JP6608743B2 - 超音波モータの制御方法及びそのための測量機 - Google Patents

Description

本発明は、測量機の回転軸に設けられた超音波モータの制御方法及びそのための測量機に関する。

測量機、例えばトータルステーションは、測定点を視準する望遠鏡と、上記望遠鏡を鉛直方向に回転可能に支持する托架部と、上記托架部を水平方向に回転可能に支持する基盤部とを備えている。上記望遠鏡は鉛直回転モータによって、上記托架部は水平回転モータによって駆動される。特許文献１には、上記鉛直回転モータ及び水平回転モータに超音波モータを採用した測量機が開示されている。

図５は超音波モータの簡略構成図である。図５に示すように、超音波モータ５は、ベース部３９から順に、振動を発生する圧電セラミック（圧電素子）４２、振動を増幅させるステータ金属４３、ステータ金属４３と干渉するロータ４６、ロータ４６をステータ金属４３側へ押圧するウェーブワッシャ（弾性体）４８を、リング状に備える。圧電セラミック４２は、周方向に沿って分極方向を交互に変えて複数添付されている。＋分極方向で貼付された圧電セラミック４２（Ａ相）は、＋電圧及び−電圧が印加されると圧縮及び伸張する。−分極方向で貼付された圧電セラミック４２（Ｂ相）は、−電圧及び＋電圧が印加されると圧縮及び伸張する。このＡ相及びＢ相の圧電セラミック４２に、所要の駆動周波数及び振幅で位相が９０度異なるＡ相駆動信号Ｓ_１及びＢ相駆動信号Ｓ_２がそれぞれ供給されることによって、ステータ金属４３に波状の進行波が形成され、ウェーブワッシャ４８の押圧による摩擦によってステータ金属４３とロータ４６が相対回転する。Ａ相駆動信号Ｓ_１，Ｂ相駆動信号Ｓ_２はそれぞれ式（１），式（２）で表せる。
Ｓ_１（ｔ）＝α sin（２πｆｔ） ・・・（１）
Ｓ_２（ｔ）＝α cos（２πｆｔ） ・・・（２）
但し、α：駆動信号の振幅、ｆ：駆動周波数、ｔ：時間である。

特開２０１４−１３７２９９号公報

測量機の回転軸に超音波モータを採用すると、電動モータと比べ旋回性能が高く、静粛性に優れ、無通電時の軸保持力が高まるという利点がある。一方で、測量機には自動視準機能を有するものがある。図６は自動視準におけるある測定イメージ図である。符号１が測量機であり、図６に示すように、自動視準では、測量機１をある測点Ｔ１とある測点Ｔ２に繰り返し振り向ける測定を行うことがある。このような測定が行われた場合、超音波モータ５では、Ａ相駆動信号Ｓ_１及びＢ相駆動信号Ｓ_２に基づいてステータ金属４３の波形が決まるので、ステータ金属４３の波形（隆起する位置）が毎回同じとなり、ロータ４６のうち上記隆起する位置に対向する部分が削れて磨耗してしまうという問題があった。

本発明は、前記問題を解決するため、ロータの磨耗を低減するための超音波モータの制御方法及びそのための測量機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の超音波モータの制御方法は、二種類の位相の異なる交流電圧の駆動信号により振動する圧電素子によってステータ金属に進行波を生じさせ前記ステータ金属とロータを相対回転させる超音波モータの制御方法であって、前記駆動信号の初期位相φを、駆動開始毎に変更することを特徴とする。

上記態様において、前記初期位相φを、駆動開始毎にランダムに設定することも好ましい。

上記態様において、前記初期位相φを、φ＝２π｛（θ_Ｒ/λ）−（ｉ/Ｎ）｝但し、θ_Ｒ：ロータの回転位置、λ：進行波の波長、Ｎ：２以上の整数、ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１である、で設定し、駆動開始毎にｉを１ずつ増加することも好ましい。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の測量機は、ベース部から順に、二種類の位相の異なる交流電圧の駆動信号により振動する圧電素子、前記振動を受け進行波が生じるステータ金属、前記ステータ金属と干渉するロータ、前記ロータを前記ステータ金属へ押圧する弾性体を備えた超音波モータと、前記圧電素子に与える駆動信号の初期位相φを、駆動開始毎に変更する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ロータの磨耗を低減することのできる超音波モータの制御方法及びそのための測量機を提供することができる。

本形態に係る測量機の概略縦断面図である。 図１の超音波モータを含む部分の断面斜視図である。 本形態に係る測量機のブロック図である。 超音波モータの回転を示すイメージ図である。 超音波モータの簡略構成図である。 自動視準におけるある測定イメージ図である。

次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本形態に係る測量機の測量機の概略縦断面図、図２は図１の超音波モータを含む部分の断面斜視図である。測量機１は、整準部３の上に設けられた基盤部４と、基盤部４上を水平回転軸６周りに水平回転する托架部７と、托架部７に鉛直回転軸１１周りに鉛直回転する望遠鏡９と、を有する。測量機１は、自動視準機能、自動追尾機能を備えており、望遠鏡９には、図示しない測距光学系、追尾光学系が収容されている。測距光学系、追尾光学系の構成は従来技術の構成と同等で良いため記載を省略する。測量機１では、托架部７の水平回転と望遠鏡９の鉛直回転の協働により測距光及び追尾光がターゲットに照射される。

水平回転軸６の下端部には水平回転用の超音波モータ５が設けられ、上端部には水平角検出用のロータリエンコーダ２１が設けられている。鉛直回転軸１１の一方の端部には鉛直回転用の超音波モータ１２が設けられ、他方の端部には鉛直角検出用のロータリエンコーダ２２が設けられている。ロータリエンコーダ２１，２２は、回転円盤、スリット、発光ダイオード、イメージセンサを有するアブソリュートエンコーダである。この他、インクリメンタルエンコーダが用いられてもよい。

測量機１における超音波モータ５，１２の構成について、鉛直方向と水平方向の構成は同等であるので、水平方向の構成を用いて説明する。超音波モータ５は、前述したベース部３９、圧電セラミック４２、ステータ金属４３、ロータ４６、ウェーブワッシャ４８を備えており、本形態では、モータケース２５が基盤部４に固定され、ロータ４６はモータケース２５に固定されているので、ステータ金属４３が回転し、ベース部３９を介して水平回転軸６がステータ金属４３と一体に回転する。

図３は本形態に係る測量機のブロック図である。鉛直用と水平用のブロック図は同等であるので、水平回転用の超音波モータ５と水平角検出用のロータリエンコーダ２１に関して示し、鉛直回転用の超音波モータ１２と鉛直角検出用のロータリエンコーダ２２は説明を省略する。測量機１は、制御部２３と、ロータリエンコーダ２１と、測距部６１と、追尾部６２と、クロック信号発振部６３と、駆動回路７３と、超音波モータ５を有する。

制御部２３は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積回路に実装したマイクロコントローラによって構成されている。制御部２３は、図示を略する外部パーソナルコンピュータからソフトウェアを変更可能である。

測距部６１は、制御部２３に制御されて、上記測距光学系を用いて測距光をターゲットに照射してその反射光を受光して測距を行う。追尾部６２は、制御部２３に制御されて、上記追尾光学系を用いて追尾光をターゲットに照射してその反射光を受光し、ターゲットが移動した場合は追尾を行う。

駆動回路７３は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）７３１とアナログ回路７３２によって構成されている。ＦＰＧＡ７３１は、制御部２３もしくは図示を略する外部機器によって内部論理回路を定義変更可能である。ＦＰＧＡ７３１は、可変の駆動周波数（駆動信号の周波数）及び可変の振幅で制御信号を発生させることができ、上記駆動周波数及び上記振幅を動的に変化させることができる。アナログ回路７３２は、トランス等で構成されており、上記制御信号を増幅させる。駆動回路７３は、制御部２３に制御されて、ＦＰＧＡ７３１から上記制御信号を出力し、アナログ回路７３２で増幅して、Ａ相の圧電セラミック４２に対してＡ相駆動信号Ｓ_１を、Ｂ相の圧電セラミック４２に対してＢ相駆動信号Ｓ_２を出力する。なお、駆動回路７３は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの他のＰＬＤ（Programmable Logic Device）が用いられてもよい。

クロック信号発振部６３は、クロック信号を制御部２３及び駆動回路７３に出力する。ＦＰＧＡ７３１は、クロック信号に基づき、駆動信号の振幅，駆動周波数，制御周期ＴＭを制御する。制御部２３は、クロック信号に基づき、ロータリエンコーダ２１の発光周期ＴＲ等を制御する。

ここで、本形態では、制御部２３は、駆動回路７３で発生させるＡ相駆動信号Ｓ_１及びＢ相駆動信号Ｓ_２を以下のように設定する。

（第１の実施形態）
制御部２３は、Ａ相駆動信号Ｓ_１及びＢ相駆動信号Ｓ_２を、それぞれ式（３），式（４）で設定する。
Ｓ_１（ｔ）＝α sin（２πｆｔ＋φ） ・・・（３）
Ｓ_２（ｔ）＝α cos（２πｆｔ＋φ） ・・・（４）
但し、α：駆動信号の振幅、ｆ：駆動周波数、ｔ：時間、φ：初期位相である。

制御部２３は、超音波モータ５の駆動開始毎に、式（３）及び式（４）の初期位相φを０〜２πまでの数値の中からランダムに設定する。これにより、Ａ相駆動信号Ｓ_１及びＢ相駆動信号Ｓ_２は駆動開始時に毎回異なる位相が設定されるので、ステータ金属４３の波形（隆起する位置）がその都度異なるようになる。従って、ロータ４６の一部分だけが削れて磨耗するのを防ぐことができる。

（第２の実施形態）
制御部２３は、Ａ相駆動信号Ｓ_１及びＢ相駆動信号Ｓ_２を、それぞれ式（３），式（４）で設定する。このとき、ステータ金属４３上の進行波は式（５）、ロータ４６上の進行波は式（６）で表せる。
Ｗ_Ｓ（ｔ，θ）＝Ａ sin｛２π（ｆｔ＋θ/λ）＋φ｝ ・・・（５）
Ｗ_Ｒ（ｔ，θ）＝Ａ sin〔２π｛ｆｔ＋（θ＋θ_Ｒ）/λ）＋φ｝ ・・・（６）
但し、Ａ：進行波の振幅、λ：進行波の波長、θ：回転位置、θ_Ｒ：ロータの回転位置である。
進行波の振幅Ａ及び波長λは図５にも示されている。回転位置θは、図４に示すように、Ａ点を基準とした進行波の位置を表す角度である。ロータ４６の回転位置θ_Ｒは、Ａ点を基準としたロータ４６の回転角を表す。

この上で、駆動開始時（ｔ＝０）にロータ４６上の任意の回転位置で少しずつ初期位相φをずらす信号を与えることを考える。例えば任意の回転位置をθ＝０とすると、ロータ４６上の進行波は式（７）で表せる。
Ｗ_Ｒ（０，０）＝Ａ sin｛２π（θ_Ｒ/λ）＋φ｝ ・・・（７）
ここで、初期位相φを少しずつずらすための関数φ´は、式（８）で表せる。

φ´＝２π（θ_Ｒ/λ）＋φ＝２π（ｉ/Ｎ） ・・・（８）
但し、Ｎ：２以上の整数、ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１の正の整数値である。式（８）から、初期位相φは式（９）として表せる。
φ＝２π｛（θ_Ｒ/λ）−（ｉ/Ｎ）｝ ・・・（９）
ロータの回転位置θ_Rは，ロータリエンコーダ２１，２２の回転角から得られる。進行波の波長λは、超音波モータ５，１２における正負一組の圧電セラミック４２の円周方向の長さと同じであるので、モータの設計値から得られる。

制御部２３は、超音波モータ５のＡ相駆動信号Ｓ_１及びＢ相駆動信号Ｓ_２の初期位相φを式（９）で与え、駆動開始毎に、ｉを０からＮ−１まで１ずつ増加させる。これにより、ステータ金属４３の波形（隆起する位置）を毎回均等にずらすことができる。即ち、ロータ４６の削れる位置が周方向に均等にずれていくので、ロータ４６の磨耗をより遅らせることができる。

以上、好ましい実施の形態について述べたが、例えばロータ４６の磨耗量の偏りが検出できたら磨耗の少ないところにφを設定する、回転トルクの偏りが検出できたらトルクの大きいところにφを設定することも考えられる。この他にも、当業者の知識に基づく改変は本発明の範囲に含まれる。

１ 測量機
５，１２ 超音波モータ
２３ 制御部
３９ ベース部
４２ 圧電セラミック（圧電素子）
４３ ステータ金属
４６ ロータ
４８ ウェーブワッシャ（弾性体）

Claims (2)

1. 二種類の位相の異なる交流電圧の駆動信号により振動する圧電素子によってステータ金属に進行波を生じさせ前記ステータ金属とロータを相対回転させる超音波モータの制御方法であって、
   前記駆動信号の初期位相φを、
   φ＝２π｛（θＲ/λ）−（ｉ/Ｎ）｝
   但し、θＲ：ロータの回転位置、λ：進行波の波長、Ｎ：２以上の整数、ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１である、
   で設定し、駆動開始毎にｉを１ずつ増加することを特徴とする超音波モータの制御方法。
   
2. ベース部から順に、二種類の位相の異なる交流電圧の駆動信号により振動する圧電素子、前記振動を受け進行波が生じるステータ金属、前記ステータ金属と干渉するロータ、前記ロータを前記ステータ金属へ押圧する弾性体を備えた超音波モータと、
   前記圧電素子に与える駆動信号の初期位相φを、
   φ＝２π｛（θＲ/λ）−（ｉ/Ｎ）｝ 但し、θＲ：ロータの回転位置、λ：進行波の波長、Ｎ：２以上の整数、ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１である、 で設定し、駆動開始毎にｉを１ずつ増加する制御部と、を有することを特徴とする測量機。

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