JPH01234073A - 振動波モータの駆動回路 - 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］ 本発明は振動波モータの駆動回路、更に詳しくは、圧電
素子の伸縮運動を利用して進行波を発生させ、この進行
波によりロータを駆動する振動波モータの駆動回路に関
する。

［従来の技術］ 近年、従来の電磁駆動モータと異なり、弾性体に固着し
た圧電素子に駆動周波電圧を印加し、圧電素子の伸縮運
動を利用して弾性体の表面に超汗波振動による進行波を
発生させ、これを駆動源として弾性体表面に摩擦接触さ
せた移動体（ロータ）を駆動するモータが提供されてい
る。このモータは振動波モータ（以下、ＵＳＭと略記す
る）と呼ばれ、構造が簡単で小型化が可能である。しか
も、発生トルクか大きく、また回転数か小さくできるた
めに減速ギア等を介さずにダイレクトドライブかできる
ということで、新しいアクチュエータとして脚光を浴び
ており、カメラ分野においても既にＡＦ用のアクチュエ
ータとして利用されている。

ところで、ＵＳＭの駆動は、分極処理を施した圧電素子
上の、空間的にλハ＋　ｎλ（ｎ：整数、λ：進行波の
波長）の位置関係にある２点に、時間的にπ／２　（−
９０°）位相の異なる同振幅、同周波数の交流電圧を印
加して行なわれる。また、この際、Ｕ　Ｓ　Ｍの駆動周
波数はＵ　Ｓ　Ｍの持つ共振周波数の近傍に設定しなけ
ればならない。しかし、ＵＳＭの共振周波数は、負荷の
変動やＵＳ〜１のロータとステータ間の押圧力の変動、
温度等外部環境の変化１人力電力の変化等によって少し
ずつすれていく。このため、ＵＳＭを駆動するには駆動
周波数をモータ駆動の最適点に自動追尾させる必要があ
る。そこで、本出願人は、先に特願昭６２−６６７５０
号によりＰＬＬ　（Ｐｈａｓｅ　　ＬｏｃｋｅｄＬｏｏ
ｐ）方式によって駆動周波数を自動的に追尾する超音波
モータの駆動装置を提案している。

Ｅ発明が解決しようとする課題］ ところが、アクチュエータとしてのＵ　Ｓ　Ｍの利用を
考えると、ＵＳＭの回転数を可変できることか不５１欠
の要因となる。

第５図（Ａ）は、ＵＳＭの駆動電極に印加される印加電
圧を一定とした場合の回転数と駆動周波数の関係を示し
たものである。この図から明らかなように、回転数は共
振周波数ｆ　の近傍の周波数ｆｌで最高回転となり、駆
動周波数を、例えばｆｌのような高い方にずらせると、
回転数は、実線’３ａに示すように指数関数的に低下す
る。これは、モータおよび駆動回路の効率が低下するこ
とにより、モータの回転数が低くなったものである。

また、共振周波数ｆ　より低い駆動周波数では、点線”
　３ｂに示すようにＵＳＭの振動状態が不安定となり回
転が停止（この状態をロックと呼ぶ）してしまう。一方
、駆動周波数を一定にし、ＵＳＭの印加電圧を可変にす
ると、第５図（１３）に示すように、共振周波数の近傍
の駆動周波数ｆ１では、実線”　４ａのように回転数変
化範囲が狭く、更に印加電圧を上げていくと、実線ｇ　
のように飽和し、ｂ 逆に印加電圧を下げていくと、点線Ω４ｏのように回転
がロックし、静止から最高回転までスムーズな回転は得
られない。これは印加電圧を低くすることで、ＵＳＭの
共振点が高い方にずれ、従って、駆動周波数ｆ１が共振
周波数ｆ　より低くなったために回転が止まっｔ：もの
と考えられる。

また、共振周波数から離れた駆動周波数ｆ、の場合には
、直線ｇ５のように静止からスムーズな回転が得られる
ものの最高回転数が低く押さえられ、矢張り回転数変化
範囲か狭くなる。この理由もモータおよび駆動回路の効
率が低下することによりモータの回転数が低下するとい
う基本的な考え方によって説明がつく。

このようにＵＳＭの駆動周波数を共振周波数からずらせ
ることによって、速度制御を行なうことは、ＵＳＭをで
きるだけ効率良く駆動するために、周波数自動追尾を行
なうことと矛盾する。

一方、ＵＳＭを駆動する２相位号の位相差（通常π／２
）を可変して弾性体表面の進行波成分を減少させ、定在
波成分を増加することてＵ　Ｓ　Ｍの回転を低下させる
手段も提案されている。しかし、この手段もモータおよ
び駆動回路の効率を低下させて回転数を下げるといった
ものにほかならない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、第４
図に示すように駆動周波数を共振周波数の近傍の一定周
波数に保ち、モータおよび駆動回路の効率を損なうこと
なく高効率で、しかも静止から最高回転までリニアに可
変範囲の広い速度制御を行なうことができる振動波モー
タの駆動回路を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段および作用］本発明に係る
振動波モータの駆動回路は、第１図にその概念図を示す
ように、 弾性体に固着された圧電素子に周波電圧を印加して弾性
体の表面に進行性振動波を発生させ、この弾性体表面に
摩擦接触させた移動体を駆動する振動波モータの駆動回
路において、 上記周波電圧の４倍の周波数の矩形波を発振する電圧制
御発振器１と、上記矩形波をそれぞれ９０°位相のずれ
た４相のパルス波に分配する分配器２と、上記矩形波の
発振に同期した鋸歯状波信号を発振する鋸歯状波発振回
路５と、上記鋸歯状波信号と基準電圧とのレベルを比較
するパルス幅変調用コンパレータ６と、このパルス幅変
調用コンパレータの出力を用いて、上記４相のパルス波
のパルス幅を変えて出力する駆動パルス幅可変回路３と
、この駆動パルス幅可変回路３からの出力パルスの内、
１８００位相の違うもの同志を組合わせ、これを増幅し
て昇圧し、９０°位相のずれた２種類の上記周波電圧と
して上記圧電素子に印加する出力回路４ａ、４ｂと、上
記弾性体に固着され、振動波モータの駆動時に圧電効果
によりフィードバック信号を出力するフィードバック用
圧電素子と、上記フィードバック信号により振動波モー
タの最適駆動周波数と現在の駆動周波数との差を求め、
この差を電圧値として上記圧電制御発振器１に出力する
駆動周波数自動追尾回路７と、を具備することを特徴と
するものである。

［実　施　例］ 以下、添付図面に従って本発明を具体的に説明する。

第２図は、本発明の一実施例を示す振動波モータの駆動
回路のブロック図であり、その主要部における信号波形
は第３図に示されている。

電圧制御発振器（以下、ＶＣＯと略記する）１１は、Ｕ
ＳＭ８１の駆動電圧信号の４倍の周波数ｆｏて矩形波信
号■を発振するように、発振周波数制御用基準電圧Ｖ　
ｒｅｆ２を制御して周波数ｆ。をを調整する可変電源１
３および誤差増幅器Ａ１２にて調整される。この周波数
ｆ　の矩形波信号■は、クロックパルスとして分配器２
４に供給されると共に、フリップフロップ回路（以下、
Ｆ／Ｆと略記する）２１にも供給される。同Ｆ／Ｆ　２
１で１／２分周された出力は、アンドゲート２３の一方
の入力端に供給されると共に、Ｆ／Ｆ　２２にも供給さ
れる。このＦ／Ｆ２２では、更に１／２分周つまり１／
４分周されて比較信号■となって上記アンドゲート２３
の他方の入力端に供給される。すると、このアンドゲー
ト２３の出力端よりデータ信号０が得られるので、この
データ信号０は０人力として分配器２４に印加される。

分配器２４は、４ビツトのシフトレジスタで構成されて
おり、その出力端子より９０″ずつ位相の異なる４相位
号φ。、φ１．φ２．φ３が切換回路２５を介して第３
図に示す波形０．［Ｆ］、［Ｆ］。

Ｇとなって出力される。また、この分配器２４には、Ｕ
ＳＭの運転、停止を制御するオン・オフ１号と、ＵＳＭ
の回転方向を制御する回転方向切換信号■とがそれぞれ
端子”ｒ、、、Ｔ１より人力されるようになっている。

そして、上記４相位号のうちから１８０’位相の異なる
信号φ。とφ１は、後述するアンドゲート３１，３２を
介してトランジスタ４１．４２および昇圧トランス４３
で構成されたプッシュプル増幅回路をドライブする。同
様に、信号φ２とφ３は、アンドゲート３３゜３４を介
してトランジスタ４４．４５および昇圧トランス４６で
構成されたプッシュプル増幅回路をドライブする。なお
、上記昇圧トランス４３゜４４のセンタータップには電
源電圧ｖ１１が供給されている。

この結果、ＵＳＭ８１の駆動電極８１ａ、　８１ｂには
９０°の位相差を有する駆動電圧が印加されることにな
り、ＵＳＭ８１の弾性体は伸縮運動を起こし進行波が発
生する。この弾性体の伸縮運動によりＵＳＭ８１上のモ
ニタ用のフィードバック用圧電素子の電極８１ｃには、
圧電効果によりフィードバック信号■が出力される。こ
のフィートノくツク信号■は、弾性体の振動そのものを
モニタしているため、この信号をコンパレータ７１て波
彰整形して得られた基準周波数信号■は、位相比較回路
７２で上記Ｆ／Ｆ　２２から出力された比較信号■と位
相比較を行ない、共振周波数に対するＶＣＯ発振周波数
の位相誤差を検出する。そして、この位相誤差信号をＬ
ＰＦ　（ロー・パス・フィルタ）７３で平滑し、誤差増
幅器Ａ１２を経て、ＶＣＯｌｌの電圧制御端子に帰還し
周波数自動追尾を行なうようになっている。このように
周波数の自動追尾を行なえば、常に最適点で効率良く駆
動か行なえる。

一方、ｖＣＯｌｌから出力される矩形波信号■は、単安
定マルチバイブレーク（以下、Ｍ／Ｍと略記する）５１
に供給されて、パルス幅か同Ｍ／Ｍ５１の時定数で定ま
るトリが信号となって鋸歯状波発生器５２に供給される
。この鋸歯状波発生器５２は、第２図（Ｉ３）に示すよ
うに、上記トリガ（２号がノンアクティブのとき、トラ
ンジスタ５５がオフなので、定電流源５３からの定電流
！。が積分コンデンサ５４を定電流充電する。従って、
同コンデンサ５４端の電位は、同図の出力端波形の直線
ｇ１のように直線的に上昇することになる。

そして、上記Ｍ／Ｍ５１から供給されるトリガ信号がア
クティブになると、同トリガ信号はコンデンサ５６．抵
抗５７およびダイオード５８からなる微分回路で微分さ
れ、トランジスタ５５のベースに供給されるので、同ト
ランジスタ５５がオンする。すると、積分コンデンサ５
４に定電流充電されていた電荷が、同図の出力端波形の
直線ｇ２のように、トランジスタ５５を介して瞬時に放
電するから、同コンデンサ５４の電位はグランドレベル
に戻る。このようにして、ＶＣＯｌｌの発振出力に同期
した鋸歯状波信号■が積分コンデンサ５４の両端から得
られ、これがボルテージフォロワ接続のオペアンプ５９
を介して出力され、ＰＷＭ（パルス幅変調）コンパレー
タ６１の反転入力端に入力される。

一方、速度制御端子Ｔ３に接続された図示しなすマイク
ロコンピュータ等の外部装置からビットシリアルで供給
されるスピードコントロール用のデータは、シリアル・
パラレル変換器６５でパラレルデータに変換される。こ
のパラレル出力はＤ−Ａコンバータ６６に入力され、ア
ナログの速度制御用基準電圧Ｖｒｅｆ’ｌとして誤差増
幅器Ｂ６２の非反転入力端子に入力される。この誤差増
幅器Ｂ６２の反転入力端子には、端子Ｔ４に接続された
図示しないＵＳＭの回転エンコーダからの出力パルスが
Ｍ／Ｍ６３、ＬＰＦ６４で構成されるＦ−Ｖ変換回路に
より平滑されて直流電圧として人力する。この誤差増幅
器Ｂ６２の出力信号はパルス幅変調信号０となりＰＷＭ
コンパレータ６１の非反転入力端に入力される。同コン
パレータ６１では、このパルス幅変調信号０に対する上
記鋸歯状波信号■のレベルを比較することにより、ＰＷ
Ｍコンパレータ６１の出力端に、ＵＳＭ８１の回転エン
コーダ出力の変化に追従した可変パルス幅信号■が得ら
れる。この可変パルス幅信号■は、駆動パルス幅可変回
路を構成する４個の２人力アンドゲート３１，３２，３
３．３４の一方の入力端に導かれる。そして、この２人
力アンドゲート３１．３２，３３．３４で、同ゲート３
１．　３２゜３３．３４の他方の入力端に印加されてい
る前記分配器２４の４相位号φ。、φ１．φ２．φ３と
論理積を取ることにより、上記４相位号φ。。

φ１．φ２．φ３のパルス幅が可変されたパルス幅ｉ１
変４相信号Ｏ１［Ｆ］、０および［Ｆ］を出力トランジ
スタ４１．４２，４４．４５に供給して、その駆動時間
を制制する。これにより各出力トランジスタ４１，４２
．４４．４５のコレクタ電流が変化されて、結果として
ＵＳＭ８１に流入する電力が変化することになる。

このように、ＰＷＭによりＵＳＭの電力制御をかける構
成をとれば、スピードコントロール用のデータを入力す
ることで、モータの回転数が任意に得られる駆動回路を
提供することができる。また、モータの回転を検知する
エンコーダ出力をフィードバックすることで一定速のモ
ータ回転を？１１ることも可能となる。

なお、上記実施例においては、スピードコントロール用
にデータ設定する方法を述べたが、基本的にはＰＷＭコ
ンパレータ６１の非反転入力端子の電圧を可変すること
てモータの回転数を変化させることができるのはいうま
でもない。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、次のような顕δ°な
効果が発揮される。即ち、振動波モータを駆動制御する
制御信号と駆動電圧による圧電効果により発生するフィ
ードバック信号との位相比較を行ない、その比較信号で
電圧制御発振回路の発振周波数を制御し、振動波モータ
の最適駆動周波数の自動追尾を行なうようにしたので、
それと同時に、モータ駆動のための出力回路をドライブ
する９０°位Ｆ［１差の４相伝号のパルス幅を、ＰＷＭ
により時間変化させることで、モータおよび回路の効率
低下を招くことなく第４図に示すように、回転数を静止
から最高速までリニアに変化できる振動波モータの駆動
回路か得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る振動波モータの駆動回路の概念
図、 第２図（Ａ）は、本発明の一実施例を示す振動波モータ
の駆動回路の（１１１成ブロック図で、第２図（Ｂ）は
上記第２図（Ａ）における鋸歯状波発生器の具体的な回
路図、 第３図は、上記第２図における各部波形のタイミングチ
ャート、 第４図は、振動波モータの駆動電極に印加する駆動信号
のパルス幅を変えた場合の回転数を示す線図、 第５図（Ａ）（Ｂ）は、従来の振動波モータの特性線図
で、（Ａ）は駆動周波数を変えた場合、（Ｂ）は印加電
圧を変えた場合の回転数をそれぞれ示す線図である。 １・・・・・・・・・・・・・・・・・・電圧制御発振
器２・・・・・・・・・・・・・・・・・・分配器′３
・・・・・・・・・・・・・・・・・・駆動パルス幅可
変回路４ａ、４ｂ・・・・・・出力回路 ５・・・・・・・・・・・・・・・・・・鋸歯状波発振
回路６・・・・・・・・・・・・・・・・・・パルス幅
変１週用コンパレータ７・・・・・・・・・・・・・・
・・・・駆動周波数自動追尾回路８・・・・・・・・・
・・・・・・・・・振動波モータ８１ｃ・・・・・・・
・・・・・フィードバック用圧電素子区 口塚寥　　　　　　　〇 鹸 回！！１ ０摩− 手　　続　　補　　正　　書　（自発）昭和６３年　９
月旨い 特許庁長官　　吉　１）文　毅　殿 １、“１１件の表示　　　　　昭和６３年特許願第０５
９５８３号２、発明の名称　　　　　振動波モータの駆
動回路子　　続　　補　　正　　書　（自発）平成　１
年　２月２３１１゜ 特許庁長官　　吉　［Ｄ　文　毅　殿 １、事件の表示　　　　　昭和６３年特許願第０５９５
８３号２、発明の名称　　　　　振動波モータの駆動回
路「明細書の特許１：δ求の範囲の欄」 う、補正の内容 明細書の特許請求の範囲を別紙の通り改めます。 （別　　　　　紙） 「２、特許請求の範囲 定毛段と、 動回路。 μ２）　（Ｉｉｉ性体に固着された圧電素子に周波電圧
を印加して弾性体の表面に進行性振動波を発生させ、こ
の弾性体表面に摩擦接触させた移動体を駆動する振動波
モータの駆動回路において、 上記周波電圧の４倍の周波数の矩形波を発振する電圧制
御発振器と、 上記矩形波をそれぞれ９０’位相のずれた４柑のパルス
波に分配する分配器と、 上記矩形波の発振に同期した鋸歯状波信号を発振する鋸
歯状波発振回路と、 上記鋸歯状波信号と基準電圧とのレベルを比較するパル
ス幅変調用コンパレータと、 このパルス幅変１現用コンパレータの出力を用いて、上
記４相のパルス波のパルス幅を変えて出力する駆動パル
ス幅可変回路と、 この駆動パルス幅可変回路からの出力パルスの内、１８
０°位相の違うもの同志を組合わせ、これを増幅して昇
圧し、９０°位相のすれた２種類の上記周波電圧として
上記圧電素子に印加する出力回路と、 上記弾性体に固着され、振動波モータの駆動１時に圧電
効果によりフィードバック信号を出力するフィードバッ
ク用圧電素子と、 上記フィードバック信号により振動波モータの最適駆動
周波数と現在の駆動周波数との差を求め、この差を電圧
値として上記圧電制御発振器に出力する駆動周波数自動
追尾回路と、 を具備することを特徴とする振動波モータの駆動回路。 」

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　弾性体に固着された圧電素子に周波電圧を印加
   して弾性体の表面に進行性振動波を発生させ、この弾性
   体表面に摩擦接触させた移動体を駆動する振動波モータ
   の駆動回路において、 上記周波電圧の４倍の周波数の矩形波を発振する電圧制
   御発振器と、 上記矩形波をそれぞれ９０゜位相のずれた４相のパルス
   波に分配する分配器と、 上記矩形波の発振に同期した鋸歯状波信号を発振する鋸
   歯状波発振回路と、 上記鋸歯状波信号と基準電圧とのレベルを比較するパル
   ス幅変調用コンパレータと、 このパルス幅変調用コンパレータの出力を用いて、上記
   ４相のパルス波のパルス幅を変えて出力する駆動パルス
   幅可変回路と、 この駆動パルス幅可変回路からの出力パルスの内、１８
   ０゜位相の違うもの同志を組合わせ、これを増幅して昇
   圧し、９０゜位相のずれた２種類の上記周波電圧として
   上記圧電素子に印加する出力回路と、 上記弾性体に固着され、振動波モータの駆動時に圧電効
   果によりフィードバック信号を出力するフィードバック
   用圧電素子と、 上記フィードバック信号により振動波モータの最適駆動
   周波数と現在の駆動周波数との差を求め、この差を電圧
   値として上記圧電制御発振器に出力する駆動周波数自動
   追尾回路と、 を具備することを特徴とする振動波モータの駆動回路。