JPH0595686A - 超音波モータの回転制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広範囲の負荷変動に対して超音波モータの回
転数を正確かつ安定して制御できるようにする。 【構成】 速度指令回路４１は基準電圧発生回路３９か
らの基準直流電圧を増幅回路４５からの変換直流電圧で
可変して直流速度指令電圧を出力する。電圧周波数変換
回路４７は速度指令電圧をそのレベルに応じた周波数信
号に変換してドライブ回路４９へ出力する。ドライブ回
路４９はその周波数信号から駆動電圧を形成して超音波
モータ４３を駆動する。超音波モータ４３に連結された
ロータリーエンコーダ５９はその回転数に応じた周波数
信号を発生し、波形整形回路６１を介して出力する。周
波数電圧変換回路６３は周波数信号からその周波数に応
じた直流電圧に変換し、増幅回路４５は変換直流電圧を
速度指令回路４１へ帰還る。

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回転制御
装置、特に回転駆動する超音波モータの回転制御装置の
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータは、圧電セラミック板等の
電気機械変換素子の超音波振動を回転駆動源にするもの
で、低速回転時にも高いトルクが得られる利点があるう
え、巻線を必要としないことから電磁型モータに比べて
構造が簡単で小型化し易い。そして、この超音波モータ
としては、図６に示すように、中央の貫通孔にラジアル
型ベアリング１をはめた基台３にベアリング１を囲む環
状の凹部５を形成し、片端面側（図６中上側）に一体的
に突出する凸環部７を有する金属製の円盤状弾性体９を
その基台３に固定し、この弾性体９の凸環部７に放射状
方向の切込み（図示せず）を形成して凸環部７を周方向
に多数分割し、弾性体９の他方の端面（図６中下側）に
凸環部７と重合う位置にリング板状の圧電振動板１１が
貼付けられている。

【０００３】この圧電振動板１１は、図７に示すよう
に、圧電セラミック板１３の片面に第１の分極グループ
の駆動電極１５およびこれにλ／４ずれた第２の分極グ
ループの駆動電極１７を形成し、それら駆動電極１５、
１７の間には共通電極１９とセンサー電極２１を形成す
るとともに、対向面に全面駆動電極（隠れて見えない）
を有している。圧電セラミック板１３の駆動電極１５、
１７、共通電極１９およびセンサー電極２１には、図６
中の可撓性プリント基板２３またはリード線（図示せ
ず）が接続されて外部に導出されている。基台３にはカ
ップ状の金属製のケース２５が被せられ、ケース２５の
中央突出部内に軸受２７とスラスト型のベアリング２９
を固定し、ベアリング１、軸受２７およびベアリング２
９でシャフト３１が軸支されている。

【０００４】ケース２５内において、シャフト３１には
移動体としての円盤状回転体３３が固定され、シャフト
３１に取付けられたフランジ３５によって皿ばね３７が
回転体３３の周縁部を弾性体９の凸環部７に圧接し、超
音波モータが構成されている。このような超音波モータ
は、互いに９０゜位相が異なり例えば４０ＫＨｚより若
干高い２種類の交流駆動電圧〔Ｖ＝Ｖ0 ｓｉｎωｔ、以
下ｓｉｎとする〕と〔Ｖ’＝Ｖ0 ｓｉｎ（ωｔ±π／
２）、以下ｃｏｓとする〕を駆動電極１５、１７に加え
ることにより、弾性体９の凸環部７には円周方向に進行
する進行性超音波が生じ、回転体３３が周方向に回転し
てシャフト３１が回転する。

【０００５】また、超音波モータは、第８図のように、
周波数ｆ0 、ｆ1 、ｆ2 の３つの共振点を有し、駆動効
率の面から最もＱの高い中間の共振点ｆ0 で起動するこ
とが行われており、しかも安定した起動を確保する観点
から周波数ｆ0 より若干高い周波数ｆ3 で起動させるこ
とが好ましいとされている。そこで、起動時に例えば４
４ＫＨｚの駆動電圧を駆動電極１５、１７に加え、その
駆動電圧を低い周波数方向へスイープさせて圧電振動板
１１の共振点ｆ0 より若干高い周波数ｆ3 で超音波モー
タ４３を起動させている。

【０００６】そして、従来からこの種の超音波モータの
回転を制御する装置としては、センサー電極２１からの
検出信号をフィードバックさせて回転制御する構成と、
シャフト３１にロータリーエンコーダ（図６では図示せ
ず）を設けるとともにこのロータリーエンコーダからの
パルス信号と所定の基準信号の周波数を比較して回転数
をＰＬＬ制御する構成が知られている。前者の構成は、
回転数の変化がセンサー電極２１からの検出信号レベル
変化になって出力される点を利用するもので、例えば負
荷が大きくなって回転数が低下すると、センサー電極２
１からの検出信号レベルが低下するから、その検出信号
レベルを検出して駆動電圧の周波数を低下させて回転数
を上げ、回転数を安定化しようとするものである。他
方、後者の構成は、シャフト３１に設けたロータリーエ
ンコーダからのパルス信号と基準信号の位相を比較し、
その位相差が一定になるように駆動電圧の周波数を制御
して回転数を安定化するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た回転制御装置のうち前者の構成は、回路が比較的簡単
である反面、センサー電極２１からの検出信号が駆動電
極１５、１７に印加した駆動電圧に基づく周波数信号で
あって回転数に比例した信号ではないから、正確な制御
を期待できない。また、後者の構成は、ある程度正確な
回転制御を期待できるが、回路が複雑になり易いうえ、
例えば負荷が大きく変化してロータリーエンコーダから
のパルス信号と基準信号の位相差が大きくなると、その
位相差の検出が困難となり、回転数の制御が困難となっ
て動作が暴走する心配がある。

【０００８】もっとも、モータの回転を制御する場合、
シャフト等に直流発電機を取付け、この発電機からの直
流発電信号によって回転数を制御する技術が知られてい
るが、超音波モータでは比較的回転数が低くて発電出力
も大きくないから、発電信号がノイズに弱くて誤動作を
発生し易く、回転数制御に向かない。本発明はこのよう
な従来の欠点を解決するためになされたもので、比較的
構成が簡単で広範囲の負荷変動に対しても回転数を安定
制御させることが可能な超音波モータの回転制御装置を
提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、所定の位相差および周波数を有する
駆動信号の印加によって回転するとともにその周波数の
上下によって回転数が低高する超音波モータの回転制御
装置であり、その超音波モータの回転部に連結されその
回転数に応じた周波数信号を発生するロータリーエンコ
ーダと、このロータリーエンコーダからの周波数信号を
その周波数に応じた直流電圧に変換する周波数電圧変換
回路と、所定の基準直流電圧を発生する基準電圧発生回
路と、その基準直流電圧をその変換直流電圧レベルで可
変して速度指令信号を出力する速度指令回路と、この速
度指令信号からその電圧レベルに応じた周波数信号に変
換して上述した駆動信号を出力する電圧周波数変換回路
とを有する構成となっている。

【００１０】

【作用】このような手段を備えた本発明では、基準電圧
発生回路からの基準直流電圧によって速度指令回路から
直流の速度指令信号が出力され、電圧周波数変換回路で
その直流電圧レベルに応じた周波数信号に変換されて超
音波モータが回転駆動され、この超音波モータに連結さ
れたロータリーエンコーダからその回転数に応じた周波
数信号が発生し、周波数電圧変換回路でその周波数に応
じた直流電圧に変換される。速度指令回路では基準直流
電圧をその変換直流電圧レベルで可変して上述した速度
指令信号を出力するから、この可変された速度指令信号
が電圧周波数変換回路で周波数変換されて超音波モータ
が回転駆動される。そのため、例えば負荷が大きくなっ
て超音波モータの回転数が低下するとロータリーエンコ
ーダからの信号の周波数が低くなって周波数電圧変換回
路からの変換直流電圧レベルが低下し、速度指令回路か
らの速度指令信号レベルも低下して電圧周波数変換回路
からの駆動信号の周波数信号が低下し、超音波モータが
低い周波数の駆動信号で高速回転制御される。

【００１１】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。なお、従来例と共通する部分には同一の符号を付
す。図１は本発明に係る回転制御装置の一実施例を示す
ブロック図である。図１において、基準電圧発生回路３
９は所定の基準直流電圧を発生して速度指令回路４１を
出力するもので、例えば本発明に係る回転制御装置の電
源ラインからツェナーダイオード（図示せず）によって
安定化した直流電圧を発生するものである。速度指令回
路４１は後述する超音波モータ４３の回転数（回転速
度）を設定する速度指令信号を出力するもので、基準電
圧発生回路３９からの基準直流電圧を増幅回路（後述す
る）４５からの変換直流電圧で可変した直流の速度指令
電圧をその速度指令信号として電圧周波数変換回路（図
中Ｖ／Ｆ変換回路と略す）４７へ出力するものである。
速度指令電圧を可変すれば超音波モータ４３の回転数が
変化する。速度指令回路４１の具体例は後述する。

【００１２】電圧周波数変換回路４７は速度指令回路４
１からの速度指令電圧をこのレベルに応じた周波数信号
に変換してドライブ回路４９へ出力するもので、このド
ライブ回路４９はその周波数信号を昇圧増幅するととも
に位相を変え、互いに９０゜位相が異なる２種類の交流
駆動電圧Ｖ、Ｖ’を形成して超音波モータ４３を駆動す
るものである。超音波モータ４３は、例えば図２に示す
ように、ベアリング１、基台３、凹部５、凸環部７、弾
性体９、圧電振動板１１、圧電セラミック板１３、プリ
ント基板２３、ケース２５、軸受２７、ベアリング２
９、シャフト３１、回転体３３、フランジ３５および皿
ばね３７を有し、上述した図６とほぼ同様な構成となっ
ている。

【００１３】超音波モータ４３は、上述した図７のよう
に圧電振動板１１に形成された駆動電極１５、１７にド
ライブ回路４９からの交流駆動電圧Ｖ、Ｖ’を印加する
ことによってシャフト３１が回転する。超音波モータ４
３のケース２５からはシャフト３１が若干突出し、シャ
フト３１には薄い円盤５１が固定されてシャフト３１と
ともに回転するようになっている。円盤５１の周辺部に
はこの円盤５１を貫通する小さい貫通孔５３が周方向に
狭い間隔を置いて多数形成されており、円盤５１を挟ん
で発光部５５および受光部５７が対向して配置され、発
光部５５と受光部５７の間を貫通孔５３が通る度に発光
部５５からの光が受光部５７に到達するようになってい
る。

【００１４】そのため、超音波モータ４３が回転して円
盤５１が回転すると、円盤５１の貫通孔５３によって発
光部５５からの光が断続して受光部５７に到達し、受光
部５７から超音波モータ４３の回転数に応じた周波数信
号が出力される。すなわち、これら円盤５１、発光部５
５および受光部５７によって超音波モータ４３の回転数
に応じた周波数の電気信号を発生するロータリーエンコ
ーダ５９が形成されている（図１参照）。図１に戻っ
て、ロータリーエンコーダ５９の受光部（図１では図示
省略）５７は波形整形回路６１に接続されている。この
波形整形回路６１は例えばシュミットを有する回路から
なり、ロータリーエンコーダ５９からの周波数信号を矩
形波に波形整形するとともに分周して周波数を上げて周
波数電圧変換回路（図中Ｆ／Ｖ変換回路と略す）６３へ
出力するものである。なお、周波数信号を分周して周波
数を上げる目的は周波数信号を安定化するためである。

【００１５】周波数電圧変換回路６３は、波形整形回路
６１で波形整形された周波数信号をその周波数に応じた
レベルの直流電圧に変換して増幅回路４５に出力するも
のであり、増幅回路４５はその変換直流電圧を増幅する
とともに、例えば負の変換直流電圧にして上述した速度
指令回路４１に負帰還するものである。速度指令回路４
１は、例えば図３に示すように、可変抵抗器（ボリュー
ム）ＶＲ１、ＶＲ２を組合せて形成されている。すなわ
ち、図１の基準電圧発生回路３９からの基準直流電圧を
一端に加えた可変抵抗器ＶＲ１の他端を可変抵抗器ＶＲ
２の可動端子に接続し、可変抵抗器ＶＲ２の一端を接地
し他端には増幅回路４５からの負の変換直流電圧を接続
するとともに、可変抵抗器ＶＲ１の可動端子を電圧周波
数変換回路４７への速度指令信号の出力端としたもので
ある。

【００１６】このように形成された速度指令回路４１で
は、可変抵抗器ＶＲ２の他端に加えた増幅回路４５から
の負の変換直流電圧を負の方向に大きくすると可変抵抗
器ＶＲ１の可動端子の電圧が上昇し、負の変換直流電圧
を正の方向に大きくすると可変抵抗器ＶＲ１の可動端子
の電圧が降下する。そのため、可変抵抗器ＶＲ１の可動
端子を外部から変移させて速度指令信号を設定すること
により、超音波モータ４３の回転数を外部から任意に可
変できるとともに、この設定した速度指令信号に対して
可変抵抗器ＶＲ２の他端に加えた負の変換直流電圧によ
って可変できる。

【００１７】次に、このように構成された本発明の回転
制御装置の動作を説明する。速度指令回路４１は、基準
電圧発生回路３９からの基準直流電圧に基づき、予め設
定された図３の可変抵抗器ＶＲ１の可動端子の位置に応
じた速度指令信号を電圧周波数変換回路４７へ出力し、
電圧周波数変換回路４７がその速度指令電圧をこのレベ
ルに応じた周波数信号に変換してドライブ回路４９へ出
力し、このドライブ回路４９によって超音波モータ４３
が駆動される。超音波モータ４３にはロータリーエンコ
ーダ５９が連結されているから、その回転数に応じた周
波数信号がロータリーエンコーダ５９から出力され、波
形整形回路６１で矩形波に波形整形されるとともに分周
され、周波数電圧変換回路６３でその周波数に応じた直
流電圧に変換され、増幅回路４５から負の変換直流電圧
が速度指令回路４１に負帰還され、速度指令回路４１で
は負の変換直流電圧によって速度指令信号が変化する。

【００１８】そのため、超音波モータ４３の回転数が安
定していれば、ロータリーエンコーダ５９からの周波数
信号が変化せず、速度指令回路４１からの速度指令信号
も変化しないから一定の周波数駆動信号で超音波モータ
４３が駆動される。もし、負荷が大きくなって超音波モ
ータ４３の回転数が低くなければ、ロータリーエンコー
ダ５９からの周波数信号が低くなって周波数電圧変換回
路６３からの変換直流電圧レベルも低下し、速度指令回
路４１からの速度指令信号レベルが低下し、電圧周波数
変換回路４７からの周波数信号の周波数が低下し、ドラ
イブ回路４９によって超音波モータ４３が低い周波数の
駆動電圧で駆動され、その回転数が上昇する。

【００１９】反対に、負荷が軽くなって超音波モータ４
３の回転数が高くなければ、ロータリーエンコーダ５９
からの周波数信号が高くなって周波数電圧変換回路６３
からの変換直流電圧レベルも上昇し、速度指令回路４１
からの速度指令信号レベルが高くなり、電圧周波数変換
回路４７からの周波数信号の周波数が上昇し、超音波モ
ータ４３が高い周波数の駆動電圧で駆動され、その回転
数が低下する。なお、超音波モータ４３の起動時は停止
状態から回転数が高くなってゆく動作であり、上述した
超音波モータ４３における所定安定回転数より低い場合
の動作と同様である。

【００２０】このように本発明の回転制御装置は、負荷
の大小等によって超音波モータ４３の回転数が変動して
も、回転数を戻すような周波数の駆動信号が形成されて
超音波モータ４３の回転数が安定する。しかも、本発明
の回転制御装置は、超音波モータ４３の回転数をロータ
リーエンコーダ５９にて周波数信号にして検出し、この
周波数信号を直流電圧に変換して基準直流電圧を可変し
て速度指令信号を作成し、この速度指令信号レベルに応
じた周波数信号に変換して超音波モータ４３を駆動する
から、超音波モータ４３の速度を設定する速度指令信号
が直流信号によって可変制御され、回路構成が簡単にな
る。

【００２１】さらに、超音波モータ４３の回転数に比例
した信号に基づいて基準直流電圧を可変して速度指令信
号を作成するから、回転制御が正確であるうえ無段階制
御できる。さらにまた、ロータリーエンコーダ５９から
の検出信号を基準信号と比較して速度指令信号を得るも
のでないから、従来のように負荷変動が大きくなってロ
ータリーエンコーダからのパルス信号と基準信号の位相
差を比較困難となるようなことがなく、広い負荷変動に
も追随して確実な回転制御を確保できる。なお、起動時
も同様である。図４は、センサー電極からの検出信号を
用いて速度制御した構成におけるトルクに対する回転数
や出力変化を示す特性（図中破線）と、本発明の回転制
御装置におけるトルクに対する回転数や出力変化を示す
特性（図中実線）であり、この特性図から本発明の回転
制御が正確かつ安定していることが分る。

【００２２】ところで、図２に示したロータリーエンコ
ーダ５９は１例であり、本発明のロータリーエンコーダ
５９は図２の円盤５１、発光部５５および受光部５７に
よって形成されるものに限定されない。例えば、図５に
示すように、上述した図２の回転体３３の上側平坦部に
交互に明暗部を有する環状模様６５を印刷等で形成し、
弾性体９の上側平坦部の上側に発光部５５および受光部
５７を配置し、発光部５５からの光をその環状模様６５
に当て、環状模様６５からの反射強弱光を受光部５７で
受光して周波数信号を出力する構成のロータリーエンコ
ーダ６７も可能である。

【００２３】また、図示はしないが、回転体３３に図２
のような多数の貫通孔を環状に形成し、回転体３３を挟
んで発光部５５および受光部５７を配置する構成も可能
である。すなわち、図２の円盤５１を回転体３３で兼ね
る構成である。要は、超音波モータ４３のシャフト３１
や弾性体９等の回転部に取付けや形成によって連結され
その回転数に応じた周波数信号を発生するロータリーエ
ンコーダであれば良い。なお、上述した超音波モータの
構成は一例であって、従来公知の超音波モータにおいて
実施可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、超音波モ
ータの回転数をロータリーエンコーダで周波数信号にし
て検出し、この周波数信号を直流電圧に変換して基準直
流電圧を可変して速度指令信号を作成し、この速度指令
信号レベルに応じた周波数信号に変換して超音波モータ
を駆動する構成としたから、超音波モータの回転数（速
度）を設定する速度指令信号が直流信号によって可変制
御可能となり、回路構成が簡単になるし、広い負荷変動
にも確実に追随して正確な回転制御を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る回転制御装置の一実施例を示すブ
ロック図である。

【図２】図１のロータリーエンコーダを超音波モータと
ともに示す半断面図である。

【図３】図１の速度指令回路の一例を示す概略回路であ
る。

【図４】本発明および従来の超音波モータにおける特性
図である。

【図５】本発明のロータリーエンコーダの他の例を示す
概略斜視図である。

【図６】従来の超音波モータを示す半断面図である。

【図７】超音波モータの圧電振動板を示す平面図であ
る。

【図８】超音波モータの共振特性と起動の関係を説明す
る図である。

【符号の説明】

１ ベアリング ３ 基台 ５ 凹部 ７ 凸環部 ９ 弾性体 １１ 圧電振動板 １３ 圧電セラミック板 １５、１７ 駆動電極 １９ 共通電極 ２１ センサー電極 ２３ プリント基板 ２５ ケース ２７ 軸受 ２９ ベアリング ３１ シャフト ３３ 回転体 ３５ フランジ ３７ 皿ばね ３９ 基準電圧発生回路 ４１ 速度指令回路 ４３ 超音波モータ ４５ 増幅回路 ４７ 電圧周波数変換回路 ４９ ドライブ回路 ５１ 円盤 ５３ 貫通孔 ５５ 発光部 ５７ 受光部 ５９、６７ ロータリーエンコーダ ６１ 波形整形回路 ６３ 周波数電圧変換回路 ６５ 環状模様

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の位相差および周波数を有する駆動
   信号の印加によって回転するとともに前記周波数の上下
   によって回転数が低高する超音波モータを回転制御する
   超音波モータの回転制御装置において、 前記超音波モータの回転部に連結され前記超音波モータ
   の回転数に応じた周波数信号を発生するロータリーエン
   コーダと、 このロータリーエンコーダからの前記周波数信号をその
   周波数に応じた直流電圧に変換する周波数電圧変換回路
   と、 所定の基準直流電圧を発生する基準電圧発生回路と、 前記基準直流電圧を前記変換直流電圧可変して速度指令
   信号を出力する速度指令回路と、 前記速度指令信号からその電圧レベルに応じた周波数信
   号に変換して前記駆動信号を出力する電圧周波数変換回
   路と、 を具備することを特徴とする超音波モータの回転制御装
   置。