JPH02111275A - 超音波モータの駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
によってロータを駆動する超音波モータの駆動制御回路
に関する。

Ｂ、従来の技術 進行性振動波型の超音波モータは、特開昭５９−１１１
６０９号公報にも開示されているように、圧電体に交流
電圧を印加して圧電体に屈曲振動を生ザしぬ、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
性体に回転子を加圧接触させ摩擦駆動するモータである
。

この超音波モータには１回転中に急激な負荷の増加が生
じたりすると共振を逸脱して停止するという特性がある
。このような状態で停止した場合には、圧電体に印加す
る周波電圧（以下、入力電圧と呼ぶ）とモニタ電圧（圧
電体の変形によって発生する電圧）の位相差が正常な回
転時の値から逸脱し、ステータの振動がほとんど無くな
る。本明細書ではこのような状態を振動逸脱状態と呼ぶ
。

一度共振状態を逸脱すると、正常の共振状態にするため
に、駆動周波数を共振周波数より高い再始動周波数にシ
フトするなどの措置により、正規の駆動点に再設定して
いる。

Ｃ１発明が解決しようとする課題 ところで、このような特性を持つ超音波モータは、温度
、湿度の変化〆左方の変動、あるいは軸受は中の潤滑油
の粘度の変化などにより負荷変動が生しると、振動逸脱
状態に陥りやすく、その結果突然停止する可能性があり
動作の信頼性が低い。

その上、振動逸脱状態から脱出するには、上述した措置
を行って正規の駆動周波数に再設定する必要があり、正
常状態に回復するまでに時間がかがる。

本発明の技術的課題は、負荷を解除することなく簡単に
振動逸脱状態に陥った超音波モータを正常の振動状態に
回復させることにある。

００課題を解決するための手段 一実施例を示す第１図により説明すると、本発明に係る
駆動制御回路は、圧電体の励振により弾性体に進行性振
動波を発生するステータと、該ステータに加圧接触され
、進行性振動波により駆動されるロータとを具備する超
音波モータＭＴの駆動制御に用いられる。この駆動制御
回路は、圧電体を励振するため該圧電体に位相の異なる
少なくとも一対の周波電圧を印加する電源回路３０を備
える。

そして、ステータの振動逸脱状態を判別する判別手段２
０を設け、判別手段２０で振動逸脱状態と判別されると
、電源回路３０が一対の周波電圧の電圧値を通常時より
も高くすることにより、」二連した技術的課題が解決さ
れる。

振動逸脱状態判別手段２０を、圧電体１ｂに印加される
周波電圧を検出する印加電圧検出手段と、圧電体１ｂの
変形に伴って発生するモニタ電圧を検出するモニタ電圧
検出手段とによって圧電体１ｂへ印加される周波電圧と
モニタ電圧とを検出し、それらの位相差を位相差検出手
段で検出し、検出された位相差が所定範囲外であること
が検出されると振動逸脱状態と判別するように構成する
ことが好ましい。

８０作用 振動逸脱状態が判別されると圧電体の入力電圧が正常時
よりも高くされ、これにより、超音波モータは正常の振
動状態にすぐに回復できる。

なお、本発明の詳細な説明する上記り項および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〜第５図により一実施例を説明する。ここでは、
超音波モータＭＴの入力電圧と、超音波モータＭＴから
得られるモニタ電圧ＶＭどの位相差を検出し、この位相
差が所定範囲外のときに振動逸脱状態と判定して、上記
入力電圧を正常時よりも高い電圧に設定することにより
正常な振動状態に直ちに回復させるようにしたものであ
る。

そこでまず、入力電圧とモニタ電圧ＶＭの位相差から振
動逸脱状態を判定し得る点について説明する。

第５図は超音波モータＭＴの入力周波数ｆとモニタ電圧
ＶＭとの関係を表わす図である。Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−
Ｆ−Ｇ間は正常な振動状態時の特性で共振特性を示して
いる。このうち、Ｃ−Ｄ間は超音波モータＭＴを制御し
易い範囲であって通常使用領域である。Ａ−Ｂ−Ｃ問お
よびＡよりも高周波数側で使用可能であるが１回転速度
が非常に遅くなるので高い回転精度は得にくい、また。

Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ間も使用可能であるが、共振周波数ｆ３
の近傍であるために動作が不安定になりやすい。さらに
共振周波数ｆ、よりも低い周波数ｆ２においては特性も
非常に不安定であり、Ｇ−Ｈ間はＧからＨへの方向にの
み動作点の移動がなされる。

一方、１−Ｈ−Ｊ間は振動逸脱状態時の特性であり、上
述したようにＧからＨに動作点が移動して振動逸脱状態
に入ると、超音波モータの回転が停止するばかりか、Ｉ
−Ｈ−Ｊのように周波数を単に上下させるだけではもは
やＡ−Ｇの正常な振動状態に回復しない。

すなわち、この種の超音波モータＭＴは強いヒステリシ
ス特性を有していることがわかる。

第６図は、入力周波数ｆと、超音波モータＭＴの入力電
圧とモニタ電圧ＶＭの位相差Δ０との関係を表わす図で
あり、周波数ｆ□〜ｆ９は第５図に対応しており、また
アルファベットの小文字のａ〜ｊの点も第５図のＡ−Ｊ
と対応している。第６図かられかるように、入力周波数
ｆと位相差ΔＯとの特性も第５図と同様にａ−ｂ−ｃ−
ｄ−ｅ−ｆ−ｇと１−ｈ−ｊとの２モードに分かれてお
り、また超音波モータＭＴは、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ
−Ｇ間ではその入力電圧の大きさを変えても位相差ΔＯ
の値はあまり大きく変わらないという特性を持っている
ので、この位相差へ〇を検出し、この位相差Δθの値に
基づいて振動逸脱状態か正常な振動状態かを判別できる
。

第１図は一実施例の全体構成を示す。

超音波モータＭＴの圧電素子には電圧入力用の電極ＬＡ
、ＩＢと、接地用電極ＩＣと、モニタ電圧検出用の電極
ＩＤとがそれぞれ形成されている。

各電極とその機能および圧電素子との関係に関しては、
本出願人による特開昭５９−２０４４７７号公報等によ
り公知であるのでその説明は省略する。

このような超音波モータＭＴの駆動制御回路は、振動逸
脱状態判別回路２０ど、電源回路３０とから成り、モニ
タ電圧ＶＭと一対の入力電圧の一方が波形整形器４１．
４２を介して振動逸脱状態判別回路２０に入力されてい
る。振動逸脱状態判別回路２０は１位相検出器２１と、
ローパスフィルタ２２と、比較器２３と、閾値電圧源２
４とを備える。一方、電源回路３０は、デユーティ設定
器３１と、発振器３２と、位相シフト回路３３と、パワ
ーアンプ３４．３５とを備える。

電極ＩＡへの入力電圧と電極ＩＤからのモニタ電圧ＶＭ
は各々波形整形器４１．４２に入力されロジック信号に
変換されて位相検出器２１に入力される。位相検出器２
１は入力電圧とモニタ電圧ＶＭどの位相差Δθを算出し
てローパスフィルタ２２に入力し、ローパスフィルタ２
２で位相差Δθに応じた電圧Ｖ　ＬＰＦに変換される。

ここで、位相差Δθと電圧Ｖ　ＬＰＰとの関係は第２図
に示すとおりである。比較器２３は、ローバスフィルタ
２２からの入力ＶＬＰＦと閾値電圧源２４の出力ＶＫａ
、ＶＫｂとを比較して、振動逸脱状態か正常な振動状態
かを判別する。

比較器２３の出力はデユーティ設定器３１に入力され、
発振器３２のパルス出力を加工してデユーティ比の異な
るパルスを作成して入力電圧の設定を行う。ここで、振
動逸脱状態時の入力電圧が正常な振動状態時の入力電圧
に比べ高くなるように設定される。デユーティ設定器３
１の出力は、位相シフト回路３３を介してπ／２だけ位
相の異なる高周波数信号にされ、さらにパワーアンプ３
４．３５により増幅した後に圧電素子の電極ＩＡ、ＩＢ
に入力電圧として印加される。

次に各ブロックの詳細を第３図および第４図により説明
する。

第３図により各回路の詳細を説明する。

位相検出器２１は、ナントゲート２１ａ。

２１ｂと、インバータ２］−ｃ、２．１ｄと、抵抗２１
ｅ、２１ｆと、コンデンサ２１ｇ、２１ｈとで構成され
る微分回路２１Ａ、４つのナンドゲー１−２１　ｉ〜２
１　Ｑ、から成るＲＳフリップフロップ２１　Ｂ、およ
びアンドゲート２１ｍを有する。

この位相検出器２１は、入力電圧とモニタ電圧ＶＭの位
相差Δθを検出する。

ローパスフィルタ２２は、抵抗２２ａとコンデンサ２２
ｂとから成り、上記位相差Δ０に比例した電圧を出力す
る。

比較器２３および閾値電圧源２４は、一対のコンパレー
タ２３ａ、２３ｂと、一対の可変抵抗器２３ｃ、２３ｄ
と、ナントゲート２３ｅとを有する。一対の可変抵抗器
２３ｃ、２３ｄでＶ　ＬＰＦが上下閾値Ｖ　ｘ　ａ　＋
　Ｖ　ｘ　ｂの範囲内にあるか否かを比較検出する。

デユーティ設定器３１は、一対のアナログスイッチ３１
ａ、３１ｂと、可変抵抗器３１ｃ。

３１ｄと、インバータ３１ｅと、コンパレータ３Ｌｆと
、一対のナントゲート３１ｇ、３１ｈから成るＲＳフリ
ップフロップ３１ｉと、インバータ３１ｊ、抵抗３１に
、コンデンサ３１Ｑ、ナントゲート３１ｍで構成される
微分回路３１ｎと、スイッチングトランジスタ３　］、
　ｏと、コンデンサ３１ｐと、抵抗３１ｑとから成る。

このデユーティ設定器３１は、位相差へ〇が所定の範囲
内のときはＲＳフリップフロップ３１ｊの出力ａとして
小さいデユーティ比のパルスを出力する。逆に位相差Δ
θが所定の範囲外のときはＲＳフリップフロップ３１ｉ
の出力ａとして大きいデユーティ比のパルスを出力する
。

位相シフト回路３３は、一対のＤフリップフロップ３３
ａ、３３ｂと、アンドゲート３３ｃ〜３３ｎと、インバ
ータ３３ｏと、オアゲートし３ｐ、３３ｑとから成る。

この位相シフト回路３３は、デユーティ比設定回路３１
の出力パルスを１／４倍し、入力されるＣＷ／ＣＣＶ信
号や動作／停止イコ号に従ってパワーアンプ３４．３５
にそれぞれ＋π／２あるいは一π／２の位相差を持つ信
号を出力する。

パワーアンプ３４．３５は、それぞれＭＯＳトランジス
タ３４．　ａ　、　３４　ｂ　、　３５　ａ　、　３５
　ｂと、トランス３４ｃ、３５ｃとから成り、位相シフ
１〜回路３３からの信号を増幅して圧電体１ｂの電極Ｉ
Ａ、ＩＢに入力電圧を入力する。

第４図の信号波形図を参照して動作を説明する。

波形整形器４１．４２は　入力電圧（同図（ａ））とモ
ニタ電圧ＶＭ（第４図（ｂ））をロジック信号に変換す
る（同図（ｃ）、（ｄ））。

波形整形器４１．４２の出力は微分回路２１Ａにて各々
微分パルスとされ、ＲＳフリップフロップ２１Ｂに入力
される。このＲＳフリップフロップ２１Ｂの出力は第４
図（ｅ）となり、入力電圧とモニタ電圧ＶＭの位相差Δ
θに対応したデジタル出力となる。このデジタル出力を
ローパスフィルタ２２に入力すると、その出力電圧Ｖ　
ＬＰＦは、第４図（ｆ）に示すように入力電圧とモニタ
電圧ＶＭの位相差Δθに比例した電圧出力となる。

この電圧ＶＬＰＦは比較器２３に入力され、電圧Ｖ　Ｌ
ＰＦが閾値電圧ＶＫａ、ＶＫｂの範囲内にある場合は、
コンパレータ２３ａ、２３ｂの出力は共にハイレベルと
なり、ナントゲート２３ｅの出力はローレベルとなる。

ＶＫａ、Ｖにｂの範囲内に出力電圧Ｖ　ＬＰＦがない場
合は、コンパレータ２３ａ。

２３ｂのいずれか一方の出力がローレベルとなるためナ
ントゲート２３ｅの出力はハイレベルとなる。

ナントゲート２３ｅの出力はデユーティ設定器３１に入
力され、そのアナログスイッチ３１ａを制御する一方、
インバータ３１ｅを通って反転された信号によってアナ
ログスイッチ３１ｂをも制御する。これらアナログスイ
ッチ３１ａ、３１ｂは共に制御入力がローレベルの時に
導通状態となる。アナログスイッチ３１ａ、３１ｂには
それぞれ可変抵抗器３１ｃ、３１ｄで設定されたＶｒＨ
ａあるいはＶＴｌ＋ｂが入力されている。今、入力電圧
とモニタ電圧ＶＭの位相差Δθに基づいてローパスフィ
ルタ２２の出力電圧Ｖ　ＬＰＦがｖＫａとＶ　Ｋ　ｂの
間にある場合には、アナログスイッチ３１ａがオンして
Ｖ７Ｈａが選択され、それ以外の場合にはアナログスイ
ッチ３１ｂがオンしてＶＴＨｂが選択され、コンパレー
タ３１ｆの非反転入力端子に入力される。

一方、発振器３２は駆動周波数の４倍の周波数で発振し
ており、第４図（ｇ）に示す方形波を出力する。この出
力は、ローレベルからハイレベルに立上がるときに微分
回路３１ｎにて負のパルスに変換され、ＲＳフリップフ
ロップ３１ｉの出力ａはハイレベルに、他方の出力すは
ローレベルとなる。このとき、この出力すのローレベル
信号により、スイッチングトランジスタ３１０がオフ状
態となる。すると、コンデンサ３１ｐが抵抗３１ｑを通
じて充電され、コンデンサ３１ｐの端子電圧Ｖｃは時間
とともに上昇する（第４図（ｉ））、この端子電圧Ｖｃ
はコンパレータ３１ｆの反転入力端子に入力される。・
コンデンサ３１ｐが充電されてコンパレータ３１ｆの基
準電圧を超えるとコンパレータ３１ｆの出力は反転し、
ハイレベルからローレベルとなる。このコンパレータ３
１ｆの出力は、ＲＳフリップフロップ３１ｉを構成する
ナントゲート３１ｇに入力されるため、ＲＳフリップフ
ロップ３１ｉの出力が反転しハイレベルとなる。この結
果、スイッチングトランジスタ３１ｏがオンしコンデン
サ３１ｐは放電され、コンパレータ３１ｆの出力は再び
反転してハイレベルになる。

次に発振器３３からの出力が次のサイクルで再びローレ
ベル→ハイレベルに立上が生と、再び同じ動作を繰返す
。したがって、コンパレータ３１ｆの非反転入力端子の
基準電圧の大きさに応じて、ＲＳフリップフロップ３１
ｉの出力ａにおけるｒｒ　ＨｕとＩｔ　Ｌ　１７の時間
の比率、すなわちデユーティ比が変化する。すなわち、
コンパレータ３１ｆの基準電圧が高ければｄｉ　Ｈ＋＋
の時間が長くなり、逆に低ければ短くなるので、アナロ
グスイッチ３１ａ、３１ｂにより選択される電圧Ｖ７Ｈ
ａ。

ＶＴＨｂをＶｒＨａ＜Ｖ７Ｈｂとしておけば、入力電圧
とモニタ電圧ＶＭの位相差Δθにより電圧ｖＬｐｐがＶ
　Ｋ　ａとｖＫｂの間にあるときはＲＳフリップフロッ
プ３１ｉの出力ａは“Ｈ”が短く“Ｌ”が長くなり、そ
れ以外のときは従前の場合より１１　ＨｊＪが長くなる
。

このようにデユーティ比が設定された出力ａは、位相シ
フト回路３３により周波数が１７４倍され。

かつ、パワーアンプ３４．３５を駆動するための信号に
変換される。ここで、ＣＷ／ＣＣＷ信号は方向切換入力
、動作／停止信号は動作、停止のための信号入力であり
、共にロジック入力である。

そして、これらの入力によって超音波モータの回転方向
に応じた入力電圧の位相差（＋π／２または一π／２）
が形成されるとともに、超音波モータの停止、駆動が制
御される。

アンドゲート３３に〜３３ｎの出力は抵抗を介してＭｏ
Ｓトランジスタ３４ａ、３４ｂ、３５ａ。

３５ｂのゲートにそれぞれ接続され、ＭＯＳトランジス
タを駆動する。これらのＭｏＳトランジスタはトランス
３４ｃ、３５ｃの１次側に接続され、このトランス３４
ｃ、３５ｃを駆動する。ここで、出力ａのＨ”の時間の
比率が大きくなると、すなわちデユーティ比が大きくな
るとＭｏ８）−ランジスタのｕ　ＯＮ　＋１時間が長く
なり、トランス３４ｃ、３５ｃの２次側に発生し超音波
モータに入力される入力電圧が大きくなる。逆に上記Ｌ
ＩＨ”の時間の比率が小さく、すなわちデユーティ比が
小さくなれば、ＭＯＳトランジスタのＺＩ　ＯＮ　７１
時間が短くなり、入力電圧は小さくなる。

以上の様な動作となるため、ＶｉａおよびｖＫｂの電圧
を適切に定めることにより、このＶｘａとｖＫｂで定ま
る範囲を逸脱するときに振動逸脱状態を検出して入力電
圧を正常時よりも大きくし、以って、簡単に正常な振動
状態に回復できる。

なお、停止状態から動作状態とする場合、停止状態では
動作／停止信号はローレベルであるため、アンドゲート
３３に〜３３ｎの出力がＬＬ　Ｌ　Ｉ＋となり、ローパ
スフィルタ２２の出力電圧Ｖ　ＬＰＦが位相差Δθ＝Ｏ
に対応した出力となっているので入力電圧は大となり、
入力電圧の立上り時間を短縮することが可能となる。

以上では、入力電圧とモニタ電圧の位相差から振動逸脱
状態を判別したが、■圧電体に印加される周波電圧の電
圧値を検出する印加電圧値検出手段と、■超音波モータ
の回転数を検出する回転数検出手段と、■圧電体の変形
に伴って発生するモニタ電圧を検出するモニタ電圧値検
出手段と、■圧電体へ印加される周波電圧とモニタ電圧
との位相差を検出する位相差検出手段とを設け、これら
の各検出手段により１周波電圧が所定値以上であること
、回転数が零であること、モニタ電圧が所定値以下であ
ること、かつ位相差が所定値以下であることが検出され
ると振動逸脱状態と判別するようにしてもよい。あるい
は■、■、■または■、■、■で判別してもよい。

Ｇ１発明の効果 本発明によれば、温度、湿度の変化、加圧力の変動、潤
滑油の粘度の変化などにより負荷変動が生じ超音波モー
タが振動逸脱状態になった場合には、超音波モータに印
加する周波電圧を正常状態よりも高くすることにより超
音波モータをすばやく振動逸脱状態から脱出させて正常
の振動状態に回復でき、信頼性の高い超音波モータを提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の一実施例のブロック図、第
２図は位相差Δθとローパスフィルタの出力Ｖ　ＬＰＦ
との関係を表わす図、第３図は第１図の詳細を表わす図
、第４図は第３図の各部信号のタイムチャート、第５図
は入力周波数ｆとモニタ電圧ＶＭとの関係を表わす図、
第６図は入力周波数ｆと位相差Δθとの関係を表わす図
である。 １：超音波モータ ２０：振動逸脱状態判別回路 ３０：電源回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　圧電体の励振により弾性体に進行性振動波を発生
   するステータと、該ステータに加圧接触され、前記進行
   性振動波により駆動されるロータとを具備する超音波モ
   ータの駆動制御に用いられ、前記圧電体を励振するため
   該圧電体に位相の異なる少なくとも一対の周波電圧を印
   加する電源回路を備えた駆動制御回路において、 前記ステータの振動逸脱状態を判別する判別手段を備え
   、 該判別手段で前記振動逸脱状態と判別されると前記電源
   回路は、前記一対の周波電圧の電圧値を通常時よりも高
   くすることを特徴とする超音波モータの駆動制御回路。 ２）　前記振動逸脱状態判別手段は、前記圧電体に印加
   される周波電圧を検出する印加電圧検出手段と、 前記圧電体の変形に伴って発生するモニタ電圧を検出す
   るモニタ電圧検出手段と、 前記圧電体へ印加される周波電圧と前記モニタ電圧との
   位相差を検出する位相差検出手段とを具備し、 該位相差が所定範囲外であることが検出されるとこの判
   別手段が振動逸脱状態と判別することを特徴とする請求
   項１に記載の超音波モータの駆動制御回路。 ３）　前記振動逸脱状態判別手段は、前記圧電体に印加
   される周波電圧の印加電圧値を検出する印加電圧値検出
   手段と、 前記超音波モータの回転数を検出する回転数検出手段と
   、 前記圧電体の変形に伴って発生するモニタ電圧の電圧値
   を検出するモニタ電圧値検出手段とを具備し、 これらの各検出手段により、前記周波電圧が所定値以上
   であること、回転数が零であること、かつモニタ電圧が
   所定値以下であることが検出されるとこの判別手段が振
   動逸脱状態と判別することを特徴とする請求項１に記載
   の超音波モータの駆動制御回路。 ４）　前記振動逸脱状態判別手段は、前記圧電体に印加
   される周波電圧の電圧値を検出する印加電圧値検出手段
   と、 前記超音波モータの回転数を検出する回転数検出手段と
   、 前記圧電体へ印加される周波電圧と前記モニタ電圧との
   位相差を検出する位相差検出手段とを具備し、 これらの各検出手段により、前記周波電圧が所定値以上
   であること、回転数が零であること、かつ位相差が所定
   値以下であることが検出されるとこの判別手段が振動逸
   脱状態と判別することを特徴とする請求項１に記載の超
   音波モータの駆動制御回路。