JP5833658B2 - 超音波モータのためのアクチュエータを電気的に励起する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波モータのためのアクチュエータを電気的に励起する方法及び装置に関する。

特許文献１、特許文献２及び特許文献３は、例えば、超音波モータのためのアクチュエータを電気的に励起する方法及び装置について開示する。これらの事例に説明される方法において、励起された超音波アクチュエータの電圧の周波数は、励起する電圧と超音波アクチュエータの圧電素子に配置された補助電極によって生成される電圧との間に一定の位相差を保持することによって調整される。

この方法及び対応する励起装置の不利な点は、アクチュエータの電気励起電圧と補助電極の電圧の位相差が、アクチュエータの機械負荷に依存することである。従って、超音波アクチュエータの高い機械負荷の影響下では、電気励起電圧の周波数は、これらのモータにおいて、超音波アクチュエータの機械共振周波数と同一ではない。このことの影響によって、超音波モータの機能が不安定となる。さらに、安全な動作のために、補助電極は広い表面積を有さねばならない。このことによって、補助電極は複数の励起電極に対する表面積を減少させるので、励起電圧の増大が暗示される。補助電極は、微細なワイヤの形状の追加出力もまた有さねばならない。可動要素が高速に移動するとき、モータの動作の安全性を低下させる。

さらに、特許文献４の例によれば、超音波モータを励起させるための方法及び装置は、知られており、超音波アクチュエータの電気励起電圧の周波数は、アクチュエータを励起する電圧と同アクチュエータを通じて流れる電流との間に保たれた一定の位相差によって調整される。この方法と対応する装置において、超音波アクチュエータを刺激する正弦電圧は、超音波アクチュエータの圧電素子に印加される。印加された正弦電圧は、圧電素子を通じて流れる正弦電流を引き起こす。

この方法の不利な点は、電気励起電圧と圧電素子を通じて流れる電流との間の位相差が、超音波アクチュエータの機械負荷に応じて異なるという事実にもある。圧電素子を通じて流れる正弦電流は、２つの成分、すなわち、圧電素子の電気キャパシタンスを通じて流れるキャパシタンスの電流と、圧電素子の回転ドメインの角度によって決定される圧電電流とを有するからである。機械共振周波数において、圧電電流は、いわゆる、有効電流又は実行電流を表す。アクチュエータの機械負荷が小さいとき、アクチュエータの有効抵抗は、そのリアクティブ抵抗より相当に小さい。従って、励起電圧と機械共振周波数における圧電素子を通じて流れる電流との間の位相シフトは、小さく、ゼロに近づいている。アクチュエータに与えられる機械負荷が増加するとき、有効抵抗が増加される一方、リアクティブ抵抗は一定のままである。機械負荷の増加は、従って、超音波アクチュエータの励起電圧と圧電素子を通じて流れる電流との間の位相角度の増加を引き起こす。

超音波アクチュエータと超音波アクチュエータによって駆動される要素との間に十分な接触摩擦を伴う超音波モータにおいて、機械負荷が増加するとき、位相シフトの角度が２，３度から１０倍又はそれ以上に増加できる。この場合における位相シフトの発振は、駆動される機械負荷によってのみではなく、摩擦面における振動及び駆動される要素における機械的不均衡によってもまた、引き起こされる。

モータにおいて、超音波アクチュエータの正弦励起電圧の周波数は、この電圧の位相と
圧電素子の正弦電流の位相との間に保たれた一定の位相差によって調整され、超音波モータの機能の不安定化を導く。

この不安定化の結果として、励起電圧は増加し、必要とされる電流及び電力が増加する。さらに、駆動される要素の加速において、発振が発生する。モータによって生成できる最大の力が減少される。大きな負荷がかけられたとき、モータは停止するようになり、アクチュエータは加熱し得る。

米国特許５，２１４，３３９号明細書 米国特許５，４６１，２７３号明細書 米国特許５，４７９，０６３号明細書 米国特許５，８７２，４１８号明細書

本発明の目的は、従って、超音波モータのアクチュエータを励起する方法と、対応する励起装置とを提供することであって、アクチュエータが高い機械負荷にあるとき、モータの安定度を増加できるように、必要とされる励起電圧を減少できるように、必要とされる電流及び電力を減少できるように、及び温度範囲を拡張するようにできる手段のうちのいずれかの手段によって、提供される。

上述される目的は、請求項１の特徴を有する超音波モータに対するアクチュエータを電気的に励起する方法と請求項３の特徴を有する超音波モータに対するアクチュエータを電気的に励起する装置とによって達成される。有利な態様は、従属する請求項から取得され得る。

超音波モータのアクチュエータについての発明に応じた励起装置を示す図（例１０〜１２：アクチュエータの三層構造のための電極に対する圧電ベクトルの異なる方向；例１３：多層設計におけるアクチュエータ）。 本発明に応じた励起装置を示す図（例１７〜１９：アクチュエータの単相及び多相駆動）。 本発明に応じた励起装置の一実施形態を示す図。 本発明に応じた励起装置の一実施形態を示す図。 本発明に応じた励起装置の一実施形態を示す図。 インパルスフィルタの異なる実施形態を示す図。 インパルスフィルタの異なる実施形態を示す図。 定在波発生器に対する等価回路を示す図。 本発明に応じた励起装置に対する超音波波動発生器の電流（例４０）及び位相差（例４１）の周波数相関関係を示す図。 例４２〜４５：個々の電圧及び電流の時間相関関係を示す図。 超音波波動発生器の周波数相関関係を示す図。 励起電圧の周波数が変化したときの電流と電圧との間の位相シフトを示す図。 本発明に応じた励起装置の更なる実施形態を示す図。 本発明に応じた励起装置の更なる実施形態を示す図。 本発明に応じた励起装置の更なる実施形態を示す図。 本発明に応じた励起装置の更なる実施形態を示す図。 本発明に応じた励起装置の更なる実施形態を示す図。

図面の簡単な説明
図面は概略により示したものであり、正確な縮尺によるものではない。
本発明の根本的な着想は、アクチュエータを通じて流れる圧電電流を、アクチュエータの容量性充電電流から分離することと、超音波アクチュエータの励起電圧の周波数を調整するために分離された圧電電流の位相シフトを用いることである。

以下において、‘超音波モータに対するアクチュエータ’、‘超音波アクチュエータ’又は単に‘アクチュエータ’は、同義に用いられる。
本発明によって、機械共振周波数Ｆ_ｍを伴う超音波モータに対するアクチュエータを電気的に励起するための方法が得られ、該方法では、超音波モータは、励起電極及び汎用電極を備える少なくとも１つの音響定在波発生器を有し、電気キャパシタンスＣ_０は、励起電極と汎用電極との間に生成される。本発明に応じた方法において、矩形励起電圧Ｕ_ｇは、少なくとも１つの音響定在波発生器の励起電極及び汎用電極に印加され、矩形励起電圧Ｕ_ｇの周波数は、アクチュエータの機械共振周波数Ｆ_ｍとは異なる。次いで、フィードバック要素の手段によって、電圧ｕ_ｇが供給され、電圧ｕ_ｇは、定在波発生器を通じて流れる電流Ｉ_ｇに比例し、電流Ｉ_ｇは、圧電電流Ｉ_ｐと電気キャパシタンスＣ_０の充電及び放電電流Ｉ_ｃとの和によって生成される総合電流である。続いて、電圧ｕ_ｐを電圧ｕ_ｃからインパルスフィルタの手段によって分離する工程が行われ、電圧ｕ_ｐは、圧電電流Ｉ_ｐに比例し、電圧ｕ_ｃは電気キャパシタンスＣ_０の充電及び放電電流Ｉ_ｃに比例する。最後に、圧電電流Ｉ_ｐと矩形励起電圧Ｕ_ｇとの間の位相差がほぼゼロになるように、矩形励起電圧の周波数が変化する。

超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための本発明に応じた装置において、アクチュエータは少なくとも１つの音響定在波発生器を有しており、少なくとも１つのパワーアンプ、フィードバック要素、フィルタ、及び制御電圧形成装置を備える。少なくとも１つのパワーアンプは、アクチュエータの供給電圧のための電圧セレクタスイッチとして設計されており、電圧セレクタスイッチは、少なくとも１つの音響定在波発生器に直接的に又は非直接的に接続される。さらに、フィードバック要素は、音響定在波発生器に直列に接続されており、定在波発生器を通じて流れる電流と等しい電流がこれを通じて流れており、フィルタは、フィードバック要素によって生成された電圧に対するインパルスフィルタとして設計される。さらに、フィルタの出力は、制御電圧形成装置の入力に接続されており、制御電圧形成装置は、少なくとも１つのパワーアンプの入力に接続される。

本発明に応じた方法及び／又は装置は、励起電圧の周波数を、超音波アクチュエータに対する最適値に保たれるようにする。この周波数は、アクチュエータの機械共振周波数に等しい値に一定に保たれており、超音波モータのアクチュエータに適用される負荷の周波数とは独立しており、超音波モータの動作安定度を増加させる。超音波モータは、すなわち、常に最適な動作範囲において動作する。これは、励起電圧のレベルを低減し、必要とされる電流及び電力は低減され、モータは、より少ない程度に加熱する。

本発明に応じた方法の１つの有利な設計によれば、定在波発生器を通じて流れる圧電電流Ｉ_ｐは、さらに、安定化される。アクチュエータにおいて生成された波の振動速度、すなわち、駆動される要素の動きの速度もまた、さらに安定化されることを可能にする。

本発明に応じた装置の１つの有利な設計によれば、電圧セレクタスイッチは、ハーフブ
リッジパワーアンプ、ブリッジパワーアンプ、又はデュアルクロックパワーアンプとして設計される。これは、電圧セレクタスイッチの内部抵抗を著しく低減させることを可能にし、よって、可能な限りキャパシタの充電及び放電電流Ｉ_ｃのパルス期間を短くする。

フィードバック要素が低い実効抵抗値を有しているか、又は電流に対する測定変圧器を備えることは、有利であり得る。これは、電流Ｉ_ｇの電圧Ｕ_ｇへの変換における位相誤差を著しく低減されることを可能にする。

インパルスフィルタがバンドパスフィルタとして実装され、フィードバック要素によって生成された電圧に対して、アクチュエータの機械共振周波数Ｆ_ｍに同調されることもまた、有利であり得る。バンドパスフィルタ３３とされるインパルスフィルタ２３の実装は、機械共振周波数Ｆ_ｍにおける位相誤差が除去されることを可能にする。

インパルスフィルタがフィードバック要素によって生成されるローパスフィルタ又は積分器として実装される場合、便利であることがわかる。その結果、インパルスフィルタが極めて単純に設計される。

さらに、インパルスフィルタがフィードバック要素によって生成される電圧に対する回路遮断器を備え、回路遮断器の制御入力がエッジ検出器を通じて電圧セレクタスイッチに接続される場合もまた、有利であることがわかる。

インパルスフィルタが電圧比較器として実装される場合もまた、有利であり得る。
さらに、超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための装置が自動式の発生器として実装される場合、有利であり得る。

制御電圧形成装置が矩形電圧に対する位相検出器と制御式の発生器を備える場合、有利であり得る。
制御電圧形成装置が対称なパルス幅変調（ＰＷＭ）変調器を有する場合もまた、有利であり得る。対称なＰＷＭ変調器の使用によって、電流Ｉ_ｐ、すなわち、駆動される要素の動きの速度を調整することができる。

さらに、超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための装置がパワーアンプに与える電圧に対するレギュレータを有する場合、有利であり得る。これは、電流Ｉ_ｐ、すなわち、駆動される要素の動きの速度が調整されることを可能にする。

超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための装置が、定在波発生器を通じて流れる圧電電流に対する安定化システムを有する場合、便利であることがわかる。
さらに、超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための装置の電気コンポーネントが、部分的に又は完全に、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）又はＦＰＧＡ（フィールドプログラム可能ゲートアレイ）のタイプのプログラム可能なデジタルプロセッサによって実装される場合、便利であり得る。これは、電気励起装置の設計を単純にすることができ、すなわち、その設計のコストを低減させるとともに、干渉に対する耐性を増加させる。

図１は、超音波モータ１の超音波アクチュエータ２に対する発明に応じた励起装置を示す。この超音波波動モータ１において、超音波アクチュエータ２は、摩擦接合又は摩擦接触３によって、駆動され直線運動又は回転運動を行う要素４に接続される。

アクチュエータ２は、板形状において実装される音響共振器５から成るが、ディスク形状、円柱形状、又は超音波アクチュエータ２の構成によって特定される他の形状により実
装されることもできる。共振器５は、圧電セラミックの材料から成るが、金属、酸化物セラミック、金属セラミック、単結晶の材料、又は高い機械Ｑ値を有する他の材料からも成ることができる。共振器５は、音響超音波に対する閉じた、又は開放された導波管を形成することができる。

共振器５は、音響定在波のための発生器６を有する。発生器６は、共振器５の一部である。これに対して、発生器６は、共振器５に接続される圧電素子（図示なし）によって形成されることもできる。図１に示されるように、発生器６は、３層構造を有しており、１つの層は、励起電極７を示しており、１つの層は、汎用電極８であり、圧電セラミック９は、励起電極７と汎用電極８の層との間に配置される。図１の例１０にも示されるように、圧電セラミック層の二極化ベクトルは、電極７，８に垂直に並べられる。しかしながら、圧電セラミック層の二極化ベクトルは、電極７，８に対して傾いて（図１の例１１）又は、電極７，８に平行で（図１の例１２）あることが考えられる。さらに、二極化ベクトルは、発生器６の異なる領域において異なる配置を有することが考えられる。この場合１つの領域において、二極化ベクトルは、垂直な配置を有しており、他の区分においてもまた垂直な配置を有しているが、逆方向、すなわち、逆平行方向であることもまた考えられる。

発生器６は、多層構造を有することができ、図１の例１３に示されるように、電極７，８及び圧電層９が、互い違いに配置される。この場合、個々の層において、前述された二極化ベクトルの異なる方向が考えられる。

さらに、定在波発生器は、ストリップ形状などの電極（図示なし）を有することができる。
電圧を印加するように、電極７及び８は、出力１４，１５を有する。出力１４，１５は、より線の導体として実装されるが、弾性要素又は電気的に導電性ゴム要素として実装されることもできる。

電気キャパシタンスＣ_０は、発生器６の電極７及び８の間に存在する。
発生器６は、共振器５において音響超音波の定在波を発生するように用いられ、共振器５は、超音波モータによってモータの動作のために用いられる。この波は、縦波、たわみ波、剪断波、ねじれ波、体積波、平面波、表面波、対称、非対称又は異なるタイプの音響波であり得る。用いられる波のタイプ及び形状は、共振器５の幾何学形状、電極７及び８の形状、圧電セラミックの二極化ベクトルの電極７及び８に対する方向、及び励起電圧Ｕ_ｇの周波数によって決定される。

アクチュエータ２において生成される波において、機械共振周波数Ｆ_ｍと等しい周波数の共振器５の複数の点は、ピーク振動速度Ｖ_ｐを有する。機械共振周波数Ｆ_ｍは、超音波アクチュエータ２の動作周波数を表し、従って、超音波モータ１の動作周波数もまた表す。この周波数において、超音波モータ１は、最適な機械特性の値を有する。

電気励起装置２０は、パワーアンプ２１、フィードバック要素２２、フィードバック要素２２によって供給される電圧ｕ_ｇに対するインパルスフィルタ２３、及び制御電圧形成装置２４を有する。パワーアンプ２１は、電圧セレクタスイッチ２５として実装される。この場合、電圧セレクタスイッチは、ハーフブリッジ若しくはブリッジパワーアンプ２６又はデュアルクロックパワーアンプ２７の形状を形成することができる。パワーアンプ２１は、ＤＣ電圧Ｅを与えられ、矩形のＡＣ電圧Ｕ_ｇ（図１０の例４２参照）を提供する。音響波６の発生器の電極７，８の出力１４，１５は、パワーアンプ２１に、フィードバック要素２２によって接続される。インパルスフィルタ２３は、電圧Ｕ_ｇが印加される入力３１と、電圧ｕ_ｐが印加される出力３２とを有する。インパルスフィルタ２３は、バンド
パスフィルタ３３として設計される。しかしながら、ローパスフィルタ３４又は積分器３５（図６参照）としても設計され得る。さらに、インパルスフィルタ２３は、比較器又はインパルス装置（図７参照）であり得る。これらのフィルタは、フィードバック要素２２によって提供される電圧ｕ_ｇに対する回路遮断器３７を含んでおり、制御入力３８は、電圧セレクタ２１に、エッジ検出器３９を通じて接続される。さらに、インパルスフィルタ２３は、パッシブ又はアクティブな電気コンポーネントから成ることができ、又は、自由にプログラム可能なマイクロコントローラとともに実装されることができる。

フィードバック要素２２は、発生器６を通じて流れる電流Ｉ_ｇをこの電流に比例して変化する電圧ｕ_ｇに変換するために用いられる。フィードバック要素２２は、低い値の抵抗２９として実装されるが、電流−電圧測定変圧器３０（図１４参照）として、又は異なる設計により実現されることもできる。

図２の例１７〜１９に応じて、共振器５は、電極７及び８とともに、音響波のための１つ又はそれ以上の補助発生器１６を有することができる。補助発生器１６は、矩形の電圧Ｕ_ｇ又は矩形の形状ではなく異なる電圧を用いて駆動されることができる。アクチュエータ２における補助発生器１６は、（メインの）発生器６と同一のタイプの音響超音波を生成することができるが、（メインの）発生器６とは異なるタイプの音響超音波もまた生成することができる。さらに、補助発生器１６は、同一の機械共振周波数Ｆ_ｍ又は異なる周波数、例えば、Ｆ_ｚを有することができる。さらに、補助発生器１６は、発生器６のキャパシタンスＣ_０とは異なるキャパシタンス、例えば、Ｃ_ｚを有することができる。

図２の例１７に応じたアクチュエータ２は単相であり、図２の例１８においては、二相である。対応する三相の設計は、図２の例１９において示される。もちろん、三相よりも多くを用いて装置を制御することも考えられる。

発生器６及び１６が併せて励起される場合、２，３又はそれ以上の定在波はアクチュエータ２において互いに独立して伝搬する。アクチュエータ２において伝搬している定在波は、純粋な伝送波又は伝送波と定在波の組み合わせであることができる。

図４及び図５に応じて、定在波発生器６の電極７，８の出力１４，１５は、整合変圧器２８を通じてパワーアンプ２１に接続される。
図８は、機械共振周波数Ｆ_ｍの領域における超音波モータ１に対する定在波発生器６の電気機械パラメータを図示するように、等価回路を示す。この回路における記号は、次の意味を有する。Ｃ_０＝電気キャパシタンスであって、電極７と電極８との間に生成される；Ｌ_ｍ＝電気インダクタンスであって、アクチュエータ２の質量に比例する；Ｃ_ｍ＝電気キャパシタンスであって、アクチュエータ２の弾性コンプライアンスに比例する；Ｒ_ｍ＝電気抵抗であって、アクチュエータ２における機械損失に比例する；Ｒ_１＝電気抵抗であって、アクチュエータ２の負荷の機械抵抗に比例する。

回路はその回路に印加される電圧Ｕ_ｇを有しており、電圧Ｕ_ｇは、回路を通じて流れる電流Ｉ_ｇを引き起こす。この電流は、出力１４，１５及び定在波発生器６の電極７，８を通じて流れる。

電流Ｉ_ｇは、次の２つの成分から生成される総合電流である。Ｉ_ｃ＝発生器６の電気キャパシタンスＣ_０の充電及び放電電流と、Ｉ_ｐ＝圧電電流であって、発生器６の圧電セラミック層９の領域の回転角度によって形成され、発生器６の振動速度Ｖ_ｐ（又は振動振幅）を反映する。

本発明の着想に反して、電圧Ｕ_ｇが正弦電圧である場合、電流Ｉ_ｇ，Ｉ_ｃ及びＩ_ｐ（Ｖ
_ｐ）もまた正弦波を有する。この場合、電流Ｉ_ｇの振幅と電流Ｉ_ｐ（Ｖ_ｐ）の振幅とは、図９の例４０に示される関係を有する。図９の表示４１は、周波数における電圧Ｕ_ｇと電流Ｉ_ｇとの位相シフトの依存性を示す。

図９の例４０と例４１とにおいて、特定の複数の周波数が認められる。これらの周波数のうち、Ｆ_ｇは電流Ｉ_ｇの共振周波数である。この周波数において、電流Ｉ_ｇは、その最大値Ｉ_ｇｍを有しており、位相シフト角度φ_ｇは、φ_ｇｍと等しい。Ｆ_ｍは、電流Ｉ_ｐ（Ｖ_ｐ）の機械共振周波数である。この周波数において、電流Ｉ_ｐ（Ｖ_ｐ）は、その最大値Ｉ_ｐｍを有しており、位相シフト角度φ_ｇは、φ_ｐｍと等しい。Ｆ_０は、電流Ｉ_ｇに対する位相シフトがゼロに等しい周波数である。Ｆ_ａは、電流Ｉ_ｇの反共振周波数である。周波数Ｆ_０とＦ_ａにおいて、位相シフト角度φ_ｇは、ゼロに等しい。

特許文献４に応じた超音波モータのアクチュエータを励起するための方法の原理は、本発明に応じた方法に反して、正確には、前述したように、正弦電気電圧Ｕ_ｇがアクチュエータに印加され、この電圧の周波数調整は、この電圧とアクチュエータを通じて流れる電流Ｉ_ｇとの間の位相シフトφ_ｐｍの安定化によって影響される。

周波数Ｆ_ｍにおいて、インダクタンスＬ_ｍは、容量Ｃ_ｍによって補償されるため、位相シフト角度φ_ｐｍは、容量Ｃ_０及び抵抗の和Ｒ_ｍ＋Ｒ_ｌによって決定される。抵抗Ｒ_ｍは、抵抗Ｒ_ｌよりも大幅に小さい。この理由のため、負荷の抵抗Ｒ_Ｉにおける変化は、周波数Ｆ_ｍにおける角度φ_ｐｍの変化を引き起こす。

その結果、特許文献４に応じた手法において、超音波モータのアクチュエータにかかる負荷（Ｒ_ｌ）の変化は、励起電圧Ｕ_ｇの周波数の不安定化をもたらす。この周波数は、従って、機械共振周波数Ｆ_ｍとは異なる。より大きな負荷がアクチュエータにかかる場合、不安定化は、超音波モータの動作に不利益な著しい振幅の状態を起こす。

一方、本発明に応じた手法において、電気矩形電圧Ｕ_ｇは、アクチュエータ２の発生器６に印加され、その波形の形状は、図１０の例４２に示される。この電圧パルスの立ち上がり及び立ち下がりエッジのそれぞれは、キャパシタンスＣ_０の速やかな充電と放電を引き起こす。キャパシタンスＣ_０の充電及び放電は、非常に短い時間Ｔ_ｃにおいて実行され、これは励起電圧Ｕ_ｇの周期Ｔ_ｇの数倍小さい。この時間は、アンプ２６の伝導性トランジスタの低抵抗とキャパシタンスＣ_０の大きさとによって決定される。従って、電流Ｉ_ｃは、図１０の例４３から見られるように、短いパルスの列を表す。電流パルスＩ_ｃは、矩形電圧Ｕ_ｇのパルスのエッジと一致する。

電流Ｉ_ｃと同様に、圧電電流Ｉ_ｐもまた発生器６を通じて流れており、振動速度Ｖ_ｐに比例する。発生器６は、共振器５の一部であるため、電流Ｉ_ｐは、正弦波（図１０の例４４参照）を有する。

総合的な電流Ｉ_ｇは、電流Ｉ_ｃ及び電流Ｉ_ｐから成り、発生器６の電極７，８を通じて流れる（図１０の例４５参照）。
機械共振周波数Ｆ_ｍにおいて、インダクタンスＬ_ｍは、キャパシタンスＣ_ｍによって補償されるため、この周波数において、電流Ｉ_ｐ（矩形励起電圧Ｕ_ｇに対する有効電流、又は実効電流、すなわち、電流の位相シフト）は、ゼロである。

上述の通り、発生器６が本発明に応じて周波数Ｆ_ｍの矩形電圧Ｕ_ｇによって励起されるとき、負荷抵抗Ｒ_ｌの変化は、電流Ｉ_ｇの位相変化をもたらさず、すなわち、位相差はゼロに等しいままである。

励起電圧Ｕ_ｇの周波数がＦ_ｍからＦ_ｃに減少される場合、電圧Ｕ_ｇの電流Ｉ_ｐｃは、角度φ_ｐｃだけ先に進む。すなわち、圧電電流は、容量性の特性を帯びる。励起電圧の周波数がＦ_ｍからＦ_ｉに増加される場合、電圧Ｕ_ｇの電流Ｉ_ｐｌは、角度φ_ｐｌだけ後退し始める。すなわち、圧電電流は誘導性の特性を帯びる（図１１，図１２も参照）。図１１の例４７から明らかなように、全範囲に渡る周波数Ｆにおける圧電電流Ｉ_ｐ（Ｖ_ｐ）の位相シフトの相関関係は、滑らかな一価関数である。

その構造の観点からすれば、本発明の電気励起装置２０は、励起電圧Ｕ_ｇの周波数を調整するシステムを形成し、つまり、矩形励起電圧Ｕ_ｇと圧電電流Ｉ_ｐとの間の位相シフト角度の安定化を用いる。

周波数調整に対して、個々の異なる原理が考えられる。例えば、励起装置２０は、ポジティブフィードバックを備える自動式の発生器であることができ、周波数Ｆ_ｍにおいて、フィードバックループの位相シフト角度はゼロに等しく、利得係数は１よりも大きい。この場合、制御電圧形成装置２４はリミットアンプ４８として実装される（図１３参照）。

励起装置２０は、ネガティブフィードバックを備えた周波数調整のための位相同期ループ（ＰＬＬ）システムであることもできる。この場合、制御電圧形成装置２４は、参照入力５０及び測定入力５１を備える位相検出器４９と、制御式の発生器５２とから成る（図１４参照）。

周波数調整のために適用される原理に関わらず、電気励起装置２０は制御入力５４を伴う対称なＰＷＭ変調器５３を備えており、励起電圧Ｕ_ｇは、幅変調された矩形電圧を表す。

図１５に示される電気励起装置２０は、電源電圧Ｅに対するレギュレータ５５を含み、レギュレータ５５は、パワーアンプ２１に対する電源を表し、制御入力５６を備える。このレギュレータ５５は、例えば、ＤＣ−ＤＣ変換器として、実装されてもよく、ＰＷＭ変調器として動作する。

図１６に示される電気励起装置２０の変形は、定在波発生器６を通じて流れる圧電電流Ｉ_ｐに対する安定化システム５７を示す。つまり、安定化システム５７は、インパルスフィルタ２３の出力３２に接続された測定入力５８を有する。

図１７に示される電気励起装置２０において、電気コンポーネントインパルスフィルタ２３、制御電圧形成装置２４、バンドパスフィルタ３３、ローパスフィルタ３４、積分器３５、インパルス装置３６、位相検出器４９、制御式の発生器５２、及び安定化システム５７の機能は、部分的に又は完全に、ＤＳＰ又はＦＰＧＡのタイプの適切にプログラムされたデジタルプロセッサによって、実装される。デジタルプロセッサ５９は、インタフェースポート６０を有することができる。

駆動される超音波モータ１の要素４を位置エンコーダ６１とともに備えることができ、位置エンコーダ６１の出力６２は、デジタルプロセッサ５９に接続される。
機能の説明
超音波モータ１のアクチュエータ２を電気的に励起するための本発明に応じた方法は、電気矩形励起電圧Ｕ_ｇがアクチュエータ２の音響超音波定在波のためのメイン発生器６の励起電極７及び汎用電極８に印加され、その周波数Ｆは、初期において、アクチュエータ２の機械共振周波数Ｆ_ｍから僅かに異なる、という事実に基づく。次いで、フィードバック要素２２は、アクチュエータ２の発生器６を通じて流れる電流Ｉ_ｇに比例する電圧ｕ_ｇを分岐（タップオフ）させる。この後、インパルスフィルタ２３によって、圧電電流Ｉ_ｐ
に比例する電圧ｕ_ｐは、キャパシタンスＣ_０の充電及び放電電流Ｉ_ｃに比例する電圧ｕ_ｃから分離される。次に、圧電電流Ｉ_ｐと矩形励起電圧Ｕ_ｇとの位相差φ_ｐがゼロの値に近づくように、又はゼロと等しくなるように、矩形励起電圧Ｕ_ｇの周波数Ｆが変更される。アクチュエータ２の音響定在波のための発生器６を通じて流れる圧電電流Ｉ_ｐは、従って、安定化される。

本発明による超音波モータ１のアクチュエータ２の電気励起装置２０は、次のように機能する。供給電圧Ｅが印加されるとき、パワーアンプ２１（２５，２６，２７）は、電気矩形励起電圧Ｕ_ｇを供給し、その周波数Ｆは、アクチュエータ２の機械共振周波数Ｆ_ｍから僅かに異なる。この電圧は、発生器６の電極７，８の出力１４，１５に印加される。この電圧の結果として、電流Ｉ_ｇは、発生器６とフィードバック要素２２（２９，３０）とを通って流れ始める。フィードバック要素２２（２９，３０）において、電流Ｉ_ｇに比例する電圧ｕ_ｇが存在する。インパルスフィルタ２３（３３，３４，３５，３６）の結果、電圧ｕ_ｐは、電圧ｕ_ｇから分離され、ｕ_ｐは圧電電流Ｉ_ｐに比例して動作し、ｕ_ｃは、キャパシタンスＣ_０の充電及び放電電流Ｉ_ｃに比例する。

電圧ｕ_ｐは、正弦電圧を表しており、機械共振周波数Ｆ_ｍにおける位相は、矩形励起電圧Ｕ_ｇの位相に整合する（又は１８０度シフトされる）。矩形励起電圧ｕ_ｇに対する電圧ｕ_ｐの周波数−位相特性は、滑らかな一価関数によって表される。

電気励起装置が自動式の発生器２０として実装される場合、供給電圧Ｅがオンに切り替えられると、パルス電流が発生器６を通じて流れ、その結果、電気励起装置２０は、機械共振周波数Ｆ_ｍにおける発振を引き起こす。機械共振周波数Ｆ_ｍにおいてフィードバック要素２２に対する位相シフト角度がゼロであり、この角度がアクチュエータの負荷に依存しないため、アクチュエータ２の負荷が何であるかに関わらず、電気励起装置２０は機械共振周波数Ｆ_ｍにおいて振動する。

電気励起装置２０がネガティブフィードバックを有する周波数調整のためのＰＬＬシステムである場合、このシステムは電気矩形電圧ｕ_ｇと電圧（すなわち、圧電電流Ｉ_ｐであって、ｕ_ｐがゼロに等しくなる電圧）との間の位相シフト角度φ_ｐを安定化する。電気励起装置２０は、次いで、電圧Ｕ_ｇを提供し、その周波数は、常にアクチュエータ２のいかなる負荷における機械共振周波数Ｆ_ｍに等しい。

安定化システム５７を用いる圧電電流Ｉ_ｐの更なる安定化は、振動速度Ｖ_ｐが安定化されることを可能にし、従って、駆動される要素４の動きの速度もまた安定化されることを可能とする。

ハーフブリッジ若しくはブリッジアンプ２６又はデュアルクロックパワーアンプ２７の使用によって、セレクタ２５の内部抵抗を最も低減することができ、すなわち、容量性電流Ｉ_ｃのパルス期間ｔ_ｃを最も低減することができる。

フィードバック要素２２とされる、低い値の抵抗２９又は測定変圧器３０の使用によって、電流Ｉ_ｇの電圧ｕ_ｇへの変換における位相誤差を最も低減することができる。
バンドパスフィルタ３３としてのインパルスフィルタ２３の実装は、機械共振周波数Ｆ_ｍにおける位相誤差が除去されることを可能にし、一方、ローパスフィルタ３４又は積分器３５とされるインパルスフィルタ２３の設計は、これらのフィルタが極めて単純に設計されることを可能にする。

インパルス装置３６とされるインパルスフィルタ２３の設計によって、励起装置２０の動作周波数範囲全体における位相誤差を除去できるようになる。
電気励起装置２０における電気供給電圧のための対称なＰＷＭ変調器５３又はレギュレータを用いることによって、電流Ｉ_ｐ（Ｖ_ｐ）、すなわち、駆動される要素４の動きの速度を調整することが可能である。

デジタルプロセッサ５９としての電気コンポーネントの実装は、コストを低減させ、干渉の耐性を増加するように、電気励起装置２０及びその構造を単純化することができる。
本発明に応じた方法及び本発明に応じた装置は、励起電圧の周波数を、超音波アクチュエータに対する最適値に保持されるようにする。この周波数は、アクチュエータの機械共振周波数に等しい値において一定に保たれており、超音波モータのアクチュエータに適用される負荷とは独立している。これは、超音波モータの動作安定度を増加する。超音波モータは常に最適な動作範囲において動作しているため、超音波モータの動作に必要とされる励起電圧及び電流の大きさ又は電力は低減される。モータは、より少ない程度にしか加熱されず、よって、動作温度範囲を延長する。

Claims (15)

1. 機械共振周波数Ｆ_ｍを有する超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起する方法であって、該圧電アクチュエータは、励起電極と汎用電極とを備える少なくとも１つの音響定在波発生器を有しており、前記励起電極と前記汎用電極との間に、電気キャパシタンスＣ_０が生成され、
   矩形励起電圧Ｕ_ｇを、前記少なくとも１つの音響定在波発生器の前記励起電極と前記汎用電極とに印加する工程であって、前記矩形励起電圧Ｕ_ｇの周波数は、前記圧電アクチュエータの機械共振周波数Ｆ_ｍとは異なる、前記印加する工程と、
   電圧ｕ_ｇをフィードバック要素によって提供する工程であって、提供された前記電圧ｕ_ｇは、前記音響定在波発生器を通じて流れる電流Ｉ_ｇに比例し、電流Ｉ_ｇは、圧電電流Ｉ_ｐと前記電気キャパシタンスＣ_０の充電及び放電電流Ｉ_ｃとの和による総合電流である、前記提供する工程と、
   電圧ｕ_ｐを電圧ｕ_ｃからインパルスフィルタによって分離する工程であって、電圧ｕ_ｐは、圧電電流Ｉ_ｐに比例し、電圧ｕ_ｃは、前記電気キャパシタンスＣ_０の充電及び放電電流Ｉ_ｃに比例する、前記分離する工程と、
   前記圧電電流Ｉ_ｐと前記矩形励起電圧Ｕ_ｇとの間の位相差がほぼゼロになるように、前記矩形励起電圧Ｕ _ｇ の周波数を変更する工程と、を備える方法。
2. 前記音響定在波発生器を通じて流れる前記圧電電流Ｉ_ｐは安定化される、請求項１に記載の方法。
3. 超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起する装置であって、
   該圧電アクチュエータは、機械共振周波数Ｆ _ｍ を有し、かつ、少なくとも１つの音響定在波発生器を有しており、前記少なくとも１つの音響定在波発生器は、電気キャパシタンスＣ _０ を形成するための励起電極と汎用電極とを備え、
   前記装置は、少なくとも１つのパワーアンプと、フィードバック要素と、フィルタと、制御電圧形成装置と、を備えており、
   前記少なくとも１つのパワーアンプは、直接的に又は非直接的に前記少なくとも１つの音響定在波発生器に接続されており、前記圧電アクチュエータの供給電圧に対する電圧セ
   レクタスイッチとして実装されており、前記少なくとも１つのパワーアンプは、矩形励起電圧Ｕ _ｇ を、前記少なくとも１つの音響定在波発生器に提供し、
   前記音響定在波発生器を通る電流と同じ電流が前記フィードバック要素を通るように、および、前記フィードバック要素によって、電圧ｕ _ｇ が提供されるように、該フィードバック要素は、該音響定在波発生器に直列に接続されており、提供された前記電圧ｕ _ｇ は、前記音響定在波発生器を通じて流れる電流Ｉ _ｇ に比例し、電流Ｉ _ｇ は、圧電電流Ｉ _ｐ と前記電気キャパシタンスＣ _０ の充電及び放電電流Ｉ _ｃ との和による総合電流であり、
   前記フィルタは、前記フィードバック要素によって生成される電圧のインパルスフィルタとして実装されており、前記インパルスフィルタは、電圧ｕ _ｐ の電圧ｕ _ｃ からの分離を可能にするように設計されており、電圧ｕ _ｐ は、圧電電流Ｉ _ｐ に比例し、電圧ｕ _ｃ は、前記電気キャパシタンスＣ _０ の充電及び放電電流Ｉ _ｃ に比例し、
   前記制御電圧形成装置の入力部は、前記インパルスフィルタの出力部に接続されており、前記制御電圧形成装置の出力部は、前記少なくとも１つのパワーアンプの入力部に接続されており、前記制御電圧形成装置は、前記圧電電流Ｉ _ｐ と前記矩形励起電圧Ｕ _ｇ との間の位相差がほぼゼロになるように前記矩形励起電圧Ｕ _ｇ の周波数を変更するよう設計されている、装置。
4. 前記電圧セレクタスイッチは、ハーフブリッジパワーアンプと、ブリッジパワーアンプと、デュアルクロックパワーアンプとのうちのいずれか１つとして実装される、請求項３に記載の装置。
5. 前記フィードバック要素は、低い値の実効抵抗として実装されるか、又は電流に対する測定変圧器として実装される、請求項４に記載の装置。
6. 前記インパルスフィルタは、フィードバック要素によって生成される電圧に対するバンドパスフィルタとして実装されており、前記圧電アクチュエータの機械共振周波数Ｆ_ｍに同調される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記インパルスフィルタは、フィードバック要素によって生成される電圧に対するローパスフィルタ又は積分器として実装される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記インパルスフィルタは、前記フィードバック要素によって生成される電圧に対する回路遮断器を備えており、該インパルスフィルタの制御入力は、エッジ検出器を通じて前記電圧セレクタスイッチに接続される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記インパルスフィルタは、電圧比較器として実装される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記装置は自動式の発生器として実装される、請求項９に記載の装置。
11. 前記制御電圧形成装置は、矩形波に対する、位相検出器及び制御式の発生器を備える、請求項３〜９のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記制御電圧形成装置は、対称なパルス幅変調式の変調器である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記装置は、前記パワーアンプに与える電圧に対するレギュレータを有する、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記装置は、前記音響定在波発生器を通じて流れる圧電電流に対する安定化システムを
    有する、請求項３〜１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記装置の電気コンポーネントの一部又は全部は、デジタルシグナルプロセッサ又はフィールドプログラム可能ゲートアレイのタイプのプログラム可能なデジタルプロセッサによって実現される、請求項３〜１４のいずれか１項に記載の装置。

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