JPH03145976A - 超音波モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、圧電体により弾性体に発生した進行性振動波
によって移動子を駆動する超音波モータの駆動装置に関
する。

Ｂ、従来の技術 進行性振動波を利用した超音波モータは、特開昭５９−
１１１６０９号公報にも開示されているように、圧電体
に交番駆動電圧を印加して該圧電体に屈曲振動を生じさ
せて圧電体が貼付けられた弾性体に進行性振動波を生じ
させ、この弾性体に移動子を加圧接触させて摩擦駆動す
るモータである。

第２図は回転式超音波モータの概略構成を示す断面図、
第３図は圧電体側から見た超音波モータの平面図である
。

第２図、第３図の超音波モータについて説明すると１弾
性体８−１の片側表面には圧電体８−２が貼付られてお
り、これら弾性体８−１と圧電体８−２とによって振動
体８−３を構成している。

また、弾性体８−１の片側表面にはスライダ８−４を介
してロータ８−５が加圧接触しており、これらスライダ
８−４とロータ８−５とは接着されて回転子８−６を構
成している。

圧電体８−２は第３図に示すように、その表面に４つの
電極８−２ａ、８−２ｂ、８−２ｃ、８−２ｄが設けら
れており、駆動用電極８−２ａと８−２ｂには相互にπ
／２だけ位相の異なる交番駆動電圧が印加され、電極８
−２０は接地される。

電極８−２ｄは振動体８−３の振動状態に応じた交番出
力電圧を取り出すために使用される。これらの構成およ
び動作については日経メカニカル１９８３．２．２８号
などにより周知であるため。

ここではその説明を省略する。

このような超音波モータの駆動制御装置は１例えば特開
昭５９−２０４４７７号公報や特開昭６１−２５１４９
０号公報に開示されたものが知られている。これらの駆
動制御装置は、■モニタ電極８−２ｄから取りだされる
電圧値で交番開動電圧信号の周波数を制御したり、■圧
電体に印加される交番電圧信号波形とモニタ電極から出
力される電圧信号波形との位相差により交番開動電圧信
号の周波数を制御するものである。

Ｃ０発明が解決しようとする課題 しかしながら、モニタ電極からの交番出力電圧信号によ
り交番開動電圧信号の周波数を制御する方式では以下の
ような問題があった。

■モニタ電極８−２ｄの面積は駆動電極８−２ａ、８−
２ｂの面積と比較して一般的に小さいため、出力インピ
ーダンスが高く、接続される回路素子の影響を受けやす
い。

■駆動電極８−２ａ、８−２ｂとモニタ電極８−２ｄと
の位置的なずれやモニタ電極８−２ｄの面積の誤差に起
因してモニタ電極８−２ｄの出力が変化してしまう。こ
れにより、例えば駆動方向を変更した場合にモニタ電極
８−２ｄの出力が変化してしまうことがある。

■駆動電極８−２ａ、８−２ｂに印加される交番駆動電
圧信号の周波数が超音波モータ固有の共振周波数から離
れるに従って進行性振動波の振幅が小さくなるのでモニ
タ電極８−２ｄの出力電圧も下降するため、速度を低減
するため交番駆動電圧信号の周波数を共振周波数から大
きく離れた値に制御する場合、モニタ電極８−２ｄの出
力を検出できなくなることがある。またこのような場合
には、モニタ電極８−２ｄの出力波形は歪みが大きく、
特に交番駆動電圧波形との位相差を検出する場合には問
題があった。

■交番駆動電圧を下げて速度を落すときも■と同様な問
題がある。

■交番駆動電圧の矩形波とモニタ電極８−２ｄの出力電
圧波形の位相差が正逆転によりずれるから、従来は正逆
回転に応じて交番駆動電圧の位相をずらす回路が必要で
あった。

本発明の技術的課題は、モニタ電圧信号を検出すること
なく入力交番能動電圧信号の周波数を制御して超音波モ
ータの速度を制御することにある。

００課題を解決するための手段 本発明者は次のような実験に基づき本発明を案出した。

第４図に示すように、圧電体の駆動電極８−２ａ、８−
２ｂに３．９ｍＨの誘導性素子Ｌｌ。

Ｌ２を接続し、誘導性素子Ｌｌ、Ｌ２に相互にπ／２だ
け位相の異なった方形波を入力する。そして、この方形
波の周波数、すなわち超音波モータの駆動周波数を変化
させて、超音波モータの移動子の速度Ｓと、超音波モー
タに入力される入力印加電圧波形と前述したモニタ電極
８−２ｄの出力電圧波形との位相差φＰと、誘導性素子
ＬＬの両端の方形波と入力印加電圧波形との位相差φＶ
とを観測した。それらの特性を図中、Ｓ、φＶ。

φＶで示す。

第５図はこの実験結果を示し、図中におけるｆｌは超音
波モータの共振周波数、ｆ２は下限駆動周波数であり、
これよりも低い駆動周波数では超音波モータが動作不安
定となり異音等を発生する。この実験では、ｆｌ＝２０
．１　（ｋ胞）、ｆ２＝２０．２２　（ｋ胞）であった
。

ここで、位相差φＶがこのような変化を示すのは次の理
由によると考えられる。

超音波モータの等価回路は周知のように第６図に表わさ
れる。ここで、Ｃ０は電気的容量であり、Ｌ、Ｒおよび
Ｃによって直列共振回路を形威し、この直列共振回路に
よって超音波モータが駆動されていることが知られてい
る。超音波モータが共振している場合、すなわち第５図
のｆｌの周波数で駆動されている場合には、第６図の等
価回路のＬとＣは共振状態にある。共振周波数近傍で駆
動周波数を変化させると、等価回路の等価インピーダン
スは大きく位相変化を起こす、そのため、能動周波数を
変化すると位相差φＶは第５図のように変化すると考え
られる。

一方、周知のように超音波モータは、環境条件、例えば
、温度の変化等によって共振周波数が変化することが知
られている。第５図における速度３１、位相差φ　ｌ　
９位相差φＰ′の各特性は温度を変化させた場合の実験
結果である。超音波モータの共振周波数ｆ１はｆｌ’　
に、下限駆動周波数はｆ２″に変化するが、ｆ２’　に
おける位相差φＶ′の値はほぼ同値となった。この実験
結果により、従来のモニタ信号と入力開動信号の位相差
φＰ、あるいはモニタ電極８−２ｄの出力電圧値を用い
ることなく、誘導性素子両端の信号位相差φＶを用いて
超音波モータを駆動制御できることがわかる。なお、第
５図におけるｆ３．ｆ３’は超音波モータが停止する駆
動周波数である。また。

誘導性素子Ｌｌ、Ｌ２に入力される方形波の電圧および
入力印加電圧はともに十分大きく、また。

インピーダンスも低いため、位相差φＶを検出する場合
に接続する回路素子の影響を受けにくいこともわかる。

そこで本発明は、圧電体に印加する周波信号を形成する
周波信号形成手段と、この周波信号を誘導性素子を介し
て圧電体に供給する電力供給手段と、誘導性素子の入出
力の位相差を検出する位相差検出手段と、検出された位
相差で周波信号を制御する能動制御手段とを備えて上述
の技術的課題を達成する。

Ｅ１作用 誘導性素子の入出力の位相差は駆動周波数に相関して変
化する。したがって、その位相差を検出しその大きさに
応じて周波信号を制御すると、従来のモニタ電極から取
り出された信号で行なっていたと同様な超音波モータの
駆動制御が可能となる。

Ｆ、実施例 一第１の実施例− 第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第７図は
その詳細回路図である。

第１図において、１は、圧電体に印加する周波信号を発
生するとともにその周波数を制御する駆動信号形成回路
、２は、入力される２つの周波信号の周波数を分周しか
つ位相を互いにπ／２だけづらす分周移相回路、３，４
は、周波信号を増幅して交番駆動電圧信号を形成する電
力増幅器、５゜６は誘導性素子、７は誘導性素子６の入
出力の位相差を検出しその大きさに依存した制御信号を
出力する位相差検出回路である。この第１図の駆動制御
装置は、誘電性素子６の入出力の信号の位相差φＶが予
め設定された値となるように交番駆動電圧信号の周波数
を制御するようにしたものである。

第７図により各要素を詳細に説明する。

まず、駆動信号形成回路１の構成を説明すると、可変抵
抗器ＶＲＩは、上記位相差φＶの基準値を設定する可変
抵抗器であり、その可変端子は入力抵抗Ｒ１を介してア
ンプ１−１の非反転入力端子に接続される。また、オペ
アンプ１−１の反転入力端子は入力抵抗Ｒ２を介して位
相差検出回路７の出力端子に接続される。抵抗Ｒ３は帰
還抵抗である。これによりオペアンプ１−１は、可変抵
抗器ＶＲＩで設定した基準位相差の電圧値と位相差検出
回路７で検出した位相差の電圧値の差を検出する差動増
幅器を構成する。差動増幅器１−１の出力は、抵抗Ｒ４
とコンデンサＣ１で構成されるローパスフィルタに接続
され、このローパスフィルタの出力は電圧制御発振器ｖ
ＣＯに接続される。

電圧制御発振器ｖＣＯはローパスフィルタを通じた差動
増幅器の出力電圧をその値に応じた周波信号に変換する
。上記差動増幅器のゲインとローパスフィルタの時定数
は超音波モータの特性、負荷の特性などにより決定され
る。

分周移相回路２は、２つのＤ形フリップフロップ２−１
および２−２と、排他的論理和ゲート２−３とで構成さ
れる。フリップフロップ２−１のセット出力Ｑはフリッ
プフロップ２−２のデータ人力りに接続され、フリップ
フロップ２−２の反転セット出力Ｑがフリップフロップ
２−１のデータ人力りに接続されている。フリップフロ
ップ２−２のセット出力Ｑが排他的論理和ゲート２−３
の一方の入力端子に接続され、排他的論理和ゲート２−
３の他方の入力端子には抵抗Ｒ５と正転逆転切換用スイ
ッチＳ１との接続点が接続されている。抵抗Ｒ５には電
源電圧が印加され、スイッチＳ１は接地されているので
、排他的論理和ゲート２−３の他方の入力端子にはスイ
ッチＳ１の開閉に応じてハイレベルとローレベルの信号
が印加される。したがって、スイッチＳ１のオン・オフ
により超音波モータ８の正転逆転を切り換えられる。

このように構成される分局移相回路２は、一対のフリッ
プフロップ２−１．２−２により駆動信号形成回路１か
ら出力される信号の周波数を１／４に分周すると共に、
相互にπ／２の位相差を有する信号を形成し、スイッチ
Ｓ１の開閉に応じて排他的論理和ゲート２−３を介して
フリップフロップ２−２のＱ出力をそのままあるいは反
転して出力する。

電力増幅器３，４は、分周移相回路２の出力信号を増幅
して交番駆動電圧信号とし、これを誘導性素子５．６を
介して超音波モータ８の圧電体８−２の電極８−２ａ、
８−２ｂに印加する周知の電力増幅器であり、起動指令
スイッチＳ２がオンのときに停止し、オフのときに抵抗
Ｒ６を介して電源電圧が接続されて動作する。ここで、
誘導性素子５，６はマツチング用誘導性素子であり、電
力増幅器３，４の出力波形の不必要な周波数成分を除去
し、はぼ正弦波にするとともに超音波モータへ印加する
電圧を昇圧する。

位相差検出回路７は誘導性素子６の入出力の信号の位相
差を検出し、その位相差に応じた電圧信号（入力制御信
号）を上記オペアンプ１−１の反転入力端子に抵抗Ｒを
介して接続する。この位相差検出回路７は、入力波形を
ロジックレベルの方形波に整形する周知の波形整形器７
−１．７−２を有し、これら波形整形器７−１．７−２
には誘導性素子６の入出力の信号が入力されている。す
なわち、波形整形回路７−１に増幅器４の出力信号ＶＩ
Ｎが直接に、波形整形回路７−２には誘導性素子６を介
して増幅器４の出力信号ＶＯ２丁が入力される。換言す
ると、波形整形回路７−２には超音波モータ８への入力
印加電圧信号が入力される。

これら波形整形回路７−１．７−２の出力は、アンドゲ
ート７−３．７−４のそれぞれ一方の入力端子に入力さ
れる。アンドゲート７−３の出力はＲ−Ｓフリップフロ
ップ７−５のＳ入力端子に、アンドゲート７−４の出力
はＲ−Ｓフリップフロップ７−５のＲ入力端子にそれぞ
れ入力される・Ｒ−Ｓフリップフロップ７−５のＱ出力
端子はアンドゲート７−４の一方の入力端子に、また、
Ｑ出力端子はアンドゲート７−３の一方の入力端子に接
続されている。これらアンドゲート７−３゜７−４とＲ
−Ｓフリップフロップ７−５により周知のエツジトリガ
Ｒ−Ｓフリップフロップを構成している。また、フリッ
プフロップ７−５のＱ出力はインバータ７−６に入力さ
れ、その反転出力は、抵抗Ｒ７とコンデンサＣ２のロー
パスフィルタに入力され、積分値が位相差検出回路７の
出力信号となる。これらの波形を第８図により説明する
。

Ｒ−Ｓフリップフロップ７−５のＱ出力端子は誘導性素
子６の両端の波形の位相差に応じたデユーティの波形と
なる。このＱ出力をインバータ７−６で反転して抵抗Ｒ
７とコンデンサＣ２よりなるローパスフィルタを通過さ
せると、第９図に示すように、上記誘導性素子６の入出
力信号ｖＩＮ。

Ｖ　ＯＵＴの位相差φＶに応じた電圧出力が得られ、こ
れが位相差検出回路７の出力となり、駆動信号形成回路
１の抵抗Ｒ２を介してオペアンプ１−１に接続される。

次に実際の動作について説明する。

まず、スイッチＳ２がオンして増幅器３，４が停止して
いるときには超音波モータ８が停止しており、この状態
でスイッチＳ１により駆動方向を設定する。このとき１
位相差検出回路７への入力はないため、Ｒ−Ｓフリップ
フロップ７−５のＱ出力はハイレベルまたはローレベル
となっている。

したがって、位相差検出回路７の出力電圧はＱ出力の状
態に応じて電Ｓ電圧またはＯ（Ｖ）となっている。

ここで、超音波モータ８の回転速度をＮ１にする場合は
、可変抵抗ＶＲＩの抵抗値を次のようにして決定する。

第５図における速度Ｓおよび位相差φＶのグラフから速
度Ｎ１となる位相差φＶはφｌであることがわかる。そ
こで、可変抵抗ＶＲ１から取り出される電圧値をφ１の
位相差のときに位相差検出回路７が出力する電圧値に設
定する。このとき、超音波モータ停止時のＲ−Ｓフリッ
プフロップ７−５のＱ出力がハイレベルで位相差検出回
路７の出力電圧が電源電圧、すなわち位相差がＯを示し
ているときには、オペアンプ１−１の出力はほぼ０（ｖ
）となる、一方、超音波モータ停止時のＲ−Ｓフリップ
フロップ７−５のＱ出力がローレベルで位相差検出回路
７の出力電圧がＯ（Ｖ）　、すなわち位相差が２πを示
している場合には、オペアンプ１−１の出力はほぼ電源
電圧に上昇する。

したがって、電圧制御発振器ｖＣＯの入力電圧と出力周
波数の関係を、入力電圧がＯ（Ｖ）のときに下限周波数
がｆ２Ｘ４．電源電圧のときに上限周波数がｆ３×４と
なるように設定すれば、いずれの場合にも超音波モータ
は不安定な動作域に入ることなく安定して起動する。

以下では、超音波モータ停止時の位相差検出回路７の出
力電圧がＯ（Ｖ）として説明する。したがって、起動時
の電圧制御発振器ｖＣＯの発振周波数はｆ３×４となっ
ている。

スイッチＳ２をオフして超音波モータを起動すると、駆
動周波数ｆ３で駆動が開始されるとともに１位相差検出
回路７は、誘導性素子６の両端の信号ＶＩＮＩ　ＶＯＬ
ＪＴの位相差を検出して位相差に応じた出力電圧を出力
する。第５図に示すように起動時の位相差は、可変抵抗
器ＶＲＩで設定した位相差φ１よりも小さいので位相差
検出回路７の出力電圧は上昇し、オペアンプ１−１の出
力電圧は下降し、電圧制御発振器■ＣＯの出力周波数は
起動時の周波数から低周波数側に変化を開始する。

このため、能動周波数も変化してＶｒＮｔ　Ｖｏｕｔの
位相差も変化してゆき、電圧制御発振器ＶＣＯの出力周
波数が低下するにしたがって位相差φＶは大きくなり、
駆動速度も上昇する。最終的には、可変抵抗器ＶＲＩに
て設定した電圧と位相差検出回路７の出力電圧が等しく
なるように、すなわち、位相差φＶが可変抵抗器ＶＲＩ
で設定した値φ上となるように超音波モータの駆動周波
数がフィードバック制御され、安定した駆動が得られ、
はぼ所望の駆動速度が得られることとなる。

一方、停止時に位相差検出回路７の出力電圧が電源電圧
となっている場合は駆動周波数ｆ２で起動され、位相差
検出回路７の出力が設定された値に等しくなるように制
御される。ここでは１位相差検出回路７の２人力を誘導
性素子６の両端の信号としたが、誘導性素子５の両端信
号としてもよい。

一第２の実施例− 第１の実施例においては、第５図の速度Ｓと位相差φＶ
のグラフで表わされる第１条件について説明した。超音
波モータは周知のように環境条件。

負荷条件等によりその速度Ｓや位相差φＶの特性が変化
することが知られている。例えば温度が変化して各特性
が第５図における速度Ｓｔ　１位相差φＶ′で表される
第２の条件に変化すると１位相差φ１．速度Ｎ１が得ら
れる駆動周波数はＦ′となる。第１の実施例では、電圧
制御発振ｉｖｃ。

の出力周波数がｆ２×４〜ｆ３ｘ４　（ｆ２＜ｆ３）に
設定されているためＦ’（＜ｆ２）の駆動周波数は得ら
れず、第１の条件から第２の条件に変化したとき、速度
Ｎ１で超音波モータを回転できない、この問題を解決す
るためには、電圧制御発振５ｖｃｏの出力周波数の低周
波数側ｆ２×４をｆ　２’　（＜Ｆ’）ｘ４とすればよ
いが、次のような問題が生じる。

超音波モータの起動時に電圧制御発振器ＶＣＯの出力周
波数がｆ２’　ｘ４となっている場合、超音波モータの
特性などが第１の条件の場合にはその下限駆動周波数が
ｆ２（＞ｆ２″）であるためｆ２’で起動すると不安定
な駆動周波数の領域となり安定した動作が得られない。

そこで、この第２の実施例では、起動時の駆動周波数を
次のように定める。つまり環境条件、負荷条件等の変化
により任意の回転速度を得る駆動周波数が一番高い周波
数側の条件を考慮して、起動時の駆動周波数を、超音波
モータが動作不安定となる下限駆動周波数よりも高い周
波数になるように設定する。第５図のように第１の条件
が最も高駆動周波数側である場合には、起動時の駆動周
波数をｆ２よりも高周波数にすれば常に安定した動作が
得られる。

この実施例を第２の実施例として第１０図に示す。第１
０図に示す回路は、第７図の駆動信号発生回路１にアナ
ログマルチプレクサ１−２、アンドゲートｌ−３，コン
パレータ１−４および可変抵抗器ＶＲ２を組込むととも
に、電圧制御発振器ｖＣＯの下側出力周波数をｆ２″　
×４に、上側出力周波数をｆ３×４に設定して、上述し
た問題を解決するものであり、他は第７図と同じである
ため図示を省略する。

アナログマルチプレクサ１−２の一方の入力端子Ａには
オペアンプ１−１の出力端子が接続され。

他方の入力端子Ｂには電源が接続され、アナログマルチ
プレクサ１−２の出力端子は抵抗Ｒ４とコンデンサＣ１
から成るローパスフィルタを介して電圧制御発振器ｖＣ
Ｏに接続されている。また、アナログマルチプレクサ１
−２のコントロール（ＣＴＬ）端子にはアンドゲート１
−３の出方端子が接続されており、このコントロール端
子がハイレベルではＡ入力を選択出力し、ローレベルで
はＢ入力を選択出力する。

アンドゲート１−３の一方の入力端子は起動スイッチＳ
２に接続されているから、超音波モータ駆動時にはハイ
レベル、停止時にはローレベルの信号がその入力端子に
入力される。アンドゲート１−３の他方の入力端子には
コンパレータ１−４の出力端子が接続される。このコン
パレータ１−４の非反転入力端子には位相差検出回路７
の出力端子が接続され１反転入力端子には両端が電源と
アースに接続されている可変抵抗器ＶＲ２の可変端子が
接続されている。コンパレータ１−４は可変抵抗器ＶＲ
２で設定する電圧と位相差検出回路７の出力電圧とを比
較し、可変抵抗器ＶＲ２で設定した電圧よりも位相差検
出回路７の電圧が大きい場合、すなわち、可変抵抗器Ｖ
Ｒ２で設定した位相差よりも、その時点で位相差検出回
路７により検出した位相差φＶが小さい場合にはハイレ
ベル出力となる。逆に、位相差検出回路７の出力電圧が
小さい場合、すなわち検出した位相差φＶが大きい場合
にはローレベル出力となる。ここでは。

可変抵抗器ＶＲＩによる位相差をφｌ、可変抵抗器ＶＲ
２で設定する位相差を第１の条件において動作不安定と
なる下限駆動周波数ｆ２に対応する位相差φ２に設定す
る。なお、コンパレータ１−４と可変抵抗器ＶＲ２とに
よる回路を位相差限界検出回路と呼ぶ。

ここで、起動スイッチＳ２がオンで超音波モータが停止
している状態にあっては、アンドゲート１−３の出力は
コンパレータ１−４の出力状態によらずローレベルとな
り、アナログマルチプレクサ１−２はＢ入力を選択する
。このため、抵抗Ｒ４とコンデンサＣＩで構成されるロ
ーパスフィルタの出力電圧は電源電圧となり、これが電
圧制御発振器ｖＣＯに入力される。電圧制御発振器ｖＣ
Ｏの出力周波数は、前述したように入力電圧がＯ（Ｖ）
時にｆ２’　Ｘ４．電源電圧時にｆ３Ｘ４に設定されて
いるから、停止時にはｆ３×４の周波数となる。

次に起動スイッチＳ２をオフして超音波モータを起動す
ると、電圧制御発振器ｖＣＯの出力周波数がｆ３×４と
なっているので、電力増幅器３゜４より駆動周波数ｆ３
の交番翻動電圧信号が超音波モータに供給される。この
とき、位相差検出回路７は駆動周波数ｆ３における位相
差φ３（第５図）に対応した出力電圧を出力する。この
出力電圧は上述した位相差限界検出回路のコンパレータ
１−４にも入力される。このコンパレータｌ−４は基準
位相差φ２と入力位相差とを比較するので、今、φ３〈
φ２でありコンパレータ１−４の出力はハイレベルとな
る。そのため、アンドゲート１−３の２つの入力は双方
ともハイレベルとなってアンドゲート１−３はハイレベ
ル信号を出力し、アナログマルチプレクサ１−２はＡ入
力が選択される。このとき位相差φ３く位相差φ１であ
るからオペアンプ１−１の出力は下降し、電圧制御発振
器ｖＣＯの入力電圧も下降していき、これにより、第１
の実施例と同様の制御により、電圧制御発振器ＶＣＯの
出力は起動時の周波数ｆ３から低周波数側に変化してい
き１位相差φ１となる駆動周波数が得られる。このよう
にして、起動時に第１の条件でも第２の条件でも、超音
波モータは不安定動作を起こす駆動周波数以上の周波数
で安定的に起動される。

以上では、回転速度Ｎ１を得る駆動周波数Ｆを設定する
ために、可変抵抗器ＶＲＩで駆動周波数Ｆに対応した位
相差φ１を設定したが１次に、超音波モータをより高速
度で駆動するため位相差φ１を駆動周波数ｆ２における
位相差φ２に設定し、超音波モータを動作不安定となる
境界で駆動する場合を考える。

この場合、オーバーシュートにより駆動周波数がｆ２よ
り小さくなったり、あるいはｆ２に制御されていても瞬
間的な負荷変動によりそのｆ２そのものが動作不安定と
なる駆動周波数域のものとなる場合が考えられる。この
第２の実施例では。

駆動中の位相差φＶが位相差φ２より大きくなるとコン
パレータ１−４の出力がハイレベルからローレベルに変
化するため、アンドゲート１−３の出力がローレベルと
なり、アナログマルチプレクサ１−２はＢ入力を選択す
る。その結果、電圧制御発振器ｖＣ○の入力電圧は上昇
して駆動周波数が上昇し、位相差φＶは位相差φ２より
も小さくなる。そして位相差φＶが位相差φ２よりも小
さくなると、位相差検出回路マの出力電圧が上昇して再
びコンパレータ１−４の出力が反転してハイレベルとな
り、アナログマルチプレクサ１−２はへ入力が選択され
、駆動周波数が低下していき、位相差φＶが位相差φ２
に達すると同様な動作をして、これにより、常に安定し
た駆動が得られる。

また、位相差限界検出回路で設定する位相差を下限駆動
周波数ｆ２での位相差φ２よりも小さくすれば、駆動速
度リミッタとして使用することも可能である。

一第３の実施例− 以上の第１および第２の実施例においては、電圧制御発
振器ｖＣＯの出力周波数の下限値と上限値を超音波モー
タの駆動周波数範囲に一致させるようにしたが、このよ
うな一致が難しい場合、あるいは駆動周波数範囲のばら
つきがある複数の超音波モータを交換して使用する場合
、環境条件。

負荷の条件などによる変動も含めて駆動周波数と駆動速
度の関係が第１１図に示す関係になる場合がある。ここ
で、速度特性Ｓａは駆動周波数が低い周波数特性の条件
の場合、速度特性Ｓａｌ！駒動周波動周波数周波数特性
の条件の場合である。

ところで、通常駆動に使用する駆動周波数よりも高い周
波数で再び超音波モータが駆動される駆動周波数域があ
り、第１１図において、駆動周波数２２Ｋ）［ｚ以上で
速度特性Ｓａ、Ｓｂともに再び駆動速度が上昇する。こ
の駆動周波数域では、通常の駆動周波数域の駆動方向と
は超音波モータの駆動方向が逆となり、かつ、動作が不
安定であるため、一般には使用しない、しかし、第１１
図かられかるように、速度特性ｓｂにおいて、第５図に
おける上限駆動周波数ｆ３に相当する周波数Ｆ３に対応
して電圧制御発振器ＶＣＯの高周波数側の出力周波数を
設定したとすると、速度特性Ｓａの超音波モータにとっ
て、第２の実施例の回路構成を採用すると起動時に上述
したような動作が不安定となる駆動周波数で起動されて
しまう。

このような場合、起動時の駆動周波数を、速度特性ｓｂ
において高速駆動側動作不安定領域を定める下限駆動周
波数Ｆｌ（前述の第５図におけるｆ２に相当）よりも高
く、かつ速度特性Ｓａにおいて低速駆動側動作不安定領
域を定める能動周波数Ｆ２より低い周波数とすれば上記
問題は解決し。

常に安定した超音波モータの駆動が可能となる。

このような第３の実施例を第１２図に示す。

これは第１０図におけるアナログマルチプレクサ１−２
のＢ入力端子に可変抵抗器ＶＲ３の可変端子を接続する
とともに、起動スイッチＳ２がオンして超音波モータが
停止しているときの電圧制御発振器ｖＣＯの出力周波数
がＦ１×４以上でＦ２Ｘ４以下の範囲の任意の値となる
ように可変抵抗器ＶＲ３の抵抗値を調整すればよい、こ
のようにすることにより、電圧制御発振器ｖＣＯの出力
周波数が必要な駆動周波数に対応させられないときでも
、安定して超音波モータを駆動できる。

−第４の実施例− 以上の３実施例は電力増幅器４の出力電圧波形ＶＩＮと
超音波モータに印加される入力電圧波形Ｖ　ＯＵＴの位
相差φＶが所望の値となるように制御したが、超音波モ
ータの移動子速度を検出し、移動子の駆動速度が一定と
なるようにフィードバック制御してもよい。

第１３図はその１実施例である。

点線で囲まれた部分が第１図の駆動信号形成回路ｌに相
当する駆動信号形成回路１００である。

パルス形成回路１０１は、超音波モータの移動子の駆動
速度に比例したパルスを発生するもので、例えばパルス
エンコーダで構成される。

駆動信号形成回路１００の構成を説明すると。

コンパレータ１００−１の非反転六方端子に位相差検出
回路７の出力端子が、反転入力端子には両端が電源とア
ースに接続された可変抵抗器ＶＲ４の可変端子が接続さ
れ、第２の実施例と同様に位相差限界検出回路を構成し
ている。したがって、可変抵抗器ＶＲ４により、位相差
の限界となる第５図の下限駆動周波数ｆ２に対応する位
相差φ２を表わす電圧を設定する。コンパレータ１００
−１の出力端子はアンドゲート１００−２の一方の入力
端子に接続され、アンドゲート１００−２の他方の入力
端子には発振器０５ＣＩが接続されて方形波が入力され
る。このアンドゲート１００−２の出力端子はマルチプ
レクサＭＰＸＩの六入力端子に接続されている。マルチ
プレクサＭＰＸＩのＢ入力端子には電圧制御発振器ｖＣ
Ｏの出力端子が接続されている。マルチプレクサＭＰＸ
２の六入力端子にはパルス形成回路１０１の出力端子が
、Ｂ入力端子には発振器０８Ｃ２が接続されて方形波が
入力される。マルチプレクサＭＰＸＩ。

２のコントロール端子には起動スイッチＳ２が接続され
ており、起動スイッチＳ２がオンして超音波モータが停
止しているときは、各マルチプレクサＭＰＸＩ、２はそ
れぞれＢ入力が選択され、起動スイッチＳ２がオフで超
音波モータが駆動しているときは、それぞれＡ入力が選
択される。マルチプレクサＭＰＸＩ、２の各出力はそれ
ぞれ周知の位相周波数比較器ＰＦＣのＡ入力端子とＢ入
力端子とに接続され、位相周波数比較器ＰＦＣの出力端
子は抵抗Ｒ８とコンデンサＣ３で構成されるローパスフ
ィルタに入力される。このローパスフィルタの出力は電
圧制御発振器ｖＣＯの入力端子に接続される。この電圧
制御発振器ＶＣＯは上述した電圧制御発振器ＶＣＯと同
様なものである。

ここでまず、起動スイッチＳ２がオンして超音波モータ
が停止している場合、マルチプレクサＭＰＸＩ、２はと
もにＢ入力を選択している。そのため１位相周波数比較
器ＰＦＣには電圧制御発振器ｖＣＯの出力周波信号と発
振器０８Ｃ２の周波信号が入力されている。この状態で
は、電圧制御発振ＩｖＣＯの出力周波数と発振器０８Ｃ
２の出力周波数とが等しくかつ同位相になるように電圧
制御発振器ｖＣＯがいわゆるＰＬＩ、制御される。

そのＰＬＬ制御の詳細説明は省略するが、位相周波数比
較器ＰＦＣのＡ、Ｂ２人力が互いに同周波数、同位相で
あればその位相周波数比較器ＰＦＣの出力はフローティ
ングとなり、六入力がＢ入力に対して進み位相であれば
位相差に相当する期間。

０　（Ｖ）を出力する。逆にＢ入力がＡ入力よりも進み
位相であれば、同様に位相差に相当する期間、電源電圧
を出力する。

位相周波数比較器ＰＦＣの出力はローパスフィルタによ
り積分されるから、同周波数で同位相の場合には、ロー
パスフィルタの出力、すなわち、電圧制御発振器ｖＣＯ
の入力端子は変化せず、したがって、その出力周波数も
変化しない、六入力がＢ入力よりも進み位相になってい
る場合には。

ローパスフィルタの出力が下降してくるため、電圧制御
発振器ＶＣＯの出力周波数は同様に低下してい＜、Ｂ入
力がＡ入力よりも進み位相である場合には、同様に電圧
制御発振器ＶＣＯの入力電圧が上昇するから電圧制御発
振器ＶＣＯの出力周波数も上昇する。また、六入力の周
波数とＢ入力の周波数に差があれば、六入力〉Ｂ入力で
位相周波数比較Ｗｌ）ＰＦＣの出力はその差に応じてＯ
（Ｖ）を出力する。そのため、電圧制御発振器ｖＣＯの
出力電圧が低下していき、電圧制御発振器ｖＣＯの出力
周波数は低下する。逆に、六入力くＢ入力ならば、電圧
制御発振器ｖＣＯの入力電圧が上昇してその出力周波数
も上昇していく。

このような作用により、超音波モータの停止時には発振
器０３Ｃ２の出力周波数＝電圧制御発振器ｖＣＯの出力
周波数となるように上述のＰＬＬ制御が行なわれる。し
たがって、この発振器ｏＳＣ２の出力周波数を、上述の
第１１図に示すＦｌとＦ２の間の値に設定すれば、常に
安定した起動が可能となる。

起動スイッチＳ２をオフして超音波モータを起動すると
、マルチプレクサＭＰＸＬ、２はともにＡ入力を選択す
る。また、起動時の位相差は１位相差限界検出回路で設
定している位相差よりも当然に小さいから、その位相差
検出回路の出力はハイレベルとなり、位相周波数比較器
ＰＦＣのＡ入力には発振器０３ＣＩの出力が入力される
とともに、Ｂ入力にはパルス形成回路１０１の出力が入
力される。

この状態では、発振器Ｏ３Ｃ：１の発振周波数〉パルス
形成回路１０１の出力周波数ならば、電圧制御発振器ｖ
ＣＯの出力周波数は起動時局波数から低下していき、そ
れとともに超音波モータの速度は上昇する０発振器０８
ＣＩの発振周波数くパルス形成回路１０１の出力周波数
ならば、電圧制御発振器ｖＣＯの出力周波数は上昇しそ
れにともなって超音波モータの速度は低下する。発振器
０８ＣＩの発振周波数＝パルス形成回路１０１の出力周
波数でかつ同位相ならば、電圧制御発振器ＶＣＯの出力
周波数はそのままの周波数を保持するから超音波モータ
速度は変化しない。

第４の実施例はこのように動作するため、発振器０８Ｃ
Ｉの出力周波数を、超音波モータが所望の駆動速度で回
転するときにパルス形成回路１０１から得られる出力周
波数に設定すれば、起動時の駆動周波数から自動的に所
望の駆動速度となる駆動周波数に制御されていく。

第４の実施例はこのように動作するが超音波モータの能
力以上の駆動速度を発振器０３ＣＩに設定した場合、あ
るいは、環境条件などの変化により上述の誘導性素子６
の両端の信号ＶＩＮとＶ　ＯＵ丁の位相差φＶがφ２を
越えると、位相差限界検出回路の出力、すなわちコンパ
レータ１００−１の出力がローレベルに反転し、アンド
ゲート１００−２の出力はローレベルになるため、位相
周波数比較＠ＰＦＣの六入力端子の周波数はＯとなる。

そのため、目標駆動速度がＯとなったことにより超音波
モータの駆動速度を低下させるべく電圧制御発振器ｖＣ
Ｏの出力周波数は上昇する。したがって、駆動信号の周
波数が上昇を開始してφ２よりも位相差が小さくなるよ
うに変化する。そして、位相差限界検出回路の出力が再
びハイレベルとなり、位相周波数比較器ＰＦＣの六入力
端子には発振器０３ＣＩの周波数が入力されて再び駆動
速度が上昇するように制御される１位相差φＶがφ２に
達すると、また同様な動作により常に安定した超音波モ
ータの駆動制御が可能となる。このように、電力増幅器
４の出力電圧波形と超音波モータの駆動電極８−４ａに
入力される交番電圧波形との位相差φＶを位相差検出回
路７で検出して駆動制御に用いることにより、従来のよ
うにモニタ電極を使用せずに安定して超音波モータを駆
動できる。

一第５の実施例− 以上では、駆動信号形成回路１で得た周波信号を分周移
相回路２で分周するとともに位相がπ／２づれた２つの
周波信号に変換し、しかる後に増幅器３，４で増幅し誘
導性素子５．６を介して超音波モータに印加するように
したが、電力供給手段を第１４図に示すようにしてもよ
い。

分周移相回路２は、第１４図に示す４つの位相の異なる
パルス信号を出力する。この各パルスは、抵抗Ｒ１１〜
Ｒ１４を介してトランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１４のベー
スに印加され、トランジスタは順次にオンしてトランス
Ｔｌｌ、Ｔ４２の２次巻線側からそれぞれ９０度位相の
異なる交流駆動信号が取り出され、超音波モータ８の駆
動電極８−２ａ、８−２ｂに印加されて超音波モータ８
が回転する。そして、抵抗Ｒ１４、すなわちトランスＴ
１２の入力側の信号波形と、トランスＴ１２の出力側、
すなわち駆動電極８−２８の印加入力電圧信号波形とが
位相差検出回路７にそれぞれ入力される。換言すると、
誘導性素子であるトランスＴ１２の入出力信号の位相差
に基づいて超音波モータ註動用周波信号の周波数が制御
されて、上述の各実施例のような作用効果が得られる。

一第６の実施例− この実施例は、第１５図に示すように、誘導性素子５の
入力側の信号Ｖ’ＩＮと誘導性素子６の出力側の信号Ｖ
　ＯＵＴを位相差検出回路７Ａに入力して両者の位相差
を検出し、上述と同様な制御を行なうようにしたもので
ある。

ここで、これらの信号Ｖ’ＩＮＴ　ＶＯＵＴは元々π／
２だけ位相がづれ、かつ超音波モータの駆動方向により
位相差関係が反転する。そこでこの実施例では、位相差
関係の反転による位相差検出への影響を回避するため、
波形整形器７−１とアンドゲート７−３との間に排他的
論理和ゲート７−７を挿入する。この排他的論理和ゲー
ト７−７の一方の入力端子には正転逆転切換スイッチＳ
Ｌが接続され、他方の入力端子に波形整形器７−■の出
力端子が接続される。そして、排他的論理和ゲート７−
７の出力端子はアンドゲート７−３の一方の入力端子に
接続される。

切換スイッチＳｌにより駆動方向を切替ると前述した電
力増幅器３，４の出力の位相差関係が反転するが、排他
的論理和ゲート７−７の働きにより波形整形器７−１の
出力が駆動方向に応じて反転されるから、位相差検出回
路７の出力は駆動方向の影響を受けなくなる。さらに両
信号の位相が元々π／２だけづれていることによる位相
差検出への影響を回避するため、例えば第７図の駆動信
号形戒回［１の可変抵抗器ＶＲＩで設定する基準の位相
差φＶに相当する電圧は、上述した一方の誘導性素子の
両端信号の位相差を検出する方式のときに決まる基準電
圧にπ／２分の電圧だけ加算して決定する。第１６図に
第１５図の各部の信号波形図を示す。

なお、電力増幅器４の出力信号と駆動電極８−２ｂへの
印加信号の位相差を検出してもよし蔦、また、排他的論
理和ゲー・ドアー７を波形整形器７−２とアンドゲート
７−４の間に挿入してもよに’ｓさらに、第１５図に示
すように一方の誘導性素子の入力信号Ｖ’ＩＮと他方の
誘導性素子の出力（言分ＶＯＵＴの位相差を検出する方
式を採用する場合、第１５図の位相差検出回路７Ａを用
いず第７図の位相差検出回路７を用いることもできる。

この場合には、駆動信号形成回路１に正転用基準位相差
設定の可変抵抗器と逆転用基準位相差設定の可変抵抗器
を設けるとともに、正転逆転切換スイッチＳ１のオン・
オフに連動するマルチプレクサを設け、このマルチプレ
クサででいずれか一方の可変抵抗器を選択すればよい。

一第７の実施例− この実施例は、第１７図に示すように、超音波モータに
入力される２つの入力信号の各位相差をそれぞれ位相差
検出回路７ａ、７ｂで検出して、雨検出回路７ａ、’Ｌ
ｂの出力電圧を平均値回路９で算術平均化するようにし
たものである。このようにすると、より正確に超音波モ
ータの駆動速度が制御できる。

なお、以上の第１〜第７の各実施例では、電力増幅器の
出力信号あるいはトランスの２次側出力信号と超音波モ
ータの駆動電極に印加される能動信号との位相差を検出
するようにしたが、分周移相器２の出力信号と電力増幅
器の出力信号との間の位相差関係が明らかであれば、分
周移相器２の出力信号と駆動電極への印加電圧信号との
位相差を検出して同様に制御することも可能である。こ
の場合、分周移相器２の出力がロジックレベルであれば
、波形整形器７−１．７−２は不要となる。

Ｇ０発明の効果 本発明によれば、超音波モータに印加する周波信号の誘
導性素子の入力側信号と出力側信号の位相差により周波
（ｆｉ号を制御して超音波モータを静動制御するように
したので、従来のようなモニタ電極からのモニタ信号を
使用する場合の問題点が解消できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波モータ駆動装置の全体概略
構成を示す図、第２図は超音波モータの縦断面図、第３
図は圧電体側の平面図、第４図は誘電性素子とその印加
信号を示す図、第５図は能動周波数に対する超音波モー
タ速度と位相差の関係を示す特性図、第６図は超音波モ
ータの等価回路図、第７図は第１の実施例の詳細ブロッ
ク図、第８図はその各部信号波形図、第９図は検出位相
差と出力電圧との関係を示すグラフである。 第１０図は第２の実施例における位相差検出回路の詳細
ブロック図である。 第１１図は２種類の速度特性を示す特性図である。 第１２図は第３の実施例における駆動信号形成回路の詳
細ブロック図である。 第１３図は第４の実施例における駆動信号形成回路の詳
細ブロック図である。 第１４図はトランスを使用した電力供給手段を有する第
５の実施例の要部ブロック図である。 第１５図は第６の実施例を示す位相検出回路の詳細ブロ
ック図、第１６図はその各部信号波形図である。 第１７図は第７の実施例を示す図である。 １：駆動信号形成回路　　２：分周移相器３．４：電力
増幅器 ７：位相差検出回路 ５゜ ６：誘導性素子 ８：超音波モータ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、加圧手段により前記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
   音波モータの駆動装置において、 前記圧電体に印加する周波信号を形成する周波信号形成
   手段と、 この周波信号を誘導性素子を介して前記圧電体に供給す
   る電力供給手段と、 前記誘導性素子の入出力の位相差を検出する位相差検出
   手段と、 検出された位相差で前記周波信号を制御する駆動制御手
   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
   。