JP2832755B2 - 超音波モータの駆動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータの駆動制
御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、磁気カードの読み取り、書き取
り処理を行うカードリーダでは、小型で、磁気発生がな
くトルクの大きな超音波モータを、従来の直流モータの
代わりに利用することが考えられている。

【０００３】超音波モータは、図４に示すように、中心
に回転軸１を有する円板状の回転子２と、環状に配列さ
れた複数の圧電体３₁ 〜３_n 、４₁ 〜４_n 、５および圧
電センサ６の上面に弾性体７が接着された固定子８とに
よって構成されている。

【０００４】圧電体３₁ 〜３_n 、４₁ 〜４_n は、極性が
互い違いとなるように並んでおり、図５に示すように、
左側の圧電体３₁ 〜３_n と右側の圧電体４₁ 〜４_n に対
して、圧電体の共振周波数に近い周波数で９０度位相が
異なる交流信号を電極９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂより
印加すると、圧電体３₁ 〜３_n 、４₁ 〜４_n は、円周方
向に屈曲振動し、左右の波が中間の圧電体５を介して干
渉し、図６に示すように、弾性体７の表面には、円周方
向に沿って進行する弾性波が生じる。

【０００５】このため、弾性体７に上方から接している
回転子２は、弾性波の進行する方向と反対の方向に回転
駆動される。

【０００６】なお、回転子２の回転速度は、弾性波の振
幅が大きい程、弾性波の進行速度に対する遅れが少なく
なり、弾性波の振幅は、図７に示すように交流信号の周
波数が圧電体３₁ 〜３_n 、４₁ 〜４_n の共振周波数Ｆ₀
に近い程大きくなる。

【０００７】この超音波モータを所定の目標速度で定速
回転させるための駆動制御装置として、従来より図８に
示すように、超音波モータの回転子２に連結した回転速
度検出器（例えばロータリエンコーダ）１１からの信号
の周期（あるいは周波数）を、回転速度比較手段２１で
目標速度に対応した周期と比較し、その比較出力を受け
た駆動周波数制御手段２２により、発振器２３の発振周
波数を所定の周波数変化率で可変して、常に回転速度検
出器１１からの信号周期を、目標速度に対応した周期に
近づける方向にフィードバック制御する駆動制御装置２
０が用いられている。

【０００８】なお、図８において、２４は発振器２３の
出力信号を９０度位相の異なる駆動信号に変換する移相
回路である。

【０００９】このフィードバック制御により、例えば負
荷の変動等で図９に示すように回転速度が一時的に変動
しても、モータ回転速度は、フィードバックループの応
答速度に応じて目標速度に復帰し、長時間にわたって定
速に駆動される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、カード
リーダの駆動源としてこの超音波モータを用いた場合、
カード利用者のいたずら等により、搬出、搬入途中のカ
ードが押さえられてしまうと、超音波モータに対して過
大な負荷がかかり、超音波モータに印加される駆動信号
の周波数は、前述したループ制御により、共振周波数側
に急速に近づき、この周波数付近で、固定子８に対して
回転子２がスリップしてしまう。

【００１１】このスリップ現象が発生すると、回転子２
に対する弾性体の接合面が、破壊され、超音波モータを
回転させることができなくなってしまい、カードリーダ
も使用不能な状態となってしまう。

【００１２】本発明は、この課題を解決した超音波モー
タの駆動制御装置を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の超音波モータの駆動制御装置は、超音波モ
ータの回転速度を上昇させる方向へ駆動信号の周波数が
可変された後の回転速度と、可変前の回転速度とを比較
する比較手段と、可変後の回転速度が可変前より低下し
ていることが、比較手段で所定回数連続して検出された
とき、超音波モータの回転を停止させる停止手段とを備
えている。

【００１４】

【作用】したがって、超音波モータの回転速度を上昇さ
せる方向に駆動信号の周波数が可変された後の回転速度
が、所定回数連続して可変前より低下している場合は、
超音波モータの回転が停止される。

【００１５】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。

【００１６】図２は、カードリーダの駆動源として用い
られる超音波モータの駆動制御装置（以下、駆動制御装
置と記す）３０の構成を示すブロック図である。

【００１７】図２において、３１は、後述するＣＰＵ４
０からの出力データに対応した電圧を出力するＤＡ変換
器、３２は、ＤＡ変換器３１の出力電圧の変化に対して
逆方向に周波数変化する信号を発振出力するＶＣＯ（電
圧制御発振器）である。

【００１８】３３は、後述するスイッチ４２を介して入
力されるＶＣＯ３２からの信号を１／４分周することに
より、９０度位相の異なる交流信号を発生する移相回路
である。３４、３５は、移相回路３３の出力を増幅して
超音波モータＭの圧電体３₁ 〜３_n 、４₁ 〜４_n にそれ
ぞれ印加するドライバである。

【００１９】超音波モータＭの回転子２には、回転子２
の回転速度に比例した周波数のパルス信号を出力するロ
ータリエンコーダ３６が連結されている。

【００２０】３７は、超音波モータＭの定常速度（目標
速度）を設定するための速度設定器であり、超音波モー
タＭが目標速度で回転するときの、ロータリエンコーダ
３６のパルス周期Ｔが設定される。

【００２１】ＣＰＵ４０は、メモリ４１内に予め記憶さ
れた処理手順に従って、超音波モータの起動、定速制御
および停止制御を行なう。

【００２２】図１は、このＣＰＵ４０の処理手順を示す
フローチャートであり、以下、このフローチャートに従
って、駆動制御装置３０の動作を説明する。

【００２３】始めに、カードの搬入等の検知により、電
源投入がなされると、超音波モータＭに対する起動処理
（ステップ１〜５）がなされる。

【００２４】この起動処理は、モータ回転速度を低速か
ら除々に目標速度まで上げるための処理であり、始め
に、スイッチ４２がオン状態となり、ＤＡ変換器３１に
対する電圧データＤが初期値Ｄ₀ に設定される（ステッ
プ１、２）。

【００２５】このため、電圧データＤ₀ に対応した周波
数（例えば図７のＦ₁ ）の２相の交流信号が超音波モー
タＭに印加される。この交流信号の印加により、超音波
モータＭが除々に回転し、ロータリエンコーダ３６から
は、周期の長いパルス信号が出力され、その周期ｔが測
定される（ステップ３）。

【００２６】次に、測定された周期ｔと、予め速度設定
器３７に設定された周期Ｔとの大小比較がなされ、ロー
タリエンコーダ３６の出力パルスの周期ｔが、設定され
た周期Ｔより長いときは、電圧データが所定値Ａだけ加
算更新され、ステップ２に戻る（ステップ４、５）。

【００２７】以下、ロータリエンコーダ３６の出力パル
スの周期ｔが設定周期より短かくなる、即ち、超音波モ
ータＭの回転速度が目標速度に達するまでは、同様の処
理（ステップ３〜５）がなされる。

【００２８】このようにして、超音波モータＭが目標速
度まで起動されると、ＣＰＵ４０は、定速制御処理に移
行する。この定速制御処理では、始めに値Ｋが０に初期
化され、ロータリエンコーダ３６の出力パルスの周期ｔ
が測定され、測定された周期ｔと設定周期Ｔとの大小比
較がなされる（ステップ６〜８）。

【００２９】ここで、例えば、図３のｔ₁ 時のように、
モータ回転速度が目標速度に等しい場合は、ｔ＝Ｔと判
定され、ステップ７へ戻る。

【００３０】また、負荷の僅かな変動により、同図のｔ
₂ 時のように、回転速度が上昇した場合は、ｔ＜Ｔと判
定され、電圧データはＢだけ減算更新され（Ｂは正の定
数）、駆動周波数がＢに対応した分だけ高くなる（ステ
ップ９）。

【００３１】このステップ７〜９までの処理は、負荷変
動によって上昇したモータ回転速度が目標速度に達する
ｔ₃ 時まで繰返しなされる。

【００３２】逆に、ｔ₄ 時のように、回転速度が低下し
た場合は、ｔ＞Ｔと判定され、電圧データはＢだけ加算
更新され、駆動周波数がＢに対応した分だけ低くなる
（ステップ１０）。

【００３３】次に、駆動周波数が可変された直後の周期
測定がなされ、測定された周期ｔ′が、周波数可変前に
測定された周期ｔより短い（回転速度が上昇した）と判
定された場合は、Ｋの値をリセットして、ステップ６に
戻る（ステップ１１〜１３）。

【００３４】このステップ７〜１３の処理も、モータ回
転速度が目標速度に復帰するｔ₅ 時まで繰返しなされ
る。

【００３５】また、カード利用者のいたずらにより、ｔ
₆ 時に搬入中のカードが押さえられたりして、超音波モ
ータに対して大きな負荷が連続して加えられると、ステ
ップ１０で周波数が可変されたにもかかわらず、可変前
の測定周期ｔより、周波数可変後の測定周期ｔ′の方が
長い（回転速度が低下した）と判定され、Ｋの値が１だ
け加算更新される（ステップ１４）。

【００３６】次に、Ｋの値が所定値８になったか否かが
判定され、所定値８に達していない場合は、ステップ１
０に戻り、電圧データＤの加算更新がなされる（ステッ
プ１５）。このように、回転速度を上昇させる方向に周
波数の可変がなされたにもかかわらず、８回連続して回
転速度の上昇が認められない場合は、スイッチ４２がオ
フ状態となり、超音波モータＭの回転は停止する（ステ
ップ１６）。

【００３７】したがって、駆動信号は、超音波モータの
共振周波数まで可変されるまえに、その印加が停止され
るため、超音波モータのスリップ現象は起こらない。

【００３８】

【他の実施例】なお、前記実施例では、ＣＰＵ４０から
の信号でオンオフするスイッチ４２により、超音波モー
タに対する駆動信号の供給を停止していたが、ＶＣＯ３
２の発振を停止させたり、移相回路３３の分周機能を停
止させるようにしてもよい。

【００３９】また、前記実施例では、駆動周波数の可変
しているにもかかわらず、８回連続して回転速度の上昇
が認められない場合に、超音波モータの回転を停止する
ようにしていたが、超音波モータの共振周波数と目標回
転速度に対応した駆動周波数との差および１回毎の周波
数変化率との関係から、この回数を可変するようにして
もよい。

【００４０】例えば、目標回転速度に対応する駆動周波
数が、共振周波数に近く、周波数変化率も比較的大きい
場合は、１回でも回転速度の上昇が認められなければ、
モータの回転を停止させ、反対に目標回転速度に対応す
る駆動周波数が、共振周波数から充分離れ、周波数変化
率も小さい場合は、３２回連続して回転速度の上昇が認
められなければ、モータの回転を停止させるようにすれ
ばよい。

【００４１】また前記実施例では、モータ回転速度と目
標速度の比較やＶＣＯに対する発振周波数制御をＣＰＵ
４０によって行なっていたが、これは本発明を限定する
ものでなく、アナログコンパレータや演算増幅器によっ
てこれらの制御を行なう駆動制御装置についても本発明
を適用することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波モ
ータの駆動制御装置は、定速駆動中に、超音波モータの
回転速度を上昇させる方向に駆動周波数が可変された後
の回転速度と、可変前の回転速度とを比較し、可変後の
回転速度が可変前の回転速度より低下している状態が所
定回数連続して発生した場合、超音波モータの回転を停
止するようにしているため、外部から故意に大きな負荷
があたえられる可能性のあるカードリーダ等の駆動源と
して超音波モータを用いた場合でも、スリップ現象の発
生する前にモータを停止させることができ、モータ破壊
を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の処理手順を示すフローチャ
ートである。

【図２】一実施例の構成を示すブロック図である。

【図３】一実施例の要部の動作を説明するための図であ
る。

【図４】超音波モータの構成を示す概略斜視図である。

【図５】超音波モータの要部の正面図である。

【図６】超音波モータの動作を説明するための概略図で
ある。

【図７】超音波モータの駆動周波数に対する弾性波振幅
の特性を示す図である。

【図８】従来装置の構成を示す図である。

【図９】従来装置の動作を説明するための図である。

【符号の説明】

３０ 超音波モータの駆動制御装置 ３２ ＶＣＯ ３３ 移相回路 ３６ ロータリエンコーダ ３７ 速度設定器 ４０ ＣＰＵ ４２ スイッチ Ｍ 超音波モータ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動信号の周波数に応じて回転速度が変
   化する超音波モータの回転速度を、超音波モータの回転
   子に連結された回転速度検出器からの検出信号に基づい
   て検出し、該検出された回転速度を予め設定された目標
   速度に近づける方向に、前記駆動信号の周波数を所定の
   周波数変化率で可変させ、前記超音波モータを前記目標
   回転速度で定速駆動する超音波モータの駆動制御装置に
   おいて、前記超音波モータの回転速度を上昇させる方向
   に前記駆動信号の周波数が可変された後の回転速度と、
   可変前の回転速度とを比較する比較手段と、前記可変後
   の回転速度が可変前より低下していることが、前記比較
   手段で所定回数連続して検出されたとき、前記超音波モ
   ータの回転を停止させる停止手段とを備えたことを特徴
   とする超音波モータの駆動制御装置。