JPH04161076A - 超音波モータの速度制御装置 - 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、超音波モータの速度制御装置に関し、詳しく
は経験則に基づき超音波モータの駆動量と速度に関する
制御ルールと、それを構成するファジィ変数のメンバシ
ップ関数とによって最適な駆動量を推論し、その結果に
基づいて速度制御を行う超音波モータの速度制御装置に
関するものである。

［従来の技術］ 超音波モータは、高周波機械振動を行う超音波振動子に
蓄積された振動エネルギを利用し、摩擦力により駆動さ
れるモータであるため、可動子と固定子が非接触状態で
駆動力を得る電磁モータに比べて一般に応答性に優れて
いる。

超音波振動子の駆動源としては、おもに圧電体が用いら
れており、印加電圧の振幅に比例した速度が得られるた
め印加電圧の振幅が速度制御パラメータとして用いられ
ることが多い。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、超音波モータの負荷変動率が大きいと、
可動子と固定子との摺動面に於いてすべりが発生して所
望速度からはずれる。そのとき、短時間で所望速度を得
るために印加電圧振幅を大幅に増加するため、−時的に
すべりか更に増加するという悪循環が発生する。その結
果応答性が著しく低下し、超音波モータ本来の長所が損
なわれてしまう事があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、動作条件の変化によらず、すみやかに所望の
速度を得ることが可能な超音波モータの速度制御装置を
得ることをその目的としている。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の超音波モータの速度
制御装置に於て、超音波モータの速度検出手段と、超音
波モータの駆動量を求めるために用いられる経験則に基
づいた制御ルールを記憶する記憶手段と、前記速度検出
手段より得られた速度情報を用い、前記記憶手段に記憶
された制御ルールに基づいてファジィ論理演算を行い駆
動距離を演算する演算手段とを備えている。

また、前記超音波モータは、振動方向が互いに直交する
２方向の振動が励振される超音波振動子を備えたもので
もよい。

［作用］ 上記の構成を有する超音波モータの速度制御装置に於て
は、速度検出手段より得られた速度情報と、記憶手段に
予め記憶されている経験則から導かれた制御ルールに基
づいて、演算手段によりファジィ論理演算が行われ、駆
動量を制御する。そして、動作条件によらずできるだけ
摺動面に於ける滑りを小さくすることができ、その結果
速やかに所望の速度を得る。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

本実施例に用いる超音波振動子は、例えば特願平１−４
６８６６号の願書に添付した明細書及び図面により提案
されているような、機械共振器を含んだ超音波振動子を
用いる。以下に、その構成の一例を第２図を参照して説
明する。

矩形角柱形状を有する弾性体２１の上面に、第１圧電体
２２が着設され、かつその着設面と略直交する側面に第
２圧電体２３ａ及び２３ｂが着設されて超音波振動子１
１が構成されている。

弾性体２１の長手方向中心には、それを固定するための
固定ボルト２４ａ及び２４ｂが着設されている。固定ボ
ルト２４ａ及び２４ｂの他の一端は、基台２５ａ及び２
５ｂに固定されている。

また、第１圧電体２２の上面には、給電用の電極２６が
着設されている。そして、第２圧電体２３ａ及び２３ｂ
の上面にも、給電用の電極２７ａ及び２７ｂが着設され
ている。弾性体２１自身はアース電極を兼ねており、弾
性体２１は固定ボルト２４ａ及び２４ｂを介して基台２
５ａ及び２５ｂに接地されている。

上述の超音波振動子１１の駆動回路について以下に説明
する。交流電源２８の出力がフユーズシフタ２９に入力
されている。ここに、交流電源２８は、所定の範囲の周
波数の交流電圧が出力可能なものである。そのフユーズ
シフタ２９の出力が、アンプ３０ａ及び３０ｂに入力さ
れた後、電極２６、電極２７ａ及び２７ｂに接続されて
いる。アンプ３０ａ及び３０ｂは、その増幅率が可変と
なっており、所定の範囲の電圧振幅を出力可能とするた
めのものである。

次に、上述の超音波振動子１１の作用につき以下の説明
する。

弾性体２１は、所定の周波数ｆに於いて、その厚さ方向
に両端自由端２次モードで曲げ振動し、且つ大略同一の
周波数ｆに於いて長さ方向に両端自由端１次モードで縦
振動するようにその形状寸法を調節されている。

一般に、弾性体中を伝ばんする縦振動の共振周波数は、
弾性体の長さに依存する。また、弾性体の厚さ方向の曲
げ振動の共振周波数は、前記長さ及び厚さに依存する。

従って、前述のような弾性体２１を設計することは容易
であるので、その詳細は省く。

交流電源２８により、第１圧電体２２に前記所定周波数
ｆの交流電圧を印加して振動させると、弾性体２１は曲
げ振動２次モードで共振し、定在波が励振される。次に
第２圧電体２３ａ及び２３ｂに大略前記周波数ｆの交流
電圧を印加して振動させると、前記弾性体２１は縦振動
１次モートで振動し、定在波が励振される。つまり、前
記固定ボルト２４ａ及び２４ｂで固定される位置は、各
定在波の節となっている。

この時、フェーズシフタ２９或はアンプ３’　Ｏａ及び
３０ｂを用いて、第１圧電体２２と第２圧電体２３ａ及
び２３ｂに印加する電圧の振幅あるいは位相を調節する
と、弾性体２１に所望の形状の略楕円運動を発生するこ
とができる。

尚、上述の実施例では縦振動１次モードと曲げ振動２次
モードを励振し、その合成により略楕円運動を得る超音
波振動子について説明したが、その振動はそれに限定さ
れるものではなく、縦振動、曲げ振動、せん断振動、ね
じり振動など種々の振動の組合せが可能であり、またそ
れらの高次モードを利用することも可能である。また、
この時超音波・振動子１１の振動振幅は、第１圧電体２
２、第２圧電体２３ａ、２３ｂの入力電圧振幅にほぼ比
例する。

上述の超音波振動子１１を好適に利用した超音波モータ
３５の動作原理について、第３図及び第４図を参照しつ
つ以下に説明する。第４図は、超音波振動子１１の圧電
体に印加する入力電圧波形を示した図である。同図に於
て、第２図と同じ符号の記された各部材は、前記詳述し
た各構成部材と同一であることを示している。

超音波振動子に於いて、縦振動に関し最大振幅を与える
両端部には、駆動子３２が形成されている。駆動子３２
には、可動子３４が図示しない圧着機構により圧着され
ている。

超音波振動子１１に交流電気信号を印加し５て振動させ
ると、超音波振動子１１は第３図（ａ）乃至（ｄ）に示
されるような振動形態を繰り返すことによって、駆動力
を発生する。即ち、第３図（ａ）では縦振動の伸長時に
左側の駆動部３２が可動子３４に接するように両振動の
位相が調節されている。次に、時間とともに第３図（ａ
）　　・（ｂ）　　・　（Ｃ）と形状が変化していく。

その結果、今度は縦振動の収縮時に右側の駆動部３２が
可動子３４に接する。駆動子３２と可動子３４とが接す
るときにそれらの摩擦力に起因する駆動力を受け、所定
方向に推力を発生するものである。２つの駆動子３２の
推力発生方向は、同一動作条件に於いては、常に同一方
向を向いている。またその駆動方向は、入力電圧位相に
より任意に変更可能である。さらに、駆動速度は入力電
圧の振幅或は位相により調節可能である。

上述の超音波モータ３５では、可動子として直線形状の
ものを例にとり説明したが、それに限定されるものでは
なく、円板形状、球形状の可動子を用い、回転型モータ
を構成することも可能である。

次に、本実施例の超音波モータの速度制御装置４０の構
成につき、第１図を参照して以下に説明する。

超音波モータ３５はその位置検出手段として、光学式エ
ンコーダ４１ａ及び４１ｂが設置されている。光学式エ
ンコーダ４１ａより出力された位置情報は、ファジィ推
論プロセッサ４２に入力され、以下に詳述する相対速度
ｘ１及びその差分Ｘ２を得る。すなわち、位置情報の変
化率から、可動子３４の速度が得られ、又超音波振動子
１１の第２圧電体２３ａ及び２３ｂの印加電圧振幅から
その超音波振動子１１の速度が得られるため、相対速度
が求められる。超音波モータの駆動量を求めるために用
いられる経験則に基づいた制御ルールを記憶する記憶手
段としてメモリ４３が設けられ、ファジィ推論プロセッ
サ４２に接続されている。このメモリ４３は、格納され
ている制御ルールを変更したり追加したりできるように
なっている。ファジィ推論プロセッサ４２は、以下に詳
述するように超音波モータ３５の圧電体２３ａ及び２３
ｂに入力される駆動量を推論し、得られた駆動量を制御
装置４４に出力する。この制御装置４４は、上述の縦振
動を励振するための電圧振幅制御用アンプ３０ｂに接続
されている。ここに、ファジィ推論プロセッサ４２は演
算装置に相当し、８ビツトマイクロプロセツサや１６ビ
ツトマイクロプロセツサ等が使用される。本実施例では
、ファジィ推論プロセッサ４２で推論する駆動量として
超音波モータ３５に着設された圧電体２３ａ及び２３ｂ
の入力電圧振幅を使用している。

以下に、本実施例の超音波モータの速度制御装置４０の
駆動量である、圧電体２３ａ及び２３ｂへの入力電圧振
幅を求めるファジィ推論につき詳述する。ファジィ推論
は、ファジィ関係の合成則に基づくものであり、制御対
象により異なった制御ルールを基に実行される。

まず、超音波モータ３５に於ける駆動力発生機構につい
て詳述する。超音波振動子１１の摺動部位３２に於いて
は、上記詳述したように、楕円振動によって可動子３４
に駆動力Ｆ１を与え、この反作用として可動子３４は超
音波振動子１１に反力Ｆ２を与える。可動子３４の接触
面には、駆動力Ｆ１によって可動子摺動部位を変形させ
る力、即ちせん断力が発生する。同時に、超音波振動子
１１の接触面である駆動子３２には、反力Ｆ２によって
せん断力が発生する。この２つの摺動面には、せん断力
を復元しようとする効力が発生する。

この時第５図に示すように、少なくとも摺動面のどちら
か一方、例えば駆動子３２が大きなせん断歪のエネルギ
を蓄積できる形状・材質を有（２ていれば、上記せん断
力は駆動子３２内部に歪みエネルギとして蓄積され、摺
動面に於いて滑りが生じない。そして、せん断力による
歪エネルギが、駆動子３２の蓄積できるエネルギよりも
太き（なったときに、すべりが発生するのである。

よって、超音波振動子１１の速度を基準とした可動子３
４との相対速度Ｘ１及びその差分Ｘ２をパラメータとす
ると、駆動子３２の形状・材質により決まる値を境とし
て、滑りが急激に増加する。

超音波モータの速度を所望の値のするためにはすべりを
なるべく小さくする必要がある。相対速度Ｘ１及びその
差分Ｘ２と滑りの関係は、実験データなどから求めるこ
とができ、その−例を第６図（ａ）及び（ｂ）に示す。

ここに、各々基準値がゼロに設定されている。該データ
によれば、相対速度Ｘ１が小さいほど滑りか小さく、ま
たその差分Ｘ２が大きいほど滑りが小さい。

そこで、滑り量をなるべく小さくし、可動子の速度をで
きるだけ速く一定にするには、次に述べるような制御を
行う。

本実施例に於いては、以下に示す制御ルールを採用した
。

Ｒ１：もし相対速度の逆数１／Ｘ１が正方向に大で、且
つ相対速度の差分Ｘ２が正ならば、入力電圧振幅を大き
く負の方向に実行せよ。

Ｒ２：もし相対速度の逆数１／Ｘ１が正方向に大で、且
つ相対速度の差分Ｘ２が零ならば、入力端子振幅を大き
く負の方向に変化させよ。

Ｒ３：もし相対速度の逆数１／Ｘ１が正方向に大で、且
つ相対速度の差分Ｘ２が負ならば、入力振幅電圧を少し
負の方向に変化させよ。

Ｒ４：もし相対速度の逆数１／ＸＩが正方向に小で、且
つ相対速度の差分Ｘ２が正ならば、入力端子振幅を少し
負の方向に変化させよ。

Ｒ５：もし相対速度の逆数１／Ｘ１が正方向に小で、且
つ相対速度の差分Ｘ２が零ならば、入力電圧振幅を少し
負の方向に変化させよ。

Ｒ６：もし相対速度の逆数１／Ｘｉが正方向に小で、且
つ相対速度の差分Ｘ２が負ならば、入力電圧振幅はその
ままでよい。

Ｒ１５：もし相対速度の逆数１／Ｘ１が負方向に大で、
且つ相対速度の差分Ｘ２が負ならば、入力電圧振幅は大
きく正方向に変化させよ。

ここに、制御ルールの推論法に於て、「もし・・・・・
・ならば−一」の・・・・・・に当たるところを前件部
、−一に当たるところを後件部と呼んでいる。また、フ
ァジィ集合のラベル、即ちファジィ変数をを以下のよう
に略している。

Ｎ　Ｂ　＝Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｂｉｇ　　　：負で大き
いＮ　Ｓ　＝Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｓｍａｌｌ　　：負で
小さいＺ＝Ｚｅｒｏ　　　　　　　　：はぼ零Ｐ　Ｓ　
＝Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｓｍａｌｌ　　：正で小さいＰ　
Ｂ　＝Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｂｉｇ　　　：正で大きいフ
ァジィ変数の数を減らすとファジィ制御規則の前件部の
組合せの数が減るので規則数も少なくなり、全体として
大ざっばな制御アルゴリズムとなる。

さらに、上記制御ルールの関係を表に示すと第７図のよ
うになる。同図に於いて、相対速度の逆数１／Ｘ１のフ
ァジィ変数を５段階に分け、一方相対速度の差分ｘ２の
ファジィ変数を３段階に分け、区分された相対速度の逆
数１／Ｘ１と相対速度の差分Ｘ２との交点には、入力電
圧振幅の強度を５段階のファジィ変数で割り当てている
。

ファジィ推論の方法としては、前件部と後件部の形式、
ファジィ変数の形、推論法の三点から分類されるが、本
実施例に於けるファジィ推論プロセッサ４２で実行され
るファジィ推論は、ファジィ関係の合成則に基づいた直
接法を用い、ファジィ推論は制御ルールＲ１〜Ｒ１５と
ファジィ変数ＮＢ、ＮＳ、Ｚ、ＰＳ、ＰＢとを用いて操
作量の演算を行う。ファジィ変数はメンバシップ関数を
用いて表されるものであり、本実施例で使用したメンバ
ーシップ関数は第８図に示す。第８図（ａ）は相対速度
の逆数１／Ｘ１の入力電圧振幅に対する規格化されたフ
ァジィ変数ＮＢ、　ＮＳ、　　Ｚ、　　ＰＳ、ＰＢのメ
ンバーシップ関数μＮＢＩ、　　μＮＳ１、μＺｌ、　
　μＰｓｉ、　　μＰＢＩを示したもので、（ｂ）は相
対速度の差分Ｘ２の入力電圧振幅に対する規格化された
ファジィ変数ＮＢ、Ｚ、ＰＢのメンバーシップ関数μＮ
Ｂ２．　　μＺ２．　　μＰＢ２を示したものである。

このメンバーシップ関数の形状としては、釣鐘型が用い
られることがあったか、最近では三角型が使われること
が多い。それは、三角型の方が計算が楽で、しかも計算
結果の精度に殆ど差が無いからである。

以下に推論の手順を、第９図に示されたフローチャート
を参照しつつ説明する。

（１）ステップＳ１・・・ファジィ推論プロセッサ４２
は、光学式エンコーダ４１ａ及び４１ｂより入力された
位置情報により相対速度１／Ｘ１及びその差分Ｘ２に関
する情報を得る。

（２）ステップＳ２・・・ファジィ情報である相対速度
１／Ｘ１及びその差分Ｘ２に対するファジィ変数のメン
バーシップ関数を用いて、メンバーシップ値μＮＢＩ、
　　μＮＳＬ、　　μＺｌ、μＰｓｉ、　　μＦＢＩ、
　　μＮＢ２．　　μＺ２．　　μＰＢ２をファジィ論
理演算によって算出する。

（３）ステップＳ３・・・カウンタｉを１にする。

（４）ステップＳ４・・・得られたメンバーシップ関数
のメンバーシップ値が、第１番目の制御ルールＲｉの前
件部にどの程度適合しているか即ち適合度を算出する。

（５）ステップＳ５・・・制御ルールＲｉの前件部の適
合度合から、該制御ルールＲｉのみの推論結果μＲ１（
ｙ）を算出する。

（６）ステップＳ６・・・カウンタｉに１を加算する。

（７）ステップＳ７・・・カウンタｉの判別を行う。

（８）ステップＳ８・・・各制御ルールＲｉの推論結果
を合成して前制御ルールの推論結果μＲ（ｙ）を求める
。

μＲ（ｙ）　＝μＲ１（ｙ）ＵμＲｚ（ｙ）ＵμＲ３（
ｙ）ＵμＲ４（ｙ）ＵμＲｓ　（ｙ）・・・・ＵμＲ１
５（ｙ） ＝ＵμＲ＋（ｙ） １；１ これは、相対速度１／ＸＩ、その差分Ｘ２のときに於け
る最適な振動電圧振幅を決定するための発生度合を関数
として表したものである。

（９）ステップＳ９・・・全制御ルールの推論結果μＲ
（ｙ）から振動電圧振幅を算出する。これは、ファジィ
推論の非ファジィ化と呼ばれる手続きである。

以上のようにしてファジィ推論が行われる。その結果、
本実施例の超音波モータの制御装置に於ては、速度検出
手段より得られた情報と、記憶手段に予め記憶されてい
る経験則から導かれた制御ルールに基づいて、演算手段
によりファジィ論理演算が行われ、振動電圧振幅を制御
し、その結果、駆動条件によらず常に摺動面に於ける滑
りを小さくすることが出来る。

本発明は、以上詳述した実施例に限定されるものではな
く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え
ることが出来る。たとえば、ファジィ推論の方法は、フ
ァジィ関係の合成則に基づいた直接法を用いたが、多値
理論にファンづネスを導入した間接法を用いてもよい。

また、上記実施例では汎用マイクロプロセッサをファジ
ィ推論プロセッサ即ち演算装置として使用したが、デジ
タルファジィ推論プロセッサやアナログファジィ推論プ
ロセッサ及びＲＯＭルックアップテーブル方式のファジ
ィ推論プロセッサなどを使用してもよい。

［発明の効果コ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、動作条件の変化によらず、すみやかに所望の速度を得
ることが可能な超音波モータの速度制御装置を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図から第９図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は本実施例の超音波モータの速度制御
装置の構造を示す図、第２図は本実施例の超音波振動子
の構造を示す図、第３図は超音波振動子を好適に用いた
超音波モータの構造を示す図、第４図は超音波振動子の
圧電体に印加する入力電圧波形を示す図、第５図は摺動
面に於ける歪発生の概念図、第６図は相対速度Ｘ］−及
びその差分Ｘ２と滑りとの関係を示す図、第７図は制御
ルールの関係を示す図、第８図は本実施例で使用したメ
ンバーシップ関数を示す図、第９図はファジィ推論の手
順を示すフローチャート図である。 図中、１１は超音波振動子、４１は速度検出手段、４２
は演算手段、４３は記憶手段である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．超音波モータの速度制御装置に於て、 超音波モータの速度検出手段と、 超音波モータの駆動量を求めるために用いられる経験則
   に基づいた制御ルールを記憶する記憶手段と、 前記速度検出手段より得られた速度情報を用い、前記記
   憶手段に記憶された制御ルールに基づいてファジィ論理
   演算を行い駆動量を演算する演算手段とを備えることを
   特徴とする超音波モータの速度制御装置。