JPH10155288A - 超音波モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な回路構成で効率よく回転数を安定的に
駆動させることができる超音波モータの駆動装置を提供
する。 【解決手段】 超音波振動子の共振周波数に基づいた電
圧を出力するオフセット電圧と、共振周波数が検出され
たときに初期電圧設定器により設定された電圧をあらか
じめ設定された割合で減少させるスイープ電圧とを加算
し、該加算出力をもとにアンプに出力する周波信号の周
波数を変化させるものにおいて、回転数指令値と回転数
検出値との誤差から制御量を決定し、上記初期電圧設定
器に設定される電圧、あるいは上記スイープ電圧発生器
の電圧を減少させる割合のうち少なくとも一方を変化さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータ、更
に詳しくは超音波振動子と回転体とを有する超音波モー
タの駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動子に高周波の駆動電圧を印加
して超音波振動を励起させ、この振動でロータ等の被駆
動体を押圧駆動することにより、被駆動体を回転又は直
線移動させる様にした超音波モータが知られている。一
般的に超音波モータを駆動する時には、超音波振動子の
共振周波数で駆動することが行われるが、この共振周波
数は温度の変化や負荷の変動によって変化する。この共
振周波数の変化に対し、超音波振動子に載置されている
圧電素子に印加する高周波電圧を一定としていると、超
音波振動子は超音波振動を励起することができず、被駆
動体を効率よく駆動することができない。

【０００３】これに対し、従来、特開平６−７０５５８
号公報のような図１０に示す提案がなされている。これ
によれば、超音波モータ５１は、圧電体５１ａ及びこの
圧電体５１ａの励振によって進行性振動波を発生する不
図示の弾性体からなるステータと、このステータに加圧
接触され、進行性振動波によって回転駆動される不図示
のロータとから構成される。また、超音波モータ５１の
駆動制御装置は、駆動信号を発生して圧電体５１ａに設
けられた入力電極５１ｂ，５１ｃに印加する駆動回路５
２と、超音波モータ５１の共振周波数を検出する共振周
波数計測回路５３と、検出された共振周波数に基づいて
超音波モータ５１に印加する駆動信号の電圧及び周波数
を設定し、駆動回路５２へ制御信号を出力する制御回路
５４とを備える。駆動回路５２は制御回路５４の制御信
号に従って周波信号を発生する発振器とその周波信号の
位相を変える移相器と、発振器からの周波信号を移相器
を介して得られた異なる位相の周波信号とをそれぞれ増
幅して駆動信号を出力する増幅器とから構成され、駆動
信号を超音波モータ５１の入力電極５１ｂ，５１ｃに印
加する。

【０００４】共振周波数計測回路５３は、圧電セラミッ
ク振動子の振動状態を試験する低電圧測定回路として用
いられる回路であり、発振器とピークホールド回路とか
ら構成される。発振器の発振周波数をスキャンしながら
超音波モータ５１のいずれかの電極に印加し、他の電極
の出力電圧をピークホールド回路へ取り込んでその最大
値を検出し、最大の出力電圧が得られる周波数を共振周
波数として制御回路５４へ出力する。

【０００５】制御回路５４は、駆動周波数及び駆動電圧
に対する回転数及び駆動電流との関係を記憶する記憶回
路と、この記憶回路の記憶内容を参照して共振周波数計
測回路５３で検出された共振周波数に対応する駆動周波
数及び駆動電圧を演算する演算回路とを備え、駆動回路
５２へ上記駆動周波数と上記駆動電圧の制御信号を出力
する。

【０００６】超音波モータはその温度が変化すると共振
状態が変化し共振周波数が変化する。いま温度が上昇す
ると、共振周波数も高くなる。この結果超音波モータの
回転数が変動するので、設定回転数を維持するためには
温度変化に応じて駆動周波数、及び駆動電圧を変化させ
なければならない。そこで、予め超音波モータの温度を
変化させて試験を行い共振周波数と、駆動周波数及び駆
動電圧に対する回転数及び駆動電流のデータを求めてお
き、共振周波数計測回路５３で計測された共振周波数に
対応する特性曲線を参照して最適な駆動周波数及び駆動
電圧を決定するようにすれば温度変化による回転数変動
を補償することができ、予め設定した回転数で安定に駆
動できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】これによれば、超音波
モータの共振周波数を検出し、検出された共振周波数に
基づいて超音波モータに印加する駆動信号の周波数及び
駆動電圧を設定するようにしたので、超音波モータに温
度検出器を設けずに温度変化による回転数変動を抑制す
ることができ、予め設定した設定回転数で超音波モータ
を安定に駆動することができると言った効果がある。

【０００８】しかしながら、この様な従来の駆動装置で
は、温度変化のような比較的時定数の大きい共振周波数
の変動に対しては安定した回転数の制御を行うことがで
きるが、負荷が連続的、あるいは瞬間的に変動するよう
な場合においては回転数を確実に目的値に追従させるこ
とは不可能である。また、駆動電圧をコントロールする
ような場合、駆動段となるアンプは高周波領域まで増幅
できる高品位なアンプが必要であり、電流容量も必要な
ため必然的に回路が大きく複雑になるといった問題点が
ある。さらに、急激な負荷変動による共振周波数の変化
や、振動検出素子の波形の乱れや、外部ノイズ等の要因
から一般的に共振周波数を正確に検出することは難し
く、誤って共振周波数を検出することによって回転数が
不安定となってしまう問題点がある。

【０００９】本発明は上記問題点に鑑み、使用される環
境の変化、あるいは負荷の変動によるインピーダンスの
変化や、共振周波数の誤検出があっても、簡単な回路構
成で効率よく回転数を安定的に駆動させることができる
超音波モータの駆動装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決する為の手段】第１の発明は、回転体と、
該回転体を駆動する超音波振動子と、交番電圧の印加に
より上記超音波振動子に超音波振動を励振させる圧電素
子と、該圧電素子に高周波電力を供給するアンプとを具
備する超音波モータの駆動装置において、上記超音波振
動子の共振周波数を検出する共振周波数検出器と、上記
共振周波数検出器で検出された共振周波数に基づいた電
圧を出力するオフセット電圧発生器と、予め設定される
電圧値を保持する初期電圧設定器と、上記共振周波数検
出器で共振周波数が検出されたときに上記初期電圧設定
器に設定された電圧がセットされ、その電圧をあらかじ
め設定された割合で減少させていくスイープ電圧発生器
と、上記オフセット電圧発生器と上記スイープ電圧発生
器の出力を加算する加算器と、上記加算器からの出力を
もとに発振周波数を決定し上記アンプに周波信号を出力
する発振回路と、上記発振回路の出力を＋９０°あるい
は−９０°位相を変化させ上記アンプに周波信号を出力
する移相器と、回転数指令値と回転数検出値との誤差か
ら制御量を決定し、上記初期電圧設定器に設定される電
圧、あるいは上記スイープ電圧発生器の電圧を減少させ
る割合のうち少なくとも一方を変化させる制御器とを設
けたものである。

【００１１】第２の発明は、上記第１の発明において、
上記スイープ電圧発生器に設定される上記初期電圧設定
器が保持する電圧は、上記加算器により上記電圧を加算
したときに上記発振回路が発生する周波信号の周波数が
高くなるように設定され、かつ、上記周波数をスイープ
させる時間は上記回転体の時定数よりも小さくなるよう
に、電圧を減少する割合を設定したものである。

【００１２】第３の発明は、回転体と、回転体を駆動す
る超音波振動子と、交番電圧の印加により該超音波振動
子に超音波振動を励振させる圧電素子と、該圧電素子に
高周波電力を供給する半導体スイッチング素子及び昇圧
回路とを具備する超音波モータの駆動装置において、上
記超音波振動子の共振周波数を検出する共振周波数検出
器と、上記共振周波数検出器で検出された共振周波数に
基づいたデータを出力するセレクタと、上記共振周波数
検出器で共振周波数が検出されたときにあらかじめ設定
されたデータがリロードされ、その値をあらかじめ設定
された割合でカウントしていく周波数スイープ用カウン
タと、上記周波数スイープ用カウンタの出力する値を演
算して鋸歯状波パターンを生成する鋸歯状波パターン演
算器と、上記セレクタと上記鋸歯状波パターン演算器の
出力を加算する加算器と、上記加算器からの出力をもと
に駆動周波数を決定し周波信号を発生する駆動周波数発
生用カウンタと、上記駆動周波数発生用カウンタの発生
する周波信号を上記半導体スイッチング素子の駆動パタ
ーンに変換する駆動パターン発生器と、回転数指令値と
回転数検出値との誤差から制御量を決定し、上記鋸歯状
波パターン演算器の生成する鋸歯状波の振幅、あるいは
鋸歯状波の形状のうち少なくとも一方を変化させる制御
器とを設けたものである。

【００１３】第４の発明は、上記第３の発明において、
上記鋸歯状波パターン演算器で演算される初期データ
は、上記加算器により上記初期データが加算されたとき
に上記駆動周波数発生用カウンタが発生する周波信号の
周波数が高くなるように設定され、かつ、上記周波数を
スイープさせる時間は上記回転体の時定数よりも小さく
なるように、カウントする割合を設定したものである。

【００１４】

【作用】第１の発明においては、上記共振周波数検出器
は、上記超音波振動子の共振周波数を検出するよう働
く。上記オフセット電圧発生器は、上記共振周波数検出
器で検出された共振周波数に基づいた電圧を出力するよ
う働く。上記初期電圧設定器は、外部から設定可能で、
設定された電圧を保持するよう働く。上記スイープ電圧
発生器は、上記共振周波数検出器で共振周波数が検出さ
れたときに上記初期電圧設定器に設定されている電圧を
セットし、その電圧をあらかじめ設定された割合で減少
させるよう働く。上記加算器は、上記オフセット電圧発
生器と上記スイープ電圧発生器の出力を加算するよう働
く。上記発振回路は、上記加算器からの出力をもとに発
振周波数を決定し上記アンプを介して上記超音波振動子
に高周波電力を印加するよう働く。上記移相器は、上記
発振回路の出力を＋９０°あるいは−９０°位相を変化
させ上記アンプを介して上記超音波振動子に高周波電力
を印加するよう働く。上記制御器は、回転数指令値と回
転数検出値との誤差から制御量を決定し、上記初期電圧
設定器に設定される電圧、あるいは上記スイープ電圧発
生器の電圧を減少させる割合のうち少なくとも一方を変
化させるよう働く。

【００１５】第２の発明においては、上記スイープ電圧
発生器に設定される上記初期電圧設定器が保持する電圧
は、上記加算器により上記電圧を加算したときに上記発
振回路の発生する周波信号の周波数が高くなるように設
定されており、上記周波数をスイープさせる時間は、上
記回転体の時定数よりも小さくなるように、電圧を減少
する割合を設定されている。

【００１６】第３の発明においては、上記共振周波数検
出器は、上記超音波振動子の共振周波数を検出するよう
働く。上記セレクタは、上記共振周波数検出器で検出さ
れた共振周波数に基づいたデータを出力するよう働く。
上記周波数スイープ用カウンタは、上記共振周波数検出
器で共振周波数が検出されたときにあらかじめ設定され
たデータをリロードし、その値をあらかじめ設定された
割合でカウントするよう働く。上記鋸歯状波パターン演
算器は、上記周波数スイープ用カウンタの出力する値を
演算して、振幅、および形状を外部から変化させること
の出来る鋸歯状波パターンを生成するよう働く。上記加
算器は、上記セレクタと上記鋸歯状波パターン演算器の
出力を加算するよう働く。上記駆動周波数発生用カウン
タは、上記加算器からの出力をもとに駆動周波数を決定
するよう働く。上記駆動パターン発生器は、上記駆動周
波数発生用カウンタの発生する周波信号を上記半導体ス
イッチング素子の駆動パターンに変換するよう働く。上
記制御器は、回転数指令値と回転数検出値との誤差から
制御量を決定し、上記鋸歯状波パターン演算器の生成す
る鋸歯状波の振幅、あるいは形状のうち少なくとも一方
を変化させるよう働く。

【００１７】第４の発明においては、上記鋸歯状波パタ
ーン演算器で演算される初期データは、上記加算器によ
り上記初期データが加算されたときに上記駆動周波数発
生用カウンタの発生する周波信号の周波数が高くなるよ
うに設定されており、上記周波数をスイープさせる時間
は、上記回転体の時定数よりも小さくなるように、カウ
ントする割合を設定されている。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図を用いて本発明における
実施の形態について説明する。図１乃至図６は、本発明
における第１の実施形態の超音波モータ駆動装置を説明
する図である。図１は本第１実施形態における超音波モ
ータの駆動装置のブロック図、図２は本第１実施形態に
おける超音波振動子の概略図、図３は本第１実施形態に
おける超音波モータの概略図、図４は本第１実施形態に
おける超音波振動子の駆動周波数対振動振幅特性図、図
５は本第１実施形態における鋸歯状波の振幅を制御した
ときの周波数スイープ方法と超音波振動子の印加する駆
動交番電圧の波形例を示す図、図６は本第１実施形態の
鋸歯状波の波形を制御したときの周波数スイープ方法と
超音波振動子の印加する駆動交番電圧の波形例を示す図
である。

【００１９】以下に、本第１実施形態における超音波モ
ータについて説明する。黄銅材（Ｃ２８０１ＰのＯ材）
からなる角柱形状の基本弾性体３１はほぼ７ｍｍ×９ｍ
ｍ×３５ｍｍの寸法を持ち、その下端から１１ｍｍの位
置に深さ１〜２ｍｍの溝３２が全周に渡り設けられてい
る。基本弾性体３１の正面と裏面に、積層型圧電素子３
３が一定の傾斜角度を持って挟持される。それぞれの積
層型圧電素子３３から出されている電気端子をそれぞ
れ、Ａ，ＧＮＤおよびＢ，ＧＮＤとする。

【００２０】積層型圧電素子３３は保持用弾性体３４に
より圧縮応力を印加された状態で保持固定される。積層
型圧電素子３３は正面と裏面では正対して見て逆方向に
傾けて取り付けられる。角度積層型圧電素子３３は寸法
が２ｍｍ×３．１ｍｍ×９ｍｍのものである。基本弾性
体３１の先端部には円環状のフェノール樹脂にアルミナ
セラミックの砥粒を分散させた砥石からなる摺動用駆動
子３５が接合されている。弾性体の中央部には貫通穴３
６が設けられ、穴の一部にはタップが切られている。

【００２１】積層型圧電素子３３は、基本弾性体３１の
凹部に挿入される。保持用弾性体３４は基本弾性体３１
上の保持用弾性体をガイドするための突起部にそって、
挿入され、積層型圧電素子３３に付き当てられた後、圧
縮応力１００Ｎの力を印加された状態で、ビス及び当接
面すべてにエポキシ系接着剤を用いて固定される。基本
弾性体３１の中央の軸上には貫通穴３６が設けられてい
る。但し、そのほぼ中央部（正確には縦振動の節位置）
にはタップが切られている。

【００２２】次に、図３において、上記超音波振動子３
０を用いた超音波モータ４０について説明する。振動子
３０の貫通穴には軸４１が挿入される。軸４１は中央部
及び両端部にネジ部が設けられており、中央部のネジ部
は振動子のタップ部と接着固定される。振動子３０の上
端部にロータ４３がスラストベアリング４４およびばね
保持体４５を介してバネ４６により押圧固定される。押
圧力はナット４７により調節される。円環状のロータ４
３の下面には円環状のジルコニアセラミックスからなる
摺動材が接着されている。超音波モータ４０を固定する
場合にはその下部に突き出た軸４１を図示しない基台に
ねじ込み固定する。

【００２３】図１において、ＶＣＯ（電圧制御発振器）
１は超音波振動子３０に印加する高周波交番電圧を発生
する。ＶＣＯ１の出力は、直接及び±９０°位相を変化
させることのできる移相器２を介しアンプ３，４に入力
され増幅されて超音波振動子３０に取り付けられている
積層型圧電素子３３に印加される。ここでアンプ３，４
としては超音波振動子３０を確実に振動させることがで
きるような電流容量を持つパワーアンプが最適である。
超音波振動子３０には、振動状態検出用のセンサ２９が
取り付けられており、共振周波数検出器５で共振周波数
を検出する。

【００２４】ここで、共振周波数検出器５は、超音波振
動子３０に取り付けられた振動状態検出用センサからの
信号を元にした例をあげたが、駆動電流を検出する方
法、駆動電流と駆動電圧の位相差を検出する方法等を用
いていもよい。

【００２５】鋸歯状波発生器１０は加算機６、オフセッ
ト電圧発生器７、スイープ電圧発生器８、初期電圧設定
器９とからなり、加算器６は、スイープ電圧発生器８と
オフセット電圧発生器７の出力する電圧を加算し、ＶＣ
Ｏ１にその電圧に対応する周波数を出力するよう設定す
る。共振周波数検出器５で検出された周波数に相当する
電圧をＶＣＯ１に設定するようオフセット電圧発生器７
は電圧を発生する。共振周波数検出器５が超音波振動子
３０の共振周波数であると判断したときにスイープ電圧
発生器８の発生する電圧をＶＣＯ１が共振周波数よりあ
らかじめ設定してある分だけ高い周波数になるような電
圧が設定されている初期電圧設定器９に更新する。その
後スイープ電圧発生器８はあらかじめ設定してある割合
でＶＣＯ１の周波数を減少させていく。

【００２６】制御器１１は回転数指令値と図示しない回
転数検出器からの回転数検出信号との誤差を算出し、そ
の誤差量に対応した制御量を鋸歯状波発生器１０のスイ
ープ電圧発生器８あるいは初期電圧設定器９あるいはそ
の両方に設定する。

【００２７】超音波振動子３３はその寸法が、１次の共
振縦振動（図２（ａ）における上下方向の振動）及び１
次の（溝３２より下方の捻れまで考慮すると２次の）共
振捻れ振動（縦振動の振動方向を捻れの軸とする振動）
がほぼ同一周波数Ｆｒ（４０ｋＨｚ）で励起出来る様な
ものとなっている。この周波数近傍には屈曲共振振動の
固有振動はないような形状に設計されている。まず、Ａ
端子に周波数Ｆｒで振幅２０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加
し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で同位相の交番電圧を
印加すると共振縦振動が励起できる。共振縦振動の節部
は基本弾性体３１の中心軸上のほぼ中央位置に存在す
る。

【００２８】次に、Ａ端子に周波数Ｆｒで振幅２０Ｖｐ
−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅
で逆位相の交番電圧を印加すると共振捻れ振動が励起で
きる。共振ねじれ振動では基本弾性体３１の中心軸全て
の位置が節部である。つぎに、Ａ端子に周波数Ｆｒで振
幅２０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波
数、同振幅で位相が９０度異なった交番電圧を印加する
と共振縦振動と、共振捻れ振動が合成されて、摺動用駆
動子３５の位置において楕円振動が励起できる。この摺
動用駆動子３５にロータ４３を押圧すると楕円振動にと
もなって時計回りまたは反時計回りに回転する。

【００２９】超音波振動子３０に取り付けられた振動検
出用センサ２９の出力をもとに共振周波数検出器５は超
音波振動子３０の共振周波数を検出するよう働く。共振
周波数検出器５はオフセット電圧発生器７の電圧を図５
に示す様に共振周波数Ｆｒとなる電圧ＶＦｒに設定する
と同時にスイープ電圧発生器６の電圧を初期電圧設定器
９に設定してある電圧に設定するよう働く。ここで初期
電圧設定器９に設定してある電圧は図４に示す共振周波
数ＦｒよりΔＦだけ高い周波数Ｆｓになるような駆動周
波数をＶＣＯ１に設定できる電圧ＶΔＦで、制御器１１
でコントロール可能である。スイープ電圧発生器８はあ
らかじめ設定してある割合で電圧が減少するよう働く。

【００３０】ここで、前期電圧が減少する割合は、図５
で示すスイープ時間がロータの時定数（ロータの固有振
動数の逆数）より小さくなるように設定してある。加算
器６はスイープ電圧発生器８とオフセット電圧発生器７
の出力を加算するよう働く。加算機６の出力をもとにＶ
ＣＯ１は超音波振動子３０の駆動周波数を出力するよう
働く。移相器２はＶＣＯ１の出力する波形を９０°進ま
せる、あるいは遅らせるよう働く。アンプ３，４は超音
波振動子に取り付けられた積層型圧電素子３３にＶＣＯ
１及び移相器２で発生される高周波電圧を増幅して印加
するよう働く。制御器１１は、回転数指令値と回転数検
出信号との誤差から制御量を算出し、その誤差量に対応
した制御量をスイープ電圧発生器８あるいは初期電圧設
定器９あるいはその両方に設定し、図５に示すように鋸
歯状波発生器１０の出力する鋸歯状波の振幅あるいは形
状、あるいはその両方を制御するよう働く。

【００３１】次に、回転数の制御について説明する。ま
ず、鋸歯状波の振幅を制御したときを説明する。いま初
期電圧設定器９に設定してある電圧がＶΔＦであるとす
る。このとき回転数指令値よりも回転数検出信号の方が
小さい場合には、制御器１１は図５のIIの領域に示すよ
うに回転数を上昇させるために初期電圧設定器９に設定
する電圧を図４に示す共振周波数Ｆｒより高く、その時
の駆動周波数Ｆｓより低い周波数Ｆｓ’になるような駆
動周波数をＶＣＯ１に設定できる電圧ＶΔＦ’に設定す
る。これにより、超音波振動子３０の超音波振動が共振
周波数の近傍で励起されるためロータの回転数は増加す
る。これに対し、回転数指令値よりも回転数検出信号の
方が大きいときには、制御器１１はＦｓ’をＦｓより高
い周波数になるようなＶΔＦ’を初期電圧設定器９に設
定することで、共振周波数の近傍での超音波振動の励起
が抑えられるためロータの回転数は減少する。

【００３２】次に、鋸歯状波の形状を制御したときを説
明する。いま図５のIの領域に示すように駆動している
ときに回転数指令値よりも回転数検出信号の方が小さい
場合には、制御器１１は図６のIIIの領域に示すように
回転数を上昇させるためにスイープ電圧発生器８の出力
する形状を高周波領域ほど短く低周波領域ほど長くなる
ように出力するよう制御する。これにより、超音波振動
子３０の超音波振動が共振周波数の近傍で励起されるた
めロータの回転数は増加する。これに対し、回転数指令
値よりも回転数検出信号の方が大きいときには制御器１
１は図６のIVの領域に示すように回転数を減少させる為
に、スイープ電圧発生器８の出力する形状を高周波領域
ほど長く低周波領域ほど短くなるように出力するよう制
御する。これにより、超音波振動子３０の共振周波数近
傍での超音波振動の励起が抑えられるためロータの回転
数は減少する。

【００３３】このように、超音波振動子３０の共振周波
数よりも高い周波数から駆動周波数をスイープすること
によって超音波振動子３０の振動を確実に励起すること
ができる。また、負荷変動による共振周波数の変化や、
外部ノイズ等による共振周波数の誤検出によって追尾が
暴走することがないため、共振周波数検出器５は複雑な
回路を必要としない。また、共振周波数検出器５によっ
て共振周波数を検出しその周波数に対してΔＦだけ高い
周波数から周波数スイープを行うため、モータの温度上
昇による共振周波数のズレに対しても対応できる。

【００３４】さらに、前述のように共振周波数が確実に
追尾された上で速度の制御が行われているため、温度変
化のような環境変化がある場合、あるいは負荷変動のよ
うな外乱の影響がある場合でも回転数を安定的に制御す
ることができる。

【００３５】また、周波数のスイープ時間がロータの時
定数よりも小さく設定されているので周波数を変化させ
たときの軸出力の変動が無く安定した出力を得られる。
次に、図７乃至図９を用いて、本発明の第２の実施形態
を説明する。

【００３６】図７は本実施形態における超音波モータの
駆動装置ブロック図、図８に本実施形態の周波数スイー
プ方法と超音波振動子の印加する駆動交番電圧の波形
例、図９に本実施形態の周波数スイープ方法と超音波振
動子の印加する駆動交番電圧のその他の波形例を示す。

【００３７】本実施形態は、前述した第１の実施形態と
は以下の点で異なるものである。即ち、図７において、
駆動周波数発生用カウンタ２０は外部からカウント数を
設定可能であり、そのカウント数をもとに超音波振動子
３０の駆動周波数の４倍の周波数を発生する。駆動パタ
ーン発生器２１は上記４倍の周波数をもとに半導体スイ
ッチング素子２２を切り換えるパターンを生成しトラン
ス２３を切り換え、超音波振動子３０に取り付けられて
いる積層型圧電素子３３に交番電圧を印加する。

【００３８】超音波振動子３０には振動状態検出用のセ
ンサ２９が取り付けられ、共振周波数検出器５で共振周
波数を検出する。上記共振周波数検出器５で検出された
共振周波数をもとに、セレクタ２４は駆動周波数設定用
メモリ２５から駆動周波数発生用カウンタ２０が上記共
振周波数を出力できるデータを選択する。共振周波数検
出器５が超音波振動子３０の共振周波数であると判断し
たときに周波数スイープ用カウンタ２６はあらかじめ決
められた値がリロードされ、スイープ時間設定用クロッ
ク２７で設定された時間でダウンカウントする。

【００３９】上記周波数スイープ用カウンタ２６は鋸歯
状波パターン演算器２８に接続されており鋸歯状波を得
るデータパターンを出力する。セレクタ２４と鋸歯状波
パターン演算器２８のデータは加算器６で加算されて駆
動周波数発生用カウンタ２０のカウント数として入力さ
れ、超音波振動子の駆動周波数を決定する。制御器１１
は回転数指令値と図示しない回転数検出器からの回転数
検出信号との誤差を算出し、その誤差量に対応した制御
量を鋸歯状波パターン演算器２８に出力する。ここで、
半導体スイッチング素子２２としては超音波振動子３０
を確実に振動させることができるスイッチング素子が好
適で、スイッチング用トランジスタ、ＦＥＴ、サイリス
タ等が適当である。

【００４０】また、鋸歯状波パターン演算器２８は、様
々な鋸歯状波パターンを保持しているＲＯＭでもよく、
さらに、各ディジタル回路はマイコンを用いて構成する
ことも可能である。

【００４１】超音波振動子３０に取り付けられた振動検
出用センサ２９の出力をもとに共振周波数検出器５は超
音波振動子３０の共振周波数を検出するよう働く。セレ
クタ２４は共振周波数検出器５が共振状態を検出したと
きに駆動周波数設定用メモリ２５から超音波振動子３０
のその時点での共振周波数のデータを選択し保持するよ
うに働く。周波数スイープ用カウンタ２６は、共振周波
数検出器５が共振状態を検出したときに予め設定してあ
るデータをリロードしダウンカウントを始める。周波数
スイープ用カウンタ２６は、あらかじめ設定してある割
合でカウントダウンするように設定されたスイープ時間
設定用クロック２７をクロックとしてカウントダウンを
行うよう働く。

【００４２】ここで、上記リロード値、及び上記スイー
プ時間設定用クロック２７のクロック周波数は図８に示
すスイープ時間がロータの時定数（ロータの固有振動数
の逆数）より小さくなるように設定する。鋸歯状波パタ
ーン演算器２８は周波数スイープ用カウンタ２６のデー
タを基に、制御器１１で振幅あるいは形状を制御され
て、図８のVの領域に示すような鋸歯状波を発生するよ
う働く。制御器１１は、回転数指令値と回転数検出信号
との誤差から制御量を算出し、その誤差量に対応した制
御量を鋸歯状波パターン演算器２８に設定し、図８に示
すように鋸歯状波パターン演算器２８の出力する鋸歯状
波の振幅あるいは形状、あるいはその両方を制御するよ
う働く。

【００４３】加算機６はセレクタ２４と鋸歯状波パター
ン発生器２８の出力を加算するよう働く。駆動周波数発
生用カウンタ２０は、上記加算器６のデータをもとに超
音波振動子３０の駆動周波数の４倍の周波数を発生する
よう働く。駆動パターン発生器２１は上記駆動周波数発
生用カウンタ２０の出力をもとに図８に示す半導体スイ
ッチング素子切り換えパターンを生成するよう働き、そ
の切り換えパターンをもとに半導体スイッチング素子２
２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが切り換えられトランス
２３を介して昇圧されて超音波振動子３０に取り付けら
れた積層型圧電素子３３に交番電圧を印加する。

【００４４】ここで、回転数の制御について説明する。
まず、鋸歯状波の振幅を制御したときを説明する。いま
周波数スイープ用カウンタ２６にリロードされる値から
鋸歯状波パターン演算器２８で演算されて出力されるデ
ータがＤＡＴＡ（ΔＦ）であるとする。このとき回転数
指令値よりも回転数検出信号の方が小さい場合には、制
御器１１は図８のVIの領域に示すように回転数を上昇さ
せるために鋸歯状波パターン演算器２８で演算されて出
力されるデータを図４に示す共振周波数Ｆｒより高く、
その時の駆動周波数Ｆｓより低い周波数Ｆｓ’になるよ
うな駆動周波数を駆動パターン発生器２１で発生できる
データＤＡＴＡ（ΔＦ’）に設定する。これにより、超
音波振動子３０の超音波振動が共振周波数の近傍で励起
されるためロータの回転数は増加する。これに対し、回
転数指令値よりも回転数検出信号の方が大きいときに
は、制御器１１はＦｓ’をＦｓより高い周波数になるよ
うなＶΔＦ’を初期電圧設定器９に設定することで、共
振周波数の近傍での超音波振動の励起が抑えられるため
ロータの回転数は減少する。

【００４５】次に、鋸歯状波の形状を制御したときを説
明する。いま図８のVの領域に示すように駆動している
ときに回転数指令値よりも回転数検出信号の方が小さい
場合には、制御器１１は図９のVIIの領域に示すように
回転数を上昇させるために鋸歯状波パターン演算器２８
の出力する形状を高周波領域ほど短く低周波領域ほど長
くなるように出力するよう制御する。これにより、超音
波振動子３０の超音波振動が共振周波数の近傍で励起さ
れるためロータの回転数は増加する。これに対し、回転
数指令値よりも回転数検出信号の方が大きいときには制
御器１１は図９のVIIIの領域に示すように回転数を減少
させる為に、鋸歯状波パターン演算器２８の出力する形
状を高周波領域ほど長く低周波領域ほど短くなるように
出力するよう制御する。これにより、超音波振動子３０
の共振周波数近傍での超音波振動の励起が抑えられるた
めロータの回転数は減少する。

【００４６】本実施の形態の如く構成することにより、
前述した第１の実施形態と同様の効果が得られるととも
に、回路構成の大半をディジタル回路で構成できるため
安定性が高く、安価で小型に構成できる。

【００４７】

【発明の効果】第１の発明においては、超音波振動子の
共振周波数よりも高い周波数から駆動周波数をスイープ
することによって超音波振動子の振動を確実に励起する
ことができる。また、負荷変動による共振周波数の変動
や、外部ノイズ等による共振周波数の誤検出によって追
尾が暴走することがないため、共振周波数検出器は複雑
な回路を必要としない。また、共振周波数検出器によっ
て共振周波数を検出しその周波数に対してΔＦだけ高い
周波数から周波数スイープを行うため、モータの温度上
昇による共振周波数のズレに対しても対応できる。さら
に、共振周波数の追尾と速度の制御が同一回路で同時に
行われるため温度変化や負荷変動のような外乱の影響が
ある場合でも安定した回転数の制御を行うことができ
る。

【００４８】第２の発明においては、上記第１の発明に
おける効果に加え、周波数のスイープ時間がロータの時
定数よりも小さく設定されているので周波数を変化させ
たときの軸出力の変動が無く安定した出力を得られる。

【００４９】第３の発明においては、超音波振動子の共
振周波数よりも高い周波数から駆動周波数をスイープす
ることによって超音波振動子の振動を確実に励起するこ
とができる。また、負荷変動による共振周波数の変動
や、外部ノイズ等による共振周波数の誤検出によって追
尾が暴走することがないため、共振周波数検出器は複雑
な回路を必要としない。また、共振周波数検出器によっ
て共振周波数を検出しその周波数に対してΔＦだけ高い
周波数から周波数スイープを行うため、モータの温度上
昇による共振周波数のズレに対しても対応できる。さら
に、共振周波数の追尾と速度の制御が同一回路で同時に
行われるため温度変化や負荷変動のような外乱の影響が
ある場合でも安定した回転数の制御を行うことができ、
また、回路構成の大半をディジタル回路で構成できるた
め安定性が高く、安価で小型に構成できる。

【００５０】第４の発明においては、上記第３の発明に
おける効果に加え、周波数のスイープ時間がロータの時
定数よりも小さく設定されているので周波数を変化させ
たときの軸出力の変動が無く安定した出力を得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明における第１の実施形態の超音波モー
タ駆動装置を示すブロック図である。

【図２】 本発明における第１実施形態の超音波振動子
を示す概略図である。

【図３】 本発明における第１実施形態の超音波モータ
を示す概略図である。

【図４】 上記図２に示した超音波振動子の駆動周波数
対振動振幅特性図である。

【図５】 上記第１実施形態における鋸歯状波の振幅を
制御したときの周波数スイープ方法と超音波振動子の印
加する駆動交番電圧の波形例を示す図である。

【図６】 上記第１実施形態の鋸歯状波の波形を制御し
たときの周波数スイープ方法と超音波振動子の印加する
駆動交番電圧の波形例を示す図である。

【図７】 本発明における第２実施形態の超音波モータ
駆動装置のブロック図である。

【図８】 上記図７に示した駆動装置における周波数ス
イープ方法と超音波振動子の印加する駆動交番電圧の波
形例を示す図である。

【図９】 上記図７に示した駆動装置実施形態の周波数
スイープ方法と超音波振動子の印加する駆動交番電圧の
その他の波形例を示す図である。

【図１０】 従来の超音波モータ駆動装置を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１ ＶＣＯ（発振回路） ２ 移相器 ３，４ アンプ ５ 共振周波数検出器 ６ 加算機 ７ オフセット電圧発生器 ８ スイープ電圧発生器 ９ 初期電圧設定器 １０ 鋸歯波発生器 １１ 制御器 ２０ 駆動周波数発生用カウンタ ２１ 駆動パターン発生器 ２２ 半導体スイッチング素子 ２３ トランス（昇圧回路） ２４ セレクタ ２６ 周波数スイープ用カウンタ ２８ 鋸歯状波パターン演算器 ３０ 振動子 ３３ 積層型圧電素子（圧電素子） ４０ 超音波モータ ４３ ロータ（回転体）

フロントページの続き (72)発明者 津幡 敏晴 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転体と、該回転体を駆動する超音波振
   動子と、交番電圧の印加により上記超音波振動子に超音
   波振動を励振させる圧電素子と、該圧電素子に高周波電
   力を供給するアンプとを具備する超音波モータの駆動装
   置において、 上記超音波振動子の共振周波数を検出する共振周波数検
   出器と、 上記共振周波数検出器で検出された共振周波数に基づい
   た電圧を出力するオフセット電圧発生器と、 予め設定される電圧値を保持する初期電圧設定器と、 上記共振周波数検出器で共振周波数が検出されたときに
   上記初期電圧設定器に設定された電圧がセットされ、そ
   の電圧をあらかじめ設定された割合で減少させていくス
   イープ電圧発生器と、 上記オフセット電圧発生器と上記スイープ電圧発生器の
   出力を加算する加算器と、 上記加算器からの出力をもとに発振周波数を決定し上記
   アンプに周波信号を出力する発振回路と、 上記発振回路の出力を＋９０°あるいは−９０°位相を
   変化させ上記アンプに周波信号を出力する移相器と、 回転数指令値と回転数検出値との誤差から制御量を決定
   し、上記初期電圧設定器に設定される電圧、あるいは上
   記スイープ電圧発生器の電圧を減少させる割合のうち少
   なくとも一方を変化させる制御器と、 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】 上記スイープ電圧発生器に設定される上
   記初期電圧設定器が保持する電圧は、上記加算器により
   上記電圧を加算したときに上記発振回路が発生する周波
   信号の周波数が高くなるように設定され、かつ、上記周
   波数をスイープさせる時間は上記回転体の時定数よりも
   小さくなるように、電圧を減少する割合を設定すること
   を特徴とする、請求項１記載の超音波モータ駆動装置。
3. 【請求項３】 回転体と、回転体を駆動する超音波振動
   子と、交番電圧の印加により該超音波振動子に超音波振
   動を励振させる圧電素子と、該圧電素子に高周波電力を
   供給する半導体スイッチング素子及び昇圧回路とを具備
   する超音波モータの駆動装置において、 上記超音波振動子の共振周波数を検出する共振周波数検
   出器と、 上記共振周波数検出器で検出された共振周波数に基づい
   たデータを出力するセレクタと、 上記共振周波数検出器で共振周波数が検出されたときに
   あらかじめ設定されたデータがリロードされ、その値を
   あらかじめ設定された割合でカウントしていく周波数ス
   イープ用カウンタと、 上記周波数スイープ用カウンタの出力する値を演算して
   鋸歯状波パターンを生成する鋸歯状波パターン演算器
   と、 上記セレクタと上記鋸歯状波パターン演算器の出力を加
   算する加算器と、 上記加算器からの出力をもとに駆動周波数を決定し周波
   信号を発生する駆動周波数発生用カウンタと、 上記駆動周波数発生用カウンタの発生する周波信号を上
   記半導体スイッチング素子の駆動パターンに変換する駆
   動パターン発生器と、 回転数指令値と回転数検出値との誤差から制御量を決定
   し、上記鋸歯状波パターン演算器の生成する鋸歯状波の
   振幅、あるいは鋸歯状波の形状のうち少なくとも一方を
   変化させる制御器と、 を具備することを特徴とする超音波モータの駆動装置。
4. 【請求項４】 上記鋸歯状波パターン演算器で演算され
   る初期データは、上記加算器により上記初期データが加
   算されたときに上記駆動周波数発生用カウンタが発生す
   る周波信号の周波数が高くなるように設定され、かつ、
   上記周波数をスイープさせる時間は上記回転体の時定数
   よりも小さくなるように、カウントする割合を設定する
   ことを特徴とする、請求項３記載の超音波モータ駆動装
   置。