定在波型超音波アクチュエータの駆動方法およびその駆動装置
【課題】起動時には、被駆動体の落下を防止するとともに被駆動体の不安定な動作を解消することができ、駆動停止時には、被駆動体が停止するまでの時間を短縮することができる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法およびその駆動装置を提供することを目的とする。
【解決手段】定在波型超音波アクチュエータ１０の駆動方法は、超音波振動子４に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、超音波振動子４の摩擦接触子１８に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、超音波振動子４と超音波振動子４に接触する被駆動体２とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータ１０の駆動方法であって、起動時に、前記縦振動を励起した後に、前記屈曲振動を励起させる。
【解決手段】定在波型超音波アクチュエータ１０の駆動方法は、超音波振動子４に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、超音波振動子４の摩擦接触子１８に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、超音波振動子４と超音波振動子４に接触する被駆動体２とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータ１０の駆動方法であって、起動時に、前記縦振動を励起した後に、前記屈曲振動を励起させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定在波型超音波アクチュエータの駆動方法およびその駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を有している。
（１）ギヤなしで高トルクが得られる。
（２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
（３）高分解能である。
（４）静粛性に富んでいる。
（５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
【０００３】
超音波モータは、波動原理から進行波型の超音波モータや定在波型の超音波モータ等に区分される。従来の超音波モータとして、例えば、特許文献１には進行波型の超音波モータが開示されている。特許文献１では、超音波モータの起動時には定在波から進行波の状態へ、超音波モータの停止時には進行波から定在波の状態へ徐々に駆動交番電圧の位相差を変化させることにより、起動時および停止時の音の発生を抑制することとしている。
【特許文献１】特開２００２−１９９７４９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、上記特開２００２−１９９７４９号公報に開示されている進行波型の超音波モータでは、起動時および停止時に駆動トルクを小さくしているため、結果的に振動子と被駆動体との間の摩擦力を低下させることとなる。このような起動方法および停止方法を定在波型の超音波モータに適用した場合、起動時には、振動子と被駆動体との間の静止摩擦力が低下することにより、重力の影響で被駆動体が落下するという問題があった。また、駆動停止時には、慣性力が大きい場合に被駆動体が停止するまでに時間がかかるといった問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、起動時には、被駆動体の落下を防止するとともに被駆動体の不安定な動作を解消することができ、駆動停止時には、被駆動体が停止するまでの時間を短縮することができる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法およびそ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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法であって、起動時に、前記縦振動を励起した後に、前記屈曲振動を励起させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法を提供する。
【０００７】
本発明によれば、定在波型超音波アクチュエータの起動時において、まず、超音波振動子に縦振動のみが励起される。超音波振動子と被駆動体との間には静止摩擦力が働いているので、被駆動体は静止状態に保持される。続いて、屈曲振動が励起されると、超音波振動子の出力端に縦振動と屈曲振動とが合成した楕円振動が発生し、この楕円振動により、超音波振動子が浮上状態となる。この結果、超音波振動子と被駆動体との間の静止摩擦力が低下するので、縦振動の推進力により、被駆動体が移動し始める。
【０００８】
このように構成された定在波型超音波アクチュエータの駆動方法によれば、縦振動のみが励起された状態では、静止摩擦力の働きによって被駆動体の移動が抑制されるので、被駆動体が重力の影響によって落下するのを防ぐことができる。また、被駆動体を静止状態に保持しつつ、縦振動による推力が十分な状態で屈曲振動を励起することにより、楕円振動が成長するまでの、例えば、逆走等の被駆動体の不安定な動作を解消することができる。
【０００９】
また、本発明は、超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法であって、駆動停止時に、前記屈曲振動を停止した後に、前記縦振動を停止する定在波型超音波アクチュエータの駆動方法を提供する。
【００１０】
本発明によれば、定在波型超音波アクチュエータの駆動停止時において、まず、屈曲振動が停止される。これにより、超音波振動子の出力端に発生している楕円振動が急激につぶされ、超音波振動子の浮上状態が抑制される。したがって、超音波振動子と被駆動体との間の摩擦力が大きくなるので、被駆動体の移動を抑制することができる。また、超音波振動子に励起される縦振動による移動方向の伸縮運動によって、被駆動体に働く慣性力を低減させることができる。
【００１１】
このように構成された定在波型超音波アクチュエータの駆動方法によれば、被駆動体に摩擦力を効かせ、被駆動体の慣性力を低減させた状態で、縦振動を停止するので、被駆動体の停止時間（超音波振動子に対する駆動信号の印加を停止してから被駆動体が停止するまでの時間）を短縮することができる。
【００１２】
また、本発明は、超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置であって、起動時に、前記縦振動を励起した後に、前記屈曲振動を励起させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置を提供する。
【００１３】
本発明によれば、定在波型超音波アクチュエータの起動時において、まず、超音波振動子に縦振動のみが励起される。超音波振動子と被駆動体との間には静止摩擦力が働いているので、被駆動体は静止状態に保持される。続いて、屈曲振動が励起されると、超音波振動子の出力端に縦振動と屈曲振動とが合成した楕円振動が発生し、この楕円振動により、超音波振動子が浮上状態となる。この結果、超音波振動子と被駆動体との間の静止摩擦力が低下するので、縦振動の推進力により、被駆動体が移動し始める。
【００１４】
このように構成された定在波型超音波アクチュエータの駆動装置によれば、縦振動のみが励起された状態では、静止摩擦力の働きによって被駆動体の移動が抑制されるので、被駆動体が重力の影響によって落下するのを防ぐことができる。また、被駆動体を静止状態に保持しつつ、縦振動による推力が十分な状態で屈曲振動を励起することにより、楕円振動が成長するまでの、例えば、逆走等の被駆動体の不安定な動作を解消することができる。
【００１５】
また、本発明は、超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置であって、駆動停止時に、前記屈曲振動を停止した後に、前記縦振動を停止する定在波型超音波アクチュエータの駆動装置を提供する。
【００１６】
本発明によれば、定在波型超音波アクチュエータの駆動停止時において、まず、屈曲振動が停止される。これにより、超音波振動子の出力端に発生している楕円振動が急激につぶされ、超音波振動子の浮上状態が抑制される。したがって、超音波振動子と被駆動体との間の摩擦力が大きくなるので、被駆動体の移動を抑制することができる。また、超音波振動子に励起される縦振動による移動方向の伸縮運動によって、被駆動体に働く慣性力を低減させることができる。
【００１７】
このように構成された定在波型超音波アクチュエータの駆動装置によれば、被駆動体に摩擦力を効かせ、被駆動体の慣性力を低減させた状態で、縦振動を停止するので、被駆動体の停止時間を短縮することができる。
【００１８】
また、本発明は、定在波型超音波アクチュエータと、上記定在波型超音波アクチュエータの駆動装置とを備える定在波型超音波アクチュエータシステムを提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、定在波型超音波アクチュエータの起動時には、被駆動体の落下を防止するとともに被駆動体の動作を安定させて起動することができ、定在波型超音波アクチュエータの駆動停止時には、被駆動体の停止時間を短縮することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係る定在波型超音波アクチュエータ（以下、単に「超音波アクチュエータ」という。）の駆動方法およびその駆動装置について、図を参照して以下に説明する。
本実施形体に係る超音波アクチュエータ１０は、図１に示されるように、被駆動体２と、該被駆動体２に接触配置される超音波振動子４とを備えている。超音波振動子４は、図示しない押圧手段により、被駆動体２に所定の押圧力で押し付けられている。また、本実施形態に係る超音波アクチュエータシステム６は、上記超音波アクチュエータ１０と、該超音波アクチュエータ１０を駆動する駆動装置８とを備えている。
【００２１】
超音波振動子４は、例えば、図２および図３に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート１２の片側面にシート状の内部電極１４（図４および図５参照）を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体１６と、該圧電積層体１６の幅方向の一側面に形成される２つの出力端に接着された２つの摩擦接触子１８と、振動子保持部材２０とを備えている。
【００２２】
圧電積層体１６は、図２に示されるように、例えば、長さ２０ｍｍ、幅５．０ｍｍ、厚さ３．２ｍｍの外形寸法とされている。圧電積層体１６を構成する圧電セラミックスシート１２は、例えば、厚さ約８０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス素子（以下、ＰＺＴという。）である。ＰＺＴとしては、Ｑｍ値の大きなハード系材料を使用することが好ましい。Ｑｍ値は約１８００である。
【００２３】
また、内部電極１４は、図４および図５に示されるように、例えば、厚さ約４μｍの銀パラジウム合金からなっている。積層方向の一端に配置される圧電セラミックスシート１２ａ（図２および図３参照）は内部電極１４を備えていない。それ以外の圧電セラミックスシート１２は、図４および図５に示されるような２種類の内部電極１４を備えている。
【００２４】
図４に示される圧電セラミックスシート１２は、駆動用の内部電極１４（Ａ＋），１４（Ｂ＋）と、振動検出用の内部電極１４（Ｃ＋）とを備えている。
内部電極１４（Ｃ＋）は、圧電セラミックスシート１２の幅方向の中央部において、圧電セラミックスシート１２の長さ方向に沿って帯状に設けられている。具体的には、内部電極１４（Ｃ＋）は、図８に示すように、圧電セラミックスシート１２を長手方向に２等分および幅方向に２等分して第１の領域乃至第４の領域からなる４つの領域に区分した場合に、第１から第４の各領域における占有面積が略等しくなるように配置されている。
【００２５】
なお、内部電極１４（Ｃ＋）は、上記配置例に代えて、４つの領域のうち、所定の２つの隣接する領域における占有面積が略等しく、また、その他の２つの隣接する領域における占有面積が略等しくなるように配置されてもよい。例えば、第１の領域と第２の領域とが同一占有面積とされ、第３の領域と第４の領域とが同一占有面積とされるように配置されることとしてもよい。この場合、第１の領域と第３の領域とは、占有面積が異なってもよい。また、４つの領域にわたって内部電極１４（Ｃ＋）を配置するのではなく、隣接する２つの領域にわたって内部電極１４（Ｃ＋）を配置することとしてもよい。例えば、内部電極１４（Ｃ＋）を、第３の領域と第４の領域にわたって互いの領域における占有面積が略等しくなるように配置することとしてもよい。
【００２６】
また、図４に示されるように、駆動用の内部電極１４（Ａ＋），１４（Ｂ＋）は、圧電セラミックスシート１２の長手方向に沿って一列に配置されている。本実施形態では、内部電極１４（Ａ＋）が図８における第４の領域に、内部電極１４（Ｂ＋）が第３の領域に配置されている。
【００２７】
同様に、図５に示される圧電セラミックスシート１２は、駆動用の内部電極１４（Ａ−），１４（Ｂ−）と、振動検出用の内部電極１４（Ｃ−）とを備えている。
内部電極１４（Ｃ−）は、図４に示した圧電セラミックスシート１２における内部電極１４（Ｃ＋）に対応する位置に配置されている。同様に、内部電極１４（Ａ−），１４（Ｂ−）についても、図４に示した内部電極１４（Ａ＋），１４（Ｂ＋）にそれぞれ対応する位置に配置されている。
【００２８】
上記各内部電極１４は、圧電セラミックスシート１２の幅方向に、約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて配置されているとともに、圧電セラミックスシート１２の長さ方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて設けられている。なお、各内部電極１４は、その一部が圧電セラミックスシート１２の周縁まで延び、後述する各外部電極２２（図２および図３参照）に接続されるようになっている。
【００２９】
圧電セラミックスシート１２の中央に帯状に設けられた内部電極１４（Ｃ＋），１４（C−）は共に略同一の大きさを有し、また、内部電極１４（Ａ＋），１４（Ｂ＋），１４（Ａ−），１４（Ｂ−）は、それぞれ略同一の大きさを有している。
図４に示される圧電セラミックスシート１２と、図５に示される圧電セラミックスシート１２とは、交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体１６を構成している。
【００３０】
このようにして構成された圧電積層体１６の長さ方向の端面には、各圧電セラミックスシート１２に配置された同種の内部電極１４（Ａ＋）乃至１４（Ｃ−）をそれぞれ接続するための外部電極２２がそれぞれ設けられている。
具体的には、図２および図３に示されるように、圧電積層体１６の長さ方向の一端には、圧電積層体１６の他側面の側（図において上側）からＣ相の外部電極２２（Ｃ＋），Ｂ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）が設けられ、これに対向する面には、Ｃ相の外部電極２２（Ｃ−），Ａ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）が設けられている。
【００３１】
Ａ相およびＢ相の外部電極２２は駆動用の外部電極であり、Ｃ相の外部電極２２は振動検出用の外部電極である。各外部電極２２にはそれぞれ配線（図１１参照）が接続されている。この配線は、リード線、フレキシブル基板等、可撓性を有する配線であれば任意のものでよい。
具体的には、Ａ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）にそれぞれ接続される１対の配線、並びに、Ｂ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）にそれぞれ接続される１対の配線は、それぞれＡ相，Ｂ相の駆動用信号線として、図１１に示す駆動装置８のドライブＩＣ２８に接続される。
【００３２】
また、図１１に示されるように、超音波振動子４のＣ相の外部電極２２（Ｃ＋）に接続される１対の配線Ｌ１、および，超音波振動子４のＣ相の外部電極２２（Ｃ−）に接続される一対の配線Ｌ２は、駆動装置８の振動検出回路３０に接続される。
【００３３】
次に、このようにして構成された圧電積層体１６の動作について説明する。
Ａ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）およびＢ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）に同位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加すると、図６に示されるような１次の縦振動が励起されるようになっている。また、このとき、前述した圧電セラミックスシート１２に生ずる電荷は、例えば、図８に示すように、圧電セラミックシート１２を４つの領域に区分した場合、図９に示すように、第１の領域から第４の領域において正電荷もしくは負電荷が同時に励起された状態となる。
【００３４】
また、Ａ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）およびＢ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）に逆位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加すると、図７に示されるような２次の屈曲振動が励起されるようになっている。このとき、前述した各領域では、図１０に示すような電荷状態となる。すなわち、屈曲振動が励起されている場合には、図８に示す第１の領域から第４の領域のうち、対角線上に位置する領域、つまり、第１の領域と第４の領域、第２の領域と第３の領域では同符号の電荷が同時に励起され、隣り合う領域、つまり、第１の領域と第２の領域、第２の領域と第４の領域、第４の領域と第３の領域、第３の領域と第１の領域では異符号の電荷が同時に励起されていることになる。
なお、対をなす内部電極１４（Ｃ＋），１４（Ｃ−）には、互いに異符号の電荷がそれぞれ励起されることとなる。
【００３５】
以上のことから、隣接する領域に対して均等に分布して配置されているＣ相の内部電極１４（Ｃ＋），１４（Ｃ−）においては、それぞれ屈曲振動による電荷は相殺され、縦振動にのみ比例した電荷が励起された状態となる。従って、Ｃ相の外部電極２２（Ｃ＋）の一対の配線Ｌ１およびＣ相の外部電極２２（Ｃ−）の一対の配線Ｌ２により検出される電気信号は、縦振動に比例した電気信号となる。なお、どちらの符号の電荷が励起されるかは振動の位相状態によって決まる。
【００３６】
図２に戻り、摩擦接触子１８は、前記圧電積層体１６の２次の屈曲振動の腹となる２カ所の位置に接着されている。これにより、圧電積層体１６に１次の縦振動が発生したときには、摩擦振動子１８が、圧電積層体１６の長さ方向（図２および図６に示されるＸ方向）に変位させられるようになっている。一方、圧電積層体１６に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１８が、圧電積層体１６の幅方向（図２および図７に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。
【００３７】
したがって、超音波振動子４のＡ相の外部電極２２とＢ相の外部電極２２とに、位相がずれた共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加することにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが同時に発生して、図２に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子１８の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動が発生するようになっている。
なお、摩擦接触子１８は、例えば、ＰＰＳ樹脂中にチタン酸カリウムの繊維、カーボンの繊維、ＰＴＦＥ（４フッ化エチレン）等が混入された素材からなる。
【００３８】
前記振動子保持部材２０は、断面略コ字状に形成された保持部２０ａと、該保持部２０ａの両側面から垂直に突出するとともに、該保持部２０ａに対して一体的に取り付けられたピン２４とを有している。保持部２０ａは、圧電積層体１６の幅方向の一側から圧電積層体１６を囲むようにして、例えば、シリコン樹脂またはエポキシ樹脂により圧電積層体１６に接着されている。保持部２０ａが圧電積層体１６に接着された状態で、保持部２０ａの両側面に一体的に設けられた２つのピン２４は、圧電積層体１６の縦振動と屈曲振動の共通の節となる位置に同軸に配置されるようになっている。
【００３９】
次に、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１０の駆動装置８について図１１〜図１６を参照して説明する。
図１１に示すように、駆動装置８は、２相の駆動制御信号を発生する駆動パルス発生回路２６と、該駆動パルス発生回路２６から出力される駆動制御信号に基づいて駆動交番電圧を生成するドライブＩＣ２８と、超音波振動子４の振動を検出する振動検出回路３０と、該振動検出回路３０から出力される振動検出信号と前記駆動パルス発生回路２６から発生される駆動制御信号との位相差を求める位相比較回路３２と、この位相差に応じて超音波振動子４に印加する駆動交番電圧を制御する周波数制御回路３４と、周波数設定回路３６と、方向指示回路３８とを備えている。
【００４０】
駆動パルス発生回路２６は、図１２に示すように、所定の駆動周波数、および、同位相または所定の位相差θの２相（Ａ相，Ｂ相）の駆動制御信号を生成し、ドライブＩＣ２８に出力する。所定の位相差θは、例えば、約９０°とされている。
【００４１】
ドライブＩＣ２８は、駆動パルス発生回路２６から出力される２相の駆動制御信号に基づいて、同位相または所定の位相差θ、および、所定の駆動周波数の２相（Ａ相，Ｂ相）の駆動交番電圧を生成し、各駆動交番電圧を上述した超音波振動子４のＡ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）、並びにＢ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）に印加する。
【００４２】
振動検出回路３０は、Ｃ相の外部電極２２（Ｃ＋），２２（Ｃ−）と配線Ｌ１，Ｌ２を介して接続されており、Ｃ相の外部電極２２（Ｃ＋），２２（Ｃ−）からのアナログ電気信号（以下、「Ｃ相電気信号」という。）に基づいて、超音波振動子４に生じている縦振動に対応する振動検出信号を生成する。具体的には、配線Ｌ１，Ｌ２を介して入力されたＣ相電気信号に対して、レベル調整、ノイズ除去、２値化等の各種信号処理を施してデジタル信号に変換し、処理後のデジタル信号を振動検出信号として出力する。
【００４３】
位相比較回路３２には、振動検出回路３０から出力された振動検出信号とドライブＩＣ２８に入力されるＡ相の駆動制御信号とが入力されるようになっている。位相比較回路３２は、図１３に示すように、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φを求め、更に、この位相差φと予め記憶している基準位相差φｒｅｆとの差分Δφ（＝φ−φｒｅｆ）を求め、この差分Δφに応じた信号を出力する。
【００４４】
本実施形態では、例えば、基準位相差φｒｅｆを３π／４に設定し、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが常に基準位相差３π／４となるように駆動周波数が制御される。これは、位相差φが３π／４のときに、駆動周波数を取ることとなり、超音波アクチュエータ１０を最も効率の良い領域で駆動することができるからである。
なお、基準位相差φｒｅｆの値については、特に限定されることなく、超音波アクチュエータ１０の駆動効率、換言すると、所望のアクチュエータの速度に応じて設計事項により任意に決定できる。
【００４５】
図１１に戻り、周波数制御回路３４は、位相比較回路３２からの差分Δφが入力されるようになっている。周波数制御回路３４は、差分Δφに基づいて、差分Δφをゼロにするための周波数の変化量Δｆを求め、この周波数の変化量Δｆを周波数設定回路３６へ出力する。具体的には、差分Δφがプラスの値を示していた場合には、周波数を所定数増加させるための変化量＋Δｆを出力し、差分Δφがマイナスの値を示していた場合には、周波数を所定量減少させるための変化量−Δｆを出力する。このように、本実施形態では、差分Δφに基づく逐次制御を実施する。
【００４６】
周波数設定回路３６は、周波数制御回路３４からの周波数の変化量Δｆが入力されるようになっている。周波数設定回路３６は、例えば、発振器、分周回路等を備えて構成されている。周波数設定回路３６は、周波数を周波数制御回路３４からの変化量Δｆに応じて増減させたクロック信号を生成し、これを上述の駆動パルス発生回路２６に出力する。
【００４７】
なお、駆動パルス発生回路２６には、方向指示回路３８から方向指示信号が入力されるようになっている。駆動パルス発生回路２６は、方向指示信号に応じてドライブＩＣ２８に出力する２相の駆動制御信号の位相差θを変更する。これにより、超音波振動子４の摩擦接触子１８に発生する略楕円振動の向きを正転、または負転に切り替えることができ、この結果、図１の被駆動体２の回転方向をＣＷ方向、ＣＣＷ方向に移動させることができる。
【００４８】
次に、上記超音波アクチュエータ１０の駆動方法について説明する。
まず、超音波アクチュエータ１０の起動時には、駆動装置８は、図１４に示すように、超音波振動子４に縦振動を励起させた後、屈曲振動を励起させる。
図１４において、横軸は時間を示し、縦軸は被駆動体２の移動速度を示している。本実施形態では、ｔ０からｔ１までの間で縦振動を励起させ、ｔ１以降は縦振動と屈曲振動を励起させる。
【００４９】
具体的には、超音波アクチュエータ１０の起動時には、駆動パルス発生回路２６から所定の駆動周波数、および、同位相の２相の駆動制御信号がドライブＩＣ２８に入力される。これにより、同位相、および、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧が、超音波振動子４のＡ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）、およびＢ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）にそれぞれ印加される。
【００５０】
この結果、超音波振動子４には、縦振動が励起され、図１５（ａ）に示すような縦振動が摩擦接触子１８に発生する。この状態では、被駆動体２と超音波振動子４との間には、図示しない押圧手段の押圧力による静止摩擦力が働いているので、図１４に示すように、被駆動体４は、移動が制限されて静止状態に保持される。
【００５１】
続いて、縦振動による推力が十分となった状態になると、位相差θが９０°のＡ相とＢ相の駆動制御信号（図１２参照）が駆動パルス発生装置２６から発生される。位相差θが９０°のＡ相とＢ相の駆動制御信号が超音波振動子４に印加されると、超音波振動子４は、縦振動と屈曲振動とが励起された状態となる。これにより、屈曲振動の成長に合わせて、図１５（ｂ）に示すような縦振動と屈曲振動による楕円振動が摩擦接触子１８の先端に発生する。これに伴い、超音波振動子４が浮上状態となって、被駆動体２と超音波振動子４との間の静止摩擦力が低下するので、縦振動の推進力により、図１４に示すように、被駆動体２が移動し始める。
【００５２】
上述のように、超音波アクチュエータ１０の起動時においては、縦振動のみが励起されることにより、静止摩擦力が働いて被駆動体２の移動が抑制されるので、被駆動体２が重力の影響によって落下するのを防ぐことができる。また、被駆動体２を静止状態に保持しつつ、縦振動による推力が十分な状態で屈曲振動が励起されることにより、楕円振動が成長するまでの、例えば、逆走等の被駆動体２の不安定な動作を解消することができる。
【００５３】
続いて、Ａ相とＢ相の駆動制御信号の位相差θが９０°に切り替えられると、Ａ相とＢ相との駆動制御信号の周波数を共振周波数で一定とするために、振動検出回路３０等によるフィードバック制御が開始される。
具体的には、超音波振動子４に生じている縦振動と屈曲振動のうち、縦振動に応じた電気信号が配線Ｌ１，Ｌ２を介して振動検出回路３０に入力され、振動検出回路３０において、デジタル信号に変換されて、振動検出信号として位相比較回路３２に入力される。
【００５４】
位相比較回路３２に入力された振動検出信号は、Ａ相の駆動制御信号と比較されることによって位相差φが求められ、更に、この位相差φと基準位相差φｒｅｆとの差分Δφが求められることにより、差分Δφに応じた信号が周波数制御回路３４に出力される。
周波数制御回路３４においては、差分Δφの符号（プラス、または、マイナス）に基づいて周波数の変化量Δｆの符号（プラス、または、マイナス）が決められ、この変化量Δｆが周波数設定回路３６に出力される。
【００５５】
周波数設定回路３６は、変化量Δｆに応じて周波数を変化させたクロック信号を生成し、これを駆動パルス発生回路２６に出力する。
これにより、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが基準位相差φｒｅｆとなるようなフィードバック制御が行われることとなり、超音波振動子４の内部電極１４（Ｃ＋），１４（Ｃ−）から検出される縦振動の電気信号に追従した所望の駆動周波数で，超音波アクチュエータ１０を駆動させることが可能となる。
【００５６】
次に、超音波アクチュエータ１０の駆動停止時において、駆動装置８は、図１６に示すように、超音波振動子４に縦振動のみを所定の期間励起させ、その後、超音波振動子４の駆動を停止する。
図１６において、横軸は時間を示し、縦軸は被駆動体２の移動速度を示している。本実施形態では、ｔ１´において屈曲振動を停止して縦振動のみを励起し、ｔ２´において駆動信号を停止させる。
【００５７】
具体的には、超音波アクチュエータ１０の駆動停止時においては、駆動パルス発生回路２６から所定の駆動周波数、および、同位相の２相の駆動制御信号がドライブＩＣ２８に入力される。これにより、同位相、および、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧が、超音波振動子４のＡ相の外部電極２２（Ａ＋）、２２（Ａ−）、および、Ｂ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）にそれぞれ印加される。これにより、超音波振動子４に生じていた屈曲振動は減退し、縦振動のみが励起された状態となる。この結果、摩擦接触子１８に発生している楕円振動は、図１４（ｂ）から図１４（ａ）に示すように小さくなり、超音波振動子４の浮上状態が抑制される。
【００５８】
これにより、被駆動体２と超音波振動子４との間の摩擦力は大きくなり、被駆動体２の移動が抑制される。また、超音波振動子４に励起される縦振動による移動方向の伸縮運動によって、被駆動体２に働く慣性力が低減される。そして、この状態で、Ａ相およびＢ相の駆動制御信号を停止することにより、被駆動体２の移動が停止される。
【００５９】
この結果、被駆動体２に摩擦力を効かせ、被駆動体２の慣性力を低減させた状態で、被駆動体２の移動を停止させるので（図１６において実線Ａ参照）、縦振動と屈曲振動とが合成した楕円振動を発生させたまま駆動信号を停止する場合（図１６において一点鎖線Ｂ参照）よりも、停止時間を短縮することができる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１０によれば、起動時には、被駆動体２の落下を防止するとともに被駆動体２の不安定な動作を解消することができ、駆動停止時には、被駆動体２が停止するまでの時間を短縮することができる。
【００６１】
なお、本実施形態においては、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号とを比較することとしたが、Ａ相の駆動制御信号に代えてＢ相の駆動制御信号を用いることとしてもよい。この場合には、基準位相差φｒｅｆをＡ相の駆動制御信号とＢ相の駆動制御信号との位相差θに応じて変更する必要がある。また、２相の駆動制御信号に代えて、ドライブＩＣ２８から超音波振動子４へ印加される２相の駆動交番電圧のいずれか一方を用いることとしてもよい。
【００６２】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本実施形態では、Ａ相およびＢ相の電極に位相差の異なる駆動制御信号を印加することにより、超音波振動子４に縦振動と屈曲振動とを励起させたが、これに代えて、超音波振動子が、縦振動を誘起する専用の電極と屈曲振動を誘起する専用の電極とを備えることとし、超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを励起させることとしてもよい。このようにすることで、縦振動の振動速度と屈曲振動の振動速度とをそれぞれ変えることができる。この結果、縦振動と屈曲振動との合成により被駆動体が移動される超音波アクチュエータにおいては、被駆動体の移動速度は縦振動の振動速度で一義的に決まるため、屈曲振動の振動速度を変えることで、被駆動体の移動速度を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１の超音波アクチュエータを構成する超音波振動子を示す概略図である。
【図３】図２の超音波振動子を別の角度から見た概略図である。
【図４】図２の超音波振動子を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図５】図２の超音波振動子を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図６】図２の圧電積層体が１次の縦振動で振動する様子をコンピュータ解析により示した図である。
【図７】図２の圧電積層体が２次の屈曲振動で振動する様子をコンピュータ解析により示した図である。
【図８】圧電セラミックスシートに設けられた内部電極に発生する電荷状態を説明するための図であって、圧電セラミックスシートを４つの領域に区分した図である。
【図９】縦振動が励起されているときに、図８に示した各領域に励起される電荷状態を示した図である。
【図１０】屈曲振動が励起されているときに、図８に示した各領域に励起される電荷状態を示した図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータの駆動装置の概略構成を示したブロック図である。
【図１２】駆動パルス発生回路により生成される２相の駆動制御信号を示した図である。
【図１３】Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号を示した図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータの起動時の振動の励起時間と被駆動体の移動速度との関係を示した図である。
【図１５】図１５（ａ）は摩擦接触子の縦振動を示し、図１５（ｂ）は摩擦接触子の縦振動と屈曲振動との合成による楕円振動を示す図である。
【図１６】本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータの駆動停止時の振動の励起時間と被駆動体の移動速度との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００６４】
２ 被駆動体
４ 超音波振動子
１０ 超音波アクチュエータ（定在波型超音波アクチュエータ）
１８ 摩擦接触子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定在波型超音波アクチュエータの駆動方法およびその駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を有している。
（１）ギヤなしで高トルクが得られる。
（２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
（３）高分解能である。
（４）静粛性に富んでいる。
（５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
【０００３】
超音波モータは、波動原理から進行波型の超音波モータや定在波型の超音波モータ等に区分される。従来の超音波モータとして、例えば、特許文献１には進行波型の超音波モータが開示されている。特許文献１では、超音波モータの起動時には定在波から進行波の状態へ、超音波モータの停止時には進行波から定在波の状態へ徐々に駆動交番電圧の位相差を変化させることにより、起動時および停止時の音の発生を抑制することとしている。
【特許文献１】特開２００２−１９９７４９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、上記特開２００２−１９９７４９号公報に開示されている進行波型の超音波モータでは、起動時および停止時に駆動トルクを小さくしているため、結果的に振動子と被駆動体との間の摩擦力を低下させることとなる。このような起動方法および停止方法を定在波型の超音波モータに適用した場合、起動時には、振動子と被駆動体との間の静止摩擦力が低下することにより、重力の影響で被駆動体が落下するという問題があった。また、駆動停止時には、慣性力が大きい場合に被駆動体が停止するまでに時間がかかるといった問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、起動時には、被駆動体の落下を防止するとともに被駆動体の不安定な動作を解消することができ、駆動停止時には、被駆動体が停止するまでの時間を短縮することができる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法およびそ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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法であって、起動時に、前記縦振動を励起した後に、前記屈曲振動を励起させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法を提供する。
【０００７】
本発明によれば、定在波型超音波アクチュエータの起動時において、まず、超音波振動子に縦振動のみが励起される。超音波振動子と被駆動体との間には静止摩擦力が働いているので、被駆動体は静止状態に保持される。続いて、屈曲振動が励起されると、超音波振動子の出力端に縦振動と屈曲振動とが合成した楕円振動が発生し、この楕円振動により、超音波振動子が浮上状態となる。この結果、超音波振動子と被駆動体との間の静止摩擦力が低下するので、縦振動の推進力により、被駆動体が移動し始める。
【０００８】
このように構成された定在波型超音波アクチュエータの駆動方法によれば、縦振動のみが励起された状態では、静止摩擦力の働きによって被駆動体の移動が抑制されるので、被駆動体が重力の影響によって落下するのを防ぐことができる。また、被駆動体を静止状態に保持しつつ、縦振動による推力が十分な状態で屈曲振動を励起することにより、楕円振動が成長するまでの、例えば、逆走等の被駆動体の不安定な動作を解消することができる。
【０００９】
また、本発明は、超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法であって、駆動停止時に、前記屈曲振動を停止した後に、前記縦振動を停止する定在波型超音波アクチュエータの駆動方法を提供する。
【００１０】
本発明によれば、定在波型超音波アクチュエータの駆動停止時において、まず、屈曲振動が停止される。これにより、超音波振動子の出力端に発生している楕円振動が急激につぶされ、超音波振動子の浮上状態が抑制される。したがって、超音波振動子と被駆動体との間の摩擦力が大きくなるので、被駆動体の移動を抑制することができる。また、超音波振動子に励起される縦振動による移動方向の伸縮運動によって、被駆動体に働く慣性力を低減させることができる。
【００１１】
このように構成された定在波型超音波アクチュエータの駆動方法によれば、被駆動体に摩擦力を効かせ、被駆動体の慣性力を低減させた状態で、縦振動を停止するので、被駆動体の停止時間（超音波振動子に対する駆動信号の印加を停止してから被駆動体が停止するまでの時間）を短縮することができる。
【００１２】
また、本発明は、超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置であって、起動時に、前記縦振動を励起した後に、前記屈曲振動を励起させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置を提供する。
【００１３】
本発明によれば、定在波型超音波アクチュエータの起動時において、まず、超音波振動子に縦振動のみが励起される。超音波振動子と被駆動体との間には静止摩擦力が働いているので、被駆動体は静止状態に保持される。続いて、屈曲振動が励起されると、超音波振動子の出力端に縦振動と屈曲振動とが合成した楕円振動が発生し、この楕円振動により、超音波振動子が浮上状態となる。この結果、超音波振動子と被駆動体との間の静止摩擦力が低下するので、縦振動の推進力により、被駆動体が移動し始める。
【００１４】
このように構成された定在波型超音波アクチュエータの駆動装置によれば、縦振動のみが励起された状態では、静止摩擦力の働きによって被駆動体の移動が抑制されるので、被駆動体が重力の影響によって落下するのを防ぐことができる。また、被駆動体を静止状態に保持しつつ、縦振動による推力が十分な状態で屈曲振動を励起することにより、楕円振動が成長するまでの、例えば、逆走等の被駆動体の不安定な動作を解消することができる。
【００１５】
また、本発明は、超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置であって、駆動停止時に、前記屈曲振動を停止した後に、前記縦振動を停止する定在波型超音波アクチュエータの駆動装置を提供する。
【００１６】
本発明によれば、定在波型超音波アクチュエータの駆動停止時において、まず、屈曲振動が停止される。これにより、超音波振動子の出力端に発生している楕円振動が急激につぶされ、超音波振動子の浮上状態が抑制される。したがって、超音波振動子と被駆動体との間の摩擦力が大きくなるので、被駆動体の移動を抑制することができる。また、超音波振動子に励起される縦振動による移動方向の伸縮運動によって、被駆動体に働く慣性力を低減させることができる。
【００１７】
このように構成された定在波型超音波アクチュエータの駆動装置によれば、被駆動体に摩擦力を効かせ、被駆動体の慣性力を低減させた状態で、縦振動を停止するので、被駆動体の停止時間を短縮することができる。
【００１８】
また、本発明は、定在波型超音波アクチュエータと、上記定在波型超音波アクチュエータの駆動装置とを備える定在波型超音波アクチュエータシステムを提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、定在波型超音波アクチュエータの起動時には、被駆動体の落下を防止するとともに被駆動体の動作を安定させて起動することができ、定在波型超音波アクチュエータの駆動停止時には、被駆動体の停止時間を短縮することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態に係る定在波型超音波アクチュエータ（以下、単に「超音波アクチュエータ」という。）の駆動方法およびその駆動装置について、図を参照して以下に説明する。
本実施形体に係る超音波アクチュエータ１０は、図１に示されるように、被駆動体２と、該被駆動体２に接触配置される超音波振動子４とを備えている。超音波振動子４は、図示しない押圧手段により、被駆動体２に所定の押圧力で押し付けられている。また、本実施形態に係る超音波アクチュエータシステム６は、上記超音波アクチュエータ１０と、該超音波アクチュエータ１０を駆動する駆動装置８とを備えている。
【００２１】
超音波振動子４は、例えば、図２および図３に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート１２の片側面にシート状の内部電極１４（図４および図５参照）を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体１６と、該圧電積層体１６の幅方向の一側面に形成される２つの出力端に接着された２つの摩擦接触子１８と、振動子保持部材２０とを備えている。
【００２２】
圧電積層体１６は、図２に示されるように、例えば、長さ２０ｍｍ、幅５．０ｍｍ、厚さ３．２ｍｍの外形寸法とされている。圧電積層体１６を構成する圧電セラミックスシート１２は、例えば、厚さ約８０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス素子（以下、ＰＺＴという。）である。ＰＺＴとしては、Ｑｍ値の大きなハード系材料を使用することが好ましい。Ｑｍ値は約１８００である。
【００２３】
また、内部電極１４は、図４および図５に示されるように、例えば、厚さ約４μｍの銀パラジウム合金からなっている。積層方向の一端に配置される圧電セラミックスシート１２ａ（図２および図３参照）は内部電極１４を備えていない。それ以外の圧電セラミックスシート１２は、図４および図５に示されるような２種類の内部電極１４を備えている。
【００２４】
図４に示される圧電セラミックスシート１２は、駆動用の内部電極１４（Ａ＋），１４（Ｂ＋）と、振動検出用の内部電極１４（Ｃ＋）とを備えている。
内部電極１４（Ｃ＋）は、圧電セラミックスシート１２の幅方向の中央部において、圧電セラミックスシート１２の長さ方向に沿って帯状に設けられている。具体的には、内部電極１４（Ｃ＋）は、図８に示すように、圧電セラミックスシート１２を長手方向に２等分および幅方向に２等分して第１の領域乃至第４の領域からなる４つの領域に区分した場合に、第１から第４の各領域における占有面積が略等しくなるように配置されている。
【００２５】
なお、内部電極１４（Ｃ＋）は、上記配置例に代えて、４つの領域のうち、所定の２つの隣接する領域における占有面積が略等しく、また、その他の２つの隣接する領域における占有面積が略等しくなるように配置されてもよい。例えば、第１の領域と第２の領域とが同一占有面積とされ、第３の領域と第４の領域とが同一占有面積とされるように配置されることとしてもよい。この場合、第１の領域と第３の領域とは、占有面積が異なってもよい。また、４つの領域にわたって内部電極１４（Ｃ＋）を配置するのではなく、隣接する２つの領域にわたって内部電極１４（Ｃ＋）を配置することとしてもよい。例えば、内部電極１４（Ｃ＋）を、第３の領域と第４の領域にわたって互いの領域における占有面積が略等しくなるように配置することとしてもよい。
【００２６】
また、図４に示されるように、駆動用の内部電極１４（Ａ＋），１４（Ｂ＋）は、圧電セラミックスシート１２の長手方向に沿って一列に配置されている。本実施形態では、内部電極１４（Ａ＋）が図８における第４の領域に、内部電極１４（Ｂ＋）が第３の領域に配置されている。
【００２７】
同様に、図５に示される圧電セラミックスシート１２は、駆動用の内部電極１４（Ａ−），１４（Ｂ−）と、振動検出用の内部電極１４（Ｃ−）とを備えている。
内部電極１４（Ｃ−）は、図４に示した圧電セラミックスシート１２における内部電極１４（Ｃ＋）に対応する位置に配置されている。同様に、内部電極１４（Ａ−），１４（Ｂ−）についても、図４に示した内部電極１４（Ａ＋），１４（Ｂ＋）にそれぞれ対応する位置に配置されている。
【００２８】
上記各内部電極１４は、圧電セラミックスシート１２の幅方向に、約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて配置されているとともに、圧電セラミックスシート１２の長さ方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて設けられている。なお、各内部電極１４は、その一部が圧電セラミックスシート１２の周縁まで延び、後述する各外部電極２２（図２および図３参照）に接続されるようになっている。
【００２９】
圧電セラミックスシート１２の中央に帯状に設けられた内部電極１４（Ｃ＋），１４（C−）は共に略同一の大きさを有し、また、内部電極１４（Ａ＋），１４（Ｂ＋），１４（Ａ−），１４（Ｂ−）は、それぞれ略同一の大きさを有している。
図４に示される圧電セラミックスシート１２と、図５に示される圧電セラミックスシート１２とは、交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体１６を構成している。
【００３０】
このようにして構成された圧電積層体１６の長さ方向の端面には、各圧電セラミックスシート１２に配置された同種の内部電極１４（Ａ＋）乃至１４（Ｃ−）をそれぞれ接続するための外部電極２２がそれぞれ設けられている。
具体的には、図２および図３に示されるように、圧電積層体１６の長さ方向の一端には、圧電積層体１６の他側面の側（図において上側）からＣ相の外部電極２２（Ｃ＋），Ｂ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）が設けられ、これに対向する面には、Ｃ相の外部電極２２（Ｃ−），Ａ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）が設けられている。
【００３１】
Ａ相およびＢ相の外部電極２２は駆動用の外部電極であり、Ｃ相の外部電極２２は振動検出用の外部電極である。各外部電極２２にはそれぞれ配線（図１１参照）が接続されている。この配線は、リード線、フレキシブル基板等、可撓性を有する配線であれば任意のものでよい。
具体的には、Ａ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）にそれぞれ接続される１対の配線、並びに、Ｂ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）にそれぞれ接続される１対の配線は、それぞれＡ相，Ｂ相の駆動用信号線として、図１１に示す駆動装置８のドライブＩＣ２８に接続される。
【００３２】
また、図１１に示されるように、超音波振動子４のＣ相の外部電極２２（Ｃ＋）に接続される１対の配線Ｌ１、および，超音波振動子４のＣ相の外部電極２２（Ｃ−）に接続される一対の配線Ｌ２は、駆動装置８の振動検出回路３０に接続される。
【００３３】
次に、このようにして構成された圧電積層体１６の動作について説明する。
Ａ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）およびＢ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）に同位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加すると、図６に示されるような１次の縦振動が励起されるようになっている。また、このとき、前述した圧電セラミックスシート１２に生ずる電荷は、例えば、図８に示すように、圧電セラミックシート１２を４つの領域に区分した場合、図９に示すように、第１の領域から第４の領域において正電荷もしくは負電荷が同時に励起された状態となる。
【００３４】
また、Ａ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）およびＢ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）に逆位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加すると、図７に示されるような２次の屈曲振動が励起されるようになっている。このとき、前述した各領域では、図１０に示すような電荷状態となる。すなわち、屈曲振動が励起されている場合には、図８に示す第１の領域から第４の領域のうち、対角線上に位置する領域、つまり、第１の領域と第４の領域、第２の領域と第３の領域では同符号の電荷が同時に励起され、隣り合う領域、つまり、第１の領域と第２の領域、第２の領域と第４の領域、第４の領域と第３の領域、第３の領域と第１の領域では異符号の電荷が同時に励起されていることになる。
なお、対をなす内部電極１４（Ｃ＋），１４（Ｃ−）には、互いに異符号の電荷がそれぞれ励起されることとなる。
【００３５】
以上のことから、隣接する領域に対して均等に分布して配置されているＣ相の内部電極１４（Ｃ＋），１４（Ｃ−）においては、それぞれ屈曲振動による電荷は相殺され、縦振動にのみ比例した電荷が励起された状態となる。従って、Ｃ相の外部電極２２（Ｃ＋）の一対の配線Ｌ１およびＣ相の外部電極２２（Ｃ−）の一対の配線Ｌ２により検出される電気信号は、縦振動に比例した電気信号となる。なお、どちらの符号の電荷が励起されるかは振動の位相状態によって決まる。
【００３６】
図２に戻り、摩擦接触子１８は、前記圧電積層体１６の２次の屈曲振動の腹となる２カ所の位置に接着されている。これにより、圧電積層体１６に１次の縦振動が発生したときには、摩擦振動子１８が、圧電積層体１６の長さ方向（図２および図６に示されるＸ方向）に変位させられるようになっている。一方、圧電積層体１６に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１８が、圧電積層体１６の幅方向（図２および図７に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。
【００３７】
したがって、超音波振動子４のＡ相の外部電極２２とＢ相の外部電極２２とに、位相がずれた共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加することにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが同時に発生して、図２に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子１８の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動が発生するようになっている。
なお、摩擦接触子１８は、例えば、ＰＰＳ樹脂中にチタン酸カリウムの繊維、カーボンの繊維、ＰＴＦＥ（４フッ化エチレン）等が混入された素材からなる。
【００３８】
前記振動子保持部材２０は、断面略コ字状に形成された保持部２０ａと、該保持部２０ａの両側面から垂直に突出するとともに、該保持部２０ａに対して一体的に取り付けられたピン２４とを有している。保持部２０ａは、圧電積層体１６の幅方向の一側から圧電積層体１６を囲むようにして、例えば、シリコン樹脂またはエポキシ樹脂により圧電積層体１６に接着されている。保持部２０ａが圧電積層体１６に接着された状態で、保持部２０ａの両側面に一体的に設けられた２つのピン２４は、圧電積層体１６の縦振動と屈曲振動の共通の節となる位置に同軸に配置されるようになっている。
【００３９】
次に、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１０の駆動装置８について図１１〜図１６を参照して説明する。
図１１に示すように、駆動装置８は、２相の駆動制御信号を発生する駆動パルス発生回路２６と、該駆動パルス発生回路２６から出力される駆動制御信号に基づいて駆動交番電圧を生成するドライブＩＣ２８と、超音波振動子４の振動を検出する振動検出回路３０と、該振動検出回路３０から出力される振動検出信号と前記駆動パルス発生回路２６から発生される駆動制御信号との位相差を求める位相比較回路３２と、この位相差に応じて超音波振動子４に印加する駆動交番電圧を制御する周波数制御回路３４と、周波数設定回路３６と、方向指示回路３８とを備えている。
【００４０】
駆動パルス発生回路２６は、図１２に示すように、所定の駆動周波数、および、同位相または所定の位相差θの２相（Ａ相，Ｂ相）の駆動制御信号を生成し、ドライブＩＣ２８に出力する。所定の位相差θは、例えば、約９０°とされている。
【００４１】
ドライブＩＣ２８は、駆動パルス発生回路２６から出力される２相の駆動制御信号に基づいて、同位相または所定の位相差θ、および、所定の駆動周波数の２相（Ａ相，Ｂ相）の駆動交番電圧を生成し、各駆動交番電圧を上述した超音波振動子４のＡ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）、並びにＢ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）に印加する。
【００４２】
振動検出回路３０は、Ｃ相の外部電極２２（Ｃ＋），２２（Ｃ−）と配線Ｌ１，Ｌ２を介して接続されており、Ｃ相の外部電極２２（Ｃ＋），２２（Ｃ−）からのアナログ電気信号（以下、「Ｃ相電気信号」という。）に基づいて、超音波振動子４に生じている縦振動に対応する振動検出信号を生成する。具体的には、配線Ｌ１，Ｌ２を介して入力されたＣ相電気信号に対して、レベル調整、ノイズ除去、２値化等の各種信号処理を施してデジタル信号に変換し、処理後のデジタル信号を振動検出信号として出力する。
【００４３】
位相比較回路３２には、振動検出回路３０から出力された振動検出信号とドライブＩＣ２８に入力されるＡ相の駆動制御信号とが入力されるようになっている。位相比較回路３２は、図１３に示すように、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φを求め、更に、この位相差φと予め記憶している基準位相差φｒｅｆとの差分Δφ（＝φ−φｒｅｆ）を求め、この差分Δφに応じた信号を出力する。
【００４４】
本実施形態では、例えば、基準位相差φｒｅｆを３π／４に設定し、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが常に基準位相差３π／４となるように駆動周波数が制御される。これは、位相差φが３π／４のときに、駆動周波数を取ることとなり、超音波アクチュエータ１０を最も効率の良い領域で駆動することができるからである。
なお、基準位相差φｒｅｆの値については、特に限定されることなく、超音波アクチュエータ１０の駆動効率、換言すると、所望のアクチュエータの速度に応じて設計事項により任意に決定できる。
【００４５】
図１１に戻り、周波数制御回路３４は、位相比較回路３２からの差分Δφが入力されるようになっている。周波数制御回路３４は、差分Δφに基づいて、差分Δφをゼロにするための周波数の変化量Δｆを求め、この周波数の変化量Δｆを周波数設定回路３６へ出力する。具体的には、差分Δφがプラスの値を示していた場合には、周波数を所定数増加させるための変化量＋Δｆを出力し、差分Δφがマイナスの値を示していた場合には、周波数を所定量減少させるための変化量−Δｆを出力する。このように、本実施形態では、差分Δφに基づく逐次制御を実施する。
【００４６】
周波数設定回路３６は、周波数制御回路３４からの周波数の変化量Δｆが入力されるようになっている。周波数設定回路３６は、例えば、発振器、分周回路等を備えて構成されている。周波数設定回路３６は、周波数を周波数制御回路３４からの変化量Δｆに応じて増減させたクロック信号を生成し、これを上述の駆動パルス発生回路２６に出力する。
【００４７】
なお、駆動パルス発生回路２６には、方向指示回路３８から方向指示信号が入力されるようになっている。駆動パルス発生回路２６は、方向指示信号に応じてドライブＩＣ２８に出力する２相の駆動制御信号の位相差θを変更する。これにより、超音波振動子４の摩擦接触子１８に発生する略楕円振動の向きを正転、または負転に切り替えることができ、この結果、図１の被駆動体２の回転方向をＣＷ方向、ＣＣＷ方向に移動させることができる。
【００４８】
次に、上記超音波アクチュエータ１０の駆動方法について説明する。
まず、超音波アクチュエータ１０の起動時には、駆動装置８は、図１４に示すように、超音波振動子４に縦振動を励起させた後、屈曲振動を励起させる。
図１４において、横軸は時間を示し、縦軸は被駆動体２の移動速度を示している。本実施形態では、ｔ０からｔ１までの間で縦振動を励起させ、ｔ１以降は縦振動と屈曲振動を励起させる。
【００４９】
具体的には、超音波アクチュエータ１０の起動時には、駆動パルス発生回路２６から所定の駆動周波数、および、同位相の２相の駆動制御信号がドライブＩＣ２８に入力される。これにより、同位相、および、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧が、超音波振動子４のＡ相の外部電極２２（Ａ＋），２２（Ａ−）、およびＢ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）にそれぞれ印加される。
【００５０】
この結果、超音波振動子４には、縦振動が励起され、図１５（ａ）に示すような縦振動が摩擦接触子１８に発生する。この状態では、被駆動体２と超音波振動子４との間には、図示しない押圧手段の押圧力による静止摩擦力が働いているので、図１４に示すように、被駆動体４は、移動が制限されて静止状態に保持される。
【００５１】
続いて、縦振動による推力が十分となった状態になると、位相差θが９０°のＡ相とＢ相の駆動制御信号（図１２参照）が駆動パルス発生装置２６から発生される。位相差θが９０°のＡ相とＢ相の駆動制御信号が超音波振動子４に印加されると、超音波振動子４は、縦振動と屈曲振動とが励起された状態となる。これにより、屈曲振動の成長に合わせて、図１５（ｂ）に示すような縦振動と屈曲振動による楕円振動が摩擦接触子１８の先端に発生する。これに伴い、超音波振動子４が浮上状態となって、被駆動体２と超音波振動子４との間の静止摩擦力が低下するので、縦振動の推進力により、図１４に示すように、被駆動体２が移動し始める。
【００５２】
上述のように、超音波アクチュエータ１０の起動時においては、縦振動のみが励起されることにより、静止摩擦力が働いて被駆動体２の移動が抑制されるので、被駆動体２が重力の影響によって落下するのを防ぐことができる。また、被駆動体２を静止状態に保持しつつ、縦振動による推力が十分な状態で屈曲振動が励起されることにより、楕円振動が成長するまでの、例えば、逆走等の被駆動体２の不安定な動作を解消することができる。
【００５３】
続いて、Ａ相とＢ相の駆動制御信号の位相差θが９０°に切り替えられると、Ａ相とＢ相との駆動制御信号の周波数を共振周波数で一定とするために、振動検出回路３０等によるフィードバック制御が開始される。
具体的には、超音波振動子４に生じている縦振動と屈曲振動のうち、縦振動に応じた電気信号が配線Ｌ１，Ｌ２を介して振動検出回路３０に入力され、振動検出回路３０において、デジタル信号に変換されて、振動検出信号として位相比較回路３２に入力される。
【００５４】
位相比較回路３２に入力された振動検出信号は、Ａ相の駆動制御信号と比較されることによって位相差φが求められ、更に、この位相差φと基準位相差φｒｅｆとの差分Δφが求められることにより、差分Δφに応じた信号が周波数制御回路３４に出力される。
周波数制御回路３４においては、差分Δφの符号（プラス、または、マイナス）に基づいて周波数の変化量Δｆの符号（プラス、または、マイナス）が決められ、この変化量Δｆが周波数設定回路３６に出力される。
【００５５】
周波数設定回路３６は、変化量Δｆに応じて周波数を変化させたクロック信号を生成し、これを駆動パルス発生回路２６に出力する。
これにより、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが基準位相差φｒｅｆとなるようなフィードバック制御が行われることとなり、超音波振動子４の内部電極１４（Ｃ＋），１４（Ｃ−）から検出される縦振動の電気信号に追従した所望の駆動周波数で，超音波アクチュエータ１０を駆動させることが可能となる。
【００５６】
次に、超音波アクチュエータ１０の駆動停止時において、駆動装置８は、図１６に示すように、超音波振動子４に縦振動のみを所定の期間励起させ、その後、超音波振動子４の駆動を停止する。
図１６において、横軸は時間を示し、縦軸は被駆動体２の移動速度を示している。本実施形態では、ｔ１´において屈曲振動を停止して縦振動のみを励起し、ｔ２´において駆動信号を停止させる。
【００５７】
具体的には、超音波アクチュエータ１０の駆動停止時においては、駆動パルス発生回路２６から所定の駆動周波数、および、同位相の２相の駆動制御信号がドライブＩＣ２８に入力される。これにより、同位相、および、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧が、超音波振動子４のＡ相の外部電極２２（Ａ＋）、２２（Ａ−）、および、Ｂ相の外部電極２２（Ｂ＋），２２（Ｂ−）にそれぞれ印加される。これにより、超音波振動子４に生じていた屈曲振動は減退し、縦振動のみが励起された状態となる。この結果、摩擦接触子１８に発生している楕円振動は、図１４（ｂ）から図１４（ａ）に示すように小さくなり、超音波振動子４の浮上状態が抑制される。
【００５８】
これにより、被駆動体２と超音波振動子４との間の摩擦力は大きくなり、被駆動体２の移動が抑制される。また、超音波振動子４に励起される縦振動による移動方向の伸縮運動によって、被駆動体２に働く慣性力が低減される。そして、この状態で、Ａ相およびＢ相の駆動制御信号を停止することにより、被駆動体２の移動が停止される。
【００５９】
この結果、被駆動体２に摩擦力を効かせ、被駆動体２の慣性力を低減させた状態で、被駆動体２の移動を停止させるので（図１６において実線Ａ参照）、縦振動と屈曲振動とが合成した楕円振動を発生させたまま駆動信号を停止する場合（図１６において一点鎖線Ｂ参照）よりも、停止時間を短縮することができる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１０によれば、起動時には、被駆動体２の落下を防止するとともに被駆動体２の不安定な動作を解消することができ、駆動停止時には、被駆動体２が停止するまでの時間を短縮することができる。
【００６１】
なお、本実施形態においては、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号とを比較することとしたが、Ａ相の駆動制御信号に代えてＢ相の駆動制御信号を用いることとしてもよい。この場合には、基準位相差φｒｅｆをＡ相の駆動制御信号とＢ相の駆動制御信号との位相差θに応じて変更する必要がある。また、２相の駆動制御信号に代えて、ドライブＩＣ２８から超音波振動子４へ印加される２相の駆動交番電圧のいずれか一方を用いることとしてもよい。
【００６２】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本実施形態では、Ａ相およびＢ相の電極に位相差の異なる駆動制御信号を印加することにより、超音波振動子４に縦振動と屈曲振動とを励起させたが、これに代えて、超音波振動子が、縦振動を誘起する専用の電極と屈曲振動を誘起する専用の電極とを備えることとし、超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを励起させることとしてもよい。このようにすることで、縦振動の振動速度と屈曲振動の振動速度とをそれぞれ変えることができる。この結果、縦振動と屈曲振動との合成により被駆動体が移動される超音波アクチュエータにおいては、被駆動体の移動速度は縦振動の振動速度で一義的に決まるため、屈曲振動の振動速度を変えることで、被駆動体の移動速度を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１の超音波アクチュエータを構成する超音波振動子を示す概略図である。
【図３】図２の超音波振動子を別の角度から見た概略図である。
【図４】図２の超音波振動子を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図５】図２の超音波振動子を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図６】図２の圧電積層体が１次の縦振動で振動する様子をコンピュータ解析により示した図である。
【図７】図２の圧電積層体が２次の屈曲振動で振動する様子をコンピュータ解析により示した図である。
【図８】圧電セラミックスシートに設けられた内部電極に発生する電荷状態を説明するための図であって、圧電セラミックスシートを４つの領域に区分した図である。
【図９】縦振動が励起されているときに、図８に示した各領域に励起される電荷状態を示した図である。
【図１０】屈曲振動が励起されているときに、図８に示した各領域に励起される電荷状態を示した図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータの駆動装置の概略構成を示したブロック図である。
【図１２】駆動パルス発生回路により生成される２相の駆動制御信号を示した図である。
【図１３】Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号を示した図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータの起動時の振動の励起時間と被駆動体の移動速度との関係を示した図である。
【図１５】図１５（ａ）は摩擦接触子の縦振動を示し、図１５（ｂ）は摩擦接触子の縦振動と屈曲振動との合成による楕円振動を示す図である。
【図１６】本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータの駆動停止時の振動の励起時間と被駆動体の移動速度との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００６４】
２ 被駆動体
４ 超音波振動子
１０ 超音波アクチュエータ（定在波型超音波アクチュエータ）
１８ 摩擦接触子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法であって、
起動時に、前記縦振動を励起した後に、前記屈曲振動を励起させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法。
【請求項２】
超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法であって、
駆動停止時に、前記屈曲振動を停止した後に、前記縦振動を停止する定在波型超音波アクチュエータの駆動方法。
【請求項３】
超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置であって、
起動時に、前記縦振動を励起した後に、前記屈曲振動を励起させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置。
【請求項４】
超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置であって、
駆動停止時に、前記屈曲振動を停止した後に、前記縦振動を停止する定在波型超音波アクチュエータの駆動装置。
【請求項５】
定在波型超音波アクチュエータと、
請求項３または請求項４に記載の駆動装置と
を備える定在波型超音波アクチュエータシステム。
【請求項１】
超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法であって、
起動時に、前記縦振動を励起した後に、前記屈曲振動を励起させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法。
【請求項２】
超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動方法であって、
駆動停止時に、前記屈曲振動を停止した後に、前記縦振動を停止する定在波型超音波アクチュエータの駆動方法。
【請求項３】
超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置であって、
起動時に、前記縦振動を励起した後に、前記屈曲振動を励起させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置。
【請求項４】
超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを発生させることにより、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせ、該楕円振動の摩擦力を推力として、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる定在波型超音波アクチュエータの駆動装置であって、
駆動停止時に、前記屈曲振動を停止した後に、前記縦振動を停止する定在波型超音波アクチュエータの駆動装置。
【請求項５】
定在波型超音波アクチュエータと、
請求項３または請求項４に記載の駆動装置と
を備える定在波型超音波アクチュエータシステム。
【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１６】
【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１６】
【公開番号】特開２００８−１７２８５３（Ｐ２００８−１７２８５３Ａ）
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７７０（Ｐ２００７−７７０）
【出願日】平成１９年１月５日（２００７．１．５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月５日（２００７．１．５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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