JPH01214276A - 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
の制御装置に間する。

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の駆動電圧を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
した超音波モータカ疫主目されている。

以下、図面を参照しながら従来の超音波モータについて
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に位贋的に４分の１波長
く＝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＋＝Ｖ、　−５ｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　−−−
（１）Ｖ２”Ｖｌ］・ｃｏｓ（ωｔ）　　　　　　　　
　　　−−−（２）ただし、Ｖ［ｌ　：電圧の瞬時値 （ｏ：角周波数 ｔ　：時間 で表される電圧Ｖ＋およびｖ２をそれぞれ印加すれば、
振動体には ξ：ξＢ　拳　（ｃｏｓ（ωｔ）・　ｃｏｓ（ｋＸ）＋
５ｉｎ（ωｔ）　令５ｉｎ（ｋＸ））＝ξｅ　・Ｃ０５
（（Ｊ　ｔ−ｋＸ）　　　　　　−−−（３）ただし、
ξ　：曲げ振動の振幅値 ８８２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２−１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ξθ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０８
は振動体１６の電気的な静電容量で、Ｃ１は振動体１６
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、Ｒ１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腕と
呼び、圧電体１４の電極に供給される電流ｉのうちこの
機械腕に流れる電流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しベルＶ１を一定にし、そ
の周波数を変化させた時、機械腕のアドミタンスｙ、の
大きさは第３図に示すような周波数特性を示す。この図
から解るように共振点く特性曲線のピークのところ）よ
り高い周波数では、周波数ｆ、Ｉをｆｌからｆｏ２の範
囲を変化させれば、それに応じて機械腕のアドミタンス
ｙ、はｙｌからｙｌ１２に変化する。

ここで、１．＝ｙ、木■１の関係から、印加する周波電
圧のレベルが一定であれば、機械腕電流ｉ、の変化は機
械腕のアドミタンスｙ、の変化に等しい。この機械腕電
流１．の大きさは先述したように振動体１９のＳ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、前記したように機械
腕電流ｉ、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ｉ、の値を検出し、この値が一定の値
になるように駆動電圧の周波数ｆ１を変化させることで
移動体１９の移動速度を一定に保とうとしていた。

発明が解決しようとする課題 ところで上記のように構成された超音波モータの移動速
度を大体所定の値にするために、機械腕電流ｌ、を検出
して目標値になるように、一定の周波電圧レベルで駆動
周波数ｆ、を変化させるように構成している。これは駆
動周波数ｆ、の値と機械腕電流１１の大きざがリニアに
対応しているとして制御系のループゲインを決定して安
定しているが、第３図に示すように駆動周波数とアドミ
タンスの関係はリニアではない。超音波モータ６に印加
する周波電圧のレベル■１が一定のときに駆動周波数ｆ
１とアドミタンスｙ、が１対１に比例していない。周波
数ｆ１での機械腕のアドミタンスがｙｓｌとして、周波
数ｆ１の近傍でΔｆはなれた周波数ｆａ３でのアドミタ
ンスがｙｅｔ３とする。また、周波数ｆ１より高周波領
域での周波数ｆｅ２でのアドミタンスｙ、２として、周
波数ｆ、２の近傍でΔｆはなれた周波数ｆｍａでのアド
ミタンスがｙｌ１４とする。

即ち、周波数ｆ１近傍での周波数とアドミタンスの変化
の関係ａ１は、 ａ＋：　（ｙｅｔ−ｙｅｔ３）　／　（ｆｍ＋　　ｆａ
３）”　（ｙｅｔ　　５’ｓ３）　／△ｆ　　であり、
周波数ｆ、２近傍での周波数とアドミタンスの変化の関
係ａ２は、 ａ２＝（ｙ＊２７＊４）／（ｆ＊２　ｆｍ４）＝　（ｙ
ｍ２ｙｓ４）　／△ｆ　　である。

即ち、周波数ｆ１とｆｏ２の近傍での比率は違っている
。

ここで、機械腕電流！　ｍ　＝　ｙｖａ木Ｖ、の関係か
ら、目的の機械腕電流を１１にするには、アドミタンス
ｙ、を変化させればいいが、アドミタンスｙ、を変化す
るには周波数ｆ、を変化すればいい。即ち、目的の機械
腕電流１１にするためには、超音波モータ６に流れてい
る機械腕電流工。を検出し、目的の機械腕電流ｉ、１と
の差をとり、その差に応じて周波数ｆ３を変化させるフ
ィードバックループで構成している。この時に機械腕電
流１．の変化量即ちアドミタンスの変化量Δｙ、に対す
る周波数の変化量△ｆの比率ａは周波数によって違うに
もかかわらず、例えば、比率ｇを（ａ＋＋ａ２）／２と
して一定のループゲインで行っている。

しかしながらこのような従来の制御系では、周波電圧レ
ベルが変化した時に機械腕電流１．を目標値になるよう
に駆動周波数ｆ、を変化させるときに機械腕電流ｉ、と
駆動周波数ｆ、の大きさの対応が変化しているために、
駆動周波数がｆ１近傍に変化した時にはアドミタンスの
変化量△ｙ１に対する周波数の変化量Δｆの比率ａ＋と
なり、ループゲインが高くなり、外乱に対して不安定に
なり発振しやすくなる。また、逆に、駆動周波数がｆｓ
２近傍に変化した時にはアドミタンスの変化量△ｙ、に
対する周波数の変化量Δｆの比率ａ２となり、ループゲ
インが低くなり、追従精度が悪くなる。また、周波電圧
レベルが一定で駆動して機械腕電流の目標値即ち目標速
度が変わった時にも制御系のループゲインが一定である
ために同様の問題点を有し“ている。

本発明はかかる点に鑑み、超音波モータの駆動周波電圧
レベルまたは目標速度が変化しても安定に、大体の移動
速度に出来る超音波モータの制御装置を提供することを
目的とする。

課題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、前記振動体の振動の振動状態を検
出する振動検出手段と、前記振動状態の目標値を変化さ
せる手段と、前記振動状態の目標値を検出する目標値検
出手段と、前記振動検出手段の出力と前記目標値検出手
段の出力を比較して前記圧電体の周波電圧の周波数を変
化させ前記振動状態を目標値になるように動作する振動
制御手段と、前記圧電体に印加される周波電圧レベルを
検出する電圧検出手段とを有し、前記周波電圧レベルを
検出する電圧検出手段の出力と目標値検出手段の出力に
よって、前記掬動制御手段のループゲインを制御する構
成となっている。

作用 本発明は前記した構成により、駆動周波電圧レベルが変
化したり、超音波モータの目標の移動速度部ち機械腕電
流の目標値が変化した場合に、駆動周波数とアドミタン
スの関係の変化に応じて振動制御手段のループゲインを
制御することで超音波モータを所定の移動速度で動作さ
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、ｌは人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、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
相回路、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、１０は
設定機械腕電流値に相当する機械腕電流目標値を発生す
る機械腕電流目標値発生回路、１１は制御ループを安定
にするための補償フィルタ、１２は圧電体１４の電極に
印加される電圧を検出する電圧検出器、１３は検波回路
８の出力と機械腕電流目標値発生回路１０の出力と電圧
検出器１２の出力を取り込み演算して補償フィルタ１１
に出力するマイクロコンピュータ（以下マイコンと記す
）である。

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交流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に印加し
く図においては電力増幅器４の出力）、印加電圧を検出
する電圧検出器１２には同図のようにトランス２１の２
次側の電圧が人力される。また機械腕電流検出器７は同
図のようにトランス２１０２次側に接続された抵抗Ｒ１
ＩとコンデンサＣｓ　’およびＲＩ！にががる電圧を増
幅する増幅器とこの出力を整形する波形整形器より構成
される。ここでコンデンサＣＢ’を第７図の等価回路の
０８と等しくシトランス２１の巻線比を１対１にすると
抵抗Ｒ［Ｉに流れる電流ｊｇθはｉ　Ｒ［＋　＝　（１
／（２・Ｒｅ・Ｃｅ’・Ｓ＋１））・ｉ　ｓ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 ＩＲｉ１＝１ｍ と近似できる。従って抵抗Ｒ８にかかる電圧は機械腕電
流１１に比例したものとなり、この電圧を検出すれば機
械検電流ｌヨを検出することができる。

ここで、既に第３図に説明した機械腕のアドミタンスｙ
１の周波数特性をもとにその動作を説明する。第３図に
おいて、超音波モータに印加する周波電圧のしベルｖ１
が一定のときに駆動周波数ｆ、とアドミタンスｙ、が１
対１に比例していない。

ここで、機械腕電流１　ｓ　”　ｙｓ木Ｖｍの関係から
、目的の機械腕電流を１１にするには、アドミタンスｙ
、を変化させればいいが、アドミタンスｙａを変化する
には周波数ｆ１を変化すればいい。即ち、目的の機械腕
電流１１にするためには、超音波モータに流れている機
械腕電流１１を検出し、目的の機械腕電流１１との差を
とり、その差に応じて周波数ｆユを変化させるフィード
バックループで構成すれば可能である。この時に機械腕
電流１１の変化１即ちアドミタンスの変化量△ｙ、に対
する周波数の変化量△ｆの比率ａ１によってフィードバ
ックループのループゲインを決定し、機械腕電流を一定
にしている。ところが、周波電圧レベルｖ１がＶｌ１２
に変化した場合、例えば、Ｖｓ２がｖｌより大きな周波
電圧レベルに変化した場合に、同じ機械腕電流１１とす
るためには、ｌ　＠ｌ　”　５’　ａ本■、２からアド
ミタンスｙ、を変える必要がある。アドミタンスｙ、を
変化させるために同様に周波数をｆｓ２に変化する。そ
の時に、周波数ｆｅ２でアドミタンスの変化量△ｙ、に
対する周波数の変化量Δｆの比率ａ２であるから、この
比率ａ２によってフィードバックループのループゲイン
を決定し、機械腕電流を一定にする。

以下この動作について、第１図及び第３図で説明する。

第１図において、マイコン１３は電圧検出器１２で得ら
れる圧電体１４の電極に印加される周波電圧レベルｖ１
と、また、機械腕電流目標発生回路１０より所望の機械
Ｍ電流１１が設定された値を検波回路８で得られるから
、１ｍ＋／Ｖａｔを演算してアドミタンスｙ１を得て、
この近傍のアドミタンスの変化量△ｙヨに対する周波数
の変化量Δｆの比率ａｌを用いてループゲインｇ１を決
定する。そして、機械腕電流検出器７と検波回路８から
超音波モータ５に流れる機械腕電流の値ｉ、を検出し、
既に検出した所望の機械腕電流１１との差を演算し、ル
ープゲインｇ１をかけた値を誤差出力として補償フィル
タ１１に出力する。補償フィルタ１１ては、位相補償等
を行った誤差電圧値が可変発振回路１に人力される。可
変発振回路１ではこの誤差電圧値をもとに発振周波数が
発生し、９０°移相回路２と電力増幅回路３．４を介し
て圧電体１４に印加されることで機械腕電流が一定に制
御される。

次に、周波電圧レベルがｖｌがＮ’ｓ＋２に変化した時
は、マイコン１３は電圧検出器１２で得られる圧電体１
４の電極に印加される周波電圧レベルＶ、２と、また、
機械腕電流目標発生回路１０より所望の機械腕電流１１
が設定された値を検波回路８で得られるから、ｌ　ｍ＋
／　Ｖ１１２を演算してアドミタンスｙＩＩ２を得て、
この近傍のアドミタンスの変化量△ｙ、に対する周波数
の変化量△ｆの比率ａ２を用いてループゲインｇ２を決
定する。以下同様に機械腕電流が一定に制御される。こ
こで、機械腕電流と超音波モータ５の移動速度は比例関
係にあることから、目的の移動速度を達成することが出
来る。

これまで、周波電圧レベルｖ１が変化した場合について
説明してきたが、次に、周波電圧レベルは一定で目標移
動速度即ち設定機械腕電流が１１から１ｓ２に変化した
場合についても、同様に電圧検出器１２で得られる圧電
体１４の電極に印加される電圧Ｖｓと、また、機械腕電
流目標発生回路１０より所望の機械腕電流１．２が設定
された値を検出し、その値よりｙａ　”　ｊ　ｍ　２　
／　Ｖ　ｓを演算してアドミタンスｙイを算出する。そ
して、既に検出した第３図のアドミタンスと周波数の関
係から、演算したアドミタンスｙ、におけるアドミタン
スの変化量△ｙ、に対する周波数の変化量△ｆの比率ａ
を用いてループゲインｇを決定することで、同様の手段
で機械腕電流を１１２に一定に制御される。ここで、機
械腕電流と超音波モータ５の移動速度は比例関係にある
ことから、目的の移動速度を達成することが出来る。

以上のように本実施例によれば、周波電圧レベルｖｍが
変化した場合でも目標移動速度即ち設定機械腕電流１．
が変化しても、周波電圧Ｖ、と、機械腕電流１．を検出
し、その値よりｙヨ＝　ｔ　ｍ　／　Ｖ　ｓを演算して
アドミタンスｙ、を算出する。そして、既に検出したア
ドミタンスと周波数の関係から、演算したアドミタンス
ｙｌｌにおけるアドミタンスの変化量△ｙ、に対する周
波数の変化量△ｆの比率ａを用いてループゲインｇを決
定することで、制御ループが安定で、機械腕電流ｉ、が
一定に制御され、目的の超音波モータの移動速度を得る
ことが出来る。

ここで、第３図に示すアドミタンスと周波数の関係の特
性については、初期に測定した値を用いても良いし、電
圧検出器１２で得られる圧電体１４の電極に印加される
周波電圧レベルＶ、を検出し、超音波モータを動作させ
る前に駆動の周波数を変化させて、検波回路８から超音
波モータ５にながれる機械腕電流のＩｆｌｉ、を検出し
て、アドミタンスｙ、を演算した値を用いても良い。

上記した実施例では、厖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、特閏昭６２−８
５６８４号公報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同等問題はない。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、駆動周波電圧レベ
ルが変化したり、超音波モータの目標の移動速度即ち機
械腕電流の目標値が変化した場合に、駆動周波数とアド
ミタンスの関係の変化に応じて振動制御手段のループゲ
インを制御することで、発振することなく、また、追従
性も変わることのなく安定に所定の移動速度で動作させ
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図は機械腕電流の周波数特
性図、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
理図、第７図は超音波モータの等価回路図である。 １・・・可変発振器、２・・・９０°移相回路、３・４
・・・電力増幅回路、５−・・超音波モータ、７・・・
機械腕電流検出器、８・・・検波回路、１０・・・機械
腕電流目標値発生部、１１・・・補償フィルタ、１２・
・・電圧検出回路。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第１図 Ｍ２図 第３図 第４図 ／ 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、前記振動体の振動の振動状態を検出する
   振動検出手段と、前記振動検出手段の出力と設定された
   振動状態の目標値とを比較して前記圧電体の周波電圧の
   周波数を変化させ前記振動状態を目標値になるように動
   作する振動制御手段と、前記圧電体に印加される周波電
   圧レベルを検出する電圧検出手段とを有し、前記周波電
   圧レベルを検出する電圧検出手段の出力によって、前記
   振動制御手段のループゲインを制御することを特徴とす
   る超音波モータの制御装置。