JP2003324975A - 超音波モータの駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動回路の構成が複雑になることなく、所望
の状態で駆動でき且つ電気−機械変換効率を最大に保つ
ことができる超音波モータの駆動回路を提供するにあ
る。 【解決手段】 本発明の超音波モータの駆動回路は超音
波振動子６の共振周波数を中心に所定の幅で駆動信号の
周波数を変化可能なパルス発生部１を備え、該パルス発
生部１からの発振出力は移相器２，波形整形部３，フィ
ルタ部４及び電流増幅部５を介して９０度移相がずれた
駆動信号となり、各積層型圧電素子６ａ，６ｂに印加さ
れる。縦振動検出用圧電素子７は縦共振振動を検出し、
２値化部８にてデジタル信号に変換され、制御手段であ
るＣＰＵ２１に供給される。ＣＰＵ２１はこの検出結果
と被駆動体の進行方向の積層型圧電素子に印加する駆動
信号との位相差が所定の範囲内になるようにパルス発生
部１の発振周波数を制御する。これにより、簡単な構成
で電気−機械変換効率を最大に保つことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気−機械エネル
ギー変換素子を用いた超音波モータの駆動回路に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気−機械エネルギー変換素子を
用いた超音波モータが種々提案がなされ、これに伴い前
記超音波モータの駆動回路においても動作性能向上化等
に鑑み、数多く提案がなされている。

【０００３】この種の関連技術としては、本件出願人に
より提案がなされた特開平７−４６８６７号公報に記載
の超音波振動子の駆動装置があり、また超音波リニアモ
ータ及び製造方法としては特許第３１７３９０２号公報
によって開示がなされている。

【０００４】図１２は特開平７−４６８６７号公報に記
載の超音波振動子の駆動装置の構成を示すブロック図で
ある。

【０００５】上記提案の超音波振動子の駆動装置は、定
在波型超音波モータの駆動回路として構成されたもの
で、図１２に示すように、圧電素子１０６，１０７を駆
動源として超音波振動子１０５に振動を励起し、該振動
エネルギーにより被駆動部材を駆動する超音波振動子の
駆動装置において、前記超音波振動子１０５に伝播させ
る音波を発生するパルス発生器１１０，音波発生電圧素
子１０８，前記超音波振動子中に伝播した音波を受信す
る音波受信圧電素子１０９と、前記パルス発生器１１０
と同期する基準波と音波受信圧電素子１０９の出力との
位相を比較する位相比較手段（ＥＸ−ＯＲ素子１１４）
と、この位相比較手段の出力により圧電素子１０６，１
０７に印加する駆動電圧の周波数を決定する周波数決定
手段（電圧制御発信器１０１，移相器１０２）とを具備
して構成される。

【０００６】具体的には、上記超音波振動子の駆動装置
は、周波数決定手段としての電圧制御発振器（ＶＣＯ）
１０１と、この出力に対し±９０度の位相差をもたせる
移相器（Ｐ／Ｓ）１０２とで超音波振動子駆動用の交番
電圧を発生させるようになっており、それぞれの出力が
電力増幅器１０３，１０４で電力増幅され、超音波振動
子５に配設された２個の圧電素子１０６，１０７に接続
されて供給されるようになっている。

【０００７】超音波振動子１０５の一側面には、音波発
生用の音波発生圧電素子１０８が接着固定されている。
この音波発生圧電素子１０８には、スタート信号（ＳＴ
ＡＲＴ）に同期する高周波パルスを発生・出力するパル
ス発生器（Ｐ／Ｇ）１１０の出力端が接続されている。
この圧電素子１０８は、高周波パルス信号が印加される
と変位し、音波を発生するようになっており、発生した
音波は超音波振動子１０５を伝播するようになってい
る。

【０００８】一方、超音波振動子１０５の他側面には、
音波を受信する音波受信圧電素子１０９が接着固定さ
れ、該音波受信圧電素子１０９は、音波発生圧電素子１
０８の変位により発生し超音波振動子１０５を伝播する
音波を受けるようになっている。この音波受信圧電素子
９には、インダクタ１１１とコンパレータ１１２，ＡＮ
Ｄ素子１１３，ＥＸ−ＯＲ素子１１４を介して積分器１
１５が接続されている。また前記ＥＸ−ＯＲ素子１１４
の他方には、図示しない前記スタート信号と同期する基
準波形信号（ＳＤＴ）が入力されるようになっている。

【０００９】上記構成の超音波振動子の駆動装置による
駆動方法は、音波発生手段（パルス発生器１１０，音波
発生圧電素子１０８）で超音波振動子１０５に伝播させ
る伝播波を発生し、超音波振動子１０５を伝播した伝播
波を音波受信手段である音波受信圧電素子１０９で受信
する。

【００１０】そして、ＥＸ−ＯＲ素子１１４の位相比較
手段で、音波発生手段であるパルス発生器１１０と同期
する基準波（ＳＴＤ）と音波受信手段である音波受信圧
電素子１０９との位相を比較する。すなわち、この位相
比較結果であるこの位相差を超音波振動子１０５の最適
な駆動状態の値になるように、周波数決定手段である電
圧制御発振器１０１を用いて、前記電気−機械エネルギ
ー変換素子（圧電素子１０６，１０７）に印加する駆動
電圧の周波数を決定するように制御していた。

【００１１】また、前記特許第３１７３９０２号公報に
よって開示されている超音波リニアモータが図１３に示
されている。

【００１２】図１３は上記提案による超音波リニアモー
タに搭載された超音波振動子を示す正面図である。

【００１３】図１３に示すように、この提案による超音
波リニアモータに搭載される超音波振動子２００は、駆
動体として２つの積層型圧電素子２１３と、弾性体とし
ての基本弾性体２１１及び該基本弾性体２１１に対して
接合された保持用弾性体２１２とを備え、各々の積層型
圧電素子２１３の両端部が保持用弾性体２１２に対しつ
き当てて接合保持された構成となっている。

【００１４】また、前記基本弾性体２１１における弾性
波の節線と直交する面または弾性波の進行する方向を含
む面に、該基本弾性体の縦振動と屈曲振動をとを独立に
検出するための検出用圧電素子２１７．２１８が接合さ
れている。これらの検出用圧電素子２１７，２１８は、
厚み方向に前面に分極され、または厚み方向に対してそ
の向きが交互に分極されるように接合されている。

【００１５】上記構成の超音波振動子２００の共振周波
数を積層型圧電素子２１３に印加し、さらに２つの積層
型圧電素子２１３の位相差を９０度にすると、超音波振
動子２００の摺動面に超音波楕円振動が励起されること
になる。

【００１６】しかし、この超音波振動子２００は、長時
間使用すると、共振周波数が変化する。このため、最適
な駆動状態を維持するために、検出用圧電素子２１７，
２１８を用いて縦振動と屈曲振動をそれぞれ検出し、積
層型圧電素子２１３に印加した波形との位相差を常に一
定になるように制御している。また、縦振動を検出する
検出用圧電素子２１７の振幅の最大値になるように発振
周波数を調整している。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た特開平７−４６８６７号公報に開示されている超音波
モータの駆動回路は、音波を発生させる圧電素子及び受
信用圧電素子が必要となるため、小型化の要求がある超
音波振動子にこれらの圧電素子を設けることは、不利で
あり望ましくない。また、音波用駆動回路も必要とな
る。そのため、超音波リニアモータの小型化，低価格化
を考慮すると、実用的ではないといった問題点があっ
た。

【００１８】また、上述の特許第３１７３９０２号公報
に開示されている超音波モータは、追尾手段として、縦
振動用と屈曲振動用の２つの検出用圧電素子を設けた構
成について述べられている。そして、超音波振動子の駆
動方法としては、これら検出用圧電素子からの信号と２
つの積層型圧電素子に印加した信号とを位相比較を行
い、位相差を常に一定になるように制御している。しか
し、検出用圧電素子から出力される屈曲振動及び縦振動
の検出信号と、印加した信号とを位相比較して駆動電圧
の周波数を決定しても十分な推力が得られていないこと
が実験で分かり、改良する必要があった。

【００１９】そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなさ
れたもので、駆動回路の構成が複雑になることなく、所
望の状態で駆動でき且つ電気−機械変換効率を最大に保
つ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。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明の超音波モータの駆動回路は、駆動
方向に直列に配置された２つの積層型圧電素子と、前記
積層型圧電素子を保持すると共に振動体として作用する
弾性体と、駆動子と、振動検出用圧電素子と、前記駆動
子と接触する被駆動体とを有し、縦共振振動と屈曲共振
振動を同時に励起して前記駆動子に楕円振動を発生させ
て前記被駆動体を駆動させる超音波モータの駆動回路で
あって、前記２つの積層型圧電素子に印加する９０度位
相のずれた駆動信号を生成する駆動信号生成部であっ
て、前記超音波振動子の共振周波数を中心に所定の幅で
駆動信号の周波数を変化することのできる駆動信号生成
部と、前記振動子検出用圧電素子の前記共振周波数の検
出信号と、前記被駆動体の進行方向の積層型圧電素子に
印加する駆動信号との位相差が所定の範囲内になるよう
に前記駆動信号生成部を制御する制御手段と、を具備し
たことを特徴とするものである。

【００２１】請求項２に記載の超音波モータの駆動回路
は、請求項１に記載の超音波モータの駆動回路におい
て、前記駆動信号生成部は、前記駆動信号を発振するも
ので、前記超音波振動子の共振周波数を中心に所定の幅
で前記駆動信号の周波数を変化することのできるパルス
作成部と、前記パルス作成部の出力を移相して９０度位
相のずれた少なくとも２つの矩形波信号を出力し、且つ
ディユーティ比が約５０％となるように処理を施す波形
成形部と、前記波形成形部からの出力の高調波成分を除
去する除去機能を具備したフィルタ部と、前記フィルタ
部によるフィルタ処理後の信号を入力して増幅し、交流
番圧の前記駆動信号を発生させて前記積層型圧電素子に
印加する電力増幅部と、前記振動子検出用圧電素子によ
り検出された検出信号を２値化して前記制御手段に供給
する２値化部と、を具備して構成したことを特徴とする
ものである。

【００２２】請求項３に記載の超音波モータの駆動回路
は、請求項２に記載の超音波モータの駆動回路におい
て、前記制御手段は、前記パルス発生部を内部に含み、
前記被駆動体の駆動方向に応じて、前記２値化部からの
検出信号と前記被駆動体の進行方向の積層型圧電素子に
印加する駆動信号との比較を行い、比較結果に基づき前
記検出信号と前記駆動信号との位相差が所定の範囲内に
なるように前記パルス発生部による発信周波数を可変制
御することを特徴とするものである。

【００２３】請求項４に記載の超音波モータの駆動回路
は、請求項２に記載の超音波モータの駆動回路におい
て、前記電力増幅部は、前記積層型圧電素子に電荷の充
電と放電をそれぞれ行うことで増幅して交流番圧の駆動
信号を発生させる２つのスイッチング素子で構成され、
前記波形成形部は、前記２つのスイッチング素子が同時
に駆動しないように波形を成形する回路を具備したこと
を特徴とするものである。

【００２４】請求項５に記載の超音波モータの駆動回路
は、請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の超音
波モータ駆動回路において、前記振動検出用圧電素子
は、前記超音波振動子の縦共振振動を検出した検出信号
を出力するもので、前記制御手段は、該振動検出用圧電
素子の出力信号と、前記被駆動体の進行方向前側に配置
された前記積層型圧電素子に印加した駆動信号との位相
差を比較し、この比較結果に基づき、該位相差がある所
定の値または所定の範囲内になるように、前記駆動信号
生成部または前記パルス作成部の発振周波数を可変制御
することを特徴とするものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。図１乃至図４は本発明の超音
波モータの駆動回路の第１の実施の形態を示し、図１は
本実施の形態における超音波モータの駆動回路の構成を
示すブロック図、図２は図１に示す駆動回路の詳細な回
路構成を示す回路図、図３は図２中の各回路の出力波形
を示すタイミングチャート、図４は本駆動回路による補
正動作を説明するための説明図である。

【００２６】本実施の形態の超音波モータの駆動回路
は、図１に示すように、パルス作成部１，移相器２，波
形整形部３，フィルタ部４，電力増幅部５，超音波振動
子６，２つの積層型圧電素子６ａ，６ｂ，振動検出用圧
電素子７及び２値化部８で主に構成されている。

【００２７】なお、本発明の駆動回路によって駆動され
る超音波リニアモータは、上記超音波駆動子６を備え、
該超音波駆動子６は主に弾性体で構成される。この弾性
体には駆動方向に直列に前記２つの積層型圧電素子６
ａ，６ｂが配置される。また弾性体はこれら２つの積層
型圧電素子６ａ，６ｂを保持すると共に振動体として作
用するようになっている。さらに、超音波振動子６の摺
動面の所定位置には図示しない駆動子が複数設けられて
おり、この駆動子が図示しない被駆動子と接触するよう
に構成されている。すなわち、後述する本発明の駆動回
路によって２つの積層型圧電素子６ａ，６ｂに駆動信号
が印加されることにより、縦共振振動と屈曲共振振動を
同時に励起して前記駆動子に楕円振動を発生させて前記
被駆動体が駆動する超音波モータである。

【００２８】さらに、駆動回路の詳細な構成を説明する
と、超音波振動子６の共振周波数近傍の駆動信号で発振
するパルス作成部１は、発振周波数の可変可能な発振器
であり、周波数φ００の信号（以下、φ００信号と称
す）及び周波数φ０１の信号（以下、φ０１信号と称
す）を発生して移相器２と波形整形部３に出力する。こ
の場合のφ００信号は、基準となる信号であり、φ０１
信号は前記φ００信号よりも位相が１８０度遅れた基準
信号である（図３（ａ），図３（ｂ）参照）。

【００２９】移相器２は、供給されたφ００信号，φ０
１信号を方向指令に伴った９０度あるいは、−９０度ず
れた信号を作成して、φ０２信号及びφ０３信号を得
て、波形整形部３に出力する。

【００３０】波形整形部３は、入力された信号に対し、
超音波モータのモータ効率をあげるためディユーティ比
が約５０％になるように調整する波形整形処理を施す。
すなわち、波形整形部３は、φ００信号が矩形波信号に
波形整形されたφ１０信号と、該φ１０信号に対しディ
ユーティ比が５０％であるφ０２信号とを生成し、フィ
ルタ部４に出力する。

【００３１】フィルタ部４は、供給された矩形波信号の
高調波成分を除去し、得られた２種類の正弦波信号（φ
３０信号，φ３１信号と、φ３２信号，φ３３信号であ
り、図３（（ｅ），図３（ｆ）参照）を電力増幅部５に
出力する。

【００３２】電力増幅部５は、それぞれ供給された信号
を所定の増幅率で増幅し、超音波駆動子６に設けられた
積層型圧電素子６ａ，６ｂに印加する。

【００３３】一方、超音波振動子６に設けられた振動検
出用圧電素子７（以下、モニタ電極と称す）は、該超音
波振動子６の縦振動を検出するもので、検出結果を２値
化部８に出力する。

【００３４】これを受け、２値化部８は、検出結果であ
るアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジ
タル信号を前記パルス作成部１に供給する。すなわち、
振動検出用圧電素子７からのモニタ電極がパルス作成部
１にフィードバックされ、該パルス作成部１はこの供給
された検出結果に応じて積層型圧電素子６ａ，６ｂに与
える駆動信号の補正を行っている。

【００３５】次に、図１に示すブロック図の具体的な回
路構成を図２を参照しながら詳細に説明する。なお、図
２は、図中の上段に示す各ブロックの符号に対応する回
路群が示されている。

【００３６】図２に示すように、図１に示すパルス作成
部１（符号９に相当）及び移相器２（符号１０に相当）
は、本駆動回路の制御手段としてのＣＰＵ２１内に含ま
れて構成される。

【００３７】また、波形形整形部３は、Ｄラッチ型フリ
ップフロップを用いて構成されたもので、２つのＤフリ
ップフロップ回路（以下、Ｄ−ＦＦと称す）１１を備え
て構成される。なお、これらＤ−ＦＦ１１は、図２に示
すように、入力端子Ｄ，リセット端子Ｒ，クロック入力
端子ＣＬＫ，正論理の出力端子Ｑをそれぞれ有して構成
されており、これらの入出力端子を介して図１で説明し
た信号の入出力が実行される。

【００３８】フィルタ部４は、ＣＲフィルタにて構成さ
れ、具体的には２つのコンデンサＣと２つの抵抗Ｒとで
ＣＲフィルタを構成し、４系統のＣＲフィルタを備えて
いる。

【００３９】また、電力増幅部５は、ＦＥＴ（ＭＯＳ型
トランジスタ）を用いて構成され、前記フィルタ部４の
各出力に対応して４つのＦＥＴ１６，１７（１６，１
７）を設けて、各積層型圧電素子６ａ，６ｂに印加する
駆動信号を増幅する。

【００４０】超音波振動子１８（符号６に相当）の共振
周波数近傍で発振する駆動信号は、ＣＰＵ２１内のパル
ス作成部９（符号１に相当）と位相部１０（符号２に相
当）にて作成される。この場合、パルス作成部９は、モ
ニタ電極１９（符号７に相当）からの検出信号に応じ
て、駆動信号の周波数を共振周波数近傍において可変す
ることができるように構成されている。この周波数可変
制御については、該ＣＰＵ２１内に記憶されたプログラ
ムにて実行されるようになっている。

【００４１】一方、位相部１０（符号２に相当）は、信
号φ００及び信号φ０１を、９０度、あるいは−９０度
ずれた各駆動信号（φ０２信号，φ０３信号）を発生す
る。これは、被駆動体の動作方向を左右に切替えるもの
である。この場合、図示はしないが外部スイッチや他の
パソコンなどからのＯＮ／ＯＦＦ信号をＣＰＵ２１の入
力ポートから読み取り、ＣＰＵ２１は、入力されたＰＮ
／ＯＦＦ信号に基づき、９０度あるいは、−９０度の出
力を決定して、図示しない被駆動体の動作方向を制御し
ている。

【００４２】次に、上記構成の駆動回路による動作を図
３及び図４を参照しながら詳細に説明する。

【００４３】ＣＰＵ２１内のパルス作成部９において作
成されるφ００信号, φ０１信号は、図３（ａ），図３
（ｂ）に示すように、１８０度位相がずれたもので、図
２に示すように波形整形部３のＤ−ＦＦ１１及び位相部
１０に供給される。なお、図３において、φ０２信号，
φ０３信号は、φ００信号，φ０１信号の位相が９０度
あるいは−９０度ずれた信号であり、φ００信号, φ０
１信号と同一なので省略している。

【００４４】φ００信号, φ０１信号は、Ｄ-ＦＦ１１
に入力されるが、この場合、φ００信号についてはＣＬ
Ｋ端子に供給し、φ０１信号についてはリセット端子に
供給する。なお、プリセット端子及びＤ端子は、図示し
ない外部スイッチによりＨレベルとなるように制御され
る。

【００４５】また、一方のＤ−ＦＦ１１にも同様に位相
部１０からのφ０２信号，φ０３信号が同様に供給され
て波形処理が実行されることになる。

【００４６】本実施の形態において、φ００信号は、超
音波振動子１８（符号６に相当）の共振周波数のクロッ
クであり、φ０１信号は、前記φ００信号をデューティ
５０％になるように出力される（図３（ａ），図３
（ｂ）参照）。

【００４７】本実施の形態の波形整形部３では、矩形波
φ００信号，φ０１信号のデューティ比を約５０％にす
る。このデューティ比は、超音波モータの効率に大きく
影響する。すなわち、超音波振動子１８は、印加する電
力のデューティ比が狂うと、最適な超音波楕円振動を励
起できず、モータのエネルギー変換効率低下、モータの
出力低下を生じることになる。最適な効率を得るために
は、デューティ比を約５０％にすることが必要不可欠と
なる。

【００４８】このようにＤ−ＦＦ１１により得られた出
力が、図３（ｄ），図３（ｅ）に示されている。すなわ
ち、図中上段のＤ−ＦＦ１１の出力であるφ１０信号
と、図中下段に示すＤ−ＦＦ１１の出力であるφ２０信
号は、それぞれ入力された基準波のデューティ比が５０
％であり、該φ２０信号については、前記φ１０信号に
対し位相が９０度遅れたものとなる。

【００４９】各Ｄ−ＦＦ１１の出力されたφ１０信号及
びφ２０信号は、それぞれフィルタ部４であるＣＲフィ
ルタ（高周波除去回路ともいう）１５を介して電力増幅
部５に供給される。

【００５０】つまり、超音波モータの駆動に、不要な周
波数成分が混じると、異音が発生する虞れがある。この
ため、本実施の形態では、ＣＲフィルタ１５を用いて不
要な周波数成分を除去する処理を施している。

【００５１】この場合、ＣＲフィルタ１５は、φ１０信
号に対しフィルタ処理を施したφ３０信号，φ３１信号
と（図３（ｅ）参照）と、φ２０信号に対しフィルタ処
理を施したφ３２信号、φ３３信号（図３（ｆ）参照）
とを生成し、電力増幅部５のそれぞれ積層型圧電素子６
ａ，６ｂに対応するＦＥＴ１６，１７に出力する。

【００５２】なお、本実施の形態では、図２に示すよう
にフィルタ部４はＣＲのバントパスフィルタを使用して
いるが、ＬＣフィルタ、ＣＲフィルタを用いて構成して
も良い。

【００５３】電力増幅部５は、上述したように２つのス
イッチング素子であるＦＥＴ１６，１７が用いられてお
り、本実施の形態では、２ＳＪと２ＳＫタイプを組み合
わせて使用した。

【００５４】スイッチング素子であるＦＥＴ１６は、φ
３０信号が入力され、ＨのときＯＦＦ，ＬのときＯＮに
なる。一方のスイッチング素子であるＦＥＴ１７は、φ
３１信号が入力され、ＬのときＯＦＦ，ＨのときＯＮに
なる。こうして、所定の増幅率で増幅された出力信号が
駆動信号として積層圧電素子１８ａ（符号６ａに相当）
に印加される。

【００５５】また、残りのスイッチング素子であるＦＥ
Ｔについても同様に動作し、もう一方の積層型圧電素子
１８ｂに印加される。

【００５６】そして、超音波振動子１８は、縦共振振動
と屈曲共振振動を同時に励起して図示しない駆動子に楕
円振動を発生させて被駆動体を駆動させる。

【００５７】この場合、超音波振動子１８の駆動状態
は、縦振動を検出するモニタ電極１９（検出用圧電素子
７に相当）によって検出される。このモニタ電極１９
は、図１３に示すように、厚み方向に全面分極された圧
電素子を基本弾性体の側面に接着されており、該超音波
振動子１８の縦振動を検出し、検出結果（φ４０信号）
を２値化部８である２値化回路２０に供給する（図３
（ｇ）参照）。

【００５８】通常、超音波振動子１８は、温度変化、経
時変化、素子のばらつきによって影響を受け易く、共振
周波数をずらす要因になっている。そのため、本実施の
形態では、モニタ電極１９を用いて常時該超音波振動子
１８の振動状態を観察する。このモニタ電極１９による
検出結果、つまり、モニタ電極波形(φ４０信号であ
り、以下、モニタ波形と称す）が図３（ｇ）に示されて
いる。このようなモニタ波形のφ４０信号が、その後、
２値化回路２０によって２値化され、図３（ｈ）に示す
デジタル信号（φ４１信号）を得る。

【００５９】このデジタル化されたφ４１信号は、図２
に示すようにＣＰＵ２１の入力ポートを介して、パルス
作成部９に入力され、周波数が補正されることになる。

【００６０】次に、本実施の形態に駆動回路における補
正方法を図４及び図８を参照しながら詳細に説明する。

【００６１】図８は超音波振動子の振幅−周波数特性を
実測した時のデータを示す特性図である。なお、図８
は、横軸に周波数、縦軸にモニタ信号から進行方向に配
置された積層型圧電素子に印加した信号の差（以下、モ
ニタ位相差信号と称す）及びモニタ電極の振幅を示して
いる。また、グラフＶＡ、ＶＢは、−１０℃、１０℃時
の振幅を示し、またθＡ、θＢは、−１０℃、１０℃時
の位相特性を示している。

【００６２】通常、超音波振動子は、温度が高くなると
共振周波数が低下する。

【００６３】１０℃における超音波振動子の共振周波数
は、図８によりＶＢ(１０℃)の最大振幅値(ＶＢＨ：Ｂ
点）より、ｆ＝８２．６ＫＨｚ,２７ＤＥＧである。ま
た、−１０℃における超音波振動子の共振周波数は、Ｖ
Ａ(−１０℃)の最大振幅値(ＶＡＨ；Ａ点）より、ｆ＝
８２．９ＫＨｚ,２８ＤＥＧである。

【００６４】モニタ電圧と共振点の関係は、モニタ電圧
が最大に振れる最大値が共振点となる。また、共振点
は、積層型圧電素子の温度特性に応じて変化するもので
ある。例えば、図８に示すように、ある温度に対しての
モニタ電圧ＶＡ，ＶＢ（Ａ点，Ｂ点）は、その振幅の最
大値が共振点である。また、共振点時におけるモニタ位
相差信号も、一定値存在する。つまり、共振周波数が変
化しても、位相差は一定となる。図８に示す特性図で
は、モニタ電圧ＶＡからＶＢに変化に応じて位相差が、
図中に示すＬ矢印方向に平行移動しているのが解る。こ
の場合、位相差は一定であり、周波数ｆｅ分ずれた位相
差である。そのため、制御手段であるＣＰＵ２１は、こ
のモニタ信号及び印加信号を２値化し、位相差信号を算
出し、この位相差がある所定の範囲になるように、印加
信号の周波数を変化させるように制御することで、実現
可能になる。

【００６５】共振点では、モニタ位相差信号は、一定で
ある。つまり、図８に示すように共振点がＶＡＨからＶ
ＢＨに移動すると、モニタ位相差信号も、それに追従し
て平行移動する（図８中においてθＡがθＢに矢印Ｌ方
向に平行移動）。つまり、この位相差信号が一定になる
ように、駆動信号の周波数を決定すれば良い。

【００６６】次に、図４を参照しながら、追従方法を説
明する。

【００６７】図４（ａ）はパルス作成部１からの基本信
号であるφ００信号、図４（ｂ）はモニタ信号（φ４０
信号）、図４（ｃ）はモニタ信号を２値化したφ４１信
号である。

【００６８】図４中のＡの区間は、共振点の波形が示さ
れており、このとき基準となるφ００信号と検出結果と
してパルス作成部１に供給されるφ４１信号とは、図中
に示すようにΔθの位相差を持つことになる。

【００６９】また、図４中のＢの区間は、モニタ信号が
遅れている波形が示されており、このとき、φ４１信号
は、上記Ａの区間と比較すると、Δθだけ位相が遅れて
いるので、該φ４１信号の位相をΔθだけ進めるように
周波数を調整する。なお、位相が進んだ場合は、同様に
位相差Δθとなるように周波数を微調整すれば良い。そ
の結果、所定の位相差の範囲に入れると、周波数が共振
点に近づき、最適な駆動が可能となる。なお、実験で
は、進行方向と反対側に接着された積層型圧電素子と比
較しても良い結果が得られなかった。

【００７０】以上、説明したように、屈曲信号の共振周
波数と、縦振動の共振周波数は、同一ではなく、縦振動
の共振周波数を高くすると良い結果が実験により得られ
た。また、縦振動で且つ進行方向に配置された積層型圧
電素子６ａ，６ｂと検出用圧電素子７から出力される信
号とを比較したとき、推力が最大となった。

【００７１】すなわち、本実施の形態では、超音波モー
タの駆動回路において、超音波モータの駆動方向前側の
積層型圧電素子６ａ（６ｂ）に印加する駆動信号（φ０
０信号、またはφ０２信号）と検出用圧電素子７からの
縦振動検出結果（φ４１信号）とを比較し、この比較結
果を基にパルス作成部１による発信周波数の変更制御を
行うことにより、各積層型圧電素子に与える駆動信号の
位相差を一定に保つことができる。つまり、超音波モー
タにおいて、被駆動体を図１に示す超音波振動子６の積
層型圧電素子６ａ側方向（図中上方向）に駆動させる場
合には、他方の積層型圧電素子６ｂに印加する駆動信号
をπ／２遅らせ、φ００信号とφ４１信号とを比較し、
比較結果を基に補正制御し、一方、積層型圧電素子６ｂ
側方向（図中下方向）に駆動させる場合には、他方の積
層型圧電素子６ａに印加する駆動信号をπ／２進めて、
φ０２信号とφ４１信号とを比較し、比較結果を基に補
正制御する。これにより、上記実験結果に示すように、
電気−機械変換効率を最大に保つことが可能となる。

【００７２】したがって、本実施の形態によれば、駆動
回路の構成が複雑になることなく、所望の状態で駆動で
き且つ電気−機械変換効率を最大に保つことができる超
音波モータの駆動回路を構成することができる。次に、
本発明の超音波モータの駆動回路の第２の実施の形態を
図５乃至図７を参照しながら説明する。

【００７３】図５乃至図７は本発明の超音波モータの駆
動回路の第２の実施の形態を示し、図５は本駆動回路内
の波形整形回路の入出力特性を示す特性図、図６は改良
がされた波形整形回路の付加回路の構成を示すフロック
図、図７は本実施の形態の駆動回路の構成を示すブロッ
ク図である。なお、図７は、前記第１の実施の形態と同
様な構成要素については同一の符号を付して説明を省略
し、異なる部分のみを説明する。

【００７４】本実施の形態の超音波モータの駆動回路
は、図７に示すようにフィルタ部４の前段の波形整形部
３に、電力増幅部５に使用されている２つのスイッチン
グ素子（ＦＥＴ１６，１７）に印加する信号が同時に駆
動しない様に波形を整形する機能を有する回路群を付加
したことが、図２に示す前記第１の実施の形態と異なる
点である。

【００７５】この機能を実行する回路群の構成を図５乃
至図７を用いて説明をする。

【００７６】図６に示すように、本実施の形態の波形整
形部３には、直列接続される２個の遅延手段としての遅
延回路１２，１３（図中には遅延１，遅延２と記載）
と、ＡＮＤ素子とで構成される付加回路が備えられてい
る。この付加回路は、図７に示すように、該波形整形部
３のＤ−ＦＦ１１とフィルタ部３との間に接続されるよ
うになっている。

【００７７】上記付加回路においては、Ｄ−ＦＦ１１の
出力信号であるφ１０信号（図５（ａ）参照）が供給さ
れ、このφ１０信号を２つの遅延回路１２，１３を介す
ることにより２段遅延したφＳ１信号（図５（ｂ）参
照）と前記φ１０信号とをＡＮＤ素子１４を用いて、論
理積を求め、φＳ２信号（図５（ｃ）参照）が得られ
る。

【００７８】そして、前記φＳ２信号と、φ１０信号を
遅延回路１２のみで１段遅延したφＳ３信号とを用い
て、フィルタ部４を介し電力増幅部５のスイッチング素
子であＦＥＴ１６，１７に印加される。この場合、φＳ
２信号がＨ、φＳ３信号がＬの条件のとき、２つのＦＥ
Ｔ１６，１７は共にＯＮとなり、つまりショート状態に
なって消費電力の増加、発熱、素子の寿命低下を招く虞
がある。

【００７９】しかしながら、図５（ｃ），図５（ｄ）の
φＳ２信号，φＳ３信号を見ても解るように、φＳ２信
号がＨ、φＳ３信号がＬとなる条件が無くなり、ショー
ト状態にならない。

【００８０】なお、遅延量は、スイッチング素子である
ＦＥＴ１６，１７のＯＮ／ＯＦＦが区別可能な時間で且
つ超音波モータの駆動に影響の無い範囲であり、１００
μsec 程度で良い。

【００８１】他の構成については前記第１の実施の形態
と同様である。

【００８２】したがって、本実施の形態によれば、前記
第１の実施の形態と略同様の効果が得られる他に、電力
増幅部５におけるスイッチング素子の発熱を抑えること
ができるので、不要な電力を用いず、また電力素子の小
型化、放熱の簡素化が可能となる。

【００８３】次に、本発明の超音波モータの駆動回路の
第３の実施の形態を図９乃至図１１を参照しながら説明
する。

【００８４】図９乃至図１１は本発明の超音波モータの
駆動回路の第３の実施の形態を示し、図９は本駆動回路
の補正概念を説明するための説明図、図１０は改良がな
されたパルス作成部１内のアナログ比較回路の構成を示
すブロック図、図１１は本駆動回路の特徴となる補正電
圧範囲を示す説明図である。なお、図１０は、前記第１
の実施の形態と同様な構成要素については同一の符号を
付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

【００８５】本実施の形態の駆動回路は、パルス作成部
１内において、モニタ波形であるφ４０信号を、スイッ
チング素子に入力する印加信号(φ３０信号またはφ３
２信号)とのアナログ信号で比較するように構成したこ
とが前記第１の実施の形態とは異なる点である。

【００８６】具体的には、ＣＰＵ２１には、２つの比較
器（ウインドコンパレータ）２６，２７と、作動回路２
４と、駆動信号の切換を行うスイッチ２２とで構成され
たアナログ比較回路が接続される。

【００８７】上記アナログ比較回路において、図１０に
示すように、積層型圧電素子６ａ，６ｂに与える印加信
号は、進行方向によりスイッチ２２によるスイッチング
によりφ３０信号かφ３２信号かのいずれかが選択され
るようになっている。このスイッチ２２の切換は、ＣＰ
Ｕ２１の出力ポートからの切換制御信号により切換制御
されることになる。

【００８８】この切換えて取り込まれた印加信号φ５３
信号とモニタ波形のφ４０信号とは差動回路２４に入力
される。この差動回路２４により得られた差信号である
φ５４信号は、２つの比較器２６，２７に供給される。
また、これらの比較器２６，２７の他方の入力端には、
それぞれ基準電圧２３，２５が供給される。この基準電
圧２３，２５は、共振点時の位相差Δθに対応する電圧
ΔＶの上限ΔＶＨ，下限値ΔＶＬを規定する。このΔＶ
Ｈ，ΔＶＬの値は、ΔＶに近づけるように設定をする。

【００８９】さらに詳細に説明すると、図９に示すよう
に、モニタ波形のφ４０信号及び切換えた印加信号であ
るφ５３信号は、共振点において、ある位相差Δθの関
係がある。そして、このΔθに対応する電圧ΔＶが存在
する。この場合、このΔＶは予め積層圧電素子６ａ，６
ｂの内部抵抗Ｒから算出し求めておく。つまり、このΔ
Ｖ分の範囲となるように制御すれば、図９に示すように
位相差Δθを一定に保つことができる。

【００９０】このような制御を実行するためのに、差動
回路２４の出力である差信号５４は、上限ΔＶＨ及び下
限値ΔＶＬと比較される。これを、図１１を用いて説明
をする。比較器２６は、上限値ΔＶＨ正極の入力端に入
力され、前記差信号５４が負極の入力端に入力されてい
る。すなわち、差信号５４が上限値ΔＶＨより低い場合
（ΔＶＨ＞ΔＶ）、その出力は、Ｈとなる。またこれと
は逆に、差信号５４が上限値ΔＶＨより高い場合（ΔＶ
Ｈ＜ΔＶ）は、その出力は、Ｌとなる。

【００９１】同様に、比較器２７は、差信号５４が正極
の入力端に入力され、下限値ΔＶＬが負極の入力端に入
力されている。すなわち、差信号５４が下限値ΔＶＬよ
り高い場合（ΔＶ＞ΔＶＬ）、その出力は、Ｈとなる。
またこれとは逆に、差信号５４が下限値ΔＶＬより低い
場合（ΔＶ＜ΔＶＬ）は、その出力は、Ｌとなる。

【００９２】つまり、差信号５４の電圧ΔＶがある範囲
ΔＶＨ＞ΔＶ＞ΔＶＬの関係になったとき、比較器２
６，２７の出力は共にＨとなる。このとき、共振範囲と
なる。したがって、ＣＰＵ２１は、比較器２６，２７の
出力信号５７，５８が共にＨになるように、周波数を調
整する。

【００９３】その他の構成は、前記第１の実施の形態と
略同様である。

【００９４】したがって、本実施の形態によれば、前記
第１の実施の形態と同様の効果が得られる他に、モニタ
波形信号と印加信号とをＣＰＵを用いず判定すること
で、処理の高速化が可能となり、また、回路構成を単純
化できるので製造コストの低減化にも大きく寄与する。

【００９５】なお、本発明に係る第１乃至第３の実施の
形態では、振動検出用圧電素子による共振縦振動の検出
信号（モニタ波形）と、被駆動体の進行方向前側の積層
型圧電素子に印加する駆動信号との位相差が所定範囲と
なるように説明したが、この所定範囲とは、駆動信号及
び検出信号の振幅が最大となる際の位相差の範囲内であ
り、また、この最大の振幅は超音波振動子に搭載される
積層型圧電素子によって決定されるものである。

【００９６】

【発明の効果】本発明により、回路構成を簡略化し且つ
高効率で超音波モータを所望の状態で駆動することがで
き、また電気部品が小型のため、トランスや、コイル等
大型部品が不要あるので、小型化，軽量化が実現可能と
なる超音波モータの駆動回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波モータの駆動回路の第１実施の
形態を示し、本実施の形態における超音波モータの駆動
回路の構成を示すブロック図。

【図２】図１に示す駆動回路の詳細な回路構成を示す回
路図。

【図３】図２中の各回路の出力波形を示すタイミングチ
ャート。

【図４】本駆動回路による補正動作を説明するための説
明図。

【図５】本発明の超音波モータの駆動回路の第２の実施
の形態を示し、本駆動回路内の波形整形回路の入出力特
性を示すタイミングチャート。

【図６】改良がされた波形整形回路の付加回路の構成を
示すフロック図。

【図７】本実施の形態の駆動回路の構成を示すブロック
図。

【図８】超音波振動子の振幅−周波数特性を実測した時
のデータを示す特性図。

【図９】本発明の超音波モータの駆動回路の第３の実施
の形態を示し、本駆動回路の補正概念を説明するための
説明図。

【図１０】改良がなされたパルス作成部内のアナログ比
較回路の構成を示すブロック図。

【図１１】本駆動回路の特徴となる補正電圧範囲を説明
するための説明図。

【図１２】従来の超音波振動子の駆動装置の構成を示す
ブロック図。

【図１３】他の従来の超音波リニアモータに搭載された
超音波振動子を示す正面図。

【符号の説明】

１，９…パルス作成部、 ２，１０…移相器（移相部）、 ３…波形整形部、 ４…フィルタ部、 ５…電力増幅部、 ６…超音波振動子、 ６ａ，６ｂ，１８ａ，１８ｂ…積層型圧電素子、 ７，１９…振動検出用圧電素子、 ８，２０…２値化部、 １１…Ｄ−ＦＦ、 １２，１３…遅延回路、 １４…ＡＮＤ素子、 １５…高周波除去回路、 １６，１７…スイッチング素子（ＭＯＳ型ＦＥＴ）。 ２１…制御手段（ＣＰＵ）、 ２２…スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 葛西 靖明 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H680 AA19 BB13 BB20 CC02 CC06 DD15 DD23 DD53 DD55 DD65 DD82 DD95 EE24 FF26 FF27 FF30 FF33 FF36 FF38

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動方向に直列に配置された２つの積層
   型圧電素子と、前記積層型圧電素子を保持すると共に振
   動体として作用する弾性体と、駆動子と、振動検出用圧
   電素子と、前記駆動子と接触する被駆動体とを有し、縦
   共振振動と屈曲共振振動を同時に励起して前記駆動子に
   楕円振動を発生させて前記被駆動体を駆動させる超音波
   モータの駆動回路であって、 前記２つの積層型圧電素子に印加する９０度位相のずれ
   た駆動信号を生成する駆動信号生成部であって、前記超
   音波振動子の共振周波数を中心に所定の幅で駆動信号の
   周波数を変化することのできる駆動信号生成部と、 前記振動子検出用圧電素子の前記共振周波数の検出信号
   と、前記被駆動体の進行方向の積層型圧電素子に印加す
   る駆動信号との位相差が所定の範囲内になるように前記
   駆動信号生成部を制御する制御手段と、 を具備したことを特徴とする超音波モータの駆動回路。
2. 【請求項２】 前記駆動信号生成部は、 前記駆動信号を発振するもので、前記超音波振動子の共
   振周波数を中心に所定の幅で前記駆動信号の周波数を変
   化することのできるパルス作成部と、 前記パルス作成部の出力を移相して９０度位相のずれた
   少なくとも２つの矩形波信号を出力し、且つディユーテ
   ィ比が約５０％となるように処理を施す波形成形部と、 前記波形成形部からの出力の高調波成分を除去する除去
   機能を具備したフィルタ部と、 前記フィルタ部によるフィルタ処理後の信号を入力して
   増幅し、交流番圧の前記駆動信号を発生させて前記積層
   型圧電素子に印加する電力増幅部と、 前記振動子検出用圧電素子により検出された検出信号を
   ２値化して前記制御手段に供給する２値化部と、を具備
   して構成したことを特徴とする請求項１に記載の超音波
   モータの駆動回路。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、前記パルス発生部を内
   部に含み、前記被駆動体の駆動方向に応じて、前記２値
   化部からの検出信号と前記被駆動体の進行方向の積層型
   圧電素子に印加する駆動信号との比較を行い、比較結果
   に基づき前記検出信号と前記駆動信号との位相差が所定
   の範囲内になるように前記パルス発生部による発信周波
   数を可変制御することを特徴とする請求項２に記載の超
   音波モータの駆動回路。
4. 【請求項４】 前記電力増幅部は、前記積層型圧電素子
   に電荷の充電と放電をそれぞれ行うことで増幅して交流
   番圧の駆動信号を発生させる２つのスイッチング素子で
   構成され、 前記波形成形部は、前記２つのスイッチング素子が同時
   に駆動しないように波形を成形する回路を具備したこと
   を特徴とする請求項２に記載の超音波モータ駆動回路。
5. 【請求項５】 前記振動検出用圧電素子は、前記超音波
   振動子の縦共振振動を検出した検出信号を出力するもの
   で、前記制御手段は、該振動検出用圧電素子の出力信号
   と、前記被駆動体の進行方向前側に配置された前記積層
   型圧電素子に印加した駆動信号との位相差を比較し、こ
   の比較結果に基づき、該位相差がある所定の値または所
   定の範囲内になるように、前記駆動信号生成部または前
   記パルス作成部の発振周波数を可変制御することを特徴
   とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の超
   音波モータ駆動回路。