JP4433266B2 - 超音波モータの駆動装置及び駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波モータを駆動する超音波モータの駆動装置及び駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧電素子等が発生した高周波弾性振動を摩擦力を使って機械的出力に変換する超音波モータが実用されている。この超音波モータは、電磁式のモータに比べて低速で高いトルクが得られるとともに応答速度も速いため、次世代アクチュエータとして注目されている。
超音波モータとして、一般に円板型のものが多く、図９に示すように、円板型の超音波モータ１００は、リング状に形成された金属等からなる弾性体１０１に圧電セラミックス等の圧電素子１０２を接着した振動体１０３と、振動体１０３との接触面に摩擦材１０４が設けられた移動体１０５とから構成されている。
圧電素子１０２は、図１０に示すように、振動体１０３の厚さ方向に分極しており、この圧電素子１０２には、たわみ振動の半波長相当の長さの電極１０６が複数個設けられている。このような圧電素子１０２に対し１／４波長ずれた２つの交流電力を加えると、振動体１０３に１／４波長ずれたたわみ振動の２つの定在波が励振される。
【０００３】
振動体１０３に２つの定在波が励振されると、図１１に示すように、振動体１０３の表面の任意の点が楕円の軌跡を描くように運動し、振動体１０３に擬似的な進行波が励振される。擬似的に進行波が生じている振動体１０３に対し移動体１０５を加圧すると、摩擦材１０４による摩擦力で振動体１０３が進行波の進行方向と逆の方向に回転することとなる。
【０００４】
このように超音波モータ１００は、１／４波長ずらして形成された複数の圧電素子１０２の電極１０６に対し位相が９０°ずれた２相の交流電圧が印加されることにより振動体１０３がたわみ振動の進行波を励振し、この振動体１０３の振動に応じて移動体１０５が回転移動する。
また、振動体１０３の駆動端子からみた等価回路は、図１２に示すように、圧電素子１０２単体の電気的性質を示す回路である電気腕１２１と、超音波モータ１００の機械的性質を表す回路である機械腕１２２との並列回路で表される。機械腕１２１は、キャパシタンスＣｄで表され、機械腕１２２は、キャパシタンスＣｍ、インダクタンスＬｍ、抵抗Ｒｍで表される。
このような振動体１０３の駆動端子からみたアドミッタンスの周波数特性は、例えば図１３に示すようになり、振動体１０３の振動の大きさは、端子１０６に流れる電流の大きさに比例する。同じ電圧で駆動すれば、電流はアドミッタンスに比例することとなる。従って図１３においてＢに示すような振動体１０３の共振周波数近傍で駆動すれば、比較的に低い駆動電圧で振幅の大きな振動を得ることができ、移動体１０５が高い効率で回転移動する。
【０００５】
一方、超音波モータの駆動装置として特許文献１に示すような駆動装置が知られている。この超音波モータの駆動装置は、振動体を構成する圧電素子に供給される交流電圧を検出する駆動電圧検出部と、圧電素子に供給される交流電圧により圧電素子に流れる交流電流を検出する駆動電流検出部と、飽和レベルにまで増幅された電圧検出信号と電源電圧とを比較し電圧検出信号のゼロクロス点でオンオフするパルス信号を発生する第１及び第２のコンパレータと、対応する第１または第２のコンパレータから出力されるパルス信号の立上りエッジのタイミングで電圧位相（電流位相）トリガパルスを発生する第１及び第２のモノマルチバイブレータと、電圧位相トリガパルスと電流位相トリガパルスとの位相差に応じた時間幅のパルス信号を出力するフリップフロップ回路と、フリップフロップ回路から出力されたパルス信号を平滑化する積分回路と、入力されたアナログ制御電圧に応じてクロック信号を発生するＶＣＯとを備えている。
【０００６】
また、この超音波モータの駆動装置は、更に、正弦波または９０°位相がずれた余弦波の１波長分の振幅データをｎ分割してサンプリングし０〜（ｎ−１）のアドレスに対応させ、カウントした値のアドレスの振幅データを読み出す第１及び第２の波形発生部と、正弦波信号または余弦波信号を電力増幅して振動体に供給する第１及び第２のパワーアンプと、駆動電流検出部により検出された検出信号をピークホールドしてピーク値を検出するピークホールド回路と、ピークホールド回路からのピーク値と速度制御のための基準電圧とを比較して駆動電圧を可変するゲイン制御回路と、インピーダンス補償を行ってサーボ制御の安定性を高める外部インダクタとを備えて構成されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−７８４７２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示すような円板型の超音波モータ１００においては、圧電素子１０２からの信号をもとに共振周波数での発振信号を発生させ、これにより振動体１０３に交流電圧を印加し駆動させるという方法が一般的であるが、この場合、共振周波数を検出する圧電振動子が駆動用の他に余分に必要となりモータの小型化には不向きであるという欠点がある。
また、検出用の圧電振動子からの信号を移相回路により発振条件となる位相に調整して増幅器で増幅し、駆動用の圧電素子１０２に加え自励発振させ駆動する場合、振動体１０３、及び移相回路は位相を変化させる素子であるため、位相条件が適さない場合があり、この時には発振しないという課題がある。
また、別個の発振回路により駆動する場合は、温度、負荷等の条件により共振周波数が変化した場合、超音波モータ１００の駆動効率が低下するという課題がある。
一方、特許文献１に記載された超音波モータの駆動装置においては、共振周波数により駆動制御を行うよう構成されているが、精密な駆動制御を必要としない超音波モータ用としては、駆動装置を構成する回路構成に用いる部品点数が多く非常に複雑であり、従って製造に多くの時間を要するとともに、コスト的にも高価になるという欠点があった。
【０００９】
本発明は、以上のような課題に鑑みなされたもので、簡易な構成で発振周波数を制御し、これにより超音波モータの小型化が容易であり、かつ位相条件の変化や共振周波数の変化にも適切に対応することができ、しかも使用する部品点数を低減し、これにより製造が容易であるとともに低コスト化をも可能にする超音波モータの駆動装置及び駆動方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる超音波モータの駆動装置は、上述した課題を解決すべく、交流電圧の供給により振動する振動体と、この振動体の振動により移動する移動体とを備える超音波モータの駆動装置において、前記振動体に与える交流電圧を昇圧する昇圧駆動手段と、前記交流電圧の電圧レベルを検出しトリガ信号を出力する検出手段と、前記トリガ信号を基準として所要の発振周波数で所定の時間幅のパルス信号を生成し前記昇圧駆動手段の入力に帰還させることにより自励発振させ、これにより前記振動体を振動させる帰還パルス生成手段と、前記発振周波数のパルスデューティを所定の値に設定するパルスデューティ設定手段と、前記交流電圧を取り込む第１のインバータ、微分回路及び第２のインバータを備え前記交流電圧の波形にマスキングを施して前記トリガ信号を出力するマスキング手段を有し、前記第１のインバータは前記交流電圧から予め設定された所定の第１の閾値を越える電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しローレベル出力を行い、交流電圧から予め設定された所定の第２の閾値より低い電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しハイレベル出力を行い、該第２のインバータは前記微分回路からの立下りの出力時に前記帰還パルス生成手段へのトリガ信号を出力して双方でヒステリシスを設けるようにしたものである。
そのため、振動体に与える交流電圧を昇圧駆動手段により昇圧するとともに、検出手段により当該交流電圧から所要の閾値を越える電圧レベルを検出してトリガ信号を出力し帰還パルス生成手段に入力する。そして、帰還パルス生成手段によりトリガ信号を基準として所要の発振周波数で所定の設定時間幅のパルス信号を生成し昇圧駆動手段に帰還させることで自励発振させ、これにより振動体を安定して効率良くたわみ振動させ、移動体を効率良く移動させる。
【００１１】
また、本発明に係わる超音波モータの駆動装置は、複数相の各交流電圧の供給に対応して振動する複数群の振動体と、これらの振動体の振動により移動する移動体とを備え、前記複数群の振動体に与える各交流電圧を昇圧する複数の昇圧駆動手段と、前記交流電圧の電圧レベルを検出しトリガ信号を出力する検出手段と、前記トリガ信号を基準として所要の発振周波数で所定の時間幅のパルス信号を、位相を異ならせて生成し前記複数の昇圧駆動手段の入力に帰還させることにより自励発振させ、これにより前記複数群の振動体を振動させる複数の帰還パルス生成手段と、前記発振周波数のパルスデューティを所定の値に設定するパルスデューティ設定手段と、前記交流電圧を取り込む第１のインバータ、微分回路及び第２のインバータを備え前記交流電圧の波形にマスキングを施して前記トリガ信号を出力するマスキング手段を有し、前記第１のインバータは前記交流電圧から予め設定された所定の第１の閾値を越える電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しローレベル出力を行い、交流電圧から予め設定された所定の第２の閾値より低い電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しハイレベル出力を行い、該第２のインバータは前記微分回路からの立下りの出力時に前記帰還パルス生成手段へのトリガ信号を出力して双方でヒステリシスを設けるようにしたものである。
そのため、検出手段により昇圧駆動手段が昇圧した交流電圧から所要の閾値を越える電圧レベルを検出したことによるトリガ信号を基準とし、複数の帰還パルス生成手段により所要の発振周波数で所定の設定時間幅のパルス信号を位相を異ならせて生成し複数の昇圧駆動手段に帰還させることで自励発振させ、これにより複数群の振動体を安定して効率良くたわみ振動させる。
【００１２】
また、本発明に係わる超音波モータの駆動方法は、交流電圧の供給により振動する振動体と、この振動体の振動により移動する移動体とを備える超音波モータの駆動方法において、前記振動体に与える交流電圧を昇圧し、前記交流電圧の電圧レベルをある閾値で検出してトリガ信号を出力し、前記トリガ信号を基準として所要の発振周波数で所定の時間幅のパルス信号を生成し前記交流電圧に帰還させることにより自励発振させ、これにより前記振動体を振動させ、前記発振周波数のパルスデューティを所定の値に設定し、前記交流電圧を取り込む第１のインバータ、微分回路及び第２のインバータを備えるマスキング手段が前記交流電圧の波形にマスキングを施して前記トリガ信号を出力し、前記第１のインバータが、前記交流電圧から予め設定された所定の第１の閾値を越える電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しローレベル出力を行い、交流電圧から予め設定された所定の第２の閾値より低い電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しハイレベル出力を行い、該第２のインバータが前記微分回路からの立下りの出力時に前記帰還パルス生成手段へのトリガ信号を出力し、前記交流電圧から前記トリガ信号を検出する際ヒステリシスを設けるようにしたものである。
そのため、振動体に与える交流電圧を昇圧するとともに、当該交流電圧から所要の閾値を越える電圧レベルを検出したことによるトリガ信号を基準として所要の発振周波数で所定の時間幅のパルス信号を生成し当該交流電圧に帰還させることで自励発振させ、これにより振動体を安定して効率良くたわみ振動させる。
【００１３】
また、本発明に係わる超音波モータの駆動方法は、複数相の各交流電圧の供給に対応して振動する複数群の振動体と、これらの振動体の振動により移動する移動体とを備える超音波モータの駆動方法において、前記複数群の振動体に与える各交流電圧を昇圧し、前記交流電圧の電圧レベルをある閾値で検出してトリガ信号を出力し、前記トリガ信号を基準として所要の発振周波数で所定の時間幅の複数のパルス信号を、位相を異ならせて生成し前記各交流電圧に個別に帰還させることにより自励発振させ、これにより前記複数群の振動体を振動させ、前記発振周波数のパルスデューティを所定の値に設定し、前記交流電圧を取り込む第１のインバータ、微分回路及び第２のインバータを備えるマスキング手段が前記交流電圧の波形にマスキングを施して前記トリガ信号を出力し、前記第１のインバータが、前記交流電圧から予め設定された所定の第１の閾値を越える電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しローレベル出力を行い、交流電圧から予め設定された所定の第２の閾値より低い電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しハイレベル出力を行い、該第２のインバータが前記微分回路からの立下りの出力時に前記帰還パルス生成手段へのトリガ信号を出力し、前記交流電圧から前記トリガ信号を検出する際ヒステリシスを設けるようにしたものである。
そのため、交流電圧から所要の閾値を越える電圧レベルを検出したことによるトリガ信号を基準とし、所要の発振周波数で所定の時間幅の複数のパルス信号を位相を異ならせて生成し当該複数相の交流電圧に個別に帰還させることで自励発振を行わせ、これにより複数群の振動体を安定して効率良くたわみ振動させる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照し本発明の第１の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の構成を示す回路構成図である。
図１に示すように、本例の超音波モータの駆動装置は、昇圧駆動手段２、検出手段としての抵抗ＶＲ１２、帰還パルス生成手段としてのモノマルチバイブレータＩＣ１１などを備えて構成されている。
昇圧駆動手段２は、トランジスタＴｒ１と、例えば+５Ｖのレギュレータ電圧を供給する電源とトランジスタＴｒ１のコレクタとの間に接続されたインダクタンスＬと、レギュレータ電圧を供給する電源とトランジスタＴｒ１のベースとの間に接続された抵抗Ｒ１２と、トランジスタＴｒ１のエミッタとベースとの間に接続されたキャパシタンスＣ１２とを備えて構成されている。
【００１５】
抵抗ＶＲ１２は、トランジスタＴｒ１のコレクタ側に接続されており、抵抗値を可変にすることが可能である。抵抗ＶＲ１２は、トランジスタＴｒ１を介し昇圧された交流電圧を分圧するとともに、この分圧交流波形からある閾値を越える電圧レベル（例えば共振周波数の電圧レベル）を検出し、モノマルチバイブレータＩＣ１１に対しトリガ信号を出力する。
モノマルチバイブレータＩＣ１１は、Ｌレベルに設定されたポート１２、抵抗ＶＲ１２からのトリガ信号を入力するポート１３、Ｈレベルに設定されたＣＬＲ用のポート１４、キャパシタンスＣ１１の接続用のポート１５、可変抵抗ＶＲ１１の接続用のポート１６、内部で生成したパルス信号の出力用のポート１７、及び内部で生成したパルス信号の反転出力用のポート１８を備えており、ポート１５にはキャパシタンスＣ１１が接続されるとともに、ポート１６には電源に通じる可変抵抗ＶＲ１１が接続されている。またキャパシタンスＣ１１の他方端はポート１６側に接続されている。
このモノマルチバイブレータＩＣ１１は、前記トリガ信号を基準として所要の発信周波数を設定するとともに、この発振周波数で所定の設定時間幅を有するパルス信号を生成する。また、モノマルチバイブレータＩＣ１１は、内部で生成したパルス信号をポート１７から抵抗Ｒ１１を介してトランジスタＴｒ１のベースに帰還させ、これにより自励発振を行わせる。
なお、モノマルチバイブレータＩＣ１１が生成するパルス信号の設定時間幅を調整するための時間幅調整手段は、ポート１５に接続されたキャパシタンスＣ１１と、電源とポート１６との間に接続された可変抵抗ＶＲ１１とで構成されている。
【００１６】
次に、第１の実施の形態の超音波モータの駆動装置の動作について説明する。
まず、インダクタンスＬにレギュレータ電圧が供給されると、発振作用が生じ抵抗ＶＲ１２から分圧された交流電圧を取り出すことが可能となり、かつ抵抗ＶＲ１２の抵抗値の関係で交流電圧から所要の閾値を越える電圧レベルのトリガ信号が出力される。
このトリガ信号はモノマルチバイブレータＩＣ１１のポート１３に入力されるため、このときモノマルチバイブレータＩＣ１１が、トリガ信号を基準として発振周波数を設定するとともに、時間幅調整手段としてのキャパシタンスＣ１１の容量、及び可変抵抗ＶＲ１１の抵抗値の設定にも対応した所定の設定時間幅のパルス信号を生成する。そして、発振周波数及び所定の時間幅の設定されたパルス信号は、ポート１７から抵抗Ｒ１１を介してトランジスタＴｒ１のベースに帰還される。
【００１７】
この場合、昇圧駆動手段２としてのトランジスタＴｒ１側ではパルス信号の入力に対応した発振周波数の交流電圧を生成するとともに、モノマルチバイブレータＩＣ１１へのトリガ信号の再入力に伴うパルス信号の引き続く帰還に応じて安定した発振周波数で昇圧された交流電圧を定め、かつこの交流電圧を超音波モータを構成する圧電素子１０２へ供給し超音波モータを安定して駆動する。これにより超音波モータの振動体１０３を安定して効率良くたわみ振動させ、超音波モータの移動体１０５を効率良く移動させることができる。
一方、モノマルチバイブレータＩＣ１１の可変抵抗ＶＲ１１の抵抗値を調節することによりパルス信号に変化を与え、これにより超音波モータの駆動速度を変化させることも可能である。
したがって、第１の実施の形態の超音波モータの駆動装置によれば、共振周波数を検出する構成の簡素化が容易であり超音波モータの小型化に適する他、位相条件に適宜対応し確実に自励発振を継続することができる。このため、超音波モータの駆動効率を向上させることができ、しかも使用する部品点数が少なく製造が容易であり低コスト化を実現する上で有利となる。
なお、本例の超音波モータの駆動装置１を構成する回路構成にあっては、あらかじめ組み込んだインダクタンスＬを用いて対応しているが、図２に示すように、インダクタンスＬの代わりに図１２の等価回路に示した圧電素子１０２を示すインダクタンスＬｍを用いても良く、上述と同様の作用効果を奏することは勿論である。
【００１８】
次に、図３を参照し本発明の第２の実施の形態について説明する。
図３は本発明の第２の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の構成を示す回路構成図であり、図１と同一部分には同一符号を付し重複する説明は省略する。
図３に示すように、本例の超音波モータの駆動装置は、トランジスタＴｒ１のコレクタ側に対し接続したキャパシタンス（結合コンデンサ）Ｃ１３、キャパシタンスＣ１３と接地との間に接続した圧電素子１０２を示すインダクタンスＬｍ、インダクタンスＬｍに対し並列に接続した抵抗ＶＲ１２などを備えて構成されている。
トランジスタＴｒ１により昇圧された交流電圧、すなわちモノマルチバイブレータＩＣ１１から発振周波数、及び時間幅の設定されたパルス信号が帰還されることにより自励発振し、かつ昇圧された交流電圧は、キャパシタンスＣ１３を通して圧電素子１０２であるインダクタンスＬｍに供給される。
以上説明したように、第２の実施の形態の超音波モータの駆動装置においても、第１の実施の形態と同様に、モノマルチバイブレータＩＣ１１へのトリガ信号の再入力に伴うパルス信号の引き続く帰還に応じて安定した発振周波数で昇圧された交流電圧を定め、かつこの交流電圧を超音波モータへ供給することで、超音波モータの振動体１０３を安定して効率良くたわみ振動させ、超音波モータの移動体１０５を効率良く移動させることができる。
したがって、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、構成の簡素化によって超音波モータを小型化し、位相条件に適宜対応し確実に自励発振を継続することができ、超音波モータの駆動効率を向上させることができ、部品点数を削減して低コスト化を実現する上で有利となる。
なお、図３に示すように、本例では、昇圧駆動手段２のインダクタンスには符号Ｌ１１が付されているが、これは図１に示した場合と基本的に同一のものであると考えても良く、あるいは特性が異なるものであると考えても良い。
【００１９】
次に、図４を参照し本発明の第３の実施の形態について説明する。
図４は本発明の第３の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の構成を示す回路構成図であり、図３と同一部分には同一符号を付し重複する説明は省略する。
図４に示すように、本例の超音波モータの駆動装置は、図３に示す回路構成に対し発振周波数を設定するモノマルチバイブレータＩＣ２１を備えるとともに、モノマルチバイブレータＩＣ１１にパルスデューティ設定手段としての機能をもたせたものである。
モノマルチバイブレータＩＣ２１は、Ｌレベルに設定されたポート２２、抵抗ＶＲ１２からのトリガ信号を入力するポート２３、Ｈレベルに設定されたＣＬＲ用のポート２４、キャパシタンスＣ１４の接続用のポート２５、可変抵抗ＶＲ１３の接続用のポート２６、内部で生成した所要の発振周波数のパルス信号出力用のポート２７、及び内部で生成した所要の発振周波数のパルス信号反転出力用のポート２８を備えており、ポート２５にはキャパシタンスＣ１４が接続されるとともに、ポート２６には電源に通じる可変抵抗ＶＲ１３が接続されている。またキャパシタンスＣ１４の他方端はポート２６側に接続されている。
【００２０】
このモノマルチバイブレータＩＣ２１は、前記トリガ信号を基準として所要の発信周波数を設定するとともに、この発振周波数で所定の設定時間幅を有するパルス信号を生成し、このパルス信号を反転してポート２８からモノマルチバイブレータＩＣ１１の入力用のポート１３に対し出力する。
ただしパルス信号を反転し出力する場合、トリガ信号の立上りに対しディレーを与え、これにより発振周波数に変化を与えるものでもある。また具体的には、モノマルチバイブレータＩＣ２１は、トリガ信号を基準としてキャパシタンスＣ１４、及び可変抵抗ＶＲ１３で設定した時間分のパルスをＬレベルとして出力する。
すなわちキャパシタンスＣ１４、及び可変抵抗ＶＲ１３には発振周波数の調整手段としての働きがあり、可変抵抗ＶＲ１３の調整で発振周波数を任意に設定することが可能である。
【００２１】
モノマルチバイブレータＩＣ１１は、モノマルチバイブレータＩＣ２１から入力された発振周波数及び時間幅の設定されているパルス信号に対し、可変抵抗ＶＲ１１の調整に応じたパルスデューティを設定し、パルスデューティの設定されたパルス信号をポート１７から抵抗Ｒ１１を介してトランジスタＴｒ１のベースに帰還させ、これにより自励発振を行わせる。
また具体的には、モノマルチバイブレータＩＣ１１は、モノマルチバイブレータＩＣ２１からのパルス信号の立上りを基準としてキャパシタンスＣ１１及び抵抗ＶＲ１１で設定した時間分をＨレベルとするパルス信号を出力する。
すなわち、本例の場合、キャパシタンスＣ１１及び可変抵抗ＶＲ１１にはパルスデューティを調整する調整手段としての働きがあり、従って可変抵抗ＶＲ１１を調整することにより発振周波数のデューティを変化させ、トランジスタＴｒ１により昇圧された交流電圧の波形にも変化を与えるものである。
【００２２】
また、第３の実施の形態の超音波モータの駆動装置においても、第１、第２の実施の形態と同様に、安定した発振周波数で昇圧された交流電圧を定め、かつこの交流電圧を超音波モータへ供給することで、超音波モータの振動体１０３を安定して効率良くたわみ振動させ、超音波モータの移動体１０５を効率良く移動させることができる。
したがって、第３の実施の形態においても、第１、第２の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００２３】
次に、図５を参照し本発明の第４の実施の形態について説明する。
図５は本発明の第４の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の構成を示す回路構成図であり、図４と同一部分には同一符号を付し重複する説明は省略する。
図５に示すように、本例の超音波モータの駆動装置は、図４に示す回路構成に対し昇圧された交流電圧の波形にマスキングを施してトリガ信号を出力するマスキング手段３を備えたものである。なお、図５では圧電素子１０２を示すインダクタンスＬｍの代わりにインダクタンスＰＡを図示している。
マスキング手段３は、抵抗ＶＲ１２により分圧した交流電圧を取り込む第１のシュミットトリガインバータＩＣ３２と、微分回路を構成するキャパシタンスＣ３及び抵抗Ｒ３と、第２のシュミットトリガインバータＩＣ３３とを備えて構成されている。
第１のシュミットトリガインバータＩＣ３２はあらかじめ設定したある値のＨレベルを第１の閾値とし、かつある値のＬレベルを第２の閾値とし、図６に示すように、交流電圧から第１の閾値を越える電圧レベルを検出した場合にキャパシタンスＣ３に対し反転出力（すなわちＬ出力）を行う一方で、交流電圧から第２の閾値より低い電圧レベルを検出した場合にキャパシタンスＣ３に対し更に反転出力（すなわちＨ出力）を行う。第２のシュミットトリガインバータＣ３３は微分回路からの立下りの出力時にモノマルチバイブレータＩＣ２１へのトリガ信号を出力する。
【００２４】
すなわちマスキング手段３を備えた場合、交流電圧の波形に対しＨレベルの第１の閾値、及びＬレベルの第２の閾値を設定し双方でヒステリシスを設けるため、図６に示すように、交流電圧に通常発生する高調波成分、もしくは発振条件で発生する高調波成分等を含むチャタリングが生じても支障なくトリガ信号を出力し超音波モータを安定して駆動することができる。
また、第４の実施の形態の超音波モータの駆動装置においても、第１乃至第３の実施の形態と同様に、安定した発振周波数で昇圧された交流電圧を定め、かつこの交流電圧を超音波モータへ供給することで、超音波モータの振動体１０３を安定して効率良くたわみ振動させ、超音波モータの移動体１０５を効率良く移動させることができる。
したがって、第４の実施の形態においても、第１乃至第３の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００２５】
次に、図７を参照し本発明の第５の実施の形態について説明する。
図７は本発明の第５の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の構成を示す回路構成図であり、図５と同一部分には同一符号を付し重複する説明は省略する。
図７に示すように、図５に示したものに等しいモノマルチバイブレータＩＣ１１は第１のパルスデューティ設定手段を構成し、同じくモノマルチバイブレータＩＣ２１は第１の発振周波数の設定手段（すなわち第１の帰還パルス生成手段に相当する）を構成する。
また、本例では図５に示した昇圧駆動手段２に等しい第１の昇圧駆動手段２を備える。また、第１の昇圧駆動手段２で昇圧した交流電圧を与えるべき圧電素子（すなわち図５にはインダクタンスＬｍで示している）１０２としては、振動体１０３の各々の圧電素子１０２，１０２のうち、一方の第１群の圧電素子１０２であり、これをインダクタンスＰＡとして図示し適用するものである。
そのため、本例の超音波モータの駆動装置は、図５に示す回路構成に対し、配線回路Ｓを介して取り込んだトリガ信号を基準として位相が９０°ずれた発振周波数で所定の設定時間幅のパルス信号を生成する第２の発振周波数の設定手段、すなわち第２の帰還パルス生成手段に相当するモノマルチバイブレータＩＣ４１と、第２のパルスデューティ設定手段に相当するモノマルチバイブレータＩＣ５１と、第２の昇圧駆動手段４とを備えたものである。
また、特に第２の昇圧駆動手段４が昇圧した交流電圧を与える圧電素子１０２としては、本例では、振動体１０３の各々の圧電素子１０２，１０２のうち、位相が９０°ずれる交流電圧を受けて振動する他方の第２群の圧電素子１０２であり、これをインダクタンスＰＢとして図示し適用するものである。
【００２６】
モノマルチバイブレータＩＣ４１は、Ｌレベルに設定されたポート４２、配線回路Ｓを介し抵抗ＶＲ１２からのトリガ信号を入力するポート４３、Ｈレベルに設定されたＣＬＲ用のポート４４、キャパシタンスＣ２４の接続用のポート４５、可変抵抗ＶＲ２３の接続用のポート４６、内部で生成した所要の発振周波数のパルス信号出力用のポート４７、及び内部で生成した所要の発振周波数のパルス信号反転出力用のポート４８を備えている。
ポート４５にはキャパシタンスＣ２４が接続されるとともに、ポート４６には電源に通じる可変抵抗ＶＲ２３が接続されている。またキャパシタンスＣ２４の他方端はポート４６側に接続されている。
したがって、モノマルチバイブレータＩＣ４１には、キャパシタンスＣ２４、可変抵抗ＶＲ２３、及びスイッチ手段ＳＷにより位相調整手段が構成されている。
可変抵抗ＶＲ２３はパルス信号の位相を例えば９０°ずらす働きを有するものである。なお、可変抵抗ＶＲ２３の調整によって位相を任意に変更することも可能である。
【００２７】
このモノマルチバイブレータＩＣ４１は、前記トリガ信号を基準とし、可変抵抗ＶＲ２３により位相が９０°遅れるか進むかした所要の発信周波数を設定するとともに、この発振周波数で所定の時間幅を有するパルス信号を生成し、このパルス信号を反転してポート４８からモノマルチバイブレータＩＣ５１の入力用のポート５３に対し出力する。
ただし、この場合もパルス信号を反転し出力する場合、トリガ信号の立上りに対しディレーを与え、これにより発振周波数に変化を与えるものでもあるが、いずれにせよ位相を９０°ずらすことで超音波モータのＣＷ／ＣＣＷを制御することが可能となる。
【００２８】
モノマルチバイブレータＩＣ５１は、Ｌレベルに設定されたＧＮＤ用のポート５２、モノマルチバイブレータＩＣ４１からのパルス信号を入力するポート５３、ＣＬＲ用のポート５４、キャパシタンスＣ２１の接続用のポート５５、可変抵抗ＶＲ２１の接続用のポート５６、内部で生成したパルス信号の出力用のポート５７、及び内部で生成したパルス信号の反転出力用のポート５８を備えており、ポート５５にはキャパシタンスＣ２１が接続されるとともに、ポート５６には電源に通じる可変抵抗ＶＲ２１が接続されている。またキャパシタンスＣ２１の他方端はポート５６側に接続されている。
【００２９】
モノマルチバイブレータＩＣ５１は、モノマルチバイブレータＩＣ４１から入力された発振周波数及び時間幅の設定されているパルス信号に対し、可変抵抗ＶＲ２１の調整に応じたパルスデューティを設定し、パルスデューティの設定されたパルス信号をポート５７から抵抗Ｒ２１を介して第２の昇圧駆動手段４のトランジスタＴｒ２のベースに供給する。
また、具体的には、モノマルチバイブレータＩＣ５１は、モノマルチバイブレータＩＣ４１からのパルス信号の立上りを基準としてキャパシタンスＣ２１及び可変抵抗ＶＲ２１で設定した時間分をＨレベルとするパルス信号を出力する。
【００３０】
すなわち、キャパシタンスＣ２１及び可変抵抗ＶＲ２１にはパルスデューティを調整する調整手段としての働きがあり、従って可変抵抗ＶＲ２１を調整することにより発振周波数のデューティを変化させ、トランジスタＴｒ２により昇圧された交流電圧の波形にも変化を与えるものである。
【００３１】
第２の昇圧駆動手段４は、トランジスタＴｒ２と、例えば+５Ｖのレギュレータ電圧を供給する電源とトランジスタＴｒ２のコレクタとの間に接続されたインダクタンスＬ２１と、レギュレータ電圧を供給する電源とトランジスタＴｒ２のベースとの間に接続された抵抗Ｒ２２と、トランジスタＴｒ２のエミッタとベースとの間に接続されたキャパシタンスＣ２２とを備えて構成されている。また、トランジスタＴｒ２のコレクタ側にはキャパシタンスＣ２３を介し上述した圧電素子１０２を示すインダクタンスＰＢが接続されている。
【００３２】
次に、図７及び図８を参照し第５の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の動作について説明する。
まず、モノマルチバイブレータＩＣ１１の電源ＯＮ状態において、モノマルチバイブレータＩＣ１１のポートからパルス信号の出力がない初期の段階で、トランジスタＴｒ１からインダクタンスＬ１１へのレギュレータ電圧の供給に伴う交流電圧が出力（図８［Ｂ］参照）されると、キャパシタンスＣ１３を通して抵抗ＶＲ１２から分圧された交流電圧が第１のシュミットトリガインバータＩＣ３２に入力される。
【００３３】
このとき第１のシュミットトリガインバータＩＣ３２では、微分回路のキャパシタンスＣ３に対しヒステリシスに伴うＬレベル及びＨレベルの出力（図８［Ｃ］参照）を行い、微分回路から微分回路固有の出力（図８［Ｄ］参照）を行わせ、かつ微分回路の出力を第２のシュミットトリガインバータＩＣ３３に入力させることにより第２のシュミットトリガインバータＩＣ３３から微分回路からの出力の立下りに伴うトリガ信号を出力（図８［Ｅ］参照）させ、このトリガ信号をモノマルチバイブレータＩＣ２１及びモノマルチバイブレータＩＣ４１に対し同時に入力させる。
【００３４】
この段階で、モノマルチバイブレータＩＣ２１は、トリガ信号を基準とし、かつキャパシタンスＣ１４及び可変抵抗ＶＲ１３により設定された時間幅をＬレベルにしたパルス信号を出力（図８［Ｆ］参照）し、このパルス信号をモノマルチバイブレータＩＣ１１に入力する。
続いて、モノマルチバイブレータＩＣ１１は、当該パルス信号の立上りを基準とし、かつキャパシタンスＣ１１及び可変抵抗ＶＲ１１により設定された時間幅をＨレベルにしたパルス信号を出力（図８［Ａ］参照）し、このパルス信号を抵抗Ｒ１１を介しトランジスタＴｒ１のベースに帰還（図８［Ａ］［Ｇ］参照）させることによりトランジスタＴｒ１から自励発振を行わせる。
以下、これを繰り返すことにより発振周波数及び時間幅の安定した自励発振を継続させ（図８［Ａ］［Ｂ］［Ｃ］［Ｄ］［Ｅ］［Ｆ］参照）、圧電素子１０２すなわちインダクタンスＰＡに安定したたわみ振動の進行波を発生させる。
【００３５】
一方、この間、モノマルチバイブレータＩＣ４１では、前記トリガ信号を基準とし、かつキャパシタンスＣ２４及び可変抵抗ＶＲ２３により設定された例えば位相が９０°遅れた状態にある発振周波数で所定の時間幅のパルス信号を反転出力する。
モノマルチバイブレータＩＣ５１では、キャパシタンスＣ２１及び可変抵抗ＶＲ２１によりその発振周波数のパルス信号のパルスデューティを所定の値に設定し、抵抗ＶＲ２１を介しトランジスタＴｒ２のベースに供給（図８［Ｈ１］参照）することにより例えば位相が９０°遅れた発振を継続させ、圧電素子１０２すなわちインダクタンスＰＢに例えば位相が９０°遅れる安定したたわみ振動の進行波を発生させる。
なお、モノマルチバイブレータＩＣ５１では、位相が９０°進んだ状態のパルス信号をトランジスタＴｒ２のベースに供給（図８［Ｈ２］参照）することも可能である。
第５の実施の形態の超音波モータの駆動装置においても、第１乃至第４の実施の形態と同様に、安定した発振周波数で昇圧された交流電圧を定め、かつこの交流電圧を超音波モータへ供給することで、超音波モータの複数群の振動体１０３を安定して効率良くたわみ振動させ、超音波モータの移動体１０５を効率良く移動させることができる。
したがって、第５の実施の形態においても、第１乃至第４の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の超音波モータの駆動装置および駆動方法によれば、共振周波数を検出する構成の簡素化が容易であり超音波モータの小型化に適する他、位相条件に適宜対応し確実に自励発振を継続することができ、従って超音波モータの駆動効率を向上させることができ、しかも使用する部品点数が少なく製造が容易であり低コスト化をも実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の構成を示す回路構成図である。
【図２】第１の実施の形態の変形例を示す回路構成図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の構成を示す回路構成図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の構成を示す回路構成図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の構成を示す回路構成図である。
【図６】交流電圧の波形とマスキングとの関係を説明する説明図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置の構成を示す回路構成図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係わる超音波モータの駆動装置及び駆動方法の動作を説明するタイムチャートである。
【図９】超音波モータの一例を示す一部切欠の分解斜視図である。
【図１０】超音波モータの圧電素子に設けられた電極と圧電素子に与える交流電圧との関係を説明する説明図である。
【図１１】超音波モータの振動体に発生する進行波を説明する説明図である。
【図１２】超音波モータの振動体の等価回路を示す回路図である。
【図１３】振動体のアドミッタンスの周波数特性を示す特性図である。
【符号の説明】
２……昇圧駆動手段（第１の昇圧駆動手段）、３……マスキング手段、４……第２の昇圧駆動手段、１２〜１８，２２〜２８，４２〜４８，５２〜５８……ポート、Ｃ３，Ｃ１１〜Ｃ１４，Ｃ２１〜Ｃ２４……キャパシタンス、ＩＣ１１，ＩＣ２１，ＩＣ４１，ＩＣ５１……モノマルチバイブレータ、ＩＣ３２……第１のシュミットトリガインバータ、ＩＣ３３……第２のシュミットトリガインバータ、Ｌ，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌｍ，ＰＡ，ＰＢ……インダクタンス、Ｒ３，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，ＶＲ１２……抵抗、Ｔｒ１，Ｔｒ２……トランジスタ、ＶＲ１１，ＶＲ１３，ＶＲ２１……可変抵抗、ＶＲ２３……可変抵抗、Ｓ……配線回路、ＳＷ……スイッチ手段。

Claims (9)

1. 交流電圧の供給により振動する振動体と、この振動体の振動により移動する移動体とを備える超音波モータの駆動装置において、
   前記振動体に与える交流電圧を昇圧する昇圧駆動手段と、
   前記交流電圧の電圧レベルを検出しトリガ信号を出力する検出手段と、
   前記トリガ信号を基準として所要の発振周波数で所定の時間幅のパルス信号を生成し前記昇圧駆動手段の入力に帰還させることにより自励発振させ、これにより前記振動体を振動させる帰還パルス生成手段と、
   前記発振周波数のパルスデューティを所定の値に設定するパルスデューティ設定手段と、
   前記交流電圧を取り込む第１のインバータ、微分回路及び第２のインバータを備え前記交流電圧の波形にマスキングを施して前記トリガ信号を出力するマスキング手段を有し、
   前記第１のインバータは前記交流電圧から予め設定された所定の第１の閾値を越える電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しローレベル出力を行い、交流電圧から予め設定された所定の第２の閾値より低い電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しハイレベル出力を行い、該第２のインバータは前記微分回路からの立下りの出力時に前記帰還パルス生成手段へのトリガ信号を出力して双方でヒステリシスを設ける
   ことを特徴とする超音波モータの駆動装置。
2. 複数相の各交流電圧の供給に対応して振動する複数群の振動体と、これらの振動体の振動により移動する移動体とを備える超音波モータの駆動装置において、
   前記複数群の振動体に与える各交流電圧を昇圧する複数の昇圧駆動手段と、
   前記交流電圧の電圧レベルを検出しトリガ信号を出力する検出手段と、
   前記トリガ信号を基準として所要の発振周波数で所定の時間幅のパルス信号を、位相を異ならせて生成し前記複数の昇圧駆動手段の入力に帰還させることにより自励発振させ、これにより前記複数群の振動体を振動させる複数の帰還パルス生成手段と、
   前記発振周波数のパルスデューティを所定の値に設定するパルスデューティ設定手段と、
   前記交流電圧を取り込む第１のインバータ、微分回路及び第２のインバータを備え前記交流電圧の波形にマスキングを施して前記トリガ信号を出力するマスキング手段を有し、
   前記第１のインバータは前記交流電圧から予め設定された所定の第１の閾値を越える電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しローレベル出力を行い、交流電圧から予め設定された所定の第２の閾値より低い電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しハイレベル出力を行い、該第２のインバータは前記微分回路からの立下りの出力時に前記帰還パルス生成手段へのトリガ信号を出力して双方でヒステリシスを設ける
   ことを特徴とする超音波モータの駆動装置。
3. 前記検出手段は、抵抗値を可変にし得る抵抗を通して前記トリガ信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モータの駆動装置。
4. 前記帰還パルス生成手段は、モノマルチバイブレータを用いて構成してなることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モータの駆動装置。
5. 前記帰還パルス生成手段は、生成するパルス信号の時間幅を調整する時間幅調整手段を備えてなることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モータの駆動装置。
6. 前記複数の帰還パルス生成手段のうち何れかは、パルス信号の位相を調整する位相調整手段を備えてな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装置。
7. 交流電圧の供給により振動する振動体と、この振動体の振動により移動する移動体とを備える超音波モータの駆動方法において、
   前記振動体に与える交流電圧を昇圧し、
   前記交流電圧の電圧レベルをある閾値で検出してトリガ信号を出力し、
   前記トリガ信号を基準として所要の発振周波数で所定の時間幅のパルス信号を生成し前記交流電圧に帰還させることにより自励発振させ、これにより前記振動体を振動させ、
   前記発振周波数のパルスデューティを所定の値に設定し、
   前記交流電圧を取り込む第１のインバータ、微分回路及び第２のインバータを備えるマスキング手段が前記交流電圧の波形にマスキングを施して前記トリガ信号を出力し、
   前記第１のインバータが、前記交流電圧から予め設定された所定の第１の閾値を越える電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しローレベル出力を行い、交流電圧から予め設定された所定の第２の閾値より低い電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しハイレベル出力を行い、
   該第２のインバータが前記微分回路からの立下りの出力時に前記帰還パルス生成手段へのトリガ信号を出力し、
   前記交流電圧から前記トリガ信号を検出する際ヒステリシスを設ける
   ことを特徴とする超音波モータの駆動方法。
8. 複数相の各交流電圧の供給に対応して振動する複数群の振動体と、これらの振動体の振動により移動する移動体とを備える超音波モータの駆動方法において、
   前記複数群の振動体に与える各交流電圧を昇圧し、
   前記交流電圧の電圧レベルをある閾値で検出してトリガ信号を出力し、
   前記トリガ信号を基準として所要の発振周波数で所定の時間幅の複数のパルス信号を、位相を異ならせて生成し前記各交流電圧に個別に帰還させることにより自励発振させ、これにより前記複数群の振動体を振動させ、
   前記発振周波数のパルスデューティを所定の値に設定し、
   前記交流電圧を取り込む第１のインバータ、微分回路及び第２のインバータを備えるマスキング手段が前記交流電圧の波形にマスキングを施して前記トリガ信号を出力し、
   前記第１のインバータが、前記交流電圧から予め設定された所定の第１の閾値を越える電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しローレベル出力を行い、交流電圧から予め設定された所定の第２の閾値より低い電圧レベルを検出した場合に前記キャパシタンスに対しハイレベル出力を行い、
   該第２のインバータが前記微分回路からの立下りの出力時に前記帰還パルス生成手段へのトリガ信号を出力し、
   前記交流電圧から前記トリガ信号を検出する際ヒステリシスを設ける
   ことを特徴とする超音波モータの駆動方法。
9. 前記複数群の振動体に関係する発振周波数の位相調整に際し、位相を適宜進ませるか、位相を適宜遅らせるかの何れかを選択することを特徴とする請求項７または８に記載の超音波モータの駆動方法。

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