JP4146204B2 - 超音波モータの駆動回路およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータおよび超音波モータを用いた電子機器に係り、特に超音波モータの駆動回路に自励発振回路を用いた超音波モータおよび超音波モータを用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータの駆動回路の方式としては大きくは他励式と自励式の二つに分けられる。近年、自励式の駆動回路は追尾回路が不要で回路構成が簡単で小型化が図れるため注目され、時計への応用をはじめ、様々な分野への応用が試みられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１７０７７２号公報（第５−７頁、第７図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の自励発振回路は特定の原理の超音波モータ、主に駆動信号を印加する電極を選択することで移動体の駆動方向を変えるタイプの定在波型超音波モータに応用されている程度である。
【０００５】
例えば、結合振動を利用した超音波モータは電極構造も簡単であり小型化が期待されるが、移動体の移動方向を変えるには使用する振動モードを変える必要がある。即ち駆動回路から出力される信号の周波数を変える必要があるが従来の自励発振回路では対応できなかった。
【０００６】
また、結合振動を用いた超音波モータは移動体の移動方向毎に異なる振動モードを用いる為、移動方向によってモータの特性が大きく異なる恐れもあった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで上記課題を解決するために、自励発振回路のループ内において位相およびゲインを選択的に可変可能とし、複数の共振点、即ち二つの移動方向駆動に対応して使用する振動モードを有する共振点で選択的に発振可能とする。これによれば、外部からの指令信号によって自励発振させる共振点、即ち移動体を正方向に移動させることが可能な振動モードと、逆方向に移動させることが可能な振動モードのどちらで発振させるかを選択できるため結合振動を用いた超音波モータにおいても正逆方向切り替え可能な自励発振回路が構成できる。
【０００８】
更には移動体の移動方向に応じて駆動信号の出力レベルも可変とすることで使用する振動モードの違いにより発生する移動方向毎のモータ特性の差を小さくすることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を基に説明する。
【００１０】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の回路構成を示す図である。
【００１１】
図１において、図示しない超音波モータの圧電素子１に設けられた電極２aおよび２ｂは増幅回路とフィルタ回路に接続され、自励発振回路を構成する。具体的にはインバータ３と帰還抵抗７とで増幅回路を構成し、圧電素子１とコンデンサ８とでLCフィルタを構成する。圧電素子は共振点と反共振点の間では誘導性となることを利用している。そして、抵抗６とコンデンサ９、もしくはコンデンサ１０とでRCフィルタを構成する。コンデンサ９とコンデンサ１０のどちらでフィルタを構成するかは二つのコンデンサ９および１０と電極２ｂの間に設けたスリーステート・バッファ４および５のどちらを能動状態とするかによって行われる。即ち、増幅回路としても働くスリーステート・バッファ４、５がフィルタ選択回路となる。具体的には端子5aおよび4aにHighもしくはLowレベル信号を印加することで行う。
【００１２】
図６は超音波モータの振動体の周波数とアドミッタンスの関係を示したものである。図中、共振Aは移動体１０２を正方向に駆動可能な振動モードを有し、共振Bは移動体を逆方向に駆動可能な振動モードを有する。自励発振を成立させるためには回路のループ一周における位相の回転が360度の倍数かつ伝達関数のゲインが1以上であるという条件が必要となる。そこで、コンデンサ９および１０の値を異なる値に設定し、スリーステート・バッファ４および５のどちらかを選択することにより自励発振回路内でどちらのフィルタを働かせるかを選択する。コンデンサ９および１０の値はそれぞれ共振Aおよび共振Bで発振されるように選択される。
【００１３】
このような構成とし、外部からの指令信号に従い能動状態となるフィルタを選択、強いては発振させる共振点を選択することで移動体の移動方向を選択できる。
【００１４】
ここで選択可能なフィルタは信号入力側の電極の前に設けたが、圧電素子1からの出力側、即ちコンデンサ８の位置に設けても構わない。また、増幅回路についても他の素子、例えばトランジスタやオペアンプを用いても良い。
【００１５】
（実施の形態２）
図２に実施の形態１の変形例を示す。ここでは図１との違いのみを述べる。
【００１６】
図２においては能動状態とするフィルタを選択するフィルタ選択回路となるスリーステート・バッファ４および５をインバータ３の出力端子と接続するように配置した。ここではスリーステート・バッファ４もしくは５の内部インピーダンスと、抵抗１１もしくは１２と、コンデンサ９もしくは１０の組み合わせでＲＣフィルタを構成する。抵抗１１，１２、コンデンサ９，１０はそれぞれ異なる値に設定されている。
【００１７】
（実施の形態３）
図３は実施の形態１、２とは別の方式の自励発振回路に応用した例である。
【００１８】
図３において、図示しない超音波モータの圧電素子１に設けられた電極２ｃから出力される信号を増幅回路とフィルタ回路を通すことで自励発振回路を構成する。圧電素子１の一方の面に設けられた電極２aを接地し、他方の面に設けた電極２ｃから得られる信号はスリーステート・インバータ１３と帰還抵抗１５とで構成される第一の増幅回路か、スリーステート・インバータ１４と帰還抵抗１６とで構成される第二の増幅回路かのいずれか一方で増幅される。具体的には制御端子１３a、１４aに制御信号を印加することによりスリーステート・インバータ１３および１４のどちらを能動状態とするかによって増幅回路の選択が行われる。即ち、増幅回路として機能するスリーステート・インバータ１３、１４がフィルタ選択回路となる。それぞれの増幅回路の出力には抵抗１１もしくは１２とコンデンサ9もしくは１０とで構成されるＲＣフィルタが設けられている。その後、増幅回路として機能するバッファ１７を通った後、電極２ｂに信号が出力され、発振は持続する。二つのＲＣフィルタの周波数特性は異なる為、どちらの増幅回路を能動状態とするかによって発振する共振点も異なる。発振する共振点が使用する二つの共振点に成るように予め二つのフィルタを構成する抵抗１１，１２およびコンデンサ９，１０の値を設定しておく。
【００１９】
（実施の形態４）
図４は図２に示した回路の変形例である。ここではフィルタ選択回路となるスリーステート・バッファ４および５のどちらを能動状態とするかによって、コンデンサ２６とでCRフィルタを構成する抵抗１１、１２の何れかを選択する。またコンデンサ２６と電極２ｂの間に複数のスリーステート・バッファ２３、２４、２５を並列に接続して設けている。この複数のゲイン選択回路となるスリーステート・バッファ２３、２４、２５の内、幾つのスリーステート・バッファを能動状態とするかを決めることにより自励発振回路のループ内におけるフィルタの特性（周波数−ゲイン、位相）だけでなくゲインも可変することができるためスプリアス振動の影響を受けづらく、正・逆転駆動それぞれに用いる振動モードを有する共振点での安定な発振が可能となる。また複数のスリーステート・バッファ２３、２４、２５の個数の選択により、圧電素子１への供給エネルギも可変できるため、正・逆転時におけるモータ特性の差を小さくすることも可能となる。
【００２０】
また、ゲインの選択のみで正・逆転動作を行う共振点の選択を行っても構わない。
【００２１】
（実施の形態５）
図５は実施の形態４の変形例である。本回路はコンデンサ９と抵抗１１、およびこれらから成るCRフィルタを選択し、帰還抵抗１５とから増幅回路を構成するスリーステート・インバータ１３と、コンデンサ１０と抵抗１２、およびこれらから成るCRフィルタを選択し、帰還抵抗１６とから増幅回路を構成するスリーステート・インバータ１４と、昇圧回路を構成するコイル２２とトランジスタ２１と、トランジスタ２１のベースへの電流量を選択する抵抗１９および２０のどちらを選択するかを決めるスリーステート・インバータ１７、１８から構成されている。図１、図２、図４の回路と異なり、圧電素子１に大電圧を供給するための昇圧回路が設けてあるため、そこで反転する位相を補償するために抵抗１９および２０の選択手段としてバッファではなくスリーステート・インバータ１７および１８を用いている。
【００２２】
制御端子１４a、１７aおよび制御端子13a、18aをそれぞれ組みとする制御端子２３、２４とし、これらに制御信号を加えることにより能動状態となるフィルタ選択回路、即ちスリーステート・インバータ１３、１４、並びにゲイン選択回路、即ちスリーステート・インバータ１７，１８を選択することで正転用もしくは逆転用の共振点で発振させるためのフィルタ特性、ゲインおよび出力特性が選択される。
【００２３】
（実施の形態６）
図７は本発明の駆動回路により駆動される超音波モータ２００を電子機器の駆動源に適用したブロック図を示したものであり、圧電素子１と圧電素子と接合される振動体１０１と、振動体１０１により摩擦駆動される移動体１０２と移動体１０２と一体に動作する伝達機構１０３と、伝達機構１０３の動作に基づいて動作する出力機構１０４からなる。
【００２４】
振動体１０１は圧電素子１のみで構成されていても構わない。
【００２５】
ここで、伝達機構１０３は例えば歯車列、摩擦車等の伝達車を用いる。出力機構１０４としては、プリンタにおいては紙送り機構、カメラにおいてはシャッタ駆動機構、レンズ駆動機構、フィルム巻き上げ機構等を、また電子機器や計測器においては指針等を、ロボットにおいてはアーム機構、工作機械においては歯具送り機構や加工部材送り機構等を用いる。
【００２６】
尚、本実施の形態における電子機器としては電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、ロボット、工作機、ゲーム機、光情報機器、医療機器、移動装置等を実現できる。さらに移動体１０２に出力軸を設け、出力軸からのトルクを伝達するための動力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ駆動装置を実現できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明では、圧電素子を有する振動体と増幅回路とからなり、振動体を所定の振動モードで自励発振させる自励発振回路のループ内において位相およびゲインを選択的に可変可能とし、複数の共振点、即ち二つの移動方向駆動に対応して使用する振動モードの共振点で選択的に発振可能とする。これによれば、外部からの指令信号によって自励発振させる共振点、即ち移動体を正方向に移動させることが可能な振動モードと、逆方向に移動させることが可能な振動モードのどちらで発振させるかを選択できるため結合振動を用いた超音波モータにおいても移動体の正逆方向移動の切り替えが可能な発振安定性に優れた自励発振回路が構成できる。
【００２８】
更には移動体の移動方向に応じて駆動信号の出力レベルも可変とすることで、使用する振動モードの違いにより発生する移動方向毎のモータ特性の差を小さくすることが可能となる。
【００２９】
従って、小型で簡易構成の駆動回路で駆動可能な結合モードを用いた超音波モータを各種電子機器へ搭載可能であり、機器の小型薄型化、低消費電力化等へ寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる超音波モータ駆動回路の回路構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかわる超音波モータ駆動回路の変形例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３にかかわる超音波モータ駆動回路の別の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態４にかかわる超音波モータ駆動回路の変形例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態５にかかわる超音波モータ駆動回路の変形例を示す図である。
【図６】本発明にかかわる超音波モータの周波数−アドミッタンスの関係を示す図である。
【図７】本発明の超音波モータを電子機器に応用したブロック図である。
【符号の説明】
１ 圧電素子
２ 電極

Claims (6)

1. 圧電素子と増幅回路からなり、前記圧電素子を有する振動体を所定の共振点近傍で自励発振させることにより、前記振動体と接する移動体を駆動する超音波モータであって、
   異なる周波数特性を有する複数のフィルタと、
   前記複数のフィルタ夫々に接続され、外部の信号により能動状態となるか否かが決定される複数の増幅回路と、を有し、
   前記外部の信号により一つの増幅回路を能動状態とすることによって前記移動体の動作方向を決定することを特徴とする超音波モータ。
2. 圧電素子と増幅回路からなり、前記圧電素子を有する振動体を所定の共振点近傍で自励発振させることにより、前記振動体と接する移動体を駆動する超音波モータであって、
   フィルタと、前記フィルタに接続された複数のゲイン選択回路を有し、能動状態とする前記ゲイン選択回路を選択することによって前記移動体の動作方向を決定することを特徴とする超音波モータ。
3. 前記ゲイン選択回路は、少なくとも一組の増幅回路からなることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
4. 圧電素子と増幅回路からなり、前記圧電素子を有する振動体を所定の共振点近傍で自励発振させることにより、前記振動体と接する移動体を駆動する超音波モータであって、
   異なる周波数特性を有する複数のフィルタと、前記複数のフィルタ夫々に接続され前記フィルタを選択的に能動状態とするためのフィルタ選択回路と、
   前記圧電素子への出力信号のゲインを可変するゲイン選択回路と、を有し、
   前記能動状態とするフィルタ選択回路の選択によって前記移動体の動作方向を決定するとともに、前記移動体の動作方向に応じて、能動状態とする前記ゲイン選択回路を選択することを特徴とする超音波モータ。
5. 前記ゲイン選択回路及び前記フィルタ選択回路は夫々少なくとも一組の増幅回路からなることを特徴とする請求項４に記載の超音波モータ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波モータを搭載した電子機器。

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