JPH09285150A - 超音波モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサー等を用いることなく圧電素子の共振
周波数を検出し、超音波モータを効率よく駆動すること
が可能な超音波モータの駆動装置を提供する。 【解決手段】 超音波モータ２６の起動時に、可変発振
器制御回路１２，可変発振器１３が電極２６ａと電極２
６ｂ間あるいは電極２６ａと電極２６ｃ間に周波数掃引
信号を供給する。このとき、検波回路１７が、電極２６
ｂと電極２６ｃの内、掃引信号が供給されていない方の
電極からの出力電圧をモニターし、比較回路２２が、そ
の電圧と基準レベルを比較し、可変発振器制御回路に周
波数掃引を停止させる。そして、その後は一定の周波数
で超音波モータを駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体を用いて駆
動力を発生する超音波モータの駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より弾性体に接合した圧電素子に駆
動信号を印加することによって弾性振動を励振し、この
振動を駆動力として移動体を押圧駆動することにより、
移動体を回転または直線運動させるようにした超音波モ
ータ（例えば、特開平１−１３６５７７号公報）やその
駆動方法（例えば、特開平１−１４８０８０号公報，特
開平３−５６０７９号公報）が知られている。

【０００３】以下この超音波モータの概要について説明
を行う。

【０００４】図８は、特開平１−１３６５７７号公報に
記載された超音波モータのステータの構成を示す図であ
る。図８において、超音波モータのステータは断面角形
の第１、第２の弾性体１、２で長手方向にずれモードの
振動を生じさせるｄ₁₃効果圧電素子４、５を両側から挟
み込んだ一体構造になっている。第１の弾性体１の上面
に一体に形成されている２つの駆動子３ａ、３ｂは、弾
性体１の振動時の２つの腹部分の中央部にそれぞれ位置
している。第２の弾性体２の下面には、屈曲モード用す
なわちｄ₃₁効果圧電素子７ａ、７ｂ、９ａ、及び９ｂが
第２の弾性体２の振動時の腹部分の４カ所に接合されて
いる。そして、各圧電素子からは接続リード６、８、１
０が導出されており、弾性体１、２にはアース端子Ｅが
接続されている。以上のような構成において、圧電素子
４、５と７ａ、７ｂ、または、圧電素子４、５と９ａ、
９ｂの各電極に交流駆動信号を供給すると、縦Ｙ方向に
は圧電素子７ａ、７ｂもしくは９ａ、９ｂにより屈曲振
動を起こし、同時に圧電素子４、５により長手Ｘ方向に
厚みずれ振動が発生する。これら両者が複合してステー
タは共振振動を行い、駆動子３ａ、３ｂに押圧されてい
る図示しない移動体を、この駆動子３ａ、３ｂが右上方
向もしくは、左上方向に蹴り出すことになり、移動体は
左右方向に移動される。そして、本構成のような超音波
モータにおいては、移動体の移動方向は圧電素子７ａ、
７ｂ、つまり、接続リード８に駆動信号を供給するか、
あるいは圧電素子９ａ、９ｂ、つまり、接続リード１０
に駆動信号を供給するかによって切り換える。

【０００５】ところで、超音波モータを効率よく駆動す
るには、圧電素子に供給する駆動信号の周波数を圧電素
子の共振周波数近傍となるように設定する必要がある。
そのため、従来より駆動周波数を圧電素子の共振周波数
近傍に設定する種々の方法が提案されている。

【０００６】図９は、特開平１−１４８０８０号公報に
記載された超音波モータの制御装置の構成ブロック図を
示している。また、図１０は超音波モータの等価回路を
示す図である。

【０００７】まず、図１０に示した超音波モータについ
て説明する。超音波モータは、振動体の電気的な静電容
量Ｃ₀と、振動体のコンプライアンスに相当するＣ₁と、
振動体の質量を示すＬ₁と、機械的な損失に相当するＲ₁
とで表される。ここで、Ｃ₁、Ｌ₁、Ｒ₁で構成された回
路は、振動等の機械的動作に関係するものであり、機械
腕と呼ぶこととする、また、圧電素子に供給される電流
Ｉのうちこの機械腕に流れる電流Ｉｍを機械腕電流と呼
ぶこととする。

【０００８】図９に示した超音波モータの制御装置は、
この機械腕電流Ｉｍより振動子の振動振幅を検出するも
のである。図９において、１２は可変発振器１３の発振
周波数を制御する可変発振器制御回路であり、１３は入
力される電圧値により出力周波数が決まる可変発振器、
１４は可変発振器１３の出力から９０°位相の異なった
２つの信号を発生させる９０°移相回路、１５ａ、１５
ｂはこの９０°位相の異なった信号を超音波モータ１１
を駆動するのに必要な電圧レベルまで増幅する電圧増幅
回路、１６は機械腕電流を検出する機械腕電流検出器、
１７は周波信号である機械腕電流検出器１６の出力を直
流電圧に変換するための検波回路、１８は検波回路１７
の出力と設定機械腕電流値に相当する機械腕電流基準値
Ｖ_irとを比較しその差に応じた誤差信号を出力する比較
回路、１９は比較回路１８の出力を監視するレベル検出
回路である。

【０００９】図１１は上記の機械腕電流の検出方法を説
明する図である。電圧増幅回路１５ａ，ｂの出力はトラ
ンス２０を介して超音波モータの圧電素子に印加され
る。トランス２０の２次側にはコンデンサＣ₀’、抵抗
（図示していない）及びその両端にかかる電圧を増幅す
る増幅器より構成される機械腕電流検出器１６が接続さ
れている。ここで、コンデンサＣ₀’を先の図１０で示
される超音波モータの等価回路における振動体の電気的
な静電容量Ｃ₀と等しくなるように設定すると、 Ｉｍ≒Ｉ_R0（但し、Ｉ_R0は抵抗に流れる電流） と近似できる。

【００１０】この超音波モータ制御装置では、以上のよ
うにして求めた機械腕電流の近似値を元にして駆動の周
波数を決定する。つまり、超音波モータ起動時に可変発
振器制御回路１２が、可変発振器１３に入力する電圧を
変化させて可変発振器１３の発振周波数を掃引する。そ
して、機械腕電流の出力が機械腕電流基準値に達すると
掃引を停止し、その停止時点での周波数を駆動の周波数
とする。

【００１１】また、特開平３−５６０７９号公報に記載
の超音波モータ駆動装置では、圧電振動体の振幅の大き
さをセンシングするセンサーを圧電振動体に取り付け、
先に説明した特開平１−１４８０８０号公報に記載され
た超音波モータの制御装置の場合と同様に、駆動周波数
を掃引する。そして、センサー出力をモニターし、出力
が最大変位となる周波数を初期値として設定することに
より、駆動信号の周波数が共振周波数近傍となるように
設定する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような超音波モータの駆動方法においては以下に示す
ような問題がある。

【００１３】すなわち、特開平１−１４８０８０号公報
に記載の駆動方法では、機械腕電流Ｉｍを検出するため
に、新たに機械腕電流検出手段１６を設ける必要がある
ため、コストの上昇につながる。また、超音波モータの
静電容量Ｃ₀に全く等しくコンデンサＣ₀’の値を設定す
るのは困難であるため、この機械腕電流の検出値には誤
差が含まれる。また、仮にこの値が超音波モータの静電
容量に全く等しく設定されたとしても、この機械腕電流
検出手段１６で検出されるのは、機械腕電流Ｉｍの近似
値であり、圧電素子の実際の変位とは必ずしも一致しな
い。このため、最適な駆動周波数を決定することも不可
能である。

【００１４】一方、特開平３−５６０７９号公報に記載
の駆動方法では、圧電素子の変位を検出するため、最大
変位における駆動周波数を決定することが可能である
が、変位センサーを別途設ける必要があり、コストの上
昇が避けられない。また、変位センサーの取り付け位置
が必要となるため、圧電素子ひいては装置全体の小型化
の障害になるという問題がある。

【００１５】本発明はかかる点に鑑みなされたものであ
り、コストの上昇を招くセンサー等を用いることなく、
常に超音波モータを効率よく駆動することが可能な超音
波モータの駆動装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
モータの駆動装置は、複数の圧電素子と圧電素子に接合
した振動子を有し、複数の圧電素子に駆動信号を印加し
て振動子に弾性振動を励振することにより、振動子に接
触して設置された移動体を移動させる超音波モータの駆
動装置において、超音波モータの起動時に、複数の圧電
素子の一部に、周波数を掃引した掃引信号を供給する周
波数掃引手段と、超音波モータの起動時に、掃引信号の
供給されていない圧電素子の変位に伴う逆起電圧を検出
する検出手段と、逆起電圧に基づいて、超音波モータの
駆動信号周波数を設定する設定手段と、を有してなるも
のである。

【００１７】請求項２に記載の超音波モータの駆動装置
は、請求項１に記載の超音波モータの駆動装置におい
て、複数の圧電素子が、少なくとも、第１の方向に移動
体を移動させる第１の圧電素子と、第２の方向に移動体
を移動させる第２の圧電素子とからなり、検出手段が、
周波数掃引手段が第１の圧電素子に掃引信号を供給した
ときに、第２の圧電素子の逆起電圧を検出するよう設定
されてなるものである。

【００１８】請求項３に記載の超音波モータの駆動装置
は、請求項１または請求項２に記載の超音波モータの駆
動装置において、設定手段が、逆起電圧が所定値を越え
たときの掃引信号の周波数を駆動信号周波数とするもの
である。

【００１９】請求項４に記載の超音波モータの駆動装置
は、請求項３に記載の超音波モータの駆動装置におい
て、掃引手段が、掃引信号の周波数を高い方から低いほ
うへ掃引するものである。

【００２０】以下に本発明の作用を説明する。

【００２１】請求項１に記載の超音波モータの駆動装置
では、掃引手段が掃引信号を供給した圧電素子以外の圧
電素子の逆起電圧を検出する。この駆動装置では、逆起
電圧が圧電素子の変位に比例することを利用して圧電素
子の共振周波数を検知し、その共振周波数近傍の周波数
の駆動信号で超音波モータを駆動する。したがって、変
位センサーを設けることなく、移動体を移動させるため
に設けられた圧電素子からの信号のみで、共振周波数を
検出することができ、装置の小型化やコストダウンを実
現できる。

【００２２】請求項２に記載の超音波モータの駆動装置
では、周波数掃引手段が第１の圧電素子に掃引信号を供
給したときに、通常第１の圧電素子とは別の接続線と接
続される第２の圧電素子の逆起電圧を検出する。このた
め、共振周波数の検出のための回路構成が容易となる。

【００２３】請求項３に記載の超音波モータの駆動装置
によれば、掃引信号の周波数が圧電素子の共振周波数の
近傍になったことの判定を容易に行うことができる。

【００２４】請求項４に記載の超音波モータの駆動装置
によれば、駆動信号の周波数は常に共振周波数と同一あ
るいは共振周波数よりも高めの周波数となる。このた
め、超音波モータの駆動を安定に行うことができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明を行う。

【００２６】図１は、本発明の超音波モータの駆動装置
のブロック図を示している。なお、本実施の形態の説明
において、従来例のブロックと同一の働きをなすブロッ
クには同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

【００２７】図１において、２６は、印加する電極を選
択することにより移動体の移動方向を切り換える超音波
モータである。この超音波モータ２６では、スイッチ手
段２４、２５がどちらか一方をＯＮにし、もう一方をＯ
ＦＦにすることにより、圧電体の電極２６ａと電極２６
ｂとの間（第１の圧電素子）、あるいは電極２６ａと電
極２６ｃとの間（第２の圧電素子）のどちらかのみに駆
動信号を印加する構成となっており、これにより、移動
体の移動方向を切り換える。尚、図１においては、超音
波モータ２６を模式的に示したものであり、詳しくは、
例えば図８に示したもののような構成になっている。

【００２８】２１はマイクロコンピュータ２３の制御信
号により、駆動信号が印加されていない側の電極の出力
を選択し、検波回路１７に出力する切り換え回路であ
る。検波回路１７は、切り換え回路２１で選択された、
駆動信号が印加されていない電極（モニター電極とす
る）の出力を（モニター電極の出力を以下モニター信号
とする）入力とし、周波信号であるモニター信号を直流
信号に変換する。

【００２９】図２は、この検波回路１７の構成例を示し
たものであり、図中の２０１はＯＰアンプである。この
検波回路１７はピーク検出回路の構成となっており、本
構成によれば切り換え回路２１からの入力であるモニタ
ー信号のピーク値が検出でき、周波信号であるモニター
信号をその信号レベルに応じた直流信号に変換できる。

【００３０】２２は比較回路であり、切り換え回路２１
からの入力であるモニター信号に応じた直流信号と、予
め設定してある基準レベルＶｒとを比較し、その比較結
果を可変発振器制御回路１２とマイクロコンピュータ２
３に出力する。

【００３１】図３は、この比較回路２２の構成例を示し
たものである。図中の３０１はコンパレータであり、抵
抗Ｒ₁、Ｒ₂で任意に設定される基準レベルＶｒと検波回
路１７の出力であるモニター信号に応じた直流信号とを
比較し、基準レベルＶｒに達すると可変発振器制御回路
１２に掃引停止信号を出力して、駆動信号の周波数掃引
を停止させる。このように、比較回路２２はその比較結
果を可変発振器制御回路１２にその比較結果を出力し、
モニター信号が基準信号より小さい場合は可変発振器１
３の発振周波数を変化させ続け、モニター信号が基準レ
ベルに達すると可変発振器の周波数を一定とするように
制御する。

【００３２】マイクロコンピュータ２３は、駆動信号を
印加する電極を選択しスイッチ回路２４、２５を切り換
えるとともに、切り換え回路２１に同時に制御信号を出
力し、選択されていない側の電極（モニター電極）の出
力（モニター信号）を検波回路１７に供給する。

【００３３】本実施の形態の超音波モータは上記のよう
な構成となっている。以下に、この超音波モータにおい
て、駆動信号の周波数掃引を停止させ最適な周波数を決
定する方法を説明する。

【００３４】超音波モータにおいては、駆動信号を印加
していない側（非駆動側）の圧電素子の電極（以下、モ
ニター電極と記す）からの出力が、駆動信号を印加した
側（駆動側）の圧電素子の変位により変化する。これ
は、非駆動側の圧電素子が駆動側の圧電素子からの弾性
波により変位して、その変位に応じた量の逆起電圧が非
駆動側の電極に生じるからである。本発明の超音波モー
タの駆動方法はこの点に注目したものである。

【００３５】図８の構造の超音波モータを用いて、具体
的に説明する。まず、仮に接続リード８の側に駆動信号
を印加したとすると、弾性体２に弾性波が現れる。圧電
素子９ａ、９ｂには駆動信号を供給していないが、この
圧電素子９ａ、９ｂは弾性体２の振動の腹部分に配置し
ているため、接続リード８に印加した駆動信号のために
現れる弾性波のために変位し、その変位に応じた量の逆
起電圧が接続リード１０に現れる。弾性体２の変位は、
共振周波数に等しい周波数の駆動周波数において最大と
なるので、接続リード１０（上記のモニター電極に相
当）に現れる逆起電圧の出力はその共振周波数で極大と
なる。

【００３６】図４は、その逆起電圧力（モニター電極の
出力振幅）と、駆動信号の周波数との関係を示した図で
ある。ここで、圧電素子の共振周波数をｆ₀とすると、
図４に示すように、モニター電極の出力は、ｆ₀近傍で
急激に大きくなり、極大値をもつ。

【００３７】従って、モニター電極に現れる逆起電圧の
振幅のレベルを監視し、そのレベルがある一定のレベル
以上（図４中のＶｒ）になるように駆動信号の周波数を
決定してやれば、駆動の周波数は共振周波数近傍の周波
数を得ることができる。本実施の形態の超音波モータの
駆動装置では、この方法を用いて、超音波モータを圧電
素子の共振周波数近傍の周波数で駆動する。このため、
効率よく超音波モータを駆動することができる。

【００３８】続いて、本実施の形態の超音波モータの駆
動装置の具体的な動作を説明する。図５は、その動作を
説明するフロー図である。

【００３９】電源投入時等の初期状態において図１中の
マイクロコンピュータ２３は駆動信号の周波数を決定す
る動作を行うよう指示を出す。まず、ステップＳ１で
は、モニター電極とする側の電極を決定して、切り換え
回路２１、スイッチ回路２４、２５を切り換えて、検波
回路１７にモニター電極の出力が入力されるように初期
設定する。

【００４０】続いて、ステップＳ２において駆動信号の
周波数掃引が行われる。図６は、この周波数掃引の動作
を説明する図である。図６（ａ）に示すように、まず、
マイクロコンピュータ２３が可変発振器制御回路１２に
掃引開始信号Ｓａを出力する。すると、可変発振器制御
回路１２が、図６（ｂ）に示すような可変発振器制御信
号Ｓｂを可変発振器１３に出力する。可変発振器１３
は、この可変発振器制御信号Ｓｂの電圧値に応じた周波
数の信号を電力増幅回路１５に出力し、圧電素子を駆動
する。

【００４１】そして、ステップＳ３において、モニター
電極の出力を検波回路１７によってレベルに応じた直流
信号としたモニター信号に変換し、比較回路２２でその
レベルを監視する。このレベルが予め定めておいた基準
電圧Ｖｒ（図４参照）に達しない間は、ステップＳ２に
戻って駆動信号の周波数掃引を継続する。モニター信号
のレベルが基準電圧Ｖｒに達すると、図６（ｃ）に示す
ような掃引停止信号Ｓｃが比較回路２２より可変発振器
制御回路１２に出力されて、可変発振器制御信号は一定
値をとる。このため可変発振器１３の出力周波数は一定
値に固定される。また、掃引停止信号Ｓｃはマイクロコ
ンピュータ２３にも出力され、マイクロコンピュータ２
３は掃引動作が終了したことを検知する。

【００４２】比較回路２２でモニター信号と比較される
基準出力Ｖｒは、図４で示したようにモニター電極の逆
起電圧の極大値より決定される値であり、予め装置出荷
時等に、逆起電圧のレベルを測定して設定しておくとよ
い。

【００４３】また、図７は、予めモニター電極とする電
極（図７における２６ｃ）を決定しておくような構成と
した、別の駆動装置の構成を示す図である。図１では電
極２６ｂ、ｃの両者をモニター電極とできるような構成
としているが、予めモニター電極とする側の電極を決定
しておけば、切り換え回路２１を省略することが可能と
なる。また、図５のフロー図におけるステップＳ１を省
略できるため、より簡略な構成及び方法でもって駆動信
号の周波数を決定することができる。

【００４４】ところで、超音波モータの駆動を、圧電素
子の共振周波数ｆ₀よりも高く、かつ、反共振周波数よ
りは低い周波数で行うと、共振周波数ｆ₀で駆動する場
合よりも多少効率は落ちるが、より安定した駆動を行う
ことが可能となる。このため、駆動信号の周波数の掃引
においては、図４に示すようにｆ₀よりも高い周波数ｆ₂
から掃引を開始し、周波数を徐々に低くしていき、基準
レベルＶｒをモニター信号が越えた周波数ｆ₁において
掃引を停止してやることで、常に共振周波数ｆ₀より高
い周波数ｆ₁を検出することが可能となるため安定した
駆動を行うことができる。

【００４５】以上のように、本実施例に示される超音波
モータの駆動方法及び駆動装置によれば圧電素子の変位
を直接測定することが可能であるため、最適な周波数で
超音波モータを駆動でき効率のよい駆動をすることがで
きる。かつ、圧電素子の変位を測定するのに新たに変位
センサーを設けるのではなく、駆動していない側の圧電
素子の電極をモニター電極とするため、装置のコストの
上昇を抑えることができ、さらに装置の小型化にも好適
な超音波モータを得ることができる。

【００４６】また、周波数の掃引を圧電素子の共振周波
数より高い周波数から開始することにより、掃引を停止
する駆動周波数が常に共振周波数より高く設定すること
ができるので、安定した駆動を行うことができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、最
適な周波数で効率良く超音波モータを駆動できる。ま
た、共振周波数の検出のために、新たに変位センサーを
設ける必要がなく、駆動していない側の圧電素子の逆起
電圧を検出するだけで良いため、装置の小型化及びコス
トダウンを実現することができる。

【００４８】さらに、駆動周波数を共振周波数と同一あ
るいは共振周波数よりも高めに設定することができ、超
音波モータを安定に駆動できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波モータ駆動装置の一構成例を示
すブロック図である。

【図２】図１の検波回路１７の一構成例を示す図であ
る。

【図３】図１の比較回路２２の一構成例を示す図であ
る。

【図４】駆動信号の周波数とモニター電極の出力の関係
を説明する図である。

【図５】超音波モータ駆動方法を説明するフロー図であ
る。

【図６】周波数掃引動作を説明する図である。

【図７】本発明における超音波モータ駆動装置の他の例
を示すブロック図である。

【図８】超音波モータの構成を示す外形図である。

【図９】従来の超音波モータ制御装置の構成を示す図で
ある。

【図１０】超音波モータの等価回路を示す図である。

【図１１】図９の機械腕電流検出器１６の構成を示す図
である。

【符号の説明】 １２ 可変発振器制御回路 １３ 可変発振器 １５ 電力増幅回路 １７ 検波回路 ２１ 切り換え回路 ２２ 比較回路 ２３ マイクロコンピュータ ２４、２５ スイッチ回路 ２６ 超音波モータ ２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の圧電素子と該圧電素子に接合した
   振動子を有し、前記複数の圧電素子に駆動信号を印加し
   て前記振動子に弾性振動を励振することにより、前記振
   動子に接触して設置された移動体を移動させる超音波モ
   ータの駆動装置において、 前記超音波モータの起動時に、前記複数の圧電素子の一
   部に、周波数を掃引した掃引信号を供給する周波数掃引
   手段と、 前記超音波モータの起動時に、前記掃引信号の供給され
   ていない圧電素子の変位に伴う逆起電圧を検出する検出
   手段と、 前記逆起電圧に基づいて、前記超音波モータの駆動信号
   周波数を設定する設定手段と、を有してなることを特徴
   とする超音波モータの駆動装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超音波モータの駆動装
   置において、 前記複数の圧電素子は、少なくとも、第１の方向に前記
   移動体を移動させる第１の圧電素子と、第２の方向に前
   記移動体を移動させる第２の圧電素子とからなり、 前記検出手段は、前記周波数掃引手段が前記第１の圧電
   素子に前記掃引信号を供給したときに、前記第２の圧電
   素子の逆起電圧を検出するよう設定されてなることを特
   徴とする超音波モータの駆動装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の超音波
   モータの駆動装置において、 前記設定手段は、前記逆起電圧が所定値を越えたときの
   前記掃引信号の周波数を前記駆動信号周波数とすること
   を特徴とする超音波モータの駆動装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の超音波モータの駆動装
   置において、 前記掃引手段は、前記掃引信号の周波数を高い方から低
   いほうへ掃引することを特徴とする超音波モータの駆動
   装置。