JPH0322874A - 超音波モータ駆動装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業七の利用分野） 本発明は超音波モータ駆動装置に関し、特に温度変化等
が生じたとしても、適切に超音波モータを駆動すること
のできる超音波モータ駆動装置に関するものである。

（従来の技術） 近年、超音波振動により駆動力を得るいわゆる超音波モ
ータが種々開発され実用化されるに到っている。

このような超音波モータは従来のモータに比べ簡単な構
造であり、低速回転域で高いトルクを発生し、応答性及
び保持トルクが高いなどの種々の利点を有する。

このような超音波モータを駆動するための従来の駆動装
置としては第８図に示すようなものが知られている。

固定子１０１の表面上には複数に分極された区分Ａと区
分Ｂとの電歪素子が配置されている。これらの区分Ａと
区分Ｂとのそれぞれの電歪素子は互いに位相が９０’異
なるように配置されている。

また区分Ａと区分Ｂとのそれぞれの電歪素子上には電極
１０１ａ，１０１．ｂが設けられている。この電極１０
１ａ，１０１ｂには互いに位相が９０゜異なる周波数の
電圧（以下、周波電圧という）が与えられる。また、電
極１０１ｃは、電歪素子上の超音波を検出するためのモ
ニタ電極である。

ＶＣＯ（［圧制御発振器）１０５はデュテイ比５０％の
矩形パルスを出力するための発振器であり、この出力さ
れる矩形パルスの周波数はロウパスフィルタ１０４から
の信号電圧若しくはマイクロコンピュータ１０６からの
信号に応じて制御される。この電圧制御発振器１０５か
らの矩形パルスは増幅器１０７およびコイル１１０を介
して電極１０１ａへ与えられる。また電圧制御発振器１
０５からの矩形パルスはシフトレジスタ１１６によって
位相を９０°ずらした後に増幅器１０８およびコイル１
１１を介して他方の電極１０１ｂへ与えられる。

モニタ電極１０１ｅからの検出信号はコンパレータ１０
２を介して位相比較器１１２の端子Ｒへ与えられる。ま
た電極１０１ａに印加された周波電圧はコンパレータ１
１７によってパルス信号に変換される。このパルス信号
はシフトレジスタ１、２５によって位相を９０６遅らせ
た後にインバータ１１８を介して位相比較器１１２の端
子Ｓへ与えられる。

位相比較器１１２は端子Ｒおよび端子Ｓに人力した双方
の信号の位相差を検出し、検出した位相差に応じた信号
を出力する。この位相比較器１１２からの信号はマルチ
プレクサ１２６およびローバスフィルタ１０４を介して
電圧制御発振器１０５へ与えられる。電圧制御発振器１
０５はこの入力した信号に応じて発振周波数を制御する
ことにより、電極１０１ａと電極１０１ｃへ印加される
双方の周波電圧の位相差を９０６に制御する。

次に第１０図を参照して第９図に示した従来例の動作を
説明する。

ステップ２０１において電源スイッチがオン操作される
とマイクロコンピュータ１．　０　６の出力ボ一トＰＣ
ＯからＬレベルの信号がマルチプレクサ１２６へ出力さ
れる。続いてステップ２０３では電圧制御発振器１０５
の発振周波数を決定するためのパイナリコードで戊るデ
ータがマイクロコンピュータ１，０６から出力される。

すなわち、マイクロコンピュータ１０６の出力ボートＰ
ＡＯ，ＰＡ１、ＰＡ２、ＰＡ３からそれぞれＬレベルの
信号が出力される。これにより電圧制御発振器１ｏ５は
あらかじめ設定された可変範囲内の発振周波数のうち最
低の発振周波数で発振動作を行なう。

またマルチブレクサ１２６はマイクロコンピュータ１０
６からのＩ５レベルの信号に基づいて端子ｌ２６ｃを選
択し、電圧制御発振器１０５からの出力パルスをローパ
スフィルタ１０４へ出刀する。

従ってマルチブレクサ１２６を介してローバスフィルタ
１０４と電圧制御発振器１０５とで閉回路を形戊し、こ
のとき電圧制御発振器１０５の発振周波数はマイクロコ
ンピュータ１０６からのデータによって決定される。

次にステップ２０５では、マイクロコンビュータ１０６
内にレジスタＡを有しており、入力ポートＰＢｏを介し
て人力した駆動検知回路１０９７’），らの検出信号す
なわち超音波モータが駆動されたかどうかを示す信号を
記憶する。

次にステップ２０７ではマイクロコンピュータ１０６内
にレジスタＢを有しており、このレジスタＢへ定数ｎを
設定する。

次にステップ２０９では入力ポートＰＢＯを介して人力
したデータとレジスタＡに記憶されたデータとの内容が
一致しているかどうかを判別しヱおり、双方の内容が一
致している場合、すなわち超音波モータが駆動されてい
ない場合にはステソプ２１１へ進みレジスタＢの内容か
ら１を減算する。

続いてステップ２１３ではレジスタＢの内容が０である
かどうかを判別しており、Ｏでない場合には再びステッ
プ２０９へ進み、入力ボートＰＢＯを介して入力したデ
ータとレジスタＡの内容を比較する。このような比較動
作がｎ回繰返し実行される。

以上に示したステップ２０９からステップ２１３までの
一連の動作は超音波モータが駆動されたかどうかを一定
時間の間検出するためのものであり、この一連の動作に
よって超音波モータが駆動されていないことを判別した
ときにはスップ２１５へ進み、出力ボートＰＡＯ、ＰＡ
Ｉ、ＰＡ２、ＰＡ３から出力されるパイナリコードで成
るデータの値を１だけ増加させる。

これにより電圧制御発振器１０５の発振周波数が増大す
る。またステップ２１５から再びステップ２０７へ進み
、前述した一連の動作を繰返して実行する。

以上の如くマイクロコンピュータ１０６は駆動検知回路
１０９からの出力状態が一定時間変化しない場合には所
定時間毎に電圧制御発振器１０５の発振周波数を増大さ
せ、この電圧制御発振器１０５からの発振周波数を超音
波モータの共振周波数に近づけていく。

ステップ２０９においてレジスタＡに格納されたデータ
と入力ポートＰＢＯを介して入力した駆動検知回路１０
９からの検出信号とが異なる場合、すなわち電圧制御発
振器１０５の発振周波数が超音波モータの共振周波数に
近づいた場合にはステップ２１７に進み、出力ボートＰ
ＣＯの出力レベルをＨレベルに設定する。これにより出
力ボートＰＡＯ％ＰＡＩ、ＰＡ２、ＰＡ３からの出力デ
ータの更新が禁止されると共に、マルチプレクサ１２６
は位相比較器１１２からの信号をロウバスフィルタ１０
４へ出力する。従って、位相比較回路１１２、マルチプ
レクサ１２６、ロウパスフィルタ１０４および電圧制御
発振器１０５から構成されるＰＬＬ　（Ｐｈａｓｅ　　
Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）による周波数制御が実行され
て電極１０１ａと１０ｌｂへ印加される双方の周波電圧
の位相差が９０’に設定される。

以上の如く電極１０１ａと１０ｌｂへ印加される周波電
圧の位相差が９０″に設定されると共に、この周波電圧
の駆動周波数が超音波モータの共振周波数よりもわずか
に高い値に設定されると超音波モータは回転駆動状態を
保持する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら第９図および第１０図に示した従来例は、
電極１０１ａへ印加される周波電圧の駆動周波数が超音
波モータの共振周波数よりもわずかに高い値に設定され
ており、環境温度の変化等によってはこの設定された駆
動周波数が変動し共振周波数に極めて接近もしくは同一
になる場合が生じる。このように駆動周波数が変動する
と、この駆動周波数を倍周、若しくは分周した周波数の
周波数成分を含む周波数で電歪素子が振動し、この振動
によって超音波モータから異音が発生するようになる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので異音の発生に
よる不快感を与えることなく、超音波モータを適切に駆
動制御することのできる超音波モータ駆動装置を提供す
ることを目的とする。

「発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するための本発明が提供する手段は、圧
電体に共振周波数より高い駆動周波数の電圧を印加し、
この圧電体に生じる超音波振動によって可動体を駆動す
る超音波モータ駆動装置において、圧電体の振動状態を
検出しこの振動状態に係る検出信号を出力する検出手段
２と、この検出手段２から出力される検出信号から前記
共振周波数を倍周又は分周した周波数に係る信号を抽出
する抽出手段４と、この抽出手段４で抽出される信号の
出力値が所定値以下となるように前記駆動周波数を制御
する制御手段６とを有して構成した。

（作用） 本発明における超音波モータ駆動装置においては、共振
周波数より高い駆動周波数の電圧を圧電体に印加するこ
とによって、この圧電体に超音波振動を生じせしめ、可
動体を駆動するようにしている。また、前記圧電体に印
加される電圧の駆動周波数は、当該圧電体の振動状態を
検出して検出手段２で得られる検出信号から前記共振周
波数を倍周又は分周した周波数に係る信号を抽出手段４
によって抽出し、この抽出した信号の出力値が所定値以
下となるように制御手段６で制御される。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明に係る一実施例を詳細に説
明する。

まず、第２図を参照して構成を説明する。

超音波モータの固定子１の表面には分極処理された複数
の電歪素子が配置されている。これらの複数の電歪素子
は区分Ａと区分Ｂとでなる２群の電歪素子を形戊し、区
分Ａと区分Ｂとの電歪素子は位相が９０″異なるように
配置されいる。

また第３図に示すように区分Ａの電歪素子には電極１ａ
が設けられるとともに、他方の区分Ｂの電歪素子には電
極１ｂが設けられている。これらの電極１ａと電極１ｂ
には互いに位相が９０°異なる周波電圧が与えられるよ
うになっている。例えば電極１ａに対して正弦波形の周
波電圧が与えられるとともに、電極１ｂに対しては余弦
波形の周波電圧が与えられる。また電極１ｃは、前述し
た電極１ａ，ｌｂとは絶縁された電歪素子上に配置され
、この電歪素子の振動状態に応じた検出信号を出力する
。また電極１ｄは電極１ａ、１ｂおよび１Ｃに対する共
通の電極である。

再び第２図を参照するにマイクロコンピュータ３はＡ／
Ｄ変換器２５と接続されるともに、Ｄ／Ａ変換器５と接
続されており、Ａ／Ｄ変換器２５からの出力データを読
み取るとともに、この読み取った値に応じて超音波モー
タの駆動周波数を決定し、駆動周波数に関するデータを
Ｄ／Ａ変換器５へ出力する。従ってマイクロコンピュー
タ３からの出力データに基づいて超音波モータの駆動周
波数が決定されるようになっている。

またマイクロコンピュータ３は超音波モータの起動開始
時においては予め設定された可変範囲内の駆動周波数の
値のうち、駆動周波数が」二限の値となるようなデータ
を出力する。

Ｄ／Ａ変換器５は電圧制御発振器７と接続されており、
マイクロコンピュータ３から入力したディジタル信号の
データをアナログ信号のデータへ変換して電圧制御発振
器７へ出力する。

電圧制御発振器７は入力した信号電圧に応じて発振周波
数を変化させるものであり、この変化し得る発振周波数
の値は超音波モータの最適な駆動周波数を含む所定の範
囲内の値に制限されている。

また電圧制御発振器７は超音波モータの最適な駆動状態
においては、例えば１．２８ＭＨｚの発振周波数の矩形
パルスを出力するようになっている。

分周器９は電圧制御発振器７と接続されるとともに、，
増幅器ｌ１およびコイル１３を介して電極１ａと接続さ
れている。分周器９は電圧制御発振器７から出力される
矩形パルスの周波数を１／３２に分周して出力する。こ
の分周器９によって分周されたパルス信号は増幅器１１
によって増幅された後にコイル１３を介して電極１ａへ
印加される。

シフトレジスタ１５のクロック人力端子Ｖは電圧制御発
振器７と接続されるとともに、データ入力端子Ｄが分周
器つと接続されている。またシフトレジスタ１５の出力
端子Ｑ８が増幅器１７およびコイル１９を介して電極１
ｂと接続されている。

このシフトレジスタ１５はデータ入力端子Ｄから人力し
たパルス信号、すなわち分周器９によって分周されたパ
ルス信号の位相を９０″だけ遅延させて出力端子Ｑ８か
ら出ノｊする。このシフトレジスタ１５からのパルス信
号は増幅器１７によって増幅された後にコイル１９を介
して電極１ｂへ印加される。従って、電極１ａへ印加さ
れる周波電圧の位相とは９０″だけ異なる位相の周波電
圧が電極１ｂへ印加されるようになっている。

バンドパスフィルタ（Ｂ，Ｐ．Ｆ）２１は電極１ｃと接
続されており、電極１ｃを介して得られる振動波戒分の
うち、第７図に示す如く超音波モータのインピーダンス
が最小となる共振周波数ｆ。．の整数倍の倍調波のみを
通過させるためのフィルタである。またこのバンドパス
フィルタ２１としては電極１ｃを介して得られる振動波
戊分のうち共振周波数ｆ。．の分周波のみを通過させる
フィルタを用いて構戊してもよい。すなわちバンドパス
フィルタ２１は電極１ｃを介して得られる振動波成分の
うち、共振周波数ｆ。．の倍詞波若しくは分周波による
信号のみを抽出するための抽出手段である。

整流器２３はバンドパスフィルタ２１と接続されるとど
もに、Ａ／Ｄ変換器２５を介してマイクロコンピュータ
３と接続されている。整流器２３はバンドパスフィルタ
２１からの出力を整流して直流電圧に変換する。またＡ
／Ｄ変換器２５は整流器２３からの出ノノ電圧をディジ
タル信号に変換してマイクロコンピュータ３へ出力する
。

次に作用を説明する。

第４図に示すステップＳ１では図示しない電源スイッチ
がオン操作されるとマイクロコンピュータ３が動作を開
始して上限値の駆動周波数に関するデータをＤ／Ａ変換
器５を介して電圧制御発振器７へ出力する。これにより
第５図（Ａ）に示すように時刻ｔ１において上限値の駆
動周波数でなる周波電圧が電極１ａへ印加される。また
同時に電極１ｂには前述した電極１ａへ印加される周波
電圧の位相とは９０ｏだけ異なる周波電圧が印加される
。

ここで超音波モータの起動開始時における上限値の駆動
周波数について第７図を参照して説明する。

第７図は、超音波モータヘ印加される周波電圧の周波数
を変化させた場合における超音波モータのインピーダン
スを示したものであり、インピーダンスの値が低くなる
第１の共振周波数ｆ。．と、この第１の共振周波数ｆ。

．を有する共振点の次の共振点となる第２の共振周波数
ｆ。，とが認められる。ここに超音波モータを駆動する
に際して最適な駆動周波数ｆ，が第１の共振周波数ｆ。

．よりもわずかに高く且つ反共振点の周波数ｆ３より低
い値、例えば４０ＫＨｚである場合には、この最適な駆
動周波数ｆ１より高い値で且つ第２の共振周波数ｆ。，
よりも低い値の駆動周波数ｆ，が起動開始時における上
限値の駆動周波数として設定される。すなわち、使用す
る共振点の仕様最低温度における共振周波数から、前記
共振点の高周波側の次の共振点の仕様最高温度における
共振周波数までのうち任意の周波数を起動開始時におけ
る上限値の駆動周波数として設定する。仕様最高温度、
仕様最低温度とは、例えばこの超音波モータの温度仕様
が−３０℃〜１００℃とすると、１００℃を仕様最高温
度とし、−３０℃を仕様最低温度とする。

再び第４図を参照するに、ステップＳ３ではバンドパス
フィルタ２１からの信号を読み取る。ここで第７図に示
すように起動開始時において、駆動周波数ｆ，の周波電
圧が超音波モータへ与えらられたとしても、駆動周波数
ｆ５の値が最適な駆動周波数ｆ，よりも大きくかけ離れ
ているため超音波モータは駆動しない。従って電極１ｃ
から信号が得られないのでバンドパスフィルタ２１は第
５図（Ｂ）に示すように、０レベルの信号を出力する。

ステップＳ５ではバンドパスフィルタ２１からの出力値
と所定の基準値Ｄｓとを比較しており、超音波モータが
駆動されないので、バンドバスフィルタ２１からの出力
値が基準値Ｄｓ以下である場合にはステップＳ７へ進む
。ステップＳ７では駆動周波数の値を前述した上限値の
駆動周波数ｆ，より０，ＩＫＨｚだけ低い値に設定する
。

続いてステップＳ９では前記ステップＳ７において設定
した新な駆動周波数に関するデータをＤ／Ａ変換器５へ
出力する。これにより電圧制御発振器７は３．２ＫＨｚ
　（０．１ＫＨｚＸ３２）だけ低い発振周波数の矩形パ
ルスを出力する。この電圧制御発振７から出力される矩
形パルスは分周器って分周された後に、増幅器１１およ
びコイル１３を介して電極１ａへ印加される。また同様
に重圧制御発振器７から出力される矩形パルスはシフト
レジスタ１５によって位相を９０６だけずらした後に増
幅器１７およびコイル１９を介して他方の電極１ｂへ印
加される； ステップＳ９から再びステップＳ３へ戻り、前述した動
作を繰返して実行し、電極１ａおよび１ｂへ印加される
周波電圧の駆動周波数の値を順次０．ＩＫＨｚずつ下げ
ていく。

以上の如く電極１ａおよび１ｂへ印加される周波電圧の
駆動周波数を順次下げていくと第５図（Ａ）および（Ｂ
）に示すように、時刻ｔ３において超音波モータが駆動
を開始する。

超音波モータが駆動を開始する時刻ｔ３から時刻ｔ４ま
での期間においては、バントバスフィルタ２１からの出
力値が基準値Ｄｓよりも低い値であるから、再びステッ
プＳ７およびステップＳ９へ進み、更に駆動周波数の値
を０，ＩＫＨｚずつ低下させていく。

このように駆動周波数を周波数ｆ１へ向けて順次下げて
いくことにより、第８図に示す如く超音波モータはその
回転数が徐々に増加し、これに応じてバンドパスフィル
タ２１からの出力値も徐々に増加する。

ここで電極１ａおよび１ｂへ印加される周波電圧の駆動
周波数の値が最適な駆動周波数ｆ１を飛び越えて、さら
に低い値に設定された場合には第６図（Ｂ）の西線ｂに
示すように第１の共振周波数ｆ。．の整数倍の周波数と
なる、いわゆる倍凋波による信号が山線ａに示す基本波
による信号とともに電極１ｃを介して出力される。

ステップＳ５ではこのような倍調波の信号によってバン
トパスフィルタ２１からの出力値が基準値Ｄｓを−Ｌ回
ると、ステップＳｌｌへ進み、．駆動周波数の値をＱ，
ｌＫＨｚだけ増加させる。

これにより電極１ａおよび１ｂへ印加される周波電圧の
駆動周波数の値が第１の共振周波数ｆ。．の近傍であっ
て、且つこの第１の共振周波数ｆＯａよりもわずかに高
い値、例えば最適な駆動周波数ｆ１として４０ＫＨｚが
設定される。

このように電極１ａおよび１ｂへ印加される実際の駆動
周波数の値が最適な駆動周波数ｆ１に設定されると、第
６図（Ａ）の■線ｂに示すように電極１Ｃにおける倍調
波の発生が低減する。

次に負荷条件、若しくは回転子と固定子との間の摩耗な
どによる経年変化によって実際に印加される駆動周波数
の値が変動した場合の動作を説門する。

前述した如＜、電極１ａおよび１ｂへ印加される駆動周
波数が最適な周波数ｆ１から経年変化などによって低下
し、周波数ｆ１以下で且つ第↓の共振周波数ｆ。．の値
と近似する値へ変動した場合には、第６図（Ｂ）の曲線
ｂに示すように第１の共振周波数ｆ。．の整数倍の倍詞
波の信号が電極ＩＣから出力される。従ってステップＳ
５においてバンドバスフィルタ２１からの出力値が基準
値ＤＳを上回る場合にはステップＳ１１へ進み、駆動周
波数の値をＱ，ｌＫＨｚだけ増加させる。これにより電
極１ａおよび１ｂへ印加される実際の周波電圧の駆動周
波数は第１の共振周波数ｆＯａよりもさらに高い値、例
えば最適な駆動周波数ｆ１へ修正される。

なお、バンドパスフィルタ２１として第１の共振周波数
ｆ。．の分周波成分のみを通過させるようなフィルタを
用いて構戊した場合にも前述したと同様に、このフィル
タからの出力値に基づいて電極１ａおよびｌｌｂへ印加
される周波電圧の駆動周波数を最適な値に制御すること
ができる。

以上の如く超音波モータの共振周波数を倍周若しくは分
周した周波数の信号のみを抽出し、この抽出した値に基
づいて駆動周波数を制御するように構成したので簡略な
構成で異音の発生を防止することかできる。

［発明の効果１ 以上説明してきたように本発叩によれば、共振周波数の
倍周若しくは分周した周波数の信号のみを抽出し、この
抽出した信号に基づいて駆動周波数を制御するように構
成したので、温度変化や経年変化が生じた場合、または
負荷条件が変動した場合においても、異音を発生ずるこ
となく常に駆動周波数を最適な値に制御することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はクレーム対応図、第２図は本発川に係る一実施
例を示したブロック図、第３図は超音波モータの電極構
成を示したブロック図、第４図は第２図の作用を示した
フローヂャート、第５図は超音波モータの駆動周波数と
フィルタ出力を対比して示した特性図、第６図（Ａ）は
最適な駆動状態におけるモニタ電極からの発生電圧を示
した特性図、第６図（Ｂ）は駆動周波数が変動した場合
のモニタ電極から発生電圧を示した特性図、第７図は周
波電圧の周波数に対する超音波モータのインピーダンス
を示した特性図、第８図は周波電圧の周波数に対する超
音波モータの回転数を示した特性図、第９図は従来例を
示したブロック図、第１０図は第９図の作用を示したフ
ローチャートである。 １・・・固定子 ３・・・マイクロコンピュータ ７・・・電圧制御発振器 ９・・・分周器 ２１・・・バンドパスフィルタ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 圧電体に共振周波数より高い駆動周波数の電圧を印加し
   、この圧電体に生じる超音波振動によって可動体を駆動
   する超音波モータ駆動装置において、 圧電体の振動状態を検出しこの振動状態に係る検出信号
   を出力する検出手段と、 この検出手段から出力される検出信号から前記共振周波
   数を倍周又は分周した周波数に係る信号を抽出する抽出
   手段と、 この抽出手段で抽出される信号の出力値が所定値以下と
   なるように前記駆動周波数を制御する制御手段と、 を有することを特徴とする超音波モータ駆動装置。