JPS62293980A - 超音波モ−タの駆動回路 - Google Patents

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】 ３、発明の詳細な説明 〈産業上の利用分野〉 本発明は固定子上に進行性振動波を発生させ移動体を駆
動する超音波モータに関し特にその駆動回路に関するも
のである。

〈従来技術〉 従来、超音波モータの回転速度を制御する方法としては
第１に超音波モータの固定子に印加する周波電圧の電圧
レベルを変化させる方法、あるいは第２として同一出願
人に依る特願昭５９−３２２１９号に開示されている固
定子に印加する周波電圧を断続的に与えるデユーティ−
制御の方法等が提案されている。

しかしながら上述箱１の方法では、周波電圧の電圧レベ
ルは一般的に高電圧（５０〜１００ボルト程度）である
ため電源を例えば市販されている電池等で小型携帯機器
に利用する際にはＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇圧回路が
必要となる。該昇圧回路は通常の基準電圧として使用さ
れる。ツェナーダイオードを複数個用意し、その出力電
圧を適宜選択し切り換える必要があるため、その構成が
複雑であると同時に小型にするための集積化には不向き
であり、携帯機器、例えばカメラ等のレンズに組み込む
場合にはその小型化が困難であった。

また第２の方法として超音波モータの固定子に印加する
電圧を断続的に与える制御方法があるが従来の電磁駆動
型モータとは異なり移動体を摩擦駆動する超音波モータ
では、超音波モータの駆動回路を通電→通電停止の繰り
返しを行う際、移動体と固定子との摩擦係数が大きいの
で移動体が移動→停止→移動を繰り返し移動体の速度変
化が激しく安定しないと同時にその移動体と固定子の接
触面の摩耗が激しく、耐久性の問題が生じた。

〈発明の目的〉 本発明は上述の従来の欠点を除去し、安定した速度変化
を与える超音波モータを提供することを目的とし、かか
る目的の基で移動体を駆動する際、固定子上に進行性振
動波と定在波を発生させる回路を設け、移動体を全速駆
動する際には固定子上に進行性振動波のみを、減速駆動
時には進行性振動波と定在波を交互に繰り返し与えるこ
とで安定した回転を得るための駆動回路を構成している
。

〈実施例〉 第１図は本発明に係る超音波モータの固定子ｌの電極の
構成を示した図である。図中１はリング型状をした固定
子で該固定子にはその表面に分極処理された電歪素子が
配されている。尚、本実施例では電歪素子を用いるが圧
電素子あるいは磁歪素子等の電気−機械エネルギー変掠
・素子であればよい。

又１−１．１−２は駆動波形を加える駆動電極であり、
互いに９０°位相の異なる駆動波形が印加される。１−
３は固定子の共振状態を検出するための電極であり、ま
た１−４は共通電極で電極１−１゜１−２．　１−３の
各電極に対向する電極に接続されている。尚、該固定子
自体の構成は公知であるため、その詳細な説明は省略す
るが、上記電極に９０°位相の異なる駆動波形（周波電
圧）が印加されることにて固定子の表面に進行性の振動
波を発生するものである。第２図は第１図示の超音波モ
ータの固定子の電極１＝１．１−２への駆動波形と共振
状態の検出電極１−３の出力波形との位相関係を示す波
形図である。第２図（ａ）の電極１−１゜１−２の駆動
波形は超音波モータを正転させる場合の波形を示してお
り、第２図（ｂ）の電極１−１゜１−２の駆動波形は超
音波モータを逆転させる場合の波形を示している。又、
正転及び逆転時における共振状態では図の如（電極１−
３からの出力がそれぞれ電極１−１の波形から９０°ず
れた位相関係の波形が出力される様上記電極１−３の位
置が設定されている。尚該実施例では上記の如（電極１
−１、と電極１−３の波形が９０°ずれているので、電
極１−３の位置も電極１−１に対して９０’　ずれた位
置に配されている。

第３図は本発明に係る超音波モータの駆動回路の一実施
例を示す回路図である。同図中１は第１図示の固定子を
示し、１−１〜１−４は第１図にて述べた各電極を示し
ている。

２．１６はレベルコンパレータでコンパレータ２の■入
力端子は検出電極１−３に、Ｏ入力端子には基準電圧Ｖ
Ａに接続されている。コンパレータ１６の■入力は駆動
電極１−２にθλ入力子には基準電圧ＶＡに接続され、
論理レベルに変換される。１５はインバータで１４はｅ
ｘ−ＯＲである。１２は周知の位相比較器で２つの入力
信号の位相を比較し、位相差が生じた場合にのみ出力す
る様構成されている。

４はローパスフィルターで位相比較器１２の出力を平滑
化する様機能する。５はデユーティ５０％の出力信号を
発生し、ローパスフィルター４からの入力電圧に応じた
所定の周波数で発振する電圧制御発振器（ＶＣＯ）であ
る。６は位相シフターでその入力は電圧制御発振器５の
出力に接続され、９０’位相のずれた２つの出力信号は
一方がアンドゲート１９、他方の出力信号がアンドゲー
ト２０に接続され、また切換スイッチ１８の出力が夫々
のアントゲ−）１９．２０に入力されている。ｅｘ−Ｏ
Ｒ９は正逆転ターミナルとアンドゲート２０の出力を入
力している。７．８は駆動出力回路でその入力はアント
ゲ−）１９ｅｘ−ＯＲ９の出力を夫々接続している。

１０、　１１はインダクタンスで駆動出力回路７．８に
夫々接続され、駆動出力回路７，８の出力が方形波（パ
ルス）で　あっても電極１−１．１−２の駆動波形は第
２図に示す如く正弦波となる。

１８−ａ、１８−ｂは超音波モータの全速、停止、減速
駆動の３つのモード選択するための切換スイッチである
。全速、減速、停止各モードは夫々１８−　ａ、ｌ・１
８−ｂ、　、　　１８−ａ２　＊　１８ｂ２　、　さら
に１８−ａ３６１８−ｂ３に対応している。１７は減速
駆動させるためのディーティー比が可変可能な発振器で
ある。

次に第３図の動作について説明゛する。

超音波モータを正転または逆転させるターミナル正・逆
転ターミナルが今Ｌ（論理レベル“０“）を出力してい
る時正転とする。今切換スイッチ１８が停止モードであ
る１８−ａ３　、　１８−ｂ３に接続されているとアン
トゲ−）１９．２０への入力はしてあり、アンドゲート
１９．　２０は閉じており、固定子ｌへは駆動信号が伝
達されない。次に全速モードつまり切換スイッチが１８
−ａｌ　、　　１８−ｂ、へ接続されＨを出力し、且つ
正転モードがＬを出力するとアンドゲート１９，２０．
ｅｘ−ＯＲ９、駆動出力回路７，８を通して印加電極１
−１．１−２へは９０゜位相のずれた第２図（ａ）に示
す信号が入力される。

駆動出力回路８の出力は電極１−２へ入力されると共に
レベルコンパレータ１６へも入力され、論理レベルに変
換されている。前述した通り駆動出力回路７．８の出力
は方形波であるが、コイル１０．　１１を通しているた
め方形波は第２図の様に正弦波とする。インバータ１５
の出力はＨであるから、ｅｘ−ＯＲ１４は反転機能を果
し第２図（ａ）の電極１−２の駆動波形を反転させ、出
力電極１−３の出力信号と同相、同周波数の信号とし、
位相比較器にて位相比較が行われる。

尚、ここで切換スイッチ１８および発振器１７以外の回
路は超音波モータが常に共振周波数にて駆動される様に
構成したものである。つまり共振周波数にて駆動されて
いる際には第２図に示す様に駆動電極１−１の信号と出
力電極１−３の信号の位相ずれが所定の関係になってい
る（本実施例に於いては９０″　である）。ところが外
部環境の変化、例えば温度等の変化により超音波モータ
の共振点がずれてしまい、今まで電圧制御回路からの駆
動周波数が固定子ｌの共振周波数であったものが上記原
因により共振周波数でなくなり出力電極１−３と電極１
−１の駆動信号の位相が所定の位相よりずれて（９００
よりずれる）くるものでこの位相ずれを検知して所定の
位相関係を保持し駆動周波数を常に共振周波数にするよ
う追従させるものである。さて、今位相比較器１２の入
力であるレベルコンパレータ２の出力の位相の方がｅｘ
−ＯＲ１４の出力の位相より進んでいたとすると位相比
較器１２の出力はその入力の位相差に相当する時間だけ
Ｈを出力する。

この出力はローパスフィルタ４で平滑化された後、電圧
制御回路５に入力され、該電圧制御回路５はローパスフ
ィルタ４の出力に応じた分だけ発振周波数を幾分増加さ
せる。この周波数は位相シフター６にて９０°位相差の
ある２つの出力に変換されてアントゲ−）１９．２０に
入力され、固定子ｌに進行性振動波を発生させる。また
反対にレベルコンパレータ２の出力の位相がｅｘ−ＯＲ
１４の出力の位相より遅れていたとすると前述とは逆に
、位相比較器１２は位相差に相当する時間だけしを出力
する結果、電圧制御回路５のｖＣＯは発振周波数を低下
させ固定子１に進行性振動波を発生させる。このように
して負帰還がかかり、結果として固定子１は駆動電極１
−２と出力電極１−３の位相関係が一定に保持されるよ
うになり超音波モータが最適な周波数で駆動される。

次に切換スイッチ１８を減速駆動モード１８−ａ２゜１
８−ｂ２に位置に接続すると、あるデユーティ−比をも
った信号を発振する発振器１７の出力によりアンドゲー
ト１９は発振器１７のデユーティ−比に従ってＨ，Ｌを
出力し、アンドゲート１９を閉じたり、開いたりしなが
ら駆動電極１−１への入力を断続的に繰り返すことにな
る。つまり発振器１７の出力がＨの時は上述した切り換
スイッチを１８−ａ。

１８−ｂに接続した場合と同様、切換スイッチ１８の出
力は共にＨであるため固定子１に進行性振動波を発生さ
せる。発振器１７の出力がＬの時はアントゲ−）１９の
出力もしとなり駆動電極１−１の入力は断たれるが、駆
動電極１−２へはアンドゲート２０の切換スイッチ１８
−　ｂ２のＨの信号さらに正転によるしの信号より位相
シフタ６からの出力を通過させ、固定子１へ入力してい
る。従って固定子ｌには進行性振動波は発生せず、定在
波のみ発生することになる。

つまり固定子ｌには発振回路１７のデユーティ−比に従
って進行性振動波→定在波→進行性振動波を繰り返すこ
とになる。

固定子１に定在波が発生している時の移動体と固定子ｌ
の摩擦係数は定在波が発生していない時の摩擦係数に比
べ小さくなるもので、不図示の移動体の駆動をそれ埋積
ことな（、回転を維持し安定した速度変化を得ることが
できた。上述の回転に際して発振器１７の発信周波数に
１００Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度が適当である。

またデユーティ−比を０〜１００％まで変化させること
により、移動体を停止から全速駆動まで任意の速度で駆
動することが可能となると同時に駆動初期より定在波駆
動させることにより移動体をマニュアル操作にて簡単に
回転させることも可能となった。

次にモータを逆転させた際には正逆転ターミナルがＨを
出力しｅｘ−ＯＲ９はその入力を反転する機能を持ち、
位相シフター６からの電極１−１に比べ９０°ずれた信
号出力を反転させることで各電極の波形は第２図（ｂ）
に示す様になり超音波モータの回転方向が反転する。

この状態でインバータ１５の出力はＬとなりｅｘ−ＯＲ
１４はレベルコンパレータ１６から入力信号ヲそのまま
出力し、位相比較器１２にて駆動電極１−２の位相と出
力電極１−３の位相が比較され、以後正転モードと同様
に電圧制御回路５は共振周波数にて発振するようになる
。

以上の実施例に於いては定在波を与える際駆動電極１−
１にのみ発振器１７の出力を印加したが駆動電極１−１
．１−２の両電極に同一信号（同位相周波数）を印加さ
せることによっても実現可能である。

さらに本実施例では回転型のモータを示したがこれに限
られることなくリニア型の超音波モータにあっても適用
出来ることは言うまでもない。

く効果〉 以上説明した通り、移動体を進行性振動波による駆動と
定在波による駆動を繰り返すことにより、移動体の速度
に急激な変化を与えず安定した速度変化を得ることが可
能となった。

また固定子に進行性振動波を発生している時間と定在波
を発生している時間を可変するという簡単な回路構成で
小型化に寄与し、且つ任意に移動体の速度を得られると
同時に定在波駆動時は移動体と固定体の摩擦係数が小さ
いので接触付近での摩耗を妨げ、耐久性の高い超音波モ
ータが実現可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波モータの固定子の電極形状を示す説明図
、第２図（ａ）、（ｂ）は超音波モータの駆動波形及び
出力波形を示す波形図、第３図は本発明に係る超音波モ
ータの駆動回路の一実施例を示す回路図である。 １・・・固定子 ５・・・電圧制御発振器 １２・・・位相比較器 １７・・・発振器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　固定子と移動体とを接触させ、前記固定子に進行性振
   動波を発生させ、該進行性振動波により移動体を移動さ
   せる超音波モータの駆動回路に於いて、前記固定子に前
   記進行性振動波と定在波とを発生させる発生回路と、該
   発生回路の出力である進行性振動波と定在波を交互に与
   える制御回路を具備したことを特徴とする超音波モータ
   の駆動回路。