JPH0528072B2 - - Google Patents
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- JPH0528072B2 JPH0528072B2 JP61199633A JP19963386A JPH0528072B2 JP H0528072 B2 JPH0528072 B2 JP H0528072B2 JP 61199633 A JP61199633 A JP 61199633A JP 19963386 A JP19963386 A JP 19963386A JP H0528072 B2 JPH0528072 B2 JP H0528072B2
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- Japan
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- driving
- frequency
- voltage
- drive
- current
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-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/16—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
- H02N2/163—Motors with ring stator
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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
波モータの駆動方法に関する。
波モータの駆動方法に関する。
従来の技術
近年圧電セラミツク等の圧電体を用いた駆動体
に弾性振動を励振し、これを駆動力とした超音波
モータが注目されている。
に弾性振動を励振し、これを駆動力とした超音波
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。
技術について説明を行う。
第４図は従来の超音波モータの斜視図であり、
円環形の弾性体１の円環面の一方に圧電体として
円環形圧電セラミツク２を貼合せて圧電駆動体３
を構成している。４は耐磨耗性材料のスライダ、
５は弾性体であり、互いに貼合せられて移動体６
を構成している。移動体６はスライダ４を介して
駆動体３と接触している。圧電体２に電界を印加
すると駆動体３の周方向に曲げ振動の進行波が励
起され、移動体６を駆動する。尚、同図中の矢印
は移動体６の回転方向を示す。
円環形の弾性体１の円環面の一方に圧電体として
円環形圧電セラミツク２を貼合せて圧電駆動体３
を構成している。４は耐磨耗性材料のスライダ、
５は弾性体であり、互いに貼合せられて移動体６
を構成している。移動体６はスライダ４を介して
駆動体３と接触している。圧電体２に電界を印加
すると駆動体３の周方向に曲げ振動の進行波が励
起され、移動体６を駆動する。尚、同図中の矢印
は移動体６の回転方向を示す。
第５図は第４図の超音波モータに使用した圧電
セラミツク２の電極構造の一例を示している。同
図では円周方向に９波長の弾性波がのるようにし
てある。同図において、Ａ，Ｂはそれぞれ２分の
１波長相当の小領域から成る電極で、Ｃは４分の
３波長、Ｄは４分の１波長の長さの電極である。
従つて、Ａの電極とＢの電極とは位置的に４分の
１波長（＝90度）の位相ずれがある。電極Ａ，Ｂ
内の隣り合う小電極部は互いに反対に厚み方向に
分極されている。圧電セラミツク２の弾性体１と
の接着面は第５図に示めされた面と反対の面であ
り、電極はベタ電極である。使用時には電極群
Ａ，Ｂは第５図に斜線で示されたように、それぞ
れ短絡して用いられる。
セラミツク２の電極構造の一例を示している。同
図では円周方向に９波長の弾性波がのるようにし
てある。同図において、Ａ，Ｂはそれぞれ２分の
１波長相当の小領域から成る電極で、Ｃは４分の
３波長、Ｄは４分の１波長の長さの電極である。
従つて、Ａの電極とＢの電極とは位置的に４分の
１波長（＝90度）の位相ずれがある。電極Ａ，Ｂ
内の隣り合う小電極部は互いに反対に厚み方向に
分極されている。圧電セラミツク２の弾性体１と
の接着面は第５図に示めされた面と反対の面であ
り、電極はベタ電極である。使用時には電極群
Ａ，Ｂは第５図に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につい
て、その動作を以下に説明する。前記圧電体２の
電極Ａに Ｖ＝V1×sin（ωt） ……(1) で表される電圧を印加すると（ただしV1は電圧
の瞬時値、ωは角周波数、ｔは時間）、駆動体３
は円周方向に曲げ振動をする。
て、その動作を以下に説明する。前記圧電体２の
電極Ａに Ｖ＝V1×sin（ωt） ……(1) で表される電圧を印加すると（ただしV1は電圧
の瞬時値、ωは角周波数、ｔは時間）、駆動体３
は円周方向に曲げ振動をする。
第６図は第４図の超音波モータの駆動体を直線
近似した時の斜視図であり、同図ａは圧電体２に
電圧を印加していない時、同図ｂは圧電体２に電
圧を印加した時の様子を示す。
近似した時の斜視図であり、同図ａは圧電体２に
電圧を印加していない時、同図ｂは圧電体２に電
圧を印加した時の様子を示す。
第７図は移動体６と駆動体３の接触状況を拡大
にして描いたものである。前記圧電体２の電極Ａ
にV1×sin（ωt）、他の電極ＢにV1×cos（ωt）の互
いに位相がπ/2だけずれた電圧を印加すれば、駆
動体３の円周方向に曲げ振動の進行波を作ること
ができる。一般に進行波は振幅をξとすれば ξ＝ξ1×cos（ωt−kx） ……(2) ただしξ1：波の大きさの瞬時値 ｋ：波数（2π／λ） λ：波長 ｘ：位置 で表せる。(2)式は ξ＝ξ1×（cos（ωt）×cos（kx）＋sin（ωt）×sin
（kx））……(3) と書き直せ、(3)式は進行波が時間的にπ／２だけ
位相のずれたcos（ωt）とsin（ωt）、および位置的
にπ／２だけ位相のずれたcos（kx）とsin（kx）
との、それぞれの積の和で得られることを示して
いる。前述の説明より、圧電体２は互いに位置的
にπ／２（＝λ／４）だけ位相のずれた電極群Ａ，
Ｂを持つているので、駆動体３の共振周波数に等
しい周波数出力を持つ発振器の出力から、それぞ
れに時間的に位相のπ／２だけずれた交流電圧を
作り、前記電極群に印加すれば駆動体３に曲げ振
動の進行波を作れる。
にして描いたものである。前記圧電体２の電極Ａ
にV1×sin（ωt）、他の電極ＢにV1×cos（ωt）の互
いに位相がπ/2だけずれた電圧を印加すれば、駆
動体３の円周方向に曲げ振動の進行波を作ること
ができる。一般に進行波は振幅をξとすれば ξ＝ξ1×cos（ωt−kx） ……(2) ただしξ1：波の大きさの瞬時値 ｋ：波数（2π／λ） λ：波長 ｘ：位置 で表せる。(2)式は ξ＝ξ1×（cos（ωt）×cos（kx）＋sin（ωt）×sin
（kx））……(3) と書き直せ、(3)式は進行波が時間的にπ／２だけ
位相のずれたcos（ωt）とsin（ωt）、および位置的
にπ／２だけ位相のずれたcos（kx）とsin（kx）
との、それぞれの積の和で得られることを示して
いる。前述の説明より、圧電体２は互いに位置的
にπ／２（＝λ／４）だけ位相のずれた電極群Ａ，
Ｂを持つているので、駆動体３の共振周波数に等
しい周波数出力を持つ発振器の出力から、それぞ
れに時間的に位相のπ／２だけずれた交流電圧を
作り、前記電極群に印加すれば駆動体３に曲げ振
動の進行波を作れる。
第７図は駆動体のＡ点が進行波の励起によつ
て、長軸２ｗ、短軸２ｕの楕円運動をしている様
子を示し、駆動体３上に置かれた移動体６が楕円
の頂点で接触することにより、波の進行方向とは
逆方向にｖ＝ω×ｕの速度え運動する様子を示し
ている。即ち移動体６は任意の静圧で駆動体３に
押し付けられて、駆動体３の表面に接触し、移動
体６と駆動体３との摩擦力で波の進行方向と逆方
向に速度ｖで駆動される。
て、長軸２ｗ、短軸２ｕの楕円運動をしている様
子を示し、駆動体３上に置かれた移動体６が楕円
の頂点で接触することにより、波の進行方向とは
逆方向にｖ＝ω×ｕの速度え運動する様子を示し
ている。即ち移動体６は任意の静圧で駆動体３に
押し付けられて、駆動体３の表面に接触し、移動
体６と駆動体３との摩擦力で波の進行方向と逆方
向に速度ｖで駆動される。
上記の楕円の短軸（進行方向）は、波の振幅に
比例しているので、速度を大きくするためには波
の振幅を大きくしなければならない。また、波の
振幅を低電圧で大きくするためには駆動体の共振
周波数近傍で駆動しなければならない。ところが
駆動体の共振周波数は温度や負荷の変動によつて
変化するので、従来のように一定周波数で駆動し
たのでは、駆動周波数と共振周波数の相対的関係
が変化してしまう超音波モータの特性が変化して
しまう。
比例しているので、速度を大きくするためには波
の振幅を大きくしなければならない。また、波の
振幅を低電圧で大きくするためには駆動体の共振
周波数近傍で駆動しなければならない。ところが
駆動体の共振周波数は温度や負荷の変動によつて
変化するので、従来のように一定周波数で駆動し
たのでは、駆動周波数と共振周波数の相対的関係
が変化してしまう超音波モータの特性が変化して
しまう。
発明が解決しようとする問題点
以上、説明した様に従来の超音波モータは、時
間的に位相がπ／２だけ異なる一定周波数の２つ
の交流電圧を駆動信号として用いていた。そのた
め温度や負荷が変動して駆動体の共振周波数が変
化すると、共振周波数と駆動周波数の関係が変化
して、モータの特性が変わつてしまうという問題
点があつた。
間的に位相がπ／２だけ異なる一定周波数の２つ
の交流電圧を駆動信号として用いていた。そのた
め温度や負荷が変動して駆動体の共振周波数が変
化すると、共振周波数と駆動周波数の関係が変化
して、モータの特性が変わつてしまうという問題
点があつた。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、温
度や負荷が変化しても、常に安定な動作をする超
音波モータを提供することを目的としている。
度や負荷が変化しても、常に安定な動作をする超
音波モータを提供することを目的としている。
問題点を解決するための手段
駆動体の駆動周波数がその範囲内に含まれるよ
うに設定された周波数可変範囲内を、交流駆動電
圧の周波数を高いほうから低いほうへ掃引して、
該駆動体の駆動電流、または駆動電流と電圧の位
相差、または前記移動体の速度が設定値になつた
時の周波数に、前記圧電体に印加する交流駆動電
圧の駆動用周波数を設定する。
うに設定された周波数可変範囲内を、交流駆動電
圧の周波数を高いほうから低いほうへ掃引して、
該駆動体の駆動電流、または駆動電流と電圧の位
相差、または前記移動体の速度が設定値になつた
時の周波数に、前記圧電体に印加する交流駆動電
圧の駆動用周波数を設定する。
作 用
周波数可変範囲内を、交流駆動電圧の周波数を
高いほうから低いほうへ掃引して、その時の超音
波モータの回転数、電流値または電流電圧の位相
差が、設定値になつた時の周波数に、圧電体に印
加する交流駆動電圧の周波数の設定をすることに
より、温度や負荷が変動して駆動体の共振周波数
が変化しても、その変化に対応して駆動周波数を
変えられるので、常に駆動体の共振周波数と一定
関係にある周波数範囲内に駆動周波数を設定する
ことができる。
高いほうから低いほうへ掃引して、その時の超音
波モータの回転数、電流値または電流電圧の位相
差が、設定値になつた時の周波数に、圧電体に印
加する交流駆動電圧の周波数の設定をすることに
より、温度や負荷が変動して駆動体の共振周波数
が変化しても、その変化に対応して駆動周波数を
変えられるので、常に駆動体の共振周波数と一定
関係にある周波数範囲内に駆動周波数を設定する
ことができる。
実施例
以下、図面に従つて本発明の一実施例について
詳細な説明を行う。
詳細な説明を行う。
第１図は本発明の超音波モータの駆動方法を実
現する具体回路のブロツク図である。この回路が
動作を開始すると、掃引制御器１２が制御電圧発
生器１３に電圧を掃引させる。この掃引電圧は、
電圧制御発振器７の制御端子Ｔに入力される。す
ると、電圧制御発振器７の出力周波数は掃引電圧
に従つて掃引される。電圧制御発振器７の出力は
２つに分けられ、一方は90度位相器８を通して電
力増幅器９に、他方はそのまま電力増幅器１０に
それぞれ入力されて、駆動体３を駆動するのに必
要な値にまで増幅される。電力増幅器９，１０の
出力は駆動体３にそれぞれ印加されて、駆動体３
を駆動する。
現する具体回路のブロツク図である。この回路が
動作を開始すると、掃引制御器１２が制御電圧発
生器１３に電圧を掃引させる。この掃引電圧は、
電圧制御発振器７の制御端子Ｔに入力される。す
ると、電圧制御発振器７の出力周波数は掃引電圧
に従つて掃引される。電圧制御発振器７の出力は
２つに分けられ、一方は90度位相器８を通して電
力増幅器９に、他方はそのまま電力増幅器１０に
それぞれ入力されて、駆動体３を駆動するのに必
要な値にまで増幅される。電力増幅器９，１０の
出力は駆動体３にそれぞれ印加されて、駆動体３
を駆動する。
駆動体３の入力端子には抵抗１１が接続されて
おり、駆動体３に流れる電流を抵抗１１の両端電
圧により、電流検出器１４で検出する。また、電
圧検出器１５は駆動体３に印加される駆動電圧を
検出する。位相差検出器１６は電流検出器１４と
電圧検出器１５の出力から、電流電圧の位相差に
比例した電圧を発生する。位相差検出器１６の出
力は、位相比較器１７の反転入力と位相範囲比較
器１８の入力にそれぞれ入力される。位相比較器
１７の非反転入力端子には設定電圧１が入力さ
れ、位相比較器１７の出力は、電流電圧の位相差
が設定電圧１に相当する位相差に等しくなつた時
に論理的Ｈになり、掃引制御器１２の掃引停止端
子Ｓにより電圧制御発振器７の出力周波数の掃引
を停止する。従つて、超音波モータの駆動体３は
設定した電流電圧の位相差で駆動される。
おり、駆動体３に流れる電流を抵抗１１の両端電
圧により、電流検出器１４で検出する。また、電
圧検出器１５は駆動体３に印加される駆動電圧を
検出する。位相差検出器１６は電流検出器１４と
電圧検出器１５の出力から、電流電圧の位相差に
比例した電圧を発生する。位相差検出器１６の出
力は、位相比較器１７の反転入力と位相範囲比較
器１８の入力にそれぞれ入力される。位相比較器
１７の非反転入力端子には設定電圧１が入力さ
れ、位相比較器１７の出力は、電流電圧の位相差
が設定電圧１に相当する位相差に等しくなつた時
に論理的Ｈになり、掃引制御器１２の掃引停止端
子Ｓにより電圧制御発振器７の出力周波数の掃引
を停止する。従つて、超音波モータの駆動体３は
設定した電流電圧の位相差で駆動される。
位相範囲比較器１８の残りの２入力端子には、
上記設定電圧１と位相差の許容範囲に相当する設
定電圧２が入力され、位相差検出器１６の出力が
設定電圧１からはずれ、設定電圧２の分だけ増減
すれば、つまり電流電圧の位相差が第１の設定さ
れた位相差からずれ、第２の設定された位相差の
分だけ増減した時、論理的Ｈを出力する。この出
力は掃引制御器１２の制御端子Ｃに入力され、再
び駆動周波数の掃引を開始して、上記に述べた駆
動周波数を設定する。
上記設定電圧１と位相差の許容範囲に相当する設
定電圧２が入力され、位相差検出器１６の出力が
設定電圧１からはずれ、設定電圧２の分だけ増減
すれば、つまり電流電圧の位相差が第１の設定さ
れた位相差からずれ、第２の設定された位相差の
分だけ増減した時、論理的Ｈを出力する。この出
力は掃引制御器１２の制御端子Ｃに入力され、再
び駆動周波数の掃引を開始して、上記に述べた駆
動周波数を設定する。
第２図は駆動体を一定電圧で駆動したときの電
流値、電圧電流の位相差および移動体の回転数の
周波数特性図である。また、第３図は駆動周波数
を下から掃引したとき、および上から掃引したと
きに示す駆動体の非線形性に起因するアドミツタ
ンスのヒステリシスである。
流値、電圧電流の位相差および移動体の回転数の
周波数特性図である。また、第３図は駆動周波数
を下から掃引したとき、および上から掃引したと
きに示す駆動体の非線形性に起因するアドミツタ
ンスのヒステリシスである。
第２図より、移動体の回転数は駆動体の共振周
波数f1近傍で大きくなるので、超音波モータはこ
の共振周波数近傍で駆動するのがよい。しかし、
第３図における駆動周波数を下から掃引したとき
の共振周波数f1と、上から掃引したときの共振周
波数f2の間の周波数領域、およびそれらの周波数
の極近傍では、動作が非常に不安定になるので、
駆動周波数はこの領域外でなければならない。こ
の領域より低い周波数では回転数が急に低下する
ので、駆動体の駆動周波数はこの領域より高い周
波数を使用する。また、同図より反共振周波数f5
以上では、回転数が小さくなるので反共振周波数
f5以下で使用する。
波数f1近傍で大きくなるので、超音波モータはこ
の共振周波数近傍で駆動するのがよい。しかし、
第３図における駆動周波数を下から掃引したとき
の共振周波数f1と、上から掃引したときの共振周
波数f2の間の周波数領域、およびそれらの周波数
の極近傍では、動作が非常に不安定になるので、
駆動周波数はこの領域外でなければならない。こ
の領域より低い周波数では回転数が急に低下する
ので、駆動体の駆動周波数はこの領域より高い周
波数を使用する。また、同図より反共振周波数f5
以上では、回転数が小さくなるので反共振周波数
f5以下で使用する。
第２図の周波数f3からf4の範囲で、駆動周波数
を上から掃引し、電圧電流の位相差の設定値を同
図のP1にし、許容位相差範囲の設定値をP2にす
れば、移動体の回転数が同図中のN1の回転数に
なつたときの周波数に駆動周波数が設定される。
ここで電圧電流の位相差の設定値P1および許容
位相差範囲の設定値P2は設定後の駆動周波数が
駆動体の共振周波数f1より高いように決めてい
る。また、温度あるいは負荷が変動して、駆動体
の共振周波数が変化し、その結果、位相差が設定
値P1からずれて許容範囲P2から飛び出たら、再
び駆動周波数の掃引を開始する。従つて、移動体
の回転数は図中のN1を中心にN2の範囲に制御さ
れる。
を上から掃引し、電圧電流の位相差の設定値を同
図のP1にし、許容位相差範囲の設定値をP2にす
れば、移動体の回転数が同図中のN1の回転数に
なつたときの周波数に駆動周波数が設定される。
ここで電圧電流の位相差の設定値P1および許容
位相差範囲の設定値P2は設定後の駆動周波数が
駆動体の共振周波数f1より高いように決めてい
る。また、温度あるいは負荷が変動して、駆動体
の共振周波数が変化し、その結果、位相差が設定
値P1からずれて許容範囲P2から飛び出たら、再
び駆動周波数の掃引を開始する。従つて、移動体
の回転数は図中のN1を中心にN2の範囲に制御さ
れる。
尚、本実施例では電圧電流の位相差の検知で制
御を行つているが、回転数N1およびN2に対応し
た電流値、または回転数自身を採用しても同様で
ある。しかし、回転数の採用時には、回転数を検
出するセンサが必要になる。
御を行つているが、回転数N1およびN2に対応し
た電流値、または回転数自身を採用しても同様で
ある。しかし、回転数の採用時には、回転数を検
出するセンサが必要になる。
本実施例の駆動回路によれば、温度や負荷が変
動しても常に超音波モータをあらかじめ設定した
範囲の回転数で安定に駆動できる。
動しても常に超音波モータをあらかじめ設定した
範囲の回転数で安定に駆動できる。
発明の効果
以上述べたように、本発明では温度や負荷が変
動しても、安定な動作をする超音波モータを提供
できる。
動しても、安定な動作をする超音波モータを提供
できる。
第１図は本発明の超音波モータの駆動方法を実
現する具体回路のブロツク図、第２図は駆動体を
一定電圧で駆動した時の、駆動電流、電圧電流の
位相差および移動体の回転数の周波数特性図、第
３図は駆動体のアドミツタンスの非線形特性図、
第４図は従来の超音波モータの斜視図、第５図は
第４図に用いられている圧電体の形状と電極構造
を示す平面図、第６図は超音波モータの駆動体部
の振動状態を示すモデル図、第７図は超音波モー
タの原理の説明図である。 ７……電圧制御発振器、８……90度位相器、
９，１０……電力増幅器、１１……抵抗、１２…
…掃引制御器、１３……制御電圧発生器、１４…
…電流検出器、１５……電圧検出器、１６……位
相差検出器、１７……位相比較器、１８……位相
範囲比較器。
現する具体回路のブロツク図、第２図は駆動体を
一定電圧で駆動した時の、駆動電流、電圧電流の
位相差および移動体の回転数の周波数特性図、第
３図は駆動体のアドミツタンスの非線形特性図、
第４図は従来の超音波モータの斜視図、第５図は
第４図に用いられている圧電体の形状と電極構造
を示す平面図、第６図は超音波モータの駆動体部
の振動状態を示すモデル図、第７図は超音波モー
タの原理の説明図である。 ７……電圧制御発振器、８……90度位相器、
９，１０……電力増幅器、１１……抵抗、１２…
…掃引制御器、１３……制御電圧発生器、１４…
…電流検出器、１５……電圧検出器、１６……位
相差検出器、１７……位相比較器、１８……位相
範囲比較器。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 圧電体を交流電圧で駆動して、該圧電体と弾
性体とから構成される駆動体に弾性進行波を励振
することにより、該駆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において、少
なくても前期駆動体の駆動周波数がその範囲内に
含まれるように設定された周波数可変範囲内を、
前記交流駆動電圧の周波数を高いほうから低いほ
うへ掃引して、該駆動体の駆動電流、または駆動
電流と電圧の位相差、または前記移動体の速度が
あらかじめ設定した設定値になつた時の周波数
に、前記圧電体に印加する交流駆動電圧の駆動周
波数を設定することを特徴とする超音波モータ駆
動方法。 ２ 上記駆動周波数における上記駆動体の駆動電
流または、駆動電流と電圧の位相差、または前記
移動体の速度があらかじめ設定した範囲外になつ
た時、再び駆動周波数を高い方から掃引して、上
記駆動体の駆動周波数を決定することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の超音波モータ駆動
方法。 ３ 上記設定範囲に対応する駆動周波数が、駆動
体の共振周波数よりも高く、反共振周波数よりも
低くなるように、上記設定値と設定範囲を決定す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
超音波モータ駆動方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61199633A JPS6356178A (ja) | 1986-08-26 | 1986-08-26 | 超音波モ−タ駆動方法 |
| KR1019870009216A KR900007413B1 (ko) | 1986-08-26 | 1987-08-24 | 초음파 모우터구동 방법 |
| US07/089,334 US4853579A (en) | 1986-08-26 | 1987-08-25 | Drive method for ultrasonic motor providing enhanced stability of rotation |
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1986
- 1986-08-26 JP JP61199633A patent/JPS6356178A/ja active Granted
Also Published As
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| JPS6356178A (ja) | 1988-03-10 |
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|---|---|---|---|
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