Ultrasonic motor and method of driving ultrasonic motor

本発明は、超音波モータ、その超音波モータを駆動するための回路及びその回路による駆動方法に関する。

従来、超音波モータは温度変化によりその周波数特性が変動することが知られており、動作制御が難しい。 一般に、超音波モータは温度が高いほど超音波モータの振動子の共振周波数が低くなるとともに、共振周波数で超音波モータを駆動させた際の回転数である最高回転数が大きくなる。 また、超音波モータの振動子の共振周波数よりも低い周波数で駆動した場合は動作が不安定になり、回転数が大きく低下し制御性が悪化してしまう。 このことに加えて、大電流が流れて超音波モータや駆動回路が破壊される場合がある。

通常、静止状態の超音波モータに電圧を印加して回転させる際には、まず超音波モータが駆動しないほどの高い駆動周波数の交流駆動電圧を加えて、駆動周波数を下げることで回転数を上げる制御を行い、回転させる。 また一般に超音波モータは使用温度範囲が定められており、この使用温度範囲において安定的に動作することが求められている。

このため、何らかの方法で温度による超音波モータの振動子の共振周波数の変化に対応し、常に該共振周波数よりも高い周波数でモータを駆動する必要がある。

この問題を解決する手段として、特許文献１には、予め定められた使用温度範囲内の最低温度における共振周波数よりも高い周波数を下限周波数ｆＬとして記憶するメモリと、下限周波数より高い周波数になるように制御する発振回路を用いた方法が開示されている。 この最低温度は、ユーザーが想定している使用温度範囲における、下限温度のことを指す。

図１０に特許文献１に記載の超音波モータ駆動方法の概念図を示す。 使用温度範囲は、−２０℃〜＋６０℃の間を想定しており、図１０は代表的な−２０℃、＋２０℃、＋６０℃での、駆動周波数Ｆと回転数Ｎの関係を表している。 図１０に示されているように一般に超音波モータは印加される駆動周波数に対する回転数に関する関係は、温度が上昇するほど共振周波数は減少し、かつ共振周波数における回転数は増加する方向にシフトする。

下限周波数ｆＬで駆動した場合の−２０℃、＋２０℃、＋６０℃ での回転数を、それぞれＮｍＬ、ＮｍＭ、ＮｍＨとする。 また、−２０℃、＋２０℃、＋６０℃での共振周波数を、それぞれｆｒＬ、ｆｒＭ、ｆｒＨとし、各温度において共振周波数で駆動した場合の回転数をＮｒＬ、ＮｒＭ、ＮｒＨとする。 また、最高温度とは、ユーザーが想定している使用温度範囲における、上限温度のことを指す。

下限周波数ｆＬとして、上述で設定した最低温度において安定的に最高回転数ＮｒＬに近い回転数の得られる周波数を設定し、前記メモリに記憶する。 この状態で、前記発振制御回路により、該メモリの情報をもとに下限周波数ｆＬよりも高い周波数で駆動する。 このような方法で駆動すれば、全温度範囲において全ての共振周波数ｆｒＬ、ｆｒＭ、ｆｒＨより低周波数になる領域に入り込むことはない。

また、別の解決手段として、特許文献２には、超音波モータの近傍に配置された温度センサにより検出した温度に基づいて、前記下限周波数の値を補正する方法が開示されている。

図１１は、特許文献２に記載されている、温度による設定すべき下限周波数の変化を表す概念図である。

前述の通り、超音波モータは温度変化によって共振周波数が変化するため、このような共振周波数の温度依存性を考慮して、下限周波数を設定する。 具体的には、図１１に示すような、温度毎の下限周波数をメモリに記憶する。 温度上昇に伴って、共振周波数が低周波数側にシフトするため、それに合わせて該下限周波数の値も小さくなるようにする。 制御時には、前記温度センサにより検出した温度に対応した下限周波数をメモリから読み込んで設定する。 前記下限周波数は、各温度での共振周波数よりも高い周波数となるように設定されているため、それぞれの温度の条件において共振周波数より低周波数になる領域に入り込むことはない。

特許文献１に記載の超音波モータ駆動回路及び駆動方法では、あらかじめ定められた下限周波数ｆＬよりも高い周波数でしか超音波モータを駆動することができない。 そのため図１０からも分かるように、最大回転数が、最低温度ではＮｍＬであったのに対し、最高温度ではＮｍＨまで低下してしまう。 例えば、モータの種類や使用温度範囲によっては、温度上昇前の最大回転数に対して、温度上昇後の最大回転数が約半分まで低下してしまうものもある。

このようなことから、回転と停止が頻繁に繰り返されることでモータの温度変化が著しく、かつ温度によらず一定の最大回転数を維持する必要がある産業用ロボットなどへ超音波モータの適用は困難であった。

また、特許文献２に記載の超音波モータ駆動方法では、温度変化による共振周波数の変化に応じて下限周波数が変化するため、最大回転数が減少することはないが、温度を検出するためのセンサが必要であり、コストアップにつながる。

そこで、本発明は、超音波モータに温度変化があった場合でも、最大回転数の変化を抑制でき、かつ駆動周波数が各温度での共振周波数より低くなることがないような、より安価な構成の超音波モータの駆動回路及び駆動方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる超音波モータ駆動方法は、
交流駆動電圧を印加することで駆動する超音波モータの駆動方法であって、
予め定められた使用温度範囲内の最低温度における共振周波数での回転数よりも低い上限回転数Ｎｓと、前記使用温度範囲内の最高温度における共振周波数以上の下限周波数Ｆｓと、を設定し、
前記超音波モータを駆動する際に、前記超音波モータの回転数が前記上限回転数Ｎｓよりも低い回転数となり、かつ前記下限周波数Ｆｓよりも高い駆動周波数Ｆで前記超音波モータの駆動を制御することを特徴とする超音波モータの駆動方法、である。

本発明にかかる超音波モータの駆動回路及び駆動方法によって、超音波モータに温度変化があった場合でも、最大回転数の変化を抑制でき、かつ駆動周波数が各温度での共振周波数を以下になることがなく、より安価な構成で超音波モータを駆動することができる。

超音波モータの駆動回路を表す模式図である。

超音波モータの駆動回路における、２つの駆動電圧波形を示す図である。

超音波モータの構造を表す断面図である。

超音波モータの温度特性と、実施例１における上限回転数Ｎｓ及び下限周波数Ｆｓの関係を示す図である。

目標回転数を表す模式図である。

超音波モータの駆動方法を示すフローチャートである。

各温度において使用可能な周波数範囲を示す図である。

超音波モータを使用したロボットアームを示す図である。

実施例２におけるモータの駆動状態を表す図である。

特許文献１に記載の超音波モータの温度特性と使用可能な周波数範囲を示す図である。

特許文献２に記載の温度による下限周波数の変化を表す概念図である。

以下、本発明にかかる交流駆動電圧を印加することで駆動する超音波モータを実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

本実施例では、使用する超音波モータの特性から、超音波モータの使用温度範囲が＋１０℃〜＋８０℃である場合を想定している。

図１は、本発明に係る超音波モータの駆動方法を実施する駆動回路の基本構成を示す模式図である。

本発明に係る超音波モータの駆動方法を実施する駆動回路は、図１に示すように、周波数生成回路１、駆動波形生成回路２、超音波モータ３、回転検出装置であるエンコーダ４、メモリ５、周波数制御回路６を有する。

周波数生成回路１は、２００ＭＨｚのクロック周波数で駆動される１１ｂｉｔのカウンターで構成され、後に述べる周波数制御回路により出力された駆動周波数Ｆが入力されると、その４倍の周波数となるパルス信号Ｆ´を出力する。

駆動波形生成回路２は、周波数生成回路１の出力Ｆ´をクロック周波数として駆動される分周回路と、２つのＤフリッププロップにより構成される。

超音波モータ３は、進行波型のものであり、超音波モータを駆動開始後に現在位置（回転角度）を検出するためのエンコーダ４を有する。

メモリ５には、上限回転数Ｎｓ及び下限周波数Ｆｓが記憶される。

周波数制御回路６は、前記エンコーダ４により検出された超音波モータの回転に関する現在位置の情報から現在の回転数Ｎｎを計算し、現在の回転数Ｎｎと現在の駆動周波数Ｆｎの情報から、次の指令周波数Ｆｃ計算し、周波数生成回路１へ出力するものである。 次の指令周波数Ｆｃの計算方法は、駆動方法のところで詳しく述べる。

図２は超音波モータの駆動回路における、２つの駆動電圧波形を示す図である。 ２つのフリップフロップの出力は互いに９０度位相がずれることとなり、超音波モータを駆動するために必要なＡ相、Ｂ相の２つの駆動波形が出力される。 前記周波数制御回路６によりＡ相及びＢ相の駆動波形の周波数を変更することで、その駆動周波数に応じた回転数で超音波モータ３が回転する。

図３は、超音波モータ３の構造を表す断面図である。 超音波モータ３は、移動体７（駆動体）、圧電素子８及び弾性体９から成る振動体１０、シャフト１１、外筒１２を有する。 移動体７、振動体１０は、それぞれ円環型の部品であり、外筒１２は円筒形である。 シャフト１１と移動体７は、互いに連結されている。 また、前記駆動回路の出力により圧電素子８に進行波を発生させることで、移動体７が駆動され、シャフト１１に回転運動が生じる。

次に、実施例の駆動方法について説明する。 図４に、超音波モータの駆動周波数に対する回転数の特性を、いくつかの温度に応じて示す。 図４において、Ｎｓは上限回転数、Ｆｓは下限周波数を表す。 Ｆｒ１、Ｆｒ２、Ｆｒ３は、それぞれ＋１０℃、＋４５℃、＋８０℃での共振周波数を表し、Ｎｒ１、Ｎｒ２、Ｎｒ３は各温度において共振周波数で駆動した場合の回転数を表す。 また、超音波モータを、＋１０℃、＋４５℃、＋８０℃の状態で、共振周波数より高い周波数で駆動した場合、上限回転数Ｎｓとなるときの駆動周波数を、それぞれＦｎｓ１、Ｆｎｓ２、Ｆｎｓ３とする。 Ｆｎｓ１は本実施例の使用温度範囲である＋１０℃〜＋８０℃の内の最低温度における設定した上限回転数Ｎｓに相当する駆動周波数である。 Ｆｎｓ１を以下では必要に応じてＦｎｓ（ｌｏｗ）と呼ぶことがある。 一方、Ｆｎｓ３は使用温度範囲の最高温度での値のためＦｎｓ（ｈｉｇｈ）と呼ぶことがある。 各温度における超音波モータの駆動周波数に対する回転数の特性は、共振周波数より高い周波数で駆動した場合は周波数を下げるほど回転数が高くなるが、共振周波数より低い周波数で駆動した場合には周波数を下げるほど回転数が低くなる。 一般的に超音波モータは共振周波数より高い周波数で駆動するため、高周波の駆動電圧を印加して停止させている状態から周波数を下げることにより、所望の回転数で動作する。 このとき、駆動周波数を目標とする回転数に対応した値まで一気に変化させるのではなく、徐々にスイープさせることで、安定して制御することができる。

上限回転数Ｎｓを決めるにあたり、まず、超音波モータを最低温度に保った状態で、最低温度での共振周波数Ｆｒ１より十分大きく、超音波モータが駆動しないような領域の周波数を印加する。 次に、駆動周波数Ｆを共振周波数Ｆｒ１になるまで一定値ずつ下げながら超音波モータを駆動し、駆動周波数Ｆが共振周波数Ｆｒ１となった時の回転数Ｎｒ１を調べる。 最後に上限周波数Ｎｓを、共振周波数Ｆｒ１のときの回転数Ｎｒ１と、超音波モータを駆動する際に与えられる目標回転数Ｎｏの最大値Ｎｏｍの間になるようにする。 本実施例では、目標回転数Ｎｏとして、時間により指令回転数Ｎｏの値が変化するような、回転数の軌道Ｎｏ（ｔ）を想定している（図５）。 ここで、ｔは時間を表し、制御開始時間をｔｓ、制御終了時間をｔｅとする。 図５で示すような目標回転数の軌道が与えられた場合、目標回転数が最大となった時の値がＮｏｍとなる。

本発明においては、予め定められた使用温度範囲内の最低温度における共振周波数での回転数よりも低い上限回転数Ｎｓと、前記使用温度範囲内の最高温度における共振周波数以上の下限周波数Ｆｓと、をまず設定する。 その上で、超音波モータの回転数が上限回転数Ｎｓよりも低い回転数となり、かつ下限周波数Ｆｓよりも高い駆動周波数Ｆで前記超音波モータを駆動すると良い。 このような構成をとることで超音波モータに温度変化があった場合でも、最大回転数の変化を抑制でき、かつ駆動周波数が各温度での共振周波数を越えることがなく、より安価な構成で超音波モータを駆動することができる。

さらに、下限周波数Ｆｓを決めるにあたり、まず、超音波モータを最大温度に保った状態で、最大温度での共振周波数Ｆｒ３より十分大きく、超音波モータが駆動しないような領域の周波数を印加する。 次に、最大温度に保った状態で駆動周波数Ｆを超音波モータの回転数Ｎが上限回転数Ｎｓになるまで一定値ずつ下げ、回転数Ｎが上限回転数Ｎｓとなった時の駆動周波数Ｆｎｓ３（＝Ｆｎｓ（ｈｉｇｈ））の値を調べる。 下限周波数Ｆｓを、前記共振周波数Ｆｒ３以上かつ、前記周波数Ｆｎｓ３（＝Ｆｎｓ（ｈｉｇｈ））以下の範囲内となるように設定する。 このとき、使用温度範囲の最大値を、モータの温度上昇の限界値としてしまうと、下限周波数Ｆｓで駆動し続けた場合にモータ温度が限界値を超えてしまう可能性がある。 そのため、使用温度範囲の最大値はモータ温度の限界値に対して余裕を見て設定するとさらに良い。 このような下限周波数Ｆｓの設定を行うと、使用温度範囲の内の高い温度での駆動においても回転数の下落を効果的に抑制でき、最大回転数を維持するのに好ましい。

図６に、本発明の超音波モータの駆動方法を表すフローチャートを示す。

まず、前記メモリに上限回転数Ｎｓ及び下限周波数Ｆｓを書き込む（ステップＳ１）。 次に、目標回転数Ｎｏを設定する（ステップＳ２）。 また、初期の駆動周波数Ｆｎとして、最低温度における共振周波数Ｆｒ１より十分大きい周波数を設定する（ステップＳ３）。

続いて、設定されている駆動周波数ＦｎでＦｎ現在の回転数Ｎｎを検出し（ステップＳ４）、目標回転数Ｎｏと現在の回転数Ｎｎから周波数変化量ΔＦを計算する（ステップＳ５）。 例えば、回転数Ｎを制御する方法としてＰ制御を想定した場合、比例ゲインをｋｐとして、ΔＦ＝ｋｐ（Ｎｎ−Ｎｏ）となる。 ここで、周波数変化量ΔＦの絶対値｜ΔＦ｜と予め定められた周波数変化量の上限値ΔＦｏを比較し（ステップＳ６）、｜ΔＦ｜の値がΔＦｏ以上になった場合、｜ΔＦ｜＝ΔＦｏとなるようにする（ステップＳ７）。 ここで、周波数変化量の上限値ΔＦｏは、最低温度において上限回転数Ｎｓとなる周波数Ｆｎｓ１と共振周波数Ｆｒ１の差分の絶対値よりも小さい、かつ正の値となるように設定する。 このようにすることで、駆動周波数が各温度での共振周波数より低くなることが防止できる。 加えて、周波数の変化量がΔＦｏ以下になることで、周波数を徐々にスイープしながら駆動させることができ、安定して制御することが可能になる。 その後、上限回転数Ｎｓと現在の回転数Ｎｎを比較し（ステップＳ８）、現在の回転数Ｎｎが上限回転数Ｎｓ以下である場合に、現在の駆動周波数ＦｎにΔＦを加えた値を次の指令周波数Ｆｃとする（ステップＳ９）。 そうでない場合、周波数変化量ΔＦの符号を調べ（ステップＳ１０）、ΔＦの符号が正の時は現在の駆動周波数ＦｎにΔＦを加えた値を指令周波数Ｆｃとし（ステップＳ９）、それ以外では指令周波数Ｆｃを現在の駆動周波数Ｆｎと同じ値とする（ステップＳ１１）。

さらに、指令周波数Ｆｃと下限周波数Ｆｓを比較し（ステップＳ１２）、指令周波数Ｆｏが下限周波数Ｆｓの値以下の場合にのみ、指令周波数Ｆｃを下限周波数Ｆｓと同じ値とする（ステップＳ１３）。 最後に、指令周波数Ｆｃの値を駆動周波数Ｆｎとして設定する（ステップＳ１４）。 その後、制御終了時間ｔｅになるまでの間、ステップＳ４〜ステップＳ１４を繰り返す（ステップＳ１５）。 以上の方法により、超音波モータが駆動される。

本実施例により、超音波モータを駆動した場合＋１０℃、＋４５℃、＋８０℃で使用可能な周波数範囲は、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す通りになる。 図７（ａ）を例にとって説明すると、超音波モータの温度が＋１０℃の場合に、駆動周波数Ｆが共振周波数Ｆｒ１より低くなることはなく、安定して駆動できる。 また、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、温度が＋４５℃、＋８０℃の場合でも同様に、それぞれの共振周波数Ｆｒ２、Ｆｒ３よりも駆動周波数Ｆが小さくなることはない。 また、全ての温度において、超音波モータの最高回転数を上限回転数Ｎｓまで上げることができ、温度上昇とともに最大回転数が低下することを抑制できる。

本発明の駆動方法は、回転と停止が頻繁に繰り返されることでモータの温度変化が著しく、かつ温度によらず一定の最大回転数を維持する必要があるロボットアームの制御に用いることができる。 図８に本発明のロボットアームを示す。 ロボットアーム１３は、複数のリンクが連結され、本発明による超音波モータをアクチュエータとして各リンクが駆動される。 なお、上述した実施例において、周波数発生回路、駆動波形発生回路は、他の方式でもよい。 また、本実施例では、使用温度範囲を＋１０℃〜＋８０℃としたが、より広い温度範囲に適応することが可能である。 さらに、周波数変化量ΔＦを計算する方法は、Ｐ制御のみに限らず、他の制御方式を用いてもよい。 加えて、目標回転数Ｎｏを与える方法は、他の方法でもよい。

実施例１と同様の部分を省略し、主として異なる部分のみを説明する。

まず、下限周波数Ｆｓが設定可能な範囲について、図４を用いて説明する。

本実施例２では、下限周波数Ｆｓを、最高温度において上限回転数Ｎｓに相当する周波数Ｆｎｓ３（＝Ｆｎｓ（ｈｉｇｈ））より高く、かつ最低温度において上限回転数Ｎｓに相当する周波数Ｆｎｓ１（＝Ｆｎｓ（ｌｏｗ））以下の範囲の周波数となるように設定することを特徴とする。 このとき、設定される下限周波数Ｆｓは図４の斜線部外となるが、実施例１では最高温度でも最大回転数を維持するために斜線部内に下限周波数Ｆｓを設定しているのに対し、実施例２では温度上昇を抑えるために斜線部より高い範囲に下限周波数Ｆｓを設定している。

本実施例２は、以上のように構成されているため、モータの温度が使用温度範囲の上限である＋８０℃に達することはない。 その理由について、図９を用いて説明する。 図９において、下限周波数Ｆｓで駆動した場合に回転数が上限回転数Ｎｓとなる温度をＴ１、Ｔ１から微小な温度ΔＴ上昇したときの温度をＴ２とする。 温度Ｔ１、Ｔ２は、それぞれ使用温度範囲の上限である＋８０℃より低く、使用温度範囲の下限である＋１０℃より高い温度である。 また、温度Ｔ１、Ｔ２の間の特定の温度をＴｅｑとする。 超音波モータを、図６に記載の駆動方法で駆動した場合、駆動周波数は下限周波数Ｆｓより低くならないため、温度がＴ２まで上昇すると、最高回転数が上限回転数ＮｓからΔＮだけ低下する。 回転数が低下することにより、モータの駆動に余裕ができ、モータ温度が低下する。 このように、モータの温度上昇、駆動周波数が下限周波数Ｆｓに達することによる最高回転数の低下、それに伴うモータの温度低下繰り返すことにより、モータの温度は温度Ｔｅｑで平衡状態となる。 温度Ｔｅｑは使用温度範囲の上限値より低い値であるため、超音波モータが上限温度を超えて駆動されることはない。

前述したように超音波モータを、使用温度範囲を超えて駆動した場合、圧電素子の振動が小さくなるなどの特性劣化につながる。 このため、本実施例２を用いた場合は、温度安定性が高くより安全に超音波モータを駆動することができる。

１ 周波数生成回路 ２ 駆動波形生成回路 ３ 超音波モータ ４ エンコーダ ５ メモリ ６ 周波数制御回路 ７ 移動体 ８ 圧電素子 ９ 弾性体 １０ 振動体 １１ シャフト １２ 外筒 １３ ロボットアーム