JP2995789B2 - 超音波モータの駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、圧電体により弾性体に発生した進行性振動
波によって移動子を駆動する超音波モータの駆動装置に
関する。

B.従来の技術 進行性振動波を利用した超音波モータは、特開昭59−
111609号公報にも開示されているように、圧電体に交番
駆動電圧を印加して該圧電体に屈曲振動を生じさせて圧
電体が貼付けられた弾性体に進行性振動波を生じさせ、
この弾性体に移動子を加圧接触させて摩擦駆動するモー
タである。

第６図は回転式超音波モータの概略構成を示す断面
図、第７図は圧電体側から見た超音波モータの平面図で
ある。

第６図，第７図の超音波モータについて説明すると、
弾性体100−３の片側表面には圧電体100−４が貼付られ
ており、これら弾性体100−３と圧電体100−４とによっ
て振動体120を構成している。また、弾性体100−３の片
側表面にはスライダ100−２を介してロータ100−１が加
圧接触しており、これらスライダ100−２とロータ100−
１とは接着されて回転子110を構成している。

圧電体100−４は第７図に示すように、その表面に４
つの電極および電極群100−4a,100−4b,100−4c,100−4
dが設けられており、駆動用電極群100−4aと100−4bに
は相互にπ/2だけ位相の異なる交番駆動電圧が印加さ
れ、電極100−4cは接地される。電極100−4dは振動体12
0の振動状態に応じた交番出力電圧を取り出すために使
用される。これらの構成および動作については日経メカ
ニカル1983.2.28号などにより周知であるため、ここで
はその説明を省略する。

このような超音波モータの駆動制御装置は、例えば特
開昭59−204477号公報や特開昭61−251490号公報に開示
されたものが知られている。これらの駆動制御装置は、
モニタ電極100−4dから取りだされる電圧値で交番駆
動電圧信号の周波数を制御したり、圧電体100−４に
印加される交番電圧信号波形とモニタ電極100−4dから
出力される電圧信号波形との位相差により交番駆動電圧
信号の周波数を制御するものである。

C.発明が解決しようとする課題 しかしながら、超音波モータは、過渡時における動作
特性が不安定であるという性質を有しており、また、そ
のモニタ電極の出力電圧も過渡時には不安定である。こ
こで、過渡時とは超音波モータの起動時、駆動中にその
速度を変化させた時、駆動中にその回転方向を切り換え
た時等である。この過渡時に超音波モータを駆動制御す
る場合、モニタ電極の出力電圧および出力電圧波形に基
づいてその駆動条件を制御すると超音波モータの動作が
不安定になったり、あるいは、起動しないという問題が
発生する。

この過渡時における超音波モータの不安定現象の原因
として以下のことが考えられる。

第２図は超音波モータの動作特性を示す図で、横軸は
駆動周波数ｆ、縦軸は駆動速度Ｎおよび駆動電極100−4
aに印加される駆動電圧波形とモニタ電極の出力電圧波
形との位相差φであり、図中のφ1,φ２はそれぞれの駆
動方向における位相差の特性をを示す。駆動電極100−4
bの駆動電圧波形を基準にして、駆動電極100−4aの駆動
電圧波形の位相がπ/2だけ進む時の駆動方向を例えば正
転とし、位相差の特性がφ１で示されるとすれば、駆動
電極100−4aの駆動電圧波形の位相がπ/2だけ遅れる時
は逆転となり、位相差の特性はφ２で示される。また、
図中のF1は超音波モータの共振周波数である。超音波モ
ータは駆動周波数ｆを変えることによりその駆動速度を
可変にできるが、通常、この駆動制御に用いられる周波
数帯域は共振周波数F1より高い周波数で、その帯域幅は
共振周波数F1の10〜15％程度の狭いものである。図に示
すように共振周波数F1付近およびそれ以下の周波数で
は、わずかな周波数の変化で駆動速度が大きく変わり動
作が不安定である。これよりもさらに低い周波数では駆
動制御ができない。

また、駆動周波数帯域以上の周波数では、駆動方向が
逆転する等の不安定な現象が発生する。この駆動周波数
に起因する問題以外に、駆動電圧が変化した場合にも不
安定になることがある。さらに、超音波モータは駆動中
にその回転方向を切り換えた場合の過渡時に動作が不安
定になる。これは、回転方向によって超音波モータの動
作特性が異なることと、駆動電極に印加される駆動電圧
の位相を切り換えるために発生する過渡現象とに起因す
ると考えられる。

次に、過渡時におけるモニタ電極の出力電圧について
説明する。

第８図は、駆動電圧と駆動周波数とを一定として超音
波モータを起動した時のモニタ電極の出力電圧を示すタ
イムチャートである。時刻t1で駆動電極に駆動電圧を印
加して超音波モータを起動すると、モニタ電極の出力電
圧は徐々に増加していき、時刻t2以後において一定の電
圧となる。図に示すように起動直後の時刻t1からt2まで
の期間では、モニタ電極の出力電圧は過渡状態にあり、
時刻t2以後の安定状態の電圧値とは異なる値となる。

また、駆動電極の駆動電圧波形とモニタ電極の出力電
圧波形との間の位相差においても起動時は過渡的に不安
定となり、特に起動直後は第８図に示されるようにモニ
タ電極の出力電圧が小さいために位相差の検出に大きな
誤差を生じる。

このようなモニタ電極に発生する過渡現象の原因は停
止状態と駆動状態とで超音波モータの等価インピーダン
スが異なり、これに伴って共振周波数が変化することに
あると考えられる。また、別な原因として、超音波モー
タに駆動電圧を供給する電力増幅器にトランスを用いて
いる場合、あるいは駆動電極にコイルを接続している場
合には、駆動電圧が変化すると駆動電極の圧電素子の有
する容量とトランスあるいはコイルのインダクタンスと
の間で過渡現象を発生することが考えられる。

このように不安定なモニタ電極の出力電圧に基づいて
過渡時の超音波モータの駆動制御を行なうと、駆動周波
数が、安定に動作する駆動周波数帯域内の周波数に設定
されず、上述した不安定な領域の駆動周波数となって、
超音波モータは不安定な動作をする。

本発明の技術的課題は、超音波モータの駆動条件を制
御して、過渡時においても安定に超音波モータを駆動す
ることにある。

D.課題を解決するための手段 一実施例を示す第１図に対応づけて本発明を説明する
と、本発明は、圧電体の励振により弾性体に振動を発生
する固定子と、加圧手段により固定子に加圧接触され振
動により相対的に駆動される移動子とから成る超音波モ
ータの駆動装置であって、超音波モータが所望の駆動状
態で駆動されるように超音波モータの駆動信号を生成す
る定常時信号生成手段14〜17と、超音波モータの駆動方
向の切り換え時に適した駆動信号を生成する過渡時信号
生成手段33と、超音波モータの駆動方向を切り換えると
きには、過渡時信号生成手段33で生成した駆動信号を超
音波モータに印加し、定常的な駆動状態のときには定常
時信号生成手段14〜17で生成した駆動信号を超音波モー
タに印加するように両信号生成手段14〜17、33を切り換
える切換手段31、32とを備えることにより、上記技術的
課題を達成する。

E.作用 定常時は、切換手段31、32が定常時信号生成手段14〜
17で生成される定常時信号、すなわち超音波モーターを
所望の駆動状態で駆動する信号に切り換えて超音波モー
ターに印加する。超音波モーターの駆動方向を切り換え
るときには、切換手段31,32が過渡時信号生成手段33で
生成される過渡時信号、すなわち超音波モータの駆動方
向の切り換え時に適した駆動信号に切り換えて超音波モ
ーターに印加する。

なお、本発明の構成を説明する上記Ｄ項およびＥ項で
は、本発明を分かり易くするために実施例の図を用いた
が、これにより本発明が実施例に限定されるものではな
い。

F.実施例 第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図であ
る。この実施例は、駆動電圧波形とモニタ電極の出力電
圧波形の位相差が、所定の位相差になるように駆動周波
数を制御する例である。すなわち、それぞれの駆動方向
で駆動電圧の位相差が例えば第２図に示すφ11,φ21と
なるように制御するものである。この場合、図示のごと
く駆動周波数はF2、駆動速度はＮとなる。

11,12は波形整形器であり、それぞれ超音波モータの
駆動電極100−4a,モニタ電極100−4dに接続されて、超
音波モータの駆動電圧波形およびモニタ電極の出力電圧
波形を必要な電圧レベルの方形波に波形整形する。13は
位相比較器であり、波形整形器11の出力、すなわち超音
波モータの駆動電極100−4aの駆動電圧波形と、波形整
形器12の出力、すなわちモニタ電極の出力電圧波形とを
比較し位相差を検出して電圧値として出力する。

第３図はこの位相比較器13の特性を示す図で、これに
ついて説明する。

縦軸に位相比較器13の出力電圧を、横軸に駆動電極10
0−4aの駆動電圧波形を基準として、この電圧波形とモ
ニタ電極の出力電圧波形との位相差φをそれぞれ表す。
図中のφ11,φ21は、上述した正転時および逆転時の位
相差である。位相比較器13は位相差φに応じて第３図に
示すような特性の信号を出力する。

14,15はそれぞれ上述の正転時および逆転時の基準位
相差φ11,φ21を設定する設定器であり、それらの出力
電圧は信号選択器（MPX1）16の入力端子ＡとＢに入力さ
れる。この信号選択器（MPX1）16のコントロール端子CT
Lへは方向入力の信号が接続され、その信号のレベルが
ローレベルの時は入力端子Ａの設定器14により設定され
た基準位相差信号が、ハイレベルの時は入力端子Ｂの設
定器15により設定された基準位相差信号がそれぞれ選択
される。17は誤差増幅器で、信号選択器（MPX1）16で選
択された基準位相差信号と位相比較器13の出力電圧を比
較しその差分を増幅する。

信号選択器（MPX2）21は、そのコントロール端子CTL
の信号レベルがハイレベルのときに、入力端子Ｂに入力
される誤差増幅器17の出力電圧を選択し、ローレベルの
ときに、設定器23により設定されて入力端子Ａに入力さ
れる超音波モータ起動時の駆動信号を選択し、後述の信
号選択器（MPX3）31へ送出するものである。そのコント
ロール端子CTLには、モータ駆動時に起動入力の信号が
ローレベルからハイレベルに変化した時に一定時間T1だ
けその出力を遅延する遅延回路22の出力信号が接続され
ている。すなわち、起動時には一定時間T1だけ設定器23
からの駆動信号を選択する。

信号選択器（MPX3）31は、そのコントロール端子CTL
へ入力されるタイマ32からの信号のレベルに従って、入
力端子Ａの信号選択器（MPX2）21の出力信号と、入力端
子Ｂの設定器33により設定される超音波モータの駆動方
向切換時の駆動信号とを選択して出力する。

第４図（ａ）はタイマ32の詳細な回路を、（ｂ）はそ
の動作のタイムチャートを示す。

タイマ32は、バァファアンプ34と、EXORゲート35と、
抵抗器36と、コンデンサ37とによって構成され、方向入
力の信号はバァファアンプ34の入力とEXORゲート35の入
力とに並列に接続される。時刻t10で方向入力の信号が
ローレベルからハイレベルになると、EXORゲート35の入
力の内バァファアンプ34を経由する方向入力信号は、抵
抗器36とコンデンサ37の遅延回路によって遅延され、
（ａ）に示すａ点における波形は（ｂ）のようになる。
EXORゲート35は、その入力のいずれか一方がハイレベル
の時だけ出力をハイレベルにするものであるから、抵抗
器36とコンデンサ37により決められた時間T2だけハイレ
ベルになる。同様に、方向入力の信号がハイレベルから
ローレベルに変化する時刻t11においても、EXORゲート3
5の出力は時間T2だけハイレベルとなる。このようにタ
イマ32は方向入力の信号が変化する時の一定時間T2だけ
その出力がハイレベルになるものである。

さらに第１図において、抵抗器41とコンデンサ42は、
信号選択器（MPX3）31の出力信号、すなわち超音波モー
タの駆動信号を電圧制御発振器（以下、VCOと呼ぶ）43
へ入力する場合のローパスフィルタである。VCO43は入
力信号の電圧レベルに比例した周波数の信号を出力する
ものである。なお、この周波数は後述のＤフリップフロ
ップ51,52によって1/4に分周されるので、所定の周波数
の４倍に設定されている。

Ｄフリップフロップ51,52は、VCO43の周波信号をクロ
ック入力端子CKへ入力し、その周波数を1/4に分周する
ように構成される。Ｄフリップフロップ51の出力は電力
増幅器61と誘導性素子71とを介して駆動電極100−4aに
接続される。また、Ｄフリップフロップ52の出力はEXOR
ゲート53の一方の入力端子に接続される。EXORゲート53
の他方の入力端子には方向入力の信号が接続され、その
出力は電力増幅器62と誘導性素子72とを介して駆動電極
100−4bに接続される。

方向入力の信号がローレベルの時には、Ｄフリップフ
ロップ52の出力がそのまま電力増幅器62で増幅されて駆
動電極100−4bに印加されるので、駆動電極100−4aの駆
動電圧波形は駆動電極100−4bの駆動電圧波形に対して
π/2だけ位相が進む。逆に、方向入力の信号がハイレベ
ルの時にはEXORゲート53によってＤフリップフロップ52
の出力が反転されるので、駆動電極100−4aの駆動電圧
波形は駆動電極100−4bの駆動電圧波形に対してπ/2だ
け位相が遅れる。なお、電力増幅器61,62は起動入力信
号がハイレベルの時だけ出力を発生させる。

このように構成される超音波モータの駆動装置の動作
を説明する。

まず、超音波モータを起動する場合は、起動入力の信
号が遅延回路22へ入力される。遅延回路22はこの起動信
号を一定時間T1だけ遅延させるので、その間、信号選択
器（MPX2）21の入力Ａ、すなわち、起動時の駆動条件を
設定する設定器23の設定電圧が選択される。そして、起
動時に信号選択器（MPX3）31のコントロール端子CTLは
ローレベルでありこの信号選択器（MPX3）31はＡ入力を
選択している。その結果、設定器23の設定電圧信号は信
号選択器（MPX3）31とローパスフィルタ（抵抗器41とコ
ンデンサ42）とを介してVCO43に入力される。

VCO43はこの電圧信号に相当する周波信号を発生して
Ｄフリップフロップ51,52へ送出する。この周波信号は
Ｄフリップフロップ51,52によって1/4に分周され、さら
に、EXORゲート53を経て相互にπ/2の位相差を有する２
つの周波信号が生成される。これらの周波信号は電力増
幅器61,62によって増幅され、それぞれ誘導性素子71,72
を介して駆動電極100−4a,100−4bに印加される。

ここで、方向入力の信号がローレベルの時の駆動方向
を例えば正転とすれば、上述したように、駆動電極100
−4aに印加される駆動電圧波形は駆動電極100−4bの駆
動電圧波形よりもその位相においてπ/2だけ進む。

このようにして、設定器23により設定された最適な起
動時の駆動条件で超音波モータが起動される。遅延回路
212の遅延時間T1が経過すると遅延回路出力はハイレベ
ルとなり、信号選択器（MPX2）21は入力Ｂ、すなわち誤
差増幅器17からの信号を選択する。つまり、この時点か
ら超音波モータは定常運転に移行する。

次に、超音波モータの定常時の動作を説明する。

定常時は、駆動電極100−4aの出力電圧波形（波形整
形器11の出力）を基準としたモニタ電極100−4dの出力
電圧波形（波形整形器12の出力）との位相差φが、位相
比較器13によって算出され、この信号が誤差増幅器17に
入力される。誤差増幅器17の他方の入力端子には信号選
択器（MPX1）16からの信号が入力されていて、信号選択
器（MPX1）16のコントロール端子CTLに入力される方向
入力の信号がローレベルの時、すなわち正転時は、設定
器14で設定された基準位相差φ11の信号が選択され、逆
転時は設定器15で設定された基準位相差φ21の信号が選
択される。したがって誤差増幅器17は、位相比較器13か
ら印加される回転中の超音波モータの位相差に相当する
電圧と、基準位相差設定器14または15によって設定され
た設定電圧との差を出力する。

そして、定常時は、信号選択器（MPX2）21は入力Ｂ
を、信号選択器（MPX3）31は入力Ａを選択しているの
で、誤差増幅器17の出力はローパスフルタ（抵抗器41お
よびコンデンサ42）を介してVCO43へ入力される。この
信号は上述した手順と同様にVCO43で周波信号に変換さ
れ、Ｄフリップフロップ51,52で1/4に分周される。Ｄフ
リップフロップ51,52の出力はEXORゲート53によって相
互にπ/2の位相差を有する２つの周波信号に変換され、
それぞれ電力増幅器61,62と誘導性素子71,72とを介して
駆動電極100−4a,100−4bに印加される。

定常時は以上のようなフィードバックループで超音波
モータが駆動制御されるので、運転中の位相差が基準位
相差に等しくなるように制御される。

なお、逆転定常運転時は、設定器15によって設定され
た基準位相差信号が選択されること以外、上述の正転時
と同様に動作するので説明を省略する。

次に、方向入力を切り換えた場合について説明する。
いま、例えば超音波モータの駆動方向が正転であり定常
運転をしているとする。方向入力の信号レベルがハイレ
ベルになって逆転の指令が信号選択器16,タイマ32およ
びEXORゲート53へ入力すると、まず、タイマ32の出力は
ハイレベルになり、信号選択器（MPX3）31は入力Ｂを選
択する。つまり、駆動方向切換時の過渡時に最適な駆動
条件を設定する設定器33の設定電圧が選択される。この
信号は時間T2の間だけローパスフィルタ（抵抗器41,コ
ンデンサ42）を介してVCO43へ送出され、以後この信号
に従って上述した手順と同様に超音波モータが駆動され
る。T2時間後、タイマ32の出力はローレベルに戻り、信
号選択器（MPX3）31は入力Ａを選択する。既に、方向入
力の信号がハイレベルになった時点で逆転時の設定器15
が信号選択器（MPX1）16で選択されているので、この設
定器15によって設定された電圧と位相比較器13の出力電
圧との差に基づいて超音波モータが駆動制御される。

次に、方向入力の信号がハイレベルからローレベルに
反転すると、信号選択器（MPX1）16は設定器14の電圧信
号を選択し、さらに、タイマ32の出力がハイレベルにな
るので、信号選択器（MPX3）31は設定器33で設定された
電圧信号を選択し、この駆動方向切換時に最適な駆動条
件に基づいて超音波モータが駆動制御される。T2時間
後、タイマ32の出力が再びローレベルに戻ると、信号選
択器（MPX3）31は入力Ａを選択し、正転時の基準位相差
φ11を設定する設定器14の電圧信号に基づいて超音波モ
ータは上述の如く駆動制御される。

以上述べたように、起動時は遅延回路22の遅延時間T1
の間だけ、定常時の位相差の制御信号に基づいて超音波
モータを駆動制御することを禁止し、設定器23によって
設定された超音波モータを最適に起動する駆動条件信号
に基づいて駆動制御することにより、起動時の不安定な
モニタ電極の出力電圧に影響されることなく安定に超音
波モータを駆動することができる。

また、駆動方向切換時も同様に、タイマ32で設定され
る時間T2だけ定常時の位相差の制御信号に基づいて超音
波モータを駆動制御することを禁止し、設定器33によっ
て設定された超音波モータを最適に逆転する駆動条件信
号に基づいて駆動制御することにより、安定して超音波
モータの駆動方向を切り換えることができる。

なお、本実施例では起動時および駆動方向切換時に、
設定器23,33によってそれぞれ最適な駆動条件を固定値
として設定するようにしたが、固定した駆動条件に基づ
いて制御する必要はなく、例えば設定器23,33の設定電
圧を高電圧から低電圧に制御することにより、駆動周波
数を高周波から低周波へと変化させてもよい。

また、起動時の駆動条件と方向転換時の駆動条件がほ
ぼ一致するような場合には、第５図に示すように、タイ
マ32、信号選択器（MPX3）31、設定器33を省略し、遅延
回路22をタイマ32によって置き換え、さらに、このタイ
マ32へORゲート24を介して起動入力と並列に方向入力を
接続することによって、設定器23を起動時、駆動方向切
換時の両方に併用してもよい。

また、方向切り換え時に一定時間超音波モータを停止
し、その後起動するようにしてもよい。この場合は、再
起動した時点から上述の起動時の駆動条件により超音波
モータを駆動制御する。

さらに、以上説明した実施例では、超音波モータの駆
動周波数を制御して所望の速度値を得る例を示したが、
駆動電圧を制御して所望の速度値を得る場合についても
本発明を適用できる他、リニア型超音波モータにも同様
に適用できる。

以上の実施例において、設定器14,15、信号選択器（M
PX1）16および誤差増幅器17が定常時信号生成手段を、
設定器33が過渡時信号生成手段を、信号選択器31および
タイマ32が切換手段をそれぞれ構成する。

G.発明の効果 以上説明したように本発明によれば、定常時は超音波
モータを所望の駆動状態で駆動する信号を超音波モータ
に印加し、超音波モーターの駆動方向を切り換えるとき
には、定常時の駆動信号から駆動方向の切り換え時に適
した駆動信号に切り換えて超音波モーターに印加するの
で、定常時はもとより駆動方向を切り換えるときにも超
音波モーターを安定に駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
超音波モータの動作特性を示す図、第３図は位相比較器
の出力電圧特性を示す図、第４図（ａ），（ｂ）はタイ
マの詳細回路図とその動作を示すタイムチャート、第５
図は第１図に示す実施例の変形例を示すブロック図、第
６図は回転式超音波モータの概略構成を示す断面図、第
７図は圧電体から見た超音波モータの平面図、第８図は
超音波モータのモニタ電極の出力電圧特性を示す図であ
る。 11,12:波形整形器、13:位相比較器 14,15,23,33:設定器 16,21,31:信号選択器 17:誤差増幅器、22:遅延回路 32:タイマ、41:抵抗器 42:コンデンサ 43:電圧制御発振器（VCO） 51,52:Dフリップフロップ 61,62:電力増幅器、71,72:誘導性素子

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電体の励振により弾性体に振動を発生す
   る固定子と、 加圧手段により前記固定子に加圧接触され前記振動によ
   り相対的に駆動される移動子とから成る超音波モータの
   駆動装置であって、 前記超音波モータが所望の駆動状態で駆動されるように
   前記超音波モータの駆動信号を生成する定常時信号生成
   手段と、 前記超音波モータの駆動方向の切り換え時に適した駆動
   信号を生成する過渡時信号生成手段と、 前記超音波モータの駆動方向を切り換えるときには、前
   記過渡時信号生成手段で生成した駆動信号を超音波モー
   タに印加し、定常的な駆動状態のときには前記定常時信
   号生成手段で生成した駆動信号を超音波モータに印加す
   るように前記両信号生成手段を切り換える切換手段とを
   備えることを特徴とする超音波モータの駆動装置。