JP2000253679A - 超音波モータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スムーズな回転を行うことができる超音波モ
ータの駆動方法を提供する。 【解決手段】 この超音波モータは、周波数ｆの信号を
ｎ分周する第１分周器１６_D1と、この分周された信号及
び帰還信号が入力される位相比較器１６_D2と、位相比較
器１６_D2の出力を積分する積分器１６_D3と、積分器１６
_D3の出力が入力される電圧制御発振器１６_D4と、電圧制
御発振器１６_D4の出力をＮ分周し上記帰還信号として位
相比較器１６_D2に帰還する第２分周器１６_D5とを備える
周波数シンセサイザ１６_Dを備えている。ここで、第１
分周器１６_D1に、周波数ｆの信号を入力し、電圧制御発
振器１６_D4から出力される周波数ｆ・Ｎ／ｎの信号から
駆動信号ｆ_OUTを生成する。Ｎの最大値はＡ未満であっ
て、１０×ｆ／ｎが固有振動数ＦのＡ分の１よりも大き
くなるように設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータの駆
動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータは、特開平７−１５
４９８１号公報に記載されている。この超音波モータ
は、固定子及び移動子の双方に圧電セラミックからなる
振動子を設け、当該振動子を振動させることによってこ
れらの対向表面に振動波、すなわち表面弾性波を発生さ
せている。この超音波モータにおいては、振動波は振動
子への駆動信号の印加によって生成されるが、双方の駆
動信号には周波数差が与えられ、これにより固定子及び
移動子の振動波噛合位置を変化させて移動子を移動させ
ている。同公報によれば、かかる原理に基づく超音波モ
ータは、速度制御が正確であり、また、回転速度に依存
せずに駆動トルクを高くすることができるとされてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本願発明者らは、この
ような超音波モータ及びその駆動回路を独自に開発して
きた。この回路においては、高精度駆動を達成するため
に、駆動信号の周波数差Δｆは固定子又は前記移動子の
固有振動数（共振周波数）のＡ分の１に設定される。例
えば、固有振動数が５０ｋＨｚの場合には、周波数差Δ
ｆは５０Ｈｚ以下（Ａ＝１０００）に設定される。駆動
信号ｆ＋Δｆ（又は−Δｆ）は、周波数ｆの信号を位相
同期ループを用いた周波数シンセサイザに入力すること
により生成される。

【０００４】好適な周波数シンセサイザの構成は、周波
数ｆの信号をｎ分周する第１分周器と、この分周された
信号及び帰還信号が入力される位相比較器と、位相比較
器の出力を積分する積分器と、積分器の出力が入力され
る電圧制御発振器と、電圧制御発振器の出力をＮ分周し
上記帰還信号として位相比較器に帰還する第２分周器と
を備える。

【０００５】周波数シンセサイザの第１分周器に、周波
数ｆの信号を入力すると、電圧制御発振器からは周波数
ｆ・Ｎ／ｎの信号が出力されるので、この回路において
は、これを周波数ｆ＋Δｆ（又は−Δｆ）の駆動信号と
する。

【０００６】入力信号周波数ｆを５０ｋＨｚとし、これ
からそのＡ分の１増（又は減）の信号を生成する場合に
は、Ａを１０００とすると、出力信号周波数はｆ・Ｎ／
ｎであるから、通常はＮを１００１とし、ｎを１０００
として、出力信号周波数＝５０ｋＨｚ・１００１／１０
００を得ることが行われる。すなわち、高精度駆動を行
うために、駆動信号の周波数差ΔｆをそのＡ分の１に設
定する場合には、ＮはＡ以上となる必要があると思われ
る。

【０００７】しかしながら、上記構成の周波数シンセサ
イザにおいてＮがＡ以上となる場合には、電圧制御発振
器の出力に顕著なジッタが発生し、このジッタは移動子
のスムーズな移動を抑制する。

【０００８】また、Ｎやｎの値を大きく変化させると、
位相同期ループを用いた周波数シンセサイザの動作安定
度が低くなってしまうという問題もあった。動作安定度
を確保するためには、Ｎやｎの値に応じて上記積分器の
回路定数を変化させなくてはならず、現実的ではなかっ
た。

【０００９】本発明は、このような課題に鑑みてなされ
たものであり、スムーズな移動子の移動を行うことが可
能な超音波モータの駆動方法を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波モー
タの駆動方法においては、それぞれの表面に振動波が形
成される駆動信号を圧接状態で対向配置された固定子及
び移動子のそれぞれに印加し、駆動信号間の周波数差を
固定子又は移動子の固有振動数のＡ分の１以内に設定
し、この周波数差に応じて振動波の噛合位置を変化させ
て移動子を移動させる超音波モータの駆動方法におい
て、周波数ｆの信号をｎ分周する第１分周器と、この分
周された信号及び帰還信号が入力される位相比較器と、
位相比較器の出力を積分する積分器と、積分器の出力が
入力される電圧制御発振器と、電圧制御発振器の出力を
Ｎ分周し上記帰還信号として位相比較器に帰還する第２
分周器とを備える周波数シンセサイザの第１分周器に、
周波数ｆの信号を入力し、電圧制御発振器から出力され
る周波数ｆ・Ｎ／ｎの信号から駆動信号を生成する工程
を備え、Ｎの最大値がＡ未満であって、且つ、１０×ｆ
／ｎが固有振動数のＡ分の１よりも大きくなるように設
定されることを特徴とする。

【００１１】上述のように、ＮがＡ以上となる場合に
は、電圧制御発振器の出力に顕著なジッタが発生し、こ
のジッタは移動子のスムーズな移動を抑制する。そこ
で、ＮをＡ未満とすることによってジッタの発生を抑制
する。ＮをＡ未満としたので、１０×ｆ／ｎが固有振動
数のＡ分の１よりも大きくなるように設定し、結果的な
駆動信号間の周波数差を、固定子又は移動子の固有振動
数のＡ分の１以内に設定して高精度駆動を行う。以上の
ように、本発明に係る超音波モータの駆動方法において
は、移動子を高精度且つスムーズに回転させることがで
きる。

【００１２】また、ｎとＮの差は１に設定されることが
望ましい。この場合には、駆動信号の周波数差を微細に
可変することができる。

【００１３】Δｆを正の微小周波数とした場合、第１周
波数シンセサイザの前段に、入力周波数ｆ_INに応じて出
力周波数ｆ_IN−Δｆ又はｆ_IN＋Δｆを発生する第２周波
数シンセサイザを備え、第２周波数シンセサイザは固定
的な変換係数を有しており、第１周波数シンセサイザに
おけるｎ及びＮは、第２周波数シンセサイザの出力周波
数がｆ_IN−Δｆの場合にはｎ＜Ｎを満たすように設定さ
れ、ｆ_IN＋Δｆの場合はｎ＞Ｎを満たすように設定され
ていることが好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る超音波モ
ータ及びその駆動方法について説明する。同一要素又は
同一機能を有する要素には同一符号を用いるものとし、
重複する説明は省略する。

【００１５】図１は、本実施の形態に係る超音波モータ
を示す構成図である。この超音波モータは、機械的駆動
機構からなる超音波モータ本体１及び超音波モータ本体
１の駆動制御を行う電気制御部２から構成される。

【００１６】まず、機械的駆動機構からなる超音波モー
タ本体１について説明する。

【００１７】超音波モータ本体１は、固定用ベース３中
央部を貫通する回転軸４に互いに対向して設けられた外
縁円形のステータ５及びロータ６を備えている。ロータ
６は、ステータ５及びロータ６それぞれの対向接触面円
周方向に起振した変位波が噛合した状態で、一方の変位
波の位相を他方から変位させることにより回転する。

【００１８】ここで説明される変位波は、ステータ５及
びロータ６の対向表面の物理的変形によって構成される
物理的変位の波であり、９０度位相差を有する従来の駆
動信号をそれぞれの振動子に印加する場合には、変位波
は進行波を構成する。

【００１９】詳説すれば、変位波は、ステータ５及びロ
ータ６双方の対向表面上に形成された超音波による噛面
であり、これらを圧接させることによって当該超音波噛
面が噛合すると、ステータ５及びロータ６変位波間の相
対的移動が規制される。このようにステータ５及びロー
タ６双方の対向表面に変位波が発生し、変位波間の相対
的移動が規制された状態で、超音波噛面としての一方の
変位波を他方に対して移動させると、ロータ６はステー
タ５に対して相対的に回転し、固定子５及び移動子６を
ステータ及びスライダとする場合には、スライダは直線
運動を行う。以下、このような変位波を噛合させて移動
子を移動させる駆動方法を「変位ロックドライブ」とす
る。なお、変位波としては種々のものが考えられるが、
以下の説明においては、変位波は進行波であるものとす
る。

【００２０】固定用べース３は、超音波モータが適用さ
れるカメラ等の本体機器の固定側に当該超音波モータを
固定するためのものである。固定用べース３の中央部に
は、これを上下方向に貫く貫通孔３ｈが形成されてい
る。

【００２１】ステータ５は、セラミック圧電素子からな
る円環状の振動子５ｖと、振動子５ｖが裏面外周部に貼
着された金属からなる円環状の弾性体５ｅとを備えてい
る。弾性体５ｅの内周部５ｉは例えばネジ留め等により
固定用ベース３に固定され、外周部５ｏと内周部５ｉと
の間の円環状の中間部５ｍは肉薄であり、この中間部５
ｍが外周部の振動を容易にさせるとともに、内周部５ｉ
と外周部５ｏとの間の振動伝達を抑制している。ステー
タ５の中央部にも、これを上下方向に貫く貫通孔５ｈが
形成されている。

【００２２】ロータ６は、ステータ５と同一構造を有
し、セラミック圧電素子からなる円環状の振動子６ｖ
と、振動子６ｖが上面外周部に貼着された金属からなる
円環状の弾性体６ｅとを備えている。弾性体６ｅの内周
部６ｉは回転軸４に固定され、弾性体６ｅは外周部６ｏ
と内周部６ｉとの間に円環状の肉薄中間部６ｍを備え
る。

【００２３】回転軸４は、固定用ベース３及びステータ
５の貫通孔３ｈ及び５ｈ内を貫挿している。回転軸４
は、固定用べース３の貫通孔３ｈに嵌合固定された軸受
７に回転自在に支持されている。回転軸４の上記軸受７
による支承位置より上方には、回転軸４より大径のボス
８が設けられている。ロータ側弾性体６ｅの内周部６ｉ
は、ボス８とステータ側弾性体５ｅとの間に位置し、ボ
ス８に圧入固定されている。なお、回転軸４の下部に
は、例えばＣリング等のスナップリング９が取り付けら
れており、このスナップリング９と上記軸受７との間
に、スペーサ１０を介して圧縮バネ１１が介挿されてい
る。この圧縮バネ１１によって、回転軸４及びボス８は
常時下方に付勢されている。

【００２４】ステータ側弾性体５ｅは、外周部５ｏ上面
に幅狭円環状の凸部５ｐを有し、ロータ側弾性体６ｅ
は、外周部６ｏ裏面に幅狭円環状の凸部６ｐを有する。
弾性体５ｅ、６ｅを全面接触させると、励振側の振動が
相手側に大部分伝わって変位波の変位量が減衰してしま
うが、弾性体５ｅ，６ｅは凸部５ｐ，６ｐを有してお
り、接触表面が狭小となることから、弾性体５ｅ，６ｅ
に変位波を保持することができる。

【００２５】ロータ側凸部６ｐとステータ側凸部５ｐと
の間には、例えば樹脂等より成る環状の緩衝摩擦部材１
２が介在し、緩衝摩擦部材１２はこれらと圧接状態にあ
る。すなわち、ロータ側凸部６ｐは、圧縮バネ１１の弾
性力よって緩衝摩擦部材１２を介してステータ側凸部５
ｐを押圧している。

【００２６】緩衝摩擦部材１２は、上記凸部５ｐ又は凸
部６ｐに生ずる変位波を相手側に伝達しにくくする動作
をする一種の振動のローパスフィルタの作用をさせてい
ることから、ステータ側弾性体５ｅ側の変位波とロータ
側弾性体６ｅ側の変位波の相互干渉を防止して正常な変
位波を両者に発生させる。すなわち、振動子を例えば５
０ｋＨｚで振動させて変位波を両者に発生させている場
合、この５０ｋＨｚの振動は相手側には伝達されにく
く、変位波の回転の周波数である例えば１００Ｈｚの振
動は相手側に伝達される。さらに、緩衝摩擦部材１２
は、金属同士（凸部５ｐ，６ｐ）の直接接触を回避して
異音の発生を防止し、さらに圧接部の耐久性を向上させ
る。なお、緩衝摩擦部材１２は、凸部５ｐ，６ｐの何れ
にも固定されずに、凸部５ｐ，６ｐ間に介在している構
成でも、一方に固定している構成でも良い。

【００２７】回転軸４のさらに上部には、互いの導通を
遮断した３個のリング１３ａ，１３ｂ，１３ｃから成る
スリップリング１３が固定されている。これらのリング
１３ａ，１３ｂ，１３ｃに対しては、固定用ベース１の
上部に設けられたロータ用の通電ブラシ１５ａ，１５
ｂ，１５ｃが、それぞれ接触するように配置されてい
る。

【００２８】通電ブラシ１５ａ，１５ｂは、それぞれロ
ータ用駆動信号の第１成分供給用のブラシ、ロータ用駆
動信号の第２成分供給用のブラシであり、通電ブラシ１
３ｃは、グランド用のブラシである。ここで、第１成分
及び第２成分は、９０°位相差を有し、正弦波であるこ
とが好ましいが、これらは方形波であってもよい。

【００２９】ステータ側振動子５ｖに電気制御部２から
２つの互いに関連した成分を有するステータ用駆動信号
を印加し、ステータ側弾性体５ｅにその円周方向に沿っ
て変位波を発生させる。なお、ステータ用駆動信号の上
記２つの成分は、９０°位相差を有し、正弦波であるこ
とが好ましいが、これらは方形波であってもよい。

【００３０】このようにして発生した変位波は、あたか
も円環上を変位波が回転しているような形態なので、以
降これを「回転変位波」として説明する。すなわち、ス
テータ側振動子５ｖに電気制御部２から上記２相のステ
ータ用駆動信号を印加すると、ステータ側弾性体５ｅに
その円周方向に沿って進行する回転変位波が発生する。
また、別の駆動信号を印加すると、ステータ側弾性体５
ｅに定在波等が発生する。

【００３１】一方、ロータ側振動子６ｖに電気制御部２
からスリップリング１３を介して２つの互いに関連した
成分を有するロータ用駆動信号を印加し、ロータ側弾性
体６ｅにその円周方向に沿って進行する変位波を発生さ
せる。すなわち、ロータ側振動子６ｖに電気制御部２か
らスリップリング１３を介して上記２相の駆動信号を印
加すると、ロータ側弾性体６ｅにその円周方向に沿って
進行する回転変位波が発生する。また、別の駆動信号を
印加すると、ロータ側弾性体６ｅに定在波等が発生す
る。

【００３２】本実施の形態に係る超音波モータにおいて
は、ステータ側弾性体５ｅ及びロータ側弾性体６ｅの変
位波としての回転変位波が噛合した状態で、一方の変位
波の位相を他方からシフトすることで、ロータ側弾性体
６ｅ及び回転軸４の噛合回転位置がシフトし、シフト量
の連続が回転となる。したがって、シフト量の連続性が
無くなれば、変位波噛合は行われつつも、ロータ６は回
転しない。以下、詳説する。

【００３３】図２は、前述した圧電振動子５ｖ又は６ｖ
の一方面側の平面図である。振動子５ｖ，６ｖは、円環
状の圧電セラミック板ＣＭと、圧電セラミック板ＣＭの
一方面上に形成されたそれぞれ４個の第１電極部Ｓ１〜
Ｓ４及び第２電極部Ｃ１〜Ｃ４とを備えている。第１電
極部Ｓ１〜Ｓ４及び第２電極部Ｃ１〜Ｃ４は、振動子が
周方向全体で５波長（５λ）の定在波を発生し得るよう
に機械角３６゜で等配されている。第１電極部Ｓ１〜Ｓ
４、第２電極部Ｃ１〜Ｃ４は、各々隣り合う領域で厚み
方向の分極方向が互いに逆向き（図示＋−参照）となる
ように予め分極処理が施されている。なお、各電極Ｓ１
〜Ｓ４及びＣ１〜Ｃ４は、円環圧電セラミック板ＣＭの
内縁及び外縁との間に隙間を空けることなく設けられて
いる。

【００３４】図３は、振動子５ｖ又は６ｖの他方面側の
平面図である。円環状の圧電セラミック板ＣＭの他方面
上には、圧電セラミック板ＣＭの一方面上の第１電極部
Ｓ１〜Ｓ４の形成領域全体に対向する第１側電極部ＳＳ
と、第２電極部Ｃ１〜Ｃ４の形成領域全体に対向する第
２側電極部ＣＣとが設けられている。第１側電極部ＳＳ
と第２側電極部ＣＣとの間には、機械角で１８゜、電気
角で９０゜をなして互いに対向するフィードバック用電
極部ＦＢ，ＦＢ’が設けられている。

【００３５】図１を再び参照すると、ステータ側振動子
５ｖの上記一方面は、その全面が金属弾性体５ｅの上面
側に接着剤又は導電性接着剤で接着されている。一般に
は非導電性接着剤を用いても、接着剤厚が薄いため機械
加工面の荒小部分が接触し、電気的には導通する。金属
弾性体５ｅは、固定用ベース３に電気的に接続されてお
り、ステータ側振動子５ｖの一方面に形成された電極Ｓ
１〜Ｓ４，ＦＢ，Ｃ１〜Ｃ４は、グランドに接続されて
いる。一方、ステータ側振動子５ｖの第１側電極部ＳＳ
及び第２側電極部ＣＣは駆動回路１６に接続されてい
る。

【００３６】駆動回路１６は、グランドとステータ側振
動子５ｖの第１側電極部ＳＳとの間にステータ用駆動信
号の第１成分である正弦波電圧信号（ｓｉｎ波）を印加
し、グランドと第２側電極部ＣＣとの間にこれと９０°
の位相差を有する第２成分である正弦波電圧信号（ｃｏ
ｓ波）を印加し、ステータ側振動子５ｖ及びこれに貼着
された弾性体５ｅの円周方向に変位波を発生し、回転変
位波を形成する。駆動回路１６には、振動子５ｖの変位
量に応じてフィードバック用電極部ＦＢ，ＦＢ’間に発
生した変位検出信号としての圧電電圧信号が入力され、
入力された変位検出信号に基づいてステータ側振動子５
ｖに供給される正弦波電圧信号の周波数及び位相を一定
に維持する。

【００３７】ロータ側振動子６ｖの上記一方面は、その
全面が金属弾性体６ｅの上面側に接着剤又は導電性の接
着剤を用いて接着されている。金属弾性体６ｅは、これ
に電気的に順次接続された内部配線１４ｃ、リング１３
ｃ、通電ブラシ１５ｃを介して固定用ベース３に電気的
に接続されており、ロータ側振動子６ｖの一方面に形成
された電極Ｓ１〜Ｓ４、ＦＢ、Ｃ１〜Ｃ４は、グランド
に接続されている。

【００３８】一方、ロータ側振動子６ｖの第１側電極部
ＳＳは、これに電気的に順次接続された内部配線１４
ａ、リング１３ａ、通電ブラシ１５ａを介して駆動回路
１６に接続されている。ロータ側振動子６ｖの第２側電
極部ＣＣは、これに電気的に順次接続された内部配線１
４ｂ、リング１３ｂ、通電ブラシ１５ｂを介して駆動回
路１６に接続されている。

【００３９】駆動回路１６は、グランドとロータ側振動
子６ｖの第１側電極部ＳＳとの間にロータ用駆動信号の
第１成分としての正弦波電圧信号（ｓｉｎ波）を印加
し、グランドと第２側電極部ＣＣとの間にこれと９０°
の位相差を有するロータ用駆動信号の第２成分としての
正弦波電圧信号（ｃｏｓ波）を印加し、ロータ側振動子
６ｖ及びこれに貼着された弾性体６ｅ円周方向に変位波
を発生し、回転変位波を形成する。なお、本形態では、
ステータ側振動子５ｖからのフィードバック変位検出信
号を用いて、ステータ側振動子５ｖへ供給される駆動信
号の周波数をステータ５が適性な変位波を起振しうるよ
うに自動制御している。なお、説明において、パルス或
いは矩形波の周波数は、その繰り返し周波数を意味する
ものとする。

【００４０】図４は、駆動信号と振動子の変位の関係を
説明するためのグラフである。なお、振動子厚み方向の
物理的変位Ｖは駆動信号の電圧Ｖに比例するものとし、
グラフ中の直交座標系を示す３軸は、それぞれ時間
（ｔ）、振動子の周方向長（Ｌ）、及び変位（電圧）Ｖ
を示す。ステータ又はロータ側振動子５ｖ，６ｖにおい
て、近接する電極Ｓ１（ＳＳ）及びＣ１（ＣＣ）には、
それぞれＶｓ＝Ｖ₀ｓｉｎωｔ、Ｖｃ＝Ｖ₀ｃｏｓωｔの
駆動電圧が与えられる。なお、Ｖ₀は駆動信号の電圧振
幅、ωは角周波数、Ｔは周期を示す。それぞれの電極位
置における変位は、その中心において表わされるものと
すると、図示の如く、２相の駆動信号Ｖｓ，Ｖｃの印加
によって、物理的変位の極小値を与える点Ｐは、時間の
経過に伴って−Ｌ方向に進行し、駆動信号の印加によっ
て進行波としての回転変位波が形成され、駆動信号の電
気的位相と進行波の物理的位相（位相：共にθとする）
は比例して変化することが分かる。

【００４１】詳説すれば、本例では、振動子の全周方向
長が個別の電極（例えばＳ１）の周方向長（λ／２）の
偶数倍（１０倍）となるように設定されており、個別電
極（Ｓ１）への単相電圧Ｖｓの印加によって５波長（５
λ）の定在波が発生し、個別電極（Ｃ１）への単相電圧
Ｖｃの印加によって上記位相差（λ／４又は−３λ／
４）を有する５波長（５λ）の定在波が発生するように
設定されており、ステータ及びロータ側振動子５ｖ，６
ｖのそれぞれの上記駆動信号を同時に供給すると、ステ
ータ及びロータ側弾性体５ｅ，６ｅのそれぞれの表面に
合成波による回転変位波が形成される。

【００４２】変位ロックドライブを行うためには、ステ
ータ５及びロータ６の円周方向に進む変位波の進行方向
を回転軸４から見て同一方向となるように整える。この
ためには、ステータ５又はロータ６の一方の電極ＳＳ、
ＣＣに入力される駆動電源の極性を互いに逆にするか、
又は片方の入力位相を１８０°反転すればよい。

【００４３】図５は、このような変位波が噛合している
際のステータ／ロータ接触部分を円周方向に沿って切っ
た断面図であり、ステータ用駆動信号（Ｖｓとする）の
位相がロータ用駆動信号（Ｖｓとする）よりもθだけ異
なる場合に、θに相当する分だけロータが回転するよう
すを示す。上述のように、駆動信号Ｖｓの電気的位相と
進行波の物理的位相は比例して変化する。

【００４４】図５（ａ）に示すように、駆動回路１６か
らステータ側振動子５ｖに供給される２つの互いに関連
した駆動信号としての２相のステータ用駆動信号の周波
数がｆ、ロータ側振動子６ｖに供給する２つの互いに関
連したロータ用駆動信号としての２相の駆動信号の周波
数が同様にｆとなるように、制御回路１７が駆動回路１
６を制御すると（すなわち、Δｆ＝０（相対的位相変化
＝０）、ステータ側弾性体５ｅの凸部５ｐに生じる回転
変位波Ａとロータ側弾性体６ｅの凸部６ｐに生じる回転
変位波Ｂが、同相で回転変位し、恰も歯車が噛み合った
如く合致してロック作用し、変位を生じる位置も円周方
向に進んで常に位置が変わっているが、Ａ，Ｂは同期し
ているため回転軸４は回転せず、ロータ６は静止状態と
なる。

【００４５】図５（ｂ）に示すように、駆動回路１６か
らステータ側振動子５ｖに供給される２つの互いに関連
した駆動信号としての２相のステータ用駆動信号の周波
数をｆ、ロータ側振動子６ｖに供給されるロータ用駆動
信号の周波数を（ｆ＋Δｆ）とするように制御回路１７
が駆動回路１６を制御すると、微小周波数差Δｆは位相
差θの連続的な変化と同等であるため、噛み合っていた
回転変位波Ａ，Ｂのうちの、回転変位波Ａが回転変位波
Ｂに対して、連続変化するθに相当する分だけ相対的に
進む関係が生じる。

【００４６】図５（ｃ）に示すように、ステータ５及び
ロータ６は、噛み合い状態を保持するよう加圧力がステ
ータ５及びロータ６間に加えられており、噛み合いを保
持するため、この時、ステータ５不動の状態で回転変位
波Ａ，Ｂが噛み合い、双方の相対位置関係がロックする
ように、位相の変化分だけロータ６の回転軸が回転す
る。また、駆動信号間に特定の位相差θを与えると、ロ
ータ６がθに相当する分だけ回転した後、停止する。

【００４７】本実施の形態に係わる変位ロックドライブ
型の超音波モータにおいては、変位波の進行方向を一方
向に固定しても、変位波Ａ，Ｂ相互の位相関係によって
回転方向が定まる。回転方向は変位波の進行方向と位相
差の関係から定まり、変位波の進行方向のみで決定され
るものではない。

【００４８】なお、ロータ６に（ｆ＋Δｆ）を印加した
時の回転軸４の回転方向は、回転変位波の回転方向と同
方向となり、（ｆ−Δｆ）を印加した時は回転変位波の
回転方向と逆方向となる。すなわち、駆動回路１６から
ステータ側振動子５ｖに供給される２相のステータ用駆
動信号の周波数をｆ、ロータ側振動子６ｖに供給される
ロータ用駆動信号の周波数を（ｆ−Δｆ）とするように
制御回路１７が駆動回路１６を制御すると、噛み合って
いた回転変位波Ａ，Ｂのうちの、回転変位波Ａが回転変
位波Ｂに対して相対的に遅れる位置関係となるため、ス
テータ５は不動の状態で回転変位波Ａ，Ｂは噛み合い、
双方の相対位置関係がロックする。この場合、噛み合い
状態を保持するため、ロータ６は位相の遅れに対応し、
（ｆ＋Δｆ）とは逆の方向に回転し、ロータ６は逆転す
る。

【００４９】更に、上記周波数の可変量±Δｆを増減さ
せると、ロータ６の回転速度が増減する。±Δｆ値によ
る回転速度（ｒｐｍ）は、６０×Δｆ／波数で定まるシ
ンクロナス回転速度を示し、例えば図２の５波タイプで
は、Δｆが１Ｈｚの時、６０×１／５＝１２ｒｐｍとな
る。

【００５０】次に、上記実施の形態に係る電気制御部２
について更に詳しく説明する。

【００５１】図６は、ステータ５及びロータ６に接続さ
れた駆動回路１６及び駆動回路１６を制御する制御回路
１７からなる電気制御部２のシステム構成図である。

【００５２】駆動回路１６は、第１周波数ｆの第１駆動
電圧信号（Ｖｓ，Ｖｃ）をステータ側振動子５ｖに印加
して上記変位波Ａをステータ側弾性体５ｅの対向表面上
に発生させ、第２周波数ｆ＋△ｆ又はｆ−△ｆの第２駆
動電圧信号（Ｖｓ，Ｖｃ）をロータ側振動子６ｖに印加
して上記変位波Ｂをロータ側弾性体６ｅの対向表面上に
発生させる。

【００５３】駆動回路１６は、第１周波数ｆの信号を生
成する発振器部１６_Aと、発振器部１６_Aから出力された
第１周波数ｆの信号をステータ側振動子５ｖに印加して
ステータ５を振動させるステータ側駆動信号生成部１６
_Bと、ステータ側振動子５ｖで発生したフィードバック
変位検出信号と印加される第１周波数ｆの駆動信号との
間の位相差を検出する位相差検出部１６_Cとを備えてい
る。

【００５４】また、駆動回路１６は、制御回路１７から
ロータ回転速度指示情報が入力され、入力された情報に
応じて第１周波数ｆから第２周波数ｆ＋△ｆ又はｆ−△
ｆの信号を生成する周波数変換部１６_Dと、周波数変換
部１６_Dから出力された第２周波数ｆ＋△ｆ又はｆ−△
ｆの信号をロータ側振動子６ｖに印加してロータ６を振
動させるロータ側駆動信号生成部１６_Eとを備えてい
る。なお、Δｆは零とすることも可能である。

【００５５】発振器部１６_Aは、周波数ｆの信号を出力
する電圧制御発振器（ＶＣＯ）１６_{A 1}を有する。ここ
で、周波数ｆは発振器部１６_Aの出力周波数というより
は、むしろステータ５の円周方向の固有振動数であり、
ステータ５自身が最も共振する周波数である。発振器部
１６_Aから出力された周波数ｆの信号は駆動信号生成部
１６_Bに入力される。本実施の形態における分周器１６
_A2から出力された周波数ｆの信号は方形波信号である
が、この信号は基本波が周波数ｆであれば正弦波であっ
てもよい。

【００５６】駆動信号生成部１６_Bは、入力される第１
成分の方形波電圧信号の高周波成分を除去し、これによ
って生成される正弦波電圧信号（ｓｉｎ波）を増幅して
ステータ側振動子５ｖの第１側電極部ＳＳとグランド間
に印加する増幅器１６_B1と、第１駆動信号の第１成分の
位相を９０°ずらして第２成分（ｃｏｓ波）を生成する
移相回路１６_B2と、移相回路１６_B2から出力された第２
成分の方形波電圧信号の高周波成分を除去し、これによ
って生成される正弦波電圧信号を増幅してステータ側振
動子５ｖの第２側電極部ＣＣとグランド間に印加する増
幅器_B3とからなる。これらの位相差を有する電圧信号を
振動子５ｖに印加すると、振動子５ｖは略その固有振動
数で振動し、振動子５ｖに一体的に貼着された弾性体５
ｅに上記変位波Ａが発生する。この際、フィードバック
用電極部ＦＢ’とグランド間には、圧電効果に基づき変
位検出信号が発生する。この変位検出信号の周波数をｆ
θ’とする。フィードバック用電極部ＦＢ’から出力さ
れた変位検出信号は、位相差検出部１６_Cに入力され
る。

【００５７】位相差検出部１６_Cは、正弦波の変位検出
信号を方形波に変換するリミッタ１６_C3と、リミッタ１
６_C3に縦続された位相差検出器（ＰＤ）１６_C1と、位相
差検出器１６_C1に縦続されたローパスフィルタ１６_C2と
を有している。位相検出器１６_C1には振動子５ｖへの印
加電圧である周波数ｆの駆動信号の増幅前段の方形波信
号及び振動子５ｖからのフィードバック信号としての変
位検出信号である周波数ｆθ’の方形波信号が入力さ
れ、これらの位相差に応じた検出信号が出力される。こ
の検出信号は、ローパスフィルタ１６_C2によって平滑直
流化されるため、位相差検出部１６_Cはこれらの入力信
号の位相差に応じたコントロール信号を出力する。この
コントロール信号は、ＶＣＯ１６_A1に帰還される。な
お、入力周波数ｆ，ｆθ’に微小差がある場合には位相
差が発生するので、コントロール信号は微小周波数差に
も応じて変化する。

【００５８】ＶＣＯ１６_A1は、入力電圧に応じて出力周
波数を可変する。ＶＣＯ１６_A1は、フィードバック信号
の周波数ｆθ’が、基準周波数である駆動信号の周波数
ｆに対して大きい場合、その出力信号周波数ｆ_OUTを低
下させて駆動信号の周波数ｆを低下させ、これと逆の場
合には出力信号周波数ｆを上昇させて駆動信号の周波数
ｆを上昇させる。なお、ここでは前者の場合にローパス
フィルタ１６_C2から出力されるコントロール信号のレベ
ルが基準値よりも低くなり、後者の場合に高くなるよう
に設定されているとする。

【００５９】このように、回路１６_A〜１６_Cは位相同期
ループ（ＰＬＬ）を構成し、入力周波数ｆ，ｆθ’が一
致するように出力周波数ｆを制御し、駆動信号の周波数
ｆ及び位相をロックする。

【００６０】周波数変換部１６_Dは、制御回路１７から
ロータ回転速度指示情報が端子Ｓを介して入力され、入
力された情報に応じて第１周波数ｆから第２周波数ｆ＋
△ｆ又はｆ−△ｆの信号を生成してロータ６を連続回転
させる。なお、周波数変換部１６_Dから出力された周波
数ｆ_OUT（＝ｆ＋△ｆ又はｆ−△ｆ）の信号は、駆動信
号信号生成部１６_Bと同一構成の増幅器１６_E1、移相回
路１６_E2及び増幅器１６_{E 3}からなる駆動信号生成部１６
_Eによって増幅され、９０°位相差を有する２相の駆動
信号として、ロータの電極ＳＳ及びＣＣにそれぞれ印加
される。

【００６１】ここで、ｆ±Δｆの生成は、周波数変換部
１６_Dで行わる。以下、周波数変換部１６_Dについて説明
する。

【００６２】図７は、周波数変換部１６_Dの回路構成を
示すブロック図である。周波数変換部１６_Dは、位相同
期ループを用いた周波数シンセサイザからなる。すなわ
ち、周波数変換部１６_Dは、周波数ｆの信号をｎ分周す
る第１分周器１６_D1と、この分周された信号及び帰還信
号が入力される位相比較器１６_D2と、位相比較器１６ _D2
の出力を積分する積分器１６_D3と、積分器１６_D3の出力
が入力されるＶＣＯ１６_D4と、ＶＣＯ１６_D4の出力をＮ
分周し上記帰還信号として位相比較器１６_D2に帰還する
第２分周器１６_D5とを備える周波数シンセサイザであ
る。なお、ｎ及びＮは自然数である。

【００６３】周波数ｆの信号は第１分周器１６_D1に入力
される。この時、ＶＣＯ１６_D4からは、周波数ｆ_OUT＝
ｆ・Ｎ／ｎの信号が出力され、この信号から駆動信号が
生成される。

【００６４】図８は、積分器１６_D3の詳細構成を示す回
路図である。積分器１６_D3は、抵抗Ｒ₁，Ｒ₂及びキャパ
シタＣ₁を図示の如く接続してなる。ここで、抵抗Ｒ₁，
Ｒ₂及びキャパシタＣ₁の抵抗値及び容量は、それぞれ１
２０ｋΩ、１０ｋΩ、１μＦである。また、位相比較器
１６_D2としては、エッジ識別タイプの位相比較器を用
い、分周器１６_D1、１６_D5としてはＢＣＤプログラマブ
ルカウンタ（ＴＣ９１２２ｐ）を用いた。なお、ＰＬＬ
としてはモトローラ社の１４０４６を用いた。

【００６５】ここで、高精度駆動を達成するために、駆
動信号の周波数差Δｆはステータ５又はロータ６の固有
振動数（共振周波数）ＦのＡ分の１に設定される。すな
わち、振動波のずれが生じないように設定される。例え
ば、固有振動数Ｆが５０ｋＨｚの場合には、周波数差Δ
ｆは５０Ｈｚ以下（Ａ＝１０００）に設定される。駆動
信号ｆ＋Δｆ（又は−Δｆ）は、周波数ｆの信号を位相
同期ループを用いた周波数シンセサイザ１６_Dに入力す
ることにより生成される。

【００６６】周波数シンセサイザの第１分周器１６
_D1に、周波数ｆの信号を入力すると、ＶＣＯ１６_D4から
は周波数ｆ・Ｎ／ｎの信号が出力されるので、この回路
においては、これを周波数ｆ＋Δｆ（又は−Δｆ）の駆
動信号とする。

【００６７】図９は、上記周波数シンセサイザにおける
Ｎとジッタ（μｓ）との関係を示すグラフである。入力
信号周波数ｆを５０ｋＨｚとし、これからそのＡ分の１
以下の増加（又は減少）分を有する信号（５０Ｈｚ以
下）を生成する場合には、Ａを１０００とすると、出力
信号周波数はｆ・Ｎ／ｎであるから、通常はＮを１００
１とし、ｎを１０００として、出力信号周波数＝５０ｋ
Ｈｚ・１００１／１０００を得ることが行われる。すな
わち、高精度駆動を行うために、駆動信号の周波数差Δ
ｆをそのＡ分の１に設定する場合には、ＮはＡ以上とな
る必要があると思われる。

【００６８】しかしながら、このグラフによれば、Ｎが
１０００以上に設定された場合にはジッタが０．５μｓ
を超えて増加する。換言すれば、上記構成の周波数シン
セサイザにおいて、ＮがＡ以上となる場合には、ＶＣＯ
１６_D4の出力に顕著なジッタが発生し、このジッタはロ
ータ６のスムーズな回転移動を抑制する。なお、Ｎが７
００以下の場合においては、ジッタは殆ど発生しなくな
る。

【００６９】そこで、本実施形態に係る回路において
は、Ｎの最大値がＡ未満であって、且つ、１０×ｆ／ｎ
が固有振動数ＦのＡ分の１（＝Ｆ／Ａ）よりも大きくな
るように設定される。

【００７０】上述のように、ＮがＡ以上となる場合に
は、ＶＣＯ１６_D4の出力に顕著なジッタが発生し、この
ジッタは移動子のスムーズな移動を抑制する。そこで、
ＮをＡ未満とすることによってジッタの発生を抑制す
る。ＮをＡ未満としたので、１０×ｆ／ｎが固有振動数
のＡ分の１（＝Ｆ／Ａ）よりも大きくなるように設定
し、結果的な駆動信号間の周波数差Δｆを、ロータ５又
はステータ６の固有振動数ＦのＡ分の１（＝Ｆ／Ａ）以
内に設定して高精度駆動を行う。以上のように、本実施
形態に係る超音波モータの駆動方法においては、ロータ
６を高精度且つスムーズに回転させることができる。

【００７１】また、ｎとＮの差は１に設定されることが
望ましい。この場合には、駆動信号の周波数差Δｆを微
細に可変することができる。

【００７２】図１０は、周波数可変部１６_Dの好適な回
路構成を示すブロック図である。周波数変換部１６_Dは
縦続された前段周波数変換部１６_DF及び後段周波数変換
部１６_DBから構成される。後段周波数変換部１６_DBの構
成は、図７に示したものと同一である。前段周波数変換
部１６_DFの構成は、分周器の分周比を除いて後段周波数
変換部１６_DBと同一であり、第１分周器１６_D1’、位相
比較器１６_D2’、積分器１６_D3’及びＶＣＯ１６_D4’か
ら構成される。

【００７３】なお、以下の説明においては、後段周波数
変換部１６_DBに入力される信号の周波数をｆ、前段周波
数変換部１６_DFに入力される信号の周波数をｆ_INとし、
後段周波数変換部１６_DBから出力される信号の周波数を
ｆ_OUT（＝ｆ_IN＋Δｆ又はｆ_{I N}−Δｆ）とし、上記図７
に示したものに対応させることとする。

【００７４】各分周器１６_D1’、１６_D5’、１６_D1、１
６_D5は、それぞれｎ’分周、Ｎ’分周、ｎ分周、Ｎ分周
を行うものとする。入力信号周波数ｆ_INと出力信号周波
数ｆ _OUTは、以下の関係を満たす。

【００７５】

【数１】

【００７６】なお、出力周波数ｆ_OUT（＝ｆ_IN±Δｆ）
は、上記（式Ａ）にそれぞれの場合の式（ａ−１〜ａ−
４）、（ｂ−１〜ｂ−４）を代入すれば求めることがで
きる。

【００７７】このような条件を満たすため、図１０にお
けるスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、以下のように
連動して切り替わる。

【００７８】場合（ａ）の時には、スイッチＳＷ１，Ｓ
Ｗ２，ＳＷ３は、情報入力端子Ｓを介して、加算器ＡＤ
₁、加算器ＡＤ₂、加算器ＡＤ₃それぞれの一方の入力端
子に、ｋ＋１、１、０が入力され、他方の入力端子に、
０、ｋ＋Δｋ、ｋ＋Δｋが入力されるように切り替わ
る。ここで、ｎ’及びｋは固定値とし、場合が切り替わ
らない限り、Ｎ’は固定値とされる。

【００７９】場合（ｂ）の時には、スイッチＳＷ１，Ｓ
Ｗ２，ＳＷ３は、情報入力端子Ｓを介して、加算器ＡＤ
₁、加算器ＡＤ₂、加算器ＡＤ₃それぞれの一方の入力端
子に、ｋ−１、０、１が入力され、他方の入力端子に、
０、ｋ＋Δｋ、ｋ＋Δｋが入力されるように切り替わ
る。

【００８０】なお、スライドスイッチＳＷ１０及びＳＷ
２０は連動して移動し、Δｋの値を可変し、結果的にｋ
＋Δｋの値を可変する。

【００８１】上記では、ＮをＡ未満とすることによって
ジッタの発生を抑制し、これに伴って、１０×ｆ／ｎが
固有振動数のＡ分の１（＝Ｆ／Ａ）よりも大きくなるよ
うに設定し、結果的な駆動信号間の周波数差Δｆを、ロ
ータ５又はステータ６の固有振動数ＦのＡ分の１（＝Ｆ
／Ａ）以内に設定して高精度駆動を行うこととした。な
お、本例においてはｆ＝（Ｎ’／ｎ’）・ｆ_INである。

【００８２】また、場合（ａ）及び場合（ｂ）のいずれ
においても、ｎとＮの差は常に１に設定されているた
め、駆動信号の周波数差Δｆを微細に可変することがで
きる。

【００８３】図１１は、このように設定した場合のｎ及
びＮの値と周波数差Δｆの関係を示す表である。なお、
Ａは１０００、ｆ_IN及びＦは５０ｋＨｚに設定し、ｎ’
＝７００、Ｎ’＝７０１に設定した。同図に示されるよ
うに、分周器におけるΔｋを変化させることによって、
Δｆは、非常に微小単位（０．１Ｈｚ単位の周波数ステ
ップ）で変化すると共に、増加レートが可変周波数帯域
において略等しくなるように変化する。本例において
は、Ｆの１／Ａ、すなわち、Δｆが５０Ｈｚ以内であれ
ば、同様の効果を奏する。なお、本例においてはスイッ
チ、スライドスイッチを用いて説明したが、制御回路１
７から直接数値を入力し、その値を可変することでも実
現できることは言うまでもない。

【００８４】また、上記の移動子６は直線運動を行う場
合には、スライダとして機能させることができる。

【００８５】以上、説明したように、上記超音波モータ
の駆動方法においては、それぞれの表面に振動波が形成
される駆動信号を圧接状態で対向配置された固定子５及
び移動子６のそれぞれに印加し、駆動信号間の周波数差
Δｆを固定子５又は移動子６の固有振動数ＦのＡ分の１
以内に設定し、この周波数差Δｆに応じて振動波の噛合
位置を変化させて移動子６を移動させる超音波モータの
駆動方法において、周波数ｆの信号をｎ分周する第１分
周器１６_D1と、この分周された信号及び帰還信号が入力
される位相比較器１６_D2と、位相比較器１６_D2の出力を
積分する積分器１６_D3と、積分器１６_D3の出力が入力さ
れる電圧制御発振器１６_D4と、電圧制御発振器１６_D4の
出力をＮ分周し上記帰還信号として位相比較器１６_D2に
帰還する第２分周器１６_D5とを備える周波数シンセサイ
ザ１６_Dの第１分周器１６_D1に、周波数ｆの信号を入力
し、電圧制御発振器１６_D4から出力される周波数ｆ・Ｎ
／ｎの信号から駆動信号ｆ_OUTを生成する工程を備え、
Ｎの最大値がＡ未満であって、且つ、１０×ｆ／ｎが固
有振動数ＦのＡ分の１よりも大きくなるように設定され
る。

【００８６】また、上記超音波モータにおいては、Δｆ
を正の微小周波数とした場合、第１周波数シンセサイザ
１６_DBの前段に、入力周波数ｆ_INに応じて出力周波数ｆ
_IN−Δｆ又はｆ_IN＋Δｆを発生する第２周波数シンセサ
イザ１６_DFを備え、第２周波数シンセサイザ１６_DFは固
定的な変換係数を有しており、第１周波数シンセサイザ
１６_DBにおけるｎ及びＮは、第２周波数シンセサイザ１
６_DFの出力周波数がｆ _IN−Δｆの場合にはｎ＜Ｎを満た
すように設定され、ｆ_IN＋Δｆの場合はｎ＞Ｎを満たす
ように設定されている。

【００８７】この超音波モータの駆動方法においては、
移動子を高精度且つスムーズに回転させることができ
る。

【００８８】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の駆動方
法によれば、分周器の与えるＮの最大値がＡ未満であっ
て、入力周波数が所定値に設定されるので、移動子を高
精度且つスムーズに回転させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る超音波モータを示す構成図。

【図２】圧電振動子５ｖ又は６ｖの一方面側の平面図。

【図３】圧電振動子５ｖ又は６ｖの他方面側の平面図。

【図４】駆動信号と振動子の変位の関係を説明するため
のグラフ。

【図５】進行波が発生している際のステータ／ロータ接
触部分を円周方向に沿って切った断面図。

【図６】電気制御部２のシステム構成図。

【図７】周波数変換部１６_Dのブロック図。

【図８】積分器の回路図。

【図９】Ｎとジッターとの関係を示すグラフ。

【図１０】周波数変換部１６_Dの好適なブロック図。

【図１１】図１０に示す回路での計算結果を示す表。

【符号の説明】

５…固定子、６…移動子、１６_D1…第１分周器、１６_D2
…位相比較器、１６_D3…積分器、１６_D4…電圧制御発振
器、１６_D2…位相比較器、１６_D5…第２分周器、１６_D
…周波数シンセサイザ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H680 AA00 AA09 BB03 BB13 BB16 BB20 BC01 CC02 CC06 CC07 DD01 DD02 DD03 DD15 DD23 DD35 DD53 DD57 DD66 DD73 DD87 DD92 EE03 EE10 EE21 EE24 FF04 FF08 FF25 FF26 FF27 FF30 FF33 FF36 FF38 GG20

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれの表面に振動波が形成される駆
   動信号を圧接状態で対向配置された固定子及び移動子の
   それぞれに印加し、前記駆動信号間の周波数差を前記固
   定子又は前記移動子の固有振動数のＡ分の１以内に設定
   し、この周波数差に応じて前記振動波の噛合位置を変化
   させて前記移動子を移動させる超音波モータの駆動方法
   において、 周波数ｆの信号をｎ分周する第１分周器と、この分周さ
   れた信号及び帰還信号が入力される位相比較器と、前記
   位相比較器の出力を積分する積分器と、前記積分器の出
   力が入力される電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器
   の出力をＮ分周し前記帰還信号として前記位相比較器に
   帰還する第２分周器と、を備える第１周波数シンセサイ
   ザの前記第１分周器に、前記周波数ｆの信号を入力し、
   前記電圧制御発振器から出力される周波数ｆ・Ｎ／ｎの
   信号から前記駆動信号を生成する工程を備え、Ｎの最大
   値がＡ未満であって、且つ、１０×ｆ／ｎが前記固有振
   動数のＡ分の１よりも大きくなるように設定されること
   を特徴とする超音波モータの駆動方法。
2. 【請求項２】 ｎとＮの差は１に設定されることを特徴
   とする請求項１に記載の超音波モータの駆動方法。
3. 【請求項３】 Δｆを正の微小周波数とした場合、前記
   第１周波数シンセサイザの前段に、入力周波数ｆ_INに応
   じて出力周波数ｆ_IN−Δｆ又はｆ_IN＋Δｆを発生する第
   ２周波数シンセサイザを備え、前記第２周波数シンセサ
   イザは固定的な変換係数を有しており、前記第１周波数
   シンセサイザにおけるｎ及びＮは、前記第２周波数シン
   セサイザの出力周波数がｆ_IN−Δｆの場合にはｎ＜Ｎを
   満たすように設定され、ｆ_IN＋Δｆの場合はｎ＞Ｎを満
   たすように設定されていることを特徴とする請求項１又
   は２に記載の超音波モータの駆動方法。