JPH0378474A - 超音波モータの制御回路 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超音波モータの圧電体に交流電圧を印加する
制御回路に関する。

［従来の技術］ 超音波モータを高効率で駆動するために、圧電体に印加
する駆動周波数を、弾性体および圧電体からなるステー
タの共振周波数に・一致させることが望まれる。しかる
に、ステータの共振周波数は、温度の変化やロータの負
荷の変化等によって、変動してしまう。

そこで、変動する共振周波数と、駆動周波数とを一致さ
せる技術として、特開昭６２−９２７８１号公報の技術
が知られている。この技術は、圧電体に印加される電圧
と電流との位相差に応じた出力電圧を取出し、この出力
電圧と、基準電圧とを比較器によって比較し、この比較
器の出力によって、駆動周波数を可変するものである。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、電圧と電流との位相差も、温度の変化や
ロータの負荷の変化等によって変動してしまう、このた
め、従来の技術では、変動するステータの共振周波数と
圧電体に印加する駆動周波数とが結果的にずれてしまい
、超音波モータの駆動効率が低下する問題点を備えてい
た。

本発明の目的は、共振周波数と駆動周波数とが常に一致
し、超音波モータを効率よく駆動することのできる制御
回路の提供にある。

Ｖ課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明の超音波モータの
制御回路は、次の技術的手段を採用する（第４図参照）
。

超音波モータは、表面波によってロータを駆動する弾性
体、およびこの弾性体に接合され、弾性体を励振させる
圧電体からなるステータと、前記圧電体に交流の電圧を
印加する制御回路とを備える。

前記制御回路は、前記弾性体の変位量を検出する変位量
センサを備える。また前記制御回路は、基準となる周波
数の決定を行う基準周波数決定手段、この決定手段で決
定した周波数を所定範囲で変化させるスイープ手段、こ
のスィープ手段によって変化する前記変位量センサの出
力を、低周波時と高周波時とで比較する比較手段を備え
る。そして、前記決定手段は、前記比較手段の比較結果
により基準周波数を変更する。

［作用］ まず、決定手段が基準周波数を決定する。決定手段によ
って決定された基準周波数は、スィープ手段によって、
所定の範囲内で変化する。この所定の範囲内で変化する
周波数が圧電体に印加され、弾性体が振動し、弾性体の
表面に進行波が生じる。

この時の弾性体の変位量の変化は、変位量センサによっ
て検出される。変位量センサの出力は比較手段に送られ
る。比較手段は、スイープ手段によって変化した低周波
時の変位量と、高周波時の変位量とを比較する。ステー
タの変位量は、温度やロータの負荷に関係なく共振周波
数で最大となる。このため、比較手段の比較結果により
、決定手段で決定された基準周波数がステータの共振周
波数より低いか、一致しているか、あるいは高いかが判
断できる。

具体的には、低周波時の変位量が高周波時の変位量より
も少ないときは、基準周波数がステータの共振周波数よ
りも低いことを意味する。また、低周波時の変位量と、
高周波時の変位量とが一致するときは、基準周波数がス
テータの共振周波数と一致することを意味する。さらに
、低周波時の変位量が高周波時の変位量よりも多いとき
は、基準周波数がステータの共振周波数よりも高いこと
を意味する。

そして、決定手段は、比較手段の出力に応じて基準周波
数を増減する。具体的には、基準周波数が共振周波数よ
りも低い場合は、基準周波数を高い周波数へずらす、基
準周波数と共振周波数とが−・致する場合は、基準周波
数を変更しない、基準周波数が共振周波数よりも高い場
合は、基準周波数を低い周波数へずらす。

この結果、温度や付加の変化等によって、ステータの共
振周波数が変動しても、スィープ手段が繰り返し基準周
波数を所定の範囲内で変化する毎に、基準周波数が共振
周波数に接近し、共振周波数と基準周波数とが一致する
。

［発明の効果］ 本発明は、以との作用で説明したように、ステータの共
振周波数が変動しても、基準周波数が共振周波数に追従
し、共振周波数と基準周波数とが一致する。このため、
常に超音波モータを効率よく駆動することができる。

［実施例］ 次に、本発明の超音波モータの制御回路を、図に示す一
実施例に基づき説明する。

（実施例の構成） 第１図ないし第３図は本発明の第１実施例を示すもので
、第１図は超音波モータの制御回路のブロック図を示す
。

超音波モータは、ステータ（図示し、ない）と制御回路
１とを備える。

ステータは、弾性体く図示しない）に圧電体２を接合し
てなる。弾性体は、圧電体２によって励振され、表面に
ロータ（図示しない）を駆動する表面波が形成される、
例えば金属製のリングである。圧電体２は、薄いリング
状に形成されたセラミックの、弾性体と逆の面に４つの
セグメン１−電極２ａ〜２ｄを設けてなる。

なお、セグメント電極２ａは、制御回路１がら正弦波の
交流電圧が印加される。また、セグメント電極２ｂは、
制御回路１からセグメント電極２ａに印加される正弦波
とπ／２だけ位相のずれた正弦波の交流電圧が印加され
る。セグメント電極２ｃは、グランド接続される。セグ
メント電極２ｄは、圧電体２が振動した際、その変位量
に応じたｒモニター電圧」を発生する。このセグメン１
−電極２ｄを備えた圧電体２の部分が、弾性体の変位量
を検出する変位量センサの役目を果たす。なお、セグメ
ント電極２ｄの発生するｒモニター電圧ｊは、制御回路
１へ出力される。

制御回路１は、圧電体２に交流の電圧を印加するもので
、決定手段３、スイープ手段４、駆動手段５、比較手段
６の４つに大別されている。

次に、決定手段３、スィープ手段４、駆動手段５、比較
手段６を説明する。

○スィープ手段４の説明を行う。

スィープ手段４は、決定手段３から出力される１基準周
波数に応じた電圧ｊを、所定の範囲内で常に変化させる
手段で、本実施例ではｒスイープ電圧ｊを縁り返し出力
する正弦波発振手段７と、このｒスィープ電圧」を「基
準周波数に応じた電圧Ｊに加算する加算手段８とからな
る。

正弦波発振手段７の出力するｒスィープ電圧」は、電圧
から周波数に変換される（下達する、駆動手段５の電圧
−周波数変換手段９によって行われる）ことによって、
決定手段３の決定した基準周波数を、例えば±１０００
Ｈｚ以内の範囲内で変化させるものである。また、正弦
波発振手段７の出力する「スィープ電圧講の周波数は、
基準周波数よりも、十分に低く（例えば１／１０程）設
定されている。

−・方、加算手段８は、正弦波発振手段７の出力するｒ
スイ−１電圧１と、決定手段３の出力するｒ基準周波数
に応じた電圧Ａとを加算し、加算したｒ駆動周波数に応
じた電圧Ｊを電圧−周波数変換手段９へ出力する手段で
ある。

○駆動手段５の説明を行う。

駆動手段５は、電圧−周波数変換手段９を備える。電圧
−周波数変換手段っは、加算手段８から出力されたｒ駆
動周波数に応じた電圧Ａをｒ駆動周波数１に変換し、ｒ
駆動周波数ｊをパルス信号として第１増幅手段１０およ
び位相手段１１へ出力する。

第１増幅手段１０は、電圧−周波数変換手段９から入力
した「駆動周波数１のパルス信号を、超音波モータを駆
動するのに必要な電圧まで増幅するとともに、パルス信
号を正弦波に変換し、圧電体２のセグメント電極２ａに
印加するものである６位相手段１１は、電圧−周波数変
換手段９から入力したｒ駆動周波数１のパルス信号の位
相を、π／２だけずらすもので、位相手段１１によって
π／２ずらされた虻駆動周波数ｊのパルス信号は、第２
増幅手段１２へ出力される。この第２増幅手段１２は、
第１増幅手段１１同様、位相手段１１から入力したｒ駆
動周波数１のパルス信号を、超音波モータを駆動するの
に必要な電圧まで増幅するとともに、パルス信号を正弦
波に変換し、圧電体２のセグメント電極２ｂに印加する
ものである。

Ｑ比較手段６の説明を行う。

本実施例の比較手段６は、包絡線検波手段１３、第１波
形整形手段１４、第２波形整形手段１５、位相差−電圧
変換手段１６からなる。

包絡線検波手段１３は、変位量センサであるセグメント
電極２ｄの発生するｒモニター電圧Ｊの変化を包路線に
変化させ、ｒモニター信号講として出力させる回路であ
る。

第１波形整形手段１４は、ｒモニター信号」から「比較
信号」を形成する回路で、Ｖモニター信号」が、正の電
圧のときに旧の信号を出力し、負の電圧を示すときにＬ
ｏｗの信号を出力する。なお、第１波形整形手段１４は
、ｒモニター信号講の電圧の絶対値が小さいときに、Ｌ
ｏｗを出力する不感帯１４ａ　（第２図参照）を備える
。

第２波形整形手段】５は、正弦波発振手段７の、「スィ
ープ電圧Ａから「基準信号Ａを形成する回路で、「スィ
ープ電圧」が、正の電圧のときにＨの信号を出力し、負
の電圧を示すときにＬｏｗの信号を出力する。そして、
ｒスィープ電圧」は、正負、正負・・・を規則正しく繰
り返す正弦波であるため、「基準信号１は、「スィープ
電圧ｊの正負に応じて、旧−Ｌｏｗを繰り返す信号とな
る。

位相差−電圧変換手段１６は、「比較信号１と「基準信
号１とを比較器（Ｅｘ−ＯＲ）　１６　ａで比較した後
、抵抗体１６ｂおよびコンデンサ１６ｃによって平滑化
し、ｒ指示電圧１として決定手段３へ出力する回路であ
る。ｒ指示電圧１は、第２図に示すように、ｒ基準信号
Ａが旧の時に１比較器号Ａがｆｌｉ、ｒ基準信号ｊがＬ
ｏｗの時に？比較信号１がＬｏｗの場合に、Ｏボルトと
される。また、ｒ基準信号ｊが旧の時にｒ比較信号１が
Ｌｏｗ、ｒ基準信号１がＬＯＷの時にｒ比較信号１がＬ
ｏｗの場合に、約２．５ボルトとされる。さらに、１基
準信号１が旧の時にｒ比較信号ＡがＬｏｗ、ｒ基準信号
Ａが［ＯＷの時に「比較信号Ｊが旧の場合は、約５ボル
トとされる。

○決定手段３の説明を行う。

決定手段３は、圧電体２に印加される交流電圧の基準周
波数を決定する部分で、１基準周波数に応じた電圧１を
出力する回路である。また、決定手段３は、ｒ指示電圧
１と、電圧設定手段１７によって設定されたｒ設定電圧
１とを比較し、比較結果からｒ基準周波数に応じた電圧
Ａを増減させる回路でもある。なお、本実施例の電圧設
定手段１７は、ｒ設定電圧１を２．５ボルトに設定して
いる６ 決定手段３の具体的な作動は、ｒ指示電圧講がｒ設定電
圧１よりも低い場合、前回出力したＹ基準周波数に応じ
た電圧Ａを所定電圧（スイープ手段４が変化させる周波
数よりも小さい周波数に相当する電圧）増加させる。ま
た、ｒ指示電圧Ａが「設定電圧ｊと一致した場合、前回
出力したｒ基準周波数に応じた電圧Ａを維持する。さら
に、ｒ指示電圧ｊがｒ設定電圧ｊよりも高い場合、前回
出力した「基準周波数に応じた電圧Ａを所定電圧（スィ
ープ手段４が変化させる周波数よりも小さい周波数に相
当する電圧）減少させる。

（実施例の作動） 次に、上記実施例の作動を簡単に説明する。

まず、決定手段３は、超音波モータの作動の指示を受け
ると、あらかじめ設定されたｒ基準周波数に応じた電圧
」を出力する。決定手段３から出力された？基準周波数
に応じた電圧１は、加算手段８でｒスィープ電圧１が加
算され、ｒ駆動周波数に応じた電圧講となって電圧−周
波数変換手段９に出力される。電圧−周波数変換手段９
は、ｒ駆動周波数に応じた電圧１を駆動周波数に応じた
パルス信号として、第１増幅手段１０と位相手段１１と
に出力する。

第１増幅手段１０は、入力したパルス信号を正弦波の信
号に変換、増幅して圧電体２のセグメント電極２ａに印
加する。一方、位相手段１１に入力したパルス信号は、
位相を９０°ずらし、第２増幅手段１２でパルス信号を
正弦波の信号に変換、増幅して圧電体２のセグメント電
極２ｂに印加する。この結果、ステータの弾性体表面に
、振動による進行波が発生する。

○ここで、圧電体２に印加される駆動周波数が、ステー
タの共振周波数に一致する場合の説明を行う。

決定手段３の出力するｒ基準周波数に応じた電圧」に、
スイープ手段４の出力するｒスィープ電圧ｊが加算され
て、所定の範囲内で変化する「駆動周波数１Ａ１　（第
３図参照）が、圧電体２に印加される。すると、セグメ
ント電極２ｄよりｒモ二ター電圧ＪＡ２（第３図参照）
が、包絡線検波手段１３へ出力される。包絡線検波手段
１３は、入力された「モニター電圧ＪＡ２を処理し、「
モニター信号１Ａ３　（第２図参照）として第１波形整
形手段１４へ出力する。そして、第１波形整形手段１４
は、ｒモニター信号ＪＡ３を処理し、「比較信号１Ａ４
　（第２図参照）として位相差−電圧変換手段１６へ出
力する。位相差−電圧変換手段１６は、「比較信号ＪＡ
４と、第２波形整形手段１５より出力される「基準信号
ＩＡ５　（第２図参照）との位相差に応じた２、５■の
ｒ指示電圧ＡＡ６を、決定手段３に出力する。

そして、決定手段３は、ｒ指示電圧ＪＡ６が２゜５■で
あるため、出力する１基準周波数に応じた電圧Ａの変更
を行わない。

０次に、温度変化や、ステータの付加変動によって、圧
電体２に印加される駆動周波数が、ステータの共振周波
数よりも低い場合の説明を行う。

第３図に示すように、所定の範囲内で変化するｒ駆動周
波数ＪＢ１が圧電体２に印加する。すると、セグメント
電極２ｄよりｒモニター電圧ＪＢ２　（第３図参照）が
、包絡線検波手段１３へ出力され、包絡線検波手段１３
が「モニター信号ＪＢ３　（第２図参照）を第１波形整
形手段１４へ出力する。第１波形整形手段１４は、ｒモ
ニター信号１Ｂ３を処理し、ｒ比較信号１Ｂ４　（第２
図参照）として位相差−電圧変換手段１６へ出力する０
位相差−電圧変換手段１６は、ｒ比較信号ＪＢ４と、ｒ
基準信号１Ｂ５　（第２図参照）との位相差に応じた０
■のＶ指示電圧ＪＢ６を、決定手段３に出力する。

決定手段３は、ｒ指示電圧ＪＢ６が０■であると、出力
するｒ基準周波数に応じた電圧１をわずかに増加させる
。この結果、ｒ駆動周波数Ａが、ステータの共振周波数
に近付く。そして、駆動周波数が共振周波数に達しない
場合は、上記を繰り返すことにより、駆動周波数が共振
周波数に徐々に接近し、いずれ一致する。

０逆に、温度変化や、ステータの付加変動によって、圧
電体２に印加される駆動周波数が、ステータの共振周波
数よりも高い場合の説明を行う。

第３図に示すように、所定の範囲内で変化する「駆動周
波数ＪＣＩが圧電体２に印加する。すると、セグメント
電極２ｄよりｒモニター電圧」Ｃ２（第３図参照）が、
包絡線検波手段］−３へ出力され、包絡線検波手段１３
がｒモニター信９ＪＣ３（第２図参照）を第１波形整形
手段１４へ出力する。第１波形整形手段１４は、Ｖモニ
ター信号１Ｃ３を処理し、「比較信号ＪＣ４（第２図参
照）として位相差−電圧変換手段１６へ出力する。位相
差−電圧変換手段１６は、ｒ比較信号ＪＣ４と、「基準
信号ＩＣ５（第２図参照）との位相差に応じた５■のｒ
指示電圧ＪＣ６を、決定手段３に出力する。

決定手段３は、ｒ指示電圧ＪＣ６が５■であると、出力
するｒ基準周波数に応じた電圧」をわずかに低下させる
。この結果、ｒ駆動周波数１が、ステータの共振周波数
に近付く、そして、駆動周波数が共振周波数に至らない
場合は、上記を繰り返すことにより、駆動周波数が共振
周波数に徐々に接近し、いずれ一致する。

（実施例の効果） 駆動周波数と、ステータの共振周波数とが一致しない場
合は、駆動周波数が徐々に共振周波数に接近し、共振周
波数と駆動周波数とが一致する。

このため、温度変化や、負荷の変動に関係なく超音波モ
ータが効率よく駆動される。

（変形例〉 超音波モータが低電圧で駆動可能であれば、第１、第２
増幅手段は無くとも良い。

駆動周波数を所定の範囲内で変位させる手段として、正
弦波を用いたが、三角波など他の波形を用いても良い。

常に駆動周波数を所定の範囲内で変化させたが、所定間
隔毎に変化させても良い。

弾性体の変位量を検出する変位量センサとして圧電体２
の一部を用いたが、圧電体２とは別体のものを用いても
良い、この場合、光センサなと池のセンサを用いても良
い。

変位量センサから得られた変位量の変化率（比較信号）
と、基準信号との位相情報から、基準信号と共振信号と
のずれを把握したが、変位量の変化率から変位量の勾配
を検出することによっ°ζ基準信号と共振信号とのずれ
を把握するなど、池の手段によって、基準信号と共振信
号とのずれを把握しても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の第１実施例を示すもので
、第１図は制御回路のブロック図、第２図はタイムチャ
ート、第３図は駆動周波数とモニター電圧の関係を示す
グラフである。 第４図は本発明の概略を示すブロック図である。 図中　］・・・制御回路　　２−圧電体３・・・決定手
段　　４・・・スィープ手段６・・・比較手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）弾性体と圧電体とを接合してなるステータと、前記
   圧電体に交流の電圧を印加する制御回路とを備える超音
   波モータにおいて、 前記制御回路は、 （ａ）前記弾性体の変位量を検出する変位量センサを備
   えるとともに、 （ｂ）基準となる周波数の決定を行う基準周波数決定手
   段、 （ｃ）この決定手段で決定した周波数を所定範囲で変化
   させるスィープ手段、 （ｄ）このスィープ手段によって変化する前記変位量セ
   ンサの出力を、低周波時と高周波時とで比較する比較手
   段を備え、 前記決定手段が、前記比較手段の比較結果により基準周
   波数を変更することを特徴とする超音波モータの制御回
   路。