JPH01126174A - 超音波モ−タの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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く移動体）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２
２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２２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２４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 ■１＝ｖ０・５ｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　−−−（
１）Ｖ２＝ＶＯ−ｃｏｓ（ωｔ）　　　　　　　　−−
−（２）ただし、Ｖｏ　：　を圧の瞬時値 ω：角周波数 ｔ　：時間 で表される電圧■１および■２をそれぞれ印加すれば、
振動体には ξ＝ξｏ・（ＣＯ５（ωｔ）　−ｃｏｓ（ｋＸ）＋５ｉ
ｎ（ωｔ）　−５ｉｎ（ｋＸ）　）・ξ６−　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 に：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■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ξ０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
に十分な電圧し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■２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２
１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■１を出力（以下の説明では電
力増幅器３による電圧とした）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−〇
Ｒ８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■３が出力される。パ
ルス信号■３は抵抗Ｒ，、コンデンサＣＩからなるフィ
ルタによってに整流され直流信号Ｖ４となる。

第１１図にこれらの波形関係を示す、この図は、Ｖ！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
■３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ｖＩｌｌＥＦとの差が
積分される。ここで直流電圧■ＲＥＦはＶ□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０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した問題点 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した。

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に流れる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
袋！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に流れる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
いて付は加える。

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ｃｏ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、Ｌｌは質量、Ｒ，は制動係数及び負荷に相当に相
当するものである。このＣ１、Ｌｌ、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ｌのうちこの機械椀に流れる電流１．を機械腕電流と
呼ぶ、この機械腕電流ｉヨの周波数特性を第３図に示す
、同図において、（ａ）は機械腕電流ｉ、の大きさ（レ
ベル）の周波数特性を、（ｂ）は印加電圧と機械腕電流
ｉ。

との位相差θ、の周波数特性を示す。この図から解るよ
うに共振周波数で１より高い周波数では位相差θ１の値
によって機械腕電流ｉ、の大きさが１対１に対応してお
り、共振点（ｆｌ）近傍の不安定領域を除いて位相差θ
、をθ、１からθヨ２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腕電流ｉ、は１ｍｌ
から１ｍ＋２範囲変化する。またこの機械腕電流１１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、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は上記した機械腕電流１１を検出す
る機械腕電流検出器、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
に比例しな磁束の変化を磁気抵抗素子で検出する周知の
周波散発を機のごとき速度検出器、１２は速度検出器１
１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図は機械腕電流１．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
く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。また機械腕電流検出器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Ｒ，と
コンデンサＣｏ°およびＲ，にがが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Ｃｏと等しくシトランス１３の巻線比を１＝１
にすると抵抗Ｒ，に流れる電流ｉＲｏはＩ　ＲＱ　＝　
　（１／（２・ＲＯ−Ｃｏ’・Ｓ＋１））・ｉｍ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１０Ｋ）ｌｚであるので
上式は １ｐＯ＝ｉ＋＋ｍ と近似できる。従って抵抗ＲＯにかかる電圧は機械腕電
流ｉ、に比例したものとなり、同図のようにこの電圧を
検出すれば機械腕電流ｉ、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
腕電流が電圧検出器６及び機械腕電流検出器７によって
検出され、ＥＸ−〇Ｒ８及び抵抗Ｒ１、コンデンサ１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
差信号は周波数自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０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腕を流検出器のどちら
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の立ち上がりエツ
ジを基準に周知の技術で台形波■５を作成する台形波発
生器、１５は機械腕電流検出器７の出力ｖ２の立ち上が
りエツジから速度比較器１２の出力に応じて遅延した位
置にサンプルパルス■６を発生させ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る位相遅延器、
１６はサンプルパルスｖ６によって台形波■５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ｖｌが出力されると台形波発生器１４は第５図に示
すようにＶｌの立ち上がりエツジを基準にして台形波Ｖ
５をサンプルホールダー１６に出力する。また機械腕電
流検出器７によって機械椀電流１つが検出され■２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
■６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■６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０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。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■。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■６と台形波Ｖ５の時間間係は、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Ｖ０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、１であったとしたとＶｌとＶ２の関係即ち印
加電圧と機械椀電流との位相関係はθ１に、またＴ、２
であればθ２に、Ｔ、３であればθ３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にする超音波モータ
の駆動装置が実現できる０本実施例では電圧検出器６の
出力Ｖ、で台形波■、を作成し、機械腕電流検出器の出
力ｖ２でサンプリングパルス■６を作成したが、逆にＶ
ｌでサンプリングパルスＶ６を、Ｖ２で台形波Ｖ、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、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■６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、を一定にして、速度比較器１２の出力によ
って台形波■５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。

発明の詳細 な説明したように、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Ｏ
Ｒ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、１
５・・・位相遅延器、１６・・・サンプルパルダー。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第２図 で 第３図 第４図 第５図 第６図 ／ ２Δ 第７図 第８図 手続補正書 昭和６２年９　月３０日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、前記速度比較手段の出力
   に応じ前記圧電体に印加される前記交流電圧と前記圧電
   体に流れる電流との位相差を変化させる位相差制御手段
   とを有したことを特徴とした超音波モータの駆動装置。
2. （２）　速度比較手段により移動体の移動速度が遅いと
   きは圧電体に印加される交流電圧と前記圧電体に流れる
   電流との位相差を少なく、前記移動速度が速いときは前
   記位相差が多くなるよう制御する位相差制御手段を有し
   たことを特徴とした特許請求の範囲第１項記載の超音波
   モータの駆動装置。