JP6291309B2 - 振動アクチュエータの制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、超音波振動によって生成される進行波を用いてロータ（回転子）またはスライダ（直進子）等の移動体を駆動する振動アクチュエータ（例えば、超音波モータ）の制御装置および制御方法に関する。

従来から、振動アクチュエータの一例として、進行波を用いた回転型の超音波モータが知られている。

この超音波モータは、圧電素子とこの圧電素子が接合された円環状の弾性体とを備えた振動体（ステータ）と、円環状の移動体（ロータ）と、この移動体を前記振動体に加圧接触させる加圧手段と、前記圧電素子に駆動信号（高周波電圧）を印加する電極とを備えて構成されている。
そして、この超音波モータは、圧電素子に駆動信号を印加することで生じる圧電素子の伸縮運動によって振動体に進行波を生じさせ、この進行波によって移動体を摩擦駆動する。
また、前記進行波は、圧電素子に時間的位相が９０°異なる二相の駆動信号を印加することにより発生する波が相互に干渉して合成されることで生成される。

特開平７−１２３７５２号公報

ところで、上述した超音波モータの用途によっては、例えば、デジタルカメラ等における動画撮影時のウォブリング動作のように移動体の間欠駆動（起動・停止）を継続して繰り返すことがある。

このような超音波モータの間欠駆動において、超音波モータが駆動状態から停止状態に移行する場合、上述した二相の駆動信号が瞬時に遮断されて、振動体の振動が収まると、浮遊状態にあった移動体が加圧手段の加圧力によって振動体にたたきつけられるため、超音波モータの停止時に雑音や振動が発生するといった問題があった。

また、超音波モータが停止状態から駆動状態に移行する場合、すなわち、超音波モータの起動時に上述した二相の駆動信号が印加される瞬間に、加圧手段の加圧力によって振動体に圧接していた移動体が進行波によって瞬時に浮遊するため、雑音が発生するといった問題があった。

本発明は、例えば超音波モータ等の振動アクチュエータの間欠駆動において、停止時の雑音や振動の発生並びに起動時の雑音の発生を抑えることができる振動アクチュエータの制御装置および制御方法を提供することにある。

このような目的を達成するため、本発明は、二相の駆動信号を印加することにより進行波が生じる振動体と、前記進行波により駆動する移動体とを備えた振動アクチュエータの制御装置において、前記二相の駆動信号のうちの少なくとも一方の駆動信号の周波数を制御する周波数制御部を備え、前記周波数制御部により前記二相の駆動信号の周波数を異ならせることにより前記二相の駆動信号の位相差を変化させ、前記二相の駆動信号の位相差が０°近傍又は１８０°近傍のときに、前記移動体が停止することで前記振動アクチュエータの間欠駆動を継続して行うことを特徴とする。
また、本発明は、二相の駆動信号を印加することにより進行波が生じる振動体と、前記進行波により駆動する移動体とを備えた振動アクチュエータの制御方法において、前記二相の駆動信号の周波数を異ならせることにより前記二相の駆動信号の位相差を変化させ、前記二相の駆動信号の位相差が０°近傍又は１８０°近傍のときに、前記移動体が停止することで前記振動アクチュエータの間欠駆動を継続して行うことを特徴とする。
ここで、０°近傍（又は１８０°近傍）とは、移動体が停止するのは、二相の駆動信号の位相差が０°（又は１８０°）のときのみに限られるものではなく、０°（又は１８０°）前後のある周波数幅内（例えば、±５°〜１０°程度）で移動体が停止するものも含まれることを意味する。
この周波数幅は、振動体と移動体との圧接力の大きさ、当該振動アクチュエータで駆動される負荷の大きさ、駆動信号の電圧値や電流値等によって異なる。
例えば、二相の駆動信号の位相差が３５５°から１０°のとき、又は、１７５°から１９０°のときのように、０°又は１８０°を含むある周波数幅内で移動体が停止するものも本発明の範囲内である。
なお、上述した本発明において、停止前後で移動体の回転方向が異なってもよく（正回転−逆回転、逆回転−正回転）、また、回転方向は同じ（正回転−正回転、逆回転−逆回転）であってもよい。
また、上述した本発明において、振動体と移動体の双方がリング状の回転型の振動アクチュエータのみならず、振動体と移動体の双方が直線状のリニア型の振動アクチュエータも含まれる。
さらに、上述した本発明に係る振動アクチュエータは、超音波帯域の振動を利用した超音波アクチュエータに限られず、超音波帯域以外の振動を利用したものも含まれる。

本発明によれば、例えば、超音波モータ等の振動アクチュエータの間欠駆動において、停止時の雑音や振動の発生並びに起動時の雑音の発生を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る超音波モータの制御方法において、振動体に印加する駆動信号の波形等を示す図である。 図１において一部を省略するとともに、一部を拡大して示す部分拡大図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る超音波モータの構成を一部断面して示す斜視図、（ｂ）は、振動体に接合された圧電体に設けられた二相の電極を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る超音波モータの駆動信号出力回路の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態に係る振動アクチュエータ（例えば、超音波モータ）の制御装置等について、添付図面を参照して説明する。
図３（ａ）に示すように、本実施形態の超音波モータ１００は、回転可能に支持された出力軸２と共に回転し、この出力軸２を中心に同心円状に構成された円環状の移動体（ロータ）４と、ベース６上に配置され、出力軸２を中心に同心円状に構成された円環状の振動体（ステータ）８とを備えており、移動体４は、例えばバネ１０などの加圧力によって振動体８に常時圧接された状態に維持されている。

移動体４は、円環状のロータリング４ａと、ロータリング４ａのうち振動体８に対向する面に沿って円環状に設けられた摩擦材４ｂとを備えている。ロータリング４ａは、例えばアルミ合金などで形成されている。一方、摩擦材４ｂは、移動体４と振動体８との圧接時に安定した摩擦力を得るためのもので、例えば合成樹脂等が用いられている。

振動体８は、円環状のステータリング８ａと、ステータリング８ａのうちベース６に対向する面に配置された円環状の圧電体８ｂとを備えている。ステータリング８ａには、圧電体８ｂが設けられた面とは反対側の部分に、周方向に沿って等間隔に複数のスリット（溝）８ｇが形成されており、これにより、ステータリング８ａには、上記した移動体４（具体的には、摩擦材４ｂ）に向けて突出した櫛歯８ｃが周方向に沿って複数形成されている。

ステータリング８ａは、例えば銅合金などで形成されている。一方、圧電体８ｂ（圧電セラミックスとも言う）は、これに高周波電圧を印加すると、伸び縮みするといった性質（電歪）を有する素子で形成されており、ステータリング８ａのうちベース６に対向する面に接合されている。
圧電体８ｂは、隣り合う区分が交互に厚み方向に分極されており、圧電体８ｂの一方の領域には電極８ｂ1〜８ｂ8 が区分毎に設けられており、他方の領域には電極８ｂ9〜８ｂ15 が区分毎に設けられている。

なお、バネ１０は、出力軸２に固定された押さえ部材１２と移動体４との間に挟持された状態にあり、かかる状態において、バネ１０の弾性力が移動体４に伝達され、移動体４を振動体８に向けて加圧することで、移動体４（具体的には、摩擦材４ｂ）と振動体８（具体的には、ステータリング８ａの各櫛歯８ｃ）とは、常時圧接された状態に維持されている。

また、図３（ｂ）に示すように、圧電体８ｂの一方の領域に設けられた電極８ｂ1〜８ｂ8 には、二相の電極１４Ａ，１４Ｂのうちの電極１４Ａ（図３（ｂ）の１点鎖線参照）が接合されており、また、圧電体８ｂの他方の領域の領域に設けられた電極８ｂ9〜８ｂ15 には、二相の電極１４Ａ，１４Ｂのうちの電極１４Ｂ（図３（ｂ）の点線参照）が接合されている。

このような構成において、二相の電極１４Ａ,１４Ｂに時間的な位相が異なる（位相差が１８０°の場合を除く）駆動信号（高周波電圧）Ｓ１，Ｓ２を印加すると、ステータリング８ａの各櫛歯８ｃの頂面に進行波が生成される。そして、バネ１０によって振動体８に向けて加圧されている移動体４は、この進行波によって出力軸２を中心に回転する。
駆動信号Ｓ１，Ｓ２の位相差が０°から９０°へ変化するとき、移動体４の回転速度は増加し、前記位相差が９０°から１８０°へ変化するとき、移動体４の回転速度は減少する。
また、駆動信号Ｓ１，Ｓ２の位相差が１８０°から２７０°へ変化するとき、移動体４の回転速度は増加するが、前記位相差が０°から９０°へ変化するときとは、移動体４の回転方向が反対となり、前記位相差が２７０°から３６０°へ変化するとき、移動体４の回転速度は減少するが、前記位相差が９０°から１８０°へ変化するときとは、移動体４の回転方向が反対となる。
駆動信号Ｓ１，Ｓ２の位相差が０°（又は３６０°）および１８０°のときは、ステータリング８ａの各櫛歯８ｃの頂面に進行波が生成されないため、移動体４は回転せずに停止する。
なお、移動体４の回転が停止するのは、駆動信号Ｓ１，Ｓ２の位相差が０°（又は３６０°）および１８０°のときのみに限られるものではなく、０°（又は３６０°）、１８０°を含むその前後のある周波数幅内（例えば、±５°〜１０°程度）で移動体４が停止するものも本実施形態に当然含まれる。
駆動信号Ｓ１，Ｓ２の位相差が０°（又は３６０°）、１８０°以外のときは、理論上、ステータリング８ａの各櫛歯８ｃの頂面に進行波が生成されることになるが、移動体４を回転させるために必要な進行波が生成されなければ、位相差が０°（又は３６０°）又は１８０°になる前に移動体４が停止することがあり、また、０°（又は３６０°）又は１８０°を超えても移動体４が再起動しないことがあるからである。
上述した周波数幅は、振動体８と移動体４との圧接力の大きさ、超音波モータ１００で駆動される負荷（不図示）の大きさ、駆動信号Ｓ１，Ｓ２の電圧値や電流値によって異なる。

次に、二相の電極１４Ａ，１４Ｂを介して電極８ｂ1〜８ｂ8 、電極８ｂ9〜８ｂ15 に印加する駆動信号Ｓ１，Ｓ２の駆動信号出力回路について説明する。

図４に示すように、本実施形態の駆動信号出力回路２００は、駆動トリガ発生回路１５から出力される駆動指令信号（ＯＮ指令パルス）に基づいて、駆動信号（例えば、周波数ｆ１のＳＩＮ波）Ｓ１を出力する発振回路１６を備えており、発振回路１６は、駆動トリガ発生回路１５から出力される停止指令信号（ＯＦＦ指令パルス）に基づいて、駆動信号の出力を停止するように構成されている。

発振回路１６は、第１出力回路１７に接続されており、駆動信号Ｓ１は、第１出力回路１７で増幅されて電極１４Ａに供給される。
また、発振回路１６は、位相制御回路１８および周波数制御回路１９を介して第２出力回路２０に接続されており、発振回路１６から出力される駆動信号Ｓ１は、位相制御回路１８および周波数制御回路１９によって、位相調整および周波数調整がなされた後、駆動信号Ｓ２として、第２出力回路２０で増幅されて電極１４Ｂに供給される。

位相制御回路１８は、駆動信号Ｓ１と駆動信号Ｓ２との位相差を調整するものであり、
起動時の駆動信号Ｓ１，Ｓ２の位相差を０°から９０°までの任意に設定することで、起動時の回転速度を任意に調整することができる。例えば、起動時の駆動信号Ｓ１，Ｓ２の位相差を９０°とすれば、超音波モータ１００の移動体４は最高速度で起動し、位相差を０°とすれば、超音波モータ１００の移動体４は速度０で起動する。
周波数制御回路１９は、駆動信号Ｓ１と駆動信号Ｓ２との周波数差を調整するものであり、発振回路１６が出力する周波数ｆ１の駆動信号Ｓ１を周波数ｆ２の駆動信号Ｓ２として出力する。
駆動信号Ｓ１の周波数ｆ１と駆動信号Ｓ２の周波数ｆ２との周波数差に基づき交番回転運動が行われ、周波数ｆ１と周波数ｆ２の周波数差が交番回転周波数となり、周波数制御回路１９により、周波数ｆ１と周波数ｆ２の周波数差を任意に設定することで、交番回転周波数を調整することができる。
また、駆動信号Ｓ１の周波数ｆ１と駆動信号Ｓ２の周波数ｆ２のどちらの周波数を高く設定するかによって、超音波モータ１００の移動体４の起動時の回転方向を決定することができ、駆動信号Ｓ１の周波数ｆ１が駆動信号Ｓ２の周波数ｆ２よりも高いときは、超音波モータ１００の移動体４は正転方向に起動し、駆動信号Ｓ１の周波数ｆ１が駆動信号Ｓ２の周波数ｆ２よりも低いときは、超音波モータ１００の移動体４は逆転方向に起動する。
なお、本実施形態にあっては、駆動信号Ｓ１と駆動信号Ｓ２の位相差の調整や周波数差の調整は、駆動制御部２１からの指令信号や操作スイッチ（不図示）によって行われる。

このように、本実施形態にあっては、周波数制御回路１９を設けることにより、超音波モータ１００の電極１４Ａに周波数ｆ１の駆動信号Ｓ１が印加され、電極１４Ｂには周波数ｆ２の駆動信号Ｓ２が印加されることになる。

回転検出器２２は、超音波モータ１００の移動体４や出力軸２の回転速度や回転角度、あるいは、回転方向を検出したり、超音波モータ１００によって駆動される被駆動体の回転速度や回転角度、あるいは、回転方向を検出するものであり、回転検出器２２からの検出信号は、駆動制御部２１へ入力するよう構成されている。

位置検出器２３は、超音波モータ１００によって駆動される被駆動体の位置を検出するものであり、位置検出器２３からの検出信号は、駆動制御部２１へ入力するよう構成されている。

次に、駆動信号出力回路２００を用いた超音波モータ１００の間欠駆動時の制御方法について、さらに図１及び図２を加えて説明する。
先ず、時刻ｔ０で駆動トリガ発生回路１５から駆動指令信号（ＯＮ指令パルス）が発振回路１６に出力されると、発振回路１６は、第１出力回路１７と位相制御回路１８へ周波数ｆ１の駆動信号Ｓ１の出力を開始する。

第１出力回路１７へ出力された駆動信号Ｓ１は、第１出力回路１７で増幅されて超音波モータ１００の電極１４Ａに印加される。
一方、位相制御回路１８へ出力された駆動信号Ｓ１は、位相制御回路１８での位相差が０°に設定されていれば、位相シフトが行われずそのままの位相で周波数制御回路１９へ出力され、周波数制御回路１９で周波数がｆ２の駆動信号Ｓ２となり、駆動信号Ｓ２は、第２出力回路２０で増幅されて超音波モータ１００の電極１４Ｂに印加される。

このように、本実施形態においては、超音波モータ１００の電極１４Ａに周波数ｆ１の駆動信号Ｓ１が印加され、電極１４Ｂには周波数ｆ２の駆動信号Ｓ２が印加される。
そして、駆動信号Ｓ１と駆動信号Ｓ２との周波数が異なるため、時刻ｔ０では駆動信号Ｓ１と駆動信号Ｓ２との位相差は０°であるが、その後前記位相差が増加し、時刻ｔ１で前記位相差は９０°となり、時刻ｔ２で前記位相差は１８０°となり、時刻ｔ３で前記位相差は２７０°となり、そして、時刻ｔ４で前記位相差は３６０°（＝０°）となる。

そうすると、超音波モータ１００の移動体４は、時刻ｔ０で速度０で起動し、時刻ｔ０〜ｔ２で正回転（ＣＷ）、時刻ｔ２で停止、時刻ｔ２〜ｔ４で逆回転（ＣＣＷ）、時刻ｔ４で停止し、以後、駆動トリガ発生回路１５からの停止指令信号（ＯＦＦ指令パルス）が発振回路１６に出力されて発振回路１６からの駆動信号の出力が停止するまで、正回転（ＣＷ）、停止、逆回転（ＣＣＷ）、停止、正回転（ＣＷ）、停止、逆回転（ＣＣＷ）、停止、正回転（ＣＷ）、…を繰り返すことになる。

このように、超音波モータ１００の移動体４は、間欠駆動（起動・停止）を継続して繰り返すことになるが、本実施形態においては、時刻ｔ２、ｔ４における停止時においても、駆動信号Ｓ１，Ｓ２の双方が継続して電極１４Ａ、１４Ｂに印加されており、移動体４の回転は停止するが、移動体４は、駆動信号Ｓ１，Ｓ２により浮遊状態を維持する。
このため、移動体４がバネ１０の加圧力によってステータリング８ａにたたきつけられることはなく、超音波モータ１００の停止時の雑音や振動の発生を抑えることができる。
また、移動体４は、停止時においても浮遊状態を維持するため、超音波モータ１００の間欠駆動における起動時の雑音の発生を抑えることができる。
以上のように、本実施形態に係る超音波モータの制御装置によれば、超音波モータの間欠駆動における停止時の雑音や振動の発生並びに起動時の雑音の発生を抑えることができる。

なお、上述した実施形態にあっては、時刻ｔ２の前後で移動体４の回転方向が反転するものを例示したが、例えば、時刻ｔ２において、位相制御回路１８から出力される駆動信号の位相を反転（位相を１８０°シフト）することにより、時刻ｔ２〜ｔ４においても移動体４の回転方向を正回転（ＣＷ）とすることができ、以後、駆動信号Ｓ１，Ｓ２の位相差が１８０°となる時刻で位相制御回路１８から出力される駆動信号の位相を反転（位相を１８０°シフト）することにより、正回転（ＣＷ）、停止、正回転（ＣＷ）、停止、正回転（ＣＷ）、…を繰り返すことも可能である。

また、上述した実施形態にあっては、時刻ｔ１及びｔ３の前後で移動体４の回転速度 が増速から減速へ変化するものを例示したが、例えば、時刻ｔ１およびｔ３において、その後一定の時間幅にわたって周波数変換回路１９から出力される駆動信号の周波数をｆ１として駆動信号Ｓ１，Ｓ２の位相差を９０°又は２７０°に維持することにより、当該一定の時間幅にわたって移動体４の回転速度を一定速度に維持することができ、以後、駆動信号Ｓ１，Ｓ２の位相差が９０°および２７０°となる時刻を起点に一定の時間幅にわたって周波数変換回路１９から出力される駆動信号の周波数をｆ１とすることにより、移動体４の回転速度を一定の時間幅にわたって一定速度に維持することも可能である。

上述した実施形態にあっては、駆動信号Ｓ１，Ｓ２は、いずれも全波のＳＩＮ波を用いたものを例示したが、駆動信号出力回路２００中、例えば、第１出力回目１７および第２出力回路１８の入力側に半波整流回路を設けてもよい。このように、半波の駆動信号を用いれば、全波の駆動信号を用いた場合と比較して、使用する電力量の削減による省エネ効果が図れる。

上述した実施形態にあっては、第２出力回路２０側にのみ周波数変換回路１９を設けたものを例示したが、第１出力回路１７側にも周波数変換回路を設け、電極１４Ａ、１４Ｂに印加される駆動信号に周波数差が生じるようにすることも可能である。

上述した実施形態にあっては、回転型の超音波モータ１００の制御装置および制御方法について例示したが、本発明の制御装置および制御方法は、直動型の超音波モータにも適用でき、また、超音波帯域の振動を利用した超音波アクチュエータに限られず、超音波帯域以外の振動を利用したものにも適用できる。

２ 出力軸
４ 移動体
４ａ ロータリング
４ｂ 摩擦材
６ ベース
８ 振動体
８ａ ステータリング
８ｂ 圧電体（圧電セラミックス）
１０ バネ
１４Ａ,１４Ｂ 電極
１９ 周波数変換回路
１００ 超音波モータ
２００ 駆動信号出力回路
Ｓ１ 駆動信号
Ｓ２ 駆動信号

Claims (2)

1. 二相の駆動信号を印加することにより進行波が生じる振動体と、前記進行波により駆動する移動体とを備えた振動アクチュエータの制御装置において、
   前記二相の駆動信号のうちの少なくとも一方の駆動信号の周波数を制御する周波数制御部を備え、
   前記周波数制御部により前記二相の駆動信号の周波数を異ならせることにより前記二相の駆動信号の位相差を変化させ、
   前記二相の駆動信号の位相差が０°近傍又は１８０°近傍のときに、前記移動体が停止することで前記振動アクチュエータの間欠駆動を継続して行うことを特徴とする振動アクチュエータの制御装置。
2. 二相の駆動信号を印加することにより進行波が生じる振動体と、前記進行波により駆動する移動体とを備えた振動アクチュエータの制御方法において、
   前記二相の駆動信号の周波数を異ならせることにより前記二相の駆動信号の位相差を変化させ、
   前記二相の駆動信号の位相差が０°近傍又は１８０°近傍のときに、前記移動体が停止することで前記振動アクチュエータの間欠駆動を継続して行うことを特徴とする振動アクチュエータの制御方法。

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