JPH0759155B2 - 超音波モータの駆動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電体と弾性体とからなる駆動用の振動子を
有する超音波モータに対し、前記圧電体に高周波電力を
供給する電源供給手段と、前記振動子の振動速度を検出
する振動速度検出手段とを設けてある超音波モータの駆
動制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来この種の超音波モータの駆動制御装置において、振
動子の振動速度を検出する振動速度検出手段として、前
記振動子に、励振用の圧電体とは別個の検出用圧電体を
設けて構成することにより、前記振動子の振動振幅に対
応する出力電圧を検出するものがあった。

つまり、超音波モータを、温度、負荷、駆動電圧等の使
用環境、条件の変動による前記振動子の機械的な共振周
波数の変動にかかわらず、高効率、且つ、安定に動作さ
せるためには、前記振動子の振動状態を一定に維持する
必要がある。

そのために、駆動制御装置に、前記振動子の振動状態、
即ち、変位、速度、加速度等何らかの状態量を検出する
必要があり、そのために、振動速度検出手段を設けて、
その検出振動速度に基づき前記圧電体へ印加する電源周
波数を最適な周波数に維持するように駆動制御していた
のである。

しかし、上述の従来技術によれば、前記弾性体に励振用
の圧電体とは別個の検出用圧電体を設ける必要があり、
モータの製造工程の複雑化、コスト上昇につながるばか
りか、特性のばらつき等、設置箇所によっては前記振動
子の振動状態を正確に検出できるとは限らないという欠
点があった。

そこで、前記圧電体への機械腕電流を検出し、検出機械
腕電流の振幅を設定値に維持するように前記電源供給手
段の出力電圧を調節し、或いは、周波数を調節する超音
波モータ駆動制御装置が提案されている（特開平１−16
0379号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前記圧電体への機械腕電流を検出するもので
は、進行波の楕円運動の短軸の変動幅が機械腕電流に比
例することに着目して、その値が設定値に維持されるよ
うに前記電源供給手段の出力電圧を調節し、或いは、周
波数を調節するものであり、圧電体の振動速度そのもの
を検出するものではないために、進行波の周波数の変動
等の要因で、必ずしも制御特性のよい駆動装置とはなら
ないという欠点があった。

本発明の目的は、上述した従来欠点を解消する点にあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明による超音波モータの
駆動制御装置の第一の特徴構成は、前記振動速度検出手
段を、前記圧電体への印加電圧を検出する印加電圧検出
手段と、通電電流を検出する通電電流検出手段と、前記
印加電圧検出手段及び前記通電電流検出手段それぞれの
出力信号の差動信号を求める演算手段とで構成し、 前記印加電圧検出手段に、前記印加電圧をN:1に降圧し
て検出する降圧回路を設けるとともに、前記通電電流検
出手段に、巻数比1:Pの変流器とその二次側に接続した
容量Ｃのコンデンサを設け、それら定数を前記圧電体
（１）の静電容量C_dに対して、 C_d＝Ｃ・P/Nの関係に設定してある点にある。

第二の特徴構成は、上述の構成において、前記振動速度
検出手段による検出振動速度を設定値に維持するように
前記電源供給手段の出力電圧を調節する速度制御手段を
設けてある点にある。

さらに、第三の特徴構成によれば、前記演算手段による
差動信号と前記圧電体への印加電圧との位相差を検出
し、検出位相差を設定値に維持するように前記電源供給
手段の発振周波数を調節する周波数制御手段を設けてあ
る点にある。

そして、第四の特徴構成によれば、前記設定値が90゜で
ある点にある。

第五の特徴構成によれば、前記周波数制御手段は、前記
設定値を補正する位相補正手段を設けてある点にある。

〔作 用〕

つまり、振動速度検出手段は、以下の原理に基づき、前
記圧電体に対する駆動電圧及び電流を、所定の関係にあ
る印加電圧検出手段及び通電電流検出手段により検出
し、それら出力信号を演算手段により演算することで、
前記振動子の共振周波数と前記印加電圧の周波数との違
いにより生じる位相差を示す項を含む信号を出力するの
である。

その位相差に基づき、前記電源供給手段の発振周波数を
適切に制御することで、超音波モータを、温度、負荷、
駆動電圧等の使用環境、条件の変動による前記振動子の
機械的な共振周波数の変動に係わらず、高効率、且つ、
安定に動作させるのである。

以下に、その原理を述べる。

圧電振動子の理論を超音波モータに適用すると、電源供
給手段により印加された交流電圧により圧電体が速度
で振動するとき、圧電体と弾性体で構成される振動子
に対して、前記圧電体に流れ込む電流、及び、起振力
は、電気音響変換基本式に基づき、次式で表される。

＝＋Ａ ＝−Ａ＋ （１） ここで、は電気アドミタンスであり、Ａは電気系と機
械系の変換結合係数で力係数といい、は機械インピー
ダンスである。また変数にドットを付してあるのはベク
トル量である。

第５図に示すように、機械端子に音響インピーダンス
′を接続したときの前記振動子系の等価回路を考える
と、振動速度と電気端子電圧との関係は、（１）式
から、 ＝Ａ／（＋′） （２） と表される。

今、振動子を、質量ｍ、スチフネスｓ、抵抗ｒからなる
単一共振系としての集中モデルで考え、′＝ｒ′＋j
x′とおくと、 ＋′＝ｒ＋ｒ′＋jx′＋ｊωｍ＋s/jω ω_ｒ＝｛−ｘ′＋（−ｘ′^２＋4ms）^1/2｝/2m （３） ここで、ω_ｒは機械共振角周波数であり、 ωは動作角周波数である。

従って、（２）式からとの位相に注目すると、 ＝A/|＋′｜・exp｛ｊφ｝・ （４） となり、以下の三通りの場合が考えられる。

i.ω＜ω_r:はに対してφ進相 ii.ω＝ω_r:はと同相 iii.ω＞ω_r:はに対してφ遅相 さらに、振動子の等価回路は、第６図に示すように、圧
電的機械振動を発生させる直列共振回路のL,C、抵抗
Ｒ、振動に無関係の静電容量C_dで表すことができ、
（１）式は、 ＝ｊωC_d＋Ａ （５） となる。但し、ωは交流電圧Ｖの角周波数である。

第７図に示すように、前記圧電体への通電電流を検出す
る通電電流検出手段の出力電圧_ｃは、_ｃ ＝/jωCP ＝Cd/CP＋Ａ/jωCP （６） となる。但し、変流器の巻数比を1:P、変流器の二次側
に配したコンデンサの容量をＣとする。

また、前記圧電体への印加電圧を検出する印加電圧検出
手段の出力電圧_Ｎは、_Ｎ ＝/N （７） となる。但し、変圧器の巻数比をN:1とする。

次に、前記出力電圧_Ｃ、_Ｎを演算手段により差動増
幅すると、その出力電圧_Ｐは、_Ｐ ＝Ｋ（_Ｃ−_Ｎ） ＝Ｋ（C_d/CP−1/N）・＋KA/（ｊωCP）・
（８） となる。但し、Ｋは差動利得である。

ここで、 C_d/CP＝1/N （９） となるように、C,P,Nの値を選定すると、（８）式は次
のように表すことができる。_Ｐ ＝KA/（ｊωCP）・ （10） ここで、KA/（ωCP）は実数であるから、_Ｐととの
位相関係には影響を与えない。（10）式から出力電圧
_Ｐは、その振幅が比例関係にあり、位相が90゜遅れの関
係にある圧電体の振動速度を検出することになる。

従って、速度と前記振動子への印加電圧の関係を示
す（４）式より、（10）式は となり、_Ｐとの位相関係は、以下の三通りの場合に
分けることができる。

iv.ω＜ω_r:_Ｐはに対して90゜−φ遅相 v.ω＝ω_r:_Ｐはに対して90゜遅相 vi.ω＞ω_r:_Ｐはに対して90゜＋φ遅相 以上より、_Ｐ、即ち、前記振動速度検出手段からの出
力信号を、圧電体への印加電圧より位相を90゜遅らす
ことにより、常に圧電振動子を共振周波数ω_ｒで駆動す
ることができる。

〔発明の効果〕

従って、本発明による第一の特徴構成によれば、振動速
度検出手段により圧電体の振動速度そのものを間接的な
がらも正確に検出できるようになった。

そして、第二の特徴構成によれば、上述した検出振動速
度を設定値に維持するように前記電源供給手段の出力電
圧を調節することで、負荷変動が生じた場合であって
も、超音波モータを安定的に制御することができるよう
になった。

第三の特徴構成によれば、前記演算手段による差動信号
と前記圧電体への印加電圧との位相差を設定値に維持す
るように前記電源供給手段の発振周波数を調節すること
で、発振周波数を、温度変化や負荷変動に起因して変動
する機械的共振周波数に追尾して安定的に制御すること
ができるようになった。

第四の特徴構成によれば、前記設定値を90゜とすること
により、特に、複合振動子型の超音波モータにおいて最
も安定、且つ、効率のよい機械的共振周波数での駆動が
保障されるようになった。

第五の特徴構成によれば、位相補正手段により設定値を
補正して、発振周波数を機械的共振周波数より若干高い
周波数とするように調節することにより、進行波型の超
音波モータを最も安定、且つ、効率のよい駆動周波数で
駆動することができるようになった。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図に示すように、超音波モータ（Ｍ）は、圧電体
（１）に弾性体（２）を固着し、超音波の進行波を発生
するリング状の固定子（３）と、その固定子（３）に加
圧接触して回転する回転子（４）とから構成してある。
即ち、前記固定子（３）が振動子（３′）となる。

前記圧電体（１）は、周方向に領域（Ａ），（Ｂ）に二
分割してあり、各領域（Ａ），（Ｂ）は波長λの二分の
一の間隔で隣り合う区分を交互に厚み方向に分極処理す
るとともに、それら領域（Ａ），（Ｂ）間を四分の三波
長ずらせて配置してある。

前記領域（Ａ），（Ｂ）に90゜位相の異なる高周波電圧
を印加することにより、前記領域（Ａ），（Ｂ）に対応
の前記固定子（３）に発生する定在波が相互に干渉を起
こし、合成されて進行波となる。

即ち、前記回転子（４）は、前記固定子（３）に発生す
る進行波に基づく前記固定子（３）との摩擦力により回
転するのである。

前記超音波モータ（Ｍ）の駆動制御装置は、第１図に示
すように、前記圧電体（１）に高周波電力を供給する電
源供給手段（５）と、前記振動子（３′）の機械的な共
振周波数と前記圧電体（１）への印加電圧の周波数との
差により生じる位相差を検出する位相差検出手段
（６）、すなわち、振動速度検出手段と、その位相差検
出手段（６）の出力信号と前記印加電圧との位相を比較
し、その位相差を設定値に維持するように、前記電源供
給手段（５）の発振周波数を制御する周波数制御手段
（７）と、前記位相差検出手段（６）の出力信号に基づ
き前記電源供給手段（５）の出力電圧、即ち、前記圧電
体（１）への印加電圧を制御する速度制御手段（８）等
で構成してある。

前記電源供給手段（５）は、前段に、前記速度制御手段
（８）の出力信号に基づき、駆動回路（D1）を介してス
イッチ（S5）による通流率を変えることで、出力電圧を
可変する直流チョッパ回路（5a）を、そして後段に、前
記周波数制御手段（７）の出力信号に基づき、駆動回路
（D2）を介してスイッチ（S1）からスイッチ（S4）を開
閉することで、周波数を可変するインバータ回路（5b）
を設けて構成してある。

前記インバータ回路（5b）は、電源分割形ハーフブリッ
ジインバータを二組組み合わせて、位相が90゜ずれた二
相の方形波を出力するもので、それぞれの出力端子は、
昇圧用のトランス（T1），（T2）を介して、前記超音波
モータ（Ｍ）の前記圧電体（１）の領域（Ａ），（Ｂ）
に設けてある電極に接続してある。

尚、前記方形波は、前記トランス（T1），（T2）のもれ
インダクタンスにより正弦波に波形成形される。

前記位相差検出手段（６）は、前記圧電体（１）への印
加電圧Ｖを検出する印加電圧検出手段（6a）と、通電電
流Ｉを検出する通電電流検出手段（6b）と、それら出力
信号を差動増幅する演算手段（6c）等で構成してある。

前記印加電圧検出手段（6a）は、巻数比N:1の変圧器（P
T）の二次側にブートストラップ回路（B1）を接続して
構成し、前記通電電流検出手段（6b）は、巻数比1:Pの
変流器（CT）の二次側に容量Ｃのコンデンサ（C3）を介
して、ブートストラップ回路（B2）を接続して構成して
あり、共に前記トランス（T2）の二次側に介装してあ
る。

そして、前記定数N,P,Cは、前記圧電体（１）の静電容
量C_dに対して、 C_d＝Ｃ・P/N となるように設定してある。

前記印加電圧検出手段（6a）の出力電圧V_Nと前記通電電
流検出手段（6b）の出力電圧V_Cを前記演算手段（6c）に
より差動増幅した結果、その出力電圧V_Pは、〔作用〕の
項で述べたように、前記印加電圧Ｖの周波数と前記振動
子（３′）の共振周波数との差により生じる位相差を表
す項を含む。

前記周波数制御手段（７）は、位相比較器（PC）と出力
反転形のローパスフィルタ（LPF）と電圧制御発振器（V
CO）とからなるPLLで、前記電圧制御発振器（VCO）の出
力は前記駆動回路（D2）に接続してある。

前記位相比較器（PC）と前記ローパスフィルタ（LPF）
との間には、前記位相比較器（PC）の出力電圧を補正す
る位相補正手段（PSC）を介装してある。

前記位相比較器（PC）は、前記印加電圧検出手段（6a）
の出力電圧V_Nと前記演算手段（6c）の出力電圧V_Pを、フ
ィルタ（F1），（F2）、及び、方形波に波形成形する比
較器（COM1），（COM2）を介して入力してあり、第３図
に示すように、両電圧V_N,V_Pの位相差に相当する電圧を
出力する。

前記電圧制御発振器（VCO）は、第４図に示すように、
前記ローパスフィルタ（LPF）により反転された前記位
相比較器（PC）の出力電圧値に応じてその出力周波数を
可変とするものである。

つまり、両電圧V_N,V_Pの位相差が90゜以下であると、前
記位相比較器（PC）の出力電圧が下がるので、前記前記
電圧制御発振器（VCO）の出力周波数が高くなり、前記
インバータ回路（5b）の発振周波数を高くする。

逆に、両電圧V_N,V_Pの位相差が90゜以上であると、前記
位相比較器（PC）の出力電圧が上がるので、前記電圧制
御発振器（VCO）の出力周波数が低くなり、前記インバ
ータ回路（5b）の発振周波数を低くするのである。

上述の動作により、両電圧V_N,V_Pの位相差を90゜に維持
する、即ち、前記振動子（３′）の温度等の変化により
変動する共振周波数に追尾して駆動することができる。

さらに、前記周波数制御手段（７）は、前記位相比較器
（PC）の出力電圧を、前記位相補正手段（PSC）により
補正することで、前記超音波モータ（Ｍ）が最も安定、
且つ、効率のよい駆動周波数である前記共振周波数より
若干高い周波数になるように、前記発振周波数を制御す
るのである。

〔別実施例〕

以下に本発明の別実施例を説明する。

1. 先の実施例では、前記印加電圧検出手段（6a）を構
成するに、巻数比N:1の変圧器（PT）を用いているが、
変圧器（PT）の代わりに、抵抗比がＮ−1:1の抵抗を直
列に接続して構成することにより、V_Nを取り出してもよ
い。

2. 先の実施例では、前記位相差検出手段（６）をトラ
ンス（T2）の二次側に介装して前記固定子（３）のう
ち、領域（Ａ）における位相差を検出しているが、前記
位相検出手段（６）はトランス（T1）の二次側に介装し
て、領域（Ｂ）における位相差を検出してもよく、さら
には、両方のトランス（T1），（T2）にそれぞれ介装し
てもよい。

3. 先の実施例では、前記位相比較器（PC）に電圧V_N,V
_Pをコンパレータ（COM1），（COM2）を介して入力して
いるが、電圧V_Nの代わりに、前記圧電体（１）への印加
電圧Ｖをコンパーレータ（COM1）を介して入力してもよ
い。

4. 先の実施例では、固定子を振動子として構成してあ
る回転型の超音波モータについて説明したが、超音波モ
ータとしては、回転子を振動子としたものや、リニア型
であってもよい。

さらに、異なる振動方向を持つ二つの振動を組み合わせ
ることにより、質点の運動軌跡を制御する複合振動子型
の超音波モータであってもよく、この場合には、前記電
圧V_N,V_Pの位相差を90゜に維持することで、最も安定、
且つ、効率のよい駆動が可能となる。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にする為
に符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造
に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る超音波モータの駆動制御装置の実施
例を示し、第１図は回路図、第２図（イ）及び（ロ）は
超音波モータの構成図、第３図は位相比較器の出力特性
図、第４図は電圧制御発振器の出力特性図、第５図は圧
電振動子系の等価回路図、第６図は超音波モータの等価
回路図、第７図は位相差検出手段の回路図である。 （１）……圧電体、（２）……弾性体、（３′）……振
動子、（５）……電源供給手段、（６）……状態量検出
手段、（6a）……印加電圧検出手段、（6b）……通電電
流検出手段、（6c）……演算手段、（Ｍ）……超音波モ
ータ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電体（１）と弾性体（２）とからなる駆
   動用の振動子（３′）を有する超音波モータ（Ｍ）に対
   し、前記圧電体（１）に高周波電力を供給する電源供給
   手段（５）と、 前記振動子（３′）の振動速度を検出する振動速度検出
   手段（６）とを設けてある超音波モータの駆動制御装置
   であって、 前記振動速度検出手段（６）を、前記圧電体（１）への
   印加電圧を検出する印加電圧検出手段（6a）と、通電電
   流を検出する通電電流検出手段（6b）と、前記印加電圧
   検出手段（6a）及び前記通電電流検出手段（6b）それぞ
   れの出力信号の差動信号を求める演算手段（6c）とで構
   成し、 前記印加電圧検出手段（6a）に、前記印加電圧をN:1に
   降圧して検出する降圧回路を設けるとともに、前記通電
   電流検出手段（6b）に、巻数比1:Pの変流器とその二次
   側に接続した容量Ｃのコンデンサを設け、それら定数を
   前記圧電体（１）の静電容量C_dに対して、 C_d＝Ｃ・P/Nの関係に設定してある超音波モータの駆動
   制御装置。
2. 【請求項２】前記振動速度検出手段（６）による検出振
   動速度を設定値に維持するように前記電源供給手段
   （５）の出力電圧を調節する速度制御手段（８）を設け
   てある請求項１記載の超音波モータの駆動制御装置。
3. 【請求項３】前記演算手段（6c）による差動信号と前記
   圧電体（１）への印加電圧との位相差を検出し、検出位
   相差を設定値に維持するように前記電源供給手段（５）
   の発振周波数を調節する周波数制御手段（７）を設けて
   ある請求項１又は２記載の超音波モータの駆動制御装
   置。
4. 【請求項４】前記設定値が90゜である請求項３記載の超
   音波モータの駆動制御装置。
5. 【請求項５】前記周波数制御手段（７）は、前記設定値
   を補正する位相補正手段（PSC）を設けてある請求項３
   記載の超音波モータの駆動制御装置。