JPH0191678A - 超音波モータの速度制御装置 - Google Patents
超音波モータの速度制御装置Info
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- JPH0191678A JPH0191678A JP62246450A JP24645087A JPH0191678A JP H0191678 A JPH0191678 A JP H0191678A JP 62246450 A JP62246450 A JP 62246450A JP 24645087 A JP24645087 A JP 24645087A JP H0191678 A JPH0191678 A JP H0191678A
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- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
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- H—ELECTRICITY
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- H02N2/163—Motors 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。
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
の速度制御装置に関する。
の速度制御装置に関する。
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例えば
数１０ＫＨｚの駆動電圧加えて弾性振動を励振し、この
振動体を伸縮振動又は厚み振動さ°せ、この振動を駆動
力としてロータ等の被駆動体（移動体）を押圧駆動する
ことにより、移動体を回転又は直線運動させるようにし
た超音波モータが注目されている。
数１０ＫＨｚの駆動電圧加えて弾性振動を励振し、この
振動体を伸縮振動又は厚み振動さ°せ、この振動を駆動
力としてロータ等の被駆動体（移動体）を押圧駆動する
ことにより、移動体を回転又は直線運動させるようにし
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。
いて説明を行う。
第３図は円環型超音波モータ５の斜視図であり、円環型
の弾性体１０に円環型圧電体９を貼り合わせて振動体１
１を構成している。１２は耐摩耗性材料の摩擦材、１３
は弾性体であり、互いに貼り合わせられて移動体１４を
構成している。移動体１４は摩擦材１２を介して振動体
１１と接触している。圧電体９に電圧を印加すると振動
体１１の周方向に曲げ振動が励起され、これが進行波と
なることにより、移動体１４を駆動する。尚、同図中の
振動体１１には、機械出力取り出し用の突起体１５が設
置されている。
の弾性体１０に円環型圧電体９を貼り合わせて振動体１
１を構成している。１２は耐摩耗性材料の摩擦材、１３
は弾性体であり、互いに貼り合わせられて移動体１４を
構成している。移動体１４は摩擦材１２を介して振動体
１１と接触している。圧電体９に電圧を印加すると振動
体１１の周方向に曲げ振動が励起され、これが進行波と
なることにより、移動体１４を駆動する。尚、同図中の
振動体１１には、機械出力取り出し用の突起体１５が設
置されている。
第４図は第３図の超音波モータに使用した圧電体９の電
極構造の一例を示している。同図では円周方向に９個の
弾性波がのるように構成されている。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波長相当の
電極である。
極構造の一例を示している。同図では円周方向に９個の
弾性波がのるように構成されている。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波長相当の
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
く＝９０°）の位相差を作っている。電極ＡとＢ内の隣
合う小電極部は圧電体９を分極する際に用いる電極で、
圧電体９の弾性体１０の接着面は、第４図に示された面
と反対の面であり、その面の電極は全面平面電極である
。使用時には、電極群ＡおよびＢは第４図の斜線で示さ
れたように、それぞれ短絡して用いられる。
く＝９０°）の位相差を作っている。電極ＡとＢ内の隣
合う小電極部は圧電体９を分極する際に用いる電極で、
圧電体９の弾性体１０の接着面は、第４図に示された面
と反対の面であり、その面の電極は全面平面電極である
。使用時には、電極群ＡおよびＢは第４図の斜線で示さ
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９の電極
ＡおよびＢに Ｖ１＝Ｖ□ −５ｉｎ（ｌｌ、Ｊｔ）
−−−（１）Ｖ２＝Ｖ、） −ｃｏｓ（ωｔ）
−−−（２＞ただし、■ｏ：電圧の瞬時値 ω ：角周波数 ｔ −時間 で表される電圧■１および■２をそれぞれ印加すれば、
振動体には ξ＝ξｏ ・（ｃｏｓ（ωｔ） ・ｃｏｓ（ｋＸ）＋５
ｉｎ（ωｔ） −５ｉｎ（ｋＸ） ）＝ξＯ・ｃｏｓ（
ωｔ−ｋＸ） −−−（３）ただし、ξ ：
曲げ振動の振幅値 ξ０：曲げ振動の瞬時値 に：波数（２π／λ） λ ：波長 Ｘ：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。
ＡおよびＢに Ｖ１＝Ｖ□ −５ｉｎ（ｌｌ、Ｊｔ）
−−−（１）Ｖ２＝Ｖ、） −ｃｏｓ（ωｔ）
−−−（２＞ただし、■ｏ：電圧の瞬時値 ω ：角周波数 ｔ −時間 で表される電圧■１および■２をそれぞれ印加すれば、
振動体には ξ＝ξｏ ・（ｃｏｓ（ωｔ） ・ｃｏｓ（ｋＸ）＋５
ｉｎ（ωｔ） −５ｉｎ（ｋＸ） ）＝ξＯ・ｃｏｓ（
ωｔ−ｋＸ） −−−（３）ただし、ξ ：
曲げ振動の振幅値 ξ０：曲げ振動の瞬時値 に：波数（２π／λ） λ ：波長 Ｘ：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５図は振動体１１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、振動体１１上
に加圧して設置された移動体１４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■・ωｘＵの回転速度で運動する様子を示してい
る。また、この速度は振動体１１と移動体１４の間にス
ベリがあるときは、上記の■より小さくなる。同図の矢
印Ｂは、移動体１４の進行方向を示し、矢印Ａは、この
進行波の進行方向を示す、また、上記した移動体１４の
速度■は、この曲げ振動の瞬時値ξ０に比例する。
て、長軸２Ｗ、短軸２Ｕの楕円運動をし、振動体１１上
に加圧して設置された移動体１４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■・ωｘＵの回転速度で運動する様子を示してい
る。また、この速度は振動体１１と移動体１４の間にス
ベリがあるときは、上記の■より小さくなる。同図の矢
印Ｂは、移動体１４の進行方向を示し、矢印Ａは、この
進行波の進行方向を示す、また、上記した移動体１４の
速度■は、この曲げ振動の瞬時値ξ０に比例する。
ところで、この超音波モータ５を等価回路で示すと第６
図のようになることが知られている。同図においてＣ８
は振動体１１の電気的な静電容量で、Ｃ１は振動体１１
のコンプライアンス、Ｌｌは質量、Ｒ１は制動係数及び
負荷に相当するものである。このＣ１、Ｌ、、Ｒ，で構
成された回路は振動等の機械的動作に関係するもので機
械椀と呼び、圧電体９の電極に供給される電流ｉのうち
この機械椀に流れる電流ｉ、を機械腕電流と呼ぶ。この
機械腕電流ｉ、の大きさは先述したように振動体１１の
振動振幅と比例関係にあり、従って移動体１４の移動速
度に比例することになる。
図のようになることが知られている。同図においてＣ８
は振動体１１の電気的な静電容量で、Ｃ１は振動体１１
のコンプライアンス、Ｌｌは質量、Ｒ１は制動係数及び
負荷に相当するものである。このＣ１、Ｌ、、Ｒ，で構
成された回路は振動等の機械的動作に関係するもので機
械椀と呼び、圧電体９の電極に供給される電流ｉのうち
この機械椀に流れる電流ｉ、を機械腕電流と呼ぶ。この
機械腕電流ｉ、の大きさは先述したように振動体１１の
振動振幅と比例関係にあり、従って移動体１４の移動速
度に比例することになる。
さて上記のように構成された超音波モータ５を駆動し、
移動体１４の移動速度を所定の一定値に制御する場合、
先に述べたように機械腕電流ｉ、が移動速度に比例する
ことから、従来この機械腕電流ｉ□の値を周知の技術で
検出し、この値が一定になるように印加する電圧を制御
し、移動体１４の移動速度を一定に保とうとしていた。
移動体１４の移動速度を所定の一定値に制御する場合、
先に述べたように機械腕電流ｉ、が移動速度に比例する
ことから、従来この機械腕電流ｉ□の値を周知の技術で
検出し、この値が一定になるように印加する電圧を制御
し、移動体１４の移動速度を一定に保とうとしていた。
発明が解決しようとする問題点
しかしながら上記のような構成では、移動体１４と振動
体１１の接触状態や外部から受ける負荷状態が常に一定
であれば移動体１４の移動速度も一定になるが、この機
械腕電流１７一定力式は移動速度に対してはオーブンル
ープであるので、移動体１４と振動体１１の接触状態は
温湿度等の変化によって変動したり、外部から受ける負
荷が変動すれば、これらの変動によって移動速度と機械
腕電流ｉ、の比例状態が変化するため、移動体１４の移
動速度はこの変動に応じて変化することになる。従って
、機械腕電流ｉ、を一定の設定値にのみ制御する従来の
方式では移動体１４の移動速度を所定の一定値に制御す
ることは困難であった。
体１１の接触状態や外部から受ける負荷状態が常に一定
であれば移動体１４の移動速度も一定になるが、この機
械腕電流１７一定力式は移動速度に対してはオーブンル
ープであるので、移動体１４と振動体１１の接触状態は
温湿度等の変化によって変動したり、外部から受ける負
荷が変動すれば、これらの変動によって移動速度と機械
腕電流ｉ、の比例状態が変化するため、移動体１４の移
動速度はこの変動に応じて変化することになる。従って
、機械腕電流ｉ、を一定の設定値にのみ制御する従来の
方式では移動体１４の移動速度を所定の一定値に制御す
ることは困難であった。
本発明はかかる点に鑑み、常に所定の一定速度で移動体
を移動させる超音波モータの速度制御装置を提供するこ
とを目的とする。
を移動させる超音波モータの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
本発明は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
せる超音波モータと、前記移動体の移動速度を検出し前
記移動速度に比例した信号を出力する速度検出手段と、
前記交流電圧の周波数を制御する可変発振手段とを有し
た超音波モータの速度制御装置である。
性体とから構成される振動体に弾性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
せる超音波モータと、前記移動体の移動速度を検出し前
記移動速度に比例した信号を出力する速度検出手段と、
前記交流電圧の周波数を制御する可変発振手段とを有し
た超音波モータの速度制御装置である。
作 用
本発明は前記した構成により、速度検出手段の出力によ
ってその出力周波数が制御される可変発振手段により印
加交流電圧の周波数を変化させて移動体の速度を制御す
る。
ってその出力周波数が制御される可変発振手段により印
加交流電圧の周波数を変化させて移動体の速度を制御す
る。
実施例
本発明の実施例を述べる前に超音波モータ５の特徴につ
いてつけ加える。
いてつけ加える。
超音波モータ５に印加する交流電圧のレベルを一定にし
、その周波数を変化させた時機械腕電流ｉ、の大きさは
第２図に示すような周波数特性を示す。この図から解る
ように共振点（特性曲線のピークのところ）より高い周
波数では周波数の値によってｌｔｉ腕電流１１の大きさ
が１対１に対応しており、共振点近傍の不安定領域を除
いて周波数ｆ１をｆ、、、からｆ＋ａ２の範囲を変化さ
せればそれに応じて機械腕電流ｉユはｉユ１から１＋ａ
２の範囲変化する。
、その周波数を変化させた時機械腕電流ｉ、の大きさは
第２図に示すような周波数特性を示す。この図から解る
ように共振点（特性曲線のピークのところ）より高い周
波数では周波数の値によってｌｔｉ腕電流１１の大きさ
が１対１に対応しており、共振点近傍の不安定領域を除
いて周波数ｆ１をｆ、、、からｆ＋ａ２の範囲を変化さ
せればそれに応じて機械腕電流ｉユはｉユ１から１＋ａ
２の範囲変化する。
また先に述べたようにこの機械腕電流１１を変化させれ
ば移動体１４の速度が変化することから、速度の変動に
応じて駆動電圧の周波数ｆ、を変化させることで速度制
御を行なうことができる。
ば移動体１４の速度が変化することから、速度の変動に
応じて駆動電圧の周波数ｆ、を変化させることで速度制
御を行なうことができる。
第１図は本発明の第１の実施例における超音波モータの
速度制御装置のブロック図を示すものである。第１図に
おいて、１は入力される電圧値によって出力周波数が制
御された交流信号を発生する可変発振回路、２は可変発
振回路１の出力から９０°位相の異なった二つの信号を
発生させる９０°移相回路、３．４はこの９０°位相の
異なった各々の信号を超音波モータ５を駆動するのに十
分な電圧レベルまで増幅して圧電体９の各々の電極に印
加するための電力増幅回路、６は移動体１４の周囲に貼
付され着磁されたプラスチック状のマグネットから移動
速度に比例した磁束の変化を磁気抵抗素子で検出しパル
ス状の信号を出力する周知の周波数発電１１ｆ！ｌ （
ＦＧ）、７はＦＧの出力周波数に比例した電圧を出力す
る周波数−電圧（Ｆ−Ｖ）変換回路、８は速度制御ルー
プを安定にするための補償フィルタでその出力は可変発
振回路１の入力に接続される。
速度制御装置のブロック図を示すものである。第１図に
おいて、１は入力される電圧値によって出力周波数が制
御された交流信号を発生する可変発振回路、２は可変発
振回路１の出力から９０°位相の異なった二つの信号を
発生させる９０°移相回路、３．４はこの９０°位相の
異なった各々の信号を超音波モータ５を駆動するのに十
分な電圧レベルまで増幅して圧電体９の各々の電極に印
加するための電力増幅回路、６は移動体１４の周囲に貼
付され着磁されたプラスチック状のマグネットから移動
速度に比例した磁束の変化を磁気抵抗素子で検出しパル
ス状の信号を出力する周知の周波数発電１１ｆ！ｌ （
ＦＧ）、７はＦＧの出力周波数に比例した電圧を出力す
る周波数−電圧（Ｆ−Ｖ）変換回路、８は速度制御ルー
プを安定にするための補償フィルタでその出力は可変発
振回路１の入力に接続される。
以上のように構成された本実施例の超音波モータの速度
制御装置について、以下その動作を説明する。
制御装置について、以下その動作を説明する。
可変発振器１が動作して９０°移相器および電力増幅器
３．４を通じて交流電圧が超音波モータ５（圧電体９）
に印加されると移動体１４が回転駆動される。この回転
駆動された移動体１４の速度はＦＧ６によって速度に比
例した周波数のパルス信号に変換され、このパルス信号
はＦ−Ｖ変換回路７でその周波数に比例した直流電圧に
変換され、この直流電圧は補償フィルタを介して可変発
振回路１に入力される。可変発振回路１はこの入力され
る電圧に応じてその発振周波数が制御される。
３．４を通じて交流電圧が超音波モータ５（圧電体９）
に印加されると移動体１４が回転駆動される。この回転
駆動された移動体１４の速度はＦＧ６によって速度に比
例した周波数のパルス信号に変換され、このパルス信号
はＦ−Ｖ変換回路７でその周波数に比例した直流電圧に
変換され、この直流電圧は補償フィルタを介して可変発
振回路１に入力される。可変発振回路１はこの入力され
る電圧に応じてその発振周波数が制御される。
ここで、可変発振回路１は、Ｆ−Ｖ変換回路７（補償フ
ィルタ８）によって出力される移動体１４の移動速度に
比例した信号によって、その速度が所定速度よりも遅け
れば機械腕電流ｉ、を増すべくその発振周波数をｆｍｌ
を越えない範囲で低くするように、逆に速度が速ければ
機械腕電流をｉｓを減らすべく発振周波数を高くするよ
うに動作する。このように可変発振回路１が所定速度と
の速度差に比例して発振周波数を変え、機械腕電流を制
御することによって移動体１４の速度が一定にせいぎょ
される。
ィルタ８）によって出力される移動体１４の移動速度に
比例した信号によって、その速度が所定速度よりも遅け
れば機械腕電流ｉ、を増すべくその発振周波数をｆｍｌ
を越えない範囲で低くするように、逆に速度が速ければ
機械腕電流をｉｓを減らすべく発振周波数を高くするよ
うに動作する。このように可変発振回路１が所定速度と
の速度差に比例して発振周波数を変え、機械腕電流を制
御することによって移動体１４の速度が一定にせいぎょ
される。
以上のように本実施例によれば、移動体１４の速度情報
をもとに所定速度になるように駆動周波数を制御するの
で安定でかつ常に所定速度で動作することが出来、さら
に上記したように電圧のレベルによって機械腕電流を変
えるのではなく、周波数を変えて機械腕電流を変えるの
で、従来に比べて高い電圧を印加する必要のない超音波
モータの速度制御装置が実現できる。
をもとに所定速度になるように駆動周波数を制御するの
で安定でかつ常に所定速度で動作することが出来、さら
に上記したように電圧のレベルによって機械腕電流を変
えるのではなく、周波数を変えて機械腕電流を変えるの
で、従来に比べて高い電圧を印加する必要のない超音波
モータの速度制御装置が実現できる。
発明の詳細
な説明したように、本発明によれば、移動体と弾性体と
の接触状態の変化による負荷変動や外部負荷の変動等が
あっても移動体の移動速度を所定の速度で安定に駆動す
る超音波モータの速度制御装置を提供することができ、
その実用的効果は大きい。
の接触状態の変化による負荷変動や外部負荷の変動等が
あっても移動体の移動速度を所定の速度で安定に駆動す
る超音波モータの速度制御装置を提供することができ、
その実用的効果は大きい。
第１図は本発明における一実施例の超音波モータの速度
制御装置のブロック図、第２図は機械腕電流の周波数特
性図、第３図は円環型超音波モータの切り欠き斜視図、
第４図は第３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５図は超音波モータの動作原
理の説明図、第６図は超音波モータの等価回路図である
。 １・・・可変発振回路、２・・・９０°移相回路、３・
４・・・電力増幅回路、 ５・・・超音波モータ、６・
・・ＦＧ、７・・・Ｆ−Ｖ変換回路、８・・・補償フィ
ルタ。 代理人の氏名 弁理士 中尾敏男 はか１名第３図 第４図
制御装置のブロック図、第２図は機械腕電流の周波数特
性図、第３図は円環型超音波モータの切り欠き斜視図、
第４図は第３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５図は超音波モータの動作原
理の説明図、第６図は超音波モータの等価回路図である
。 １・・・可変発振回路、２・・・９０°移相回路、３・
４・・・電力増幅回路、 ５・・・超音波モータ、６・
・・ＦＧ、７・・・Ｆ−Ｖ変換回路、８・・・補償フィ
ルタ。 代理人の氏名 弁理士 中尾敏男 はか１名第３図 第４図
Claims (1)
- （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
る超音波モータと、前記移動体の移動速度を検出し前記
移動速度に比例した信号を出力する速度検出手段と、前
記速度検出手段の出力によって前記交流電圧の周波数を
制御する可変発振手段を具備したことを特徴とした超音
波モータの速度制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62246450A JPH0191678A (ja) | 1987-09-30 | 1987-09-30 | 超音波モータの速度制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62246450A JPH0191678A (ja) | 1987-09-30 | 1987-09-30 | 超音波モータの速度制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0191678A true JPH0191678A (ja) | 1989-04-11 |
Family
ID=17148618
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62246450A Pending JPH0191678A (ja) | 1987-09-30 | 1987-09-30 | 超音波モータの速度制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0191678A (ja) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6139870A (ja) * | 1984-07-27 | 1986-02-26 | Marcon Electronics Co Ltd | 圧電形直線モ−タ |
-
1987
- 1987-09-30 JP JP62246450A patent/JPH0191678A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6139870A (ja) * | 1984-07-27 | 1986-02-26 | Marcon Electronics Co Ltd | 圧電形直線モ−タ |
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