JP2005295726A

JP2005295726A - 超音波モータの駆動回路

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Publication number: JP2005295726A
Application number: JP2004109329A
Authority: JP
Inventors: Isao Nakazawa; 勲中澤
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】ノイズに強く、起動時から環境温度に適応した最適な駆動周波数を高分解能で検出でき、また、従来必要とされていた温度特性データを保存する記憶領域を用いることなく最適な駆動周波数を検出できる超音波モータの駆動回路を提供する。
【解決手段】所定周波数の信号を発振する発振部１と、発振部１から発振された信号を増幅して、圧電素子の外部電極８Ａに印加する電力増幅部３と、発振部１から発振された信号を移相する移相部５と、移相部５で移相された信号を増幅する電力増幅部４と、圧電素子の外部電極４からの励起電流を検出する電流測定部６と、発振部１で発振する信号の周波数を可変制御し、電流測定部６で検出された励起電流が最大となるときの周波数を検出する制御部１と、圧電素子の外部電極８Ｂの接続対象を、電力増幅部４と電流測定部６のいずれかに切替える切替えスイッチＳＷ７とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動子を有する超音波モータの駆動回路に関する。詳しくは、温度、負荷等により変化する超音波モータの駆動周波数を最適に制御する超音波モータの駆動回路に関する。

従来、超音波モータの駆動装置としては、例えば、次の特許文献１に振動アクチュエータ駆動装置が提案されている。
特開平１０−１７４４６４号公報

振動アクチュエータ駆動装置の基本的な構成及び作用について、図１５、図１６を用いて説明する。
図１５は振動アクチュエータ駆動装置の駆動回路の一従来例を示すブロック図、図１６は図１５の駆動アクチュエータ駆動装置における駆動周波数と測定電流との関係で示すグラフである。

図１５の振動アクチュエータ駆動装置は、駆動信号（駆動周波数と駆動電圧）を制御する制御器５９と、発振器５１と、増幅器５３と、移相器５５と、増幅器５４と、電流計５６を備えている。
ここで、発振器５１は、制御器５９の駆動信号に基づいて、所定の周波数の信号（交流電圧）を生成する。増幅器５３は、発振器５１からの信号（交流電圧）を増幅して、増幅した信号を圧電体５８ａに印加する。移相器５５は、発振器５１からの信号（交流電圧）の位相を９０度異ならせる。増幅器５４は、移相器５５からの信号（交流電圧）を増幅して、増幅した信号（交流電圧）を圧電体５８ｂに印加する。電流計５６は、圧電体５８ｂに流れる電流を検出して、制御器５９に出力する。なお、増幅器５３と圧電体５８ａ、増幅器５４と圧電体５８ｂは、それぞれ互いに直結されている。

このように構成された振動アクチュエータ駆動装置では、予め、発振器５１で生成させる信号の周波数を、駆動周波数（共振周波数）から十分に離れた周波数ｆ０にセットする。そして、この周波数ｆ０で、発信器５１を発振させて信号（交流電圧）を生成する。発信器５１から出力された信号は、圧電体５８ａ，５８ｂに印加される。そして、圧電素子５８ｂへ印加した信号によって生じる電流を、電流計５６で測定する。この測定を複数の温度条件のもとで行い、圧電体５８ｂの温度と電流値との相関を求めておく。このようにしておけば、圧電素子５８ｂに周波数ｆ０の信号を印加した時に生じる電流量を測定することで、この相関関係から圧電体５８ｂの温度を検出することができるようになる。

また、圧電体５８ｂの最適駆動周波数と温度との相関を求めておく。
制御器５９では、駆動電圧と電流計５６により測定された電流値とに基づいて、インピーダンスを算出する。そして、算出したインピーダンスから周波数を検出する。
この周波数検出を複数の温度条件で行い、圧電体５８ｂの最適駆動周波数と温度との相関を求めておく。

そして、圧電体５８ｂの温度と電流との相関と、圧電体５８ｂの最適駆動周波数と温度との相関に基づいて、所定温度における圧電素子５８ｂの電流ｉ０と最適駆動周波数ｆ１との相関を求める（図１６参照）。この相関情報を、装置内部の記憶部（図示省略）で記憶しておく。

次に、実際に装置を駆動させる場合を説明する。
まず、モータが非駆動になっている状態で、電流量の測定を行う。この場合、圧電体５８ａ，５８ｂに与える信号の周波数は、共振周波数から十分に離れた周波数ｆ０である。また、信号の電圧は、圧電体５８ａ，５８ｂを駆動させることがない程度に小さい電圧である。このような信号を圧電体５８ａ，５８ｂに印加し、電流計５６で電流量を測定する。測定した電流値ｉ０から、図１６に示した相関に基づき、この状態での最適駆動周波数ｆ１を求める。そして、求めた最適駆動周波数ｆ１を実際の駆動周波数として、発信器５１を駆動させる。そして、発信器５１で生成された信号（駆動電圧）を圧電体５８ａ，５８ｂに印加する。そして、印加した信号により、圧電体５８ａ，５８ｂのそれぞれで、調和した振動を発生させることができる。これにより、楕円運動を発生させて、アクチュエータを駆動させることができる。
このように、従来の駆動アクチュエータ駆動装置では、予め圧電体の温度特性を利用して電流と駆動周波数との相関を求め、この相関情報を記憶させておき、この相関情報から最適な駆動周波数を導出していた。

従来の振動アクチュエータ駆動装置では、非駆動の状態で印加する信号の大きさを、駆動時に比べて十分小さくしなければならない。これでは、測定しようとする電流量が非常に小さくなる。この場合、測定値がノイズ等、外乱の影響を大きく受けるので、測定値における誤差が大きくなる。このため、最適な駆動周波数を得るのが難しい。
また、共振周波数から十分に離れた周波数ｆ０における温度特性を用いたのでは、駆動周波数に対する測定電流値のピーク部分の波形が緩やかな形状となる。これでは、最適駆動周波数の前後において波形に顕著な変化がないため、所望の共振周波数を高い分解能で特定することができない。
更に、従来の振動アクチュエータ駆動装置では、相関関係を保存する記憶データ領域も必要となっていた。

なお、振動アクチュエータ駆動装置において、非駆動状態で印加する信号（印加電圧）の大きさを、駆動時に比べてさらに十分に小さくすることもできる。この場合、共振周波数に近い周波数で、電流を測定することができる。しかしながら、それでは、測定しようとする電流量が更に小さくなる。そのため、測定値がノイズ等、外乱の影響を更に大きく受けるので、測定値における誤差がより一層大きくなる。また、測定した波形（電流値の波形）のピークの絶対値が小さくなるため、最適な駆動周波数の検出分解能が低くなってしまう。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ノイズに強く、環境温度に適応した最適な駆動周波数を高分解能で検出でき、また、従来必要とされていた温度特性データを保存する記憶領域を用いることなく最適な駆動周波数を検出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。

上記目的を達成するため、本発明による超音波モータの駆動回路は、圧電素子に印加するための所定周波数の信号を発振する発振部と、前記発振部から発振された信号を増幅して、前記圧電素子の第１の外部電極に印加する第１の電力増幅部と、前記発振部から発振された信号を移相する移相部と、前記移相部で移相された信号を増幅して、前記圧電素子の第２の外部電極に印加する第２の電力増幅部と、前記圧電素子の第２の外部電極からの励起電流を検出する電流測定部と、前記発振部で発振する信号の周波数を可変制御し、前記電流測定部で検出された励起電流が最大となるときの周波数を検出する制御部と、前記圧電素子の第２の外部電極の接続対象を、前記第２の電力増幅部と前記電流測定部のいずれかに切替える切替えスイッチと、を具備することを特徴としている。

また、本発明による超音波モータの駆動回路は、圧電素子に印加するための所定周波数の信号を発振する発振部と、前記発振部で発振する信号のパルス数を制限するパルスゲート部と、前記発振部から発振された信号を増幅して、前記圧電素子の第１の外部電極に印加する第１の電力増幅部と、前記発振部から発振された信号を移相する移相部と、前記移相部で移相された信号を増幅して、前記圧電素子の第２の外部電極に印加する第２の電力増幅部と、前記第２の電力増幅部で増幅された圧電素子の第２の外部電極への印加電流、又は前記圧電素子からの励起電流を検出する電流測定部と、前記パルスゲート部で制限する信号のパルス数を圧電素子が駆動しない所定量に制御しながら、前記発振部で発振する信号の周波数を可変制御し、前記電流測定部で検出された印加電流が最大となるときの周波数を検出する制御部と、を具備することを特徴としている。

本発明の超音波モータの駆動回路によれば、圧電素子の１つの外部電極にパルスを印加し、１つの外部電極から、励起された電流を測定することにより、非駆動状態で、最適な駆動周波数を設定することができる。
また、本発明の他の超音波モータの駆動回路によれば、圧電素子が動作しないパルス列を圧電素子の外部電極に印加することにより、非駆動状態で、最適な駆動周波数を設定することができる。
そして、これらの本発明の駆動回路によれば、ノイズに強く、最適駆動周波数を高分解能で検出することができ、しかも、従来の駆動回路のような温度特性データを保存する記憶領域を設ける必要が無く、起動時から環境温度等に適応して最適な駆動周波数を設定することができる。

実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。
本発明の超音波モータの駆動回路は、切替えスイッチを備えている。この切替えスイッチを介して、圧電素子の第２の外部電極の接続先を、第２の電力増幅部か電流測定部のいずれかに切り替えることができる。なお、切替スイッチの制御は、制御部で行う。
この駆動回路において、第２の外部電極を電流測定部に接続する。そして、超音波モータを駆動するのに必要な大きさの信号を、発信部から第１の外部電極に加える。この場合、発振部からの信号は、圧電素子の第１の外部電極のみに印加され、第２の外部電極には印加されない。超音波モータを駆動するには、外部電極を用いて、２つの圧電素子に信号を印加する。すると、圧電素子は、縦振動と屈曲振動を発生する。超音波モータは、縦振動と屈曲振動が調和的に発生し、楕円運動になると駆動する。従って、第１の外部電極のみ信号を印加したのでは、駆動条件を満足したことにならない。故に、超音波モータは駆動しない。
このため、最適駆動周波数を検出する際に、超音波モータを駆動させないで、実際に、超音波モータを駆動するのに必要な周波数及び電圧を、超音波モータに印加することができる。

超音波モータの駆動回路について、具体的に説明する。制御部は、発振部の発振周波数を、圧電素子の共振周波数近傍に設定する。また、この制御部は、印加電圧を駆動電圧に近い電圧に設定する。そして、発振部で生成された信号は、第１の電力増幅部に入力され増幅される。第１の電力増幅部で増幅された信号は、圧電素子の第１の外部電極に入力される。
また、発振部で生成された信号は、移相器を介して９０度、信号の位相が移相させられる。この移相した信号は、第２の電力増幅部に入力され増幅される。
第２の外部電極と第２の電力増幅部の接続、第２の外部電と電流測定部との接続は、切替スイッチによって行われる。よって、切替えスイッチによって接続先が第２の電力増幅部に切替えられた場合に、第２の電力増幅部で増幅された信号が第２の外部電極に入力される。一方、接続先が電流測定部に接続された場合には、第２の外部電極には、第２の電力増幅部で増幅された信号は入力されない。
なお、切替えスイッチの制御は、制御部で行なうようにするとよい。

切替えスイッチで、第２の外部電極の接続先を電流測定部に切替えると、圧電素子の第１の外部電極のみに信号が印加される。この信号の印加によって圧電素子が励起され、電流（励起電流）が発生する。この電流は、第２の外部電極を通じて電流測定部に入力される。電流測定部では、この入力された電流を検出する。なお、実験により、最適駆動周波数は、電流の値が最大になった時の周波数、つまり共振点となるときの周波数であることがわかっている。
そこで、切替えスイッチで接続先を電流測定部に切替えた状態で、制御部を介して圧電素子に印加する周波数を可変させていく。そして、変化させた周波数ごとに電流測定部で電流を測定し、電流最大値を検出する。このようにして、電流の測定最大値が検出されたときの周波数を、駆動周波数として得る。

次に、切替えスイッチで、第２の外部電極の接続先を第２の電力増幅部に切替える。すると、発振部から出力された信号は、移相器を介して９０度移相させられる。続いて、この信号は、第２の電力増幅部で増幅される。そして、増幅された信号は、圧電素子の第２の外部電極に入力される。一方、第１の電力増幅部で増幅された信号は、圧電素子の第１の外部電極に入力される。
このため、圧電素子には、位相は９０度異なるが最適駆動周波数が同じである２つの信号（２相の信号）が入力される。これにより、圧電素子は２つの信号により、調和した振動を発生させる。その結果、この振動により楕円運動が発生し、超音波モータを駆動することができる。

このとき、この駆動回路によれば、実際に圧電素子を駆動させるときに近い電圧を、圧電素子に印加させることができる。よって、測定時の電流の値が大きいので、ノイズ等の外乱に影響されにくくなる。

また、この駆動回路によれば、共振周波数に近い周波数で、電圧を圧電素子に印加することができる。よって、最適駆動周波数の前後において、電流の変化の割合が激しくなる。例えば、図２に示すように、電流の波形のピーク形状が鋭くなる。このため、最適駆動周波数を高分解能で検出することができる。

さらに、この駆動回路によれば、最適駆動周波数の検出にあたっては、周波数を変化させながら、測定した電流の変化の様子を観察（監視）すればよい。よって、従来の駆動回路のように記憶領域を設け、温度特性データを保存する必要が無くなる。

また、他の駆動回路では、切替えスイッチを設ける代わりに、発振部で発振する信号のパルス数を制限するパルスゲート部を設け、制御部で前記パルスゲート部で制限する信号のパルス数を圧電素子が駆動しない所定量に制御するように構成している。
このように構成した場合、圧電素子の第１及び第２の外部電極には、信号が印加されることになる。しかし、圧電素子は、信号が印加されていても、所定量以上のパルス数で印加しなければ、駆動しないという特性を有している。そこで、この点に着目して、この駆動回路では、パルスゲート部を介して、圧電素子に印加する信号のパルス量を圧電素子が駆動しない所定量に制限するようにしている。
このため、この駆動回路によれば、最適駆動周波数を検出する際に、実際の超音波モータの駆動時に近い周波数及び電圧を印加することができる。

具体的には、他の駆動回路では、制御部は、発振部の発振周波数を、圧電素子の共振周波数近傍に設定する。また、発振部の出力信号のパルス数は、パルスゲート部を介して一定量に制限される。これにより一定量に制限されたパルス数の信号が、第１の電力増幅部に入力される。第１の電力増幅部で増幅された信号は、圧電素子の第１の外部電極に入力される。
また、発振部で生成された信号は、移相器を介して９０度、信号の位相が移相させられる。この移相した信号の出力信号のパルス数も、パルスゲート部を介して一定量に制限される。この信号は、第２の電力増幅部に入力され増幅される。この第２の電力増幅部で増幅されたパルスは、圧電素子の第２の外部電極に入力される。

上述のように、圧電素子は、印加するパルス数が一定量を超えないと、駆動しない。そのため、この駆動回路のように、パルスゲート部を用い、出力パルスにゲートを設けると、圧電素子の非駆動状態をつくることができる。制御部は、一定量のパルス数を圧電素子に印加するように、パルスゲート部を制御する。その時の圧電素子に印加する電流値、または圧電素子から出力された電流（励起電流）を、外部電極を介して電流測定部で検出する。この外部電極は、圧電素子に信号を印加するための第１及び第２の外部電極とは異なる外部電極である。なお、実験により、最適駆動周波数は、電流の値が最大になった時の周波数、つまり共振点となるときの周波数であることがわかっている。
そこで、制御部を介して圧電素子に印加する周波数を可変させていく。そして、変化させた周波数ごとに電流測定部で測定し、電流最大値を検出する。このようにして、電流の測定最大値が検出されたときの周波数を、駆動周波数として得る。設定後、パルスゲート部の出力ゲート設定を解除する。
このため、圧電素子には、位相は９０度異なるが最適駆動周波数が同じである２つの信号（２相の信号）が入力される。これにより、圧電素子は２つの信号により調和した振動を発生させる。その結果、この振動により楕円運動が発生し、超音波モータを駆動することができる。

このため、他の駆動回路によれば、上述した本発明の超音波モータの駆動回路と同様、ノイズ等に強い回路となる。また、共振点付近を測定するため、分解能が高い回路となる。さらに、温度特性データを保存する記憶領域が不要となる。

以下、実施例１について図１〜図７を用いて説明する。
図１は実施例１にかかる超音波モータの駆動回路のブロック図、図２は共振周波数近傍における圧電素子部８の印加周波数と、励起電流との関係図、図３は実施例１の超音波モータの駆動回路の動作手順を示すフローチャートである。
また、図４、図５は本発明の各実施例の超音波モータの駆動回路を用いて駆動する超音波振動子８０の形態を示す図で、図４は超音波振動子８０の側面図、図５は正面図である。図６は超音波振動子８０の基本構成を詳しく示す分解斜視図、図７は図６に示す圧電板２１，２１’の説明図である。

実施例１の駆動回路の構成の説明に先立ち、本発明の駆動回路を用いて駆動する超音波振動子８０について説明する。
図７に示す圧電板２１，２１’は、幅３０ｍｍ、高さ１０ｍｍ、厚さ１００μｍを有する圧電素子で構成されている。
圧電板２１の前面には、内部電極２７ａが配置されている。この内部電極２７ａは、厚さ１０μｍ程度の銀−パラジウム合金が塗布されたものである。また、内部電極２７ａは、上端部１ｍｍ、下部５ｍｍ、また、幅方向の中央部には、１ｍｍの絶縁部がそれぞれ設けられている。内部電極２７ａは、更に２つの領域に分割されて配置されている。

一方、圧電板２１’における内部電極２７ｂは、左右両端部に１ｍｍ、下部に５ｍｍ、また、幅方向の中央部に１ｍｍの絶縁部がそれぞれ設けられ、更に、２つの領域に分割されて配置されている。
圧電板２１、２１’の内部電極２７ａ，２７ｂは、図７に示すように、それぞれ端面が左右及び上側に露呈するように塗布されている。このような内部電極２７ａ，２７ｂが施された２種類の圧電板２１，２１’を交互に４０層程度積層して、圧電素子部２８が形成される（図５参照）。（なお、圧電素子部２８は後述の各実施例における圧電素子部８に相当する。）

超音波振動子８０の前後面は、図６に示すように、矩形状の絶縁板２２が配設されている。絶縁板２２は、幅３０ｍｍ、高さ１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍを有する素子である。また、超音波振動子８０の上面には内部電極２７ｂが、露呈し、また側面には内部電極２７ａが露呈しており、これらで合わせて４つの露呈部を形成されている（不図示）。
この４つの露呈部には、それぞれ導電性銀ペーストからなる４つの外部電極２４−１，２４−２，２４−３，２４−４が、該内部電極２７ａ，２７ｂと導通するように互いに独立して設けられている（図４、図５参照）。

外部電極２４−１〜２４−４には、それぞれリード線が接続されている（図示省略）。また、超音波振動子８０の上面には、２つの外部電極２４−１，２４−２が配置されている。２つの外部電極２４−１，２４−２は、図４に示すように、本発明における一方及び他方の外部電極の端子Ａ，Ｂとして用いられている（例えば、実施例１では圧電素子部８の外部電極８Ａ，８Ｂを構成している）。また、超音波振動子８０の側面には、外部電極２４−３，２４−４が配置されている。外部電極２４−３，２４−４は、グランド端子として、図示しない駆動回路のグランド端子に接続されている。
一方、超音波振動子８０の底部において、長子方向端部から９ｍｍの位置には、幅４ｍｍ、奥行き４ｍｍ、厚さ１ｍｍの駆動子２６が接着剤を介して該底部に接合されている。

なお、駆動子２６は、高分子材料にアルミナを分散して形成されている。また、超音波振動子８０のほぼ中央部には、直径φ１ｍｍの穿孔が穿設されている。この該穿孔には、ステンレス材よりなるピン２９が貫通して接着されている。
このように構成された超音波振動子８０は、駆動子２６を介して図示しない摺動部材に対し、ある一定の押圧力を加える。この押圧力を保持することで、超音波モータが構成できる。

次に、実施例１の駆動回路の構成及び動作について説明する。
実施例１の超音波モータの駆動回路は、図１に示すように、発振部１と、第１の電力増幅部３と、移相部５と第２の電力増幅部４と、電流測定部６と、制御部９を有して構成されている。

図１において、発振部１は、制御部９を介して制御されている。発振部１は周波数発振部として構成されており、出力する信号の周波数を可変させることができる。発振部１は所定の周波数及び電圧の出力信号を移相部５、及び第１の電力増幅部３に出力する。移相部５は、入力された信号の位相をπ／２又は−π／２移相して、第２の電力増幅部４に出力する。電力増幅部３，４は、それぞれ入力された信号を増幅する。そして、第１の電力増幅部３より出力された信号は、圧電素子部８の第１の外部電極８Ａに印加される。また、第２の電力増幅部４より出力された信号は、切替えＳＷ７を介して圧電素子部側に切替えられたときに、圧電素子部８の第２の外部電極８Ｂに印加される。

切替えＳＷ７は、圧電素子部８へ印加する状態（７Ａ）、及び圧電素子部８で発生する励起電流を測定する状態（７Ｂ）を選択するスイッチである。
制御部９を介して、切替えＳＷ７を励起電流測定状態７Ｂに切替える。すると、第１の外部電極８Ａに対して、第１の電力増幅部３で増幅された信号が印加される。圧電素子部８は、印加された電圧に応じた励起電流を発生する。励起電流は、電流測定部６で測定される。更に電流測定部６で測定された電流値は、制御部９に入力される。

次に、図３を用いて、実施例１の駆動回路の動作手順を説明する。
まず、制御部９は、発振部１の周波数ＦをＦ１にセットする（ステップＳ１０１）。ここで、Ｆ１は、測定範囲の下限周波数である。
また、切替えＳＷ７を制御して、接続を励起電流測定状態７Ｂにする（ステップＳ１０２）。
これにより、圧電素子部８で発生した励起電流を、第２の外部電極８Ｂから取り出すことができる。

電力増幅部３は、圧電素子部８を駆動するための信号を増幅する増幅器である。上記のように、接続状態は、励起電流測定状態７Ｂに切替えられている。そこで、この状態において、第１の外部電極８Ａに信号が印加されると、第２の外部電極８Ｂから圧電素子部８で励起した励起電流が出力される。モニタ信号は、切替えＳＷ７を介して電流測定部６に入力される。
電流測定部６は、入力された励起電流を、電流計を介して測定する（ステップＳ１０３）。
電流測定部６で測定した電流値を、制御部９で保存する（このときの測定値をＤ１とする）（ステップＳ１０４）。

次に、電流最大値の検出手順を説明する。
図２は、第１の外部電極８Ａに加えた信号の周波数と、電流測定部６で測定した電流値の関係を示している。実線は低温時、点線は高温時のデータをそれぞれ示している。このように圧電素子部８は温度特性を持ち、電流値が最大になるときの最適駆動周波数が変化する。
ここでは、低温時（実線）において最適駆動周波数を得る過程を説明する。図２においては、低温時での周波数Ｆ１における励起電流は、上記ステップＳ１０１〜ステップＳ１０４を経たときに電流値Ｉ１を得る。

次いで、発振部１の周波数ＦをＦ１から１ステップ（ΔＦ：ΔＦは任意）上げる（ステップＳ１０５）。第１の外部電極８Ａに信号が印加されると、圧電素子部８で励起された励起電流が第２の外部電極８Ｂから出力される。モニタ信号は切替えＳＷ７を介して電流測定部６に入力される。
電流測定部６は、入力された励起電流を、電流計を介して測定する（ステップＳ１０６）。
電流測定部６で測定した電流値を、制御部９で保存する（このときの測定値をＤ２とする）（ステップＳ１０７）。

次いで、周波数Ｆ（Ｆ１＋ΔＦ）と上限値Ｆ２とを比較する（ステップＳ１０８）。
周波数が上限値Ｆ２を上回っていない場合、測定値Ｄ１と測定値Ｄ２とを比較する（ステップＳ１０９）。
測定値Ｄ２が測定値Ｄ１よりも大きい場合、制御部９は、測定値Ｄ２を測定値Ｄ１の記憶領域にセットするとともに、このときの周波数Ｆを保存する（ステップＳ１１０）。
次いで、ステップＳ１０５以降の手順を繰り返す。
ステップＳ１０８において、周波数Ｆが上限値Ｆ２を上回ったとき（Ｆ＞Ｆ２）、処理を終了する。
処理終了時に制御部９に保存されていた測定値Ｄ１が電流最大値であり、そのときに保存されていた周波数Ｆ３が最適駆動周波数となる。

次に、切替えＳＷ７を制御して、接続を圧電素子部８への印加状態７Ａにする。そして、周波数Ｆ３の信号を生成するように、制御部９は発振部１を制御する。この結果、発振部１からは、周波数Ｆ３で所定電圧の駆動信号が出力される。この駆動振動は、第１の電力増幅部３で増幅された、第１の外部電極８Ａに入力される。また、この駆動振動は移相部５で移相され、第２の電力増幅部４で増幅される。そして、増幅された駆動信号は、第２の外部電極８Ｂに入力される。
これにより、圧電素子部８は２つの信号により、調和した振動を発生させる。この振動により楕円運動が発生し、超音波モータとして動作する。

このとき、実施例１の駆動回路によれば、スイッチＳＷ７が設けられているので、励起電流測定状態７Ｂにすることができる。この状態では、第１の外部電極８Ａにのみ信号が印加される。しかしながら、第１の外部電極８Ａにのみ信号が印加される場合には、圧電素子は駆動されない。このため、実施例１の駆動回路によれば、実際に圧電素子部８を駆動させるときと同様の大きい電圧を、圧電素子部８に印加することができる。そのため、励起電流も大きく得ることができる。励起電流とノイズ成分との比率（Ｓ／Ｎ）が低いと、電流最大値に大きな誤差を生じることになるが、実施例１の駆動回路では、励起電流が大きく得ることができる。そのため、実施例１の駆動回路では、励起電流におけるノイズ成分の影響を抑えられるので、正確な最適駆動周波数Ｆ３を得ることができる。

また、図２に示すように、最適駆動周波数Ｆ３の近傍における電流最大値（波形）の変化が急峻である。しかるに実施例１の駆動回路では、大きな励起電流で電流最大値を検出できるため、わずかな周波数変化に対しても、励起電流に変化が顕著に現れる。このため、周波数の分解能が高い回路となる。

更に、実施例１の駆動回路によれば、個別に温度特性データを取る必要がなく、温度に対する記憶データ領域も不要となる。

次に、本発明の実施例２を図８〜図１２を用いて説明する。
図８は本発明の実施例２にかかる超音波モータの駆動回路のブロック図、図９は圧電素子部８に入力する駆動周波数のパルス数と駆動量の関係図、図１０は実施例２の超音波モータの駆動回路の動作手順を示すフローチャートである。
なお、図２に示した圧電素子部８へ印加する信号の周波数と、励起電流との関係は実施例１と同一のため説明を省略する。また、図８において、図１と重複し同様に機能する部分については、図１と同一の符号を用い、説明を省略する。

図８に示すように、制御部９は、パルスゲート部２に、発振部１の出力パルスを一定量に制限するように制御する。また、実施例２では、切替えスイッチ７は設けられてなく、第２の電力増幅部４から出力された信号は常時、圧電素子部８の第２の外部電極８Ｂに印加されるようになっている。また、電流測定部１１は、圧電素子部８の第２の外部電極８Ｂへの印加電流を測定するように配置されている。電流測定部１１で測定した印加電流の値は、制御部９に入力されるようになっている。

次に、図１０を用いて、実施例２の超音波モータ駆動回路の動作手順を説明する。
まず、制御部９は、発振部１の周波数ＦをＦ１にセットする（ステップＳ２０１）。ここで、Ｆ１は、測定範囲の下限周波数である。
また、制御部９は、パルスゲート部２を介して発振部８で発振される信号のパルス数を圧電素子部８が駆動しない一定量に制御する（ステップＳ２０２）。

圧電素子部８は、図９に示すように、駆動周波数において、所定のパルス列ｎ以上のパルス（パルスの数）を印加しないと、駆動しない。実験においては、１００パルス以下のパルス列を圧電素子部８の第１及び第２の外部電極８Ａ，８Ｂに印加しても、圧電素子部８は動作しなかった。

パルスゲート部２を介してパルス列の数が一定量ｎに制限された信号は、電力増幅部３で増幅され、圧電素子部８の第１の外部電極８Ａに印加される。また、移相部５でπ／２又は−π／２移相され、第２の電力増幅部４で増幅され圧電素子部８の第２の外部電極８Ｂに印加される。

圧電素子部８の第２の外部電極８Ｂに印加する電流を、電流測定部１１で測定する（ステップＳ２０３）。
電流測定部１１で測定した電流値を、図８の制御部９で保存する（このときの測定値をＤ１’とする）（ステップＳ２０４）。

次いで、図８の発振部１の周波数ＦをＦ１から１ステップ上げる（ステップＳ２０５）。
次いで、圧電素子部８の第２の外部電極８Ｂに印加する電流を、電流検出部１１で測定する（ステップＳ２０６）。

図１１は最適駆動周波数時の電流振幅を示す説明図、図１２は最適駆動周波数から離れた電流振幅を示す説明図である。
図１１、図１２において、所定パルス数での信号印加時の電流値は、振幅の幅で求まる。このため、印加電流の振幅の幅を求めることにより、最適駆動周波数を求めることができる。
電流測定部１１で測定された電流値を、図８の制御部９に保存する（このときの測定値をＤ２’とする）（ステップＳ２０７）。

次いで、周波数Ｆと上限値Ｆ２とを比較する（ステップＳ２０８）。
周波数が上限値Ｆ２を上回っていない場合、得られた測定値Ｄ１’と測定値Ｄ２’とを比較する（ステップＳ２０９）。
測定値Ｄ２’が測定値Ｄ１’よりも大きい場合、制御部９は、測定値Ｄ２’を測定値Ｄ１’の記憶領域にセットするとともに、このときの周波数Ｆを保存する（ステップＳ２１０）。
次いで、ステップＳ２０５以降の手順を繰り返す。
ステップＳ２０８において、周波数Ｆが上限値Ｆ２を上回ったとき（Ｆ＞Ｆ２）、処理を終了する。
処理終了時に制御部９に保存されていた測定値Ｄ１’が電流最大値であり、そのときに保存されていた周波数が最適駆動周波数となる。

実施例２の駆動回路では、パルスゲート部２を介して、印加する信号を圧電素子部８が駆動しないパルス数に制御したので、駆動時に近い電流及び周波数でもって第２の電力増幅部４より出力された印加電流を測定することができる。そのため、切替えスイッチが不要となり、接点磨耗による劣化がなくなる。更には、スイッチを制御する制御部９の負担も軽減できる。
その他のノイズに強い回路、周波数の分解能が高い回路、となる効果や、温度に対する記憶データ領域も不要となる効果は、実施例１と同様である。

次に、本発明の実施例３の説明を図１３、図１４を用いて説明する。
図１３は本発明の実施例３にかかる超音波モータの駆動回路のブロック図、図１４は実施例３の超音波モータの駆動回路の動作手順を示すフローチャートである。
図１３に示す実施例３のように電流測定部１１で圧電素子部８の励起電流を測定する構成としても、図８の電流測定部１１で圧電素子部８への印加電流を測定する駆動回路と同様、最適駆動周波数でもって圧電素子部８を駆動することができる。
なお、図２に示した共振周波数近傍における圧電素子部８の印加周波数と、励起電流との関係は実施例１と同一のため説明を省略する。また、図１３において、図８と重複し同様に機能する部分については、図８と同一の符号を用い、説明を省略する。

図９に示すように、実施例３の駆動回路では、圧電素子部８には第３の外部電極８Ｃが設けられている。そして、第３の外部電極８Ｃから圧電素子部８で励起した電流（以下モニタ電流と記す）を電流測定部１１で測定するようになっている。また、電流測定部１１で測定した電流値は、制御部９に入力されるようになっている。
このように印加電流の代わりにモニタ電流を測定するようにして、図１０と同一手順の処理を行なうことにより、実施例２と同様の結果が得られる（図１４のステップＳ３０３，Ｓ３０６参照）。

実施例３の駆動回路では、電流測定部１１は、圧電素子部８の励起電流を第３の外部電極８Ｃから計測する。しかるに、実施例２の駆動回路では、圧電素子部８の第２の外部電極８Ｂへの印加電流を測定するように構成されているので、測定する電流値が大きくなる。これに対し、実施例３の駆動装置では、圧電素子８の励起電流を測定するように構成されているので、実施例２の構成に比べて測定する電流値が大きくならない。このため、測定に用いる電流測定部１１を小型化できる。

本発明の実施例１にかかる超音波モータの駆動回路のブロック図である。共振周波数近傍における圧電素子部８の印加周波数と、励起電流との関係図である。実施例１の超音波モータの駆動回路の動作手順を示すフローチャートである。本発明の各実施例の超音波モータの駆動回路に適用可能な超音波モータを駆動する超音波振動子８０の正面図である。図４の超音波振動子８０の側面図である。超音波振動子８０の基本構成を詳しく示す分解斜視図である。図６に示す圧電板２１，２１’の説明図である。本発明の実施例２にかかる超音波モータの駆動回路のブロック図である。圧電素子部８に入力する駆動周波数のパルス数と駆動量の関係図である。実施例２の超音波モータの駆動回路の動作手順を示すフローチャートである。最適駆動周波数時の電流振幅を示す説明図である。最適駆動周波数から離れた電流振幅を示す説明図である。本発明の実施例３にかかる超音波モータの駆動回路のブロック図である。実施例３の超音波モータの駆動回路の動作手順を示すフローチャートである。振動アクチュエータ駆動装置の駆動回路の一従来例を示すブロック図である。駆動アクチュエータ駆動装置における駆動周波数と測定電流との関係で示すグラフである。

符号の説明

１発振部
２パルスゲート部
３、４電力増幅部
５移相部
６、１１電流測定部
７切替スイッチ
８圧電素子部
８Ａ、８Ｂ、８Ｃ外部電極
９制御部
２１、２１’ 圧電板
２２絶縁板
２４−１、２４−２、２４−３、２４−４外部電極
２６駆動子
２７ａ、２７ｂ内部電極
２８圧電素子部
２９ピン
５１発振器
５３、５４増幅器
５５移相器
５６電流計
５８ａ、５８ｂ圧電体
５９制御器
８０超音波振動子

Claims

圧電素子に印加するための所定周波数の信号を発振する発振部と、
前記発振部から発振された信号を増幅して、前記圧電素子の第１の外部電極に印加する第１の電力増幅部と、
前記発振部から発振された信号を移相する移相部と、
前記移相部で移相された信号を増幅して、前記圧電素子の第２の外部電極に印加する第２の電力増幅部と、
前記圧電素子の第２の外部電極からの励起電流を検出する電流測定部と、
前記発振部で発振する信号の周波数を可変制御し、前記電流測定部で検出された励起電流が最大となるときの周波数を検出する制御部と、
前記圧電素子の第２の外部電極の接続対象を、前記第２の電力増幅部と前記電流測定部のいずれかに切替える切替えスイッチと、
を具備することを特徴とする超音波モータの駆動回路。
圧電素子に印加するための所定周波数の信号を発振する発振部と、
前記発振部で発振する信号のパルス数を制限するパルスゲート部と、
前記発振部から発振された信号を増幅して、前記圧電素子の第１の外部電極に印加する第１の電力増幅部と、
前記発振部から発振された信号を移相する移相部と、
前記移相部で移相された信号を増幅して、前記圧電素子の第２の外部電極に印加する第２の電力増幅部と、
前記第２の電力増幅部で増幅された圧電素子の第２の外部電極への印加電流、又は前記圧電素子からの励起電流を検出する電流測定部と、
前記パルスゲート部で制限する信号のパルス数を圧電素子が駆動しない所定量に制御しながら、前記発振部で発振する信号の周波数を可変制御し、前記電流測定部で検出された印加電流が最大となるときの周波数を検出する制御部と、
を具備することを特徴とする超音波モータの駆動回路。