JPS6356178A - 超音波モ−タ駆動方法 - Google Patents

超音波モ−タ駆動方法

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JPS6356178A
JPS6356178A JP61199633A JP19963386A JPS6356178A JP S6356178 A JPS6356178 A JP S6356178A JP 61199633 A JP61199633 A JP 61199633A JP 19963386 A JP19963386 A JP 19963386A JP S6356178 A JPS6356178 A JP S6356178A
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修 川崎
Katsu Takeda
克 武田
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • 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
    • H02N2/14Drive circuits; Control arrangements or methods
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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
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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駆動体に弾性振
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。
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4図は従来の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を貼合せて圧電駆動体3を構成している。4は
耐磨耗性材料のスライダ、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はスライ
ダ4を介して駆動体3と接触している。圧電体2に電界
を印加すると駆動体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5図は第4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波長の弾性波がのるようにしである。同図において
、AXBはそれぞれ2分の1波長相当の小領域から成る
電極で、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。
従って、Aの電極とBの電極とは位置的に4分の1波長
(=90度)の位相ずれがある。電極A1B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。
圧電セラミック2の弾性体1との接着面は第5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、Bは第5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について、その動
作を以下に説明する。前記圧電体2の電極Aに V=Vx xsin(ωt)         −−−
(1)で表される電圧を印加するとくただしvlは電圧
の瞬時値、ωは角周波数、tは時間)、駆動体3は円周
方向に曲げ振動をする。
第6図は第4図の超音波モータの駆動体を直線近似した
時の斜視図であり、同図(a)は圧電体2に電圧を印加
していない時、同図(b)は圧電体2に電圧を印加した
時の様子を示す。
第7図は移動体6と駆動体3の接触状況を拡大して描い
たものである。前記圧電体2の電極AにVl xsin
(ωt)、他の電極Bl’l:Vx Xcos(ωt)
の互いに位相がπ/2だけずれた電圧を印加すれば、駆
動体3の円周方向に曲げ振動の進行波を作ることができ
る。一般に進行波は振幅をξとすればξ−ξs Xco
s(ωt−kx)         −一−(2)ただ
し ξ□ :波の大きさの瞬時値 k :波数(2π/λ) λ:波長 X :位置 で表せる。(2)式は ξ−ξs ×(cos(ωt)xcos(kx)+5i
n(ωt)xsin(kx))   −−−(3)と書
き直せ、(3)式は進行波が時間的にπ/2だけ位相の
ずれた波cos(ωt)と5in(ωt)、および位置
的にπ/2だけ位相のずれたcos(kx)と5in(
kx)との、それぞれの積の和で得られることを示して
いる。前述の説明より、圧電体2は互いに位置的にπ/
2(=λ/4)だけ位相のずれた電極群AXBを持って
いるので、駆動体3の共振周波数に等しい周波数出力を
持つ発振器の出力から、それぞれに時間的に位相のπ/
2だけずれた交流電圧を作り、前記電極群に印加すれば
駆動体3に曲げ振動の進行波を作れる。
第7図は駆動体のA点が進行波の励起によって、長軸2
 W 1短軸2uの楕円運動をしている様子を示し、駆
動体3上に置かれた移動体6が楕円の頂点で接触するこ
とにより、波の進行方向とは逆方向にV〜ωxuの速度
で運動する様子を示している。即ち移動体6は任意の静
圧で駆動体3に押し付けられて、駆動体3の表面に接触
し、移動体6と駆動体3との摩擦力で波の進行方向と逆
方向に速度Vで駆動される。
上記の楕円の短軸(進行方向)は、波の振幅に比例して
いるので、速度を太き(するためには波の振幅を大きく
しなければならない。また、波の振幅を低電圧で太き(
するためには駆動体の共振周波数近傍で駆動しなければ
ならない。ところが駆動体の共振周波数は温度や負荷の
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。
発明が解決しようとする問題点 以上、説明した様に従来の超音波モータは、時間的に位
相がπ/2だけ異なる一定周波数の2つの交流電圧を駆
動信号として用いていた。そのため温度や負荷が変動し
て駆動体の共振周波数が変化すると、共振周波数と駆動
周波数の関係が変化して、モータの特性が変わってしま
うという問題点があった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、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 駆動体の駆動周波数がその範囲内に含まれるように設定
された周波数可変範囲内を、交流駆動電圧の周波数を高
いほうから低いほうへ掃引して、該駆動体の駆動電流、
または駆動電流と電圧の位相差、または前記移動体の速
度が設定値になった時の周波数に、前記圧電体に印加す
る交流駆動電圧の駆動周波数を設定する。
作  用 周波数可変範囲内を、交流駆動電圧の周波数を高いほう
から低いほうへ掃引して、その時の超音波モータの回転
数、電流値または電流電圧の位相差が、設定値になった
時の周波数に、圧電体に印加する交流駆動電圧の周波数
の設定をすることにより、温度や負荷が変動して駆動体
の共振周波数が変化しても、その変化に対応して駆動周
波数を変えられるので、常に駆動体の共振周波数と一定
関係にある周波数範囲内に駆動周波数を設定することが
できる。
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、掃引制御器12が制御電圧発生器13に電圧を掃引
させる。この掃引電圧は、電圧制御発振器7の制御端子
Tに入力される。すると、電圧制御発振器7の出力周波
数は掃引電圧に従って掃引される。電圧制御発振器7の
出力は2つに分けられ、一方は90度位相器8を通して
電力増幅器9に、他方はそのまま電力増幅器10にそれ
ぞれ入力されて、駆動体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9.10の出力は駆動体3に
それぞれ印加されて、駆動体3を駆動する。
駆動体3の入力端子には抵抗11が接続されており、駆
動体3に流れる電流を抵抗11の両端電圧に°より、電
流検出器14で検出する。また、電圧検出器15は駆動
体3に印加される駆動電圧を検出する。位相差検出器1
6は電流検出器14と電圧検出器15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。位相差検出器
16の出力は、位相比較器17の反転入力と位相範囲比
較器18の入力にそれぞれ入力される。位相比較器17
の非反転入力端子には設定電圧1が入力され、位相比較
器17の出力は、電流電圧の位相差が設定電圧1に相当
する位相差に等しくなった時に論理的Hになり、掃引制
御器12の掃引停止端子Sにより電圧制御発振器7の出
力周波数の掃引を停止する。従って、超音波モータの駆
動体3は設定した電流電圧の位相差で駆動される。
位相範囲比較器18の残りの2入力端子には、上記設定
電圧1と位相差の許容範囲に相当する設定電圧2が入力
され、位相差検出器16の出力が設定電圧1からはずれ
、設定電圧2の分だけ増減すれば、つまり電流電圧の位
相差が第1の設定された位相差からずれ、第2の設定さ
れた位相差の分だけ増減した時、論理的Hを出力する。
この出力は掃引制御器12の制御端子Cに入力され、再
び駆動周波数の掃引を開始して、上記に述べた駆動周波
数の設定をする。
第2図は駆動体を一定電圧で駆動したときの電流値、電
圧電流の位相差および移動体の回転数の周波数特性図で
ある。また、第3図は駆動周波数を下から掃引したとき
、および上から掃引したときに示す駆動体の非線形性に
起因するアドミッタンスのヒステリシスである。
第2図より、移動体の回転数は駆動体の共振層波数f1
近傍で大きくなるので、超音波モータはこの共振周波数
近傍で駆動するのがよい。しかし、第3図における駆動
周波数を下から掃引したときの共振周波数ftと、上か
ら掃引したときの共振周波数f2の間の周波数領域、お
よびそれらの周波数の極近傍では、動作が非常に不安定
になるので、駆動周波数はこの領域外でなれけばならな
い。この領域より低い周波数では回転数が急に低下する
ので、駆動体の駆動周波数はこの領域より高い周波数を
使用する。また、同図より反共振周波数15以上では、
回転数が小さくなるので反共撮周波数f5以下で使用す
る。
第2図の周波数fsからf4の範囲で、駆動周波数を上
から掃引し、電圧電流の位相差の設定値を同図のPlに
し、許容位相差範囲の設定値をP2にすれば、移動体の
回転数が同図中のNlの回転数になったときの周波数に
駆動周波数が設定される。ここで電圧電流の位相差の設
定値PIおよび許容位相差範囲の設定値P2は設定後の
駆動周波数が駆動体の共振周波数fsより高いように決
めている。また、温度あるいは負荷が変動して、駆動体
の共振周波数が変化し、その結果、位相差が設定値P!
からずれて許容範囲P2から飛び出たら、再び駆動周波
数の掃引を開始する。従って、移動体の回転数は図中の
N1を中心にN2の範囲に制御される。
尚、本実施例では電圧電流の位相差の検知で制御を行っ
ているが、回転数N1およびN2に対応した電流値、ま
たは回転数自身を採用しても同様である。しかし、回転
数の採用時には、回転数を検出するセンサが必要になる
本実施例の駆動回路によれば、温度や負荷が変動しても
常に超音波モータをあらかじめ設定した範囲の回転数で
安定に駆動できる。
発明の効果 以上述べたように、本発明では温度や負荷が変動しても
、安定な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図は駆動体を一定電圧で駆動
した時の、駆動電流、電圧電流の位相差および移動体の
回転数の周波数特性図、第3図は駆動体のアドミッタン
スの非線形特性図、第4図は従来の超音波モータの斜視
図、第5図は第4図に用いられている圧電体の形状と電
極構造を示す平面図、第6図は超音波モータの駆動体部
の振動状態を示すモデル図、第7図は超音波モータの原
理の説明図である。 7・・・・・・電圧制御発振器、8・・・・・・90度
位相器、9.10・・・・・・電力増幅器、11・・・
・・・抵抗、12・・・・・・掃引制御器、13・・・
・・・制御電圧発生器、14・・・・・・電流検出器、
15・・・・・・電圧検出器、16・・・・・・位相差
検出器、17・・・・・・位相比較器、18・・・・・
・位相範囲比較器。 代理人の氏名 弁理士 中尾敏男 ほか1名第1図 9 電カニ旨ヤシ1各 第 2 図 側 濃 熟 第3図 周浪妹 第4図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)圧電体を交流電圧で駆動して、該圧電体と弾性体
    とから構成される駆動体に弾性進行波を励振することに
    より、該駆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、少なくても前記駆動体の駆
    動周波数がその範囲内に含まれるように設定された周波
    数可変範囲内を、前記交流駆動電圧の周波数を高いほう
    から低いほうへ掃引して、該駆動体の駆動電流、または
    駆動電流と電圧の位相差、または前記移動体の速度があ
    らかじめ設定した設定値になった時の周波数に、前記圧
    電体に印加する交流駆動電圧の駆動周波数を設定するこ
    とを特徴とする超音波モータ駆動方法。
  2. (2)上記駆動周波数における上記駆動体の駆動電流ま
    たは、駆動電流と電圧の位相差、または前記移動体の速
    度があらかじめ設定した範囲外になった時、再び駆動周
    波数を高い方から掃引して、上記駆動体の駆動周波数を
    決定することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    超音波モータ駆動方法。
  3. (3)上記設定範囲に対応する駆動周波数が、駆動体の
    共振周波数よりも高く、反共振周波数よりも低くなるよ
    うに、上記設定値と設定範囲を決定することを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載の超音波モータ駆動方法。
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