JP2004336862A - Drive circuit and actuator for ultrasonic motor - Google Patents

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修 宮澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To offer a drive circuit for an ultrasonic motor which can drive an ultrasonic motor easily and surely with high drive efficiency by a simple constitution, and to provide an actuator. <P>SOLUTION: This drive circuit 7 drives the ultrasonic motor 7 which is equipped with a vibrator 6 which is constituted by stacking a first piezoelectric element which expands and contracts by the application of an AC voltage, a reinforcement plate where a contact part 66 and an arm are formed integrally, and a second piezoelectric element which expands and contracts by the application of AC voltage and is installed and fixed with the arm while abutting on a driven body with the contact part 66. This has a detection means which detects a voltage waveform generated by the expansion and contraction of the piezoelectric element, a drive waveform generating means which generates a drive waveform with its phase slid by a specified time from that of the detected voltage waveform, and a drive means which drives the ultrasonic motor 4 by applying the AC voltage corresponding to the generated drive waveform to the voltage element. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータの駆動回路およびアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧電素子を備えた振動体を振動させて、ロータ等の被駆動体を駆動する超音波モータが知られている。この超音波モータでは、駆動回路により、振動体の圧電素子に交流電圧を印加してその振動体を振動させる。かかる技術としては、特許文献１に記載された技術が知られている。
【０００３】
しかしながら、前記特許文献１に記載されている超音波モータの駆動回路では、位相差を算出する位相差算出手段、最適位相差を設定する位相差設定手段、最適位相差に対する位相差のずれ量を求める比較手段、このずれ量に基づいて超音波モータに印加する交流電圧の周波数を調節する手段等が必要であり、回路構成が複雑化するとともに、複雑な処理を必要とする。
また、最適位相差に対する位相差のずれ量に基づいて、超音波モータに印加する交流電圧の周波数を調節するので、超音波モータの振動状態をリアルタイムに確実に最適化することは困難であり、駆動効率等が不十分であった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１４３７７７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、簡易な構成で、超音波モータを、容易かつ確実に、高い駆動効率で駆動することができる超音波モータの駆動回路およびアクチュエータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の超音波モータの駆動回路は、交流電圧の印加により伸縮する第１の圧電素子と、接触部および腕部が一体的に形成された補強板と、交流電圧の印加により伸縮する第２の圧電素子とをこの順に積層してなり、前記接触部にて被駆動体に対して当接しつつ前記腕部にて固定設置される振動体を備える超音波モータを駆動する駆動回路であって、
前記圧電素子の伸縮により発生する電圧を検出する検出手段と、
前記検出された電圧の波形に対し、位相が所定時間ずれた駆動波形を生成する駆動波形生成手段と、
前記生成された駆動波形に対応する交流電圧を前記圧電素子に印加して前記超音波モータを駆動する駆動手段とを有することを特徴とする。
【０００７】
これにより、簡易な回路構成で、振動体（超音波モータ）の振動状態をリアルタイムに（常に）、容易かつ確実に最適化することができ、超音波モータを高い駆動効率で駆動することができる。
また、振動体が、圧電素子と補強板とを積層した構造を有するので、超音波モータの薄型化を図ることができる。
また、振動体が、交流電圧の印加により伸縮する第１の圧電素子と、接触部および腕部が一体的に形成された補強板と、交流電圧の印加により伸縮する第２の圧電素子とをこの順に積層してなるので、低い電圧で大きな駆動力および高い駆動速度とが得られ、また、面内方向の伸縮を利用して駆動するので、駆動効率を極めて高くすることができる。
【０００８】
本発明の超音波モータの駆動回路は、接触部および腕部が一体的に形成された補強板と、該補強板上に設けられ、交流電圧の印加により伸縮する圧電素子とを有し、前記接触部にて被駆動体に対して当接しつつ前記腕部にて固定設置される振動体を備える超音波モータを駆動する駆動回路であって、
前記圧電素子の伸縮により発生する電圧を検出する検出手段と、
前記検出された電圧の波形に対し、位相が所定時間ずれた駆動波形を生成する駆動波形生成手段と、
前記生成された駆動波形に対応する交流電圧を前記圧電素子に印加して前記超音波モータを駆動する駆動手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
これにより、簡易な回路構成で、振動体（超音波モータ）の振動状態をリアルタイムに（常に）、容易かつ確実に最適化することができ、超音波モータを高い駆動効率で駆動することができる。
また、振動体が、圧電素子と補強板とを積層した構造を有するので、超音波モータの薄型化を図ることができる。
【００１０】
本発明の超音波モータの駆動回路は、交流電圧の印加により伸縮する圧電素子と、被駆動体に対して当接する接触部とを有する振動体を備える超音波モータを駆動する駆動回路であって、
前記圧電素子の伸縮により発生する電圧を検出する検出手段と、
前記検出された電圧の波形に対し、位相が所定時間ずれた駆動波形を生成する駆動波形生成手段と、
前記生成された駆動波形に対応する交流電圧を前記圧電素子に印加して前記超音波モータを駆動する駆動手段とを有することを特徴とする。
これにより、簡易な回路構成で、振動体（超音波モータ）の振動状態をリアルタイムに（常に）、容易かつ確実に最適化することができ、超音波モータを高い駆動効率で駆動することができる。
【００１１】
本発明の超音波モータの駆動回路では、前記駆動波形生成手段は、前記検出された電圧の波形に対する前記駆動波形の位相のずれ量を調節する調節手段を有し、
前記ずれ量の変更により、前記超音波モータの特性を変更するよう構成されているのが好ましい。
このずれ量の変更（調節）により、超音波モータの駆動周波数が変更され、例えば、駆動力や駆動速度に関して、任意の駆動特性を得ることができる。
【００１２】
本発明の超音波モータの駆動回路では、前記検出手段は、前記圧電素子の伸縮により発生する電圧の波形のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路を有し、
前記駆動波形生成手段は、前記検出されたゼロクロス点を基準にして、前記駆動波形を生成するのが好ましい。
これにより、振動体（超音波モータ）の振動状態をより確実に最適化することができ、超音波モータをより高い駆動効率で駆動することができる。
【００１３】
本発明の超音波モータの駆動回路では、前記検出手段は、前記圧電素子の伸縮により発生する電圧の波形のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路を有し、
前記駆動波形生成手段は、前記駆動波形として、そのレベルがローレベルとハイレベルとに交互に切り換わるパルス信号を生成する回路を有し、前記検出されたゼロクロス点から前記所定時間後に前記パルス信号のレベルを切り換えて、該パルス信号を出力するのが好ましい。
これにより、振動体（超音波モータ）の振動状態をより確実に最適化することができ、超音波モータをより高い駆動効率で駆動することができる。
【００１４】
本発明の超音波モータの駆動回路では、前記ゼロクロス検出回路の前記ゼロクロス点の検出を無効にする期間を設けたのが好ましい。
これにより、前記ゼロクロス点の検出をより確実に行うことができ、超音波モータをより高い駆動効率で駆動することができる。
本発明の超音波モータの駆動回路では、前記ゼロクロス点の検出を無効にする期間は、前記ゼロクロス点が検出されたときから所定期間であるのが好ましい。これにより、前記ゼロクロス点の検出をより確実に行うことができ、超音波モータをより高い駆動効率で駆動することができる。
【００１５】
本発明の超音波モータの駆動回路では、前記振動体は、振動状態にて縦振動および屈曲振動の複合振動を行い、かつ、前記縦振動の共振周波数と前記屈曲振動の共振周波数とが相互に異なると共に相互に近接するのが好ましい。
これにより、これらの近傍の周波数、特に、縦振動（例えば、縦一次振動）の共振周波数ｆ１と、屈曲振動（例えば、屈曲二次振動）の共振周波数ｆ２との間の周波数にて振動体を駆動した場合に、縦振動および屈曲振動の双方の駆動特性を効率的に得ることができる。また、これらの共振周波数ｆ１、ｆ２の近傍にて、特に、共振周波数ｆ１、ｆ２の間の周波数にて、インピーダンスの値が低い周波数帯を幅広く形成できる。これにより、広い周波数帯にて縦振動および屈曲振動を結合した励振を行えると共に、駆動時の投入電力を安定化できる。また、これらの共振周波数ｆ１、ｆ２の間の周波数帯にて駆動周波数を適宜設定（選択）することにより、例えば、駆動力や駆動速度に関して、任意の駆動特性を得ることができる。
【００１６】
本発明のアクチュエータは、本発明の超音波モータの駆動回路と、
前記駆動回路により駆動される前記超音波モータとを有することを特徴とする。
これにより、簡易な回路構成で、振動体（超音波モータ）の振動状態をリアルタイムに（常に）、容易かつ確実に最適化することができ、超音波モータを高い駆動効率で駆動することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の超音波モータの駆動回路およびアクチュエータを添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明のアクチュエータの第１実施形態を示すブロック図、図２は、図１に示すアクチュエータの振動体（超音波モータ）を示す斜視図、図３は、図１に示すアクチュエータの振動体（超音波モータ）の動作を示す説明図、図４は、図１に示すアクチュエータのタイミングチャートである。
【００１８】
図１に示すように、アクチュエータ１は、超音波モータ４と、超音波モータ４を駆動する駆動回路７と、超音波モータ４からの駆動力により回転（変位）するロータ（被駆動体）５１とを有している。
ロータ５１は、図示しないベースに対し、回転可能に設置されている。また、超音波モータ４は、そのベースに対し、後述する弾性（可撓性）を有する腕部６８により固定設置されている。
【００１９】
図２に示すように、超音波モータ４は、振動体６を有している。この振動体６は、全体としては略長方形の板状形状を有し、接触部６６と、腕部６８とを有する。接触部６６は、短辺の一部に突出しており、丸みを帯びた頂部を有し、振動体６の短辺の端部に位置している。腕部６８は、前記接触部６６の反対側の長辺の中央部から略垂直に延出して設けられており、その先端に、孔６８１が形成された固定部６８０を有する。振動体６は、ベースに対してその平面を略平行に向けつつ、図示しないボルトが腕部６８の孔６８１に挿入され、そのボルトにより固定部６８０においてベースに固定される。このようにして、振動体６は、腕部６８によって支持され、これにより、その振動体６は自由に振動することができ、比較的大きい振幅で振動する。
【００２０】
ここで、振動体６の接触部６６の先端部は、ロータ５１の半径方向からその外周面（当接部）５１１に接触（当接）している（図１参照）。また、接触部６６は、腕部６８の弾性により、ロータ５１の外周面５１１に対して弾性的に付勢されている。これにより、接触面にて十分な摩擦力が得られ、振動体６の振動を確実にロータ５１に伝達することができる。この振動体６の振動により、接触部６６からロータ５１へ駆動力（回転力）が与えられ、そのロータ５１が回転する。なお、振動体６（超音波モータ４）は、後述する駆動回路７に接続されており、駆動回路７により、その駆動が制御される。
【００２１】
次に、超音波モータ４について詳細に説明する。
図２に示すように、超音波モータ４の振動体６は、単一の補強板（振動板）６３を中心に配置し、この補強板６３を圧電素子（第１の圧電素子）６２と、圧電素子（第２の圧電素子）６４とで挟み込み、これらを積層して構成される。圧電素子６２、６４は、それぞれ、交流電圧が印加されると、その長手方向（長辺の方向）に伸長・収縮する。また、振動体６には、電極６１ｂ、６１ｄおよび６１ｇと、電極６５ｇ（図示省略。各符号のみを括弧内に示す。）とが、その表裏の所定の位置に配置される。
【００２２】
補強板６３は、略長方形の板状構造を有し、その厚みが各圧電素子６２、６４より薄い。これにより、振動体６を高い効率で振動させ得る利点がある。また、補強板６３は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅系合金その他の金属材料から成る。ただし、補強板６３の構成材料は、これに限定されない。補強板６３は、振動体６全体を補強する機能を有し、過振幅や外力等による振動体６の損傷を防止する。また、補強板６３は、圧電素子６２、６４に対する共通の電極として機能する。
【００２３】
圧電素子６２、６４は、補強板６３と略合同な長方形の板状構造を有する。圧電素子６２、６４は、相互に対向して補強板６３を表裏から挟み込み、補強板６３に対して平面位置を揃えて積層される。また、圧電素子６２、６４は、補強板６３に対して固着され、一体化されて単一構造物を構成する。これにより、振動体６の強度を向上できる利点がある。また、圧電素子６２、６４は、電圧の印加により伸縮可能な材料から成る。かかる材料としては、例えば、チタン酸ジルコニウム酸鉛、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等が挙げられる。
【００２４】
電極６１ｂおよび６１ｄは、短冊状の金属部材から成り、圧電素子６２上の所定の位置に設置される。これらの電極６１ｂ、６１ｄは、圧電素子６２の長辺に対して略半分の長さを有し、圧電素子６２上の長辺側の縁部に沿って、配置される。この場合、電極６１ｂは、腕部６８側で、かつ、接触部６６と反対側、すなわち、図２中右下に位置する。一方、電極６１ｄは、腕部６８と反対側で、かつ、接触部６６側、すなわち、図２中左上に位置する。
【００２５】
また、電極６１ｇは、長方形からその対角線上の２箇所から、前記電極６１ｂ、６１ｄに対応する部分を除去して成る形状の金属部材から成る。電極６１ｇは、圧電素子６２上の前記電極６１ｂ、６１ｄの存在しない部分に配置される。
また、電極６５ｇは、前記電極６１ｇと略同一の形状の金属材料から成る。電極６５ｇは、圧電素子６４上（圧電素子６４の裏側）の前記電極６１ｇに対応する位置に配置される。すなわち、電極６１ｇと、電極６５ｇとは、振動体６の表裏にて相互に対向して配置される。図２中にて、括弧書きにて付した符号は、振動体６を挟み相互に対向する電極であることを示している。
【００２６】
前記電極６１ｂと電極６１ｄとは、導通され、後述する駆動回路７のゼロクロス検出回路７１に接続され、また、前記電極６１ｇと電極６５ｇとは、導通され、後述する駆動回路７の電力増幅回路７４に接続される（図１参照）。
なお、各電極の形状、寸法、位置等は、これに限定されないことは、言うまでもない。
【００２７】
また、振動体６は、一方の短辺の端部、すなわち、長手方向の先端部の端部に、接触部６６を有する。この接触部６６は、補強板６３に対して単一部材により一体的に形成される。これにより、接触部６６を振動体６に対して強固に設置できる利点がある。特に、接触部６６は、アクチュエータ１の駆動時にて、振動体６の振動により高速かつ反復的に、高い押圧力にてロータ５１に衝突する。したがって、かかる構成により、接触部６６の耐久性を高め得る利点がある。
【００２８】
また、接触部６６が、振動体６の長手方向の中心線から外れた位置に設けられているので、振動体６の駆動時にて振動体６にアンバランスが生じ、後述する縦振動および屈曲振動の複合振動が容易に誘発され、これにより、振動体６の駆動効率が向上する。
また、接触部６６は、半円形状の先端部を有する。かかる接触部６６は、角形の先端部を有する場合と比較して、ロータ５１の外周面５１１に安定的に摩擦接触する。これにより、振動体６の作用方向が多少ずれた場合にも、振動体６からの押圧力を確実にロータ５１に伝達できる利点がある。ただし、接触部６６の形状は、これに限定されない。
また、振動体６は、前記接触部６６の反対側の長辺の中央部、すなわち、長手方向の側部中央に、長辺に対して略垂直に突出する腕部６８を有する。この腕部６８は、補強板６３に対して単一部材により一体的に形成される。これにより、腕部６８を振動体６に対して強固に設置できる利点がある。
【００２９】
振動体６は、腕部６８の先端に設けられた孔６８１にボルトが挿入され、このボルトにより固定部６８０においてベースに対して固定設置される。また、振動体６は、腕部６８によって支持され、ベースに対して浮上した状態（固定部６８０以外は非接触の状態）で設置される。かかる構成では、振動体６とベースとの摩擦がないので、振動体６の振動が拘束され難く、振動体６の自由な振動を実現できる利点がある。また、腕部６８は、補強板６３が金属材料から成るので、弾性を有する。振動体６の接触部６６は、この弾性によりロータ５１の外周面５１１に向って付勢され、その外周面５１１に圧接し、振動体６は、この状態にて腕部６８により支持される。また、振動体６の補強板６３は、この腕部６８にてアース（接地）されている。
【００３０】
ここで、腕部６８は、振動体６の側方であって、振動体６の振動の節となる位置に設けられる。この位置は、振動解析その他公知の手法により当業者自明の範囲内にて適宜決定してよい。例えば、図示の振動体６の場合には、振動体６の長手方向の略中央付近が振動の節となる。そこで、このアクチュエータ１では、腕部６８を振動体６の長辺の略中央に設ける。すると、振動体６の振動時にて、腕部６８が振動体６の振動を阻害しないので、腕部６８から外部への振動エネルギーの消散を抑制できる。これにより、ロータ５１を効率的に駆動できる利点がある。
【００３１】
図３に示すように、振動体６の接触部６６がロータ５１に当接した状態で、後述する駆動回路７の電力増幅回路７４により、電極６１ｇおよび６５ｇに通電し、これらの電極６１ｇおよび６５ｇと、補強板６３との間に、交流電圧が印加されると、振動体６の電極６１ｇおよび６５ｇに対応する部分がそれぞれ矢印ａ方向に高速で繰り返し伸縮する。これにより、振動体６は、全体として略Ｓ字状に屈曲した微少振動、すなわち、縦振動（例えば、縦一次振動）および屈曲振動（例えば屈曲二次振動）の複合振動を行う。この振動により、振動体６の接触部６６は、矢印ｂで示す斜めの方向に変位、すなわち振動（往復運動）、または、矢印ｃで示すように、ほぼ楕円に沿って変位、すなわち楕円振動（楕円運動）する。ロータ５１は、振動体６の電極６１ｇおよび６５ｇに対応する部分が伸長するときに接触部６６から摩擦力（押圧力）を受ける。
すなわち、接触部６６の振動変位Ｓの径方向成分Ｓ１（ロータ５１の径方向の変位）によって、接触部６６と外周面５１１との間に大きな摩擦力が与えられ、振動変位Ｓの周方向成分Ｓ２（ロータ５１の円周方向の変位）によって、ロータ５１に図３中の反時計回りの回転力が与えられる。
振動体６が振動すると、このような力がロータ５１に繰り返し作用し、ロータ５１は、図３中の反時計回りに回転する。
なお、図示の振動体６では、電極６１ｂおよび６５ｄが、振動体６の振動を検出する検出電極（振動検出手段）を構成する。
【００３２】
次に、駆動回路７について説明する。
まず、概要を説明する。共振系を効率良く駆動するには、タイミング良く、エネルギー（電力）を投入する必要がある。このため、このアクチュエータ１では、振動体６の振動の半周期（または１周期）毎に、振動体６の振動として、振動体６の電極６１ｂおよび６１ｄと、補強板６３との間に誘起される電圧（誘起電圧）、すなわち、電圧の波形（電圧波形）を検出し、検出された電圧波形に対し、位相が所定時間ずれた交流電圧を、圧電素子６２、６４、すなわち、電極６１ｇおよび６５ｇと、補強板６３との間に印加して振動体６（超音波モータ４）を駆動する。以下、図１および図４に基づいて、詳細に説明する。
【００３３】
図１に示すように、駆動回路７は、ゼロクロス検出回路（検出手段）７１と、タイマー回路７２と、波形形成回路７３と、電力増幅回路（駆動手段）７４とを有している。波形形成回路７３としては、例えば、フリップフロップやラッチ回路等を用いることができる。なお、タイマー回路７２および波形形成回路７３により、駆動波形を生成する駆動波形生成手段が構成される。
ゼロクロス検出回路７１は、振動体６の電極６１ｂおよび６１ｄと、補強板６３との間に誘起される電圧（誘起電圧）、すなわち、電圧の波形（電圧波形）のゼロクロス点を検出する回路である。
【００３４】
振動体６（超音波モータ４）が駆動されている際は、電極６１ｂおよび６１ｄと、補強板６３との間に電圧（誘起電圧）が誘起され、その電圧（電圧波形）がゼロクロス検出回路７１に入力される（検出される）。ゼロクロス検出回路７１からは、前記電圧波形のゼロクロス点において、ゼロクロス検出信号としてパルス８１が出力され、タイマー回路７２に入力される（図１、図４のａ、ｂ参照）。
【００３５】
タイマー回路７２は、前記ゼロクロス検出回路７１からのパルス８１に対し、所定時間（ｔｄ）遅延したパルス８２を生成する回路である。
このタイマー回路７２には、予め、時間ｔｄが設定されており、ゼロクロス検出回路７１からパルス８１が入力されると、タイマー回路７２は、時間計測を開始し、時間ｔｄ経過すると、パルス８２を出力する。このパルス８２は、波形形成回路７３に入力される。このようにして、前記ゼロクロス点から時間ｔｄ遅れて（時間ｔｄ後に）パルス８２が波形形成回路７３に入力される（図１、図４のｃ参照）。なお、前記時間ｔｄの設定については、後で述べる。
【００３６】
波形形成回路７３は、駆動波形として、そのレベルがローレベル（Ｌ）とハイレベル（Ｈ）とに交互に切り換わるパルス信号（矩形波）８３を生成する回路を有している。この波形形成回路７３は、前記タイマー回路７２からのパルス８２をトリガとして前記パルス信号８３のレベルを切り換え、そのパルス信号８３を出力する。すなわち、波形形成回路７３は、前記検出されたゼロクロス点から時間ｔｄ後に前記パルス信号８３のレベルを切り換え、そのパルス信号８３を出力する（図１、図４のｄ参照）。
【００３７】
なお、この波形形成回路７３から出力されるパルス信号（出力信号）８３のレベルは、前記ゼロクロス検出回路７１で検出される電圧波形に対応し、その電圧波形が谷（負）のとき、ローレベルとなり、山（正）のとき、ハイレベルとなるようになっている。すなわち、パルス信号８３のレベルは、前記電圧波形が負から正に変化するゼロクロス点から時間ｔｄ後に、ローレベルからハイレベルに切り換わり、前記電圧波形が正から負に変化するゼロクロス点から時間ｔｄ後に、ハイレベルからローレベルに切り換わる。
【００３８】
電力増幅回路７４は、波形形成回路７３から入力されるパルス信号８３に対応する交流電圧を振動体６（超音波モータ４）に印加する回路である。
この電力増幅回路７４では、波形形成回路７３から入力されるパルス信号が増幅され、交流電圧として出力される。この交流電圧は、電極６１ｇおよび６５ｇと、補強板６３との間に印加される（図１、図４のｅ参照）。
【００３９】
このように、振動体６の電極６１ｇおよび６５ｇと、補強板６３との間には、前記ゼロクロス検出回路７１で検出された電圧波形に対し、位相が時間ｔｄ遅れた交流電圧が印加され、その振動体６が駆動される。これにより、振動体６が縦振動（例えば、縦一次振動）および屈曲振動（例えば、屈曲二次振動）し、ロータ５１が接触部６６に叩かれて図３中の反時計回りに回転する。
なお、図４に示す区間Ａは、定常駆動状態（外乱等のない状態）であり、また、区間Ｂは、負荷変動等によって共振周波数がわずかに低くなった状態であり、また、区間Ｃは、負荷変動等によって共振周波数がわずかに高くなった状態であるが、いずれの状態においても、前記時間ｔｄの値は、同一（固定）である。
【００４０】
次に、前記時間ｔｄの設定について説明する。
図４に示す区間Ａは、定常駆動状態（外乱等のない状態）であり、目標の駆動周波数（共振周波数）がｆｒの場合、この定常駆動状態において、周期が１／ｆｒとなるように（正帰還が起こるように）、前記時間ｔｄを設定する。
例えば、図２および図３に示す振動体６の構成では、駆動用の電極である電極６１ｇ、６５ｇに正電圧が印加されてその電極６１ｇ、６５ｇに対応する部分が伸張するとき、検出用の電極である電極６１ｂ、６１ｄに対応する部分が収縮して電極６１ｂ、６１ｄに正電圧が誘起される（検出される）ようになっている。
【００４１】
この場合、例えば、共振状態では、電極６１ｇ、６５ｇへ印加される電圧の位相に対し、電流の位相は同相であり、その電流の位相に対し、振動の速度の位相は同相であり、変位の位相は、９０°（１／４周期）遅れる。この変位に伴って、電極６１ｂ、６１ｄに電圧が発生する。すなわち、電極６１ｇ、６５ｇへ印加される電圧（電圧波形）の位相に対し、電極６１ｂ、６１ｄに誘起される電圧（電圧波形）の位相は、９０°遅れる。従って、この位相関係が保持されるように、前記時間ｔｄを設定し、振動体６を駆動する。この例では、前記時間ｔｄは、定常駆動状態において２７０°に相当する時間に設定され、これにより、電極６１ｇ、６５ｇへ印加される電圧の位相は、電極６１ｂ、６１ｄから検出される電圧の位相に対し、定常駆動状態において２７０°に相当する時間だけ遅れる。
【００４２】
以上述べたように、このアクチュエータ１によれば、簡易な回路構成で、振動体６（超音波モータ４）の振動状態をリアルタイムに（常に）、容易かつ確実に最適化することができる。これにより、超音波モータ４を高い駆動効率で駆動することができる。
また、振動体６が圧電素子６２、６４と補強板６３とを積層した構造、すなわち、薄型の板状形状を有するので、アクチュエータ１全体を小型化、特に薄型化することができる。
【００４３】
また、振動体６が摩擦力（押圧力）によりロータ５１を駆動するので、磁力により駆動されるモータと比較して、高い駆動トルクおよび効率を得られる利点がある。これにより、変速機構（減速機構）を介すことなく、ロータ５１を十分な力で駆動できる利点がある。
また、振動体６が、圧電素子６２と、接触部６６および腕部６８が一体的に形成された補強板６３と、圧電素子６４とをこの順に積層してなるので、低い電圧で大きな駆動力および高い駆動速度とが得られる。また、面内方向の伸縮を利用して駆動するので、駆動効率を極めて高くすることができる。
【００４４】
また、振動体６の電気ノイズが、磁力により駆動されるモータと比較して極めて小さいので、電気ノイズにより周辺機器が受ける影響を低減できる利点がある。
また、変速機構を要しないので、エネルギー損失が少ないという利点もある。また、ロータ５１を振動体６で直接駆動し、別途減速機構を設ける必要がないので、軽量化、小型化および薄型化できる利点がある。また、これにより、構造を極めて簡素化できると共に、製品を容易に製造できるので、製造コストを低減できる利点がある。
また、振動体６の本体部の平面視での形状は、略長方形状をなしているが、これは、振動体６の圧電素子６２、６４をダイシング等により製造する時、取り数が多くなり、歩留まりが向上し、好ましい。
【００４５】
なお、本発明は、ロータ５１を前記と逆方向（図３中時計回り）に回転させるものや、ロータ５１を正逆両方向（図３中時計回りおよび反時計回り）に回転させ得るものであってもよい。これらは、例えば、振動体６の電極の形状や配置等を変更したり、また、電極の通電を切り換える通電切り換え手段等を設けることにより実現できる。
また、本発明では、振動体６（振動体６の本体部）の形状、寸法、振動モード等は、特に限定されない。
【００４６】
（第２実施形態）
次に、本発明のアクチュエータの第２実施形態について説明する。
図５は、本発明のアクチュエータの第２実施形態を示すブロック図、図６は、図５に示すアクチュエータのタイミングチャートである。
以下、第２実施形態のアクチュエータ１について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【００４７】
図５に示すように、第２実施形態のアクチュエータ１の駆動回路７は、ゼロクロス検出回路（検出手段）７１と、タイミング補正回路７５と、タイマー回路７２と、特性調整回路（調節手段）７６と、波形形成回路７３と、電力増幅回路（駆動手段）７４とを有している。なお、タイマー回路７２、特性調整回路７６および波形形成回路７３により、駆動波形を生成する駆動波形生成手段が構成される。
【００４８】
タイミング補正回路７５は、ゼロクロス検出回路７１から出力されるパルス８１の通過の許可と禁止とを切り換えるＥＮＡＢＬＥ信号を生成し、このＥＮＡＢＬＥ信号のレベルがローレベル（Ｌ）の期間は、前記パルス８１を通過させず、ハイレベル（Ｈ）の期間のみ、前記パルス８１を通過させるよう構成されている（図５、図６のｂ、ＥＮＡＢＬＥ、ｆ参照）。
【００４９】
すなわち、ＥＮＡＢＬＥ信号のレベルがローレベルの期間は、図６のＤに示すように、ゼロクロス検出回路７１において、ゼロクロス点が検出されてパルス８１が生成されても、そのパルス８１は、タイミング補正回路７５でカットされ、タイマー回路７２には入力されない。換言すれば、タイミング補正回路７５により、ＥＮＡＢＬＥ信号のレベルがローレベルの期間、ゼロクロス検出回路７１におけるゼロクロス点の検出が無効にされる。
【００５０】
一方、ＥＮＡＢＬＥ信号のレベルがハイレベルの期間は、ゼロクロス検出回路７１において、ゼロクロス点が検出されてパルス８１が生成されると、そのパルス８１は、タイミング補正回路７５を通過して、タイマー回路７２に入力される。
従って、ゼロクロス検出回路７１で検出される電圧の波形（電圧波形）にノイズ成分がのることによる影響を阻止することができる。すなわち、確実に、本来のゼロクロス点のみを検出することができ、これにより、例えば、振動体６の振動が不安定になることや、振動体６が他の振動モードで振動してしまうことを防止することができる。
【００５１】
前記ＥＮＡＢＬＥ信号のレベルがローレベルの期間、すなわち、前記ゼロクロス検出回路７１におけるゼロクロス点の検出を無効にする期間は、本実施形態では、ゼロクロス点が検出されたときから所定時間（ｔｐ）である。
この時間ｔｐは、隣り合う本来のゼロクロス点とゼロクロス点との間の時間より短い時間に設定される。例えば、時間ｔｐは、共振周波数や駆動周波数の変動や変更等に伴う本来のゼロクロス点の変動、すなわち、種々の要因を考慮して想定し得る、隣り合う本来のゼロクロス点とゼロクロス点との間の時間の最小値より短い時間に設定される。
【００５２】
また、時間ｔｐは、可能な限り長い時間に設定されるのがより好ましい。例えば、時間ｔｐは、前記最小値より若干短い時間に設定されるのが好ましい。
これにより、より確実に、本来のゼロクロス点のみを検出することができ、例えば、振動体６の振動が不安定になることや、振動体６が他の振動モードで振動してしまうことをより確実に防止することができる。
なお、前記ＥＮＡＢＬＥ信号のレベルをローレベルにする期間、すなわち、ゼロクロス検出回路７１におけるゼロクロス点の検出を無効にする期間は、これに限定されないことは、言うまでもない。
また、前記ゼロクロス検出回路７１におけるゼロクロス点の検出を無効にする期間が、調節（変更）し得るようになっていてもよい。
【００５３】
特性調整回路７６は、タイマー回路７２における時間ｔｄの値を調節（変更）する回路である。
この特性調整回路７６により、前記時間ｔｄが変更されると、振動体６に印加される交流電圧の周波数が変わる。例えば、時間ｔｄを長くすると、振動体６に印加される交流電圧の周波数は低くなり、時間ｔｄを短くすると、振動体６に印加される交流電圧の周波数は高くなる。そして、後述するように、振動体６に印加される交流電圧の周波数が変わると、振動体６（超音波モータ４）の特性（駆動特性）が変わる。
このように、特性調整回路７６によるタイマー回路７２における時間ｔｄの値の調節により、振動体６の駆動特性を任意に調節することができる。
なお、これ以降の動作は、前述した第１実施形態と同様であるので、その説明は、省略する。
【００５４】
図７は、図２に示す振動体の電気的特性であって、振動体がロータを押圧していない場合（フリー状態）を示すグラフ、図８は、図２に示す振動体の電気的特性であって、振動体６がロータ５１を押圧している場合（押圧状態）を示すグラフである。図７では、横軸に振動体６の駆動時における振動周波数［Ｈｚ］をとり、縦軸に振動体６がロータ５１を押圧していない場合の圧電素子６２、６４のインピーダンス［Ω］をとる。図８では、横軸に振動体６の駆動時における振動周波数［Ｈｚ］をとり、縦軸に振動体６がロータ５１を押圧している場合の圧電素子６２、６４のインピーダンス［Ω］をとる。
【００５５】
図７に示すように、この振動体６は、縦一次振動の共振周波数ｆｌと、屈曲二次の共振周波数ｆｂとを有する。これらの共振周波数ｆｌ、ｆｂでは、いずれもインピーダンスが極小値をとる。ここで、これらの共振周波数ｆｌ、ｆｂは、振動体６固有の周波数である。共振周波数ｆｌ、ｆｂは、振動体６の形状や大きさ、接触部６６の位置等の選択により、任意に設計変更可能である。この振動体６では、共振周波数ｆｌ、ｆｂが相互に近接するように設定される。例えば、この振動体６では、屈曲二次振動の共振周波数ｆｂが、縦一次振動の共振周波数ｆｌに対して、例えば、約１［％］〜２［％］程度大きい。この構成において、これらの近傍の周波数、特に、縦一次振動の共振周波数ｆｌと、屈曲二次の共振周波数ｆｂとの間の周波数にて振動体６を駆動すると、縦一次振動および屈曲二次振動の双方の複合振動が得られる。また、この複合振動は、縦一次振動および屈曲二次振動の双方の共振周波数ｆｌ、ｆｂに近いため、双方の駆動特性を顕著に有する。これにより、振動体６の駆動状態にて、縦一次振動および屈曲二次振動の双方の駆動特性を効率的に得られる利点がある。
【００５６】
また、この振動体６では、これらの共振周波数ｆｌ、ｆｂが、相互に異なる数値となるように設定される（図７参照）。すると、図８に示すように、押圧状態では、共振点近傍にて圧電素子６２、６４のインピーダンス変化が鈍くなり、縦一次振動の共振周波数ｆｌと屈曲二次振動の共振周波数ｆｂの際目が不明瞭となる。また、これらの共振周波数ｆｌ、ｆｂの近傍にて、特に、縦一次振動の共振周波数ｆｌと屈曲二次振動の共振周波数ｆｂとの間の周波数にて、インピーダンスの値が低い周波数帯を幅広く形成できる。これにより、広い周波数帯にて縦一次振動および屈曲二次振動を結合した励振を行えると共に、駆動時の投入電力を安定化できる利点がある。なお、振動体６がロータ５１を押圧していない場合と、押圧している場合とでは、前記縦一次振動の共振周波数および屈曲二次振動の共振周波数は、それぞれ、変動するが、ここでは、説明が複雑になるのを避けるため、振動体６がロータ５１を押圧していない場合と、押圧している場合とのそれぞれにおいて、「ｆｌ」、「ｆｂ」とする。
また、このアクチュエータ１では、振動体６が、縦一次振動の共振周波数ｆｌと、屈曲二次振動の共振周波数ｆｂとの間の所定振動周波数（駆動周波数）にて駆動される。
【００５７】
図９は、振動体の駆動周波数と、振動体の駆動力（駆動トルク）および駆動速度（回転数）との関係を示すグラフ、図１０は、振動体の駆動周波数がｆｌおよびｆｂのときの駆動トルクＴと回転数（回転速度）Ｎとの関係特性を示すグラフである。
図９に示すように、振動体６の駆動周波数を縦一次振動の共振周波数ｆｌに近づけると、押圧力を増す方向（ロータ５１の半径方向）の振動振幅が大きくなるので、振動体６の接触部６６とロータ５１との間の摩擦力が大きくなり、駆動力（駆動トルク）が高くなる（高駆動力型となる）。また、振動体６の駆動周波数を屈曲二次振動の共振周波数ｆｂに近づけると、振動体６の振動変位のうちの、ロータ５１の移動方向（ロータ５１の周方向）の成分が大きくなり、これにより振動体６による１回の振動で送れる量（ロータ５１の回転量）が大きくなり、駆動速度（移動速度）（回転数）が高くなる（高速型となる）。
【００５８】
例えば、振動体６の駆動周波数を縦一次振動の共振周波数ｆｌ、屈曲二次振動の共振周波数ｆｂに設定すると、駆動トルクＴと回転数（回転速度）Ｎとの関係特性は、それぞれ、図１０に示すようになる。また、振動体６の駆動周波数を縦一次振動の共振周波数ｆｌと、屈曲二次振動の共振周波数ｆｂとの間の所定の値に設定すると、駆動トルクＴと回転数（回転速度）Ｎとの関係特性は、図１０に示す両グラフの間の特性となる。
【００５９】
このように、縦一次振動の共振周波数ｆｌと、屈曲二次振動の共振周波数ｆｂとをずらすと共に、前記特性調整回路７６によるタイマー回路７２における時間ｔｄの値の調節により、これらの共振周波数ｆｌ、ｆｂ間の周波数帯にて駆動周波数を適宜設定（選択）することにより、例えば、駆動力や駆動速度に関して、任意の駆動特性を得ることができる。
また、この振動体６では、屈曲二次振動の共振周波数ｆｂが、縦一次振動の共振周波数ｆｌよりも、ｆｌの０．５［％］〜３［％］程度大きいのが好ましく、１［％］〜２［％］程度大きいのがより好ましい。
【００６０】
屈曲二次振動の共振周波数ｆｂと縦一次振動の共振周波数ｆｌとの差を前記範囲内に設定することにより、押圧状態で縦一次振動と屈曲二次振動が同時に起きる（結合する）ので摩擦力と駆動力とが同時に得られ、良好な駆動特性が得られる。
なお、これに限らず、縦一次振動の共振周波数ｆｌの方が、屈曲二次振動の共振周波数ｆｂより大きくてもよい。この場合、縦一次振動の共振周波数ｆｌは、屈曲二次振動の共振周波数ｆｂよりも、ｆｂの０．５［％］〜３［％］程度大きいのが好ましく、１［％］〜２［％］程度大きいのがより好ましい。
【００６１】
また、この振動体６では、屈曲二次振動の共振周波数ｆｂにおけるインピーダンスの方が、縦一次振動の共振周波数ｆｌにおけるインピーダンスより大きく、また、共振周波数ｆｌ、ｆｂ間にて、インピーダンスが極大となる周波数ｆｘを有する。そして、振動体６は、この縦一次振動の共振周波数ｆｌと、屈曲二次振動の共振周波数ｆｂとの間の所定の駆動周波数にて駆動されるのが好ましく、ｆｘとｆｂの間の所定の駆動周波数にて駆動されるのがより好ましい。
これにより、振動体６の駆動時に縦振動と屈曲振動の振動位相をずらして励振することができる。したがって、接触部６６を楕円軌道ｃ（図３参照）に沿って振動させることができ、振動体６からロータ５１に対し、ロータ５１を引き戻す力を与えることなく、効率良く力を与えることができる。
【００６２】
ここで、本実施形態のアクチュエータ１における各設定値の一例を説明する。
例えば、振動体６の本体部の寸法が、７ｍｍ（縦）×２ｍｍ（横）程度であり、定常駆動状態における共振周波数が２８０ｋＨｚ程度の場合、時間ｔｐは、定常駆動状態において１８０°（１／２周期）に相当する時間より少し短い時間、例えば、１．６μ秒程度、時間ｔｄは、定常駆動状態において２７０°（３／４周期）に相当する時間、すなわち、２．７μ秒程度に設定される。
【００６３】
（第３実施形態）
次に、本発明のアクチュエータの第３実施形態について説明する。
図１１は、本発明のアクチュエータの第３実施形態における振動体（超音波モータ）を示す斜視図である。
以下、第３実施形態のアクチュエータ１について、前述した第１実施形態や第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【００６４】
図１１に示すように、第３実施形態のアクチュエータ１の振動体６（超音波モータ４）では、その補強板６３の一方の面（片側）に、圧電素子６２が設けられ、この圧電素子６２上に、電極６１ｂ、６１ｄおよび６１ｇが設けられている。
かかる構成によっても、前述した第１実施形態や第２実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
また、圧電素子６２および電極６１ｂ、６１ｄおよび６１ｇが補強板６３の一方の面（片側）のみに設けられるので、構造が簡易であり、振動体６の厚みを薄くすることができ、また、コストを低減することができる利点がある。
また、この圧電素子６２および電極６１を補強板６３の一方の面（片側）のみに設ける構成は、例えば、後述する振動体等に適用することができる。
すなわち、本発明では、振動体６は、接触部６６および腕部６８を一体的に形成された補強板６３上（補強板６３の一方の面側）に、交流電圧の印加により伸縮する圧電素子６２を設けた構造（平面構造）としてもよい。
【００６６】
（第４実施形態）
次に、本発明のアクチュエータの第４実施形態について説明する。
図１２は、本発明のアクチュエータの第４実施形態における振動体（超音波モータ）を示す斜視図である。なお、以下の説明では、図１２中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
【００６７】
以下、第４実施形態のアクチュエータ１について、前述した第１実施形態や第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１２に示すように、第４実施形態のアクチュエータ１の超音波モータ４では、その振動体６の補強板６３に、弾性（可撓性）を有する１対（２つ）の腕部６８が一体的に形成されている。
【００６８】
１対の腕部６８は、補強板６３の長手方向（図１２中上下方向）ほぼ中央に、長手方向とほぼ垂直な方向であって、かつ、補強板６３（振動体６）を介して互いに反対方向に突出するように（図１２中左右対称に）設けられている。
また、接触部６６は、下側の短辺側であって、補強板６３の幅方向（図１２中左右方向）ほぼ中央に設けられている。
【００６９】
なお、この振動体６は、前述した第１実施形態のように、ロータ５１を一方向にのみ回転させる構成のものでもよいが、ロータ５１を正逆両方向（図１２中時計回りおよび反時計回り）に回転させ得る構成のものであるのが好ましい。
この第４実施形態によれば、前述した第１実施形態や第２実施形態と同様の効果が得られる。
【００７０】
そして、この第４実施形態では、振動体６に１対の腕部６８が設けられているので、支持に対する剛性が高まり、駆動の反作用等の外力に対しても安定した支持ができる。さらに、左右対称になるので、図１２中時計回り（右方向）の駆動特性と図１２中反時計回り（左方向）の駆動特性への影響を均一化でき、正逆方向の特性が等しいものを実現することができる。
【００７１】
以上、本発明を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。
なお、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
また、本発明では、被駆動体は、ロータに限らず、他の回転構造物であってもよく、また、例えば、スライダのような並進構造物等であってもよい。すなわち、被駆動体の変位は、回転（回動）に限らず、例えば、リニアアクチュエータにおける被駆動体の移動のように、直線に沿った移動や曲線に沿った移動等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータの第１実施形態を示すブロック図。
【図２】図１に示す振動体の斜視図。
【図３】図１に示す振動体の動作を示す説明図。
【図４】図１に示すアクチュエータのタイミングチャート。
【図５】本発明のアクチュエータの第２実施形態を示すブロック図。
【図６】図５に示すアクチュエータのタイミングチャート。
【図７】図２に示す振動体の電気的特性を示すグラフ。
【図８】図２に示す振動体の電気的特性を示すグラフ。
【図９】駆動周波数と、駆動力および駆動速度との関係を示すグラフ。
【図１０】駆動トルクと回転数（回転速度）との関係特性を示すグラフ。
【図１１】第３実施形態における振動体を示す斜視図。
【図１２】第４実施形態における振動体を示す平面図。
【符号の説明】
１…アクチュエータ ４…超音波モータ ５１…ロータ ５１１…外周面 ６…振動体 ６１ｂ、６１ｄ、６１ｇ、６５ｂ、６５ｄ、６５ｇ…電極 ６２、６４…圧電素子 ６３…補強板 ６６…接触部 ６８…腕部 ６８０…固定部 ６８１…孔 ７…駆動回路 ７１…ゼロクロス検出回路 ７２…タイマー回路 ７３…波形形成回路 ７４…電力増幅回路 ７５…タイミング補正回路 ７６…特性調整回路 ８１、８２…パルス ８３…パルス信号[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a drive circuit and an actuator for an ultrasonic motor.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic motor that drives a driven body such as a rotor by vibrating a vibrating body including a piezoelectric element has been known. In this ultrasonic motor, a driving circuit applies an AC voltage to the piezoelectric element of the vibrating body to vibrate the vibrating body. As such a technique, a technique described in Patent Document 1 is known.
[0003]
However, in the drive circuit of the ultrasonic motor described in Patent Document 1, a phase difference calculating means for calculating a phase difference, a phase difference setting means for setting an optimum phase difference, and a shift amount of the phase difference with respect to the optimum phase difference. A required comparison means, a means for adjusting the frequency of the AC voltage applied to the ultrasonic motor based on the deviation amount, and the like are required, which complicates the circuit configuration and requires complicated processing.
In addition, since the frequency of the AC voltage applied to the ultrasonic motor is adjusted based on the shift amount of the phase difference with respect to the optimal phase difference, it is difficult to reliably optimize the vibration state of the ultrasonic motor in real time, The driving efficiency and the like were insufficient.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-7-143777
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a drive circuit and an actuator for an ultrasonic motor that can easily and reliably drive an ultrasonic motor with high driving efficiency with a simple configuration.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Such an object is achieved by the present invention described below.
The drive circuit of the ultrasonic motor according to the present invention includes a first piezoelectric element that expands and contracts by applying an AC voltage, a reinforcing plate integrally formed with a contact portion and an arm, and a second piezoelectric element that expands and contracts by applying an AC voltage. And a driving circuit for driving an ultrasonic motor including a vibrating body fixedly installed at the arm portion while being in contact with the driven body at the contact portion. ,
Detecting means for detecting a voltage generated by expansion and contraction of the piezoelectric element,
A drive waveform generating means for generating a drive waveform having a phase shifted by a predetermined time with respect to the detected voltage waveform;
Driving means for driving the ultrasonic motor by applying an AC voltage corresponding to the generated drive waveform to the piezoelectric element.
[0007]
Thus, the vibration state of the vibrating body (ultrasonic motor) can be easily and reliably optimized in real time (always) with a simple circuit configuration, and the ultrasonic motor can be driven with high driving efficiency. .
Further, since the vibrating body has a structure in which the piezoelectric element and the reinforcing plate are stacked, the thickness of the ultrasonic motor can be reduced.
Further, the vibrating body includes a first piezoelectric element that expands and contracts by applying an AC voltage, a reinforcing plate integrally formed with a contact portion and an arm, and a second piezoelectric element that expands and contracts by applying an AC voltage. Since the layers are stacked in this order, a large driving force and a high driving speed can be obtained at a low voltage, and driving is performed by using expansion and contraction in the in-plane direction, so that driving efficiency can be extremely increased.
[0008]
The drive circuit of the ultrasonic motor according to the present invention includes a reinforcing plate integrally formed with a contact portion and an arm portion, and a piezoelectric element provided on the reinforcing plate, which expands and contracts by application of an AC voltage, A drive circuit for driving an ultrasonic motor including a vibrating body fixedly installed at the arm while abutting against a driven body at a contact portion,
Detecting means for detecting a voltage generated by expansion and contraction of the piezoelectric element,
A drive waveform generating means for generating a drive waveform having a phase shifted by a predetermined time with respect to the detected voltage waveform;
Driving means for driving the ultrasonic motor by applying an AC voltage corresponding to the generated drive waveform to the piezoelectric element.
[0009]
Thus, the vibration state of the vibrating body (ultrasonic motor) can be easily and reliably optimized in real time (always) with a simple circuit configuration, and the ultrasonic motor can be driven with high driving efficiency. .
Further, since the vibrating body has a structure in which the piezoelectric element and the reinforcing plate are stacked, the thickness of the ultrasonic motor can be reduced.
[0010]
A drive circuit for an ultrasonic motor according to the present invention is a drive circuit for driving an ultrasonic motor including a vibrating body having a piezoelectric element that expands and contracts by the application of an AC voltage and a contact portion that contacts a driven body. ,
Detecting means for detecting a voltage generated by expansion and contraction of the piezoelectric element,
A drive waveform generating means for generating a drive waveform having a phase shifted by a predetermined time with respect to the detected voltage waveform;
Driving means for driving the ultrasonic motor by applying an AC voltage corresponding to the generated drive waveform to the piezoelectric element.
Thus, the vibration state of the vibrating body (ultrasonic motor) can be easily and reliably optimized in real time (always) with a simple circuit configuration, and the ultrasonic motor can be driven with high driving efficiency. .
[0011]
In the drive circuit of the ultrasonic motor according to the present invention, the drive waveform generation unit has an adjustment unit that adjusts a phase shift amount of the drive waveform with respect to the detected voltage waveform,
It is preferable that the configuration is such that the characteristics of the ultrasonic motor are changed by changing the shift amount.
By changing (adjusting) the shift amount, the driving frequency of the ultrasonic motor is changed, and for example, any driving characteristics can be obtained with respect to driving force and driving speed.
[0012]
In the drive circuit of the ultrasonic motor according to the present invention, the detection unit includes a zero cross detection circuit that detects a zero cross point of a voltage waveform generated by expansion and contraction of the piezoelectric element,
It is preferable that the drive waveform generation means generates the drive waveform based on the detected zero cross point.
Thus, the vibration state of the vibrating body (ultrasonic motor) can be more reliably optimized, and the ultrasonic motor can be driven with higher driving efficiency.
[0013]
In the drive circuit of the ultrasonic motor according to the present invention, the detection unit includes a zero cross detection circuit that detects a zero cross point of a voltage waveform generated by expansion and contraction of the piezoelectric element,
The drive waveform generation means has a circuit for generating a pulse signal whose level alternately switches between a low level and a high level as the drive waveform, and the pulse signal after the predetermined time from the detected zero cross point. It is preferable to output the pulse signal by switching the level of the pulse signal.
Thus, the vibration state of the vibrating body (ultrasonic motor) can be more reliably optimized, and the ultrasonic motor can be driven with higher driving efficiency.
[0014]
In the drive circuit for an ultrasonic motor according to the present invention, it is preferable to provide a period in which the detection of the zero-cross point by the zero-cross detection circuit is invalidated.
Thus, the detection of the zero cross point can be performed more reliably, and the ultrasonic motor can be driven with higher driving efficiency.
In the ultrasonic motor drive circuit according to the present invention, it is preferable that the period in which the detection of the zero-cross point is invalid is a predetermined period from the time when the zero-cross point is detected. Thus, the detection of the zero cross point can be performed more reliably, and the ultrasonic motor can be driven with higher driving efficiency.
[0015]
In the drive circuit for an ultrasonic motor according to the present invention, the vibrator performs a composite vibration of a longitudinal vibration and a bending vibration in a vibrating state, and the resonance frequency of the longitudinal vibration and the resonance frequency of the bending vibration are mutually different. Preferably, they are different and close to each other.
Accordingly, the vibrating body is driven at frequencies near these frequencies, in particular, a frequency between the resonance frequency f1 of longitudinal vibration (for example, primary longitudinal vibration) and the resonance frequency f2 of bending vibration (for example, secondary bending vibration). When driven, it is possible to efficiently obtain drive characteristics of both longitudinal vibration and bending vibration. Further, in the vicinity of these resonance frequencies f1 and f2, particularly at a frequency between the resonance frequencies f1 and f2, a frequency band having a low impedance value can be formed widely. As a result, excitation combining longitudinal vibration and bending vibration can be performed in a wide frequency band, and the input power during driving can be stabilized. Further, by appropriately setting (selecting) the driving frequency in the frequency band between these resonance frequencies f1 and f2, it is possible to obtain an arbitrary driving characteristic with respect to, for example, the driving force and the driving speed.
[0016]
Actuator of the present invention, a drive circuit of the ultrasonic motor of the present invention,
And the ultrasonic motor driven by the drive circuit.
Thus, the vibration state of the vibrating body (ultrasonic motor) can be easily and reliably optimized in real time (always) with a simple circuit configuration, and the ultrasonic motor can be driven with high driving efficiency. .
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a drive circuit and an actuator of an ultrasonic motor according to the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the actuator of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing a vibrating body (ultrasonic motor) of the actuator shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is an explanatory view showing the operation of the vibrating body (ultrasonic motor), and FIG. 4 is a timing chart of the actuator shown in FIG.
[0018]
As shown in FIG. 1, the actuator 1 includes an ultrasonic motor 4, a drive circuit 7 for driving the ultrasonic motor 4, and a rotor (driven body) 51 that is rotated (displaced) by a driving force from the ultrasonic motor 4. And
The rotor 51 is rotatably mounted on a base (not shown). The ultrasonic motor 4 is fixed to the base by an arm 68 having elasticity (flexibility) described later.
[0019]
As shown in FIG. 2, the ultrasonic motor 4 has a vibrating body 6. The vibrating body 6 has a substantially rectangular plate shape as a whole, and has a contact portion 66 and an arm portion 68. The contact portion 66 protrudes from a part of the short side, has a rounded top, and is located at an end of the short side of the vibrating body 6. The arm portion 68 is provided to extend substantially vertically from the center of the long side on the opposite side of the contact portion 66, and has a fixing portion 680 having a hole 681 at the tip. The vibrating body 6 has a bolt (not shown) inserted into the hole 681 of the arm 68 while the plane thereof is substantially parallel to the base, and is fixed to the base at the fixing portion 680 by the bolt. In this way, the vibrating body 6 is supported by the arm 68, so that the vibrating body 6 can freely vibrate and vibrate with a relatively large amplitude.
[0020]
Here, the tip of the contact portion 66 of the vibrating body 6 is in contact (contact) with the outer peripheral surface (contact portion) 511 of the rotor 51 in the radial direction (see FIG. 1). The contact portion 66 is elastically urged against the outer peripheral surface 511 of the rotor 51 by the elasticity of the arm portion 68. Thereby, a sufficient frictional force is obtained at the contact surface, and the vibration of the vibrating body 6 can be transmitted to the rotor 51 reliably. Due to the vibration of the vibrating body 6, a driving force (rotational force) is applied from the contact portion 66 to the rotor 51, and the rotor 51 rotates. The vibrating body 6 (ultrasonic motor 4) is connected to a driving circuit 7 described later, and the driving circuit 7 controls the driving.
[0021]
Next, the ultrasonic motor 4 will be described in detail.
As shown in FIG. 2, the vibrating body 6 of the ultrasonic motor 4 is arranged around a single reinforcing plate (vibrating plate) 63, and the reinforcing plate 63 is connected to a piezoelectric element (first piezoelectric element) 62 and It is sandwiched between piezoelectric elements (second piezoelectric elements) 64 and is formed by laminating them. When an AC voltage is applied, each of the piezoelectric elements 62 and 64 expands and contracts in its longitudinal direction (the direction of the long side). Further, the vibrating body 6 has electrodes 61b, 61d and 61g and an electrode 65g (not shown; only reference numerals are shown in parentheses) at predetermined positions on the front and back.
[0022]
The reinforcing plate 63 has a substantially rectangular plate-like structure, and its thickness is thinner than each of the piezoelectric elements 62 and 64. Thereby, there is an advantage that the vibrating body 6 can be vibrated with high efficiency. The reinforcing plate 63 is made of, for example, stainless steel, aluminum, an aluminum alloy, titanium, a titanium alloy, copper, a copper-based alloy, or another metal material. However, the constituent material of the reinforcing plate 63 is not limited to this. The reinforcing plate 63 has a function of reinforcing the entire vibrating body 6 and prevents the vibrating body 6 from being damaged by excessive amplitude, external force, or the like. Further, the reinforcing plate 63 functions as a common electrode for the piezoelectric elements 62 and 64.
[0023]
The piezoelectric elements 62 and 64 have a rectangular plate-like structure substantially congruent with the reinforcing plate 63. The piezoelectric elements 62 and 64 are stacked so that the reinforcing plate 63 is sandwiched from the front and back to face each other, and the planar positions thereof are aligned with the reinforcing plate 63. Further, the piezoelectric elements 62 and 64 are fixed to the reinforcing plate 63 and integrated to form a single structure. Thereby, there is an advantage that the strength of the vibrating body 6 can be improved. The piezoelectric elements 62 and 64 are made of a material that can expand and contract when a voltage is applied. Examples of such a material include lead zirconate titanate, quartz, lithium niobate, barium titanate, lead titanate, lead metaniobate, polyvinylidene fluoride, lead zinc niobate, lead scandium niobate, and the like.
[0024]
The electrodes 61b and 61d are formed of strip-shaped metal members, and are installed at predetermined positions on the piezoelectric element 62. These electrodes 61b and 61d have a length that is approximately half of the long side of the piezoelectric element 62, and are arranged along the long side edge of the piezoelectric element 62. In this case, the electrode 61b is located on the arm 68 side and on the side opposite to the contact section 66, that is, at the lower right in FIG. On the other hand, the electrode 61d is located on the side opposite to the arm 68 and on the side of the contact section 66, that is, on the upper left in FIG.
[0025]
The electrode 61g is formed of a metal member having a shape obtained by removing portions corresponding to the electrodes 61b and 61d from two locations on a diagonal line of a rectangle. The electrode 61g is arranged on a portion of the piezoelectric element 62 where the electrodes 61b and 61d do not exist.
The electrode 65g is made of a metal material having substantially the same shape as the electrode 61g. The electrode 65g is disposed on the piezoelectric element 64 (on the back side of the piezoelectric element 64) at a position corresponding to the electrode 61g. That is, the electrode 61g and the electrode 65g are arranged on the front and back of the vibrating body 6 so as to face each other. In FIG. 2, the reference numerals in parentheses indicate that the electrodes face each other with the vibrating body 6 interposed therebetween.
[0026]
The electrode 61b and the electrode 61d are electrically connected to each other and connected to a zero-cross detection circuit 71 of the driving circuit 7 described later. The electrode 61g and the electrode 65g are electrically connected to each other and the power amplifying circuit 74 of the driving circuit 7 described later. (See FIG. 1).
Needless to say, the shape, size, position, and the like of each electrode are not limited thereto.
[0027]
Further, the vibrating body 6 has a contact portion 66 at one end of the short side, that is, at the end of the distal end in the longitudinal direction. The contact portion 66 is formed integrally with the reinforcing plate 63 by a single member. Thereby, there is an advantage that the contact portion 66 can be installed firmly with respect to the vibrating body 6. In particular, when the actuator 1 is driven, the contact portion 66 collides with the rotor 51 at high speed and repeatedly with a high pressing force due to the vibration of the vibrating body 6. Therefore, with such a configuration, there is an advantage that the durability of the contact portion 66 can be increased.
[0028]
Further, since the contact portion 66 is provided at a position deviated from the longitudinal center line of the vibrating body 6, the vibrating body 6 is unbalanced when the vibrating body 6 is driven, and the longitudinal vibration and the bending vibration described later. Is easily induced, whereby the driving efficiency of the vibrating body 6 is improved.
The contact portion 66 has a semicircular tip. The contact portion 66 makes stable frictional contact with the outer peripheral surface 511 of the rotor 51 as compared with a case having a rectangular tip portion. Thus, there is an advantage that the pressing force from the vibrating body 6 can be reliably transmitted to the rotor 51 even when the action direction of the vibrating body 6 is slightly shifted. However, the shape of the contact portion 66 is not limited to this.
In addition, the vibrating body 6 has an arm 68 projecting substantially perpendicularly to the long side at the center of the long side opposite to the contact portion 66, that is, at the center of the side in the longitudinal direction. The arm 68 is formed integrally with the reinforcing plate 63 by a single member. Thereby, there is an advantage that the arm 68 can be firmly installed on the vibrating body 6.
[0029]
A bolt is inserted into the hole 681 provided at the tip of the arm 68, and the vibrating body 6 is fixedly installed on the base at the fixing portion 680 by the bolt. In addition, the vibrating body 6 is supported by the arm 68 and is installed in a state of floating with respect to the base (non-contact state except for the fixing portion 680). In such a configuration, since there is no friction between the vibrating body 6 and the base, there is an advantage that the vibration of the vibrating body 6 is hardly restricted, and free vibration of the vibrating body 6 can be realized. The arm 68 has elasticity because the reinforcing plate 63 is made of a metal material. The contact portion 66 of the vibrating body 6 is urged toward the outer peripheral surface 511 of the rotor 51 by this elasticity and pressed against the outer peripheral surface 511, and the vibrating body 6 is supported by the arm 68 in this state. The reinforcing plate 63 of the vibrating body 6 is grounded (grounded) at the arm 68.
[0030]
Here, the arm portion 68 is provided on a side of the vibrating body 6 and at a position serving as a node of vibration of the vibrating body 6. This position may be appropriately determined by vibration analysis or other known methods within a range obvious to those skilled in the art. For example, in the case of the vibrating body 6 shown in the drawing, the vibrating body 6 has a vibrating node near the center in the longitudinal direction. Therefore, in this actuator 1, the arm portion 68 is provided substantially at the center of the long side of the vibrating body 6. Then, the arm 68 does not hinder the vibration of the vibrating body 6 when the vibrating body 6 vibrates, so that the dissipation of vibration energy from the arm 68 to the outside can be suppressed. Thereby, there is an advantage that the rotor 51 can be driven efficiently.
[0031]
As shown in FIG. 3, in a state where the contact portion 66 of the vibrating body 6 is in contact with the rotor 51, power is supplied to the electrodes 61g and 65g by the power amplification circuit 74 of the drive circuit 7, which will be described later. When an AC voltage is applied between the vibration plate 6 and the reinforcing plate 63, portions of the vibrating body 6 corresponding to the electrodes 61g and 65g repeatedly expand and contract in the direction of arrow a at high speed. As a result, the vibrating body 6 performs a microscopic vibration that is bent in a substantially S-shape as a whole, that is, a composite vibration of a vertical vibration (for example, a vertical primary vibration) and a bending vibration (for example, a bending secondary vibration). Due to this vibration, the contact portion 66 of the vibrating body 6 is displaced in an oblique direction indicated by an arrow b, that is, vibrates (reciprocating motion), or is displaced substantially along an ellipse as indicated by an arrow c, that is, elliptical vibration ( Elliptical motion). The rotor 51 receives a frictional force (pressing force) from the contact portion 66 when the portions of the vibrating body 6 corresponding to the electrodes 61g and 65g extend.
That is, a large frictional force is applied between the contact portion 66 and the outer peripheral surface 511 by the radial component S1 of the vibration displacement S of the contact portion 66 (radial displacement of the rotor 51), and the circumferential component of the vibration displacement S is By S2 (displacement of the rotor 51 in the circumferential direction), a counterclockwise rotation force in FIG. 3 is applied to the rotor 51.
When the vibrating body 6 vibrates, such a force repeatedly acts on the rotor 51, and the rotor 51 rotates counterclockwise in FIG.
In the illustrated vibrating body 6, the electrodes 61b and 65d constitute detection electrodes (vibration detecting means) for detecting the vibration of the vibrating body 6.
[0032]
Next, the drive circuit 7 will be described.
First, an outline will be described. In order to drive the resonance system efficiently, it is necessary to input energy (power) with good timing. Therefore, in the actuator 1, the vibration of the vibrating body 6 is induced between the electrodes 61 b and 61 d of the vibrating body 6 and the reinforcing plate 63 every half cycle (or one cycle) of the vibration of the vibrating body 6. Voltage (induced voltage), that is, a voltage waveform (voltage waveform), and an AC voltage having a phase shifted by a predetermined time with respect to the detected voltage waveform is applied to the piezoelectric elements 62 and 64, that is, the electrodes 61g and 65g. And the reinforcing plate 63 to drive the vibrating body 6 (ultrasonic motor 4). Hereinafter, a detailed description will be given based on FIGS. 1 and 4.
[0033]
As shown in FIG. 1, the drive circuit 7 has a zero-cross detection circuit (detection means) 71, a timer circuit 72, a waveform forming circuit 73, and a power amplification circuit (drive means) 74. As the waveform forming circuit 73, for example, a flip-flop, a latch circuit, or the like can be used. The timer circuit 72 and the waveform forming circuit 73 constitute a drive waveform generation unit that generates a drive waveform.
The zero-cross detection circuit 71 is a circuit that detects a voltage (induced voltage) induced between the electrodes 61b and 61d of the vibrating body 6 and the reinforcing plate 63, that is, a zero-cross point of a voltage waveform (voltage waveform). .
[0034]
When the vibrating body 6 (ultrasonic motor 4) is driven, a voltage (induced voltage) is induced between the electrodes 61b and 61d and the reinforcing plate 63, and the voltage (voltage waveform) is applied to the zero-cross detection circuit 71. (Detected). From the zero-cross detection circuit 71, a pulse 81 is output as a zero-cross detection signal at the zero-cross point of the voltage waveform, and is input to the timer circuit 72 (see FIGS. 1 and 4a and b).
[0035]
The timer circuit 72 is a circuit that generates a pulse 82 delayed by a predetermined time (td) with respect to the pulse 81 from the zero-cross detection circuit 71.
A time td is set in advance in the timer circuit 72. When a pulse 81 is input from the zero-cross detection circuit 71, the timer circuit 72 starts time measurement, and outputs a pulse 82 when the time td has elapsed. I do. This pulse 82 is input to the waveform forming circuit 73. In this way, the pulse 82 is input to the waveform forming circuit 73 after the time td (after the time td) from the zero cross point (see FIGS. 1 and 4c). The setting of the time td will be described later.
[0036]
The waveform forming circuit 73 has a circuit for generating a pulse signal (rectangular wave) 83 whose level alternately switches between a low level (L) and a high level (H) as a drive waveform. The waveform forming circuit 73 switches the level of the pulse signal 83 by using the pulse 82 from the timer circuit 72 as a trigger, and outputs the pulse signal 83. That is, the waveform forming circuit 73 switches the level of the pulse signal 83 after a time td from the detected zero cross point, and outputs the pulse signal 83 (see d in FIGS. 1 and 4).
[0037]
The level of the pulse signal (output signal) 83 output from the waveform forming circuit 73 corresponds to the voltage waveform detected by the zero-cross detection circuit 71. When the voltage waveform is a valley (negative), the level is low. It becomes high level at the time of a mountain (positive). That is, the level of the pulse signal 83 is switched from low level to high level after a time td from the zero cross point where the voltage waveform changes from negative to positive, and time td from the zero cross point where the voltage waveform changes from positive to negative. Later, it switches from the high level to the low level.
[0038]
The power amplifying circuit 74 is a circuit that applies an AC voltage corresponding to the pulse signal 83 input from the waveform forming circuit 73 to the vibrating body 6 (ultrasonic motor 4).
In the power amplifying circuit 74, the pulse signal input from the waveform forming circuit 73 is amplified and output as an AC voltage. This AC voltage is applied between the electrodes 61g and 65g and the reinforcing plate 63 (see FIGS. 1 and 4e).
[0039]
As described above, between the electrodes 61 g and 65 g of the vibrating body 6 and the reinforcing plate 63, an AC voltage whose phase is delayed by the time td with respect to the voltage waveform detected by the zero-cross detection circuit 71 is applied. The vibrating body 6 is driven. Thereby, the vibrating body 6 performs longitudinal vibration (for example, longitudinal primary vibration) and bending vibration (for example, bending secondary vibration), and the rotor 51 is hit by the contact portion 66 and rotates counterclockwise in FIG.
In addition, section A shown in FIG. 4 is a steady driving state (a state without disturbance or the like), section B is a state where the resonance frequency is slightly lowered due to a load change or the like, and section C is a state. , The resonance frequency is slightly increased due to load fluctuation or the like, but in any state, the value of the time td is the same (fixed).
[0040]
Next, the setting of the time td will be described.
Section A shown in FIG. 4 is a steady driving state (a state without disturbance or the like), and when the target driving frequency (resonance frequency) is fr, the period is 1 / fr in this steady driving state ( The time td is set so that a positive feedback occurs).
For example, in the configuration of the vibrating body 6 shown in FIGS. 2 and 3, when a positive voltage is applied to the electrodes 61g and 65g, which are driving electrodes, and the portions corresponding to the electrodes 61g and 65g expand, Portions corresponding to the electrodes 61b and 61d, which are electrodes, are contracted so that a positive voltage is induced (detected) at the electrodes 61b and 61d.
[0041]
In this case, for example, in the resonance state, the phase of the current is in-phase with the phase of the voltage applied to the electrodes 61g and 65g, the phase of the velocity of the vibration is in-phase with the phase of the current, and the The phase is delayed by 90 ° (１ ／ cycle). With this displacement, a voltage is generated on the electrodes 61b and 61d. That is, the phase of the voltage (voltage waveform) induced at the electrodes 61b and 61d is delayed by 90 ° from the phase of the voltage (voltage waveform) applied to the electrodes 61g and 65g. Therefore, the time td is set so that the phase relationship is maintained, and the vibrating body 6 is driven. In this example, the time td is set to a time corresponding to 270 ° in the steady driving state, whereby the phase of the voltage applied to the electrodes 61g and 65g becomes the phase of the voltage detected from the electrodes 61b and 61d. On the other hand, in the steady driving state, it is delayed by a time corresponding to 270 °.
[0042]
As described above, according to the actuator 1, the vibration state of the vibrating body 6 (ultrasonic motor 4) can be easily and reliably optimized in real time (always) with a simple circuit configuration. Thus, the ultrasonic motor 4 can be driven with high driving efficiency.
Further, since the vibrating body 6 has a structure in which the piezoelectric elements 62 and 64 and the reinforcing plate 63 are stacked, that is, has a thin plate-like shape, the entire actuator 1 can be reduced in size, particularly in thickness.
[0043]
Further, since the vibrating body 6 drives the rotor 51 by a frictional force (pressing force), there is an advantage that a higher driving torque and efficiency can be obtained as compared with a motor driven by a magnetic force. Thus, there is an advantage that the rotor 51 can be driven with a sufficient force without using a transmission mechanism (reduction mechanism).
Further, since the vibrating body 6 is formed by laminating the piezoelectric element 62, the reinforcing plate 63 in which the contact portion 66 and the arm 68 are integrally formed, and the piezoelectric element 64 in this order, a large driving force can be obtained at a low voltage. And a high drive speed. In addition, since driving is performed using expansion and contraction in the in-plane direction, driving efficiency can be extremely increased.
[0044]
Further, since the electric noise of the vibrating body 6 is extremely small as compared with a motor driven by a magnetic force, there is an advantage that the influence of the electric noise on peripheral devices can be reduced.
In addition, since a transmission mechanism is not required, there is an advantage that energy loss is small. Further, since the rotor 51 is directly driven by the vibrating body 6 and there is no need to provide a separate deceleration mechanism, there is an advantage that the weight, size and thickness can be reduced. In addition, the structure can be extremely simplified, and the product can be easily manufactured, so that there is an advantage that the manufacturing cost can be reduced.
The shape of the main body of the vibrating body 6 in a plan view has a substantially rectangular shape. However, when the piezoelectric elements 62 and 64 of the vibrating body 6 are manufactured by dicing or the like, a large number of pieces are required. It is preferable because the yield is improved.
[0045]
In the present invention, the rotor 51 can be rotated in the opposite direction (clockwise in FIG. 3), or the rotor 51 can be rotated in both forward and reverse directions (clockwise and counterclockwise in FIG. 3). You may. These can be realized, for example, by changing the shape, arrangement, and the like of the electrodes of the vibrating body 6, and by providing an energization switching means for switching the energization of the electrodes.
In the present invention, the shape, size, vibration mode, and the like of the vibrating body 6 (the main body of the vibrating body 6) are not particularly limited.
[0046]
(2nd Embodiment)
Next, a second embodiment of the actuator of the present invention will be described.
FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the actuator of the present invention, and FIG. 6 is a timing chart of the actuator shown in FIG.
Hereinafter, the actuator 1 according to the second embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment described above, and the description of the same items will be omitted.
[0047]
As shown in FIG. 5, the drive circuit 7 of the actuator 1 according to the second embodiment includes a zero-cross detection circuit (detection means) 71, a timing correction circuit 75, a timer circuit 72, a characteristic adjustment circuit (adjustment means) 76, , A waveform forming circuit 73 and a power amplifying circuit (driving means) 74. The timer circuit 72, the characteristic adjusting circuit 76, and the waveform forming circuit 73 constitute a driving waveform generating unit that generates a driving waveform.
[0048]
The timing correction circuit 75 generates an ENABLE signal for switching between permission and prohibition of the passage of the pulse 81 output from the zero-cross detection circuit 71. During a period when the level of the ENABLE signal is low (L), the pulse correction circuit 75 generates the ENABLE signal. The pulse 81 is configured to pass only during a high level (H) period without passing the pulse 81 (see b, ENABLE, and f in FIGS. 5 and 6).
[0049]
That is, during the period when the level of the ENABLE signal is low level, as shown in FIG. 6D, even if the zero cross point is detected and the pulse 81 is generated in the zero cross detection circuit 71, the pulse 81 is generated by the timing correction circuit. The signal is cut at 75 and is not input to the timer circuit 72. In other words, the timing correction circuit 75 disables the detection of the zero-cross point in the zero-cross detection circuit 71 while the level of the ENABLE signal is low.
[0050]
On the other hand, during the period when the level of the ENABLE signal is at the high level, when the zero-cross point is detected by the zero-cross detection circuit 71 and the pulse 81 is generated, the pulse 81 passes through the timing correction circuit 75 and is transmitted to the timer circuit 72. Is input to
Therefore, it is possible to prevent the influence of the noise component on the voltage waveform (voltage waveform) detected by the zero-cross detection circuit 71. That is, it is possible to reliably detect only the original zero-cross point, thereby preventing, for example, the vibration of the vibrating body 6 from becoming unstable or the vibrating body 6 from vibrating in another vibration mode. Can be prevented.
[0051]
In the present embodiment, the period during which the level of the ENABLE signal is low, that is, the period during which the detection of the zero-cross point in the zero-cross detection circuit 71 is disabled is a predetermined time (tp) from the time when the zero-cross point is detected. .
This time tp is set to a time shorter than the time between adjacent original zero-cross points. For example, the time tp is a change in the original zero-cross point due to a change or a change in the resonance frequency or the drive frequency, that is, the time between the adjacent original zero-cross points, which can be assumed in consideration of various factors. Is set to a time shorter than the minimum value of the time.
[0052]
It is more preferable that the time tp is set as long as possible. For example, the time tp is preferably set to a time slightly shorter than the minimum value.
As a result, only the original zero-cross point can be detected more reliably, and, for example, the vibration of the vibrating body 6 becomes unstable or the vibrating body 6 vibrates in another vibration mode. It can be reliably prevented.
It is needless to say that the period during which the level of the ENABLE signal is set to low level, that is, the period during which the detection of the zero-cross point in the zero-cross detection circuit 71 is invalid is not limited to this.
Further, the period in which the detection of the zero-cross point in the zero-cross detection circuit 71 is invalidated may be adjusted (changed).
[0053]
The characteristic adjustment circuit 76 is a circuit that adjusts (changes) the value of the time td in the timer circuit 72.
When the time td is changed by the characteristic adjusting circuit 76, the frequency of the AC voltage applied to the vibrating body 6 changes. For example, if the time td is lengthened, the frequency of the AC voltage applied to the vibrating body 6 decreases, and if the time td is shortened, the frequency of the AC voltage applied to the vibrating body 6 increases. Then, as described later, when the frequency of the AC voltage applied to the vibrating body 6 changes, the characteristics (driving characteristics) of the vibrating body 6 (ultrasonic motor 4) change.
As described above, by adjusting the value of the time td in the timer circuit 72 by the characteristic adjusting circuit 76, it is possible to arbitrarily adjust the driving characteristics of the vibrating body 6.
The subsequent operation is the same as in the first embodiment described above, and a description thereof will be omitted.
[0054]
FIG. 7 is a graph showing electrical characteristics of the vibrating body shown in FIG. 2 when the vibrating body does not press the rotor (free state), and FIG. 8 is an electrical characteristic of the vibrating body shown in FIG. 6 is a graph showing a case where the vibrating body 6 is pressing the rotor 51 (pressed state). In FIG. 7, the horizontal axis represents the vibration frequency [Hz] when the vibrating body 6 is driven, and the vertical axis represents the impedance [Ω] of the piezoelectric elements 62 and 64 when the vibrating body 6 does not press the rotor 51. . In FIG. 8, the horizontal axis represents the vibration frequency [Hz] when the vibrating body 6 is driven, and the vertical axis represents the impedance [Ω] of the piezoelectric elements 62 and 64 when the vibrating body 6 presses the rotor 51. .
[0055]
As shown in FIG. 7, the vibrating body 6 has a resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration and a bending secondary resonance frequency fb. At each of these resonance frequencies fl and fb, the impedance takes a minimum value. Here, these resonance frequencies fl and fb are frequencies unique to the vibrating body 6. The design of the resonance frequencies fl and fb can be arbitrarily changed by selecting the shape and size of the vibrating body 6, the position of the contact portion 66, and the like. In the vibrator 6, the resonance frequencies fl and fb are set so as to be close to each other. For example, in the vibrator 6, the resonance frequency fb of the bending secondary vibration is higher than the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration by, for example, about 1% to 2%. In this configuration, when the vibrating body 6 is driven at a frequency in the vicinity thereof, in particular, a frequency between the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration and the bending secondary resonance frequency fb, the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration are generated. Are obtained. In addition, since this composite vibration is close to the resonance frequencies fl and fb of both the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration, both have remarkable driving characteristics. Thereby, there is an advantage that the drive characteristics of both the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration can be efficiently obtained in the driving state of the vibrating body 6.
[0056]
In the vibrator 6, the resonance frequencies fl and fb are set so as to have mutually different numerical values (see FIG. 7). Then, as shown in FIG. 8, in the pressed state, the impedance change of the piezoelectric elements 62 and 64 becomes slow in the vicinity of the resonance point, and the difference between the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration and the resonance frequency fb of the bending secondary vibration is increased. It becomes ambiguous. Further, in the vicinity of these resonance frequencies fl and fb, particularly at a frequency between the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration and the resonance frequency fb of the bending secondary vibration, a wide frequency band having a low impedance value is formed. it can. Accordingly, there is an advantage that excitation combining the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration can be performed in a wide frequency band, and the input power during driving can be stabilized. The resonance frequency of the longitudinal primary vibration and the resonance frequency of the bending secondary vibration vary depending on whether the vibrating body 6 does not press the rotor 51 or presses the rotor 51. To avoid complicating the description, “fl” and “fb” are used for the case where the vibrating body 6 does not press the rotor 51 and the case where the vibrator 6 presses the rotor 51, respectively.
Further, in this actuator 1, the vibrating body 6 is driven at a predetermined vibration frequency (drive frequency) between the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration and the resonance frequency fb of the bending secondary vibration.
[0057]
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the driving frequency of the vibrating body and the driving force (driving torque) and driving speed (rotation speed) of the vibrating body. FIG. 10 is a graph showing the case where the driving frequencies of the vibrating body are fl and fb. 5 is a graph showing a relationship characteristic between a driving torque T and a rotation speed (rotation speed) N.
As shown in FIG. 9, when the driving frequency of the vibrating body 6 approaches the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration, the vibration amplitude in the direction of increasing the pressing force (radial direction of the rotor 51) increases. The frictional force between the portion 66 and the rotor 51 increases, and the driving force (driving torque) increases (it becomes a high driving force type). Further, when the driving frequency of the vibrating body 6 approaches the resonance frequency fb of the bending secondary vibration, a component of the vibration displacement of the vibrating body 6 in the moving direction of the rotor 51 (the circumferential direction of the rotor 51) increases. As a result, the amount (rotation amount of the rotor 51) that can be sent by one vibration by the vibrating body 6 increases, and the driving speed (movement speed) (rotation speed) increases (it becomes a high-speed type).
[0058]
For example, when the driving frequency of the vibrating body 6 is set to the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration and the resonance frequency fb of the bending secondary vibration, the relationship characteristics between the driving torque T and the rotation speed (rotation speed) N are as shown in FIG. It becomes as shown in. When the driving frequency of the vibrating body 6 is set to a predetermined value between the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration and the resonance frequency fb of the bending secondary vibration, the driving torque T and the rotation speed (rotation speed) N The relationship characteristic is a characteristic between the two graphs shown in FIG.
[0059]
As described above, the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration and the resonance frequency fb of the bending secondary vibration are shifted, and by adjusting the value of the time td in the timer circuit 72 by the characteristic adjustment circuit 76, these resonance frequencies fl, By appropriately setting (selecting) the driving frequency in the frequency band between fb, it is possible to obtain an arbitrary driving characteristic with respect to the driving force and the driving speed, for example.
In the vibrator 6, the resonance frequency fb of the bending secondary vibration is preferably higher than the resonance frequency fl of the vertical primary vibration by about 0.5% to 3% of fl, preferably 1%. ] To about 2%.
[0060]
By setting the difference between the resonance frequency fb of the bending secondary vibration and the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration within the above range, the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration occur simultaneously (combine) in the pressed state, so that the frictional force is generated. And driving force are obtained at the same time, and good driving characteristics are obtained.
However, the present invention is not limited to this, and the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration may be higher than the resonance frequency fb of the bending secondary vibration. In this case, the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration is preferably higher than the resonance frequency fb of the bending secondary vibration by about 0.5% to 3% of fb, preferably 1% to 2%. ] Is more preferable.
[0061]
Further, in the vibrating body 6, the impedance at the resonance frequency fb of the bending secondary vibration is higher than the impedance at the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration, and the impedance is maximized between the resonance frequencies fl and fb. It has a frequency fx. The vibrating body 6 is preferably driven at a predetermined driving frequency between the resonance frequency fl of the longitudinal primary vibration and the resonance frequency fb of the bending secondary vibration, and a predetermined driving frequency between fx and fb. It is more preferable to drive at the drive frequency.
Thus, when the vibrating body 6 is driven, it is possible to excite the longitudinal vibration and the bending vibration while shifting the vibration phase. Therefore, the contact portion 66 can be vibrated along the elliptical trajectory c (see FIG. 3), and the force can be efficiently applied to the rotor 51 from the vibrator 6 without applying the force to pull the rotor 51 back. .
[0062]
Here, an example of each set value in the actuator 1 of the present embodiment will be described.
For example, when the size of the main body of the vibrating body 6 is about 7 mm (vertical) × 2 mm (horizontal) and the resonance frequency in the steady driving state is about 280 kHz, the time tp is 180 ° (1/1) in the steady driving state. The time td is set to a time slightly shorter than the time corresponding to (2 cycles), for example, about 1.6 μsec, and the time td is set to a time corresponding to 270 ° (3/4 cycle) in the steady driving state, ie, about 2.7 μs. Is done.
[0063]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the actuator of the present invention will be described.
FIG. 11 is a perspective view showing a vibrating body (ultrasonic motor) according to a third embodiment of the actuator of the present invention.
Hereinafter, the actuator 1 according to the third embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment and the second embodiment described above, and the description of the same items will be omitted.
[0064]
As shown in FIG. 11, in the vibrating body 6 (ultrasonic motor 4) of the actuator 1 of the third embodiment, a piezoelectric element 62 is provided on one surface (one side) of a reinforcing plate 63. The electrodes 61b, 61d and 61g are provided thereon.
With such a configuration, the same effects as those of the above-described first and second embodiments can be obtained.
[0065]
Further, since the piezoelectric element 62 and the electrodes 61b, 61d, and 61g are provided only on one surface (one side) of the reinforcing plate 63, the structure is simple, the thickness of the vibrating body 6 can be reduced, and the cost can be reduced. There is an advantage that can be reduced.
The configuration in which the piezoelectric element 62 and the electrode 61 are provided only on one surface (one side) of the reinforcing plate 63 can be applied to, for example, a vibrating body described later.
That is, in the present invention, the vibrating body 6 is a piezoelectric element that expands and contracts upon application of an AC voltage onto the reinforcing plate 63 (one surface side of the reinforcing plate 63) on which the contact portion 66 and the arm portion 68 are integrally formed. A structure (planar structure) provided with 62 may be used.
[0066]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the actuator of the present invention will be described.
FIG. 12 is a perspective view showing a vibrating body (ultrasonic motor) according to a fourth embodiment of the actuator of the present invention. In the following description, the upper side in FIG. 12 is referred to as “upper”, the lower side as “lower”, the right side as “right”, and the left side as “left”.
[0067]
Hereinafter, the actuator 1 according to the fourth embodiment will be described focusing on differences from the above-described first embodiment and the second embodiment, and description of the same items will be omitted.
As shown in FIG. 12, in the ultrasonic motor 4 of the actuator 1 of the fourth embodiment, a pair (two) of arm portions 68 having elasticity (flexibility) is provided on the reinforcing plate 63 of the vibrating body 6. It is formed integrally.
[0068]
The pair of arm portions 68 are substantially at the center of the reinforcing plate 63 in the longitudinal direction (vertical direction in FIG. 12), in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction, and are mutually connected via the reinforcing plate 63 (vibrating body 6). It is provided so as to protrude in the opposite direction (symmetrical in FIG. 12).
The contact portion 66 is provided on the lower short side and substantially at the center of the reinforcing plate 63 in the width direction (the left-right direction in FIG. 12).
[0069]
The vibrating body 6 may be configured to rotate the rotor 51 only in one direction as in the first embodiment described above, but may be configured to rotate the rotor 51 in both forward and reverse directions (clockwise and counterclockwise in FIG. 12). ) Is preferable.
According to the fourth embodiment, the same effects as those of the above-described first and second embodiments can be obtained.
[0070]
In the fourth embodiment, since the vibrating body 6 is provided with the pair of arms 68, rigidity with respect to support is increased, and stable support with respect to an external force such as a reaction of driving can be performed. Further, since the symmetrical characteristics are obtained, the influence on the driving characteristics in the clockwise direction (right direction) in FIG. 12 and the driving characteristics in the counterclockwise direction (left direction) in FIG. 12 can be made uniform, and the characteristics in the forward and reverse directions are equal. Can be realized.
[0071]
As described above, the present invention has been described based on the illustrated embodiment, but the present invention is not limited to this, and the configuration of each unit can be replaced with any configuration having the same function. .
The present invention may be a combination of any two or more configurations (features) of the above embodiments.
In the present invention, the driven body is not limited to the rotor, and may be another rotating structure, or may be a translation structure such as a slider, for example. That is, the displacement of the driven body is not limited to the rotation (rotation), but may be, for example, a movement along a straight line or a curve, such as a movement of the driven body in a linear actuator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of an actuator according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the vibrating body shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory view showing an operation of the vibrating body shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a timing chart of the actuator shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the actuator of the present invention.
FIG. 6 is a timing chart of the actuator shown in FIG. 5;
FIG. 7 is a graph showing electrical characteristics of the vibrating body shown in FIG.
8 is a graph showing electrical characteristics of the vibrating body shown in FIG.
FIG. 9 is a graph showing a relationship between a driving frequency, a driving force, and a driving speed.
FIG. 10 is a graph showing a relationship characteristic between a driving torque and a rotation speed (rotation speed).
FIG. 11 is a perspective view showing a vibrating body according to a third embodiment.
FIG. 12 is a plan view showing a vibrating body according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Actuator 4 ... Ultrasonic motor 51 ... Rotor 511 ... Outer peripheral surface 6 ... Vibration body 61b, 61d, 61g, 65b, 65d, 65g ... Electrode 62, 64 ... Piezoelectric element 63 ... Reinforcement plate 66 ... Contact part 68 ... Arm part 680: fixed portion 681: hole 7: drive circuit 71: zero-cross detection circuit 72: timer circuit 73: waveform forming circuit 74: power amplification circuit 75: timing correction circuit 76: characteristic adjustment circuit 81, 82: pulse 83: pulse signal

Claims (10)

交流電圧の印加により伸縮する第１の圧電素子と、接触部および腕部が一体的に形成された補強板と、交流電圧の印加により伸縮する第２の圧電素子とをこの順に積層してなり、前記接触部にて被駆動体に対して当接しつつ前記腕部にて固定設置される振動体を備える超音波モータを駆動する駆動回路であって、
前記圧電素子の伸縮により発生する電圧を検出する検出手段と、
前記検出された電圧の波形に対し、位相が所定時間ずれた駆動波形を生成する駆動波形生成手段と、
前記生成された駆動波形に対応する交流電圧を前記圧電素子に印加して前記超音波モータを駆動する駆動手段とを有することを特徴とする超音波モータの駆動回路。A first piezoelectric element that expands and contracts by applying an AC voltage, a reinforcing plate integrally formed with a contact portion and an arm, and a second piezoelectric element that expands and contracts by applying an AC voltage are laminated in this order. A driving circuit for driving an ultrasonic motor including a vibrating body fixedly installed at the arm while abutting against the driven body at the contact portion,
Detecting means for detecting a voltage generated by expansion and contraction of the piezoelectric element,
A drive waveform generating means for generating a drive waveform having a phase shifted by a predetermined time with respect to the detected voltage waveform;
Drive means for driving the ultrasonic motor by applying an AC voltage corresponding to the generated drive waveform to the piezoelectric element. 接触部および腕部が一体的に形成された補強板と、該補強板上に設けられ、交流電圧の印加により伸縮する圧電素子とを有し、前記接触部にて被駆動体に対して当接しつつ前記腕部にて固定設置される振動体を備える超音波モータを駆動する駆動回路であって、
前記圧電素子の伸縮により発生する電圧を検出する検出手段と、
前記検出された電圧の波形に対し、位相が所定時間ずれた駆動波形を生成する駆動波形生成手段と、
前記生成された駆動波形に対応する交流電圧を前記圧電素子に印加して前記超音波モータを駆動する駆動手段とを有することを特徴とする超音波モータの駆動回路。It has a reinforcing plate integrally formed with a contact portion and an arm portion, and a piezoelectric element provided on the reinforcing plate, which expands and contracts when an AC voltage is applied. A drive circuit for driving an ultrasonic motor including a vibrating body fixedly installed at the arm while being in contact with the ultrasonic motor,
Detecting means for detecting a voltage generated by expansion and contraction of the piezoelectric element,
A drive waveform generating means for generating a drive waveform having a phase shifted by a predetermined time with respect to the detected voltage waveform;
Drive means for driving the ultrasonic motor by applying an AC voltage corresponding to the generated drive waveform to the piezoelectric element. 交流電圧の印加により伸縮する圧電素子と、被駆動体に対して当接する接触部とを有する振動体を備える超音波モータを駆動する駆動回路であって、
前記圧電素子の伸縮により発生する電圧を検出する検出手段と、
前記検出された電圧の波形に対し、位相が所定時間ずれた駆動波形を生成する駆動波形生成手段と、
前記生成された駆動波形に対応する交流電圧を前記圧電素子に印加して前記超音波モータを駆動する駆動手段とを有することを特徴とする超音波モータの駆動回路。A drive circuit for driving an ultrasonic motor including a vibrating body having a piezoelectric element that expands and contracts by application of an AC voltage, and a contact portion that contacts a driven body,
Detecting means for detecting a voltage generated by expansion and contraction of the piezoelectric element,
A drive waveform generating means for generating a drive waveform having a phase shifted by a predetermined time with respect to the detected voltage waveform;
Drive means for driving the ultrasonic motor by applying an AC voltage corresponding to the generated drive waveform to the piezoelectric element. 前記駆動波形生成手段は、前記検出された電圧の波形に対する前記駆動波形の位相のずれ量を調節する調節手段を有し、
前記ずれ量の変更により、前記超音波モータの特性を変更するよう構成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路。The drive waveform generation unit has an adjustment unit that adjusts a phase shift amount of the drive waveform with respect to the detected voltage waveform,
4. The ultrasonic motor drive circuit according to claim 1, wherein a characteristic of the ultrasonic motor is changed by changing the shift amount. 前記検出手段は、前記圧電素子の伸縮により発生する電圧の波形のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路を有し、
前記駆動波形生成手段は、前記検出されたゼロクロス点を基準にして、前記駆動波形を生成する請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路。The detection means has a zero cross detection circuit that detects a zero cross point of a voltage waveform generated by expansion and contraction of the piezoelectric element,
5. The drive circuit for an ultrasonic motor according to claim 1, wherein the drive waveform generating means generates the drive waveform based on the detected zero cross point. 前記検出手段は、前記圧電素子の伸縮により発生する電圧の波形のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路を有し、
前記駆動波形生成手段は、前記駆動波形として、そのレベルがローレベルとハイレベルとに交互に切り換わるパルス信号を生成する回路を有し、前記検出されたゼロクロス点から前記所定時間後に前記パルス信号のレベルを切り換えて、該パルス信号を出力する請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路。The detection means has a zero cross detection circuit that detects a zero cross point of a voltage waveform generated by expansion and contraction of the piezoelectric element,
The drive waveform generation means has a circuit for generating a pulse signal whose level alternately switches between a low level and a high level as the drive waveform, and the pulse signal after the predetermined time from the detected zero cross point. 5. A driving circuit for an ultrasonic motor according to claim 1, wherein said pulse signal is output by switching the level of said pulse signal. 前記ゼロクロス検出回路の前記ゼロクロス点の検出を無効にする期間を設けた請求項５または６に記載の超音波モータの駆動回路。7. The drive circuit for an ultrasonic motor according to claim 5, wherein a period for disabling the detection of the zero-cross point of the zero-cross detection circuit is provided. 前記ゼロクロス点の検出を無効にする期間は、前記ゼロクロス点が検出されたときから所定期間である請求項７に記載の超音波モータの駆動回路。The ultrasonic motor drive circuit according to claim 7, wherein a period in which the detection of the zero-cross point is invalid is a predetermined period from when the zero-cross point is detected. 前記振動体は、振動状態にて縦振動および屈曲振動の複合振動を行い、かつ、前記縦振動の共振周波数と前記屈曲振動の共振周波数とが相互に異なると共に相互に近接する請求項１ないし８のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路。9. The vibration body performs a combined vibration of a longitudinal vibration and a bending vibration in a vibration state, and a resonance frequency of the longitudinal vibration and a resonance frequency of the bending vibration are different from each other and are close to each other. A drive circuit for the ultrasonic motor according to any one of the above. 請求項１ないし９のいずれかに記載の超音波モータの駆動回路と、
前記駆動回路により駆動される前記超音波モータとを有することを特徴とするアクチュエータ。A drive circuit for an ultrasonic motor according to any one of claims 1 to 9,
An actuator, comprising: the ultrasonic motor driven by the drive circuit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008072814A (en) * 2006-09-13 2008-03-27 Taiheiyo Cement Corp Ultrasonic motor element
JP2008306826A (en) * 2007-06-07 2008-12-18 Seiko Epson Corp Piezoelectric actuator and its driving method
US8058773B2 (en) 2008-04-10 2011-11-15 Sharp Kabushiki Kaisha Ultrasonic motor and ultrasonic vibrator

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