JP4139131B2

JP4139131B2 - 超音波モータの駆動回路

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Publication number: JP4139131B2
Application number: JP2002129095A
Authority: JP
Inventors: 勲中澤; 朋樹舟窪; 靖明葛西
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-04-30
Also published as: JP2003324975A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気−機械エネルギー変換素子を用いた超音波モータの駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気−機械エネルギー変換素子を用いた超音波モータが種々提案がなされ、これに伴い前記超音波モータの駆動回路においても動作性能向上化等に鑑み、数多く提案がなされている。
【０００３】
この種の関連技術としては、本件出願人により提案がなされた特開平７−４６８６７号公報に記載の超音波振動子の駆動装置があり、また超音波リニアモータ及び製造方法としては特許第３１７３９０２号公報によって開示がなされている。
【０００４】
図１２は特開平７−４６８６７号公報に記載の超音波振動子の駆動装置の構成を示すブロック図である。
【０００５】
上記提案の超音波振動子の駆動装置は、定在波型超音波モータの駆動回路として構成されたもので、図１２に示すように、圧電素子１０６，１０７を駆動源として超音波振動子１０５に振動を励起し、該振動エネルギーにより被駆動部材を駆動する超音波振動子の駆動装置において、前記超音波振動子１０５に伝播させる音波を発生するパルス発生器１１０，音波発生電圧素子１０８，前記超音波振動子中に伝播した音波を受信する音波受信圧電素子１０９と、前記パルス発生器１１０と同期する基準波と音波受信圧電素子１０９の出力との位相を比較する位相比較手段（ＥＸ−ＯＲ素子１１４）と、この位相比較手段の出力により圧電素子１０６，１０７に印加する駆動電圧の周波数を決定する周波数決定手段（電圧制御発信器１０１，移相器１０２）とを具備して構成される。
【０００６】
具体的には、上記超音波振動子の駆動装置は、周波数決定手段としての電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０１と、この出力に対し±９０度の位相差をもたせる移相器（Ｐ／Ｓ）１０２とで超音波振動子駆動用の交番電圧を発生させるようになっており、それぞれの出力が電力増幅器１０３，１０４で電力増幅され、超音波振動子５に配設された２個の圧電素子１０６，１０７に接続されて供給されるようになっている。
【０００７】
超音波振動子１０５の一側面には、音波発生用の音波発生圧電素子１０８が接着固定されている。この音波発生圧電素子１０８には、スタート信号（ＳＴＡＲＴ）に同期する高周波パルスを発生・出力するパルス発生器（Ｐ／Ｇ）１１０の出力端が接続されている。この圧電素子１０８は、高周波パルス信号が印加されると変位し、音波を発生するようになっており、発生した音波は超音波振動子１０５を伝播するようになっている。
【０００８】
一方、超音波振動子１０５の他側面には、音波を受信する音波受信圧電素子１０９が接着固定され、該音波受信圧電素子１０９は、音波発生圧電素子１０８の変位により発生し超音波振動子１０５を伝播する音波を受けるようになっている。この音波受信圧電素子１０９には、インダクタ１１１とコンパレータ１１２，ＡＮＤ素子１１３，ＥＸ−ＯＲ素子１１４を介して積分器１１５が接続されている。また前記ＥＸ−ＯＲ素子１１４の他方には、図示しない前記スタート信号と同期する基準波形信号（ＳＤＴ）が入力されるようになっている。
【０００９】
上記構成の超音波振動子の駆動装置による駆動方法は、音波発生手段（パルス発生器１１０，音波発生圧電素子１０８）で超音波振動子１０５に伝播させる伝播波を発生し、超音波振動子１０５を伝播した伝播波を音波受信手段である音波受信圧電素子１０９で受信する。
【００１０】
そして、ＥＸ−ＯＲ素子１１４の位相比較手段で、音波発生手段であるパルス発生器１１０と同期する基準波（ＳＴＤ）と音波受信手段である音波受信圧電素子１０９との位相を比較する。すなわち、この位相比較結果であるこの位相差を超音波振動子１０５の最適な駆動状態の値になるように、周波数決定手段である電圧制御発振器１０１を用いて、前記電気−機械エネルギー変換素子（圧電素子１０６，１０７）に印加する駆動電圧の周波数を決定するように制御していた。
【００１１】
また、前記特許第３１７３９０２号公報によって開示されている超音波リニアモータが図１３に示されている。
【００１２】
図１３は上記提案による超音波リニアモータに搭載された超音波振動子を示す正面図である。
【００１３】
図１３に示すように、この提案による超音波リニアモータに搭載される超音波振動子２００は、駆動体として２つの積層型圧電素子２１３と、弾性体としての基本弾性体２１１及び該基本弾性体２１１に対して接合された保持用弾性体２１２とを備え、各々の積層型圧電素子２１３の両端部が保持用弾性体２１２に対しつき当てて接合保持された構成となっている。
【００１４】
また、前記基本弾性体２１１における弾性波の節線と直交する面または弾性波の進行する方向を含む面に、該基本弾性体の縦振動と屈曲振動をとを独立に検出するための検出用圧電素子２１７．２１８が接合されている。これらの検出用圧電素子２１７，２１８は、厚み方向に前面に分極され、または厚み方向に対してその向きが交互に分極されるように接合されている。
【００１５】
上記構成の超音波振動子２００の共振周波数を積層型圧電素子２１３に印加し、さらに２つの積層型圧電素子２１３の位相差を９０度にすると、超音波振動子２００の摺動面に超音波楕円振動が励起されることになる。
【００１６】
しかし、この超音波振動子２００は、長時間使用すると、共振周波数が変化する。このため、最適な駆動状態を維持するために、検出用圧電素子２１７，２１８を用いて縦振動と屈曲振動をそれぞれ検出し、積層型圧電素子２１３に印加した波形との位相差を常に一定になるように制御している。また、縦振動を検出する検出用圧電素子２１７の振幅の最大値になるように発振周波数を調整している。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特開平７−４６８６７号公報に開示されている超音波モータの駆動回路は、音波を発生させる圧電素子及び受信用圧電素子が必要となるため、小型化の要求がある超音波振動子にこれらの圧電素子を設けることは、不利であり望ましくない。また、音波用駆動回路も必要となる。そのため、超音波リニアモータの小型化，低価格化を考慮すると、実用的ではないといった問題点があった。
【００１８】
また、上述の特許第３１７３９０２号公報に開示されている超音波モータは、追尾手段として、縦振動用と屈曲振動用の２つの検出用圧電素子を設けた構成について述べられている。そして、超音波振動子の駆動方法としては、これら検出用圧電素子からの信号と２つの積層型圧電素子に印加した信号とを位相比較を行い、位相差を常に一定になるように制御している。しかし、検出用圧電素子から出力される屈曲振動及び縦振動の検出信号と、印加した信号とを位相比較して駆動電圧の周波数を決定しても十分な推力が得られていないことが実験で分かり、改良する必要があった。
【００１９】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、駆動回路の構成が複雑になることなく、所望の状態で駆動でき且つ電気−機械変換効率を最大に保つことができる超音波モータの駆動回路を提供することを目的とする。
【００２０】
【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の発明の超音波モータの駆動回路は、駆動方向に直列に配置された２つの積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子を保持すると共に振動体として作用する弾性体と、駆動子と、振動検出用圧電素子と、前記駆動子と接触する被駆動体とを有し、縦共振振動と屈曲共振振動を同時に励起して前記駆動子に楕円振動を発生させて前記被駆動体を駆動させる超音波モータの駆動回路であって、前記超音波モータの駆動回路は、前記２つの積層型圧電素子に印加する９０度位相のずれた駆動信号を生成し、前記超音波振動子の共振周波数を中心に所定の幅で駆動信号の周波数を変化することのできる駆動信号生成部と、前記振動検出用圧電素子の検出信号と、前記被駆動体の進行方向前側に配置された積層型圧電素子に印加する駆動信号との位相差が所定の範囲内になるように前記駆動信号生成部を制御する制御手段と、を具備したことを特徴とするものである。
【００２１】
請求項２に記載の超音波モータの駆動回路は、請求項１に記載の超音波モータの駆動回路において、前記駆動信号生成部は、前記駆動信号を発振するもので、前記超音波振動子の共振周波数を中心に所定の幅で前記駆動信号の周波数を変化することのできるパルス作成部と、前記パルス作成部の出力を移相して９０度位相のずれた少なくとも２つの矩形波信号を出力し、且つディユーティ比が約５０％となるように処理を施す波形整形部と、前記波形整形部からの出力の高調波成分を除去する除去機能を具備したフィルタ部と、前記フィルタ部によるフィルタ処理後の信号を入力して増幅し、交流番圧の前記駆動信号を発生させて前記積層型圧電素子に印加する電力増幅部と、前記振動検出用圧電素子により検出された検出信号を２値化して前記制御手段に供給する２値化部と、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【００２２】
請求項３に記載の超音波モータの駆動回路は、請求項２に記載の超音波モータの駆動回路において、前記制御手段は、前記２値化部からの検出信号と前記被駆動体の進行方向前側に配置された積層型圧電素子に印加する駆動信号との比較を行い、比較結果に基づき前記検出信号と前記駆動信号との位相差が所定の範囲内になるように前記パルス作成部による発信周波数を可変制御することを特徴とするものである。
【００２３】
請求項４に記載の超音波モータの駆動回路は、請求項２に記載の超音波モータの駆動回路において、前記電力増幅部は、前記積層型圧電素子に電荷の充電と放電をそれぞれ行うことで増幅して交流番圧の駆動信号を発生させる２つのスイッチング素子で構成され、前記波形整形部は、前記２つのスイッチング素子が同時に駆動しないように波形を整形する回路を具備したことを特徴とするものである。
【００２４】
請求項５に記載の超音波モータの駆動回路は、請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の超音波モータの駆動回路において、前記振動検出用圧電素子は、前記超音波振動子の縦共振振動を検出した検出信号を出力することを特徴とするものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１乃至図４は本発明の超音波モータの駆動回路の第１の実施の形態を示し、図１は本実施の形態における超音波モータの駆動回路の構成を示すブロック図、図２は図１に示す駆動回路の詳細な回路構成を示す回路図、図３は図２中の各回路の出力波形を示すタイミングチャート、図４は本駆動回路による補正動作を説明するための説明図である。
【００２６】
本実施の形態の超音波モータの駆動回路は、図１に示すように、パルス作成部１，移相器２，波形整形部３，フィルタ部４，電力増幅部５，超音波振動子６，２つの積層型圧電素子６ａ，６ｂ，振動検出用圧電素子７及び２値化部８で主に構成されている。
【００２７】
なお、本発明の駆動回路によって駆動される超音波リニアモータは、上記超音波駆動子６を備え、該超音波駆動子６は主に弾性体で構成される。この弾性体には駆動方向に直列に前記２つの積層型圧電素子６ａ，６ｂが配置される。また弾性体はこれら２つの積層型圧電素子６ａ，６ｂを保持すると共に振動体として作用するようになっている。さらに、超音波振動子６の摺動面の所定位置には図示しない駆動子が複数設けられており、この駆動子が図示しない被駆動子と接触するように構成されている。すなわち、後述する本発明の駆動回路によって２つの積層型圧電素子６ａ，６ｂに駆動信号が印加されることにより、縦共振振動と屈曲共振振動を同時に励起して前記駆動子に楕円振動を発生させて前記被駆動体が駆動する超音波モータである。
【００２８】
さらに、駆動回路の詳細な構成を説明すると、超音波振動子６の共振周波数近傍の駆動信号で発振するパルス作成部１は、発振周波数の可変可能な発振器であり、周波数φ００の信号（以下、φ００信号と称す）及び周波数φ０１の信号（以下、φ０１信号と称す）を発生して移相器２と波形整形部３に出力する。この場合のφ００信号は、基準となる信号であり、φ０１信号は前記φ００信号よりも位相が１８０度遅れた基準信号である（図３（ａ），図３（ｂ）参照）。
【００２９】
移相器２は、供給されたφ００信号，φ０１信号を方向指令に伴った９０度あるいは、−９０度ずれた信号を作成して、φ０２信号及びφ０３信号を得て、波形整形部３に出力する。
【００３０】
波形整形部３は、入力された信号に対し、超音波モータのモータ効率をあげるためディユーティ比が約５０％になるように調整する波形整形処理を施す。すなわち、波形整形部３は、φ００信号が矩形波信号に波形整形されたφ１０信号と、該φ１０信号に対しディユーティ比が５０％であるφ０２信号とを生成し、フィルタ部４に出力する。
【００３１】
フィルタ部４は、供給された矩形波信号の高調波成分を除去し、得られた２種類の正弦波信号（φ３０信号，φ３１信号と、φ３２信号，φ３３信号であり、図３（（ｅ），図３（ｆ）参照）を電力増幅部５に出力する。
【００３２】
電力増幅部５は、それぞれ供給された信号を所定の増幅率で増幅し、超音波駆動子６に設けられた積層型圧電素子６ａ，６ｂに印加する。
【００３３】
一方、超音波振動子６に設けられた振動検出用圧電素子７（以下、モニタ電極と称す）は、該超音波振動子６の縦振動を検出するもので、検出結果を２値化部８に出力する。
【００３４】
これを受け、２値化部８は、検出結果であるアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を前記パルス作成部１に供給する。すなわち、振動検出用圧電素子７からのモニタ電極がパルス作成部１にフィードバックされ、該パルス作成部１はこの供給された検出結果に応じて積層型圧電素子６ａ，６ｂに与える駆動信号の補正を行っている。
【００３５】
次に、図１に示すブロック図の具体的な回路構成を図２を参照しながら詳細に説明する。なお、図２は、図中の上段に示す各ブロックの符号に対応する回路群が示されている。
【００３６】
図２に示すように、図１に示すパルス作成部１（符号９に相当）及び移相器２（符号１０に相当）は、本駆動回路の制御手段としてのＣＰＵ２１内に含まれて構成される。
【００３７】
また、波形形整形部３は、Ｄラッチ型フリップフロップを用いて構成されたもので、２つのＤフリップフロップ回路（以下、Ｄ−ＦＦと称す）１１を備えて構成される。なお、これらＤ−ＦＦ１１は、図２に示すように、入力端子Ｄ，リセット端子Ｒ，クロック入力端子ＣＬＫ，正論理の出力端子Ｑをそれぞれ有して構成されており、これらの入出力端子を介して図１で説明した信号の入出力が実行される。
【００３８】
フィルタ部４は、ＣＲフィルタにて構成され、具体的には２つのコンデンサＣと２つの抵抗ＲとでＣＲフィルタを構成し、４系統のＣＲフィルタを備えている。
【００３９】
また、電力増幅部５は、ＦＥＴ（ＭＯＳ型トランジスタ）を用いて構成され、前記フィルタ部４の各出力に対応して４つのＦＥＴ１６，１７（１６，１７）を設けて、各積層型圧電素子６ａ，６ｂに印加する駆動信号を増幅する。
【００４０】
超音波振動子１８（符号６に相当）の共振周波数近傍で発振する駆動信号は、ＣＰＵ２１内のパルス作成部９（符号１に相当）と位相部１０（符号２に相当）にて作成される。この場合、パルス作成部９は、モニタ電極１９（符号７に相当）からの検出信号に応じて、駆動信号の周波数を共振周波数近傍において可変することができるように構成されている。この周波数可変制御については、該ＣＰＵ２１内に記憶されたプログラムにて実行されるようになっている。
【００４１】
一方、位相部１０（符号２に相当）は、信号φ００及び信号φ０１を、９０度、あるいは−９０度ずれた各駆動信号（φ０２信号，φ０３信号）を発生する。これは、被駆動体の動作方向を左右に切替えるものである。この場合、図示はしないが外部スイッチや他のパソコンなどからのＯＮ／ＯＦＦ信号をＣＰＵ２１の入力ポートから読み取り、ＣＰＵ２１は、入力されたＯＮ／ＯＦＦ信号に基づき、９０度あるいは、−９０度の出力を決定して、図示しない被駆動体の動作方向を制御している。
【００４２】
次に、上記構成の駆動回路による動作を図３及び図４を参照しながら詳細に説明する。
【００４３】
ＣＰＵ２１内のパルス作成部９において作成されるφ００信号, φ０１信号は、図３（ａ），図３（ｂ）に示すように、１８０度位相がずれたもので、図２に示すように波形整形部３のＤ−ＦＦ１１及び位相部１０に供給される。なお、図３において、φ０２信号，φ０３信号は、φ００信号，φ０１信号の位相が９０度あるいは−９０度ずれた信号であり、φ００信号, φ０１信号と同一なので省略している。
【００４４】
φ００信号, φ０１信号は、Ｄ-ＦＦ１１に入力されるが、この場合、φ００信号についてはＣＬＫ端子に供給し、φ０１信号についてはリセット端子に供給する。なお、プリセット端子及びＤ端子は、図示しない外部スイッチによりＨレベルとなるように制御される。
【００４５】
また、一方のＤ−ＦＦ１１にも同様に位相部１０からのφ０２信号，φ０３信号が同様に供給されて波形処理が実行されることになる。
【００４６】
本実施の形態において、φ００信号は、超音波振動子１８（符号６に相当）の共振周波数のクロックであり、φ０１信号は、前記φ００信号をデューティ５０％になるように出力される（図３（ａ），図３（ｂ）参照）。
【００４７】
本実施の形態の波形整形部３では、矩形波φ００信号，φ０１信号のデューティ比を約５０％にする。このデューティ比は、超音波モータの効率に大きく影響する。すなわち、超音波振動子１８は、印加する電力のデューティ比が狂うと、最適な超音波楕円振動を励起できず、モータのエネルギー変換効率低下、モータの出力低下を生じることになる。最適な効率を得るためには、デューティ比を約５０％にすることが必要不可欠となる。
【００４８】
このようにＤ−ＦＦ１１により得られた出力が、図３（ｃ），図３（ｄ）に示されている。すなわち、図中上段のＤ−ＦＦ１１の出力であるφ１０信号と、図中下段に示すＤ−ＦＦ１１の出力であるφ２０信号は、それぞれ入力された基準波のデューティ比が５０％であり、該φ２０信号については、前記φ１０信号に対し位相が９０度遅れたものとなる。
【００４９】
各Ｄ−ＦＦ１１の出力されたφ１０信号及びφ２０信号は、それぞれフィルタ部４であるＣＲフィルタ（高周波除去回路ともいう）１５を介して電力増幅部５に供給される。
【００５０】
つまり、超音波モータの駆動に、不要な周波数成分が混じると、異音が発生する虞れがある。このため、本実施の形態では、ＣＲフィルタ１５を用いて不要な周波数成分を除去する処理を施している。
【００５１】
この場合、ＣＲフィルタ１５は、φ１０信号に対しフィルタ処理を施したφ３０信号，φ３１信号と（図３（ｅ）参照）と、φ２０信号に対しフィルタ処理を施したφ３２信号、φ３３信号（図３（ｆ）参照）とを生成し、電力増幅部５のそれぞれ積層型圧電素子６ａ，６ｂに対応するＦＥＴ１６，１７に出力する。
【００５２】
なお、本実施の形態では、図２に示すようにフィルタ部４はＣＲのバントパスフィルタを使用しているが、ＬＣフィルタ、ＣＲフィルタを用いて構成しても良い。
【００５３】
電力増幅部５は、上述したように２つのスイッチング素子であるＦＥＴ１６，１７が用いられており、本実施の形態では、２ＳＪと２ＳＫタイプを組み合わせて使用した。
【００５４】
スイッチング素子であるＦＥＴ１６は、φ３０信号が入力され、ＨのときＯＦＦ，ＬのときＯＮになる。一方のスイッチング素子であるＦＥＴ１７は、φ３１信号が入力され、ＬのときＯＦＦ，ＨのときＯＮになる。こうして、所定の増幅率で増幅された出力信号が駆動信号として積層圧電素子１８ａ（符号６ａに相当）に印加される。
【００５５】
また、残りのスイッチング素子であるＦＥＴについても同様に動作し、もう一方の積層型圧電素子１８ｂに印加される。
【００５６】
そして、超音波振動子１８は、縦共振振動と屈曲共振振動を同時に励起して図示しない駆動子に楕円振動を発生させて被駆動体を駆動させる。
【００５７】
この場合、超音波振動子１８の駆動状態は、縦振動を検出するモニタ電極１９（検出用圧電素子７に相当）によって検出される。このモニタ電極１９は、図１３に示すように、厚み方向に全面分極された圧電素子を基本弾性体の側面に接着されており、該超音波振動子１８の縦振動を検出し、検出結果（φ４０信号）を２値化部８である２値化回路２０に供給する（図３（ｇ）参照）。
【００５８】
通常、超音波振動子１８は、温度変化、経時変化、素子のばらつきによって影響を受け易く、共振周波数をずらす要因になっている。そのため、本実施の形態では、モニタ電極１９を用いて常時該超音波振動子１８の振動状態を観察する。このモニタ電極１９による検出結果、つまり、モニタ電極波形(φ４０信号であり、以下、モニタ波形と称す）が図３（ｇ）に示されている。このようなモニタ波形のφ４０信号が、その後、２値化回路２０によって２値化され、図３（ｈ）に示すデジタル信号（φ４１信号）を得る。
【００５９】
このデジタル化されたφ４１信号は、図２に示すようにＣＰＵ２１の入力ポートを介して、パルス作成部９に入力され、周波数が補正されることになる。
【００６０】
次に、本実施の形態に駆動回路における補正方法を図４及び図８を参照しながら詳細に説明する。
【００６１】
図８は超音波振動子の振幅−周波数特性を実測した時のデータを示す特性図である。なお、図８は、横軸に周波数、縦軸にモニタ信号から進行方向に配置された積層型圧電素子に印加した信号の差（以下、モニタ位相差信号と称す）及びモニタ電極の振幅を示している。また、グラフＶＡ、ＶＢは、−１０℃、１０℃時の振幅を示し、またθＡ、θＢは、−１０℃、１０℃時の位相特性を示している。
【００６２】
通常、超音波振動子は、温度が高くなると共振周波数が低下する。
【００６３】
１０℃における超音波振動子の共振周波数は、図８によりＶＢ(１０℃)の最大振幅値(ＶＢＨ：Ｂ点）より、ｆ＝８２．６ＫＨｚ,２７ＤＥＧである。また、−１０℃における超音波振動子の共振周波数は、ＶＡ(−１０℃)の最大振幅値(ＶＡＨ；Ａ点）より、ｆ＝８２．９ＫＨｚ,２８ＤＥＧである。
【００６４】
モニタ電圧と共振点の関係は、モニタ電圧が最大に振れる最大値が共振点となる。また、共振点は、積層型圧電素子の温度特性に応じて変化するものである。例えば、図８に示すように、ある温度に対してのモニタ電圧ＶＡ，ＶＢ（Ａ点，Ｂ点）は、その振幅の最大値が共振点である。また、共振点時におけるモニタ位相差信号も、一定値存在する。つまり、共振周波数が変化しても、位相差は一定となる。図８に示す特性図では、モニタ電圧ＶＡからＶＢに変化に応じて位相差が、図中に示すＬ矢印方向に平行移動しているのが解る。この場合、位相差は一定であり、周波数ｆｅ分ずれた位相差である。そのため、制御手段であるＣＰＵ２１は、このモニタ信号及び印加信号を２値化し、位相差信号を算出し、この位相差がある所定の範囲になるように、印加信号の周波数を変化させるように制御することで、実現可能になる。
【００６５】
共振点では、モニタ位相差信号は、一定である。つまり、図８に示すように共振点がＶＡＨからＶＢＨに移動すると、モニタ位相差信号も、それに追従して平行移動する（図８中においてθＡがθＢに矢印Ｌ方向に平行移動）。つまり、この位相差信号が一定になるように、駆動信号の周波数を決定すれば良い。
【００６６】
次に、図４を参照しながら、追従方法を説明する。
【００６７】
図４（ａ）はパルス作成部１からの基本信号であるφ００信号、図４（ｂ）はモニタ信号（φ４０信号）、図４（ｃ）はモニタ信号を２値化したφ４１信号である。
【００６８】
図４中のＡの区間は、共振点の波形が示されており、このとき基準となるφ００信号と検出結果としてパルス作成部１に供給されるφ４１信号とは、図中に示すようにΔθの位相差を持つことになる。
【００６９】
また、図４中のＢの区間は、モニタ信号が遅れている波形が示されており、このとき、φ４１信号は、上記Ａの区間と比較すると、Δθだけ位相が遅れているので、該φ４１信号の位相をΔθだけ進めるように周波数を調整する。なお、位相が進んだ場合は、同様に位相差Δθとなるように周波数を微調整すれば良い。その結果、所定の位相差の範囲に入れると、周波数が共振点に近づき、最適な駆動が可能となる。なお、実験では、進行方向と反対側に接着された積層型圧電素子と比較しても良い結果が得られなかった。
【００７０】
以上、説明したように、屈曲信号の共振周波数と、縦振動の共振周波数は、同一ではなく、縦振動の共振周波数を高くすると良い結果が実験により得られた。また、縦振動で且つ進行方向に配置された積層型圧電素子６ａ，６ｂと検出用圧電素子７から出力される信号とを比較したとき、推力が最大となった。
【００７１】
すなわち、本実施の形態では、超音波モータの駆動回路において、超音波モータの駆動方向前側の積層型圧電素子６ａ（６ｂ）に印加する駆動信号（φ００信号、またはφ０２信号）と検出用圧電素子７からの縦振動検出結果（φ４１信号）とを比較し、この比較結果を基にパルス作成部１による発信周波数の変更制御を行うことにより、各積層型圧電素子に与える駆動信号の位相差を一定に保つことができる。つまり、超音波モータにおいて、被駆動体を図１に示す超音波振動子６の積層型圧電素子６ａ側方向（図中上方向）に駆動させる場合には、他方の積層型圧電素子６ｂに印加する駆動信号をπ／２遅らせ、φ００信号とφ４１信号とを比較し、比較結果を基に補正制御し、一方、積層型圧電素子６ｂ側方向（図中下方向）に駆動させる場合には、他方の積層型圧電素子６ａに印加する駆動信号をπ／２進めて、φ０２信号とφ４１信号とを比較し、比較結果を基に補正制御する。これにより、上記実験結果に示すように、電気−機械変換効率を最大に保つことが可能となる。
【００７２】
したがって、本実施の形態によれば、駆動回路の構成が複雑になることなく、所望の状態で駆動でき且つ電気−機械変換効率を最大に保つことができる超音波モータの駆動回路を構成することができる。
次に、本発明の超音波モータの駆動回路の第２の実施の形態を図５乃至図７を参照しながら説明する。
【００７３】
図５乃至図７は本発明の超音波モータの駆動回路の第２の実施の形態を示し、図５は本駆動回路内の波形整形回路の入出力特性を示す特性図、図６は改良がされた波形整形回路の付加回路の構成を示すブロック図、図７は本実施の形態の駆動回路の構成を示すブロック図である。なお、図７は、前記第１の実施の形態と同様な構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【００７４】
本実施の形態の超音波モータの駆動回路は、図７に示すようにフィルタ部４の前段の波形整形部３に、電力増幅部５に使用されている２つのスイッチング素子（ＦＥＴ１６，１７）に印加する信号が同時に駆動しない様に波形を整形する機能を有する回路群を付加したことが、図２に示す前記第１の実施の形態と異なる点である。
【００７５】
この機能を実行する回路群の構成を図５乃至図７を用いて説明をする。
【００７６】
図６に示すように、本実施の形態の波形整形部３には、直列接続される２個の遅延手段としての遅延回路１２，１３（図中には遅延１，遅延２と記載）と、ＡＮＤ素子とで構成される付加回路が備えられている。この付加回路は、図７に示すように、該波形整形部３のＤ−ＦＦ１１とフィルタ部３との間に接続されるようになっている。
【００７７】
上記付加回路においては、Ｄ−ＦＦ１１の出力信号であるφ１０信号（図５（ａ）参照）が供給され、このφ１０信号を２つの遅延回路１２，１３を介することにより２段遅延したφＳ１信号（図５（ｂ）参照）と前記φ１０信号とをＡＮＤ素子１４を用いて、論理積を求め、φＳ２信号（図５（ｃ）参照）が得られる。
【００７８】
そして、前記φＳ２信号と、φ１０信号を遅延回路１２のみで１段遅延したφＳ３信号とを用いて、フィルタ部４を介し電力増幅部５のスイッチング素子であＦＥＴ１６，１７に印加される。この場合、φＳ２信号がＨ、φＳ３信号がＬの条件のとき、２つのＦＥＴ１６，１７は共にＯＮとなり、つまりショート状態になって消費電力の増加、発熱、素子の寿命低下を招く虞がある。
【００７９】
しかしながら、図５（ｃ），図５（ｄ）のφＳ２信号，φＳ３信号を見ても解るように、φＳ２信号がＨ、φＳ３信号がＬとなる条件が無くなり、ショート状態にならない。
【００８０】
なお、遅延量は、スイッチング素子であるＦＥＴ１６，１７のＯＮ／ＯＦＦが区別可能な時間で且つ超音波モータの駆動に影響の無い範囲であり、１００μsec 程度で良い。
【００８１】
他の構成については前記第１の実施の形態と同様である。
【００８２】
したがって、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と略同様の効果が得られる他に、電力増幅部５におけるスイッチング素子の発熱を抑えることができるので、不要な電力を用いず、また電力素子の小型化、放熱の簡素化が可能となる。
【００８３】
次に、本発明の超音波モータの駆動回路の第３の実施の形態を図９乃至図１１を参照しながら説明する。
【００８４】
図９乃至図１１は本発明の超音波モータの駆動回路の第３の実施の形態を示し、図９は本駆動回路の補正概念を説明するための説明図、図１０は改良がなされたパルス作成部１内のアナログ比較回路の構成を示すブロック図、図１１は本駆動回路の特徴となる補正電圧範囲を示す説明図である。なお、図１０は、前記第１の実施の形態と同様な構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。
【００８５】
本実施の形態の駆動回路は、パルス作成部１内において、モニタ波形であるφ４０信号を、スイッチング素子に入力する印加信号(φ３０信号またはφ３２信号)とのアナログ信号で比較するように構成したことが前記第１の実施の形態とは異なる点である。
【００８６】
具体的には、ＣＰＵ２１には、２つの比較器（ウインドコンパレータ）２６，２７と、作動回路２４と、駆動信号の切換を行うスイッチ２２とで構成されたアナログ比較回路が接続される。
【００８７】
上記アナログ比較回路において、図１０に示すように、積層型圧電素子６ａ，６ｂに与える印加信号は、進行方向によりスイッチ２２によるスイッチングによりφ３０信号かφ３２信号かのいずれかが選択されるようになっている。このスイッチ２２の切換は、ＣＰＵ２１の出力ポートからの切換制御信号により切換制御されることになる。
【００８８】
この切換えて取り込まれた印加信号φ５３信号とモニタ波形のφ４０信号とは差動回路２４に入力される。この差動回路２４により得られた差信号であるφ５４信号は、２つの比較器２６，２７に供給される。また、これらの比較器２６，２７の他方の入力端には、それぞれ基準電圧２３，２５が供給される。この基準電圧２３，２５は、共振点時の位相差Δθに対応する電圧ΔＶの上限ΔＶＨ，下限値ΔＶＬを規定する。このΔＶＨ，ΔＶＬの値は、ΔＶに近づけるように設定をする。
【００８９】
さらに詳細に説明すると、図９に示すように、モニタ波形のφ４０信号及び切換えた印加信号であるφ５３信号は、共振点において、ある位相差Δθの関係がある。そして、このΔθに対応する電圧ΔＶが存在する。この場合、このΔＶは予め積層圧電素子６ａ，６ｂの内部抵抗Ｒから算出し求めておく。つまり、このΔＶ分の範囲となるように制御すれば、図９に示すように位相差Δθを一定に保つことができる。
【００９０】
このような制御を実行するためのに、差動回路２４の出力である差信号５４は、上限ΔＶＨ及び下限値ΔＶＬと比較される。
これを、図１１を用いて説明をする。比較器２６は、上限値ΔＶＨ正極の入力端に入力され、前記差信号５４が負極の入力端に入力されている。すなわち、差信号５４が上限値ΔＶＨより低い場合（ΔＶＨ＞ΔＶ）、その出力は、Ｈとなる。またこれとは逆に、差信号５４が上限値ΔＶＨより高い場合（ΔＶＨ＜ΔＶ）は、その出力は、Ｌとなる。
【００９１】
同様に、比較器２７は、差信号５４が正極の入力端に入力され、下限値ΔＶＬが負極の入力端に入力されている。すなわち、差信号５４が下限値ΔＶＬより高い場合（ΔＶ＞ΔＶＬ）、その出力は、Ｈとなる。またこれとは逆に、差信号５４が下限値ΔＶＬより低い場合（ΔＶ＜ΔＶＬ）は、その出力は、Ｌとなる。
【００９２】
つまり、差信号５４の電圧ΔＶがある範囲ΔＶＨ＞ΔＶ＞ΔＶＬの関係になったとき、比較器２６，２７の出力は共にＨとなる。このとき、共振範囲となる。したがって、ＣＰＵ２１は、比較器２６，２７の出力信号５７，５８が共にＨになるように、周波数を調整する。
【００９３】
その他の構成は、前記第１の実施の形態と略同様である。
【００９４】
したがって、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様の効果が得られる他に、モニタ波形信号と印加信号とをＣＰＵを用いず判定することで、処理の高速化が可能となり、また、回路構成を単純化できるので製造コストの低減化にも大きく寄与する。
【００９５】
なお、本発明に係る第１乃至第３の実施の形態では、振動検出用圧電素子による共振縦振動の検出信号（モニタ波形）と、被駆動体の進行方向前側の積層型圧電素子に印加する駆動信号との位相差が所定範囲となるように説明したが、この所定範囲とは、駆動信号及び検出信号の振幅が最大となる際の位相差の範囲内であり、また、この最大の振幅は超音波振動子に搭載される積層型圧電素子によって決定されるものである。
【００９６】
【発明の効果】
本発明により、回路構成を簡略化し且つ高効率で超音波モータを所望の状態で駆動することができ、また電気部品が小型のため、トランスや、コイル等大型部品が不要あるので、小型化，軽量化が実現可能となる超音波モータの駆動回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータの駆動回路の第１実施の形態を示し、本実施の形態における超音波モータの駆動回路の構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す駆動回路の詳細な回路構成を示す回路図。
【図３】図２中の各回路の出力波形を示すタイミングチャート。
【図４】本駆動回路による補正動作を説明するための説明図。
【図５】本発明の超音波モータの駆動回路の第２の実施の形態を示し、本駆動回路内の波形整形回路の入出力特性を示すタイミングチャート。
【図６】改良がされた波形整形回路の付加回路の構成を示すフロック図。
【図７】本実施の形態の駆動回路の構成を示すブロック図。
【図８】超音波振動子の振幅−周波数特性を実測した時のデータを示す特性図。
【図９】本発明の超音波モータの駆動回路の第３の実施の形態を示し、本駆動回路の補正概念を説明するための説明図。
【図１０】改良がなされたパルス作成部内のアナログ比較回路の構成を示すブロック図。
【図１１】本駆動回路の特徴となる補正電圧範囲を説明するための説明図。
【図１２】従来の超音波振動子の駆動装置の構成を示すブロック図。
【図１３】他の従来の超音波リニアモータに搭載された超音波振動子を示す正面図。
【符号の説明】
１，９…パルス作成部、
２，１０…移相器（移相部）、
３…波形整形部、
４…フィルタ部、
５…電力増幅部、
６…超音波振動子、
６ａ，６ｂ，１８ａ，１８ｂ…積層型圧電素子、
７，１９…振動検出用圧電素子、
８，２０…２値化部、
１１…Ｄ−ＦＦ、
１２，１３…遅延回路、
１４…ＡＮＤ素子、
１５…高周波除去回路、
１６，１７…スイッチング素子（ＭＯＳ型ＦＥＴ）、
２１…制御手段（ＣＰＵ）、
２２…スイッチ。

Claims

駆動方向に直列に配置された２つの積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子を保持すると共に振動体として作用する弾性体と、駆動子と、振動検出用圧電素子と、前記駆動子と接触する被駆動体とを有し、縦共振振動と屈曲共振振動を同時に励起して前記駆動子に楕円振動を発生させて前記被駆動体を駆動させる超音波モータの駆動回路であって、
前記超音波モータの駆動回路は、
前記２つの積層型圧電素子に印加する９０度位相のずれた駆動信号を生成し、前記超音波振動子の共振周波数を中心に所定の幅で駆動信号の周波数を変化することのできる駆動信号生成部と、
前記振動検出用圧電素子の検出信号と、前記被駆動体の進行方向前側に配置された積層型圧電素子に印加する駆動信号との位相差が所定の範囲内になるように前記駆動信号生成部を制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とする超音波モータの駆動回路。
前記駆動信号生成部は、
前記駆動信号を発振するもので、前記超音波振動子の共振周波数を中心に所定の幅で前記駆動信号の周波数を変化することのできるパルス作成部と、
前記パルス作成部の出力を移相して９０度位相のずれた少なくとも２つの矩形波信号を出力し、且つディユーティ比が約５０％となるように処理を施す波形整形部と、
前記波形整形部からの出力の高調波成分を除去する除去機能を具備したフィルタ部と、
前記フィルタ部によるフィルタ処理後の信号を入力して増幅し、交流番圧の前記駆動信号を発生させて前記積層型圧電素子に印加する電力増幅部と、
前記振動検出用圧電素子により検出された検出信号を２値化して前記制御手段に供給する２値化部と、を具備して構成したことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの駆動回路。
前記制御手段は、前記２値化部からの検出信号と前記被駆動体の進行方向前側に配置された積層型圧電素子に印加する駆動信号との比較を行い、比較結果に基づき前記検出信号と前記駆動信号との位相差が所定の範囲内になるように前記パルス作成部による発信周波数を可変制御す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回路。
前記電力増幅部は、前記積層型圧電素子に電荷の充電と放電をそれぞれ行うことで増幅して交流番圧の駆動信号を発生させる２つのスイッチング素子で構成され、
前記波形整形部は、前記２つのスイッチング素子が同時に駆動しないように波形を整形する回路を具備した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回路。
前記振動検出用圧電素子は、前記超音波振動子の縦共振振動を検出した検出信号を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の超音波モータの駆動回路。