JPH0759155B2 - Drive controller for ultrasonic motor - Google Patents

Drive controller for ultrasonic motor

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JPH0759155B2
JPH0759155B2 JP1202058A JP20205889A JPH0759155B2 JP H0759155 B2 JPH0759155 B2 JP H0759155B2 JP 1202058 A JP1202058 A JP 1202058A JP 20205889 A JP20205889 A JP 20205889A JP H0759155 B2 JPH0759155 B2 JP H0759155B2
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ultrasonic motor
piezoelectric body
voltage
frequency
detecting
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有司 泉野
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Kubota Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電体と弾性体とからなる駆動用の振動子を
有する超音波モータに対し、前記圧電体に高周波電力を
供給する電源供給手段と、前記振動子の振動速度を検出
する振動速度検出手段とを設けてある超音波モータの駆
動制御装置に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic motor having a driving vibrator including a piezoelectric body and an elastic body, and a power supply for supplying high frequency power to the piezoelectric body. And a vibration speed detecting means for detecting the vibration speed of the vibrator.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来この種の超音波モータの駆動制御装置において、振
動子の振動速度を検出する振動速度検出手段として、前
記振動子に、励振用の圧電体とは別個の検出用圧電体を
設けて構成することにより、前記振動子の振動振幅に対
応する出力電圧を検出するものがあった。
Conventionally, in this type of ultrasonic motor drive control device, as a vibration velocity detecting means for detecting the vibration velocity of a vibrator, a piezoelectric body for detection, which is separate from a piezoelectric body for excitation, is provided on the vibrator. In some cases, the output voltage corresponding to the vibration amplitude of the vibrator is detected.

つまり、超音波モータを、温度、負荷、駆動電圧等の使
用環境、条件の変動による前記振動子の機械的な共振周
波数の変動にかかわらず、高効率、且つ、安定に動作さ
せるためには、前記振動子の振動状態を一定に維持する
必要がある。
That is, in order to operate the ultrasonic motor in a highly efficient and stable manner regardless of changes in the mechanical resonance frequency of the vibrator due to changes in operating environment such as temperature, load, drive voltage, and conditions, It is necessary to keep the vibration state of the vibrator constant.

そのために、駆動制御装置に、前記振動子の振動状態、
即ち、変位、速度、加速度等何らかの状態量を検出する
必要があり、そのために、振動速度検出手段を設けて、
その検出振動速度に基づき前記圧電体へ印加する電源周
波数を最適な周波数に維持するように駆動制御していた
のである。
For that purpose, the drive controller is provided with a vibration state of the vibrator,
That is, it is necessary to detect some state quantity such as displacement, speed, and acceleration. For that purpose, a vibration speed detecting means is provided,
Based on the detected vibration speed, drive control is performed so that the power supply frequency applied to the piezoelectric body is maintained at an optimum frequency.

しかし、上述の従来技術によれば、前記弾性体に励振用
の圧電体とは別個の検出用圧電体を設ける必要があり、
モータの製造工程の複雑化、コスト上昇につながるばか
りか、特性のばらつき等、設置箇所によっては前記振動
子の振動状態を正確に検出できるとは限らないという欠
点があった。
However, according to the above-mentioned conventional technique, it is necessary to provide the elastic body with a detection piezoelectric body separate from the excitation piezoelectric body,
Not only does the manufacturing process of the motor become complicated and the cost increases, but also the vibration state of the vibrator cannot be detected accurately depending on the installation location due to variations in characteristics.

そこで、前記圧電体への機械腕電流を検出し、検出機械
腕電流の振幅を設定値に維持するように前記電源供給手
段の出力電圧を調節し、或いは、周波数を調節する超音
波モータ駆動制御装置が提案されている(特開平1−16
0379号公報)。
Therefore, an ultrasonic motor drive control for detecting the mechanical arm current to the piezoelectric body and adjusting the output voltage of the power supply means or adjusting the frequency so as to maintain the amplitude of the detected mechanical arm current at a set value. An apparatus has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 1-16
No. 0379).

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

しかし、前記圧電体への機械腕電流を検出するもので
は、進行波の楕円運動の短軸の変動幅が機械腕電流に比
例することに着目して、その値が設定値に維持されるよ
うに前記電源供給手段の出力電圧を調節し、或いは、周
波数を調節するものであり、圧電体の振動速度そのもの
を検出するものではないために、進行波の周波数の変動
等の要因で、必ずしも制御特性のよい駆動装置とはなら
ないという欠点があった。
However, in the one that detects the mechanical arm current to the piezoelectric body, attention is paid to the fact that the fluctuation width of the minor axis of the elliptical motion of the traveling wave is proportional to the mechanical arm current, and that value is maintained at the set value. In order to adjust the output voltage of the power supply means or to adjust the frequency, and not to detect the vibration speed itself of the piezoelectric body, it is not necessary to control due to factors such as fluctuations in the frequency of the traveling wave. There is a drawback that the drive device does not have good characteristics.

本発明の目的は、上述した従来欠点を解消する点にあ
る。
An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned conventional drawbacks.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

この目的を達成するため、本発明による超音波モータの
駆動制御装置の第一の特徴構成は、前記振動速度検出手
段を、前記圧電体への印加電圧を検出する印加電圧検出
手段と、通電電流を検出する通電電流検出手段と、前記
印加電圧検出手段及び前記通電電流検出手段それぞれの
出力信号の差動信号を求める演算手段とで構成し、 前記印加電圧検出手段に、前記印加電圧をN:1に降圧し
て検出する降圧回路を設けるとともに、前記通電電流検
出手段に、巻数比1:Pの変流器とその二次側に接続した
容量Cのコンデンサを設け、それら定数を前記圧電体
(1)の静電容量Cdに対して、 Cd=C・P/Nの関係に設定してある点にある。
In order to achieve this object, a first characteristic configuration of a drive control device for an ultrasonic motor according to the present invention is configured such that the vibration speed detection means is an applied voltage detection means for detecting an applied voltage to the piezoelectric body, and a conduction current. And a means for calculating a differential signal of the output signals of the applied voltage detection means and the applied current detection means, the applied voltage detection means, the applied voltage N: A step-down circuit for stepping down and detecting is provided at 1, and a current transformer having a winding ratio of 1: P and a capacitor having a capacitance C connected to the secondary side thereof are provided at the energization current detecting means, and the constants thereof are set to the piezoelectric body. (1) with respect to the capacitance C d of lies in that is set on the relation of C d = C · P / N .

第二の特徴構成は、上述の構成において、前記振動速度
検出手段による検出振動速度を設定値に維持するように
前記電源供給手段の出力電圧を調節する速度制御手段を
設けてある点にある。
A second characteristic configuration is that in the above-described configuration, speed control means for adjusting the output voltage of the power supply means is provided so as to maintain the detected vibration speed by the vibration speed detection means at a set value.

さらに、第三の特徴構成によれば、前記演算手段による
差動信号と前記圧電体への印加電圧との位相差を検出
し、検出位相差を設定値に維持するように前記電源供給
手段の発振周波数を調節する周波数制御手段を設けてあ
る点にある。
Furthermore, according to the third characteristic configuration, the phase difference between the differential signal by the arithmetic means and the voltage applied to the piezoelectric body is detected, and the power supply means of the power supply means is maintained so as to maintain the detected phase difference at a set value. The point is that frequency control means for adjusting the oscillation frequency is provided.

そして、第四の特徴構成によれば、前記設定値が90゜で
ある点にある。
According to the fourth characteristic configuration, the set value is 90 °.

第五の特徴構成によれば、前記周波数制御手段は、前記
設定値を補正する位相補正手段を設けてある点にある。
According to the fifth characteristic configuration, the frequency control means is provided with a phase correction means for correcting the set value.

〔作 用〕[Work]

つまり、振動速度検出手段は、以下の原理に基づき、前
記圧電体に対する駆動電圧及び電流を、所定の関係にあ
る印加電圧検出手段及び通電電流検出手段により検出
し、それら出力信号を演算手段により演算することで、
前記振動子の共振周波数と前記印加電圧の周波数との違
いにより生じる位相差を示す項を含む信号を出力するの
である。
That is, the vibration velocity detecting means detects the drive voltage and the current for the piezoelectric body by the applied voltage detecting means and the energizing current detecting means having a predetermined relationship, and calculates the output signals by the calculating means based on the following principle. by doing,
A signal including a term indicating a phase difference caused by a difference between the resonance frequency of the vibrator and the frequency of the applied voltage is output.

その位相差に基づき、前記電源供給手段の発振周波数を
適切に制御することで、超音波モータを、温度、負荷、
駆動電圧等の使用環境、条件の変動による前記振動子の
機械的な共振周波数の変動に係わらず、高効率、且つ、
安定に動作させるのである。
Based on the phase difference, by appropriately controlling the oscillation frequency of the power supply means, the ultrasonic motor, temperature, load,
High efficiency, regardless of changes in the mechanical resonance frequency of the vibrator due to changes in operating environment and conditions such as drive voltage, and
It operates stably.

以下に、その原理を述べる。The principle will be described below.

圧電振動子の理論を超音波モータに適用すると、電源供
給手段により印加された交流電圧により圧電体が速度
で振動するとき、圧電体と弾性体で構成される振動子
に対して、前記圧電体に流れ込む電流、及び、起振力
は、電気音響変換基本式に基づき、次式で表される。
When the theory of the piezoelectric vibrator is applied to the ultrasonic motor, when the piezoelectric body vibrates at a speed due to the AC voltage applied by the power supply unit, the piezoelectric body and the elastic body are applied to the vibrator. The electric current and the exciting force flowing into the are expressed by the following equations based on the electroacoustic conversion basic equations.

=+A =−A+ (1) ここで、は電気アドミタンスであり、Aは電気系と機
械系の変換結合係数で力係数といい、は機械インピー
ダンスである。また変数にドットを付してあるのはベク
トル量である。
= + A = -A + (1) Here, is electric admittance, A is a conversion coupling coefficient of an electric system and a mechanical system, called a force coefficient, and is mechanical impedance. In addition, the dot is attached to the variable is the vector quantity.

第5図に示すように、機械端子に音響インピーダンス
′を接続したときの前記振動子系の等価回路を考える
と、振動速度と電気端子電圧との関係は、(1)式
から、 =A/(+′) (2) と表される。
As shown in FIG. 5, considering the equivalent circuit of the vibrator system when the acoustic impedance 'is connected to the mechanical terminal, the relationship between the vibration speed and the electric terminal voltage is expressed as follows: It is expressed as (+ ') (2).

今、振動子を、質量m、スチフネスs、抵抗rからなる
単一共振系としての集中モデルで考え、′=r′+j
x′とおくと、 +′=r+r′+jx′+jωm+s/jω ω={−x′+(−x′+4ms)1/2}/2m (3) ここで、ωは機械共振角周波数であり、 ωは動作角周波数である。
Now consider the oscillator as a lumped model as a single resonance system consisting of mass m, stiffness s, and resistance r, and ′ = r ′ + j
Let x ′ be + ′ = r + r ′ + jx ′ + jωm + s / jω ω r = {− x ′ + (− x ′ 2 + 4ms) 1/2 } / 2m (3) where ω r is the mechanical resonance angular frequency And ω is the operating angular frequency.

従って、(2)式からとの位相に注目すると、 =A/|+′|・exp{jφ}・ (4) となり、以下の三通りの場合が考えられる。Therefore, paying attention to the phases of and from the equation (2), it follows that: = A / | + '| exp {jφ} · (4), and the following three cases can be considered.

i.ω<ωr:はに対してφ進相 ii.ω=ωr:はと同相 iii.ω>ωr:はに対してφ遅相 さらに、振動子の等価回路は、第6図に示すように、圧
電的機械振動を発生させる直列共振回路のL,C、抵抗
R、振動に無関係の静電容量Cdで表すことができ、
(1)式は、 =jωCd+A (5) となる。但し、ωは交流電圧Vの角周波数である。
i.ω <ω r : is a phase advance with respect to ii.ω = ω r : is in phase with iii.ω> ω r : is a phase delay with respect to As shown in, L and C of a series resonance circuit that generates piezoelectric mechanical vibration, resistance R, and electrostatic capacitance C d irrelevant to vibration can be expressed as
The equation (1) is: jj C d + A (5) However, ω is the angular frequency of the AC voltage V.

第7図に示すように、前記圧電体への通電電流を検出す
る通電電流検出手段の出力電圧は、 =/jωCP =Cd/CP+A/jωCP (6) となる。但し、変流器の巻数比を1:P、変流器の二次側
に配したコンデンサの容量をCとする。
As shown in FIG. 7, the output voltage c of the energization current detecting means for detecting the energization current to the piezoelectric body is c = / jωCP = Cd / CP + A / jωCP (6). However, the turns ratio of the current transformer is 1: P, and the capacity of the capacitor arranged on the secondary side of the current transformer is C.

また、前記圧電体への印加電圧を検出する印加電圧検出
手段の出力電圧は、 =/N (7) となる。但し、変圧器の巻数比をN:1とする。
The output voltage N of the applied voltage detecting means for detecting the applied voltage to the piezoelectric body is N = / N (7). However, the turns ratio of the transformer is N: 1.

次に、前記出力電圧を演算手段により差動増
幅すると、その出力電圧は、 =K() =K(Cd/CP−1/N)・+KA/(jωCP)・
(8) となる。但し、Kは差動利得である。
Next, when the output voltages C and N are differentially amplified by the calculating means, the output voltage P is P = K ( CN ) = K (C d / CP−1 / N) · + KA / (jωCP)・
(8) However, K is a differential gain.

ここで、 Cd/CP=1/N (9) となるように、C,P,Nの値を選定すると、(8)式は次
のように表すことができる。 =KA/(jωCP)・ (10) ここで、KA/(ωCP)は実数であるから、ととの
位相関係には影響を与えない。(10)式から出力電圧
は、その振幅が比例関係にあり、位相が90゜遅れの関
係にある圧電体の振動速度を検出することになる。
Here, when the values of C, P and N are selected so that C d / CP = 1 / N (9), the equation (8) can be expressed as follows. P = KA / (jωCP) · (10) Here, since KA / (ωCP) is a real number, it does not affect the phase relationship with P. Output voltage from equation (10)
The amplitude of P is proportional to the amplitude of P , and the phase of the piezoelectric element is delayed by 90 ° to detect the vibration speed of the piezoelectric material.

従って、速度と前記振動子への印加電圧の関係を示
す(4)式より、(10)式は となり、との位相関係は、以下の三通りの場合に
分けることができる。
Therefore, from equation (4) showing the relationship between the speed and the applied voltage to the vibrator, equation (10) is Therefore, the phase relationship with P can be divided into the following three cases.

iv.ω<ωr:はに対して90゜−φ遅相 v.ω=ωr:はに対して90゜遅相 vi.ω>ωr:はに対して90゜+φ遅相 以上より、、即ち、前記振動速度検出手段からの出
力信号を、圧電体への印加電圧より位相を90゜遅らす
ことにより、常に圧電振動子を共振周波数ωで駆動す
ることができる。
iv.ω <ω r : P is 90 ° -φ retarded with respect to v.ω = ω r : P is 90 ° retarded with respect to vi.ω> ω r : P is 90 ° + φ retarded with respect to From the above, P , that is, by delaying the phase of the output signal from the vibration velocity detecting means by 90 ° from the voltage applied to the piezoelectric body, the piezoelectric vibrator can always be driven at the resonance frequency ω r .

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

従って、本発明による第一の特徴構成によれば、振動速
度検出手段により圧電体の振動速度そのものを間接的な
がらも正確に検出できるようになった。
Therefore, according to the first characteristic configuration of the present invention, the vibration velocity of the piezoelectric body can be accurately detected indirectly by the vibration velocity detecting means.

そして、第二の特徴構成によれば、上述した検出振動速
度を設定値に維持するように前記電源供給手段の出力電
圧を調節することで、負荷変動が生じた場合であって
も、超音波モータを安定的に制御することができるよう
になった。
Then, according to the second characteristic configuration, by adjusting the output voltage of the power supply means so as to maintain the above-described detected vibration speed at a set value, even if a load fluctuation occurs, the ultrasonic wave is generated. The motor can now be controlled stably.

第三の特徴構成によれば、前記演算手段による差動信号
と前記圧電体への印加電圧との位相差を設定値に維持す
るように前記電源供給手段の発振周波数を調節すること
で、発振周波数を、温度変化や負荷変動に起因して変動
する機械的共振周波数に追尾して安定的に制御すること
ができるようになった。
According to the third characteristic configuration, the oscillation frequency of the power supply means is adjusted so as to maintain the phase difference between the differential signal by the arithmetic means and the voltage applied to the piezoelectric body at a set value, thereby oscillating. The frequency can now be controlled stably by tracking the mechanical resonance frequency that fluctuates due to temperature changes and load fluctuations.

第四の特徴構成によれば、前記設定値を90゜とすること
により、特に、複合振動子型の超音波モータにおいて最
も安定、且つ、効率のよい機械的共振周波数での駆動が
保障されるようになった。
According to the fourth characteristic configuration, by setting the set value to 90 °, particularly, the driving at the mechanical resonance frequency which is the most stable and efficient in the composite vibrator type ultrasonic motor is guaranteed. It became so.

第五の特徴構成によれば、位相補正手段により設定値を
補正して、発振周波数を機械的共振周波数より若干高い
周波数とするように調節することにより、進行波型の超
音波モータを最も安定、且つ、効率のよい駆動周波数で
駆動することができるようになった。
According to the fifth characteristic configuration, the traveling wave type ultrasonic motor is most stable by correcting the set value by the phase correction means and adjusting the oscillation frequency to a frequency slightly higher than the mechanical resonance frequency. Moreover, it is possible to drive at an efficient drive frequency.

〔実施例〕〔Example〕

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第2図に示すように、超音波モータ(M)は、圧電体
(1)に弾性体(2)を固着し、超音波の進行波を発生
するリング状の固定子(3)と、その固定子(3)に加
圧接触して回転する回転子(4)とから構成してある。
即ち、前記固定子(3)が振動子(3′)となる。
As shown in FIG. 2, an ultrasonic motor (M) has a ring-shaped stator (3) for fixing an elastic body (2) to a piezoelectric body (1) to generate a traveling wave of ultrasonic waves, and It is composed of a rotor (4) which rotates in pressure contact with the stator (3).
That is, the stator (3) becomes the vibrator (3 ').

前記圧電体(1)は、周方向に領域(A),(B)に二
分割してあり、各領域(A),(B)は波長λの二分の
一の間隔で隣り合う区分を交互に厚み方向に分極処理す
るとともに、それら領域(A),(B)間を四分の三波
長ずらせて配置してある。
The piezoelectric body (1) is divided into two regions (A) and (B) in the circumferential direction, and each of the regions (A) and (B) alternates between adjacent sections at intervals of half the wavelength λ. Is polarized in the thickness direction, and these regions (A) and (B) are arranged with a shift of three quarter wavelengths.

前記領域(A),(B)に90゜位相の異なる高周波電圧
を印加することにより、前記領域(A),(B)に対応
の前記固定子(3)に発生する定在波が相互に干渉を起
こし、合成されて進行波となる。
By applying high frequency voltages having 90 ° different phases to the regions (A) and (B), the standing waves generated in the stator (3) corresponding to the regions (A) and (B) are mutually generated. They cause interference and are combined into a traveling wave.

即ち、前記回転子(4)は、前記固定子(3)に発生す
る進行波に基づく前記固定子(3)との摩擦力により回
転するのである。
That is, the rotor (4) is rotated by the frictional force with the stator (3) based on the traveling wave generated in the stator (3).

前記超音波モータ(M)の駆動制御装置は、第1図に示
すように、前記圧電体(1)に高周波電力を供給する電
源供給手段(5)と、前記振動子(3′)の機械的な共
振周波数と前記圧電体(1)への印加電圧の周波数との
差により生じる位相差を検出する位相差検出手段
(6)、すなわち、振動速度検出手段と、その位相差検
出手段(6)の出力信号と前記印加電圧との位相を比較
し、その位相差を設定値に維持するように、前記電源供
給手段(5)の発振周波数を制御する周波数制御手段
(7)と、前記位相差検出手段(6)の出力信号に基づ
き前記電源供給手段(5)の出力電圧、即ち、前記圧電
体(1)への印加電圧を制御する速度制御手段(8)等
で構成してある。
As shown in FIG. 1, the drive control device for the ultrasonic motor (M) includes a power supply means (5) for supplying high frequency power to the piezoelectric body (1) and a machine for the vibrator (3 ′). Phase difference detecting means (6) for detecting a phase difference caused by the difference between the typical resonance frequency and the frequency of the voltage applied to the piezoelectric body (1), that is, the vibration velocity detecting means and the phase difference detecting means (6). ) Output signal and the applied voltage are compared, and a frequency control means (7) for controlling the oscillation frequency of the power supply means (5) so as to maintain the phase difference at a set value; It comprises speed control means (8) for controlling the output voltage of the power supply means (5), that is, the voltage applied to the piezoelectric body (1) based on the output signal of the phase difference detection means (6).

前記電源供給手段(5)は、前段に、前記速度制御手段
(8)の出力信号に基づき、駆動回路(D1)を介してス
イッチ(S5)による通流率を変えることで、出力電圧を
可変する直流チョッパ回路(5a)を、そして後段に、前
記周波数制御手段(7)の出力信号に基づき、駆動回路
(D2)を介してスイッチ(S1)からスイッチ(S4)を開
閉することで、周波数を可変するインバータ回路(5b)
を設けて構成してある。
The power supply means (5) changes the output voltage in the preceding stage by changing the conduction ratio by the switch (S5) via the drive circuit (D1) based on the output signal of the speed control means (8). The direct current chopper circuit (5a) and the switch (S1) to the switch (S4) are opened / closed via the drive circuit (D2) on the basis of the output signal of the frequency control means (7). Inverter circuit that changes the voltage (5b)
Is provided and configured.

前記インバータ回路(5b)は、電源分割形ハーフブリッ
ジインバータを二組組み合わせて、位相が90゜ずれた二
相の方形波を出力するもので、それぞれの出力端子は、
昇圧用のトランス(T1),(T2)を介して、前記超音波
モータ(M)の前記圧電体(1)の領域(A),(B)
に設けてある電極に接続してある。
The inverter circuit (5b) is a combination of two sets of power-supply-divided half-bridge inverters and outputs a two-phase square wave whose phase is shifted by 90 °.
Regions (A) and (B) of the piezoelectric body (1) of the ultrasonic motor (M) through the boosting transformers (T1) and (T2)
It is connected to the electrodes provided in.

尚、前記方形波は、前記トランス(T1),(T2)のもれ
インダクタンスにより正弦波に波形成形される。
The square wave is shaped into a sine wave by the leakage inductance of the transformers (T1) and (T2).

前記位相差検出手段(6)は、前記圧電体(1)への印
加電圧Vを検出する印加電圧検出手段(6a)と、通電電
流Iを検出する通電電流検出手段(6b)と、それら出力
信号を差動増幅する演算手段(6c)等で構成してある。
The phase difference detecting means (6) is an applied voltage detecting means (6a) for detecting an applied voltage V to the piezoelectric body (1), an energizing current detecting means (6b) for detecting an energizing current I, and outputs thereof. It is composed of arithmetic means (6c) for differentially amplifying signals.

前記印加電圧検出手段(6a)は、巻数比N:1の変圧器(P
T)の二次側にブートストラップ回路(B1)を接続して
構成し、前記通電電流検出手段(6b)は、巻数比1:Pの
変流器(CT)の二次側に容量Cのコンデンサ(C3)を介
して、ブートストラップ回路(B2)を接続して構成して
あり、共に前記トランス(T2)の二次側に介装してあ
る。
The applied voltage detecting means (6a) is a transformer (P
The bootstrap circuit (B1) is connected to the secondary side of (T), and the energization current detection means (6b) has a capacity C on the secondary side of the current transformer (CT) with a turns ratio of 1: P. A bootstrap circuit (B2) is connected via a capacitor (C3), both of which are provided on the secondary side of the transformer (T2).

そして、前記定数N,P,Cは、前記圧電体(1)の静電容
量Cdに対して、 Cd=C・P/N となるように設定してある。
The constants N, P and C are set so that C d = C · P / N with respect to the capacitance C d of the piezoelectric body (1).

前記印加電圧検出手段(6a)の出力電圧VNと前記通電電
流検出手段(6b)の出力電圧VCを前記演算手段(6c)に
より差動増幅した結果、その出力電圧VPは、〔作用〕の
項で述べたように、前記印加電圧Vの周波数と前記振動
子(3′)の共振周波数との差により生じる位相差を表
す項を含む。
As a result of differentially amplifying the output voltage V N of the applied voltage detection unit (6a) and the output voltage V C of the energization current detection unit (6b) by the calculation unit (6c), the output voltage V P is ], The term represents a phase difference caused by the difference between the frequency of the applied voltage V and the resonance frequency of the vibrator (3 ′).

前記周波数制御手段(7)は、位相比較器(PC)と出力
反転形のローパスフィルタ(LPF)と電圧制御発振器(V
CO)とからなるPLLで、前記電圧制御発振器(VCO)の出
力は前記駆動回路(D2)に接続してある。
The frequency control means (7) includes a phase comparator (PC), an output inverting low-pass filter (LPF), and a voltage controlled oscillator (V).
The output of the voltage controlled oscillator (VCO) is connected to the drive circuit (D2).

前記位相比較器(PC)と前記ローパスフィルタ(LPF)
との間には、前記位相比較器(PC)の出力電圧を補正す
る位相補正手段(PSC)を介装してある。
The phase comparator (PC) and the low pass filter (LPF)
A phase correction means (PSC) that corrects the output voltage of the phase comparator (PC) is interposed between and.

前記位相比較器(PC)は、前記印加電圧検出手段(6a)
の出力電圧VNと前記演算手段(6c)の出力電圧VPを、フ
ィルタ(F1),(F2)、及び、方形波に波形成形する比
較器(COM1),(COM2)を介して入力してあり、第3図
に示すように、両電圧VN,VPの位相差に相当する電圧を
出力する。
The phase comparator (PC) includes the applied voltage detecting means (6a).
Of the output voltage V N of the calculation means (6c) and the output voltage V P of the calculation means (6c) are input through the filters (F1), (F2) and the comparators (COM1), (COM2) for waveform shaping into a square wave. As shown in FIG. 3, a voltage corresponding to the phase difference between the two voltages V N and V P is output.

前記電圧制御発振器(VCO)は、第4図に示すように、
前記ローパスフィルタ(LPF)により反転された前記位
相比較器(PC)の出力電圧値に応じてその出力周波数を
可変とするものである。
The voltage controlled oscillator (VCO), as shown in FIG.
The output frequency is made variable according to the output voltage value of the phase comparator (PC) inverted by the low pass filter (LPF).

つまり、両電圧VN,VPの位相差が90゜以下であると、前
記位相比較器(PC)の出力電圧が下がるので、前記前記
電圧制御発振器(VCO)の出力周波数が高くなり、前記
インバータ回路(5b)の発振周波数を高くする。
That is, when the phase difference between both voltages V N and V P is 90 ° or less, the output voltage of the phase comparator (PC) decreases, so the output frequency of the voltage controlled oscillator (VCO) increases, and Increase the oscillation frequency of the inverter circuit (5b).

逆に、両電圧VN,VPの位相差が90゜以上であると、前記
位相比較器(PC)の出力電圧が上がるので、前記電圧制
御発振器(VCO)の出力周波数が低くなり、前記インバ
ータ回路(5b)の発振周波数を低くするのである。
On the contrary, when the phase difference between the two voltages V N and V P is 90 ° or more, the output voltage of the phase comparator (PC) increases, so that the output frequency of the voltage controlled oscillator (VCO) decreases, The oscillation frequency of the inverter circuit (5b) is lowered.

上述の動作により、両電圧VN,VPの位相差を90゜に維持
する、即ち、前記振動子(3′)の温度等の変化により
変動する共振周波数に追尾して駆動することができる。
By the above-mentioned operation, the phase difference between the two voltages V N and V P can be maintained at 90 °, that is, the resonance frequency fluctuated by the change of the temperature of the vibrator (3 ′) can be tracked and driven. .

さらに、前記周波数制御手段(7)は、前記位相比較器
(PC)の出力電圧を、前記位相補正手段(PSC)により
補正することで、前記超音波モータ(M)が最も安定、
且つ、効率のよい駆動周波数である前記共振周波数より
若干高い周波数になるように、前記発振周波数を制御す
るのである。
Further, the frequency control means (7) corrects the output voltage of the phase comparator (PC) by the phase correction means (PSC), so that the ultrasonic motor (M) is most stable,
Moreover, the oscillation frequency is controlled so as to be a frequency slightly higher than the resonance frequency which is an efficient drive frequency.

〔別実施例〕[Another embodiment]

以下に本発明の別実施例を説明する。 Another embodiment of the present invention will be described below.

1. 先の実施例では、前記印加電圧検出手段(6a)を構
成するに、巻数比N:1の変圧器(PT)を用いているが、
変圧器(PT)の代わりに、抵抗比がN−1:1の抵抗を直
列に接続して構成することにより、VNを取り出してもよ
い。
1. In the previous embodiment, a transformer (PT) with a turns ratio of N: 1 is used to configure the applied voltage detection means (6a),
Instead of the transformer (PT), V N may be taken out by connecting resistors having a resistance ratio of N-1: 1 in series.

2. 先の実施例では、前記位相差検出手段(6)をトラ
ンス(T2)の二次側に介装して前記固定子(3)のう
ち、領域(A)における位相差を検出しているが、前記
位相検出手段(6)はトランス(T1)の二次側に介装し
て、領域(B)における位相差を検出してもよく、さら
には、両方のトランス(T1),(T2)にそれぞれ介装し
てもよい。
2. In the previous embodiment, the phase difference detecting means (6) is provided on the secondary side of the transformer (T2) to detect the phase difference in the area (A) of the stator (3). However, the phase detecting means (6) may be installed on the secondary side of the transformer (T1) to detect the phase difference in the region (B), and further, both the transformers (T1), ( You may intervene in T2) respectively.

3. 先の実施例では、前記位相比較器(PC)に電圧VN,V
Pをコンパレータ(COM1),(COM2)を介して入力して
いるが、電圧VNの代わりに、前記圧電体(1)への印加
電圧Vをコンパーレータ(COM1)を介して入力してもよ
い。
3. In the previous embodiment, the voltage V N , V is applied to the phase comparator (PC).
Although P is input via the comparators (COM1) and (COM2), even if the applied voltage V to the piezoelectric body (1) is input via the comparator (COM1) instead of the voltage V N. Good.

4. 先の実施例では、固定子を振動子として構成してあ
る回転型の超音波モータについて説明したが、超音波モ
ータとしては、回転子を振動子としたものや、リニア型
であってもよい。
4. In the above embodiment, the rotary ultrasonic motor in which the stator is configured as the vibrator has been described. However, the ultrasonic motor is not limited to the one in which the rotor is the vibrator or the linear type. Good.

さらに、異なる振動方向を持つ二つの振動を組み合わせ
ることにより、質点の運動軌跡を制御する複合振動子型
の超音波モータであってもよく、この場合には、前記電
圧VN,VPの位相差を90゜に維持することで、最も安定、
且つ、効率のよい駆動が可能となる。
Further, it may be a composite oscillator type ultrasonic motor that controls the locus of motion of a mass point by combining two vibrations having different vibration directions. In this case, the voltage V N , V P Most stable by maintaining the phase difference at 90 °,
In addition, efficient driving is possible.

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にする為
に符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造
に限定されるものではない。
It should be noted that reference numerals are added to the claims for convenience of comparison with the drawings, but the present invention is not limited to the structures of the accompanying drawings by the entry.

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

図面は本発明に係る超音波モータの駆動制御装置の実施
例を示し、第1図は回路図、第2図(イ)及び(ロ)は
超音波モータの構成図、第3図は位相比較器の出力特性
図、第4図は電圧制御発振器の出力特性図、第5図は圧
電振動子系の等価回路図、第6図は超音波モータの等価
回路図、第7図は位相差検出手段の回路図である。 (1)……圧電体、(2)……弾性体、(3′)……振
動子、(5)……電源供給手段、(6)……状態量検出
手段、(6a)……印加電圧検出手段、(6b)……通電電
流検出手段、(6c)……演算手段、(M)……超音波モ
ータ。
The drawings show an embodiment of a drive control device for an ultrasonic motor according to the present invention. FIG. 1 is a circuit diagram, FIGS. 2 (a) and 2 (b) are configuration diagrams of the ultrasonic motor, and FIG. 3 is a phase comparison. Output characteristic diagram of the device, Fig. 4 output characteristic diagram of voltage controlled oscillator, Fig. 5 equivalent circuit diagram of piezoelectric vibrator system, Fig. 6 equivalent circuit diagram of ultrasonic motor, Fig. 7 phase difference detection It is a circuit diagram of a means. (1) ... Piezoelectric body, (2) ... elastic body, (3 ') ... vibrator, (5) ... power supply means, (6) ... state quantity detection means, (6a) ... applying Voltage detecting means, (6b) ... energizing current detecting means, (6c) ... calculating means, (M) ... ultrasonic motor.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】圧電体(1)と弾性体(2)とからなる駆
動用の振動子(3′)を有する超音波モータ(M)に対
し、前記圧電体(1)に高周波電力を供給する電源供給
手段(5)と、 前記振動子(3′)の振動速度を検出する振動速度検出
手段(6)とを設けてある超音波モータの駆動制御装置
であって、 前記振動速度検出手段(6)を、前記圧電体(1)への
印加電圧を検出する印加電圧検出手段(6a)と、通電電
流を検出する通電電流検出手段(6b)と、前記印加電圧
検出手段(6a)及び前記通電電流検出手段(6b)それぞ
れの出力信号の差動信号を求める演算手段(6c)とで構
成し、 前記印加電圧検出手段(6a)に、前記印加電圧をN:1に
降圧して検出する降圧回路を設けるとともに、前記通電
電流検出手段(6b)に、巻数比1:Pの変流器とその二次
側に接続した容量Cのコンデンサを設け、それら定数を
前記圧電体(1)の静電容量Cdに対して、 Cd=C・P/Nの関係に設定してある超音波モータの駆動
制御装置。
1. An ultrasonic motor (M) having a vibrator (3 ') for driving, which comprises a piezoelectric body (1) and an elastic body (2), and supplies high frequency power to the piezoelectric body (1). A drive control device for an ultrasonic motor, comprising: a power supply means (5) for controlling the vibration speed; and a vibration speed detection means (6) for detecting the vibration speed of the vibrator (3 ′). (6) is an applied voltage detecting means (6a) for detecting an applied voltage to the piezoelectric body (1), an energizing current detecting means (6b) for detecting an energizing current, the applied voltage detecting means (6a) and The energizing current detecting means (6b) and an arithmetic means (6c) for obtaining a differential signal of the output signals of the energizing current detecting means (6b) are detected by the applied voltage detecting means (6a) by stepping down the applied voltage to N: 1. And a current transformer with a turns ratio of 1: P in the energizing current detecting means (6b). Ultrasonic waves of a capacitor of capacitance C connected to the secondary side is provided, relative to the capacitance C d of the their constant piezoelectric (1), it is set in a relationship of C d = C · P / N Motor drive control device.
【請求項2】前記振動速度検出手段(6)による検出振
動速度を設定値に維持するように前記電源供給手段
(5)の出力電圧を調節する速度制御手段(8)を設け
てある請求項1記載の超音波モータの駆動制御装置。
2. A speed control means (8) for adjusting the output voltage of the power supply means (5) so as to maintain the vibration speed detected by the vibration speed detection means (6) at a set value. 1. The drive control device for the ultrasonic motor according to 1.
【請求項3】前記演算手段(6c)による差動信号と前記
圧電体(1)への印加電圧との位相差を検出し、検出位
相差を設定値に維持するように前記電源供給手段(5)
の発振周波数を調節する周波数制御手段(7)を設けて
ある請求項1又は2記載の超音波モータの駆動制御装
置。
3. The power supply means () for detecting a phase difference between a differential signal by the calculating means (6c) and a voltage applied to the piezoelectric body (1) and maintaining the detected phase difference at a set value. 5)
3. The drive control device for the ultrasonic motor according to claim 1, further comprising frequency control means (7) for adjusting the oscillation frequency of the ultrasonic motor.
【請求項4】前記設定値が90゜である請求項3記載の超
音波モータの駆動制御装置。
4. The drive control device for an ultrasonic motor according to claim 3, wherein the set value is 90 °.
【請求項5】前記周波数制御手段(7)は、前記設定値
を補正する位相補正手段(PSC)を設けてある請求項3
記載の超音波モータの駆動制御装置。
5. The frequency control means (7) is provided with a phase correction means (PSC) for correcting the set value.
A drive control device for the ultrasonic motor described.
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