JPH0755064B2 - 超音波アクチュエータの駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波アクチ
ュエータの駆動装置に関する。

従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に例えば
数10KHzの駆動周波電圧加えて弾性振動を励振し、この
振動体を伸縮振動又は厚み振動させ、この振動を駆動力
としてロータ等の被駆動体（移動体）を押圧駆動するこ
とにより、移動体を回転又は直線運動させるようにした
超音波アクチュエータが注目されている。

以下、図面を参照しながら超音波アクチュエータの従来
技術について説明を行う。

第３図は円環型超音波アクチュエータの斜視図であり、
円環型の弾性体18に円環型圧電体17を貼り合わせて振動
体19を構成している。20は耐摩耗性材料の摩擦材、21は
弾性体であり、互いに貼り合わせられて移動体22を構成
している。移動体22は摩擦材20を介して振動体19と接触
している。圧電体17に電圧を印加すると振動体19の周方
向に曲げ振動が励起され、これが進行波となることによ
り、移動体22を駆動する。なお、同図中の振動体22に
は、機械出力取り出し用の突起体23が設置されている。

第４図は第３図の超音波アクチュエータ５に使用した圧
電体17の電極構造の一例を示している。同図では円周方
向に９個の弾性波がのるように構成されている。同図に
おいて、ＡおよびＢはそれぞれ２分の１波長相当の小領
域から成る電極群で、Ｃは3/4波長、Ｄは1/4波長相当の
電極である。電極ＣおよびＤは電極群ＡとＢに位置的に
1/4波長（＝90゜）の位相差を作っている。電極ＡとＢ
内の隣合う小電極部は圧電体17を分極する際に用いる電
極で、圧電体17の弾性体18との接着面は、第４図に示さ
れた面と反対の面であり、その面の電極は全面平面電極
である。使用時には、電極群ＡおよびＢは第４図の斜線
で示されたように、それぞれ短絡して用いられる。

以上のように構成された超音波アクチュエータ５の圧電
体17の電極ＡおよびＢに90゜位相の異なる V1＝V0・sin（ωｔ） ……（１） V2＝V0・cos（ωｔ） ……（２） ただし、V0:電圧の瞬時値 ω：角周波数 t:時間 で表される電圧V1およびV2をそれぞれ印加すれば、振動
体19には ξ＝ξ０・（cos（ωｔ）・cos（kX） ＋sin（ωｔ）・sin（kX）） ＝ξ０・cos（ωｔ−kX） ……（３） ただし、ξ：曲げ振動の振幅値 ξ0:曲げ振動の瞬時値 k:波数（２π／λ） λ：波長 X:位置 で表せる、円周方向の進行する曲げ振動が励起される。
即ち振動体19の表面には進行波が発生することになる。
従ってこの振動体19に移動体22を加圧接触させれば、こ
の移動体22を上記進行波にて移動させることが出来る。

第５図は振動体19の表面のＥ点が進行波の励起によっ
て、長軸2W、短軸2Uの楕円運動をし、振動体19上に加圧
して設置された移動体22が、楕円の頂点近傍で接触する
ことにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向にｖ
＝ωxUの回転速度で運動する様子を示している。また、
この速度は振動体19と移動体22の間にスベリがあるとき
は、上記のｖより小さくなる。同図の矢印Ｆは、移動体
22の進行方向を示し、矢印Ｇは、この進行波の進行方向
を示す。上記した移動体22の速度はｖは、 ｖ＝ω・ｕ＝ｋ・ω・ξ０ （k:比例係数） で表せ、曲げ振動の瞬時時ξ０に比例する。

また、第４図の1/4波長相当の電極Ｄは振動体19の振動
振幅や位相などの振動状態をモニタするためのモニタ電
極として用いることが出来る。

さて上記のように構成された超音波アクチュエータに超
音波周波数の交流電圧の如き周波電圧を印加して振動体
19を励振し、進行波を得て、移動体22を駆動するとき、
その周波数が超音波アクチュエータ５固有の共振周波数
でないと効率的でないが、この共振点近傍で駆動すると
圧電体17特有の跳躍現象やヒステリシス現象などのため
振動体19の振動が急に停止したりまたのその振動振幅が
小さくなって移動体22が急に停止するなど動作が不安定
となり、このため実際この周波数近傍で超音波アクチュ
エータ５を安定に動作させることは難しい。従来この問
題を解決するために、圧電体17がこの周波数領域より高
い周波数で駆動してやれば先の現象は起こらず安定に動
作すること、更にこの共振点は温湿度や負荷等の環境条
件によって絶えず変動することから、駆動周波数を共振
点近傍の不安定領域より常に高めになるように周波数自
動追尾をかけて超音波アクチュエータ５を駆動してい
る。この周波数自動追尾は、圧電体17に印加される周波
電圧と上記したモニタ電極Ｄから得られる信号との位相
関係を検出することで駆動周波数の状態がわかるので、
その位相関係を所定の値に保つように駆動周波数を制御
することで実現している。

第６図はこの周波数自動追尾（位相制御）により超音波
アクチュエータ５を駆動する装置のブロック図を示す。
第７図はその動作を説明するための動作波形図である。
第６図において、１は入力される電圧値によって出力周
波数が制御された信号を発生する可変発振器、２は可変
発振器１の出力から90゜位相の異なった２つの信号を発
生させる周知のＤフリップフロップと周辺ゲート回路で
構成される90゜移相器、３、４はこの90゜位相の異なっ
た各々信号を超音波アクチュエータ５を駆動するのに十
分な電圧レベルまで増幅し圧電体17の各々の電極に印加
するための電力増幅器、７は圧電体17に印加されるどち
らか一方の電圧を検出しロジックレベルで出力するシュ
ミットコンパレータからなる電圧検出器、８はモニタ電
極Ｄに発生する信号を検出しロジックレベルで出力する
シュミットコンパレータからなるモニタ信号検出器、９
は電圧検出器７の出力をもとに定電流回路等から周知の
技術で台形波を作成する台形波発生器、13、14はモニタ
信号検出器８の出力から所定の時間遅延した位置にサン
プルパルスを発生させる単安定マルチバイブレータ等で
構成される位相遅延器、15は位相遅延器13、14の出力を
端子16に入力される方向信号によって切り換えるスイッ
チ（SW）、11はサンプルパルスによって台形波の傾斜の
一部をサンプルしホールドするアナログスイッチとホー
ルドコンデンサおよびバッファアンプからなるサンプル
ホールダー、12はこの周波数自動追尾のループの安定を
補償しその出力が可変発振器１の周波数制御端子に加え
られる補償フィルタであり、以上の構成要素で上記した
周波数自動追尾（位相制御）ループが構成されている。

第７図の動作波形図において、V1は電圧検出器７の出力
信号、V2はモニタ信号検出器８の出力信号、V4は台形波
発生器９の出力信号、V6、V7はそれぞれ位相遅延器13、
14の出力信号である。

以上のように構成された従来の超音波アクチュエータの
駆動装置において、可変発振器１が動作して周波信号を
90゜移相器２に出力すると、90゜移相器２はその信号を
基に90゜位相の異なった２つの周波信号を作成し、それ
ぞれを電力増幅器３、４に出力する。電力増幅回路３、
４ではこの信号を超音波アクチュエータ５を駆動するの
に必要な電圧レベルまでに高めて圧電体17に印加し、超
音波アクチュエータ５を駆動する。

超音波アクチュエータ５が駆動されると、電圧検出器７
は電力増幅回路３、４の出力によって圧電体17に印加さ
れる電圧のどちらか一方（第２図では電力増幅器３によ
る電圧である）を検出しロジックレベルに波形整形した
信号V1を台形波発生器９に出力すると、台形波発生器９
は第７図に示すようにV1の立ち上がりエッジを基準にし
て台形波V4を作成しサンプルホールダー11に出力する。

一方モニタ信号検出器８は振動体19の振動状態に応じた
電圧（以下モニタ電圧という）を発生する圧電体17上の
モニタ電極Ｄの信号を検出しロジックレベルに波形整形
した信号V2を位相遅延器13,14に出力し、位相遅延器1
3、14でV2の立ち上がりエッジからそれぞれ時間ＴS1、
ＴS2遅れたサンプルパルスV6、V7をSW15を介してサンプ
ルホールダー11に出力する。

SW15の切り換えは、端子16に加えられる移動体22の移動
方向を指令する方向信号によって行われ、移動体22の移
動方向が正方向（ここでは時計方向（CW）とする）のと
きはV6が、逆方向（反時計方向（CCW）のときはV7が選
択される。サンプルホールダー11ではサンプルパルスV6
（V7）によって台形波V4の傾斜の、印加電圧とモニタ電
圧のその時の位相差に応じた位置をサンプルし、その電
圧値を次のサンプルパルスをくるまでホールドして補償
フィルタ12に出力する。

補償フィルタ12では定常偏差を少なくするための積分補
償、系を安定させるための位相進み遅れ等の補償を行っ
たのち出力信号を可変発振器１の周波数制御端子に加
え、可変発振器１はその入力される信号（電圧）に応じ
た発振周波数の周波信号を出力し、超音波アクチュエー
タ５の駆動周波数を変化させる。

以上のように構成される周波数自動追尾ループではサン
プルパルスV6（V7）と台形波V4の時間関係が、第７図に
示すように台形波V4の傾斜の中心にサンプルパルスV6
（V7）がくるように動作する。即ち、サンプルホールド
された電圧が系（ループ）の中心電圧Vcになるタイミン
グである。このことから位相遅延器13（14）での遅延量
がV1とV2の関係即ち印加電圧とモニタ電圧の位相関係を
決めることになる。従って、超音波アクチュエータ５を
安定な状態（共振近傍よりも高い周波数）で駆動するた
めの印加電圧とモニタ電圧との位相関係になるように位
相遅延器13（14）での遅延量を決めている。第７図では
V1とV2の位相関係をθ１にする遅延量はTs1（同図
（ａ））で、θ２にする遅延量はTs2である。

発明が解決しようとする課題 ところで上記のような構成では、以下に示す課題を有し
ている。いま移動体22を正方向（CW）に移動させるべく
進行波を発生させ超音波アクチュエータ５を駆動するこ
とをまず考える。この時超音波アクチュエータ５を共振
点近傍を避け、それより常に高い周波数で安定に効率よ
く駆動するためには、印加電圧とモニタ電圧の位相関係
即ちV1とV2を第７図（ａ）に示すようにθ１（約45゜近
傍）の位相関係に保つように周波数自動追尾（位相制
御）を行う必要があり、従ってサンプルホールダー11に
入力するサンプルパルスV6はモニタ電圧検出器８の出力
信号V2の立ち上がりエッジから時間Ts1遅延するように
位相遅延器13で調整される必要がある。

次に方向信号V5によって移動体22の移動方向が逆方向に
なるように指令されると、90゜移相器２から正方向時に
出力される２つの信号の90゜の位相の進み遅れの関係を
逆にした信号が出力され、移動体22は逆方向に移動する
わけであるが、この時正方向時と同様、超音波アクチュ
エータ５を安定でかつ効率よく駆動する即ち振動体19を
同じ振動状態に保つには、90゜移相器２の出力信号の位
相関係が逆になったため、V1とV2の位相関係はθ１にす
るのではなく、第７図（ｂ）に示すように更に90゜（π
/2）位相をずらしθ２にする必要がある。従って、この
時SW15で選択されるサンプルパルスV7の遅延量は第７図
（ｂ）に示すように位相遅延器14によってTs2に調整さ
れる必要がある。

上記したように従来の超音波アクチュエータ５の駆動装
置では移動体22の移動方向によって二つの異なったサン
プルパルスが必要であり、これらの遅延量Ts1,Ts2を別
々に調整しなければならない。しかしながら、ＴS1、Ｔ
S2を同じ値に正確に調整することは実際上難しく、また
仮に正確に調整することが出来ても２つの位相遅延器の
環境に対する変化特性も異なるため遅延量にズレが生じ
てくる。このことから従来の装置では移動体22の移動方
向によって周波数自動追尾（位相制御）ループの動作中
心即ち振動体19の振動状態（動作状態）が異なるため、
このように駆動される超音波アクチュエータ５に更に速
度制御や位置制御を行おうとした場合、正逆両方向で制
御条件が異なるという問題点が設計面の課題として残っ
ており、更には、位相遅延器が二つ要ることや調整箇所
が二つあることは装置のコストや生産性の面からも課題
として残っている。

本発明はかかる点に鑑み、位相遅延器や位相遅延量の調
整箇所を減らすと共に、移動体の移動方向が正逆どちら
の方向にかかわらず周波数自動追尾（位相制御）ループ
における動作中心即ち振動体の振動状態が同じになる超
音波アクチュエータの駆動装置を提供することを目的と
する。

課題を解決するための手段 本発明は、超音波アクチュエータと、振動体の振動状態
を検出する振動状態検出手段と、前記弾性進行波の進行
方向と周波電圧の位相に関する情報を出力する位相情報
出力手段と、前記振動状態検出手段の出力と前記位相情
報出力手段の出力の位相を比較する手段と、前記位相比
較手段の出力によって前記周波電圧の周波数を可変する
周波数可変手段を有することを特徴とする超音波アクチ
ュエータの駆動装置である。

作 用 本発明は、前記した位相比較手段と周波数可変手段とで
周波数自動追尾（位相制御）ループを構成することによ
り、弾性進行波の進行方向が正方向の時は圧電体に印加
する２つの周波電圧のうち一方の周波電圧（もしくはこ
の周波電圧の位相情報を持つ信号）の位相と上記検出出
力の位相を比較し所定値になるように周波電圧の周波数
を変化させ、前記進行方向が逆方向の時は他方の周波電
圧（もしくはこの周波電圧の位相情報を持つ信号）の位
相と上記検出出力の位相を比較し上記所定値になるよう
周波電圧の周波数を変化するよう動作する。

実施例 第１図は本発明の実施例における超音波モータの駆動装
置のブロック図を、第２図はその動作波形図を示すもの
である。同図において、従来例と同一図番を施したもの
は、その動作・機能が同じであるので説明は省略する。
６は電圧検出器７に入力する電力増幅器３、４の出力電
圧Va、Vb（この電圧が超音波アクチュエータ５に印加さ
れる）を方向信号V5によって切り換えるスイッチ（S
W）、10はモニタ信号検出器８の出力から所定の時間遅
延した位置にサンプルパルスを発生させる単安定マルチ
バイブレータ等で構成される位相遅延器である。第２図
においてVaは電力増幅器３の出力電圧、Vbは電圧増幅器
４の出力電圧、V3は位相遅延器10から出力されるサンプ
ルパルスである。

以上のように構成された本実施例の超音波アクチュエー
タの駆動装置について、以下その動作を説明する。可変
発振器１が動作して90゜移相器２および電力増幅器３、
４を通じて周波電圧が超音波アクチュエータ５に印加さ
れると移動体22が駆動される。と同時に移動方向が正方
向の場合はSW6で選択（方向信号V5による）されたVaが
電圧検出器７によって検出され、第２図（ａ）に示すよ
うに信号V1が出力されると、台形波発生器９がV1の立ち
上がりエッジを基準に台形波V4をサンプルホールダー11
に出力する。

また、モニタ電圧がモニタ信号検出器８によって検出さ
れ信号V2が出力されると、位相遅延器10は超音波アクチ
ュエータ５が安定で効率よく駆動される振動状態即ちV1
とV2との位相関係（印加電圧Vaとモニタ電圧の位相関
係）が、第２図（ａ）示すようにθ１を保つように遅延
量がTs1に調整されたサンプルパルスV3をサンプルホー
ルダー11に出力する。サンプルホールダー11では、従来
と同様に、台形波V4の傾斜をサンプルパルスV3によって
サンプルし、そのホールド電圧を補償フィルタ12を介し
て可変発振器１にフィードパックしている。

次に方向信号V5によって逆方向の指令が出されると90゜
移相器２から正方向時に出力される２つの信号の90゜の
位相の進み遅れの関係を逆にした信号が出力され、その
結果、第２図（ｂ）に示すように超音波アクチュエータ
５には電力増幅器３、４の出力電圧VaとVbの90゜の位相
関係は逆（VbがVaに対して90゜進む）になって印加され
る。と同時に、SW6は切り換わり電圧検出器７には電力
増幅器４の出力Vbが入力されることになり、台形波発生
回路９では台形波V4はこのVbを基準に作成することにな
る。従ってモニタ電圧と位相比較する印加電圧はVbであ
る。

ところで先記したように、正方向と同じ振動状態であれ
ばモニタ電圧と印加電圧Vaの位相関係は正方向時と比べ
更に90゜ずれた状態（VaがV2に対し更に90゜遅れる）と
なるが、Vbが逆にVaに対して90゜進むのでモニタ電圧と
Vbの位相関係は、正方向時のVaの位相関係と同じにな
る。従って本実施例のように逆方向に移動時はモニタ信
号検出器８の出力V2とVb（実際はVbが選択された時のV
2）の位相関係を第２図（ｂ）に示すように正方向と同
じくθ１になるように周波数自動追尾（位相制御）を行
えば、正逆の方向にかかわらず振動体19の振動状態を同
じにすることが出来る。このことから台形波V4をサンプ
ルするサンプルパルスの遅延量は正逆同じTs1でよく、
従って位相遅延器は一つでよいことになる。

以上のように本実施例によれば、移動体の移動方向によ
ってモニタ電圧と位相比較する印加電圧の相を切り換え
ることで、従来のようにサンプルパルスの遅延量を各々
の方向に応じて調整する必要がなくなるとともに、各々
の方向とも振動状態が同一となるため、速度制御や位相
制御を行おうとした場合でも、両方向について考慮する
必要が無くなり、設計面での課題も解消することが出来
る。

なお、本実施例では印加電圧を直接電圧検出器で検出
し、その出力とモニタ電圧（モニタ信号検出器の出力）
と位相比較する構成としたが、印加電圧の位相情報を有
する90゜移相器の出力とモニタ電圧の位相を比較する構
成にしても問題はない。

発明の効果 以上のように、本発明によれば、位相遅延器や位相遅延
量の調整箇所を減らすと共に、移動体の移動方向が正逆
どちらの方向にかかわらず周波数自動追尾（位相制御）
ループにおける動作中心即ち振動体の振動状態が同じに
なる超音波アクチュエータの駆動装置を提供することが
でき、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超音波アクチュエータの駆
動装置のブロック図、第２図は同実施例の動作波形図、
第３図は超音波アクチュエータの切り欠き斜視図、第４
図は第３図に示す超音波アクチュエータに用いた圧電体
の形状と電極構造を示す平面図、第５図は超音波アクチ
ュエータの動作原理の説明図、第６図は従来例における
超音波アクチュエータの駆動装置のブロック図、第７図
は同従来例の動作波形図である。 １……可変発振器、２……90゜移相器、３、４……電力
増幅器、５……超音波アクチュエータ、６……スイッ
チ、７……電圧検出器、８……モニタ信号検出器、９…
…台形波発生器、10……位相遅延器、11……サンプルホ
ールダー、12……補償フィルタ、22……移動体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電体に周波数は同一で位相の異なる２つ
   の周波電圧を印加し、前記圧電体と弾性体とから構成さ
   れる振動体に弾性進行波を励振することにより前記振動
   体上に接触して設置された移動体を移動させる超音波ア
   クチュエータと、前記振動体の振動状態を検出する振動
   状態検出手段と、前記弾性進行波の進行方向が正方向の
   時は前記２つの周波電圧のうち一方の周波電圧と前記振
   動状態検出手段の出力の時間的位相を、また前記進行方
   向が逆方向の時は他方の周波電圧と前記振動状態検出手
   段の出力の時間的位相を比較しその比較信号を出力する
   位相比較手段と、前記位相比較手段の出力によって前記
   周波電圧の周波数を可変する周波数可変手段とを有した
   ことを特徴とする超音波アクチュエータの駆動装置。
2. 【請求項２】分極処理された圧電体上の１つの電極から
   得られる出力によって、振動体の振動状態を検出するこ
   とを特徴とした請求項１に記載の超音波アクチュエータ
   の駆動装置。