JPH099652A - 超音波モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 異音の発生、圧電素子の破損を防止するとと
もに高効率駆動を実現できる超音波モータの駆動回路を
提供する。 【構成】 振動検出器３により超音波振動子１０の振動
状態を検出し、矩形波変換器４により振動状態に対応し
た矩形波を求め、周波数検出器５により矩形波の周波数
を検出する。そして、共振点検出器６により矩形波の周
波数と超音波振動子１０に印加されている交番電圧の周
波数とを比較して共振点の周波数を認識し、周波数設定
器７により共振周波数発生器１が発生する交番電圧の周
波数を共振点の周波数よりも高く決定する。

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】従来、超音波モータの駆動装置として特
開平４−３２２１７９号公報に開示されたような提案が
なされている。

【０００３】同公報に開示された超音波モータの駆動装
置は、図１０に示すように、電圧制御発振回路８１から
超音波モータ８８を駆動するのに必要な所定の高周波電
圧を生成して分割回路８２に出力し、この分割回路８２
により高周波電圧を時間分割して、進行波を発生させる
ために電圧に位相差を持たせる。分割回路８２の出力電
圧は電力増幅器８３、８３にそれぞれ出力され、所定の
電圧に昇圧される。昇圧された電圧は超音波モータ８８
の圧電素子に出力される。この電圧により超音波モータ
８８の圧電素子が振動し、進行波が発生して超音波モー
タ８８が駆動される。

【０００４】また、１相側の電力増幅器８３と圧電素子
との間には抵抗８７が設けられ、この抵抗８７の端子間
電圧より電流検出器８６で電流値を求め、その電流値が
所定の値となるように発振制御器８４、掃引指示器８５
で電圧制御発振回路８１を制御して電圧制御発振回路８
１から出力される高周波電圧の周波数や電圧を制御して
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記超音波モータの駆
動装置によれば、特性の安定した周波数領域の駆動周波
数で超音波モータ８８の圧電素子を一定電流で駆動する
ことができ、起動並びに通常動作の安定した高効率の超
音波モータ８８の駆動回路を提供できる。

【０００６】しかしながら、超音波モータ８８に流れる
電流値を一定に制御する場合、温度、負荷によって超音
波モータ８８のインピーダンスが大幅に変動するため、
一定電流値で制御しているにもかかわらず、異音が発生
したり、圧電素子が破損したりする。また、超音波モー
タ８８を構成する振動子の形状の精度や、組立時のバラ
ツキ等によるインピーダンスのバラツキによっても同様
の不具合が生じる。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑み、使用される環
境の変化、あるいは超音波モータの個体差によるインピ
ーダンスの変化があっても、異音の発生、圧電素子の破
損を防止するとともに高効率駆動を実現できる超音波モ
ータの駆動回路を提供することを目的とする。

【０００８】

【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、この回転体を駆動する超音波振動子と、交番
電圧の印加により前記超音波振動子に超音波振動を励振
させる圧電素子とを具備する超音波モータを駆動する超
音波モータの駆動装置において、前記超音波振動子の共
振点近傍の周波数の交番電圧を発生して前記圧電素子を
駆動するとともに、前記交番電圧の周波数を可変に構成
した駆動手段と、前記超音波振動子の振動周波数を検出
する振動検出手段と、この振動検出手段により検出した
超音波振動子の振動周波数と、前記駆動手段から圧電素
子に印加している交番電圧の周波数とを比較し、超音波
振動子の振動周波数が交番電圧の周波数より大きいとき
共振点の周波数であると認識する共振点検出手段と、こ
の共振点検出手段の認識結果を基に前記駆動手段が発生
する交番電圧の周波数を前記共振点の周波数よりも高い
周波数に設定し直す周波数設定手段とを有することを特
徴とするものである。

【０００９】請求項２記載の発明は、回転体と、この回
転体を駆動する超音波振動子と、交番電圧の印加により
前記超音波振動子に超音波振動を励振させる圧電素子と
を具備する超音波モータを駆動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点近傍の周波数
の交番電圧を発生して前記圧電素子を駆動するととも
に、前記交番電圧の周波数を可変に構成した共振周波数
発生器と、前記超音波振動子の振動状態を検出する振動
検出器と、前記振動検出器から得られる振動波形から、
予め決定してあるスレッシュホールドレベルを基に矩形
波に変換する矩形波変換器と、前記矩形波変換器からの
矩形波の周波数を検出する周波数検出器と、 前記矩形
波の周波数と、超音波振動子に印加している交番電圧の
周波数とを比較し、前記矩形波の周波数が前記共振周波
数発生器の発生している周波数より２倍以上大きいとき
共振点の周波数であると認識する共振点検出器と、前記
共振点検出器の出力に伴い前記共振点検出器が検出した
周波数よりも高い周波数に設定するように前記共振周波
数発生器の周波数を決定する周波数設定器とを有するこ
とを特徴とするものである。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明における前記振動検出器を、超音波振動子に取り付け
られた機械電気変換素子としたことを特徴とするもので
ある。

【００１１】請求項４記載の発明は、請求項２記載の発
明における前記振動検出器を、前記圧電素子に流れる電
流を検出する電流検出器であることを特徴とするもので
ある。

【００１２】

【作用】以下に本発明の作用を説明する。

【００１３】請求項１記載の発明によれば、振動検出手
段が超音波振動子の振動周波数を検出し、共振点検出手
段が振動検出手段により検出した超音波振動子の振動周
波数と、前記駆動手段から圧電素子に印加している交番
電圧の周波数とを比較し、超音波振動子の振動周波数が
交番電圧の周波数より大きいとき共振点の周波数である
と認識する。そして、周波数設定手段が、共振点検出手
段の認識結果を基に前記駆動手段が発生する交番電圧の
周波数を前記共振点の周波数よりも高い周波数に設定し
直す。

【００１４】これにより、超音波振動子の振動状態を検
出して共振周波数を求めこれを基に超音波振動子に印加
する交番電圧の周波数を最適化して駆動することがで
き、超音波モータを最も効率良く駆動することが可能と
なって、環境の変化やバラツキによる共振周波数の変化
があっても、異音の発生、圧電素子の破損を防止するこ
とができる。

【００１５】請求項２記載の発明によれば、前記振動検
出器は、超音波振動子の振動状態を検出し電圧波形とし
て出力する。前記矩形波変換器は、前記振動検出器の発
生する電圧波形を予め決定してあるスレッシュホールド
レベルを基に矩形波に変換する。前記周波数検出器は、
前記矩形波の周波数を計測する。前記共振点検出器は、
前記矩形波の周波数と、超音波振動子に印加されている
交番電圧の周波数とを比較し、矩形波の周波数が交番電
圧の周波数より２倍以上大きいときにその周波数が共振
点の周波数であると認識する。

【００１６】前記周波数設定器は、前記共振点検出器が
共振点と判断した周波数よりも高い周波数に設定するよ
うに前記共振周波数発生器の周波数を決定する。

【００１７】これにより、請求項１記載の発明と同様、
超音波振動子の振動状態を検出して共振周波数を求めこ
れを基に超音波振動子に印加する交番電圧の周波数を変
えて駆動することができ、超音波モータを最も効率良く
駆動することが可能となって、環境の変化やバラツキに
よる共振周波数の変化があっても、異音の発生、圧電素
子の破損を防止することができる。

【００１８】請求項３記載の発明によれば、前記振動検
出器を前記超音波振動子に取り付けられた機械電気変換
素子により構成したので、前記超音波振動子の振動状態
を直接電圧に変換できる。

【００１９】請求項４記載の発明によれば、前記振動検
出器を前記圧電素子に流れる電流を検出する電流検出器
により構成したので、前記超音波振動子の振動状態を前
記圧電素子に流れる電流として検出できる。

【００２０】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。

【００２１】［第１実施例］ （構成）図１乃至図６に本発明の第１実施例を示す。図
１は超音波モータの駆動装置のブロック図、図２、図３
は本実施例の超音波振動子の概略図、図４、図５は超音
波モータの概略図、図６は超音波振動子の振動の波形図
を示す。

【００２２】以下に、本実施例の超音波モータの駆動装
置について詳述する。図１乃至図５において、外部から
周波数を可変できる駆動手段を構成する共振周波数発生
器１は、超音波振動子１０の共振周波数近傍の交番電圧
を発生し、この交番電圧をアンプ２によって増幅し、増
幅した交番電圧を超音波振動子１０の駆動用圧電素子５
１に印加して、超音波振動子１０に超音波エネルギーを
生成し、ロータ６２を回転駆動するようになっている。
前記アンプ２としては超音波振動子１０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。

【００２３】前記超音波振動子１０の圧電素子６８の振
動状態は振動検出用の振動検出器３によって電圧波形と
して検出され、矩形波変換器４により予め設定してある
スレッシュホールドレベルを以て矩形波に変換される。
ここで、矩形波変換器４の入力は電気ノイズによる検出
ミスを避けるためシュミットトリガ入力が好適で、その
スレッシュホールドレベルは振動振幅の１０％以上５０
％以下が好適である。

【００２４】前記矩形波の周波数を周波数検出器５で計
測し、超音波振動子１０に印加している交番電圧の周波
数と比較し共振点検出器６で共振点かどうか判断した
後、周波数設定器７で共振周波数より高い周波数を共振
周波数発生器１に設定するようになっている。

【００２５】前記超音波振動子１０は、図２、図３に示
すように、駆動用圧電素子５１と、振動検出用の圧電素
子６８と、駆動用圧電素子５１の振動面と平行な接触面
（回転体との接触面）６０を有するホーン（共振体）５
４と、ホーン５４と駆動用圧電素子５１と振動検出用の
圧電素子６８をカラー５２を介して締め付け固定するた
めのボルト５３等より構成している。

【００２６】前記ホーン５４は、中心軸線６１を中心と
して軸対象に一対の突起５５を形成し、各突起５５を軸
線６１を中心として互いに１８０°ずれた位置に配置構
成している。各突起５５はそれぞれ同一水平面の接触面
６０を有しており、かつ、この接触面６０からホーン５
４の円筒側面にかけて形成した斜面５６をそれぞれ有し
ている。尚、５９で示すのは垂直面部である。

【００２７】また、各突起５５には、他の突起５５との
作図上干渉する位置まで設けられた斜面５７がそれぞれ
形成してあり、振動時に２つの突起５５の振動が互いに
独立した振動とならないように構成している。

【００２８】前記ボルト５３は、比較的大径のネジ部５
３ａと、小径の軸部５３ｂと、軸部５３ｂの先端部に螺
刻した小径ネジ部５３ｃとにより構成してあり、駆動用
圧電素子５１と振動検出用圧電素子６８とホーン５４の
本体部はカラー５２を介してボルト５３の大径ネジ部５
３ａで固定されるようになっている。

【００２９】また、ボルト５３の小径軸部５３ｂは、ホ
ーン５４の軸心孔部５８を貫挿しており、小径軸部５３
ｂと軸心孔部５８との間にはホーン５４の振動時に互い
に接触しない様に空間を設けている。

【００３０】また、図４に示すように、前記ホーン５４
の軸心孔部５８を貫通した小径軸部５３ｂには、ロータ
６２が軸受６３を介して支持されており、このロータ６
２は、小径ネジ部５３ｃに螺着したナット６５と、この
ナット６５と軸受６３との間に弾装したばね６４を介し
てホーン５４の各突起５５の接触面６０に押圧接触する
ようになっている。

【００３１】（作用）上記構成において、前記共振周波
数発生器１により生成した共振周波数近傍の交番電圧を
駆動用圧電素子５１に印加すると、振動がホーン５４に
より増幅され、接触面６０で図５に示すような大きな縦
方向振動６６となる。また、同時に斜面５６に縦振動波
が当たり、ホーン５４の突起５５が横方向振動６７を行
う。

【００３２】このような振動は、一対の突起５５間で１
８０°位相がずれるので、２つの楕円モード振動が発生
し、この楕円モード振動によりロータ６２が回転駆動さ
れるものである。特に、各突起５５の斜面５６を作図上
干渉するように設定しているので、２つの突起５５の振
動が独立せず、従って接触面６０にロータ６２が片あた
りした場合であっても、無負荷側の振動エネルギーが負
荷側突起５５に伝達しやすい。

【００３３】ここで、超音波モータは、温度、負荷等に
よりインピーダンスが大幅に変化するため、共振周波数
がずれる。この共振周波数のズレを追尾するために、電
流値を一定にするように制御したり、印加電圧の電流と
電圧の位相差を０にするように制御することによって、
印加交番電圧を超音波振動子１０の共振周波数に設定す
ることが一般的に行われるが、この共振周波数付近で
は、超音波振動子１０の振動は図６に示すように２次以
上の高調波が重畳された振動波形となり、ロータ６２は
効率よく回転することができない。

【００３４】以上のように、超音波モータは超音波振動
子１０の振動が乱れている時には起動不良やトルクムラ
等で回転は安定せず、共振点付近で振動波形が良好なと
きに最も効率よく回転させることができる。

【００３５】そこで、図１に示すように、共振周波数発
生器１からアンプ２を介し超音波振動子１０に交番電圧
を印加し、超音波振動子１０の振動状態に応じた前記振
動検出用圧電素子６８の出力信号を、振動検出器３によ
り検出する。

【００３６】前記矩形波変換器４は、図６に示すよう
に、振動検出器３によって検出した振動波形をあるスレ
ッシュホールドレベルを以て矩形波信号に変換する。周
波数検出器５は、矩形波変換器４で得られる矩形波信号
から超音波振動子１０の振動の周波数を求める。

【００３７】共振点検出器６は、超音波振動子１０に印
加している交番電圧の周波数と周波数検出器６で求めた
振動周波数とを比較し、振動周波数のほうが印加交番電
圧の周波数より２倍以上大きいときに共振周波数である
と判断する。

【００３８】周波数設定器７は、共振点検出器６の判断
結果を基に前記共振周波数より高い周波数の交番電圧を
超音波振動子１０の駆動用圧電素子５１に印加するよう
に共振周波数発生器１の出力周波数を設定する。

【００３９】（効果）このように、超音波振動子１０の
振動状態を検出して共振周波数を検出しているため、超
音波モータの環境の変化やバラツキによる共振周波数の
変化があっても、検出の誤差がない。

【００４０】さらに、振動波形が乱れない周波数で超音
波振動子１０を駆動しているため、異音の発生や圧電素
子の破壊を防止することができ、最も効率の良い周波数
で超音波振動子１０を駆動することができる。

【００４１】［第２実施例］ （構成）図７、図８に本発明の第２実施例を示す。図
７、図８は第２実施例に於ける超音波振動子の概略構成
を示すものである。

【００４２】本実施例の超音波モータは、図４、図５に
示す第１実施例の超音波モータと略同様な構成である
が、前記振動検出用圧電素子６８を無くす替わりにホー
ン５４の垂直面部５９に振動検出用圧電素子６９を貼り
付けたことが特徴である。振動検出用圧電素子６９の分
極方向は垂直面部５９と平行で、かつボルト５３と平行
な方向としている。

【００４３】（作用）本実施例の超音波モータにおいて
は、振動検出用圧電素子６９が、ホーン５４の垂直面部
５９に取り付けられているため、超音波エネルギーを与
えられて振動するホーン５４の縦方向振動振幅を電圧に
変換し振動検出器３に送出する。

【００４４】（効果）本実施例によれば、第１実施例と
同様の効果が得られるとともに、ロータ６２を駆動して
いる接触面６０の近傍に振動検出用圧電素子６９を配置
しているため、より確実に振動状態を検出できる。尚、
ホーン５４の斜面５６に振動検出用圧電素子６９を配置
しても同様の効果が得られる。

【００４５】［第３実施例］ （構成）図９に第３実施例を示す。図９は第３実施例に
於ける全体構成を示すブロック図である。

【００４６】本実施例の構成は第１実施例の構成と基本
的に同様であるが、前記アンプ２と、超音波振動子１０
に組付けられている駆動用圧電素子５１の間に電流検出
用の抵抗９を挿入するとともに、抵抗９の両端の電位差
を差動増幅器８に入力し、差動増幅器８で電流電圧変換
された電流波形を矩形波変換器４に入力するようにした
ことが特徴である。

【００４７】（作用）本実施例においては、超音波振動
子１０の振動状態は駆動用圧電素子５１に流れる電流と
比例関係にあり、その電流を抵抗９と差動増幅器８によ
って検出する。

【００４８】このように駆動用圧電素子５１に流れる電
流を検出することによって、間接的に超音波振動子１０
の振動状態を検出し、その振動状態を矩形波変換器４に
よって矩形波とし、その周波数を測定することで共振周
波数を検出する。

【００４９】（効果）第１実施例と同様の効果が得られ
るとともに、抵抗９と差動増幅器８の簡単な部品で構成
できるため、安価に駆動装置を実現できる。

【００５０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、使用され
る環境の変化や超音波モータの個体差によるインピーダ
ンスの変化があっても、異音の発生及び圧電素子の破損
を防止しつつ高効率で超音波モータを駆動することが可
能な駆動装置を提供することができる。

【００５１】請求項２記載の発明によれば、簡略な回路
構成で請求項１記載の発明と同様異音の発生及び圧電素
子の破損を防止しつつ高効率で超音波モータを駆動する
ことが可能な駆動装置を提供することができる。

【００５２】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載の発明の効果に加え、直接超音波モータの駆動に必要
な振動の検出を行うため駆動周波数を確実に最適化でき
る。

【００５３】請求項４記載の発明によれば、請求項２記
載の発明の効果に加え、回路構成の簡略化、低価格化を
図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波モータの駆動装置
のブロック図である。

【図２】本実施例の超音波振動子の概略正面図である。

【図３】本実施例の超音波振動子の概略側面図である。

【図４】本実施例の超音波モータの概略正面図である。

【図５】本実施例の超音波モータの概略側面図である。

【図６】本実施例の超音波振動子の振動状態を示す波形
図である。

【図７】第２実施例の超音波モータの概略正面図であ
る。

【図８】第２実施例の超音波モータの概略側面図であ
る。

【図９】第３実施例の超音波モータの駆動装置のブロッ
ク図である。

【図１０】従来の超音波モータの駆動装置のブロック図
である。

【符号の説明】

１ 共振周波数発生器 ２ アンプ ３ 振動検出器 ４ 矩形波変換器 ５ 周波数検出器 ６ 共振点検出器 ７ 周波数設定器 ８ 差動増幅器 ９ 抵抗 １０ 超音波振動子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転体と、この回転体を駆動する超音波
   振動子と、交番電圧の印加により前記超音波振動子に超
   音波振動を励振させる圧電素子とを具備する超音波モー
   タを駆動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点近傍の周波数の交番電圧を発
   生して前記圧電素子を駆動するとともに、前記交番電圧
   の周波数を可変に構成した駆動手段と、 前記超音波振動子の振動周波数を検出する振動検出手段
   と、 この振動検出手段により検出した超音波振動子の振動周
   波数と、前記駆動手段から圧電素子に印加している交番
   電圧の周波数とを比較し、超音波振動子の振動周波数が
   交番電圧の周波数より大きいとき共振点の周波数である
   と認識する共振点検出手段と、 この共振点検出手段の認識結果を基に前記駆動手段が発
   生する交番電圧の周波数を前記共振点の周波数よりも高
   い周波数に設定し直す周波数設定手段と、 を有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、この回転体を駆動する超音波
   振動子と、交番電圧の印加により前記超音波振動子に超
   音波振動を励振させる圧電素子とを具備する超音波モー
   タを駆動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点近傍の周波数の交番電圧を発
   生して前記圧電素子を駆動するとともに、前記交番電圧
   の周波数を可変に構成した共振周波数発生器と、 前記
   超音波振動子の振動状態を検出する振動検出器と、 前記振動検出器から得られる振動波形から、予め決定し
   てあるスレッシュホールドレベルを基に矩形波に変換す
   る矩形波変換器と、 前記矩形波変換器からの矩形波の周波数を検出する周波
   数検出器と、 前記矩形波の周波数と、超音波振動子に印加している交
   番電圧の周波数とを比較し、前記矩形波の周波数が前記
   共振周波数発生器の発生している周波数より２倍以上大
   きいとき共振点の周波数であると認識する共振点検出器
   と、 前記共振点検出器の出力に伴い前記共振点検出器が検出
   した周波数よりも高い周波数に設定するように前記共振
   周波数発生器の周波数を決定する周波数設定器と、 を有することを特徴とする超音波モータの駆動装置。
3. 【請求項３】 前記振動検出器は、超音波振動子に取り
   付けられた機械電気変換素子であることを特徴とする請
   求項２項記載の超音波モータ駆動装置。
4. 【請求項４】 前記振動検出器は、前記圧電素子に流れ
   る電流を検出する電流検出器であることを特徴とする前
   記請求項２記載の超音波モータの駆動装置。