JPH08336289A - 超音波モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 システムの立ち上げ時に、マイコン１８がデ
ータＲＯＭ１８ａからＳｉｎ波データを読み出し、各Ｒ
ＡＭ１２，１３に書き込む。Ｅｘｏｒ回路５は、駆動電
流及び駆動電圧の位相差を検出し、この位相差に基づい
てＶＣＯ７を発信駆動する。読み出し制御回路１０は、
ＶＣＯ７からのパルスをカウントするカウンタ８からの
カウント値に応じてＲＡＭ１２に記憶されたＳｉｎ波デ
ータを読み出し、これを超音波モータ１のＡ相に供給す
る。また、読み出し制御回路１１は、上記パルスをカウ
ントするカウンタ９からのカウント値に応じてＲＡＭ１
３に記憶されたＳｉｎ波データを、上記ＲＡＭ１２から
読み出されるＳｉｎ波データに対して位相が９０度ずれ
たＣｏｓ波データとして読み出し、これを超音波モータ
１のＢ相に供給する。 【効果】 ＰＬＬ構成の位相比較回路により、超音波モ
ータ１を完全に定トルク駆動することができる。

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系
に設けて好適な超音波モータの駆動装置に関し、特に、
超音波モータに供給するための正弦波信号を出力する正
弦波信号出力手段を設け、該超音波モータの駆動電圧及
び駆動電流の位相差に応じて上記正弦波信号出力手段を
制御することで、ノイズ等に影響されることのない駆動
信号を超音波モータに供給して完全なる定トルク駆動等
を図った超音波モータの駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日において、カメラ装置やビデオカメ
ラ装置等には、いわゆる自動焦点機構（オートフォーカ
ス機構）が設けられている。この自動焦点機構は、設け
られるカメラ装置によって異なるのであるが、一般的に
は、カメラ装置のマウント部を介してレンズを駆動する
方式や、レンズ内に納めてレンズを駆動する方式が知ら
れている。上記カメラ装置のマウント部を介してレンズ
を駆動する方式は、位置決め時間を短縮するために、コ
アレスモータが使用され、簡単なロータリーエンコーダ
によって速度制御とレンズの位置決めを行うようになっ
ている。また、自動焦点機構をカメラ装置のレンズ内に
納めてレンズを駆動する方式は、駆動モータとしてステ
ッピングモータが使用され、減速機構によって速度制御
とレンズの位置決めを行うようになっている。今日にお
いては、カメラ装置やビデオカメラ装置の小型化が進め
られており、この場合には、上記両方式のうち、レンズ
内に自動焦点機構を納めてレンズ駆動する方式が多く用
いられる。

【０００３】しかし、レンズ内に自動焦点機構を納めて
レンズ駆動する方式は、ステッピングモータを使用し、
減速機構によって速度制御とレンズの位置決めを行うよ
うにしていたため、当該機構自体が大型化し上記カメラ
装置等の小型化に支障をきたすうえ、減速機構の歯部の
噛み合いで生ずる騒音が耳障りであるという問題があっ
た。

【０００４】このため、最近では、上記レンズ内に自動
焦点機構を納めてレンズ駆動する方式においては、いわ
ゆる超音波モータが多く使用されている。この超音波モ
ータは、人間の聴覚では認識することができない２０Ｋ
Ｈｚ以上の超音波で駆動するのものであり、その駆動方
式としては、パルス状の駆動電圧を供給して駆動するパ
ルス駆動方式と、正弦波状の駆動電圧を供給して駆動す
る正弦波駆動方式とが知られている。回路構成は、上記
パルス駆動方式のほうが簡単であり、現在ではパルス駆
動方式が多く用いられている。

【０００５】具体的には、超音波モータは圧電セラミク
スで形成される偶数個の振動源を一定間隔で配置すると
ともに、この振動源を一つ置きに２つのグループ（例え
ば、Ａ相及びＢ相）に分け、Ａ相にはＣsinωｔ（Ｃは
振動の振幅，ωは振動数周波数の２π倍にあたる角周波
数）の駆動パルスを供給し、Ｂ相にはＣsinωｔの駆動
パルスに対して位相が９０度ずれたＣcosωｔの駆動パ
ルスを供給する。これにより、圧電セラミクスが振動し
て該圧電セラミクス上の金属リングの表面に波動が生
じ、ロータを所定方向に回転駆動することができる。な
お、逆回転させるには、Ａ相或いはＢ相に供給する駆動
パルスの位相を反転させることにより簡単に行うことが
できる。また、回転速度の制御は、上記振動の振幅Ｃを
制御することにより簡単に行うことができる。

【０００６】このような超音波モータは、低騒音，高ト
ルクであるため、上記減速機構を不要としてカメラ装置
等の小型化を図ることができるうえ、上記減速機構の歯
部の噛み合いで生ずる騒音の無い静かな撮像を可能とす
ることができる。また、リング状のステータとロータと
が重なりあって回転するため、当該超音波モータをビデ
オカメラ装置に設けた場合は、その中空部分を介して撮
像光を後段の受光部に照射することができる。このた
め、その中空部分を他の目的に利用することができる意
味において、超音波モータの設置面積を略々省略するこ
とができ、ビデオカメラ装置等の小型化を可能とするこ
とができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ここで、このような超
音波モータを定トルクで駆動する場合、上記駆動パルス
（電圧）の位相と、駆動電流の位相を同相とする必要が
ある。このため、上記駆動パルス及び駆動電流をそれぞ
れ検出し、位相比較回路により両者の位相が同相となる
ように調整するのが理想である。

【０００８】しかし、超音波モータのような圧電モータ
は多くの共振周波数を有するため、超音波モータの共振
周波数と上記駆動パルスの周波数とが一致してしまう
と、上記電流波形が複雑に変化し、電流検出が困難とな
る問題があった。また、超音波モータは、上記Ａ相及び
Ｂ相が共通接地されていることから、電気的なクロスト
ークが発生するうえ、上記駆動パルスのパルスエッジの
かぶりが、上記検出する電流に重畳して現れる問題があ
った。従って、従来は、上記両者の位相差を零に制御す
ることはできず、正確な定トルク制御を行うことができ
ないのが現状であった。

【０００９】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
のであり、超音波モータの駆動電圧と駆動電流の位相差
を零となるように制御して定トルク駆動を可能とするこ
とができるような超音波モータの駆動装置の提供を目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波モー
タの駆動装置は、超音波モータに供給するための正弦波
信号を出力する正弦波信号出力手段と、超音波モータの
駆動電圧を検出する駆動電圧検出手段と、超音波モータ
の駆動電流を検出する駆動電流検出手段と、上記駆動電
圧検出手段及び駆動電流検出手段により検出された駆動
電圧及び駆動電流の位相差を検出する位相差検出手段と
を有する。また、上記位相差検出手段により検出された
位相差に応じて、上記超音波モータの第１相に第１の正
弦波信号が供給されるように、また、該第１の正弦波信
号に対して超音波モータを回転可能な分だけ位相がずれ
た第２の正弦波信号が超音波モータの第２相に供給され
るように上記正弦波信号出力手段を制御する制御手段を
有する。

【００１１】また、本発明に係る超音波モータの駆動装
置は、上記正弦波信号出力手段として正弦波信号を形成
するための正弦波情報が記憶される記憶手段を有する。
この場合、上記制御手段は、上記第１，第２の正弦波信
号が出力されるように、上記位相差検出手段により検出
された位相差に応じて上記記憶手段に記憶された正弦波
情報の読み出しタイミングを可変制御する。

【００１２】

【作用】本発明に係る超音波モータの駆動装置は、正弦
波信号出力手段から出力される正弦波信号により超音波
モータを回転駆動する。駆動電圧検出手段は、超音波モ
ータの駆動電圧を検出し、これを位相差検出手段に供給
する。また、駆動電流検出手段は、超音波モータの駆動
電流を検出し、これを上記位相差検出手段に供給する。
位相差検出手段は、上記駆動電圧検出手段及び駆動電流
検出手段により検出された駆動電圧及び駆動電流の位相
差を検出し、これを制御手段に供給する。制御手段は、
上記位相差検出手段により検出された位相差に応じて、
上記超音波モータの第１相に第１の正弦波信号が供給さ
れるように、また、該第１の正弦波信号に対して超音波
モータを回転可能な分、位相がずれた第２の正弦波信号
が超音波モータの第２相に供給されるように上記正弦波
信号出力手段を制御する。

【００１３】上記超音波モータを駆動するための第１，
第２の正弦波信号は、上記駆動電圧及び駆動電流の位相
差に応じて形成されるのであるが、他の手段の状態（ノ
イズの発生や駆動誤差等）に関わらず、上記正弦波信号
出力手段においてはじめて形成される信号である。この
ため、ノイズ等の重畳していない上記各正弦波信号によ
り超音波モータを回転駆動することができる。また、上
記駆動電圧及び駆動電流の位相を零とするように動作す
る位相比較回路を実現することができる。従って、超音
波モータの完全な定トルク駆動を可能とすることができ
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明に係る超音波モータの駆動装置
の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明に係る超音波モータの駆動装置は、図１に示すよ
うに超音波モータ１が有するＡ相，Ｂ相のうち、例えば
Ａ相の駆動電流を検出する電流センサ２と、該超音波モ
ータ１のＡ相の駆動電圧に所定のリミット処理を施すと
ともに所定の利得で増幅して出力するバッファリミッタ
３と、上記電流センサ２で検出された駆動電流に所定の
リミット処理を施すとともに所定の利得で増幅して出力
するバッファリミッタ４とを有している。

【００１５】また、上記バッファリミッタ３及びバッフ
ァリミッタ４からの各出力の排他的論理和（Ｅｘｏｒ）
を検出してＰＷＭ信号を出力するＥｘｏｒ回路５と、上
記ＰＷＭ信号に積分処理を施して出力する積分回路（ロ
ーパスフィルタ：ＬＰＦ）６と、上記積分回路６からの
積分出力に応じた周波数のパルスを発振する電圧可変型
発振器（ＶＣＯ）７とを有している。

【００１６】また、所定の正弦波の正弦波データが記憶
されたデータＲＯＭ１８ａを有しており、当該超音波モ
ータの駆動装置の立ち上げ時或いはリセット時にこのデ
ータＲＯＭ１８ａに記憶された正弦波データを読み出し
て出力するマイクロコンピュータ（マイコン）１８と、
上記マイコン１８からの正弦波データをいったん記憶す
る第１のＲＡＭ１２及び第２のＲＡＭ１３とを有してい
る。

【００１７】また、上記ＶＣＯ７から発振されたパルス
をそれぞれカウントする第１のカウンタ８，第２のカウ
ンタ９と、上記第１のカウンタ８からのカウント出力に
基づいて、正弦波データ（Ｓｉｎ波データ）を読み出す
ための読み出しアドレスデータを形成して上記第１のＲ
ＡＭ１２に供給する第１の読み出し制御回路１０と、上
記第２のカウンタ９からのカウント出力に基づいて、上
記Ｓｉｎ波データに対して位相が９０度ずれた余弦波デ
ータ（Ｃｏｓ波データ）を読み出すための読み出しアド
レスデータを形成して上記第２のＲＡＭ１３に供給する
第２の読み出し制御回路１１とを有している。

【００１８】また、上記第１のＲＡＭ１２からのＳｉｎ
波データをアナログ化して出力する第１のＤ／Ａ変換器
１４と、上記第２のＲＡＭ１３からのＣｏｓ波データを
アナログ化して出力する第２のＤ／Ａ変換器１５と、上
記第１のＤ／Ａ変換器１４によりアナログ化されたＳｉ
ｎ波信号を所定の利得で増幅して上記超音波モータ１に
供給する第１の増幅回路１６と、上記第２のＤ／Ａ変換
器１５によりアナログ化されたＣｏｓ波信号を所定の利
得で増幅して上記超音波モータ１に供給する第２の増幅
回路１７とを有している。

【００１９】次に、このような構成を有する本実施例に
係る超音波モータの駆動装置の動作説明をする。まず、
上述のように上記マイコン１８のデータＲＯＭ１８ａに
は、Ｓｉｎ波データが記憶されており、マイコン１８
は、当該超音波モータの駆動装置の立ち上げ時或いはリ
セット時となると、このデータＲＯＭ１８ａからＳｉｎ
波データを読み出し、これを第１のＲＡＭ１２及び第２
のＲＡＭ１３に供給する。上記各ＲＡＭ１２，１３は、
上記Ｓｉｎ波データが供給されると、これをいったん記
憶する。第１の読み出し制御回路１０は、上記第１のＲ
ＡＭ１２にＳｉｎ波データが記憶されると、これを読み
出して第１のＤ／Ａ変換器１４に供給する。また、第２
の読み出し制御回路１１は、上記第２のＲＡＭ１３にＳ
ｉｎ波データが記憶されると、上記第１のＲＡＭ１２か
ら読み出されるＳｉｎ波データに対して位相が９０度ず
れたＣｏｓ波データとなるように読み出しアドレスを制
御して第２のＲＡＭ１３を読み出し制御し、このＣｏｓ
波データをこれを読み出して第２のＤ／Ａ変換器１５に
供給する。

【００２０】第１のＤ／Ａ変換器１４は、デジタルデー
タとして供給される上記Ｓｉｎ波データをアナログ化す
ることによりＳｉｎ波信号を形成し、これを第１の増幅
回路１６を介して超音波モータ１のＡ相に供給する。ま
た、第２のＤ／Ａ変換器１５は、デジタルデータとして
供給される上記Ｃｏｓ波データをアナログ化することに
よりＣｏｓ波信号を形成し、これを第２の増幅回路１７
を介して超音波モータ１のＢ相に供給する。これによ
り、超音波モータ１が回転駆動される。

【００２１】次に、このように超音波モータ１に供給さ
れた駆動電圧のうち、Ａ相の駆動電圧は、第１のバッフ
ァリミッタ３に供給される。第１のバッファリミッタ３
は、上記駆動電圧に所定のリミット処理を施すととも
に、これを所定の利得で増幅することにより、現在のＡ
相の駆動電圧を示す駆動電圧パルスを形成し、これをＥ
ｘｏｒ回路５に供給する。また、上記電流センサ２は、
超音波モータ１のＡ相の現在の駆動電流を検出し、これ
を第２のバッファリミッタ４に供給する。バッファリミ
ッタ４は、上記駆動電流の検出信号に所定のリミット処
理を施すとともに、これを所定の利得で増幅することに
より、現在の駆動電流を示す駆動電流パルスを形成し、
これをＥｘｏｒ回路５に供給する。

【００２２】Ｅｘｏｒ回路５は、上記第１のバッファリ
ミッタ３からの駆動電圧パルスと、上記第２のバッファ
リミッタ４からの駆動電流パルスとの排他的論理和を検
出することにより、現在の駆動電圧と駆動電流との位相
差を示すパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を形成し、こ
れを積分回路６に供給する。積分回路６は、上記ＰＷＭ
信号に所定の積分処理を施し、この積分信号をＶＣＯ７
に供給する。これにより、上記ＶＣＯ７において、上記
現在の駆動電圧と駆動電流の位相差に応じた周波数のパ
ルスが形成されることとなる。このＶＣＯ７からの上記
両者の位相差を示すパルスは、上記第１，第２のカウン
タ８，９にそれぞれ供給される。上記各カウンタ８，９
は、上記ＶＣＯ７から供給されるパルスのパルス数をカ
ウント（例えば、カウントダウン）し、このカウント値
を上記各読み出し制御回路１０，１１に供給する。

【００２３】上記第１の読み出し制御回路１０は、シリ
アルデータとして供給される上記カウント値をパラレル
データに変換し、これを読み出しアドレスとして第１の
ＲＡＭ１２に供給する。これにより、上記第１のＲＡＭ
１２に記憶されたＳｉｎ波データが読み出され、上記第
１のＤ／Ａ変換器１４及び増幅回路１６を介して超音波
モータ１に供給される。

【００２４】また、上記第２の読み出し制御回路１１
は、同様にシリアルデータとして供給される上記カウン
ト値をパラレルデータに変換し、これを読み出しアドレ
スとして第２のＲＡＭ１３に供給する。この際、第２の
読み出し制御回路１１は、上記第２のＲＡＭ１３から読
み出されるデータが、上記第１のＲＡＭ１２から読み出
されるＳｉｎ波データに対して位相が９０度ずれたもの
となるように上記読み出しアドレスを形成して第２のＲ
ＡＭ１３に供給する。これにより、上記Ｓｉｎ波データ
に対して位相が９０度ずれたＣｏｓ波データを、上記第
２のＲＡＭ１３から読み出すことができる。このＣｏｓ
波データは、上記第２のＤ／Ａ変換器１５及び増幅回路
１７を介して超音波モータ１に供給される。この２つの
Ｓｉｎ波データ及びＣｏｓ波データが供給されることに
より、上記超音波モータ１が回転駆動され、上述のよう
に現在の駆動電圧及び駆動電流が、それぞれ第１，第２
のバッファリミッタ３，４に帰還され、以後、上述のデ
ータ処理が繰り返される。

【００２５】このように、本実施例に係る超音波モータ
の駆動装置は、超音波モータ１の駆動電圧及び駆動電流
の位相差を零とするように動作するフェーズ・ロックド
・ループ構成（ＰＬＬ構成）となっている。実際には、
上記超音波モータ１の圧電セラミクスと並列にコイルが
挿入され、いわゆるタンク回路が構成されており、この
タンク回路により、圧電セラミクスが有する静電容量が
上記コイルと共振してキャンセルされるようになってい
る。そして、この圧電セラミクスの静電容量をキャンセ
ルした状態で駆動電圧と駆動電流の位相差が零となる点
が、超音波モータの動作点の中心値であり、上記ＰＬＬ
は、この点でロックするようになっている。

【００２６】上述のように、本実施例に係る超音波モー
タの駆動装置は、上記第１，第２のＲＡＭ１２，１３に
記憶されたＳｉｎ波データ及びＣｏｓ波データを読み出
して超音波モータ１に供給するようにしている。このた
め、ノイズに影響されない略々完全なＳｉｎ波データ及
びＣｏｓ波データで超音波モータ１を回転駆動すること
ができる。従って、超音波モータ１に供給する駆動電圧
及び駆動電流の位相差が零となるように制御するＰＬＬ
構成の位相比較回路を採用することができ、上記超音波
モータ１を完全なる定トルクで駆動することができる。
また、超音波モータの応答特性は極めて良く、１ｍｓｅ
ｃ程度で立ち上がるため、極めて応答特性の良いトルク
制御を可能とすることができる。さらに、ノイズに影響
されない略々完全なＳｉｎ波データ及びＣｏｓ波データ
で超音波モータ１を回転駆動することができるため、Ｐ
ＬＬのゲインを十分高く設定することができ、極めて安
定した位相サーボ制御を可能とすることができる。従っ
て、超音波モータを、極めて正確な回転制御，トルク制
御等を必要とするサーボ用のモータとして用いることを
可能とすることができる。

【００２７】なお、通常、超音波モータの機械的な共振
値（Ｑｍ：500〜1000）が極めて高いため、不要な共振
点が上記ロック点近傍になければ上述のサーボ制御が不
安定となることはない。また、上記ＰＬＬの初期周波数
は、共振周波数よりも多少高めに設定することが好まし
い。このようにすることにより、モータの回転等による
発熱によりＰＬＬの初期周波数が多少下がるため、モー
タの回転中において安定したサーボ制御を可能とするこ
とができる。

【００２８】本発明に係る超音波モータの駆動装置をデ
ジタルＰＬＬの構成を例にとって説明したが、これはア
ナログＰＬＬの構成としてもよい。この場合、上記ＶＣ
Ｏ７から出力されるパルスを第１のカウンタ及びシフト
レジスタに供給し、該シフトレジスタにより、上記第１
のカウンタに直接供給したパルスに対して位相を９０度
ずらしたパルスを形成して第２のカウンタに供給し、こ
の第１，第２のカウンタで適当に分周したパルスをバン
ドパスフィルタを介して上記超音波モータ１のＡ相，Ｂ
相に供給する構成とすればよい。

【００２９】最後に、上述の実施例の説明では、超音波
モータ１の駆動電圧及び駆動電流のをＡ相から検出する
こととしたが、これは、Ｂ相から検出するようにしても
よい。また、上記読み出し制御回路１１は、ＲＡＭ１２
から読み出されＳｉｎ波データに対して位相が９０度ず
れたＣｏｓ波データをＲＡＭ１３から読み出すこととし
たが、このＲＡＭ１３から読み出されるデータの位相の
ずれは、９０度でなくとも、上記超音波モータ１を回転
可能な分だけ位相がずれていればよい。さらに、本発明
に係る超音波モータの駆動装置は、いわゆる進行波型の
超音波モータ或いは定在波型の超音波モータ等、超音波
モータであれば駆動方式は問わず何にでも適用可能であ
り、その他、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲
であれば種々の変更が可能であることは勿論である。

【００３０】

【発明の効果】本発明に係る超音波モータの駆動装置
は、駆動電圧及び駆動電流の位相差が零となるように動
作する位相比較回路を実現することができ、完全な定ト
ルク駆動を可能とすることができる。また、超音波モー
タの駆動方式には関係なく動作することができるため、
例えば進行波型，定在波型等、すべての超音波モータに
対応可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る超音波モータの駆動装置
のブロック図である。

【符号の説明】

１ 超音波モータ ２ 電流センサ ３，４ 第１，第２のバッファリミッタ ５ 排他的論理和回路（Ｅｘｏｒ回路） ６ 積分回路（ＬＰＦ） ７ 電圧可変型発振器（ＶＣＯ） ８，９ 第１，第２のカウンタ １０，１１ 第１，第２の読み出し制御回路 １２，１３ 第１，第２のＲＡＭ １４，１５ 第１，第２のＤ／Ａ変換器 １６，１７ 第１，第２の増幅回路 １８ マイクロコンピュータ（マイコン） １８ａ マイコンのデータＲＯＭ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波モータに供給するための正弦波信
   号を出力する正弦波信号出力手段と、 超音波モータの駆動電圧を検出する駆動電圧検出手段
   と、 超音波モータの駆動電流を検出する駆動電流検出手段
   と、 上記駆動電圧検出手段及び駆動電流検出手段により検出
   された駆動電圧及び駆動電流の位相差を検出する位相差
   検出手段と、 上記位相差検出手段により検出された位相差に応じて、
   上記超音波モータの第１相に第１の正弦波信号が供給さ
   れるように、また、該第１の正弦波信号に対して超音波
   モータを回転可能な分だけ位相がずれた第２の正弦波信
   号が超音波モータの第２相に供給されるように上記正弦
   波信号出力手段を制御する制御手段とを有する超音波モ
   ータの駆動装置。
2. 【請求項２】 上記正弦波信号出力手段は、正弦波信号
   を形成するための正弦波情報が記憶される記憶手段であ
   り、 上記制御手段は、上記第１，第２の正弦波信号が出力さ
   れるように、上記位相差検出手段により検出された位相
   差に応じて上記記憶手段に記憶された正弦波情報の読み
   出しタイミングを可変制御することを特徴とする請求項
   １記載の超音波モータの駆動装置。