JPH04251580A - 超音波モータの駆動制御装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータの駆動制
御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、磁気発生がなく、小型でトルクが
大きいことから、超音波モータが各種の機器の駆動源と
して用いられている。

【０００３】超音波モータは、図４に示すように、中心
に回転軸１を有する円板状の回転子２と、環状に配列さ
れた複数の圧電体３１　〜３ｎ　、４１　〜４ｎ　、５
および圧電センサ６の上面に弾性体７が接着された固定
子８とによって構成されている。

【０００４】圧電体３１　〜３ｎ　、４１　〜４ｎ　は
、極性が互い違いとなるように並んでおり、図５に示す
ように、左側の圧電体３１　〜３ｎ　と右側の圧電体４
１　〜４ｎ　に対して、圧電体の共振周波数に近い周波
数で９０度位相が異なる交流信号を電極９ａ、９ｂ、１
０ａ、１０ｂより印加すると、圧電体３１　〜３ｎ　、
４１　〜４ｎ　は、円周方向に屈曲振動し、左右の波が
中間の圧電体５を介して干渉し、図６に示すように、弾
性体７の表面には、円周方向に沿って進行する弾性波が
生じる。

【０００５】このため、弾性体７に上方から接している
回転子２は、弾性波の進行する方向と反対の方向に回転
駆動される。

【０００６】なお、弾性波の振幅は、図７の特性Ｅに示
すように交流信号の周波数が圧電体３１　〜３ｎ　、４
１　〜４ｎ　の共振周波数Ｆｏ　に近い程大きくなり、
これに追従して回転子２の回転速度も速くなる。また、
圧電センサ６は、この弾性波に対応した信号を出力する
。

【０００７】したがって、超音波モータに対する交流信
号周波数を例えばＦａからＦｂ　の範囲で可変すれば、
モータ回転速度もこの周波数の可変に追従して変化する
ことになる。

【０００８】このような特性を有する超音波モータに、
いきなり目標回転速度に対応した周波数の信号を印加す
ると、モータ寿命を著しく短くしてしまうため、従来の
駆動制御装置では、交流信号の周波数を、共振周波数Ｆ
ｏ　よりかなり高い周波数Ｆｓ　から所定の掃引速度で
共振周波数方向に掃引して、低回転速度から目標回転速
度へ起動するようにしている。

【０００９　】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超音波
モータの共振特性は、周囲温度によって大きく変化し、
特に低温になると、図７の常温での特性Ｅは、より高い
共振周波数Ｆｏ　′を有する特性Ｇのように偏移してし
まうため、低温時にいきなり共振周波数に近い交流信号
が印加されるのを避けるため、起動時の周波数は、予め
低温時の特性の低回転域に設定しなければならない。こ
のために、目標回転速度に達するまでの時間が、常温時
に著しく長くなってしまうという問題がある。

【００１０】これを解決するために、掃引速度を速くす
ることも考えられるが、低回転域（図７の共振特性でＫ
より下の傾きの小さい回転域）に比べて、低回転域を越
えた回転域のモータ応答速度（周波数変化に対する回転
速度の追従性）が遅いため、この応答の遅い回転域に対
応した速度での掃引が限界であった。

【００１１】本発明は、この課題を解決した超音波モー
タの駆動制御装置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
、本発明の超音波モータの駆動制御装置は、超音波モー
タ内の圧電センサから出力される弾性波のレベルを検出
するレベル検出器と、超音波モータの回転子に連結され
、超音波モータの回転速度に対応した信号を出力する回
転速度検出器と、レベル検出器の出力が所定値より大き
いか否かを判定するレベル判定手段と、レベル検出器の
出力が所定値を越えたと判定されるまで、交流信号の周
波数を、所定周波数から所定の掃引速度で共振周波数方
向に掃引する第１の起動掃引手段と、回転速度検出器か
らの信号に対応した回転速度が目標回転速度に達したか
否かを判定する速度判定手段と、レベル検出器の出力が
所定値を越えたと判定されたときから、超音波モータの
回転速度が目標回転速度に達したと判定されるまで、交
流信号の周波数を、所定の掃引速度より遅い掃引速度で
共振周波数方向に掃引する第２の起動掃引手段とを備え
ている。

【００１３】

【作用】したがって、超音波モータの弾性波のレベルが
所定値を越えるまでは、所定周波数から所定の掃引速度
で交流信号の掃引がなされ、レベル検出器の出力が所定
値を越えた後は、より遅い掃引速度で交流信号の掃引が
なされる。

【００１４】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。図１は、一実施例の超音波モータの駆動制御装
置（以下、駆動制御装置と記す）２０の構成を示すブロ
ック図である。

【００１５】図１において、２１は、後述するＣＰＵ３
０からの出力データに対応した電圧を出力するＤＡ変換
器、２２は、ＤＡ変換器２１の出力電圧の変化に対して
逆方向に周波数変化する信号を発振出力するＶＣＯ（電
圧制御発振器）である。

【００１６】２３は、ＶＣＯ２２からの出力信号を１／
４分周することにより、９０度位相の異なる交流信号を
発生する移相回路である。２４、２５は、移相回路２３
の出力を増幅して超音波モータＭの圧電体３１　〜３ｎ
　、４１　〜４ｎ　にそれぞれ印加するドライバである
。

【００１７】２６は、圧電センサ６からの弾性波信号の
レベルを検出するレベル検出器、２７は、レベル検出器
２６の出力と、所定電圧Ｖｒ　との大小を比較するコン
パレータである。この所定電圧Ｖｒ　は、前述した図７
のＫの位置に対応する弾性波振幅にほぼ等しい値に予め
設定されている。

【００１８】超音波モータの回転子２には、回転子２の
回転速度に比例した周波数のパルス信号を出力するロー
タリエンコーダ２８が連結されている。

【００１９】２９は、超音波モータＭの目標速度を設定
するための速度設定器であり、超音波モータＭが目標速
度で回転するときの、ロータリエンコーダ２８のパルス
周期Ｔが設定される。

【００２０】ＣＰＵ３０は、外部からの起動信号を受け
ると、コンパレータ２７、ロータリエンコーダ２８およ
び速度設定器２９からの信号に基づく起動処理と定速処
理とを、メモリ３１に記憶された処理手順に従って行う
。

【００２１】図２は、ＣＰＵ３０の起動処理および定速
処理を示すフローチャートであり、以下、このフローチ
ャートに従って、駆動制御装置２０の動作を説明する。

【００２２】ＣＰＵ３０に対する起動信号がＨレベルに
なると、ＤＡ変換器２１に対する電圧データＤが初期値
Ｄｏ　に設定される（ステップ１、２）。このため、電
圧データＤｏ　に対応した周波数（例えば図７のＦｓ　
）の２相の交流信号が超音波モータＭに印加される。

【００２３】この交流信号の印加により、超音波モータ
Ｍの圧電センサ６からの弾性波信号がレベル検出器２６
に出力され、その検出レベルは、コンパレータ２７で所
定電圧Ｖｒ　と比較される。

【００２４】ＣＰＵ３０は、コンパレータ２７出力がＨ
レベル（弾性波信号のレベルが所定電圧より大きい状態
）となるまで、電圧データをＡずつ加算更新する（ステ
ップ３、４）。

【００２５】この加算データＡは、超音波モータＭが低
回転域で応答速度できる最大の値に設定されており、こ
の加算更新処理によって超音波モータＭに対する交流信
号の周波数は、図３のＨａ　に示すようにＦｓ　からコ
ンパレータ２７出力がＨレベルとなる周波数Ｆｋ　まで
、高速で掃引されることになる（第１の起動掃引手段）
。

【００２６】コンパレータ２７出力がＨレベルになると
、ＣＰＵ３０は、ロータリエンコーダ２８のパルス周期
ｔが速度設定器２９に設定された周期Ｔに達するまで、
電圧データをＢずつ加算更新する（ステップ５〜７）。

【００２７】この加算データＢは、超音波モータＭの共
振特性の立ち上がり部分の回転域で応答できる最大の値
が設定されており、前述したようにこの回転域での応答
速度は、低回転域での応答速度より遅いため、加算デー
タＡより小さな値となっている。

【００２８】この加算更新処理によって、超音波モータ
Ｍに対する交流信号の周波数は、図３のＨｂ　に示すよ
うに、Ｈａ　の掃引速度よりも遅い掃引速度で周波数Ｆ
ｋ　から目標回転速度に対応した周波数Ｆｍ　まで掃引
されることになる（第２の起動掃引手段）。

【００２９】したがって、起動開始から目標回転速度に
達するまでの時間ｔ１　は、図３のＪに示すように、Ｈ
ｂ　と同じ傾きでＦｓ　から掃引した場合の到達時間ｔ
２　よりも格段に短くて済む。

【００３０】このようにして、超音波モータＭが目標速
度まで起動されると、ＣＰＵ３０は、定速処理に移行す
る。

【００３１】起動処理後には、ロータリエンコーダ２８
のパルスの周期ｔが測定され、測定された周期ｔと設定
周期Ｔとの大小比較がなされる（ステップ８、９）。

【００３２】ここで、ｔ＜Ｔであれば、回転速度が目標
速度より速いと判断されて、電圧データがＣだけ減算更
新され、交流信号の周波数が高くなる（ステップ１０）
。また、ｔ＜Ｔであれば、回転速度が目標速度より遅い
と判断され、電圧データがＣだけ加算更新され、交流信
号の周波数が低くなる（ステップ１１）。

【００３３】以後は、この定速処理が継続し、超音波モ
ータＭの回転速度は、常に目標回転速度に維持されるこ
とになる。

【００３４】

【他の実施例】なお、前記実施例では、ＣＰＵ３０によ
る掃引制御を行なっていたが、これは本発明を限定する
ものではなく、例えば、コンデンサを定電流で充電ある
いは放電することによって得られる三角波状の掃引電圧
をＶＣＯ２２に入力して、交流信号の周波数を掃引して
いる場合は、コンパレータ２７の出力がＨレベルになっ
たときに、充放電の時定数を大きな値に切り換えて、以
後の掃引速度を遅くするようにしてもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波モ
ータの駆動制御装置は、超音波モータに印加する交流信
号の起動時における周波数の掃引速度を、低回転域では
高速度に行い、低回転域を越えてから目標回転速度まで
は低速度に行うようにしているため、目標速度に達する
までの時間を格段に短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の一実施例の処理手順を示すフローチャ
ートである。

【図３】一実施例の動作を説明するための図である。

【図４】超音波モータの構成を示す概略斜視図である。

【図５】超音波モータの要部の正面図である。

【図６】超音波モータの動作を説明するための概略図で
ある。

【図７】超音波モータの駆動周波数に対する弾性波振幅
の特性を示す図である。

【符号の説明】

６　　　　圧電センサ ２０　　超音波モータの駆動制御装置 ２２　　ＶＣＯ ２３　　移相回路 ２６　　レベル検出器 ２７　　コンパレータ ２８　　ロータリエンコーダ ２９　　速度設定器 ３０　　ＣＰＵ Ｍ　　　　超音波モータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　超音波モータの圧電体に印加する交流
   信号の周波数を、所定周波数から前記圧電体の共振周波
   数方向に掃引して、前記超音波モータを目標回転速度ま
   で起動する超音波モータの駆動制御装置において、前記
   超音波モータ内の圧電センサの出力レベルを検出するレ
   ベル検出器と、前記超音波モータの回転子に連結され、
   超音波モータの回転速度に対応した信号を出力する回転
   速度検出器と、前記レベル検出器の出力が所定値より大
   きいか否かを判定するレベル判定手段と、前記レベル検
   出器の出力が所定値を越えたと判定されるまで、前記交
   流信号の周波数を、前記所定周波数から所定の掃引速度
   で前記共振周波数方向に掃引する第１の起動掃引手段と
   、前記回転速度検出器からの信号に対応した回転速度が
   前記目標回転速度に達したか否かを判定する速度判定手
   段と、前記レベル検出器の出力が前記所定値を越えたと
   判定されたときから、前記超音波モータの回転速度が前
   記目標回転速度に達したと判定されるまで、前記交流信
   号の周波数を、前記所定の掃引速度より遅い掃引速度で
   前記共振周波数方向に掃引する第２の起動掃引手段とを
   備えたことを特徴とする超音波モータの駆動制御装置。