JPS63268474A - 超音波モ−タの駆動方法 - Google Patents

超音波モ−タの駆動方法

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JPS63268474A
JPS63268474A JP62102258A JP10225887A JPS63268474A JP S63268474 A JPS63268474 A JP S63268474A JP 62102258 A JP62102258 A JP 62102258A JP 10225887 A JP10225887 A JP 10225887A JP S63268474 A JPS63268474 A JP S63268474A
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phase difference
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drive
ultrasonic motor
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Osamu Kawasaki
修 川崎
Katsu Takeda
克 武田
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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
    • H02N2/14Drive circuits; Control arrangements or methods
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    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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)

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 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波モータ
の駆動方法に関する。
従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に弾性振
動を励撮し、これを駆動力とした超音波モータが注目さ
れている。
以下、図面を参照しながら超音波モータの従来技術につ
いて説明を行う。
第6図は円環形超音波モータの斜視図であり、円環形の
弾性体1の円環面の一方に圧電体として円環形圧電セラ
ミック2を貼合せて振動体3を構成している。4は耐磨
耗性材料の摩擦材、5は弾性体であり、互いに貼合せら
れて移動体6を構成している。移動体6は摩擦材4を介
して振動体3と接触している。圧電体2に電界を印加す
ると振動体3の周方向に曲げ振動の進行波が励起され、
移動体6を駆動する。尚、同図中の矢印は移動体6の回
転方向を示す。
第7図は第6図の超音波モータに使用した圧電セラミッ
ク2の電極構造の一例を示している。同図では円周方向
に9波の弾性波がのるようにしてある。同図において、
AおよびBはそれぞれ2分の1波長相当の小領域から成
る電極群で、Cは4分の3波長、Dは4分の1波長の長
さの電極である。電極CおよびDは電極群AとBに位置
的に4分の1波長(=90度)の位相差を作っている。
電極AとB内の隣り合う小電極部は互いに反対に厚み方
向に分極されている。圧電体2の弾性体1との接着面は
、第7図に示めされた面と反対の面であり、電極はベタ
電極である。使用時には、電極群AおよびBは第7図に
斜線で示されたように、それぞれ短絡して用いられる。
以上のように構成された超音波モータの圧電体2の電極
AおよびBに V□−Vo8sin((J)t)        −−
−(1)V 2−V Oxcos(ωt)      
  −−−(2)ただし、vO:電圧の瞬時値 ω;角周波数 t:時間 で表される電圧v1およびv2をそれぞれ印加すれば、
振動体3には ξ“ξQ×(CO5(ωt)×C05(kx)+5in
(ωt)×5in(kx)) −ξoxcos(ωt−kx)         −一
−(2)ただし ξ:曲げ振動の振幅値 ξ0:曲げ振動の瞬時値 k :波数(2π/λ) λ:波長 × :位置 で表せる、円周方向に進行する曲げ振動が励起される。
第8図は振動体3の表面のA点が進行波の励起によって
、長軸2W、短軸2uの楕円運動をし、撮動体3上に加
圧して設置された移動体6が、楕円の頂点近傍で接触す
ることにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向に
V−ωX[の速度で運動する様子を示している。
発明が解決しようとする問題点 上記の楕円軌跡の短軸は、振動体3の形状が決まれば1
曲げ振動の振幅に比例しているので、速度を大きくする
ためには波の振幅を太きくしなけれはならない。また、
低電圧駆動で大きな振幅を得るためには、振動体の共振
周波数近傍で駆動しなければならない。ところが振動体
の共振特性は温度や負荷の変動によって変化するので、
従来のように一定周波数で駆動したのでは、駆動周波数
と共振周波数の相対的関係が変化して超音波モータの特
性が変化してしまう。また、超音波モータの振動体の共
振特性は、負荷が同じでも起動時と通常動作時では異な
る。そして、特に起動時に負荷の大きいときは振動体の
電気入力端子からみたインピーダンスが非常に大きくな
り、振動体に充分な振幅が励振できず、起動ができなく
なるという問題点がある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたしので、温度や負荷
が変化しても、常に安定な動作をする超音波モータを提
供することを目的としている。
問題点を解決するための手段 振動体の駆動電圧と流入電流の第1と第2の位相差を設
定し、通常動作時には動作位相差が前記第1の設定位相
差近傍になるように前記駆動電圧の周波数を制御し、前
記駆動電圧と前記流入電流の位相差が前記第2の設定値
以上になったとき、少な(とも駆動電圧の振幅値あるい
は駆動パルス幅を太き(する。
作  用 通常動作時には、振動体の駆動電圧と流入電流の位相差
が、第1の設定位相差の近傍になるように駆動周波数を
制御し、温度や負荷の変動によって振動体の共振特性が
変化して、その結果、撮動体の共振周波数と駆動周波数
の相対的関係が変化しても、駆動周波数の制御により前
記相対的関係を一定に保つ。また、駆動電圧と流入電流
の位相差が第2の設定値以上になった時には、少なくと
も駆動電圧の振幅値あるいは駆動パルス幅を大きくして
、振動体に移動体を駆動するのに充分な振幅値の進行波
を励振し、上記駆動周波数の制御ができるようにする。
実施例 以下、図面に従って本発明の一実施例について詳細な説
明を行う。
第1図は本発明の超音波モータの駆動方法を実現する具
体回路のブロック図である。この回路が動作を開始する
と、電圧制御発振器7は制御端子C1に入力された制御
電圧に従って発振する。この時の制御電圧は加算器8に
より、初期設定値Oがそのまま出力される。電圧制御発
振器7の出力は2分割され、一方は90度位相器9を通
して電力増幅器10に、他方はそのまま電力増幅器11
にそれぞれ入力されて、振動体3を駆動するのに必要な
値にまで増幅される。電力増幅器10.11の出力は圧
電体にそれぞれ印加されて、振動体を駆動する。
圧電体の一方の入力端子には抵抗Rが接続されており、
圧電体に流れる電流を抵抗Rの両端電圧により、電流検
出器13で検出する。また、電圧検出器12は圧電体2
に印加される駆動電圧を検出する。位相差検出器14は
電流検出器13と電圧検出器12の出力から、電流電圧
の位相差に比例した電圧を発生する。位相比較器15は
、位相差検出器14の出力と動作設定値P1を比較し、
その差に比例する電圧を出力する。ただし、差が0の時
は出力電圧は0になるようにしている。スイッチ18は
制御器17によって回路始動直後に閉じられている。従
って、加算器8には設定電圧Oと上記差に比例した電圧
が入力され、2つの電圧の和が出力される。加算器8の
出力電圧は電圧制御発振器7の制御端子C1に入力され
、電圧制御発振器7は、設定値P1と駆動時の位相差の
差を小さくするように、駆動周波数を変える。
第2図は、第1図の具体回路の説明のための圧電体に流
入する電流と、駆動電圧と電流の位相差の周波数特性で
ある。同図において、実線は超音波モータのある動作時
の特性を表し、点線は別の動作時の特性を表わしている
。foは設定電圧0に対応する超音波モータの始動時の
駆動周波数であり、Plは動作設定値で、位相比較器1
5によりPOPiに比例した電圧01が出力される。
電圧01は設定電圧0と加算器8により加算され電圧i
1J御発娠器7の制御端子C1に入力される。
この時、Po  Plが正なら駆動周波数を下げ、Po
  Plが正なら駆動周波数を上げれば、位相差がPl
になるように制御できる。従って、Plに対する周波数
f1での電流値11で振動体を駆動する。駆動周波数が
一定ならば、温度や負荷の変化により撮動体の特性が同
図の点線のよう・に変化すれば、流入電流値は12とな
り、超音波モータの速度が大きく変化する。しかし、第
1図に示した駆動回路によれば、駆動時での位相差をP
1近傍にするように制御が働くので、駆動周波数はf2
に変化し、その時の電流値はi3となり電流値の変化を
小さくできる。従ちて、超音波モータの特性は温度や負
荷に対して安定である。
しかし、超音波モータの起動時に大きな負荷がかかると
、振動体の特性は第3図の点線で示したようになる。こ
れは、負荷が太き(なることにより、前記と同じ駆動電
圧では振動体に移動体を駆動するに充分な進行波が励振
できないことに起因する。従って、駆動周波数fOで始
動し;前記と同様な制御をかけると、位相差P3とPl
の差は常に正となり駆動周波数は低下して、永久に正常
な動作点を見付けられず、超音波モータは起動できない
。故に、駆動電圧と電流の位相差が、第2の設定値22
以上になったことを位相比較器16で検出したら、つま
り駆動周波数が同図の周波数f3以下になったら、位相
比較器16の出力を受けて制御器17はスイッチ18を
開き、駆動周波数を初期値「0にもどし、電力増幅器1
0と11の制御端子C2ど03により、瞬時、駆動電圧
の振幅値あるいは駆動電圧のパルス幅を大きくする。す
ると、振動体に充分に移動体を駆動できるだけの振幅値
の進行波が励振される。すると、移動体は進行波に持ち
上げられ、振動体への負荷は小さくなり、その共撮特性
は同図中の実線で示した通常の動作時の特性に戻る。こ
こで、制御器17はスイッチ18を閉じ、電力増幅器1
0と11の出力をもとにもどし通常時の制御を行う。
第4図は超音波モータの起動時に負荷が大きくなり、時
間t1だ番)駆動電圧のパルス幅を大きくしたときのタ
イミング図である。D工とD2は通常時の駆動波形で、
D3とD4はパルス幅を太き(したときの駆動波形であ
る。第5図は超音波モータの起動時に負荷が太き(なり
、時間t2だけ駆動電圧の振幅値を太き(したときのタ
イミング図である。DsとD6は通常時の駆動波形で、
D7とDsは振幅値を太き(したときの駆動波形である
超音波モータの起動時に、いつも瞬時的に駆動電圧のパ
ルス幅を大きくしたり、振幅値を太き(すれば、負荷が
大きくないときには、移動体が大きな速度で回転したり
、場合によっては、過大な電流が流れて振動体を破損す
る。
本実施例の駆動回路によれば、温度や負荷が変動しても
、常に安定な起動と通常動作をする超音波モータを提供
できる。
発明の効果 本発明によれば、温度や負荷が変動しても、常に安定な
起動と通常動作をする超音波モータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の超音波モータの駆動方法を実現する具
体回路のブロック図、第2図は通常動作時の駆動電流、
電圧と電流の位相差周波数特性図、第3図は大きな負荷
がかかった時の振動体の駆動電流、電圧と電流の位相差
周波数特性図、第4図は駆動電圧のパルス幅を瞬時太き
(した時の駆動電圧のタイミング図、第5図は駆動電圧
の振幅値を瞬時太き(した時の駆動電圧のタイミング図
、第6図は円環形超音波モータの切り欠き斜視図、第7
図は第6図の超音波モータに用いた圧電体の形状と電極
構造を示す平面図、第8図は超音波モータの動作原理の
説明図である。 7・・・・・・電圧制御発振器、8・・・・・・加算器
、9・・・・・・90度移相器、10.11・・・・・
・電力増幅器、12・・・・・・電圧検出器、13・・
・・・・電流検出器、14・・・・・・位相差検出器、
15.16・・・・・・位相比較器、17・・・・・・
制御器、18・・・・・・スイッチ。 代理人の氏名 弁理士 中尾敏男 ほか12第 1 図 第2図 MJc 伏 ff13図 周遺牧 第 4 図 第5図 D6 第6図 第7図 第8図 移動体の*tfzf1

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  圧電体を交流電圧で駆動して、前記圧電体と弾性体と
    から構成される振動体に弾性進行波を励振することによ
    り、前記振動体上に接触して設置された移動体を移動さ
    せる超音波モータにおいて、前記駆動電圧と流入電流の
    第1と第2の位相差を設定し、通常動作時には動作位相
    差が前記第1の設定位相差近傍になるように前記駆動電
    圧の周波数を制御し、前記駆動電圧と前記流入電流の位
    相差が前記第2の設定値以上になったとき、瞬時、少な
    くとも前記駆動電圧の振幅値あるいは駆動パルス幅を大
    きくした後、前記通常動作時の制御を再開することを特
    徴とする超音波モータの駆動方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5121023A (en) * 1989-08-01 1992-06-09 Ferton Holding Ultrasonic generator with a piezoelectric converter
EP1441398A1 (de) * 2003-01-27 2004-07-28 Koninklijke Philips Electronics N.V. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung und ein Regelverfahren für eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung
US9000691B2 (en) 2010-05-31 2015-04-07 Canon Kabushiki Kaisha Method of controlling vibration motor

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5121023A (en) * 1989-08-01 1992-06-09 Ferton Holding Ultrasonic generator with a piezoelectric converter
EP1441398A1 (de) * 2003-01-27 2004-07-28 Koninklijke Philips Electronics N.V. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung und ein Regelverfahren für eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung
US9000691B2 (en) 2010-05-31 2015-04-07 Canon Kabushiki Kaisha Method of controlling vibration motor

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