JP2001078472A

JP2001078472A - 超音波モータの駆動装置及び超音波モータの駆動方法

Info

Publication number: JP2001078472A
Application number: JP25089999A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Kyodo; 康正京藤; Tsunehiro Maruo; 恒弘丸尾
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2001-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】振動体の共振周波数で超音波モータを駆動す
る。【解決手段】超音波モータの駆動装置１は、超音波モ
ータ２の振動体にインピーダンス補償のための外部イン
ダクタ２０を接続する。超音波モータの駆動装置１は、
超音波モータ２に供給する駆動電圧ｖと駆動電流ｉとの
位相差を検出して、この位相差が０となるように、駆動
電圧ｖの周波数をサーボ制御する。また、超音波モータ
の駆動装置１は、超音波モータ２の回転速度を検出し
て、駆動電圧ｖを制御し、速度サーボ制御を行う。

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
動装置及び超音波モータの駆動方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】現在、圧電素子等が発生した高周波弾性
振動を摩擦力を使って機械的出力に変換する超音波モー
タの実用化が進んでいる。この超音波モータは、従来の
電磁式のモータに比べて、低速で高トルクが得られ応答
速度も早いことから、次世代アクチュエータとして注目
がされている。

【０００３】図７に一例として円板型の超音波モータを
示し、この円板型の超音波モータを用いて超音波モータ
の基本動作原理について説明する。

【０００４】円板型の超音波モータ１００は、図７に示
すように、リング状に形成された金属等からなる弾性体
１０１に圧電セラミックス等の圧電素子１０２が接着さ
れて構成される振動体１０３と、振動体１０３との接触
面に摩擦材１０４が設けられた移動体１０５とからな
る。

【０００５】圧電素子１０２は、図８に示すように、振
動体１０３の厚さ方向（図８の矢印Ａ方向）に分極して
いる。この圧電素子１０２には、たわみ振動の半波長相
当の長さの電極１０６が複数個設けられている。このよ
うな圧電素子１０２に、位置が１／４波長ずれた２つの
交流電力を加えると、振動体１０３に、１／４波長ずれ
たたわみ振動の２つの定在波が励振される。

【０００６】振動体１０３に２つの定在波が励振される
と、図９に示すように、振動体１０３の表面の任意の点
が楕円の軌跡を描くように運動し、振動体１０３に擬似
的に進行波が励振される。そのため、擬似的に進行波が
生じている振動体１０３に対して移動体１０５を加圧す
ると、摩擦材１０４による摩擦力により、この振動体１
０５が進行波の進行方向と逆方向に回転することとな
る。

【０００７】このように超音波モータ１００は、１／４
波長ずらして形成された複数の圧電素子の駆動電極１０
６に、位相が９０°ずれた２相の交流電圧が印加される
ことにより、振動体１０３がたわみ振動の進行波を励振
し、この振動体１０３の振動に応じて移動体１０５が回
転移動する。

【０００８】また、振動体１０３の駆動端子からみた等
価回路は、図１０に示すように、圧電素子１０２単体の
電気的性質を示す回路である電気腕１２１と、超音波モ
ータ１００の機械的性質を表す回路である機械腕１２２
との並列回路で表される。電気腕１２１は、キャパシタ
ンスＣｄで表される。機械腕１２２は、キャパシタンス
Ｃｍ、インダクタンスＬｍ、抵抗Ｒｍで表される。

【０００９】このような振動体１０３の駆動端子からみ
たアドミッタンスの周波数特性は、例えば、図１１に示
すようになる。振動体１０３の振動の大きさは、駆動端
子に流れる電流の大きさに比例する。同じ電圧で駆動す
れば、電流はアドミッタンスに比例することとなる。従
って、図１１のＢで示すような、振動体１０３の共振周
波数近傍で駆動すれば、比較的に低い駆動電圧で振幅の
大きな振動を得ることができる。

【００１０】このように超音波モータ１００では、振動
体１０３の共振周波数近傍で駆動することにより、高い
効率を得ることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、振動体１０
３の共振周波数は温度や負荷等によって変化する。その
ため、超音波モータの駆動回路には、基本的な駆動回路
とともに、超音波モータ１００を共振周波数近傍の周波
数で駆動するためのサーボ回路が必要となる。

【００１２】従来の超音波モータの駆動回路では、駆動
電流を検出して、この駆動電流が一定値になるように周
波数をサーボ制御する方式を用いている。

【００１３】しかしながら、駆動電流の振幅のピーク点
においては、図１２に示すように、周波数を大きくする
方向に移動しても、周波数を小さくなる方向に移動して
も、振幅レベルが減少してしまう。そのため、この駆動
電流を一定にする方式では、駆動電流の振幅の頂点でサ
ーボロックすることができず、振幅の頂点よりもレベル
が下がった位置でサーボロックをしていたので、最も効
率のよい共振周波数で超音波モータを駆動することがで
きなかった。さらに、このような方式では、サーボ範囲
が狭く、且つ、基準周波数を中心とするレベルの変動が
左右で非対称で、レベル変動幅が少ない領域が片側に生
じるため、引き込みにくく且つ外れやすいサーボ系とな
ってしまっていた。

【００１４】また、駆動電流を一定にする方式では、超
音波モータの特性が経時的に変化することによって、動
作範囲が外れてしまい、以後駆動制御をすることができ
なる場合があった。

【００１５】本発明は、このような実情を鑑みてなされ
たものであり、振動体の共振周波数で超音波モータを駆
動することができる超音波モータの駆動装置及び超音波
モータの駆動方法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】上述の課題を解決するた
めに、本発明にかかる超音波モータの駆動装置は、交流
電圧が供給されこの交流電圧によって振動する振動体
と、この振動体が発生する振動に応じて移動する移動体
とを有する超音波モータを駆動する超音波モータの駆動
装置であって、上記振動体に接続されたインピーダンス
補償手段と、上記振動体に交流電圧を供給して上記超音
波モータを駆動する駆動手段と、上記振動体に印加され
る電圧と上記振動体に流れる電流との位相差を検出する
位相差検出手段と、上記位相差検出手段が検出した位相
差に応じて、上記駆動手段が供給する交流電圧の周波数
を制御する周波数制御手段とを備えることを特徴とす
る。

【００１７】この超音波モータの駆動装置では、上記振
動体に対してインピーダンス補償を行って、共振時に、
インダクタンス成分及びキャパシタンス成分が無くなる
ようにして、共振周波数を中心としたサーボ範囲で周波
数を変動させたときに、電圧と電流の位相差が線形に変
化するようにする。そして、この超音波モータの駆動装
置では、振動体に印加する電圧と振動体に流れる電流の
位相差に基づき、この振動体に印加する交流電圧の周波
数を、この振動体の共振周波数に追従させる。

【００１８】本発明にかかる超音波モータの駆動装置
は、上記超音波モータの速度に応じて、上記振動体に供
給する駆動電圧レベルを制御する駆動電圧制御手段を備
えることを特徴とする。

【００１９】この超音波モータの駆動装置では、振動体
に印加する交流電圧の周波数をこの振動体の共振周波数
に追従させながら、上記振動体に印加する電圧の電圧値
を制御して上記超音波モータの速度を制御する。この超
音波モータの駆動装置では、例えば、上記振動体に流れ
る電流やエンコーダ等を用いて、上記超音波モータの速
度を制御する。

【００２０】本発明にかかる超音波モータの駆動装置
は、上記駆動手段が、上記超音波モータの停止時に、所
定レベルの交流電圧を上記振動体に印加しておくことを
特徴とする。

【００２１】超音波モータは、一定レベル以上の電圧を
振動体に供給しなければ、トルクが発生しない。言い換
えれば、超音波モータは、一定レベル以下の電圧を振動
体に供給していても、動作しない。そのため、この超音
波モータの駆動装置では、超音波モータの停止時にも所
定レベルの交流電圧を印加し続け、振動体に印加する交
流電圧の周波数を、この振動体の共振周波数に追従させ
続ける。

【００２２】本発明にかかる超音波モータの駆動方法
は、交流電圧が供給されこの交流電圧によって振動する
振動体と、この振動体が発生する振動に応じて移動する
移動体とを有する超音波モータを駆動する超音波モータ
の駆動方法であって、上記振動体をインピーダンス補償
し、上記振動体に印加される電圧と上記振動体に流れる
電流との位相差を検出し、検出した位相差に応じて、上
記振動体に供給する交流電圧の周波数を制御することを
特徴とする。

【００２３】この超音波モータの駆動方法では、振動体
に対してインピーダンス補償を行って、共振時に、イン
ダクタンス成分及びキャパシタンス成分が無くなるよう
にして、共振周波数を中心としたサーボ範囲で周波数を
変動させたときに、電圧と電流の位相差が線形に変化す
るようにする。そして、この超音波モータの駆動方法で
は、振動体に印加する電圧と振動体に流れる電流の位相
差に基づき、この振動体に印加する交流電圧の周波数
を、この振動体の共振周波数に追従させる。

【００２４】本発明にかかる超音波モータの駆動方法
は、上記超音波モータの速度に応じて、上記振動体に供
給する駆動電圧レベルを制御することを特徴とする。

【００２５】この超音波モータの駆動方法では、振動体
に印加する交流電圧の周波数をこの振動体の共振周波数
に追従させながら、上記振動体に印加する電圧の電圧値
を制御して上記超音波モータの速度を制御する。この超
音波モータの駆動装置では、例えば、上記振動体に流れ
る電流や上記超音波モータの速度を検出して、この振動
体に印加する電圧値を制御して、上記超音波モータの速
度を制御する。

【００２６】本発明にかかる超音波モータの駆動方法
は、上記超音波モータの停止時に、所定レベルの交流電
圧を上記振動体に印加しておくことを特徴とする。

【００２７】超音波モータは、一定レベル以上の電圧を
振動体に供給しなければ、トルクが発生しない。言い換
えれば、超音波モータは、一定レベル以下の電圧を振動
体に供給していても、動作しない。そのため、この超音
波モータの駆動方法では、超音波モータの停止時にも所
定レベルの交流電圧を印加し続け、振動体に印加する交
流電圧の周波数を、この振動体の共振周波数に追従させ
続ける。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態とし
て、本発明を適用した超音波モータの駆動装置について
説明する。

【００２９】図１に本発明を適用した超音波モータの駆
動装置を示す。

【００３０】図１に示す超音波モータの駆動装置１は、
超音波モータ２にトルクを発生させ、この超音波モータ
２を駆動する装置である。

【００３１】超音波モータの駆動装置１は、駆動電圧検
出部３と、駆動電流検出部４と、第１の増幅器５と、第
２の増幅器６と、第１のコンパレータ７と、第２のコン
パレータ８と、第１のモノマルチバイブレータ９と、第
２のモノマルチバイブレータ１０と、フリップフロップ
回路１１と、積分回路１２と、ＶＣＯ（Voltage Contro
lled Ocillator）１３と、第１の波形発生部１４と、第
２の波形発生部１５と、第１のパワーアンプ１６と、第
２のパワーアンプ１７と、ピークホールド回路１８と、
ゲイン制御回路１９と、外部インダクタ２０とを備えて
いる。

【００３２】超音波モータ２は、外部インダクタ２０が
取り付けられ、超音波モータ２の振動体のインピーダン
ス補償がされている。超音波モータ２の電気的な等価回
路は、従来例において説明したように、容量成分Ｃｄか
らなる電気腕と、超音波モータの機械的性質を表す機械
腕との並列回路で表される。超音波モータの駆動装置１
では、図２に示すように、超音波モータ２の等価回路の
容量成分Ｃｄに対して並列に外部インダクタ２０を接続
し、この容量成分Ｃｄをタンク回路として吸収する。外
部インダクタ２０のインダクタンスＬｄの値は、以下の
ように定める。

【００３３】 ω₀＝１／√（Ｌｄ・Ｃｄ）＝１／√（Ｌｍ・Ｃｍ）Ｌｄ＝１／｛Ｃｄ（２πｆ₀）²｝＝（Ｌｍ・Ｃｍ）／Ｃ
ｄｆ₀＝振動体の共振周波数Ｌｍ＝機械腕のインダクタンスＣｍ＝機械腕のキャパシタンス

【００３４】駆動電圧検出部３は、超音波モータ２の振
動体を構成する圧電素子に供給される交流の駆動電圧ｖ
を検出する。駆動電圧検出部３は、検出した駆動電圧ｖ
に応じた電圧検出信号を出力する。この電圧検出信号
は、第１の増幅器５に供給される。なお、駆動電圧とし
て圧電素子に９０°位相がずれた２つの正弦波電圧を供
給する場合には、少なくともいずれか一方の正弦波電圧
を検出すればよい。

【００３５】駆動電流検出部４は、超音波モータ２の振
動体を構成する圧電素子に供給する交流の駆動電圧ｖに
よって、この圧電素子に流れる交流の駆動電流ｉを検出
する。駆動電流検出部４は、検出した駆動電流ｉに応じ
た電流検出信号を出力する。この電流検出信号は、第２
の増幅器６に供給される。なお、駆動電圧ｖとして圧電
素子に９０°位相がずれた２つの正弦波電圧を供給する
場合には、少なくともいずれか一方の正弦波電圧によっ
て流れる電流を検出すればよい。

【００３６】第１の増幅器５は、駆動電圧検出部３から
出力された電圧検出信号を飽和レベルまで増幅し、第１
のコンパレータ７に供給する。第１のコンパレータ７
は、飽和レベルにまで増幅された電圧検出信号と電源電
圧（例えば、５ボルト）とを比較して、電圧検出信号の
ゼロクロス点でオンオフするパルス信号を発生する。こ
のように飽和レベルにまで電圧検出信号を増幅してゼロ
クロス点を検出することによって、駆動電圧検出部３か
ら出力される電圧検出信号の信号レベルに影響されず、
振動体に供給した駆動電圧ｖのゼロクロス点を検出して
位相を検出することができる。この第１のコンパレータ
７から出力されるパルス信号は、第１のモノマルチバイ
ブレータ９に供給される。

【００３７】第２の増幅器６は、駆動電流検出部４から
出力された電流検出信号を飽和レベルまで増幅し、第２
のコンパレータ８に供給する。第２のコンパレータ８
は、飽和レベルにまで増幅された電流検出信号と電源電
圧とを比較して、電流検出信号のゼロクロス点でオンオ
フするパルス信号を発生する。このように飽和レベルに
まで電流検出信号を増幅してゼロクロス点を検出するこ
とによって、駆動電流検出部３から出力される電流検出
信号の信号レベルに影響されず、振動体に供給した駆動
電流ｉのゼロクロス点を検出して位相を検出することが
できる。この第２のコンパレータ８から出力されるパル
ス信号は、第２のモノマルチバイブレータ１０に供給さ
れる。

【００３８】第１のモノマルチバイブレータ９は、第１
のコンパレータ７から出力されるパルス信号の立ち上が
りエッジのタイミングで、トリガパルスを発生する。こ
のトリガパルスは、振動体に供給される駆動電圧ｖの位
相を表すトリガパルスであり、以下、電圧位相トリガパ
ルスという。第１のモノマルチバイブレータ９から出力
された電圧位相トリガパルスは、フリップフロップ回路
１１に供給される。

【００３９】第２のモノマルチバイブレータ１０は、第
２のコンパレータ８から出力されるパルス信号の立ち上
がりエッジのタイミングで、トリガパルスを発生する。
このトリガパルスは、振動体に供給される駆動電流ｉの
位相を表すトリガパルスであり、以下、電流位相トリガ
パルスという。第２のモノマルチバイブレータ１０から
出力された電流位相トリガパルスは、フリップフロップ
回路１１に供給される。

【００４０】フリップフロップ回路１１は、電圧位相ト
リガパルスと電流位相トリガパルスとの位相差に応じた
時間幅のパルス信号を発生する。例えば、フリップフロ
ップ回路１１は、ＲＳフリップフロップからなり、セッ
ト端子に電圧位相トリガパルスが入力され、リセット端
子に電流位相トリガパルスが入力される。そして、この
ＲＳフリップフロップは、電圧位相トリガパルスが供給
されたタイミングでオンとなり、電流位相トリガパルス
が供給されたタイミングでオフとなるパルスを出力す
る。

【００４１】なお、このフリップフロップ回路１１は、
電圧位相トリガパルスと電流位相トリガパルスとのタイ
ミングが一致するとき、すなわち、振動体に供給される
駆動電圧ｖと振動体に流れる駆動電流ｉとの位相差が０
のときに、所定の時間幅（ｔ₀）のパルスが出力される
ようにする。そして、このフリップフロップ回路１１
は、電圧位相トリガパルスの方が位相が進んでいるとき
にこの進み時間（ｔ₊δ）だけ所定の時間幅（ｔ₀）に加
算したパルス幅（ｔ₀＋ｔ₊δ）の信号を出力し、電流位
相トリガパルスの方が位相が遅れているときにこの遅れ
時間（ｔ_-δ）だけ所定の時間幅（ｔ₀）から減算したパ
ルス幅（ｔ₀＋ｔ₊δ）の信号を出力するようにする。こ
の所定の時間幅（ｔ₀）は、後段の積分回路１２で積分
をしたときに基準電圧Ｖｒｅｆが出力される時間幅であ
る。この基準電圧Ｖｒｅｆは、その後段のＶＣＯ１３か
ら中心周波数が出力されるような電圧である。例えば、
図１に示すように、積分回路１２に基準電圧Ｖｒｅｆを
印加してもよい。また、例えば、フリップフロップ回路
１１をＲＳフリップフロップで構成する場合、位相差が
０のときに所定の時間幅（ｔ₀）のパルスが出力される
ようにするには、電流位相トリガパルスをこの所定の時
間幅（ｔ₀）だけ遅延させれて、リセット端子に供給す
ればよい。

【００４２】積分回路１２は、フリップフロップ回路１
１から出力されたパルス信号を積分して平滑化し、後段
のＶＣＯ１３に供給するアナログの制御電圧を生成す
る。この積分回路１２は、フリップフロップ回路１１か
ら時間幅（ｔ₀）のパルスが連続して出力されれば、電
圧値が基準電圧Ｖｒｅｆの制御電圧を出力する。そし
て、積分回路１２は、供給されたパルス信号が、この時
間幅（ｔ₀）を中心にパルス幅が変動したときに、基準
電圧Ｖｒｅｆを中心として増減する制御電圧を出力す
る。積分回路１２から出力される制御電圧は、ＶＣＯ１
２に供給される。

【００４３】ＶＣＯ１２は、入力されたアナログの制御
電圧に応じて周波数を変化させたクロック信号を発生す
る。このＶＣＯ１２の中心周波数は、超音波モータ２の
振動体の共振周波数ｆ₀のｎ倍の周波数のクロック信号
を発生する（例えば、ｎ＝９０）。このＶＣＯ１２は、
出力するクロック信号の中心周波数ｎ・ｆ₀を中心とし
て、下限周波数ｆ₁のｎ倍の周波数から、上限周波数ｆ₂
のｎ倍の周波数までの範囲で変動させる。下限周波数ｆ
₁及び上限周波数ｆ₂は、図４及び図５においては、共振
周波数ｆ₀で得られる振幅値から３ｄＢ下がった点の周
波数である。ＶＣＯ１２は、この制御電圧に応じて周波
数が制御されたクロック信号を、第１の波形発生部１４
及び第２の波形発生部１５に供給する。

【００４４】第１の波形発生部１４は、正弦波の１波長
分の振幅データを、０〜（ｎ−１）までのアドレスに対
応させて記憶している。具体的には、正弦波の１波長を
ｎ分割してサンプリングして、そのサンプリングした値
を０〜（ｎ−１）のアドレスに対応させて記憶してい
る。第１の波形発生部１４は、ＶＣＯ１２から供給され
たクロックにより、０〜（ｎ−１）の値を周期的にカウ
ントしていき、カウントした値のアドレスの振幅データ
を読み出す。そして、第１の波形発生部１４は、読み出
した振幅データを、Ｄ／Ａ変換してアナログ信号を出力
する。

【００４５】このように第１の波形発生部１４から出力
されたアナログ信号は、ＶＣＯ１２が出力するクロック
信号の周波数の１／ｎの周波数の正弦波信号となる。従
って、第１の波形発生部１４は、振動体の共振周波数ｆ
₀を中心として、下限周波数ｆ₁から上限周波数ｆ₂まで
変動する正弦波信号を出力する。すなわち、この第１の
波形発生部１４は、積分回路１２から出力された制御電
圧に応じて、出力するアナログ信号の周波数が制御さ
れ、その周波数は、共振周波数ｆ₀を中心として、下限
周波数ｆ₁から上限周波数ｆ₂まで変動する。

【００４６】なお、積分回路１２から出力された制御電
圧に応じて、下限周波数ｆ₁から上限周波数ｆ₂まで変動
する正弦波信号を生成するには、中心周波数が共振周波
数ｆ₀と一致するＶＣＯを用いてパルス信号を生成した
後、このパルス信号をフィルタリングすれば生成でき
る。もっとも、この方式では、矩形波から正弦波を生成
するので波形歪みが大きく、ＶＣＯのジッタも直接影響
する。そのため、位相差を検出するためのゼロクロス点
が安定して検出されない。しかしながら、ＶＣＯが発生
するクロック信号の周波数を共振周波数ｆ₀のｎ倍と
し、このｎ倍の周波数のクロックによりメモリに記憶さ
れた正弦波のサンプリングデータを読み出す方式では、
ＶＣＯのジッタの影響が１／ｎとなり、また、波形歪み
も非常に小さくなる。

【００４７】第２の波形発生部１５は、上記第１の波形
発生部１４に記憶されている正弦波に対して９０°位相
がずれた余弦波の１波長分の振幅データを、０〜（ｎ−
１）までのアドレスに対応させて記憶している。具体的
には、余弦波の１波長をｎ分割してサンプリングして、
そのサンプリングした値を０〜（ｎ−１）のアドレスに
対応させて記憶している。第２の波形発生部１５は、Ｖ
ＣＯ１２から供給されたクロックにより、０〜（ｎ−
１）の値を周期的にカウントしていき、カウントした値
のアドレスの振幅データを読み出す。そして、第２の波
形発生部１５は、読み出した振幅データを、Ｄ／Ａ変換
してアナログ信号を出力する。

【００４８】このように第２の波形発生部１５から出力
されたアナログ信号は、上記第１の波形発生部１４から
出力されたアナログ信号に対して、同一周期であって９
０°位相がずれた余弦波信号となる。

【００４９】第ｌのパワーアンプ１６は、第１の波形発
生部１４から出力された正弦波信号を電力増幅し、超音
波モータ２の振動体に供給する。そして、この第１のパ
ワーアンプ１６から振動体に印加される駆動電圧ｖが上
記電圧検出部３により検出され、この第１のパワーアン
プ１６から振動体に供給される駆動電流ｉが上記電流検
出部４により検出されることとなる。

【００５０】第２のパワーアンプ１７は、第２の波形発
生部１５から出力された余弦波信号を電力増幅し、超音
波モータ２の振動体に供給する。

【００５１】ピークホールド回路１８は、駆動電流検出
部４により検出された検出信号をピークホールドし、そ
のピーク値を検出する。ピークホールド回路１８は、検
出したピーク値をゲイン制御回路１９に供給する。

【００５２】ゲイン制御回路１９は、ピークホールド回
路１８から供給されたピーク値と、速度制御のための基
準電圧とを比較し、その誤差信号に応じて、上記第１の
パワーアンプ１６及び第２のパワーアンプ１７を制御し
て、駆動電圧を可変する。

【００５３】つぎに、この超音波モータの駆動装置１の
動作を、図３に示す波形図を用いて説明する。

【００５４】まず、駆動電圧検出部３が振動体に印加さ
れた駆動電圧ｖを検出して、図３（Ａ）に示すような、
正弦波の電圧検出信号を出力する。この電圧検出信号を
第１の増幅器５により飽和増幅して、第１のコンパレー
タ７により図３（Ｂ）に示すようなゼロクロス点を示す
パルス信号に変換する。そして、第１のモノマルチバイ
ブレータ９が、図３（Ｃ）に示すような、ゼロクロス点
の立ち上がりエッジのタイミングで発生する電圧位相ト
リガパルスを出力する。

【００５５】また、駆動電流検出部４が振動体に流れる
駆動電流ｉを検出して、図３（Ｄ）に示すような、正弦
波の電流検出信号を出力する。この電流検出信号を第２
の増幅器６及び第２のコンパレータ８により飽和増幅し
て、図３（Ｅ）に示すようなゼロクロス点を示すパルス
信号に変換する。そして、第２のモノマルチバイブレー
タ１０が、図３（Ｆ）に示すような、ゼロクロス点の立
ち上がりエッジのタイミングで発生する電流位相トリガ
パルスを出力する。

【００５６】電圧位相トリガパルスと電流位相トリガパ
ルスは、両者ともフリップフロップ回路１１に供給さ
れ、このフリップフロップ回路１１で、図３（Ｇ）に示
すように、位相差が求められる。求められた位相差は、
図３（Ｈ）に示すように、積分回路１２により平滑化さ
れ、アナログの制御電圧として、ＶＣＯ１３に供給され
る。この積分回路１２は、位相差が０のときに基準電圧
Ｖｒｅｆを出力し、このＶｒｅｆを中心として増減する
アナログの制御電圧を出力する。

【００５７】ＶＣＯ１３から出力されるクロック信号
は、図３（Ｉ）に示すように、入力電圧がＶｒｅｆ（位
相差が０）のときに共振周波数ｆ₀のｎ倍の中心周波数
とされ、その周波数が入力電圧の変動に応じてｎ・ｆ₁
〜ｎ・ｆ₂の範囲で可変される。そして、第１のパワー
アンプ１６からは、図３（Ｊ）に示すような、その周波
数が入力電圧の変動に応じてｆ₁〜ｆ₂の範囲で可変さ
れ、電流との位相差が０となる周波数でロックされる駆
動電圧ｖが超音波モータ２の振動体に供給される。

【００５８】以上のように超音波モータの駆動装置１で
は、超音波モータ２の振動体に印加される駆動電圧ｖ
と、振動体に流れる駆動電流ｉとの位相差を検出して、
その位相差が０となるように駆動電圧ｖの周波数をサー
ボ制御する。

【００５９】このため、超音波モータの駆動装置１で
は、最も駆動効率が良い周波数で超音波モータ２を駆動
することができ、また、制御も簡単に行うことができ
る。さらに、超音波モータ２の特性が温度やその他の影
響により経時的に変化しても、変化した後の共振周波数
ｆ₀に追従することができるので、動作範囲が外れるこ
とがなく、制御可能な時間が長くなり、寿命が長くな
る。

【００６０】また、この超音波モータの駆動装置１で
は、超音波モータ２に外部インダクタ２０を接続して、
インピーダンス補償を行っている。このように外部イン
ダクタ２０によりインピーダンス補償を行うと、共振周
波数ｆ₀の近傍の周波数変化に対して、電圧と電流との
位相変化が線形になり、サーボ制御の安定性が高くな
る。

【００６１】以下、外部インダクタ２０による補償が無
い場合と、補償がある場合との制御の安定性の違いを説
明する。

【００６２】図４に、外部インダクタ２０がない場合に
おける超音波モータ２の移動体の駆動端子からみたアド
ミッタンス（図１１に示す回路のインピーダンスの逆
数）のベクトル線図及び位相特性を示す。また、図５
に、外部インダクタ２０を接続した場合における超音波
モータ２の移動体の駆動端子からみたアドミッタンス
（図２に示した回路のインピーダンスの逆数）のベクト
ル線図及び位相特性を示す。なお、図４（Ａ）及び図５
（Ａ）に示すベクトル線図の横軸は、アドミッタンスの
実数成分を示し、縦軸は、アドミッタンスの虚数成分を
示す。共振点をｆ₀、下限周波数をｆ₁、上限周波数をｆ
₂で示す。また、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示す、横
軸は周波数を示し、縦軸は、位相を示している。

【００６３】外部インダクタ２０がない場合におけるア
ドミッタンスのベクトルは、図４（Ａ）に示すように、
周波数を０から高くしていくと、その軌跡が虚軸上を直
線的に上昇しＯ′点の位置まで描かれる。これは、電気
腕のキャパシタンスＣｄのみによる効果である。続い
て、この虚軸上のＯ′点の位置から、機械腕の影響が生
じ、右回りでｆ₁、ｆ₀、ｆ₂を経由しながら１回転の円
周を描き、虚軸上のＯ′点の位置までもどる。そして、
さらに周波数が高くなると、電気腕の影響で、このベク
トル軌跡が虚軸上をさらに上昇していく。

【００６４】また、外部インダクタ２０を接続した場合
におけるアドミッタンスのベクトルは、図５（Ａ）に示
すように、周波数を０から高くしていくと、その軌跡が
虚軸上を直線的に上昇し原点Ｏの位置まで描かれる。続
いて、この原点Ｏの位置から、右回りでｆ₁、ｆ₀、ｆ₂
を経由しながら１回転の円周を描き、原点Ｏの位置まで
もどる。そして、さらに周波数が高くなると、このベク
トル軌跡が虚軸上をさらに上昇していく。

【００６５】ここで、ベクトル軌跡で描かれた円周が機
械腕による共振状態を示しており、Ｏ′点或いは原点か
ら円周上の各点までの長さが共振の振幅（モータ速度）
に比例する。また、駆動電圧ｖに対する駆動電流ｉの位
相は、φで示すように、線分Ｏ−ｆｘとＸ軸とのなす角
で表される。周波数を変化させて位相を制御する場合、
振幅が大きくなる部分を用いるのと効率がよいため、円
周の右半分を用いて制御を行う。

【００６６】外部インダクタ２０が無い場合におけるア
ドミッタンスでは、図４（Ｂ）に示すように、下限周波
数ｆ₁から共振周波数ｆ₀への位相変化と、共振周波数ｆ
₀から上限周波数ｆ₂への位相変化とが、著しく非対称と
なっている。また、共振周波数ｆ₀から上限周波数ｆ₂へ
の位相変化量が非常に少ない。

【００６７】これに対して、外部インダクタ２０を接続
した場合におけるアドミッタンスでは、図５（Ｂ）に示
すように、下限周波数ｆ₁から共振周波数ｆ₀への位相変
化と、共振周波数ｆ₀から上限周波数ｆ₂への位相変化と
が、対照的でかつ線形性を有している。

【００６８】このことから、超音波モータの駆動装置１
では、超音波モータ２に外部インダクタ２０を接続して
インピーダンス補償をすることにより、位相制御をする
際のループゲインを高く取ることができ、安定性が高く
なることがわかる。また、温度変化等の影響によりアド
ミッタンスの円周が小さくなったり、共振周波数ｆ₀が
変動したりしても、位相制御に影響を及ぼさない。ま
た、共振周波数ｆ₀を中心に、位相変化が対照的になっ
ているので、周波数が高い方からでも低い方からでもサ
ーボの引き込みを行うことができるので、スタート周波
数や掃引処理を簡易なものとすることができる。

【００６９】また、超音波モータの駆動装置１のＶＣＯ
１３で行っているように、下限周波数ｆ₁から上限周波
数ｆ₂までの周波数の範囲の信号を出力するＶＣＯを用
いれば、特別なサーボロックの引き込み回路を必要とせ
ず、引き込みを行うことができる。すなわち、下限周波
数ｆ₁から上限周波数ｆ₂までの範囲に必ず共振周波数ｆ
₀があるので、下限周波数ｆ₁から上限周波数ｆ₂までの
任意の周波数でサーボ制御を開始すれば、共振周波数ｆ
₀でサーボロックをすることができる。

【００７０】また、超音波モータの駆動装置１では、超
音波モータ２の速度を検出して、この検出した速度に応
じて超音波モータ２の振動体に供給する駆動電圧ｖのレ
ベルを可変することによって、速度サーボ制御を行って
いる。超音波モータの駆動装置１では、超音波モータ２
の速度は移動体に流れる駆動電流ｉに比例するため、ピ
ークホールド回路１８がこの駆動電流ｉのピーク値を検
出して、この検出したピーク値に基づき速度サーボを行
っている。なお、速度検出は、このように駆動電流ｉを
検出するのみならず、例えば、移動体にエンコーダ等を
取り付けて直接検出しても良い。

【００７１】また、超音波モータの駆動装置１では、超
音波モータ２の停止時にも所定の電圧値の駆動電圧ｖを
印加し続け、常に、位相制御のサーボループをオン状態
にしておく。超音波モータ２は、図６に示すように、印
加される駆動電圧ｖが一定電圧以上とならないと、トル
クが発生しない。すなわち、駆動電圧ｖを与えても、移
動が開始しない不感帯がある。超音波モータの駆動装置
１では、この不感帯領域の駆動電圧ｖを停止時に供給し
ておくことにより、再起動時において再度サーボの引き
込み動作を行わなくても良いので、応答速度を速くする
ことができる。

【００７２】

【発明の効果】本発明では、振動体に対してインピーダ
ンス補償を行って、共振時に、インダクタンス成分及び
キャパシタンス成分が無くなるようにして、共振周波数
を中心としたサーボ範囲で周波数を変動させたときに、
電圧と電流の位相差が線形に変化するようにする。そし
て、この超音波モータの駆動装置では、振動体に印加す
る電圧と振動体に流れる電流の位相差に基づき、この振
動体に印加する交流電圧の周波数を、この振動体の共振
周波数に追従させる。

【００７３】このことにより本発明では、最も効率が良
い周波数で超音波モータを駆動することができ、また、
制御も簡単にすることができる。さらに、超音波モータ
の特性が経時的に変化しても、変化した後の共振周波数
に追従することができるので、動作範囲が外れることが
なく、寿命が長くなる。また、本発明では、安定してサ
ーボ制御をすることができ、また、サーボの引き込みが
簡単となり、サーボが外れにくくなる。

【００７４】また、本発明では、振動体に印加する交流
電圧の周波数をこの振動体の共振周波数に追従させなが
ら、上記振動体に印加する電圧の電圧値を制御して上記
超音波モータの速度を制御する。このことにより、速度
制御と共振周波数の制御とを互いに独立にすることがで
き、制御系が簡単となる。

【００７５】また、本発明では、超音波モータの停止時
にも所定レベルの交流電圧を印加し続け、振動体に印加
する交流電圧の周波数を、この振動体の共振周波数に追
従させ続ける。このことにより、本発明では、超音波モ
ータの停止時でも、周波数制御を継続して行うことがで
き、超音波モータの動作開始時に制御の引き込み動作を
行わなくても良く、応答を速くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した超音波モータの駆動装置の回
路図である。

【図２】外部インダクタを接続した超音波モータの等価
回路を示す図である。

【図３】上記超音波モータの駆動装置の動作を説明する
ための波形図である。

【図４】外部インダクタを接続していない超音波モータ
のアドミッタンスのベクトル線図及び位相特性図であ
る。

【図５】外部インダクタを接続した超音波モータのアド
ミッタンスのベクトル線図及び位相特性図である。

【図６】超音波モータの駆動電圧に対するトルクの特性
を示す図である。

【図７】超音波モータの一例を示す図である。

【図８】超音波モータの圧電素子に設けられる電極と、
圧電素子に印加される電圧の関係を示す図である。

【図９】超音波モータの振動体に発生する進行波につい
て説明する図である。

【図１０】超音波モータの振動体の等価回路図である。

【図１１】上記振動体のアドミッタンスの周波数特性を
示す図である。

【図１２】上記振動体に流れる電流の共振点におけるサ
ーボロック点を説明する図である。

【符号の説明】

１超音波モータの駆動装置、２超音波モータ、３
駆動電圧検出部、４駆動電流検出部、１１フリップフ
ロップ回路、１２積分回路、１３ＶＣＯ、１４，１
５波形生成部、１６，１７パワーアンプ、１９ゲ
イン制御部、２０外部インダクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H680 AA00 AA06 BB03 BB16 CC02 CC06 CC07 CC10 DD01 DD02 DD15 DD23 DD27 DD53 DD66 DD87 DD92 EE21 EE24 FF08 FF21 FF23 FF26 FF27 FF30 FF33 FF36 FF38

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電圧が供給されこの交流電圧によっ
て振動する振動体と、この振動体が発生する振動に応じ
て移動する移動体とを有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、上記振動体に接続されたインピーダンス補償手段と、上記振動体に交流電圧を供給して上記超音波モータを駆
動する駆動手段と、上記振動体に印加される電圧と上記振動体に流れる電流
との位相差を検出する位相差検出手段と、上記位相差検出手段が検出した位相差に応じて、上記駆
動手段が供給する交流電圧の周波数を制御する周波数制
御手段とを備える超音波モータの駆動装置。
【請求項２】上記超音波モータの速度に応じて、上記
振動体に供給する駆動電圧レベルを制御する駆動電圧制
御手段を備えることを特徴とする請求項１記載の超音波
モータの駆動装置。
【請求項３】上記駆動手段は、上記超音波モータの停
止時に、所定レベルの交流電圧を上記振動体に印加して
おくことを特徴とする請求項１記載の超音波モータの駆
動装置。
【請求項４】上記周波数制御手段は、上記位相差に応
じて、振動体の共振周波数を中心として周波数を変動さ
せて生成した交流電圧を出力することを特徴とする請求
項１記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項５】上記周波数制御手段は、振動体の共振周
波数を中心として、共振の下限周波数から上限周波数ま
で周波数を変動させて、上記交流電圧を生成することを
特徴とする請求項４記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項６】上記周波数制御手段は、上記位相差に応
じて振動体の共振周波数のｎ倍の周波数を中心として周
波数を変動させたクロック信号を生成する発振器と、正
弦波の１波長を所定の分割数ｎで分割してサンプリング
したデータを記憶した記憶部を有し、上記記憶部は、上
記発振器からのクロック信号に応じて、サンプリングし
たデータを順次出力していくことを特徴とする請求項４
記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項７】交流電圧が供給されこの交流電圧によっ
て振動する振動体と、この振動体が発生する振動に応じ
て移動する移動体とを有する超音波モータを駆動する超
音波モータの駆動方法において、上記振動体をインピーダンス補償し、上記振動体に印加される電圧と上記振動体に流れる電流
との位相差を検出し、検出した位相差に応じて、上記振
動体に供給する交流電圧の周波数を制御することを特徴
とする超音波モータの駆動方法。
【請求項８】上記超音波モータの速度に応じて、上記
振動体に供給する駆動電圧レベルを制御することを特徴
とする請求項７記載の超音波モータの駆動方法。
【請求項９】上記超音波モータの停止時に、所定レベ
ルの交流電圧を上記振動体に印加しておくことを特徴と
する請求項７記載の超音波モータの駆動方法。
【請求項１０】上記振動体のインピーダンスの補償す
ることを特徴とする請求項７記載の超音波モータの駆動
方法。