超音波モータの駆動方法
【課題】超音波モータの安定かつ効率の良い駆動方法を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる超音波モータの駆動方法は、第１周波数の交流電圧をアクチュエータ部に印加して前記超音波モータを始動する工程と、前記第１周波数から前記超音波モータが停止する第２周波数まで駆動周波数を下げながら、該アクチュエータ部に生じる電圧を検出する電圧検出工程と、第３周波数で前記超音波モータを始動する始動工程と、前記駆動周波数を運転周波数範囲内の値となるように、前記第３周波数から低周波数側に変化させる駆動工程と、を有し、前記運転周波数範囲は、前記電圧検出工程において最大電圧が検出される際の前記駆動周波数の値よりも高周波数側の範囲である。
【解決手段】本発明にかかる超音波モータの駆動方法は、第１周波数の交流電圧をアクチュエータ部に印加して前記超音波モータを始動する工程と、前記第１周波数から前記超音波モータが停止する第２周波数まで駆動周波数を下げながら、該アクチュエータ部に生じる電圧を検出する電圧検出工程と、第３周波数で前記超音波モータを始動する始動工程と、前記駆動周波数を運転周波数範囲内の値となるように、前記第３周波数から低周波数側に変化させる駆動工程と、を有し、前記運転周波数範囲は、前記電圧検出工程において最大電圧が検出される際の前記駆動周波数の値よりも高周波数側の範囲である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する素子の一つである。超音波モータの一例としては、モータの動作軸である回転体の側面に圧電アクチュエータの先端を押しつけたものが挙げられる。このような超音波モータは、圧電アクチュエータの先端をモータの軸に垂直な面内で楕円状に振動させることにより、回転体の側面が圧電アクチュエータの先端によって突かれて回転体にモーメントを生じる状態となり、軸を中心にした回転運動が生じるものである。こういった超音波モータは、例えば、特開２００４−１６６３２４号公報に開示されている。
【０００３】
超音波モータにおいては、一般に、圧電アクチュエータの振動の周波数が圧電アクチュエータの共振周波数に近いとモータ回転速度が速くなる。このような点から、各部材の形状や配置、圧電アクチュエータの先端の振動の仕方などに工夫がなされてきた。
【特許文献１】特開２００４−１６６３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、圧電アクチュエータの共振周波数付近では、その先端がロータに押しつけられている等の理由から、圧電アクチュエータを一定の周波数以上で振動させないと始動しなかったり、始動してもわずかに共振周波数を下回ると不意に回転が停止してしまったりすることがある。また共振周波数は、環境やモータ本体の温度変化にも影響される。これらの現象によって、超音波モータを安定に駆動することは課題の一つとなっている。
【０００５】
本発明にかかる目的の一つは、超音波モータの安定かつ効率の良い駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法は、
第１周波数の交流電圧をアクチュエータ部に印加して前記超音波モータを始動する工程と、
前記第１周波数から前記超音波モータが停止する第２周波数まで駆動周波数を下げながら、該アクチュエータ部に生じる電圧を検出する電圧検出工程と、
第３周波数で前記超音波モータを始動する始動工程と、
前記駆動周波数を運転周波数範囲内の値となるように、前記第３周波数から低周波数側に変化させる駆動工程と、
を有し、
前記運転周波数範囲は、前記電圧検出工程において最大電圧が検出される際の前記駆動周波数の値よりも高周波数側の範囲である。
【０００７】
このようにすれば、超音波モータを安定かつ効率良く駆動することができる。
【０００８】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記運転周波数範囲は、始動不可能範囲内であることができる。
【０００９】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が前記最大電圧に係数を乗じて得られるしきい値電圧以下となるように、前記駆動周波数を変化させることができる。
【００１０】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記しきい値電圧より大きい場合は、前記駆動周波数を高周波数側に変化させ、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記しきい値電圧より小さい場合は、前記駆動周波数を低周波数側に変化させることができる。
【００１１】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記最大電圧に係数を乗じて得られるしきい値電圧が前記電圧検出工程において検出される際の前記駆動周波数の値以上となるように、該駆動周波数を変化させることができる。
【００１２】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記係数は、０．５ないし０．９５であることができる。
【００１３】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記駆動工程では、
前記駆動周波数を段階的に変化させ、かつ、該駆動周波数の変化の間隔は、１００Ｈｚないし１０００Ｈｚであることができる。
【００１４】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記超音波モータが停止した状態から、前記超音波モータが始動するまで前記駆動周波数を上げる、始動周波数検出工程を含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例として説明するものである。
【００１６】
１．超音波モータ４００の構成
まず、本実施形態にかかる超音波モータの構成の一例について図面を参照しながら説明する。以下には、超音波モータ４００がロータ部１００とアクチュエータ部２００を含んで構成される場合の例を説明するが、本発明にかかる超音波モータの駆動方法は、このような構成の超音波モータの駆動方法のみには限定されない。本実施形態の駆動方法を適用できる超音波モータとしては、以下の例示の他に、例えば、複数のアクチュエータ素子が円形状に配置された超音波モータなどを挙げることができる。
【００１７】
図１は、本実施形態にかかる超音波モータ４００を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態にかかる超音波モータ４００を模式的に示す断面図である。図１のＡ−Ａ線に沿った断面が図２に相当する。
【００１８】
超音波モータ４００は、ロータ部１００と、アクチュエータ部２００と、アクチュエータ支持部３００と、を有する。
【００１９】
ロータ部１００は、その外周面が、アクチュエータ部２００と当接するように設けられる。ロータ部１００は、回転の中心軸１１０を中心として回転自在に設けられる。ロータ部１００は、外周面がアクチュエータ部２００の先端の振動によって蹴られることによって中心軸周りにモーメントを生じて回転駆動される。ロータ部１００は、円柱状の形状であっても良いし、図示の例のように軸の直径を大きくした輪軸状の形状であってもよい。アクチュエータ部２００の振動等についての詳細は後述する。ロータ部１００の回転が、超音波モータの機械的な出力となる。ロータ部１００には、回転検出手段としてエンコーダなどを設けることもできる。ロータ部１００の材質は、摩耗しにくいものであることが好ましい。
【００２０】
アクチュエータ部２００は、たとえば振動板２１０と、２つの圧電体層と、２つの縦振動用電極と、８つの屈曲振動用電極と、４つの検出用電極と、を有する。アクチュエータ部２００は、振動板２１０の中心面を鏡面として、上下に対称な構成であることができる。したがって、以下では、振動板２１０から上側の構成について詳細に説明し、振動板２１０より下側の構成については、詳細な説明を省略する。
【００２１】
振動板２１０は、略長方形の板状部材である。図１および図２では、左右方向に長手方向を有するように描いてある。振動板２１０は、突起部２１２を有する。突起部２１２は、振動板２１０と一体的に形成されていてもよいし、別部材として振動板２１０に設けられていてもよい。振動板２１０の厚さは、たとえば０．１μｍないし２００μｍとすることができる。振動板２１０は、突起部２１２を介して、ロータ部１００の外周面に当接するように設けられる。振動板２１０は、上下の圧電体の伸縮によって伸縮および屈曲運動が可能で、突起部２１２の先端付近の軌跡が楕円状となるように振動することができる。この振動により、突起部２１２に当接しているロータ部１００の外周面が突き動かされ、ロータ部１００の軸周りに回転運動が生じる。振動板２１０は、その上下に形成される圧電体層に電力を供給するように導電性を有する物質で構成されてもよい。また振動板２１０は、導電性を有さない物質で構成されてもよい。この場合は、振動板２１０の上下に圧電体層に電力を供給するための電極を別途設けることができる。振動板２１０の材質としては、たとえば、ステンレス鋼を好ましく用いることができる。また、振動板２１０と突起部２１２は、同一の材質であっても良いし、異なる材質としてもよい。突起部２１２の材質は、摩耗しにくいものであることが好ましい。
【００２２】
圧電体層２２０は、振動板２１０の上に設けられる。圧電体層２２０は、電圧が印加されることにより伸縮することができる。圧電体層２２０の伸縮の方向は、印加する電圧の極性や、圧電体層２２０を分極させる方向により任意に設計することができる。圧電体層２２０の厚さは、たとえば０．１μｍないし２００μｍとすることができる。図１および図２の例では、４つの屈曲振動用電極２４１〜２４４を配しているため、圧電体層２２０は、単層で一方向に分極処理されている。この例では、各電極に印加する電圧の極性によってそれぞれの電極に対応する部位の圧電体の伸縮を行うことになる。また、圧電体層２２０は、伸縮が生じると振動板２１０および検出電極２５１，２５２の間に電圧を発生することができ、この電圧（検出電圧）によって、振動板２１０の動作を検知することができる。圧電体層２２０は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ３）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３などの圧電材料から形成されることができる。
【００２３】
縦振動用電極２３０は、圧電体層２２０の上に設けられる。縦振動用電極２３０は、振動板２１０すなわちアクチュエータ部２００を長手方向に伸縮するための電力を供給するために設けられる。
【００２４】
屈曲振動用電極２４１〜２４４は、圧電体層２２０の上に設けられる。屈曲振動用電極２４１〜２４４は、縦振動用電極２３０と電気的に絶縁されている。屈曲振動用電極２４１〜２４４は、振動板２１０すなわちアクチュエータ部２００を長手方向に垂直な方向に屈曲振動させるための電力を供給するために設けられる。このような振動は、たとえば、図の符号を参照して、屈曲振動用電極２４１と屈曲振動用電極２４２に互いに極性が反対になるような電圧を印加することによって可能である。このようにすれば一方の電極の下の圧電体がアクチュエータ部２００の長手方向に伸張したときに、他方の電極の下の圧電体が同方向に収縮するため、収縮する側を内側としてアクチュエータ部２００が屈曲するような動作が可能となる。このような電圧の組み合わせを交番して印加することで、アクチュエータ部２００は、長手方向に垂直な方向の屈曲振動が可能となる。図示の例では屈曲振動用電極２４１〜２４４が４つ配置されているが、以上のような機能を有する限り、当該電極の数、配置および形状は任意に設計できる。また、この例では、電極の配置によって屈曲および伸縮を生じさせるが、そのほかに、圧電体層２２０の分極の配置を利用して屈曲および伸縮を生じさせる方法もある。
【００２５】
検出用電極２５１，２５２は、圧電体層２２０の上に設けられる。検出用電極２５１，２５２は、縦振動用電極２３０および屈曲振動用電極２４１〜２４４と電気的に絶縁されている。検出用電極２５１，２５２は、振動板２１０すなわちアクチュエータ部２００の振動の状態を検出するために設けられる。このような振動の検出は、たとえば、検出用電極２５１と検出用電極２５２の下の圧電体に発生した電圧をそれぞれ検出することによって可能である。これらの電圧は、アクチュエータ部２００の変位を反映したものであり、アクチュエータ部２００の変位を示す量として使用することができる。図示の例では検出用電極２５１，２５２が２つ配置されているが、以上のような機能を有する限り、当該電極の数、配置および形状は任意に設計できる。
【００２６】
縦振動用電極２３０、屈曲振動用電極２４１〜２４４、および検出用電極２５１，２５２は、たとえば白金などの金属材料やランタンとニッケルの複合酸化物（ＬａＮｉＯ３）などの導電性酸化物からなることができ単層でも多層構造でもよい。これらの電極の厚さは、十分に低い電気抵抗値が得られる厚さであれば良く、たとえば１０ｎｍないし５μｍとすることができる。
【００２７】
アクチュエータ支持部３００は、アクチュエータ部２００を支持するとともにロータ部１００にアクチュエータ部２００を押しつけるように保持するために設けられる。アクチュエータ支持部３００は、たとえば、アクチュエータ部２００の振動板２１０と一体的に形成されていてもよい。また、図２の例のようにアクチュエータ部を下から支持するように設けられてもよい。なお、この例では、アクチュエータ部２００の下部の電極群と、アクチュエータ支持部３００は、電気的に絶縁されている。アクチュエータ支持部３００の材質としては、たとえば、ステンレス鋼が好ましい。また、アクチュエータ支持部３００と振動板２１０は、同一の材質であっても良いし、異なる材質としてもよい。
【００２８】
２．超音波モータ４００の動作
図３は、アクチュエータ部２００が屈曲振動しているとき、瞬間的に採りうる形状を模式的に示す平面図である。図４は、ロータ部１００が突起部２１２に突き動かされて回転する様子を描いた模式図である。
【００２９】
図３に示すように、アクチュエータ部２００は、各電極から印加される電圧の極性に従って、屈曲および伸縮することができる。図３は、説明のために屈曲を誇張して示している。この図の場合、屈曲振動用電極２４１および屈曲振動用電極２４４と、屈曲振動用電極２４２および屈曲振動用電極２４３に印加される電圧の極性が逆になっている。すなわち、屈曲振動用電極２４１および屈曲振動用電極２４４には、圧電体層２２０を伸張させる電圧が、屈曲振動用電極２４２および屈曲振動用電極２４３には、圧電体層２２０を収縮させる電圧が印加されている。そのため、アクチュエータ部２００は、ある瞬間には図３に示すように、うねったような形状となっている。そして、各電極に印加する電圧の極性を特定の周波数で交番させるため、別の瞬間にはうねりの状態が逆になるような形状となる。このような理由から、この交番電圧の周期でアクチュエータ部２００は屈曲振動することとなる。そして、このとき同時に縦振動用電極２３０にも交流電圧を印加することができるため、アクチュエータ部２００には、屈曲振動と伸縮振動（縦振動）とを同時に発生させることができる。このような振動の組み合わせにより、突起部２１２の軌跡を楕円状にすることができる。さらにこの楕円状の振動は、印加する交流の周波数、電圧および位相などを選ぶことで、所望の態様を得ることができる。
【００３０】
このようなアクチュエータ部２００の運動は、突起部２１２を運動させる。図４に破線で示すように、突起部２１２は、アクチュエータ部２００（振動板２１０）の動きに伴って、その先端が楕円状の軌跡を描くように振動することができる。そして、この振動によって、ロータ部１００の側面は図４の矢印の方向に突き動かされ、ロータ部１００が回転軸１１０の周りに回転する。ロータ部１００の回転方向および回転速度は、上述したようにアクチュエータ部２００に入力する交流電圧の周波数、電圧および位相などを変化させることで調節することができる。なお、以上の説明は、振動板２１０よりも上側の電極についてのみ説明したが、下側にも同様の機能を有する部材が設けられており、適宜協働させて上記の動作を行うことができる。
【００３１】
３．超音波モータ４００の制御構成
図５は、本実施形態の超音波モータ４００の制御構成を示す図である。
【００３２】
アクチュエータ部２００の各電極は、図５に例示するように、駆動回路２６０および検出制御回路２７０に電気的に接続されている。図５の例では、駆動回路２６０がアクチュエータ部２００を駆動し、アクチュエータ部２００の駆動を検出制御回路２７０によって検出し、信号を駆動回路２６０に帰還する構成となっている。本実施形態の駆動構成には、図示しないが、周波数や電圧を記憶する記憶手段を備えることができる。以下このような構成について具体的に説明する。
【００３３】
アクチュエータ部２００の屈曲振動用電極２４１〜２４４および縦振動用電極２３０は、駆動回路２６０に接続される。駆動回路２６０は、アクチュエータ部２００を振動させる。駆動回路２６０には、例えば、電力増幅回路２６２、発振源２６４などの回路を含んで構成することができる。駆動回路２６０は、各電極を別個に駆動する構成を有してもよいし、図のように屈曲振動用電極２４１〜２４４と縦振動用電極２３０とを分けた構成としてもよい。図示の例では、屈曲振動用電極２４１，２４４および屈曲振動用電極２４２，２４３に印加する電圧の位相を制御するためにインバータ２８０を含んで構成されている。
【００３４】
検出制御回路２７０は、検出用電極２５１，２５２に接続されている。検出制御回路２７０は、検出用電極２５１，２５２に発生した電圧から、アクチュエータ部２００の変位や動作を検出する。検出制御回路２７０は、検出したアクチュエータ部２００の状態に応じた信号を駆動回路２６０に送出する。駆動回路２６０は、検出制御回路２７０からの信号に基づいて、アクチュエータ部２００の振動動作を制御できるように構成される。
【００３５】
４．超音波モータ４００の駆動特性
図６は、本実施形態にかかる超音波モータ４００を駆動した結果の一例を示す。以下に図６を用いて超音波モータの駆動特性について説明する。
【００３６】
図６の縦軸は、検出用電極２３０に発生する電圧を規格化したものである。横軸は、入力する交流電圧の周波数である。図６のデータは、始めに駆動周波数１１５ｋＨｚで超音波モータ４００を始動し、ステップ周波数を１００Ｈｚとして段階的に周波数を低下させたときに得られたものである。
【００３７】
図６の縦軸のアクチュエータ部２００の変位は、検出電極２５１等に生じた電圧を測定した結果に対応している。図６の縦軸は、上述したように超音波モータ４００の回転速度と対応関係がある。すなわち、ここで観測されているアクチュエータ部２００の変位が大きいほど、超音波モータ４００の回転速度が大きい。図６の横軸は、駆動周波数を表している。図中には、説明の便宜上、実用的な意味の異なる領域を分け、それぞれ範囲１〜範囲３として描いてある。
【００３８】
超音波モータ４００は、停止した状態で交流電圧を印加する場合、当該交流電圧が一定の周波数以上でないと、始動しないことが分かっている。このような始動可能な周波数の範囲は、個々の超音波モータ４００の個体ごとに異なり、環境の温度等にも影響される。図６においては、アクチュエータ部２００に範囲３の周波数の交流電圧を印加するとアクチュエータ部２００の変位が生じ、超音波モータが始動する。超音波モータ４００の始動が範囲３でしか起こらない理由は、アクチュエータ部２００がロータ部１００に押しつけられているためであると考えられている。したがって、範囲１や範囲２の周波数の交流電圧を、停止しているアクチュエータ部に印加しても超音波モータは始動しない。以下では、この範囲１および範囲２は、超音波モータ４００を始動することができない始動不可能範囲と称する。
【００３９】
図６中の範囲２の領域では、超音波モータ４００は、始動できない。ところが、図６の実験結果から明らかなように、範囲３から徐々に周波数を変化させて範囲２の周波数にすると、アクチュエータ部２００の変位は次第に大きくなる。この周波数の変化の態様は、例えば、連続的に周波数を変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。段階的に変化させる場合は、その変化の間隔が大きすぎないようにする。この変化の間隔が大きすぎると、超音波モータ４００の回転が停止してしまうことがある。範囲２の周波数では、超音波モータ４００を始動はできないが、範囲３の周波数による運転よりも回転速度を高くして運転できることがわかる。
【００４０】
一方、範囲２において、周波数が低くなり範囲１との境界に近づくとアクチュエータ部２００の変位は、最大となった後に急激に減少する。すなわち、範囲２の周波数での超音波モータ４００の駆動は、範囲３のそれと比べて回転速度が大きく効率がよい反面、範囲２から範囲１に周波数が低くなると突然停止してしまうという不安定さを有している。範囲２の周波数においては、超音波モータ４００が停止してしまうと、その周波数では始動ができないため、再び始動するためには、範囲３の周波数を印加する必要がある。
【００４１】
図６中の範囲１の周波数では、たとえ駆動周波数を高い周波数から徐々に低下させて範囲１の周波数としたとしても、超音波モータ４００は回転しない。また、範囲１の周波数の交流電圧を停止している超音波モータ４００に印加しても始動することはない。
【００４２】
５．超音波モータ４００の駆動方法
図７は、超音波モータ４００の駆動特性を模式的に示す概略図である。図８ないし図１５は、本実施形態の超音波モータ４００の駆動方法における処理のフローチャートである。本実施形態の駆動方法を以下に図７ないし図１５を参照しながら具体的に説明する。なお、以下の説明において駆動周波数とは、図５の駆動回路２６０の発振源２６４に設定される周波数のことであり、この周波数でアクチュエータ部２００が駆動される。一方、第１〜第４周波数、および始動周波数とは、検出制御回路２７０の内部で保持している周波数値のことであり、これを発振源２６４にセットすることによってはじめて、アクチュエータが当該周波数の値で駆動されるものとする。
【００４３】
本実施形態の超音波モータ４００の駆動方法は、検出工程（Ｓ１）と、稼働工程（Ｓ２）からなる。検出工程は、図８ａ）に示すように、超音波モータ４００の始動周波数検出工程（Ｓ１０）と、電圧検出工程（Ｓ２０）からなり、また、稼働工程は図８ｂ）に示すように、超音波モータ４００の始動工程（Ｓ３０）と、駆動工程（Ｓ４０）からなる。
【００４４】
本実施形態の超音波モータ４００の駆動方法は、モータが駆動していない状態から実行される。
【００４５】
検出工程Ｓ１の始動周波数検出工程（Ｓ１０）は、図９に示すように、まず、アクチュエータ部２００の駆動周波数と第１周波数とを初期化する（ステップＳ１１）。それぞれの周波数は、図６における範囲１の周波数領域に属する値を適宜選択して設定される。アクチュエータ部２００の駆動を開始し（ステップＳ１２）、駆動周波数を第１周波数に設定する（ステップＳ１３）。アクチュエータ部２００の検出用電極２５１等から電圧を検出して（ステップＳ１４）超音波モータ４００が始動したかどうかを判定する（ステップＳ１５）。始動の確認は、ロータ部１００に設けた図示せぬエンコーダ等の回転検出手段を用いて行ってもよい。このとき、超音波モータ４００が始動していなければ（ステップＳ１５でＮ）、第１周波数を大きくし（ステップＳ１６）、再度駆動周波数を第１周波数にする（ステップＳ１３）。そして、超音波モータ４００が始動していれば（ステップＳ１５でＹ）、その時の第１周波数を始動周波数として記録し（ステップＳ１７）、超音波モータ４００の始動周波数検出工程（Ｓ１０）は、終了する。始動周波数検出工程（Ｓ１０）において、超音波モータ４００を始動することのできる駆動周波数があらかじめ分かっていれば、すなわち、第１周波数の初期値を、図７の範囲３の周波数に設定できるのであれば、始動したかどうかの判定（ステップＳ１５）および第１周波数を大きくする工程（ステップＳ１６）は省略することができる。図９に示した工程は、超音波モータ４００が停止した状態から、超音波モータ４００が始動するまで駆動周波数を上げていくことによって、始動不可能範囲を求めることができる。この工程を有すれば、図７の範囲２と範囲３の境界の周波数ｆｓｔａｒｔが未知の場合であっても、始動可能範囲を求めることができ、これに基づき容易に超音波モータ４００を始動することができる。また、本工程は、始動不可能範囲を求める工程である。なお、ここでは、範囲２と範囲３の境界の周波数ｆｓｔａｒｔでは、超音波モータ４００を始動することができるものとする。
【００４６】
次に、始動周波数検出工程（Ｓ１０）を経て、超音波モータ４００が第１周波数で始動した状態で、駆動周波数を下げながら、アクチュエータ部２００に生じる電圧を検出する電圧検出工程（Ｓ２０）を行う。図１０に示すように、この工程では第２周波数の初期値を始動周波数検出工程（Ｓ１０）で求めた始動周波数とし（ステップＳ２１）、アクチュエータの駆動周波数を第２周波数にする（ステップＳ２２）。次に、第２周波数の交流電圧を印加した状態で、検出用電極２５１の電圧等を参照して（ステップＳ２３）、超音波モータ４００が停止したかどうかを判定する（ステップＳ２４）。このとき、超音波モータ４００が停止していなければ（ステップＳ２４でＮ）、第２周波数をより低い値に変更して（ステップＳ２５）、再度アクチュエータの駆動周波数を第２周波数に設定する（ステップＳ２２）。なお、この工程において、超音波モータ４００が停止する駆動周波数、検出電圧の最大値およびその時の駆動周波数があらかじめ分かっていれば、停止したかどうかの判定（ステップＳ２４）および第２周波数をより低い周波数に設定する工程（ステップＳ２５）は省略することができる。
【００４７】
次に超音波モータ４００の停止が検出用電極２５１の電圧等で検出された場合は（ステップＳ２４でＹ）、アクチュエータ部２００の駆動を停止する（ステップＳ２６）。次いで検出用電極２５１等に生じる電圧の測定結果に基づいて、アクチュエータ部２００に生じた最大電圧を求め、記録する（ステップＳ２７）。このステップは、後述の駆動工程（Ｓ４０）において、検出電圧による制御を行わない場合には、省略することができる。次に、検出用電極２５１等に生じる電圧の測定結果に基づいて、アクチュエータ部２００に最大電圧が生じた周波数を求め、記録する（ステップＳ２８）。このステップは、後述の駆動工程（Ｓ４０）において、周波数による制御を行わない場合には、省略することができる。電圧検出工程（Ｓ２０）が終了すると、超音波モータ４００は、停止した状態にある。電圧検出工程（Ｓ２０）は、図７を用いて説明すれば、範囲３から範囲２を通過して範囲１に入るように周波数を変化させ、その間に検出用電極２５１等に生じる電圧を測定し、電圧の最大値や最大の電圧を発生させる周波数を求める工程である。
【００４８】
次に稼働工程Ｓ２について説明する。稼働工程Ｓ２では、まず、図１１に示すような、始動工程（Ｓ３０）を行う。本工程では、駆動周波数と第３周波数の初期値を始動周波数検出工程（Ｓ１０）で求めた始動周波数（第１周波数）とする（ステップＳ３１）。次にアクチュエータ部２００の駆動を開始し（ステップＳ３２）、アクチュエータ部２００の駆動周波数を、第３周波数にする（ステップＳ３３）。次いで、検出用電極２５１等の電圧を参照して、超音波モータ４００が始動したかどうかを判定する（ステップＳ３４）。このとき、超音波モータ４００が始動していなければ（ステップＳ３４でＮ）、第３周波数をより高い値に変更して（ステップＳ３５）、再度アクチュエータ部２００の駆動周波数を、第３周波数に設定する（ステップＳ３３）。そして、超音波モータ４００が始動していれば（ステップＳ３４でＹ）、超音波モータ４００を始動する工程（Ｓ３０）は、終了する。なお、ここでは、上述した始動不可能範囲を求める工程を含んでいるが、これを省略することができる。すなわち、この工程において、超音波モータ４００を始動することのできる駆動周波数があらかじめ分かっていれば始動したかどうかを判定するステップ（ステップＳ３４）および第３周波数を高く設定するステップ（ステップＳ３５）は、省略することができる。例えば、予め使用条件を想定した実験等で始動が確認されている周波数をＲＯＭ等に記録しておき、第３周波数の初期値として使用する事も可能である。
【００４９】
始動工程Ｓ３０に引き続き、駆動工程Ｓ４０を行う。図１２は、駆動工程の例を示す。本工程は超音波モータの実運転動作を行うフローである。まず、駆動周波数と第４周波数とを初期化する（ステップＳ４１）。駆動工程Ｓ４０は始動工程Ｓ３０の直後に行われるので、駆動周波数と第４周波数の初期値は、始動工程Ｓ３０の第３周波数の最終値をそのまま設定すれば良い。また、アクチュエータ部の駆動は始動工程Ｓ３０で既に開始されている。
【００５０】
次に運転周波数範囲を決定する（ステップＳ４２）。運転周波数範囲は、上述の第３周波数よりも低い周波数であって、かつ、電圧検出工程（Ｓ２０）で求めたアクチュエータ部２００に生じる電圧が最大になる周波数よりも高い周波数側の範囲とする。この運転周波数範囲は、図７に説明を付したように、電圧検出工程（Ｓ２０）で求めたアクチュエータ部２００に生じる電圧が最大になる周波数ｆｐｅａｋと、第３周波数ｆ３との間の周波数の範囲である。以下に記述する第４周波数は第３周波数よりも低い周波数となる。
【００５１】
ここで、不図示の制御手段から行われる駆動継続の指示をチェックする（ステップＳ４３）。駆動継続であれば（ステップＳ４３でＹ）アクチュエータの駆動周波数を第４周波数に設定し（ステップＳ４４）、第４周波数が運転周波数範囲内かどうかを判定する（ステップＳ４５）。第４周波数が運転周波数範囲内でなければ（ステップＳ４５でＮ）、第４周波数を変化させ（ステップＳ４６）、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。第４周波数が運転周波数範囲内であれば（ステップＳ４３でＹ）、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。ここで、不図示の制御手段から駆動打ち切りの指示があれば（ステップＳ４３でＮ）アクチュエータの駆動を停止し（ステップＳ４７）、工程は終了する。第４周波数を変化させるステップ（ステップＳ４６）では、第４周波数は、段階的に変化させ、その変化の間隔は、１００Ｈｚないし１０００Ｈｚとするのが好ましい。
【００５２】
このような駆動方法によれば、運転周波数範囲で超音波モータ４００を駆動することができる。この範囲で超音波モータ４００を駆動すると、始動周波数（第３周波数）（図７のｆ３）で駆動する場合よりも、アクチュエータ部２００に発生する電圧が高い状態となる。すなわち、上記駆動方法によれば、超音波モータ４００は、始動周波数で駆動するよりも回転速度を高くすることができる。その上、運転周波数範囲で超音波モータ４００を駆動すると、駆動周波数が超音波モータ４００の停止してしまう周波数（図７の範囲１）となることが制限される。すなわち、上記駆動方法によれば、超音波モータ４００は、突然に停止してしまうことが抑制される。したがって、このような駆動方法によれば、超音波モータ４００を効率よく安定に動作させることができる。
【００５３】
一方、上記の運転周波数範囲は、次のように設定することもできる。たとえば、運転周波数範囲は、図７に「第２運転周波数範囲」として記したように、超音波モータ４００を始動不可能な周波数の範囲であって、かつ、電圧検出工程（Ｓ２０）で求めたアクチュエータ部２００に生じる電圧が最大になる周波数よりも高い周波数側の範囲とすることができる。この第２運転周波数範囲は、図７に符号を付したように、電圧検出工程（Ｓ２０）で求めたアクチュエータ部２００に生じる電圧が最大になる周波数ｆｐｅａｋと、始動不可能範囲の上限である周波数ｆｓｔａｒｔよりも低い周波数の範囲である。なおｆｓｔａｒｔの周波数では、始動することが可能である。
【００５４】
このように第２運転周波数範囲を設定して超音波モータ４００を駆動すると、始動可能範囲の周波数（図７の範囲３）で駆動する場合よりも、アクチュエータ部２００に発生する電圧が高い状態となる。すなわち、上記駆動方法によれば、超音波モータ４００は、始動可能な範囲の周波数で駆動するよりも回転速度を高くすることができる。その上、運転周波数範囲で超音波モータ４００を駆動すると、入力周波数駆動周波数が超音波モータ４００の停止してしまう周波数（図７の範囲１）となることが制限される。すなわち、上記駆動方法によれば、超音波モータ４００は、突然に停止してしまうことが抑制される。したがって、このような駆動方法によれば、超音波モータ４００は、効率よく安定に動作させることができる。
【００５５】
駆動工程（Ｓ４０）は、図１３ないし図１５に示すような変形が可能である。
【００５６】
図１３は、駆動工程（Ｓ４０）の変形例フローチャートである。この例では、前述したと同様に、駆動周波数と第４周波数を始動工程Ｓ３０の第３周波数の最終値で初期化する（ステップＳ４１）し、運転周波数範囲を決定する（ステップＳ４２）。そして、電圧検出工程（Ｓ２０）のステップＳ２５で求めたアクチュエータ部２００から検出される電圧の最大値に、１より小さい係数を乗じてしきい値電圧を求める（ステップＳ４８）。この係数は、超音波モータ４００が停止することをより確実に抑制する働きがある。図７には、しきい値電圧Ｖｔｈｒと、電圧検出工程（Ｓ２０）において、しきい値電圧Ｖｔｈｒが検出された周波数であるしきい値周波数ｆｔｈｒを示した。しきい値周波数ｆｔｈｒは、電圧検出工程（Ｓ２０）で求めたアクチュエータ部２００に生じる電圧が最大になる周波数ｆｐｅａｋよりも高周波数側を選ぶようにする。
【００５７】
駆動周波数がｆｐｅａｋを下回ると超音波モータ４００が非常に停止しやすいが、上記の係数を駆動工程（Ｓ４０）に導入することで、周波数がｆｐｅａｋ未満となってしまうまでの余裕を、駆動周波数を変化させる際に持たせることができる。この係数は、超音波モータ４００の特性や用途に応じて設定でき、例えば、０．５ないし０．９５とすることができる。
【００５８】
図１３に示す変形例では、運転周波数範囲を決定（ステップＳ４２）した後、しきい値電圧Ｖｔｈｒを求め（ステップＳ４８）、しきい値電圧Ｖｔｈｒが電圧工程（Ｓ２０）において検出される際の駆動周波数の値（ｆｔｈｒ）を求める（ステップＳ４９）。ここで、不図示の制御手段から行われる駆動継続の指示をチェックする（ステップＳ４３）。駆動継続であれば（ステップＳ４３でＹ）アクチュエータの駆動周波数を第４周波数に設定し（ステップＳ４４）、第４周波数が運転周波数範囲内かどうかを判定する（ステップＳ４５）。第４周波数が運転周波数範囲内でなければ（ステップＳ４５でＮ）、第４周波数を変化させ（ステップＳ４６）、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。一方、運転周波数範囲内であった場合は（ステップＳ４５でＹ）、第４周波数がしきい値電圧を発生する周波数の値よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ５０）。第４周波数がしきい値周波数よりも大きかった場合は（ステップＳ５０でＹ）、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。第４周波数がしきい値周波数よりも小さかった場合は（ステップＳ５０でＮ）、第４周波数を変化させ（ステップＳ４６）、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。ここで、不図示の制御手段から駆動打ち切りの指示があれば（ステップＳ４３でＮ）アクチュエータの駆動を停止し（ステップＳ４７）、工程は終了する。
【００５９】
図１４は、駆動工程（Ｓ４０）の他の変形例を示すフローチャートである。本変形例では、前述の例と同様に、駆動周波数と第４周波数を始動工程Ｓ３０の第３周波数の最終値で初期化する（ステップＳ４１）し、運転周波数範囲を決定する（ステップＳ４２）。そして、電圧検出工程（Ｓ２０）のステップＳ２５で求めたアクチュエータ部２００から検出される電圧の最大値に、１より小さい係数を乗じてしきい値電圧を求める（ステップＳ４８）。ここで、不図示の制御手段から行われる駆動継続の指示をチェックする（ステップＳ４３）。駆動継続であれば（ステップＳ４３でＹ）アクチュエータの駆動周波数を第４周波数に設定し（ステップＳ４４）、アクチュエータ部２００の検出用電極２５１等から検出電圧を求める（ステップＳ５１）。第４周波数が運転周波数範囲内かどうかを判定し（ステップＳ４５）、運転周波数範囲内であれば（ステップＳ４５のＹ）、検出電圧がしきい値電圧Ｖｔｈｒ以下であるかどうかを判定する（ステップＳ５２）。検出電圧がしきい値電圧以下ならば（ステップＳ５２のＹ）そのまま駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。第４周波数が運転周波数の範囲外の場合（ステップＳ４５のＮ）や、検出電圧がしきい値以上であった場合（ステップＳ５２のＹ）は、第４周波数を変化させた（ステップＳ４６）後、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。ここで、不図示の制御手段から駆動打ち切りの指示があれば（ステップＳ４３でＮ）アクチュエータの駆動を停止し（ステップＳ４７）、工程は終了する。
【００６０】
変形例の駆動方法によれば、しきい値電圧Ｖｔｈｒをアクチュエータ部２００に生じる最大電圧Ｖｐｅａｋよりも係数分低く設定することで駆動周波数の変動に余裕を持たせることができる。そのため、運転周波数範囲を第２運転周波数範囲に設定した場合、超音波モータ４００を始動可能範囲の周波数（図７の範囲３）で駆動する場合よりも、アクチュエータ部２００に発生する電圧が高い状態となる。その上、超音波モータ４００の温度や環境の温度が変化して、超音波モータ４００の特性が変動しても停止しにくくすることができる。したがって、このような駆動方法によれば、超音波モータ４００は、効率よく一層安定に動作させることができる。
【００６１】
図１５は、駆動工程（Ｓ４０）の他の変形例を示すフローチャートである。本変形例では、前述したと同様に、駆動周波数と第４周波数を始動工程Ｓ３０の第３周波数の最終値で初期化する（ステップＳ４１）し、電圧検出工程（Ｓ２０）のステップＳ２５で求めたアクチュエータ部２００から検出される電圧の最大値に、１より小さい係数を乗じてしきい値電圧を求める（ステップＳ４８）。ここで、不図示の制御手段から行われる駆動継続の指示をチェックする（ステップＳ４３）。駆動継続であれば（ステップＳ４３でＹ）アクチュエータの駆動周波数を第４周波数に設定し（ステップＳ４４）、不図示の制御手段から行われる周波数調整継続の指示をチェックする（ステップＳ５３）。周波数調整継続でなければ（ステップＳ５３でＮ）、そのまま駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。周波数調整継続であれば（ステップＳ５３でＹ）、アクチュエータ部２００の検出用電極２５１等から検出電圧を求める（ステップＳ５１）。次に検出電圧としきい値電圧Ｖｔｈｒを比較し（ステップＳ５４）、検出電圧がしきい値電圧より大きければ（ステップＳ５４で検出電圧＞しきい値電圧）第４周波数を大きく、検出電圧がしきい値電圧より小さければ（ステップＳ５４で検出電圧＜しきい値電圧）第４周波数を小さく、検出電圧としきい値電圧が等しければ（ステップＳ５４で検出電圧＝しきい値電圧）第４周波数は変化させないで、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。ここで、不図示の制御手段から駆動打ち切りの指示があれば（ステップＳ４３でＮ）アクチュエータの駆動を停止し（ステップＳ４７）、工程は終了する。
【００６２】
このフローによれば、駆動周波数を調節するステップによって、駆動周波数は、しきい値周波数ｆｔｈｒに近づいてゆく。周波数調節を継続するかどうかの判断は、たとえば、周波数の目標値をあらかじめ定めて、駆動周波数が目標値に達したかどうかに基づいて行うことができる。また、周波数調節は、常に継続するように設定しておくこともできる。また、人為的に外部から信号を与えて、適宜継続の切替をすることもできる。
【００６３】
このような駆動方法によれば、超音波モータ４００は、しきい値周波数ｆｔｈｒ付近の周波数で駆動され、しかも停止しにくい。すなわち、本変形例では、周波数の調節を継続して行うことができるため、温度変化などの外乱が生じてしきい値周波数ｆｔｈｒが変動しても、これに追従して駆動周波数を調節することができる。かつ、しきい値電圧Ｖｔｈｒをアクチュエータ部２００に生じる最大電圧Ｖｐｅａｋよりも係数分低く設定することで、駆動周波数の変動に余裕を持たせることができる。したがって、このような駆動方法によれば、超音波モータ４００は、始動可能な範囲の周波数で駆動するよりも回転速度を高く駆動されることができ、かつ、超音波モータ４００の温度や環境の温度が変化してもこれに対応して停止しにくく駆動されることができる。
【００６４】
以上のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本実施形態にかかる超音波モータ４００を模式的に示す平面図。
【図２】本実施形態にかかる超音波モータ４００を模式的に示す断面図。
【図３】アクチュエータ部の動作を模式的に示す平面図。
【図４】超音波モータの動作機構を説明する模式図。
【図５】本実施形態にかかる超音波モータの回路構成の一例を示す模式図。
【図６】本実施形態にかかる超音波モータの動作特性の説明図。
【図７】本実施形態にかかる超音波モータの動作特性の実験結果の一例。
【図８】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図９】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１０】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１１】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１２】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１３】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１４】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１５】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００６６】
１００ ロータ部、１１０ 中心軸、２００ アクチュエータ部、２１０ 振動板、
２１２ 突起部、２２０，２２２ 圧電体層、２３０，２３２ 縦振動用電極、
２４１〜２４４ 屈曲振動用電極、２５１，２５２ 検出用電極、
２６０ 駆動回路、２６２ 電力増幅回路、２６４ 発振源、２７０ 検出制御回路、
２８０ インバータ、３００ アクチュエータ支持部、４００ 超音波モータ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する素子の一つである。超音波モータの一例としては、モータの動作軸である回転体の側面に圧電アクチュエータの先端を押しつけたものが挙げられる。このような超音波モータは、圧電アクチュエータの先端をモータの軸に垂直な面内で楕円状に振動させることにより、回転体の側面が圧電アクチュエータの先端によって突かれて回転体にモーメントを生じる状態となり、軸を中心にした回転運動が生じるものである。こういった超音波モータは、例えば、特開２００４−１６６３２４号公報に開示されている。
【０００３】
超音波モータにおいては、一般に、圧電アクチュエータの振動の周波数が圧電アクチュエータの共振周波数に近いとモータ回転速度が速くなる。このような点から、各部材の形状や配置、圧電アクチュエータの先端の振動の仕方などに工夫がなされてきた。
【特許文献１】特開２００４−１６６３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、圧電アクチュエータの共振周波数付近では、その先端がロータに押しつけられている等の理由から、圧電アクチュエータを一定の周波数以上で振動させないと始動しなかったり、始動してもわずかに共振周波数を下回ると不意に回転が停止してしまったりすることがある。また共振周波数は、環境やモータ本体の温度変化にも影響される。これらの現象によって、超音波モータを安定に駆動することは課題の一つとなっている。
【０００５】
本発明にかかる目的の一つは、超音波モータの安定かつ効率の良い駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法は、
第１周波数の交流電圧をアクチュエータ部に印加して前記超音波モータを始動する工程と、
前記第１周波数から前記超音波モータが停止する第２周波数まで駆動周波数を下げながら、該アクチュエータ部に生じる電圧を検出する電圧検出工程と、
第３周波数で前記超音波モータを始動する始動工程と、
前記駆動周波数を運転周波数範囲内の値となるように、前記第３周波数から低周波数側に変化させる駆動工程と、
を有し、
前記運転周波数範囲は、前記電圧検出工程において最大電圧が検出される際の前記駆動周波数の値よりも高周波数側の範囲である。
【０００７】
このようにすれば、超音波モータを安定かつ効率良く駆動することができる。
【０００８】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記運転周波数範囲は、始動不可能範囲内であることができる。
【０００９】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が前記最大電圧に係数を乗じて得られるしきい値電圧以下となるように、前記駆動周波数を変化させることができる。
【００１０】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記しきい値電圧より大きい場合は、前記駆動周波数を高周波数側に変化させ、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記しきい値電圧より小さい場合は、前記駆動周波数を低周波数側に変化させることができる。
【００１１】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記最大電圧に係数を乗じて得られるしきい値電圧が前記電圧検出工程において検出される際の前記駆動周波数の値以上となるように、該駆動周波数を変化させることができる。
【００１２】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記係数は、０．５ないし０．９５であることができる。
【００１３】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記駆動工程では、
前記駆動周波数を段階的に変化させ、かつ、該駆動周波数の変化の間隔は、１００Ｈｚないし１０００Ｈｚであることができる。
【００１４】
本発明にかかる超音波モータの駆動方法において、
前記超音波モータが停止した状態から、前記超音波モータが始動するまで前記駆動周波数を上げる、始動周波数検出工程を含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例として説明するものである。
【００１６】
１．超音波モータ４００の構成
まず、本実施形態にかかる超音波モータの構成の一例について図面を参照しながら説明する。以下には、超音波モータ４００がロータ部１００とアクチュエータ部２００を含んで構成される場合の例を説明するが、本発明にかかる超音波モータの駆動方法は、このような構成の超音波モータの駆動方法のみには限定されない。本実施形態の駆動方法を適用できる超音波モータとしては、以下の例示の他に、例えば、複数のアクチュエータ素子が円形状に配置された超音波モータなどを挙げることができる。
【００１７】
図１は、本実施形態にかかる超音波モータ４００を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態にかかる超音波モータ４００を模式的に示す断面図である。図１のＡ−Ａ線に沿った断面が図２に相当する。
【００１８】
超音波モータ４００は、ロータ部１００と、アクチュエータ部２００と、アクチュエータ支持部３００と、を有する。
【００１９】
ロータ部１００は、その外周面が、アクチュエータ部２００と当接するように設けられる。ロータ部１００は、回転の中心軸１１０を中心として回転自在に設けられる。ロータ部１００は、外周面がアクチュエータ部２００の先端の振動によって蹴られることによって中心軸周りにモーメントを生じて回転駆動される。ロータ部１００は、円柱状の形状であっても良いし、図示の例のように軸の直径を大きくした輪軸状の形状であってもよい。アクチュエータ部２００の振動等についての詳細は後述する。ロータ部１００の回転が、超音波モータの機械的な出力となる。ロータ部１００には、回転検出手段としてエンコーダなどを設けることもできる。ロータ部１００の材質は、摩耗しにくいものであることが好ましい。
【００２０】
アクチュエータ部２００は、たとえば振動板２１０と、２つの圧電体層と、２つの縦振動用電極と、８つの屈曲振動用電極と、４つの検出用電極と、を有する。アクチュエータ部２００は、振動板２１０の中心面を鏡面として、上下に対称な構成であることができる。したがって、以下では、振動板２１０から上側の構成について詳細に説明し、振動板２１０より下側の構成については、詳細な説明を省略する。
【００２１】
振動板２１０は、略長方形の板状部材である。図１および図２では、左右方向に長手方向を有するように描いてある。振動板２１０は、突起部２１２を有する。突起部２１２は、振動板２１０と一体的に形成されていてもよいし、別部材として振動板２１０に設けられていてもよい。振動板２１０の厚さは、たとえば０．１μｍないし２００μｍとすることができる。振動板２１０は、突起部２１２を介して、ロータ部１００の外周面に当接するように設けられる。振動板２１０は、上下の圧電体の伸縮によって伸縮および屈曲運動が可能で、突起部２１２の先端付近の軌跡が楕円状となるように振動することができる。この振動により、突起部２１２に当接しているロータ部１００の外周面が突き動かされ、ロータ部１００の軸周りに回転運動が生じる。振動板２１０は、その上下に形成される圧電体層に電力を供給するように導電性を有する物質で構成されてもよい。また振動板２１０は、導電性を有さない物質で構成されてもよい。この場合は、振動板２１０の上下に圧電体層に電力を供給するための電極を別途設けることができる。振動板２１０の材質としては、たとえば、ステンレス鋼を好ましく用いることができる。また、振動板２１０と突起部２１２は、同一の材質であっても良いし、異なる材質としてもよい。突起部２１２の材質は、摩耗しにくいものであることが好ましい。
【００２２】
圧電体層２２０は、振動板２１０の上に設けられる。圧電体層２２０は、電圧が印加されることにより伸縮することができる。圧電体層２２０の伸縮の方向は、印加する電圧の極性や、圧電体層２２０を分極させる方向により任意に設計することができる。圧電体層２２０の厚さは、たとえば０．１μｍないし２００μｍとすることができる。図１および図２の例では、４つの屈曲振動用電極２４１〜２４４を配しているため、圧電体層２２０は、単層で一方向に分極処理されている。この例では、各電極に印加する電圧の極性によってそれぞれの電極に対応する部位の圧電体の伸縮を行うことになる。また、圧電体層２２０は、伸縮が生じると振動板２１０および検出電極２５１，２５２の間に電圧を発生することができ、この電圧（検出電圧）によって、振動板２１０の動作を検知することができる。圧電体層２２０は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ３）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３などの圧電材料から形成されることができる。
【００２３】
縦振動用電極２３０は、圧電体層２２０の上に設けられる。縦振動用電極２３０は、振動板２１０すなわちアクチュエータ部２００を長手方向に伸縮するための電力を供給するために設けられる。
【００２４】
屈曲振動用電極２４１〜２４４は、圧電体層２２０の上に設けられる。屈曲振動用電極２４１〜２４４は、縦振動用電極２３０と電気的に絶縁されている。屈曲振動用電極２４１〜２４４は、振動板２１０すなわちアクチュエータ部２００を長手方向に垂直な方向に屈曲振動させるための電力を供給するために設けられる。このような振動は、たとえば、図の符号を参照して、屈曲振動用電極２４１と屈曲振動用電極２４２に互いに極性が反対になるような電圧を印加することによって可能である。このようにすれば一方の電極の下の圧電体がアクチュエータ部２００の長手方向に伸張したときに、他方の電極の下の圧電体が同方向に収縮するため、収縮する側を内側としてアクチュエータ部２００が屈曲するような動作が可能となる。このような電圧の組み合わせを交番して印加することで、アクチュエータ部２００は、長手方向に垂直な方向の屈曲振動が可能となる。図示の例では屈曲振動用電極２４１〜２４４が４つ配置されているが、以上のような機能を有する限り、当該電極の数、配置および形状は任意に設計できる。また、この例では、電極の配置によって屈曲および伸縮を生じさせるが、そのほかに、圧電体層２２０の分極の配置を利用して屈曲および伸縮を生じさせる方法もある。
【００２５】
検出用電極２５１，２５２は、圧電体層２２０の上に設けられる。検出用電極２５１，２５２は、縦振動用電極２３０および屈曲振動用電極２４１〜２４４と電気的に絶縁されている。検出用電極２５１，２５２は、振動板２１０すなわちアクチュエータ部２００の振動の状態を検出するために設けられる。このような振動の検出は、たとえば、検出用電極２５１と検出用電極２５２の下の圧電体に発生した電圧をそれぞれ検出することによって可能である。これらの電圧は、アクチュエータ部２００の変位を反映したものであり、アクチュエータ部２００の変位を示す量として使用することができる。図示の例では検出用電極２５１，２５２が２つ配置されているが、以上のような機能を有する限り、当該電極の数、配置および形状は任意に設計できる。
【００２６】
縦振動用電極２３０、屈曲振動用電極２４１〜２４４、および検出用電極２５１，２５２は、たとえば白金などの金属材料やランタンとニッケルの複合酸化物（ＬａＮｉＯ３）などの導電性酸化物からなることができ単層でも多層構造でもよい。これらの電極の厚さは、十分に低い電気抵抗値が得られる厚さであれば良く、たとえば１０ｎｍないし５μｍとすることができる。
【００２７】
アクチュエータ支持部３００は、アクチュエータ部２００を支持するとともにロータ部１００にアクチュエータ部２００を押しつけるように保持するために設けられる。アクチュエータ支持部３００は、たとえば、アクチュエータ部２００の振動板２１０と一体的に形成されていてもよい。また、図２の例のようにアクチュエータ部を下から支持するように設けられてもよい。なお、この例では、アクチュエータ部２００の下部の電極群と、アクチュエータ支持部３００は、電気的に絶縁されている。アクチュエータ支持部３００の材質としては、たとえば、ステンレス鋼が好ましい。また、アクチュエータ支持部３００と振動板２１０は、同一の材質であっても良いし、異なる材質としてもよい。
【００２８】
２．超音波モータ４００の動作
図３は、アクチュエータ部２００が屈曲振動しているとき、瞬間的に採りうる形状を模式的に示す平面図である。図４は、ロータ部１００が突起部２１２に突き動かされて回転する様子を描いた模式図である。
【００２９】
図３に示すように、アクチュエータ部２００は、各電極から印加される電圧の極性に従って、屈曲および伸縮することができる。図３は、説明のために屈曲を誇張して示している。この図の場合、屈曲振動用電極２４１および屈曲振動用電極２４４と、屈曲振動用電極２４２および屈曲振動用電極２４３に印加される電圧の極性が逆になっている。すなわち、屈曲振動用電極２４１および屈曲振動用電極２４４には、圧電体層２２０を伸張させる電圧が、屈曲振動用電極２４２および屈曲振動用電極２４３には、圧電体層２２０を収縮させる電圧が印加されている。そのため、アクチュエータ部２００は、ある瞬間には図３に示すように、うねったような形状となっている。そして、各電極に印加する電圧の極性を特定の周波数で交番させるため、別の瞬間にはうねりの状態が逆になるような形状となる。このような理由から、この交番電圧の周期でアクチュエータ部２００は屈曲振動することとなる。そして、このとき同時に縦振動用電極２３０にも交流電圧を印加することができるため、アクチュエータ部２００には、屈曲振動と伸縮振動（縦振動）とを同時に発生させることができる。このような振動の組み合わせにより、突起部２１２の軌跡を楕円状にすることができる。さらにこの楕円状の振動は、印加する交流の周波数、電圧および位相などを選ぶことで、所望の態様を得ることができる。
【００３０】
このようなアクチュエータ部２００の運動は、突起部２１２を運動させる。図４に破線で示すように、突起部２１２は、アクチュエータ部２００（振動板２１０）の動きに伴って、その先端が楕円状の軌跡を描くように振動することができる。そして、この振動によって、ロータ部１００の側面は図４の矢印の方向に突き動かされ、ロータ部１００が回転軸１１０の周りに回転する。ロータ部１００の回転方向および回転速度は、上述したようにアクチュエータ部２００に入力する交流電圧の周波数、電圧および位相などを変化させることで調節することができる。なお、以上の説明は、振動板２１０よりも上側の電極についてのみ説明したが、下側にも同様の機能を有する部材が設けられており、適宜協働させて上記の動作を行うことができる。
【００３１】
３．超音波モータ４００の制御構成
図５は、本実施形態の超音波モータ４００の制御構成を示す図である。
【００３２】
アクチュエータ部２００の各電極は、図５に例示するように、駆動回路２６０および検出制御回路２７０に電気的に接続されている。図５の例では、駆動回路２６０がアクチュエータ部２００を駆動し、アクチュエータ部２００の駆動を検出制御回路２７０によって検出し、信号を駆動回路２６０に帰還する構成となっている。本実施形態の駆動構成には、図示しないが、周波数や電圧を記憶する記憶手段を備えることができる。以下このような構成について具体的に説明する。
【００３３】
アクチュエータ部２００の屈曲振動用電極２４１〜２４４および縦振動用電極２３０は、駆動回路２６０に接続される。駆動回路２６０は、アクチュエータ部２００を振動させる。駆動回路２６０には、例えば、電力増幅回路２６２、発振源２６４などの回路を含んで構成することができる。駆動回路２６０は、各電極を別個に駆動する構成を有してもよいし、図のように屈曲振動用電極２４１〜２４４と縦振動用電極２３０とを分けた構成としてもよい。図示の例では、屈曲振動用電極２４１，２４４および屈曲振動用電極２４２，２４３に印加する電圧の位相を制御するためにインバータ２８０を含んで構成されている。
【００３４】
検出制御回路２７０は、検出用電極２５１，２５２に接続されている。検出制御回路２７０は、検出用電極２５１，２５２に発生した電圧から、アクチュエータ部２００の変位や動作を検出する。検出制御回路２７０は、検出したアクチュエータ部２００の状態に応じた信号を駆動回路２６０に送出する。駆動回路２６０は、検出制御回路２７０からの信号に基づいて、アクチュエータ部２００の振動動作を制御できるように構成される。
【００３５】
４．超音波モータ４００の駆動特性
図６は、本実施形態にかかる超音波モータ４００を駆動した結果の一例を示す。以下に図６を用いて超音波モータの駆動特性について説明する。
【００３６】
図６の縦軸は、検出用電極２３０に発生する電圧を規格化したものである。横軸は、入力する交流電圧の周波数である。図６のデータは、始めに駆動周波数１１５ｋＨｚで超音波モータ４００を始動し、ステップ周波数を１００Ｈｚとして段階的に周波数を低下させたときに得られたものである。
【００３７】
図６の縦軸のアクチュエータ部２００の変位は、検出電極２５１等に生じた電圧を測定した結果に対応している。図６の縦軸は、上述したように超音波モータ４００の回転速度と対応関係がある。すなわち、ここで観測されているアクチュエータ部２００の変位が大きいほど、超音波モータ４００の回転速度が大きい。図６の横軸は、駆動周波数を表している。図中には、説明の便宜上、実用的な意味の異なる領域を分け、それぞれ範囲１〜範囲３として描いてある。
【００３８】
超音波モータ４００は、停止した状態で交流電圧を印加する場合、当該交流電圧が一定の周波数以上でないと、始動しないことが分かっている。このような始動可能な周波数の範囲は、個々の超音波モータ４００の個体ごとに異なり、環境の温度等にも影響される。図６においては、アクチュエータ部２００に範囲３の周波数の交流電圧を印加するとアクチュエータ部２００の変位が生じ、超音波モータが始動する。超音波モータ４００の始動が範囲３でしか起こらない理由は、アクチュエータ部２００がロータ部１００に押しつけられているためであると考えられている。したがって、範囲１や範囲２の周波数の交流電圧を、停止しているアクチュエータ部に印加しても超音波モータは始動しない。以下では、この範囲１および範囲２は、超音波モータ４００を始動することができない始動不可能範囲と称する。
【００３９】
図６中の範囲２の領域では、超音波モータ４００は、始動できない。ところが、図６の実験結果から明らかなように、範囲３から徐々に周波数を変化させて範囲２の周波数にすると、アクチュエータ部２００の変位は次第に大きくなる。この周波数の変化の態様は、例えば、連続的に周波数を変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。段階的に変化させる場合は、その変化の間隔が大きすぎないようにする。この変化の間隔が大きすぎると、超音波モータ４００の回転が停止してしまうことがある。範囲２の周波数では、超音波モータ４００を始動はできないが、範囲３の周波数による運転よりも回転速度を高くして運転できることがわかる。
【００４０】
一方、範囲２において、周波数が低くなり範囲１との境界に近づくとアクチュエータ部２００の変位は、最大となった後に急激に減少する。すなわち、範囲２の周波数での超音波モータ４００の駆動は、範囲３のそれと比べて回転速度が大きく効率がよい反面、範囲２から範囲１に周波数が低くなると突然停止してしまうという不安定さを有している。範囲２の周波数においては、超音波モータ４００が停止してしまうと、その周波数では始動ができないため、再び始動するためには、範囲３の周波数を印加する必要がある。
【００４１】
図６中の範囲１の周波数では、たとえ駆動周波数を高い周波数から徐々に低下させて範囲１の周波数としたとしても、超音波モータ４００は回転しない。また、範囲１の周波数の交流電圧を停止している超音波モータ４００に印加しても始動することはない。
【００４２】
５．超音波モータ４００の駆動方法
図７は、超音波モータ４００の駆動特性を模式的に示す概略図である。図８ないし図１５は、本実施形態の超音波モータ４００の駆動方法における処理のフローチャートである。本実施形態の駆動方法を以下に図７ないし図１５を参照しながら具体的に説明する。なお、以下の説明において駆動周波数とは、図５の駆動回路２６０の発振源２６４に設定される周波数のことであり、この周波数でアクチュエータ部２００が駆動される。一方、第１〜第４周波数、および始動周波数とは、検出制御回路２７０の内部で保持している周波数値のことであり、これを発振源２６４にセットすることによってはじめて、アクチュエータが当該周波数の値で駆動されるものとする。
【００４３】
本実施形態の超音波モータ４００の駆動方法は、検出工程（Ｓ１）と、稼働工程（Ｓ２）からなる。検出工程は、図８ａ）に示すように、超音波モータ４００の始動周波数検出工程（Ｓ１０）と、電圧検出工程（Ｓ２０）からなり、また、稼働工程は図８ｂ）に示すように、超音波モータ４００の始動工程（Ｓ３０）と、駆動工程（Ｓ４０）からなる。
【００４４】
本実施形態の超音波モータ４００の駆動方法は、モータが駆動していない状態から実行される。
【００４５】
検出工程Ｓ１の始動周波数検出工程（Ｓ１０）は、図９に示すように、まず、アクチュエータ部２００の駆動周波数と第１周波数とを初期化する（ステップＳ１１）。それぞれの周波数は、図６における範囲１の周波数領域に属する値を適宜選択して設定される。アクチュエータ部２００の駆動を開始し（ステップＳ１２）、駆動周波数を第１周波数に設定する（ステップＳ１３）。アクチュエータ部２００の検出用電極２５１等から電圧を検出して（ステップＳ１４）超音波モータ４００が始動したかどうかを判定する（ステップＳ１５）。始動の確認は、ロータ部１００に設けた図示せぬエンコーダ等の回転検出手段を用いて行ってもよい。このとき、超音波モータ４００が始動していなければ（ステップＳ１５でＮ）、第１周波数を大きくし（ステップＳ１６）、再度駆動周波数を第１周波数にする（ステップＳ１３）。そして、超音波モータ４００が始動していれば（ステップＳ１５でＹ）、その時の第１周波数を始動周波数として記録し（ステップＳ１７）、超音波モータ４００の始動周波数検出工程（Ｓ１０）は、終了する。始動周波数検出工程（Ｓ１０）において、超音波モータ４００を始動することのできる駆動周波数があらかじめ分かっていれば、すなわち、第１周波数の初期値を、図７の範囲３の周波数に設定できるのであれば、始動したかどうかの判定（ステップＳ１５）および第１周波数を大きくする工程（ステップＳ１６）は省略することができる。図９に示した工程は、超音波モータ４００が停止した状態から、超音波モータ４００が始動するまで駆動周波数を上げていくことによって、始動不可能範囲を求めることができる。この工程を有すれば、図７の範囲２と範囲３の境界の周波数ｆｓｔａｒｔが未知の場合であっても、始動可能範囲を求めることができ、これに基づき容易に超音波モータ４００を始動することができる。また、本工程は、始動不可能範囲を求める工程である。なお、ここでは、範囲２と範囲３の境界の周波数ｆｓｔａｒｔでは、超音波モータ４００を始動することができるものとする。
【００４６】
次に、始動周波数検出工程（Ｓ１０）を経て、超音波モータ４００が第１周波数で始動した状態で、駆動周波数を下げながら、アクチュエータ部２００に生じる電圧を検出する電圧検出工程（Ｓ２０）を行う。図１０に示すように、この工程では第２周波数の初期値を始動周波数検出工程（Ｓ１０）で求めた始動周波数とし（ステップＳ２１）、アクチュエータの駆動周波数を第２周波数にする（ステップＳ２２）。次に、第２周波数の交流電圧を印加した状態で、検出用電極２５１の電圧等を参照して（ステップＳ２３）、超音波モータ４００が停止したかどうかを判定する（ステップＳ２４）。このとき、超音波モータ４００が停止していなければ（ステップＳ２４でＮ）、第２周波数をより低い値に変更して（ステップＳ２５）、再度アクチュエータの駆動周波数を第２周波数に設定する（ステップＳ２２）。なお、この工程において、超音波モータ４００が停止する駆動周波数、検出電圧の最大値およびその時の駆動周波数があらかじめ分かっていれば、停止したかどうかの判定（ステップＳ２４）および第２周波数をより低い周波数に設定する工程（ステップＳ２５）は省略することができる。
【００４７】
次に超音波モータ４００の停止が検出用電極２５１の電圧等で検出された場合は（ステップＳ２４でＹ）、アクチュエータ部２００の駆動を停止する（ステップＳ２６）。次いで検出用電極２５１等に生じる電圧の測定結果に基づいて、アクチュエータ部２００に生じた最大電圧を求め、記録する（ステップＳ２７）。このステップは、後述の駆動工程（Ｓ４０）において、検出電圧による制御を行わない場合には、省略することができる。次に、検出用電極２５１等に生じる電圧の測定結果に基づいて、アクチュエータ部２００に最大電圧が生じた周波数を求め、記録する（ステップＳ２８）。このステップは、後述の駆動工程（Ｓ４０）において、周波数による制御を行わない場合には、省略することができる。電圧検出工程（Ｓ２０）が終了すると、超音波モータ４００は、停止した状態にある。電圧検出工程（Ｓ２０）は、図７を用いて説明すれば、範囲３から範囲２を通過して範囲１に入るように周波数を変化させ、その間に検出用電極２５１等に生じる電圧を測定し、電圧の最大値や最大の電圧を発生させる周波数を求める工程である。
【００４８】
次に稼働工程Ｓ２について説明する。稼働工程Ｓ２では、まず、図１１に示すような、始動工程（Ｓ３０）を行う。本工程では、駆動周波数と第３周波数の初期値を始動周波数検出工程（Ｓ１０）で求めた始動周波数（第１周波数）とする（ステップＳ３１）。次にアクチュエータ部２００の駆動を開始し（ステップＳ３２）、アクチュエータ部２００の駆動周波数を、第３周波数にする（ステップＳ３３）。次いで、検出用電極２５１等の電圧を参照して、超音波モータ４００が始動したかどうかを判定する（ステップＳ３４）。このとき、超音波モータ４００が始動していなければ（ステップＳ３４でＮ）、第３周波数をより高い値に変更して（ステップＳ３５）、再度アクチュエータ部２００の駆動周波数を、第３周波数に設定する（ステップＳ３３）。そして、超音波モータ４００が始動していれば（ステップＳ３４でＹ）、超音波モータ４００を始動する工程（Ｓ３０）は、終了する。なお、ここでは、上述した始動不可能範囲を求める工程を含んでいるが、これを省略することができる。すなわち、この工程において、超音波モータ４００を始動することのできる駆動周波数があらかじめ分かっていれば始動したかどうかを判定するステップ（ステップＳ３４）および第３周波数を高く設定するステップ（ステップＳ３５）は、省略することができる。例えば、予め使用条件を想定した実験等で始動が確認されている周波数をＲＯＭ等に記録しておき、第３周波数の初期値として使用する事も可能である。
【００４９】
始動工程Ｓ３０に引き続き、駆動工程Ｓ４０を行う。図１２は、駆動工程の例を示す。本工程は超音波モータの実運転動作を行うフローである。まず、駆動周波数と第４周波数とを初期化する（ステップＳ４１）。駆動工程Ｓ４０は始動工程Ｓ３０の直後に行われるので、駆動周波数と第４周波数の初期値は、始動工程Ｓ３０の第３周波数の最終値をそのまま設定すれば良い。また、アクチュエータ部の駆動は始動工程Ｓ３０で既に開始されている。
【００５０】
次に運転周波数範囲を決定する（ステップＳ４２）。運転周波数範囲は、上述の第３周波数よりも低い周波数であって、かつ、電圧検出工程（Ｓ２０）で求めたアクチュエータ部２００に生じる電圧が最大になる周波数よりも高い周波数側の範囲とする。この運転周波数範囲は、図７に説明を付したように、電圧検出工程（Ｓ２０）で求めたアクチュエータ部２００に生じる電圧が最大になる周波数ｆｐｅａｋと、第３周波数ｆ３との間の周波数の範囲である。以下に記述する第４周波数は第３周波数よりも低い周波数となる。
【００５１】
ここで、不図示の制御手段から行われる駆動継続の指示をチェックする（ステップＳ４３）。駆動継続であれば（ステップＳ４３でＹ）アクチュエータの駆動周波数を第４周波数に設定し（ステップＳ４４）、第４周波数が運転周波数範囲内かどうかを判定する（ステップＳ４５）。第４周波数が運転周波数範囲内でなければ（ステップＳ４５でＮ）、第４周波数を変化させ（ステップＳ４６）、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。第４周波数が運転周波数範囲内であれば（ステップＳ４３でＹ）、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。ここで、不図示の制御手段から駆動打ち切りの指示があれば（ステップＳ４３でＮ）アクチュエータの駆動を停止し（ステップＳ４７）、工程は終了する。第４周波数を変化させるステップ（ステップＳ４６）では、第４周波数は、段階的に変化させ、その変化の間隔は、１００Ｈｚないし１０００Ｈｚとするのが好ましい。
【００５２】
このような駆動方法によれば、運転周波数範囲で超音波モータ４００を駆動することができる。この範囲で超音波モータ４００を駆動すると、始動周波数（第３周波数）（図７のｆ３）で駆動する場合よりも、アクチュエータ部２００に発生する電圧が高い状態となる。すなわち、上記駆動方法によれば、超音波モータ４００は、始動周波数で駆動するよりも回転速度を高くすることができる。その上、運転周波数範囲で超音波モータ４００を駆動すると、駆動周波数が超音波モータ４００の停止してしまう周波数（図７の範囲１）となることが制限される。すなわち、上記駆動方法によれば、超音波モータ４００は、突然に停止してしまうことが抑制される。したがって、このような駆動方法によれば、超音波モータ４００を効率よく安定に動作させることができる。
【００５３】
一方、上記の運転周波数範囲は、次のように設定することもできる。たとえば、運転周波数範囲は、図７に「第２運転周波数範囲」として記したように、超音波モータ４００を始動不可能な周波数の範囲であって、かつ、電圧検出工程（Ｓ２０）で求めたアクチュエータ部２００に生じる電圧が最大になる周波数よりも高い周波数側の範囲とすることができる。この第２運転周波数範囲は、図７に符号を付したように、電圧検出工程（Ｓ２０）で求めたアクチュエータ部２００に生じる電圧が最大になる周波数ｆｐｅａｋと、始動不可能範囲の上限である周波数ｆｓｔａｒｔよりも低い周波数の範囲である。なおｆｓｔａｒｔの周波数では、始動することが可能である。
【００５４】
このように第２運転周波数範囲を設定して超音波モータ４００を駆動すると、始動可能範囲の周波数（図７の範囲３）で駆動する場合よりも、アクチュエータ部２００に発生する電圧が高い状態となる。すなわち、上記駆動方法によれば、超音波モータ４００は、始動可能な範囲の周波数で駆動するよりも回転速度を高くすることができる。その上、運転周波数範囲で超音波モータ４００を駆動すると、入力周波数駆動周波数が超音波モータ４００の停止してしまう周波数（図７の範囲１）となることが制限される。すなわち、上記駆動方法によれば、超音波モータ４００は、突然に停止してしまうことが抑制される。したがって、このような駆動方法によれば、超音波モータ４００は、効率よく安定に動作させることができる。
【００５５】
駆動工程（Ｓ４０）は、図１３ないし図１５に示すような変形が可能である。
【００５６】
図１３は、駆動工程（Ｓ４０）の変形例フローチャートである。この例では、前述したと同様に、駆動周波数と第４周波数を始動工程Ｓ３０の第３周波数の最終値で初期化する（ステップＳ４１）し、運転周波数範囲を決定する（ステップＳ４２）。そして、電圧検出工程（Ｓ２０）のステップＳ２５で求めたアクチュエータ部２００から検出される電圧の最大値に、１より小さい係数を乗じてしきい値電圧を求める（ステップＳ４８）。この係数は、超音波モータ４００が停止することをより確実に抑制する働きがある。図７には、しきい値電圧Ｖｔｈｒと、電圧検出工程（Ｓ２０）において、しきい値電圧Ｖｔｈｒが検出された周波数であるしきい値周波数ｆｔｈｒを示した。しきい値周波数ｆｔｈｒは、電圧検出工程（Ｓ２０）で求めたアクチュエータ部２００に生じる電圧が最大になる周波数ｆｐｅａｋよりも高周波数側を選ぶようにする。
【００５７】
駆動周波数がｆｐｅａｋを下回ると超音波モータ４００が非常に停止しやすいが、上記の係数を駆動工程（Ｓ４０）に導入することで、周波数がｆｐｅａｋ未満となってしまうまでの余裕を、駆動周波数を変化させる際に持たせることができる。この係数は、超音波モータ４００の特性や用途に応じて設定でき、例えば、０．５ないし０．９５とすることができる。
【００５８】
図１３に示す変形例では、運転周波数範囲を決定（ステップＳ４２）した後、しきい値電圧Ｖｔｈｒを求め（ステップＳ４８）、しきい値電圧Ｖｔｈｒが電圧工程（Ｓ２０）において検出される際の駆動周波数の値（ｆｔｈｒ）を求める（ステップＳ４９）。ここで、不図示の制御手段から行われる駆動継続の指示をチェックする（ステップＳ４３）。駆動継続であれば（ステップＳ４３でＹ）アクチュエータの駆動周波数を第４周波数に設定し（ステップＳ４４）、第４周波数が運転周波数範囲内かどうかを判定する（ステップＳ４５）。第４周波数が運転周波数範囲内でなければ（ステップＳ４５でＮ）、第４周波数を変化させ（ステップＳ４６）、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。一方、運転周波数範囲内であった場合は（ステップＳ４５でＹ）、第４周波数がしきい値電圧を発生する周波数の値よりも大きいかどうかを判定する（ステップＳ５０）。第４周波数がしきい値周波数よりも大きかった場合は（ステップＳ５０でＹ）、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。第４周波数がしきい値周波数よりも小さかった場合は（ステップＳ５０でＮ）、第４周波数を変化させ（ステップＳ４６）、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。ここで、不図示の制御手段から駆動打ち切りの指示があれば（ステップＳ４３でＮ）アクチュエータの駆動を停止し（ステップＳ４７）、工程は終了する。
【００５９】
図１４は、駆動工程（Ｓ４０）の他の変形例を示すフローチャートである。本変形例では、前述の例と同様に、駆動周波数と第４周波数を始動工程Ｓ３０の第３周波数の最終値で初期化する（ステップＳ４１）し、運転周波数範囲を決定する（ステップＳ４２）。そして、電圧検出工程（Ｓ２０）のステップＳ２５で求めたアクチュエータ部２００から検出される電圧の最大値に、１より小さい係数を乗じてしきい値電圧を求める（ステップＳ４８）。ここで、不図示の制御手段から行われる駆動継続の指示をチェックする（ステップＳ４３）。駆動継続であれば（ステップＳ４３でＹ）アクチュエータの駆動周波数を第４周波数に設定し（ステップＳ４４）、アクチュエータ部２００の検出用電極２５１等から検出電圧を求める（ステップＳ５１）。第４周波数が運転周波数範囲内かどうかを判定し（ステップＳ４５）、運転周波数範囲内であれば（ステップＳ４５のＹ）、検出電圧がしきい値電圧Ｖｔｈｒ以下であるかどうかを判定する（ステップＳ５２）。検出電圧がしきい値電圧以下ならば（ステップＳ５２のＹ）そのまま駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。第４周波数が運転周波数の範囲外の場合（ステップＳ４５のＮ）や、検出電圧がしきい値以上であった場合（ステップＳ５２のＹ）は、第４周波数を変化させた（ステップＳ４６）後、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。ここで、不図示の制御手段から駆動打ち切りの指示があれば（ステップＳ４３でＮ）アクチュエータの駆動を停止し（ステップＳ４７）、工程は終了する。
【００６０】
変形例の駆動方法によれば、しきい値電圧Ｖｔｈｒをアクチュエータ部２００に生じる最大電圧Ｖｐｅａｋよりも係数分低く設定することで駆動周波数の変動に余裕を持たせることができる。そのため、運転周波数範囲を第２運転周波数範囲に設定した場合、超音波モータ４００を始動可能範囲の周波数（図７の範囲３）で駆動する場合よりも、アクチュエータ部２００に発生する電圧が高い状態となる。その上、超音波モータ４００の温度や環境の温度が変化して、超音波モータ４００の特性が変動しても停止しにくくすることができる。したがって、このような駆動方法によれば、超音波モータ４００は、効率よく一層安定に動作させることができる。
【００６１】
図１５は、駆動工程（Ｓ４０）の他の変形例を示すフローチャートである。本変形例では、前述したと同様に、駆動周波数と第４周波数を始動工程Ｓ３０の第３周波数の最終値で初期化する（ステップＳ４１）し、電圧検出工程（Ｓ２０）のステップＳ２５で求めたアクチュエータ部２００から検出される電圧の最大値に、１より小さい係数を乗じてしきい値電圧を求める（ステップＳ４８）。ここで、不図示の制御手段から行われる駆動継続の指示をチェックする（ステップＳ４３）。駆動継続であれば（ステップＳ４３でＹ）アクチュエータの駆動周波数を第４周波数に設定し（ステップＳ４４）、不図示の制御手段から行われる周波数調整継続の指示をチェックする（ステップＳ５３）。周波数調整継続でなければ（ステップＳ５３でＮ）、そのまま駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。周波数調整継続であれば（ステップＳ５３でＹ）、アクチュエータ部２００の検出用電極２５１等から検出電圧を求める（ステップＳ５１）。次に検出電圧としきい値電圧Ｖｔｈｒを比較し（ステップＳ５４）、検出電圧がしきい値電圧より大きければ（ステップＳ５４で検出電圧＞しきい値電圧）第４周波数を大きく、検出電圧がしきい値電圧より小さければ（ステップＳ５４で検出電圧＜しきい値電圧）第４周波数を小さく、検出電圧としきい値電圧が等しければ（ステップＳ５４で検出電圧＝しきい値電圧）第４周波数は変化させないで、駆動継続の指示のチェックに戻る（ステップＳ４３）。ここで、不図示の制御手段から駆動打ち切りの指示があれば（ステップＳ４３でＮ）アクチュエータの駆動を停止し（ステップＳ４７）、工程は終了する。
【００６２】
このフローによれば、駆動周波数を調節するステップによって、駆動周波数は、しきい値周波数ｆｔｈｒに近づいてゆく。周波数調節を継続するかどうかの判断は、たとえば、周波数の目標値をあらかじめ定めて、駆動周波数が目標値に達したかどうかに基づいて行うことができる。また、周波数調節は、常に継続するように設定しておくこともできる。また、人為的に外部から信号を与えて、適宜継続の切替をすることもできる。
【００６３】
このような駆動方法によれば、超音波モータ４００は、しきい値周波数ｆｔｈｒ付近の周波数で駆動され、しかも停止しにくい。すなわち、本変形例では、周波数の調節を継続して行うことができるため、温度変化などの外乱が生じてしきい値周波数ｆｔｈｒが変動しても、これに追従して駆動周波数を調節することができる。かつ、しきい値電圧Ｖｔｈｒをアクチュエータ部２００に生じる最大電圧Ｖｐｅａｋよりも係数分低く設定することで、駆動周波数の変動に余裕を持たせることができる。したがって、このような駆動方法によれば、超音波モータ４００は、始動可能な範囲の周波数で駆動するよりも回転速度を高く駆動されることができ、かつ、超音波モータ４００の温度や環境の温度が変化してもこれに対応して停止しにくく駆動されることができる。
【００６４】
以上のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本実施形態にかかる超音波モータ４００を模式的に示す平面図。
【図２】本実施形態にかかる超音波モータ４００を模式的に示す断面図。
【図３】アクチュエータ部の動作を模式的に示す平面図。
【図４】超音波モータの動作機構を説明する模式図。
【図５】本実施形態にかかる超音波モータの回路構成の一例を示す模式図。
【図６】本実施形態にかかる超音波モータの動作特性の説明図。
【図７】本実施形態にかかる超音波モータの動作特性の実験結果の一例。
【図８】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図９】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１０】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１１】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１２】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１３】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１４】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【図１５】本実施形態にかかる超音波モータの駆動方法の例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００６６】
１００ ロータ部、１１０ 中心軸、２００ アクチュエータ部、２１０ 振動板、
２１２ 突起部、２２０，２２２ 圧電体層、２３０，２３２ 縦振動用電極、
２４１〜２４４ 屈曲振動用電極、２５１，２５２ 検出用電極、
２６０ 駆動回路、２６２ 電力増幅回路、２６４ 発振源、２７０ 検出制御回路、
２８０ インバータ、３００ アクチュエータ支持部、４００ 超音波モータ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波モータの駆動方法において、
第１周波数の交流電圧をアクチュエータ部に印加して前記超音波モータを始動する工程と、
前記第１周波数から前記超音波モータが停止する第２周波数まで駆動周波数を下げながら、該アクチュエータ部に生じる電圧を検出する電圧検出工程と、
第３周波数で前記超音波モータを始動する始動工程と、
前記駆動周波数を運転周波数範囲内の値となるように、前記第３周波数から低周波数側に変化させる駆動工程と、
を有し、
前記運転周波数範囲は、前記電圧検出工程において最大電圧が検出される際の前記駆動周波数の値よりも高周波数側の範囲である、超音波モータの駆動方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記運転周波数範囲は、始動不可能範囲内である、超音波モータの駆動方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が前記最大電圧に係数を乗じて得られるしきい値電圧以下となるように、前記駆動周波数を変化させる、超音波モータの駆動方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記しきい値電圧より大きい場合は、前記駆動周波数を高周波数側に変化させ、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記しきい値電圧より小さい場合は、前記駆動周波数を低周波数側に変化させる、超音波モータの駆動方法。
【請求項５】
請求項１または請求項２において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記最大電圧に係数を乗じて得られるしきい値電圧が前記電圧検出工程において検出される際の前記駆動周波数の値以上となるように、該駆動周波数を変化させる、超音波モータの駆動方法。
【請求項６】
請求項３ないし請求項５のいずれかにおいて、
前記係数は、０．５ないし０．９５である、超音波モータの駆動方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかにおいて、
前記駆動工程では、
前記駆動周波数を段階的に変化させ、かつ、該駆動周波数の変化の間隔は、１００Ｈｚないし１０００Ｈｚである、超音波モータの駆動方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかにおいて、
前記超音波モータが停止した状態から、前記超音波モータが始動するまで前記駆動周波数を上げる、始動周波数検出工程を含む、超音波モータの駆動方法。
【請求項１】
超音波モータの駆動方法において、
第１周波数の交流電圧をアクチュエータ部に印加して前記超音波モータを始動する工程と、
前記第１周波数から前記超音波モータが停止する第２周波数まで駆動周波数を下げながら、該アクチュエータ部に生じる電圧を検出する電圧検出工程と、
第３周波数で前記超音波モータを始動する始動工程と、
前記駆動周波数を運転周波数範囲内の値となるように、前記第３周波数から低周波数側に変化させる駆動工程と、
を有し、
前記運転周波数範囲は、前記電圧検出工程において最大電圧が検出される際の前記駆動周波数の値よりも高周波数側の範囲である、超音波モータの駆動方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記運転周波数範囲は、始動不可能範囲内である、超音波モータの駆動方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が前記最大電圧に係数を乗じて得られるしきい値電圧以下となるように、前記駆動周波数を変化させる、超音波モータの駆動方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記しきい値電圧より大きい場合は、前記駆動周波数を高周波数側に変化させ、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記しきい値電圧より小さい場合は、前記駆動周波数を低周波数側に変化させる、超音波モータの駆動方法。
【請求項５】
請求項１または請求項２において、
前記駆動工程では、
前記アクチュエータ部から検出される電圧が、前記最大電圧に係数を乗じて得られるしきい値電圧が前記電圧検出工程において検出される際の前記駆動周波数の値以上となるように、該駆動周波数を変化させる、超音波モータの駆動方法。
【請求項６】
請求項３ないし請求項５のいずれかにおいて、
前記係数は、０．５ないし０．９５である、超音波モータの駆動方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかにおいて、
前記駆動工程では、
前記駆動周波数を段階的に変化させ、かつ、該駆動周波数の変化の間隔は、１００Ｈｚないし１０００Ｈｚである、超音波モータの駆動方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかにおいて、
前記超音波モータが停止した状態から、前記超音波モータが始動するまで前記駆動周波数を上げる、始動周波数検出工程を含む、超音波モータの駆動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−１７６３６（Ｐ２００９−１７６３６Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７４３９６（Ｐ２００７−１７４３９６）
【出願日】平成１９年７月２日（２００７．７．２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２日（２００７．７．２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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