JP3006037B2

JP3006037B2 - 波動ステップモータ

Info

Publication number: JP3006037B2
Application number: JP2158683A
Authority: JP
Inventors: 修宮澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 2000-02-07
Anticipated expiration: 2015-02-07
Also published as: JPH0449875A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は超音波の振動を利用してステップ駆動を可
能にした波動ステップモータ、特にその駆動回路に関す
る。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］従来の超音波の振動を利用した超音波モータは、特開
昭58−93477号公報、特公昭59−37673号公報、特開昭59
−122385号公報、特開昭60−51478号公報等に開示され
るように各種の方式が提案され実現されている。これら
の超音波モータはいずれの方式のものも駆動電圧を印加
している限りは連続に回転又は移動するものであった。

従って、従来の超音波モータにおいてはその回転数、
停止位置又は回転速度の制御をするためにはフィードバ
ック制御が必要であり、そのための制御回路を必須とし
ていた。このため、制御系が複雑にならざる得ないとい
う問題点があった。

このような問題点を解決するために、本出願人はいわ
ゆるステッピングモータとして動作する「波動ステップ
モータ」を平成１年10月20日付けで特願平１−273082号
として提案した。しかし、この出願においてはまだこの
「波動ステップモータ」の駆動制御系についての詳細が
十分開示されていなかった。

この発明は、このような状況に鑑みてなされたもので
あり、上記の提案に係るモータにふさわしい駆動回路を
有する波動ステップモータを提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］この発明に係る波動ステップモータは、ステータと、
ステータに定在波を発生させる複数の振動子と、ステー
タと接する複数の凸部を有する移動体と、正極及び負極
の電源電圧が供給される駆動回路とを備えた波動ステッ
プモータであって、定在波の波長方向に沿った前記複数
の凸部のそれぞれの長さは前記定在波の波長よりも短
く、複数の凸部のそれぞれの間隔は、定在波の半波長の
整数倍にほぼ等しく、複数の振動子のそれぞれの第１端
子と駆動回路とが電気的に接続されていて、複数の振動
子のそれぞれの第２の端子が共通接地されており、駆動
回路は複数の振動子に、少なくとも、第１の位相パター
ンを有する駆動電圧の組と第２の位相パターンを有する
駆動電圧の組を与え、第１の位相パターンを有する駆動
電圧の組を与えた場合にはステータに第１の定在波が発
生し、第２の位相パターンを有する駆動電圧の組を与え
た場合にはステータに第２の定在波が発生し、第１の定
在波の節位置と第２の定在波の節位置とは互いに異な
り、駆動電圧のそれぞれは、複数の振動子及びステータ
の共振周波数の近傍の周波数を有する。

また、この発明に係る波動ステップモータは、駆動回
路と複数の振動子の第１の端子との間に、振動子及びス
テータの共振周波数の近傍の周波性の正弦波電圧を出力
するフィルタ回路を設け、振動子及びステータの共振周
波数と等しい周波数の正弦波電圧を駆動電圧として振動
子に印加する。

また、この発明に係る波動ステップモータは、上記の
駆動回路に代えて、正極又は負極のいずれか一方の電源
電圧が供給され、その電圧に対応する第１の位相パター
ンを有する駆動電圧の組及び第２の位相パターンを有す
る駆動電圧の組を振動子に印加する駆動回路を有する。

また、この発明に係る波動ステップモータは、上記の
駆動回路に代えて、正極又は負極のいずれか一方の電源
電圧が供給され、その電圧に対応した第１の位相パター
ンを有する駆動電圧の組及び第２の位相パターンを有す
る駆動電圧の組を振動子に印加する駆動回路を有すると
ともに、振動子の他方の端子を共通に接続してなるもの
である。

［作用］この発明においては、振動子に、第１の位相パターン
を有する駆動電圧の組及び第２の位相パターンを有する
駆動電圧の組の正極及び負極の駆動電圧が順次印加さ
れ、その電圧パターンに従って移動体がステップ動作を
する。フィルタ回路を設けた場合には振動子にその共振
周波数と等しい周波数の正弦波電圧が駆動電圧として印
加され、効率よく振動する。

また、この発明においては、正極又は負極のいずれか
一方の電源電圧が供給された場合には、その一方の極性
の駆動電圧に対応した第１の位相パターンを有する駆動
電圧の組及び第２の位相パターンを有する駆動電圧の組
の電圧パターンが順次印加される。

また、この発明においては、正極又は負極のいずれか
一方の電源電圧が供給され、振動子の他の端子を共通に
接続した場合には、その時の駆動電圧の電圧パターンに
応じて振動子が直列接続される。

［実施例］この発明の実施例の説明に先立ってまず波動ステップ
モータの概要を明らかにする。

第５図は波動ステップモータ及びその駆動系の概要を
示すブロック図である。図において、100は水晶振動
子、101は水晶発振回路、102は水晶発振回路からの出力
信号を分周する分周回路である。103は制御回路であ
り、振動体107の共振周波数と同一の周波数で発振する
発振回路105の発振信号と、発振回路105の発振信号の位
相を反転する位相反転回路106からの信号とを入力して
処理することにより制御信号を送出する。104はドライ
バであり、制御回路103からの駆動制御信号を増幅して
振動体107に駆動電圧を印加する。108は振動子であり、
振動体107が４個の振動子からなる例を示しており、そ
れぞれが独立して振動し得るような構成になっている。

また、図においてイは発振回路105の出力信号、ロは
位相反転回路106の出力信号であり、これは出力信号イ
と逆位相になる。ハは分周回路102の出力信号であり、
出力信号イ及び逆位相ロを制御するための制御信号、ニ
は制御回路103の出力信号であり、振動子107を駆動する
ための駆動制御信号である。

さらに、発振回路105の周波数は、ステータと共振周
波数で駆動すると、振動振幅は最大になるが、近傍の周
波数であれば十分な振幅が得られるため、共振周波数に
限定するものではない。

第６図（ａ）〜（ｅ）は波動ステップモータの動作原
子を示す説明図であり、振動体として圧電素子を用いた
例に基づいて説明する。

第６図（ａ）は所定位相の振動モードの状態を示して
いる。図示のように、ロータ１には突起部1a,1b,1c,1d
が設けられており、ステータ２にはロータ１の反対側に
圧電素子３が取り付けられており、そして突起部1a,1c
はステータ２と部分的に接している。この圧電素子３は
４個の振動子からなり、Ａ、Ｂの２種類に分類されてお
り、Ａ、Ｂは相互に逆位相で変形している。Ｎはステー
タ２の振動モードの節を示している。

第６図（ｂ）は第６図（ａ）の逆位相の振動モードの
状態を示している。ここでは、突起部1b,1dがステータ
２と部分的に接している。

第６図（ａ），（ｂ）において、ステータ２の節Ｎの
間隔と同等又は数倍の間隔に位置するロータ10の凸部1
a,1b等のステータ２と接触している部分はそれぞれ矢印
に示す方向の力10,11を受ける。このとき力10,11は振動
モードの凸部から節Ｎの方向に分力を持つので、ステー
タ１は10a,10bの方向すなわち近い位置にある節Ｎの方
向の力を受ける。

第６図（ｃ），（ｄ）はステータ２とロータ１の位置
関係が第６図（ａ），（ｂ）とは異なる場合であり、こ
の場合には力12,13によってロータ１は矢印のの方向す
なわち近い方の位置にある節Ｎの方向の力12a,13a（10
a,11bとは反対方向）を受ける。

第６図（ｅ）は第６図（ａ）〜（ｄ）を重ねた図であ
る。いずれの場合にもロータ１の凸部1a〜1dはステータ
２の節Ｎに向かって移動するので、その節Ｎに位置決め
されることが分かる。従って、節Ｎの位置が段階的に移
動すればロータ１はステップ的に動き、ステップモータ
して動作する。

第７図は波動ステップモータを回転型のモータに適用
した場合の構成例を示す断面図であり、第８図は第７図
のロータ・ステータ部の平面図である。図において、４
はステータ２をネジ６で固定する地板、５はロータ１を
回転自在に案内する輪列受、７はロータ１の回転力を取
り出すピニオン、８は圧電素子の電極パターン3aに電圧
を印加するリード線である。この実施例においては凸部
1a〜1dをロータ１にその厚み方向に部分的に設けてあ
る。

第９図は波動ステップモータを回転型のモータに適用
した場合の他の構成例を示す平面図であり、この実施例
ではステータ２に全周に厚み方向に突起部2aを設け、ま
た、ロータ１の直径方向に突起させて凸部ａ〜ｄを設け
ている。

第７図及び第９図の構成例では共に４個所でロータ１
とステータ２が接する場合の例（凸部４個所）を示し
た。また、振動素子３は破線で示したように12個の振動
子からなっており、後述の説明のためにＡ、Ｂ、Ｃ、
、、の記号を付け、等しい記号には同じ位相の駆
動電圧を印加する。また、振動モードの節になる位置に
順次〜の記号を付してある。なお、この実施例では
節Ｎは４個所生成され、節ができ得る位置は全周で12個
所である。

第10図は上記の波動ステップモータがステップ駆動さ
れる様子を示した説明図であり、記号は第９図に対応さ
せており、説明の便宜上リニア型に展開してある。破線
は振動モードの形を示し、その瞬間に各振動子に加えら
れている電圧の位相の状態を便宜上＋、−で示した。

の振動モードではＡ、Ｂ、Ｃと、、とがそれ
ぞれ組になり、互いに180゜位相がずれて振動している
ため、ロータ１の凸部ａ、ｂ、ｃ、ｄは図示の位置にな
る。

の振動モードではＢ、Ｃ、Ａと、、が組、
の振動モードではＣ、Ａ、Ｂと、、とが組とな
り、以下順序〜の振動モードを繰り返していき、ロ
ータ１はステップ状に移動して行く。第９図の回転型で
は12ステップで１回転する。

また、図示の〜の振動モードに対して逆方向にス
テップを進めると、例えば、の振動モードの次にの
振動モードを得るように切り換えるとロータ１は上述の
場合とは逆方向に移動する。

なお、以上の第10図の説明から明らかなように、この
波動ステップモータはリニアモータとしても容易に構成
できることが分かる。

第11図は第10図に示した振動モードを作るための位相
のタイミングチャートである。例えばの振動モードを
作る場合にはＡ、Ｂ、Ｃに正（＋）の位相、、、
に負（−）の位相の駆動電圧を印加する。これらの制御
は前述の制御回路103で行い、発振回路105からの出力信
号イを正（＋）の位相とするならば、発振回路105の出
力信号イの逆位相の出力信号ロを負（−）の位相とし、
分周回路102の制御信号ハのタイミング（第11図の１点
鎖線）で切り換えを行う。なお、駆動制御信号ニはＡ、
Ｂ、Ｃ、、、の６種類が必要であるが、Ａと、
Ｂと、Ｃとは逆の関係になるので、分極の方向を逆
にすれば３種類で同等の動作が得られる。

第12図は振動要素ＡとＢに印加される駆動電圧のタイ
ミングチャートを示したものであり、例えばの振動モ
ードは振動子Ａに逆位相の駆動電圧を印加し、また、
の振動モードは振動子ＡとＢに逆位相の駆動電圧を印加
する。このときの各振動モードにおける駆動電圧は正弦
波であり、その周波数は振動体を添付したステータの共
振周波数と一致するようにしてある。

以上の説明から明らかなように、それぞれの振動子に
加える駆動電圧の位相を適宜切り換える事により、１回
転12分割のステップ駆動が実現できる。

第13図は波動ステップモータの他の構成例を示す平面
図である。振動体３は４つの振動子Ａ、、Ｂ、から
なりロータ１とステータ２は２個所の接触部ａ、ｂで接
し、節Ｎの数は２つで、節Ｎのでき得る位置は８個所で
ある。

第14図は振動モードと接触部ａ、ｂの位置関係を示す
説明図、第15図は第14図の振動モードを作るための駆動
電圧の位相のタイミングチャートであり、第16図は振動
子Ａ、Ｂに印加する駆動電圧のタイミングチャートであ
る。第15図において「＋」と「−」は逆位相の状態を示
し、「０」は駆動電圧を印加しない状態を示している。
従って、この実施例においては１回転８分割ステップ
（1/2ステップ）波動ステップモータが実現できる。

なお、前述の実施例においては、回転型の代表例を示
したが、ロータを駆動の節に移行させ、振動要素の駆動
の仕方を順次変えてロータをステップ的に移動させるこ
とができれば、その具体的な構造、振動モードの形状、
振動子の種類や構成等、何ら制限されない。更に、発振
回路105は水晶発振回路101の出力を利用しても良いし、
振動子107の振動を検出して最適条件で共振させる自励
発振回路であっても良いし、制御信号ハは水晶振動子10
0の信号に基づくものでなくても何ら差しつかえない。

また、波動ステップモータは所望の位置に移動した後
は、ロータとステータの摩擦力との間に摩擦があるの
で、駆動を停止してもその停止位置が保持される。

以上の説明により波動ステップモータの概要が明らか
になったとこで、次にその駆動制御系について説明す
る。

第１図はこの発明の一実施例に係る波動ステップモー
タの回路図である。制御回路103は、1/6分周回路109、
シフトレジスタ110、インバータ121,122,123,124,125,1
26、アンドゲート131,132,133,134,135,136及びオアゲ
ート141,142,143から構成されている。位相反転回路106
はインバータ127から構成されている。ドライバ104はバ
ッファ151,152,153,154,155,156から構成されており、
各バッファには正極及び負極の電源電圧がそれぞれ供給
されており、正極と負極との間で振動する駆動電圧を出
力する。振動体107はステータ２に取り付けられ、複数
の振動子108から構成されている。そして、この複数の
振動子108の一方の端子は対応するバッファ151,152,15
3,154,155,156からの駆動電圧が印加され、また他方の
端子は共通接地されている。

この実施例は、１回転12分割ステップで２λの振動モ
ードを有する波動ステップモータを毎秒１ステップ（30
゜）駆動する場合の回路例である。なお、第１図におい
ては省略したが、第５図における水晶発振回路101及び
分周回路102は従来の電子時計の回路構成と同等で良
く、発振回路105はCR発振回路や自励発振回路等を用い
る。

第２図は以上の構成からなる駆動制御装置の動作を示
すタイミングチャートである。第５図の分周回路102か
らの1Hzの制御信号φ１が分周回路109及びシフトレジス
タ110に入力すると、1/6分周回路109から1/6分周された
信号が出力してそれがシフトレジスタ110に供給され
る。そして、シフトレジスタ110からは１秒ずつ位相が
ずれ、３秒ずつで位相が反転する1/6Hzの信号φ1/6a、
φ1/6b、φ1/6cが出力する。そして、信号φ1/6aはアン
ドゲート131に入力すると共に、インバータ121で反転さ
れとその信号201はアンドゲート132に入力する。アンド
ゲート131には位相反転回路106の出力信号_ｒが入力
し、また、アンドゲート132は発振回路105からの発振信
号φ_ｒを入力する。その結果、アンドゲート131からは
信号φ1/6aと出力信号_ｒとの論理積からなる出力信号
204が得られる。アンドゲート132から信号φ1/6aの反転
信号201と発振信号φ_ｒとの論理積からなる出力信号205
が得られる。そして、これらの出力信号204,205はオア
ゲート141を介してバッファ151に供給されると共に、イ
ンバータ124を介してバッファ154に供給される。

信号φ1/6b、φ1/6cに基づいた動作もφ1/6aの場合と
基本的に同一であり、それぞれ反転信号202,203を得た
後上述のφ1/6aの場合と同様に処理され、バッファ152,
153,155,156に入力する駆動制御信号は振動子Ａ、の
駆動制御信号に対して位相がそれぞれ１秒ずつずれたも
のとなり、ドライバ104から６種類の駆動電圧が出力
し、各バッファは入力した駆動制御信号に応じて正極の
電圧と負極電圧との間で発振信号φ_ｒの周波数で振動す
る駆動電圧を振動子108に印加し、瞬時的には振動子108
を２個ずつ駆動する。従って、振動子108は３個ずつ同
位相又は逆位相で駆動され、２λのたわみの振動が形成
され、この振動によりロータ１がステッップ状に駆動さ
れる。

なお、駆動電圧は正弦波が理想的であり、そのように
する場合には例えばドライバ104の出力の後に発振信号
φ_ｒの周波数成分を通過させるフィルタ回路（図示せ
ず）を設けて、駆動電圧を正弦波にする。

第３図はこの発明の他の実施例に係る波動ステップモ
ータの回路図である。この実施例は上記の実施例との関
係では、ドライバ104には正極の電圧のみが供給され、
負電極が供給される代わりに接地されている点が相違す
る。このため、振動子108には正極の電圧のみが印加さ
れることになり、上記の実施例に比べて出力は1/2にな
るが、無負荷時又は軽負荷には好適であり、また単一の
電源ですむという利点がある。なお、第３図の実施例に
おいては、正極の電源電圧の代わりに負極の電源電圧を
用いるようにしてもよい。

第４図はこの発明の他の実施例に係る波動ステップモ
ータの回路図である。この実施例は上記の実施例との関
係では、ドライバ104及び振動子108を接地しないように
した点が相違する。このため、振動子例えばＡととは
直列に接続された状態になり、各振動子に加わる駆動電
圧は上述の実施例の1/2になる。このため、第３図の実
施例に比べて出力は1/2になるが、振動子108を接地する
必要がないので構造が簡素になる。特に、ステータ２や
第７図に示した地板４等が非導通性の材料で構成されて
いる場合には接地構造を形成するのが難しいので、この
実施例のような構造にするとその製作が容易になる。な
お、第４図の実施例においても、正極の電源電圧の代わ
りに負極の電源電圧を用いるようにしてもよい。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、振動子に少なくとも
第１の位相パターンを有する駆動電圧の組及び第２の位
相パターンを有する駆動電圧の組からなる、正極及び負
極の駆動電圧を順次印加するようにしたので、その電圧
パターンに従って移動体をステップ駆動させることがで
き、またフィルタ回路を設けて振動子にその共振周波数
と等しい周波数の正弦波電圧を駆動電圧として印加する
ようにしたので、効率よく振動する。

また、この発明によれば、正極又は負極のいずれか一
方の電源電圧を供給してその一方の極性の電圧に対応し
た第１の位相パターンを有する駆動電圧の組及び第２の
位相パターンを有する駆動電圧の組からなる駆動電圧を
印加するようにしたので、単一の電源ですみその構成は
簡単なものになっている。

また、この発明によれば、正極又は負極のいずれか一
方の電源電圧を振動子の一方の端子に供給し、振動子の
他方の端子を共通に接続するようにしたので、振動子が
接地構造をとりずらい場合には構成が簡素になるという
利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る波動ステップモータ
の回路図、第２図はその動作を示すタイミングチャー
ト、第３図及び第４図はこの発明の他の実施例に係る波
動ステップモータの回路図である。第５図は波動ステップモータの概要を示すブロック図、
第６図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は波動
ステップモータの動作説明図、第７図は波動ステップモ
ータの構成例を示す断面図、第８図は第７図のステータ
・ロータ部の平面図、第９図は波動ステップモータの他
の構成例を示す平面図、第10図は振動モードとステップ
駆動の状態を示す説明図、第11図は駆動電圧の位相のタ
イミングチャート、第12図は駆動電圧のタイミングチャ
ート、第13図は波動ステップモータの他の構成例を示す
平面図、第14図は振動モードと接触部の位置関係を示す
説明図、第15図は駆動電圧の位相のタイミングチャー
ト、第16図は駆動電圧のタイミングチャートである。１……ロータ、２……ステータ、３……圧電素子、103
……制御回路、104……ドライバ、105……発振回路、10
6……位相反転回路、107……振動体、108……振動子。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ステータと、該ステータに定在波を発生さ
せる複数の振動子と、該ステータと接する複数の凸部を
有する移動体と、正極及び負極の電源電圧が供給される
駆動回路とを備えた波動ステップモータであって、前記定在波の波長方向に沿った前記複数の凸部のそれぞ
れの長さは前記定在波の波長よりも短く、前記複数の凸
部のそれぞれの間隔は、前記定在波の半波長の整数倍に
ほぼ等しく、前記複数の振動子のそれぞれの第１端子と
前記駆動回路とが電気的に接続されていて、前記複数の
振動子のそれぞれの第２の端子が共通接地されており、前記駆動回路は前記複数の振動子に、少なくとも、第１
の位相パターンを有する駆動電圧の組と第２の位相パタ
ーンを有する駆動電圧の組を与え、前記第１の位相パタ
ーンを有する駆動電圧の組を与えた場合には前記ステー
タに第１の定在波が発生し、前記第２の位相パターンを
有する駆動電圧の組を与えた場合には前記ステータに第
２の定在波が発生し、前記第１の定在波の節位置と前記
第２の定在波の節位置とは互いに異なり、前記駆動電圧
のそれぞれは、前記複数の振動子及び前記ステータの共
振周波数の近傍の周波数を有することを特徴とする波動
ステップモータ。
【請求項２】前記駆動回路と前記複数の振動子の第１の
端子との間に、振動子及びステータの共振周波数の近傍
の周波数の正弦波電圧を出力するフィルタ回路を設けた
ことを特徴とする請求項１記載の波動ステップモータ。
【請求項３】ステータと、該ステータに定在波を発生さ
せる複数の振動子と、該ステータと接する複数の凸部を
有する移動体と、正極又は負極のいずれか一方の電源電
圧が供給される駆動回路とを備えた波動ステップモータ
であって、前記定在波の波長方向に沿った前記複数の凸部のそれぞ
れの長さは前記定在波の波長よりも短く、前記複数の凸
部のそれぞれの間隔は、前記定在波の半波長の整数倍に
ほぼ等しく、前記複数の振動子のそれぞれの第１端子と
前記駆動回路とが電気的に接続されていて、前記複数の
振動子のそれぞれの第２の端子が共通接地されており、前記駆動回路は前記複数の振動子に、少なくとも、第１
の位相パターンを有する駆動電圧の組と第２の位相パタ
ーンを有する駆動電圧の組を与え、前記第１の位相パタ
ーンを有する駆動電圧の組を与えた場合には前記ステー
タに第１の定在波が発生し、前記第２の位相パターンを
有する駆動電圧の組を与えた場合には前記ステータに第
２の定在波が発生し、前記第１の定在波の節位置と前記
第２の定在波の節位置とは互いに異なり、前記駆動電圧
のそれぞれは、前記複数の振動子及び前記ステータの共
振周波数の近傍の周波数を有することを特徴とする波動
ステップモータ。
【請求項４】ステータと、該ステータに定在波を発生さ
せる複数の振動子と、該ステータと接する複数の凸部を
有する移動体と、正極又は負極のいずれか一方の電源電
圧が供給される駆動回路とを備えた波動ステップモータ
であって、前記定在波の波長方向に沿った前記複数の凸部のそれぞ
れの長さは前記定在波の波長よりも短く、前記複数の凸部のそれぞれの間隔は、前記定在波の半波
長の整数倍にほぼ等しく、前記複数の振動子のそれぞれ
の第１端子と前記駆動回路とが電気的に接続されてい
て、前記複数の振動子のそれぞれの第２の端子が共通に
接続されており、前記駆動回路は前記複数の振動子に、少なくとも、第１
の位相パターンを有する駆動電圧の組と第２の位相パタ
ーンを有する駆動電圧の組を与え、前記第１の位相パタ
ーンを有する駆動電圧の組を与えた場合には前記ステー
タに第１の定在波が発生し、前記第２の位相パターンを
有する駆動電圧の組を与えた場合には前記ステータに第
２の定在波が発生し、前記第１の定在波の節位置と前記
第２の定在波の節位置とは互いに異なり、前記駆動電圧
のそれぞれは、前記複数の振動子及び前記ステータの共
振周波数の近傍の周波数を有することを特徴とする波動
ステップモータ。