JP2000060153A - 超音波モータおよび圧電素子の駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固定子および回転子に搭載される圧電素子の
効率を向上させ、モータの出力やエネルギー利用効率の
向上を図る。 【解決手段】 超音波モータ１は、回転対称形状を有す
る固定側の弾性部材３０と、回転対称形状を有する移動
側の弾性部材４０と、弾性部材３０に振動を付与する固
定側の圧電素子３１と、弾性部材４０に振動を付与する
移動側の圧電素子４１とを備え、固定側の圧電素子３１
の反共振周波数ｆｎｓと略一致する周波数Ｆｓで圧電素
子３１を駆動し、かつ移動側の圧電素子４１の反共振周
波数ｆｎｒと略一致する周波数Ｆｒで圧電素子４１を駆
動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固定子および移動
子の各圧接面に回転変位波をそれぞれ発生させ、２つの
回転変位波の周波数差に応じた回転運動を行なう超音波
モータに関する。また本発明は、圧電素子の駆動回路に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般の進行波型超音波モータは、リング
状の固定子と回転子を互いに圧接し、固定子の裏面にリ
ング状の圧電素子を接合して、固定子の圧接面に進行波
を発生させることによって、圧接点の楕円運動を回転子
の回転運動に変換するように構成される（文献「超音波
モータ入門」、見城尚史・指田年生共著、総合電子出版
社発行、1991年）。

【０００３】こうした超音波モータは、電磁モータと比
べて、コイル巻線や鉄芯等の磁気回路が不要になるため
小型軽量化が図られ、しかも低速回転時にも高いトルク
が得られるという長所があり、カメラレンズ回転機構等
やロボットアクチュエータ等の分野で実用化されてい
る。

【０００４】従来の超音波モータは、固定子表面の進行
波で回転子を摩擦駆動する方式であるため、大きな振幅
の進行波を得るために鋭い共振を有する圧電材料から成
る圧電素子を共振周波数で共振するように駆動してい
る。そのため、移動子の回転速度を可変制御したい場
合、進行波の駆動周波数または駆動電圧を変化させる必
要があるが、圧電素子の駆動周波数や駆動電圧を変化さ
せると圧電素子の振動出力が急激に減少したりトルクが
変化してしまうことがある。その結果、従来の超音波モ
ータでは回転速度の可変制御が極めて困難であり、現実
には典型的なＤＣモータのように一定回転数の出力をオ
ンオフ制御する用途に限られている。

【０００５】そこで、固定子および回転子の両方に圧電
素子をそれぞれ設けて、固定子の進行波と回転子の進行
波との相互作用によって、回転子の回転速度を連続可変
で制御するようにしたダブル駆動型の超音波モータが提
案されている（特許第２６６３１６４号）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】後者のダブル駆動型超
音波モータでは、固定子および回転子の進行波発生用に
圧電素子を使用しているが、圧電素子のインピーダンス
特性が駆動周波数や駆動電圧によって複雑に変化するた
め、圧電素子の効率がどのような動作条件で最適になる
のかが不明であった。

【０００７】一方、従来の超音波モータの駆動に関し
て、特開平３−２３９１６８号、特開平３−３２３７４
号、特公平４−６１５９３号、特公平５−２８０７２
号、等が開示されている。しかし、いずれもシングル駆
動型の超音波モータに関するもので、ダブル駆動型には
全く言及がない。

【０００８】本発明の目的は、固定子および回転子に搭
載される圧電素子の効率を向上させ、もってモータの出
力やエネルギー利用効率の向上を図ることができる超音
波モータを提供することである。

【０００９】また本発明の目的は、圧電素子を効率的に
駆動できる圧電素子の駆動回路を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転対称の圧
接面を有する固定弾性部材と、固定弾性部材の圧接面に
対向した回転対称の圧接面を有し、回転対称軸回りに角
変位自在に支持された移動弾性部材と、固定弾性部材の
圧接面に周波数Ｆｓの回転変位波を発生するための固定
圧電素子と、移動弾性部材の圧接面に周波数Ｆｒの回転
変位波を発生するための移動圧電素子とを備え、周波数
Ｆｓと周波数Ｆｒとの周波数差ΔＦに応じた回転速度で
移動弾性部材が角変位する超音波モータであって、固定
圧電素子の反共振周波数ｆｎｓと略一致する周波数Ｆｓ
で固定圧電素子を駆動するための固定側駆動回路と、移
動圧電素子の反共振周波数ｆｎｒと略一致する周波数Ｆ
ｒで移動圧電素子を駆動するための移動側駆動回路とを
備えることを特徴とする超音波モータである。

【００１１】本発明に従えば、圧電素子の等価回路は、
インダクタンス成分Ｌ、キャパシタンス成分Ｃａおよび
損失に相当する抵抗成分Ｒから成る直列共振回路と、電
極間容量成分Ｃｂとの並列回路として表現でき、直列共
振回路の共振周波数Ｆｍにおいて合成インピーダンスＺ
が最小になり、上記直列共振回路および電極間容量成分
Ｃｂから成る並列共振回路の反共振周波数Ｆｎにおいて
合成インピーダンスＺが最大になる。

【００１２】従来は、圧電素子を電圧駆動していたた
め、合成インピーダンスＺが最小になるときに圧電素子
への供給電力が最大になる。そのため、圧電素子の駆動
周波数を共振周波数Ｆｍ近傍に設定することになる。さ
らに供給電力が大なる場合には、共振周波数Ｆｍより低
周波領域では圧電素子の非線形性の影響によって、印加
電圧の大小によってインピーダンスカーブが大きく変化
する現象が見られるため、共振周波数Ｆｍを下回らない
ように余裕を見て、駆動周波数を共振周波数Ｆｍより高
めに設定する必要があり、その分圧電素子の効率が犠牲
になっていた。

【００１３】本発明では、圧電素子の駆動周波数を反共
振周波数Ｆｎ近傍に設定することによって、１）圧電素
子の非線形性の影響を回避できるため、安定なサーボル
ープを形成でき、最大効率での駆動が可能になる。２）
温度や負荷変動等の駆動条件が変化しても、圧電素子の
インピーダンスＺのピーク位置で常に駆動できるため、
動作が安定する。３）圧電素子の振動効率は、共振周波
数Ｆｍよりも反共振周波数Ｆｎの方が高い。４）共振点
での位相変化率が共振周波数Ｆｍよりも反共振周波数Ｆ
ｎの方が大きいため、位相比較を行なって周波数の安定
化を図るＰＬＬ(Phase Locked Loop）回路にとって有利
になる。などの利点を見出したものである。

【００１４】また本発明は、固定側駆動回路および移動
側駆動回路の駆動周波数Ｆｓ、Ｆｒの基準となる基準周
波数を出力する発振回路と、固定圧電素子または移動圧
電素子の表面に設けられ、いずれか一方の振動波形を検
出するためのモニタ電極とを備え、発振回路の発振波形
とモニタ電極からの検出波形との位相差が所定値となる
ように発振回路の基準周波数を制御するフィードバック
ループが構成されていることを特徴とする。

【００１５】本発明に従えば、移動弾性部材は駆動周波
数Ｆｓ、Ｆｒの周波数差Δに応じて回転するため、駆動
周波数Ｆｓ、Ｆｒを高精度で制御する必要がある。その
ため、単一の発振回路が出力する基準周波数に基づいて
分周回路等を用いて２つの駆動周波数Ｆｓ、Ｆｒを得る
ことが好ましい。また、固定圧電素子または移動圧電素
子の表面にはモニタ電極が形成され、圧電素子の振動波
形が電気信号として取り出される。そこで、発振回路の
発振波形とモニタ電極からの検出波形との位相差を監視
して、発振回路の基準周波数を制御するフィードバック
ループを構成することによって、基準周波数が安定化さ
れる。その結果、駆動周波数Ｆｓ、Ｆｒも安定化して、
モータの動作も安定になる。

【００１６】また本発明は、固定側駆動回路および移動
側駆動回路は、電圧駆動回路と圧電素子に直列接続され
るインピーダンス素子とを含む電流駆動型回路で構成さ
れることを特徴とする。

【００１７】本発明に従えば、圧電素子のインピーダン
スＺは反共振周波数Ｆｎで最大となるため、圧電素子を
電流駆動することによって、圧電素子への供給電力効率
がＦｎ点で最大になり、圧電素子のエネルギー効率が格
段に向上する。

【００１８】また本発明は、上記インピーダンス素子の
インピーダンスをＺｓ、圧電素子の最大インピーダンス
をＺｍａｘ、圧電素子の最小インピーダンスをＺｍｉｎ
として、Ｚｓ＝Ｋ・√（Ｚｍａｘ・Ｚｍｉｎ）という関
係式において、係数Ｋ≧２が成立するようにインピーダ
ンスＺｓが選ばれることを特徴とする。

【００１９】本発明に従えば、電圧駆動回路とインピー
ダンス素子とで電流駆動型回路を構成した場合、電気理
論上、インピーダンス素子のインピーダンスＺｓがゼロ
になると定電圧駆動になり、インピーダンスＺｓが無限
大になると定電流駆動になる。しかしながら、現実には
インピーダンスＺｓを理想的なゼロや理想的な無限大に
設定することは不可能であるため、圧電素子にとって好
適なインピーダンスＺｓの現実的数値を得る必要があ
る。

【００２０】本発明では、圧電素子の最大インピーダン
スＺｍａｘと最小インピーダンスＺｍｉｎに着目して、
これらの積の平方根を評価パラメータとして、比例係数
Ｋが２以上となるようにインピーダンスＺｓを設定する
ことによって、ほぼ理想的な電流駆動を実現できること
を見出した（詳細は後述）。

【００２１】また本発明は、電圧駆動回路と、圧電素子
に直列接続されるインピーダンス素子とを含む電流駆動
型回路で構成され、インピーダンス素子のインピーダン
スをＺｓ、圧電素子の最大インピーダンスをＺｍａｘ、
圧電素子の最小インピーダンスをＺｍｉｎとして、Ｚｓ
＝Ｋ・√（Ｚｍａｘ・Ｚｍｉｎ）という関係式におい
て、係数Ｋ≧２が成立するようにインピーダンスＺｓが
選ばれることを特徴とする圧電素子の駆動回路である。

【００２２】本発明に従えば、圧電素子の最大インピー
ダンスＺｍａｘと最小インピーダンスＺｍｉｎに着目し
て、これらの積の平方根を評価パラメータとして、比例
係数Ｋが２以上となるようにインピーダンスＺｓを設定
することによって、ほぼ理想的な電流駆動を実現できる
ことを見出し（詳細は後述）、こうした理論はダブル駆
動型の超音波モータだけでなく、従前のシングル駆動型
の超音波モータにも適用可能である。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は一般的な圧電素子の等価回
路であり、図２はこのインピーダンス周波数特性を示す
グラフである。圧電素子の等価回路は、インダクタンス
成分Ｌ、キャパシタンス成分Ｃａおよび損失に相当する
抵抗成分Ｒから成る直列共振回路と、電極間容量成分Ｃ
ｂとの並列回路として表現できる。

【００２４】図２に示すように、直列共振回路の共振周
波数Ｆｍ（約４８ｋＨｚ）において合成インピーダンス
Ｚが最小（約６０Ω）になり、インダクタンス成分Ｌお
よびキャパシタンス成分Ｃａおよび電極間容量成分Ｃｂ
から成る直並列共振回路の反共振周波数Ｆｎ（約４８．
２３ｋＨｚ）において合成インピーダンスＺが最大（約
１３ｋΩ）になる。圧電素子は、共振周波数Ｆｍより低
周波領域では容量性素子、共振周波数Ｆｍと反共振周波
数Ｆｎの間では誘導性素子、反共振周波数Ｆｎより高周
波領域では容量性素子として動作するため、圧電素子に
印加される電圧と電流との位相差θは共振周波数Ｆｍお
よび反共振周波数Ｆｎにおいて急激に変化している。

【００２５】図３は、超音波モータに搭載された圧電素
子の評価回路の一例である。リング状の圧電素子の表面
には、回転変位波の波長λを単位として、λ／２毎に分
極方向が反転したλ／２分極領域に対応して駆動電極が
形成され、それぞれｓｉｎ素子Ｄｓ、ｃｏｓ素子Ｄｃを
構成する。さらに、ｓｉｎ素子Ｄｓ、ｃｏｓ素子Ｄｃと
は別の領域にＦＢ（フィードバック）素子Ｄｆが形成さ
れており、圧電効果によって圧電素子の振動波形を示す
ＦＢ信号を発生する。周波数掃引が可能な発振器Ｏｓｃ
からの交流信号は、広帯域・低インピーダンス・高電圧
出力の電圧増幅器Ａｍｐによって増幅され、たとえばｓ
ｉｎ素子Ｄｓに印加されると、圧電素子が振動を開始す
る。ここで圧電素子の振動変位を光学測定等によって直
接検出することも可能であるが、ここではＦＢ素子Ｄｆ
からのＦＢ信号を用いて電気的に検出している。

【００２６】図４は、図３の評価回路を用いてＦＢ信号
の周波数特性を測定した結果を示すグラフである。上の
グラフはＦＢ素子Ｄｆの検出電圧を示し、下のグラフは
ｓｉｎ素子Ｄｓへの印加波形とＦＢ素子Ｄｆの検出波形
との位相差θを示す。ｓｉｎ素子Ｄｓには一定電圧が印
加されるため、インピーダンスＺが最小となる共振周波
数Ｆｍにおいて、ＦＢ信号の振幅が最大ピークになり、
位相差θは急激に変化する。したがって、周波数特性は
共振周波数Ｆｍを中心とした単峰特性を示す。グラフに
おいて、たとえば共振周波数Ｆｍから２００Ｈｚシフト
するとＦＢ信号振幅が約１／５に、５００Ｈｚシフトす
るとＦＢ信号振幅が約１／１０にそれぞれ低下する。こ
こで、ＦＢ信号の位相差θが０゜でなく９０度でクロス
しているのは、ＦＢ素子Ｄｆがｓｉｎ素子Ｄｓに対して
９０度に相当するλ／４だけずれて配置されているため
である。一方、反共振周波数Ｆｎでの挙動は２つのグラ
フに特徴的な変化を何ら与えていないことが判る。

【００２７】こうした共振周波数Ｆｍを中心とした単峰
特性を示す場合、駆動周波数をどこに設定するかが問題
となる。共振周波数Ｆｍより外れたスロープ領域では、
ＦＢ信号の振幅はなだらかに変化し、位相も格別変化し
ないため、周波数安定化ループを構成する場合には、振
幅検出方式のフィードバック制御を採用することにな
る。しかしながら、ＦＢ信号の振幅変化率（接線の傾き
に相当）はあまり大きくないため、サーボゲインも小さ
く、フィードバック制御の安定性に難がある。

【００２８】一方、共振周波数Ｆｍ近傍はＦＢ信号の位
相が急激に変化するため、共振周波数Ｆｍを目標とした
ＰＬＬ制御を採用することが考えられる。しかしなが
ら、共振周波数Ｆｍより低周波領域において、印加電圧
の大小によってインピーダンスカーブが大きく変化し
て、実際の駆動印加電圧大の場合には単峰特性でなくな
る非線形現象が現われるため、共振周波数Ｆｍを下回ら
ないように余裕を見て駆動周波数を設定する必要があ
り、その分圧電素子の効率が犠牲になる。

【００２９】このように低電圧測定時に共振周波数Ｆｍ
を中心とした単峰特性を示した場合においても、スロー
プ領域における振幅検出方式フィードバック制御も共振
周波数Ｆｍ近傍におけるＰＬＬ制御も、駆動法としては
制御の安定性や圧電素子の効率の観点からは満足できな
い。

【００３０】次に、圧電素子への入力電力と振動変位と
の実測結果について説明する。

【００３１】図５は、入力電力一定時の圧電素子の振動
変位およびインピーダンスの周波数特性を示すグラフで
ある。左の縦軸は圧電素子の振動変位を光学測定で検出
した数値（リニア表示）であり、右の縦軸は圧電素子の
インピーダンス（リニア表示）であり、横軸は駆動周波
数である。ここでは、圧電素子への入力電力を１ｍＷに
保持して、周波数を変化させて各数値を測定している。

【００３２】グラフを見ると、インピーダンスに関して
反共振周波数Ｆｎで最大ピークとなる単峰特性を示し、
共振周波数Ｆｍでは最小になる。振動変位に関して、共
振周波数Ｆｍと反共振周波数Ｆｎの両方でピークを示す
双峰特性を示し、共振周波数Ｆｍと比べて反共振周波数
Ｆｎでの変位の方がが最大になることが判る。すなわ
ち、入力電力が同じである場合、駆動周波数を反共振周
波数Ｆｎに設定した方が圧電素子の振動効率が高いこと
を意味する。

【００３３】したがって、圧電素子の電圧駆動では、図
４に示すように、共振周波数Ｆｍのピークしか現われな
いため、駆動周波数を反共振周波数Ｆｎに設定すること
が困難である。これに対して、圧電素子の電力駆動（電
流駆動）を採用することによって、反共振周波数Ｆｎの
ピークが現われるため、振幅検出方式や位相検出方式等
の周波数制御が格段に容易になると考えられる。

【００３４】図６は、本発明に係る圧電素子の駆動回路
の一例を示すブロック図である。リング状の圧電素子の
表面には、図３と同様に、回転変位波の波長λを単位と
して、λ／２毎に分極方向が反転したλ／２分極領域に
対応して駆動電極が形成されてそれぞれｓｉｎ素子Ｄ
ｓ、ｃｏｓ素子Ｄｃを構成し、さらにＦＢ信号を発生す
るＦＢ素子Ｄｆが別に形成される。

【００３５】駆動回路は、周波数可変の発振器１００
と、広帯域・低インピーダンス・高電圧出力の電圧増幅
器１１１、１１３と、電圧駆動を電流駆動に変換する定
電流化回路１１２、１１４と、９０度移相器１１０など
で構成される。発振器１からの交流信号はｓｉｎ系統お
よびｃｏｓ系統の両方に供給され、ｓｉｎ系統ではその
まま電圧増幅器１１１によって増幅され、定電流化回路
１１２はｓｉｎ素子Ｄｓを電流駆動する。ｃｏｓ系統で
は、発振器１００からの交流信号は、移相器１１０を通
って位相が９０度シフトした後、電圧増幅器１１３によ
って増幅され、定電流化回路１１４はｃｏｓ素子Ｄｃを
電流駆動する。圧電素子の振動変位は、ＦＢ素子Ｄｆか
らのＦＢ信号によって検出される。

【００３６】図７は、図６の駆動回路を用いて圧電素子
の各種の周波数特性を測定した結果を示すグラフであ
る。横軸は駆動周波数であり、上側の実線は振動変位を
示すＦＢ検出電圧（対数表示）、破線は圧電素子のイン
ピーダンスＺの絶対値（対数表示）、下側の実線はＦＢ
検出位相θである。ここでは、定電流化回路１１２、１
１４として、反共振周波数ＦｎでのインピーダンスＺが
約１４ｋΩであることを考慮して、１０ｋΩの固定抵抗
を直接的に挿入している。

【００３７】グラフを見ると、圧電素子のインピーダン
スＺは反共振周波数Ｆｎで最大となり、共振周波数Ｆｍ
で最小となる共振特性を示している。振動変位は、反共
振周波数Ｆｎで最大ピークが現われる単峰特性を示す。
ＦＢ検出位相θは、反共振周波数Ｆｎでゼロクロスを示
している。

【００３８】したがって、圧電素子を電流駆動した場
合、反共振周波数Ｆｎでの位相変化を検出して周波数制
御を行なうことによって、駆動周波数を反共振周波数Ｆ
ｎに安定化させることが容易になる。

【００３９】定電流化回路１１２、１１４として、固定
抵抗以外のインピーダンス素子、たとえばコイル等のイ
ンダクタンス素子やコンデンサ等のキャパシタンス素
子、または固定抵抗、インダクタンス素子およびキャパ
シタンス素子の組合せを使用することができる。インダ
クタンス素子を用いた場合、圧電素子の等価回路におけ
る電極間容量成分Ｃｂとインダクタンス素子とが共振
し、素子の有する本来のＦｎを正しく検出できなくなる
ため、共振周波数は、Ｆｍ，Ｆｎよりはるかに低い周波
数となるようインダクタンス成分Ｌを設定することが好
ましい。

【００４０】図８は、本発明に係る圧電素子の駆動回路
の他の例を示すブロック図である。ここでは、位相比較
を用いたＰＬＬ回路で発振器１００を構成した例を示
し、その他の構成は図６のものと同様である。

【００４１】発振器１００は、入力電圧に応じて発振周
波数が変化する電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０２と、電
圧制御発振器１０２の発振波形とＦＢ素子Ｄｆからの検
出波形との位相を比較する位相比較器１０３と、位相比
較器１０３からの出力信号を平滑化するローパスフィル
タ（ＬＰＦ）１０４などで構成される。ＦＢ素子Ｄｆと
位相比較器１０３との間には、ＦＢ検出信号をパルス状
に整形するためのリミッタ回路１２０が設けられる。位
相比較器１０３として排他的論理和（ＥＸ−ＯＲ）ゲー
トが使用でき、リミッタ回路１２０としてダイオードリ
ミッタが使用できる。

【００４２】図９は、ＰＬＬ発振器１００の動作を示す
タイミングチャートである。信号ｓａはリミッタ回路１
２０の出力であり、圧電素子の振動波形の位相を示す。
信号ｓｂは電圧制御発振器１０２の出力で、信号ｓｃは
位相比較器１０３の出力で、信号ｓｄはローパスフィル
タ１０４の出力である。電圧制御発振器１０２によって
駆動周波数が決定され、ｓｉｎ素子Ｄｓおよびｃｏｓ素
子Ｄｃが電流駆動されると、発振波形とＦＢ検出信号と
の位相差が信号ｓａと信号ｓｂとの排他的論理和である
信号ｓｃのハイレベル期間の長短として表される。信号
ｓｃをローパスフィルタ１０４で平滑化することによっ
て、電圧制御発振器１０２の制御電圧に変換される。信
号ｓａと信号ｓｂとの位相差が所定の基準値（たとえば
９０度）から外れようとすると、基準値に戻す方向に電
圧制御発振器１０２の発振周波数が制御される。その結
果、駆動周波数は、図７に示すＦＢ検出位相θのゼロク
ロス点、すなわち反共振周波数Ｆｎに高精度でホールド
される。

【００４３】こうした位相検出方式のフィードバック制
御は、基準周波数付近での位相変化率が大きいことを利
用しているため、サーボゲインを大きく確保でき、極め
て安定した周波数制御を実現できる。そのため、超音波
モータの構成部品の加工精度や組立精度を緩和でき、製
造コスト低減に寄与する。

【００４４】次に、圧電素子を含めた駆動回路全体のエ
ネルギー効率について説明する。圧電素子の動作状態が
入力パワーによって異なるため、図６の電圧増幅器１１
１、１１３の入力パワーを一定値（０．５Ｗ）に保持し
て、実際の動作状態にほぼ近い駆動条件の下でＦＢ信号
の周波数特性を調べた。

【００４５】図１０は、定電流化回路として約１０ｍＨ
のコイルを用いた場合のＦＢ信号の周波数特性および圧
電素子から駆動回路側をみたインピーダンスＺａを示す
グラフである。定電流化回路１１２、１１４として約１
０ｍＨのコイルを使用すると、このコイルと圧電素子の
電極間容量成分Ｃｂとの共振周波数は約２５ｋＨｚとな
り、圧電素子単体の共振周波数や反共振周波数が約４８
ｋＨｚであるのに比べてかなり低くなる。

【００４６】グラフを見ると、ＦＢ信号は、反共振周波
数（４７．８ｋＨｚ付近）にピークを持つ単峰特性を示
し、最大値は約９１Ｖp-p である。共振周波数（４７．
６ｋＨｚ付近）では、ＦＢ信号は約２０Ｖp-p となる。

【００４７】図１１は、電圧増幅器および出力トランス
から成る駆動回路を用いた場合のＦＢ信号の周波数特性
および圧電素子から駆動回路側をみたインピーダンスＺ
ａを示すグラフである。ここでは、出力トランスと圧電
素子の電極間容量成分Ｃｂとの共振周波数ｆｏを圧電素
子の共振周波数ｆｍにほぼ一致させているため、圧電素
子を電圧駆動していることに相当する。

【００４８】グラフを見ると、ＦＢ信号は、周波数４８
ｋＨｚ付近に緩やかなピークと４７．８ｋＨｚ付近にサ
ブピークと小さなディップを有する複雑なカーブを示
し、最大値は約９０Ｖp-p である。共振周波数（４７．
６ｋＨｚ付近）では、ＦＢ信号は約５０Ｖp-p となる。
しかしながら、インピーダンスＺａを見ると、反共振周
波数（４７．８ｋＨｚ付近）でのピークが存在せず、反
共振周波数での位相変化もほとんど検出できないため、
位相検出方式のフィードバック制御を適用できないこと
が判る。したがって、振幅検出方式のフィードバック制
御を採用せざるを得ないが、この場合、図１１に示すＦ
Ｂ信号のスロープ領域で基準値を設定することになるた
め、ＦＢ信号はピーク値からかなり下回り、サーボゲイ
ンの低下を招くことになる。

【００４９】従来は、フィードバックを用いない電圧駆
動の場合、出力トランスと圧電素子の電極間容量成分Ｃ
ｂとの共振周波数ｆｏを圧電素子の共振周波数ｆｍにほ
ぼ一致させることが電力効率が最も良いと考えられてい
た。しかしながら、フィードバックによる周波数制御を
考慮すると、定電流化回路１１２、１１４を用いた電流
駆動方式を採用して、反共振周波数での位相変化を検出
するフィードバック制御を用いた方がエネルギー効率や
フィードバック安定性等の点で格段に好ましいことにな
る。

【００５０】次に定電流化回路１１２、１１４の具体例
について説明する。定電流化回路１１２、１１４に要求
される条件として、１）反共振周波数ｆｎでＦＢ信号の
位相変化が明瞭に現われること、２）フィードバックル
ープが安定に動作すること、３）ＦＢ素子ＤｆからＦＢ
信号が得られること、４）共振周波数ｆｍ、反共振周波
数ｆｎでの圧電素子のインピーダンス値が加工誤差や組
立誤差によってばらついても対処できること、等が挙げ
られる。

【００５１】図１２および図１３は、定電流化回路とし
てインピーダンス素子Ｚｓ＝２ｋΩ、１０ｋΩをそれぞ
れ使用したときのＦＢ信号の周波数特性を示すグラフで
ある。横軸は駆動周波数で、左の縦軸はＦＢ信号の検出
電圧ＦＢ２、ＦＢ１および圧電素子のインピーダンスＺ
の絶対値を相対値で対数表示しており、右の縦軸はＦＢ
信号の検出位相θ２、θ１および圧電素子のインピーダ
ンスＺの位相θをリニアで示している。

【００５２】まず図１３において、定電流化回路として
インピーダンス素子Ｚｓ＝１０ｋΩを使用した場合、Ｆ
Ｂ信号の検出電圧ＦＢ１は反共振周波数ｆｎ付近を中心
とした山型カーブを示し、ＦＢ信号の検出位相θ１も＋
９０度から−９０度へ変化するＳ字カーブを示し、反共
振周波数ｆｎ付近では圧電素子の位相特性にほぼ近似し
ている。

【００５３】一方、図１２において、定電流化回路とし
てインピーダンス素子Ｚｓ＝２ｋΩを使用した場合、Ｆ
Ｂ信号の検出電圧ＦＢ２は反共振周波数ｆｎ付近を中心
として図１３よりブロードな山型カーブを示し、カーブ
中心点は図１３より低周波側に約３０Ｈｚシフトしてい
る（図１３の点ａ’から図１２の点ｂ’へ）。ＦＢ信号
の検出位相θ２も、傾斜部の中心点が図１３より低周波
側にシフトしている（図１３の点ａから図１２の点ｂ
へ）。

【００５４】こうしたカーブ中心点の周波数シフトの大
きさはインピーダンス素子Ｚｓの値によって変化し、イ
ンピーダンス素子Ｚｓが小さくなると周波数シフト量は
大きく、インピーダンス素子Ｚｓが大きくなると周波数
シフト量は小さくなる。したがって、インピーダンス素
子Ｚｓが無限大になるほど、すなわち理想的な定電流駆
動回路に近くなるほど、周波数シフトの影響を無視でき
るようになる。

【００５５】図１４は、ＦＢ信号の周波数シフト量の変
化を実測した結果を示すグラフである。縦軸は周波数シ
フト量（Ｈｚ、対数表示）であり、横軸はインピーダン
ス素子Ｚｓの絶対値（ｋΩ、対数表示）である。２つの
グラフは、超音波モータの組立条件や圧電素子の仕様が
異なる場合を示す。

【００５６】いずれのグラフにおいても、周波数シフト
量は、インピーダンス素子Ｚｓの変化率の１．５乗に逆
比例することが判明した。

【００５７】一方、圧電素子のインピーダンスの最小値
と最大値、すなわち共振周波数ｆｍでの最小インピーダ
ンスＺｍｉｎと反共振周波数Ｆｎでの最大インピーダン
スＺｍａｘは、圧電素子の取付状態、たとえば圧電素子
単体、弾性部材への実装・加圧状態などによって大きく
変化する。たとえば、圧電素子単体（グラフ２）でＺｍ
ｉｎ＝約７０Ω、Ｚｍａｘ＝１４ｋΩ、弾性部材への実
装状態（グラフ１）でＺｍｉｎ＝約５００Ω、Ｚｍａｘ
＝２ｋΩ、弾性部材への実装状態（グラフなし）でＺｍ
ｉｎ＝約２５０Ω、Ｚｍａｘ＝４．６ｋΩ、という実測
例が挙げられる。

【００５８】このようにインピーダンスが大幅に変化す
る圧電素子に対してインピーダンス素子Ｚｓが直列接続
された場合の挙動について説明する。図１４において、
最大インピーダンスＺｍａｘと最小インピーダンスＺｍ
ｉｎとの比Ｚｍａｘ／Ｚｍｉｎが、グラフ１では約４、
グラフ２では約２００と計算できる。また、残りの実装
状態ではＺｍａｘ／Ｚｍｉｎ＝１８．４と計算でき、グ
ラフ１とグラフ２の中間に同様な傾斜で位置する（不図
示）。

【００５９】多数の実測結果から、Ｚｍａｘ／Ｚｍｉｎ
＝４は最小値であり、Ｚｍａｘ／Ｚｍｉｎ＝２００は最
大値であることが判明し、いずれの実測結果も図１４の
グラフ１とグラフ２の間に同様な傾斜で位置することが
判明した。

【００６０】なお、以上の実測結果は、圧電素子の駆動
周波数が４８ｋＨｚ近傍である場合であり、駆動周波数
や圧電素子の形状等が変われば、インピーダンス素子Ｚ
ｓの絶対値や周波数シフト量の絶対値も変化することに
なる。

【００６１】また、周波数シフト量を評価する理由は、
駆動周波数シフトに相関してＦＢ信号の検出位相の感度
（周波数変化に対する位相変化の勾配）も変化するから
であり、しかも勾配の変化よりもピーク位置のシフトの
方が評価し易いためである。周波数シフト量が小さい場
合はＦＢ信号の検出位相の感度が高くなり、素子本来の
Ｆｎを検出するが、周波数シフト量が大きい場合はＦＢ
信号の検出位相の感度が低くなり、素子本来のＦｎでな
いＦ′ｎ点を検出し、最高効率のＦｎ点駆動とならなく
なる。

【００６２】ＦＢ信号の位相変化を検出するフィードバ
ック制御を行なう場合、サーボ動作点を位相検出範囲の
中心に設定する場合、図１２に示すインピーダンス素子
Ｚｓ＝２ｋΩの場合は点ｂがサーボ動作点になり、図１
３に示すインピーダンス素子Ｚｓ＝１０ｋΩの場合は点
ａがサーボ動作点になる。点ａと点ｂの間のシフト量は
約３０Ｈｚであり、たとえば共振周波数ｆｍと反共振周
波数ｆｎとの差が２００Ｈｚである場合、約１５％のシ
フト量に相当する。インピーダンス素子Ｚｓが小さくな
って、シフト量が１５％より大きくなり、ＦＢ信号の位
相変化カーブが緩やかになると、別の問題として共振周
波数ｆｍが位相検出可能な領域に入り込むため好ましく
ない。したがって、各種実験から、共振周波数ｆｍと反
共振周波数ｆｎとの差の約１５％のシフト量に相当する
インピーダンス素子Ｚｓの値を定電流化回路の最小イン
ピーダンスとすることが好ましい。

【００６３】以上のことから、圧電素子に直列に挿入す
るインピーダンス素子Ｚｓは、圧電素子の最大インピー
ダンスＺｍａｘ、圧電素子の最小インピーダンスＺｍｉ
ｎ、係数Ｋとして、実用上の点で次式（１）で表現する
ことができる。

【００６４】

【数１】

【００６５】たとえば、図１４のグラフ１に示すＺｍａ
ｘ／Ｚｍｉｎ＝４の場合、Ｚｍｉｎ＝約５００Ωであ
り、1)インピーダンス素子Ｚｓ＝２ｋΩとすると、Ｋ＝
２となり、2)Ｚｓ＝１０ｋΩとすると、Ｋ＝１０とな
る。

【００６６】また、図１４のグラフ２に示す圧電素子単
体のＺｍａｘ／Ｚｍｉｎ＝２００の場合、Ｚｍｉｎ＝約
７０Ωであり、1)Ｋ＝２とすると、インピーダンス素子
Ｚｓ＝１．９８ｋΩとなり、2)Ｋ＝１０とすると、イン
ピーダンス素子Ｚｓ＝約１０ｋΩとなる。

【００６７】このように圧電素子の最大インピーダンス
Ｚｍａｘと最小インピーダンスＺｍｉｎの積の平方根を
評価パラメータとして、比例係数Ｋが２以上となるよう
にインピーダンスＺｓを設定することによって、周波数
シフト量が小さく、ほぼ理想的な電流駆動を実現できる
ことが判る。

【００６８】図１５（ａ）は本発明に係る超音波モータ
の一例を示す断面図であり、図１５（ｂ）は図１５
（ａ）中のロータリトランス６０の拡大断面図である。

【００６９】超音波モータ１は、回転対称形状を有する
固定側の弾性部材３０と、回転対称形状を有する移動側
の弾性部材４０と、弾性部材３０に振動を付与する固定
側の圧電素子３１と、弾性部材４０に振動を付与する移
動側の圧電素子４１と、弾性部材４０と一体的に回転す
る出力軸１０と、圧電素子４１に非接触で給電するロー
タリトランス６０と、これらを収納するハウジング２
１、２２などで構成される。

【００７０】ハウジング２１は、底面および側面から成
る円筒箱状であり、底面の中央に貫通孔が形成され、貫
通孔には断面凸状で中空のベアリングホルダ２０が装着
される。ベアリングホルダ２０の内面には上下方向から
段差部が形成され、これらの段差部には出力軸１０を回
転自在に支持するためのベアリング１５、１６が所定間
隔で装着固定される。

【００７１】出力軸１０はベアリング１５、１６の内リ
ングと略嵌合するように挿入される。ベアリング１６は
出力軸１０中央の軸太部１０ｂの段差面に装着されたス
ペーサ１３に当接して挟持され、ベアリング１５は出力
軸１０の先端から挿入されるスペーサ１２によって挟持
され、さらに出力軸１０の円周溝１０ａにＥリングなど
の抜止め１１を装着することによって出力軸１０とベア
リング１５、１６の内リングとが一体化される。

【００７２】ベアリングホルダ２０の上面には弾性部材
３０が載置され、ベアリング１６の外形と略嵌合するこ
とでセンター合わせを実現している。

【００７３】弾性部材３０は、上面にリング状の圧接面
３０ａを有する肉厚部と、肉厚部を内側から支える肉薄
部３０ｂと、内側のスペーサ１４と略嵌合する取付部と
を有し、肉厚部の厚さ方向の振動を許容する構造を成し
ている。肉厚部の下面には、圧接面３０ａと対向するよ
うにリング円板状の圧電素子３１が接着される。圧接面
３０ａは、圧電素子３１で発生した振動が効率的に集中
するように断面凸状に形成され、その上面にフッ素樹脂
等の低摩擦材料から成るライナ３２が固定される。

【００７４】一方、移動側の弾性部材４０は、弾性部材
３０と同様に、下面にリング状の圧接面４０ａを有する
肉厚部と、肉厚部を内側から支える肉薄部４０ｂと、出
力軸１０にトルクを伝達する取付部とを有し、肉厚部の
厚さ方向の振動を許容する構造を成している。肉厚部の
上面には、圧接面４０ａと対向するようにリング円板状
の圧電素子４１が接着固定される。圧接面４０ａは、圧
電素子４１で発生した振動が効率的に集中するように断
面凸状に形成され、その下面にフッ素樹脂等の低摩擦材
料から成るライナ４２が固定される。

【００７５】こうした弾性部材３０、４０は、振動減衰
が少ない材料、たとえば鉄や真鍮等の金属で形成するこ
とが好ましい。

【００７６】弾性部材４０の取付部には、リング円板状
のばね受け板４５が取り付けられる。ばね受け板４５の
内側が出力軸１０の段差部１０ｄと略嵌合することでセ
ンター合わせを実現している。ばね受け板４５の上面内
側には、２つの突起４３ａを有する係止板４３が取り付
けられる。出力軸１０の基端部１０ｅに形成された切欠
き１０ｇと突起４３ａとが係合することによって、弾性
部材４０の回転トルクが出力軸１０に伝達される。

【００７７】出力軸１０の基端面には板ばね４４が装着
され、出力軸１０の基端中央に形成された突起１０ｆと
板ばね４４の中央に形成された貫通孔と略嵌合すること
でセンター合わせを実現している。

【００７８】板ばね４４は、中央円板と放射状に延出す
る複数の揺動端とで形成され、揺動端がばね受け板４５
を均等に押圧することによって、弾性部材３０と弾性部
材４０との間の圧接力を発生する。

【００７９】ロータリトランス６０は、リング状に形成
された弾性部材３０、４０の肉厚部から内側で、かつ弾
性部材３０、４０の肉薄部および取付部の間に確保した
リング状のスペースに配置される。

【００８０】ロータリトランス６０は、リング状の固定
側コア６１とリング状の移動側コア６２とが所定ギャッ
プ長で対向して構成される。固定側コア６１は、リング
状のスペーサ１４の上に装着される。移動側コア６２
は、出力軸１０の軸太部１０ｂより僅かに太く形成され
た軸太部１０ｃに略嵌合し、段差部１０ｄの段差面に装
着され、出力軸１０と一体的に回転する。

【００８１】次に電気系について説明する。図１６
（ａ）は圧電素子３１の分極状態および電極形状を示す
平面図で、図１６（ｂ）は圧電素子３１の図１６（ａ）
とは反対面の電極形状を示す平面図である。なお、圧電
素子４１も圧電素子３１と同様な分極状態および電極形
状を有する。

【００８２】リング状の圧電素子３１は、駆動電界を厚
さ方向に印加することによって厚さ方向および周方向に
伸縮し、この伸縮運動が高速に変化することによって振
動を発生するものであり、振動の位相を周方向に沿って
変化させることによって、進行波や定在波等の回転変位
波を形成する。ここでは、一周に５周期の変位波を発生
させる場合を例示しており、図１６（ａ）に示すよう
に、変位波の波長λを単位として、λ／２毎に分極方向
が反転した４つのλ／２分極領域から成る２つのグルー
プＡ、Ｂと、グループＡ、Ｂの間に介在するλ／４分極
領域および３λ／４分極領域とを形成している。こうし
た分極領域および電極に対応して、駆動電極３１ａがグ
ループＡに、駆動電極３１ｂがグループＢに、モニタ電
極３１ｃがλ／４分極領域に対応するように形成され
る。なお、圧電素子３１が搭載される弾性部材３０が各
電極Ａ、Ｂ、λ／４、３λ／４に対向するリング状の共
通電極として機能し、弾性部材３０はハウジング２１を
介して接地される。弾性部材４０も圧電素子４１の共通
電極として機能し、ハウジング２１を介して接地され
る。

【００８３】圧電素子３１に電界を厚さ方向（たとえば
紙面の表から裏）に印加すると、電歪効果によって厚さ
方向および周方向に伸縮し、「＋」で示した正分極領域
では厚さが増加し、「−」で示した負分極領域では厚さ
が減少する。たとえばグループＡに対応した駆動電極３
１ａに正の電圧を印加すると、λ／２毎に変形方向が変
化して、２波長分の波を形成し、分極領域の境界は波の
節となる。駆動電極３１ａの印加電圧を超音波領域の周
波数で変化させると、グループＡから発生する波が圧電
素子３１全体に伝搬するようになる。グループＢも同様
に、駆動電極３１ｂに超音波領域の交流電圧を印加する
と、２波長分の波が圧電素子３１全体に伝搬するように
なり、グループＡの波とグループＢの波とが合成され
る。そこで、駆動電極３１ａにｃｏｓ波、駆動電極３１
ｂにｓｉｎ波を印加して、互いに位相を９０度ずらすこ
とによって、一方向の回転変位波を発生させることがで
きる。

【００８４】図１７は、回転変位波が発生する様子を示
すグラフである。図１７（ａ）は圧電素子３１の直線展
開図であり、図１７（ｇ）は駆動電極３１ａ、３１ｂの
電圧波形である。また、図１７（ｂ）〜図１７（ｆ）
は、図１７（ｇ）中の時刻ｔ０〜ｔ４での回転変位波の
波形を示している。時刻ｔ０では、グループＡだけが振
幅１の表面波を発生しリング全体に伝搬している。時刻
ｔ１では、グループＡ、Ｂが振幅１／√２の表面波を９
０度位相差で発生し、その合成波は時刻ｔ０と比べてλ
／８だけ左方に移動している。時刻ｔ２では、グループ
Ｂだけが振幅１の表面波を発生し、時刻ｔ１と比べてλ
／８だけ左方に移動している。以下、時刻ｔ３、ｔ４で
も同様にλ／８ずつ左方に移動しており、時間とともに
左方に移動する回転変位波が発生することが判る。

【００８５】また、駆動電極３１ａにｓｉｎ波、駆動電
極３１ｂにｃｏｓ波を印加して、位相を反対方向に９０
度ずらした場合は、上述とは反対方向の回転変位波を発
生させることができる。このようにグループＡおよびグ
ループＢの空間的位相差と駆動波形の時間的位相差を関
連付けて駆動することによって、所望の方向に進行する
回転変位波を発生できる。こうして圧電素子３１の伸縮
変化は、圧電素子３１が弾性部材３０に貼付され一体化
していることにより、所定の振幅を持つ波となる。そし
て、９０゜位相の異なる２つの波が合成されて回転変位
波となり、その回転変位波が弾性部材３０を伝わって、
圧接面３０ａでの回転変位波となる。同様に、圧電素子
４１の伸縮変化によって発生した回転変位波は弾性部材
４０を伝わって、圧接面４０ａでの回転変位波となる。

【００８６】モニタ電極３１ｃは、圧電効果によって、
圧電素子３１に発生した変位波の振動波形を電気信号と
して検出するものである。駆動電極３１ａ、３１ｂおよ
びモニタ電極３１ｃにはラインＰＡ、ＰＢ、ＰＣがそれ
ぞれ接続され、図１５に示すように、ハウジング２１に
形成された引出し孔から外部に引き出される。

【００８７】圧電素子４１についても同様に、駆動電極
４１ａ、４１ｂおよびモニタ電極４１ｃにはラインＱ
Ａ、ＱＢ、ＱＣがそれぞれ接続され、途中にロータリト
ランス６０が介在する。

【００８８】図１５では２相駆動用のロータリトランス
６０を使用した例を示し、ロータリトランス６０はライ
ンＱＡ、ＱＢ、ＱＣに対応して３つのトランス回路を有
する。図１（ｂ）に示すように、固定側コア６１および
移動側コア６２には５つのリング状突起が同心円状に形
成され、そのうち外周側の３つの突起がラインＱＡ、Ｑ
Ｂのトランス回路を構成する駆動側コア６１ａ、６２ａ
として機能し、内側２つの突起がラインＱＣのトランス
回路を構成する検出側コア６１ｃ、６２ｃとして機能す
る。各リング状突起は所定角度ごとに溝加工されて、複
数の部分突起を形成し、各部分突起を巻回するようにコ
イルが装着されており、対向するリング状突起同士の磁
気結合によって、電力供給や信号伝達が非接触で行なわ
れる。

【００８９】また、駆動側コア６１ａ、６２ａと検出側
コア６１ｃ、６２ｃとの間には、プラスチック等の非磁
性材料を挿入して、両者コア間の磁気結合を抑制するた
めのセパレータ６１ｂ、６２ｂを形成してもよい。ま
た、こうしたセパレータ６１ｂ、６２ｂを駆動側コア６
１ａ、６２ａと検出側コア６１ｃ、６２ｃとの間だけで
なく、ラインＱＡ、ＱＢ、ＱＣ間全てに挿入してもよ
い。こうした非磁性材料のセパレータ６１ｂ、６２ｂを
設けることによって、各トランス回路間の磁気的結合を
抑制できる。セパレータ６１ｂ、６２ｂは、接着剤充填
により形成してもよい。

【００９０】図１８は、超音波モータの駆動制御回路の
一例を示すブロック図である。ここでは、ステータを主
駆動、ロータを従駆動とした回路例を示す。超音波モー
タ１の弾性部材３０、４０は互いに圧接された状態で、
出力軸１０やハウジング２１等を介して電気的に接地さ
れる。固定側の弾性部材３０に取り付けられた圧電素子
３１の駆動電極３１ａ、３１ｂおよびモニタ電極３１ｃ
にはラインＰＡ、ＰＢ、ＰＣがそれぞれ接続される。ラ
インＰＡ、ＰＢの途中には、圧電駆動に必要な高電圧を
発生するための昇圧トランス７０、７１が介在する。な
お、昇圧トランス７０、７１は回路基板等に固定され
る。

【００９１】移動側の弾性部材４０に取り付けられた圧
電素子４１の駆動電極４１ａ、４１ｂおよびモニタ電極
４１ｃにはラインＱＡ、ＱＢ、ＱＣがそれぞれ接続さ
れ、途中にロータリトランス６０が介在する。ここで、
ロータリトランス６０の昇圧比Ｎｒを１以下に設定した
場合は、圧電駆動用の高電圧を発生する昇圧トランスが
別に必要になるが、ロータリトランス６０の昇圧比Ｎｒ
を１より大きく設定することによって、昇圧トランス７
０、７１と同様な機能を付与できるため、移動側の昇圧
トランスを省略できる。

【００９２】また、弾性部材３０、４０での回転変位波
の駆動電圧をほぼ同等にするために、固定側と移動側の
電気的特性および機械的特性をほぼ一致させることが好
ましい。

【００９３】ステータ側の周波数制御発振器８２は、周
波数Ｆｓの超音波駆動信号（たとえば正弦波やパルス
波）を出力し、出力インピーダンスを持つ増幅器８６で
増幅された後ラインＰＡに出力され、昇圧トランス７０
の組合せによって電流駆動型高電圧に変換され、圧電素
子３１の駆動電極３１ｂに印加される。図８に示す１１
２，１１４定電流化インピーダンス系は、図１８におい
ては出力インピーダンスを持つ増幅器８６と出力トラン
ス７０の組合せによって形成される。定電流化インピー
ダンスは増幅器８６の出力インピーダンスの昇圧比の２
乗を掛け合わせた値となる。出力インピーダンスは回路
抵抗を入れてもよく、またドライブ波形のデューティを
５０％より小さくしても形成でき、昇圧比との相対的な
バランスで定める。さらに、周波数制御発振器８２の超
音波駆動信号は、位相を９０度シフトさせるための移相
器８４を経由して出力インピーダンスを持つ増幅器８８
にも入力され、増幅器８８で増幅された後、ラインＰＡ
同様、電流駆動型高電圧に変換されるようラインＰＢに
出力され、昇圧トランス７１との組合せによって電流駆
動型高電圧に変換され、圧電素子３１の駆動電極３１ａ
に印加される。

【００９４】また、圧電素子３１のモニタ電極３１ｃに
発生した検出信号は、ラインＰＣを経由して波形整形用
のリミッタ回路９０に入力され、さらに周波数制御発振
器８２にフィードバック信号として入力される。周波数
制御発振器８２は、ＶＣＯ（電圧制御発振器）、位相比
較器およびＬＰＦ（ローパスフィルタ）から成るＰＬＬ
(Phase Locked Loop）回路等で構成され、自己駆動状態
で動作する。

【００９５】ロータ側は、周波数制御発振器８２が出力
する周波数Ｆｓの超音波駆動信号に基づいて周波数制御
回路８３が周波数Ｆｒの超音波駆動信号（たとえば正弦
波やパルス波）を出力し、出力インピーダンスを持つ増
幅器８７で増幅された後ラインＱＡに出力され、ロータ
リトランス６０との組合せによって電流駆動型高電圧に
変換され、圧電素子４１の駆動電極４１ａに印加され
る。さらに、周波数制御回路８３からの超音波駆動信号
は、位相を９０度シフトさせるための移相器８５を経由
して出力インピーダンスを持つ増幅器８９にも入力さ
れ、増幅器８９で増幅された後ラインＱＢに出力され、
ロータリトランス６０との組合せによって電流駆動型高
電圧に変換され、圧電素子４１の駆動電極４１ｂに印加
される。

【００９６】なお、圧電素子４１のモニタ電極４１ｃに
発生した検出信号は、ロータ側を従駆動とした場合には
使用しない。なお、ロータとステータの角度ずれを検知
する場合は、ロータ側およびステータ側の各フィードバ
ック信号を用いて、各信号の位相差を検出することにな
る。

【００９７】周波数制御回路８３は、コンピュータ等か
ら成る外部ホスト装置８０からのコマンドが入力される
と、該コマンドを解析して、周波数制御発振器８２から
の周波数Ｆｓを受けて、周波数Ｆｒを制御する。

【００９８】たとえば、外部ホスト装置８０からのコマ
ンドが回転速度コマンドである場合は、この回転速度に
応じた周波数差ΔＦを保つように発振器８２からの信号
に周波数差ΔＦを加えて、周波数Ｆｒを制御する。する
と、前述のように圧電素子３１、４１は周波数Ｆｓ、Ｆ
ｒの振動を発生し、これらの振動が弾性部材３０、４０
を伝搬して圧接面３０ａ、４０ａで円周方向に沿った変
位成分を持つ回転変位波ＷＡ、ＷＢをそれぞれ発生す
る。圧接面３０ａ、４０ａの回転変位波ＷＡ、ＷＢは周
波数差ΔＦだけシフトしているため、移動側の弾性部材
４０は固定側の弾性部材３０に対して相対的に回転する
ようになり、＋Δｆ時は回転変位波の回転方向に、−Δ
ｆ時はこの逆方向に回転する。この回転トルクは図１に
示す出力軸１０から取り出される。弾性部材４０の回転
速度は、周波数差ΔＦに比例的に変化するため、周波数
制御回路８３が周波数差ΔＦを精度良く制御することに
よって、超音波モータ１の回転速度を高精度で制御する
ことができる。

【００９９】また、周波数Ｆｓ、Ｆｒを一致させて周波
数差ΔＦをゼロに制御することによって、超音波モータ
１は静止するとともに、弾性部材３０、４０の間の圧接
力がモータ保持トルクとして機能するとともに、回転変
位波ＷＡ，ＷＢが互いにロック状態に噛み合うための保
持機能が充実し、ブレーキ機構を省くことができる。

【０１００】外部ホスト装置８０からのコマンドが回転
角コマンドである場合は、回転角コマンドに対応した時
間だけ周波数差ΔＦに対応した所定の回転速度を保持
し、その後周波数Ｆｓ、Ｆｒを一致させることによって
停止する。したがって、ステッピングモータのような回
転角制御も可能になる。

【０１０１】このように周波数制御回路８３は、発振器
８２の信号を受け、周波数Ｆｒを任意に制御することに
よって、超音波モータ１の回転速度、回転角、回転方向
等を自由自在に制御できる。

【０１０２】図１９は、超音波モータの駆動制御回路の
他の例を示すブロック図である。ここでは、ロータを主
駆動、ステータを従駆動とした回路例を示す。

【０１０３】周波数制御発振器８２は、周波数Ｆｒの超
音波駆動信号（たとえば正弦波やパルス波）を出力し、
出力インピーダンスを持つ増幅器８７で増幅された後ラ
インＱＡに出力され、昇圧型ロータリトランス６０との
組合せによって電流駆動型高電圧に変換され、圧電素子
４１の駆動電極４１ａに印加される。さらに、周波数制
御発振器８２の超音波駆動信号は、位相を９０度シフト
させるための移相器８５を経由して増幅器８９にも入力
され、出力インピーダンスを持つ増幅器８９で増幅され
た後ラインＱＢに出力され、昇圧型ロータリトランス６
０との組合せによって電流駆動型高電圧に変換され、圧
電素子４１の駆動電極４１ｂに印加される。

【０１０４】圧電素子４１のモニタ電極４１ｃに発生し
た検出信号は、ラインＱＣを経由して波形整形用のリミ
ッタ回路９０に入力され、さらに周波数制御発振器８２
にフィードバック信号として入力される。周波数制御発
振器８２は、ＶＣＯ（電圧制御発振器）、位相比較器お
よびＬＰＦ（ローパスフィルタ）から成るＰＬＬ（Phas
e Locked Loop）回路等で構成され、自己駆動状態で動
作する。

【０１０５】ステータ側は、周波数制御発振器８２が出
力する周波数Ｆｒの超音波駆動信号に基づいて周波数制
御回路８３が周波数Ｆｓの超音波駆動信号（たとえば正
弦波やパルス波）を出力し、出力インピーダンスを持つ
増幅器８６で増幅された後ラインＰＡに出力され、昇圧
トランス７０との組合せによって電流駆動型高電圧に変
換され、圧電素子３１の駆動電極３１ｂに印加される。
さらに、周波数制御回路８３からの超音波駆動信号は、
位相を９０度シフトさせるための移相器８４を経由して
出力インピーダンスを持つ増幅器８８にも入力され、増
幅器８８で増幅された後ラインＰＢに出力され、昇圧ト
ランス７１との組合せによって電流駆動型高電圧に変換
され、圧電素子３１の駆動電極３１ａに印加される。

【０１０６】また、圧電素子３１のモニタ電極３１ｃに
発生した検出信号は、ステータを従駆動とした場合には
使用しない。なお、ロータとステータの角度ずれを検知
する場合は、ロータ側およびステータ側の各フィードバ
ック信号を用いて、各信号の位相差を検出することにな
る。

【０１０７】周波数制御回路８３は、コンピュータ等か
ら成る外部ホスト装置８０からのコマンドが入力される
と、該コマンドを解析して、周波数制御発振器８２から
の周波数Ｆｒを受けて、周波数Ｆｓを制御する。こうし
て外部ホスト装置８０からのコマンドに応じて超音波モ
ータ１の回転速度、回転角、回転方向等を自由自在に制
御できる。

【０１０８】上述の図１８、図１９の回路構成におい
て、固定側の圧電素子３１の反共振周波数ｆｎｓと略一
致する周波数Ｆｓで圧電素子３１を駆動し、かつ移動側
の圧電素子４１の反共振周波数ｆｎｒと略一致する周波
数Ｆｒで圧電素子４１を駆動することによって、エネル
ギー効率の向上、周波数制御の安定化などを図ることが
できる。

【０１０９】また、増幅器８６〜８９をわずかな出力イ
ンピーダンスを持つ電圧駆動回路で構成し、ロータリト
ランス６０の昇圧比の２乗を出力インピーダンスとし、
積算組合せを各ラインＱＡ、ＱＢに関するインピーダン
ス成分として機能させ、昇圧トランス７０、７１を出力
インピーダンスを有する増幅器と組合せてラインＰＡ、
ＰＢに関するインピーダンス成分として機能させること
によって、圧電素子３１、４１の電流駆動が可能にな
る。この場合の昇圧出力トランスの２次側インダクタン
ス成分と圧電素子Ｃｂとの共振周波数はＦｍ，Ｆｎより
はるかに低い周波数としている。したがって、圧電素子
のインピーダンスＺが最大となる反共振周波数Ｆｎ近傍
で圧電素子を電流駆動することによって、圧電素子への
供給電力が最大になり、圧電素子のエネルギー効率が格
段に向上する。

【０１１０】また以上の説明では、固定側の弾性部材３
０および移動側の弾性部材４０の両方に圧電素子３１、
４１を設けたダブル駆動型の超音波モータの例を示した
が、移動側の弾性部材４０だけに圧電素子４１を設け、
固定側の弾性部材３０には圧電素子３１を設けないシン
グル駆動型の超音波モータについても本発明は適用可能
である。

【０１１１】また以上の説明では、圧電素子３１、４１
をｃｏｓ波およびｓｉｎ波から成る２相の駆動信号で駆
動して回転変位波を発生させる例を示したが、駆動電極
の配置と対応付けした３相以上の駆動信号で駆動して回
転変位波を発生させることも可能である。

【０１１２】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、駆
動電子回路の構成を通して本来圧電駆動素子の有する固
定圧電素子の反共振周波数ｆｎｓと略一致する周波数Ｆ
ｓで固定圧電素子を駆動し、移動圧電素子の反共振周波
数ｆｎｒと略一致する周波数Ｆｒで移動圧電素子を駆動
することによって、エネルギー効率の向上、周波数制御
の安定化などを図ることができる。

【０１１３】また、電圧駆動回路と圧電素子に直列接続
されるインピーダンス成分とを含む電流駆動型回路を用
いることで、圧電素子のインピーダンスＺが最大となる
反共振周波数Ｆｎを正しくつかむことができ、Ｆｎ近傍
で圧電素子を電流駆動することによって、圧電素子への
供給電力が最大になり、圧電素子のエネルギー効率が格
段に向上するとともに、Ｆｎ周波数制御のゲインを増大
し、サーボ系が一段と安定し、さらにサーボ調整箇所が
ないためにドライブ系の無調整化が図れ、生産性が高く
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的な圧電素子の等価回路である。

【図２】圧電素子のインピーダンス周波数特性を示すグ
ラフである。

【図３】超音波モータに搭載された圧電素子の評価回路
の一例である。

【図４】図３の評価回路を用いてＦＢ信号の周波数特性
を測定した結果を示すグラフである。

【図５】入力電力一定時の圧電素子の振動変位およびイ
ンピーダンスの周波数特性を示すグラフである。

【図６】本発明に係る圧電素子の駆動回路の一例を示す
ブロック図である。

【図７】図６の駆動回路を用いて圧電素子の各種の周波
数特性を測定した結果を示すグラフである。

【図８】本発明に係る圧電素子の駆動回路の他の例を示
すブロック図である。

【図９】ＰＬＬ発振器１００の動作を示すタイミングチ
ャートである。

【図１０】定電流化回路として約１０ｍＨのコイルを用
いた場合のＦＢ信号の周波数特性および圧電素子から駆
動回路側をみたインピーダンスＺａを示す実測グラフで
ある。

【図１１】電圧増幅器および出力トランスから成る駆動
回路を用いた場合のＦＢ信号の周波数特性および圧電素
子から駆動回路側をみたインピーダンスＺａを示す実測
グラフである。

【図１２】定電流化回路としてインピーダンス素子Ｚｓ
＝２ｋΩを使用したときのＦＢ信号の周波数特性を示す
実測グラフである。

【図１３】定電流化回路としてインピーダンス素子Ｚｓ
＝１０ｋΩを使用したときのＦＢ信号の周波数特性を示
す実測グラフである。

【図１４】ＦＢ信号の周波数シフト量の変化を実測した
結果を示すグラフである。

【図１５】図１５（ａ）は本発明に係る超音波モータの
一例を示す断面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）
中のロータリトランス６０の拡大断面図である。

【図１６】図１６（ａ）は圧電素子３１の分極状態およ
び電極形状を示す平面図で、図１６（ｂ）は圧電素子３
１の図１６（ａ）とは反対面の電極形状を示す平面図で
ある。

【図１７】回転変位波が発生する様子を示すグラフであ
る。

【図１８】超音波モータの駆動制御回路の一例を示すブ
ロック図である。

【図１９】超音波モータの駆動制御回路の他の例を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１ 超音波モータ １０ 出力軸 １５、１６ ベアリング ２１、２２ ハウジング ３０、４０ 弾性部材 ３０ａ、４０ａ 圧接面 ３１、４１ 圧電素子 ３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂ 駆動電極 ３１ｃ、４１ｃ モニタ電極 ３２、４２ ライナ ４４ 板ばね ６０ ロータリトランス ６１ 固定側コア ６２ 移動側コア ７０、７１ 昇圧トランス ８２ 周波数制御発振器 ８３ 周波数制御回路 ８４、８５ 移相器 ８６〜８９ 増幅器

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H680 AA00 AA06 AA08 BB03 BB16 BB20 BC01 BC08 CC02 CC07 DD01 DD02 DD15 DD23 DD35 DD53 DD55 DD66 DD75 DD85 DD87 DD92 EE03 EE07 EE21 EE24 FF03 FF08 FF21 FF23 FF24 FF25 FF30 FF31 FF33 FF36 FF38 FF40 GG24

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転対称の圧接面を有する固定弾性部材
   と、 固定弾性部材の圧接面に対向した回転対称の圧接面を有
   し、回転対称軸回りに角変位自在に支持された移動弾性
   部材と、 固定弾性部材の圧接面に周波数Ｆｓの回転変位波を発生
   するための固定圧電素子と、 移動弾性部材の圧接面に周波数Ｆｒの回転変位波を発生
   するための移動圧電素子とを備え、 周波数Ｆｓと周波数Ｆｒとの周波数差ΔＦに応じた回転
   速度で移動弾性部材が角変位する超音波モータであっ
   て、 固定圧電素子の反共振周波数ｆｎｓと略一致する周波数
   Ｆｓで固定圧電素子を駆動するための固定側駆動回路
   と、 移動圧電素子の反共振周波数ｆｎｒと略一致する周波数
   Ｆｒで移動圧電素子を駆動するための移動側駆動回路と
   を備えることを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 固定側駆動回路および移動側駆動回路の
   駆動周波数Ｆｓ、Ｆｒの基準となる基準周波数を出力す
   る発振回路と、 固定圧電素子または移動圧電素子の表面に設けられ、い
   ずれか一方の振動波形を検出するためのモニタ電極とを
   備え、 発振回路の発振波形とモニタ電極からの検出波形との位
   相差が所定値となるように発振回路の基準周波数を制御
   するフィードバックループが構成されていることを特徴
   とする請求項１記載の超音波モータ。
3. 【請求項３】 固定側駆動回路および移動側駆動回路
   は、電圧駆動回路と圧電素子に直列接続されるインピー
   ダンス素子とを含む電流駆動型回路で構成されることを
   特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
4. 【請求項４】 インピーダンス素子のインピーダンスを
   Ｚｓ、圧電素子の最大インピーダンスをＺｍａｘ、圧電
   素子の最小インピーダンスをＺｍｉｎとして、Ｚｓ＝Ｋ
   ・√（Ｚｍａｘ・Ｚｍｉｎ）という関係式において、係
   数Ｋ≧２が成立するようにインピーダンスＺｓが選ばれ
   ることを特徴とする請求項３記載の超音波モータ。
5. 【請求項５】 電圧駆動回路と、圧電素子に直列接続さ
   れるインピーダンス素子とを含む電流駆動型回路で構成
   され、 インピーダンス素子のインピーダンスをＺｓ、圧電素子
   の最大インピーダンスをＺｍａｘ、圧電素子の最小イン
   ピーダンスをＺｍｉｎとして、Ｚｓ＝Ｋ・√（Ｚｍａｘ
   ・Ｚｍｉｎ）という関係式において、係数Ｋ≧２が成立
   するようにインピーダンスＺｓが選ばれることを特徴と
   する圧電素子の駆動回路。