JPH01298967A

JPH01298967A - 超音波アクチュエータ駆動装置

Info

Publication number: JPH01298967A
Application number: JP63127785A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Nomura; 博義野村; Masaru Nakahama; 中濱　勝; Kunikazu Ozawa; 小沢　邦一
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-05-25
Filing date: 1988-05-25
Publication date: 1989-12-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波アクチ
ュエータの駆動装置に関する。

従来の技術近年圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に弾性振
動を励振し、これを駆動力とした超音波アクチュエータ
が注目されている。

以下、図面を参照しながら超音波アクチュエータの従来
技術について説明を行う。

第１１図は円環型超音波アクチュエータの斜視・図であ
り、円環型の弾性体３０に円環型の圧電体３１を張り合
わせて振動体３２を構成している。

３３は耐摩擦性材料の摩擦材、３４は弾性体であり、互
いに張り合わせられて移動体３５を構成している。移動
体３５は摩擦材３３を介して振動体３２と接触している
。圧電体３１に電界を印加すると振動体３２の周方向に
曲げ振動の進行波が励振され、移動体３５を駆動する。

尚、同図中の振動体３２には、機械出力取り出し用の突
起体３６が設置されている。

第１２図は第１１図の超音波アクチュエータに使用した
圧電体３１の電極構造の一例を示している。同図では円
周方向に９波の弾性波がのるようにしである。同図に於
て、ＡおよびＢはそれぞれ２分の１波長相当の小領域Ｅ
からなる電極群（図面中ハツチング部分）で、Ｃは４分
の３１！Ｉ！！長、Ｄは４分の１波長相当の電極である
。電極ＣおよびＤは電極群ＡとＢに位置的に４分の１波
長（＝９０度）の位相差を作っている。電極群ＡとＢ内
の小領域Ｅの電極は圧電体３１を分極する際に用いる電
極で、圧電体３１は電極群ＡとＢ内の小領域電極群Ｅに
対応して、交互に、反対に厚み方向に分極されている。

使用時には、電極群ＡおよびＢは第１２図のハツチング
により示されたように、それぞれ短絡して用いられる。

圧電体３１の弾性体３０との接着面は、第１２図に示さ
れた面と反対の面であり、その面の電極は全面電極であ
る。

以上のように構成された超音波アクチュエータ９の圧電
体３１の電極ＡおよびＢに ■＋　：　ＶｌＩＩ　ＳＩＮ　（ωｔ　）　　　　　　
−−−（１）Ｖ２　＝　Ｖｇ・ＣＯＳ　（ωｔ　）　　
　　　　−−−（２）ただし、ｖ＠：　電圧の瞬時値 ω：角周波数ｔ：時間で表される電圧ｖ１およびＶ２をそれぞれ印加すれば、
振動体３２には ξ＝ξ８・（ＣＯ５（ωｔ）・ＣＯＳ　（ｋ　Ｘ　）＋
ＳＩＮ　（ωｔ）・５ＩＮ（ｋｘ））＝ξ８・ＣＯＳ　
（ωｔ　−ｋ　ｘ　）　　　　−−−（３）ただし、　
ξ：曲げ振動の振幅値 ξＩＩ：　曲げ振動の瞬時値に：波数（２π／λ） λ：波長Ｘ：位置で表せる円周方向に進行する曲げ振動が励起される。

第１３図は振動体３２の表面のＡ点が進行波の励起によ
って、長軸２ｗ１　短軸２ｕの楕円運動をし、振動体３
２上に加圧して設置された移動体３５が、楕円の頂点近
傍で接触することにより、摩擦力により波の進行方向と
は逆方向にＶ＝ω×ｕの速度で回転運動する様子を示し
ている。矢印Ｐは移動体３５の進行方向を示し、矢印Ｑ
は進行波の進行方向を示す。

以上のように構成された超音波アクチュエータ９の等価
回路を示すと第１４図のようになる。

Ｃａは振動体３２の電気的な静電容量であり、ＣＩＮ　
Ｌｌ、Ｒ１はそれぞれ振動体３２のコンプライアンス、
質量、制動係数に相当するものである。またＲＬは負荷
に相当する。このＣＩ＋　　ｔ、Ｉ、　　Ｒ１＋　　Ｒ
ｔで構成された回路を機械腕と呼び、この機械腕に流れ
る電流！、を機械腕電流と呼ぶ。この機械腕電流１．は
、振動体３２の振動状態を示す量となり、移動体３５の
移動速度にほぼ比例することが知られている。また、こ
の機械腕電流１．に対して、圧電体に供給される電流Ｉ
を総電流と呼ぶ。

第１５図は駆動周波数を掃引したときの機械腕電流！、
の周波数特性である。図中の矢印は、駆動周波数の掃引
方向を示す。

図かられかるように、駆動周波数を掃引して行くとある
周波数で急激に電流値が変化するような現象が現れる。

　（この現象はジャンプ現象と呼ばれている。）機械腕
電流！、と移動体３５の移動速度はほぼ比例するので、
このようなジャンプ現象が起こったときは、移動体３５
の移動速度は激変する。また、図より機械腕電流が極大
値を取るときの周波数はｔｏ）引力向によって異なり、
ヒステリシス特性をもつことがわかる。

超音波アクチュエータ９をできるだけ低電圧で効率よく
駆動しようとすると、第１５図に示される電流値が極大
値となる周波数で駆動しなければならない。しかし、こ
の共振周波数のごく近傍においては、ジャンプ現象を起
こす周波数が不規則に変化するため特性が非常に不安定
であり、このような点で超音波アクチュエータ９を駆動
することは出来ない。したがって、超音波アクチュエー
タの最適駆動周波数つまり、安定、低電圧かつ高効率な
駆動できる周波数は、例えば、第１５図のＡ領域のよう
な、不安定な周波数領域を除いた共振周波数近傍の周波
数領域にする必要がある。

ところで、振動体３２の共振周波数は、温湿度や、振動
体３２と摩擦材３３の接触状態や、超音波アクチュエー
タ９にかかる外部の負荷の状態の変化によって、広範囲
に渡り変動する。　（数ｋＨ２程度）　従って、この最
適駆動周波数も、この共振周波数に追従して変動するこ
とになる。しかし、−度、超音波アクチュエータ９を最
適駆動周波数で駆動すれば、振動体３２の振動状態を検
出することにより、共振周波数や最適駆動周波数の変化
を把握できるので、常時、駆動点を最適な状態に保つこ
とが可能である。この場合、例えば、振動体３２の振動
状態を示す量である機械腕電流値の位相を一定に保つこ
とで、駆動点を最適に保つことが可能である。しかし、
起動時には、最初は、どの周波数が共振周波数であり、
どの周波数が最適駆動周波数であるかわからないので、
駆動装置は先ず最初に、駆動周波数を掃引し、振動体の
振動状態や移動体３５の移動速度等を検出して、最適駆
動周波数を高速に捜すような動作をしなければならない
。また、第１５図に示すように、機械腕電流は駆動周波
数の掃引方向によりヒステリシスを持つため、動作点探
索時は必ず駆動周波数を高い方から低い方へ掃引しなけ
ればならない。

このような機能を実現する従来の超音波アクチュエータ
駆動装置としては、例えば特願昭８２−１８４５４１に
提案されている。

第１６図はこのような従来装置のブロック図を示すもの
である。図中の４０は振動体の共振周波数がその動作範
囲にある電圧制御発振器、４１は２分割された電圧制御
発振器の一方の出力信号の位相を他方に対して９０°遅
らせるための９０゛移相器、４２；４３は電圧制御発振
器４０、と９０°移相器４１の出力信号を超音波アクチ
ュエータ９を駆動するに十分なレベルにまで増幅する電
力増幅器、４４は圧電体３１に流れる電流を検出する電
流検出器、４５は圧電体３１に印加される交流電圧を検
出する電圧検出器、４６はこの電圧と電流の位相差を検
出する位相差検出器、４７はこの位相差検出器４６の出
力と動作設定値Ｐ＋と動作範囲値Ｐ２を比較し、その差
に応じて制御信号を出力する位相比較器、４８はこの位
相比較器４７の出力により駆動周波数の掃引制御信号を
出力する制御器、４９は初期設定値０と制御器４８の出
力を加え、その出力を電圧制御発振器に出力する加算器
である。

以上のように構成された従来の超音波アクチュエータ駆
動装置では、以下のような動作を行う。

まず、この回路が動作を開始すると、電圧制御発振器４
０は制御端子Ｃ５に入力された制御電圧に従って発振す
る。このときの制御電圧は加算器４９により、初期設定
値Ｏがそのまま出力される。電圧制御発振器４０の出力
は２分割され、一方は９０°移相器４１を通して電力増
幅器４２に、他方はそのまま電力増幅器４３にそれぞれ
入力されて、振動体３２を駆動するのに必要な値までそ
れぞれ増幅される。電力増幅器４２．４３の出力は圧電
体３１にそれぞれ印加されて、超音波アクチュエータの
振動体３２を駆動する。圧電体３１の一方の入力端子に
は抵抗Ｒが接続されており、圧電体３１に流れる電流を
抵抗Ｒの両端電圧により検出する。また、電圧検出器４
５は圧電体３１に印加される駆動電圧を検出する。位相
差検出器３θは電流検出器４４と電圧検出器４５の出力
から、電流争電圧の位相差に比例した電圧を発生する。

位相比較器４７は、位相差検出器４６の出力と動作設定
値ＰＩと動作範囲値Ｐ２を比較し、その差に応じて制御
信号を出力する。この制御信号は制御器４８に入力され
、制御器４８は駆動周波数の掃引制御信号を出力する。

加算器４９には設定電圧Ｏと上記掃引制御信号が入力さ
れ、電圧制御発振器４０の出力周波数を制御する。回路
の動作開始時には、あらゆる条件下における振動体３２
の共振周波数より初期駆動周波数が高くなるように、初
期設定値０を設定している。この駆動周波数での電流・
電圧の位相差が、動作設定値Ｐ１よりも動作範囲値２２
以上にずれていれば、電圧制御発振器４０は、制御器４
８により低い方へ出力周波数を掃引する。電圧制御発振
器４０は、駆動時の位相差が動作設定値Ｐ１と設定範囲
値２２以内の差になるまで、周波数の掃引を続ける。ま
た、位相比較器４７は現在の位相差と一つ前の駆動周波
数での位相差を比較し、その変化率より周波数の掃引の
ステップを決め、制御器４８を介して電圧制御発振器を
制御する。第１７図は、第１６図の具体回路の動作説明
のための移動体の速度と、駆動電圧と電流の位相差の周
波数特性である。同図に於て、実線は移動体の速度の特
性を表し、点線は駆動電圧と電流の位相差の特性を表し
ている。ｆ９はある環境下における振動体３２の共振周
波数であり、ｆｌは動作設定値Ｐ、に対する動作周波数
である。また、ｆ２は設定電圧０に対応する超音波アク
チュエータの起動時の駆動周波数であり、ｆ３＋　　ｆ
ｉｒ　　・・・・・・、ｆｎはそれぞれ掃引周波数であ
る。

また、定速駆動をさせるために、以上のような、起動時
に、電流・　電圧の位相差を設定範囲に入れる様に駆動
周波数を変化させるような動作を行い、その後に超音波
アクチュエータ９に圧電体３１への印加電圧を操作量と
して速度制御をかけることにより、超音波アクチュエー
タを定速で安定に駆動することが可能である。

発明が解決しようとする課題しかしながら上記のような構成では、目標速度が低めの
時、移動体３５の移動速度は、起動時の駆動周波数掃引
時、超音波アクチュエータ９への印加電圧が一定のため
、共振周波数近傍では目標速度に比べて速度が高くなる
。そして、位相による動作点設定後に速度制御がかかり
、目標速度に収束するようになる。このような駆動周波
数掃引から速度制御がかかり速度が目標値に収束するま
での速度変化を第１８図に示す。図中のｄは、移動体３
５の移動速度のオーバーシュート量を示している。この
オーバーシュート量ｄは移動体３５の慣性モーメントに
応じて変化するが、この図からもわかるように、上記し
た従来方法では、大きなオーバーシュート量ｄをもつ。

従って、従来方法はこの過大なオーバーシュート量ｄの
ため、移動体３５の移動速度が目標速度に収束するまで
の速度引き込み時間が長くなるとか、また、移動体３５
の慣性モーメントが大きく、移動速度のオーバーシュー
ト量ｄが小さいときでもオーバーシュート時には圧電体
３１に過大電流が流れ圧電体３１が破損するとかいう問
題を有していた。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、起動時の移
動体３５の移動速度のオーバーシュート量が小さく、オ
ーバーシュート時に圧電体３１に流れる過大電流を防ぎ
、常時安定で速度引き込み時間の短い駆動の行える超音
波アクチュエータ駆動装置を提供することを目的として
いる。

課題を解決するための手段本発明は、振動体３２の振動状態を検出する振動状態検
出手段と、起動時に、超音波アクチュエータ９の印加電
圧の周波数を変化させる駆動周波数変化手段と、振動状
態検出手段の出力の振幅値を検出する振幅値検出手段と
、振動状態検出手段の出力と印加電圧の位相差を検出す
る位相検出手段と、位相検出手段の出力が常に所定値に
なるように駆動周波数を変化させる位相制御手段と、移
動体３５の移動速度を検出する速度検出手段と、速度検
出手段の出力が所定の値になるように印加電圧の振幅値
を変化させる速度制御手段と、駆動周波数変化手段と位
相制御手段と速度制御手段の各動作の開始タイミングを
振幅値検出手段の出力と位相検出手段の出力の少なくと
も一方により制御する動作タイミング制御手段を備えた
超音波アクチュエータ駆動装置である。

作用本発明は前記した構成により、起動時に先ず、駆動周波
数変化手段により駆動周波数を超音波アクチュエータ９
の共振周波数より十分高い周波数から低い周波数の方へ
掃引する、そのときの振動体３２の振動状態を振動状態
検出手段により検出し、その振動状態検出手段の出力の
振幅値を振幅値検出手段によりもとめ、その振幅値検出
手段の出力が所定の値よりも大きければ、速度制御手段
の動作を開始させ、そして、振動状態検出手段の出力と
印加電圧の位相差を位相検出手段により検出し、その位
相差が所定の値に等しいかそれ以上になったとき、駆動
周波数変化手段の動作を停止し、位相制御を動作させる
。

実施例第１図は本発明の実施例における超音波アクチュエータ
の駆動装置を実現する具体回路のブロック図を示すもの
である。同図に於て、１は振動体３２の振動状態を示す
機械腕電流や移動体３５の移動速度の読み込み、各動作
の開始タイミングの制御、位相制御と速度制御のフィル
タ演算等をおこなうためのマイクロコンピュータ、２は
マイクロコンピュータ１の周波数設定のためのディジタ
ル信号出力をアナログ信号に変換するためのＤ／Ａコン
バータ、３はこのアナログ信号に対応した周波数の信号
を出力する電圧制御発振器、４は入力信号に対して９０
’移相した信号を出力する９０°移相器、５．６は制御
信号により入力信号の振幅を変化させる電圧制御増幅器
（ＶＣＡ）、？、８は超音波アクチュエータを駆動する
に十分なレベルにまで入力信号の電力を増幅する電力増
幅器、９は、超音波アクチュエータ、１０は振動体２２
の振動状態を示す機械腕電流を検出する機械腕電流検出
器、１１は機械腕電流検出器の出力信号の振幅値を検出
するピークホールダー、１２はピークホールダー１１か
らのアナログ出力信号をマイクロコンピュータ１に入力
するためディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ、
１３は機械腕電流検出器１０の出力と印加電圧の位相の
大きさと向き（進み、遅れ）な検出する位相検出器、１
４は位相検出器１１のアナログ出力をマイクロコンピュ
ータ１に入力するためディジタル信号に変換するＡ／Ｄ
コンバータ、１５はマイクロコンピュータ１からの印加
電圧制御信号をアナログ値に変換するためのＤ／Ａコン
バータ、１６は、移動体３５の移動速度を検出するため
の速度検出器（本実施例では周知の周波数発電機（ＦＧ
）を用いている）、１７は速度検出器１６からの出力に
より速度に比例した電圧を出力するためのＦ／Ｖ変換器
、１８はこの信号をマイクロコンピュータ１に入力する
ためにディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータであ
る。

以上のように構成された本実施例の超音波アクチュエー
タ駆動装置について、以下その動作を第２図から第４図
のフローチャートで説明する。第２図のフローチャート
は全体の動作手順を示し、第３図及び第４図のフローチ
ャートは速度制御、位相制御の動作手順を示す。なお、
第３図及び第４図で表される動作はマイクロコンピュー
タ１で割込み処理により、第２図で表される動作と同時
に実行される。

超音波アクチエエータ９の起動時もしくは、超音波アク
チュエータ９の回転が負荷等の変動によって停止し再起
動させる時には、第２図のフローチャートに示されるよ
うな動作を行う。

まず、第２図のフローチャートのステップｓ１では、初
期設定として、使用するＲＡＭ領域のクリア、入出力ポ
ートの割当、駆動周波数ｆの初期設定（振動体の共振周
波数よりも十分高い周波数に設定する）、印加電圧Ｖの
初期設定等の動作を行う。

ステップｓ２では、ステップｓ１で初期設定された周波
数ｆで圧電体３１を駆動する。この動作を第１図のブロ
ック図で説明すると、マイクロコンピュータ１から駆動
周波数ｆに対応したディジタル信号を出力する。この信
号はＤ／Ａコンバータ２によりアナログ信号に変換され
、電圧制御発振器３によりこのアナログ信号に対応した
周波数を持つ信号が出力される。この出力信号は２分割
され一方は９０°移相器４に入力され９０度移相された
のちそれぞれ電圧制御増幅器５．６に入力される。ここ
では、マイクロコンピュータ１からの制御信号に基すい
て、電圧制御発振器３または９０°移相器４の出力信号
の振幅値をそれぞれ変化させる。そして、この電圧制御
増幅器の出力はそれぞれ電力増幅器７．８に入力される
。この電力増幅器７．８では超音波アクチュエータ９を
駆動するに十分なレベル塩に入力信号を増幅する。

そして電力増幅器７．８の出力は、それぞれ圧電体３１
に入力され、超音波アクチュエータ９を駆動する。

次のステップＳ３では、機械腕電流検出器１０により機
械腕電流！、を検出する。第５図は、機械腕電流検出器
８の実施例であり、この回路は、位相の異なった二つの
超音波アクチュエータ９への印加電圧のうち少なくとも
どちらか一方につけられ、印加電圧はトランスを介して
超音波アクチュエータ９に印加される。機械腕電流検出
器８は同図のようにトランス、トランスの２次側に接続
された電流検出抵抗Ｒ１コンデンサＣ＠ｌより構成され
る。ここでコンデンサＣ＠°を第１４図の等価回路のＣ
１Ｉと等しくし、トランス１９の巻線比を１：１にする
と抵抗Ｒに流れる電流ＩＲはＩＲ＝　（１／（２・Ｒ−ＣＩＩｌ−５＋１））・Ｉｌ
ｌとなるが、この式の右辺第１項の折点周波数は数ＭＨ
ｚであり、それに比べ駆動周波数は数１０ＫＨｚである
ので上式はＩＲ＝　１゜と近似できる。したがって、出力である電流検出抵抗８
両端の電位差ｖ、Ｉは機械腕電流に比例したものとなる
。

Ｖ、　＝　Ｒ−１゜この様にして検出された機械腕電流をピークホールダ−
１１に入力し振幅値を検出する。ピークホールダー１１
の実施例を第６図に示す。この回路は、周知のピークホ
ールダー回路であり、図のように、ダイオード、抵抗Ｒ
Ｐ１　　コンデンサＣｐとオペアンプから構成されてい
る。この出力値をＡ／Ｄコンバータ１２に入力すること
によりディジタル値に変換しマイクロコンピュータ１に
読み込ませる。

次のステップＳ４では、この検出された機械腕電流！１
と基準値■１を比較する。検出された機械腕電流１．が
基準値１１より小さいときは、次のステップｓ５に進み
、駆動周波数ｆを△ｆだけ小さくし、ステップｓ２に進
む。そして、ステップＳ３で検出される機械腕電流Ｉ、
が■１より大きくなるまで、ステップｓ２からステップ
Ｓ５までを繰り返す。

この検出された機械腕電流１．が基準値■１に等しいか
大きい時は、次のステップＳ６に進む。この動作で用い
る基準値りは、駆動周波数が共振周波数の周波数の時の
機械腕電流■、の値よりも小さい値であり、次のステッ
プから割り込み処理で行われる速度制御で用いられる速
度検出器１６の測定速度範囲の下限速度に対応する機械
腕電流１．より大きくなければならない。従って、速度
検出器１６が移動体３５の移動速度がＯの時から基準速
度程度までを検出できるならば、ＩＩをＯとでき、ステ
ップｓ２からステップ＄５までを省略しても構わない。

次からのステップＳ６からｓｌｏまでの処理は、起動時
の最適動作点決定のための駆動周波数掃引の途中から、
印加電圧を操作量として速度制御をかける動作である。

この速度制御動作により、駆動周波数の掃印中の移動体
３５の移動速度は一定に保たれるため上記した従来例の
ような駆動周波数掃引にともなうオーバーシュート量が
なくナリ、かつ、超音波アクチュエータの速度立ち上が
り時間が短縮されることになる。

まず、ステップｓ６では、速度制御に伴う割り込み処理
の開始を許可する。割り込み信号には、速度検出器１６
（ＦＧ：周波数発電器）の出力信号の立ち上がりエツジ
を用いる。ここで割り込み許可した割り込み処理の内容
を第３図に示す。マイクロコンピュータ１が第２図のス
テップｓ６以降の動作を行っている状況で、速度検出器
１６からの割り込み信号が入ったとき、マイクロコンピ
ュータ１は、その制御を第３図のフローチャートに示さ
れる動作に移す。仮に、ステップｓ６実行直後に割り込
み信号が入力されたとすると、マイクロコンピュータ１
は、命令ポインタやフラグステータス等をスタック領域
に書き込み、割り込み処理の最初であるステップｔ１を
実行する。ここでは、超音波アクチュエータの速度ωを
検出する。

この検出動作を第１図で説明すると、速度検出器１６（
ＦＧ）から出力された信号は、移動体３５の移動速度に
比例した周波数を持つ。したがって、ＦＧの出力信号を
Ｆ／Ｖ変換器１７に入力させ、Ｆ／Ｖ変換器１７の出力
電圧が速度に比例するようにする。このＦ／Ｖ変換器１
７の出力電圧をＡ／Ｄコンバータ１８を用いデジタル量
に変換し、マイクロコンピュータ１に入力する。次のス
テップｔ２からｔ５では、基準速度ω、と検出された速
度ωを等しくするように駆動電圧を変化させる動作を行
う。まず、ステップｔ２で基準速度ω、と検出された速
度ωの差を計算しΔωにその計算結果を代入する。この
Δωを次のステップｔ３でフィルタ演算する。ステップ
ｔ３のフィルタ演算は第７図（ａ）のような構成であり
、第９図（ｂ）のような、ゲイン特性を有し、速度制御
系の安定化を図るものである。ステップｔ４でフィルタ
演算の演算結果を駆動電圧Ｖとし、次のステップｔ５で
は、この駆動電圧Ｖで超音波アクチュエータを駆動する
。このステップｔ５の動作を第１図で説明すると、マイ
クロコンピュータ１から出力された印加電圧指令信号（
ディジタル信号）はＤ／Ａフンバータ１５に入力され、
アナログの信号に変換される。この信号は、電圧制御増
幅器５．６の制御端子に入力されて、電圧制御発振器３
または９０“位相器４から出力される信号の振幅量を制
御する。この電圧制御増幅器５．６からの出力信号は、
ゲイン一定の電力増幅器７．８を通し圧電体３１を駆動
する。従って、超音波アクチュエータ９に印加される電
圧の振幅量は、この様な動作により、マイクロコンピュ
ータ１から出力される信号で制御されることになる。こ
のステップｔ５で割り込み処理は終了し、割込みが入る
前の処理に復帰する。

割り込み処理が行われてないときは、マイクロコンピュ
ータ１は、第２図のステップｓ７以降を処理してゆく。

まず、ステップｓ７ではステップＳ２と同様な動作を行
い、周波数ｆで圧電体３１を駆動する。

ステップｓ８では、機械腕電流の位相ψ、を検出する。

この位相Φ、は、機械腕電流検出器１０の出力と印加電
圧を位相検出器１３が入力信号である位相検出器１３の
出力（位相の絶対値とその符号情報）により検出される
。但し、位相検出器１３の出力である位相の絶対値はア
ナログ値であるので、Ａ／Ｄコンバータ１４を用いて、
ディジタル値に変換させ、マイクロコンピュータ１に入
力させる。この位相検出回路１３の実施例を第８図に示
す。この回路は、周知の位相検出器であり、図のように
、コンパレータ２０．２１、ＥＸ−ＯＲ２２、抵抗とコ
ンデンサで構成されるローパスフィルタ２３、Ｄフリッ
プフロップ２４で構成されている。この中のＥＸ−ＯＲ
１５とローパスフィルタ１６は位相の絶対値を、Ｄフリ
ップフロップ２４は位相の符号を検出している。この位
相検出器１３の動作を説明するために位相検出器１３各
部の波形を次の第９図に示す。コンパレータ２０．２１
に入力される機械腕電流と圧電体の印加電圧をそれぞれ
第９図のり、Ｖｂのようにすると、コンパレータ２０．
２１後の信号は入力信号ｖＳ１ｖｂを方形波になおした
第９図のＶ、、Ｖｄの様な信号になる。この信号をＥＸ
−ＯＲ２２に入力することによりＥＸ−ＯＲ２２の出力
Ｖ、は第７図の様になり、この信号のパルス幅もしくは
各パルスの面積が、印加電圧ｖｂと機械腕電流Ｖ、の位
相に対応することになる。従って、この信号ｖ０をロー
パスフィルタ２３によって平滑化することによって、印
加電圧と機械腕電流の位相の大きさに比例した出力電圧
■。を得ることが出来る。しかし、図からもわかるよう
にＥＸ−ＯＲ２２の出力ｖ０は位相の方向（進みまたは
遅れ）に関係せず、位相の大きさの絶対値のみしか示し
ていない。このため、この位相の方向を検出するために
、Ｄフリップフロップ２４を用いる。第９図のｖ、、’
ｖｂで表されるような入力信号の場合、このＤフリップ
フロップ２４の出力は第７図のＶｔのような波形となり
、位相の方向を表していることがわかる。また、この回
路に入力される印加電圧信号Ｖ、は第５図の機械腕電流
検出回路のトランスの２次側における超音波アクチュエ
ータ９の印加電圧を検出している。

次のステップＳ９では、この検出された位相ψ１と基準
位相ψ１とを比較する。検出された位相ψが基準位相ψ
１より大きいもしくは等しいときは、駆動周波数が共振
周波数近傍の最適な駆動点にあることを意味するので、
次のステップｓ　１１　眸進む。また、検出された位相
ψ１が基準位相ψ１より小さいときは、即ち駆動周波数
が最適駆動点から離れているということを意味するので
、次のステップｓｌｏに進み、駆動周波数ｆを△ｆだけ
小さくして、ステップＳ７からｓｌｏまでをψ。≧ψ１
が成り立つまでくりかえし実行する。

次のステップｓｌｌから以降では、超音波アクチュエー
タ９を温湿度や負荷等の変動に対して常時安定で高効率
な駆動制御を行うための、位相制御及び速度制御を行う
。

まず、ステップｓｌｌでは、マイクロコンピュータ１の
中の一つの機能であるタイマー割込み動作の動作開始許
可を行う。これは、位相制御動作を正確なタイミングで
動作させるための割り込み処理を開始させるための処理
である。このタイマー割り込み機能とは、マイクロコン
ピュータ１が一定時間経過するごとに内部に割り込み信
号を発生させ、割り込み処理を行う機能である。次のス
テップｓ１２では、マイクロコンピュータ１をウェイト
状態にして、速度制御及び位相制御の割り込み信号を待
つような動作をさせる。この位相制御動作のフローチャ
ートを第４図に示す。この位相制御動作は、超音波アク
チュエータ９にかかる温湿度の変動や負荷の変動等によ
る、最適動作点の変動に対して、いつでも最適動作点に
追従するように駆動周波数を変化させる動作、つまり、
検出される機械腕電流の位相を常時一定にするように駆
動周波数を変化させる動作を行う。まず、ステップｕ１
により第２図のステップＳ８と同様に機械腕電流の位相
ψ、を検出する。つぎに、ステップｕ１で検出されたψ
１から基準位相ψ１を引算しその演算結果をΔψとする
。このΔψを次のステップｕ３でフィルタ演算し、ステ
ップｕ４でフィルタ演算の出力を駆動周波数でとしステ
ップＳ２と同様に圧電体３１を駆動する。この動作は第
１０図に示されるような位相比較回路、補償フィルタ、
電圧制御発振回路で構成された周知のＰＬＬ回路の基本
動作と同じである。本実施例の場合は、第１０図のＡの
部分（位相比較、“補償フィルタ）は、マイクロコンピ
ュータ１上のソフトウェアで構成されており、第４図の
ステップｕ２が位相比較に、ステップｕ３が補償フィル
タに対応する。フィルタ演算は上記した速度制御のフィ
ルタと同じ第７図（ａ）の様な構成であり、第７図（ｂ
）のような、ゲイン特性を有する。また、このフィルタ
演算は、前記したように第１０図のＰＬＬ回路のブロッ
ク図の補償フィルタに相当し、位相制御系の安定化を図
るものである。

この様な位相制御により、設定された基準位相と機械腕
電流と印加電圧の位相が常に等しくなるように駆動周波
数が変化する。このため、負荷や温度等の変動に対して
、安定でかつ高効率な超音波アクチュエータの駆動が行
われる。

以上のように、本実施例によれば、起動時の最適動作点
決定のための駆動周波数掃引中に、速度制御をかけ、駆
動周波数掃引による最適動作点決定後に速度制御と位相
制御を同時に動作させることにより、起動時のオーバー
シュート量が小さく、オーバーシュート時に圧電体３１
に流れる過大電流のない、速度引き込み時間の短い起動
と、温湿度や負荷等の変動に対して安定で高効率な駆動
が実現できる。

なお、上記の実施例では、振動体３２の振動状態を機械
腕電流の振幅値及び位相で検出したが、特開昭６２−８
５６８４号公報で述べられているように振動体３２上に
モニタ電極を設けこれによって機械腕電流の代わりに振
動状態を検出しその出力を利用しても本発明の目的は達
成される。また、上記の実施例では、駆動周波数の掃引
の１ステツプの大きさを一定にしたが、特開昭６２−１
６４５４１号公報で述べられているように振動状態検出
手段の出力の振幅値や位相、または移動体の移動速度の
変化量より掃引の１ステツプの太きさを変化させても、
本発明の目的は達成される。

また、本実施例では、超音波アクチュエータとして回転
型の超音波アクチュエータ（円環型）を用いたが、円盤
型超音波アクチュエータやリニア形超音波アクチュエー
タ等を用いても本発明の目的は達成される。

発明の詳細な説明したように、本発明によれば、起動時の移動体３
５の移動速度のオーバーシュート量が小さく、オーバー
シュート時に圧電体３１に流れる過大電流のない、速度
引き込み時間の短い起動と、温湿度や負荷等の変動に対
して常時安定で高効率な駆動が実現でき、その実用的効
果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における実施例の超音波アクチュエータ
の駆動装置のブロック構成図、第２図、第３図および第
４図は実施例の動作を示すフローチャート、第５図は同
装置における機械腕電流検出回路の構成図、第６図はピ
ークホールダー回路の構成図、第７図はフィルタの構成
図、第８図は位相検出回路の構成図、第９図は位相検出
回路の動作説明図、第４１０図は周知のＰＬＬ回路のブ
ロック図、第１１図は円環型超音波アクチュエータの切
り欠き斜視図、第１２図は第１１図の超音波アクチュエ
ータに用いた圧電体の形状と電極構造を示す平面図、第
１３図は超音波アクチュエータの動作原理の説明図、第
１４図は超音波アクチュエータの等価回路、第１５図は
機械腕電流の周波数特性図、第１６図は超音波アクチュ
エータ駆動装置の従来例のブロック構成図図、第１７図
は第１６図に示す装置の動作説明図、第１８図は起動時
の速度変化特性図である。１・・・・・・マイクロコンピュータ、２・・・・・・
Ｄ／Ａコンバータ、３・・・・・・電圧制御発振器、４
・・・・・・９０゜移相器、５．６・・・・・・電圧制
御増幅器、７．８・旧・・電力増幅器、９・・・・・・
超音波アクチュエータ、１０・・・・・・機械腕電流検
出器、１１・・・・・・ピークホールダ、１２・・・・
・・Ａ／Ｄコンバータ、１３・旧・・位相検出器、１４
・・・・・・Ａ／Ｄコンバータ、　１５・・・・・・Ｄ
／Ａコンバータ、１６・・・・・・速度検出器、１７・
・・・・・Ｆ／Ｖ変換器、１８・・・・・・Ａ／Ｄコン
バータ。代理人の氏名　弁理士　中尾敏男はか１名第２図第３図区寸　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　区域　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　の第７図Ｃ（Ｌ）Ｃｂ） Δｐ第８図ど４　Ｄフリップ７０ッグ第９図第１１図第１４図第１５図１ｓｌ −−”−−−、ｇＷｌｐｕり５（ｔ（Ａいｌ！５ｏ’Ｓ
　高ｙｙ（１５％掃？／第１６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　圧電体を周波電圧で駆動して、前記圧電体と弾
性体から構成される振動体に弾性波を励振することによ
り、前記振動体上に接触して設置された移動体を移動さ
せる超音波アクチュエータと、前記振動体の振動状態を
検出する振動状態検出手段と、起動時に、前記周波電圧
の周波数を変化させる駆動周波数変化手段と、前記振動
状態検出手段の出力の振幅値を検出する振幅値検出手段
と、前記振動状態検出手段の出力と前記周波電圧の位相
差を検出する位相検出手段と、前記位相検出手段の出力
が常に所定値になるように駆動周波数を変化させる位相
制御手段と、前記移動体の移動速度を検出する速度検出
手段と、前記速度検出手段の出力を所定の値になるよう
に前記周波電圧の振幅値を変化させる速度制御手段と、
前記駆動周波数変化手段と前記位相制御手段と前記速度
制御手段の各動作の開始及び終了のタイミングを振幅値
検出手段の出力と位相検出手段の出力の少なくとも一方
によって制御する動作タイミング制御手段を備えたこと
を特徴とする超音波アクチュエータ駆動装置。
（２）　起動時、駆動周波数変化手段の動作を開始させ
、振幅値検出手段の出力が所定の値になったとき速度制
御手段を動作させ、位相検出手段の出力が所定の値にな
ったとき駆動周波数変化手段の動作を停止させ、位相制
御手段を動作させる動作タイミング制御手段を備えたこ
とを特徴とする請求項１記載の超音波アクチュエータ駆
動装置。