JPH0365078A - 超音波モータの駆動制御装置 - 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、圧電体と弾性体とからなる駆動用の振動子を
有する超音波モータの駆動制御装置に関する。

さらに詳述すると、弾性体に圧電体を固着して構成する
振動子を固定子又は回転子として、それに回転子又は固
定子を加圧接触し、前記圧電体に供給される高周波電力
により、前記弾性体に生じる進行波の作用で回転力を取
り出す超音波モータの駆動制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、この種の超音波モータの駆動制御装置は、前記圧
電体へ電力を供給する電源供給手段と、前記回転子の回
転数を検出するエンコーダ等のセンサと、前記センサか
らの出力信号を設定値に維持するように前記電源供給手
段の出力電圧を制御する速度制御手段とを設けて構成し
ていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記従来技術には、前記回転子の回転数を検出
するために、前記超音波モータにエンコーダ等のセンサ
を設けることが必要であり、前記センサを前記超音波モ
ータの内部に組み込む構成のものにあっては、構造が複
雑になり、その出力を取り出すための配線も必要となる
ので、結果としてモータの製作工程が複雑となるばかり
か、モータのコスト上昇にもつながるという欠点があっ
た。

また、前記センサを前記超音波モータとは別に設けるも
のにあっても、前記エンコーダ等のセンサと、そのセン
サを前記超音波モータの出力軸に取り付けるための部品
が必要となり、やはりコストが上昇するばかりでなく、
超音波モータの特徴であるシンプルな構造を生かすこと
ができないという欠点もあった。

本発明の目的は上述した従来欠点を解消する点にある。

［課題を解決するための手段〕 この目的を達成するため、本発明による超音波モータの
駆動制御装置の特徴構成は、圧電体と弾性体とからなる
駆動用の振動子を有する超音波モータに対し、前記圧電
体に高周波電力を供給する電源供給手段と、 前記圧電体への印加電圧と通電電流とを検出し、その検
出結果に基づいて前記振動子の振動速度を導出する速度
検出手段と、 その速度検出手段からの出力信号を設定値に維持するよ
うに前記電源供給手段の出力電圧を制御する速度制御手
段とを設けてあることにある。

前記駆動制御装置には、前記速度検出手段からの出力信
号を設定値に維持するように前記電源供給手段の発振周
波数を制御する周波数制御手段を設けてあることが好ま
しい。

〔作用〕

つまり、速度検出手段は、後述の原理に基づき、前記圧
電体に対する印加電圧及び通電電流を検出し、その検出
結果から前記振動子の振動速度に比例する信号を出力す
るのである。

そして、速度制御手段は、その出力信号が設定値と等し
くなるように、前記電源供給手段の出力電圧を制御する
ことで、前記超音波モータの回転速度を一定に維持する
のである。

さらに、前記設定値を可変にすることで、前記超音波モ
ータの回転速度を任意の速度に制御することも可能とな
るのである。

また、前記速度検出手段の出力信号は、前記圧電体への
印加電圧の周波数と前記振動子の共振周波数との差に起
因する位相差を示す項を含むものであり、周波数制御手
段は、その出力信号と前記印加電圧との位相差を比較し
、その位相差を設定値に維持するように、前記電源供給
手段の発振周波数を制御することで、前記超音波モータ
を、定速で、高効率、且つ、安定に動作させることが可
能となるのである。

つまり、前記超音波モータは、温度、負荷、駆動電圧等
の使用環境、条件の変動に伴い、前記弾性体の機械的な
共振周波数が変動することで、エネルギー変換効率が低
下し、回転動作自体も不安定となる。このため、従来、
前記共振周波数に追尾するための別途のセンサをも設け
ていたのであるが、前記速度検出手段の出力信号を用い
ることで、前記周波数制御手段が、前記振動子の振動状
態を前記共振周波数に追尾することができ、前記別途の
センサを設けることなく、前記超音波モータを高効率、
且つ、安定に動作させることができるのである。

前記周波数制御手段としては、例えば、ＰＬＬを用いる
ことができ、ＰＬＬの出力を前記電源供給手段に設けた
インバータ回路に供給することで、前記電源供給手段の
発振周波数を制御することができる。

以下に、その原理を述べる。

圧電振動子の理論を超音波モータに適用すると、電源供
給手段により印加された交流電圧今により圧電体が速度
÷で振動するとき、圧電体と弾性体で構成される振動子
に対して、前記圧電体に流れ込む電流１、及び、起振力
ｔは、電気音響変換基本式に基づき、次式で表される。

ｉ＝？＋Ａ◇ Ｐ　＝−Ａ＋之÷　　　　　（１） ここで、Ｙは電気アドミタンスであり、Ａは電気系と機
械系の変換結合係数で力係数といい、之は機械インピー
ダンスである。また変数にドツトを付しであるのはベク
トル量である。

第５図に示すように、機械端子に音響インピーダンス之
′を接続したときの前記振動子系の等価回路を考えると
、振動速度÷と電気端子電圧９との関係は、（１）式か
ら、 ÷＝Ａ９／（之＋之’）　　　　（２）と表される。

今、振動子を、質量ｍ、スチフネスＳ、抵抗ｒからなる
単一共振系としての集中モデルで考え、之′＝ｒ′＋ｊ
゛Ｘ′とおくと、 之＋之’　　＝ｒ＋ｒ・ ＋ｊｘ’＋ｊωｍ＋ｓ／ｊω （１）、＝　　（−Ｘ’　　＋（ｘ’　”＋４ｍ５）”
”）　７２ｍ　　（３）ここで、ω、は機械共振角周波
数であり、ω　は動作角周波数である。

従って、（２）式から÷と９の位相に注目すると、 ◇＝Ａ／１　之＋之′　１・ｅｘｐ（−ｊφ）　・とな
り、以下の三通りの場合が考えられる。

ｉ、ωくωｒ　：÷は９に対してφ進相ｉｉ　、　　ω
＝ω、：↓は９と同相 ｉｉｉ　、　ω〉ω、：÷は９に対してφ遅相さらに、
振動子の等価回路は、第６図に示すように、圧電的機械
振動を発生させる直列共振回路のり、　Ｃ１抵抗Ｒ１振
動に無関係の静電容量Ｃ６で表すことができ、（１）式
は、１　＝　ｊ　ωＣａ　Ｖ　＋　Ａ　ｖ　　　　（５
）となる。但し、ωは交流電圧９の角周波数である。

第７図に示すように、前記圧電体への通電電流を検出す
る通電電流検出手段の出力電圧。

は、 Ｖｃ−１／ｊωＣＰ ＝Ｃ４／ＣＰ＋Ａ÷／ｊωＣＰ（６） となる。但し、変流器の巻数比をｌ：Ｐ、変流器の二次
側に配したコンデンサの容量をＣとする。

また、前記圧電体への印加電圧を検出する印加電圧検出
手段の出力電圧Ｎは、 礼＝／　Ｎ　　　　　　　　　　　　　（７）となる。

但し、変圧器の巻数比をＮ：１とする。

次に、前記出力電圧？、、ｖ、を演算手段により差動増
幅すると、その出力電圧９Ｆは、Ｖ、　＝Ｋ　（。−１
，） ＝Ｋ　（Ｃ，／ＣＰ−１／Ｎ）　　・９＋ＫＡ／　（ｊ
　ωｃＰ）　　・ｖ　　　　（８）となる。但し、Ｋは
差動利得である。

ここで、 ｃ、ｔ／ＣＰ＝ｌ／Ｎ　　　　　　　　　　　　（９）
となるように、Ｃ，Ｐ、Ｎの値を選定すると、（８〉式
は次のように表すことができる。

＜ｉｐ　＝ＫＡ／　（ｊ　（１）ＣＰ）　　・ｖ　　　
　　（１０）ここで、ＫＡ／（ωＣＰ）は実数であるか
ら、ＶＰとＶとの位相関係には影響を与えない。

（１０）式から出力電圧９Ｐは、その振幅が比例関係に
あり、位相が９０°遅れの関係にある圧電体の振動速度
↓を検出することになる。

交流電圧の角周波数ωの変動が少ないならば、ＫＡ／（
ωＣＰ）は一定とみなすことかできる。前記振動子の速
度Ｖを、 ｖ＝ｖｏｓｉｎωｔ とおき、■、の半周期の平均値をとると、ｌ　　　π　
ＫＡ ””　”’　　　　ｆｏ　　（Ｌ）ＣＰ　ｖ０巾（ωｔ
）・ｄπ ””　　””’　　２ＫＡｖｏ　／　ωｃＰπωＣＰπ は、定数とみなせるから、ｖ７を一定の値に制御すれば
、ｖｏが一定値となり、が一定となる。前記振動子の変
位をξ、その振幅をξ。とすると、 ξｏ＝ｖｏ／ω となり、ＶＰｓｉを一定に制御すれば変位ξが一定、即
ち、回転速度が一定となる。

また、速度÷と前記振動子への印加電圧９の関係を示す
（４）式より、（１０）式はＶ、＝ＫＡ２／　（ωＣＰ
　　ＩＺ＋Ｚ’　ｌ　　）（ωｔ） ・ｅｘｐ（−Ｊ（＋φ）　）　　Ｖ　　　（１１−）２ となり、９Ｆと９の位相関係は、以下の三通りの場合に
分けることができる。

ｉｖ、ωくω、：９Ｐはつに対して９０’−φ遅相 ■、ω＝ω、：Ｖ、は９に対して９０°遅相ｖｉ、ω〉
ωｒ　二９．は９に対して９０°＋φ遅相 以上より、９２、即ち、前記速度検出手段からの出力信
号を、圧電体への印加電圧９より位相を９０°遅らすこ
とにより、常に圧電振動子を共振周波数ω、で駆動する
ことができる。

〔発明の効果〕

従って、本発明による超音波モータの駆動制御装置では
、速度検出手段が、圧電体への印加電圧と通電電流を検
出し、その検出結果に基づき振動子の振動速度に比例す
る信号、即ち、回転数に代わる信号を出力するので、前
記超音波モータの回転数を検出するためのエンコーダ等
のセンサを前記超音波モータに組み込んだり、前記超音
波モータとは別に設けたりすることが不要となり、モー
タのコスト上昇を回避し、超音波モータの特徴であるシ
ンプルな構造を生かしながらも、前記超音波モータを定
速に制御することが可能となった。

さらに、前記速度検出手段の出力信号を用いて、印加電
圧の周波数を振動子の共振周波数に追尾することにより
、超音波モータを極めて安定、且つ、効率良く最適な動
作状態に制御しながら、最適の速度の制御をすることが
可能となった。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図に示すように、超音波モータ（Ｍ）は、圧電体（
１〉に弾性体（２）を固着し、超音波の進行波を発生す
るリング状の固定子（３）と、その固定子（３）に加圧
接触して回転する回転子（４）とから構威しである。即
ち、前記固定子（３）が振動子（３′）となる。

前記圧電体（１）は、周方向に領域（Ａ）　、　（Ｂ）
に二分割してあり、各領域（Ａ）　、　（Ｂ）は波長λ
の二分の−の間隔で隣り合う区分を交互に厚み方向に分
極処理するとともに、それら領域（Ａ）。

（Ｂ）間を四分の三波長ずらせて配置しである。

前記領域（Ａ）　、　（Ｂ）に９０°位相の異なる高周
波電圧を印加することにより、前記領域（Ａ）。

（Ｂ）に対応する前記固定子（３）に発生する定在波が
相互に干渉を起こし、合成されて進行波となる。

即ち、前記回転子（４）は、前記固定子（３）に発生す
る進行波に基づく前記固定子（３）との摩擦力により回
転するのである。

前記超音波モータ（Ｍ）の駆動制御装置は、第１図に示
すように、前記圧電体（１）に高周波電力を供給する電
源供給手段（５）と、前記振動子（３”）の振動速度、
及び、機械的な共振周波数と前記圧電体（１）への印加
電圧の周波数との差により生じる位相差を検出する速度
検出手段（６）と、その速度検出手段（６）の出力信号
と前記印加電圧との位相を比較し、その位相差を設定値
に維持するように、前記電源供給手段（５）の発振周波
数を制御する周波数制御手段（７）と、前記速度検出手
段（６）の出力信号に基づき前記電源供給手段（５）の
出力電圧、即ち、前記圧電体（１）への印加電圧を制御
する速度制御手段（８）等で構威しである。

前記電源供給手段（５）は、前段に、前記速度制御手段
（８）の出力信号に基づき、駆動回路（ＤＩ）を介して
スイッチ（Ｓ５）による通流率を変えることで、出力電
圧を可変する直流チョッパ回路（５ａ）を、そして後段
に、前記周波数制御手段（７）の出力信号に基づき、駆
動回路（Ｄ２）を介してスイッチ（Ｓｌ）からスイッチ
（Ｓ４）を開閉することで、周波数を可変するインバー
タ回路（５ｂ）を設けて構威しである。

前記インバータ回路（５ｂ）は、電源分割形ハーフブリ
ッジインバータを二組組み合わせて、位相が９０°ずれ
た二相の方形波を出力するもので、それぞれの出力端子
は、昇降用のトランス（Ｔｌ）　、　（Ｔ２）を介して
、前記超音波モータ（１’ｌ）の前記圧電体（１）の領
域（Ａ）　、　（Ｂ）に設けてある電極に接続しである
。

尚、前記方形波は、前記トランス（ｒ＋）、（’ｒｚ）
のもれインダクタンスにより、正弦波に波形成形される
。

前記速度検出手段（６）は、前記圧電体（１）への印加
電圧Ｖを検出する印加電圧検出手段（６ａ）と、通電電
流■を検出する通電電流検出手段（６ｂ）と、それら出
力信号を差動増幅する演算手段（６ｃ）等で構威しであ
る。

前記印加電圧検出手段（６ａ）は、巻数比Ｎ：１の変圧
器（ＰＴ　’）の二次側にプートストラップ回路（Ｂ１
）を接続して構威し、前記通電電流検出手段（６ｂ）は
、巻数比１：Ｐの変流器（ＣＴ）の二次側に容ｆ！ｋＣ
のコンデンサ（Ｃ３）を介して、プートストラップ回路
（Ｂ２）を接続して構威してあり、共に前記トランス（
Ｔ２）の二次側に介装しである。

そして、前記定数Ｎ、Ｐ、Ｃは、前記圧電体（１）の静
電容量Ｃ４に対して、 Ｃ，＝Ｃ−Ｐ／Ｎ となるように設定しである。

前記印加電圧検出手段（６ａ）の出力電圧■８と前記通
電電流検出手段（６ｂ）の出力電圧Ｖ、を前記演算手段
（６ｃ）により差動増幅した結果、その出力電圧■、は
、〔作用〕の項で述べたように、前記印加電圧Ｖの周波
数と前記振動子（３゛）の共振周波数との差により生じ
る位相差を表す項を含む。

前記周波数制御手段（７）は、位相比較器（ＰＣ）と出
力反転形のローパスフィルタ（ＬＰＦ）と電圧制御発振
器（ＶＣＯ）とからなるＰＬＬで、前記電圧制御発振器
（ＶＣＯ）の出力は前記駆動回路（Ｂ２）に接続しであ
る。

前記位相比較器（ＰＣ）と前記ローパスフィルタ（ＬＰ
Ｆ）との間には、前記位相比較器（ＰＣ）の出力電圧を
補正する位相補正手段（ＰＳＣ）を介装しである。

前記位相比較器（ＰＣ）は、前記印加電圧検出手段（６
ａ）の出力電圧■８と前記演算手段（６Ｃ）の出力電圧
■、を、フィルタ（Ｆｌ）、（Ｆ２）　、及び、方形波
に波形成形する比較器（ＣＯＭＩ）　、　（Ｃ０Ｍ２）
を介して人力してあり、第３図に示すように、両型圧Ｖ
Ｎ、ＶＦの位相差に相当する電圧を出力する。

前記電圧制御発振器（ＶＣＯ）は、第４図に示すように
、前記ローパスフィルタ（ＬＰＦ）により反転された前
記位相比較器（ＰＣ）の出力電圧値に応じてその出力周
波数を可変とするものである。

つまり、両電圧ＶＷ、ＶＰの位相差が９０”以下である
と、前記位相比較器（ＰＣ）の出力電圧が下がるので、
前記電圧制御発振器（ＶＣＯ）の出力周波数が高くなり
、インバータ回路（５ｂ）の発振周波数を高くする。

逆に、両電圧Ｖ、ｉ、Ｖ、の位相差が９０°以上である
と、前記位相比較器（ＰＣ）の出力電圧が上がるので、
前記電圧制御発振器（ＶＣＯ）の出力周波数が低くなり
、インバータ回路（５ｂ）の発振周波数を低くするので
ある。

上述の動作により、両電圧Ｖ、、Ｖ、の位相差を９０°
に維持する、即ち、前記振動子（３゛）の温度等の変化
により変動する共振周波数に追尾して駆動することがで
きる。

さらに、前記周波数制御手段（７）は、前記位相比較器
（ＰＣ）の出力電圧を、前記位相補正手段（ＰＳＣ）に
より補正することで、前記超音波モータ（Ｍ）が最も安
定、且つ、効率のよい駆動周波数である前記共振周波数
より若干高い周波数になるように、前記発振周波数を制
御するのである。

前記速度制御手段（８）は、前記速度検出手段（６）か
らの出力電圧■２を全波整流し平滑する絶対値回路（８
ａ）と、前記超音波モータ（Ｍ）の回転速度を設定する
速度設定回路（８ｃ）と、前記絶対値回路（８ａ）のフ
ィルタ〈８ｂ）を介しての出力電圧と前記速度設定回路
（８ｃ）の出力電圧とを比較する比較回路（８ｄ）とか
ら構威しである。

前記比較回路（８ｄ）の出力は、その出力をパルス幅変
調し前記スイッチ（Ｂ５）を開閉する前記駆動回路（Ｄ
ｌ）に接続してあり、もって、前記直流チョッパ回路（
５ａ）の出力電圧を可変する。

即ち、前記出力電圧ＶＰの平均値が前記速度設定回路（
８ｃ）の出力電圧より高ければ、前記比較回路（８ｄ）
の出力電圧が”Ｈ”となり、前記駆動回路（Ｄｌ）が前
記スイッチ（Ｓ５）の開閉デユーティを下げ、前記直流
チョッパ回路（５ａ）の出力電圧を下げることで、回転
速度を下げる。逆に、前記出力電圧Ｖ、の平均値が前記
速度設定回路（８ｃ〉の出力電圧より低ければ、前記比
較回路（８ｄ）の出力電圧が”Ｌ”となり、前記駆動回
路（Ｄｌ）が前記スイッチ（Ｓ５）の開閉デユーティを
上げ、前記直流チョッパ回路（５ａ）の出力電圧を上げ
ることで、回転速度を上げる。

Ｃ別実施例〕 以下に本発明の別実施例を説明する。

１、先の実施例では、前記印加電圧検出手段（６ａ）を
構威するに、巻数比Ｎ：１の変圧器（ＰＴ）を用いてい
るが、変圧器（ＰＴ）の代わりに、抵抗比がＮ−１：１
の抵抗を直列に接続して構成することにより、ＶＮを取
り出してもよい。

２、先の実施例では、前記速度検出手段（６）をトラン
ス（Ｔ２）の二次側に介装しであるが、トランス（Ｔ１
）の二次側に介装してもよく、さらには、両方のトラン
ス（ＴＩ）　、　（Ｔ２）に介装してもよい。

３、　先の実施例では、前記位相比較器（ＰＣ）に電圧
ＶＮ　、Ｖｐをコンパレータ（ＣＯ？’ｌｌ）　、　（
Ｃ０Ｍ２）を介して入力しているが、電圧ＶＮＯ代わり
に、前記圧電体（１）への印加電圧Ｖをコンパレータ（
ＣＯＭＩ）を介して人力してもよい。

４、先の実施例では、固定子を振動子として構成しであ
る回転型の超音波モータについて説明したが、超音波モ
ータとしては、回転子を振動子としたものや、柱状の弾
性体の端部に圧電体を設け、その弾性体に摺動自在のス
ライダを設けて構威しであるリニア型であってもよい。

さらに、異なる振動方向を持つ二つの振動を組み合わせ
ることにより、質点の運動軌跡を制御する複合振動子型
の超音波モータであってもよく、この場合には、前記電
圧■８゜ｖＰの位相差を９０°に維持することで、最も
安定、且つ、効率のよい駆動が可能となる。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にする為
に符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造
に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る超音波モータの駆動制御装置の実施
例を示し、第１図は回路図、第２図（イ）及び（Ｉｌ＋
）は超音波モータの構成図、第３図は位相比較器の出力
特性図、第４図は電圧制御発振器の出力特性図、第５図
は圧電振動子系の等価回路図、第６図は超音波モータの
等価回路図、第７図は位相差検出手段の回路ブロック図
である。 （１）・・・・・・圧電体、（２）・・・・・・弾性体
、（３゛）・・・・・・振動子、（５）・・・・・・電
源供給手段、（６）・旧・・速度検出手段、（７）・・
・・・・周波数制御手段、（Ｍ）・・・・・・超音波モ
ータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．圧電体（１）と弾性体（２）とからなる駆動用の振
   動子（３’）を有する超音波モータ（Ｍ）に対し、前記
   圧電体（１）に高周波電力を供給する電源供給手段（５
   ）と、 前記圧電体（１）への印加電圧と通電電流とを検出し、
   その検出結果に基づいて前記振動子（３’）の振動速度
   を導出する速度検出手段（６）と、 その速度検出手段（６）からの出力信号を設定値に維持
   するように前記電源供給手段（５）の出力電圧を制御す
   る速度制御手段（８）とを設けてある超音波モータの駆
   動制御装置。
2. ２．前記速度検出手段（６）からの出力信号を設定値に
   維持するように前記電源供給手段（５）の発振周波数を
   制御する周波数制御手段（７）を設けてある請求項１記
   載の超音波モータの駆動制御装置。