JPH03203575A - 超音波モータ装置 - 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、圧電素子を利用した超音波モータの駆動回路
に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明は、超音波モータの圧電素子への印加信号をモニ
ターしながら、駆動周波数を変化させることで、超音波
モータの共振周波数（ｆ　ｒ）を検出するものである。

〔従来の技術〕

超音波モータは圧電素子に周波電圧を印加して弾性体表
面に進行波又は定在波を励起し、圧接する１多動体を駆
動するものである。印加信号の周波数は超音波モータの
共振周波数（ｆｒ）か、これに近い周波数でなければな
らない。

第１）図は第１の従来例による超音波モータ駆動回路の
ブロック図である。この例はトランスを用いて圧電素子
に電圧を印加し、その電圧とそこに流れる電流との位相
差を検出して、電圧制御発振手段の周波数を共振周波数
に合わせようとするものである。特開昭６２−９２７８
１および特開昭６３−１８６５７１号公報などに記載さ
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

第１）図の従来例は、圧電素子の電圧とそこに流れる電
流の位相差を検出するために、圧電素子へ正弦波に近い
波形を印加する必要がある。そのためにトランス９０を
用いる必要がある。トランスはそのサイズが大きいため
に、超音波モータ装置を小型の機器に使用する場合に大
きな障害となる。

また電流を検出するための抵抗９１を用いるために、こ
の抵抗で電力を消費し、電力効率を悪化させるという問
題がある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するために本発明においては、圧電素
子３及びコイル４に発生する電圧波形を検出する電圧波
形検出手段ｌＯにより、超音波モータが共振周波数（ｆ
　ｒ）より高い周波数で駆動されているか、ｒｒより低
い周波数で駆動されているかを検出可能とし、この結果
に基づき制御手段８が共振周波数を捜し求めるようにし
たものである。

〔作用〕

電圧波形検出手段１０は圧電素子３及びコイル４の電圧
波形の特徴を検出し、超音波モータが共振周波数（ｆ　
ｒ）より高い周波数で駆動されているか、ｆｒより低い
周波数で駆動されているかを制御手段８に出力する。制
御手段８はその結果を受けて、電圧制御発振手段６が共
振周波数で発振するようにＤ／Ａ変換手段７ヘデイジタ
ル信号を出力する。Ｄ／Ａ変換手段７は入力したディジ
タル信号をアナログ信号に変換して、電圧制御発振手段
６ヘアナログ信号を出力する。電圧制御発振手段６は入
力したアナログ信号の電圧により、その電圧に対応した
周波数で発振する。駆動手段１５は電圧制御発振手段６
の発振周波数でトランジスタ５を駆動する。と同時に、
電圧波形検出手段１０へ電圧波形検出のためのタイミン
グを出力する。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。な
お、圧電素子を利用した超音波モータについては定在波
方式や進行波方式など考えられるが（例えば「新方式／
新原理モータ開発・実用化の要点」昭和５９年、日本工
業技術センター発行を参照の事）、本発明の超音波モー
タは、いづれでも良い。

第１図は本発明による超音波モータ駆動回路の実施例を
示す機能ブロック図である。第１図の動作は以下のよう
である。トランジスタ５を周期的にオン、オフすること
でコイル４に電流を流したり、オーブンしたりする。コ
イル４をオープンした時に逆起電圧が発生し、圧電素子
３に高い電圧が印加される。その電圧波形を電圧波形検
出手段１０が検出し、その結果を制御手段８に出力する
。

制御手段８は超音波モータが共振周波数より高い周波数
で駆動されているか、低い周波数で駆動されているかに
よって、Ｄ／Ａ変換手段７へのディジタルデータを制御
する。Ｄ／Ａ変換手段７は制御手段８から指定されたデ
ィジタルデータに従ったアナログ電圧を電圧制御発振手
段６へ出力する。

電圧制御発振手段６は指定されたアナログ電圧に従った
周波数のパルス波形を、駆動手段１５へ出力する。駆動
手段１５はトランジスタ５を駆動すると同時に、電圧波
形検出手段１０へ電圧検出のタイミング波形を出力する
。

第５図は超音波モータのインピーダンス（Ｚ）−周波数
（ｆ）特性図である。第６図は超音波モータの駆動波形
を示すタイミングチャー）ＩＮである。以下、超音波モ
ータの基本的動作を第５図と第６図を用いて説明する。

超音波モータの圧電素子に印加する駆動周波数（ｆ）を
ｆＯから徐々に減少させると、インピーダンス（Ｚ）が
小さくなり電流が増大する。と同時にモータの回転数も
増大する。駆動周波数＜１＞を共振周波数（ｆ　ｒ）ま
で減少させると、インピーダンスが急激に増大し、はと
んどの場合モータも停止する。このときの、超音波モー
タ駆動波形を観測すると、駆動周波数が区間（ｆ　ａ）
の時は、第６図（ａ）のような超音波モータ駆動波形が
得られ、駆動周波数が区間（ｂ）の時は、第６図（ｂ）
のような超音波モータ駆動波形が得られる。第６図（ａ
）と（ｂ）を見比べると、（ｐ）のタイミングで最も波
形の差があられれている。従って（ｐ）のタイミングで
駆動波形の電圧を検出したり、（ｐ）のタイミングの近
辺で駆動波形を積分すれば、駆動周波数が区間（ｆ　ａ
）なのか、区間（ｆ　ｂ）なのか、を検出することがで
きる。以上のようにして、電圧波形検出手段１０は検出
動作を行い、その結果を制御手段８に出力する。なお、
超音波モータが最も効率良く回転するのは、駆動周波数
が区間（ｆＣ）の時である。

超音波モータが第５図の区間（ｆｃ）で効率良く動作す
るよう、制御手段８がどのように動作するかを以下簡単
に説明する。制御手段８には電圧制御発振手段６が周波
数ｆＯ近辺で発振するディジタルデータＤｆｏを記憶さ
せておく。Ｄｆｏは超音波モータと電圧制御発振手段６
などの製造上のバラツキ等を考慮して、駆動回路と超音
波モータを組み合わせた後に、調整しても良い。まず、
制御手段８はＤ／Ａ変換手段７ヘデイジタルデータＤｆ
ｏを出力する。そして、制御手段８は超音波モータが駆
動周波数区間（ｆａ）で動作しているか、駆動周波数区
間（ｆｂ）で動作しているかを示す電圧波形検出手段ｌ
Ｏの結果を取り込みながら、徐々にディジタルデータを
変え、駆動周波数を低くしていく。電圧波形検出手段１
０の結果が駆動周波数区間（ｆｂ）を示すデータに切り
替わった時に出力していたディジタルデータＤｆｒを制
御手段８は記憶する。再度ディジタルデータＤｆＯを出
力し、いま記憶したＤｆｒの少し手前までディジタルデ
ータを変え、駆動周波数を低くしていく。以上の動作に
より、超音波モータを周波数区間（ｆ　ｃ）で安定して
駆動させることができる。

第２図は本発明による駆動及び検出手段１の第１の実施
例を示す図である。第８図は本発明による第２図の実施
例の動作を示すタイミングチャート図である。以下、第
８図を用いて第２図の動作を説明する。まず制御手段８
によりリセット信号２ｒが解除される事で電圧波形検出
の動作が開始される。電圧制御発振手段７より信号線２
ａにクロ、り信号が与えられる。遅延手段１５０は信号
線２ａのクロック信号をわずかに遅らせて信号線２ｂに
クロック信号を出力する。　Ｔ−ＦＦ１５１．１５２は
信号線２ｂの信号を分周して、信号線２Ｃ１２ｄへ駆動
信号を出力する。ＮＯＲゲート１０３は信号ｖＡ２ｅヘ
コンパレータ１００の電源をオンする信号を出力する。

Ｔ−ＦＦ１０２は信号ｖＡ２ａのクロック信号を分周し
て、信号線２ｈヘクロツク信号を出力する。Ｄ−ＦＦＩ
ＯＩは信号１ｉ２ｈのクロック信号の立ち上がりで信号
線２ｇのデータを保持する。コンパレータ１００は信号
線２ｅが旧ｇｈの時に電源が供給され、動作を開始する
。駆動周波数（ｆ）が共振周波数（ｆ　ｒ）より高い周
波数区間（ｆ　ａ）の場合、信号′ｆａ２ｆは第８図（
ａ）（７）様な波形となり、コンパレータ１００の出力
は信号線２ｆの立ち上がりでＬｏｗとなる。逆に、駆動
周波数（ｆ）が共振周波数（ｆｒ）より低い周波数区間
（ｂ）　（７）場合、信号ｖＡ２ｆは第８図（ｂ）（７
）４１な波形となり、コンパレータ１００の出力は信号
線２ｆの立ち上がりで旧ｇｈとなる。以上の動作により
、超音波モータが回転している時は信号！２ｉはＬｏ−
となり、回転していない時は信号線２ｉは）１ｉｇｈと
なる。コンパレータ１００に与える基準電圧Ｖｒｅｆと
遅延手段１５０の遅延時間は、超音波モータにあわせて
調整するようにしても良い。

第３図は本発明による駆動及び検出手段の第２の実施例
を示す図である。第９図は本発明による第３図の実施例
の動作を示すタイミングチャート図である。以下、第９
図を用いて第３図の動作を説明する。まず制御手段８に
よりリセント信号３ｒが解除される事で電圧波形検出の
動作が開始される。電圧制御発振手段６より信号線３ａ
にクロック信号が与えられる。遅延手段１５０は信号線
３ａのクロック信号をわずかに遅らせて信号ｍ３ｂにク
ロック信号を出力する。Ｔ　−Ｆ　Ｆ１５１．１５２は
信号線３ｂの信号を分周して、信号線３ｃ、３ｄへ駆動
信号を出力する。ＮＯＲゲート１）０は信号ｍ３ｅへト
ランスごンシタンゲート１０６をオンオフ制御する信号
を出力する。信号線３ｅの信号はトランジスタ５がオン
する直前のわずかな時間だけ旧ｇｈとなりトランスくソ
ションゲート１０６をオンさせる。駆動周波数（ｆ）が
共振周波数（ｆｒ）より高い周波数区間（ｆ　ａ）の場
合、信号線３ｆは第９図（ａ）の様な波形となり、トラ
ンスごソションゲート１０６が信号線３ｅのタイくング
でオンするので、コンデンサ１０８には低い電圧が充電
される。逆に、駆動周波数（ｆ）が共振周波数（ｆ　ｒ
）より低い周波数区間（ｆｂ）の場合、信号線３ｆは第
９図（ａ）の様な波形となり、コンデンサ１０８には高
い電圧が充電される。コンパレータ１０９は信号＆１３
ｇの電圧を検出する０以上の動作により、超音波モータ
が回転している時は信号線３ｈはＬｏｗとなり、回転し
ていない時は信号線３ｈは旧ｇｈとなる。コンパレータ
１０９に与える基準電圧Ｖｒｅｆと遅延手段１５０の遅
延時間は、超音波モータにあわせて調整するようにして
も良い。

第４図は本発明による駆動及び検出手段の第３の実施例
を示す図である。第１Ｏ図は本発明による第４図の実施
例の動作を示すタイミングチャート図である。以下、第
１０図を用いて第４図の動作を説明する。まず制御手段
８によりリセット信号４ｒが解除される事で電圧波形検
出の動作が開始される。電圧制御発振手段６より信号線
４ａにクロック信号が与えられる。Ｔ　−Ｆ　Ｆ　１５
３．１５４は信号線４ａの信号を分周して、信号線４ｃ
、４ｂへ駆動信号を出力する。ＮＯＲゲート１）６は信
号＆ｌｌ４ｅへＲ−Ｓラッチ１）３をリセットする信号
を出力する。ＡＮＤゲート１）５は信号線４ｄへＤ−Ｆ
Ｆ１）４のクロック信号を出力する。Ｄ−ＦＦ１）４は
信号線４ｄの立ち上がりで、信号ｋＩＡ４ｉのデータを
保持する。駆動周波数（ｆ）が共振周波数（ｆｒ）より
高い周波数区間（ｆ　ａ）の場合、信号線４ｆ及び信号
線４ｆを微分した信号線４ｇは第１０図（ａ）の様な波
形となる。信号線４ｆの電圧波形は急峻な変化が無いの
で、信号１４ｇの電圧波形はＶｒｅｆを下回らず、コン
パレータ１）２の出力信号線４ｈがＲ−Ｓラッチをセン
トしない、逆に、駆動周波数（ｆ）が共振周波数（ｆ　
ｒ）より低い周波数区間（ｆ　ａ）の場合、信号線４ｆ
及び信号線４ｆを微分した信号線４ｇは第１０図（ｂ）
の様な波形となる。信号線４ｒの電圧波形はトランジス
タ５がオンするタイミングで急峻な変化を示すので、信
号線４ｇの電圧波形はＶ　ｒｅｆを下回り、コンパレー
タ１）２の出力信号＆１Ｉ４ｈがＲ−Ｓラッチをセント
する。以上の動作により、超音波モータが回転している
時は信号線４ｊ？、ｔＬｏ−となり、回転していない時
は信号線４ｊは旧ｇｈとなる。コンパレータ１）２に与
える基準電圧Ｖｒｅｆは、超音波モータにあわせて調整
するようにしても良い。

またノイズによる影響を防止する為に、信号Ｍ４ｈのセ
ント信号をトランジスタ５がオフからオンに切り替わる
近辺だけ有効とするゲートをコンパレータ１）２とＲ−
’３ラッチ１）３の間に追加しても良い。

第７図は本発明による遅延手段の実施例である。

（ａ）は回路例、（ｂ）はタイミングチャート図である
。抵抗１５０１の抵抗値とコンデンサ１５０２の容量値
を適当に選択することで、遅延時間を調整することがで
きる。

〔発明の効果〕

本発明による超音波モータ装置はコイルを用いており、
トランスを使用していないために、超音波モータを小型
の機器に利用する場合に非常に有利である。たとえば小
型の機器として腕時計を例にとると、トランスを使用し
た超音波モータを腕時計に内蔵することはほとんど不可
能であるのに対して、コイルを使用した超音波モータを
腕時計に内蔵することは可能である。また、本発明によ
る超音性モータ装置は圧電素子に流れる電流を検出する
必要がないため、圧電素子と直列に抵抗を入れる必要が
ない。従って、従来ではこの抵抗で電力を消費していた
のに対して、本発明による超音波モータ装置ではこの抵
抗で消費する電力が不要である。また、本超音波モータ
装置ではこの抵抗をＧＮＤと圧ｉｔ素子の贋に接続する
必要が無いため、超音波モータ装置の製造上、非常に有
利である。つまり、超音波モータのステータを直接ＧＮ
Ｄに接続できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波モータ駆動回路の実施例を
示す機能ブロック図である。 第２図は本発明による駆動及び検出手段の第１の実施例
を示す図である。 第３図は本発明による駆動及び検出手段の第２の実施例
を示す図である。 第４図は本発明による駆動及び検出手段の第３の実施例
を示す図である。 第５図は超音波モータのインピーダンス（２）−周波数
（ｆ）特性図である。 第６図は超音波モータの駆動波形を示すタイミングチャ
ート図である。 第７図は本発明による遅延手段の実施例を示す図である
。（ａ）は回路例、（ｂ）はタイミングチャート図であ
る。 第８図は本発明による第２図の実施例の動作を示すタイ
ミングチャート図である。 第９図は本発明による第３図の実施例の動作を示すタイ
ミングチャート図である。 第１Ｏ図は本発明による第４図の実施例の動作を示すタ
イミングチャート図である。 第１）図は第１の従来例による超音波モータ駆動回路の
ブロック図である。 駆動及び検出手段 圧電素子 圧電素子 コ　イ　ル トランジスタ 電圧制御発振手段 Ｄ／Ａ変換手段 制御手段 電圧波形検出手段 駆動手段 以上

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性体に圧電素子が貼られた振動体の圧電素子に
   周波電圧を印加する事により、弾性体の表面に進行波又
   は定在波を励起し、前記進行波又は定在波によって弾性
   体に圧接される移動体を駆動せしめる超音波モータにお
   いて、前記圧電素子の電圧波形を検出する電圧波形検出
   手段と、前記電圧波形検出手段の出力信号を入力して、
   その信号の内容によりＤ／Ａ変換手段へ信号を出力する
   制御手段と、前記Ｄ／Ａ変換手段出力信号により出力周
   波数が変化する電圧制御発振手段と、前記電圧制御発振
   手段の出力信号から前記圧電素子に印加する信号を生成
   する駆動手段からなることを特徴とする超音波モータ装
   置。
2. （２）前記駆動手段は電圧制御発振手段の出力信号を遅
   延する遅延手段と前記遅延手段の出力信号を分周する分
   周手段からなり、前記電圧波形検出手段は比較手段と前
   記比較手段の出力結果を保持するデータ保持手段からな
   り、データ保持のタイミングは前記遅延手段への入力信
   号から得ることを特徴とする請求項１記載の超音波モー
   タ装置。
3. （３）前記電圧波形検出手段は圧電素子の電圧波形を微
   分する微分手段と、前記微分手段の出力電圧と基準電圧
   とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力結果を保
   持するデータ保持手段からなることを特徴とする請求項
   １記載の超音波モータ装置。