JPH09163765A - 超音波モータの駆動方法およびその駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の駆動方法では、起動時に必ずしも振動
体のアドミタンスの大きな領域を駆動周波数が通過しな
いために、安定に起動することができず、また停止時に
は移動体の慣性などによる移動体と振動体の間に滑りが
生じ、静粛に不要振動、異音無く超音波モータを駆動す
ることが困難であった。 【解決手段】 電圧制御発振器22と、パルス幅変調器47
と、パルス幅変調器47の出力パルスに応じて出力電圧の
絶対値を可変するＤＣ−ＤＣコンバータ48と、起動時に
は電圧制御発振器22の駆動周波数が振動体の停止状態に
おける共振周波数より高いものとなるように電圧制御発
振器22を調整するとともに、移動体の停止状態への移行
直前には直前の駆動周波数に駆動周波数を固定するよう
に電圧制御発振器22を調整し、かつ出力パルスのＯＮ時
間を連続的に低下させるようにパルス幅変調器47を調整
するコントローラ37を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体の逆圧電効
果により励振された弾性振動を駆動力とする超音波モー
タ、特に超音波モータの駆動方法および駆動回路に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気−機械変換素子として圧電セ
ラッミクなどの圧電体、および金属などの弾性基板によ
り構成された振動体を交流電圧で駆動することにより振
動体上に弾性振動を励振し、これを駆動力とする超音波
モータが注目されている。

【０００３】以下、図面を参照しながら超音波モータの
従来技術について説明する。 〔超音波モータの構造〕図８は従来の進行波型ディスク
状超音波モータの構造を示す縦断面図である。

【０００４】ドーナツ形状の弾性基板１の一方の面に薄
いドーナツ形状の圧電体２を貼り合わせて、超音波モー
タの駆動力源である振動体３を構成し、前記弾性基板１
の他方の面に、振動体３の周方向の振動変位を拡大する
ために突起体１Ａを形成している。

【０００５】また振動体３と同芯のドーナツ形状の金属
やプラスチックなどの弾性体４と突起体１Ａの上面に配
置されたリング形状の耐摩耗性材料よりなる摩擦材５
を、互いに貼り合わせて振動体３より回転力を取り出す
移動体６を構成している。上記摩擦材５は耐摩耗性を有
し、移動体６と突起体１Ａとの安定な接触を得る役目も
果たしている。

【０００６】また移動体６の中心には、移動体６の回転
力を外部に伝達する出力伝達軸７が嵌合されており、移
動体６の回転力を安定に効率よく出力伝達軸７に伝達す
るために軸の周囲に突起部７Ａが設けられ、さらに出力
伝達軸７の異常振動などを吸収補正し、移動体６の回転
力を安定に効率よく出力伝達軸７に伝えるために、移動
体６の上面と突起部７Ａ間に摩擦係数の大きな弾性部材
８が配置されている。出力伝達軸７の上端の出力伝達部
７Ｂより外部に回転力が伝達される。

【０００７】また、振動体３の振動を阻害することなく
振動体３を支持するドーナツ形状の支持部材９が設けら
れ、この支持部材９を支持する、すなわち超音波モータ
を支持するベース１３が設けられ、このベース部１３の
中心側側面に、出力伝達軸７の位置規制を行うベアリン
グ、メタル軸受けなどの軸受け１０が設けられている。

【０００８】また出力伝達軸７の下端には、皿バネ、コ
イルバネなどの加圧手段１１と、加圧力調整手段１２が
取付けられ、移動体６は、摩擦材５を介して振動体３に
加圧手段１１が発生する力により加圧接触させられてい
る。 〔圧電体上の電極構造〕上記超音波モータの圧電体２上
に交流電圧が印加される電極が配置されている。圧電体
２の弾性基板１との接着面側の電極は全面電極、反対側
の面の電極は、一例として図９に示す電極構造となって
おり、振動体３の周方向に４波の曲げ振動を励振するよ
うな構成となっている。

【０００９】図９において、Ａ0 、Ｂ0 はそれぞれ振動
体３上に励振される進行波の２分の１の波長相当の３つ
の小領域（小電極部）からなる駆動電極、Ｃ0 は振動体
３上に励振される進行波の４分の１の波長相当の長さの
電極、Ｄ0 は励振される進行波の４分の３の波長相当の
長さの電極である。

【００１０】したがって、駆動電極Ａ0 の駆動電極Ｂ0
とは互いに、位置的に振動体３上に励振される進行波の
４分の１波長相当（＝９０゜）の位相差を有し、また駆
動電極Ａ0 、Ｂ0 内の隣合う２分の１の波長相当の各小
電極部は、厚みの方向に交互に反対方向に分極されてお
り、使用時には斜線で示したように、駆動電極Ａ0 と駆
動電極Ｂ0 を構成する各小電極部は、それぞれ短絡して
用いられる。

【００１１】この駆動電極Ａ0 ，Ｂ0 に数式（１）、数
式（２）で表されるような時間的な位相差が９０゜ある
交流電圧Ｖ1 、およびＶ2 をそれぞれ印加すれば、振動
体３には数式（３）で表される振動体３の円周方向に進
行する曲げ振動の進行波が励振される。

【００１２】 Ｖ1 ＝Ｖ0 ×ｓｉｎ（ωｔ） ・・・（１） Ｖ2 ＝Ｖ0 ×ｃｏｓ（ωｔ） ・・・（２） ξ＝ξ0 ×｛ｃｏｓ（ωｔ) ×ｃｏｓ（ｋｘ)＋ｓｉｎ
（ωｔ) ×ｓｉｎ（ｋｘ)}｝ ＝ξ0 ×ｃｏｓ（ωｔ−ｋｘ) ・・・（３） ただし、Ｖ0 は印加電圧の振幅の最大値、ωは印加電圧
の角周波数、ｔは時間、ξは曲げ振動の振幅値、ξ0 は
曲げ振動の振幅の最大値、ｋ（＝２π／λ）は波数、λ
は波長、ｘは位置を示す。そして、駆動電極Ａ0 ，Ｂ0
に印加する２つの交流電圧の位相差である９０°の符号
を逆にすると、曲げ振動の進行波の進行方向を変えるこ
とができ、この結果、移動体６の回転方向を変えること
ができる。 〔動作原理〕図10は、超音波モータの動作原理の説明図
であり、振動体３から移動体６へ駆動力を伝えている円
周状の接触部分をリニアモデルで近似したものである。
同図に示したように、振動体３に曲げ振動の進行波を励
振することによって、振動体３の表面の各点は、長軸
ｗ、短軸ｕの進行波の進行方向と逆向きの楕円軌跡を描
いて運動する。そして、振動体３に加圧して設置された
移動体６は、摩擦材５を介して振動体３の表面の任意の
点が描く楕円の頂点（たとえばＡ）近傍で接触し、振動
体３の横方向の変位成分を振動体３と摩擦材５の間に作
用する摩擦力により伝達され、振動体３上に励振されて
いる進行波の進行方向とは逆方向に数式（４）で表され
る移動速度ｖで運動する。

【００１３】ｖ= ω×ｗ ・・・（４） ここで進行波の波頭は連続的に移動するので、振動体３
と移動体６の接触点も時間とともに移動し、移動体６は
連続的に駆動され滑らかな回転運動をする。 〔等価回路〕図11は、振動体３の駆動端子からみた等価
回路であり、圧電体２の電気的容量（Ｃe ）１４、電気
系−機械系変換トランス（変換係数Ｎ）１５、振動体３
の機械的弾性定数（Ｃm ）１６、質量（Ｌm ）１７、お
よび機械的損失（Ｒm ）１８とで表される。

【００１４】圧電体２に電圧Ｖを印加すると、その周波
数、絶対値に応じた総電流（ｉ）１９が圧電体２に流れ
込む。この総電流（ｉ）１９は、圧電体２の電気的容量
（Ｃe ）１４に流れ込む電流である電気腕電流（ｉe ）
２０と、電気系−機械系変換トランス１５を流れる電流
である機械腕電流（ｉm ）２１に分流される。この機械
腕電流（ｉm ）２１が、電気系−機械系変換トランス１
５により数式（５）で表される振動体３の周方向の変位
速度ｖ’に比例変換される。

【００１５】ｖ’= ｄξ’／ｄｔ ・・・（５） 従って、総電流（ｉ）１９、あるいは機械腕電流（ｉm
）２１を検出することによって、周方向の変位速度
ｖ’を求めることができる。

【００１６】上述のことより移動体６の回転速度は、振
動体３の曲げ振動の振幅の瞬時値に比例し、曲げ振動の
周方向速度成分の瞬時値は振動体３を構成する圧電体２
を流れる機械腕電流（ｉm ）２１に比例する。故に、圧
電体２を流れる機械腕電流（ｉm ）２１を検出すること
により、超音波モータの回転速度情報を得ることができ
る。 〔駆動回路〕図12は従来の超音波モータの駆動回路のブ
ロック図である。

【００１７】電圧制御発振器２２から、超音波モータの
駆動交流信号が発生される。ここで、前記駆動交流信号
は２分割され、一方は移相器２３により所定の位相（＋
９０°、あるいは−９０°）だけ移相して、電力増幅器
２４に入力され、直流電源２５より供給される電力を用
いて電力増幅器２４によって超音波モータを駆動するの
に十分なレベルに電力増幅される。また、他方は直流電
源２５より供給される電力を用いて電力増幅器２６によ
って超音波モータを駆動するのに十分なレベルに電力増
幅される。

【００１８】さらに、電力増幅器２４から発せられた駆
動交流信号はコイル２７を通って波形整形をされるとと
もに、コイル２７と圧電体２の駆動電極２８下の静電容
量とキャパシタ２９より構成されるＬ−Ｃ直列共振回路
により再度昇圧され、圧電体２上の２組の駆動電極（図
９のＡ0 ，Ｂ0 ）の一方の駆動電極２８に印加されると
ともに、この駆動電極２８下の圧電体２の静電容量と等
価な静電容量を有するキャパシタ２９に印加される。

【００１９】同様に電力増幅器２６から発せられた駆動
交流信号は、コイル３０を通って波形整形をされるとと
もに、コイル３０と圧電体２の駆動電極３１下の静電容
量とキャパシタ３２より構成されるＬ−Ｃ直列共振回路
により再度昇圧され、圧電体２上の２組の駆動電極の他
方の駆動電極３１に印加されるとともに、この駆動電極
３１下の圧電体２の静電容量と等価な静電容量を有する
キャパシタ３２に印加される。

【００２０】このとき、振動体３上には各駆動電極２
８，３１により励振される２つの定在波が互いに干渉し
て、周方向に進行する曲げ振動の進行波が励振され、摩
擦材５と振動体３の突起体１Ａの間に作用する摩擦力に
より、移動体６が進行波の進行方向と逆向きに駆動され
る。

【００２１】また、圧電体２には、前述したように、駆
動電圧Ｖの周波数、その絶対値に応じた総電流（ｉ）１
９（図11参照）が流れ、この総電流（ｉ）１９は抵抗３
３により電圧信号に比例変換され、減算器３４の一方の
入力端子に印加される。また、キャパシタ２９とキャパ
シタ３２にも印加電圧の絶対値およびその周波数に応じ
た圧電体２上の２組の駆動電極を流れる電気腕電流（ｉ
e ）２０（図11参照）と等価な電流が流れ、それぞれを
加え合わせたものが抵抗３５により電圧信号に比例変換
され、減算器３４の他方の入力端子に入力される。ここ
で、抵抗３３と抵抗３５の抵抗値は互いに等しく設定さ
れている。

【００２２】減算器３４の出力は、２組の駆動電極２
８，３１を流れる総機械腕電流（ｉm）２１（図11参
照）に比例した電圧値であり、前述したようにこれは超
音波モータの移動体６の回転速度に比例したものであ
る。この後、減算器３４の出力は整流器３６により直流
電圧に変換された後、マイクロコンピュータからなるコ
ントローラ３７に取り込まれる。ここで、コントローラ
３７は取り込んだ値を記憶素子（図示せず）上の回転速
度信号と回転速度のデータに照らし合わせ、現在の超音
波モータの回転速度を認識し、速度設定器３９により設
定された速度設定値を比較演算処理した後、電圧制御発
振器２２に電圧信号により発振周波数を指令し、超音波
モータの回転速度が目標回転速度となるように超音波モ
ータの駆動周波数が調整される。

【００２３】以上の従来例の説明では、進行波型ディス
ク状超音波モータを取り上げてその構成、動作原理、駆
動方法を説明したが、振動体として中空構造を持つリン
グ形状を採り、振動モードとして径方向１次・周方向３
次以上の曲げ振動の進行波を利用するリング型超音波モ
ータもあり、同様の動作原理で動作し、また同様な駆動
方法を用いることが可能である。また、振動片で移動体
を繰り返し突くことにより、移動体を移動させる定在波
型超音波モータでも同様の駆動方法が用いられている。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図13に
示すように超音波モータの駆動周波数と回転数の特性に
は、駆動周波数の掃引する方向によりヒステリシスが存
在し、さらに図14に示すように超音波モータの停止時に
は振動体３の共振周波数は停止時アドミタンス４０が示
すように駆動時アドミタンス４１が示す共振周波数より
も高い周波数であるとともに、停止時の共振周波数より
低い部分の周波数対アドミタンスの変化率は非常に大き
く、停止時に駆動周波数領域のアドミタンスは非常に小
さくなっており、安定に超音波モータを起動し、かつ効
率よく駆動するためには、必ず起動時には振動体３の共
振周波数よりも十分高い周波数から超音波モータの駆動
周波数を掃引する必要がある。しかしながら、図12の超
音波モータの駆動回路では、超音波モータの起動時に必
ずしも振動体３の共振周波数より高い側から駆動周波数
を掃引するようになっていないため安定に起動し効率良
く駆動することが困難であった。

【００２５】また図12の駆動回路では、超音波モータの
回転停止時には、回転状態から瞬時に駆動信号の供給が
停止されるために振動体３は即座に停止状態となるが、
移動体６は移動体６、出力伝達軸７、外部負荷などの慣
性により回転状態を持続しようとするため、振動体３と
移動体６の間に滑りが生じ、この結果、可聴雑音、不要
振動が発生し、静粛に超音波モータを駆動することが困
難であるという課題を有していた。

【００２６】そこで、本発明は、超音波モータの振動体
の周波数と回転数の特性におけるヒステリシス領域を回
避するとともに、停止状態において振動体の共振周波数
が駆動領域の周波数に対して高い側に移行していても、
安定に効率よく起動することができ、そして回転状態か
ら停止状態に移行する場合には段階的に回転数を低下さ
せることにより、可聴雑音、不要振動を発生すること無
く静粛に超音波モータを駆動することを可能とする超音
波モータの駆動方法およびその駆動回路を提供すること
を目的としたものである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明の超音波モータの駆動方法およびその駆
動回路は、起動時には停止時の振動体の共振周波数より
十分高い周波数から駆動周波数を掃引し、回転状態から
停止状態に移行する場合には、駆動周波数を固定、ある
いは駆動周波数を段階的に高めるとともに、超音波モー
タの駆動電圧の絶対値を段階的に低下させ、あるいは駆
動電圧の位相差を段階的に９０゜より遠ざけることによ
り段階的に回転数を低下させ停止状態とするものであ
る。

【００２８】上記方法、および構成によれば、超音波モ
ータの起動時には駆動周波数は必ず停止時の振動体の共
振周波数より高い側から掃引されることにより、振動体
のアドミタンスの大きな領域を通過し、超音波モータは
確実に安定に駆動される。

【００２９】また、駆動状態から停止状態への移行時に
は、駆動周波数を固定、あるいは駆動周波数を高めてい
くとともに、超音波モータの駆動電圧を段階的に低下さ
せ、あるいは超音波モータの駆動電圧の位相差を段階的
に９０゜より遠ざけることにより、超音波モータの回転
速度は段階的に遅い方向へと移行する。この結果、超音
波モータは段階的に回転速度が低下し、停止状態となる
ため、移動体の慣性による移動体と振動体の接触面にお
ける滑りが防止され、可聴雑音、振動の発生が防止され
る。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。なお、従来例の図８〜図12と同一
の構成には同一の符号を付して説明を省略する。 （第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態
を示す超音波モータの駆動回路のブロック図である。

【００３１】本発明では、新たに、整流器３６の出力が
一方の入力端子に接続され、他方の入力端子に電源電圧
（Ｖｃｃ）４３を抵抗４４と抵抗４５で分圧した電圧値
（Ｖｋ）４６が入力されるコンパレータ４２が設けら
れ、またコントローラ３７にパルス幅制御端子（図示せ
ず）が接続されたパルス幅変調器４７が設けられ、従来
の直流電源25に代わって、パルス幅変調器４７の出力が
スイッチング素子（図示せず）に接続され、出力が２分
割されてそれぞれ電力増幅器２４、電力増幅器２６の電
力供給端子に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ４８が設
けられ、さらにコントローラ３７に起動停止信号を入力
する起動停止スイッチ４９が設けられている。

【００３２】上記電圧値（Ｖｋ）４６は、超音波モータ
の回転、停止状態の境界電圧値に設定されており、コン
パレータ４２の出力は、整流器３６の出力がこの電圧値
（Ｖｋ）４６以上であればＬ（ロー）レベルとなり、超
音波モータが回転状態であることが検出され、整流器３
６の出力がこの電圧値（Ｖｋ）４６より小さければＨ
（ハイ）レベルとなり、超音波モータが停止状態である
ことが検出される。

【００３３】上記パルス幅変調器４７は、パルス幅制御
端子に印加される印加電圧が低くなると、発振器（図示
せず）よりの出力パルスのＯＮ時間を短くするように設
定されている。そして、パルス幅変調器４７よりの出力
パルスは、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８のスイッチング素
子に印加される。

【００３４】また上記ＤＣ−ＤＣコンバータ４８は、パ
ルス幅変調器４７より供給されるパルスのＯＮ時間に応
じて昇圧比を可変し、昇圧比に応じて電源電圧を昇圧す
る。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８は、スイッチン
グ素子に印加されるパルスのＯＮ時間が短くなると、昇
圧比を低下させ、出力電圧を低下させるように構成され
ている。

【００３５】また上記起動停止スイッチ４９の起動停止
信号は、停止命令のときＬレベル、駆動命令のときＨレ
ベルとしている。コントローラ３７の機能ブロック図を
図２に示す。

【００３６】コントローラ３７のアナログ入力端子３７
Ａには整流器３６の出力が接続され、ディジタル入力端
子３７Ｂにはコンパレータ４２の出力が接続され、アナ
ログ出力端子３７Ｃにはパルス幅変調器４７のパルス幅
制御端子が接続され、ディジタル入力端子３７Ｄには起
動停止スイッチ４９の出力が接続され、アナログ出力端
子３７Ｅには電圧制御発振器２２の周波数制御端子２２
Ａが接続され、アナログ入力端子３７Ｆには速度設定器
３９が接続されている。

【００３７】起動停止スイッチ４９の起動停止信号がＨ
レベル（駆動命令）のとき動作（オン）するリレイＳＴ
５１と、起動停止信号がＨレベルでかつコンパレータ４
２の出力信号がＨレベル（超音波モータ−停止状態）の
ときオンし、いずれかの信号がＬレベルとなって所定時
間ｔ後にオフするオフディレイタイマーＤＷ５２が設け
られ、このオフディレイタイマーＤＷ５２がオンのとき
動作する、すなわち実行条件とする掃引回路５３が設け
られている。上記所定時間ｔは、超音波モータが回転を
開始し、定常回転数に到るまでの通常の時間に設定され
ている。

【００３８】前記掃引回路５３は、図３に示すように、
振動体３の停止時の共振周波数より十分高い周波数から
定常状態の駆動周波数に掃引する超音波モータの駆動周
波数指令を、実行条件が成立している間繰り返し出力す
る。

【００３９】また速度設定器３９において設定された目
標回転速度（設定値）と整流器３６の出力、すなわち現
在の超音波モータの回転速度は減算器５４において、そ
の速度偏差が演算され、この速度偏差に応じてＰＩＤ演
算器５５により、超音波モータの回転速度が目標回転速
度となるように超音波モータの駆動周波数（目標駆動周
波数）が設定されて出力される。

【００４０】また、リレイＳＴ５１が動作している間、
すなわち駆動命令を入力している間、現在の超音波モー
タの回転速度を駆動周波数に換算して記憶するホールド
回路５６が設けられている。

【００４１】また入力した目標駆動周波数に応じて電圧
を発生して電圧制御発振器２２へ出力する電圧発生器５
７が設けられている。この電圧発生器５７へ入力される
目標駆動周波数として、オフディレイタイマーＤＷ５２
がオン、すなわち駆動命令を入力し、超音波モータが停
止状態のとき、あるいは回転状態となって所定時間ｔの
間、掃引回路５３の駆動周波数指令が入力され、超音波
モータが振動体３の停止時の共振周波数より十分高い周
波数から駆動周波数を掃引して、安定に超音波モータを
起動した後、定常駆動状態に入りオフディレイタイマー
ＤＷ５２がオフとなると、超音波モータよりフィードバ
ックされる回転速度の誤差信号を基にしたＰＩＤ演算器
５５の駆動周波数指令が入力され、またリレイＳＴ５１
がオフ、すなわち停止命令を入力すると、ホールド回路
５６に記憶された現在の超音波モータの駆動周波数が入
力される。

【００４２】また起動時のパルス幅変調器４７のパルス
幅を設定する第１電圧設定器５８、停止時のパルス幅変
調器４７のパルス幅を設定する第２電圧設定器５９が設
けられ、また入力電圧に応じて時定数Ｔで一次遅れの電
圧を出力する一次遅れ回路６０が設けられ、リレイＳＴ
５１が動作し、すなわち駆動命令を入力している間、第
１電圧設定器５８に設定された制御電圧がパルス幅変調
器４７へ出力され、またリレイＳＴ５１がオフ、すなわ
ち停止命令を入力すると、一次遅れ回路６０より第１電
圧設定器５８に設定された制御電圧から第２電圧設定器
５９に設定された制御電圧へ一次遅れカーブに則って段
階的に減少する制御電圧がパルス幅変調器４７へ出力さ
れる。

【００４３】以上のように構成された超音波モータの駆
動回路について、以下にその動作を説明する。起動停止
スイッチ４９の起動停止信号がＬレベル（停止命令）か
らＨレベル（駆動命令）になった瞬間すなわち超音波モ
ータの起動時には、超音波モータからフィードバックさ
れる速度信号である整流器３６の出力は、超音波モータ
が停止状態にあるために、電圧値（Ｖｋ）４６（整流器
３６の出力がこの電圧値以上であれば超音波モータは回
転状態にあり、小さければ停止状態である）より十分小
さく、この結果コンパレータ４２はＨレベルとなり、コ
ントローラ３７のディジタル入力端子３７Ｂより取り込
まれる。このときコントローラ３７は超音波モータが停
止状態にあると認識し（リレイ５１およびオフディレイ
タイマーＤＷ５２が動作し）、掃引回路５３からの指令
に基づいて電圧発生器５７より、振動体３の停止時の共
振周波数より十分高い周波数で電圧制御発振器２２が発
振するような低い電圧が掃引出力され、アナログ出力端
子３７Ｅを介して電圧制御発振器２２の周波数制御端子
２２Ａへ供給される。電圧制御発振器２２はアナログ出
力端子３７Ｅの値に対応する周波数を有する交流信号を
生成する。

【００４４】また、コントローラ３７の電圧設定器５８
より、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８が超音波モータを駆動
するのに必要とされる電力を電力増幅器２４、電力増幅
器２６へ供給することが可能であるような動作状態とな
るように、パルス幅変調器４７が発振器（図示せず）よ
り供給されるパルスの幅を変調するアナログ電圧値が、
アナログ出力端子３７Ｃを介してパルス幅変調器４７へ
供給される。

【００４５】また、超音波モータの駆動周波数と回転数
の関係は、図13のようになっており、この図に見られる
ように駆動周波数の掃引方向と回転数の間にはヒステリ
シスの関係が存在し、このヒステリシス領域で超音波モ
ータを駆動すると超音波モータは不安定な駆動状態とな
る。また、図14に見られるように超音波モータの停止時
には振動体３の共振周波数は駆動領域周波数より高い周
波数となっている。そこで、前述した駆動回路の動作に
より起動時には必ず周波数を振動体３の停止時の共振周
波数より高い周波数から掃引することにより、安定に効
率良く起動しかつ駆動することが可能である。

【００４６】電圧制御発振器２２より出力された駆動信
号（交流信号）は２分割され、一方は移相器２３を通り
９０゜移相された後、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８より供
給される電力により電力増幅器２４によって、超音波モ
ータを駆動するのに必要な電力を有する電圧信号に増幅
される。

【００４７】また他方は直接、電力増幅器２６に送ら
れ、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８より供給される電力によ
り超音波モータを駆動するのに必要な電力を有する電圧
信号に増幅される。電力増幅器２４から発せられた駆動
電圧は、コイル２７を通って波形整形された後、圧電体
２上に設けられた駆動電極２８に印加されるとともに、
この駆動電極２８下の圧電体２の静電容量と等価な静電
容量を有するコンデンサ２９に印加される。

【００４８】同様に電力増幅器２６から発せられた駆動
電圧は、コイル３０を通って波形整形された後圧電体２
上に設けられた他方の駆動電極３１に印加されるととも
に、この駆動電極３１下の静電容量と等価な静電容量を
有するコンデンサ３２に印加される。

【００４９】このとき、振動体３上には周方向に進行す
る曲げ振動が励振され、摩擦材５と振動体３の突起体１
Ａの間に作用する摩擦力により、移動体６が曲げ振動の
進行波の進行方向と逆向きに駆動される。

【００５０】また、圧電体２の２組の駆動電極には印加
された電圧の絶対値、および周波数に応じた総電流
（ｉ）１９（図11参照）が流れ、抵抗３３によりこの総
電流（ｉ）１９は電圧信号に変換され、減算器３４の一
方の入力端子に入力される。

【００５１】また、コンデンサ２９とコンデンサ３２に
も印加電圧の絶対値、およびその周波数に応じた圧電体
２上の２組の駆動電極を流れる電気腕電流（ｉe ）２０
（図11参照）と等価な電流が流れ、それぞれを加え合わ
せたものが抵抗３５により電圧信号に変換され、減算器
３４の他方の入力端子に供給される。

【００５２】減算器３４の出力は、圧電体２を流れる総
電流（ｉ）１９より得られる電圧値から、圧電体２を流
れる電気腕電流（ｉe ）２０と等価な電流より得られる
電圧値を差し引いたもので、これは圧電体２を流れる総
機械腕電流に比例した電圧値であり、これは超音波モー
タの回転速度に比例した信号である。

【００５３】減算器３４の出力は、整流器３６により整
流され、その絶対値に比例した直流電圧信号に変換され
２分割された後、一方はコントローラ３７のアナログ入
力端子３７Ａに供給され、他方はコンパレータ４２の一
方の入力端子に供給される。

【００５４】超音波モータの駆動可能領域内で駆動して
いる場合には、整流器３６の出力は電源電圧４３を抵抗
４４と抵抗４５で分割した電圧値（Ｖｋ）４６（超音波
モータの駆動可能領域内、外の境界値）より大きく、コ
ンパレータ４２の出力は、Ｌレベルであり、コントロー
ラ３７はディジタル入力端子３７Ｂよりこの情報を取り
込む。コンパレータ４２の出力がＬレベルのとき、コン
トローラ３７は超音波モータが回転状態にあると認識す
る。

【００５５】このように起動時して、振動体３の停止時
の共振周波数より十分高い周波数から駆動周波数を掃引
して、安定に超音波モータを起動した後、定常駆動状態
に入ると（オフディレータイマーＤＷ５２がオフとなる
と）、ＰＩＤ演算器５５により、超音波モータよりフィ
ードバックされる速度偏差を基に、超音波モータの回転
速度を速度設定器３９の目標回転速度に一致させるよう
にアナログ出力端子３７Ｅの出力を調整し、電圧制御発
振器２２に訂正動作を掛け、超音波モータの回転速度は
速度設定器３９に対応する回転速度に維持される。

【００５６】また、超音波モータが停止状態のとき、整
流器３６の出力はＶｋ４６より低い状態となり、コンパ
レータ４２の出力はＨレベルとなりディジタル入力端子
３７Ｄより取り込まれる。このとき、コントローラ３７
は超音波モータが停止状態であると認識し、起動時同様
に再度停止時の振動体３の共振周波数より十分高い周波
数から駆動信号を掃引し、再起動を行い定常駆動状態へ
と移行していく。

【００５７】また、起動停止スイッチ４９の起動停止信
号がＨレベルからＬレベルになった瞬間すなわち停止状
態への移行時には、すなわちリレイＳＴ５１がオフとな
ったとき、コントローラ３７は、ＰＩＤ演算器５５によ
る制御演算ルーチンを切り、ホールド回路５６に保持さ
れた現在駆動周波数に相当する電圧にアナログ出力端子
３７Ｅの出力電圧をホールドする。これにより電圧制御
発振器２２は、一定の発振周波数で発振を維持する。

【００５８】同時にコントローラ３７は、電圧設定器５
９と一次遅れ回路６０によりアナログ出力端子３７Ｃを
介して、ＤＣ−ＤＣコンバータ４８から電力増幅器２
４、電力増幅器２６への供給電力が段階的に低下するよ
うにＤＣ−ＤＣコンバータ４８の動作状態が変化するよ
うに、パルス幅変調器４７の出力パルスのデューティ比
が段階的に低下するような電圧を供給していく。これに
よりパルス幅変調器４７の出力パルスのデューティ比は
段階的に小さくなる。これに伴いＤＣ−ＤＣコンバータ
４６の出力電力も段階的に小さくなる。結果として、超
音波モータの駆動電圧は、周波数一定で絶対値が時間と
ともに小さくなる。図４に、駆動周波数が一定の下での
超音波モータの駆動電圧と回転数の関係を示す。

【００５９】この図４から判るように、駆動電圧の絶対
値が低下するに従い、超音波モータの回転数は段階的に
低下し、緩やかな停止を実現することができる。このよ
うに、超音波モータの停止時には移動体６の回転数を段
階的に低下させることにより、移動体６が振動体３に対
して慣性力により滑ることを防止することができる。

【００６０】これらの動作を繰り返すことにより、安定
に超音波モータを起動し、かつ駆動することができると
ともに、可聴雑音、振動の発生を防ぐことが可能であ
る。以上述べたように、超音波モータの起動時には、駆
動周波数を停止時の振動体３の共振周波数より高い周波
数から掃引するとともに、回転状態から停止状態への移
行時には駆動周波数を一定として駆動電圧を徐々に低下
させ、移動体６の回転数を段階的に低下させ停止状態に
することにより、安定に起動し、かつ停止時の移動体６
と振動体３の滑りを防止することができ、可聴雑音、不
要振動の発生を防ぐことができる。 （第２の実施の形態）図５は、本発明の第２の実施の形
態を示す超音波モータの駆動回路のブロック図である。
なお、第１の実施の形態の図１〜図４の構成と同一の構
成には同一の符号を付して説明を省略する。

【００６１】本発明では、パルス幅変調器４７およびＤ
Ｃ−ＤＣコンバータ４８に代えて、従来の直流電源２５
を設け、さらに移相器２３に代えて、電圧制御移相器５
０が設けられており、コントローラ３７のアナログ出力
端子３７Ｃが電圧制御移相器５０の移相量制御端子５０
Ａに接続されている。

【００６２】またコントローラ３７には、図６に示すよ
うに、電圧設定器５８，５９に代えて、２相の駆動信号
の位相差を９０°とするように出力電圧が設定された電
圧設定器６１と１８０°にするように出力電圧が設定さ
れた電圧設定器６２が設けられている。

【００６３】電圧制御発振器２２の動作は上述した第１
の実施の形態と同一の動作であるので説明を省略し、電
圧制御移相器５０の動作について説明する。起動停止ス
イッチ４９の起動停止信号がＬレベル（停止命令）から
Ｈレベル（駆動命令）になった瞬間すなわち超音波モー
タの起動時から、電圧制御移相器５０へアナログ出力端
子３７Ｃを介して電圧設定器６１より位相差を９０°と
する電圧信号が出力される。

【００６４】また、起動停止スイッチ４９の起動停止信
号がＨレベルからＬレベルになった瞬間すなわち停止状
態への移行時には、この瞬間コントローラ３７は、電圧
設定器６２と一次遅れ回路６０より、アナログ出力端子
３７Ｃを介して、電圧制御移相器５０へ、２相の駆動信
号の位相差が９０°より段階的に離れ、１８０゜（ある
いは０゜）に近づくような電圧値を供給する。図７は、
駆動周波数が一定で駆動電圧の絶対値が一定の場合の、
超音波モータの２相の駆動信号の位相差に対する回転数
の関係を示す図である。この図７から判るように２相の
駆動信号の位相差が９０゜を離れ１８０゜（あるいは０
゜）に近づくに従い、超音波モータの回転数は段階的に
低下する。これにより、緩やかな停止を実現することが
できる。

【００６５】このように、超音波モータの停止時には２
相の駆動信号の位相差を段階的に９０°から離すことに
より、移動体６の回転数を段階的に低下させることがで
き、このため停止移行時に移動体６が振動体３に対して
慣性により滑ることを防止することができ、この結果、
可聴雑音、不要振動の発生を防ぐことができる。

【００６６】以上述べたように、超音波モータの起動時
には、駆動周波数を振動体の共振周波数より高い周波数
から掃引するとともに、停止動作時には２相の駆動信号
の移相差を段階的に９０゜から離していくことにより、
移動体６の回転数を段階的に低下させ停止状態にするこ
とにより、安定に起動し移動体６と振動体３の滑りを防
止することができ、また超音波モータの起動時間と停止
時間を調整することにより、可聴雑音、不要振動の発生
を防ぐことが可能である。

【００６７】なお、上記実施の形態では駆動状態から停
止状態への移行時の速度の減速方法として、駆動周波数
を固定し、段階的に駆動電圧を低くする、あるいは駆動
信号の位相差を９０゜から離しているが、たとえば駆動
周波数を段階的に高くするとともに駆動電圧の絶対値を
段階的に低下させていく、あるいは駆動周波数を段階的
に高くするとともに２相の駆動信号の位相差を段階的に
９０゜から離していく、あるいは絶対値を段階的に小さ
くするとともに２相の駆動信号の位相差を段階的に９０
゜から離していく場合にも有効であり、また上記実施の
形態では連続的駆動時の起動時、または停止動作時の実
施の形態であるが、間欠駆動（起動、停止を間欠的に繰
り返す）時の起動時そして回転状態から停止状態への移
行時にも有効であることはもちろんである。

【００６８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、超音
波モータの起動時には駆動周波数は必ず停止時の振動体
の共振周波数より高い側から掃引されることにより、振
動体のアドミタンスの大きな領域を通過し、確実に安定
に駆動することができる。

【００６９】また停止直前に、駆動周波数を固定し駆動
電圧を段階的に低くする、あるいは２相の駆動電圧の位
相差を段階的に９０゜から離すことにより超音波モータ
の回転速度を段階的に遅い方向へと移行させることによ
って、超音波モータは段階的に回転速度が低下し停止状
態となるため、移動体および外部負荷の慣性による移動
体と振動体の接触面における滑りを防止することがで
き、可聴雑音、振動の発生を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す超音波モータ
の駆動回路のブロック図である。

【図２】同超音波モータの駆動回路のコントローラの機
能ブロック図である。

【図３】同超音波モータ駆動回路のコントローラの掃引
回路の出力波形図である。

【図４】同超音波モータの駆動電圧の絶対値と超音波モ
ータの回転数の関係図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す超音波モータ
の駆動回路のブロック図である。

【図６】同超音波モータの駆動回路のコントローラの機
能ブロック図である。

【図７】同超音波モータの駆動電圧の位相差と超音波モ
ータの回転数の関係図である。

【図８】進行波型ディスク状超音波モータの構造を示す
縦断面図である。

【図９】超音波モータの圧電体の電極構造を示す平面図
である。

【図10】超音波モータの動作原理図である。

【図11】振動体の等価回路図である。

【図12】従来の超音波モータの駆動回路のブロック図で
ある。

【図13】超音波モータの駆動周波数と回転数の関係図で
ある。

【図14】周波数と駆動時の振動体のアドミタンス、周波
数と停止時の振動体のアドミタンスの関係図である。

【符号の説明】

１ 弾性基板 ２ 圧電体 ３ 振動体 ４ 弾性体 ５ 摩擦材 ６ 振動体 ７ 出力伝達軸 ８ 弾性部材 ９ 支持部材 １０ 軸受け １１ 加圧手段 １２ 加圧力調整手段 ２２ 電圧制御発振器 ２３ 移相器 ２４，２６ 電力増幅器 ２７，３０ コイル ２８，３１ 駆動電極 ２９，３２ コンデンサ ３３、３５、４４、４５ 抵抗 ３４ 減算器 ３６ 整流器 ３７ コントローラ（制御手段） ３９ 速度設定器 ４２ コンパレータ ４３ 電源電圧 ４６ 駆動状態と停止状態の境界電圧値 ４７ パルス幅変調器 ４８ ＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧器） ４９ 起動停止スイッチ ５０ 電圧制御移相器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体を交流電圧で駆動し、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モータにおいて、 起動時には前記超音波モータの停止状態における前記振
   動体の共振周波数より十分高い側から前記圧電体の駆動
   周波数を掃引し、 駆動状態から停止状態への移行直前に前記移動体の回転
   速度を段階的に低下させることを特徴とする超音波モー
   タの駆動方法。
2. 【請求項２】 移動体の停止状態への移行直前に回転速
   度を段階的に低下させるために、駆動周波数を固定する
   とともに、圧電体の駆動電圧の絶対値を段階的に低下さ
   せることを特徴とする請求項１記載の超音波モータの駆
   動方法。
3. 【請求項３】 移動体の停止状態への移行直前に回転速
   度を段階的に低下させるために、駆動周波数を段階的に
   高めるとともに、圧電体の駆動電圧の絶対値を段階的に
   低下させることを特徴とする請求項１記載の超音波モー
   タの駆動方法。
4. 【請求項４】 移動体の停止状態への移行直前に回転速
   度を段階的に低下させるために、駆動周波数を固定する
   とともに、圧電体の駆動電圧の位相差を段階的に９０゜
   から離していくことを特徴とする請求項１記載の超音波
   モータの駆動方法。
5. 【請求項５】 移動体の停止状態への移行直前に回転速
   度を段階的に低下させるために、駆動周波数を段階的に
   高めるとともに、圧電体の駆動電圧の位相差を段階的に
   ９０゜から離していくことを特徴とする請求項１記載の
   超音波モータの駆動方法。
6. 【請求項６】 圧電体を交流電圧で駆動し、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モータの駆動回路であって、 駆動周波数を可変可能とした前記圧電体の駆動信号を発
   生する駆動信号発生器と、 可変可能な昇圧比に応じて電源電圧を昇圧する昇圧器
   と、 前記昇圧器の出力電圧に応じて前記駆動信号発生器より
   出力される駆動信号を電力増幅し、前記圧電体へ供給す
   る電力増幅器と、 起動時には前記駆動信号発生器の駆動周波数が前記振動
   体の停止状態における共振周波数より高くなるように前
   記駆動信号発生器を調整するとともに、前記移動体の停
   止状態への移行直前には直前の駆動周波数に駆動周波数
   を固定するように駆動信号発生器を調整し、前記昇圧器
   の出力電圧の絶対値を連続的に減少させるように前記昇
   圧器を調整する制御手段を備えたことを特徴とする超音
   波モータの駆動回路。
7. 【請求項７】 圧電体を交流電圧で駆動し、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モータの駆動回路であって、 駆動周波数を可変可能とした前記圧電体の駆動信号を発
   生する駆動信号発生器と、 可変可能に設定される位相に応じて前記駆動信号発生器
   より出力される駆動信号の位相を移相して出力する移相
   器と、 起動時には前記駆動信号発生器の駆動周波数が前記振動
   体の停止状態における共振周波数より高くなるように前
   記駆動信号発生器を調整するとともに、前記移動体の停
   止状態への移行直前には直前の駆動周波数に駆動周波数
   を固定するように駆動信号発生器を調整し、前記駆動信
   号の位相差を連続的に９０゜より遠ざけるように前記移
   相器を調整する制御手段を備えたことを特徴とする超音
   波モータの駆動回路。