JP2583904B2 - 超音波モータ駆動方法 - Google Patents
超音波モータ駆動方法Info
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Classifications
-
- 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
- H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
Landscapes
- 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
タの駆動方法に関する。
タの駆動方法に関する。
従来の技術 近年電圧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。
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。
ついて説明を行う。
第４図は円環形超音波モータの斜視図であり、円環形
の弾性体１の円環面の一方に圧電体として円環形圧電セ
ラミック２を貼合せて振動体３を構成している。４は耐
磨耗性材料の摩擦材、５は弾性体であり、互いに貼合せ
られて移動体６を構成している。移動体６は摩擦材４を
介して振動体３と接触している。圧電体２に電界を印加
すると振動体３の周方向に曲げ振動の進行波が励起さ
れ、移動体６を駆動する。尚、同図中の矢印は移動体６
の回転方向を示す。
の弾性体１の円環面の一方に圧電体として円環形圧電セ
ラミック２を貼合せて振動体３を構成している。４は耐
磨耗性材料の摩擦材、５は弾性体であり、互いに貼合せ
られて移動体６を構成している。移動体６は摩擦材４を
介して振動体３と接触している。圧電体２に電界を印加
すると振動体３の周方向に曲げ振動の進行波が励起さ
れ、移動体６を駆動する。尚、同図中の矢印は移動体６
の回転方向を示す。
第５図は第４図の超音波モータに使用した圧電セラミ
ック２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
の長さの電極である。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ＡとＢ内の隣り合う小電極部は互いに反対に厚
み方向に分極されている。圧電体２の弾性体１との接着
面は、第６図に示めされた面と反対の面であり、電極は
ベタ電極である。使用時には、電極群ＡおよびＢは第６
図に斜線で示されたように、それぞれ短絡して用いられ
る。
ック２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
の長さの電極である。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ＡとＢ内の隣り合う小電極部は互いに反対に厚
み方向に分極されている。圧電体２の弾性体１との接着
面は、第６図に示めされた面と反対の面であり、電極は
ベタ電極である。使用時には、電極群ＡおよびＢは第６
図に斜線で示されたように、それぞれ短絡して用いられ
る。
以上のように構成された超音波モータの圧電体２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３には ξ＝ξ０×（cos（ωｔ）×cos（kx）＋sin（ωｔ） ×sin（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。
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３には ξ＝ξ０×（cos（ωｔ）×cos（kx）＋sin（ωｔ） ×sin（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。
第６図は振動体３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３上に加圧
して設置された移動体６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。
て、長軸2w、短軸2uの楕円運動をし、振動体３上に加圧
して設置された移動体６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。
発明が解決しようとする問題点 上記の楕円軌跡の短軸は、振動体３の形状が決まれ
ば、曲げ振動の振幅に比例しているので、速度を大きく
するためには波の振幅を大きくしなければならない。振
幅を大きくするために、印加電圧を大きくすることは、
圧電体の特性を劣化させたり寿命を短くするので好まし
くない。また、超音波モータの制御・駆動回路が高電圧
回路となる。従って、低電圧駆動で大きな振幅を得るた
めに、振動体の共振周波数近傍で駆動しなければならな
い。ところが振動体の共振特性は温度や負荷の変動によ
って変化するので、従来のように一定周波数、一定電圧
で駆動したのでは、駆動周波数と共振周波数の相対的関
係が変化して超音波モータの特性が変化してしまう。ま
た、超音波モータの振動体の共振特性は、温度や負荷が
同じでも起動時と通常動作時では異なる。そして、特に
起動時に負荷の大きいときは振動体の電気入力端子から
みたインピーダンスの周波数特性が大きく変化し、起動
ができなくなるという問題点もある。
ば、曲げ振動の振幅に比例しているので、速度を大きく
するためには波の振幅を大きくしなければならない。振
幅を大きくするために、印加電圧を大きくすることは、
圧電体の特性を劣化させたり寿命を短くするので好まし
くない。また、超音波モータの制御・駆動回路が高電圧
回路となる。従って、低電圧駆動で大きな振幅を得るた
めに、振動体の共振周波数近傍で駆動しなければならな
い。ところが振動体の共振特性は温度や負荷の変動によ
って変化するので、従来のように一定周波数、一定電圧
で駆動したのでは、駆動周波数と共振周波数の相対的関
係が変化して超音波モータの特性が変化してしまう。ま
た、超音波モータの振動体の共振特性は、温度や負荷が
同じでも起動時と通常動作時では異なる。そして、特に
起動時に負荷の大きいときは振動体の電気入力端子から
みたインピーダンスの周波数特性が大きく変化し、起動
ができなくなるという問題点もある。
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、温度や負荷
が変化しても、常に安定な動作をする超音波モータを提
供することを目的としている。
が変化しても、常に安定な動作をする超音波モータを提
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 上記目的を達成するために本発明の超音波モータ駆動
方法は、圧電体を交流電圧で駆動して、圧電体と弾性体
と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、振動体上に接触して設置された移動体を移動させ
る超音波モータにおいて、振動体の共振周波数よりも高
い周波数から交流電圧の周波数を掃引し、交流電圧と圧
電体に流入する電流の位相差と、あらかじめ設定した動
作設定値との差が、あらかじめ設定した設定範囲内にな
れば交流電圧の周波数の掃引を停止し、以後は交流電圧
と圧電体に流入する電流の位相差と動作設定値との差が
小さくなるように交流電圧の周波数を制御し、圧電体に
流入する電流があらかじめ設定した電流設定値に等しく
なるようにして、移動体の回転速度を制御するものであ
る。そして、圧電体に流入する流入電流として、交流電
圧で駆動した時に圧電体に流入する全電流もしくは機械
腕に流入する電流を用いることを特徴とする。
方法は、圧電体を交流電圧で駆動して、圧電体と弾性体
と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、振動体上に接触して設置された移動体を移動させ
る超音波モータにおいて、振動体の共振周波数よりも高
い周波数から交流電圧の周波数を掃引し、交流電圧と圧
電体に流入する電流の位相差と、あらかじめ設定した動
作設定値との差が、あらかじめ設定した設定範囲内にな
れば交流電圧の周波数の掃引を停止し、以後は交流電圧
と圧電体に流入する電流の位相差と動作設定値との差が
小さくなるように交流電圧の周波数を制御し、圧電体に
流入する電流があらかじめ設定した電流設定値に等しく
なるようにして、移動体の回転速度を制御するものであ
る。そして、圧電体に流入する流入電流として、交流電
圧で駆動した時に圧電体に流入する全電流もしくは機械
腕に流入する電流を用いることを特徴とする。
作 用 振動体を構成する圧電体に印加する駆動電圧と流入電
流の位相差により、圧電体に印加する駆動電圧の周波数
を制御することにより、温度や負荷の変動によって振動
体の共振特性が変化しても、常に振動体の共振周波数の
近傍で駆動し、また流入電流を制御することにより、温
度や負荷が変動しても、低電圧駆動で常に安定な起動と
安定な動作を実現できる。
流の位相差により、圧電体に印加する駆動電圧の周波数
を制御することにより、温度や負荷の変動によって振動
体の共振特性が変化しても、常に振動体の共振周波数の
近傍で駆動し、また流入電流を制御することにより、温
度や負荷が変動しても、低電圧駆動で常に安定な起動と
安定な動作を実現できる。
実施例 以下、図面に従って本発明の一実施例について詳細な
説明を行う。
説明を行う。
第１図は本発明の超音波モータの駆動方法を実現する
具体回路のブロック図である。この回路が動作を開始す
ると、掃引電圧発生器７の出力が選択器８を介して、電
圧制御発振器９の制御端子Ｃに入力される。電圧制御発
振器９は制御端子Ｃに印加される制御電圧に従って、振
動体３の共振近傍の周波数帯域を高いほうから低いほう
へ掃引する。電圧制御発振器９の出力は２分割され、一
方は90度移相器10を通して可変利得電力増幅器11に、他
方はそのまま可変利得電力増幅器12にそれぞれ入力され
て、振動体３を駆動するのに必要な値にまで増幅され
る。可変利得増幅器11と12の出力は圧電体２にそれぞれ
印加されて、振動体３に進行波を励振する。
具体回路のブロック図である。この回路が動作を開始す
ると、掃引電圧発生器７の出力が選択器８を介して、電
圧制御発振器９の制御端子Ｃに入力される。電圧制御発
振器９は制御端子Ｃに印加される制御電圧に従って、振
動体３の共振近傍の周波数帯域を高いほうから低いほう
へ掃引する。電圧制御発振器９の出力は２分割され、一
方は90度移相器10を通して可変利得電力増幅器11に、他
方はそのまま可変利得電力増幅器12にそれぞれ入力され
て、振動体３を駆動するのに必要な値にまで増幅され
る。可変利得増幅器11と12の出力は圧電体２にそれぞれ
印加されて、振動体３に進行波を励振する。
圧電体の一方の入力端子には抵抗Ｒが接続されてお
り、圧電体に流れる機械腕電流を抵抗Ｒの両端電圧によ
り、電流検出器14で検出する。また、電圧検出器13は圧
電体２に印加される駆動電圧を検出する。位相差検出器
15は電流検出器14と電圧検出器13の出力から、機械腕電
流と電圧の位相差に比例した電圧を発生する。位相比較
器16は、位相差検出器15の出力と動作設定値P1を比較
し、その差に比例する電圧を出力する。その出力は選択
器８に入力され、その差が設定範囲P2以内になれば、位
相比較器16の出力が選択器８により選択され、電圧制御
発振器９の制御端子Ｃに入力され、電圧制御発振器９
は、設定値P1と駆動時の位相差の差を小さくするよう
に、駆動周波数を制御する。
り、圧電体に流れる機械腕電流を抵抗Ｒの両端電圧によ
り、電流検出器14で検出する。また、電圧検出器13は圧
電体２に印加される駆動電圧を検出する。位相差検出器
15は電流検出器14と電圧検出器13の出力から、機械腕電
流と電圧の位相差に比例した電圧を発生する。位相比較
器16は、位相差検出器15の出力と動作設定値P1を比較
し、その差に比例する電圧を出力する。その出力は選択
器８に入力され、その差が設定範囲P2以内になれば、位
相比較器16の出力が選択器８により選択され、電圧制御
発振器９の制御端子Ｃに入力され、電圧制御発振器９
は、設定値P1と駆動時の位相差の差を小さくするよう
に、駆動周波数を制御する。
そして、位相比較器16の出力電圧が温度や負荷の変化
により設定範囲P2に相当する電圧値範囲から出れば、再
び掃引電圧発生器７の出力が選択器８を介して、電圧制
御発振器９の制御端子Ｃに入力される。電圧制御発振器
９は制御端子Ｃに印加される制御電圧に従って、振動体
３の共振近傍の周波数帯域を高いほうから低いほうへ掃
引し、駆動用周波数を設定する。
により設定範囲P2に相当する電圧値範囲から出れば、再
び掃引電圧発生器７の出力が選択器８を介して、電圧制
御発振器９の制御端子Ｃに入力される。電圧制御発振器
９は制御端子Ｃに印加される制御電圧に従って、振動体
３の共振近傍の周波数帯域を高いほうから低いほうへ掃
引し、駆動用周波数を設定する。
一方、電流検出器14の出力は、電流制御器18にも入力
される。電流制御器17は、振動体を構成する圧電体２に
流入する機械腕電流を電流設定値I1に等しくなるよう
に、可変利得電力増幅器11および12の利得を制御する。
される。電流制御器17は、振動体を構成する圧電体２に
流入する機械腕電流を電流設定値I1に等しくなるよう
に、可変利得電力増幅器11および12の利得を制御する。
第２図は機械腕電流を検出する電流検出回路の具体回
路例である。点線内は圧電体２の等価回路であり、C0は
電気容量を示し、C1、L1はそれぞれ弾性、質量を表す。
つまり、同図のI2は機械腕に流れる電流（振動の速
度）、I3は充放電電流である。抵抗Ｒと圧電体２の分圧
電圧と、上記抵抗と同じ値の抵抗と上記C0と同じ値の容
量との直列回路の分圧電圧とを、それぞれ差動増幅器18
に入力すれば、充放電電流I3が相殺されて、機械腕電流
I2を検出することができる。
路例である。点線内は圧電体２の等価回路であり、C0は
電気容量を示し、C1、L1はそれぞれ弾性、質量を表す。
つまり、同図のI2は機械腕に流れる電流（振動の速
度）、I3は充放電電流である。抵抗Ｒと圧電体２の分圧
電圧と、上記抵抗と同じ値の抵抗と上記C0と同じ値の容
量との直列回路の分圧電圧とを、それぞれ差動増幅器18
に入力すれば、充放電電流I3が相殺されて、機械腕電流
I2を検出することができる。
第３図は、第１図の具体回路の説明のための圧電体に
流入する機械腕電流と、駆動電圧と機械腕電流の位相差
の周波数特性である。同図において、実線は超音波モー
タのある動作時の特性を表し、点線は別の動作時の特性
を表わしている。
流入する機械腕電流と、駆動電圧と機械腕電流の位相差
の周波数特性である。同図において、実線は超音波モー
タのある動作時の特性を表し、点線は別の動作時の特性
を表わしている。
f0は超音波モータの起動時の駆動周波数であり、任意
の動作時の振動体の共振周波数よりも充分高く設定して
いる。P0は、動作時の移相差、P1は移相差に対する動作
設定値で、位相比較器17によりP0−P1に例した電圧が出
力される。駆動周波数が周波数f0より低いほうへ掃引さ
れて（圧電体の非線形に伴うヒステリシスを避けるた
め）、位相比較器17の出力電圧が、P2に相当する電圧よ
り小さくなれば、駆動周波数の掃引は停止する。そして
以後は、P0−P1が正なら駆動周波数を下げ、P0−P1が負
なら駆動周波数を上げれば、位相差がP1になるように制
御できる。
の動作時の振動体の共振周波数よりも充分高く設定して
いる。P0は、動作時の移相差、P1は移相差に対する動作
設定値で、位相比較器17によりP0−P1に例した電圧が出
力される。駆動周波数が周波数f0より低いほうへ掃引さ
れて（圧電体の非線形に伴うヒステリシスを避けるた
め）、位相比較器17の出力電圧が、P2に相当する電圧よ
り小さくなれば、駆動周波数の掃引は停止する。そして
以後は、P0−P1が正なら駆動周波数を下げ、P0−P1が負
なら駆動周波数を上げれば、位相差がP1になるように制
御できる。
この駆動周波数制御と同時に圧電体２に流れ込む機械
腕電流を設定値I1になるように、可変制御電力増幅器11
と12の利得を制御する。機械腕電流は、振動の速度に比
例し、振動の速度は駆動周波数と振動の振幅の積に比例
する。また、振動体の振動の振幅は、移動体の移動速度
に比例する。従って、ほぼ駆動周波数が一定ならば振動
の速度は、機械腕電流に比例する。故に、機械腕電流を
電流設定値I1になるように制御することによって、移動
体の回転数をほぼ一定に制御することができる。
腕電流を設定値I1になるように、可変制御電力増幅器11
と12の利得を制御する。機械腕電流は、振動の速度に比
例し、振動の速度は駆動周波数と振動の振幅の積に比例
する。また、振動体の振動の振幅は、移動体の移動速度
に比例する。従って、ほぼ駆動周波数が一定ならば振動
の速度は、機械腕電流に比例する。故に、機械腕電流を
電流設定値I1になるように制御することによって、移動
体の回転数をほぼ一定に制御することができる。
上記の具体例では、圧電体に流れる電流として機械腕
電流を採用したが、充放電電流を含めた全電流を採用し
ても、容易に同様の機能が実現できる。
電流を採用したが、充放電電流を含めた全電流を採用し
ても、容易に同様の機能が実現できる。
本発明によれば、超音波モータの起動時の駆動周波数
を、任意の動作時の振動体の共振周波数よりも高くして
低い方へ掃引しており、そして駆動電圧と流入電流の位
相差による駆動周波数の制御と、機械腕電流の制御の２
つの制御によって、低電圧駆動が可能になり、温度や負
荷が変化しても、回転速度がほぼ一定の安定した、しか
も安定な起動が可能な、加えて信頼性の高い超音波モー
タが実現できる。
を、任意の動作時の振動体の共振周波数よりも高くして
低い方へ掃引しており、そして駆動電圧と流入電流の位
相差による駆動周波数の制御と、機械腕電流の制御の２
つの制御によって、低電圧駆動が可能になり、温度や負
荷が変化しても、回転速度がほぼ一定の安定した、しか
も安定な起動が可能な、加えて信頼性の高い超音波モー
タが実現できる。
発明の効果 本発明によれば、温度や負荷が変動しても、常に安定
な起動と安定な動作をし、しかも信頼性の高い超音波モ
ータを提供できる。
な起動と安定な動作をし、しかも信頼性の高い超音波モ
ータを提供できる。
第１図は本発明の超音波モータの駆動方法を実現する具
体回路のブロック図、第２図は機械腕電流検出回路の１
回路例を示す回路図、第３図は２つの動作時の駆動電
流、電圧と電流の位相差周波数特性図、第４図は円環形
超音波モータの切り欠き斜視図、第５図は第４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である。 ７……掃引電圧発生器、８……選択器、９……電圧制御
発振器、10……90度移相器、11、12……電力増幅器、13
……電圧検出器、14……電流検出器、15……位相差検出
器、16……位相比較器、17……電流制御器、18……差動
増幅器。
体回路のブロック図、第２図は機械腕電流検出回路の１
回路例を示す回路図、第３図は２つの動作時の駆動電
流、電圧と電流の位相差周波数特性図、第４図は円環形
超音波モータの切り欠き斜視図、第５図は第４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である。 ７……掃引電圧発生器、８……選択器、９……電圧制御
発振器、10……90度移相器、11、12……電力増幅器、13
……電圧検出器、14……電流検出器、15……位相差検出
器、16……位相比較器、17……電流制御器、18……差動
増幅器。
Claims (2)
- 【請求項１】圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電体
と弾性体と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において、 前記振動体の共振周波数よりも高い周波数から前記交流
電圧の周波数を掃引し、 前記交流電圧と前記圧電体に流入する電流の位相差と、
あらかじめ設定した動作設定値との差が、あらかじめ設
定した設定範囲内になれば周波数の掃引を停止し、以後
は前記位相差と前記動作設定値との差を小さくなるよう
に前記交流電圧の周波数を制御し、 前記電流があらかじめ設定した電流設定値に等しくなる
ようにして、前記移動体の回転速度を制御することを特
徴とする超音波モータ駆動方法。 - 【請求項２】圧電体に流入する流入電流として、前記圧
電体に流入する全電流、もしくは機械腕に流入する電流
を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
超音波モータ駆動方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62245166A JP2583904B2 (ja) | 1987-09-29 | 1987-09-29 | 超音波モータ駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62245166A JP2583904B2 (ja) | 1987-09-29 | 1987-09-29 | 超音波モータ駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6489979A JPS6489979A (en) | 1989-04-05 |
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Family
ID=17129589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2583904B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1987
- 1987-09-29 JP JP62245166A patent/JP2583904B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6489979A (en) | 1989-04-05 |
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| EXPY | Cancellation because of completion of term |