JPS63178774A - 振動波モ−タ−の駆動回路 - Google Patents

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〕 本発明の振動波モータの駆動回路に関するものである。

〔従来技術〕

従来、振動波モータの速度を制御するに際し、駆動周波
数を変化させる方法、又は駆動電圧を変化させる方法等
が提案されている。

このうち前者の方法によれば広範囲の速度制御を行うた
めにはその駆動周波数をモータの共振周波数に対して離
れた高い周波数から変化させなければならない。一方振
動波モータの駆動効率は共振周波数に近傍した所定の範
囲の周波数に対しては高いが、それよりも遠い周波数で
駆動すると効率が低下し、全速度範囲を高効率で駆動す
ることがむずかしい欠点がある。

又、後者の方法によれば広範囲で変化する電源を必要と
して電源回路が複雑化及び大型化する欠点がある。

このため、駆動周波数及び電圧を組み合わせて変化させ
ることにより駆動効率の良い周波数帯で広範囲の速度制
御を可能ならしめることが考えられるが、この場合単に
周波数及び電圧を組み合わせてもモータ速度を連続的に
変化させることが出来な（なる。

即ち、第１の電圧下で周波数を第１から第２の範囲内で
変化させモータ速度を第１の周波数の時に第１の速度と
なし、又第２の周波数の時第２の速度となすことでモー
タを第１の電圧と第１から第２の周波数の組み合わぜて
第１から第２の速度範囲にて速度制御し、又第２の電圧
に１ノベルを変更して、第２の電圧レベル下で上記周波
数の変化でモータを第２から第３の速度範囲で変化させ
る様になした場合その電圧切換え時点て下記の不都合が
生じる。

即ち、第１の電圧レベル下で周波数を第２の値となし、
モータの速度を第２の速度とした状態から速度を第３の
速度方向へ更にシフトさせ様とし、電圧を第２の電圧レ
ベルに変更すると、電圧が第２のレベルを示しその時の
周波数が第２の値を示すこととなる。従って、この場合
電圧レベルの切換えにてモータの速度は第２からいきな
り第３の速度に変更されてしまい、第２から第３の速度
までの連続的な変化を期待することが出来ない。

〔目　的〕

本発明は上記事項に鑑みなされたもので、振動波モータ
の駆動電圧として第１と第２の電圧レベルを設け、該駆
動電圧での周波数を共振周波数近傍の第１と第２の値の
範囲で変更可能となし、第］の電圧レベル下で周波数を
第１と第２の値の範囲させモータを第１から第２の速度
範囲内で変化可能とし、更に第２の電圧レベル下での周
波数の」−記範囲内での変化にてモータを第２から第３
の速度範囲内での変化を許容し、更にその周波数が第１
の値から第２の値へ変化し第２の値に達した時に駆動電
圧を第１から第２の電圧レベルに切換えると共に周波数
を第２の値から第１の値へシフトシて、電圧切換に際し
てモータ速度が急激に変化することなく、切換前の速度
を維持出来る様になし、高効率の周波数帯を用いてモー
タ速度を第１から第３の速度までの広範囲にわたる連続
的な変化を可能になしたものである。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る振動波モータの周方向から見た断
面図で、該第１図中１はロータ、３は振動体、４は振動
体３上に附された分極処理がなされた圧電体、５は電極
である。振動体３と圧電体４とよリスチーター２が構成
されローター１は振動体３上に摩擦接触している。

上記電極５中、振動体３における屈曲進行波の波長をλ
とすると５ａは駆動用電極てλ／２間隔で圧電体４上に
配されており、又５ｂは駆動用電極で、該電極もλ／２
間隔て圧電体４上に配される。５ｓは振動検出用電極で
、駆動用電極５ａと振動検出用電極５Ｓとはλ／またけ
位置的位相がずれている（すなわち同相）。又電極５ｂ
と５ａとは３λ／４だけ位置的位相がずれており、電極
５ａにて駆動電圧が印加される圧電体にてＡ相の圧電体
を構成し、電極５ｂにて駆動電圧が印加される圧電体に
てＢ相の圧電体が構成される。これらの圧電体の分極処
理や電極配置構成自体は周知であるので、その詳細な説
明は省略する。

」１記の構成にあっては電極５ａと電極５ｂへ位相が９
０°異なる周波電圧が印加されることにて、振動体３上
に進行性の振動波が発生し、ローター１が該振動波によ
り駆動される。電極５ｓと電極５ａ間の信号波形の位相
差は電極５ａへの駆動信号が共振周波数ｆｒの時には電
極５Ｓからの信号波形は電極５ａの駆動信号に対して一
９０°位相がづれた状態となり、駆動信号が共振周波数
からずれると電極５ａと５ｓ間の位相差が９０°からず
れることになる。

よって本発明では、この位相差を検知して駆動周波数の
共振周波数ｆｒからずれを検知する様にしている。

なお、共振周波数と電極５ａと５８の信号間の位相差は
電極５Ｓと電極５ａとの位置に応して」１記−９０°か
らずれるものであるが、その場合でも共振駆動状態にあ
れば電極５ａと５８の信号の位相差が特定関係となるの
で、この場合も同様に電極５ａと５ｓ間の信号の上記特
定位相差からのずれを検知すれば駆動周波数の共振周波
数ｆｒからのずれを検知し得ることとなる。

第２図は第１図構成の振動波モータの電気的等価回路図
を示し、第３図は振動波モータの駆動用交流信号と印加
電圧に対する定格回転数の特性を示す波形図である。

第４図は本発明に係る振動波モータの駆動回路の一実施
例を示す回路図である。

図において、２は第１図示の振動波モータのステーター
である。１２は入力電圧に応じた周波数で発振する電圧
制御発振器、１４はアンプ、１６はマツチングコイルて
発振器１２からの周波信号がこれらのアンプ、コイルを
介して電極５ａへ印加される。７はアンプ１４の出力の
コイル１６を通した波形（すなわち、振動波モータのス
テーターに印加される電圧波形）をパルス信号に整形す
るコンパレーター、８はコンパレーター７からのパルス
を９０°シフトするシフトレジスターで、該レジスター
８からのパルスは回転方向切換スイッチ１３を介してア
ンプ１５、コイル１７を介して電極５１）に印加される
。」１記の構成にて電極５ａと５ｂ間には９０°位相の
異なる周波電圧が印加される。１８はエツジＩ・リガー
型位相比較器で、該比較器１８の一方の入力として上記
発振器１２の出力が入力し、他方の入力としてＮ分周回
路（３２分周回路）２１の出力が入力される。２０はラ
グリートフィルター１９を介して」１記比較器】８の出
力に応じた周波数を発生ずる電圧制御発振器である。」
１記比較器１８は入力信号間の位相差がセロの時オープ
ン状態となり、発振器２０の出力をその状態に維持し、
上記入力信号間に位相差が発生すると、その位相差のず
れ方向及び星に応じてデユーティの異なる信号を出力し
、電圧制御発振器２０の出力周波数の増減を行わせる。

この様に構成されているので、比較器１８の２人力は同
一位相となる様制御され、その結果分周回路２１の出力
は発振器１２の出力と同位相で、かつ同一周波数となる
。従って、発振器２０の出力は発振器１２の出力周波数
のＮ倍（３２倍）の信号となり、該信号を上記シフトレ
ジスター８のクロック信号としているので、該レジスタ
ー８のＮ　（３２）　／４段目の出力（Ｊコンパレータ
ー７の出力、即ち発振器１２の出力に対して９０°位相
の異なる信号となり、上記の如くして電極５ｂと５ａ間
に９０°位相差の周波信号が供給される。

６は電極５Ｓからの信号をパルスに波形整形するコンパ
レーター、９はエツジトリガー型位相比較器で、該比較
器は第５図（ａ）の如く構成される。該比較器は入力Ｒ
，，Ｖ、のパルスの位相を検知し、第５図（１））の示
す如く入力Ｒ１への位相が入力Ｖ、よりも進んでいる時
に出力Ｕ１をその位相差分ロウレベルとなし、逆に入力
Ｒ５への位相が入ツ］Ｖ＋よりも遅れた時には出力Ｄ１
をその位相差分ロウレベルとなし、又更に位相が一致し
ている時には出力Ｖ、、Ｄ、共にハイレベルを送出する
。

１０は前記比較器９の出力Ｕ、、Ｄ、に接続するアント
ゲ−Ｉ・、２２はリセット端子を」１記アントゲ＝１・
１０に接続しアンＩ・ゲート１０の出力がハイレベルの
時リセット状態が解除され前記発振器２ｏのクロックパ
ルスをカウントするカウンター、２４は数値情報設定装
置、２３はカウンター′２２のカウント値と数値情報設
定装置の設定値とを比較しカウント値〈設定値の時にハ
イレベルを出力するコンパレーターである。

２５は電圧制御発振器１２の自走周波数設定器、２６は
電圧切換え器、２７はマイクロコンピュータである。

次いて第４図の実施例の動作について第６図のプログラ
ムに従って説明する。尚、該プログラムはコンピュータ
２７に内蔵されているものとする。

不図示の電源スィッチのオンすることにてプロクラムは
ステップ１となり、初期状態として自走周波数としてｆ
ｏを自走周波数設定器２５へ設定する。

この自走周波数ｆｏは振動波モータの機械的共振周波数
ｆｒより充分高（ｆｒｘ　（ｎ　＋１　）２／　ｎ２（
ただしｎはモータに作る波の数）より低く設定される。

電圧制御発振器１２は該設定周波数ｆｏにて発振する又
コンピュータ２７は駆動電圧としてＶ　ｍ　ｉ　ｎを設
定し電圧切換器２６は該Ｖｍｉｎを駆動電圧として出力
する。

この状態では発振器１２の出力周波数ｆｏのＮ倍のクロ
ック信号がシフトレジスター８ヘシフトパルスとして供
給されるので電圧制御発振器１２の出力に対して±９０
°（±Ｎ／４段）ずれた信号がアンプ１５、コイル１７
を介して電極５ｂに伝わるため、電極５ａ、　５ｂ間に
は上記の如＜９０°位相差の周波信号が印加される。ス
テップ２ては不図示の部材にて設定される正逆回転情報
に応じて選択スイッチ１３を切換え上記±９０°の選択
切換えを行う。

この状態てはモータは電極５ａ、　５ｂ間に±９０゜ず
れた周波信号が印加されるので、正又は逆回転を行う。

このモータの回動に応じた信号が電極５Ｓから出力され
コンパレーター６にてパルスに整形され、比較器９のＲ
７入力端に伝えられる。

上記の如く、モータ駆動初期には発振器１２の周波数が
共振周波数よりも高いｆＯてあり、モータは最低回転数
で回動している。電極５Ｓからのモータの回転状態に応
じた信号の位相と電極５ａの駆動信号の位相はモータが
共振周波数で駆動されている時には９０°ずれ、共振周
波数からずれればずれる程９０°の位相差からはずれる
。よって、電極５ａの周波信号を９０°シフトレジスタ
ー８にてシフトした信号■１と電極５Ｓからの信号Ｒ１
とは共振状態でその位相差が一致し、共振状態からずれ
る程、その位相差が大となる。よって比較器９の出力Ｕ
１又はＤｌは上記位相差分ロウレベルを示し、アントゲ
−１−１０の出力も上記位相差分ロウレベルを出力する
。従って初期状態では駆動信号の周波数ｆ。

は共振周波数よりもかなりずれているため、アンドゲー
ト］Ｏがロウレベルを出力する期間か長く、カウンター
２２のカウント値はカウント値く設定値となっており、
コンパレーター２３はハイレベルを出力する。

コンピュータ２７はコンパレーター２３の出力をステッ
プ４にて検知しており、コンパレーター２３からのハイ
レベルを検知するとステップ５へ移行し、自走周波数設
定器２５への設定周波数ｆＯを徐々に低下させる。即ち
、ｆｏ−ｆΔとして新たな周波数ｆＯを設定する。以後
、」１記ステップ４，５が繰り返し行われ電極５ａへの
駆動信号周波数が徐々に駆動電圧Ｖ　ｍ　ｉ　ｎ下での
共振周波数ｆｒＬへ近づく。一方、アンドゲート１０の
出力は共振周波数ｆｒに近づくことにてロウレベルを出
力する時間が徐々に短か（なり、カウンター２２のカウ
ント値が徐々に高くなる。

上記の如くしてステップ４，５が繰り返される過程で電
極５ａへの駆動周波数が徐々に低下し、共振周波数ｆｒ
Ｌに達すると、カウント２２のカウント値が設定値より
も大となるため、コンパレーター２３からロウレベルが
出力され、コンピュータ２７は該ロウレベルに応答して
、この時点での自走周波数設定器２５への設定周波数を
記憶すると共にステップ６へ移行し、この時点での駆動
電圧の高低検知がなされる。上述の如く初期状態では駆
動電圧ＶｏはＶ　ｍ　ｉ　ｎに設定されているため、ス
テップは７へ移行し、ｎ＝ｎ＋１なる演算がなされステ
ップは８へ移行する。

ステップ８では上記低電圧Ｖ　ｍ　ｉ　ｎ下での共振周
波数ｆｒＬに対してｆｓ　（ｎ）　−ｆｓ　（１）だけ
周波数を増大方向にシフトした周波数ｆｏ＝ｆｏ十ｆｓ
　（ｎ）＝ｆｒＬ＋ｆｓ　（１）を求める。このｆｓ　
（１）は駆動電圧Ｖ　ｍ　ｉ　ｎ時の共振周波数ｆｒし
てのモータ回転数と駆動電圧をＶｍａｘにした際に同一
回転数にてモータを回転させるのに必要なシフト周波数
量である。

ステップ９ては上記ステップ８にて求めたｆｏ＝ｆ。

＋ｆｓ　（ｎ）　＝ｆｒＬ＋ｆｓ　（１）をｆＭ（１）
としてメモリーし、ステップ１０にて駆動電圧ＶＯに対
して＋ＶΔを行い新たな駆動電圧Ｖｏ−Ｖｏ＋ＶΔ−Ｖ
　ｍ　ｉ　ｎ＋ＶΔ二Ｖ　ｍ　ａ　ｘを求め、切換器２
６から該電圧Ｖ　ｍ　ａ　ｘを駆動電圧として出力させ
る。

以上のステップ１〜１０まての動作にて、第３図の如く
駆動電圧Ｖ　ｍ　ｉ　ｎ下て周波数ｆｍａｘから共振周
波数ｆｒＬまで徐々に変化し、モータの回転速度がＭＳ
、からＭＳ２まで徐々に増加し、モータの速度がＭＳ２
に達すると、駆動電圧がＶ　ｍ　ａ　ｘに、また周波数
がｆｒＬ＋ｆｓ　（１）に切換えられ、モータはＭＳ２
の速度で回転を維持する。

又、」１記の如くステップ１０にて電圧切換、ステップ
９にて周波数のシフトが行われるので、上記駆動電圧Ｖ
　ｍ　ｉ　ｎ下での最高速ＭＳ２に達した後はモータは
共振状態からはずれる。従って、再度アントゲート１０
からロウレベルが出力される期間が長くなり、カウンタ
ー２２のカウント値は再度カウント値〈設定値の関係と
なり、ステップ４，５が再度繰り返えされ、駆動周波数
はｆＭ（１）から徐々に減少して行く。

この場合の駆動電圧はＶｍａｘであるため、上記動作に
よる周波数の減少にともなって、モータの回転数はＭＳ
２から徐々に増大する。上記のステップ４．５を繰り返
す過程にて駆動周波数が駆動電圧Ｖｍａｘ下での共振周
波数ｆ　ｒ　Ｈに達すると、上記の如くしてコンパレー
ター２３からロウレベルが出力され、これをステップ４
にて検知するとステップ６へ移行する。今駆動電圧はＶ
　ｍ　ａ　ｘであるため、ステップ６の次にステップ２
へ移行し、以後ステップ２、４．　６を繰り返し、モー
タは駆動電圧Ｖ　ｍ　ａ　ｘて周波数ｆｒＨにて駆動さ
れモータは最高速ＭＳ３にて回転する。

即ち、モータの回転数がＭＳ２に達した後には駆動電圧
Ｖｍａｘ下で周波数ｆＭ（］）〜ｆｒＨの範囲で変化し
、モータはＭＳ２からＭＳ３まで移行する。

以上の如く、本発明ではモータに対しては駆動周波数と
して主にｆｒ＋、＋ｆＳ　（１）〜ｆｒＨの間を用いて
いるため、その駆動効率が高い状態で広範囲の回転速度
変化を行わせることが出来る。

上記ステップ１〜１０まての速度制御（ＭＳ　、〜ＭＳ
３までの速度制御）を行っている過程で操作者が不図示
の固定指令部材を操作するとコンピュータ２７は、該操
作に応答し、ステップ３にてこれを検出し分岐する。従
って、この状態ではステップは３．２を繰り返すことと
なるので、モータは固定指令部材の操作時点の駆動電圧
及び、その時の周波数にて回転する。よって、モータは
その時点での回転を維持することとなり、操作者にて任
意の回転数を選択することが出来る。

以上の動作はステップ３にてモータの加速指令を検知し
た場合（該加速指令は不図示の加減速指令部材の操作に
てコンピュータ２７に指令されるものとする。）である
が、」１記部材にて減速指令を出した場合について説明
する。

この場合はステップ３に次いてステップ】１が行われ、
駆動周波数ｆｏが上記メモリーされた周波数ｆＭ（１）
ニｆｒｔ＋ｆｓ（１）か否かの検知がなされる。

今、モータは高速度ＭＳ３にて回動している状態即ち、
駆動電圧Ｖ　ｍ　ａ　ｘ　、及び駆動周波数ｆｒ＋−＋
にて駆動されている状態で減速指令が出されたとすると
、その時の周波数はｆｒＨてありｆｒ＋＊≠ｆＭ（１）
の関係となっているので、ステップは１２へ移行、駆動
周波数がｆΔだけ増加させ以後ステップ２，３゜１１．
１２が繰り返され周波数がメモリーされたｆＭ（１）と
なるまで徐々に駆動周波数が低下し、モータの速度もＭ
Ｓ３から徐々に低下する。上記の如くして駆動周波数が
ｆＭ（１）に達すると、即ちモータの速度かＭＳ２に達
するとステップは１３へ移行し、駆動電圧の検知がなさ
れる。今」１記の如く駆動電圧はＶｍａｘにて駆動され
ているので、ステップ１３に次いてステップ１４へ移行
し駆動周波数をｆｓ　（１）分減少方向にシフトさせる
。これにて駆動周波数はｆＭ（１）　＋ｆｓ　（１）　
＝ｆｒｔ、十ｆｓ　（１，）　−ｆｆ（１）＝ｆｒ＋、
へ移行し、ステップ１５にてｎ＝ｎ−１−〇となし、ス
テップ１６にて駆動電圧をＶΔだけ減少させる。即ちＶ
　ｍ　ａ　ｘ　−ＶΔ＝　Ｖ　ｍ　ｉ　ｎとなし、電圧
切換器２６からＶ　ｍ　ｉ　ｎを駆動電圧として供給す
る。

これにてモータは速度ＭＳ３からＭＳ２まて減速後、駆
動電圧Ｖ　ｍ　ｉ　ｎ、駆動周波数ｆｒＬに切換わり、
ステップは再度２．　３．　１１へ移行する。この時」
１記の如く周波数はステップ１４にてｆｒ＋、に切換え
られているので、ステップ１１にてｆＭ（１，）≠ｆｒ
Ｌと判定されるのでステップ１２へ移行する。従って、
モータは速度ＭＳ２まで低下した以後、駆動電圧Ｖ　ｍ
　ｉ　ｎ下で、ステップ２．３．　１１．　１．２が繰
り返されその駆動周波数がｆｒＬから徐々に増加し、モ
ータは以後徐々に減速される。この様に減速制御がなさ
れている過程で駆動周波数がメモリーされた周波数ｆＭ
　（１）　＝ｆｒＬ−１−ｆｓ　（１）に達するとステ
ップは】３へ移行し駆動電圧検知がなされる。上記の如
く駆動電圧はＶ　ｍ　ｉ　ｎであるので、以後ステップ
は２゜３、　１１．　１２を繰り返し、駆動電圧Ｖ　ｍ
　ｉ　ｎ駆動周波数ｆｒｔ＋ｆｓ（１）で駆動されモー
タはその時点の速度ＭＳＬでの回動を維持する。

上記の如くして減速時にはモータはＭＳ３〜Ｍ　Ｓ　Ｔ
−までの範囲で回転する。尚、減速時には操作者が固定
指令部材を操作した時点での駆動周波数及び電圧にて回
転するので、モータ速度ＭＳ３〜ＭＳＬの範囲の任意の
速度を選択出来る。

この様に本発明ではモータを駆動周波数としてｆｒＬ＋
ｆｓ　（１）〜ｆｒ＋−＋までの高効率駆動が可能な周
波数帯で速度ＭＳＬ−ＭＳ　３まての広範囲な駆動を許
容することが出来る。

〔効　果〕

本発明にあっては、振動波モータを第１の速度から第２
の速度まての第１の速度範囲内においては第１の駆動電
圧にて第１の周波数から第２の周波数までの第１の周波
数範囲を選択してモータを駆動し、モータを第２の速度
から第３の速度までの第２の速度範囲内においては第２
の駆動電圧にて上記第１の周波数範囲を選択してモータ
を駆動したものであるので、広範囲にわたるモータ速度
を効率の高い周波数帯を用いて制御し得るものである。

尚実施例においては、電圧を高、低の２電圧に切換えて
いるが、２段の電圧切換えに変えて、３段。

４段等の多段に電圧を切換えても良いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる振動波モータの断面図、第２図
は第１図示のモータの等価回路図、第３図は本発明に係
る振動波モータの駆動回路による速度制御特性を示す説
明図、第４図は本発明に係る振動波モータの駆動回路の
一実施例を示す回路図、第５図（ａ）は第４図示の比較
回路９の構成を示す回路図、第５図（ｂ）は第５図（ａ
）に示した回路の出力波形を示す波形図、第６図は第４
図示のコンピュータ２７に内臓されるプログラムを示す
説明図である。 ２６・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・電圧切換器２２・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・カウ
ンター２３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・　コンパレーター２７・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・コンピュータ
□−九 徊四口棋品〉 ６Ｌｌ−ロ フｑ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 異なる位置に配された電歪素子にたがいに位相の異なる
   周波電圧を印加し、進行性振動波を形成して該振動波に
   て移動体を駆動する振動波モータの駆動回路において、 前記周波電圧の周波数を第１の値と第２の値の範囲で変
   化させる周波数変更回路と、該周波電圧の電圧レベルを
   第１から第２の電圧レベルに変更するレベル変更回路と
   前記周波電圧が第１のレベルを示している際に前記周波
   数変換回路により規制される周波数を検知して該周波数
   が第２の値となった時出力を発生する検知手段と、該検
   知手段の出力に応答して前記レベル変更回路を作動させ
   周波電圧を第２のレベルに切換えると共に前記周波数変
   換回路による周波数を第２の値から第１の値へ移行させ
   る制御手段とを設けたことを特徴とする振動波モーター
   の駆動回路。