JPH06133568A

JPH06133568A - 超音波モータの駆動回路

Info

Publication number: JPH06133568A
Application number: JP4275624A
Authority: JP
Inventors: 忠雄 ▲高▼木; Tadao Takagi
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-10-14
Filing date: 1992-10-14
Publication date: 1994-05-13
Also published as: US5430343A

Abstract

(57)【要約】【目的】定在波の発生によっても、高効率が得られる
ようにした超音波モータの駆動回路を得ることを目的と
する。【構成】圧電体と、該圧電体の励振によって進行波を
発生する弾性体と、前記進行波によって駆動されるロー
タとを有する超音波モータの駆動回路であって、第１お
よび第２の高周波電圧を前記圧電体に印加する電源手段
と、前記弾性体に発生する定在波成分を検出する定在波
成分検出手段と、前記検出の定在波成分に基づいて、前
記第１の高周波電圧と前記第２の高周波電圧とのバラン
スを調整する制御手段とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動を利用した
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】従来この種の装置としては、例えば本出
願人による特開昭６２−２０３５７５号公報に開示され
ているものがあった。この公報によれば、弾性体の振動
振幅に応じて変化するモニター電圧を検出し、入力周波
数を変化させてモニター電圧値を設定値に一致せしめ、
その一致に応じて、ロータの回転を制御するという装置
であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような装
置においては、製造誤差を主因として定在波が発生し、
そのために、効率が低下するという問題点があった。本
発明は、この問題点に鑑み、定在波の発生によっても高
効率が得られるようにした超音波モータの駆動回路を提
供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、圧電体と、該圧電体の励振によって進行
波を発生する弾性体と、前記進行波によって駆動される
ロータとを有する超音波モータの駆動回路であって、第
１および第２の高周波電圧を前記圧電体に印加する電源
手段と、前記弾性体に発生する定在波成分を検出する定
在波成分検出手段と、前記検出の定在波成分に基づい
て、前記第１の高周波電圧と前記第２の高周波電圧との
バランスを調整する制御手段とを備えた。

【０００５】

【作用】本発明においては、上述の定在波成分検出手段
が、上記弾性体に発生する定在波成分を検出し、この結
果に基づいて上述の制御手段が、２相の入力電圧すなわ
ち上記第１の高周波電圧と第２の高周波電圧とのバラン
スを調整するようにしたので、高効率な超音波モータの
駆動回路を得ることができる。

【０００６】

【実施例】図１は、超音波モータの斜視図であり、この
図において、符号１は弾性体で、その下面に、リング状
の圧電体２が接着されている。圧電体２の表面には、第
１の高周波電圧（Ａ相）が図３中の電極２ｄを介して、
更に第２の高周波電圧（Ｂ相）が、図３中の電極２ｆを
介して、それぞれ印加され、対極側は弾性体１を介して
接地される。高周波電圧の印加により圧電体２が励振
し、弾性体１に進行波が発生する。この弾性体１と圧電
体２とを合わせて、ステータと呼ぶ。

【０００７】ロータ部材３には樹脂等からなる摺動材４
が接着されていて、不図示の加圧手段により上述のステ
ータに加圧され、弾性体１に発生される進行波により摺
動材４を介してロータ部材３が駆動される。このロータ
部材３と摺動材４とにより、ロータと呼ぶ。図２は、図
１中の圧電体２の上面図であり、この図において、リン
グ状の圧電体２には、進行波の波長（λ）の１／２に等
しい幅で夫々のセグメントが配列されており、隣接同士
のセグメント２ａ、２ｂには分極の方向が逆になってい
る。一方のセグメント２ａに示した印は、分極方向が紙
面を介して裏面から表面に向いており、他方のセグメン
ト２ｂに示した印は、その逆方向を表している。

【０００８】図中の左側に位置する１１個のセグメント
にはＡ相の高周波電圧が印加され、右側に位置する１１
個のセグメントにはＢ相の高周波電圧が印加される。進
行波の波長（λ）の１／４に等しい幅で、Ａ相とＢ相の
間に設けられたセグメント２ｃは、ステータの振動振幅
に応じたモニター電圧を検出するための部分であり、そ
の検出については、本出願人による特開昭６２−２０３
５７５に記載されているので、説明を省略する。

【０００９】図３は、図１中の圧電体２の電極構造を示
す図である。この図中の左側に位置する１１個のセグメ
ントには、導電塗料２ｄにより同電位にまとめられてお
り、１本のリード線２ｅによってＡ相の高周波電圧が印
加される。右側に位置する１１個のセグメントにも、導
電塗料２ｆにより同電位にまとめられており、１本のリ
ード線２ｇによってＢ相の高周波電圧が印加される。

【００１０】図４は、前述の進行波の原理を説明するた
めの図である。図２中の圧電体２は、リング状である
が、図４では、便宜のために、直線に展開されている。
圧電体２より図中の下側に描かれた波形は、同図中の左
側にベクトル表示されたＡ相の高周波電圧（Ｖ1 ）とＢ
相の高周波電圧（Ｖ2 ）とが印加された時の、弾性体１
と圧電体２との屈曲の様子を表している。

【００１１】波形図の横軸方向はセグメントの位置を示
し、縦軸方向は振動振幅の大きさを示す。またベクトル
図の横軸方向は実効値で、右方向が正の電位であり、左
方向が負の電位である。図中の点線で示されている２つ
の波形のうち一方の波形Ｚ1 は、Ａ相の高周波電圧（Ｖ
1 ）によって形成された定在波を示し、他方の波形Ｚ2
はＢ相の高周波電圧（Ｖ2）によって形成された定在波
で、実際にはそれらが合成されて進行波Ｚが形成され
る。Ａ相の高周波電圧Ｖ１とＢ相の高周波電圧Ｖ２との
間に、π／２の時間的位相差を設け、更に、Ａ相のセグ
メント群とＢ相のセグメント群との間にλ／４の空間的
位相差を設けることにより、合成波Ｚが進行波となり、
その進行の様子が図示のように描かれている。

【００１２】図５は、超音波モータの駆動回路を構成す
るブロック図である。この図において、高周波信号発生
器１１より発生した高周波電圧は、一方では増幅器１２
で増幅されて超音波モータの圧電体２の電極２ｄに印加
される。また、他方では移相器１３でπ／２だけ位相を
シフトされ、増幅器１４で増幅されて超音波モータの圧
電体２の電極２ｆに印加される。２相の高周波電圧の印
加により圧電体２が励振し、弾性体１に進行波が発生し
て、前述のロータが回転する。

【００１３】圧電体２の部分２ｃより、ステータの振動
振幅に応じたモニター電圧が、電圧検出手段１５により
検出され、電圧設定手段１６には、所望のロータの回転
数に応じた電圧が外部より設定される。電圧検出手段１
５の出力と電圧設定手段１６の出力とが、比較手段１７
により比較され、電圧検出手段１５の出力の方が低い時
は、周波数決定手段１８が、周波数をより低い値に決定
して高周波信号発生器１１に指示し、または電圧検出手
段１５の出力の方が高い時は、周波数をより高い値に決
定して高周波信号発生器１１に指示する。このフィード
バック・ループにより、所望のロータの回転数が得られ
る。

【００１４】図６は、従来の問題点と本発明の主旨とを
説明するために、入力周波数と振動振幅との関係を示し
たグラフである。この図中の横軸は、圧電体２に入力さ
れる高周波電圧の周波数を示し、縦軸はステータの振動
振幅の大きさを示す。また同図中の共振曲線２１は、Ａ
相にのみ高周波電圧を印加した時のステータの応答で、
その共振周波数をｆA とし、共振曲線２２は、Ｂ相にの
み高周波電圧を印加した時のステータの応答で、その共
振周波数をｆB とする。ステータの製造誤差により、共
振曲線２１と共振曲線２２とには、図示のように共振周
波数や振幅に相違が出てしまう。

【００１５】ここでステータの製造誤差とは、例えば、
弾性体１の加工寸法のばらつきや、圧電体２の各セグメ
ント寸法のばらつきや、圧電体２の各セグメントの分極
のばらつきや、弾性体１と圧電体２との接着層の厚さの
のばらつき等が考えられる。このような超音波モータ
に、例えば周波数ｆD の高周波電圧を印加して駆動する
と、Ａ相から発生する定在波の振動振幅２４と、Ｂ相か
ら発生する定在波の振動振幅２５とでは、振幅が異なる
ので、合成されて進行波は形成されるものの、合成でき
ない成分があまってしまう。この成分は定在波として残
り、ロータの駆動には全く寄与しないので、効率か低下
してしまうが、上述の残された定在波成分を検出して、
それを減少させる方向に制御すれば、効率を向上させる
ことができる。

【００１６】本発明は、後述する方法で定在波成分を検
出し、Ａ相とＢ相とに入力する高周波電圧Ｖ１、Ｖ２の
バランスを変えることで、効率の向上を可能にしてい
る。例えば、Ａ相に入力する高周波電圧Ｖ１を増加させ
て、共振曲線２１を、図６中の点線に示す共振曲線２３
までに大きくしてやると、動作周波数ｆD において両者
の振幅を一致させることができ、逆に、Ｂ相に入力する
高周波電圧Ｖ２を減少させて、共振曲線２２を小さくす
ることにより、動作周波数ｆD において両者の振幅を一
致させることも可能である。

【００１７】図７は、進行波と定在波が混在している波
動から、定在波成分のみを抽出する時の原理を説明する
ための図である。同図中の（ａ）は、前記セグメントの
位置と、進行波の振幅との関係を示すグラフであり、縦
軸が進行波の振幅の大きさを、横軸がセグメントの位置
をそれぞれ示している。（ｂ）は、前記セグメントの位
置と、定在波の振幅との関係を示すグラフであり、縦軸
が定在波の振幅の大きさを、横軸がセグメントの位置を
それぞれ示している。

【００１８】また同図中の（Ｃ）は、圧電体３０上の電
極３１〜３４の配置図を示し、夫々の位置は、上述のグ
ラフの横軸に対応している。この配置図において、圧電
体３０上の電極３１〜電極３４は、それぞれ進行波の波
長λの１／４に等しい幅で、図１中の弾性体１の底面に
設けられている。電極３１と電極３２とが一対に、電極
３３と電極３４とが一対になっており、これらの２組は
「（３／４）×λ」の値に等しい間隔をもって配置され
ている。尚、２組の間隔は、「（ｎ＋３／４）×λ」で
も良く、ｎは整数である。

【００１９】いま、圧電体３０の、電極３１や電極３２
の下に位置する部分の分極方向を、互いに同極とし、ま
た、電極３３や電極３４の下に位置する部分の分極方向
も互いに同極とする。電極３１や電極３２から検出され
るところのステータの振動振幅に応じて発生する電圧の
２乗平均値をそれぞれＶpp(1) 、Ｖpp(2) とし、同夫々
の平均値の差をΔＶ１とする。また、電極３３と電極３
４とから検出されるところのステータの振動振幅に応じ
て発生する電圧の２乗平均値をそれぞれＶpp(3) 、Ｖpp
(4) とし、同夫々の平均値の差をΔＶ2 とする。

【００２０】図７（ａ）中の進行波が、図７（ｃ）の圧
電体３０に発生したときは、ΔＶ1とΔＶ2 が共に零に
なり、図７（ｂ）中の定在波が、圧電体３０に発生した
ときは、ΔＶ1 が零になるが、ΔＶ2 は零にならず、こ
の差ΔＶ2 により、定在波成分のみが抽出されることに
なる。尚、電極３１、３２の一対と、電極３３、３４の
一対との間隔を、「（ｎ＋３／４）×λ」にした理由
は、定在波の位置と電極の位置との位置関係がどのよう
な場合においても、定在波成分を抽出できるようにした
ためである。

【００２１】図８は、定在波成分抽出用の電極３１〜電
極３４を、実際の圧電体３０に配置したときの同圧電体
３０の上面図である。図２との違いを説明すると、図８
では、モニター電圧を検出するためにＡ相とＢ相との間
に設けられた、進行波の波長（λ）の１／４の幅に等し
いセグメント３５の左側に、電極３１と電極３２とを隣
接して配置し、右側に電極３３と電極３４とを隣接して
配置しており、電極３１、３２の一対と電極３３、３４
の一対との間隔は、（３／４）×λになっている。

【００２２】図９は、定在波成分の検出手段として使用
するためのＣＰＵ４５を備えた駆動回路の構成を示すブ
ロック図であり、同図中のＣＰＵ４５が、前記第１の高
周波電圧と第２の高周波電圧とのバランスを調整するた
めの制御手段として、上述の定在波成分の検出手段と共
に使用される。この図において、高周波信号発生器４１
から発生した高周波電圧は、一方では増幅器４２で増幅
されて圧電体３０の電極３０ａに印加され、他方では移
相器４３によりπ／２だけの位相にシフトされて、増幅
器４４の増幅を経て圧電体３０の電極３０ｂに印加され
る。このように、２相の高周波電圧の印加により圧電体
３０が励振し、弾性体に進行波が発生して、ロータが回
転する。

【００２３】尚、高周波信号発生器４１、増幅器４２、
移相器４３や増幅器４４により、前記第１および第２の
高周波電圧を圧電体３０に印加するための電源手段を構
成する。圧電体３０上のセグメント部分３５より、ステ
ータの振動振幅に応じたモニター電圧が、ＣＰＵ４５に
より検出され、同ＣＰＵ４５に周波数が決定されて高周
波信号発生器４１に指示される。ここに関しては、図５
による前述の説明と同様であるので、詳述を省略する。

【００２４】電極３１〜電極３４で検出されるところの
ステータの振動振幅に応じて発生する電圧は、ＣＰＵ４
５に入力されて、同ＣＰＵ４５が定在波成分を検出し、
その結果を基に、ＣＰＵ４５が、前述の高周波電圧Ｖ1
、Ｖ2 をそれぞれ決定して、増幅器４２及び増幅器４
４の増幅率を変更せしめ、このときは、上述の高周波電
圧Ｖ1 、Ｖ２のバランスが均一に保つように、増幅器４
２、４４の増幅率を増減制御する。

【００２５】図１０及び図１１は、図９中のＣＰＵ４５
が作動するときのフローチャートを示し、このフローチ
ャートを用いて、動作を説明する。まず、ＣＰＵ４５の
電源がＯＮされると、図１０中のステップＳ１よりステ
ップＳ２に進んで、ＣＰＵ４５が初期値を設定する。そ
の設定については、前記第１の高周波電圧値をＶ０から
Ｖ１に、またその電圧値Ｖ１に対する第２の高周波電圧
値Ｖ２の比γを０（零）から１に、さらに処理の回数Ｋ
を０（零）に、それぞれ設定する。

【００２６】ステップＳ３では、ＣＰＵ４５が処理の回
数ｋに「１」を加算してインクリメントし、ステップＳ
４に進んで、第１の高周波電圧Ｖ１に上述の比γを掛け
て、その値「γ×Ｖ1 」を、前記第２の高周波電圧Ｖ2
に代入する。次のステップＳ５に進んで、高周波電圧Ｖ
１、Ｖ2 を圧電体３０に印加させるように、ＣＰＵ４５
が、高周波信号発生器４１に指令し更に２つの増幅器４
２、４４に対して夫々の増幅率を増減制御する。圧電体
３０には、左側の電極３０ａに、一方の増幅器４２より
Ａ相の高周波電圧Ｖ１が印加され、右側の電極３０ｂ
に、他方の増幅器４４よりＢ相の高周波電圧Ｖ２が印加
され、このように、２相の高周波電圧の印加により圧電
体３０が励振して、弾性体に進行波が発生し、その発生
によりロータが回転される。

【００２７】ステップＳ６では、電極３１〜電極３４で
検出されるところのステータの振動振幅に応じて発生す
る電圧を、ＣＰＵ４５が所定時間にわたって読み込み、
それぞれの電圧をＶp(1)〜Ｖp(4)に代入する。次のステ
ップＳ７に進んで、ＣＰＵ４５が、Ｖp(1)〜Ｖp(4)の各
々の２乗平均値を計算し、それぞれの値を、Ｖpp(1) 〜
Ｖpp(4) に代入する。

【００２８】ステップＳ８では、ＣＰＵ４５が、Ｖpp
(1) とＶpp(2) との差ΔＶ１を、更にＶpp(3) とＶpp
(4) との差ΔＶ2 を検出し、ステップＳ９に進んで、Ｃ
ＰＵ４５が、ΔＶ1 とΔＶ2 との大きい方の値を変数Δ
Ｖ(k) に代入する。次のステップＳ１０に進んで、処理
の回数ｋが１回であるか、すなわち電源をＯＮにした後
の１回目の処理であるか否かを、ＣＰＵ４５が判別し、
１回目のときは、ステップＳ１１に進み、そうでないと
きは、図１１中のステップＳ１２に進む。

【００２９】ステップＳ１１では、電圧値の比γに正の
数αを加算して、その値（γ＋α）を次回の処理に於け
る電圧値の比γに代入し、ステップＳ３に戻って、ＣＰ
Ｕ４５が処理の回数ｋを「１」に加算して２回目の処理
に移行し、ステップＳ４に進んで、上述のステップＳ１
１による電圧値の比（γ＋α）を第１の高周波電圧Ｖ１
に掛けて第２の高周波電圧Ｖ２に代入する。

【００３０】次のステップＳ５に進んで、上述の電圧値
Ｖ１、Ｖ２を圧電体３０に印加させるように、ＣＰＵ４
５が２つの増幅器４２、４４に対して夫々の増幅率を制
御し、その後は、ＣＰＵ４５が前述と同様に、ステップ
Ｓ６〜ステップＳ９までの動作を行い、ステップＳ１０
に進んで、処理が上述より２回目であるから、ＣＰＵ４
５がステップ１０より図１１中のステップ１２に進む。

【００３１】ステップＳ１２では、ＣＰＵ４５が、今回
の処理で演算されたΔＶ(k)から、前回の処理で演算さ
れたΔＶ(k-1) を引いて、その値を変数Ｍａに代入す
る。次のステップＳ１３に進んで、変数Ｍａの正負判定
を行い、零に等しいかまたは正数であるときは、ステッ
プＳ１４に進み、もしくは負数であるときは、ステップ
Ｓ１５に進む。

【００３２】ステップ１４では、今回の処理における電
圧値の比γから正の数αを引いて、その値（γ−α）を
次回の処理における電圧値の比γに代入し、ステップ１
５では、今回での電圧値の比γを正の数αに加算して、
その値（γ＋α）を次回での電圧値の比γに代入する。
尚、ステップＳ１３〜１５では、山登り制御方式で、前
記第１の高周波電圧値Ｖ1 に対する前記第２の高周波電
圧値Ｖ2 の比γを決定している。

【００３３】次のステップＳ１６に進んで、ＣＰＵ４５
の電源がＯＦＦのときは、同ＣＰＵ４５が作動を終了
し、まだＯＮであるときは、図１０中のステップＳ３に
戻って、ＣＰＵ４５が前述と同様に繰り返して作動す
る。この繰り返しの作動中に、図１０中のステップＳ９
に基づき、ＣＰＵ４５が、前記夫々の電圧値Ｖ１、Ｖ２
のうち大きい方の値ΔＶ(k) を選択すると共に、その値
ΔＶ(k) に応じて同ＣＰＵ４５が前述の定在波成分を抽
出し、その定在波成分を減少させる方向に制御するに
は、図１１中のステップＳ１２による検出の値Ｍａが、
正の数から零の方に、または負の数から零の方に引き寄
せるように、ＣＰＵ４５が、ステップＳ１６からステッ
プＳ３へのルートを経て、ステップＳ４からステップＳ
１４またはステップＳ１５までのルートを繰り返して作
動し、このように繰り返して、定在波成分を減少させる
ことにより、前述の電圧値Ｖ１、Ｖ２のバランスを均一
に保つことができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、弾性体に
発生する定在波成分を検出し、この結果に基づいて２相
の入力電圧のバランスを調整するようにしたので、定在
波の発生を抑制した高効率の超音波モータの駆動回路を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、超音波モータの構成を示す斜視図である。

【図２】は、図１中の圧電体２の上面に位置する夫々の
ゼクメントの構造を示す図である。

【図３】は、図１中の圧電体２の電極構造を示す図であ
る。

【図４】は、図１中のステータ１、２に発生される進行
波の原理を説明するための原理図である。

【図５】は、超音波モータの駆動回路の構成を示すブロ
ック図である。

【図６】は、従来の問題点と本発明の主旨とを説明する
ために、入力周波数と振動振幅との関係を示したグラク
である。

【図７】は、進行波と定在波とが混在している波動か
ら、定在波成分のみを抽出するときの原理を説明するた
めの図である。

【図８】は、定在波成分抽出用の電極３１〜電極３４
を、実際の圧電体３０に配置した時の、本発明の実施例
に係る圧電体３０の上面図である。

【図９】は、本発明に係る超音波モータの駆動回路の構
成を示すブロック図である。

【図１０】は、図９中のＣＰＵ４５の作動を示すフロー
チャートである。

【図１１】は、図１０中のステップＳ１０において、処
理の回数が２回目以上であると判別されたとき、その後
のＣＰＵ４５の作動を示すフローチャートである。

【符号の説明】

３０圧電体、３１〜３４定在波成分抽出用の電
極４２、４４増幅器、４５ＣＰＵ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体と、該圧電体の励振によって進行
波を発生する弾性体と、前記進行波によって駆動される
ロータとを有する超音波モータの駆動回路であって、第１および第２の高周波電圧を前記圧電体に印加する電
源手段と、前記弾性体に発生する定在波成分を検出する定在波成分
検出手段と、前記検出の定在波成分に基づいて、前記第１の高周波電
圧と前記第２の高周波電圧とのバランスを調整する制御
手段と、を備えたことを特徴とする超音波モータの駆動回路。
【請求項２】前記定在波成分検出手段は、前記弾性体
上に所定の間隔をもって設けられた複数個の振動検出部
を有することを特徴とする請求項１記載の超音波モータ
の駆動回路。
【請求項３】前記振動検出部は、前記進行波の波長λ
の１／４に等しい幅で形成された振動検出部を２個設け
て互いに隣接する同２個の振動検出部を２組有し、該２組の間隔は、整数ｎを「３／４」に加算して前記進
行波の波長λに掛けた値「（ｎ＋３／４）×λ」に等し
いことを特徴とする請求項２記載の超音波モータの駆動
回路。
【請求項４】前記制御手段は、前記検出の定在波成分
を少なくさせる方向に制御することを特徴とする請求項
１ないし請求項３記載の超音波モータの駆動回路。