JP2003319668A - 振動波駆動装置及びその駆動回路 - Google Patents

振動波駆動装置及びその駆動回路

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 全ての電極領域が同一方向に分割された円環
状の圧電素子を有する振動体を備え、位相の異なる複数
の振動を合成して成る進行波を発生させる振動波駆動装
置であって、駆動に必要な回路を簡素化できる構成とす
る。 【解決手段】 全ての電極領域が同一方向に分極された
円環状の圧電素子を有し、圧電素子に交番電圧を印加す
ることにより、位相の異なる複数の振動を合成して成る
進行波を発生する振動波駆動装置を構成する。この位相
の異なる複数の振動をそれぞれＡ相の振動およびＢ相の
振動とすると、進行波の波長の整数倍の間隔をあけてＡ
相の振動を発生するために交番電圧を印加する電極領域
とし、同様に、進行波の波長の整数倍の間隔をあけてＢ
相の振動を発生するために交番電圧を印加する電極領域
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は弾性体に振動を発生
させ、その振動を利用して弾性体に接触する移動体に駆
動力を与える超音波モータ等の振動波駆動装置とその駆
動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】振動波駆動装置の１つであり、ステータ
を構成する弾性体に進行波を発生させる超音波モータ
は、弾性体と圧電素子からなるステータに位相の異なる
複数の定在波を生じさせ、この定在波を合成することで
進行波を発生させるものである。
【０００３】図７はこの超音波モータの円環状ステータ
に設けられた圧電素子の電極パターンを示したものであ
る。図７の略右半分の電極領域が第１の定在波（Ａ相）
を発生させるための第１の電極群であり、略左半分の電
極領域が第２の定在波（Ｂ相）を発生させるための第２
の電極群である。第１の電極群に不図示の駆動回路によ
って駆動信号を印加すると、ステータ全体に第１の定在
波振動が生じる。第２の電極群に不図示の駆動回路によ
って駆動信号を印加すると、ステータ全体に第２の定在
波振動が生じる。第１の定在波と第２の定在波は波長λ
が等しく、第１の電極群と第２の電極群とは互いの位相
がこの波長λの１／４だけずれて配置されている。この
２つの定在波を時間的に９０度ずらして発生させると、
弾性体には進行波が発生する。
【０００４】上記方式の超音波モータの場合、第１の電
極群で発生した第１の定在波は第１の電極群から離れる
ほど振動振幅が減衰し、振動波長も異なってくる。同様
に、第２の電極群で発生した第２の定在波は第２の電極
群から離れるほど振動振幅が減衰し、振動波長も異なっ
てくる。
【０００５】つまり、Ａ相の振動振幅および振動波長は
第１の電極群部分と第２の電極群部分で完全に等しい状
態とはならず、Ｂ相の振動振幅および振動波長も第１の
電極群部分と第２の電極群部分で完全に等しい状態とは
ならなかった。結果的に第１の定在波と第２の定在波を
合成して得られる進行波の振動振幅が場所によって異な
ってしまい、超音波モータの出力を低下させる原因とな
っていた。また、振動振幅にムラがある状態で超音波モ
ータを長時間駆動すると、振動体の摩耗量が場所によっ
て異なってしまい、この摩耗量のムラによっても時間と
共に出力が低下してしまうという問題点もあった。
【０００６】上記問題を解決するために特開２０００−
３３３４７７号公報では、図８に示すように第１の定在
波（Ａ相）を発生させる電極群と第２の定在波（Ｂ相）
を発生させるための電極群をそれぞれ分割し、境界を波
長λの１／４だけ空けて第１および第２の電極郡が交互
に並ぶよう配置している。このような構成にすることに
より、定在波の振動振幅が減衰する程度を抑えることが
できるようになる。
【０００７】しかし、上記特開２０００−３３３４７７
号公報に開示された発明も、振動振幅のムラの程度を多
少抑える方法にしかすぎない。ゆえに、第１の定在波と
第２の定在波の振動が振動体全体において均等に励振さ
れない現象は解消されておらず、進行波の振幅および波
長は依然として部位による差が生じてしまう。
【０００８】進行波の振幅および波長にムラが生じる原
因は他にもある。
【０００９】図７，８に示した電極パターンは、圧電素
子の厚み方向に「＋」方向に分極された電極領域と
「−」方向に分極された電極領域とが隣接するように形
成されている。この「＋」方向に分極された電極領域の
ほぼ中央部と「−」方向に分極された電極領域のほぼ中
央部では、電気力線は厚み方向と平行に走っているが、
「＋」方向に分極された電極領域と「−」方向に分極さ
れた電極領域の境界部では、電気力線は厚み方向と直交
する方向に電極領域をまたぐように走っている。この電
気力線の走る方向によって圧電素子の縦弾性係数には差
が生じてしまうため、圧電素子の剛性は部位によって差
が生じてしまう。そのために進行波の伝播速度が部分的
に変化してしまい、進行波の振動振幅および波長にムラ
が生じてしまう。
【００１０】このような分極方向が異なることによる剛
性のムラを改善するために、特開２００１−１５７４７
３号公報では図９に示す圧電素子の構成が提案されてい
る。この圧電素子の電極パターンは、振動波長λの１／
４毎に電極領域を区切り、これらの電極領域を交互に第
１の定在波を発生させる第１の電極群、第２の定在波を
発生させる第２の電極群として割り当ててある。これら
の定在波を発生させるための電極領域は、全ての電極領
域において同一方向に分極されている。隣接する電極領
域が同一方向に分極されているので、これらの電極領域
の電気力線は全て厚み方向と平行に走ることになり、圧
電素子の剛性は部位によって差が生じることがない。
【００１１】なお、図９に示すものは後述するように４
相駆動に適した形態であって、３相駆動等の他の駆動形
態でも実現できる。そのためには、進行波の波長λに相
当する電極領域に合成する定在波の整数倍に等しい電極
領域を設け、これらの電極領域を同一方向に分極すれば
よい。
【００１２】図９に戻って、３つおきに配置された＋Ａ
相の電極領域には同一の駆動振動を印加する。この＋Ａ
相の時計回り方向に隣接する＋Ｂ相の電極領域には、＋
Ａ相の駆動信号とは時間的に９０度ずれた駆動信号を印
加する。この＋Ｂ相の時計回り方向に隣接する−Ａ相の
電極領域には、＋Ａ相の駆動信号とは逆の位相となる駆
動信号を印加する。そして、−Ａ相の時計回り方向に隣
接する−Ｂ相の電極領域には、＋Ｂ相の駆動信号とは逆
の位相となる駆動信号を印加する。これらの各電極領域
は、駆動信号を印加することで発生する定在波の波長λ
の１／４の間隔で配置されている。上述した駆動信号を
印加すると、圧電素子には互いの位相が波長λの１／４
だけずれた第１の定在波と第２の定在波が発生する。第
１の定在波を発生させる第１の電極群と第２の定在波を
発生させる第２の電極群とは、共に圧電素子の全周にわ
たって等間隔で配置されているため進行波にムラは生じ
ない。
【００１３】図１０は図９の圧電素子を使用した超音波
モータの回路構成を示すブロック図である。発振回路１
で超音波モータの駆動周波数に相当する交流信号を生成
し、この交流信号を位相シフタ２に入力し、９０度位相
のずれた交流信号を生成する。この９０度位相のずれた
交流信号をさらに別の位相シフタ２に入力し、発振回路
１による交流信号とは１８０度位相のずれた交流信号を
生成する。この１８０度位相のずれた交流信号をさらに
別の位相シフタ２に入力し、発振回路１による交流信号
とは２７０度位相のずれた交流信号を生成する。このよ
うに９０度ずつ位相の異なる交流信号を生成し、それぞ
れが昇圧回路３によって超音波モータが駆動可能な電圧
まで昇圧され、順に９０度ずつ位相のずれた＋Ａ相電
圧、−Ａ相電圧、＋Ｂ相電圧、−Ｂ相電圧が生成され
る。これらの電圧波形を図１１に示す。
【００１４】この＋Ａ相電圧、−Ａ相電圧、＋Ｂ相電
圧、−Ｂ相電圧をそれぞれ上述した＋Ａ相の電極領域、
−Ａ相の電極領域、＋Ｂ相の電極領域、−Ｂ相の電極領
域に印加すると、振動振幅が均一である進行波が発生す
る。このような構成をとることで、出力が高く、部分的
にステータが摩耗することのない超音波モータを実現す
ることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】図９に示すように圧電
素子の電極パターンを形成することで進行波の振動振幅
は均一にできるが、図１０に示すように４相の交流信号
を発生させる回路が必要となり、回路は複雑になってし
まっていた。
【００１６】また、図９に示す構成では、振動体の振動
を検出するためのセンサ相となる電極領域を確保できな
かった。センサ相となる電極領域を設けると、このセン
サ相となる電極領域にだけ駆動信号が印加されないこと
になり、振動振幅にムラが生じてしまうからである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願請求項１記載の発明は、全ての電極領域が同一
方向に分極された円環状の電気−機械エネルギー変換素
子を弾性体に固着し、該電気−機械エネルギー変換素子
に交番電圧を印加することにより、位相の異なる複数の
振動を合成して成る進行波を発生させる振動波駆動装置
において、該複数の振動の各振動において、該進行波の
波長の整数倍の間隔を有して等間隔で位置する電極領域
を、該振動を発生させるための交番電圧が印加される電
極領域とすることを特徴とするものである。
【００１８】同様に上記課題を解決するため、本願請求
項５記載の発明は、該交番電圧が印加される電極領域以
外の電極領域のうち少なくとも１つにおいて発生する電
圧を検出し、該検出した電圧に応じて該交番電圧の周波
数、電圧振幅、あるいは、電圧位相差のうちいずれかを
変化させることを特徴とする上記の振動波駆動装置の駆
動回路とするものである。
【００１９】同様に上記課題を解決するため、本願請求
項６記載の発明は、該交番電圧が印加される電極領域以
外の電極領域のうち少なくとも１つにおいて発生する電
圧を用いた自励発振回路を有し、該自励発振回路の出力
信号を用いて該交番電圧を生成することを特徴とする上
記の振動波駆動装置の駆動回路とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は本発
明の第１の実施の形態である超音波モータの回路構成を
示すブロック図である。発振回路１、位相シフタ２、お
よび、昇圧回路３の動作については図１０で説明したも
のと同様であるので説明を省略する。
【００２１】また、本実施の形態における圧電素子の電
極パターンは、上述した図９の電極パターンと同一であ
り、全ての電極領域が同一の厚み方向に分極されてい
る。よって周方向の剛性のムラは生じない。
【００２２】本実施の形態における超音波モータの駆動
回路は、全て同一方向に分極された電極領域を有する圧
電素子に対して、２相の駆動振動により２相の定在波を
発生させ、この２相の定在波を合成して進行波を形成す
る。
【００２３】図２に本実施の形態における駆動信号の電
圧波形を示す。図９の電極パターンにおける＋Ａ相の電
極領域と＋Ｂ相の電極領域のみに、互いの時間的位相が
９０度異なる交番電圧を印加する。つまり、進行波を形
成するための第１の定在波と第２の定在波のそれぞれに
おいて、１波長の一方の腹に相当する電極領域のみに交
番電圧を印加することになる。それぞれの定在波を発生
させるために交番電圧が印加される電極領域は、円環状
の振動体の全周にわたって等間隔に配置されるため、振
動振幅を均一にすることができる。このとき−Ａ相の電
極領域と−Ｂ相の電極領域は電気的に開放された状態と
なっている。
【００２４】図１ではＡ相、Ｂ相それぞれの定在波の腹
に相当する電極領域であって、１周期毎に位置する電極
領域に交番電圧を印加しているが、本発明はこれに限ら
れるものではない。定在波の２周期毎、あるいは３周期
毎に位置する電極といった振動波長の整数倍の領域に対
して１箇所の電極領域に交番電圧を印加する形態であっ
ても同様の効果が得ることができる。
【００２５】以上のように本実施の形態によれば、進行
波にムラを生じさせない振動体を有し、かつ、駆動回路
を従来よりも減らした超音波モータの駆動回路を構成す
ることができる。本実施の形態では使用しない電極は電
気的に開放状態としたが、接地状態としてもよいものと
する。
【００２６】（第２の実施の形態）図３は本発明の第２
の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロ
ック図である。本実施の形態においても、第１の実施の
形態と同様に、図１に示すようなＡ相およびＢ相の２相
の交番電圧を印加して駆動を行う。
【００２７】本実施の形態では、駆動信号である交番電
圧の印加に用いられない電極領域のうち、Ａ相の振動の
腹にあたる部分の電極領域の電圧を振動モニタ信号とし
て制御回路４に入力する。これにより、振動体の振動振
幅を検知している。
【００２８】図１０に示す回路構成の場合、振動モニタ
信号を得るための電極領域を一つ確保しようとすると、
その電極領域にだけ駆動信号が印加されないことにな
り、振動振幅のムラが生じてしまう。しかし本実施の形
態によれば、もともと駆動信号の印加には用いていない
電極領域から振動モニタ信号を得るので、駆動信号を円
環状の振動体の全周にわたって均等に印加することがで
き、振動振幅のムラが生じることはない。
【００２９】制御回路４では振動振幅が所定の値になる
ように、発振回路１および位相シフタ２の出力を調整し
て、超音波モータの駆動周波数、駆動電圧、あるいは、
２相の交流信号の位相差を制御する。その結果、超音波
モータの駆動状態を一定に保つことが可能となる。
【００３０】また、公知の方法であるので詳細は説明し
ないが、前記振動モニタ信号と駆動電圧の位相差が所定
の値になるように駆動周波数を制御する方法であっても
良い。
【００３１】本実施の形態では振動状態を検出するため
に、駆動信号を印加しない電極のうち、いずれかの相の
定在波の腹にあたる部分の電圧をモニタ信号として使用
したが、本発明はこれに限られるものではなく、電圧を
供給しない複数の電極の信号を電気的に接続してモニタ
信号として使用しても良い。複数の電極の信号を電気的
に接続することによって、振動状態を平均化することが
できる。また、駆動にも検出にも使用されない電極は電
気的に開放状態または接地状態のいずれかの状態にして
おく。
【００３２】以上のように本実施の形態によれば、上述
した第１の実施の形態の効果に加え、圧電素子の電極領
域から振動モニタ信号を得て超音波モータの駆動状態を
一定に保つ制御を行うことが可能となる。
【００３３】（第３の実施の形態）図４は本発明の第３
の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロ
ック図である。本実施の形態においても、第１の実施の
形態と同様に、図１に示すようなＡ相およびＢ相の２相
の交番電圧を印加して駆動を行う。
【００３４】本実施の形態では、駆動信号である交番電
圧の印加に用いられない電極領域の電圧をＲＭＳ／ＤＣ
変換器８により振幅情報に変換し、その出力を電圧変動
検出回路５に入力している。この電圧変動検出手段で検
出した電圧変動の回数をカウンタ回路６により計測する
ことにより、超音波モータの回転角度を検出している。
以下に詳細を説明する。
【００３５】超音波モータの振動体は図５に示すよう
に、ロータと接触する部分の変位を拡大するために、く
し歯１０１が設けられている。ロータの平面度は厳密に
は完全な平坦というわけではないので、くし歯とロータ
の接触に応じた振動ムラが生じる。振動ムラをパルス化
し、カウンタでカウント動作をおこなうと、カウント値
は超音波モータの移動角度となる。移動角度［ｄｅｇ］
は下記の計算で求めることができる。
【００３６】（移動角度［ｄｅｇ］）＝（カウント値）
／（振動体のくし歯の数）×３６０ 以上のように本実施の形態によれば、圧電素子の電極領
域から振幅振幅変動を検出することによって超音波モー
タの回転角度を求めることができる。この回転角度をも
とに超音波モータの制御を行うことにより、従来回転速
度や回転位置を制御するために必要であったエンコーダ
等のセンサを使用しなくても位置および速度の制御が可
能となり、制御回路の低価格化を実現することが可能と
なる。
【００３７】なお、これまで説明した実施の形態と同様
に、駆動にも検出にも使用されない電極は電気的に開放
状態または接地状態のいずれかの状態にしておく。
【００３８】（第４の実施の形態）図６は本発明の第４
の実施の形態である超音波モータの駆動回路を示すブロ
ック図である。本実施の形態においても、第１の実施の
形態と同様に、図１に示すようなＡ相およびＢ相の２相
の交番電圧を印加して駆動を行う。
【００３９】本実施の形態では、駆動信号である交番電
圧の印加に用いられないＡ相の電極領域の電圧を電圧調
整回路７により所定の電圧振幅になるように調整し、位
相シフタ２により位相変換を行い、昇圧回路３により昇
圧し超音波モータのＡ相駆動用の交番電圧とすることに
より自励発振回路を構成している。
【００４０】Ｂ相には位相シフタ２の信号をさらに別の
位相シフタ２で位相変換し、昇圧回路３で昇圧した信号
を交番電圧として印加している。
【００４１】上記構成により超音波モータの振動体の共
振周波数の個体差、および振動体の共振周波数の温度や
負荷による変化があっても常に超音波モータの駆動を安
定して行うことが可能になるとともに、回路を大幅に簡
素化することが可能となっている。本実施の形態におい
ても、これまで説明した実施例と同様に、駆動にも検出
にも使用されない電極は電気的に開放状態または接地状
態のいずれかの状態にしておく。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では超音波
モータの振動振幅ムラを改善するために、圧電素子の分
極方向を全て同一方向とし、かつ、円環上の振動体上の
圧電素子に均等に電圧を印加するように構成された超音
波モータにおいても、これまで必要であった４相の交流
信号を２相に減らすことができ、回路の簡素化が可能と
なっている。
【００４３】さらに本発明では、圧電素子の電極領域か
ら振動状態の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である超音波モータ
の回路構成を示すブロック図。
【図２】図１の回路の駆動信号波形を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態である超音波モータ
の回路構成を示すブロック図。
【図４】本発明の第３の実施の形態である超音波モータ
の回路構成を示すブロック図。
【図５】超音波モータの振動体の斜視図。
【図６】本発明の第４の実施の形態である超音波モータ
の回路構成を示すブロック図。
【図７】定在波の波長λの１／２毎に駆動用の電極領域
を設けた従来の圧電素子の電極パターンを示す図。
【図８】定在波の波長λの１／２毎に駆動用の電極領域
を設けた従来の圧電素子の電極パターンを示す図。
【図９】定在波の波長λの１／４毎に駆動用の電極領域
を設けた従来の圧電素子の電極パターンを示す図。
【図１０】図９の圧電素子を有する超音波モータの従来
の回路構成を示すブロック図。
【図１１】図１０の回路の駆動信号波形を示す図。
【符号の説明】
１ 発振回路 ２ 位相シフタ ３ 昇圧回路 ４ 制御回路 ５ 電圧変動検出回路 ６ カウンタ回路 ７ 電圧調整回路 ８ ＲＭＳ／ＤＣ変換器 １０１ くし歯

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 全ての電極領域が同一方向に分極された
    円環状の電気−機械エネルギー変換素子を弾性体に固着
    し、該電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加
    することにより、位相の異なる複数の振動を合成して成
    る進行波を発生させる振動波駆動装置において、 該複数の振動の各振動において、該進行波の波長の整数
    倍の間隔を有して等間隔で位置する電極領域を、該振動
    を発生させるための交番電圧が印加される電極領域とす
    ることを特徴とする振動波駆動装置。
  2. 【請求項２】 該交番電圧が印加される電極領域は、各
    振動において、該進行波の１波長の間隔を有して等間隔
    で設けられていることを特徴とする請求項１記載の振動
    波駆動装置。
  3. 【請求項３】 該交番電圧が印加される電極領域以外の
    電極領域は、電気的に開放状態であることを特徴とする
    請求項１又は２記載の振動波駆動装置。
  4. 【請求項４】 該交番電圧が印加される電極領域以外の
    電極領域は、電気的に接地状態であることを特徴とする
    請求項１又は２記載の振動波駆動装置。
  5. 【請求項５】 該交番電圧が印加される電極領域以外の
    電極領域のうち少なくとも１つにおいて発生する電圧を
    検出し、該検出した電圧に応じて該交番電圧の周波数、
    電圧振幅、あるいは、電圧位相差のうちいずれかを変化
    させることを特徴とする請求項１又は２記載の振動波駆
    動装置の駆動回路。
  6. 【請求項６】 該交番電圧が印加される電極領域以外の
    電極領域のうち少なくとも１つにおいて発生する電圧を
    用いた自励発振回路を有し、該自励発振回路の出力信号
    を用いて該交番電圧を生成することを特徴とする請求項
    １又は２記載の振動波駆動装置の駆動回路。
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