JPS637174A - 圧電モ−タの速度制御装置 - Google Patents

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′Ｒ素子の振動を利用して摩擦駆動する圧
電モータの速度制御装置に係り、特に全動作領域にわた
って有効な速度制御が可能な速度制御装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

圧電モータは、圧電素子あるいは電歪素子に交番電圧を
印加し１発生する振動を利用して接触する被駆動体を摩
擦駆動するものである。その概要については１日経メカ
ニカル（１９８５，９，２３１に記載されているが、動
作原理的に振動片型と進行波型とに大きく分けられる。

いずれの方式も。

接触する駆動部分に楕円運動を発生させ、楕円軌跡の先
端で接触する被駆動体を摩擦駆動するものである。

前記圧電モータの速度制御方法としては次の方法が一般
的である。すなわち、印加電圧の周波数に関しては効率
を高めるために圧電素子を含む系の共振周波数に一致さ
せ、印加電圧の大きさく正弦波電圧の振幅値）を変えて
前記楕円軌跡の大きさを変え、速度制御を行うものであ
る。

あるいは、特開昭６０−１７０４７４号公報のように、
圧電素子に間欠的に交番電圧を印加することによって速
度制御を行うものもある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来の電圧制御による速度制御方式には次の問
題点がある。すなわち、圧電モータは。

摩擦力を駆動原理としているため、駆動部と被駆動部は
常に一定押付力で押し付けられている。駆動力を増すた
めＫは、この押付力を増す必要があるが、その場合、接
触部の表面粗さ等に起因して、印加電圧が低いところで
は動作せず、ある−定電圧以上で初めて動作する現象が
見られる。その具体例として、第３図に圧電モータ特性
の一例を示す。第３図のグラフの横軸は共振周波数の交
流印加電圧Ｖであυ、縦軸は無負荷時の回転速度ｎであ
る。図に示すように、所定の回転速度を得るためにはあ
る値（これを最小起動電圧と呼ぶ）以上の印加電圧が必
要である。この最小起動電圧は、接触部の表面状態に起
因して不安定であり、さらに起動時と停止時の近傍では
静摩擦と動摩擦の差異に起因して図に示すようなヒステ
リシスも存在する。したがって、圧電モータの速度制御
を行う場合、従来のような電圧制御のみでは、とくに低
速域での速度制御が困難であった。

また、さらに、従来の間欠的に交番電圧を印加する方式
にも次の問題点がある。すなわち、間欠周期が比較的長
い場合には、被駆動体は起動停止を繰り返すいわゆるス
テップモータ状の動作になるため、連続駆動に比較する
と効率が悪くなる。

また、間欠周期が短く被駆動体が滑らかな動きをする場
合でも、駆動部が動作・不動作を繰り返すのに対し、被
駆動体はその中間速度で動作するため、接触部の相対的
すべりが大きくなシ、この場合も連続駆動に比較して効
率が悪くなる。いずれにしても１間欠駆動刃式は連続駆
動方式に比べて効率が劣ることは明らかである。とくに
高電圧印加による高速域では、与えるエネルギも大きい
ため、効率低下による損失も大きく、これは接触摺動部
の発熱となるため好ましくない。また、圧電モータは通
常超音波周波数（約２０ｋＨｚ以上）で駆動するが、高
周波電圧を間欠的に印加すると。

その間欠周波数が可聴音域となり、とくに高電圧による
大振幅時では大きな騒音となって好ましくない。

本発明は上述の事柄に基づいてなされたもので。

圧電モータの高速域では高効率に、しかも低速域では安
定で高精度な速度制御を行ない、圧電モータの全動作速
度領域にわたって有効な速度制御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〕

本発明の上記の目的は、低速動作時には、交番電圧を間
欠的に印加して圧電モータを駆動する低速モー゛ド操作
手段と、高速動作時には交番電圧を連続的に印加する高
速モード操作手段とを備えることにより達成される。

〔作用〕

本発明によれば、圧電モータの高速域では交番電圧の電
圧制御により速度制御を行うため高効率であり、さらに
低速域では間欠的な交番電圧のデユーティ比制御によシ
速度制御を行うため安定でしかも高精度な速度制御が可
能となる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の装置の一実施例を示すもので、この図
において、１は圧電モータであり、詳細は図示していな
いが、圧電素子の振動を利用して摩擦駆動する原理に基
づくモータ（例：振動片型または進行波型あるいは特開
昭６０−２００７７６等の圧電モータ）である。さらに
、２は圧電モータ１の基本要素である圧電素子の一つを
示す。前記圧電素子２に対しては、圧電素子２を含む系
の共振周波数（周波数ｆ、；通常２０ｋＨ２以上）ｔ−
発生するオシレータ３からスイッチング要素４及びパワ
ーアンプ５を介してパワーが供給される。６は速度指令
発生手段、７は圧電モータ１に対する指令速度の大小に
応じて速度制御モードを切シ換える速度制御モード切換
回路、８は高速指令時に選択される高速モード回路で、
この高速モード回路８はオシレータ３およびスイッチン
グ要素４を制御する。９は低速指令時に選択される低速
モード回路、１０はスイッチング要素４の開閉をパルス
幅によって制御する駆動パルス発生器で、低速モード回
路９によシ制御される。

第２図は前述した本発明の装置の一実施例の具体的な回
路構成を示すもので、この図において点線で囲まれた各
ブロックは、第１図の同一記号の各ブロックに相当する
ものである。すなわち、速度制御モード切換回路７は、
速度制御モード切換電圧ｖ３と速度指令電圧ｖＩを比較
するコンパレータＣＰ１及びｖ１≧Ｖ３のときにのみ動
作するリレー用コイルＬ１から成る。また高速モード回
路７は、前記コイルＬ１が動作したとき（高速モード時
）に閉じて速度指令電圧Ｖ＋をオシレータに送るリレー
８Ｗ１　（ノーマルオープンタイプ）でアシ、オシレー
タ３の出力電圧は、公知の振幅変調回路によシ前記電圧
ｖＩで制御されるものとする。さらに、低速モード回路
９は、前記コイルＬ１が不動作時（低速モード時）は閉
じていて（ノーマルクローズタイプ）、予め設定された
前記切換電圧ｖ３でオシレータ３の出力電圧を設定する
リレーＳＶ２と、速度指令電圧ｖｌを駆動パルス発生器
１０へ送るリレー８Ｗ３から成る。なお、前記コイルＬ
１が動作時はリレー８Ｗ２及びＳＷｓともオープンとな
シ信号は遮断される。また、駆動パルス発生器１０は、
予め設定された周波数と撮幅全もつのこざシ波発生回路
１０ＡとコンパレータＣＰ２とから成り、低速モード時
に前記速度指令電圧ｖＩに比例したデユーティ比のパル
ス電圧を発生するものである。さらに、スイッチング要
素４は、コンパレータＣＰ１とコンパレータＣＰ２の出
力を入力とするＯＲ，要素ＯＲ１と前記ＯＲ要素ＯＲＩ
の出力によって動作するリレー用コイルＬ２．さらにオ
シレータ３からパワーアンプ５への信号伝達を制御する
リレー８Ｗ４（ノーマルオープンタイプ；前記コイルＬ
２動作詩にクローズ）から成る。

なお、第２図の実施例では、信号切換要素としてリレー
を用いたが、サイリスク等を用いても同様の機能を笑現
できることは言うまでもない。

次に、上述した本発明の装置の一実施例の動作について
説明する。

第３図は、前述のよって、圧電モータＩＫ対する印加電
圧Ｖと無負荷回転数ｎとの関係を示すものであシ、最小
起動電圧ｋＶｏ、低速時の速度不安定領域の電圧ｋＶｚ
　ｓその時の無負荷回転数をｎ２とし、さらに連続駆動
最大電圧（例えば圧電素子の温度上昇限度等で決定され
る最大電圧）をｖｌ、その時の無負荷回転ａをｎｌ　と
する。この時、速度不安定領域の回転数ｎ２よシ十分大
きい回転数ｎ３　（印加電圧ｖｌ）を決め、ｎ３以上を
高速領域・ｎ３以下を低速領域と定義する。速度制御モ
ード切換回路６は、指令速度が高速領域の場合に高速モ
ード回路７を選択し、その信号の流れは第１図の点綴の
ようになる。すなわちスイッチング要素４を常時閉とし
てオシレータ３の信号を連続的にパワーアンプ５に供給
すると同時に、オシレータ３の高周波′１圧振幅を制御
して無負荷回転数をｎ３〜ｎ１まで制御する。なお、上
記電圧はパワーアンプ５のゲインで制御してもよい。

上記のように、高速領域では共振周波数の交流電圧を連
続印加するため高効率でしかも低騒音で駆動でき、さら
に電圧制御てよって速度を制御するので高分解能の制御
が可能となる。

また、指令速度が低速領域の場合にば、速度制御モード
切換回路７は低速モード回路９を選択し。

その信号の流れは第１図の実線のようになる。この時、
前記スイッチング要素４は、駆動パルス発生器１０のパ
ルス幅によって制御され１例えばパルスが高電圧（ハイ
）状態の時にオシレータ３の共振周波数電圧をパワーア
ンプ５に供給し、パルスがゼロ電圧（ロー）状態の時は
前記電圧を遮断するものとする。低速領域での動作を、
第３図を用いてさらに詳しく説明する。第４図はオシレ
ータ３の出力電圧で、その周波数は圧電素子系の共振周
波数ｆｒに一致した正弦電圧である。また第５図は駆動
パルス発生器１０の出力電圧で、そのパルス周波数ｆ、
はオシレータ周波数ｆ、よシ十分低く設定し１例えば数
百〜数ｋ　Ｈｚとする。その１周期’ｋ”ｏｓパルス幅
ｋｔｔ　として、ｔｌと１、との比ｔｘ／１ｏ＝１）’
にデユーティ比と呼ぶ。

ｉ動パルス発生器１０は、指令速度に応じて、前記デユ
ーティ比りを増減し、そのパルスがハイ状態のときにオ
シレータ電圧をパワーアンプ５に供給するようにスイッ
チング要素４を制御する。したがって、パワーアンプ５
の出力゛電圧（すなわち圧電素子の印加電圧）は、第６
図のように、共振周波数の正弦波電圧の祈Ａｉ！波（間
欠波）となる。

なお、第３図に示すような、高速領域と低速領域の境界
電圧ｖ３とする。ｉ＠７図に、この時のデユーティ比り
を横軸に、無負荷回転速度ｎを縦軸にとったグラフを示
す。すなわち、デユーティ比１００％での無負荷回転速
度はｎ３とな）、デユーティ比りでの無負荷回転速度ｎ
は＊　”　”　Ｄ　’　”　ｓで表わされる。低速域で
は、デユーティ比Ｄｔｌ−小さくするが、動作時には共
振周波数ｆ２で十分高い電圧ｖ３が印のΩさ几るため、
安定に動作することができる。さらに、デユーティ比を
調整することによシ高精度に低速領域での速度制−がで
きる。

なお、パルス周波数ｆ、は前述のように数百〜数ｋ）（
ｚに設定するので１回転が不連続になる等の実用上の問
題はない。なお、間欠駆動のために連続駆動よシ接触部
のすベシが犬きくなシ効率がやや低下するが、低速領域
での小パワー駆動なので発熱の問題は生じない。

なお、前記オシレータ３．スイッチング要素４゜速度側
副モード切換回路７．高速モード回路８゜低速モード回
路９、及び駆動パルス発生器１０の機能は、電気回路の
）・−ドウエアによって実現できるのはもちろんである
が、マイクロコンピュータ上のソフトウェアによっても
実現することができる。

また、前記実施例でおいては、圧電モータの一つの圧電
素子に対する軍動制御回路について説明したが、圧電素
子が複数個あシ、さらにそれぞれに位相差をもつ電圧を
印加する場合でも１本発明を適用できることはもちろん
である。

〔発明の効果〕

以上述べたように１本発明によれば、圧電モータの速度
制御を、高速領域では高効率に、低速領域では安定で高
精度に行なうことができるので、圧電モータの全動作速
度領域にわたって有効な速度制御ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施例の構成を示す図、第２
図はその具体的な構成を示すブロック図。 第３図は圧電モータに対する印加電圧と無負荷回転速度
を示す特性図、第４図〜第６図はその動作を示すための
電圧波形図、第７図はデユーティ比と無負荷回転速度を
示す特性図である。 １・・・圧電モータ、２・・・圧電素子、３・・・オシ
レータ。 ４・・・スイッチング要素、５・・・パワーアンプ、６
・・・速度指令発生手段、７・・・速度制御モード切換
回路、８・・・高速モード回路、９・・・低速モード回
路、１０■　／　配 第　２　　凹 電ＦＬＶ ′＃Ｊ４凪 ￥１５凹 ｖＪ　６　圀

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．圧電素子に交番電圧を印加することによって発生す
   る振動を利用して被駆動体を摩擦駆動する圧電モータに
   おいて、圧電モータの圧電素子に交番電圧を印加するオ
   シレータと、このオシレータと圧電素子との間に設けた
   スイッチング要素と、圧電モータへの指令速度が低速域
   のときには交番電圧を間欠的に供給するように前記スイ
   ッチング要素を間欠操作する低速モード操作手段と、高
   速域のときには交番電圧を連続的に印加するように前記
   スイッチング要素を操作する高速モード操作手段とを備
   えたことを特徴とする圧電モータの速度制御装置。
2. ２．特許請求の範囲第１項記載の圧電モータの速度制御
   装置において、圧電モータへの指令速度の大小に応じて
   速度制御モードを切り換える速度制御モード切換回路を
   備えたことを特徴とする圧電モータの速度制御装置。
3. ３．特許請求の範囲第２項記載の圧電モータの速度制御
   装置において、低速モード操作手段は、速度制御モード
   切換回路からの指令により作動するスイッチと、このス
   イッチの閉により間欠的な駆動パルスによりスイッチン
   グ要素を間欠的に作動させる駆動パルス発生回路とを備
   えたことを特徴とする圧電モータの速度制御装置。
4. ４．特許請求の範囲第２項記載の圧電モータの速度制御
   装置において、高速モード操作手段は、速度制御モード
   切換回路からの指令によりオシレータの電圧を制御する
   と共にスイッチング要素を閉動作させる高速モード回路
   を備えたことを特徴とする圧電モータの速度制御装置。