JPH11196588A - 超音波モータの駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波モータの駆動過渡期に、駆動周波数が
下がり過ぎることによって発生する可聴音を防止するこ
とができる超音波モータの駆動回路を得る。 【解決手段】 超音波モータの駆動過渡期に、前記超音
波モータの駆動周波数を所定の駆動周波数より高い周波
数から徐々に下降させる過渡期制御を行うとともに、前
記回転パルス信号に基づいて演算した回転速度が所定の
回転速度よりも若干低めに設定した所定しきい値になっ
たか否かを判断する。そして、所定しきい値になった場
合には、前記過渡期制御から、前記回転パルス信号に基
づいて回転速度を制御する定常時制御に切り換えて、所
定の回転速度になるように制御する。このため、駆動周
波数が下がり過ぎて可聴音発生帯域の周波数になること
がなく、可聴音の発生を防止することができる。

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、マイクロコンピュータから速度指示値が出力され
ると、発振回路が前記速度指示値に応じた発振周波数で
発振し、前記発振周波数に応じた交流電圧が超音波モー
タの圧電体に印加され、超音波モータが駆動される。

【０００５】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はロータの回転速度に応
じた回転パルス信号が出力される。マイクロコンピュー
タでは、前記回転パルス信号に基づいて回転速度を演算
する。

【０００６】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。なお、超音波モータの回転数と、駆動
周波数との関係は図８に示すような関係があり、駆動周
波数が高くなるにつれて回転数が高くなっていき、共振
周波数になると回転数は最も高くなる。そして、共振周
波数を越えると、回転数が低くなっていく。

【０００７】前記超音波モータの駆動開始時における、
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
る回転パルス信号と、マイクロコンピュータが出力する
速度指示値と、超音波モータの回転速度の変化を図９に
示す。

【０００８】図９に示す如く、マイクロコンピュータが
出力する速度指示値を徐々に上げていくと、超音波モー
タの回転速度が徐々に上がる。また、同時に超音波モー
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
号に基づいて回転速度を演算する。なお、回転パルス信
号のパルス幅は、パルス幅が広いほど、回転速度が遅
く、パルス幅が狭いほど、回転速度は速い。そして、前
記回転速度が所定の回転速度になるまで速度指示値を上
げていく。

【０００９】ところが、超音波モータが所定の回転速度
になるタイミングと、マイクロコンピュータで超音波モ
ータの回転速度が所定の回転速度になったと判断するタ
イミングには多少ずれがあるので、マイクロコンピュー
タにおいて回転速度が所定の回転速度になったと判断し
たときには、実際の超音波モータの回転速度が、既に所
定の回転速度を越えている場合があり、駆動周波数が下
がり過ぎて可聴音発生帯域の周波数になり、可聴音を発
生してしまうという問題がある。

【００１０】

【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、超音波モータの駆動開始時に、駆動周波数が下
がり過ぎることによって発生する可聴音を防止すること
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。

【００１１】

【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、所定の駆動周波数に応じた交流電圧を印加し
て、該交流電圧により駆動力を得る超音波モータの駆動
回路において、前記超音波モータの駆動過渡期に、前記
所定の駆動周波数になるまで前記超音波モータの駆動周
波数を、予め定められた所定の変化率で高い方から低い
方へ徐々に下降するように制御する過渡期制御手段と、
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
る回転パルス信号により回転速度を検出する回転速度検
出手段と、前記回転速度検出手段により検出した検出値
に基づいて、所定の回転速度になるようにフィードバッ
ク制御する定常時制御手段と、前記回転速度検出手段に
より検出した検出値が、所定の回転速度よりも若干低め
に設定した所定しきい値を越えた場合には、前記過渡期
制御手段から、前記定常時制御手段に切り換える切り換
え制御手段と、を有する。

【００１２】請求項１に記載の発明によれば、超音波モ
ータの駆動過渡期に、前記超音波モータの駆動周波数を
所定の駆動周波数より高い周波数から徐々に下降させる
過渡期制御を行うとともに、前記回転パルス信号に基づ
いて演算した回転速度が所定の回転速度よりも若干低め
に設定した所定しきい値になったか否かを判断する。

【００１３】そして、所定しきい値になった場合には、
前記過渡期制御から、前記回転パルス信号に基づいて回
転速度を制御する定常時制御に切り換えて、所定の回転
速度になるように制御する。このため、駆動周波数が下
がり過ぎて可聴音発生帯域の周波数になることがなく、
可聴音の発生を防止することができる。

【００１４】

【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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】また、弾性体１２には圧電素子２６（図３
参照）が貼付されている。図３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。

【００１８】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。

【００１９】また、超音波モータ１０には回転センサ４
６が取り付けられており、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
ている。

【００２０】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。

【００２１】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からの速度指示値に応じた発
振周波数で発振する。なお、発振回路３４は、速度指示
値が高くなるに従って発振周波数が低くなり、速度指示
値が低くなるに従って発振周波数が高くなるものとす
る。

【００２２】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
力し、前記駆動信号がオフになると、前記駆動パルスの
出力を停止する。

【００２３】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、図
示しない定電圧電源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。

【００２４】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の一端および図示しない定電圧電源（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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】超音波モータ１０を駆動する際には、マイ
クロコンピュータ３２より速度指示値が発振回路３４へ
出力される。発振回路３４は、マイクロコンピュータ３
２から出力された速度指示値に応じた駆動周波数で発振
を開始する。

【００３７】電圧発生回路３８では、図示しない定電圧
電源（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ＭＯＳＦＥＴ１１
０、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１
２０Ｂへ交流電圧が誘起され、この交流電圧をダイオー
ド１２２、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。

【００３８】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 の出力を開始する。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】マイクロコンピュータ３２では、図１に示
す如く、速度指示値を徐々に上げて（駆動周波数を徐々
に下げて）、超音波モータ１０の回転速度を徐々に上げ
ていく過渡期制御を行うとともに、回転センサ４６から
出力される回転パルス信号に基づいて回転速度を演算す
る。そして、前記回転速度が、目標回転速度よりも若干
低めに設定した所定しきい値Ｖ₁ になった場合には、前
記過渡期制御から定常時制御に切り換えて、前記回転パ
ルス信号に基づいて、目標の回転速度になるように制御
する。

【００４２】上記の動作を実行する制御ルーチンを、図
１０に示すフローチャートに従って説明する。

【００４３】まず、ステップ５０で過渡期制御フラグが
オンになっているか否かを比較し、肯定判定の場合には
ステップ５２ヘ進み、否定判定の場合にはステップ６０
へ進む。なお、超音波モータ１０の駆動開始時には、過
渡期制御フラグは予めオンになっている。ステップ５２
では速度指示値を上げる。これにより、駆動周波数が下
がるので、超音波モータ１０の回転速度は上がる。

【００４４】次に、ステップ５４で速度指示値が目標回
転速度に対応する速度指示値Ｓ₁ 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５８へ進み、否定判
定の場合にはステップ５６へ進む。ステップ５６では、
回転速度が所定しきい値Ｖ₁以上であるか否かを比較
し、否定判定の場合にはリターンし、肯定判定の場合に
はステップ５８へ進む。ステップ５８では、過渡期制御
フラグをオフにするとともに定常時制御フラグをオンに
してリターンする。

【００４５】ステップ６０では定常時制御フラグがオン
になっているか否かを比較し、肯定判定の場合にはステ
ップ６２で回転速度が所定の回転速度になるように回転
速度制御を行ってリターンし、否定判定の場合にはステ
ップ６４で停止制御を行ってリターンする。

【００４６】上記のように、超音波モータ１０の駆動開
始時には、速度指示値を上げて徐々に回転速度を上げて
いく過渡期制御を行うが、目標の回転速度よりも若干低
い回転速度になったところで定常時制御に切り換えて、
目標の回転速度になるように制御することにより、図１
に示すように、超音波モータの回転速度が目標回転速度
以上になることがなく、可聴音を発生することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における超音波モータの回転センサから
出力される回転パルス信号と、マイクロコンピュータが
出力する速度指示値と、超音波モータの回転速度の時間
変化を示す線図である。

【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】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】超音波モータの回転数と、駆動周波数との関係
を示す線図である。

【図９】従来における超音波モータの回転センサから出
力される回転パルス信号と、マイクロコンピュータが出
力する速度指示値と、超音波モータの回転速度の時間変
化を示す線図である。

【図１０】制御ルーチン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 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 ４２ Ａ相増幅回路 ４４ Ｂ相増幅回路 ４６ 回転センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の駆動周波数に応じた交流電圧を印
   加して、該交流電圧により駆動力を得る超音波モータの
   駆動回路において、 前記超音波モータの駆動過渡期に、前記所定の駆動周波
   数になるまで前記超音波モータの駆動周波数を、予め定
   められた所定の変化率で高い方から低い方へ徐々に下降
   するように制御する過渡期制御手段と、 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
   る回転パルス信号により回転速度を検出する回転速度検
   出手段と、 前記回転速度検出手段により検出した検出値に基づい
   て、所定の回転速度になるようにフィードバック制御す
   る定常時制御手段と、 前記回転速度検出手段により検出した検出値が、所定の
   回転速度よりも若干低めに設定した所定しきい値を越え
   た場合には、前記過渡期制御手段から、前記定常時制御
   手段に切り換える切り換え制御手段と、 を有する超音波モータの駆動回路。