JPS63234881A - 超音波モータの駆動回路 - Google Patents

超音波モータの駆動回路

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JPS63234881A
JPS63234881A JP62066750A JP6675087A JPS63234881A JP S63234881 A JPS63234881 A JP S63234881A JP 62066750 A JP62066750 A JP 62066750A JP 6675087 A JP6675087 A JP 6675087A JP S63234881 A JPS63234881 A JP S63234881A
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ultrasonic motor
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voltage
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Junji Okada
淳二 岡田
Sumio Kawai
澄夫 川合
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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
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    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は超音波モータの駆動装置、さらに詳しくは、圧
電素子の伸縮運動を利用して進行波を発生させ、この進
行波により超音波を駆動する超音波モータの駆動装置に
関する。
[従来の技術] 近年、従来の電磁駆動モータと異なり、弾性体に固着し
た圧電素子に駆動周波数電圧を印加し、圧電素子の伸縮
運動を利用して弾性体の表面に超音波振動による進行波
を発生させ、これを駆動源として弾性体表面に摩擦接触
させた移動体(ロータ)を駆動するモータが提供されて
いる。このモータは超音波モータと呼ばれ、構造が筒中
で小形化が可能である。しかも、発生トルクが大きく、
また回転数が小さくできるために減速ギア等による効率
低下が少ない等、そのアクチュエータとしての利用に期
待が寄せられている。
ところで、上記超音波モータの駆動は、分極処理を施し
た圧電素子上の、空間的にλ/4+nλ(n;整数、λ
;進行波の波長)の位置関係にある2点に、時間的にλ
/2  (−90°)位相の異なる同振幅、同周波数の
交流電圧を印加して行なわれる。そして、この際、超音
波モータの駆動周波数は、超音波モータの持つ共振周波
数の近傍に設定しなければならない。
[発明が解決しようとする問題点] したがって、個々の超音波モータの駆動周波数は、モー
タ固有の共振周波数により異なることになるので、高い
効率で最適な回転を得るためには細かい1凋整が必要で
ある。さらに、この最適駆動周波数は、負荷の変動や、
超音波モータのロータとステータ間の抑圧力の変動、温
度等外部環境の変化、また自己発熱による内部温度の変
化等により少しずつ最適点がずれていく。このため、超
音波モータの駆動に際しては、その駆動周波数をモータ
駆動の最適点に追尾させる必要がある。従来、このよう
な問題点を解決するために、以下に述べるような、周波
数を自動的に追尾する方法が種々提案されている。
■超音波モータを発振回路のタンク回路に組込み、超音
波モータのインピーダンス変化で駆動周波数を制御しよ
うとするものがあるが、この場合、うまく正帰還がかか
らなかったり、汎用性に乏しいといった欠点がある。
■超音波モータの圧電効果によるフィードバック電圧の
振幅の変化で駆動周波数を制御しようとするものもある
が、超音波モータの印加電圧の変動がそのまま誤差信号
になるといった欠点がある。
■特開昭61−251490号公報に、超音波モータの
圧電素子に人力する入力端子と超音波モータの励振によ
るモニター電圧との位相差を算出し、この算出出力と周
波数制御回路内のりファレンサーに予め設定された最適
位相差とを比較して、位相差のずれ量を周波数のずれ量
に換算し、人力周波数を制御する方法が開示されている
が、この方法は、予め種々の条件による位相量の変化を
実験的に求め、上記リファレンサー内に設定するという
手間がかかる。また、位相差算出回路で入力電圧とモニ
ター電圧の位相差を算出し、さらにその出力とりファレ
ンサーの位相との位相差を取り、二度の位相算出を行な
っているため、無駄があり回路の規模も大きくなってコ
スト的にも高いものになるといった欠点がある。
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑み、リアルタイ
ムで周波数の自動追尾を行ない、高効率で最適な超音波
モータの回転制御を行なうことのできる超音波モータの
駆動装置を提供することを目的とする。
[問題点を解決するための手段] 本発明の超音波モータの駆動装置は、超音波モータの弾
性体に固着され同超音波モータの駆動時に圧電効果によ
りフィードバック信号を出力するフィードバック用圧電
素子と、上記超音波モータの駆動周波数電圧と上記フィ
ードバック信号との位相のずれ量およびずれ方向を検出
する位相ずれ検出手段と、この位相ずれ検出手段の出力
と、上記駆動周波数電圧の周波数が上記駆動時における
最適周波数であるときに上記位相ずれ検出手段から生ず
る所定値との誤差を出力する誤差出力手段と、この誤差
出力手段の出力に対応して上記駆動周波数電圧の周波数
を変化させる周波数発振器とを具備してなる。
[作 用] 位相ずれ検出手段により超音波モータの駆動周波数電圧
の周波数と圧電効果によるフィードバック信号の周波数
との位相のずれ量およびずれ方向が検出されると、この
位相ずれの信号に応じ、」ニ記最適周波数であるときに
生ずる上記位相ずれ検出手段の所定値との誤差がご1差
出力手段から出力される。この1誤差出力値号で周波数
発振器の発振周波数が変化されるので、常に外乱の影響
を受けることなく、上記駆動周波数電圧の周波数とフィ
ードバック信号周波数とが一致する状態にロックされる
[実 施 例] 第1図は本発明の一実施例を示す超音波モータの駆動装
置のブロック図であり、その主要耶における信号波形は
第2図に示されている。
電圧制御発振回路1は超音波モータの駆動電圧信号A、
Bの最適周波数fに対し、フリーラン周波数で4倍の周
波数4fの矩形波信号を発振するよう可変抵抗器VRに
て調整されている。この電圧制御発振回路1より出力さ
れた周波数4fの矩形波信号は移相器7に人力されると
ともに、周波数分周器2に人力されて1/2分周される
。この1/2分周された周波数2fの矩形波信号はさら
に周波数分周器3により 1/2分周される。周波数分
周器2の周波数2fの矩形波信号と周波数分周器3の周
波数fの矩形波信号とはアンドゲート4を通じて移相器
7に入力されるとともに、周波数分周器3の周波数fの
矩形波信号は位相検波回路5の一方の入力端子に人力さ
れる。アンドゲート4は、超音波モータの周波数fの駆
動電圧信号A、Bに90°の位相差を与えるため、移相
器7に対して周波数分周器2の矩形波出力信号の“H”
レベルを1つおきに送出する。
一方、移相器7では電圧IQ御全発振回路およびアンド
ゲート4の信号を基に周波数fの正弦波の駆動電圧信号
A、  Bが作られ、ドライバー8により昇圧される。
この駆動電圧信号A、Bは超音波モータのステータ12
の圧電素子1.0−1=に形成された電極10a、10
bに印加される。この結果、超音波モータの弾性体9は
伸縮運動を起こし、フィードバック用圧電索子11の電
極11aには圧電効果により駆動電圧信号Aと90°位
相の異なる信号f が出力され、同信号f。は位相検波
回路5の他方の入力端子に人力される。
位相検波回路5は1/4分周された周波数fの矩形波信
号を」二足フィードバック信号f。と位相比較し、その
位相差に応じた位相誤差信号Δφを出力する。この位相
誤差信号Δφには不要な高調波成分が含まれているため
、ローパスフィルター6を通して平滑することにより」
二足位相差に対応した誤差電圧ΔVが得られる。この誤
差電圧ΔVは上記電圧制御発振回路1にフィードバック
して印加される。電圧制御発振回路1は上記誤差電圧Δ
Vを印加されることにより誤差電圧ΔVに応じた周波数
の矩形波信号を発振する。すなわち、この駆動装置はP
LL (フェイズ−ロックド・ループ)を構成されてい
て、上記駆動電圧信号A、  Bの周波数が外乱により
最適周波数fからずれようとした場合には、上記誤差電
圧Δ■が変化し電圧制御発振回路1の発振周波数が上記
駆動電圧信号A、Bの最適周波数fを補償する方向に変
化する。
上記PLLのさらに詳細な動作を、第3図(A)〜(C
)に示す波形を用いて説明すると、位相検波回路5に人
力される2種類の信号、すなわち、周波数分周器2から
の周波数fの矩形波信号(以下、比較信号fとする)と
フィードバック信号foの位相差が0°で同相の場合(
第3図(八)参照)は、フィードバック信号foは比較
信号fに対して所定の位相差よりも90’の進み位相と
なって周波数は高い方向にずれている。このときの位相
検波回路5の検波出力である位相誤差信号Δφはプラス
成分のみとなるので、ローパスフィルター6の出力はプ
ラスの誤差電圧(+ΔV)となる。この結果、電圧制御
発振回路1は発振周波数を高くして比較信号fの周波数
をフィードバック信号f。と一致する方向に移動させる
。また、上記比較信号fとフィードバック信号f。の位
相差が180°で逆相の場合(第3図(B)参照)には
、フィードバック信号f。は比較信号fに対して90″
の遅れ位相となって周波数は低い方向にずれている。し
たがって、このときは逆に、位相誤差信号Δφはマイナ
ス成分のみとなり、ローパスフィルター6の出力はマイ
ナスの誤差電圧(−Δ■)となるので、電圧制御発振回
路1は発振周波数を低くして比較信号fの周波数をフィ
ードバック信号f。と一致する方向に移動させる。そし
て、上記比較信号fとフィードバック信号f。の位相差
が906である場合(第3図(C)参照)は、位相誤差
信号Δφはプラス、マイナス同成分となるので、ローパ
スフィルター6の出力はOVとなり、電圧制御発振回路
1は現在の発振周波数を維持する。
以上のようにしてフィードバック制御されることにより
上記比較信号fとフィードバック信号foとの位相差を
90°に保ち、これにより上記駆動電圧信号A、 Bを
常に最適周波数fにロックすることができる。
次に超音波モータのステータ12の弾性体9上にフィー
ドバック用圧電素子11の電極11aを形成する方法は
、第4図(A)に示すように、弾性体9上の圧電素子1
0に駆動電圧信号A、  Bをそれぞれ印加するための
電極10a、10bで作られる3/4λの間隔の1/3
の位置にフィードバック電極11aの中心をとる。この
位置は電極10a、10bのどちら寄りであっても差支
えない。また、電極の形状1面積はどのようなものでも
よい。
また、第4図(B)は圧電素子の分極方向(矢印で示す
)と進行波13との関係を示したものであるが、圧電素
子10.11の分極方向はどちら向きであってもかまわ
ない。なお、この場合、フィードバック信号foの位相
は駆動電圧信号A。
Bのどちらか一方と必ず90″の位相差を持つ。
以上のように超音波モータの周波数の自動追尾をPLL
で構成することにより誤差の少ない自動周波数調整が可
能となる。
[発明の効果] 以上述べたように本発明によれば、超音波モータを駆動
制御する駆動周波数電圧と、超音波モータの圧電素子の
圧電効果により発生するフィードバック信号との位相ず
れを検出し、この検出出力に基づいて周波数発振器の発
振周波数を制御し、超音波モータの最適周波数の自動追
尾を行なっているので、外乱の影響を受けることなく、
リアルタイムで高効率の最適回転を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例を示す駆動装置のブロック
図、 第2図は、上記第1図に示した実施例装置の各部におけ
る信号波形のタイムチャート、第3図(A)〜(C)は
、それぞれ上記実施例装置のPLLの各状態における動
作を説明する信号波形のタイムチャート、 第4図(A)および(B)は、それぞれ上記実施例にお
ける超音波モータのステータの電極構造を示した概略図
および圧電素子の分極方向と進行波の関係を示また説明
図である。 1・・・・・・・・・・・・電圧制御発振回路(周波数
発振器)5・・・・・・・・・・・・位相検波回路(位
相ずれ検出手段)6・・・・・・・・・・・・ローパス
フィルター(誤差出力手段)7・・・・・・・・・・・
・移相器 8・・・・・・・・・・・・ドライバー9・・・・・・
・・・・・・弾性体 10・・・・・・・・・圧電素子 10a、 lOb・・・・・・電極 11・・・・・・・・・フィードバック用圧電素子11
a・・・・・・フィードバック電極12・・・・・・・
・・超音波モータのステータ13・・・・・・・・・進
行波

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)弾性体に固着された圧電素子に駆動周波数電圧を
    印加して上記弾性体の表面に進行波を発生させ、この弾
    性体の表面に摩擦接触させた移動体を駆動する超音波モ
    ータと、 この超音波モータの上記弾性体に固着され、上記超音波
    モータの駆動時に圧電効果によりフィードバック信号を
    出力するフィードバック用圧電素子と、 上記駆動周波数電圧と上記フィードバック信号との位相
    のずれ量およびずれ方向を検出する位相ずれ検出手段と
    、 この位相ずれ検出手段の出力と、上記駆動周波数電圧の
    周波数が上記超音波モータの駆動における最適の周波数
    であるときに上記位相ずれ検出手段から生ずる所定値と
    の誤差を出力する誤差出力手段と、 この誤差出力手段の出力に対応して上記駆動周波数電圧
    の周波数を変化させる周波数発振器と、を具備してなる
    超音波モータの駆動装置。
  2. (2)上記位相ずれ検出手段は、位相検波回路で構成さ
    れたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超音
    波モータの駆動装置。
  3. (3)上記誤差出力手段は、ローパスフィルターで構成
    されたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超
    音波モータの駆動装置。
  4. (4)上記周波数発振器は、電圧制御発振回路で構成さ
    れたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超音
    波モータの駆動装置。
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Cited By (5)

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