JPH0670561A - 超音波モータの駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 駆動条件に応じて超音波モータの共振周波数
帯域を任意の共振周波数帯域へ切り換え、その共振周波
数帯域の駆動周波数で超音波モータを安定に駆動する。 【構成】 共振周波数帯域切換手段５０４により超音波
モータ５００の共振周波数帯域を切り換え、周波数設定
手段５０１で切り換えられた共振周波数帯域内の周波数
を駆動周波数として設定するとともに、位相差検出手段
５０５によって圧電体上に設けられた２個の検出電極の
出力電圧の位相差を検出し、共振次数検出手段５０６に
より検出位相差に基づいて駆動周波数がどの次数の共振
周波数帯域に含まれるかを検出し、周波数帯域制御手段
５０７によって検出次数に基づいて超音波モータ５００
の駆動周波数が切り換えられた共振周波数帯域内の周波
数となるように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波モータの駆動制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波モータは低速で大出力が得られる
など、アクチュエータとして最適な特性を有しており、
いろいろな産業分野で期待されている。ここで、図１２
に示す回転型超音波モータを例に上げてその構造と動作
の概要を説明する。図において、１１は移動子であり、
１２は移動子１１に固定された摺動材である。これら移
動子１１および摺動材１２が超音波モータのロータを構
成する。また、１３は圧電体１４が接着された弾性体で
あり、これら弾性体１３および圧電体１４が超音波モー
タのステータを構成する。ステータは支持部材１５，１
６により固定され、ロータは不図示の加圧機構によって
ステータに加圧され、接触している。

【０００３】図１３は圧電体１４に形成された電極の配
置例を示す。これらの電極を用いて圧電体１４の分極を
行なうとともに、駆動電力を供給したり、超音波モータ
の状態を検出する。図中の黒丸印は電極の分極方向を示
しており、黒丸印は＋、無印は−の方向の分極を示す。
電極群１４Ａ，１４Ｂは周方向に波長λの１／２の長さ
を持つ電極が集合した入力電極群であり、相互にλ／４
の空間的位相差を有している。電極１４Ｍはλ／４の長
さを有する電極であり、通常は弾性体１３に発生する進
行性振動波の振動状況を検出するための検出電極として
用いられる。電極１４Ｃは一般に共通電極と呼ばれる電
極であり、アース電極として用いられることがある。こ
の圧電体１４は上述したように弾性体１３に接着されて
おり、電極群１４Ａ，１４Ｂにそれぞれπ／２の位相差
を有した交流駆動信号を印加することによって弾性体１
３に進行性振動波を発生させ、加圧接触したロータを回
転させる。

【０００４】このような超音波モータを安定に駆動する
ためには、電極群１４Ａ，１４Ｂに印加する交流駆動信
号の周波数（以下、駆動周波数と呼ぶ）をそれぞれの超
音波モータに最適な周波数に設定する必要がある。この
最適な駆動周波数は超音波モータ固有の共振周波数より
もわずかに高い周波数であり、この周波数で超音波モー
タを駆動すると弾性体１３の共振による進行性振動波の
振幅が大となり、駆動効率が良好となる。この共振周波
数近傍の最適な周波数から駆動周波数がずれると、進行
性振動波の振幅が小さくなって超音波モータを駆動でき
なくなったり、駆動時に異常音が発生したり、あるいは
駆動方向が逆転したりして超音波モータを正常に駆動す
ることができなくなる。

【０００５】しかし、超音波モータの共振周波数は温
度、負荷などによって常に変化するため、この共振周波
数の変化に応じて最適な駆動周波数を設定する必要があ
る。このような駆動周波数を最適化するための超音波モ
ータの駆動制御装置が数多く提案されているが、それら
の代表的なものを上げると、 （１）圧電体上に設けた振動検出電極の出力電圧を検出
し、その出力電圧が最適な駆動周波数に対応した値とな
るように駆動周波数を制御する駆動制御装置。 （２）上記振動検出電極の出力電圧波形と圧電体に印加
する駆動電圧波形との位相差を検出し、所定の位相差と
なるように駆動周波数を制御する駆動制御装置。 （３）入力電極群の圧電体に印加する駆動電圧波形と圧
電体に流入する駆動電流波形との位相差を検出し、所定
の位相差となるように駆動周波数を制御する駆動制御装
置。 などがある。なお、上記以外にも種々提案されているが
説明を省略する。

【０００６】現在、上記（２）の駆動制御装置が最も有
力視されているので、図１４により、本出願人が提案し
たものを一例として説明する（例えば、特開昭６２−２
５１４９０号公報参照）。この駆動制御装置は、駆動周
波数ｆを出力する発振器２１、波形整形器２２、入力電
極２６ａ，２６ｂに印加する駆動電圧をπ／２だけ移相
する移相器２３、電力増幅器２４，２５、２個の電圧波
形の位相差φを算出する位相差算出回路２９、この位相
差φと基準位相差φｏｐｔとを比較して両者のずれ量△
φを出力する比較器３０、基準位相差φｏｐｔを出力す
るリファレンサー３１、および位相差のずれ量△φを駆
動周波数ｆの増減量△ｆに変換するφｆ換算器３２から
構成される。なお、２７，２８は整合用インダクタであ
る。

【０００７】位相差算出回路２９によって、入力電極１
４Ａに印加される駆動電圧波形と検出電極１４Ｍの出力
電圧波形との位相差φが算出される。比較器３０では、
この位相差φとリファレンサー３１で設定された基準位
相差φｏｐｔとが比較され、両者のずれ量△φが出力さ
れる。なお、この基準位相差φｏｐｔは、超音波モータ
が共振周波数よりもわずかに高い駆動周波数で安定に駆
動されているときの位相差である。次に、φｆ変換器３
２によって位相差のずれ量△φは駆動周波数ｆの増減量
△ｆに変換され、発振器２１へ出力される。発振器２１
は、増減量△ｆだけ駆動周波数ｆを増減する。これによ
って、超音波モータの駆動周波数ｆは常に共振周波数よ
りもわずかに高い最適な周波数に制御され、超音波モー
タは安定に駆動される。

【０００８】図１５は、駆動周波数ｆに対する超音波モ
ータの駆動速度Ｎと、上述した駆動電圧と検出電圧との
位相差φとの関係を示す。図における２つの駆動曲線Ｎ
Ａ，ＮＢと２つの位相曲線φＡ，φＢは、ある時刻にお
いて駆動曲線ＮＡおよび位相曲線φＡの状態で駆動され
ていた超音波モータが、温度や負荷などの変動により駆
動条件が変化し、駆動曲線ＮＢおよび位相曲線φＢの状
態に変化したことを示す。いずれの駆動状態において
も、超音波モータの最適な駆動周波数における位相差φ
は同じ値を示し、この値を上述した基準位相差φｏｐｔ
とすれば常に超音波モータを安定に駆動制御することが
できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波モー
タの共振周波数は共振次数ごとに存在し、通常、それら
の中で最良の駆動特性を示す次数の共振周波数帯域を超
音波モータの駆動周波数帯域として設定し、その帯域内
の周波数で超音波モータを駆動制御する。なお以下で
は、通常、駆動周波数帯域として用いられる共振周波数
帯域を最適共振周波数帯域と呼ぶ。

【００１０】ところが、例えば超音波モータを超低速度
で駆動する場合、最適共振周波数帯域の周波数で駆動す
るよりも、最適共振周波数帯域以外の共振周波数帯域の
周波数で駆動した方が速度偏差が小さく、優れた出力特
性を示す。

【００１１】しかしながら、従来の超音波モータの駆動
制御装置では、駆動条件に応じて共振周波数帯域を切り
換えて超音波モータを駆動した場合、駆動周波数が温度
や負荷などの変動によって所望の共振周波数帯域外へ逸
脱すると、ふたたび元の共振周波数帯域に戻らなくな
り、駆動状態が不安定になったり、異常音が発生するな
どの不具合が発生するという問題がある。

【００１２】ここで、駆動周波数帯域として通常用いら
れる共振周波数帯域について説明する。例えば図１３に
示す圧電体１４を例に上げると、入力電極群１４Ａ，１
４Ｂの中の一つの電極の周長がλ／２であるから、入力
電極群１４Ａおよび１４Ｂの周長はそれぞれ５λとな
り、さらに、共通電極１４Ｃが３×（λ／４）、検出電
極１４Ｍがλ／４であるから電極全体の周長は１１λと
なる。この圧電体１４の分極による波数と、超音波モー
タを駆動したときにステータ上に発生する進行性振動波
の波数とが一致する状態、すなわち図１３の例では１１
波の進行性振動波が発生する１１次の共振周波数帯域が
通常、超音波モータの駆動周波数帯域として用いられる
共振周波数帯域である。

【００１３】この１１次の共振周波数帯域の低周波側お
よび高周波側には、図１６，１７に示すように、１０
次、９次、・・の順に低次の共振周波数帯域と、１２
次、１３次、・・の順に高次の共振周波数帯域がある。
図１６は、駆動周波数Ｆに対する駆動速度Ｎおよび検出
電極の出力電圧ＶＭの関係を示す。上述した（１）の駆
動制御装置では、通常、検出電極の出力電圧ＶＭが１１
次の最適共振周波数帯域の駆動周波数Ｆ１１に対応した
値ＶＭ１となるように駆動周波数Ｆを設定する。また、
超音波モータを超低速度で駆動する場合、検出電極の出
力電圧ＶＭが、１１次の最適共振周波数帯域で駆動する
よりもすぐれた出力特性が得られる、例えば１２次の共
振周波数帯域の周波数Ｆ１２０に対応した値ＶＭ２とな
るように駆動周波数Ｆを設定する。しかし、１１次以外
の共振周波数帯域にも検出電極の出力電圧ＶＭがＶＭ１
となる周波数Ｆ９，Ｆ１０，Ｆ１２，Ｆ１３，・・があ
り、また、１２次以外の共振周波数帯域にも出力電圧Ｖ
ＭがＶＭ２となる周波数Ｆ９０，Ｆ１００，Ｆ１１０，
Ｆ１３０がある。いったん駆動周波数Ｆが予め設定した
１１次または１２次の共振周波数帯域から逸脱してこれ
らの周波数のいずれかに設定されると、もとの共振周波
数帯域へ戻らなくなる。

【００１４】また図１７は、駆動周波数Ｆに対する駆動
速度Ｎおよび入力電極の駆動電圧波形と検出電極の出力
電圧波形との位相差φの関係を示す。上述した（２）の
駆動制御装置では、通常、位相差φが１１次の最適共振
周波数帯域の駆動周波数Ｆ１１’に対応した値φ１とな
るように駆動周波数Ｆを設定する。また、超音波モータ
を超低速度で駆動する場合、位相差φが、１１次の最適
共振周波数帯域で駆動するよりもすぐれた出力特性が得
られる、例えば１２次の共振周波数帯域の周波数Ｆ１２
０’に対応した値φ２となるように駆動周波数Ｆを設定
する。しかし、１１次以外の共振周波数帯域にも位相差
φがφ１となる周波数Ｆ１０’，Ｆ１２’，Ｆ１３’，
・・があり、また、１２次以外の共振周波数帯域にも位
相差φがφ２となる周波数Ｆ１３０’，・・がある。い
ったん駆動周波数Ｆが予め設定した１１次または１２次
の共振周波数帯域から逸脱してこれらの周波数のいずれ
かに設定されると、もとの共振周波数帯域へ戻らなくな
る。

【００１５】さらに、図示を省略するが、上述した
（３）の駆動制御装置により、駆動電圧波形と駆動電流
波形との位相差に基づいて駆動周波数を制御する場合に
も同様の問題が発生する。

【００１６】なお、以上の説明では図１３に示す圧電体
１４を有する超音波モータを例に上げて説明したが、こ
れ以外の超音波モータに対しても同様な問題がある。

【００１７】本発明の目的は、駆動条件に応じて超音波
モータの共振周波数帯域を任意の共振周波数帯域へ切り
換え、その共振周波数帯域の駆動周波数で超音波モータ
を安定に駆動することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】クレーム対応図である図
１に対応づけて本発明を説明すると、請求項１の発明
は、圧電体の励振により弾性体に進行性振動波を発生す
る固定子と、この固定子に加圧接触され進行性振動波に
より駆動される移動子とから成る超音波モータ５００
と、この超音波モータ５００の駆動周波数を設定する周
波数設定手段５０１と、設定された駆動周波数の、所定
の位相差を有する２つの交流信号を生成する発振移相手
段５０２と、２つの交流信号を増幅して圧電体上の２個
の入力電極にそれぞれ印加する電力増幅手段５０３とを
備えた超音波モータの駆動制御装置に適用される。そし
て、超音波モータ５００の共振周波数帯域を切り換える
周波数帯域切換手段５０４と、圧電体上に２個の検出電
極を設け、それらの検出電極から出力される出力電圧の
位相差を検出する位相差検出手段５０５と、検出された
位相差に基づいて超音波モータ５００の駆動周波数がど
の次数の共振周波数帯域に含まれるかを検出する共振次
数検出手段５０６と、検出された共振周波数帯域の次数
に基づいて、駆動周波数が周波数帯域切換手段５０４に
より切り換えられた共振周波数帯域内の周波数となるよ
うに制御する周波数帯域制御手段５０７とを備え、周波
数設定手段５０１は、周波数帯域切換手段５０４により
切り換えられた共振周波数帯域内の周波数を駆動周波数
として設定することにより、上記目的を達成する。請求
項２の発明は、発振移相手段５０２Ａにより周波数帯域
切換手段５０４で切り換えられた共振周波数帯域に応じ
て２つの交流信号の位相差を設定するようにしたもので
ある。請求項３の発明は、電力増幅手段５０３Ａにより
周波数帯域切換手段５０４で切り換えられた共振周波数
帯域に応じて２つの交流信号の電圧レベルを設定するよ
うにしたものである。請求項４の超音波モータの駆動制
御装置は、電力増幅手段５０３と超音波モータ５００の
２個の入力電極との間に、周波数帯域切換手段５０４で
切り換えられた共振周波数帯域に対応するインダクタ５
０８を挿入するインダクタ挿入手段５０９を備える。

【００１９】

【作用】請求項１の超音波モータの駆動制御装置では、
超音波モータ５００の共振周波数帯域を切り換え可能と
し、切り換えられた共振周波数帯域内の周波数を超音波
モータ５００の駆動周波数として設定する。そして、圧
電体上に２個の検出電極から出力される出力電圧の位相
差に基づいて超音波モータ５００の駆動周波数がどの次
数の共振周波数帯域に含まれるかを検出し、検出された
共振周波数帯域の次数に基づいて駆動周波数が周波数帯
域切換手段５０４で切り換えられた共振周波数帯域内の
周波数となるように制御する。これにより、任意の共振
周波数帯域の駆動周波数で安定に超音波モータ５００を
駆動することができる。請求項２の超音波モータの駆動
制御装置では、切り換えられた共振周波数帯域に最適な
２つの交流信号の位相差を設定する。請求項３の超音波
モータの駆動制御装置では、切り換えられた共振周波数
帯域に最適な２つの交流信号の電圧レベルを設定する。
請求項４の超音波モータの駆動制御装置では、電力増幅
手段５０３と超音波モータ５００との間に切り換えられ
た共振周波数帯域に最適なインダクタを挿入する。

【００２０】

【実施例】図２〜１１により、本発明の一実施例を説明
する。なお以下では、図１３に示す電極配置の圧電体１
４を用いた超音波モータを例に上げて説明する。まず、
超音波モータに印加されている駆動電圧の周波数がどの
共振周波数帯域に含まれるかを検出する方法について説
明する。図１３に示す圧電体１４を用いた超音波モータ
では、最適共振周波数帯域におけるステータの進行性振
動波の波数は１１波となる。また、１１次共振周波数帯
域よりも高周波側の１２次共振周波数帯域では１２波と
なり、１３次共振周波数帯域では１３波となる。以下同
様に、共振次数が増えるごとに波数は１波ずつ増加す
る。逆に、１１次共振周波数帯域よりも低周波側の１０
次共振周波数帯域では進行性振動波の波数が１０波とな
り、９次共振周波数帯域では９波となる。以下同様に、
共振次数が減少するごとに波数が１波ずつ減少する。

【００２１】この実施例では、図１３に示す圧電体１４
の検出電極１４Ｍに対向する位置、つまり共通電極１４
Ｃの位置に第２の検出電極を設ける。この共通電極１４
Ｃの分割例を図２に示す。電極１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ
は共通電極１４Ｃを均等に３分割した周長λ／４の検出
電極であり、すべて＋の極性に分極する。図３は、図
２，１３に示す圧電体１４を直線上に展開し、１１次か
ら１３次までの共振周波数帯域で得られるステータ上の
進行性振動波を示す。なお、進行性振動波は検出電極１
４Ｍの位置を基準として示してある。ここで、検出電極
１４Ｍ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆはすべてλ／４の周長
であり、ロータの中心から見た４つの検出電極間の角度
は図２，１３に示す電極配置により決定される。

【００２２】図３から明らかなように、ステータ上の進
行性振動波の波数、すなわち共振次数が変化すると各電
極間の波数が変化する。検出電極が＋の極性に分極され
ていて、図における進行性振動波が＋方向にある場合に
検出電極から＋極性の電圧が出力されるとすると、共振
周波数帯域が変化すると各検出電極間の出力電圧波形の
位相が変化することがわかる。例えば、電極１４Ｍと１
４Ｅの場合では、出力電圧波形間の位相差は１１次で１
８０ｄｅｇであり、１２次では０ｄｅｇ、１３次では１
８０ｄｅｇとなる。この場合、ロータの中心から見た検
出電極１４Ｍと１４Ｅの角度は１８０ｄｅｇであり、こ
の間に何波の進行性振動波が存在するかによって検出電
極１４Ｍ，１４Ｅの出力電圧波形間の位相差が決まる。
この関係を式で表すと次のようになる。任意の二つの電
極間のロータの中心から見た角度をθ、ステータ上に発
生する進行性振動波の波数をｎとすると両電極間に存在
する進行性振動波の波数ｎ１は、 ｎ１＝（θ×ｎ）／３６０ ・・・（１） で表される。ここで、両検出電極の出力電圧波形の位相
差φは（１）式で求めた波数ｎ１の小数点以下に３６０
ｄｅｇを乗した値となり、波数ｎ１の小数点以下をｎ２
とすると、 φ＝３６０×ｎ２ ・・・（２） となる。

【００２３】このように、圧電体上の任意の位置に設け
た２個の検出電極の出力電圧波形の位相差を検出すれ
ば、超音波モータの駆動周波数が何次の共振周波数帯域
の周波数かを判別することができる。図２，１３に示す
電極１４Ｍ，１４Ｅを検出電極とした場合は、２個の検
出電極間のロータの中心から見た角度が１８０ｄｅｇで
あるため、共振次数が変化すると２個の検出電極の出力
電圧波形の位相差は０ｄｅｇまたは１８０ｄｅｇと交互
に変化する。従って、１０次と１２次の場合はともに位
相差が０ｄｅｇとなって判別がつかず、また１１次と１
３次の場合はともに位相差が１８０ｄｅｇとなって判別
がつかない。しかし、駆動周波数設定回路または駆動周
波数発振器の周波数帯域が１１次と１２次の共振周波数
帯域にまたがっているような場合には、駆動周波数は１
１次または１２次の共振周波数帯域の周波数に限定され
るので、駆動周波数が１１次の最適共振周波数帯域の周
波数に設定されているかどうかの判別は充分に可能であ
る。

【００２４】検出電極１４Ｄまたは１４Ｆの出力電圧波
形と検出電極１４Ｍの出力電圧波形との位相差に基づい
て、超音波モータの駆動周波数がどの共振周波数帯域に
あるかを判別するようにすれば、両電極間の角度が１８
０ｄｅｇではないので上述した電極１４Ｍ，１４Ｅの場
合のような問題はなく、さらに広い範囲の共振周波数帯
域にわたって判別が可能となる。

【００２５】また、検出電極１４Ｄ〜１４Ｆのように、
最適共振周波数帯域における進行性振動波の１波長以内
に配置された検出電極間では、低次の共振周波数帯域に
なってステータ上の進行性振動波の波数が減少するごと
に、それらの検出電極の出力電圧波形の位相差は減少
し、逆に、高次の共振周波数帯域になって波数が増大す
るごとに通常の波数の２倍の波数になるまで、検出電極
間の出力電圧の位相差が増大する。従って、最適共振周
波数帯域における位相差を基準にして検出電極間の出力
電圧の位相差を判別すれば、共振次数に応じて位相差が
ほぼ直線的に変化するので、駆動周波数が最適共振周波
数帯域の周波数か、あるいはそれ以外の共振周波数帯域
の周波数であるかを容易に判別できる。

【００２６】このように、基準の位相差よりも２個の検
出電極間の出力電圧波形の位相差が小さいか大きいかに
よって駆動周波数の帯域を判別できる電極の配置につい
ては、進行性振動波の波数と、検出電極間のロータの中
心から見た角度と、最適共振周波数帯域に対してどこま
で判別能力を持つ必要があるかによって決定すればよ
い。

【００２７】なお、図４に示すように、検出電極１４Ｃ
をλ／２とλ／４の長さに分割し、電極群１４Ｂの一つ
の電極と電極１４Ｃのλ／２の長さの電極とを入れ替え
て、電極群１４Ｂ中の入れ換えた電極１４Ｇを検出電極
として使用してもよい。

【００２８】以上の共振周波数帯域の次数の検出方法で
は、ステータ上に進行性振動波を発生させた状態で２個
の検出電極の出力電圧波形の位相差を検出して共振周波
数帯域の次数を検出したが、ステータ上に定在波が発生
している状態でも同様に共振周波数帯域の次数の検出が
可能である。今、２つの入力電極群の片側に駆動電圧を
印加すると、ステータ上に定在波が発生する。この定在
波の波数と進行性振動波の波数とは、駆動周波数が同一
であれば波数も同一となるので進行性振動波による検出
と同様に駆動周波数がどの共振周波数帯域に含まれるか
判別できる。

【００２９】このように、圧電体上に設けた２個の検出
電極間の出力電圧波形間の位相差に基づいて共振周波数
帯域の次数を検出でき、共振次数検出回路を設けて駆動
周波数がどの共振周波数帯域に含まれるかを判別し、駆
動周波数が所望の共振周波数帯域の周波数となるように
駆動周波数設定回路あるいは駆動周波数発振器を制御す
る。これによって、共振周波数帯域を切り換えて所望の
帯域の駆動周波数で超音波モータを安定に駆動すること
ができる。

【００３０】図５は第１の実施例の構成を示す。この実
施例では、検出電極の出力電圧波形と入力電極群に印加
される駆動電圧波形との位相差に基づいて駆動周波数を
制御する駆動制御装置を例に上げて説明する。また、こ
の実施例の超音波モータの圧電体は図１３に示す電極配
置のものとし、その共通電極１４Ｃを図２に示すように
分割し、その中の電極１４Ｆを一方の検出電極として用
いるものとする。そして、通常駆動時は１１次の最適共
振周波数帯域の周波数で駆動し、超低速度で駆動する場
合は共振周波数帯域を切り換えて１２次の共振周波数帯
域の周波数で駆動する。

【００３１】この実施例の超音波モータの駆動制御回路
は、共振次数検出回路１、駆動周波数設定回路２、発振
移相回路３、電力増幅器４，５および共振周波数帯域切
換回路６から構成される。共振次数検出回路１は、検出
電極１４Ｍ，１４Ｆの出力電圧波形の位相差に基づい
て、超音波モータの駆動周波数がどの共振周波数帯域に
含まれるかを検出する。超音波モータの検出電極１４
Ｍ，１４Ｆは、共振次数検出回路１の波形整形器１０
１，１０２へそれぞれ接続される。検出電極１４Ｍ，１
４Ｆの出力電圧は波形整形器１０１，１０２によってそ
れぞれ矩形波に波形整形され、位相差検出器１０３へ出
力される。

【００３２】この位相差検出器１０３は、図６に示すよ
うに２個のアンドゲート１０３Ａ，１０３ＢとＲＳフリ
ップフロップ１０３Ｃで構成され、検出電極１４Ｍ，１
４Ｆの出力電圧波形の位相差を検出する。各アンドゲー
ト１０３Ａ，１０３Ｂの一方の入力端子には波形整形器
１０１，１０２の出力がそれぞれ接続され、他方の入力
端子にはＲＳフリップフロップ１０３Ｃの出力が接続さ
れる。図７は位相差検出器１０３の動作を示すタイムチ
ャートである。波形整形器１０１，１０２を介して入力
された検出電極１４Ｍ，１４Ｆの出力電圧波形の立ち上
がりエッジに同期して、出力の電圧レベルがハイレベル
からローレベルへ、またはローレベルからハイレベルへ
と交互に反転する。つまり、位相差検出器１０３は検出
電極１４Ｍ，１４Ｆの出力電圧波形の位相差に応じたデ
ューティー比の信号を出力する。

【００３３】位相差検出器１０３の出力は、抵抗器１０
４とコンデンサ１０５から成る積分器へ接続される。こ
の積分器は、位相差検出器１０３の出力信号を平滑して
直流電圧信号に変換する。検出電極１４Ｍ，１４Ｆの出
力電圧波形の位相差が小さいと、図７に示すように位相
差検出器１０３の出力信号のデューティー比が小さくな
り、それを平滑した直流電圧信号の電圧は低くなる。逆
に、検出電極１４Ｍ，１４Ｆの出力電圧波形の位相差が
大きいと、位相差検出器１０３の出力信号のデューティ
ー比が大きくなり、それを平滑した直流電圧信号の電圧
は高くなる。検出電極１４Ｍ，１４Ｆの出力電圧波形の
位相差（ｄｅｇ）と直流電圧信号の電圧Ｖｃｃ（Ｖ）と
の関係を図８に示す。

【００３４】この積分器の出力を５個のウインドコンパ
レータ１０６〜１１０の入力端子に接続し、積分器の直
流電圧信号をウインドコンパレータ１０６〜１１０へ出
力する。ウインドコンパレータ１０６〜１１０は、図９
に示すように可変抵抗器１０６Ａ，１０６Ｃとコンパレ
ータ１０６Ｂ，１０６Ｄで構成され、入力の直流電圧信
号の電圧が可変抵抗器１０６Ａ，１０６Ｃに設定された
設定電圧間にあればハイレベルの信号を出力し、入力信
号の電圧が設定電圧間になければローレベルの信号を出
力する。この実施例では、１１次の最適共振周波数帯域
以外に、その上下の９，１０次と１２，１３次の共振周
波数帯域を検出するため、５個のウインドコンパレータ
１０６〜１１０を用いる。

【００３５】各ウインドコンパレータで検出すべき検出
電極１４Ｍ，１４Ｆの出力電圧波形の位相差は、上述し
た（１），（２）式により求められ、９次のウインドコ
ンパレータ１０６では約１０６ｄｅｇ、１０次のウイン
ドコンパレータ１０７では約２７８ｄｅｇ、１１次のウ
インドコンパレータ１０８では９０ｄｅｇ、１２次のウ
インドコンパレータ１０９では約２６２ｄｅｇ、１３次
のウインドコンパレータ１１０では約７４ｄｅｇとな
る。そこで、これらの位相差を中心にして各ウインドコ
ンパレータに上下２〜３ｄｅｇの検出範囲を設定し、可
変抵抗器１０６Ａに検出範囲の上限の位相差に相当する
積分器の直流電圧を設定し、可変抵抗器１０６Ｃに検出
範囲の下限の位相差に相当する積分器の直流電圧を設定
する。例えば１１次のウインドコンパレータ１０８で
は、検出位相差９０ｄｅｇに対して検出範囲を８７〜９
３ｄｅｇに設定し、可変抵抗器１０６Ａに検出範囲の上
限の位相差９３ｄｅｇに相当する積分器の直流電圧を設
定し、可変抵抗器１０６Ｃに下限の位相差８７ｄｅｇに
相当する積分器の直流電圧を設定する。他のウインドコ
ンパレータ１０６，１０７，１０９，１１０に対しても
同様に可変抵抗器１０６Ａ，１０６Ｃに各検出範囲の上
下限の位相差に応じた直流電圧を設定する。

【００３６】なお、検出電極１４Ｍ，１４Ｆの出力電圧
波形の位相差は各共振周波数帯域の境界周波数で段階的
に変化する。従って、ウインドコンパレータ１０６〜１
１０の位相差の検出範囲は、圧電体１４上の電極配置の
位置誤差などを考慮して他の共振周波数帯域の位相差と
重ならない程度の余裕をもたせて設定すればよい。

【００３７】ウインドコンパレータ１０８，１０９の出
力は信号選択器１２４の入力端子１２４ｄ，１２４ｅへ
それぞれ接続される。信号選択器１２４は、図１０に示
すように３個のスイッチ１２４ａ〜１２４ｃを備えてお
り、後述する共振周波数帯域切換回路６からの帯域切り
換え信号に従ってスイッチ１２４ａ〜１２４ｃが切り替
る。すなわち、共振周波数帯域切換回路６から１１次の
共振周波数帯域を示すローレベルの信号が制御端子１２
４ｆに供給されると、各スイッチ１２４ａ〜１２４ｃが
ａ側へ切り替り、ウインドコンパレータ１０８の出力信
号がスイッチ１２４ｂ、出力端子１２４ｈを介して後述
する駆動周波数設定回路２のスイッチ２０４の制御端子
へ出力されるとともに、ウインドコンパレータ１０９の
出力信号がスイッチ１２４ｃ、出力端子１２４ｉを介し
てＯＲゲート１１２の入力端子へ出力される。なおこの
とき、ＮＯＲゲート１１１の入力端子は出力端子１２４
ｇ、スイッチ１２４ａを介して接地される。

【００３８】一方、共振周波数帯域切換回路６から１２
次の共振周波数帯域を示すハイレベル信号が制御端子１
２４ｆに供給されると、各スイッチ１２４ａ〜１２４ｃ
がｂ側へ切り替り、ウインドコンパレータ１０８の出力
信号がスイッチ１２４ａ、出力端子１２４ｇを介してＮ
ＯＲゲート１１１の入力端子へ出力されるとともに、ウ
インドコンパレータ１０９の出力信号がスイッチ１２４
ｂ、出力端子１２４ｈを介してスイッチ２０４の制御端
子へ出力される。なおこのとき、ＯＲゲート１１２の入
力端子は出力端子１２４ｉ、スイッチ１２４ｃを介して
接地される。

【００３９】ウインドコンパレータ１０６，１０７の出
力と信号選択器１２４の出力端子１２４ｇはＮＯＲゲー
ト１１１へ接続されており、それらの内のいずれかがハ
イレベルのときにＮＯＲゲート１１１から抵抗器１１３
を介してトランジスタ１１５のベースへローレベル信号
が出力され、トランジスタ１１５を導通させる。すなわ
ち、共振周波数帯域切換回路６で１１次の共振周波数帯
域が設定されている場合は、信号選択器１２４から出力
端子１２４ｇを介してＮＯＲゲート１１１へローレベル
信号が供給される。このとき、９次または１０次の共振
周波数帯域が検出され、ウインドコンパレータ１０６ま
たは１０７からハイレベル信号がＮＯＲゲート１１１へ
供給されると、ＮＯＲゲート１１１からローレベル信号
が出力され、トランジスタ１１５が導通する。なお、駆
動周波数が１２次以上の共振周波数帯域にあるときは、
ＮＯＲゲート１１１への入力信号はすべてローレベルと
なり、ＮＯＲゲート１１１の出力がハイレベルとなって
トランジスタ１１５は非導通状態になる。

【００４０】一方、共振周波数帯域切換回路６で１２次
の共振周波数帯域が設定されている場合は、信号選択器
１２４を介してウインドコンパレータ１０８の出力がＮ
ＯＲゲート１１１の入力端子へ接続される。このとき、
９次〜１１次のいずれかの共振周波数帯域が検出され、
ウインドコンパレータ１０６〜１０８のいずれかの出力
からハイレベル信号がＮＯＲゲート１１１へ供給される
と、ＮＯＲゲート１１１からローレベル信号が出力さ
れ、トランジスタ１１５が導通する。なお、駆動周波数
が１３次以上の共振周波数帯域にあるときは、ＮＯＲゲ
ート１１１の入力信号はすべてローレベルとなり、ＮＯ
Ｒゲート１１１の出力がハイレベルとなってトランジス
タ１１５は非導通状態になる。

【００４１】ウインドコンパレータ１１０の出力と信号
選択器１２４の出力端子１２４ｉはＯＲゲート１１２へ
接続されており、それらの内のいずれかがハイレベルの
ときにＯＲゲート１１２から抵抗器１１４を介してトラ
ンジスタ１１６のベースへハイレベル信号が出力され、
トランジスタ１１６を導通させる。すなわち、共振周波
数帯域切換回路６で１１次の共振周波数帯域が設定され
ている場合は、信号選択器１２４を介してウインドコン
パレータ１０９の出力がＯＲゲート１１２の入力端子へ
接続される。このとき、１２次または１３次の共振周波
数帯域が検出され、ウインドコンパレータ１０９または
１１０からハイレベル信号がＯＲゲート１１２へ供給さ
れると、ＯＲゲート１１２からハイレベル信号が出力さ
れ、トランジスタ１１６が導通する。なお、駆動周波数
が１１次以下の共振周波数帯域にあるときは、ＯＲゲー
ト１１２への入力信号はすべてローレベルとなり、ＯＲ
ゲート１１２の出力もローレベルとなってトランジスタ
１１６は非導通状態になる。

【００４２】一方、共振周波数帯域切換回路６で１２次
の共振周波数帯域が設定されている場合は、信号選択器
１２４からＯＲゲート１１２へローレベル信号が供給さ
れる。このとき、１３次の共振周波数帯域が検出され、
ウインドコンパレータ１１０からハイレベル信号がＯＲ
ゲート１１２へ供給されると、ＯＲゲート１１２からハ
イレベル信号が出力され、トランジスタ１１６が導通す
る。なお、駆動周波数が１２次以下の共振周波数帯域に
あるときは、ＯＲゲート１１２への入力信号はすべてロ
ーレベルとなり、ＯＲゲート１１２の出力もローレベル
となってトランジスタ１１６は非導通状態になる。

【００４３】共振周波数帯域切換回路６は、抵抗器６０
１とスイッチ６０２から構成され、駆動周波数帯域とし
て１１次の共振周波数帯域を設定する場合はスイッチ６
０２を閉路し、共振次数検出回路１、駆動周波数設定回
路２、発振移相回路３および電力増幅器４，５へローレ
ベル信号を出力する。また、駆動周波数帯域として１２
次の共振周波数帯域を設定する場合はスイッチ６０２を
開路し、上記の回路へそれぞれハイレベル信号を出力す
る。

【００４４】この共振周波数帯域切換回路６で１１次の
共振周波数帯域が設定された場合、ウインドコンパレー
タ１０８の出力が信号選択器１２４を介して駆動周波数
設定回路２のスイッチ２０４の制御端子へ接続される。
駆動周波数が１１次の共振周波数帯域にあると、ウイン
ドコンパレータ１０８からスイッチ２０４の制御端子へ
ハイレベル信号が出力され、スイッチ２０４が閉路す
る。このとき、トランジスタ１１５，１１６はともに非
導通状態にあり、両トランジスタ１１５，１１６のコレ
クタに接続される抵抗器１１７は絶縁状態となる。

【００４５】駆動周波数が１１次よりも低い９次または
１０次の共振周波数帯域にあると、ウインドコンパレー
タ１０８からスイッチ２０４の制御端子へローレベル信
号が出力され、スイッチ２０４が開路する。このとき、
トランジスタ１１５が導通、トランジスタ１１６が非導
通状態にあり、トランジスタ１１５および抵抗器１１７
を介して電源から駆動周波数設定回路２のコンデンサ２
０６へハイレベル信号が出力される。

【００４６】駆動周波数が１１次よりも高い１２次また
は１３次の共振周波数帯域にあると、ウインドコンパレ
ータ１０８からスイッチ２０４の制御端子へローレベル
信号が出力され、スイッチ２０４が開路する。このと
き、トランジスタ１１５が非導通、トランジスタ１１６
が導通状態にあり、コンデンサ２０６がトランジスタ１
１６および抵抗器１１７を介して接地される。

【００４７】共振周波数帯域切換回路６で１２次の共振
周波数帯域が設定された場合、ウインドコンパレータ１
０９の出力が信号選択器１２４を介して駆動周波数設定
回路２のスイッチ２０４の制御端子へ接続される。駆動
周波数が１２次の共振周波数帯域にあると、ウインドコ
ンパレータ１０９からスイッチ２０４の制御端子へハイ
レベル信号が出力され、スイッチ２０４が閉路する。こ
のとき、トランジスタ１１５，１１６はともに非導通状
態にあり、抵抗器１１７は絶縁状態となる。

【００４８】駆動周波数が１２次よりも低い９次〜１１
次のいずれかの共振周波数帯域にあると、ウインドコン
パレータ１０８からスイッチ２０４の制御端子へローレ
ベル信号が出力され、スイッチ２０４が開路する。この
とき、トランジスタ１１５が導通、トランジスタ１１６
が非導通状態にあり、トランジスタ１１５および抵抗器
１１７を介して電源から駆動周波数設定回路２のコンデ
ンサ２０６へハイレベル信号が出力される。

【００４９】駆動周波数が１２次よりも高い１３次の共
振周波数帯域にあると、ウインドコンパレータ１０８か
らスイッチ２０４の制御端子へローレベル信号が出力さ
れ、スイッチ２０４が開路する。このとき、トランジス
タ１１５が非導通、トランジスタ１１６が導通状態にあ
り、コンデンサ２０６がトランジスタ１１６および抵抗
器１１７を介して接地される。

【００５０】駆動周波数設定回路２は、波形整形器２０
１、シフトレジスタ２０２、位相比較器２０３、スイッ
チ２０４、抵抗器２０５およびコンデンサ２０６から成
る積分器および位相差設定器２０７から構成され、超音
波モータの駆動周波数を１１次または１２次の共振周波
数帯域の周波数に設定する。波形整形器２０１は、超音
波モータの一方の入力電極群１４Ａに接続され、入力電
極１４Ａに印加される駆動電圧波形を矩形波に波形整形
してシフトレジスタ２０２へ出力する。シフトレジスタ
２０２のクロック端子ＣＫには後述する電圧制御発振器
（ＶＣＯ）３０１の出力が接続されており、所定の周波
数のパルス信号が入力する。シフトレジスタ２０２は、
クロック端子ＣＫに入力するパルス数をカウントし、位
相差設定器２０７により設定されたクロック数だけ波形
整形器２０１からの駆動電圧波形を遅延して出力する。

【００５１】位相比較器２０３は、シフトレジスタ２０
２からの駆動電圧波形と波形整形器１０１を介して得ら
れた検出電極１４Ｍの出力電圧波形とを比較し、両者の
位相差に応じた直流電圧を出力する。スイッチ２０４
は、上述した共振次数検出回路１の信号選択器１２４に
よって制御され、信号選択器１２４からの信号がハイレ
ベルのときに閉路し、ローレベルのときに開路する。す
なわち、駆動周波数が共振周波数帯域切換回路６により
設定された１１次または１２次の共振周波数帯域にある
ときは、スイッチ２０４が閉路して位相比較器２０３の
出力電圧を抵抗器２０５およびコンデンサ２０６から成
る積分器に印加する。駆動周波数が共振周波数帯域切換
回路６で設定した１１次または１２次の共振周波数帯域
にないときは、スイッチ２０４が開路して位相比較器２
０３と積分器とを電気的に絶縁する。抵抗器２０５およ
びコンデンサ２０６から成る積分器は、スイッチ２０４
が閉路しているときに位相比較器２０３の出力電圧を平
滑して発振移相回路３へ出力する。位相差設定器２０７
は、共振周波数帯域切換回路６により設定された共振周
波数帯域の位相差に応じたクロック数を設定し、シフト
レジスタ２０２へ出力する。

【００５２】なお、抵抗器２０５の抵抗値が抵抗器１１
７の抵抗値よりも十分に大きければ、ウインドコンパレ
ータ１０８およびスイッチ２０４を省略しても問題はな
い。

【００５３】発振移相回路３は、ＶＣＯ３０１、分周器
３０２および移相器３０３から構成され、駆動周波数設
定回路２で設定された駆動周波数の、所定の位相差を有
する交流信号を生成する。ＶＣＯ３０１は、駆動周波数
設定回路２から入力される直流電圧に応じた周波数の交
流信号を発生し、分周器３０２およびシフトレジスタ２
０２へ出力する。分周器３０２は、ＶＣＯ３０１からの
交流信号を必要な周波数まで分周する。移相器３０３
は、分周器３０２で分周された交流信号から、共振周波
数帯域切換回路６で設定された１１次または１２次の共
振周波数帯域に応じた位相差を有する２つの交流信号を
生成して電力増幅器４，５へ出力する。

【００５４】電力増幅器４，５は、発振移相回路３から
の交流信号を駆動電圧に増幅し、入力電極１４Ａ，１４
Ｂに印加する。図１１は電力増幅器４の詳細な構成を示
す。なお、電力増幅器５も同様な構成であり、電力増幅
器４を例に上げて説明する。電力増幅器４は、増幅器４
０１と、この増幅器４０１に電力を供給する可変電圧源
４０６と、インダクタ４０２，４０３と、インダクタ４
０２を選択するスイッチ４０４と、インダクタ４０３を
選択するスイッチ４０５とから構成される。

【００５５】増幅器４０１には発振移相回路３から交流
信号が入力され、不図示の超音波モータの制御回路から
駆動信号が供給されると可変電圧源４０６から電力の供
給を受けて入力交流信号を増幅する。インダクタ４０２
には、超音波モータを１１次の共振周波数帯域で駆動す
る場合に最適なインダクタンスを設定し、インダクタ４
０３には、１２次の共振周波数帯域で駆動する場合に最
適なインダクタンスを設定する。スイッチ４０４は、共
振周波数帯域切換回路６からローレベル信号、すなわち
１１次の共振周波数帯域設定信号が制御端子に供給され
ると接点を閉路し、１１次の共振周波数帯域用のインダ
クタ４０２を電力増幅器４の出力に挿入する。また、ス
イッチ４０５は、共振周波数帯域切換回路６からハイレ
ベル信号、すなわち１２次の共振周波数帯域設定信号が
制御端子に供給されると接点を閉路し、１２次の共振周
波数帯域用のインダクタ４０３を電力増幅器４の出力に
挿入する。可変電圧源４０６は、共振周波数帯域切換回
路６から１１次または１２次の帯域設定信号を受信し、
共振周波数帯域に応じた電圧の電力を増幅器４０１へ供
給する。本出願人による実験では、１２次の共振周波数
帯域で超音波モータを駆動する場合、１１次の場合より
も駆動電圧を低くした方が良好な出力特性が得られた。

【００５６】以上の構成の駆動制御装置において、共振
周波数帯域切換回路６で１１次または１２次の共振周波
数帯域が設定され、共振次数検出回路１で超音波モータ
の駆動周波数が設定された１１次または１２次の共振周
波数帯域にあることが検出されると、スイッチ２０４が
閉路されとともに抵抗器１１７が絶縁状態になり、駆動
周波数設定回路２、分周移相回路３、電力増幅器４，５
および超音波モータにる負帰還制御のＰＬＬループが構
成され、これにより駆動周波数を最適に制御する。以
下、その動作を説明する。

【００５７】共振周波数帯域切換回路６で１１次の共振
周波数帯域を設定した場合は、分周器３０２でＶＣＯ３
０１の出力周波数を１／Ｍに分周するものとすると、Ｖ
ＣＯ３０１の出力信号の１波当たり３６０ｄｅｇ／Ｍの
位相差に相当する。この状態で図１７に示す位相差Φ１
に相当するだけのクロック数をシフトレジスタ２０２に
設定すれば、駆動周波数Ｆ１１’でシフトレジスタ２０
２の出力電圧波形は検出電極１４Ｍの出力電圧波形と同
位相となる。

【００５８】駆動周波数がＦ１１’よりも低い場合に
は、位相差はΦ１よりも小さくなるのでシフトレジスタ
２０２の出力電圧波形は検出電極１４Ｍの出力電圧波形
よりも遅れ位相となり、位相比較器２０３はこの位相差
に応じてハイレベルの信号を出力し、積分器のコンデン
サ２０６の端子電圧は上昇する。これにより、ＶＣＯ３
０１の入力電圧も上昇し、その出力周波数が上昇する。
そして駆動周波数がＦ１１’に達すると、シフトレジス
タ２０２の出力電圧波形と検出電極１４Ｍの出力電圧波
形とが同位相となり、位相比較器２０３の出力は０とな
る。その結果、積分器のコンデンサ２０６の端子電圧は
一定になり、ＶＣＯ３０１の出力周波数も一定になる。
すなわち、超音波モータの駆動周波数が１１次の共振周
波数帯域の周波数Ｆ１１’になる。

【００５９】逆に、駆動周波数がＦ１１’よりも高い場
合には、位相差はΦ１よりも大きくなるのでシフトレジ
スタ２０２の出力電圧波形は検出電極１４Ｍの出力電圧
波形よりも進み位相となり、位相比較器２０３はこの位
相差に応じてローレベルの信号を出力し、コンデンサ２
０６の端子電圧が低下する。これにより、ＶＣＯ３０１
の入力電圧も低下し、その出力周波数が低下する。そし
て駆動周波数がＦ１１’に達すると、シフトレジスタ２
０２の出力電圧波形と検出電極１４Ｍの出力電圧波形と
が同位相となり、位相比較器２０３の出力は０となる。
その結果、コンデンサ２０６の端子電圧は一定になり、
ＶＣＯ３０１の出力周波数も一定になる。すなわち、超
音波モータの駆動周波数が１１次の共振周波数帯域の周
波数Ｆ１１’になる。

【００６０】共振次数検出回路１で駆動周波数が１１次
以外の共振周波数帯域にあることが検出されると、スイ
ッチ２０４が開路され、位相比較器２０３と抵抗器２０
５およびコンデンサ２０６から成る積分器とが切り放さ
れる。そして、トランジスタ１１５または１１６が抵抗
器１１７を介してコンデンサ２０６の端子電圧を制御す
る。

【００６１】駆動周波数が１１次の共振周波数帯域より
も低い９次または１０次の共振周波数帯域にあるとき
は、上述したようにトランジスタ１１５が導通し、トラ
ンジスタ１１６が非導通となる。そして、抵抗器１１７
を介してハイレベル信号がコンデンサ２０６に供給さ
れ、コンデンサ２０６が充電される。これによって、Ｖ
ＣＯ３０１の入力電圧は上昇し、その出力周波数が上昇
する。つまり、超音波モータの駆動周波数が上昇する。
駆動周波数が１１次の共振周波数帯域の周波数まで上昇
すると、トランジスタ１１５，１１６がともに非導通と
なり、コンデンサ２０６の充電が停止される。同時にス
イッチ２０４が閉路し、上述したＰＬＬループが動作し
て駆動周波数が１１次の共振周波数帯域の周波数Ｆ１
１’となるように制御する。

【００６２】駆動周波数が１１次の共振周波数帯域より
も高い１２次または１３次の共振周波数帯域にあるとき
は、上述したようにトランジスタ１１５が非導通にな
り、トランジスタ１１６が導通する。そして、抵抗器１
１７およびトランジスタ１１６を介してコンデンサ２０
６が接地され、コンデンサ２０６が放電してその端子電
圧が低下する。これによって、ＶＣＯ３０１の入力電圧
が低下し、その出力周波数が低下する。つまり、超音波
モータの駆動周波数が低下する。駆動周波数が１１次の
共振周波数帯域の周波数まで低下すると、トランジスタ
１１６が非導通となり、コンデンサ２０６の放電が停止
される。同時にスイッチ２０４が閉路され、上述したＰ
ＬＬループが動作して駆動周波数が１１次の共振周波数
帯域の周波数Ｆ１１’となるように制御する。

【００６３】次に、共振周波数帯域切換回路６で１２次
の共振周波数帯域を設定した場合は、図１７に示す位相
差Φ２に相当するだけのクロック数をシフトレジスタ２
０２に設定すれば、駆動周波数Ｆ１２０’でシフトレジ
スタ２０２の出力電圧波形は検出電極１４Ｍの出力電圧
波形と同位相となる。

【００６４】駆動周波数がＦ１２０’よりも低い場合に
は、位相差はΦ２よりも小さくなるのでシフトレジスタ
２０２の出力電圧波形は検出電極１４Ｍの出力電圧波形
よりも遅れ位相となり、位相比較器２０３はこの位相差
に応じてハイレベルの信号を出力し、積分器のコンデン
サ２０６の端子電圧は上昇する。これにより、ＶＣＯ３
０１の入力電圧も上昇し、その出力周波数が上昇する。
そして駆動周波数がＦ１１’に達すると、シフトレジス
タ２０２の出力電圧波形と検出電極１４Ｍの出力電圧波
形とが同位相となり、位相比較器２０３の出力は０とな
る。その結果、積分器のコンデンサ２０６の端子電圧は
一定になり、ＶＣＯ３０１の出力周波数も一定になる。
すなわち、超音波モータの駆動周波数が１２次の共振周
波数帯域の周波数Ｆ１２０’になる。

【００６５】逆に、駆動周波数がＦ１２０’よりも高い
場合には、位相差はΦ２よりも大きくなるのでシフトレ
ジスタ２０２の出力電圧波形は検出電極１４Ｍの出力電
圧波形よりも進み位相となり、位相比較器２０３はこの
位相差に応じてローレベルの信号を出力し、コンデンサ
２０６の端子電圧が低下する。これにより、ＶＣＯ３０
１の入力電圧も低下し、その出力周波数が低下する。そ
して駆動周波数がＦ１２０’に達すると、シフトレジス
タ２０２の出力電圧波形と検出電極１４Ｍの出力電圧波
形とが同位相となり、位相比較器２０３の出力は０とな
る。その結果、コンデンサ２０６の端子電圧は一定にな
り、ＶＣＯ３０１の出力周波数も一定になる。すなわ
ち、超音波モータの駆動周波数が１２次の共振周波数帯
域の周波数Ｆ１２０’になる。

【００６６】共振次数検出回路１で駆動周波数が１２次
以外の共振周波数帯域にあることが検出されると、スイ
ッチ２０４が開路され、位相比較器２０３と抵抗器２０
５およびコンデンサ２０６から成る積分器とが切り放さ
れる。そして、トランジスタ１１５または１１６が抵抗
器１１７を介してコンデンサ２０６の端子電圧を制御す
る。

【００６７】駆動周波数が１２次の共振周波数帯域より
も低い９次〜１１次のいずれかの共振周波数帯域にある
ときは、上述したようにトランジスタ１１５が導通し、
トランジスタ１１６が非導通となる。そして、抵抗器１
１７を介してハイレベル信号がコンデンサ２０６に供給
され、コンデンサ２０６が充電される。これによって、
ＶＣＯ３０１の入力電圧は上昇し、その出力周波数が上
昇する。つまり、超音波モータの駆動周波数が上昇す
る。駆動周波数が１２次の共振周波数帯域の周波数まで
上昇すると、トランジスタ１１５，１１６がともに非導
通となり、コンデンサ２０６の充電が停止される。同時
にスイッチ２０４が閉路し、上述したＰＬＬループが動
作して駆動周波数が１２次の共振周波数帯域の周波数Ｆ
１２０’となるように制御する。

【００６８】駆動周波数が１２次の共振周波数帯域より
も高い１３次の共振周波数帯域にあるときは、上述した
ようにトランジスタ１１５が非導通になり、トランジス
タ１１６が導通する。そして、抵抗器１１７およびトラ
ンジスタ１１６を介してコンデンサ２０６が接地され、
コンデンサ２０６が放電してその端子電圧が低下する。
これによって、ＶＣＯ３０１の入力電圧が低下し、その
出力周波数が低下する。つまり、超音波モータの駆動周
波数が低下する。駆動周波数が１２次の共振周波数帯域
の周波数まで低下すると、トランジスタ１１６が非導通
となり、コンデンサ２０６の放電が停止される。同時に
スイッチ２０４が閉路され、上述したＰＬＬループが動
作して駆動周波数が１２次の共振周波数帯域の周波数Ｆ
１２０’となるように制御する。

【００６９】なお、共振周波数帯域切換回路６によって
共振周波数帯域を切り換えると、所望の共振周波数帯域
に対応した駆動電圧、駆動電圧間の位相差、インダクタ
に切り換えられる。しかし、駆動周波数は所望の共振周
波数帯域の周波数にステップ的に変化せず、抵抗器１１
７を介して充電または放電されるコンデンサ２０６の端
子電圧の変化につれてゆっくりと変化する。すなわち、
駆動周波数を所望の共振周波数帯域の周波数まで変える
のに要する時間は、抵抗器１１７の抵抗値とコンデンサ
２０６の容量とで決まる時定数に比例する。通常、抵抗
器１１７の抵抗値を充分小さくすれば、短時間で切り換
えが完了し、共振周波数帯域の切り換え中に超音波モー
タの動作が不安定になるようなことはない。しかし、緩
やかに駆動周波数を変化させる必要がある場合は、ウイ
ンドコンパレータ１０６〜１１０で検出される駆動周波
数の次数に応じて駆動電圧、駆動電圧間の位相差、イン
ダクタを設定すればよい。

【００７０】また、電力増幅器４，５のいずれか一方を
超音波モータを起動する前に動作させ、駆動電圧を入力
電極群１４Ａ，１４Ｂのいずれか一方に印加し、駆動周
波数が所望の共振周波数帯域の周波数になるように制御
してから他方の入力電極にも駆動電圧を印加するように
すれば、超音波モータを安定に起動できる上に、起動時
間を短縮できる。

【００７１】さらに、超音波モータの駆動周波数を例え
ば通常用いる最適共振周波数帯域の高周波数側からスキ
ャンして最適な駆動周波数に設定したい場合は、いった
ん通常用いる共振周波数帯域よりも１次高い共振周波数
帯域に駆動周波数を設定した後、所定の共振周波数帯域
に設定すればよい。

【００７２】このように、駆動条件に応じて超音波モー
タの駆動周波数帯域を所望の共振周波数帯域へ切り換
え、その共振周波数帯域の周波数を駆動周波数として設
定するとともに、圧電体上に設けられた２個の検出電極
の出力電圧波形間の位相差に基づいて駆動周波数がどの
次数の共振周波数帯域に含まれるかを検出し、超音波モ
ータの駆動周波数が常に切り換えられた共振周波数帯域
の周波数となるように制御するようにしたので、超音波
モータの駆動周波数帯域を駆動条件に応じて所望の共振
周波数帯域へ切り換えたときに、その帯域の駆動周波数
で超音波モータを安定に駆動することができる。また、
共振周波数帯域を切り換えたときに、切り換えられた共
振周波数帯域に応じて超音波モータの２個の入力電極に
印加する駆動電圧とそれらの位相差を設定するととも
に、切り換えられた共振周波数帯域に対応するインダク
タを電力増幅器の出力に挿入するようにしたので、共振
周波数帯域を切り換えても安定に超音波モータを駆動す
ることができる。

【００７３】上述した各実施例では入力電極群に印加す
る駆動電圧波形と検出電極の出力電圧波形との位相差に
基づいて駆動周波数を制御する駆動制御装置を例に上げ
て説明したが、他の駆動制御方式の駆動制御装置に対し
ても本発明を応用することができる。

【００７４】なお、圧電体の電極配置および検出電極の
数は上述した実施例に限定されない。さらに、上述した
実施例では１４Ｍと１４Ｆを検出電極として用いたが、
他の検出電極を用いてもよい。

【００７５】以上の実施例の構成において、駆動周波数
設定回路２が周波数設定手段を、発振移相回路３が発振
移相手段を、電力増幅器４，５が電力増幅手段を、共振
周波数帯域切換回路６が周波数帯域切換手段を、共振次
数検出回路１が位相差検出手段、共振次数検出手段およ
び周波数帯域制御手段をそれぞれ構成する。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波モータの共振周波数帯域を切り換え、その共振周波
数帯域の周波数を駆動周波数として設定するとともに、
圧電体上に設けられた２個の検出電極の出力電圧波形間
の位相差に基づいて駆動周波数がどの次数の共振周波数
帯域に含まれるかを検出し、超音波モータの駆動周波数
が切り換えられた共振周波数帯域の周波数となるように
制御するようにしたので、超音波モータの駆動周波数帯
域を駆動条件に応じて所望の共振周波数帯域へ切り換え
たときに、その帯域の駆動周波数で超音波モータを安定
に駆動することができる。また、共振周波数帯域を切り
換えたときに、切り換えられた共振周波数帯域に応じて
超音波モータの２個の入力電極に印加する駆動電圧とそ
れらの位相差を設定するとともに、切り換えられた共振
周波数帯域に対応するインダクタを電力増幅器の出力に
挿入するようにしたので、共振周波数帯域を切り換えて
も安定に超音波モータを駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クレーム対応図。

【図２】共通電極を分割して複数の検出電極を形成する
例を示す図。

【図３】直線上に展開した圧電体の電極配置と１１〜１
３次の共振周波数帯域の進行性振動波との関係を示す
図。

【図４】圧電体の他の電極配置例を示す図。

【図５】一実施例の構成を示すブロック図。

【図６】位相差検出器の詳細な構成を示すブロック図。

【図７】図６に示す位相差検出器の入出力特性を示すタ
イムチャート。

【図８】検出電極の出力電圧の位相差と位相差検出器の
出力電圧との関係を示す図。

【図９】ウインドコンパレータの詳細な構成を示すブロ
ック図。

【図１０】信号選択器の詳細な構成を示すブロック図。

【図１１】電力増幅器の詳細な構成を示すブロック図。

【図１２】回転型超音波モータの構造を示す断面図。

【図１３】圧電体の電極配置例を示す図。

【図１４】従来の超音波モータの駆動制御装置の構成を
示すブロック図。

【図１５】駆動周波数に対する超音波モータの駆動速度
および駆動電圧と検出電圧との位相差の関係を示す図。

【図１６】駆動周波数に対する駆動速度および検出電圧
の関係を示す図。

【図１７】駆動周波数に対する駆動速度および駆動電圧
と検出電圧との位相差の関係を示す図。

【符号の説明】

１ 共振次数検出回路 ２ 駆動周波数設定回路 ３ 発振移相回路 ４，５ 電力増幅器 ６ 共振周波数帯域切換回路 １１ 移動子 １２ 摺動材 １３ 弾性体 １４ 圧電体 １４Ａ，１４Ｂ 入力電極群 １４Ｃ 共通電極 １４Ｍ，１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆ，１４Ｇ 検出電極 １０１，１０２，２０１ 波形整形器 １０３ 位相差検出器 １０３Ａ，１０３Ｂ アンドゲート １０３Ｃ ＲＳフリップフロップ １０４，１１３，１１４，１１７，２０５，６０１ 抵
抗器 １０５，２０６ コンデンサ １０６〜１１０ ウインドコンパレータ １０６Ａ，１０６Ｃ 可変抵抗器 １０６Ｂ，１０６Ｄ コンパレータ １１１ ＮＯＲゲート １１２ ＯＲゲート １１５，１１６ トランジスタ １２４ 信号選択器 １２４ａ〜１２４ｃ，２０４，４０４，４０５ スイッ
チ ２０２ シフトレジスタ ２０３ 位相比較器 ２０７ 移相差設定器 ３０１ ＶＣＯ ３０２ 分周器 ３０３ 移相器 ４０１ 増幅器 ４０２，４０３，５０８ インダクタ ４０６ 可変電圧源 ５００ 超音波モータ ５０１ 周波数設定手段 ５０２，５０２Ａ 発振移相手段 ５０３，５０３Ａ 電力増幅手段 ５０４ 周波数帯域切換手段 ５０５ 位相差検出手段 ５０６ 共振次数検出手段 ５０７ 周波数帯域制御手段 ５０９ インダクタ挿入手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体の励振により弾性体に進行性振動
   波を発生する固定子と、この固定子に加圧接触され前記
   進行性振動波により駆動される移動子とから成る超音波
   モータと、 この超音波モータの駆動周波数を設定する周波数設定手
   段と、 設定された駆動周波数の、所定の位相差を有する２つの
   交流信号を生成する発振移相手段と、 前記２つの交流信号を増幅して前記圧電体上の２個の入
   力電極にそれぞれ印加する電力増幅手段とを備えた超音
   波モータの駆動制御装置において、 前記超音波モータの共振周波数帯域を切り換える周波数
   帯域切換手段と、 前記圧電体上に２個の検出電極を設け、それらの検出電
   極から出力される出力電圧の位相差を検出する位相差検
   出手段と、 検出された位相差に基づいて前記超音波モータの駆動周
   波数がどの次数の共振周波数帯域に含まれるかを検出す
   る共振次数検出手段と、 検出された共振周波数帯域の次数に基づいて、前記駆動
   周波数が前記周波数帯域切換手段により切り換えられた
   共振周波数帯域内の周波数となるように制御する周波数
   帯域制御手段とを備え、 前記周波数設定手段は、前記周波数帯域切換手段により
   切り換えられた共振周波数帯域内の周波数を駆動周波数
   として設定することを特徴とする超音波モータの駆動制
   御装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超音波モータの駆動制
   御装置において、 前記発振移相手段は、前記周波数帯域切換手段で切り換
   えられた共振周波数帯域に応じて前記２つの交流信号の
   位相差を設定することを特徴とする超音波モータの駆動
   制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の超音波モータの駆動制
   御装置において、 前記電力増幅手段は、前記周波数帯域切換手段で切り換
   えられた共振周波数帯域に応じて前記２つの交流信号の
   電圧レベルを設定することを特徴とする超音波モータの
   駆動制御装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の超音波モータの駆動制
   御装置において、 前記電力増幅手段と前記超音波モータの２個の入力電極
   との間に、前記周波数帯域切換手段で切り換えられた共
   振周波数帯域に対応するインダクタを挿入するインダク
   タ挿入手段を備えることを特徴とする超音波モータの駆
   動制御装置。