JPH0515175A - 超音波モータの駆動システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超音波モータの間欠回転時の安定性を有効に向
上させる。 【構成】超音波モータ２の励起振動をフィードバック回
路１０において検出し、それを機にデュティ制御回路８
から超音波モータ２に対して振動抑制制御を開始するよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学機器、精密加工
機、半導体製造装置、ロボット、分析機器の位置決め等
に好適に利用可能な超音波モータの駆動システムに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】進行波形の超音波モータは、通常、９０
°位相のずれた交流電圧を超音波モータドライバから圧
電素子に連続的に印加することで、圧電素子と接着した
弾性体表面に進行波を発生させ、これにより弾性体表面
に圧接された回転体を回転させるものである。そして、
その駆動システムとして、例えば特開昭６１−１３９２
７８号公報に示されるものが知られている。このもの
は、超音波モータドライバにパルスを印加し、そのパル
スのデュティ比を変化させることで、交流電圧を印加す
るタイミングを制御してモータの回転速度を変速制御す
るようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の駆動
システムによると、超音波モータを低速回転駆動させた
場合、すなわち、デュティ比の小さい間欠的な回転を行
った場合に、１ステップ毎に振動が励起されるという問
題を生じる。この励起振動は、連続回転から間欠回転に
移行した時や、静止状態から間欠回転に移行した時にも
現れる。このため、上記の駆動システムでは安定した低
速回転を得ることが困難であり、超音波モータを例えば
位置決め用のアクチュエータとして使用した場合に位置
決め精度の低下につながる不都合を伴う。

【０００４】本発明は、このような課題に着目してなさ
れたものであって、超音波モータの間欠回転時の安定性
を向上させることができるようにした超音波モータの駆
動システムを提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる目的を
達成するために、次のような構成を採用したものであ
る。

【０００６】すなわち、本発明に係る超音波モータの駆
動システムは、超音波モータに、少なくとも間欠回転を
行わせる制御回路を接続したものにおいて、前記超音波
モータの励起振動を検出する検出手段を設け、この検出
手段が励起振動を検出したときに前記制御回路に振動抑
制制御を行わせるようにしたことを特徴とする。

【０００７】

【作用】このような構成により、励起振動を積極的に抑
制すれば、何ら手当てを講じない場合に比べて確実に超
音波モータの低速回転時における安定性を向上させるこ
とができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【０００９】図１は本発明に係る超音波モータの駆動シ
ステムが適用される直線駆動機構を示している。このも
のは、図示しないリニアガイド等を介して進退可能に配
設された可動体たるステージ１を直線駆動するためのも
のであって、ステージ１上の進退方向に沿って伸びる案
内面１ａに回転型超音波モータ２のシャフト２ａを適当
な予圧機構を用いて圧接している。そして、その超音波
モータ２に制御回路３を接続し、この制御回路３から前
記超音波モータ２を選択的に連続回転又は間欠回転駆動
するようにしている。

【００１０】制御回路３は、位置センサ４が検出するス
テージ１の現在位置を先ず切換制御回路５に入力し、こ
の切換制御回路５において外部から入力される目標位置
と比較して、その差が予め定めた距離よりも大きいか小
さいかによって連続回転駆動を行うか間欠回転駆動を行
うかを選択するようにしている。そして、連続回転駆動
を行う場合には超音波モータドライバ６内のドライブ回
路７に電圧Ｖ₂ を印加し、間欠回転駆動を行う場合には
デュティ制御回路８を介して前記ドライブ回路７に図２
に示すようなＨ電位Ｖ₂ とＬ電位Ｖ₁ の交番パルス波を
印加するようにしている。このＬ電位Ｖ₁ がドライブ回
路７に印加された時は超音波モータ２は回転しない。こ
の場合のデュティレート（ｔ₁ ／ｔ₂ ）が間欠回転時の
速度決定要因になり、そのレートは前記デュティ制御回
路８において設定可能となっている。例えば、１２％程
度の値が設定されると、一般に超音波モータの特性上、
超音波モータ２は連続回転時の１／５０以下の低速で回
転駆動されることになる。

【００１１】超音波モータドライバ６は、前記デュティ
制御回路８または前記切換制御回路５から印加される電
圧がＶ₂ のときに同期して図３に示すように超音波モー
タ２に駆動波（sin 波、cos 波）を入力するドライブ回
路７と、その駆動波の発振周波数を決定する超音波発振
回路９とから構成されており、駆動波によって超音波モ
ータ２内の圧電素子が振動した際の歪電圧をフィードバ
ック回路１０を介して前記超音波発振回路９に帰還させ
ている。超音波発振回路９の発振周波数は適当な手段に
よって可変とされており、例えば４０ＫＨｚ程度に設定
される。この発振周波数を変更すると、超音波モータ２
の連続回転時の速度と間欠回転時の速度を変化させるこ
とができる。

【００１２】次に、その作動を説明する。先ず目標位置
が設定されると、切換制御回路５はその目標位置と現在
位置の差が予め定めた距離よりも大きいか否かを判断す
る。そして、大きい場合には超音波モータドライバ６内
のドライブ回路７に一定電圧Ｖ₂ を印加する。これによ
り、ドライブ回路７から超音波モータ２に連続的に駆動
波が入力され、超音波モータ２が所定回転数で連続回転
して、ステージ１を高速で移動させる。一方、ステージ
１の位置は刻々と位置センサ４から切換制御回路５にフ
ィードバックされている。このため、現在位置が目標位
置に対してある一定距離手前までくると、切換制御回路
５は目標位置と現在位置の差が予め定めた距離よりも小
さくなったことを認識して、連続回転駆動信号をカット
し、デュティ制御回路８に間欠回転駆動信号を出力す
る。この信号により、デュティ制御回路８から予め定め
たデュティレートのパルス波が超音波ドライバ６内のド
ライブ回路７に印加され、このドライブ回路７から超音
波モータ２に前記パルス波に同期した間欠的な駆動波が
入力されて、超音波モータ２を間欠回転させ、ステージ
１を極低速で移動させる。そして、ステージ１が最終的
に目標位置に達すると、切換制御回路５はその旨を検出
して間欠回転駆動信号をカットする。これにより、超音
波モータ２に入力されていた駆動波が消失し、ステージ
１が停止する。この場合、極低速からの停止であるため
連続回転時に比べてオーバーシュート量が僅かであり、
しかも超音波モータ２の保持力が有効に働くので、駆動
波が消失すると殆ど同時にステージ１が停止する。以上
の様子は図５に示される。

【００１３】このように構成される直線駆動機構は、目
標位置と現在位置の差が大きい場合には超音波モータ２
が連続回転してステージ１を高速移動させ、ステージ１
が目標位置の手前まで来たときには超音波モータ２が間
欠回転に切り換わってステージ１を極低速でインチング
動作させることになる。このため、この直線駆動機構
は、超音波モータ２を終始連続回転させる場合に比べて
遥かに高精度で位置決めを行うことができ、超音波モー
タ２を終始間欠回転させる場合に比べて遥かに高速で位
置決めを行うことができる効果を有する。

【００１４】ところが、以上の構成のままでは、超音波
モータ２を連続回転から間欠回転に移行させたとき、及
び移行後の各ステップ毎に、該モータ２に振動が励起さ
れ、この励起振動により回転の安定性が妨げられるとい
う問題を生じる。図４にその状態を示しており、連続回
転時には超音波モータ２の回転角は安定して進角するの
に対して、間欠回転領域に入ると回転角はステップ毎に
安定して進角せず、角速度にばらつきを生じる。

【００１５】そこで、本実施例は、そのような不都合を
解消するために、超音波モータ２に対して次のような振
動抑制用駆動システムを適用している。すなわち、この
ものは、前述した制御回路３内のフィードバック回路１
０に振動検出手段としての機能を付加することにより、
このフィードバック回路１０において圧電素子の励起振
動を検出し、その励起振動を前記デュティ制御回路８に
フィードバックするようにしている。そして、デュティ
制御回路８において、この励起振動が入力された時にそ
れまで行っていたデュティ制御又は連続回転駆動を一旦
中止し、振動が収束する方向にデュティ比、位相、周波
数を変化させる制御（振動抑制制御）を行うようにして
いる。また、これにより振動が消失したときに、デュテ
ィ制御に復帰するようにしている。

【００１６】このようなシステムを適用すると、間欠回
転駆動時に超音波モータ２に発生する励起振動を確実か
つ速やかに抑制することができる。このため、何らの手
当ても講じない場合に比べて上述した制御をより安定化
し、位置決め精度もより一層向上させることが可能にな
る。

【００１７】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、残留振動を同様に検出して、
振動量がある設定値よりも小さくなるまでデュティ制御
を休止し、振動が収まってから然るべき制御に復帰する
ようにしても有効である。また、検出手段には必ずしも
励起振動を直接検出させる必要はなく、例えば、連続回
転から間欠回転に移行した時のみ振動が励起される適用
対象に対しては移行した事実のみを検出し、振動が抑制
されるまでの時間を予測して振動抑制制御を行うように
してもよい。さらに、検出手段に外付けのエンコーダ等
のセンサを用いることもできる。

【００１８】一方、直線駆動機構においても、上記実施
例では連続回転時と間欠回転時とでそれぞれ超音波モー
タ２の速度が１種類のみに限られているが、例えば、図
６に示すように各々の速度を複数の段階に分けて設定
し、目標位置に近づくにつれて徐々に低速側に落として
いくようにしてもよい。この場合には、前記切換制御回
路５から超音波発振回路９に適当な信号を入力して、発
振周波数を変化させることが有効となる。また、上記実
施例では連続回転の停止と同時に間欠回転を開始するよ
うにしているが、連続回転を停止した以降、しばらくの
間ステージ１をオーバーシュートさせ、ステージ１が停
止した時点で始めて目標位置に向かって間欠回転を開始
してもよい。さらに、現在位置と目標位置が不定である
場合には上記実施例のようにフィードバック制御による
必要があるが、それらが常に一定である場合にはオープ
ン制御等によっても構わない。

【００１９】その他、この超音波モータの駆動システム
を位置決め以外の用途に適用するなど、本発明の趣旨を
逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

【００２０】

【発明の効果】本発明に係る超音波モータの駆動システ
ムは、検出手段により励起振動を検出して制御回路に振
動抑制制御を行わせ、振動を積極的に抑制するものであ
る。このため、何ら手当てを講じない場合に比べて確実
に超音波モータの低速回転時における安定性を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を適用対象である直線駆動機
構とともに示すブロック図。

【図２】同実施例においてデュティ制御に用いられるパ
ルス波の波形図。

【図３】同実施例においてパルス波と駆動波の関係を示
す図。

【図４】同実施例において生じる励起振動の様子を説明
するグラフ。

【図５】同実施例において時間とステージ移動量の関係
を示すグラフ。

【図６】本発明の他の実施例を示す図５に対応した図。

【符号の説明】

２…超音波モータ ３…制御回路 １０…検出手段（フィードバック回路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金内 孝宏 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所三条工場内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】超音波モータに、少なくとも間欠回転を行
   わせる制御回路を接続した駆動システムにおいて、前記
   超音波モータの励起振動を検出する検出手段を設け、こ
   の検出手段が励起振動を検出したときに前記制御回路に
   振動抑制制御を行わせるようにしたことを特徴とする超
   音波モータの駆動システム。