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JP2699299B2 - Ultrasonic motor drive circuit - Google Patents

Ultrasonic motor drive circuit

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Publication number
JP2699299B2
JP2699299B2 JP6132898A JP13289894A JP2699299B2 JP 2699299 B2 JP2699299 B2 JP 2699299B2 JP 6132898 A JP6132898 A JP 6132898A JP 13289894 A JP13289894 A JP 13289894A JP 2699299 B2 JP2699299 B2 JP 2699299B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
phase difference
frequency
ultrasonic motor
voltage
vibrator
Prior art date
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Expired - Lifetime
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JP6132898A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH07143776A (en
Inventor
忠雄 ▲高▼木
重正 佐藤
和男 袴田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は超音波モーターの駆動回
路に関する。 【0002】 【従来の技術】圧電体は、機械的共振周波数で励振した
時最も効率よく動作し、共振周波数から外れるとその効
率は低下する。このため圧電体を発振させる周波電圧の
周波数は圧電体の共振周波数に正確に一致させることが
好ましいとされているが、圧電体の共振周波数は、負荷
の変化や環境条件によって変動する。 【0003】そこで、周波電圧の周波数を自動的に共振
周波数に追尾させる振動帰還タイプの駆動回路が発明さ
れている。これは、圧電体を一定の周波電圧で駆動し、
圧電体の振動振幅に比例するような出力電圧を適当な方
法で取り出して増幅器の入力端に帰還させることによ
り、圧電体の共振周波数が変動しても常に共振周波数に
追尾するようにしている(超音波技術便覧 昭和53年
7月20日発行565 頁〜566 頁)。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超音波
モータの駆動は必ずしも共振周波数で行うことがよいと
は限らないため、このタイプの駆動回路を超音波モータ
に応用したとしても上述したように共振周波数のみしか
追尾することができず、周波電圧を任意の周波数に設定
できないという問題点を含んでいた。 【0005】そこで本発明は、超音波モータを駆動する
周波電圧の周波数を共振周波数のみに限定されることな
く、任意に設定することができる超音波モータの駆動回
路を提供することを目的とする。 【0006】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、電気機械変換素子と弾性体とを備え、
前記電気機械変換素子に駆動信号が引加されることで振
動を発生する振動子と、該振動子との間で相対運動を行
う相対運動部材とを有する超音波モーターの駆動回路に
おいて、前記振動子における、前記駆動信号が印加され
ていない部分から、該振動子の振動状態に応じて電圧を
発生する電圧発生手段と、前記電圧発生手段から得られ
る電圧と前記駆動信号の電圧との位相差を算出する位相
差算出手段と、前記位相差算出手段の出力に基づいて前
記駆動信号の周波数を制御する制御手段とを設けた。 【0007】 【作用】本発明では、位相差算出手段が電圧発生手段か
ら得られる電圧と駆動信号の電圧との位相差を算出し、
制御手段がこの算出結果に基づいて駆動信号の周波数を
制御している。これにより、共振周波数に限らず任意の
周波数で超音波モーターを駆動することができる。 【0008】 【実施例】図1及び図2は本発明の実施例であり、図1
は超音波モーターの駆動回路図を示し、図2は前記駆動
回路の特性図を示す。図1において、発振器1は周波数
fのパルスを波形整形器2に出力し、この波形整形器2
は入力されたパルスを波形整形して正弦波にし、増幅器
4及び移相器3に出力する。移相器3は入力された正弦
波の位相をπ/2移相して出力し、増幅器5に入力す
る。増幅器4,5はそれぞれ入力された正弦波を増幅し
て出力する。そして、増幅された正弦波は、超音波モー
ターのステータ6(圧電体及び弾性体から成る)の圧電
体表面に形成された電極6a,6bに入力される。ステ
ータ6の電極は、6a〜6dの4領域に分割されてい
て、電極6a,6bには前述のように位相の異なる正弦
波が入力され、電極6cにはグランドが接続されいる。
また、電極6dは入力電圧が印加されていない部分であ
る。電極6a・6c間及び電極6b・6c間には整合用
インダクタンス7及び8がそれぞれ並列に接続されてい
る。 【0009】位相差検出回路9は、電極6aへの入力電
圧と、入力電圧の印加されていない電極6dが励振によ
って生じる電圧(以後、モニター電圧と呼ぶ)とを検出
して、その位相差θを算出する。位相差検出回路9は、
この検出した位相差θを比較器10に入力する。比較器
10は、位相差検出回路9からの出力θと、リファレン
サー11から出力される予め設定された最適位相差θ
OPT とを比較してそのズレ量Δθを出力する。この最適
位相差θOPT は、電極6c下の圧電体部分の分極方向や
ステータの減衰やステータに駆動されるロータの圧接力
等により固有に決定される値(即ち個々の超音波モータ
ーに固有の値)である。このθOPT は、実験的に求めら
れ、初期段階でリファレンサー11に設定しておき安定
的に使用できる。なお、実験的に求められる最適位相差
θOPT は、超音波モーターの最大回転数となる位相差で
あってもよく、また、超音波モーターが所望の速度とな
る位相差であってもよい。θf換算器12は、位相差の
ズレΔθを入力して、入力周波数fを最適値にするため
にこの入力周波数fの変位方向と変位量をこのズレ量Δ
θから換算して求め、発振器1を制御する。本実施例で
は、比較器10、リファレンサー11およびθf換算器
12によって制御手段13を構成している。また、圧電
体が電気機械変換素子として、ロータが相対運動部材と
して機能する。 【0010】次に、図2を用いて超音波モータの最大回
転数となる最適位相差θopt を選択した場合の実施例の
動作を説明する。図2は横軸に周波数fを、縦軸に超音
波モーターの回転数N及び位相差算出回路9から出力さ
れる位相差θをそれぞれ取ってある。今、超音波モータ
ーの特性は超音波モーターの回転数Nの周波数特性とし
て曲線NA で示され且つ位相差算出回路9から出力され
る位相差θの周波数特性として曲線θA で示されるもの
とする。この時すなわち時刻Aにおいて、位相差算出回
路9から出力された位相差θと最適位相差θopt とを比
較器10により比較し、その出力を受けてθf換算器1
2は発振器1を最適周波数を出力するように制御する。
その時、曲線θA において、最適位相差θopt に対応す
る周波数が最適入力周波数となる。この入力周波数の最
適値は周波数fA で示される。 【0011】そして、その後、時刻Bにおいて、各種条
件の変化(超音波モーターの駆動による変化及び表面波
モーターに加わる外的条件の変化)等により、回転数N
の周波数特性が曲線NB のように移り変わるとする。し
かし、入力周波数はfA であるために、回転数はN1
(N1<Nmax )に落ちてしまう。このとき、位相差θ
の周波数特性は、回転数の周波数特性のシフトに従って
シフトするので、位相差θの周波数特性は曲線θB のよ
うになる。その結果、時刻Bでは前述した如く入力周波
数はfA であるので、位相差算出回路9は時刻Bでの位
相差θ1 を比較器10に出力する。比較器10では、入
力された位相差θ1 と最適位相差θopt とを比較して、
そのズレ量Δθをθf換算器12に出力する。θf換算
器12では、ズレ量Δθを周波数のズレ量Δfに換算し
て発振器1にフィードバックする。そうすると、発振器
1はズレ量Δfに基づき入力周波数fB を出力する。す
なわち、位相差算出回路9から出力される位相差θが最
適周波数θopt にいつでも一致するように制御すること
により、超音波モーターの駆動効率を高効率に維持して
いる。次の時刻でも同様に位相差θと最適位相差θopt
とを比較してズレ量Δθを求めて発振器1にフィードバ
ックして最適入力周波数を出力させると言う動作を繰り
返す。 【0012】尚、曲線θA , θB は増加あるいは減少を
示す曲線であるので、このズレ量Δθを求めると、ズレ
量Δfに基づく入力周波数fの変位方向及び大きさが決
定されることになる。従って、ズレ量Δθに基づき入力
周波数fをどちら方向にどの程度変化させればよいか知
ることができる。従って、ズレ量Δθを求めることによ
り、周波数のズレ量Δfを求め発振器1にフィードバッ
クして最大回転数を与える入力周波数を決定できるよう
になっているので、超音波モーターは常に最大回転数で
回転でき高効率な駆動ができる。 【0013】 【発明の効果】以上のように、本発明によれば、位相差
算出手段が電圧発生手段から得られる電圧と駆動信号の
電圧との位相差を検出し、制御手段がこの算出結果に基
づいて駆動信号の周波数を制御する。そのため、共振周
波数に限らず任意の周波数で超音波モーターを駆動する
ことができるので、超音波モーターを高効率で駆動した
り、希望の速度で駆動することができる。また、超音波
モーターを駆動する駆動信号を希望の周波数帯域に限定
したりすることができる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a driving circuit for an ultrasonic motor. 2. Description of the Related Art A piezoelectric body operates most efficiently when excited at a mechanical resonance frequency, and its efficiency decreases when the frequency deviates from the resonance frequency. For this reason, it is preferable that the frequency of the frequency voltage that causes the piezoelectric body to oscillate accurately matches the resonance frequency of the piezoelectric body, but the resonance frequency of the piezoelectric body fluctuates depending on changes in load and environmental conditions. Therefore, a vibration feedback type driving circuit for automatically tracking the frequency of the frequency voltage to the resonance frequency has been invented. This drives the piezoelectric body at a constant frequency voltage,
By taking out an output voltage proportional to the vibration amplitude of the piezoelectric body by an appropriate method and feeding it back to the input terminal of the amplifier, the resonance frequency of the piezoelectric body always tracks the resonance frequency even if it fluctuates ( Handbook of Ultrasonic Techniques, published on July 20, 1978, pages 565 to 566). [0004] However, it is not always desirable to drive the ultrasonic motor at the resonance frequency. Therefore, even if this type of drive circuit is applied to an ultrasonic motor, it will be described above. As described above, only the resonance frequency can be tracked, and the frequency voltage cannot be set to an arbitrary frequency. Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor driving circuit which can set the frequency of the frequency voltage for driving the ultrasonic motor arbitrarily without being limited to only the resonance frequency. . [0006] To achieve the above object, the present invention provides an electromechanical transducer and an elastic body,
In a drive circuit of an ultrasonic motor having a vibrator that generates vibration when a drive signal is applied to the electromechanical transducer and a relative motion member that performs relative motion between the vibrator and the vibration element, A voltage generating means for generating a voltage in accordance with the vibration state of the vibrator from a portion of the element to which the drive signal is not applied, and a phase difference between a voltage obtained from the voltage generating means and a voltage of the drive signal. And a control means for controlling the frequency of the drive signal based on the output of the phase difference calculation means. According to the present invention, the phase difference calculating means calculates the phase difference between the voltage obtained from the voltage generating means and the voltage of the drive signal,
The control means controls the frequency of the drive signal based on the calculation result. Thus, the ultrasonic motor can be driven at any frequency, not limited to the resonance frequency. FIG. 1 and FIG. 2 show an embodiment of the present invention.
Shows a drive circuit diagram of the ultrasonic motor, and FIG. 2 shows a characteristic diagram of the drive circuit. In FIG. 1, an oscillator 1 outputs a pulse having a frequency f to a waveform shaper 2, and the waveform shaper 2
The waveform of the input pulse is shaped into a sine wave and output to the amplifier 4 and the phase shifter 3. The phase shifter 3 shifts the phase of the input sine wave by π / 2 and outputs the shifted sine wave. The amplifiers 4 and 5 amplify and output the input sine waves, respectively. Then, the amplified sine wave is input to the electrodes 6a and 6b formed on the surface of the piezoelectric body of the stator 6 (comprising a piezoelectric body and an elastic body) of the ultrasonic motor. The electrodes of the stator 6 are divided into four regions 6a to 6d. Sine waves having different phases are input to the electrodes 6a and 6b as described above, and the ground is connected to the electrode 6c.
The electrode 6d is a portion where no input voltage is applied. Matching inductances 7 and 8 are connected in parallel between the electrodes 6a and 6c and between the electrodes 6b and 6c. The phase difference detection circuit 9 detects an input voltage to the electrode 6a and a voltage (hereinafter referred to as a monitor voltage) generated by excitation of the electrode 6d to which no input voltage is applied, and detects a phase difference θ. Is calculated. The phase difference detection circuit 9
The detected phase difference θ is input to the comparator 10. The comparator 10 outputs the output θ from the phase difference detection circuit 9 and the preset optimal phase difference θ output from the reference 11.
OPT and outputs the deviation amount Δθ. The optimum phase difference θ OPT is a value uniquely determined by the polarization direction of the piezoelectric portion below the electrode 6c, the damping of the stator, the pressure contact force of the rotor driven by the stator, and the like (that is, the value unique to each ultrasonic motor). Value). The θ OPT is experimentally obtained, and can be set in the referrer 11 at an initial stage and used stably. The optimum phase difference θ OPT obtained experimentally may be a phase difference at which the ultrasonic motor has the maximum number of revolutions, or a phase difference at which the ultrasonic motor has a desired speed. The θf converter 12 receives the deviation Δθ of the phase difference and calculates the displacement direction and the displacement amount of the input frequency f in order to optimize the input frequency f.
The oscillator 1 is controlled by calculating from θ. In this embodiment, the control means 13 is constituted by the comparator 10, the referrer 11, and the θf converter 12. Further, the piezoelectric body functions as an electromechanical transducer, and the rotor functions as a relative motion member. Next, the operation of the embodiment when the optimum phase difference θ opt which becomes the maximum number of revolutions of the ultrasonic motor is selected will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the frequency f, and the vertical axis indicates the rotational speed N of the ultrasonic motor and the phase difference θ output from the phase difference calculating circuit 9. Now, it is assumed that the characteristics of the ultrasonic motor are indicated by a curve NA as the frequency characteristics of the rotational speed N of the ultrasonic motor and by the curve θA as the frequency characteristics of the phase difference θ output from the phase difference calculating circuit 9. At this time, that is, at time A, the comparator 10 compares the phase difference θ output from the phase difference calculating circuit 9 with the optimum phase difference θopt, and receives the output to receive the θf converter 1
2 controls the oscillator 1 to output the optimum frequency.
At that time, in the curve θA, the frequency corresponding to the optimal phase difference θopt becomes the optimal input frequency. The optimum value of the input frequency is indicated by the frequency fA. Then, at time B, the rotation speed N is changed due to changes in various conditions (changes caused by driving the ultrasonic motor and changes in external conditions applied to the surface wave motor).
Is changed like a curve NB. However, since the input frequency is fA, the rotation speed is N1.
(N1 <Nmax). At this time, the phase difference θ
Is shifted according to the shift of the frequency characteristic of the rotation speed, so that the frequency characteristic of the phase difference θ is as shown by a curve θB. As a result, at time B, the input frequency is fA as described above, so that the phase difference calculation circuit 9 outputs the phase difference θ1 at time B to the comparator 10. The comparator 10 compares the input phase difference θ1 with the optimum phase difference θopt,
The deviation amount Δθ is output to the θf converter 12. The θf converter 12 converts the deviation Δθ into a frequency deviation Δf and feeds it back to the oscillator 1. Then, the oscillator 1 outputs the input frequency fB based on the deviation amount Δf. That is, by controlling the phase difference θ output from the phase difference calculation circuit 9 to always coincide with the optimum frequency θopt, the driving efficiency of the ultrasonic motor is maintained at high efficiency. Similarly, at the next time, the phase difference θ and the optimal phase difference θopt
The operation of obtaining the amount of deviation Δθ by comparing with the above and feeding back to the oscillator 1 to output the optimum input frequency is repeated. Since the curves .theta.A and .theta.B are curves indicating an increase or a decrease, when the deviation .DELTA..theta. Is obtained, the displacement direction and the magnitude of the input frequency f based on the deviation .DELTA.f are determined. Therefore, it is possible to know in which direction and how much the input frequency f should be changed based on the deviation amount Δθ. Therefore, by obtaining the shift amount Δθ, the input frequency that determines the shift amount Δf of the frequency and feeds back to the oscillator 1 to give the maximum rotation speed can be determined. Therefore, the ultrasonic motor always rotates at the maximum rotation speed. Highly efficient driving is possible. As described above, according to the present invention, the phase difference calculating means detects the phase difference between the voltage obtained from the voltage generating means and the voltage of the drive signal, and the control means calculates the result of this calculation. Control the frequency of the drive signal based on Therefore, the ultrasonic motor can be driven at an arbitrary frequency without being limited to the resonance frequency, so that the ultrasonic motor can be driven with high efficiency or at a desired speed. Further, the drive signal for driving the ultrasonic motor can be limited to a desired frequency band.

【図面の簡単な説明】 【図1】図1は本発明による超音波モーターの駆動回路
の実施例の回路図である。 【図2】図2は前記駆動回路の回転数の周波数特性及び
位相差の周波数特性を示す図である。 【符号の説明】 1・・・発振器 6・・・超音波モーターのステータ 9・・・位相差算出回路 11・・リファレンサー
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of a driving circuit for an ultrasonic motor according to the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating a frequency characteristic of a rotation speed and a frequency characteristic of a phase difference of the driving circuit. [Description of Signs] 1 ··· Oscillator 6 ··· Stator of ultrasonic motor 9 ··· Phase difference calculation circuit 11 ··· Referencer

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.電気機械変換素子と弾性体とを備え、前記電気機械
変換素子に駆動信号が引加されることで振動を発生する
振動子と、該振動子との間で相対運動を行う相対運動部
材とを有する超音波モーターの駆動回路において、 前記振動子における、前記駆動信号が印加されていない
部分から、該振動子の振動状態に応じて電圧を発生する
電圧発生手段と、 前記電圧発生手段から得られる電圧と前記駆動信号の電
圧との位相差を算出する位相差算出手段と、 前記位相差算出手段の出力に基づいて前記駆動信号の周
波数を制御する制御手段とを有することを特徴とする超
音波モーターの駆動回路。
(57) [Claims] A vibrator that includes an electromechanical transducer and an elastic body, and generates a vibration when a drive signal is applied to the electromechanical transducer, and a relative motion member that performs relative motion between the vibrator and the vibrator. A drive circuit for the ultrasonic motor, comprising: a voltage generating means for generating a voltage according to a vibration state of the vibrator from a portion of the vibrator to which the drive signal is not applied; An ultrasonic wave comprising: a phase difference calculating unit that calculates a phase difference between a voltage and a voltage of the driving signal; and a control unit that controls a frequency of the driving signal based on an output of the phase difference calculating unit. Motor drive circuit.
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