JP3802625B2

JP3802625B2 - 超音波モータ駆動装置

Info

Publication number: JP3802625B2
Application number: JP31391596A
Authority: JP
Inventors: 朋樹舟窪; 敏晴津幡; 芳久谷口
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2016-11-25
Also published as: JPH10164870A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、請求項１〜４に対応する従来技術の説明をする。
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を有している。
（１）ギヤなしで低速高推力が得られる。
（２）保持力が大きい。
（３）ストロークが長く、高分解能である。
（４）静粛正に富んでいる。
（５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
【０００３】
従来の超音波リニアモータとしては、本出願人の提案による特開平６−１０５５７１号公報に開示されたものがある。以下、特開平６−１０５５７１号公報に基づき従来の超音波リニアモータについて説明する。
【０００４】
まず、超音波振動子の構成について説明する。図１１において、１０は超音波振動子で、基本弾性体１１の上部に、２次の共振屈曲振動のほぼ腹に対応する部分に２個の積層型圧電素子１２が配置されており、この２個の積層型圧電素子１２は３個の保持用弾性体１３により基本弾性体１１上に固定される。図示しないが基本弾性体１１には３か所にネジのタップがきってあって、保持用弾性体１３はビス１４により基本弾性体１１に固定される。この時、積層型圧電素子１２は保持用弾性体１３により突き当てた状態で保持される。また、積層型圧電素子１２の保持用弾性体１３と接触する部分はエポキシ系の接着剤で固定され、保持用弾性体１３と基本弾性体１１の接触する部分もエポキシ系の接着剤により接合される。積層型圧電素子１２が配置されている基本弾性体１１の面に対して反対側の面（被駆動体と接触する側の面）の両端部には摺動部材１５がエポキシ系の接着剤を用いて接合されている。摺動部材１５はポリイミドに、充填材としてカーボンファイバーとマイカを混入したもので、その混合比はカーボンファイバー２０重量％、マイカ３０重量％である。
【０００５】
次に、超音波振動子１０の動作について説明する。
超音波振動子１０の寸法を適当にとることで１次の共振縦振動（図１２（ａ）参照）および２次の共振屈曲振動（図１２（ｂ）参照）がほぼ同一周波数（５５ｋＨｚ）で励起できる。図１１において、左側の積層型圧電素子１２から取り出されている電気端子をＡ，Ｇ（Ａ相と呼ぶ）とし、右側の積層型圧電素子１２から取り出されている電気端子をＢ，Ｇ（Ｂ相と呼ぶ）とする。
【０００６】
まず、Ａ相およびＢ相に３０Ｖの直流電圧を印加する。こうすることで、積層型圧電素子１２に圧縮力（予圧）をかけることができる。そこで、Ａ相に周波数５５ｋＨｚで振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると、１次の共振縦振動が励起できる。次に、Ａ相に周波数５５ｋＨｚで振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加すると、２次の共振屈曲振動が励起できる。さらに、Ａ相およびＢ相に周波数５５ｋＨｚで振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ａ相とＢ相に印加する交番電圧の位相差を＋９０°又は−９０°にすると、摺動部材１５の位置において、時計廻り又は反時計廻りの超音波楕円振動が励起できる。
【０００７】
次に、図１３に示す超音波リニアモータの構成について説明する。
超音波振動子１０は図示しないシリコンゴム（厚み１ｍｍ）を介してアルミニウム材からなる振動子保持部材６４により保持されている。振動子保持部材６４はコの字形状となっており、図示しない薄肉のフランジ部（厚み０．２ｍｍ，長さ２ｍｍ）を介して連結棒６５と連結されている。この連結棒６５にはバネ受け部６６が連結されている。一方、超音波振動子１０の下方にはレール６１が配設されている。このレール６１は、焼入れ処理されたステンレス材４４０ｃからなり、表面硬度はビッカース硬度で９００、表面は４０００番の研磨紙で研磨されていて、リニアガイド固定部６２に図示しないビスにより連結されている。リニアガイド移動部６３には枠７０が固定されるとともに、枠７０の上端には上枠７１が固定され、リニアガイド移動部６３は枠７０を介して上枠７１と一体的に連結されている。上枠７１の中央部にはタップが切られ、ボルト６９が上方から螺入されている。ボルト６９には上枠７１の下方位置で図に示すようにバネ押え６８が取り付けられており、バネ押え６８と上記バネ受け部６６との間に配置したバネ６７の長さを調整することにより、超音波振動子１０の摺動部材１５とレール６１間の接触圧を調整することができるようになっている。
【０００８】
次に、超音波リニアモータの動作について説明する。
先に示したように超音波振動子１０のＡ相とＢ相に周波数５５ｋＨｚで振幅１０Ｖｐ−ｐ、位相差＋９０°又は−９０°の交番電圧を印加する。すると、超音波振動子１０の摺動部材１５の位置に、超音波楕円振動が形成されるので、レール６１に対して超音波振動子１０は右方向又は左方向に駆動される。
【０００９】
以上が基本的な超音波振動子および超音波リニアモータの構成と動作原理である。しかしながら、実際は連続駆動していると超音波振動子が発熱し、それが主な原因で上記共振周波数が変動してしまう。よって、連続的に周波数を追尾して常に最適な周波数で駆動する必要がある。その際に必要となる構成と動作について以下に説明する。
【００１０】
図１４に示したのは振動検出用圧電素子１８，１９が基本弾性体１１の側面に取り付けられた超音波振動子１０である。その他の構成は、図１１と同様である。振動検出用圧電素子１８からは電気端子Ｆ１が取り出され、ここからは縦振動に比例した信号（モニター信号）が出力される。また、振動検出用圧電素子１９からは電気端子Ｆ２が取り出され、ここからは屈曲振動に比例した信号（モニター信号）が出力される。図１５に上記モニター信号の周波数特性を示し、この振動子１０を用いた場合の駆動回路を図１６に示す。この駆動回路は連続的に周波数を追尾して最適な周波数で駆動するためのもので、発振器からの交番電圧の出力は、増幅されてＡ相に印加されるとともに、移相器を通った後増幅されてＢ相に印加される。そして、電気端子Ｆ１もしくはＦ２の信号を増幅して発振器の信号と比較し、電気端子Ｆ１もしくはＦ２からの上記モニター信号が極大値をとるように駆動周波数を調節することで、周波数追尾が可能となり、常に安定した動作をさせることができる。なお、モニター信号と駆動電圧の位相差が一定の値になるように、周波数を調節しても良い。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記超音波リニアモータには、以下に示すような問題点があった。
超音波振動子の駆動用圧電素子としていわゆるハード系（ソフト系の圧電素子に対して、ｄ33は小さいが、機械的品質係数は大きい等の特徴がある）の圧電素子を用いた場合、周波数に対する電気端子Ｆ１もしくはＦ２からのモニター信号変化が図１７に示すようなものになってしまう。つまり、モニター信号最大値の周波数の両側で非対称な形状となり、かつヒステリシス特性（図１７に矢印で示すように、周波数を上げていったときと下げていったときとで、その値がジャンプする周波数が異なる。）を示すようになってしまう。この原因については現在のところ十分解明されていないが、圧電素子の内部のドメインの動きと関係している様である。よって、このような場合、従来の方法ではモニター信号最大のところで周波数を追尾しようとしても、振動が最大となる周波数より低い周波数では振動が不連続に小さくなってしまい、一定の振動を得るのが非常に難しく、その結果モータ特性も非常に不安定となってしまうという問題点があった。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなさたもので、超音波振動子の駆動用圧電素子としていわゆるハード系の圧電素子を用いた場合でも、周波数追尾が容易にでき、モータ特性も安定する超音波モータ駆動装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１の超音波モータ駆動装置は、共振縦振動モードと共振屈曲振動モードを励起する超音波振動子と、該超音波振動子に対し相対的に駆動される被駆動体と、上記超音波振動子を上記被駆動体に対し押圧する押圧部材と、発振器と、該発振器から出される交番信号を増幅し上記超音波振動子に含まれる第１の圧電素子に交番電圧を印加する第１の増幅器と、上記発振器から出される交番信号の位相を＋９０°もしくは−９０°移相する移相器と、該移相器から出される交番電圧を増幅し上記超音波振動子に含まれる第２の圧電素子に交番電圧を印加する第２の増幅器と、共振縦振動モードもしくは共振屈曲振動モードを検出する振動検出手段とを有する超音波モータ駆動装置において、上記振動検出手段は、上記第１の圧電素子に流れる第１の機械腕電流を検出する第１の電流検出手段と、上記第２の圧電素子に流れる第２の機械腕電流を検出する第２の電流検出手段と、該第１の電流検出手段からの信号と該第２の電流検出手段からの信号の和をとる和演算回路と、からなる構成とした。
【００１４】
請求項２の超音波モータ駆動装置は、共振縦振動モードと共振屈曲振動モードを励起する超音波振動子と、該超音波振動子に対し相対的に駆動される被駆動体と、上記超音波振動子を上記被駆動体に対し押圧する押圧部材と、発振器と、該発振器から出される交番信号を増幅し上記超音波振動子に含まれる第１の圧電素子に交番電圧を印加する第１の増幅器と、上記発振器から出される交番信号の位相を＋９０°もしくは−９０°移相する移相器と、該移相器から出される交番電圧を増幅し上記超音波振動子に含まれる第２の圧電素子に交番電圧を印加する第２の増幅器と、共振縦振動モードもしくは共振屈曲振動モードを検出する振動検出手段とを有する超音波モータ駆動装置において、上記振動検出手段は、上記第１の圧電素子に流れる第１の機械腕電流を検出する第１の電流検出手段と、上記第２の圧電素子に流れる第２の機械腕電流を検出する第２の電流検出手段と、該第１の電流検出手段からの信号と該第２の電流検出手段からの信号の差をとる差演算回路と、により構成した。
請求項３の超音波モータ駆動装置は、請求項１又は請求項２記載の超音波モータ駆動装置にあって、上記振動検出手段からの信号の大きさが一定になるように上記第１の圧電素子および上記第２の圧電素子の印加電圧の大きさを変化させる電圧制御回路を有する構成とした。
【００１５】
請求項４の超音波モータ駆動装置は、請求項１又は請求項２記載の超音波モータ駆動装置にあって、上記振動検出手段からの信号の位相と印加電圧の位相との位相差がほぼ０となるように上記発振器の周波数を制御する周波数制御回路を有する構成とした。
【００１７】
請求項１，２，３，４の作用は、振動検出手段により、第１、第２の圧電素子に流れる第１、第２の機械腕電流を検出し、これらの和をとることで縦振動モードに比例する信号を得て、又は、これらの差をとることで屈曲振動モードに比例する信号を得て、これら各信号の大きさが一定になるように第１、第２の圧電素子の印加電圧の大きさを変化させ、又は、これら各信号の位相と印加電圧の位相との位相差がほぼ０となるように発振器の周波数を制御する構成とすることによって、振動の大きさもしくは振動と印加電圧の位相差は共振周波数の近傍で連続的に変化するようになり、よって共振周波数でも周波数追尾が可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［発明の実施の形態１］
本発明の実施の形態１を図１〜図６に基づいて説明する。
まず、本実施の形態１の超音波振動子の構成および組み立て方法について図１を用いて説明する。図１は超音波振動子を示す斜視図である。
【００１９】
黄銅材からなる基本弾性体１１は凸の字型に形成されており、その寸法は凸部分を除き、幅３０ｍｍ，奥行４ｍｍ，高さ７．５ｍｍである。凸部分の寸法は、幅４ｍｍ，奥行４ｍｍ，高さ２．５ｍｍである。基本弾性体１１の幅方向の中心部でかつ底面から約５ｍｍの位置には、圧入によってφ２のステンレス材からなるピン１６が打ち込まれている。電気機械変換素子であるところの積層型圧電素子１２は電極処理された圧電素子を数十枚から数百枚積層接合したものであって、本実施の形態において、圧電素子にはいわゆるハード系の圧電素子を用いた。ハード系の圧電素子とは、ソフト系の圧電素子に対して、ｄ33は小さいが、機械的品質係数Ｑ_mは大きい等の特徴がある（実際に用いた圧電素子の特性値は、ｄ33＝３１０×１０^-12（ｍ／Ｖ），Ｑ_m＝２５００である）。圧電素子の寸法は、２ｍｍ×３ｍｍ×９ｍｍである。
【００２０】
上記圧電素子を積層接合した積層型圧電素子１２は、内部電極の面積が積層圧電素子１２の断面積より小さく作成されており、内部電極が端部にまで延びているのは外部電極が設けられている面（電気端子が設けられている面）のみである。また、本実施の形態の積層型圧電素子には被覆材は設けられていない。この積層型圧電素子は、図１に示すように基本弾性体１１の凸部の両側に配置され、保持用弾性体１３（寸法：幅４ｍｍ，奥行４ｍｍ，高さ２．５ｍｍ）により基本弾性体１１上に固定される。基本弾性体１１には２か所にネジのタップ（図示省略）が切ってあって、図１に示すように、保持用弾性体１３は上記タップにねじ込んだ２本のビス１４およびエポキシ系の接着剤により基本弾性体１１に固定される。この時、積層型圧電素子１２は基本弾性体１１の凸部と保持用弾性体１３間で圧縮力をかけた状態で保持固定される。各積層型圧電素子１２の両端部は、基本弾性体１１の凸部とエポキシ系の接着剤で固定され、保持用弾性体１３ともエポキシ系の接着剤で固定される。また、基本弾性体１１と接する積層型圧電素子１２の側面部分は基本弾性体１１とエポキシ系の接着剤を用いて固定される。積層型圧電素子１２が配置されている基本弾性体１１の面に対して反対側の面（被駆動体と接触する側の面）には、その両端部から９ｍｍの位置（共振屈曲振動の振動振幅が極大値を示す位置）に矩形状（寸法：幅３ｍｍ，奥行４ｍｍ，厚み１ｍｍ）の摩擦子１５（砥石材：フェノール樹脂にアルミナセラミクスの砥粒を分散させたもの）がエポキシ系の接着剤を用いてそれぞれ接合されている。
【００２１】
次に、上記構成からなる超音波振動子１０の動作について説明する。
上記に示した寸法形状によれば、１次の共振縦振動モードおよび２次の共振屈曲振動モードがほぼ同一の周波数で励起できる。これらの振動を有限要素法を用いてコンピュータ解析した結果、図１２（ａ）に示すような共振縦振動姿勢、および図１２（ｂ）に示すような共振屈曲振動姿勢が予想され、かつ振動測定の結果それが実証された。図１において左手前側の積層型圧電素子１２から取り出されている電気端子をＡ，ＧＮＤ（以下、Ａ相と呼ぶ）とし、右奥側の積層型圧電素子１２から取り出されている電気端子をＢ，ＧＮＤ（以下、Ｂ相と呼ぶ）とする。まず、図示しない電源手段により、Ａ相に振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると、図１２（ａ）に示すような１次の共振縦振動が共振周波数ｆ₁で励起できた。次に、Ａ相に振幅１０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加すると図１２（ｂ）に示すような２次の共振屈曲振動が共振周波数ｆ_bで励起できた。ここで、１次の縦振動共振周波数ｆ₁は２次の屈曲振動共振周波数ｆ_bより３〜６％程大きくなるように超音波振動子の寸法が決められている。
【００２２】
次に、図２を用い、上記超音波振動子１０を用いた超音波モータ駆動装置４０の構成について説明する。図２は超音波モータ駆動装置を示す正面図である。
【００２３】
図２に示すように、超音波振動子１０はピン１６の部分で２つの保持板２１（押圧部材）により両面から保持されている。保持板２１はピン１６の直径とほぼ同径の穴があけられていて、その穴と超音波振動子１０のピンが係合するようになっている。このように保持することで、超音波振動子１０はピン１６まわりの回転に対してのみ自由度を持つ。保持板２１はビス２３により保持板固定部材２２に固定されている。保持板固定部材２２にはリニアブッシュ２４が保持されており、リニアブッシュ２４は軸２５に沿ってリニアに移動する。軸２５は軸固定部材２６に固定され、軸固定部材２６はビス２８によってベース２７に固定されている。軸固定部材２６のほぼ中央部にはタップ（図示省略）が切られていて、押圧ビス２８が上方よりねじ込まれており、この押圧ビス２８と保持板固定部材２２の間にはバネ２９が挿入されている。
【００２４】
また、ベース２７にはクロスローラーガイドの固定部３０がビス３１により固定され、超音波振動子１０の下方に配置されている。クロスローラーガイドの移動部３２には摺動板保持部材３３が図示しないビスにより固定され、この摺動板保持部材３３には摺動板３４として厚さ１ｍｍのジルコニアセラミックス材料（もしくはアルミナセラミクス材料、もしくはそれらの複合材料）が接着されている（以下、摺動板保持部材３３と摺動板３４を合わせて被駆動体と呼ぶ）。このような構成にして、摩擦子１５を摺動板３４とを当接させ、押圧ビス２８を調整してバネ２９の弾発力を変化させることで、超音波振動子１０の被駆動体への押圧力を調整することができる。
【００２５】
次に、上記超音波モータ駆動装置を駆動する駆動回路を図３に基づいて説明する。発振器５１では約５５ｋＨｚの交番電圧もしくは正弦波が形成される。その信号は増幅器（Ａｍｐ）５３を介してＡ相に印加される。また、発振器５１の信号は、一方では、移相器５２により±９０°の位相差を付けられ、増幅器（Ａｍｐ）５４を介してＢ相に印加される。本増幅器５３，５４は外部信号により電圧の大きさが可変できるようになっている。
【００２６】
図４には電気端子ＡおよびＢから見たときの超音波振動子の等価回路を示す。これからわかるように、図の左側は電気腕であり制動容量Ｃｄであり、図の右側はインピーダンスＺで表される機械腕である。電気腕に流れる電流をＩｄとし、機械腕に流れる電流をＩｍとする。機械腕に流れる電流Ｉｍの大きさは機械的な振動速度に比例する。
【００２７】
図３において、Ｌは超音波振動子１０の積層型圧電素子１２と並列に挿入されたインダクタンスであり、図４に示した超音波振動子の制動容量Ｃｄを打ち消すためのものである。ホール素子とアンプから構成される電流検出器５５が図３に示すように、増幅器５３，５４の直後に挿入されており、電流検出器により検出される電流はそれぞれＡ相、Ｂ相に流れる機械腕の電流Ｉｍである。以上から、電流検出器５５から得られる信号は、それぞれ機械的な振動（縦振動と屈曲振動が合成された振動）に比例したものとなっている。検出されたＡ相およびＢ相の電流Ｉｍは和演算回路５６に入力され、その和がとられる。
【００２８】
次に、和演算回路５６により各電流の和をとる意味について説明する。縦振動はＡ相とＢ相で同位相で振動している振動成分であるから、Ａ相とＢ相に流れる機械腕電流Ｉｍの和をとってやれば、それは縦振動のみに比例した値となる（電流検出器５５と和演算回路５６の役目は振動検出手段であるといえる）。和演算回路５６を経由した電流値は電圧制御回路５７に入力され、電圧制御回路５７は和演算回路５６を経由した電流値、つまり縦振動に比例した電流値の値が一定になるように、増幅器（Ａｍｐ）５３，５４の電圧を制御する。これはつまり、超音波振動子の縦振動の大きさが常に一定になるように制御しているのである。一方、第１の圧電素子もしくは第２の圧電素子に印加されている印加電圧は周波数制御回路５８に入力させられる。
【００２９】
上記構成の駆動回路で超音波振動子１０を駆動したときのこの印加電圧の共振周波数近傍での大きさの周波数特性を図５に示す。印加電圧は共振周波数を中心としてほぼ対称な下に凸の曲線となり、機械的共振周波数（ｆｒ）で極小値をとることが明らかになった。また、ヒステリシスも存在しないことが明らかになった。これにより、図３に示す周波数制御回路５８は印加電圧の値が常に極小値を示すように、発振器５１の周波数を制御する。
【００３０】
本発明の実施の形態１に係る超音波モータ駆動装置の特性は、摺動板３４に対する摩擦子１５の押圧力を３ｋｇｆにして、駆動周波数５５ｋＨｚでＡ相とＢ相に印加する交番電圧の大きさを１０Ｖｐ−ｐ、位相差を±９０°にすることで、被駆動体は左右に移動した。この時の無負荷速度として、１５０ｍｍ／ｓ，起動推力５００ｇｆが得られた。これらの値は、超音波振動子１０の温度が上昇し、共振周波数が変化した場合でも周波数追尾が確実に行われ、初期の特性を維持した。
【００３１】
以上のように、本発明の実施の形態１によれば、超音波振動子の温度が変化して共振周波数が変化した場合でも、周波数追尾が容易にでき、安定したモータ特性が得られた。また、振動検出用の圧電素子を超音波振動子に設ける必要がなく、構成が簡単になる。
【００３２】
なお、上記実施の形態１では、駆動素子として積層型圧電素子１２を用いた場合について述べたが、駆動素子として、板状の圧電素子を基本弾性体１１に接着した振動子についても同様に実施できる。さらに、本実施の形態では電流検出器として、ホール素子を用いた場合について記したが、抵抗体を直列に接続してその間の電圧を読み取り、電流とする方法でも良い。
【００３３】
本発明の実施の形態１の変形例を図６に示す。図６は超音波モータ駆動装置の駆動回路である。
本変形例の駆動回路が実施の形態１と異なる点は、周波数制御回路５８の役目のみである。すなわち、本変形例の周波数制御回路５８の役目は、印加電圧と和演算回路５６から出力される信号の位相差を常にほぼ０になるように発振器５１の周波数を制御してやることである。図７に本変形例の駆動回路を用いた場合の、圧電素子に印加される電圧と和演算回路５６から出力される信号の位相差の共振周波数近傍での周波数特性を示す。これから、共振周波数では、該位相差はほぼ０になることが明らかになった。
【００３４】
本発明の実施の形態１では、振動検出手段により縦共振モードの振動を検出する場合について説明したが、屈曲共振モードの振動を検出し、その共振周波数で追尾をかける場合には、駆動回路中の和演算回路５６を差演算回路とすれば良い。
【００３５】
［発明の実施の形態２］
本発明の実施の形態２の超音波振動子の構成について図８を用いて説明する。図８は超音波振動子を示す斜視図である。本実施の形態２の超音波振動子が上記実施の形態１の超音波振動子と異なる点は、基本弾性体１１の側面には、その下方中央部に歪検出素子として圧電素子１７が接着されている点である。この圧電素子１７の厚みは０．３ｍｍであり、圧電素子１７から引き出された電気端子をＦ端子とする。この圧電素子１７はその接着位置、分極形成状態（均一１方向分極）から超音波振動子に励起される縦振動のみを検出するものであり、圧電素子１７は振動検出手段と言えるため、以下、この圧電素子１７を振動検出用圧電素子１７と呼ぶ。
【００３６】
本発明の実施の形態２の超音波振動子の動作および超音波駆動装置の構成は上記本発明の実施の形態１と同様なので、その説明を省略する。
【００３７】
次に、本発明の実施の形態２の超音波モータ駆動装置を駆動する駆動回路を図９に基づいて説明する。上記本発明に係る実施の形態１の駆動回路（図３参照）と異なる点は、縦振動の振動検出を超音波振動子１０に設けた振動検出用圧電素子１７からの信号を増幅して電圧制御回路５７に入力する増幅器（Ａｍｐ）６０を設けている点である。すなわち、振動検出用圧電素子１７からの信号はＦ端子から増幅器（Ａｍｐ）６０に入力され、その出力が電圧制御回路５７に入力される。この増幅器６０の役目は、信号の出力インピーダンスについて、ハイインピーダンスからローインピーダンスへのインピーダンス変換である。
【００３８】
以上のように、本発明の実施の形態２によれば、振動検出手段として、超音波振動子に設けた振動検出用圧電素子からの信号を用いたので、上記実施の形態１に設けた電流検出手段や和演算回路を不要にすることができ、構成の簡略化を図ることができる。
【００３９】
本発明の実施の形態２の変形例を図１０に示す。図１０は超音波モータ駆動装置の駆動回路である。
本変形例の駆動回路が実施の形態２と異なる点は、周波数制御回路の役目のみである。本変形例の周波数制御回路の役目は、印加電圧の位相と振動検出用圧電素子１７から出力される信号の位相間の位相差を常にほぼ０になるように発振器５１の周波数を制御してやることである。
【００４０】
本発明の実施の形態２では歪検出素子として、圧電素子の場合を述べたが、これは歪みゲージでも良い。
【００４１】
なお、本発明の実施の形態１，２にあっては、縦振動と屈曲振動を利用した超音波モータ駆動装置の例について述べたが、その他の構成例として例えば、ねじり振動、すべり振動、呼吸振動、拡がり振動などを組み合わせた振動子を用いる超音波モータ駆動装置に適用することができる。さらに、リニア型の超音波モータ駆動装置についてのみ応用する場合を述べたが、回転型の超音波モータ駆動装置についても適用可能である。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１，２，３，４の共通した効果は、振動の大きさもしくは振動と印加電圧の位相差は共振周波数の近傍で連続的に変化するようになり、共振周波数追尾が容易になり、安定したモータ特性が得られる。この効果は、ねじり振動、すべり振動、呼吸振動、拡がり振動などを組み合わせた振動子を用いる超音波モータ駆動装置の場合も同様である。
さらに、本発明においては、超音波振動子として、積層型圧電素子と弾性体を接合したものを用いたものについて述べたが、圧電板と弾性体を接合させた振動子、もしくは圧電素子だけからなる振動子を用いた超音波モータ駆動装置についても同様なことが言えるのは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の超音波振動子を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１の超音波モータ駆動装置を示す正面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の超音波モータ駆動装置の駆動回路を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１の超音波振動子の等価回路を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１の超音波振動子の周波数特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１の変形例における超音波モータ駆動装置の駆動回路を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１の変形例における超音波振動子の周波数特性を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２の超音波振動子を示す斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態２の超音波モータ駆動装置の駆動回路を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態２の変形例における超音波モータ駆動装置の駆動回路を示す図である。
【図１１】従来の超音波振動子を示す斜視図である。
【図１２】超音波振動子の振動モードを示し、図１２（ａ）は共振縦振動、図１２（ｂ）は共振屈曲振動である。
【図１３】従来の超音波リニアモータを示す正面図である。
【図１４】従来の超音波振動子を示す正面図である。
【図１５】従来の超音波振動子におけるモニター信号の周波数特性を示す図である。
【図１６】従来の超音波振動子の駆動回路を示す図である。
【図１７】従来の超音波振動子にハード系の圧電素子を用いた際におけるモニター信号の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
１０超音波振動子
１１基本弾性体
１２積層型圧電素子
１３保持用弾性体
１５摩擦子
１７振動検出用圧電素子
３０クロスローラーガイドの固定部
３２クロスローラーガイドの移動部
３３摺動板保持部材
３４摺動板
５１発振器
５２移相器
５３、５４、６０増幅器
５５電流検出器
５６和演算回路
５７電圧制御回路
５８周波数制御回路

Claims

共振縦振動モードと共振屈曲振動モードを励起する超音波振動子と、
該超音波振動子に対し相対的に駆動される被駆動体と、
上記超音波振動子を上記被駆動体に対し押圧する押圧部材と、
発振器と、
該発振器から出される交番信号を増幅し上記超音波振動子に含まれる第１の圧電素子に交番電圧を印加する第１の増幅器と、
上記発振器から出される交番信号の位相を＋９０°もしくは−９０°移相する移相器と、該移相器から出される交番電圧を増幅し上記超音波振動子に含まれる第２の圧電素子に交番電圧を印加する第２の増幅器と、
共振縦振動モードもしくは共振屈曲振動モードを検出する振動検出手段とを有する超音波モータ駆動装置において、
上記振動検出手段は、上記第１の圧電素子に流れる第１の機械腕電流を検出する第１の電流検出手段と、上記第２の圧電素子に流れる第２の機械腕電流を検出する第２の電流検出手段と、該第１の電流検出手段からの信号と該第２の電流検出手段からの信号の和をとる和演算回路と、からなることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
共振縦振動モードと共振屈曲振動モードを励起する超音波振動子と、
該超音波振動子に対し相対的に駆動される被駆動体と、
上記超音波振動子を上記被駆動体に対し押圧する押圧部材と、
発振器と、
該発振器から出される交番信号を増幅し上記超音波振動子に含まれる第１の圧電素子に交番電圧を印加する第１の増幅器と、
上記発振器から出される交番信号の位相を＋９０°もしくは−９０°移相する移相器と、該移相器から出される交番電圧を増幅し上記超音波振動子に含まれる第２の圧電素子に交番電圧を印加する第２の増幅器と、
共振縦振動モードもしくは共振屈曲振動モードを検出する振動検出手段とを有する超音波モータ駆動装置において、
上記振動検出手段は、上記第１の圧電素子に流れる第１の機械腕電流を検出する第１の電流検出手段と、上記第２の圧電素子に流れる第２の機械腕電流を検出する第２の電流検出手段と、該第１の電流検出手段からの信号と該第２の電流検出手段からの信号の差をとる差演算回路と、からなることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
上記振動検出手段からの信号の大きさが一定になるように上記第１の圧電素子および上記第２の圧電素子の印加電圧の大きさを変化させる電圧制御回路を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波モータ駆動装置。
上記振動検出手段からの信号の位相と印加電圧の位相との位相差がほぼ０となるように上記発振器の周波数を制御する周波数制御回路を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波モータ駆動装置。