JP2001078472A - 超音波モータの駆動装置及び超音波モータの駆動方法 - Google Patents
超音波モータの駆動装置及び超音波モータの駆動方法Info
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- JP2001078472A JP2001078472A JP25089999A JP25089999A JP2001078472A JP 2001078472 A JP2001078472 A JP 2001078472A JP 25089999 A JP25089999 A JP 25089999A JP 25089999 A JP25089999 A JP 25089999A JP 2001078472 A JP2001078472 A JP 2001078472A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 振動体の共振周波数で超音波モータを駆動す
る。 【解決手段】 超音波モータの駆動装置1は、超音波モ
ータ2の振動体にインピーダンス補償のための外部イン
ダクタ20を接続する。超音波モータの駆動装置1は、
超音波モータ2に供給する駆動電圧vと駆動電流iとの
位相差を検出して、この位相差が0となるように、駆動
電圧vの周波数をサーボ制御する。また、超音波モータ
の駆動装置1は、超音波モータ2の回転速度を検出し
て、駆動電圧vを制御し、速度サーボ制御を行う。
る。 【解決手段】 超音波モータの駆動装置1は、超音波モ
ータ2の振動体にインピーダンス補償のための外部イン
ダクタ20を接続する。超音波モータの駆動装置1は、
超音波モータ2に供給する駆動電圧vと駆動電流iとの
位相差を検出して、この位相差が0となるように、駆動
電圧vの周波数をサーボ制御する。また、超音波モータ
の駆動装置1は、超音波モータ2の回転速度を検出し
て、駆動電圧vを制御し、速度サーボ制御を行う。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータの駆
動装置及び超音波モータの駆動方法に関するものであ
る。
動装置及び超音波モータの駆動方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】現在、圧電素子等が発生した高周波弾性
振動を摩擦力を使って機械的出力に変換する超音波モー
タの実用化が進んでいる。この超音波モータは、従来の
電磁式のモータに比べて、低速で高トルクが得られ応答
速度も早いことから、次世代アクチュエータとして注目
がされている。
振動を摩擦力を使って機械的出力に変換する超音波モー
タの実用化が進んでいる。この超音波モータは、従来の
電磁式のモータに比べて、低速で高トルクが得られ応答
速度も早いことから、次世代アクチュエータとして注目
がされている。
【0003】図7に一例として円板型の超音波モータを
示し、この円板型の超音波モータを用いて超音波モータ
の基本動作原理について説明する。
示し、この円板型の超音波モータを用いて超音波モータ
の基本動作原理について説明する。
【0004】円板型の超音波モータ100は、図7に示
すように、リング状に形成された金属等からなる弾性体
101に圧電セラミックス等の圧電素子102が接着さ
れて構成される振動体103と、振動体103との接触
面に摩擦材104が設けられた移動体105とからな
る。
すように、リング状に形成された金属等からなる弾性体
101に圧電セラミックス等の圧電素子102が接着さ
れて構成される振動体103と、振動体103との接触
面に摩擦材104が設けられた移動体105とからな
る。
【0005】圧電素子102は、図8に示すように、振
動体103の厚さ方向(図8の矢印A方向)に分極して
いる。この圧電素子102には、たわみ振動の半波長相
当の長さの電極106が複数個設けられている。このよ
うな圧電素子102に、位置が1/4波長ずれた2つの
交流電力を加えると、振動体103に、1/4波長ずれ
たたわみ振動の2つの定在波が励振される。
動体103の厚さ方向(図8の矢印A方向)に分極して
いる。この圧電素子102には、たわみ振動の半波長相
当の長さの電極106が複数個設けられている。このよ
うな圧電素子102に、位置が1/4波長ずれた2つの
交流電力を加えると、振動体103に、1/4波長ずれ
たたわみ振動の2つの定在波が励振される。
【0006】振動体103に2つの定在波が励振される
と、図9に示すように、振動体103の表面の任意の点
が楕円の軌跡を描くように運動し、振動体103に擬似
的に進行波が励振される。そのため、擬似的に進行波が
生じている振動体103に対して移動体105を加圧す
ると、摩擦材104による摩擦力により、この振動体1
05が進行波の進行方向と逆方向に回転することとな
る。
と、図9に示すように、振動体103の表面の任意の点
が楕円の軌跡を描くように運動し、振動体103に擬似
的に進行波が励振される。そのため、擬似的に進行波が
生じている振動体103に対して移動体105を加圧す
ると、摩擦材104による摩擦力により、この振動体1
05が進行波の進行方向と逆方向に回転することとな
る。
【0007】このように超音波モータ100は、1/4
波長ずらして形成された複数の圧電素子の駆動電極10
6に、位相が90°ずれた2相の交流電圧が印加される
ことにより、振動体103がたわみ振動の進行波を励振
し、この振動体103の振動に応じて移動体105が回
転移動する。
波長ずらして形成された複数の圧電素子の駆動電極10
6に、位相が90°ずれた2相の交流電圧が印加される
ことにより、振動体103がたわみ振動の進行波を励振
し、この振動体103の振動に応じて移動体105が回
転移動する。
【0008】また、振動体103の駆動端子からみた等
価回路は、図10に示すように、圧電素子102単体の
電気的性質を示す回路である電気腕121と、超音波モ
ータ100の機械的性質を表す回路である機械腕122
との並列回路で表される。電気腕121は、キャパシタ
ンスCdで表される。機械腕122は、キャパシタンス
Cm、インダクタンスLm、抵抗Rmで表される。
価回路は、図10に示すように、圧電素子102単体の
電気的性質を示す回路である電気腕121と、超音波モ
ータ100の機械的性質を表す回路である機械腕122
との並列回路で表される。電気腕121は、キャパシタ
ンスCdで表される。機械腕122は、キャパシタンス
Cm、インダクタンスLm、抵抗Rmで表される。
【0009】このような振動体103の駆動端子からみ
たアドミッタンスの周波数特性は、例えば、図11に示
すようになる。振動体103の振動の大きさは、駆動端
子に流れる電流の大きさに比例する。同じ電圧で駆動す
れば、電流はアドミッタンスに比例することとなる。従
って、図11のBで示すような、振動体103の共振周
波数近傍で駆動すれば、比較的に低い駆動電圧で振幅の
大きな振動を得ることができる。
たアドミッタンスの周波数特性は、例えば、図11に示
すようになる。振動体103の振動の大きさは、駆動端
子に流れる電流の大きさに比例する。同じ電圧で駆動す
れば、電流はアドミッタンスに比例することとなる。従
って、図11のBで示すような、振動体103の共振周
波数近傍で駆動すれば、比較的に低い駆動電圧で振幅の
大きな振動を得ることができる。
【0010】このように超音波モータ100では、振動
体103の共振周波数近傍で駆動することにより、高い
効率を得ることができる。
体103の共振周波数近傍で駆動することにより、高い
効率を得ることができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】ところで、振動体10
3の共振周波数は温度や負荷等によって変化する。その
ため、超音波モータの駆動回路には、基本的な駆動回路
とともに、超音波モータ100を共振周波数近傍の周波
数で駆動するためのサーボ回路が必要となる。
3の共振周波数は温度や負荷等によって変化する。その
ため、超音波モータの駆動回路には、基本的な駆動回路
とともに、超音波モータ100を共振周波数近傍の周波
数で駆動するためのサーボ回路が必要となる。
【0012】従来の超音波モータの駆動回路では、駆動
電流を検出して、この駆動電流が一定値になるように周
波数をサーボ制御する方式を用いている。
電流を検出して、この駆動電流が一定値になるように周
波数をサーボ制御する方式を用いている。
【0013】しかしながら、駆動電流の振幅のピーク点
においては、図12に示すように、周波数を大きくする
方向に移動しても、周波数を小さくなる方向に移動して
も、振幅レベルが減少してしまう。そのため、この駆動
電流を一定にする方式では、駆動電流の振幅の頂点でサ
ーボロックすることができず、振幅の頂点よりもレベル
が下がった位置でサーボロックをしていたので、最も効
率のよい共振周波数で超音波モータを駆動することがで
きなかった。さらに、このような方式では、サーボ範囲
が狭く、且つ、基準周波数を中心とするレベルの変動が
左右で非対称で、レベル変動幅が少ない領域が片側に生
じるため、引き込みにくく且つ外れやすいサーボ系とな
ってしまっていた。
においては、図12に示すように、周波数を大きくする
方向に移動しても、周波数を小さくなる方向に移動して
も、振幅レベルが減少してしまう。そのため、この駆動
電流を一定にする方式では、駆動電流の振幅の頂点でサ
ーボロックすることができず、振幅の頂点よりもレベル
が下がった位置でサーボロックをしていたので、最も効
率のよい共振周波数で超音波モータを駆動することがで
きなかった。さらに、このような方式では、サーボ範囲
が狭く、且つ、基準周波数を中心とするレベルの変動が
左右で非対称で、レベル変動幅が少ない領域が片側に生
じるため、引き込みにくく且つ外れやすいサーボ系とな
ってしまっていた。
【0014】また、駆動電流を一定にする方式では、超
音波モータの特性が経時的に変化することによって、動
作範囲が外れてしまい、以後駆動制御をすることができ
なる場合があった。
音波モータの特性が経時的に変化することによって、動
作範囲が外れてしまい、以後駆動制御をすることができ
なる場合があった。
【0015】本発明は、このような実情を鑑みてなされ
たものであり、振動体の共振周波数で超音波モータを駆
動することができる超音波モータの駆動装置及び超音波
モータの駆動方法を提供することを目的とする。
たものであり、振動体の共振周波数で超音波モータを駆
動することができる超音波モータの駆動装置及び超音波
モータの駆動方法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、本発明にかかる超音波モータの駆動装置は、交流
電圧が供給されこの交流電圧によって振動する振動体
と、この振動体が発生する振動に応じて移動する移動体
とを有する超音波モータを駆動する超音波モータの駆動
装置であって、上記振動体に接続されたインピーダンス
補償手段と、上記振動体に交流電圧を供給して上記超音
波モータを駆動する駆動手段と、上記振動体に印加され
る電圧と上記振動体に流れる電流との位相差を検出する
位相差検出手段と、上記位相差検出手段が検出した位相
差に応じて、上記駆動手段が供給する交流電圧の周波数
を制御する周波数制御手段とを備えることを特徴とす
る。
めに、本発明にかかる超音波モータの駆動装置は、交流
電圧が供給されこの交流電圧によって振動する振動体
と、この振動体が発生する振動に応じて移動する移動体
とを有する超音波モータを駆動する超音波モータの駆動
装置であって、上記振動体に接続されたインピーダンス
補償手段と、上記振動体に交流電圧を供給して上記超音
波モータを駆動する駆動手段と、上記振動体に印加され
る電圧と上記振動体に流れる電流との位相差を検出する
位相差検出手段と、上記位相差検出手段が検出した位相
差に応じて、上記駆動手段が供給する交流電圧の周波数
を制御する周波数制御手段とを備えることを特徴とす
る。
【0017】この超音波モータの駆動装置では、上記振
動体に対してインピーダンス補償を行って、共振時に、
インダクタンス成分及びキャパシタンス成分が無くなる
ようにして、共振周波数を中心としたサーボ範囲で周波
数を変動させたときに、電圧と電流の位相差が線形に変
化するようにする。そして、この超音波モータの駆動装
置では、振動体に印加する電圧と振動体に流れる電流の
位相差に基づき、この振動体に印加する交流電圧の周波
数を、この振動体の共振周波数に追従させる。
動体に対してインピーダンス補償を行って、共振時に、
インダクタンス成分及びキャパシタンス成分が無くなる
ようにして、共振周波数を中心としたサーボ範囲で周波
数を変動させたときに、電圧と電流の位相差が線形に変
化するようにする。そして、この超音波モータの駆動装
置では、振動体に印加する電圧と振動体に流れる電流の
位相差に基づき、この振動体に印加する交流電圧の周波
数を、この振動体の共振周波数に追従させる。
【0018】本発明にかかる超音波モータの駆動装置
は、上記超音波モータの速度に応じて、上記振動体に供
給する駆動電圧レベルを制御する駆動電圧制御手段を備
えることを特徴とする。
は、上記超音波モータの速度に応じて、上記振動体に供
給する駆動電圧レベルを制御する駆動電圧制御手段を備
えることを特徴とする。
【0019】この超音波モータの駆動装置では、振動体
に印加する交流電圧の周波数をこの振動体の共振周波数
に追従させながら、上記振動体に印加する電圧の電圧値
を制御して上記超音波モータの速度を制御する。この超
音波モータの駆動装置では、例えば、上記振動体に流れ
る電流やエンコーダ等を用いて、上記超音波モータの速
度を制御する。
に印加する交流電圧の周波数をこの振動体の共振周波数
に追従させながら、上記振動体に印加する電圧の電圧値
を制御して上記超音波モータの速度を制御する。この超
音波モータの駆動装置では、例えば、上記振動体に流れ
る電流やエンコーダ等を用いて、上記超音波モータの速
度を制御する。
【0020】本発明にかかる超音波モータの駆動装置
は、上記駆動手段が、上記超音波モータの停止時に、所
定レベルの交流電圧を上記振動体に印加しておくことを
特徴とする。
は、上記駆動手段が、上記超音波モータの停止時に、所
定レベルの交流電圧を上記振動体に印加しておくことを
特徴とする。
【0021】超音波モータは、一定レベル以上の電圧を
振動体に供給しなければ、トルクが発生しない。言い換
えれば、超音波モータは、一定レベル以下の電圧を振動
体に供給していても、動作しない。そのため、この超音
波モータの駆動装置では、超音波モータの停止時にも所
定レベルの交流電圧を印加し続け、振動体に印加する交
流電圧の周波数を、この振動体の共振周波数に追従させ
続ける。
振動体に供給しなければ、トルクが発生しない。言い換
えれば、超音波モータは、一定レベル以下の電圧を振動
体に供給していても、動作しない。そのため、この超音
波モータの駆動装置では、超音波モータの停止時にも所
定レベルの交流電圧を印加し続け、振動体に印加する交
流電圧の周波数を、この振動体の共振周波数に追従させ
続ける。
【0022】本発明にかかる超音波モータの駆動方法
は、交流電圧が供給されこの交流電圧によって振動する
振動体と、この振動体が発生する振動に応じて移動する
移動体とを有する超音波モータを駆動する超音波モータ
の駆動方法であって、上記振動体をインピーダンス補償
し、上記振動体に印加される電圧と上記振動体に流れる
電流との位相差を検出し、検出した位相差に応じて、上
記振動体に供給する交流電圧の周波数を制御することを
特徴とする。
は、交流電圧が供給されこの交流電圧によって振動する
振動体と、この振動体が発生する振動に応じて移動する
移動体とを有する超音波モータを駆動する超音波モータ
の駆動方法であって、上記振動体をインピーダンス補償
し、上記振動体に印加される電圧と上記振動体に流れる
電流との位相差を検出し、検出した位相差に応じて、上
記振動体に供給する交流電圧の周波数を制御することを
特徴とする。
【0023】この超音波モータの駆動方法では、振動体
に対してインピーダンス補償を行って、共振時に、イン
ダクタンス成分及びキャパシタンス成分が無くなるよう
にして、共振周波数を中心としたサーボ範囲で周波数を
変動させたときに、電圧と電流の位相差が線形に変化す
るようにする。そして、この超音波モータの駆動方法で
は、振動体に印加する電圧と振動体に流れる電流の位相
差に基づき、この振動体に印加する交流電圧の周波数
を、この振動体の共振周波数に追従させる。
に対してインピーダンス補償を行って、共振時に、イン
ダクタンス成分及びキャパシタンス成分が無くなるよう
にして、共振周波数を中心としたサーボ範囲で周波数を
変動させたときに、電圧と電流の位相差が線形に変化す
るようにする。そして、この超音波モータの駆動方法で
は、振動体に印加する電圧と振動体に流れる電流の位相
差に基づき、この振動体に印加する交流電圧の周波数
を、この振動体の共振周波数に追従させる。
【0024】本発明にかかる超音波モータの駆動方法
は、上記超音波モータの速度に応じて、上記振動体に供
給する駆動電圧レベルを制御することを特徴とする。
は、上記超音波モータの速度に応じて、上記振動体に供
給する駆動電圧レベルを制御することを特徴とする。
【0025】この超音波モータの駆動方法では、振動体
に印加する交流電圧の周波数をこの振動体の共振周波数
に追従させながら、上記振動体に印加する電圧の電圧値
を制御して上記超音波モータの速度を制御する。この超
音波モータの駆動装置では、例えば、上記振動体に流れ
る電流や上記超音波モータの速度を検出して、この振動
体に印加する電圧値を制御して、上記超音波モータの速
度を制御する。
に印加する交流電圧の周波数をこの振動体の共振周波数
に追従させながら、上記振動体に印加する電圧の電圧値
を制御して上記超音波モータの速度を制御する。この超
音波モータの駆動装置では、例えば、上記振動体に流れ
る電流や上記超音波モータの速度を検出して、この振動
体に印加する電圧値を制御して、上記超音波モータの速
度を制御する。
【0026】本発明にかかる超音波モータの駆動方法
は、上記超音波モータの停止時に、所定レベルの交流電
圧を上記振動体に印加しておくことを特徴とする。
は、上記超音波モータの停止時に、所定レベルの交流電
圧を上記振動体に印加しておくことを特徴とする。
【0027】超音波モータは、一定レベル以上の電圧を
振動体に供給しなければ、トルクが発生しない。言い換
えれば、超音波モータは、一定レベル以下の電圧を振動
体に供給していても、動作しない。そのため、この超音
波モータの駆動方法では、超音波モータの停止時にも所
定レベルの交流電圧を印加し続け、振動体に印加する交
流電圧の周波数を、この振動体の共振周波数に追従させ
続ける。
振動体に供給しなければ、トルクが発生しない。言い換
えれば、超音波モータは、一定レベル以下の電圧を振動
体に供給していても、動作しない。そのため、この超音
波モータの駆動方法では、超音波モータの停止時にも所
定レベルの交流電圧を印加し続け、振動体に印加する交
流電圧の周波数を、この振動体の共振周波数に追従させ
続ける。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態とし
て、本発明を適用した超音波モータの駆動装置について
説明する。
て、本発明を適用した超音波モータの駆動装置について
説明する。
【0029】図1に本発明を適用した超音波モータの駆
動装置を示す。
動装置を示す。
【0030】図1に示す超音波モータの駆動装置1は、
超音波モータ2にトルクを発生させ、この超音波モータ
2を駆動する装置である。
超音波モータ2にトルクを発生させ、この超音波モータ
2を駆動する装置である。
【0031】超音波モータの駆動装置1は、駆動電圧検
出部3と、駆動電流検出部4と、第1の増幅器5と、第
2の増幅器6と、第1のコンパレータ7と、第2のコン
パレータ8と、第1のモノマルチバイブレータ9と、第
2のモノマルチバイブレータ10と、フリップフロップ
回路11と、積分回路12と、VCO(Voltage Contro
lled Ocillator)13と、第1の波形発生部14と、第
2の波形発生部15と、第1のパワーアンプ16と、第
2のパワーアンプ17と、ピークホールド回路18と、
ゲイン制御回路19と、外部インダクタ20とを備えて
いる。
出部3と、駆動電流検出部4と、第1の増幅器5と、第
2の増幅器6と、第1のコンパレータ7と、第2のコン
パレータ8と、第1のモノマルチバイブレータ9と、第
2のモノマルチバイブレータ10と、フリップフロップ
回路11と、積分回路12と、VCO(Voltage Contro
lled Ocillator)13と、第1の波形発生部14と、第
2の波形発生部15と、第1のパワーアンプ16と、第
2のパワーアンプ17と、ピークホールド回路18と、
ゲイン制御回路19と、外部インダクタ20とを備えて
いる。
【0032】超音波モータ2は、外部インダクタ20が
取り付けられ、超音波モータ2の振動体のインピーダン
ス補償がされている。超音波モータ2の電気的な等価回
路は、従来例において説明したように、容量成分Cdか
らなる電気腕と、超音波モータの機械的性質を表す機械
腕との並列回路で表される。超音波モータの駆動装置1
では、図2に示すように、超音波モータ2の等価回路の
容量成分Cdに対して並列に外部インダクタ20を接続
し、この容量成分Cdをタンク回路として吸収する。外
部インダクタ20のインダクタンスLdの値は、以下の
ように定める。
取り付けられ、超音波モータ2の振動体のインピーダン
ス補償がされている。超音波モータ2の電気的な等価回
路は、従来例において説明したように、容量成分Cdか
らなる電気腕と、超音波モータの機械的性質を表す機械
腕との並列回路で表される。超音波モータの駆動装置1
では、図2に示すように、超音波モータ2の等価回路の
容量成分Cdに対して並列に外部インダクタ20を接続
し、この容量成分Cdをタンク回路として吸収する。外
部インダクタ20のインダクタンスLdの値は、以下の
ように定める。
【0033】 ω0=1/√(Ld・Cd) =1/√(Lm・Cm) Ld=1/{Cd(2πf0)2}=(Lm・Cm)/C
d f0=振動体の共振周波数 Lm=機械腕のインダクタンス Cm=機械腕のキャパシタンス
d f0=振動体の共振周波数 Lm=機械腕のインダクタンス Cm=機械腕のキャパシタンス
【0034】駆動電圧検出部3は、超音波モータ2の振
動体を構成する圧電素子に供給される交流の駆動電圧v
を検出する。駆動電圧検出部3は、検出した駆動電圧v
に応じた電圧検出信号を出力する。この電圧検出信号
は、第1の増幅器5に供給される。なお、駆動電圧とし
て圧電素子に90°位相がずれた2つの正弦波電圧を供
給する場合には、少なくともいずれか一方の正弦波電圧
を検出すればよい。
動体を構成する圧電素子に供給される交流の駆動電圧v
を検出する。駆動電圧検出部3は、検出した駆動電圧v
に応じた電圧検出信号を出力する。この電圧検出信号
は、第1の増幅器5に供給される。なお、駆動電圧とし
て圧電素子に90°位相がずれた2つの正弦波電圧を供
給する場合には、少なくともいずれか一方の正弦波電圧
を検出すればよい。
【0035】駆動電流検出部4は、超音波モータ2の振
動体を構成する圧電素子に供給する交流の駆動電圧vに
よって、この圧電素子に流れる交流の駆動電流iを検出
する。駆動電流検出部4は、検出した駆動電流iに応じ
た電流検出信号を出力する。この電流検出信号は、第2
の増幅器6に供給される。なお、駆動電圧vとして圧電
素子に90°位相がずれた2つの正弦波電圧を供給する
場合には、少なくともいずれか一方の正弦波電圧によっ
て流れる電流を検出すればよい。
動体を構成する圧電素子に供給する交流の駆動電圧vに
よって、この圧電素子に流れる交流の駆動電流iを検出
する。駆動電流検出部4は、検出した駆動電流iに応じ
た電流検出信号を出力する。この電流検出信号は、第2
の増幅器6に供給される。なお、駆動電圧vとして圧電
素子に90°位相がずれた2つの正弦波電圧を供給する
場合には、少なくともいずれか一方の正弦波電圧によっ
て流れる電流を検出すればよい。
【0036】第1の増幅器5は、駆動電圧検出部3から
出力された電圧検出信号を飽和レベルまで増幅し、第1
のコンパレータ7に供給する。第1のコンパレータ7
は、飽和レベルにまで増幅された電圧検出信号と電源電
圧(例えば、5ボルト)とを比較して、電圧検出信号の
ゼロクロス点でオンオフするパルス信号を発生する。こ
のように飽和レベルにまで電圧検出信号を増幅してゼロ
クロス点を検出することによって、駆動電圧検出部3か
ら出力される電圧検出信号の信号レベルに影響されず、
振動体に供給した駆動電圧vのゼロクロス点を検出して
位相を検出することができる。この第1のコンパレータ
7から出力されるパルス信号は、第1のモノマルチバイ
ブレータ9に供給される。
出力された電圧検出信号を飽和レベルまで増幅し、第1
のコンパレータ7に供給する。第1のコンパレータ7
は、飽和レベルにまで増幅された電圧検出信号と電源電
圧(例えば、5ボルト)とを比較して、電圧検出信号の
ゼロクロス点でオンオフするパルス信号を発生する。こ
のように飽和レベルにまで電圧検出信号を増幅してゼロ
クロス点を検出することによって、駆動電圧検出部3か
ら出力される電圧検出信号の信号レベルに影響されず、
振動体に供給した駆動電圧vのゼロクロス点を検出して
位相を検出することができる。この第1のコンパレータ
7から出力されるパルス信号は、第1のモノマルチバイ
ブレータ9に供給される。
【0037】第2の増幅器6は、駆動電流検出部4から
出力された電流検出信号を飽和レベルまで増幅し、第2
のコンパレータ8に供給する。第2のコンパレータ8
は、飽和レベルにまで増幅された電流検出信号と電源電
圧とを比較して、電流検出信号のゼロクロス点でオンオ
フするパルス信号を発生する。このように飽和レベルに
まで電流検出信号を増幅してゼロクロス点を検出するこ
とによって、駆動電流検出部3から出力される電流検出
信号の信号レベルに影響されず、振動体に供給した駆動
電流iのゼロクロス点を検出して位相を検出することが
できる。この第2のコンパレータ8から出力されるパル
ス信号は、第2のモノマルチバイブレータ10に供給さ
れる。
出力された電流検出信号を飽和レベルまで増幅し、第2
のコンパレータ8に供給する。第2のコンパレータ8
は、飽和レベルにまで増幅された電流検出信号と電源電
圧とを比較して、電流検出信号のゼロクロス点でオンオ
フするパルス信号を発生する。このように飽和レベルに
まで電流検出信号を増幅してゼロクロス点を検出するこ
とによって、駆動電流検出部3から出力される電流検出
信号の信号レベルに影響されず、振動体に供給した駆動
電流iのゼロクロス点を検出して位相を検出することが
できる。この第2のコンパレータ8から出力されるパル
ス信号は、第2のモノマルチバイブレータ10に供給さ
れる。
【0038】第1のモノマルチバイブレータ9は、第1
のコンパレータ7から出力されるパルス信号の立ち上が
りエッジのタイミングで、トリガパルスを発生する。こ
のトリガパルスは、振動体に供給される駆動電圧vの位
相を表すトリガパルスであり、以下、電圧位相トリガパ
ルスという。第1のモノマルチバイブレータ9から出力
された電圧位相トリガパルスは、フリップフロップ回路
11に供給される。
のコンパレータ7から出力されるパルス信号の立ち上が
りエッジのタイミングで、トリガパルスを発生する。こ
のトリガパルスは、振動体に供給される駆動電圧vの位
相を表すトリガパルスであり、以下、電圧位相トリガパ
ルスという。第1のモノマルチバイブレータ9から出力
された電圧位相トリガパルスは、フリップフロップ回路
11に供給される。
【0039】第2のモノマルチバイブレータ10は、第
2のコンパレータ8から出力されるパルス信号の立ち上
がりエッジのタイミングで、トリガパルスを発生する。
このトリガパルスは、振動体に供給される駆動電流iの
位相を表すトリガパルスであり、以下、電流位相トリガ
パルスという。第2のモノマルチバイブレータ10から
出力された電流位相トリガパルスは、フリップフロップ
回路11に供給される。
2のコンパレータ8から出力されるパルス信号の立ち上
がりエッジのタイミングで、トリガパルスを発生する。
このトリガパルスは、振動体に供給される駆動電流iの
位相を表すトリガパルスであり、以下、電流位相トリガ
パルスという。第2のモノマルチバイブレータ10から
出力された電流位相トリガパルスは、フリップフロップ
回路11に供給される。
【0040】フリップフロップ回路11は、電圧位相ト
リガパルスと電流位相トリガパルスとの位相差に応じた
時間幅のパルス信号を発生する。例えば、フリップフロ
ップ回路11は、RSフリップフロップからなり、セッ
ト端子に電圧位相トリガパルスが入力され、リセット端
子に電流位相トリガパルスが入力される。そして、この
RSフリップフロップは、電圧位相トリガパルスが供給
されたタイミングでオンとなり、電流位相トリガパルス
が供給されたタイミングでオフとなるパルスを出力す
る。
リガパルスと電流位相トリガパルスとの位相差に応じた
時間幅のパルス信号を発生する。例えば、フリップフロ
ップ回路11は、RSフリップフロップからなり、セッ
ト端子に電圧位相トリガパルスが入力され、リセット端
子に電流位相トリガパルスが入力される。そして、この
RSフリップフロップは、電圧位相トリガパルスが供給
されたタイミングでオンとなり、電流位相トリガパルス
が供給されたタイミングでオフとなるパルスを出力す
る。
【0041】なお、このフリップフロップ回路11は、
電圧位相トリガパルスと電流位相トリガパルスとのタイ
ミングが一致するとき、すなわち、振動体に供給される
駆動電圧vと振動体に流れる駆動電流iとの位相差が0
のときに、所定の時間幅(t0)のパルスが出力される
ようにする。そして、このフリップフロップ回路11
は、電圧位相トリガパルスの方が位相が進んでいるとき
にこの進み時間(t+δ)だけ所定の時間幅(t0)に加
算したパルス幅(t0+t+δ)の信号を出力し、電流位
相トリガパルスの方が位相が遅れているときにこの遅れ
時間(t-δ)だけ所定の時間幅(t0)から減算したパ
ルス幅(t0+t+δ)の信号を出力するようにする。こ
の所定の時間幅(t0)は、後段の積分回路12で積分
をしたときに基準電圧Vrefが出力される時間幅であ
る。この基準電圧Vrefは、その後段のVCO13か
ら中心周波数が出力されるような電圧である。例えば、
図1に示すように、積分回路12に基準電圧Vrefを
印加してもよい。また、例えば、フリップフロップ回路
11をRSフリップフロップで構成する場合、位相差が
0のときに所定の時間幅(t0)のパルスが出力される
ようにするには、電流位相トリガパルスをこの所定の時
間幅(t0)だけ遅延させれて、リセット端子に供給す
ればよい。
電圧位相トリガパルスと電流位相トリガパルスとのタイ
ミングが一致するとき、すなわち、振動体に供給される
駆動電圧vと振動体に流れる駆動電流iとの位相差が0
のときに、所定の時間幅(t0)のパルスが出力される
ようにする。そして、このフリップフロップ回路11
は、電圧位相トリガパルスの方が位相が進んでいるとき
にこの進み時間(t+δ)だけ所定の時間幅(t0)に加
算したパルス幅(t0+t+δ)の信号を出力し、電流位
相トリガパルスの方が位相が遅れているときにこの遅れ
時間(t-δ)だけ所定の時間幅(t0)から減算したパ
ルス幅(t0+t+δ)の信号を出力するようにする。こ
の所定の時間幅(t0)は、後段の積分回路12で積分
をしたときに基準電圧Vrefが出力される時間幅であ
る。この基準電圧Vrefは、その後段のVCO13か
ら中心周波数が出力されるような電圧である。例えば、
図1に示すように、積分回路12に基準電圧Vrefを
印加してもよい。また、例えば、フリップフロップ回路
11をRSフリップフロップで構成する場合、位相差が
0のときに所定の時間幅(t0)のパルスが出力される
ようにするには、電流位相トリガパルスをこの所定の時
間幅(t0)だけ遅延させれて、リセット端子に供給す
ればよい。
【0042】積分回路12は、フリップフロップ回路1
1から出力されたパルス信号を積分して平滑化し、後段
のVCO13に供給するアナログの制御電圧を生成す
る。この積分回路12は、フリップフロップ回路11か
ら時間幅(t0)のパルスが連続して出力されれば、電
圧値が基準電圧Vrefの制御電圧を出力する。そし
て、積分回路12は、供給されたパルス信号が、この時
間幅(t0)を中心にパルス幅が変動したときに、基準
電圧Vrefを中心として増減する制御電圧を出力す
る。積分回路12から出力される制御電圧は、VCO1
2に供給される。
1から出力されたパルス信号を積分して平滑化し、後段
のVCO13に供給するアナログの制御電圧を生成す
る。この積分回路12は、フリップフロップ回路11か
ら時間幅(t0)のパルスが連続して出力されれば、電
圧値が基準電圧Vrefの制御電圧を出力する。そし
て、積分回路12は、供給されたパルス信号が、この時
間幅(t0)を中心にパルス幅が変動したときに、基準
電圧Vrefを中心として増減する制御電圧を出力す
る。積分回路12から出力される制御電圧は、VCO1
2に供給される。
【0043】VCO12は、入力されたアナログの制御
電圧に応じて周波数を変化させたクロック信号を発生す
る。このVCO12の中心周波数は、超音波モータ2の
振動体の共振周波数f0のn倍の周波数のクロック信号
を発生する(例えば、n=90)。このVCO12は、
出力するクロック信号の中心周波数n・f0を中心とし
て、下限周波数f1のn倍の周波数から、上限周波数f2
のn倍の周波数までの範囲で変動させる。下限周波数f
1及び上限周波数f2は、図4及び図5においては、共振
周波数f0で得られる振幅値から3dB下がった点の周
波数である。VCO12は、この制御電圧に応じて周波
数が制御されたクロック信号を、第1の波形発生部14
及び第2の波形発生部15に供給する。
電圧に応じて周波数を変化させたクロック信号を発生す
る。このVCO12の中心周波数は、超音波モータ2の
振動体の共振周波数f0のn倍の周波数のクロック信号
を発生する(例えば、n=90)。このVCO12は、
出力するクロック信号の中心周波数n・f0を中心とし
て、下限周波数f1のn倍の周波数から、上限周波数f2
のn倍の周波数までの範囲で変動させる。下限周波数f
1及び上限周波数f2は、図4及び図5においては、共振
周波数f0で得られる振幅値から3dB下がった点の周
波数である。VCO12は、この制御電圧に応じて周波
数が制御されたクロック信号を、第1の波形発生部14
及び第2の波形発生部15に供給する。
【0044】第1の波形発生部14は、正弦波の1波長
分の振幅データを、0〜(n−1)までのアドレスに対
応させて記憶している。具体的には、正弦波の1波長を
n分割してサンプリングして、そのサンプリングした値
を0〜(n−1)のアドレスに対応させて記憶してい
る。第1の波形発生部14は、VCO12から供給され
たクロックにより、0〜(n−1)の値を周期的にカウ
ントしていき、カウントした値のアドレスの振幅データ
を読み出す。そして、第1の波形発生部14は、読み出
した振幅データを、D/A変換してアナログ信号を出力
する。
分の振幅データを、0〜(n−1)までのアドレスに対
応させて記憶している。具体的には、正弦波の1波長を
n分割してサンプリングして、そのサンプリングした値
を0〜(n−1)のアドレスに対応させて記憶してい
る。第1の波形発生部14は、VCO12から供給され
たクロックにより、0〜(n−1)の値を周期的にカウ
ントしていき、カウントした値のアドレスの振幅データ
を読み出す。そして、第1の波形発生部14は、読み出
した振幅データを、D/A変換してアナログ信号を出力
する。
【0045】このように第1の波形発生部14から出力
されたアナログ信号は、VCO12が出力するクロック
信号の周波数の1/nの周波数の正弦波信号となる。従
って、第1の波形発生部14は、振動体の共振周波数f
0を中心として、下限周波数f1から上限周波数f2まで
変動する正弦波信号を出力する。すなわち、この第1の
波形発生部14は、積分回路12から出力された制御電
圧に応じて、出力するアナログ信号の周波数が制御さ
れ、その周波数は、共振周波数f0を中心として、下限
周波数f1から上限周波数f2まで変動する。
されたアナログ信号は、VCO12が出力するクロック
信号の周波数の1/nの周波数の正弦波信号となる。従
って、第1の波形発生部14は、振動体の共振周波数f
0を中心として、下限周波数f1から上限周波数f2まで
変動する正弦波信号を出力する。すなわち、この第1の
波形発生部14は、積分回路12から出力された制御電
圧に応じて、出力するアナログ信号の周波数が制御さ
れ、その周波数は、共振周波数f0を中心として、下限
周波数f1から上限周波数f2まで変動する。
【0046】なお、積分回路12から出力された制御電
圧に応じて、下限周波数f1から上限周波数f2まで変動
する正弦波信号を生成するには、中心周波数が共振周波
数f0と一致するVCOを用いてパルス信号を生成した
後、このパルス信号をフィルタリングすれば生成でき
る。もっとも、この方式では、矩形波から正弦波を生成
するので波形歪みが大きく、VCOのジッタも直接影響
する。そのため、位相差を検出するためのゼロクロス点
が安定して検出されない。しかしながら、VCOが発生
するクロック信号の周波数を共振周波数f0のn倍と
し、このn倍の周波数のクロックによりメモリに記憶さ
れた正弦波のサンプリングデータを読み出す方式では、
VCOのジッタの影響が1/nとなり、また、波形歪み
も非常に小さくなる。
圧に応じて、下限周波数f1から上限周波数f2まで変動
する正弦波信号を生成するには、中心周波数が共振周波
数f0と一致するVCOを用いてパルス信号を生成した
後、このパルス信号をフィルタリングすれば生成でき
る。もっとも、この方式では、矩形波から正弦波を生成
するので波形歪みが大きく、VCOのジッタも直接影響
する。そのため、位相差を検出するためのゼロクロス点
が安定して検出されない。しかしながら、VCOが発生
するクロック信号の周波数を共振周波数f0のn倍と
し、このn倍の周波数のクロックによりメモリに記憶さ
れた正弦波のサンプリングデータを読み出す方式では、
VCOのジッタの影響が1/nとなり、また、波形歪み
も非常に小さくなる。
【0047】第2の波形発生部15は、上記第1の波形
発生部14に記憶されている正弦波に対して90°位相
がずれた余弦波の1波長分の振幅データを、0〜(n−
1)までのアドレスに対応させて記憶している。具体的
には、余弦波の1波長をn分割してサンプリングして、
そのサンプリングした値を0〜(n−1)のアドレスに
対応させて記憶している。第2の波形発生部15は、V
CO12から供給されたクロックにより、0〜(n−
1)の値を周期的にカウントしていき、カウントした値
のアドレスの振幅データを読み出す。そして、第2の波
形発生部15は、読み出した振幅データを、D/A変換
してアナログ信号を出力する。
発生部14に記憶されている正弦波に対して90°位相
がずれた余弦波の1波長分の振幅データを、0〜(n−
1)までのアドレスに対応させて記憶している。具体的
には、余弦波の1波長をn分割してサンプリングして、
そのサンプリングした値を0〜(n−1)のアドレスに
対応させて記憶している。第2の波形発生部15は、V
CO12から供給されたクロックにより、0〜(n−
1)の値を周期的にカウントしていき、カウントした値
のアドレスの振幅データを読み出す。そして、第2の波
形発生部15は、読み出した振幅データを、D/A変換
してアナログ信号を出力する。
【0048】このように第2の波形発生部15から出力
されたアナログ信号は、上記第1の波形発生部14から
出力されたアナログ信号に対して、同一周期であって9
0°位相がずれた余弦波信号となる。
されたアナログ信号は、上記第1の波形発生部14から
出力されたアナログ信号に対して、同一周期であって9
0°位相がずれた余弦波信号となる。
【0049】第lのパワーアンプ16は、第1の波形発
生部14から出力された正弦波信号を電力増幅し、超音
波モータ2の振動体に供給する。そして、この第1のパ
ワーアンプ16から振動体に印加される駆動電圧vが上
記電圧検出部3により検出され、この第1のパワーアン
プ16から振動体に供給される駆動電流iが上記電流検
出部4により検出されることとなる。
生部14から出力された正弦波信号を電力増幅し、超音
波モータ2の振動体に供給する。そして、この第1のパ
ワーアンプ16から振動体に印加される駆動電圧vが上
記電圧検出部3により検出され、この第1のパワーアン
プ16から振動体に供給される駆動電流iが上記電流検
出部4により検出されることとなる。
【0050】第2のパワーアンプ17は、第2の波形発
生部15から出力された余弦波信号を電力増幅し、超音
波モータ2の振動体に供給する。
生部15から出力された余弦波信号を電力増幅し、超音
波モータ2の振動体に供給する。
【0051】ピークホールド回路18は、駆動電流検出
部4により検出された検出信号をピークホールドし、そ
のピーク値を検出する。ピークホールド回路18は、検
出したピーク値をゲイン制御回路19に供給する。
部4により検出された検出信号をピークホールドし、そ
のピーク値を検出する。ピークホールド回路18は、検
出したピーク値をゲイン制御回路19に供給する。
【0052】ゲイン制御回路19は、ピークホールド回
路18から供給されたピーク値と、速度制御のための基
準電圧とを比較し、その誤差信号に応じて、上記第1の
パワーアンプ16及び第2のパワーアンプ17を制御し
て、駆動電圧を可変する。
路18から供給されたピーク値と、速度制御のための基
準電圧とを比較し、その誤差信号に応じて、上記第1の
パワーアンプ16及び第2のパワーアンプ17を制御し
て、駆動電圧を可変する。
【0053】つぎに、この超音波モータの駆動装置1の
動作を、図3に示す波形図を用いて説明する。
動作を、図3に示す波形図を用いて説明する。
【0054】まず、駆動電圧検出部3が振動体に印加さ
れた駆動電圧vを検出して、図3(A)に示すような、
正弦波の電圧検出信号を出力する。この電圧検出信号を
第1の増幅器5により飽和増幅して、第1のコンパレー
タ7により図3(B)に示すようなゼロクロス点を示す
パルス信号に変換する。そして、第1のモノマルチバイ
ブレータ9が、図3(C)に示すような、ゼロクロス点
の立ち上がりエッジのタイミングで発生する電圧位相ト
リガパルスを出力する。
れた駆動電圧vを検出して、図3(A)に示すような、
正弦波の電圧検出信号を出力する。この電圧検出信号を
第1の増幅器5により飽和増幅して、第1のコンパレー
タ7により図3(B)に示すようなゼロクロス点を示す
パルス信号に変換する。そして、第1のモノマルチバイ
ブレータ9が、図3(C)に示すような、ゼロクロス点
の立ち上がりエッジのタイミングで発生する電圧位相ト
リガパルスを出力する。
【0055】また、駆動電流検出部4が振動体に流れる
駆動電流iを検出して、図3(D)に示すような、正弦
波の電流検出信号を出力する。この電流検出信号を第2
の増幅器6及び第2のコンパレータ8により飽和増幅し
て、図3(E)に示すようなゼロクロス点を示すパルス
信号に変換する。そして、第2のモノマルチバイブレー
タ10が、図3(F)に示すような、ゼロクロス点の立
ち上がりエッジのタイミングで発生する電流位相トリガ
パルスを出力する。
駆動電流iを検出して、図3(D)に示すような、正弦
波の電流検出信号を出力する。この電流検出信号を第2
の増幅器6及び第2のコンパレータ8により飽和増幅し
て、図3(E)に示すようなゼロクロス点を示すパルス
信号に変換する。そして、第2のモノマルチバイブレー
タ10が、図3(F)に示すような、ゼロクロス点の立
ち上がりエッジのタイミングで発生する電流位相トリガ
パルスを出力する。
【0056】電圧位相トリガパルスと電流位相トリガパ
ルスは、両者ともフリップフロップ回路11に供給さ
れ、このフリップフロップ回路11で、図3(G)に示
すように、位相差が求められる。求められた位相差は、
図3(H)に示すように、積分回路12により平滑化さ
れ、アナログの制御電圧として、VCO13に供給され
る。この積分回路12は、位相差が0のときに基準電圧
Vrefを出力し、このVrefを中心として増減する
アナログの制御電圧を出力する。
ルスは、両者ともフリップフロップ回路11に供給さ
れ、このフリップフロップ回路11で、図3(G)に示
すように、位相差が求められる。求められた位相差は、
図3(H)に示すように、積分回路12により平滑化さ
れ、アナログの制御電圧として、VCO13に供給され
る。この積分回路12は、位相差が0のときに基準電圧
Vrefを出力し、このVrefを中心として増減する
アナログの制御電圧を出力する。
【0057】VCO13から出力されるクロック信号
は、図3(I)に示すように、入力電圧がVref(位
相差が0)のときに共振周波数f0のn倍の中心周波数
とされ、その周波数が入力電圧の変動に応じてn・f1
〜n・f2の範囲で可変される。そして、第1のパワー
アンプ16からは、図3(J)に示すような、その周波
数が入力電圧の変動に応じてf1〜f2の範囲で可変さ
れ、電流との位相差が0となる周波数でロックされる駆
動電圧vが超音波モータ2の振動体に供給される。
は、図3(I)に示すように、入力電圧がVref(位
相差が0)のときに共振周波数f0のn倍の中心周波数
とされ、その周波数が入力電圧の変動に応じてn・f1
〜n・f2の範囲で可変される。そして、第1のパワー
アンプ16からは、図3(J)に示すような、その周波
数が入力電圧の変動に応じてf1〜f2の範囲で可変さ
れ、電流との位相差が0となる周波数でロックされる駆
動電圧vが超音波モータ2の振動体に供給される。
【0058】以上のように超音波モータの駆動装置1で
は、超音波モータ2の振動体に印加される駆動電圧v
と、振動体に流れる駆動電流iとの位相差を検出して、
その位相差が0となるように駆動電圧vの周波数をサー
ボ制御する。
は、超音波モータ2の振動体に印加される駆動電圧v
と、振動体に流れる駆動電流iとの位相差を検出して、
その位相差が0となるように駆動電圧vの周波数をサー
ボ制御する。
【0059】このため、超音波モータの駆動装置1で
は、最も駆動効率が良い周波数で超音波モータ2を駆動
することができ、また、制御も簡単に行うことができ
る。さらに、超音波モータ2の特性が温度やその他の影
響により経時的に変化しても、変化した後の共振周波数
f0に追従することができるので、動作範囲が外れるこ
とがなく、制御可能な時間が長くなり、寿命が長くな
る。
は、最も駆動効率が良い周波数で超音波モータ2を駆動
することができ、また、制御も簡単に行うことができ
る。さらに、超音波モータ2の特性が温度やその他の影
響により経時的に変化しても、変化した後の共振周波数
f0に追従することができるので、動作範囲が外れるこ
とがなく、制御可能な時間が長くなり、寿命が長くな
る。
【0060】また、この超音波モータの駆動装置1で
は、超音波モータ2に外部インダクタ20を接続して、
インピーダンス補償を行っている。このように外部イン
ダクタ20によりインピーダンス補償を行うと、共振周
波数f0の近傍の周波数変化に対して、電圧と電流との
位相変化が線形になり、サーボ制御の安定性が高くな
る。
は、超音波モータ2に外部インダクタ20を接続して、
インピーダンス補償を行っている。このように外部イン
ダクタ20によりインピーダンス補償を行うと、共振周
波数f0の近傍の周波数変化に対して、電圧と電流との
位相変化が線形になり、サーボ制御の安定性が高くな
る。
【0061】以下、外部インダクタ20による補償が無
い場合と、補償がある場合との制御の安定性の違いを説
明する。
い場合と、補償がある場合との制御の安定性の違いを説
明する。
【0062】図4に、外部インダクタ20がない場合に
おける超音波モータ2の移動体の駆動端子からみたアド
ミッタンス(図11に示す回路のインピーダンスの逆
数)のベクトル線図及び位相特性を示す。また、図5
に、外部インダクタ20を接続した場合における超音波
モータ2の移動体の駆動端子からみたアドミッタンス
(図2に示した回路のインピーダンスの逆数)のベクト
ル線図及び位相特性を示す。なお、図4(A)及び図5
(A)に示すベクトル線図の横軸は、アドミッタンスの
実数成分を示し、縦軸は、アドミッタンスの虚数成分を
示す。共振点をf0、下限周波数をf1、上限周波数をf
2で示す。また、図4(B)及び図5(B)に示す、横
軸は周波数を示し、縦軸は、位相を示している。
おける超音波モータ2の移動体の駆動端子からみたアド
ミッタンス(図11に示す回路のインピーダンスの逆
数)のベクトル線図及び位相特性を示す。また、図5
に、外部インダクタ20を接続した場合における超音波
モータ2の移動体の駆動端子からみたアドミッタンス
(図2に示した回路のインピーダンスの逆数)のベクト
ル線図及び位相特性を示す。なお、図4(A)及び図5
(A)に示すベクトル線図の横軸は、アドミッタンスの
実数成分を示し、縦軸は、アドミッタンスの虚数成分を
示す。共振点をf0、下限周波数をf1、上限周波数をf
2で示す。また、図4(B)及び図5(B)に示す、横
軸は周波数を示し、縦軸は、位相を示している。
【0063】外部インダクタ20がない場合におけるア
ドミッタンスのベクトルは、図4(A)に示すように、
周波数を0から高くしていくと、その軌跡が虚軸上を直
線的に上昇しO′点の位置まで描かれる。これは、電気
腕のキャパシタンスCdのみによる効果である。続い
て、この虚軸上のO′点の位置から、機械腕の影響が生
じ、右回りでf1、f0、f2を経由しながら1回転の円
周を描き、虚軸上のO′点の位置までもどる。そして、
さらに周波数が高くなると、電気腕の影響で、このベク
トル軌跡が虚軸上をさらに上昇していく。
ドミッタンスのベクトルは、図4(A)に示すように、
周波数を0から高くしていくと、その軌跡が虚軸上を直
線的に上昇しO′点の位置まで描かれる。これは、電気
腕のキャパシタンスCdのみによる効果である。続い
て、この虚軸上のO′点の位置から、機械腕の影響が生
じ、右回りでf1、f0、f2を経由しながら1回転の円
周を描き、虚軸上のO′点の位置までもどる。そして、
さらに周波数が高くなると、電気腕の影響で、このベク
トル軌跡が虚軸上をさらに上昇していく。
【0064】また、外部インダクタ20を接続した場合
におけるアドミッタンスのベクトルは、図5(A)に示
すように、周波数を0から高くしていくと、その軌跡が
虚軸上を直線的に上昇し原点Oの位置まで描かれる。続
いて、この原点Oの位置から、右回りでf1、f0、f2
を経由しながら1回転の円周を描き、原点Oの位置まで
もどる。そして、さらに周波数が高くなると、このベク
トル軌跡が虚軸上をさらに上昇していく。
におけるアドミッタンスのベクトルは、図5(A)に示
すように、周波数を0から高くしていくと、その軌跡が
虚軸上を直線的に上昇し原点Oの位置まで描かれる。続
いて、この原点Oの位置から、右回りでf1、f0、f2
を経由しながら1回転の円周を描き、原点Oの位置まで
もどる。そして、さらに周波数が高くなると、このベク
トル軌跡が虚軸上をさらに上昇していく。
【0065】ここで、ベクトル軌跡で描かれた円周が機
械腕による共振状態を示しており、O′点或いは原点か
ら円周上の各点までの長さが共振の振幅(モータ速度)
に比例する。また、駆動電圧vに対する駆動電流iの位
相は、φで示すように、線分O−fxとX軸とのなす角
で表される。周波数を変化させて位相を制御する場合、
振幅が大きくなる部分を用いるのと効率がよいため、円
周の右半分を用いて制御を行う。
械腕による共振状態を示しており、O′点或いは原点か
ら円周上の各点までの長さが共振の振幅(モータ速度)
に比例する。また、駆動電圧vに対する駆動電流iの位
相は、φで示すように、線分O−fxとX軸とのなす角
で表される。周波数を変化させて位相を制御する場合、
振幅が大きくなる部分を用いるのと効率がよいため、円
周の右半分を用いて制御を行う。
【0066】外部インダクタ20が無い場合におけるア
ドミッタンスでは、図4(B)に示すように、下限周波
数f1から共振周波数f0への位相変化と、共振周波数f
0から上限周波数f2への位相変化とが、著しく非対称と
なっている。また、共振周波数f0から上限周波数f2へ
の位相変化量が非常に少ない。
ドミッタンスでは、図4(B)に示すように、下限周波
数f1から共振周波数f0への位相変化と、共振周波数f
0から上限周波数f2への位相変化とが、著しく非対称と
なっている。また、共振周波数f0から上限周波数f2へ
の位相変化量が非常に少ない。
【0067】これに対して、外部インダクタ20を接続
した場合におけるアドミッタンスでは、図5(B)に示
すように、下限周波数f1から共振周波数f0への位相変
化と、共振周波数f0から上限周波数f2への位相変化と
が、対照的でかつ線形性を有している。
した場合におけるアドミッタンスでは、図5(B)に示
すように、下限周波数f1から共振周波数f0への位相変
化と、共振周波数f0から上限周波数f2への位相変化と
が、対照的でかつ線形性を有している。
【0068】このことから、超音波モータの駆動装置1
では、超音波モータ2に外部インダクタ20を接続して
インピーダンス補償をすることにより、位相制御をする
際のループゲインを高く取ることができ、安定性が高く
なることがわかる。また、温度変化等の影響によりアド
ミッタンスの円周が小さくなったり、共振周波数f0が
変動したりしても、位相制御に影響を及ぼさない。ま
た、共振周波数f0を中心に、位相変化が対照的になっ
ているので、周波数が高い方からでも低い方からでもサ
ーボの引き込みを行うことができるので、スタート周波
数や掃引処理を簡易なものとすることができる。
では、超音波モータ2に外部インダクタ20を接続して
インピーダンス補償をすることにより、位相制御をする
際のループゲインを高く取ることができ、安定性が高く
なることがわかる。また、温度変化等の影響によりアド
ミッタンスの円周が小さくなったり、共振周波数f0が
変動したりしても、位相制御に影響を及ぼさない。ま
た、共振周波数f0を中心に、位相変化が対照的になっ
ているので、周波数が高い方からでも低い方からでもサ
ーボの引き込みを行うことができるので、スタート周波
数や掃引処理を簡易なものとすることができる。
【0069】また、超音波モータの駆動装置1のVCO
13で行っているように、下限周波数f1から上限周波
数f2までの周波数の範囲の信号を出力するVCOを用
いれば、特別なサーボロックの引き込み回路を必要とせ
ず、引き込みを行うことができる。すなわち、下限周波
数f1から上限周波数f2までの範囲に必ず共振周波数f
0があるので、下限周波数f1から上限周波数f2までの
任意の周波数でサーボ制御を開始すれば、共振周波数f
0でサーボロックをすることができる。
13で行っているように、下限周波数f1から上限周波
数f2までの周波数の範囲の信号を出力するVCOを用
いれば、特別なサーボロックの引き込み回路を必要とせ
ず、引き込みを行うことができる。すなわち、下限周波
数f1から上限周波数f2までの範囲に必ず共振周波数f
0があるので、下限周波数f1から上限周波数f2までの
任意の周波数でサーボ制御を開始すれば、共振周波数f
0でサーボロックをすることができる。
【0070】また、超音波モータの駆動装置1では、超
音波モータ2の速度を検出して、この検出した速度に応
じて超音波モータ2の振動体に供給する駆動電圧vのレ
ベルを可変することによって、速度サーボ制御を行って
いる。超音波モータの駆動装置1では、超音波モータ2
の速度は移動体に流れる駆動電流iに比例するため、ピ
ークホールド回路18がこの駆動電流iのピーク値を検
出して、この検出したピーク値に基づき速度サーボを行
っている。なお、速度検出は、このように駆動電流iを
検出するのみならず、例えば、移動体にエンコーダ等を
取り付けて直接検出しても良い。
音波モータ2の速度を検出して、この検出した速度に応
じて超音波モータ2の振動体に供給する駆動電圧vのレ
ベルを可変することによって、速度サーボ制御を行って
いる。超音波モータの駆動装置1では、超音波モータ2
の速度は移動体に流れる駆動電流iに比例するため、ピ
ークホールド回路18がこの駆動電流iのピーク値を検
出して、この検出したピーク値に基づき速度サーボを行
っている。なお、速度検出は、このように駆動電流iを
検出するのみならず、例えば、移動体にエンコーダ等を
取り付けて直接検出しても良い。
【0071】また、超音波モータの駆動装置1では、超
音波モータ2の停止時にも所定の電圧値の駆動電圧vを
印加し続け、常に、位相制御のサーボループをオン状態
にしておく。超音波モータ2は、図6に示すように、印
加される駆動電圧vが一定電圧以上とならないと、トル
クが発生しない。すなわち、駆動電圧vを与えても、移
動が開始しない不感帯がある。超音波モータの駆動装置
1では、この不感帯領域の駆動電圧vを停止時に供給し
ておくことにより、再起動時において再度サーボの引き
込み動作を行わなくても良いので、応答速度を速くする
ことができる。
音波モータ2の停止時にも所定の電圧値の駆動電圧vを
印加し続け、常に、位相制御のサーボループをオン状態
にしておく。超音波モータ2は、図6に示すように、印
加される駆動電圧vが一定電圧以上とならないと、トル
クが発生しない。すなわち、駆動電圧vを与えても、移
動が開始しない不感帯がある。超音波モータの駆動装置
1では、この不感帯領域の駆動電圧vを停止時に供給し
ておくことにより、再起動時において再度サーボの引き
込み動作を行わなくても良いので、応答速度を速くする
ことができる。
【0072】
【発明の効果】本発明では、振動体に対してインピーダ
ンス補償を行って、共振時に、インダクタンス成分及び
キャパシタンス成分が無くなるようにして、共振周波数
を中心としたサーボ範囲で周波数を変動させたときに、
電圧と電流の位相差が線形に変化するようにする。そし
て、この超音波モータの駆動装置では、振動体に印加す
る電圧と振動体に流れる電流の位相差に基づき、この振
動体に印加する交流電圧の周波数を、この振動体の共振
周波数に追従させる。
ンス補償を行って、共振時に、インダクタンス成分及び
キャパシタンス成分が無くなるようにして、共振周波数
を中心としたサーボ範囲で周波数を変動させたときに、
電圧と電流の位相差が線形に変化するようにする。そし
て、この超音波モータの駆動装置では、振動体に印加す
る電圧と振動体に流れる電流の位相差に基づき、この振
動体に印加する交流電圧の周波数を、この振動体の共振
周波数に追従させる。
【0073】このことにより本発明では、最も効率が良
い周波数で超音波モータを駆動することができ、また、
制御も簡単にすることができる。さらに、超音波モータ
の特性が経時的に変化しても、変化した後の共振周波数
に追従することができるので、動作範囲が外れることが
なく、寿命が長くなる。また、本発明では、安定してサ
ーボ制御をすることができ、また、サーボの引き込みが
簡単となり、サーボが外れにくくなる。
い周波数で超音波モータを駆動することができ、また、
制御も簡単にすることができる。さらに、超音波モータ
の特性が経時的に変化しても、変化した後の共振周波数
に追従することができるので、動作範囲が外れることが
なく、寿命が長くなる。また、本発明では、安定してサ
ーボ制御をすることができ、また、サーボの引き込みが
簡単となり、サーボが外れにくくなる。
【0074】また、本発明では、振動体に印加する交流
電圧の周波数をこの振動体の共振周波数に追従させなが
ら、上記振動体に印加する電圧の電圧値を制御して上記
超音波モータの速度を制御する。このことにより、速度
制御と共振周波数の制御とを互いに独立にすることがで
き、制御系が簡単となる。
電圧の周波数をこの振動体の共振周波数に追従させなが
ら、上記振動体に印加する電圧の電圧値を制御して上記
超音波モータの速度を制御する。このことにより、速度
制御と共振周波数の制御とを互いに独立にすることがで
き、制御系が簡単となる。
【0075】また、本発明では、超音波モータの停止時
にも所定レベルの交流電圧を印加し続け、振動体に印加
する交流電圧の周波数を、この振動体の共振周波数に追
従させ続ける。このことにより、本発明では、超音波モ
ータの停止時でも、周波数制御を継続して行うことがで
き、超音波モータの動作開始時に制御の引き込み動作を
行わなくても良く、応答を速くすることができる。
にも所定レベルの交流電圧を印加し続け、振動体に印加
する交流電圧の周波数を、この振動体の共振周波数に追
従させ続ける。このことにより、本発明では、超音波モ
ータの停止時でも、周波数制御を継続して行うことがで
き、超音波モータの動作開始時に制御の引き込み動作を
行わなくても良く、応答を速くすることができる。
【図1】本発明を適用した超音波モータの駆動装置の回
路図である。
路図である。
【図2】外部インダクタを接続した超音波モータの等価
回路を示す図である。
回路を示す図である。
【図3】上記超音波モータの駆動装置の動作を説明する
ための波形図である。
ための波形図である。
【図4】外部インダクタを接続していない超音波モータ
のアドミッタンスのベクトル線図及び位相特性図であ
る。
のアドミッタンスのベクトル線図及び位相特性図であ
る。
【図5】外部インダクタを接続した超音波モータのアド
ミッタンスのベクトル線図及び位相特性図である。
ミッタンスのベクトル線図及び位相特性図である。
【図6】超音波モータの駆動電圧に対するトルクの特性
を示す図である。
を示す図である。
【図7】超音波モータの一例を示す図である。
【図8】超音波モータの圧電素子に設けられる電極と、
圧電素子に印加される電圧の関係を示す図である。
圧電素子に印加される電圧の関係を示す図である。
【図9】超音波モータの振動体に発生する進行波につい
て説明する図である。
て説明する図である。
【図10】超音波モータの振動体の等価回路図である。
【図11】上記振動体のアドミッタンスの周波数特性を
示す図である。
示す図である。
【図12】上記振動体に流れる電流の共振点におけるサ
ーボロック点を説明する図である。
ーボロック点を説明する図である。
1 超音波モータの駆動装置、2 超音波モータ、3
駆動電圧検出部、4駆動電流検出部、11 フリップフ
ロップ回路、12 積分回路、13 VCO、14,1
5 波形生成部、16,17 パワーアンプ、19 ゲ
イン制御部、20 外部インダクタ
駆動電圧検出部、4駆動電流検出部、11 フリップフ
ロップ回路、12 積分回路、13 VCO、14,1
5 波形生成部、16,17 パワーアンプ、19 ゲ
イン制御部、20 外部インダクタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H680 AA00 AA06 BB03 BB16 CC02 CC06 CC07 CC10 DD01 DD02 DD15 DD23 DD27 DD53 DD66 DD87 DD92 EE21 EE24 FF08 FF21 FF23 FF26 FF27 FF30 FF33 FF36 FF38
Claims (10)
- 【請求項1】 交流電圧が供給されこの交流電圧によっ
て振動する振動体と、この振動体が発生する振動に応じ
て移動する移動体とを有する超音波モータを駆動する超
音波モータの駆動装置において、 上記振動体に接続されたインピーダンス補償手段と、 上記振動体に交流電圧を供給して上記超音波モータを駆
動する駆動手段と、 上記振動体に印加される電圧と上記振動体に流れる電流
との位相差を検出する位相差検出手段と、 上記位相差検出手段が検出した位相差に応じて、上記駆
動手段が供給する交流電圧の周波数を制御する周波数制
御手段とを備える超音波モータの駆動装置。 - 【請求項2】 上記超音波モータの速度に応じて、上記
振動体に供給する駆動電圧レベルを制御する駆動電圧制
御手段を備えることを特徴とする請求項1記載の超音波
モータの駆動装置。 - 【請求項3】 上記駆動手段は、上記超音波モータの停
止時に、所定レベルの交流電圧を上記振動体に印加して
おくことを特徴とする請求項1記載の超音波モータの駆
動装置。 - 【請求項4】 上記周波数制御手段は、上記位相差に応
じて、振動体の共振周波数を中心として周波数を変動さ
せて生成した交流電圧を出力することを特徴とする請求
項1記載の超音波モータの駆動装置。 - 【請求項5】 上記周波数制御手段は、振動体の共振周
波数を中心として、共振の下限周波数から上限周波数ま
で周波数を変動させて、上記交流電圧を生成することを
特徴とする請求項4記載の超音波モータの駆動装置。 - 【請求項6】 上記周波数制御手段は、上記位相差に応
じて振動体の共振周波数のn倍の周波数を中心として周
波数を変動させたクロック信号を生成する発振器と、正
弦波の1波長を所定の分割数nで分割してサンプリング
したデータを記憶した記憶部を有し、上記記憶部は、上
記発振器からのクロック信号に応じて、サンプリングし
たデータを順次出力していくことを特徴とする請求項4
記載の超音波モータの駆動装置。 - 【請求項7】 交流電圧が供給されこの交流電圧によっ
て振動する振動体と、この振動体が発生する振動に応じ
て移動する移動体とを有する超音波モータを駆動する超
音波モータの駆動方法において、 上記振動体をインピーダンス補償し、 上記振動体に印加される電圧と上記振動体に流れる電流
との位相差を検出し、検出した位相差に応じて、上記振
動体に供給する交流電圧の周波数を制御することを特徴
とする超音波モータの駆動方法。 - 【請求項8】 上記超音波モータの速度に応じて、上記
振動体に供給する駆動電圧レベルを制御することを特徴
とする請求項7記載の超音波モータの駆動方法。 - 【請求項9】 上記超音波モータの停止時に、所定レベ
ルの交流電圧を上記振動体に印加しておくことを特徴と
する請求項7記載の超音波モータの駆動方法。 - 【請求項10】 上記振動体のインピーダンスの補償す
ることを特徴とする請求項7記載の超音波モータの駆動
方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25089999A JP2001078472A (ja) | 1999-09-03 | 1999-09-03 | 超音波モータの駆動装置及び超音波モータの駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25089999A JP2001078472A (ja) | 1999-09-03 | 1999-09-03 | 超音波モータの駆動装置及び超音波モータの駆動方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001078472A true JP2001078472A (ja) | 2001-03-23 |
JP2001078472A5 JP2001078472A5 (ja) | 2006-04-13 |
Family
ID=17214695
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP25089999A Abandoned JP2001078472A (ja) | 1999-09-03 | 1999-09-03 | 超音波モータの駆動装置及び超音波モータの駆動方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001078472A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002359987A (ja) * | 2001-05-31 | 2002-12-13 | Nidec Copal Corp | 超音波モータ制御回路 |
US7085484B2 (en) | 2002-07-17 | 2006-08-01 | Minolta Co., Ltd. | Driving device, position controller provided with driving device, and camera provided with position controller |
JP2015128367A (ja) * | 2013-11-27 | 2015-07-09 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエータの駆動装置、フォーカスレンズ駆動装置、及び撮像装置 |
JP2017070115A (ja) * | 2015-09-30 | 2017-04-06 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエータ、振動型アクチュエータの駆動方法、レンズ鏡筒、撮像装置及びステージ装置 |
JP2020162260A (ja) * | 2019-03-26 | 2020-10-01 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエータおよび振動型アクチュエータの駆動装置 |
JP2020182378A (ja) * | 2020-07-29 | 2020-11-05 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエータ、振動型アクチュエータの駆動方法、レンズ鏡筒、撮像装置及びステージ装置 |
-
1999
- 1999-09-03 JP JP25089999A patent/JP2001078472A/ja not_active Abandoned
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002359987A (ja) * | 2001-05-31 | 2002-12-13 | Nidec Copal Corp | 超音波モータ制御回路 |
US7085484B2 (en) | 2002-07-17 | 2006-08-01 | Minolta Co., Ltd. | Driving device, position controller provided with driving device, and camera provided with position controller |
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JP2020025465A (ja) * | 2013-11-27 | 2020-02-13 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエータの駆動装置、フォーカスレンズ駆動装置、及び撮像装置 |
JP2017070115A (ja) * | 2015-09-30 | 2017-04-06 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエータ、振動型アクチュエータの駆動方法、レンズ鏡筒、撮像装置及びステージ装置 |
JP2020162260A (ja) * | 2019-03-26 | 2020-10-01 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエータおよび振動型アクチュエータの駆動装置 |
JP7297489B2 (ja) | 2019-03-26 | 2023-06-26 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエータおよび振動型アクチュエータの駆動装置 |
JP2020182378A (ja) * | 2020-07-29 | 2020-11-05 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエータ、振動型アクチュエータの駆動方法、レンズ鏡筒、撮像装置及びステージ装置 |
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