JP2604815B2 - 超音波モータの制御装置 - Google Patents

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。

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。

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11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21に円環型圧電体20を貼り合わせて振動体22を
構成している。23は耐摩耗性材料の摩擦材、24は弾性体
であり、互いに貼り合わせられて移動体25を構成してい
る。移動体25は摩擦材23を介して振動体22と接触してい
る。圧電体20に電圧を印加すると振動体22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25を駆動する。尚、同図中の振動体22には、機械出
力取り出し用の突起体26が設置されている。

第12図は第11図の超音波モータに使用した圧電体20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20を分極する際に用
いる電極で、圧電体20の弾性体21との接着面は、第12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12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。

以上のように構成された超音波モータの圧電体20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22には ξ＝ξ_０・（cos（ωｔ）・cos（kX） ＋sin（ωｔ）・sin（kX）） ＝ξ_０・cos（ωｔ−kX） ……（３） ただし、ξ：曲げ振動の瞬時値 ξ₀:曲げ振動の振幅値 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13図は振動体22の表面のＥ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22上に加圧
して設置された移動体25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22と移動体25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Ｆは、移動体
25の進行方向を示し、矢印Ｇは、この進行波の進行方向
を示す。また、上記した移動体25の速度ｖは、この曲げ
振動の瞬時値ξに比例する。

ところで、この超音波モータ５を等価回路で示すと第
14図のようになることが知られている。（ただし、共振
点よりも高い周波数領域において）同図においてC₀は振
動体22の電気的な静電容量で、C₁は振動体22のコンプラ
イアンス、L₁は質量、R₁は機械的損失および負荷に相当
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腕と呼び、圧電
体20の電極に供給される電流ｉのうちこの機械腕に流れ
る電流i_mを機械腕電流と呼ぶ。この機械腕電流i_mは振動
体22の振動状態を表しその大きさは先述したように振動
体22の振動振幅と比例関係にあり、従って移動体25の移
動速度に比例することになる。

超音波モータ５に印加する周波電圧の周波数を変化さ
せた時、機械腕のアドミタンスY_mの大きさは第15図に示
すような周波数特性を示す。この図から分るように共振
点（特性曲線のピークのところ）より高い周波数では、
周波数f_mをf_m1からf_m2の範囲を変化させればそれに応じ
て機械腕のアドミタンスY_mはY_m1からY_m2に変化する。こ
こで、i_m＝Y_m・V_mの関係から印加する周波電圧のレベル
が一定であれば機械腕電流i_mの変化は機械腕のアドミタ
ンスY_mの変化に等しい。

ところで移動体25を所定の目標速度で移動させる場
合、上記したように機械腕電流i_mと移動速度が比例する
点、さらに駆動電圧の周波数f_mを変化させれば機械腕電
流i_mの大きさを変えることが出来る点に着目し、この機
械腕電流i_mを検出し目標速度に対応した値になるように
駆動電圧の周波数f_mを制御する速度制御が考えられる
が、実際移動体25と振動体22の接触状態や外部から受け
る負荷の状態や温湿度変化等によって移動速度と機械腕
電流i_m比例状態が変化するため、移動速度が大体一定で
速度変動の許容範囲が広い場合はこの方法でもよいが、
正確な値に追従させなければならないときは、特願昭62
−246450号で本発明者が提案しているように、移動体25
に周知のタコジェネレータや周波数発電機（FG）もしく
はポテンショメータのような位置検出器の出力を微分す
る微分器の如き速度検出器を取り付け速度に比例したそ
の出力信号を基に駆動電圧の周波数f_mを振って機械腕の
アドミタンスを変化させて機械腕電流i_mを変化すること
により移動体25の速度を正確に制御することができる。

発明が解決しようとする課題 ところで上記のように構成された超音波モータ５の移
動速度を所定の目標値にするために、先記した如く速度
検出器により移動体の速度を検出し、この検出値と目標
値とを比較しその誤差を求め、この誤差に対して比例積
分演算を行い、その結果に基づいて駆動周波電圧の周波
数f_mを変化させ目標値になるように構成している。この
制御ループを構成する場合、駆動周波数f_mの値と移動速
度に関する機械腕電流i_mの大きさがリニアに対応してい
るとして制御系の開ループゲイン（以下単にループゲイ
ンという）を決定して安定化している。目標の速度が１
つで周波電圧の電圧レベルも一定であれば、機械腕のア
ドミタンス（以下単にアドミタンスという）の動作中心
は例えば第15図のＨ点（アドミタンスY_m1、周波数f_m1）
一点に設定でき、制御時速度検出器の出力により変化す
る駆動周波数の幅は高々同図に示すΔｆ（アドミタンス
ではΔY_m1）程度であるので先記したように駆動周波数
とアドミタンスの関係はリニアと近似し駆動周波数の変
化に対するアドミタンスの変化率（アドミタンスの周波
数に対する感度、以下アドミタンス感度という）をG₁＝
ΔY_m1/Δｆとしても問題無い。当然のことながらこのG₁
＝ΔY_m1/Δｆは制御ループのレープゲインを計算し決定
するときの一要素となる。

ところで目標速度の設定が一つではなくいくつか存在
する場合、その速度毎に必要な機械腕電流の大きさが異
なるため制御時の動作中心が変わり、即ち特性曲線上に
その設定値の数だけ動作中心が存在することになるが、
第15図に示すように駆動周波数の広い範囲においてはア
ドミタンスとの関係は実際にはリニアの関係ではなく、
周波数が高くなるにつれて特性曲線の傾きの絶対値が減
少していくため、各動作点におけるアドミタンスの周波
数に対する感度（アドミタンス感度、G_i＝ΔY_mi/Δｆ
i:1、２、…）が異なることになる。第14図において動
作中心がＨ点の時は先記したようにG₁＝ΔY_m1/Δｆであ
り、動作中心がＬ点（アドミタンスY_m2、周波数f_m2）の
時はG₂＝ΔY_m2/ΔｆでY_m1＞Y_m2であるので、G₁＞G₂とな
る。目標速度が遅くなるにつれて機械腕電流の大きさは
小さくてよいので、アドミタンスを小さくするため動作
周波数は高い方へずれていきG_iは減少していく。このよ
うに制御ループの伝達要素の一つであるG_iが動作点によ
って変化することはループゲインが動作点によって変わ
ることを意味し、このためループゲインの設定は難しく
設定如何によって駆動周波数低くなるにつれてG_iが大き
くなりループゲインが増加して外乱に対して発振し易く
なり、逆に駆動周波数が高くなるとG_iが小さくなってル
ープゲインが減少し目標値に対する追従精度が悪くなる
という問題点がある。

また目標速度は一つであっても駆動周波電圧の電源に
電池のような電圧レベルの変化するものを使用した場
合、その電圧レベルの変化に応じて上記と同様な動作中
心が変化していく現象が起こる。

今電池の容量が充分でその電圧レベルが高く目標速度
に追従するために必要な機械腕電流を得るためのアドミ
タンスはY_m2（駆動周波数はf_m2）近傍であっても、容量
が減り電圧レベルが低くなると同じ機械腕電流を得るた
めにはアドミタンスを大きくする必要があり、この時の
必要なアドミタンスがY_m1（駆動周波数はf_m1）近傍であ
ったとすると、駆動周波数の変化に対するアドミタンス
の感度G_iはG₂からG₁に変化したことになる。従って先と
同様なループゲインが変わることによって起こる問題点
を有している。

当然のことながら、目標速度がいくつかあり、更に駆
動周波電圧の電源に電池のような電圧レベルの変化する
ようなものを使用した場合も上記と同様の問題を有して
いる。

本発明はかかる点に鑑み、超音波モータの目標設定速
度が色々と変化しても、また電池等を使用した場合に見
られるように駆動周波電圧の電圧レベルが変化しても、
安定に目標移動速度に移動体の移動速度を制御出来る超
音波モータの制御装置を提供することを目的とする。

課題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は、弾性体と圧電体
から構成される振動体と、前記振動体上に接触して設置
した移動体を具備し、前記圧電体を周波電圧で駆動して
弾性波を励振することにより前記移動体を移動させる超
音波モータと、 前記周波電圧を発生する可変発振手段と、 前記可変発振手段の出力を電力増幅する電力増幅手段
と、 前記移動体の移動速度の目標値の設定を複数の値に切
り換える目標値設定手段と、 前記移動体の移動手段に関する情報を検出する速度情
報検出手段と、 前記速度情報検出手段の出力情報を基に、前記移動体
の移動速度が前記目標値設定手段で設定された目標値に
なるように前記可変発振手段の前記周波電圧の周波数を
変化させ前記移動速度を制御する速度制御手段と、 前記超音波モータの前記周波電圧の周波数変化に対す
る前記移動速度の動作感度を前記目標値設定手段の出力
情報を基に補正する動作感度補正手段とを有し、 前記可変発振手段と、前記電力増幅手段と、前記超音
波モータと、前記速度情報検出手段と、前記速度制御手
段と前記動作感度補正手段とで駆動制御ループを構成
し、 前記ループのループゲインが所定値になるように前記
動作感度補正手段が前記動作感度を補正することを特徴
とする超音波モータの制御装置である。

また、本発明は、前記圧電体に印加される周波電圧レ
ベルを検出する電圧検出手段と、 前記超音波モータの前記周波電圧の周波数変化に対す
る前記移動速度の動作感度を前記電圧検出手段の出力情
報を基に補正する動作感度補正手段とを有し、 前記可変発振手段と、前記電力増幅手段と、前記超音
波モータと、前記速度情報検出手段と、前記速度制御手
段と前記動作感度補正手段とで駆動制御ループを構成
し、 前記ループのループゲインが所定値になるように前記
動作感度補正手段が前記動作感度を補正することを特徴
とする超音波モータの制御装置である。

また、本発明は、前記圧電体に印加される周波電圧レ
ベルを検出する電圧検出手段と、 前記超音波モータの前記周波電圧の周波数変化に対す
る前記移動速度の動作感度を前記目標値設定手段の出力
情報と前記電圧検出手段の出力情報を基に補正する動作
感度補正手段とを有し、 前記可変発振手段と、前記電力増幅手段と、前記超音
波モータと、前記速度情報検出手段と、前記速度制御手
段と前記動作感度補正手段とで駆動制御ループを構成
し、 前記ループのループゲインが所定値になるように前記
動作感度補正手段が前記動作感度を補正することを特徴
とする超音波モータの制御装置である。

さらに、本発明は、前記圧電体に印加される周波電圧
レベルを検出する電圧検出手段と、 前記振動体の振動の振幅を表す機械腕電流を検出する
振動振幅検出手段と、 前記電圧検出手段の出力情報と前記振動振幅検出手段
の出力情報とで前記振動体のアドミッタンスを演算処理
し、前記演算結果を基に前記超音波モータの前記周波電
圧の周波数変化に対する前記移動速度の動作感度を補正
する動作感度補正手段とを有し、 前記可変発振手段と、前記電力増幅手段と、前記超音
波モータと、前記速度情報検出手段と、前記速度制御手
段と前記動作感度補正手段とで駆動制御ループを構成
し、 前記ループのループゲインが所定値になるように前記
動作感度補正手段が前記動作感度を補正することを特徴
とする超音波モータの制御装置である。

作 用 本発明は前記した構成により、移動体の移動速度の設
定目標値が変わったり、超音波モータを駆動する周波電
圧の電圧レベルが変化した場合に、駆動周波数の変化に
対するアドミタンスの変化率の変化を補正することで速
度制御ループのループゲインを略一定に制御し超音波モ
ータを所定の移動速度で安定に動作させる。

実施例 第１図は本発明の第一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は入力される電圧値によって出力周波数が制御
された周波信号を発生する可変発振器、２は可変発振器
１の出力から90゜位相の異なった信号を発生させる90゜
移相回路、３、４はこの90゜位相の異なった各々の信号
を超音波モータ５を駆動するのに必要な電圧レベルまで
増幅もしく昇圧して圧電体14の各々の電極に一定の電圧
レベルを印加し電力を供給するための電力増幅回路、６
は移動体25の周囲に貼付され複数のNS極が着磁されたプ
ラスチック状のマグネットから移動速度に比例した磁束
の変化を磁気抵抗素子（MRセンサ）で検出しパルス状の
信号を出力する周知の周波数発電機（FG）の如き速度検
出器、７は速度検出器６の出力パルス信号の周期をクロ
ックf_CKで計測し結果をディジタル値で出力する計数回
路、８は後述する移動体25の速度制御に必要な演算をす
るマイクロコンピュータ、９は移動体25の移動速度の目
標値を設定、切り換えマイクロコンピュータ８に速度指
令値を出力する目標速度設定回路、10はマイクロコンピ
ュータ８のディジタル出力値をアナログ値に変換し出力
を可変発振回路１の制御入力にフィードバックするD/A
変換回路である。以上説明した構成要素で移動体25の速
度制御ループが構成される。

第２図はマイクロコンピュータ８の演算過程を示すフ
ローチャート、第３図はマイクロコンピュータ８のメモ
リテーブルの中に記憶される目標速度と比例ゲインの関
係を示す表である。

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、以下その動作を図面を基に説明する。

可変発振回路１が動作して90゜移相回路及び電力増幅
回路３、４を通じて一定レベルの周波電圧が超音波モー
タ５（圧電体20）に印加されると移動体25が駆動され
る。この駆動された移動体25の移動速度は速度検出器６
によって速度に比例した周波数のパルス信号に変換さ
れ、計数回路７に入力される。

計数回路７ではこのパルス信号の１周期中にクロック
f_CKが何パルス存在するかを計数することによってその
周期を計測し、１周期毎の計数値が移動体25の移動速度
に対応した値としてマイクロコンピュータ８に出力され
る。

マイクロコンピュータ８ではこの計数値と目標速度設
定回路９から出力される速度指令値を基に第２図に示す
演算処理を行うわけであるが、以下その処理についてフ
ローチャートの順に説明を行う。

ステップS1では計数回路７で速度検出器６の出力パル
ス信号の１周期の時間の計数が終了するまではWAIT状態
であり、計数が終了するとその計数値を取り込みステッ
プS2に進む。

ステップS2ではこの計数値と目標速度設定回路９から
出力される速度指令値との減算を行いその結果を速度誤
差としてレジスタ（図示しない）に記憶し、ステップS3
に進む。

ステップS3ではメモリテーブルの、目標速度設定回路
９から指令される目標速度値に対応したアドレスに格納
された比例ゲイン（第３図）がロードされる。

ここでこの比例ゲインについて説明する。従来例の課
題において述べたように、超音波モータ５に印加される
電圧レベルが一定であれば、移動体25の目標速度を変え
ていくと、機械腕のアドミタンスにおける動作点が変化
するため、アドミタンス感度G_iが変わり速度制御のルー
プゲインが変化する。この変化を除くため本実施例では
各目標速度毎に異なった比例ゲインを設定し、これを記
憶するために第３図に示すようなメモリテーブルを設
け、各目標速度値に対する比例ゲインK_i（ｉ＝１、２、
…、n:nは目標速度の切り換え数に相当する。）はK_i・G
_i＝一定なるように決め、即ち目標速度毎によって変わ
るアドミタンス感度G_iの値を補正するように決めてい
る。ステップS3でK_iがロードされるとステップS4に進
む。

ステップS4ではステップS2でレジスタに記憶された速
度誤差とこの比例ゲインK_iの積をとる。次にステップS5
ではステップS4の結果と、制御系の安定を図り更に定常
偏差を小さくするために低域のゲインが大きい補償フィ
ルタである比例積分フィルタG_f（ｚ）＝（ａ−bz^-1）／
（１−z^-1）（ａ、ｂは定数）との積をとり、この演算
結果はステップS6でD/A変換回路10に出力される。D/A変
換回路10では以上のようにマイクロコンピュータ８で処
理され出力されたディジタル値をアナログ値に変換し、
結果を可変発振回路１の制御入力にフィードバックす
る。可変発振回路１は移動体25の実際の移動速度と目標
速度の差に応じたこのフィードバック値によって発振周
波数を変化させ、機械腕電流を制御することによって移
動体25の移動速度が目標値になるように制御する。目標
速度設定回路９によって移動体25の目標速度を変えるべ
く速度指令値がマイクロコンピュータ８に出力される
と、上記したマイクロコンピュータ８での演算では、当
然のことながらこの目標速度値に応じた比例ゲインK_iが
用いられ、ループゲインが変わらない、即ち制御ループ
の周波数応答特性を一定に保つように動作する。

以上のように本実施例によれば、移動体25の目標速度
が変わり、機械腕のアドミタンスにおける動作点が変化
しアドミタンス感度G_iが変わっても、目標速度毎に制御
ループの比例ゲインを変えてループゲインをほぼ一定に
するよう補正するので、従来のように目標速度の設定に
よってループが発振したり、追従精度が悪くなることは
なく、安定に目標移動速度に移動体の移動速度を制御で
きる。

第４図は本発明の第２の実施例における超音波モータ
の速度制御回路のブロック図である。同図において第１
図の実施例と同一の番号を施したものはその動作機能が
同じであるので説明は省略する。11は電力増幅回路３、
４によって圧電体20の電極に印加される周波電圧の電圧
レベル（以下の説明では電力増幅回路３による電圧とす
る）を検出する電圧検出回路、12は電圧検出回路11のア
ナログ出力値をマイクロコンピュータ８に入力するため
にディジタル値に変換するA/D変換回路であり、また本
実施例では目標速度設定回路９からは唯一つの目標値に
対する速度指令値が出力されるだけである。第５図は同
実施例における電力増幅回路３、４の具体例及び各端子
における信号波形を示し、13、14、16、17はスイッチン
グ用のパワーFET、15、18は昇圧するための巻線比が1:n
の昇圧トランスで、このｎの値は超音波モータ５を目的
とする速度で駆動するために必要な電圧レベルから決め
られる。第７図は同実施例におけるマイクロコンピュー
タ８の演算過程を示すフローチャート、第８図はマイク
ロコンピュータ８のメモリテーブルの中に記憶される圧
電体20に印加される電圧レベル範囲と比例ゲインの関係
を示す表である。

前記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、以下図面を基にその動作を説明する。

本実施例の先の実施例との違いは、超音波モータ５に
印加される電圧レベルの変動によって生じる機械腕のア
ドミタンス感度の変動による影響を補正すべく、印加電
圧レベルを検出する電圧検出回路11とその出力をマイク
ロコンピュータ８に取り込むべくA/D変換回路12を設け
た点である。

先の実施例と同様、超音波モータ５を目標速度設定回
路９で設定された目標値に駆動すべく可変発振回路１が
動作し90゜移相回路２、電力増幅回路３、４を通じて周
波電圧が印加されると移動体25が移動し始める。

ここで電力増幅回路３、４の具体構成について述べて
おく。本実施例における電力増幅回路３、４の具体例を
第５図に示す。図に示すように電力増幅回路３、４はス
イッチング用のパワーFET13、14、16、17とその各々ド
レインに接続される巻線比が1:nの昇圧トランス15、18
から構成され、このトランス15、18の２次側から超音波
モータ５の圧電体20の各々の相に印加する昇圧された出
力が取り出される。トランス15、18の１次側にはセンタ
タップが設けられ電源と接続され電力が供給されるよう
構成されている。電力増幅回路３のFET13、14のゲート
端子には第６図に示す位相の反転した90゜移相回路２か
ら出力されるパルスa₁とa₂が各々加えられ、FET13、14
を交互にオンする。その結果、トランス15の２次側には
零クロスしたパルス信号a₀が得られる。同様に電力増幅
回路４のFET16、17のゲート端子にはパルスa₁、a₂とは
位相の90゜異なった位相の反転した信号b₁とb₂が各々加
えられ、トランス18の２次側にはパルス信号b₀が得られ
る。パルス信号a₀およびb₀が超音波モータ５に印加され
るわけであるが、その電圧レベル（振幅）はトランス1
5、18のセンタタップに加えられる電圧レベル（ＶM）に
依存する。従って従来例で述べたように電源として容量
の変化によって電圧レベルの変化する電池のようなもの
を使用した場合には、そのレベル変化によって超音波モ
ータ５に印加する電圧レベルが変動することになる。ま
た超音波モータ５に印加される電圧レベルがＶMに依存
することからこのＶMをモニタすることによって超音波
モータ５に印加される電圧レベルを知ることが可能であ
る。

ところで、移動体25が移動し始めると先の実施例と同
様、速度検出器６と計数回路７によってその移動速度に
対応した計数値がマイクロコンピュータ８に出力され
る。また電圧検出回路11は超音波モータ５に印加される
電圧レベルをモニタするために上記したトランス15、18
の１次側に印加される電圧のレベルＶMを検出し、更にA
/D変換回路12に入力可能な電圧レベルにしてその検出値
を出力する。A/D変換回路12はこの検出値をディジタル
値（以下Vmdとする）に変換しマイクロコンピュータ８
に出力する。

マイクロコンピュータ８では先の計数値と目標速度設
定回路９から出力される速度指令値（この実施例ではこ
の値は一つとする。）、更に電圧検出値Vmdを基に第７
図に示す演算処理を行うわけであるが、以下にその処理
について同図のフローチャートの順に説明を行う。ステ
ップS10およびステップS11は先の実施例におけるステッ
プS1とS2と同じである。ステップS12ではA/D変換回路12
でディジタル値に変換された電圧検出値Vmdを取り込
み、次にステップS13に進む。ステップS13ではこのVmd
がどの範囲の値かを調べ、その範囲に対応したアドレス
に格納された比例ゲインK_iがロードされる。

第８図はこのメモリーテーブルを表しており、左列が
アドレスに対応している。ここで値の範囲の決め方であ
るが、目標速度で移動体25を移動させるのに必要な機械
腕電流のほぼ中心値（その値はImとする）を求め、第14
図に示す機械腕のアドミタンス曲線（共振点よりも高い
周波数側）を基に式Im＝Ym・VmからImを一定としてVmの
曲線（Vm＝Im/Ym）を求め近似的にリニアと見なせる範
囲毎に区切りその境界値毎に対応するViを求めて決めて
いる。次にこれらの範囲毎に対応するViを求めて決めて
いる。次にこれらの範囲毎に対応する比例ゲインK_i（ｉ
＝１、２、…、n:nは電圧範囲を区切った数に相当す
る）の決め方であるが、上記の式からもわかるように従
来例で述べた如く印加電圧が変動するると、機械腕のア
ドミタンスにおける動作点が変化しアドミタンス感度が
変わる。この変化分を補正するように先の実施例と同様
比例ゲインK_iを決めている。即ちK_i・G_i＝一定になるよ
うに決められている。ステップS13でK_iがロードされる
とステップS14、ステップS15、ステップS16と順に進み
処理される。このステップS14、S15、S16は先の実施例
の第２図におけるステップS4、S5、S6と同一の処理がな
される。以上のようにマイクロコンピュータ８で演算処
理された結果はD/A変換回路10でアナログ信号に変換さ
れ可変発振回路１にフィードバックされ先の実施例と同
様発振周波数を変化させて移動体25の移動速度を目標値
に制御する。

以上のように本実施例によれば、超音波モータ５に印
加される電圧レベルが変動し、機械腕のアドミタンスに
おける動作点が変化しアドミタンス感度G_iが変わって
も、常に印加電圧レベルを検出し、その電圧レベル毎に
制御ループの比例ゲインを変えてループゲインをほぼ一
定にするよう補正するので、従来のように印加電圧レベ
ルの変動によってループが発振したり、追従精度が悪く
なることはなく、安定に目標移動速度に移動体の移動速
度を制御することができる。

次に第４図に示す実施例において、目標設定回路９か
らは複数の速度指令値が切り換えられてマイクロコンピ
ュータ８に出力される場合の実施例について述べる。第
９図は同実施例におけるマイクロコンピュータ８の演算
過程を示すフローチャート、第10図はマイクロコンピュ
ータ８のメモリテーブルの中に記憶される目標速度v_i及
び圧電体20に印加される電圧レベル（Vmd）が含まれる
範囲と比例ゲインK_i+nの関係を示す表（メモリテーブル
を表現している。）である。

前記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。本実施例は
先の第４図の実施例において、目標速度設定回路９から
複数の速度指令値が第１図に示した実施例同様マイクロ
コンピュータ８に出力され、それに基づくマイクロコン
ピュータ８での処理の一部が異なる点を除いて、他の動
作・機能は同じであるので、以下異なった点を中心に説
明する。

本実施例では上記したように先の実施例と異なり、超
音波モータ５に印加する電圧が変動することに加え、移
動体25の移動速度が複数に設定される。従って速度制御
ループのループゲインを略一定にするための補正用の比
例ゲインは、目標速度とその目標速度毎に印加電圧レベ
ル検出値（Vmd）に応じた値を決める必要がある。何故
なら、目標速度が切り換えられる毎に、機械腕電流の動
作範囲が異なるので、先に述べたVmの曲線（Vm＝Im/Y
m）が変化するからである。第10図にこの比例ゲインに
関するメモリテーブルを示す。左列がアドレスに対応す
るわけであるが、このアドレスと目標速度毎の電圧検出
値Vmdが対応するように構成している。マイクロコンピ
ュータ８では、第９図に示すように、まずステップS19
でA/D変換回路12から電圧検出値Vmdを取り込み、ステッ
プS20で目標速度のこのVmdの存在する範囲に対応した比
例ゲインをロードする。同図においてステップS17、S1
8、S21、S22、S23の処理はそれぞれ先の実施例の第６図
のステップS10、S11、S14、S15、S16の処理と同様であ
る。

以上のように本実施例によれば、移動体25の目標速度
が変わり、更に超音波モータ５に印加される電圧レベル
が変動し、この両者の要因で機械腕のアドミタンスにお
ける動作点が変化しアドミタンス感度G_iが変わっても、
目標速度毎に常に印加電圧レベルを検出し、その電圧レ
ベル毎に制御ループの比例ゲインを変えてループゲイン
をほぼ一定にするよう補正するので、従来のように目標
速度の設定かつ印加電圧レベルの変動によってループが
発振したり、追従精度が悪くなることはなく、安定に目
標移動速度に移動体の移動速度を制御することができ
る。

以上説明した実施例では、メモリテーブルにおける各
比例ゲインのアドレスを目標速度や電圧検出値に対応し
て決めていたが、このアドレスに対応させた値として直
接アドミタンスを用いてもよい。即ちアドミタンス曲線
を第２番目の実施例の検出電圧値と同様近似的にリニア
と見なせる範囲毎に区切り、この区切りをアドレスに対
応させたメモリテーブルを構成し、このメモリにはアド
ミタンス感度の変化を補正する比例ゲインをそれぞれ記
憶する。なお、振動体22の振動状態を表す機械腕電流im
を検出し、印加する周波電圧VmとからYm＝im/Vmを演算
して直接アドミタンスYmを算出し、その算出値が、どの
アドレスに対応するかによって比例ゲインを決めてもよ
い（特願昭62−206714号）。この場合は機械腕電流を検
出しアドミタンスを算出する手段が必要な変わりに、ル
ープゲイン変動の直接の要因であるアドミタンスを直接
算出しているので、上記の三つの実施例全て共通のメモ
リテーブルですむ。

また本実施例ではテーブル方式の場合について述べた
が、ゲイン補正量とアドミタンス感度の変動量（目標速
度設定量、印加電圧検出値）が近似的にいくつかの式に
定式化し、その式を用いてループゲインを補正しても本
発明の目的が達せられるのは言うまでもない。

発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、超音波モータ
の移動速度の目標値及び駆動周波電圧の電圧レベルのど
ちらか一方が変化、もしくは両方が変化したとしても、
駆動周波数と機械腕のアドミタンスの関係の変化に応じ
て速度制御手段のゲインを補正することで、ループゲイ
ンを略一定に、即ち速度制御ループの周波数特性を略一
定に保つので、従来のように制御ループは発振すること
なく、また、追従性更に外乱に対する抑圧効果も変わる
ことがなく安定に所定の移動速度で動作させる超音波モ
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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における第一の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マイ
クロコンピュータの演算過程を示すフローチャート、第
３図は同マイクロコンピュータ内のメモリテーブルに記
憶される目標速度と比例ゲインの関係を示すメモリマッ
プ、第４図は本発明における第２の実施例の超音波モー
タの制御装置のブロック図、第５図は同実施例における
電力増幅回路図、第６図はその動作波形図、第７図は同
実施例におけるマイクロコンピュータの演算過程を示す
フローチャート、第８図は同マイクロコンピュータ内の
メモリテーブルに記憶される電圧検出値と比例ゲインの
関係を示すメモリマップ、第９図は本発明の第３の実施
例におけるマイクロコンピュータの演算過程を示すフロ
ーチャート、第10図は同マイクロコンピュータ内のメモ
リテーブルに記憶される目標速度及び電圧検出値と比例
ゲインの関係を示すメモリマップ、第11図は円環型超音
波モータの切り欠き斜視図、第12図は第11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
13図は超音波モータの動作原理の説明図、第14図は超音
波モータの等価回路、第15図は機械腕のアドミタンスの
周波数特性図である。 １……可変発振回路、２……90゜移相回路、３、４……
電力増幅回路、５……超音波モータ、６……速度検出
器、７……計数回路、８……マイクロコンピュータ、９
……目標速度設定回路、10……D/A変換回路、11……電
圧検出回路、12……A/D変換回路、13、14、16、17……
パワーFET、15、18……昇圧トランス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小沢 邦一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 宮崎 富弥 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−190568（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−214276（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性体と圧電体から構成される振動体と、
   前記振動体上に接触して設置した移動体を具備し、前記
   圧電体を周波電圧で駆動して弾性波を励振することによ
   り前記移動体を移動させる超音波モータと、 前記周波電圧を発生する可変発振手段と、 前記可変発振手段の出力を電力増幅する電力増幅手段
   と、 前記移動体の移動速度の目標値の設定を複数の値に切り
   換える目標値設定手段と、 前記移動体の移動速度に関する情報を検出する速度情報
   検出手段と、 前記速度情報検出手段の出力情報を基に、前記移動体の
   移動速度が前記目標値設定手段で設定された目標値にな
   るように前記可変発振手段の前記周波電圧の周波数を変
   化させ前記移動速度を制御する速度制御手段と、 前記超音波モータの前記周波電圧の周波数変化に対する
   前記移動速度の動作感度を前前記目標値設定手段の出力
   情報を基に補正する動作感度補正手段とを有し、 前記可変発振手段と、前記電力増幅手段と、前記超音波
   モータと、前記速度情報検出手段と、前記速度制御手段
   と前記動作感度補正手段とで駆動制御ループを構成し、 前記ループのループゲインが所定値になるように前記動
   作感度補正手段が前記動作感度を補正することを特徴と
   する超音波モータの制御装置。
2. 【請求項２】弾性体と圧電体から構成される振動体と、
   前記振動体上に接触して設置した移動体を具備し、前記
   圧電体を周波電圧で駆動して弾性波を励振することによ
   り前記移動体を移動させる超音波モータと、 前記周波電圧を発生する可変発振手段と、 前記可変発振手段の出力を電力増幅する電力増幅手段
   と、 前記移動体の移動速度の目標値を設定する目標値設定手
   段と、 前記移動体の移動速度に関する情報を検出する速度情報
   検出手段と、 前記速度情報検出手段の出力情報を基に、前記移動体の
   移動速度が前記目標値設定手段で設定された目標値にな
   るように前記可変発振手段の前記周波電圧の周波数を変
   化させ前記移動速度を制御する速度制御手段と、 前記圧電体に印加される周波電圧レベルを検出する電圧
   検出手段と、 前記超音波モータの前記周波電圧の周波数変化に対する
   前記移動速度の動作速度を前記電圧検出手段の出力情報
   を基に補正する動作感度補正手段とを有し、 前記可変発振手段と、前記電力増幅手段と、前記超音波
   モータと、前記速度情報検出手段と、前記速度制御手段
   と前記動作感度補正手段とで駆動制御ループを構成し、 前記ループのループゲインが所定値になるように前記動
   作感度補正手段が前記動作感度を補正することを特徴と
   する超音波モータの制御装置。
3. 【請求項３】弾性体と圧電体から構成される振動体と、
   前記振動体上に接触して設置した移動体を具備し、前記
   圧電体を周波電圧で駆動して弾性波を励振することによ
   り前記移動体を移動させる超音波モータと、 前記周波電圧を発生する可変発振手段と、 前記可変発振手段の出力を電力増幅する電力増幅手段
   と、 前記移動体の移動速度の目標値の設定を複数の値に切り
   換える目標値設定手段と、 前記移動体の移動速度に関する情報を検出する速度情報
   検出手段と、 前記速度情報検出手段の出力情報を基に、前記移動体の
   移動速度が前記目標値設定手段で設定された目標値にな
   るように前記可変発振手段の前記周波電圧の周波数を変
   化させ前記移動速度を制御する速度制御手段と、 前記圧電体に印加される周波電圧レベルを検出する電圧
   検出手段と、 前記超音波モータの前記周波電圧の周波数変化に対する
   前記移動速度の動作感度を前記目標値設定手段の出力情
   報と前記電圧検出手段の出力情報を基に補正する動作感
   度補正手段とを有し、 前記可変発振手段と、前記電力増幅手段と、前記超音波
   モータと、前記速度情報検出手段と、前記速度制御手段
   と前記動作感度補正手段とで駆動制御ループを構成し、 前記ループのループゲインが所定値になるように前記動
   作感度補正手段が前記動作感度を補正することを特徴と
   する超音波モータの制御装置。
4. 【請求項４】弾性体と圧電体から構成される振動体と、
   前記振動体上に接触して設置した移動体を具備し、前記
   圧電体を周波電圧で駆動して弾性波を励振することによ
   り前記移動体を移動させる超音波モータと、 前記周波電圧を発生する可変発振手段と、 前記可変発振手段の出力を電力増幅する電力増幅手段
   と、 前記移動体の移動速度の目標値を設定する目標値設定手
   段と、 前記移動体の移動速度に関する情報を検出する速度情報
   検出手段と、 前記速度情報検出手段の出力情報を基に、前記移動体の
   移動速度が前記目標値設定手段で設定された目標値にな
   るように前記可変発振手段の前記周波電圧の周波数を変
   化させ前記移動速度を制御する速度制御手段と、 前記圧電体に印加される周波電圧レベルを検出する電圧
   検出手段と、 前記振動体の振動の振幅を表す機械腕電流を検出する振
   動振幅検出手段と、 前記電圧検出手段の出力情報と前記振動振幅検出手段の
   出力情報とで前記振動体のアドミッタンスを演算処理
   し、前記演算結果を基に前記超音波モータの前記周波電
   圧の周波数変化に対する前記移動速度の動作感度を補正
   する動作感度補正手段とを有し、 前記可変発振手段と、前記電力増幅手段と、前記超音波
   モータと、前記速度情報検出手段と、前記速度制御手段
   と前記動作感度補正手段とで駆動制御ループを構成し、 前記ループのループゲインが所定値になるように前記動
   作感度補正手段が前記動作感度を補正することを特徴と
   する超音波モータの制御装置。