JPH09117167A - 位相差検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動波駆動装置において、駆動用周波信号と
モニター用周波信号との位相差を検出するためにタイマ
カウンタを用いると、構成が複雑になる。 【解決手段】 ２つの周波信号φＡ，φＳの位相差に応
じたパルス幅を有する検出用パルスＤを作る検出パルス
成形手段８，９，１０と、検出用パルスのデューティ比
に応じた電圧を位相差に対応する信号として出力する電
圧出力手段１１，１２とから位相差検出装置を構成す
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、２つの周波信号の
位相差を検出するために用いられる位相差検出装置に関
し、特に、いわゆる振動波駆動装置の制御に適した位相
差検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】複数の圧電素子に位相の異なる発振周波
信号を印加することにより振動体に進行性振動波を発生
させ、この振動体とこれに接触する接触子とを相対運動
させるようにした振動波駆動装置は、近年カメラのレン
ズ駆動やプリンタの給紙機構等に応用されている。

【０００３】このような振動波駆動装置の速度制御方式
としては、周波数制御方式が代表的である。この周波数
制御方式は、ある周期で駆動装置の運動速度を検出し、
検出した速度と所望の回転速度との差に応じて、圧電素
子に印加する発振周波信号の周波数を制御するものであ
る。

【０００４】ここで、図４には駆動装置における印加周
波数と運動速度との関係を示しており、この図から分か
るように、周波数が共振点よりも高い領域では、周波数
が低くなるに従って速度が増加する。このため、駆動装
置の起動時には、周波数を高周波数から徐々に低下させ
る。そして、起動後は、できるだけ実際の速度を所望の
速度に一致させるため、実際の速度が所望速度よりも速
いときは周波数を高くし、実際の速度が所望速度よりも
遅いときは周波数を低くするという制御を行っている。

【０００５】ところで、図４から分かるように、速度は
共振周波数にて最大となり、周波数を共振点より低くす
ると速度が急激に低下する。このため、この周波数制御
方式による速度の急激な低下が起きないように、位相制
御による周波数の制御を併せて行う場合がある。

【０００６】位相制御は、圧電素子に印加する駆動用周
波信号と振動体の振動に応じて電歪素子から出力される
モニター周波信号との位相差を検出し、この位相差情報
に基づいて周波数を制御するものである。

【０００７】ここで、図５には駆動装置における周波数
と速度および位相差との関係で示している。この図から
分かるように、周波数を高い方から徐々に低くして速度
を徐々に上昇させていくと、位相差は徐々に大きくな
る。但し、周波数が共振点となっても位相差は拡大過程
にあり、周波数が共振点よりもある程度低くなったとき
に位相差が最大となる。このため、位相差を検出して、
検出位相差が共振点での位相差に近付いたときに周波数
を高い方に戻すようにすれば、駆動装置の速度の急激な
低下を確実に防止することができる。

【０００８】したがって、上記位相差を検出する装置が
必要となるのであるが、従来は、図６に示すように位相
差検出装置が構成されている。この図において、１０１
は駆動回路であり、この駆動回路１０１によって作られ
た駆動用周波信号（φＡ，φＢ：一般的には互いに９０
度位相が異なる２つの交流信号からなる）がそれぞれ、
駆動装置１０２の振動体１０２ｂに取り付けられた複数
の圧電素子（図示せず）に印加される。これにより、各
圧電素子には振動が発生し、これら振動が合成されて振
動体１０２ｂに進行性振動波が形成される。

【０００９】駆動用周波信号φＡは、分圧抵抗１０３，
１０４を介してコンパレータ１０８の非反転入力端子に
入力される。また、振動体１０２には、振動体１０２の
振動に応じたモニター用周波信号φＳを出力する電歪素
子（図示せず）が取り付けられており、このモニター用
周波信号φＳは分圧コンデンサ１０５を介してコンパレ
ータ１０９の非反転入力端子に入力される。コンパレー
タ１０８，１０９の反転端子には、分圧抵抗１０６，１
０７を介して電源電圧が入力される。これにより、コン
パレータ１０８，１０９は、駆動用周波信号φＡおよび
モニター用周波信号φＳをパルス信号化する。１１０，
１１１はプルアップ抵抗である。

【００１０】さらに、１１２はタイマカウンタであり、
コンパレータ１０８の出力信号の立ち上がりエッジから
コンパレータ１０９の立ち上がりエッジまでの時間を基
準クロック発生回路１１３が出力する基準クロックを用
いてカウントすることによって測定する。このカウント
された時間が、駆動用周波信号φＡとモニター用周波信
号φＳとの間の位相差を表す。したがって、このカウン
ト値（デジタル信号）をマイクロコンピュータ１１４に
取り込み、コンピュータ１１４内で振動波駆動装置の周
波数が共振点からどのくらいずれているかを判断するこ
とができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来例では、駆動用周波信号φＡとモニター用周波信号
φＳとの位相差を検出するためにタイマカウンタ１１２
を用いており、しかもこれに付随して基準クロック発生
回路１１３を設けているため、構成が複雑であるという
問題がある。

【００１２】さらに、駆動装置の駆動周波数が変化した
場合、たとえ位相差が同じであっても、基準クロックの
周波数が一定であるためにタイマカウンタ１１２による
カウント値が変化してしまい、正確な位相差を検出する
ことができないという問題がある。なお、基準クロック
の周波数を駆動周波数に応じて変化させたり、コンピュ
ータ１１４内で駆動周波数に応じたカウント値の補正を
行ったりすることが考えられるが、いずれも構成・処理
が複雑化してしまうので好ましくない。

【００１３】そこで、本発明の第１の目的は、簡単な構
成で、かつ振動波駆動装置の駆動周波数が変化したとき
でも、正確な位相差を検出できるようにした位相差検出
装置を提供することにある。

【００１４】

【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、本願第１の発明では、２つの周波信号の位相差に
応じたパルス幅の検出用パルスを作る検出パルス成形手
段と、検出用パルスのデューティ比に応じた電圧を位相
差に対応する信号として出力する電圧出力手段とから位
相差検出装置を構成している。

【００１５】すなわち、検出用パルスをローパスフィル
タ等からなる電圧出力手段に入力し、検出用パルスのデ
ューティ比に応じた電圧すなわちアナログ信号を得て位
相差を検出させるようにすることにより、従来のように
検出用パルスのパルス幅を表すカウント値（デジタル信
号）を得る必要をなくし、構成を簡単にしている。しか
も、検出用パルスのデューテイ比を位相差に対応する信
号とすることにより、周波信号の周波数が変化しても常
に正確な位相差を検出できるようにしている。なお、上
記アナログ信号に基づく位相差の検出は、具体的には、
アナログ信号をＡ／Ｄ変換した上でコンピュータ等の検
出手段に入力し、この検出手段によって位相差を演算検
出するようにするのが望ましい。

【００１６】また、検出用パルスは、２つの入力パルス
信号（周波信号が正弦波信号であるときにはパルス化手
段によってパルス信号化されたもの）がともにオンであ
るときに信号を出力するアンド手段を用いて作るように
するのが望ましい。

【００１７】また、電圧出力手段は、コンデンサと抵抗
により最も簡単に構成されるローパスフィルタを用いる
のが望ましい。

【００１８】さらに、パルス成形手段から検出用パルス
が出力された後、電圧出力手段の出力電圧が立ち上がる
までは程度の時間を要する場合が多いため、この間の位
相差の検出を禁止する禁止手段を設けて、立ち上がり前
の出力電圧に基づく不正確な位相差検出を防止するのが
望ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図１は本発明の第１の実施形態である
位相検出装置の構成を示すブロック図である。同図にお
いて、１は振動波モータ２を駆動するための交流電圧
（周波信号）を生成する駆動回路で、一般的には互いに
位相が９０°異なる２つの周波電圧（φＡ，φＢ）を振
動波モータ２の２つの圧電体にそれぞれ印加する。

【００２０】２ａはロータ、２ｂはステータ、３，４は
振動波モータ２の駆動用周波電圧φＡを分圧する抵抗
で、この抵抗３，４により分圧された電圧はコンパレー
タ８の非反転入力端子に入力される。５は振動波モータ
２のセンサー用圧電体から得られるモニター用周波電圧
（以降φＳと呼ぶ）を分圧するコンデンサで、このコン
デンサ５により分圧された電圧は、コンパレータ９の非
反転入力端子に入力される。

【００２１】コンパレータ８，９の反転端子には電源電
圧を抵抗６，７で分圧した電圧が入力される。これによ
りコンパレータ８，９は駆動用周波電圧φＡ及びモニタ
ー用周波電圧φＳをそれぞれデジタル信号に変換した信
号φＡ′，φＳ′を出力する。なお、本実施形態では、
コンパレータ８，９のプロセスをバイポーラとし、出力
端子をオープンコレクタとしている。

【００２２】１０はプルアップ抵抗であり、コンパレー
タ８，９の出力に短絡させているので、論理回路的には
コンパレータ８，９の出力のアンド（信号Ｄ）をとって
いることになる。１１は抵抗、１２はコンデンサであ
り、両者でローパスフィルタを構成している。ローパス
フィルタを通った信号はＡ／Ｄコンバータ１３に入力さ
れて複数ビットのデジタル信号に変換され、マイクロコ
ンピュータ１４に入力される。

【００２３】次に、振動波モータ２について図２を用い
て説明する。図２は振動波モータ２を構成する振動体で
あるステータ２ｂの裏面上に配される圧電素子および電
歪素子の配設状態を示す説明図である。

【００２４】図２中のＡ１及びＢ１はそれぞれ、図示の
位相及び分極関係（＋、−）に、ステータ２ｂ上に配さ
れる第１と第２の電歪素子群である。また、Ｓ１は第１
の電歪素子群Ｂ１に対して４５°位相がずれた位置に配
されるセンサー用圧電素子である。これらの各電歪素子
および圧電素子は、それぞれ単独のものを振動体に取り
付けても良いし、また、一体的に分極処理にて形成して
も良い。

【００２５】再び図１を用いて本実施形態の動作につい
て説明する。駆動回路１は振動波モータ２を駆動するの
に最適な周波数であって位相が互いに９０°異なる駆動
用周波電圧（φＡ・φＢ）を発生し、振動波モータ２の
２つの電歪素子群Ａ１，Ｂ１に印加する。これにより、
振動波モータ２のステータ２ｂには進行性振動波が形成
され、このステータ２ｂに加圧接触するロータ２ａが回
転する。

【００２６】また、振動波モータ２のセンサー用圧電素
子には、振動状態を示すモニター用周波信号（φＳ）が
生成される。このため、駆動用周波電圧φＡとモニター
用周波電圧φＳの位相差を検出することによって、振動
波モータ２が共振状態にあるか否かを検出することがで
きる。ここで、駆動用周波電圧φＡとモニター用周波電
圧φＳとは一般的に数十Ｖ以上の電圧値を持つサイン波
であるため、位相差を検出してマイクロコンピュータに
取り込むためには、以下で説明する波形整形を行なう必
要がある。

【００２７】まず、駆動用周波電圧φＡを抵抗３及び４
で分圧し、コンパレータ８に入力できる電圧値に減衰さ
せる。一方、モニター用周波電圧φＳをコンデンサ５で
分圧し、コンパレータ９に入力できる電圧値に減衰させ
る。コンパレータ８，９では、駆動用周波電圧φＡとモ
ニター用周波電圧φＳをそれぞれ減衰させたサイン波信
号を、電源電圧を抵抗６，７で分圧した所定電圧と比較
することによって、デジタル信号φＡ′，φＳ′に変換
している。

【００２８】そして、コンパレータ８，９からの出力に
ついてアンドをとることにより、両者がともに立ち上が
っている間だけハイレベルとなるパルス信号（検出用パ
ルス）Ｄが生成される。ここで駆動用周波電圧φＡとモ
ニター用周波電圧φＳの位相差が小さいほどハイレベル
となる期間（パルス巾）が長くなり、デューティ比（ハ
イレベル／ローレベル比率）が高くなる。すなわち、こ
の検出用パルス信号Ｄのデューティ比は駆動用周波電圧
φＡとモニター用周波電圧φＳの位相差を表すことにな
る。そして、この信号は抵抗１１及びコンデンサ１２で
構成されるローパスフィルタによってアナログ電圧に変
換される。

【００２９】このアナログ電圧は、入力信号のデューテ
ィ比が高いほど高くなる。こうしてローパスフィルタか
ら出力されたアナログ電圧はＡ／Ｄコンバータ１３に入
力され、複数ビットのデジタル値に変換され、マイクロ
コンピュータ１４に入力される。

【００３０】以上の動作により、マイクロコンピュータ
１４に入力される複数ビットのデジタル値は駆動用周波
電圧φＡとモニター用周波電圧φＳの位相差を表し、マ
イクロコンピュータ１４は、内蔵されるプログラムに従
って位相差に基づく振動波モータ２の駆動周波数の制御
を行う。

【００３１】以上のような構成をとることで、振動波モ
ータ２の駆動周波数の共振状態からのずれを簡単な構成
で検出することが可能になる。さらに、本実施形態では
ローパスフィルタに入力される検出用パルスのデューテ
ィ比が駆動用周波電圧φＡとモニター用周波電圧φＳの
位相差を表すので、振動波モータ２の駆動周波数が変動
してもこれに影響を受けずに正確な位相差を検出するこ
とができる。

【００３２】なお、本実施例では振動波モータ２に印加
する駆動用周波電圧φＡ、φＢの位相を互いに９０°ず
らしているが、本発明は、位相差が９０°以外であって
も適用できるものである。

【００３３】また、本実施形態では、振動波モータの形
状をリング状で記述しているが、本発明では、その他の
形状であっても適用できるものである。

【００３４】また、本実施形態では、コンパレータ８，
９のプロセスをバイポーラで記述しているが、本発明
は、プロセスがＣＭＯＳでもよく、出力端子がオープン
ドレインであっても適用できるものである。

【００３５】また、本実施形態では、抵抗３，４，６，
７，１０，コンデンサ５，およびコンパレータ８，９で
波形整形を行っているが、本発明は、振動波モータ２の
駆動用周波電圧φＡとセンサー用圧電体から得られるモ
ニター用周波電圧φＳの位相差を表すパルス信号に変換
できるものならばどのような形態であっても適用できる
ものである。

【００３６】また、本実施例では振動波モータ２の駆動
用周波電圧φＡとセンサー用圧電体から得られるモニタ
ー用周波電圧φＳの位相差を表すデューティ比をアナロ
グ電圧に変換するために抵抗１１及びコンデンサ１２か
らなるローパスフィルタを用いているが、本発明には、
オペアンプを用いたアクティブフィルタを使用するなど
アナログ電圧に変換できるものならばどのような形態の
ものであっても適用できるものである。

【００３７】また、本実施形態ではＡ／Ｄコンバータ１
３の出力するデジタル信号をマイクロコンピュータ１４
に入力しているが、本発明はＡ／Ｄコンバータ内蔵のマ
イクロコンピュータであっても適用できるものである。

【００３８】（第２実施形態）図３は本発明の第２の実
施形態である位相差検出装置の構成を表すブロック図で
あり、同図において第１実施形態と同じ構成要素につい
ては同符号を付して説明に代える。

【００３９】本実施形態は、基本的には第１実施形態と
同じ構成を有しているが、本実施形態においては、位相
検出禁止信号発生回路１５を追加している。抵抗１１お
よびコンデンサ１２からなるローパスフィルタは検出用
パルスが入力されてからアナログ電圧出力が立ち上がる
まで所定時間を要するため、アナログ電圧が立ち上がる
までの間は振動波モータ２の駆動用周波電圧φＡとセン
サー用圧電体から得られるモニター用周波電圧φＢの位
相差を正確に表すアナログ電圧が出力されず、これに基
づいて位相差の検出が行われると不正確な検出値が得ら
れるおそれがある。

【００４０】そこで、位相検出禁止信号発生回路１５に
よりローパスフィルタの出力を監視し、ローパスフィル
タのアナログ電圧が立ち上がるまでの間は位相検出を禁
止することを表す信号を発生させるようにしている。そ
して、この位相検出禁止信号をマイクロコンピュータ１
４に送信することにより、マイクロコンピュータ１４に
内蔵されるプログラムでは位相検出を行わず、不適切な
周波数で振動波モータ２を制御してしまうことを防ぐよ
うにしている。

【００４１】以上のような構成では、ローパスフィルタ
の立ち上がり特性を考慮して位相検出を行うので、常に
正確な位相検出を行うことが可能になる。

【００４２】なお、本実施例では位相検出禁止信号発生
回路１５でローパスフィルタの出力信号を監視し、位相
検出禁止信号をマイクロコンピュータ１４に出力してい
るが、本発明はマイクロコンピュータ１４の内部でロー
パスフィルタの出力を監視して位相検出を禁止するよう
に構成しても適用できるものである。

【００４３】なお、上記各実施形態では、振動波モータ
を駆動する周波信号φＡが正弦波信号である場合につい
て説明したが、駆動用周波信号φＡはパルス信号であっ
てもよく、この場合にはコンパレータ８を用いなくても
本発明の位相検出装置を構成することができる。

【００４４】また、上記各実施形態では、位相差検出装
置を振動波モータの制御に用いた場合について説明した
が、本発明の位相差検出装置はこれに限られず、各種振
動装置や２つの周波信号の位相差を検出する必要のある
装置の全てに適用することができる。

【００４５】また、本発明は、以上の実施形態および変
形例、またはそれら技術要素を必要に応じて組み合わせ
て用いてもよい。

【００４６】（実施形態と請求の範囲との関係）以上説
明した実施形態において、抵抗３，４，６，７およびコ
ンパレータ８からなる回路とコンデンサ５，抵抗６，７
およびコンパレータ９からなる回路が請求の範囲にいう
パルス化手段（検出パルス成形手段の一部）に、両コン
パレータ８，９の出力の短絡線および抵抗１０が請求の
範囲にいうアンド手段（検出パルス成形手段の一部）
に、検出用パルス信号Ｄが請求の範囲にいう検出用パル
スに、抵抗１１およびコンデンサ１２からなるローパス
フィルタが請求の範囲にいう電圧出力手段に、マイクロ
コンピュータ１４が請求の範囲にいう検出手段に、位相
検出禁止信号発生回路１５が請求の範囲にいう禁止手段
に、駆動用周波電圧φＡが請求の範囲にいう駆動信号
に、モニター用周波電圧φＳが請求の範囲にいうモニタ
ー用信号にそれぞれ相当する。

【００４７】なお、以上が本発明の各構成と実施形態の
各構成の対応関係であるが、本発明はこれら実施形態の
構成に限られるものではなく、請求項に示した機構また
は実施形態の構成が持つ機能が達成できる構成であれば
どのようなものであってもよい。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本願第１の発明で
は、２つの周波信号の位相差に応じたパルス幅の検出用
パルスをローパスフィルタ等に入力し、検出用パルスの
デューティ比に応じた電圧すなわちアナログ信号を得て
位相差を検出させるようにしている。このため、本発明
を用いれば、従来のように検出用パルスのパルス幅を表
すカウント値（デジタル信号）を得る必要をなくするこ
とができ、構成を簡単にすることができる。しかも、検
出用パルスのデューテイ比を位相差に対応する信号とし
て用いることにより、周波信号の周波数が変化しても常
に正確な位相差を検出することができる。

【００４９】なお、上記アナログ信号を得る手段とし
て、コンデンサと抵抗に構成されるローパスフィルタを
用いれば、最も簡単な構成を達成することができる。

【００５０】また、検出用パルスが出力された後、アナ
ログ電圧が立ち上がるまでの間、位相差の検出を禁止す
るようにすれば、立ち上がり前のアナログ電圧に基づく
不正確な位相差検出を防止することができる。

【００５１】そして、本位相差検出装置を用いて振動波
駆動装置を制御すれば、装置の構成を簡単にすることが
できるとともに、駆動周波数の変動の影響を受けずに安
定した制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の位相差検出装置のブロ
ック図である。

【図２】上記位相差検出装置が用いられる振動波モータ
の底面図である。

【図３】本発明の第２実施形態の位相差検出装置のブロ
ック図である。

【図４】上記振動波モータの駆動周波数と運動速度との
関係を示すグラフ図である。

【図５】上記振動波モータの駆動周波数と運動速度およ
び位相差との関係を示すグラフ図である。

【図６】従来の位相差検出装置のブロック図である。

【符号の説明】

２，１０２ 振動波モータ ８，９，１０８，１０９ コンパレータ １０，１１０，１１１ プルアップ抵抗 １１，１２ ローパスフィルタ Ａ１，Ｂ１ 電歪素子群 Ｓ１ モニター用圧電素子 φＡ，φＢ 駆動用周波電圧 φＳ モニター用周波電圧 Ｄ 検出用パルス

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの周波信号の位相差に応じたパルス
   幅を有する検出用パルスを作る検出パルス成形手段と、 前記検出用パルスのデューティ比に応じた電圧を前記位
   相差に対応する信号として出力する電圧出力手段とを有
   することを特徴とする位相差検出装置。
2. 【請求項２】 前記検出パルス成形手段は、２つのパル
   ス入力信号がともにオンであるときに前記検出用パルス
   を作るための信号を出力するアンド手段を有することを
   特徴とする請求項１に記載の位相差検出装置。
3. 【請求項３】 前記検出パルス成形手段は、前記周波信
   号が正弦波信号であるときにこの正弦波信号をパルス信
   号化して前記アンド手段に入力するパルス化手段を有す
   ることを特徴とする請求項２に記載の位相差検出装置。
4. 【請求項４】 前記電圧出力手段が、コンデンサと抵抗
   により構成されるローパスフィルタであることを特徴と
   する請求項１から３のいずれかに記載の位相差検出装
   置。
5. 【請求項５】 前記電圧出力手段の出力電圧をデジタル
   信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、 このＡ／Ｄ変換手段から出力されたデジタル信号に基づ
   いて前記位相差を検出する検出手段とを有することを特
   徴とする請求項１から４のいずれかに記載の位相差検出
   装置。
6. 【請求項６】 前記パルス成形手段が前記検出用パルス
   を出力した後、前記電圧出力手段の出力電圧が立ち上が
   るまでの間、前記位相差の検出を禁止する禁止手段を有
   することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載
   の位相差検出装置。
7. 【請求項７】 駆動用信号に応じて振動する振動体と、
   この振動体の振動に応じたモニター用信号を出力するモ
   ニター手段とを有する振動装置に用いられ、 前記２つの周波信号が、前記駆動用信号と前記モニター
   用信号であることを特徴とする請求項１から６のいずれ
   かに記載の位相差検出装置。