し、前記超音波モ
ータ起動時、所定振幅検出手段によって振動体の振幅値
が所定の値に達したことが検出されるまでは前記制御信
号として所定の値を与えることを特徴とした特許請求の
範囲第1項記載の超音波モータの制御装置。4. An amplitude control loop of the amplitude control means has a voltage control amplification means for amplifying a frequency voltage applied to the ultrasonic motor, the amplitude of which is changed by a control signal, and has a predetermined amplitude when the ultrasonic motor is started. The control of the ultrasonic motor according to claim 1, wherein a predetermined value is given as the control signal until the detection means detects that the amplitude value of the vibrating body has reached a predetermined value. apparatus.
号によってパルス幅を変化させた電圧を超音波モータに
印加するためのパルス幅変調手段を有し、前記超音波モ
ータ起動時、所定振幅検出手段によって振動体の振幅値
が所定の値に達したことが検出されるまでは前記パルス
幅のデューティを所定の値に設定されることを特徴とし
た特許請求の範囲第1項記載の超音波モータの制御装
置。5. An amplitude control loop of the amplitude control means has pulse width modulation means for applying a voltage whose pulse width is changed by a control signal to the ultrasonic motor, and has a predetermined amplitude when the ultrasonic motor is started. The duty of the pulse width is set to a predetermined value until the detection means detects that the amplitude value of the vibrating body has reached a predetermined value. Sonic motor control device.
Priority Applications (1)
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