(57)【要約】本発明は、機械共振周波数Ｆｍを有する超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起する方法に関するものであり、該方法では、超音波モータは、励起電極及び汎用電極を備える少なくとも１つの音響定在波発生器を有し、電気キャパシタンスＣ０は、励起電極と汎用電極との間に生成される。本発明に応じた方法において、該方法は、矩形励起電圧Ｕｇを、少なくとも１つの音響定在波発生器の励起電極と汎用電極とに印加する工程であって、矩形励起電圧Ｕｇの周波数は、アクチュエータの機械共振周波数Ｆｍとは異なる、印加する工程と、電圧ｕｇをフィードバック要素によって提供する工程であって、電圧ｕｇは、定在波発生器を通じて流れる電流Ｉｇに比例し、電流Ｉｇは、圧電電流Ｉｐと電気キャパシタンスＣ０の充電及び放電電流Ｉｃとの和による総合電流である、提供する工程と、電圧ｕｐを電圧ｕｃからインパルスフィルタによって分離する工程であって、電圧ｕｐは、圧電電流Ｉｐに比例し、電圧ｕｃは、電気キャパシタンスＣ０の充電及び放電電流Ｉｃに比例する、分離する工程と、圧電電流Ｉｐと矩形励起電圧Ｕｇとの間の位相差がほぼゼロになるように、矩形励起電圧の周波数を変更する工程と、を備える。本発明は、さらに超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための装置に関する。
2013539346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械共振周波数Ｆｍを有する超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起する方法であって、超音波アクチュエータは、励起電極と汎用電極とを備える少なくとも１つの音響定在波発生器を有しており、前記励起電極と前記汎用電極との間に、電気キャパシタンスＣ０が生成され、
矩形励起電圧Ｕｇを、前記少なくとも１つの音響定在波発生器の前記励起電極と前記汎用電極とに印加する工程であって、前記矩形励起電圧Ｕｇの周波数は、前記アクチュエータの機械共振周波数Ｆｍとは異なる、前記印加する工程と、
電圧ｕｇをフィードバック要素によって提供する工程であって、電圧ｕｇは、前記定在波発生器を通じて流れる電流Ｉｇに比例し、電流Ｉｇは、圧電電流Ｉｐと前記電気キャパシタンスＣ０の充電及び放電電流Ｉｃとの和による総合電流である、前記提供する工程と、
電圧ｕｐを電圧ｕｃからインパルスフィルタによって分離する工程であって、電圧ｕｐは、圧電電流Ｉｐに比例し、電圧ｕｃは、前記電気キャパシタンスＣ０の充電及び放電電流Ｉｃに比例する、前記分離する工程と、
前記圧電電流Ｉｐと前記矩形励起電圧Ｕｇとの間の位相差がほぼゼロになるように、前記矩形励起電圧の周波数を変更する工程と、を備える方法。
【請求項２】
前記定在波発生器を通じて流れる前記圧電電流Ｉｐは安定化される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起する装置であって、
前記アクチュエータは、少なくとも１つの音響定在波発生器を有しており、
該音響定在波発生器は、少なくとも１つのパワーアンプと、フィードバック要素と、フィルタと、制御電圧形成装置と、を備えており、
前記少なくとも１つのパワーアンプは、前記アクチュエータの供給電圧に対する電圧セレクタスイッチとして実装されており、
前記少なくとも１つの音響定在波発生器は、直接的に又は非直接的に前記電圧セレクタスイッチに接続されており、
前記定在波発生器を通る電流と同じ電流が前記フィードバック要素を通るように、該フィードバック要素は、該音響定在波発生器に直列に接続されており、
前記フィルタは、前記フィードバック要素によって生成される電圧のインパルスフィルタとして実装されており、
さらに、前記フィルタの出力は、前記制御電圧形成装置の入力に接続されており、前記制御電圧形成装置は、少なくとも１つのパワーアンプの入力に接続される、装置。
【請求項４】
前記電圧セレクタスイッチは、ハーフブリッジパワーアンプと、ブリッジパワーアンプと、デュアルクロックパワーアンプとのうちのいずれか１つとして実装される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記フィードバック要素は、低い値の実効抵抗として実装されるか、又は電流に対する測定変圧器として実装される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記インパルスフィルタは、フィードバック要素によって生成される電圧に対するバンドパスフィルタとして実装されており、前記アクチュエータの機械共振周波数Ｆｍに同調される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記インパルスフィルタは、フィードバック要素によって生成される電圧に対するローパスフィルタ又は積分器として実装される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記インパルスフィルタは、前記フィードバック要素によって生成される電圧に対する回路遮断器を備えており、該インパルスフィルタの制御入力は、エッジ検出器を通じて前記電圧セレクタスイッチに接続される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記インパルスフィルタは、電圧比較器として実装される、請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記装置は自動式の発生器として実装される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記制御電圧形成装置は、矩形波に対する、位相検出器及び制御式の発生器を備える、請求項３〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記制御電圧形成装置は、対称なパルス幅変調式の変調器である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記装置は、前記パワーアンプに与える電圧に対するレギュレータを有する、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記装置は、前記定在波発生器を通じて流れる圧電電流に対する安定化システムを有する、請求項３〜１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置の電気コンポーネントの一部又は全部は、デジタルシグナルプロセッサ又はフィールドプログラム可能ゲートアレイのタイプのプログラム可能なデジタルプロセッサによって実現される、請求項３〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータのためのアクチュエータを電気的に励起する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、特許文献２及び特許文献３は、例えば、超音波モータのためのアクチュエータを電気的に励起する方法及び装置について開示する。これらの事例に説明される方法において、励起された超音波アクチュエータの電圧の周波数は、励起する電圧と超音波アクチュエータの圧電素子に配置された補助電極によって生成される電圧との間に一定の位相差を保持することによって調整される。
【０００３】
この方法及び対応する励起装置の不利な点は、アクチュエータの電気励起電圧と補助電極の電圧の位相差が、アクチュエータの機械負荷に依存することである。従って、超音波アクチュエータの高い機械負荷の影響下では、電気励起電圧の周波数は、これらのモータにおいて、超音波アクチュエータの機械共振周波数と同一ではない。このことの影響によって、超音波モータの機能が不安定となる。さらに、安全な動作のために、補助電極は広い表面積を有さねばならない。このことによって、補助電極は複数の励起電極に対する表面積を減少させるので、励起電圧の増大が暗示される。補助電極は、微細なワイヤの形状の追加出力もまた有さねばならない。可動要素が高速に移動するとき、モータの動作の安全性を低下させる。
【０００４】
さらに、特許文献４の例によれば、超音波モータを励起させるための方法及び装置は、知られており、超音波アクチュエータの電気励起電圧の周波数は、アクチュエータを励起する電圧と同アクチュエータを通じて流れる電流との間に保たれた一定の位相差によって調整される。この方法と対応する装置において、超音波アクチュエータを刺激する正弦電圧は、超音波アクチュエータの圧電素子に印加される。印加された正弦電圧は、圧電素子を通じて流れる正弦電流を引き起こす。
【０００５】
この方法の不利な点は、電気励起電圧と圧電素子を通じて流れる電流との間の位相差が、超音波アクチュエータの機械負荷に応じて異なるという事実にもある。圧電素子を通じて流れる正弦電流は、２つの成分、すなわち、圧電素子の電気キャパシタンスを通じて流れるキャパシタンスの電流と、圧電素子の回転ドメインの角度によって決定される圧電電流とを有するからである。機械共振周波数において、圧電電流は、いわゆる、有効電流又は実行電流を表す。アクチュエータの機械負荷が小さいとき、アクチュエータの有効抵抗は、そのリアクティブ抵抗より相当に小さい。従って、励起電圧と機械共振周波数における圧電素子を通じて流れる電流との間の位相シフトは、小さく、ゼロに近づいている。アクチュエータに与えられる機械負荷が増加するとき、有効抵抗が増加される一方、リアクティブ抵抗は一定のままである。機械負荷の増加は、従って、超音波アクチュエータの励起電圧と圧電素子を通じて流れる電流との間の位相角度の増加を引き起こす。
【０００６】
超音波アクチュエータと超音波アクチュエータによって駆動される要素との間に十分な接触摩擦を伴う超音波モータにおいて、機械負荷が増加するとき、位相シフトの角度が２，３度から１０倍又はそれ以上に増加できる。この場合における位相シフトの発振は、駆動される機械負荷によってのみではなく、摩擦面における振動及び駆動される要素における機械的不均衡によってもまた、引き起こされる。
【０００７】
モータにおいて、超音波アクチュエータの正弦励起電圧の周波数は、この電圧の位相と
圧電素子の正弦電流の位相との間に保たれた一定の位相差によって調整され、超音波モータの機能の不安定化を導く。
【０００８】
この不安定化の結果として、励起電圧は増加し、必要とされる電流及び電力が増加する。さらに、駆動される要素の加速において、発振が発生する。モータによって生成できる最大の力が減少される。大きな負荷がかけられたとき、モータは停止するようになり、アクチュエータは加熱し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許５，２１４，３３９号明細書
【特許文献２】米国特許５，４６１，２７３号明細書
【特許文献３】米国特許５，４７９，０６３号明細書
【特許文献４】米国特許５，８７２，４１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、従って、超音波モータのアクチュエータを励起する方法と、対応する励起装置とを提供することであって、アクチュエータが高い機械負荷にあるとき、モータの安定度を増加できるように、必要とされる励起電圧を減少できるように、必要とされる電流及び電力を減少できるように、及び温度範囲を拡張するようにできる手段のうちのいずれかの手段によって、提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述される目的は、請求項１の特徴を有する超音波モータに対するアクチュエータを電気的に励起する方法と請求項３の特徴を有する超音波モータに対するアクチュエータを電気的に励起する装置とによって達成される。有利な態様は、従属する請求項から取得され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】超音波モータのアクチュエータについての発明に応じた励起装置を示す図（例１０〜１２：アクチュエータの三層構造のための電極に対する圧電ベクトルの異なる方向；例１３：多層設計におけるアクチュエータ）。
【図２】本発明に応じた励起装置を示す図（例１７〜１９：アクチュエータの単相及び多相駆動）。
【図３】本発明に応じた励起装置の一実施形態を示す図。
【図４】本発明に応じた励起装置の一実施形態を示す図。
【図５】本発明に応じた励起装置の一実施形態を示す図。
【図６】インパルスフィルタの異なる実施形態を示す図。
【図７】インパルスフィルタの異なる実施形態を示す図。
【図８】定在波発生器に対する等価回路を示す図。
【図９】本発明に応じた励起装置に対する超音波波動発生器の電流（例４０）及び位相差（例４１）の周波数相関関係を示す図。
【図１０】例４２〜４５：個々の電圧及び電流の時間相関関係を示す図。
【図１１】超音波波動発生器の周波数相関関係を示す図。
【図１２】励起電圧の周波数が変化したときの電流と電圧との間の位相シフトを示す図。
【図１３】本発明に応じた励起装置の更なる実施形態を示す図。
【図１４】本発明に応じた励起装置の更なる実施形態を示す図。
【図１５】本発明に応じた励起装置の更なる実施形態を示す図。
【図１６】本発明に応じた励起装置の更なる実施形態を示す図。
【図１７】本発明に応じた励起装置の更なる実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面の簡単な説明
図面は概略により示したものであり、正確な縮尺によるものではない。
本発明の根本的な着想は、アクチュエータを通じて流れる圧電電流を、アクチュエータの容量性充電電流から分離することと、超音波アクチュエータの励起電圧の周波数を調整するために分離された圧電電流の位相シフトを用いることである。
【００１４】
以下において、‘超音波モータに対するアクチュエータ’、‘超音波アクチュエータ’又は単に‘アクチュエータ’は、同義に用いられる。
本発明によって、機械共振周波数Ｆｍを伴う超音波モータに対するアクチュエータを電気的に励起するための方法が得られ、該方法では、超音波モータは、励起電極及び汎用電極を備える少なくとも１つの音響定在波発生器を有し、電気キャパシタンスＣ０は、励起電極と汎用電極との間に生成される。本発明に応じた方法において、矩形励起電圧Ｕｇは、少なくとも１つの音響定在波発生器の励起電極及び汎用電極に印加され、矩形励起電圧Ｕｇの周波数は、アクチュエータの機械共振周波数Ｆｍとは異なる。次いで、フィードバック要素の手段によって、電圧ｕｇが供給され、電圧ｕｇは、定在波発生器を通じて流れる電流Ｉｇに比例し、電流Ｉｇは、圧電電流Ｉｐと電気キャパシタンスＣ０の充電及び放電電流Ｉｃとの和によって生成される総合電流である。続いて、電圧ｕｐを電圧ｕｃからインパルスフィルタの手段によって分離する工程が行われ、電圧ｕｐは、圧電電流Ｉｐに比例し、電圧ｕｃは電気キャパシタンスＣ０の充電及び放電電流Ｉｃに比例する。最後に、圧電電流Ｉｐと矩形励起電圧Ｕｇとの間の位相差がほぼゼロになるように、矩形励起電圧の周波数が変化する。
【００１５】
超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための本発明に応じた装置において、アクチュエータは少なくとも１つの音響定在波発生器を有しており、少なくとも１つのパワーアンプ、フィードバック要素、フィルタ、及び制御電圧形成装置を備える。少なくとも１つのパワーアンプは、アクチュエータの供給電圧のための電圧セレクタスイッチとして設計されており、電圧セレクタスイッチは、少なくとも１つの音響定在波発生器に直接的に又は非直接的に接続される。さらに、フィードバック要素は、音響定在波発生器に直列に接続されており、定在波発生器を通じて流れる電流と等しい電流がこれを通じて流れており、フィルタは、フィードバック要素によって生成された電圧に対するインパルスフィルタとして設計される。さらに、フィルタの出力は、制御電圧形成装置の入力に接続されており、制御電圧形成装置は、少なくとも１つのパワーアンプの入力に接続される。
【００１６】
本発明に応じた方法及び／又は装置は、励起電圧の周波数を、超音波アクチュエータに対する最適値に保たれるようにする。この周波数は、アクチュエータの機械共振周波数に等しい値に一定に保たれており、超音波モータのアクチュエータに適用される負荷の周波数とは独立しており、超音波モータの動作安定度を増加させる。超音波モータは、すなわち、常に最適な動作範囲において動作する。これは、励起電圧のレベルを低減し、必要とされる電流及び電力は低減され、モータは、より少ない程度に加熱する。
【００１７】
本発明に応じた方法の１つの有利な設計によれば、定在波発生器を通じて流れる圧電電流Ｉｐは、さらに、安定化される。アクチュエータにおいて生成された波の振動速度、すなわち、駆動される要素の動きの速度もまた、さらに安定化されることを可能にする。
【００１８】
本発明に応じた装置の１つの有利な設計によれば、電圧セレクタスイッチは、ハーフブ
リッジパワーアンプ、ブリッジパワーアンプ、又はデュアルクロックパワーアンプとして設計される。これは、電圧セレクタスイッチの内部抵抗を著しく低減させることを可能にし、よって、可能な限りキャパシタの充電及び放電電流Ｉｃのパルス期間を短くする。
【００１９】
フィードバック要素が低い実効抵抗値を有しているか、又は電流に対する測定変圧器を備えることは、有利であり得る。これは、電流Ｉｇの電圧Ｕｇへの変換における位相誤差を著しく低減されることを可能にする。
【００２０】
インパルスフィルタがバンドパスフィルタとして実装され、フィードバック要素によって生成された電圧に対して、アクチュエータの機械共振周波数Ｆｍに同調されることもまた、有利であり得る。バンドパスフィルタ３３とされるインパルスフィルタ２３の実装は、機械共振周波数Ｆｍにおける位相誤差が除去されることを可能にする。
【００２１】
インパルスフィルタがフィードバック要素によって生成されるローパスフィルタ又は積分器として実装される場合、便利であることがわかる。その結果、インパルスフィルタが極めて単純に設計される。
【００２２】
さらに、インパルスフィルタがフィードバック要素によって生成される電圧に対する回路遮断器を備え、回路遮断器の制御入力がエッジ検出器を通じて電圧セレクタスイッチに接続される場合もまた、有利であることがわかる。
【００２３】
インパルスフィルタが電圧比較器として実装される場合もまた、有利であり得る。
さらに、超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための装置が自動式の発生器として実装される場合、有利であり得る。
【００２４】
制御電圧形成装置が矩形電圧に対する位相検出器と制御式の発生器を備える場合、有利であり得る。
制御電圧形成装置が対称なパルス幅変調（ＰＷＭ）変調器を有する場合もまた、有利であり得る。対称なＰＷＭ変調器の使用によって、電流Ｉｐ、すなわち、駆動される要素の動きの速度を調整することができる。
【００２５】
さらに、超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための装置がパワーアンプに与える電圧に対するレギュレータを有する場合、有利であり得る。これは、電流Ｉｐ、すなわち、駆動される要素の動きの速度が調整されることを可能にする。
【００２６】
超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための装置が、定在波発生器を通じて流れる圧電電流に対する安定化システムを有する場合、便利であることがわかる。
さらに、超音波モータの圧電アクチュエータを電気的に励起するための装置の電気コンポーネントが、部分的に又は完全に、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）又はＦＰＧＡ（フィールドプログラム可能ゲートアレイ）のタイプのプログラム可能なデジタルプロセッサによって実装される場合、便利であり得る。これは、電気励起装置の設計を単純にすることができ、すなわち、その設計のコストを低減させるとともに、干渉に対する耐性を増加させる。
【００２７】
図１は、超音波モータ１の超音波アクチュエータ２に対する発明に応じた励起装置を示す。この超音波波動モータ１において、超音波アクチュエータ２は、摩擦接合又は摩擦接触３によって、駆動され直線運動又は回転運動を行う要素４に接続される。
【００２８】
アクチュエータ２は、板形状において実装される音響共振器５から成るが、ディスク形状、円柱形状、又は超音波アクチュエータ２の構成によって特定される他の形状により実
装されることもできる。共振器５は、圧電セラミックの材料から成るが、金属、酸化物セラミック、金属セラミック、単結晶の材料、又は高い機械Ｑ値を有する他の材料からも成ることができる。共振器５は、音響超音波に対する閉じた、又は開放された導波管を形成することができる。
【００２９】
共振器５は、音響定在波のための発生器６を有する。発生器６は、共振器５の一部である。これに対して、発生器６は、共振器５に接続される圧電素子（図示なし）によって形成されることもできる。図１に示されるように、発生器６は、３層構造を有しており、１つの層は、励起電極７を示しており、１つの層は、汎用電極８であり、圧電セラミック９は、励起電極７と汎用電極８の層との間に配置される。図１の例１０にも示されるように、圧電セラミック層の二極化ベクトルは、電極７，８に垂直に並べられる。しかしながら、圧電セラミック層の二極化ベクトルは、電極７，８に対して傾いて（図１の例１１）又は、電極７，８に平行で（図１の例１２）あることが考えられる。さらに、二極化ベクトルは、発生器６の異なる領域において異なる配置を有することが考えられる。この場合１つの領域において、二極化ベクトルは、垂直な配置を有しており、他の区分においてもまた垂直な配置を有しているが、逆方向、すなわち、逆平行方向であることもまた考えられる。
【００３０】
発生器６は、多層構造を有することができ、図１の例１３に示されるように、電極７，８及び圧電層９が、互い違いに配置される。この場合、個々の層において、前述された二極化ベクトルの異なる方向が考えられる。
【００３１】
さらに、定在波発生器は、ストリップ形状などの電極（図示なし）を有することができる。
電圧を印加するように、電極７及び８は、出力１４，１５を有する。出力１４，１５は、より線の導体として実装されるが、弾性要素又は電気的に導電性ゴム要素として実装されることもできる。
【００３２】
電気キャパシタンスＣ０は、発生器６の電極７及び８の間に存在する。
発生器６は、共振器５において音響超音波の定在波を発生するように用いられ、共振器５は、超音波モータによってモータの動作のために用いられる。この波は、縦波、たわみ波、剪断波、ねじれ波、体積波、平面波、表面波、対称、非対称又は異なるタイプの音響波であり得る。用いられる波のタイプ及び形状は、共振器５の幾何学形状、電極７及び８の形状、圧電セラミックの二極化ベクトルの電極７及び８に対する方向、及び励起電圧Ｕｇの周波数によって決定される。
【００３３】
アクチュエータ２において生成される波において、機械共振周波数Ｆｍと等しい周波数の共振器５の複数の点は、ピーク振動速度Ｖｐを有する。機械共振周波数Ｆｍは、超音波アクチュエータ２の動作周波数を表し、従って、超音波モータ１の動作周波数もまた表す。この周波数において、超音波モータ１は、最適な機械特性の値を有する。
【００３４】
電気励起装置２０は、パワーアンプ２１、フィードバック要素２２、フィードバック要素２２によって供給される電圧ｕｇに対するインパルスフィルタ２３、及び制御電圧形成装置２４を有する。パワーアンプ２１は、電圧セレクタスイッチ２５として実装される。この場合、電圧セレクタスイッチは、ハーフブリッジ若しくはブリッジパワーアンプ２６又はデュアルクロックパワーアンプ２７の形状を形成することができる。パワーアンプ２１は、ＤＣ電圧Ｅを与えられ、矩形のＡＣ電圧Ｕｇ（図１０の例４２参照）を提供する。音響波６の発生器の電極７，８の出力１４，１５は、パワーアンプ２１に、フィードバック要素２２によって接続される。インパルスフィルタ２３は、電圧Ｕｇが印加される入力３１と、電圧ｕｐが印加される出力３２とを有する。インパルスフィルタ２３は、バンド
パスフィルタ３３として設計される。しかしながら、ローパスフィルタ３４又は積分器３５（図６参照）としても設計され得る。さらに、インパルスフィルタ２３は、比較器又はインパルス装置（図７参照）であり得る。これらのフィルタは、フィードバック要素２２によって提供される電圧ｕｇに対する回路遮断器３７を含んでおり、制御入力３８は、電圧セレクタ２１に、エッジ検出器３９を通じて接続される。さらに、インパルスフィルタ２３は、パッシブ又はアクティブな電気コンポーネントから成ることができ、又は、自由にプログラム可能なマイクロコントローラとともに実装されることができる。
【００３５】
フィードバック要素２２は、発生器６を通じて流れる電流Ｉｇをこの電流に比例して変化する電圧ｕｇに変換するために用いられる。フィードバック要素２２は、低い値の抵抗２９として実装されるが、電流−電圧測定変圧器３０（図１４参照）として、又は異なる設計により実現されることもできる。
【００３６】
図２の例１７〜１９に応じて、共振器５は、電極７及び８とともに、音響波のための１つ又はそれ以上の補助発生器１６を有することができる。補助発生器１６は、矩形の電圧Ｕｇ又は矩形の形状ではなく異なる電圧を用いて駆動されることができる。アクチュエータ２における補助発生器１６は、（メインの）発生器６と同一のタイプの音響超音波を生成することができるが、（メインの）発生器６とは異なるタイプの音響超音波もまた生成することができる。さらに、補助発生器１６は、同一の機械共振周波数Ｆｍ又は異なる周波数、例えば、Ｆｚを有することができる。さらに、補助発生器１６は、発生器６のキャパシタンスＣ０とは異なるキャパシタンス、例えば、Ｃｚを有することができる。
【００３７】
図２の例１７に応じたアクチュエータ２は単相であり、図２の例１８においては、二相である。対応する三相の設計は、図２の例１９において示される。もちろん、三相よりも多くを用いて装置を制御することも考えられる。
【００３８】
発生器６及び１６が併せて励起される場合、２，３又はそれ以上の定在波はアクチュエータ２において互いに独立して伝搬する。アクチュエータ２において伝搬している定在波は、純粋な伝送波又は伝送波と定在波の組み合わせであることができる。
【００３９】
図４及び図５に応じて、定在波発生器６の電極７，８の出力１４，１５は、整合変圧器２８を通じてパワーアンプ２１に接続される。
図８は、機械共振周波数Ｆｍの領域における超音波モータ１に対する定在波発生器６の電気機械パラメータを図示するように、等価回路を示す。この回路における記号は、次の意味を有する。Ｃ０＝電気キャパシタンスであって、電極７と電極８との間に生成される；Ｌｍ＝電気インダクタンスであって、アクチュエータ２の質量に比例する；Ｃｍ＝電気キャパシタンスであって、アクチュエータ２の弾性コンプライアンスに比例する；Ｒｍ＝電気抵抗であって、アクチュエータ２における機械損失に比例する；Ｒ１＝電気抵抗であって、アクチュエータ２の負荷の機械抵抗に比例する。
【００４０】
回路はその回路に印加される電圧Ｕｇを有しており、電圧Ｕｇは、回路を通じて流れる電流Ｉｇを引き起こす。この電流は、出力１４，１５及び定在波発生器６の電極７，８を通じて流れる。
【００４１】
電流Ｉｇは、次の２つの成分から生成される総合電流である。Ｉｃ＝発生器６の電気キャパシタンスＣ０の充電及び放電電流と、Ｉｐ＝圧電電流であって、発生器６の圧電セラミック層９の領域の回転角度によって形成され、発生器６の振動速度Ｖｐ（又は振動振幅）を反映する。
【００４２】
本発明の着想に反して、電圧Ｕｇが正弦電圧である場合、電流Ｉｇ，Ｉｃ及びＩｐ（Ｖ
ｐ）もまた正弦波を有する。この場合、電流Ｉｇの振幅と電流Ｉｐ（Ｖｐ）の振幅とは、図９の例４０に示される関係を有する。図９の表示４１は、周波数における電圧Ｕｇと電流Ｉｇとの位相シフトの依存性を示す。
【００４３】
図９の例４０と例４１とにおいて、特定の複数の周波数が認められる。これらの周波数のうち、Ｆｇは電流Ｉｇの共振周波数である。この周波数において、電流Ｉｇは、その最大値Ｉｇｍを有しており、位相シフト角度φｇは、φｇｍと等しい。Ｆｍは、電流Ｉｐ（Ｖｐ）の機械共振周波数である。この周波数において、電流Ｉｐ（Ｖｐ）は、その最大値Ｉｐｍを有しており、位相シフト角度φｇは、φｐｍと等しい。Ｆ０は、電流Ｉｇに対する位相シフトがゼロに等しい周波数である。Ｆａは、電流Ｉｇの反共振周波数である。周波数Ｆ０とＦａにおいて、位相シフト角度φｇは、ゼロに等しい。
【００４４】
特許文献４に応じた超音波モータのアクチュエータを励起するための方法の原理は、本発明に応じた方法に反して、正確には、前述したように、正弦電気電圧Ｕｇがアクチュエータに印加され、この電圧の周波数調整は、この電圧とアクチュエータを通じて流れる電流Ｉｇとの間の位相シフトφｐｍの安定化によって影響される。
【００４５】
周波数Ｆｍにおいて、インダクタンスＬｍは、容量Ｃｍによって補償されるため、位相シフト角度φｐｍは、容量Ｃ０及び抵抗の和Ｒｍ＋Ｒｌによって決定される。抵抗Ｒｍは、抵抗Ｒｌよりも大幅に小さい。この理由のため、負荷の抵抗ＲＩにおける変化は、周波数Ｆｍにおける角度φｐｍの変化を引き起こす。
【００４６】
その結果、特許文献４に応じた手法において、超音波モータのアクチュエータにかかる負荷（Ｒｌ）の変化は、励起電圧Ｕｇの周波数の不安定化をもたらす。この周波数は、従って、機械共振周波数Ｆｍとは異なる。より大きな負荷がアクチュエータにかかる場合、不安定化は、超音波モータの動作に不利益な著しい振幅の状態を起こす。
【００４７】
一方、本発明に応じた手法において、電気矩形電圧Ｕｇは、アクチュエータ２の発生器６に印加され、その波形の形状は、図１０の例４２に示される。この電圧パルスの立ち上がり及び立ち下がりエッジのそれぞれは、キャパシタンスＣ０の速やかな充電と放電を引き起こす。キャパシタンスＣ０の充電及び放電は、非常に短い時間Ｔｃにおいて実行され、これは励起電圧Ｕｇの周期Ｔｇの数倍小さい。この時間は、アンプ２６の伝導性トランジスタの低抵抗とキャパシタンスＣ０の大きさとによって決定される。従って、電流Ｉｃは、図１０の例４３から見られるように、短いパルスの列を表す。電流パルスＩｃは、矩形電圧Ｕｇのパルスのエッジと一致する。
【００４８】
電流Ｉｃと同様に、圧電電流Ｉｐもまた発生器６を通じて流れており、振動速度Ｖｐに比例する。発生器６は、共振器５の一部であるため、電流Ｉｐは、正弦波（図１０の例４４参照）を有する。
【００４９】
総合的な電流Ｉｇは、電流Ｉｃ及び電流Ｉｐから成り、発生器６の電極７，８を通じて流れる（図１０の例４５参照）。
機械共振周波数Ｆｍにおいて、インダクタンスＬｍは、キャパシタンスＣｍによって補償されるため、この周波数において、電流Ｉｐ（矩形励起電圧Ｕｇに対する有効電流、又は実効電流、すなわち、電流の位相シフト）は、ゼロである。
【００５０】
上述の通り、発生器６が本発明に応じて周波数Ｆｍの矩形電圧Ｕｇによって励起されるとき、負荷抵抗Ｒｌの変化は、電流Ｉｇの位相変化をもたらさず、すなわち、位相差はゼロに等しいままである。
【００５１】
励起電圧Ｕｇの周波数がＦｍからＦｃに減少される場合、電圧Ｕｇの電流Ｉｐｃは、角度φｐｃだけ先に進む。すなわち、圧電電流は、容量性の特性を帯びる。励起電圧の周波数がＦｍからＦｉに増加される場合、電圧Ｕｇの電流Ｉｐｌは、角度φｐｌだけ後退し始める。すなわち、圧電電流は誘導性の特性を帯びる（図１１，図１２も参照）。図１１の例４７から明らかなように、全範囲に渡る周波数Ｆにおける圧電電流Ｉｐ（Ｖｐ）の位相シフトの相関関係は、滑らかな一価関数である。
【００５２】
その構造の観点からすれば、本発明の電気励起装置２０は、励起電圧Ｕｇの周波数を調整するシステムを形成し、つまり、矩形励起電圧Ｕｇと圧電電流Ｉｐとの間の位相シフト角度の安定化を用いる。
【００５３】
周波数調整に対して、個々の異なる原理が考えられる。例えば、励起装置２０は、ポジティブフィードバックを備える自動式の発生器であることができ、周波数Ｆｍにおいて、フィードバックループの位相シフト角度はゼロに等しく、利得係数は１よりも大きい。この場合、制御電圧形成装置２４はリミットアンプ４８として実装される（図１３参照）。
【００５４】
励起装置２０は、ネガティブフィードバックを備えた周波数調整のための位相同期ループ（ＰＬＬ）システムであることもできる。この場合、制御電圧形成装置２４は、参照入力５０及び測定入力５１を備える位相検出器４９と、制御式の発生器５２とから成る（図１４参照）。
【００５５】
周波数調整のために適用される原理に関わらず、電気励起装置２０は制御入力５４を伴う対称なＰＷＭ変調器５３を備えており、励起電圧Ｕｇは、幅変調された矩形電圧を表す。
【００５６】
図１５に示される電気励起装置２０は、電源電圧Ｅに対するレギュレータ５５を含み、レギュレータ５５は、パワーアンプ２１に対する電源を表し、制御入力５６を備える。このレギュレータ５５は、例えば、ＤＣ−ＤＣ変換器として、実装されてもよく、ＰＷＭ変調器として動作する。
【００５７】
図１６に示される電気励起装置２０の変形は、定在波発生器６を通じて流れる圧電電流Ｉｐに対する安定化システム５７を示す。つまり、安定化システム５７は、インパルスフィルタ２３の出力３２に接続された測定入力５８を有する。
【００５８】
図１７に示される電気励起装置２０において、電気コンポーネントインパルスフィルタ２３、制御電圧形成装置２４、バンドパスフィルタ３３、ローパスフィルタ３４、積分器３５、インパルス装置３６、位相検出器４９、制御式の発生器５２、及び安定化システム５７の機能は、部分的に又は完全に、ＤＳＰ又はＦＰＧＡのタイプの適切にプログラムされたデジタルプロセッサによって、実装される。デジタルプロセッサ５９は、インタフェースポート６０を有することができる。
【００５９】
駆動される超音波モータ１の要素４を位置エンコーダ６１とともに備えることができ、位置エンコーダ６１の出力６２は、デジタルプロセッサ５９に接続される。
機能の説明
超音波モータ１のアクチュエータ２を電気的に励起するための本発明に応じた方法は、電気矩形励起電圧Ｕｇがアクチュエータ２の音響超音波定在波のためのメイン発生器６の励起電極７及び汎用電極８に印加され、その周波数Ｆは、初期において、アクチュエータ２の機械共振周波数Ｆｍから僅かに異なる、という事実に基づく。次いで、フィードバック要素２２は、アクチュエータ２の発生器６を通じて流れる電流Ｉｇに比例する電圧ｕｇを分岐（タップオフ）させる。この後、インパルスフィルタ２３によって、圧電電流Ｉｐ
に比例する電圧ｕｐは、キャパシタンスＣ０の充電及び放電電流Ｉｃに比例する電圧ｕｃから分離される。次に、圧電電流Ｉｐと矩形励起電圧Ｕｇとの位相差φｐがゼロの値に近づくように、又はゼロと等しくなるように、矩形励起電圧Ｕｇの周波数Ｆが変更される。アクチュエータ２の音響定在波のための発生器６を通じて流れる圧電電流Ｉｐは、従って、安定化される。
【００６０】
本発明による超音波モータ１のアクチュエータ２の電気励起装置２０は、次のように機能する。供給電圧Ｅが印加されるとき、パワーアンプ２１（２５，２６，２７）は、電気矩形励起電圧Ｕｇを供給し、その周波数Ｆは、アクチュエータ２の機械共振周波数Ｆｍから僅かに異なる。この電圧は、発生器６の電極７，８の出力１４，１５に印加される。この電圧の結果として、電流Ｉｇは、発生器６とフィードバック要素２２（２９，３０）とを通って流れ始める。フィードバック要素２２（２９，３０）において、電流Ｉｇに比例する電圧ｕｇが存在する。インパルスフィルタ２３（３３，３４，３５，３６）の結果、電圧ｕｐは、電圧ｕｇから分離され、ｕｐは圧電電流Ｉｐに比例して動作し、ｕｃは、キャパシタンスＣ０の充電及び放電電流Ｉｃに比例する。
【００６１】
電圧ｕｐは、正弦電圧を表しており、機械共振周波数Ｆｍにおける位相は、矩形励起電圧Ｕｇの位相に整合する（又は１８０度シフトされる）。矩形励起電圧ｕｇに対する電圧ｕｐの周波数−位相特性は、滑らかな一価関数によって表される。
【００６２】
電気励起装置が自動式の発生器２０として実装される場合、供給電圧Ｅがオンに切り替えられると、パルス電流が発生器６を通じて流れ、その結果、電気励起装置２０は、機械共振周波数Ｆｍにおける発振を引き起こす。機械共振周波数Ｆｍにおいてフィードバック要素２２に対する位相シフト角度がゼロであり、この角度がアクチュエータの負荷に依存しないため、アクチュエータ２の負荷が何であるかに関わらず、電気励起装置２０は機械共振周波数Ｆｍにおいて振動する。
【００６３】
電気励起装置２０がネガティブフィードバックを有する周波数調整のためのＰＬＬシステムである場合、このシステムは電気矩形電圧ｕｇと電圧（すなわち、圧電電流Ｉｐであって、ｕｐがゼロに等しくなる電圧）との間の位相シフト角度φｐを安定化する。電気励起装置２０は、次いで、電圧Ｕｇを提供し、その周波数は、常にアクチュエータ２のいかなる負荷における機械共振周波数Ｆｍに等しい。
【００６４】
安定化システム５７を用いる圧電電流Ｉｐの更なる安定化は、振動速度Ｖｐが安定化されることを可能にし、従って、駆動される要素４の動きの速度もまた安定化されることを可能とする。
【００６５】
ハーフブリッジ若しくはブリッジアンプ２６又はデュアルクロックパワーアンプ２７の使用によって、セレクタ２５の内部抵抗を最も低減することができ、すなわち、容量性電流Ｉｃのパルス期間ｔｃを最も低減することができる。
【００６６】
フィードバック要素２２とされる、低い値の抵抗２９又は測定変圧器３０の使用によって、電流Ｉｇの電圧ｕｇへの変換における位相誤差を最も低減することができる。
バンドパスフィルタ３３としてのインパルスフィルタ２３の実装は、機械共振周波数Ｆｍにおける位相誤差が除去されることを可能にし、一方、ローパスフィルタ３４又は積分器３５とされるインパルスフィルタ２３の設計は、これらのフィルタが極めて単純に設計されることを可能にする。
【００６７】
インパルス装置３６とされるインパルスフィルタ２３の設計によって、励起装置２０の動作周波数範囲全体における位相誤差を除去できるようになる。
電気励起装置２０における電気供給電圧のための対称なＰＷＭ変調器５３又はレギュレータを用いることによって、電流Ｉｐ（Ｖｐ）、すなわち、駆動される要素４の動きの速度を調整することが可能である。
【００６８】
デジタルプロセッサ５９としての電気コンポーネントの実装は、コストを低減させ、干渉の耐性を増加するように、電気励起装置２０及びその構造を単純化することができる。
本発明に応じた方法及び本発明に応じた装置は、励起電圧の周波数を、超音波アクチュエータに対する最適値に保持されるようにする。この周波数は、アクチュエータの機械共振周波数に等しい値において一定に保たれており、超音波モータのアクチュエータに適用される負荷とは独立している。これは、超音波モータの動作安定度を増加する。超音波モータは常に最適な動作範囲において動作しているため、超音波モータの動作に必要とされる励起電圧及び電流の大きさ又は電力は低減される。モータは、より少ない程度にしか加熱されず、よって、動作温度範囲を延長する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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