JP2863280B2 - 超音波モータの駆動方法 - Google Patents

超音波モータの駆動方法

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、超音波モータを効率良く駆動させるため
に、圧電素子に印加させる駆動信号を制御する超音波モ
ータの駆動方法に関する。
［従来の技術］ 超音波モータには、ステータに設けた圧電素子を２つ
に区分し、それぞれの圧電素子に位相の異なる高周波電
圧を印加してステータの表面に進行波を生じさせ、ステ
ータに圧接したロータを駆動させるものがある。
この様な超音波モータを駆動するには、その駆動周波
数を共振周波数に一致させる必要があるとされている。
更に、この共振周波数は、温度等の環境の変化やモータ
の出力軸にかかる負荷等によって変動するので、安定し
た状態で超音波モータを駆動するために、第７図に示す
自動追尾回路を使用した駆動方法がある（特開昭62−20
3575号公報）。
従来の自動追尾回路を使用した駆動方法は、ステータ
に設けた圧電素子21の一部にモニタ電極22を設け、圧電
素子21の励振によって生ずるモニタ電圧を平滑回路23で
直流成分のみにし、この信号と比較器24に予め設定した
基準電気信号とを比較して、所定の電圧値になるように
電圧制御発振器（Ｖ・Ｃ・Ｏ）25で入力電源周波数を制
御し、移送器（Ｐ・Ｓ）26、電力増幅器27とを介して圧
電素子21の電極に適当な高電圧を印加させる回路構成
で、超音波モータを駆動させている。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、モータの出力と駆動周波数との関係が
第３図に示す様に成るので、従来の自動追尾回路を備え
た駆動回路では、高出力を得ようとするには基準電気信
号を高く設定すれば良いが、温度、負荷等の条件により
異音発生の境界周波数が変化するため、異音を発生する
ことが多くなる。又、温度、負荷のすべての条件に対し
て異音を発生させない様にするには基準電気信号を十分
低い値に設定する必要がある。しかし、この場合には高
出力が得られない。この様に高出力な駆動と異音を発生
させないことは背反な関係にあり両方を成立させること
ができないという問題がある。
この発明は、これらの問題を解決するために成された
もので、異音の発生を防止するとともに、モータの最大
出力を常に安定した状態で引き出せるようにした超音波
モータの駆動方法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、この発明では、圧電素子に
駆動周波電圧を印加することにより、ステータに振動波
を発生させ、そのステータに加圧接触されたロータを駆
動させる超音波モータの駆動方法において、前記駆動周
波電圧の周波数を共振周波数より高いスタート周波数か
ら、共振周波数より低い目標周波数までスイープさせ、
このスイープ時に発生する異常振動を前記ステータに設
けたモニタ手段により検出し、その検出時の駆動周波電
圧の周波数を新たな目標周波数として設定するととも
に、直前のスタート周波数より低い新たなスタート周波
数を設定し、前記新たなスタート周波数から前記新たな
目標周波数にスイープさせて同様に駆動周波電圧の周波
数の制御を繰り返し行うようにした。
また、共振周波数よりも低い値の周波数を乗り越え周
波数として設定しておき、前記繰返し行われる駆動周波
数電圧の周波数のスイープ時に乗り越え周波数よりも小
さくなる側へ乗り越えた回数に応じて、スイープ速度を
遅くするように制御すると良い。更に、目標周波数とス
タート周波数との偏差が減少するに応じて、スイープ速
度を遅くするように制御すると良い。
［作用］ 上記の超音波モータの駆動方法では、駆動周波電圧の
周波数をスタート周波数から目標周波数までスイープさ
せ、モニタ手段から異音が発生する周波数を検出し、そ
の検出時の周波数を新たな目標周波数として設定すると
ともに直前の周波数よりも低い新たなスタート周波数を
設定し、再び周波数のスイープを行って周波数制御を繰
り返すので、異音が発生する境界周波数に近づいた周波
数でモータ駆動ができる。
また、共振周波数よりも低い乗り越え周波数の乗り越
え回数や、目標周波数とスタート周波数との偏差の減少
に応じて、スイープ速度が遅くなるように制御すれば、
モータの起動性を向上させつつモータを異音発生の境界
周波数に近づけた周波数で駆動できる。
この様に駆動周波数の制御を行うと、第２図に示す駆
動周波数と時間との関係の曲線図の様になる。このため
超音波モータの駆動周波数の平均値は、異音が発生する
境界の周波数付近となり、高出力モータが提供できる。
［実施例］ 以下、この発明に係る超音波モータの駆動方法の一実
施例を第１図を使用して説明する。
この超音波モータの駆動方法は、ロータが乱れ振動を
起こして異音を発生する周波数付近であるとともに、モ
ータから高出力が得られる周波数付近で超音波モータを
駆動できるようにするものである。この駆動方法により
駆動する超音波モータ１は、リング状のステータが設け
られ、このステータに２区分させた圧電素子が接着され
るとともに駆動用電極２と駆動信号制御回路とが設けら
れ、圧電素子の各駆動用電極２に、駆動信号制御回路で
制御された位相の異なる駆動周波数の高電圧を印加させ
て、このステータに圧接したロータを駆動させる構造を
している。
この超音波モータ１の駆動方法において、ロータの異
常振動を検出するために、２区分した圧電素子の駆動用
電極２間に、モニタ電極３が設けられている。そして、
駆動信号制御回路には、このモニタ電極３から生じるモ
ニタ電圧の変化に応じてロータの異常振動を検出する異
音検出手段４が設けられている。なお、この異音検出手
段４によって検出する異音は、人の聴覚によって感じら
れないレベルのものである。この異音検出手段４では、
異音を検出すると瞬時に後記する周波数記憶手段５、ス
イープ時間決定手段６及び周波数決定手段７にその検出
信号を出力し、これら駆動信号制御回路の各装置を作動
させている。
周波数記憶手段５は、異音検出手段４からの検出信号
を受信すると、その受信時に周波数決定手段７から出力
されている周波数制御信号の値を記憶する。この様に周
波数記憶手段５で記憶された値と、周波数決定手段７か
ら新たに出力される周波数制御信号の値が周波数偏差演
算手段８に入力され、これらの値から周波数偏差の値が
算出される。そして、周波数偏差の値は、スイープ時間
決定手段６に入力され、スイープ時間が決定される。
スイープ時間決定手段６は、異音検出手段４から出力
される検出信号で作動し、後記する乗り越え回数記憶手
段９の記憶した回数が多くなったり、周波数偏差の値が
減少するに応じてスイープ時間を長く決定し、この決定
信号を周波数決定手段７へ出力する。この様にスイープ
時間を制御して周波数のスイープ速度を可変にするに当
たり、スイープ速度とモータ出力との間に次の様な関係
がある。
速いスイープ速度を用いた場合では、モータの起動が
早いが、周波数の変化に対して異音発生の遅れが生じる
ので、第５図に示す駆動周波数と時間との関係の曲線図
の様に、駆動周数の平均値は異音発生の境界周波数より
もかなり高くなり、その結果モータ出力は小さくなる。
遅いスイープ速度を用いた場合では、異音検出をするに
当たって、異音発生域に入り込む量が少なくなるととも
に、異音を抑える為に上げるシフト周波数が少なくて済
むので、駆動周波数の平均値は異音発生の境界に近くな
るが、第６図に示す駆動周波数と時間との関係の曲線図
の様に、モータの起動が遅くなる。この実施例では、異
音発生の境界周波数を記憶学習するとともに、これに対
して現在出力している駆動周波数の偏差が大きければス
イープ速度を速くさせ、小さければ緩やかにさせる。こ
のため、第４図に示す駆動周波数と時間との関係の曲線
図の様に、モータ起動を早くするとともに、駆動周波数
の平均値を異音発生の境界周波数へ大幅に近づけて、モ
ータ出力を向上させる。
周波数決定手段７は、異音検出手段４あるいは乗り越
え検出手段10から出力される検出信号を受けると、作動
して適当な値だけ駆動周波数を高くシフトするととも
に、スイープ時間決定手段６により決定されたスイープ
時間でシフト前の駆動周波数（目標周波数）まで駆動周
波数をスイープさせるために、周波数制御信号をスイー
プさせて出力する。
乗り越え検出手段10は、共振周波数よりも低い値の周
波数が乗り越え検出周波数として設定され、スイープさ
せられて変化する制御信号と常時比較して、駆動周波数
が設定した乗り越え検出周波数以下になると、周波数決
定手段７に検出信号を出力し、周波数決定手段７を作動
させている。この乗り越え検出手段10によって検出され
る乗り越え回数の数値は、乗り越え回数記憶手段９に記
憶され、スイープ時間決定手段６の決定に利用される。
周波数決定手段７から出力される周波数制御信号は、
駆動信号発生手段11によって高周波電圧の駆動信号に変
えられ、超音波モータの駆動用電極２に印加させ、超音
波モータを駆動させている。
なお、周波数決定手段で周波数制御を行なう際、アナ
ログ式の電圧制御発振器を使用すると周波数変化の自由
度が制限されるので、デジタル分周回路を使用して、駆
動信号の周期に相当するクロック数で高速クロック信号
を分周させる方式にすると良い。
［発明の効果］ この発明の超音波モータの駆動方法では、駆動周波数
を常時スイープさせ、人の聴覚によって感じられないレ
ベルでロータの異常振動を検出し、瞬時に異音を抑える
様に周波数制御を行なうので、平均の駆動周波数を異音
発生の境界周波数に近づけた状態でモータ駆動ができ
る。
したがって、超音波モータからの異音の発生を防止で
き、モータの最大出力が常に安定した状態で引き出せ
る。このため超音波モータが自動車等のアクチュエータ
として利用しやすくなる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の実施例を示す説明図、第２図はこの
発明の駆動方法による駆動周波数と時間との関係を示す
曲線図、第３図はモータ出力と駆動周波数との関係を示
す曲線図、第４図はこの実施例の駆動周波数と時間との
関係を示す曲線図、第５図はスイープ速度が速い場合の
駆動周波数と時間との関係を示す曲線図、第６図はスイ
ープ速度が速い場合の駆動周波数と時間との関係を示す
曲線図、第７図は従来技術の駆動回路図である。 1;超音波モータ、2;駆動用電極、3;モニタ電極 4;異音検出手段、5;周波数記憶手段 6;スイープ時間決定手段、7;周波数決定手段 8;周波数偏差演算手段、9;乗り越え回数記憶手段 10;共振乗り越え検出手段、11;駆動信号発生手段

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧電素子に駆動周波電圧を印加することに
    より、ステータに振動波を発生させ、そのステータに加
    圧接触されたロータを駆動させる超音波モータの駆動方
    法において、 前記駆動周波電圧の周波数を共振周波数より高いスター
    ト周波数から、共振周波数より低い目標周波数までスイ
    ープさせ、 このスイープ時に発生する異常振動を前記ステータに設
    けたモニタ手段により検出し、 その検出時の駆動周波電圧の周波数を新たな目標周波数
    として設定するとともに、直前のスタート周波数より低
    い新たなスタート周波数を設定し、 前記新たなスタート周波数から前記新たな目標周波数に
    スイープさせて同様に駆動周波電圧の周波数の制御を繰
    り返し行う超音波モータの駆動方法。
  2. 【請求項２】共振周波数よりも低い値の周波数を乗り越
    え周波数として設定しておき、前記繰返し行われる駆動
    周波電圧の周波数のスイープ時に乗り越え周波数よりも
    小さくなる側へ乗り越えた回数に応じて、スイープ速度
    を遅くするように制御する請求項１記載の超音波モータ
    の駆動方法。
  3. 【請求項３】目標周波数とスタート周波数との偏差が減
    少するに応じて、スイープ速度を遅くするように制御す
    る請求項１又は請求項２のいずれかに記載の超音波モー
    タの駆動方法。
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