KR100204460B1 - 초음파모터의 속도제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전체의 압전효과에 의해 여진한 탄성진동을 사용해서 구동력을 발생하는 초음파모터의 속도제어에 관한 것으로서, 종래의 속도제어방법에서는 구동전압의 주파수, 구동전압의 진폭, 구동신호의 위상차를 각각 단독으로 변화시킴으로써 속도제어하고 있었으므로 속도제어회로가 복잡해지고, 또 코스트가 상승하여 초음파모터실용화의 큰 장벽이 되고 있었다. 본 발명은 간단한 회로에 의해서 초음파모터의 고정밀도의 속도제어를 실현하는 것을 목적으로 하는 것이며 그 구성에 있어서, 교류구동신호의 주파수를 가변하는 것과, 교류구동신호의 진폭을 가변하는 것, 또한 교류구동신호의 주파수를 가변하는 것과 2개의 교류구동신호의 위상차를 가변함으로써 속도제어를 행하는 것에 의해, 간단한 회로에 의해서 초음파모터의 고정밀도의 속도제어를 실현하는 것을 특징으로 한 것이다.

Description

초음파모터의 속도제어방법

제1도는 디스크형 초음파모터의 절결사시도.

제2도는 디스크형 초음파모터의 진동체의 직경방향의 진동변위도.

제3도는 초음파모터의 동작상태를 표시한 동작설명도.

제4도는 초음파모터의 구동회로의 일종래예를 표시한 도면.

제5도는 초음파모터의 구동회로의 다른 종래예를 표시한 도면.

제6도는 본 발명의 초음파모터의 구동회로의 일실시예의 블록도.

제7도는 제6도의 실시예의 동작을 설명하는 초음파모터의 속도특성도.

제8도는 제6도의 실시예의 구동전압의 진폭을 가변하는 구체적회로도.

제9도는 본 발명의 초음파모터의 구동회로의 다른 실시예의 블록도.

제10도는 제9도의 실시예의 동작을 설명하는 초음파모터의 속도특성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 송압회로 21, 36 : 가변발진회로

22, 37 : 이상(移相)회로 23, 24, 38, 39 : 전력증폭회로

25, 26, 40, 41 : 코일 27, 42 : 속도검출회로

28, 43 : 속도제어회로 29 : 저항

30, 32, 33 : 트랜지스터 31 : 구동신호

35 : 전원전압

본 발명은 압진체의 압전효과에 의해 여진(勵振)된 탄성진동을 사용해서 구동력을 발생하는 초음파모터의 속도제어에 관한 것이다.

최근, 전기-기계변환소자로서 압전세라믹등의 압전체를 사용해서 진동체를 구성하고, 진동체에 탄성진동을 여진하고, 이것을 구동력으로 한 초음파모터가 주목되고 있다.

이하, 도면을 참조하면서 초음파모터의 종래기술에 대해서 상세히 설명한다.

제1도는, 디스크형 초음파모터의 절결사시도이고, 금속이나 세라믹등의 탄성재료로 만들어진 디스크형의 탄성기판(1)의 1주요면에, 압전체로서 디스크형압전 세리믹(2)을 접합시켜 진동체(3)를 구성하고 있다.

탄성기판(1)의 다른 주요면에는, 진동체(3)의 진동에 의한 변위를 확대하기 위하여 돌기체(3a)가 설치되어 있다. (4)는 내마모성재료의 마찰재이고, (5)는 금속이나 플라스틱등의 탄성체이고, 서로 접합되어 이동체(6)를 구성하고 있다.

그리고, 이동체(6)는 마찰재(4)를 개재해서 스프링등의 가압수단(여기서는 도시하지 않음)에 의해, 진동체(3)와 안정되게 가압접촉해서 설치된다. 마찰재(4)는 내마모성과 함께 이동체(6)와 돌기체(3a)와의 안정된 접촉을 얻는 역할도 다하고 있다.

압전세라막(2)에는 위치적으로 1/4파장만큼 어긋나게 해서 2조의 구동전극이 형성된다. 이들 2조의 구동전극에 각각 서로 90°위상이 다른 2개의 교류전압을 인가하면 제2도에 표시한바와 같은 직경방향의 변위분포를 가진 직경방향이 2차이고, 둘레방향 3차 이상의 굴곡진동의 진행파가 진동체(3)에 여진된다.

이 진행파의 파두의 가로방향변위성분에 의해, 이동체(6)는 마찰구동되고 회전중심축(7)을 중심으로 회전운동한다.

그리고 구동전극에 인가하는 2개의 교류전압의 위상차 90°의 부호를 거꾸로 하면 굴곡진동의 진행파의 진행방향을 바꿀 수 있고 그 결과, 이동체(6)의 회전방향을 바꿀 수 있다.

이상과 같이 구성된 종래의 초음파모터에 대해서 이하 그 동작에 대해서 설명한다. 압전체(2)의 전극 A 및 B에 식 ①, 식 ②로 표시되는 서로 90°위상이 다른 전압 V1 및 V2를 각각 인가한다.

v1=v0 × sin(wt) … ①

v2=vo × cos(wt) … ②

여기서, v0 : 전압의 최대치

w : 각 주파수

t : 시간

이다.

이에 의해, 압전세라믹(2)에는 위치적으로 1/4파장만큼 어긋난 2조의 구동전극이 형성되어 있으므로 진동체(3)에는 식③으로 표시할 수 있는 원주방향으로 진행하는 굴곡진동의 진행파가 여진된다.

ξ= ξ0 × cos(wt) × cos(kx) + sin(wt) × sin(kx)

= ξ0 × cos(wt-kx) … ③

여기서, ξ : 굴곡진동의 진폭치

ξ0 : 골곡진동의 최대치

Ｋ : 파수(=2π/λ)

λ : 파장

Ｘ : 위치

이다.

제3도는, 초음파모터의 동작원리를 설명하기 위한 동작원리도이고, 진동체(3)로부터 이동체(6)에 구동력을 전달하고 있는 원주형상의 접촉부분을 리니어모델로 근사하고 있다. 진동체(3)에 골곡진동의 진행파가 여진되면 진동체(3)의 표면의 각 점은 동도면에 표시된 바와 같이 긴축 Ｗ, 짧은 축 u의 타원궤적을 그려서 운동한다.

이동체(6)는 진행파의 파두(예를 들면 Ａ)에서 진동체(3)와 접촉하고 진동체(3)의 가로방향의 변위성분에 의해 마찰구동되고 파의 진행방향과의 반대방향으로 식④의 속도 Ｖ로 운동한다.

Ｖ=w×u … ④

진행파의 파두는 연속적으로 이동하므로 진동체(3)와 이동체(6)의 접촉점도 시간과 함께 이동하고 이동체(6)는 연속적으로 구동되어 원활한 회전운동을 한다.

제4도는 종래의 초음파모터의 구동, 속도제어회로의 불록도이다. 동도면에 있어서 전압가변형발진회로(8)는 초음파모터의 구동교류신호를 발생한다. 이 전압가변형발진회로(8)의 출력신호는 2분할되고 한쪽은이상(移相)회로(9)에 의해 소정의 위상(+90°또는 -90°)만큼 옮겨서 전력증폭회로(10)에 입력된다.

다른 한쪽의 신호는 그대로 전력증폭회로(11)에 입력하고 각각 초음파모터를 구동하기에 충분한 레벨로 전력 증폭된 후, 각각 코일(12), (13)을 통해서 파형정형을 한 후, 각각 초음파모터의 진동체(3)의 2개의 구동단자에 입력된다.

이 결과 초음파모터의 진동체(3)에는 굴곡진동의 진행파가 여진되고 이동체(6)가 이동한다.

여기서, 구동신호를 만드는 발진회로(8)와 이상회로(9)는 저전압에서 동작하고 저전압의 직류전원 1을 전원으로 하고 전력증폭기(10), (11)는 초음파 모터를 구동하기에 충분한 구동전압을 만들 수 있는 고전압의 직류전원 2를 전원으로 하고 있다.

또, 여기서는 도시하고 있지 않으나 전력증폭회로(10)와 (11)를 사용하는 대신에 전류증폭기와 승압트랜스에 의해 초음파모터를 구동하기에 충분한 레벨로 전력증폭하고 있는 예도 있다.

그리고 초음파모터는 다른 압전디바이스와 마찬가지로 공진특성을 가지고 구동주파수가 공진주파수에 가까워짐에 따라 임피던스가 작아지고, 구동단자에 흐르는 전류가 커지고, 진동체의 진동진폭이 커지고 이동체의 속도가 커진다.

즉, 제4도의 종래예에서는 초음파모터의 이동체(6)의 속도는 전압가변형발진회로(8)의 발진신호의 주파수를 제어단자 Ｔ의 전압으로 가변함으로써 제어된다.

이동체(6)의 속도는 동도면중에는 도시하고 있지 않으나 이동체(6)에 직접 회전식부호기를 장착하거나, 이동체(6)의 속도가 진동체(3)의 진동진폭에 비례하는 것을 이용해서 진동체(3)의 진동진폭을 검출함으로써 검출된다.

제5도는 초음파모터의 구동·속도제어회로의 다른 종래예의 불록도이다. 동도면에 있어서 발진회로(14)의 출력신호는 2분할되고 한쪽은 이상회로(15)에 의해 소정의 위상만큼 옮기고나서 전력증폭회로(17)에 입력된다.

다른 한쪽의 신호는 그대로 전력증폭회로(18)에 입력되고 각각 초음파모터를 구동하기에 충분한 레벨로 전력증폭된 후, 각각 코일(19), (20)을 통해서 파형정형되고 각각 초음파모터의 진동체(3)의 2개의 구동단자에 입력된다. 이 결과, 진행파에 의해 초음파모터의 이동체(6)가 이동한다.

여기서, 구동신호를 만드는 발진회로(14)와 이상회로(15)는 저전압에서 동작하는 소신호회로이므로 직류전원의 출력을 그대로 전원으로 하고 전력증폭기(17),(18)는 초음파모터를 구동하기에 충분한 구동전압을 만들기 위하여 고전압의 직류전원을 필요로 한다.

따라서 직류전원을 직류승압회로인 진폭제어회로(16)에 의해서 승압한 후에 전력증폭기(17), (18)에 공급하고 있다. 동도면의 회로에서는 초음파모터의 이동체(6)의 속도는 진폭제어회로(16)에 의해 전력증폭기(17), (18)의 직류전원전압을 가변해서, 구동전압의 진폭을 가변함으로써 제어된다.

여기서는 진행파형초음파모터의 종래예로서 디스크형초음파모터를 들어서 설명했으나 진동체로서 중공구조를 가진 링현상을 채용하고 진동모드로서 직경방향 1차·둘레방향 3차 이상의 굴곡진동의 진행파를 사용하는 링형초음파모터도 있고 마찬가지의 동작원리로 동작하고 또 마찬가지의 속도제어회로를 사용하고 있다. 또 진동편에 의해서 이동체를 찌름으로써 이동체를 이동시키는 정재파형초음 파모터에서도 마찬가지의 속도제어법이 채용되고 있다.

이들 종래의 초음파모터의 속도제어방법에서는, 구동전압의 주파수, 구동전압의 진폭 혹은 구동신호의 위상차를 각각 단독으로 변화시킴으로써 속도제어하고 있었으므로, 충분한 정밀도의 속도제어를 행하기 위해서는, 구동전압의 주파수 또는 진폭등을 세밀하게 바꾸지 않으면 안되었다.

이 때문에 속도제어의 정밀도를 높이기 위해서는, 고정밀도의 가변주파수발진회로 또는 고정밀도의 전압진폭가변회로등이 필요하게 되고 속도제어의 회로가 복잡해지고 비용이 상승한다는 과제가 있었다.

또, 고정밀도의 속도제어를 다지틀회로에 의해서 실현하고자 하면 가변의 분해능을 높이기 위하여 큰 제어비트가 필요하게 되기 때문에 실현이 곤란하고 비용이 높아지고, 초음파모터의 실용화의 하나의 큰 장벽이 되고 있었다.

예를 들면, 일본국 특개평 3-239168호 공보에 있어서는, 구동주파수의 가변기능과 구동전압의 가변기능을 가지고 있으나 구동주파수의 가변은 최대효율을 실현하기 위한 수단이고, 실제로는 구동주파수를 초음파모터의 반(反)공진주파수로 설정할 목적에서 형성되어 있다.

그리고 속도제어는 구동전압의 가변만에 의해 행해진다. 그리고 구동주파수가 초음파모터의 반공진주파수근처가 되도록 제어해서, 초음파모터를 구동효율이 높은 상태에서 항상 구동하는 것이다.

또, 일본국 특개평 4-222476호 공보에 기재된 발명은, 진동체에 진동상태검출수단을 설치하고 진동상태검출수단의 검출전압과 압전체에 인가하는 전압의 위상차가 일정하게 유지되도록 구동주파수를 가변하고 진동상태검출수단의 검출전압(속도)이 설정치로 유지되도록 인가전압을 가변함으로써 초음파모터를 항상 공진주파수근처에서 구동함으로써 구동효율이 높은 상태에서 항상 구동하는 것과 내부하성의 향상을 목적으로 하는 것이다.

그러나 구동주파수의 가변은 항상 초음파모터를 그 공진주파수에서 구동하기 위하여 이루어지고, 속도제어는 구동전압의 진폭치에 의해서만 행해지고 있기 때문에, 속도제어를 정밀도 좋게 행하고자 하면 고동전압을 높은 분해능으로 가변하는 것이 필요했다.

본 발명은, 초음파모터의 구동신호의 주파수를 가변하는 것과 교류구동신호의 진폭을 가변하는 것을 조합해서 행함으로써, 간단한 회로에 의해서 초음파 모터의 고정밀도의 속도제어를 실현한다.

또한 교류구동신호의 주파수를 가변하는 것과 2개의 교류구동신호의 위상차를 가변하는 것을 조합해서 속도제어를 행함으로써, 간단한 회로에 의해서 초음파 모터의 고정밀도의 속도1제어를 실현한다.

이하, 도면에 따라서 본 발명의 제1실시예에 대해서 상세히 설명한다.

[실시예 1]

초음파모터의 속도는 진행파(波)의 진동진폭, 구동신호의 주파수, 2개의 구동신호의 위상차 등에 의해 변화한다. 즉, 2개의 구동신호의 진폭이 일정한 경우라도, 구동주파수의 변화에 의해 진동체(3)에 여진(勵振)되는 굴곡진동의 진행파의 진폭이 변하여 이동체(6)의 회전수가 변화한다. 또, 구동주파수가 일정한 경우에도, 2개의 구동신호의 진폭이 변화함으로써 마찬가지로 굴곡진동의 진행파의 진폭이 변하여 이동체(6)의 회전수가 변화한다. 즉, 제1도의 초음파모터의 경우에는 2개의 구동신호의 위상차가 ±90°의 경우에는, (1), (2), (3)식에 표시한 바와 같이 진동체(3)에는 진행파만이 여진한다. 그리고 진행파의 진폭이 작아지면 (4)식의 타원궤적의 성분 u가 작아져서 이동체(6)의 속도 v가 작아진다. 그리고 구동주파수와 2개의 구동신호의 진폭의 어느한쪽만이 아니고 구동주파수와 2개의 구동신호의 진폭을 함께 변화시키므로써, 속도제어범위가 크고 또 고정밀도이고 고도로 안정된 속도제어가 실현된다.

제6도는 본 발명의 초음파모터의 속도제어방법을 실현한 회로의 1실시예의 블록도이고, 본 발명의 종래예로서 제1도에 표시한 초음파모터등의 초음파모터의 속도제어회로로서 사용된다.

동도면에 있어서 가변발진회로(21)는 제어단자 Ｔ에 인가하는 직류전압의 크기를 가변(可變)시키므로서 출력발진주파수를 가변시킬 수 있는 전압 제어형의 발진회로(vco)이고, 초음파모터를 구동하기 위한 교류전기신호를 출력한다. 가변발진회로(21)의 출력신호는 2분할되고, 한쪽신호는 이상(移相)회로(22)에 의해 소정의 위상(예를 들면 +90°또는 -90°)만큼 이상(移相)하고나서 전력증폭회로(23)에 입력되고 다른쪽신호는 그대로 전력증폭회로(24)에 입력된다. 그리고 각각의 신호는 전력증폭회로(23), (24)에 의해 초음파모터를 구동하는데 충분한 전압레벨로 전력증폭된다.

진동체(3)를 구성하는 압전체(壓電體)(2)에 구동에 기여하는 굴곡진동이외의 고주파신호를 입력하면, 압전체(2)속에서 손실로서 열로 변하여 초음파모터의 효율 및 신뢰성을 저하시킨다. 그래서 전력증폭된 2개의 신호는 각각 코일(25), (26)을 통과해서 고주파성분을 저감함으로써 파형정형이 되어서, 각각 초음파모터의 진동체(3)의 2개의 구동단자에 입력된다. 이 결과, 초음파 모터의 진동체(3)에는 효율좋게 굽힘진동의 진행파가 여진되고, 이 진행파에 의해 이동체(6)가 구동되어 회전을 시작한다. 여기서, 구동신호를 만드는 발진회로(21)와 이상회로(22)는, 저전압에서 동작하는 소(小)신호회로이므로 저전압의 직류전원의 출력을 그대로 직류전원으로서 사용하고, 전력증폭기(23), (24)는 초음파모터를 구동하는데 충분한 구동전압을 만들기 위해서 높은 전압의 직류전원을 필요로 하므로 직류전원을 승압회로(28)로 승압한후에 전력증폭기(23), (24)에 공급하고 있다.

다음에, 이상에서 설명한 바와 같이 구성된 제6도의 속도제어회로의 속도제어방법에 대해서 설명한다. 초음파모터의 이동체(6)의 이동속도는 속도검출회로(27)로 검출된다. 속도검출회로(27)의 구체적구성으로서는, 이동체(6)에 로터리인 코더등의 속도센서를 접속해서, 로터리인코더의 출력으로부터 이동체(6)의 속도를 산출하거나, 이동체(6)의 속도가 진동체(3)의 굴곡진동의 진폭에 비례하는 것을 이용해서, 진동체(3)를 구성하는 압전체(2)에 2조(組)의 구동전극을 형성하는 동시에 진동진폭검출용의 센서전극을 형성해서 진동진폭을 압전효과에 의해 센서전극의 전압출력으로서 판독하거나, 이동체(6)의 속도가 진동체(3)의 구동전극에 유입하는 기계암전류에 비례하는 것을 이용해서, 기계암전류를 판독하는 등의 방법을 실현할 수 있다. 그리고 속도검출회로(27)의 이동체(6)의 속도에 대응한 출력에 의해, 속도제어회로(28)는, 가변발진회로(21)의 발진주파수와 승압회로(28)의 승압비에 의해 초음파모터의 구동교류전압의 진폭을 가변(可變)시켜서, 이동체(6)의 속도가 정확하게 일정하게 되도록 제어한다.

제7도는, 제6도에 표시한 실시예의 속도제어방법을 설명하기 위한 초음파 모터의 동작특성도이며, 횡축은 구동주파수를 표시하고 있고, 종축은 이동체(6)의 속도를 표시하고 있다. 동도면에 표시한 복수의 특성의 각각은 구동교류전압을 일정하게 해서 구동주파수를 변경했을 때의 특성이고, 진동체(3)의 공진주파수에 의해서 이동체(6)의 속도는 최고로 된다. 동도면은, 초음파모터의 속도는 구동주파수와 함께 구동전압의 진폭치에 의해서도 가변시킬 수 있고, 구동전압의 진폭치가 크게 되면 속도도 크게 되는 것을 표시하고 있다. 초음파모터의 속도제어회로를 마이크로컴퓨터등의 수단으로 디지털 화하는때 등에는, 구동주파수 및 구동전압의 진폭을 연속적으로 바꾸면 회로가 복잡하게 되므로, 일반적으로는 이산적(離散的)으로 변화시킨다. 따라서, 구동주파수와 구동전압의 어느한쪽만의 가변으로는 속도제어도 한정된 분해능(能)으로 이산적으로 밖에는 행할 수 없고, 정밀도와 안정성이 높은 속도 제어는 할 수 없다. 그래서, 본 발명에서는 구동주파수 또는 구동전압의 진폭중 한쪽이 아니라, 양쪽의 변화시키므로써, 속도의 가변범위를 확대하는 동시에 속도가변의 분해능을 올리고 있다. 그리고 이 속도제어회로에서는 공진주파수를 경계로 해서, 구동주파수에 대한 이동체속도의 변화의 경향이 바뀌므로 공진주파수보다도 높은 주파수 영역만을 구동주파수 영역으로서 사용한다. 이 주파수영역은 공진주파수 보다도 낮은 주파수영역보다도 동작이 안정하다는 특징도 있다.

여기서, 제6도의 실시예의 회로의 동작을 시간적으로 설명한다. 초음파모터의 기동시에는 가변발진회로(21)가 발진을 개시하고, 진동체(3)의 공진주파수보다 높은 주파수로부터 낮은 주파수로 발진주파수의 스위프(sweep)를 개시한다. 진동체(3)에 구동전압이 인가되기 시작하면 진동체(3)에는 굴곡진동의 진행파가 여진되어 이동체(6)가 회전하기 시작한다. 이동체(6)의 속도를 속도검출회로(27)로 검출하고, 이동체(6)의 속도가 목표속도에 대해서 제1설정범위내로되면 발진주파수의 스위프를 정지한다. 그리고 검출속도가 목표속도의 제2설정범위내에 없을 때에는, 속도제어회로(28)는, 가변발진회로(21)의 제어단자 Ｔ에 인가하는 제어전압을 가변시킴으로써 발진주파수를 변화시킨다. 예를 들면, 검출속도가 목표속도보다 작을때에는, 속도를 올리기 위해서 구동주파수를 가변의 윈스텝량인 △f의 정수배만큼 낮춘다. 그리고 속도검출회로(27)로 검출한 이동체(6)의 검출속도가 목표속도보다 클 때에는, 속도를 낮추기 위해서 구동주파수를 윈스텝 △f의 정수배만큼 올린다.

그러나, 구동주파수의 변화의 분해능이 △f로 결정된 값이기 때문에, 이동체(6)의 속도를 반드시 목표치에 정확하게 접근시킬 수는 없다. 본 발명에서는, 이동체(6)의 속도와 목표속도와의 허용차를 제2설정범위로서 설정해두고, 구동주파수의 변화에 의해 이동대(隊)의 속도와 목표속도와의 차가 설정허용차 이내로 되지 않는 때에는, 구동주파수 뿐만 아니라 직류전원의 승압회로(28)의 승압비를 가변시킴으로써 초음파모터의 구동전압의 진폭을 변화시킨다. 예를들면, 구동주파수가변후에 검출된 이동체(6)의 속도가 목표속도보다 작을때에는, 속도를 올리기 위해서 구동전압을 가변의 원스텝량인 △Ｖ의 정수배 만큼 올린다. 그리고 검출속도가 목표속도보다 클 때에는, 속도를 낮추기 위해서 구동전압을 원스텝 △Ｖ의 정수배만큼 낮춘다.

이와 같이 본 발명에서는, 구동주파수 또는 구동교류전압의 진폭의 어느 한쪽 뿐만이 아니라, 구동주파수와 구동전압의 진폭을 조합해서 함께 바꾸므로써, 설정목표치에 가장 가까운 속도가 되도록 이동체(6)의 속도를 제어함으로써, 정밀도와 안정도가 높은 속도제어를 행할 수 있다. 상기에서는, 먼저 구동주파수를 가변하고 나서 구동전압의 진폭을 가변하고 있으나, 먼저 구동전압의 진폭을 가변하고 나서 구동주파수를 가변할 수도 있다. 이때에 구동주파수가 공진주파수보다도 낮아지지 않도록 제어할 필요가 있다.

구동주파수를 가변하려면, 제6도의 실시예의 회로에 표시한 바와 같이 전압제어형의 가변발진회로를 제어전압으로 제어해서 소망의 구동주파수를 얻거나, 충분히 높은 발진주파수를 가진 발진회로의 출력을 분주회로의 분주비를 제어해서 소망의 구동주파수를 얻는등의 방법에 의해 용이하게 실현할 수 있다. 통상의 구동회로등에서는 전압제어형의 가변발진회로를 사용하는 것이 용이하고 마이크로컴퓨터등에 의한 구동회로에서는 높은 발진주파수를 가진 발진회로와 분주회로를 사용하는 것이 용이하다.

제8도는 구동전압의 진폭을 바꾸는 수단을 구체적으로 표시한 것이며, 초음파모터를 구동하기 위해서 필요한 2개의 구동교류전압을 만드는 2개의 전력회로중의 하나를 표시하고 있다. 동도면에 있어서, 저항(29)와 트랜지스터(30)에 의해 스위칭회로를 구성하고, 이 회로에 구동신호(31)를 입력하면 진폭이 전원전압(35)으로 결정되는 펄스파형을 얻을 수 있다. 이 펄스파형을 트랜지스터(32),(33)에 의해 구성되는 SEPP회로에 입력하면, 입력파형은 전력증폭된다. 이 전력증폭된 펄스신호는 코일(34)과 진동체(3)를 구성하는 압전체(2)의 전기용량치로 구성되는 직열공진회로에 의해 불필요한 고주파 성분이 제거되어서 파형정형되고, 거의 사인파에 가까운 파형으로 정형되어서 진동체(3)에 인가된다. 따라서 전원전압(35)을 가변시키면 구동전압의 진폭을 바꿀 수 있다. 제6도의 실시예의 회로에서는 승압회로(28)의 승압비를 바꾸면 되게 된다. 또, 구동신호(31)의 ON/OFF의 듀티비를 바꾸어도 마찬가지로 구동전압의 진폭을 바꿀 수 있다.

[실시예 2]

초음파모터는, 2개의 구동신호의 진폭이 일정한 경우라도, 구동주파수의 변화에 의해 진동체(3)에 여진(勵振)되는 굴곡진동의 진행파의 진폭이 변화하고 이동체(6)의 회전수(회전속도)가 변화한다. 또, 2개의 구동신호의 위상차가 변화함으로써 굴곡진동의 진행파성분의 진폭이 변화하고 이동체(6)의 회전수가 변화한다. 제1도의 초음파모터의 경우에는, 2개의 구동신호의 위상차가 ±90°의 경우에는 (1)(2)(3)식에 표시한 바와 같이 진행파만이 여진한다. 그러나 2개의 구동신호의 위상차가 ±90°로부터 어긋남에 따라서 진행파성분중의 정재파(定在波)성분이 커지고, (4)식의 타원 궤적의 성분 u가 작아져서 이동체(6)의 속도 v가 작아진다. 그리고 구동·속도 제어회로에 있어서, 구동주파수와 2개의 구동신호 사이의 위상차의 어느한쪽만이 아니고, 구동주파수와 2개의 구동신호 사이의 위상차를 함께 변화시킴으로써 속도제어범위를 크게, 또 고정밀도이고 고도의 안정된 속도제어가 실현된다.

본 발명의 초음파 모터의 속도제어회로의 제2실시예에 대해서 상세한 서명을 행한다. 제9도는 본 발명의 속도제어회로의 블록도이다. 본 발명의 속도제어회로는 종래예중에서 설명한 제 1도에 표시한 구조의 초음파모터 등의 초음파모터에 사용된다.

제9도의 구동·속도제어회로에 있어서, 가변발진회로(36)는 제어단자 Ｔ에 제어전압을 인가함으로써 출력발진주파수를 변하게 하는 전압제어발진회로(VCO)이다. 가변발진회로(36)는 초음파 모터를 구동하기 위한 교류전압 신호를 발생한다. 가변이상(移相)회로(37)는 제어단자 Ｐ에 제어전압을 인가함으로써, 입력신호의 위상을 제어전압치에 따라서 시프트 할 수 있다. 가변발진회로(36)로부터 출력된 교류전압신호는 2개의 신호로 분할된다. 분할된 신호의 한쪽은 이상회로(37)에 입력되어, 제어단자 P에 의해 미리 설정된량 만큼 이상되고, 그리고 전력증폭회로(38)에 입력된다. 다른쪽의 신호는 직접 전력증폭회로(39)에 입력된다. 2개의 신호는 각각 전력증폭회로(38), (39)에 의해 초음파모터를 구동하는데 충분한 레벨로 전력증폭된다. 2개의 신호는 펄스파형이고 고주파성분을 많이 함유하고, 고주파성분은 진동체(3)에 의해 열로 변하여 초음파모터의 효율 및 신뢰성을 저하시키므로, 코일(40), (41)에 의해 고주파성분만 감쇠되어서 거의 사인파로 파형 정형된다. 그리고 초음파모터를 구성하는 진동체(3)의 2개의 구동단자에 입력된다. 그 결과, 굴곡진동의 진행파가 진동체(3)에 여진되어 이동체(6)가 회전을 개시한다.

저전압에서 동작하는 가변발진회로(36)와 가변이상(移相)회로(37)는, 낮은 전압의 직류전압원인 직류전원회로에 접속된다. 초음파모터를 구동하는데 충분한 전압레벨의 구동신호를 출력하는 전력증폭회로(38), (39)는, 높은 전압에서 출력전류능력이 큰 직류전원회로에 접속된다.

이동체(6)의 속도는 속도검출회로(42)에 의해 검출된다. 속도검출회로(42)의 구체적 구성으로서는, 이동체(6)에 로터리인코더등의 속도센서를 접속해서, 로터리인코더의 출력으로부터 이동체(6)의 속도를 산출하거나 이동체(6)의 속도가 진동체(3)의 굽힘진동의 진폭에 비례하는 것을 이용해서, 진동체(3)를 구성하는 압전체(2)에 2조의 구동전극을 형성하는 동시에 진동진폭 검출용의 센서전극을 형성해서, 진동진폭을 압전효과에 의해 센서전극의 전압출력으로서 판독하거나, 이동체(6)의 속도가 진동체(3)의 구동전극에 유입하는 기계암전류에 비례하는 것을 이용해서, 기계암전류를 판독하는 등의 방법을 실현할 수 있다. 속도검출회로(42)의 출력은 속도제어회로(43)에 입력되고, 속도제어회로(43)의 출력은 가변발진회로(36)의 제어단자 Ｔ에 입력되어 있는 동시에, 가변이상회로(37)의 제어단자 Ｐ에 접속되어 있다. 그리고 속도검출회로(42)의 검출결과에 의거하여, 속도제어회로(43)는 가변발진회로(36)의 발진출력주파수를 조정하는 동시에, 가변이상회로(37)에 의해 2개의 구동신호의 위상차의 크기를 제어한다.

본 발명의 제9도의 구동·속도제어회로가 동작을 개시하면, 속도제어회로(43)에 의해 목표속도와 초기위상차가 설정된다. 그리고 속도제어회로(43)는 가변발진회로(36)에 의해 구동주파수를 공진주파수보다 높은쪽에서부터 낮은쪽으로 스위프해서, 속도검출회로(42)의 검출결과인 초음파모터의 이동체(6)의 속도가 목표속도에 대해서 어떤 제1설정범위내가 되면 구동주파수의 스위프를 정지한다. 그리고 속도제어회로(43)는 속도검출회로(42)의 검출결과에 의거하여 이상회로(37)에 의해 구동신호의 위상을 시프트한다. 그리고 이동체(6)의 속도가 목표속도와 제2설정범위내가 되면 2개의 구동신호의 위상차의 크기를 고정한다.

통상 동작시에는, 속도검출회로(42)의 검출결과에 의거하여, 이동체(6)의 속도가 목표속도와 제2설정범위내가 되도록 이상회로(37)에 의해 2개의 구동신호의 위상차의 크기를 제어한다. 그리고 2개의 구동신호의 위상차의 제어에 의해 이동체(6)의 속도가 목표속도로 제어할 수 없게되면, 재차 속도제어회로(43)는 가변발진회로(36)에 의해 구동주파수를 공진주파수보다 높은쪽에서부터 스위프해서, 속도검출회로(42)의 검출결과인 초음파모터의 이동체(6)의 속도가 목표속도에 대해서 제1설정범위내가 되면 구동주파수의 스위프를 정지한다. 그리고 속도검출회로(42)의 검사결과에 의거하여 이동체(6)의 속도와 목표속도와의 차이가 어떤 범위내가 되도록 이상회로(37)에 의해 2개의 구동신호의 위상차의 크기를 제어한다. 이와 같이 해서, 본원 발명의 구동·속도제어회로에서는 구동주파수를 거의 공진주파수보다 높은 대략 일정한 범위내에 설정할 수 있으므로, 초음파모터를 안정되게 고효율로 구동할 수 있고, 구동주파수와 함께 2개의 구동신호의 위상차에 의해 속도제어를 행하고 있으므로 이동체(6)의 속도는 높은 정밀도로 안정되게 일정속도로 제어된다.

제10도는 제9도에 표시한 실시예의 속도제어방법을 설명하는 초음파모터의 특성도이고, 가로축은 구동주파수를 표시하고 있고, 세로축은 이동체(6)의 속도를 표시하고 있다. 동도면에 표시된 복수의 특성의 각각은 2개의 구동전압의 위상차를 일정하게 해서 구동주파수를 바꾸었을 때의 특성이고, 2개의 구동전압의 위상차를 ±90°로 했을때가 가장 속도가 크고, ±(90+△Ｐ)와 △Ｐ씩 위상을 바꾸어감으로써 속도가 작아진다. 그리고 이동체(6)의 속도는 진동체(3)의 공진주파수에서 최고가 된다. 동도면은 초음파모터의 속도가 구동주파수와 함께 2개의 구동전압의 위상차에 의해서도 가변할 수 있다는 것을 나타나고 있다.

본 발명에서는 구동주파수 또는 구동전압의 위상차중 한쪽이 아니라 양쪽을 변화시킴으로써 속도의 가변범위가 확대되는 동시에 속도가변의 분해능을 향상할 수 있다.

그리고 이 구동·제어회로에서는 공진주파수를 경계로해서 구동주파수에 대한 이동체속도의 변화의 기울기가 변화되므로 공진주파수보다도 높은 주파수영역만을 구동주파수영역으로서 사용한다. 이 주파수영역은 공진주파수보다도 낮은 주파수영역보다도 동작이 안정된다는 특징도 있다.

여기서, 제9도의 실시예의 회로의 동작을 구체적으로 설명한다. 먼저 초음파모터의 구동이 개시되면, 이동체(6)의 속도를 속도검출회로(42)에 의해서 검출하고, 검출속도가 목적의 속도와 다를 때에는, 속도제어회로(43)는 가변발진회로(36)의 제어단자 Ｔ에 인가하는 제어전압을 가변함으로써 발진주파수를 변화시킨다.

예를들면, 검출속도가 목적의 속도보다 작을때에는, 속도를 높이기 위하여 구동주파수를 가변의 1스텝량인 △f의 정수배만큼 내린다. 그리고 검출속도가 목적의 속도보다 클 때에는 속도를 내리기 위하여 구동주파수를 1스텝 △f의 정수배만큼 올린다.

그러나 구동주파수의 변화의 분해능이 △f로 결정된 고정치이기 때문에, 속도를 반드시 목표치에 근접시킬 수 없으므로 다음에 이상회로(37)의 제어단자 Ｐ에 인가하는 제어전압을 가변함으로써 2개의 구동전압의 위상차를 변화시킨다.

예를들면, 구동주파수가변후의 검출속도가 목적의 속도보다 작을때에는, 속도를 높이기 위하여 위상차를 가변의 1스텝량인 △Ｐ의 정수배만큼 ±90°에 근접시킨다.

그리고 검출속도가 목적의 속도보다 클 때에는 속도를 내리기 위하여 위상차를 가변의 1스텝량인 △Ｐ의 정수배만큼 ±90°로부터 떨어뜨린다.

이와 같이 구동주파수 또는 위상차뿐만 아니라 구동주파수와 2개의 구동전압의 위상차를 조합해서 바꿈으로써, 정밀도와 안정도가 높은 속도제어를 행할 수 있다. 상기에서는 먼저 구동주파수를 가변하고나서 구동전압의 진폭을 가변하고 있으나, 우선구동전압의 위상차를 가변하고 나서 구동주파수를 가변할 수도 있다. 이때에 구동주파수가 공진주파수보다도 낮게 되지 않도록 제어할 필요가 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 초음파모터의 진동체를 구성하는 압전체의 구동전극에 인가하는 교류구동신호의 주파수를 가변함으로써 초음파모터를 속도제어를 행하는 동시에, 교류구동신호의 진폭을 가변하므로써 초음파모터를 속도제어를 행하는 것과 조합해서 행함으로써 또는 초음파모터의 진동체를 구성하는 압전체의 2조의 구동전극에 인가하는 2개의 교류구동신호의 구동주파수를 가변함으로써 초음파모터를 속도제어를 행하는 동시에, 2개의 구동신호의 위상차의 가변에 의해 초음파모터를 속도제어를 행하는 것을 조합해서 행함으로써, 간단한 회로장치에 의해서 초음파모터의 고정밀도이고 안정된 속도제어를 실현할 수 있으므로, 초음파모터의 실용화를 촉진할 수 있다.

Claims (13)

1. 공통의 주파수 및 진폭과 다른 위상을 가진 2종의 교류구동전압신호를 받아서 초음파진동을 행하는 진동수단과, 이 진동수단에 접촉하고 상기 초음파진동에 의해 이동되는 이동수단을 구비한 초음파모터의 상기 이동수단의 이동속도를 제어하는 방법으로서, 상기 이동수단의 이동속도를 검출하는 스텝a와; 미리 설정된 속도와 상기 검출된 이동속도와의 비교를 행하는 스텝b와; 상기 비교에 의거해서 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수 및 상기진폭을 조정하고, 그에 의해서 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 가깝게 하는 스텝c; 를 포함하는 초음파모터의 속도제어방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 스텝c는 처음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수를 조정해서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 가깝게 하는 스텝과; 다음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 진폭을 조정해서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 더욱 가깝게 하는 스텝을 포함하고 있는 초음파모터의 속도제어방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 스텝c는, 처음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수를 고정치 △f 의 정수배를 단위로 해서 변화시켜서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 가깝게 하는 스텝과; 다음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 진폭을 다른 고정치 △Ｖ의 정수배를 단위로 해서 변화시켜서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 더욱 가깝게 하는 스텝을 포함하고 있는 초음파모터의 속도제어방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 스텝c는, 처음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 진폭을 조정해서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 가깝게 하는 스텝과; 다음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수를 조정해서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 더욱 가깝게 하는 스텝을 포함하고 있는 초음파모터의 속도제어방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 스텝c는, 처음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 진폭을 고정치 △Ｖ의 정수배를 단위로 해서 변화시켜서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 가깝게 하는 스텝과, 다음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수를 다른 고정치△f의 정수배를 단위로 해서 변화시켜서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 더욱 가깝게 하는 스텝을 포함하고 있는 초음파모터의 속도제어방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수는 상기 진동수단의 공진주파수보다도 큰 영역에서 변화되는 초음파모터의 속도제어방법.
7. 공통의 주파수 및 진폭과 다른 위상을 가진 2종의 교류구동전압신호를 받아서 초음파진동을 행하는 진동수단과 이 진동수단에 접촉하고 상기 초음파진동에 의해 이동되는 이동수단을 구비한 초음파모터의 상기 이동수단의 이동속도를 제어하는 방법으로서, 상기 이동수단의 이동속도를 검출하는 스텝a와; 미리 설정된 속도와 상기 검출된 이동속도와의 비교를 행하는 스텝b와; 상기 비교에 의거해서 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수 및 상기 위상의 차를 조정하고, 그에 의해서 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 가깝게 하는 스텝c를 포함하는 초음파모터의 속도제어방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 스텝c는, 처음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수를 조정해서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 가깝게 하는 스텝과; 다음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 위상의 차를 조정해서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 더욱 가깝게 하는 스텝을 포함하고 있는 초음파모터의 속도제어방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 스텝c는, 처음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수를 고정치 △f의 정수배를 단위로 해서 변화시키서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 가깝게 하는 스텝과; 다음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 위상의 차를 다른 고정치 △P의 정수배를 단위로해서 변화시켜서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 더욱 가깝게 하는 스텝을 포함하고 있는 초음파모터의 속도제어방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 스텝c는, 처음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 위상의 차를 조정해서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 가깝게 하는 스텝과; 다음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수를 조정해서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 더욱 가깝게 하는 스텝을 포함하고 있는 초음파모터의 속도제어방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 스텝c는, 처음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 위상의 차를 고정치 △Ｐ의 정수배를 단위로 해서 변화시켜서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 가깝게 하는 스텝과; 다음에, 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수를 다른 고정치 △f 의 정수배를 단위로 해서 변화시켜서, 상기 이동수단의 상기 이동속도를 상기 미리 설정된 속도에 더욱 가깝게 하는 스텝을 포함하고 있는 초음파모터의 속도제어방법.
12. 제7항에 있어서, 상기 교류구동전압신호의 상기 주파수는 상기 진동수단의 공진주파수보다도 큰 영역에서 변화되는 초음파모터의 속도제어방법.
13. 제7항에 있어서, 상기 교류구동전압신호의 상기 위상의 차를 90도를 중심으로 고정치 △Ｐ의 정수배를 단위로 해서 조정하는 초음파모터의 속도제어방법.