JP2683237B2 - 超音波モータの駆動回路 - Google Patents

超音波モータの駆動回路

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JP2683237B2
JP2683237B2 JP62066750A JP6675087A JP2683237B2 JP 2683237 B2 JP2683237 B2 JP 2683237B2 JP 62066750 A JP62066750 A JP 62066750A JP 6675087 A JP6675087 A JP 6675087A JP 2683237 B2 JP2683237 B2 JP 2683237B2
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淳二 岡田
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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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    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/16Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
    • H02N2/163Motors with ring stator

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は超音波モータの駆動装置、さらに詳しくは、
圧電素子の伸縮運動を利用して進行波を発生させ、この
進行波により移動体を駆動する超音波モータの駆動装置
に関する。 [従来の技術] 近年、従来の電磁駆動モータと異なり、弾性体に固着
した圧電素子に駆動周波数電圧を印加し、圧電素子の伸
縮運動を利用して弾性体の表面に超音波振動による進行
波を発生させ、これを駆動源として弾性体表面に摩擦接
触させた移動体(ロータ)を駆動するモータが提案され
ている。このモータは超音波モータと呼ばれ、構造が簡
単で小形化が可能である。しかも、発生トルクが大き
く、また回転数が小さくできるために減速ギヤ等による
効率低下が少ない等、そのアクチュエータとしての利用
に期待が寄せられている。 ところで、上記超音波モータの駆動は、分極処理を施
した圧電素子上の、空間的にλ/4+nλ(n;整数,λ;
進行波の波長)の位置関係にある2点に、時間的にπ/2
(=90゜)位相の異なる同振幅,同周波数の交流電圧を
印加して行なわれる。そして、この際、超音波モータの
駆動周波数は、超音波モータの持つ共振周波数の近傍に
設定しなければならない。 [発明が解決しようとする問題点] したがって、個々の超音波モータの駆動周波数は、モ
ータ固有の共振周波数により異なることになるので、高
い効率で最適な回転を得るためには細かい調整が必要で
ある。さらに、この最適駆動周波数は、負荷の変動や、
超音波モータのロータとステータ間の押圧力の変動、温
度等外部環境の変化、また自己発熱による内部温度の変
化等により少しずつ最適点がずれていく。このため、超
音波モータの駆動に際しては、その駆動周波数をモータ
駆動の最適点に追尾させる必要がある。従来、このよう
な問題点を解決するために、以下に述べるような、周波
数を自動的に追尾する方法が種々提案されている。 超音波モータを発振回路のタンク回路に組込み、超音
波モータのインピーダンス変化で駆動周波数を制御しよ
うとするものがあるが、この場合、うまく正帰還がかか
らなかったり、汎用性に乏しいといった欠点がある。 超音波モータの圧電効果によるフィードバック電圧の
振幅の変化で駆動周波数を制御しようとするものもある
が、超音波モータの印加電圧の変動がそのまま誤差信号
になるといった欠点がある。 特開昭61−251490号公報に、超音波モータの圧電素子
に入力する入力電圧と超音波モータの励振によるモニタ
ー電圧との位相差を算出し、この算出出力と周波数制御
回路内のリファレンサーに予め設定された最適位相差と
を比較して、位相差のずれ量を周波数のずれ量に換算
し、入力周波数を制御する方法が開示されているが、こ
の方法は、予め種々の条件による位相量の変化を実験的
に求め、上記リファレンサー内に設定するという手間が
かかる。また、位相差算出回路で入力電圧とモニター電
圧の位相差を算出し、さらにその出力とリファレンサー
の位相との位相差を取り、二度の位相算出を行なってい
るため、無駄があり回路の規模も大きくなってコスト的
にも高いものになるといった欠点がある。 そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、リアルタ
イムで周波数の自動追尾を行ない、高効率で最適な超音
波モータの回転制御を行なうことのできる超音波モータ
の駆動回路を提供することを目的とする。 [問題点を解決するための手段] 本発明による超音波モータの駆動回路は、弾性体に固
着された圧電素子に交流電圧を印加して該弾性体の表面
に楕円振動を発生させ、該表面に摩擦接触させた移動体
を移動する超音波モータの駆動回路において、 発振出力の周波数が可変に構成された発振器と、この
発振器の発振出力を上記交流電圧に変換する変換器と、
上記弾性体に固着され上記楕円振動の発生時に圧電効果
によりフィードバック信号を出力するフィードバック用
圧電素子と、上記発振器から上記変換器へ入力される入
力信号と上記フィードバック信号との位相のずれ量およ
びずれ方向を検出する位相ずれ検出手段とを具備してな
る。 [作 用] 位相ずれ検出手段により超音波モータの駆動周波数電
圧の周波数と圧電効果によるフィードバック信号の周波
数との位相のずれ量およびずれ方向が検出されると、こ
の位相ずれの信号に応じ、上記最適周波数であるときに
生ずる上記位相ずれ検出手段の所定値との誤差が誤差出
力手段から出力される。この誤差出力信号で周波数発振
器の発振周波数が変化されるので、常に外乱の影響を受
けることなく、上記駆動周波数電圧の周波数とフィード
バック信号周波数とが一致する状態にロックされる。 [実 施 例] 第1図は本発明の一実施例を示す超音波モータの駆動
回路のブロック図であり、その主要部における信号波形
は第2図に示されている。 電圧制御発振回路1は超音波モータの駆動電圧信号A,
Bの最適周波数fに対し、フリーラン周波数で4倍の周
波数4fの矩形波信号を発振するよう可変抵抗器VRにて調
整されている。この電圧制御発振回路1より出力された
周波数4fの矩形波信号は移相器7に入力されるととも
に、周波数分周器2に入力されて1/2分周される。この1
/2分周された周波数2fの矩形波信号はさらに周波数分周
器3により1/2分周される。周波数分周器2の周波数2f
の矩形波信号と周波数分周器3の周波数fの矩形波信号
とはアンドゲート4を通じて移相器7に入力されるとと
もに、周波数分周器3の周波数fの矩形波信号は位相検
波回路5の一方の入力端子に入力される。アンドゲート
4は、超音波モータの周波数fの駆動電圧信号A,Bに90
゜の位相差を与えるため、移相器7に対して周波数分周
器2の矩形波出力信号の“H"レベルを1つおきに送出す
る。 一方、移送器7,ドライバー8で電圧制御発振回路1お
よびアンドゲート4の信号を基に周波数fの正弦波の駆
動電圧信号A,Bが作られ昇圧される。この駆動電圧信号
A,は超音波モータのステータ12の圧電素子10上に形成さ
れた電極10a,10bに印加される。この結果、超音波モー
タの弾性体9は伸縮運動を起こし、フィードバック用圧
電素子11の電極11aには圧電効果により駆動電圧信号A
と90゜位相の異なる信号f0が出力され、同信号f0は位相
検波回路5の他方の入力端子に入力される。 位相検波回路5は1/4分周された周波数fの矩形波信
号を上記フィードバック信号f0と位相比較し、その位相
差に応じた位相誤差信号Δφを出力する。この位相誤差
信号Δφには不要な高調波成分が含まれているため、ロ
ーパスフィルター6を通して平滑することにより上記位
相差に対応した誤差電圧ΔVが得られる。この誤差電圧
ΔVは上記電圧制御発振回路1にフィードバックして印
加される。電圧制御発振回路1は上記誤差電圧ΔVを印
加されることにより誤差電圧ΔVに応じた周波数の矩形
波信号を発振する。すなわち、この駆動装置はPLL(フ
ェィズ・ロックド・ループ)を構成されていて、上記駆
動電圧信号A,Bの周波数が外乱により最適周波数f0から
ずれようとした場合には、上記誤差電圧ΔVが変化し電
圧制御発振回路1の発振周波数が上記駆動電圧信号A,B
の最適周波数f0を補償する方向に変化する。 上記PLLのさらに詳細な動作を、第3図(A)〜
(C)に示す波形を用いて説明すると、位相検波回路5
に入力される2種類の信号、すなわち、周波数分周器2
からの周波数fの矩形波信号(以下、比較信号fとす
る)とフィートバック信号f0の位相差が0゜で同相の場
合(第3図(A)参照)は、比較信号fはフィードバッ
ク信号f0に対して所定の位相差より90゜の進み位相とな
って周波数は高い方向にずれている。このときの位相検
波回路5の検波出力である位相誤差信号Δφはプラス成
分のみとなるので、ローパスフィルター6の出力はプラ
スの誤差電圧(+ΔV)となる。この結果、電圧制御発
振回路1は発振周波数を低くして比較信号fの周波数を
フィードバック信号f0と一致する方向に移動させる。ま
た、上記比較信号fとフィードバック信号f0の位相差が
180゜で逆相の場合(第3図(B)参照)には、比較信
号fはフィードバック信号f0に対して90゜の遅れ位相と
なって周波数は低い方向にずれている。したがって、こ
のときは逆に、位相誤差信号Δφはマイナス成分のみと
なり、ローパスフィルター6の出力はマイナスの誤差電
圧(−ΔV)となるので、電圧制御発振回路1は発振周
波数を高くして比較信号fの周波数をフィードバック信
号f0と一致する方向に移動させる。そして、上記比較信
号fとフィードバック信号f0の位相差が90゜である場合
(第3図(C)参照)は、位相誤差信号Δφはプラス,
マイナス同成分となるので、ローパスフィルター6の出
力は0Vとなり、電圧制御発振回路1は現在の発振周波数
を維持する。 以上のようにしてフィードバック制御されることによ
り上記比較信号fとフィードバック信号f0との位相差を
90゜に保ち、これにより上記駆動電圧信号A,Bを常に最
適周波数f0にロックすることができる。 次に超音波モータのステータ12の弾性体9上にフィー
ドバック用圧電素子11の電極11aを形成する方法は、第
4図(A)に示すように、弾性体9上の圧電素子10に駆
動電圧信号A,Bをそれぞれ印加するための電極10a,10bで
作られる3/4λの間隔の1/3の位置にフィードバック電極
11aの中心をとる。この位置は電極10a,10bのどちら寄り
であっても差支えない。また、電極の形状,面積はどの
ようなものでもよい。 また、第4図(B)は圧電素子の分極方向(矢印で示
す)と進行波13との関係を示したものであるが、圧電素
子10,11の分極方向はどちら向きであってもかまわな
い。なお、この場合、フィードバック信号f0の位相は駆
動電圧信号A,Bのどちらか一方と必ず90゜の位相差を持
つ。 以上のように超音波モータの周波数の自動追尾をPLL
で構成することにより誤差の少ない自動周波数調整が可
能となる。 [発明の効果] 以上述べたように本発明によれば、超音波モータを駆
動制御する駆動周波数電圧と、超音波モータの圧電素子
の圧電効果により発生するフィードバック信号との位相
ずれを検出し、この検出出力に基づいて周波数発振器の
発振周波数を制御し、超音波モータの最適周波数の自動
追尾を行なっているので、外乱の影響を受けることな
く、リアルタイムで高効率の最適回転を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明の一実施例を示す駆動回路のブロック
図、 第2図は、上記第1図に示した実施例回路の各部におけ
る信号波形のタイムチャート、 第3図(A)〜(C)は、それぞれ上記実施例回路のPL
Lの各状態における動作を説明する信号波形のタイムチ
ャート、 第4図(A)および(B)は、それぞれ上記実施例にお
ける超音波モータのステータの電極構造を示した概略図
および圧電素子の分極方向と進行波の関係を示した説明
図である。 1……電圧制御発振回路(周波数発振器) 5……位相検波回路(位相ずれ検出手段) 6……ローパスフィルター(誤差出力手段) 7……移相器 8……ドライバー 9……弾性体 10……圧電素子 10a,10b……電極 11……フィードバック用圧電素子 11a……フィードバック電極 12……超音波モータのステータ 13……進行波 A,B……駆動電圧信号(駆動周波数電圧) f……比較信号 f0……フィードバック信号,最適周波数 Δφ……位相誤差信号(位相ずれ) ΔV……誤差電圧(誤差)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.弾性体に固着された圧電素子に交流電圧を印加して
    該弾性体の表面に楕円振動を発生させ、該表面に摩擦接
    触させた移動体を駆動する超音波モータの駆動回路にお
    いて、 発振出力の周波数が電圧値により可変に構成された発振
    器と、 この発振器の発振出力を分周・移相して90度位相のずれ
    た少なくとも2つの矩形波信号を出力する分周・移相回
    路と、 上記矩形波信号を入力し、90度位相の異なる上記交流電
    圧を発生させる電力増幅器と、 上記弾性体に固着され、上記楕円振動の発生時に圧電効
    果によりフィードバック信号を出力するフィードバック
    用圧電素子と、 上記複数の矩形波信号のうちいずれか1つの出力がHレ
    ベルもしくはLレベルである場合のいずれかにおいて、
    フィードバック信号を通過させ出力する位相検波回路
    と、 この位相検波回路の出力を平滑化し、その電圧値を発振
    器に出力するローパスフィルタと、 を具備することを特徴とする超音波モータの駆動回路。
JP62066750A 1987-03-20 1987-03-20 超音波モータの駆動回路 Expired - Lifetime JP2683237B2 (ja)

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