JP2003018869A - 超音波モータ、及び超音波モータを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波モータの位置決め制御において、正確
な位置決めと共に整定時間の短縮を図ること。 【解決手段】 位置決め及び位置補正のための制御部４
０に、移動体２４が目標位置に達し且つその位置を安定
して保持し続けているとの判定を基準待機期間ｔが経過
した時点であるステップ１０８で行わせると共に、位置
補正のための逆転を要するか否かの判定を基準待機期間
ｔ内で複数回行わせるようにした。即ち、基準待機期間
ｔを分割した第１分割基準待機期間ｔ１、第２分割基準
待機期間ｔ２及び第３分割基準待機期間ｔ３が経過した
時点であるステップ１０４、ステップ１０６及びステッ
プ１０８で、位置補正のための逆転を要するか否かの判
定を夫々行わせるようにした。そして、これら複数の分
割基準待機期間は、最初が最短、最後が最長、最初と最
後の間は順に時間間隔が長く設定されている。なお、基
準待機期間ｔのスタートは、ステップ１０２で停止指令
が発せられた時点である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータ及び
超音波モータを備えた電子機器に関し、特に超音波モー
タの位置決め制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータは、圧電体が接合された振
動体と、移動体と、前記移動体を前記振動体に加圧接触
する加圧手段と、前記圧電体に高周波電圧を印加する電
極と、前記高周波電圧を発生させる発振駆動回路とから
構成され、前記圧電体の伸縮運動により前記振動体に発
生する振動波によって前記移動体を摩擦駆動するもので
ある。

【０００３】超音波モータには、低速で高トルクを有す
る、無通電時に大きな保持トルクを有する、応答性と制
御性が高い、磁気作用がない、小型軽量化が可能であ
る、作動音が極めて小さいという数々の特長がある。こ
のため、超音波モータは、各種電子機器の位置決め手段
の駆動源としての利用が可能である。例えば、一定角度
の動きを制御する指示装置、ミラーの角度制御、情報機
器のピックアップ（ヘッド）の駆動等に利用可能であ
る。

【０００４】ところで、超音波モータの位置決めは、目
標位置が設定された制御部と、超音波モータの振動体で
駆動される移動体の現在位置を検出する位置センサとに
よって行われる。移動体がロータの場合、位置センサは
ロータに取り付けられたエンコーダである。従来の超音
波モータの位置決め動作は、例えば図４の如くである。
即ち、図４において、制御部は移動体の現在位置が目標
位置に達した否かを監視し（２０１）、移動体の現在位
置が目標位置に達した場合には直ちに停止指令を発し
（２０２）、基準待機期間であるｔ時間だけ待機する
（２０３）。ｔ時間経過した時点で制御部は移動体の現
在位置が目標位置にあるか否かを調べる（２０４）。

【０００５】図４のステップ２０４で、移動体の現在位
置が目標位置に一致していないと判断した場合には、制
御部は移動体を逆転させ（２０５）、最初のステップ２
０１に戻る。以後、ステップ２０２から２０４までの動
作を繰り返す。逆転動作を繰り返す毎に目標位置からの
移動量、即ちオーバーシュート量は少なくなり、或る時
間経過すると移動体の現在位置は目標位置に収束する。
このような状態になると、即ちステップ２０４で移動体
の現在位置が目標位置に一致していると判断されると、
制御部は超音波モータの位置補正動作を終了すると共
に、駆動電源をオフにする。

【０００６】図５は超音波モータの位置決め制御の特性
図で、移動体が目標位置に最初に到達した後に複数回の
逆転による位置補正動作を行い、目標位置に収束してい
る様子を示している。なお、（Ａ）は位置補正時のＰＷ
Ｍ周波数が１００Ｈｚの場合、（Ｂ）はＰＷＭ周波数が
１０００Ｈｚの場合、（Ｃ）はＰＷＭ周波数が１０００
０Ｈｚの場合の夫々の特性図である。図５に示す如く、
超音波モータの位置決め制御において、ＰＷＭ周波数に
よって、位置決め開始から移動体が目標位置に最初に到
達するまでの時間、逆転動作回数、オーバーシュート
量、整定時間は異なっている。しかしながら、共通して
いることは、オーバーシュート量は逆転を繰り返す毎に
少なくなることである。

【０００７】上述の如く、従来の超音波モータの位置決
め制御においては、移動体の現在位置が目標位置に達し
た場合には直ちに停止指令を発し、基準待機期間である
ｔ時間だけ待機した時点で制御部は移動体の現在位置が
目標位置にあるか否かを判定するものである。ところ
が、基準待機期間は一定のｔ時間であるために、整定時
間を短縮できないという問題がある。

【０００８】即ち、基準待機期間ｔを短くすると、慣性
や残留振動による移動体の動きが未だ小さくない段階で
逆転指令を発することになり、逆転のタイミングが早す
ぎてオーバーシュート量が大きくなる。このため、逆転
の回数が増加して整定時間は長くなってしまう。このよ
うな状況は、最初の停止指令が発せられた段階、及びそ
の後の数回の停止指令が発せられた段階で起こる。ま
た、基準待機期間ｔを短くすると、移動体の現在位置が
目標位置にあると判定した後に、残留振動等で移動体が
位置ずれして正確な位置決めができなくなる事態も発生
する。逆に、基準待機期間ｔを長くすると、逆転のタイ
ミングが遅すぎて無駄な時間を費やすことになり、結果
的に整定時間は長くなってしまう。このような状況は、
収束が近くなった段階で起こる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、超音波モータの位置決め制御において、正確な位置
決めを実現すること、及び整定時間を短縮することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する超音
波モータは、請求項１に記載する如く、圧電体が接合さ
れた振動体と、前記振動体の振動によって時計方向又は
反時計方向に回転するように配置された移動体と、前記
移動体を前記振動体に加圧接触させる加圧手段と、前記
圧電体に高周波電圧を印加する電極と、前記高周波電圧
を発生させる発振駆動回路と、前記移動体の位置信号を
発生する位置センサと、指令信号を前記発振駆動回路に
与えて前記圧電体への高周波電圧の印加を制御してモー
タの起動／停止及び正転若しくは逆転を行わせる制御部
とから構成され、前記位置信号を監視して予め入力され
ている目標位置に前記移動体の位置が一致するように制
御され、且つ、前記移動体が基準待機期間にわたって目
標位置にあると判定した場合には前記高周波電圧の供給
が停止される超音波モータであって、その特徴は前記基
準待機期間を分割した分割基準待機期間毎に前記判定を
行うようにしたことである。

【００１１】前記基準待機期間は請求項２に記載する如
く、予め定められた時間間隔であって、前記移動体の位
置が目標値に到達し前記制御部が停止指令を発した時刻
をスタート時刻とするものである。

【００１２】前記分割基準待機期間は、請求項３に記載
する如く、前記分割基準待機期間が不均等に分割された
ものである。また、前記分割基準待機期間は、請求項４
に記載する如く、目標位置までの前記移動体の移動量が
短いほど短く設定されるものである。更に、前記分割基
準待機期間は、請求項５に記載する如く、停止指令が発
せられる直前の前記移動体の速度が遅いほど短く設定さ
れるものである。更にまた、前記分割基準待機期間は、
請求項６に記載する如く、最初が最短、最後が最長、最
初と最後の間は順に時間間隔が長くなるように設定され
るものである。

【００１３】更に、上記課題を解決する超音波モータを
備える電子機器は、その超音波モータを請求項１に記載
する如く構成したものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態の超
音波モータをブロック図で示したものである。即ち、図
１に示す超音波モータは、圧電体２２が接合された振動
体２３、振動体２３の振動によって時計方向又は反時計
方向に回転するように配置された移動体２４、移動体２
４を振動体２３に加圧接触させる加圧手段２５、圧電体
２２に高周波電圧を印加する一対の電極２１ａ並びに２
１ｂ、前記高周波電圧を発生させる発振駆動回路１０と
を有する。電極２１ａは時計方向回転用で、電極２１ｂ
は反時計方向回転用である。

【００１５】発振駆動回路１０は、抵抗１３、抵抗１
４、コンデンサ１５、コンデンサ１６を含む。更に、発
振駆動回路１０は、起動／停止用インバータ１１、時計
方向回転用バッファ１２ａ、反時計方向回転用バッファ
１２ｂを有する。図１に示す発振駆動回路は、これらの
回路素子と、振動子としての圧電体２２とによってコル
ピッツ発振回路型の自励発振回路を構成している。な
お、この自励発振回路については、精密工学会誌（第６
４巻第８号、第１１１７頁から１１２１頁）に記載され
た論文「自励振駆動を用いた超小型超音波モータの開発」
に詳細に開示されている。

【００１６】位置センサ３０は、例えばエンコーダであ
って、移動体２４の現在位置を常時検出し、その出力信
号を制御部４０に与える。制御部４０には、図示されて
いない入力手段によって、移動体２４の目標位置が予め
設定されている。或いは、制御部４０には、図示されて
いない外部装置から、移動体２４の目標位置が常時入力
されている。このようにして入力された目標位置と、位
置センサからの現在位置とを比較して、移動体２４の現
在位置が目標位置に常に一致するように位置決め制御す
るのが制御部４０である。

【００１７】上述の位置決め制御は、制御部４０から発
振駆動回路１０に制御指令信号を与えることによって行
われている。制御指令信号は、起動指令又は停止指令信
号、時計方向回転指令信号、及び反時計方向回転指令信
号であって、これらは起動／停止用インバータ１１、時
計方向回転用バッファ１２ａ、反時計方向回転用バッフ
ァ１２ｂに夫々与えられる。制御指令信号はＯＮ／ＯＦ
Ｆ信号である。

【００１８】なお、起動／停止用インバータ１１、時計
方向回転用バッファ１２ａ、反時計方向回転用バッファ
１２ｂは、いずれも入力端子と出力端子に加えて制御端
子を有し、制御端子に入力される制御信号によって出力
端子をＨＩＧＨ、ＬＯＷの２つの電圧を出力できる他
に、入力端子と出力端子間を高インピーダンス状態にす
ることができるトライステート構成若しくはスリーステ
ート構成のＩＣ等の回路部品である。

【００１９】図２は、図１の超音波モータの主要部の縦
断面図である。図２において、移動体２４は軸２７に軸
受２８を介して回転自在に支持されたロータである。軸
２７はモータ基板２９に立設されており、円盤状の振動
体２３は軸２７に同軸にして固着されている。円盤状の
振動体２３の上面には複数の突起２６が一体に形成され
ており、且つ、その下面には圧電体２２が接合されてい
る。圧電体２２の下面には所定の電極パターンに形成さ
れた一対の電極板、即ち時計方向回転用電極２１ａと反
時計方向回転用電極２１ｂとが配置されている。圧電体
２２の上面側の共通電極板としても機能する振動体２３
は軸２７を介して共通電極２１ｃに電気的に接続されて
いる。加圧手段であるバネ２５はロータ２４を振動体２
３の方に押し付け、ロータ２４の下面を複数の突起２６
の上端面に圧接させる。

【００２０】このような構成の超音波モータにおいて、
高周波電圧が時計方向回転用電極２１ａ又は反時計方向
回転用電極２１ｂと共通電極２１ｃとの間に印加される
と、圧電体２２の伸縮運動によって周期的な振動が振動
体２３に発生する。この周期的な振動は定在波であっ
て、バネ２５で複数の突起２６に圧接されているロータ
２４には、振動体２３の周期的な振動が動力として伝え
られる。

【００２１】所定の電極パターンと所定の間隔と配置で
形成された複数の突起２６の作用によって、振動体２３
に発生する振動波によってロータ２４を摩擦駆動し、時
計方向又は反時計方向に回転させる。即ち、高周波電圧
が時計方向回転用電極２１ａと共通電極２１ｃとの間に
印加されるとロータ２４は時計方向に回転し、高周波電
圧が反時計方向回転用電極２１ｂと共通電極２１ｃとの
間に印加されるとロータ２４は反時計方向に回転する。
このような定在波型超音波モータの構成と動作について
は、特開平１１−５５９７１号公報等に開示されている
ので、詳細な説明は省略する。

【００２２】なお、図２には位置センサ３０の一実施例
が示されている。この位置センサ３０は、円盤状のエン
コーダスケール３１、発光素子３２及び受光素子３３と
を有するエンコーダである。円盤状のエンコーダスケー
ル３１には多数のスリット３４が円周方向に等間隔に形
成されている。スリット３４の本数は、位置決め制御に
おいて必要とされる分解能に対応した数である。円盤状
のエンコーダスケール３１は、ロータ２４の上面に貼り
付けられて配置されている。発光素子３２と受光素子３
３は、スリット３４を光ビームが通過するような位置に
配置されて、円盤状のエンコーダスケール３１を挟んで
モータ基板２９に取付けられている。

【００２３】図１及び図２に示した如き構成の超音波モ
ータにおいて、その位置決め制御は図３のフローチャー
トに従って行われる。即ち、制御部４０は位置センサ３
０からの現在の位置信号を受信して、移動体２４の現在
位置が目標位置か否かを監視している（１０１）。移動
体２４の現在位置が目標位置に達したことを検出した場
合、制御部４０は停止指令を発生し（１０２）、発振駆
動回路１０のインバータ１１の制御端子にＯＦＦの制御
信号を与える。続いて、制御部４０はｔ１時間だけ待機
し（１０３）、ｔ１時間が経過した時点で移動体２４の
現在位置が目標位置にあるか否かを判定する（１０
４）。ｔ１時間は第１分割基準待機時間である。

【００２４】ステップ１０４で移動体２４の現在位置が
目標位置をオーバーしていると判定したときは、制御部
４０は移動体２４を逆転し（１０９）、目標位置方向に
移動させる。この場合の逆転は、制御部４０が停止指令
を解除してインバータ１１の制御端子にＯＮの制御信号
を与え、且つ制御部４０が逆転指令を発してバッファ１
２ａ、バッファ１２ｂの夫々の制御端子への制御信号を
切替えることによって行われる。

【００２５】ステップ１０４で移動体２４の現在位置が
目標位置にあると判定したときは、制御部４０は更にｔ
２時間だけ待機し（１０５）、ｔ２時間が経過した時点
で移動体２４の現在位置が目標位置にあるか否かを再度
判定する（１０６）。なお、第２分割基準待機期間ｔ２
は第１分割基準待機期間ｔ１よりも長く設定されてい
る。

【００２６】ステップ１０６で移動体２４の現在位置が
目標位置をオーバーしていると判定したときは、制御部
４０は移動体２４を逆転し（１０９）、目標位置方向に
移動させる。この場合の逆転は、制御部４０が停止指令
を解除してインバータ１１の制御端子にＯＮの制御信号
を与え、且つ制御部４０が逆転指令を発してバッファ１
２ａ、バッファ１２ｂの夫々の制御端子への制御信号を
切替えることによって行われる。

【００２７】ステップ１０６で移動体２４の現在位置が
目標位置にあると判定したときは、制御部４０は更にｔ
３時間だけ待機し（１０７）、ｔ３時間が経過した時点
で移動体２４の現在位置が目標位置にあるか否かを再々
度判定する（１０８）。なお、第３分割基準待機期間ｔ
３は第２分割基準待機期間ｔ２よりも長く設定されてい
る。

【００２８】ステップ１０８で移動体２４の現在位置が
目標位置をオーバーしていると判定したときは、制御部
４０は移動体２４を逆転し（１０９）、目標位置方向に
移動させる。この場合の逆転は、制御部４０が停止指令
を解除してインバータ１１の制御端子にＯＮの制御信号
を与え、且つ制御部４０が逆転指令を発してバッファ１
２ａ、バッファ１２ｂの夫々の制御端子への制御信号を
切替えることによって行われる。

【００２９】ステップ１０８で移動体２４の現在位置が
目標位置にあると判定したときは、制御部４０は位置補
正動作を終了し、駆動電源をオフにする。このようにし
て、本発明による位置決め動作を終了する。そして、次
に新たな目標位置が入力されるまで、制御部４０は待機
する。

【００３０】本発明においては、停止指令が発せられて
から第１分割基準待機期間ｔ１が経過した時点と第２分
割基準待機期間ｔ２が経過した時点は勿論のこと、第３
分割基準待機期間ｔ３が経過した時点でも、移動体２４
の現在位置が目標位置にあることを確認したのである。
そして、第１分割基準待機期間ｔ１、第２分割基準待機
期間ｔ２、第３分割基準待機期間ｔ３の合計期間である
基準待機期間ｔは、対象とする超音波モータの位置決め
特性によって最適の時間間隔として設定されている。即
ち、基準待機期間ｔは、従来の超音波モータの位置決め
制御において最も望ましい時間間隔と略同じに設定され
ている。そして、分割基準待機期間は、目標位置までの
移動体２４の移動量が短いほど短く設定されるものであ
る。更に、分割基準待機期間は、停止指令が発せられる
直前の前記移動体の速度が遅いほど短く設定されるもの
である。これは、移動量が短い場合や速度が遅い場合に
は移動体のオーバーシュート量が小さく、停止までの時
間が短くて済むという理由に基づく。これらを基にし
て、基準待機期間ｔは数ミリ秒から数１００マイクロ秒
の範囲で最適なものが選定される。

【００３１】以上詳細に説明した通り、本発明に係る超
音波モータの位置決め制御においては、移動体２４が目
標位置に達し、その位置を安定して保持し続けていると
の判定を基準待機期間ｔが経過した時点で行うと共に、
位置補正のための逆転を要するか否かの判定を基準待機
期間ｔを分割した複数の分割基準待機期間毎に行うよう
にしたものである。そして、複数の分割基準待機期間
は、最初が最短、最後が最長、最初と最後の間は順に時
間間隔が長く設定される。このように、位置補正のため
の逆転を要するか否かの判定を基準待機期間ｔの間に複
数回行うようにしているので、無駄な待機時間がなくな
り、位置決め制御における整定時間が短縮された。ま
た、最適な時間間隔の基準待機期間ｔが経過した時点
で、移動体２４が目標位置を安定して保持し続けている
との判定を行うものであるから、より正確な位置決めが
可能になった。

【００３２】なお、本発明において、制御部４０はＣＰ
Ｕで構成できることは勿論であるが、安価なロジック回
路素子を用いても構成できることが本発明の特徴であ
る。この場合、分割基準待機期間の設定手段も、ロジッ
ク回路素子を用いて構成される。また、本発明は定在波
型超音波モータに限定して適用されるものではなく、進
行波型超音波モータ等にも適用できることは勿論であ
る。また、発振駆動回路１０は自励発振回路を用いたも
のに限らず他励発振回路を用いたものでもよいことは勿
論である。

【００３３】

【発明の効果】本発明により、正確な位置決めが可能
で、且つ整定時間の短縮が可能な超音波モータが提供さ
れた。また、位置決め制御用の制御部をロジック回路素
子を用いて構成できるので、コスト低減も可能となっ
た。更に、このような超音波モータを位置決め制御用駆
動源として採用した電子機器は、その位置決め精度の向
上と整定時間の短縮が実現された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の超音波モータのブロック
回路図である。

【図２】図１の超音波モータの主要部の縦断面図であ
る。

【図３】本発明に係る超音波モータの位置決め動作のフ
ローチャートの一例である。

【図４】従来の超音波モータの位置決め動作のフローチ
ャートである。

【図５】超音波モータの位置補正時のオーバーシュート
と整定時間を示した特性曲線である。

【符号の説明】

１０ 発振駆動回路 １１ インバータ １２ａ 時計方向回転用バッファ １２ｂ 反時計方向回転用バッファ １３、１４ 抵抗 １５、１６ コンデンサ ２１ａ 時計方向回転用電極 ２１ｂ 反時計方向回転用電極 ２１ｃ 共通電極 ２２ 圧電体 ２３ 振動体 ２４ 移動体又はロータ ２５ 加圧手段又はバネ ２６ 突起 ２７ 軸 ２８ 軸受 ２９ モータ基板 ３０ 位置センサ ３１ エンコーダスケール ３２ 発光素子 ３３ 受光素子 ３４ スリット ４０ 制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 賢二 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Ｆターム(参考） 5H680 AA00 AA08 BB01 BB16 CC06 DD01 DD23 DD53 DD66 DD73 DD85 EE22 FF24 FF30 FF38

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体が接合された振動体と、前記振動
   体の振動によって時計方向又は反時計方向に回転するよ
   うに配置された移動体と、前記移動体を前記振動体に加
   圧接触させる加圧手段と、前記圧電体に高周波電圧を印
   加する電極と、前記高周波電圧を発生させる発振駆動回
   路と、前記移動体の位置信号を発生する位置センサと、
   指令信号を前記発振駆動回路に与えて前記圧電体への高
   周波電圧の印加を制御してモータの起動／停止及び正転
   若しくは逆転を行わせる制御部とから構成され、前記位
   置信号を監視して予め入力されている目標位置に前記移
   動体の位置が一致するように制御され、且つ、前記移動
   体が基準待機期間にわたって目標位置にあると判定した
   場合には位置補正動作を終了する超音波モータにおい
   て、前記基準待機期間を分割した分割基準待機期間毎に
   前記判定を行うようにしたことを特徴とする超音波モー
   タ。
2. 【請求項２】 前記基準待機期間は予め定められた時間
   間隔であって、前記移動体の位置が目標値に到達し前記
   制御部が停止指令を発した時刻をスタート時刻とするも
   のであることを特徴とする請求項１の超音波モータ。
3. 【請求項３】 前記分割基準待機期間は、前記基準待機
   期間が不均等に分割されたものであることを特徴とする
   請求項１の超音波モータ。
4. 【請求項４】 前記分割基準待機期間は、目標位置まで
   の前記移動体の移動量が短いほど短く設定されるもので
   あることを特徴とする請求項３の超音波モータ。
5. 【請求項５】 前記分割基準待機期間は、停止指令が発
   せられる直前の前記移動体の速度が遅いほど短く設定さ
   れるものであることを特徴とする請求項３の超音波モー
   タ。
6. 【請求項６】 前記分割基準待機期間は、最初を最短、
   最後を最長、最初と最後の間は順に時間間隔が長くなる
   ように設定されていることを特徴とする請求項３の超音
   波モータ。
7. 【請求項７】 請求項１の超音波モータを備えた電子機
   器。