JPS6285685A - 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】

〈産業上の利用分野〉 本発明は、電歪素子、磁歪素子等のＮＺ気−機械エネル
ギー変換素子を用い進行性振動波を発生させ該振動波に
てローターを駆動する超音波モータの駆動回路、特に制
御回路をデジタル的に構成した超音波モータ駆動回路に
関するものである。 〈従来技術〉 上記型式の超音波モータ（以下ＳＳＭと称す。）の駆動
回路としては２つの駆動電極に互いに９０゜位相の異な
る周波電圧を印加して上記電気−機械エネルギー変換素
子が配される固定子の表面に進行性振動波を発生させて
いる。 該９０°位相差をＭする周波電圧を得ろ方法としては従
来能動素子、抵抗、コンデンサ等で構成されるアナログ
移相器を用いており、その構成が複雑化、その精度が部
品精度に対して大きく影響され高精度の位相差信号を得
ることが出来ず、ＳＳＭの正確な駆動自体を困難なもの
とｌ−ていた。 く目　的〉 本発明の目的とする処は上記位相差信号を従来のアナロ
グ移相器を用いることなくデジタル処理回路にて得るこ
とにて上述の問題な解決せんとするものである。 本発明にあっては、上記目的を１気−機械エネルギー変
換素子にそれぞれ位相の呉なる周波電圧を印加すること
にて進行性振動波を発生させ該振動波にて移動体を駆動
する超音波モータにおいて、デユーティ５０チのパルス
信号を形成する信号形成回路と該回路からのパルス信号
に基づき９０°位相のづれた２系列のパルスを形成する
パルス分配回路を設は互いに該分配回路からの２系列の
パルスにより前記周波電圧を得ることにて達成したもの
である。 〈実施例〉 第１図は、本発明に係る超音波モータの固定子の′成他
の形状を示した構成図である。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。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ンこ接続されている。 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１−１．１−２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ＳＳＭ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
．１−２０壓動波形はＳ　Ｓ　Ｍを逆転させる場合の波
形を示している。又、正及び逆転時における共振状態で
は図の如く電極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。 第３図は本発明に係るＳＳＭの駆動回路の一実施例を示
す回路図である。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は十入力端を前記検出電極１−３に接続すると共に一
入力端に基準眠圧Ｖ人が入力されるレベルコンパレータ
ーである。３はコンパレーター２と、　ｌ述ス６　＝ｒ
　７／：Ｌ／　−ター１３の出力を入力とする排他的論
理和、（以下ｅｘ−ｏｒト称ス。）で該ｅｘ−ｏｒはフ
ェイズ・コンノ（レータ（位相比較回路）として使用さ
れる。４はローパスフィルターでｅｘ−ｏｒ３の出力を
平滑化している。５は、デユティ比５０％の信号を入力
電圧に応じた周波数で出力する電圧制御発振器（ＶＣＯ
）でその入力はローパスフィルター４の出力につながれ
ている。６は、位相シフターで、６−１はＶＣＯ５の出
力がつながれており、ｖＣＯ出力の１４の周波数の信号
が００と９０°の位相関係で２系列作られ、それぞれ出
力端６−２　、６−３から出力される。７は、出力回路
でその入力はシフター６の出力端６−２に接続され、そ
の出力はコイル１０を経て１−１の駆動電極に接続され
ている。 ９はｅｘ−ｏｒでその入力はシフター６の出力端６−３
及び回転方向を制御端子に接続されており、その出力は
出力回路８を経てコイル１１に接続され、サラにコイル
から１−２の駆動電極に接続されている。尚、上記コイ
ル１０．１１は電極１−１．１−２と共に電気的共振回
路を構成している。 又、上記出力回路７．８における入力と出力間の位相関
係は同位相となる様構成されている。 上記構成中ｅｘ−ｏｒ３＊ローパスフィルター４゜ＶＣ
Ｏ５にて７二−ズロツクドループ（以下ＰＬＬと称す。 ）を構成している。 該第３図実施例の動作について説明する。 電波を投入すると、各部に電圧が印加される。 初期には固定子１は振動を行なっていないので。 検出電極１−３からは信号が発生せず、コンパレーター
２はロウ信号（以下りと称す。）を送出している。該り
はロウパスフィルタ４を介してＶＣＯ５に伝わる。該ｖ
ｃｏｓは入力電圧がゼロの時下限の周波数ｆｏ’で発振
する。又ＶＣＯは前述の如くデユティ５０チのパルスを
送出する該ＶＣＯ５の出力パルスは位相シフター６にて
位相差が９０゜のパルスを出力端６−２．６−３からそ
れぞれ送出する。尚、出力端６−２．６−３からの出力
パルスの周波数はｖＣＯの出力パルスの周波数の半分の
周波数となる。該シフター６の出力端６−２からのパル
スは出力回路７．コイル１０を介し７て駆動成極１−１
に印加される。コイル１０のインダクタンス、電極１−
１．１−４間のキーヤ７・（シタンスと抵抗にて直列共
振を起こすため上記／フタ−の出力が方形波（パルス）
であっても１■・−１における駆動波形は第２図の如く
正弦波となる。 今、正転モードが選択されているものとするとｅｘ−ｏ
ｒ９の一方の入力にはＬが入力されているため、出力回
路８−の入カバルスは位相が９０°進んだパルスが印加
され、コイル１１．＠極１−ス１−４の作用して第２図
（ａ）の如く電極１〜１の駆動波形に対し９０°位相の
進んでいる正弦波が電極１−２に印加される。これにて
Ｍ、極１−１．１−２ＶＣ，は互いに９０°位相の異な
る正弦波が印加されることとなり固定子】の表面には進
行性振動波が発生し、固定子の表面と摩擦接触している
ローターが該振動波にて回動、ＳＳＭが作動する。 この様にして固定子１０表面に振動波が発生すると電極
１−３からは振動状態を表わす出力波形（正弦波）が発
生し、これがコンパし・−ター２ＶＣ印加され基準レベ
ルＶＡにてロジンフレベルの電圧に変換されＣ又−ｏｒ
３の一方の入力端にト記電啄１−３に発生した正弦波の
周波数ど位相ぐイ有するパルλと（−て印加される。 又、一方′１ｌ−１（１）、駆動波形もコンパ１．・・
・−ブ々−１３に印加され同様にＩｊシックレベルの電
Ｊモに変換されｅｘ−ｏｒ３の他方の入力端［、Ｃ印加
され６゜上記ａｘ−ｏｒ３に人力されるパルスはそれぞ
れ電極ｊ−・１．１−３の波形ど同一の周波数及び位イ
１１関係を持−）パルスで浜）ろため、ａｘ−ＯＦ３に

【各入力波形での位相の比較がなされｅｘ〜ｏｒ３の出
力は位相差が大となればなるほど、デユーディの犬トす
るパルスが発生１７０−バスフィルタ４Ｖｒ、伝える。 ｎ−バスフィルタ４ではｅｘ＝ｏｙ３のデユ・−ティに
応じた電圧レペノトの出力を発生Ｌ　Ｖ　ＣＯに伝えＶ
ＣＯは入力電圧レベル（テ：応じた周波数のパルスを送
出する。 今、上記の如＜５５Ｍｍ１動時のＶ　Ｃ（１）の周波数
がｆｏ’に設定４されており、この周波数と酸体１−１
のｇ助波形ノｆ８ａｎ　ｆ、、−１トｆ−１ｆ、−１４
（７）１３１１係がある。ＳＳＭ財動開始時ｘ倦ｘ−３
より信号はまだ発生していないためｅｘ−ｏｒ３の一方
の入力はＬとなっており、かつ他方の入力はデユーティ
５０チの電極】−１に供給された信号が印加されている
ためａｘ−ｏｒ３の出力はデユーティ５０チのパルスと
なる。該デユーティ５０チのパルスに対してＶＣＯの出
力周波数が２　ｆｏとなる様子めＶＣＯの条件を決めて
おけば電極１−１．１−２の駆動波形の周波数がｆｏと
なりその時を極１−３の信号は電極１−ＩＫ印加された
信号と位相差９０°をもつためｅｘ−ｏｒ３の出力はデ
ユーティ５０％を維持し続けＳＳＭが最も強い共振状態
で駆動されることとなる。 尚、ｅｘ−ｏｒ９の一方の入力にＨが入力された場合に
は各波形が第２図０））の如くなり逆転動作を行なうも
のである。 第４図は上記第３図に示１〜だ本発明に係るＳＳＭの１
駆動回路の上記動作を説明する波形図である。 第３図（ａ）はＳＳＭ自体の性質（特性）としての電極
１−１．１−３間の波形の位相差とＳＳＭの駆動周波数
どの関係を承Ｉ−でおり、締も強い共振状態となる共振
周波数ｆｏにて駆動されている場合における電極！−１
，１−３の出力波形の位相差は９０°を示している。よ
って、ｅｘ−ｏｒ３の出力がデユーティ５０チの時に駆
動周波数が上記ｆ。 となる。 第３図（１３）は電極１−１．１−３間の波形の位相差
と、ｖｅｏｓ、等の作）＋ｉ　Ｋて’ｆｔｉ％１．−１
　、１．−２に印加される駆動波形との関係り示一本波
形図である。図示の如く電極１−１．１−３間の位相差
が９０°の時１毛即ちｅｘ−ｏｒ３のテコ−ティ５０壬
の時の、駆動波形がｆｏとなる様Ｖ　ＣＯ＃？−作用す
る。 よって上述の如（ｆｏの周波数をｔｔ＊ｔ−１，１−２
に印加することにて’ｉｔ＠＜１．−１．１−３の波形
の位相差が９０’どなり１．３　Ｓ　Ｍが第４図（Ｃ）
に示す第４図（ａ）、（ロ）の特性の交点の周ｅ数即ち
、共振周波数ｆｏＫで安定駆動されることとなる。 第５図は第３図示のローパスフィルター４゜ＶＣＯ５、
位相シフタル６．出力回路７．８の詳細を示す回路図で
ある。 図中ノロ−パスフィルター４は抵抗４−１と４−２及び
コンデンサ４，３で構成され、抵抗４−１はローパスフ
ィルター４の入出力間に、又抵抗４−２とコンデンサー
４−３は、出力とグーランド（ＧＮＤ）間に直列に接続
されている。ｖＣＯ５において５−１はオペアンプ、５
−２．５−６゜５−７　、５−８　、５−９はＮＰＮ型
トランジスタ。 ５−３　、５−４　、５−５はＰＮＰ型トランジスタ。 ５−１０．５−１６は抵抗、５−１１はコンデンサ、５
−１４．５−１５はナントゲート５−１７は定電流源を
それぞれ示している。ｖＣＯ５の入力はオペアンプ５−
１の■入力であり、該アンプ５−１のｅ入力はトランジ
スター５−２のエミッタと抵抗５−１０の一方に接続さ
れ、又該抵抗５−１０の他方は、ＧＮＤに接続されてい
る。上記オペアンプ５−１．トランジスター５−２抵抗
５−１０にて電圧−電流変換回路を構成しアンプ５１　
、、’）入力される電圧に応じた電流をトランジスター
５−２のコレクターに流す。トランジスター５−２のコ
レクターはトランジスター５−３０コレクターとペース
、トランジスター５−４．５−５のベース、更には定電
流源５−１７に接続されており、トランジスター５−３
　、５−４　、５−５力レントミラー回路を構成してい
る。 又トランジスター５−４のコレクタは、トランジスター
５−６および５−７のコレクタ及びトランジスター５−
７　、５−８　、５−９のベースに接続されている。ト
ランジスター５−５のコレクタはトランジスター５−８
．５−９のコレクタ及びコンパレーター５−１２のｅ入
力と５−１３のｅ入力、コンデンサー５−１１と接続さ
れている。 コンパレーター５−１２の■入力には基準電圧ｖ１が、
又５−１３のｅ入力は基準電圧Ｖ２（Ｖ工〉Ｖ２）力印
加され、コンパレーター５−１２の出力はナンドゲー）
５−１４の一方の入力に、又ゲート５−１４の他方の入
力にはす７／１ドゲート５−１５の出力が接続されてい
る。コンパレーター５−１３の出力はナンドゲー）５−
１５の一方の入力に。 又ゲー）５−１５の他方の入力にはゲー）５−１４の出
力につながれている。該ゲート５−１４．５−１５にて
クリップ７０ツブが構成され、クリップ７０ツブのゲー
ト５−１５の出力は抵抗５−１６ヲ介してトランジスタ
ー５−６のペースに印加されている。 位相７フター６において６−４と６−５はＤフリップ・
グロック、６−６はインバータゲートを示している。出
力回路７において、７−１．７−１’、７−２．７−４
．７−５はＮＰＮ型トランジスター、７−３．はＰＮＰ
型トランジスター、７−７゜７−８はダイオードを示し
ている。又、出力回路８は出力回路７と同一構成となっ
ている。 上述の構成に係る各回路（ローパスフィルター４　、　
ｖＣＯ５、位相シフター６　、　出力回路７　、８）の
動作について説明する。 上記フィルター４はｅｘ−ｏｒ３の出力を平滑化するも
のであり、その結果コンデンサー４−３にはｅｘ−ｏｒ
３からのデユーティ信号が大ぎなほどその出力電圧が犬
となる電位が発生する。即ち、フィルター４はｅｘ−ｏ
ｒ３のデユーティ信号を電圧変換しｖＣＯに伝える機能
を有している。 上記フィルター４の出力はｖＣｏのアンプ５−１に入力
されるため、抵抗５−１０にはフィルター４の出力電圧
に応じた電流が流れトランジスター５−２のコレクタ一
端子に該電流を形成する。 即ちアンプ５−１、抵抗５−１０、）ランシスター５−
２はフィルター出力を電流に変換する電圧−電流変換回
路を構成する。詳述するとフィルター４の出力がＶであ
ったとすると、抵抗５−１０には該電圧Ｖが印加される
ので抵抗５−１０の抵抗値をＫとすると、１□＝÷、な
る電流が流れ、この電流がトランジスター５−２のコレ
クタ一端子に形成される。又定電流源５−１７の定電流
を１２とすると、この１２と上記１１との合成電流工が
トランジスター５−３から供給されることとなり、カレ
ントミラー回路を構成するトランジスター５−４．５−
５の電流も上記工となる。 今トランジスター５−６がオフであり、かつコンデンサ
ー５−１１が充電状態にあるものとする。 この状態ではトランジスター５−４に流れる電流が全て
トランジスター５−７に流れるため、トランジスター５
−７とカレントミラー回路を構成するトランジスター５
−８．５−９にもそれぞれトランジスター５−７に流れ
る電流値と同一の電流が流れる。この結果、トランジス
ター５−５に流れる電流値とトランジスター５−８．５
−９にそれぞれ流れる電流値が同一となるため、コンデ
ンサー５〜１１から上記トランジスター５−５に流れる
電流値が流出しコンデンサー５−１１は該トランジスタ
ー５−５に流れる電流値、即ち上起工にて放電される。 これにてコンデンサー５−１１の電位は低下し基準レベ
ル■２以下となるとコンパレーター５−１３の出力がＬ
となり７９ツブ７０ングを構成するナンドゲー）５−１
５の出力がハイレベル（以下Ｈと称す。）となる。この
ためトランジスター５−６がオンとなる。該トランジス
ター５−６がオンとなることにてトランジスター５−４
に流れていた；Ｃ流が全てグランドに流れると共にトラ
ンジスター５−７　、５−８　、５−９がオフとなる。 よって、この場合はトランジスター５−５に流れる電流
、即ち上記Ｉにてコンデンサー５−１１が定電流充電さ
れコンデンサー５−１１の電位が上昇し基準レベレｖＩ
Ｖｃ達スル。これにてコンパレーター５−１２が反転し
出力なＬとなすため、ナントゲート５−１５の出力でＬ
となしトランジスター５−６を再びオフとなす。この後
、再び上記放電が行なわれ以後上記の充放電が繰り返え
し実行される。 上述の如くコンデンサー５−１１に対する充放電は、ト
ランジスター５−４の電流値工で実行され、該電流値工
は上述の如（ｅｘ−ｏｒ３の出力パルスのデユーティに
応じてデユーティ係が大となるほど電流値工が増大する
ため、クリップフロップを構成するナンドゲー）５−１
４の出力は上記ａｘ−ｏｒ３のパルスのデユーティに応
じてデユーティ係が増大するほど周波数の大となるデユ
ーティ５０チのパルスとなる。 尚、ＶＣＯはｅｘ−ｏｒ３のデユーティが５０チの時、
即ちａｘ−ｏｒ３に入力するパルス（′ｔｆｆｉｌ−１
と１−３の出力波形）しり位相が９０’づれている時に
おけるクリップ７ｏノブ（５−１４，５−１５）の出力
パルス（５−１４の出力）の周波数が２　ｆｏとなる様
設定されている。 又、ＳＳＭの駆動初期にあっては６ｘ−ｏｒ３の出力は
Ｌであるため、ロウパスフィルター４のコンデンサー４
−３の電位がゼロとなるが、この時には定電流源５−１
７にて規制される一定電流値にて上記充放電がなされ、
この一定電流値にて充放電がなされた際の上記フリップ
７０ツブの出力パルスの周波数は上記ｆｏ’となる様設
定されていｆｏ’ る。これにてＳＳＭの駆動時には上記Ｔの周波数てで駆
動が開始されＶＣＯはＳＳＭの最も強い共振周波数未満
になる様設定しである。 この様にして発生するＶＣＯの出力パルスはシフター６
に入力される。今ｖＣＯの出力パルスとして第６図（ａ
）に示したものが出力されているとすると、７リツプフ
ロツプ６−４．６−５は入力の−とれぞれ立上り信号に
て出力が反転する様構成されているので、７リツグ７０
ツブ６−４の出力は第６図（Ｃ）の如くなる。又、７リ
ツプフロツプ６−５１Ｃはインバーター６−６を介して
ＶＣＯ出力の反転パルスが入力されるため、７リツグ７
０ッグ６−５の出力は第６図（ｄ）の如くなる。ａＩ　
６　ＩＩ　（ｃ）　（ｄ）から明らかな如くシフターの
各７リツプフロツプ６−４．６−５はそれぞれ位相が９
０’シフトしたパルスであり、かつ入力パルスの工の周
波数のパルスな送出する。よって、ｖｅｏの周波数が上
記の如＜　２　ｆｏの場合にはシフターの７リツプ７０
ツブはそれぞれｆｏの周波数で位相が９０’づれたパル
スを送出し出力回路７．８に伝える。該出力回路は入力
パルスをコイル１０．ＩＩＫ伝えるものであり、その詳
細な説明は省略するが、該出力回路を介したパルスがコ
イル１０．ＩＩＫ伝わり、コイル１０　、１１　、電極
１−１　、１−２　、１−４の作用にて該パルスで同一
の周波数及び位相を有する正弦波（第２図示）が１！極
１−１．１−２に印加されることとなる。 〈効　果〉 以上の如く、本発明では超音波モーターにおいて各駆動
電極へ印加される位相差信号をデジタル処理回路にて形
成したものであるので、高精度のモーター駆動が可能と
なるものである。 又、本実施例ではＶＣｏからの出力を直接フリップフロ
ップ６−４に伝えると共にインバーター６−６を介して
７リツプフロツプ６−５−に伝えているが、フリップフ
ロップ６−５を立下り信号に同期してその出力を反転さ
せる様にした場合には上記インバーター６−６を設ける
必要がない。 又、ＶＣＯからの出力パルスをバイナリ−カウンターで
分周し、分周出力のロジックを取ることにて上記ＶＣＯ
出力パルスのうち奇数のパルス列と偶数のパルス列を得
これらのパルス列をそれぞれスリップ７０ツブ６−４　
、６−５ｆｌＣ伝よる様ニしてもシフター６から９０°
位相の異なるパルスを得ることが出来る。 又、ＶＣＯ出力パルスの一周期の整数倍ごとにフリップ
フロップ６−４の出力を反転させると共に上記整数倍の
周期に対する半周期におけるＶＣＯ出力の変化信号によ
りフリップ７０ツブ６−５の出力を反転する様にしても
９００位相の異なる信号を得ることが出来るものであり
、この回路もＶＣＯ出力を分周した上ロジックを取るこ
とにて実現出来るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波モーターの固定子の電極形状を示す説明
図、第２図（ａ）　、　（ｂ）は超音波モーターの駆動
波形及び出力波形を示す波形図、第３図は本発明に係る
超音波モーターの一実施例を示すブロック図、第４図（
ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は第３図実施例の動作を
説明するための説明図、第５図は第３図実施例の具体的
な回路構成を示す回路図、第６図（ａ）　、　（ｂ）　
。 （Ｃ）　、　（ｄ）は第５図実施例の動作を説明する波
形図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電気−機械エネルギー変換素子にそれぞれ位相の異なる
   周波電圧を印加することにて進行性振動波を発生地該振
   動波にて移動体を駆動する超音波モーターにおいて、デ
   ューティ５０％のパルス信号を形成する信号形成回路と
   、該回路からのパルス信号に基づき互いに９０°位相の
   づれた２系列のパルスを形成するパルス分配回路を設け
   、該分配回路からの２系列のパルスにより前記周波電圧
   を得ることを特徴とする超音波モーターの駆動回路。