JPH09163770A - 超音波モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、効率よく駆動動作を実行し得る超
音波モータの駆動回路を提供する。 【解決手段】 ロータと、該ロータを駆動する超音波振
動子３０と、交番電圧が印加され超音波振動子３０に超
音波振動を励起させる積層型圧電素子３３と、超音波振
動子３０に高周波電力を供給するアンプ３、４とを具備
する超音波モータの駆動装置で、前記超音波振動子３０
の共振周波数を検出する共振周波数検出器８と、検出さ
れた共振周波数に応じた電圧を出力するオフセット電圧
発生器７と、予め定められた電圧がセットされ、その電
圧を所定の割合で減少させるスイープ電圧発生器８と、
オフセット電圧発生器７とスイープ電圧発生器８との出
力を加算する加算器５と、加算器５の出力に基づき、共
振周波数を決定しアンプ３に周波数信号を出力するＶＣ
Ｏ１と、このＶＣＯ１の出力の位相を９０度変化させ、
前記アンプ４に周波数信号を出力する移相器２とを具備
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、更に詳
しくは超音波振動子と回転体とを有する超音波モータの
駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動子に高周波の駆動電圧を印加
して超音波振動を励起させ、この振動でロータ等の被駆
動体を押圧駆動することにより、被駆動体を回転又は直
線移動させるようにした超音波モータが知られている。

【０００３】一般的に超音波モータを駆動する時には、
超音波振動子の共振周波数で駆動することが行われる
が、温度の変化や負荷の変動によって超音波振動子の共
振周波数が変動する。この共振周波数の変動に対し、超
音波振動子に載置されている圧電素子に印加する高周波
電圧を一定とした場合には、超音波振動子は超音波振動
を励起することができず、被駆動体を効率よく駆動する
ことができない。

【０００４】これに対し、従来、特公平７−８１５３号
公報に開示された振動波モータ装置において、図１３に
示すような提案がなされている。

【０００５】図１３に示す振動波モータ装置において、
電源スイッチをオンすることによって回路系に給電がな
され、コンピュータ５２が作動を開始する。コンピュー
タ５２は、電源スイッチのオンにて出力ポートＰＣ０か
ら「ロー」の出力を送出するとともに出力ポートＰＡ０
乃至ＰＡ３の出力を全て「ロー」となす。

【０００６】この状態にあっては、ＶＣＯ（電圧制御発
信器）５３の出力は、コンピュータ５２の出力ポートＰ
Ａ０乃至ＰＡ３の出力に基づいてその出力周波数が決定
される。

【０００７】このようにして、ＶＣＯ５３が作動を開始
した後、コンピュータ５２は駆動検知回路５１の出力状
態を入力ポートＰＢ０に入力し、これをコンピュータ５
２に内蔵されるＡレジスタに入力する。ついでコンピュ
ータ５２に内蔵されるＢレジスタに定数ｎを設定し、再
度入力ポートＰＢ０の入力データを検知し、この検知デ
ータとＡレジスタの内容とが一致していればＢレジスタ
の内容から１を減算する。

【０００８】超音波モータが駆動状態にないときには、
駆動検知回路５１の出力に変化がないので、前記Ａレジ
スタとの一致検知動作では一致が検知され、上述のＢレ
ジスタのデータｎに対して１を引く演算（ｎ−１）がな
され、これがＢレジスタに入力する。ついでＢレジスタ
の内容が前記演算にてゼロとなったか否か判別され、ゼ
ロとなっていないときには再度入力ポートＰＢ０のに入
力データが検知され、これとＡレジスタの内容との一致
検知動作がなされる。

【０００９】以後、超音波モータが駆動状態にないとき
には、前記動作がＢレジスタの内容が前記−１の演算に
てゼロとなるまで、即ちｎ回繰り返し実行される。これ
ら一連の動作は超音波モータが駆動されたか否かを一定
時間検知する動作であり、この一連の動作結果として超
音波モータが駆動されていないときには、コンピュータ
５２の出力ポートＰＡ０乃至ＰＡ３の出力バイナリーコ
ードを１増加させる。

【００１０】これにより、ＶＣＯ５３の周波数が増大
し、以後上述の一連の動作が繰り返し実行される。即
ち、コンピュータ５２は駆動検知回路５１の出力状態が
一定時間変化しないときには、一定時間ごとにＶＣＯ５
３の周波数を順次増大させ、ＶＣＯ５３の発振周波数を
超音波モータの共振周波数に近づけていく。

【００１１】上述の動作にて駆動検知回路５１の出力が
初期にＡレジスタに入力されたデータに対して変化した
際、即ち、ＶＣＯ５３の発振周波数が、超音波モータの
真の共振周波数に近づいてコンパレータ５５、フィルタ
５６、ＶＣＯ５３から成るフェーズロックドループ（Ｐ
ＬＬ）のロックレンジ内に入って、超音波モータの被駆
動状態が駆動状態へと移行すると、以後出力ポートＰＡ
０乃至ＰＡ３の出力状態の更新を禁止し、出力ポートＰ
Ａ０乃至ＰＡ３の出力をその状態に保持するとともにコ
ンピュータ５２はマルチプレクサ５４を制御し、コンパ
レータ５０を介して電極の信号がＲ入力に入力されるコ
ンパレータ５５の出力をローパスフィルタ（ＬＰＦ）５
６に送出する。

【００１２】前記ＶＣＯ５３の出力パルスは、アンプ５
７、コイル５９を介して圧電素子７０の電極に印加され
るとともに、コンパレータ６１のＲ（リセット）入力と
して印加される。コンパレータ６１、フィルタ６２、Ｖ
ＣＯ６３は、コンパレータ５５、フィルタ５６、ＶＣＯ
５３と同様に作動し、コンパレータ６１のＲ及びＳ（セ
ット）入力へのパルスの位相を一致させるよう制御する
ため、コンパレータ６１のＲ及びＳ入力のパルスは同パ
ルスとなる。

【００１３】また、分周回路６４は、ＶＣＯ６３のパル
スを３２分周しているので、ＶＣＯ６３の出力パルスの
周波数は、ＶＣＯ６３の入力パルス、即ちＶＣＯ５３の
出力パルスの３２倍の周波数となり、このＶＣＯ６３の
パルスはシフトレジスタ６５の８段目の出力Ｑ8 はＶＣ
Ｏ５３の出力パルスに対して９０度位相の遅れたパルス
となり、これがアンプ５８、コイル６０を介して圧電素
子７０の電極に印加される。これによって超音波モータ
は回動駆動状態を保持する。

【００１４】このように超音波モータへの回動駆動がな
されている状態にあっては、上述の如くコンパレータ５
５の出力がフィルタ５６に入力しＶＣＯ５３の周波数が
コンパレータ１２の出力によって制御される。即ち、コ
ンパレータ５５のＲ入力には振動検出用電極からの出力
パルスが入力され、Ｓ入力にはシフトレジスタ６６のＱ
8 出力からのパルスが入力されている。

【００１５】前記シフトレジスタ６６のＤ入力には、コ
ンパレータ６７を介して電極の信号、即ち、ＶＣＯ５３
からのパルスと同一周波数及び位相のパルスが印加され
ており、かつ、シフトレジスタ６６のクロック入力とし
ては前記ＶＣＯ６３の出力が入力されており、かつ、Ｖ
ＣＯ６３の出力は上述の如くＶＣＯ５３の３２倍の周波
数の信号であるので、シフトレジスタ６６の８段目の出
力Ｑ8 からのパルスもＶＣＯ５３のパルスに対し９０度
位相を遅らせたパルスとなる。

【００１６】前記シフトレジスタ６６の出力Ｑ8のパル
スは、インバータ６８を介してコンパレータ５５のＳ入
力に入力されるため、上述と同様にコンパレータ５５の
Ｒ入力には検出用電極からの周波数信号が、また、コン
パレータ５５のＳ入力には電極への周波数信号に対して
９０度位相進んだパルスが入力する。

【００１７】コンパレータ５５、フィルタ５６、ＶＣＯ
５３は、コンパレータ５５のＲ入力とＳ入力への入力パ
ルスを同位相となすように、即ち、駆動電極と検出電極
の各パルスの位相差９０度に保つようにＶＣＯ５３の出
力周波数を制御し、ＶＣＯ５３の出力周波数を常に真の
共振周波数となるよう制御する。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上述した構成によれ
ば、超音波モータにより移動体の駆動が行われ、移動体
の駆動状態が所定の状態となるまでは、フェーズロック
ドループ等の共振点からの変動を検知して、この変動情
報に基づく周波数の設定動作は真の共振点に近づいた状
態で行われ、真の共振点以外の共振点からの変動情報に
基づく周波数の設定動作が行われることを防止できると
いった利点がある。

【００１９】しかしながら、共振周波数付近では超音波
振動子の振動が安定せず、ロータを効率よく回転させる
ことが難しい。また、超音波振動子が組立上のバラツキ
等で必要のない共振モードが存在する場合、フェーズロ
ックドループはその共振モードに引き込まれる可能性が
ある。

【００２０】更に、フェーズロックドループ等の共振周
波数を検知して共振周波数からのズレ情報を基に駆動周
波数を設定する方法において、共振点を確実に追尾する
ためにゲインを高めに設定することが行われるが、急激
な負荷変動による共振周波数の変化や、振動検出素子の
波形の乱れや、外部ノイズ等による共振周波数の誤検出
でフェーズロックドループが暴走し、共振周波数を追尾
することができず効率よく超音波モータを駆動すること
ができない可能性が高いという課題がある。

【００２１】本発明は、上述した従来の課題に鑑み、使
用される環境の変化、又は超音波モータの個体差による
インピーダンスの変化や、共振周波数の誤検出があって
も、簡単な回路構成で効率よく駆動動作を実行し得る超
音波モータの駆動回路を提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
回転体と、該回転体を駆動する超音波振動子と、交番電
圧が印加されることにより該超音波振動子に超音波振動
を励起させる電気−機械エネルギー変換素子と、該電気
−機械エネルギー変換素子に高周波電力を供給する電力
供給手段とを具備する超音波モータの駆動装置におい
て、前記超音波振動子の共振周波数を検出する共振周波
数検出手段と、この共振周波数検出手段により検出され
た共振周波数に応じた電圧を出力するオフセット電圧発
生手段と、前記共振周波数検出手段により共振周波数が
検出された際に予め定められた電圧がセットされ、その
電圧を予め定められた割合で減少させてゆくスイープ電
圧発生手段と、前記オフセット電圧発生手段とスイープ
電圧発生手段との出力を加算する加算手段と、この加算
手段の出力に基づき、発振周波数を決定し前記電力供給
手段に周波数信号を出力する発振手段と、この発振手段
の出力の位相を９０度変化させ、前記電力供給手段に周
波数信号を出力する移相手段とを具備することを特徴と
するものである。

【００２３】請求項２記載の発明は、回転体と、該回転
体を駆動する超音波振動子と、交番電圧が印加されるこ
とにより該超音波振動子に超音波振動を励起させる電気
−機械エネルギー変換素子と、該電気−機械エネルギー
変極素子に高周波電力を供給する半導体スイッチング素
子及び昇圧回路とを具備する超音波モータの駆動装置に
おいて、前記超音波振動子の共振周波数を検出する共振
周波数検出手段と、この共振周波数検出手段により検出
された共振周波数に応じたデータを出力するデータセレ
クト手段と、前記共振周波波数検出手段により共振周波
数が検出された際に予め定められたデータがリロードさ
れ、その電圧を予め定められた割合で減少させてゆくス
イープカウント手段と、前記データセレクト手段とスイ
ープカウント手段との出力データを加算する加算手段
と、この加算手段の出力に基づき、駆動周波数を決定し
周波数信号を出力する駆動周波数発生カウンタ手段と、
この駆動周波数発生カウンタ手段が出力する周波数信号
を前記半導体スイッチング素子の駆動パターンに変換す
る駆動パターン変換手段とを具備することを特徴とする
ものである。

【００２４】以下に上述した構成の各発明の作用を説明
する。請求項１記載の超音波モータの駆動装置におい
て、前記共振周波数検出手段は、前記超音波振動子の共
振周波数を検出する。前記オフセット電圧発生手段は、
前記共振周波数検出手段で検出された共振周波数に基づ
いた電圧を出力する。前記スイープ電圧発生手段は、前
記共振周波数検出手段で共振周波数が検出されたときに
あらかじめ設定された電圧をセットし、その電圧をあら
かじめ設定された割合で減少させる。

【００２５】前記加算手段は、前記オフセット電圧発生
手段と前記スイープ電圧発生手段の出力を加算する。前
記発振回路は、前記加算手段からの出力を基に発振周波
数を決定し、前記電力供給手段を介して前記超音波振動
子に決定した発振周波数の周波数信号を供給する。

【００２６】また、前記移相手段は、前記発振手段の出
力の位相を９０度変化させ、前記電力供給手段を介して
前記超音波振動子に位相を９０度変化させた周波数信号
を供給する。

【００２７】請求項２記載の超音波モータの駆動装置に
おいて、前記共振周波数検出手段は、前記超音波振動子
の共振周波数を検出する。前記データセレクト手段は、
前記共振周波数検出手段で検出された共振周波数に基づ
いたデータを出力する。

【００２８】前記スイープカウンタ手段は、前記周波数
検出手段で共振周波数が検出された際にあらかじめ設定
されたデータをリロードし、その値をあらかじめ設定さ
れた割合で減少させていく。

【００２９】前記加算手段は、前記データセレクタ手段
と前記スイープカウント手段との出力を加算する。前記
駆動周波数発生カウント手段は、前記加算手段からの出
力を基に、駆動周波数を決定し、決定した周波数の周波
数信号を出力する。

【００３０】前記駆動パターン変換手段は、前記駆動周
波数発生カウント手段が出力する周波数信号を前記半導
体スイッチング素子の駆動パターンに変換する。これに
より、前記半導体スイッチング素子から前記駆動パター
ン変換手段により変換された駆動パターンによる高周波
電力が電気−機械変換素子に供給されて超音波振動子に
超音波振動を励起させ、超音波モータを駆動することが
できる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を詳細
に説明する。

【００３２】［実施の形態１］ （構成）図１、図２乃至図６、図７、図８及び図９に本
発明の実施の形態１を示す。

【００３３】図１は本実施の形態１の超音波モータの駆
動装置のブロック図、図２は本実施の形態１の超音波振
動子３０の平面図、図３は本実施の形態１の超音波振動
子３０の図２のα方向から見た正面図である。

【００３４】図４は本実施の形態１の超音波振動子３０
の図２のβ方向から見た背面図、図５は本実施の形態１
の超音波振動子３０の図２のγ方向から見た側面図、図
６は本実施の形態１の超音波振動子３０の図２のδ方向
から見た側面図である。

【００３５】また、図７は本実施の形態１の超音波モー
タの概略正面図、図８は本実施の形態１の超音波振動子
の駆動周波数対振動振幅の特性図、図９は本実施の形態
１の周波数スイープ方法と超音波振動子に印加する交番
電圧の波形例を示す説明図である。

【００３６】以下に、本実施の形態１に用いる超音波モ
ータ４０について図２乃至図６及び図７を参照して説明
する。

【００３７】まず、図２乃至図６を参照して本実施の形
態１の超音波振動子３０について説明する。

【００３８】本実施の形態１の超音波振動子３０は、黄
銅材（Ｃ２８０１ＰのＯ材）からなる角柱形状の基本弾
性体３１を有している。

【００３９】この基本弾性体３１は、略７mm×９mm×３
５mmの寸法を持ち、その下端から１１mmの位置に深さ１
乃至２mmの溝３２を全周に亘って設けている。また、こ
の基本弾性体３１の正面と裏面には、一対の積層型圧電
素子３３が各々一定の傾斜角度を持って挟持されてい
る。

【００４０】それぞれの積層型圧電素子３３から引き出
されている電気端子を各々Ａ，ＧＮＤ及びＢ，ＧＮＤと
する。この積層型圧電素子３３は、保持用弾性体３４に
より圧縮応力を印加された状態で基本弾性体３１に保持
固定される。前記各積層型圧電素子３３は正面と裏面で
正対して見て逆方向に傾けて取り付けられる。

【００４１】前記各積層型圧電素子３３は、その寸法２
mm×３．１mm×９mmに形成されている。

【００４２】前記基本弾性体３１の先端部には、円環状
のフェノール樹脂にアルミナセラミックの砥粒を分散さ
せた砥石からなる摺動用駆動子３５が接合されている。
また、記基本弾性体３１の中央部には、貫通孔３６が穿
設され、この貫通孔３６の一部（正確には縦振動の節位
置）には図示してないがタップが切られている。

【００４３】前記積層型圧電素子３３は、基本弾性体３
１の壁面に設けた凹部に挿入されるようになっている。
また、保持用弾性体３４は、基本弾性体３１に設けたこ
の保持用弾性体３４をガイドするための突起部に沿って
挿入され、積層型圧電素子３３に付き当てられた後、圧
縮応力１００Ｎの力を印加された状態で、ビス３６を用
い、かつ、積層型圧電素子３３との当接面全てにエポキ
シ系接着剤を用いて固定される。

【００４４】次に、図７を参照して、前記超音波振動子
３０を用いた超音波モータ４０について説明する。前記
超音波振動子３０の貫通孔３６には軸４１が挿入され
る。この軸４１は、中央部及び両端部にネジ部が設けら
れており、中央部のネジ部は前記超音波振動子３０の貫
通孔３６に設けたタップと螺合されかつ接着固定される
ようになっている。

【００４５】前記超音波振動子３０の上端部の摺動用駆
動子３５の上方には、円環状のロータ４３がスラストベ
アリング４４及びバネ保持体４５を介してバネ４６によ
り摺動用駆動子３５に押圧される状態で配置されるよう
になっている。

【００４６】前記バネ４６の押圧力は、ナット４７によ
り調節可能である。また、円環状のロータ４３の下面に
は、円環状のジルコニアセラミックスからなる摺動材４
８が接着され、摺動用駆動子３５と接合している。

【００４７】前記超音波モータ４０を図示しない基台に
固定する場合には、その下部から突き出た軸４１を前記
基台に設けたネジ孔にねじ込み固定する。

【００４８】次に、図１を参照して本実施の形態１の超
音波モータ４０の駆動装置について説明する。

【００４９】図１に示す本実施の形態１の駆動装置は、
超音波振動子３０に印加する高周波の交番電圧の周波数
信号を発生する発振手段としてのＶＣＯ（電圧制御発振
器）１と、このＶＣＯ１の出力の位相を±９０度変化さ
せる移相手段としての移相器２と、前記ＶＣＯ１の出力
を増幅し超音波振動子３０に取り付けられている一方の
積層型圧電素子３３に供給する電力供給手段を構成する
第１のアンプ３と、前記移相器２により位相が±９０度
変化した前記ＶＣＯ１からの出力を増幅し超音波振動子
３０に取り付けられている他方の積層型圧電素子３３に
供給する電力供給手段を構成する第２のアンプ４と、前
記超音波振動子３０に取り付けられその振動状態を検出
するセンサ２９と、このセンサ２９の出力に基づき前記
超音波振動子３０の周波数（共振周波数）を検出する共
振周波数検出器８と、共振周波数検出器８で検出した周
波数に相当する電圧を前記ＶＣＯ１に設定するためにオ
フセット電圧を発生するオフセット電圧発生手段としの
オフセット電圧発生器７と、前記共振周波数検出器８が
超音波振動子３０の共振周波数であると判断したときに
スイープ電圧発生器６の発生する電圧をＶＣＯ１の発振
周波数が共振周波数よりあらかじめ設定してある分だけ
高い周波数になるような初期設定電圧が設定されている
初期設定電圧部９と、この初期設定電圧部９からの電圧
と前記共振周波数検出器８の出力とを基に初期設定電圧
をあらかじめ定められた割合で減少させていくスイープ
電圧発生手段としてのスイープ電圧発生器６と、スイー
プ電圧発生器６とオフセット電圧発生器７との出力電圧
を加算し、ＶＣＯ１にその電圧に対応する周波数信号を
出力する加算手段としての加算器５とを具備している。

【００５０】尚、前記第１のアンプ３、第２のアンプ４
は、前記超音波振動子３０を確実に振動させることがで
きるような電流容量を持つパワーアンプが最適である。

【００５１】（作用）次に、図１に示す本実施の形態１
の駆動装置の作用を説明する。超音波振動子３０は、そ
の寸法が、１次の共振縦振動（図３の上下方向の振
動）、及び、１次の（溝３２より下方の捻れまで考慮す
ると２次の）共振捻れ振動（縦振動の振動方向を捻れの
軸とする振動）が略同一周波数Ｆｒ（４０ｋＨｚ）で励
起できるようなものとなっている。また、この周波数近
傍には、屈曲共振振動の固有振動は無いような形状に設
計されている。

【００５２】まず、積層型圧電素子３３のＡ端子に周波
数（共振周波数）Ｆｒで振幅２０Ｖｐ−ｐの交番電圧を
印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で同位相の交番電
圧を印加すると、共振縦振動が励起できる。共振縦振動
の節部は基本弾性体３１の中心軸上のほぼ中央位置に存
在する。

【００５３】次に、前記Ａ端子に周波数Ｆｒで、振幅２
０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、
同振幅で、逆位相の交番電圧を印加すると、共振捻れ振
動が励起できる。共振ねじれ振動では、基本弾性体３１
の中心軸全ての位置が節部である。

【００５４】次に、前記Ａ端子に周波数Ｆｒで、振幅２
０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、
同振幅で、位相が９０度異なった交番電圧を印加する
と、共振縦振動と、共振捻れ振動とが合成されて、摺動
用駆動子３５の位置において楕円振動が励起できる。こ
の摺動用駆動子３５にロータ４３を押圧すると楕円振動
に伴なってロータ４３は時計回りまたは反時計回りに回
転する。

【００５５】共振周波数検出器８は、前記超音波振動子
３０に取り付けられた振動検出用のセンサ２９の出力を
基に、超音波振動子３０の共振周波数Ｆｒを検出する。
この共振周波数検出器８は、オフセット電圧発生器７の
電圧を図８に示すように共振周波数Ｆｒとなるように設
定すると同時に、スイープ電圧発生器６の電圧をあらか
じめ初期設定電圧部９に設定する。

【００５６】ここで、初期設定電圧は、図８に示す共振
周波数Ｆｒより高い周波数（設定周波数）Ｆｓになるよ
うにΔＦだけ周波数が大きくなるように前記ＶＣＯ１に
設定できる電圧である。

【００５７】前記スイープ電圧発生器６は、あらかじめ
設定してある割合で初期設定電圧が減少するように動作
する。ここで、前記初期設定電圧が減少する割合は、図
９で示すスイープ時間がロータ４３の時定数（ロータ４
３の固有振動数の逆数）よりも小さくなるように設定す
る。

【００５８】前記加算器５は、スイープ電圧発生器６
と、オフセット電圧発生器７との各出力を加算する。こ
の加算器５の出力を基に、前記ＶＣＯ１は超音波振動子
３０の駆動用の周波数信号である高周波電圧を出力す
る。前記移相器２は、ＶＣＯ１が出力する周波数信号の
位相を９０度進ませ、または、９０度遅らせる。第１の
アンプ３、第２のアンプ４は、前記ＶＣＯ１、移相器２
からの位相の９０度異なる高周波電圧を各々増幅して、
超音波振動子３０に取り付けられた積層型圧電素子３３
に印加する。

【００５９】（効果）上述した本実施の形態１の駆動装
置によれば、スイープ電圧発生器６の動作で、前記超音
波振動子３０の共振周波数よりも一定周波数だけ高い周
波数から駆動用の周波数をスイープすることによって超
音波振動子３０の超音波振動を確実に励起して、超音波
モータ４０を駆動することができる。

【００６０】また、本実施の形態１の駆動装置によれ
ば、負荷変動による共振周波数の変動や、外部ノイズ等
による共振周波数Ｆｒの誤検出によって共振周波数Ｆｒ
の追尾が暴走することがないため、共振周波数検出器８
としては複雑な回路を必要とせず、回路構成の簡略化を
図れる。

【００６１】更に、共振周波数検出器８によって共振周
波数Ｆｒを検出し、その検出した共振周波数Ｆｒに対し
てΔＦだけ高い周波数から周波数のスイープを行うた
め、超音波モータ４０の温度上昇による共振周波数のズ
レに対しても対応可能である。

【００６２】さらにまた、周波数のスイープ時間がロー
タ４３の時定数よりも小さく設定されているので、周波
数を変化させたときの超音波モータ４０の軸出力の変動
が無く安定した出力を得られる。

【００６３】［実施の形態２］ （構成）次に、図１０、図１１を参照して実施の形態２
の駆動装置について説明する。

【００６４】図１０は本実施の形態２の超音波モータの
駆動装置の構成を示すブロック図、図１１は本実施の形
態２の周波数スイープ方法と超音波振動子３０へ印加す
る駆動交番電圧の波形例を示す説明図である。尚、図１
０に示す実施の形態２の駆動装置において、図１に示す
実施の形態１の駆動装置と同一の要素には同一の符号を
付して示す。

【００６５】本実施の形態２は実施の形態１に対して以
下の点で特徴がある。即ち、図１０に示す実施の形態２
の駆動装置は、外部からカウント数を設定可能であり、
そのカウント数を基に超音波振動子３０の駆動周波数の
４倍の周波数の周波数信号を発生する駆動周波数発生カ
ウント手段である駆動周波数発生用カウンタ１０と、こ
の駆動周波数発生用カウンタ１０からの周波数信号を後
述する複数の半導体スイッチング素子１２を切り替える
駆動パターンの信号に変換する駆動パターン変換手段で
ある駆動パターン発生器１１と、この駆動パターン発生
器１１で生成した駆動パターンで駆動され、２個の昇圧
回路であるトランス１３を切り換え、超音波振動子３０
に取り付けられている積層型圧電素子３３に交番電圧を
印加する合計４個の半導体スイッチング素子１２と、前
記超音波振動子３０に取れ付けた振動状態検出用のセン
サ２９と、このセンサ２９の出力に基づき超音波振動子
３０の共振周波数を検出する共振周波数検出器８と、あ
らかじめ駆動周波数のデータが設定される駆動周波数設
定用メモリ１５と、前記共振周波数検出器８により検出
された共振周波数に応じた駆動周波数のデータ（駆動周
波数発生用カウンタ１０が前記共振周波数を出力できる
データ）を駆動周波数設定用メモリ１５から選択して出
力するデータセレクト手段としてのセレクタ１４と、ス
イープ時間設定用のクロックを出力するスイープ時間設
定用クロック発生部１７と、このスイープ時間設定用ク
ロック発生部１７からのクロックに基づき、前記共振周
波数検出器８により超音波振動子３０の共振周波数が検
出された際に、あらかじめ決められた値がリロードさ
れ、スイープ時間設定用クロック１７で設定された時間
でダウンカウントするスイープカウンタ手段である周波
数スイープ用カウンタ１６と、前記セレクタ１４と周波
数スイープ用カウンタ１６との出力を加算してその加算
出力を前記駆動周波数発生用カウンタ１０に送る加算器
５とを具備している。

【００６６】これにより、セレクタ１４からのデータと
周波数スイープ用カウンタ１６からのデータとが加算器
５で加算されて、駆動周波数発生用カウンタ１０のカウ
ント数として入力され、超音波振動子３３の駆動周波数
が決定されるようになっている。

【００６７】尚、前記半導体スイッチング素子１２とし
ては、超音波振動子３０を確実に振動させることができ
るスイッチング素子が好適で、スイッチング用トランジ
スタ、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、サイリスタ等
が適当である。また、上述した各ディジタル回路をマイ
クロコンピュータを用いて構成することももちろん可能
である。

【００６８】（作用）上述した実施の形態２の駆動装置
の作用を以下に説明する。前記超音波振動子３０に取り
付けられた振動検出用のセンサ２９の出力を基に、共振
周波数検出器８は超音波振動子３０の共振周波数を検出
する。前記セレクタ１４は、共振周波数検出器８が超音
波振動子３０の共振周波数を検出したときに、駆動周波
数設定用メモリ１５から超音波振動子３０のその時点で
の共振周波数のデータを選択し保持する。

【００６９】前記周波数スイープ用カウンタ１６は、共
振周波数検出器８が共振周波数を検出したときに、図１
１に示すようなデータ（リロード値ΔＦ）をリロード
し、ダウンカウントを始める。ここで、リロード値ΔＦ
は、共振周波数Ｆｒより高い設定周波数Ｆｓになるよ
う、即ち、ΔＦだけ周波数が大きくなるよう駆動周波数
発生用カウンタ１０に設定できる値である。

【００７０】周波数スイープ用カウンタ１６は、あらか
じめ設定してある割合でカウントダウンするように設定
されたスイープ時間設定用のクロックをカウント用のク
ロックとしてカウントダウンを行う。

【００７１】ここで、前記スイープ時間設定用のクロッ
クにより設定される時間は、スイープ時間がロータ４２
の時定数（ロータ４３の固有振動数）より小さくなるよ
うに設定する。

【００７２】前記加算器５は、セレクタ１４と周波数ス
イープ用カウンタ１６の両出力を加算する。駆動周波数
発生用カウンタ１０は、前記加算器５のデータを基に超
音波振動子３０の駆動周波数の４倍の周波数の周波数信
号を発生する。

【００７３】駆動パターン発生器１１は、前記駆動周波
数発生用カウンタ１０の出力を基に、図１１の下欄に示
すような駆動パターンを生成し、この駆動パターンを基
に半導体スイッチング素子１２を切り換え、トランス１
３を介して昇圧された高周波交番電圧を超音波振動子３
０に取り付けられた積層型圧電素子３３に印加する。

【００７４】（効果）本実施の形態２により、実施の形
態１と同様の効果が得られるとともに、回路構成の大半
をディジタル回路で構成できるため、安定性が高く、安
価で小型に構成できる駆動装置を実現できる。

【００７５】［実施の形態３］ （構成）次に、実施の形態３の駆動装置について説明す
る。実施の形態３においては、図１に示す実施の形態１
の駆動装置と同様な構成を用いるが、周波数スイープ方
法を実施の形態１の場合と異ならせたことが特徴であ
る。

【００７６】図１２に実施の形態３の周波数スイープ方
法を示す。本実施の形態３おいては、実施の形態の形態
１と以下の点が異なる。即ち、スイープ電圧発生器８が
発生する電圧を、図１２に示す波形とし、その周波数ス
イープ方法は、共振周波数Ｆｒ付近で周波数の変化率が
小さく、共振周波数Ｆｒから離れるにつれ周波数の変化
率が徐々に大きくなるようにしている。

【００７７】（作用）スイープ電圧発生器８は、駆動周
波数を共振周波数Ｆｒから離れているときに周波数の変
化率を大きくしており、共振周波数Ｆｒに近づくにつれ
周波数の変化率を小さくしている。これにより、スイー
プ時間内における共振周波数Ｆｒ付近での駆動時間を長
くとることが可能となる。

【００７８】（効果）実施の形態３の駆動装置によれ
ば、共振周波数Ｆｒ付近での駆動時間を長くとることが
できるため、より高効率に駆動することが可能である。

【００７９】以上詳述した如き本発明の実施態様１乃至
３によれば、以下の如き構成を得ることができる。即
ち、

【００８０】（１）回転体と、該回転体を駆動する超音
波振動子と、交番電圧が印加されることにより該超音波
振動子に超音波振動を励起させる電気−機械エネルギー
変換素子と、該電気−機械エネルギー変換素子に高周波
電力を供給する電力供給手段とを具備する超音波モータ
の駆動装置において、前記超音波振勤子の共振周波数を
検出する共振周波数検出手段と、この共振周波数検出手
段により検出された共振周波数に応じた電任を出力する
オフセット電圧発生手段と、前記共振周波数検出手段に
より共振周波数が検出された際に予め定められた電圧が
セットされ、その電圧を予め定められた割合で減少させ
てゆくスイープ電圧発生手段と、前記オフセット電任発
生手段とスイープ電圧発生手段の出力を加算する加算手
段と、この加算手段の出力に基づき、発振周波数を決定
し前記電力供給手段に周波数信号を出力する発振手段
と、この発振手段の出力の位相を９０度変化させ、前記
電力供給手段に周波信号を出力する移相手段とを具備す
ることを特徴とする超音波モータの駆動装置。

【００８１】（２）回転体と、該回転体を駆動する超音
波振動子と、交番電圧が印加されることにより該超音波
振動子に超音波振動を励起させる電気ー機械エネルギー
変換素子と、該電気ー機械エネルギー変換素子に高周波
電力を供給する半導体スイッチング素子及び昇圧回路と
を具備する超音波モータの駆動装置において、前記超音
波振動子の共振周波数を検出する共振周波数検出手段
と、この共振周波数検出手段により検出された共振周波
数に応じたデータを出力するデータセレクト手段と、前
記共振周波数検出手段により共振周波数が検出された際
に予め定められたデータがリロードされ、その電圧を予
め定められた割合で減少させてゆくスイープカウント手
段と、前記データセレクト手段とスイープカウント手段
の出力データを加算する加算手段と、この加算手段の出
力に基づき、駆動周波数を決定し周波信号を出力する駆
動周波数発生カウンタ手段と、この駆動周波数発生カウ
ンタ手段が出力する周波信号を前記半導体スイッチング
素子の駆動パターンに変換する駆動パターン変換手段と
を具備することを特徴とする超音波モータの駆動装置。

【００８２】（３）前記（１）において、前記スイープ
電圧発生手段に設定される電圧は、前記発振手段が発生
する周波数信号の周波数が前記加算手段により加算され
た際に高くなるように設定され、かつ、前記周波数をス
イープさせる時間は前記回転体の時定数よりも小さくな
るように前記電圧を減少する割合が設定されている超音
波モータの駆動装置。これにより、周波数を変化させた
ときの軸出力の変動が無く安定した出力を得ることがで
きる。

【００８３】（４）前記（２）において、前記スイープ
カウント手段に設定されるデータは、前記駆動周波数発
生カウンタ手段が発生する周波数信号の周波数が前記加
算手段により加算された際に高くなるように設定され、
かつ、前記周波数をスイープさせる時間は前記回転体の
時定数よりも小さくなるように、前記ダウンカウントす
る割合が設定されている超音波モータの駆動装置。これ
により、共振周波数付近での駆動時間を長く取ることが
できるため、高効率に駆動することが可能である。

【００８４】（５）前記（１）、（２）において、前記
スイープ波形は、前記共振周波数近傍における周波数変
化の割合が小さく設定されている超音波モータの駆動装
置。

【００８５】（６）前記（１）、（２）において、前記
スイープ波形は、前記共振周波数から離れるに従って周
波数変化の割合が大きく設定されている超音波モータの
駆動装置。

【００８６】（７）前記（１）、（２）において、前記
電気−機械エネルギー変換素子は圧電素子である超音波
モータの駆動装置。

【００８７】

【発明の効果】請求項１記載の発明に係る超音波モータ
の駆動装置よれば、超音波振動子の共振周波数よりも一
定周波数だけ高い周波数から周波数をスイープすること
によって超音波振動子の振動を確実に励起することがで
きる。また、負荷変動による共振周波数の変動や、外部
ノイズ等による共振周波数の誤検出によって追尾が暴走
することがないため、共振周波数検出手段としては複雑
な回路を必要せず、回路構成の簡略化を図れる。更に、
共振周波数検出手段によって共振周波数を検出し、その
共振周波数よりも高い周波数から周波数スイープを行う
ため、モータの温度上昇による共振周波数のズレに対し
ても対応できる。

【００８８】請求項２記載の発明に係る超音波モータの
駆動装置よれば、請求項１記載の発明の効果に加え、回
路構成の大半をディジタル回路で構成できるため安定性
が高く、安価、かつ、小型に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態１の超音波モータの駆動装置のブ
ロック図である。

【図２】本実施の形態１の超音波振動子の平面図であ
る。

【図３】本実施の形態１の超音波振動子の図２のα方向
から見た正面図である。

【図４】本実施の形態１の超音波振動子の図２のβ方向
から見た背面図である。

【図５】本実施の形態１の超音波振動子の図２のγ向か
ら見た側面図である。

【図６】本実施の形態１の超音波振動子の図２のδ向か
ら見た側面図である。

【図７】本実施の形態１の超音波モータの概略正面図で
せある。

【図８】本実施の形態１の超音波振動子の駆動周波数対
振動振幅の特性図である。

【図９】本実施の形態１の周波数スイープ方法と超音波
振動子に印加する交番電圧の波形例を示す説明図であ
る。

【図１０】実施の形態２の超音波モータの駆動装置のブ
ロック図である。

【図１１】実施の形態２の超音波モータの駆動装置おけ
る周波数スイープ方法と半導体スイッチング素子の切り
換えパターンの波形例を示す説明図である。

【図１２】実施の形態３の超音波モータの駆動装置おけ
る周波数スイープ方法とＶＣＯ出力電圧波形例を示す説
明図である。

【図１３】従来の超音波モータの駆動装置を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１ ＶＣＯ ２ 移相器 ３ 第１のアンプ ４ 第２のアンプ ５ 加算器 ６ スイープ電圧発生器 ７ オフセット電圧発生器 ８ 共振周波数検出器 ９ 初期設定電圧部 １０ 駆動周波数発生用カウンタ １１ 駆動パターン発生器 １２ 半導体スイッチング素子 １３ トランス １４ セレクタ １５ 駆動周波数設定用メモリ １６ 周波数スイープ用カウンタ １７ スイープ時間設定用クロック発生部 ２９ センサ ３０ 超音波振動子 ３１ 基本弾性体 ３２ 溝 ３３ 積層型圧電素子 ３４ 保持用弾性体 ３５ 摺動用駆動子 ３６ 貫通孔 ４０ 超音波モータ ４３ ロータ ４４ スラストベアリング ４５ バネ保持体 ４６ バネ ４７ ナット ４８ 摺動材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津幡 敏晴 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転体と、該回転体を駆動する超音波振
   動子と、交番電圧が印加されることにより該超音波振動
   子に超音波振動を励起させる電気−機械エネルギー変換
   素子と、該電気−機械エネルギー変換素子に高周波電力
   を供給する電力供給手段と、 を具備する超音波モータの駆動装置において、 前記超音波振動子の共振周波数を検出する共振周波数検
   出手段と、 この共振周波数検出手段により検出された共振周波数に
   応じた電圧を出力するオフセット電圧発生手段と、 前記共振周波数検出手段により共振周波数が検出された
   際に予め定められた電圧がセットされ、その電圧を予め
   定められた割合で減少させてゆくスイープ電圧発生手段
   と、 前記オフセット電圧発生手段とスイープ電圧発生手段と
   の出力を加算する加算手段と、 この加算手段の出力に基づき、発振周波数を決定し前記
   電力供給手段に周波数信号を出力する発振手段と、 この発振手段の出力の位相を９０度変化させ、前記電力
   供給手段に周波数信号を出力する移相手段と、 を具備することを特徴とする超音波モータの駆動装置。
2. 【請求項２】 回転体と、該回転体を駆動する超音波振
   動子と、交番電圧が印加されることにより該超音波振動
   子に超音波振動を励起させる電気−機械エネルギー変換
   素子と、該電気−機械エネルギー変極素子に高周波電力
   を供給する半導体スイッチング素子及び昇圧回路と、 を具備する超音波モータの駆動装置において、 前記超音波振動子の共振周波数を検出する共振周波数検
   出手段と、 この共振周波数検出手段により検出された共振周波数に
   応じたデータを出力するデータセレクト手段と、 前記共振周波波数検出手段により共振周波数が検出され
   た際に予め定められたデータがリロードされ、その電圧
   を予め定められた割合で減少させてゆくスイープカウン
   ト手段と、 前記データセレクト手段とスイープカウント手段との出
   力データを加算する加算手段と、 この加算手段の出力に基づき、駆動周波数を決定し周波
   数信号を出力する駆動周波数発生カウンタ手段と、 この駆動周波数発生カウンタ手段が出力する周波数信号
   を前記半導体スイッチング素子の駆動パターンに変換す
   る駆動パターン変換手段と、 を具備することを特徴とする超音波モータの駆動装置。