JP2946533B2 - 超音波モータの駆動装置 - Google Patents

超音波モータの駆動装置

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JP2946533B2
JP2946533B2 JP1146261A JP14626189A JP2946533B2 JP 2946533 B2 JP2946533 B2 JP 2946533B2 JP 1146261 A JP1146261 A JP 1146261A JP 14626189 A JP14626189 A JP 14626189A JP 2946533 B2 JP2946533 B2 JP 2946533B2
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、電気機械変換素子により弾性体に発生した
振動によって相対運動部材を駆動する超音波モータの駆
動装置に関する。
B.従来の技術 進行性振動波を利用した超音波モータは、特開昭59−
111609号公報にも開示されているように、圧電体に交流
電圧を印加して該圧電体に屈曲振動を生じさせて圧電体
が貼付けられた弾性体に進行性振動波を生じさせ、この
弾性体に回転子を加圧接触させて摩擦駆動するモータで
ある。
従来、このような超音波モータの駆動速度を減速する
場合、印加交流電圧の周波数を目標とする低速度に対応
した周波数に切換える方式、あるいは交流電圧の値を低
電圧に切換える方式がとられている。
C.発明が解決しようとする課題 しかしながら、交流電圧の周波数を切換える方式で
は、 周波数を切換えても、弾性体に生じている振動波の振
幅が低速度に対応した振幅になるまでに時間遅れがある
こと、 振動波の生じている状態では弾性体と回転子とが振動
波の波頭で接触しているために相互の摩擦力が小さくな
っていること 等の理由により、交流電圧の周波数を切換えても回転子
に接続された負荷の慣性力を打ち消すことができず、減
速時間が長くかかるという問題があった。
交流電圧の値を低電圧に切換える方式においても、同
様の理由により減速時間が長くかかるという問題があっ
た。
本発明の技術的課題は、超音波モータを高速駆動から
低速駆動に短時間で減速させることである。
D.課題を解決するための手段 本発明の一実施例を示す第１図および第２図により説
明をすると、請求項１の発明は、弾性体51と弾性体51に
接合された電気機械変換素子52とを備えた超音波モータ
の駆動装置に適用される。そして、電気機械変換素子52
に印加する、少なくとも高速駆動用および低速駆動用の
交番電圧信号を出力可能な駆動信号形成手段10Aと；高
速駆動用および低速駆動用の交番電圧信号を切り換えて
電気機械変換素子52に印加せしめる切換手段10Bと；高
速駆動から低速駆動への切換時に、電気機械変換素子52
に印加する交番電圧信号を所定時間だけ超音波モータが
停止する値に維持する一時停止手段３とを有し；低速駆
動時には低速駆動交番電圧信号が電気機械変換素子52へ
連続的に印加されることにより、上述した目的を達成す
る。
請求項２の発明は、一時停止手段３が、交番電圧信号
の周波数を所定時間だけ零にするものである。
請求項３の発明は、一時停止手段３が、交番電圧信号
を所定時間だけ遮断することによりその周波数を零にす
るものである。
請求項４の発明は、一時停止手段３が、電気機械変換
素子52に印加する交番電圧信号を直流成分のみにするこ
とによりその周波数を零にするものである。
請求項５の発明は、上記所定時間が、超音波モータが
高速駆動の状態にあるときに、電気機械変換素子52に印
加する交番電圧信号を超音波モータが停止する値とした
際に超音波モータが目標とする低速状態となるまでの時
間に基づいて設定された時間であり、一時停止手段３は
タイマを有し、このタイマ３により所定時間の間、電気
機械変換素子52に印加される交番電圧信号の周波数を零
にするものである。
第２、第３および第４の実施例を示す図７、図８およ
び図９を参照して説明すると、請求項６の発明は、超音
波モータの速度を検出する検出手段６、８または９並び
にこの検出手段６、８または９で得られた値と目標とす
る低速度に基づく値とを比較して超音波モータが所定の
速度に到達したか否かを検出する比較手段34を備え、一
時停止手段３は、高速駆動から低速駆動に切り換えられ
た際は、比較手段34によって超音波モータが所定の速度
に到達したことが検出されるまでの間、機械変換素子52
に印加される交番電圧信号の周波数を零にするものであ
る。
E.作用 電気機械変換素子52の励振により駆動力を得る超音波
モータの駆動装置において超音波モータの速度を下げる
際に、請求項１の発明においては一時停止手段３が電気
機械変換素子52に印加する交番電圧信号を所定時間だけ
超音波モータが停止する値に維持し、低速駆動時には低
速駆動交番電圧信号が電気機械変換素子へ連続的に印加
される。
請求項２の発明においては、一時停止手段３が交番電
圧信号の周波数を所定時間だけ零にすることにより、電
気機械変換素子52に印加する交番電圧信号を所定時間だ
け超音波モータが停止する値に維持する。
請求項３の発明においては、一時停止手段３が交番電
圧信号を所定時間だけ遮断してその周波数を零にするこ
とにより、電気機械変換素子52に印加する交番電圧信号
を所定時間だけ超音波モータが停止する値に維持する。
請求項４の発明においては、一時停止手段３が電気機
械変換素子52に印加する交番電圧信号を直流成分のみに
してその周波数を零にすることにより、電気機械変換素
子52に印加する交番電圧信号を所定時間だけ超音波モー
タが停止する値に維持する。
請求項５の発明においては、電気機械変換素子52を所
定時間非励振状態にするため、高速駆動状態にある超音
波モータ３の電気機械変換素子52に印加する交番電圧信
号を超音波モータが停止する値とした際に、超音波モー
タが高速駆動状態から目標とする低速駆動状態になるま
でに要する時間をタイマ33に設定して計時し、その間、
電気機械変換素子52に印加される交番電圧信号の周波数
を零にする。
請求項６の発明においては、弾性体と相対運動部材と
の摩擦力を、一時的に増大させるため、超音波モータ５
が高速駆動から低速駆動に切り換えられた際、比較手段
34によって超音波モータ５が所定の速度に到達したこと
が検出されるまでの間、電気機械変換素子52に印加され
る交番電圧信号の周波数を零にする。
なお、本発明の構成を説明する上記Ｄ項およびＥ項で
は、本発明を分かり易くするために実施例の図を用いた
が、これにより本発明が実施例に限定されるものではな
い。
F.実施例 −第１の実施例− 第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図
（ａ）は超音波モータの概略構成を示す断面図、第２図
（ｂ）は圧電体と弾性体とで構成される振動体の斜視図
である。
まず、第２図（ａ），（ｂ）の超音波モータについて
先に説明すると、弾性体51の片側表面には圧電体52が貼
付けられており、これら弾性体51と圧電体52とによって
振動体53を構成している。また、弾性体51の片側表面に
はスライダ54を介してロータ55が加圧接触しており、こ
れらスライダ54とロータ55とによって回転子56を構成し
ている。
圧電体52は第２図（ｂ）に示すように、その表面に４
つの電極52a,52b,52c,52dが設けられており、電極52aと
52bには相互にπ/2だけ位相の異なる交流電圧が印加さ
れ、電極52cは接地されている。電極52dはモニタ信号を
取り出すために使用される。これらの構成および動作に
ついては日経メカニカル1983.2.28号などにより周知で
あるため、ここではその説明を省略する。
次に第１図において、１は、駆動信号形成回路10Aと
切換回路10Bとから成る駆動速度変更回路、２は分周移
相回路、３は一時停止回路、4a,4bは電力増幅器、５は
超音波モータである。
駆動速度変更回路１は、２つの発振器11および12と、
インバータ13,ナンドゲート14〜16とを備えており、イ
ンバータ13およびナンドゲート15の一方の入力には駆動
速度変更信号が入力されている。発振器11は低速駆動
用、発振器12は高速駆動用のものであり、それらの出力
周波数は超音波モータ５の駆動周波数の４倍に設定され
ている。発振器11,12が駆動信号形成回路10Aを構成し、
インバータ13,ナンドゲート14〜16が切換回路10Bを構成
する。
分周移相回路２は２つのＤ形フリップフロップ21と22
で構成され、フリップフロップ21のセット出力Ｑがフリ
ップフロップ22のデータ入力Ｄに接続され、フリプフロ
ップ22の反転セット出力がフリップフロップ21のデー
タ入力Ｄに接続されている。したがって、この分周移相
回路２は、ナンドゲート16から出力される信号の周波数
を1/4に分周すると共に、相互にπ/2の位相差を有する
信号を出力するように構成されている。
一時停止回路３は、アンドゲート31,32とタイマ33に
よって構成され、駆動速度変更信号が“H"から“L"に変
更されたとき（高速駆動から低速駆動に変更された
時）、コンデンサＣと抵抗Ｒによって設定された時間ts
の間アンドゲート31,32を閉じ、該アンドゲート31,32の
出力信号を“L"レベルとして出力し、それ以外の場合は
分周移相回路２の出力信号をそのまま出力するように構
成されている。
電力増幅器4a,4bは、アンドゲート31,32の出力信号を
増幅して超音波モータ５の圧電体52の電極52a,52bに印
加する周知の電力増幅器である。
次に動作について説明する。
第３図は超音波モータの駆動周波数と駆動速度との関
係を示す特性曲線図であり、超音波モータ５は駆動速度
を40rpmに設定した時は23KHzの駆動周波数の交流電圧信
号で駆動される。また、5rpmに設定した時は23.8KHzの
駆動周波数の交流電圧信号で駆動される。そこで、高速
用の発振器12の出力周波数は92KHz（＝４×23）に設定
され、低速用の発振器11の出力周波数は95.2KHz（＝４
×23.8）に設定される。
今、駆動速度変更信号が“H"レベルである時、すなわ
ち40rpmの高速で超音波モータ５を駆動する場合につい
て考える。この“H"レベルの駆動速度変更信号はナンド
ゲート15に入力されると共に、インバータ13で反転され
てナンドゲート14に入力される。ナンドゲート15には高
速用の発振器12の出力信号が入力され、一方のナンドゲ
ート14には低速用の発振器11の出力信号が入力されてい
るが、高速駆動時は、インバータ13の出力信号が“L"レ
ベルとなるため、ナンドゲート14は閉じ、一方のナンド
ゲート15のみが開き、高速用発振器12の出力信号がナン
ドゲート15で選択されてナンドゲート16を通じて出力さ
れる。
ナンドゲート16の出力信号は第４図（ｂ）に示すよう
に矩形波であり、分周移相回路２のフリップフロップ2
1,22のクロック入力に入力される。分周位相回路２は、
駆動速度変更回路１から入力された信号を４分周する動
作を行うから、フリップフロップ21,22のセット出力Ｑ
からは、第４図（ｃ），（ｄ）に示すように、駆動速度
変更回路１からの入力信号の４倍の周波数を有し、かつ
互いにπ/2の位相差を持った信号が出力される。
この分周移相回路２の出力信号は一時停止回路３のア
ンドゲート31,32に共通に入力される。これらアンドゲ
ート31,32の他方の入力にはタイマ33の反転セット出力
の出力信号が入力されているが、タイマ33は駆動速度
変更信号が“H"レベルであるために動作していない。こ
のため、タイマ33の反転セット出力の出力信号は“H"
レベルである。したがって、アンドゲート31,32に入力
された信号は第４図（ｆ），（ｇ）に示すようにそのま
ま出力され、電力増幅器4a,4bで増幅されて超音波モー
タ５の圧電体52の電極52a,52bに印加される。これによ
り、圧電体52には屈曲振動が生じ、回転子56が回転す
る。
次に、駆動速度変更信号を“H"から“L"に切換えて低
速駆動する場合の動作について考える。駆動速度信号が
“L"レベルとなると、駆動速度変更回路１ではナンドゲ
ート15が閉じてナンドゲート14が開き、低速用発振器11
の出力信号が該ナンドゲート14によって選択されてナン
ドゲート16を通じて出力される。
分周移相回路２は高速駆動の場合と同様にして駆動速
度変更回路１からの出力信号を分周して一時停止回路３
のアンドゲート31,32に入力するが、駆動速度変更信号
が第４図のt1時点で“H"から“L"に変化したとすると、
このt1時点でタイマ33が起動され、該タイマ33の反転出
力端子から第４図（ｅ）に示すように設定時間tsの間
だけ“L"レベルとなる信号が出力される。このため、ア
ンドゲート31,32は第４図（ｆ），（ｇ）に示すようにt
s時間の間だけ閉じられ、その出力信号は“L"レベルに
なる。アンドゲート31,32の出力信号が“L"レベルにな
ると、超音波モータ５では交流入力電圧がts時間だけ遮
断されたことになり、一時的に停止状態となる。一時停
止状態になると、振動体53の振動の振幅が小さくなり、
振動体53と回転子56との間の摩擦力は急激に増大する。
これによって、回転子56は急激に減速されることにな
る。
ts時間が経過してタイマ33の反転出力端子の出力信
号が“H"レベルに復帰すると、アンドゲート31,32が開
き、低速度5rpmに対応した周波数の信号がアンドゲート
31,32から出力されるようになり、超音波モータ５は低
速駆動状態となる。
第５図は低速駆動へ切換える時の超音波モータ５の駆
動速度の変化を示したグラフであり、t1駆動速度変更信
号を“H"から“L"に切換えた時刻、tsは一時停止時間、
t2は駆動速度が目標の5rpmになった時刻であり、実験の
結果、ts＝5ms,t1〜t2＝7msという結果が得られた。
因に、一時停止回路３を用いずに低速駆動へ切換える
従来装置においては、第６図のグラフに示すような駆動
速度の変化となり、t1時点で駆動速度変更信号を切換え
てから目標の5rpmに達する時点t2までの時間は約50msで
あり、本発明によって減速時間が1/7に短縮された。
なお、タイマ33の設定時間tsは、負荷の大きさ、減速
の目標値などを考慮して、交流電流を一時停止した後に
回転子56が急減速して目標の低速回転数になるまでの時
間を実験で求めて設定すればよい。また、タイマ33を駆
動速度変更信号の立ち下がりで起動するようにしている
から、低速駆動から高速駆動へ切換える時はタイマ33が
起動されず、一時停止状態とはならないので直ちに高速
駆動状態となる。
以上のように本実施例によれば、高速駆動から低速駆
動への切換時はタイマ33で設定された時間tsだけ超音波
モータ５に入力する交流電圧信号を遮断して一時停止状
態とし、その後に低速駆動状態とするようにしたため、
減速時間が大幅に短縮され、目標とする低速度に短時間
で切換えることができるという効果がある。
−第２の実施例− 第７図は本発明の第２の実施例を示すブロック図であ
り、第１図と同一部分は同一記号で示している。
この実施例は超音波モータ１の回転子56に該回転子の
回転速度に応じたパルスを発生するロータリエンコーダ
６を連結し、このエンコーダ６で超音波モータ５の実回
転速度に対応した周波数の信号を取出し、この信号をFV
変換器７で対応するレベルの電圧信号に変換し、一時停
止回路３のコンパレータ34に入力する。そして、可変抵
抗器VRで設定されている目標の低速度に対応する電圧信
号とFV変換器７の出力電圧とを比較して、超音波モータ
５の実回転速度が目標の低速度に達したか否かを検出す
る。目標の低速度になるまでの間はコンパレータ34の出
旅レベルを“L"レベルにし、目標の低速度になると“H"
レベルにする。このコンパレータ34の出力信号は駆動速
度変更信号とともにオアゲート35に入力され、このオア
ゲート35を介してアンドゲート31,32に入力される。そ
して、アンドゲート31,32の一方の入力には分周移相回
路２の出力信号が入力されている。
したがって、高速駆動から低速駆動に切換えた時は、
超音波モータ５の実回転速度が目標の低速度になるまで
の間、オアゲート35の２つの入力信号レベルが“L"レベ
ルに保持され、目標の低速度になるとコンパレータ34か
らの入力信号が“H"レベルに復帰する。このため、アン
ドゲート31,32は目標の低速度になるまでは閉じ、目標
の低速度になったときに開き、分周移相回路２の出力信
号を電力増幅器4a,4bに入力する。これによって、目標
の低速度に達するまで一時停止状態となり、第１図の実
施例と同様な作用によって短時間で減速させることがで
きる。
この実施例によれば、超音波モータ５の実回転速度を
検出しているため、超音波モータ５の負荷の大小によっ
て慣性力が変化したとしても、その慣性力の大小に応じ
て一時停止状態の時間が自動的に伸縮され、負荷の大小
によってタイマの設定時間を設定し直す必要がないとい
う利点がある。なお、本発明のロータリエンコーダ６に
代って、回転子56にパルス発生用パターンを形成、ある
いはパルス発生用パターンを取付けて、エンコーダとし
ても良い。
−第３の実施例− 第８図の第３の実施例に示すように、第２の実施例の
ロータリエンコーダ６の変わりにタコジェネレータ８を
用いれば、FV変換器７を省略することができる。
−第４の実施例− 第９図は第４の実施例を示すブロック図である。この
実施例では圧電体52上のモニタ電極52dから取り出され
る交流電圧を交流／直流変換器９で直流電圧に変換し、
その変換出力電圧を第７図の実施例と同様のコンパレー
タ34に入力する。
振動体53の振動の振幅は回転速度が低くなるに従って
小さくなる。したがって、可変抵抗器VRで設定するコン
パレータ34の基準電圧として、目標の低速度状態での振
動振幅値に対応する電圧を設定しておけば、超音波モー
タ５の実回転速度が目標の低速度に達するまでの間はコ
ンパレータ34の出力信号は“L"レベルとなり、目標の低
速度に達すると“H"レベルになる。コンパレータ34の出
力信号は第７図の実施例と同様にオアゲート35に入力さ
れている。したがって、この実施例においても第７図の
実施例と同様な効果を得ることができる。
なお、上記の各実施例においては超音波モータ５に入
力する交流電圧信号をゲート回路で遮断することにより
一時停止状態を生じさせているが、リレー接点やスイッ
チ等によって超音波モータ５への入力電圧を機械的に遮
断してもよい。
また、超音波モータ５への入力電圧の値を変更して駆
動速度を減速する場合には、高速駆動から低速駆動への
切換時に入力電圧の値を一時的に零にする構成とするこ
とにより、同様の効果が得られる。
−第５の実施例− この実施例は、印加交流電圧を一時的に直流電圧とし
て一時停止状態を得るものある。第10図に第５の実施例
を示す。
フリップフロップ21,22のクリア端子CLにタイマ33の
反転出力端子の出力信号を入力し、タイマ33の作動時
間中はフリップフロップ21,22をリセット状態にし、電
力増幅器4a,4bにはフリップフロップ22および21の反転
セット出力の出力信号を直接入力する。このようにす
れば、超音波モータ５に入力される信号がタイマ33の作
動時間の間だけ“H"レベルの直流成分のみとなり、超音
波モータ５に入力される信号の周波数がタイマ33作動時
間だけ零となり、第１図の実施例と同様な効果を得るこ
とができる。
なお、本発明はリニア形超音波モータにも適用できる
ことは言うまでもない。
G.発明の効果 以上説明したように本発明によれば、超音波モータを
高速駆動から低速駆動へ切換える時は、弾性体と相対運
動部材との摩擦力を、一時的に増大させるようにしたた
め、超音波モータを短時間で減速させ、低速駆動に切換
えることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例を示すブロック図、第２
図（ａ），（ｂ）は超音波モータの概略構成を示す断面
図および斜視図、第３図は超音波モータの駆動周波数と
駆動速度との関係を示す特性曲線図、第４図は第１図の
実施例の各部の入出力信号のタイムチャート、第５図は
低速度へ切換える時の速度変化を示したグラフ、第６図
は従来装置において低速度へ切換える時の速度変化を示
すグラフ、第７図は本発明の第２の実施例を示すブロッ
ク図、第８図は本発明の第３の実施例を示すブロック
図、第９図は本発明の第４の実施例を示すブロック図、
第10図は本発明の第５の実施例を示すブロック図であ
る。 1:駆動速度変更回路、2:分周移相回路 3:一時停止回路、4a,4b:電力増幅器 5:超音波モータ、6:ロータリエンコーダ 7:FV変換器、8:タコジェネレータ 9:交流／直流変換器 10A:駆動信号形成回路、10B:切換回路 11,12:発振器 21,22:フリップフロップ 31,32:アンドゲート 33:タイマ、34:コンパレータ 51:弾性体、52:圧電体 52a〜52d:電極 53:振動体、54:スライダ 55:ロータ、56:回転子

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】弾性体と該弾性体に接合された電気機械変
    換素子とを備えた超音波モータの駆動装置において、 前記電気機械変換素子に印加する、少なくとも高速駆動
    用および低速駆動用の交番電圧信号を出力可能な駆動信
    号形成手段と、 前記高速駆動用および低速駆動用の交番電圧信号を切り
    換えて前記電気機械変換素子に印加せしめる切換手段
    と、 高速駆動から低速駆動への切換時に、前記電気機械変換
    素子に印加する交番電圧信号を所定時間だけ前記超音波
    モータが停止する値に維持する一時停止手段とを有し、 低速駆動時には前記低速駆動交番電圧信号が前記電気機
    械変換素子へ連続的に印加されることを特徴とする超音
    波モータの駆動装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の超音波モータの駆動装置に
    おいて、 前記一時停止手段は、前記交番電圧信号の周波数を所定
    時間だけ零にすることを特徴とする超音波モータの駆動
    装置。
  3. 【請求項３】請求項２記載の超音波モータの駆動装置に
    おいて、 前記一時停止手段は、前記交番電圧信号を所定時間だけ
    遮断することによりその周波数を零にするものであるこ
    とを特徴とする超音波モータの駆動装置。
  4. 【請求項４】請求項２記載の超音波モータの駆動装置に
    おいて、 前記一時停止手段は、前記電気機械変換素子に印加する
    前記交番電圧信号を直流成分のみにすることによりその
    周波数を零にするものであることを特徴とする超音波モ
    ータの駆動装置。
  5. 【請求項５】請求項２記載の超音波モータの駆動装置に
    おいて、 前記所定時間は、前記超音波モータが前記高速駆動の状
    態にあるときに、前記電気機械変換素子に印加する交番
    電圧信号を前記超音波モータが停止する値とした際に超
    音波モータが目標とする低速状態となるまでの時間に基
    づいて設定された時間であり、 前記一時停止手段はタイマを有し、該タイマにより前記
    所定時間の間、前記電気機械変換素子に印加される交番
    電圧信号の周波数を零にすることを特徴とする超音波モ
    ータの駆動装置。
  6. 【請求項６】請求項２記載の超音波モータの駆動装置に
    おいて、 前記超音波モータの速度を検出する検出手段、並びに該
    検出手段で得られた値を目標とする低速度に基づく値と
    を比較して前記超音波モータが所定の速度に到達したか
    否かを検出する比較手段を備え、 前記一時停止手段は、高速駆動から低速駆動に切り換え
    られた際は、前記比較手段によって前記超音波モータが
    所定の速度に到達したことが検出されるまでの間、前記
    電気機械変換素子に印加される交番電圧信号の周波数を
    零にすることを特徴とする超音波モータの駆動装置。
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