JPH0475479A - 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、弾性体とその弾性体を励振する圧電体でなる
振動体を備えた進行波型の超音波モータと、前記超音波
モータにより操作される被操作部で構成されるサーボ機
構において、前記圧電体に高周波電力を供給する電源供
給手段と、前記モータの駆動速度を検出する速度検出手
段と、前記被操作部の位置を検出する位置検出手段と、
前記速度検出手段による検出速度に基づいて目標速度に
制御して前記被操作部を目標位置に駆動する駆動制御手
段とで構成してある超音波モータの制御装置に関する。

〔従来の技術〕

この種の超音波モータの制御装置は、定性的理論解析か
なされておらず、従って、最適な制御モデルか不明であ
るに係わらず、はぼ満足のいく制御特性か得られる駆動
制御手段として、また、安定駆動のため必要とされる周
波数追尾制御手段を用いることなく、簡単に制御できる
デジタルサーボ系等の駆動制御手段として、ファジィル
ールに基づいて電源供給手段の出力周波数を可変制御す
るものかあった。

これは、電源供給手段の出力周波数を、振動体の共振周
波数に対する偏差を可変にすべく制御して、進行波の進
行速度を可変に制御するものである。

そして、モータの駆動部、或いは、モータにより操作さ
れる被操作部を目標停止位置まで駆動する制御は、前記
駆動制御手段により一旦所定速度に立ち上げ、その後一
定速度で駆動し、目標停止位置に達すると電源供給手段
による電源の供給を停止することで行っていた。

一般にこの種のモータは、第４図（イ）から（ハ）に示
すように、その速度は、圧電体に印加される周波数、電
圧、位相差て可変に制御てきるのであるか、電圧では不
感帯があり低速制御できず、位相差では逆転制御かでき
るか高速制御できない。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上述の従来技術による超音波モータの制御装置
では、モータを停止させるに、一定速度での駆動中に電
源の供給を停止するものであったので、第６図に示すよ
うに、電源の供給停止後モータの停止するまでの時間は
、他の電磁式のモータに比べて慣性力か（摩擦力で打ち
消されるため）小となるので短いものの、停止時の動作
が不安定で、しかもその停止位置精度にばらつきが発生
するという欠点かあった。

これは、モータへの電源の供給の停止時の過渡現象で振
動体の動作が不安定になるためであると推定され、微小
であるか駆動方向が逆転することもある。

これでは、被操作部の停止位置の正確さか特に要求され
る用途には使えない。

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に、本発明による超音波モータ
の制御装置の特徴構成は、前記駆動制御手段に、前記電
源供給手段の出力周波数を切り替える周波数切替手段と
、前記電源供給手段の出力電圧の位相差を切り替える位
相差切替手段を設けて、前記位置検出手段により検出さ
れた駆動位置と目標駆動位置との偏差に基づいて、前記
周波数切替手段及び位相差切替手段の作動を選択的に制
御する減速制御手段を設けて構成してあることにある。

〔作　用〕

つまり、減速制御手段は、先ず周波数切替え手段を選択
して、前記位置検出手段により検出された被操作部の駆
動位置と目標駆動位置との偏差が小になるにつれ、モー
タの振動体の機械的共振周波数からの偏差が大となるよ
うに周波数を可変制御する。

所定の速度に減速されると、次に位相差切替手段を選択
して、その位相差を切り替えることてさらに減速し、目
標位置で停止させる。目標位置を通過して停止した場合
は、位相差を反転させることてモータを逆転させる。

周波数切替えにより進行波の速度を、位相差切替えによ
り進行波の振幅および進行方向を可変にするものと考え
られる。

〔発明の効果〕

従って、本発明による超音波モータの制御装置では、安
定した動作状態を維持しながら、その停止位置を精度よ
（制御できるようになった。

〔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３図（イ）及び（ロ）に示すように、超音波モータ（
Ｍ）は、圧電体（１）に弾性体（２）を固着して超音波
の進行波を発生させる振動体（３）としての固定子（３
）と、その固定子（３）に加圧接触して回転する回転子
（４）とで構成してあり、回転子（４）の出力軸には回
転数検出用のエンコーダ（図示せず）を備えである。

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−の間隔て隣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てある。

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、領域（Ａ）、　（Ｂ）に対
応する固定子（３）に発生する定在波か相互に干渉を起
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。

前記超音波モータ（Ｍ）の回転速度は、第４図（イ）、
　（ｎ）、　（八）に示すように、前記圧電体（１）に
供給する二相の電力の周波数、電圧、位相差の何れかを
制御することで、可変に制御てきる。

例えば、周波数を制御する場合、速度は前記振動体（３
）の共振周波数と一致する周波数でピーり値を示し、そ
のポイントから上下にずれるに従って低下する特性曲線
で示される。

そして、これらの特性曲線は、モータにかかる負荷の他
、前記振動体（３）の温度によっても変化し、同一の出
力周波数、電圧、位相差であっても、負荷や温度の変化
て回転速度か変化する。

前記超音波モータ（Ｍ）は、前記共振周波数と一致する
周波数よりも高周波域から周波数を徐々に低下させて起
動する。前記共振周波数と一致する周波数での駆動で一
番大きな振動が得られることになる（しかし、この周波
数での駆動はエネルギー変換効率が低下する）。

前記超音波モータ（Ｍ）の制御装置は、第１図（（）、
　（０）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）としてのサーボアンプと
、前記回転子（４）の回転速度を検出する速度検出手段
（６）と、目標速度や目標位置を設定する目標値設定手
段（７）と、前記速度検出手段（６）による検出速度に
基づいて目標速度に＃御する駆動制御手段（８）と、被
操作部としての負荷（Ｌ）の駆動位置を検出する位置検
出手段（１０）とて構成してある。

前記速度検出手段（６）と位置検出手段（１０）はとも
に前記エンコーダとそのエンコーダの出力を演算して速
度や位置を出力する演算手段で構成してある。

詳述すれば、前記それぞれの演算手段は、モータの１回
転で３２０００パルス発生するエンコーダを２０回／１
秒でサンプリングを行い、その間のカウント数で速度、
位置を出力する。

前記電源供給手段（５）は、直流チョッパ回路（５Ａ）
の後段に電圧分割形ハーフブリッジインバータ（５Ｂ）
を二組組み合わせて構成してあり、所定の位相差を有す
る方形波を昇圧用のトランス（ＴＲＩ）、　（ＴＲ２）
を介して前記圧電体（１）に接続してある。

前記駆動制御手段（８）について詳述すれば、前記目標
速度と前記速度検出手段（６）からの検出速度を入力し
て速度偏差を求め、前記目標位置と前記位置検出手段（
１０）からの検出位置を入力して位置偏差を求める手段
（９ａ）と、その速度偏差から前記電源供給手段（５）
の出力周波数の変化量を求める周波数切替手段としての
ファジィ制御手段（９）と、前記位置偏差に基づき前記
電源供給手段（５）の出力電圧の位相差の変化量を求め
る位相差切替手段（１１）と、それら周波数、位相差の
変化量に基づき前記電源供給手段（５）の出力周波数位
相差を可変制御する駆動手段（Ｄ）とて構成してある。

前記駆動手段（Ｄ）には、前記電源供給手段（５）の出
力周波数が前記共振周波数以下になることを防ぐリミッ
タ手段を設けである。

前記ファジィ制御手段（９）は、第５図（イ）乃至（ニ
）に示すような高速用と低速用の二種類のメンバシップ
関数に基づき、目標速度からの速度偏差が大であればそ
の速度偏差を小にするために、現在の電源供給手段（５
）の出力周波数の可変量を演算出力するマイクロコンピ
ュータ等で構成してある。

目標速度４０ｒｐｍを境界にそれ以上であれば高速用の
メンバシップ関数（第５図（４）、　（Ｕ））に基づき
制御し、それ以下であれば低速用のメンバシップ関数（
第５図（ハ）、（ニ））に基づき制御する。

例示すると、高速時のメンバーシップ関数において、速
度偏差が＋ｌｏｒｐｍ、つまり、速すぎる場合には、“
少し速い（ＰＳ）”と言う曖昧な表現の適合度合いが“
１″であり、これに対応する周波数偏差が“＋０．０５
ｋＨ２”であるので、前記電源供給手段（５）の出力周
波数を現在値より０．０５ｋＨ２上昇させるのである。

メンバシップ関数が重なる領域では、その適合度の割合
に基づいて加重平均値を求めることになる。

つまり、目標速度より速ければ出力周波数を上昇させて
速度を低下させ、目標速度より遅ければ出力周波数を低
下させて速度を上昇させることで、常に目標速度に制御
すべく作用するのである。

出力周波数の変化させる度合いは、実験による経験値を
基に生成したメンバシップ関数による。

つまり、超音波モータ（Ｍ）に対して、定性的理論解析
かなされていないために最適な制御モデルか不明である
状況の下で、はぼ満足のいく制御特性が得られる駆動制
御手段として、また、安定駆動のため必要とされる周波
数追尾制御手段を用いることなく、簡単に制御できるデ
ジタルサーボ系等の速度制御手段として、ファジィルー
ルに基づいて電源供給手段の出力周波数を可変制御する
ものである。

次に、被操作部（Ｌ）の目標位置への停止制御について
説明する。

第２図に示すように、例えば、目標停止位置（ＢＰ）を
前記エンコーダのパルス数で６４０００パルス（２回転
）に設定した場合、先ず、位相差を９０°に保ち、前記
ファジィ制御手段（９）か目標値設定手段（７）の速度
設定を１１００ｒｐとして立ち上げて、その後一定速度
１１００ｒｐで駆動する。

位置および速度偏量を求める手段（９ａ）は、目標位置
との偏差が前記エンコーダパルス数で１０パルスに達す
る（ＤＰＩ）と目標速度を３Ｏｒｐｍに減速して安定さ
せる。

目標位置との偏差が前記エンコーダパルス数で５パルス
に達する（ＤＰ２）と目標速度を１Ｏｒｐｍに減速して
安定させる。

その後、目標速度かｌＯｒｐｍ近傍で変動しても前記フ
ァジィ制御手段（９）に無関係に出力周波数を固定して
、前記位相差切替手段（１１）により位相差を９０°か
ら徐々に大に切り替える。

目標位置に達すると電源を停止する。

即ち、前記位相差切替手段（１１）と前記ファジィ制御
手段（９）と前記駆動手段（Ｄ）と前記位置および速度
偏差を求める手段（９ａ）とで減速制御手段を構成して
いる。

〔別実施例〕

以下に本発明の別実施例を説明する。

先の実施例では、周波数切替手段としてファジィ制御手
段を採用しているが、これに限定するものではない。

先の実施例では、負荷の位置検出手段として、モータ（
Ｍ）の回転を検出するエンコーダを用いているか、これ
はエンコーダの出力か負荷の操作位置と対応しているこ
とか前提である。

従って、位置検出手段としては負荷の挙動を直接検出す
る素子を用いてもよい。

先の実施例で示した減速制御のタイミグはこれに限定す
るものではなく、負荷の種類等に応じて任意に設定可能
である。

先の実施例では、周波数切替手段による減速制御を、三
段目の段階的に行っているが、三段目或いはそれ以上で
あってもよいし連続的に行ってもよい。

さらに、減速制御は周波数切替手段による制御と位相差
切替手段による制御の順序を固定するものではなく任意
である。

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制御装置の実施例を
示し、第１図（（）、　（Ｕ）は超音波モータの制御装
置のブロック構成図、第２図は減速制御されたときの特
性図、第３図（（）、　（０）は超音波モータの概略の
平面図及び側面図、第４図（（）、　（Ｕ）、　（ハ）
は周波数、電圧、位相差に対する回転速度の特性図、第
５図（イ）、　（Ｕ）、　（ハ）、（ニ）はメンバシッ
プ関数の特性図であり、第６図は従来例を示し停止制御
による停止動作の特性図である。 （１）−・・・・・圧電体、（２）・・・・−弾性体、
（３）・・・・・・振動体、（５）・・・・・・電源供
給手段、（６）・・・・・・速度検出手段、（８）・・
・・・・駆動制御手段、（９）・・・・・・周波数切替
手段、（ｌＯ）・・・・・・位置検出手段、（１１）・
・・・・・位相差切替手段、（Ｌ）・・・・・・被操作
部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　弾性体（２）とその弾性体（２）を励振する圧電体（
   １）でなる振動体（３）を備えた進行波型の超音波モー
   タと、前記超音波モータにより操作される被操作部（Ｌ
   ）で構成されるサーボ機構において、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、前記モ
   ータの駆動速度を検出する速度検出手段（６）と、前記
   被操作部（Ｌ）の位置を検出する位置検出手段（１０）
   と、前記速度検出手段（６）による検出速度に基づいて
   目標速度に制御して前記被操作部（Ｌ）を目標位置に駆
   動する駆動制御手段（８）とで構成してある超音波モー
   タの制御装置であって、 前記駆動制御手段（８）に、前記電源供給手段（５）の
   出力周波数を切り替える周波数切替手段（９）と、前記
   電源供給手段（５）の出力電圧の位相差を切り替える位
   相差切替手段（１１）を設けて、前記位置検出手段（１
   ０）により検出された駆動位置と目標駆動位置との偏差
   に基づいて、前記周波数切替手段（９）及び位相差切替
   手段（１１）の作動を選択的に制御する減速制御手段を
   設けて構成してある超音波モータの制御装置。