JP2587418B2 - 超音波駆動装置の制御方法 - Google Patents
超音波駆動装置の制御方法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
-
- 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
- H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
- H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
- H02N2/0045—Driving devices, e.g. vibrators using longitudinal or radial modes combined with torsion or shear modes
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、例えば超音波ステッピングモータなどの超
音波駆動装置に係り、特にその超音波駆動装置における
移動子の停止の制御方法に関する。
音波駆動装置に係り、特にその超音波駆動装置における
移動子の停止の制御方法に関する。
本発明者は超音波モータに関する研究の結果を多数件
特許出願しているが、中でも、「片持梁状捻り超音波振
動子を用いた圧電モータ」〔特開昭61−52163号（特願
昭59−172429号）〕は本発明の基本技術に関する発明で
あり、さらにこの種の超音波モータが超精密ステッピン
グモータとして機能することは、例えば「超音波モータ
付可変蓄電器」〔特開昭62−156808号（特願昭60−2936
31号）〕にも述べられている。
特許出願しているが、中でも、「片持梁状捻り超音波振
動子を用いた圧電モータ」〔特開昭61−52163号（特願
昭59−172429号）〕は本発明の基本技術に関する発明で
あり、さらにこの種の超音波モータが超精密ステッピン
グモータとして機能することは、例えば「超音波モータ
付可変蓄電器」〔特開昭62−156808号（特願昭60−2936
31号）〕にも述べられている。
ところで、その後ステッピングモータとして開発を進
め、パルス応答性を詳細に検討したところ、パルスが数
10個以上連なった電気信号で駆動したときの変位量はパ
ルス数に忠実に比例するが、10個以下ではこの関係がず
れ、ことに、単パルスに対する変位は３〜４パルスに相
当する程オーバーシュートすることを見出した。例えば
駆動周波数43.2KHz、定格回転数60rpmの超音波モータで
は毎秒43200パルスで１回転しているので、10800パルス
では90度回転し、120パルスでは１度だけ回るが、12パ
ルスでは６分回るところ７分回り、単一パルスでは0.5
分（30秒）だけしか回転しないはずなのに約３〜４倍オ
ーバーシュートして２分程度回ってしまう。言い換えれ
ば、角度変位1/4000回転までは直線応答の精度はある
が、期待される秒台の精度は無く、分台が限度であり、
単一パルスに対する応答が期待値を数倍オーバーシュー
トし、高精細応答性を欠くという欠点があった。
め、パルス応答性を詳細に検討したところ、パルスが数
10個以上連なった電気信号で駆動したときの変位量はパ
ルス数に忠実に比例するが、10個以下ではこの関係がず
れ、ことに、単パルスに対する変位は３〜４パルスに相
当する程オーバーシュートすることを見出した。例えば
駆動周波数43.2KHz、定格回転数60rpmの超音波モータで
は毎秒43200パルスで１回転しているので、10800パルス
では90度回転し、120パルスでは１度だけ回るが、12パ
ルスでは６分回るところ７分回り、単一パルスでは0.5
分（30秒）だけしか回転しないはずなのに約３〜４倍オ
ーバーシュートして２分程度回ってしまう。言い換えれ
ば、角度変位1/4000回転までは直線応答の精度はある
が、期待される秒台の精度は無く、分台が限度であり、
単一パルスに対する応答が期待値を数倍オーバーシュー
トし、高精細応答性を欠くという欠点があった。
従来の超音波モータが単発バルスに対してオーバーシ
ュートすることは、この種超音波モータの宿命である。
超音波モータは移動子（ロータ）または固定子（ステー
タ）系が超音波共振系からなっており、この固有振動数
と一致した振動を作用すると共鳴現象が生じる。作用す
る振動がたとえ単一のバルスであっても、共鳴すれば振
動が持続し、残響状態となる。
ュートすることは、この種超音波モータの宿命である。
超音波モータは移動子（ロータ）または固定子（ステー
タ）系が超音波共振系からなっており、この固有振動数
と一致した振動を作用すると共鳴現象が生じる。作用す
る振動がたとえ単一のバルスであっても、共鳴すれば振
動が持続し、残響状態となる。
第３図に示すように、残響の振幅は時間と共に減衰す
るが、その振幅がロータの定格回転を支えている規定振
動の振幅a0の半分よりも大きい間はロータは回転トルク
を受けて変位する。従来のモータでは振幅は比較的早く
減衰し、第３〜第５残響パルスで振幅a0の1/2となり、
その後の減衰は少なく、かなり長時間残響が持続する。
るが、その振幅がロータの定格回転を支えている規定振
動の振幅a0の半分よりも大きい間はロータは回転トルク
を受けて変位する。従来のモータでは振幅は比較的早く
減衰し、第３〜第５残響パルスで振幅a0の1/2となり、
その後の減衰は少なく、かなり長時間残響が持続する。
本発明は、上記従来の超音波駆動装置がもっていた単
パルス駆動に対する変位応答がオーバーシュートしてし
まうという欠点を解決し、以て高精細応答性に優れた超
音波駆動装置の制御方法を提供することを目的とする。
パルス駆動に対する変位応答がオーバーシュートしてし
まうという欠点を解決し、以て高精細応答性に優れた超
音波駆動装置の制御方法を提供することを目的とする。
本発明は前記目的を達成するため、 圧電素子を有する超音波共振系（例えばステータの如
き固定子）に所定の駆動電圧を供給することにより、そ
の超音波共振系を励振して駆動部（例えばロータの如き
移動子）を駆動する超音波駆動装置（例えば超音波ステ
ッピングモータ）を対象とするものである。
き固定子）に所定の駆動電圧を供給することにより、そ
の超音波共振系を励振して駆動部（例えばロータの如き
移動子）を駆動する超音波駆動装置（例えば超音波ステ
ッピングモータ）を対象とするものである。
そして前記駆動部を停止する際には、前記駆動電圧の
供給を停止し、その後の超音波共振系の残響を打ち消す
ように作用する、例えば前記駆動電圧と波形が同一で位
相関係が逆の電気信号を前記超音波共振系に印加して駆
動部を停止することを特徴とするものである。
供給を停止し、その後の超音波共振系の残響を打ち消す
ように作用する、例えば前記駆動電圧と波形が同一で位
相関係が逆の電気信号を前記超音波共振系に印加して駆
動部を停止することを特徴とするものである。
本発明は前述のように駆動電圧の供給を停止した後、
当該超音波共振系の残響を打ち消すように作用する電気
信号をその超音波共振系に印加することにより、オーバ
ーシュートが確実に防止でき、高精細の停止位置制御が
可能で、しかもその制御が極めて容易である。
当該超音波共振系の残響を打ち消すように作用する電気
信号をその超音波共振系に印加することにより、オーバ
ーシュートが確実に防止でき、高精細の停止位置制御が
可能で、しかもその制御が極めて容易である。
本発明の無残響応答性超音波ステッピングモータの一
実施例を第５図に示す。この実施例に用いたモータは、
捻り結合子型の超音波モータである。すなわち外径40m
m、内径15mm、厚さ2mmのPb（ZrTi）O3系セラミックから
なる２枚の圧電素子30,30を、外径40mm、内径8mm、厚さ
11mmと12.5mmのアルミニウム円板33及び34でサンドイッ
チ状に挟持した。そしてこれらの中心孔に挿入された直
径8mm、長さ27.2mmのステンレスボルトの先端を、捻り
結合子35の底面中心のねじ孔に挿入して締めつけ、ステ
ータを構成する。
実施例を第５図に示す。この実施例に用いたモータは、
捻り結合子型の超音波モータである。すなわち外径40m
m、内径15mm、厚さ2mmのPb（ZrTi）O3系セラミックから
なる２枚の圧電素子30,30を、外径40mm、内径8mm、厚さ
11mmと12.5mmのアルミニウム円板33及び34でサンドイッ
チ状に挟持した。そしてこれらの中心孔に挿入された直
径8mm、長さ27.2mmのステンレスボルトの先端を、捻り
結合子35の底面中心のねじ孔に挿入して締めつけ、ステ
ータを構成する。
このスタータの上面にローラ36を載せ、ロータ36のシ
ャフトの中にセットされたベアリングとスプリングを介
して直径6mmのボルトでステータとロータ36を締め付
け、ステータに対してロータ36を約20Kgfの最大圧力N0
で圧接することにより、モータを構成した。
ャフトの中にセットされたベアリングとスプリングを介
して直径6mmのボルトでステータとロータ36を締め付
け、ステータに対してロータ36を約20Kgfの最大圧力N0
で圧接することにより、モータを構成した。
前記圧電素子30の端子板に接続されたリード線31,32
に43.2KHz、100Vの交流電圧を印加すると、圧電素子30
に厚み方向の振動が生じ、ステータで共鳴増幅されると
同時に捻り結合子35によって楕円振動に変換されるの
で、ステータの上面に強力な超音波楕円振動が生じる。
その縦振動成分がロータ36に浮力を与え、捻り成分が回
転トルクを与えるので、ロータ36は勢いよく回転する。
に43.2KHz、100Vの交流電圧を印加すると、圧電素子30
に厚み方向の振動が生じ、ステータで共鳴増幅されると
同時に捻り結合子35によって楕円振動に変換されるの
で、ステータの上面に強力な超音波楕円振動が生じる。
その縦振動成分がロータ36に浮力を与え、捻り成分が回
転トルクを与えるので、ロータ36は勢いよく回転する。
ここで、圧電素子30に印加する43.2KHzの正弦波電圧
を同じ周期の矩形波に変えても相変わらずロータ36は勢
いよく回転する。回転数は60rpm、すなわち毎秒１回転
する。印加パルスは毎秒432000パルスであり、１パルス
毎に360度分の43200分の１、すなわち30秒だけ回転して
いることになる。
を同じ周期の矩形波に変えても相変わらずロータ36は勢
いよく回転する。回転数は60rpm、すなわち毎秒１回転
する。印加パルスは毎秒432000パルスであり、１パルス
毎に360度分の43200分の１、すなわち30秒だけ回転して
いることになる。
ところで、電源を切ると同時に駆動パルスは消滅する
が、ロータ36は少し余分に回転して止まる。この余分に
オーバーシュートする量は、第３図の点線で示すように
多数個のパルス12を印加した後でも、単一パルス11の印
加後でも差はなく、３〜５パルス分程度である。このオ
ーバーシュートの原因を解明すべく、捻り結合子35に圧
電素子からなる振動センサー37（第５図参照）を貼り付
けて、パルス消滅後の変化を測定し、次のことが判明し
た。
が、ロータ36は少し余分に回転して止まる。この余分に
オーバーシュートする量は、第３図の点線で示すように
多数個のパルス12を印加した後でも、単一パルス11の印
加後でも差はなく、３〜５パルス分程度である。このオ
ーバーシュートの原因を解明すべく、捻り結合子35に圧
電素子からなる振動センサー37（第５図参照）を貼り付
けて、パルス消滅後の変化を測定し、次のことが判明し
た。
パルス印加中は、パルスが矩形波12でも正弦波振動10
が生じる。これは単一パルス11に対する正弦波振動13で
も同じである。ところがパルス消滅後も振動は徐々に減
衰しながら延々と続く。減衰の仕方は最初の３〜５パル
スで大きく、第３図では４パルス目17で、本来正弦波振
動13の振幅の半分になり、ロータ36はここまで動くが、
５パルス目18以降は振幅が1/2のボーダライン19を下回
るのでロータ36は動かなくなる。ロータ36が動かないと
エネルギーの消費が少なくなるので振動の減衰も少なく
なり、同程度の振幅の振動が延々と続くがロータ36は影
響を受けない。
が生じる。これは単一パルス11に対する正弦波振動13で
も同じである。ところがパルス消滅後も振動は徐々に減
衰しながら延々と続く。減衰の仕方は最初の３〜５パル
スで大きく、第３図では４パルス目17で、本来正弦波振
動13の振幅の半分になり、ロータ36はここまで動くが、
５パルス目18以降は振幅が1/2のボーダライン19を下回
るのでロータ36は動かなくなる。ロータ36が動かないと
エネルギーの消費が少なくなるので振動の減衰も少なく
なり、同程度の振幅の振動が延々と続くがロータ36は影
響を受けない。
ロータ36がオーバーシュートするのは、ボーダライン
19より大きい振幅の振動３〜５パルス程度である。オー
バーシュートを防ぐには、パルス消滅後直ちに逆相パル
ス２又は4,5を印加すればよい。逆相振動が生じ残響が
相殺されて振動ボーダラインより小さくなり、ロータ36
の回転はパルス消滅と同時にストップする。
19より大きい振幅の振動３〜５パルス程度である。オー
バーシュートを防ぐには、パルス消滅後直ちに逆相パル
ス２又は4,5を印加すればよい。逆相振動が生じ残響が
相殺されて振動ボーダラインより小さくなり、ロータ36
の回転はパルス消滅と同時にストップする。
第４図は別の実施例を示しており、振動パルス印加終
了後直ちに印加する逆相パルスの振幅を前記実施例のよ
うに振動パルスと同じにしないで、振幅の小さい逆相パ
ルスを複数個印加した。
了後直ちに印加する逆相パルスの振幅を前記実施例のよ
うに振動パルスと同じにしないで、振幅の小さい逆相パ
ルスを複数個印加した。
すなわち駆動パルス21の終了後直ちに振幅が駆動パル
ス21の50〜60％で逆相のパルス22,23及び24を印加した
ところ、ステータの超音波振動は残響が著しく小さくな
り、振動26のように殆ど無視できるようになった。残響
がボーダライン29以下になるとロータの回転は停止する
が、振幅は小さくても、長時間持続する振動がロータに
作用し続けると、圧着面が磨耗する原因になりかねな
い。
ス21の50〜60％で逆相のパルス22,23及び24を印加した
ところ、ステータの超音波振動は残響が著しく小さくな
り、振動26のように殆ど無視できるようになった。残響
がボーダライン29以下になるとロータの回転は停止する
が、振幅は小さくても、長時間持続する振動がロータに
作用し続けると、圧着面が磨耗する原因になりかねな
い。
そのため本実施例では、３個の逆相パルス印加に対し
てロータは最初のパルスで停止し、残響も第３パルス24
によって無視できる状態となり、磨耗の心配もなくなっ
た。
てロータは最初のパルスで停止し、残響も第３パルス24
によって無視できる状態となり、磨耗の心配もなくなっ
た。
なお上述の実施例で用いた超音波モータは定格周波数
43.2KHz、定格電圧100V、無負荷回転数60rpmである。こ
の超音波モータに11.57μｓ幅でデュテー50％の矩形波
電圧を43200パルス印加したところ、ちょうど360度回転
し、10800パルスで90度、120パルスで１度、12パルスで
６分、１パルスで30秒だけ回転し、パルス数と回転角の
完全な直線関係が成立することが実証された。
43.2KHz、定格電圧100V、無負荷回転数60rpmである。こ
の超音波モータに11.57μｓ幅でデュテー50％の矩形波
電圧を43200パルス印加したところ、ちょうど360度回転
し、10800パルスで90度、120パルスで１度、12パルスで
６分、１パルスで30秒だけ回転し、パルス数と回転角の
完全な直線関係が成立することが実証された。
以上説明したように本発明は、圧電素子を有する超音
波共振系に所定の駆動電圧を供給することにより、その
超音波共振系を励振して駆動部を駆動する超音波駆動装
置において、前記駆動部を停止する際には、前記駆動電
圧の供給を停止し、その後の超音波共振系の残響を打ち
消すように作用する電気信号を前記超音波共振系に印加
して駆動部を停止することを特徴とするものである。
波共振系に所定の駆動電圧を供給することにより、その
超音波共振系を励振して駆動部を駆動する超音波駆動装
置において、前記駆動部を停止する際には、前記駆動電
圧の供給を停止し、その後の超音波共振系の残響を打ち
消すように作用する電気信号を前記超音波共振系に印加
して駆動部を停止することを特徴とするものである。
このように構成することにより、パルスに対する移動
子の変位が、連続波における一周期分の変位と等しくな
り、そのため秒台の角度分解能、ナノメータ台の変位分
解能を有する高精細の停止位置制御が可能で、しかもそ
の制御が極めて容易でかつ確実である。
子の変位が、連続波における一周期分の変位と等しくな
り、そのため秒台の角度分解能、ナノメータ台の変位分
解能を有する高精細の停止位置制御が可能で、しかもそ
の制御が極めて容易でかつ確実である。
第１図は本発明の実施例に係る超音波モータの駆動波形
とそれに対応するステータの振動状態を示す説明図、第
２図は本発明の他の実施例に係る駆動波形とそれに対応
するステータの振動状態を示す説明図、第３図は従来の
ステータの残響性を示す説明図、第４図は本発明のさら
に他の実施例に係る駆動波形とそれに対応するステータ
の振動状態を示す説明図、第５図は本発明に用いた超音
波モータの一実施例の正面図である。 １……駆動単一パルス、２……無残響化パルス、１′,
2′……駆動単一パルス，無残響化パルスに対するステ
ータの振動、３……連続パルス、4,5……無残響化パル
ス、6,7……連続パルス，無残響化パルスに対するステ
ータの振動、11……駆動単一パルス、12……駆動連続パ
ルス、10,13〜18……駆動単一パルス，駆動連続パルス
に対するステータの振動、19,29……振幅ボーダライ
ン、21……駆動単一パルス、22,23,24……無残響化パル
ス、25,26,26′,26″,27……駆動単一パルス，無残響化
パルスに対するステータの振動、30……圧電素子、31,3
2……リード線、33,34……アルミニウム円板、35……捻
り結合子、36……ロータ、37……振動センサー。
とそれに対応するステータの振動状態を示す説明図、第
２図は本発明の他の実施例に係る駆動波形とそれに対応
するステータの振動状態を示す説明図、第３図は従来の
ステータの残響性を示す説明図、第４図は本発明のさら
に他の実施例に係る駆動波形とそれに対応するステータ
の振動状態を示す説明図、第５図は本発明に用いた超音
波モータの一実施例の正面図である。 １……駆動単一パルス、２……無残響化パルス、１′,
2′……駆動単一パルス，無残響化パルスに対するステ
ータの振動、３……連続パルス、4,5……無残響化パル
ス、6,7……連続パルス，無残響化パルスに対するステ
ータの振動、11……駆動単一パルス、12……駆動連続パ
ルス、10,13〜18……駆動単一パルス，駆動連続パルス
に対するステータの振動、19,29……振幅ボーダライ
ン、21……駆動単一パルス、22,23,24……無残響化パル
ス、25,26,26′,26″,27……駆動単一パルス，無残響化
パルスに対するステータの振動、30……圧電素子、31,3
2……リード線、33,34……アルミニウム円板、35……捻
り結合子、36……ロータ、37……振動センサー。
Claims (2)
- 【請求項１】圧電素子を有する超音波共振系に所定の駆
動電圧を供給することにより、その超音波共振系を励振
して駆動部を駆動する超音波駆動装置において、 前記駆動部を停止する際には、前記駆動電圧の供給を停
止し、その後の超音波共振系の残響を打ち消すように作
用する電気信号を前記超音波共振系に印加して駆動部を
停止することを特徴とする超音波駆動装置の制御方法。 - 【請求項２】特許請求の範囲第（１）項記載において、
前記残響を打ち消すように作用する電気信号が、前記駆
動電圧と波形が同一で位相関係が逆の電気信号であるこ
とを特徴とする超音波駆動装置の制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62041520A JP2587418B2 (ja) | 1987-02-26 | 1987-02-26 | 超音波駆動装置の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62041520A JP2587418B2 (ja) | 1987-02-26 | 1987-02-26 | 超音波駆動装置の制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63209478A JPS63209478A (ja) | 1988-08-31 |
| JP2587418B2 true JP2587418B2 (ja) | 1997-03-05 |
Family
ID=12610656
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62041520A Expired - Lifetime JP2587418B2 (ja) | 1987-02-26 | 1987-02-26 | 超音波駆動装置の制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2587418B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP3789017B2 (ja) * | 1996-12-27 | 2006-06-21 | キヤノン株式会社 | 位置制御装置 |
| JP2002362250A (ja) | 2001-06-01 | 2002-12-18 | Nippon Pop Rivets & Fasteners Ltd | モール取付装置及びモールクリップ |
| JP4834243B2 (ja) | 2001-06-01 | 2011-12-14 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエータの制御装置 |
| JP2009089517A (ja) * | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Olympus Corp | 超音波モータの駆動装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0793828B2 (ja) * | 1984-11-08 | 1995-10-09 | 株式会社ニコン | 超音波モーターの駆動装置 |
-
1987
- 1987-02-26 JP JP62041520A patent/JP2587418B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63209478A (ja) | 1988-08-31 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |