JPS59156168A

JPS59156168A - 振動波モ−タの制御装置

Info

Publication number: JPS59156168A
Application number: JP58028877A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Kawamura; 正春川村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-02-23
Filing date: 1983-02-23
Publication date: 1984-09-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は電歪素子を駆動媒体として進行性振動波によっ
て駆・動する振動波モータの駆動効率の向上を図るため
に、進行性振動波の周波数を制御する装置に関する。

振動波モータは例えば特開昭５２−２９１９２号公報に
も開示されているように、電歪素子に交流、脈流等の周
波電圧を印加したときに生ずる振動運動を回転運動又は
−次元運動に変換するものである。従来の電磁モータに
比べて巻線を必要としないため、構造が簡単で小型にな
り、低速回転時にも高トルクが得られると共に慣性モー
メントが少ないという利点があるため、最近注目されて
いる。

ところが、従来知られている振動波モータは振動運動を
回転運動等に変換するにあたり、振動体・に生じた定在
振動波で、振動体と接触するロータ等の移動体を一方向
に摩擦駆動するもので、振動の往運動時には振動体と移
動体が摩擦接触し、復運動時には離れるようになってい
る。そのため振動体と移動体は微小範囲で接触する構造
、即ち点もしくは線接触に近い構造でなければならず、
いきおい摩擦駆動効率の悪いものとなって□しまう。・
また駆動力は一定方向に働くものであるから移動体の移
動方向は一方向のみである。逆方向に移動させるために
は、別な振動体で振動方向を機械的に切り換える必要が
ある。従って、正逆回転が可能な振動波モータを得るに
は装置が複雑になり、振動波モータの特徴である構造の
簡単さ、小型さか半減されてしまう。

上記のような振動波モータの持つ欠点を解消する振動波
モータの構造が、本出願人の出願に係る＃４Ｆ１ｊｉｉ
　昭５７−２０８３００、同２１９５３２等ノ明細書に
開示すれている。

その概略は以下のようなものである。

第１図は振動波モータを各要素別に分解′Ｌまたものを
示している。

ベースとなる固定体５の中心円筒部５ａに、振動吸収体
４、吸収体４側に電歪素子３を接着した金属の環状振動
体２、移動体１の順に嵌め込まれており、固定体５・吸
収体４・振動体２は各々相互に回転しないように取付け
られている。振動体２に対し移動体１は自重又は図示し
ない（−ｔ　ｖＪ手段で圧接されモータの一体性を保っ
ている。複数の電歪素子３ば一群の電歪素子３Ａ、〜３
Ａ、が振動波の波長入の２°分の１のピッチで配列され
、電歪素子３Ａｌ　・３Ａ３・３Ａ５・３Ａ？の分極方
向は同一で、その間に位置する電歪素子３Ａ２　・３７
￥４　・３Ａ６の分極方向は逆である。従って電歪素子
３Ａ、〜３Ａ７は隣り合う位置のものどうしの分極方向
は逆向きにしである。別な群の電歪素子３Ｂ、〜３Ｂ７
も同じく入／２ピツチで配列されていて、隣り合う位置
のものどうしの分極方向は逆向きにしである。

電歪素子３Ａ、〜３Ａ、と３Ｂ、〜３Ｂ７の相互ピッチ
は（ｎ　ｏ　＋　１’／　４）入（但しｎ６＝ｏ、。

■、２．３・・・）ずれた位相差的配列がなされる。

なお電歪素子３は複数並べず、第２図に示すよ咬に環状
の単体の素子３にし、それを前記ピッチに分極処理し分
極処理部３ａ、〜３ａ５と３ｂ１〜３ｂ、にしても良い
。

電歪素子３Ａ、〜３Ａ、の各々には吸収体４側にリード
線１１ａが接続され電歪素子３Ｂ、〜３Ｂ７の各々には
リード線１１ｂが接続され、その各々は電源６ａと９０
°位相器６ｂに接続される（第３図参照）。また金属の
振動体２にはリード線１１ｃが接続され交流電源６ａと
接続される。

このように構成された振動波モータの動作は次のような
も゛のである。

第３図は上記モータの振動波の発生状態を示している。

金属の振動体２に接着された電歪素子３Ａ、〜３Ａ４及
び３Ｂ、〜３Ｂ４は、説明の便宜」二、隣接して現わさ
れているが、上記の入／４の位相ずれの条ヂ［を満足し
ているため、第１１Δに示すモータの電歪素子３Ａ、〜
３Ａ４ａ及び３Ｂ。

〜３Ｂ４の配列と実質的に等価なものである。各電歪素
子３Ａ、〜３Ａ４及び３Ｂ、〜３Ｂ、中の■は交流電圧
が正側の周期であるとき伸び、Ｏは向しく正側の周期で
縮む状態になることを示している。

金属振動体２を電歪素子３Ａ、〜３Ａ４及び３Ｂ、−Ｂ
４の一方の電極にし、電歪素子３Ａ、〜３Ａ４には交流
電源６ａからｖ＝ＶＯＳ　ｊ　ｎ　（Ｊ）　ｔの交流電
圧を印加し、電歪素子３Ｂ、〜３Ｂ４には交流電源６ａ
から９０°位相器６ｂを通して、入／４位相のずれた、
ｖ＝ｖ。ｓｉｎ　（ωｔ±π／２）の交流電圧を印加す
る。式中の十又−は移動体１　（本図に於て省略）を動
かす方向によって位相器６ｂ′で切り換えられるもので
、＋側に切り換えると＋９０°位相がずれ正方向に動き
、−側に切り換、えると−９０°位相がずれ逆方向に動
く。いま−側に切り換えてあり電歪素子３Ｂ、〜３Ｂ４
にはＶ＝Ｖｏ　ｓ　ｉ　ｎ　（ωｔ　−ｔｃ／　２）の
電圧が印加されるとする。電歪素子３Ａ、〜３Ａ４だけ
が電圧Ｖ＝Ｖｏｓｉｎωｔにより振動した場合は同図（
ａ）に示すような定在波による振動が起り、電歪素子３
Ｂ、〜３Ｂ４だけが電圧■＝ｖＯｓ　ｉ’　ｎ　（ωを
一π／２）により振動した場合は（ｂ）に示すような定
在波による振動が起る。上記位相のずれた二つの交流を
同時に各々の電歪素子３Ａ、〜３Ａ４と３Ｂ、〜３Ｂ４
に印加すると＼振動波は進行性になる。（イ）は０時間ｔ＝２ｎπ／ω
、（ロ）はｔ＝π／２ω＋２ｎπ／ω、（ハ）はｔ＝π
／ω＋２ｎπ／ω、（ニ）はｔ＝３π／２ω＋２ｎπ／
ωの時のもので、振動波の波面はＸ方向に進行する。

このような進行性の振動波は縦波と横波を伴なっており
、第４図に示すように振動体２の質点Ａについて着目す
ると、縦振幅Ｕと横振幅Ｗで反時計方向の回転楕円運動
をしている。振動体２の表面には移動体１が加圧接触し
ており振動面の頂点にだけ接触することになるから、頂
点に於ける質点Ａ　−Ａ’・、・・の楕円運動の縦振＠
Ｕの成分に駆動され、移動体１は矢示Ｎ方向に移動する
。

移動体ｌの彦擦駆動は振動体２の進行性振動波の波面の
頂点でなされるものであるから、頂点方向（第４図２軸
方向）の波面が共振していることが駆動効率を向上させ
るために必要である。入力′電圧の周波数ｆ（＝２πω
）とし振動体２のヤング率Ｅ−密度ｐＩＩ厚さｈとして
これによってつくられる波の波長入とすると、ｆ　−「
１フ２］二ｔ−・πｈ／入２なる関係がありこの関係を
満足する板厚りで共振することになる。

また振動体２は環状であるため、進行性振動波は環に沿
って進行し、新たに起る波と周長πＤが波長入のｎ倍（
ｎは自然数）即ちｎ入＝πＤのとき共振する。

このような振動波モータの駆動効率を良くするためには
振動体の板厚や環径等績々の条件を加味して印加周波電
圧の周波数を制御する必要がある。

しかしながら、一度調整してもモータ自体の温度変化や
発振回路の温度変化により、共振周波数がずれてきたり
、モータの経時的な疲労例えば振動体の摩耗等で共振周
波数が異なって来る場合が・ある。

また製造工程では、周波数の調整工程が加わる％により
コスト的にも問題がある。

一方、周波数の調整は振動波モータの回転速度が最も速
くなるとき、最適な共振周波数として制御することが好
ましい。

本発明は、上記のような事実に鑑みなされたもので、振
動体を接触させた電歪素子に周波電圧を印加して該振−
動体に生ずる進行性振動波によって、該振動体と接触さ
せた移動体を駆動させる振動波モータの、前記周波電圧
の周波数を順次変動させ、その変動させた各周波数での
該移動体の駆動速度を計測し、その計測イ１ａを順次比
較演算し、該計測値が最大となる周波数を記憶し、その
記憶された周波数の前記周波電圧で駆動することを特徴
とする振動波モータの制御装置である。

この制御装置の回路が第５図に示しである。

同図で、ＣＰＵはマイクロコンピュータ、］）Ｆ１〜Ｄ
Ｆ３はＤタイプのノリツブフロップ回路、ＤＦ４はＤタ
イプのフリップフロップ４個からなり出力制御可能な回
路、ＤＦ５はＤタイプのフリップフロップ３個からなる
回路、ＢＦはトライステート八ツファ、Ｃ１はカウンタ
、ＣＧ１はクロックゼネレータ、Ｇ１・Ｇ２はナントゲ
ート、Ｇ３−　Ｇ４はエクスクル−シブオアゲート、Ｇ
５はオアゲート、■１〜工８はインバータ、Ｄｌ・Ｄ２
は分周器、Ａｓはアナログマルチプレクサ、ＲＯ−Ｒ１
４は抵抗、ＣＡＰｌ・ＣａＦ２はコンデンサ、Ｔｒｉ−
Ｔｒ８はトランジスタである。３Ａ・３Ｂは電歪素子で
、振動波モータに夫々複数設置されたもののうち（第１
図の３Ａｉ〜３Ａ、・３Ｂ１〜３Ｂ７）、一つづつを示
しである。１１は回転クシ歯スイッチでロータ（移動体
）１に設けられたクシ歯電極１２にブラシ電極１３が接
触しロータ１の回転に従い開閉する構造である。

インパータエ３・■４、コンデンサＣＡＰ　１、その値
が順次大きくなる抵抗ＲＯ〜Ｒ４はクロックゼネレータ
ＣＧ２を形成する。アナログマルチプレクサＡＳは、Ａ
Ｏ−Ａ２のデジタル入力によりｘＯ〜ｘ４のいずれかを
選択しＸ端子との導通を行う。従ってデジータル信号に
より抵抗ＲＯ〜Ｒ４を選択し、クロックゼネレータＣＧ
２の出力ＣＬＫは、異った周波数での発振出力となる。

分周器Ｄ１・Ｄ２はクツ“ロク出力ＣＬＫの立上がりに
より夫々１段の分周を行う。分周器Ｄ２がインバータＩ
”）を介している為、分周器ＤｌとＤ２の出力は夫々第
６図で示す位相のずれたＡＣＬＫとＢＣＬＫの波形出力
になる。

この波形の出力が夫々ドライバ回路ＤＲＩ、ＤＢＰに入
力する。ドライ八回路ＤＲＩは出力波形ＡＣＬＫによっ
て動作するプッシュプル回路からなり、電歪素子３Ａに
周波電圧を印加する。、ドライ八回路ＤＲ２は出力波形
ＢＣＬＫによって同様に、電歪素子３Ｂに１／４波長位
相のずれた周波電圧を印加する。

フリ、フフロッ７”　Ｄ　Ｆ　１・ＤＦ２・ＤＦ３はシ
フトレジスタとして作用し、それらのクロンク入力ＣＰ
はクロックゼネレータＣＧ１と接続されブラシ１３から
の信号を、クロックの立とがりで、順次シフトさせる。

カウンタＣ１はクロックゼネレータＣＧｌからのクロツ
タをカウントする。

フリップフロップＤＦ’４の出力はトライステートとな
っていて、端子Ｕ下のＬ入力で端子ＱＯ〜Ｑ３に出力信
号が発生する。

フリップフロップＤＦ２の入力と出力に接続されている
イクスクルーシブオアゲー）Ｇ４の出力の立上がりでフ
リップフロップＤＦ４の入力り。

〜Ｄ３はラッチされ、フリップフロ・ンプＤＦ３の入力
と出力に接続されているイクスクルーシブオアゲートＧ
３の出力がＨになると、オアゲートＧ５を介してカウン
タＣ１はリセットされる。

つまりこの動作は、ブラシ１３からの開閉信号が変化す
ると、その直後にカウンタＣ１の内容のうちＱ３〜Ｑ６
の出力が、フリップフロップＤＦ４にラッチされ、その
直後にカウンタＣ１かリセットされ、次にリセットが解
除され、カウンタＣ１は再びカウントを開始する。この
動作は、ブラシ１３からの信号が変化する毎に行われる
。

フリップフロップＤＦ３の出力Ｑ及びカウンタＣ１の最
上位ビット出力Ｑ７は、トライステートバッファＢＦの
入力Ｘ１、ＸＯに加えられ、バッファＢＦはＯＥのＬ入
力でＹｌ、ＹＯに出力する：フリ・ンプフロップＤＦ４
、バッファＢＦの出力は、マイクロコンピュータ−ＣＰ
ＵのデータバスラインＤＢＯ−ＤＢ３に接続される。Ｃ
ＰＵが外部入力からデータを読む際に出力されるリード
信号ＲＤがＬになり、アドレス信号ＡＯがＬの場合はナ
ントゲートＧ２の出力がＬになり、バッファＢＦのＯＥ
にＬ信号が入力する。アドレス信号ＡＯがＨの場合は、
ナントゲートＧｌの出力がＬになりフリップフロップＤ
Ｆ４の端子ＯＥに入力し、出力ＱＯ〜Ｑ３の信号がＣＰ
Ｕに読み込まれる。

ＣＰＵが、外部に出力をするときは、ライト信号ＷＲが
Ｌになるので、フリップフロップＤＦ５は、ＣＰＵのデ
ータバス信号をラッチする。フリップフロップＤＦ５の
出力はアナログマルチプレクサＡＳに入力し、抵抗ＲＯ
〜Ｒ４のうち一つを選択する。

尚ＷＲ倍信号インバータＩ６．、オアゲートＧ５を介し
て、カウンタＣ１をリセットする。またＲｅ端子にはコ
ンデンサＣＡＰ２と抵抗Ｒ６からなる積分回路が接続さ
れ電源投入時にＣＰＵをリセットする。

以上の回路動作を、゛第７図のプログラムフローチャー
トを参照して、説明する。

電源を投入するとマイクロコンピュータＣＰＵのリセッ
トがかかりプログラムカウンタはＯになるため、プログ
ラムはフローチャートの上からスタートする。

まず、変数ＫをＯに初期設定し、レジスタＲＧｌの内容
を４ビツトでの最大値１５に設定する（Ｋ＝０、ＲＧｌ
＝１５）。

このＫの値をデータバスに出力する（ＯＵＴＫ）。今に
＝ＯであるからフリップフロップＤＦ５の値はＯとなり
、アナログマルチプレクサＡＳによって抵抗ＲＯが選択
される。抵抗の値は抵抗−ＲＯ−Ｒ４のうち最も小さい
ため、出力波ＣＬＫは最大周波数となる。

このとき、ＣＰＵのライト信号ＷＲはインバー・りＩ６
とオアゲートＧ５を通ってカウンタＣ１をリセットする
。

次に、アドレスＯのポート入力をする（ＩＮＦＵＴ　　
ＡＤＯ）。このときＣＦＵの出力ＡＯはＬとなっている
ので、バッファＢＦの出力がデータバスを介してＣＰＵ
に入力される。次にそのデータのｂｉｔｌがＯかｌかの
判別をする。つまりフリップフロップＤＦ３のＱ出力の
判別であり、ｂｉｔｌが０のとき、即ちブラシ１３が電
極１２と接しているときはプログラムはＷＡＴに進行ス
る。次に前にＩＮＰＵＴ　　ＡＤＯで入力した値のｂｉ
ｔｏを判別する。ｂｉｔｏは、カウンタＣ１のＱ７出力
で、最初のリセ・ント直後はｌ／）まだＯであるから工
Ｎ１にプログラムはもどる。

プログラムは、このループをくり返して１７）る間、振
動波モータが回転し、ブラシ３と電極１２の接触がしな
い位置になると、即ちスイ・ンチ１１が開の状態になる
と、フリ・ンプフロ、２プＤＦＩ〜ＤＦ３の遅延時間後
しくツファＢＦのＹｌ出力はＨになるので、プログラム
はループから抜は出し、ＩＮ２に進む。

ＩＮ２では、再びアドレス０のポート入力を行い（ＩＮ
ＰＵＴ　　ＡＤＯ）、ｂｉｔｏの判別を行う。この分岐
命令及びＷＡＴの分岐命令は振動波モータが停止あるい
は非常に低速度番こなって１／）る状態を検出するもの
であり、カウンタＣ１が最上位ビットＱ７までカウント
すると、Ｑ７端子力′−Ｈになる為、ｂｉｔＯが１と検
出されプログラムｔ±ＮＸＴにジャンプする。すなわち
この命令は低速を検出して、モータの一最速制御時間の
無駄を省くことにある。

次にＩＮ２で入力したデータのｂｉｔｌを検出する。す
なわち、ブラシ１３は電極１２の次の接点と接触するま
で再びＩＮ２までのループを繰り返す。ｂｉｔｌはＯに
なると、ＩＮ３にプログラムは進行し、アドレス１のポ
ート入力を行う。

（ＩＮＰＵＴ　　ＡＤＩ）。ここでは、フリップフロッ
プＤＦ４の出力を読み込む。

前述した様にフリップフロップＤＦ４は、カウンタＣ１
の出力をＱ３〜Ｑ６をブラシ１３の信号。

が変化した直後にラッチするので、スイッチ１１が開状
態の時間に対応する値をＣ，ＰＵに入力させることがで
きる。

ＩＮ３で入力した値（ＤＡＴＡ）とレジスタＲＧｌの値
を比較する。当初ＲＧ１＝１５であるから、ＤＡＴＡが
１５より小さいはずであり、プログラムはＭＮに進行す
る。ここではＤＡＴＡをレジスタＲＧ１ストアしくＤＡ
ＴＡ−ＲＧ　１）’、、に値をレジスタＲＧ２にストア
する（Ｋ−ＲＧ２）。

プログラムはＮＸＴに進み、Ｋ伯をインクリメントする
（Ｋ＋Ｉ→Ｋ）。もし、ＤＡＴＡがレジスタＲＧＪの内
容より大きいか等しくなったときは、レジスタＲＧＩ−
ＲＧ２の内容はそのままでプログラムはＮＸＴに進む。

次にに値が５であるかどうかを判別する。今にはｌにな
っているので、再びプログラムはＦＳＴに戻る。Ｋを１
、即ち抵抗Ｒ１を新に選択して、同様のプログラムを進
、行させる。

このようにして、振動波モータを回転させつつ抵抗ＲＯ
〜Ｒ４を逐次選択し、印加電圧の周波数を少しづつ減少
させてゆく。

変数Ｋが５になると、レジスタＲＧＩには振動波モータ
が、最高速度になったときの速度に対応したカウント値
が、レジスタＲＧ２にはその詩のに値が夫々記憶されて
いる。

従ってに＝５の分岐命令でＦＮＳヘプログラムは進行し
、レジスタＲ″Ｇ２の値を出力する事によって、抵抗Ｒ
Ｏ−Ｒ４のうちから、振動波モータが最高速度になるよ
うな抵抗を選択して、クロックゼネレータＣＧ２の出力
ＣＬＫを制御してプログラムは終了する。

そしてこの制御された出力ＣＬＫによって、分周器Ｄｉ
−０２が動作する。分周器Ｄｉの出力ＡＣＬＫ、分周器
Ｄ２の出力ＢＣＬＫに従った周波電圧が夫々ドライバ回
路ＤＲＩ・ＤＲ２によって電歪素子３Ａ・３Ｂに印加さ
れる。

このときの周波電圧の周波数は振動体の形状・大きさに
対し最適の共振状態となるように制御され、モータの速
度は最高となり駆動効率は極めて８高いものとなる。

この制御はモータの駆動開始時に行われるため、駆動の
都度使用条件が変わる場合であっても常に最適の状態で
制御されることになる。また：製造時に周波数の微調整
をする必要がなくなり製造工程の短縮が図れることにな
る。

上記実施例ではモータの速度信号の出力手段として、回
転クシ歯スイッチのものを例示したが光学パターンと受
光素子を用いた光電変模式のもの、磁性体パターンと、
ホール素子とを用いた磁電変換式のものによって速度信
号を出すこともできる。

速度測定はカウンタを使用して行ったが、ブラシからの
信号をそのままマイクロコンピュータに入力し、プログ
ラムにおいてソフト的に時間演算を行う事も可能で、速
度測定はハード的なカウンタに限定されるものではない
。

また、上記の分周器の出力波形は第６図に示すような方
形波ＡＣＬＫφＢＣＬＫに限らす、正弦波を加えても振
動波モータは作動する。

第８図は振動波モータをカメラのオートフォーカスレン
ズの駆動に使用した場合の応用例を示すものでありオー
トフォーカス回路１０１は特開昭５５−１５５３３７号
公報に記載された公知のものであるから説明を省略する
。

この回路は第５図に示した回路にオートフォーカス回路
１０１と選択ゲートＧ１０とＧｌｌを付加したものであ
る。

合焦時にはコンパレータ５９，６０のいずれの出力もＬ
レベルであり、非合焦時には、どちらかのコンパレータ
の出力がＨレベルになるので−その出力が、アンドゲー
トＧ１２・Ｇ１３とオアゲ−）Ｇ１４からなる選択ゲー
トＧＩＯ１又はアンドゲートＧ１５拳Ｇ１６とオアゲー
トＧ１７からなる選択ゲートＧｌ　１に入力されて、振
動波モータＭは、正転あるいは逆転する。オアゲー）Ｇ
１８はモータ駆動時にＨになる出力ＳＴでありこの信号
はマイクロコンピュータＣＰＵの５ＴＯＰ端子に入力さ
れる。５ＴＯＰ端子がＬレベルであると、ＣＰＵはプロ
グラム進行をせずにホールド状・態となるため、プログ
ラムが進行するのは電源投入後最初のモータ駆動時とな
る。

尚振動波モータを使用する応用例はこのようなオートフ
ォーカスに限られるものではなく、例えばカメラにおい
ては、絞り制御やフィルム駆動等に応用されるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は振動波モータの分解斜視図、第２図は電歪素子
の実施例の平面図、第３図・第４図は振動波モータの駆
動原理説明図、第５図は振動波モータの駆動制御回路図
、第６図は分周器の出力波形を説明する図、第７図は本
発明の制御装置を実行するフローチャート図、第８図は
振動波モータをカメラのオートフォーカス機構に応用し
た場合の制御回路図である。１は移動体、２は振動体、３は電歪素子、１１はクシ歯
スイッチ、ＣＧｌ・ＣＧ２はクロックゼネレータ、ＣＰ
Ｕはマイクロコンピュータである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）振動体を接触させた電歪素子に周波電圧を印加し
て該振動体に生ずる進行性振動波によって、該振動体と
接触させた移動体を駆動させる振動波モータの、前記周波電圧の周波数を順次変動させ、その変動させた
各周波数での該移動体の駆動速度を計測し、その計測値
を順次比較演算し、該計測値が最大となる周波数を記憶
し、その記憶された周波数の前記周波電圧で駆動するこ
とを特徴とする振動波モータの制御装置。