JP3308711B2 - 超音波モータの駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子などの電気−
機械エネルギー変換素子を駆動源とする超音波モータの
駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子などの電気−機械エネルギー変
換素子を駆動源とする超音波モータは既に周知であり、
本出願人もすでに特願平４−３２１０９６号において、
弾性体に固定した２つの圧電素子を駆動源として、該弾
性体に縦振動および屈曲振動を発生させて、これらの振
動を合成して超音波楕円振動を起こす超音波振動子と、
この振動子の一部に押圧され、振動子に対して相対的に
移動する被駆動部材を有する超音波リニアモータを提案
している。

【０００３】これを図４により説明すると、弾性体１０
０に積層型圧電素子１０１，１０２を保持部材１０３，
１０４，１０５により固定し、また弾性体１００の下面
に摺動部材１０６，１０７を接着して振動子を構成す
る。この振動子を、図５に示すように、リニアガイド１
０８，ガイドレール１０９，保持枠１１０，ビス１１
１，押圧力調整ネジ１１２，バネ１１３，振動子保持部
材１１４により、左右方向に直線移動可能なように保持
しながら、摺動板１１５に振動子の摺動部材１０６，１
０７が摩擦接触するように押圧してリニアモータが構成
されている。

【０００４】この振動子の寸法を適当に設定して、圧電
素子１０１，１０２に交流電圧を印加すると、図６に示
すような縦共振振動と、図７に示すような屈曲共振振動
とが同時に発生する。２つの圧電素子１０１，１０２に
印加する電圧の位相差を適当に調整すると、縦振動と屈
曲振動とが合成されて屈曲振動の腹位置に楕円振動が発
生し、この楕円運動部に固定した摺動部材１０６，１０
７と摺動板１０５との間に駆動力が生じる。

【０００５】このリニアモータを駆動するには、圧電素
子に振動子の縦振動および屈曲振動の共振周波数と一致
する１０Ｖp-p程度の交流電圧を印加する。そしてこの
とき、２つの圧電素子に印加する交流電圧の位相差を、
一方の圧電素子に対し他方を＋９０度と−９０度とする
ことによりリニアモータの移動方向を反転することがで
きる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の従来
の装置では、積層圧電素子に１０Ｖp-p程度の交流電圧
を印加すると、弾性体の内部摩擦による発熱で５０〜６
０℃程度に達してしまい、弾性体の温度変化により振動
子の共振周波数も変化して、アクチュエータの速度最大
となる駆動周波数も変化してしまう。このように超音波
振動の共振周波数から離れた周波数で駆動すると、電気
−機械エネルギー変換効率が悪くなり、速度も大きく低
下して、極端な場合にはアクチュエータが動作しなくな
るという問題点があった。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、振動子の機械的共振周波数が温度変化により変動し
た場合であっても、機械的共振周波数の近傍の駆動周波
数が得られる超音波モータの駆動装置を提供することを
目的とする。

【０００８】

【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に係る本発明の超音波モータの駆動装置で
は、弾性体と、弾性体に固定された電気−機械エネルギ
ー変換素子とからる超音波振動子と、前記超音波振動子
の一部に押圧され該超音波振動子に対して相対的に移動
する移動体とを備え、前記電気−機械エネルギー変換素
子に駆動信号を印加して超音波振動を発生させて移動体
を移動する超音波モータの駆動装置において、前記超音
波振動子に超音波振動を励起した後に励起を停止し、該
超音波振動子が自由振動するときの前記駆動信号が印加
される電気−機械エネルギー変換素子の振動を検出し、
この振動検出結果により超音波振動子の励起周波数を更
新する手段を備えたことを特徴とするものである。

【０００９】請求項２に係る本発明の超音波モータの駆
動装置では、弾性体と、弾性体に固定された２つの電気
−機械エネルギー変換素子とからる超音波振動子と、前
記超音波振動子の一部に押圧され該振動子に対して相対
的に移動する移動体とを備え、前記電気−機械エネルギ
ー変換素子に位相の異なる交流駆動信号を印加して縦振
動及び屈曲振動が合成された超音波振動を発生させて移
動体を移動する超音波モータの駆動装置において、前記
超音波振動子に超音波振動を励起した後に励起を停止
し、該超音波振動子が自由振動するときのうなりの周波
数を検出し、このうなりの周波数検出結果により超音波
振動子の励起周波数を更新する手段を備えたことを特徴
とするものである。

【００１０】

【００１１】なお、以上の場合において、自由振動の検
出は、振動子に接合した電圧を印加しない電気−機械エ
ネルギー変換素子で検出してもよいし、弾性体を駆動す
る電気−機械エネルギー変換素子自身で検出するように
してもよい。

【００１２】

【作用】請求項１に記載した超音波モータの駆動装置で
は、超音波振動子に超音波振動を励起した後に励起を停
止し、該超音波振動子が自由振動するときの前記駆動信
号が印加される電気−機械エネルギー変換素子の振動を
検出し、この振動検出結果により超音波振動子の励起周
波数を更新する。

【００１３】請求項２に記載した超音波モータの駆動装
置では、超音波振動子に縦振動及び屈曲振動が合成され
た超音波振動を励起した後に励起を停止し、該超音波振
動子が自由振動するときのうなりの周波数を検出し、こ
のうなりの周波数検出結果により超音波振動子の励起周
波数を更新する。

【００１４】以下、添付図面を参照して本発明に係る超
音波モータの駆動装置の実施例を説明する。なお、図面
の説明において前記従来技術と同一の要素には同一符号
を付し、重複する説明を省略する。

【００１５】

【実施例１】まず、本発明の実施例１を図１〜２により
説明する。本実施例では、図１（ａ）に示すような、圧
電素子１，２を有する超音波モータの振動子を、同図
（ｂ）に示す駆動装置で駆動する。

【００１６】この駆動装置では、周波数可変の発振器３
が９０度位相の異なる交流電圧を発生する。この一方の
出力は、ＡＮＤ素子６を通ってトランジスタ１０をスイ
ッチングするとともに、ＮＯＴ素子４により反転したあ
とＡＮＤ素子７を通ってトランジスタ１１をスイッチン
グする。トランジスタ１０，１１のコレクタはトランス
１５の一次側に接続され、トランス１５のセンタタップ
は直流電源１４に接続されている。したがって、トラン
ジスタ１０，１１のスイッチングによりトランス１５の
二次側には交流電圧が発生し、コイル１７によりその高
調波成分を減衰させた後、超音波モータの一方の相の圧
電素子１に印加される。

【００１７】発振器３の前記出力と９０度位相差をも
つ、もう一方の出力は、ＡＮＤ素子８を通ってトランジ
スタ１２をスイッチングするとともに、ＮＯＴ素子５に
より反転したあとＡＮＤ素子９を通ってトランジスタ１
３をスイッチングする。トランジスタ１２，１３のコレ
クタはトランス１６の一次側に接続され、トランス１６
のセンタタップは直流電源１４に接続されている。した
がって、トランジスタ１２，１３のスイッチングにより
トランス１６の二次側には交流電圧が発生し、コイル１
８によりその高調波成分を減衰させた後、超音波モータ
の他方の相の圧電素子２に印加される。

【００１８】なお、４つのＡＮＤ素子６〜９はマイクロ
コンピュータ２３に接続されており、そのプログラムに
よってトランジスタ１０〜１３のスイッチング動作をコ
ントロールする必要から挿入されているものである。

【００１９】圧電素子２の電圧は、抵抗１９とコンデン
サ２０によって構成されるローパスフィルタを通ってコ
ンパレータ２１に入力され、論理波形に成形された後、
周波数カウンタ２２に入力され、その測定結果はマイク
ロコンピュータ２３に入力される。なお、マイクロコン
ピュータ２３は発振器３の発振周波数をコントロール自
在になっている。

【００２０】次に、上記構成からなる本実施例の超音波
モータの駆動装置の動作を説明する。マイクロコンピュ
ータ２３からＡＮＤ素子６〜９にＨｉｇｈ信号を出力す
ると、超音波振動子の縦振動と屈曲振動とが同時に励起
される。しばらくしたのち、マイクロコンピュータ２３
からＬｏｗ信号を出力して励起を停止すると、超音波振
動子は余震により自由振動する。一般に物体の自由振動
はその共振周波数で起こり、振動子の自由振動も縦振動
と屈曲振動の共振周波数で生じる。この自由振動は、圧
電素子２により縦振動と屈曲振動が合成されて電気信号
に変換される。

【００２１】ところで、この振動子の縦共振周波数と屈
曲共振周波数の温度による変化は、図２に示す実測値の
通りその傾きが異なる。つまり、温度変化による縦共振
周波数と屈曲共振周波数の差は温度により変化するので
ある。この結果、圧電素子２により出力される自由振動
による電気信号は温度変化によりその周波数成分が変化
する「うなり」を生じる。抵抗１９とコンデンサ２０で
構成されるローパスフィルタにより自由振動の中から
「うなり」成分のみを取り出し、その周波数を周波数カ
ウンタ２２で計測する。

【００２２】マイクロコンピュータ２３はこの自由振動
状態のときの「うなり」の周波数計測結果を読み取り、
その周波数から最適な駆動周波数を算出し、発振器３の
発振周波数を更新する。以上のシーケンスを連続して実
行することにより、次々と超音波振動子の駆動周波数を
更新する。

【００２３】本実施例によれば、超音波モータの振動子
の自由振動のうなりを計測し、その結果から最適駆動周
波数を算出するので、温度変化などにより振動子の共振
周波数が変化して振動振幅が低下しても、駆動周波数を
補正するので、超音波モータの動作を安定化することが
できる。

【００２４】

【実施例２】次に、本発明の実施例２を図３〜４により
説明する。図３（ａ）は現在最もよく知られている円環
型超音波モータであり、円環状のステータ３１に接着さ
れた圧電素子３２に位相差が９０度の２相の交流電圧を
印加することにより、不図示の保持押圧機構により矢印
方向に押圧されるとともに回転自在に保持されたロータ
３３を回転させるものである。このモータには、同図
（ｂ）に示すように、ステータ３１に進行波を発生させ
るために、その裏面に取付けられた２相の圧電素子３
３，３４とともに、駆動するのに不要な部分３５，３６
を有する。

【００２５】図３（ｃ）に示すように、このモータの駆
動装置では、周波数可変の発振器４１が９０度位相の異
なる交流電圧を発生する。この一方の出力は、ＡＮＤ素
子４４を通ってトランジスタ４８，５０をスイッチング
するとともに、ＮＯＴ素子４２により反転したあとＡＮ
Ｄ素子４５を通ってトランジスタ５１をスイッチングす
る。トランジスタ５０のエミッタには直流電源５４が接
続され、トランジスタ５１のエミッタは接地されてい
る。トランジスタ５０，５１のコレクタは互いに接続さ
れるとともに、コイル５５を介して圧電素子３３に接続
される。

【００２６】発振器３の前記出力と９０度位相差をも
つ、もう一方の出力は、ＡＮＤ素子４６を通ってトラン
ジスタ４９，５２をスイッチングするとともに、ＮＯＴ
素子４３により反転したあとＡＮＤ素子４７を通ってト
ランジスタ５３をスイッチングする。トランジスタ５２
のエミッタには直流電源５４が接続され、トランジスタ
５３のエミッタは接地されている。トランジスタ５２，
５３のコレクタは互いに接続されるとともに、コイル５
６を介して圧電素子３４に接続される。

【００２７】なお、４つのＡＮＤ素子４４〜４７はマイ
クロコンピュータ６２の出力ポートに接続されており、
そのプログラムによってトランジスタ４８〜５３のスイ
ッチング動作をコントロールする必要から挿入されてい
るものである。

【００２８】超音波駆動に使用しない圧電素子３５は、
電流制限抵抗５７を通り、電圧制限用のダイオード５
８，５９を接続したコンパレータ６０に入力され、論理
波形に成形された後、周波数カウンタ６１に入力され、
その測定結果はマイクロコンピュータ６２に入力され
る。なお、マイクロコンピュータ６２は発振器４１の発
振周波数をコントロール自在になっている。

【００２９】次に、上記構成からなる本実施例の超音波
モータの駆動装置の動作を説明する。マイクロコンピュ
ータ６２からＡＮＤ素子４４〜４７にＨｉｇｈ信号を出
力すると、トランジスタ５０〜５３がスイッチングさ
れ、コイル５５，５６により電圧の高調波成分を除去し
た電圧が圧電素子３３，３４に印加され、ステータ３１
が励起振動される。しばらくしたのち、マイクロコンピ
ュータ６２からＬｏｗ信号を出力して励振を停止する
と、超音波モータのステータ３１は余震により自由振動
する。物体の自由振動はその共振周波数で起こるので、
ステータ３１の自由振動は共振周波数で生じる。この自
由振動は、圧電素子３５により電気信号に変換され、そ
の周波数を周波数カウンタ６１で計測する。

【００３０】マイクロコンピュータ６２はこの自由振動
状態のときの周波数計測結果を読み取り、その周波数か
ら所定の周波数だけ離れた周波数を駆動周波数として発
振器４１の発振周波数を更新する。ここで、検出された
共振周波数そのものを駆動周波数としないのは、この形
式のモータは共振周波数よりやや上の周波数で駆動しな
いと安定に動作しない特性を有するからである。以上の
シーケンスを連続して実行することにより、次々と超音
波モータの駆動周波数を更新する。

【００３１】本実施例によれば、超音波モータのステー
タの共振周波数を計測し、その結果から最適駆動周波数
を算出するので、温度変化などによりステータの共振周
波数が変化して振動振幅が低下しても、駆動周波数を補
正するので、超音波モータの動作を安定化することがで
きる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の超音波モー
タの駆動装置によれば、温度変化により超音波振動子の
機械的共振周波数が変動しても、超音波振動子に対する
励起を停止し自由振動するときの周波数を検出して、こ
の周波数検出結果により超音波振動子の励起周波数を更
新するものであるから、常に機械的共振周波数の近傍の
周波数で超音波モータを駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による超音波モータの駆動装
置における超音波モータａおよび駆動回路ｂを示す図で
ある。

【図２】実施例１の動作を説明する図である。

【図３】本発明の実施例２による超音波モータの駆動装
置における超音波モータａ，ｂおよび駆動回路ｃを示す
図である。

【図４】従来技術を説明する図である。

【図５】従来技術を説明する図である。

【図６】従来技術の動作を説明する図である。

【図７】従来技術の動作を説明する図である。

【符号の説明】

１，２ 圧電素子 ３ 発振器 ４，５ ＮＯＴ素子 ６〜９ ＡＮＤ素子 １０〜１３ トランジスタ １４ 直流電源 １５，１６ トランス １７，１８ コイル １９〜２０ ローパスフィルタ ２１ アンプ ２２ 周波数カウンタ ２３ マイクロコンピュータ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体と、弾性体に固定された電気−機
   械エネルギー変換素子とからる超音波振動子と、前記超
   音波振動子の一部に押圧され該超音波振動子に対して相
   対的に移動する移動体とを備え、前記電気−機械エネル
   ギー変換素子に駆動信号を印加して超音波振動を発生さ
   せて移動体を移動する超音波モータの駆動装置におい
   て、 前記超音波振動子に超音波振動を励起した後に励起を停
   止し、該超音波振動子が自由振動するときの前記駆動信
   号が印加される電気−機械エネルギー変換素子の振動を
   検出し、この振動検出結果により超音波振動子の励起周
   波数を更新する手段を備えたことを特徴とする超音波モ
   ータの駆動装置。
2. 【請求項２】 弾性体と、弾性体に固定された２つの電
   気−機械エネルギー変換素子とからる超音波振動子と、
   前記超音波振動子の一部に押圧され該振動子に対して相
   対的に移動する移動体とを備え、前記電気−機械エネル
   ギー変換素子に位相の異なる交流駆動信号を印加して縦
   振動及び屈曲振動が合成された超音波振動を発生させて
   移動体を移動する超音波モータの駆動装置において、 前記超音波振動子に超音波振動を励起した後に励起を停
   止し、該超音波振動子が自由振動するときのうなりの周
   波数を検出し、このうなりの周波数検出結果により超音
   波振動子の励起周波数を更新する手段を備えたことを特
   徴とする超音波モータの駆動装置。