JPH01148080A - 超音波モータの制御装置 - 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
の制御装置に関する。

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４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１５に円環型圧電体１４を貼り合わせて振動体１
６を構成している。１７は耐摩耗性材料の摩擦材、１８
は弾性体であり、互いに貼り合わせられて移動体１９を
構成している。移動体１９は摩擦材１７を介して振動体
１６と接触している。圧電体１４に電圧を印加すると振
動体１６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１９を駆動する。尚、同図中
の振動体１６には、機械出力取り出し用の突起体２０が
設置されている。

第５図は第４図の超音波モータに使用した圧電体１４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１４を分極する際に用いる電極で
、圧電体１４の弾性体１５との接着面は、第５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５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１４の電
極ＡおよびＢに Ｖ、＝Ｖ６−５ｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　−−−（
１）Ｖ２＝ＶＯ−ｃｏｓ（ωｔ）　　　　　　　　−−
−（２）ただし、ｖｏ：電圧の瞬時値 ω：角周波数 ｔ　：時間 で表される電圧ｖｌおよびｖ２をそれぞれ印加すれば、
振動体には ξ：ξ（１・（ｃｏｓ（ωｔ）　−ｃｏｓ（ｋＸ）＋５
ｉｎ（ωｔ）　−５ｉｎ（ｋＸ）　）＝ξ６−　ｃｏｓ
（ωｔ−ｋＸ）　　　　　　−−−（３）ただし、ξ　
：曲げ振動の振幅値 ８０２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６図は振動体１６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１６上
に加圧して設置された移動体１９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１６と移動体１９の間にス
ベリがあるときは、上記のＶより小さくなる。同図の矢
印Ｂは、移動体１９の進行方向を示し、矢印Ｃは、この
進行波の進行方向を示す。また、上記した移動体１９の
速度Ｖは、この曲げ振動の瞬時値ξ０に比例する。

ところで、この超音波モータ６′を等価回路で示すと第
７図のようになることが知られている。同図においてＣ
Ｇは振動体１６の電気的な静電容量で、Ｃ１は振動体１
６のコンプライアンス、Ｌｌは質量、Ｒ１は機械的損失
に相当するものである。このＣ１、Ｌｌ、Ｒ，で構成さ
れた回路は振動等の機械的動作に関係するもので機械椀
と呼び、圧電体１４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、を機械腕電流と呼ぶ。超音波
−モータ６に印加する周波電圧のレベルを一定にし、そ
の周波数を変化させた時、機械腕電流１つの大きさは第
８図に示すような特性を示す。この図は言い換えれば超
音波モータ６の機械腕のアドミタンスが印加される周波
電圧の周波数によって同じ特性カーブで変化することを
示している。この機械腕電流ｉ、の大きさは先述したよ
うに振動体１９の振動振幅と比例関係にあり、従って移
動体１９の移動速度に比例することになる。

さて上記のように構成された超音波モータ６を駆動し、
移動体１９の移動速度が大体所定の値になればよいとい
った比較的ラフな制御をする場合、移動体１９に周知の
ＦＧ（周波数発電機）の如き速度センサーを取り付けそ
こから得られる速度情報をもとに超音波モータの速度制
御を行うのではなく、前記したように機械腕電流のレベ
ル（振幅）が移動体１９の移動速度に比例することから
、この機械腕電流の振幅が所定の移動速度に対応した一
定の値になるように制御を行っている。

発明が解決しようとした問題点 ところで上記のように構成された超音波モータを起動す
る場合、最初ある周波数の周波電圧を印加するのである
が、この周波数の決定が非常に難しい。何故なら、回転
に関する機械腕電流１ｍ１（機械椀のアドミタンス）の
周波数特性は、温湿度や、外部からの負荷の状態が変化
することによって、第８図に示すように変化するからで
ある。即ち、ある状態で（ｅ）のような特性であったの
が、上記したような環境の変化によって（ｇ）のような
特性を示したり、（ｆ）のような−特性を示したりする
。

起動時の周波数を例えば第８図に示すｆｌに設定した場
合、機械腕電流ｉ、の特性が（ｆ）のような状態即ち機
械椀のアドミタンスが非常に小さくなっていると、いく
ら高い電圧（圧電体１４が破壊しない範囲で）を印加し
ても殆ど電流が流れず、超音波モータ６が全く起動しな
いという現象が生じる。この起動時の対策として、従来
共振点（第６図の特性曲線におけるピークのところ）よ
り周波数が低くならないように温湿度の変化範囲や負荷
の変動を想定して実験的に起動時の周波数を設定してい
る。

しかしながらこのような周波数の設定では、（ｇ）のよ
うな特性即ちその周波数でアドミタンスが小さくなるこ
とも考え、印加する電圧のレベルをある程度大きく設定
しなければならず、そのため電源が大きくなるという点
や、圧電体１４の分極状態が劣化してくる問題が生じ、
また設定した周波数が先とは逆に共振点近傍の周波数に
なった場合アドミタンスが増加するので上記したように
アドミタンスの小さい場合をも考慮したレベルの大きな
電圧が印加されていると起動待瞬間的に大きな機械腕電
流が流れ移動体１９の速度が異常に速くなり、この超音
波モータ６が組み込まれた機器に損傷を与えるという問
題点も有している。

本発明はかかる点に鑑み、超音波モータの起動時機械椀
の特性が変化しても安定に、かつ従来に比べ圧電体に印
加する電圧を低く出来る超音波モータの制御装置を提供
することを目的とした。

問題点を解決するための手段 本発明は圧電体を周波電圧で駆動して、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、前記振動体の振動振幅に対応した
量を検出する振幅検出手段と、前記振幅検出手段の出力
を基に前記振動体の振動振幅を制御する振幅制御手段と
、前記振動体の振動振幅が所定の値に達したことを検出
し所定振幅検出信号を出力する所定振幅検出手段と、前
記周波電圧の周波数を高い方から低い方へ掃引する周波
数掃引手段とを有した超音波モータの制御装置である。

作用 本発明は前記した構成により、超音波モータ起動時にお
いて、前記周波数掃引手段を動作させ、所定振幅検出手
段より所定振幅検出信号が出力された後は、周波数掃引
手段の挿引を停止し、振幅制御手段を動作させる。

実施例 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
制御・装置のブロック図を示すものである。

第１図において、１は可変発振器２の発振周波数を制御
する可変発振器制御回路、２は入力される電圧値によっ
て出力周波数が決まる可変発振器、３は可変発振器２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゛移相回路、４．５はこの９０゛位相の異なった各
々の信号を超音波モータ６を駆動するのに必要な電圧レ
ベルまで増幅して圧電体１４の各々の電極に印加しその
増幅度がコントロール入力に印加される直流電圧値によ
って制御される電力増幅回路、７は機械腕電流ｉ、を検
出する機械腕電流検出器、８は周波信号である機械腕電
流検出器７の出力を直流電圧に変換するための検波回路
、９は検波回路８の出力と設定機械腕電流値に相当する
機械腕電流基準値Ｖ１ｒとを比較しその差に応じた誤差
信号を出力する比較回路、１０は制御ループを安定にす
るための補償フィルタ、１１は比較回路９の出力を監視
することによって超音波モータに流入する機械腕電流１
１の振幅レベル（以下、単にレベルという）が所定値に
達したかどうかを検出するレベル検出回路、１２はその
接点の選択をレベル検出回路１１の出力によって制御さ
れ電力増幅回路４．５のコントロール入力に印加する信
号が補償フィルタ１０の出力もしくは一定電圧Ｖｒ□に
なるよう切り換えられるスイッチ（ＳＷ）、１３は超音
波モータ６の起動停止のためのコントロール端子である
。

このブロック図において、機械腕電流検出器７、検波回
路８、比較回路９、補償フィルタ９、電力増幅回路４．
５及び超音波モータ６で機械腕電流のレベルを所定設定
値にする制御ループ（以下、機械腕電流制御ループとい
う）が形成される。第２図は機械腕電流ｉ、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周波電圧
のうち少なくともどちらか一方はトランス２１を介して
圧電体１４に印加される（図においては電力増幅器４の
出力）、また機械腕電流検出器７は同図のようにトラン
ス２１の２次側に接続された抵抗Ｒ０とコンデンサＣｏ
’およびＲｏにかかる電圧を増幅する増幅器より構成さ
れる。ここでコンデンサＣ０”を第７図の等価回路のＣ
Ｏと等しくシトランス２１の巻線比を１＝１にすると抵
抗Ｒ０に流れる電流ｉＲｏはｉ　ＲＯ＝　（１／（２・
Ｒｏ−Ｃ６’　・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１ＱＫＨ２であるので上式は ｌ　ＲＯ＝　１　ｗｍ と近似できる。従って抵抗Ｒ，にかかる電圧は機械腕電
流１１に比例した周波電圧となり、同図のようにこの電
圧を検出すれば機械腕電流ｉ、を検出することが出来る
。

第３図は第１図に示した超音波モータ６の駆動制御装置
の起動時における動作波形図で、（ａ）はコントロール
端子１３に入力されるモータ起動停止指令信号で′Ｈル
ベルで起動、′Ｌ°レベルで停止を指令する、（ｂ）は
可変発振器制御回路１の出力で可変発振器制御信号、（
Ｃ）は比較回路９の出力で機械腕電流検出器７で検出さ
れた機械腕電流ｉ、のレベルに応じた誤差信号、（ｄ）
はレベル検出回路１１の出力で機械腕電流ｉ、のレベル
が所定値に達したら°Ｈ”レベルになるレベル検出信号
である。

以上のように構成された本実施例の超音波モータの制御
装置について、以下その動作を説明する。

超音波モータ６を起動させるべく、コントロール端子１
３に入力されるモータ起動停止信号（ａ）が′Ｌ°レベ
ルから°Ｈ°レベルになると、可変発振器制御回路１は
、超音波モータ６に周波電圧を印加するために可変発振
器２をオンすると同時に、後述するレベル検出回路１１
によって超音波モータ６に流れる機械腕電流ｉ、のレベ
ルが所定の値に達したことが検出されるまでの期間（第
２図ｔ）、可変発振器２の出力周波数が高い周波数（ｆ
　Ｈ）から低い周波数（ｆＬ）に掃引させるべく第３図
に示すように高い電圧から時間と共に低い電圧に変化す
る可変発振器制御信号（ｂ）を出力する。ここで周波数
ｆ８およびｆＬは先に説明した環境等の変１ヒによる機
械椀の特性の変化を十分カバーする範囲で設定される。

可変発振器２の出力は９０°移相回路３および電力増幅
回路４．５を通じて超音波モータ６（圧電体１４）に印
加される。この周波電圧が印加されると移動体１９は回
転運動を開始する。この時電力増幅回路４．５の増幅度
は可変範囲の中心になるように各々のコントロール入力
には一定の電圧■、、１が印加される（ＳＷ１２はｉｌ
ｌに接続される）。従って超音波モータ６には一定の周
波電圧が印加されていることになる。

この一定電圧のもとで、可変発振器制御回路１によって
可変発振器の発振周波数が低い方に変化して行くと、機
械腕の特性が（ｆ）のようであれ（ｇ）のようであれ、
機械腕のアドミタンスは増加し、それにつれて機械腕電
流１つも増加して行く。この増加していく機械腕電流ｉ
−レベルは機械腕電流検出器７および検波回路８によっ
てそのレベルに比例した直流電圧に変換され比較回路９
に入力された後、ここで設定機械腕電流レベルに相当す
る基準値である直流電圧Ｖｉｒと比較されその差に応じ
た誤差信号（第３図（Ｃ）の誤差信号）として取り出さ
れる。周知の電圧コンパレータ等で構成されるレベル検
出回路１１は、この誤差電圧によって超音波モータ６に
流れる機械腕電流１１を監視し、ある所定の機械腕電流
即ち誤差信号（Ｃ）が所定のレベル（ｖｒ２）に達する
と、第３図に示すように出力をＬ“レベルから゛Ｈルベ
ルにしレベル検出信号（ｄ）として５Ｗ１２および可変
発振器制御回路１に出力する６本実施例ではこの所定機
械腕電流レベルとして設定機械腕電流レベル（定常時に
超音波モータ６に流したい機械腕電流レベル）に略一致
させている。

可変発振器制御回路１は、°Ｈ”レベルのレベル検出信
号（ｄ）が入力されると、第３図に示すように可変発振
器制御信号（ｂ）の高い電圧から低い電圧への変化を停
止しその状態を保持する。従って可変発振器２による周
波数の掃引は停止しその時点の周波数の周波電圧が超音
波モータ６に印加され続けることになる。また、５Ｗ１
２はレベル検出信号（ｄ）が入力されるとｍ側に接続さ
れる。従って機械腕電流制御ループが閉じることになり
、以後は機械腕電流検出器７の情報を基に電力増幅回路
４．５の増幅度を変化させて超音波モータ６に印加する
電圧を変え機械腕電流ｉ、を常に設定値になるように制
御して移動体１９の速度をほぼ一定にしている。

以上のように本実施例によれば、起動時、従来のように
周波数を固定するのではなく、周波数を高い方から低い
方へ掃引し機械腕のアドミタンスを変化させて（増加さ
せて）、設定機械腕電流１つを得るようにしているので
、特性の変化を考慮した高い電圧を印加する必要がなく
、機械腕の特性が変化しても起動時の印加すべき周波電
圧のレベルは常に従来の起動電圧よりも低いほぼ機械腕
電流制御時の動作中心になるレベルであればよい。

従って圧電体１４の分極の劣化も従来に比べて少なくな
る。また周波数の掃引は上記したように必ずアドミタン
スの小さい方から行うので、起動待従来のように瞬間的
に機械腕電流ｉ、が流れ移動体１つの速度が異常に速く
なりすぎて機器に損傷を与えることもない。

更に本実施例では、起動時、電力増幅回路４．５の増幅
度は可変範囲の中心になるよう設定されるので、機械腕
電流制御時、機械腕特性が第８図のような変動に対して
十分なダイナミックレンジがとれるようになっている。

上記した実施例では、制御信号によって増幅度が変わる
電力増幅回路を利用して超音波モータ６に印加する電圧
レベルを変化させることによって機械腕電流を制御する
方法を採ったが、制御信号によってパルス幅を変化させ
る所謂ＰＷＭした電圧を印加することによって超音波モ
ータ６に印加する電圧の平均値を変化させ機械腕電流を
制御する方法をとっても何ら問題なく同様の効果が得ら
れる。この場合、起動時レベル検出信号が出力されるま
でＰＷＭのデユーティを５０：’５０に設定しておけば
、上記した場合と同様、機械腕電流制御時、ダイナミッ
クレンジを十分広くとることが出来る。

また上記した実施例では、振動体の振動振幅の検出を機
械腕電流を検出することによって行ったが、特開昭６２
−８５６８４号公輯で提案されているような超音波モー
タの駆動状態を検知するモニター電極を設け、それによ
って振動体の振動振幅を検出しても何等問題はない。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、温湿度や負荷が変
化して超音波モータの特性が変化しても必要以上の電圧
を印加することなく低電圧で安定に起動し、また機械腕
電流制御時もほぼ動作中心で制御することが出来る超音
波モータの制御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制御
装置のブロック図、第２図は同実施例における機械腕電
流検出器のブロック図、第３図は同実施例の動作波形図
、第４図は円環型超音波モータの切り欠き斜視図、第５
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６図は超音波モータの動作原理の
説明図、第７図は超音波モータの等価回路図、第８図は
機械腕電流の周波数特性図である。 １・・・可変発振器制御回路、２・・・可変発振器、３
・・・９０°移相回路、４・５・・・電力増幅回路、６
・・・超音波モータ、７・・・機械腕電流検出器、８・
・・検波回路、１０・・・補償フィルタ、１１・・・レ
ベル検出回路、２１・・・トランス。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はが１名第２図 第　３　図 第４図 ／ ？Ｏ 第５図 第６図 第７図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電体を周波電圧で駆動して、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、前記振動体の振動振幅に対応した量
   を検出する振幅検出手段と、前記振幅検出手段の出力を
   基に前記振動体の振動振幅を制御する振幅制御手段と、
   前記振動体の振動振幅が所定の値に達したことを検出し
   所定振幅検出信号を出力する所定振幅検出手段と、前記
   周波電圧の周波数を高い方から低い方へ掃引する周波数
   掃引手段とを有し、前記超音波モータ起動時、前記周波
   数掃引手段を動作させ、前記振幅検出手段によって前記
   所定振幅検出手段より所定振幅検出信号が出力された後
   は、前記周波数掃引手厚の掃引動作を停止し、前記振幅
   制御手段を動作させることを特徴とした超音波モータの
   制御装置。
2. （２）振動体の振動振幅に対応した量として超音波モー
   タの機械椀に流入する機械腕電流の電流レベル（振幅）
   を検出する振幅検出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制御装置。
3. （３）超音波モータの駆動状態を検知するモニター電極
   を設け、振動体の振動振幅に対応した量として前記モニ
   ター電極の出力振幅値を検出する振幅検出手段を有した
   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
   ータの制御装置。
4. （４）振幅制御手段の振幅制御ループ内に制御信号によ
   って増幅度が変化し超音波モータに印加する周波電圧を
   増幅する電圧制御増幅手段を有し、前記超音波モータ起
   動時、所定振幅検出手段によって振動体の振幅値が所定
   の値に達したことが検出されるまでは前記制御信号とし
   て所定の値を与える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制御装置。
5. （５）振幅制御手段の振幅制御ループ内に制御信号によ
   ってパルス幅を変化させた電圧を超音波モータに印加す
   るためのパルス幅変調手段を有し、前記超音波モータ起
   動時、所定振幅検出手段によって振動体の振幅値が所定
   の値に達したことが検出されるまでは前記パルス幅のデ
   ューティを所定の値に設定される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制御装置。