JPH0241679A - 超音波アクチュエータの駆動装置 - Google Patents

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例えば
数１０ＫＨｚの駆動周波電圧加えて弾性振動を励振し、
この振動体を伸・縮１振動又は厚み振動させ、この振動
を駆動力としてロータ等の被・駆動体（移動体）を抑圧
駆動することにより、移動体を回転又は直線運動させる
ように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３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１８に円環型圧電体１７を貼り合わせて
振動体１９を構成している。２０は耐摩耗性材料の摩擦
材、２１は弾性体であり、互いに貼り合わせられて移動
体２２を構成している。移動体２２は摩擦材２０を介し
て振動体１９と接触している。圧電体１７に電圧を印加
すると振動体１９の周方向に曲げ振動が励起され、これ
が進行波となることにより、移動体２２を駆動する。な
お、同図中の振動・体２２には、機械出力取り出し用の
突起体２３が設置されている。

第４図は第３図の超音波アクチュエータ５に使用した圧
電体１７の電極構造の一例を示している。

同図では円周方向に９個の弾性波かのるように構成され
ている。同図において、ＡおよびＢはそれぞれ２分の１
波長相当の小領域から成る電極群で、Ｃは３／４波長、
Ｄは１／４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１／４波長（＝９０°）の位相差
を作っている。

電極ＡとＢ内の隣合う小電極部は圧電体１７を分極する
際に用いる電極で、圧電体１７の弾性体１８との接着面
は、第４図に示された面と反対の面であり、その面の電
極は全面平面電極である。

使用時には、電極群ＡおよびＢは第４図の斜線で示され
たように、それぞれ短絡して用いられる。

以上のように構成された超音波アクチュエータ５の圧電
体１７の電極ＡおよびＢに９０’位相の異なる ＶＩ＝ＶＯ−５ｉｎ（ωｔ）　　　　　　　　　　−−
−（１）ｖ２＝ｖｏ・ｃｏｓ（ωｔ）　　　　　　　　
　　−−−（２）ただし、ｖＯ：電圧の瞬時値 ω　：　角層、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１９には ξ＝ξ０　＊　（ｃｏｓ（ωｔ）・ｃｏｓ（ｋＸ）＋５
ｌｎ（ωｔ）　ｍ　５ｉｎ（ｋＸ））＝ξ０　ａ　ｃｏ
ｓ（ωｔ−ｋＸ）　　　　　　−−−（３）ただし、ξ
　：曲げ振動の振幅値 ξ０；曲げ振動の瞬２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１■ロナ゛振動が励起さ
れる。即ち振動体１９の表面には進行波が発生すること
になる。従ってこの振動１体１９に移動体２２を加圧接
触させれば、この移動体２２を」１記進行波にて移動さ
せることが出来る。

第５図は振動体１９の表面のＥ点が進行波の励起によっ
て、長軸２Ｗ、　　短軸２Ｕの楕円運動をし、振動体１
９」二に加圧して設置された移動体２２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＝ωｘＵの回、転速度で運動する様子を
示している。また、この速度は振動体１９と移動１体２
２の間にスヘリかあるときは、上記のＶより小さくなる
。同図の矢印Ｆは、移動体２２の進行方向を示し、矢印
Ｇは、この進行波の進行方向を示す。」１記した移動体
２２の速度Ｖは、 ■＝ω・　ｕ＝ｋ　・ωφ　ξ０ （ｋ：　比例、係数） で表せ、曲げ振動の瞬時値ξ０に比例する。

また、第４図の１／４波長相当の電極りは振動体１９の
振動振幅や位相なとの振動状態をモニタするためのモニ
タ電セ極として用いることが出来る。

さて上記のように構成された超音波アクチュエータに超
音波周波数の交流電圧の如き周波電圧を印加して振動体
１９を励振し、進行波を得て、移動体２２を駆動すると
き、その周波数が超音波アクチュエータ５固有の共振周
波数でないと効率的でないが、この共振点近傍で駆動す
ると圧電体１７特有の跳躍現象やヒステリシス現象など
のため振動体１９の振動が急に停止したりまたその振動
振幅が小さくなって移動１体２２が急に停止するなど動
作が不安定となり、このため実際この周波数近傍で超音
波アクチュエータ５を安定に動作させることは難しい。

従来この問題を解決するために、圧電体１７がこの周、
波数領域より高い周波数で駆動してやれば先の現象は起
こらず安定に動作すること、更にこの共振点は温湿度や
負荷等の環境条件によって絶えず変動することから、駆
動周波数を共振点近傍の不安定領域より常に高めになる
ように周波数自動追尾をかけて超音波アクチュエータ５
を駆動している。この周波数自動追尾は、圧電体１７に
印加される周波電圧と−１−記したモニタ電極りから得
られる信号との位相関係を検出することで駆動周波数の
状態がわかるので、その位相関係を所定の値に保つよう
に駆動周波数を制御することで実現している。

第６図はこの周波数自動追尾（位相制御）により超音波
アクチュエータ５を駆動する装置のブロック図を示す。

第７図はその動作を説明するための動作波形図である。

第６図において、１は入力される電圧値によって出力周
波数が制御された信号を発生する可変発振器、２は可変
発振器１の出力から９０゛位相の異なった２つの信号を
発生させる周知のＤフリップフロップと周辺ゲート回、
路で構成される９０°移相器、３．４はこの９０゜位相
の異なった各々信号を超音波アクチュエータ５を駆動す
るのに十分な電圧レベルまで増幅し圧電体１７の各々の
電極に印加するための電力増幅器、７は圧電体１７に印
加されるとちらか一方の電圧を検出しロジックレベルで
出力するシュミットコンパレータからなる電圧検出器、
８はモニタ電極りに発生する信号を検出しロジックレベ
ルで出力するシュミットコンパレータからなるモニタ信
号検出器、９は電圧検出器７の出力をもとに定電流回路
等から周知の技術で台形波を作成する台形波発生器、１
３．１４はモニタ信号検出器８の出力から所定の時間遅
延した位置にサンプルパルスを発生させる単安定マルチ
バイフレーク等で構成される位相遅延器、１５は位相遅
延器１３．１４の出力を端子１６に入力される方向・信
号によって切り換えるスイッチ（ＳＷ）、１１はサンプ
ルパルスによって台形波の傾斜の一部をサンプルしホー
ルドするアナログスイッチとホールドコンデンサおよび
バッファアンプからなるサンプルパルダー　１２はこの
周波数自動追尾のループの安定を補償しその出力が可変
発振器１の周波数制御端子に加えられる補償フィルタで
あり、以」二の構成要素で上記した周波数自動追尾（位
相側４御）ループが構成されている。

第７図の動作波形図において、ＶＩは電圧検出器７の出
力信号、Ｖ２はモニタ信号検出器８の出力信号、■４は
台形波発生器９の出力信号、■６、Ｖｌはそれぞれ位相
遅延器１３．１４の出力信号である。

以」−のように構成された従来の超音波アクチュエータ
の駆動装置において、可変発振器１が動作して周波信号
を９０’　移相器２に出力すると、９０゛移相器２はそ
の信号を基に９０　位相の異なった２つの周波信号を作
成し、それぞれを電力増幅器３．４に出力する。電力増
１１聞１回路３．４てはこの信号を超音波アクチュエー
タ５を駆動するのに必要な電圧レベルまでに高めて圧電
体１７に印加し、超音波アクチュエータ５を駆動する。

超音波アクチュエータ５が駆動されると、電圧検出器７
は電力増幅回路３．４の出力によって圧電体１７に印加
される電圧のどちらか一方（第２図では電力増幅器３に
よる電圧である）を検出しロジックレベルに波形整形し
た信号Ｖｌを台形波発生器９に出力すると、台形波発生
器９は第７図に示すようにＶｌの立ち上がりエツジを基
準にして台形波■４を作成しサンプルホールダ−１１に
出力する。

一方モニタ信号検出器８は振動１体１９の振動状態に応
じた電圧（以下モニタ電圧という）を発生する圧電体１
７上のモニタ電極りの信号を検出しロジックレベルに波
形整形した信号Ｖ２を位相遅延器１３．１４に出力し、
位相遅延器１３．１４で■２の立ち上がりエツジからそ
れぞれ時間ＴＳＩ、ＴＳ２遅れたサンプルパルス■６、
■７を５Ｗ１５を介してサンプルホールダ−１１に出力
する。

５Ｗ１５の切り換えは、端子１６に加えられる移動体２
２の移動方向を指令する方向信号によって行われ、移動
体２２の移動方向が正方向（ここでは時計方向（ＣＷ）
とする）のときはＶＢが、逆方向（反時計方向（ＣＯＷ
））のときは■７が選択される。

サンプルホールダ−１１ではサンプルパルスＶ６（Ｖｌ
）によって台形波ｖ４の傾斜の、印加電圧とモニタ電圧
のその時の位相差に応じた位置をサンプルし、その電圧
値を次のサンプルパルスかくるまでホールドして補償フ
ィルタ１２に出力する。

補償フィルタ１２では定常偏差を少なくするための積分
補償、系を安定させるための位相進み遅れ等の補償を行
ったのち出力信号を可変発振器１の周波数制御端子に加
え、可変発振器１はその入力される信号（電圧）に応じ
た発、振周波数の周波信号を出力し、超音波アクチュエ
ータ５の駆動周波数を変化させる。

以上のように構成される周波数自動追尾ループではサン
プルパルスＶ６（Ｖ７）と台形波Ｖ４の時間関係が、第
７図に示すように台形波Ｖ４の傾斜の中心にサンプルパ
ルスＶＥｉ（Ｖ７）がくるように動作する。即ち、サン
プルホールドされた電圧か系（ループ）の中心電圧Ｖｃ
になるタイミングである。

このことから位相遅延器１３（１４）での遅延量がｖｌ
と　ｖ２の関係即ち印加電圧とモニタ電圧の位相関係を
決めることになる。従って、超音波アクチュエータ５を
安定な状態（共振近傍よりも高い周波数）で駆動するた
めの印加電圧とモニタ電圧との位相関係になるように位
相遅延器１３（１４）での遅延量を決めている。第７図
ではＶｌとＶｌ１ ２の位相関係を０１にする遅延量はＴｓｌ（同図（ａ）
）で、θ２にする遅延量はＴｓ２である。

発明が解決しようとする課題 ところで上記のような横、成ては、以下に示す課題を有
している。いま移動体２２を正方向（ＣＷ）に移動させ
るべく進行波を発生させ超音波アクチュエータ５を駆動
することをまず考える。この時超音波アクチュエータ５
を共振点近傍を避け、それより常に高い周波数で安定に
効率よく駆動するためには、印加電圧とモニタ電圧の位
相関係即ちＶｌと■２を第７図（ａ）に示すようにＯｌ
（約４５゛近傍）の位相間１係に保つように周波数自動
追尾（位相制御）を行う必要があり、従ってサンプルホ
ール’１−１１に入力するサンプルパルス■６はモニタ
電圧検出器８の出力信号■２の立ち上かりエツジから時
間Ｔｓｌ遅延するように位相遅延器１３で調整される必
要がある。

次に方向信号■５によって移動体２２の移動方向が逆方
向になるように指令される＆、９０’　移相器２から正
方向時に出力される２つの信号の９０の位相の進み遅れ
の関係を逆にした信号が出力され、移動体２２は逆方向
に移動するわけであるが、この時正方向時と同様、超音
波アクチュエータ５を安定でかつ効率よく駆動する即ち
振動体１９を同じ振動状態に保つには、９０゛移相器２
の出力信号の位相・関１係が逆になったため、Ｖｌと■
２の位相関係はθＩにするのではなく、第７図（ｂ）に
示すように更に９０°　（π／２）位相をすらし　θ２
にする必要がある。従って、この時５Ｗ１５で選択され
るサンプルパルス■７の遅延量は第７図（ｂ）に示すよ
うに位相遅延器１４によってＴＳ２に調整される必要が
ある。

」１記したように従来の超音波アクチュエータ５の駆動
装置では移動体２２の移動方向によって二つの異なった
サンプルパルスが必要であり、これらの遅延量Ｔ　ＳＩ
Ｎ　　Ｔ　ｓ　２を別々に調整しなければならない。し
かしながら、Ｔ別Ｎ　　ＴＳ２を正確に調整することは
実際」二難しく、また仮に正確に調整することが出来て
も２つの位相遅延器の環境に対する変化特性も異なるた
め遅延量にズレが生じてくる。このことから従来の装置
では移動体２２の移動方向によって周波数自動追尾（位
相制嘆御）ループの動作中心即ち振動体１９の振動状態
（動作状態）が異なるため、このように駆動される超音
波アクチュエータ５に更に速度制御部や位置制御を行お
うとした場合、正逆両方向で制４御条件が異なるという
問題点が設計面の課題として残っており、更には、位相
遅延器が二つ要ることや調整箇所が二つあることは装置
のコストや生産性の面からも課題として残っている。

本発明はかかる点に鑑み、位相遅延器や位相遅延量の調
整箇所を減らすと共に、移動体の移動方向が正逆どちら
の方向にかかわらず周波数自動追尾（位相制御）ループ
における動作中心即ち振動体の振動状態が同じになる超
音波アクチュエータの駆動装置を提供することを目的と
する。

課題を解決するための手段 本発明は、超音波アクチュエータと、振動体の振動状態
を検出する振動状態検出手段と、前記弾性進行波の進行
方向と周波電圧の位相に関する情報を出力する位相・情
報出力手段と、前記振動状態検出手段の出力と前記位相
情報出力手段の出力の位相を比較する手段と、前記位相
比較手段の出力によって前記周波電圧の周波数を可変す
る周波数可変手段を有することを特徴とする超音波アク
チュエータの駆動装置である。

作用 本発明は、前記した位相比較手段と周波数可変手段とで
周波数自動追尾（位相制御御）ループを１・１４成する
ことにより、弾性進行波の進行方向が正方向の時は圧電
体に印加する２つの周波電圧のうち一方の周波電圧（も
しくはこの周波電圧の位相情報を持つ信号）の位相と」
−記検出出力の位相を比較し所定値になるように周波電
圧の周波数を変化させ、前記進行方向が逆方向の時は他
方の周波電圧（もしくはこの周波電圧の位相情報を持つ
信号）の位相と」１記検出出力の位相を比較し上記所定
値になるよう周波電圧の周波数を変化するよう動作する
。

実施例 第１図は本発明の実施１例における超音波モータの駆動
装置のブロック図を、第２図はその動作波形図を示すも
のである。同図において、従来例七同−図番を施したも
のは、その動作・機能が同じであるので説明は省１略す
る。６は電圧検出器７に入力する電力増４幅器３．４の
出力電圧Ｖａ、Ｖｂ（この電圧が超音波アクチュエータ
５に印加される）を方向信号■５によって切り換えるス
イッチ（ＳＷ）、１０はモニタ信号検出器８の出力から
所定の時間遅延した位置にサンプルパルスを発生させる
単安定マルチバイブレータ等で構成される位相遅延器で
ある。第２図においてＶａは電力増幅器３の出力電圧、
Ｖｂは電力増・１幅器４の出力電圧、■３は位相遅延器
１０から出力されるサンプルパルスである。

以上のように構・成された本実施例の超音波アクチュエ
ータの駆動装置について、以下その動作を説明する。可
変発振器１が動作して９０°移相器２および電力増幅器
３．４を通じて周波電圧が超音波アクチュエータ５に印
加されると移動体２２が駆動される。と同１時に移動方
向が正方向の場合はＳＷ８で選択（方向信号ｖ５による
）されたＶａが電圧検出器７によって検出され、第２図
（ａ）に示すように信号Ｖ１が出力されると、台形波発
生器９がＶｌの立ち上がりエツジを基準に台形波Ｖ４を
サンプルホールダー１１に出力する。

また、モニタ電圧がモニタ信号検出器８によって検出さ
れ信号ｖ２が出力されると、位相遅延器１０は超音波ア
クチュエータ５か安定で効率よく駆動される振動状態即
ちＶｌと■２との位相関係（印加電圧Ｖａとモニタ電圧
の位相関係）が、第２図（ａ）に示すように０１を保つ
ように遅延量がＴｓｌに調整されたサンプルパルス■３
をサンプルホールダー１１に出力する。サンプルホール
ダー１１では、従来と同様に、台形波■４の傾斜をサン
プルパルスＶ３によってザンプルし、そのホールド電圧
を補償フィルタ１２を介して可変発振器１にフィードバ
ックしている。

次に方向信号■５によって逆方向の指令か出されると９
０’　移相器２から正方向時に出力される２つの信号の
９０’　の位相の進み遅れの関係を逆にした信号が出力
され、その結果、第２図（ｂ）に示すように超音波アク
チュエータ５には電力増幅器３．４の出力電圧Ｖａとｙ
ｂの９０’　の位相関係は逆（ｖｂがＶａに対して９０
°進む）になって印加される。と同時に、ＳＷ６は切り
換わり電圧検出器７には電力増幅器４の出力ｖｂが入力
されることになり、台形波発生器１路９では台形波■４
はこのｖｂを基準に作成することになる。従ってモニタ
電圧と位相比較する印加電圧はｖｂである。

ところで完配したように、正方向と同じ振動状態であれ
ばモニタ電圧と印加電圧Ｖａの位相２関係は正方向時と
比べ更に９０゛　ずれた状態（Ｖａが■２に対し更に９
０’　遅れる）となるが、■１）が逆にＶａに対して９
０°進むのでモニタ電圧とｖｂの位相関係は、正方向時
のＶａの位相関工係と同じになる。

従って本実施例のように逆方向に移動１時はモニタ信号
検出器８の出力Ｖ２とＶｂ（実際はｖｂが選択された時
のＶ２）の位相関係を第２図（ｂ）に示すように正方向
と同じくθ１になるように周波数自動追尾（位相制御）
を行えば、正逆の方向にかかわらず振動体１９の振動状
態を同じにすることか出来る。

このことから台形波Ｖ４をサンプルするサンプルパルス
の遅延量は正逆同じＴｓｌでよく、従って位相遅延器は
一つでよいことになる。

以」二のように本実施例によれば、移動体の移動方向に
よってモニタ電圧と位相比較する印加電圧の相を切り換
えることで、従来のようにサンプルパルスの遅延量を各
々の方向に応じて調整する必要がなくなるとともに、各
々の方向とも振動状態が同一となるため、速度制御や位
置側、御を行おうとした場合でも、両方向について考慮
する必要が無くなり、設計面での課題も解消することが
出来る。

なお、本実施例では印加電圧を直接電圧検出器で検出し
、その出力とモニタ電圧（モニタ信号検出器の出力）と
位相比較する構、成としたが、印加電圧の位相情報を有
する９０’移相器の出力とモニタ電圧の位相を比較する
構成にしても問題はない。

発明の効果 以」二のように、本発明によれば、位相遅延器や位相遅
延量の調−整箇、所を減らすと共に、移動体の移動方向
が正逆どちらの方向にかかわらず周波数自動追尾（位相
制御）ループにおける動作中心即ち振動体の振動状態が
同じになる超音波アクヂ。

エータの駆動装置を提供するときができ、その実用的効
果は太きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超音波アクチュエータの駆
動装置のブロック図、第２図は同実施例の動作波形図、
第３図は超音波アクチュエータの切り欠き斜視図、第４
図は第３図に示す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５図は超音波アク
チュエータの動作原理の説明図、第６図は従来例におけ
る超音波アクチュエータの駆・動装置のブロック図、第
７図は同従来例の動作波形図である。 １・・・可変発振器、２・・・９０゛移相器、３．４・
・・電力増幅器、５・・・超音波アクチュエータ、６・
・・スイッチ、７・・・電圧検出器、８・・・モニタ信
号検出器、９・・・台形波発生器、１０・・・位相遅延
器、１１・・・サンプルパルス−１２・・・補償フィル
タ、２２・・・移動体。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名図 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電体に周波数は同一で位相の異なる２つの周波
   電圧を印加し、前記圧電体と弾性体とから構成される振
   動体に弾性進行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、前記弾性進行波の進行方向が正方向の時は前
   記２つの周波電圧のうち一方の周波電圧の位相に関する
   情報を出力し、また前記進行方向が逆方向の時は他方の
   周波電圧の位相に関する情報を出力する位相情報出力手
   段と、前記振動状態検出手段の検出出力と前記位相情報
   出力手段の出力の位相を比較しその比較信号を出力する
   位相比較手段と、前記位相比較手段の出力によって前記
   周波電圧の周波数を可変する周波数可変手段とをを有し
   たことを特徴とする超音波アクチュエータの駆動装置。
2. （２）分極処理された圧電体上の１つの電極から得られ
   る出力によって、振動体の振動状態を検出することを特
   徴とした請求項１に記載の超音波アクチュエータの駆動
   装置。