JPH0449875A

JPH0449875A - 波動ステップモータ

Info

Publication number: JPH0449875A
Application number: JP2158683A
Authority: JP
Inventors: Osamu Miyazawa; 修宮澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 1992-02-19
Anticipated expiration: 2015-02-07
Also published as: JP3006037B2

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］二の発明は超音波の振動を利用してステップ駆動を可能
にした波動ステップモータの駆動制御装置、特にその駆
動回路に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］従来の
超音波の振動を利用した超音波モータは、特開昭５１１
−９３４７７号公報、特公昭５９−３７６７１号公報、
特開昭５９−１２２Ｈ５号公報、特開昭８０−５１４７
８号公報等に開示されるように各種の方式が提案され実
現されている。これらの超音波モータはいずれの方式の
ものも駆動電圧を印加している限りは連続に回転又は移
動するものであった。

従って、従来の超音波モータにおいてはその回転数、停
止位置又は回転速度の制御をするためにはフィードバッ
ク制御が必要であり、そのための制御回路を必須として
いた。このため、制御系が複雑にならざる得ないという
問題点があった。

このような問題点を解決するために、本出願人はいわゆ
るステッピングモータとして動作する「波動ステップモ
ータ」を平成１年１０月２０日付けで特願平１−２７８
０８２号として提案した。しかし、二の出願においては
まだこの「波動ステップモータ」の駆動制御系について
の詳細が十分開示されていなかった。

この発明は、このような状況に鑑みてなされたものであ
り、上記の提案に係るモータにふされしい駆動回路を有
する波動ステップモータの駆動制御装置を提供すること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係る波動ステップモータの駆動制御装置は、
複数の振動子が連続的に配置され、この振動子により加
振されるステータと、振動子が振動した際に生成される
節の数に対応した個数の凸部が設けられ、この凸部を前
記ステータと接するように配置したロータとを有する波
動ステップモータにおいて、正極及び負極の電源電圧が
供給され、振動子の一方の端子に振動子及びステータの
共振周波数と等しい周波数の駆動電圧を所定の位相パタ
ーンで順次印加する駆動回路を有し、振動子の他方の端
子を共通接地したものである。そして、駆動回路の出力
側にフィルタ回路を設け、振動子及びステータの共振周
波数と等しい周波数の正弦波電圧が駆動電圧として振動
子に印加される。

また、この発明に係る波動ステップモータの駆動制御装
置は、上記の駆動回路に代えて、正極又は負極のいずれ
か一方の電源電圧が供給され、駆動電圧を所定の位相パ
ターンで順次印加する駆動回路を有する。

また、この発明に係る波動ステップモータの駆動制御装
置は、上記の駆動回路に代えて、正極又は負極のいずれ
か一方の電源電圧が供給され、振動子の一方の端子に駆
動電圧を所定の位相パターンで順次印加する駆動回路を
有し、振動子の他方の端子を共通に接続したものである
。

〔作　用〕

この発明においては、振動子に所定の位相パターンで正
極及び負極の駆動電圧が順次印加され、その位相パター
ンに従ってロータがステップ動作をする。フィルタ回路
を設けた場合には振動子にその共振周波数と等しい周波
数の正弦波電圧が駆動電圧として印加され、効率よく振
動する。

また、この発明においては、正極又は負極のいずれか一
方の電源電圧が供給された場合には、その一方の極性の
駆動電圧が所定の位相パターンで順次印加される。

また、この発明においては、正極又は負極のいずれか一
方の電源電圧が供給され、振動子の他の端子を共通に接
続した場合には、その時の駆動電圧の位相パターンに応
じて振動子が直列接続される。

［実施例〕この発明の詳細な説明に先立ってまず波動ステップモー
タの概要を明らかにする。

第５図は波動ステップモータ及びその駆動系の概要を示
すブロック図である。図において、１０口は水晶振動子
、１０１は水晶発振回路、１０２は水晶発振回路からの
出力信号を分周する分周回路である。１０３は制御回路
であり、振動体１０７の共振周波数と同一の周波数で発
振する発振回路１０５の発振信号と、発振回路１０５の
発振信号の位相を反転する位相反転回路１０６からの信
号とを入力して処理することにより制御信号を送出する
。１０４はドライバであり、制御回路１０３からの駆動
制御信号を増幅して振動体１０７に駆動電圧を印加する
。

１０８は振動子であり、振動体１０７が４個の振動子か
らなる例を示しており、それぞれが独立して振動し得る
ような構成になっている。

また、図においてイは発振回路１０５の出力信号、口は
位相反転回路１０６の出力信号であり、これは出力信号
イと逆位相になる。ハは分周回路１０２の出力信号であ
り、出力信号イ及び逆位相口を制御するための制御信号
、二は制御回路１０３の出力信号であり、振動子１０７
を駆動するための駆動制御信号である。

第６図（ａ）〜（ｅ）は波動ステップモータの動作原理
を示す説明図であり、振動体として圧電素子を用いた例
に基づいて説明する。

第６図（ａ）は所定位相の振動モードの状態を示してい
る。図示のように、ロータ１には突起部１ａ、ｌｂ、ｌ
ｃ、ｌｄが設けられており、ステータ２にはロータ１の
反対側に圧電素子３が取り付けられており、そして突起
部１ａ、ｌｃはステータ２と部分的に接している。この
圧電素子３は４個の振動子からなり、Ａ、Ｂの２種類に
分類されており、Ａ、Ｂは相互に逆位相で変形している
。

Ｎはステータ２の振動モードの節を示している。

第６図（ｂ）は第６図（ａ）の逆位相の振動モードの状
態を示している。ここでは、突起部１　ｂ、　１　ｄが
ステータ２と部分的に接している。

第６図（ａ）　、　（ｂ）において、ステータ２の節Ｎ
の間隔と同等又は数倍の間隔に位置するロータ１の凸部
１ａ、ｌｂ等のステータ２と接触している部分はそれぞ
れ矢印に示す方向の力１０．１１を受ける。このとき力
１０．１１は振動モードの凸部から節Ｎの方向に分力を
持つので、ステータ１は１０ａ。

１１ｂの方向すなわち近い位置にある節Ｎの方向の力を
受ける。

第６図（ｃ）　、　（ｄ）はステータ２とロータ１の位
置関係が第６図（ａ）　、　　（ｂ）とは異なる場合で
あり、この場合には力１２．１３によってロータ１は矢
印のの方向すなわち近い方の位置にある節Ｎの方向の力
１２ａ　、　１８ａ　　（１０ａ　、　ｌｌｂとは反対
方向）を受ける。

第６図（ｅ）は第６図（ａ）〜（ｄ）を重ねた図である
。いずれの場合にもロータ１の凸部１ａ〜１ｄはステー
タ２のＮＮに向かって移動するので、その節Ｎに位置決
めされることが分かる。従って、節Ｎの位置が段階的に
移動すればロータ１はステップ的に動き、ステップモー
タして動作する。

第７図は波動ステップモータを回転型のモータに適用し
た場合の構成例を示す断面図であり、第８図は第７図の
ロータ・ステータ部の平面図である。図において、４は
ステータ２をネジ６で固定する地板、５はロータ１を回
転自由に案内する輪列受、７はロータ１の回転力を取り
出すビニオン、８は圧電素子の電極パターン３ａに電圧
を印加するリード線である。この実施例においては凸部
１ａ〜１ｄをロータ１にその厚み方向に部分的に設けで
ある。

第９図は波動ステップモータを回転型のモータに適用し
た場合の他の構成例を示す平面図であり、この実施例で
はステータ２に全周に厚み方向に突起部２ａを設け、ま
た、ロータ１の直径方向に突起させて凸部ａ　−ｄを設
けている。

第７図及び第９図の構成例では共に４個所でロータ】と
ステータ２が接する場合の例（凸部４個所）を示した。

また、振動体３は破線で示したように１２個の振動子か
らなっており、後述の説明のためにＡ、Ｂ、Ｃ，ｐ、、
百、Ｃの記号を付け、等しい記号には同じ位相の駆動電
圧を印加する。また、振動モードの節になる位置に順次
■〜■の記号を付しである。なお、この実施例ではｍＮ
は４個所生成され、節ができ得る位置は全周で１２２個
所ある。

第１０図は上記の波動ステップモータがステップ駆動さ
れる様子を示した説明図であり、記号は第９図に対応さ
せており、説明の便宜上リニア型に展開しである。破線
は振動モードの形を示し、その瞬間に各振動子に加えら
れている電圧の位相の状態を便宜上子、−で示した。

■の振動モードではＡ、Ｂ、Ｃとλ、■、σとがそれぞ
れ組になり、互いに１８０　’位相がずれて振動してい
るため、ロータ１の凸部ａＳｂＳｃ。

ｄは図示の位置になる。

■の振動モードではＢ、Ｃ，Ａと百、Ｃ，Ａが組、■の
振動モードではＣ，Ａ、ＢとＣ，Ａ、百とが組となり、
以下順次■〜■の振動モードを繰り返していき、ロータ
１はステップ状に移動して行く。第９図の回転型では１
２ステツプで１回転する。

また、図示の■〜■の振動モードに対して逆方向にステ
ップを進めると、例えば、■の振動モードの次に■の振
動モードを得るように切り換えるとロータ１は上述の場
合とは逆方向に移動する。

なお、以上の第１０図の説明から明らかなように、この
波動ステップモータはりニアモータとしても容品に構成
できることが分かる。

第１１図は第１０図に示した振動モードを作るための位
相のタイミングチャートである。例えば■の振動モード
を作る場合にはＡ、Ｂ、Ｃに正（＋）の位相、Ｘ、百、
でに負（＝）の位相の駆動電圧を印加する。これらの制
御は前述の制御回路１０３で行い、発振回路】０５から
の出力信号イを正（＋）の位相とするならば、発振回路
１（１５の出力信号イの逆位相の出力信号口を負（−）
の位相とし、分周回路１０２０制御信号ハのタイミング
（第１１図の１点鎖線）で切り換えを行う。なお、駆動
制御装置二はＡ、Ｂ、Ｃ，λ、百、での６種類が必要で
あるが、ＡとＡ、Ｂと百、Ｃとσは逆の関係になるので
、分極の方向を逆にすれば３種類で同等の動作が得られ
る。

第１２図は振動要素ＡとＢに印加される駆動電圧のタイ
ミングチャートを示したものであり、例えば■の振動モ
ードは振動子Ａに逆位相の駆動電圧を印加し、また、■
の振動モードは振動子、へとＢに逆位相の駆動電圧を印
加する。このときの各振動モードにおける駆動電圧は正
弦波であり、その周波数は振動体を添付したステータの
共振周波数と一致するようにしである。

以上の説明から明らかなように、それぞれの振動子に加
える駆動電圧の位相を適宜切り換える事により、１回転
１２分割のステップ駆動が実現できる。

第１３図は波動ステップモータの他の構成例を示す平面
図である。振動体３は４つの振動子Ａ、　７６、。

ＢＳ百からなりロータ１とステータ２は２個所の接触部
ａ、ｂで接し、ＷｎＮの数は２つで、節Ｎのでき得る位
置は８個所である。

第１４図は振動モードと接触部ａ、ｂの位置関係を示す
説明図、第１５図は第１４図の振動モードを作るための
駆動電圧の位相のタイミングチャートであり、第１６図
は振動子Ａ、Ｂに印加する駆動電圧のタイミングチャー
トである。第１５図において「＋」と「−」は逆位相の
状態を示し、「０」は駆動電圧を印加しない状態を示し
ている。従って、この実施例においては１回転８分割ス
テップ（１／２ステツプ）の波動ステップモータが実現
できる。

なお、前述の実施例においては、回転型の代表例を示し
たが、ロータを駆動の節に移行させ、振動要素の駆動の
仕方を順次変えてロータをステップ的に移動させること
ができれば、その具体的な構造、振動モードの形状、振
動子の種類や構成等、何ら制限されない。更に、発振回
路１０５は水晶発振回路１０１の出力を利用しても良い
し、振動子１０７の振動を検出して最適条件で共振させ
る自励発振回路であっても良いし、制御信号ハは水晶振
動子１０口の信号に基づくものでなくても何ら差しつか
えない。

また、波動ステップモータは所望の位置に移動した後は
、ロータとステータの摩擦力との間に摩擦かあるので、
駆動を停止してもその停止位置が保持される。

以上の説明により波動ステップモータの概要が明らかに
なったとこで、次にその駆動制御系について説明する。

第１図はこの発明の一実施例に係る波動ステップモータ
の駆動制御装置の回路図である。制御回路１０３は、ｌ
／６分周回路１０９、シフトレジスタ１１０、インバー
タ１２１．　、１２２　、１２３　、１２４　、１２５
　。

１２６、アンドゲート１３１　、１３２　、１３３　、
１３４　。

１．３５　、１３６及びオアゲート１４１　、１４２　
、１４３から構成されている。位相反転回路１０６はイ
ンバータ１２７から構成されている。ドライバ１０４は
バッファＪ５Ｊ　、　１５２　、１５３　、１５４　、
１５５　、１５６から構成されており、各バッファには
正極及び負極の電源電圧がそれぞれ供給されており、正
極と負極との間で振動する駆動電圧を出力する。振動体
１０７はステータ２に取り付けられ、複数の振動子１０
８から構成されている。そして、この複数の振動子１０
８の一方の端子は対応するバッファ１５１．１５２゜１
５３　、１５４　、１５５　、１５６からの駆動電圧が
印加され、また他方の端子は共通接地されている。

この実施例は、１回転１２分割ステップで２λの振動モ
ードを有する波動ステップモータを毎秒１ステツプ（３
０’）駆動する場合の回路例である。

なお、第１図においては省略したが、第５図に省ける水
晶発振回路１０１及び分周回路１０２は従来の電子時計
の回路構成と同等で良く、発振回路１０５はＣＲ発振回
路や自励発振回路等を用いる。

第２図は以上の構成からなる駆動制御装置の動作を示す
タイミングチャートである。第５図の分周回路１０２か
らのＩＨｚの制御信号φ１が分周回路１０９及びシフト
レジスター１０に入力すると、１ノロ分周回路１０９か
ら１／６分周された信号が出力してそれがシフトレジス
ター１０に供給される。そして、シフトレジスター１０
からは１秒ずつ位相がずれ、３秒ずつで位相が反転する
１７ＧＨｚの信号φ１／６ａ、φ１／６ｂ、φ１／６ｃ
が出力する。そして、信号φ１／６ａはアンドゲート］
３１に入力すると共に、インバーター２１で反転されそ
の信号２０１はアンドゲート１３２に入力する。アンド
ゲート１３１には位相反転回路１０６の出力信号■　が
入力し、また、アンドゲート１３２は発振回路１０５か
らの発振信号φ　を入力する。その結果、アンドゲート
１８１からは信号φ１／６ａと出力信号１　との論理積
からなる出力信号２０４が得られる。アンドゲート１３
２から信号φ１／８ａの反転信号２０１と発振信号φ　
との論理積からなる出力信号２０５が得られる。そして
、これらの出力信号２０４　、２０５はオアゲート１４
１を介してバッファ１５１に供給されると共に、インバ
ータ１２４を介してバッファ１５４に供給される。

信号φ１／６ｂ、φ１／６ｃに基づいた動作もφ１／６
ａの場合と基本的に同一であり、それぞれ反転信号２０
２　、２０３を得た後上述のφ１／６ａの場合と同様に
処理され、バッファ１５２　１５３，１５５，１５６に
入力する駆動制御信号は振動子Ａ、Ａの駆動制御信号に
対して位相がそれぞれ１秒ずつずれたものとなり、ドラ
イバー０４から６種類の駆動電圧が出力し、各バッファ
は入力した駆動制御信号に応じて正極の電圧と負極電圧
との間で発振信号φ　の周波数で振動する駆動電圧を振
動子１０８に印加し、瞬時的には振動子１０８を２個ず
つ駆動する。従って、振動子１０８は３個ずつ同位相又
は逆位相で駆動され、２λのたわみの振動が形成され、
この振動によりロータ１がステラップ状に駆動される。

なお、駆動電圧は正弦波が理想的であり、そのようにす
る場合には例えばドライバー０４の出力の後に発振信号
φ　の周波数成分を通過させるフィルタ回路（図示せず
）を設けて、駆動電圧を正弦波にする。

第３図はこの発明の他の実施例に係る波動ステップモー
タの駆動制御装置の回路図である。この実施例は上記の
実施例との関係では、ドライバ１０４には正極の電圧の
みが供給され、負電極が供給される代わりに接地されて
いる点が相違する。

このため、振動子１０Ｂには正極の電圧のみが印加され
ることになり、上記の実施例に比べて出力は１／２にな
るが、無負荷時又は軽負荷には好適であり、また単一の
電源ですむという利点がある。

なお、第３図の実施例においては、正極の電源電圧の代
わりに負極の電源電圧を用いるようにしてもよい。

第４図はこの発明の他の実施例に係る波動ステップモー
タの駆動制御装置の回路図である。この実施例は上記の
実施例との関係では、ドライバ１０４及び振動子１０Ｂ
を接地しないようにした点が相違する。このため、振動
子例えばＡとＸとは直列に接続された状態になり、各振
動子に加わる駆動電圧は上述の実施例の１／２になる。

このため、第３図の実施例に比べて出力は１／２になる
が、振動子１０８を接地する必要がないので構造が簡素
になる。特に、ステータ２や第７図に示した地板４等が
非導通性の材料で構成されている場合には接地構造を形
成するのが難しいので、この実施例のような構造にする
とその製作が容易になる。なお、第４図の実施例におい
ても、正極の電源電圧の代わりに負極の電源電圧を用い
るようにしてもよい。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、振動子に所定の位相パ
ターンで正極及び負極の駆動電圧を順次印加するように
したので、その位相パターンに従ってロータをステップ
駆動させることができ、またフィルタ回路を設けて振動
子にその共振周波数と等しい周波数の正弦波電圧を駆動
電圧として印加するようにしたので、効率よく振動する
。

また、この発明によれば、正極又は負極のいずれか一方
の電源電圧を供給してその一方の極性の駆動電圧を所定
の位相パターンで順次印加するようにしたので、単一の
電源ですみその構成は簡単なものになっている。

また、この発明によれば、正極又は負極のいずれか一方
の電源電圧を振動子の一方の端子に供給し、振動子の他
方の端子を共通に接続するようにしたので、振動子が接
地構造をとりすらい場合には構成が簡素になるという利
点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る波動ステップモータ
の駆動制御装置の回路図、第２図はその動作を示すタイ
ミングチャート、第３図及び第４図はこの発明の他の実
施例に係る波動ステップモータの駆動制御装置の回路図
である。第５図は波動ステップモータの概要を示すブロック図、
第６図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　
、　（ｅ）は波動ステップモータの動作説明図、第７図
は波動ステップモータの構成例を示す断面図、第８図は
ｔＪ７図のステータ・ロータ部の平面図、第９図は波動
ステップモータの他の構成例を示す平面図、第１０図は
振動モードとステップ駆動の状態を示す説明図、第１１
図は駆動電圧の位相のタイミングチャート、第１２図は
駆動電圧のタイミングチャート、第１３囚は波動ステッ
プモータの他の構成例を示す平面図、第１４図は振動モ
ードと接触部の位置関係を示す説明図、第１５図は駆動
電圧の位相のタイミングチャート、第１６図は駆動電圧
のタイミングチャートである。１・・・ロータ、２・・・ステータ、３・・・圧電素子
、１０３・・・制御回路、１０４・・・ドライバ、１０
５・・・発振回路、１０６・・・位相反転回路、１０７
・・・振動体、１０８・・・振動子。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数の振動子が連続的に配置され、この振動子に
より加振されるステータと、前記振動子が振動した際に
生成される節の数に対応した個数の凸部が設けられ、こ
の凸部を前記ステータと接するように配置したロータと
を有する波動ステップモータの駆動制御装置において、正極及び負極の電源電圧が供給され、前記振動子及びス
テータの共振周波数と等しい周波数を有する駆動電圧を
前記振動子の一方の端子に所定の位相パターンで順次印
加する駆動回路を有し、前記振動子の他方の端子を共通
接地したことを特徴とする波動ステップモータの駆動制
御装置。
（２）駆動回路の出力側に振動子及びステータの共振周
波数と等しい周波数の正弦波電圧を出力するフィルタ回
路を設けたことを特徴とする請求項１記載の波動ステッ
プモータの駆動制御装置。
（３）請求項１記載の駆動回路に代えて、正極又は負極
のいずれか一方の電源電圧が供給され、駆動電圧を所定
の位相パターンで順次印加する駆動回路を有することを
特徴とする請求項１記載の波動ステップモータの駆動制
御装置。
（４）複数の振動子が連続的に配置され、この振動子に
より加振されるステータと、前記振動子が振動した際に
生成される節の数に対応した個数の凸部が設けられ、こ
の凸部を前記ステータと接するように配置したロータと
を有する超音波モータにおいて、正極又は負極のいずれか一方の電源電圧が供給され、前
記振動子及びステータの共振周波数と等しい周波数の駆
動電圧を前記振動子の一方の端子に所定の位相パターン
で順次印加する駆動回路を有し、前記振動子の他方の端
子を共通に接続したことを特徴とする波動ステップモー
タの駆動制御装置。