CN101207342B - 超声波马达及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明能够防止被驱动体的旋转的不稳的发生，并且将超声波马达的驱动效率保持为一定，实现稳定的马达驱动。超声波马达是具有交替地层叠了多个压电陶瓷片的振子、和对振子施加两相的共通的驱动交变电压的控制装置、使振子同时产生纵振动和弯曲振动、使振子的摩擦接触元件产生大致椭圆振动、使振子与接触在其上的转子相对地移动的马达，控制装置具备：振动检测电路，检测振子的振动，输出平均的振动检测信号；相位比较电路，检测对振子施加的两相的驱动交变电压的任一个与平均的振动检测信号的相位差；频率控制电路，控制驱动交变电压的频率，以使该相位差成为规定的值。
Description
本申请基于日本专利申请第2006-343978号，这里引用其全部内容。
技术领域
本发明涉及超声波马达。
背景技术
近年来，作为代替电磁型马达的新的马达，超声波马达受到关注。该超声波马达与以往的电磁型马达相比具有如以下优点。
(1)没有齿轮而能够得到高转矩。
(2)在电关闭时具有保持力。
(3)高分解能力。
(4)静音性良好。
(5)不发生磁干扰，并且也不受干扰的影响。
作为以往的超声波马达，例如在日本特开平11-235062号公报中公开了使用3个将压电元件粘接在弹性体上的构造的振子的旋转马达。在日本特开平11-235062号公报中，通过对于各振子分别设置驱动电路、对各振子单独地施加最适合的频率的信号，来驱动各振子。
在上述日本特开平11-235062号公报中公开的旋转马达中，在各个振子的驱动频率全部相等的情况下，被驱动体进行没有不稳的旋转。但是，在驱动频率中发生了偏差的情况下，有对应于该驱动频率的差而发生拍音现象、以比超声波区域的频率低很多的频率、例如几十Hz左右的频率在被驱动体的旋转中发生不稳的问题。
发明内容
本发明是鉴于这样的情况而做出的，目的是提供一种能够防止被驱动体的旋转的不稳的发生、并且将马达的驱动效率保持为一定、能够实现稳定的马达驱动的超声波马达。
为了解决上述问题，本发明采用以下的手段。
本发明的第1技术方案是一种超声波马达，具有交替地层叠了第1压电元件和第2压电元件的多个超声波振子、和对多个该超声波振子施加两相的共通的驱动交变电压的控制部，使各上述超声波振子同时产生纵振动和弯曲振动，使各上述超声波振子的输出端产生大致椭圆振动，使各上述超声波振子与接触在各上述超声波振子上的被驱动体相对地移动，其特征在于，上述控制部具备：振动检测机构，检测各上述超声波振子的振动，输出平均的振动检测信号；相位比较机构，检测对各上述超声波振子施加的两相的上述驱动交变电压的任一个与上述平均的振动检测信号的相位差；频率控制机构，控制上述驱动交变电压的频率，以使由该相位比较机构检测的相位差成为规定的值。
根据本技术方案，由于通过控制部对多个超声波振子施加共通的两相的驱动交变电压，所以能够使各超声波振子的驱动频率一致。因而，能够减少通过各超声波振子的输出端大致椭圆运动而旋转的被驱动体的拍音现象，防止在被驱动体的旋转中发生不稳。
此外，根据上述技术方案，通过振动检测机构检测各超声波振子的振动，将与各超声波振子的振动成比例的振动检测信号的平均振动检测信号输入到相位比较机构中。在相位比较机构中，将该平均的振动检测信号与对各超声波振子施加的两相的驱动交变电压的任一个比较，检测两者间的相位差。并且，通过频率控制机构的动作，控制对各超声波振子施加的两相的驱动交变电压的频率，以使该相位差成为规定的值。
由此，能够对各超声波振子施加适当的频率的驱动交变电压。进而，通过着眼于对超声波振子施加的驱动交变电压和与超声波振子的振动成比例的振动检测信号的相位差来控制驱动频率，即使在例如环境温度变化而在频率特性中发生偏差的情况下，也能够迅速地使驱动频率追随于该环境温度的变化。
结果，能够防止被驱动体的旋转的不稳的发生，并且稳定地保持超声波马达的驱动效率，能够实现稳定的马达驱动。
另外，所谓的振动检测机构，在第1实施方式中，包括设在振子1中的C相的内部电极56(参照例如图9、图10)、和设在振子2中的C相的内部电极56与振动检测电路66(参照图16)。
本发明的第2技术方案的超声波马达，具有交替地层叠了第1压电元件和第2压电元件的多个超声波振子、和对多个该超声波振子施加两相的共通的驱动交变电压的控制部，使各上述超声波振子同时产生纵振动和弯曲振动，使各上述超声波振子的输出端产生大致椭圆振动，使各上述超声波振子与接触在各上述超声波振子上的被驱动体相对地移动，其特征在于，上述控制部具备：振动检测机构，检测各上述超声波振子的振动，输出各振动检测信号；相位比较机构，分别检测对各上述超声波振子施加的两相的上述驱动交变电压的任一个与各上述振动检测信号的相位差；选择机构，选择由该相位比较机构检测到的多个上述相位差中的最大的相位差；频率控制机构，控制上述驱动交变电压的频率，以使由该选择机构选择的相位差成为规定的值。
根据本技术方案，由于通过控制部对多个超声波振子施加共通的两相的驱动交变电压，所以能够使各超声波振子的驱动频率一致。因而，能够减少通过各超声波振子的输出端大致椭圆运动而旋转的被驱动体的拍音现象，防止在被驱动体的旋转中发生不稳。
此外，根据上述技术方案，通过振动检测机构检测各超声波振子 的振动，将与各超声波振子的振动成比例的振动检测信号输入到相位比较机构中。在相位比较机构中，将各相位检测信号与对各超声波振子施加的两相的驱动交变电压的任一个比较，分别检测其相位差。并且，由选择机构选择这些相位差中的最大的相位差，通过频率控制机构的动作，控制对各超声波振子施加的两相的驱动交变电压的频率，以使所选择的相位差成为规定的值。
由此，对各超声波振子施加相位差最大的超声波振子的共振频率的驱动交变电压，来驱动各超声波振子，所以能够不损害各超声波振子的驱动力而高效率地驱动所有的超声波振子。进而，通过着眼于对超声波振子施加的驱动交变电压和与超声波振子的振动成比例的振动检测信号的相位差来控制驱动频率，即使在例如环境温度变化而在频率特性中发生偏差的情况下，也能够迅速地使驱动频率追随于该环境温度的变化。
结果，能够防止被驱动体的旋转的不稳的发生，并且即使在例如在各超声波振子的共振频率中存在比较大的差的情况下，也能够实现驱动力较大的稳定的马达驱动。
另外，所谓的振动检测机构，在第2实施方式中，包括设在振子1中的C相的内部电极56(参照例如图9、图10)、设在振子2中的C相的内部电极56以及振动检测电路82、84(参照图21)。
在有关上述第1技术方案或第2技术方案的超声波马达中，上述振动检测信号也可以是与各上述超声波振子的纵振动成比例的纵振动检测信号或弯曲振动成比例的弯曲振动检测信号。
本发明的第3技术方案是一种超声波马达的驱动方法，该驱动方法对交替地层叠了第1压电元件和第2压电元件的多个超声波振子施加两相的共通的驱动交变电压，使各上述超声波振子同时产生纵振动和弯曲振动，使各上述超声波振子的输出端产生大致椭圆振动，使各上述超声波振子与接触在各上述超声波振子上的被驱动体相对地移 动，其特征在于，具备：振动检测过程，检测各上述超声波振子的振动，输出平均的振动检测信号；相位比较过程，检测对各上述超声波振子施加的两相的上述驱动交变电压的任一个与上述平均的振动检测信号的相位差；频率控制过程，控制上述驱动交变电压的频率，以使由该相位比较过程检测的相位差成为规定的值。
根据本技术方案，由于对多个超声波振子施加共通的两相的驱动交变电压，所以能够使各超声波振子的驱动频率一致。因而，能够减少通过各超声波振子的输出端大致椭圆运动而旋转的被驱动体的拍音现象，防止在被驱动体的旋转中发生不稳。
此外，根据上述技术方案，检测各超声波振子的振动，得到这些振动检测信号的平均的振动检测信号。接着，将该平均的振动检测信号与对各超声波振子施加的两相的驱动交变电压的任一个比较，检测两者间的相位差。并且，控制对各超声波振子施加的两相的驱动交变电压的频率，以使该相位差成为规定的值。
由此，能够对各超声波振子施加适当的频率的驱动交变电压。进而，通过着眼于对超声波振子施加的驱动交变电压和与超声波振子的振动成比例的振动检测信号的相位差来控制驱动频率，即使在例如环境温度变化而在频率特性中发生偏差的情况下，也能够迅速地使驱动频率追随于该环境温度的变化。
结果，能够防止被驱动体的旋转的不稳的发生，并且稳定地保持超声波马达的驱动效率，能够实现稳定的马达的驱动方法。
本发明的第4技术方案的超声波马达的驱动方法，该驱动方法对交替地层叠了第1压电元件和第2压电元件的多个超声波振子施加两相的共通的驱动交变电压，使各上述超声波振子同时产生纵振动和弯曲振动，使各上述超声波振子的输出端产生大致椭圆振动，使各上述超声波振子与接触在各上述超声波振子上的被驱动体相对地移动，其特征在于，具备：振动检测过程，检测各上述超声波振子的振动，输 出各振动检测信号；相位比较过程，分别检测对各上述超声波振子施加的两相的上述驱动交变电压的任一个与各上述振动检测信号的相位差；选择过程，选择由该相位比较过程检测到的多个上述相位差中的最大的相位差；频率控制过程，控制上述驱动交变电压的频率，以使由该选择过程选择的相位差成为规定的值。
根据本技术方案，由于对多个超声波振子施加共通的两相的驱动交变电压，所以能够使各超声波振子的驱动频率一致。因而，能够减少通过各超声波振子的输出端大致椭圆运动而旋转的被驱动体的拍音现象，防止在被驱动体的旋转中发生不稳。
此外，根据上述技术方案，检测各超声波振子的振动，得到振动检测信号。接着，将各相位检测信号与对各超声波振子施加的两相的驱动交变电压的任一个比较，分别检测其相位差。并且，选择这些相位差中的最大的相位差，控制对各超声波振子施加的两相的驱动交变电压的频率，以使所选择的相位差成为规定的值。
由此，对各超声波振子施加相位差最大的超声波振子的共振频率的驱动交变电压，来驱动各超声波振子，所以能够不损害各超声波振子的驱动力而高效率地驱动所有的超声波振子。进而，通过着眼于对超声波振子施加的驱动交变电压和与超声波振子的振动成比例的振动检测信号的相位差来控制驱动频率，即使在例如环境温度变化而在频率特性中发生偏差的情况下，也能够迅速地使驱动频率追随于该环境温度的变化。
结果，能够防止被驱动体的旋转的不稳的发生，并且即使在例如在各超声波振子的共振频率中存在比较大的差的情况下，也能够实现驱动力较大的稳定的马达驱动。
在有关上述第3技术方案或第4技术方案的超声波马达驱动方法中，上述振动检测信号也可以是与各上述超声波振子的纵振动成比例的纵振动检测信号或与弯曲振动成比例的弯曲振动检测信号。
根据本技术方案，起到能够防止被驱动体的旋转的不稳的发生、并且将超声波马达的驱动效率保持为一定、能够实现稳定的马达驱动的效果。
附图说明
图1是表示有关本发明的超声波马达的概略图。
图2是从图1的A-A方向看的剖视图。
图3是表示构成图1的超声波马达的板弹簧保持部件的背面的概略图。
图4是表示构成图1的超声波马达的板弹簧保持部件的侧面的概略图。
图5是从有关本发明的超声波马达去除了板弹簧保持部件后的概略图。
图6是表示图1的超声波马达的超声波振子的概略图。
图7是从另一角度观察图6的超声波振子的概略图。
图8是表示构成图6的超声波振子的压电层叠体的概略图。
图9是表示构成图8的压电层叠体的压电陶瓷片的立体图。
图10是表示构成图8的压电层叠体的压电陶瓷片的立体图。
图11是通过计算机解析表示图8的压电层叠体以1次的纵振动进行振动的状况的图。
图12是通过计算机解析表示图8的压电层叠体以2次的弯曲振动进行振动的状况的图。
图13是用来说明在设于压电陶瓷片上的内部电极中产生的电荷状态的图，是将压电陶瓷片划分为4个区域的图。
图14是表示在激励纵振动时、在图13所示的各区域中激励的电荷状态的图。
图15是表示在激励弯曲振动时、在图13所示的各区域中激励的 电荷状态的图。
图16是表示有关本发明的第1实施方式的控制装置的概略结构的框图。
图17是表示通过驱动脉冲发生电路生成的两相的驱动控制信号的图。
图18是表示A相的驱动控制信号和振动检测信号的图。
图19是表示驱动频率-马达速度的关系的图。
图20是表示驱动频率-相位差的特性的图。
图21是表示有关本发明的第2实施方式的控制装置的概略结构的框图。
图22是表示驱动频率与驱动力的关系的图。
图23是表示驱动频率与相位差的特性的图。
具体实施方式
以下，参照附图对有关本发明的第1实施方式的超声波马达进行说明。
[第1实施方式]
图1是表示有关本实施方式的超声波马达10的俯视图，图2是从图1的A-A方向看的剖视图。
有关本实施方式的超声波马达10如图1所示，是呈圆环形状的旋转型马达。
超声波马达10具备马达机构12、和后述的控制装置(控制部)60(参照图16)。
上述马达机构12如图2及图5所示，具备旋转自如地支撑在圆环状的基座4上的圆环状的转子(被驱动体)6、接触在设于该转子6上的滑动部件8上、产生对转子6施加的旋转力的振子(超声波振子)1、2、支撑该振子1、2的圆环状的盖14、和安装在该盖14上、 将振子1、2推压在滑动部件8上的板弹簧保持部件16。
另外，滑动部件8使用例如铝陶瓷。
在基座4及转子6的对置面上设有相互对置的圆环状的V槽18、20，在这些基座4及转子6的V槽18、20之间，在通过护圈26隔开间隔的状态下夹持有多个球24。
在转子6上，在其一部分上设有向半径方向内侧突出的输出取出部28。
上述振子1、2在图1所示的盖14的周方向上隔开间隔而设在两个部位上。
上述板弹簧保持部件16具备对振子1、2施加推压力的板弹簧30，通过螺钉32(参照图1)固定在盖14上。如图3及图4所示，在板弹簧30上，在其中央部设有突起33，对振子1、2的大致中央位置施加推压力。
如图5所示，在盖14上，在周方向上隔开间隔而在两个部位上设有收容振子1、2的落入孔34。在各落入孔34中，设有使固定在后述的振子保持部件52上的销54(参照图6及图7)在周方向上卡合的凹部36。
另外，图2的标号38表示基座4与盖14的连结部件，图3及图4的标号42表示小螺钉，标号44表示使螺钉32通过的孔，图5的标号40表示螺钉32的螺孔。
接着，对上述振子1、2详细地进行说明。
振子1、2如图6所示，具备将在矩形板状的压电陶瓷片(机电变换元件)46的单侧面上设有片状的内部电极56(参照图9及图10)的结构层叠多片而成的长方体状的压电层叠体48、粘接在该压电层叠体48的一侧面上的两个摩擦接触元件50(输出端)、和振子保持部件52。
压电层叠体48如图8所示，形成为例如长度20mm、宽度5.0mm、 厚度3.2mm的外形尺寸。构成压电层叠体48的压电陶瓷片46例如是厚度约80μm的钛酸锆酸铅类压电陶瓷元件(以下称作PZT)。作为PZT，优选地使用Qm值较大的硬类材料。Qm值是约1800。
此外，内部电极56如图9及图10所示，由例如厚度约4μm的银钯合金构成。配置在层叠方向的一端的压电陶瓷片46a(参照图6～图8)不具备内部电极56。除此以外的压电陶瓷片46具备图9及图10所示那样的两种内部电极56。
图9所示的压电陶瓷片(第1压电元件)46具备驱动用的内部电极56(A+)、56(B+)、和振动检测用的内部电极56(C+)。
内部电极56(C+)在压电陶瓷片46的宽度方向的中央部上，沿着压电陶瓷片46的长度方向设置成带状。具体而言，内部电极56(C+)如图13所示那样配置为，在将压电陶瓷片46在长度方向上两等分及在宽度方向上两等分、划分为由第1区域至第4区域构成的4个区域的情况下，使第1到第4的各区域中的占用面积大致相等。
另外，内部电极56(C+)也可以代替上述配置例而配置为，使4个区域中的、规定的两个相邻的区域的占用面积大致相等，并且其他两个相邻的区域的占用面积大致相等。例如，也可以使第1区域和第2区域为相同的占用面积、第3区域和第4区域为相同的占用面积。在此情况下，第1区域和第3区域的占用面积也可以不同。此外，也可以不是遍及4个区域配置内部电极56(C+)、而是遍及相邻的两个区域配置内部电极56(C+)。例如，也可以将例如内部电极56(C+)配置为，使得遍及第3区域和第4区域、相互的区域的占用面积大致相等。
此外，驱动用的内部电极56(A+)、56(B+)沿着压电陶瓷片46的长度方向以一列配置。在本实施方式中，内部电极56(A+)配置在图13的第4区域中，内部电极56(B+)配置在第3区域中。
同样，图10所示的压电陶瓷片(第2压电元件)46具备驱动用 的内部电极56(A-)、56(B-)、和振动检测用的内部电极56(C-)。
内部电极56(C-)在图10所示的压电陶瓷片46中，配置在与图9所示的压电陶瓷片46的内部电极56(C+)对应的位置上。同样，对于内部电极56(A-)、56(B-)，也配置在分别与图9所示的压电陶瓷片46的内部电极56(A+)、56(B+)对应的位置上。
上述各内部电极56在压电陶瓷片46的宽度方向上隔开约0.4mm的绝缘距离而设置，并且在压电陶瓷片46的长度方向上隔开约0.4mm的绝缘距离而设置。另外，各内部电极56的一部分延伸到压电陶瓷片46的周缘，连接在后述的各外部电极58(参照图6～图8)上。
成带状地设置在压电陶瓷片46的中央的内部电极56(C+)、56(C-)都具有大致相同的大小，并且，内部电极56(A+)、56(B+)、56(A-)、56(B-)具有大致相同的大小。
通过将图9所示的压电陶瓷片46与图10所示的压电陶瓷片46交替地层叠多片，构成长方体状的压电层叠体48。
在这样构成的压电层叠体48的长度方向的端面上，分别设有用来将配置在各压电陶瓷片46上的同种的内部电极56(A+)至内部电极56(C-)分别连接的外部电极58。
具体而言，如图6～图8所示，在压电层叠体48的长度方向的一端上，从压电层叠体48的另一侧面一侧(图中上侧)开始设有C相的外部电极58(C+)、B相的外部电极58(B+)、58(B-)，在与其对置的面上设有C相的外部电极58(C-)、A相的外部电极58(A+)、58(A-)。
A相的外部电极58及B相的外部电极58是驱动用的外部电极，C相的外部电极58是振动检测用的外部电极。在各外部电极58上分别连接有配线。该配线可以是导线、柔性基板等，只要是具有柔性的配线，可以是任意的结构。
具体而言，分别连接在A相的外部电极58(A+)、58(A-)上的一对配线、以及分别连接在B相的外部电极58(B+)、58(B-)上的一对配线如图16所示，分别作为A相、B相的驱动用信号线，连接在控制装置60的驱动IC64上。
此外，如图16所示，分别连接在振子1的C相的外部电极58(C+)及振子2的C相的外部电极58(C+)上的一对配线L1连接在控制装置60的振动检测电路66上。
同样，分别连接在振子1的C相的外部电极58(C-)及振子2的C相的外部电极58(C-)上的一对配线L2连接在控制装置60的振动检测电路66上。
接着，对这样构成的压电层叠体48的动作进行说明。
对A相的外部电极58(A+)、58(A-)及B相的外部电极(B+)、58(B-)以同相位施加对应于共振频率的驱动交变电压时，激励起图11所示那样的1次纵振动。此外，此时在上述压电陶瓷片46中产生的电荷例如如图13所示，在将压电陶瓷片46划分为4个区域的情况下，如图14所示，在从第1区域到第4区域中成为同时激励出正电荷或负电荷的状态。
此外，对A相的外部电极58(A+)、58(A-)及B相的外部电极(B+)、58(B-)以反相位施加对应于共振频率的驱动交变电压时，激励起图12所示那样的2次弯曲振动。此时在上述个区域中成为图15所示那样的电荷状态。即，在激励起弯曲振动的情况下，在第1区域到第4区域中的位于对角线上的区域、即第1区域和第4区域、第2区域和第3区域中同时激励出相同符号的电荷，在相邻的区域、即第1区域和第2区域、第2区域和第4区域、第4区域和第3区域、第3区域和第1区域中同时激励出不同符号的电荷。
另外，在成对的内部电极56(C+)、56(C-)中，分别激励出相互不同符号的电荷。
根据以上，在均等地分布配置在相邻的区域中的C相的内部电极56(C+)、56(C-)中，弯曲振动引起的电荷分别被相互抵消，成为激励出仅与纵振动成比例的电荷的状态。因而，由C相的外部电极58(C+)的一对配线L1及C相的外部电极58(C-)的一对配线L2检测的电信号为与纵振动成比例的电信号。另外，哪个符号的电荷被激励出是由振动的相位状态决定的。
压电层叠体48例如如以下这样制造。
要制造压电层叠体48，首先制造压电陶瓷片46。压电陶瓷片46例如是将PZT的煅烧粉末与规定的粘合剂混合制成的泥浆通过刮粉刀法投料到薄膜(未图示)上后干燥、从薄膜剥离而制造的。在制造出的压电陶瓷片46上分别使用具有内部电极56的图案的掩模来印刷内部电极材料。
接着，最先配置不具有内部电极56的压电陶瓷片46a，接着一边将内部电极56朝下正确地定位、一边将具有形状不同的内部电极56的压电陶瓷片46交替地层叠。层叠后的压电陶瓷片46在热压接后被截断为规定的形状，通过在1200℃左右的温度下烧制来制造压电层叠体48。
此外，然后分别烧焊作为外部电极58的银，以使其将露出于压电陶瓷片46的周缘上的内部电极56连结，形成外部电极58。
最后，通过在对置的内部电极56间施加直流高电压而将压电陶瓷片46分极处理，压电地进行活化。
上述摩擦接触元件50粘接在上述压电层叠体48的2次弯曲振动构成极的两处位置上。由此，在压电层叠体48上发生了1次的纵振动时，使摩擦振子50在压电层叠体48的长度方向(图6所示的X方向)上变位。另一方面，在压电层叠体48上发生了2次的弯曲振动时，使摩擦振子50在压电层叠体48的宽度方向(图6所示的Z方向)上变位。
因而，通过对振子1、2的A相的外部电极58与B相的外部电极58施加相位错开的对应于共振频率的驱动交变电压，同时产生1次的纵振动和2次的弯曲振动，如图6中箭头C所示，在摩擦接触元件50的位置上产生顺时针或逆时针的大致椭圆振动。
另外，摩擦接触元件50例如由在PPS树脂中混入了钛酸钾的纤维、碳的纤维、PTFE(四氟乙烯)等的材料构成。
上述振子保持部件52如图6及图7所示，具备形成为截面大致U字状的保持部52a、和从该保持部52a的两侧面垂直地突出并且相对于该保持部52a一体地安装的销54。
保持部52a从压电层叠体48的宽度方向的一侧包围压电层叠体48，例如通过硅树脂或环氧树脂粘接在压电层叠体48上。在保持部52a粘接在压电层叠体48上的状态下，一体地设在保持部52a的两侧面上的两个销54同轴地配置。
接着，参照图16～图20对有关本实施方式的超声波马达10的控制装置60进行说明。
如图16所示，控制装置60具备产生两相的驱动控制信号的驱动脉冲发生电路62、基于从该驱动脉冲发生电路62输出的驱动控制信号生成驱动交变电压的驱动IC64、检测振子1、2的振动的振动检测电路66、求出从该振动检测电路66输出的振动检测信号与从上述驱动脉冲发生电路62产生的驱动控制信号的相位差的相位比较电路(相位比较机构)68、根据上述相位差控制对振子1、2施加的驱动交变电压的频率控制电路(频率控制机构)70、频率设定电路72、以及方向指示电路74。
驱动脉冲发生电路62如图17所示，生成规定的驱动频率、以及规定的相位差θ的两相(A相、B相)的驱动控制信号，输出给驱动IC64。规定的相位差θ例如为约90°。
驱动IC64基于从驱动脉冲发生电路62输出的两相的驱动控制信 号，生成规定的相位差及规定的驱动频率的两相(A相、B相)的驱动交变电压，将各驱动交变电压施加在上述A相的外部电极58(A+)、58(A-)、以及B相的外部电极58(A+)、58(A-)上。
在本实施方式中，来自驱动IC64的两相的驱动交变电压分别被输入到图6所示的振子1的外部电极58和振子2的外部电极58中。另外，也可以例如对振子1准备驱动IC64′、对振子2准备驱动IC64″、对振子1输入来自驱动IC64′的两相驱动交变电压，对振子2输入来自驱动IC64″的两相的驱动交变电压。
振动检测电路66连接在将振子1的外部电极58(C+)与振子2的外部电极58(C+)连接的配线L1、和将振子1的外部电极58(C-)与振子2的外部电极58(C-)连接的配线L2上。振动检测电路66通过检测在振子1、2上产生的纵振动，生成与该纵振动成比例的振动检测信号。
具体而言，通过由配线L1及配线L2将振子1的C相的外部电极58和振子2的C相的外部电极58并联连接，能够得到振子1的纵振动的电信号与振子2的纵振动的电信号的平均的电信号，将该平均的电信号输入到振动检测电路66中。振动检测电路66对于该电信号实施电平调节、除去干扰、二值化等的各种信号处理，变换为数字信号，将处理后的数字信号作为平均的振动检测信号(以下称作“平均振动检测信号”)输出。
对相位比较电路68输入从振动检测电路66输出的平均振动检测信号和被输入到驱动IC64中的A相的驱动控制信号。相位比较电路68如图18所示，求出A相的驱动控制信号与平均振动检测信号的相位差φ，再求出该相位差φ与预先存储的基准相位差φref的差量Δφ(＝φ-φref)，输出对应于该差量Δφ的信号。
已知有超声波马达10在共振频率下驱动时效率良好的结构。但是，共振频率根据环境温度而变化。具体而言，如图19所示，具有 环境温度增加时共振频率减少(图中符号f10→符号f10′)的特性。因而，在想要控制超声波马达10以便能够得到最大的马达速度的情况下，需要追随于温度变化而使驱动频率变化。
另外，在图19中，横轴表示驱动频率f(kHz)，纵轴表示马达速度。
相对于此，在A相的驱动控制信号与平均振动检测信号的相位差φ、和共振频率之间，如图20所示，具有即使温度增加且共振频率变化(图中符号f10→符号f10′)、相位差φ也总是被维持为一定值的关系。这表示，如果控制驱动频率以使A相的驱动控制信号与平均振动检测信号的相位差φ总为一定值，则能够总是得到一定的马达速度。
所以，在本实施方式中，如上所述，控制驱动频率，以使A相的驱动控制信号与平均振动检测信号的相位差φ总是为一定值。
另外，在图20中，横轴表示驱动频率f(kHz)，纵轴表示相位差φ。
在本实施方式中，将基准相位差φref设定为3π/4，控制驱动频率以使A相的驱动控制信号与平均振动检测信号的相位差φ总是为基准相位差3π/4。这是因为，当相位差φ为3π/4时，获取驱动频率，如图19所示，能够在效率最好的区域驱动超声波马达10。
另外，对于基准相位差φref的值并没有特别限制，可以根据超声波马达10的驱动效率、换言之根据期望的马达速度通过设计事项来任意地决定。
回到图16，频率控制电路70被输入来自相位比较电路68的差量Δφ。频率控制电路70基于差量Δφ，求出用来使差量Δφ为零的频率的变化量Δf，将该频率的变化量Δf向频率设定电路72输出。具体而言，在差量Δφ表示正的值的情况下，输出用来使频率增加规定量的变化量+Δf，在差量Δφ表示负的值的情况下，输出用来使频 率减少规定量的变化量-Δf。这样，在本实施方式中，实施基于差量Δφ的依次控制。
频率设定电路72被输入来自频率控制电路70的频率的变化量Δf。频率设定电路72例如具备振荡器、分频电路等而构成。频率设定电路72生成使频率对应于来自频率控制电路70的变化量Δf增减的时钟信号，将其输出给上述驱动脉冲发生电路62。
另外，对驱动脉冲发生电路62，从方向指示电路74输入方向指示信号。驱动脉冲发生电路62根据方向指示信号来变更输出给驱动IC64的两相的驱动控制信号的相位差θ。由此，能够将在振子1、2的摩擦接触元件50中产生的大致椭圆振动的方向切换为正转或者负转，结果，能够使图2的转子6的旋转方向移动到CW方向、CCW方向。
接着，对上述控制装置60的作用进行说明。
首先，从驱动脉冲发生电路62将规定的驱动频率、以及规定的相位差θ(＝90°)的两相的驱动控制信号输入到驱动IC64中，基于此将规定的相位差、以及规定的驱动频率的两相的驱动交变电压分别施加在振子1的A相的外部电极58(A+)、58(A-)和B相的外部电极58(B+)、58(B-)、以及振子2的A相的外部电极58(A+)、58(A-)和B相的外部电极58(B+)、58(B-)上。
由此，在振子1及振子2上同时激励起纵振动和弯曲振动，在摩擦接触元件50上产生大致椭圆振动，通过沿着其椭圆振动的切线方向在与转子6(参照图2)之间产生的摩擦力使转子6旋转。
此外，对应于振子1和振子2的纵振动的电信号、即在本实施方式中振子1与振子2的平均电信号经由配线L1、L2被输入到振动检测电路66中，在振动检测电路66中被变换为数字信号，作为平均振动检测信号被输入到相位比较电路68中。
通过将输入到相位比较电路68中的平均振动检测信号与A向的 驱动控制信号比较而求出相位差φ，再通过求出该相位差φ与基准相位差φref的差量Δφ，将对应于差量Δφ的信号向频率控制电路70输出。
在频率控制电路70中，基于差量Δφ的符号(正或负)决定频率的变化量Δf的符号(正或负)，将该变化量Δf输出到频率设定电路72中。
频率设定电路72生成对应于变化量Δf而改变频率的时钟信号，将其输出到驱动脉冲发生电路62中。
由此，进行使A相的驱动控制信号与平均振动检测信号的相位差成为基准相位差φref那样的反馈控制，能够通过追随于温度变化的期望的驱动频率来驱动图1所示的超声波马达10。结果，能够实现不论温度如何变化都总是稳定的马达驱动。
如以上说明，根据使用有关本实施方式的振子1、2的超声波马达10，由于检测振子1和振子2的纵振动的平均电信号，基于检测A相的驱动控制信号与平均振动检测信号的相位差φ生成两相的驱动控制信号，将基于该两相的驱动控制信号的两相驱动交变电压施加在振子1、2上，所以能够以相同的适合的驱动频率驱动振子1、2。由此，能够减少转子6的拍音现象，防止在转子6的旋转中发生不稳。
进而，在本实施方式中，由于通过配线L1将振子1的外部电极58(C+)和振子2的外部电极58(C+)连接，通过配线L2将振子1的外部电极58(C-)和振子2的外部电极58(C-)连接，将这些配线L1、L2连接到振动检测电路66的输入侧，所以能够使向振动检测电路66的输入信号成为振子1与振子2的振动的平均的电信号。由此，能够容易地得到振子1及振子2的平均振动检测信号。
另外，在上述结构中，也可以通过分别检测振子1及振子2的振动、将它们的各振动检测信号平均化，来得到平均振动检测信号。
此外，在本实施方式中，将A相的驱动控制信号与平均振动检测 信号比较，但也可以代替A相的驱动控制信号而使用B相的驱动控制信号。另外，在此情况下，需要根据A相的驱动控制信号与B相的驱动控制信号的相位差θ来变更基准相位差φref。此外，也可以代替两相的驱动控制信号而使用从驱动IC64向振子1、2施加的两相的驱动交变电压中的任一个。
[第2实施方式]
接着，参照图21～图23说明有关本发明的第2实施方式的超声波马达。
有关本实施方式的超声波马达在控制装置相对各振子中分别具备振动检测电路及相位比较电路、还具备选择电路的方面与上述第1实施方式不同。以下，对于本实施方式的超声波马达，对与上述有关第1实施方式的超声波马达10共用结构的部位赋予相同的标号而省略说明。
图21中表示有关本实施方式的超声波马达的控制装置80。
控制装置80具备检测振子1的振动的振动检测电路82、检测振子2的振动的振动检测电路84、检测A相的驱动控制信号与从上述振动检测电路82输出的振动检测信号的相位差的相位比较电路86、检测A相的驱动控制信号与从上述振动检测电路84输出的振动检测信号的相位差的相位比较电路88、以及选择由上述相位比较电路86、88检测到的各个相位差中的最大的相位差、输出与基准相位差φref的差量Δφ的选择电路(选择机构)90。
在这样的结构中，振子1的纵振动被振动检测电路82检测到，该振动检测信号被输入到相位比较电路86中。相位比较电路86求出该振动检测信号与A相的驱动控制信号的相位差φ1，将该相位差φ1向选择电路90输出。
同样，振子2的纵振动被振动检测电路84检测到，该振动检测信号被输入到相位比较电路88中。相位比较电路88求出该振动检测 信号与A相的驱动控制信号的相位差φ2，将该相位差φ2向选择电路90输出。
在选择电路90中，选择上述相位差φ1与相位差φ2中的较大的振动检测信号，将选择的振动检测信号与基准相位差φref的差量Δφ向频率控制电路70输出。
频率控制电路70基于从选择电路90给出的差量Δφ，进行驱动交变电压的控制。
如以上说明，根据有关本实施方式的超声波马达，由于控制共通的驱动交变电压的频率以使与振子1、2的振动成比例的各个振动检测信号和对振子1、2施加的共通的两相的驱动控制信号的一个的相位差中较大的相位差成为规定的值，所以能够不损害振子1、2的驱动力而分别高效率地驱动。
此外，通过这样基于较大的相位差调节驱动频率，能够得到如以下那样的效果。
图22中表示振子1、2的驱动频率与驱动力的关系的一例。在该图中，横轴表示驱动频率f(kHz)，纵轴表示驱动力。如图22所示，例如在将振子1的共振频率设为f1、振子2的共振频率设为f2(f2＞f1)的情况下，各振子1、2在由各自的共振频率f1、f2驱动的情况下得到最大的驱动力。此外，驱动频率变得比共振频率f1、f2大时，驱动力平缓地减少，驱动频率变得比共振频率f1、f2小时，驱动力急剧地减少。
因而，在驱动频率从共振频率偏离的情况下，驱动频率向比共振频率高的方向偏离更能够抑制驱动力的降低。
在第1实施方式中，将驱动频率设定为共振频率f1、f2的大致中间的频率，但该驱动频率对于振子1而言由于是比共振频率f1高的频率所以驱动力并不怎么下降。但是，对于振子2来说是以比共振频率f2低的频率驱动，所以在驱动力较小的地方使用。结果，在使振 子1与振子2同时动作的情况下驱动力有可能会降低。在这样的情况下，将驱动频率尽量设定在共振频率f2的附近，更能够不损害驱动力而高效率地驱动。即，在使用多个振子驱动的情况下，在其中共振频率最大的振子的共振频率附近驱动较好。
这里，图23中表示驱动频率f(kHz)和A相的驱动控制信号与振动检测信号的相位差φ的关系。在该图中，横轴表示驱动频率f(kHz)，纵轴表示相位差φ。如图23所示，例如在驱动频率fa中，A相的驱动控制信号与振子2的振动检测信号的相位差φ2′比A相的驱动控制信号与振子1的振动检测信号的相位差φ1′大。这样，如果以相同的驱动频率来看，则共振频率较高的振子2的相位差φ总是比共振频率较低的振子1的相位差φ大。由此，通过选择电路90选择相位差φ较大的振子2的振动检测信号，通过频率控制电路70基于选择的相位差φ与基准相位差φref的差量Δφ控制驱动交变电压，能够以振子2的共振频率的驱动频率高效率地驱动振子1、2。
以上，参照附图详细地说明了本发明的实施方式，但具体的结构并不限于该实施方式，也包括不脱离本发明的主旨的范围的设计变更等。例如，在上述各实施方式中使用纵振动的振动检测信号，但也可以代替它而使用弯曲振动的振动检测信号。在此情况下，需要根据纵振动的振动检测信号与弯曲振动的振动检测信号的相位差(在本实施方式中是90°)来变更基准相位差φref。
Claims (6)
1.一种超声波马达，具有交替地层叠了第1压电元件和第2压电元件的多个超声波振子、对多个该超声波振子施加两相的共通的驱动交变电压的控制部，使各上述超声波振子同时产生纵振动和弯曲振动，使各上述超声波振子的输出端产生椭圆振动，使各上述超声波振子与接触在各上述超声波振子上的被驱动体相对地移动，其特征在于，
上述控制部具备：
振动检测机构，检测各上述超声波振子的振动，输出平均的振动检测信号；
相位比较机构，检测对各上述超声波振子施加的两相的上述驱动交变电压的任一个与上述平均的振动检测信号的相位差；以及
频率控制机构，控制上述驱动交变电压的频率，以使由该相位比较机构检测的相位差成为规定的值。
2.一种超声波马达，具有交替地层叠了第1压电元件和第2压电元件的多个超声波振子、对多个该超声波振子施加两相的共通的驱动交变电压的控制部，使各上述超声波振子同时产生纵振动和弯曲振动，使各上述超声波振子的输出端产生椭圆振动，使各上述超声波振子与接触在各上述超声波振子上的被驱动体相对地移动，其特征在于，
上述控制部具备：
振动检测机构，检测各上述超声波振子的振动，输出各振动检测信号；
相位比较机构，分别检测对各上述超声波振子施加的两相的上述驱动交变电压的任一个与各上述振动检测信号的相位差；
选择机构，选择由该相位比较机构检测到的多个上述相位差中的最大的相位差；以及
频率控制机构，控制上述驱动交变电压的频率，以使由该选择机构选择的相位差成为规定的值。
3.如权利要求1或2所述的超声波马达，其特征在于，上述振动检测信号是与各上述超声波振子的纵振动成比例的纵振动检测信号或与弯曲振动成比例的弯曲振动检测信号。
4.一种超声波马达的驱动方法，该超声波马达对交替地层叠了第1压电元件和第2压电元件的多个超声波振子施加两相的共通的驱动交变电压，使各上述超声波振子同时产生纵振动和弯曲振动，使各上述超声波振子的输出端产生椭圆振动，使各上述超声波振子与接触在各上述超声波振子上的被驱动体相对地移动，该驱动方法的特征在于，
具备：
振动检测过程，检测各上述超声波振子的振动，输出平均的振动检测信号；
相位比较过程，检测对各上述超声波振子施加的两相的上述驱动交变电压的任一个与上述平均的振动检测信号的相位差；以及
频率控制过程，控制上述驱动交变电压的频率，以使由该相位比较过程检测的相位差成为规定的值。
5.一种超声波马达的驱动方法，该超声波马达对具有交替地层叠了第1压电元件和第2压电元件的多个超声波振子施加两相的共通的驱动交变电压，使各上述超声波振子同时产生纵振动和弯曲振动，使各上述超声波振子的输出端产生椭圆振动，使各上述超声波振子与接触在各上述超声波振子上的被驱动体相对地移动，其特征在于，
具备：
振动检测过程，检测各上述超声波振子的振动，输出各振动检测信号；
相位比较过程，分别检测对各上述超声波振子施加的两相的上述驱动交变电压的任一个与各上述振动检测信号的相位差；
选择过程，选择由该相位比较过程检测到的多个上述相位差中的最大的相位差；以及
频率控制过程，控制上述驱动交变电压的频率，以使由该选择过程选择的相位差成为规定的值。
6.如权利要求4或5所述的超声波马达的驱动方法，其特征在于，上述振动检测信号是与各上述超声波振子的纵振动成比例的纵振动检测信号或与弯曲振动成比例的弯曲振动检测信号。
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