JP2006217716A

JP2006217716A - 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

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Publication number: JP2006217716A
Application number: JP2005027026A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsueda; 晃松枝
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】駆動信号として矩形波の信号を用いて製造コストを抑えつつ、超音波アクチュエータの振動子の共振周波数を正確に検出して駆動する事が可能で、その結果効率が良く、電源を電池として用いた場合の電池の持続時間が長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の駆動方法を提供する事を目的とする。
【解決手段】超音波アクチュエータ２の超音波振動子２Ａを駆動する駆動信号を生成する駆動信号発生部３と、超音波振動子２Ａに印加される電圧と電流との位相差を検出する検出部４と、検出部４の検出結果に基づき駆動信号発生部３の生成する駆動信号の周波数を制御する制御部５とを設ける。検出部４を、超音波振動子２Ａに印加される電流の基本周波数成分を検出しこの基本周波数成分に基づいて振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波モータ等の超音波アクチュエータを駆動する超音波アクチュエータ駆動装置と超音波アクチュエータの駆動方法、特に超音波アクチュエータの振動子に印加する交流電圧の周波数制御方法に関する。

振動子が発する超音波振動を利用して被駆動部を駆動する超音波アクチュエータに関しては、後記の特許文献１にその基本的な技術が開示されている。

以下、特許文献１記載の技術について、図１１及び図１０を用いて説明する。
この技術では、図１０（ｃ）に示す超音波アクチュエータ１０１（超音波モータ）を駆動するにあたり、図１１の（ａ）又は（ｂ）に示す様な、Ａ相の交流信号及びこのＡ相の交流信号とは位相が９０°異なるＢ相の交流信号を、それぞれ振動子１０２に印加する。これにより、振動子１０２に、図１０（ａ）に示す様な縦振動と、図１０（ｂ）に示す様な屈曲振動との２種類の振動モードが同時に励起され、その結果、振動子１０２に設けられた駆動子１０３に、図１０（ｃ）に示す様な楕円振動が発生する。

この様に駆動子１０３に楕円振動を生じさせる事により、駆動子１０３に当接させられた被駆動部１０４を屈曲運動の生じる方向（駆動子の配列方向）に駆動する事が出来る。なお、Ｂ相の交流信号の位相がＡ相の交流信号に対して＋９０°である場合と―９０°である場合とでは楕円振動の回転方向が反対向きに成る、即ち、Ａ相の交流信号に対するＢ相の交流信号の位相を制御する事で、被駆動部１０４を駆動する方向を制御する事が出来る。

以上の様な構成の超音波アクチュエータ１０１の駆動回路は、例えば、図１２に示す様に、第１の交流信号を発生させる第１の発振部１０６と、第１の交流信号と同じ周波数でかつ第１の交流信号に対して＋９０°又は−９０°の位相で制御可能に発振する第２の発振部１０７と、これら第１、第２の発振部１０６，１０７の出力を電力増幅して超音波アクチュエータ１０１に印加する駆動部１０８とにより構成する事が出来る。

振動子１０２の縦振動及び屈曲振動は、振動子１０２が機械的な共振を起こす事で発生する。従って、超音波アクチュエータ１０１は、振動子１０２の縦振動及び屈曲振動の振動周波数がそれぞれの振動モードにおける共振のピーク付近と成る様に駆動するのが最も効率が良い。振動子１０２の共振周波数は、図１３に示す様に、振動子１０２に印加する電圧と振動子１０２に流れる電流との位相差に基づいて検出する事が出来る。
具体的には、共振周波数付近に於いては、振動子１０２に印加した交流信号の周波数（駆動周波数）の変化に対して、振動子１０２に印加した交流信号の電圧と電流の位相差が急激に変化するので、この変化をとらえる事によって共振周波数を検出していた。
特許第３３１１４４６号公報

この位相差検出を行うにあたって、交流信号を正弦波とすると、信号波形が単純に成る為、共振周波数の検出が容易と成る。しかし、正弦波の交流信号を発生させる駆動電圧源は、トランジスターを活性領域で用いる為、電力損失が大きく、又駆動電圧源を駆動する為の電源電圧も高い。この様な電力損失を許容する為には大容量のトランジスター、放熱手段が必要となり、高い電源電圧を得る為の電源回路はコストが高く、又電池を用いる場合には電池寿命（持続時間）の低減等、多くの問題が発生する。

これらの事情を考慮すると、振動子１０２を正弦波の交流信号で駆動するよりも、パワートランジスターをスイッチング素子として用いて発生させた矩形波の交流信号で駆動する方が、利点が大きい。しかしこの場合、後述する様に、超音波アクチュエータ１０１の電気腕である固有容量に過渡電流が流れる為、電流位相の検出が非常に困難と成ると言う欠点が有った。

図１４に超音波アクチュエータ１０１の等価回路を示す。図１４に示す容量成分Ｃ_０は電極がコンデンサの働きをする為に生じる固有容量である。容量成分Ｃ_０は電気腕とも呼ばれ、その大きさは、振動子及び電極の物理的寸法により決まり、振動の励起とは無関係に一定値をとる。
図１４に示すインピーダンス成分Ｚ_ｍは振動子１０２の機械的な振動部分の電気等価回路で、機械腕とも呼ばれる。このインピーダンス成分Ｚ_ｍは、Ｌ，Ｃ，Ｒが直列に接続された共振回路で表現出来る。このＬ，Ｃ，Ｒの直列回路の共振周波数が、機械振動の共振周波数である。

この様な等価回路を持つ振動子１０２に矩形波の駆動電圧を印加すると、図１５に示す様に、振動子１０２に流れる電流の波形は、エッジ部分に電流が集中した形状（エッジ部分にピークを持つ形状）と成る。正確には、振動子１０２に流れる電流は、駆動回路の出力インピーダンスと容量成分Ｃ_０とで決まる位相を持つが、出力インピーダンスはほぼ無視出来るので容量成分Ｃ_０だけが電圧源に接続されている様に見える。従って矩形波の周波数成分の基本波の電流、及び奇数次の高調波の全ての電流が、容量成分Ｃ_０を通じて９０°進んだ位相を持って流れる。この電流の大きさは超音波アクチュエータ１０１によって異なるが、この様な電流が流れる事により、本来検出すべき機械腕（インピーダンス成分Ｚ_ｍ）に流れる電流が検出しづらくなり、正確な共振周波数の検出が出来ないと言う問題が有った。

本発明は、上記の様な問題点に鑑みてなされたものであり、駆動信号として矩形波の信号を用いて製造コストを抑えつつ、超音波アクチュエータの振動子の共振周波数を正確に検出して駆動する事が可能で、その結果効率が良く、電源を電池として用いた場合の電池の持続時間が長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の駆動方法を提供する事を目的とする。

上記目的を達成する為に、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、圧電層と内部電極層とを交互に積層して成る振動子を用いた超音波アクチュエータを駆動する超音波アクチュエータ駆動装置であって、前記振動子を駆動する駆動信号を生成する駆動信号発生部と、前記振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出する検出部と、該検出部の検出結果に基づき前記駆動信号発生部の生成する駆動信号の周波数を制御する制御部とを備え、前記検出部が、前記振動子に印加される電流の基本周波数成分を検出して、該基本周波数成分に基づいて前記振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出する事を特徴とする超音波アクチュエータ駆動装置を提供する。

この様に構成される超音波アクチュエータ駆動装置に於いても、振動子の共振周波数の検出は、振動子に印加される電圧と電流との位相差に基づいて行われる。
この超音波アクチュエータ駆動装置では、検出部が、振動子に印加される電流の基本周波数成分を検出して、この基本周波数成分の波形に基づいて振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出する。
即ち、検出部は、振動子に印加される電流の波形として、基本周波数成分の高調波を除いた、乱れの少ない波形を得て、この波形に基づいて振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出するので、振動子の共振周波数を容易かつ正確に検出する事が出来る。

上記本発明に係る超音波アクチュエータ駆動装置に於いて、前記制御部が、前記検出部の出力に基づいて、前記振動子に印加される電圧と電流との位相差の変化率の絶対値が最大に成る様に前記駆動信号発生部の生成する駆動信号の周波数を制御しても良い。

前記の様に、超音波アクチュエータの振動子の共振周波数付近に於いては、駆動周波数の変化に対して、振動子に印加される電圧と電流との位相差が急激に変化する。
この超音波アクチュエータ駆動装置では、制御部が、駆動信号発生部の生成する駆動信号の周波数を、振動子に印加される電圧と電流との位相差の変化率の絶対値が最大に成る様に制御する。即ち、制御部によって、駆動信号発生部の生成する駆動信号の周波数が、振動子の共振周波数付近の周波数に調整されるので、超音波アクチュエータを効率的に駆動する事が出来る。

又、上記本発明に係る超音波アクチュエータ駆動装置に於いて、前記制御部が、前記検出部の出力に基づいて、前記振動子に印加される前記電圧と前記電流との位相差が極値と成る様に前記駆動信号発生部の生成する交流信号の周波数を制御しても良い。

前記の様に、超音波アクチュエータの振動子の共振周波数付近に於いては、駆動信号の周波数の変化に対して、振動子に印加される電圧と電流との位相差が急激に変化する。この変化は、振動子の共振周波数を挟んで低周波数側及び高周波数側で生じるので、振動子の共振周波数では、振動子に印加される電圧と電流との位相差が極大又は極小と成る。
この超音波アクチュエータ駆動装置では、制御部が、駆動信号発生部の生成する駆動信号の周波数を、振動子に印加される電圧と電流との位相差が極値と成る様に制御する。即ち、制御部によって、駆動信号発生部の生成する駆動信号の周波数が、振動子の共振周波数の周波数に調整されるので、超音波アクチュエータをより効率的に駆動する事が出来る。

又、上記の様に振動子に印加される電圧と電流との位相差に基づいて発振部の生成する交流信号の周波数を決定する構成に於いては、前記制御部が、前記検出部による前記振動子に印加される電圧と電流との位相差の検出にあたって、前記駆動信号発生部に前記振動子の共振周波数を含む帯域を掃引させても良い。

この様に構成される超音波アクチュエータ駆動装置では、制御部が、検出部による振動子に印加される電圧と電流との位相差の検出にあたって、駆動信号発生部に振動子の共振周波数を含む帯域を掃引させるので、振動子に印加される電圧と電流との位相差と交流信号の周波数との関係を明確に把握する事が出来、発振部の生成する交流信号の周波数の目標値を容易に決定する事が出来る。
ここで、駆動信号の掃引は、振動子の共振周波数よりも低い周波数から振動子の共振周波数よりも高い周波数に向けて行っても良く、又、振動子の共振周波数よりも高い周波数から振動子の共振周波数よりも低い周波数に向けて行っても良い。

又、本発明は、圧電層と内部電極層とを交互に積層して成る振動子を用いた超音波アクチュエータの駆動方法であって、前記振動子を駆動する駆動信号を前記振動子に入力し、該振動子に印加される電流の基本周波数成分を検出して、該基本周波数成分に基づいて前記振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出し、該位相差の情報に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する事を特徴とする超音波アクチュエータの駆動方法を提供する。

この超音波アクチュエータの駆動方法に於いても、振動子の共振周波数の検出は、振動子に印加される電圧と電流との位相差に基づいて行われる。
この超音波アクチュエータの駆動方法では、振動子に印加される電圧と電流との位相差に基づいて振動子の共振周波数の検出を行うにあたって、振動子に印加される電流の基本周波数成分を検出して、この基本周波数成分の波形に基づいて振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出する。
即ち、この超音波アクチュエータの駆動方法では、振動子に印加される電流の波形として、基本周波数成分の高調波を除いた、乱れの少ない波形を得て、この波形に基づいて振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出するので、振動子の共振周波数を容易かつ正確に検出することができ、さらに、この位相差の情報に基づいて、駆動信号の周波数を、適切な周波数となるよう制御する事が出来る。

上記本発明に係る超音波アクチュエータの駆動方法に於いて、前記振動子に印加される電流の基本周波数成分に基づいて得た前記振動子に印加される電圧と電流との位相差の変化率の絶対値が最大に成る様に前記駆動信号の周波数を制御しても良い。

前記の様に、超音波アクチュエータの振動子の共振周波数付近に於いては、駆動周波数の変化に対して、振動子に印加される電圧と電流との位相差が急激に変化する。
この超音波アクチュエータの駆動方法では、この位相差の変化率の絶対値が最大に成る様に駆動信号の周波数を制御する。即ち、駆動信号の周波数を、超音波アクチュエータの共振周波数付近の周波数に調整するので、超音波アクチュエータを効率的に駆動する事が出来る。

又、上記本発明に係る超音波アクチュエータの駆動方法に於いて、前記振動子に印加される電流の基本周波数成分に基づいて得た前記振動子に印加される電圧と電流との位相差が極値と成る様に前記駆動信号の周波数を制御しても良い。

前記の様に、超音波アクチュエータの振動子の共振周波数付近に於いては、駆動周波数の変化に対して、振動子に印加される電圧と電流との位相差が急激に変化する。この変化は、振動子の共振周波数を挟んで低周波数側及び高周波数側で生じるので、振動子の共振周波数では、振動子に印加される電圧と電流との位相差が極大又は極小と成る。
この超音波アクチュエータの駆動方法では、この位相差が極値と成る様に駆動信号の周波数を制御する。即ち、駆動信号の周波数を、超音波アクチュエータの共振周波数の周波数に合わせるので、超音波アクチュエータをより効率的に駆動する事が出来る。

又、上記の様に振動子に印加される電圧と電流との位相差に基づいて発振部の生成する交流信号の周波数を決定する場合には、前記振動子に印加される電圧と電流との位相差の検出にあたって、前記駆動信号を、前記振動子の共振周波数を含む帯域で掃引させても良い。

この場合には、振動子に印加される電圧と電流との位相差の検出にあたって、駆動信号の周波数を、振動子の共振周波数よりも低い周波数から高い周波数まで順次掃引させるので、振動子に印加される電圧と電流との位相差と駆動信号の周波数との関係を明確に把握する事が出来、駆動信号の周波数の目標値を容易に決定する事が出来る。
ここで、駆動信号の掃引は、振動子の共振周波数よりも低い周波数から振動子の共振周波数よりも高い周波数に向けて行っても良く、又、振動子の共振周波数よりも高い周波数から振動子の共振周波数よりも低い周波数に向けて行っても良い。

以上説明した様に、本発明によれば、超音波アクチュエータの振動子の共振周波数を正確に検出して駆動する事が可能で、その結果超音波アクチュエータを効率よく駆動する事が出来、電源を電池として用いた場合の電池の持続時間が長い。又、本発明によれば、超音波アクチュエータ駆動装置の製造コストを低減する事が出来る。

以下、本発明による光学装置の好適な実施の形態を、図を参照しつつ説明する。
図１に示す様に、本実施形態に示す超音波アクチュエータ駆動装置１は、圧電層と内部電極層とを交互に積層して成る超音波振動子２Ａを用いた超音波アクチュエータ２と、超音波振動子２Ａを駆動する駆動信号を生成する駆動信号発生部３と、超音波振動子２Ａに印加される電圧と電流との位相差を検出する検出部４と、検出部４の検出結果に基づき駆動信号発生部３の生成する駆動信号の周波数を制御する制御部５とを備えている。
以下、これらの構成部材について詳細に説明する。

超音波アクチュエータ２は、図２（ａ）の正面図及び図２（ｂ）の側面図に示す様に、長方形板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の長辺側の側面に対して後述する摩擦部材１３を介して接触する様に配設された被駆動部２Ｂと、超音波振動子２Ａの一方の短辺側の側面と他方の短辺側の側面とにそれぞれ一対ずつ設けられた外部電極１２と、超音波振動子２Ａの長辺側の側面に接着された摩擦部材１３とを有している。
なお、本実施形態では、超音波振動子２Ａは、長手方向の寸法が例えば５〜２０ｍｍとされている。又、この超音波振動子２Ａと被駆動部２Ｂとは、図示せぬ押圧機構によって、例えば０．１〜５ｋｇ程度の押圧力で押し付けられている。

各外部電極１２には、図示はしないがそれぞれリード線が半田等によって接続されていて、各外部電極１２は、それぞれこれらリード線によって電流検出回路５に接続される。
摩擦部材１３は、被駆動部２Ｂに接触する超音波振動子２Ａの長辺側の側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。
本実施形態では、被駆動部２Ｂは、超音波振動子２Ａの一方の長辺側と他方の長辺側とのそれぞれに独立して設けられている。又、摩擦部材１３は、超音波振動子２Ａの一方の長辺側の側面の二箇所及び他方の長辺側の側面の二箇所にそれぞれ設けられている。なお、被駆動部２Ｂ及び摩擦部材１３の構成は、駆動系の機構設計で必要に応じて選択することができる。例えば、被駆動部２Ｂと摩擦部材１３とを超音波振動子２Ａの一方の長辺側だけに設けるようにしても良い。

超音波振動子２Ａを構成する圧電積層体は、図３に示す様に、片面側に内部電極層１４が形成された長方形板状の圧電板２Ｃを、それぞれ内部電極層１４の形成される面が同一方向を向く様にして厚み方向（図３に示すＹ軸方向）に積層した構成とされている。
ここで、圧電積層体とこの圧電積層体を構成する圧電板２Ｃとは、互いの長手方向、幅方向、及び厚み方向がそれぞれ一致している。
具体的には、図３に示す様に、超音波振動子２Ａに於いて圧電板２Ｃの長手方向をＸ軸方向とし、圧電板２Ｃの積層方向（この方向を奥行き方向とする）をＹ軸方向とし、圧電板２Ｃの幅方向をＺ軸方向とすると、図２（ａ）に於いては、紙面の左右方向がＸ軸方向、紙面に直交する方向がＹ軸方向、紙面の上下方向がＺ軸方向である。

図３に示す様に、各圧電板２Ｃに形成された内部電極層１４は、一方の短辺側と他方の短辺側とにそれぞれ独立して設けられており、一方の短辺側の内部電極層１４は一方の短辺側の外部電極１２に接続され、他方の短辺側の内部電極層１４は他方の短辺側の外部電極１２に接続されている。
又、内部電極層１４は、各圧電板２Ｃに於いて少なくとも一方の長辺側の領域に形成されており、これによって厚み方向に隣接する圧電板２Ｃのうち内部電極層１４が形成される面側に位置する圧電板２Ｃは、一方の長辺側の領域が、内部電極層１４によって厚み方向から挟み込まれている。

又、厚み方向に隣接する圧電板２Ｃに設けられた内部電極層１４は、それぞれ異なる外部電極１２に接続されている。
具体的には、図２（ａ）中で超音波振動子２Ａの右側に設けられている一対の外部電極１２は、それぞれ図３中で超音波振動子２Ａを構成する圧電板１４の右側の短辺から取り出されている内部電極露出部（図示せず）に取付けられており、これら外部電極１２及び内部電極層１４が構成する一対の電気端子（Ａ＋，Ａ−の両端子）がＡ相の電気端子を構成している。

又、図２（ａ）中で超音波振動子２Ａの左側に設けられている一対の外部電極１２は、それぞれ図３中で超音波振動子２Ａを構成する圧電板２Ｃの左側の短辺から取り出されている内部電極層露出部（図示せず）に取付けられており、これら外部電極１２及び内部電極層１４が構成する一対の電気端子（Ｂ＋，Ｂ−の両端子）がＢ相の電気端子を構成している。
この場合、Ａ−及びＢ−の端子は、それぞれＡ相，Ｂ相の片側の端子であるが、平衡回路で給電する場合は浮かせて使い、不平衡回路で駆動する場合はグラウンドとしてリード線等で電気的に同電位と成る様に構成しても良い。

この様に構成される超音波振動子２Ａは、一方の短辺側の外部電極１２間及び他方の短辺側の外部電極１２間にそれぞれ位相の異なる交流信号を印加する事で、各圧電板２Ｃが圧電効果によって変形し、摩擦部材１３にＺＸ平面内での楕円振動を生じさせる事により、被駆動部２ＢがＸ軸方向に駆動する。

駆動信号発生部３は、図１に示す様に、矩形波の交流信号であるＡ相の駆動信号を生成する発振部２１と、発振部２１が生成するＡ相の駆動信号に基づいてＡ相の駆動信号とは位相が＋９０°又は−９０°異なるＢ相の駆動信号を生成する移相部２２と、Ａ相及びＢ相の駆動信号をそれぞれ増幅して超音波振動子２Ａに印加する事で超音波振動子２Ａに楕円振動を発生させる駆動部２３（駆動アンプ）とを有している。

検出部４は、駆動部２３から超音波振動子２Ａに印加されるＡ相の駆動信号の電流を検出するＡ相電流検出部２６と、駆動部２３から超音波振動子２Ａに印加されるＢ相の駆動信号の電流を検出するＢ相電流検出部２７とを有している。
又、検出部４は、駆動部２３から超音波振動子２Ａに印加されるＡ相の駆動信号の電圧波形とＡ相電流検出部２６が検出した電流波形とを比較してこれらの位相差を検出するＡ相位相差検出部２８と、駆動部２３から超音波振動子２Ａに印加されるＢ相の駆動信号の電圧波形とＢ相電流検出部２７が検出した電流波形とを比較してこれらの位相差を検出するＢ相位相差検出部２９とを有している。

Ａ相電流検出部２６及びＢ相電流検出部２７は、簡単には、抵抗器とその両端電圧の差分を検出する差動増幅器で構成出来る。本実施形態では、Ａ相電流検出部２６及びＢ相電流検出部２７は、図４に示す様に、駆動部２３から超音波振動子２Ａへの駆動信号伝達経路３１上に設けられる抵抗器３２と、この抵抗器３２の両端の電位差を増幅する差動増幅回路３３とを有している。

駆動部２３の出力する駆動信号は、駆動信号伝達経路３１上の抵抗器３２を通って超音波振動子２Ａに印加されるので、抵抗器３２の両端における電圧の差分をとれば、実際に超音波振動子２Ａに流れる電流に比例した電圧値を検出する事が出来る。即ち、Ａ相電流検出部２６及びＢ相電流検出部２７の差動増幅回路３３は、それぞれ実際に超音波振動子２Ａに流れる電流に比例した大きさの電圧信号を出力する。以下、この電圧信号を駆動電流信号と呼ぶ。

ここで、抵抗器３２の抵抗値は、超音波振動子２Ａの直流抵抗値に比べ十分小さな値で、且つＡ相電流検出部２６及びＢ相電流検出部２７のそれぞれの差動増幅回路３３の利得と合わせて、Ａ相位相差検出部２８及びＢ相位相差検出部２９での検出誤差が生じない値を選ぶ。通常、抵抗器３２の抵抗値は数Ω以下の値をとる。

図４に示す様に、Ａ相位相差検出部２８は、Ａ相電流検出部２６の差動増幅回路３３の出力のゼロクロス点を検出する比較回路３４と、比較回路３４の出力波形（駆動電流波形）と駆動部４の出力電圧波形（Ａ相の駆動信号の波形）との位相を比較する位相比較器３６とを有している。
又、Ｂ相位相差検出部２９も、Ｂ相電流検出部２７の差動増幅回路３３の出力のゼロクロス点を検出する比較回路３４と、比較回路３４が検出したゼロクロス点を駆動電流信号の位相の基準点として駆動信号と駆動電流信号との位相の比較を行う位相比較器３６とを有している。

比較回路３４は、例えばＰＬＬ用ＩＣの４０４６の位相比較器で構成される。
位相比較器３６は、比較回路３４が検出したゼロクロス点を駆動電流信号の位相の基準点として、駆動信号と駆動電流信号との位相の比較を行う。
本実施形態では、位相比較器３６は、駆動信号伝達経路３１に於いて抵抗器３２よりも駆動部２３側の部位における電圧を駆動部４の出力電圧としている。これに限らず、位相比較器３６は、電流検出の為の抵抗器３２の後段、例えば超音波振動子２Ａの両端における電圧を駆動部４の出力電圧としても良い。

Ａ相位相差検出部２８及びＢ相位相差検出部２９には、比較回路３４の前段に狭帯域フィルタ３７が設けられており、これによって比較回路３４には、差動増幅回路３３の出力のうち、超音波振動子２Ａの共振周波数を含む所定の帯域の信号のみ入力される様になっている。なお、超音波振動子２Ａの共振周波数は、超音波振動子２Ａの特性やその個体ごとのばらつき、超音波アクチュエータ２の使用環境（雰囲気温度等）に基づいて大まかに予測する事が出来るので、この様にして予測した共振周波数に基づいて狭帯域フィルタ３７の選定を行う。

狭帯域フィルタ３７の減衰特性は、超音波振動子２Ａの共振周波数での基本波に対する３倍高調波以上の減衰が十分である事、超音波振動子２Ａの共振周波数の個体ばらつき、温度ドリフトを吸収する事、を考慮して決める。
この狭帯域フィルタ３７の出力は、比較回路３４に入力されてそのゼロクロス点が検出される。従って、狭帯域フィルタ３７の振幅特性はフラットである必要はなく、比較回路３４が動作するレベルで有れば良い。

狭帯域フィルタ３７は、例えば図５に示す様な構成とされる。
入力側（差動増幅回路３３側）と出力側（比較回路３４側）とを接続する配線３８上には抵抗Ｒ（１８０Ω）が設けられており、配線３８に於いて抵抗Ｒと出力側との間の部分は、第一の配線３８ａと第二の配線３８ｂとが並列に接続された構成とされている。
第二の配線３８ｂ上には、リアクタンスＬ（１０μＨ）とコンデンサＣ（０．３３μＦ）とが直列に配置されており、リアクタンスＬとコンデンサＣとの間で、アースＥが取られている。

この構成の狭帯域フィルタ３７は、図６のグラフに示す特性を有している。本実施形態では、狭帯域フィルタ３７は、８２ＫＨｚ〜９４ＫＨｚを検出帯域幅に設定している。
なお、狭帯域フィルタ３７は、上記の様なＲＬＣ回路によるフィルタに限定されるものではなく、例えばオペアンプを用いたアクティブフィルタで実現する事も可能である。

制御部５は例えば周辺リソースとしてカウンタを備えるワンチップマイコンで構成されており、Ａ相位相差検出部２８及びＢ相位相差検出部２９の出力に基づいて、超音波振動子２Ａのパルス幅即ち位相を検出する。

次に、この様に構成される超音波アクチュエータ駆動装置１の動作を説明する。
まず、図１に示す様に、制御部５が、駆動信号発生部３の発振部２１に制御信号Ｓ１を出力するとともに、駆動信号発生部３の移相部２２に対して制御信号Ｓ２を出力する。
発振部２１は、制御信号Ｓ１に従って予め決められた初期値の周波数（初期周波数）で発振して、この周波数の矩形波信号をＡ相の駆動信号として駆動部２３及び移相部２２に出力する。
ここで、発振部２１の初期周波数は、超音波振動子２Ａの共振周波数よりも低い周波数に設定される。

移相部２２は、制御部５の出力する制御信号Ｓ２に従って、発振部２１から入力された出力信号（Ａ相の駆動信号）に対して位相が＋９０°と成る信号又は−９０°と成る信号のどちらかをＢ相の駆動信号として駆動部２３に出力する。
駆動部２３は、入力されたＡ相及びＢ相の駆動信号をそれぞれ電力増幅して超音波振動子２Ａに出力する。ここで、駆動部２３は、Ａ相及びＢ相の駆動信号をそれぞれ両極性の信号に変換して出力（平衡出力）しても良い。

駆動部２３が出力したＡ相の駆動信号は、外部電極１２を通じて超音波振動子２ＡのＡ＋，Ａ−端子に入力され、駆動部２３が出力したＢ相の駆動信号は外部電極１２を通じて超音波振動子２ＡのＢ＋，Ｂ−端子に入力される。これにより、超音波振動子２Ａに振動が生じて超音波振動子２Ａに設けられる摩擦部材１３が楕円振動し、被駆動部２Ｂが駆動される。
ここで、摩擦部材１３の楕円振動の方向、即ち被駆動部２Ｂが駆動される方向は、Ａ相の駆動信号に対するＢ相の駆動信号の位相が＋９０°と−９０°とのどちらであるかによって決まる。

この超音波アクチュエータ駆動装置１では、超音波振動子２Ａに入力される駆動信号が矩形波の電圧信号であるので、超音波振動子２Ａに流れる電流は、前述の様にエッジ部の突入電流と超音波振動子２Ａの機械腕Ｚ_ｍの共振により流れる電流で構成される。超音波振動子２Ａの固有容量Ｃ_０に流れる電流は、超音波アクチュエータ駆動装置１の出力インピーダンスが相対的に無視出来るので振幅は変化するが位相は実質変化しない。そして、機械腕Ｚ_ｍの共振成分（即ち駆動信号と駆動電流信号との位相差）は、図７に示す様に、超音波振動子２Ａに入力される駆動信号の周波数を変化させる事で大きく変化する。

この超音波アクチュエータ駆動装置１では、上記の様に超音波アクチュエータ２が駆動されている間、検出部４によって超音波振動子２Ａに印加される電圧と電流との位相差が検出されて、この位相差の情報に基づいて駆動信号の周波数制御が行われる。

具体的には、Ａ相電流検出部２６が、実際に超音波振動子２Ａに流れた電流に比例した大きさの電圧をもつ駆動電流信号をＡ相位相差検出部２８に出力する。
同様に、Ｂ相電流検出部２７が、実際に超音波振動子２Ａに流れた電流に比例した大きさの電圧をもつ駆動電流信号をＢ相位相差検出部２９に出力する。

Ａ相位相差検出部２８及びＢ相位相差検出部２９では、駆動電流信号が狭帯域フィルタ３７に入力されて駆動周波数の基本波の成分のみが抽出される。即ち、狭帯域フィルタ３７によって、それぞれ駆動電流信号から前記した超音波振動子２Ａの固有容量Ｃ_０への突入分の内、高調波成分と機械腕Ｚ_ｍに流れるわずかな高調波成分が除去されて、実質的に正弦波形電圧で駆動した時と同じ駆動電流信号が得られる（図８参照）。

この様にして基本波の成分のみが抽出された駆動電流信号は、比較回路３４によってゼロクロス点が検出されたのち、位相比較器３６によって駆動信号と駆動電流信号との位相の比較が行われる。位相比較器３６は、駆動信号と駆動電流信号との位相を比較して、その位相差成分をパルス状の位相差信号として出力する。

図８に示す様に、位相比較器３６の出力は、電圧波形の先端ゼロクロス点と同時刻で値”Ｌ”をとり、二値化された駆動電流信号の先端ゼロクロス点と同時刻で値”Ｈ”をとる。図８（ａ）は、駆動信号の電圧に対して駆動電流信号の電流が遅れる場合を示しており、図８（ｂ）は、駆動信号の電圧に対して駆動電流信号の電流が進んでいる場合を示している。なお、本実施形態では、簡単の為、駆動信号の電圧に対して駆動電流信号の電流が進んでいる場合は、２π側に折り返して検出している。

この値”Ｌ”をとるパルスの幅が駆動信号と駆動電流信号との位相差である。制御部５には、この位相比較器３６の出力がそのまま入力される。本実施形態では、制御部５は上記の様にワンチップマイコンで構成されており、その周辺リソースであるカウンタで、位相比較器４の出力信号のパルス幅、即ち位相差を検出する。

制御部５は、上記の様に位相差を検出するにあたって、制御信号Ｓ１で周波数を変化させながら急激な位相変化の有った周波数を共振周波数と判断する。ここで、上記位相比較器３６におけるゼロ度位相を挟んだ折り返しは、制御部５がソフトウェアで補正する。

制御部５は、前述の様に、発振部２１にＡ相の駆動信号の周波数を、超音波振動子２Ａの共振周波数より低い初期周波数から徐々に上げさせながら上記位相差を検出する（このとき、位相部２２によって、Ｂ相の駆動信号の周波数も超音波振動子２Ａの共振周波数より低い初期周波数から徐々に上げられる）。
この様に周波数を変化させていった際に急な位相変化が生じる所が共振周波数である。図９に駆動信号の周波数と位相差との関係の測定結果の例を示す。ここで、図９では、直接測定した位相に対してフィルタの位相を差し引き超音波振動子２Ａに流れる電流本来の位相変化を得ている。

図９では、駆動信号の周波数９１．５ＫＨｚ周辺に位相差が急減に変化する所が見られる。即ち、この例では、周波数９１．５ＫＨｚが共振周波数である。
実際に共振周波数を検出する際には、周波数変化に対する位相変化の割合が最大に成る周波数を検出する方法（図７の領域Ｆ１の周波数又は領域Ｆ２の周波数を検出する方法）と、位相差の絶対値が極値と成る周波数、即ち位相変化の方向（遅れから進み、進みから遅れ）が切り替わる周波数を検出する方法（図７のＰ点の周波数を検出する方法）等が考えられる。

本実施形態では、位相差の絶対値が極値をとる周波数（９１．５ＫＨｚ）を検出し、これを元に超音波振動子２Ａの特性から修正を加え、例えば９１ＫＨｚを駆動周波数と決定している。
制御部５は、一旦共振周波数が検出されれば以降はこの周波数に固定して駆動を続ける。

以上述べた様に、この超音波アクチュエータ駆動装置１は、超音波駆動子２Ａを矩形駆動電圧で駆動し、超音波振動子２Ａに流れる電流に対して狭帯域のフィルタをかける事により、超音波振動子２Ａを正弦波で駆動した場合と実質同じ位相差検出信号を得る。
この様にして正確な位相差検出信号を得る事で、この位相差検出信号に基づいて、超音波振動子２Ａの共振周波数を正確に検出する事が出来、超音波振動子２Ａを効率的に駆動する事が出来る。

即ち、この超音波アクチュエータ駆動装置１によれば、駆動信号として矩形波の信号を用いて製造コストを低く抑えつつ、超音波アクチュエータ２の超音波振動子２Ａの共振周波数を正確に検出して駆動する事が可能で、その結果超音波アクチュエータ２を効率よく駆動する事が出来、電源を電池として用いた場合の電池の持続時間が長い。

本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータ駆動装置の構成を示すブロック図である。本発明に係る超音波アクチュエータ駆動装置で用いる超音波アクチュエータの構成を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図２に示す超音波アクチュエータの分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータ駆動装置の検出部の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータ駆動装置の検出部に用いられる狭帯域フィルタの構成を示す回路図である。図５に示す狭帯域フィルタの特性を示すグラフである。超音波振動子に入力される駆動信号の周波数に対する、駆動信号の電圧と超音波振動子に流れる電流との位相差の関係を示すグラフである。本発明の一実施形態にかかる超音波アクチュエータ駆動装置における、駆動信号及び駆動電流信号の波形と、これらの位相差を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る超音波アクチュエータ駆動装置における、超音波振動子に入力される駆動信号の周波数に対する、駆動信号と駆動電流信号との位相差との関係を示すグラフである。超音波アクチュエータの振動子の振動モードを示す図であって、（ａ）は縦振動モードを示す図、（ｂ）は屈曲振動モードを示す図、（ｃ）は楕円振動モードを示す図である。超音波アクチュエータの振動子を駆動する交流信号の波形（正弦波）を示す図である。従来の超音波アクチュエータの駆動回路を示すブロック図である。従来の超音波アクチュエータの振動子に入力される交流信号の電圧波形と超音波振動子に流れる電流波形とこれらの位相差を示すグラフである。超音波アクチュエータの等価回路図である。超音波アクチュエータの振動子に印加される交流信号の電圧波形と振動子に流れる電流の波形とを示すグラフである。

符号の説明

１超音波アクチュエータ駆動装置
２超音波アクチュエータ
２Ａ超音波振動子
２Ｃ圧電板（圧電層）
３駆動信号発生部
４検出部
５制御部
１４内部電極層

Claims

圧電層と内部電極層とを交互に積層して成る振動子を用いた超音波アクチュエータを駆動する超音波アクチュエータ駆動装置であって、
前記振動子を駆動する駆動信号を生成する駆動信号発生部と、
前記振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出する検出部と、
該検出部の検出結果に基づき前記駆動信号発生部の生成する駆動信号の周波数を制御する制御部とを備え、
前記検出部が、前記振動子に印加される電流の基本周波数成分を検出して、該基本周波数成分に基づいて前記振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出する事を特徴とする超音波アクチュエータ駆動装置。
前記制御部が、前記検出部の出力に基づいて、前記振動子に印加される電圧と電流との位相差の変化率の絶対値が最大に成る様に前記駆動信号発生部の生成する駆動信号の周波数を制御する事を特徴とする請求項１記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
前記制御部が、前記検出部の出力に基づいて、前記振動子に印加される前記電圧と前記電流との位相差が極値と成る様に前記駆動信号発生部の生成する交流信号の周波数を制御する事を特徴とする請求項１記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
前記制御部が、前記検出部による前記振動子に印加される電圧と電流との位相差の検出にあたって、前記駆動信号発生部に前記振動子の共振周波数を含む帯域を掃引させる事を特徴とする請求項２又は３に記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
圧電層と内部電極層とを交互に積層して成る振動子を用いた超音波アクチュエータの駆動方法であって、
前記振動子を駆動する駆動信号を前記振動子に入力し、
該振動子に印加される電流の基本周波数成分を検出して、該基本周波数成分に基づいて前記振動子に印加される電圧と電流との位相差を検出し、
該位相差の情報に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する事を特徴とする超音波アクチュエータの駆動方法。
前記振動子に印加される電流の基本周波数成分に基づいて得た前記振動子に印加される電圧と電流との位相差の変化率の絶対値が最大に成る様に前記駆動信号の周波数を制御する事を特徴とする請求項５記載の超音波アクチュエータの駆動方法。
前記振動子に印加される電流の基本周波数成分に基づいて得た前記振動子に印加される電圧と電流との位相差が極値と成る様に前記駆動信号の周波数を制御する事を特徴とする請求項５記載の超音波アクチュエータの駆動方法。
前記振動子に印加される電圧と電流との位相差の検出にあたって、前記駆動信号を、前記振動子の共振周波数を含む帯域で掃引させる事を特徴とする請求項６又は７に記載の超音波アクチュエータの駆動方法。