JPH07274548A - 超音波モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 昇圧手段を常に効率の良い範囲で使用して消
費電力を低減する超音波モータの制御装置を提供する。 【構成】 振動量検出手段２による振動体２３の振動量
から移動体２６の移動速度に関する情報を検出する速度
情報検出手段と、移動体２６の目標速度を設定する目標
速度設定手段５と、超音波モータ１を駆動する電源電圧
を設定された値に昇圧する昇圧手段１２と、速度情報検
出手段の出力情報を基に、移動体２６の移動速度と目標
速度との差が予め設定された値値以上の場合は駆動周波
数を変え、予め設定された値以内の場合は昇圧手段１２
の昇圧電圧を変えることで移動体２６の移動速度が目標
速度になるように制御し、昇圧電圧が予め設定されたリ
ミット値に達した場合は昇圧電圧を中心値に戻すととも
に駆動周波数を変えることで制御を継続する速度制御手
段１０とを有している。

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３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４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５は振動体２３に励振された撓み振動の
進行波により、移動体２６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２３の振動量は圧電体に流入す
る駆動電流により決まり、進行波の波頭の横方向成分ｕ
は振動体の振動量によって決まる。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（数１）のように決まり、

【０００７】

【数１】

【０００８】出力トルクは振動体２３と移動体２６の間
の摩擦力によって決まる。超音波モータは、圧電体２２
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
２３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
２６を駆動することができる。振動体２３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。

【０００９】超音波モータに印加する周波電圧の周波数
（以降、駆動周波数と称する。）を変化させた時の移動
体２６の速度の変化は図６に示すような周波数特性を示
す。この図から分かるように駆動周波数と移動体２６の
移動速度の関係は移動方向が変わっても殆ど変わらな
い。

【００１０】しかし、共振周波数は振動体２３と移動体
２６の接触状態や外部から受ける負荷の状態や温湿度変
化等によって変わってしまう。

【００１１】以上説明したように、超音波モータを効率
よく駆動するためには常に共振周波数に追従して駆動す
る必要がある。

【００１２】また、超音波モータは曲げ振動の進行波を
利用しているので、移動体２６の移動速度と振動体２３
の振動量は比例関係にある。そのため、移動体２６の速
度を遅くしようとすれば、駆動電圧を小さくして振動体
２３の振動量を小さくし、上記の短軸ｕを小さくすれば
よい。また、移動体２６の速度を速くしようとすれば、
駆動電圧を大きくして振動体２３の振動量を大きくし、
上記の短軸ｕを大きくすればよい。駆動周波数を離散的
にしか変えられない構成の場合、駆動周波数を変えるこ
とで粗制御を行い、駆動電圧を変えることで密制御を行
っている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の超音波モータの
制御装置は、駆動周波数を離散的にしか変えられない構
成の場合、移動体の移動速度と目標速度との差が一定値
以内の場合に駆動電圧を変えることで密制御を行ってい
るが、昇圧電圧の可変範囲を昇圧手段が効率良く昇圧可
能な範囲に限定すると可変範囲が狭いため可変範囲の上
限値や下限値に飽和してしまい目標速度に収束できなか
ったり、目標速度に収束するために可変範囲を広げると
昇圧手段の効率の悪い範囲でも使用することになり消費
電力が増大するという問題点があった。

【００１４】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、昇圧手段が効率良く昇圧可能な範囲の上限と下限に
リミット値を設定し、昇圧電圧がリミット値に達した場
合は昇圧電圧を中心値に戻すとともに駆動周波数を変え
て制御を継続することで昇圧手段を常に効率の良い範囲
で使用して消費電力を低減し、かつ簡単な構成で高精度
な速度制御ができる超音波モータの制御装置を提供する
ことを目的とする。

【００１５】

【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、移動体の移動速
度に関する情報を検出する速度情報検出手段と、移動体
の目標速度を設定する目標速度設定手段と、超音波モー
タを駆動する電源電圧を設定された値に昇圧する昇圧手
段と、速度情報検出手段の出力情報を基に、移動体の移
動速度と目標速度との差が予め設定された値値以上の場
合は駆動周波数を変え、予め設定された値以内の場合は
昇圧手段の昇圧電圧を変えることで移動体の移動速度が
目標速度になるように制御し、昇圧電圧が予め設定され
たリミット値に達した場合は昇圧電圧を中心値に戻すと
ともに駆動周波数を変えることで制御を継続する速度制
御手段とを有している。

【００１６】

【作用】本発明は上記した構成により、昇圧手段が効率
良く昇圧可能な範囲の上限と下限にリミット値を設定
し、昇圧電圧がリミット値に達した場合は昇圧電圧を中
心値に戻すとともに駆動周波数を変えて制御を継続する
ことで昇圧手段を常に効率の良い範囲で使用することが
できるので消費電力を低減でき、駆動周波数を離散的に
しか変えられない構成でも高精度な速度制御ができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１８】図１は本発明の第２の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の移動方向を設定する移
動方向設定手段、５は移動体２６の移動速度と振動体２
３の振動量の関係データを基に移動体２６の目標速度値
として目標の振動量を設定する目標速度設定手段、１０
は振動体２３の振動量と目標速度設定手段５で設定され
た目標振動量の差が予め設定された値以上の場合は駆動
周波数を変え、予め設定された値以内の場合は昇圧電圧
を変えることで振動体２３の振動量が目標振動量になる
ようにして移動体２６の移動速度を制御し、昇圧電圧が
予め設定されたリミット値に達した場合は駆動周波数を
変えることで制御を継続する速度制御手段、１１は９０
度位相の異なる周波信号を出力する９０度位相手段、１
２は超音波モータ１を駆動する電源電圧を設定された値
に昇圧する昇圧手段、１３，１４は速度制御手段１０及
び９０度位相手段１１から出力される９０度位相の異な
った各々の周波信号を昇圧手段１２で昇圧された昇圧電
圧を基に一定の増幅率で増幅して圧電体の各々の電極に
駆動電圧を印加し電力を供給するための電力増幅手段で
ある。

【００１９】図２は速度制御手段１０の速度制御の過程
を示すフローチャートである。以上のように構成された
第２の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。

【００２０】目標速度設定手段５は移動体２６の移動速
度と振動体２３の振動量の関係データを基に移動体２６
の目標速度値として目標の振動量を速度制御手段１０に
出力する。速度制御手段１０は演算処理を行い、振動体
２３の振動量と目標速度設定手段５で設定された目標振
動量の差が予め設定された値以上の場合は駆動周波数を
変え、予め設定された値以内の場合は昇圧電圧を変える
ことで振動体２３の振動量が目標振動量になるようにし
て移動体２６の移動速度を制御し、昇圧電圧が予め設定
されたリミット値に達した場合は昇圧電圧を中心値に戻
すとともに駆動周波数を変えることで制御を継続する。

【００２１】９０度位相手段１１は速度制御手段１０よ
り出力された駆動周波数の位相を９０度ずらす。昇圧手
段１２は超音波モータ１を駆動する電源電圧を速度制御
手段１０より設定された値に昇圧する。電力増幅手段１
３，１４は速度制御手段１０及び９０度位相手段１１か
ら出力される９０度位相の異なった各々の周波信号を昇
圧手段１２で昇圧された昇圧電圧を基に一定の増幅率で
増幅して圧電体の各々の電極に駆動電圧を印加し電力を
供給する。その結果、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１０
に出力される。

【００２２】速度制御手段１０ではこの振動量と目標速
度設定手段５から出力される目標振動量を基に図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。

【００２３】ステップＳ１４では目標速度設定手段５か
ら設定される振動体２３の目標振動量を読み込みステッ
プＳ１５に進む。

【００２４】ステップＳ１５では振動体２３の目標振動
量が変わったかどうかチェックし、変わった場合ステッ
プＳ１４に進み、変わらなかった場合ステップＳ１６に
進む。

【００２５】ステップＳ１６では振動体２３の現在の振
動量を読み込みステップ１７に進む。

【００２６】ステップＳ１７ではステップＳ１４で読み
込んだ目標振動量とステップＳ１６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Ｓ１８
に進む。

【００２７】ステップＳ１８ではステップＳ１７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２６
の現在の移動速度が目標速度と比較して速いか遅いか推
測する。速い場合ステップＳ１９に進み、遅い場合ステ
ップＳ２４に進む。

【００２８】ステップＳ１９ではステップＳ１７で求め
た速度誤差が予め設定された値より大きいか比較する。
予め設定された値より大きい場合粗制御を行うためにス
テップＳ２２に進み、小さい場合密制御を行うためにス
テップＳ２０に進む。

【００２９】ステップＳ２０では現在の昇圧電圧が昇圧
手段１２が効率良く昇圧可能な範囲の下限値であるかチ
ェックし、下限値でない場合ステップＳ２１に進み、下
限値の場合ステップＳ２２に進む。

【００３０】ステップＳ２１では演算処理を行い、昇圧
電圧を小さくしてステップＳ１５に進む。

【００３１】ステップＳ２２では昇圧電圧を昇圧手段１
２が効率良く昇圧可能な範囲の中心値にしてステップＳ
２３に進む。

【００３２】ステップＳ２３では演算処理を行い、駆動
周波数を上げてステップＳ１５に進む。

【００３３】ステップＳ２４ではステップＳ１７で求め
た速度誤差が予め設定された値より大きいか比較する。
予め設定された値より大きい場合粗制御を行うためにス
テップＳ２７に進み、小さい場合密制御を行うためにス
テップＳ２５に進む。

【００３４】ステップＳ２５では現在の昇圧電圧が昇圧
手段１２が効率良く昇圧可能な範囲の上限値であるかチ
ェックし、上限値でない場合ステップＳ２６に進み、上
限値の場合ステップＳ２７に進む。

【００３５】ステップＳ２６では演算処理を行い、昇圧
電圧を大きくしてステップＳ１５に進む。

【００３６】ステップＳ２７では昇圧電圧を昇圧手段１
２が効率良く昇圧可能な範囲の中心値にしてステップＳ
２８に進む。

【００３７】ステップＳ２８では演算処理を行い、駆動
周波数を下げてステップＳ１５に進む。

【００３８】このようにして、移動体２６の移動速度が
目標速度になるように制御している。

【００３９】以上のように第２の実施例によれば、昇圧
手段が効率良く昇圧可能な範囲の上限と下限にリミット
値を設定し、昇圧電圧が上限値に達した場合は昇圧電圧
を中心値に戻した後駆動周波数を上げ、昇圧電圧が下限
値に達した場合は昇圧電圧を中心値に戻した後駆動周波
数を下げ、制御を継続することで昇圧手段を常に効率の
良い範囲で使用することができるので消費電力を低減で
き、駆動周波数を離散的にしか変えられない構成でも高
精度な速度制御ができる。

【００４０】なお、本実施例では、速度情報検出手段と
して振動量検出手段による振動体の振動量から移動体の
速度情報を検出する方式の場合について述べてたが、エ
ンコーダーや磁気センサー等を用いることにより速度情
報を検出する方式の場合でも本発明の目的が達せられ
る。

【００４１】また、本実施例では、駆動周波数や昇圧電
圧の変化量を一定にした場合について述べたが、目標速
度と実際の速度との差に応じて変化量を変えた場合でも
本発明の目的が達せられるのは言うまでもない。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明は、昇圧手段が効率
良く昇圧可能な範囲の上限と下限にリミット値を設定
し、昇圧電圧がリミット値に達した場合は昇圧電圧を中
心値に戻すとともに駆動周波数を変えて制御を継続する
ことで昇圧手段を常に効率の良い範囲で使用することが
できるので消費電力を低減でき、かつ簡単な構成で高精
度な速度制御ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の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】同実施例における速度制御手段の速度制御の過
程を示すフローチャート

【図３】円環形超音波モータの一部切欠斜視図

【図４】円環形超音波モータの振動体の径方向の振動変
位を示す説明図

【図５】超音波モータの動作原理を示す説明図

【図６】超音波モータの駆動周波数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 Ａ／Ｄ変換手段 ４ 移動方向設定手段 ５ 目標速度設定手段 １０ 速度制御手段 １１ ９０度位相手段 １２ 昇圧手段 １３，１４ 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の制御手段
   として、前記移動体の移動速度に関する情報を検出する
   速度情報検出手段と、前記移動体の目標速度を設定する
   目標速度設定手段と、前記超音波モータを駆動する電源
   電圧を設定された値に昇圧する昇圧手段と、前記速度情
   報検出手段の出力情報を基に前記移動体の移動速度を制
   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
   において、 前記速度制御手段は、前記移動体の移動速度と前記目標
   速度との差が予め設定された値以上の場合は前記周波電
   圧の周波数を変え、予め設定された値以内の場合は前記
   昇圧手段の昇圧電圧を変えることで前記移動体の移動速
   度が前記目標速度になるように制御し、前記昇圧電圧が
   予め設定されたリミット値に達した場合は前記昇圧電圧
   を中心値に戻すとともに前記周波数を変えることで前記
   制御を継続することを特徴とする超音波モータの制御装
   置。