JP2558709B2 - 超音波モ−タ駆動装置 - Google Patents

超音波モ−タ駆動装置

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JP2558709B2
JP2558709B2 JP62160026A JP16002687A JP2558709B2 JP 2558709 B2 JP2558709 B2 JP 2558709B2 JP 62160026 A JP62160026 A JP 62160026A JP 16002687 A JP16002687 A JP 16002687A JP 2558709 B2 JP2558709 B2 JP 2558709B2
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博義 野村
邦一 小沢
勝 中浜
修 川崎
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14Drive circuits; Control arrangements or methods

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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
タの駆動装置に関する。
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弾性
振動を励振し、これを駆動力とした超音波モータが注目
されている。
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。
第6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11に円環型の圧電体12を張り合わせて振動体13
を構成している。14は耐摩擦性材料の摩擦材、15は弾性
体であり、互いに張り合わせられて移動体16を構成して
いる。移動体16は摩擦材14を介して振動体13と接触して
いる。圧電体12に電界を印加すると振動体13の周方向に
曲げ振動の進行波が励振され、移動体16を移動する。
尚、同図中の振動体13には、機械出力取り出し用の突起
体17が設置されている。
第7図は第6図の超音波モータに使用した圧電体12の
電極構造の一例を示している。同図では円周方向に9波
の弾性波がのるようにしてある。同図に於て,AおよびB
はそれぞれ2分の1波長相当の小領域Eからなる電極群
(図面中ハッチング部分)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度)の位相差を
作っている。電極群AとB内の小領域Eの電極は圧電体
12を分極する際に用いる電極で、圧電体12は電極群Aと
B内の小領域電極群Eに対応して、交互に、反対に厚み
方向に分極されている。使用時には、電極群AおよびB
は第7図にハッチングにより示されたように、それぞれ
短絡して用いられる。圧電体12の弾性体11との接着面
は、第7図に示された面と反対の面であり、その面の電
極は全面電極である。
以上のように構成された超音波モータの圧電体8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13には ξ=ξ・(COS(ωt)・COS(kx) +SIN(ωt)・SIN(kx)) =ξ・COS(ωt−kx) ……(3) ただし、ξ:曲げ振動の振幅値 ξ0:まげ振動の瞬時値 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。
第8図は振動体13の表面のA点が進行波の励起によっ
て、長軸2w、端軸2uの楕円運動をし、振動体13上に加圧
して設置された移動体16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
=ω×uの速度で運動する様子を示している。矢印Bは
移動体の進行方向を示し、矢印Cは進行波の進行方向を
示す。
以上のように構成された超音波モータについて、等価
回路を示すと第9図のようにうなる。
C0は振動体13の電気的な静電容量でありC1、L1、R1
それぞれ振動体13のコンプライアンス、質量、制動係数
に相当するものである。このC1,L1,R1で構成された回路
を機械腕と呼び、この機械腕に流れる電流を機械腕電流
Imと呼ぶ。この機械腕電流Imは、超音波モータの回転速
度に比例することが知られている。
第3図は、機械腕電流Imの周波数特性である。同図中
の、矢印は駆動周波数の掃引の方向を示す。図からわか
るように、機械腕電流Imは圧電体の非線形現象によって
ヒステリシスをもっているような特性を示し、掃引の方
向によって機械腕電流Imの大きさが異なることが判る。
機械腕電流Imの大きさは超音波モータの回転速度にほぼ
比例するので、できるだけ低電圧で効率よく駆動するた
めには、機械腕電流Imが極大値を示す周波数近傍で駆動
しなければならない。しかし、この周波数(共振周波
数)は温度や負荷などにより、広範囲にわたり変動する
ので、駆動周波数はその変動にともなって変化させなけ
ればならない。そのためには、駆動周波数の自動追尾機
能が必要となる。しかし、このような機能を実現する回
路は複雑になるという問題がある。その解決策として特
開昭59−148583号公報に示されるようなスイープ電圧で
周波数制御される信号を用いて圧電体の駆動を行う方法
が提案されている。この方法では、駆動電圧の掃引周波
数範囲のなかに、必ず振動体の共振周波数が存在するよ
うに掃引周波数範囲を設定し、周波数自動追尾を行わず
に安定に超音波モータを駆動しようとするものである。
発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記特開昭59−148583号公報のような
構成では温度、負荷などの影響による振動体の共振周波
数の変動範囲がかなり広いため、かなり大きな周波数範
囲を掃引しなければならず、共振周波数近傍の効率の高
い領域のみではなく、その他の効率の低いところも結果
的に駆動していることになり、全体的な効率が低下する
という問題点があった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので簡単な駆動
回路で、温度や負荷が変化しても、常に安定で高効率な
動作をする超音波モータ駆動装置を提供することを目的
としている。
問題点を解決するための手段 本発明は、駆動交流電圧として、駆動周波数が高い方
から低い方へ周期的に掃引する交流電圧を用いて、圧電
体を駆動する手段と、圧電体の機械腕電流を検出する手
段と、機械腕電流検出手段を用いて駆動交流電圧の掃引
開始周波数と掃引終了周波数を決定する手段を備えた超
音波モータ駆動装置である。
作用 本発明は前記した構成により、機械腕電流の減少し始
める駆動周波数を検出して、これを掃引終了周波数と
し、この掃引終了周波数に、所定の周波数値を加えた周
波数を掃引開始周波数として、周期的に高い方から低い
方へ駆動周波数を掃引をする。
実施例 以下図面に従って本発明の実施例について詳細な説明
を行う。
第1図は本発明の超音波モータの駆動装置を実現する
具体回路のブロック図である。同図に於て、1は機械腕
電流の減少を読み込み、駆動周波数を制御するためのマ
イクロコンピュータ、2はマイクロコンピュータ1の周
波数設定のためのディジタル信号出力をアナログ信号に
変換するためのD/Aコンバータ、3はこのアナログ信号
に対応した周波数の信号を出力する電圧制御発振回路、
4は入力信号に対して90度移相した信号を出力する移相
回路、5、6は超音波モータを駆動するに十分なレベル
にまで入力信号の電力を増幅する電力増幅回路、7は、
超音波モータの圧電体の電気入力端子、8は圧電体の機
械腕電流検出回路で、その具体回路の一例は第3図であ
る。9は機械腕電流検出回路の出力信号の振幅値を出力
するピークホルダー、10は、ピークホルダー9のアナロ
グ出力値をマイクロコンピュータ1に入力するためにデ
ィジタル信号に変換するA/Dコンバータである。第3図
は、機械腕電流検出回路の実施例であり、C0は第9図の
超音波モータの等価回路のC0と等しい静電容量のコンデ
ンサである。トランスの巻線比はそれぞれ1:1である。
このように構成された機械腕電流検出回路では超音波モ
ータの振動体とC0には、それぞれ等しい大きさの電圧が
印加されることになる、したがって、電流検出抵抗Rに
流れる電流は、振動体に流れる電流からC0に流れる電流
が引かれたものになる。つまり、この電流は第9図のIm
であり、機械腕電流を示す。したがって、出力である電
流検出抵抗R両端の電位差は機械腕電流に比例したもの
となる。
以上のように構成された本実施例の超音波モータ駆動
装置について、第1図のブロック図と第2図の装置全体
の動作を示すフローチャートに基づいて、その動作を説
明する。
第2図のフローチャートのステップs1で、駆動周波数
fdは圧電体の共振周波数よりも十分高い周波数に、機械
腕電流Imはゼロに初期設定する。次にステップs2で機械
腕電流Imの値をIm0に代入する。Im0はのちのステップs5
において現時点の直前の駆動周波数における機械腕電流
の値を示す。次に、ステップs3では、まず、マイクロコ
ンピュータ1から駆動周波数fdに対応したディジタル信
号を出力する。この信号はD/Aコンバータ2によりアナ
ログ信号に変換され、電圧制御発振回路3によりこのア
ナログ信号に対応した周波数を持つ信号が出力される。
この出力信号は2分割され一方は移相回路4に入力され
90度移相されたのちそれぞれ電力増幅回路5、6に入力
される。ここでは超音波モータを駆動するに十分なレベ
ル迄に入力信号を増幅する。そして電力増幅回路5、6
の出力は、一方は機械腕電流検出回路8を介し、それぞ
れ振動体の電気入力端子7に入力され、超音波モータを
駆動する。次にステップs4では、機械腕電流検出回路8
の検出出力が、ピークホルダー9に入力され機械腕電流
の振幅値が出力される。この振幅値は次のA/Dコンバー
タ10によりディジタル信号に変換されマイクロコンピュ
ータ1に入力される。このような動作により機械腕電流
が検出される。次のステップs5ではこの機械腕電流の値
Imと直前の駆動周波数における機械腕電流の値Im0が比
較される。ImがIm0よりも大きいときは、ステップs6に
より駆動周波数fdから所定の周波数値Δfを減じる。ま
た、ImがIm0よりも小さいときは、ステップs7により駆
動周波数fdに所定の周波数値fbを加える。
このようにして、次の駆動周波数を計算しステップs2
に戻り、以上と同様のことを繰り返す。この時、fb>Δ
fである。また、fbの値は、第5図のfhよりも大きくな
ければならない。
以上のように、実施例によれば、駆動周波数fdは、第
5図の下部に示す矢印のように変化する。つまり、機械
腕電流が減少するまでは、高い方から低い方へ周波数を
小刻みに変化させながら掃引してゆく、そして、同図の
ように駆動周波数が共振周波数に達し機械腕電流が急激
に減少したときは、即座にfd+fbの周波数に戻り、ま
た、同様に周波数を高い方から低い方へ掃引し駆動する
ので、この動作を繰り返すことにより、共振周波数がい
かに変動しようと、結果的に共振周波数近傍の周波数域
のみしか駆動に用いられないので、高い効率が得られ
る。
発明の効果 以上説明したように本発明によれば、温度や負荷が変
動し、その結果、振動体の共振周波数が変化しても、常
に共振周波数近傍においてのみ駆動を行うことができ、
簡単な回路で高効率で安定な回転を行う超音波モータが
提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明における実施例の超音波モータの駆動装
置のブロック図、第2図はこの駆動装置の動作を示すフ
ローチャート、第3図は機械腕電流検出回路の実施例を
示す回路図、第4図は超音波モータの機械腕電流の周波
数特性図、第5図は駆動装置の動作説明図、第6図は円
環型超音波モータの切り欠き斜視図、第7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8図は超音波モータの動作原理の説明図、第9
図は超音波モータの等価回路図である。 1……マイクロコンピュータ、2……D/Aコンバータ、
3……電圧制御発振器、4……移相回路、5、6……電
力増幅回路、7……振動体の電気入力端子、8……機械
腕電流検出回路、9……ピークホルダー、10……A/Dコ
ンバータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川崎 修 門真市大字門真1006番地 松下電器産業 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−185178(JP,A) 実開 昭57−148472(JP,U)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電体
    と弾性体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、駆動周波数を高い方から
    低い方へ周期的に掃引する交流電圧を用いて前記圧電体
    を駆動する手段と、前記超音波モータと電気的に等しい
    静電容量を持つコンデンサを有し、前記超音波モータに
    印加される交流電圧と同じ大きさの交流電圧を前記コン
    デンサに印加したときの前記コンデンサに流れる電流と
    前記超音波モータに流れる電流の差を機械腕電流として
    検出する機械腕電流検出手段と、前記機械腕電流検出手
    段の出力に応じて前記交流電圧の掃引開始周波数と掃引
    終了周波数を決定する掃引周波数決定手段を備えたこと
    を特徴とする超音波モータ駆動装置。
  2. 【請求項2】駆動周波数の高い方から低い方への掃引
    時、機械腕電流の減少し始める駆動周波数を検出し、こ
    れを掃引終了周波数とし、前記掃引終了周波数に所定の
    周波数値を加えた周波数を掃引開始周波数とする掃引周
    波数決定手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の超音波モータ駆動装置。
JP62160026A 1987-06-26 1987-06-26 超音波モ−タ駆動装置 Expired - Lifetime JP2558709B2 (ja)

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