JPH0514511B2

JPH0514511B2 -

Info

Publication number: JPH0514511B2
Application number: JP58028878A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Kawamura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-02-23
Filing date: 1983-02-23
Publication date: 1993-02-25
Also published as: JPS59156169A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は等電気信号の印加にて振動し電気エネ
ルギーを機械エネルギーに変換する電気−機械エ
ネルギー変換素子を駆動媒体として進行性振動波
によつて駆動する振動波モータの駆動効率の向上
を図るために、進行性振動波の周波数を制御する
装置に関する。

振動波モータは例えば特開昭52−28192号公報
にも開示されているように、電歪素子に交流、脈
流等の周波電圧を印加したときに生ずる振動運動
を回転運動又は一次元運動に変換するものであ
る。従来の電磁モータに比べて巻線を必要としな
いため、構造が簡単で小型になり、低速回転時に
も高トルクが得られると共に慣性モーメントが少
ないという利点があるため、最近注目されてい
る。

ところが、従来知られている振動波モータは振
動運動を回転運動等に変換するにあたり、振動体
に生じた定在振動波で、振動体と接触するロータ
等の移動体を一方向に摩擦駆動するもので、振動
の往運動時には振動体と移動体が摩擦接触し、復
運動時には離れるようになつている。そのため振
動体と移動体は微小範囲で接触する構造、即ち点
もしくは線接触に近い構造でなければならず、い
きおい摩擦駆動効率の悪いものとなつてしまう。

また駆動力は一定方向に働くものであるから移
動体の移動方向は一方向のみである。逆方向に移
動させるためには、別な振動体で振動方向を機械
的に切り換える必要がある。従つて、正逆回転が
可能な振動波モータを得るには装置が複雑にな
り、振動波モータの特徴である構造の簡単さ、小
型さが半減されてしまう。

上記のように振動波モータの持つ欠点を解消す
る振動波モータの構造が、本出願人の出願に係る
特願昭57−206300、同219532等の明細書に開示さ
れている。

その概略は以下のようなものである。

第１図は振動波モータを各要素別に分解したも
のを示している。

ベースとなる固定体５の中心円筒部５ａに、振
動吸収体４、吸収体４側に電歪素子３を接着した
金属の環状振動体２、移動体１の順に嵌め込まれ
ており、固定体５・吸収体４・振動体２は各々相
互に回転しないように取付けられている。振動体
２に対し移動体１は自重又は図示しない付勢手段
で圧接されモータの一体性を保つている。複数の
電歪素子３は一群の電歪素子３A₁〜３A₇が振動
波の波長λの２分の１ピツチで配列され、電歪素
子３A₁，３A₃，３A₅，３A₇の分極方向は同一
で、その間に位置する電歪素子３A₂，３A₄，３
A₆の分極方向は逆である。従つて電歪素子３A₁
〜３A₇は隣り合う位置のものどうしの分極方向
は逆向きにしてある。別な群の電歪素子３B₁〜
３B₇も同じくλ／２ピツチで配列されていて、
隣り合う位置のものどうしの分極方向は逆向きに
してある。

電歪素子３A₁〜３A₇と３B₁〜３B₇の相互ピツ
チは（n₀＋１／４）λ（但しn₀＝０、１、２、３
…）ずれた位相差的配列がなされる。

なお電歪素子３は複数並べず、第２図に示すよ
うに環状の単体の素子３にし、それを前記ピツチ
に分極処理し分極処理部３a₁〜３a₅と３b₁〜３b₅
にしても良い。

電歪素子３A₁〜３A₇の各々には吸収体４側に
リード線１１ａが接続され電歪素子３B₁〜３B₇
の各々にはリード線１１ｂが接続され、その各々
は電源６と90°位相器６ｂに接続される（第３図
参照）。また金属の振動体２にはリード線１１ｃ
が接続され交流電源６ａと接続される。

このように構成された振動波モータの動作は次
のようなものである。

第３図は上記モータの振動波の発生状態を示し
ている。金属の振動体２に接着された電歪素子３
A₁〜３A₄及び３B₁〜３B₄は、説明の便宜上、隣
接して現わされているが、上記のλ／４の位相ず
れの条件を満足しているため、第１図に示すモー
タの電歪素子３A₁〜３A₄a及び３B₁〜３B₄の配
列と実質的に等価なものである。各電歪素子３
A₁〜３A₄及び３B₁〜３B₄中のは交流電圧が正
側の周期であるとき伸び、は同じく正側の周期
で縮む状態になることを示している。

金属振動体２を電歪素子３A₁〜３A₄及び３B₁
〜B₄の一方の電極にし、電歪素子３A₁〜３A₄に
は交流電源６ａからＶ＝V₀sinωtの交流電圧を印
加し、電歪素子３B₁〜３B₄には交流電源６ａか
ら90°位相器６ｂを通して、λ／４位相のずれた、
Ｖ＝V₀sin（ωt±π／２）の交流電圧を印加する。
式中の＋又は−は移動体１（本図に於て省略）を
動かす方向によつて位相器６ｂで切り換えられる
もので、＋側に切り換えると＋90°位相がずれ正方
向に動き、−側に切り換えると−90°位相がずれ逆
方向に動く。いま一側に切り換えてあり電歪素子
３B₁〜３B₄にはＶ＝V₀sin（ωt−π／２）の電圧
が印加されるとする。電歪素子３A₁〜３A₄だけ
が電圧Ｖ＝V₀sinωtにより振動した場合は同図ａ
に示すような定在波による振動が起り、電歪素子
３B₁〜３B₄だけがＶ＝V₀sin（ωt−π／２）によ
り振動した場合はｂに示すような定在波による振
動が起る。上記位相のずれた二つの交流を同時に
各々の電歪素子３A₁〜３A₄と３B₁〜３B₄に印加
すると振動波な進行性になる。(イ)は時間ｔ＝
2nπ、(ロ)はｔ＝π／2ω＋2nπ／ω、(ハ)はｔ＝π／
ω＋2nπ／ω、(ニ)はｔ＝3π／2nω＋2π／ωの時の
もので、振動波の波面はｘ方向に進行する。

このような進行性の振動波は縦波と横波を伴な
つており、第４図に示すように振動体２の質点Ａ
について着目すると、縦振幅ｕと横振幅ｗで反時
計方向の回転楕円運動をしている。振動体２の表
面には移動体１が加圧接触しており振動面の頂点
にだけ接触することになるから、頂点に於ける質
点Ａ，A′…の楕円運動の縦振幅ｕの成分に駆動
され、移動体１は矢示Ｎ方向に移動する。

質点Ａの頂点に於ける速度はＶ＝2πfu（ｆは振
動周波数）となり、移動体１の移動速度はこれに
依存すると共に、加圧接触による摩擦駆動がされ
るため、横振幅ｗにも依存する。即ち、移動体１
の移動速度は質点Ａの楕円運動の大きさに比例す
る。

一方、移動体１の摩擦駆動は駆動体２の進行性
振動波の波面の頂点でなされるものであるから、
頂点方向（第４図Ｚ軸方向）の波面が共振してい
ることが駆動効率を向上させるために必要であ
る。入力電圧の周波数ｆ（＝2πω）とし振動体２
のヤング率Ｅ・密度ρ・厚さｈとしてこれによつ
てつくられる波の波長λとすると、√＝
3ρ・πh／λ²なる関係がありこの関係を満足する
板厚ｈで共振することになる。

また振動体２は環状であるため、進行性振動波
は環に沿つて進行し、新に起る波と周長πDが波
長λのｎ倍（ｎは自然数）、即ちnλ＝πDのとき共
振する。

進行性振動は共振することによつて振幅が大き
くなり振動波モータの駆動効率が向上する。

このような振動波モータの駆動効率を良くする
ためには振動体の板厚や環径等諸々の条件を加味
して印加周波電圧の周波数を制御する必要があ
る。

しかしながら、一度調整してもモータ自体の温
度変化や発振回路の温度変化により、共振周波数
がずれてきたり、モータの経時的な疲労例えば振
動体の摩耗等で共振周波数が異なつて来る場合が
ある。

また製造工程では、周波数の調整工程が加わる
事によりコスト的にも問題がある。

本発明は上記事項に鑑みなされたもので、上記
型式の振動波モーターの駆動状態を正しくモニタ
ーし、常に正確な共振に対する駆動状態を検知し
て、モーターを適正に駆動制御する振動波モータ
ー用制御回路を提供せんとするものである。

本発明は上記目的を達成する構成として、駆動
回路と、検知回路と、周波数調定回路とを有する
振動波モーター用制御回路であつて、振動波モー
ターは、振動体を有し、振動体が電気−機械エネ
ルギー変換素子によつて励振されて、進行性振動
波を形成し、可動子又は対象物を相対駆動するも
のであり、駆動回路は、位相の異なる周波信号で電気−機
械エネルギー変換素子を駆動するものであり、検
知回路は、機械−電気エネルギー変換素子からな
る検知素子が振動体上に配設されて、振動体の振
動状態を検出するものであり、周波数調定回路は、検知回路の出力を入力し
て、周波信号の周波数を検知回路出力に応じて調
定するものである振動波モーター用制御回路を提供するものであ
る。

この制御装置の回路が第５図に示してある。

同図で、CPUはマイクロコンピユータ、DF４
はＤタイプのフリツプフロツプ４個からなり出力
制御可能な回路、DF５はＤタイプのフリツプフ
ロツプ３個からなる回路、BFはトライステート
バツフア、Ｇ１，Ｇ２はナンドゲート、Ｉ１〜Ｉ
９はインバータ、Ｄ１，Ｄ２は分周器、ASはア
ナログマルチプレクサ、Ｒ０〜Ｒ１５は抵抗、
CAP１〜CAP３はコンデンサー、Tr１〜Tr９は
トランジスタ、Diはダイオード、ADCはアナロ
グデジタルコンバータ、ON１はワンシヨツト回
路、OP１，CP２はバツフアアンプ、である。３
Ａ，３Ｂは電歪素子で、振動波モータの振動体２
に夫々複数接着されたもののうち夫々一つづつを
示し、１１も電歪素子で機械−電気エネルギー変
換素子として作用するもので同じく振動体２に電
歪素子３Ａ，３Ｂと並べて接着されているもので
ある（第９図参照）。

インバータＩ３，Ｉ４、コンデンサCAP１、
その値が順次大きくなる抵抗Ｒ０〜Ｒ４はクロツ
クゼネレータCG２を形成する。アナログマルチ
プレクサASは、Ａ０〜Ａ２のデジタル入力によ
りＸ０〜Ｘ４のいずれかを選択しＸ端子との導通
を行う。従つてデジタル信号により抵抗Ｒ０〜Ｒ
４を選択し、クロツクゼネレータCG２の出力
CLKは異つた周波数での発振出力となる。分周
器Ｄ１，Ｄ２はクロツク出力CLKの立上がりに
より夫々１段の分周を行う。分周器Ｄ２がインバ
ータＩ５を介している為、分周器Ｄ１とＤ２の出
力は夫々第６図で示す位相のずれたACLKと
BCLKの波形出力になる。

この波形の出力が夫々ドライバ回路DR１，
DR２に入力する。ドライバ回路DR１は出力波
形ACLKによつて動作するプツシユプル回路から
なり、電歪素子３Ａに周波電圧を印加する。ドラ
イバ回路DR２は出力波形BCLKによつて同様に
して電歪素子３Ｂに1/4波長位相のずれた周波電
圧を印加する。その印加電圧により電歪素子３
Ａ，３Ｂが振動し、それに従つて振動体２も振動
する。

振動体２の振動運動は電歪素子１１に伝えら
れ、電歪素子１１に起電力が発生する。電歪素子
１１の出力電圧は振動体２の振動振幅が大きいほ
ど、即ち共振状態が良いほど大きくなる。

電歪素子１１の出力電圧はバツフアアンプOP
１を介して、ダイオードDi・コンデサCAP３か
らなるピークホールド回路に接続され、電圧の最
大値がコンデンサCAP３に記憶される。コンデ
ンサCAP３の電圧はバツフアアンプOP２を介し
てコンバータADCのアナログ電圧入力VINに入
力される。フリツプフロツプDF４の出力はトラ
ンステートとなつていて、端子の入力で端子
Ｑ０〜Ｑ３に出力信号が発生する。

マイクロコンピユータCPUは出力命令を実行
して出力バスDB０〜DB３にデータを出力する
とともに端子にＬレベルパレスを出力する。
この出力よりフリツプフロツプDF５がDB０〜
DB２のデータをラツチする。同時にこの出力は
インバータＩ６を通つてワンシヨツト回路ON１
に入力しその出力が一定時間Ｈレベルになる。こ
のＨ信号はインバータＩ９と抵抗Ｒ１５を介して
トランジスタTr９を開にし、ピークホールド回
路Di，CAP３が動作する。つまりワンシヨツト
ON１がＨレベルになつている時間内で電歪素子
１１から出力される最大電圧が、前記の如くコン
デンサCAP３に記憶される。

この電圧は、変換器ADCによりデジタル変換
され、ワンシヨツト回路ON１がＨからＬレベル
になつたときインバータＩ９を介してフリツプフ
ロツプDF４にトリガ信号を与えラツチされる。

トライステートバツフアBFは端子のＬレベ
ルでワンシヨツト回路ON１の信号をインバータ
Ｉ９を介して端子Ｘ１に入力し、端子Ｙ１から出
力させる。

CPUが外部入力からデータを読む際に出力さ
れるリード信号がＬになり、アドレス信号Ａ
０がＬの場合はナンドゲートＧ２の出力がＬにな
り、バツフアBFのにＬ信号が入力する。アド
レス信号Ａ０がＨの場合はナンドゲートＧ１の出
力がＬになりフリツプフロツプDF４の端子に
入力し、出力Ｑ０〜Ｑ３の信号がCPUに読み込
まれる。

CPUが外部に出力をするときはライト信号
がＬになるので、フリツプフロツプDF５はCPU
のデータバス信号をラツチする。フリツプフロツ
プDF５の出力はアナログマルチプレクサASに入
力し、抵抗Ｒ０〜Ｒ４のうち一つを選択する。

またRe端子には、コンデンサCAP２と抵抗Ｒ
６からなる積分回路が接続され電源投入時に
CPUをリセツトする。

尚、第５図中点線が囲んだが駆動周波信号を
形成し、モーターを駆動する駆動回路を形成し、
が振動体の振動状態を検知する検知回路を形成
し、が検知回路の出力に基づいて前記駆動周
波信号の周波数を調定する周波数調定回路を形成
する。

以上の回路動作を第７図のプログラムフロチヤ
ートを参照して説明する。

電源を投入するとマイクロコンピユータCPU
のリセツトがかかりプログラムカウンタは０にな
るため、プログラムはフローチヤートの上からス
タートする。

まず、変数Ｋを０に初期設定し、レジスタRG
１の内容を最小値０に設定する（Ｋ＝０、RG1
＝０）。

このＫ値をデータバスに出力する（OUTK）。
今Ｋ＝０であるからフリツプフロツDF５の値は
０となり、アナログマルチプレクサASによつて
抵抗Ｒ０が選択される。抵抗Ｒ０の抵抗値が抵抗
Ｒ０〜Ｒ４のうち最も小さいため、出力波CLK
は最大周波数となる。

このとき、CPUのライト信号はインバータ
Ｉ６を介してワンシヨツト回路ON１にトリガを
加える。

次にアドレス０のポート入力をする（INPUT
AD０）。このときCPUの出力Ａ０はＬとなつて
いるので、バツフアBFの出力がデータバスを介
してCPUに入力される。次にそのデータのbit1
が、０か１かの判別をする。つまりインバータＩ
９の出力の判別であり、bit1が０のとき、即ちワ
ンシヨツトON１の出力がＨレベルでピークホー
ルド回路Di・CAP３が動作中であるときは、プ
ログラムはIN１に戻る。

ワンシヨツトON１がＨレベルのとき、プログ
ラムはこのループを繰り返し、振動波モータの振
動体２は振動し続け、ロータ（移動体）１は回転
を続ける。ワンシヨツトON１がＬレベルになる
と、プログラムはループから抜け出しIN２に進
む。

IN２では、アドレス１のポート入力を行い
（INPUT AD１）、フリツプフロツプDF４の出
力を読み込む。

前記のように、フリツプフロツプDF４はイン
バータＩ９の出力がＨレベルになつたときラツチ
するので、ワンシヨツトON１がＨレベルにある
間の電歪素子１１からの最大出力に対応する値を
CPUに入力させることができる。

IN２で入力した値（DATA）とレジスタRG１
の値を比較する。最初はRG１＝０であるから
DATAが０より大きいはずであり、プログラム
はMNに進行する。ここではDATAをレジスタ
RG１にストアし（DATA→RG１）、Ｋ値をレジ
スタGR２にストアする（Ｋ→RG２）。

プログラムはNXTに進み、Ｋ値をインクリメ
ントする（Ｋ＋１→Ｋ）。もし、DATAがレジス
タRG１の内容より小さいか等しくなつたとき
は、レジスタRG１，RG２の内容はそのままで、
プログラムはNXTに進む。

次にＫ値が５であるかどうかを判別する。今Ｋ
は１になつているので、再びプログラムはFST
に戻る。Ｋを１、即ち抵抗Ｒ１を新に選択して、
同様のプログラムを進行させる。

このようにして、振動波モータを回転させつつ
抵抗Ｒ０〜Ｒ４を逐次選択し、印加電圧の周波数
を少しづつ減少させてゆく。

変数Ｋが５になると、レジスタRG１には振動
体の振動振幅が最大になつたときのカウント値
が、レジスタRG２にはそのときのＫ値が夫々記
憶されている。

従つて、プログラムはＫ＝５の分岐命令で
FNSへ進行し、レジスタRG２の値を出力するこ
とによつて、抵抗Ｒ０〜Ｒ４のうちから最適にな
る抵抗が選択され、クロツクゼネレータCG２の
出力CLKを制御してプログラムは終了する。

そしてこの制御された出力CLKによつて、分
周器Ｄ１，Ｄ２が動作する。分周器Ｄ１の出力
ACLKと分周器Ｄ２の出力BCLKに従つた周波電
圧が夫々ドライバ回路DR１，DR２によつて電
歪素子３Ａ，３Ｂに印加される。

このとき周波電圧の周波数は振動体の形状・大
きさに対し最適の共振状態となるように制御さ
れ、振動体の振動振幅は最大となり、駆動効率は
極めて高いものとなる。

この制御はモータの駆動開始時に行われるた
め、駆動の都度使用条件が変わる場合であつても
常に最適の状態で制御されることになる。また、
製造時に周波数の微調整をする必要がなくなり製
造工程の短縮が図られることになる。

なお、上記実施例での分周器の出力波形は第６
図に示すような方形波ACLK・BCLKに限らず、
正弦波を加えても振動波モータは作動する。

また、この制御装置は回転式の振動波モータだ
けでなくリニア型の振動波モータにも適用し得
る。

第２図に示す環状の単体素子３を使用した場合
は、第９図に示す電歪素子１１と同位置つまり３
a₅と３b₅の間に分極処理した分極処理部からの起
電力を検出することにより、単体素子３の振動振
幅を振動体２の振動を介さずに得ることができ
る。

第８図は振動波モータをカメラのオートフオー
カスレンズの駆動に使用した場合の応用例を示す
ものであり、オートフオーカス回路１０１は特開
昭55−155337号公報に記載された公知のものであ
るから説明を省略する。

この回路は第５図に示した回路オートフオーカ
ス回路１０１と選択ゲートＧ１０とＧ１１を付加
したものである。

合焦時にはコンパレータ５９，６０のいずれの
出力もＬレベルであり、非合焦時にはどちらかの
コンパレータの出力がＨレベルになるので、その
出力がアンドゲートＧ１２，Ｇ１３とオアゲート
Ｇ１４からなる選択ゲートＧ１０、又はアンドゲ
ートＧ１５，Ｇ１６とオアゲートＧ１７からなる
選択ゲートＧ１１に入力されて、振動波モータＭ
は正転あるいは逆転する。オアゲートＧ１８はモ
ータ駆動時にＨになる出力であり、この信号
はマイクロコンピユータCPUの端子に入
力される。端子がＬレベルであると、
CPUはプログラム進行をせずにホールド状態と
なるため、プログラムが進行するのは電源投入後
最初のモータ駆動時となる。

尚振動波モータを使用する応用例はこのような
オーフオーカスに限られるものではなく、例えば
カメラにおいては、絞り制御やフイルム駆動等に
応用されるものである。

以上の通り本発明では進行波が形成される振動
体上に機械−電気エネルギー変換素子を配して、
振動体の振動状態を直接検知したので、振動波モ
ーターの共振状態に対する駆動状態の検知を正確
に出来、上記モーターの駆動周波数を正確に規制
することが出来る。

尚、本発明での振動波モーターは振動体に形成
される進行性振動波を駆動力として実施例の如く
移動体等の駆動対象物を駆動しても良いし、振動
体自体が振動体と接触する対象物似対して駆動さ
れるものでも良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は振動波モータの分解斜視図、第２図は
電歪素子の実施例の平面図、第３図、第４図は振
動波モータの駆動原理説明図、第５図は振動波モ
ータの駆動制御回路図、第６図は分周器の出力波
形を説明する図、第７図は本発明の制御装置を実
行するフローチヤート図、第８図は振動波モータ
をカメラのオートフオーカス機構に応用した場合
の制御回路図、第９図は振動体の斜視図である。１……移動体、２……振動体、３，３A₁〜３
A₄、３B₁〜３B₄、３a₁〜３a₅、３b₁〜３b₅……
電歪素子（電気−機械エネルギー変換素子）、１
１……電歪素子（機械−電気エネルギー変換素
子）、DF₄，DF₅……フリツプフロツプ、AS……
アナログマルチプレクサー、CG２……クロツク
ゼネレーター、D₁，D₂……分周器、OP₁，OP₂…
…バツフアーアンプ、I₆，I₉……インバーター、
ON₁……ワンシヨツト回路、Tr₉……トランジス
ター、CAP₃……コンデンサー、Di……ダイオー
ド、ADC……アナログデジタル、コンバーター、
CPU……マイクロコンピユーター。

Claims

【特許請求の範囲】１駆動回路と、検知回路と、周波数調定回
路とを有する振動波モーター用制御回路であつ
て、振動波モーターは、振動体２を有し、振動体２
が電気−機械エネルギー変換素子３Ａ，３Ｂによ
つて励振されて、進行性振動波を形成し、可動子
１又は対象物１を相対駆動するものであり、駆動回路は、位相の異なる周波信号で電気−
機械エネルギー変換素子３Ａ，３Ｂを駆動するも
のであり、検知回路は、機械−電気エネルギー変換素子
からなる検知素子１１が振動体２上に配設され
て、振動体２の振動状態を検出するものであり、周波数調定回路は、検知回路の出力を入力
して、周波信号の周波数を検知回路出力に応じて
調定するものである振動波モーター用制御回路。