JPH08130889A

JPH08130889A - 超音波モータの駆動回路

Info

Publication number: JPH08130889A
Application number: JP6268848A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Sasaki; 佐々木　　邦彦
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-11-01
Filing date: 1994-11-01
Publication date: 1996-05-21

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成により最適なサイクルの数を得る
ことが可能で、超音波モータを位置決め用として使用し
ても、高精度な位置決めができる超音波モータの駆動回
路を提供する。【構成】移動体と、移動体を駆動する超音波振動子
と、交番電圧の印加により超音波振動子に超音波振動を
励起させる圧電素子と、超音波振動子の共振点近傍の周
波数の交番電圧を発生する周波数発生器とを具備する超
音波モータ８の駆動回路にあって、圧電素子に交番電圧
を印加する電力増幅器６，７と、電力増幅器６，７を介
して圧電素子に印加する電力をパルスの数で調節するサ
イクルパルス発生部５と、移動体に対する移動指令を絶
対値データと符号とに変換する指令解析部１と、絶対値
データに応じた印加すべきパルスの数をテーブルに格納
している印加パターン格納部２と、前記符号を判定する
位相決定部３とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータの駆動回
路、さらに詳しくは、移動体と、この移動体を駆動する
圧電素子を有する超音波振動子とで構成される高精度位
置決め用超音波モータの駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波モータの駆動に関しては、
本出願人による特願平５−３１０５０３号のような提案
がなされている。上記提案は、弾性体および前記弾性体
に固着された電気−機械エネルギー変換素子とからな
り、前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号を印
加することにより表面に超音波振動を発生させる振動子
と、前記振動子の表面に圧接され、前記超音波振動によ
り前記振動子に対して移動される被駆動体とからなる超
音波モータの駆動方法に係るもので、その駆動回路は、
図９のブロック図に示すように、第１の発振器２２と、
この第１の発振器２２の出力を受けて±９０度の位相差
を発生させる移相器２３と、上記第１の発振器２２の出
力信号を増幅する電力増幅器２４と、上記移相器２３の
出力電圧を増幅する電力増幅器２５と、これら電力増幅
器２４，２５からの出力電力により駆動される超音波リ
ニアモータ８とを有している。

【０００３】上記のような構成において、第１の発振器
２２および移相器２３により、超音波モータ８の超音波
振動子を励振する周波数の交番電圧を発生する。この超
音波モータ８に印加される電圧の振幅は、第２の発振器
２６で振幅変調させることができ、すなわち、第２の発
振器２６の出力波形により任意に変化させることができ
る。つまり、第２の発振器２６の出力を、図９（ｂ）に
示すように、そのデューティを任意に変化できる矩形波
とすることにより、超音波振動子を励振する周波数はパ
ルス幅変調される。ここで、第２の発振器２６は、その
周波数を所定の値に固定して、そのデューティを徐々に
増減するような波形を出力するものとする。デューティ
を変えることによって、共振周波数の１周期を１サイク
ルとすると、印加する交番電圧のサイクルの数を制御す
ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した超音
波モータ８の超音波振動子へ印加する交番電圧のサイク
ルの数と、超音波モータ８の変位量との間には、図３に
示すような関係があることが分かっている。図３は、従
来の方法で超音波モータ８を駆動した場合の実測データ
である。図３において、横軸が超音波モータ８へ印加す
るサイクルの数であり、縦軸が超音波モータ８の変位量
である。この実測データより、印加するサイクルの数の
増加にしたがって、変位量は単調に増加して滑らかな曲
線で結ばれるが、リニアリティがないことが分かってい
る。

【０００５】このことから、超音波モータ８を位置決め
用として使用する場合、超音波モータ８の移動指令をそ
のままサイクルの数として印加すると、精度の良い位置
決めができなくなってしまうという問題がある。

【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
なされたもので、超音波モータの変位量の特性が複雑な
特性であっても、簡単な構成により最適なサイクルの数
を得ることが可能であり、超音波モータを位置決め用と
して使用しても、高精度な位置決めのできる超音波モー
タの駆動回路を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、移動体と、前記移動体を駆動する超音波
振動子と、交番電圧の印加により前記超音波振動子に超
音波振動を励起させる圧電素子と、前記超音波振動子の
共振点近傍の周波数の交番電圧を発生する周波数発生器
とを具備する超音波モータの駆動回路において、前記圧
電素子に交番電圧を印加する電力増幅器と、前記増幅器
を介して前記圧電素子に印加する電力をパルスの数で調
節するサイクルパルス発生部と、前記移動体に対する移
動指令を絶対値データと符号とに変換する指令解析部
と、前記絶対値データに応じた印加すべきパルスの数を
テーブルに格納している印加パターン格納部と、前記符
号を判定する位相決定部とを有することを特徴とする超
音波モータの駆動回路を構成している。

【０００８】図１は本発明の構成を示すブロック図で、
１は超音波モータ８の変位量を指令されると駆動回路内
部で処理できるデータ形式に解析する指令解析部であ
り、２は指令に応じた印加量がテーブル内に格納されて
いる印加パターン格納部であり、３は超音波モータ８の
変位方向を決める位相決定部であり、４は超音波モータ
８内の超音波振動子を共振させる発振器、５は位相決定
部３により決められた変位方向で印加パターン格納部２
により得られた印加量だけ出力するサイクルパルス発生
部、６，７はサイクルパルス発生部５の出力電圧を増幅
する電力増幅器、８は電力増幅器６，７からの出力電圧
により駆動される超音波モータであり、この超音波モー
タ８は図９で示してある従来例のものと同一である。

【０００９】図２は本発明の動作の一例を表すタイミン
グチャートである。図２において、ａは指令であり、図
示しないコントローラから超音波モータ８の駆動回路に
位置指令としてパルスやデータ等で入力されるが、ここ
ではその形式は問わない。＋Ｌ１，−Ｌ２は指令の変位
量である。ｂはデータの形式をとる指令解析部１の出力
を表しており、＋Ｍ１，−Ｍ２は符号付きの位置指令デ
ータ値である。ｃは印加パターン格納部２の出力を表し
ており、Ｎ１，Ｎ２は符号なしの位置指令データ値であ
る。ｄは指令解析部１の出力から符号を判定する位相決
定部３の出力であり、図２では正の時にＬｏｗレベル、
負の時にＨｉｇｈレベルを出力している。ｅは発振器４
の出力を表しており、超音波モータ８内の超音波振動子
を共振させる周波数ｆｒの信号を出力する。ｆはサイク
ルパルス発生部５の二つの出力を表しており、その二つ
の出力は電力増幅器６と電力増幅器７にそれぞれ入力さ
れる。ｇは電力増幅器６の出力を表しており、ｈは電力
増幅器７の出力を表している。ｉは超音波モータ８の変
位である。

【００１０】図３は、超音波モータ８の変位量の特性を
示す図であり、実測データである。図３において、横軸
は超音波モータ８へ印加するサイクルの数であり、縦軸
は超音波モータ８の変位量である。

【００１１】図４は、印加パターン格納部２に格納され
るデータを示す図であり、横軸は図示しないコントロー
ラから超音波モータ８への位置指令、縦軸は超音波モー
タ８へ印加すべきサイクルの数である。

【００１２】図５は、本発明における超音波モータ８の
特性を示す図である。図５において、横軸は図示しない
コントローラから超音波モータ８への位置指令、縦軸は
超音波モータ８の変位量である。

【００１３】表１は、印加パターン格納部２に格納され
るデータテーブルの一例である。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【作用】以上のように構成される本発明において、以下
のように動作する。まず、図示しないコントローラから
位置指令が出力されると（図２のａ参照）、その指令は
指令解析部１に入力され、指令解析部１は、位置指令を
符号付きのデータへ変換する（図２のｂ参照）ととも
に、位置指令が入力されたタイミングをサイクル発生部
５に知らせる。この符号付きの位置指令データは、指令
解析部１から印加パターン格納部２と位相決定部３とに
入力される。印加パターン格納部２では、入力された位
置指令データを符号なしの整数データへ変換した後、そ
の整数データをアドレスとして表１に示すようなデータ
テーブルを参照し、データテーブル内のアドレスに対応
したデータをサイクルパルス発生部５へ出力する（図２
のｃ参照）。

【００１６】ここでデータテーブルは、超音波モータ８
の特性から予め決めておくものである。図３に示すよう
な超音波モータ８へ印加するサイクルの数を変化させた
場合の超音波モータ８の変位量の特性と、図５に示すよ
うな超音波モータ８を位置決め用として用いる場合の所
望の動作特性とから、図４に示すような位置指令に対す
る超音波モータ８への印加すべきサイクルの数は決める
ことができる。ここでは、サイクルの数ｙを変化させた
場合の変位量ｚの特性は、ｚ＝ａｙⁿと近似でき、位置
決め用として用いる場合の所望の動作特性は位置指令ｘ
に対し変位量ｚが、ｚ＝ｘとなるべきであるから、ｚ＝
ｘとなる変位量ｚを得るには、位置指令ｘに対し印加す
べきサイクルの数ｙを、ｙ＝（ｘ／ａ）^1/nとすればよ
い。サイクルの数は整数でないと発生しにくいため、表
１では位置指令ｘをある区間として幅を持たせて指令解
析部１あるいは印加パターン格納部２にて処理してい
る。図３、図４、図５および表１を用いてデータテーブ
ルの一例を示したが、このデータテーブルの中身は、超
音波モータ８や所望の動作特性によって変わることは言
うまでもない。

【００１７】符号付きの位置指令データは、指令解析部
１から位相決定部３にも入力され、位相決定部３は位置
指令データの符号を判定し、論理をサイクルパルス発生
部５へ出力する（図２のｄ参照）。発振器４からは、超
音波モータ８内の超音波振動子を共振させる周波数ｆｒ
の信号がサイクルパルス発生部５へ出力される（図２の
ｅ参照）。

【００１８】印加パターン格納部２から印加すべきサイ
クルの数のデータ、位相決定部３から指令方向の論理、
指令解析部１から位置指令が入力されたタイミング、発
振器４から周波数ｆｒの信号をそれぞれ入力されたサイ
クルパルス発生部５は、位置指令が入力されたタイミン
グで周波数ｆｒの信号を印加すべきサイクルの数だけ出
力する（図２のｆ参照）。サイクルパルス発生部５から
の出力は２出力であり、指令方向により一方は、他方の
出力と＋９０°または−９０°位相のずれた信号を出力
する（図２のｆ参照）。サイクルパルス発生部５の２出
力は、それぞれ電力増幅器６，７に入力され、サイクル
パルス発生部５の出力電圧が増幅される（図２のｇ，ｈ
参照）。電力増幅器６，７からの増幅された出力は超音
波モータ８へ印加され、その出力に基づいて超音波モー
タ８が駆動される（図２のｉ参照）。

【００１９】

【実施例１】本発明の一実施例を、図６〜図８を参照し
て説明する。図６は本発明の一実施例の全体構成を示す
ブロック図である。なお、図においては、図１と同一の
機能を果たす超音波モータと発振器には、図１と同一符
号４，８を付してあり、その説明は省略するものとす
る。

【００２０】９は、図示しないコントローラからの位置
指令パルスとエンコーダ２１からの位置検出パルスとの
偏差をカウントする偏差カウンタであり、１０は±９０
°位相をシフトする位相シフタである。１１はＣＰＵ、
１２はＲＯＭ、１３はＲＡＭ、１４はタイマ、１５，１
６，１７はＩ／Ｆ回路であり、１１〜１７はバスで接続
されている。１８は減算カウンタ、１９は出力イネーブ
ル端子付のセレクタ、２０ａ，２０ｂはＦＥＴ、２１は
超音波モータ８の変位を検出するエンコーダである。

【００２１】図７は、一実施例による超音波モータ駆動
回路のＣＰＵ１１が動作させる一連の処理を表すフロー
であり、図７（ａ）はメインフロー、図７（ｂ）はタイ
マ割り込みにより一定時間Ｔ_c毎に処理されるサンプリ
ングルーチンのフローである。図７（ａ）において、Ａ
はＣＰＵ１１の各種初期化を行う動作であり、Ｉ／Ｏポ
ート・バス・演算変数等の設定や初期化が行われる。タ
イマ割り込みにより一定時間Ｔ_c毎に各種演算を処理さ
せる設定もここで行われる。Ｂは無限ループである。Ｃ
はサイクルの数演算・位相決定の演算を行う動作であ
り、タイマ割り込みにより一定時間Ｔ_c毎に動作する。
また、図７（ｂ）において、Ｃ−ａは偏差カウンタ９の
カウント値を取り込む動作、Ｃ−ｂは取り込んだカウン
ト値の絶対値を演算し、その絶対値をアドレスとしてデ
ータテーブルのデータを参照する動作、Ｃ−ｃは参照し
たデータを減算カウンタ１８にロードする動作、Ｃ−ｄ
はＣ−ａにて取り込んだカウント値の符号を判定し印加
位相を選択しセレクタへ出力する動作である。

【００２２】図８は、本実施例におけるＲＯＭ１２に格
納されているデータを表している。図８において、横軸
は偏差カウント９値の絶対値（アドレス）であり、縦軸
は超音波モータ８に印加すべきサイクルの数（データ）
である。このサイクルの数は超音波モータ８の特性によ
り予め分かるものである。この本実施例におけるＲＯＭ
１２に格納されているデータテーブルを表２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】以下、図６〜図８および表２にしたがって
動作を説明する。まず、超音波モータ８の駆動回路に電
源が投入されると、ＣＰＵ１１は、Ｉ／Ｏポート・バス
・演算変数等の設定や初期化並びに一定時間Ｔ_c毎にタ
イマ割り込みを行う設定等の各種初期化を行う（図７の
Ａ参照）。その後、無限ループに移行し（図７のＢ参
照）、タイマ割り込みが許可されて、一定時間Ｔ_c毎に
サンプリングルーチンが処理され（図７のＣ参照）、超
音波モータ８駆動の動作に移行する。

【００２５】一方、発振器４からは、超音波モータ８内
の超音波振動子の共振周波数付近である周波数ｆｒの信
号ｓｉｇ₁が出力され、位相シフタ１０に入力される。
位相シフタ１０では、周波数ｆｒの信号から位相が＋９
０°ずれた信号ｓｉｇ₂と−９０°ずれた信号ｓｉｇ₃
とを生成し、信号ｓｉｇ₁と信号ｓｉｇ₂の対と信号ｓ
ｉｇ1 と信号ｓｉｇ₃の対とをそれぞれ出力し、出力イ
ネーブル端子付のセレクタ１９へ入力される。

【００２６】図示しないコントローラから超音波モータ
８の位置指令値がパルス列で出力されると、偏差カウン
タ９に入力され、エンコーダ２１からの位置検出パルス
との偏差がカウントされる。

【００２７】カウントされた偏差は、符号付きのデータ
としてＩ／Ｆ回路１５を介してＣＰＵ１１に取り込まれ
る（図７（ｂ）のＣ−ａ参照）。取り込まれたデータは
絶対値演算が行われ、その結果をアドレスとして、ＲＯ
Ｍ１２に格納されているデータテーブルのデータを参照
する（図７（ｂ）のＣ−ｂ参照）。このデータテーブル
は、超音波モータ８へ印加するサイクルの数を変化させ
た場合の超音波モータ８の変位量の特性から得られる、
偏差カウンタ９値の絶対値に対する印加すべきサイクル
の数が格納されていて、偏差カウンタ９値の絶対値をア
ドレスとしてデータである印加すべきサイクルの数を参
照する。超音波モータ８の変位量の特性から得られる印
加すべきサイクルの数の一例を、図８に示し、その時の
ＲＯＭ１２に格納されているデータテーブルを前記表２
に示す。印加すべきサイクルの数は、Ｉ／Ｆ回路１６を
介して減算カウンタ１８へロードされる（図７（ｂ）の
Ｃ−ｃ参照）。また、取り込まれた偏差カウンタ９値の
符号により印加すべき位相が判断され、Ｉ／Ｆ回路１７
を介してセレクタ１９のセレクト端子へ出力される（図
７（ｂ）のＣ−ｄ参照）。

【００２８】サイクルの数は、減算カウンタ１８へ入力
されると、発振器４から出力される信号ｓｉｇ₁一周期
毎に１ずつ減算され、０になるとセレクタ１９にディス
エーブル信号を出力する。出力イネーブル端子付のセレ
クタ１９では、位相（＋９０°／−９０°）により、信
号ｓｉｇ₁と信号ｓｉｇ₂の対か、あるいは信号ｓｉｇ
₁と信号ｓｉｇ₃の対が選択され、減算カウンタ１８か
らセレクタ１９へディスエーブル信号が入力されるま
で、位相シフタ１０は選択された信号の対をセレクタ１
９へ出力し続ける。ディスエーブル信号が入力される
と、選択された信号の対の出力はＦＥＴ２０ａ，２０ｂ
へ入力される。ＦＥＴ２０ａ，２０ｂの出力は、超音波
モータ８内の２つの超音波振動子に印加され、超音波モ
ータ８が変位する。変位した量はエンコーダ２１により
検出され、偏差カウンタ９に入力される。

【００２９】一定時間Ｔ_C毎に以上の動作を繰り返し、
超音波モータ８は図示しないコントローラの指令に従っ
た移動を行う。

【００３０】以上のように、本実施例によれば、印加す
るサイクルの数を変化させた場合の超音波モータ８の変
位量の特性を予め把握しておき、位置偏差に対する印加
すべきサイクルの数をテーブル化することで、変位量の
特性が非線形等の複雑な特性であっても、ＣＰＵ１１に
過度の負担が掛かることなく最適なサイクルの数を得る
ことができ、高精度な位置決めができる超音波モータの
駆動回路を構成することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
変位量の特性が複雑な特性であっても、簡単な構成によ
り最適なサイクルの数を得ることができるため、超音波
モータを位置決め用として使用しても、容易に高精度な
位置決めのできる超音波モータの駆動回路を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の動作の一例を示すタイミングチャート
である。

【図３】超音波モータの変位量の特性を示す図である。

【図４】本発明における印加パターン格納部へ格納すべ
き特性を示す図である。

【図５】本発明における超音波モータの特性を示す図で
ある。

【図６】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図７】本発明の一実施例においてＣＰＵで処理される
ソフトウェアプログラムのフローチャートである。

【図８】本発明の一実施例におけるＲＯＭに格納されて
いる特性を示す図である。

【図９】従来の超音波モータの駆動回路の構成を示すブ
ロック図である。

【図１０】従来の超音波モータの駆動回路による印加波
形を示す図である。

【符号の説明】

１指令解析部２印加パターン格納部３位相決定部４発振器５サイクルパルス発生部６電力増幅器７電力増幅器８超音波モータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】移動体と、前記移動体を駆動する超音波
振動子と、交番電圧の印加により前記超音波振動子に超
音波振動を励起させる圧電素子と、前記超音波振動子の
共振点近傍の周波数の交番電圧を発生する周波数発生器
とを具備する超音波モータの駆動回路において、前記圧電素子に交番電圧を印加する電力増幅器と、前記
増幅器を介して前記圧電素子に印加する電力をパルスの
数で調節するサイクルパルス発生部と、前記移動体に対
する移動指令を絶対値データと符号とに変換する指令解
析部と、前記絶対値データに応じた印加すべきパルスの
数をテーブルに格納している印加パターン格納部と、前
記符号を判定する位相決定部とを有することを特徴とす
る超音波モータの駆動回路。