JP4732623B2 - 超音波モータ、及び超音波モータを備えた電子機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ及び超音波モータを備えた電子機器に関し、特に超音波モータの位置決め制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータは、圧電体が接合された振動体と、移動体と、前記移動体を前記振動体に加圧接触する加圧手段と、前記圧電体に高周波電圧を印加する電極と、前記高周波電圧を発生させる発振駆動回路とから構成され、前記圧電体の伸縮運動により前記振動体に発生する振動波によって前記移動体を摩擦駆動するものである。
【０００３】
超音波モータには、低速で高トルクを有する、無通電時に大きな保持トルクを有する、応答性と制御性が高い、磁気作用がない、小型軽量化が可能である、作動音が極めて小さいという数々の特長がある。このため、超音波モータは、各種電子機器の位置決め手段の駆動源としての利用が可能である。例えば、一定角度の動きを制御する指示装置、ミラーの角度制御、情報機器のピックアップ（ヘッド）の駆動等に利用可能である。
【０００４】
ところで、超音波モータの位置決めは、目標位置が設定された制御部と、超音波モータの振動体で駆動される移動体の現在位置を検出する位置センサとによって行われる。移動体がロータの場合、位置センサはロータに取り付けられたエンコーダである。従来の超音波モータの位置決め動作は、例えば図４の如くである。即ち、図４において、制御部は移動体の現在位置が目標位置に達した否かを監視し（２０１）、移動体の現在位置が目標位置に達した場合には直ちに停止指令を発し（２０２）、基準待機期間であるｔ時間だけ待機する（２０３）。ｔ時間経過した時点で制御部は移動体の現在位置が目標位置にあるか否かを調べる（２０４）。
【０００５】
図４のステップ２０４で、移動体の現在位置が目標位置に一致していないと判断した場合には、制御部は移動体を逆転させ（２０５）、最初のステップ２０１に戻る。以後、ステップ２０２から２０４までの動作を繰り返す。逆転動作を繰り返す毎に目標位置からの移動量、即ちオーバーシュート量は少なくなり、或る時間経過すると移動体の現在位置は目標位置に収束する。このような状態になると、即ちステップ２０４で移動体の現在位置が目標位置に一致していると判断されると、制御部は超音波モータの位置補正動作を終了すると共に、駆動電源をオフにする。
【０００６】
図５は超音波モータの位置決め制御の特性図で、移動体が目標位置に最初に到達した後に複数回の逆転による位置補正動作を行い、目標位置に収束している様子を示している。なお、（Ａ）は位置補正時のＰＷＭ周波数が１００Ｈｚの場合、（Ｂ）はＰＷＭ周波数が１０００Ｈｚの場合、（Ｃ）はＰＷＭ周波数が１００００Ｈｚの場合の夫々の特性図である。図５に示す如く、超音波モータの位置決め制御において、ＰＷＭ周波数によって、位置決め開始から移動体が目標位置に最初に到達するまでの時間、逆転動作回数、オーバーシュート量、整定時間は異なっている。しかしながら、共通していることは、オーバーシュート量は逆転を繰り返す毎に少なくなることである。
【０００７】
上述の如く、従来の超音波モータの位置決め制御においては、移動体の現在位置が目標位置に達した場合には直ちに停止指令を発し、基準待機期間であるｔ時間だけ待機した時点で制御部は移動体の現在位置が目標位置にあるか否かを判定するものである。ところが、基準待機期間は一定のｔ時間であるために、整定時間を短縮できないという問題がある。
【０００８】
即ち、基準待機期間ｔを短くすると、慣性や残留振動による移動体の動きが未だ小さくない段階で逆転指令を発することになり、逆転のタイミングが早すぎてオーバーシュート量が大きくなる。このため、逆転の回数が増加して整定時間は長くなってしまう。このような状況は、最初の停止指令が発せられた段階、及びその後の数回の停止指令が発せられた段階で起こる。また、基準待機期間ｔを短くすると、移動体の現在位置が目標位置にあると判定した後に、残留振動等で移動体が位置ずれして正確な位置決めができなくなる事態も発生する。逆に、基準待機期間ｔを長くすると、逆転のタイミングが遅すぎて無駄な時間を費やすことになり、結果的に整定時間は長くなってしまう。このような状況は、収束が近くなった段階で起こる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする課題は、超音波モータの位置決め制御において、正確な位置決めを実現すること、及び整定時間を短縮することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する超音波モータは、圧電体が接合された振動体と、前記振動体の振動により移動する移動体と、前記移動体を前記振動体に加圧接触させる加圧手段と、前記圧電体に高周波電圧を印加する電極と、前記高周波電圧を発生させる発振駆動回路と、前記移動体の位置信号を発生する位置センサと、指令信号を前記発振駆動回路に与えて前記圧電体への高周波電圧の印加を制御してモータの起動／停止及び正転若しくは逆転を行わせる制御部とから構成され、前記位置信号を監視して予め入力されている目標位置に前記移動体の位置が一致するように制御され、且つ、前記移動体が基準待機期間にわたって目標位置にあると判定した場合には前記高周波電圧の供給が停止される超音波モータであって、その特徴は前記基準待機期間を分割した分割基準待機期間毎に前記判定を行うようにしたことである。
【００１１】
前記基準待機期間は、予め定められた時間間隔であって、前記移動体の位置が目標値に到達し前記制御部が停止指令を発した時刻をスタート時刻とするものである。
【００１２】
前記分割基準待機期間は、前記分割基準待機期間が不均等に分割されたものである。また、前記分割基準待機期間は、目標位置までの前記移動体の移動量が短いほど短く設定されるものである。更に、前記分割基準待機期間は、停止指令が発せられる直前の前記移動体の速度が遅いほど短く設定されるものである。更にまた、前記分割基準待機期間は、最初が最短、最後が最長、最初と最後の間は順に時間間隔が長くなるように設定されるものである。
【００１３】
更に、上記課題を解決する超音波モータを備える電子機器は、その超音波モータを請求項１に記載する如く構成したものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態の超音波モータをブロック図で示したものである。即ち、図１に示す超音波モータは、圧電体２２が接合された振動体２３、振動体２３の振動によって時計方向又は反時計方向に回転するように配置された移動体２４、移動体２４を振動体２３に加圧接触させる加圧手段２５、圧電体２２に高周波電圧を印加する一対の電極２１ａ並びに２１ｂ、前記高周波電圧を発生させる発振駆動回路１０とを有する。電極２１ａは時計方向回転用で、電極２１ｂは反時計方向回転用である。
【００１５】
発振駆動回路１０は、抵抗１３、抵抗１４、コンデンサ１５、コンデンサ１６を含む。更に、発振駆動回路１０は、起動／停止用インバータ１１、時計方向回転用バッファ１２ａ、反時計方向回転用バッファ１２ｂを有する。図１に示す発振駆動回路は、これらの回路素子と、振動子としての圧電体２２とによってコルピッツ発振回路型の自励発振回路を構成している。なお、この自励発振回路については、精密工学会誌（第６４巻第８号、第１１１７頁から１１２１頁）に記載された論文「自励振駆動を用いた超小型超音波モータの開発」に詳細に開示されている。
【００１６】
位置センサ３０は、例えばエンコーダであって、移動体２４の現在位置を常時検出し、その出力信号を制御部４０に与える。制御部４０には、図示されていない入力手段によって、移動体２４の目標位置が予め設定されている。或いは、制御部４０には、図示されていない外部装置から、移動体２４の目標位置が常時入力されている。このようにして入力された目標位置と、位置センサからの現在位置とを比較して、移動体２４の現在位置が目標位置に常に一致するように位置決め制御するのが制御部４０である。
【００１７】
上述の位置決め制御は、制御部４０から発振駆動回路１０に制御指令信号を与えることによって行われている。制御指令信号は、起動指令又は停止指令信号、時計方向回転指令信号、及び反時計方向回転指令信号であって、これらは起動／停止用インバータ１１、時計方向回転用バッファ１２ａ、反時計方向回転用バッファ１２ｂに夫々与えられる。制御指令信号はＯＮ／ＯＦＦ信号である。
【００１８】
なお、起動／停止用インバータ１１、時計方向回転用バッファ１２ａ、反時計方向回転用バッファ１２ｂは、いずれも入力端子と出力端子に加えて制御端子を有し、制御端子に入力される制御信号によって出力端子をＨＩＧＨ、ＬＯＷの２つの電圧を出力できる他に、入力端子と出力端子間を高インピーダンス状態にすることができるトライステート構成若しくはスリーステート構成のＩＣ等の回路部品である。
【００１９】
図２は、図１の超音波モータの主要部の縦断面図である。図２において、移動体２４は軸２７に軸受２８を介して回転自在に支持されたロータである。軸２７はモータ基板２９に立設されており、円盤状の振動体２３は軸２７に同軸にして固着されている。円盤状の振動体２３の上面には複数の突起２６が一体に形成されており、且つ、その下面には圧電体２２が接合されている。圧電体２２の下面には所定の電極パターンに形成された一対の電極板、即ち時計方向回転用電極２１ａと反時計方向回転用電極２１ｂとが配置されている。圧電体２２の上面側の共通電極板としても機能する振動体２３は軸２７を介して共通電極２１ｃに電気的に接続されている。加圧手段であるバネ２５はロータ２４を振動体２３の方に押し付け、ロータ２４の下面を複数の突起２６の上端面に圧接させる。
【００２０】
このような構成の超音波モータにおいて、高周波電圧が時計方向回転用電極２１ａ又は反時計方向回転用電極２１ｂと共通電極２１ｃとの間に印加されると、圧電体２２の伸縮運動によって周期的な振動が振動体２３に発生する。この周期的な振動は定在波であって、バネ２５で複数の突起２６に圧接されているロータ２４には、振動体２３の周期的な振動が動力として伝えられる。
【００２１】
所定の電極パターンと所定の間隔と配置で形成された複数の突起２６の作用によって、振動体２３に発生する振動波によってロータ２４を摩擦駆動し、時計方向又は反時計方向に回転させる。即ち、高周波電圧が時計方向回転用電極２１ａと共通電極２１ｃとの間に印加されるとロータ２４は時計方向に回転し、高周波電圧が反時計方向回転用電極２１ｂと共通電極２１ｃとの間に印加されるとロータ２４は反時計方向に回転する。このような定在波型超音波モータの構成と動作については、特開平１１−５５９７１号公報等に開示されているので、詳細な説明は省略する。
【００２２】
なお、図２には位置センサ３０の一実施例が示されている。この位置センサ３０は、円盤状のエンコーダスケール３１、発光素子３２及び受光素子３３とを有するエンコーダである。円盤状のエンコーダスケール３１には多数のスリット３４が円周方向に等間隔に形成されている。スリット３４の本数は、位置決め制御において必要とされる分解能に対応した数である。円盤状のエンコーダスケール３１は、ロータ２４の上面に貼り付けられて配置されている。発光素子３２と受光素子３３は、スリット３４を光ビームが通過するような位置に配置されて、円盤状のエンコーダスケール３１を挟んでモータ基板２９に取付けられている。
【００２３】
図１及び図２に示した如き構成の超音波モータにおいて、その位置決め制御は図３のフローチャートに従って行われる。即ち、制御部４０は位置センサ３０からの現在の位置信号を受信して、移動体２４の現在位置が目標位置か否かを監視している（１０１）。移動体２４の現在位置が目標位置に達したことを検出した場合、制御部４０は停止指令を発生し（１０２）、発振駆動回路１０のインバータ１１の制御端子にＯＦＦの制御信号を与える。続いて、制御部４０はｔ１時間だけ待機し（１０３）、ｔ１時間が経過した時点で移動体２４の現在位置が目標位置にあるか否かを判定する（１０４）。ｔ１時間は第１分割基準待機時間である。
【００２４】
ステップ１０４で移動体２４の現在位置が目標位置をオーバーしていると判定したときは、制御部４０は移動体２４を逆転し（１０９）、目標位置方向に移動させる。この場合の逆転は、制御部４０が停止指令を解除してインバータ１１の制御端子にＯＮの制御信号を与え、且つ制御部４０が逆転指令を発してバッファ１２ａ、バッファ１２ｂの夫々の制御端子への制御信号を切替えることによって行われる。
【００２５】
ステップ１０４で移動体２４の現在位置が目標位置にあると判定したときは、制御部４０は更にｔ２時間だけ待機し（１０５）、ｔ２時間が経過した時点で移動体２４の現在位置が目標位置にあるか否かを再度判定する（１０６）。なお、第２分割基準待機期間ｔ２は第１分割基準待機期間ｔ１よりも長く設定されている。
【００２６】
ステップ１０６で移動体２４の現在位置が目標位置をオーバーしていると判定したときは、制御部４０は移動体２４を逆転し（１０９）、目標位置方向に移動させる。この場合の逆転は、制御部４０が停止指令を解除してインバータ１１の制御端子にＯＮの制御信号を与え、且つ制御部４０が逆転指令を発してバッファ１２ａ、バッファ１２ｂの夫々の制御端子への制御信号を切替えることによって行われる。
【００２７】
ステップ１０６で移動体２４の現在位置が目標位置にあると判定したときは、制御部４０は更にｔ３時間だけ待機し（１０７）、ｔ３時間が経過した時点で移動体２４の現在位置が目標位置にあるか否かを再々度判定する（１０８）。なお、第３分割基準待機期間ｔ３は第２分割基準待機期間ｔ２よりも長く設定されている。
【００２８】
ステップ１０８で移動体２４の現在位置が目標位置をオーバーしていると判定したときは、制御部４０は移動体２４を逆転し（１０９）、目標位置方向に移動させる。この場合の逆転は、制御部４０が停止指令を解除してインバータ１１の制御端子にＯＮの制御信号を与え、且つ制御部４０が逆転指令を発してバッファ１２ａ、バッファ１２ｂの夫々の制御端子への制御信号を切替えることによって行われる。
【００２９】
ステップ１０８で移動体２４の現在位置が目標位置にあると判定したときは、制御部４０は位置補正動作を終了し、駆動電源をオフにする。このようにして、本発明による位置決め動作を終了する。そして、次に新たな目標位置が入力されるまで、制御部４０は待機する。
【００３０】
本発明においては、停止指令が発せられてから第１分割基準待機期間ｔ１が経過した時点と第２分割基準待機期間ｔ２が経過した時点は勿論のこと、第３分割基準待機期間ｔ３が経過した時点でも、移動体２４の現在位置が目標位置にあることを確認したのである。そして、第１分割基準待機期間ｔ１、第２分割基準待機期間ｔ２、第３分割基準待機期間ｔ３の合計期間である基準待機期間ｔは、対象とする超音波モータの位置決め特性によって最適の時間間隔として設定されている。即ち、基準待機期間ｔは、従来の超音波モータの位置決め制御において最も望ましい時間間隔と略同じに設定されている。そして、分割基準待機期間は、目標位置までの移動体２４の移動量が短いほど短く設定されるものである。更に、分割基準待機期間は、停止指令が発せられる直前の前記移動体の速度が遅いほど短く設定されるものである。これは、移動量が短い場合や速度が遅い場合には移動体のオーバーシュート量が小さく、停止までの時間が短くて済むという理由に基づく。これらを基にして、基準待機期間ｔは数ミリ秒から数１００マイクロ秒の範囲で最適なものが選定される。
【００３１】
以上詳細に説明した通り、本発明に係る超音波モータの位置決め制御においては、移動体２４が目標位置に達し、その位置を安定して保持し続けているとの判定を基準待機期間ｔが経過した時点で行うと共に、位置補正のための逆転を要するか否かの判定を基準待機期間ｔを分割した複数の分割基準待機期間毎に行うようにしたものである。そして、複数の分割基準待機期間は、最初が最短、最後が最長、最初と最後の間は順に時間間隔が長く設定される。このように、位置補正のための逆転を要するか否かの判定を基準待機期間ｔの間に複数回行うようにしているので、無駄な待機時間がなくなり、位置決め制御における整定時間が短縮された。また、最適な時間間隔の基準待機期間ｔが経過した時点で、移動体２４が目標位置を安定して保持し続けているとの判定を行うものであるから、より正確な位置決めが可能になった。
【００３２】
なお、本発明において、制御部４０はＣＰＵで構成できることは勿論であるが、安価なロジック回路素子を用いても構成できることが本発明の特徴である。この場合、分割基準待機期間の設定手段も、ロジック回路素子を用いて構成される。また、本発明は定在波型超音波モータに限定して適用されるものではなく、進行波型超音波モータ等にも適用できることは勿論である。また、発振駆動回路１０は自励発振回路を用いたものに限らず他励発振回路を用いたものでもよいことは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により、正確な位置決めが可能で、且つ整定時間の短縮が可能な超音波モータが提供された。また、位置決め制御用の制御部をロジック回路素子を用いて構成できるので、コスト低減も可能となった。更に、このような超音波モータを位置決め制御用駆動源として採用した電子機器は、その位置決め精度の向上と整定時間の短縮が実現された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の超音波モータのブロック回路図である。
【図２】図１の超音波モータの主要部の縦断面図である。
【図３】本発明に係る超音波モータの位置決め動作のフローチャートの一例である。
【図４】従来の超音波モータの位置決め動作のフローチャートである。
【図５】超音波モータの位置補正時のオーバーシュートと整定時間を示した特性曲線である。
【符号の説明】
１０ 発振駆動回路
１１ インバータ
１２ａ 時計方向回転用バッファ
１２ｂ 反時計方向回転用バッファ
１３、１４ 抵抗
１５、１６ コンデンサ
２１ａ 時計方向回転用電極
２１ｂ 反時計方向回転用電極
２１ｃ 共通電極
２２ 圧電体
２３ 振動体
２４ 移動体又はロータ
２５ 加圧手段又はバネ
２６ 突起
２７ 軸
２８ 軸受
２９ モータ基板
３０ 位置センサ
３１ エンコーダスケール
３２ 発光素子
３３ 受光素子
３４ スリット
４０ 制御部

Claims (7)

1. 圧電体が接合された振動体と、前記振動体の振動により移動する移動体と、前記移動体を前記振動体に加圧接触させる加圧手段と、前記圧電体に高周波電圧を印加する電極と、前記高周波電圧を発生させる発振駆動回路と、前記移動体の位置信号を発生する位置センサと、指令信号を前記発振駆動回路に与えて前記圧電体への高周波電圧の印加を制御してモータの起動／停止及び正転若しくは逆転を行わせる制御部とから構成され、前記位置信号を監視して予め入力されている目標位置に前記移動体の位置が一致するように制御され、前記発振駆動回路は前記制御部から停止指令信号が入力されると前記高周波電圧の発生を停止するものであり、前記制御部は前記移動体が前記目標位置に到達し前記停止指令信号を発した時刻をスタート時刻とする基準待機時間を分割した分割基準待機期間毎に前記移動体が前記目標位置にあるかを判定し、前記移動体が前記目標位置をオーバーしていたと判定した場合には前記移動体を逆転させるとともに前記基準待機期間全体にわたって前記移動体が前記目標位置にあったと判定した場合には位置決め動作を終了することを特徴とする超音波モータ。
2. 前記基準待機期間は予め定められた時間間隔であることを特徴とする請求項１の超音波モータ。
3. 前記分割基準待機期間は、前記基準待機期間が不均等に分割
   されたものであることを特徴とする請求項１の超音波モータ。
4. 前記分割基準待機期間は、目標位置までの前記移動体の移動量が短いほど短く設定されるものであることを特徴とする請求項３の超音波モータ。
5. 前記分割基準待機期間は、停止指令が発せられる直前の前記移動体の速度が遅いほど短く設定されるものであることを特徴とする請求項３の超音波モータ。
6. 前記分割基準待機期間は、最初を最短、最後を最長、最初と最後の間は順に時間間隔が長くなるように設定されていることを特徴とする請求項３の超音波モータ。
7. 請求項１乃至６の何れか一つに記載の超音波モータを備えた電子機器。

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