超音波モータの駆動装置
【課題】超音波モータの停止制御において、停止位置精度の高精度化及び良好な応答性を実現し、且つ回路の簡略化を実現した超音波モータの駆動装置を提供すること。
【解決手段】被駆動部材に当接する駆動子を備える超音波振動子4に、所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の駆動交番信号を印加することにより、前記超音波振動子4に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記超音波駆動子4によって前記被駆動部材を駆動する超音波モータの駆動装置であって、前記被駆動部材の駆動が停止した後、前記被駆動部材における残存振動を抑制する為のバースト信号を前記超音波振動子4に印加してバースト駆動を行うことを特徴とする。
【解決手段】被駆動部材に当接する駆動子を備える超音波振動子4に、所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の駆動交番信号を印加することにより、前記超音波振動子4に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記超音波駆動子4によって前記被駆動部材を駆動する超音波モータの駆動装置であって、前記被駆動部材の駆動が停止した後、前記被駆動部材における残存振動を抑制する為のバースト信号を前記超音波振動子4に印加してバースト駆動を行うことを特徴とする。
【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装置に関する。
【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、圧電素子などの振動子の振動を利用した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と比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、ストロークが長く、高分解能である点、静粛性に富む点、磁気的ノイズを発生せず磁気的ノイズの影響を受けない点等の利点を有している。
【０００３】
そして超音波モータでは、超音波振動子を、摩擦部材である駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付けることで、前記駆動子と前記被駆動部材との間に摩擦力を発生させ、この摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。
【０００４】
ところで、超音波モータの実際の駆動時には、その停止時や反転時に当該超音波モータにおける振動を適切に減衰させる為の制御技術が要求される。このような事情から、例えば特許文献１には、次のような技術が開示されている。
【０００５】
すなわち、特許文献１に開示されている振動型アクチュエータの制御装置では、駆動用交番信号を振動型アクチュエータの圧電素子に印加して駆動後、目標位置で停止させる場合、印加電圧と振動型アクチュエータの振動体の振動の位相差を検出し、振動体の振動の位相に対して例えばほぼ９０°遅らせた位相で圧電素子に加振信号を所定時間印加し、停止動作を終了する。
【０００６】
これにより、特許文献１に開示されている振動型アクチュエータの制御装置によれば、前記振動体における自由振動を打ち消す振動が励起され、減衰振動が抑制されて目標位置に位置決めされる。
【特許文献１】特開２００２−３６９５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されている振動型アクチュエータの制御装置では、駆動信号と振動体に形成される振動との位相差を変える（０〜１８０度）ことで、振動体自体の振動を打ち消し、アクチュエータを減速し、又は停止させることを特徴としている。そして、これらの制御を実現するためには、振動体の振動を検出する手段、検出した振動と駆動信号との位相を比較する手段、及びその比較結果に基づいて駆動信号の位相を遅らせる為の手段を必要とするため、駆動回路が複雑化してしまう。そして、このことは当該制御装置を小型化する上での技術的阻害要因であるとも言える。
【０００８】
さらには、特許文献１に開示されている振動型アクチュエータの制御装置では、前記振動体における自由振動を打ち消す振動を励起させている。つまり、振動を抑制する対象が前記振動体である。従って、当該振動系の振動を抑制する技術に比べると、その応答性や精度は高いとは言いにくい。
【０００９】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたもので、超音波モータの停止制御において、停止位置精度の高精度化及び良好な応答性を実現し、且つ回路の簡略化を実現した超音波モータ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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による超音波モータの駆動装置は、被駆動部材に当接する駆動子を備える振動子に、所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の駆動交番信号を印加することにより、前記振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記駆動子によって前記被駆動部材を駆動する超音波モータの駆動装置であって、前記駆動交番信号を生成して前記振動子に印加することで前記被駆動部材を駆動する駆動手段と、前記駆動手段による前記被駆動部材の駆動が停止した後、前記被駆動部材における残存振動を抑制する為のバースト信号を前記振動子に印加してバースト駆動を行うバースト駆動手段と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超音波モータの停止制御において、停止位置精度の高精度化及び良好な応答性を実現し、且つ回路の簡略化を実現した超音波モータの駆動装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る超音波モータの駆動装置について、図面を参照して説明する。
【００１３】
[第１実施形態]
まず、本発明の第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置が適用される超音波モータシステムの一例について、図１を参照して説明する。図１は、超音波モータシステムの概略一構成例を示すブロック図である。
【００１４】
図１に示されるように超音波モータシステム１は、超音波モータ２と、超音波モータ２を駆動する駆動装置３とを具備する。超音波モータ２は、超音波振動子４と、超音波振動子４により駆動される被駆動体５とを有する。
【００１５】
前記超音波振動子４は、図２乃至図４に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート７の片側面にシート状の内部電極８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９と、該圧電積層体９の一側面に接着された２個の摩擦接触子１０とを備えている。
【００１６】
図３及び図４に示される圧電セラミックスシート７はそれぞれ、その略全面に内部電極８を備えている。内部電極８は、圧電セラミックスシート７の中央部において、圧電セラミックスシート７の長さ方向に沿って設けられた一つの検出用内部電極、及びこの内部電極の周囲に配置されて、この内部電極との間に圧電セラミックスシート７の幅方向に絶縁距離を開け、且つ圧電セラミックスシート７の長さ方向に絶縁距離を開けて設けられた、略同じ大きさを有する２つの駆動用内部電極からなる。各内部電極８は、圧電セラミックスシート７の周縁から隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート７の周縁まで延びている。
【００１７】
これら内部電極８を備えた圧電セラミックスシート７は、図３に示されるものと、図４に示されるものとが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９を構成している。
【００１８】
圧電積層体９の長さ方向の一端面には４個、圧電積層体９の長さ方向の他端面には２個の合計６個の外部電極１１が設けられている。各外部電極１１には、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される全ての内部電極８が接続されている。これにより、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される内部電極８は、同一の電位とされるようになっている。
【００１９】
なお、これら外部電極１１はそれぞれ、配線（図示せず）を介して制御器（図示せず）に接続されている。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。
【００２０】
次に、圧電積層体９の動作について説明する。圧電積層体９の長さ方向の一端に形成された４つの外部電極１１を、圧電積層体９の他側面の側（図において上側）からＣ相（Ｃ＋，Ｃ−）及びＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、他端に形成された２つの外部電極１１を、圧電積層体９の他側面の側（図において上側）からＡ相（Ａ＋，Ａ−）とする。ここで、Ａ相及びＢ相は駆動用の外部電極であり、Ｃ相は振動検出用の外部電極である。
【００２１】
Ａ相及びＢ相に同位相で共振周波数又はその近傍の周波数に対応する周波数をもつ交番電圧を加えると、図５に示すような１次の縦振動が励起される。また、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図６に示されるような２次の屈曲振動が励起される。図５及び図６は、有限要素法によるコンピュータ解析結果を示す図である。
【００２２】
圧電積層体９に１次の縦振動が発生したときには、摩擦接触子１０が圧電積層体９の長さ方向（図５に示されるＸ方向）に変位させられる。一方、圧電積層体９に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１０が、圧電積層体９の幅方向（図６に示されるＺ方向）に変位させられる。
【００２３】
したがって、超音波振動子のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数又はその近傍の周波数に対応する周波数をもつ駆動交番電圧を加えることにより、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１０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。
【００２４】
また、超音波振動子に発生している縦振動に応じた電荷が検出用の内部電極８に励起されることにより、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）の外部電極１１を介して縦振動に比例した信号（以下、この信号を「振動検出信号」という。）が検出される。この振動検出信号は、駆動装置３（図１参照）に供給され、超音波振動子４の制御に用いられる。
【００２５】
以下、前記駆動装置３について詳細に説明する。図７は、駆動装置３の内部概略構成を示す図である。図７に示すように、駆動装置３は、発振回路（基準信号生成手段）２１と、制御ＣＰＵ２２と、信号制御回路２３と、パラメータテーブル２４と、信号生成回路２５と、信号出力制御回路２６と、位相差検出回路２８と、ドライブ回路３０と、エンコーダ３３と、エンコーダ信号処理回路３５とを具備する。
【００２６】
前記発振回路２１は、基準信号（クロック信号）を生成し、信号制御回路２３、信号生成回路２５、信号出力制御回路２６、及び位相差検出回路２８に出力する。詳細は後述するが、図８は基準信号の一例を示す図である。
【００２７】
前記パラメータテーブル２４は、超音波振動子４の駆動周波数、Ａ相とＢ相との位相差（本第１実施形態においては９０°）、後述する分割信号のパルス幅、超音波モータ２の初期位置および停止位置、及び後述するエラー検出値等、当該超音波モータ２を制御するために必要となる各種パラメータを格納している。
【００２８】
前記制御ＣＰＵ２２は、パラメータテーブル２４に各種パラメータ（周波数，位相差等）を設定して、超音波振動子４の駆動信号を制御する。また、パラメータテーブル２４から各種パラメータ（位相差，エンコーダカウント値等）を読み出し、位置制御、速度制御処理等を行う。すなわち、制御ＣＰＵ２２は、パラメータテーブル２４及び後述する位相差検出回路２８からのフィードバック値等に基づいて、基準駆動信号の周波数指令値、分割信号のパルス幅指令値、分割信号のパルス幅指令値、及びＡ相Ｂ相の位相差指令値等を作成し、基準駆動信号の周波数指令値を信号制御回路２３に、Ａ相Ｂ相の位相差指令値を信号生成回路２５にそれぞれ出力する。
【００２９】
ここで、前記基準駆動信号の周波数指令値は、基準駆動信号の周波数を超音波振動子４の共振周波数に一致させるための指令値である。分割信号のパルス幅指令値は、超音波モータの速度に応じて決定される値であり、予め設定された所定の速度で定速制御を行う場合には、該所定の速度に対応して設定されているパルス幅をパラメータテーブルから読み出し、このパルス幅をパルス幅指令値とする。パルス幅は、速度が早いほど大きい値に設定されている。Ａ相Ｂ相の位相差指令値は、Ａ相とＢ相の位相差を予め設定されている最適な位相差（本実施形態では９０°）に一致させるための指令値である。
【００３０】
前記信号制御回路２３は、前記発振回路２１から入力される基準信号Ｓ１と制御ＣＰＵ２２から入力される周波数指令値とに基づいて、所定の周波数のパルス信号である基準駆動信号Ｓ２を生成し、これを信号生成回路２５に出力する。ここで、制御ＣＰＵ２２は、信号制御回路２３に対して、基準駆動信号の周波数を超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数に設定するための周波数指令値を与えるので、信号制御回路２３からは超音波振動子４の共振周波数と略同じ周波数の基準駆動信号が出力される。図８において示す信号ｂは、基準駆動信号Ｓ２の一例である。基準駆動信号の周期は、基準信号の周期の整数倍とされる。
【００３１】
また、信号制御回路２３は、発振回路２１から入力される基準信号Ｓ１と制御ＣＰＵ２２から入力されるパルス幅指令値とに基づいて、基準駆動信号Ｓ２よりも周波数が高く、超音波モータ２の速度に応じたパルス幅をもつ分割信号Ｓ３を生成し、これを信号生成回路２５に出力する。図８に示す信号ｃは、分割信号Ｓ３の一例である。ここで、分割信号の周期は、必ずしも一定である必要はない。例えば、基準駆動信号のハイレベル期間内において分割信号の周期が変化してもかまわない。また、基準駆動信号の周期は、分割信号の周期の整数倍である必要はない。
【００３２】
より詳細には、信号制御回路２３は、周波数制御回路、位相差制御回路、分割信号制御回路、及びパルスエッジ遅れ制御回路から成る。すなわち、周波数制御回路としては、パラメータテーブル２４における周波数の設定値に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、駆動信号の周波数を決める基準駆動信号を出力する。また、位相差制御回路としては、パラメータテーブル２４における位相差の設定値に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、２つの駆動信号、Ａ相信号とＢ相信号の位相差を制御する。さらに、分割信号制御回路としては、パラメータテーブル２４における分割信号の設定値（周期，パルス幅）に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、周波数制御回路で生成された基準駆動信号のハイレベル期間を更に高い周波数で分割するための信号を出力する。そして、パルスエッジ遅れ制御回路としては、パラメータテーブル２４におけるパルスエッジ遅れの設定値に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、駆動信号の立ち上がり、又は立ち下がりを遅らせる。
【００３３】
前記信号出力制御回路２６は、制御ＣＰＵ２２から当該信号出力制御回路２６を介して、直接信号生成回路２５の出力のＯＮ／ＯＦＦ、Ａ相信号、Ｂ相信号の出力順を制御することができる。また、パラメータテーブル２４に設定された設定値に基づき、信号生成回路２５から出力する駆動信号のパルス数や間欠駆動を行うための出力休止時間を制御する。
【００３４】
前記信号生成回路２５は、基準駆動信号Ｓ２と制御ＣＰＵ２２からのＡ相Ｂ相の位相差指令値とに基づいて、位相差が９０°であるＡ相の基準駆動信号とＢ相の基準駆動信号とを生成し、更に、Ａ相の基準駆動信号のハイレベル期間において信号制御回路２３から入力される分割信号をＡ相の駆動交番信号として出力し、Ｂ相の基準駆動信号のハイレベル期間において信号制御回路２３から入力される分割信号をＢ相の駆動交番信号として出力する。
【００３５】
これにより、Ａ相の基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成されたＡ相の駆動交番信号と、Ｂ相の基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成されたＢ相の駆動交番信号とが生成される。すなわち、前記信号生成回路２５は、基準駆動信号Ｓ２と制御ＣＰＵ２２からのＡ相Ｂ相の位相差指令値とに基づいて、位相差が９０°であるＡ相の基準駆動信号とＢ相の基準駆動信号とを生成する。なお、出力のＯＮ／ＯＦＦ制御は、信号出力制御回路２６によって行われる。
【００３６】
このとき、Ａ相、Ｂ相の駆動交番信号は、プラス側とマイナス側とに分けて生成される。図８において示す信号ｄは、Ａ相プラス側の駆動交番信号の一例であり、図８において示す信号ｅはＢ相プラス側の駆動交番信号の一例であり、図８において示す信号ｆはＡ相マイナス側の駆動交番信号の一例であり、図８において示す信号ｇはＢ相マイナス側の駆動交番信号の一例である。
【００３７】
図８に示すように、本第１実施形態においては、Ａ相とＢ相との位相差は９０°であり、また、プラス側の駆動交番信号とマイナス側の駆動交番信号とは、正負が逆であり、且つ位相が１８０°ずれている。
【００３８】
前記信号生成回路２５は、Ａ相プラス側の駆動交番信号、Ｂ相プラス側の駆動交番信号、Ａ相マイナス側の駆動交番信号、Ｂ相マイナス側の駆動交番信号をそれぞれ生成すると、これらの駆動交番信号をドライブ回路３０に出力する。
【００３９】
前記ドライブ回路３０は、図９に示すように、スイッチング素子で構成されたＨブリッジ回路３１とインピーダンスマッチング及び昇圧用のコイル３２とを備えている。このドライブ回路３０に、前記信号生成回路２５から各種駆動交番信号が入力されると、図１０に示す真理値表に従って、各駆動交番電圧ＯＵＴＡ＋、ＯＵＴＡ−、ＯＵＴＢ＋、ＯＵＴＢ−が出力される。
【００４０】
このとき、ドライブ回路３０はコイル３２を有しているので、パルス信号である駆動交番信号は、コイル３２の働きにより正弦波に近い波形に変換され、正弦波に近いＡ相、Ｂ相の駆動交番電圧が超音波振動子４が備えるＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｂ相（Ｂ＋，Ｂ−）の外部電極１１にそれぞれ印加される。
【００４１】
図１１には、信号生成回路２５からドライブ回路３０に供給されるＡ相（Ａ＋，Ａ−）の駆動交番信号、及び、ドライブ回路３０から超音波振動子４のＡ相（Ａ＋，Ａ−）に印加される駆動交番電圧ＯＵＴ（Ａ＋，Ａ−）の一例が示されている。
【００４２】
ここで、超音波振動子４に励起されている縦振動は、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）の内部電極８により検出され、この縦振動に比例する電気信号がＣ相（Ｃ＋，Ｃ−）の外部電極１１を介して位相差検出回路２８に入力される。
【００４３】
また、位相差検出回路２８には、信号生成回路２５からいずれか一つの駆動交番信号、例えば、Ａ相プラス側の駆動交番信号が入力される。位相差検出回路２８は、超音波振動子４の外部電極１１を介して入力された振動検出信号と信号生成回路２５から入力される駆動交番信号との位相差を検出し、この位相差に比例する電気信号を制御ＣＰＵ２２に出力する。これにより、超音波振動子４の位相に関するフィードバックループが形成され、超音波振動子４の位相差を一定（例えば、９０°）とするためのフィードバック制御が制御ＣＰＵ２２において行われる。
【００４４】
次に、上述したような構成を備える駆動装置３により実現される超音波モータ２の駆動方法について説明する。まず、超音波モータ２の起動時において、発振回路２１から信号制御回路２３に基準信号が入力される。一方、制御ＣＰＵ２２は、パラメータテーブルに設定されている超音波モータ２の駆動周波数を読み出し、この共振周波数を周波数指令値として信号制御回路２３に与える。
【００４５】
また、制御ＣＰＵ２２は、初期値として設定されている分割信号の周波数およびパルス幅をパラメータテーブル２４から読み出し、これらを信号制御回路２３に与える。更に、制御ＣＰＵ２２は、パラメータテーブル２４から初期値として設定されているＡ相とＢ相との位相差を読み出し、これを信号生成回路２５に与える。これにより、信号制御回路２３により超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数に設定された基準駆動信号Ｓ２が生成されて信号生成回路２５に出力される。また、信号制御回路２３において、制御ＣＰＵ２２により与えられた周波数およびパルス幅のパルス信号である分割信号Ｓ３が生成され、これが信号生成回路２５に出力される。
【００４６】
信号生成回路２５では、基準駆動信号Ｓ２及び制御ＣＰＵ２２からの位相差に基づいて所定の位相差をもつＡ相（Ａ＋，Ａ−）に対応する基準駆動信号とＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）に対応する基準駆動信号とが生成され、更に、これら各相のハイレベル期間において分割信号Ｓ３が駆動交番信号として出力される。この結果、図８に示す信号ｅから信号ｇに示されるように、Ａ相，Ｂ相に対応する基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成された各駆動交番信号が生成されることとなる。
【００４７】
Ａ相、Ｂ相の駆動交番信号は、ドライブ回路３０により正弦波の駆動交番電圧に変換されて、超音波振動子４の各外部電極１１に印加される。これにより、超音波振動子には図５及び図６に示すような縦振動と屈曲振動とが同時に励起され、その摩擦接触子１０に楕円振動が形成されることにより被駆動体が相対的に移動させられる。
【００４８】
超音波振動子４に励起された縦振動は、Ｃ相の内部電極８及び外部電極１１により検出され、振動検出信号が位相差検出回路２８に入力される。位相差検出回路２８では、超音波振動子４に励起されている縦振動と信号生成回路２５から出力されるＡ相の駆動交番信号との位相差が検出され、この位相差に応じた電気信号が制御ＣＰＵ２２に出力される。
【００４９】
制御ＣＰＵ２２は、位相差検出回路２８により検出された位相差（以下「検出位相差」という。）と目標位相差とを比較し、検出位相差が目標位相差となるような周波数指令値を生成し、これを信号制御回路２３に与える。
【００５０】
また、制御ＣＰＵ２２は、エンコーダ信号処理回路３５から入力されるカウント値から被駆動体５の移動量を求め、この移動量をサンプリング周期で割ることで超音波モータ２の駆動速度を計算する。そして、この駆動速度が目標速度よりも大きい場合には、分割信号のパルス幅を減少させるパルス幅指令値を作成し、また、駆動速度が目標速度よりも小さい場合には、分割信号のパルス幅を増加させるパルス幅指令値を作成し、これを信号制御回路２３に与える。これにより、図１２に示されるように、超音波モータ２の速度に応じてパルス幅が調整された分割信号が生成され、出力される。
【００５１】
このようにして、駆動速度や位相差のフィードバック制御が行われながら安定したモータ駆動が行われ、エンコーダ信号処理回路３５から通知されるカウント数が予め設定されているカウント数に達すると、制御ＣＰＵ２２は、被駆動体５が所望の位置まで移動したと判断し、信号生成回路２５に駆動停止指令を出力する。これにより、信号生成回路２５から駆動交番信号が出力されなくなることにより、超音波振動子４の振動が徐々に収束し、停止することとなる。
【００５２】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置による速度制御について詳細に説明する。
【００５３】
超音波モータ２の駆動速度は次のように検出される。まず、制御ＣＰＵ２２は、任意の周期毎にパラメータテーブル２４からエンコーダ３３のカウント値（以降、エンコーダカウント値と称する）を読み出し、このエンコーダカウント値から駆動位置を求める。そして、サンプリングの周期とサンプリング周期間の駆動位置の変化量とに基づいて、超音波モータ２の駆動速度を算出する。
【００５４】
ここで、超音波モータ２を一定速度に制御する場合には、制御ＣＰＵ２２において、制御したい基準速度と検出した駆動速度とを比較して、検出した駆動速度が前記基準速度より大きい速度である場合は、信号制御回路２３で分割信号のパルス幅が小さくなるように、制御ＣＰＵ２２は分割信号のパルス幅のパラメータテーブル２４に設定値を与える。一方、検出した駆動速度が前記基準速度よりも小さい速度である場合には、信号制御回路２３で分割信号のパルス幅が大きくなるように、制御ＣＰＵ２２はパラメータテーブル２４に分割信号のパルス幅の設定値を与える。
【００５５】
駆動速度を制御する為のパラメータとしては、信号制御回路２３で設定する分割信号のパルス幅の他に、信号制御回路２３で設定する駆動信号の周波数、信号制御回路２３で設定するＡ相／Ｂ相駆動信号の位相差、信号制御回路２３で設定する駆動信号のパルス幅があり、これらのパラメータを用いることによっても、分割信号のパルス幅による場合と同等の効果を得ることができる。
【００５６】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置による位置制御について詳細に説明する。
【００５７】
まず、当該超音波モータ２の駆動位置の検出は、次のように行う。すなわち、制御ＣＰＵ２２は、エンコーダカウント値をパラメータテーブル２４から読み出し、このエンコーダカウント値と駆動位置との関係式から、超音波モータ２の現在の駆動位置を求める。
【００５８】
そして、超音波モータ２を所定の位置で停止させるには、主として次の二通りの方法を挙げることができる。
【００５９】
（方法１） 制御ＣＰＵ２２は、任意の周期でエンコーダカウント値をパラメータテーブル２４から読み出し、このカウント値が、所定のカウント値又はカウント値から算出した所定の位置を超えたと判断したとき、制御ＣＰＵ２２は信号出力制御回路２６に停止信号を出力して駆動信号の出力を停止させ、超音波モータ２の駆動を停止させる。
【００６０】
（方法２） エンコーダカウント値がパラメータテーブル２４に設定された所定のカウント値を超えた場合には、信号出力制御回路２６から信号生成回路２５に、超音波モータ２の駆動を停止させる信号が自動的に出力される機能により、超音波モータ２の駆動を停止させる。
【００６１】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置による停止制御について詳細に説明する。
【００６２】
図１３は、信号制御回路２３の出力を単純に停止させることで超音波モータ２を停止させたときの、当該超音波モータ２の駆動速度の変化の様子を示す図である。
【００６３】
超音波モータ２の振動系は固有振動数を有している。従って、超音波モータ２を停止させる際、上述した駆動信号の印加を単純に終了して超音波モータ２を停止させた場合、図１３に示すように、超音波モータ２の振動系の固有振動数に応じた残存振動が生じてしまう。この結果、残存振動の持続時間分だけ、停止に要する時間が長くなってしまう。また、当然ながら停止位置精度も悪化してしまう。
【００６４】
そこで、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置では、超音波モータ２を駆動停止させる際に、信号制御回路２３の出力を一旦停止させた後、所定のタイミングでバースト信号を超音波振動子４に印加することによりバースト駆動を行う。ここでバースト信号とは、例えば図１４（ｂ）に示すような、複数のパルス信号の一団である。
【００６５】
すなわち、通常の連続駆動の際には、前記超音波振動子４に対して、図１４（ａ）に示すようにパルス信号が連続して印加され続けるが、バースト駆動の際には、図１４（ｂ）に示すように、ひとまとまりとされた複数のパルス信号から成るバースト信号が前記超音波振動子４に印加される。
【００６６】
図１５に示すグラフは、超音波モータ２を停止させる際に、信号制御回路２３の出力を一旦停止させた後、所定のタイミングで単発のバースト信号によりバースト駆動する場合の、当該超音波モータ２の駆動速度の変化の様子を示す図である。
【００６７】
一方、図１６は、超音波モータ２を停止させる際に、図１５に示すようなバースト信号によるバースト駆動を行わない場合の、当該超音波モータ２の駆動速度の変化の様子を示す図である。
【００６８】
図１５及び図１６を比較すると分かるように、超音波モータ２を停止させる際に、信号制御回路２３の出力を一旦停止させた後、所定のタイミングで単発のバースト信号によりバースト駆動することで、超音波モータ２の振動系の固有振動数に応じた残存振動が生じてしまうことを大きく抑止することができる。
【００６９】
つまり、超音波モータ２の停止時に、設定された所定の位置に超音波モータが到達したとき、駆動信号を連続駆動からバースト駆動に切り替えることで、前記残存振動は抑制されて、図１５に示すように速度の変動を小さくして速やかに停止させることができる。
【００７０】
ここで、前記残存振動の最初の振動の周期をＴとすると、残存振動を効果的に抑制する為には、図１３に示すＴ／２の期間（超音波モータ２がそれまで進行していた方向とは逆方向に動こうとする最初の振動の周期の１／２の期間）に、バースト信号を前記超音波振動子４に印加してバースト駆動を行うことが好ましい。
【００７１】
なお、上述したようにバースト駆動を行う場合、残存振動の状態に合わせたより詳細な駆動制御を行っても良い。例えば、残存振動が比較的大きい振動の場合には、超音波振動子４の共振周波数により近い周波数でバースト駆動すると良い。一方、残存振動が比較的小さな振動の場合には、超音波振動子４の共振周波数から離れた周波数でバースト駆動してもよい。
【００７２】
このように、バースト駆動の為のバースト信号の周波数を、残存振動の状態に応じて適宜変更してバースト駆動を行うことで、より効果的に残存振動を抑制することができる。
【００７３】
以上説明したように、本第１実施形態によれば、超音波モータの停止制御において、停止位置精度の高精度化及び良好な応答性を実現し、且つ回路の簡略化を実現した超音波モータの駆動装置を提供することができる。
【００７４】
すなわち、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置では、超音波モータを停止させる際に、連続駆動からバースト駆動に切り換えることで、当該超音波モータの振動系全体の振動を打ち消す。
【００７５】
これにより、当該超音波モータを効率よく減速させて停止させることができ、且つ停止位置精度を向上させることができる。また、前記超音波振動子４の振動を検出する為の手段と、該振動を検出する手段による検出結果に基づいて駆動信号の位相を遅らせる為の手段とを必要としない為、駆動回路の簡略化も実現できる。
【００７６】
さらに、バースト駆動を行う際に、上述したように残存振動の状態に合わせてバースト駆動の為のバースト信号の周波数を変更することで、より効率良く当該超音波モータの振動系全体の振動を打ち消すことができる。
【００７７】
[第２実施形態]
以下、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの駆動装置について説明する。なお、前記第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置との相違点のみを説明する。
【００７８】
前記第１実施形態においては、図１５及び図１６を参照して説明したように、超音波モータ２を駆動停止させる際に、信号制御回路２３の出力を一旦停止させた後、所定のタイミングで単発のバースト信号を超音波振動子４に印加することによってバースト駆動を行い、超音波モータ２の振動系の固有振動数に応じた残存振動が生じることを抑止していた。
【００７９】
一方、本第２実施形態においては、図１７に示すように、超音波モータ２を駆動停止させる際に、信号制御回路２３の出力を一旦停止させた後、所定の期間に渡って複数のバースト信号を前記超音波振動子４に印加することによってバースト駆動を行う。これにより、超音波モータ２の振動系の固有振動数に応じた残存振動が生じることを抑止する。
【００８０】
ここで、前記複数のバースト信号の印加周期は、少なくとも残存振動の周期Ｔよりも短い周期であるとする。また、前記複数回のバースト駆動のうち少なくとも一回のバースト駆動は、超音波モータ２がそれまで進行していた方向とは逆方向に動こうとする最初の振動の周期の１／２の期間（図１３に示す２／Ｔの期間）中に行われることが好ましい。
【００８１】
以上説明したように、本第２実施形態によれば、超音波モータ２の駆動停止時に上述したバースト駆動を行うことで、当該超音波モータ２の振動系全体の振動を打ち消して残存振動を抑制し、当該超音波モータ２を効率よく減速させて停止させることができ且つ停止位置精度を向上させることができるという前記第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置と同様の効果を奏する超音波モータの駆動装置を提供することができる。
【００８２】
以上、第１実施形態及び第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。
【００８３】
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波モータシステムの概略一構成例を示すブロック図。
【図２】超音波振動子の一構成例を示す図。
【図３】内部電極を備えた圧電セラミックスシートの一構成例を示す図。
【図４】内部電極を備えた圧電セラミックスシートの一構成例を示す図。
【図５】圧電積層体の縦振動を示す図。
【図６】圧電積層体の屈曲振動を示す図。
【図７】駆動装置の内部概略構成を示す図。
【図８】基準信号の一例を示す図。
【図９】ドライブ回路の一構成例を示す図。
【図１０】ドライブ回路に信号生成回路から各種駆動交番信号が入力された場合における入出力値の真理値表を示す図。
【図１１】ドライブ回路に与えられる駆動交番信号及び超音波振動子に与えられる駆動交番電圧のグラフを示す図。
【図１２】超音波モータの速度に応じてパルス幅が調整された分割信号が生成され、出力される様子のグラフを示す図。
【図１３】信号制御回路の出力を単純に停止させることで超音波モータを停止させたときの、当該超音波モータの駆動速度の変化の様子を示す図。
【図１４】（ａ）は、連続駆動の為のパルス信号を示す図。（ｂ）は、バースト駆動の為のバースト信号を示す図。
【図１５】超音波モータの停止時にバースト駆動に切り替えることで、残存振動を抑制した場合の当該超音波モータの駆動速度の変化の様子を示す図。
【図１６】バースト信号によるバースト駆動を行わない場合の、当該超音波モータの駆動速度の変化の様子を示す図。
【図１７】第２実施形態に係る超音波モータの駆動装置による停止制御の一例を示す図。
【符号の説明】
【００８５】
１…超音波モータシステム、 ２…超音波モータ、 ３…駆動装置、 ４…超音波振動子、 ５…被駆動体、 ７…圧電セラミックスシート、 ８…内部電極、 ９…圧電積層体、 １０…摩擦接触子、 １１…外部電極、 ２１…発振回路、 ２２…制御ＣＰＵ、 ２３…信号制御回路、 ２４…パラメータテーブル、 ２５…信号生成回路、 ２６…信号出力制御回路、 ２８…位相差検出回路、 ３０…ドライブ回路、 ３１…Ｈブリッジ回路、 ３２…コイル、 ３３…エンコーダ、 ３５…エンコーダ信号処理回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータの駆動装置に関する。
【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、圧電素子などの振動子の振動を利用した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と比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、ストロークが長く、高分解能である点、静粛性に富む点、磁気的ノイズを発生せず磁気的ノイズの影響を受けない点等の利点を有している。
【０００３】
そして超音波モータでは、超音波振動子を、摩擦部材である駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付けることで、前記駆動子と前記被駆動部材との間に摩擦力を発生させ、この摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。
【０００４】
ところで、超音波モータの実際の駆動時には、その停止時や反転時に当該超音波モータにおける振動を適切に減衰させる為の制御技術が要求される。このような事情から、例えば特許文献１には、次のような技術が開示されている。
【０００５】
すなわち、特許文献１に開示されている振動型アクチュエータの制御装置では、駆動用交番信号を振動型アクチュエータの圧電素子に印加して駆動後、目標位置で停止させる場合、印加電圧と振動型アクチュエータの振動体の振動の位相差を検出し、振動体の振動の位相に対して例えばほぼ９０°遅らせた位相で圧電素子に加振信号を所定時間印加し、停止動作を終了する。
【０００６】
これにより、特許文献１に開示されている振動型アクチュエータの制御装置によれば、前記振動体における自由振動を打ち消す振動が励起され、減衰振動が抑制されて目標位置に位置決めされる。
【特許文献１】特開２００２−３６９５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されている振動型アクチュエータの制御装置では、駆動信号と振動体に形成される振動との位相差を変える（０〜１８０度）ことで、振動体自体の振動を打ち消し、アクチュエータを減速し、又は停止させることを特徴としている。そして、これらの制御を実現するためには、振動体の振動を検出する手段、検出した振動と駆動信号との位相を比較する手段、及びその比較結果に基づいて駆動信号の位相を遅らせる為の手段を必要とするため、駆動回路が複雑化してしまう。そして、このことは当該制御装置を小型化する上での技術的阻害要因であるとも言える。
【０００８】
さらには、特許文献１に開示されている振動型アクチュエータの制御装置では、前記振動体における自由振動を打ち消す振動を励起させている。つまり、振動を抑制する対象が前記振動体である。従って、当該振動系の振動を抑制する技術に比べると、その応答性や精度は高いとは言いにくい。
【０００９】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたもので、超音波モータの停止制御において、停止位置精度の高精度化及び良好な応答性を実現し、且つ回路の簡略化を実現した超音波モータ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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による超音波モータの駆動装置は、被駆動部材に当接する駆動子を備える振動子に、所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の駆動交番信号を印加することにより、前記振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記駆動子によって前記被駆動部材を駆動する超音波モータの駆動装置であって、前記駆動交番信号を生成して前記振動子に印加することで前記被駆動部材を駆動する駆動手段と、前記駆動手段による前記被駆動部材の駆動が停止した後、前記被駆動部材における残存振動を抑制する為のバースト信号を前記振動子に印加してバースト駆動を行うバースト駆動手段と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超音波モータの停止制御において、停止位置精度の高精度化及び良好な応答性を実現し、且つ回路の簡略化を実現した超音波モータの駆動装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る超音波モータの駆動装置について、図面を参照して説明する。
【００１３】
[第１実施形態]
まず、本発明の第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置が適用される超音波モータシステムの一例について、図１を参照して説明する。図１は、超音波モータシステムの概略一構成例を示すブロック図である。
【００１４】
図１に示されるように超音波モータシステム１は、超音波モータ２と、超音波モータ２を駆動する駆動装置３とを具備する。超音波モータ２は、超音波振動子４と、超音波振動子４により駆動される被駆動体５とを有する。
【００１５】
前記超音波振動子４は、図２乃至図４に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート７の片側面にシート状の内部電極８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９と、該圧電積層体９の一側面に接着された２個の摩擦接触子１０とを備えている。
【００１６】
図３及び図４に示される圧電セラミックスシート７はそれぞれ、その略全面に内部電極８を備えている。内部電極８は、圧電セラミックスシート７の中央部において、圧電セラミックスシート７の長さ方向に沿って設けられた一つの検出用内部電極、及びこの内部電極の周囲に配置されて、この内部電極との間に圧電セラミックスシート７の幅方向に絶縁距離を開け、且つ圧電セラミックスシート７の長さ方向に絶縁距離を開けて設けられた、略同じ大きさを有する２つの駆動用内部電極からなる。各内部電極８は、圧電セラミックスシート７の周縁から隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート７の周縁まで延びている。
【００１７】
これら内部電極８を備えた圧電セラミックスシート７は、図３に示されるものと、図４に示されるものとが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９を構成している。
【００１８】
圧電積層体９の長さ方向の一端面には４個、圧電積層体９の長さ方向の他端面には２個の合計６個の外部電極１１が設けられている。各外部電極１１には、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される全ての内部電極８が接続されている。これにより、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される内部電極８は、同一の電位とされるようになっている。
【００１９】
なお、これら外部電極１１はそれぞれ、配線（図示せず）を介して制御器（図示せず）に接続されている。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。
【００２０】
次に、圧電積層体９の動作について説明する。圧電積層体９の長さ方向の一端に形成された４つの外部電極１１を、圧電積層体９の他側面の側（図において上側）からＣ相（Ｃ＋，Ｃ−）及びＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、他端に形成された２つの外部電極１１を、圧電積層体９の他側面の側（図において上側）からＡ相（Ａ＋，Ａ−）とする。ここで、Ａ相及びＢ相は駆動用の外部電極であり、Ｃ相は振動検出用の外部電極である。
【００２１】
Ａ相及びＢ相に同位相で共振周波数又はその近傍の周波数に対応する周波数をもつ交番電圧を加えると、図５に示すような１次の縦振動が励起される。また、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図６に示されるような２次の屈曲振動が励起される。図５及び図６は、有限要素法によるコンピュータ解析結果を示す図である。
【００２２】
圧電積層体９に１次の縦振動が発生したときには、摩擦接触子１０が圧電積層体９の長さ方向（図５に示されるＸ方向）に変位させられる。一方、圧電積層体９に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１０が、圧電積層体９の幅方向（図６に示されるＺ方向）に変位させられる。
【００２３】
したがって、超音波振動子のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数又はその近傍の周波数に対応する周波数をもつ駆動交番電圧を加えることにより、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１０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。
【００２４】
また、超音波振動子に発生している縦振動に応じた電荷が検出用の内部電極８に励起されることにより、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）の外部電極１１を介して縦振動に比例した信号（以下、この信号を「振動検出信号」という。）が検出される。この振動検出信号は、駆動装置３（図１参照）に供給され、超音波振動子４の制御に用いられる。
【００２５】
以下、前記駆動装置３について詳細に説明する。図７は、駆動装置３の内部概略構成を示す図である。図７に示すように、駆動装置３は、発振回路（基準信号生成手段）２１と、制御ＣＰＵ２２と、信号制御回路２３と、パラメータテーブル２４と、信号生成回路２５と、信号出力制御回路２６と、位相差検出回路２８と、ドライブ回路３０と、エンコーダ３３と、エンコーダ信号処理回路３５とを具備する。
【００２６】
前記発振回路２１は、基準信号（クロック信号）を生成し、信号制御回路２３、信号生成回路２５、信号出力制御回路２６、及び位相差検出回路２８に出力する。詳細は後述するが、図８は基準信号の一例を示す図である。
【００２７】
前記パラメータテーブル２４は、超音波振動子４の駆動周波数、Ａ相とＢ相との位相差（本第１実施形態においては９０°）、後述する分割信号のパルス幅、超音波モータ２の初期位置および停止位置、及び後述するエラー検出値等、当該超音波モータ２を制御するために必要となる各種パラメータを格納している。
【００２８】
前記制御ＣＰＵ２２は、パラメータテーブル２４に各種パラメータ（周波数，位相差等）を設定して、超音波振動子４の駆動信号を制御する。また、パラメータテーブル２４から各種パラメータ（位相差，エンコーダカウント値等）を読み出し、位置制御、速度制御処理等を行う。すなわち、制御ＣＰＵ２２は、パラメータテーブル２４及び後述する位相差検出回路２８からのフィードバック値等に基づいて、基準駆動信号の周波数指令値、分割信号のパルス幅指令値、分割信号のパルス幅指令値、及びＡ相Ｂ相の位相差指令値等を作成し、基準駆動信号の周波数指令値を信号制御回路２３に、Ａ相Ｂ相の位相差指令値を信号生成回路２５にそれぞれ出力する。
【００２９】
ここで、前記基準駆動信号の周波数指令値は、基準駆動信号の周波数を超音波振動子４の共振周波数に一致させるための指令値である。分割信号のパルス幅指令値は、超音波モータの速度に応じて決定される値であり、予め設定された所定の速度で定速制御を行う場合には、該所定の速度に対応して設定されているパルス幅をパラメータテーブルから読み出し、このパルス幅をパルス幅指令値とする。パルス幅は、速度が早いほど大きい値に設定されている。Ａ相Ｂ相の位相差指令値は、Ａ相とＢ相の位相差を予め設定されている最適な位相差（本実施形態では９０°）に一致させるための指令値である。
【００３０】
前記信号制御回路２３は、前記発振回路２１から入力される基準信号Ｓ１と制御ＣＰＵ２２から入力される周波数指令値とに基づいて、所定の周波数のパルス信号である基準駆動信号Ｓ２を生成し、これを信号生成回路２５に出力する。ここで、制御ＣＰＵ２２は、信号制御回路２３に対して、基準駆動信号の周波数を超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数に設定するための周波数指令値を与えるので、信号制御回路２３からは超音波振動子４の共振周波数と略同じ周波数の基準駆動信号が出力される。図８において示す信号ｂは、基準駆動信号Ｓ２の一例である。基準駆動信号の周期は、基準信号の周期の整数倍とされる。
【００３１】
また、信号制御回路２３は、発振回路２１から入力される基準信号Ｓ１と制御ＣＰＵ２２から入力されるパルス幅指令値とに基づいて、基準駆動信号Ｓ２よりも周波数が高く、超音波モータ２の速度に応じたパルス幅をもつ分割信号Ｓ３を生成し、これを信号生成回路２５に出力する。図８に示す信号ｃは、分割信号Ｓ３の一例である。ここで、分割信号の周期は、必ずしも一定である必要はない。例えば、基準駆動信号のハイレベル期間内において分割信号の周期が変化してもかまわない。また、基準駆動信号の周期は、分割信号の周期の整数倍である必要はない。
【００３２】
より詳細には、信号制御回路２３は、周波数制御回路、位相差制御回路、分割信号制御回路、及びパルスエッジ遅れ制御回路から成る。すなわち、周波数制御回路としては、パラメータテーブル２４における周波数の設定値に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、駆動信号の周波数を決める基準駆動信号を出力する。また、位相差制御回路としては、パラメータテーブル２４における位相差の設定値に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、２つの駆動信号、Ａ相信号とＢ相信号の位相差を制御する。さらに、分割信号制御回路としては、パラメータテーブル２４における分割信号の設定値（周期，パルス幅）に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、周波数制御回路で生成された基準駆動信号のハイレベル期間を更に高い周波数で分割するための信号を出力する。そして、パルスエッジ遅れ制御回路としては、パラメータテーブル２４におけるパルスエッジ遅れの設定値に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、駆動信号の立ち上がり、又は立ち下がりを遅らせる。
【００３３】
前記信号出力制御回路２６は、制御ＣＰＵ２２から当該信号出力制御回路２６を介して、直接信号生成回路２５の出力のＯＮ／ＯＦＦ、Ａ相信号、Ｂ相信号の出力順を制御することができる。また、パラメータテーブル２４に設定された設定値に基づき、信号生成回路２５から出力する駆動信号のパルス数や間欠駆動を行うための出力休止時間を制御する。
【００３４】
前記信号生成回路２５は、基準駆動信号Ｓ２と制御ＣＰＵ２２からのＡ相Ｂ相の位相差指令値とに基づいて、位相差が９０°であるＡ相の基準駆動信号とＢ相の基準駆動信号とを生成し、更に、Ａ相の基準駆動信号のハイレベル期間において信号制御回路２３から入力される分割信号をＡ相の駆動交番信号として出力し、Ｂ相の基準駆動信号のハイレベル期間において信号制御回路２３から入力される分割信号をＢ相の駆動交番信号として出力する。
【００３５】
これにより、Ａ相の基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成されたＡ相の駆動交番信号と、Ｂ相の基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成されたＢ相の駆動交番信号とが生成される。すなわち、前記信号生成回路２５は、基準駆動信号Ｓ２と制御ＣＰＵ２２からのＡ相Ｂ相の位相差指令値とに基づいて、位相差が９０°であるＡ相の基準駆動信号とＢ相の基準駆動信号とを生成する。なお、出力のＯＮ／ＯＦＦ制御は、信号出力制御回路２６によって行われる。
【００３６】
このとき、Ａ相、Ｂ相の駆動交番信号は、プラス側とマイナス側とに分けて生成される。図８において示す信号ｄは、Ａ相プラス側の駆動交番信号の一例であり、図８において示す信号ｅはＢ相プラス側の駆動交番信号の一例であり、図８において示す信号ｆはＡ相マイナス側の駆動交番信号の一例であり、図８において示す信号ｇはＢ相マイナス側の駆動交番信号の一例である。
【００３７】
図８に示すように、本第１実施形態においては、Ａ相とＢ相との位相差は９０°であり、また、プラス側の駆動交番信号とマイナス側の駆動交番信号とは、正負が逆であり、且つ位相が１８０°ずれている。
【００３８】
前記信号生成回路２５は、Ａ相プラス側の駆動交番信号、Ｂ相プラス側の駆動交番信号、Ａ相マイナス側の駆動交番信号、Ｂ相マイナス側の駆動交番信号をそれぞれ生成すると、これらの駆動交番信号をドライブ回路３０に出力する。
【００３９】
前記ドライブ回路３０は、図９に示すように、スイッチング素子で構成されたＨブリッジ回路３１とインピーダンスマッチング及び昇圧用のコイル３２とを備えている。このドライブ回路３０に、前記信号生成回路２５から各種駆動交番信号が入力されると、図１０に示す真理値表に従って、各駆動交番電圧ＯＵＴＡ＋、ＯＵＴＡ−、ＯＵＴＢ＋、ＯＵＴＢ−が出力される。
【００４０】
このとき、ドライブ回路３０はコイル３２を有しているので、パルス信号である駆動交番信号は、コイル３２の働きにより正弦波に近い波形に変換され、正弦波に近いＡ相、Ｂ相の駆動交番電圧が超音波振動子４が備えるＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｂ相（Ｂ＋，Ｂ−）の外部電極１１にそれぞれ印加される。
【００４１】
図１１には、信号生成回路２５からドライブ回路３０に供給されるＡ相（Ａ＋，Ａ−）の駆動交番信号、及び、ドライブ回路３０から超音波振動子４のＡ相（Ａ＋，Ａ−）に印加される駆動交番電圧ＯＵＴ（Ａ＋，Ａ−）の一例が示されている。
【００４２】
ここで、超音波振動子４に励起されている縦振動は、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）の内部電極８により検出され、この縦振動に比例する電気信号がＣ相（Ｃ＋，Ｃ−）の外部電極１１を介して位相差検出回路２８に入力される。
【００４３】
また、位相差検出回路２８には、信号生成回路２５からいずれか一つの駆動交番信号、例えば、Ａ相プラス側の駆動交番信号が入力される。位相差検出回路２８は、超音波振動子４の外部電極１１を介して入力された振動検出信号と信号生成回路２５から入力される駆動交番信号との位相差を検出し、この位相差に比例する電気信号を制御ＣＰＵ２２に出力する。これにより、超音波振動子４の位相に関するフィードバックループが形成され、超音波振動子４の位相差を一定（例えば、９０°）とするためのフィードバック制御が制御ＣＰＵ２２において行われる。
【００４４】
次に、上述したような構成を備える駆動装置３により実現される超音波モータ２の駆動方法について説明する。まず、超音波モータ２の起動時において、発振回路２１から信号制御回路２３に基準信号が入力される。一方、制御ＣＰＵ２２は、パラメータテーブルに設定されている超音波モータ２の駆動周波数を読み出し、この共振周波数を周波数指令値として信号制御回路２３に与える。
【００４５】
また、制御ＣＰＵ２２は、初期値として設定されている分割信号の周波数およびパルス幅をパラメータテーブル２４から読み出し、これらを信号制御回路２３に与える。更に、制御ＣＰＵ２２は、パラメータテーブル２４から初期値として設定されているＡ相とＢ相との位相差を読み出し、これを信号生成回路２５に与える。これにより、信号制御回路２３により超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数に設定された基準駆動信号Ｓ２が生成されて信号生成回路２５に出力される。また、信号制御回路２３において、制御ＣＰＵ２２により与えられた周波数およびパルス幅のパルス信号である分割信号Ｓ３が生成され、これが信号生成回路２５に出力される。
【００４６】
信号生成回路２５では、基準駆動信号Ｓ２及び制御ＣＰＵ２２からの位相差に基づいて所定の位相差をもつＡ相（Ａ＋，Ａ−）に対応する基準駆動信号とＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）に対応する基準駆動信号とが生成され、更に、これら各相のハイレベル期間において分割信号Ｓ３が駆動交番信号として出力される。この結果、図８に示す信号ｅから信号ｇに示されるように、Ａ相，Ｂ相に対応する基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成された各駆動交番信号が生成されることとなる。
【００４７】
Ａ相、Ｂ相の駆動交番信号は、ドライブ回路３０により正弦波の駆動交番電圧に変換されて、超音波振動子４の各外部電極１１に印加される。これにより、超音波振動子には図５及び図６に示すような縦振動と屈曲振動とが同時に励起され、その摩擦接触子１０に楕円振動が形成されることにより被駆動体が相対的に移動させられる。
【００４８】
超音波振動子４に励起された縦振動は、Ｃ相の内部電極８及び外部電極１１により検出され、振動検出信号が位相差検出回路２８に入力される。位相差検出回路２８では、超音波振動子４に励起されている縦振動と信号生成回路２５から出力されるＡ相の駆動交番信号との位相差が検出され、この位相差に応じた電気信号が制御ＣＰＵ２２に出力される。
【００４９】
制御ＣＰＵ２２は、位相差検出回路２８により検出された位相差（以下「検出位相差」という。）と目標位相差とを比較し、検出位相差が目標位相差となるような周波数指令値を生成し、これを信号制御回路２３に与える。
【００５０】
また、制御ＣＰＵ２２は、エンコーダ信号処理回路３５から入力されるカウント値から被駆動体５の移動量を求め、この移動量をサンプリング周期で割ることで超音波モータ２の駆動速度を計算する。そして、この駆動速度が目標速度よりも大きい場合には、分割信号のパルス幅を減少させるパルス幅指令値を作成し、また、駆動速度が目標速度よりも小さい場合には、分割信号のパルス幅を増加させるパルス幅指令値を作成し、これを信号制御回路２３に与える。これにより、図１２に示されるように、超音波モータ２の速度に応じてパルス幅が調整された分割信号が生成され、出力される。
【００５１】
このようにして、駆動速度や位相差のフィードバック制御が行われながら安定したモータ駆動が行われ、エンコーダ信号処理回路３５から通知されるカウント数が予め設定されているカウント数に達すると、制御ＣＰＵ２２は、被駆動体５が所望の位置まで移動したと判断し、信号生成回路２５に駆動停止指令を出力する。これにより、信号生成回路２５から駆動交番信号が出力されなくなることにより、超音波振動子４の振動が徐々に収束し、停止することとなる。
【００５２】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置による速度制御について詳細に説明する。
【００５３】
超音波モータ２の駆動速度は次のように検出される。まず、制御ＣＰＵ２２は、任意の周期毎にパラメータテーブル２４からエンコーダ３３のカウント値（以降、エンコーダカウント値と称する）を読み出し、このエンコーダカウント値から駆動位置を求める。そして、サンプリングの周期とサンプリング周期間の駆動位置の変化量とに基づいて、超音波モータ２の駆動速度を算出する。
【００５４】
ここで、超音波モータ２を一定速度に制御する場合には、制御ＣＰＵ２２において、制御したい基準速度と検出した駆動速度とを比較して、検出した駆動速度が前記基準速度より大きい速度である場合は、信号制御回路２３で分割信号のパルス幅が小さくなるように、制御ＣＰＵ２２は分割信号のパルス幅のパラメータテーブル２４に設定値を与える。一方、検出した駆動速度が前記基準速度よりも小さい速度である場合には、信号制御回路２３で分割信号のパルス幅が大きくなるように、制御ＣＰＵ２２はパラメータテーブル２４に分割信号のパルス幅の設定値を与える。
【００５５】
駆動速度を制御する為のパラメータとしては、信号制御回路２３で設定する分割信号のパルス幅の他に、信号制御回路２３で設定する駆動信号の周波数、信号制御回路２３で設定するＡ相／Ｂ相駆動信号の位相差、信号制御回路２３で設定する駆動信号のパルス幅があり、これらのパラメータを用いることによっても、分割信号のパルス幅による場合と同等の効果を得ることができる。
【００５６】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置による位置制御について詳細に説明する。
【００５７】
まず、当該超音波モータ２の駆動位置の検出は、次のように行う。すなわち、制御ＣＰＵ２２は、エンコーダカウント値をパラメータテーブル２４から読み出し、このエンコーダカウント値と駆動位置との関係式から、超音波モータ２の現在の駆動位置を求める。
【００５８】
そして、超音波モータ２を所定の位置で停止させるには、主として次の二通りの方法を挙げることができる。
【００５９】
（方法１） 制御ＣＰＵ２２は、任意の周期でエンコーダカウント値をパラメータテーブル２４から読み出し、このカウント値が、所定のカウント値又はカウント値から算出した所定の位置を超えたと判断したとき、制御ＣＰＵ２２は信号出力制御回路２６に停止信号を出力して駆動信号の出力を停止させ、超音波モータ２の駆動を停止させる。
【００６０】
（方法２） エンコーダカウント値がパラメータテーブル２４に設定された所定のカウント値を超えた場合には、信号出力制御回路２６から信号生成回路２５に、超音波モータ２の駆動を停止させる信号が自動的に出力される機能により、超音波モータ２の駆動を停止させる。
【００６１】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置による停止制御について詳細に説明する。
【００６２】
図１３は、信号制御回路２３の出力を単純に停止させることで超音波モータ２を停止させたときの、当該超音波モータ２の駆動速度の変化の様子を示す図である。
【００６３】
超音波モータ２の振動系は固有振動数を有している。従って、超音波モータ２を停止させる際、上述した駆動信号の印加を単純に終了して超音波モータ２を停止させた場合、図１３に示すように、超音波モータ２の振動系の固有振動数に応じた残存振動が生じてしまう。この結果、残存振動の持続時間分だけ、停止に要する時間が長くなってしまう。また、当然ながら停止位置精度も悪化してしまう。
【００６４】
そこで、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置では、超音波モータ２を駆動停止させる際に、信号制御回路２３の出力を一旦停止させた後、所定のタイミングでバースト信号を超音波振動子４に印加することによりバースト駆動を行う。ここでバースト信号とは、例えば図１４（ｂ）に示すような、複数のパルス信号の一団である。
【００６５】
すなわち、通常の連続駆動の際には、前記超音波振動子４に対して、図１４（ａ）に示すようにパルス信号が連続して印加され続けるが、バースト駆動の際には、図１４（ｂ）に示すように、ひとまとまりとされた複数のパルス信号から成るバースト信号が前記超音波振動子４に印加される。
【００６６】
図１５に示すグラフは、超音波モータ２を停止させる際に、信号制御回路２３の出力を一旦停止させた後、所定のタイミングで単発のバースト信号によりバースト駆動する場合の、当該超音波モータ２の駆動速度の変化の様子を示す図である。
【００６７】
一方、図１６は、超音波モータ２を停止させる際に、図１５に示すようなバースト信号によるバースト駆動を行わない場合の、当該超音波モータ２の駆動速度の変化の様子を示す図である。
【００６８】
図１５及び図１６を比較すると分かるように、超音波モータ２を停止させる際に、信号制御回路２３の出力を一旦停止させた後、所定のタイミングで単発のバースト信号によりバースト駆動することで、超音波モータ２の振動系の固有振動数に応じた残存振動が生じてしまうことを大きく抑止することができる。
【００６９】
つまり、超音波モータ２の停止時に、設定された所定の位置に超音波モータが到達したとき、駆動信号を連続駆動からバースト駆動に切り替えることで、前記残存振動は抑制されて、図１５に示すように速度の変動を小さくして速やかに停止させることができる。
【００７０】
ここで、前記残存振動の最初の振動の周期をＴとすると、残存振動を効果的に抑制する為には、図１３に示すＴ／２の期間（超音波モータ２がそれまで進行していた方向とは逆方向に動こうとする最初の振動の周期の１／２の期間）に、バースト信号を前記超音波振動子４に印加してバースト駆動を行うことが好ましい。
【００７１】
なお、上述したようにバースト駆動を行う場合、残存振動の状態に合わせたより詳細な駆動制御を行っても良い。例えば、残存振動が比較的大きい振動の場合には、超音波振動子４の共振周波数により近い周波数でバースト駆動すると良い。一方、残存振動が比較的小さな振動の場合には、超音波振動子４の共振周波数から離れた周波数でバースト駆動してもよい。
【００７２】
このように、バースト駆動の為のバースト信号の周波数を、残存振動の状態に応じて適宜変更してバースト駆動を行うことで、より効果的に残存振動を抑制することができる。
【００７３】
以上説明したように、本第１実施形態によれば、超音波モータの停止制御において、停止位置精度の高精度化及び良好な応答性を実現し、且つ回路の簡略化を実現した超音波モータの駆動装置を提供することができる。
【００７４】
すなわち、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置では、超音波モータを停止させる際に、連続駆動からバースト駆動に切り換えることで、当該超音波モータの振動系全体の振動を打ち消す。
【００７５】
これにより、当該超音波モータを効率よく減速させて停止させることができ、且つ停止位置精度を向上させることができる。また、前記超音波振動子４の振動を検出する為の手段と、該振動を検出する手段による検出結果に基づいて駆動信号の位相を遅らせる為の手段とを必要としない為、駆動回路の簡略化も実現できる。
【００７６】
さらに、バースト駆動を行う際に、上述したように残存振動の状態に合わせてバースト駆動の為のバースト信号の周波数を変更することで、より効率良く当該超音波モータの振動系全体の振動を打ち消すことができる。
【００７７】
[第２実施形態]
以下、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの駆動装置について説明する。なお、前記第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置との相違点のみを説明する。
【００７８】
前記第１実施形態においては、図１５及び図１６を参照して説明したように、超音波モータ２を駆動停止させる際に、信号制御回路２３の出力を一旦停止させた後、所定のタイミングで単発のバースト信号を超音波振動子４に印加することによってバースト駆動を行い、超音波モータ２の振動系の固有振動数に応じた残存振動が生じることを抑止していた。
【００７９】
一方、本第２実施形態においては、図１７に示すように、超音波モータ２を駆動停止させる際に、信号制御回路２３の出力を一旦停止させた後、所定の期間に渡って複数のバースト信号を前記超音波振動子４に印加することによってバースト駆動を行う。これにより、超音波モータ２の振動系の固有振動数に応じた残存振動が生じることを抑止する。
【００８０】
ここで、前記複数のバースト信号の印加周期は、少なくとも残存振動の周期Ｔよりも短い周期であるとする。また、前記複数回のバースト駆動のうち少なくとも一回のバースト駆動は、超音波モータ２がそれまで進行していた方向とは逆方向に動こうとする最初の振動の周期の１／２の期間（図１３に示す２／Ｔの期間）中に行われることが好ましい。
【００８１】
以上説明したように、本第２実施形態によれば、超音波モータ２の駆動停止時に上述したバースト駆動を行うことで、当該超音波モータ２の振動系全体の振動を打ち消して残存振動を抑制し、当該超音波モータ２を効率よく減速させて停止させることができ且つ停止位置精度を向上させることができるという前記第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置と同様の効果を奏する超音波モータの駆動装置を提供することができる。
【００８２】
以上、第１実施形態及び第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。
【００８３】
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波モータシステムの概略一構成例を示すブロック図。
【図２】超音波振動子の一構成例を示す図。
【図３】内部電極を備えた圧電セラミックスシートの一構成例を示す図。
【図４】内部電極を備えた圧電セラミックスシートの一構成例を示す図。
【図５】圧電積層体の縦振動を示す図。
【図６】圧電積層体の屈曲振動を示す図。
【図７】駆動装置の内部概略構成を示す図。
【図８】基準信号の一例を示す図。
【図９】ドライブ回路の一構成例を示す図。
【図１０】ドライブ回路に信号生成回路から各種駆動交番信号が入力された場合における入出力値の真理値表を示す図。
【図１１】ドライブ回路に与えられる駆動交番信号及び超音波振動子に与えられる駆動交番電圧のグラフを示す図。
【図１２】超音波モータの速度に応じてパルス幅が調整された分割信号が生成され、出力される様子のグラフを示す図。
【図１３】信号制御回路の出力を単純に停止させることで超音波モータを停止させたときの、当該超音波モータの駆動速度の変化の様子を示す図。
【図１４】（ａ）は、連続駆動の為のパルス信号を示す図。（ｂ）は、バースト駆動の為のバースト信号を示す図。
【図１５】超音波モータの停止時にバースト駆動に切り替えることで、残存振動を抑制した場合の当該超音波モータの駆動速度の変化の様子を示す図。
【図１６】バースト信号によるバースト駆動を行わない場合の、当該超音波モータの駆動速度の変化の様子を示す図。
【図１７】第２実施形態に係る超音波モータの駆動装置による停止制御の一例を示す図。
【符号の説明】
【００８５】
１…超音波モータシステム、 ２…超音波モータ、 ３…駆動装置、 ４…超音波振動子、 ５…被駆動体、 ７…圧電セラミックスシート、 ８…内部電極、 ９…圧電積層体、 １０…摩擦接触子、 １１…外部電極、 ２１…発振回路、 ２２…制御ＣＰＵ、 ２３…信号制御回路、 ２４…パラメータテーブル、 ２５…信号生成回路、 ２６…信号出力制御回路、 ２８…位相差検出回路、 ３０…ドライブ回路、 ３１…Ｈブリッジ回路、 ３２…コイル、 ３３…エンコーダ、 ３５…エンコーダ信号処理回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動部材に当接する駆動子を備える振動子に、所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の駆動交番信号を印加することにより、前記振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記駆動子によって前記被駆動部材を駆動する超音波モータの駆動装置であって、
前記駆動交番信号を生成して前記振動子に印加することで前記被駆動部材を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段による前記被駆動部材の駆動が停止した後、前記被駆動部材における残存振動を抑制する為のバースト信号を前記振動子に印加してバースト駆動を行うバースト駆動手段と、
を具備することを特徴とする超音波モータの駆動装置。
【請求項２】
前記バースト駆動手段は、前記駆動手段による前記被駆動部材の駆動が停止した後、所定時間後に単発のバースト信号を前記振動子に印加してバースト駆動を行うことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項３】
前記バースト駆動手段は、前記駆動手段による前記被駆動部材の駆動が停止した後、所定期間に渡って複数回のバースト信号を前記振動子に印加してバースト駆動を行うことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項４】
前記バースト駆動手段は、少なくとも、前記残存振動における最初の振動の１／２周期の期間は前記バースト駆動を行うことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項５】
前記バースト駆動手段により前記振動子に印加される前記バースト信号の周波数は、前記駆動手段による前記駆動交番信号の周波数と異なる周波数であることを特徴とする請求項４に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項１】
被駆動部材に当接する駆動子を備える振動子に、所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の駆動交番信号を印加することにより、前記振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記駆動子によって前記被駆動部材を駆動する超音波モータの駆動装置であって、
前記駆動交番信号を生成して前記振動子に印加することで前記被駆動部材を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段による前記被駆動部材の駆動が停止した後、前記被駆動部材における残存振動を抑制する為のバースト信号を前記振動子に印加してバースト駆動を行うバースト駆動手段と、
を具備することを特徴とする超音波モータの駆動装置。
【請求項２】
前記バースト駆動手段は、前記駆動手段による前記被駆動部材の駆動が停止した後、所定時間後に単発のバースト信号を前記振動子に印加してバースト駆動を行うことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項３】
前記バースト駆動手段は、前記駆動手段による前記被駆動部材の駆動が停止した後、所定期間に渡って複数回のバースト信号を前記振動子に印加してバースト駆動を行うことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項４】
前記バースト駆動手段は、少なくとも、前記残存振動における最初の振動の１／２周期の期間は前記バースト駆動を行うことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項５】
前記バースト駆動手段により前記振動子に印加される前記バースト信号の周波数は、前記駆動手段による前記駆動交番信号の周波数と異なる周波数であることを特徴とする請求項４に記載の超音波モータの駆動装置。
【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１７】
【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１７】
【公開番号】特開２００９−８９５１７（Ｐ２００９−８９５１７Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５６１５１（Ｐ２００７−２５６１５１）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【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２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【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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