JP2006081237A - 超音波モータの駆動回路およびアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、超音波モータの駆動を容易かつ確実に制御することができ、駆動効率の高い超音波モータの駆動回路およびアクチュエータを提供する。
【解決手段】超音波モータ２の駆動回路５は、交流電圧の印加により伸縮する圧電素子と、被駆動体に対して当接する接触部とを有する振動体を備える超音波モータを駆動する駆動回路であって、パルス信号を周期的に生成するパルス生成手段と、単位期間を周期的に設定する単位期間設定手段と、前記パルス信号の周期を保持しつつ、該パルス信号の前記単位期間内のパルス数を調節するパルス数調節手段と、前記調節されたパルス信号に対応する交流電圧を前記圧電素子に印加して前記超音波モータ２を駆動する駆動手段とを有し、前記パルス数調節手段によって前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記超音波モータ２の駆動を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波モータの駆動回路およびアクチュエータに関するものである。

従来から、圧電素子を備えた振動体を振動させて、ロータ等の被駆動体を駆動する超音波モータが知られている。この超音波モータでは、駆動回路により、振動体の圧電素子に交流電圧を印加し、その振動体を振動させる。
この超音波モータの電流制御や回転数制御には、圧電素子に印加する交流電圧の振幅を調節する電圧振幅可変駆動方式や、ＰＷＭ駆動方式（チョッパ方式）が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、前記電圧振幅可変駆動方式の場合は、圧電素子に印加する電圧を直接制御（調節）するので、超音波モータの駆動効率が低下してしまい、また、路構成が複雑化するという問題がある。
また、前記ＰＷＭ駆動方式の場合は、超音波モータの駆動信号より十分に周波数の高い基準信号が必要となるので、回路電流が増加し、また、回路構成が複雑化するという問題がある。

特開平７−１７０７６７号公報

本発明の目的は、簡易な構成で、超音波モータの駆動を容易かつ確実に制御することができ、駆動効率の高い超音波モータの駆動回路およびアクチュエータを提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の超音波モータの駆動回路は、交流電圧の印加により伸縮する圧電素子と、被駆動体に対して当接する接触部とを有する振動体を備える超音波モータを駆動する駆動回路であって、
パルス信号を周期的に生成するパルス生成手段と、
単位期間を周期的に設定する単位期間設定手段と、
前記パルス生成手段により生成されたパルス信号の周期を保持しつつ、該パルス生成手段により生成されたパルス信号の前記単位期間内のパルス数を調節するパルス数調節手段と、
前記パルス数調節手段により調節されたパルス信号に対応する交流電圧を前記圧電素子に印加して前記超音波モータを駆動する駆動手段とを有し、
前記パルス数調節手段によって前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記超音波モータの駆動を制御するよう構成されていることを特徴とする。

この発明によれば、パルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、超音波モータの駆動を制御するので、超音波モータの電流制御や回転数制御等の駆動制御を容易かつ確実に行なうことができる。
また、パルス信号より周波数の高い信号を必要とせず、これにより、回路構成を簡易にすることができる。
また、圧電素子に印加する交流電圧の振幅を調節する電圧振幅可変駆動方式に比べ、超音波モータを高い駆動効率で駆動することができる。

本発明の超音波モータの駆動回路では、前記単位期間設定手段は、前記パルス生成手段により生成されたパルス信号の周期の複数倍の期間を前記単位期間として設定するよう構成されていることが好ましい。
これにより、超音波モータの駆動制御をさらに容易かつ確実に行なうことができる。
本発明の超音波モータの駆動回路では、前記単位期間を変更し得るよう構成されていることが好ましい。
これにより、目的や用途等に応じて、制御分解能を変更することができる。

本発明の超音波モータの駆動回路では、前記パルス数調節手段は、前記パルス生成手段により生成されたパルス信号のうちの一部のパルス信号を無効にすることにより、該パルス生成手段により生成されたパルス信号の前記単位期間内のパルス数を調節するよう構成されていることが好ましい。
これにより、超音波モータの駆動制御をさらに容易かつ確実に行なうことができる。

本発明の超音波モータの駆動回路では、前記パルス数調節手段によって前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記超音波モータの電流値を調節する電流制御を行なうよう構成されていることが好ましい。
これにより、超音波モータの電流制御を容易かつ確実に行なうことができる。
本発明の超音波モータの駆動回路では、前記超音波モータの電流を検出する電流検出手段と、
前記超音波モータの電流を調節する電流調節手段とを有し、
前記電流調節手段は、電流指令値と、前記電流検出手段の検出結果とに基づいて、前記パルス数調節手段を作動させて前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記超音波モータの電流を調節する電流制御を行なうよう構成されていることが好ましい。
これにより、超音波モータの電流制御を容易かつ確実に行なうことができる。

本発明の超音波モータの駆動回路では、前記被駆動体は、回転可能に設けられたロータであり、
前記パルス数調節手段によって前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記ロータの回転数を調節する回転数制御を行なうよう構成されていることが好ましい。
これにより、回転数制御を容易かつ確実に行なうことができる。

本発明の超音波モータの駆動回路では、前記被駆動体は、回転可能に設けられたロータであり、
前記ロータの回転数を検出する回転数検出手段と、
前記ロータの回転数を調節する回転数調節手段とを有し、
前記回転数調節手段は、回転数指令値と、前記回転数検出手段の検出結果とに基づいて、前記パルス数調節手段を作動させて前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記ロータの回転数を調節する回転数制御を行なうよう構成されていることが好ましい。
これにより、回転数制御を容易かつ確実に行なうことができる。

本発明のアクチュエータは、本発明の超音波モータの駆動回路と、
前記駆動回路により駆動される前記超音波モータとを有することを特徴とする。
この発明によれば、パルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、超音波モータの駆動を制御するので、超音波モータの電流制御や回転数制御等の駆動制御を容易かつ確実に行なうことができる。
また、パルス信号より周波数の高い信号を必要とせず、これにより、回路構成を簡易にすることができる。
また、圧電素子に印加する交流電圧の振幅を調節する電圧振幅可変駆動方式に比べ、超音波モータを高い駆動効率で駆動することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記超音波モータの接触部に当接し、該超音波モータからの駆動力により変位する前記被駆動体を有することが好ましい。
これにより、超音波モータの電流制御や回転数制御等の駆動制御を容易かつ確実に行なうことができ、これによって、被駆動体の駆動（例えば、回転、移動等の変位）を容易かつ確実に制御することができる。

以下、本発明の超音波モータの駆動回路およびアクチュエータを添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明のアクチュエータの第１実施形態を示す斜視図（一部ブロック図）、図２は、図１に示す超音波モータの駆動回路を示すブロック図である。

これらの図に示すアクチュエータ１は、超音波モータ２と、超音波モータ２を駆動する駆動回路５と、超音波モータ２からの駆動力により回転（変位）するロータ（被駆動体）４とを有している。
ロータ４は、図示しないベースに対し、回転可能に設置されている。また、超音波モータ２は、そのベースに対し、後述する弾性（可撓性）を有する１対の腕部３４により固定設置されている。

図１に示すように、超音波モータ２は、振動体３を有している。この振動体３は、全体としては略長方形の板状形状を有し、接触部３３と、１対の腕部３４、３４とを有する。接触部３３は、短辺の一部に突出しており、丸みを帯びた頂部を有し、振動体３の短辺の中央部に位置している。各腕部３４は、それぞれ、長辺の中央部から略垂直に延出して設けられており、その先端に、孔３４１が形成された固定部３４０を有する。振動体３は、ベースに対してその平面を略平行に向けつつ、図示しないボルトが腕部３４の孔３４１に挿入され、そのボルトにより固定部３４０においてベースに固定される。このようにして、振動体３は、腕部３４によって支持され、これにより、その振動体３は自由に振動することができ、比較的大きい振幅で振動する。

ここで、振動体３の接触部３３の先端部は、ロータ４の半径方向からその外周面（当接部）４１に接触（当接）している。また、接触部３３は、腕部３４の弾性により、ロータ４の外周面４１に対して弾性的に付勢されている。これにより、接触面にて十分な摩擦力が得られ、振動体３の振動を確実にロータ４に伝達することができる。この振動体３の振動により、接触部３３からロータ４へ駆動力（回転力）が与えられ、そのロータ４が回転する。なお、振動体３（超音波モータ２）は、後述する駆動回路５に接続されており、駆動回路５により、その駆動が制御される。

前記振動体３は、略長方形の板状形状の単一の補強板（振動板）３１と、補強板３１と略合同な長方形の板状形状の１対の圧電素子３２、３２とを有している。すなわち、振動体３は、補強板３１を中心に配置し、この補強板３１を１対の圧電素子３２、３２で挟み込んでなる積層構造（厚み方向に積層した構造）を有する。各圧電素子３２は、それぞれ、交流電圧が印加されると、その長手方向（長辺の方向）に伸長・収縮する。また、各圧電素子３２には、それぞれ、図示しない電極が、その表裏（補強板３１と反対側の表面および補強板３１側の表面）の所定の位置に設けられている。なお、以下の説明では、１対の圧電素子３２、３２およびそれらに設けられた電極については、代表的に、一方について説明する。

前記電極としては、圧電素子３２に交流電圧（電圧）を印加する１対の駆動用の電極（駆動電極）と、振動体３の振動、すなわち、圧電素子３２に誘起された交流電圧（電圧）を検出する１対の検出用の電極（検出電極）とが設けられている。
また、前記接触部３３は、前記補強板３１と一体的に形成される（単一部材で形成される）。これにより、接触部３３を振動体３に対して強固に設置できる利点がある。特に、接触部３３は、アクチュエータ１の駆動時にて、振動体３の振動により高速かつ反復的に、高い押圧力にてロータ４に衝突する。したがって、かかる構成により、接触部３１の耐久性を高め得る利点がある。

また、前記各腕部３４は、補強板３１と一体的に形成される（単一部材で形成される）。これにより、各腕部３４を振動体３に対して強固に設置できる利点がある。
補強板３１の構成材料は、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム系合金、チタン、チタン系合金、銅、銅系合金、ニッケルパーマロイ等の金属や、アルミナ、ジルコニア等の酸化物や、カーボンファイバー等各種のものを用いることができる。この補強板３１は、振動体３全体を補強する機能を有し、過振幅や外力等による振動体３の損傷を防止する。

なお、補強板３１の構成材料として金属（導電体）を用いる場合は、補強板３１と圧電素子３２（電極）との間に、絶縁層が設けられる。
また、圧電素子３２は、電圧の印加により伸縮可能な材料で構成される。この圧電素子３２の構成材料としては、例えば、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ（商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等各種のものを用いることができる。

この超音波モータ２の振動体３の接触部３３がロータ４に当接した状態で、後述する駆動回路５により、駆動用の電極に交流電圧が印加されると、振動体３の駆動用の電極に対応する部分がそれぞれ高速で繰り返し伸縮する。これにより、振動体３は、例えば、全体として略Ｓ字状に屈曲した微少振動、すなわち、縦振動（例えば、縦一次振動）および屈曲振動（例えば屈曲二次振動）の複合振動を行う。この振動により、振動体３の接触部３３は、所定方向に変位、すなわち振動（往復運動）、または、ほぼ楕円に沿って変位、すなわち楕円振動（楕円運動）する。ロータ４は、振動体３の駆動用の電極に対応する部分が伸長するときに接触部３３から摩擦力（押圧力）を受ける。

すなわち、接触部３３の振動変位の径方向成分（ロータ４の径方向の変位）によって、接触部３３とロータ４の外周面４１との間に大きな摩擦力が与えられ、振動変位の周方向成分（ロータ４の円周方向の変位）によって、ロータ４に所定方向の回転力が与えられる。
振動体３が振動すると、このような力がロータ４に繰り返し作用し、ロータ４は、所定方向に回転する。
なお、超音波モータ２の構成は、前述したものに限定されないことは、言うまでもない。例えば、超音波モータ２は、ロータ４を前記と逆方向に回転させるものであってもよく、また、ロータ４を正逆両方向に回転させることができるものであってもよい。

次に、駆動回路５について、説明する。
図２に示すように、駆動回路５は、超音波モータ２の駆動用のパルス信号（パルス）を周期的に生成し、電圧制御によりそのパルス信号の周波数を調節（可変）し得る電圧制御発振器（パルス生成手段）５１と、ＮＯＴ回路（否定回路）５２と、カウンタ回路５３と、パルス数Ｎ設定部５４と、パルス数Ｒ設定部５５と、ＡＮＤ回路（論理積回路）５６と、デットタイム生成回路（貫通電流阻止回路）５７と、２つのゲートドライバ５８および５９と、ＮＯＴ回路（否定回路）６１と、４つのスイッチング素子（スイッチング手段）として４つのＦＥＴ（電界効果トランジスタ）６２、６３、６４および６５と、バンドパスフィルタ７１と、信号増幅器（電圧増幅器）７２と、コンパレータ（２値化回路）７３と、位相シフト器７４と、位相比較器７５と、ローパスフィルタ７６とを有している。

電圧制御発振器５１の出力側には、ＮＯＴ回路５２を介してカウンタ回路５３が接続され、また、ＡＮＤ回路５６の一方の入力端子が接続されている。
電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の周波数は、特に限定されないが、例えば、１００〜４００ｋＨｚ程度が好ましく、２３０〜２７０ｋＨｚ程度がより好ましい。
カウンタ回路５３としては、例えば、パルスダウンカウンタ等を用いることができる。

また、パルス数Ｒ設定部５５は、単位期間を決めるパルス数（カウンタ回路５３におけるカウンタリセットパルス数）Ｒ（但し、Ｒ≧２）を設定する手段である。
また、パルス数Ｎ設定部５４は、カウンタ回路５３から出力される信号の電圧レベルをハイレベル（Ｈ）に保持する期間を決めるパルス数（カウンタ回路５３におけるカウンタ出力パルス数）Ｎ（但し、Ｎ≦Ｒ）を設定する手段である。

カウンタ回路５３では、パルス信号をＲ個（但し、Ｒ≧２）カウントするまでの期間のうち、パルス信号をＮ個（但し、Ｎ≦Ｒ）カウントするまでの期間は、出力信号の電圧レベルをハイレベル（Ｈ）に保持し、その他の期間は、出力信号の電圧レベルをローレベル（Ｌ）に保持する。
このカウンタ回路５３の出力側には、ＡＮＤ回路５６の他方の入力端子が接続され、ＡＮＤ回路５６の出力側には、デットタイム生成回路５７が接続されている。

また、デットタイム生成回路５７の出力側には、ゲートドライバ５８が接続され、また、ＮＯＴ回路６１を介してゲートドライバ５９が接続されている。
また、ゲートドライバ５８の出力側には、ＦＥＴ６２のゲートおよびＦＥＴ６３のゲートが接続され、同様に、ゲートドライバ５９の出力側には、ＦＥＴ６４のゲートおよびＦＥＴ６５のゲートが接続されている。

ＦＥＴ６２、６４としては、それぞれ、ゲートに入力される信号（電圧）の電圧レベルがローレベルのとき、オン（ＯＮ）し、ハイレベルのとき、オフ（ＯＦＦ）するＰチャネルのＦＥＴを用いる。逆に、ＦＥＴ６３、６５としては、それぞれ、ゲートに入力される信号（電圧）の電圧レベルがハイレベルのとき、オン（ＯＮ）し、ローレベルのとき、オフ（ＯＦＦ）するＮチャネルのＦＥＴを用いる。

前記ＦＥＴ６２とＦＥＴ６３とは、互いのドレイン同士が接続されており、このＦＥＴ６２のドレインとＦＥＴ６３のドレインとの間に、超音波モータの１対の駆動用の電極の一方が接続されている。
同様に、前記ＦＥＴ６４とＦＥＴ６５とは、互いのドレイン同士が接続されており、このＦＥＴ６２のドレインとＦＥＴ６３のドレインとの間に、超音波モータの１対の駆動用の電極の他方が接続されている。

そして、ＦＥＴ６２のソースおよびＦＥＴ６４のソースには、駆動電圧ＶＤＤ（電圧値：ＶＤＤ）が印加される。
一方、ＦＥＴ６３のソースおよびＦＥＴ６５のソースには、０Ｖの電圧（ＶＳＳ）が印加される。なお、ＦＥＴ６３のソースおよびＦＥＴ６５のソースは、これに限らず、例えば、アース（ＧＮＤ）に接続（接地）されてもよい。以下の説明では、代表的に、ＦＥＴ６３のソースおよびＦＥＴ６５のソースに、０Ｖが印加される場合を説明する（第２〜第４実施形態も同様）。

また、超音波モータ２の検出用の電極には、バンドパスフィルタ７１が接続され、バンドパスフィルタ７１の出力側には、信号増幅器７２が接続され、信号増幅器７２の出力側には、コンパレータ７３が接続され、コンパレータ７３の出力側には、位相シフト器７４が接続され、位相シフト器７４の出力側には、位相比較器７５の一方の入力端子が接続され、位相比較器７５の出力側には、ローパスフィルタ７６が接続されている。そして、ローパスフィルタ７６の出力側は、電圧制御発振器５１の入力端子に接続されている。また、電圧制御発振器５１の出力側は、位相比較器７５の他方の入力端子に接続されている。

次に、アクチュエータ１の作用を説明する。
図３は、図１および図２に示すアクチュエータ１のタイミングチャートである。
図３には、図２中のポイントＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、ポイントＦＥ間における電圧の経時変化（信号）が示されている。なお、ポイントＦＥ間の電圧は、ポイントＥの電圧を基準とするものであり、すなわち、ポイントＥに対するポイントＦの電圧である。

電圧制御発振器５１では、パルス信号が周期的に生成され（図３のＡ参照）、そのパルス信号は、ＮＯＴ回路５２、ＡＮＤ回路５６および位相比較器７５に、それぞれ入力される。
ＮＯＴ回路５２では、パルス信号が反転（ハイレベルとローレベルとが逆転）し（図３のＢ参照）、その反転したパルス信号は、カウンタ回路５３に入力され、このカウンタ回路５３において、そのパルス信号のパルス数がカウント（計数）される。
カウンタ回路５３からは、カウントしたパルス数に応じて電圧レベルがハイレベルとローレベルとに切り換わる信号が出力され、その信号は、ＡＮＤ回路５６に入力される。

ここで、カウンタ回路５３では、パルス信号をＲ個（但し、Ｒ≧２）カウントするまでの期間のうち、パルス信号をＮ個（但し、Ｎ≦Ｒ）カウントするまでの期間は、出力信号の電圧レベルをハイレベルに保持し、その他の期間は、出力信号の電圧レベルをローレベルに保持する（図３のＣ参照）。すなわち、カウンタ回路５３から出力される信号の電圧レベルは、１個目のパルス信号の立ち上がりに同期して、ハイレベルに切り換わり、Ｎ≠Ｒの場合は、Ｎ＋１個目のパルス信号の立ち上がりに同期して、ローレベルに切り換わる。なお、図３には、Ｒを８に設定（固定）し、Ｎを３、５、８に調節（変更）した例が示されている。

前記カウンタ回路５３においてパルス信号をＲ個カウントするまでの期間、すなわち、１個目のパルス信号の立ち上がりから、Ｒ＋１個目のパルス信号の立ち上がりまでの期間（Ｎ≠Ｒの場合は、カウンタ回路５３から出力される信号の電圧レベルがハイレベルに切り換わるときから、再びハイレベルに切り換わるときまでの期間）が、単位期間である。この単位期間は、カウンタ回路５３により、周期的かつ連続的に、次々と設定される。

ＡＮＤ回路５６では、電圧制御発振器５１からのパルス信号と、カウンタ回路５３からの信号との論理積に対応する信号が生成され、出力される（図３のＤ参照）。すなわち、ＡＮＤ回路５６からは、各単位期間において、それぞれ、カウンタ回路５３から出力される信号の電圧レベルがハイレベルの期間にのみ、電圧制御発振器５１により生成されたパルス信号が出力される。

このようにして、電圧制御発振器５１により生成されたパルス信号の周期およびパルス幅が保持されたままで、そのパルス信号の単位期間内のパルス数が調節される。すなわち、ＡＮＤ回路５６において、電圧制御発振器５１により生成されたパルス信号のうちの一部のパルス信号が無効にされることにより、電圧制御発振器５１により生成されたパルス信号の単位期間内のパルス数が調節される。

このパルス信号の単位期間内のパルス数は、Ｎ個となる。すなわち、パルス信号の単位期間内のパルス数は、パルス数Ｎ設定部５４におけるＮの値の設定により設定され、そのＮの値の設定変更により、０〜Ｒ個の範囲内、好ましくは、１〜Ｒ個の範囲内の任意の値に調節することができる。
従って、カウンタ回路５３、パルス数Ｎ設定部５４およびＡＮＤ回路５６により、パルス数調節手段の主要部が構成される。

また、前述したように、単位期間は、カウンタ回路５３においてパルス信号をＲ個カウントするまでの期間、すなわち、電圧制御発振器５１により生成されたパルス信号の周期のＲ倍（複数倍）の期間である。
この単位期間は、パルス数Ｒ設定部５５におけるＲの値の設定により設定され、そのＲの値の設定変更により、変更することができる。
従って、カウンタ回路５３およびパルス数Ｒ設定部５５により、単位期間設定手段の主要部が構成される。

なお、例えば、目的や用途等に応じて、前記単位期間（Ｒの値）を変更することにより、制御分解能を変更することができる。
ここで、前記Ｒは、２以上であればよいが、ＡＮＤ回路５６からパルス信号が出力されていない期間、すなわち、超音波モータ２の圧電素子に交流電圧が印加されない期間においても、超音波モータ２の検出用の電極に誘起される電圧を検出し得る程度に、惰性（慣性）により振動体３の振動が継続する範囲内に設定されるのが好ましい。具体的には、前記Ｒは、例えば、１０〜１０２４程度が好ましく、３０〜２５６程度がより好ましい。

前記ＡＮＤ回路５６から出力されたパルス信号は、デットタイム生成回路５７を経て、ゲートドライバ５８およびＮＯＴ回路６１に、それぞれ入力される。ＮＯＴ回路６１では、パルス信号が反転し、その反転したパルス信号は、ゲートドライバ５９に入力される。なお、デットタイム生成回路５７では、後述するＦＥＴ６２および６５がオンの期間と、ＦＥＴ６３および６４がオンの期間とが重ならないように、デットタイムが生成され、ＡＮＤ回路５６からの信号に付加される。

ゲートドライバ５８からは、デットタイム生成回路５７からの信号が出力され、そのパルス信号は、ＦＥＴ６２、６３のゲートに入力され、このパルス信号により、ＦＥＴ６２、６３のオン／オフ（スイッチング動作）が制御される。
同様に、ゲートドライバ５９からは、デットタイム生成回路５７からの信号が出力され、そのパルス信号は、ＦＥＴ６４、６５のゲートに入力され、このパルス信号により、ＦＥＴ６４、６５のオン／オフが制御される。

例えば、ＡＮＤ回路５６からパルス信号が出力されている期間（カウンタ回路５３から出力される信号の電圧レベルがハイレベルの期間）であって、そのパルス信号の電圧レベルがハイレベルのときは、ＦＥＴ６２がオフ、ＦＥＴ６３がオン、ＦＥＴ６４がオン、ＦＥＴ６５がオフし、ポイントＦ側の超音波モータ２の駆動用の電極に、駆動電圧ＶＤＤ（電圧値：ＶＤＤ）が印加され、ポイントＥ側の超音波モータ２の駆動用の電極には、０Ｖ（ＶＳＳ）が印加される（図３のＤ、Ｅ、Ｆ参照）。これにより、超音波モータ２の圧電素子３２（ポイントＥＦ間）に、＋ＶＤＤが印加される（図３のＦＥ間参照）。

一方、ＡＮＤ回路５６からパルス信号が出力されている期間（カウンタ回路５３から出力される信号の電圧レベルがハイレベルの期間）であって、そのパルス信号の電圧レベルがローレベルのときは、ＦＥＴ６２がオン、ＦＥＴ６３がオフ、ＦＥＴ６４がオフ、ＦＥＴ６５がオンし、ポイントＥ側の超音波モータ２の駆動用の電極に、駆動電圧ＶＤＤ（電圧値：ＶＤＤ）が印加され、ポイントＦ側の超音波モータ２の駆動用の電極には、０Ｖ（ＶＳＳ）が印加される（図３のＤ、Ｅ、Ｆ参照）。これにより、超音波モータ２の圧電素子３２（ポイントＥＦ間）に、−ＶＤＤが印加される（図３のＦＥ間参照）。

また、ＡＮＤ回路５６からパルス信号が出力されていない期間（カウンタ回路５３から出力される信号の電圧レベルがローレベルの期間）では、ＦＥＴ６２がオン、ＦＥＴ６３がオフ、ＦＥＴ６４がオフ、ＦＥＴ６５がオンし、ポイントＥ側の駆動用の超音波モータ２の電極に、駆動電圧ＶＤＤ（電圧値：ＶＤＤ）が印加され、ポイントＦ側の超音波モータ２の駆動用の電極には、０Ｖ（ＶＳＳ）が印加される（図３のＤ、Ｅ、Ｆ参照）。これにより、超音波モータ２の圧電素子３２（ポイントＥＦ間）に、−ＶＤＤが印加される（図３のＦＥ間参照）。

このようにして、前記カウンタ回路５３、パルス数Ｎ設定部５４およびＡＮＤ回路５６等により調節されたパルス信号に対応する（同期する）交流電圧が超音波モータ２の圧電素子３２に印加され、超音波モータ２が駆動される。
なお、ゲートドライバ５８、５９、ＦＥＴ６２，６３、６４および６５により、駆動手段の主要部が構成される。

超音波モータ２の検出用の電極には、超音波モータ２の駆動（振動体３の振動）、すなわち、圧電素子３２の伸縮により、電圧が誘起される。なお、ＡＮＤ回路５６からパルス信号が出力されていない期間においても、惰性（慣性）により振動体３の振動が継続しているので、その検出用の電極には、電圧が誘起される。
この誘起電圧（交流電圧）、すなわち、振動信号は、バンドパスフィルタ７１に入力され、バンドパスフィルタ７１により、その振動信号から高周波成分および低周波成分が除去される。

そして、前記振動信号は、信号増幅器７２で増幅され、コンパレータ７３で２値化されてパルス信号とされ（図３のＧ参照）、位相シフト器７４でその位相が所定量（所定時間）シフトされる（図３のＨ参照）。図示例では、超音波モータ２の検出用の電極に誘起される電圧、すなわち、コンパレータ７３から出力されるパルス信号の位相は、超音波モータ２の圧電素子３２に印加される交流電圧、すなわち、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の位相に対して、略２７０°遅れているので、この位相シフト器７４において、コンパレータ７３からのパルス信号の位相を略９０°遅らしている。

位相シフト器７４から出力されたパルス信号は、位相比較器７５に入力され、また、前述したように、電圧制御発振器５１から出力されたパルス信号は、相比較器７５に入力される。
位相比較器７５においては、前記位相シフト器７４から出力されたパルス信号の位相と、前記電圧制御発振器５１から出力されたパルス信号の位相とが比較され、その位相差に相当する電圧レベルの信号が出力される。この信号は、ローパスフィルタ７６に入力され、ローパスフィルタ７６により、その信号から高周波成分が除去され、電圧制御発振器５１に入力される。電圧制御発振器５１では、前記位相差がゼロになるように、生成するパルス信号の周波数が調節（可変）され、これにより、電圧制御発振器５１から、前記位相差がゼロになるような周波数のパルス信号が出力される。
このように、前記位相差がゼロになるようにパルス信号の周波数の制御を行ないつ（サーボをかけて）、超音波モータ２を駆動するので、超音波モータ２をより効率良く駆動することができる。

以上のようにして、駆動回路５により超音波モータ２が駆動されると（振動体３が振動すると）、前述したように、ロータ４は、その超音波モータ２から回転力が与えられて回転する。この際、駆動回路５は、カウンタ回路５３、パルス数Ｎ設定部５４およびＡＮＤ回路５６によって、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、超音波モータ２の駆動を制御する。

この場合、例えば、駆動回路５を、カウンタ回路５３、パルス数Ｎ設定部５４およびＡＮＤ回路５６によって、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、超音波モータ２の電流値（超音波モータ２を流れる電流の電流値）を調節する電流制御を行なうよう構成することができる。この電流制御により、例えば、超音波モータ２のトルク（駆動力）を制御することができる。

図４は、図１および図２に示すアクチュエータ１における超音波モータ２の電流値と、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の単位期間内のパルス数（カウント数）との関係を示すグラフである。なお、図４の例では、負荷を一定にし、パルス数Ｒ設定部５５におけるＲの値を３１に設定（固定）し、パルス数Ｎ設定部５４におけるＮの値を０〜３１のそれぞれに変更した場合の超音波モータ２の電流値が示されている。

図４に示すように、パルス信号の単位期間内のパルス数を増加させると、超音波モータ２の電流が増大し、パルス信号の単位期間内のパルス数と、超音波モータ２の電流値とが対応することが判る。
また、駆動回路５を、カウンタ回路５３、パルス数Ｎ設定部５４およびＡＮＤ回路５６によって、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、ロータ４の回転数（回転速度）を調節する回転数制御（回転速度制御）を行なうよう構成することができる。

図５は、図１および図２に示すアクチュエータ１におけるロータ４の回転数（回転速度）と、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の単位期間内のパルス数（カウント数）との関係を示すグラフである。なお、図５の例では、負荷を一定にし、パルス数Ｒ設定部５５におけるＲの値を３１に設定（固定）し、パルス数Ｎ設定部５４におけるＮの値を０〜３１のそれぞれに変更した場合のロータ４の回転数が示されている。

図５に示すように、パルス信号の単位期間内のパルス数を増加させると、ロータ４の回転数が増大し、パルス信号の単位期間内のパルス数と、ロータ４の回転数とが対応することが判る。
また、駆動回路５を、カウンタ回路５３、パルス数Ｎ設定部５４およびＡＮＤ回路５６によって、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、前記回転数制御と、前記電流制御とをそれぞれ行なうよう構成することができる。

以上説明したように、この超音波モータ２の駆動回路５およびアクチュエータ１によれば、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、超音波モータ２の駆動を制御するので、超音波モータ２の電流制御や回転数制御等の駆動制御を容易かつ確実に行なうことができる。
また、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号より周波数の高い信号を必要とせず、これにより、回路構成を簡易にすることができる。
また、超音波モータの圧電素子に印加する交流電圧の振幅を調節する電圧振幅可変駆動方式に比べ、超音波モータ２を高い駆動効率で駆動することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の超音波モータの駆動回路およびアクチュエータの第２実施形態について説明する。
図６は、第２実施形態における超音波モータの駆動回路を示すブロック図である。
以下、第２実施形態の超音波モータ２の駆動回路５およびアクチュエータ１について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第２実施形態は、電流調節手段が、電流指令値と、電流検出手段の検出結果とに基づいて、パルス数調節手段を作動させてパルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、超音波モータの電流を調節する電流制御を行なうよう構成されていることに特徴を有する。
すなわち、図６に示すように、第２実施形態の超音波モータ２の駆動回路５は、さらに、超音波モータ２の電流を検出する電流検出器（電流検出手段）８１と、超音波モータ２の電流を調節する電流制御器（電流調節手段）８２とを有している。

電流検出器８１は、ＦＥＴ６３のソースおよびＦＥＴ６５のソースと、０Ｖの電圧（ＶＳＳ）の電圧源との間に接続され、電流検出器８１の出力側には、電流制御器８２が接続され、電流制御器８２の出力側には、パルス数Ｎ設定部５４が接続されている。
この駆動回路５では、電流制御器８２に、電流指令値（超音波モータ２を流れる電流の目標値）が入力される。

一方、電流検出器８１により、超音波モータ２を流れる電流が検出され、その電流値は、電流制御器８２に入力される。
電流制御器８２は、前記電流指令値と、前記検出された超音波モータ２の電流値とに基づいて、前記電流指令値と前記検出された超音波モータ２の電流値との差がゼロになるように、パルス数Ｎ設定部５４におけるＮの値を調節する。これにより、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の単位期間内のパルス数が調節され、超音波モータ２の電流値は、目標値になる。
この第２実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
そして、この第２実施形態では、超音波モータ２の電流制御を容易かつ確実に行なうことができる。また、電流制御として、超音波モータ２の電流のフィードバック制御を行なうので、超音波モータ２の電流を正確に調節することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の超音波モータの駆動回路およびアクチュエータの第３実施形態について説明する。
図７は、第３実施形態における超音波モータの駆動回路を示すブロック図である。
以下、第３実施形態の超音波モータ２の駆動回路５およびアクチュエータ１について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第３実施形態は、回転数調節手段が、回転数指令値と、回転数検出手段の検出結果とに基づいて、パルス数調節手段を作動させてパルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、ロータの回転数を調節する回転数制御を行なうよう構成されていることに特徴を有する。
すなわち、図７に示すように、第３実施形態の超音波モータ２の駆動回路５は、さらに、ロータ４の回転数（回転速度）を検出する回転数検出器（回転数検出手段）８３と、ロータ４の回転数を調節する回転数制御器（回転数調節手段）８４とを有している。

回転数検出器８３としては、例えば、光学式エンコーダ等の各種エンコーダや、ポテンショメータ等、または、これらと所定の処理回路とを含む装置等を用いることができる。
回転数検出器８３の出力側には、回転数制御器８４が接続され、回転数制御器８４の出力側には、パルス数Ｎ設定部５４が接続されている。
この駆動回路５では、回転数制御器８４に、回転数指令値（ロータ４の回転数の目標値）が入力される。

一方、回転数検出器８３により、ロータ４の回転数が検出され、その回転数は、回転数制御器８４に入力される。
回転数制御器８４は、前記回転数指令値と、前記検出されたロータ４の回転数とに基づいて、前記電流指令値と前記検出されたロータ４の回転数との差がゼロになるように、パルス数Ｎ設定部５４におけるＮの値を調節する。これにより、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の単位期間内のパルス数が調節され、ロータ４の回転数は、目標値になる。

この第３実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
そして、この第３実施形態では、ロータ４の回転数制御を容易かつ確実に行なうことができる。また、回転数制御として、ロータ４の回転数のフィードバック制御を行なうので、ロータ４の回転数を正確に調節することができる。
なお、この第３実施形態に、さらに、前記第２実施形態の構成を付加してもよい。すなわち、回転数調節手段が、回転数指令値と、回転数検出手段の検出結果とに基づいて、パルス数調節手段を作動させてパルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、ロータの回転数を調節する回転数制御を行なうとともに、電流調節手段が、電流指令値と、電流検出手段の検出結果とに基づいて、パルス数調節手段を作動させてパルス信号の単位期間内のパルス数を調節することにより、超音波モータの電流を調節する電流制御を行なうよう構成してもよい。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の超音波モータの駆動回路およびアクチュエータの第４実施形態について説明する。
図８は、第４実施形態における超音波モータの駆動回路を示すブロック図である。
以下、第４実施形態の超音波モータ２の駆動回路５およびアクチュエータ１について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図８に示すように、第４実施形態の超音波モータ２の駆動回路５は、さらに、超音波モータ２の電流を検出する電流検出器（電流検出手段）８１と、超音波モータ２の電流を調節する電流制御器（電流調節手段）８２と、ロータ４の回転数（回転速度）を検出する回転数検出器（回転数検出手段）８３と、ロータ４の回転数を調節する回転数制御器（回転数調節手段）８４とを有している。

電流検出器８１は、ＦＥＴ６３のソースおよびＦＥＴ６５のソースと、０Ｖの電圧（ＶＳＳ）の電圧源との間に接続され、電流検出器８１の出力側には、電流制御器８２が接続され、電流制御器８２の出力側には、パルス数Ｎ設定部５４が接続されている。
また、回転数検出器８３としては、例えば、光学式エンコーダ等の各種エンコーダや、ポテンショメータ等、または、これらと所定の処理回路とを含む装置等を用いることができる。

回転数検出器８３の出力側には、回転数制御器８４が接続され、回転数制御器８４の出力側には、電流制御器８２の入力側が接続されている。
この駆動回路５では、回転数制御器８４に、回転数指令値（ロータ４の回転数の目標値）が入力される。
一方、回転数検出器８３により、ロータ４の回転数が検出され、その回転数は、回転数制御器８４に入力される。

回転数制御器８４は、前記回転数指令値と、前記検出されたロータ４の回転数とに基づいて、前記電流指令値と前記検出されたロータ４の回転数との差がゼロになるように、電流制御器８２に、電流指令値（超音波モータ２を流れる電流の目標値）を入力する。
一方、電流検出器８１により、超音波モータ２を流れる電流が検出され、その電流値は、電流制御器８２に入力される。

電流制御器８２は、前記電流指令値と、前記検出された超音波モータ２の電流値とに基づいて、前記電流指令値と前記検出された超音波モータ２の電流値との差がゼロになるように、パルス数Ｎ設定部５４におけるＮの値を調節する。これにより、電圧制御発振器５１から出力されるパルス信号の単位期間内のパルス数が調節され、ロータ４の回転数（超音波モータ２の電流値）は、目標値になる。
この第４実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。

そして、この第４実施形態では、ロータ４の回転数制御を容易、正確かつ確実に行なうことができる。また、回転数制御として、ロータ４の回転数のフィードバック制御を行なうとともに、電流制御として、超音波モータ２の電流のフィードバック制御を行なうので、ロータ４の回転数を正確に調節することができる。
以上、本発明の超音波モータの駆動回路およびアクチュエータを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
また、本発明では、被駆動体は、ロータに限らず、他の回転構造物であってもよく、また、例えば、スライダのような並進構造物等であってもよい。すなわち、被駆動体の変位は、回転（回動）に限らず、例えば、リニアアクチュエータにおける被駆動体の移動のように、直線に沿った移動や曲線に沿った移動等であってもよい。

本発明のアクチュエータの第１実施形態を示す斜視図。 図１に示す超音波モータの駆動回路を示すブロック図。 図１および図２に示すアクチュエータのタイミングチャートである。 図１および図２に示すアクチュエータにおける超音波モータの電流値と、パルス信号の単位期間内のパルス数（カウント数）との関係を示すグラフ。 図１および図２に示すアクチュエータにおけるロータの回転数（回転速度）と、パルス信号の単位期間内のパルス数（カウント数）との関係を示すグラフ。 第２実施形態における超音波モータの駆動回路を示すブロック図。 第３実施形態における超音波モータの駆動回路を示すブロック図。 第４実施形態における超音波モータの駆動回路を示すブロック図。

符号の説明

１……アクチュエータ ２……超音波モータ ３……振動体 ３１……補強板 ３２……圧電素子 ３３……接触部 ３４……腕部 ３４０……固定部 ３４１……孔 ４……ロータ ４１……外周面 ５……駆動回路 ５１……電圧制御発振器 ５２……ＮＯＴ回路 ５３……カウンタ回路 ５４……パルス数Ｎ設定部 ５５……パルス数Ｒ設定部 ５６……ＡＮＤ回路 ５７……デットタイム生成回路 ５８、５９……ゲートドライバ ６１……ＮＯＴ回路 ６２〜６５……ＦＥＴ ７１……バンドパスフィルタ ７２……信号増幅器 ７３……コンパレータ ７４……位相シフト器 ７５……位相比較器 ７６……ローパスフィルタ ８１……電流検出器 ８２……電流制御器 ８３……回転数検出器 ８４……回転数制御器

Claims (10)

1. 交流電圧の印加により伸縮する圧電素子と、被駆動体に対して当接する接触部とを有する振動体を備える超音波モータを駆動する駆動回路であって、
   パルス信号を周期的に生成するパルス生成手段と、
   単位期間を周期的に設定する単位期間設定手段と、
   前記パルス生成手段により生成されたパルス信号の周期を保持しつつ、該パルス生成手段により生成されたパルス信号の前記単位期間内のパルス数を調節するパルス数調節手段と、
   前記パルス数調節手段により調節されたパルス信号に対応する交流電圧を前記圧電素子に印加して前記超音波モータを駆動する駆動手段とを有し、
   前記パルス数調節手段によって前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記超音波モータの駆動を制御するよう構成されていることを特徴とする超音波モータの駆動回路。
2. 前記単位期間設定手段は、前記パルス生成手段により生成されたパルス信号の周期の複数倍の期間を前記単位期間として設定するよう構成されている請求項１に記載の超音波モータの駆動回路。
3. 前記単位期間を変更し得るよう構成されている請求項１または２に記載の超音波モータの駆動回路。
4. 前記パルス数調節手段は、前記パルス生成手段により生成されたパルス信号のうちの一部のパルス信号を無効にすることにより、該パルス生成手段により生成されたパルス信号の前記単位期間内のパルス数を調節するよう構成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路。
5. 前記パルス数調節手段によって前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記超音波モータの電流値を調節する電流制御を行なうよう構成されている請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路。
6. 前記超音波モータの電流を検出する電流検出手段と、
   前記超音波モータの電流を調節する電流調節手段とを有し、
   前記電流調節手段は、電流指令値と、前記電流検出手段の検出結果とに基づいて、前記パルス数調節手段を作動させて前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記超音波モータの電流を調節する電流制御を行なうよう構成されている請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路。
7. 前記被駆動体は、回転可能に設けられたロータであり、
   前記パルス数調節手段によって前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記ロータの回転数を調節する回転数制御を行なうよう構成されている請求項１ないし６のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路。
8. 前記被駆動体は、回転可能に設けられたロータであり、
   前記ロータの回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記ロータの回転数を調節する回転数調節手段とを有し、
   前記回転数調節手段は、回転数指令値と、前記回転数検出手段の検出結果とに基づいて、前記パルス数調節手段を作動させて前記単位期間内のパルス数を調節することにより、前記ロータの回転数を調節する回転数制御を行なうよう構成されている請求項１ないし６のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路と、
   前記駆動回路により駆動される前記超音波モータとを有することを特徴とするアクチュエータ。
10. 前記超音波モータの接触部に当接し、該超音波モータからの駆動力により変位する前記被駆動体を有する請求項９に記載のアクチュエータ。
    

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