JP3069074B2 - 超音波モータの駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータの駆
動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータは、固定子と移動子
とを圧接状態で対向させ、固定子側に複数の圧電振動子
を所定間隔離隔させて貼着し、当該振動子に９０度位相
差を有する駆動信号を供給して、移動子を移動させる。
移動子の形状が円環状である場合、超音波モータは移動
子をロータとする回転運動型の超音波モータとして機能
し、移動子の形状が長板状である場合、超音波モータは
移動子をスライダとする直線運動型の超音波モータとし
て機能する。

【０００３】いずれの場合の超音波モータにおいても、
上記位相差を有する駆動信号の圧電振動子への印加によ
って固定子表面に進行波を発生させて移動子を移動させ
る。すなわち、固定子表面に進行波が発生すると、固定
子表面上の微小領域各点は、進行波の進行方向及び固定
子の厚み方向で規定される平面内で楕円運動を行う。固
定子と移動子とは圧接状態にあるため、固定子表面上の
微小領域各点が例えば左回りの楕円運動を行うと、移動
子はその表面と固定子表面との間の摩擦力によって左方
向に移動する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の超音波モータにおいては、固定子表面上の微小領域
各点が楕円運動を行うことによって、当該各点と移動子
の対向微小領域各点との間に摩擦が生じ、その摩擦力に
よって移動子を移動させるため、駆動力が小さく、ま
た、楕円運動時の対向微小領域各点間のすべり状態変化
によって摩擦力が変化するため、移動子の正確な移動制
御を行うことができない。本発明は、このような課題に
鑑みてなされたものであり、従来に比して駆動力が大き
く、また、移動子の正確な移動制御を行うことが可能な
超音波モータの駆動方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係る超音波モータの駆動方法は、圧接状態
で対向配置された固定子及び移動子のそれぞれに設けら
れた振動子の振動に応じて移動子が移動する超音波モー
タの駆動方法において、（Ａ）第１周波数の駆動信号を
生成して振動子の一方に印加する工程と、（Ｂ）周波数
シンセサイザに第１周波数の駆動信号を入力することに
よって、第１周波数を所定量シフトさせて第２周波数の
駆動信号を生成し、生成された第２周波数の駆動信号を
振動子の他方に印加する工程とを備え、第１周波数のシ
フト量は可変であり、周波数シンセサイザは、（ａ）入
力信号と第１周波数の信号から生成される信号との間の
位相差に応じた信号を出力する判定手段と、（ｂ）判定
手段の出力に応じて出力信号周波数を可変し、これを入
力信号として位相差が小さくなるように判定手段に帰還
する周波数可変手段と、（ｃ）入力される速度指示情報
に基づいて、周波数可変手段から判定手段に帰還される
信号の周波数を可変する速度情報被入力手段とを備え、
第２周波数の駆動信号は周波数可変手段の出力信号であ
り、速度情報被入力手段は、これに入力される速度指示
情報に応じて、シフト量を設定することを特徴とする。
また、本発明に係る超音波モータの駆動方法は、圧接状
態で対向配置された固定子及び移動子のそれぞれに設け
られた振動子の振動に応じて移動子が移動する超音波モ
ータの駆動方法において、（Ａ）第１周波数の駆動信号
を生成して振動子の一方に印加する工程と、（Ｂ）周波
数シンセサイザに第１周波数の駆動信号を入力すること
によって、第１周波数を所定量シフトさせて第２周波数
の駆動信号を生成し、生成された第２周波数の駆動信号
を振動子の他方に印加する工程とを備え、第１周波数の
シフト量は可変であり、周波数シンセサイザは、（ａ）
第１周波数の信号が入力されるとともに分周比（１／ｎ
₁）が可変な第１分周器と、（ｂ）第１分周器の出力信
号及び第１帰還信号が入力される第１位相検出器と、
（ｃ）第１位相検出器の出力を平滑化する第１ローパス
フィルタと、（ｄ）第１ローパスフィルタの出力電圧に
応じて出力周波数が可変する第１電圧制御発振器と、を
入出力端子間に有するとともに、（ｅ）可変な分周比で
第１電圧制御発振器の出力を分周し、第１帰還信号とし
て第１位相検出器に入力する第２分周器（１／ｎ₂）を
更に有してなる第１周波数シンセサイザを備えることを
特徴とする。また、周波数シンセサイザは、（ａ）第１
周波数シンセサイザの出力信号が入力されるとともに分
周比（１／ｎ₃）が可変な第３分周器と、（ｂ）第３分
周器の出力信号及び第２帰還信号が入力される第２位相
検出器と、（ｃ）第２位相検出器の出力を平滑化する第
２ローパスフィルタと、（ｄ）第２ローパスフィルタの
出力電圧に応じて出力周波数が可変する第２電圧制御発
振器とを入出力端子間に有するとともに、（ｅ）可変な
分周比（１／ｎ₄）で第２電圧制御発振器の出力を分周
し第２帰還信号として第２位相検出器に入力する第４分
周器を更に有してなる第２周波数シンセサイザを備える
ことを特徴とする。

【０００６】上述のように、上記従来の超音波モータに
おいては、固定子表面の微小領域各点の楕円運動によっ
て移動子を移動させていたため、駆動力を増加させると
共に、移動子の移動制御精度を向上させることができな
かった。本発明に係る超音波モータの駆動方法において
は、圧接状態で対向配置される固定子及び移動子双方に
振動子を設けて駆動信号を印加する。すなわち、駆動信
号の印加によって双方の振動子を振動させると、固定子
及び移動子双方の対向表面上に超音波による変位波が発
生する。

【０００７】ここで説明される変位波は、固定子及び移
動子の対向表面の物理的変形によって構成される物理的
変位の波であり、９０度位相差を有する上記従来の駆動
信号をそれぞれの振動子に印加する場合には、変位波は
進行波を構成する。詳説すれば、変位波は、双方の対向
表面上に形成された超音波による噛面であり、これらを
圧接させることによって当該超音波噛面が噛合すると、
固定子及び移動子変位波間の相対的移動が規制される。
このように双方の対向表面に変位波が発生し、変位波間
の相対的移動が規制された状態で、超音波噛面としての
一方の変位波を他方に対して移動させると、移動子は固
定子に対して相対的に移動する。本願発明者は、このよ
うな変位波を噛合させて移動子を移動させる駆動方法を
「変位ロックドライブ」として提唱する。

【０００８】変位ロックドライブは、従来の微小領域各
点間の摩擦力による駆動方法と異なり、超音波噛面の噛
合による駆動方法のため、従来に比して駆動力が大き
く、また、移動制御精度を向上させることができる。ま
た、変位ロックドライブによれば、超音波モータを停止
状態より最高速回転の範囲までの最大の変位量で駆動で
き、これは従来のように低速回転するため変位量を小さ
くしなければならない構成とは基本的に異なる。変位ロ
ックドライブによれば、特に低速の範囲で従来に比べて
駆動力が大きい。

【０００９】しかしながら、この超音波モータの駆動方
法は、超音波噛面の噛合による駆動を前提としているた
め、より正確な移動制御を行うためには、双方の超音波
噛面を高精度に形成する必要がある。そこで、本発明に
係る超音波モータの駆動方法においては、まず、第１周
波数の駆動信号を生成して振動子の一方に印加する。一
方の振動子へ第１周波数の駆動信号を印加すると、この
振動子の設けられた固定子又は移動子の対向表面上に変
位波が発生する。他方の振動子に第２周波数の駆動信号
を印加すると、この振動子の設けられた方の移動子又は
固定子の対向表面上に変位波が発生する。

【００１０】それぞれの駆動信号間に相対的な周波数差
がある場合、一方の変位波は他方に対して相対的に移動
する。第２周波数の駆動信号は、速度指示情報に応じて
基準となる第１周波数を可変可能な所定量シフトさせて
生成される。したがって、第２周波数の駆動信号は基準
となる第１周波数の駆動信号に対して正確な周波数差を
有することとなり、移動制御精度が向上する。

【００１１】また、本発明に係る超音波モータの駆動方
法においては、第２周波数の駆動信号は、位相同期ルー
プを用いた周波数シンセサイザに第１周波数の駆動信号
を入力することによって生成することが好ましい。位相
同期ループを用いた周波数シンセサイザは、入力信号周
波数に対して正確な周波数差を有する信号を生成するこ
とができるため、位相同期ループを用いた周波数シンセ
サイザに第１周波数の駆動信号を入力することによっ
て、第１周波数の駆動信号に対して正確な周波数差を有
する第２周波数の駆動信号を生成することができる。

【００１２】なお、第１周波数のシフト方向は、正及び
負方向に設定することができ、設定に応じて移動子を固
定子に対して正及び負方向に移動させることができる。

【００１３】また、本発明に係る超音波モータの駆動方
法においては、上記周波数シンセサイザは、２つの入力
信号間の位相差に応じた信号を出力する判定手段と、判
定手段の出力に応じて出力信号周波数を可変し、一方の
入力信号として位相差が小さくなるように判定手段に帰
還する周波数可変手段と、周波数可変手段から判定手段
に帰還される信号の周波数を可変する速度情報被入力手
段とを備え、入力信号の他方は第１周波数の信号から生
成され、第２周波数の駆動信号は周波数可変手段から出
力され、第２周波数の駆動信号の生成工程において、速
度情報被入力手段は、これに入力される速度指示情報に
応じて第１周波数に対するシフト量を設定することが好
ましい。

【００１４】速度情報が速度情報被入力手段に入力され
ると、周波数可変手段から判定手段に帰還される一方の
入力信号の周波数が可変する。判定手段にはこの一方の
入力信号と、第１周波数の信号から生成された他方の入
力信号とが入力される。判定手段は、これら２つの入力
信号間の位相差に応じた信号を出力する。周波数可変手
段は、これらの信号の位相差が所定値になるように出力
信号周波数を可変して第２周波数の駆動信号として出力
する。第２周波数の駆動信号と不可分の関係にある一方
の入力信号としての帰還信号の位相が、他方の入力信号
の位相に対してずれないように判定手段によって監視さ
れた状態で、速度情報被入力手段へ入力される速度情報
に応じて、周波数可変手段から出力される第２周波数の
駆動信号の周波数が可変し、その際の第１周波数のシフ
ト量が設定される。したがって、第２周波数の駆動信号
は、第１周波数に対する位相が監視された状態で第１周
波数を所定量シフトさせて生成されることになるので、
その周波数差を正確に維持することができる。

【００１５】上記シンセサイザが第１周波数シンセサイ
ザを備えるものについて説明する。

【００１６】第１周波数シンセサイザの第１位相検出
器、第１ローパスフィルタ及び第１電圧制御発振器は位
相同期ループを構成し、帰還ループ中に第２分周器が介
在しているため、第１位相検出器には出力信号が第２分
周器によって分周された第１帰還信号と、第１周波数の
入力信号が第１分周器によって分周された信号が入力さ
れる。位相同期ループは第１位相検出器に入力される信
号の位相差が所定値になるように出力信号を可変する。
したがって、出力信号周波数は、第１位相検出器の入力
信号間周波数差が無い状態、すなわち、第２分周器で分
周された第１帰還信号の位相が、第１分周器で分周され
た信号の位相に所定の位相差を保った状態でロックし、
第１及び第２分周器の分周比に応じて変化する。

【００１７】詳説すれば、第１分周器の分周比を１／ｎ
₁、第２分周器の分周比を１／ｎ₂とすると、第１周波数
ｆの信号が１／ｎ₁倍された入力信号（ｆ／ｎ₁）及び出
力信号周波数（ｆ_out）が１／ｎ₂倍された帰還信号（ｆ
_out／ｎ₂）が位相同期ループに入力されるので、これら
の位相が一致した状態では、位相同期ループへの入力信
号周波数（ｆ／ｎ₁）は、帰還信号周波数（ｆ_out／
ｎ₂）に一致し、したがって、出力信号周波数ｆ_outは
（ｎ₂／ｎ₁）・ｆに一致する。

【００１８】上記シンセサイザが第２周波数シンセサイ
ザを備えるものについて説明する。

【００１９】周波数シンセサイザが第１周波数シンセサ
イザのみを備える場合において、第１周波数からの周波
数シフト量を小さくするためには、ｎ₁及びｎ₂の値を共
に大きくして、その差を小さくすればよい。ところが、
ｎ₁及びｎ₂の値を共に大きくすると、ローパスフィルタ
の遮断周波数設定の如何によってはループゲインが低下
し、位相同期ループの動作が不安定状態となる。そこ
で、本駆動方法では、出力信号周波数ｆ_out’＝（ｎ₄／
ｎ₃）・ｆ_outが得られる第１周波数シンセサイザと同様
の構造の第２周波数シンセサイザをこれに縦続し、個々
の周波数シンセサイザのｎ₁、ｎ₂、ｎ₃、ｎ₄を大きくす
ることなく周波数シフト量を微小としつつも、位相同期
ループを安定させて、更に精密な移動制御を行う。

【００２０】また、本発明に係る超音波モータの駆動方
法においては、第１分周器の分周比を１／ｎ₁、第２分
周器の分周比を１／ｎ₂としたときに、ｎ₁とｎ₂との間
の差は１であることが好ましい。すなわち、周波数シフ
ト量はｎ₁とｎ₂との間の差に依存し、ｎ₁及びｎ₂の双方
の大きさが確定している場合には、この差が小さいほど
周波数シフト量が小さくなり、移動子の移動速度を小さ
くすることができる。ｎ₁とｎ₂は整数であることが好ま
しいため、この差が１である場合には最も小さな周波数
シフトを行うことができる。

【００２１】さらに、本発明に係る超音波モータの駆動
方法においては、ｎ₁／ｎ₂は０．９８乃至１．０２の間
の値に設定されることが好ましい。すなわち、周波数シ
フト量はｎ₁とｎ₂の比に依存し、ｎ₁とｎ₂の間の差が確
定している場合には、この比率が１に限りなく近いほど
周波数シフト量が小さくなり、移動子の移動速度を小さ
くすることができる。ｎ₁とｎ₂の差が１である場合にお
いては、第１周波数を５０ｋＨｚとして、これらｎ₁と
ｎ₂の値が少なくとも４９〜５１の間で動作することが
できた。したがって、ｎ₁／ｎ₂＝（４９／５０＝０．９
８）乃至（５０／４９＝１．０２）の間の値に設定され
る場合に、移動子を移動させることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る超音波モ
ータ及びその駆動方法について説明する。同一要素又は
同一機能を有する要素には同一符号を用いるものとし、
重複する説明は省略する。

【００２３】図１は、本実施の形態に係る超音波モータ
を示す構成図である。この超音波モータは、機械的駆動
機構からなる超音波モータ本体１及び超音波モータ本体
１の駆動制御を行う電気制御部２から構成される。

【００２４】まず、機械的駆動機構からなる超音波モー
タ本体１について説明する。

【００２５】超音波モータ本体１は、固定用ベース３中
央部を貫通する回転軸４に互いに対向して設けられた外
縁円形のステータ５及びロータ６を備えている。ロータ
６は、ステータ５及びロータ６それぞれの対向接触面円
周方向に起振した変位波が噛合した状態で、一方の変位
波の位相を他方から変位させることにより回転する。

【００２６】ここで説明される変位波は、ステータ５及
びロータ６の対向表面の物理的変形によって構成される
物理的変位の波であり、９０度位相差を有する従来の駆
動信号をそれぞれの振動子に印加する場合には、変位波
は進行波を構成する。

【００２７】詳説すれば、変位波は、ステータ５及びロ
ータ６双方の対向表面上に形成された超音波による噛面
であり、これらを圧接させることによって当該超音波噛
面が噛合すると、ステータ５及びロータ６変位波間の相
対的移動が規制される。このようにステータ５及びロー
タ６双方の対向表面に変位波が発生し、変位波間の相対
的移動が規制された状態で、超音波噛面としての一方の
変位波を他方に対して移動させると、ロータ６はステー
タ５に対して相対的に回転し、固定子５及び移動子６を
ステータ及びスライダとする場合には、スライダは直線
運動を行う。本願発明者は、このような変位波を噛合さ
せて移動子を移動させる駆動方法を「変位ロックドライ
ブ」として提唱する。なお、変位波としては種々のもの
が考えられるが、以下の説明においては、変位波は進行
波であるものとする。

【００２８】固定用べース３は、超音波モータが適用さ
れるカメラ等の本体機器の固定側に当該超音波モータを
固定するためのものである。固定用べース３の中央部に
は、これを上下方向に貫く貫通孔３ｈが形成されてい
る。

【００２９】ステータ５は、セラミック圧電素子からな
る円環状の振動子５ｖと、振動子５ｖが裏面外周部に貼
着された金属からなる円環状の弾性体５ｅとを備えてい
る。弾性体５ｅの内周部５ｉは例えばネジ留め等により
固定用ベース３に固定され、外周部５ｏと内周部５ｉと
の間の円環状の中間部５ｍは肉薄であり、この中間部５
ｍが外周部の振動を容易にさせるとともに、内周部５ｉ
と外周部５ｏとの間の振動伝達を抑制している。ステー
タ５の中央部にも、これを上下方向に貫く貫通孔５ｈが
形成されている。

【００３０】ロータ６は、ステータ５と同一構造を有
し、セラミック圧電素子からなる円環状の振動子６ｖ
と、振動子６ｖが上面外周部に貼着された金属からなる
円環状の弾性体６ｅとを備えている。弾性体６ｅの内周
部６ｉは回転軸４に固定され、弾性体６ｅは外周部６ｏ
と内周部６ｉとの間に円環状の肉薄中間部６ｍを備え
る。

【００３１】回転軸４は、固定用ベース３及びステータ
５の貫通孔３ｈ及び５ｈ内を貫挿している。回転軸４
は、固定用べース３の貫通孔３ｈに嵌合固定された軸受
７に回転自在に支持されている。回転軸４の上記軸受７
による支承位置より上方には、回転軸４より大径のボス
８が設けられている。ロータ側弾性体６ｅの内周部６ｉ
は、ボス８とステータ側弾性体５ｅとの間に位置し、ボ
ス８に圧入固定されている。なお、回転軸４の下部に
は、例えばＣリング等のスナップリング９が取り付けら
れており、このスナップリング９と上記軸受７との間
に、スペーサ１０を介して圧縮バネ１１が介挿されてい
る。この圧縮バネ１１によって、回転軸４及びボス８は
常時下方に付勢されている。

【００３２】ステータ側弾性体５ｅは、外周部５ｏ上面
に幅狭円環状の凸部５ｐを有し、ロータ側弾性体６ｅは
外周部６ｏ裏面に幅狭円環状の凸部６ｐを有する。弾性
体５ｅ、６ｅを全面接触させると、励振側の振動が相手
側に大部分伝わって変位波の変位量が減衰してしまう
が、弾性体５ｅ，６ｅは凸部５ｐ，６ｐを有しており、
接触表面が狭小となることから、弾性体５ｅ，６ｅに変
位波を保持することができる。

【００３３】ロータ側凸部６ｐとステータ側凸部５ｐと
の間には、例えば樹脂等より成る環状の緩衝摩擦部材１
２が介在し、緩衝摩擦部材１２はこれらと圧接状態にあ
る。すなわち、ロータ側凸部６ｐは、圧縮バネ１１の弾
性力よって緩衝摩擦部材１２を介してステータ側凸部５
ｐを押圧している。

【００３４】緩衝摩擦部材１２は、上記凸部５ｐ又は凸
部６ｐに生ずる変位波を相手側に伝達しにくくする動作
をする一種の振動のローパスフィルタの作用をさせてい
ることから、ステータ側弾性体５ｅ側の変位波とロータ
側弾性体６ｅ側の変位波の相互干渉を防止して正常な変
位波を両者に発生させる。すなわち、振動子を例えば５
０ｋＨｚで振動させて変位波を両者に発生させている場
合、この５０ｋＨｚの振動は相手側には伝達されにく
く、変位波の回転の周波数である例えば１００Ｈｚの振
動は相手側に伝達される。さらに、緩衝摩擦部材１２
は、金属同士（凸部５ｐ，６ｐ）の直接接触を回避して
異音の発生を防止し、さらに圧接部の耐久性を向上させ
る。なお、緩衝摩擦部材１２は、凸部５ｐ，６ｐの何れ
にも固定されずに、凸部５ｐ，６ｐ間に介在している構
成でも、一方に固定している構成でも良い。

【００３５】回転軸４のさらに上部には、互いの導通を
遮断した３個のリング１３ａ，１３ｂ，１３ｃから成る
スリップリング１３が固定されている。これらのリング
１３ａ，１３ｂ，１３ｃに対しては、固定用ベース１の
上部に設けられたロータ用の通電ブラシ１５ａ，１５
ｂ，１５ｃが、それぞれ接触するように配置されてい
る。通電ブラシ１５ａ，１５ｂは、それぞれ第１駆動信
号の第１成分供給用のブラシ、第１駆動信号の第２成分
供給用のブラシであり、通電ブラシ１３ｃは、グランド
用のブラシである。ここで、第１成分及び第２成分は、
９０°位相差を有し、正弦波であることが好ましいが、
これらは方形波であってもよい。

【００３６】ステータ側振動子５ｖに電気制御部２から
２つの互いに関連した第１駆動信号を印加し、ステータ
側弾性体５ｅにその円周方向に沿って変位波を発生させ
る。これはあたかも円環上を変位波が回転しているよう
な形態なので、以降これを「回転変位波」として説明す
る。すなわち、ステータ側振動子５ｖに電気制御部２か
ら上記２相の駆動信号を印加すると、ステータ側弾性体
５ｅにその円周方向に沿って進行する回転変位波が発生
する。また、別の駆動信号を印加すると、ステータ側弾
性体５ｅに定在波等が発生する。

【００３７】一方、ロータ側振動子６ｖに電気制御部２
からスリップリング１３を介して２つの互いに関連した
第２駆動信号を印加し、ロータ側弾性体６ｅにその円周
方向に沿って進行する変位波を発生させる。すなわち、
ロータ側振動子６ｖに電気制御部２からスリップリング
１３を介して上記２相の駆動信号を印加すると、ロータ
側弾性体６ｅにその円周方向に沿って進行する回転変位
波が発生する。また、別の駆動信号を印加すると、ロー
タ側弾性体６ｅに定在波等が発生する。

【００３８】本実施の形態に係る超音波モータにおいて
は、ステータ側弾性体５ｅ及びロータ側弾性体６ｅの変
位波としての回転変位波が噛合した状態で、一方の変位
波の位相を他方からシフトすることで、ロータ側弾性体
６ｅ及び回転軸４の噛合回転位置がシフトし、シフト量
の連続が回転となる。したがって、シフト量の連続性が
無くなれば、変位波噛合は行われつつも、ロータ６は回
転しない。以下、詳説する。

【００３９】図２は、前述した圧電振動子５ｖ又は６ｖ
の一方面側の平面図である。振動子５ｖ，６ｖは、円環
状の圧電セラミック板ＣＭと、圧電セラミック板ＣＭの
一方面上に形成されたそれぞれ４個の第１電極部Ｓ１〜
Ｓ４及び第２電極部Ｃ１〜Ｃ４とを備えている。第１電
極部Ｓ１〜Ｓ４及び第２電極部Ｃ１〜Ｃ４は、振動子が
周方向全体で５波長（５λ）の定在波を発生し得るよう
に機械角で３６゜で等配されている。第１電極部Ｓ１〜
Ｓ４、第２電極部Ｃ１〜Ｃ４は、各々隣り合う領域で厚
み方向の分極方向が互いに逆向き（図示＋−参照）とな
るように予め分極処理が施されている。なお、各電極Ｓ
１〜Ｓ４及びＣ１〜Ｃ４は、円環圧電セラミック板ＣＭ
の内縁及び外縁との間に隙間を空けることなく設けられ
ている。

【００４０】図３は、振動子５ｖ又は６ｖの他方面側の
平面図である。円環状の圧電セラミック板ＣＭの他方面
上には、圧電セラミック板ＣＭの一方面上の第１電極部
Ｓ１〜Ｓ４の形成領域全体に対向する第１側電極部ＳＳ
と、第２電極部Ｃ１〜Ｃ４の形成領域全体に対向する第
２側電極部ＣＣとが設けられている。第１側電極部ＳＳ
と第２側電極部ＣＣとの間には、機械角で１８゜、電気
角で９０゜をなして互いに対向するフィードバック用電
極部ＦＢ，ＦＢ’が設けられている。

【００４１】図１を再び参照すると、ステータ側振動子
５ｖの上記一方面は、その全面が金属弾性体５ｅの上面
側に接着剤又は導電性接着剤で接着されている。一般に
は非導電性接着剤を用いても、接着剤厚が薄いため機械
加工面の荒小部分が接触し、電気的には導通する。金属
弾性体５ｅは、固定用ベース３に電気的に接続されてお
り、ステータ側振動子５ｖの一方面に形成された電極Ｓ
１〜Ｓ４，ＦＢ，Ｃ１〜Ｃ４は、グランドに接続されて
いる。一方、ステータ側振動子５ｖの第１側電極部ＳＳ
及び第２側電極部ＣＣは駆動回路１６に接続されてい
る。

【００４２】駆動回路１６は、グランドとステータ側振
動子５ｖの第１側電極部ＳＳとの間に第１駆動信号の第
１成分である正弦波電圧信号を印加し、グランドと第２
側電極部ＣＣとの間にこれと９０°の位相差を有する第
２成分である正弦波電圧信号を印加し、ステータ側振動
子５ｖ及びこれに貼着された弾性体５ｅ円周方向に変位
波を発生し、回転変位波を形成する。駆動回路１６に
は、振動子５ｖの変位量に応じてフィードバック用電極
部ＦＢ，ＦＢ’間に発生した変位検出信号としての圧電
電圧信号が入力され、入力された変位検出信号に基づい
てステータ側振動子５ｖに供給される正弦波電圧信号の
周波数及び位相を一定に維持する。

【００４３】ロータ側振動子６ｖの上記一方面は、その
全面が金属弾性体６ｅの上面側に接着剤又は導電性の接
着剤を用いて接着されている。金属弾性体６ｅは、これ
に電気的に順次接続された内部配線１４ｃ、リング１３
ｃ、通電ブラシ１５ｃを介して固定用ベース３に電気的
に接続されており、ロータ側振動子６ｖの一方面に形成
された電極Ｓ１〜Ｓ４、ＦＢ、Ｃ１〜Ｃ４は、グランド
に接続されている。

【００４４】一方、ロータ側振動子６ｖの第１側電極部
ＳＳは、これに電気的に順次接続された内部配線１４
ａ、リング１３ａ、通電ブラシ１５ａを介して駆動回路
１６に接続されている。ロータ側振動子６ｖの第２側電
極部ＣＣは、これに電気的に順次接続された内部配線１
４ｂ、リング１３ｂ、通電ブラシ１５ｂを介して駆動回
路１６に接続されている。

【００４５】駆動回路１６は、グランドとロータ側振動
子６ｖの第１側電極部ＳＳとの間に第２駆動信号の第１
成分としての正弦波電圧信号を印加し、グランドと第２
側電極部ＣＣとの間にこれと９０°の位相差を有する第
２駆動信号の第２成分としての正弦波電圧信号を印加
し、ロータ側振動子６ｖ及びこれに貼着された弾性体６
ｅ円周方向に変位波を発生し、回転変位波を形成する。
なお、本形態では、ステータ側振動子５ｖからのフィー
ドバック変位検出信号を用いて、ステータ側振動子５ｖ
へ供給される駆動信号の周波数をステータ５が適性な変
位波を起振しうるように自動制御している。

【００４６】以下、上記実施の形態に係る変位ロックド
ライブ型超音波モータの動作について、駆動回路１６と
ともにさらに詳しく説明する。上述のように、駆動回路
１６から振動子５ｖの第１側電極部ＳＳに第１駆動信号
の第１成分としての第１駆動電源を供給すると、振動子
５ｖが励振し弾性体表面に周方向に沿って５波長の定在
波が発生する。また、第２側電極部ＣＣに第１駆動電源
に対して９０°位相差を有する第１駆動信号の第２成分
としての第２駆動電源を供給すると、弾性体表面に円周
方向に沿って５波長の定在波が発生する。前述したよう
に、上記第１側電極部ＳＳと第２側電極部ＣＣとは、電
気角で９０゜離間しているため、上記定在波間には９０
゜の位相差がある。

【００４７】したがって、駆動回路１６からステータ側
振動子５ｖに第１駆動電源、第２駆動電源を同時に供給
すると、ステータ側弾性体５ｅの表面に合成波による回
転変位波が形成される。また、ロータ側振動子６ｖに第
１駆動電源、第２駆動電源を同時に供給すると、ロータ
側弾性体６ｅの表面に合成波による回転変位波が形成さ
れる。変位ロックドライブを行うためには、ステータ５
及びロータ６の円周方向に進む変位波の進行方向を回転
軸４から見て同一方向となるように整える。このために
は、ステータ５又はロータ６の一方の電極ＳＳ、ＣＣに
入力される駆動電源を互いに逆にするか、又は片方の入
力位相を１８０°反転すればよい。

【００４８】図４は、このような変位波が噛合している
際のステータ／ロータ接触部分を円周方向に沿って切っ
た断面図である。駆動回路１６からステータ側振動子５
ｖに供給される２つの互いに関連した駆動信号としての
２相の第１駆動信号の周波数をｆ、ロータ側振動子６ｖ
に供給する２つの互いに関連した駆動信号としての２相
の第２駆動信号の周波数を同様にｆとなるように制御回
路１７が駆動回路１６を制御する。この場合、ステータ
側弾性体５ｅの凸部５ｐに生じる回転変位波Ａとロータ
側弾性体６ｅの凸部６ｐに生じる回転変位波Ｂが、同相
で回転変位し、変位を生じる位置も円周方向に進んで常
に位置が変わっているが、Ａ，Ｂは同期しているため、
恰も歯車が噛み合った如く合致してロック作用するが、
回転軸４は回転せず、ロータ６は停止状態となる。

【００４９】駆動回路１６からステータ側振動子５ｖに
供給される２つの互いに関連した駆動信号としての２相
の第１駆動信号の周波数をｆ、ロータ側振動子６ｖに供
給される第２駆動信号の周波数を（ｆ＋Δｆ）とするよ
うに制御回路１７が駆動回路１６を制御する。この場
合、噛み合っていた回転変位波Ａ，Ｂのうちの、ロータ
側振動子６ｖの回転変位波Ｂがステータ側振動子５ｖの
回転変位波Ａに対して相対的に進む関係が生じる。この
時、ステータ５不動の状態で回転変位波Ａ，Ｂが噛み合
い、双方の相対位置関係がロックする。一方、ステータ
５及びロータ６は、噛み合い状態を保持するよう加圧力
がステータ５及びロータ６間に加えられており、噛み合
いを保持するため、位相の変化分だけロータ６の回転軸
が回転する。すなわち、ロータ６に（ｆ＋Δｆ）印加時
の回転軸４の回転方向は、回転変位波の回転方向と同方
向となり、（ｆ−Δｆ）印加時は回転変位波の回転方向
と逆方向となる。

【００５０】本実施の形態に係わる変位ロックドライブ
型の超音波モータにおいては、変位波の進行方向を一方
向に固定しても、変位波Ａ，Ｂ相互の位相関係によって
回転方向が定まる。回転方向は変位波の進行方向と位相
差の関係から定まり、変位波の進行方向のみで決定され
るものではない。この点が、従来の進行波型の超音波モ
ータとは大きく異なる。

【００５１】駆動回路１６からステータ側振動子５ｖに
供給される２相の第１駆動信号の周波数をｆ、ロータ側
振動子６ｖに供給される第２駆動信号の周波数を（ｆ−
Δｆ）とするように制御回路１７が駆動回路１６を制御
する。この場合、噛み合っていた回転変位波Ａ，Ｂのう
ちの、ロータ側振動子６ｖの回転変位波Ｂがステータ側
振動子５ｖの回転変位波Ａに対して相対的に遅れる位置
関係となるため、ステータ５は不動の状態で進行波Ａ，
Ｂの噛み合い、双方の相対位置関係がロックする。この
場合、噛み合い状態を保持するため、ロータ６は位相の
遅れに対応し、（ｆ＋Δｆ）とは逆の方向に回転し、ロ
ータ６は逆転する。

【００５２】更に、上記周波数の可変量±Δｆを増減さ
せると、ロータ６の回転速度が増減する。±Δｆ値によ
る回転速度（ｒｐｍ）は、６０×Δｆ／波数で定まるシ
ンクロナス回転速度を示し、例えば図２の５波タイプで
は、Δｆが１Ｈｚの時、６０×１／５＝１２ｒｐｍとな
る。

【００５３】次に、上記実施の形態に係る電気制御部２
について更に詳しく説明する。

【００５４】図５は、ステータ５及びロータ６に接続さ
れた駆動回路１６及び駆動回路１６を制御する制御回路
１７からなる電気制御部２のシステム構成図である。

【００５５】駆動回路１６は、第１周波数ｆの第１駆動
電圧信号をステータ側振動子５ｖに印加して上記変位波
Ａをステータ側弾性体５ｅの対向表面上に発生させ、第
２周波数ｆ＋△ｆ又はｆ−△ｆの第２駆動電圧信号をロ
ータ側振動子６ｖに印加して上記変位波Ｂをロータ側弾
性体６ｅの対向表面上に発生させる。

【００５６】駆動回路１６は、第１周波数ｆの信号を生
成する発振器部１６_Aと、発振器部１６_Aから出力された
第１周波数ｆの信号をステータ側振動子５ｖに印加して
ステータ５を振動させるステータ側駆動信号生成部１６
_Bと、ステータ側振動子５ｖで発生したフィードバック
変位検出信号と印加される第１周波数ｆの駆動信号との
間の位相差を検出する位相差検出部１６_Cとを備えてい
る。

【００５７】また、駆動回路１６は、制御回路１７から
ロータ回転速度指示情報が入力され、入力された情報に
応じて第１周波数ｆから第２周波数ｆ＋△ｆ又はｆ−△
ｆの信号を生成する周波数変換部１６_Dと、周波数変換
部１６_Dから出力された第２周波数ｆ＋△ｆ又はｆ−△
ｆの信号をロータ側振動子６ｖに印加してロータ６を振
動させるロータ側駆動信号生成部１６_Eとを備えてい
る。なお、Δｆは零とすることも可能である。

【００５８】発振器部１６_Aは、周波数ｆの信号を出力
する電圧制御発振器（ＶＣＯ）１６_{A 1}を有する。ここ
で、周波数ｆは発振器部１６_Aの出力周波数というより
は、むしろステータ５の円周方向の固有振動数であり、
ステータ５自身が最も共振する周波数である。発振器部
１６_Aから出力された周波数ｆの信号は駆動信号生成部
１６_Bに入力される。本実施の形態における分周器１６
_A2から出力された周波数ｆの信号は方形波信号である
が、この信号は基本波が周波数ｆであれば正弦波であっ
てもよい。

【００５９】駆動信号生成部１６_Bは、入力される第１
成分の方形波電圧信号の高周波成分を除去し、これによ
って生成される正弦波電圧信号を増幅してステータ側振
動子５ｖの第１側電極部ＳＳとグランド間に印加する増
幅器_B1と、第１駆動信号の第１成分の位相を９０°ずら
して第２成分を生成する移相回路１６_B2と、移相回路１
６_B2から出力された第２成分の方形波電圧信号の高周波
成分を除去し、これによって生成される正弦波電圧信号
を増幅してステータ側振動子５ｖの第２側電極部ＣＣと
グランド間に印加する増幅器_B3とからなる。これらの位
相差を有する電圧信号を振動子５ｖに印加すると、振動
子５ｖは略その固有振動数で振動し、振動子５ｖに一体
的に貼着された弾性体５ｅに上記変位波Ａが発生する。
この際、フィードバック用電極部ＦＢ’とグランド間に
は、圧電効果に基づき変位検出信号が発生する。この変
位検出信号の周波数をｆθ’とする。フィードバック用
電極部ＦＢ’から出力された変位検出信号は、位相差検
出部１６_Cに入力される。

【００６０】位相差検出部１６_Cは、正弦波の変位検出
信号を方形波に変換するリミッタ１６_C3と、リミッタ１
６_C3に縦続された位相差検出器（ＰＤ）１６_C1と、位相
差検出器１６_C1に縦続されたローパスフィルタ１６_C2と
を有している。位相検出器１６_C1には振動子５ｖへの印
加電圧である周波数ｆの駆動信号の増幅前段の方形波信
号及び振動子５ｖからのフィードバック信号としての変
位検出信号である周波数ｆθ’の方形波信号が入力さ
れ、これらの位相差に応じた検出信号が出力される。こ
の検出信号は、ローパスフィルタ１６_C2によって平滑直
流化されるため、位相差検出部１６_Cはこれらの入力信
号の位相差に応じたコントロール信号を出力する。この
コントロール信号は、電圧制御発振器１６_A1に帰還され
る。なお、入力周波数ｆ，ｆθ’に微小差がある場合に
は位相差が発生するので、コントロール信号は微小周波
数差にも応じて変化する。

【００６１】電圧制御発振器１６_A1は、入力電圧に応じ
て出力周波数を可変する。電圧制御発振器１６_A1は、フ
ィードバック信号の周波数ｆθ’が、基準周波数である
駆動信号の周波数ｆに対して大きい場合、その出力信号
周波数ｆ_outを低下させて駆動信号の周波数ｆを低下さ
せ、これと逆の場合には出力信号周波数ｆを上昇させて
駆動信号の周波数ｆを上昇させる。なお、ここでは前者
の場合にローパスフィルタ１６_C2から出力されるコント
ロール信号のレベルが基準値よりも低くなり、後者の場
合に高くなるように設定されているとする。

【００６２】このように、回路１６_A〜１６_Cは位相同期
ループを構成し、入力周波数ｆ，ｆθ’が一致するよう
に出力周波数ｆを制御し、駆動信号の周波数ｆ及び位相
をロックする。

【００６３】周波数変換部１６_Dは制御御回路１７から
ロータ回転速度指示情報が端子Ｓを介して入力され、入
力された情報に応じて第１周波数ｆから第２周波数ｆ＋
△ｆ又はｆ−△ｆの信号を生成する。周波数変換部１６
_Dとしては種々の構成が考えられるが、以下、好適な構
成について説明する。

【００６４】図６は、周波数変換部１６ｃの第１例を示
す。この周波数変換部１６_Dは、発振器部１６_Aで生成さ
れた周波数ｆの信号が入力される１／ｎ_A分周器１６_D1
と（ｎ_Aは自然数）と、１／ｎ_A分周器１６_D1に順次縦続
された位相検出器１６_D2、ローパスフィルタ１６_D3及び
電圧制御発振器１６_D4と、電圧制御発振器１６_D4の出力
を位相検出器１６_D2に帰還する１／ｎ_B分周器１６
_D5（ｎ_Bは自然数）とから構成される。位相検出器１６
_D2からローパスフィルタ１６_D3及び電圧制御発振器１６
_D4を介して位相検出器１６_D2に帰還する経路は位相同期
ループを構成し、電圧制御発振器１６_D4は、位相検出器
１６_D1に入力される基準周波数である１／ｎ_A分周器１
６_D1の出力信号周波数ｆ／ｎ_Aに、１／ｎ_B分周器１６_D5
の出力が一致するようにその出力信号周波数を可変す
る。

【００６５】分周器１６_D1及び分周器１６_D5の分周比１
／ｎ_A及び１／ｎ_Bは、制御回路１７からのロータ回転速
度指示情報に応じて可変可能であり、これらは共にプロ
グラマブルデバイダである。すなわち、分周器１６_D1及
び分周器１６_D5において設定される分周比１／ｎ_A及び
１／ｎ_Bに応じて、周波数変換部１６_Dから出力される信
号の周波数（ｆ＋△ｆ又はｆ−△ｆ）の周波数変化量
（△ｆ又は−△ｆ）の値が可変する。上述のように周波
数変化量（△ｆ又は−△ｆ）は、ロータ６の回転速度と
対応づけることができるので、制御回路１７からのロー
タ回転速度指示情報は、ロータ回転速度に対応づけられ
た周波数変化量（△ｆ又は−△ｆ）、すなわち分周比１
／ｎ_A及び１／ｎ_Bの設定値である。

【００６６】位相検出器１６_D2への２つの入力周波数が
一致するような周波数（ｆ_out＝ｆ＋△ｆ又はｆ−△
ｆ）の信号を電圧制御発振器１６_D4は出力する。したが
って、電圧制御発振器１６_D4は、第２周波数ｆ_out＝
（ｎ_B／ｎ_A）・ｆ（＝ｆ＋△ｆ又はｆ−△ｆ）の信号を
出力する。第２周波数ｆ_outの信号は駆動信号生成部１
６_Eに入力される。

【００６７】図５を再び参照すると、駆動信号生成部１
６_Eは、入力される第２駆動信号の第１成分である方形
波電圧信号から高周波成分を除去し、これによって生成
された第２周波数の正弦波電圧信号を増幅してロータ側
振動子６ｖの第１側電極部ＳＳとグランド間に印加する
増幅器１６_E1と、第１成分の位相を９０°ずらして第２
成分の信号を生成する移相回路１６_E2と、移相回路１６
_E2から出力された第２成分である方形波電圧信号から高
周波成分を除去し、これによって生成された第２周波数
の正弦波電圧信号を増幅してロータ側振動子６ｖの第２
側電極部ＣＣとグランド間に印加する増幅器１６_E3とか
らなる。これらの位相差を有する駆動信号を振動子６ｖ
に印加すると、振動子６ｖは略その固有振動数で振動
し、振動子６ｖに一体的に貼着された弾性体６ｅに上記
変位波Ｂが発生する。

【００６８】制御回路１７は、ロータ回転速度指示情報
に対応づけられた分周比１／ｎ_A及び１／ｎ_Bを決定し、
分周器１６_D1及び分周器１６_D5の分周比１／ｎ_A及び１
／ｎ_Bを可変する。本実施の形態においては、制御回路
１７が分周比１／ｎ_A及び１／ｎ_Bを可変することによ
り、変位波としての回転変位波Ｂの進行速度が可変し、
ロータ６の回転速度及び方向を制御することができる。

【００６９】なお、上記周波数変換部１６_Dは、単一の
位相同期ループを用いた単独の周波数シンセサイザであ
るが、これは実用的ではない。すなわち、移動子６がロ
ータである場合に、ロータの円周に沿って５波を発生さ
せる場合において、その回転速度を１．２ｒｐｍ程度の
微低速とするには、周波数差は１．２（ｒｐｍ）／６０
（ｓｅｃ）×５（波の数）＝０．１Ｈｚとなる。超音波
モータの固定子５及び移動子６の固有振動数は通常２０
〜数十ｋＨｚであるため、第１周波数と第２周波数の駆
動信号の周波数差は、これらの周波数の０．１／（５×
１０⁴）＝１／（２×１０⁶）倍となる。

【００７０】駆動信号の周波数は、温度、駆動電圧、負
荷状態、ロータ／ステータ間の加圧力の変化によって大
幅に変化し、その変化量は約１ｋＨｚに達する。したが
って、上記実施の形態に係る超音波モータの駆動回路に
おいては、第１駆動信号に対して微小周波数差を有する
第２駆動信号を、この周波数変化に追従しつつ、長時間
持続供給することが困難である。例えば、ｎ_Aを１００
０、ｎ_Bを９９９として得られるΔｆは、共振周波数ｆ
が５０ｋＨｚの場合、５０Ｈｚであり、Δｆ＝０．１Ｈ
ｚオーダに及ばない。このような微小周波数差を有する
第２駆動信号を生成する手法として、ヘテロダイン法が
考えられるが、ヘテロダイン出力はバンドパスフィルタ
を通して取り出されることから、入出力周波数はフィル
タのカットオフ周波数以上の差が必要であり、±０．１
Ｈｚの周波数変換は困難である。

【００７１】Δｆを小さくするには、ｎの値を大きくす
る必要があるが、これは位相同期ループを不安定とする
こととなり、位相同期ループが動作しなくなる。ここに
周波数シンセサイザを複数縦続することによって小さな
Δｆを生成し、ロータ回転速度の実用的制御を実行する
必要が本発明に生じた。すなわち、上記単独の周波数シ
ンセサイザから微小な周波数変化量△ｆを生成する場
合、分周比を決定するｎ_A，ｎ_Bの値（指示値ｎ）を大き
くし（例えばｎ＝５００，０００）、ｎ_A，ｎ_B差を１に
すればΔｆ＝０．１Ｈｚを得られるが、この場合には位
相同期ループのゲインが減少し、当該位相同期ループの
動作が不安定になる場合がある。

【００７２】そこで、個々の周波数シンセサイザの指示
値ｎを大きくしないで、個別の周波数シンセサイザを複
数縦続することで、小さなΔｆを生成することができ、
実用的に位相同期ループを安定させ、精密なロータ回転
制御を行うことができる。

【００７３】図７乃至図９は、このような周波数変換部
１６_D’の回路図である。本例の周波数変換部１６_D’
は、回路１６_D1’〜１６_D5’から構成される第１周波数
シンセサイザと、回路１６_D6’〜１６_D10’から構成さ
れる第２周波数シンセサイザとを縦続してなる周波数シ
ンセサイザである。

【００７４】第１周波数シンセサイザは、発振器部１６
_Aで生成された周波数ｆの信号が入力される１／ｎ₁分周
器１６_D1’（ｎ₁は自然数）と、１／ｎ₁分周器１６_D1’
に順次縦続された位相検出器１６_D2’、ローパスフィル
タ１６_D3’及び電圧制御発振器１６_D4’と、電圧制御発
振器１６_D4’の出力を位相検出器１６_D2’に帰還する１
／ｎ₂分周器１６_D5’（ｎ₂は自然数）とから構成され
る。

【００７５】位相検出器１６_D2’からローパスフィルタ
１６_D3’及び電圧制御発振器１６_D4’を介して位相検出
器１６_D2’に帰還する経路は位相同期ループを構成し、
電圧制御発振器１６_D4’は、位相検出器１６_D1’に入力
される基準周波数である１／ｎ₁分周器１６_D1’の出力
信号周波数ｆ／ｎ₁に、１／ｎ₂分周器１６_D5の出力が一
致するようにその出力信号周波数を可変する。すなわ
ち、電圧制御発振器１６_D4’の出力信号周波数ｆ_out’
は（ｎ₂／ｎ₁）・ｆである。

【００７６】第２周波数シンセサイザは、第１周波数シ
ンセサイザの電圧制御発振器１６_D4’から出力される周
波数ｆ_out’の信号が入力される１／ｎ₃分周器１６_D6’
（ｎ₃は自然数）と、１／ｎ₃分周器１６_D6’に順次縦続
された位相検出器１６_D7’、ローパスフィルタ１６_D8’
及び電圧制御発振器１６_D9’と、電圧制御発振器１
６_D9’の出力を位相検出器１６_D7’に帰還する１／ｎ₄
分周器１６_D10’（ｎ₄は自然数）とから構成される。

【００７７】位相検出器１６_D7’からローパスフィルタ
１６_D8’及び電圧制御発振器１６_D9’を介して位相検出
器１６_D7’に帰還する経路は位相同期ループを構成し、
電圧制御発振器１６_D9’は、位相検出器１６_D7’に入力
される基準周波数である１／ｎ₃分周器１６_D6’の出力
信号周波数ｆ_out’／ｎ₃に、１／ｎ₄分周器１６_D10の出
力が一致するようにその出力信号周波数を可変する。

【００７８】これらの周波数シンセサイザにおける分周
器１６_D1’，分周器１６_D5，分周器１６_D6’，分周器１
６_D10’の分周比１／ｎ₁，１／ｎ₂，１／ｎ₃，１／ｎ₄
は、制御回路１７からのロータ回転速度指示情報に応じ
て可変可能であり、これらは全てプログラマブルデバイ
ダである。すなわち、分周器１６_D1’，分周器１６_D5，
分周器１６_D6’，分周器１６_D10’において設定される
分周比１／ｎ₁，１／ｎ₂，１／ｎ₃，１／ｎ₄に応じて、
周波数変換部１６_D’から出力される信号の周波数（ｆ
＋△ｆ又はｆ−△ｆ）の周波数変化量（△ｆ又は−△
ｆ）の値が可変する。この可変手法としては、パラレル
切り替え、シリアル入力の切り替え等を用いることがで
きる。

【００７９】図１０は、複数の周波数シンセサイザから
なる周波数変換部１６_D’への入力信号周波数ｆ_inと、
最終段の周波数シンセサイザの出力信号周波数、すなわ
ち、電圧制御発振器１６_D9’の出力信号周波数ｆ_outと
の関係を、分周比１／ｎ₁，１／ｎ₂，１／ｎ₃，１／ｎ₄
を決定する指示値ｎ₁，ｎ₂，ｎ₃，ｎ₄の設定に対応づけ
て示す表である。以下、それぞれの設定における動作に
ついて詳細に説明する。

【００８０】図７に示すように、分周器１６_D1’，分周
器１６_D5，分周器１６_D6’，分周器１６_D10’の分周比
１／ｎ₁，１／ｎ₂，１／ｎ₃，１／ｎ₄を、図１０に示し
た設定２に設定すると、出力信号周波数ｆ_out＝ｆ−
（ｆ／ｎ²）＝ｆ−△ｆとなり、上述のようにロータ６
は逆転する。

【００８１】図８に示すように、分周器１６_D1’，分周
器１６_D5，分周器１６_D6’，分周器１６_D10’の分周比
１／ｎ₁，１／ｎ₂，１／ｎ₃，１／ｎ₄を、図１０に示し
た設定３に設定すると、出力信号周波数ｆ_out＝ｆ＋
｛（ｎ²／（ｎ²−１））−１｝・ｆ＝ｆ＋△ｆとなり、
上述のようにロータ６は正転する。

【００８２】図９に示すように、分周器１６_D1’，分周
器１６_D5，分周器１６_D6’，分周器１６_D10’の分周比
１／ｎ₁，１／ｎ₂，１／ｎ₃，１／ｎ₄を、図１０に示し
た設定１に設定すると、出力信号周波数ｆ_out＝ｆとな
り、ロータ側振動子６ｖに印加される信号の周波数ｆ
は、ステータ側振動子５ｖに印加される信号の周波数ｆ
と同じなので、ロータ６は停止する。

【００８３】なお、上述のように周波数変化量（△ｆ又
は−△ｆ）は、ロータ６の回転速度と対応づけることが
できるので、制御回路１７からのロータ回転速度指示情
報は、ロータ回転速度に対応づけられた周波数変化量
（△ｆ又は−△ｆ）、すなわち分周比１／ｎ₁，１／
ｎ₂，１／ｎ₃，１／ｎ₄の設定値である。なお、駆動回
路に用いる位相検出器としては、入力信号の立ち上がり
時にロック動作をするデジタルメモリ回路位相比較器も
用いることができ、この場合にはローパスフィルタの適
切値を採用することができ、位相比較器が安定な状態で
ジッタを駆動信号周波数５０ｋＨｚにおいて４０ｎｓ以
内に抑えることができる。

【００８４】なお、図７乃至図９を用いて説明した超音
波モータを試作し、その動作特性の評価を行った。以
下、詳説する。まず、入力周波数ｆを５０ｋＨｚとし、
分周器の分周比をｎ＝７００において図７乃至図９（図
１０の設定２、設定３、設定１にそれぞれ対応）に示し
たように設定した。

【００８５】図１１は、ｎを可変した場合の図１０に示
した設定２、設定３、設定１にそれぞれ対応する出力周
波数ｆ_outのΔｆの計算値を示す表である。ｎ＝７００
とした場合の試作品においては、有効数字３桁までは計
算値と一致していることを確認した。

【００８６】また、本発明に係る超音波モータの駆動方
法においては、ｎ₁／ｎ₂は０．９８乃至１．０２の間の
値に設定されることが好ましい。すなわち、周波数シフ
ト量はｎ₁とｎ₂の比に依存し、ｎ₁とｎ₂の間の差が確定
している場合には、この比率が１に限りなく近いほど周
波数シフト量が小さくなり、ロータ６の回転速度を小さ
くすることができる。ｎ₁とｎ₂の差が１である場合にお
いては、第１周波数を５０ｋＨｚとして、これらｎ₁と
ｎ₂の値が少なくとも４９〜５１の間で動作することが
できた。したがって、ｎ₁／ｎ₂＝（４９／５０＝０．９
８）乃至（５０／４９＝１．０２）の間の値に設定され
る場合に、ロータ６を回転させることができる。

【００８７】なお、本発明は、上述の実施の形態に限定
されるものではなく、種々の変形が可能である。例え
ば、移動子として、ロータの代わりに直線運動を行うス
ライダを用いることができる。

【００８８】以上、説明したように、上記実施の形態に
係る超音波モータの駆動方法によれば、圧接状態で対向
配置された固定子５及び移動子６のそれぞれに設けられ
た振動子５ｖ、６ｖの振動に応じて移動子６が移動する
超音波モータの駆動方法において、第１周波数の駆動信
号を生成して振動子の一方に印加する工程と、第１周波
数を可変可能な所定量シフトさせて第２周波数の駆動信
号を生成し、他方の振動子に印加する工程とを備える。

【００８９】本駆動方法に用いられる変位ロックドライ
ブは、従来の微小領域各点間の摩擦力による駆動方法と
異なり、超音波噛面の噛合による駆動方法のため、従来
に比して駆動力が大きく、また、移動制御精度を向上さ
せることができるが、超音波噛面の噛合による駆動を前
提としているため、より正確な移動制御を行うために
は、双方の超音波噛面を高精度に形成する必要がある。
そこで、本駆動方法においては、第２周波数の駆動信号
が基準となる第１周波数の駆動信号に対して正確な周波
数差を有することができる上記構成としたため、移動制
御精度を向上させることが可能となった。

【００９０】また、上記駆動方法においては、第２周波
数の駆動信号は、位相同期ループを用いた周波数シンセ
サイザに第１周波数の駆動信号を入力することによって
生成する。

【００９１】また、上記超音波モータの駆動方法におい
ては、第２周波数の駆動信号の生成工程において、第１
周波数のシフト方向は、第１周波数に対して正及び負方
向に設定可能であることを特徴とする。本駆動方法にお
いては、第２周波数のシフト方向が第１周波数に対して
正及び負方向に設定可能であるので、設定に応じて移動
子を固定子に対して正及び負方向に移動させることがで
きる。

【００９２】また、本超音波モータの駆動方法において
は、上記周波数シンセサイザは、２つの入力信号間の位
相差に応じた信号を出力する判定手段１６_D2’と、判定
手段１６_D2’の出力に応じて出力信号周波数を可変し一
方の入力信号として位相差が小さくなるように判定手段
１６_D2’に帰還する周波数可変手段１６_D4’と、周波数
可変手段１６_D4’から判定手段１６_D2’に帰還される信
号の周波数を可変する速度情報被入力手段１６_D1’、１
６_D5’とを備え、入力信号の他方は第１周波数の信号か
ら生成され、第２周波数の駆動信号は周波数可変手段１
６_D4’から出力され、第２周波数の駆動信号の生成工程
において、速度情報被入力手段１６_D1’、１６_D5’に入
力される速度指示情報に応じて第１周波数のシフト量が
設定される。この場合、第２周波数の駆動信号は、第１
周波数に対する位相が監視された状態で第１周波数を所
定量シフトさせて生成されることになるので、その周波
数差を正確に維持することができる。

【００９３】また、本駆動方法においては、周波数シン
セサイザは、第１周波数の信号が入力されるとともに分
周比が可変可能な第１分周器１６_D1’と、第１分周器１
６_D1’の出力信号及び第１帰還信号が入力される第１位
相検出器１６_D2’と、第１位相検出器１６_D2’の出力を
平滑化する第１ローパスフィルタ１６_D3’と、第１ロー
パスフィルタ１６_D3’の出力電圧に応じて出力周波数が
可変する第１電圧制御発振器１６_D4’と、をその入出力
端子Ｓ，Ｔ間に有するとともに、第１電圧制御発振器１
６_D4’の出力を可変可能な分周比で分周し第１帰還信号
として第１位相検出器１６_D2’に入力する第２分周器１
６_D5’を更に有してなる第１周波数シンセサイザを備え
る。

【００９４】また、本超音波モータの駆動方法において
は、周波数シンセサイザは、第１周波数シンセサイザの
出力信号が入力されるとともに分周比が可変可能な第３
分周器１６_D6’と、第３分周器１６_D6’の出力信号及び
第２帰還信号が入力される第２位相検出器１６_D7’と、
第２位相検出器１６_D7’の出力を平滑化する第２ローパ
スフィルタ１６_D8’と、第２ローパスフィルタ１６_D8’
の出力電圧に応じて出力周波数が可変する第２電圧制御
発振器１６_D9’と、をその入出力端子Ｓ，Ｔ間に有する
とともに、第２電圧制御発振器１６_D9’の出力を可変可
能な分周比で分周し第２帰還信号として第２位相検出器
１６_D7’に入力する第４分周器１６_D10’を更に有して
なる第２周波数シンセサイザを備える。

【００９５】本駆動方法では、出力信号周波数ｆ_out’
＝（ｎ₄／ｎ₃）・ｆ_outが得られる第１周波数シンセサ
イザと同様の構造の第２周波数シンセサイザをこれに縦
続し、個々の周波数シンセサイザのｎ₁、ｎ₂、ｎ₃、ｎ₄
を大きくすることなく周波数シフト量を微小としつつ
も、位相同期ループを安定させて、更に精密な移動制御
を行う。

【００９６】また、本駆動方法においては、第１分周器
の分周比を１／ｎ₁、第２分周器の分周比を１／ｎ₂とし
たときに、ｎ₁とｎ₂との間の差は１である。すなわち、
周波数シフト量はｎ₁とｎ₂との間の差に依存し、ｎ₁及
びｎ₂の双方の大きさが確定している場合には、この差
が小さいほど周波数シフト量が小さくなり、移動子の移
動速度を小さくすることができる。ｎ₁とｎ₂は整数であ
ることが好ましいため、この差が１である場合には最も
小さな周波数シフトを行うことができる。

【００９７】さらに、本駆動方法においては、ｎ₁／ｎ₂
は０．９８乃至１．０２の間の値に設定されることが好
ましい。すなわち、周波数シフト量はｎ₁とｎ₂の比に依
存し、ｎ₁とｎ₂の間の差が確定している場合には、この
比率が１に限りなく近いほど周波数シフト量が小さくな
り、移動子６の移動速度を小さくすることができる。ｎ
₁とｎ₂の差が１である場合においては、第１周波数を５
０ｋＨｚとして、これらｎ₁とｎ₂の値が少なくとも４９
〜５１の間で動作することができた。したがって、ｎ₁
／ｎ₂＝（４９／５０＝０．９８）乃至（５０／４９＝
１．０２）の間の値に設定される場合に、移動子を移動
させることができる。

【００９８】また、本発明の変位ロックドライブにおい
ては、０〜０．０１Ｈｚ、〜０．１Ｈｚ、〜１Ｈｚ、〜
１０Ｈｚ等の極近接した周波数差の±Δｆを５０ｋＨｚ
の駆動信号に加えて生成することが可能である。

【００９９】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係る超
音波モータの駆動方法は第１周波数をシフトさせて第２
周波数の信号を生成するので、速度指示情報に応じて安
定した回転制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る超音波モータを示す構成図。

【図２】圧電振動子５ｖ又は６ｖの一方面側の平面図。

【図３】圧電振動子５ｖ又は６ｖの他方面側の平面図。

【図４】進行波が発生している際のステータ／ロータ接
触部分を円周方向に沿って切った断面図。

【図５】電気制御部２のシステム構成図。

【図６】周波数変換部１６_Dの回路図。

【図７】周波数変換部１６_D’の回路図。

【図８】周波数変換部１６_D’の回路図。

【図９】周波数変換部１６_D’の回路図。

【図１０】周波数変換部１６_D’への入力信号周波数ｆ
_inと、電圧制御発振器１６_D9’の出力信号周波数ｆ_out
との関係を指示値ｎ₁，ｎ₂，ｎ₃，ｎ₄の設定に対応づけ
て示す表。

【図１１】ｎを可変した場合の図１０に示した設定２、
設定３、設定１にそれぞれ対応する出力周波数ｆ_outの
Δｆの計算値を示す表。

【符号の説明】

５…ステータ５、６…ロータ、５ｖ，６ｖ…振動子、１
６_A…発振器部、１６_D，１６_D’…周波数変換部。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧接状態で対向配置された固定子及び移
   動子のそれぞれに設けられた振動子の振動に応じて前記
   移動子が移動する超音波モータの駆動方法において、 （Ａ）第１周波数の駆動信号を生成して前記振動子の一
   方に印加する工程と、 （Ｂ）周波数シンセサイザに前記第１周波数の駆動信号
   を入力することによって、前記第１周波数を所定量シフ
   トさせて第２周波数の駆動信号を生成し、生成された第
   ２周波数の駆動信号を前記振動子の他方に印加する工程
   とを備え、前記第１周波数のシフト量は可変であり、 前記周波数シンセサイザは、 （ａ）入力信号と前記第１周波数の信号から生成される
   信号との間の位相差に応じた信号を出力する判定手段
   と、 （ｂ）前記判定手段の出力に応じて出力信号周波数を可
   変し、これを前記入力信号として前記位相差が小さくな
   るように前記判定手段に帰還する周波数可変手段と、 （ｃ）入力される速度指示情報に基づいて、前記周波数
   可変手段から前記判定手段に帰還される信号の周波数を
   可変する速度情報被入力手段とを備え、 前記第２周波数の駆動信号は前記周波数可変手段の出力
   信号であり、 前記速度情報被入力手段は、これに入力される前記速度
   指示情報に応じて前記シフト量を設定することを特徴と
   する超音波モータの駆動方法。
2. 【請求項２】 圧接状態で対向配置された固定子及び移
   動子のそれぞれに設けられた振動子の振動に応じて前記
   移動子が移動する超音波モータの駆動方法において、 （Ａ）第１周波数の駆動信号を生成して前記振動子の一
   方に印加する工程と、 （Ｂ）周波数シンセサイザに前記第１周波数の駆動信号
   を入力することによって、前記第１周波数を所定量シフ
   トさせて第２周波数の駆動信号を生成し、生成された第
   ２周波数の駆動信号を前記振動子の他方に印加する工程
   とを備え、前記第１周波数のシフト量は可変であり、 前記周波数シンセサイザは、 （ａ）前記第１周波数の信号が入力されるとともに分周
   比が可変な第１分周器と、 （ｂ）前記第１分周器の出力信号及び第１帰還信号が入
   力される第１位相検出器と、 （ｃ）前記第１位相検出器の出力を平滑化する第１ロー
   パスフィルタと、 （ｄ）前記第１ローパスフィルタの出力電圧に応じて出
   力周波数が可変する第１電圧制御発振器と、 を入出力端子間に有するとともに、 （ｅ）可変な分周比で前記第１電圧制御発振器の出力を
   分周し、前記第１帰還信号として前記第１位相検出器に
   入力する第２分周器を更に有してなる第１周波数シンセ
   サイザを備えることを特徴とする超音波モータの駆動方
   法。
3. 【請求項３】 前記周波数シンセサイザは、 （ａ）前記第１周波数シンセサイザの出力信号が入力さ
   れるとともに分周比が可変な第３分周器と、 （ｂ）前記第３分周器の出力信号及び第２帰還信号が入
   力される第２位相検出器と、 （ｃ）前記第２位相検出器の出力を平滑化する第２ロー
   パスフィルタと、 （ｄ）前記第２ローパスフィルタの出力電圧に応じて出
   力周波数が可変する第２電圧制御発振器と、 を入出力端子間に有するとともに、 （ｅ）可変な分周比で前記第２電圧制御発振器の出力を
   分周し前記第２帰還信号として前記第２位相検出器に入
   力する第４分周器を更に有してなる第２周波数シンセサ
   イザを備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波
   モータの駆動方法。