JPH0311984A - 超音波モータの駆動装置 - 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】 Ａ６産業上の利用分野 本発明は、圧電体により弾性体に発生した進行性振動波
によって移動子を駆動する超音波モータの駆動装置に関
する。

Ｂ、従来の技術 進行性振動波を利用した超音波モータは、特開昭５９−
１１１６０９号公報にも開示されているように、圧電体
に交流電圧を印加して該圧電体に屈曲振動を生じさせて
圧電体が貼付けられた弾性体に進行性振動波を生じさせ
、この弾性体に回転子を加圧接触させて摩擦駆動するモ
ータである。

従来、このような超音波モータの駆動速度を滅速する場
合、印加交流電圧の周波数を目標とする低速度に対応し
た周波数に切換える方式、あるいは交流電圧の値を低電
圧に切換える方式がとられている。

Ｃ１発明が解決しようとする課題 しかしながら、交流電圧の周波数を切換える方式では、 ■周波数を切換えても、弾性体に生じている振動波の振
幅が低速度に対応した振幅になるまでに時間遅れがある
こと。

■振動波の生じている状態では弾性体と回転子とが振動
波の波頭で接触しているために相互の摩擦力が小さくな
っていること 等の理由により、交流電圧の周波数を切換えても回転子
に接続された負荷の慣性力を打ち消すことができず、減
速時間が長くかかるという問題があった。

交流電圧の値を低電圧に切換える方式においても、同様
の理由により減速時間が長くかかるという問題があった
。

本発明の技術的課題は、超音波モータを高速駆動から低
速駆動に短時間で減速させることである。

０９課題を解決するための手段 実施例を示す第１図により本発明を説明すると、本発明
は、圧電体に印加する高速駆動用および低速駆動用の交
番電圧信号をそれぞれ形成する駆動信号形成手段１０Ａ
と、高速駆動用または低速駆動用の交番電圧信号を択一
的に切換えて前記圧電体に印加せしめる切換手段１０Ｂ
と、高速駆動から低速駆動への切換時に、前記圧電体に
印加する交番電圧信号の周波数を所定時間だけ少なくと
も零にする一時停止手段３を設けることにより、上記技
術的課題を解決するものである。一時停止毛段３は、航
記交番電圧信号を所定時間だけ遮断することによりその
周波数を零にする構成、または前記交番電圧信号を直流
成分のみにすることによりその周波数を零にする構成に
することができる。

Ｅ０作用 圧電体に印加する交番電圧の周波数を所定時間だけ一時
的に零にすると弾性体と移動子との摩擦力が急激に大き
くなり、その摩擦力によって移動子は急激に減速される
。これによって、高速駆動から低速駆動に短時間で切換
えるこができる。

なお、本発明の詳細な説明する上記り項およびＥ項では
、本発明を分かり易くするために実施例の図を用いたが
、これにより本発明が実施例に限定されるものではない
。

Ｆ、実施例 一第１の実施例− 第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図（
、）は超音波モータの概略構成を示す断面図、第２図（
ｂ）は圧電体と弾性体とで構成される振動体の斜視図で
ある。

まず、第２図（ａ）、（ｂ）の超音波モータについて先
に説明すると、弾性体５１の片側表面には圧電体５２が
貼付られており、これら弾性体５１と圧電体５２とによ
って振動体５３を構成している。また、圧電体５２の片
側表面にはスライダ５４を介してロータ５５が加圧接触
しており、これらスライダ５４とロータ５５とによって
回転子５６を構成している。

圧電体５２は第２図（ｂ）に示すように、その表面に４
つの電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ。

５２ｄが設けられており、電極５２ａと５２ｂには相互
にπ／２だけ位相の異なる交流電圧が印加され、電極５
２ｃば接地されている。電極５２ｄはモニタ信号を取り
出すために使用される。これらの構成および動作につい
ては日経メカニカル１９８３．２．２８号などにより周
知であるため、ここではその説明を省略する。

次に第１図において、１は、駆動信号形成回路１０Ａと
切換回路１０Ｂとから成る駆動速度変更回路、２は分周
移相回路、３は一時停止回路、４ａ、４ｂは電力増幅器
、５は超音波モータである。

駆動速度変更回路１は、２つの発振器１１および１２と
、インバータ１３．ナントゲート１４〜１６とを備えて
おり、インバータ１３およびナンドゲート１５の一方の
入力には駆動速度変更信号が入力されている。発振器１
１は低速駆動用、発振器１２は高速即動用のものであり
、それらの出力周波数は超音波モータ５の即動周波数の
４倍に設定されている。発振器１１．１２が駆動信号形
成回路１０Ａを構成し、インバータ１３．ナン１くゲー
ト１４〜１６が切換回路１０Ｂを構成する。

分周移相回路２ば２つのＤ形フリップフロップ２１と２
２で構成され、フリップフロップ２１のセット出力Ｑが
フリップフロップ２２のデータ人力りに接続され、フリ
ップフロップ２２の反転セット出力Ｑがフリップフロッ
プ２１のデータ人力りに接続されている。したがって、
この分周移相回路２は、ナントゲート１６から出力され
る信号の周波数を１７４に分周すると共に、相互にπ／
２の位相差を有する信号を出力するように構成されてい
る。

一時停止回路３ば、アンドゲート３１，３２とタイマ３
３によって構成され、駆動速度変更信号がＬＬ　ＨＩＩ
から１１　Ｌ　１１に変更されたとき（高速駆動から低
速駆動に変更された時）、コンデンサＣと抵抗Ｒによっ
て設定された時間しＳの間アントゲート３１，３２を閉
じ、該アントゲート３１゜３２の出力信号を１１　Ｌ　
Ｉ＋レベルとして出力し、それ以外の場合は分周移相回
路２の出力信号をそのまま出力するように構成されてい
る。

電力増幅器４ａ、４ｂは、アントゲート３１゜３２の出
力信号を増幅して超音波モータ５の圧電体５２の電極５
２ａ、５２ｂに印加する周知の電力増幅器である。

次に動作について説明する。

第３図は超音波モータの駆動周波数と駆動速度との関係
を示す特性曲線図であり、超音波モータ５は駆動速度を
４０ｒｐｍに設定した時は２３Ｋ）Ｉｚの駆動周波数の
交流電圧信号で駆動される。また。

５　ｒｐｗ＋に設定した時は２３．８ＫＩｉｚの駆動周
波数の交流電圧信号で駆動される。そこで、高速用の発
振器１２の出力周波数は９２Ｋｌ（ｚ　（＝４　Ｘ　２
３）に設定され、低速用の発振器１１の出力周波数は９
５．２に七（’＝４Ｘ２３．８）に設定される。

今、駆動速度変更信号がＩＪ　Ｈ１１レベルである時。

すなわち４０ｒｐｎ＋の高速で超音波モータ５を駆動す
る場合について考える、このＩＩ　ＨＩ＋レベルの駆動
速度変更信号はナントゲート１５に入力されると共に、
インバータ１３で反転されてナントゲート１４に入力さ
れる。ナントゲート１５には高速用の発振器１２の出力
信号が入力され、一方のナントゲート１４には低速用の
発振器１１の出力信号が入力されているが、高速旺動時
は、インバータ１３の出力信号が“Ｌ　Ｉ＋レベルとな
るため、ナントゲート１４は閉じ、一方のナントゲート
１５のみが開き、高速用発振器１２の出力信号がナント
ゲート１５で選択されてナントゲート１６を通じて出力
される。

ナントゲート１６の出力信号は第４図（ｂ）に示すよう
に矩形波であり、分周移相回路２のフリップフロップ２
１．２２のクロック入力に入力される。分周位相回路２
は、駆動速度変更回路１から入力された信号を４分周す
る動作を行うから、フリッププロップ２１．２２のセッ
ト出力Ｑからは、第４図（ｃ）、（ｄ）に示すように、
駆動速度変更回路１からの入力信号の４倍の周波数を有
し、かつ互いにπ／２の位相差を持った信号が出力され
る。

この分周移相回路２の出力信号は一時停止回路３のアン
ドゲート３１，３２に共通に入力される。

これらアンドゲート３１，３２の他方の入力にはタイマ
３３の反転セット出力Ｑの出力信号が入力されているが
、タイマ３３は駆動速度変更信号が″Ｈ”レベルである
ために動作していない。このため、タイマ３３の反転セ
ット出力Ｑの出力信号は“Ｈ”レベルである。したがっ
て、アントゲート３１，３２に、入力された信号は第４
図（ｆ）。

（ｇ）に示すようにそのまま出力され、電力増幅器４ａ
、４ｂで増幅されて超音波モータ５の圧電体５２の電極
５２ａ、５２ｂに印加される。これにより、圧電体５２
には屈曲振動が生じ、回転子５６が回転する。

次に、駆動速度変更信号を′″ＨＩＩからＩｔ　Ｌ　Ｉ
Ｉに切換えて低速駆動する場合の動作について考える。

駆動速度信号が１１　Ｌ　Ｉ＋レベルとなると、駆動速
度変更回路１ではナントゲート１５が閉じてナントゲー
ト１４が開き、低速用発振器１１の出力信号が該ナント
ゲート１４によって選択されてナントゲート１６を通じ
て出力される。

分周移相回路２ば高速駆動の場合と同様にして駆動速度
変更回路１からの出力信号を分周して一時停止回路３の
アンドゲート３１，３２に入力するが、駆動速度変更信
号が第４図のｔ工時点で１１　ＨＩＩから１１　Ｌ　Ｉ
Ｔに変化したとすると、このｔ８時点でタイマ３３が起
動され、該タイマ３３の反転出力端子Ｑから第４図（ｅ
）に示すように設定時間しＳの間だけ“′Ｌ″レベルと
なる信号が出力される。このため、アンドゲート３１゜
３２は第４図（ｆ）、（ｇ）に示すようにｕｓＳ時間間
だけ閉じられ、その出力信号はｒｒＬ″ルベルになる。

アンドゲート３１，３２の出力信号が１１　Ｌ　１１レ
ベルになると、超音波モータ５では交流入力電圧がしＳ
時間だけ遮断されたことになり、一時的に停止状態とな
る。一時停止状態になると、振動体５３の振動の振帽が
小さくなり、振動体５３と回転子５６との間の摩擦力は
急激に増大する。これによって、回転子５６は急激に減
速されることになる。

ｔｓＳ時間経過してタイマ３３の反転出力端子Ｑの出力
信号が′Ｈ”レベルに復帰すると、アンドゲート３１，
３２が開き、低速度５　ｒｐｍに対応した周波数の信号
がアンドゲート３１，３２から出力されるようになり、
超音波モータ５は低速駆動状態となる。

第５図は低速駆動へ切換える時の超音波モータ５の駆動
速度の変化を示したグラフであり、ｔ工は駆動速度変更
信号をＩＩ　ＨＩＩから１１　Ｌ　ＩＩに切換えた時刻
、しｓは一時停止時間、ｔ、は駆動速度が目標の５　ｒ
ｐ＠になった時刻であり、実験の結果、ｔｓ＝５ｍｓ、
ｔ、〜ｔ２＝７ｍｓという結果が得られた。

因に、一時停止回路３を用いずに低速駆動へ切換える従
来装置においては、第６図のグラフに示すような駆動速
度の変化となり、しい時点て駆動速度変更信号を切換え
てから目標の５　ｒｐｔｎに達する時点し２までの時間
は約５０ｍ５であり、本発明によって減速時間が１／７
に短縮された。

なお、タイマ３３の設定時間しＳは、負荷の大きさ、減
速の目標値などを考慮して、交流電流を一時停止した後
に回転子５６が急減速して目標の低速回転数になるまで
の時間を実験で求めて設定すればよい。また、タイマ３
３を駆動速度変更信号の立ち下がりで起動するようにし
ているから、低速駆動から高速駆動へ切換える時はタイ
マ３３が起動されず、一時停止状態とはならないので直
ちに高速駆動状態となる。

以上のように本実施例によれば、高速駆動から低速駆動
への切換時はタイマ３３で設定された時間ｔｓだけ超音
波モータ５に入力する交流電圧信号を遮断して一時停止
状態とし、その後に低速駆動状態とするようにしたため
、減速時間が大幅に短縮され、目標とする低速度に短時
間で切換えることができるという効果がある。

−第２の実施例− 第７図は本発明の第２の実施例を示すブロック図であり
、第１図と同一部分は同一記号で示している。

この実施例は超音波モータ１の回転子５６に該回転子の
回転速度に応じたパルスを発生するロータリエンコーダ
６を連結し、このエンコーダ６で超音波モータ５の実回
転速度に対応した周波数の信号を取出し、この信号をＦ
Ｖ変換器７で対応するレベルの電圧信号に変換し、一時
停止回路３のコンパレータ３４に入力する。そして、可
変抵抗器ＶＲで設定されている目標の低速度に対応する
電圧信号とＦＶ変換器７の出力電圧とを比較して、超音
波モータ５の実回転速度が目標の低速度に達したか否か
を検出する。目標の低速度になるまでの間はコンパレー
タ３４の出力レベルを１１　Ｌ　＋ルーベルにし、目標
の低速度になると“Ｈｌ＋レベルにする。このコンパレ
ータ３４の出力信号は駆動速度変更信号とともにオアゲ
ート３５に人力され、このオアゲート３５を介してアン
ドゲート３１゜３２に入力される。そして、アンドゲー
ト３１゜３２の一方の入力には分周移相回路２の出力信
号が入力されている。

したがって、高速駆動から低速駆動に切換えた時は、超
音波モータ５の実回転速度が目標の低速度になるまでの
間、オアゲート３５の２つの入力信号レベルが１１　Ｌ
　Ｉ＋レベルに保持され、目標の低速度になるとコンパ
レータ３４からの入力信号がｕ　Ｈｎレベルに復帰する
。このため、アンドゲート３１，３２は目標の低速度に
なるまでは閉じ、目標の低速度になったときに開き１分
周移相回路２の出力信号を電力増幅器４ａ、４ｂに入力
する。

これによって、目標の低速度に達するまで一時停止状態
となり、第１図の実施例と同様な作用によって短時間で
減速させることができる。

この実施例によれば、超音波モータ５の実回転速度を検
出しているため、超音波モータ５の負荷の大小によって
慣性力が変化したとしても、その慣性力の大小に応じて
一時停止状態の時間が自動的に伸縮され、負荷の大小に
よってタイマの設定時間を設定し直す必要がないという
利点がある。

なお、本発明のロータリーエンコーダ６に代って、回転
子５６にパルス発生用パターンを形成、あるいはパルス
発生用パターンを取付けて、エンコーダとしても良い。

一第３の実施例− 第８図の第３の実施例に示すように、第２の実施例のロ
リータエンコーダ６の代わりにタコジェネレータ８を用
いれば、ＦＶ変換器７を省略することができる。

一第４の実施例− 第９図は第４の実施例を示すブロック図である。

この実施例では圧電体５２上のモニタ電極５２ｄから取
り出される交流電圧を交流／直流変換器９で直流電圧に
変換し、その変換出力電圧を第７図の実施例と同様のコ
ンパレータ３４に人力する。

振動体５３の振動の振幅は回転速度が低くなるに従って
小さくなる。したがって、可変抵抗器ＶＲで設定するコ
ンパレータ３４の基準電圧として、目標の低速度状態で
の振動振幅値に対応する電圧を設定しておけば、超音波
モータ５の実回転速度が目標の低速度に達するまでの間
はコンパレータ３４の出力信号はＬＬ　Ｌ”レベルとな
り、目標の低速度に達するとｕ　Ｈｎレベルになる。コ
ンパレータ３４の出力信号は第７図の実施例と同様にオ
アゲート３５に入力されている。したがって、この実施
例においても第７図の実施例と同様な効果を得ることが
できる。

なお、上記の各実施例においては超音波モータ５に入力
する交流電圧信号をゲート回路で遮断することにより一
時停止状態を生じさせているが、リレー接点やスイッチ
等によって超音波モータ５への入力電圧を機械的に遮断
してもよい。

また、超音波モータ５への入力電圧の値を変更して駆動
速度を減速する場合には、高速駆動から低速駆動への切
換時に入力電圧の値を一時的に零にする構成とすること
により、同様の効果が得られる。

一第５の実施例− この実施例は、印加交流電圧を一時的に直流電圧として
一時停止状態を得るものある。第１０図に第５の実施例
を示す。

フリップフロップ２１．２２のクリア端子ＣＬにタイマ
３３の反転出力端子Ｑの出力信号を入力し、タイマ３３
の・作動時間中はフリップフロップ２１．２２をリセッ
ト状態にし、電力増幅器４ａ。

４ｂにはフリップフロップ２２および２１の反転セット
出力Ｑの出力信号を直接入力する。このようにすれば、
超音波モータ５に入力される信号がタイマ３３の作動時
間の間だけＩＩ　ＨＩ＋レベルの直流成分のみとなり、
超音波モータ５に入力される信号の周波数がタイマ３３
作動時間だけ零となり、第１図の実施例と同様な効果を
得ることができる。

なお、本発明はリニア形超音波モータにも適用できるこ
とは言うまでもない。

Ｇ０発明の詳細 な説明したように本発明によれば、超音波モータを高速
駆動から低速駆動へ切換える時は、超音波モータの圧電
体に印加する交流電圧信号の周波数を所定時間だけ零に
するようにしたため、超音波モータを短時間で減速させ
、低速駆動に切換えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示すブロック図、第２
図（ａ）、（ｂ）は超音波モータの概略構成を示す断面
図および斜視図、第３図は超音波モータの駆動周波数と
駆動速度との関係を示す特性曲線図、第４図は第１図の
実施例の各部の入出力信号のタイムチャート、第５図は
低速度へ切換える時の速度変化を示したグラフ、第６図
は従来装置において低速度へ切換える時の速度変化を示
すグラフ、第７図は本発明の第２の実施例を示すブロッ
ク図、第８図は本発明の第３の実施例を示すブロック図
、第９図は本発明の第４の実施例を示すブロック図、第
１０図は本発明の第５の実施例を示すブロック図である
。 １：駆動速度変更回路　　２：分周移相回路３ニ一時停
止回路　４ａ、４ｂ：電力増幅器５：超音波モータ　６
：ロリータエンコーダ７：ＦＶ変換器　　８：タコジェ
ネレータ９：交流／直流変換器 １０　Ａ　：　駆動信号形成回路　１０Ｂ：切換回路１
１．１２：発振器 ２１．２２：フリップフロップ ３１．３２：アンドゲート ３３：タイマ　　　３４：コンパレータ５１：弾性体　
　　５２：圧電体 ５２ａ〜５２ｄ：電極 ５３：振動体　　　５４ニスライダ ５５：ロータ　　　５６：回転子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）圧電体の励振により弾性体に進行性振動波を発生す
   る固定子と、加圧手段により前記固定子に加圧接触され
   前記進行性振動波により駆動される移動子とから成る超
   音波モータの駆動装置において、 前記圧電体に印加する高速駆動用および低速駆動用の交
   番電圧信号をそれぞれ形成する駆動信号形成手段と、 高速駆動用または低速駆動用の交番電圧信号を択一的に
   切換えて前記圧電体に印加せしめる切換手段と、 高速駆動から低速駆動への切換時に、前記圧電体に印加
   する交番電圧信号の周波数を所定時間だけ少なくとも零
   にする一時停止手段を有することを特徴とする超音波モ
   ータの駆動装置。 ２）前記一時停止手段は、前記交番電圧信号を所定時間
   だけ遮断することによりその周波数を零にするものであ
   る請求項１に記載の超音波モータの駆動装置。 ３）前記一時停止手段は、前記交番電圧信号を直流成分
   のみにすることによりその周波数を零にするものである
   請求項１に記載の超音波モータの駆動装置。