JP2005185085A - 超音波アクチュエータ駆動装置及び超音波アクチュエータ駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位相検出を正確に行うように構成したことにより、確実に共振周波数近傍での駆動を行うことができ、駆動効率の良い超音波アクチュエータ駆動装置及び超音波駆動方法を提供すること。
【解決手段】本発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、圧電層２ｄと内部電極層２ｃとを交互に積層した超音波アクチュエータ２に交番信号３ａを印加することにより駆動を行う超音波アクチュエータ駆動方法であって、前記交番信号３ａの電圧と電流の振幅比が所定の値以上である周波数範囲内における、前記交番信号３ａの電圧と電流の位相差が所定の状態となる周波数を検出し、駆動周波数をこの検出した周波数に設定する。この方法を実現する超音波アクチュエータ駆動回路１の周波数制御回路１１は、前記周波数範囲の下限周波数及び上限周波数を順次検出し、次いで、前記位相差の変化量が最大となる周波数を検出し、これを前記駆動周波数として設定するように制御する。
【選択図】図１５

Description

本発明は、超音波アクチュエータ駆動装置及び超音波アクチュエータ駆動方法に関し、特に超音波アクチュエータの例えば積層型の超音波振動子に周波電圧の駆動信号を印加することにより、駆動力を発生する超音波アクチュエータ駆動装置及び超音波アクチュエータ駆動方法に関する。

近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波アクチュエータが注目されている。
この種の超音波アクチュエータは、通常、アクチュエータ駆動装置によって駆動制御が行われている。このアクチュエータ駆動装置は、前記超音波アクチュエータの超音波振動子に周波電圧の駆動信号を印加して、この超音波振動子に超音波楕円振動を発生させることにより、この超音波振動子、あるいはこの超音波振動子に接触している被駆動体を介して駆動力が得られるように制御している。

このような超音波アクチュエータ駆動装置による駆動方法の従来技術としては、例えば特開昭６３−５６１７８号公報に開示された超音波モータ駆動方法がある。この従来の超音波モータ駆動方法を実施するための超音波アクチュエータ駆動回路の構成例が図２１に示されている。

図２１示すように、従来の超音波アクチュエータ駆動装置は、超音波アクチュエータ駆動回路１００と、この超音波アクチュエータ駆動回路１００によって駆動が制御される超音波アクチュエータ１０１とを有している。

前記超音波アクチュエータ駆動回路１００は、発振回路１０２、電力増幅回路１０３、電流検出回路１０４、位相差検出回路１０５、位相差条件判定回路１０６、周波数制御回路１０７とを有し、前記超音波アクチュエータ１０１は電流検出回路１０４を介して電力増幅回路１０３に接続されている。

前記発振回路１は、後述する周波数制御回路１０７より出力される周波数制御信号１０７ａにより決定される周波数の交番信号１０２ａを生成し、電力増幅回路１０３に供給する。
前記電力増幅回路１０３は、交番信号１０２ａを増幅し、得た駆動電圧信号１０３ａを電流検出回路１０４及び位相差検出回路１０５に供給する。
前記電流検出回路１０４は、駆動電圧信号１０３ａを超音波アクチュエータ１０１に印加したときに流れる電流を検出し、検出結果である駆動電流検出信号１０４ａを位相差検出回路１０５に供給する。
前記位相差検出回路１０５は、駆動電圧信号１０３ａと駆動電流検出信号１０４ａとの位相差を検出し、検出結果である位相差検出信号１０５ａを位相差条件判定回路１０６に供給する。
前記位相差条件判定回路１０６は、供給された位相差検出信号１０５ａが所定の値になったときに位相差条件信号１０６ａを周波数制御回路１０７に供給する。
前記周波数制御回路１０７は、この超音波アクチュエータ駆動回路１００全体を制御する制御手段であり、交番信号１０２ａが高い周波数から低い周波数へ掃引されるように周波数制御信号１０７ａを発振回路１０２に供給してこの発振回路１０２による発振動作を制御する。

上記構成の超音波アクチュエータ駆動回路１００において、前記周波数制御回路１０７は、位相差条件判定回路１０６より出力される位相差条件信号１０６ａが出力されるまでは交番信号１０２ａの周波数を掃引するように周波数制御信号１０７ａを変化させ、位相差検出信号１０５ａが所定の値となったときに掃引を停止するように制御する。すなわち、この周波数制御回路１０７は、駆動電流と駆動電圧の位相差が所定の値となる周波数の駆動電圧信号１０３を得るように制御することができるので、超音波アクチュエータ駆動回路１００は、超音波アクチュエータ１００の共振周波数と一定関係にある周波数での駆動を行うことが可能となる。
特開昭６３−５６１７８号公報

一般的な超音波アクチュエータでは、共振周波数より離れた周波数における駆動電流は、共振周波数付近における駆動電流に比較して小さい。したがって、上述した従来の超音波アクチュエータ駆動回路では、 周波数制御回路１０７による周波数掃引範囲内に前記駆動電流が小さい周波数範囲が含まれる場合、駆動電流検出信号がノイズに埋もれるため、周波数掃引中に実際の位相差とは異なる位相差が検出されることもある。その結果、アクチュエータの共振周波数に関係のない周波数で周波数掃引が終了してしまい、アクチュエータの共振周波数とは無関係の周波数で駆動することになり、駆動効率が悪くなってしまうといった問題点があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、位相検出を正確に行うように構成したことにより、確実に共振周波数近傍での駆動を行うことができ、駆動効率の良い超音波アクチュエータ駆動装置及び超音波アクチュエータ駆動方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、圧電板と内部電極とを交互に積層してなる超音波振動子に交番信号を印加することにより駆動を行う超音波アクチュエータ駆動方法であって、前記交番信号の電圧と電流の振幅比が所定の値以上である周波数範囲内における、前記交番信号の電圧と電流の位相差が所定の状態となる周波数を検出し、駆動周波数をこの検出した周波数に設定することを特徴とするものである。

請求項２の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、前記交番信号の電圧と電流の振幅比が所定の値以上を取る最小の周波数を下限周波数として検出し、前記交番信号の電圧と電流の振幅比が所定の値以上を取る最大の周波数を上限周波数として検出する第１のステップと、前記第１のステップで検出された上限周波数と下限周波数で定義される周波数領域内で、前記交番信号の電圧と電流の位相差が所定の状態となる周波数を検出する第２のステップと、駆動周波数を前記第２のステップにより検出した周波数に設定する第３のステップと、を有したことを特徴とするものである。

請求項３の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項２に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、前記交番信号の周波数を下方から上方へ掃引しながら前記下限周波数の検出を行い、前記交番信号の周波数を上方から下方へ掃引しながら前記上限周波数の検出を行うことを特徴とするものである。

請求項４の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項２に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、前記交番信号の周波数を離散的に変化させながら前記下限周波数の検出を行い、前記交番信号の周波数を離散的に変化させながら前記上限周波数の検出を行うことを特徴とするものである。

請求項５の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、前記交番信号の電圧と電流の振幅比が所定の値以上であるか否かの判断と、前記交番信号の電圧と電流の位相差が所定の状態であるか否かの判断とを同時に行い、前記振幅比が所定の値以上で、かつ前記位相差が所定の状態となる周波数を検出し、駆動周波数をこの検出した周波数に設定することを特徴とするものである。

請求項６の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、前記所定の状態は、周波数に対する前記位相差の変化量が最大となる状態であることを特徴とするものである。

請求項７の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、前記所定の状態は、周波数に対する前記位相差の変化量が所定の値を超えた状態であることを特徴とするものである。

請求項８の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、前記超音波振動子は、圧電板を同一方向に積層して構成される圧電積層体と、前記圧電積層体の側面に設けられ、所定の押圧力をもって被駆動部と接触する摩擦部材と、前記圧電積層体内部に設けられ、第１の電極群及び第２の電極群を有する内部電極と、前記内部電極に導通した第１の外部電極群及び第２の外部電極群を有し、前記第１の外部電極群及び／もしくは前記第２の外部電極群に駆動部により交番信号を印加して第１の振動モード及び第２の振動モードを同時に発生することにより、前記超音波振動子に超音波楕円振動を発生することを特徴とするものである。

請求項９の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、前記超音波振動子は、前記摩擦部材を介して所定の押圧力を前記圧電積層体に与える第１及び第２のガイド部材に狭持されていることを特徴とするものである。

請求項１０の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項８又は請求項９に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、前記圧電積層体を所定の外形寸法とすることにより、前記所定の押圧力の下で、第１の振動モード及び第２の振動モードの共振周波数が一致するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項１１の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、圧電板と内部電極とを交互に積層した超音波振動子に交番信号を印加することにより駆動を行う超音波アクチュエータ駆動装置であって、前記交番信号を生成する駆動回路と、前記交番信号の電圧と電流の振幅比を検出する振幅検出回路と、前記交番信号の電圧と電流の位相差を検出する位相差検出回路と、前記振幅比と前記位相差から前記交番信号の周波数を設定する制御回路とを有し、前記制御回路は、前記振幅比が所定の値以上である周波数範囲内において、前記位相差が所定の状態となる周波数を検出し、駆動周波数を前記周波数に設定することを特徴とするものである。

請求項１２の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、請求項１１に記載の超音波アクチュエータ駆動装置において、前記超音波振動子は、圧電板を同一方向に積層して構成される圧電積層体と、前記圧電積層体の側面に設けられ、所定の押圧力をもって被駆動部と接触する摩擦部材と、前記圧電積層体内部に設けられ、第１の電極群及び第２の電極群を有する内部電極と、前記内部電極に導通した第１の外部電極群及び第２の外部電極群を有し、前記第１の外部電極群及び／もしくは前記第２の外部電極群に駆動部により交番信号を印加して第１の振動モード及び第２の振動モードを同時に発生することにより、前記超音波振動子に超音波楕円振動を発生することを特徴とするものである。

請求項１３の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、請求項１１又は請求項１２に記載の超音波アクチュエータ駆動装置において、前記超音波振動子は、前記摩擦部材を介して所定の押圧力を前記圧電積層体に与える第１及び第２のガイド部材に狭持されていることを特徴とするものである。

請求項１４の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、請求項１２又は請求項１３に記載の超音波アクチュエータ駆動装置において、前記圧電積層体を所定の外形寸法とすることにより、前記所定の押圧力の下で、第１の振動モード及び第２の振動モードの共振周波数が一致するように構成されていることを特徴とするものである。

本発明の超音波アクチュエータ駆動装置及び超音波アクチュエータ駆動方法は、温度変化などの外部要因の変化に伴って超音波アクチュエータの共振状態が変化した場合でも、この超音波アクチュエータの共振周波数近傍を検出し、この検出した共振周波数近傍での駆動信号を用いることにより、駆動効率の良い状態にて超音波アクチュエータを駆動することができるといった利点がある。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１乃至図１１は本発明の超音波アクチュエータ駆動方法の第１実施例を示し、図１は超音波アクチュエータ駆動方法を実現する超音波アクチュエータ駆動装置の全体構成を示すブロック図、図２（ａ）及び図２（ｂ）は本実施例に係る超音波アクチュエータ駆動装置に用いられる超音波アクチュエータの構成例を示すもので、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図、図３は超音波アクチュエータの第１変形例を示す正面図、図４乃至図６は超音波アクチュエータの圧電積層体の構成例を示し、図４はＹ軸方向に積層してなる圧電積層体の分解斜視図、図５はＺ軸方向に積層してなる圧電積層体の分解斜視図、図６はＸ軸方向に積層してなる圧電積層体の分解斜視図、図７は超音波アクチュエータの第２変形例を示す正面図、図８は本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法により駆動される超音波アクチュエータの特性を示す特性図であり、図８（ａ）は速度と周波数との特性を示すグラフ、図８（ｂ）は電圧−電流位相差と周波数との特性を示すグラフ、図８（ｃ）は駆動電流振幅と周波数との特性を示すグラフ、図８（ｄ）は位相差検出信号と周波数との特性を示すグラフである。また、図９及び図１１は本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法を説明するためのもので、図９は周波数制御回路による駆動周波数を決定する周波数範囲の検出方法を説明するグラフであり、図９（ａ）は周波数範囲の下限周波数の検出方法を説明する駆動電流振幅と周波数との特性を示すグラフ、図９（ｂ）は周波数範囲の上限周波数の検出方法を説明する駆動電流振幅と周波数との特性を示すグラフ、図９（ｃ）は下限周波数及び上限周波数に基づく周波数範囲を説明する位相差検出信号と周波数との特性を示すグラフである。さらに、図１０は図１の周波数領域検出回路からの検出結果に基づき共振周波数近傍を検出する検出方法を説明するグラフであり、図１０（ａ）は検出初期時の電圧−電流位相差と周波数との特性を示すグラフ、図１０（ｂ）は検出過程時の電圧−電流位相差と周波数との特性を示すグラフである。図１１は図１の周波数制御回路による共振周波数検出処理ルーチンの制御例を示すフローチャートである。

図１に示すように、本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置は、超音波アクチュエータ駆動回路１と、この超音波アクチュエータ駆動回路１によって駆動が制御される超音波アクチュエータ２とを有している。
前記超音波アクチュエータ駆動回路１は、前記超音波アクチュエータ２を駆動する回路であり、発振回路３、電力増幅回路４、電流検出回路５、位相差検出回路６、電流振幅検出回路７、比較回路８、周波数領域検出回路９、モード制御回路１０、及び周波数制御回路１１を有し、前記超音波アクチュエータ２は、前記電流検出回路５を介して前記電力増幅回路４に接続されている。

ここで、前記超音波アクチュエータ２の構成について説明する。
本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置は、例えば図２（ａ）に示す超音波アクチュエータ２を備えている。この超音波アクチュエータ２は、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、角柱形状の圧電積層体で構成された超音波振動子２Ａと、この超音波振動子２Ａの圧電積層体の後述する摩擦部材１３を介して接触するように配設された被駆動部２Ｂと、前記超音波振動子２Ａの圧電積層体の左右両側側面それぞれ２箇所に設けられた外部電極１２と、前記超音波振動子２Ａの圧電積層体の例えば底面の２箇所に接着された摩擦部材１３と、を有している。また、超音波振動子２Ａには、所定の押圧手段（図示せず）によって所定の押圧力が加えられている。

このような超音波振動子２Ａを用いた場合、超音波振動子２Ａに加える押圧力の大きさが変化すると、超音波振動子２Ａの変位量−周波数特性は変化する。すなわち、図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に示すように、押圧力が０ｋｇｆ、１ｋｇｆ、２ｋｇｆと大きくなるにしたがって、変位量−周波数特性は、全体的に変位量が小さくなりかつ高周波数側にシフトしていく。また、変位量−周波数特性は、縦１次振動モードと屈曲２次振動モードとで、上述した高周波数側へのシフトの度合いが異なっている。本実施例では、角柱形状の圧電積層体の縦横寸法比を所定の値に設定することにより、ある所定の押圧力の下で、縦１次振動モードと屈曲２次振動モードの共振周波数が一致するように構成している。

前記超音波振動子２Ａの圧電積層体は、図４に示すように内部電極処理が施された薄い矩形状の圧電板２ｃをＹ軸方向（超音波振動子２Ａの振動方向に対し直交する超音波振動子２Ａの奥行き方向）に積層して一体に構成されている。

図中右側の外部電極１２は、前記超音波振動子２Ａの圧電積層体の図中右側面部から取り出されている内部電極露出部（図示せず）に取付けることにより、２つの電気端子（Ａ＋，Ａ−の両端子）をＡ（Ａ相）として構成している。また、図中左側の外部電極１２は、前記圧電積層体の図中左側側面部から取り出されている内部電極露出部（図示せず）に取付けることにより、２つの電気端子（Ｂ＋，Ｂ−の両端子）をＢ（Ｂ相）として構成している。この場合、Ａ−，Ｂ−端子については、それぞれＡ相，Ｂ相のグラウンドとして構成しているので、リード線等で電気的に同電位となるように構成しても良い。

これらの外部電極１２には、図示はしないがそれぞれリード線が半田等で接続されており、これらリード線は、前記電流検出回路５に接続されるようになっている。
前記摩擦部材１３は、被駆動部２Ｂに接触する前記圧電積層体の底面に発生する屈曲振動の腹の位置にそれぞれ設けられている。
なお、本構成例では、前記超音波振動子２Ａは、長手方向の寸法が例えば５〜２０ｍｍとなるよう構成することが望ましい。また、この超音波振動子２Ａ及び前記被駆動部２Ｂを含めて超音波アクチュエータ２を構成する際に加える押圧力は、例えば０．１〜３ｋｇｆであることが望ましい。

上記構成例によれば、効率の良い状態で駆動するのに好適な超音波アクチュエータ２を得ることができ、また、上記構成の超音波振動子２Ａを利用することにより、部品点数を少なくすることが可能であり、個体のばらつきも抑えることが可能である。また、超音波振動子２ＡのＱ値が一定値となるように設計することで、ある所定の押圧力の下で縦１次振動モードと屈曲２次振動モードの共振周波数が一致するので、上述した共振周波数検出処理ルーチンをより効果的に実行することが可能になる。

なお、本構成例では、超音波振動子２Ａの外部電極１２が圧電積層体の外部表面として該圧電積層体の長手方向の両側面に配置したが、これに限定するものではなく、図３の第１変形例に示すように、外部電極１２を側面側から引き出して前記圧電積層体の表面に形成しても良く、また、前記圧電積層体の裏面の対応する位置に配置しても良い。

また、本実施例においては、前記超音波振動子２Ａの圧電積層体の積層方向は、Ｙ軸方向に積層されているものとして説明したが、これに限定するものではなく、図５に示すように、超音波振動子２Ａの圧電積層体の略上半分の積層体である第１の圧電積層体２ａと、略下半分の積層体である第２の圧電積層体２ｂとが、絶縁圧電シート２ｄを介して、Ｚ軸方向（前記超音波振動子２Ａの駆動方向に対し垂直な垂直方向）に積層された構成としても良い。さらに、図６に示すように、前記圧電積層体の略左半分の積層体である第１の圧電積層体２ａと、略右半分の積層体である第２の圧電積層体２ｂとが絶縁圧電シート２ｄを介してＸ軸方向（前記超音波振動子２Ａの駆動方向と同じ水平方向）に積層された構成にすることも可能である。

さらに、また、前記第１実施例及び前記第１変形例の超音波アクチュエータ２は、圧電積層体を図示しない絶縁層を介して一体に構成したことについて説明したが、これに限定するものではなく、図７の第２変形例に示すように角柱形状の基本弾性体１８の長手方向に対し並列に固定された少なくとも２つの積層型圧電素子１７Ａと、前記基本弾性体１８に対しこれら２つの前記積層型圧電素子１７Ａを押圧挟持する保持用弾性体１７Ｂと、被駆動部である接触部１９に接触する前記基本弾性体１８の面に発生する屈曲振動の腹の位置に設けた摩擦部材１３と、を有する超音波振動子を用いて前記超音波アクチュエータ２Ｃとして構成しても良い。
図８に上述した超音波アクチュエータ２の特性が示されている。すなわち、この超音波アクチュエータ２は、図８（ａ）に示す速度と周波数特性において、周波数ｆを共振周波数（図８（ａ）中の点線で示す部分）より低い周波数領域で駆動を行うと急激に速度が低下し、逆に、周波数ｆを共振周波数より高い周波数領域で駆動を行うと徐々に速度が低下して、ある地点で急激に速度が低下する特性を有している。
また、この超音波アクチュエータ２は、その速度−周波数特性が周波数の挿引方向によってほとんど変化せず、ヒステリシス現象がほとんど発生しない。すなわち、この超音波アクチュエータ２は、図２３に示すように、周波数を共振周波数より高い方から低い方へ挿引して得られる速度−周波数特性と共振周波数より低いほうから高い方へ挿引して得られるそれぞれの速度−周波数特性にほとんど差が見られない。
また、その速度−周波数特性と併せて、この超音波アクチュエータ２は、図８（ｂ）に示すような電圧−電流位相差と周波数特性では、共振周波数付近で位相差が急激に変化する特性、及び、周波数の掃引方向に拠らない特性を有している。また、超音波アクチュエータ２は、図８（ｃ）に示す駆動電流−周波数特性において、共振周波数付近では位相差を検出するの十分な電流が流れるが、共振周波数より離れると電流振幅が減少し、図８（ｄ）に示すように、位相差を正確に検出することが困難になる。

そこで、本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置は、このような特性の有する超音波アクチュエータ２の超音波振動子２Ａに対し、前記超音波アクチュエータ駆動回路１によって正確に位相検出を行い、確実に共振周波数近傍の交番信号を印加すれば、駆動効率の良い状態でこの超音波アクチュエータ２を駆動させることができる。

次に、本実施例の超音波アクチュエータ駆動回路１の構成について図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、超音波アクチュエータ駆動回路１において、前記駆動回路としての発振回路３は、周波数制御回路１１より出力される周波数制御信号１１ａにより決定される周波数の交番信号３ａを生成する回路で、生成した交番信号３ａを電力増幅回路４に供給する。

電力増幅回路４は、前記交番信号３ａを電力増幅し駆動電圧信号４ａを出力する回路で、増幅した駆動電圧信号４ａを電流検出回路を介して前記超音波アクチュエータ２に供給する。これにより、前記超音波アクチュエータ２は、供給された駆動電圧信号４ａに基づき駆動されるようになっている。

電流検出回路５は、前記駆動電圧信号４ａを前記超音波アクチュエータ２に印加した際に流れる電流を検出し駆動電流検出信号５ａとして出力する回路で、検出した駆動電流検出信号５ａを位相差検出回路６及び電流振幅検出回路７に供給する。

位相差検出回路６は、前記駆動電圧信号４ａと前記駆動電流検出信号５ａとの位相差を検出し位相差検出信号６ａを出力する回路で、検出した位相差検出信号６ａを前記周波数制御回路１１に供給する。

電流振幅検出回路７は、前記駆動電流検出信号５ａの振幅を検出する回路で、検出した振幅結果信号７ａを比較回路８の一方の入力端に供給する。この比較回路８の他方の入力端には、入力端子８Ａに接続される図示しない駆動電流閾値信号発生手段から比較処理を行うための基準となる駆動電流閾値信号８ａ１が供給されるようになっている。
比較回路８は、前記電流振幅検出回路７の振幅結果信号７ａが所定の値である駆動電流閾値信号８ａ１を超えたときに電流振幅条件信号８ａを出力する回路で、この電流振幅条件信号８ａを周波数領域検出回路９に供給する。

周波数領域検出回路９は、後述するモード制御回路１０からの上方掃引制御信号１０ａが入力される状態では、電流振幅条件信号８ａが入力され始める時点の周波数制御信号を下限周波数信号９ｂとして出力し、前記モード制御回路１０からの下方掃引制御信号１０ｂが入力される状態では、電流振幅条件信号８ａが入力され始める時点の周波数制御信号を上限周波数信号９ａとして出力する回路である。この周波数領域検出回路９は、前記上限周波数信号９ａ及び前記下限周波数信号９ｂをモード制御回路１０及び周波数制御回路１１に供給する。

モード制御回路１０と周波数制御回路１１は、本実施例の超音波アクチュエータ駆動回路１全体を制御する制御手段（制御回路）である。
モード制御回路１０は、前記超音波アクチュエータ２の駆動開始前に上方掃引制御信号１０ａを出力し、周波数領域検出回路９より前記下限周波数信号９ｂが出力された後は前記上方掃引制御信号１０ａの出力を停止するとともに下限掃引制御信号１０ｂを出力する。そして、モード制御回路１０は、周波数領域検出回路９より前記上限周波数信号９ａが出力された後は下限掃引制御信号１０ｂの出力を停止するとともに周波数追尾制御信号１０ｃを出力する。このモード制御回路１０は、前記上方掃引制御信号１０ａ、前記下方掃引制御信号１０ｂ及び周波数追尾制御信号１０ｃを前記周波数制御回路１１に供給する。

周波数制御回路１１は、上方掃引制御信号１０ａが入力される状態では、交番信号３ａの周波数が下方から上方へ変化するように周波数制御信号１１ａを変化させる。また、周波数制御回路１１は、下方掃引制御信号１０ｂが入力される状態では、交番信号３ａの周波数が上方から下方へ変化するように周波数制御信号１１ａを変化させる。また、周波数制御回路１１は、周波数追尾制御信号１０ｃが入力される状態では、前記上限周波数信号９ａと前記下限周波数信号９ｂとで定義される周波数領域内で、周波数に対する前記位相差検出信号６ａの変化量が最大となる周波数を検出し、前記周波数の検出が終了した後は、駆動周波数を検出した前記周波数に設定するように制御する。

なお、前記電流振幅検出回路７は、駆動電流検出信号５ａの振幅を検出する構成としたが、駆動電圧信号４ａの振幅と駆動電流検出信号５ａの振幅の比を検出する構成や、超音波アクチュエータ２のアドミッタンスを導出する構成を採用することも可能である。
また、前記位相差検出回路６は、前記駆動電圧信号４ａと前記駆動電流検出信号５ａの位相差を出力する構成としたが、前記交番信号３ａと前記駆動電流検出信号５ａの位相差を出力する構成を採用することも可能である。

次に、本実施例の超音波アクチュエータ駆動回路１の作用について図９及び図１５を参照しながら説明する。なお、図１５は本発明の超音波アクチュエータ駆動方法を実行した際の周波数制御回路全体の動作の流れを示すフローチャートである。
上記構成の超音波アクチュエータ駆動回路１において、前記周波数制御回路１１は、図９（ａ）に示すように、駆動初期には、駆動電圧信号の周波数を下方から上方へ掃引し、駆動電流の振幅（振幅結果信号７ａ）が駆動電流閾値信号８ａ１で定義される値を超える周波数領域の下限値を検出するように制御する（ステップＳ１００）。

次に、周波数制御回路１１は、図９(ｂ)に示すように駆動電圧信号４ａの周波数を上方から下方へ掃引し、駆動電流の振幅（振幅結果信号７ａ）が駆動電流閾値信号８ａ１で定義される値を超える周波数領域の上限値を検出するように制御する（ステップＳ１０１）。

ここで、前記駆動電流閾値信号８ａ１は、駆動電圧信号４ａと駆動電流検出信号５ａの位相差が正確に求めることができる最小の電流振幅値に相当する値に設定すると良い。

最後に、周波数制御回路１１は、図９（ｃ）に示すように、検出された周波数領域Ｌ３の上限値と下限値の間で、周波数に対する位相差検出信号６ａの変化量が最大となる周波数を検出し（ステップＳ１０２）、検出が終了した後に駆動周波数を検出した周波数に設定するように制御する（ステップＳ１０３）。

次に、周波数に対する位相差検出信号６ａの変化量が最大となる周波数の検出方法（図１５中のステップＳ１０２による検出処理方法）について図１０及び図１１を参照しながら説明する。

いま、本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置の駆動方法を実行すると、前記周波数制御回路１１は、図１１に示す共振周波数検出処理ルーチンを起動し、ステップＳ１以下、ステップＳ７までの処理を実行する。

ステップＳ１では、周波数制御回路１１は、図１０（ａ）に示す電圧−電流の位相差の特性から検出された共振周波数を含む周波数領域（上限値をｆｍａｘ、下限値をｆｍｉｎとする領域）の上限値ｆｍａｘを周波数ｆ２に代入し、下限値ｆｍｉｎを周波数ｆ１に代入する。

そして、周波数制御回路１１は、続くステップＳ２の処理で、周波数ｆ１と周波数ｆ２の中間値（ｆ１＋ｆ２）／２を算出し、周波数ｆｃに代入する。

次に、周波数制御回路１１は、ステップＳ３の処理で、前記周波数ｆ１、周波数ｆ２及び周波数ｆｃのそれぞれの周波数に対応する電圧−電流の位相差（以下、位相差と称す）を検出し、周波数ｆ１で検出した位相差をｐｈ（ｆ１）、周波数ｆ２で検出した位相差をｐｈ（ｆ２）とし、周波数ｆｃで検出した位相差をｐｈ（ｆｃ）へそれぞれ代入する。

その後、周波数制御回路１１は、ステップＳ４の判断処理にて、｜ｐｈ（ｆｃ）−ｐｈ（ｆ１）｜と、｜ｐｈ（ｆ２）−ｐｈ（ｆｃ）｜とを比較する。ここで、｜ｐｈ（ｆ２）−ｐｈ（ｆｃ）｜が小さい場合には、続くステップＳ５の処理にて周波数ｆ２を周波数ｆｃの値に置き換えて、続くステップＳ７の処理に移行する。｜ｐｈ（ｆｃ）−ｐｈ（ｆ１）｜が小さい場合には、ステップＳ６の処理にて周波数ｆ１を周波数ｆｃの値に置き換えて、ステップＳ７の処理に移行する。

なお、図１０（ｂ）では、｜ｐｈ（ｆ２）−ｐｈ（ｆｃ）｜が小さい場合になるので、周波数制御回路１１が実行する前記ステップＳ５の処理によって、周波数ｆ２は周波数ｆｃの値に置き換えられることになる。

その後、周波数制御回路１１は、ステップＳ７の判断処理にて、前記周波数ｆ１と前記周波数ｆ２とが略等しいか否かを判定する。この場合、周波数制御回路１１は、ｆ１≒ｆ２の関係を満足するものでなく、つまり、等しくないと判定した場合、前記ステップＳ２の処理に戻し、このステップＳ２の処理を再度継続して行う。

一方、周波数制御回路１１は、前記ステップＳ７の判断処理にて、ｆ１≒ｆ２の関係を満足するもので略等しいと判定した場合には、ｆ１≒ｆ２になる関係を満足することを認識するとともに、このときの周波数値を超音波振動子２Ａが駆動するのに好適の共振周波数近傍値として設定し、この共振周波数検出処理ルーチンを終了させる。

したがって、周波数制御回路１１は、前記ステップＳ２〜前記ステップＳ６の処理を、ｆ１≒ｆ２になる関係を満足するまで繰り返し実行することにより、前記共振周波数近傍を高精度に検出することが可能となる。

したがって、本実施例によれば、以上の動作により、駆動電流が小さいために駆動電圧と駆動電流の位相差が正確に求めることが出来ない領域を回避して確実に共振周波数近傍の周波数に駆動周波数が設定されるので、駆動効率の良い超音波アクチュエータ２の駆動を行うことが可能となる。
なお、本実施形態では、上方掃引の後に下方掃引を行うように制御したが、下方掃引を最初に行い、その後に上方掃引を行うよう制御しても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、アクチュエータ駆動回路１を全て回路で構成した場合について説明したが、これに限定されることはなく、マイコンなどを用いてソフトウェアで構成することも可能である。その場合、周波数制御回路１１，周波数領域検出回路９，モード制御回路１０等をソフト的に置き換えた構成を採用すれば良い。

図１２乃至図１５は本発明の超音波アクチュエータ駆動方法の第２実施例を示し、図１２は超音波アクチュエータ駆動方法を実現する超音波アクチュエータ駆動装置の全体構成を示すブロック図、図１２乃至図１５は本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法を説明するためのもので、図１３は周波数制御回路による下限周波数の検出方法を説明するグラフであり、図１３（ａ）は発振回路の設定可能な周波数範囲を説明する駆動電流振幅と周波数との特性を示すグラフ、図１３（ｂ）は周波数範囲の下限周波数の検出方法を説明する駆動電流振幅と周波数との特性を示すグラフである。また、図１４は図１２の周波数制御回路による下限周波数検出処理ルーチンの制御例を示すフローチャートであり、図１５は本発明の超音波アクチュエータ駆動方法を実行した際の周波数制御回路全体の動作の流れを示すフローチャートである。なお、図１５は前記第１実施例及び第２実施例共通である。また、図１２は前記第１実施例と同様に構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置は、超音波アクチュエータ駆動回路１Ａと、超音波アクチュエータ２を有している。この超音波アクチュエータ２は前記第１実施例と同様である。また、前記超音波アクチュエータ駆動回路１Ａは、前記第１実施例における周波数領域検出回路９を削除している。

図１２に示すように、超音波アクチュエータ駆動回路１Ａにおいて、前記発振回路３は、周波数制御回路１１Ａより出力される周波数制御信号１１ａにより決定される周波数の交番信号３ａを生成する回路で、生成した交番信号３ａを電力増幅回路４に供給する。

電力増幅回路４は、前記交番信号３ａを電力増幅し駆動電圧信号４ａを出力する回路で、増幅した駆動電圧信号４ａを電流検出回路を介して前記超音波アクチュエータ２に供給する。これにより、前記超音波アクチュエータ２は、供給された駆動電圧信号４ａに基づき駆動されるようになっている。

電流検出回路５は、前記駆動電圧信号４ａを前記超音波アクチュエータ２に印加した際に流れる電流を検出し駆動電流検出信号５ａとして出力する回路で、検出した駆動電流検出信号５ａを位相差検出回路６及び電流振幅検出回路７に供給する。

位相差検出回路６は、前記駆動電圧信号４ａと前記駆動電流検出信号５ａとの位相差を検出し位相差検出信号６ａを出力する回路で、検出した位相差検出信号６ａを前記周波数制御回路１１Ａに供給する。

電流振幅検出回路７は、前記駆動電流検出信号５ａの振幅を検出する回路で、検出した振幅結果信号７ａを比較回路８の一方の入力端に供給する。この比較回路８の他方の入力端には、入力端子８Ａに接続される図示しない駆動電流閾値信号発生手段から比較処理を行うための基準となる駆動電流閾値信号８ａ１が供給されるようになっている。
比較回路８は、前記電流振幅検出回路７の振幅結果信号７ａが所定の値である駆動電流閾値信号８ａ１を超えたときに電流振幅条件信号８ａを出力する回路で、この電流振幅条件信号８ａを周波数制御回路１１Ａに供給する。

モード制御回路１０Ａと周波数制御回路１１Ａは、本実施例の超音波アクチュエータ駆動回路１Ａ全体を制御する制御手段である。
モード制御回路１０Ａは、前記超音波アクチュエータ２の駆動開始前に下限周波数検出制御信号１０ｅを出力し、周波数制御回路１１Ａより動作完了信号１１ｂが入力された後は前記下限周波数検出制御信号１０ｅの出力を停止するとともに上限周波数検出制御信号１０ｄを出力する。そして、モード制御回路１０Ａは、周波数制御回路１１Ａより前記動作完了信号１１ｂが入力された後は前記上限周波数検出制御信号１０ｄの出力を停止するとともに周波数追尾制御信号１０ｆを出力する。このモード制御回路１０Ａは、前記下限周波数検出制御信号１０ｅ、前記上限周波数検出制御信号１０ｄ及び周波数追尾制御信号１０ｆを前記周波数制御回路１１Ａに供給する。

周波数制御回路１１Ａは、下限周波数検出制御信号１０ｅが入力される状態では、周波数を離散的に変化させながら電流振幅条件信号８ａが出力される下限周波数を検出する。また、周波数制御回路１１Ａは、上限周波数検出制御信号１０ｄが入力される状態では、周波数を離散的に変化させながら電流振幅条件信号８ａが出力される上限周波数を検出する。また、周波数制御回路１１Ａは、周波数追尾制御信号１０ｆが入力される状態では、前記上限周波数と前記下限周波数とで定義される周波数領域内で、周波数に対する前記位相差検出信号６ａの変化量が最大となる周波数を検出し、前記周波数の検出が終了した後は、駆動周波数を検出した前記周波数に設定するように制御する。
その他の構成については、前記第１実施例と同様である。

次に、本実施例の超音波アクチュエータ駆動回路１Ａの作用について図１５を参照しながら説明する。
上記構成の超音波アクチュエータ駆動回路１Ａにおいて、前記周波数制御回路１１Ａは、駆動初期には、駆動電流の振幅（振幅結果信号７ａ）が駆動電流閾値信号８ａ１で定義される値を超える周波数領域の下限周波数（下限値）を検出するように制御する（ステップＳ１００）。

次に、周波数制御回路１１Ａは、駆動電流の振幅（振幅結果信号７ａ）が駆動電流閾値信号８ａ１で定義される値を超える周波数領域の上限周波数（上限値）を検出するように制御する（ステップＳ１０１）。
ここで、前記駆動電流閾値信号８ａ１は、駆動電圧信号４ａと駆動電流検出信号５ａの位相差が正確に求めることができる最小の電流振幅値に相当する値に設定すると良い。

そして、周波数制御回路１１Ａは、検出された周波数領域Ｌ３（図９（ｃ）参照）の上限値と下限値の間で、周波数に対する位相差検出信号６ａの変化量が最大となる周波数を検出する（ステップＳ１０２）。

最後に、周波数制御回路１１Ａは、駆動周波数を、前記ステップＳ１０２の処理で検出した周波数に設定するように制御する。

次に、前記ステップＳ１００よる下限周波数の検出処理方法について図１３及び図１４を参照しながら説明する。

いま、本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置の駆動方法を実行し、図１５中のステップＳ１００の処理を実行すると、前記周波数制御回路１１Ａは、図１４に示す下限値検出処理ルーチンを起動し、ステップＳ１０以下、ステップＳ１７までの処理を実行する。

ステップＳ１０では、周波数制御回路１１Ａは、発振回路３の設定可能な周波数領域（上限値をｆｍａｘ、下限値をｆｍｉｎとする領域：図１３（ａ）参照）の下限値ｆｍｉｎを周波数ｆａに代入する。

そして、周波数制御回路１１Ａは、続くステップＳ１１の処理で、上限値ｆｍａｘと下限値ｆｍｉｎの中間値（ｆｍａｘ＋ｆｍｉｎ）／２を周波数ｆｂに代入し（図１３（ｂ）参照）、ステップＳ１２に移行する。
その後、周波数制御回路１１Ａは、ステップＳ１２の処理で、周波数ｆａと周波数ｆｂの中間値（ｆａ＋ｆｂ）／２を周波数ｆｃｃに代入し、ステップＳ１３に移行する。
次に、周波数制御回路１１Ａは、ステップＳ１３の判断処理にて、周波数ｆｃｃで駆動した時に、電流振幅条件信号８ａが出力されているか否かを判断する。この場合、前記周波数制御回路１１Ａは、図１３（ｂ）に示すように、前記電流振幅条件信号８ａが出力されていないと判断した場合には、続くステップＳ１５の処理にて、周波数ｆａを周波数ｆｃｃに置き換えて、ステップＳ１６の判断処理に移行する。一方、周波数制御回路１１Ａは、前記電流振幅条件信号８ａが出力されていると判断した場合には、続くステップＳ１４の処理にて、周波数ｆｂを周波数ｆｃｃに置き換えて、ステップＳ１６の判断処理に移行する。

ステップＳ１６の判断処理では、周波数制御回路１１Ａは、前記周波数ｆａと前記周波数ｆｃｃとが略等しいか否か、もしくは前記周波数ｆｂが前記周波数ｆｃｃとが略等しいか否かを判定する。この場合、周波数制御回路１１Ａは、ｆａ≒ｆｃｃもしくはｆｂ≒ｆｃｃの関係を満足するものでなく、つまり、等しくないと判定した場合、前記ステップＳ１２の処理に戻し、このステップＳ１２の処理を再度継続して行う。

一方、周波数制御回路１１Ａは、前記ステップＳ１６の判断処理にて、ｆａ≒ｆｃｃもしくはｆｂ≒ｆｃｃの関係を満足するもので略等しいと判定した場合には、ｆａ≒ｆｃｃもしくはｆｂ≒ｆｃｃになる関係を満足することを認識するとともに、このときの周波数値ｆｃｃを下限周波数（下限値）として設定し、この下限値検出処理ルーチンを終了させる。

したがって、周波数制御回路１１Ａは、前記ステップＳ１２〜前記ステップＳ１６の処理を、ｆａ≒ｆｃｃもしくはｆｂ≒ｆｃｃになる関係を満足するまで繰り返し実行することにより、駆動電流の振幅（振幅結果信号７ａ）が駆動電流閾値信号８ａ１で定義される値を超える周波数領域の下限周波数（下限値）を高精度に検出することが可能となる。

なお、本実施例では、上述した周波数制御回路１１Ａによる制御例は、下限値の周波数検出処理について説明したが、これに限定されるものではなく、図１５中のステップＳ１０１に示す上限値の周波数検出処理についても同様に行うように制御しても良い。また、本実施例の周波数制御回路１１Ａは、周波数に対する位相差検出信号６ａの変化量が最大となる周波数の検出方法については、前記第１実施例と同様に制御する。

したがって、本実施例によれば、前記第１実施例と同様に、駆動電流が小さいために駆動電圧と駆動電流の位相差が正確に求めることができない領域を回避して確実に共振周波数近傍の周波数に駆動周波数が設定されるので、駆動効率の良い超音波アクチュエータ２の駆動を行うことが可能となる。
なお、本実施形態では、下限周波数検出処理（図１５のステップＳ１００の処理）の後に上限周波数検出処理（図１５のステップＳ１０１の処理）を行うように制御したが、前記上限周波数検出処理を最初に行い、その後に前記下限周波数検出処理を行うよう制御しても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、アクチュエータ駆動回路１Ａを全て回路で構成した場合について説明したが、これに限定されることはなく、マイコンなどを用いてソフトウェアで構成することも可能である。その場合、周波数制御回路１１Ａ，モード制御回路１０Ａ等をソフト的に置き換えた構成を採用すれば良い。

図１６乃至図１９は本発明の超音波アクチュエータ駆動方法の第３実施例を示し、図１６は超音波アクチュエータ駆動方法を実現する超音波アクチュエータ駆動装置の全体構成を示すブロック図、図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は本実施例に係る超音波アクチュエータ駆動装置に用いられる超音波アクチュエータの構成例を示すもので、図１７（ａ）は正面図、図１７（ｂ）は側面図、図１８は本実施例の超音波アクチュエータの第１変形例を示す側面図、図１９は本実施例の超音波アクチュエータの第２変形例を示す正面図、図２０は本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法を説明するためのグラフであり、図２０（ａ）は駆動電流振幅と周波数との特性を示すグラフ、図２０（ｂ）は周波数設定信号と周波数との特性を示すグラフ、図２０（ｃ）は設定が禁止される周波数範囲を説明する位相差検出信号と周波数との特性を示すグラフである。なお、図１６乃至図１９は前記第１実施例と同様に構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置は、超音波アクチュエータ駆動回路１Ｂと、超音波アクチュエータ２Ｄを有している。なお、本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置は、前記超音波アクチュエータ２Ｄの構成が前記第１実施例とは異なり、また、前記超音波アクチュエータ駆動回路１Ｂについては、前記第１実施例の構成要素である周波数領域検出回路９及びモード制御回路１０を削除し、新たに位相差条件判定回路１４を設けて構成したことが前記第１実施例とは異なっている。

図１６に示すように、アクチュエータ駆動回路１Ｂは、前記超音波アクチュエータ２Ｄを駆動する回路であり、発振回路３、電力増幅回路４、電流検出回路５、位相差検出回路６、電流振幅検出回路７、比較回路８Ａ、周波数制御回路１１Ｂ、位相差条件判定回路１４を有し、前記超音波アクチュエータ２Ｄは電流検出回路５を介して前記電力増幅回路４に接続されている。

ここで、本実施例に用いられる前記超音波アクチュエータ２Ｄの構成について説明する。
本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置は、例えば図１７（ａ）に示す超音波アクチュエータ２Ｄを備えている。この超音波アクチュエータ２Ｄは、図１７（ａ）、図１７（ｂ）に示すように、超音波振動子２Ａを構成する圧電積層体の上面及び底面に少なくとも２箇所ずつに摩擦部材１３を設けるとともに、この圧電積層体に所定の押圧力を与えながら挟持する第１のガイド１５及び第２のガイド１６を有している。また、超音波振動子２Ａには、前記ガイド１１、１２などを含む所定の押圧手段（図示せず）によって所定の押圧力が加えられている。

このような超音波振動子２Ａを用いた場合においても同様に、超音波振動子２Ａに加える押圧力の大きさが変化すると、超音波振動子２Ａの変位量−周波数特性は変化する。すなわち、図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に示すように、押圧力が０ｋｇｆ、１ｋｇｆ、２ｋｇｆと大きくなるにしたがって、変位量−周波数特性は、全体的に変位量が小さくなりかつ高周波数側にシフトしていく。また、変位量−周波数特性は、縦１次振動モードと屈曲２次振動モードとで、上述した高周波数側へのシフトの度合いが異なっている。本実施例では、角柱形状の圧電積層体の縦横寸法比を所定の値に設定することにより、ある所定の押圧力の下で、縦１次振動モードと屈曲２次振動モードの共振周波数が一致するように構成している。

なお、前記摩擦部材１３は、超音波アクチュエータ２Ｄが最も高レベルの出力特性を得ることができる任意の位置、すなわち、超音波振動子２Ａの最も高レベルの超音波楕円振動が行われる位置に設けるのが望ましい。一般には、楕円振動を行うことが駆動の源となるため、少なくとも１個以上の摩擦部材１３では図１７中に示す矢印のように楕円振動が起こっており、全ての摩擦部材１３の部位で生ずる振動による駆動力の総和が０にならないように前記摩擦部材１３を配置すれば良い。

なお、本構成例では、前記超音波振動子２Ａは、長手方向の寸法が例えば５〜２０ｍｍとなるよう構成することが望ましい。また、この超音波振動子２Ａ及び前記第１、第２のガイド１５，１６を含めて超音波アクチュエータ２Ｄを構成する際に加える押圧力は、例えば３０ｇｆ〜１００ｇｆであることが望ましい。
また、本構成例の超音波アクチュエータ２Ｄの特性及び前記超音波振動子２Ａの圧電積層体の積層方向は、前記第１実施例と略同様である。

本実施例の超音波アクチュエータ２Ｄは、前記超音波アクチュエータ駆動装置によって交番信号の駆動信号が印加されると、超音波振動子２Ａの摩擦部材１３近傍で楕円振動が生じることにより、この超音波振動子２Ａが前記第１及び第２のガイド１５，１６にガイドされながら左右に駆動する。
その他の作用については、前記第１実施例（図２参照）と同様である。

上記構成例によれば、効率の良い状態で駆動するのに好適な超音波アクチュエータ２Ｄを得ることができ、また、上記構成の超音波振動子２Ａを利用することにより、部品点数を少なくすることが可能であり、個体のばらつきも抑えることが可能である。また、超音波振動子２ＡのＱ値が一定値となるように設計することで、ある所定の押圧力の下で縦１次振動モードと屈曲２次振動モードの共振周波数が一致するので、上述した共振周波数検出処理ルーチンをより効果的に実行することが可能になる。

なお、本実施例では、超音波振動子２Ａの外部電極１２が圧電積層体の外部表面として該圧電積層体の長手方向の両側面に配置したが、これに限定するものではなく、図１９の第２変形例に示すように、外部電極１２を側面側から引き出して前記圧電積層体の表面に形成しても良く、また、前記圧電積層体の裏面に対応する位置に配置しても良い。

さらに、前記第１及び第２のガイド１５，１６は、図１７（ａ）に示すように、角柱状に形成されたものについて説明したが、これに限定するものではなく、例えば図１８の第１変形例に示すように、円柱状のものを用いても良いし、半円中状のものを用いても良い。前記摩擦部材１３Ａは、それに伴い、前記第１及び第２のガイド１５Ａ，１６Ａの形状に合わせてＵ字状、あるいはＶ字状に形成されたものを用いることが必要である。

次に、本実施例の超音波アクチュエータ駆動回路１Ｂの構成について説明する。

図１６に示すように、超音波アクチュエータ駆動回路１Ｂにおいて、前記発振回路３は、周波数制御回路１１Ｂより出力される周波数制御信号１１ａにより決定される周波数の交番信号３ａを生成する回路で、生成した交番信号３ａを電力増幅回路４に供給する。

電力増幅回路４は、前記交番信号３ａを電力増幅し駆動電圧信号４ａを出力する回路で、増幅した駆動電圧信号４ａを電流検出回路を介して前記超音波アクチュエータ２に供給する。これにより、前記超音波アクチュエータ２Ｄは、供給された駆動電圧信号４ａに基づき駆動されるようになっている。

電流検出回路５は、前記駆動電圧信号４ａを前記超音波アクチュエータ２Ｄに印加した際に流れる電流を検出し駆動電流検出信号５ａとして出力する回路で、検出した駆動電流検出信号５ａを位相差検出回路６及び電流振幅検出回路７に供給する。

位相差検出回路６は、前記駆動電圧信号４ａと前記駆動電流検出信号５ａとの位相差を検出し位相差検出信号６ａを出力する回路で、検出した位相差検出信号６ａを位相差条件判定回路１４に供給する。

位相差条件判定回路１４は、周波数に対する前記位相差検出信号６ａの変化量が所定の値を超えたときに位相差条件信号１４ａを出力する回路で、例えば図示はしないが微分回路や比較回路等を有しており、これらの回路により生成された前記位相差条件信号１４ａを前記周波数制御回路１１Ｂに供給する。

電流振幅検出回路７は、前記駆動電流検出信号５ａの振幅を検出する回路で、検出した振幅結果信号７ａを比較回路８Ａの一方の入力端に供給する。この比較回路８Ａの他方の入力端には、入力端子８Ａに接続される図示しない駆動電流閾値信号発生手段から比較処理を行うための基準となる駆動電流閾値信号８ａ１が供給されるようになっている。
比較回路８Ａは、前記電流振幅検出回路７の振幅結果信号７ａが所定の値である駆動電流閾値信号８ａ１を下回ったときに周波数設定禁止信号８ｂを出力する回路で、この周波数設定禁止信号８ｂを前記周波数制御回路１１Ｂに供給する。

周波数制御回路１１Ｂは、本実施例の超音波アクチュエータ駆動回路１Ｂ全体を制御する制御手段である。この周波数制御回路１１Ｂは、周波数を掃引し、比較回路８Ａより周波数設定禁止信号８ｂが出力されておらず、且つ位相差条件判定回路１４より位相差条件信号１４ａが出力される周波数を、駆動周波数に設定する回路である。

次に、本実施例の超音波アクチュエータ駆動回路１Ｂの作用について図２０を参照しながら説明する。

上記構成の超音波アクチュエータ駆動回路１Ｂにおいて、前記周波数制御回路１１Ａは、例えば図２０（ａ）に示す周波数を上方から下方へ一定の速度で掃引する。すると、このときの位相差検出信号６ａは、前記周波数制御回路１１Ａによる周波数掃引に合わせて変化することになる。また、周波数掃引の速度は一定であるので、前記位相差条件判定回路１４に含まれる図示しない微分回路により、前記位相差検出信号６ａを微分することで、周波数に対する位相差検出信号６ａの変化量を導くことができる。
よって、前記位相差条件判定回路１４は、前記微分回路（図示せず）の出力を比較回路（図示しない）で比較することにより、周波数に対する位相差検出信号６ａの変化量が所定の値を超えたか否かを検出することが出来る（図２０（ｃ）参照）。この検出結果、すなわち、前記比較回路（図示せず）の出力を位相差条件信号１４ａとして前記周波数制御回路１１Ｂに供給すると、この周波数制御回路１１Ｂは、図２０（ｂ）に示す周波数設定禁止信号８ｂがローレベルである有効期間において、前記位相差条件信号１４ａを認識して掃引を停止させ、共振周波数近傍の周波数を検出する。そして、周波数制御回路１１Ｂは、前記第１実施例と同様にこの周波数を駆動周波数に設定する。

なお、本実施例では、前記周波数制御回路１１Ｂは、図２０（ｃ）に示すように、駆動電流値が小さいため、位相を検出できない周波数領域では、前記比較回路８Ａにより出力された前記周波数設定禁止信号８ｂを認識しているので、共振周波数と無関係の周波数に駆動周波数を設定しないように制御することができる。

したがって、本実施例によれば、以上の動作により、駆動電流が小さいために駆動電圧と駆動電流の位相差が正確に求めることが出来ない領域を回避して確実に共振周波数近傍の周波数に駆動周波数が設定されるので、駆動効率の良い超音波アクチュエータ２の駆動を行うことが可能となる。
なお、本実施形態では、前記位相差条件判定回路１４を微分回路と比較回路で構成した場合について説明したが、これに検定されるものではなく、離散的に周波数を走査し、その周波数に対する位相差検出信号を記憶し、周波数に対する前記位相差検出信号の変化量とその比較をソフトウェアで行う構成としても良い。

本発明に係る前記第１乃至第３実施例において、超音波アクチュエータは、各実施例で説明した構成のいずれかの超音波アクチュエータを適用しても良く、また必要に応じて適宜組み合わせて構成しても良い。

本発明は、上述した第１乃至第３実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。

本発明の超音波アクチュエータ駆動装置及び超音波アクチュエータ駆動方法は、位相検出を正確に行うように構成したことにより、確実に共振周波数近傍での駆動を行うことができ、駆動効率の良い状態にて超音波アクチュエータを駆動することができるので、駆動効率の安定化が望まれる各種電子機器の駆動源として適用できる。

本発明の超音波アクチュエータ駆動方法の第１実施例を示し、超音波アクチュエータ駆動方法を実現する超音波アクチュエータ駆動装置の全体構成を示すブロック図。 本実施例に係る超音波アクチュエータ駆動装置に用いられる超音波アクチュエータの構成例を示す構成図。 第１実施例の超音波アクチュエータの第１変形例を示す正面図。 超音波アクチュエータの圧電積層体の構成例を示し、Ｙ軸方向に積層してなる圧電積層体の分解斜視図。 Ｚ軸方向に積層してなる圧電積層体の分解斜視図。 Ｘ軸方向に積層してなる圧電積層体の分解斜視図。 第１実施例の超音波アクチュエータの第２変形例を示す正面図。 本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法により駆動される超音波アクチュエータの特性を示す特性図。 本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法を説明するためのもので、駆動周波数を決定する周波数範囲の検出方法を説明するグラフ。 図１の周波数領域検出回路からの検出結果に基づき共振周波数近傍を検出する検出方法を説明するグラフ。 図１の周波数制御回路による共振周波数検出処理ルーチンの制御例を示すフローチャート。 本発明の超音波アクチュエータ駆動方法の第２実施例を示し、超音波アクチュエータ駆動方法を実現する超音波アクチュエータ駆動装置の全体構成を示すブロック図。 本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法を説明するためのもので、下限周波数の検出方法を説明するグラフ。 図１２の周波数制御回路による下限周波数検出処理ルーチンの制御例を示すフローチャート。 本発明の超音波アクチュエータ駆動方法を実行した際の周波数制御回路全体の動作の流れを示すフローチャート。 本発明の超音波アクチュエータ駆動方法の第３実施例を示し、超音波アクチュエータ駆動方法を実現する超音波アクチュエータ駆動装置の全体構成を示すブロック図。 本実施例に係る超音波アクチュエータ駆動装置に用いられる超音波アクチュエータの構成例を示す構成図。 第２実施例の超音波アクチュエータの第１変形例を示す側面図。 第２実施例の超音波アクチュエータの第２変形例を示す正面図。 本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法を説明するためのグラフ。 従来の超音波アクチュエータ駆動回路の構成例を示すブロック図。 本発明に係る超音波振動子の変位量−周波数特性を説明する説明図で、図２２（ａ）は縦１次振動モード、図２２（ｂ）は屈曲２次振動モードにそれぞれ対応している。 本発明に係る超音波振動子の速度−周波数特性を説明する説明図。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ…アクチュエータ駆動回路、
２…超音波アクチュエータ、
２Ａ…超音波振動子、
２Ｂ…被駆動部、
２Ｃ、２Ｄ…超音波アクチュエータ、
２ａ、２ｂ…圧電積層体、
２ｃ…圧電板、
２ｄ…絶縁圧電シート、
３…発振回路、
３ａ…交番信号、
４…電力増幅回路、
４ａ…駆動電圧信号、
５…電流検出回路、
５ａ…駆動電流検出信号、
６…位相差検出回路、
６ａ…位相差検出信号、
７…電流振幅検出回路、
７ａ…振幅結果信号、
８、８Ｂ…比較回路、
８Ａ…入力端子、
８ａ…電流振幅条件信号、
８ｂ…周波数設定禁止信号、
８ａ１…駆動電流閾値信号８ａ１、
９…周波数領域検出回路、
９ａ…上限周波数信号、
９ｂ…下限周波数信号、
１０、１０Ａ…モード制御回路、
１０ａ…上方掃引制御信号、
１０ｂ…下限掃引制御信号、
１０ｂ…下方掃引制御信号、
１０ｃ…周波数追尾制御信号、
１０ｄ…上限周波数検出制御信号、
１０ｅ…下限周波数検出制御信号、
１０ｆ…周波数追尾制御信号、
１１、１１Ａ、１１Ｂ…周波数制御回路、
１１ａ…周波数制御信号、
１１ｂ…動作完了信号、
１２…外部電極、
１３、１３Ａ…摩擦部材、
１４…位相差条件判定回路、
１４ａ…位相差条件信号、
１５…第１のガイド、
１６…第２のガイド、
１７Ａ…積層型圧電素子、
１７Ｂ…保持用弾性体、
１８…基本弾性体、
１９…接触部。
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (14)

1. 圧電板と内部電極とを交互に積層してなる超音波振動子に交番信号を印加することにより駆動を行う超音波アクチュエータ駆動方法であって、
   前記交番信号の電圧と電流の振幅比が所定の値以上である周波数範囲内における、前記交番信号の電圧と電流の位相差が所定の状態となる周波数を検出し、駆動周波数をこの検出した周波数に設定することを特徴とする超音波アクチュエータ駆動方法。
2. 請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、
   前記交番信号の電圧と電流の振幅比が所定の値以上を取る最小の周波数を下限周波数として検出し、前記交番信号の電圧と電流の振幅比が所定の値以上を取る最大の周波数を上限周波数として検出する第１のステップと、
   前記第１のステップで検出された上限周波数と下限周波数で定義される周波数領域内で、前記交番信号の電圧と電流の位相差が所定の状態となる周波数を検出する第２のステップと、
   駆動周波数を前記第２のステップにより検出した周波数に設定する第３のステップと、を有したことを特徴とする超音波アクチュエータ駆動方法。
3. 請求項２に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、
   前記交番信号の周波数を下方から上方へ掃引しながら前記下限周波数の検出を行い、前記交番信号の周波数を上方から下方へ掃引しながら前記上限周波数の検出を行うことを特徴とする超音波アクチュエータ駆動方法。
4. 請求項２に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、
   前記交番信号の周波数を離散的に変化させながら前記下限周波数の検出を行い、前記交番信号の周波数を離散的に変化させながら前記上限周波数の検出を行うことを特徴とする超音波アクチュエータ駆動方法。
5. 請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、
   前記交番信号の電圧と電流の振幅比が所定の値以上であるか否かの判断と、前記交番信号の電圧と電流の位相差が所定の状態であるか否かの判断とを同時に行い、前記振幅比が所定の値以上で、かつ前記位相差が所定の状態となる周波数を検出し、駆動周波数をこの検出した周波数に設定することを特徴とする超音波アクチュエータ駆動方法。
6. 前記所定の状態は、周波数に対する前記位相差の変化量が最大となる状態であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動方法。
7. 前記所定の状態は、周波数に対する前記位相差の変化量が所定の値を超えた状態であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動方法。
8. 前記超音波振動子は、
   圧電板を同一方向に積層して構成される圧電積層体と、
   前記圧電積層体の側面に設けられ、所定の押圧力をもって被駆動部と接触する摩擦部材と、
   前記圧電積層体内部に設けられ、第１の電極群及び第２の電極群を有する内部電極と、
   前記内部電極に導通した第１の外部電極群及び第２の外部電極群を有し、
   前記第１の外部電極群及び／もしくは前記第２の外部電極群に駆動部により交番信号を印加して第１の振動モード及び第２の振動モードを同時に発生することにより、前記超音波振動子に超音波楕円振動を発生することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動方法。
9. 前記超音波振動子は、
   前記摩擦部材を介して所定の押圧力を前記圧電積層体に与える第１及び第２のガイド部材に狭持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動方法。
10. 前記圧電積層体を所定の外形寸法とすることにより、前記所定の押圧力の下で、第１の振動モード及び第２の振動モードの共振周波数が一致するように構成されていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の超音波アクチュエータ駆動方法。
11. 圧電板と内部電極とを交互に積層した超音波振動子に交番信号を印加することにより駆動を行う超音波アクチュエータ駆動装置であって、
    前記交番信号を生成する駆動回路と、
    前記交番信号の電圧と電流の振幅比を検出する振幅検出回路と、
    前記交番信号の電圧と電流の位相差を検出する位相差検出回路と、
    前記振幅比と前記位相差から前記交番信号の周波数を設定する制御回路とを有し、
    前記制御回路は、前記振幅比が所定の値以上である周波数範囲内において、前記位相差が所定の状態となる周波数を検出し、駆動周波数を前記周波数に設定することを特徴とする超音波アクチュエータ駆動装置。
12. 前記超音波振動子は、
    圧電板を同一方向に積層して構成される圧電積層体と、
    前記圧電積層体の側面に設けられ、所定の押圧力をもって被駆動部と接触する摩擦部材と、
    前記圧電積層体内部に設けられ、第１の電極群及び第２の電極群を有する内部電極と、
    前記内部電極に導通した第１の外部電極群及び第２の外部電極群を有し、
    前記第１の外部電極群及び／もしくは前記第２の外部電極群に駆動部により交番信号を印加して第１の振動モード及び第２の振動モードを同時に発生することにより、前記超音波振動子に超音波楕円振動を発生することを特徴とする請求項１１に記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
13. 前記超音波振動子は、
    前記摩擦部材を介して所定の押圧力を前記圧電積層体に与える第１及び第２のガイド部材に狭持されていることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
14. 前記圧電積層体を所定の外形寸法とすることにより、前記所定の押圧力の下で、第１の振動モード及び第２の振動モードの共振周波数が一致するように構成されていることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
    

Images