JPH04101677A - 超音波モータ - 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］ この発明は、積層圧電素子と縦変位型圧電素子（ＬＭＰ
Ａ）とを用いた複合振動子型超音波モータ（Ｄ−ＢＬＴ
ｖ）に係り、特に高精度に位置決めさせることができる
技術に関する。

［従来の技術］ 従来より、第６図及び第７図に示すような、タンヘル型
の捩り振動子（Ｄ−ＢＬＴＶ）と縦変位型圧電素子（Ｌ
ＭＰＡ）とを有する超音波モータか知られている。

この超音波モータは、ステータとして、大径の円柱状振
動子１の間に小径の圧電素子２か積層状態に配置されて
、かつ全体形状かタンヘル状に形成されたランンユハン
型の捩り振動子３（Ｄ−Ｂｌ−ＴＶ）を有するものであ
って、この捩り振動子３の上部に、クラ、チとして動作
する縦変位型圧電素子４（ＬＭＰＡ）と、出力軸に至る
ロータ５とを順次配置し、更にこれらをスプリング６を
介在させてボルト締め７により一体化させた構成となっ
ている。

なお、前記縦変位型圧電素子４は、第６図の■−■線に
沿う図である第７図に示すようにそれぞれ間隔か周方向
に対して等しく配置され、前記スプリング６のばね力に
より前記ロータ５に対して定の圧力（予圧）で接触され
ている。

また、第６図及び第７図において符号８て示すものは、
前記超音波モータを全体的に支持するホルタ−である。

そして、このように構成された超音波モータては、捩り
振動子３と縦変位型圧電素子４とをそれぞれ駆動させる
ことにより、ロータ５を一方向に連続回転させるように
している。つまり、第８図（Ａ）で示すように、前記捩
り振動子３の一方向への変位速度か最大のときに縦変位
型圧電素子４を伸ばして、前記捩り振動子３の変位を縦
変位型圧電素子４を介してロータ５に伝達するようにし
、それ以外の場合に、第８図（Ｂ）〜第８図（Ｄ）てそ
れぞれ示すように、縦変位型圧電素子４を縮めて、捩り
振動子３とロータ５との連結を断ぢ、これによって該ロ
ータ５を慣性により回転させるようにしている。

なお、このとき前記縦変位型圧電素子４の位相を逆にし
た場合には、前記ロータ５は逆回転するようになる。

７発明か解決しようとする課題 ところで、上記のように構成されたクンヘル型の超音波
モータにおいては、ロータ５を停止させようとして、捩
り振動子３と縦変位型圧電素子４とへの電力供給を停止
した場合に、捩り振動子３の振動（リインキング）か一
定時間起こり、前記ロータ５を指定する位置に正確に停
めることができないという不具合かあった。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって
、ロータを予め定められ指定位置に正確に停止させるこ
とができ、これにより次の駆動時にロータを円滑に起動
させることができる超音波モータの提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明では、電極と圧電素
子とが交互に積層されて、かつ一端側か固定され、他端
側に軸方向に変位する縦変位型圧電素子か設けられたス
テータと、ステータの縦変位型圧電素子に接触するよう
に設けられたロータとを具備した超音波モータであって
、前記ロータの回転角を検出する位置検出手段と、前記
ロータか停止すべき目標回転角か設定されるとともに、
この目標回転角度と前記位置検出手段により検出された
ロータの回転角との差に基ついて、前記圧電素子と縦変
位型圧電素子とに印加する共振周波数の交流電圧の印加
サイクル数を調整するバースト幅制御手段とを備えるよ
うにしている。

［作用１ この発明によれば、ロータか停止すべき目標回転角が設
定されるとともに、この目標回転角度と、位置検出手段
により検出されたロータの回転角との差に基づいて、前
記圧電素子と縦変位型圧電素子とに印加する共振周波数
の交流電圧の印加サイクル数を調整する、つまり、位置
検出手段の出力に基づいて、圧電素子と縦変位型圧電素
子とに印加する共振周波数の交流電圧の印加サイクル数
をフィードパ、り制御するようにしたので、目標回転角
付近においてロータを正逆回転させて、該ロータを目標
回転角に除々に近ずけることができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図〜第５図（Ｂ）を参照
して説明する。

まず、第１図を参月召して、本実側倒に係るタンヘル型
超音波モータの構成について説明する。なお、以下の説
明において「従来の技術」の構成と共通とする箇所に同
一符号を付して説明を簡略化する。

第１図に示す超音波モータか第６図及び第７図に示す超
音波モータと異なる点は、捩り振動子３（Ｄ−ＢＬＴＶ
）の圧電素子２の部分の構成である。

つまり、第１図に符号１０て示すホルＩ・締めタンヘル
型捩り振動子は、ホルタ−８を境にして、周方向にポー
リングしたリング状の圧電素子１１を電極１２を介在さ
せて片側６層ずつ設けたものであって、ねじリモートの
共振周波数の交流電圧を印加した場合に共振駆動し、同
様に共振周波数の交流電圧を印加した縦変位型圧電素子
４に連動してロータ５を高速で回転させることができる
ものである。

なお、以下の説明において縦変位型圧電素子４をｒＬＭ
ＰＡｊと表現する。

次に、前記捩り振動子１０を駆動させるための駆動手段
１００について第２図を参照して説明する。

なお、この第２図において示される符号２０はロータ５
の出力軸１３の回転量をパルス信号として出力するロー
タリーエンコータ。符号２１はロータリーエンコータ２
０からのパルス信号をカウントするカウンタ。符号２２
は正確な時間を測定するためのクロック。符号２３は、
前記カウンタ２１においてカウントされたカウント値に
基づき、印加サイクル数Ｃ１７ンセサイサー、位相可変
手段、増幅器（後述する）を制御して、捩り振動子１０
を駆動させるための駆動信号を出力するコンピュータ。

符号２４は駆動信号の周波数及び印加サイクル数Ｃを設
定するためのノンセサイサー。符号２５・２６は捩り振
動子１０を駆動させる駆動信号の電圧を所定値に設定す
るための増幅器。符号２７は捩り振動子１０を駆動させ
る駆動信号と、ＬＭＰＡを駆動させるための駆動信号と
に位相差を設ける位相可変手段である。

次に、第３図のフローチャート及び第４図の測定結果を
参照して、前記捩り振動子１０を駆動させるための制御
内容についてステップ毎に説明する。

なお、このフローチャートに示す制御内容（プログラム
）は、第２図に示すコンピュータ２３に設定されている
ものとする。

〈ステップ１〉 目標回転角Ｐ。及びウィンドウ値Ｗをそれぞれ入力する
。

なお、前記目標回転角Ｐ。は、回転させるへきロータ５
の出力軸１３の回転量を、ロータリーエンコータ２０の
出力パルス数として表すものであり、ウィンドウ値Ｗは
、目標回転角Ｐ。とロータリーエンコータ２０の出力パ
ルス数Ｐ（後述する）との差の絶りｊ値に比較される甚
準値である。

くステップ２〉 捩り振動子１０に印加する交流電圧のバースト幅である
印加サイクル数Ｃを求め、かつロータ５の回転方向ＣＷ
を決定する。

なお、交流電圧の印加サイクル数Ｃは、目標回転角Ｐ。

にまて回転させるへきロータ５の出力軸１３の駆動量に
対応するものてあって、この印加サイクル数Ｃに基つき
、目標回転角Ｐ。に至る間にカウントされるであろうロ
ータリーエンコータ２０の出力パルス数に一致するよう
に、捩り振動子１０及びＬＭ　Ｐ　Ａを駆動させるもの
である。

また、前記印加サイクル数Ｃと、前記ロータリーエンコ
ータ２０の出力パルス数との関係は第４図に示すように
予め実験により求め、その関係式を入力しておく。そし
て、この関係式に基つき、回転させるへきロータ５の回
転量を示すパルス数（初期値はＰ。）を得るための印加
サイクル数Ｃを求め、更にこの印加サイクル数Ｃをシン
セサイザー２４にて設定、出力させて、捩り振動子１０
及びＬＭＰＡを駆動させるようにしている。

なお、第４図に示す捩り振動子１０の印加サイクル数Ｃ
に対する、前記ロータリーエンコータ２０の出力パルス
数の関係は以下の条件により測定した。駆動周波数　ｆ
　＝　１２．５５コＫＨｚ］、、捩り振動子（Ｄ−ＢＬ
ＴＶ）への印加電圧　〜′、　＝　＋ｕｇｖ、、、”、
、ＬＭＰＡへの印加電圧　Ｖ　＋　＝　ＩＦＬ、、４−
２ｏ二ｌ’ＤｃＥ、Ｖ、、Ｖ、の位十目差Φ−０°、ス
ブリング６による予圧　Ｐ＝７［ｋｇｒｌ、測定回数１
００回。

そして、このような条件により、印加サイクル数Ｃを変
化させて得た、ロータリーエンコータ２０の出力パルス
数Ｐをそれぞれ１００回測定して、平均出力パルス数と
標準偏差とを求め、これにより捩り振動子１０の印加サ
イクル数Ｃに対する、ロータリーエンコータ２０の出力
パルス数の関係を第４図に署○、′て示す実線に特定し
た。

なお、このときのロータリーエンコータ２０は５０００
０（パルス／「ｅｖ）出力される精度のものを用いた。

また、本ステップ２において、前記ロータ５の回転方向
は、ステップ１から進んできた場合にはＣＷを「＋」方
向に設定し、また、ステ、プ５ｈ・ら進んできた場合に
は、目標回転角Ｐ。とロータノーエンコータ２０の出力
パルス数Ｐとの関係か、Ｐｏ＞Ｐである際にＣＷを「＋
」方向に、Ｐｏ〈Ｐである際にＣＷを・−」方向に回転
させるように設定する。なお、前記ロータ５の［＋］方
向あるいは″−２方向への回転方向の設定は、捩り振動
子１０に対するＬ　Ｍ　Ｐ　Ａの位相差を調整すること
により制御される。

くステップ３〉 ステップ２て求めた、捩り振動子１０に印加する交流電
圧の印加サイクル数Ｃと、ロータ５の回転方向ＣＷを出
力する。

〈ステップ４〉 ロータリーエンコータ２０からのパルス信号ヲカウント
するカウンタ２１のカウント値か安定したか否かを判断
し、ＹＥＳの場合に、ロータ５が停止したとして次のス
テップ５に進む。

くステップ５〉 目標回転角Ｐ。とロータリーエンコータ２０の出力パル
ス数Ｐとの差の絶対値か、基準値であるウィンドウ数Ｗ
より小さいか否かを判断し、Ｎ。

の場合に元のステ、プ２に戻り、また、ＹＥＳの場合に
本フローチャートを終了する。

そして、前記ステップ１〜５の制御を行った場合の経過
時間Ｔ　ｉ：ｓｅｃ：　とロータリーエンコータ２０の
出力パルスＰとの関係を第５図（！Ｘ）及び第５図（Ｂ
）に示す。

なお、測定条件は第４図での測定条件と同しである。ま
た、第５図（Ａ）及び第５図（Ｂ）で示すカウント（Ｃ
ｏｕｎｔ）　Ｎはステ、プ２〜ステップ５を何度経由し
たかを示すループ回数である。

そして、この第５図（Δ）及び第５図（Ａ）をグラフ化
した第５図（Ｂ）から判るように、目標回転角Ｐ　ｏ＝
＝　５００００（ウィンドウ数ＷはＯ）へは、カウント
数Ｎ＝７、経過時間Ｔか３．７１秒と、比較的高速で収
束されて位置決めされることが確認された。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、ロータか
停止すべき目標回転角か設定されるとともに、この目標
回転角度と、位置検出手段により検出されたロータの回
転角との差に基ついて、前記圧電素子と縦変位型圧電素
子とに印加する共振周波数の交流電圧の印加サイクル数
を調整する、つまり、位置検出手段の出力に基ついて、
圧電素子と縦変位型圧電素子とに印加する共振周波数の
交流電圧の印加サイクル数をフィードバック制御するよ
うにしたので、目標回転角付近においてロタを正逆回転
させて、該ロータを目標回転角に徐々に近ずけることが
でき、これによって該ロータを指定する位置（目標回転
角）に高速で位置合わせすることができる効果か得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図（Ｂ）はこの発明の一実施例を示す図で
あって、第１図は本発明に係る超音波モータの概略構成
図、第２図は第１図に示す超音波モータの駆動手段を示
すブロック図、第３図は超音波モータの駆動手段の制御
内容を示すフローチャート、第４図は印加サイクル数と
出力パルスとの関係を示すグラフ、第５図（Ａ）は印加
サイクル数と出力パルスとの関係に基づき実際に超音波
モータを動作させた場合の経過時間を示す表、第５図（
Ｂ）は第５図（Ａ）に示した表のグラフ、第６図は従来
の技術として示した超音波モータの概略構成図、第７図
は第６図の■−■線で示す断面図、第８図（Ａ）〜（Ｄ
）は第６図及び第７図に示す超音波モータの動作を説明
するための説明図である。 ４　　縦変位型圧電素子、５　　ロータ、１０捩り振動
子（ステータ）、２０　　ロータリーエンコータ（位置
検出手段）、２３　　フンピユータ（バースト幅制御手
段）、１０〇　　−駆動手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　電極と圧電素子とが交互に積層されて、かつ一端側か
   固定され、他端側に軸方向に変位する縦変位型圧電素子
   が設けられたステータと、 ステータの縦変位型圧電素子に接触するように設けられ
   たロータとを具備した超音波モータであって、 前記ロータの回転角を検出する位置検出手段と、前記ロ
   ータが停止すべき目標回転角が設定されるとともに、こ
   の目標回転角度と前記位置検出手段により検出されたロ
   ータの回転角との差に基づいて、前記圧電素子と縦変位
   型圧電素子とに印加する共振周波数の交流電圧の印加サ
   イクル数を調整するバースト幅制御手段を有する超音波
   モータ。