JPH06296377A

JPH06296377A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH06296377A
Application number: JP5082241A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Hayashizaki; 伸一林崎; Tatsunori Inoue; 竜紀井上; Kenji Suzuki; 賢二鈴木; Masao Kasuga; 政雄春日
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 1994-10-21

Abstract

(57)【要約】【目的】超音波モータに付加したエンコーダ等の信号
を基準として、駆動回路の発振周波数を計数することに
より、高分解能な移動情報を出力する。【構成】超音波モータ１０７に移動情報出力回路１１
１を付加し、移動情報出力回路１１１からの出力信号を
基準として、超音波モータ１０７の発振器よりの信号を
計数する計数回路１０９を備える。計数回路１０９の計
数した結果を元に、移動情報出力回路１１１の出力信号
を補間演算する補間演算回路１１０を備え、補間演算さ
れた結果を高分解能な移動情報として出力する出力回路
を備える。【効果】分解能の低い移動情報検出器の出力を、簡易
な方法で高分解能な移動情報に変換し、超音波モータの
回転数制御、位置制御を容易にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧電、磁歪等の電気
ー機械変換による超音波モータの位置情報の検知と制御
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波モータのロータ等の移動体
の回転数、位置等の移動情報を検知するためには磁気
的、または光学的なエンコーダ等の装置を超音波モータ
に付加するか、超音波モータの一部を利用して、超音波
モータに検出器を組み込んだものとして、例えば特開昭
６２−２２１８８５号公報に、ロータに溝等の不連続部
分を設け、ステータに発生する断続的な波形歪みを検出
して、回転情報を得るものがある。また特開平３−８２
３８０号公報に音響機械インピーダンスの変化を検出し
て回転情報を得るものもある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したよう
に超音波モータに前記エンコーダを付加しても、小型に
するためには分解能が低く、分解能を上げようとすると
エンコーダは大型となり、超音波モータ全体の体積が増
大し、大きな組み込みスペースが必要となり、使用範囲
が限定され、超音波モータ自体のコストも増大する。従
って特開昭６２−２２１８８５号公報、および特開平３
−８２３８０号公報による方法は小型化には有効な改善
策であるが、分解能は著しく低いという課題があった。

【０００４】そこで、この発明の目的は、従来のこのよ
うな課題を解決するために、前述した従来のエンコーダ
を小型化して、分解能が低下する課題を簡易な方法で、
格段に高精度な位置制御ができる超音波モータを提供で
きるようにした。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明の超音波モータに別付加の移動情報検出器
を備え、前記移動情報検出器からの信号をゲート信号と
して、駆動周波数を計数、演算をして移動情報検出器の
信号間の補間演算ができるようにした。

【０００６】

【作用】上記のように構成された超音波モータにおいて
は、移動情報検出器の出力信号に基づいて、移動体の動
作状態の中で検出していない部分について補間演算をす
ることにより、分解能を著しく向上させ、移動体の移動
情報をデジタル信号として取り出すことができ、超音波
モータおよび超音波モータを使用した機器の高精度な移
動情報が得られ、回転数、移動量、速度、位置等の高精
度の制御を可能とした。

【０００７】

【実施例】以下に、この発明の実施例の構成を図に基づ
いて説明する。なお実施例の各図において、同様の部位
には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。（第１実施例）図１は、本発明の移動体が回転体である
場合の超音波モータの駆動および、移動体としてのロー
タの回転情報を得る回路を、ブロック的に示した説明図
である。図２は、発振器の出力信号と超音波モータの駆
動信号の関係を示す図である。

【０００８】図１において、発振器１０１の信号はイン
バータ１０２、フリップフロップ（ＦＦ）１０３、ＦＦ
１０４により９０゜の位相差を持つ２つの信号に分けら
れる。分けられた２つの信号の様子を図２に示す。図２
（ａ）は、発振器１０１よりの出力信号、図２（ｂ）
は、ＦＦ１０３よりの出力信号、図２（ｃ）は、インバ
ータ１０２で位相反転された信号が、ＦＦ１０４に印加
され、そのときのＦＦ１０４よりの出力信号を示す。

【０００９】図２（ａ）の発振器１０１よりの出力信号
は図２（ｂ）および図２（ｃ）の出力信号の２倍の周波
数となる。また、９０゜の位相差を持つ２つの信号に分
けられた信号は、それぞれ増幅器１０５、増幅器１０６
により増幅され、超音波モータ１０７に印加される。超
音波モータ１０７は回転し、回転検出器１０８により回
転情報信号が出力される。

【００１０】回転検出器１０８よりの信号はパルス成形
され、計数回路１０９のゲートに加えられる。発振器１
０１よりの信号は、計数回路１０９のクロック端子に加
えられる。計数回路１０９は、発振器１０１よりの信号
パルス数を回転検出器１０８のパルスとパルス間で計数
する。

【００１１】図３は、本発明の超音波モータの回転検出
器１０８の出力信号と発振器１０１の信号との関係を示
す図である。図３（ａ）は、回転検出器１０８よりのパ
ルス信号、図３（ｂ）は、発振器１０１よりの信号を示
し、計数回路１０９は、図３（ａ）の回転検出器１０８
よりのパルス信号をゲートとし、図３（ｂ）の発振器１
０１よりの信号の数を計数する。回転検出器１０８より
の１回転当たりのパルス信号をＮとし、計数された発振
器よりの信号数をＭとする。エンコーダの分解能はＮ＊
Ｍとなり、分解能が回転検出器１０８だけの場合と比較
すればＭ倍になったということになる。

【００１２】補間演算回路１１０は、移動情報検出器で
ある回転検出器１０８の出力パルスを計数、記憶し、さ
らに回転検出器１０８の出力パルス間の移動情報を、演
算、補間演算する。補間演算回路１１０は、計数回路１
０９により回転検出器１０８のパルス間で計数された、
発振器１０１の出力信号数の平均値、あるいは直前の計
数値をＭとして記憶する。

【００１３】現在計数されている回転検出器１０８の出
力パルス数をｎとし、計数回路１０９により計数された
発振器１０１の出力信号数をｍとする。現時点の回転数
の補間値は、前記補間演算回路１１０により（ｎ＋ｍ／
Ｍ）／Ｎの演算を行うことにより求められる。

【００１４】移動情報出力回路１１１は、補間演算回路
１１０で演算し、結果を記憶し、その瞬間のデータをデ
ジタルデータまたはパルス信号として出力する。超音波
モータの回転数を制御する方法としては、駆動電圧、位
相、駆動周波数の制御によっておこなわれる。超音波モ
ータの回転数制御は、駆動周波数を制御する方法が最も
容易であり、一般的に実施される。周波数を制御する方
法では、発振器１０１の周波数は変化する。しかし超音
波モータは一種の機械共振子であるので、周波数の変化
率は極めて小さいので、発振器の周波数を計数しても回
転精度は、十分に実用になる。

【００１５】図４には、さらに高精度の補間が必要な場
合の実施例を示す。図４に示すように、計数回路１０９
のクロック端子に発振器１０１の代わりに、水晶発振回
路等の別付加の高精度発振器１１２を使用することもで
きるが、回路が複雑になり、素子が増える等の課題があ
り、超音波モータを小型化する目的に適しなくなる。

【００１６】図５は、本発明の実施例の超音波モータの
構成を示す断面図の例である。図５に示すように、駆動
用の圧電素子２０１を接着等により接合された振動子２
０２は、駆動回路１００により共振周波数近辺で駆動さ
れて進行波を発生し、発生した進行波により摩擦材２１
１を通して摩擦力によりロータ体２１２を回転させる。
加圧機構２１３は、バネ等により加圧力を発生、調整し
て摩擦力を調整する。中心軸２１５は、超音波モータの
中心を構成し、振動子２０２を固着支持して外部にモー
タを取り付けるための支持板２１４に打ち込み固着され
ている。回転検出器１０８は、回転部がロータ体２１２
に固着され、ロータ体２１２の回転によって回転部が回
転し、回転情報を出力する。

【００１７】（第２実施例）次に本発明の第２実施例に
ついて説明する。本発明を応用すれば、回転数制御、位
置制御は非常に容易になる。回転数制御については、発
振器１０１の発振周波数を制御する手段を設け、回転検
出器１０８の１パルス間の発振器１０１の出力パルス数
を計数し、制御値と比較し、制御値になるように発振器
１０１の周波数を制御するだけで、回転数の制御が可能
となる。

【００１８】図６は、回転数制御回路をブロック的に示
した説明図である。図６より、回転数が回転入力回路１
２２に指定されたときに、回転数の指定値、発振器１０
１の出力周波数、回転検出器１０８の１回転あたりのパ
ルス数を次のように設定すると、回転数の指定値Ｒｎ発振器１０１の出力周波数Ｆｏｓｃ回転検出器１０８のロータ１回転あたりのパルス数Ｎ回転検出器１０８の１パルス間の発振器１０１の出力パ
ルス数の制御値の設定値Ｍｃは、次の式で与えられ、設
定演算回路１２３で演算、記憶される。

【００１９】Ｍｃ＝Ｆｏｓｃ／（Ｒｎ／６０＊Ｎ）次に、モータが回転し、計数回路１０９より回転検出器
１０８の１パルス間の発振器１０１の出力パルス数ｍが
計数され、補間演算回路１１０に記憶されるとともに、
設定値演算回路１２３に記憶されている設定値Ｍｃと比
較し、比較結果により、移動情報出力回路１１１で、発
振周波数制御回路１２１を制御する信号を発生させ、発
振器１０１の発振周波数を制御することにより、モータ
の回転数を制御する。また、移動情報出力回路１１１
は、同時に、このときのモータの回転信号を表示器等の
外部機器１２４に出力する。

【００２０】（第３実施例）超音波モータは摩擦による
微小駆動のため、停止位置の分解能が高く、コキングに
より、任意の位置に精度よく停止できない電磁コアモー
タ、電磁ステップモータとは分解能が大きく異なる。従
って、超音波モータの特徴を出すためには高精度、高分
解能の停止位置制御が望まれる。

【００２１】図７に、停止位置制御についてのフローチ
ャートを示す。図７より、停止位置が指定されたとき
に、停止位置に対応した回転検出器１０８よりの制御目
標パルス数をＮｓｔｏｐ＋△Ｎとして、演算、設定す
る。Ｎｓｔｏｐは整数、△Ｎは停止位置指定値と回転検
出器１０８の１回転あたりの出力パルス数Ｎとの商の余
剰であり、０を含む１以下の実数となる。

【００２２】超音波モータは、設定値Ｎｓｔｏｐに達す
るより前の数回転または、適正なパルス数前より低速、
定回転数に制御する。このときの低速に制御する手段と
しては、前述の本発明による制御方法で、回転数の指定
値を予め設定された値に、自動的に設定し、制御され
る。

【００２３】回転数を低速に制御することにより、モー
タ停止時の慣性を極力抑えるだけでなく、回転検出器１
０８の１パルス間の発振器出力パルス数の計数値ｍが、
大となるため、分解能が著しく向上する。超音波モータ
が、定回転数に制御されて、発振器出力パルス数の計数
値ｍが、一定値に安定したときに、安定したｍの値を回
転検出器１０８の１パルス間の補間値の基準値Ｍとして
記憶する。停止位置は、回転検出器１０８の出力パルス
数がＮｓｔｏｐに達し、さらに計数回路１０９の計数値
ｍが、Ｍ＊△Ｎになったときに、発振回路１０１の出力
を停止することにより、超音波モータの回転を停止す
る。従って、本発明によれば、高分解能の回転検出器、
高機能の制御回路を必要とせず、超音波モータの停止位
置を高分解能に制御できる。

【００２４】（第４実施例）前述のように移動体が回転
移動体の場合について説明してきたが、移動体が直線移
動体の場合でも同様であり、実施例について簡単に説明
する。図８は、移動体が直線移動体の場合の実施例を示
す。図８（ａ）は、移動体が直線移動体の場合の断面図
であり、図８（ｂ）は、リニアスケールの一部を示した
図である。

【００２５】接着等で接合された圧電素子２０１により
振動子２０２は、進行波を発生し、直線移動体２０３を
駆動する。直線移動体２０３には、リニアスケール２０
４が設けられ、光センサー２０５により移動信号を出力
する。従って、図１に示す回転検出器１０８と等価であ
るので、直線移動体の場合でも本発明が実施できる。

【００２６】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように、超音
波モータに移動体の移動情報を検出する移動情報検出器
を備え、前記移動体の移動情報検出器よりの移動情報信
号を基準として前記超音波モータの発振器よりの出力信
号を計数する手段を備え、移動体の移動情報検出器より
の移動情報信号を補間する演算手段を備え、移動情報信
号を補間して、移動情報を高分解能に検出できるように
するとともに、補間された信号を使用して、簡易な方法
で回転数制御、位置制御が可能な超音波モータを提供で
きるようにした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波モータの駆動およびロータの回
転情報を得る回路をブロック的に示した説明図である。

【図２】本発明の超音波モータの発振器１０１の出力信
号と超音波モータの駆動信号の関係を示す図である。

【図３】本発明の超音波モータの回転検出器の出力信号
と発振器の信号との関係を示す図である。

【図４】本発明の超音波モータの高精度発振器により移
動情報を得る回路をブロック的に示した説明図である。

【図５】本発明の超音波モータの構造の実施例を示した
断面図である。

【図６】本発明の超音波モータの回転数制御回路をブロ
ック的に示した説明図である。

【図７】本発明の超音波モータの移動情報を得る回路を
使用して、停止位置を制御する手順を示すフローチャー
トである。

【図８】本発明の超音波モータの移動体が直線移動体の
場合の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１００駆動回路１０１発振回路１０２インバータ１０３フリップフロップ１０４フリップフロップ１０５増幅器１０６増幅器１０７超音波モータ１０８回転検出器１０９計数回路１１０補間演算回路１１１移動情報出力回路１１２高精度発振回路１２１発振周波数制御回路１２２回転数入力回路１２３設定値演算回路１２４外部機器２０１圧電素子２０２振動子２０３直線移動体２０４リニアスケール２０５リニア光センサ２１１摺動板２１２ロータ体２１３加圧機構２１４支持板２１５中心軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者春日政雄東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波の交流信号を発生する発振器と、
前記発振器よりの交流信号を増幅して出力する増幅器
と、前記増幅器よりの出力により励振される振動体と、
前記振動体により摩擦駆動される移動体より構成される
超音波モータにおいて、前記移動体の動作の状態を検出
する移動情報検出器を備え、前記移動体の移動情報検出
器よりの移動情報信号を基準として、前記超音波モータ
の発振器よりの出力信号を計数する手段を備え、移動体
の移動情報検出器の出力する移動情報信号を入力して、
前記移動体の動作の状態の中で検出していない部分の動
作の状態を補間演算する演算手段を備え、移動情報信号
を補間、演算した結果を移動情報として出力する機能を
備えたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】前記超音波モータにおいて、移動体が回
転し、前記移動体の回転の状態を検出する移動情報検出
器を有する請求項１記載の超音波モータ。
【請求項３】前記超音波モータにおいて、移動体が直
線運動し、前記移動体の直線運動を検出する移動体検出
器を有する請求項１記載の超音波モータ。
【請求項４】前記超音波モータにおいて、発振器の発
振周波数を制御する制御手段を設け、移動情報検出器の
１パルス間に計数された発振器の出力パルス数を、予め
設定した移動体の動作の状態に対応した設定値と比較
し、前記発振器の発振周波数の制御手段により、発振周
波数を制御することにより、超音波モータの回転数を制
御することを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項５】前記超音波モータにおいて、停止位置設
定値に達する数パルスから数回転数前から、前記移動体
の回転状態を制御する回転数制御手段により所定の回転
数に制御し、前記本発明の移動情報検出手段により、検
出した位置情報にもとずき停止位置を制御することを特
徴とする請求項１記載の超音波モータ。