JP3412861B2 - 振動波アクチュエータの駆動制御方法及び装置 - Google Patents

振動波アクチュエータの駆動制御方法及び装置

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JP3412861B2 JP10848593A JP10848593A JP3412861B2 JP 3412861 B2 JP3412861 B2 JP 3412861B2 JP 10848593 A JP10848593 A JP 10848593A JP 10848593 A JP10848593 A JP 10848593A JP 3412861 B2 JP3412861 B2 JP 3412861B2
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/145—Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/147—Multi-phase circuits

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は振動波アクチュエータの
駆動制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電界や磁界が作用したことに応じて機械
的歪みを生じる歪み発生素子を弾性体に取付けて該弾性
体を振動子となし、該歪み発生素子により該振動子を振
動せしめ、該振動子の振動を連続的もしくは断続的な機
械的運動に変換して出力する振動波アクチュエータは現
在では種々の分野で使用されており、特に、該歪み発生
素子として圧電素子及び電歪素子を利用する圧電／電歪
アクチュエータが最も広く使用されている。また、該圧
電素子を利用する圧電アクチュエータのうちで超音波モ
ータと称されるアクチュエータは連続回転式の回転駆動
源を構成できるため、従来の回転式電磁駆動モータに代
る駆動源として既にカメラ等の光学機器に搭載されてお
り、該超音波モータの駆動制御技術もほぼ確立されてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】振動波アクチュエータ
（なお、この明細書では、該歪み発生素子に交番電界も
しくは交番磁界を作用させた時に該振動子に生じる機械
的共振を出力変位とする形式の振動波アクチュエータも
しくは超音波モータを対象として記載する。）に関する
駆動制御技術はここ数年間にほぼ確立されてきたが、該
アクチュエータの起動時の制御や過渡的な駆動状態に対
する駆動制御技術には更に改善を必要としている。
【０００４】カメラ等の光学機器に搭載されてる公知の
超音波モータでは、よく知られているようにステータた
る振動子にロータとしての移動子がバネにより強く圧接
されているので、該移動子を静止時から起動させる時に
は該振動子と該移動子との間の静止摩擦力と該移動子の
静止慣性力との和以上の力を該移動子に加えなければな
らない。そのため、従来公知の駆動制御技術では、起動
に際しては定常運転中に該圧電素子に印加する交番電圧
よりも大きな電圧を該素子に印加するように制御が行な
われている。しかしながら、これでも起動しない場合が
あるため、たとえば特開昭５９−１０６８８６号公報に
開示されているように、起動に際して該振動子に進行波
を形成する２相の圧電素子の一方のみを駆動させること
により、定在波振動を発生させて該振動子と該移動子と
の間のスティック（固着力）を弱めてから起動させよう
とする駆動制御技術が提案されている。
【０００５】しかしながら、超音波モータに関する本発
明者の実験によれば、前記公報に開示された駆動制御技
術では、該移動子は静止状態から定常運転状態（該振動
子に進行波振動が生じている状態）へ移行する過渡的時
間を短縮することはできるが、該モータを低電圧でも起
動しやすくするという効果はないことがわかった。その
原因について本発明者が種々の実験を行って調べた結
果、該モータを起動できない場合には該振動子と該移動
子との間に密着現象が生じていることがわかった。
【０００６】従来、超音波モータの特性を調べるため
に、超音波モータに印加する電圧の大きさ（該電圧は振
動子の振幅の大きさに比例する）を変化させて該モータ
に関する実験を行っていると、起動時に必要な電圧と該
移動子の停止時の電圧との間にはヒステリシスがあるこ
とがわかっていたが、この原因について本発明者が調べ
た結果、前述のように該振動子と該移動子との間に生じ
ている密着力によるものであることが明らかになった。
【０００７】この現象は非常に高い面精度に仕上げられ
た面を有する二つの物体を互いに接触させた時に起きる
現象であり、両者の相互接触面に吸着したり、露結した
水などの液体がわずかに存在していると、その液体の表
面張力により両物体が強い力で接着されてしまう現象で
ある。超音波モータのロータとステータのそれぞれの相
互接触面も鏡面仕上げにより非常に高い面精度に加工さ
れている上、両者はバネで互いに圧接されているため、
温度変化により両者の面に僅かの水滴が生じた時には、
このような密着力が生じやすくなるのである。狭いすき
まに存在する水蒸気は水として凝縮しやすいのである。
このような密着力が生じると、起動に際してステータに
定在波振動を生じさせてもステータとロータとの接着を
容易に解放することはできなくなる。
【０００８】また、この密着現象は該移動子に対する回
転数が急激に減少した場合にも突然に発生することがあ
り、このため、減速過程において該モータが突然に停止
してしまう危険性があった。
【０００９】該モータの振動子と移動子との間に密着力
が生じた時に該密着力に打ち勝って該移動子を起動させ
るためには従来の駆動制御方法及び装置では圧電素子に
通常の起動時よりも更に高い電圧を印加しなければなら
ないので、駆動制御装置の構成要素としての回路素子を
含めてすべてを高耐圧化する必要があり、従って駆動制
御装置のコストが増大し、該モータを搭載する機器の高
価格化を招くことになる。
【００１０】本発明の目的は、振動波アクチュエータの
振動子と移動子との間に接着が起った時にも該アクチュ
エータの駆動制御装置に高電圧をかけずに起動すること
ができ、また、該駆動制御装置を特別に高耐圧化する必
要もない、駆動制御方法及び装置を提供することであ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者は振動波アクチ
ュエータにおいて振動子と移動子との間で密着力により
停止が起きることのない条件及び該振動子と該移動子と
の間で接着を起こさずに起動できる条件について考察を
行ない、この考察に基づいた駆動制御方法及び装置を提
供する。
【００１２】第１の発明は、請求項１に記載のように、
電界および磁界が作用したことに応じて機械的歪みを生
じる歪み発生素子が取り付けられている振動子と、該振
動子との間に相対移動を生じる移動子と、を有した振動
波アクチュエータの駆動制御方法において、駆動時に次
数が異なる２種類以上の曲げ振動モードを該振動子に時
系列で連続して与えたことを特徴とする。第２の発明
は、請求項２に記載のように、上記第１の発明におい
て、前記２種類以上の曲げ振動モードを時系列で変化さ
せる時は、前記移動子の起動時であることを特徴とす
る。第３の発明は、請求項３に記載のように、上記いず
れかの発明で、前記２種類以上の曲げ振動モードを時系
列で変化させる時は、前記移動子の減速時であることを
特徴とする。第４の発明は、請求項４に記載のように、
電界が作用したことに応じて機械的歪みを生じる第１の
歪み発生素子と第２の歪み発生素子が取り付けられてい
る振動子と、該振動子との間に相対移動を生じる移動子
とを有し、該第１の歪み発生素子に第1の交流電圧を印
加するとともに該第２の歪み発生素子に該第1の交流電
圧とは位相の異なる第２の交流電圧を印加することで該
移動子に相対移動を生じさせる振動波アクチュエータの
駆動制御方法において、駆動時に該第１の歪み発生素子
と該第２の歪み発生素子に同位相の交流電圧を印加する
ことを特徴とする。第５の発明は、請求項５に記載のよ
うに、駆動時に前記第１の歪み発生素子と前記第２の歪
み発生素子に同位相の交流電圧を印加したあと、該第１
の歪み発生素子に前記第１の交流電圧を印加するととも
に該第２の歪み発生素子に前記第２の交流電圧を印加す
ることを特徴とする。第６の発明は、請求項６に記載の
ように、電界および磁界が作用したことに応じて機械的
歪みを生じる歪み発生素子が取り付けられている振動子
と、該振動子との間に相対移動を生じる移動子と、を有
した振動波アクチュエータの駆動制御方法において、駆
動時に次数が異なる２種類以上の曲げ振動モードを該振
動子に同時に与えたことを特徴とする。 第７の発明は、
請求項７に記載のように、電界および磁界が作用したこ
とに応じて機械的歪みを生じる歪み発生素子が取り付け
られている振動子と、該振動子との間に相対移動を生じ
る移動子と、を有した振動波アクチュエータの駆動制御
方法において、駆動時に進行波振動の振動モードと、該
進行波振動の振動モードと次数の異なる定在波振動の振
動モードを、該振動子に同時に与えたことを特徴とす
る。第８の発明は、請求項８に記載のように、上記第６
の発明で、駆動時に次数が異なる２種類以上の振動モー
ドを前記振動子に同時に与えたあと、前記次数が異なる
２種類以上の振動モードのうち１つの振動モードを該振
動子に与えたことを特徴とする。第９の発明は、請求項
９に記載のように、上記第７の発明で、駆動時に進行波
振動の振動モードと、該進行波振動の振動モードと次数
の異なる定在波振動の振動モードを、前記振動子に同時
に与えたあと、前記進行波振動の振動モードのみを該振
動子に与えたことを特徴とする。第１０の発明は、請求
項１０に記載のように、圧電素子や電歪素子等の励振素
子が取り付けられている振動子と、該振動子に生じる進
行波振動により該振動子との間に相対移動を生じる移動
子と、を有した振動波アクチュエータの駆動制御方法に
おいて、該移動子を起動させる時において、該移動子が
起動し得るまでの所定時間の間は、該振動子の第一の次
数モードの振動の共振周波数に近い周波数の第一の交流
電圧を該励振素子に印加することにより、該振動子に該
第一の次数モードの振動の共振周波数に近い進行波振動
を生ぜしめた後、該所定時間の経過後には該振動子の該
第一の次数より低い第二の次数モードの振動の共振周波
数近くの周波数の第二の交流電圧を該励振素子に印加す
ることにより該振動子にそれ自身の第二の次数モードの
振動の共振周波数に近い周波数の進行波振動を生じさせ
て該移動子を該振動波アクチュエータの定常駆動状態に
移行させることを特徴とする。第１１の発明は、請求項
１１に記載のように、上記した第１０の発明で、該第一
の交流電圧の周波数は該振動子の第一の次数モードの振
動の共振周波数よりも高い初期周波数から時間の経過と
ともに該共振周波数へ近づくように変化し、該 第二の交
流電圧は該振動子の第二の次数モードの振動の共振周波
数よりも高い初期周波数から時間の経過とともに該第二
の次数モードの振動の共振周波数へ近づくように変化す
るものであることを特徴とする。第１２の発明は、請求
項１２に記載のように、上記した第１０の発明で、該第
一の交流電圧の周波数は該振動子の第一の次数モードの
振動の共振周波数よりも高い初期周波数から時間の経過
とともに該共振周波数へ近づいた後に再び該初期周波数
へ向って増大し、該第二の交流電圧の周波数は該振動子
の第二の次数モードの振動の共振周波数よりも高い初期
周波数から時間の経過とともに該第二の次数モードの振
動の共振周波数へ近づくように変化するものであること
を特徴とする。第１３の発明は、請求項１３に記載のよ
うに、上記した第１０の発明で、該第一の交流電圧の周
波数は該振動子の第一の次数モードの振動の共振周波数
よりも高い一定の周波数であり、該第二の交流電圧の周
波数は該振動子の第二の次数モードの振動の共振周波数
よりも高い初期周波数から時間の経過とともに該第二の
次数モードの共振周波数へ近づくように変化するもので
あることを特徴とする。第１４の発明は、請求項１４に
記載のように、上記した第１０の発明で、該第一の交流
電圧は該振動子の第一の次数の共振周波数よりも高い一
定の周波数であり、該第二の交流電圧の周波数は該振動
子の第二の次数モードの共振周波数よりも高い一定の周
波数であることを特徴とする。第１５の発明は、請求項
１５に記載のように、圧電素子や電歪素子等の励振素子
が取り付けられている振動子と、該振動子に生じる進行
波振動及び定在波振動により該振動子との間に相対移動
を生じる移動子と、を有した振動波アクチュエータの駆
動制御方法において、該振動子と該移動子とが定常の駆
動状態にある時に該移動子の速度が所定変化率以上で減
少したことを検出した時には該振動子に対する励振周波
数を該振動子の第一の次数モードの共振周波数よりも高
くする方向に変化させた後、該振動子に対する励振周波
数を該振動子の該第一の次数よりも高い第二の次数モー
ドの共振周波数に近い値に切換えることを特徴とする。
第１６の発明は、請求項１６に記載のように、表面に定
在波振動及び進行波振動が発生する振動子と、該振動子
に定在波振動及び進行波振動を生じさせるため に該振動
子に取り付けられた第一及び第二の励振素子と、該振動
子に生じた振動により該振動子に対して相対移動する移
動子と、を具備した振動波アクチュエータのための駆動
制御装置であり、可変周波数発振器と、該可変周波数発
振器に駆動信号を入力する駆動信号発生手段と、該可変
周波数発振器の出力に応じた周波数の交流電圧を該第一
及び第二の励振素子に印加する第一及び第二の増幅器
と、を有している駆動制御装置において、該駆動信号発
生手段は、該移動子を起動させる時には該振動子の第一
の次数モードの振動の共振周波数に近い周波数出力を該
可変周波数発振器に発生させる第一駆動信号を発生し、
該移動子が起動しうる所定時間を経過した後には該振動
子の該第一の次数より低い第二の次数モードの振動の共
振周波数に近い周波数の出力を該可変周波数発振器に発
生させる第二駆動信号を発生する機能を有し、該所定時
間の経過時に該駆動信号発生手段の出力を変換させるた
めのタイマー手段が設けられていることを特徴とする。
第１７の発明は、請求項１７に記載のように、表面に第
一の定在波振動と第二の定在波振動を同時に発生させる
ことで該表面に進行波振動を発生させる振動子と、該振
動子に第一の定在波を発生させるために該振動子に取り
付けられた第一の励振素子と、該振動子に第二の定在波
を発生させるために該振動子に取り付けられた第二の励
振素子と、該振動子に対して相対的に移動する移動子
と、を具備した振動波アクチュエータの駆動制御装置に
おいて、可変周波数の正弦波出力を発生する正弦波発振
器と、該正弦波発振器の出力を増幅して該第一及び第二
の励振素子に印加する第一及び第二の増幅器と、該振動
子に生じた振動により得られる信号が所定値以上である
ことを検出する検出手段と、該第二の励振素子に対する
該第二の増幅器の入力端と該正弦波発振器の出力端との
間に接続されて該検出手段の出力により該正弦波発振器
の出力の接続を切換える切換え手段と、該切換え手段と
該第二増幅器の入力端との間に接続された位相変換器と
を有し、該検出手段が該振動子に生じた振動により得ら
れる信号が所定値以上であることを検出すると、該切換
え手段が該正弦波発振器の出力の接続先を該第二の増幅
器から該位相変換器に切換えることを特徴とする。第１
８の発明は、請求項１８に記載のように、表面に第一の
定在波振動と第二の定在波振動を同時に発生させること
で該表面に進行波振動を発生させる振動子 と、該振動子
に第一の定在波を発生させるために該振動子に取り付け
られた第一の励振素子と、該振動子に第二の定在波を発
生させるために該振動子に取り付けられた第二の励振素
子と、該振動子に対して相対的に移動する移動子と、を
具備した振動波アクチュエータの駆動制御装置におい
て、可変周波数発振器と、該可変周波数発信器の出力に
応じた周波数の交流電圧を該第一及び第二の励振素子に
印加するための第一及び第二の増幅器と、該振動子に生
じた振動により得られる信号が所定値以上であることを
検出する検出手段と、該第二の励振素子に該交流電圧を
印加するための該第二増幅器の入力端と該可変周波数発
振器の出力端との間に接続されて該検出手段の出力によ
り可変周波数発振器の出力の接続を切換える切換え手段
と、該第二増幅器入力端と該切換え手段との間に接続さ
れて該可変周波数発振器の出力の位相を変化させる位相
変換器とを有し、該検出手段が該振動子に生じた振動に
より得られる信号が所定値以上であることを検出した場
合に、該切換え手段が該可変周波数発振器の出力の接続
先を該第二の増幅器から該位相変換器に切換えることを
特徴とする。
【００１３】
【実施例】以下に、添付図を参照しつつ本発明の実施例
について説明するが、実施例の説明に先立って、まず、
本発明の発想の基礎となる振動波アクチュエータの起動
の条件について説明する。なお、以下の考察において対
象となる振動波アクチュエータとして、図１（ｂ）に示
す構造の公知の超音波モータを例にとって説明する。
【００１４】図１（ｂ）において、１は該超音波モータ
１０の振動子、２は該振動子１の端面１ａに圧接されて
軸線ｙを中心として回転される相対移動子（すなわちロ
ータ）、３は該移動子２と一体になって回転するギア、
４は該ギア３に嵌着された球軸受、６は該振動子１に挟
持された圧電素子群、７は該移動子２が端部のつば部２
ａを該振動子１の端面１ａに圧接させるためのバネ、で
ある。該移動子２の端部は図示のように厚みの薄い環状
体から成るつば部２ａとなっており、該つば部２ａは振
動子１の端面に対して軸線方向に弾性変位するように
（つまり、バネとして機能するように）構成されてい
る。
【００１５】圧電素子群６は、図２に示されるように、
振動子１に振動を発生させるための第１の交流電圧が印
加される第１の（Ａ相用）圧電素子６ａ及び６ｂと、該
第１の圧電素子６ａ及び６ｂに印加される交流電圧とは
異なった位相の第２の交流電圧が印加される第２の（Ｂ
相用）圧電素子６ｃ及び６ｄと、該振動子１の振動状態
を検出するための検出用（Ｓ相用）圧電素子６ｅと、で
構成されており、これらの圧電素子群６は後に説明する
駆動制御回路に電気的に接続されている。なお、該超音
波モータ１０については特開平４−１５０７８１号公報
において詳しく説明されているので、本明細書では本発
明に関連する構造のみを説明する。該超音波モータは、
振動子１に二つの直交する一次曲げ振動（共振振動子ｆ
r は略３７ｋＨｚ）の合成により生じる縄とび型の振動
が生じ、該振動子１の端面に圧接されている移動子２に
軸線ｙを中心とした回転運動を生じさせる形式のもので
ある。
【００１６】次に、該超音波モータにおいて、該振動子
１と該相対移動子２との間に密着による接着が生じても
起動できる条件について考察する。
【００１７】＜該モータにおける起動のモデル１＞図４
に該モータの振動子１と相対移動子２との相互接触部の
拡大モデル図を示す。振動子１はそれ自身の側面１ｂと
平行に矢印方向に振動変位が生じているものとし、該移
動子２のつば部２ａのバネ定数がｋ，該移動子２の質量
がｍ，であると仮定し、該振動子１の側面が時間ｔの間
に矢印方向（ｘ方向）に原位置０からｘs だけ動いたと
仮定する。この場合、該移動子２に関して次の運動方程
式が成立する。
【００１８】
【外１】
【００１９】なお、上式において、ｘr は時間ｔ内にお
ける移動子２の任意点の瞬時位置、ｘs は時刻ｔにおけ
る振動子１の任意点の瞬時位置、である。
【００２０】振動子１と移動子２との間に滑りが発生す
る条件は、 ｋ（ｘs −ｘr ）＞μｗ…である。
【００２１】なお、μは振動子１の端面１ａと移動子２
のつば部２ａとの静止摩擦係数、ｗは密着力とバネ７に
より移動子２を振動子１に押し付けている力の和、であ
る。
【００２２】振動子１の任意点の瞬時位置ｘs がｘs ＝
Ａｓｉｎωｔで表わされ、移動子２の任意点の瞬時位置
ｘr がｘr ＝Ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）で表わされると仮定
し、これから
【００２３】
【外２】
【００２４】を作り、これらをに代入すれば、−ｍω
2 Ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）＋ｋ｛Ａｓｉｎωｔ−Ｂｓｉｎ
（ωｔ＋φ）｝＝０となる。
【００２５】従って、（ｍω2 ＋ｋ）Ｂｓｉｎ（ωｔ＋
φ）＝ｋＡｓｉｎωｔとなり、この両辺が恒等的に等し
いためには（ｍω2 ＋ｋ）Ｂ＝ｋＡ、及びφ＝０が成立
することが必要である。従って、Ｂ＝ｋＡ／（ｍω2 ＋
ｋ）となり、これをｘr ＝Ｂｓｉｎ（ωｔ＋φ）に代入
することにより、
【００２６】
【外３】
【００２７】が得られ、また、このｘr ，ｘs をに代
入すると、
【００２８】
【数１】
【００２９】となる。
【００３０】この式で左辺の値が最大になるのはωｔ＝
π／２の時であるから（すなわちｓｉｎωｔ＝１），
【００３１】
【数２】
【００３２】を得る。
【００３３】従って、式の左辺を確実に大きくするた
めの条件として、 （ａ）振動子１の振幅Ａを大きくする。
【００３４】（ｂ）振動子１の振動数ωを大きくする。
【００３５】という二つの条件が得られる。また、式
を満足する関係があれば振動子と移動子との間で接着を
起こしても起動させることができる。
【００３６】＜該モータにおける起動のモデル２＞ （振動子の軸線方向の振動変位による影響を考慮した場
合）図５は振動子１が軸線方向に振動変位する場合の移
動子２と振動子１との相対位置関係の変化を示した図で
ある。移動子２（質量ｍ）は図１に示したバネ７（バネ
定数ｋ）により振動子１の端面１ａに圧接され、図５
（ａ）の状態では移動子２のつば部２ａ（固有周波数ｆ
2 ）が変形している。振動子１が軸線方向にｙだけ変位
して移動子２のつば部２ａが振動子１の端面１ａから離
れようとする瞬間が図５（ｂ）に示されている。この時
には該移動子２のつば部２ａの変形はなくなり、該つば
部２ａの先端が振動子１の先端面に圧力なしに接触して
いる。
【００３７】加圧バネ７の剛性と移動子２の質量により
決る固有周波数ｆ1 はｆ1 ＝２π√（ｋ／ｍ）である。
ｆ1 ≪ｆr とすると、つば部２ａの固有周波数ｆ2 が振
動子１の駆動周波数ｆr よりも充分に高ければ移動子２
の上面部２ｂは図５（ｂ）のように静止したままであ
る。すなわち、この場合は、ｆ1 ≪ｆr ≪ｆ2 である。
そして、この場合、該モータが起動するためには、振動
子１が図中のｙだけ変位しなければならない。すなわ
ち、振動子１は振幅ｙで振動しなければならない。
【００３８】なお、ｆ1 ＞ｆ2 では移動子２につば部２
ａを設ける意味がなくなる。また、ｆr ＜ｆ1 ＜ｆ2 の
場合はｙが該バネ７のストロークとは比べられない程小
さいので移動子２の上面２ｂが振動子１の振動に追従し
てしまうため起動しない。
【００３９】＜該モータにおける起動のモデル３＞ （ｆ1 ＜ｆ2 ＜ｆr の場合）この場合はつば部２ａが振
動子１の振動に対して勝手な周期で振動するので、起動
は前記のｘやｙの値とは比較にならない程小さい値で可
能になる。但し、起動後にｆr ＜ｆ2 にならない限り該
モータでは正常な駆動を行なうことができなくなる。
【００４０】以上に説明した起動に関する３種のモデル
に示されるように、該超音波モータを起動するために
は、該振動子に生じさせる振動の振幅か周波数を制御す
ることが必要である。
【００４１】本発明の駆動制御方法及び装置は、超音波
モータの起動に関する以上のような仮定及び考察に基づ
いたものであり、以下には本発明の実施例について説明
する。なお、本発明の駆動制御技術の対象となる超音波
モータは、既に前述したモータであるから、該モータの
構造に関する説明は省略する。
【００４２】＜実施例１＞図３は前述の超音波モータ１
０に本発明の第一実施例の駆動制御方法を実施するため
の駆動制御装置の構成図である。なお、該超音波モータ
の構造についての説明は省略する。
【００４３】同図において、８は該超音波モータ１０を
制御する駆動制御装置２０に含まれるマイクロコンピュ
ータ等から成る主制御装置（以下にはＣＰＵと略記す
る）、９はＣＰＵ８から発生される駆動ディジタル信号
をアナログ駆動信号に変換するＤ／Ａ変換器、１１はＤ
／Ａ変換器９から生じるアナログ駆動信号により駆動さ
れて該駆動信号の電圧に応じた周波数の交流電圧を発生
する可変周波数発振器（以下にはＶＣＯと略記）、１４
はＶＣＯ１１の出力電圧を増幅する電力増幅器（以下に
はアンプと略記）、１３はＶＣＯ１１の出力電圧の位相
を変える位相変換器、１５は位相変換器１３でＶＣＯ出
力電圧よりも所定位相（本実施例では９０°）だけズラ
された交流電圧を増幅する電力増幅器（以下にはアンプ
と略記）、３２及び３３はマッチングコイル、である。
なお、超音波モータ１０の振動状態検出用のＳ相圧電素
子６ｅは、配線等を介して駆動制御装置２０内の不図示
の回路に接続されている。
【００４４】本実施例の駆動制御装置２０は本実施例の
駆動制御方法（起動方法）を実施するために、ＣＰＵ８
の駆動信号の発生時期を制御するためのタイマー１２が
ＣＰＵ８に接続されている。（なお、このタイマー１２
に代り、ＣＰＵ８内のタイマーを用いてもよい。）本実
施例の駆動制御方法では、該超音波モータ１０の起動に
際してＣＰＵ８はまず、周波数６７ｋＨｚの交流電圧を
ＶＣＯ１１に生じさせるための駆動信号をＤ／Ａ変換器
９に出力し、Ｄ／Ａ変換器９でアナログ信号に変換され
た２０ＶRMS の駆動信号がＶＣＯ１１に印加される。一
方、ＣＰＵ８はタイマー１２を０．１秒にセットする。
【００４５】ＶＣＯ１１はＤ／Ａ変換器９から入力され
た駆動信号に応じて周波数６７ｋＨｚで電圧２０ＶRMS
の交流電圧を図１（ａ）の如く発生し、該電圧はアンプ
１４で増幅された後、コイル３２を介して超音波モータ
１０のＡ相圧電素子６ａ及び６ｂに印加される。また、
同じ交流電圧が位相変換器１３に入力されて９０°だけ
位相の遅れた電圧となり、該電圧はアンプ１５で増幅さ
れた後、コイル３３を介して該モータ１０のＢ相圧電素
子６ｃ及び６ｄに印加される。このため、振動子１には
二次の曲げ振動が発生する。（なお、該振動子の一次曲
げ共振周波数及び二次曲げ共振周波数はそれぞれ３７ｋ
Ｈｚ、６７ｋＨｚである。）圧電素子６ａ〜６ｄに印加
される交流電圧の周波数は該振動子の二次の曲げ振動に
おける共振周波数であるため該振動子は共振状態とな
り、その結果、移動子２は振動子１に対して相対的回転
運動を始め、該モータ１０が起動される。該モータが起
動されると、Ｓ相の圧電素子６ｅにより該モータの起動
が検出されて駆動制御装置２０にフィードバックされ
る。
【００４６】ＶＣＯ１１から６７ｋＨｚの交流電圧の発
生が０．１秒続いた後、タイマー１２からの信号に応じ
てＣＰＵ８は駆動信号を３７ｋＨｚに変化させるので、
それ以後はＶＣＯ１１から発生される交流電圧は図１
（ａ）に示されるように周波数３７ｋＨｚ、電圧２０Ｖ
RMS の交流電圧に変化するため該モータ１０の振動子１
は一次曲げ振動の共振周波数３７ｋＨｚで振動し、該モ
ータは定常運転状態に入る。
【００４７】本実施例の駆動制御方法による該モータの
起動は前述した起動モデル１に従っていることが実験に
より確認された。すなわち、該実験において移動子２の
保持トルクと起動電圧との間に直線相関の関係が成立し
ていることを確認した。
【００４８】また、本発明者の実験によれば、次の事実
が確認された。
【００４９】（Ａ）振動子１の一次曲げ振動の共振周波
数である３７ｋＨｚの交流電圧を最初から圧電素子に印
加した場合は印加電圧を４０ＶRMS にしても振動子と移
動子との間に吸着があると起動しないが、本実施例の方
法のように起動前に６７ｋＨｚ（振動子１の二次曲げ振
動時の共振周波数）の交流電圧をわずかの時間（たとえ
ば０．１秒）だけ印加する場合は印加電圧が２０ＶRMS
であっても常に（振動子と移動子との間に吸着が生じて
いても）容易に該モータを起動させることができた。
【００５０】（Ｂ）３７ｋＨｚの周波数で２０ＶRMS の
交流電圧を印加した場合（従来の起動方法）と本実施例
の起動方法（６７ｋＨｚの周波数で２０ＶRMS の交流電
圧を最初に印加した後、３７ｋＨｚで２０ＶRMS の交流
電圧を印加する）によった場合とにおいて振動子１の面
に平行な方向の振幅の大きさを比較したところ、本実施
例の起動方法による場合の方が振動子の振幅が大きかっ
た。（なお、従来方法では起動しなかった。） （Ｃ）移動子を振動子に４Ｎのバネ加圧力で圧接してい
る場合、移動子と振動子の相互接触面に油をつけて移動
子の保持トルクを低下させ、この状態の該モータを本実
施例の起動方法と従来方法の起動方法とで起動実験をし
た。その結果、油をつけて保持トルクを低下させた場合
は起動電圧も低下することがわかった。従って、本実施
例の起動方法は前述の起動モデル１に基いていることが
確認された。
【００５１】なお、本実施例では起動に際して６７ｋＨ
ｚ（振動子１の二次曲げ振動の共振周波数）の交流電圧
を０．１秒間印加したが、６７ｋＨｚ前後の周波数であ
ればよく、６７ｋＨｚに限定する必要はない。また、印
加時間も０．１秒間よりもはるかに短かくてもよく、た
とえば６７ｋＨｚ前後の周波数を走査してもよい。ま
た、６７ｋＨｚの周波数の交流電圧を該モータの圧電素
子に印加した時に振動子１に進行波振動が生じていなく
てもよく、振動子１に定在波振動だけが生じていても該
モータは起動する。（たとえば６７ｋＨｚの交流電圧を
印加する時にはＡ相の圧電素子のみに印加しても有効で
ある。）また、本実施例の起動方法において、起動前に
圧電素子に印加する交流電圧として６７ｋＨｚの交流電
圧と３７ｋＨｚの交流電圧とを重畳させた電圧であって
もよい。
【００５２】なお、起動を阻害している要因は前述した
通り水分の存在なので、該モータにおいては極力水分を
介在させない手段を講じている。すなわち、振動子と移
動子のしゅう動面（密着面）付近に撥水及び撥油効果の
あるポリマーを塗布している。本実施例ではフルオロア
クリレートコポリマーを溶媒（パーフルオロカーボン）
に混ぜた後塗布した。
【００５３】＜実施例２＞図６に本発明の第２実施例の
駆動制御装置１６の構成を示す。本実施例の駆動制御装
置１６ではＢ相駆動回路にセレクタ１８を設け、該セレ
クタ１８の第１出力端子Ｖ２と第２出力端子Ｖ３との間
に位相変換器１３を接続し、Ｓ相の検出回路にはコンパ
レータ１９を設け、該コンパレータ１９の出力端子をセ
レクタ１８の選択信号入力端子ＳＥＬに接続した。ま
た、実施例１のＣＰＵ８の代りに正弦波発振器１７を設
け、該発振器１７の出力をアンプ１４を介して該超音波
モータのＡ相圧電素子に印加し、Ｂ相圧電素子への駆動
信号はセレクタ１８の出力端子Ｖ１に入力させるように
した。
【００５４】なお、２２はコンパレータ１９における基
準値を変えるための可変電源、２１はＳ相出力信号を直
流に変換するダイオード、である。
【００５５】該モータ１０（図１において示したので構
造的図示は省略）の起動前には該モータ１０のＳ相圧電
素子の出力がコンパレータ１９における基準値に達して
いないのでコンパレータ１９の出力はないため、セレク
タ１８の端子ＳＥＬには信号が入らない。従って、セレ
クタ１８の入力端子Ｖ１と第１出力端子Ｖ２とが接続さ
れた状態であり、正弦波発振器１７の出力はアンプ１４
で増幅された後に該モータ１０のＡ相圧電素子に印加さ
れる一方、該正弦波発振器１７の出力はセレクタ１８の
端子Ｖ１及びＶ２を介してアンプ１５に入力されてアン
プ１５で増幅されて該モータ１０のＢ相圧電素子に印加
される。従って、該モータ１０のＡ相圧電素子とＢ相圧
電素子には同位相の交流電圧が印加されるので該モータ
１０の振動子には定在波振動が発生する。この場合、Ａ
相圧電素子とＢ相圧電素子の両方に同位相の交流電圧が
印加されるので、該振動子に生ずる定在波振動の振幅は
該モータ１０の定常運転状態において該振動子に発生す
る進行波振動の振幅の√２倍の大きさとなり、従って該
モータの起動前に該振動子は定常運転時の振幅よりも大
きな振幅の振動で励振されていることになる。そのた
め、本実施例ではその後の起動を容易に行うことができ
る。
【００５６】該モータ１０の移動子が進行波振動の振幅
の√２倍の大きさで振動すると、該モータのＳ相圧電素
子の出力がコンパレータ１９の基準値を上回るようにな
り、従ってコンパレータ１９から出力が発生し、該出力
がセレクタ１８の端子ＳＥＬに入力するとセレクタ１８
内の接続が切換えられ、入力端子Ｖ１と第２出力端子Ｖ
３とが接続される。このため、これまで端子Ｖ１及びＶ
２を介して該モータ１０のＢ相圧電素子に印加されてい
た正弦波交流電圧はこの時点以降、出力端子Ｖ３から位
相変換器１３を経由して該モータ１０のＢ相圧電素子に
印加される。
【００５７】従って、Ｂ相圧電素子に印加される交流電
圧は予め位相変換器１３において位相を９０°遅れたも
のにされるので、該モータ１０の振動子にはＡ相圧電素
子に印加された交流電圧とＢ相圧電素子に印加された交
流電圧とによって進行波振動が生じる。その結果、該モ
ータ１０は定常運転状態となり、移動子は該振動子に生
じている進行波振動により駆動されるようになる。
【００５８】なお、セレクタ１８の代りに他の回路を設
け、Ｂ相用圧電素子に印加する交流電圧の位相をＡ相用
圧電素子に印加する交流電圧の位相に徐々に近づけるよ
うに位相変化させてもよい。
【００５９】
【００６０】＜実施例３＞図７及び図８に本発明の第３
実施例を示す。本実施例の駆動制御装置は実施例１の駆
動制御装置の変形実施例であり、本実施例における駆動
制御方法では該超音波モータの起動を行なうに際して駆
動交流電圧の周波数を時間的に変化させるようにした。
【００６１】図７に示す本実施例の駆動制御装置２３は
実施例２に示した駆動制御装置において正弦波発振器１
７をＣＰＵ８に置き換えた構成となっており、実施例２
の装置がアナログ制御方式であるのに対し、本実施例の
装置はディジタル制御になっている点のみで異ってい
る。
【００６２】同図において、９はＤ／Ａ変換器、１１は
ＶＣＯ、２４はセレクタ、１３は位相変換器、１９はＳ
相検出出力が基準値よりも上か下かを検出するコンパレ
ータ、２１はＳ相出力の直流成分のみをコンパレータに
入力させるダイオードである。
【００６３】超音波モータ１０の起動に際してＣＰＵ８
は図８（ａ）に示すように、まず、該モータ１０の振動
子１の二次曲げ振動の共振周波数６７ｋＨｚよりも高い
７０ｋＨｚから徐々に周波数が低下してゆく交流電圧を
ＶＣＯ１１に発生させるように駆動信号を発生する。こ
の時、該モータ１０の移動子はまだ振動しておらず、該
モータのＳ相電極から生じる信号はコンパレータ１９の
基準値に達していないためコンパレータ１９の出力はな
く、従ってセレクタ２４の選択信号入力端子ＳＥＬに信
号が入らないためセレクタ２４の端子Ｖ３と第１出力端
子Ｖ２とが接続された状態にある。そのため、ＣＰＵ８
の出力信号がＤ／Ａ変換器９を介してＶＣＯ１１に印加
されるとＶＣＯ１１は図８（ａ）のように周波数が低下
してゆく交流電圧を発生し、該交流電圧はアンプ１４で
増幅されて該モータ１０のＡ相圧電素子に印加される。
従って、該モータ１０のＡ相圧電素子には時間的に図８
（ａ）のように周波数が変化する交流電圧が印加される
ため該モータ１０の振動子には入力電圧と同じ周波数の
定在波振動が発生する。この交流電圧の印加は所定時間
Δｔ秒だけ続けられ、その間に該モータの移動子は振動
する。該モータの移動子が振動できるまでの時間がΔｔ
秒後であると、該モータのＳ相圧電素子の出力は図８
（ｃ）のように立ち上り、該出力はコンパレータ１９の
設定基準値を上回るためコンパレータ１９から出力が生
じる。コンパレータ１９に出力が生じると該出力はセレ
クタ２４の端子ＳＥＬに入力されるので、セレクタ２４
においては第２出力端子Ｖ３と第１出力端子Ｖ２との接
続が切換えられて入力端子Ｖ１と第２出力端子Ｖ３とが
接続される。
【００６４】一方、ＣＰＵ８は最初の駆動信号を発生し
てからΔｔ秒後（すなわち該モータの移動子が振動した
時）に自己に内蔵するタイマーによって駆動信号が切換
え、この時点以後は図８（ｂ）に示されるように、周波
数が４０ｋＨｚから３７ｋＨｚに徐々に低下してゆく交
流電圧をＶＣＯ１１に発生させる駆動信号に発生する。
このため、該モータ１０の起動後はＶＣＯ１１から図８
（ｂ）に示される周波数変化の交流電圧が発生され、該
交流電圧がアンプ１４を介して該モータ１０のＡ相用圧
電素子に印加される一方、該交流電圧がセレクタ２４の
入力端子Ｖ１に入力される。従って、該交流電圧がセレ
クタ２４の第２出力端子Ｖ３から位相変換器１３に入力
されるので該交流電圧の位相が該位相変換器１３で９０
°ずらされ、この移相された交流電圧がアンプ１５で増
幅された後に該モータ１０のＢ相圧電素子に印加され
る。その結果、該モータ１０の振動子１には該モータを
定常運転状態にする進行波振動が発生し、該振動子１は
該振動子の一次曲げ振動時の共振周波数である３７ｋＨ
ｚの振動数で振動を開始する。従って、移動子２は定常
運動状態に移行する。
【００６５】
【００６６】＜実施例４＞図９及び図１０に本発明の第
４の実施例を示す。本実施例では、該超音波モータ１０
の起動後も所定時間の間は振動子と移動子との間に前記
密着が生じないようにするために、起動後において互い
に異なる周波数の交流電圧を圧電素子に印加するように
したことを特徴とする。
【００６７】図９において図６及び図７と同じ符号で示
された構成要素は前記実施例で説明した構成要素である
から説明を省略する。本実施例の駆動制御装置２５で
は、該超音波モータ１０のＡ相圧電素子及びＢ相圧電素
子の駆動回路に前述のＤ／Ａ変換器９及びＶＣＯ１１に
並列に第２のＤ／Ａ変換器２６及び第２のＶＣＯ２７が
接続され、該第２のＤ／Ａ変換器２６はＣＰＵ８の第２
の駆動信号出力ポートに接続されている。また、コンパ
レータ１９の出力はＣＰＵ８にもフィードバックされる
ようになっている。
【００６８】次に、図９及び図１０を参照して本実施例
における駆動制御方法と駆動制御装置２５の動作とを説
明する。
【００６９】該超音波モータ１０を起動するに際してＣ
ＰＵ８は図１０（ａ）に示すように、まず、該モータ１
０の振動子の二次曲げ振動時の共振周波数６７ｋＨｚよ
りも高い７０ｋＨｚから徐々に周波数が低下してゆく交
流電圧をＶＣＯ１１に発生させる駆動信号を第１の出力
ポートから発生し、該駆動信号が第１のＤ／Ａ変換器９
を介して第１のＶＣＯ１１に入力される。この時、該モ
ータ１０の移動子はまだ振動しておらず、該モータのＳ
相電極から生じる信号はコンパレータ１９において設定
されている基準値に達していないためコンパレータ１９
の出力はなく、従ってセレクタ１８の入力端子Ｖ１と第
１出力端子Ｖ２とが接続された状態となっており、ま
た、コンパレータ１９の出力がないためＣＰＵ８は第１
の出力ポートからＤ／Ａ変換器９に第１の駆動信号を発
生しているだけである。そのため、ＣＰＵ８の出力信号
がＤ／Ａ変換器９を介してＶＣＯ１１に、印加されると
ＶＣＯ１１は図１０（ａ）のように周波数が７０ｋＨｚ
から徐々に低下してゆく交流電圧を発生し、該交流電圧
はアンプで増幅された後に該モータ１０のＡ相用圧電素
子に印加される。これと同時に該交流電圧はセレクタ１
８の第１出力端子Ｖ２からアンプ１５に入力されて増幅
された後に該モータ１０のＢ相用圧電素子にも印加され
る。従って該モータ１０のＡ相用圧電素子とＢ相用圧電
素子には時間的に周波数が図１０（ａ）のように変化す
る交流電圧が印加されるため該モータ１０の振動子には
入力電圧と同じ周波数の定在波振動が発生する。この交
流電圧の印加が所定時間Δｔ秒だけ続けられると、その
間に該モータ１０の移動子が振動する。該モータ１０の
移動子が振動すると該モータのＳ相圧電素子の出力は図
１０（ｃ）のように立ち上り、該出力はコンパレータ１
９の設定基準値を上回るため、コンパレータ１９に出力
が生じる。コンパレータ１９に出力が生じると、該出力
はセレクタ１８の端子ＳＥＬに入力されるのでセレクタ
１８においては入力端子Ｖ１と第１出力端子Ｖ２との接
続が断たれ、代って入力端子Ｖ１と第２出力端子Ｖ３と
が接続される。一方、コンパレータ１９の出力がＣＰＵ
８に入力されるのでＣＰＵ８はコンパレータ１９からの
入力に応じて第２の出力ポートから第２の駆動信号を発
生し、該第２駆動信号はＤ／Ａ変換器２６を介して第２
のＶＣＯ２７に入力される。これによりＶＣＯ２７は図
１０（ｂ）に示すように、周波数が４０ｋＨｚから徐々
に低下してゆく交流電圧を発生し、該交流電圧はアンプ
１４で増幅された後に該モータ１０のＡ相用圧電素子に
印加される。また、該交流電圧は位相変換器１３に入力
されて位相を９０°遅らされた後、アンプ１５で増幅さ
れて該モータ１０のＢ相用圧電素子に印加される。
【００７０】一方、この時にもＣＰＵ８の第１出力ポー
トからは図１０（ａ）に示すように周波数を変化させる
交流電圧をＶＣＯ１１に発生される第１駆動信号が発生
しているので、ＶＣＯ１１の出力である第１の交流電圧
がアンプ１４を介して該モータ１０のＡ相用圧電素子に
印加され続ける。また、該ＶＣＯ１１の出力はセレクタ
１８の第２出力端子Ｖ３から位相変換器１３に入力され
て位相が９０°遅らされた後にアンプ１５て増幅されて
該モータ１０のＢ相用圧電素子に印加される。
【００７１】すなわち、該モータ１０の移動子の振動後
には、６７ｋＨｚに近い周波数の交流電圧と３７ｋＨｚ
に近い周波数の交流電圧とが該モータのＡ相用圧電素子
及びＢ相用圧電素子のそれぞれに重畳して印加され、Ｂ
相用圧電素子に印加される交流電圧の位相はＡ相用圧電
素子に印加される交流電圧の位相よりも９０°だけ位相
が遅れているので振動子１には進行波振動が発生する。
従って、該モータ１０は定常運転状態に移行する。そし
て、ＣＰＵ８が第１駆動信号の発生を開始した時からｔ
1 秒後（すなわち、該第１駆動信号による交流電圧の周
波数が６７ｋＨｚにかなり近くなった時点で）にＣＰＵ
８は第１駆動信号の発生を停止し、以後は該モータ１０
の駆動交流電圧は該第２駆動信号によって決められた３
７ｋＨｚ近傍の周波数の交流電圧となる。
【００７２】以上のように、６７ｋＨｚ近傍の周波数の
交流電圧が印加されている時には該モータの振動子は二
次曲げ振動の共振周波数で振動するので該振動子の振幅
は最大となり、従って、振動子と移動子との間で前記密
着現象が発生する恐れはなく、該モータ１０が突然に停
止してしまう恐れがない。もし、前記ｔ1 時間の間に移
動子が停止する事態が発生すれば、コンパレータ１９の
出力がなくなるためＣＰＵ８は第２駆動信号の発生を停
止し、また、セレクタ１８は入力端子Ｖ１と第２出力端
子Ｖ３との接続を入力端子Ｖ１と第１出力端子Ｖ２との
接続に切換えるので該モータ１０のＡ相圧電素子のみに
６７ｋＨｚ近傍の交流電圧が印加された状態となり、振
動子１は定在波振動状態となり、起動は最初からやり直
されることになる。
【００７３】
【００７４】＜実施例５＞図１１は本発明の駆動制御方
法の第５実施例におけるＶＣＯ出力の状態を示した図で
ある。本実施例の駆動制御方法は図１２に示した駆動制
御装置２８において実施される。駆動制御装置２８の構
成は図９に示した装置と殆んど同じであり、セレクタが
異なるだけである。本実施例の装置では図７の装置で用
いられたセレクタ２４が使用されている。
【００７５】本実施例の駆動制御方法では、該超音波モ
ータ１０の起動に際して図１１（ａ）に示すように７０
ｋＨｚからｔ1 時間の間に下向き放物線状に周波数が変
化する交流電圧を該モータ１０のＡ相用圧電素子に印加
すると同時に、図１１（ｂ）に示すように最初のΔｔ時
間の間は４０ｋＨｚの交流電圧を圧電素子に印加し、そ
の後は４０ｋＨｚから３７ｋＨｚに漸近曲線状に周波数
が変化する交流電圧を圧電素子に印加するようにしたこ
とを特徴とする。
【００７６】以下には図１１及び図１２を参照して本実
施例の方法と、本実施例の方法を実施する駆動制御装置
の動作を説明する。
【００７７】該モータ１０の起動に際してＣＰＵ８は図
１１（ａ）に示すように周波数変化する交流電圧を第１
のＶＣＯ１１から発生させるための第１の駆動信号を発
生すると同時に、図１１（ｂ）に示すように周波数変化
する交流電圧を第２のＶＣＯ２７から発生させるための
第２の駆動信号を発生する。第１の駆動信号は第１のＤ
／Ａ変換器９においてアナログ信号に変換された後に第
１のＶＣＯ１１に入力され、ＶＣＯ１１は図１１（ａ）
に示す周波数変化の交流電圧を発生し、該交流電圧はア
ンプ１４で増幅されて該モータ１０のＡ相用圧電素子に
印加される。なお、この場合、該モータ１０の移動子は
まだ起動していないのでコンパレータ１９の出力はな
く、従ってセレクタ２４のＶ３端子はＶ２端子に接続さ
れているためセレクタ２４からＢ相駆動用アンプ１５へ
の入力はない。
【００７８】一方、第２の駆動信号は第２のＤ／Ａ変換
器２６を介して第２のＶＣＯ２７に入力され、第２のＶ
ＣＯ２７は図１１（ｂ）に示す周波数変化をする交流電
圧を発生する。この交流電圧はアンプ１４により増幅さ
れて該モータのＡ相用圧電素子に印加される一方、位相
変換器１３に入力されて位相を９０°ずらされた後にア
ンプ１５で増幅されて該モータ１０のＢ相用圧電素子に
印加される。すなわち、該モータの起動前にはＡ相用圧
電素子に図１１（ａ）に示すように周波数が変化する第
１の交流電圧と図１１（ｂ）に示すように４０ｋＨｚの
交流電圧とが印加され、また、Ｂ相用圧電素子には周波
数が４０ｋＨｚでＡ相用圧電素子の印加電圧に対して位
相が９０°遅れた交流電圧が印加されることになる。従
って、該モータ１０の振動子には周波数４０ｋＨｚの交
流電圧による進行波振動と周波数６７ｋＨｚ以上の交流
電圧による定在波振動とが発生する。振動子に生ずる定
在波振動の周波数は該振動子の二次曲げ振動時の共振周
波数に近いので該定在波振動の振幅が大きいため、該モ
ータの移動子は容易に起動される。また、周波数４０ｋ
Ｈｚの交流電圧によって該振動子に生ずる進行波振動に
より該移動子の運動が保持される。
【００７９】移動子がΔｔ秒後に移動し始めると、該モ
ータ１０のＳ相圧電素子の出力がコンパレータ１９の基
準値を上回るようになるためコンパレータ１９に出力が
生じ、該コンパレータ出力がＣＰＵ８とセレクタ２４の
ＳＥＬ端子とに入力される。このため、セレクタ２４の
Ｖ１端子とＶ３端子とが接続され、ＶＣＯ１１から発生
している図１１（ａ）のような周波数変化の第１の交流
電圧が位相変換器１３に入力され、従って該モータのＢ
相用圧電素子には該交流電圧の位相が９０°ずらされた
交流電圧が印加され、その結果、該モータの振動子には
６７ｋＨｚに近い周波数の交流電圧による進行波振動が
新たに発生し、前述の定在波振動は消失する。該モータ
の起動時（Δｔ秒経過時）以後、ＶＣＯ１１から発生す
る第１の交流電圧の周波数は図１１（ａ）に示すように
一旦、６７ｋＨｚに最も近い値まで低下した後に再び７
０ｋＨｚに向って上昇し、その結果、該交流電圧による
該モータの振動子の振幅は一旦最大になってから減少し
てゆく。
【００８０】また、第２のＶＣＯ２７から発生する交流
電圧の周波数は該モータの起動時以後は図１１（ｂ）に
示すように指数関数的に３７ｋＨｚに向って減少し、そ
の結果、該交流電圧による振動子の振幅（一次曲げ振動
の振幅）は大きくなってゆく。
【００８１】そして、時刻ｔ1 になるとＶＣＯ１１から
生ずる交流電圧は断たれ、それ以後はＶＣＯ２７から発
生する交流電圧のみが該モータのＡ相圧電素子及びＢ相
圧電素子に印加される。従って時刻ｔ1 以後は該モータ
の振動子は３７ｋＨｚ附近の周波数の交流電圧で駆動さ
れる。
【００８２】以上に説明したように、本実施例の場合
は、互いに異なる周波数の二つの交流電圧を該モータの
起動前から該モータの振動子に印加し、該モータの起動
後も所定時間の間は該振動子の二次曲げ振動の共振周波
数に近い周波数の交流電圧を印加しているため、該モー
タの起動後においても該振動子と該移動子との間の密着
を防止することができる。
【００８３】本実施例の駆動制御方法（起動方法）は前
述の起動モデル１に基いているものであり、起動に際し
て振動子の二次曲げ振動の共振周波数に近い周波数の交
流電圧を振動子に印加することにより起動を容易にして
いる。
【００８４】＜実施例６＞本発明の駆動制御方法の第６
実施例を図１３を参照して説明する。なお、本実施例の
方法を実施するための駆動制御装置の構成は＜実施例５
＞で説明した図１２に示す装置と同じであるから、該装
置の説明は省略する。
【００８５】本実施例の駆動制御方法（起動方法）で
は、該モータの起動前から図１３（ａ）に示すように、
該モータの振動子の二次曲げ振動時の共振周波数（６７
ｋＨｚ）に近い６８ｋＨｚの第１の交流電圧を該振動子
のＡ相用圧電素子に印加して該交流電圧による定在波振
動を該振動子に生ぜしめる一方、図１３（ｂ）に示すよ
うに４０ｋＨｚから３７ｋＨｚに向って漸近曲線的に周
波数が低下する第２の交流電圧を該振動子のＡ相用圧電
素子とＢ相用圧電素子に印加することによって該第２の
交流電圧による進行波振動を該振動子に生ぜしめる。そ
して、該モータの移動子が動き始めた時点Δｔ（すなわ
ち、該モータが起動した）以後も、暫らくは６８ｋＨｚ
の交流電圧の印加を続けた後、移動子と振動子との間に
前記密着が起きる危険性のなくなった時点ｔ1 で６８ｋ
Ｈｚ交流電圧の印加を停止し、以後は３７ｋＨｚ（該振
動子の一次曲げ振動の共振周波数）附近の周波数の交流
電圧の印加により該振動子に進行波振動を生ぜしめて該
モータを定常運転状態に保持する。
【００８６】なお、本実施例の方法を実施するための駆
動制御装置の動作説明は省略する。
【００８７】＜実施例７＞図１４に本発明の駆動制御方
法の第７実施例を示す。図１５に該方法を実施するため
の駆動制御装置を示す。
【００８８】以下に本実施例の方法と該装置の動作を説
明する。
【００８９】超音波モータ１０を起動するに際してＣＰ
Ｕ８は第１の駆動信号を第１のＤ／Ａ変換器９に出力す
ると同時に第２の駆動信号を第２のＤ／Ａ変換器２６に
出力する。第１のＤ／Ａ変換器９によりアナログ化され
た駆動信号が第１のＶＣＯ１１に入力されるとＶＣＯ１
１は図１４（ａ）に示すように６８ｋＨｚの交流電圧を
発生し、該交流電圧はアンプ１４によって増幅された
後、該モータ１０のＡ相用圧電素子に印加される。一
方、該交流電圧は位相変換器１３に入力され位相を９０
°ずらされた交流電圧がアンプ１５により増幅されて該
モータ１０のＢ相用圧電素子に印加される。
【００９０】また、第２のＤ／Ａ変換器２６でアナログ
化された第２の駆動信号が第２のＶＣＯ２７に入力され
ると、第２のＶＣＯ２７は図１４（ｂ）に示されるよう
に３８ｋＨｚの交流電圧を発生し、該交流電圧はアンプ
１４で増幅されて該モータ１０のＡ相用圧電素子に印加
される。更に、第２のＶＣＯ２７から生じた３８ｋＨｚ
の交流電圧は位相変換器１３により位相を９０°ずらさ
れ、この移相された３８ｋＨｚの交流電圧がアンプ１５
で増幅された後に該モータ１０のＢ相用圧電素子に印加
される。
【００９１】その結果、該モータ１０の振動子には６８
ｋＨｚの交流電圧による進行波振動と３８ｋＨｚの交流
電圧による進行波振動が生じる。
【００９２】該モータ１０の振動子が移動を始めた後、
所定時刻ｔ1 になるまで６８ｋＨｚの交流電圧が該圧電
素子に印加され、時刻ｔ1 以後は３８ｋＨｚの交流電圧
のみが該圧電素子に印加される。
【００９３】本実施例においても、該振動子の二次曲げ
振動の共振周波数６７ｋＨｚに近い６８ｋＨｚの交流電
圧が起動前の該モータの振動子に印加されるので該振動
子の振幅が非常に大きくなり、従って該モータを容易に
起動することができ、また、起動後も暫らくは６８ｋＨ
ｚ交流電圧が印加されているので移動子の移動速度が低
い状態での振動子と移動子との密着の発生を防止するこ
とができる。
【００９４】＜実施例８＞図１６に本発明の駆動制御方
法の第８の実施例を示す。また、本実施例の方法を実施
するための駆動制御装置３０の構成を図１７に示す。
【００９５】本実施例の方法は該超音波モータ１０の起
動を制御するものではなく、該モータが減速した時に該
モータの振動子と移動子との間に密着が生じないように
する駆動制御方法である。
【００９６】該モータの定常運転中は前述したように３
８ｋＨｚの交流電圧が該振動子のＡ相用圧電素子とＢ相
用圧電素子とに印加されて該振動子には進行波振動が生
じている。該モータの運転中に該モータの移動子に対す
る負荷が急に過大になると、該モータの駆動制御装置は
該移動子の速度を低下させるように動作して該振動子に
対する交流電圧の周波数を３８ｋＨｚよりも高い周波数
へ徐々に変化させた後、駆動交流電圧の周波数を該モー
タの振動子の二次曲げ振動の共振周波数である６７ｋＨ
ｚ以上の高い周波数に瞬時に切換える。このように、同
じ駆動電圧の周波数の変換はＣＰＵ８で行なえるので、
本実施例の方法を実施する装置の構成は図１７に示すよ
うに従来装置の構成と同じであってもよい。
【００９７】なお、図１７において、３１は該超音波モ
ータ１０の移動子２の動きを検出するエンコーダであ
り、図１６（ｂ）には該モータ１０の定常運転中に負荷
の急増等によって移動子２の移動速度が急減した場合の
エンコーダ出力が示されている。該移動子２の速度が急
減すると、エンコーダ３１の出力パルスの間隔ｔが図１
６（ｂ）に示すように長くなる。
【００９８】これを検出したＣＰＵ８は図１６（ａ）に
示すように振動子に対する印加電圧の周波数をそれまで
の３８ｋＨｚから４０ｋＨｚまで上昇させるようにＶＣ
Ｏ１１に対する駆動信号を変化させた後、該印加電圧の
周波数を該振動子の二次共振周波数６７ｋＨｚに近い７
０ｋＨｚになるようにＶＣＯ１１に与える駆動信号を変
化させる。そして更にＶＣＯ１１の出力周波数が二次共
振周波数６７ｋＨｚに近い６８ｋＨｚになるようにＶＣ
Ｏ１１を制御する。
【００９９】すなわち、本発明によれば、負荷急増によ
り移動子の速度が低下して振動子と移動子との間に密着
力が生じる危険性が増大すると、該振動子に対する励振
周波数が該振動子の二次モードの共振周波数に近い周波
数に変更されるので振動子の振幅が大きくなり、その結
果、振動子と移動子の密着力による不測的な移動体の停
止を防止できる。
【０１００】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の駆動制
御方法によれば、振動波アクチュエータの起動時もしく
は該アクチュエータの急減速時もしくは低速時におい
て、該アクチュエータの振動子の振動が該振動子の通常
の駆動に用いる振動とは別モードの共振周波数に近くな
るように該振動子を励振することにより、該振動子と移
動子との間に密着力を生じても起動させ（もしくは該移
動子の移動を継続させ）ることができる。また、本発明
の方法によれば、該振動子の励振素子に特別に高い電圧
を印加しなくても該移動子を容易に起動（もしくは該移
動子の移動を停止させずに移動を継続）することができ
るので、該アクチュエータの駆動制御装置を高耐圧化す
る必要がなく、従って、該装置のコストを上げずに制御
機能のよい駆動制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の駆動制御方法により振動波ア
クチュエータを起動する際に該アクチュエータの振動子
を励振するための交流電圧の波形を示した図、（ｂ）は
本発明の方法で駆動制御される振動波アクチュエータの
一例を示す断面図。
【図２】図１に示した振動波アクチュエータに装備され
ている励振素子としての圧電素子の分解斜視図。
【図３】本発明の方法を実施するための駆動制御装置の
第一実施例の構成を示す概略図。
【図４】図１に示した振動波アクチュエータの振動子１
と移動子２との起動時における運動を説明するための
図。
【図５】図１に示した振動波アクチュエータの起動時に
おける振動子１と移動子２との軸線方向の運動を説明す
るための図。
【図６】本発明の駆動制御装置の第二の実施例を示す
図。
【図７】本発明の駆動制御装置の第三の実施例を示す
図。
【図８】図７の駆動制御装置によって実施する本発明の
駆動制御方法において図７の回路の要部における出力の
波形を示した図。
【図９】本発明の駆動制御装置の第四の実施例の構成を
示した図。
【図１０】図９の装置で実行される本発明の駆動制御方
法において図９の回路の要部における出力の波形を示し
た図。
【図１１】図１２に示す本発明の駆動制御装置で実行さ
れる本発明の駆動制御方法において図１２の回路の要部
における出力の波形を示した図。
【図１２】本発明の駆動制御装置の第五の実施例を示し
た図。
【図１３】図１２に示した駆動制御装置において実行さ
れる本発明の駆動制御方法において図１２の回路の要部
における出力の波形を示した図。
【図１４】図１５に示される本発明の駆動制御装置によ
って実行される本発明の駆動制御方法において該制御装
置に要部における出力の波形を示した図。
【図１５】本発明の駆動制御装置の第六の実施例を示し
た図。
【図１６】図１７の駆動制御装置において実行される本
発明の方法において該装置の要部における出力の波形を
示した図。
【図１７】図１６に示した方法を実行する駆動制御装置
の構成図。
【符号の説明】
１…振動子 ２…移動子 ３…ギア ４…軸受 ５…固定軸 ６…圧電素子 ７…ばね ８…ＣＰＵ ９…Ｄ／Ａ変換器 １０…超音波
モータ １１…可変周波数発振器（電圧制御発振器） １３…位相変換器 １４，１５…
電力増幅器 １６，２０…駆動制御装置 １７…正弦波
発振器 １８，２４…セレクタ １９…コンパ
レータ ２１…ダイオード ２２…可変電
圧源 ２６…Ｄ／Ａ変換器 ２７…可変周
波数発振器（電圧制御発振器） ２３，２５，２８，２９，３０…駆動制御装置 ３１…エンコーダ ３２，３３…
マッチングコイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−17581（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−265477（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−183282（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−36779（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−42783（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−106886（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−270678（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−174582（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−171475（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−166787（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−2868（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−174574（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−42785（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−214482（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電界および磁界が作用したことに応じて
    機械的歪みを生じる歪み発生素子が取り付けられている
    振動子と、該振動子との間に相対移動を生じる移動子
    と、を有した振動波アクチュエータの駆動制御方法にお
    いて、 駆動時に次数が異なる２種類以上の曲げ振動モードを該
    振動子に時系列で連続して与えたことを特徴とする振動
    波アクチュエータの駆動制御方法。
  2. 【請求項２】 前記２種類以上の曲げ振動モードを時系
    列で変化させる時は、前記移動子の起動時であることを
    特徴とする請求項１の振動波アクチュエータの駆動制御
    方法。
  3. 【請求項３】 前記２種類以上の曲げ振動モードを時系
    列で変化させる時は、前記移動子の減速時であることを
    特徴とする請求項１又は２の振動波アクチュエータの駆
    動制御方法。
  4. 【請求項４】 電界が作用したことに応じて機械的歪み
    を生じる第１の歪み発生素子と第２の歪み発生素子が取
    り付けられている振動子と、該振動子との間に相対移動
    を生じる移動子とを有し、該第１の歪み発生素子に第1
    の交流電圧を印加するとともに該第２の歪み発生素子に
    該第1の交流電圧とは位相の異なる第２の交流電圧を印
    加することで該移動子に相対移動を生じさせる振動波ア
    クチュエータの駆動制御方法において、 駆動時に該第１の歪み発生素子と該第２の歪み発生素子
    に同位相の交流電圧を印加することを特徴とする振動波
    アクチュエータの駆動制御方法。
  5. 【請求項５】 駆動時に前記第１の歪み発生素子と前記
    第２の歪み発生素子に同位相の交流電圧を印加したあ
    と、該第１の歪み発生素子に前記第１の交流電圧を印加
    するとともに該第２の歪み発生素子に前記第２の交流電
    圧を印加することを特徴とする請求項４の振動波アクチ
    ュエータの駆動制御方法。
  6. 【請求項６】 電界および磁界が作用したことに応じて
    機械的歪みを生じる歪み発生素子が取り付けられている
    振動子と、該振動子との間に相対移動を生じる移動子
    と、を有した振動波アクチュエータの駆動制御方法にお
    いて、 駆動時に次数が異なる２種類以上の曲げ振動モードを該
    振動子に同時に与えたことを特徴とする振動波アクチュ
    エータの駆動制御方法。
  7. 【請求項７】 電界および磁界が作用したことに応じて
    機械的歪みを生じる歪み発生素子が取り付けられている
    振動子と、該振動子との間に相対移動を生じる移動子
    と、を有した振動波アクチュエータの駆動制御方法にお
    いて、 駆動時に進行波振動の振動モードと、該進行波振動の振
    動モードと次数の異なる定在波振動の振動モードを、該
    振動子に同時に与えたことを特徴とする振動波アクチュ
    エータの駆動制御方法。
  8. 【請求項８】 駆動時に次数が異なる２種類以上の振動
    モードを前記振動子に同時に与えたあと、前記次数が異
    なる２種類以上の振動モードのうち１つの振動モードを
    該振動子に与えたことを特徴とする請求項６の振動波ア
    クチュエータの駆動制御方法。
  9. 【請求項９】 駆動時に進行波振動の振動モードと、該
    進行波振動の振動モードと次数の異なる定在波振動の振
    動モードを、前記振動子に同時に与えたあと、前記進行
    波振動の振動モードのみを該振動子に与えたことを特徴
    とする請求項７の振動波アクチュエータの駆動制御方
    法。
  10. 【請求項１０】 圧電素子や電歪素子等の励振素子が取
    り付けられている振動子と、該振動子に生じる進行波振
    動により該振動子との間に相対移動を生じる移動子と、
    を有した振動波アクチュエータの駆動制御方法におい
    て、 該移動子を起動させる時において、該移動子が起動し得
    るまでの所定時間の間は、該振動子の第一の次数モード
    の振動の共振周波数に近い周波数の第一の交流電圧を該
    励振素子に印加することにより、該振動子に該第一の次
    数モードの振動の共振周波数に近い進行波振動を生ぜし
    めた後、該所定時間の経過後には該振動子の該第一の次
    数より低い第二の次数モードの振動の共振周波数近くの
    周波数の第二の交流電圧を該励振素子に印加することに
    より該振動子にそれ自身の第二の次数モードの振動の共
    振周波数に近い周波数の進行波振動を生じさせて該移動
    子を該振動波アクチュエータの定常駆動状態に移行させ
    ることを特徴とする振動波アクチュエータの駆動制御方
    法。
  11. 【請求項１１】 該第一の交流電圧の周波数は該振動子
    の第一の次数モードの振動の共振周波数よりも高い初期
    周波数から時間の経過とともに該共振周波数へ近づくよ
    うに変化し、該第二の交流電圧は該振動子の第二の次数
    モードの振動の共振周波数よりも高い初期周波数から時
    間の経過とともに該第二の次数モードの振動の共振周波
    数へ近づくように変化するものであることを特徴とする
    請求項１０の駆動制御方法。
  12. 【請求項１２】 該第一の交流電圧の周波数は該振動子
    の第一の次数モードの振動の共振周波数よりも高い初期
    周波数から時間の経過とともに該共振周波数へ近づいた
    後に再び該初期周波数へ向って増大し、該第二の交流電
    圧の周波数は該振動子の第二の次数モードの振動の共振
    周波数よりも高い初期周波数から時間の経過とともに該
    第二の次数モードの振動の共振周波数へ近づくように変
    化するものであることを特徴とする請求項１０の駆動制
    御方法。
  13. 【請求項１３】 該第一の交流電圧の周波数は該振動子
    の第一の次数モードの振動の共振周波数よりも高い一定
    の周波数であり、該第二の交流電圧の周波数は該振動子
    の第二の次数モードの振動の共振周波数よりも高い初期
    周波数から時間の経過とともに該第二の次数モードの共
    振周波数へ近づくように変化するものであることを特徴
    とする請求項１０の駆動制御方法。
  14. 【請求項１４】 該第一の交流電圧は該振動子の第一の
    次数の共振周波数よりも高い一定の周波数であり、該第
    二の交流電圧の周波数は該振動子の第二の次数モードの
    共振周波数よりも高い一定の周波数であることを特徴と
    する請求項１０の駆動制御方法。
  15. 【請求項１５】 圧電素子や電歪素子等の励振素子が取
    り付けられている振動子と、該振動子に生じる進行波振
    動及び定在波振動により該振動子との間に相対移動を生
    じる移動子と、を有した振動波アクチュエータの駆動制
    御方法において、 該振動子と該移動子とが定常の駆動状態にある時に該移
    動子の速度が所定変化率以上で減少したことを検出した
    時には該振動子に対する励振周波数を該振動子の第一の
    次数モードの共振周波数よりも高くする方向に変化させ
    た後、該振動子に対する励振周波数を該振動子の該第一
    の次数よりも高い第二の次数モードの共振周波数に近い
    値に切換えることを特徴とする振動波アクチュエータの
    駆動制御方法。
  16. 【請求項１６】 表面に定在波振動及び進行波振動が発
    生する振動子と、該振動子に定在波振動及び進行波振動
    を生じさせるために該振動子に取り付けられた第一及び
    第二の励振素子と、該振動子に生じた振動により該振動
    子に対して相対移動する移動子と、を具備した振動波ア
    クチュエータのための駆動制御装置であり、可変周波数
    発振器と、該可変周波数発振器に駆動信号を入力する駆
    動信号発生手段と、該可変周波数発振器の出力に応じた
    周波数の交流電圧を該第一及び第二の励振素子に印加す
    る第一及び第二の増幅器と、を有している駆動制御装置
    において、 該駆動信号発生手段は、該移動子を起動させる時には該
    振動子の第一の次数モードの振動の共振周波数に近い周
    波数出力を該可変周波数発振器に発生させる第一駆動信
    号を発生し、該移動子が起動しうる所定時間を経過した
    後には該振動子の該第一の次数より低い第二の次数モー
    ドの振動の共振周波数に近い周波数の出力を該可変周波
    数発振器に発生させる第二駆動信号を発生する機能を有
    し、該所定時間の経過時に該駆動信号発生手段の出力を
    変換させるためのタイマー手段が設けられていることを
    特徴とする振動波アクチュエータの駆動制御装置。
  17. 【請求項１７】 表面に第一の定在波振動と第二の定在
    波振動を同時に発生させることで該表面に進行波振動を
    発生させる振動子と、該振動子に第一の定在波を発生さ
    せるために該振動子に取り付けられた第一の励振素子
    と、該振動子に第二の定在波を発生させるために該振動
    子に取り付けられた第二の励振素子と、該振動子に対し
    て相対的に移動する移動子と、を具備した振動波アクチ
    ュエータの駆動制御装置において、 可変周波数の正弦波出力を発生する正弦波発振器と、該
    正弦波発振器の出力を増幅して該第一及び第二の励振素
    子に印加する第一及び第二の増幅器と、該振動子に生じ
    た振動により得られる信号が所定値以上であることを検
    出する検出手段と、該第二の励振素子に対する該第二の
    増幅器の入力端と該正弦波発振器の出力端との間に接続
    されて該検出手段の出力により該正弦波発振器の出力の
    接続を切換える切換え手段と、該切換え手段と該第二増
    幅器の入力端との間に接続された位相変換器とを有し、
    該検出手段が該振動子に生じた振動により得られる信号
    が所定値以上であることを検出すると、該切換え手段が
    該正弦波発振器の出力の接続先を該第二の増幅器から該
    位相変換器に切換えることを特徴とする振動波アクチュ
    エータの駆動制御装置。
  18. 【請求項１８】 表面に第一の定在波振動と第二の定在
    波振動を同時に発生させることで該表面に進行波振動を
    発生させる振動子と、該振動子に第一の定在波を発生さ
    せるために該振動子に取り付けられた第一の励振素子
    と、該振動子に第二の定在波を発生させるために該振動
    子に取り付けられた第二の励振素子と、該振動子に対し
    て相対的に移動する移動子と、を具備した振動波アクチ
    ュエータの駆動制御装置において、可変周波数発振器と、該可変周波数発信器の出力に応じ
    た周波数の交流電圧を該第一及び第二の励振素子に印加
    するための第一及び第二の増幅器と、該振動子に生じた
    振動により得られる信号が所定値以上であること を検出
    する検出手段と、該第二の励振素子に該交流電圧を印加
    するための該第二増幅器の入力端と該可変周波数発振器
    の出力端との間に接続されて該検出手段の出力により可
    変周波数発振器の出力の接続を切換える切換え手段と、
    該第二増幅器入力端と該切換え手段との間に接続されて
    該可変周波数発振器の出力の位相を変化させる位相変換
    器とを有し、該検出手段が該振動子に生じた振動により
    得られる信号が所定値以上であることを検出した場合
    に、該切換え手段が該可変周波数発振器の出力の接続先
    を該第二の増幅器から該位相変換器に切換えることを特
    徴とする振動波アクチュエータの駆動制御装置。
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