JPH06276768A - 超音波モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波モータの振動量に対する移動速度を計
測し、その関係データを常に更新することで、最適な速
度制御を行う。 【構成】 目標値設定手段８は移動体２６の移動速度の
目標値を速度制御手段９に出力する。速度制御手段９は
演算処理を行い、移動体２６の移動速度が目標値になる
ように周波電圧の周波数を変化させかつ、９０゜位相の
異なる信号を出力する。これらの周波電圧が電力増幅手
段１０，１１を通じて一定レベルの周波電圧に増幅され
超音波モータ１に印加されると振動体２３が振動し、移
動体２６が駆動される。同時に、速度検出手段６では位
置情報検出手段４及び、Ａ／Ｄ変換手段５を通じて検出
される移動体２６の位置の移動量と振動量を基に、移動
体２６の移動速度と振動体２３の振動量の関係データを
求め、情報記憶手段７のデータを更新する。

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制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電セラミックス等の圧電体を用
いた振動体に弾性振動を励振し、これを駆動力とした超
音波モータが注目されている。

【０００３】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。

【０００４】図４は円環形超音波モータの一部切欠斜視
図であり、円環形の弾性体２１の円環面の一方に圧電体
として円環形圧電セラミックス２２を貼合わせて振動体
２３を形成している。また２５は円環形の弾性体であ
り、耐摩耗性材料の摩擦材２４と貼合わせることにより
移動体２６を形成している。この移動体２６は摩擦材２
４を介して振動体２３と加圧接触されている。

【０００５】圧電体２２に設けられた駆動電極（図示せ
ず）に交流電圧を印加すると、図５に示すような径方向
の変位分布を有する径方向１次、周方向３次以上の撓み
振動の進行波が振動体２３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２６は摩擦駆動され回
転運動をする。

【０００６】図６は振動体に励振された撓み振動の進行
波により、移動体が摩擦駆動される原理を示す説明図で
ある。振動体２３の表面の任意のＡ点は、撓み振動の進
行波の励振によって、長軸２ｗ、短軸２ｕの楕円運動を
する。振動体２３上に加圧して設置された移動体２６
は、楕円軌跡の頂点近傍で振動体と接触することによ
り、接触面の摩擦力により進行波の進行方向とは逆方向
に運動する。振動体の振動振幅は圧電体に流入する駆動
電流により決まり、進行波の波頭の横方向成分ｕは振動
体の振動振幅によって決まる。移動体２６の移動速度ｖ
は、上記の進行波の波頭の横方向成分ｕと撓み振動の角
周波数ωの積により次式のように決まり、 ｖ＝ω×ｕ 出力トルクは振動体と移動体の間の摩擦力によって決ま
る。

【０００７】超音波モータは、圧電体に所定の位置だけ
ずらした２組の駆動電極を構成して駆動端子を取り出
し、この２つの駆動端子に所定の位相の異なる交流電圧
をそれぞれ印加することにより、振動体に位置のずれた
２つの撓み振動の定在波を励振し、その結果として撓み
振動の進行波を励振することができる。この時２つの定
在波の振幅が等しければ定在波成分の小さい進行波が得
られ、動作原理より効率よく移動体を駆動することがで
きる。振動体は圧電体単体の時と同様に、駆動端子から
見ると共振・反共振特性を示す。従って、共振周波数近
傍で駆動すれば、低電圧で効率よく駆動することができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来の超
音波モータは、通常の動作時には進行波の波頭の横成分
によって、移動体の接触面を摩擦力で均一に駆動するこ
とにより、安定性のよい特性を得ている。また、振動量
と移動速度は比例関係にある。そのため、従来の超音波
モータの制御装置は、振動量と移動速度の関係データを
固定値として設定してあり、振動量から移動速度を推測
して、目標速度になるように制御していた。

【０００９】図７は振動量と移動速度の関係図である。
しかし、外部の機械負荷が大きくなったり、温度変化や
移動体の接触面に構成された摩擦材の劣化等により移動
体の接触面に不均一に振動体が接触してしまい、振動量
と移動速度の関係データが変わってしまうという問題点
があった。

【００１０】その結果、振動量から推測した移動速度と
実際の移動速度との誤差が大きくなっていた。

【００１１】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、超音波モータの振動量に対する移動速度を計測し、
その関係データを常に更新することで、最適な速度制御
を行うことを目的とする。

【００１２】

【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制御装置は、超音波モータ
と、超音波モータの振動量を検出する振動量検出手段
と、移動体の移動位置に関する情報を検出する位置情報
検出手段と、一定時間間隔における移動体の位置の移動
量から移動体の移動速度を検出する速度検出手段と、振
動量と移動速度の関係データを保存する情報記憶手段
と、移動速度の目標値を設定する目標値設定手段と、振
動量及び関係データを基に、移動速度が目標値設定手段
で設定された目標値になるように周波電圧の周波数を変
化させ移動速度を制御する速度制御手段とを有してい
る。

【００１３】

【作用】本発明は上記の構成により、温度変化や超音波
モータの特性ばらつき等によって生じる、振動量と移動
速度の関係データの変化を補正し、補正された関係デー
タと振動量を基に速度制御を行うことで超音波モータを
所定の移動速度で安定に動作させる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１５】図１は本発明の一実施例における超音波モ
ータの制御装置のブロック図を示すものである。図１に
おいて、１は振動体２３と移動体２６で構成された超音
波モータ、２は超音波モータ１の振動体２３の振動量を
検出する振動量検出手段、３は振動量検出手段２から出
力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ
変換手段、４は移動体２６の位置を検出する位置情報検
出手段、５は位置情報検出手段４から出力されるアナロ
グ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段、６は
一定時間間隔における移動体２６の位置の移動量から移
動体２６の移動速度を検出する速度検出手段、７は速度
検出手段６で検出された移動体２６の移動速度と振動体
２３の振動量の関係データを保存する情報記憶手段、８
は移動体２６の移動速度の目標値を設定、切り換え速度
指令値を出力する目標値設定手段、９は移動体２６の移
動速度が目標値設定手段８で設定された目標値になるよ
うに周波電圧の周波数を変化させ、かつ、９０゜位相の
異なる信号を出力し移動速度を制御する速度制御手段、
１０，１１は速度制御手段９から出力される９０゜位相
の異なった各々の信号を超音波モータ１を駆動するのに
必要な電圧レベルまで増幅もしくは昇圧して圧電体の各
々の電極に一定の電圧レベルを印加し電力を供給するた
めの電力増幅手段である。

【００１６】図２は速度制御手段９の演算過程を示すフ
ローチャート、図３は速度検出手段６の演算過程を示す
フローチャートである。

【００１７】以上のように構成された本実施例の超音波
モータの制御装置について、以下その動作を図面を基に
説明する。

【００１８】目標値設定手段８は移動体２６の移動速度
の目標値を速度制御手段９に出力する。速度制御手段９
は演算処理を行い、移動体２６の移動速度が目標値にな
るように周波電圧の周波数を変化させ、かつ、９０゜位
相の異なる信号を出力する。これらの周波電圧が電力増
幅手段１０，１１を通じて一定レベルの周波電圧に増幅
され超音波モータ１に印加されると振動体２３が振動
し、移動体２６が駆動される。この振動体２３の振動量
は振動量検出手段２及び、Ａ／Ｄ変換手段３を通じて速
度制御手段９に出力される。速度制御手段９ではこの振
動量と目標値設定手段８から出力される速度指令値を基
に図２に示す演算処理を行うわけであるが、以下その処
理についてフローチャートの順に説明を行う。

【００１９】ステップＳ１では目標値設定手段８から出
力される移動速度の目標値を読み込みステップＳ２に進
む。

【００２０】ステップＳ２では移動速度の目標値に対応
した目標振動量を情報記憶手段７から読み込みステップ
Ｓ３に進む。

【００２１】ステップＳ３では移動速度の目標値が変わ
ったかどうかチェックし、変わった場合ステップＳ１に
進み、変わらなかった場合ステップＳ４に進む。

【００２２】ステップＳ４では振動体２３の現在の振動
量を読み込みステップ５に進む。ステップＳ５ではステ
ップＳ２で読み込んだ目標振動量とステップＳ５で読み
込んだ現在の振動量の差を計算し、速度誤差を求めてス
テップＳ６に進む。

【００２３】ステップＳ６ではステップＳ５で求めた速
度誤差が０より大きいか比較することで移動体の現在の
移動速度が目標値と比較して遅いかどうか推測する。遅
い場合ステップＳ７に進み、変わらなかった場合ステッ
プＳ８に進む。

【００２４】ステップＳ７では演算処理を行い、駆動周
波数を下げてステップＳ３に進む。ステップＳ８では演
算処理を行い、駆動周波数を上げてステップＳ３に進
む。

【００２５】このようにして、移動体２６の移動速度が
目標値になるように制御している。同時に、速度検出手
段６では位置情報検出手段４及び、Ａ／Ｄ変換手段５を
通じて検出される移動体２６の位置の移動量を基に図３
に示す演算処理を行うわけであるが、以下その処理につ
いてフローチャートの順に説明を行う。

【００２６】ステップＳ９では位置情報検出手段４及
び、Ａ／Ｄ変換手段５を通じて検出される移動体２６の
位置Ｘnを読み込みステップＳ１０に進む。

【００２７】ステップＳ１０では時間ｔが経過したかど
うかチェックする。経過したらステップＳ１１に進む。

【００２８】ステップＳ１１では位置情報検出手段４及
び、Ａ／Ｄ変換手段５を通じて検出される時間ｔが経過
した後の移動体２６の位置Ｘn+1を読み込みステップＳ
１２に進む。

【００２９】ステップＳ１２では超音波モータ１の振動
体２３の現在の振動量を読み込みステップ１３に進む。

【００３０】ステップＳ１３では時間ｔあたりの移動体
２６の位置の変化から移動速度を計算しステップ１４に
進む。

【００３１】ステップＳ１４では移動体２６の移動速度
に対応した振動量を情報記憶手段７に書き込みステップ
Ｓ９に進む。

【００３２】このようにして、常に、移動体２６の移動
速度と振動体２３の振動量の関係データを求め、情報記
憶手段７のデータを更新する。

【００３３】以上のように本実施例によれば、温度変化
や超音波モータの特性ばらつき等によって、振動量と移
動速度の関係データが変化しても、常にデータを更新す
ることで補正することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明は、移動体の移動速
度と振動体の振動量の関係データを求めて情報記憶手段
のデータを更新する構成としたため、温度変化や超音波
モータの特性ばらつき等によって振動量と移動速度の関
係データが変化しても、常に最適値で速度制御すること
ができ、所定の移動速度で安定に動作させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における超音波モータの制御
装置の構成を示すブロック図

【図２】本発明の一実施例における速度制御手段の演算
過程を示すフローチャート

【図３】本発明の一実施例における速度検出手段の演算
過程を示すフローチャート

【図４】円環形超音波モータの一部切欠斜視図

【図５】円環形超音波モータの振動体の径方向の振動変
位を示す斜視図

【図６】超音波モータの動作原理を示す説明図

【図７】超音波モータの振動量と移動速度の関係を示す
特性図

【符号の説明】

１ 超音波モータ ２ 振動量検出手段 ３，５ Ａ／Ｄ変換手段 ４ 位置情報検出手段 ６ 速度検出手段 ７ 情報記憶手段 ８ 目標値設定手段 ９ 速度制御手段 １０，１１ 電力増幅手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体と周波電圧で駆動される圧電体か
   ら構成される振動体と、前記振動体上に接触して設置し
   た移動体を具備し、前記振動体に弾性波を励振すること
   により前記移動体を移動させる超音波モータと、 前記超音波モータの振動量を検出する振動量検出手段
   と、 前記移動体の移動位置に関する情報を検出する位置情報
   検出手段と、 一定時間間隔における前記移動体の位置の移動量から前
   記移動体の移動速度を検出する速度検出手段と、 前記振動量と前記移動速度の関係データを保存する情報
   記憶手段と、 前記移動速度の目標値を設定する目標値設定手段と、 前記振動量及び前記関係データを基に、前記移動速度が
   前記目標値設定手段で設定された目標値になるように前
   記周波電圧の周波数を変化させ前記移動速度を制御する
   速度制御手段とを備えた超音波モータの制御装置。