JP4267209B2

JP4267209B2 - 超音波モータ駆動制御装置

Info

Publication number: JP4267209B2
Application number: JP2001034861A
Authority: JP
Inventors: 哲明加藤
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2021-02-13
Also published as: JP2002238270A

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、超音波モータの駆動周波数を制御する超音波モータ駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】
従来の円環（円盤）タイプ超音波モータでは、振動子に与える駆動電圧の周波数を共振周波数に一致させれば、駆動効率が最も良くなるとともに駆動速度が最速になることが知られている。そこで、超音波モータを共振周波数で駆動制御しようとする場合には、超音波モータの駆動周波数を共振周波数よりも十分に高い周波数から徐々に下げていき、共振状態となったときに駆動周波数の漸減を停止し、共振状態を維持するように駆動周波数を微調整する方法が考えられる。このように共振周波数よりも十分高い初期駆動周波数ｆ０から徐々に周波数を低減していく場合には、超音波モータの性能に対して負荷トルクが十分に小さければ、図７のグラフａに示すように、駆動開始後の十分早い段階で超音波モータを起動することができ、高い駆動周波数でも移動子を安定に低速動作させることができる。
しかし、負荷トルクが大きい場合には、図７のグラフｂに示すように、駆動周波数が高くなると超音波モータのトルクが小さくなって起動しづらくなる。このため、初期駆動周波数ｆ０から駆動を開始したのでは起動までに時間がかかり、応答性悪化の要因となってしまう。また負荷トルクが大きくなると、機械的な時定数も増加するから、起動可能な駆動周波数を入力してから実際に移動子が駆動し始めるまでにタイムラグが生じる。このタイムラグにより、実際には超音波モータが起動可能であっても起動を検知できず、駆動周波数を必要以上に下げてしまう場合もある。このような場合には、超音波モータが急激に起動されて安定な動作が得られなかったり、駆動周波数が共振周波数よりも低くなって超音波モータの性能を著しく低下させてしまったりという虞もある。
【０００３】
【発明の目的】
本発明は、負荷トルクが大きい場合や負荷トルクが変動した場合にも、超音波モータを確実且つ速やかに起動することができる超音波モータ駆動制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【発明の概要】
本発明は、超音波モータと、該超音波モータを所定の初期駆動周波数で駆動開始させ、該駆動周波数を前記初期駆動周波数から段階的に低減することにより前記超音波モータを起動して所定の回転速度まで加速する駆動制御手段と、前記超音波モータが所定角度回転する毎に検出パルスを出力する検出手段と、第１のインターバルタイマ時間、第１のインターバルタイマ時間よりも短い第２のインターバルタイマ時間を繰り返し計時するタイマ手段と、前記超音波モータの振動子の振幅に比例した振幅電圧を出力するセンサ電極を備え、前記駆動制御手段は、前記駆動周波数を、前記駆動開始から起動するまでの起動域では前記初期駆動周波数から前記第１のインターバルタイマ時間が経過する毎に単位時間当たり第１の低減値ずつ低減し、前記超音波モータが起動してからは所定の回転速度に達するまでの加速域では前記第２のインターバルタイマ時間が経過する毎に単位時間当たり前記第１の低減値よりも小さい第２の低減値ずつ低減すること、前記起動域では、前記振幅電圧を検知することなく前記検出パルスを検知して前記超音波モータの起動を検知すること、及び、前記加速域では前記検出パルスを検知することなく前記振幅電圧を検知し、振幅電圧が予め設定された前記超音波モータの共振時の電圧よりも小さい所定電圧以上になったときに、前記駆動周波数の低減を停止することに特徴を有している。この構成によれば、負荷トルクが大きい場合や負荷トルクが変動した場合にも、超音波モータを確実且つ速やかに起動することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明を適用した超音波モータ駆動制御装置の制御系を示すブロック図である。この図１には、本装置により制御される超音波モータがカメラのオートフォーカスレンズを駆動する実施形態を示している。
【０００６】
超音波モータ（ＵＳＭ）１０は、詳細は図示しないが、圧電体を備えた振動子と移動子とが互いに接触しており、圧電体に９０°位相の異なる周波数信号を印加すると、振動子が振動して弾性振動の進行波が励起される結果、移動子が前記進行波の進行方向と逆向きに回転し、被駆動体を駆動するように構成されている。また超音波モータ１０にはセンサ電極Ｓが設けられていて、センサ電極Ｓからは振動子が弾性振動したときの振幅に比例した振幅電圧Ｖ_Dが出力される。別言すれば、超音波モータ１０が回転すると、超音波モータ１０の駆動周波数に対応した交流信号（振幅電圧Ｖ_D）がセンサ電極Ｓから出力される。また超音波モータ１０には、超音波モータ１０が所定角度回転する毎に1つの検出パルス信号を出力するパルスエンコーダ２１が設けられている。
【０００７】
本装置は、超音波モータ１０の駆動を制御する駆動制御手段としてレンズＣＰＵ２０を備えている。レンズＣＰＵ２０は、カメラＣＰＵ３０との間でデータ通信を行い、カメラ側から入力した制御信号（駆動開始命令や超音波モータ１０の駆動量（駆動パルス数）など）に基づく動作を行う。
レンズＣＰＵ２０は、制御用プログラム等を格納したＲＯＭ、制御用データを一時的に記憶するＲＡＭ、及びカウンタ２０ｂを備え、カメラ側の電源ラインＶｃｃから電力供給を受けて起動する。カウンタ２０ｂは、超音波モータ１０の回転量（回転角）に応じてパルスエンコーダ２１から出力される検出パルスを入力する毎に１ダウンカウントする減算カウンタである。レンズＣＰＵ２０は、パルスエンコーダ２１の出力、即ちカウンタ２０ｂの値に基づいて超音波モータ１０の減速・停止を制御するとともに、所定時間内におけるカウンタ２０ｂの変化値に基づき超音波モータ１０の回転速度を測定することができる。またレンズＣＰＵ２０は、センサ電極Ｓから出力された振幅電圧Ｖ_Dを検出し、この検出値に応じて超音波モータ１０の加速・一定速駆動を制御する。
【０００８】
レンズＣＰＵ２０には、超音波モータ駆動回路２２、書き換え可能な不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ２３が接続されている。超音波モータ駆動回路２２は、レンズＣＰＵ２０の指令に応じた周波数信号を超音波モータ１０に供給する回路である。ＥＥＰＲＯＭ２３は各種データを格納するメモリ手段であって、レンズＣＰＵ２０は必要に応じてＥＥＰＲＯＭ２３に対してデータの読み出し／書き込みを行う。
【０００９】
上記構成に基づき、モータ駆動制御の概要について図２を参照して説明する。図２（ａ）は超音波モータ１０の負荷トルクが大きい場合を、図２（ｂ）は超音波モータ１０の負荷トルクが小さい場合をそれぞれ示している。
レンズＣＰＵ２０は、所定の初期駆動周波数ｆ０で超音波モータ１０の駆動を開始し、超音波モータ１０が起動するまでは、第１のインターバルタイマ時間Δｔ１が経過する毎に駆動周波数を第１の値Δｆ１だけ下げる処理を繰り返す。そして超音波モータ１０が起動した以降は、第１のインターバルタイマ時間Δｔ１よりも短い第２のインターバルタイマ時間Δｔ２（Δｔ２＜Δｔ１）が経過する毎に、駆動周波数を第１の値Δｆ１よりも小さい第２の値Δｆ２（Δｆ２＜Δｆ１）だけ下げる処理を繰り返し、超音波モータ１０を加速する。この加速制御により超音波モータ１０が共振状態となったら、共振状態を維持すべく駆動周波数の低減を停止して超音波モータ１０を定速駆動する。そして所定量駆動させた後は、超音波モータ１０の回転速度を減速して超音波モータ１０を停止する。
【００１０】
このように本実施形態では、駆動周波数を低減する間隔を、起動域（駆動開始から起動時まで）では加速域（起動時から共振状態になるまで）に比べて長く設定している。この設定によれば、起動域において超音波モータ１０の起動を検知し易くなるから、超音波モータ１０の起動を確実に検知できる。これにより、駆動周波数が必要以上に低減されて超音波モータ１０が急激に回転し始めるような事態も生じず、超音波モータ１０を安定に起動することができる。また加速域では、駆動周波数を低減する間隔が起動域よりも短く設定されているから、超音波モータ１０を滑らかに加速して安定に回転させることができる。
また本実施形態では、駆動周波数を低減する変化値を、起動域では加速域よりも大きな値に設定している。この設定によれば、起動時間が短縮されるから、起動域で駆動周波数を変化させる間隔を長く設定しても応答性を悪化させることがない。また加速域では、駆動周波数を低減する変化値が起動域よりも小さく設定されているから、超音波モータ１０をより滑らかに加速して安定に回転させることができる。
【００１１】
次に図３〜図６を参照し、本装置の制御動作について詳細に説明する。図３は本装置のメイン処理を示すフローチャートである。この処理にはカメラの電源がオンされたときに入り、電源オン状態ではＳ１３〜Ｓ１９の処理が繰り返し実行される。
この処理に入ると先ず、超音波モータ１０の駆動を開始する周波数（初期駆動周波数ｆ０）に制御可能な最大値をセットする（Ｓ１１）。そしてカメラＣＰＵ３０との間でデータ通信を実行し（Ｓ１３）、この通信により駆動開始命令を入力したかどうかをチェックする（Ｓ１５）。駆動開始命令を入力していなければＳ１３へ戻り、駆動開始命令を入力するまでＳ１３、Ｓ１５の処理を繰り返す（Ｓ１５；Ｎ）。そして駆動開始命令を入力したときは（Ｓ１５；Ｙ）、カメラ側で設定された駆動パルス数をカウンタ２０ｂにセットし（Ｓ１７）、任意パルス数駆動処理（Ｓ１９）を実行する。
【００１２】
Ｓ１９で実行される任意パルス数駆動処理について、図４を参照して詳細に説明する。この処理に入ると先ず、ＵＳＭ起動処理を実行して超音波モータ１０を起動させる（Ｓ２１）。超音波モータ１０が起動したら、超音波モータ１０を徐々に加速し（Ｓ２３）、駆動速度が最高速度に達したときの駆動周波数（＝共振周波数）をＥＥＰＲＯＭ２３に記憶して（Ｓ２５）、記憶した駆動周波数で超音波モータ１０を一定速駆動させる（Ｓ２７）。この加速・一定速駆動は、超音波モータ１０の回転に伴ってセンサ電極Ｓから出力される振幅電圧Ｖ_Dに基づいて制御される。
そして所定時間（または所定パルス分）だけ一定速駆動したら、パルスエンコーダ２１の出力、即ちカウンタ２０ｂの値に基づき超音波モータ１０の回転速度を減速して超音波モータ１０を停止させ（Ｓ２９）、次回駆動時の初期駆動周波数ｆ０を算出してＥＥＰＲＯＭ２３にメモリし（Ｓ３１）、リターンする。
【００１３】
Ｓ２１で実行されるＵＳＭ起動処理について、図５を参照して詳細に説明する。この処理に入ると先ず、現在の駆動周波数に初期駆動周波数ｆ０をセットする（Ｓ４１）。次に、現在の駆動周波数に対応する周波数信号を超音波モータ駆動回路２２を介して超音波モータ１０に与え、超音波モータ１０の駆動を開始する（Ｓ４３）。そして、第１のインターバルタイマ時間Δｔ１を計時する第１のタイマをスタートさせ（Ｓ４５）、カウンタ２０ｂの値に基づいて超音波モータ１０が起動したか否かをチェックする（Ｓ４７）。すなわちＳ４７では、パルスエンコーダ２１から検出パルスが１つでも出力されて、カウンタ２０ｂにセットされた値がディクリメントされたか否かをチェックする。カウンタ２０ｂの値が全く減っていなければ（Ｓ４７；Ｎ）、第１のインターバルタイマ時間Δｔ１が経過したか否かをチェックする（Ｓ４９）。第１のインターバルタイマ時間Δｔ１が経過していなければ、Ｓ４７へ戻り、第１のインターバルタイマ時間Δｔ１が経過するまで、超音波モータ１０が起動したか否かのチェックを繰り返す（Ｓ４９；Ｎ、Ｓ４７）。超音波モータ１０が起動せずに第１のインターバルタイマ時間Δｔ１が経過した場合は（Ｓ４９；Ｙ）、現在の駆動周波数を第１の低減値Δｆ１分下げ（Ｓ５１）、第１のタイマをリセットしてＳ４５へ戻る（Ｓ５３）。超音波モータ１０が起動したら（Ｓ４７；Ｙ）、第１のタイマをストップしてリターンする（Ｓ５５）。
上記Ｓ４５〜Ｓ５３の処理により、超音波モータ１０が起動しない間は、第１のインターバルタイマ時間Δｔ１が経過する毎に駆動周波数が第１の低減値Δｆ１ずつ下げられることになる。
【００１４】
Ｓ２２で実行されるＵＳＭ加速制御処理について、図６を参照して詳細に説明する。この処理に入ると先ず、第２のインターバルタイマ時間Δｔ２を計時する第２のタイマをスタートさせる（Ｓ６１）。第２のインターバルタイマ時間Δｔ２は、超音波モータ１０の急加速を防止するため、第１のインターバルタイマ時間Δｔ１よりも短くなるように設定されている。続いて、センサ電極Ｓから出力された交流信号の振幅電圧Ｖ_Dを計測し（Ｓ６３）、計測した振幅電圧Ｖ_Dが共振時における振幅電圧値の９０％以上に相当するか否かにより共振状態であるか否かをチェックする（Ｓ６５）。共振時における振幅電圧値は予め設定されている値である。計測した振幅電圧が共振時における振幅電圧の９０％以上でなければ（Ｓ６５；Ｎ）、まだ共振状態に達していないので、第２のインターバルタイマ時間Δｔ２が経過したか否かをチェックする（Ｓ６７）。第２のインターバルタイマ時間Δｔ２が経過していないときは、Ｓ６３へ戻り、共振状態に達したか否かのチェックを繰り返す（Ｓ６７；Ｎ）。共振状態に達せずに第２のインターバルタイマ時間Δｔ２が経過したときは、現在の駆動周波数を第２の低減値Δｆ２だけ下げ、第２のタイマをリセットしてＳ６１へ戻る（Ｓ６７；Ｙ、Ｓ６９、Ｓ７１）。共振状態に達したら、第２のタイマをストップしてリターンする（Ｓ６５；Ｙ、Ｓ７３）。
上記Ｓ６１〜Ｓ７１の処理により、超音波モータ１０が共振状態となるまでは、第２のインターバルタイマ時間Δｔ２が経過する毎に駆動周波数が第２の低減値Δｆ２ずつ下げられることになる。
【００１５】
以上のように本実施形態では、起動域において、駆動周波数を低減させる間隔（第１のインターバルタイマ時間Δｔ１）を加速域に比べて長く設定するとともに、駆動周波数を低減させる低減値（第１の低減値Δｆ１）を加速域に比べて大きく設定しているから、起動時間を延長することなく超音波モータ１０の起動を確実に検知できる。これにより、駆動周波数を必要以上に低減してしまう事態も発生せず、超音波モータ１０の急加速による不安定動作を防止して、超音波モータ１０を安定に起動することができる。また本実施形態では、加速域において、駆動周波数を低減させる間隔を短く設定するとともに、駆動周波数を低減させる値を小さく設定しているから、超音波モータ１０をより滑らかに加速させることができる。
【００１６】
本実施形態において第１のインターバルタイマ時間Δｔ１は、超音波モータ１０を起動可能な周波数信号が超音波モータ１０に入力されてからパルスエンコーダ２１からパルスが出力される（超音波モータ１０が所定量動き出す）までの応答時間よりも長く設定されているから、第１のインターバルタイマ時間Δｔ１時間内に超音波モータ１０の起動を検知でき、起動から起動検知までに生じるタイムラグをより減少できる。
また第１のインターバルタイマ時間Δｔ１を上述の応答時間より若干短く設定し、パルスエンコーダ２１から複数のパルスを入力したときにモータ起動と判断する構成とすることもできる。この構成では、駆動周波数の変化量に対して駆動速度の変化量が少ない起動直後の周波数領域も起動域に含まれ、この領域以降から加速制御が開始されるから、超音波モータ１０をより滑らかに加速することができ、応答性をさらに向上させることができる。
【００１７】
図８〜図１０には、起動域と加速域において駆動周波数の低減率が異なる本実施例と、起動域と加速域において駆動周波数の低減率が同一である従来例を比較して示してある。各図において、横軸は時間、縦軸は超音波モータの回転速度であり、点線表示が本実施制御による場合を示し、実線表示が従来制御による場合を示している。
超音波モータの急加速を防止するよう駆動周波数の低減率を低く設定して一定とした場合は、図８のように、超音波モータは滑らかに加速されて安定に回転するが、起動時間が長くなって応答性がよくない。しかも超音波モータの負荷トルクが何らかの原因により大きくなった場合には、図９に示すように、起動時間がさらに長くなるだけでなく起動速度が高速となるから、超音波モータが急激に回転されて不安定動作となってしまう。一方、起動時間を短縮するよう駆動周波数の低減率を高く設定して一定とした場合には、図１０のように起動時間は短縮されるが、加速域では急加速が繰り返されるので、超音波モータの安定した動作を得ることができない。
このように駆動周波数の低減率を一定としていた従来に対し、本実施形態では、起動域と加速域の各々で最適となるように駆動周波数の低減率を設定するので、超音波モータ１０の負荷トルクが大きい場合や負荷トルクが一時的に変動した場合であっても、超音波モータ１０を確実且つ速やかに起動するとともに、滑らかに加速させて安定に回転させることができる。
【００１８】
以上では、本装置により制御される超音波モータがカメラのオートフォーカスレンズを駆動する実施形態について説明したが、超音波モータの被駆動体としては、カメラのオートフォーカスレンズだけでなく、ズームレンズや他の光学機器でもよいのは勿論である。特に、超音波モータを起動−停止−起動させる動作を頻繁に行う機器に本装置を適用すれば、より顕著な効果を発揮する。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、駆動周波数の低減率を起動域と加速域において各々最適に設定し、設定した低減率で駆動周波数を徐々に低減して超音波モータを起動及び加速するので、超音波モータの負荷トルクが大きい場合や負荷トルクが一時的に変動した場合であっても、超音波モータを確実且つ速やかに起動するとともに、滑らかに加速させて安定に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した超音波モータ駆動制御装置の制御系を示すブロック図である。
【図２】同装置のモータ駆動制御の概要を説明する図である。
【図３】同装置のメイン処理に関するフローチャートである。
【図４】同装置の任意パルス数駆動処理に関するフローチャートである。
【図５】同装置のＵＳＭ起動処理に関するフローチャートである。
【図６】同装置のＵＳＭ加速処理に関するフローチャートである。
【図７】超音波モータの駆動周波数−回転速度特性を示す図である。
【図８】超音波モータの回転速度の時系列変化を、加速度が最適となるよう制御した従来例（負荷トルク小）と本実施例を比較して示す図である。
【図９】超音波モータの回転速度の時系列変化を、加速度が最適となるよう制御した従来例（負荷トルク大）と本実施例を比較して示す図である。
【図１０】超音波モータの回転速度の時系列変化を、起動時間が最短となるように制御した従来例と本実施例を比較して示す図である。
【符号の説明】
１０超音波モータ
２０レンズＣＰＵ
２１パルスエンコーダ
２２超音波モータ駆動回路
２３ＥＥＰＲＯＭ
３０カメラＣＰＵ

Claims

超音波モータと、
該超音波モータを所定の初期駆動周波数で駆動開始させ、該駆動周波数を前記初期駆動周波数から段階的に低減することにより前記超音波モータを起動して所定の回転速度まで加速する駆動制御手段と、
前記超音波モータが所定角度回転する毎に検出パルスを出力する検出手段と、
第１のインターバルタイマ時間、第１のインターバルタイマ時間よりも短い第２のインターバルタイマ時間を繰り返し計時するタイマ手段と、
前記超音波モータの振動子の振幅に比例した振幅電圧を出力するセンサ電極を備え、
前記駆動制御手段は、前記駆動周波数を、前記駆動開始から起動するまでの起動域では前記初期駆動周波数から前記第１のインターバルタイマ時間が経過する毎に単位時間当たり第１の低減値ずつ低減し、前記超音波モータが起動してからは所定の回転速度に達するまでの加速域では前記第２のインターバルタイマ時間が経過する毎に単位時間当たり前記第１の低減値よりも小さい第２の低減値ずつ低減すること、
前記起動域では、前記振幅電圧を検知することなく前記検出パルスを検知して前記超音波モータの起動を検知すること、及び、
前記加速域では前記検出パルスを検知することなく前記振幅電圧を検知し、振幅電圧が予め設定された前記超音波モータの共振時の電圧よりも小さい所定電圧以上になったときに、前記駆動周波数の低減を停止することを特徴とする超音波モータ駆動制御装置。
請求項１記載の超音波モータ駆動制御装置において、前記検出手段はパルスエンコーダであって、前記起動域は、前記駆動制御手段によって前記超音波モータの駆動が開始されたときから前記検出パルスが出力されるまでの期間とする超音波モータ駆動制御装置。