JP2001103770A

JP2001103770A - 超音波モータ及びその駆動方法

Info

Publication number: JP2001103770A
Application number: JP27440199A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Shibatani; 一弘柴谷
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2001-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の圧電素子１０，１０’を用いた超音波
モータ（トラス型アクチュエータ）において、各圧電素
子１０，１０’の共振周波数にばらつきがある場合であ
っても、最適な条件で超音波モータを駆動し、駆動効率
を一定で、かつできるだけ高くする。【解決手段】第１圧電素子１０及び第２圧電素子１
０’の共振周波数をＣＰＵ５２、位相検出部５８、ＵＰ
／ＤＯＷＮカウンタ６１等で構成される共振周波数検出
部で検出し、両者の大小を判定して、第３スイッチＳＷ
３による駆動周波数制御信号を切り替える。また、第１
及び第２電流検出器５６，５７、変位比較判定部５９等
で構成される変位量検出部により、第１圧電素子１０と
第２圧電素子１０’の変位量の差を検出し、その差が０
となるようにＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１のカウント値
を増減させる信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子等の変位
素子を用いたアクチュエータ、特に複数の変位素子の変
位を合成して楕円運動を発生させるトラス型アクチュエ
ータや進行波型モータ等の超音波モータにおいて、各変
位素子の変位量が等しくなる周波数を検出し、その周波
数で駆動する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】トラス型アクチュエータや進行波型モー
タ等の複数の変位素子を用いた超音波モータでは、周波
数が同一で位相の異なる複数の駆動信号を用いて各変位
素子を駆動する。ところで、圧電素子等を用いた変位素
子はその変位量が小さいため、変位素子を効率良く駆動
するためには、共振現象を用いて駆動することが好まし
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電素
子等の変位素子は、その製造時のばらつきや組立時のば
らつき等により共振周波数特性に個体差を有する。ま
た、複数の変位素子を用いて超音波モータを製造する場
合、超音波モータの構成により、さらに各変位素子の共
振周波数が変化する。一方、変位素子を保持するベース
部材又はチップ部材の設計（質量調整等）を工夫するこ
とにより、複数の変位素子の共振周波数を近似させるこ
とは可能であるが、完全に一致させることは非常に困難
である。

【０００４】また、共振周波数は負荷変動や環境条件の
変化により変動するため、共振周波数の変動の影響によ
り駆動効率が一定にならないという問題点を有してい
た。

【０００５】さらに、トラス型アクチュエータ等の超音
波モータの用途拡大に伴い、その小型化が望まれてい
る。一般に、小さな素子で大きな変位を得るには、素子
の機械的Ｑ値を大きくすればよいが、圧電素子等では駆
動信号の周波数が共振周波数から外れると、急激に変位
量が減少する。従って、複数の変位素子の共振周波数の
ずれは、各変位素子の変位量に影響し、被駆動部材の駆
動効率を低下させるという問題点を有していた。

【０００６】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、複数の変位素子の共振周波数がずれ
ている場合であっても、各変位素子の変位量が等しくな
る周波数を検出し、その周波数で駆動する超音波モータ
及びその駆動方法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の超音波モータは、複数の変位素子を含み、
前記複数の変位素子のうち少なくとも２つの変位素子の
変位量が一致する周波数を検出し、当該周波数で前記各
変位素子を駆動することを特徴とする。

【０００８】上記構成において、前記少なくとも２つの
変位素子の変位量が一致する周波数が複数ある場合に、
前記複数の周波数のうち最適な周波数を選択して前記各
変位素子を駆動することが好ましい。

【０００９】また、本発明の別の超音波モータは、複数
の変位素子と、前記複数の変位素子を駆動するために、
周波数が同じで所定の位相差を有する複数の駆動信号を
発生する駆動信号発生手段と、前記少なくとも２つの変
位素子の変位量を検出すると共に、検出した変位量の大
小を比較する変位量検出手段と、前記変位量検出手段に
よる検出結果に応じて、前記少なくとも２つの変位素子
の変位量が一致するように前記駆動信号発生手段による
駆動信号の周波数を制御する周波数制御手段を具備す
る。

【００１０】上記構成において、前記複数の変位素子の
うち少なくとも２つの変位素子の共振周波数を検出する
と共に、検出した共振周波数の大小を判別する共振周波
数検出手段をさらに具備し、前記周波数制御手段は、前
記共振周波数の大小及び前記変位量の大小に応じて、前
記駆動信号の周波数の増減を制御することが好ましい。

【００１１】また、前記共振周波数検出手段は各変位素
子に流れる電流を検出する電流検出手段を含み、共振周
波数検出の対象となる変位素子に印加される駆動信号の
電圧と当該変位素子に流れる電流の位相差を検出し、当
該変位素子の共振周波数を検出することが好ましい。

【００１２】さらに、前記変位量検出手段は各変位素子
に流れる電流を検出する電流検出手段を含み、変位量検
出の対象となる変位素子に流れる電流値から、当該変位
素子の変位量を演算することが好ましい。

【００１３】上記各構成において、各変位素子の先端部
にそれぞれ結合され、各変位素子の変位を合成するため
の変位合成部をさらに含み、各変位素子及び変位合成部
でトラス型アクチュエータを構成し、変位合成部が楕円
運動を行うように各変位素子を駆動することが好まし
い。

【００１４】また、変位素子は複数の圧電素子を電極を
介して積層したものであることが好ましい。

【００１５】または、変位素子は圧電素子と弾性体を含
み、弾性体を共振させることが好ましい。

【００１６】一方、本発明の超音波モータの駆動方法
は、複数の変位素子を位相差を有する複数の駆動信号で
それぞれ駆動し、被駆動部材を所定方向に移動させる超
音波モータの駆動方法であって、前記複数の変位素子の
うち少なくとも２つの変位素子の変位量が等しくなる周
波数を検出し、当該周波数で前記各駆動部材を駆動する
ことを特徴とする。

【００１７】上記方法において、前記少なくとも２つの
変位素子の変位量が一致する周波数が複数ある場合に、
前記複数の周波数のうち最適な周波数を選択して前記各
変位素子を駆動することが好ましい。

【００１８】また、前記複数の変位素子のうち少なくと
も２つの変位素子の共振周波数を検出すると共に検出し
た共振周波数の大小を判別し、前記共振周波数の大小及
び前記変位量の大小に応じて前記駆動信号の周波数の増
減を制御することが好ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】第１の実施形態本発明の超音波モータについて、第１の実施形態である
トラス型アクチュエータを例にして説明する。まず、本
実施形態において変位素子として用いる積層型圧電素子
の構成を図１に示す。図１に示すように、積層型圧電素
子１０は、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック
薄板１１と電極１２，１３を交互に積層したものであ
り、各セラミック薄板１１と電極１２，１３とは接着剤
等により固定されている。１つおきに配置された各電極
群１２及び１３は、それぞれ信号線１４，１５を介して
駆動電源１６に接続されている。信号線１４と１５の間
に所定の電圧を印加すると、電極１２と１３に挟まれた
各セラミック薄板１１には、その積層方向に電界が発生
し、その電界は１つおきに同じ方向である。従って、各
セラミック薄板１１は、１つおきに分極の方向が同じに
なる（隣り合う２つのセラミック薄板１１の分極方向は
逆となる）ように積層されている。なお、積層型圧電素
子１０の両端部には、保護層１７が設けられている。

【００２０】駆動電源１６により直流の駆動電圧を各電
極１２と１３の間に印加すると、全てのセラミック薄板
１１が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１０全体として
伸縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる
領域では、各電極１２と１３の間に発生する電界と圧電
素子１０の変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことがで
きる。この様子を図２に示す。図中、横軸は電界強度
を、縦軸は歪み率を表す。

【００２１】次に、駆動電源１６により交流の駆動電圧
（交流信号）を各電極１２と１３の間に印加すると、そ
の電界に応じて各セラミック薄板１１は同方向に伸縮を
繰り返し、圧電素子１０全体として伸縮を繰り返す。圧
電素子１０には、その構造や電気的特性により決定され
る固有の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波
数が圧電素子１０の共振周波数と一致すると、インピー
ダンスが低下し、圧電素子１０の変位が増大する。圧電
素子１０は、その外形寸法に対して変位が小さいため、
低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用する
ことが望ましい。

【００２２】次に、本実施形態のトラス型アクチュエー
タ（以下、単にアクチュエータと称する）の構成を図３
に示す。図３に示すように、２つの変位素子（積層型の
第１圧電素子及び第２圧電素子）１０，１０’を略直角
に交差させて配置し、それらの交差側端部にチップ部材
（変位合成部）２０を接着剤により接合している。一
方、第１及び第２圧電素子１０，１０’の他端部をベー
ス部材（固定部）３０に接着剤により接合している。チ
ップ部材２０の材料としては、安定して高い摩擦係数が
得られ、かつ耐摩耗性に優れた超硬合金（タングステン
・カーバイド等）が好ましい。ベース部材３０の材料と
しては、製造が容易で、かつ強度に優れたステンレス鋼
等が好ましい。また、接着剤としては、接着力及び強度
に優れたエポキシ系樹脂等が好ましい。なお、第１圧電
素子１０及び第２圧電素子１０’は図１に示す圧電素子
１０と実質的に同一である。ベース部材３０はばね４１
により付勢されており、ばね４１の付勢力によりチップ
部材２０はロータ４０とが所定の圧力で接触する。

【００２３】圧電素子１０，１０’をそれぞれ所定の位
相差を有する駆動信号で駆動すると、チップ部材２０は
楕円形（円形を含む）の軌跡を描くように駆動される。
このチップ部材２０を、例えば所定の軸の周りに回転可
能なロータ４０の円筒面に押しつけると、チップ部材２
０の楕円運動（円運動を含む）をロータ４０の回転運動
に変換することが可能となる。または、チップ部材２０
を、例えば棒状部材（図示せず）の平面部に押しつける
ことにより、チップ部材２０の楕円運動を棒状部材の直
線運動に変換することが可能となる。ロータ４０の材料
としては、アルミニウム等の軽量金属が好ましく、チッ
プ部材２０との摩擦による摩耗を防止するため、表面に
アルマイト等の処理を施すことが好ましい。あるいは、
鉄材にタフトライド（窒化処理）を施したものも有効で
ある。

【００２４】次に、ロータ４０とチップ部材２０を完全
剛体としたときのアクチュエータによるロータ４０の回
転原理について説明する。第１圧電素子１０及び第２圧
電素子１０’に印加する正弦波電圧の周波数（圧電素子
の駆動周波数）が小さく、チップ部材２０の回転速度が
遅い場合、ばね４１の付勢力によりアクチュエータ自体
がチップ部材２０の変位に追従してしまい、チップ部材
２０はロータ４０の表面から離反することはなく、ロー
タ４０の表面と接触した状態で往復駆動される。従っ
て、この場合ロータ４０を回転させることはできない。

【００２５】これに対して、第１圧電素子１０及び第２
圧電素子１０’に印加する正弦波電圧の周波数が大き
く、チップ部材２０の回転速度が速い場合、ばね４１の
付勢力によってはアクチュエータ自体がチップ部材２０
の変位に追従できず、チップ部材２０がロータ４０の表
面から一時的に離反する状態が生まれる。従って、チッ
プ部材２０がロータ４０の表面から離反している間にチ
ップ部材２０を所定方向に移動させ、チップ部材２０が
ロータ４０の表面に接触している間に所定方向と反対の
方向に移動させることにより、ロータ４０を回転させる
ことができる。この状態を図４に示す。

【００２６】図４において、（ａ）及び（ｅ）は第１圧
電素子１０及び第２圧電素子１０が共に伸び、チップ部
材２０がロータ４０の表面に接触した状態、（ｂ）は第
１圧電素子１０が縮み第２圧電素子１０’が伸び、チッ
プ部材２０がロータ４０の表面から離反した状態、
（ｃ）は第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０が共に
縮み、チップ部材２０がロータ４０の表面から離反した
状態、（ｄ）は第１圧電素子１０が伸び第２圧電素子１
０’が縮んでいるが、アクチュエータがチップ部材２０
の動きに追いつき、チップ部材２０がロータ４０の表面
に接触した状態を示す。図４からわかるように、チップ
部材２０がロータ４０の表面から離反することにより、
ロータ４０を回転させることができる。なお、チップ部
材２０をロータ４０の表面から離反させるための条件
は、本発明の本質部分とは直接関係がないので、その説
明を省略する。

【００２７】次に、第１圧電素子１０及び第２圧電素子
１０’を駆動するための駆動信号について説明する。互
いに直交する独立した２つの運動を合成すると、その交
点は楕円振動の式（Lissajousの式）に従った軌跡を描
く。本実施形態のアクチュエータにおいても、第１圧電
素子１０及び第２圧電素子１０’を駆動するための駆動
信号の振幅や位相差を変化させることにより、種々の軌
跡を得ることができる。各駆動信号の振幅を等しくした
場合において、各駆動信号間の位相差を０°、４５°、
９０°、１３５°及び１８０°とした場合の軌跡をそれ
ぞれ図５の（ａ）〜（ｅ）に示す。

【００２８】このように、チップ部材２０の軌跡を制御
することにより、ロータ４０の回転方向、回転速度、回
転力（トルク）等を制御することができる。具体的に
は、ロータ４０に対してその接線方向におけるチップ部
材２０の軌跡の径を大きくすれば回転速度が上昇する。
また、ロータ４０に対してその法線方向におけるチップ
部材２０の軌跡の径を大きくすれば回転力が上昇する。
さらに、一方の駆動信号の位相を反転すれば回転方向を
反転させることができる。

【００２９】次に、圧電素子の共振特性について説明す
る。図６中、（ａ）は圧電素子の駆動信号の周波数（以
下、単に「周波数」とする）の変化に対するインピーダ
ンスの変化を、（ｂ）は周波数の変化に対する入力電圧
と圧電素子に流れる電流の位相差の変化を、（ｃ）は周
波数の変化に対する圧電素子の変位量の変化を表し、そ
れぞれ横軸を周波数とする。

【００３０】各図の左側から右側に順に注目してゆく。
周波数を徐々に大きくすると、インピーダンスが低下
し、それに伴って圧電素子の変位量が増加する。電圧と
電流の位相差は、通常電流の方が９０度進んでいるが、
共振周波数ｆ_rに近づくと急激に位相差が小さくなる。
周波数が共振周波数ｆ_rになると、インピーダンスが最
低となり、電圧と電流の位相差が０となる。また、圧電
素子の変位量は最大となる。

【００３１】周波数が共振周波数ｆ_rよりも大きくなる
と、インピーダンスが急激に増加し、電流の位相が電圧
の位相よりも遅れるようになる。一方、圧電素子の変位
量は、共振周波数ｆ_rの時をピークとして徐々に減少す
る。周波数がさらに大きくなると、電圧と電流の位相差
がほぼ一定となり、安定する周波数領域が存在する。

【００３２】周波数がさらに大きくなると、電圧と電流
の位相差が小さくなり、反共振周波数ｆ_aの時に、両者
の位相差が０となる。このとき、インピーダンスが最大
となる。周波数が反共振周波数ｆ_aよりも大きくなる
と、インピーダンスが徐々に減少し、電流の位相が電圧
の位相に対して進むようになり、９０度進んだ状態で安
定する。このように、共振周波数ｆ_rの近傍では、入力
電圧の位相と圧電素子に流れる電流の位相の関係（位相
差）が急激に変化することがわかる。

【００３３】例えば、第１圧電素子１０と第２圧電素子
１０’の共振周波数が一致し、かつインピーダンスが揃
っていれば、駆動信号の周波数を共振周波数に一致させ
ても、第１圧電素子１０と第２圧電素子１０’の変位
量、電圧と電流の位相も同様に変化する。従って、電圧
の振幅が等しく、かつ位相差が９０度の２つの駆動信号
を第１圧電素子１０と第２圧電素子１０’に入力する
と、チップ部材２０が円形の軌跡を描くように駆動され
る。

【００３４】ところが、実際には圧電素子の製造上のば
らつきや組立時のばらつき等により第１圧電素子１０と
第２圧電素子１０’の共振周波数やインピーダンスに差
が生じる場合が多い。図７に共振周波数やインピーダン
ス等の特性の異なる２つの圧電素子の共振特性を示す。
図７中、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は図６の場合と同様
である。また、実線は第１圧電素子１０の共振特性を示
し、破線は第２圧電素子１０’の共振特性を表すものと
する。

【００３５】図７中実線で示す第１圧電素子１０の共振
周波数ｆ_r1に着目すると、第１圧電素子１０の変位量は
最大であるのに対し、周波数ｆ_r1は第２圧電素子１０’
の共振周波数ｆ_r2以下であるため、第２圧電素子１０’
の変位量は最大値には達していない。第１圧電素子１０
及び第２圧電素子１０’をそれぞれ第１圧電素子１０の
共振周波数ｆ_r1の駆動信号で駆動すると、第１圧電素子
１０の変位量（共振状態）は第２圧電素子１０’の変位
量（非共振状態）よりも大きくなる。この場合、図８
（ａ）に示すように、チップ部材２０の軌跡は、第１圧
電素子１０の変位方向を長軸とする楕円形となる。チッ
プ部材２０がこのような楕円軌跡を描く場合、ロータ４
０は時計方向には回転しやすいが、反時計方向には回転
しにくい。

【００３６】同様に、図７中破線で示す第２圧電素子１
０’の共振周波数ｆ_r2に着目すると、第２圧電素子１
０’の変位量は最大であるのに対し、周波数ｆ_r2は第１
圧電素子１０の共振周波数ｆ_r1を超えているため、第１
圧電素子１０の変位量は最大値よりも低下している。第
１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’をそれぞれ第２
圧電素子１０’の共振周波数ｆ_r2の駆動信号で駆動する
と、第２圧電素子１０’の変位量（共振状態）は第１圧
電素子１０の変位量（非共振状態）よりも大きくなる。
この場合、図８（ｂ）に示すように、チップ部材２０の
軌跡は、第２圧電素子１０’の変位方向を長軸とする楕
円形となる。チップ部材２０がこのような楕円軌跡を描
く場合、ロータ４０は反時計方向には回転しやすいが、
時計方向には回転しにくい。

【００３７】そこで、図７（ｃ）において第１圧電素子
１０と第２圧電素子１０’の変位量が等しくなる周波数
ｆ₃で駆動する方法が考えられる。一般的に、複数の変
位素子を用いる超音波モータ等においては、各変位素子
の共振周波数ができるだけ一致するように調整されてい
る。従って、第１圧電素子１０の変位特性と第２圧電素
子１０’の変位特性は近似していると考えられ、両者の
変位量が一致する周波数ｆ₃も各圧電素子の共振周波数
ｆ_r1及びｆ_r2に近い値であると考えられる。第１圧電素
子１０及び第２圧電素子１０’を両者の変位量が一致す
る周波数ｆ₃で駆動することにより、各回転方向におけ
る駆動効率をほぼ同程度で、かつほぼ最大値にすること
が可能である。

【００３８】一方、前述のように共振周波数は負荷変動
や環境条件の変化により変動するため、共振周波数の変
動の影響により駆動効率が一定にならない可能性があ
る。そこで、本実施形態では、共振周波数が変動しても
第１圧電素子１０と第２圧電素子１０’の変位量を等し
く保つために、第１圧電素子１０と第２圧電素子１０’
の変位量が一致する周波数を検出し、駆動周波数をその
周波数に追従させるように駆動信号の周波数を制御す
る。

【００３９】第１圧電素子１０と第２圧電素子１０’の
変位量が一致する周波数を検出するために、まず第１圧
電素子１０の変位量Ｘ１及び第２圧電素子１０’の変位
量Ｘ２の測定方法について説明する。圧電素子の等価回
路を図９に示す。

【００４０】圧電素子の変位量は機械腕に流れる電流Ｉ
ｍに比例する。従って、機械腕に流れる電流Ｉｍを測定
することにより、圧電素子の変位量を知ることができ
る。一方、圧電素子の等価回路は機械腕と電気腕の並列
回路であり、機械腕に流れる電流Ｉｍを直接測定するこ
とはできない。そこで、圧電素子に直列に抵抗Ｒａを接
続し、抵抗Ｒａによる電圧降下から電流値（Ｉｍ＋Ｉ
ｄ）を測定する。

【００４１】抵抗Ｒａにより求めた電流値には圧電素子
の電気腕に流れる電流値Ｉｄが含まれるため、機械腕に
流れる電流値Ｉｍを正確には反映していないが、圧電素
子の駆動周波数が共振周波数に近い場合は、このように
して求めた電流値と圧電素子の変位量は非常に近似して
いる。機械腕に流れる電流値Ｉｍを正確に知りたい場合
は、あらかじめ電気腕の静電容量Ｃｄを測定しておき、
電気腕に流れる電流値Ｉｄを算出し、抵抗Ｒａにより求
めた電流値（Ｉｍ＋Ｉｄ）から電流値Ｉｄを差し引けば
よい。

【００４２】以上のようにして求めた第１圧電素子１０
の変位量Ｘ１及び第２圧電素子１０’の変位量Ｘ２を比
較し、両者が一致する周波数を求める。ここで、図７
（ｃ）に示すように、第１圧電素子１０の共振周波数ｆ
_r1の方が第２圧電素子１０’の共振周波数ｆ_r2よりも小
さい場合（ｆ_r1＜ｆ_r2）と、逆に第１圧電素子１０の共
振周波数ｆ_r1の方が第２圧電素子１０’の共振周波数ｆ
_r2よりも大きい場合（ｆ _r1＞ｆ_r2）とがある。このよう
な共振周波数の特性は、実際に超音波モータを組み立て
ることにより決定される。従って、超音波モータの組立
後に共振周波数特性を測定しなければならない。

【００４３】次に、本実施形態の駆動回路のブロック構
成を図１０に示す。図中ほぼ中央に位置する電圧制御発
振器（ＶＣＯ）５０は、後述するように周波数可変であ
り、所定の周波数で正弦波信号を発生（発振）する。位
相制御部５１は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）５０からの
正弦波信号に対して、所定角度だけ位相がずれた正弦波
信号を発生する。

【００４４】電圧制御発振器（ＶＣＯ）５０及び位相制
御部５１からの各正弦波信号は、第５スイッチＳＷ５を
介して第１増幅器５３及び第２増幅器５４に入力され
る。第５スイッチＳＷ５は、ロータ４０の回転方向を制
御するためのものであり、第１増幅器５３及び第２増幅
器５４に入力する正弦波信号の位相の進み／遅れを制御
する。第１増幅器５３及び第２増幅器５４は、それぞれ
互いに位相のずれた２つの正弦波信号の振幅を増幅し、
第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’に印加する。

【００４５】第１電流検出器５６及び第２電流検出器５
７は、それぞれ第１圧電素子１０及び第２圧電素子１
０’に直列に挿入された抵抗Ｒ₁，Ｒ₂に流れる電流を検
出する。第１電流検出器５６及び第２電流検出器５７に
よる検出結果である電流信号は、位相制御部５１及び変
位比較判定部５９に直接入力されると共に、第２スイッ
チＳＷ２を介して位相検出部５８に入力される。第２ス
イッチＳＷ２は、第１圧電素子１０に流れる電流値Ｉ１
と第２圧電素子１０’に流れる電流値Ｉ２を切り替えて
位相検出部５８に入力するためのものであり、第１電流
検出器５６及び第２電流検出器５７からの電流信号のう
ち位相検出部５８に入力する信号を選択する。

【００４６】圧電素子の特性として、駆動信号の周波数
が共振周波数よりも小さい場合及び反共振周波数よりも
大きい場合、圧電素子に流れる電流の位相は駆動信号の
電圧の位相よりも進んでいる。電流と電圧の位相差は共
振周波数及び反共振周波数の近傍で急激に変化し、駆動
信号の周波数が共振周波数又は反共振周波数と一致した
ときに両者の位相差は０となる。また、駆動信号の周波
数が共振周波数と反共振周波数の間では、電流の位相の
方が電圧の位相よりも遅れている。従って、電圧制御発
振器（ＶＣＯ）５０又は位相制御部５１により発生した
正弦波信号の電圧の位相と第１電流検出器５６又は第２
電流検出器５７により検出した電流の位相を比較し、両
者が一致するように正弦波信号の周波数を制御すること
により、第１圧電素子１０又は第２圧電素子１０’を共
振駆動することができる。

【００４７】位相検出部５８は、電圧制御発振器（ＶＣ
Ｏ）５０又は位相制御部５１による各正弦波信号の電圧
の位相と第１電流検出器５６又は第２電流検出器５７に
より検出した電流の位相を比較し、電流の位相が進んで
いる場合はＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１をカウントアッ
プする信号を出力し、電流の位相が遅れている場合はＵ
Ｐ／ＤＯＷＮカウンタ６１をカウントダウンする信号を
出力する。

【００４８】変位比較判定部５９は、第１電流検出器５
６及び第２電流検出器５７の出力から第１圧電素子１０
の変位量Ｘ１及び第２圧電素子１０’の変位量Ｘ２を演
算すると共に、両者の差ΔＸ（ΔＸ＝Ｘ１−Ｘ２）を演
算する。現在の駆動信号の周波数が、第１圧電素子１０
の変位量と第２圧電素子１０’の変位量とが一致する周
波数ｆ₃よりも低いときは、Ｘ１−Ｘ２＞０、すなわち
ΔＸ＞０となる。一方、現在の駆動信号の周波数が、第
１圧電素子１０の変位量と第２圧電素子１０’の変位量
とが一致する周波数ｆ₃よりも高いときは、Ｘ１−Ｘ２
＜０、すなわちΔＸ＜０となる。従って、変位比較判定
部５９は、ΔＸ＞０の場合ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１
をカウントアップする信号を出力し、ΔＸ＜０の場合は
ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１をカウントダウンする信号
を出力する。

【００４９】なお、後述するように第１圧電素子１０の
共振周波数ｆ_r1と第２圧電素子１０’の共振周波数ｆ_r2
の大小関係により、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１のカウ
ントアップ及びカウントダウンが逆転する。そのため、
変位比較判定部５９の出力は２方向に分けられ、一方は
インバータ６０に接続された後、それぞれ第３スイッチ
ＳＷ３に入力される。第３スイッチＳＷ３は、駆動信号
の周波数追従動作における制御信号をカウントアップか
カウントダウンのいずれかに切り替えるためのものであ
る。

【００５０】ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１は、位相検出
部５８又は変位比較判定部９５からの信号に応じてクロ
ック発生部６２により発生されるクロック信号のカウン
ト値を増減する。ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１のカウン
ト値（ディジタル信号）は、Ｄ／Ａコンバータ（Ｄ／
Ａ）６３によりアナログ信号に変換され、電圧制御発振
器（ＶＣＯ）５０に入力される。電圧制御発振器（ＶＣ
Ｏ）５０は、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１のカウント値
に応じた周波数の正弦波信号を発生する。すなわち、カ
ウントアップすれば周波数が増加し、カウントダウンす
れば周波数は減少する。

【００５１】なお、第１スイッチＳＷ１は、第１圧電素
子１０及び第２圧電素子１０’の各共振周波数の検出動
作と第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’の各変位
量が一致するように駆動信号の周波数を追従させる動作
を切り替えるためのものである。また、第４スイッチＳ
Ｗ４は、位相検出部５８にフィードバックする信号とし
て、電圧制御発振器（ＶＣＯ）５０からの出力信号か位
相制御部５１による所定の位相差を有する信号のいずれ
かに切り替えるためのものである。第１スイッチＳＷ１
から第５スイッチＳＷ５はそれぞれＣＰＵ５２により制
御される。

【００５２】次に、本実施形態において、第１圧電素子
１０と第２圧電素子１０’の変位量が一致する周波数を
検出し、駆動信号の周波数をその周波数に追従させるた
めの動作を図１１に示すフローチャートを用いて説明す
る。

【００５３】まず、ＣＰＵ５２は、第１スイッチＳＷ１
を位相検出部５８側に切り替え（端子ａとｃを接続）、
位相検出部５８とＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１とを接続
する（ステップ＃１）。次に、ＣＰＵ５２は、第４スイ
ッチＳＷ４を電圧制御発振器（ＶＣＯ）５０側に切り替
え（端子ａとｃを接続）、電圧制御発振器（ＶＣＯ）５
０からの正弦波信号を位相検出部５８に入力させる（ス
テップ＃３）。さらに、ＣＰＵ５２は、第２スイッチＳ
Ｗ２を第１電流検出器５６側に切り替え（端子ａとｃを
接続）、第１電流検出器５６による検出信号を位相検出
部５８に入力させる（ステップ＃５）。これにより、位
相検出部５８は、第１圧電素子１０に供給される駆動信
号の電圧と第１圧電素子１０に流れる電流の位相差を比
較することが可能となる。

【００５４】次に、ＣＰＵ５２は、位相検出部５８、Ｕ
Ｐ／ＤＯＷＮカウンタ６１、電圧制御発振器（ＶＣＯ）
５０等を制御して、第１圧電素子１０の共振周波数ｆ_r1
を検出する（ステップ＃７）。第１圧電素子１０の共振
周波数ｆ_r1の検出方法の一例として、電圧制御発振器
（ＶＣＯ）５０によりあらかじめ設定されている周波数
の駆動信号を発生させる。次に、位相検出部５８により
第１圧電素子１０に供給される駆動信号の電圧と第１圧
電素子１０に流れる電流の位相差を比較し、比較結果に
応じてＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１をカウントアップ又
はカウントダウンし、最終的に電圧の位相と電流の位相
の位相差が０になるまで、これらの動作を繰り返す。そ
して、位相差が０になったときの駆動信号の周波数を第
１圧電素子１０の共振周波数ｆ_r1とする。第１圧電素子
１０の共振周波数ｆ_r1が検出されると、ＣＰＵ５２は第
１圧電素子１０の共振周波数ｆ_r1を読み込み、メモリに
一時的に記憶する（ステップ＃９）。

【００５５】第１圧電素子１０の共振周波数ｆ_r1が検出
されると、ＣＰＵ５２は、第４スイッチＳＷ４を位相制
御部５１側に切り替え（端子ｂとｃを接続）、位相制御
部５１からの正弦波信号を位相検出部５８に入力させる
（ステップ＃１１）。さらに、ＣＰＵ５２は、第２スイ
ッチＳＷ２を第２電流検出器５７側に切り替え（端子ｂ
とｃを接続）、第２電流検出器５７による検出信号を位
相検出部５８に入力させる（ステップ＃１３）。これに
より、位相検出部５８は、第２圧電素子１０’に供給さ
れる駆動信号の電圧と第２圧電素子１０’に流れる電流
の位相差を比較することが可能となる。

【００５６】次に、ＣＰＵ５２は、位相検出部５８、Ｕ
Ｐ／ＤＯＷＮカウンタ６１、電圧制御発振器（ＶＣＯ）
５０等を制御して、第２圧電素子１０’の共振周波数ｆ
_r2を検出する（ステップ＃１５）。第２圧電素子１０’
の共振周波数ｆ_r2の検出方法は、上記第１圧電素子１０
の場合と同様である。第２圧電素子１０’の共振周波数
ｆ_r2が検出されると、ＣＰＵ５２は第２圧電素子１０’
の共振周波数ｆ_r2を読み込み、メモリに一時的に記憶す
る（ステップ＃１７）。

【００５７】第１圧電素子１０の共振周波数ｆ_r1及び第
２圧電素子１０’の共振周波数ｆ_r2がそれぞれ検出され
ると、ＣＰＵ５２は両者の大小を比較する（ステップ＃
１９）。第１圧電素子１０の共振周波数ｆ_r1が第２圧電
素子１０’の共振周波数ｆ_r2よりも大きい場合（ステッ
プ＃１９でＹＥＳ）、ＣＰＵ５２は第３スイッチＳＷ３
を変位比較判定部５９側に切り替える（端子ａとｃを接
続：ステップ＃２１）。一方、第２圧電素子１０’の共
振周波数ｆ_r2が第１圧電素子１０の共振周波数ｆ_r1より
も大きい場合（ステップ＃１９でＮＯ）、ＣＰＵ５２は
第３スイッチＳＷ３をインバータ６０側に切り替える
（端子ｂとｃを接続：ステップ＃２３）。さらに、ＣＰ
Ｕ５２は第１スイッチＳＷ１を変位比較判定部５９側に
切り替え（端子ｂとｃを接続）、第１圧電素子１０の変
位量Ｘ１と第２圧電素子１０’の変位量Ｘ２が等しくな
る周波数ｆ₃の検出を行う。

【００５８】第１圧電素子１０の変位量Ｘ１と第２圧電
素子１０’の変位量Ｘ２が等しくなる周波数ｆ₃を検出
するために、まず、変位比較判定部５９により、第１電
流検出器５６及び第２電流検出器５７の出力信号（電流
信号）から第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’の
変位量Ｘ１及びＸ２を演算する。次に、変位比較判定部
５９は、ΔＸ＝Ｘ１−Ｘ２を演算し、ΔＸが０となるよ
うにＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１をカウントアップ又は
カウントダウンする。この動作を繰り返すことにより、
第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’を、それぞれ
変位量が等しくなる周波数で駆動することができ、回転
方向に関わらず、超音波モータの駆動効率を可能な限り
最大にすることができる。

【００５９】なお、図７に示す圧電素子の共振特性は、
２つの圧電素子の機械的品質計数であるＱ値が比較的一
致している場合であった。ところが、図１２及び図１３
に示すように、２つの圧電素子のＱ値の差が大きい場合
も起こりうる。図１２は、第２圧電素子１０’のＱ₂値
が第１圧電素子１０のＱ₁値よりも小さく、かつ第２圧
電素子１０’の共振周波数ｆ_r2の方が第１圧電素子１０
の共振周波数ｆ_r1よりも高い場合を示す。図１３は、第
２圧電素子１０’のＱ₂値が第１圧電素子１０のＱ₁値よ
りも小さく、かつ第１圧電素子１０の共振周波数ｆ_r1の
方が第２圧電素子１０’の共振周波数ｆ_r2よりも高い場
合を示す。なお、第１圧電素子１０のＱ ₁値が第２圧電
素子１０’のＱ₂値よりも小さい場合、実線と破線の関
係が逆になるだけであるため、図示を省略する。

【００６０】Ｑ値が小さいと、各図中破線で示すよう
に、共振周波数での変位量が小さくなり、周波数に対す
る変位特性曲線はなだらかになる。この場合、第１圧電
素子１０の変位量Ｘ１と第２圧電素子１０’の変位量Ｘ
２が一致する周波数がｆ₃とｆ₃’の２箇所に存在する。
言うまでもなく、各共振周波数ｆ_r1，ｆ_r2に近く、かつ
変位量の大きい方の周波数（図１２の場合周波数ｆ₃、
図１３の場合周波数ｆ₃’）で駆動することが望まし
い。

【００６１】図１１に示すフローチャートによれば、ス
テップ＃１５で駆動信号の周波数は第２圧電素子１０’
の共振周波数ｆ_r2に設定されている。図１２に示す例で
は、ｆ₃＞ｆ_r2＞ｆ_r1であり、かつΔＸ＝Ｘ１−Ｘ２＞
０である。この条件で、図１１に示すフローチャートに
従えば、ｆ_r2＞ｆ_r1であるので、ステップ＃２１で第３
スイッチＳＷ３が変位比較判定部５９側に切り替えられ
る。また、ΔＸ＞０なので変位比較判定部５９からカウ
ントアップ信号が出力され、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６
１がカウントアップされ、駆動信号の周波数がｆ_r2から
ｆ₃に収束される。

【００６２】一方、図１３に示す例では、ｆ₃’＜ｆ_r2
＜ｆ_r1であり、かつΔＸ＞０である。この条件で、図１
１に示すフローチャートに従えば、ｆ_r2＜ｆ_r1であるの
で、ステップ＃２３で第３スイッチＳＷ３がインバータ
６０側に切り替えられる。また、ΔＸ＞０なので変位比
較判定部５９からカウントアップ信号が出力されるが、
インバータ６０によりカウントダウン信号に変換され、
ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１がカウントダウンされ、駆
動信号の周波数がｆ_r2からｆ₃’に収束される。

【００６３】このように、第１圧電素子１０の共振周波
数ｆ_r1と第２圧電素子１０’の共振周波数ｆ_r2の大小を
判別して第３スイッチＳＷ３を切り替えるように制御し
ているので、第１圧電素子１０のＱ１値と第２圧電素子
のＱ２値の差が大きく、第１圧電素子１０の変位量Ｘ１
と第２圧電素子１０’の変位量Ｘ２が一致する周波数が
ｆ₃とｆ₃’の２箇所に存在する場合であっても、十分に
対応することができ、第１圧電素子１０及び第２圧電素
子１０’を各共振周波数ｆ_r1，ｆ_r2に近く、かつ変位量
の大きい方の周波数で駆動することができる。

【００６４】最後に、第１圧電素子１０及び第２圧電素
子１０’を各共振周波数ｆ_r1，ｆ_r2、変位量Ｘ１，Ｘ
２、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６１のカウントアップ／ダ
ウンの関係を表１に示す。但し、ＵＰ／ＤＯＷＮカウン
タ６１は、カウントアップで周波数を上げ、カウントダ
ウンで周波数を下げるものとする。

【００６５】

【表１】

【００６６】第２の実施形態なお、上記第１の実施形態の説明では、チップ部材２０
を駆動するための２つの変位素子１０，１０’をそれぞ
れ直交するように配置したが、これに限定されるもので
はなく、その他の角度、例えば４５°、１３５°等任意
の角度であってもよい。さらに、変位素子の数は２つに
限定されず、変位素子を３個、あるいはそれ以上用い
て、３自由度又は４自由度の駆動を行うように構成して
もよい。図１４に変位素子を３個用いた例を示す。変位
素子１０，１０’，１０”は、それぞれ図１に示す圧電
素子１０と実質的に同一とする。この場合、被駆動部材
であるロータ４０’は、少なくともチップ部材２０と接
触する面を球面とする。このような３次元的なアクチュ
エータであっても、ロータ４０’の回転方向に応じてい
ずれかの圧電素子の共振周波数の駆動信号で駆動するこ
とにより、被駆動部材の駆動方向に関わらず、ほぼ最大
の駆動効率が得られ、かつ負荷変動等による影響を受け
にくくすることができる。

【００６７】第３の実施形態上記第１の実施形態では、変位素子として圧電素子を用
いているが、一般に圧電素子はセラミックス材料で作ら
れており、金属材料と比較して振動の減衰が大きく、共
振時の変位拡大率が小さい。また、セラミックスは圧縮
力には強いが引っ張り力には弱く、特に積層型圧電素子
の場合、その接着面で剥がれる可能性もある。そこで、
変位素子として単層の圧電素子と金属製の弾性体を直列
接続したものを用いることもできる。この変位素子を用
いたトラス型アクチュエータの構成を図１５に示す。第
１変位素子６０及び第２変位素子６０’は、それぞれ単
層の圧電素子（セラミックス薄板）６１，６１’と及び
弾性体６２，６２’で構成され、圧電素子６１，６１’
の両面には電極は設けられていない。また、第１変位素
子６０及び第２変位素子６０’は、それぞれ接着剤を用
いずに、ボルト６３，６３’によりチップ部材２０及び
ベース部材３０に固定されている。弾性体６２，６２’
及びベース部材３０をそれぞれ導電性材料で形成し、弾
性体６２，６２’及びベース部材３０の間に駆動電源を
接続し、第１変位素子６０及び第２変位素子６０’をそ
れぞれ上記いずれかの変位素子の共振周波数で駆動す
る。

【００６８】圧電素子６１，６１’を振動源として弾性
体６２，６２’を共振させることにより変位を拡大する
ことができる。また、金属材料の減衰が小さいため変位
がより拡大し、圧電素子６１，６１’に加わる引っ張り
力が小さくなるため、圧電素子６１，６１’の破壊を防
止することも可能である。弾性体６２，６２’の材料と
しては、アルミニウム、チタン、鉄、銅及びそれらの合
金等を用いる。

【００６９】第４の実施形態上記第１の実施形態では、変位素子として圧電素子を積
層したものを用いたが、変位素子はこれに限定されず、
その他のものであってもよい。例えばボルト締めランジ
ュバン型の振動子７０，７０’を用いたトラス型アクチ
ュエータを図１６に示す。トラス構造にするため、各振
動子７０，７０’の単板の圧電素子７１，７１’の電極
部分にベース部材３０を配置している。また、チップ部
材２０に接続された弾性体７２，７２’の変位を拡大す
るために、弾性体７２，７２’の形状を先端（チップ部
材２０側）ほど細くなるように形成している。その他
は、上記第３の実施形態と同様である。

【００７０】その他の実施形態上記図１０に示す電圧制御発振器（ＶＣＯ）５０の出力
に可変ゲインアンプを挿入することにより、正弦波信号
を任意に増幅することができ、チップ部材２０の軌跡を
任意の形状に制御することが可能である。その結果、ロ
ータ４０の回転速度やトルクを任意の値に制御すること
ができる。本発明では、２つの変位素子の変位が等しく
なる周波数で各変位素子を駆動するため、可変ゲインア
ンプは１つでよい。

【００７１】また、上記各実施形態ではトラス型アクチ
ュエータを例に説明したが、これに限定されるものでは
なく、２相からなる進行波型超音波モータに応用するこ
とも可能である。進行波型超音波モータの場合、各層の
変位量を一致させることにより、駆動特性を安定化する
ことができる。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波モ
ータによれば、複数の変位素子を含み、複数の変位素子
のうち少なくとも２つの変位素子の変位量が一致する周
波数を検出し、当該周波数で各変位素子を駆動するの
で、複数の変位素子の共振周波数が一致しない場合であ
っても、少なくとも２つの変位素子を同じ周波数−変位
量特性で駆動することができ、超音波モータの駆動効率
を高くすることができる。

【００７３】前記少なくとも２つの変位素子の変位量が
一致する周波数が複数ある場合に、前記複数の周波数の
うち最適な周波数を選択して前記各変位素子を駆動する
ことにより、変位素子の機械的Ｑ値のばらつきが大きい
場合であっても、最適な条件で超音波モータを駆動する
ことができる。

【００７４】また、本発明の別の超音波モータによれ
ば、複数の変位素子と、複数の変位素子を駆動するため
に、周波数が同じで所定の位相差を有する複数の駆動信
号を発生する駆動信号発生手段と、少なくとも２つの変
位素子の変位量を検出すると共に、検出した変位量の大
小を比較する変位量検出手段と、変位量検出手段による
検出結果に応じて、少なくとも２つの変位素子の変位量
が一致するように駆動信号発生手段による駆動信号の周
波数を制御する周波数制御手段を具備するので、共振周
波数等の変位素子の周波数−変位量特性が負荷変動や環
境条件の変化により変動しても、少なくとも２つの変位
素子の変位量が一致するように駆動周波数を調節するこ
とができ、駆動効率を一定に保つことができる。

【００７５】また、複数の変位素子のうち少なくとも２
つの変位素子の共振周波数を検出すると共に検出した共
振周波数の大小を判別する共振周波数検出手段をさらに
具備し、周波数制御手段は共振周波数の大小及び変位量
の大小に応じて駆動信号の周波数の増減を制御すること
により、複数の変位素子の共振周波数の大小に関わら
ず、駆動周波数の増減の方向を正確に制御することがで
きる。

【００７６】さらに、共振周波数検出手段は各変位素子
に流れる電流を検出する電流検出手段を含み、共振周波
数検出の対象となる変位素子に印加される駆動信号の電
圧と当該変位素子に流れる電流の位相差を検出し、当該
変位素子の共振周波数を検出することにより、電圧と電
流の位相差が０になる周波数を当該変位素子の共振周波
数として容易に特定することができる。

【００７７】さらに、変位量検出手段は各変位素子に流
れる電流を検出する電流検出手段を含み、変位量検出の
対象となる変位素子に流れる電流値から、当該変位素子
の変位量を演算することにより、圧電素子等の変位素子
の変位量はその機械腕に流れる電流値に比例するので、
容易に当該変位素子の変位量を演算することができる。

【００７８】さらに、各変位素子の先端部にそれぞれ結
合され、各変位素子の変位を合成するための変位合成部
をさらに含み、各変位素子及び変位合成部でトラス型ア
クチュエータを構成し、変位合成部が楕円運動を行うよ
うに各変位素子を駆動することにより、被駆動体（例え
ばロータ等）を任意の方向に任意の速度で移動（又は回
転）させることができる。

【００７９】また、本発明の超音波モータの駆動方法に
よれば、複数の変位素子を位相差を有する複数の駆動信
号でそれぞれ駆動し、被駆動部材を所定方向に移動させ
る超音波モータの駆動方法であって、複数の変位素子の
うち少なくとも２つの変位素子の変位量が等しくなる周
波数を検出し、当該周波数で各駆動部材を駆動するの
で、複数の変位素子の共振周波数が一致しない場合であ
っても、少なくとも２つの変位素子を同じ周波数−変位
量特性で駆動することができ、超音波モータの駆動効率
を高くすることができる。

【００８０】また、少なくとも２つの変位素子の変位量
が一致する周波数が複数ある場合に、前記複数の周波数
のうち最適な周波数を選択して前記各変位素子を駆動す
るにより、変位素子の機械的Ｑ値のばらつきが大きい場
合であっても、最適な条件で超音波モータを駆動するこ
とができる。

【００８１】さらに、複数の変位素子のうち少なくとも
２つの変位素子の共振周波数を検出すると共に検出した
共振周波数の大小を判別し、共振周波数の大小及び変位
量の大小に応じて駆動信号の周波数の増減を制御するこ
とにより、複数の変位素子の共振周波数の大小に関わら
ず、駆動周波数の増減の方向を正確に制御することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態であるトラス型アク
チュエータにおいて変位素子として用いる積層型圧電素
子の構成を示す図である。

【図２】上記積層型圧電素子における各電極の間に発
生する電界と圧電素子の変位の関係を示す図である。

【図３】第１の実施形態におけるトラス型アクチュエ
ータの構成を示す図である。

【図４】第１の実施形態におけるアクチュエータによ
りロータを回転させる原理を示す図である。

【図５】第１の実施形態において、２つの圧電素子に
印加する駆動信号の振幅を等しくし、各駆動信号間の位
相差を変化させた場合の軌跡を示す図である。

【図６】圧電素子の共振特性を示す図である。

【図７】共振周波数やインピーダンス等の特性の異な
る２つの圧電素子の共振特性を示す図である。

【図８】２つの圧電素子の変位量とチップ部材の軌跡
の関係を示す図である。

【図９】圧電素子の等価回路を示す図である。

【図１０】第１の実施形態の駆動回路のブロック構成
を示す図である。

【図１１】第１の実施形態における第１圧電素子１０
と第２圧電素子１０’の変位量が一致する周波数を検出
し、駆動信号の周波数をその周波数に追従させるための
動作を示すフローチャートである。

【図１２】２つの圧電素子のＱ値の差が大きい場合に
おける圧電素子の周波数−変位量特性の一例を示す図で
ある。

【図１３】２つの圧電素子のＱ値の差が大きい場合に
おける圧電素子の周波数−変位量特性の他の例を示す図
である。

【図１４】本発明の第２の実施形態の構成を示す図で
ある。

【図１５】本発明の第３の実施形態の構成を示す図で
ある。

【図１６】本発明の第４の実施形態の構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０：第１圧電素子（第１変位素子）１０’：第２圧電素子（第２変位素子）２０：チップ部材（変位合成部）３０：ベース部材４０：ロータ（被駆動部材）５０：電圧制御発振器（ＶＣＯ）５１：位相制御部５２：ＣＰＵ５３：第１増幅器５４：第２増幅器５６：第１電流検出器（電流検出手段）５７：第２電流検出器（電流検出手段）５８：位相検出部（共振周波数検出手段）５９：変位比較判定部（変位量検出手段）６０：インバータ６１：ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ（駆動信号制御手段）６２：クロック発生部６３：Ｄ／Ａコンバータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H680 AA00 AA06 AA08 BB13 BC00 CC02 CC10 DD01 DD23 DD27 DD37 DD53 DD55 DD95 EE21 FF04 FF08 FF17 FF25 FF26 FF27 FF30 FF33 FF36 GG21 GG22 GG25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の変位素子を含み、前記複数の変位
素子のうち少なくとも２つの変位素子の変位量が一致す
る周波数を検出し、当該周波数で前記各変位素子を駆動
することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】前記少なくとも２つの変位素子の変位量
が一致する周波数が複数ある場合に、前記複数の周波数
のうち最適な周波数を選択して前記各変位素子を駆動す
ることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項３】複数の変位素子と、前記複数の変位素子を駆動するために、周波数が同じで
所定の位相差を有する複数の駆動信号を発生する駆動信
号発生手段と、前記少なくとも２つの変位素子の変位量を検出すると共
に、検出した変位量の大小を比較する変位量検出手段
と、前記変位量検出手段による検出結果に応じて、前記少な
くとも２つの変位素子の変位量が一致するように前記駆
動信号発生手段による駆動信号の周波数を制御する周波
数制御手段を具備する超音波モータ。
【請求項４】前記複数の変位素子のうち少なくとも２
つの変位素子の共振周波数を検出すると共に、検出した
共振周波数の大小を判別する共振周波数検出手段をさら
に具備し、前記周波数制御手段は、前記共振周波数の大小及び前記
変位量の大小に応じて、前記駆動信号の周波数の増減を
制御することを特徴とする請求項３記載の超音波モー
タ。
【請求項５】前記共振周波数検出手段は各変位素子に
流れる電流を検出する電流検出手段を含み、共振周波数
検出の対象となる変位素子に印加される駆動信号の電圧
と当該変位素子に流れる電流の位相差を検出し、当該変
位素子の共振周波数を検出することを特徴とする請求項
４記載の超音波モータ。
【請求項６】前記変位量検出手段は各変位素子に流れ
る電流を検出する電流検出手段を含み、変位量検出の対
象となる変位素子に流れる電流値から、当該変位素子の
変位量を演算することを特徴とする請求項４又は５記載
の超音波モータ。
【請求項７】各変位素子の先端部にそれぞれ結合さ
れ、各変位素子の変位を合成するための変位合成部をさ
らに含み、各変位素子及び変位合成部でトラス型アクチ
ュエータを構成し、変位合成部が楕円運動を行うように
各変位素子を駆動することを特徴とする請求項１から６
のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項８】変位素子は複数の圧電素子を電極を介し
て積層したものであることを特徴とする請求項１から７
のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項９】変位素子は圧電素子と弾性体を含み、弾
性体を共振させることを特徴とする請求項１から７のい
ずれかに記載の超音波モータ。
【請求項１０】複数の変位素子を位相差を有する複数
の駆動信号でそれぞれ駆動し、被駆動部材を所定方向に
移動させる超音波モータの駆動方法であって、前記複数
の変位素子のうち少なくとも２つの変位素子の変位量が
等しくなる周波数を検出し、当該周波数で前記各駆動部
材を駆動することを特徴とする超音波モータの駆動方
法。
【請求項１１】前記少なくとも２つの変位素子の変位
量が一致する周波数が複数ある場合に、前記複数の周波
数のうち最適な周波数を選択して前記各変位素子を駆動
することを特徴とする請求項１０記載の超音波モータの
駆動方法。
【請求項１２】前記複数の変位素子のうち少なくとも
２つの変位素子の共振周波数を検出すると共に検出した
共振周波数の大小を判別し、前記共振周波数の大小及び
前記変位量の大小に応じて前記駆動信号の周波数の増減
を制御することを特徴とする請求項１０又は１１記載の
超音波モータの駆動方法。