JPH08214571A - 超音波モータ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】楕円振動の減衰区間において逆推力を発生させ
ないことにより、被駆動体の位置決め精度の向上を図る
超音波モータ及びその駆動方法を提供すること。 【解決手段】圧電素子２ａ，２ｂを駆動源として、直方
体形状をなす弾性体（１）にその長手方向に沿った伸縮
振動および前記弾性体（１）の長手方向に伝播する屈曲
振動をそれぞれ発生させる超音波モータにおいて、前記
弾性体（１）の振動減衰区間において包絡線が減衰特性
を有するバースト波からなる駆動信号を発生して前記圧
電素子２ａ，２ｂへ印加するための駆動回路を具備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学機器の各種駆
動装置等に使用される超音波モータ及びその駆動方法に
係わり、特に定在波形の超音波モータ及びその駆動方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、精密機械や光学機器などの分野で
は、超音波モータが使用されるようになっている。この
超音波モータは、これまでの電磁型モータに比べて小形
でありながら高トルクが得られるなど種々の利点を有し
ている。この超音波モータは回転形とリニア形とに大別
される。

【０００３】図１１は、特開平６−１０５５７１号公報
に開示されている超音波リニアモータにおける超音波振
動子の構造を示す斜視図である。この超音波リニアモー
タは、電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子を駆
動源として並進運動を発生可能にしたものである。図１
１に示す超音波振動子は、直方体形状をなす基本弾性体
１の上面に一対の圧電素子２ａ，２ｂを配設するととも
に、基本弾性体１の下面に一対の摺動部材３，３を配設
している。また保持用弾性体４は、圧電素子２ａ，２ｂ
を基本弾性体１に保持している。

【０００４】図１２は、上記超音波振動子の伸縮振動動
作を模式的に示した図であり、図１３は上記超音波振動
子の屈曲振動動作を模式的に示した図である。上記超音
波振動子において圧電素子２ａ，２ｂに正弦波電圧が印
加されると、図１２に示すように基本弾性体１の長手方
向に沿って伸縮動作が励起される。それと同時に、図１
３に示すように基本弾性体１の長手方向に伝播する二次
の定在波からなる横波の屈曲振動が励起される。

【０００５】当該超音波振動子は、伸縮振動の一次共振
周波数と横波である二次屈曲振動の周波数とが一致する
よう、基本弾性体１の長さおよび幅の寸法が設定されて
いる。このため、前記二次の定在波の最大屈曲点（振動
の腹の位置）では、伸縮振動および屈曲振動の変位が合
成され、基本弾性体１上の質点が楕円形の軌跡に沿って
移動する。したがって、前記最大屈曲点に摺動部材３，
３を配置することで、これら摺動部材３，３に押圧され
る図示しない被駆動体を並進運動させることができる。

【０００６】図１４の（ａ）および（ｂ）は、当該超音
波モータの駆動方法を説明するための信号波形の例を示
した図であり、（ａ）は駆動信号を示した図、（ｂ）は
伸縮振動および屈曲振動の信号波形を示した図である。
当該超音波モータを微小駆動する場合、バースト波から
なる駆動信号ＡＳ，ＢＳを圧電素子２ａ，２ｂに印加す
る。このとき、図１４の（ａ）に示すように、駆動信号
ＡＳと駆動信号ＢＳとの位相差をπ／２または−π／２
に設定することにより、被駆動体の駆動方向を決定する
ことができる。

【０００７】図１５は、当該超音波振動子による伸縮振
動と屈曲振動との振動変位の合成を示す図である。図１
６において横方向の矢印は伸縮振動による変位を示して
おり、縦方向の矢印は屈曲振動による変位を示してい
る。図１５に示すように、伸縮振動方向から見た屈曲振
動方向の位相が合計π変化（ｔ＝０、π／４、π／２、
３π／４、π）している。このように、伸縮振動方向か
ら見た屈曲振動方向の位相がπ変化する過程において伸
縮振動の変位と屈曲振動の変位とを合成することによ
り、図１６に示すように当該超音波振動子の楕円振動が
一方向へ回転する（図１６では反時計回り）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たようにバースト波の駆動信号により定在波型の超音波
モータを微少量駆動した場合、次のような不具合が生じ
る。図１４の（ｂ）に示すように、バースト波駆動信号
の印加中つまり振動励起区間において、伸縮振動および
屈曲振動は各々同一かつ一定の周波数により振動する。
しかし、前記振動励起区間終了後の振動の自由減衰区間
では、同図に示すように伸縮振動および屈曲振動は各々
周波数が変動し易くなる。このため自由減衰区間におけ
る伸縮および屈曲の各振動の周波数は、同一かつ一定値
に保たれるとは限らない。このような周波数の変動は一
般に屈曲振動において顕著に生じる。このように、伸縮
振動の振動周波数および屈曲振動の振動周波数が各々一
定でなくなると、駆動位相が変化する。その結果図１６
に示したような楕円振動の振幅が変形するという不具合
が生じる。

【０００９】図１７は、上述したように楕円振動の振幅
が変形した例を示す図である。図１７では、伸縮振動と
屈曲振動との間の位相差Δφが０からπへ変化する過程
で楕円振動の回転方向が反転している。また、この状態
でさらに位相差Δφがπから２πへ変化する過程で、楕
円振動の回転方向が再び反転し、位相差Δφが０のとき
と同じ回転方向に戻っている。このように、振動の自由
減衰区間において超音波振動子の楕円振動は、位相の回
転方向を交互に繰り返し変化しながら次第に減衰する。

【００１０】しかし、このように楕円振動の回転方向が
変化する場合、この回転方向が被駆動体の本来の駆動方
向に対して逆方向になったときに逆推力が発生する。こ
れにより前記被駆動体が逆方向へ移動する。その結果前
記被駆動体の微小な位置決めが困難になり、位置決め精
度の劣化を招くという問題が生じる。

【００１１】本発明の目的は、楕円振動の減衰区間にお
いて逆推力を発生させないことにより、被駆動体の位置
決め精度の向上を図る超音波モータ及びその駆動方法を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の超音波モータ及びその駆動方
法は以下の如く構成されている。 （１）本発明の超音波モータは、圧電素子を駆動源とし
て、直方体形状をなす弾性体にその長手方向に沿った伸
縮振動および前記弾性体の長手方向に伝播する屈曲振動
をそれぞれ発生させる超音波モータにおいて、前記弾性
体の振動減衰区間において包絡線が減衰特性を有するバ
ースト波からなる駆動信号を発生して前記圧電素子へ印
加するための駆動回路を備えている。 （２）本発明の超音波モータは、圧電素子を駆動源とし
て、直方体形状をなす弾性体にその長手方向に沿った伸
縮振動および前記弾性体の長手方向に伝播する屈曲振動
をそれぞれ発生させる超音波モータにおいて、前記弾性
体の振動減衰区間において包絡線がリニアに変化する減
衰特性を有するバースト波からなる駆動信号を発生して
前記圧電素子へ印加するための駆動回路を備えている。 （３）本発明の超音波モータは、圧電素子を駆動源とし
て、直方体形状をなす弾性体にその長手方向に沿った伸
縮振動および前記弾性体の長手方向に伝播する屈曲振動
をそれぞれ発生させる超音波モータにおいて、前記弾性
体の振動減衰区間において包絡線が階段状に変化する減
衰特性を有するバースト波からなる駆動信号を発生して
前記圧電素子へ印加するための駆動回路を備えている。 （４）本発明の超音波モータ駆動方法は、圧電素子を駆
動して直方体形状の弾性体の長手方向に沿った伸縮振動
および前記弾性体の長手方向に伝播する屈曲振動を発生
する超音波モータの駆動方法において、前記圧電素子に
バースト波からなる駆動信号を印加して前記弾性体を励
起振動させ、この励起振動の終了後の振動減衰区間にお
いては包絡線が減衰特性を有するバースト波からなる駆
動信号により駆動するようにしている。

【００１３】上記手段（１）乃至（４）を講じた結果、
それぞれ次のような作用が生じる。 （１）本発明の超音波モータによれば、弾性体の振動減
衰区間において包絡線が減衰特性を有するバースト波か
らなる駆動信号を発生し圧電素子へ印加するので、振動
励起区間終了後においても、超音波振動子の圧電素子に
は振幅が減衰する駆動信号が引き続き印加されることに
なる。このため、前記弾性体の伸縮振動波形および屈曲
振動波形は自由減衰せず、振幅が零になるまで同一周波
数を保ったまま減衰することになる。したがって、伸縮
振動波形と屈曲振動波形との間の位相差は変化せず振幅
が零になるまで一定に保たれることになる。この結果、
伸縮振動と屈曲振動の合成である楕円振動の回転方向は
一定となり、前記振動減衰区間における被駆動体への逆
推力の発生が防止される。これにより前記被駆動体の位
置決め精度を高めることが可能になる。 （２）本発明の超音波モータによれば、弾性体の振動減
衰区間において包絡線がリニアに変化する減衰特性を有
するバースト波からなる駆動信号を発生して前記圧電素
子へ印加するので、振動励起区間終了後においても、超
音波振動子の圧電素子には振幅がリニアに減衰する駆動
信号が引き続き印加されることになる。このため、前記
弾性体の伸縮振動波形および屈曲振動波形は自由減衰せ
ず、振幅が零になるまで同一周波数を保ったまま減衰す
ることになる。したがって、伸縮振動波形と屈曲振動波
形との間の位相差は変化せず振幅が零になるまで一定に
保たれることになる。この結果、伸縮振動と屈曲振動の
合成である楕円振動の回転方向は一定となり、前記振動
減衰区間における被駆動体への逆推力の発生は防止され
る。これにより前記被駆動体の位置決め精度を高めるこ
とが可能になる。 （３）本発明の超音波モータによれば、弾性体の振動減
衰区間において包絡線が階段状に変化する減衰特性を有
するバースト波からなる駆動信号を発生して前記圧電素
子へ印加するので、振動励起区間終了後においても、超
音波振動子の圧電素子には振幅が階段状に減衰する駆動
信号が引き続き印加されることになる。このため、前記
弾性体の伸縮振動波形および屈曲振動波形は自由減衰せ
ず、振幅が零になるまで同一周波数を保ったまま減衰す
ることになる。したがって、伸縮振動波形と屈曲振動波
形との間の位相差は変化せず振幅が零になるまで一定に
保たれることになる。この結果、伸縮振動と屈曲振動の
合成である楕円振動の回転方向は一定となり、前記振動
減衰区間における被駆動体への逆推力の発生は防止され
る。これにより前記被駆動体の位置決め精度を高めるこ
とが可能になる。 （４）本発明の超音波モータ駆動方法によれば、圧電素
子にバースト波からなる駆動信号を印加して弾性体を励
起振動させ、この励起振動の終了後の振動減衰区間にお
いては包絡線が減衰特性を有するバースト波からなる駆
動信号により駆動するので、振動励起区間終了後におい
ても、超音波振動子の圧電素子には振幅が減衰する駆動
信号が引き続き印加されることになる。このため、前記
弾性体の伸縮振動波形および屈曲振動波形は自由減衰せ
ず、振幅が零になるまで同一周波数を保ったまま減衰す
ることになる。したがって、伸縮振動波形と屈曲振動波
形との間の位相差は変化せず振幅が零になるまで一定に
保たれることになる。この結果、伸縮振動と屈曲振動の
合成である楕円振動の回転方向は一定となり、前記振動
減衰区間における被駆動体への逆推力の発生が防止され
る。これにより前記被駆動体の位置決め精度を高めるこ
とが可能になる。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形
態に係る超音波モータにおける超音波振動子の構造を示
す斜視図である。図１に示す超音波振動子は図１１に示
したものとほぼ同様の構造を成しており、同一な部分に
は同一符号を付してある。なお、図１と図１１の相違す
る点は、図１では摺動部材３，３が基本弾性体１におけ
る上記二次の定在波の最大屈曲点（振動の腹の位置）付
近に配置されている点にある。

【００１５】図２は、当該超音波モータの駆動回路の構
成を示す回路ブロック図である。図２に示す駆動回路
は、正弦波発振器１１、移相器１２、ゲート信号発生器
１３、トリガ信号発生器１４、乗算器１５ａ，１５ｂ、
および制御回路１６から構成されている。

【００１６】正弦波発振器１１は、予め決められた周波
数例えば５５．５ｋＨｚの正弦波ＳＳを連続して発生す
る。この正弦波ＳＳは二分岐され、その一方が乗算器１
５ａへ直接供給され、他方が移相器１２へ供給される。
移相器１２は、制御回路１６から供給された駆動方向制
御信号に従い、前記正弦波ＳＳをπ／２または−π／２
移相する。そしてその位相された正弦波ＳＳ′が乗算器
１５ｂへ供給される。

【００１７】トリガ信号発生器１４は、制御回路１６の
指示に従い、当該超音波振動子を駆動するためのトリガ
信号ＴＳを発生し、正弦波発振器１１およびゲート信号
発生器１３へ供給する。またゲート信号発生器１３は前
記トリガ信号ＴＳに同期して、バースト波を生成するた
めのゲート信号ＧＳを発生する。

【００１８】図３は、当該超音波モータ駆動回路および
超音波振動子の動作を説明するための信号波形図であ
る。図３に示すゲート信号ＧＳは、その立ち上がり部分
は通常のパルスと同様急峻である。しかし全区間のうち
振動減衰区間に相当する後半の部分おいて、振幅レベル
がリニアに徐々に低下するように設定されている。そし
て、この振幅レベルがリニアに低下する減衰区間の長さ
は、基本弾性体１の伸縮振動波形および屈曲振動波形の
自由減衰時間より長く設定されている。なお前記減衰区
間の長さは、前記振動レベルの低下開始から前記振動レ
ベルが当該超音波モータの駆動に要する振幅以下の所定
量に低下するまでの区間の長さに設定してもよい。また
ゲート信号ＧＳの振動減衰区間の振幅レベルは、当該超
音波振動子の伸縮振動波形および屈曲振動波形の自由減
衰区間の対応する振幅以上に設定されている。

【００１９】ゲート信号発生器１３から発生されたゲー
ト信号ＧＳは、乗算器１５ａ，１５ｂへそれぞれ供給さ
れる。乗算器１５ａでは、正弦波発振器１１から発生さ
れた正弦波ＳＳとゲート信号ＧＳとが乗算される。そし
てゲート信号ＧＳにより変調された変調正弦波が乗算器
１５ａから出力される。この変調正弦波がＡ相の駆動信
号ＡＳとして圧電素子２ａへ印加される。一方乗算器１
５ｂでは、移相器１２により移相された正弦波ＳＳ′と
ゲート信号ＧＳとが乗算される。そしてゲート信号ＧＳ
により変調された移相正弦波が乗算器１５ｂから出力さ
れる。この移相正弦波がＢ相の駆動信号ＢＳとして圧電
素子２ｂへ印加される。

【００２０】このような構成により、制御回路１６の駆
動指示に応じてトリガ信号発生器１４からトリガ信号Ｔ
Ｓが発生されると、このトリガ信号ＴＳに同期して正弦
波発振器１１から正弦波ＳＳの発生が開始される。そし
て、この正弦波ＳＳは二分岐されたのち、その一方は直
接乗算器１５ａへ供給され、他方は移相器１２でπ／２
（または−π／２）移相されたのち乗算器１５ｂへ供給
される。

【００２１】一方トリガ信号ＴＳに同期し、ゲート信号
発生器１３からゲート信号ＧＳが発生され、乗算器１５
ａ，１５ｂへ供給される。なお図３に示すように、ゲー
ト信号ＧＳの波形は立ち上がり部分が通常のパルスと同
様に急峻であるが、振動励起区間終了後の部分がリニア
に徐々に減衰するように設定されている。したがって、
乗算器１５ａ，１５ｂでは、それぞれゲート信号ＧＳの
波形に応じて正弦波ＳＳおよび移相正弦波ＳＳ′がゲー
ト制御される。これにより、図３に示すような振動励起
区間終了後の振動減衰区間で振幅がリニアに減衰するす
なわち包絡線がリニアに減衰するバースト波からなる駆
動信号ＡＳ，ＢＳが、各乗算器１５ａ，１５ｂから出力
される。そして、これら駆動信号ＡＳ，ＢＳはそれぞれ
超音波振動子の圧電素子２ａ，２ｂへ印加される。

【００２２】このため当該超音波振動子は、まずその振
動励起区間で駆動信号ＡＳ，ＢＳに応じて振動を開始
し、例えば駆動信号ＡＳ，ＢＳの２０周期程度で定常状
態に達する。そして前記振動励起区間終了後の振動減衰
区間で、図３に示すような駆動信号ＡＳ，ＢＳのリニア
な減衰特性に応じて、上記定常状態における振動と同一
周波数を保ったまま徐々に振動が減衰する。

【００２３】このように本第１の実施の形態における超
音波モータの駆動回路では、超音波振動子の振動励起区
間終了後の振動減衰区間に相当する期間において振幅レ
ベルがリニアに徐々に減衰するよう制御されたゲート信
号ＧＳをゲート信号発生器１３から発生する。そしてこ
のゲート信号ＧＳにより正弦波ＳＳおよび移相された正
弦波ＳＳ′をそれぞれ乗算器１５ａ，１５ｂでゲート制
御し、駆動信号ＡＳ，ＢＳを生成する。そして駆動信号
ＡＳ，ＢＳを圧電素子２ａ，２ｂへ印加することで、当
該超音波振動子を駆動するようにしている。

【００２４】したがって本第１の実施の形態によれば、
振動励起区間終了後においても、超音波振動子の圧電素
子２ａ，２ｂには振幅がリニアに減衰する、すなわち包
絡線がリニアに減衰する駆動信号ＡＳ，ＢＳが引き続き
印加されることになる。このため、超音波振動子の基本
弾性体１の伸縮振動波形および屈曲振動波形は自由減衰
せずに、振幅が０になるまで同一周波数を保ったまま減
衰することになる。これにより、伸縮振動波形と屈曲振
動波形との間の位相差は変化せず、それらの振幅が０に
なるまで一定に保持されることになる。この結果、上述
した両振動の合成である楕円振動の回転方向が常に一定
になる。したがって、振動減衰区間における逆推力の発
生が防止され、被駆動体を精度良く位置決めすることが
可能になる。

【００２５】（第２の実施の形態）上記第１の実施の形
態では、超音波振動子の振動減衰区間に相当する期間に
おいて振幅がリニアに徐々に減衰するように制御された
駆動信号ＡＳ，ＢＳを生成し、当該超音波振動子を駆動
するようにした。第２の実施の形態では、振動減衰区間
で振幅がリニアに徐々に減衰するとともに、振動励起区
間でもその立ち上がり部分で振幅がリニアに徐々に増加
するように制御された駆動信号ＡＳ′，ＢＳ′を生成す
る。すなわち、前記振動励起区間の立ち上がり部分にお
いて包絡線がリニアに立ち上がるとともに、前記振動減
衰区間において包絡線がリニアに減衰する特性を有する
バースト波からなる駆動信号ＡＳ′，ＢＳ′を生成す
る。そしてこの駆動信号ＡＳ′，ＢＳ′により超音波振
動子を駆動する。なお、本第２の実施の形態における超
音波モータ駆動回路および超音波振動子の構成は、上記
第１の実施の形態に示したものと同様である。

【００２６】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る
超音波モータ駆動回路および超音波振動子の動作を説明
するための信号波形図である。ゲート信号発生器１３
は、振動励起区間の立ち上がり部分に相当する期間の振
幅特性がリニアに増加しかつ振動減衰区間に相当する期
間の振幅特性がリニアに減衰するゲート信号ＧＳ′を発
生する。そしてこのゲート信号ＧＳ′に応じて、正弦波
ＳＳおよびその移相正弦波ＳＳ′がそれぞれ乗算器１５
ａ、１５ｂでゲート制御される。そして、これらゲート
制御された正弦波がそれぞれ駆動信号ＡＳ′，ＢＳ′と
して超音波振動子の圧電素子へ印加される。

【００２７】このようにして超音波振動子を駆動するこ
とで、振動減衰区間においては振動周波数を一定に保持
したまま振動振幅を減衰させることができるとともに、
振動励起区間の立ち上がり部分においても徐々に振動振
幅を立ち上げることができる。これにより、振幅の大き
な駆動信号を超音波振動子へ印加する場合でも、駆動信
号の振幅変化に正確に追従した振動を励起させることが
可能になる。このため、振動励起開始時から振動減衰終
了時まで振動周波数を一定に保持することができ、上述
した楕円振動の回転方向を常に一定に保ち、被駆動体の
位置決め精度をより一層高めることが可能になる。

【００２８】（第３の実施の形態）図５は、本発明の第
３の実施の形態に係る超音波モータの駆動回路の構成を
示す回路ブロック図である。なお、本第３の実施の形態
における超音波振動子の構成は、上記第１の実施の形態
に示したものと同様である。図５に示す駆動回路は、入
力手段２１、ＣＰＵ２２、出力制御手段２３、Ｄ／Ａコ
ンバータ２４、オペアンプ２５、抵抗２６ａ，２６ｂ、
駆動制御手段２７、インダクタ２８，２９および圧電素
子３０，３１（２ａ，２ｂに相当する）から構成されて
いる。

【００２９】入力手段２１からは、オペレータにより決
定された超音波振動子の振動励起区間の立ち上がり部分
および振動減衰区間に対応する駆動信号の包絡線の形状
が入力される。また、入力手段２１は圧電素子３０，３
１を備える図示しない超音波モータの動作量、移動方向
をＣＰＵ２２へ指示する。ＣＰＵ２２は、入力手段２１
から指示された動作量を基に計算した圧電素子３０，３
１へ印加するバーストパルス数Ｓ１、１バースパルス毎
の印加電圧データ、および後述するバースト基本パルス
発生のスタートに係るトリガ信号Ｓ２を出力制御手段２
３へ転送する。

【００３０】出力制御手段２３は前記包絡線の形状の制
御および前記バースト基本パルス発生の制御を行なうも
のであり、ＣＰＵ２２から転送されてきたバーストパル
ス数Ｓ１および各パルス毎の印加電圧データを内部のレ
ジスタに格納する。また出力制御手段２３は、ＣＰＵ２
２からバースト基本パルス発生スタートのトリガ信号Ｓ
２を受け取ると、４相のバースト基本パルスＰ１〜Ｐ４
を発生する。そして、各バースト基本パルスＰ１〜Ｐ４
を出力する毎に、Ｄ／Ａコンバータ２４へ対応する印加
電圧データＳ３が出力される。印加電圧データＳ３は１
２ビットもあれば充分精密な制御が行なえる。Ｄ／Ａコ
ンバータ２４は入力した１２ビットの印加電圧データＳ
３のＤ／Ａ変換処理を行なう。

【００３１】出力制御手段２３は様々な論理素子やメモ
リーで構成されており、例えばＦＰＧＡなどでワンチッ
プ化されている。Ｄ／Ａコンバータ２４は出力制御手段
２３から入力した印加電圧データ（１２ビットデータ）
Ｓ３をＤ／Ａ変換し、対応する電流を出力する。その電
流はオペアンプ２５でＩ−Ｖ変換され、駆動制御手段２
７へ電圧で印加される。

【００３２】駆動制御手段２７は図示しないトランジス
タや変圧器等から構成されている。駆動制御手段２７
は、出力制御手段２３から入力したバースト基本パルス
Ｐ１〜Ｐ４およびオペアンプ２５から印加された電圧を
基に、圧電素子３０，３１へ印加するバーストパルスか
らなる駆動信号を発生する。インダクタ２８，２９はロ
ーパスフィルタを構成する目的で挿入されており、電気
的容量負荷である圧電素子３０，３１へスイッチングさ
れた電圧の高調波成分が加わり過電流が流れることを防
ぐ。

【００３３】次に、上記のような構成をなす超音波モー
タの駆動回路の動作を説明する。まずオペレータによ
り、入力手段２１から圧電素子３０，３１で構成される
図示しない超音波モータを駆動するためのバーストパル
ス数が入力される。それとともに、入力手段２１から当
該超音波モータの左右の移動方向と、振動励起区間の立
ち上がり部分及び振動減衰区間に対応する駆動信号の包
絡線の形状とが入力される。これら入力手段２１から入
力された各データがＣＰＵ２２へ送信される。

【００３４】ここで、振動励起区間の立ち上がり部分と
振動減衰区間の駆動パルス数は、予め決められている。
なお、これらの区間における包絡線の形状は、予めＣＰ
Ｕ２２にプログラムされている数種類の形状をオペレー
タが入力手段２１を用い選択することにより決定でき
る。また前記包絡線の形状は、オペレータが入力手段２
１で１パルス毎の電圧データを作成することにより決定
することもできる。

【００３５】図６は、上記駆動信号の振動励起区間と振
動減衰区間を示す図である。前述した電圧データの作成
方法として、例えばオペレータが図６に示す振動励起区
間の立ち上がり部分と振動減衰区間の各パルスにアドレ
スを付け、それらアドレスに各々対応した印加電圧の電
圧値を入力手段２１から入力することにより、所望の包
絡線の形状を決定できる。これにより、例えば階段状に
変化する包絡線を設定できる。

【００３６】ＣＰＵ２２は、入力手段２１からの指示に
基づき当該超音波モータの動作量Ｓφに対応したバース
トパルス数を計算する。そして出力制御手段２３へ前記
バーストルパルス数を示す信号Ｓ１が送信される。次に
ＣＰＵ２２は、入力手段２１からの指示に対応した駆動
信号の包絡線の形状に基づき、信号Ｓ１のバーストパル
ス数分、対応する印加電圧データを出力制御手段２３へ
転送する。

【００３７】例えば信号Ｓ１のバーストパルス数を１０
０パルスとすると、出力制御手段２３へ１００個の印加
電圧データが送信される。ここで、上記したようにＤ／
Ａコンバータ２４は１２ビット長のデータを処理するも
のであるので、出力制御手段２３から送信される印加電
圧データも１２ビット長になる。ＣＰＵ２２から送信さ
れたバーストルパルス数Ｓ１と各印加電圧データは、出
力制御手段２３に記憶される。そしてＣＰＵ２２から全
ての印加電圧データが転送されると、出力制御手段２３
へバースト基本パルス発生スタートのトリガ信号Ｓ２が
出力される。出力制御手段２３はトリガ信号Ｓ２を入力
すると、４相のバースト基本パルスＰ１〜Ｐ４を駆動制
御手段２７へ出力する。

【００３８】図７の（ａ）は、前記４相のバースト基本
パルスＰ１〜Ｐ４の波形を示す図である。各バースト基
本パルスＰ１〜Ｐ４信号の周波数は予め決められてお
り、例えば５５．５ＫＨｚとする。従ってこの場合、各
相の一周期は約１８μｓｅｃになる。この一周期が１バ
ーストパルスの周期になる。

【００３９】出力制御手段２３は、バースト基本パルス
Ｐ１〜Ｐ４を１バーストパルス出力するたびに、Ｄ／Ａ
コンバータ２４へ対応する印加電圧データＳ３を出力す
る。Ｄ／Ａコンバータ２４は、入力した印加電圧データ
Ｓ３に対してＤ−Ａ変換を行ない、さらにオペアンプ２
５でＩ−Ｖ変換を行なう。このようにして、印加電圧デ
ータＳ３に対応した印加電圧Ｓ４を駆動制御手段２７へ
印加する。

【００４０】駆動制御手段２７は、出力制御手段２３か
ら入力したバースト基本パルスＰ１〜Ｐ４とオペアンプ
２４から印加された電圧Ｓ４に基づき、ＣＰＵ２２で決
定された包絡線をなすバースト波からなる駆動信号Ａ
Ｓ，ＢＳを生成する。そして前記駆動信号ＡＳ，ＢＳが
それぞれインダクタ２８，２９を介して圧電素子３０、
３１へ印加される。

【００４１】図７の（ｂ）および（ｃ）は駆動制御手段
２７で生成される駆動信号に係る図である。駆動制御手
段２７では、出力制御手段２３から入力したバースト基
本パルスＰ１とＰ２，Ｐ３とＰ４を各々ペアとし、図示
しないトランジスタ及び変圧器を用いて駆動信号ＡＳ，
ＢＳが作成される。図７の（ｂ）に示すように、バース
ト基本パルスＰ１とＰ２から駆動信号ＡＳが作成されて
おり、図７の（ｃ）に示すように、バースト基本パルス
Ｐ３とＰ４から駆動信号ＢＳが作成されている。

【００４２】上述したような動作手順により、例えば駆
動制御手段２７にオペアンプ２５から図８の（ａ）に示
すような印加電圧Ｓ４が印加されると、図８の（ｂ）お
よび（ｃ）に示すようなバースト波からなる駆動信号Ｓ
Ａ、ＳＢが、それぞれ圧電素子３０、３１へ出力され
る。また、ＣＰＵ２２から転送される印加電圧のパラメ
ータにより、例えば図９の（ａ）に示すような印加電圧
Ｓ４が印加されると、図９の（ｂ）および（ｃ）に示す
ようなバースト波なる駆動信号ＳＡ、ＳＢが、それぞれ
圧電素子３０，３１へ出力される。

【００４３】前述したような印加電圧のパラメータの活
用は、駆動信号の振動励起区間では比較的急速に印加電
圧を上げても特に問題はないものの、振動減衰区間では
充分時間をかけて圧電素子への印加電圧を減衰し、弾性
体の伸縮振動及び屈曲振動の位相関係を保たなければな
らない超音波モータなどに有効である。

【００４４】また、本第３の実施の形態に示した超音波
モータおよびその駆動回路を顕微鏡下で細胞を操作する
マニピュレーターに応用したとする。この場合、オペレ
ータは該マニピュレーターの操作針の動きを見ながら、
入力手段２１で最適な包絡線の形状を決定することによ
り該操作針を滑らかに動かすことが実現でき、快適なマ
ニピュレーションを行なえる。

【００４５】以上のように超音波モータを駆動すること
で、上記第１および第２の実施の形態と同様に、駆動信
号の振動励起開始時から振動減衰終了時まで振動周波数
を一定に保持することができる。これにより、圧電素子
の楕円振動の回転方向を常に一定に保つことができ、被
駆動体の位置決め精度をより一層高めることができる。
また、駆動信号のなす包絡線の形状を自由に変更可能な
ため、超音波モータ個々の特性に合せた最適な駆動信
号、例えば弾性体の振動減衰区間において包絡線が階段
状に変化する減衰特性を有するバースト波からなる駆動
信号を作成し、発生することができる。

【００４６】なお、本発明は上記各実施の形態に限定さ
れず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施でき
る。 （変形例） (1) 上記第３の実施の形態の変形例の一つとして、図１
０に駆動回路の構成を示す。なお、上記第３実施例と同
様の構成要素については説明を省略する。入力手段３２
から超音波モータを駆動するためのバーストパルス数及
び移動方向が入力されると、出力制御手段３３にそれら
のデータが送信される。出力制御手段３３には一種類の
駆動信号の包絡線の形状に関するデータが格納されてお
り、出力制御手段３３は入力手段３２からの指示により
超音波モータを駆動する。図１０に示す駆動回路は、複
数の包絡線の形状を必要としない場合に適しており、図
５に示した駆動回路と比べてＣＰＵを用いなくてもすむ
ので、より一層安価に回路を構成することができる。 (2) 上記各実施の形態では、駆動信号の振動減衰区間や
立上がり区間の振幅をリニアに変化させるようにした
が、リニアに限らず余弦形状や二次元曲線形状をなすよ
う、非線形に変化させてもよい。これにより、例えば振
動の包絡線形状の１階微分または２階微分が連続するよ
うにすることで、振動減衰時や立上がり時の動作をさら
に円滑なものにすることができ、被駆動体の位置決め精
度をより一層高めることが可能になる。 (3) さらに、振動励起区間および振動減衰区間でバース
ト波からなる駆動信号に緩やかな傾きを持った包絡線を
持たせることで、圧電素子に印加される電圧の変化が緩
やかになる。これにより、圧電素子の急激な形状変化に
起因する弾性体のインパルス的な振動を抑えることがで
きる。この結果、動作音の高周波成分が減少し、オペレ
ータへの耳障りな感触を抑制できる。 (4) その他、超音波モータの構造や駆動信号発生回路の
構成、駆動信号の信号波形等も、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で適宜変形して実施できる。

【００４７】（実施の形態のまとめ） ［１］本発明の超音波モータは、圧電素子２ａ，２ｂを
駆動源として、直方体形状をなす弾性体（１）にその長
手方向に沿った伸縮振動および前記弾性体（１）の長手
方向に伝播する屈曲振動をそれぞれ発生させる超音波モ
ータにおいて、前記弾性体（１）の振動減衰区間におい
て包絡線が減衰特性を有するバースト波からなる駆動信
号を発生して前記圧電素子２ａ，２ｂへ印加するための
駆動回路を備えている。

【００４８】このように上記超音波モータによれば、弾
性体（１）の振動減衰区間において包絡線が減衰特性を
有するバースト波からなる駆動信号を発生し圧電素子２
ａ，２ｂへ印加するので、振動励起区間終了後において
も、超音波振動子の圧電素子２ａ，２ｂには振幅が減衰
する駆動信号が引き続き印加されることになる。このた
め、前記弾性体（１）の伸縮振動波形および屈曲振動波
形は自由減衰せず、振幅が零になるまで同一周波数を保
ったまま減衰することになる。したがって、伸縮振動波
形と屈曲振動波形との間の位相差は変化せず振幅が零に
なるまで一定に保たれることになる。この結果、伸縮振
動と屈曲振動の合成である楕円振動の回転方向は一定と
なり、前記振動減衰区間における被駆動体への逆推力の
発生が防止される。これにより前記被駆動体の位置決め
精度を高めることが可能になる。 ［２］本発明の超音波モータは、圧電素子２ａ，２ｂを
駆動源として、直方体形状をなす弾性体（１）にその長
手方向に沿った伸縮振動および前記弾性体の長手方向に
伝播する屈曲振動をそれぞれ発生させる超音波モータに
おいて、前記弾性体（１）の振動減衰区間において包絡
線がリニアに変化する減衰特性を有するバースト波から
なる駆動信号を発生して前記圧電素子２ａ，２ｂへ印加
するための駆動回路を備えている。

【００４９】このように上記超音波モータによれば、弾
性体（１）の振動減衰区間において包絡線がリニアに変
化する減衰特性を有するバースト波からなる駆動信号を
発生して前記圧電素子２ａ，２ｂへ印加するので、振動
励起区間終了後においても、超音波振動子の圧電素子２
ａ，２ｂには振幅がリニアに減衰する駆動信号が引き続
き印加されることになる。このため、前記弾性体（１）
の伸縮振動波形および屈曲振動波形は自由減衰せず、振
幅が零になるまで同一周波数を保ったまま減衰すること
になる。したがって、伸縮振動波形と屈曲振動波形との
間の位相差は変化せず振幅が零になるまで一定に保たれ
ることになる。この結果、伸縮振動と屈曲振動の合成で
ある楕円振動の回転方向は一定となり、前記振動減衰区
間における被駆動体への逆推力の発生は防止される。こ
れにより前記被駆動体の位置決め精度を高めることが可
能になる。 ［３］本発明の超音波モータは、圧電素子２ａ，２ｂを
駆動源として、直方体形状をなす弾性体（１）にその長
手方向に沿った伸縮振動および前記弾性体の長手方向に
伝播する屈曲振動をそれぞれ発生させる超音波モータに
おいて、前記弾性体（１）の振動減衰区間において包絡
線が階段状に変化する減衰特性を有するバースト波から
なる駆動信号を発生して前記圧電素子２ａ，２ｂへ印加
するための駆動回路を備えている。

【００５０】このように上記超音波モータによれば、弾
性体（１）の振動減衰区間において包絡線が階段状に変
化する減衰特性を有するバースト波からなる駆動信号を
発生して前記圧電素子２ａ，２ｂへ印加するので、振動
励起区間終了後においても、超音波振動子の圧電素子２
ａ，２ｂには振幅が階段状に減衰する駆動信号が引き続
き印加されることになる。このため、前記弾性体（１）
の伸縮振動波形および屈曲振動波形は自由減衰せず、振
幅が零になるまで同一周波数を保ったまま減衰すること
になる。したがって、伸縮振動波形と屈曲振動波形との
間の位相差は変化せず振幅が零になるまで一定に保たれ
ることになる。この結果、伸縮振動と屈曲振動の合成で
ある楕円振動の回転方向は一定となり、前記振動減衰区
間における被駆動体への逆推力の発生は防止される。こ
れにより前記被駆動体の位置決め精度を高めることが可
能になる。 ［４］本発明の超音波モータは、圧電素子２ａ，２ｂを
駆動源として、直方体形状をなす弾性体（１）にその長
手方向に沿った伸縮振動および前記弾性体の長手方向に
伝播する屈曲振動をそれぞれ発生させる超音波モータに
おいて、前記弾性体（１）の振動減衰区間の所定箇所に
おいて包絡線が一回のみ所定量減衰する減衰特性を有す
るバースト波からなる駆動信号を発生して前記圧電素子
２ａ，２ｂへ印加するための駆動回路を備えている。

【００５１】このように上記超音波モータによれば、弾
性体（１）の振動減衰区間の所定箇所において包絡線が
一回のみ所定量減衰する減衰特性を有するバースト波か
らなる駆動信号を発生して前記圧電素子２ａ，２ｂへ印
加するので、前記駆動信号の振幅が前記所定量立ち下が
ることにより、当該超音波モータの駆動を本来の減衰区
間によらず早く停止させることが可能になる。 ［５］本発明の超音波モータは上記［１］に記載のモー
タであって、かつ前記駆動回路は、前記弾性体（１）の
振動励起区間の立ち上がり部分において包絡線がリニア
に立ち上がるとともに、前記弾性体（１）の振動減衰区
間において包絡線がリニアに減衰する特性を有するバー
スト波からなる駆動信号を発生して、前記圧電素子２
ａ，２ｂへ印加する。

【００５２】このように上記超音波モータによれば、弾
性体（１）の振動励起区間の立ち上がり部分において包
絡線がリニアに立ち上がるとともに、前記弾性体（１）
の振動減衰区間において包絡線がリニアに減衰する特性
を有するバースト波からなる駆動信号を発生して、前記
圧電素子２ａ，２ｂへ印加するので、振幅の大きな駆動
信号を入力した場合でも該駆動信号に正確に追従した振
動を発生させることが可能になる。このため、駆動開始
時から減衰終了時まで振動周波数を一定に保持すること
ができる。これにより楕円振動の回転方向を常に一定に
保ち、被駆動体の位置決精度をより一層高めることが可
能になる。 ［６］本発明の超音波モータは上記［１］乃至［３］ま
たは［５］のいずれかに記載のモータであって、かつ前
記駆動回路は、前記バースト波の包絡線が減衰特性を示
す期間が前記弾性体（１）の伸縮振動および屈曲振動の
自由減衰期間よりも長く、かつ前記包絡線が減衰特性を
示す期間における前記バースト波の振幅が前記自由減衰
期間の対応する振幅以上になるような駆動信号を印加す
る。

【００５３】したがって上記超音波モータによれば、前
記駆動信号のリニアな減衰を確実に行なうことを促進で
きる。 ［７］本発明の超音波モータは上記［１］乃至［４］の
いずれかに記載のモータであって、かつ前記駆動回路
は、前記駆動信号を前記バースト波の振幅が所定量以下
になるまで前記圧電素子２ａ，２ｂへ印加する。

【００５４】このように上記超音波モータによれば、駆
動信号を前記圧電素子２ａ，２ｂへ印加する期間は、前
記駆動信号の振幅が所定量以下になるまでとしたので、
前記振幅が当該超音波モータの駆動に要する振幅以下の
所定量になるまで前記駆動信号を印加することが可能に
なる。 ［８］本発明の超音波モータは上記［１］乃至［７］の
いずれかに記載のモータであって、かつ前記バースト波
のなす包絡線の形状を設定する入力手段２１を備え、前
記駆動回路は、前記入力手段２１で設定された包絡線を
なすバースト波からなる駆動信号を発生する。

【００５５】したがって上記超音波モータによれば、オ
ペレータは超音波モータ個々の特性に合せた最適な駆動
信号を任意に作成することができる。 ［９］本発明の超音波モータ駆動方法は、圧電素子２
ａ，２ｂを駆動して直方体形状の弾性体（１）の長手方
向に沿った伸縮振動および前記弾性体（１）の長手方向
に伝播する屈曲振動を発生する超音波モータの駆動方法
において、前記圧電素子２ａ，２ｂにバースト波からな
る駆動信号を印加して前記弾性体（１）を励起振動さ
せ、この励起振動の終了後の振動減衰区間においては包
絡線が減衰特性を有するバースト波からなる駆動信号に
より駆動するようにしている。したがって上記超音波モ
ータ駆動方法によれば、上記［１］と同様の作用を奏す
る。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、楕円振動の減衰区間に
おいて逆推力を発生させないことにより、被駆動体の位
置決め精度の向上を図る超音波モータ及びその駆動方法
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る超音波モータ
における超音波振動子の構造を示す斜視図。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る超音波モータ
の駆動回路の構成を示す回路ブロック図。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る超音波モータ
駆動回路および超音波振動子の動作を説明するための信
号波形図。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る超音波モータ
駆動回路および超音波振動子の動作を説明するための信
号波形図。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る超音波モータ
の駆動回路の構成を示す回路ブロック図。

【図６】本発明の第３の実施の形態に係る駆動信号の振
動励起区間と振動減衰区間を示す図。

【図７】本発明の第３の実施の形態に係る図であり、
（ａ）は４相のバースト基本パルスの波形を示す図、
（ｂ）（ｃ）は駆動制御手段２７で生成される駆動信号
に係る図。

【図８】本発明の第３の実施の形態に係る図であり、
（ａ）は印加電圧、（ｂ）（ｃ）は駆動信号を示す図。

【図９】本発明の第３の実施の形態に係る図であり、
（ａ）は印加電圧、（ｂ）（ｃ）は駆動信号を示す図。

【図１０】本発明の第３の実施の形態の変形例に係る図
であり、駆動回路の構成を示す図。

【図１１】従来例に係る、超音波リニアモータにおける
超音波振動子の構造を示す斜視図。

【図１２】従来例に係る、超音波振動子の伸縮振動動作
を模式的に示した図。

【図１３】従来例に係る、超音波振動子の屈曲振動動作
を模式的に示した図。

【図１４】従来例に係る、超音波モータの駆動方法を説
明するための信号波形の例を示した図であり、（ａ）は
駆動信号を示した図、（ｂ）は伸縮振動および屈曲振動
の信号波形を示した図。

【図１５】従来例に係る、超音波振動子による伸縮振動
と屈曲振動との振動変位の合成を示す図。

【図１６】従来例に係る、超音波振動子の楕円振動の回
転方向を示す図。

【図１７】従来例に係る、超音波振動子の楕円振動の振
幅が変形した例を示す図。

【符号の説明】

１…基本弾性体、 ２ａ，２ｂ…圧電素
子、３…摺動部材、 ４…保持用弾性
体、１１…正弦波発振器、 １２…移相器、１
３…ゲート信号発生器、 １４…トリガ信号発生
器、１５ａ，１５ｂ…乗算器、 １６…制御回路Ｓ
Ｓ…正弦波、 ＳＳ′…正弦波、ＧＳ…
ゲート信号、 ＡＳ…駆動信号、ＢＳ…駆動
信号、 ＧＳ′…ゲート信号、ＡＳ′…駆
動信号、 ＢＳ′…駆動信号、２１…入力手
段、 ２２…ＣＰＵ、２３…出力制御手
段、 ２４…Ｄ／Ａコンバータ、２５…オペア
ンプ２５、 ２６ａ，２６ｂ…抵抗、２７…駆動
制御手段、 ２８…インダクタ、２９…インダ
クタ、 ３０…圧電素子、３１…圧電素子、
３２…入力手段、３３…出力制御手段、
Ｓ１…バーストパルス数、Ｓ２…トリガ信
号、 Ｓ３…印加電圧データ、Ｓ４…印加電
圧、 Ｐ１〜Ｐ４…バースト基本パルス。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電素子を駆動源として、直方体形状をな
   す弾性体にその長手方向に沿った伸縮振動および前記弾
   性体の長手方向に伝播する屈曲振動をそれぞれ発生させ
   る超音波モータにおいて、 前記弾性体の振動減衰区間において包絡線が減衰特性を
   有するバースト波からなる駆動信号を発生して前記圧電
   素子へ印加するための駆動回路を具備したことを特徴と
   する超音波モータ。
2. 【請求項２】圧電素子を駆動源として、直方体形状をな
   す弾性体にその長手方向に沿った伸縮振動および前記弾
   性体の長手方向に伝播する屈曲振動をそれぞれ発生させ
   る超音波モータにおいて、 前記弾性体の振動減衰区間において包絡線がリニアに変
   化する減衰特性を有するバースト波からなる駆動信号を
   発生して前記圧電素子へ印加するための駆動回路を具備
   したことを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】圧電素子を駆動源として、直方体形状をな
   す弾性体にその長手方向に沿った伸縮振動および前記弾
   性体の長手方向に伝播する屈曲振動をそれぞれ発生させ
   る超音波モータにおいて、 前記弾性体の振動減衰区間において包絡線が階段状に変
   化する減衰特性を有するバースト波からなる駆動信号を
   発生して前記圧電素子へ印加するための駆動回路を具備
   したことを特徴とする超音波モータ。
4. 【請求項４】圧電素子を駆動して直方体形状の弾性体の
   長手方向に沿った伸縮振動および前記弾性体の長手方向
   に伝播する屈曲振動を発生する超音波モータの駆動方法
   において、 前記圧電素子にバースト波からなる駆動信号を印加して
   前記弾性体を励起振動させ、この励起振動の終了後の振
   動減衰区間においては包絡線が減衰特性を有するバース
   ト波からなる駆動信号により駆動するようにした超音波
   モータ駆動方法。