JPH07108105B2 - Ultrasonic motor driving method - Google Patents

Ultrasonic motor driving method

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JPH07108105B2
JPH07108105B2 JP60195102A JP19510285A JPH07108105B2 JP H07108105 B2 JPH07108105 B2 JP H07108105B2 JP 60195102 A JP60195102 A JP 60195102A JP 19510285 A JP19510285 A JP 19510285A JP H07108105 B2 JPH07108105 B2 JP H07108105B2
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ultrasonic
motor
rotor
stator
ultrasonic motor
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晃 徳島
修 川崎
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/16Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
    • H02N2/163Motors with ring stator

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は超音波振動を駆動源とした超音波モータ或い
は超音波リニヤモータに関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic motor or an ultrasonic linear motor that uses ultrasonic vibration as a drive source.

従来の技術 超音波振動を利用したモータに関しては、すでに各種の
構造、原理の特許或いは学会発表がなされている。それ
らの技術の基本は圧電体に電圧を印加した時に生ずる、
延び、或いは縮みを利用したものである。円環或いは円
板状の圧電体に毎秒数十キロヘルツの電界を印加し、そ
の時圧電体に生ずる機械的変位を、摩擦力を介して外部
に取出す事を基本としている。
2. Description of the Related Art Regarding motors utilizing ultrasonic vibration, various structures and principles have already been patented or presented at academic conferences. The basis of those technologies is when a voltage is applied to a piezoelectric body,
It uses elongation or contraction. Basically, an electric field of several tens of kilohertz is applied to a ring-shaped or disk-shaped piezoelectric body, and the mechanical displacement generated in the piezoelectric body at that time is taken out through a frictional force.

更に円板状圧電体を直線化したリニヤーモータも報告さ
れ同様の駆動原理で動く。
Further, a linear motor in which a disk-shaped piezoelectric body is linearized has also been reported and operates with the same driving principle.

発明が解決しようとする問題点 上記のような超音波モータは多くの欠点を有していて、
未だに実用化の報告はない。超音波モータの特性は直流
モータの特性に似ており、加えられる負荷或いは、モー
タの印加される電圧により、回転数が変化する。その結
果回転角、移動距離が一定ではなくなり一定に保つため
には何らかの手段を用い、外部より制御する必要があ
る。しかし、外部に回転数検出器を付加することは、超
音波モータの動作のためのコストアップとなるため、こ
のような使い方は適していないと思われていた。
Problems to be Solved by the Invention The ultrasonic motor as described above has many drawbacks,
There is no report of practical application yet. The characteristics of the ultrasonic motor are similar to the characteristics of the DC motor, and the rotation speed changes depending on the load applied or the voltage applied to the motor. As a result, the rotation angle and the moving distance are not constant, and some means must be used and externally controlled in order to keep them constant. However, since adding a rotation speed detector to the outside increases the cost for the operation of the ultrasonic motor, it has been considered that such usage is not suitable.

超音波モータにおいて速度制御するか或いは外部信号に
応じて回転角で動く機能を持たせる事は、超音波モータ
の応用範囲を大幅に広げることが可能となるが、安価に
高精度の位置あるいは速度制御ができる超音波モータを
実現する技術が存在していなかった。
It is possible to greatly expand the application range of the ultrasonic motor by providing the function of controlling the speed of the ultrasonic motor or providing the function of moving the rotation angle according to an external signal, but it is possible to inexpensively obtain a highly accurate position or speed. There was no technology to realize a controllable ultrasonic motor.

問題点を解決するための手段 駆動用の超音波振動の波数を計測すると同時に、超音波
モータに設けた回転数検出器の出力信号の波数を計測
し、超音波モータの回転速度から回転数検出器の出力信
号の波数と超音波振動の振動回数の関係から、回転数検
出器の出力信号の1分解能である信号間を、超音波振動
の波数により補間することにより、超音波モータの位置
あるいは速度を制御する。
Means for solving the problem At the same time as measuring the wave number of the ultrasonic vibration for driving, the wave number of the output signal of the rotation speed detector provided in the ultrasonic motor is measured to detect the rotation speed from the rotation speed of the ultrasonic motor. From the relationship between the wave number of the output signal of the detector and the number of vibrations of the ultrasonic vibration, the position of the ultrasonic motor or Control the speed.

作用 ステータに励振する超音波振動の波数を計測すると同時
に、超音波モータに設けた回転数検出器の出力信号の波
数を計測し、回転数検出器の出力信号の波数と超音波振
動の波数の関係から、回転数検出器の出力信号の信号間
を超音波振動の波数により補間することにより、超音波
モータの速度あるいは回転角を制御する。
Action Simultaneously measure the wave number of ultrasonic vibrations excited in the stator, and at the same time measure the wave number of the output signal of the rotation speed detector installed in the ultrasonic motor, and measure the wave number of the output signal of the rotation speed detector and the wave number of the ultrasonic vibrations. From the relationship, the speed or rotation angle of the ultrasonic motor is controlled by interpolating between the output signals of the rotation speed detector by the wave number of ultrasonic vibration.

実施例 超音波駆動モータは、超音波振動を駆動力として利用し
たもので、毎秒数十キロヘルツ以上の可聴周波数で、ス
テーターを振動させ、ステーター表面の極く微小の機械
送りをモータの駆動力とするものである。1振動当りの
送り量は1ミクロン内外と極くわずかな送り量である
が、数多くの回数を送るため、毎分数百回転の回転数が
得られている。
Example An ultrasonic drive motor uses ultrasonic vibration as a driving force, and vibrates the stator at an audible frequency of several tens of kilohertz per second or more, and a very small mechanical feed on the stator surface is used as the driving force of the motor. To do. The feed amount per vibration is extremely small, i.e., 1 micron or less. However, since a large number of feeds are made, a rotational speed of several hundred revolutions per minute is obtained.

本発明は、比較的分解能の低い回転数検出器を用い、そ
の1分解能の間をステータに励振する超音波振動の波数
即ち駆動用交流電界の波数で補間することにより、超音
波モータの位置あるいは速度を高精度に制御することを
可能にするものである。
The present invention uses a rotational speed detector having a relatively low resolution, and by interpolating during one resolution by the wave number of ultrasonic vibrations excited in the stator, that is, the wave number of the driving AC electric field, the position of the ultrasonic motor or This makes it possible to control the speed with high accuracy.

毎分一例として毎分360回転の回転数で動いているモー
タは、1秒間に6回転している。いまこの超音波モータ
のステータを30kHzの振動数で駆動しているとすれば、
ロータの1回転に要する超音波振動の振動数(波数)
は、 30k÷6=5k となり、即ちロータを1回転させるのに要する超音波振
動の波数は5000波となる。これより、1波当りの送り量
(ロータの移動量)は、 360°÷5000=0.072° となり、これはステータの超音波振動の1回の振動で0.
072°の送りをしていることを示している。
As an example, a motor operating at a rotation speed of 360 revolutions per minute makes 6 revolutions per second. If you are driving the stator of this ultrasonic motor at a frequency of 30 kHz,
Frequency (wave number) of ultrasonic vibration required for one rotation of the rotor
Is 30k / 6 = 5k, that is, the number of ultrasonic vibrations required to rotate the rotor once is 5000. As a result, the feed amount per rotor (movement amount of rotor) is 360 ° ÷ 5000 = 0.072 °, which is a single ultrasonic vibration of the stator.
It indicates that the feed is 072 °.

超音波駆動モータが正確に回転するためには、超音波振
動の開始と同時に正しくスタートし、停止時にも正しく
停止することが条件となる。従来のモータではこの様な
概念は成立しなかった。
In order for the ultrasonic drive motor to rotate accurately, it is a condition that the ultrasonic drive motor starts correctly at the same time as the ultrasonic vibration starts, and also stops correctly when it stops. With conventional motors, such a concept has not been established.

これらの要求を比較的満足したモータとして、パルスモ
ータ或いはステップモータがあるが、磁気的結合力で行
うためのギャップ数が有限であるため、動きが連続とな
らず、コギングと言われる振動を伴ない、使い難い。
There are pulse motors and step motors as motors that relatively meet these requirements. However, since the number of gaps for performing magnetic coupling is finite, the movement does not continue and vibrations called cogging occur. Not easy to use.

パルスモータはパルスの応答速度が大きく取れず、高速
応答特性を有するパルスモータが求められていた。
Since the pulse motor cannot obtain a high pulse response speed, a pulse motor having a high-speed response characteristic has been demanded.

超音波モータの駆動においては、超音波振動の発生が、
直接モータトルクの発生となる。さらに超音波振動の停
止がブレーキ作用として瞬時に作動するため、即座に停
止する事が特徴である。
When driving an ultrasonic motor, the generation of ultrasonic vibration
The motor torque is directly generated. Furthermore, the stop of ultrasonic vibration is instantaneously activated as a braking action, so that it is characterized by immediate stop.

つぎに本発明による超音波モータの実施例を示す。第1
図において、1は回転取り出し部であるロータ、2は超
音波振動を発生しモータの駆動部となるステータであ
り、金属、セラミック等の弾性体に圧電体3を貼合わせ
て構成している。4はモータの固定台を示す。超音波モ
ータの速度或いは位置検出用のエンコーダ5は、ロータ
1に取付けられている。6は光学的検出用の発光ダイオ
ードおよびフォトダイオードを含む検出器を示す。検出
器6の発光ダイオードより出た光はエンコーダ5で反射
され検出器6のフォトダイオードで受光される。
Next, an embodiment of the ultrasonic motor according to the present invention will be shown. First
In the figure, 1 is a rotor which is a rotation take-out portion, and 2 is a stator which generates ultrasonic vibrations and serves as a motor driving portion, and is constituted by laminating a piezoelectric body 3 on an elastic body such as metal or ceramic. Reference numeral 4 indicates a fixed base of the motor. An encoder 5 for detecting the speed or position of the ultrasonic motor is attached to the rotor 1. Reference numeral 6 denotes a detector including a light emitting diode and a photodiode for optical detection. The light emitted from the light emitting diode of the detector 6 is reflected by the encoder 5 and received by the photodiode of the detector 6.

第1図に示す実施例では、エンコーダ5として360°を1
024分割してスリットを設けた構造体をステータ2内に
捜入した位置でロータ1と一体化している。
In the embodiment shown in FIG. 1, 360 ° is set to 1 as the encoder 5.
The structure body, which is divided into 024 and has slits, is integrated with the rotor 1 at a position where it is searched into the stator 2.

超音波モータの特徴は先に記したように、その立上り、
停止、の応答性に特徴されるが、第2図に回転、停止の
電流電圧波形を示す。横軸は時間軸を示し、たて軸は出
力波形を示す。第2図は回転数200r.p.m.、トルク100g-
cwの負荷での特性であるが、超音波モータの停止特性が
いかに優れているかが示されている。
As mentioned above, the characteristics of ultrasonic motors are
Although it is characterized by the responsiveness of stopping and stopping, FIG. 2 shows current and voltage waveforms of rotating and stopping. The horizontal axis represents the time axis and the vertical axis represents the output waveform. Fig. 2 shows rotation speed 200r.pm, torque 100g-
Regarding the characteristics under the load of cw, it is shown how excellent the stopping characteristics of the ultrasonic motor are.

第2図において、(a)は立上り時の電圧、電流特性を
示し、(b)は立下り時の電圧、電流特性を示す。この
両者のデータがロータリ、エンコーダでの計測と一致す
る事により、計測データが正しい事が確認された。
In FIG. 2, (a) shows the voltage-current characteristics at the time of rising, and (b) shows the voltage-current characteristics at the time of falling. It was confirmed that the measurement data was correct by the fact that the data of both of them coincided with the measurement by the rotary and the encoder.

第2図において、上記エンコーダの1パルスの出力間
に、超音波駆動の波数は200波程度であるが、これは本
願明細書の第4ページに一例として記載した30kHzの交
流電界で超音波モータを駆動した時に、超音波モータの
回転数が8.789rpmになる時に相当する。これを説明する
と、超音波モータの毎秒の回転数は、 8.789÷60=0.1465rps 従って、ロータ1の1回転に要する超音波振動の波数
は、 30k÷0.1465=204.78k となり、即ちロータの1回転させるのに要する超音波振
動の波数は204780波となる。これより、ロータリーエン
コーダの1パルス当りの超音波振動の波数は、 204780÷1024=200 となる。
In FIG. 2, the wave number of ultrasonic wave drive is about 200 waves during the output of one pulse of the encoder. This is an ultrasonic motor with an AC electric field of 30 kHz described as an example on page 4 of the present specification. It corresponds to the case where the rotation speed of the ultrasonic motor becomes 8.789 rpm when is driven. To explain this, the number of revolutions per second of the ultrasonic motor is 8.789 ÷ 60 = 0.1465rps Therefore, the wave number of ultrasonic vibration required for one revolution of the rotor 1 is 30k ÷ 0.1465 = 204.78k, that is, one revolution of the rotor. The wave number of the ultrasonic vibration required to make it is 204780 waves. From this, the wave number of ultrasonic vibration per pulse of the rotary encoder is 204780 ÷ 1024 = 200.

従って、正確な位置はロータリー・エンコーダの出力に
より知り、ロータリー・エンコーダの1出力パルスの間
では、ステータ2の超音波振動の波数を位置信号として
使用することにより、ロータリー・エンコーダの分解能
を200倍に高めることができる。即ち、実施例では理論
的には 360÷1024÷200=0.00176° の分解能が実現できるが、実際には0.01°の分解能が実
現できた。
Therefore, the accurate position can be known from the output of the rotary encoder, and during one output pulse of the rotary encoder, the wave number of the ultrasonic vibration of the stator 2 is used as the position signal to increase the resolution of the rotary encoder by 200 times. Can be increased to That is, in the embodiment, theoretically, a resolution of 360/1024/200 = 0.00176 ° can be realized, but a resolution of 0.01 ° was actually realized.

つまり、通常はロータリー・エンコーダの出力を位置あ
るいは速度制御をするための位置あるいは速度信号とし
て用い、ロータリー・エンコーダの1出力パルスの間で
は、ステータ2の超音波振動の波数を位置あるいは速度
信号として使用することにより、分解能の低いロータリ
ー・エンコーダを用いた場合でも、精度の高い位置ある
いは速度制御が可能な超音波モータが実現できる。
That is, the output of the rotary encoder is usually used as a position or speed signal for position or speed control, and the wave number of ultrasonic vibration of the stator 2 is used as a position or speed signal during one output pulse of the rotary encoder. By using it, it is possible to realize an ultrasonic motor capable of highly accurate position or speed control even when a rotary encoder having a low resolution is used.

実験は40000回転に亘り各累積回転数と設定値からのズ
レとで評価したが、累積誤差としては1/40000以下とな
った。この結果より360°の設定範囲内で0.01°以内の
精度で停止が行なわれている事を確認した。
The experiment evaluated the cumulative number of revolutions and the deviation from the set value over 40,000 revolutions, but the cumulative error was 1/40000 or less. From this result, it was confirmed that the stop was performed within the setting range of 360 ° with an accuracy of 0.01 ° or less.

さらに第3図に上記で説明した1回転1024分解能のロー
タリー・エンコーダを用いて、1分解能の間をステータ
の超音波振動の波数で200等分して位置制御をした時の
特性である。同図より、ロータが1周する間で回転角に
対してロータリー・エンコーダの1分解能にあたる出力
パルスの間も線形性よく位置制御ができていることがわ
かる。
Further, FIG. 3 shows the characteristics when position control is performed by using the rotary encoder with 1024 resolution per rotation described above and dividing the resolution into 200 equal parts by the wave number of ultrasonic vibration of the stator. From the figure, it can be seen that the position control can be performed with good linearity even during the output pulse corresponding to one resolution of the rotary encoder with respect to the rotation angle during one rotation of the rotor.

発明の効果 本発明によれば、分解能の低い回転位置検出器を用いて
も、回転位置検出器の1分解能をステータの超音波振動
の波数で補間して、位置あるいは速度制御信号に用いる
ことにより、コストが低くても高精度の位置あるいは速
度制御ができる超音波モータを提供することができる。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, even if a rotary position detector having a low resolution is used, one resolution of the rotary position detector is interpolated by the wave number of ultrasonic vibration of the stator and used for the position or speed control signal. It is possible to provide an ultrasonic motor capable of highly accurate position or speed control even at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例における超音波パルスモータ
の分解斜視図、第2図は同モータの電圧、電流の立上
り、立下り特性を示すグラフ、第3図は同モータの回転
角−パルス数特性を示すグラフである。 1……ロータ、2……ステータ、3……圧電体、4……
支持台、5……エンコーダ、6……検出器。
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ultrasonic pulse motor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing rise and fall characteristics of voltage and current of the motor, and FIG. 3 is a rotation angle of the motor. It is a graph which shows a pulse number characteristic. 1 ... Rotor, 2 ... Stator, 3 ... Piezoelectric body, 4 ...
Support base, 5 ... Encoder, 6 ... Detector.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川崎 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 実開 昭58−54709(JP,U) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Osamu Kawasaki 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References: Shou 58-54709 (JP, U)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】弾性体と圧電体から成るステータに、ロー
タを移動可能に接触して設置し、前記圧電体に交流電界
を印加して、前記ステータに超音波振動を励振して前記
ロータを駆動する超音波モータの駆動方法であって、 前記ロータの回転位置検出器を設置し、前記回転位置検
出器の位置情報出力信号と、前記位置情報出力信号の1
分解能の間を、前記1分解能の位置情報出力時間内にお
いて前記ステータに励振される超音波振動の波数に基づ
いて補間した補間信号を、前記ロータの位置制御信号に
用いることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
1. A rotor, which is movably contacted with a stator composed of an elastic body and a piezoelectric body, is applied with an AC electric field to the piezoelectric body to excite ultrasonic vibrations on the stator to move the rotor. A driving method of an ultrasonic motor to be driven, wherein a rotation position detector of the rotor is installed, and a position information output signal of the rotation position detector and the position information output signal
An ultrasonic wave characterized in that an interpolation signal obtained by interpolating between resolutions based on the wave number of ultrasonic vibrations excited in the stator within the position information output time of the one resolution is used as a position control signal of the rotor. Motor driving method.
JP60195102A 1985-09-04 1985-09-04 Ultrasonic motor driving method Expired - Lifetime JPH07108105B2 (en)

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