JPH08308267A - 超音波モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波モータに適したフェーズロックループ
方式の速度制御回路を実現し、周囲環境などに影響を受
けることなく超音波モータの駆動速度を安定させる。 【解決手段】 超音波モータ８の所定回転速度に応じて
決定される周波数の基準パルスを発振する基準パルス発
振手段１と、超音波モータ８の相対運動部材の移動量に
比例したパルスを出力する移動量検出手段９と、基準パ
ルス発振手段１が出力する基準パルスと移動量検出手段
９が出力する出力パルスとの位相差に応じた信号を出力
する位相差信号発生手段２と、この位相差信号を積分し
て出力する積分手段３と、積分手段３の出力に応じた周
波数のパルス信号を出力するパルス発生手段４と、この
パルス信号に基づいて超音波モータ８に印加する駆動信
号を形成する駆動信号形成手段５、６ａ、６ｂを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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移動子を駆動する超
音波モータの駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】進行性振動波を利用した超音波モータ
は、特開昭５９−１１１６０９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該圧電体に屈曲
振動を生じさせて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
て摩擦駆動するモータである。

【０００３】従来、このような超音波モータの駆動速度
は、圧電体に設けたモニタ電極からの出力電圧が所定値
となるように、印加交流電圧の周波数を制御したり、モ
ニタ電極の出力と印加交流電圧との位相差が一定となる
ように印加交流電圧の周波数を制御している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記い
ずれの方式において、モニタ電圧あるいは位相差を一定
とするように周波数を制御しても、負荷変動、環境条件
の変化、上記加圧力の変動などに起因して所望の速度が
得られないことがある。

【０００５】ところで、ＤＣモータにおいては、所望の
回転速度を安定して得るためにフェーズロックループ
（ＰＬＬ）により回転数制御を行うことが知られている
（例えば、「ＤＣモータの制御回路設計」ＣＱ出版株式
会社、昭和６０年５月２０日発行、ｐ６３〜ｐ６５）。
しかしながら、超音波モータの駆動メカニズムはＤＣモ
ータと異なり、ＤＣモータにおけるＰＬＬ回路をそのま
ま超音波モータに適用できない。

【０００６】本発明の技術的課題は、超音波モータに適
したフェーズロックループ方式の速度制御回路を実現し
て、周囲環境などに影響を受けることなく超音波モータ
の駆動速度を安定させることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】実施例を示す図１により
本発明を説明すると、本発明は、超音波モータ８の所定
回転速度に応じて決定される周波数の基準パルスを発振
する基準パルス発振手段１と、移動子の移動量に比例し
たパルスを出力するエンコーダ９と、基準パルス発振手
段１が出力する基準パルスとエンコーダ９の出力パルス
との位相差に応じた信号を出力する位相差信号発生手段
２と、この位相差信号を積分して出力する積分手段３
と、超音波モータ８に固有の上限周波数と下限周波数の
範囲内で、積分手段３の出力信号に応じた周波数のパル
ス信号を出力するパルス発生手段４と、このパルス信号
に基づいて交番電圧信号を形成する交番電圧信号形成手
段５、６ａ、６ｂとを具備することにより、上述の技術
的課題を解決する。

【０００８】移動子の移動速度に比例するパルスをエン
コーダ９で形成し、基準パルスとエンコーダ出力パルス
との位相差に応じた信号を得、その位相信号を積分す
る。そしてその積分信号に応じた周波数のパルスを形成
し、この周波数の交番電圧信号を超音波モータに印加す
る。したがって、周囲環境や加圧力などの条件が変化し
ても超音波モータは所定回転速度で回転される。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施の形態を示
すブロック図、図２（ａ）は超音波モータの概略構成を
示す断面図、図２（ｂ）は圧電体と弾性体とで構成され
る振動体の斜視図である。まず、図２（ａ）、（ｂ）の
超音波モータについて先に説明すると、弾性体８１の片
側表面には圧電体８２が貼付られており、これら弾性体
８１と圧電体８２とによって振動体８３を構成してい
る。また、圧電体８２の片側表面にはスライダ８４を介
してロータ８５が加圧接触しており、これらスライダ８
４とロータ８５とによって回転子８６を構成している。
圧電体８２は図２（ｂ）に示すように、その表面に４つ
の電極８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄが設けられてお
り、電極８２ａと８２ｂには相互にπ／２だけ位相の異
なる交流電圧が印加され、電極８２ｃは接地されてい
る。電極８２ｄはモニタ信号を取り出すために使用され
る。これらの構成および動作については日経メカニカル
１９８３．２．２８号などにより周知であるため、ここ
ではその説明を省略する。

【００１０】この種の超音波モータは、図３に実線Ｃ１
あるいは、破線Ｃ２で示すような駆動周波数−駆動速度
特性をもっている。すなわち、駆動周波数が 共振周波
数ｆ_Mより高い場合には駆動周波数が 低くなると回転速
度が速くなる。共振周波数ｆ_Mより低い場合には駆動周
波数が低くなると 回転速度が遅くなる。一般には、共
振周波数ｆ_Mよりも高い最高周波数ｆ_Hと最低周波数ｆ_L
との間で速度制御が可能とされる。なお、図１のＶＣＯ
４の発振帯域の下限周波数ｆ_Lは、負荷の変動、環境変
化、加圧力の変化等によって共振周波数ｆ_Mが変動した
場合でも、ｆ_L＞ｆ_Mとなるように設定する。最高周波数
ｆ_Hは超音波モータの回転速度が最低値を示す値であ
り、また所望の回転速度よりも十分に低い回転速度が得
られるような周波数である。最低周波数ｆ_Lは超音波モ
ータの回転速度が最高値を示す値であり、所望回転速度
で超音波モータが回転しているときに負荷変動などがあ
っても共振周波数よりも高い周波数である。ここで、実
線Ｃ１は、ある周囲環境条件（第１の駆動条件とする）
における超音波モータ８の駆動周波数−回転速度特性を
示し、破線Ｃ２は、その周囲環境条件と異なる環境条件
（第２の駆動条件とする）における駆動周波数−回転速
度特性を示す。また図４に示すように、この実施例で
は、ロータ８５に軸８５ａを突設し、ギア８７、８８を
介して軸８５ａをロ−タリエンコーダ９と連結してい
る。したがって、ロ−タリエンコーダ９は、ロータ８５
の回転数に比例した周波数のパルスを出力する。

【００１１】次に図１において、１は、後述する回転速
度Ｎ１に対応する周波数の基準パルスを出力する基準パ
ルス発振器、２は、エンコーダ９からの出力パルスと基
準パルスの位相を比較して両者の位相差に相応する信号
を出力する位相比較器である。３は、ループフィルタと
呼ばれ位相比較器２の出力信号を積分する積分器、４は
この積分器３の出力電圧に相応した周波数のパルスを出
力する電圧制御発振器（以下、ＶＣＯ）である。５は、
ＶＣＯ４からの一対のパルス信号を４分周するとともに
互いにπ／２位相のずれた信号とする分周移相回路、６
ａ、６ｂは、分周移相回路５の出力信号を増幅して超音
波モータ８の圧電体８２の電極８２ａ、８２ｂに印加す
る周知の電力増幅器である。スイッチ７は、超音波モー
タ８への入力の接断を制御するとともに、回転方向の切
換えを行い、開放状態では超音波モータが停止する。

【００１２】位相比較器２と積分器３の詳細を図５によ
り説明する。位相比較器２は、エンコーダ９からのパル
スと、基準パルスとがそれぞれ入力されるＪＫフリップ
フロップ２１Ａ、２１Ｂと、ナンドゲート２２と、ノア
ゲート２３、２４と、インバータ２５〜２７と、ＭＯＳ
ＦＥＴ２８Ａ、２８Ｂとから成り、コンプリメンタリ出
力を有する。これは位相周波数型比較器と呼ばれる周知
のものであり、詳細な説明は省略する。また、積分器３
はラグフィルタを構成し、抵抗３１とコンデンサ３２と
から成る。図６により位相比較器２と積分器３の動作を
説明する。図６（ａ）は基準パルス発振器１の基準パル
ス波形、（ｂ）はエンコーダ９の出力波形、（ｃ）は位
相比較器２の出力波形、（ｄ）はループフィルタ３の出
力波形をそれぞれ示している。

【００１３】区間イに示すように、基準パルスの波形に
対してエンコーダ出力パルス波形の位相が遅れている場
合には、（ｃ）に示すように、基準パルスの立上がりか
らエンコーダ出力パルスの立上がりまで、つまり、遅れ
位相差に相当する時間だけＭＯＳＦＥＴ２８Ｂがオンし
て位相比較器２の出力は０となる。エンコーダ出力パル
スが立ち上がると、ＭＯＳＦＥＴ２８Ａ、２８Ｂはオフ
状態となり、位相比較器２の出力は、図６（ｃ）におけ
る１点鎖線部のようにハイインピーダンス状態となる。
図６（ｄ）に示すようにＭＯＳＦＥＴ２８Ｂのオンに伴
いループフィルタ３の出力は下降し、ＭＯＳＦＥＴ２８
Ｂがオフして位相比較器２の出力がハイイピーダンス状
態となると、ループフィルタ３の出力電圧はその時点の
値が保持される。区間ロでは、基準パルスとエンコーダ
出力パルスとが同位相であるため、ＭＯＳＦＥＴ２８
Ａ、２８Ｂはオフ状態を維持し、ループフィルタ３の出
力は（ｄ）のように変化しない。区間ハでは、基準パル
スがエンコーダ出力パルスに対して遅れ位相となるた
め、エンコーダ出力パルスの立上がりから基準パルスの
立ち下がりまでの間はＭＯＳＦＥＴ２８Ａがオンし、位
相比較器２は（ｃ）に示すように電圧Ｖccを出力する。
そのため、ループフィルタ３の出力電圧が上昇する。区
間ニでは、エンコーダ出力パルスが基準パルスよりも低
周波数となっており、ループフィルタ３の出力は下降す
る。区間ホでは、エンコーダ出力パルスが基準パルスよ
りも高周波数となっており、ループフィルタ３の出力は
上昇する。すなわち、基準パルスがエンコーダ出力パル
スよりも位相が進むか、あるいは高周波数の場合にはル
ープフィルタ３の出力が下降し、逆に、基準パルスがエ
ンコーダ出力パルスよりも位相が遅れるか、あるいは低
周波数の場合にはループフィルタ３の出力が上昇する。
また、基準パルスとエンコーダ出力パルスとが同位相、
同周波数の場合にはループフィルタ３の出力は変化しな
い。

【００１４】次に、ＶＣＯ４の入力電圧と出力周波数と
の関係を図７に示す。ここで、ＶＣＯ４の入力電圧はル
ープフィルタ３の出力電圧である。ループフィルタ３出
力電圧が最小の０Ｖのときは４×ｆ_Lで示す周波数が出
力され、ループフィルタ３の出力電圧が最大のＶccＶの
ときには４×ｆ_Hで示す周波数が出力される。分周移相
回路５は図８に示すように、２つのＤ形フリップフロッ
プ５１と５２で構成され、フリップフロップ５１のセッ
ト出力Ｑがフリップフロップ５２のデータ入力Ｄに接続
され、フリップフロップ５２の反転セット出力ＱＩがフ
リップフロップ５１のデータ入力Ｄに接続されている。
したがって、この分周移相回路５は、図９のタイムチャ
ートに示すように、ＶＣＯ４の出力周波数を１／４に分
周すると共に、相互にπ／２の位相差を有する信号を出
力する。

【００１５】以下、本発明に係る超音波モータの駆動装
置の動作を説明する。図３に示す曲線Ｃ１による第１の
駆動条件下において駆動周波数ｆ１の交番電圧が超音波
モータ８の圧電体に印加され、回転速度Ｎ１で超音波モ
ータ８が駆動されているとき、曲線Ｃ２による第２の駆
動条件に変化すると、超音波モータ８の回転速度は、特
性Ｃ２に従ってＮ２になってしまう。そこで本発明は、
ＰＬＬ方式で速度制御を行うことにより、第１の駆動条
件から第２の駆動条件に変化しても超音波モータ８の回
転速度をＮ１（r.p.m.）一定に保持するものである。超
音波モータ８の回転速度をＮ１（r.p.m.）とするとき、
超音波モータ８とエンコーダ９とが１：１で回転してい
るとすれば、エンコーダ９の１回転当たりの出力パルス
数をＦＥとすると、エンコーダ出力パルスの周波数は、 ＦＥ×（Ｎ１／６０） （Ｈｚ） …（１） で表される。そこで、基準パルス発振器１の基準パルス
の周波数を（１）式で求まる値に設定する。今、スイッ
チ７が図１に示すように中立位置にあり、超音波モータ
８が停止していると、エンコーダ９の出力パルスの周波
数は０Ｈｚである。このとき、位相比較器２には基準パ
ルスが入力されループフィルタ３の出力電圧は時間とと
もに下降して所定時間経過後は０Ｖとなる。このため、
ＶＣＯ４の出力は図７に示すように４×ｆ_Lとなる。こ
の状態でスイッチ７を正逆いずれかに閉じると、分周移
相回路５のフリップフロップ５１、５２のセット出力Ｑ
からは、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＶＣＯ４か
らの入力信号の１／４倍の周波数を有し、かつ互いにπ
／２の位相差を持った信号が出力される。その結果、超
音波モータ８には周波数ｆ_Lの交番電圧が印加され最高
回転速度となるべく回転を始める。

【００１６】超音波モータ８は徐々にその回転速度を上
昇するが、その速度がＮ１よりも低速のときは、エンコ
ーダ出力パルスの周波数が基準パルスの周波数より低い
から、上述したように位相比較器２はループフィルタ３
の出力電圧を下降させる。そのため、ループフィルタ３
の出力電圧がほぼ０Ｖとな るので、ＶＣＯ４の出力周
波数が４×ｆ_Lとなって最大回転速度に対応する駆動周
波数ｆ_Lの交番電圧が超音波モータ８に印加される。こ
れにより、超音波モータ８の回転速度は時間の経過とと
もに上昇する。Ｎ１を越えると、エンコーダ出力パルス
の周波数が基準パルスの周波数より高くなるから、上述
のように位相比較器２はループフィルタ３の出力電圧を
増加させる。その結果、ＶＣＯ４の出力周波数が高くな
り、駆動周波数も高くなって超音波モータ８の回転速度
が低下する。このような動作を繰り返すことにより、超
音波モータ８は目標とする回転速度Ｎ１が得られる駆動
周波数 ｆ1に収斂する。収斂の具合については前記ル
ープフィルタの時定数によって調整すれば良い。

【００１７】次に、負荷変動や加圧力の変動などにより
第１の駆動条件から第２の駆動条件に変化すると、超音
波モータ８の駆動周波数−回転速度の特性は図３のＣ１
からＣ２に移行し、駆動周波数ｆ1での回転速度はＮ２
（＞Ｎ１）に向けて上昇する。このため、基準パルスに
対してエンコーダ出力パルスの周波数が大きくなり、位
相比較器２はループフィルタ３の出力電圧を上昇させ
る。その結果、ＶＣＯ４の出力周波数は高周波数側に移
行し、駆動周波数は最高周波数ｆ_Hに向かって変化す
る。このような動作により超音波モータ８の回転速度は
低下し回転速度ｆ1が得られる駆動周波数ｆ2に収斂す
る。以上のように、本発明に係るＰＬＬ速度制御回路に
より、周囲環境や加圧力などの駆動条件が変化しても超
音波モータ８の回転速度は所定の値に保持される。

【００１８】以上の実施例の構成において、基準パルス
発振器１が基準パルス発振手段を、位相比較器２が位相
差信号発生手段を、ループフィルタ３が積分手段を、Ｖ
ＣＯ４がパルス発生手段を、分周位相回路５と電力増幅
器６ａ、６ｂが交番電圧信号形成手段をそれぞれ構成す
る。なおループフィルタ３は、ラグフィルタを用いて説
明したが、ラグリードフィルタ、アクティブフィルタ等
で構成してもよい。また、位相比較器についてはＪ−Ｋ
フリップフロップを用いた例を記載したが、双方向シフ
トレジスタを用いた位相比較器等を用いてもよい。さら
にエンコーダは、移動子の速度に応じたパルスを発生す
るものであれば、その方式、構造を問うものではない。

【００１９】以上の実施例で説明したＶＣＯ４は、それ
自身の特性として、入力電圧０Ｖに対して４×ｆ_Lの周
波数のパルス信号を出力し、入力電圧ＶccＶに対して４
×ｆ_Hの周波数のパルス信号を出力するようにしたが、
ＶＣＯ４それ自身がこのような特性を有していない場合
には、次のような回路構成から成る電圧制御発振回路に
より４×ｆ_L〜４×ｆ_H範囲内で発振させることができ
る。

【００２０】〔１〕ループフィルタ３の出力電圧を制御
する方式： 図１０はループフィルタ３の出力電圧を制御して発振
周波数の上下限を制限する電圧制御発振回路の一実施例
を示し、４００Ａが、ＶＣＯ４０１とその発振周波数を
制限する周辺回路から成る電圧制御発振回路（パルス発
生手段）を示す。ＶＣＯ４０１は、それ自身では入力電
圧０Ｖに対して４×ｆ_Lよりも低い周波数のパルス信号
を 出力し、入力電圧ＶccＶに対して４×ｆ_Hよりも高い
周波数のパルス信号を出力する。４０２は高周波数弁別
器であり、ＶＣＯ４０１が４×ｆ_Hよりも高い周波数を
出力するときにハイレベル信号を出力し、４×ｆ_H以下
の周波数を出力するときにロ−レベル信号を出力する。
４０３は低周波数弁別器であり、ＶＣＯ４０１が４×ｆ
_Lよりも低い周波数を出力するときにハイレベル信号を
出力し、４×ｆ_L以上の周波数を出力するときにロ−レ
ベル信号を出力する。４０４はアナログスイッチであ
り、上記高周波数弁別器４０２と低周波数弁別器４０３
の出力信号にしたがって、ＶＣＯ４０１が４×ｆ_L〜４
×ｆ_Hの範囲内の周波数を出力するときに閉成され、４
×ｆ_L〜４×ｆ_Hの範囲外の周波数を出力するときに開放
される。４０５は周知の電圧フォロア、４０６は、高低
両周波数弁別器４０２、４０３の出力信号の論理和をと
りアナログスイッチ４０４の制御端子に入力するオアゲ
ート、４０７は低周波数弁別器４０３の出力を反転する
インバータである。４０８は、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ
で構成され、ループフィルタ３の時定数よりも十分に小
さい時定数を有するローパスフィルタ、４０９は、低周
波数弁別器４０３の出力信号により、ＶＣＯ４０１が４
×ｆ_Lよりも低い周波数を出力するときにインバータ４
０７の反転信号によりオンするトランジスタ、４１０
は、高周波数弁 別器４０２の出力信号により、ＶＣＯ
４０１が４×ｆ_Hよりも高い周波数を出力するときにオ
ンするトランジスタ。Ｒ２〜Ｒ５は抵抗である。

【００２１】このようなＶＣＯ４０１と周辺回路とから
なる電圧制御発振回路４００Ａの動作を説明する。超音
波モータ８の動作時、ＶＣＯ４０１が４×ｆ_L〜４×ｆ_H
の範囲内の周波数で発振しているときは、アナログスイ
ッチ４０４が閉成し、トランジスタ４０９、４１０がと
もにオフであるから、電圧フォロア４０５を通って入力
されるループフィルタ３からの積分信号はローパスフィ
ルタ４０８を介してＶＣＯ４０１に入力される。このと
きＶＣＯ４０１は、その入力電圧にしたがった周波数の
パルスを出力する。この状態でループフィルタ３からの
出力電圧が 上昇しＶＣＯ４０１の発振周波数が４×ｆ_H
よりも高くなると、高周波数弁別器４０２の出力がハイ
レベルとなり、アナログスイッチ４０４が開放されて電
圧フォロア４０５の出力信号が遮断されるとともに、ト
ランジスタ４１０がオンする。トランジスタ４０９はオ
フしているから、コンデンサＣは抵抗Ｒ５により放電さ
れてＶＣＯ４０１の入力電圧が下降して、ＶＣＯ４０１
の発振周波数が低下する。ＶＣＯ４０１の出力周波数が
４×ｆ_Hよりも低くなると、高周波数弁別器４０２の出
力が反転してロ−レベルとなりアナログスイッチ４０４
が閉成し、トランジスタ４１０がオフする。そのため、
電圧フォロア４０５の出力電圧によりコンデンサＣが抵
抗Ｒ１を介して充電される。これにより、ＶＣＯ４０１
の発振周波数は上昇を開始し、再び４×ｆ_Hを越えると
上述したように４×ｆ_H以下となるように制御される。

【００２２】一方、ループフィルタ３の出力電圧が低く
ＶＣＯ４０１の発振周波数が４×ｆ_Lよりも低いときに
は、低周波数弁別器４０３の出力がハイレベルとなりア
ナログスイッチ４０４が開放されるとともに、トランジ
スタ４０９がオンする。トランジスタ４１０はオフして
いるため、コンデンサＣが抵抗Ｒ３を介して充電され、
ＶＣＯ４０１の入力電圧が上昇して発振周波数が高くな
る。その発振周波数が４×ｆ_L以上になると、低周波数
弁別器４０３の出力がロ−レベルとなりアナログスイッ
チ４０４が閉じるとともにトランジスタ４０９がオフす
るので、電圧フォロア４０５の出力電圧がコンデンサＣ
を充電し、ＶＣＯ４０１の入力電圧は引き続き上昇傾向
を示すから、その発振周波数が４×ｆ_L以上に保持され
る。

【００２３】このような周辺回路を付加した電圧制御発
振回路４００Ａにより、ＶＣＯ４０１それ自身の発振周
波数帯域が４×ｆ_L〜４×ｆ_Hを逸脱するような場合で
も、発振周波数を４×ｆ_L〜４×ｆ_Hの範囲内に制御する
ことができる。 以上説明した図１０の実施例では、超音波モータ８の
駆動回路の起動とスイッチ７の投入とが同時に行なわれ
る場合、モータ起動時のＶＣＯ４０１の発振周波数は４
×ｆ_Lとなり、超音波モータ８は最高回転速度となる周
波数で起動されて徐々に目標の回転速度に制御される
が、最低回転速度で起動する場合には図１１に示すよう
に電圧制御発振回路４００Ｂを構成すればよい。図１０
と同様な箇所には同様な符号を付して相異点を主に説明
する。スイッチ４１１は、図１に示したスイッチ７に連
動するもので、超音波モータ８の停止時には中立位置に
ある。マルチプレクサ４１２は、インバータ４０７の出
力または高周波数弁別器４０２の出力信号を選択してト
ランジスタ４０９のベ−スに入力するものである、スイ
ッチ４１１が中立時には抵抗Ｒ６を介してマルチプレク
サ４１２の制御端子にハイレベル信号が入力され、マル
チプレクサ４１２は高周波数弁別器４０２の出力を選択
し、スイッチ４１１がオン時にはマルチプレクサ４１２
の制御端子にロ−レベルが入力され、マルチプレクサ４
１２はインバータ４０７の出力信号を選択する。また、
４１３は、スイッチ４１１と高低の周波数弁別器４０
２、４０３の出力を入力とする３入力端子を有するオア
ゲートであり、その出力がアナログスイッチ４０４の制
御端子に入力されている。

【００２４】スイッチ７がオフして超音波モータ８が停
止しているときには、スイッチ４１１側から得られるハ
イレベル信号がオアゲート４１３を介してアナログスイ
ッチ４０４の制御端子に印加され、アナログスイッチ４
０４は開放している。一方、そのハイレベル信号により
マルチプレクサ４１２が高周波数弁別器４０２を選択し
ている。このとき、ＶＣＯ４０１の発振周波数が４×ｆ
_Hより高い場合には、高周波数弁別器４０２がハイレベ
ルを出力するからトランジスタ４０９はオフし、トラン
ジスタ４１０はオンする。その結果、コンデンサＣは抵
抗Ｒ５により放電され、ＶＣＯ４０１の入力電圧が減少
してその発振周波数は低周波数側 に下降していく。そ
して、４×ｆ_H以下になると高周波数弁別器４０２の出
力がロ−レベルとなりトランジスタ４０９がオンし、ト
ランジスタ４１０がオフしてコンデンサＣが抵抗Ｒ３に
より充電される。これにより、ＶＣＯ４０１の入力電圧
が上昇してその発振周波数も上昇する。再び ４×ｆ_Hを
越えると周波数弁別器４０２の出力が反転し上述したよ
うに低周波数側に下降する。このような動作を繰り返す
ことにより超音波モータ８の停止時にはＶＣＯ４０１は
４×ｆ_Hで発振する。

【００２５】この状態で、スイッチ７をいずれかの方向
にオンするとスイッチ４１１もオンしてスイッチ４１１
側の信号がロ−レベルとなり、マルチプレクサ４１２の
制御端子電圧がロ−レベルとなり、マルチプレクサ４１
２はインバータ４０７の出力、すなわち、低周波数弁別
器４０３の出力を選択する。また、オアゲート４１３の
３入力のうちスイッチ４１１からの入力がロ−レベルと
なるから、高低の周波数弁別器４０２、４０３のいずれ
か一方の出力がハイレベルになったときに図１０で説明
したと同様な動作を行い、ＶＣＯ４０１の発振周波数は
４×ｆ_L〜４×ｆ_Hの範囲内の所定回転速度に対応する周
波数に制御される。

【００２６】〔２〕ループフィルタ３の入力電圧を制御
する方式： 図１２は、ループフィルタ３の入力電圧を制御する方
式の図１０に対応する電圧制御発振回路４００Ｃの実施
例であり、同様な箇所には同一の符号を付して説明す
る。図１０の回路から電圧フォロア４０５とローパルス
フィルタ４０８を除いた各素子をループフィルタ３の入
力側に図１２に示すように挿入して電圧制御発振回路４
００Ｃが構成される。

【００２７】ＶＣＯ４０１の発振周波数が４×ｆ_Hより
も高くなると、アナログスイッチ４０４が開放されると
ともに、トランジスタ４１０がオンしてコンデンサ３２
が抵抗Ｒ５を介して放電され、ＶＣＯ４０１の入力電圧
が減少してその発振周波数が下降する。４×ｆ_H以下に
なるとアナログスイッチ４０４が閉成されるとともに、
トランジスタ４１０がオフするから、位相比較器２の出
力電圧でコンデンサＣが充電されＶＣＯ４０１の入力電
圧が再び上昇してその発振周波数が上昇する。このよう
な動作を繰り返すことによりＶＣＯ４０１の発振周波数
が４×ｆ_Hになるように制御される。ＶＣＯ４０１が４
×ｆ_L以下の周波数で発振するときは、低周波数弁別器
４０３の出力信号により同様に各素子が制御され、ＶＣ
Ｏ４０１の発振周波数が４×ｆ_Lに制御される。

【００２８】図１３は図１１に対応する実施例であ
り、同様な箇所には同様な符号を付して相異点を説明す
る。図１１の回路から電圧フォロア４０５とローパルス
フィルタ４０８を除いた各素子をループフィルタ３の入
力側に図１３に示すように挿入して電圧制御発振回路４
００Ｄが構成される。スイッチ７のオフ時はスイッチ４
１１側からの信号がハイレベルとなり、アナログスイッ
チ４０４は開放されるとともに、マルチプレクサ４１２
は高周波数弁別器４０２を選択する。周波数弁別器４０
２の出力がロ−レベルならば、トランジスタ４０９はオ
ンしトランジスタ４１０はオフする。そのため、ループ
フィルタ３のコンデンサ３２が抵抗Ｒ３を介して充電さ
れ、ＶＣＯ４０１の入力電圧が上昇する。ＶＣＯ４０１
の 発振周波数が４×ｆ_Hを越えると上述したと同様にト
ランジスタ４０９がオフ、トランジスタ４１０がオンし
てコンデンサ３２が抵抗Ｒ５を介して放電され、ＶＣＯ
４０１の入力電圧が減少し、４×ｆ_H以下になると再び
コンデンサ３２が充電され、ＶＣＯ４０１の入力電圧が
上昇して発振周波数が上昇する。このような動作を繰り
返すことにより、超音波モータ８の停止時には、ＶＣＯ
４０１の発振周波数が４×ｆ_Hに制御され、スイッチ７
のオン時には、超音波モータ８が最低回転速度で起動さ
れる。なお、本発明はリニア形超音波モータにも適用で
きることは言うまでもない。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波モータをＰＬＬ方式の速度制御回路で制御すること
ができ、周囲環境や加圧力などが変動しても所定の回転
速度に安定して制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波モータの駆動装置の一実施
例を示すブロック図

【図２】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ超音波モータの概略
構成を示す断面図および斜視図

【図３】超音波モータの駆動周波数と駆動速度との関係
を示す特性曲線図

【図４】エンコーダの取り付け状態を示す図

【図５】位相比較器とループフィルタの詳細を示す図

【図６】図５の各部の入出力信号のタイムチャート

【図７】ＶＣＯの入力電圧と出力周波数との関係を示す
グラフ

【図８】分周移相回路の詳細を示す図

【図９】図８に示す分周移相回路の各部信号のタイムチ
ャート

【図１０】超音波モータの最低駆動周波数〜最高駆動周
波数を逸脱する周波数帯域を有する電圧制御発振回路の
一例を示すブロック図

【図１１】図１０と同様の電圧制御発振回路の他の例を
示すブロック図

【図１２】図１０と同様の電圧制御発振回路の他の例を
示すブロック図

【図１３】図１０と同様の電圧制御発振回路の他の例を
示すブロック図

【符号の説明】

１：基準パルス発振器 ２：位相比較器 ３：ループフィルタ ４：電圧制御発振器 ５：分周移相回路 ６ａ、６ｂ：電力増幅器 ７：スイッチ ８：超音波モータ ９：ロ−タリエンコーダ ５１：弾性体 ５２：圧電体 ８２ａ〜８２ｄ：電極 ８３：振動体 ８４：スライダ ８５：ロータ ８６：回転子

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【手続補正書】

【提出日】平成８年７月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような超音波モー
タは、図３に示すような駆動周波数−駆動速度特性を有
しており、駆動周波数が共振周波数ｆ_Mとなるときに最
大の回転速度を得ることができる。そのため、通常は、
この共振周波数付近で周波数を制御することにより、モ
ータの駆動速度を制御していた。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】ところで、共振周波数には複数のモードが
存在し、例えば、図３においてｆ_Hより高い周波数域に
も存在している。そのため、回転を止めたり回転速度を
下げるために駆動周波数を高くした際に、駆動周波数が
次の共振モードの領域まで達してしまい、再び回転数が
上昇する場合があった。そのため、正確な制御ができな
いという問題点があった。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】本発明の目的は、特定次数の共振モードで
常に回転速度が正確に制御されるようにした超音波モー
タを提供することにある。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】

【課題を解決するための手段】 （１） 本発明の１実施の形態を示す図１、図２、お
よび図３により本発明を説明すると、請求項１の発明
は、振動子８３と、この振動子８３との間で相対運動を
行う相対運動部材８６を備えた超音波モータの駆動装置
に適用され、超音波モータ８の駆動周波数に対応する駆
動信号を出力する発振回路１と；超音波モータ８に応じ
て駆動周波数の上限周波数と下限周波数とを設定し、こ
の駆動周波数を、下限周波数よりも高くなるように、か
つ、上限周波数よりも高くならないように制御する制御
回路４と；を具備することにより上記問題点を解決す
る。 （２） 請求項２の発明は、制御回路４が、超音波モ
ータ８の共振周波数ｆ_Mよりも高く、かつ、超音波モー
タ８の駆動速度が最低値となる駆動周波数よりも低い範
囲で制御するものである。 （３） 請求項３の発明は、振動子８３と、この振動
子８３との間で相対運動を行う相対運動部材８６を備え
た超音波モータの駆動装置に適用され、超音波モータ８
の駆動周波数に対応する駆動信号を出力する発振回路１
と；駆動周波数を、超音波モータ８に応じて設定される
上限周波数よりも高くならないように制御する制御回路
４とを具備することにより上記問題点を解決する。 （４） 請求項４の発明は、制御回路４が、駆動周波
数を、超音波モータ８の駆動速度が最低値となる駆動周
波数よりも低い範囲で制御するものである。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、超音波モータの駆動周
波数の上限周波数を設定したので、速度を低下させよう
として、駆動周波数を高周波数側に制御する際に、制御
意図に反して再び回転数が上昇することがなく、速度制
御を正確に行うことができる。また、下限周波数を設定
すれば、増速制御時に共振周波数を下回って不所望に回
転速度が低下するのが防止できる。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】 １：基準パルス発振器 ２：位相比較器 ３：ループフィルタ ４：電圧制御発振器 ５：分周移相回路 ６ａ、６ｂ：電力増幅器 ７：スイッチ ８：超音波モータ ９：ロータリエンコーダ ８１：弾性体 ８２：圧電体 ８２ａ〜８２ｄ：電極 ８３：振動子 ８４：スライダ ８５：ロータ ８６：回転子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体の励振により弾性体に進行性振動
   波を発生する固定子と、加圧手段により前記固定子に加
   圧接触され前記進行性振動波により駆動される移動子と
   から成る超音波モータの駆動装置において、 前記超音波モータの所定回転速度に応じて決定される周
   波数の基準パルスを発振する基準パルス発振手段と、 前記移動子の移動量に比例したパルスを出力するエンコ
   ーダと、 前記基準パルス発振手段が出力する基準パルスと前記エ
   ンコーダの出力パルスとの位相差に応じた信号を出力す
   る位相差信号発生手段と、 この位相差信号を積分して出力する積分手段と、 超音波モータに固有の上限周波数と下限周波数の範囲内
   で、前記積分手段の出力信号に応じた周波数のパルス信
   号を出力するパルス発生手段と、 このパルス信号に基づいて前記交番電圧信号を形成する
   交番電圧信号形成手段とを具備することを特徴とする超
   音波モータの駆動装置。
2. 【請求項２】 前記下限周波数は、超音波モータの最高
   駆動速度に対応する値であり、上限周波数は、超音波モ
   ータの最低駆動速度に対応するものであることを特徴と
   する請求項１に記載の超音波モータの駆動装置。