JPH11196586A

JPH11196586A - 超音波モータの駆動回路

Info

Publication number: JPH11196586A
Application number: JP9358941A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Morizaki; 聡森崎
Original assignee: Asmo Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Asmo Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-07-21
Anticipated expiration: 2017-12-26
Also published as: JP3609596B2

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波モータに供給される電圧が不安定にな
った場合でも、所定機器を正確に所定位置まで移動させ
ることができる超音波モータの駆動回路を得る。【解決手段】所定の電源から供給される電圧が、第２
の所定しきい値以下になった場合には、前記超音波モー
タの駆動を停止するとともに、前記回転パルス信号のカ
ウントを停止する。そして、所定の電源から供給される
電圧が、第１の所定しきい値以上になった場合には、前
記超音波モータを駆動するとともに、前記回転パルス信
号をカウントする。このため、所定の電源から供給され
る電圧が不安定になった場合でも、所定機器を正確に所
定位置まで移動させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータを駆
動するための超音波モータの駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波振動を駆動力とする超
音波モータが知られている。超音波モータの一種である
進行波型の超音波モータでは、円環状の弾性体に圧電体
が貼付されてステータが形成されており、このステータ
には駆動軸に取り付けられたロータが加圧接触されてい
る。

【０００３】超音波モータの駆動回路は、前記圧電体
に、所定周波数で位相が９０°異なる２相の駆動信号
（ｓｉｎ波及びｃｏｓ波）を供給する。この２相の駆動
信号によって発生する圧電体の機械振動により、弾性体
に、振動の腹及び節が弾性体に沿って円環状に移動する
超音波振動（進行波）が励起される。この進行波によ
り、前記弾性体に加圧接触されたロータ及び駆動軸が回
転される。

【０００４】前記超音波モータの駆動は、図７に示すよ
うに駆動開始時には、まず可聴音発生帯域よりも十分高
い周波数の駆動信号を供給した後に、駆動信号の周波数
を可聴音発生帯域よりも若干高い駆動周波数帯域内まで
徐々に低下させ、前記周波数を駆動周波数帯域内に維持
させて駆動する。

【０００５】前記超音波モータを駆動する駆動回路は、
マイクロコンピュータ、発振回路、スイッチング制御回
路、駆動信号発生回路、バンドパスフィルタ等から構成
され、発振回路から出力される発振周波数に応じた交流
電圧を駆動信号発生回路で発生させ、前記交流電圧を超
音波モータの圧電体に供給することで超音波モータを駆
動させる。

【０００６】また、超音波モータには回転センサが取り
付けられ、前記回転センサから出力される回転パルス信
号を、前記マイクロコンピュータでカウントすること
で、所定機器を所定の位置まで駆動させることができ
る。

【０００７】前記超音波モータは、例えば自動車のステ
アリング装置の所謂チルト機構や、テレスコピック機構
等に用いる場合が考えられる。このような場合には、前
記超音波モータは、車両用のバッテリー電源（例えば１
２Ｖ）から電力を供給されて動作する。図３に前記自動
車のステアリング装置の主要部の概略を示す。

【０００８】ステアリング装置９０は、車輪（図示省
略）を転舵するためのステアリングギヤボックス（図示
省略）を備えており、このステアリングギヤボックスに
ステアリングシャフト９４の一端が連結されている。

【０００９】また、ステアリングシャフト９４の他端は
ステアリングホイール９２に連結されている。さらに、
ステアリングシャフト９４の一部は、ステアリングコラ
ム９６で覆われており、このステアリングコラム９６内
には、ステアリングホイール９２を上下方向に移動させ
るための前記チルト機構（図示省略）や、ステアリング
ホイール９２をステアリングシャフト９４の軸方向へ移
動させるための前記テレスコピック機構（図示省略）が
搭載されている。

【００１０】前記チルト機構や前記テレスコピック機構
は、操作者の操作により、前記超音波モータの駆動力を
得て、ステアリングホイール９２を上下方向に移動した
り、ステアリングシャフト９４の軸方向へ移動させたり
することができる。

【００１１】また、前記ステアリングホイール９２の位
置を記憶しておき、キーが抜かれた時にはステアリング
ホイール９２を初期位置まで移動させ、キーが差された
時にはステアリングホイール９２を記憶していた位置ま
で移動させることもできる。このような場合には、前記
ステアリングホイール９２を記憶していた位置まで駆動
する場合には、前記超音波モータに取り付けられた回転
センサから出力される回転パルス信号を、マイクロコン
ピュータでカウントして記憶していた位置までの距離を
演算することで記憶していた位置まで駆動させることが
できる。

【００１２】ところが、車両用のバッテリー電源が、エ
ンジンのオンオフ等の影響により電圧が不安定になった
場合には、回転センサに供給される電圧も不安定になる
ので回転パルス信号が乱れてしまい、正確に回転パルス
信号をカウントすることができず、前記ステアリングホ
イール９２を正確に記憶していた位置まで移動させるこ
とができないという問題がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事実を
考慮し、超音波モータに供給される電圧が下がった場合
でも、超音波モータによって駆動される所定機器を正確
に所定位置まで移動させることができる超音波モータの
駆動回路を得ることが目的である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の発明は、所定の電源から供給される電圧により駆動力
を得る超音波モータであって、前記超音波モータに設け
られた回転センサから出力される回転パルス信号をカウ
ントすることで、所定機器を所定位置まで駆動させる超
音波モータの駆動回路において、前記所定の電源から供
給される電圧が、第１の所定しきい値以上になった場合
には、前記超音波モータを駆動するとともに、前記回転
パルス信号をカウントし、前記所定の電源から供給され
る電圧が、第２の所定しきい値以下になった場合には、
前記超音波モータの駆動を停止するとともに、前記回転
パルス信号のカウントを停止するように制御することを
特徴とする。

【００１５】請求項１に記載の発明によれば、所定の電
源から供給される電圧を監視して、前記電圧が第１の所
定しきい値以上の場合には、前記超音波モータを駆動さ
せるとともに、前記回転パルス信号をカウントする。前
記電圧が第２の所定しきい値以下になった場合には、前
記超音波モータの駆動を停止するとともに、前記回転パ
ルス信号のカウントを停止する。そして、前記電圧が第
１の所定しきい値以上に復帰した場合には再び前記超音
波モータの駆動を開始するとともに前記回転パルス信号
のカウントを開始して所定機器を所定位置まで移動させ
る。このため、所定の電源から供給される電圧が不安定
になっても、所定機器を所定位置まで正確に移動させる
ことができる。

【００１６】本発明の請求項２に記載の発明は、前記第
１の所定しきい値が、前記第２の所定しきい値よりも高
いことを特徴とする。

【００１７】請求項２に記載の発明によれば、第１の所
定しきい値を、前記第２の所定しきい値よりも高くする
ことで、より正確に所定機器を所定位置まで移動させる
ことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施の形態を詳細に説明する。

【００１９】図２には進行波型の超音波モータ１０が示
されている。超音波モータ１０は銅合金等から構成され
る円環状の弾性体１２を備え、この弾性体１２に圧電体
１４が貼付されてステータ２８が形成されている。

【００２０】圧電体１４は電気信号を機械信号に変換す
る圧電材料から成り、多数の電極により円環状に分割、
配列されて構成されている。一方、駆動軸１６に取り付
けられたロータ１８は、アルミ合金等から成るロータリ
ング２０に円環状のスライダ２２が接着されて形成され
ており、スプリング２４によってスライダ２２が前記弾
性体１２に加圧接触されている。このスライダ２２とし
ては、安定した摩擦力、摩擦係数を得るために、例えば
エンジニアリングプラスチック等が用いられ、これによ
り高効率でロータ１８を駆動することができる。

【００２１】また、弾性体１２には圧電素子２６（図１
参照）が貼付されている。図１に示すように、圧電素子
２６は一端が接地されており、他端が駆動回路３０のバ
ンドパスフィルタ４０の入力端に接続されている。

【００２２】圧電素子２６は弾性体１２の振動を検出
し、該振動に応じた振幅、周期の交流信号（振動フィー
ドバック信号）を出力する。バンドパスフィルタ４０の
出力端はマイクロコンピュータ３２の一方の信号入力端
に接続されている。バンドパスフィルタ４０は圧電素子
２６から出力される振動フィードバック信号を検波して
マイクロコンピュータ３２に出力する。

【００２３】また、超音波モータ１０には回転センサ４
６が取り付けられている。回転センサ４６の出力端はマ
イクロコンピュータ３２の他方の信号入力端に接続され
ており、回転センサ４６の入力端はバッテリー電源３１
の分岐した出力端が接続されている。

【００２４】回転センサ４６は、マグネット（図示省
略）とホール素子（図示省略）等で構成され、マグネッ
ト表面の磁束の変化をホール素子で検出し、ロータ１８
が回転すると、マイクロコンピュータ３２へロータ１８
の回転速度に応じた周期のパルス信号を出力する。

【００２５】マイクロコンピュータ３２の電源入力端
は、バッテリー電源３１の分岐した出力端に接続されて
おり、バッテリー電源３１が出力する電圧レベルを監視
する。また、マイクロコンピュータ３２の一方の出力端
には発振回路３４が接続されており、他方の出力端には
スイッチング制御回路３６の一方の入力端に接続されて
いる。発振回路３４の出力端は、スイッチング制御回路
３６の他方の入力端に接続されている。発振回路３４は
マイクロコンピュータ３２からの駆動周波数信号に応じ
た発振周波数で発振する。

【００２６】スイッチング制御回路３６の一方の出力端
は、駆動信号発生回路４８のＡ相増幅回路４２の一方の
入力端に接続されており、他方の出力端は駆動信号発生
回路４８のＢ相増幅回路４４の一方の入力端に接続され
ている。スイッチング制御回路３６は発振回路３４から
発振された発振周波数に応じて駆動パルスをスイッチン
グしながらＡ相増幅回路４２、Ｂ相増幅回路４４へ出力
する。

【００２７】また、Ａ相増幅回路４２の他方の入力端と
Ｂ相増幅回路４４の他方の入力端は電圧発生回路３８の
出力端に接続されている。前記電圧発生回路３８は、バ
ッテリー電源３１から供給される直流電圧を所定の交流
電圧に昇圧し、さらに整流、平滑化して所定の直流電圧
に昇圧してＡ相増幅回路４２、Ｂ相増幅回路４４へ電力
を供給する。

【００２８】電圧発生回路３８の回路構成は図４に示す
ような構成となっている。電圧発生回路３８はトランス
１２０を備えており、トランス１２０の１次側コイル１
２０Ａの中点には電源線１１８を介してコンデンサ１１
６の一端およびバッテリー電源３１（図ではＶｃｃで表
す）に接続されており、コンデンサ１１６の他端は接地
されている。

【００２９】トランス１２０の１次側コイル１２０Ａの
一端は、スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ１１０
のドレインに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲ
ートはデューティー制御回路１１４の一方の出力端に接
続されており、ＭＯＳＦＥＴ１１０のソースは接地され
ている。

【００３０】トランス１２０の１次側コイル１２０Ａの
他端は、スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ１１２
のドレインに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１１２のゲ
ートはデューティー制御回路１１４の他方の出力端に接
続されており、ＭＯＳＦＥＴ１１２のソースは接地され
ている。

【００３１】トランス１２０の２次側コイル１２０Ｂの
一端は整流素子としてのダイオード１２２のアノードが
接続されており、他端は整流素子としてのダイオード１
２４のアノードが接続されている。また、トランス１２
０の２次側コイル１２０Ｂの中点は接地されている。

【００３２】ダイオード１２２、１２４のカソードはイ
ンダクタンス素子としてのコイル１２６の一端に接続さ
れている。コイル１２６の他端はコンデンサ１２８の一
端が接続されており、コンデンサ１２８の他端は接地さ
れている。さらに、コイル１２６の他端はＡ相増幅回路
４２、Ｂ相増幅回路４４の一方の入力端に接続されてお
り、前記入力端に電圧発生回路３８より直流電圧が供給
される。

【００３３】Ａ相増幅回路４２は超音波モータ１０の圧
電体１４Ａに接続されており、圧電体１４Ａに正弦波信
号（ｓｉｎ波）を供給する。Ｂ相増幅回路４４は超音波
モータ１０の圧電体１４Ｂに接続されており、圧電体１
４ＢにＡ相増幅回路４２が供給する正弦波信号と９０°
位相が異なる正弦波信号（ｃｏｓ波）を供給する。圧電
体１４Ａ、１４Ｂの他端は接地されている。この圧電体
１４Ａ、１４Ｂによって超音波モータ１０の圧電体１４
が構成される。

【００３４】Ａ相増幅回路４２、Ｂ相増幅回路４４の回
路構成は図５に示すような構成となっている。Ａ相増幅
回路４２はトランス１００を備えており、トランス１０
０の１次側コイル１００Ａの中点には、電源線８４の分
岐された方の一端が接続されており、電源線８４の他端
は前述の電圧発生回路３８の出力端に接続されている。

【００３５】トランス１００の１次側コイル１００Ａの
一端はスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ９０のド
レインに接続されており、他端はＭＯＳＦＥＴ９２のド
レインに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ９０、９２のソ
ースは接地されている。また、トランス１００の２次側
コイル１００Ｂの両端は圧電体１４Ａに接続されてい
る。

【００３６】Ｂ相増幅回路４４はトランス１０２を備え
ており、トランス１０２の１次側コイル１０２Ａの中点
には電源線８４の分岐された方の他端が接続されてい
る。

【００３７】トランス１０２の１次側コイル１０２Ａの
一端はスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ９４のド
レインに接続されており、他端はＭＯＳＦＥＴ９６のド
レインに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ９４、９６のソ
ースは接地されている。また、トランス１０２の２次側
コイル１０２Ｂの両端は圧電体１４Ｂに接続されてい
る。

【００３８】ＭＯＳＦＥＴ９０、９２、９４、９６のゲ
ートは各々スイッチング制御回路３６に接続されてお
り、ＭＯＳＦＥＴ９０、９２、９４、９６の各々はスイ
ッチング制御回路３６から入力されるスイッチング信号
Ａ₁、Ａ₂、Ｂ₁、Ｂ₂に応じてオンオフされる。

【００３９】次に、本発明の実施の形態における作用に
ついて、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００４０】超音波モータ１０により所定機器を所定位
置まで駆動させる際には、まず、マイクロコンピュータ
３２より駆動周波数信号が発振回路３４へ出力される。
発振回路３４はマイクロコンピュータ３２より指定され
た駆動周波数で発振を開始する。

【００４１】電圧発生回路３８では、バッテリー電源３
１（図ではＶｃｃで表す）からトランス１２０の１次側
コイル１２０Ａに電圧が供給され、デューティー制御回
路１１４から所定のタイミングでＭＯＳＦＥＴ１１０、
１１２のゲートへスイッチング信号が入力されて、トラ
ンス１２０の１次側コイル１２０Ａへの電流がオンオフ
される。そして、トランス１２０の２次側コイル１２０
Ｂへ交流電圧が誘起され、この交流電圧をダイオード１
２２、１２４で全波整流し、コイル１２６、コンデンサ
１２８で平滑化して直流電圧をＡ相増幅回路４２、Ｂ相
増幅回路４４へ供給する。

【００４２】スイッチング制御回路３６では、Ａ相増幅
回路４２、Ｂ相増幅回路４４のＭＯＳＦＥＴ９０、９
２、９４、９６をオンオフさせるスイッチング信号
Ａ₁、Ａ₂、Ｂ₁、Ｂ₂を出力する。

【００４３】このスイッチング信号は、図６に示す如
く、ＭＯＳＦＥＴ９０、９２、９４、９６のいずれか１
つを所定のデューティー比でオンオフさせ、かつそれ以
外のＭＯＳＦＥＴをオフ状態にすると共に、オンオフさ
せるＭＯＳＦＥＴを、駆動開始時の駆動信号の周波数ｆ
s の周期の１／４の周期毎に、ＭＯＳＦＥＴ９０、９
４、９２、９６の順に切り替える信号である。これによ
り、トランス１００、１０２の２次側コイル１００Ｂ、
１０２Ｂには各々周波数が駆動開始時の周波数ｆsで、
かつ位相が９０°異なる交流の駆動信号が誘起される。

【００４４】この駆動信号が圧電体１４Ａ、１４Ｂに供
給されることにより、超音波モータ１０の弾性体１２に
進行波が励起され、駆動軸１６およびロータ１８が回転
される。また、弾性体１２の振動は圧電素子２６によっ
て電気信号に変換され、振動フィードバック信号として
バンドパスフィルタを４０を介してマイクロコンピュー
タ３２に入力される。さらに、超音波モータ１０に取り
付けられた回転センサ４６から、ロータ１８の回転速度
に応じた回転パルス信号がマイクロコンピュータ３２に
入力される。

【００４５】マイクロコンピュータ３２では、前記振動
フィードバック信号をモニタしながら、駆動信号の周波
数が超音波モータ１０の最適駆動周波数に徐々に近づい
て一致し、さらに最適駆動周波数を追従するように、オ
ンオフさせるＭＯＳＦＥＴ９０、９２、９４、９６を切
り替えるタイミングを変更して駆動信号の周波数を制御
する。

【００４６】また、マイクロコンピュータ３２では、バ
ッテリー電源３１から出力される電圧レベルが第２の所
定しきい値（一例として８Ｖとする）以下になったか否
かを監視しながら前記回転パルス信号をカウントして、
このカウントした値が、前記所定位置に対応するカウン
ト値になるまで超音波モータ１０を駆動させる。前記電
圧レベルが前記第２の所定しきい値以下になった場合に
は、超音波モータ１０の駆動を停止させるとともに、回
転パルス信号のカウントも停止させる。

【００４７】そして、前記電圧レベルが第１の所定しき
い値（一例として１０Ｖ）以上になった場合には、再び
超音波モータ１０の駆動を開始するとともに、回転パル
ス信号のカウントを開始して、回転パルス信号が所定カ
ウント値になるまで超音波モータ１０を駆動させ、所定
機器を所定位置まで移動させる。

【００４８】上記の電圧監視の制御を、図８に示すフロ
ーチャートに従って説明する。まず、ステップ５０で停
止フラグをオフにしてステップ５２へ進み、バッテリー
電源３１から出力される電圧の電圧レベルを取り込む。
次にステップ５４で電圧レベルが８Ｖ以下になったか否
かを比較し、肯定判定の場合にはステップ５６ヘ進み、
否定判定の場合にはステップ６２へ進む。

【００４９】ステップ５６では超音波モータ１０の駆動
を停止して、ステップ５８で回転パルス信号のカウント
を停止する。そして、ステップ６０で停止フラグをオン
にしてステップ５２へ戻る。

【００５０】ステップ６２では停止フラグがオンか否か
を判定し、肯定判定の場合にはステップ６４へ進み、否
定判定の場合にはステップ５２へ戻る。ステップ６４で
は、電圧レベルが１０Ｖ以上であるか否かを比較し、肯
定判定の場合にはステップ６６へ進み、否定判定の場合
にはステップ５２へ戻る。

【００５１】ステップ６６では超音波モータ１０の駆動
停止を解除して、ステップ６８で回転パルス信号のカウ
ントの停止を解除する。そしてステップ７０で停止フラ
グをオフにしてステップ５２へ戻る。

【００５２】上記のように制御して超音波モータ１０を
駆動させ、所定機器を所定位置まで移動させる。

【００５３】このように、バッテリー電源３１が出力す
る電圧が第２の所定しきい値以下になった場合には、超
音波モータ１０の駆動を停止するとともに、回転パルス
信号のカウントを停止するので、バッテリー電源３１が
出力する電圧が不安定になって回転パルス信号に乱れが
生じても、所定機器を所定位置まで正確に移動させるこ
とができる。また、第１の所定しきい値を第２の所定し
きい値よりも高く設定しているので、より正確に所定機
器を所定位置まで移動させることができる。

【００５４】なお、本実施の形態では、第１の所定しき
い値を第２の所定しきい値よりも高く設定しているが、
これに限らず、例えば同じ値にしてもよく、それぞれ自
由に設定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超音波モータと、超音波モータ駆動回路の概略
構成を示すブロック図である。

【図２】超音波モータの概略構成を示す一部断面斜視図
である。

【図３】ステアリング装置の主要部を示す概略構成図で
ある。

【図４】超音波モータ駆動回路における電圧発生回路を
示す回路図である。

【図５】駆動信号発生回路の例を示す回路図である。

【図６】スイッチング制御回路から出力されるスイッチ
ング信号と、トランスで誘起される駆動信号を示す線図
である。

【図７】超音波モータの駆動周波数の変化に伴う超音波
モータのインピーダンスの変化、共振周波数、可聴音発
生帯域、駆動周波数帯域等を示す線図である。

【図８】マイクロコンピュータにおける電圧監視制御を
行うプログラムの動作を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１０超音波モータ３０駆動回路３１バッテリー電源３２マイクロコンピュータ３４発振回路３６スイッチング制御回路３８電圧発生回路４０バンドパスフィルタ４２Ａ相増幅回路４４Ｂ相増幅回路４６回転センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の電源から供給される電圧により駆
動力を得る超音波モータであって、前記超音波モータに
設けられた回転センサから出力される回転パルス信号を
カウントすることで、所定機器を所定位置まで駆動させ
る超音波モータの駆動回路において、前記所定の電源から供給される電圧が、第１の所定しき
い値以上になった場合には、前記超音波モータを駆動す
るとともに、前記回転パルス信号をカウントし、前記所
定の電源から供給される電圧が、第２の所定しきい値以
下になった場合には、前記超音波モータの駆動を停止す
るとともに、前記回転パルス信号のカウントを停止する
ように制御することを特徴とする超音波モータの駆動回
路。
【請求項２】前記第１の所定しきい値が、前記第２の
所定しきい値よりも高いことを特徴とする請求項１記載
の超音波モータの駆動回路。