JP2885391B2 - 超音波モーター - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、弾性体と該弾性体を励
振させる電気機械変換素子とを有する振動子と、振動子
との間で相対運動を行なう相対運動部材とを備えた超音
波モーターに関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、超音波モーターを高効率で駆動す
るためには、入力電源周波数を弾性体および圧電体から
なるステーターの共振周波数に一致させることが必要で
あると考えられていた。 【０００３】 【発明が解決しようとする問題点】ところが、実験およ
び測定の結果、超音波モーターを該共振周波数で駆動す
るように制御する場合には、トルクの変動，各種環境の
変化等により、該共振周波数が変動するので、（１）超
音波モーターの挙動が不安定になり、安定した性能が得
られない、（２）該共振周波数を検知し、これを維持す
る実用的な手段が得難い、（３）特に、該共振周波数の
変動により入力電源周波数が共振周波数より低くなった
場合には、超音波モーターの性能が著しく低下する等の
問題点が生じることが判明した。 【０００４】本発明は、このような従来の問題点に着目
して成されたもので、起動時において安定した起動制御
が可能であり、起動後においては、各種の環境変化によ
り共振周波数が変動した場合でも、安定して高効率で駆
動され、かつ、極めて実用的である超音波モーターを提
供することを目的としている。 【０００５】 【問題点を解決するための手段】かかる目的を達成する
ための本発明の要旨は、次の項に存する。弾性体と該弾
性体を励振させる電気機械変換素子とを有する振動子
と、前記振動子との間で相対運動を行なう相対運動部材
とを備えた超音波モーターにおいて、前記振動子の振動
状態に応じて変化する量を検出し、検出信号を出力する
検出手段と、前記電気機械変換素子に交流電圧を供給す
る制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記超音波モ
ーターの起動時は、前記検出手段で検出される前記変化
する量とは無関係に、予め設定された、前記超音波モー
タの共振周波数よりも高い周波数の交流電圧を前記電気
機械変換素子に供給し、その後は、前記検出手段で検出
された前記変化する量に基づいて、前記共振周波数より
も高く、かつ前記予め設定された周波数よりも低い周波
数領域で、前記電気機械変換素子に供給する交流電圧の
周波数を継続的に制御することを特徴とする超音波モー
ター。 【０００６】 【作用】本発明の超音波モーターでは、起動時には、電
気機械変換素子に供給される交流電圧の周波数は、予め
設定された情報に応じて、通常状態で変化しうる超音波
モーターの共振周波数の最大値よりも高い周波数に決定
される。そのため、起動時における超音波モーターの挙
動は安定する。 【０００７】また、起動後では、振動子の振動状態を検
出した検出信号の情報に基づいて、それまで出力してい
た交流電圧の周波数を加減して、検出手段で検出された
変化する量に基づいて、共振周波数よりも高く、かつ予
め設定された周波数よりも低い周波数領域で、前記電気
機械変換素子に供給する交流電圧の周波数を継続的に制
御する。そのため、各種環境の変化等により共振周波数
が変動しても、安定して高効率で駆動される。 【０００８】 【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。 【０００９】第１図および第２図は本発明の一実施例を
示している。 【００１０】第２図に示すように、超音波モーター１
は、弾性体２と、該弾性体２を励振させる電気機械変換
素子としての圧電体３とを有している。該弾性体２には
圧電体３が接着されており、圧電体３の励振によって弾
性体２に屈曲運動が生じるように成っている。この弾性
体２と圧電体３とによりステーター１０（振動子）が構
成されている。 【００１１】該ステーター１０によって駆動されるロー
ター母体４の、弾性体２側の面には、摩擦係数の高い樹
脂等のスライダー５がコーティングされている。このロ
ーター母体４とスライダー５とによりローター２０が構
成されている。 【００１２】ステーター１０は、フェルト等の振動絶縁
部材６を介して固定部７に支持されている。また、ロー
ター２０も、フェルト等の振動絶縁部材８を介して回動
部材９に支持されている。従って、超音波モーター１の
回動力を実際に外部に出力するのは回動部材９である。 【００１３】該回動部材９の一端面には、スラスト軸受
１１ａ〜１１ｃが配置されており、該スラスト軸受１１
ａ〜１１ｃと固定部１２との間にはウェーブワッシャー
等のばね部材１３が介装されている。該ばね部材１３の
付勢力は、スラスト軸受１１ａ〜１１ｃ、回動部材９お
よび振動絶縁部材８を介してローター２０に伝達されて
おり、該ローター２０のスライダー５はこの付勢力によ
ってステーター１０の弾性体２に圧接されている。 【００１４】第１図は、前記圧電体３に印加される交流
電圧の電源周波数（入力電源周波数）を制御する制御回
路を示している。 【００１５】第１図に示すように、前記圧電体３はリン
グ状に形成されており、該圧電体３の、弾性体２と逆側
の面には４つのセグメント電極３ａ〜３ｄが焼成されて
いる。 【００１６】セグメント電極３ａには正弦波の交流電圧
が入力され、またセグメント電極３ｂにはセグメント電
極３ａに入力される正弦波とπ／２だけ位相のずれた正
弦波の交流電圧が入力されている。セグメント電極３ｃ
はグランドに接続されている。また、交流電圧が印加さ
れていないセグメント電極３ｄからは、圧電体３の励振
によって生じるモニター電圧Ｖmnt が検出される。 【００１７】第１図に示す制御回路は、セグメント電極
３ｄからのモニター電圧Ｖmnt を平滑化されたモニター
電圧Ｖ′mnt として検出する検出手段であるモニター電
圧検出部３０と、前記ステーター１０の共振周波数ｆcr
よりも高い周波数領域において、平滑化されたモニター
電圧Ｖ′mnt が所定の電圧値になるように、前記セグメ
ント電極３ａ，３ｂに入力される交流電圧の入力電源周
波数ｆを制御する周波数制御部４０とから成っている。 【００１８】該モニター電圧検出部３０は、セグメント
電極３ｄからのモニター電圧Ｖmntを整流するダイオー
ド３１と、抵抗３２およびコンデンサ３３からなり、該
ダイオード３１からの電圧を平滑化する積分回路と、抵
抗３４とから構成されており、該抵抗３４の出力端から
平滑化されたモニター電圧Ｖ′mnt が出力されるように
成っている。 【００１９】前記周波数制御部４０は、比較手段である
演算増幅器４１と、周波数制御手段であるＶ−ｆ変換器
４２と、初期電圧発生器４３と、位相器４４と、アンプ
４５，４６とから構成されている。 【００２０】演算増幅器４１の反転入力端子は抵抗３４
の出力端に接続されており、該反転入力端子には平滑化
されたモニター電圧Ｖ′mnt が入力されている。該演算
増幅器４１の非反転入力端子は定電圧源４７に接続され
ており、該非反転入力端子には所定の電圧Ｖstが入力さ
れている。この所定の電圧Ｖstは平滑化されたモニター
電圧Ｖ′mnt の目標値である。すなわち、該演算増幅器
４１の反転入力端子とその出力端子の間には抵抗４８が
接続されており、該演算増幅器４１はこの２つの電圧の
差信号△Ｖ（△Ｖ＝Ｖst−Ｖ′mnt ）を出力するように
成っている。 【００２１】前記Ｖ−ｆ変換器４２は、演算増幅器４１
から出力される電圧の差信号△Ｖを受け、この信号△Ｖ
の符号と大きさによって入力電源周波数ｆのシフト量
（符号を含む）を計算し、それまで出力していた入力電
源周波数ｆに加算した周波数（ｆ＋△ｆ）の信号を出力
するように成っている。 【００２２】前記初期電圧発生器４３は、超音波モータ
ー１の起動時にＶ−ｆ変換器４２に初期電圧Ｖｏを出力
し、通常状態で変化しうる超音波モーター１の共振周波
数の最大値よりも更に少し高い（例えば、１０％程度高
い）周波数の信号（以下最大周波数の信号と称す）をＶ
−ｆ変換器４２から初期出力として出力させるためのも
のである。 【００２３】前記位相器４４は、超音波モーター１の回
転方向によってＶ−ｆ変換器４２からの出力（正弦波）
の位相を＋π／２もしくは−π／２ずらす働きをするも
のである。 【００２４】アンプ４５，４６は、Ｖ−ｆ変換器４２，
位相器４４からの出力をそれぞれ増幅してセグメント電
極３ａ，３ｂに送る働きをするものである。 【００２５】なお、第３図は、上記実施例における、前
記入力電源周波数ｆとモニター電圧Ｖmnt との関係を表
わすモニター電圧曲線、および前記ローター２０の回転
数Ｎとモニター電圧Ｖmnt との関係を表わす回転数曲線
を示している。 【００２６】この第３図では、横軸に入力電源周波数ｆ
を、縦軸にローター２０の回転数Ｎおよびモニター電圧
Ｖmnt をそれぞれ示してある。 【００２７】第３図から明らかなように、モニター電圧
Ｖmnt はローター２０の回転数Ｎと強い相関を持ってお
り、回転数Ｎが最大値Ｎmaｘとなるときの入力電源周波
数をｆcrとすると、モニター電圧Ｖmnt もこの周波数ｆ
crにおいて最大値Ｖmaｘを示す。なお、この周波数ｆcr
は超音波モーター１の共振周波数でもある。 【００２８】ここで、超音波モーター１の入力電源周波
数ｆとして最も理想的な周波数を求める為に、以下の実
験を行った。この実験でまず入力電源周波数ｆを共振周
波数ｆcr以下の周波数に設定し、徐々に周波数を上昇さ
せて共振周波数ｆcr以上の周波数まで変化させて測定結
果を得た。その結果、入力電源周波数ｆが共振周波数
ｆcrよりも低い場合には、負荷トルクの増加により急激
に回転速度が低下したりして適当でなかった。入力電
源周波数ｆが共振周波数ｆcrに一致、ほぼ一致している
場合には、回動中に騒音を発生したり、負荷トルクの増
加により急激に回転速度が低下したり、また駆動の再現
性に乏しく挙動が不安定である等により、適当ではなか
った。入力電源周波数ｆが共振周波数ｆcrよりも高い
場合には、駆動の再現性が高く、且つ挙動も安定であ
り、駆動効率が良かった。 【００２９】そして、上記実施例では、該共振周波数ｆ
crよりも高い、制御目標となる理想的な周波数ｆd
［（ｆd −ｆcr）／ｆcr＝０．０１程度の周波数］に対
応するモニター電圧を前記所定の電圧Ｖstに設定してあ
る。 【００３０】以下、作用を説明する。 【００３１】圧電体３のセグメント電極３ａ，３ｂに、
互いにπ／２だけ位相のずれた交流電圧がそれぞれ印加
されると、該圧電体３が励振され、該圧電体３の励振に
よって弾性体２に屈曲運動が生じる。 【００３２】このとき、ローター２０のスライダー５は
ばね部材１３の付勢力によってステーター１０の弾性体
２に圧接されているので、該弾性体２の屈曲運動により
ローター２０が回転する。このローター２０の回転が振
動絶縁部材８を介して回転部材９に伝達され、該回転部
材９の回転により超音波モーター１の回動力が外部に出
力される。 【００３３】このような超音波モーター１の起動は、前
記初期電圧発生器４３からＶ−ｆ変換器４２に前記初期
電圧Ｖｏを出力し、該初期電圧Ｖｏにより前記Ｖ−ｆ変
換器４２が前記最大周波数の信号を初期出力として出力
し、この最大周波数の信号がアンプ４５を介してセグメ
ント電極３ａに、位相器４４およびアンプ４６を介して
セグメント電極３ｂにそれぞれ入力されることによって
行なわれる。 【００３４】このようにして超音波モーター１が起動さ
れた際には、セグメント電極３ｄからは前記最大周波数
の信号に対応したモニター電圧Ｖmnt が検出される。該
最大周波数の信号は第３図で示す前記周波数ｆd よりも
周波数が大きいので、該起動時にセグメント電極３ｄか
ら検出されるモニター電圧Ｖmnt は、前記所定の電圧Ｖ
stよりも小さいことが第３図から明らかである。 【００３５】起動時にセグメント電極３ｄから検出され
るモニター電圧Ｖmnt は、前記モニター電圧検出部３０
のダイオード３１により整流され、抵抗３２とコンデン
サ３３とから成る積分回路によって平滑化され、抵抗３
４の出力端から平滑化されたモニター電圧Ｖ′mnt が演
算増幅器４１の反転入力端子に送られる。 【００３６】この平滑化されたモニター電圧Ｖ′mnt も
前記所定の電圧Ｖstより小さいので、演算増幅器４１か
ら出力される電圧の差信号△Ｖの符号は正となる。この
正の△Ｖの信号により、前記Ｖ−ｆ変換器４２は入力電
源周波数のシフト量△ｆ（符号は負である）を計算し、
それまで出力していた前記最大周波数に該シフト量を加
算した周波数（ｆ＋△ｆ）の信号を出力する。 【００３７】この信号により、セグメント電極３ａ，３
ｂに入力される交流電圧の入力電源周波数ｆが徐々に低
くなっていき、該モニター電圧Ｖ′mnt が所定の電圧Ｖ
stと一致した時点で、前記△Ｖの信号が零となり、Ｖ−
ｆ変換器４２から出力される入力電源周波数ｆは、前記
制御目標となる理想的な周波数ｆd となる。この理想的
な周波数ｆd によって超音波モーター１が安定して駆動
される。 【００３８】いま、第４図のモニター電圧曲線で示す
ように、第３図で示した前記制御目標となる理想的な周
波数ｆd に対応する理想的な周波数をｆd1とし、この理
想的な周波数ｆd1に対応するモニター電圧Ｖmnt を所定
の電圧Ｖstに設定しておき、該理想的な周波数ｆd1で超
音波モーター１を駆動している第１状態では、超音波モ
ーター１の駆動点はＡ点である。 【００３９】このような第１状態が、トルク変動や、各
種環境の変化等により、モニター電圧曲線で示すよう
な第２状態に移動した場合には、入力電源周波数ｆが理
想的な周波数ｆd1のままであるため、超音波モーター１
の駆動点がＡ点からＢ点に移り、理想的な駆動点から外
れることになる。第４図の場合には、駆動点が共振点Ｄ
に近ずく方向に移動し、理想的な駆動点から外れるの
で、駆動が非常に不安定になる。第４図の場合とは逆
に、駆動点が共振点Ｄから遠ざかる方向に外れる場合に
は、回転数Ｎが下がり、起動トルクも小さくなる。 【００４０】上述したように、駆動点がＡ点からＢ点に
移ると、セグメント電極３ｄから検出されるモニター電
圧Ｖmnt は前記所定の電圧Ｖstから電圧Ｖst2 まで上昇
する。これにより、前記演算増幅器４１から電圧の差信
号△Ｖ（符号は負）が出力され、この△Ｖの信号によ
り、前記Ｖ−ｆ変換器４２は入力電源周波数のシフト量
△ｆ（符号は正）を計算し、それまで出力していた前記
最大周波数に該シフト量を加算した周波数（ｆ＋△ｆ）
の信号を出力する。 【００４１】この信号により、セグメント電極３ａ，３
ｂに入力される交流電圧の入力電源周波数ｆが徐々に高
くなっていき、前記モニター電圧Ｖ′mnt が所定の電圧
Ｖstと一致した駆動点Ｃで、前記△Ｖの信号が零とな
り、このときＶ−ｆ変換器４２から出力される入力電源
周波数ｆは理想的な周波数ｆd2となる。このようにし
て、モニター電圧曲線で示すような第２状態におい
て、入力電源周波数ｆが前記所定の電圧Ｖstの対応した
理想的な周波数ｆd2となり、理想的な駆動点で超音波モ
ーター１が安定して駆動される。 【００４２】次に、その理想的な周波数ｆｄを得るため
のＶ−ｆ変換器４２の構成について、第５図を用いて詳
しく説明する。 【００４３】初期電圧発生器４３は電圧源４３１の出力
側にスタートスイッチＳＷ１を有している。 【００４４】Ｖ−ｆ変換器４２は、加算器４２１、クロ
ックパルス発生器４２２、ラッチ回路４２３、Ｖ−ｆ変
換素子４２４と、加算器４２１へ入力される初期電圧Ｖ
₀ を加算された電圧に切り換える切換え回路４２５とを
含み、ラッチ回路４２３はクロックパルス発生器４２２
からのパルス信号を入力する都度、そのとき入力される
加圧器からの加算電圧（Ｖ＋△Ｖ）を保持してＶ−ｆ変
換素子４２４に出刀するように構成されている。 【００４５】切換え回路４２５は、初期電圧発生器４３
からの初期電圧Ｖ₀ を加算器４２１に送るための第１ア
ナログスイッチＳＷ２と、ラッチ回路４２３から出力さ
れる加算電圧（Ｖ＋△Ｖ）を加算器４２１にフィードバ
ックさせるための第２アナログスイッチＳＷ３を有し、
さらに、これらの第１アナログスイッチＳＷ２，第２ア
ナログスイッチＳＷ３を選択的に動作させるためのナン
ドゲートＮＡＮＤとインバータＩＮＶと初期電圧Ｖ₀ の
印加により動作してナンドゲートＮＡＮＤの一方の入力
端にＨレベル信号を送るトランジスタＴｒ１と、Ｖ＋△
Ｈの印加により動作してナンドゲートＮＡＮＤの他方の
入力端にＨレベル信号を送るトランジスタＴｒ２とを有
している。 【００４６】これにより、スタートスイッチＳＷ１がＯ
Ｎとなった瞬間には第１アナログスイッチＳＷ２がＯＮ
状態となり、初期電圧Ｖ₀ が第１アナログスイッチＳＷ
２を介して加算器４２１に入力されるが、ラッチ回路４
２３から加算電圧（Ｖ＋△Ｖ）が出力されると、第１ア
ナログスイッチＳＷ２がＯＦＦすると同時に第２アナロ
グスイッチＳＷ３がＯＮ状態になり、その加算電圧（Ｖ
＋△Ｖ）が加算器４２１に入力されるよう構成されてい
る。 【００４７】次に、上記の如く構成された実施例の作用
について詳しく説明する。 【００４８】圧電体３のセグメント電極３ａ，３ｂに、
互いにπ／２だけ位相のずれた交流電圧がそれぞれ印加
されると、圧電体３が励振され、圧電体３の励振によっ
て弾性体２に屈曲運動が生じる。このとき、ローター２
０のスライダー５はばね部材１３の付勢力によってステ
ーター１０の弾性体２に圧接されているので、弾性体２
の屈曲運動によりローター２０が回転する。このロータ
ー２０の回転が振動絶縁部材８を介して回転部材９に伝
達され、該回転部材９の回転により超音波モーター１の
回転力が外部に出力される。 【００４９】このような超音波モーター１の起動は、ス
タートスイッチＳＷ１の閉成によって行われ、初期電圧
発生器４３からＶ−ｆ変換器４２に初期電圧Ｖ₀ が出力
される。 【００５０】ここで、Ｖ−ｆ変換器４２の動作を第６図
に示すタイムチャートを用いて説明する。 【００５１】第６図において、符号（Ａ）〜（Ｉ）はそ
れぞれ第５図の回路中に示す対応位置Ａ〜Ｉにおける電
圧の変化を示す。 【００５２】スタートスイッチＳＷ１がＯＮすると、第
５図中でＡ点における電位は第６図（Ａ）に示すように
直ちに初期電圧Ｖ₀ をとる。また、そのスタートスイッ
チＳＷ１のＯＮした時点ｔ１からすこし遅れた時点ｔ２
から、第６図（Ｄ）に示すようにクロックパルスがラッ
チ回路４２３に入力され、ラッチ回路４２３が動作を開
始する。 【００５３】点Ａの電位がＶ₀ になるとトランジスタＴ
ｒ１が動作状態となり、ナンドゲートＮＡＮＤの一方の
入力端Ｂに電圧Ｖ_CCが第６図（Ｂ）に示すように入力さ
れる。しかし、時点ｔ２に達するまでは、第６図（Ｉ）
に示すように、ラッチ回路４２３は動作せずＩ点に電圧
が生じないのでトランジスタＴｒ２は不動作状態におか
れ、従って、ナンドゲートＮＡＮＤの他方の入力端Ｃに
は電圧が印加されない。 【００５４】ナンドゲートＮＡＮＤの出力端Ｅは第６図
（Ｅ）に示すようにＨレベルとなり、インバータＩＮＶ
の出力端はＬレベルとなる。そのため、第１アナログス
イッチＳＷ２は普通状態となり、Ｆ点の電位は第６図
（Ｆ）に示すように初期電圧Ｖ₀ となり、加算器４２１
に入力される。 【００５５】一方ｔ１時点ではまだ演算増幅器４１が動
作しないから差信号△Ｖは発生しない（△Ｖ＝０）。そ
のため、加算器４２１からは第６図（Ｈ）に示すように
初期電圧Ｖ₀ が出力される。 【００５６】ラッチ回路４２３は、最初のクッロクパル
スを入力した時点ｔ２で、第６図（Ｉ）に示すように、
初期電圧Ｖ₀ をＶ−ｆ変換素子４２４に出力する。Ｖ−
ｆ変換素子４２４は、理想周波数ｆｄよりも大きい前記
の最大周波数ｆ₀ を初期電圧Ｖ₀ に対応して初期出力と
して出力する。（第３図参照）この最大周波数の信号ｆ
₀ がアンプ４５を介してセグメント電極３ａ，３ｂに、
また位相器４４およびアンプ４６を介してセグメント電
極３ｂにそれぞれ入力されることによって超音波モータ
ー１の起動が行なわれる。このようにして超音波モータ
ー１が起動される際には、セグメント電極３ｄから前記
最大周波数の信号ｆ₀ に対応したモニター電圧Ｖ_mnt が
検出される。該最大周波数の信号ｆ₀ は第３図で示す前
記理想周波数ｆｄよりも周波数が大きいので、該起動時
にセグメント電極３ｄから検出されるモニター電圧Ｖ
_mnt は、前記所定の電圧Ｖ_stよりも小さいことが第３図
から明らかである。 【００５７】起動時にセグメント電極３ｄから検出され
るモニター電圧Ｖ_mnt は、モニター電圧検出回路３０の
ダイオード３１により整流され、抵抗３２とコンデンサ
３３とから成る積分回路によって平滑化され、抵抗３４
の出力端から平滑化されたモニター電圧Ｖ´_mnt が演算
増幅器４１の反転入力端子に送られる。この平滑化され
たモニター電圧Ｖ´_mnt も前記所定の電圧Ｖ_stより小さ
いので演算増幅器４１から出力される△Ｖ₁ の符号は正
となる。 【００５８】一方、ラッチ回路４２３から電圧Ｖ₀ の初
期電圧が出力されると、トランジスタＴｒ２は動作状態
となり、ナンドゲートＮＡＮＤの他方の入力端に第６図
（Ｃ）に示すように電圧Ｖ_CCが入力され、ナンドゲート
ＮＡＮＤの出力端ＥはＬレベルとなる。従って、第１ア
ナログスイッチＳＷ２は不導通状態となり、またインバ
ータＩＮＶの出力端からＨレベル信号が出力されて第２
アナログスイッチＳＷ３が導通状態となる。 【００５９】その為、ラッチ回路４２３からの出力電圧
である初期電圧Ｖ₀ がＦ点を介して加算器４２１にフィ
ードバックされ、ｔ２時点において第６図（Ｆ）に示す
ように、Ｆ点の電位は引き続き初期電圧Ｖ₀ のまま維持
される。 【００６０】そこで、加算器４２１は、第６図（Ｈ）に
示すように初期電圧Ｖ₀ に演算増幅器からの第１次差信
号△Ｖ₁ を加算した第１次加算電圧（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ）を
出力する。この第１次加算電圧（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ）は、ｔ
３時点において第６図（Ｉ）に示すように、ラッチ回路
４２３から第１次加算電圧（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ）がＶ−ｆ変
換素子４２４に出力されると同時に第２アナログスイッ
チＳＷ３を介して加算器４２１にフィードバックされ
る。 【００６１】Ｖ−ｆ変換素子４２４は、その第１次加算
電圧（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ）に基づいて入力電源周波数のシフ
ト量△ｆ₁ （符号は負である）を初期電圧Ｖ₀ に対応す
る最大周波数ｆ₀ に加算して周波数（ｆ₀ ＋△ｆ₁ ）の
信号を出力する。 【００６２】その周波数（ｆ₀ ＋△ｆ₁ ）に対応してモ
ニター電圧検出回路から出力されるモニター電圧Ｖ´
_mnt は前記所定の電圧Ｖ_stよりわずかに高くなるように
設定されており、演算増幅器４１から出力される第２次
差信号△Ｖ₂ は、第６図（Ｇ）に示すように負となる。
この値△Ｖ₂ は加算器４２１において、フィードバック
された第１次加算電圧（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ）と加算されて第
２次加算電圧［（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ）＋△Ｖ₂ ］として第６
図（Ｈ）に示すようにラッチ回路４２３に出力される。 【００６３】このラッチ回路４２３は、次のパルス入力
時点ｔ４において、第６図（Ｉ）に示すように第２次加
算電圧［（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ）＋△Ｖ₂ ］を出力し、Ｖ−ｆ
変換素子４２４は、この第２次加算電圧［（Ｖ₀ ＋△Ｖ
₁ ）＋△Ｖ₂ ］に対応する周波数（ｆ₀ ＋△ｆ₂ ）を出
力する。この周波数（ｆ₀ ＋△ｆ₂ ）に対応するモニタ
ー電圧Ｖ´_mnt は前記所定の電圧Ｖ_stにさらに近づき、
第６図（Ｇ）に示すように演算増幅器４１から第３次差
信号△Ｖ₃ が出力される。 【００６４】この第３次差信号△Ｖ₃ は加算器４２１に
フィードバックされた第２次加算電圧［（Ｖ₀ ＋△Ｖ
₁ ）＋△Ｖ₂ ］に加算されて、第３次加算電圧［（Ｖ₀
＋△Ｖ₁ ＋△Ｖ₂ ）＋△Ｖ₃ ］として、第６図（Ｈ）に
示すように加算器４２１からラッチ回路４２３に出力さ
れる。ラッチ回路４２３は次のパルス入力時点ｔ５にお
いて、第６図（Ｉ）に示すようにその第３次加算電圧
［（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ＋△Ｖ₂）＋△Ｖ₃ ］を出力する。 【００６５】この第３次加算電圧[(Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ＋△Ｖ
₂ ）＋△Ｖ₃ ］を受けたＶ−ｆ変換素子４２４は、これ
に基づいてシフト量△ｆ₃ を最大周波数ｆ₀ に加算し
て、周波数（ｆ₀ ＋△ｆ₃ ）の信号を出力する。この信
号に対応するモニター電圧Ｖ´_mnt が前記所定の電圧Ｖ
_stと一致するとき、演算増幅器４１から出力される第４
次差信号△Ｖ₄ は第６図（Ｇ）に示すように０（ゼロ）
となり、加算器４２１には入力されない。従ってその後
は、加算器４２１からの出力電圧は、第６図（Ｈ）の時
点ｔ６に示すように第３次加算電圧［（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ＋
△Ｖ₂ ）＋△Ｖ₃］と等しい電圧が出力する。 【００６６】これにより、ラッチ回路４２３から出力さ
れる電圧も第３次加算電圧[(Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ＋△Ｖ₂ ）＋
△Ｖ₃ ］と等しい電圧となり、Ｖ−ｆ変換素子４２４か
ら（ｆ₀ ＋△ｆ₃ ＝ｆ_d ）の周波数が引き続いて出力さ
れる。 【００６７】またもし、Ｖ−ｆ変換素子４２４から出力
される周波数（ｆ₀ ＋△ｆ₃ ）に対応するモニター電圧
Ｖ´_mnt が前記所定の電圧Ｖ_stに達しないときは、さら
に第４次差信号△Ｖ₄ が第３次加算電圧［（Ｖ₀ ＋△Ｖ
₁ ＋△Ｖ₂ ）＋△Ｖ₃ ］に加算され、以後Ｖ−ｆ変換素
子４２４、演算増幅器４１および加算器４２１と操返し
動作によって、モニター電圧Ｖ´_mnt は前記所定の電圧
Ｖ_stに等しくなり、差信号△Ｖが０（ゼロ）となり、上
記の如くしてＶ−ｆ変換器４２からの信号（ｆ₀ ＋△
ｆ）により、セグメント電極３ａ，３ｂに入力される交
流電圧の入力電源周波数ｆが徐々に低くなっていき、該
モニター電圧Ｖ´_mnt が上昇して前記所定の電圧Ｖ_stと
一致した時点で、前記△Ｖの信号が０（ゼロ）となり、
Ｖ−ｆ変換器４２から出力される入力電源周波数ｆは、
前記制御目標となる理想周波数ｆ_dとなる。この理想周
波数ｆ_d によって超音波モーター１が安定して駆動され
る。 【００６８】第７図は、理想的な周波数ｆｄを得るため
のＶ−ｆ変換器を有する制御回路の他の実施例を示して
いる。 【００６９】Ｖ−ｆ変換器４２は、加算器５１、ラッチ
回路５２、加算器５３、Ｖ−ｆ変換素子５４を有し、初
期電圧発生器５５からの出力である初期電圧Ｖ₀ が接続
するクロックパルス発生器５６が設けられ、クロックパ
ルス発生器５６の出力は前記ラッチ回路５２に接続し、
加算器５３にラッチ回路５２の出力と初期電圧Ｖ₀ とが
接続している。ラッチ回路５２の出力は加算器５１にフ
ィードバックされている。加算器５３の出力はＶ−ｆ変
換素子５４に出力するよう構成されている。 【００７０】次に、上記の如く構成された実施例の作用
について説明する。 【００７１】超音波モーター１の起動は、スタートスイ
ッチＳＷ１の閉成によって行われ、初期電圧発生器５５
からＶ−ｆ変換器に初期電圧Ｖ₀ が出力される。 【００７２】Ｖ−ｆ変換器の動作は第８図に示すタイム
チャートを用いて説明する。 【００７３】第８図において、符号（Ａ）〜（Ｆ）はそ
れぞれ第７図の回路中に示す対応位置Ａ〜Ｆにおける電
圧の変化を示す。 【００７４】スタートスイッチＳＷ１がＯＮすると、第
７図中でＡ点における電位は第８図（Ａ）に示すように
直ちに初期電圧Ｖ₀ をとり、Ｂ点は電位０、Ｃ点もラッ
チ回路５２がまだ不作動のため電位０、Ｄ点は初期電圧
Ｖ₀ を示し、Ｅ点は△Ｖ₁ 、Ｆ点も△Ｖ₁ である。 【００７５】Ｖ−ｆ変換素子５４には初期電圧Ｖ₀ が入
力し、Ｖ−ｆ変換素子５４は、理想周波数ｆｄよりも大
きい最大周波数ｆ₀ を初期電圧Ｖ₀ に対応して初期出力
として出力する。 【００７６】この最大周波数の信号ｆ₀ がアンプ４５を
介してセグメント電極３ａ，３ｂに、また位相器４４お
よびアンプ４６を介してセグメント電極３ｂにそれぞれ
入力されることによって超音波モーター１の起動が行な
われる。 【００７７】スタートスイッチＳＷ１がＯＮした時点ｔ
１からすこし遅れた時点ｔ２から、第８図（Ｂ）に示す
ようにクロックパルス発生器５６によるクロックパルス
がラッチ回路５２に入力され、ラッチ回路５２が動作を
開始する。第７図に示すように、クロックパルス発生器
５６の出力（Ｂ）はＨ、加算器５１には（Ｅ）の第２次
差信号△Ｖ₂ が入力しており、ラッチ回路５２の出力の
フイードバックとの合成により、加算器５１の出力
（Ｆ）は（Ｃ）＋（Ｅ）＝△Ｖ₁ ＋△Ｖ₂ 、ラッチ回路
５２の出力（Ｃ）は△Ｖ₁ 、加算器５３の出力（Ｄ）は
第１時加算電圧であって（Ａ）＋（Ｃ）＝Ｖ₀ ＋△Ｖ₁
である₀この第１次加算電圧（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ）がＶ−ｆ
変換素子５４に出力されると、Ｖ−ｆ変換素子５４は、
その第１次加算電圧（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ）に基づいて入力電
源周波数のシフト量△ｆ₁ （符号は負である）を初期電
圧Ｖ₀ に対応する最大周波数ｆ₀ に加算して周波数（ｆ
₀ ＋△ｆ₁ ）の信号を出力する。 【００７８】次に時点Ｔ３では、クロックパルス発生器
５６の出力（Ｂ）はＨ、加算器５１にはモニター電圧Ｖ
´_mnt ＝Ｖ_stで安定状態になって（Ｅ）＝０が入力し、
その結果、ラッチ回路５２の出力のフイードバックとの
合成により、加算器５１の出力（Ｆ）は（Ｃ）＋（Ｅ）
＝△Ｖ₁ ＋△Ｖ₂ 、ラッチ回路５２の出力（Ｃ）は△Ｖ
₁ ＋△Ｖ₂ 、加算器５３の出力（Ｄ）は第２次加算電圧
であって（Ａ）＋（Ｃ）＝Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ＋△Ｖ₂ であ
る。 【００７９】この第２次加算電圧（Ｖ₀ ＋△Ｖ₁ ＋△Ｖ
₂ ）がＶ−ｆ変換素子５４に出力されると、Ｖ−ｆ変換
素子５４はさらに△ｆ₂ を加算して、周波数（ｆ₀ ＋△
ｆ₁＋△ｆ₂ ）の信号を出力する。 【００８０】時点Ｔ４では、同様に、クロックパルス発
生器５６の出力（Ｂ）はＨ、ラッチ回路５２の出力
（Ｃ）は△Ｖ₁ ＋△Ｖ₂ 、加算器５３の出力（Ｄ）は第
２次加算電圧を持続する。 【００８１】以後は上記動作を操返し、前記制御目標と
なる理想周波数ｆ_d によって超音波モーター１が安定し
て駆動される。 【００８２】 【発明の効果】本発明の超音波モーターによれば、起動
時には、電気機械変換素子に供給される交流電圧の周波
数は、予め設定された情報に応じて、通常状態で変化し
うる超音波モーターの共振周波数の最大値よりも更に高
い周波数に決定される。そのため、起動時における超音
波モーターの挙動は安定する。また、起動後では、振動
子の振動状態を検出した検出信号の情報に基づいて、そ
れまで出力していた交流電圧の周波数を加減して制御す
る。そのため、各種環境の変化等により共振周波数が変
動しても、安定して高効率で駆動される。したがって、
極めて実用的である。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例を示しており、入力電源周波
数を制御する制御回路のブロック図である。 【図２】本発明の一実施例を示しており、超音波モータ
ーの主要部を示す断面図である。 【図３】本発明の一実施例を示しており、モニター電圧
曲線および回転数曲線を示すグラフである。 【図４】本発明の一実施例を示しており、モニター電圧
曲線がシフトした場合の説明図である。 【図５】図１に示したＶ−ｆ変換器の詳細例の回路図で
ある。 【図６】図５の回路の動作のタイムチャートである。 【図７】本発明の他の実施例の制御回路図である。 【図８】図７の回路の動作のタイムチャートである。 【符号の説明】 １…超音波モーター ２…弾性体 ３…圧電体（電気機械変換素子） ３ｄ…セグメント電極（圧電体の入力電圧が印加されて
いない部分） １０…ステーター（振動子） ３０…モニター電圧検出部 ４０…周波数制御部 ｆ…入力電源周波数 Ｖmnt …モニター電圧 Ｖst…所定の電圧値

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 袴田 和男 東京都品川区西大井１丁目６番３号株式 会社 ニコン 内 (56)参考文献 特開 昭59−185178（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−156169（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．弾性体と該弾性体を励振させる電気機械変換素子と
   を有する振動子と、前記振動子との間で相対運動を行な
   う相対運動部材とを備えた超音波モーターにおいて 、前記振動子の振動状態に応じて変化する量を検出し、
   検出信号を出力する検出手段と、前記電気機械変換素子
   に交流電圧を供給する制御手段と、を備え、 前記制御手段は、前記超音波モーターの起動時は、前記
   検出手段で検出される前記変化する量とは無関係に、予
   め設定された、前記超音波モータの共振周波数よりも高
   い周波数の交流電圧を前記電気機械変換素子に供給し、
   その後は、前記検出手段で検出された前記変化する量に
   基づいて、前記共振周波数よりも高く、かつ前記予め設
   定された周波数よりも低い周波数領域で、前記電気機械
   変換素子に供給する交流電圧の周波数を継続的に制御す
   ることを特徴とする超音波モーター。