JPH02294281A - 超音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］ 本発明は超音波モータの駆動回路、更に詳し《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
波によりロー夕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Ｂ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。このモータは超音波モータ（以下、ＵＳＭと略記す
る）と呼ばれ、措造が簡単で小型化が可能である。しか
も、発生トルクが大きく、また回転数が小さくてきるた
めに減速ギア等を介さずにダイレクトドライブができる
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
ー夕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／４＋　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、ＵＳＭ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、Ｕ　Ｓ　Ｍの共振周波数は、負
荷の変動やＵＳＭのロー夕とステータ間の押圧力の変動
．温度等外部環境の変化，人力電力の変化等によって少
しずつずれていく。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。

このような共振周波数へ自動追尾する手段には、次のよ
うなものがある。即ち、ＵＳＭの振動体上に設けられた
モニタ電極５Ｃにより振動体の振動を検出し、これによ
って得られたモニタ信号ＶＦＢの振幅から、あるいはＵ
ＳＭ駆動信号φ１とモニ夕信号ｖＰＢ位相差から、共振
周波数と駆動周波数とのずれを検出する。そして、上記
モニタ信号Ｖ　の振幅に、あるいはＵＳＭ駆動信号ＶＤ
Ｉ？とモＦＢ ニタ信号Ｖ，一位相差に、それぞれ比例した信号を発振
周波数が可変な発振器（以下、ｖＣＯと略記する）にフ
ィードバックし、これによってＵＳＭの駆動周波数を変
化させて共振周波数に自動追尾するようにしている。（
特開昭５９−２０４４７７号，特開昭６１−２５１４９
０号，特開昭６３−２０９４８１号各公報参照）。上記
モニタ信号■　の振幅による手段は、モニタ信号■ＰＢ
のＦＢ 振幅がＵＳＭの共振点て最大になるという原理に、また
、モニタ信号ｖＦＢとＵＳＭ駆動信号φ１との位相差に
よる手段は、駆動信号φ１とモニタ信号ｖＦＢとの位相
差が共振点付近で変化するという原理にそれぞれ基づい
ている。

また、共振周波数に自動追尾する他の手段として、ＵＳ
Ｍの駆動電極に印加される駆動信号φ１の電圧と電流の
位相差が共振点に近づくと小さくなる点に着目し、この
駆動信号φ１の電圧と電流の位相差を検出してこの位相
差に比例した信号を■ＣＯにフィードバックするという
のもある。

第７図は従来の超音波モータの駆動回路の一例を示すブ
ロック系統図である。図において、位相差検出回路３１
は、ＵＳＭ５のモニタ端子に発生するモニタ信号■ＦＢ
と駆動信号φ１の位相を比較し、この位相差に応じた電
圧■ＰＣを出力する。この位相差検出回路３１から出力
される位相差に応じた電圧Ｖ，。は、加算回路３３の一
方の入力端に印加される。同加算回路３３の他方の人力
端には、駆動信号φ１の周波数のロックポイントを調整
する可変抵抗器３２で電源電圧Ｖｃｃを分圧して得られ
た初期電圧■ＩＮＩＴが印加されている。従って、上記
加算回路３３の出力端には、位ト目差に応じた電圧Ｖ　
と初期電圧ＶＩＩＩＩＩＴとの和の電圧が得られ、ＰＣ この和電圧（ｖＰｃ＋ｖＩＮＩＴ）がＶＣＯ３４に供給
される。

ＶＣＯ３４は、人力電圧によってその発振周波数を制御
できる発振器なので、同ＶＣＯＢ４から出力される駆動
信号φ１の周波数は、上記和電圧？ＶＩＮＩＴ＋ＶＰｃ
）によって決まる。そして、電力増幅回路３５は、駆動
信号φ１を増幅し、ＵＳＭ５を駆動するようになってい
る。

この回路の起動特性を第８図に示す。Ｕ　Ｓ　Ｍ　５が
停止している状態では、モニタ信号ｖＦＢは発生しない
ため、位相差検出回路３１は動作しない。

この時ＶＰｃ−Ｏｖとなるようにしておくと、ＶＩＮＩ
Ｔ＋ＶＰＣ＝　ＶＩＮＩＴとなり、ＶＣＯ３４はこの初
期電圧Ｖ　　に応じた初期周波数ｆＩＮＩＴで発振ＩＮ
ＩＴ する。この初期周波数ｆＩＮＩＴの駆動信号φ１は、電
力増幅回路３５で電力増幅された後、ＵＳＭ５に供給さ
れて同ＵＳＭ５を起動させると、モニタ信号ｖＦＢが発
生するため、Ｖｐ。キＯｖとなり、駆動信号の周波数は
共振周波数ｆ。へ上下動を繰り返しながら徐々に収束し
ていくことになる。そして、駆動信号φ１が初期周波数
’　ＩＮＩ■で発振してから共振周波数ｆ。に収束しき
るまでの時間ｔ１は、通常数ｍ　Ｓｅｅを要する。

［発明が解決しようとする課題コ しかながら、上記モニタ信号Ｖ『ＢとＵＳＭ駆動信号φ
１との位相差に応じた電圧Ｖ，。を初期電圧ＶＩＮＩＴ
に加算してＶＣＯ３４に印加し、これによって定常駆動
状態になったときにＶｌＮＩＴ＋ＶＰｃによる駆動周波
数が、共振周波数ｆ。になるように可変抵抗を調整して
、ＵＳＭ５を駆動する駆動信号φ１を求める上記第７図
に示す従来の超音波モータの駆動回路では、その動作原
理上駆動電力を供給してＵ　Ｓ　Ｍ　５を起動した後に
なって初めて、モニタ信号ＶＦＢが発生するので、起動
時にＵ　Ｓ　ＰＶｉ５に加える駆動信号φ１の周波数の
初期”　ＩＮＩＴは、ＵＳＭ５の共振周波数ｆ。とは無
関係な一定の値にせざるをえなかった。ところが、ＵＳ
Ｍの共振周波数ｆ。は、温文等の使用条件によって変化
するため、第９図に示すように周囲温度が変イツると、
共振周波数ｆ。と駆動周波数の初期直’　ＩＮＩＴの差
も変化してしまう。また、周囲温度等の使用条件が同じ
でもＵＳＭの個々のばらつきによって共振周波数ｆ。が
異なるので、第１０図に示すように共振周波数ｆ。と駆
動周波数の初期値’　ＩＮＩＴの差がばらつくこともあ
る。

このため、起動時にＵＳ〜１の駆動周波数かその共振周
波数ｆ。に収束するにはある程度の時間が必要で、その
結果、モータの応答が悪くなるという問題点があった。

このことは、例えば、短時間にオン・オフあるいは正転
／逆転を繰り返すカメラのＡＦ動作にＵＳＭを使用した
場合、合焦状態に達するまでの時間が長くなるという問
題点が発生した。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので
、その目的は、Ｕ　Ｓ　Ｍの起動から共振周波数に収束
するまでの時間を最小にし、ＵＳＭの応答性を向上させ
た超音波モータの駆動回路を提供するにある。

［課題を鼾決するための手段および作用コ本発明の超音
波モータの駆動回路は、第１図の概念図に示すように、
超音波モータ５の振動体に設けられたモニタ電極より出
力される信号から、超音波モータの共振周波数を検出す
る共振周波数検出手段１と、上記超音波モータ５に印加
する駆動電圧の周波数を変化させる発振手段３と、二の
発振千段３の発振周波数が、上記共振周波数検出手段１
にて検出された共振周波数に近い値になるように、上記
発振手段３を制御する制御信号を出力する共振周波数追
尾手段２と、上記超音波モータ５の起動信号および停止
信号を出力する出力手段４と、この出力手段４と上記発
振手段３、および上記共振周波数追尾手段２に接続され
、上記停止信号の田力により上記制御信号を記億し、起
動信号の出力ににより記憶した制御信号を上記発振手段
に出力する記憶千段６と、を具ｉすることを特徴とする
ものである。

［実　施　例コ 以下、画面を参照して本発明を具体的に説明すめる。第
２図は本発明の第１実施例を示す超音波モータの駆動回
路のブロック系統図である。図において、符号１１はア
ッテネー夕で、ＵＳＭ５のモニタ端子から検出されるモ
ニタ電圧ＶＦＲの振幅を減衰させて次段の波形整形回路
１２へ入力可能なレベルに設定する。１２は波形整形回
路で、上記アッテネータ１１で減衰されたモニタ電圧Ｖ
Ｆｌ３を方形波電圧Ｖｌ’Ｂ’　に波形整形する。１３
は、位相比較凹路で、上記波形整形回路１２から出力さ
れた方形波電圧ＶＦＢ’　と駆動信号φ１（方１［ニ波
）の位相を比較し、その結果によって■カレベルを“Ｈ
“か“Ｌ″にする。

１４はブリセットが可能な８ビッ１・のバイナリアップ
・ダウン・カウンタて、このカウンタ１４のアップカウ
ント／ダウンカウント切換端子Ｕ／Ｄに印加される信号
のレベルが“Ｈ゜ならクロック入力端子ＣＫに人力され
るクロック信号に応動してアップカウントを、アップカ
ウント／ダウンカウント切換端子Ｕ／Ｄに印加される信
号のレベルが“Ｌ”ならクロック信号に応動してダウン
カウントをそれぞれ行なう。また、プリセット端子ＰＲ
に印加される信号のレベルを“Ｈ”にすると、データ入
力端子Ｄ。−Ｄ７に供給されているデータをこのカウン
タ１４にブリセットする。

なお、出力端子Ｑｏ−Ｑ７はこのカウンタ１４の出力端
子である。

１５は、ブリセットが可能な８ビソｌ・のハイナリ・ダ
ウン・カウンタで、クロツク人力端子Ｃ　Ｋこ人力され
るクロック信号に応動してダウンカウントをし、カウン
ト値が０になるとゼロ端子ＺＥの論理レベルを”Ｈ”に
する。このゼロ端子ＺＥはプリセット端子ＰＲに接続さ
れているので、プリセット端子ＰＲの論理レベルも“Ｈ
′になり、これによってプリセットデータ入力端子Ｄｏ
〜Ｄ７に供給されているデータをこのカウンタ１５にプ
リセットして再度ダウンカウントが行なわれる。

１６はＤ型フリップフロツブ（以下、ＤＦＦと略記する
）回路である。１７は１７２分周・９０″移相器で、上
記ＤＦＦ１６から出力された信号ａを１／２分周し、相
互に９０’位｛目のシフトした駆動信号φ１，φ２を出
力する。１８ａ，１８ｂは電力増幅回路、１９は進行波
型超＆波モータ、２０は水晶発振回路で、Ｕ　Ｓ　Ｍの
駆動周波数に対して十分高い周波数のクロック信号ＣＬ
Ｋを発生する。２１はＣＰＵ、２２はＥ２ＰＲＯＭて、
電気的にメモリ内容を書き換え可能なメモリで、電源を
オフしてもそのメモリの内容は消えない。

このように構成された第２図に示すこの第１実施例の動
作を第３図と第４図に示すタイミングチャートを用いて
説明する。ＵＳＭ５が動作中は、そのモニタ端子５Ｃに
モニタ電圧ｖＦＢが発生する。

このモニタ電圧ＶＦＢは、アッテネータ１１で減衰され
、更に波形整形回路１２て波形整形されて方形波信号ｖ
ＦＢ′　となる。位相比較回路１３は、方形波信号■Ｆ
Ｂ’　と駆動振動φ１との位ｉ１Ｊを比較して、その出
力の論理レベルが決定されるようになっている。そこで
、この様子を第３図を用いて説明する。

第３図（Ａ）　．　（Ｂ）は、上記駆動信号φ１と方形
波信号ＶＦＲ’　とのタイミングトチャートである。図
において、駆動信号φ１と方形波信号ＶＦＢ’の位相差
がｔ３のとき、ＵＳＭ５が最も効率よく駆動されるとす
る。そこで、この位相差ｔ３を予め位相比較回路１３に
目標値としてセットしておき、同比較回路１３に入力さ
れる駆動信号φ１と方形波ｆＪ号ＶＦＢ′　との位Ｐｌ
′Ｊ差がｔ３より小さい第３図（Ａ）の場合は同比較回
路１３の出力レベルを“Ｌ゛にし、ｔ３より大きい第３
図（Ｂ）の場合は“Ｈ“にする。この位相比較回路１３
の出力端は、アップ・ダウン・カウンタ１４のアップカ
ウント／ダウンカウント切換端子Ｕ／Ｄに接続されてい
るため、このカウンタ１４は上記駆動信号φ１と方形波
信号ｖｒＢ’　との位相差が目標値ｔ３より小さいとダ
ウンカウントし、大きいとアップカウントすることにな
る。そして、このカウント動作は駆動信号φ１の立上り
によって行なわれる。

アップ・ダウン・カウンタ１４の出力端Ｑｏ〜Ｑ７は、
ダウン・カウンタ１５のブリセットデータ人力端子Ｄ。

〜Ｄ７に接続されているので、ダウンカウンタ１５はこ
のプリセット値よりダウンカウントを開始し、カウント
値が０になったらゼロ端子ＺＥを′Ｈ”にする。このゼ
ロ端子ＺＥはブリセット端子ＰＲに接続されているので
、ブリセット端子ＰＲもまた′Ｈ”となり、カウント値
はブリセットされ、上記の動作を繰り返す。このカウン
トはクロック人力端子ＣＫに接続されている水晶発振回
路２０の出力信号Ｃ　Ｌ　Ｋによって行なわれる。以上
の様子を第４図に示す。

ダウン●カウンター５のゼロ端子ＺＥは、ＤＦＦ１６の
クロック信号入力端子ＣＫに接続されているので、ＤＦ
Ｆ１６の出力端には、第４図に示すような信号Ｓａが得
られる。ところで、進行波型ＵＳＭを駆動するためには
９０’Ｍ相のシフトした同波長の２相の信号を必要とす
るから、第４図に示すように１／２分周・９０″移相器
１７でこのような２柑の信号φ１，φ２を作っている。

上記２柑の信号φ１，φ２は、電力増幅回路１８ａ，１
８ｂで電力増幅された後、Ｕ　Ｓ　Ｍ　５の駆動電極５
ａ，５ｂに印加されて同モータ５が駆動さるようになっ
ている。

従って、ＵＳＭ５の駆動周波数、即ち、駆動信号φ１，
φ２の周波数は、ｔ　を水晶発振回路Ｃ ２０から出力されるクロツクバルスＣＬＫの周期とすれ
ば、 １／｛ｔＸ（ダウン・カウン月５のブリセフト値）　　
ｘ４１Ｃ て表わされる。

上記クロックバルスＣＬＫの周明ｔ　は定数なＣ ので、ＵＳＭ５の駆動周波数はダウン・カウンター５の
プリセット値によって決まることになる。

ダウン・カウンター５のブリセット値は、アップ・ダウ
ン・カウンター４の出力Ｑ。−Ｑ７と等しい。この値は
モニタ信号Ｖ｝’Ｂ’　と駆動信号φ１との位相差によ
って加減される。その結果、モニタ信号ＶＦＢ′　と駆
動信号φ１との位相差は第３図に示す目標値ｔ３となり
、これによってＵＭＳ５を駆動する周波数は最適値とな
る。

ＵＳＭ５を停止するため、ダウン・カウンタ１５のクロ
ツク入力端子ＣＫへのクロック信号ＣＬＫの入力を図示
しない手段により禁止すると、駆動信号φ１は出力され
なくなる。このとき、アップ・ダウン・カウンタ１４の
クロック入力端子ＣＫへのクロックの人力がなくなるの
で、このカウンタ１４はその動作が停止する直前の値を
保存することになる。

ＵＳＭ５を一時停止した後、再起動するときは、上記の
保存されていた値に対応する周波数で発振が開始するか
ら、温度等の使用条件に変化がなければ起動してから最
適駆動周波数へ収束するまでの時間は全く不要となり、
これによって迅速な起動が可能になる。

また、温度等の周囲条件に変化があったとしても、第５
図の駆動周波数の時間推移を示す線図のように、ＵＳＭ
５の駆動周波数は、ＵＳＭ５が停止する直前の”　ＩＮ
ＩＴから開始されるので、ＵＳＭ５の共振周波数ｆ。に
収束するまでの時間ｔ２は、前記従来１１について示し
た第８図の時間ｔ１より短くなる。

即ち、本実施例によれば、停止信号に応じてその時の周
波数を記憶し、起動信号に応じて記ｔσされた周波数を
出力する周波数記憶手段としてのアップ拳ダウン●カウ
ンタ１４を設けることにより、前回の周波数と近い値か
ら追尾が開始するので収束するのが早くなる。

また、この駆動回路システム全体の電源をオフすると、
カウンタの内容は消えてしまう。そこで、電源をオフす
る信号が発生すると、この『二号によりＣＰＵ２１がア
ツアブ・ダウン●カウンタ１４の内容を取り込んでＥ２
ＦＲＯＭ２２に書き込み、その後、電源をオフするよう
にしておく。このようにすれば、電源をオフしたときも
、カウンタ１４の内容を保存でき、これによって次回使
用時に電源をオンする信号によってＥ２ＦＲＯＭ２２の
内容をＣＰＵ２１を通してアップ・ダウン・カウンタ１
４にブリセットすれば、これを駆動周波数の初期値とす
ることができる。

また、本実施例では共振周波数追尾の方法として、駆動
信号φ１とモニタ信号■ＰＢとの位相差を用いているが
、モニタ信号ｖＦＢの振幅を用いる方法もあるし、ＵＳ
Ｍに人力する駆動信号φ１′あるいはφ２′　（第２図
参照）の電圧と電流の位相差を用いる方法もあることは
前述したとおりてある。

また、この第１実施例では、進行波型ＵＳＭの駆動回路
について述べたが、他の方式のＵＳＭにも利用できるこ
とは言うまでもない。

第６図は、本発明の第２実施例を示す超音波モ一夕の駆
動回路のブロソク系統図である。この第２実施例が上記
第１実施例と大きく異なる点は、ＵＳＭ５を一時停正し
た際の停止信号に応じてそのときの駆動周波数を記憶す
る手段にアンプ・ダウン・カウンタ１４に代えてＣＰＵ
２１のメモリを用いたことである。そして、この第２実
施例で上記第１実施例と同じｆＭ成部材については同し
符号を付して、その説明を省略する。

第６図において、モニタ信号ＶＰＢ’　と駆動信号φ１
との位相差の検出および駆動信号φ〕，φ２の周波数の
決定は、ＣＰＵ２１が行なっている。

このＣＰＵ２１により駆動信号φ１，φ２の位相差が９
０＠になるように設定される。そして、ＵＳＭ５の駆動
が停止されても、駆動周波数のデタはＣＰＵ２１のメモ
リ内に残るし、また電源オフの時には、このデータをＥ
２ＰＲＯＭ２２に記憶されるようになっている。これに
よって起動時には、停止時におけるＵ　Ｓ　Ｍ　５の駆
動周波数をＣＰＵ２１のメモリから読出して前回の駆動
周波数と近い周波数から自動追尾を開始することがてき
［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、ＵＳ〜１の起動時に
前回駆動時の最適駆動周波数が初期値としてセットされ
るため、ＵＳＭを起動してからその駆動周波数が最適直
に収束するまでの時間が短縮され、これによって迅速な
起動が可能になるという顕とニな効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る超音波モータの駆動回路の概念
図、 第２図は、本発明の第１実施例を示す超音波モータの駆
動回路のブロック系統図、 第３図（Ａ）　．　（Ｉ３）は、上記第２図における駆
動信号φ１と方形波信号ＶＰＢ’　との波形を示すタイ
ミングチャートで、第３図（Ａ）は駆動信号φ１と方形
波信号ＶＦＢ′　との位相差が［１標値ｔ３より小さい
場合を、第３図（Ｂ）は、大きい場合をそれぞれ示すチ
ャート、 第４図は、上記第２図に示す、水晶発振回路，１／２分
周・９０゜移柑器等における各部の動作を説明するタイ
ミングチャート、 第５図は、上記第２図におけるＵＳＭの駆動周波数の起
動特性を示す線図、 第６図は、本発明の第２実施例を示す超音波モータの駆
動ロ路のブロック系統図、 第７図は、従来の超音波モータの駆動回路のブロック系
統図、 第８図は、上記第７図におけるＵ　Ｓ　Ｍの駆動周波数
の起動特性を示す線図、 第９図と第１０図は、ＵＳＭの共振周波数の使用条件に
よる変化を示す線図て、第９図は、周囲温度が変った場
合を、第１０図は、ＵＳＮ１個々のばらつきを、それぞ
れ示す線図である。 １・・・・・・・・・共振周波数検川手段２・・・・・
・・・・共振周波数追尾手段３・・・・・・・・・発振
手段 ４・・・・・・・・出力手段 ５・・・・・・・・・ＵＳＭ　（超音波モータ）５Ｃ・
・・・・・モニタ電極 ６・・・・・・・・・記憶手段 ７・・・・・・・・・停止信号 ８・・・・・・・・・起動信号 第３回

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　（１）超音波モータの振動体に設けられたモニタ電極
   より出力される信号から、超音波モータの共振周波数を
   検出する共振周波数検出手段と、 上記超音波モータに印加する駆動電圧の周波数を変化さ
   せる発振手段と、 この発振手段の発振周波数が、上記共振周波数検出手段
   にて検出された共振周波数に近い値になるように、上記
   発振手段を制御する制御信号を出力する共振周波数追尾
   手段と、 上記超音波モータの起動信号および停止信号を出力する
   出力手段と、 この出力手段と上記発振手段、および上記共振周波数追
   尾手段に接続され、上記停止信号の出力により上記制御
   信号を記憶し、起動信号の出力ににより記憶した制御信
   号を上記発振手段に出力する記憶手段と、 を具備することを特徴とする超音波モータの駆動回路。