(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を有する振動体と、
入力端子が前記圧電素子の一方の面に設けられた電極と電気的に接続された前置増幅回路と、
一端を前記前置増幅回路の出力端子に電気的に接続されたコイルと、
入力端子が前記コイルの他端と電気的に接続され、出力端子が前記圧電素子の他方の面に設けられた電極と電気的に接続された電力増幅器と、
一端が前記コイルの他端に電気的に接続され、他端が接地されるコンデンサと、
一端が前記前置増幅回路の入力端子に電気的に接続され、他端が接地されるコンデンサと、
で前記振動体を自励発振させる自励振駆動回路を構成し、
前記振動体に発生する振動波によって移動体を摩擦駆動する超音波モータ。
【請求項２】
一方の面と他方の面に電極を有し、前記一方の面の電極が接地された圧電素子と、
前記圧電素子を有する振動体と、
入力端子が前記圧電素子の他方の面に設けられた検出用の電極と電気的に接続された前置増幅回路と、
一端を前記前置増幅回路の出力端子に電気的に接続されたコイルと、
入力端子が前記コイルの他端と電気的に接続され、出力端子が前記圧電素子の他方の面に設けられた電極と電気的に接続された電力増幅器と、
一端が前記コイルの他端に電気的に接続され、他端が接地されたコンデンサと、
で前記振動体を自励発振させる自励振駆動回路を構成し、
前記振動体に発生する振動波によって移動体を摩擦駆動する超音波モータ。
【請求項３】
前記電力増幅回路の出力端子と前記電力増幅器の入力端子との間に前記コイルと直列に抵抗を設けたことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、モータ駆動に用いる前記振動体の振動モードの共振周波数をｆ、前記コンデンサの値をＣ、前記コイルの値をＬとしたとき、
ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））
が概ね成立するように、前記コンデンサと前記コイルの値を設定したことを特徴とする超音波モータ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、前記前置電力増幅器および前記電力増幅器のうち、少なくともどちらか一方が反転電力増幅器である、ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、前記前置電力増幅器および前記電力増幅器は、制御信号に基づき能動状態または非能動状態に状態制御が可能なものであり、前記制御信号により前記前置電力増幅器および前記電力増幅器を能動状態にすることで前記振動体を自励発振させてモータ駆動を行なう、ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、前記圧電素子は表面上に複数の電極からなる少なくとも２組の電極群が形成され、
前記電極群の各々に対して出力端子が接続され各々の電極群を独立に励振駆動する電力増幅器を備え、励振駆動する電極群を選択することで前記移
動体の回転方向を切り換える、ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、前記前置電力増幅器は制御端子を備えたＣＭＯＳのトライ・ステート・インバータであり、前記電力増幅器は制御端子を備えたＣＭＯＳのトライ・ステート・バッファであって、前記トライ・ステート・インバータおよび前記トライ・ステート・バッファは前記制御端子に入力される制御信号に基づき能動状態または非能動状態に状態制御が可能なものであり、前記トライ・ステート・インバータおよび前記トライ・ステート・バッファを能動状態にすることで前記振動体を自励発振させてモータ駆動を行なう、ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項９】
請求項７に記載の超音波モータにおいて、前記前置電力増幅器は制御端子を備えたＣＭＯＳのトライ・ステート・インバータであり、前記圧電素子の表面上に設けられた少なくとも２組の電極群に対して各々備えられたが前記電力増幅器は制御端子を備えたＣＭＯＳのトライ・ステート・バッファであって、前記トライ・ステート・インバータおよび前記トライ・ステート・バッファは前記制御端子に入力される制御信号に基づき能動状態または非能動状態に状態制御が可能なものであり、前記トライ・ステート・インバータおよび前記トライ・ステート・バッファを能動状態にすることで前記振動体を自励発振させてモータ駆動を行なうと共に、能動状態にするトライ・ステート・バッファを選択して、すなわち励振駆動する電極群を選択することで前記移動体の回転方向を切り
換える、ことを特徴とする超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動体を自励発振させて駆動する自励振駆動型の超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータは、圧電素子を有する振動体に生じる機械的な共振を起こさせ、その振動から摩擦を介して移動体の回転力または推力を取り出すことを基本原理としている。しかし、振動体の共振点は温度などの駆動環境によりシフトする。従って、安定駆動を実現するために、駆動環境に応じて、モータに印加する交番電圧の周波数、すなわち、駆動周波数をコントロールする必要がある。具体的には、駆動回路に温度センサ、電圧センサを内蔵し、その情報を基に、メモリに書き込んだモータ個々の特性に応じて駆動点を自動追尾し、安定した出力を得る。
【０００３】
その他、モータに流れる電流や、電圧と電流の位相差を検出して駆動点を自動追尾する方法などがとられており、回路の複雑化は避けられない。そしてこの場合、駆動用とは別に設けた検出用の圧電素子から信号を検出する方法が広く採られている。しかしながら、このような複雑な回路ならびに構成では、モータの小型化に際して、回路の大きさならびにコストを考えた場合に好ましくない。
【０００４】
そのような所望に応じて自励振駆動型の超音波モータが提供されている。この自励振駆動型の超音波モータは、時計の時間基準となる水晶の発振回路として有名なコルピッツ型発振回路を応用して、超音波モータの駆動回路の大幅な簡素化を試みたものである。水晶発振回路などの圧電振動子を利用した発振回路は、圧電体を有する振動体と外付け素子から成る帰還回路と増幅回路とからから成る。電源投入時の様々なノイズ成分は帰還回路により特定の共振周波数成分だけが選択され、それが増幅回路で増幅されることにより発振が持続する。
【０００５】
ところで、超音波モータが自励発振するための条件は、発振に関するバウクハウゼン条件と呼ばれ、増幅回路の値をＧ、帰還回路の値をＨとしたとき下記の通りである。
【０００６】
ゲインについて      ｜Ｇ×Ｈ｜＞１                        (1)
位相角について    ∠Ｇ＋∠Ｈ＝２πｎ(ｎ＝０，１，２)      (2)
このような回路構成とすることで、温度や電圧、外部負荷の変化による共振周波数の変化に自動的に追尾しモータは安定に駆動することができる。
【０００７】
特開平８−２５１９５２号公報「超音波モータおよび超音波モータ付電子機器」に開示された超音波モータは、このような自励振駆動型の超音波モータに属するものである。
【０００８】
この超音波モータは、図１１に示すように、移動体１０８を振動体１０１に加圧接触するように配置された加圧ばね１０９と、表面上に複数の電極からなる少なくとも２組の電極群１０３ａ，１０３ｂが形成されている圧電素子１０２とを備える。その圧電素子１０２に形成された少なくとも２組の電極群１０３ａ，１０３ｂの各々に対して出力端子が接続されている。さらに、この超音波モータは、各々の電極群１０３ａ，１０３ｂを独立に励振駆動する少なくとも２つの電力増幅器５０１ａ，５０１ｂを有する発振駆動回路４０５と、移動体１０８の回転方向を設定するための正逆転信号を発生する正逆転信号発生手段１１０とを備えている。さらに、この超音波モータは、正逆転信号発生手段１１０からの出力信号にもとづき、発振駆動回路４０５の少なくとも２つの電力増幅器５０１ａ，５０１ｂの少なくとも１つを選択するための切換回路１０６を有する。そして、このような構成を有することにより、簡便な駆動方式で正逆転制御が可能であり、かつ高い環境信頼性を有する超音波モータを実現した。
【０００９】
ここで、超音波モータを自励振駆動させる場合、水晶発振器などが源信を目的としているのとはことなり、自励発振による振動を機械的なパワーとして利用する関係上、発振を立ち上げ持続することを目的とする発振用の電力増幅器のみでは、モータとしての機能するだけの十分なパワーは得られない。そのため、超音波モータの自励振駆動回路においては、発振用の電力増幅器に加えて駆動用の電力増幅器を備えることでモータ出力が向上する。上記の従来技術に関しても、そのような構成をとっている。
【００１０】
しかし、上記のように発振用の電力増幅器と、駆動用の電力増幅器との２つ以上の電力増幅器を用いて自励振駆動回路を構成した場合、製造ばらつきによって、発振用の電力増幅器と駆動用の電力増幅器の両者間で動作点レベルに差が生じ、そのため、自励発振の立ち上がり時の微小な信号をスムーズに伝達できず、発振不良を起こし易いという問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、超音波モータの小型化を目指す自励振駆動型の超音波モータにおいて、製造バラツキによる発振用の電力増幅器と駆動用の電力増幅器の動作点レベルの差に起因した発振不良を回避することができる新規な自励振駆動回路を有する超音波モータを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載するように、自励振駆動回路は、発振用の前置電力増幅器と、圧電素子の表面上に設けられた電極に出力端子が接続された駆動用の電力増幅器と、一端が電力増幅器の入力端子に接続され他端が設置された位相調整を行なうコンデンサと、前置電力増幅器の出力端子と電力増幅器の入力端子の間に挿入されたコイルとから構成し、前置電力増幅器の入力端子と電力増幅器の間に自励発振の安定化を図るためのＬＣ共振回路を形成したことを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、コンデンサとコイルのＬＣ共振回路によって得られるＱにより、前置電力増幅器の出力信号の振幅が大きくなり、電力増幅器の動作点レベルが前置電力増幅器の動作点レベルと多少異なっていても、前置電力増幅器の出力信号を確実に増幅でき、結果として、発振不良が回避でき、起動安定性に優れた信頼性の高い超音波モータが提供できる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、自励振駆動回路を、発振用の前置電力増幅器と、圧電素子の表面上に設けられた電極に出力端子が接続された駆動用の電力増幅器と、一端が電力増幅器の入力端子に接続され他端が設置された位相調整を行なうコンデンサと、前置電力増幅器の出力端子と電力増幅器の入力端子の間に直列に挿入された抵抗およびコイルとから構成し、電力増幅器の入力端子を保護しつつ、前置電力増幅器の入力端子と電力増幅器の間に自励発振の安定化を図るためのＬＣＲ共振回路を形成したことを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、請求項１の発明に基づく効果に加えて、さらに、駆動用の電力増幅器の入力端子が保護され、より信頼性に優れた超音波モータを提供できる。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の超音波モータにおいて、モータ駆動に用いる振動体の振動モードの共振周波数をｆ、コンデンサの値をＣ、コイルの値をＬとしたとき、
ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））
が概ね成立するようにコンデンサとコイルの値を設定したことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、ＬＣ共振回路がもつＱを最大限に活かすことができ、より安定した発振起動特性が得られる。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、前置電力増幅器および電力増幅器のうち、少なくともどちらか一方が反転電力増幅器であることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、請求項１から請求項３の発明による効果に加えて、反転電力増幅器を用いることで自励振駆動回路の帰還回路部分での移相量が小さくできるため、回路の小型化に効果がある。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、前置電力増幅器および電力増幅器は、制御信号に基づき能動状態または非能動状態に状態制御が可能なものであり、制御信号により前置電力増幅器および電力増幅器を能動状態にすることで前記振動体を自励発振させてモータ駆動を行なう、ことを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、請求項１から請求項４に記載の発明により得られる効果に加えて、自励振駆動回路の制御が非常に簡単に実現できる。
【００２２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、圧電素子は表面上に複数の電極からなる少なくとも２組の電極群が形成され、電極群の各々に対して出力端子が接続され各々の電極群を独立に励振駆動する電力増幅器を備え、励振駆動する電極群を選択することで移動体の回転方向を切り換えることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、請求項１から請求項５の発明による効果に加えて、モータの正逆回転の切り換えが容易かつ簡素な構成で実現できる。
【００２４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、前置電力増幅器は制御端子を備えたＣＭＯＳのトライ・ステート・インバータであり、電力増幅器は制御端子を備えたＣＭＯＳのトライ・ステート・バッファであって、トライ・ステート・インバータおよびトライ・ステート・バッファは制御端子に入力される制御信号に基づき能動状態または非能動状態に状態制御が可能なものであり、トライ・ステート・インバータおよびトライ・ステート・バッファを能動状態にすることで振動体を自励発振させてモータ駆動を行なうことを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、請求項１から請求項５に記載の発明による効果に加え、簡素な自励振駆動回路が得られる。
また、請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の超音波モータにおいて、前置電力増幅器は制御端子を備えたＣＭＯＳのトライ・ステート・インバータであり、圧電素子の表面上に設けられた少なくとも２組の電極群に対して各々備えられたが電力増幅器は制御端子を備えたＣＭＯＳのトライ・ステート・バッファであって、トライ・ステート・インバータおよびトライ・ステート・バッファは制御端子に入力される制御信号に基づき能動状態または非能動状態に状態制御が可能なものであり、トライ・ステート・インバータおよびトライ・ステート・バッファを能動状態にすることで振動体を自励発振させてモータ駆動を行なうと共に、能動状態にするトライ・ステート・バッファを選択して、すなわち励振駆動する電極群を選択することで移動体の回転方向を切り換えることを特徴とする。
この発明によれば、請求項６に記載の発明の効果に加えて、より簡素に正逆回転が可能な自励振駆動回路が実現できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の自励振駆動型の超音波モータの基本構成についてまず説明する。図１は、本発明の自励振駆動型の超音波モータの縦断面図である。図１において、固定台２０１には中心軸２０２が固定されている。圧電素子１０２が接着されている振動体１０１は、中心軸２０２によって固定台２０１と一体となるように中心部近傍で固定支持されている。移動体１０８は、ボールベアリング２０８を介して中心軸２０２により回転案内されており、さらにはボールベアリング２０８を介して加圧ばね１０９により振動体１０１の表面に設けられた突起１０７に所定の圧力で接触するようになっている。
【００２７】
具体的には、中心軸２０２に固定された加圧ばね受け部材１０６とボールベアリング２０８の内輪との間に加圧バネを挟み込み、ボールベアリング２０８の外輪で移動体１０８を突起１０７に押しつけている。前記圧電素子１０２は、円板形状のもので、その片方の面には図２の（Ａ）に平面図で示すように、２組の電極１０３ａ，１０３ｂが形成され、他方の面には図２の（Ｂ）に平面図で示すように全面共通の電極が形成されている。そして該圧電素子１０２の一面は前記振動体１０１と接着又は薄膜形成等の手段によって一体的に接合されている。
【００２８】
該振動体１０１は、図３に平面図で示すように、前記圧電素子１０２に形成された２組の電極１０３ａ，１０３ｂに対応した１２の領域ａ１〜ａ６，ｂ１〜ｂ６に区分したとき、ａ１とｂ１，ａ２とｂ２，‥‥，ａ６とｂ６の境界付近の１つおきの位置に動力を伝達するための６個の突起１０７が形成されている。
【００２９】
一体化されたこの圧電素子１０２と振動体１０１を前記突起１０７の存在する半径部分で断面展開した図を図４に示す。圧電素子１０２は周方向に波数に対して４倍の１２分割した電極を１つおきに第１の電極群１０３ａおよび第２の電極群１０３ｂを形成し、図２，３，４に示されるように分極処理（＋）および（−）が施してある。図中で▲１▼と▲２▼の群に圧電素子１０２を領域区分してあるが、▲１▼は第１の電極群１０３ａに、▲２▼は第２の電極群１０３ｂに対応させたものである。
【００３０】
この圧電素子１０２に所定周波数の電圧を印加することにより、振動体１０１に周方向に３波長の定在波を励振して駆動する。第１の電極群１０３ａは６個の電極から構成され、各電極は第１の結線手段１０４ａで短絡してある。第２の電極群１０３ｂも６個の電極から構成され、各電極は第２の結線手段１０４ｂで短絡してある。
【００３１】
ここで、駆動に使用する振動体１０１の振動モードの共振周波数近傍の高周波電圧を、２つの電極群１０３ａ，１０３ｂのどちらか一方の電極群に印加することで振動体１０１を駆動する。該振動体１０１の駆動により回転力が付与される移動体１０８の回転方向は、振動体１０１がどちらの電極群で駆動されるかにより切り換えられる。すなわち、第１の電極群１０３ａに駆動信号を印加すると、振動体１０１は、図５の（Ｂ）に示すように屈曲振動する。この振動における山と谷の位置は、実線で示されるように半周期ごとに入れ替わるが、右に傾いた突起１０７は上昇し、左に傾いた突起は下降するため、ロータは右に傾いた３本の突起と常に接するようになり右方向に移動する。逆に、第２の電極群１０３ｂに駆動信号を印加させた場合には、図５の（Ａ）に示すように山と谷と突起の位置関係が変わり、今度は左に傾いた突起が上昇するようになるためロータは逆方向に移動する。
【００３２】
このように駆動信号を印加する電極パターンを選択することで、容易に正逆回転方向の切替えができるようになり、従来難しいとされていた単相駆動型（定在波型）モータの正逆回転切替えを容易にした。以上の構成と動作、更に自励振駆動型の超音波モータである点については先の特開平８−２５１９５２号公報に開示された超音波モータも基本的に同じものである。
【００３３】
前述したように本発明は、製造バラツキによる発振用の前置電力増幅器と駆動用の電力増幅器との、動作点レベルの差に起因した発振不良を回避することができる、新規な自励振駆動回路を提供することを課題とするものである。先行技術である特開平８−２５１９５２号公報に開示された超音波モータにおける発振用の前置電力増幅器としての反転電力増幅器５０２の出力信号（ＩＮＶ出力信号）と、駆動用の電力増幅器としての電力増幅器５０１ａ・（５０１ｂ）の出力信号（ＢＵＦ出力信号）を図６の（Ａ）にグラフで示した。
【００３４】
ＩＮＶ出力信号は、グラフから分かるように周波数信号の振幅が小さく、ＩＮＶ動作点レベルとＢＵＦ動作点レベルとの関係が微妙である。製造バラツキに起因するＩＮＶ動作点とＢＵＦ動作点のレベルの差が発振不良を起こす原因となっている。ちなみに図６の（Ａ）に示したものは、ＩＮＶ出力信号がＢＵＦ動作点レベルまで下がらないため、非反転増幅器であるＢＵＦは、入力信号レベルがＨレベルとして受け取り、Ｈレベルを出力する。すなわち、ＩＮＶが出力する周波数信号をＢＵＦが増幅することができず、発振出来ない状態となっている。
【００３５】
そこで、上述の課題を解決するために、本発明の超音波モータにおける自励振駆動回路は、発振用の前置電力増幅器と圧電素子の表面上に設けられた電極に出力端子が接続された駆動用の電力増幅器と、一端が電力増幅器の入力端子に接続され他端が設置された位相調整を行なうコンデンサと、前置電力増幅器の出力端子と電力増幅器の入力端子の間に挿入されたコイルと、から構成して、前置電力増幅器の入力端子と電力増幅器の間に自励発振の安定化を図るためのＬＣ共振回路を形成する構成を採用している。
【００３６】
これによれば、コイルとコンデンサとで構成されるＬＣ共振回路により得られるＱ（共振）により、発振用の前置電力増幅器の出力信号から所望する周波数、すなわち、モータ駆動に用いる振動体の振動モードの共振周波数近傍の周波数の信号の振幅を確保し、駆動用の電力増幅器に伝達しやすくしつつ、不要な周波数の信号をカットする。このようにすることで、製造バラツキにより前置電力増幅器と電力増幅器の間に動作点レベルの差が生じても、モータ駆動に必要となる周波数のみが確実に駆動用の電力増幅器が増幅し、発振が安定して立ち上がり持続することが可能となる。
【００３７】
このＬＣ共振回路の利得と位相の周波数特性のグラフを図７に実線で示した。二点鎖線は、従来のＲＣ結合の特性を示している。このグラフから理解されるように、このＬＣ共振回路の作用により、利得は発振駆動周波数において極大値を示すように持上げられ、位相についても発振駆動周波数において−９０°をクロスすると共に、該発振駆動周波数の近傍において位相が反転する急峻な特性を示すようになっている。これによって、図６の（Ｂ）に示されるように、前置電力増幅器としてのＩＮＶの出力信号が、電力増幅器としてのＢＵＦに伝達されるかたちとなって、増幅されるようになる。これにより、ＩＮＶからの出力信号が、不要な周波数成分がカットされつつ、所望の周波数成分のみＢＵＦの動作点レベルを確実にクロスするようになって、その製造上のバラツキによる不具合に対して有効に機能するようになる。
【００３８】
ここで、図７中に示した発振駆動周波数ｆｏｓｃとは、駆動に使用する振動体の振動モードの共振周波数を意味しており、自励振駆動回路では、この周波数で発振して、モータ駆動がなされる。そして、コンデンサおよびコイルは、
ｆｏｓｃ＝１／（２π√（ＬＣ））
となるように設定される。また、このＬＣ共振回路は自励振駆動回路の移相回路としての役割も兼ねており、上の式に示されるようにコンデンサおよびコイルの値を設定した場合の移相量は−９０°となる。
【００３９】
【実施例１】
本発明の超音波モータに組み込まれる自励振駆動回路の実施例を図８に示す。
【００４０】
図８において、振動体１０１には、一方の平面には複数の電極からなる２組の電極群１０３ａ，１０３ｂが形成されている圧電素子１０２が接着等の手段で接合されている。自励振駆動回路は圧電素子１０２が接合されている振動体１０１を用いて構成されている。インバータ５０２は、圧電素子１０２の２組の電極群１０３ａ，１０３ｂが形成された面の反対側の表面に形成された電極１０３ｃ、もしくは振動体１０１より励振情報である電気的信号を反転増幅するための反転電力増幅器の役割を果たす。
【００４１】
抵抗５０３は、インバータ５０２に並列接続され、インバータ５０２の動作点を安定化する。インバータ５０２の出力端子は、コイル５０４を介して２組のバッファ５０１ａ，５０１ｂの入力端子に接続されている。２つのバッファ５０１ａ，５０１ｂの出力端子の各々は、圧電素子１０２の一方の平面に形成された２組の電極群１０３ａ，１０３ｂにそれぞれ接続される。また、２つのコンデンサ５０５および５０６は、それぞれ一端がインバータ５０２の入力端子ならびに抵抗５０３を介した出力端子に接続され、他端は接地されており自励振駆動回路内の位相調整を行う。
【００４２】
圧電素子１０２に形成された２つの電極群１０３ａ，１０３ｂの直前に２つのバッファ５０１ａ，５０１ｂがそれぞれ配置されることは、インバータ５０２の入力端子と出力端子に位相調整ならびに直流遮断などの目的で、コンデンサ５０５，５０６が接続されることに加えて、圧電素子１０２が基本的には容量性負荷であることから、超音波モータから高出力を得るために非常に有効となる。加えて、モータの回転方向の切り換えを容易にする、かつ回転方向を切り換えるための手段によりモータ出力が低下しないようにするために有効となる。
【００４３】
ここで、インバータ５０２および２つのバッファ５０１ａ，５０１ｂは、それぞれ入力端子と出力端子に加えて制御端子を有し、制御端子に入力されるＨ／Ｌレベルの信号次第で出力端子を高インピーダンスの状態にできるトライ・ステート構成のインバータおよびバッファを用いている。
【００４４】
超音波モータ制御回路６０１は、Ｈ／Ｌレベルの駆動／停止信号ならびに正転／逆転信号を出力するものであって、自励振駆動回路の２つのトライ・ステート・バッファ５０１ａ，５０１ｂおよびトライ・ステート・インバータ５０２の制御端子にそれぞれ接続されている。超音波モータ制御回路６０１からの正転／逆転信号にもとづき、２つのトライ・ステート・バッファ５０１ａ，５０１ｂの一方を通常のバッファとして機能させ、すなわち能動状態として、他方のバッファの出力端子を高インピーダンス状態として非能動状態にする。
【００４５】
振動体１０１は、超音波モータ制御回路６０１から出力される正転／逆転信号に基づいて選択され、能動状態となった片方のトライ・ステート・バッファで励振され、超音波モータが駆動される。ここで、正転／逆転信号に基づいて能動状態をとるバッファが交換されると、超音波モータの回転方向が切り換わる。
【００４６】
先行技術である特開平８−２５９５２号に開示された超音波モータと本実施例との構成上の差異はインバータ５０２の出力端子とコンデンサ５０６間に接続され、２組のバッファ５０１ａ，５０１ｂの入力端子に接続されている抵抗がコイル５０４に置き換えられただけのように見えるかもしれない。しかし、このコイル５０４の置換は、コンデンサ５０６との結合によりＬＣ共振回路を構成し、前述したように、そのＬＣ共振回路が所望する発振駆動周波数値に対して、単にフィルター作用ならびに自励振駆動回路の帰還回路部の位相調整という役割のみではない。
【００４７】
すなわち、他の役割として、ＬＣ共振回路がもつＱ（共振特性）によって、発振用のインバータ５０２と駆動用のバッファ５０１ａ，５０１ｂの製造バラツキなどによる動作点レベルの差に起因する発振立上り不良を無くして、信頼性を向上させるということがある。これが本発明の狙いであって、電子機器への適用に求められる小型化に適しかつ信頼性の高い作動を保証する自励振駆動型の超音波モータの提供を実現したものである。
【００４８】
【実施例２】
次に本発明の超音波モータに組み込まれる自励振駆動回路の第２の実施例を図９に示す。この実施例が先の実施例と異なる点は、トライ・ステート・インバータ５０２とコイル５０４との間に抵抗５０７を介在させたものである。すなわち、先の実施例でコイル５０４とコンデンサ５０６でＬＣ共振回路を構成したのに対し、本実施例では抵抗５０７とコイル５０４とコンデンサ５０６とでＲＬＣ直列共振器を構成した点で相違している。
【００４９】
この構成を採用すると、図７で実線で示してある利得特性は発振駆動周波数で極大値を示す点は変わらないが、その持上げ幅が抵抗値に応じて小さくなる。また、位相については発振駆動周波数において−９０°をクロスする点は変らないが、該発振駆動周波数において位相が反転する特性が急峻な傾斜では無く発振駆動周波数から抵抗値に応じて離れた周波数から反転動作に入り、緩やかな傾斜特性を示すようになる。すなわち、この抵抗５０７を介在させると、利得特性と位相特性が共に鈍った傾向を示すようになる。
【００５０】
本実施例において、何故このような鈍った特性を採用するのかというと、Ｑ（共振）値が大きくなると、図６（Ｂ）に示した発振用の前置電力増幅器としてのＩＮＶ出力信号の振幅が大きくなる。それが駆動用の電力増幅器としてのＢＵＦに入力されると、ＢＵＦの入力端子を破壊してしまう恐れがある。発振動作だけを考えれば利得は大きく位相特性は急峻であることが好ましいが、ＢＵＦの保護の観点から適当な抵抗値Ｒを入れることで、さらに高い信頼性が得られるのである。
【００５１】
【実施例３】
次に本発明の超音波モータに組み込まれる自励振駆動回路の第３の実施例を図１０に示す。この実施例が先の実施例１および実施例２と異なる点は、超音波モータの圧電素子の電極構造と、自励振駆動回路の基本構成にある。
【００５２】
図１０に示すように、圧電素子８０２の一方の表面には、２組の電極群８０３ａ，８０３ｂと検出用の電極８０３ｄが設けられており、他方の面に全面共通の電極８０３ｃが設けられている。電極８０３は振動体８０１に接着されており、振動体８０１を介して接地されている。発振用の前置電力増幅器としてのＣＭＯＳインバータ７０２は、圧電素子８０２に発生する信号を検出用の電極８０３ｄを介して入力し反転増幅する。圧電素子８０２の２組の電極群８０３ａ，８０３ｂに対して、駆動用の電力増幅器としてのＣＭＯＳバッファ７０１ａ，７０１ｂの出力端子が各々接続されている。さらに、一端が接地され他端がバッファ７０１ａ，７０１ｂの入力端子に接続され、自励振駆動回路の位相を調整するためのコンデンサ７０６と、インバータ７０２の出力端子とバッファ７０１ａ，７０１ｂとの間に直列に挿入されたコイル７０４とで構成されている。
【００５３】
また、インバータ７０２およびバッファ７０１ａ，７０１ｂは、先の実施例１、実施例２で用いたものと同様のトライ・ステート構成のものである。超音波モータ制御回路６０１から出力される駆動／停止信号および正転／逆転信号をインバータ７０２およびバッファ７０１ａ，７０１ｂの制御端子に入力して、モータの駆動／停止および回転方向の切り換えを行なう。そのコントロールの携帯は、実施例１、実施例２と同様である。ここで、コイル７０２はコンデンサ７０６とＬＣ共振回路を構成し、実施例１と同様の作用をもたらす。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は、圧電素子を接合した振動体を有し圧電素子の伸縮運動により振動体に発生する振動波によって移動体を摩擦駆動する超音波モータであって、振動体を自励発振させることでモータ駆動する自励振駆動回路を備えた超音波モータにおいて、自励振駆動回路は、発振用の前置電力増幅器と、圧電素子の表面上に設けられた電極に出力端子が接続された駆動用の電力増幅器と、一端が電力増幅器の入力端子に接続され他端が設置された位相調整を行なうコンデンサと、前置電力増幅器の出力端子と電力増幅器の入力端子の間に挿入されたコイルとから構成され、前置電力増幅器の入力端子と電力増幅器の間に自励発振の安定化を図るためのＬＣ共振回路を形成させる構成を採用したことにより、自励振駆動型の超音波モータにおける問題点であったＩＣの製造バラツキによる発振用の前置電力増幅器と駆動用の電力増幅器の動作点レベルの差に起因した発振不良を回避することができる。また、このＬＣ共振により、強い帯域制限を持たせることでスプリアス発振を抑制する効果も得られる。
【００５５】
また、前置電力増幅器の出力端子と帰還回路のコンデンサとの間に、抵抗器とコイルを直列に接続させて、該抵抗器とコイルとコンデンサによってＬＣＲ共振回路を形成させる構成を採用した本発明は、ＬＣ共振回路の利得特性と位相特性を共に鈍らせ調整することを目的としており、ＬＣ共振回路のＱ（共振）の効果による大振幅信号によって、駆動用の電力増幅器の入力端子を破壊しないように、ＬＣＲ共振回路という形態にして、ＩＣの製造バラツキに起因する発振不良を回避する効果に加えて、駆動用の電力増幅器の入力端子を保護する機能を保有させることで、より一層の信頼性確保ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータの縦断面図である。
【図２】本発明の圧電素子の両面電極を示す平面図である。
【図３】本発明の振動体の領域区分と突起の位置を示す図である。
【図４】本発明の一体化された圧電素子と振動体を突起の存在する半径部分で断面展開した図である。
【図５】本発明の超音波モータの回転駆動を説明する図である。
【図６】インバータ出力とインバータ動作点レベルとバッファーアンプの動作点レベルとの関係と、バッファ出力信号を示すグラフであって、（Ａ）は従来装置、（Ｂ）は本発明についてのものである。
【図７】自励振駆動回路の利得と位相の周波数特性を示したグラフである。
【図８】本発明の超音波モータに組み込まれる自励振駆動回路の第１の実施例を説明する図である。
【図９】本発明の超音波モータに組み込まれる自励振駆動回路の第２の実施例を説明する図である。
【図１０】本発明の超音波モータに組み込まれる自励振駆動回路の第３の実施例を説明する図である。
【図１１】従来の超音波モータの回路構成図である。
【符号の説明】
１０１  振動体
１０２  圧電素子
１０３ａ，１０３ｂ  電極群
１０３ｃ  電極
１０４ａ，１０４ｂ  電極への結線手段
１０７  突起
１０８  移動体
１０９  加圧ばね
２０１  固定台
２０２  中心軸
５０１ａ，５０１ｂ  電力増幅器
５０２  反転電力増幅器（インバータ）
５０３  抵抗器
５０４  コイル
５０５，５０６  位相調整用コンデンサ
５０７  抵抗器
【図１】
0003872337.tif 000002
【図２】
0003872337.tif 000003
【図３】
0003872337.tif 000004
【図４】
0003872337.tif 000005
【図５】
0003872337.tif 000006
【図６】
0003872337.tif 000007
【図７】
0003872337.tif 000008
【図８】
0003872337.tif 000009
【図９】
0003872337.tif 000010
【図１０】
0003872337.tif 000011
【図１１】
0003872337.tif 000012