(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波モータを駆動するための信号の駆動周波数を変化制御可能な周波数制御手段と、前記超音波モータの振動振幅を振幅電圧として検出する振幅電圧検出手段と、前記検出された振幅電圧と予め設定した基準電圧とを比較しその比較結果を比較信号として出力する比較手段とを備え、前記比較手段は、振幅電圧の信号波形の下限値側の電圧が基準電圧よりも低下したことを検出したときに前記比較信号を変化させ、前記周波数制御手段は、前記比較信号に基づいて前記駆動周波数を制御するとともに、前記比較信号が予め設定した複数回数だけ変化したときに前記駆動周波数の変化制御を停止することを特徴とする超音波モータの駆動制御装置。
【請求項２】
前記周波数制御手段は、前記超音波モータの駆動開始時から徐々に駆動周波数を低下させるように構成され、前記周波数制御手段は前記比較信号の変化に基づいて前記駆動周波数の低下を停止させる構成であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの駆動制御装置。
【請求項３】
前記超音波モータには、当該モータの振動振幅に対応する電圧を出力するセンサ電極が設けられており、前記振幅電圧検出手段は前記センサ電極で検出した電圧に基づいて前記振幅電圧を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モータの駆動制御装置。
【請求項４】
前記周波数制御手段は、制御電圧に基づいて発振周波数が変化される電圧制御発振器と、前記制御電圧を経時的に変化して前記電圧制御発振器に供給し、かつ前記比較手段からの比較信号に基づいて前記制御電圧を固定するＣＰＵとを備えて構成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波モータの駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波モータを最適周波数で駆動制御するための装置に関し、特に回路構成の簡易化と、リアルタイムの制御を可能にした超音波モータ駆動制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータは、圧電セラミックス等の圧電素子に位相の異なる２つの交流電圧を印加して位相の異なる２つの定在波を励起し、その合成により駆動面の表面粒子に円又は楕円運動を形成し、この駆動面に加圧接触する移動体を摩擦駆動により移動させることで、移動体を回転運動させてモータとして機能するように構成している。このような超音波モータでは、駆動面での振幅が最大となる周波数でモータを駆動すれば、モータの最大能力を発揮させることができると考えられている。超音波モータの周波数に対する回転数の相関特性は図４（ａ）であり、同じく周波数に対する振幅電圧（振幅に対応した電圧）の相関特性は図４（ｂ）であることが知られている。したがって、モータの回転数あるいは振幅を検出し、この検出値に基づいてモータの駆動周波数を制御することが好ましい。このうち、回転数を検出するにはエンコーダ等の部品が必要であり、超音波モータ駆動制御装置の構造が複雑になる。これに対し、超音波モータでは、ステータに設けられたセンサ電極により振幅を振幅電圧として容易に検出することが可能であるため、この振幅出力に基づいて駆動周波数をフィードバックする技術が考えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような振幅電圧のピーク値を検出し、このピーク値の周波数に駆動周波数を制御しようとしても、ピーク値を検出するためにピークホールド回路等の複雑な回路が必要になり、前記した回路構成を簡略化する目的に反することになる。この場合、制御用マイクロコンピュータを用いたプログラム制御によってピーク値を検出することも不可能ではないが、プログラム処理に必要な時間だけ駆動周波数を制御する応答性が遅れることになり、リアルタイムで制御することは困難である。また、仮に簡易な回路構成でかつリアルタイムにピーク検出に基づいて駆動周波数の制御を行うことが可能とされても、図４（ｂ）に示した相関特性からわかるように、超音波モータの周波数に対する振幅電圧の特性は、高周波数領域から低周波数領域に向けて漸増し、振幅電圧のピークＶｐを越えると急激に低減する特性となっている。このため、振幅電圧に基づいて駆動周波数をフィードバック制御したときに、高周波数側から低周波数側に向けて振幅電圧のピークを越えたとたんに振幅電圧が零に近い電圧となり、この電圧がフィードバックループで制御可能な電圧領域を逸脱してフィードバック制御が不安定なものになり、超音波モータを安定した状態で回転駆動制御することは困難になる。特に、図４（ｂ）にも示されるように、振幅電圧には温度依存性があり、環境温度によってピーク電圧Ｖｐとなる周波数が変化されるため、単純にピークを検出するのみでは温度変化によってピークが変動したときに前記したような制御の不安定性が顕著なものになる。
【０００４】
本発明の目的は、簡易な回路構成で、かつリアルタイムで安定して超音波モータを回転駆動制御することを可能にした超音波モータ駆動制御装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波モータ駆動制御装置は、超音波モータを駆動するための信号の駆動周波数を変化制御可能な周波数制御手段と、前記超音波モータの振動振幅を振幅電圧として検出する振幅電圧検出手段と、前記検出された振幅電圧と予め設定した基準電圧とを比較しその比較結果を比較信号として変化出力する比較手段とを備え、前記比較手段は、振幅電圧の信号波形の下限値側の電圧が基準電圧よりも低下したことを検出したときに前記比較信号を変化させ、前記周波数制御手段は、比較信号に基づいて前記駆動周波数を制御するとともに、比較信号が予め設定した複数回数だけ変化したときに前記駆動周波数の変化制御を停止することを特徴とする。振幅電圧に基づいて超音波モータの駆動周波数を制御することで、モータ回転数を検出するためのエンコーダが不要となる。また、振幅電圧の信号波形の下限値側の電圧が基準電圧よりも低下したときに駆動周波数の変化制御を停止するので、ノイズ等によって一時的に比較信号が変化した場合でも駆動周波数を固定することがなく、ノイズ等の影響を無くした安定した制御が可能となる。さらに、振幅電圧を基準電圧と比較して駆動周波数を制御するために、振幅電圧のピークを検出する必要がなく、回路構成の複雑化が防止される。また、振幅電圧のピークを検出し、このピークに基づいて駆動周波数を制御する必要がないため、振幅電圧のピークを越えて低周波数側に駆動周波数が制御されることもなく、かつ温度変化による振幅電圧の特性変化の影響を受けることもなく、しかもリアルタイムでの安定した制御が可能となる。
【０００６】
ここで、本発明において、比較手段は振幅電圧の信号波形の下限値側の電圧が基準電圧よりも低下したときに比較信号を変化して出力するように構成する。また、振幅電圧検出手段として、超音波モータに付設されているセンサ電極で検出した電圧を利用することで、振幅電圧検出手段を新たに設ける必要もない。さらに、前記周波数制御手段は、制御電圧に基づいて発振周波数が変化される電圧制御発振器と、前記制御電圧を経時的に変化して前記電圧制御発振器に供給し、かつ前記比較手段からの比較信号に基づいて前記制御電圧を固定するＣＰＵとを備えて構成することにより、一般的に提供されている回路部品を利用して本発明の駆動制御装置が実現可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の超音波モータ駆動制御装置の全体構成を示すブロック図である。超音波モータ１は、ここではその具体的な構成の説明は省略するが、一対の駆動電極Ａ，Ｂを有しており、これら駆動電極に位相が９０度異なる周波数信号を印加することにより、ステータとしての振動体が振動して弾性振動の進行波が励起され、前記振動体に圧接されている移動体は前記進行波の波頭の横方向成分によって摩擦駆動され、進行波の振幅に比例した速度で移動される。また、前記超音波モータ１にはセンサ電極Ｓが設けられており、このセンサ電極Ｓからは前記振動体が弾性振動したときの振幅に比例した振幅電圧ＶD が検出されるように構成されている。
【０００８】
前記超音波モータ１を駆動制御するための制御回路として、ＣＰＵ（マイクロコンピュータ）２が設けられており、前記ＣＰＵ２の出力側には、前記超音波モータ１を駆動するための信号を出力する駆動出力ポートＰｏｕｔと、前記超音波モータ１を駆動するための駆動周波数信号を周波数制御電圧として出力する制御電圧出力ポートＰVCO と、後述する比較回路７での基準電圧を出力する基準電圧出力ポートＰREF とを有している。また、前記ＣＰＵ２の入力側には、前記センサ電極Ｓの検出出力を基準電圧と比較した比較出力が入力される駆動入力ポートＰｉｎを有している。
【０００９】
前記ＣＰＵ２の駆動出力ポートＰｏｕｔはアンドゲート３の一方の入力に接続される。また、前記制御電圧出力ポートＰVCO の出力は電圧制御発振器（ＶＣＯ）４の制御電圧端子に入力され、その出力電圧に対応してＶＣＯ４の発振周波数を制御する。前記ＶＣＯ４の出力は前記アンドゲート３の他方の入力に接続される。そして、前記アンドゲート３の出力となる駆動周波数信号ＳD は２分岐され、一方の出力はＡ電極側電力増幅回路５Ａに入力され、電力増幅されて前記超音波モータ１の駆動電極Ａに供給される。また、２分岐された他方の出力は９０度シフタ６に入力され、ここで位相が９０度移相される。この移相された出力はＢ電極側電力増幅回路５Ｂに入力され、ここで電力増幅されて前記超音波モータ１の駆動電極Ｂに供給される。なお、前記各電力増幅回路５Ａ，５Ｂは、電力増幅用トランスＴ１，Ｔ２、スイッチング用トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４、インバータＩ１，Ｉ２で構成され、モータ駆動用電源電圧Ｖｍに基づいて電力増幅動作を行うように構成されている。
【００１０】
一方、前記超音波モータ１のセンサ電極Ｓには比較回路７が接続されており、この比較回路１の比較出力が前記ＣＰＵ１の駆動入力ポートＰｉｎに入力される。前記比較回路７は、コンパレータＣＯＭＰと、抵抗Ｒ１〜Ｒ５、コンデンサＣで構成されており、前記センサ電極Ｓの出力である振幅電圧ＶD を、抵抗Ｒ４、Ｒ５の抵抗比により回路電源電圧内に収まるように調整し、さらにその中心レベルが回路電源電圧Ｖの１／２の電圧になるようにレベルシフトした振幅電圧ＶD'として前記コンパレータＣＯＭＰの負入力端子に入力する。また、前記コンパレータＣＯＭＰの正入力端子には、前記ＣＰＵ２の基準電圧出力ポートＰREF からの基準電圧ＶREF が入力される。そして、前記コンパーレータＣＯＭＰは、前記センサ電極Ｓから得られてレベルシフトした振幅電圧ＶD'と、前記基準電圧ＶREF とを比較し、振幅電圧ＶD'の信号波形の下限値側の電圧が基準電圧ＶREF よりも低電圧となるタイミング時に、比較信号ＳC としてハイレベルの出力を出力し、前記ＣＰＵ2 の駆動入力ポートＰｉｎに入力する。
【００１１】
ここで、前記ＣＰＵ２においては、当該制御対象となる超音波モータ１の周波数と振幅電圧の相関特性に基づいて、当該超音波モータ１が最大能力を発揮する駆動周波数ないしはその近傍の駆動周波数における振幅電圧を計算或いは測定により求めておき、その得られた振幅電圧よりも若干割小さい電圧波形の下限値を基準電圧ＶREF として求め、この基準電圧ＶREF を前記基準電圧出力ポートＰREF から出力するように設定されている。
【００１２】
以上の構成の超音波モータ駆動制御装置による駆動制御動作を図２のフローチャートと、図３のタイミング図に基づいて説明する。ＣＰＵ２にモータ駆動命令が入力されると（Ｓ１０１）、ＣＰＵ２は内蔵カウンタを「ｉ＝０」に設定する（Ｓ１０２）。次いで、ＣＰＵ２は予め設定されている図３の基準電圧ＶREF を基準電圧出力ポートＰREF から出力し、コンパレータＣＯＭＰの正入力端子に入力する（Ｓ１０３）。また、同時に制御電圧出力ポートＰVCO からは、図３のように時間の経過とともに電圧が徐々に増加する制御電圧ＶVCO を出力する（Ｓ１０４）。この制御電圧ＶVCO を受けて、図３のように、ＶＣＯ４はその発振周波数が初期の高周波数から低周波数側に向けて変化される駆動周波数信号ＳD を出力する。なお、この発振周波数は、図４（ｂ）に示した周波数に対して振幅電圧が変化される領域で、しかも超音波モータ１の最大能力を発揮するピーク電圧Ｖｐの周波数ｆｐよりも所定周波数だけ高周波数側の周波数に設定されていることは言うまでもない。さらに、駆動出力ポートＰｏｕｔからハイレベルの駆動信号ＳH を出力する（Ｓ１０５）。この駆動信号ＳH の出力により、アンドゲート３からＶＣＯ４の発振周波数の出力ＳD が駆動周波数信号として出力され、一方はＡ側電力増幅回路５Ａに入力され、他方は９０度移相された上でＢ側電力増幅回路５Ｂに入力される。そして、それぞれの周波数出力は、電力増幅回路５Ａ，５Ｂにおいて電力増幅され、位相が９０度異なる駆動信号として超音波モータ１の駆動電極Ａ，Ｂに供給され、超音波モータ１を回転駆動する（Ｓ１０６）。
【００１３】
超音波モータ１が回転駆動されると、センサ電極Ｓにおいてモータの駆動周波数に対応した振幅が検出され、振幅電圧ＶD が出力される。この振幅電圧ＶD は比較回路７においてレベルシフトされて振幅電圧ＶD'にされ、図３に示すように駆動周波数に対応した交流信号として出力される。この振幅電圧ＶD'は、図４（ｂ）に示したように駆動周波数と相関を有しているため、超音波モータ１の駆動周波数が低減して行くと、これに伴って振幅電圧ＶD'の絶対値は徐々に増大される。そして、振幅電圧ＶD'はコンパレータＣＯＭＰにおいて基準電圧ＶREF と比較され、振幅電圧の信号波形の下限値側の電圧が基準電圧よりも低下した時点ｔ１でコンパレータＣＯＭＰからは比較信号ＳC としてハイレベルが出力される。なお、この間、コンパレータＣＯＭＰからハイレベルが出力されるまでは、ＣＰＵ２における制御電圧ＶVCO を徐々に増加しており、その結果図３のように、徐々に規定量ずつ周波数が低下される駆動周波数信号ＳD となる（Ｓ１０７，Ｓ１０８）。
【００１４】
コンパレータＣＯＭＰからハイレベルの信号ＳC が出力されると、ＣＰＵ２は内蔵カウンタを「ｉ＝ｉ＋１」とした上で（Ｓ１０９）、カウント数ｉが予め設定した値Ｎ（Ｎは１〜５程度の整数）と比較する（Ｓ１１０）。カウント数ｉが設定値Ｎに達していないときには、前記ステップＳ１０８に戻り、制御電圧ＶVCO をさらに増加させ、超音波モータ１の駆動周波数はさらに低くする。この結果としてセンサ電極Ｓから得られる振幅電圧ＶD'はさらに増加する。以上のステップを繰り返し、カウント数ｉが設定値Ｎに達すると、以降は制御電圧ＶVCO の増加を停止する。これにより、超音波モータ１はそのときの制御電圧に対応した駆動周波数によって駆動が継続するように制御されることになる。
【００１５】
このように、超音波モータ１に付設されているセンサ電極Ｓを利用して振幅電圧ＶD'を求め、この振幅電圧に基づいて超音波モータ１の駆動周波数信号ＳD の駆動周波数を制御しているため、モータ回転数を検出するためのエンコーダ等は不要であり、回路構成が複雑になることはない。また、駆動周波数の制御に際しては、振幅電圧ＶD'の信号波形の下限値側の電圧が予め設定した基準電圧ＶREF よりも低下したことを検出したときに、駆動周波数信号ＳD をそのときの周波数に固定しているため、振幅電圧のピークを検出する必要はなく、そのための回路部品も不要であり、回路構成が複雑化することはない。また、このとき振幅電圧ＶD'の信号波形の下限値側の電圧が基準電圧ＶREF よりも低下した状態が所定回数Ｎに達したときに駆動周波数を固定しているため、例えば、ノイズ等によって一時的に振幅電圧が増加又は減少したような場合には駆動周波数を固定することはなく、駆動周波数を安定に制御することが可能となる。さらに、環境温度によって周波数と振幅電圧の相関特性が変化した場合でも、基準電圧に所定のマージンを持たせておけば、温度変化によっても超音波モータの駆動制御を安定に保持することが可能である。
【００１６】
なお、基準電圧の設定に際して本発明者の実験によれば、前記したように、制御対象となる超音波モータの特性を予め測定して図４（ｂ）に示したような駆動周波数に対する振幅電圧の相関特性を求めておき、その相関特性から得られるピーク電圧Ｖｐに対して、例えば８０％ないし９０％程度の電圧を基準電圧ＶREF として設定し、かつ前記Ｎの値を５程度に設定しておけば、一般的な超音波モータにおいては、ピーク電圧の９０〜９５％の振幅電圧に相当する駆動周波数で超音波モータを駆動制御することが可能である。なお、これらの値は、制御対象となる超音波モータの種類や個々の特性のばらつき、さらにはセンサ電極の検出特性によって相違するものであることは言うまでもない。
【００１７】
ここで、前記実施形態では、コンパレータＣＯＭＰの設定として、振幅電圧ＶD'の信号波形の下限値側の電圧が基準電圧ＶREF よりも低下した時点でコンパレータ出力をハイレベルにしているが、振幅電圧の信号波形の上限値側の電圧が基準電圧を越えた時点でコンパレータ出力をハイレベルにあるいはロウレベルに反転させるように構成してもよい。また、前記実施形態では、アンドゲート３を用いてＶＣＯの出力ＳD と駆動出力ＳH との論理和をとって駆動周波数信号ＳD としているが、特にこのように構成する必要はなく、単純にＣＰＵの出力でＶＣＯを制御し、そのＶＣＯの出力を直接利用して超音波モータを駆動するようにしてもよい。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、周波数制御手段により超音波モータを駆動するための駆動周波数を変化制御する一方で、超音波モータの振動振幅を振幅電圧検出手段により振幅電圧として検出し、この検出された振幅電圧と予め設定した基準電圧とを比較手段で比較し、この比較では振幅電圧の信号波形の下限値側の電圧が基準電圧よりも低下したことを検出したときに比較信号を変化させ、この比較結果としての比較信号に基づいて駆動周波数を制御するとともに、当該比較信号が複数回数だけ変化したときに前記周波数制御手段の前記駆動周波数の変化制御を停止するように構成しているので、ノイズ等によって一時的に比較信号が変化しても駆動周波数が変化されることがなく、ノイズの影響を無くした安定した制御が可能となる。また、本発明によれば、モータ回転数を検出するためのエンコーダが不要となり、また、振幅電圧を基準電圧と比較して駆動周波数を制御するために、振幅電圧のピークを検出する必要がなく、回路構成の複雑化が防止される。また、振幅電圧のピークを検出した上で、そのピークを基準として駆動周波数を制御することが不要となるため、振幅電圧のピークを越えて低周波数側に駆動周波数が制御されるようなこともなく、しかも温度変化に伴う振幅電圧の相関特性の変動の影響を抑制し、さらにリアルタイムでの超音波モータの安定した制御が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータ駆動制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１の装置における制御動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２の各部における信号波形を示すタイミング図である。
【図４】超音波モータの駆動周波数に対する回転数と振幅電圧の相関特性を示す図である。
【符号の説明】
１  超音波モータ
２  ＣＰＵ
３  アンドゲート
４  電圧制御発振器（ＶＣＯ）
５Ａ，５Ｂ  電力増幅回路
６  ９０度シフタ
７  比較回路
Ｓ  センサ電極
ＣＯＭＰ  コンパレータ
【図１】
0004495274.tif 000002
【図２】
0004495274.tif 000003
【図３】
0004495274.tif 000004
【図４】
0004495274.tif 000005