JPH06269180A - 超音波モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、超音波モータの負荷の大きさが
変化した場合に、その変化した負荷において超音波モー
タの持つ最大性能を発生させ、また異音の発生や不安定
回転を防止することを目的とする。 【構成】 超音波モータの負荷トルクを検出する負荷ト
ルク検出手段１７と、検出された負荷トルクが大になる
に従ってその時の負荷トルクにおける超音波モータの最
大出力を発生させる振動振幅となるように固定子１の目
標振動振幅を低下させる目標振動振幅設定手段８とを有
することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば自動車用の各
種アクチュエータ等として使用される超音波モータを制
御する超音波モータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータ制御装置としては、
例えば特開昭６３−１３７９号公報に開示されたものが
ある。超音波モータは、弾性体と圧電素子とを接着剤で
一体に貼合せた固定子と、その弾性体に加圧接触された
移動体としての回転子等とで構成されている。圧電素子
は、その厚み方向に交互に分極が行われ、この分極の行
われた圧電素子は２つの電極群にまとめられている。そ
して、この２つの電極群に、インバータから９０°位相
のずれた２回路の高周波電圧を印加して圧電素子を励振
させると、弾性体に屈曲運動が生じ、その一端面に横波
と縦波の合成された屈曲進行波が形成され、その一端面
に加圧接触した回転子が回転駆動されるようになってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の超音波モータ制
御装置にあっては、超音波モータの負荷の大きさに関係
なく固定子の振動振幅が一定値となるように圧電素子の
駆動周波数が制御されている。しかし、超音波モータは
負荷の大きさにより最高性能を発生させるための振動振
幅の大きさが異なる。このため、従来の超音波モータ制
御装置では、広い負荷範囲で超音波モータの最大性能を
発生させることが難しいという問題がある。これを更に
図を用いて説明する。図４には、固定子の振動振幅値
（電圧に変換処理して電圧値で示している。以降、これ
をモニタ電圧と記す。）と超音波モータの回転数の関係
を示している。負荷が大きくなるに従って最高回転数を
発生する時の振動振幅（以後、最適振動振幅と記す）が
低下することが分る。また、図５には目標振動振幅値を
変化させて測定した回転数とモータ負荷トルクの関係を
示す。図５から分るように、低負荷で超音波モータの最
高性能を発生させるように目標振動振幅を設定する（目
標振動振幅を大きく設定する）と、高負荷の場合には最
適振動振幅が低下するため、高負荷でのモータ性能が犠
牲となる。逆に高負荷でそのモータの最高性能を発生さ
せるように目標振動振幅を設定する（目標振動振幅を小
さく設定する）と、低負荷の場合には最適振動振幅が大
きくなるため、低負荷でのモータ性能が犠牲となる。ま
た前者の場合は、高負荷となったときに超音波モータか
ら異音が発生したり、回転が不安定になったりすること
がある。

【０００４】この発明は、このような従来の問題に着目
してなされたもので、超音波モータの負荷の大きさが変
化した場合に、その変化した負荷において超音波モータ
の持つ最大性能を発生させることができ、また異音の発
生や不安定回転を防止することができる超音波モータ制
御装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するために、弾性体の一面に圧電素子が固着された固
定子と、前記弾性体の他面に加圧接触された回転子とを
備え、前記圧電素子にその共振周波数近傍の交流電圧が
印加されることにより動作する超音波モータにおける前
記固定子の振動振幅が所定値となるように前記圧電素子
の駆動周波数を制御する超音波モータ制御装置におい
て、前記超音波モータの負荷トルクを検出する負荷トル
ク検出手段と、該負荷トルク検出手段で検出された負荷
トルクが大になるに従ってその時の負荷トルクにおける
前記超音波モータの最大出力を発生させる振動振幅とな
るように前記固定子の目標振動振幅を低下させる目標振
動振幅設定手段とを有することを要旨とする。

【０００６】

【作用】上記構成において、超音波モータを駆動しなが
ら、その出力軸に設置したトルクセンサ等からなる負荷
トルク検出手段により負荷トルクの大きさが検出され
る。超音波モータは、負荷が変化すると、その負荷にお
いて最高性能を発生させるために必要な固定子の振動振
幅が変化する。このため、モータ負荷の大きさが変化し
た場合には、検出された負荷トルクに基づいて目標振動
振幅が適切な値に変更され、固定子の振動振幅が、この
変更された目標振動振幅値となるように圧電素子の駆動
周波数が制御される。これにより、超音波モータの負荷
の大きさが変化した場合に、その変化した負荷において
超音波モータの持つ最大性能を発生させることが可能と
なり、また異音の発生や不安定回転が防止される。

【０００７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図１ないし図３に
基づいて説明する。

【０００８】まず、図１及び図２を用いて、超音波モー
タ制御装置の構成を説明する。図１において、１は弾性
体と圧電素子とを接着剤で一体に貼合せた固定子であ
り、弾性体の他面には図示省略の移動体としての回転子
が公知のように加圧接触されている。圧電素子は、その
厚み方向に分極処理された２群にまとめられ、その２群
の各部位に、互いに９０°位相が異なる周波数の電圧を
印加するための駆動電極２，３が取付けられている。４
はモニタ電極であり、駆動電極２，３とは電気的に絶縁
されて圧電素子上に取付けられている。モニタ電極４か
らの出力により圧電素子の振動振幅が検知されるように
なっている。５は、駆動電極２，３及びモニタ電極４に
対する共通電極である。図２は、固定子１上への上記各
電極２，３，４，５の取付け態様を示している。

【０００９】モニタ電極４には整流器６が接続されてい
る。整流器６は、モニタ電極４で検出された圧電素子の
振動状態に相当する交流電圧を整流して、その振動状態
に関する検出信号を出力するようになっている。整流器
６の出力は、Ａ／Ｄ変換器７でＡ／Ｄ変換されて目標振
動振幅設定手段としての機能を有するマイコン８に入力
されている。マイコン８はＡ／Ｄ変換器７の出力信号を
基に超音波モータの駆動周波数を決定し、その駆動周波
数に相当する信号をＤ／Ａ変換器９に送るようになって
いる。Ｄ／Ａ変換器９の出力はＶ／Ｆ変換器（電圧制御
発振器）１１に入力されている。Ｄ／Ａ変換器９の出力
信号によりＶ／Ｆ変換器１１がマイコン８の指令に基づ
いた周波数で発振し、この発振信号がリングカウンタ１
２に入力されている。リングカウンタ１２は、Ｖ／Ｆ変
換器１１の出力をそれぞれ９０°ずつ位相を異ならせた
４相の電圧にしてスイッチング用トランジスタ１３ａ〜
１３ｄのＯＮ・ＯＦＦを制御するようになっている。各
トランジスタ１３ａ〜１３ｄのコレクタは、変成器１４
の１次側端子にそれぞれ接続され、変成器１４の２次側
端子１４ａ，１４ｃは超音波モータの駆動電極２，３に
それぞれ接続されている。２次側端子の他端１４ｂ，１
４ｄは、共通電極５に接続されてこれらは共通電位とな
っている。変成器１４は、電源１５からの直流電圧をス
イッチング素子１３ａ〜１３ｄで順次スイッチングする
ことによって駆動され、超音波モータの駆動電極２，３
に印加する９０°位相の異なる２相の交流電圧をつく
る。而して、スイッチング素子１３ａ〜１３ｄと変成器
１４により、超音波モータにおける固定子１に超音波振
動を発生させるためのインバータが構成されている。ス
イッチ１６は、超音波モータの起動停止を行うための起
動スイッチであり、操作者が超音波モータを起動させよ
うとしていることをマイコン８に知らせるようになって
いる。１７は超音波モータの出力軸に設置され、モータ
の出力軸に加えられる負荷トルクを検出し、検出した負
荷トルクに比例した電圧信号を出力する負荷トルク検出
手段である。この検出手段１７の出力はＡ／Ｄ変換器１
８でデジタル信号に変換されてマイコン９へ入力されて
いる。１９はモニタ電極４から発生するモニタ電圧の高
周波成分を通過させるハイパスフィルタである。超音波
モータの駆動周波数成分を除去し、固定子１の振動振幅
が大き過ぎるときに発生する高周波成分を通過させるた
め、ハイパスフィルタ１９のカットオフ周波数は、例え
ば超音波モータの駆動周波数の１０倍程度に設定されて
いる。駆動周波数が約４０ｋＨｚの超音波モータの場合
には、４００ｋＨｚ程度に設定するのがよい。ハイパス
フィルタ１９の出力は整流回路２０により整流され、整
流後の電圧レベルが比較回路２１により所定値Ｖb との
大小関係が比較される。この比較結果はマイコン８に入
力されている。

【００１０】次に、上述のように構成された超音波モー
タ制御装置の作用を説明する。まず、超音波モータの駆
動周波数の決定方法を表１に示す。

【００１１】

【表１】 マイコン８は上表に示すように駆動周波数を決定する。
即ち、固定子１の振動振幅が（イ）目標振動振幅である
場合には駆動周波数を変化させず、（ロ）目標振動振幅
より大きい場合には駆動周波数を所定値だけ高くして振
動振幅を小さくするようにし、（ハ）目標振動振幅より
小さい場合には駆動周波数を所定値だけ低くして振動振
幅を大きくする。

【００１２】次に、図３のフローチャートを用いて制御
作用を説明する。起動スイッチ１６をＯＮにすると、マ
イコン８は可変周波数範囲内の最高周波数を発生させる
指令を出力する（ステップ３１）。この指令により圧電
素子に駆動電圧が印加される。この時の固定子１の振動
振幅に相当する信号がマイコン８に入力される。また、
負荷トルク検出手段１７とＡ／Ｄ変換器１８によりマイ
コン８は超音波モータの負荷トルクの大きさを検出する
（ステップ３２）。図４に示したように、最適目標振動
振幅はモータ負荷により決定する。そこで例えば、負荷
と最適目標振動振幅の関係を図４に示すような直線で近
似しておく。マイコン８は、この直線関係を表わす演算
により目標振動振幅を決定する（ステップ３３）。次
に、先に記した駆動周波数の決定の方法に従って駆動周
波数を変化させる（ステップ３４）。次に、ハイパスフ
ィルタ１９、整流回路２０及び比較回路２１により処理
された信号により、モニタ電圧の振動振幅の高周波成分
が所定値以上になっているか否かの判断をする（ステッ
プ３５）。これが所定値以上になっている場合には目標
振動振幅を下げ（ステップ３６）、再度ステップ３４に
より駆動周波数を変化させる。所定値より小さい場合に
は、固定子１の振動振幅を整流回路６とＡ／Ｄ変換器７
で処理した信号の振動振幅が目標振動振幅になっている
か否かを判断する（ステップ３７）。目標振動振幅でな
い場合には、再度ステップ３４により駆動周波数を変化
させる。目標振動振幅である場合には、ステップ３２に
戻って負荷を検出する。以上の動作の繰り返しにより、
常に最適な振動振幅で超音波モータが駆動されることに
なる。

【００１３】

【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
れば、超音波モータの負荷トルクを検出する負荷トルク
検出手段と、検出された負荷トルクが大になるに従って
その時の負荷トルクにおける超音波モータの最大出力を
発生させる振動振幅となるように固定子の目標振動振幅
を低下させる目標振動振幅設定手段とを具備させたた
め、超音波モータの負荷の大きさが変化した場合に、固
定子の振動振幅が常に最適に制御されてその変化した負
荷において超音波モータの持つ最大性能を発生させるこ
とができ、また、異音の発生や不安定回転を防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る超音波モータ制御装置の実施例
を示す回路図である。

【図２】図１における固定子上への各電極の取付け態様
を示す図である。

【図３】上記実施例の作用を説明するための制御フロー
チャートである。

【図４】負荷トルクをパラメータとした固定子の振動振
幅とモータ回転数の関係を示す特性図である。

【図５】目標振動振幅をパラメータとした負荷トルクと
モータ回転数の関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１ 固定子 ８ 目標振動振幅設定手段としての機能を有するマイコ
ン １７ 負荷トルク検出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉岡 茂樹 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 任田 正之 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体の一面に圧電素子が固着された固
   定子と、前記弾性体の他面に加圧接触された回転子とを
   備え、前記圧電素子にその共振周波数近傍の交流電圧が
   印加されることにより動作する超音波モータにおける前
   記固定子の振動振幅が所定値となるように前記圧電素子
   の駆動周波数を制御する超音波モータ制御装置におい
   て、 前記超音波モータの負荷トルクを検出する負荷トルク検
   出手段と、該負荷トルク検出手段で検出された負荷トル
   クが大になるに従ってその時の負荷トルクにおける前記
   超音波モータの最大出力を発生させる振動振幅となるよ
   うに前記固定子の目標振動振幅を低下させる目標振動振
   幅設定手段とを有することを特徴とする超音波モータ制
   御装置。