JPH05336762A

JPH05336762A - 超音波モータの駆動制御回路

Info

Publication number: JPH05336762A
Application number: JP3248210A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Nakamura; 和之中村
Original assignee: NASUKA KK; ROOTSUE KK
Current assignee: NASUKA KK; ROOTSUE KK
Priority date: 1991-07-31
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1993-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、圧電体の機械的振動を利用する超
音波モータの駆動制御回路に関するもので、超低速回
転、回転位置制御およびソフトスタート・ストップがで
きる超音波モータの駆動制御回路を提供することを目的
とする。【構成】発振器１４、移相器１６および増幅器１５
ａ、１５ｂからなる駆動電圧発生手段と、ゲート１７か
らなる電圧周波ユニット発生手段と、カウンタ１８から
なる駆動制御手段で構成し、圧電体４にパルス状の電圧
周波ユニットを印加して超音波モータ１を時間間隔の長
いステッピング駆動させる。また、駆動制御手段にロー
タ７に直結したエンコーダ１９の信号を取り入れ、最小
回転角度で超音波モータ１をステッピング駆動させて任
意の回転角度で停止する。さらに、起動（停止）時に駆
動制御手段で発生する電圧周波ユニットの制御信号の時
間間隔を漸次長く（短く）していき、超音波モータ１を
ソフトスタート（ストップ）させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電体などの電気−機
械変換子の機械的振動によって生ずる進行波を利用して
ステッピング駆動する超音波モータの駆動制御回路に関
する。

【従来の技術】超音波モータをステップ的に回転させる
駆動回路では、例えば特開昭６１−１８８１７１号公報
に開示されている例がある。これは、圧電体の厚み振動
を利用した超音波振動片でロータをつついて回す原理の
振動片型超音波モータの駆動回路で、圧電振動子に印加
されている交番波形の駆動電圧のパルス数を駆動時間信
号で規定し、決められたロータの回転量を得るものであ
る。また、超音波モータの回転角度を検出して制御する
駆動回路では、特開昭６１−１８９１７５号公報に開示
されている例がある。これも上記と同じ原理の超音波モ
ータの駆動回路で、圧電振動子に印加されている交番波
形の駆動電圧のパルス数を回転角度の検出器で検出信号
で規定し、決められたロータの回転角度を得るものであ
る。また、超音波モータを断続駆動させる駆動回路で
は、特開昭６３−２６８４７７号公報に開示されている
例がある。これは、圧電体の屈曲振動で進行波が生じて
いるステータに接したロータを摩擦駆動させる超音波モ
ータの駆動回路で、圧電振動子に印加されている交流信
号を周波数変調または振幅変調し、交流信号の周波数が
ステータの共振域に入ったときのみ進行波が生じて、ロ
ータが結果的にステッピング駆動されるものである。

【発明が解決しようとする問題点】しかし、今まで高周
波の駆動電圧の数周期分を一単位の周波ユニットとして
まとめ、その周波ユニットを圧電体にパルス的に印加し
て超音波モータをステッピング駆動させる駆動回路はな
かった。また、圧電体の屈曲振動を利用するものであっ
て、しかも２種類以上の位相の異なる高周波電圧を印加
することによって生じる進行する表面波（進行波）で駆
動する超音波モータは、縮退する二つの振動波を生じさ
せる必要から、特開昭６１−１８８１７１号公報のよう
な例では動作させることはできない。また、進行波で駆
動する超音波モータはステータの残共振と慣性によっ
て、特開昭６１−１８９１７５号公報のようにロータの
回転角を検出しても、その位置で正確に止めることはで
きない。また、進行波で駆動する超音波モータは高周波
電圧に周波数変調または振幅変調をかける特開昭６３−
２６８４７７号公報のような例では、温度や負荷によっ
てステータの共振特性が大きく変化するので、ステッピ
ングの運動量やトルクを規定することはできない。ま
た、進行波で駆動する超音波モータは、駆動部の静止摩
擦と動摩擦の係数の差から低速域でしきい値が生じて、
非常に低い回転数を得ることができなかった。しかも、
そのしきい値のために起動・停止時においてもゆっくり
始動したり止めたりする、いわゆるソフトスタート・ス
トップができなかった。そこで本発明はこのような課題
の解決に着目して、回転位置を制御したり、超低速で回
転したり、ソフトスタート・ストップする進行波型の超
音波モータの駆動制御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】係る課題を解決するため
に、超音波モータの駆動制御回路に本発明は次の技術的
手段を有している。すなわち、従来の位相の異なる２種
類以上の高周波電圧発生手段に、高周波電圧の１周期以
上の組合せを１単位としてユニット化する電圧周波ユニ
ット作成手段を付加する。そして、この電圧周波ユニッ
ト作成手段でユニット化された高周波電圧の１単位（周
波ユニット）を、駆動制御手段で制御された時間間隔で
もって間欠的（パルス状）に繰り返して、ステータの圧
電体に印加する。また、ロータの軸にパルスコーダなど
の運動量検出手段を直結し、超音波モータの回転角度を
検出する。そして、検出した回転角度の最小単位の検出
信号でもって、電圧周波ユニット作成手段で作成する周
波ユニット内の高周波電圧の周期数を規定する。そのこ
とによって、ユニット化された高周波電圧の１単位（周
波ユニット）と駆動制御手段で制御された時間間隔とが
交互に繰り返し、ステータの圧電体に印加する。また、
ステータの圧電体に高周波電圧の１単位（ユニット）を
間欠的（パルス状）に印加する時間間隔を、始動時また
は停止時に制御する起動／停止補助手段を付属させる。
そして、この時間間隔を起動時には徐々に短くしてい
き、停止時には徐々に長くしていく。

【作用】まず位相の異なる２種類の高周波電圧の周波ユ
ニットが時間間隔をおいて間欠的（パルス状）にステー
タの圧電体に印加されると、振動体の表面には周波ユニ
ットの印加されている期間だけ進行する振動波（進行
波）が生じる。この進行波の振動体表面質点の楕円運動
によって、振動体の表面に接したロータには摩擦駆動力
が生じ、超音波モータが短い期間で断続的にステッピン
グ駆動される。そして、高周波電圧の周波ユニットを印
加する間隔を長くすると、超音波モータは見掛け上非常
にゆっくりと回転する。また、高周波電圧の周波ユニッ
ト内の周期数を回転角度の最小単位で規定する回路で
は、超音波モータは最小回転角度で断続的にステッピン
グ回転する。そのため、予め設定された回転角に超音波
モータの回転が到達したとき、周波ユニットの印加を遮
断すると、その位置で回転が停止する。さらに、高周波
電圧の周波ユニットの印加する時間間隔を超音波モータ
の起動時には長いところから徐々に短くすると、回転は
非常に遅い域からゆっくりと始まる。逆に、停止時には
徐々に長くすると、回転はだんだん遅くなって、最後に
は停止する。

【実施例】以下に、本発明の超音波モータの駆動制御回
路の実施例を、添付図面に基づいて説明する。図７は、
本発明の駆動制御回路で駆動される超音波モータ１の縦
断面図である。図中２はステータ（固定子）で、金属製
の振動体３の裏面に薄いリング状の圧電体４を張り合わ
せている。圧電体４は、円周方向に進行波の１／２波長
の長さで８分割した分極領域を有している。そして、そ
れらの領域は位置的に１／４波長の位相差を持つ二つの
領域群（Ａ相、Ｂ相）に分かれている。また、ステータ
２は中心付近でベース５に固定され、圧電体４の底部は
ゴム製の緩衝材６で支えられている。７はロータで、金
属円板の駆動体８の中心にシャフト９を圧入し、ベース
５とカバー１０に取り付けられたベアリング１１ａおよ
びベアリング１１ｂで支えられている。ステータ２の振
動体３と摩擦接触する駆動体８の一面には、合成樹脂製
の摺動材１２が張り付けられている。またロータ７は、
ベアリング１１ａを介して皿バネ１３でもって、ステー
タ２に押し付けられている。上記のような構成からなる
超音波モータにおいて、圧電体４の二つの分極領域群
（Ａ相、Ｂ相）に９０゜の時間的な位相差をもった高周
波電圧を印加すると、振動体３は屈曲振動を起こす。こ
の振動は、振動体３の表面で進行する振動波（進行波）
を生じさせ、図８の動作原理図に示すように、振動体３
の表面の質点ｍは楕円運動を繰り返す。一方、皿バネ１
３によって質点ｍの楕円軌跡の頂部に押し付けられてい
る駆動体８には、摺動材１２の摩擦によって振動体３の
表面の楕円運動の進行と逆方向の推進力が発生する。こ
の推進力は、ロータ７のシャフト９によって外部に回転
動力として取り出される。図１は、本発明の駆動制御回
路の一実施例のブロック図を示しており、図７に示す超
音波モータ１をステッピング駆動させるものである。こ
の回路では圧電体４に接続する駆動電圧発生手段は、高
周波信号の発振器１４と、発振器１４で発せられた信号
を直接に増幅する増幅器１５ａと、移相器１６を経由し
て９０°位相をずらせた信号を増幅する増幅器１５ｂと
から構成されている。そして、増幅器１５ａおよび増幅
器１５ｂの手前には電圧周波ユニット発生手段として、
発振器１４の信号の数パルスを１単位としてまとめる論
理積からなるゲート１７が挿入されている。また、ゲー
ト１７に接続する駆動制御手段として、外部入力信号を
受け取ってゲート１７を時間的に制御するカウンタ１８
が装備されている。図２は、この駆動制御回路における
各部分での電圧波形を示すものである。まず、発振器１
４によって約４０ｋＨｚの発振波（ａ）が作られ、ゲー
ト１７に入力される。一方、カウンタ１８は外部入力信
号（ｂ）を受けて、ゲート１７に時分割された制御波
（ｄ）を与える。ゲート１７内では制御波（ｄ）によっ
て、発振波（ａ）の数周期分が１単位としてユニット化
されて内包した周波ユニットが形成される。そして、こ
の周波ユニットが時間間隔を置いて繰り返し発生してい
る信号（ｃ）が得られる。その後、信号（ｃ）は増幅器
１５ａで増幅されて、圧電体４のＡ相に印加する高周波
電圧Ｖ1 となる。また、信号（ｃ）は移相器１６に送ら
れて時間的に位相が９０°進まされ（逆回転のときは、
遅らされ）た後、増幅器１５ｂで増幅されて、圧電体４
のＢ相に印加する高周波電圧Ｖ2 となる。増幅器１５ａ
および増幅器１５ｂに接続された圧電体４は、高周波電
圧Ｖ1 および高周波電圧Ｖ2 が印加されている期間だけ
上記で説明した進行波が振動体３に生じ、ロータ７をス
テップ的に駆動する。しかし、ロータ７自身およびそれ
に接続したモータ負荷には慣性質量があり、実際には滑
らかな回転をする。そして、信号（ｃ）でのゼロレベル
の期間を長くすると、非常にゆっくりと超音波モータ１
は回転する。次に、本発明の超音波モータの駆動制御回
路の他の実施例について説明する。図３は、本発明の超
音波モータの駆動制御回路の一実施例のブロック図を示
しており、回転角による周波ユニット内の高周波電圧の
周期数の制御に係るものである。ここでは超音波モータ
１のロータ７の運動量検出手段として、シャフト９に光
学的に回転角を検出するエンコーダ１９が取り付けられ
ている。このエンコーダ１９は、例えば円周方向に１°
刻みで３６０個のスリット（図示せず）が設けられたデ
ィスク２０と、スリットを挟んで対抗した発光ダイオー
ド２１とフォトセル２２との組合せで構成されている。
そして、フォトセル２２の出力は、オペアンプ２３と微
分器２４を経て、ゲート１７に接続する駆動制御手段と
して用意されたフリップフロップ２５に、外部入力信号
と共に入力されている。また、高周波信号の発振器１４
と、高周波信号の数周期を１単位としてまとめるゲート
１７と、高周波信号の位相を９０°ずらす移相器１６
と、高周波信号を増幅する増幅器１５ａおよび増幅器１
５ｂは前記と同様の構成である。図４は、この駆動制御
回路における各部分での電圧波形を示すものである。ま
ず、発振器１４によって約４０ｋＨｚの発振波（ａ）が
作られ、ゲート１７に入力される。一方、エンコーダ１
９で検出した最小角度の１単位は、オペアンプ２３で増
幅された後、微分器２４を通過して１°につき１パルス
の信号（ｅ）を生じさせる。この信号（ｅ）と外部入力
信号（ｂ）を基準としてフリップフロップ２５によっ
て、ロータ１の単位角度と時間間隔で規定された制御波
（ｄ）が得られる。そして、発振波（ａ）と制御波
（ｄ）とがゲート１７で合成され、発振波（ａ）の数周
期分が１単位とした周波ユニットを繰り返し発生してい
る信号（ｃ）が得られる。この信号（ｃ）は、増幅器１
５ａで、また移相器１６によって位相が９０°進まされ
（逆回転のときは、遅らされ）てから増幅器１５ｂで増
幅され、圧電体４のＡ相およびＢ相に印加する高周波電
圧Ｖ1 および高周波電圧Ｖ2となる。よって、増幅器１
５ａおよび増幅器１５ｂに接続された圧電体４は、高周
波電圧Ｖ1 および高周波電圧Ｖ2 が印加されている期間
だけ前記で説明した進行波を振動体４に生じさせ、ロー
タ７を最小回転角度でステップ的に駆動させる。しか
し、ロータ７自身およびそれに接続したモータ負荷には
慣性質量があり、実際には滑らかな回転をする。そし
て、制御波（ｄ）のパルスが予め設定した角度に相当す
る数に達したとき、フリップフロップ２５の外部入力信
号（ｂ）をゼロレベルにすると、その角度でモータの回
転は停止する。図５は、本発明の駆動制御回路の一実施
例のブロック図を示しており、超音波モータの起動・停
止時の周波ユニットの制御に係るものである。ここで
は、高周波信号の発振器１４と、高周波信号の数パルス
を１単位としてまとめるゲート１７と、高周波信号の位
相を９０°ずらす移相器１６と、高周波信号を増幅する
増幅器１５ａおよび増幅器１５ｂは前記と同様の構成で
ある。また、ゲート１７には駆動制御手段および起動／
停止補助手段として、外部入力信号を受け付けて、一定
時間間隔のパルスを発生さすタイマ２６が接続されてい
る。図６は、この駆動制御回路における各部分での電圧
波形を示すものである。まず、発振器１４によって約４
０ｋＨｚの発振波（ａ）が作られ、直接にゲート１７に
入力される。一方、超音波モータ１の起動初期にはパル
スの時間間隔は長く、それからだんだん短くなる（停止
時にはその逆）外部入力信号（ｂ）がタイマ２６に入力
される。そうすればタイマ２６では時間間隔を置いて一
定間隔のパルス幅をもった制御波（ｄ）を出力する。そ
して、前記と同様に、発振波（ａ）と制御波（ｄ）とが
ゲート１７で合成され、発振波（ａ）の数周期分が１単
位としてユニット化されて内包した周波ユニットが作ら
れる。この周波ユニットが制御波（ｄ）に従って時間的
に早く（停止時には遅く）なるように、時間間隔を置い
て繰り返し発生している信号（ｃ）が得られる。この信
号（ｃ）は増幅器１５ａで、また移相器１６によって位
相が９０°進まされ（逆回転では遅らされ）てから増幅
器１５ｂで増幅され、圧電体４のＡ相およびＢ相に印加
する高周波電圧Ｖ1 および高周波電圧Ｖ2 となる。増幅
器１５ａおよび増幅器１５ｂに接続された圧電体４は、
高周波電圧Ｖ1 および高周波電圧Ｖ2 が印加されている
期間だけ前記で説明した進行波が振動体３に生じ、ロー
タ７をステップ的にだんだん早く（停止時には遅く）駆
動する。しかし、ロータ７自身およびそれに接続したモ
ータ負荷には慣性質量があり、実際にはゆっくりと滑ら
かに起動（停止）する。なお、上記の三つの実施例と
も、電圧周波ユニット作成手段、駆動制御手段および起
動／停止補助手段に係る増幅器の手前までの波形処理お
よび信号処理をマイクロプロセッサやコンピュータで代
行できるのは言うまでもない。

【発明の効果】本発明では、高周波電圧を周波ユニット
化して圧電体に印加する駆動制御回路によって、超音波
モータをステッピング駆動することができた。その結
果、超音波モータの回転速度や位置制御が簡便にできる
ようになった。しかも、この周波ユニットの印加する時
間間隔を長く置くことによって、今までの進行波型超音
波モータでは得られなかった超低速回転が達成できた。
次に、高周波電圧の周波ユニット化に際してロータの最
小回転角度を用いることによって、超音波モータを最小
回転角度でステッピング駆動され、非常に精度の良い位
置（回転角）制御が可能となった。さらに、起動や停止
時に高周波電圧の周波ユニットが圧電体に印加される時
間間隔を長くしたり短くすることによって、ゆっくりと
起動したり止めたりすることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の駆動制御回路の一実施例のブロック図
を示している。

【図２】本発明の駆動制御回路の一実施例における各部
分での電圧波形を示す。

【図３】本発明の駆動制御回路の一実施例のブロック図
を示している。

【図４】本発明の駆動制御回路の一実施例における各部
分での電圧波形を示す。

【図５】本発明の駆動制御回路の一実施例のブロック図
を示している。

【図６】本発明の駆動制御回路の一実施例における各部
分での電圧波形を示す。

【図７】本発明の駆動制御回路で駆動される超音波モー
タの縦断面図である。

【図８】超音波モータの動作原理図である。

【符号の説明】１超音波モータ２ステータ３振動体４圧電体５ベース６緩衝材７ロータ８駆動体９シャフト１０カバー１２摺動材１３皿バネ１４発振器１５ａ、１５ｂ増幅器１６移相器１７ゲート１８カウンタ１９エンコーダ２３オペアンプ２４微分器２５フリップフロップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステータの電気−機械変換子に高周波電
圧を印加して位相の異なる振動の合成された進行波を生
じさせ、該ステータに接触したロータを相対運動させる
超音波モータの駆動制御回路において、前記電気−機械
変換子に接続して少なくとも２種類の位相の異なる高周
波電圧を発生する駆動電圧発生手段と、該駆動電圧発生
手段で発生する位相の異なる高周波電圧の１周期以上の
組合せを１単位とした周波ユニットを作成する電圧周波
ユニット作成手段と、該電圧周波ユニット作成手段で作
成する周波ユニットを時間間隔を置いて繰り返す駆動制
御手段とから構成され、高周波電圧の周波ユニットを間
欠的に繰り返して前記電気−機械変換子に印加してステ
ッピング駆動させることを特徴とする超音波モータの駆
動制御回路。
【請求項２】ステータの電気−機械変換子に高周波
電圧を印加して位相の異なる振動の合成された進行波を
生じさせ、該ステータに接触したロータを相対運動させ
る超音波モータの駆動制御回路において、前記ロータの
相対運動量を予め定めた単位量で区分して検出する運動
量検出手段と、前記電気−機械変換子に接続して少なく
とも２種類の位相の異なる高周波電圧を発生する駆動電
圧発生手段と、該駆動電圧発生手段で発生する位相の異
なる高周波電圧の組合せ周期数を前記運動量検出手段の
単位量に当たる信号によって区切って１単位とした周波
ユニットを作成する電圧周波ユニット作成手段と、該電
圧周波ユニット作成手段で作成する周波ユニットを時間
間隔を置いて繰り返す駆動制御手段とから構成され、高
周波電圧の周波ユニットを間欠的に繰り返して前記電気
−機械変換子に印加してロータの相対運動の単位量ずつ
ステッピング駆動させることを特徴とする超音波モータ
の駆動制御回路。
【請求項３】ステータの電気−機械変換子に高周波電
圧を印加して位相の異なる振動の合成された進行波を生
じさせ、該ステータに接触したロータを相対運動させる
超音波モータの駆動制御回路において、前記電気−機械
変換子に接続して少なくとも２種類の位相の異なる高周
波電圧を発生する駆動電圧発生手段と、該駆動電圧発生
手段で発生する位相の異なる高周波電圧の１周期以上の
組合せを１単位とした周波ユニットを作成する電圧周波
ユニット作成手段と、該電圧周波ユニット作成手段で作
成する周波ユニットを時間間隔を置いて繰り返す駆動制
御手段と、前記時間間隔を漸次短縮または伸長する起動
／停止補助手段とから構成され、起動または停止時に高
周波電圧の周波ユニットを前記電気−機械変換子に印加
する時間間隔を漸次短縮または伸長させながら間欠的に
繰り返してゆっくりと起動または停止させることを特徴
とする超音波モータの駆動制御回路。