JP2636366B2 - 超音波アクチュエータの制御装置 - Google Patents

超音波アクチュエータの制御装置

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JP2636366B2 JP63237656A JP23765688A JP2636366B2 JP 2636366 B2 JP2636366 B2 JP 2636366B2 JP 63237656 A JP63237656 A JP 63237656A JP 23765688 A JP23765688 A JP 23765688A JP 2636366 B2 JP2636366 B2 JP 2636366B2
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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アク
チュエ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
音波アクチュエータが注目されている。以下、図面を参
照しながら超音波アクチュエータの従来技術について説
明を行う。
第6図は円環型超音波アクチュエータの斜視図であ
り、円環型の弾性体11に円環型圧電体10を貼り合わせて
振動体12を構成している。13は耐摩耗性材料の摩擦材、
14は弾性体であり、互いに貼り合わせられて移動体15を
構成している。移動体15は摩擦材13を介して振動体12と
接触している。圧電体10に電圧を印加すると振動体12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15を駆動する。尚、同図中の振動体12に
は、機械出力取り出し用の突起体16が設置されている。
第7図は第6図の超音波アクチュエータに使用した圧
電体10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10を分極す
る際に用いる電極で、圧電体10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
極は全面平面電極である。使用時には、電極群Aおよび
Bは第7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アクチュエータの圧電
体10の電極AおよびBに V1=V0・sin(ωt) ……(1) V2=V0・cos(ωt) ……(2) ただし、V0:電圧の振幅値 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)・sin(kX)) =ξ0・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8図は振動体12の表面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12上に加圧して設
置された移動体15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12と移動体15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Eは、移動体15の進
行方向を示し、矢印Fは、この進行波の進行方向を示
す。また、上記した移動体15の速度vは、この曲げ振動
の振幅値ξ0に比例する。
ところで、この超音波アクチュエータ6を等価回路で
示すと第3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12の電気的な静電容量で、C1は振動体
12のコンプライアンス、L1は質量、R1は制動係数及び負
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10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imを機械腕電流と呼ぶ。この機械腕電流
は振動体12の振動状態即ち振動振幅及び振動位相に対応
した量となる。
さて上記のように構成された超音波アクチュエータ6
を駆動し、移動体15の移動位置を制御する場合、この移
動位置を何等かの方法で検出し、例えば移動体15に周知
のエンコーダの如き位置情報検出器を取り付け、これに
よって検出される位置情報によって、操作出力値として
超音波アクチュエータに印加する電圧を変化させ機械腕
電流の値を変えて位置制御を行っている。
また速度制御の場合は、例えば移動体15に周知のタコ
ジェネレータの如き速度情報検出器を取り付け、これに
よって検出される速度情報によって、操作出力値として
超音波アクチュエータに印加する電圧を変化させ機械腕
電流の値を変えて速度制御を行っている。
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アクチュエ
ータにおいて、機械腕電流あるいは操作出力値が0近傍
にあるときは振動体12が微小に振動するが、振動振幅が
小さいため突起体16と摩擦材13の表面あらさが原因で移
動体15は動作しない。このように超音波アクチュエータ
には機械腕電流あるいは操作出力値0近傍に不感帯を持
っている。また機構腕電流あるいは操作出力値を大きく
していくと移動体15は動き出すが、角速度は0からでは
なくある角速度から急に動き出す。すなわち角速度にお
いても0近傍に不感帯が存在し、低速では回転しない。
その様子を第2図の超音波アクチュエータの角速度−電
圧特性で示す。電圧は超音波アクチュエータの圧電体に
印加する周波電圧の振幅の大きさで操作出力値もしくは
機械腕電流に対応する。この特性を持つ超音波アクチュ
エータを起動させるためには電圧v0をかける必要があ
る。またそのとき角速度は0からではなくωで回り始
める。
このような特性では、フィードバックループによる位
置制御において位置精度が非常に悪くなる。また低速で
回転させることができないので、速度制御の性能も悪
い。
本発明はかかる点に鑑み、高性能な位置制御及び速度
制御を可能とする超音波アクチュエ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 本発明は上記目的を達成るため、圧電体を周波電圧で
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アクチュエータ
と、前記移動体の移動位置に関する情報を検出する位置
情報検出手段と、位置目標値と前記位置情報検出手段の
出力である位置情報値を用いて得られる操作出力値によ
り前記超音波アクチュエータを制御する位置制御手段
と、前記操作出力値に高周波の信号をまた、圧電体を周
波電圧で駆動して、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れる超音波アクチ
ュエータと、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、速度目標値と前記速度情報検
出手段の出力である速度情報値を用いて得られる操作出
力値により前記超音波アクチュエータを制御する速度制
御手段と、前記操作出力値に高周波の信号を重畳する手
段を備えた構成である。
作用 本発明は上記構成により、見かけ上操作出力値0近傍
の不感帯及び角速度0近傍の不感帯をなくす。
実施例 第1図に本発明の一実施例における超音波アクチュエ
ータの制御装置のブロック図を示す。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
まる可変発振器、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アクチ
ュエータ6を駆動するのに十分な電圧レベルまで増幅し
て圧電体10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はデジタルサーボを行うCPU、8はCPUか
ら出力されるデジタル量をアナログ量に変換するD/A変
換器、9は超音波アクチュエータ6の回転角度を検出す
る位置検出器である。CPU7は位置検出器9より得られる
位置情報値をもとに、以下に述べる操作を実行後D/A変
換器8に操作出力値を出力する。
ところで、第2図を用いて示したように超音波アクチ
ュエータは、電圧を印加しても動作しない不感帯を持っ
ている。この不感帯を見かけ上なくし、低速回転が実現
できれば、高性能な位置もしくは速度制御が可能とな
る。
そこで、微小高周波を操作出力値に加えることによっ
て、なめらかな低速制御を実現する。第4図に超音波ア
クチュエータの操作出力値の時間応答図を示す。第4図
(a)及び(b)は超音波アクチュエータが停止するよ
うに制御をかけた場合の応答図である。第4図(a)に
おいて操作出力値がVoから−Voまでの間は不感帯である
ので超音波アクチュエータは動作しない。従って超音波
アクチュエータの可動範囲は第4図(a)において方形
波のVo以上及び−Vo以下の部分である。この回転方向の
逆の成分が互いに時間的に平均化されて0になれば第4
図(b)のように超音波アクチュエータは停止する。
第4図(c)及び(d)は超音波アクチュエータが低
速に動作するように制御をかけた場合の応答図である。
超音波アクチュエータの可動範囲は方形波のVo以上の部
分のみとなる。超音波アクチュエータの角速度はVo以上
の部分が互いに時間的に平均化されたものとなり、超低
速からの制御が可能となる。また方形波は高周波である
ので、動作範囲が時間的にとぎれていても見かけ上コギ
ングもなくなめらかに動作する。
第4図(e)及び(f)は超音波アクチュエータが高
速に動作するように制御をかけた場合の応答図である。
超音波アクチュエータの可動範囲は方形波のVo以上の部
分で時間的にすべての領域で動作する。超音波アクチュ
エータの角速度は第4図(f)の方形波を時間的に平均
化したものとなりちょうど方形波の中心となる。
また微小高周波を操作出力値に加える手順を、第1図
のCPU7で行なわせるためのフローチャートを第5図に示
す。まずステップ10で位置目標値を任意に設定する。次
にステップ11で位置目標値から第1図の位置検出器9か
ら得られる位置情報値を引きエラー信号eとする。ステ
ップ12でエラー信号eに定数ゲインをかけ、さらにステ
ップ13で微小高周波を加えた後、ステップ14で操作出力
値としてD/A変換器に出力し、第1図の電力増幅回路4
及び5の増幅度を変え、超音波モータの印加電圧を変え
る。
第1図における位置検出器を速度検出器とし周知の速
度制御ループを構成するだけで、第1図に示す上記の実
施例と同様に操作出力に微小高周波を加えれば、不感帯
を見かけ上なくすことがでる。そして従来の単に操作電
圧のみを可変とする制御方式では得られなかった低速域
でのなめらかな走行が可能となる。
発明の効果 以上説明したように、位置あるいは速度制御を行う場
合、操作出力値0近傍の不感帯、また角速度0近傍の不
感帯を見かけ上なくし、その結果コギングのないなめら
かな低速制御や、高精度の位置制御が可能となるので、
その実用的効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の超音波アクチュエータの制
御装置のブロック図、第2図はどう実施例の角速度−電
圧特性図、第3図は超音波アクチュエータの等価回路
図、第4図は本発明の異なる実施例の超音波アクチュエ
ータの時間応答図、第5図は同実施例のフローチャー
ト、第6図は円環型超音波アクチュエータの切り欠き斜
視図、第7図は第6図に示す超音波アクチュエータに用
いた圧電体の形状と電極構造を示す平面図、第8図は超
音波アクチュエータの動作原理図である。 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
アクチュエータ、7……CPU、8……D/A変換器、9……
位置検出器、10……圧電体、11・14……弾性体、12……
振動体、13……摩擦材、15……移動体、16……突起体。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電体を周波電圧で駆動して、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
    移動される超音波アクチュエータと、 前記移動体の移動位置に関する情報を検出する位置情報
    検出手段と、 位置目標値と前記位置情報検出手段の出力である位置情
    報値を用いて得られる操作出力値により前記超音波アク
    チュエータを制御する位置制御手段と、 前記操作出力値に高周波の信号を重畳する手段を備えた
    ことを特徴とする超音波アクチュエータの制御装置。
  2. 【請求項2】圧電体を周波電圧で駆動して、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
    移動させる超音波アクチュエータと、 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、 速度目標値と前記速度情報検出手段の出力である速度情
    報値を用いて得られる操作出力値により前記超音波アク
    チュエータを制御する速度制御手段と、 前記操作出力値に高周波の信号を重畳する手段を備えた
    ことを特徴とする超音波アクチュエータの制御装置。
JP63237656A 1988-09-22 1988-09-22 超音波アクチュエータの制御装置 Expired - Lifetime JP2636366B2 (ja)

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JPS6318974A (ja) * 1986-07-11 1988-01-26 Agency Of Ind Science & Technol 表面波モ−タの位置決め制御方式

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