JP4333122B2

JP4333122B2 - Ultrasonic motor drive circuit and electronic equipment

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Publication number: JP4333122B2
Application number: JP2002325991A
Authority: JP
Inventors: 泰治橋本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: JP2004166324A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータの駆動回路および超音波モータを用いた電子機器に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、超音波モータの駆動回路として、簡単な自励発振回路を利用したもの（例えば、特許文献１参照）や、ＰＷＭ制御回路を利用したもの（例えば、特許文献２，３参照）が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６３−２０２２７８
【特許文献２】
特開平１−２３４０７３
【特許文献３】
特開平６−２３７５８１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の駆動回路は、自励発振回路であるため、回路構成は簡単である。この自励発振回路で速度制御が実現できれば構成が簡単になり、コスト、信頼性の面からメリットが大きいが、特許文献１にも速度制御の記載が無いように、実際には下記の理由で困難である。
すなわち、自励発振回路で速度制御を行った場合、速度の指令値がある一定値以下になると発振が停止してしまう。一度発振が停止すると、発振の開始には数〜数百波のパルス信号（駆動信号）を入力しなければならず、その分の再起動時間が必要で、その間は駆動が不安定となり、速度制御を行うことができない。
【０００５】
一方、特許文献２，３に示すように、ＰＷＭ制御回路を利用した場合には超音波モータの駆動速度を制御することができるが、発振源（ＶＣＯ）や位相比較回路が必要なため、回路構成が複雑でコストが高い。
また、特許文献３に示すように、ＰＷＭ等により駆動速度を制御しようとすると、発振周波数の制御が不安定になる傾向があり、速度制御と発振周波数制御の両立は一般的に困難である。
【０００６】
本発明の目的は、回路構成を簡易にでき、かつ駆動速度の制御を安定して行うことができる超音波モータの駆動回路および電子機器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電素子を有する超音波モータを駆動する駆動回路であって、前記超音波モータの振動を検出する振動検出手段と、この振動検出手段からの信号の位相を変化させる移相手段と、この移相手段からの信号を増幅して前記超音波モータに駆動信号を出力する増幅手段と、前記駆動信号を制御して超音波モータの回転速度を調整する速度調整手段とを備え、前記超音波モータは、前記増幅手段からの駆動信号により振動する圧電素子と、この圧電素子の振動によって駆動する駆動体とを備えて構成され、前記移相手段は、前記振動検出手段からの信号を平均化する信号平均化部を備え、かつ前記増幅手段から超音波モータに出力される駆動信号がほぼ超音波モータの共振周波数となるように位相を変化させ、前記増幅手段は、逆位相で動作する２つのトランジスタと出力側抵抗で構成されたプッシュプル回路を備え、前記速度調整手段は、前記駆動体の駆動速度を検出するセンサと、駆動体の目標駆動速度を設定する目標値設定部と、前記センサで検出された駆動速度および前記目標値の差に基づく制御信号を出力する制御指示部と、制御指示部からの制御信号に基づいて前記駆動信号のパルス幅または振幅の少なくとも一方を制御する駆動信号制御部とを備え、前記駆動信号制御部は、前記プッシュプル回路を駆動する正電源および負電源の一方と、前記プッシュプル回路との間に配置され、かつ互いに並列に接続されたバイパス用スイッチおよび振幅制限用抵抗を備え、前記バイパス用スイッチを切断した際には前記電源とプッシュプル回路とが前記振幅制限用抵抗を介して接続されてプッシュプル回路から出力される駆動信号のパルス振幅が小さくなるように、前記出力側抵抗と振幅制限用抵抗との比率が設定され、制御指示部からの制御信号に応じて前記増幅手段からの駆動信号のパルス幅またはパルス振幅の少なくとも一方を変更した際に、そのパルス幅または振幅を圧電素子の発振が停止しない大きさに制限することを特徴とするものである。
ここで、速度調整手段は、駆動信号のパルス幅のみを制御してもよいし、パルス振幅のみを制御してもよいし、パルス幅およびパルス振幅の両方を制御してもよく、少なくともパルス幅またはパルス振幅の一方を制御できればよい。
【０００８】
この本発明によれば、振動検出手段で超音波モータの振動を検出した信号を、移相手段、増幅手段を介して超音波モータに戻しており、前記移相手段において信号の位相を変化させているので、増幅手段からの駆動信号を超音波モータのほぼ共振周波数で入力することができる。このため、超音波モータを自励発振させることができ、発振源や位相比較回路等を不要にできて回路構成を簡易化でき、コストも低減できる。
また、移相手段は検出信号を平均化する信号平均化部を備えているので、速度制御等によって検出信号にノイズや急激な変動が生じても、その影響を吸収でき、速度制御時の急峻な変動や不安定な挙動を防止できる。このため、駆動速度の制御を安定して行うことができる。
さらに、速度調整手段は、駆動信号のパルス幅またはパルス振幅の少なくとも一方を制御するようにしたので、速度調整時に超音波モータの発振が停止することを防止できる。このため、再起動に伴う速度制御不能状態を回避でき、安定してかつ迅速な速度制御を行うことができる。
また、本発明によれば、センサで検出した駆動速度および目標値に基づいて制御指示部から制御信号が出力される。このため、目標値を自動または手動で設定すれば、超音波モータで駆動される駆動体を自動的に目標速度に調整することができる。また、駆動信号制御部は、前記制御信号に応じて駆動信号制御部で駆動信号のパルス幅および振幅を同時に制御しているため、回路構成をより一層簡素化でき、コストを低減できる。
さらに、本発明によれば、プッシュプル回路と電源との間に、バイパス用スイッチおよび振幅制限用抵抗の並列回路を設けているので、前記バイパス用スイッチのオン、オフを制御するだけで、プッシュプル回路の平均的な出力インピーダンスを変化させることができる。このため、駆動信号の振幅を制御でき、速度調整が実現できる。
従って、回路構成が非常に簡易になり、コストも低減できる。その上、駆動信号の振幅の変動量は、前記プッシュプル回路の出力側抵抗と前記振幅制限用抵抗との比率で制御できるため、その設定を容易にかつ細かく行うことができる。このため、超音波モータの発振が停止しない限界近くまで駆動信号の振幅（電圧）を制限でき、その分、速度調整幅を大きくでき、超音波モータの駆動速度の制御も迅速に行うことができる。
【０００９】
なお、本発明では、移相手段は、駆動信号が「ほぼ超音波モータの共振周波数」となるように位相を変化させればよい。「超音波モータのほぼ共振周波数」とは、駆動信号の周波数を超音波モータの共振周波数に設定する場合だけでなく、共振周波数の近傍の周波数に設定してもよいことを意味する。これは、通常は超音波モータの共振周波数に設定すれば振動の振幅も大きくなってモータとしての効率も向上できるが、超音波モータの取付構造等によっては、超音波モータの共振周波数から多少ずらした駆動信号を与えたほうがよい場合もあるためである。すなわち、駆動信号は、超音波モータにおいて所定の振動振幅が得られ、モータとして機能できるような周波数の信号であればよく、そのような特性が得られる超音波モータの共振周波数およびその近傍の周波数を含む概念として「ほぼ超音波モータの共振周波数」と表現している。
【００１０】
ここで、前記超音波モータは、縦振動および屈曲振動を発生するように構成され、前記移相手段は、前記超音波モータの縦振動および屈曲振動の各共振周波数のうち、高い周波数に前記各周波数の差を加えた上限周波数および低い周波数に前記各周波数の差を引いた下限周波数の範囲内に、前記駆動信号の周波数を制御することが好ましい。
超音波モータが縦振動および屈曲振動（二次振動）の２つの振動モードを有し、楕円運動を行う場合には、各振動モード毎に多少共振周波数が異なる。ここで、縦振動および屈曲振動の各共振周波数のうち、周波数が高いほうの共振周波数をfH、低いほうの共振周波数をfL、各共振周波数の差をΔf=fH-fLとした場合、駆動信号の周波数ｆは、fH+Δf≧ｆ≧fL-Δfの範囲とすることが好ましい。駆動信号の周波数を、このような周波数範囲に設定すれば、縦振動および屈曲振動の２つの振動モードを有する場合に、各振動モードの振幅を適切な大きさにできて超音波モータの駆動効率を向上できる。
特に、駆動信号の周波数は、縦振動および屈曲振動の各共振周波数のうち、低い共振周波数以上でかつ高い共振周波数以下（fH≧ｆ≧fL）であることが好ましい。この場合には、各振動モードの共振周波数に近い駆動信号を入力できるため、超音波モータの駆動効率をより一層向上できる。
但し、超音波モータの固定構造等の影響により、fH≧ｆ≧fLの範囲に無くても超音波モータとして駆動できる場合も多い。従って、通常は、前記各共振周波数範囲（fH≧ｆ≧fL）から各共振周波数の差分Δｆだけ広がった範囲（fH+Δf≧ｆ≧fL-Δf）に設定すれば超音波モータとして利用が可能である。
【００１１】
ここで、前記振幅制限用抵抗は、前記出力側抵抗の抵抗値に対して５０〜１０万倍の抵抗値に設定されていることが好ましい。
【００１５】
ここで、前記駆動体は、前記圧電素子の振動によって回転するロータであり、前記センサは、前記ロータの回転速度を検出し、前記制御指示部は、前記センサで検出された回転速度および前記目標値の差に基づく制御信号を出力することが好ましい。
本発明の駆動回路は、リニアモータや回転モータのいずれの超音波モータにも適用できるが、特に回転モータつまり超音波モータがロータを備えている場合には、超音波モータをより一層小型化でき、腕時計、携帯電話等の様々な小型電子機器に組む込むことができる。
【００１６】
ここで、前記移相手段は、積分回路およびハイパスフィルタを備えて構成され、前記信号平均化部は前記積分回路で構成されていることが好ましい。
信号平均化部を積分回路で構成すれば、積分回路はローパス特性を持つため、別途ハイパスフィルタのみを追加するだけで、移相手段をバンドパス特性にすることができる。このため、信号平均化部を構成する回路の他に、ローパスフィルタを別途設ける場合に比べて、回路構成を簡易化できてコストを低減できる。
【００１７】
ここで、前記速度調整手段は、前記駆動信号のパルス振幅を制御する振幅制御部のみを備えるものでもよい。速度調整手段が、パルス振幅のみを制御するものであれば、回路構成を簡単にでき、位相制御も容易に行える利点がある。
【００１８】
本発明の電子機器は、前述した超音波モータ駆動回路と、この超音波モータ駆動回路で駆動される超音波モータとを備えることを特徴とするものである。
このような電子機器によれば、回路構成が簡易で低コストにでき、かつ超音波モータの速度制御を安定して行うことができる。さらに、圧電素子を用いた超音波モータで構成しているので、小型化が容易であり、腕時計、携帯電話、ハードディスクやＣＤドライブ等の各種アクチュエータとして利用できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
図１は本実施形態に係る超音波モータおよびその駆動回路の構成を示すブロック図である。
超音波モータ１は、圧電素子１１を備えた振動体１０と、この振動体１０の振動によって回転される駆動体としてのロータ２０とを備えて構成されている。
振動体１０は、補強板１２およびこの補強板１２を挟んで配置された圧電素子１１を積層して構成されている。補強板１２は、例えば、ステンレス鋼等により略矩形平板状に形成され、振動体１０全体を補強する。補強板１２には、長手方向の一端側に突起部（接触部）１７が一体的に形成されている。また、補強板１２は、図示しない支持部を介して筐体に取り付けられている。この際、前記支持部にばね性を持たせることなどで、突起部１７がロータ２０の外周面に所定の付勢力で当接するように設けることが好ましい。
【００２０】
圧電素子１１は、所定の電圧が印加されることで圧電効果により、印加される電界の方向と一致する方向または直行する方向に変位する。各圧電素子１１は、補強板１２と略同一形状で形成され、補強板１２の上下面にそれぞれ接着されている。
これら圧電素子１１の表面は、例えば、蒸着等によりニッケルめっき層および金めっき層が形成され、電圧を印加するための電極が設けられている。また、各圧電素子１１の表面は、該圧電素子１１を幅方向に略三等分するように二本の溝が形成されている。さらに、これらの溝で分割された三つの領域のうち、両側の領域では長手方向を略二等分するように溝が形成されている。
このため、電極は、互いに電気的に絶縁された五つの電極１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅで構成される。そして、本実施形態では、幅方向中心の電極１３Ｃと、この電極１３Ｃを挟んで対角線状に配置された２つの電極１３Ａ，１３Ｅとで超音波モータ１の駆動電極が構成されている。一方、残りの２つの電極１３Ｂ，１３Ｄで振動検出用電極が構成されている。
なお、図２の回路図に示すように、補強板１２を挟んで設けられた他方の圧電素子１１に設けられた電極(Co1)１３Ｆは、前記のように区分けされておらず、駆動電極(DR1)に対応するものと振動検出用電極(Pi1)に対応するものとが共通化されて接地（ＧＮＤ、グランド）されている。
【００２１】
このように構成された振動体１０では、振動体１０の圧電素子１１に駆動信号を加えることで突起部１７は楕円軌道を描く。すなわち、各電極１３Ａ，１３Ｃ，１３Ｅに駆動信号を印加すると、各電極に対応する圧電素子１１はそれぞれ長手方向に伸縮運動（縦振動）する。この際、電極１３Ｃの伸縮量に対して電極１３Ａ，１３Ｅの部分の伸縮量は小さいため、振動体１０には、幅方向に捻るモーメントが発生する。そして、このモーメントにより、振動体１０の幅方向に揺動する屈曲運動（屈曲振動）が誘発される。このため、振動体１０の突起部１７は、前記縦振動および屈曲運動により楕円軌道を描いて運動する。
ここで、超音波モータ１つまり振動体１０の共振周波数は、振動体１０の形状等によって設定される。例えば、本実施形態では、縦振動の共振周波数は295kHz、屈曲振動の共振周波数は300kHzとされている。
【００２２】
一方、振動体１０の縦振動および屈曲振動に応じて電極１３Ｂ，１３Ｄに対応する圧電素子１１も振動し、その振動によって発電する。従って、振動検出用電極１３Ｂ，１３Ｄからは振動に対応して信号（交流電流）が出力される。従って、これらの振動検出用電極１３Ｂ，１３Ｄにより、超音波モータ１の振動を検出する振動検出手段が構成されている。
なお、この振動は、振動体１０の振動状態によって変化し、例えば、振動体１０が共振状態の場合、駆動信号に対して振動検出信号はその電圧が１０倍程度になるように設定することもできる。従って、振動検出信号の位相を振動体１０が共振するように適宜移相して駆動電極に戻せば、振動体１０を自励発振させることができる。
振動体１０の突起部１７が楕円軌道を描くと、突起部１７が接触するロータ２０に円周方向の分力が働き、ロータ２０が回転する。このロータ２０の回転速度は、前記振動体１０の振動周波数や振動量（変位量）によって調整することができる。
【００２３】
次に、超音波モータ１の駆動回路２について詳述する。駆動回路２は、大別して、波形整形・インピーダンス整合部３０、フィルタ・移相部４０、電力増幅部５０、速度調整手段６０を備えて構成されている。
速度調整手段６０は、前記ロータ２０の回転速度を検出するセンサ６１と、ロータの目標回転速度を設定する目標値設定部６２と、前記センサ６１で検出された回転速度および前記目標値の差に基づく制御信号を出力するＣＰＵからなる制御指示部６３と、駆動信号制御部７０とを備えている。
【００２４】
この駆動回路２の具体的な回路構成の一例を図２の回路図に示す。
なお、図２において、Ｖｃｃは正電源の電位を、Ｖｄｄは負電源の電位を示している。また、駆動信号制御部７０のＶｃｌは制御指示部６３の正電源の電位を示している。
【００２５】
波形整形・インピーダンス整合部３０は、図２の回路図に示すように、保護ダイオード３１，３２と、抵抗３３，３４と、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３５と、カップリングコンデンサ３６とを備えて構成されている。波形整形・インピーダンス整合部３０の回路入力端子(Cin)３７は、超音波モータ１に設けられた振動検出用電極１３Ｂ，１３Ｄに接続されている。
超音波モータ１の振動検出用電極１３Ｂ，１３Ｄから得られた検出信号は、出力インピーダンスが非常に高い。また、駆動条件によっては電源電位Ｖｃｃよりも高い電位やＶｄｄよりも低い電位が出力される場合もある。このため、検出信号は、保護ダイオード３１，３２を介して、ＦＥＴ３５に入力されている。この信号は、ＦＥＴ３５で増幅され、次段のフィルタ・移相部４０に信号を伝達するのに充分な電流が得られる。
【００２６】
ＦＥＴ３５で増幅された信号はカップリングコンデンサ３６を介して出力され、フィルタ・移相部４０に入力される。ここで、波形整形・インピーダンス整合部３０の回路入力端子３７に入力される検出信号の波形を図３（Ｂ）に示す。また、波形整形・インピーダンス整合部３０の出力信号（カップリングコンデンサ３６の出力信号であり、図２の点Ａで測定される信号）の波形を図３（Ｃ）に示す。
【００２７】
フィルタ・移相部４０は、図２に示すように、可変抵抗４１とコンデンサ４２、抵抗４３とコンデンサ４４、抵抗４５とコンデンサ４６で構成される積分回路４０Ａと、コンデンサ４７と抵抗４８で構成されるハイパスフィルタ４０Ｂとを備えて構成されている。
フィルタ・移相部４０の積分回路４０Ａは、波形整形・インピーダンス整合部３０からの入力信号を積分し、検出信号の急激な変動を吸収している。従って、積分回路４０Ａによって信号平均化部が構成されている。
また、ハイパスフィルタ４０Ｂは、検出信号の不要な低周波成分を除去する。ここで、積分回路４０Ａはローパス特性を持つので、フィルタ・移相部４０全体としてはバンドパス特性となる。
【００２８】
フィルタ・移相部４０の出力信号（図２の点Ｂで測定される信号）の波形を図３（Ｄ）に示す。フィルタ・移相部４０は、図３（Ｂ）に示す検出信号の位相を、超音波モータ１の共振周波数付近で図３（Ｄ）の様に所定角度変化させる。このフィルタ・移相部４０により本発明の移相手段が構成されている。
フィルタ・移相部４０で変化させる位相の所定角度は、具体的には各超音波モータ１に応じて設定される。例えば、超音波モータ１における縦振動の共振周波数が295kHz、屈曲振動の共振周波数が300kHzの場合、超音波モータ１の駆動信号の周波数が、前記各周波数範囲295〜300kHzを、各周波数の差（300-295=5kHz)だけ拡大した範囲、つまり290〜305kHzの範囲内となるように制御すればよい。さらに、より好ましいのは、駆動信号の周波数が各周波数範囲295〜300kHz内となるように制御することである。超音波モータ１の振動体１０は、各周波数範囲295〜300kHzの駆動信号を入力すると最も効率的に振動し、モータ１の駆動効率も向上する。また、前記範囲から僅かに、例えば各周波数の差分程度外れていても、多少効率は低下するが超音波モータ１として駆動可能である。一方、前記範囲（290〜305kHz）を外れると、振動体１０の振動振幅が非常に小さくなり、超音波モータ１としての利用が困難になる。なお、最も効率的に駆動できる周波数は、振動体１０の形状、固定構造などによって相違するため、超音波モータ１の設計時に適宜設定すればよい。
【００２９】
電力増幅部５０は、図２に示すように、演算増幅器５１と、抵抗５２，５３，５４と、ＦＥＴ５６，５７で構成されるプッシュプル回路５５と、出力側抵抗５８と、回路出力端子５９とを備えて構成されている。
フィルタ・移相部４０から出力された信号は、演算増幅器５１で電圧増幅された後、プッシュプル回路５５で電流増幅され、抵抗５８を介して回路出力端子５９から駆動信号として出力される。この駆動信号は、超音波モータ１の駆動電極１３Ａ，１３Ｃ，１３Ｅに入力される。従って、電力増幅部５０によって本発明の増幅手段が構成されている。演算増幅器５１の出力信号（図２の点Ｃで測定される信号）を図３（Ｅ）に示し、回路出力端子（Cout）５９の駆動信号を図３（Ｆ）に示す。
【００３０】
一方、図１に示すように、速度調整手段６０のセンサ６１は、ロータ２０つまりは超音波モータ１の回転状態を検出して所定のパルス信号を出力するものなどが利用できる。具体的には、公知のフォトリフレクタ、フォトインタラプタ、ＭＲセンサ等の各種の回転エンコーダ等が利用できる。
センサ６１からの検出信号は、制御指示部６３に送られ、ロータ２０の回転速度が検出される。また、制御指示部６３には、ロータ２０の目標回転速度を設定する目標値設定部６２からの目標値も入力される。この目標値設定部６２で設定される目標値は、利用者が手動で設定してもよいし、ロータ２０で駆動される機器の状態に応じて自動的に設定されるものでもよい。
【００３１】
制御指示部６３は、目標値設定部６２から入力された目標値と、センサ６１から入力された現在の回転速度とを比較し、その差を無くすための制御信号（パルス信号）を駆動信号制御部７０に出力する。制御信号PWMinは、例えば、3KHzのパルス信号が利用でき、このパルス信号のデューティ比を前記目標値および実際の回転速度の差に応じて可変することで、ブレーキオフ状態（本実施形態では制御信号PWMinがＨレベル信号の状態）、ブレーキオン状態（本実施形態では制御信号PWMinがＨレベル信号の状態）の割合を変えて超音波モータ１の速度を制御する。従って、この制御信号PWMinはいわゆるパルス幅制御を行う信号であり、超音波モータ１は基本的にパルス幅制御によって調速されている。
【００３２】
駆動信号制御部７０は、図２に示すように、前記ＦＥＴ５７および負電源Ｖｄｄ間に直列に接続された振幅制限用抵抗７１と、この振幅制限用抵抗７１に並列に接続されたバイパス用スイッチであるＦＥＴ７２と、このＦＥＴ７２のオン、オフを制御する切替回路７３とを備えている。切替回路７３は、３つの抵抗７３１，７３２，７３３および２つのＦＥＴ７３４，７３５を備えて構成されている。なお、切替回路７３は、制御指示部６３の電源Ｖｃｌにより駆動され、かつ制御指示部６３から入力される制御信号PWMinによって前記ＦＥＴ７２をオン、オフするように構成されている。
【００３３】
ここで、振幅制限用抵抗７１は、抵抗５８に対して適正な抵抗値、例えば５０〜１０万倍程度の抵抗値に設定されている。
また、フィルタ・移相部４０の可変抵抗４１と抵抗４３の抵抗値の和(R41+R43)や、抵抗４５の抵抗値(R45)は、振幅制限用抵抗７１の抵抗値(R71)よりも大きくされている。
なお、フィルタ・移相部４０での移相量は、約３０度から２４０度とされている。
【００３４】
このような構成の超音波モータ１の作用について説明する。
超音波モータ１の停止状態から所定のスイッチを接続するなどして駆動すると、回路出力端子５９から駆動信号が超音波モータ１の駆動電極１３Ａ，１３Ｃ，１３Ｅに入力される。この入力に伴い、前記振動体１０が振動し、その振動に応じた検出信号が振動検出用電極１３Ｂ，１３Ｄから回路入力端子３７に入力される。この検出信号は、波形整形・インピーダンス整合部３０、フィルタ・移相部４０、電力増幅部５０を介して超音波モータ１の駆動電極に入力される。この信号のループで電圧ゲイン１以上の条件を満たせば、この回路は正帰還となり、ループの位相差が３６０度の整数倍になる周波数で発振が継続し、自励発振回路となる。
【００３５】
ロータ２０の回転速度は、センサ６１で検出されて制御指示部６３に入力される。制御指示部６３は、目標値設定部６２で設定された目標値と前記回転速度とを比較し、その速度差に応じた制御信号PWMin を出力する。本実施形態では、図３（Ａ）に示すように、制御指示部６３から出力される制御信号PWMin は、前記振動体１０にブレーキを掛けて速度を抑える場合にローレベル信号となり、ブレーキを解除する場合にハイレベル信号となるように設定されている。従って、制御指示部６３は、超音波モータ１を減速する場合には、ブレーキオン制御となるローレベル信号の割合を多くし、増速する場合にはハイレベル信号の割合が多くなるように、制御信号PWMin のデューティ比を制御する。
【００３６】
振動検出用電極１３Ｂ，１３Ｄから出力された検出信号は、波形整形・インピーダンス整合部３０で増幅、波形整形される。この際、図３（Ｂ）に示すように制御信号PWMin がハイレベルおよびローレベル間で切り替わってノイズが発生すると、そのノイズも増幅される。
波形整形・インピーダンス整合部３０で増幅、整形された信号は、フィルタ・移相部４０で積分され、不要な高周波成分および低周波成分が除去される。入力信号が積分されることで、図３（Ｄ）に示すように、前記切替時のノイズも除去される。さらに、超音波モータ１の共振周波数付近で回路３０，４０，５０および超音波モータ１で構成されるループの位相遅れが３６０度の整数倍となるように、信号の位相が変更される。
この信号は、電力増幅部５０の演算増幅器５１で増幅、整形され、図３（Ｅ）に示す略矩形波状のパルス信号とされる。このパルス信号により、プッシュプル回路５５のＦＥＴ５６，５７が交互に作動して、回路出力端子５９からの駆動信号を正電位Ｖｃｃおよび負電位Ｖｄｄ間で切り替え、出力電流が増幅される。この駆動信号が超音波モータ１の駆動電極１３Ａ，１３Ｃ，１３Ｅに入力されることで、自励発振状態が継続する。
【００３７】
一方、ロータ２０の速度調整は以下の手順で行われる。
まず、制御指示部６３は、センサ６１で検出した回転速度および目標値設定部６２の目標値の差に基づく制御信号PWMin を駆動信号制御部７０に出力する。
駆動信号制御部７０では、制御信号PWMin がハイレベル信号の場合、ＦＥＴ７２が切替回路７３によってオンされる。このため、ＦＥＴ５７は負電源Ｖｄｄに直結し、回路出力端子５９からの駆動信号は、図３（Ｆ）に示すように、正電位Ｖｃｃおよび負電位Ｖｄｄ間で変動する。
一方、駆動信号制御部７０では、制御信号PWMin がローレベル信号の場合、ＦＥＴ７２が切替回路７３によってオフされる。このため、ＦＥＴ５７は振幅制限用抵抗７１を介して負電源Ｖｄｄに接続する。ここで、振幅制限用抵抗７１の抵抗値が抵抗５８に比べて非常に大きいため、回路出力端子５９からの駆動信号（パルス信号）は負電位Ｖｄｄまで低下することができず、正電位から僅かに降下した電圧（振幅）となる。そして、駆動信号は変位（振幅）は小さいがその電圧値は僅かに変化しているため、圧電素子１１も僅かに伸縮し、振動を継続する。すなわち、抵抗５８と振幅制限用抵抗７１との抵抗比を適切に設定すれば、ＦＥＴ５６がオンされた場合と、ＦＥＴ５７がオンされた場合とで駆動信号の電圧変位を前記振動体１０が停止しない限度まで小さくできる。このため、前記振動体１０は発振を継続し、かつ振動変位が小さくなるためにロータ２０の回転速度が低減、つまりブレーキを掛けることができる。従って、ロータ２０の速度調整と発振継続とを両立することができる。
【００３８】
以上に説明したように、本実施形態では、駆動信号制御部７０によって駆動信号のパルス振幅が制御されているため、駆動信号制御部７０により振幅制御部が構成されている。
【００３９】
このような本実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）自励発振回路を利用しながらも、速度調整が行えるため、発振源や位相比較回路などが不要となり、超音波モータ１の駆動回路２の構成を簡易にできる。このため、コストを低減でき、かつ回路構成が簡易になることで、部品の故障発生の確率も低減できて信頼性も向上できる。
【００４０】
（２）制御信号がローレベルとなっているブレーキオン状態でも、駆動信号は正電位Ｖｃｃとその電位から僅かに低下した電位との間で変動するため、前記振動体１０の発振停止状態を防止できる。このため、振動体１０の発振停止に伴う駆動速度制御不能状態に陥らず、振動体１０を再度発振させるための再起動操作も不要となる。このため、速度制御ができない発振の再起動状態が無くなり、超音波モータ１の制御性を格段に向上することができる。
【００４１】
（３）波形整形・インピーダンス整合部３０、フィルタ・移相部４０、電力増幅部５０を設けたので、速度制御と並行して駆動周波数を追尾することができる。このため、常に最適な周波数の駆動信号を超音波モータ１に供給することができ、モータ１の効率および駆動品質を共に向上することができる。
【００４２】
（４）フィルタ・移相部４０に積分回路４０Ａを設けたので、制御信号PWMinの切替時のノイズ等の入力信号の急激な変動を吸収でき、不安定な挙動を防止できて、駆動信号の周波数を超音波モータ１の状態に合わせて常に供給することができる。
【００４３】
なお、本発明は各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は、本発明に含まれるものである。
例えば、波形整形・インピーダンス整合部３０、フィルタ・移相部４０、電力増幅部５０、駆動信号制御部７０等の具体的な回路構成は、前記実施形態に記載されたものに限らず、他の構成を採用してもよい。
【００４４】
前記実施形態では、フィルタ・移相部４０において信号平均化部を積分回路で構成していたが、他の回路で構成してもよく、要するに、検出信号の急激な変動を吸収できるものであればよい。
【００４５】
また、駆動信号制御部７０は、ＦＥＴ５６と正電源Ｖｃｃとの間に配置されていてもよい。さらに、駆動信号制御部７０は、振幅制限用抵抗７１およびＦＥＴ７２が並列配置されたものに限らず、電力増幅部５０から出力される駆動信号の振幅を制御できるものであればよい。
【００４６】
また、駆動信号制御部７０は、超音波モータ１の駆動信号のパルス幅を制御するように構成してもよい。例えば、制御指示部６３から出力される制御信号PWMin を利用して駆動信号のデューティ比を制御して超音波モータ１の回転速度をコントロールしてもよい。
さらに、駆動信号制御部７０は、駆動信号のパルス幅および振幅の両方を制御するものでもよい。この場合には、より効率的な速度制御を行うことができる。
要するに、駆動信号制御部７０つまり速度調整手段６０は、駆動信号のパルス幅および振幅の少なくとも一方を制御できればよく、特に、ブレーキ制御する際に、その駆動信号の振幅を僅かに変動させるなどで振動が停止しない状態に維持できるものであればよい。
但し、前記実施形態のように、振幅のみを制御するように構成すれば、駆動信号制御部７０等の回路構成を簡易にできてコストを低減できる利点がある。
【００４７】
さらに、電力増幅部５０の構成も、プッシュプル回路を用いたものに限らず、公知の増幅回路を利用してもよい。
【００４８】
超音波モータ１としても、前記実施形態に記載されたものに限らず、他の構成を採用しても良い。例えば、前記実施形態の振動体１０は、ロータ２０を一方向のみに回転させるように構成されていたが、例えば、駆動電極１３Ａ，１３Ｅと、検出用電極１３Ｂ，１３Ｄとを交互に切り替えるように構成し、突起部１７を正逆両方向に楕円軌道を描くように構成することで、ロータ２０の回転方向を切り替えることができるように構成してもよい。
さらに、本発明の駆動回路は、前記実施形態のような薄板状の振動体１０を用いた超音波モータ１の駆動回路に限らず、リング状の超音波モータや円筒状の超音波モータ、リニアモータ等の公知の各種超音波モータの駆動回路として広く利用することができる。従って、駆動体としては、ロータ２０に限らず、リニア駆動されるもの等でもよく、各種超音波モータに応じて設定すればよい。また、圧電素子は、駆動体側に取り付けられていてもよく、要するに駆動体およびこの駆動体をガイドする案内部材の一方に設けられていればよい。
【００４９】
フィルタ・移相部４０で変化させる位相角度は、前述したように、駆動信号の周波数が、超音波モータ１のほぼ共振周波数、すなわち共振周波数またはその近傍の周波数となるように設定すればよい。なお、実際には、振動体１０の形状、構造等も影響するため、共振周波数を中心に駆動信号の周波数を変更し、ピックアップ（振動検出用電極）のゲイン等で判断して最も良好な周波数を選択すればよい。
【００５０】
また、本発明の駆動回路を利用した超音波モータ１の用途としては、安定かつ迅速な速度制御が可能であるため、ハードディスクやＣＤ等のスピンドルモータや、ヘッド移動用のリニアモータ、時計のムーブメント等、小型でかつ速度制御が必要な各種アクチュエータとして利用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、超音波モータの駆動回路の回路構成を簡易にでき、かつ駆動速度の制御を安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】前記実施形態の駆動回路の構成を示す回路図である。
【図３】前記実施形態の駆動回路における各信号波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１…超音波モータ、２…駆動回路、１０…振動体、１１…圧電素子、１３Ａ，１３Ｃ，１３Ｅ…駆動電極、１３Ｂ，１３Ｄ…振動検出用電極、２０…ロータ（駆動体）、３０…波形整形・インピーダンス整合部、３７…回路入力端子、４０…フィルタ・移相部（移相手段）、４０Ａ…積分回路（信号平均化部）、４０Ｂ…ハイパスフィルタ、５０…電力増幅部（増幅手段）、５１…演算増幅器、５５…プッシュプル回路、５６，５７…ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、５８…出力側抵抗、５９…回路出力端子、６０…速度調整手段、６１…センサ、６２…目標値設定部、６３…制御指示部、７０…駆動信号制御部（パルス幅制御部、振幅制御部）、７１…振幅制限用抵抗、７２…ＦＥＴ（バイパス用スイッチ）、７３…切替回路、Ｖｃｃ…正電源、Ｖｄｄ…負電源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic motor drive circuit and an electronic apparatus using the ultrasonic motor.
[0002]
[Background]
Conventionally, as a drive circuit of an ultrasonic motor, a circuit using a simple self-excited oscillation circuit (for example, refer to Patent Document 1) and a circuit using a PWM control circuit (for example, refer to Patent Documents 2 and 3) are known. It has been.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 63-202278 A
[Patent Document 2]
JP-A-1-234073
[Patent Document 3]
JP-A-6-237581
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Since the drive circuit of Patent Document 1 is a self-excited oscillation circuit, the circuit configuration is simple. If speed control can be realized with this self-excited oscillation circuit, the configuration becomes simple, and there are great advantages in terms of cost and reliability. However, as described in Patent Document 1, there is actually no description of speed control for the following reasons. Have difficulty.
That is, when the speed control is performed by the self-excited oscillation circuit, the oscillation is stopped when the speed command value becomes a certain value or less. Once the oscillation stops, a pulse signal (driving signal) of several to several hundred waves must be input to start the oscillation, and a restart time is required for that time, during which the driving becomes unstable and the speed Control cannot be performed.
[0005]
On the other hand, as shown in Patent Documents 2 and 3, although the case of using the PWM control circuit can control the drive speed of the ultrasonic motor, because the necessary oscillation source (VCO) and a phase comparator circuit, The circuit configuration is complicated and expensive.
Further, as shown in Patent Document 3, when the drive speed is controlled by PWM or the like, the oscillation frequency control tends to become unstable, and it is generally difficult to achieve both speed control and oscillation frequency control.
[0006]
An object of the present invention is to provide an ultrasonic motor drive circuit and an electronic apparatus that can simplify the circuit configuration and stably control the drive speed.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a drive circuit for driving an ultrasonic motor having a piezoelectric element, a vibration detecting means for detecting the vibration of the ultrasonic motor, and a phase shifting means for changing the phase of a signal from the vibration detecting means. comprising amplifying means for outputting a drive signal to the ultrasonic motor by amplifying the signal from the phase shifting means, and a speed adjusting means for adjusting the rotational speed of the ultrasonic motor by controlling the drive signal, the The ultrasonic motor includes a piezoelectric element that vibrates in accordance with a drive signal from the amplifying means, and a drive body that is driven by the vibration of the piezoelectric element, and the phase shift means receives a signal from the vibration detecting means. and a signal averaging unit for averaging, and the drive signal outputted from the amplifying means to the ultrasonic motor changing a phase so that the resonant frequency of approximately the ultrasonic motor, said amplifying means, in phase opposition A push-pull circuit constituted by the output-side resistor and two transistors work, the speed adjustment means includes a sensor for detecting the driving speed of the driver, the target value setting unit for setting a target driving speed of the driving member A control instruction unit that outputs a control signal based on the difference between the drive speed detected by the sensor and the target value, and at least one of the pulse width or amplitude of the drive signal based on the control signal from the control instruction unit A drive signal control unit for controlling, and the drive signal control unit is disposed between one of a positive power source and a negative power source for driving the push-pull circuit and the push-pull circuit and connected in parallel to each other. A bypass switch and an amplitude limiting resistor. When the bypass switch is disconnected, the power supply and the push-pull circuit are connected via the amplitude limiting resistor. The ratio of the output-side resistance and the amplitude limiting resistor is set so that the pulse amplitude of the drive signal output from the push-pull circuit connected to the amplifier is reduced, and the amplification is performed according to the control signal from the control instruction unit When at least one of the pulse width or pulse amplitude of the drive signal from the means is changed, the pulse width or amplitude is limited to a magnitude that does not stop the oscillation of the piezoelectric element .
Here, the speed adjusting means may control only the pulse width of the drive signal, may control only the pulse amplitude, may control both the pulse width and the pulse amplitude, and at least the pulse width. Alternatively, it is only necessary to control one of the pulse amplitudes.
[0008]
According to the present invention, the signal obtained by detecting the vibration of the ultrasonic motor by the vibration detecting means is returned to the ultrasonic motor via the phase shift means and the amplification means, and the phase of the signal is changed in the phase shift means. Therefore, the drive signal from the amplifying means can be input at substantially the resonance frequency of the ultrasonic motor. Therefore, the ultrasonic motor can be self-excited oscillation, can simplify the circuit configuration can be unnecessary oscillation source and a phase comparator circuit or the like, cost can be reduced.
Further, since the phase shift means includes a signal averaging unit that averages the detection signal, even if noise or abrupt fluctuation occurs in the detection signal due to speed control or the like, the influence can be absorbed, and the steepness during the speed control can be absorbed. Fluctuations and unstable behavior can be prevented. For this reason, it is possible to stably control the driving speed.
Furthermore, since the speed adjusting means controls at least one of the pulse width or pulse amplitude of the drive signal, it is possible to prevent the oscillation of the ultrasonic motor from stopping during speed adjustment. For this reason, it is possible to avoid a state in which speed control cannot be performed due to restart, and to perform speed control stably and quickly.
Further, according to the present invention, the control signal is output from the control instruction unit based on the driving speed and the target value detected by the sensor. For this reason, if the target value is set automatically or manually, the driving body driven by the ultrasonic motor can be automatically adjusted to the target speed. In addition, since the drive signal control unit simultaneously controls the pulse width and amplitude of the drive signal according to the control signal, the circuit configuration can be further simplified and the cost can be reduced.
Furthermore, according to the present invention, since the bypass switch and the parallel circuit of the amplitude limiting resistor are provided between the push-pull circuit and the power source, the push switch can be pushed only by controlling on / off of the bypass switch. The average output impedance of the pull circuit can be changed. For this reason, the amplitude of the drive signal can be controlled, and speed adjustment can be realized.
Therefore, the circuit configuration becomes very simple and the cost can be reduced. In addition, since the fluctuation amount of the amplitude of the drive signal can be controlled by the ratio of the output-side resistance of the push-pull circuit and the amplitude limiting resistor, the setting can be performed easily and finely. For this reason, the amplitude (voltage) of the drive signal can be limited to near the limit at which the oscillation of the ultrasonic motor does not stop, the speed adjustment range can be increased correspondingly, and the drive speed of the ultrasonic motor can be controlled quickly. .
[0009]
In the present invention, the phase shift means may change the phase so that the drive signal becomes “almost the resonance frequency of the ultrasonic motor”. The “substantially resonant frequency of the ultrasonic motor” means that the frequency of the drive signal may be set not only to the resonant frequency of the ultrasonic motor but also to a frequency near the resonant frequency. Normally, if the resonance frequency of the ultrasonic motor is set, the amplitude of vibration increases and the efficiency of the motor can be improved. However, depending on the mounting structure of the ultrasonic motor, it is slightly shifted from the resonance frequency of the ultrasonic motor. This is because it may be better to give the drive signal. In other words, the drive signal may be a signal having a frequency at which a predetermined vibration amplitude can be obtained in the ultrasonic motor and can function as the motor, and the resonance frequency of the ultrasonic motor and the frequencies in the vicinity thereof that can obtain such characteristics. It is expressed as “substantially the resonance frequency of an ultrasonic motor” as a concept including
[0010]
Here, the ultrasonic motor is configured to generate a longitudinal vibration and a bending vibration, and the phase shifting means is configured to set each of the resonance frequencies of the ultrasonic motor to a high frequency among the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the bending vibration. It is preferable to control the frequency of the drive signal within a range of an upper limit frequency obtained by adding a frequency difference and a lower limit frequency obtained by subtracting the difference between the frequencies from a lower frequency.
When the ultrasonic motor has two vibration modes of longitudinal vibration and bending vibration (secondary vibration) and performs an elliptical motion, the resonance frequency is somewhat different for each vibration mode. Here, among the resonance frequencies of longitudinal vibration and bending vibration, when the higher resonance frequency is fH, the lower resonance frequency is fL, and the difference between the resonance frequencies is Δf = fH-fL, the drive signal Is preferably in the range of fH + Δf ≧ f ≧ fL−Δf. If the frequency of the drive signal is set in such a frequency range, when there are two vibration modes of longitudinal vibration and bending vibration, the amplitude of each vibration mode can be set to an appropriate magnitude and the drive efficiency of the ultrasonic motor can be increased. Can be improved.
In particular, the frequency of the drive signal is preferably not less than a low resonance frequency and not more than a high resonance frequency (fH ≧ f ≧ fL) among the resonance frequencies of longitudinal vibration and bending vibration. In this case, since the drive signal close to the resonance frequency of each vibration mode can be input, the drive efficiency of the ultrasonic motor can be further improved.
However, due to the influence of the fixing structure of the ultrasonic motor, the ultrasonic motor can often be driven without being in the range of fH ≧ f ≧ fL. Therefore, normally, it can be used as an ultrasonic motor if it is set to a range (fH + Δf ≧ f ≧ fL−Δf) widened by a difference Δf between the resonance frequencies (fH ≧ f ≧ fL). It is.
[0011]
Here, the amplitude limiting resistor is preferably set to a resistance value of 500,000 to 100,000 times the resistance value of the output-side resistor.
[0015]
Here, the driving body is a rotor that is rotated by vibration of the piezoelectric element, the sensor detects a rotational speed of the rotor, and the control instruction unit detects the rotational speed detected by the sensor and the target. It is preferable to output a control signal based on the difference in values.
The drive circuit of the present invention can be applied to any ultrasonic motor such as a linear motor or a rotary motor. However, particularly when the rotary motor, that is, the ultrasonic motor includes a rotor, the ultrasonic motor can be further reduced in size. It can be incorporated into various small electronic devices such as wristwatches and mobile phones.
[0016]
Here, it is preferable that the phase shift means includes an integrating circuit and a high-pass filter, and the signal averaging unit includes the integrating circuit.
If the signal averaging unit is composed of an integrating circuit, the integrating circuit has a low-pass characteristic, and therefore, the phase shift means can be made to have a band-pass characteristic only by adding a separate high-pass filter. For this reason, compared with the case where a low pass filter is separately provided in addition to the circuit constituting the signal averaging unit, the circuit configuration can be simplified and the cost can be reduced.
[0017]
Here, the speed adjusting unit may include only an amplitude control unit that controls the pulse amplitude of the drive signal. If the speed adjusting means controls only the pulse amplitude, there is an advantage that the circuit configuration can be simplified and phase control can be easily performed.
[0018]
An electronic apparatus according to the present invention includes the above-described ultrasonic motor driving circuit and an ultrasonic motor driven by the ultrasonic motor driving circuit.
According to such an electronic apparatus, the circuit configuration can be simplified and the cost can be reduced, and the speed control of the ultrasonic motor can be stably performed. Furthermore, since it is composed of an ultrasonic motor using a piezoelectric element, it can be easily miniaturized and can be used as various actuators such as a wristwatch, a mobile phone, a hard disk and a CD drive.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an ultrasonic motor and its drive circuit according to the present embodiment.
The ultrasonic motor 1 includes a vibrating body 10 including a piezoelectric element 11 and a rotor 20 as a driving body that is rotated by the vibration of the vibrating body 10.
The vibrating body 10 is configured by laminating a reinforcing plate 12 and a piezoelectric element 11 disposed with the reinforcing plate 12 interposed therebetween. The reinforcing plate 12 is formed, for example, in a substantially rectangular flat plate shape using stainless steel or the like, and reinforces the entire vibrating body 10. The reinforcing plate 12 is integrally formed with a protrusion (contact portion) 17 on one end side in the longitudinal direction. The reinforcing plate 12 is attached to the housing via a support portion (not shown). At this time, it is preferable to provide the protrusion 17 so as to come into contact with the outer peripheral surface of the rotor 20 with a predetermined urging force, for example, by giving the support portion a spring property.
[0020]
The piezoelectric element 11 is displaced in a direction that coincides with the direction of the applied electric field or in a direction that is orthogonal by the piezoelectric effect when a predetermined voltage is applied. Each piezoelectric element 11 is formed in substantially the same shape as the reinforcing plate 12, and is bonded to the upper and lower surfaces of the reinforcing plate 12.
On the surface of these piezoelectric elements 11, for example, a nickel plating layer and a gold plating layer are formed by vapor deposition or the like, and an electrode for applying a voltage is provided. Further, two grooves are formed on the surface of each piezoelectric element 11 so as to divide the piezoelectric element 11 into approximately three equal parts in the width direction. Further, among the three regions divided by these grooves, grooves on both sides are formed so as to bisect the longitudinal direction.
For this reason, an electrode is comprised by five electrodes 13A, 13B, 13C, 13D, and 13E electrically insulated from each other. In this embodiment, the drive electrode of the ultrasonic motor 1 is configured by the electrode 13C at the center in the width direction and the two electrodes 13A and 13E arranged diagonally across the electrode 13C. On the other hand, the remaining two electrodes 13B and 13D constitute a vibration detection electrode.
As shown in the circuit diagram of FIG. 2, the electrode (Co1) 13F provided on the other piezoelectric element 11 provided with the reinforcing plate 12 interposed therebetween is not divided as described above, and the drive electrode ( The one corresponding to DR1) and the one corresponding to the vibration detection electrode (Pi1) are shared and grounded (GND).
[0021]
In the vibrating body 10 configured as described above, the protrusion 17 draws an elliptical orbit by applying a drive signal to the piezoelectric element 11 of the vibrating body 10. That is, when a drive signal is applied to each of the electrodes 13A, 13C, and 13E, the piezoelectric elements 11 corresponding to the electrodes expand and contract (longitudinal vibration) in the longitudinal direction. At this time, since the amount of expansion / contraction of the electrodes 13A and 13E is smaller than the amount of expansion / contraction of the electrode 13C, a moment that twists in the width direction is generated in the vibrating body 10. The moment induces a bending motion (bending vibration) that swings in the width direction of the vibrating body 10. For this reason, the protrusion 17 of the vibrating body 10 moves while drawing an elliptical orbit by the longitudinal vibration and the bending motion.
Here, the resonance frequency of the ultrasonic motor 1, that is, the vibrating body 10 is set by the shape of the vibrating body 10 and the like. For example, in this embodiment, the resonance frequency of longitudinal vibration is 295 kHz, and the resonance frequency of bending vibration is 300 kHz.
[0022]
On the other hand, the piezoelectric element 11 corresponding to the electrodes 13B and 13D also vibrates according to the longitudinal vibration and bending vibration of the vibrating body 10, and generates electricity by the vibration. Accordingly, a signal (alternating current) is output from the vibration detection electrodes 13B and 13D corresponding to the vibration. Therefore, the vibration detection means for detecting the vibration of the ultrasonic motor 1 is constituted by these vibration detection electrodes 13B and 13D.
Note that this vibration changes depending on the vibration state of the vibration body 10. For example, when the vibration body 10 is in a resonance state, the vibration detection signal may be set so that the voltage is about 10 times the drive signal. it can. Therefore, if the phase of the vibration detection signal is appropriately shifted so that the vibrating body 10 resonates and is returned to the drive electrode, the vibrating body 10 can be self-excited.
When the projecting portion 17 of the vibrating body 10 draws an elliptical orbit, a circumferential component acts on the rotor 20 with which the projecting portion 17 contacts, and the rotor 20 rotates. The rotational speed of the rotor 20 can be adjusted by the vibration frequency and vibration amount (displacement amount) of the vibrating body 10.
[0023]
Next, the drive circuit 2 of the ultrasonic motor 1 will be described in detail. The drive circuit 2 is roughly configured to include a waveform shaping / impedance matching unit 30, a filter / phase shift unit 40, a power amplification unit 50, and a speed adjustment unit 60.
The speed adjusting means 60 includes a sensor 61 for detecting the rotational speed of the rotor 20, a target value setting unit 62 for setting the target rotational speed of the rotor, and a difference between the rotational speed detected by the sensor 61 and the target value. The control instruction | indication part 63 which consists of CPU which outputs the control signal based on this, and the drive signal control part 70 are provided.
[0024]
An example of a specific circuit configuration of the drive circuit 2 is shown in the circuit diagram of FIG.
In FIG. 2, Vcc represents the potential of the positive power supply, and Vdd represents the potential of the negative power supply. Further, Vcl of the drive signal control unit 70 indicates the potential of the positive power source of the control instruction unit 63.
[0025]
As shown in the circuit diagram of FIG. 2, the waveform shaping / impedance matching unit 30 includes protection diodes 31 and 32, resistors 33 and 34, a field effect transistor (FET) 35, and a coupling capacitor 36. Has been. A circuit input terminal (Cin) 37 of the waveform shaping / impedance matching unit 30 is connected to vibration detection electrodes 13B and 13D provided in the ultrasonic motor 1.
The detection signals obtained from the vibration detection electrodes 13B and 13D of the ultrasonic motor 1 have a very high output impedance. Depending on driving conditions, a potential higher than the power supply potential Vcc or a potential lower than Vdd may be output. For this reason, the detection signal is input to the FET 35 via the protection diodes 31 and 32. This signal is amplified by the FET 35, and a current sufficient to transmit the signal to the filter / phase shifter 40 in the next stage is obtained.
[0026]
The signal amplified by the FET 35 is output via the coupling capacitor 36 and input to the filter / phase shift unit 40. Here, the waveform of the detection signal input to the circuit input terminal 37 of the waveform shaping / impedance matching unit 30 is shown in FIG. FIG. 3C shows the waveform of the output signal of the waveform shaping / impedance matching unit 30 (the output signal of the coupling capacitor 36 and measured at the point A in FIG. 2).
[0027]
As shown in FIG. 2, the filter / phase shift unit 40 includes an integrating circuit 40A including a variable resistor 41 and a capacitor 42, a resistor 43 and a capacitor 44, a resistor 45 and a capacitor 46, a capacitor 47 and a resistor 48. And a high-pass filter 40B.
The integration circuit 40A of the filter / phase shift unit 40 integrates the input signal from the waveform shaping / impedance matching unit 30 and absorbs a sudden change in the detection signal. Therefore, a signal averaging unit is configured by the integrating circuit 40A.
The high pass filter 40B removes unnecessary low frequency components from the detection signal. Here, since the integrating circuit 40A has a low-pass characteristic, the entire filter / phase shift unit 40 has a band-pass characteristic.
[0028]
The waveform of the output signal of the filter / phase shifter 40 (the signal measured at point B in FIG. 2) is shown in FIG. The filter / phase shift unit 40 changes the phase of the detection signal shown in FIG. 3B by a predetermined angle near the resonance frequency of the ultrasonic motor 1 as shown in FIG. The filter / phase shift unit 40 constitutes the phase shift means of the present invention.
The predetermined angle of the phase to be changed by the filter / phase shift unit 40 is specifically set according to each ultrasonic motor 1. For example, when the resonance frequency of the longitudinal vibration in the ultrasonic motor 1 is 295 kHz and the resonance frequency of the bending vibration is 300 kHz, the frequency of the drive signal of the ultrasonic motor 1 is different from each frequency range (295 to 300 kHz). (300-295 = 5kHz) It should be controlled so that it is within a range expanded by 290 kHz to 305 kHz. Furthermore, it is more preferable to control so that the frequency of the drive signal is within each frequency range of 295 to 300 kHz. The vibrator 10 of the ultrasonic motor 1 vibrates most efficiently when a driving signal in each frequency range of 295 to 300 kHz is input, and the driving efficiency of the motor 1 is improved. Moreover, even if it is slightly out of the above range, for example, by a difference between the frequencies, the ultrasonic motor 1 can be driven although the efficiency is somewhat reduced. On the other hand, if it is out of the range (290 to 305 kHz), the vibration amplitude of the vibrating body 10 becomes very small, making it difficult to use as the ultrasonic motor 1. Note that the frequency that can be driven most efficiently differs depending on the shape of the vibrating body 10, the fixed structure, and the like, and may be set as appropriate when the ultrasonic motor 1 is designed.
[0029]
As shown in FIG. 2, the power amplifying unit 50 includes an operational amplifier 51, resistors 52, 53, and 54, a push-pull circuit 55 including FETs 56 and 57, an output-side resistor 58, a circuit output terminal 59, It is configured with.
The signal output from the filter / phase shift unit 40 is voltage amplified by the operational amplifier 51, is then current amplified by the push-pull circuit 55, and is output as a drive signal from the circuit output terminal 59 via the resistor 58. This drive signal is input to the drive electrodes 13A, 13C, 13E of the ultrasonic motor 1. Therefore, the power amplifying unit 50 constitutes the amplifying means of the present invention. The output signal of the operational amplifier 51 (signal measured at point C in FIG. 2) is shown in FIG. 3E, and the drive signal for the circuit output terminal (Cout) 59 is shown in FIG.
[0030]
On the other hand, as shown in FIG. 1, the sensor 61 of the speed adjusting means 60 may be one that detects the rotational state of the rotor 20, that is, the ultrasonic motor 1, and outputs a predetermined pulse signal. Specifically, various rotary encoders such as known photo reflectors, photo interrupters, and MR sensors can be used.
A detection signal from the sensor 61 is sent to the control instruction unit 63, and the rotational speed of the rotor 20 is detected. The target value from the target value setting unit 62 that sets the target rotational speed of the rotor 20 is also input to the control instruction unit 63. The target value set by the target value setting unit 62 may be set manually by the user or automatically set according to the state of the device driven by the rotor 20.
[0031]
The control instruction unit 63 compares the target value input from the target value setting unit 62 with the current rotational speed input from the sensor 61, and controls the drive signal to control a control signal (pulse signal) for eliminating the difference. To the unit 70. As the control signal PWMin, for example, a 3 KHz pulse signal can be used, and the duty ratio of this pulse signal can be varied in accordance with the difference between the target value and the actual rotational speed, so that the brake off state (in this embodiment, the control signal The speed of the ultrasonic motor 1 is controlled by changing the ratio of the brake-in state (the state in which the control signal PWMin is the H-level signal in the present embodiment). Therefore, this control signal PWMin is a signal for performing so-called pulse width control, and the ultrasonic motor 1 is basically regulated by pulse width control.
[0032]
As shown in FIG. 2, the drive signal control unit 70 includes an amplitude limiting resistor 71 connected in series between the FET 57 and the negative power supply Vdd, and a bypass switch connected in parallel to the amplitude limiting resistor 71. A certain FET 72 and a switching circuit 73 for controlling on / off of the FET 72 are provided. The switching circuit 73 includes three resistors 731, 732 and 733 and two FETs 734 and 735. The switching circuit 73 is driven by the power source Vcl of the control instruction unit 63 and is configured to turn on and off the FET 72 by a control signal PWMin input from the control instruction unit 63.
[0033]
Here, the amplitude limiting resistor 71 is set to an appropriate resistance value with respect to the resistor 58, for example, a resistance value of about 500,000 to 100,000 times.
The sum of the resistance values of the variable resistor 41 and the resistor 43 (R41 + R43) of the filter / phase shift unit 40 and the resistance value (R45) of the resistor 45 are larger than the resistance value (R71) of the amplitude limiting resistor 71. It has been enlarged.
The amount of phase shift in the filter / phase shift unit 40 is about 30 degrees to 240 degrees.
[0034]
The operation of the ultrasonic motor 1 having such a configuration will be described.
When the ultrasonic motor 1 is driven from a stopped state by connecting a predetermined switch, a drive signal is input from the circuit output terminal 59 to the drive electrodes 13A, 13C, 13E of the ultrasonic motor 1. With this input, the vibrating body 10 vibrates, and a detection signal corresponding to the vibration is input to the circuit input terminal 37 from the vibration detection electrodes 13B and 13D. This detection signal is input to the drive electrode of the ultrasonic motor 1 through the waveform shaping / impedance matching unit 30, the filter / phase shift unit 40, and the power amplification unit 50. If this signal loop satisfies the condition of a voltage gain of 1 or more, this circuit becomes positive feedback, and oscillation continues at a frequency at which the phase difference of the loop is an integral multiple of 360 degrees, resulting in a self-excited oscillation circuit.
[0035]
The rotational speed of the rotor 20 is detected by the sensor 61 and input to the control instruction unit 63. The control instruction unit 63 compares the target value set by the target value setting unit 62 with the rotation speed, and outputs a control signal PWMin corresponding to the speed difference. In this embodiment, as shown in FIG. 3A, the control signal PWMin output from the control instruction unit 63 becomes a low level signal when the brake is applied to the vibrating body 10 to suppress the speed, and the brake is released. Is set to be a high level signal. Therefore, the control instructing unit 63 increases the ratio of the low level signal for brake-on control when decelerating the ultrasonic motor 1 and increases the ratio of the high level signal when increasing the speed. Controls the duty ratio of the control signal PWMin.
[0036]
The detection signals output from the vibration detection electrodes 13 </ b> B and 13 </ b> D are amplified and waveform shaped by the waveform shaping / impedance matching unit 30. At this time, as shown in FIG. 3B, when the control signal PWMin is switched between the high level and the low level to generate noise, the noise is also amplified.
The signal amplified and shaped by the waveform shaping / impedance matching unit 30 is integrated by the filter / phase shift unit 40 to remove unnecessary high frequency components and low frequency components. By integrating the input signal, the noise at the time of switching is also removed as shown in FIG. Furthermore, the phase of the signal is changed so that the phase delay of the loop composed of the circuits 30, 40, 50 and the ultrasonic motor 1 is an integral multiple of 360 degrees near the resonance frequency of the ultrasonic motor 1.
This signal is amplified and shaped by the operational amplifier 51 of the power amplifying unit 50 to obtain a pulse signal having a substantially rectangular wave shape shown in FIG. By this pulse signal, the FETs 56 and 57 of the push-pull circuit 55 are alternately operated to switch the drive signal from the circuit output terminal 59 between the positive potential Vcc and the negative potential Vdd, and the output current is amplified. When this drive signal is input to the drive electrodes 13A, 13C, and 13E of the ultrasonic motor 1, the self-excited oscillation state continues.
[0037]
On the other hand, the speed adjustment of the rotor 20 is performed in the following procedure.
First, the control instruction unit 63 outputs a control signal PWMin based on the difference between the rotation speed detected by the sensor 61 and the target value of the target value setting unit 62 to the drive signal control unit 70.
In the drive signal controller 70, when the control signal PWMin is a high level signal, the FET 72 is turned on by the switching circuit 73. Therefore, the FET 57 is directly connected to the negative power supply Vdd, and the drive signal from the circuit output terminal 59 varies between the positive potential Vcc and the negative potential Vdd as shown in FIG.
On the other hand, in the drive signal control unit 70, the FET 72 is turned off by the switching circuit 73 when the control signal PWMin is a low level signal. Therefore, the FET 57 is connected to the negative power source Vdd via the amplitude limiting resistor 71. Here, since the resistance value of the amplitude limiting resistor 71 is much larger than that of the resistor 58, the drive signal (pulse signal) from the circuit output terminal 59 cannot be lowered to the negative potential Vdd, and is slightly lower than the positive potential. The voltage (amplitude) dropped to. The drive signal has a small displacement (amplitude), but its voltage value slightly changes. Therefore, the piezoelectric element 11 slightly expands and contracts and continues to vibrate. That is, if the resistance ratio between the resistor 58 and the amplitude limiting resistor 71 is appropriately set, the vibrating body 10 does not stop the voltage displacement of the drive signal when the FET 56 is turned on and when the FET 57 is turned on. Can be reduced to the limit. For this reason, the vibrating body 10 continues to oscillate and the vibration displacement is reduced, so that the rotational speed of the rotor 20 can be reduced, that is, the brake can be applied. Therefore, both speed adjustment of the rotor 20 and continuation of oscillation can be achieved.
[0038]
As described above, in the present embodiment, since the drive signal control unit 70 controls the pulse amplitude of the drive signal, the drive signal control unit 70 constitutes an amplitude control unit.
[0039]
According to this embodiment, the following effects can be achieved.
(1) while utilizing the self-oscillating circuit is also for enabling the speed control, becomes unnecessary and the oscillation source and a phase comparator circuit, it can be a configuration of the driving circuit 2 ultrasonic motor 1 easily. For this reason, the cost can be reduced and the circuit configuration is simplified, so that the probability of occurrence of a component failure can be reduced and the reliability can be improved.
[0040]
(2) Even in a brake-on state in which the control signal is at a low level, the drive signal fluctuates between the positive potential Vcc and a potential slightly lowered from the potential, so that the oscillation stop state of the vibrating body 10 is prevented. it can. For this reason, it does not fall into the drive speed control impossible state accompanying the oscillation stop of the vibrating body 10, and the restart operation for making the vibrating body 10 oscillate again becomes unnecessary. For this reason, the oscillation restart state in which speed control cannot be performed is eliminated, and the controllability of the ultrasonic motor 1 can be remarkably improved.
[0041]
(3) Since the waveform shaping / impedance matching unit 30, the filter / phase-shifting unit 40, and the power amplification unit 50 are provided, the drive frequency can be tracked in parallel with the speed control. For this reason, it is possible to always supply a drive signal having an optimal frequency to the ultrasonic motor 1, and to improve both the efficiency and drive quality of the motor 1.
[0042]
(4) Since the integration circuit 40A is provided in the filter / phase shifter 40, it is possible to absorb sudden fluctuations in the input signal such as noise when switching the control signal PWMin, to prevent unstable behavior, and to reduce the drive signal The frequency can always be supplied in accordance with the state of the ultrasonic motor 1.
[0043]
It should be noted that the present invention is not limited to each embodiment, and modifications, improvements, etc. within a scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, the specific circuit configurations of the waveform shaping / impedance matching unit 30, the filter / phase shift unit 40, the power amplification unit 50, the drive signal control unit 70, and the like are not limited to those described in the embodiment, A configuration may be adopted.
[0044]
In the above-described embodiment, the signal averaging unit in the filter / phase shift unit 40 is configured by an integration circuit. However, the signal averaging unit may be configured by another circuit. In short, any filter capable of absorbing a sudden change in the detection signal. That's fine.
[0045]
The drive signal control unit 70 may be disposed between the FET 56 and the positive power supply Vcc. Furthermore, the drive signal control unit 70 is not limited to one in which the amplitude limiting resistor 71 and the FET 72 are arranged in parallel, and any drive signal control unit 70 may be used as long as it can control the amplitude of the drive signal output from the power amplification unit 50.
[0046]
Further, the drive signal control unit 70 may be configured to control the pulse width of the drive signal of the ultrasonic motor 1. For example, the rotational speed of the ultrasonic motor 1 may be controlled by controlling the duty ratio of the drive signal using the control signal PWMin output from the control instruction unit 63.
Further, the drive signal control unit 70 may control both the pulse width and the amplitude of the drive signal. In this case, more efficient speed control can be performed.
In short, the drive signal control unit 70, that is, the speed adjusting means 60 only needs to be able to control at least one of the pulse width and the amplitude of the drive signal. In particular, when performing brake control, the drive signal control unit 70 vibrates by slightly varying the amplitude of the drive signal. As long as it can be maintained in a state that does not stop.
However, if the configuration is such that only the amplitude is controlled as in the above-described embodiment, there is an advantage that the circuit configuration of the drive signal control unit 70 and the like can be simplified and the cost can be reduced.
[0047]
Furthermore, the configuration of the power amplifying unit 50 is not limited to that using a push-pull circuit, and a known amplifying circuit may be used.
[0048]
The ultrasonic motor 1 is not limited to that described in the above embodiment, and other configurations may be adopted. For example, the vibrating body 10 of the above embodiment is configured to rotate the rotor 20 in only one direction. For example, the drive electrodes 13A and 13E and the detection electrodes 13B and 13D are alternately switched. It may be configured so that the rotation direction of the rotor 20 can be switched by configuring the protrusion 17 to draw an elliptical trajectory in both forward and reverse directions.
Furthermore, the drive circuit of the present invention is not limited to the drive circuit of the ultrasonic motor 1 using the thin plate-like vibrating body 10 as in the above embodiment, but is a ring-shaped ultrasonic motor, a cylindrical ultrasonic motor, a linear It can be widely used as a drive circuit for various known ultrasonic motors such as motors. Therefore, the driving body is not limited to the rotor 20 and may be linearly driven or the like, and may be set according to various ultrasonic motors. In addition, the piezoelectric element may be attached to the drive body side, and in short, it may be provided on one of the drive body and the guide member that guides the drive body.
[0049]
As described above, the phase angle changed by the filter / phase shift unit 40 may be set so that the frequency of the drive signal is approximately the resonance frequency of the ultrasonic motor 1, that is, the resonance frequency or a frequency in the vicinity thereof. Actually, since the shape, structure, etc. of the vibrating body 10 are also affected, the frequency of the drive signal is changed around the resonance frequency, and the best frequency is determined based on the gain of the pickup (vibration detection electrode). Should be selected.
[0050]
The ultrasonic motor 1 using the drive circuit of the present invention is capable of stable and quick speed control. Therefore, a spindle motor such as a hard disk or a CD, a linear motor for moving the head, or a movement of a watch. It can be used as various actuators that are small and require speed control.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the circuit configuration of the drive circuit of the ultrasonic motor can be simplified and the drive speed can be stably controlled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a drive circuit of the embodiment.
FIG. 3 is a waveform diagram showing signal waveforms in the drive circuit of the embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic motor, 2 ... Drive circuit, 10 ... Vibration body, 11 ... Piezoelectric element, 13A, 13C, 13E ... Drive electrode, 13B, 13D ... Electrode for vibration detection, 20 ... Rotor (drive body), 30 ... Waveform Shaping / impedance matching unit, 37: circuit input terminal, 40: filter / phase shift unit (phase shift unit), 40A ... integration circuit (signal averaging unit), 40B ... high-pass filter, 50 ... power amplification unit (amplification unit) , 51, operational amplifier, 55, push-pull circuit, 56, 57, FET (field effect transistor), 58, output side resistance, 59, circuit output terminal, 60, speed adjusting means, 61, sensor, 62, target value setting , 63 ... Control instruction unit, 70 ... Drive signal control unit (pulse width control unit, amplitude control unit), 71 ... Amplitude limiting resistor, 72 ... FET (bypass switch), 73 ... Switching circuit, Vcc ... Power supply, Vdd ... negative power.

Claims

A drive circuit for driving an ultrasonic motor having a piezoelectric element,
Vibration detecting means for detecting vibration of the ultrasonic motor, phase shifting means for changing the phase of the signal from the vibration detecting means, and a signal from the phase shifting means are amplified to send a drive signal to the ultrasonic motor. Amplifying means for outputting, and speed adjusting means for adjusting the rotational speed of the ultrasonic motor by controlling the drive signal,
The ultrasonic motor includes a piezoelectric element that vibrates in accordance with a drive signal from the amplifying unit, and a driving body that is driven by the vibration of the piezoelectric element.
The phase shift unit includes a signal averaging unit that averages the signal from the vibration detection unit, and the drive signal output from the amplification unit to the ultrasonic motor is approximately the resonance frequency of the ultrasonic motor. Change the phase,
The amplification means includes a push-pull circuit composed of two transistors operating in opposite phases and an output-side resistor,
The speed adjusting means includes a sensor that detects a driving speed of the driving body, a target value setting unit that sets a target driving speed of the driving body, and a control based on a difference between the driving speed detected by the sensor and the target value. A control instruction unit that outputs a signal, and a drive signal control unit that controls at least one of the pulse width or the amplitude of the drive signal based on a control signal from the control instruction unit,
The drive signal control unit includes a bypass switch and an amplitude limiting resistor that are arranged between one of a positive power source and a negative power source that drives the push-pull circuit and the push-pull circuit and are connected in parallel to each other. And when the bypass switch is disconnected, the power supply and the push-pull circuit are connected via the amplitude limiting resistor so that the pulse amplitude of the drive signal output from the push-pull circuit is reduced. When the ratio between the output-side resistance and the amplitude limiting resistor is set, and at least one of the pulse width or pulse amplitude of the drive signal from the amplifying means is changed according to the control signal from the control instruction unit, the pulse width Alternatively, the ultrasonic motor drive circuit is characterized in that the amplitude is limited to a magnitude that does not stop the oscillation of the piezoelectric element .

The ultrasonic motor drive circuit according to claim 1,
The ultrasonic motor is configured to generate longitudinal vibration and bending vibration;
The phase-shifting means includes an upper limit frequency obtained by adding a difference between the frequencies to a high frequency and a lower limit frequency obtained by subtracting the difference between the frequencies from a resonance frequency of longitudinal vibration and bending vibration of the ultrasonic motor. An ultrasonic motor drive circuit that controls the frequency of the drive signal within a range of.

In the ultrasonic motor drive circuit according to claim 1 or 2,
The ultrasonic motor driving circuit, wherein the amplitude limiting resistor is set to a resistance value of 500,000 to 100,000 times the resistance value of the output-side resistor.

In the ultrasonic motor drive circuit according to any one of claims 1 to 3,
The driving body is a rotor that rotates by vibration of the piezoelectric element,
The ultrasonic motor drive circuit, wherein the sensor detects a rotation speed of the rotor, and the control instruction unit outputs a control signal based on a difference between the rotation speed detected by the sensor and the target value. .

In the ultrasonic motor drive circuit according to any one of claims 1 to 4,
The ultrasonic motor driving circuit, wherein the phase shift means includes an integrating circuit and a high-pass filter, and the signal averaging unit includes the integrating circuit.

In the ultrasonic motor drive circuit according to any one of claims 1 to 5,
The ultrasonic motor driving circuit according to claim 1, wherein the speed adjusting means includes only an amplitude control unit that controls a pulse amplitude of the driving signal.

An electronic apparatus comprising: the ultrasonic motor drive circuit according to claim 1; and an ultrasonic motor driven by the ultrasonic motor drive circuit.