JP2003033052A

JP2003033052A - 超音波モータ装置

Info

Publication number: JP2003033052A
Application number: JP2001209823A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Hosono; 喜代司細野; Tadahisa Koga; 忠尚古賀; Hiroshi Miyazaki; 浩宮崎; Masakazu Hanashima; 正和花島; Kiyoshi Toma; 清當摩
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2003-01-31

Abstract

(57)【要約】【課題】回転トルクの損失がなく且つ高精度で回転数
検出を行ない、超音波モータの動作の安定化及び高精度
化を図る。【解決手段】超音波モータ装置は、円筒形状の圧電素
子からなり円筒端面に回転駆動力を発生するステータ及
び円筒端面に対して摺動的に圧接して該回転駆動力によ
り回転運動を行なうロータ２からなる超音波モータ１０
０と、ステータに駆動信号を印加してロータ２の回転を
制御する制御回路１７０とを備えている。ロータ２の外
周面に沿ってパタン２３が形成されている、ロータ２の
外周面に光学センサ２５が対向配置されており、通過す
るパタン２３を光学的に検出してロータ２の回転に応じ
た検出信号を逐次出力する。制御回路１７０は検出信号
に応じて駆動信号を出力しロータ２の回転を直接制御す
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装置に
関する。より詳しくは、超音波モータの回転制御技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータ（ピエゾモータ）は、その
振動子の重心固定の対称励振モードである定在波型モー
タと進行波型モータの２種類と、さらに振動子である円
板又は円筒を例えば４分割し左右の振幅が逆になる非対
称モードにより励振することで重心が中心の周りを回転
移動し、円の外周がフラフープのように偏心する電歪公
転子型モータとが知られている。こうした超音波モータ
（以下ピエゾモータとも言う）は、ステータとなる圧電
素子に高周波の交流電圧を印加して、約２０ｋＨｚ以上
の超音波振動を発生させることにより、ステータに圧接
されたロータを回転駆動させている。この種のピエゾモ
ータは、構造が簡単で小型軽量化に適するとともに、低
速回転時でも高いトルクが得られる上、駆動音も少なく
静かであるという利点を有している。特に後者の電歪公
転子型モータは、特開平１０−２７２４２０号公報に示
されているように、円筒状公転子の径および周方向に加
えて軸方向のモードも結合させた３Ｄ公転トルク発生子
として利用できるという特長を有している。又、この様
な超音波モータに駆動信号を印加してその動作を制御す
る制御回路が、例えば特開平１１−１４６２５８号公報
に開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】超音波モータを負荷の
機械的な駆動に用いる場合、回転数の精密な制御が要求
されることが多い。従来、ロータの回転数を検出して制
御回路側にフィードバックする方式が行なわれている。
回転数の検知方式は、ロータから複数の歯車で構成され
た輪列を介して回転運動を取り出し、これを機械的もし
くは光学的に検知する機構である。しかしながら、輪列
を介して回転運動を取り出すと、ロータに発生する回転
トルクの一部が回転数検知の為に使われ、その分損失が
発生する。又、複数の歯車を組み合わせることでガタな
どによりずれが生じ、回転数の検出精度が悪くなってし
まう。この様な従来の課題を解決する為、本発明は回転
トルクの損失がなく且つ高精度で回転検出が行なえる超
音波モータ装置を提供することを第一の目的とする。

【０００４】従来、超音波モータを安定駆動する為に、
駆動電流をモニタしてこれを回路側にフィードバックす
ることで回転速度を一定に保っていた。一般的に、超音
波モータの回転速度（回転数）は駆動電流に比例してい
る。一方、駆動電流は超音波モータに印加する駆動信号
の周波数に依存して変化する。そこで、従来駆動電流を
モニタリングし、その変動を打ち消す様に駆動信号の周
波数をフィードバック制御することで、超音波モータの
動作の安定化を図っていた。しかしながら、駆動電流と
周波数の関係は、周囲温度などに大きく依存しており、
温度が変化すると周波数／電流特性も大きく変動するの
で、必ずしも超音波モータの動作の安定化を完全に行な
うことはできない。そこで本発明は、駆動電流をモニタ
リングするのではなく、直接ロータの回転速度をモニタ
リングして、超音波モータの動作の安定化及び高精度化
を図ることを第二の目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した本発明の目的を
達成するために以下の手段を講じた。すなわち、本発明
は、円筒形状の圧電素子からなり円筒端面に回転駆動力
を発生するステータ及び該円筒端面に対して摺動的に圧
接して該回転駆動力により回転運動を行なうロータから
なる超音波モータと、該ステータに駆動信号を印加して
該ロータの回転を制御する制御回路とを備えた超音波モ
ータ装置であって、前記ロータの外周面に沿ってパタン
が形成されており、該ロータの外周面に光学センサが対
向配置されており、通過する該パタンを光学的に検出し
て該ロータの回転に応じた検出信号を逐次出力し、前記
制御回路は該検出信号に応じて該駆動信号を出力し該ロ
ータの回転を制御することを特徴とする。好ましくは、
前記パタンは、該ロータの外周面に一ヶ所形成されてお
り、前記光学センサはロータの一回転毎に検出信号を出
力する。或いは、前記パタンは、該ロータの外周面に沿
って等間隔でｎ個形成されており、前記光学センサは該
ロータが１／ｎ回転する毎に検出信号を出力する。この
場合、前記ｎ個のパタンは、該ロータの周方向に沿って
漸次幅寸法が変化しており、前記光学センサは各パタン
の幅寸法に対応した検出信号を出力する様にしても良
い。

【０００６】又本発明は、円筒形状の圧電素子からなり
円筒端面に回転駆動力を発生するステータ及び該円筒端
面に対して摺動的に圧接して該回転駆動力により回転運
動を行なうロータからなる超音波モータと、該ステータ
に駆動信号を印加して該ロータの回転を制御する制御回
路とを備えた超音波モータ装置であって、該ロータの回
転を検出して逐次回転検出信号を出力する回転検出部を
備えており、前記制御回路は、該回転検出信号に応じて
該駆動信号の周波数を制御し、もって該ロータの回転を
安定化することを特徴とする。好ましくは、該ロータに
よって駆動される負荷の位置を検出して位置検出信号を
出力する位置検出部を備えており、前記制御回路は、該
回転検出信号及び位置検出信号に応じて該駆動信号を出
力し、もって該負荷の停止位置制御を行なう。

【０００７】本発明の第一面によれば、ロータの外周面
に沿ってパタンを形成する一方、該ロータの外周面に対
向配置された光学センサが、通過する該パタンを光学的
に検出して、ロータの回転に応じた検出信号を出力す
る。制御回路はこの検出信号に応じて駆動信号を出力し
ロータの回転を制御する。従来の様に複数の歯車を組み
合わせた輪列ではなく、光学的に非接触で回転数を読み
取っている。非接触の為、ロータに発生する回転トルク
の損失はない。又、光学式である為輪列を利用した機械
式に比べると、検出精度が高い。

【０００８】又本発明の第二面によれば、回転検出部が
ロータの回転を検出して逐次回転検出信号を出力する一
方、制御回路は、この回転検出信号に応じて駆動信号の
周波数を制御し、もってロータの回転を安定化してい
る。従来の様に、駆動電流をモニタリングしこれに基づ
いて駆動信号の周波数を制御するのではなく、回転検出
信号をモニタリングしこれに基づいて駆動信号の周波数
をフィードバック制御する為、従来よりも高精度で安定
したモータの回転制御を行なうことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る超音波
モータ装置の実施形態を示す模式図である。（Ａ）に示
す様に、本超音波モータ装置は、超音波モータ１００と
これを制御する制御回路とで構成されている。超音波モ
ータ１００はステータ及びロータとで構成されている。
ステータは円筒形状の圧電素子からなり円筒端面に回転
駆動力を発生する。ロータはステータの円筒端面に対し
て摺動的に圧接して該回転駆動力により回転運動を行な
う。一方制御回路は、超音波モータ１００のステータに
駆動信号を印加してロータの回転を制御する。本実施形
態では、制御回路は、制御部１７０と駆動部１１０−１
４０とで構成されている。駆動部１１０−１４０は所定
の周波数の駆動信号を出力して超音波モータ１００を駆
動する。制御部１７０は、駆動部１１０−１４０を制御
して超音波モータ１００に印加される駆動信号の周波数
を調整する。更に制御部１７０は、駆動部１１０−１４
０を介して、超音波モータ１００の起動及び停止と回転
方向の切り換えも制御する。

【００１０】本発明の特徴事項として、超音波モータ装
置の制御回路は、駆動部１１０−１４０と制御部１７０
に加え、回転検出部１５０を備えている。回転検出部１
５０の具体的な構成を（Ｂ）に示す。図示する様に、ロ
ータ２の外周面に沿ってパタン２３が形成されている。
又、ロータ２の外周面にフォトリフレクタ２５などから
なる光学センサが対向配置されており、ロータ２の回転
に伴って通過するパタン２３を光学的に検出してロータ
２の回転に応じた検出信号を逐次出力する。このフォト
リフレクタ２５などからなる光学センサが、（Ａ）に示
した回転検出部１５０を構成している。この回転検出部
１５０に接続された制御部１７０は、検出信号に応じて
駆動部１１０−１４０を制御し、所定の駆動信号を出力
させ、もってロータの回転を制御している。この様に、
ロータ２の周囲に形成されたパタン２３と、これに対向
配置されたフォトリフレクタ２５との組み合わせによ
り、ロータ２の回転数を非接触で光学的に検出し、その
結果を制御部１７０側にフィードバックしている。非接
触で回転検出を行なうので、ロータ２の回転トルクの損
失がない。又、光学式であるので、回転数の検出に大き
な誤差が生じない。

【００１１】再び図１の（Ａ）に戻って、本発明に係る
超音波モータ装置の他の面を説明する。図示する様に、
超音波モータ装置の回転検出部１５０は、ロータの回転
を検出して逐次回転検出信号を出力している。制御部１
７０は、回転検出信号に応じて駆動部１１０−１４０か
ら出力される駆動信号の周波数を制御しており、これに
より超音波モータ１００のロータの回転を安定化してい
る。係る超音波モータ１００は様々な負荷の駆動に用い
られる。図示の例では、カメラのレンズ鏡筒３の送り出
し駆動に用いられている。但し、本発明はこれに限られ
るものでないことは言うまでもない。本超音波モータ装
置は回転検出部１５０に加え位置検出部２００を備えて
おり、超音波モータ１００によって駆動されるレンズ鏡
筒３など負荷の位置を検出して、位置検出信号を出力す
る。ＣＰＵなどで構成される制御部１７０は、前述した
回転検出部１５０より出力される回転検出信号と位置検
出部２００より出力される位置検出信号の両者に応じて
駆動部１１０−１４０を制御し、もって超音波モータ１
００に連結した負荷の停止位置制御を行なう。具体的に
は、レンズ鏡筒３の送り出し量の制御を行なう。

【００１２】図２の（Ａ）は、ロータ２の周囲に形成さ
れたパタン２３の一例を示す模式図である。図示する様
に、ロータ２の円周面に沿って一定の間隔ａでストライ
プ状のパタン２３が形成されている。このパタン２３と
対向する様に、フォトリフレクタ２５が配されている。
この様に、ロータ２の外周にパタン２３を設け、フォト
リフレクタ２５などの光学センサでこのパタン２３を直
接読み取ることにより、非接触式の回転数検知が可能で
ある。

【００１３】（Ｂ）は、フォトリフレクタ２５から出力
される検出信号の波形図である。横軸に時間ｔを取り、
縦軸に検出信号のレベルＰを取ってある。図から明らか
な様に、フォトリフレクタ２５の前面をパタン２３のス
トライプが通過する毎に、検出信号にパルスが現れる。
制御部は、このパルスをカウントすることにより、ロー
タ２の回転数ひいては回転速度をモニタリングすること
が可能である。

【００１４】（Ａ）に示した例では、パタン２３はロー
タ２の外周面に沿って等間隔ａでｎ個形成されており、
フォトリフレクタ２５などの光学センサはロータ２が１
／ｎ回転する毎にパルス状の検出信号を出力している。
これを更に改良した（Ｃ）の例では、ｎ個のパタン２３
は、ロータ２の周方向に沿って漸次幅寸法が変化してお
り、光学センサは各パタン２３の幅寸法に対応した検出
信号を出力している。これにより、回転数ばかりでなく
回転位置も検知可能である。尚、場合によりパタン２３
は、ロータ２の外周面に一ヶ所のみ形成してもよい。こ
の時には、光学センサはロータ２の一回転毎に検出信号
のパルスを一回出力することになる。

【００１５】図３は、図１に示した超音波モータ装置の
動作の一例を示す模式的な波形図であり、位置検出部及
び回転検出部の出力に応じ、負荷であるレンズ鏡筒の送
り出し制御を行なっている。図３の上段は、レンズ鏡筒
の送り出し量（移動量）の経時変化を表わしており、下
段は超音波モータに流れる駆動電流量の時間的な変化を
表わしている。超音波モータの起動に先立って、予め逆
回転させ、レンズ鏡筒を休止位置から後退方向極限の初
期位置に保持しておく。次に起動タイミングｔ１で超音
波モータに駆動信号を印加し、正方向に回転させる。こ
れに伴い、レンズ鏡筒は前進する。タイミングｔ２で所
定の検出位置に到達した時、図１に示した位置検出部２
００が位置検出信号を出力する。これに応じ、超音波モ
ータ装置の制御部は、回転検出信号に基づくフィードバ
ック制御を行なって、超音波モータを定速回転させる。
これが、第一速度領域で表わされている。レンズ鏡筒の
目標位置に対応する時間だけ、この定速回転を行なう。
所定の時間が経過したタイミングｔ３で、モータの回転
速度を下方に切り換え、制動をかける。これが第二速度
領域で表わされている。制動をかけた結果、最終タイミ
ングｔ４でレンズ鏡筒は目標位置に到達し停止する。こ
れにより、所望の送り出し量を設定できる。図３に示す
グラフにおいて、起動直後の立ち上がり領域は、何らフ
ィードバック制御を行なっていない。第一速度領域及び
第二速度領域では、何れも回転検出部から出力される回
転検出信号に基づき、フィードバック制御を行なって、
ロータを所定の速度で回転させる様にしている。

【００１６】図４は、本発明に係る超音波モータ装置の
応用例を表わしており、カメラ用レンズ駆動装置の動力
源として用いている。図示する様に、カメラ用レンズ駆
動装置は、基本的に、ステータ１及びロータ２からなる
超音波モータと、レンズ鏡筒３とで構成されている。こ
れらの部品は、台座６を用いて組み立てられている。ス
テータ１は外部から駆動電圧の印加を受けて振動し、回
転駆動力を発生する。ロータ２はステータ１に発生した
回転駆動力を自己の回転運動に変換する。この為、ロー
タ２は板バネ８によりステータ１に圧接されている。板
バネ８は基台７とロータ２との間に装着されている。基
台７はネジで台座６の底部に固定されている。一方、レ
ンズ鏡筒３はカメラ用のレンズ３３，３４を搭載し、且
つレンズの光軸Ｚ方向に直線変位可能な様に台座６に取
り付けられている。具体的には、レンズ鏡筒３にはスト
ッパ３２が形成されており、台座６に植設されたガイド
シャフト４に係合している。レンズ鏡筒３はストッパ３
２により回転を規制されているとともに、ガイドシャフ
ト４に沿って光軸Ｚ方向に直線変位する。尚、ガイドシ
ャフト４に係合したストッパ３２には、レンズ鏡筒３の
ガタ寄せ用のバネ４１が装着されている。ここで、ロー
タ２は環形状を有し、その内周面にはヘリコイドギア２
１が形成されている。又、レンズ鏡筒３の外周面にもヘ
リコイドギア３１が形成されている。ロータ２側のヘリ
コイドギア２１とレンズ鏡筒３側のヘリコイドギア３１
は互いに係合している。ロータ２が回転すると、上述し
たヘリコイドギアの係合によりレンズ鏡筒３も回転しよ
うとするが、ストッパ３２で回転変位を規制されている
為、ガイドシャフト４に沿って光軸Ｚ方向に直線変位す
ることになる。この様なレンズ鏡筒３の光軸Ｚ方向に沿
った直線変位は、カメラのズーミングや焦点合わせなど
に用いられる。

【００１７】前述した様に、ロータ２の外周面には回転
検出用のパタンが形成されている。このパタンと対向す
る様に、フォトリフレクタ２５が配されており、回転検
出部１５０を構成している。又、台座６の上面には他の
フォトリフレクタ２０１が搭載されている。一方、レン
ズ鏡筒３側のストッパ３２には切片２０２が取り付けら
れている。このフォトリフレクタ２０１と切片２０２と
の組み合わせで位置検出部２００を構成している。尚、
台座６の上面にはストッパ６１が形成されている。図示
の状態で、超音波モータを逆回転駆動し、レンズ鏡筒３
を後退させると、ストッパ３２の先端が台座６側のスト
ッパ６１に度当りして、後退方向極限位置で停止する。
この状態で超音波モータに起動をかけることにより、レ
ンズ鏡筒３は前進方向に送り出される。その途中で位置
検出部２００によりレンズ鏡筒３の位置が検出され、超
音波モータの制御回路側にフィードバックされる。同時
に、回転検出部１５０から出力された超音波モータの回
転検出信号も制御回路側にフィードバックされる。

【００１８】図５は、図１に示した回転検出部の他の構
成を示す模式図であり、（Ａ）は平面形状を表わし、
（Ｂ）は断面形状を表わしている。図示する様に、円筒
形状のステータ１の下部に環形状のロータ２が配されて
いる。ロータ２には複数の歯車からなる輪列２７を介し
てエンコーダ板２６が接続されている。エンコーダ板２
６はフォトインタラプタ２５ａにより読み取られる様に
なっている。この様にして、ロータ２の回転を検出する
ことが可能である。回転体であるロータ２から輪列２７
を介してエンコーダ板２６を回転させ、その回転をフォ
トインタラプタ２５ａにより検出し、制御回路側にフィ
ードバックをかける。これを受け取った制御回路は所定
のアルコリズムに従い回転数の制御を行なう。

【００１９】図６は、図１に示した制御回路の具体的な
構成例を示す模式的なブロック図である。図示する様
に、本制御回路は、超音波モータ１００に駆動信号を印
加してその動作を制御するものであり、ダイレクトデジ
タルシンセサイザーＤＤＳ１１０、発振器１２０、プリ
ドライバ１３０、パワードライバ１４０、回転検出部１
５０及びＣＰＵ１７０とで構成されている。ＤＤＳ１１
０はクロック信号ｆｃに応じて動作し、数値で与えられ
る制御データｄｆに従って変化する周波数の基本波形ｆ
ｄ０を出力する。尚、ＤＤＳの基本的な構成は、例えば
特開２０００−１５１２８４号公報に開示されている。
発振器１２０は、上述したＤＤＳ１１０にクロック信号
ｆｃを供給する。プリドライバ１３０は、ＤＤＳ１１０
から出力された基本波形ｆｄ０を処理して、複相の駆動
信号ｆｄを生成する。パワードライバ１４０はプリドラ
イバ１３０から出力された駆動信号ｆｄに応じて駆動電
流ｉｄを超音波モータ１００に流し、これを駆動する。
電流モニタ１５０は、超音波モータ１００に流れた駆動
電流ｉｄを逐次検出し、その結果を検出電圧Ｖｉｄとし
て出力する。Ａ／Ｄコンバータ１６０は、検出された駆
動電流の量を表わすＶｉｄを、デジタルの電流値データ
ｄｉに変換する。ＣＰＵ１７０は、回転検出部１５０か
ら出力された回転検出信号に基づいて制御データｄｆを
求め、逐次ＤＤＳ１１０に入力する。

【００２０】ＣＰＵ１７０は図７に示すプログラムに基
づいてフィードバック制御を行ない、回転検出信号に応
じて周波数制御データｄｆをＤＤＳ１１０側に出力す
る。ＣＰＵ１７０は係るフィードバック制御により、超
音波モータ１００の回転速度が一定となる様に制御デー
タｄｆを調整することができる。係る制御により、超音
波モータ１００の定常動作における安定化が可能にな
る。具体的には図７に示す様に、ステップＳ１で回転数
検出を行ない、ステップＳ２で回転数の判断を行なう。
回転数が予め設定された許容範囲内にある時、ステップ
Ｓ３に進み超音波モータに印加される駆動信号の周波数
をキープする。回転数が速過ぎる時にはステップＳ４に
分岐し、周波数を上げる。一方回転数が遅過ぎる時には
ステップＳ５に分岐し周波数を下げる。係る制御によ
り、超音波モータを常に一定の速度で回転することがで
きる。

【００２１】図８は、超音波モータの動作特性を示すグ
ラフである。横軸は圧電振動子からなるステータに印加
する駆動信号の周波数ｆを表わし、縦軸はステータに流
れる駆動電流ｉを表わしている。図から明らかな様に、
駆動電流ｉはステータの共振周波数ｆｐで極大（ｉｍａ
ｘ）となる。駆動信号の周波数ｆがｆｐ付近にある時、
ステータに十分な駆動電流ｉが流れる。これに応じて、
ステータに公転トルクが発生する。一般的に、電流ｉが
大きい程公転トルクが大きくなる。駆動信号の周波数ｆ
がｆｐから外れ、電流ｉが減少すると公転トルクはほと
んど発生しない。

【００２２】従って、係る超音波モータを安定に回転さ
せる為には、例えば図８に示したグラフ上の動作点Ｄ
（ｆｄ，ｉｄ）でステータを駆動することが好ましい。
ｆｄを制御することによりｉｄがｉ１とｉ２の間でほぼ
一定となる様に、超音波モータを駆動する。一方、ステ
ータのｆ／ｉ特性は図示する様に温度など諸々の要因に
よりシフトする性質がある。例えばステータの温度は環
境によって変化するばかりでなく、ステータが励振され
ることによる自身の発熱によっても変化する。圧電共振
子は一般にＱ値が大きいので、動作点として使用できる
周波数範囲は狭く、周波数ｆの変化に対する電流ｉの変
化は大きい。電流ｉを制御する為には、周波数ｆを精密
に調整する必要がある。又、温度によるｆ／ｉ特性のシ
フト量は、動作点Ｄとして使用できる周波数範囲に比較
して大きい。グラフから明らかな様に、ｆ／ｉ特性シフ
トがあると、ステータの共振周波数はｆｐからｆｐ’に
大きく変化する。これに応じ、最適な動作点はＤから
Ｄ'にシフトする。このシフト量は、元の動作点Ｄに許
容される変動範囲（ｆｄを中心としたｆ１からｆ２の狭
い幅範囲）に比べ、大きくシフトしている。

【００２３】ところで、駆動電流が多く流れるとロータ
の回転数が上がり、駆動電流が減ると回転数も下がる傾
向にある。又、周囲の温度条件やモータを駆動すること
による自己発熱などにより動作周波数ｆｄが変動する。
その時、電流量が変動するがこれにつられてモータの回
転速度も変化する。そこで、本発明ではロータの回転数
を検知するセンサを設置することにより、回転数を制御
側が受け取り、その情報を元に周波数制御を行なうこと
が可能になる。

【００２４】図９は、図６に示した超音波モータ（ピエ
ゾモータ）１００の具体的な構成例を示す模式的な斜視
図である。図示する様に、ピエゾモータ１００は前述し
た特開平１０-２７２４２０号公報に示されている３Ｄ
公転トルク共振子よりなる電歪公転子型モータであっ
て、円筒型のステータ１と、その後端に圧接された環状
のロータ２とで構成されている。円筒型ステータ１の外
周面には、電極１１，１２，１３，１４が形成されてい
る。図示しないが、円筒の内周面にも電極が形成されて
いる。円筒の外周面に形成された電極は四分割されてお
り、それぞれ位相の異なる交流駆動電流Ｉ（Ａ），Ｉ
（Ｂ），Ｉ（ＡＸ），Ｉ（ＢＸ）が供給される。Ａ相電
流とＢ相電流は位相が互いに９０度異なっている。又、
Ａ相電流とＡＸ相電流は位相が１８０度異なっている。
換言すると、Ａ相とＡＸ相は互いに反対極性である。同
様に、Ｂ相とＢＸ相も反対極性となっている。

【００２５】図１０は、図９に示したステータの模式的
な横断面図である。図示する様に、セラミックなどの圧
電素子からなる円筒型ステータ１の内周面には、全面的
に基準電位を与える電極１０が形成されている。円筒の
外周面には四分割された駆動用の電極１１〜１４が形成
されている。これら四分割された電極１１〜１４には、
互いに位相が９０度ずつシフトした四相の交流駆動電流
Ｉ（Ａ），Ｉ（Ｂ），Ｉ（ＡＸ），Ｉ（ＢＸ）が供給さ
れる。

【００２６】図１１を参照して、図９及び図１０に示し
たピエゾモータの動作を説明する。尚、本発明は図９〜
図１１に示すピエゾモータ（超音波モータ）に限られる
ものではなく、他の様々な構成の超音波モータにも適用
可能であることは言うまでもない。ピエゾモータでは動
力源となる超音波振動が一定の共振周波数であるから、
電流はほぼ一定値となる。共振器はＱが高く、振動振幅
の立ち上がりは１サイクル以内と考えられ、非慣性機構
と見なすことができる。負荷の慣性が影響する範囲でし
か電流は変化しない。係る特徴を有するピエゾモータは
様々な構成が開発されているが、特に電歪公転型が有力
である。電歪公転型は、従来の様に振動をトルクに変え
るのではなく、周面全面に亘って一様な公転トルクを直
接励振することができる共振子を使っている。従来の超
音波振動子は定在波型と進行波型の二種類あるが、共に
重心固定の対称モードでしか励振できない。これに反し
て、円筒を左右の伸縮が逆になるモードで励振すると、
重心が中心を離れて振動する。この非対称励振を行なう
と、従来の対称励振では観測できなかった円筒の共振モ
ードが得られる。そこで、ステータ円筒の電極を例えば
四分割し、９０度ずつ位相の異なる回転電場で励振する
と、図１１に示す様に、重心が中心の周りを回転するモ
ードの共振が見られる。この時円筒の外周は元の形を保
ったまま、フラフープの様に偏心するので、振動子が公
転回転を行なう。係る構成の電歪公転子型モータでは、
直接回転モードが励振され、円筒状公転子の径および周
方向に加えて軸方向のモードも結合させた３Ｄ公転トル
ク発生子として利用できる。この公転トルクは、直接ロ
ータの自転運動として取り出される。

【００２７】図１２は、図６に示したＤＤＳ１１０の具
体的な構成例を示す模式的なブロック図である。ＤＤＳ
１１０は加算器とラッチとで構成されている。加算器は
ＣＰＵから数値として与えられた１６ビット制御データ
ｄｆを逐次加算し、その結果をラッチに送る。ラッチは
クロック信号ｆｃに応じて動作し、ラッチした加算結果
を加算器側にフィードバックする。ラッチは加算器によ
る加算でオーバーフロー（桁上げ）が生じた時、最上位
ビットＭＳＢをｆｄ０として出力する。この様に、ＤＤ
Ｓ１１０はＣＰＵから与えられた周波数設定データｄｆ
及び発振器からのクロック周波数ｆｃに応じて次の式で
表わされる周波数ｆｄ０の基本波形を生成する。ｆｄ０＝ｄｆ×ｆｃ／２^Ｎ（Ｎ；データのビット数）

【００２８】尚、通常のＤＤＳは、ラッチされた出力デ
ータを検索テーブルＬＵＴにより正弦波などの波形デー
タに変換した後、デジタル／アナログ変換して出力波形
とする。しかしながら、超音波モータは基本的に矩形波
の駆動信号で駆動することができる。その為本例のＤＤ
Ｓでは矩形波出力でよいので、ラッチされたデータの最
上位ビットＭＳＢをそのまま出力波形として用いること
ができる。従って、本ＤＤＳからはＬＵＴ及びデジタル
／アナログコンバータは省略されている。

【００２９】図１３は、図６に示したプリドライバ１３
０から出力される複相の駆動信号ｆｄを示す波形図であ
る。前述した様に、プリドライバは、ＤＤＳから出力さ
れた基本波形ｆｄ０を基に、ステータを駆動する為の複
相の駆動信号ｆｄ（Ａ），ｆｄ（Ｂ），ｆｄ（ＡＸ），
ｆｄ（ＢＸ）を生成する。各駆動信号ｆｄの周波数は基
本波形ｆｄ０に等しいか又はこれを分周した周波数とな
る。図示の例では、各駆動信号ｆｄは基本波形ｆｄ０を
１／２に分周した波形となっている。図示する様に、Ａ
相に対しＢ相は９０度シフトし、ＡＸ相は１８０度シフ
トし、ＢＸ相は２７０度シフトしている。この様に９０
度ずつ位相の異なる交流駆動信号をステータに印加する
ことで回転電場が形成され、これに応じてステータは直
接回転モードを励振する。以上の様に、プリドライバ
は、９０度ずつ位相の異なる４種類の駆動波形を生成し
ている。駆動波形の周波数ｆｄは基本周波数ｆｄ０の１
／２である。これらの波形は、カウンタ、インバータな
どのロジックＩＣにより、基本波形ｆｄ０から容易に作
成することができる。

【００３０】図１４は、図６に示した超音波モータ制御
回路に含まれるパワードライバ１４０の具体的な構成例
を示した回路図である。図示する様に、超音波モータ１
００に接続されたパワードライバは一対のＨブリッジ１
４０Ａ，Ｈブリッジ１４０Ｂからなる。ここで、一対の
駆動信号ｆｄ（Ａ），ｆｄ（ＡＸ）はＨブリッジ１４０
Ａを介して超音波モータ１００の互いに対向する一対の
電極に印加される。同様に、他の一対の駆動信号ｆｄ
（Ｂ），ｆｄ（ＢＸ）も他のＨブリッジ１４０Ｂを介し
て互いに対向する他の一対のステータ電極に印加され
る。Ｈブリッジ１４０Ａ，１４０Ｂは、それぞれ入力信
号に応答して、ステータ電極に十分な出力電流Ｉ
（Ａ），Ｉ（Ｂ），Ｉ（ＡＸ），Ｉ（ＢＸ）を供給する
為のパワーアンプとなっている。以上の様に、パワード
ライバは一対のＨブリッジにより構成されている。ブリ
ッジを構成する素子としては、高速にスイッチングする
必要からＭＯＳＦＥＴを用いている。

【００３１】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば超音
波モータの回転数検出機構を光学式で且つ非接触式に変
えることで、精度の高い回転数検知が実現できるととも
に、ロータから発生する回転トルクの損失を少なくする
ことができる。又、回転数検出に基づいて超音波モータ
のフィードバック制御を行なうことにより、回転速度の
安定化を実現できる。更には、負荷の位置検出信号とロ
ータの回転検出信号の両者に基づいてモータの回転制御
を行なうことで、負荷を高い精度で駆動することが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波モータ装置の実施の形態を
示す模式図である。

【図２】図１に示した超音波モータ装置に組み込まれる
回転検出部の具体的な構成並びに動作を示す模式図であ
る。

【図３】図１に示した超音波モータ装置の動作説明に供
する波形図である。

【図４】図１に示した超音波モータ装置を組み込んだカ
メラ用レンズ駆動装置の一例を示す部分縦断面図であ
る。

【図５】図１に示した超音波モータ装置に含まれる回転
検出部の他の例を示す模式的な平面図及び断面図であ
る。

【図６】図１に示した超音波モータ装置の制御回路の具
体的な構成例を示すブロック図である。

【図７】図６に示した制御回路の動作説明に供するフロ
ーチャートである。

【図８】図６に示した制御回路の動作説明に供する周波
数／電流特性図である。

【図９】図６に示した超音波モータの模式的な斜視図で
ある。

【図１０】図６に示した超音波モータの横断面図であ
る。

【図１１】図６に示した超音波モータの動作説明図であ
る。

【図１２】図６に示した超音波モータ制御回路に含まれ
るＤＤＳの具体的な構成例を示すブロック図である。

【図１３】図６に示した超音波モータ制御回路に含まれ
るプリドライバの動作説明に供する波形図である。

【図１４】図６に示した超音波モータ制御回路に含まれ
るパワードライバの具体的な構成例を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

２・・・ロータ、３・・・レンズ鏡筒、２３・・・パタ
ン、２５・・・フォトリフレクタ、１００・・・超音波
モータ、１１０−１４０・・・駆動部、１５０・・・回
転検出部、１７０・・・制御部、２００・・・位置検出
部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮崎浩東京都板橋区志村２丁目18番10号日本電産コパル株式会社内 (72)発明者花島正和東京都板橋区志村２丁目18番10号日本電産コパル株式会社内 (72)発明者當摩清東京都板橋区志村２丁目18番10号日本電産コパル株式会社内Ｆターム(参考） 5H680 AA06 BB01 BB15 BB17 BC01 CC01 DD01 DD12 DD23 DD65 DD73 DD87 DD88 EE01 EE12 EE22 EE23 FF04 FF05 FF23 FF24 FF25 FF30 FF33 FF38 GG01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒形状の圧電素子からなり円筒端面に
回転駆動力を発生するステータ及び該円筒端面に対して
摺動的に圧接して該回転駆動力により回転運動を行なう
ロータからなる超音波モータと、該ステータに駆動信号を印加して該ロータの回転を制御
する制御回路とを備えた超音波モータ装置であって、前記ロータの外周面に沿ってパタンが形成されており、該ロータの外周面に光学センサが対向配置されており、
通過する該パタンを光学的に検出して該ロータの回転に
応じた検出信号を逐次出力し、前記制御回路は該検出信号に応じて該駆動信号を出力し
該ロータの回転を制御することを特徴とする超音波モー
タ装置。
【請求項２】前記パタンは、該ロータの外周面に一ヶ所
形成されており、前記光学センサはロータの一回転毎に
検出信号を出力することを特徴とする請求項１記載の超
音波モータ装置。
【請求項３】前記パタンは、該ロータの外周面に沿っ
て等間隔でｎ個形成されており、前記光学センサは該ロ
ータが１／ｎ回転する毎に検出信号を出力することを特
徴とする請求項１記載の超音波モータ装置。
【請求項４】前記ｎ個のパタンは、該ロータの周方向
に沿って漸次幅寸法が変化しており、前記光学センサは
各パタンの幅寸法に対応した検出信号を出力することを
特徴とする請求項３記載の超音波モータ装置。
【請求項５】円筒形状の圧電素子からなり円筒端面に
回転駆動力を発生するステータ及び該円筒端面に対して
摺動的に圧接して該回転駆動力により回転運動を行なう
ロータからなる超音波モータと、該ステータに駆動信号を印加して該ロータの回転を制御
する制御回路とを備えた超音波モータ装置であって、該ロータの回転を検出して逐次回転検出信号を出力する
回転検出部を備えており、前記制御回路は、該回転検出信号に応じて該駆動信号の
周波数を制御し、もって該ロータの回転を安定化するこ
とを特徴とする超音波モータ装置。
【請求項６】前記制御回路は、該ロータによって駆動
される負荷の位置を検出して位置検出信号を出力する位
置検出部を備えており、該回転検出信号及び位置検出信号に応じて該駆動信号を
出力し、もって該負荷の停止位置制御を行なうことを特
徴とする請求項５記載の超音波モータ装置。