JPH05336765A - 超音波モータの駆動方法 - Google Patents

超音波モータの駆動方法

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JPH05336765A
JPH05336765A JP4134704A JP13470492A JPH05336765A JP H05336765 A JPH05336765 A JP H05336765A JP 4134704 A JP4134704 A JP 4134704A JP 13470492 A JP13470492 A JP 13470492A JP H05336765 A JPH05336765 A JP H05336765A
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Osamu Kawasaki
修 川崎
Takahiro Nishikura
孝弘 西倉
Masanori Sumihara
正則 住原
Katsu Takeda
克 武田
Takashi Nojima
貴志 野島
Katsumi Imada
勝巳 今田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 移動体の回転に有効な駆動の基本周波数の電
圧を正確に検出し、移動体の移動速度と振動体の駆動周
波数を制御することにより、常に動作の安定した高効率
の超音波モータを提供する。 【構成】 電圧制御発振回路7の出力信号は2分割さ
れ、90度の位相差を持った2信号が電力増幅回路9と
10に入力され、駆動電極A、Bにそれぞれ印加され
る。センサ電極Eの出力電圧波形は、バンドパスフィル
タ12に通して、移動体の移動に寄与しない不要な高周
波成分を除去した後に整流回路13により直流信号に変
換する。誤差増幅回路14の一方の入力端子には、目的
とする移動体の移動速度に対応した設定電圧Vsを入力
する。誤差増幅回路14は、移動体の移動速度に対応し
た電圧と設定電圧Vdとの誤差を出力し、周波数制御回
路15はこの誤差信号に従って整流回路の直流出力が設
定電圧Vdに等しくなるように振動体の駆動周波数を制
御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミック等の圧
電体を用いて、振動体に弾性波を励振することにより駆
動力を発生する超音波モータの駆動方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】以下、図面を参照しながら超音波モータ
と、その駆動方法の従来技術について説明を行う。
【0003】図5はリング型超音波モータの切り欠き斜
視図であり、リング形の弾性基板1のリング面の一方
に、駆動用の圧電体としてリング形圧電セラミック2を
接着剤で貼合せてリング形振動体3を構成している。4
は耐磨耗性材料の摩擦材、5は弾性体であり、互いに貼
合せられて移動体6を構成している。移動体6は摩擦材
4を介して、ここでは図示していないがばね等の加圧手
段により振動体3と加圧接触して設置される。
【0004】図6は圧電セラミック2に形成される駆動
電極の構造図であり、弾性進行波の1/4波長相当だけ
位置的にずれた2組の駆動電極AとBを形成している。
駆動電極AとBは、それぞれ1/2波長相当の長さを持
つ小電極群からなっている。電極CとDはそれぞれ3/
4波長と1/4波長相当の長さを持ち、駆動電極AとB
に1/4波長相当の位置的なずれを作るために形成して
いる。
【0005】駆動電極AとBに、それぞれ90度位相の
異なる2つの交流電圧を印加すると(例えばsin波と
cos波)、図7に示すような撓み振動の進行波が振動
体3に励振される。ここで、図7(a)は撓み振動の振
動姿態を示し、図7(b)は径方向の変位分布を示して
いる。リング型超音波モータでは径方向1次で周方向3
次以上の撓み振動の進行波が振動体3に励振される。こ
の進行波の波頭の横方向成分により、移動体6は摩擦駆
動され回転運動をする。
【0006】図8に示すように、超音波モータの振動体
は圧電セラミック単体の時と同様に、駆動端子からみる
と共振・反共振特性を示し、共振周波数近傍では低イン
ピーダンスになるので、共振周波数近傍で駆動すれば低
電圧で効率良く弾性進行波を励振することができる。し
かし、同図の矢印に示すように、駆動周波数の掃引方向
により振動体のアドミッタンスは周波数f1からf2の領
域でヒステリシス特性を示し、この領域では振動体のア
ドミッタンスが一意的に決まらず超音波モータの動作が
不安定になる。従って、超音波モータの駆動は振動体の
不安定動作領域(同図の周波数f1からf2の領域)より
も高い安定動作領域(同図の周波数f2からf3の領域)
内で安定に駆動する必要がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来の超音波モータ
は、振動体をその共振周波数近傍で駆動するために、図
6の圧電体の電極構造の電極Cまたは電極Dを、そのま
ま、あるいは分割して振動を検出するセンサ電極として
用い、このセンサ電極の出力により移動体の速度を制御
し、駆動周波数を振動体の共振周波数近傍に制御してい
た。しかし、振動体は駆動の基本周波数成分とともに多
くの高周波成分の振動をしている。従って、従来のよう
にセンサ電極の出力をそのまま直流に変換した後に制御
に利用したのでは、移動体の移動に寄与しない高周波成
分をも同時に直流信号に変換し、移動体の回転速度の制
御精度が悪くなると共に、駆動周波数の制御精度も悪く
なるという課題を有していた。
【0008】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、センサ電極の移動体の回転に有効な出力電圧を正確
に検出し、移動体の移動速度と振動体の駆動周波数を制
御することにより、常に動作の安定した高効率の超音波
モータを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】超音波モータの振動体を
構成する圧電体に駆動電極とともにセンサ電極を構成し
て、振動体の駆動時にセンサ電極に発生する電圧を、バ
ンドパスフィルタもしくはローパスフィルタを通した後
に整流回路に入力し、整流回路の直流出力により、移動
体の移動速度と振動体の駆動周波数を制御する。
【0010】
【作用】超音波モータの振動体を構成する圧電体に駆動
電極とともにセンサ電極を構成する。このセンサ電極は
振動体が振動を開始すると、圧電効果により振動の大き
さに比例した電圧を発生する。しかし、この発生電圧に
は駆動の基本周波数とともに移動体の移動に寄与しない
高周波成分が多く含まれている。センサ電極の発生電圧
をバンドパスフィルタもしくはローパスフィルタを通す
ことにより、高周波成分を除去した後に整流回路に入力
して、移動体の移動速度に寄与する成分のみを直流成分
に変換し制御信号として使用することにより、移動体の
移動速度と振動体の駆動周波数を安定に制御し、もって
常に動作の安定した高効率の超音波モータの駆動を実現
する。
【0011】
【実施例】以下、図面に従って本発明の実施例について
詳細な説明を行う。
【0012】図1は、本発明の超音波モータ駆動方法の
1実施例である超音波モータ駆動制御回路のブロック図
である。同図において、電圧制御発振回路7は、電圧に
より発振周波数を可変することができる制御端子Tを持
ち、印加電圧に対応した周波数の発振信号を出力する。
電圧制御発振回路7の出力信号は2分割され、一方の信
号は90度移相回路8により90度だけ移相され、もう
一方の信号はそのままで、それぞれ90度の位相差を持
った2信号が作られる。この2信号は、それぞれ電力増
幅回路A9と電力増幅回路B10により、それぞれ超音
波モータを駆動するのに十分な電圧値に電力増幅され
て、超音波モータの駆動電極A、Bにそれぞれ印加され
る。その結果、振動体に弾性振動の進行波が励起され、
移動体は摩擦力により駆動されて進行波の振幅に比例し
た速度で移動を開始する。
【0013】図2は図1に示した実施例に用いる振動体
を構成する圧電体の電極構造例であり、駆動電極A、B
とともに1/2波長相当のセンサ電極Eを構成してい
る。振動体に弾性進行波が励起されるとセンサ電極Eに
は、圧電効果により圧電定数と振動体の振動の大きさに
比例した電圧が発生する。
【0014】しかし、図3に示すように、振動体の振動
は駆動の基本周波数のみでなく、移動体の移動には寄与
しない高周波成分が多く含まれているために、センサ電
極Eの出力電圧波形も多くの高周波成分を含む波形とな
る。従って、センサ電極Eの出力電圧を、バンドパスフ
ィルタ13に通して、移動体の移動に寄与しない不要な
高周波成分を除去した後に整流回路14により直流信号
に変換する。これにより、移動体の移動速度を決める駆
動の基本周波数の弾性進行波の振幅に対応した電圧のみ
を正確に直流変換することができる。
【0015】誤差増幅回路13の一方の入力端子には、
目的とする移動体の移動速度に対応した設定電圧Vdを
入力して、もう一方の入力端子には整流回路12の出力
を入力する。誤差増幅回路13は、移動体の移動速度に
対応した電圧と設定電圧Vdとの誤差を増幅した後に出
力し、周波数制御回路15は、この誤差信号に従って整
流回路の直流出力が設定電圧Vdに等しくなるように振
動体の駆動周波数を制御する。
【0016】図4は超音波モータの移動体の移動速度と
センサ電極の出力電圧の周波数特性であり、実線は超音
波モータの移動体の移動速度の周波数特性であり、点線
は整流回路の出力電圧の周波数特性である。同図に示す
ように、超音波モータの振動体は圧電体単体の時と同様
に、駆動周波数に対してヒステリシス特性を示し、この
ヒステリシス領域では動作が不安定になる。
【0017】従って、超音波モータの駆動はヒステリシ
ス領域を避けて、それよりも高い周波数領域で、しかも
センサ電極の検出電圧が駆動周波数に対して単調である
安定動作周波数領域f1からf2内の周波数領域で行う。
この領域内の駆動周波数fdに対応した速度になるよう
にVdに速度設定電圧を設定すれば、上記の制御により
超音波モータの移動速度(回転数)は安定に回転数Nd
に設定される。
【0018】ここで、センサ電極の出力電圧の移動体の
移動に寄与しない不要な高周波成分を除去するために、
バンドパスフィルタを用いたがバンドパスフィルタの代
わりにローパスフィルタを使用しても同様の効果が得ら
れる。また、以上の実施例では超音波モータを一定電圧
の交流電圧で駆動しているが、移動体の設定速度が低い
ときには駆動電圧を低くし、移動体の設定速度が高いと
きには駆動電圧を高くするというように、移動体の速度
に応じて駆動電圧を変えれば常に効率の良い駆動が可能
になる。
【0019】また、以上の実施例では、駆動周波数範囲
を限定して移動体の速度制御を周波数で行っているが、
駆動周波数範囲を限定して移動体の速度制御を駆動電圧
で行っても同様の効果が得られる。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、圧電
体に駆動電極とともにセンサ電極を構成して、振動体の
駆動時にセンサ電極に発生する電圧を、バンドパスフィ
ルタもしくはローパスフィルタを通した後に整流回路に
入力し、整流回路の直流出力を制御信号として使用する
ことにより、移動体の移動速度を正確に制御し、駆動周
波数を安定な動作領域で制御することにより、安定で移
動体の速度制御が正確な超音波モータの駆動を実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超音波モータの駆動方法を具現化した
一実施例の回路のブロック図
【図2】同実施例において圧電体に構成する駆動電極と
センサ電極の平面図
【図3】同実施例における出力電圧波形図
【図4】同実施例における回転数とセンサ電極の出力電
圧の周波数特性図
【図5】円環形超音波モータの切り欠き斜視図
【図6】円環形圧電体の電極構造図
【図7】円環形超音波モータの振動体の径方向の振動変
位図
【図8】振動体のアドミッタンスの周波数特性図
【符号の説明】
7 電圧制御発振回路 8 90度移相回路 9 電力増幅回路A 10 電力増幅回路B 11 超音波モータ 12 バンドパスフィルタ 13 整流回路 14 誤差増幅回路 15 周波数制御回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 克 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 野島 貴志 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 今田 勝巳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】弾性基板に圧電体を結合して振動体を構成
    し、上記振動体に加圧接触して移動体を設置し、上記圧
    電体に形成された駆動電極に、それぞれ所定の位相差を
    持った駆動電圧を印加して上記振動体に進行波を励振
    し、上記移動体を移動させる超音波モータにおいて、上
    記圧電体に上記駆動電極とともにセンサ電極を構成し
    て、上記振動体の駆動時にセンサ電極に発生する電圧
    を、バンドパスフィルタもしくはローパスフィルタを通
    した後に整流回路に入力し、上記整流回路の直流出力を
    制御信号として帰還することにより、上記移動体の速度
    を制御することを特徴とする超音波モータの駆動方法。
  2. 【請求項2】振動体の駆動周波数を、上記振動体がヒス
    テリシス特性を示す周波数よりも高く設定することを特
    徴とする請求項1記載の超音波モータの駆動方法。
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