JP2689435B2 - 超音波モータの駆動装置 - 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
タの駆動装置に関する。 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６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20に円環型圧電体21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21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23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７図は第６図の超音波モータに使用した圧電体21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21を分極する際に用
いる電極で、圧電体21の弾性体20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モータの圧電体21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８図は振動体22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の間にすべりがあるとき
は、上記のｖより小さくなる。同図の矢印Ｂは、移動体
25の進行方向を示し、矢印Ａ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_０に比例する。 さて上記のように構成された超音波モータ５に超音波
周波数の交流電圧を印加して振動体22を励振し、進行波
を得て、移動体25を駆動するとき、その周波数がモータ
５固有の共振周波数でないと効率的でないが、この共振
点近傍で駆動すると圧電体21特有の跳躍現象やヒステリ
シス現象などのため移動体25が急に停止するなど動作が
不安定となり実際この周波数近傍で超音波モータ５を安
定に動作させることは難しい。従来この問題を解決する
ために、圧電体21がこの不安定な周波数領域より高い周
波数で駆動してやれば安定に動作することから、駆動周
波数を共振点の不安定領域より常に高めになるように周
波数自動追尾をかけて超音波モータ５を駆動している。
この周波数自動追尾は、圧電体21に印加される交流電圧
と圧電体21に流れる電流の位相関係を検出することで駆
動周波数の状態がわかるので、その位相関係を所定の値
に保つように駆動周波数を制御することで実現してい
る。この電圧と電流の位相差によって周波数自動追尾を
行うことに付いては特願昭60−233641号で提案されてい
る。 第10図はこの周波数自動追尾により超音波モータを駆
動する装置のブロック図を示す。第11図は、その動作を
説明するための波形図である。第10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交流信
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゜位相の異なった二つの信号を発生させる90゜移相
器、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を駆動するのに十分な電圧レベルまで増幅し
圧電体21の各々の電極に印加するための電力増幅回路、
６は圧電体21の電極に印加される電圧を検出しロジック
レベルで出力する電圧検出器、27は圧電体21に流れる電
流を検出しロジックレベル出力する電流検出器、８は電
圧検出器６の出力V₁と電流検出器27の出力V₂の位相差を
検出するための排他的OR回路（以下EX−ORと略す）、９
は抵抗とコンデンサおよび演算増幅器とからなる積分フ
ィルタである。 以上のように構成された装置において、可変発振器１
が交流電圧を出力して超音波モータ５が駆動されると、
電圧検出器６は電力増幅器３、４の出力によって圧電体
21に印加される電圧のどちらか一方を検出しロジックレ
ベルに波形整形した信号V₁を出力（以下の説明では電力
増幅器３による電圧とする）し、電流検出器27は電力増
幅器３によって圧電体21に供給される電流を検出しロジ
ックレベルに波形整形した信号V₂を出力する。この電流
検出は周知のように電力増幅器３と圧電体21の電極の間
に抵抗を挿入しその両端電圧を得ることによって行え
る。ここで電圧検出器６が電力増幅器４による電圧を検
出するならば、電流検出器27は電力増幅器４によって圧
電体21に供給される電流を検出するように構成される。 各々の検出器から出力された信号V₁、V₂はEX−OR8に
入力され両者の位相差が検出され、その位相差に対応し
て幅が変化するパルス信号V₃が出力される。パルス信号
V₃は抵抗R₂,コンデンサC₂からなるフィルタによって整
流され直流信号V₄となる。 第11図にこれらの波形関係を示す。この図は、V₁とV₂
の位相差即ち電圧と電流の位相差がθである場合を示
し、V₃はこの位相差θに相当した正極性のパルス幅のパ
ルス信号である。V₄は上記したようにV₃をフィルタで整
流した結果得られる直流信号で、そのレベルはV₃のパル
ス幅が広いとき即ち電圧に対して電流の位相が遅れてい
るときは高く、V₃のパルス幅が狭いとき即ち電圧に対し
て電流の位相が進んでいるときは低くなる。 この電圧と電流の位相差θに対応した直流信号V₄は積
分フィルタ９に入力され直流電圧V_REFとの差が積分され
る。ここで直流電圧V_REFはV₁とV₂が所定の位相差になっ
たときのV₄の値即ち周波数自動追尾の位相基準を与える
ものである。この積分フィルタ９の出力は可変発振器１
の発振周波数を制御する信号として可変発振器１に入力
される。その信号により可変発振器１は電圧と電流の位
相が所定の位相よりも遅れていれば、発振周波数を今よ
りも低く、逆に進んでいれば今よりも高くするように動
作し、超音波モータ５を駆動する交流電圧の周波数を変
化させる。以上説明したループによってV₄の値が位相基
準値V_REFになるように即ち印加電圧と圧電体21に供給さ
れる電流の位相が所定値になるように制御（周波数自動
追尾）される。 発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成では、超音波モータ５
を共振点近傍の不安定な領域を避けて駆動するので、移
動体25を停止させるようなことなく安定に回転させるこ
とが出来、移動体25と振動体22の接触状態等の負荷の状
態が常に一定であればこの移動体25の移動速度も一定に
なるが、この周波数自動追尾は移動速度に対してはオー
プンループであり、また移動体25と振動体22の接触状態
等の負荷は常に一定ではなく絶えず変動しているため、
移動体25の移動速度はこの変動に応じて変化する。従っ
て印加電圧と電流の位相差を一定の設定値にのみ制御す
る上記した従来装置の構成だけでは移動体25の移動速度
を所定の一定値に制御することは困難であった。 本発明はかかる点に鑑み、常に所定の一定の速度で移
動体を移動させる超音波モータの駆動装置を提供するこ
とを目的とする。 問題点を解決するための手段 本発明は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と、前記移動体の移動速度を検出す
る速度検出手段と、前記速度検出手段の出力と速度基準
値とを比較する速度比較手段と、前記圧電体に印加され
る前記交流電圧と前記圧電体の機械腕に流れる機械腕電
流との位相差を変化させる位相差制御手段とを有した超
音波モータの駆動装置である。 作 用 本発明は前記した構成により、速度比較手段の出力に
応じて印加電圧と圧電体の機械腕に流れる機械腕電流の
位相差を変化させ移動体の速度を制御する。 実施例 本発明の実施例を述べる前に超音波モータ５の特徴に
ついて付け加える。 超音波モータ５を等価回路で示すと第９図の様になる
ことが知られている。この図において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で構成された回路を機械椀と呼び、
圧電体21の電極に供給される電流ｉのうちこの機械椀に
流れる電流i_mを機械椀電流と呼ぶ。この機械椀電流i_mの
周波数特性を第３図に示す。同図において、（ａ）は機
械椀電流i_mの大きさ（レベル）の周波数特性を、（ｂ）
は印加電圧と機械椀電流i_mとの位相差θ_ｍの周波数特性
を示す。この図から解るように共振周波数f_rより高い周
波数では位相差θ_ｍの値によって機械椀電流i_mの大きさ
が１対１に対応しており、共振点（f_r）近傍の不安定領
域を除いて位相差θ_ｍをθ_m1からθ_m2の範囲（周波数の
変化としてΔｆ）を変化させればそれに応じて機械椀電
流i_mはi_m1からi_m2範囲変化する。またこの機械椀電流i_m
が超音波モータの速度（移動体の移動速度）に比例（但
し負荷の状態によってその比例係数は異なる）すること
から、速度の変動に応じて位相差θ_ｍを変化させること
で速度制御を行うことが出来る。 第１図は本発明の第１の実施例における超音波モータ
の駆動装置のブロック図を示すもので、従来例と同一番
号を施したものはその動作が同じであるので説明は省略
する。同図において７は上記した機械椀電流i_mを検出す
る機械椀電流検出器、11は移動体25の周囲に貼付され着
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で検出する周知の周波
数発電機のごとき速度検出器、12は速度検出器11より得
た移動体25の速度情報と速度基準値と比較しその誤差信
号を速度基準値を中心とした電圧（以下、単に誤差信号
と称す）で出力する速度比較器でその出力は積分フィル
タ９を構成する演算増幅器の非反転入力端子に入力され
る。第２図は機械椀電流i_mの検出方法を説明するための
図で、位相の異なった二つの交流電圧のうち少なくとも
どちらか一方はトランス13を介して圧電体21に印加し
（図においては電力増幅器３の出力）、印加電圧を検出
する電圧検出器６には同図のようにトランス13の２次側
の電圧が入力される。また機械椀電流検出器７は同図の
ようにトランス13の２次側に接続された抵抗R₀とコンデ
ンサC₀′およびR₀にかかる電圧を増幅する増幅器とこの
出力をロジックレベルに整形する波形整形器より構成さ
れる。ここでコンデンサC₀′を第９図の等価回路のC₀と
等しくしトランス13の巻線比を1:1にすると抵抗R₀に流
れる電流i_R0は i_R0＝（1/（２・R₀・C₀′・Ｓ＋１））・i_m となるが、この式の右辺の第１項の折点周波数は数MHz
であり、それに比べ駆動周波数は数10KHzであるので上
式は i_R0＝i_m と近似できる。従って抵抗R₀にかかる電圧は機械椀電流
i_mに比例したものとなり、同図のようにこの電圧を検出
すれば機械椀電流i_mを検出することができる。 以上のように構成された本実施例の超音波モータの駆
動装置に付いて、以下その動作を説明する。 可変発振器１が動作して90゜移相器および電力増幅器
３、４を通じて交流電圧が超音波モータ５（圧電体21）
に印加されると移動体25が回転駆動される。と同時に第
２図で示した回路によって印加電圧と上記した機械椀電
流が電圧検出器６及び機械椀電流検出器７によって検出
され、EX−OR8及び抵抗R₂,コンデンサC₂によって両者の
位相差に応じた直流信号（以下、単に位相差信号と称
す）に変換されて積分フィルタ９に入力される。積分フ
ィルタ９の出力は可変発振器１に入力され周波数自動追
尾のループが形成される。一方移動体25の移動速度は速
度検出器11によって検出されその速度情報は速度比較器
12に入力される。速度比較器12では所定速度に相当する
速度基準値と比較されその差に比例した誤差信号が出力
される。その誤差信号は周波自移動追尾の位相基準とな
るべく積分フィルタ９の非反転の端子に入力される。積
分フィルタ９はこの誤差信号と位相差信号を積分しその
出力でもって可変発振器１の発振周波数を制御する。こ
の結果位相差信号が誤差信号の値になるように即ち印加
電圧と機械椀電流の位相は誤差信号に相当する値になる
よう周波数自動追尾される。ところで、この誤差信号は
移動体25の速度が所定速度よりも遅ければ機械椀電流を
増すべく印加電圧と機械椀電流との位相差を小さくする
ような、逆に速度が速ければ機械椀電流を減らすべくそ
の位相差を大きくするような、速度差に比例した値をと
ることから、本実施例における周波数自動追尾は従来と
異なり移動体25の移動速度を所定値にするような位相差
に常になるよう追尾をかけていることになる。 以上のように本実施例によれば、移動体25の速度の情
報も含めて周波数自動追尾を行うので、安定でかつ移動
体の移動速度を所定の速度で駆動することが出来る超音
波モータの駆動装置が実現できる。 第４図は本発明の第２の実施例を示す超音波モータの
駆動装置のブロック図であり、第５図はその動作波形図
である。本実施例は印加電圧と機械椀電流の位相差の比
較検出に、電圧検出器もしくは機械椀電流検出器のどち
らか一方の検出信号で台形波を作成し他方の検出信号か
ら作成されるサンプリングパルスでこの台形波の傾斜の
上記位相差に応じた位置をサンプリングする所謂サンプ
リング方式を用いた周波数自動追尾に本発明を適用した
ものである。 第４図において第１の実施例と同一の番号を施したも
のはその動作が同じであるので説明は省略する。第４図
において14は電圧検出器６の出力V₁の立ち上がりエッジ
を基準に周知の技術で台形波V₅を作成する台形波発生
器、15は機械椀電流検出器７の出力V₂の立ち上がりエッ
ジから速度比較器12の出力に応じて遅延した位置にサン
プルパルスV₆を発生させて電圧制御型の単安定モノマル
チバイブレータ等で構成される位相遅延器、16はサンプ
ルパルスV₆によって台形波V₅の傾斜の一部をサンプルし
ホールドするサンプルホールダーである。 前記のように構成された第２の実施例の超音波モータ
の駆動装置について、以下その動作を説明する。超音波
モータ５が駆動され電圧検出器６によって印加電圧が検
出されV₁が出力されると台形波発生器14は第５図に示す
ようにV₁の立ち上がりエッジを基準にして台形波V₅をサ
ンプルホールダー16に出力する。また機械椀電流検出器
７によって機械椀電流i_mが検出されV₂が出力されると位
相遅延器15は後述する速度比較器12の出力電圧によって
決まる量遅延したサンプリングパルスV₆をサンプルホー
ルダー16に出力する。サンプルホールダー16ではこのサ
ンプルパルスV₆によって台形波V₅の傾斜の、印加電圧と
機械椀電流のその時の位相差に応じた位置をサンプルし
その電圧値を次のサンプルパルスが来るまでホールドし
て積分フィルタ９に出力する。次に積分フィルタ９はこ
のホールドされた電圧と中心電圧V_cの差を積分してその
出力でもってホールド電圧が中心電圧V_cになるように可
変発振器１の発振周波数を変化させて超音波モータ５を
駆動する。この様に動作する周波数自動追尾のループに
おいて、定常状態ではサンプルパルスV₆と台形波V₅の時
間関係は、第５図に示すように台形波V₅の傾斜の中心に
サンプルパルスV₆がくるようになる。即ち、サンプルホ
ールドされた電圧が中心電圧V_Cになるタイミングであ
る。このことから位相遅延器15での遅延量が第５図に示
すように、例えばT_s1であったとするとV₁とV₂の関係即
ち印加電圧と機械椀電流との位相関係はθ_１に、またT
_s2であればθ_２に、T_s3であればθ_３に周波数自動追尾
がかかることになる。このことは位相比較器15の遅延量
で位相差を変えれることを意味する。 ところで速度比較器12は第１の実施例と同様速度検出
器11から得られる移動体25の速度情報と基準値が比較さ
れその差に比例した誤差信号を出力し、即ち速度が遅け
れば速度を上げるべく機械椀電流を増すために位相遅延
器15の遅延量をこの速度差の量に対応して多くなるよう
な電圧を、逆ならば遅延量が少なくなるような電圧を位
相比較器15に出力する。従って、以上のように構成した
本実施例によれば、第１の実施例と同様に移動体25の速
度情報をもとに所定速度になる位相差になるように周波
数自動追尾をかけることになるので安定でかつ移動体25
の移動速度を常に一定する超音波モータの駆動装置が実
現できる。本実施例では電圧検出器６の出力V₁で台形波
V₅を作成し、機械椀電流検出器の出力V₂でサンプリング
パルスV₆を作成したが、逆にV₁でサンプリングパルスV₆
を、V₂で台形波V₅を作成し同様のことを行なうことも可
能である。 ここで位相差を変化させるのに遅延量T_sを変化させた
が、この位相差は上記した如くサンプルパルスV₆と台形
波V₅の傾斜の中心との時間関係によって決まるので、遅
延量T_sを一定にして、速度比較器12の出力によって台形
波V₅の傾きを変化させてもこの実施例のように位相差を
変化させることが可能である。 発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、移動体と弾性
体との接触状態の変化等の負荷変動等があっても移動体
の移動速度を所定の速度で安定に駆動する超音波モータ
の駆動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一実施例の超音波モータの駆動
装置のブロック図、第２図は機械椀電流検出器の実施例
を示すブロック図、第３図は機械椀電流の周波数特性
図、第４図は本発明の他の実施例のブロック図、第５図
は同実施例の動作波形図、第６図は円環型超音波モータ
の切り欠き斜視図、第７図は第６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８図は超
音波モータの動作原理の説明図、第９図は超音波モータ
の等価回路図、第10図は従来の超音波モータの駆動装置
のブロック図、第11図は同従来例の動作波形図である。 １……可変発振器、２……90゜移相器、３、４……電力
増幅器、５……超音波モータ、６……電圧検出器、７…
…機械椀電流検出器、８……排他的OR回路、９……積分
フィルタ、11……速度検出器、12……速度比較器、14…
…台形波発生器、15……位相遅延器、16……サンプルホ
ールダー。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 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
   超音波モータであって、前記圧電体に印加される前記交
   流電圧を検出する電圧検出器と、前記交流電圧により前
   記圧電体に流れる電流を検出する電流検出器と、前記交
   流電圧と前記電流の位相差を検出する位相差検出器と、
   前記移動体の移動速度を検出する速度検出器と、前記速
   度検出器の出力と速度基準値とを比較する速度比較器
   と、前記速度比較器の出力に応じて移動体の移動速度を
   一定にするために、前記振動体の共振周波数より高い周
   波数範囲で、前記位相差により前記移動体の速度を可変
   するために前記交流電圧の周波数を可変できる可変発振
   器を有する超音波モータの駆動装置において、 圧電体に流れる前記電流として機械腕に流れる機械腕電
   流を検出し、前記交流電圧と前記機械腕電流の位相差を
   検出し、移動体の移動速度が遅いときは前記交流電圧と
   前記機械腕電流との位相差を小さく、前記移動速度が速
   いときは前記位相差が大きくなるように制御することを
   特徴とする超音波モータの駆動装置。