JPH01283075A - 振動波モータの制御装置 - 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〕 本発明は電歪素子等の電気信号の印加にて振動し、電気
エネルギーを機械エネルギーに変換する電気−機械エネ
ルギー変換素子を駆動媒体として進行性振動波によって
駆動する振動波モータの駆動効率の向上を図るために、
進行性振動波の周波数を制御する装置に関する。

〔従来技術〕

振動波モータは例えば特開昭５２−２９１９２号公報に
も開示されているように、電歪素子、圧電素子等の電気
−機械エネルギー変換素子に交流、脈流等の周波電圧を
印加したときに生ずる振動運動を回転運動又は−次元運
動に変換するものである。従来の電磁モータに比べて巻
線を必要としないため、構造が簡単で小型になり、低速
回転時にも高トルクが得られると共に慣性モーメントが
少ないとう利点があるため、最近注目されている。

ところが、従来知られている振動波モータは振動運動を
回転運動等に変換するにあたり、振動体に生じた定在振
動波で、振動体と接触するロータ等の移動体を一方向に
摩擦駆動するもので、振動の往運動時には振動体と移動
体が摩擦接触し、復運動時には離れるようになっている
。そのため振動体と移動体は微小範囲で接触する構造、
即ち点もしくは線接触に近い構造でなければならず、い
きおい摩擦駆動効率の悪いものとなってしまう。

また駆動力は一定方向に働くものであるから移動体の移
動方向は一方向のみである。逆方向に移動させるために
は、別な振動体で振動方向を機械的に切り換える必要が
ある。従って、正逆回転が可能な振動波モータを得るに
は装置が複雑になり、振動波モータの特徴である構造の
簡単さ、小型さが半減されてしまう。

上記のような振動波モータの持つ欠点を解消する振動波
モータの構造が、本出願人の出願に係る特願昭５７−２
０６３００．特願昭５７−２１９５３２等の明細書に開
示されている。

その概略は以下のようなものである。

第１図は振動波モータを各要素別に分解したものを示し
ている。

ベースとなる固定体５の中心円筒部５ａに、振動吸収体
４、吸収体４側に電気−機械エネルギー変換素子として
の電歪素子３を接着した金属の環状振動体２、移動体１
の順に嵌め込まれており、固定体５・吸収体４・振動体
２は各々相互に回転しないように取付けられている。振
動体２に対し移動体１は自重または図示しない付勢手段
で圧接されモータの一体性を保っている。複数の電歪素
子３は一群の電歪素子３Ａ、〜３Ａ７が振動波の波長λ
の２分の１のピッチで配列され、電歪素子３Ａ、・３Ａ
３・３Ａ５・３Ａ７の分極方向は同一で、その間に位置
する電歪素子３Ａ２・３Ａ４・３Ａ６の分極方向は逆で
ある。従って電歪素子３Ａ、〜３Ａ７は隣り合う位置の
ものどうしの分極方向は逆向きにしである。別な群の電
歪素子３Ｂ１〜３Ｂ７も同じくλ／２ピッチで配列され
ていて、隣り合う位置のものどうしの分極方向は逆向き
にしである。

電歪素子３Ａ１〜３Ａ７と３Ｂ、〜３Ｂ７の相互ピッチ
は（ｎ　ｏ　＋１／４）λ（但しｎ０＝０．１゜２．３
・・・）ずれた位相差的配列がなされる。

なお電歪素子３の複数並べず、第２図に示すように環状
の単体の素子３にし、それを前記ピッチに分極処理し分
極処理部３ａｌ〜３ａ５と３ｂ、〜３ｂ５にしても良い
。

電歪素子３Ａ、〜３Ａ７の各々には吸収体４側にリード
線１１ａが接続され電歪素子３Ｂ、〜３Ｂ７の各々には
リード線１１ｂが接続され、その各々は電源６ａと９０
’位相器６ｂに接続される（第３図参照）。また金属の
振動体２にはリード線１１ｃが接続され交流電源６ａと
接続される。

このように構成された振動波モータの動作は次のような
ものである。

第３図は上記モータの振動波の発生状態を示している。

金属の振動体２に接着された電歪素子３Ａ１〜３Ａ４及
び３Ｂ、〜３Ｂ４は、説明の便宜上、隣接して現わされ
ているが、上記のλ／４の位相ずれの条件を満足してい
るため、第１図に示すモータの電歪素子３Ａ１〜３Ａ４
ａ及び３Ｂ、〜３Ｂ４の配列と実質的に等価なものであ
る。各電歪素子３Ａ１〜３Ａ４及び３Ｂ、〜３Ｂ４中の
Φは交流電圧が正側の周期であるとき伸び、θは同じく
正側の周期で縮む状態になることを示している。

金属振動体２を電歪素子３Ａ、〜３Ａ４及び３Ｂ。

〜３Ｂ４の一方の電極にし、電歪素子３Ａ、〜３Ａ４に
は交流電源６ａからＶ＝ＶＯｓｉｎωｔの交流電圧を印
加し、電歪素子３Ｂ、〜３Ｂ４には交流電源６ａから９
０°位相器６ｂを通して、λ／４位相のずれた、Ｖ＝Ｖ
□　５ｉｎ（ωｔ±π／２）の交流電圧を印加する。

式中の十又は−は移動体ｌ（本図に於いて省略）を動か
す方向によって位相器６ｂで切り換えられるもので、＋
側に切り換えると＋９０°位相がずれ正方向に動き、−
側に切り換えると一９０°位相がずれ逆方向に動く。い
ま−側に切り換えてあり電歪素子３Ｂ１〜３Ｂ４にはＶ
＝Ｖ　（１ｓｉｎ　（ωｔ　−π／２）の電圧が印加さ
れるとする。電歪素子３Ａ。

〜３Ａ４だけが電圧Ｖ＝Ｖ　ｏｓｉｎωｔにより振動し
た場合は同図（ａ）に示すような定在波による振動が起
り、電歪素子３Ｂ、〜３Ｂ４だけが電圧Ｖ＝Ｖ　ｏｓｉ
ｎ　（ωを一π／２）により振動した場合は（ｂ）に示
すような定在波による振動が起る。

上記位相のずれた二つの交流を同時に各々の電歪素子３
Ａ、〜３Ａ４と３Ｂ、〜３Ｂ４に印加すると振動波は進
行性になる。（イ）は時間ｔ＝２ｎπ／ω。

（ロ）はｔ＝π／２ω＋２ｎπ／ω、（ハ）はｔ＝π／
ω＋２ｎπ／ω、（ニ）はｔ＝３π／２ω＋２ｎπ／ω
の時のもので、振動波の波面はＸ方向に進行する。

このような進行性の振動波は縦波と横波を伴なっており
、第４図に示すように振動体２の質点Ａについて着目す
ると、縦振幅Ｕと横振幅Ｗで反時計方向の回転楕円運動
をしている。振動体２の表面には移動体１が加圧接触し
ており振動面の頂点にだけ接触することになるから、頂
点に於ける質点Ａ−Ａ’・・・の楕円運動の縦振幅Ｕの
成分に駆動され、移動体１は矢示Ｎ方向に移動する。

質点Ａの頂点に於ける速度はＶ＝２πｆｕ　（ｆは振動
周波数）となり、移動体１の移動速度はこれに依存する
と共に、加圧接触による摩擦運動がされるため、横振幅
Ｗにも依存する。即ち、移動体１の移動速度は質点Ａの
楕円運動の大きさに比例する。

一方、移動体ｌの摩擦運動は振動体２の進行性振動波の
波面の頂点でなされるものであるから、頂点方向（第４
図２軸方向）の波面が共振していることが駆動効率を向
上させるために必要である。

入力電圧の周波数ｆ（＝２πω）として振動体２のヤン
グ率Ｅ・密度ρ・厚さｈとしてこれによってつくられる
波の波長λとすると、　ｆ＝Ｅ　　３ｐ−πｈ／λ２　
なる関係がありこの関係を満足する板厚りで共振するこ
とになる。

また振動体２は環状であるため、進行性振動波は環に沿
って進行し、新に起る波と周長πＤが波長λのｎ倍（ｎ
は自然数）、即ちｎλ＝πＤのとき共振する。

進行性振動は共振することによって振幅が大きくなり振
動波モータの運動効率が向上する。

〔本発明が解決しようとする問題点〕

上述の如（振動波モータは共振することで駆動効率が大
となるため、共振周波数にてモータ駆動をすれば高速駆
動を達成し得る。

従って、上記モータを駆動するに際して共振周波数で駆
動すれば効率良い駆動を得ることが出来るものの、モー
タの停止状態からいきなり共振周波数駆動をしたのでは
モータの回転速度が急激に立あがってしまいゆるやかな
速度変化を得ることができないばかりでなく、速度を任
意な値に調定することが困難であった。

〔問題点を解決するための構成〕

本発明は上記事項に鑑みなされたもので、振動波モータ
特有の回転特性を考慮してモータ駆動に際して、共振周
波数より高い所定の周波数から徐々にその周波数を低下
させて行くことで、立上がり特性をなめらかなものとし
た振動波モータの制御装置を提供せんとするものである
。

〔実施例〕

この制御装置の回路が第５図は本発明に係る振動波モー
タの制御装置の一実施例を示す回路図である。

同図で、ＣＰＵはマイクロコンピュータ、ＤＦ４はＤタ
イプのフリップフロップ４個からなり出力制御可能な回
路、ＤＦ５はＤタイプのフリップフロップ３個からなる
回路、ＢＦはトライステートバッファ、Ｇ１−Ｇ２はナ
ントゲート、Ｉｔ〜Ｉ９はインバータ、ＤＩ−Ｄ２は分
周器、ＡＳはアナログマルチプレクサ、ＲＯ〜Ｒ１５は
抵抗、ＣＡＰＩ−ＣａＦ２はコンデンサー、Ｔｒｉ〜Ｔ
ｒ９はトランジスタ、Ｄｉはダイオード、ＡＤＣはアナ
ログデジタルコンバータ、ＯＮｌはワンショット回路、
０ＰＩ−ＯＦ２はバッファアンプ、である。３Ａ・３Ｂ
は電気−機械エネルギー変換素子としての電歪素子で、
振動波モータの振動体２に夫々複数接着されたもののう
ち夫々一つづつを示し、１１は機械振動に応じた電気信
号を発生する電歪素子で同じく振動体２に電歪素子３Ａ
・３Ｂと並べて接着されているものである（第８図参照
）。

インバータ１３−　Ｉ４、コンデンサＣＡＰＩ、その値
が順次大きくなる抵抗ＲＯ〜Ｒ４はクロックゼネレータ
ＣＧ２を形成する。アナログマルチプレクサＡＳは、Ａ
Ｏ−Ａ２のデジタル人力によりｘＯ〜ｘ４のいずれかを
選択しＸ端子との導通を行う。従ってデジタル信号によ
り抵抗ＲＯ〜Ｒ４を選択し、クロックゼネレータＣＧ２
の出力ＣＬＫは異った周波数での発振出力となる。分周
器ＤＩ・Ｄ２はクロック出力ＣＬＫの立上がりにより夫
々１段の分局を行う。

分周器Ｄ２がインバータＩ５を介している為、分周器Ｄ
１とＤ２の出力は夫々第６図で示す位相のずれたＡＣＬ
ＫとＢＣＬＫの波形出力になる。

この波形の出力が夫々ドライバ回路ＤＲＩ、ＤＲ２に入
力する。ドライバ回路ＤＲＩは出力波形ＡＣＬＫによっ
て動作するプッシュプル回路からなり、電歪素子３Ａに
周波電圧を印加する。ドライバ回路Ｄ−Ｒ２は出力波形
ＢＣＬＫによって同様にして電歪素子３Ｂに１／４波長
位相のずれに周波電圧を印加する。その印加電圧により
電歪素子３Ａ・３Ｂが振動し、それに従って振動体２も
振動する。

振動体２の振動運動は電歪素子１１に伝えられ、電歪素
子１１に起電力が発生する。電歪素子１１の出力電圧は
振動体２の振動振幅が大きいほど、即ち共振状態が良い
ほど太き（なる。

電歪素子１１の出力電圧はバッファアンプＯＰＩを介し
て、ダイオードＤｉ・コンデンサＣＡＰ３からなるピー
クホールド回路に接続され、電圧の最大値がコンデンサ
ＣＡＰ３に記憶される。コンデンサＣＡＰ３の電圧はバ
ッファアンプＯＰ２を介してコンバータＡＤＣのアナロ
グ電圧入力ＶＩＮに入力される。フリップフロップＤＦ
４の出力はトランステートとなっていて、端子■の入力
で端子ＱＯ−０３に出力信号が発生する。

マイクロコンピュータＣＰＵは出力命令を実行して出力
バスＤＢＯ〜ＤＢ３にデータを出力するとともに端子Ｗ
””ｆＥにＬレベルパルスを出力する。この出力よりフ
リップフロップＤＦ５がＤＢＯ〜ＤＢ２のデータをラッ
チする。同時にこの出力はインバータＩ６を通ってワン
ショット回路ＯＮＩに入力しその出力が一定時間Ｈレベ
ルになる。このＨ信号はインバータ■９と抵抗１５を介
してトランジスタＴｒ９を開にし、ピークホールド回路
Ｄｉ−ＣＡＰ３が動作する。つまりワンショットＯＮＩ
がＨレベルになっている時間内で電歪素子１１から出力
される最大電圧が、前記の如くコンデンサＣＡＰ３に記
憶される。

この電圧は、変換器ＡＤＣによりデジタル変換され、ワ
ンショット回路ＯＮＩがＨからＬレベルになったときイ
ンバータ■９を介してフリップフロップＤＦ４にトリガ
信号を与えラッチされる。

トライステートバッファＢＦは■端子のＬレベルでワン
ショット回路ＯＮＩの信号をインバータＩ９を介して端
子ＸＩに入力し、端子Ｙ１から出力させる。

ＣＰＵが外部入力からデータを読む際に出力されるリー
ド信号■がＬになり、アドレス信号ＡＯがＬの場合はナ
ントゲートＧ２の出力がＬになり、バッファＢＦの■に
Ｌ信号が入力する。アドレス信号ＡＯがＨの場合はナン
トゲートＧｌの出力がＬになりフリップフロップＤＦ４
の端子面に入力し、出力ＱＯ−０３の信号がＣＰＵに読
み込まれる。

ＣＰＵが外部に出力をするときライト信号ＷＲがＬにな
るので、フリップフロップＤＦ５はＣＰＵのデータバス
信号をラッチする。フリップフロップＤＦ５の出力はア
ナログマルチプレクサＡＳに入力し、抵抗ＲＯ〜Ｒ４の
うち一つを選択する。

またＲｅ端子には、コンデンサＣＡＰ２と抵抗Ｒ６から
なる積分回路が接続され電源投入時にＣＰＵをリセット
する。

以上の回路動作を第７図のプログラムフローチャートを
参照して説明する。

電源を投入するとマイクロコンピュータＣＰＵのリセッ
トがかかりプログラムカウンタは０になるため、プログ
ラムはフローチャートの上からスタートする。

まず、変換ＫをＯに初期設定し、レジスタＲＧＩの内容
を最小値Ｏに設定する（Ｋ＝０、ＲＧ１＝Ｏ）。

このに値をデータバスに出力する（ＯＵＴ　　Ｋ）。

今に＝０であるからフリップフロップＤＦ５の値はＯと
なり、アナログマルチプレクサＡＳによって抵抗ＲＯが
選択される。抵抗ＲＯの抵抗値が抵抗ＲＯ〜Ｒ４のうち
最も小さいため、出力波ＣＬＫは最大周波数となる。

このとき、ＣＰＵのライト信号Ｗ１はインバータＩ６を
介してワンショット回路ＯＮＩにトリガを加える。

次にアドレス０のポート入力をする（ＩＮＰＵＴＡＤＯ
）。このときＣＰＵの出力ＡＯはＬとなっているので、
バッファＢＦの出力がデータバスを介してＣＰＵに入力
される。次にそのデータのｂｉｔｌが、０か１かの判別
をする。つまりインバータ■９の出力の判別であり、ｂ
ｉｔｌがＯのとき、即ちワンショットＯＮＩの出力がＨ
レベルでピークホールド回路Ｄｉ−ＣＡＰ３が動作中で
あるときは、プログラムはＩＮＩに戻る。

ワンショットＯＮＩがＨレベルのとき、プログラムはこ
のループを繰り返し、振動波モータの振動体２は振動し
続け、ロータ（移動体）１は回転を続ける。ワンショッ
トＯＮＩがＬレベルになると、プログラムはループから
抜は出しＩＮ２に進む。

ＩＮ２では、アドレス１のポート入力を行い（ＩＮＰＵ
ＴＡＤＩ）、フリップフロップＤＦ４の出力を読み込む
。

前記のように、フリップフロップＤＦ４はインバータＩ
９の出力がＨレベルになったときラッチするので、ワン
ショットＯＮＩがＨレベルにある間の電歪素子１１から
の最大出力に対応する値をＣＰＵに入力させることがで
きる。

ＩＮ２で入力した値（ＤＡＴＡ）とレジスタＲＧＩの値
を比較する。最初はＲＧ１＝０であるからＤＡＴＡが０
より大きいはずであり、プログラムはＭＮに進行する。

ここではＤＡＴＡをレジスタＲＧＩにストアしくＤＡＴ
Ａ→ＲＧＩ）、Ｋ値をレジスタＲＧ２にストアする（Ｋ
　、　ＲＧ２）。

プログラムはＮＸＴに進み、Ｋ値はインクリメントする
（Ｋ＋１→Ｋ）。もし、ＤＡＴＡがレジスタＲＧＩの内
容より小さいか等しくなったときは、レジスタＲＧＩ−
ＲＧ２の内容はそのままで、プログラムはＮＸＴに進む
。

次にに値が５であるかどうかを判別する。今にはｌにな
っているので、再びプログラムはＦＳＴに戻る。Ｋを１
、即ち抵抗Ｒ１を新たに選択して、同様のプログラムを
進行させる。

このようにして、振動波モータを回転させつつ抵抗ＲＯ
〜Ｒ４を逐次選択し、印加電圧の周波数を少しづつ減少
させてゆ（。

変数Ｋが５になると、レジスタＲＧＩには振動体の振動
振幅が最大になったときのカウント値が、レジスタＲＧ
２にはそのときのに値が夫々記憶されている。

従って、プログラムはに＝５の分岐命令でＦＮＳへ進行
し、レジスタＲＧ２の値を出力することによって、抵抗
ＲＯ〜Ｒ４のうちから最適になる抵抗が選択され、クロ
ックゼネレータＣＧ２の出力ＣＬＫを制御してプログラ
ムは終了する。

そしてこの制御された出力ＣＬＫによって、分周器ＤＩ
−Ｄ２は動作する。分周器ＤＩの出力ＡＣＬＫと分周器
Ｄ２の出力ＢＣＬＫに従った周波電圧が夫々ドライバ回
路ＤＲＩ−ＤＲ２によって電歪素子３Ａ−３Ｂに印加さ
れる。

このとき周波電圧の周波数は振動体の形状・大きさに対
し最適の共振状態となるように制御され、振動体の振動
振幅は最大となり、駆動効率は極めて高いものとなる。

この高周波から低周波数方向への駆動周波数の移行制御
はモータの駆動開始時に行われるため、モータをなめら
かに駆動することが出来る。

なお、上記実施例での分周器の出力波形は第６図に示す
ような方形波ＡＣＬＫ−ＢＣＬＫに限らず、正弦波を加
えても振動波モータは作動する。

また、この制御装置は回転式の振動波モータだけでな（
リニア型の振動波モータにも適用し得る。

第２図に示す環状の単体素子３を使用した場合は、第８
図に示す電歪素子１１と同位置つまり３ａＳ　　と３ｂ
Ｓ　の間に分極処理した分極処理部からの起電力を検出
することにより、単体素子３の振動振幅を振動体２の振
動を介さずに得ることができる。

〔効果〕

以上の如く本発明にあっては振動波モータを駆動するに
際して共振周波数よりも高周波数からその駆動周波数を
低下して行くので、モータをなめらかに回転させること
が出来る等の効果を得ることが出来るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は振動波モータの分解斜視図、第２図は電歪素子
の実施例の平面図、第３図・第４図は振動波モータの駆
動原理説明図、第５図は振動波モータの駆動制御回路図
、第６図は分周器の出力波形を説明する図、第７図は本
発明の制御装置を実行するフローチャート図、第８図は
振動体の斜視図である。 ｌは移動体、 ２は振動体、 ３Ａ・３Ｂ−１１は電歪素子、 ＣＧ２はクロックゼネレータ、 ＣＰＵはマイクロコンピュータである。 蔦１　口 第つ　吻 １１戸 第Ｕ図 第′Ｖい

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　振動体の異なる位置に第１と第２の電気−機械エネル
   ギー変換素子を配し、該素子にそれぞれ位相の異なる周
   波信号を印加して振動体に進行性振動波を形成して、該
   振動波にて駆動力を得る振動波モータの制御装置におい
   てモータの駆動に際し、前記周波信号の周波数を共振周
   波数よりも高い所定の周波数から低周波数方向へ変更す
   る周波数変更手段を設けたことを特徴とする振動波モー
   タの制御装置。