JP2007006596A - 超音波モータの駆動方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した駆動及び駆動音の低減を図ることのできる超音波モータの駆動方法及びその装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 超音波振動子２に駆動交番信号を印加することにより、超音波振動子２に異なる２つの振動モードを同時に発生させ、超音波振動子２の摩擦接触子１０に略楕円振動を生じさせて、超音波振動子２と超音波振動子２に接触する被駆動体３とを相対的に移動させる超音波モータ１の駆動方法において、駆動交番信号を印加する本振動領域の前に、摩擦接触子１０に該略楕円振動よりも小さい予備振動を発生させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、超音波モータの駆動方法及びその装置に関するものである。

近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を有している。
（１）ギヤなしで高トルクが得られる。
（２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
（３）高分解能である。
（４）静粛性に富んでいる。

このような超音波モータの駆動方法としては、例えば、特開平７−１３１９８６号公報（特許文献１）に開示されるものがある。この特許文献１には、超音波モータを回転動作させる際に、２相の交番信号を印加して弾性進行波を励振することにより、超音波モータの駆動開始時において、異音や振動が発生することなく安定に効率よく超音波モータを駆動することのできる技術が開示されている。
特開平７−１３１９８６号公報

しかしながら、上述したような従来の技術では、印加する交番信号により弾性進行波の振動が急激に励起されることにより、スティックスリップが引き起こされ、初期動作時において駆動が不安定になるという問題があった。更に、初期動作時において、駆動音が大きいという問題があった。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、安定した駆動及び駆動音の低減を図ることのできる超音波モータの駆動方法及びその装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、超音波振動子に駆動交番信号を印加することにより、前記超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの駆動方法において、前記駆動交番信号を印加する本振動領域の前に、前記出力端に前記略楕円振動よりも小さい予備振動を発生させる予備振動領域を設ける超音波モータの駆動方法を提供する。

駆動開始時において、超音波振動子の出力端と被駆動体との間は固着状態にある。この状態において、超音波振動子の出力端に予備振動を発生させることにより、この固着状態を緩和させる、換言すると、固着された部分に係る摩擦力を低減させることが可能となる。そして、この状態から本振動領域における駆動交番信号を印加させることにより、スティックスリップの発生を回避し、円滑に超音波振動子と被駆動体とを相対的に移動させることが可能となる。これにより、安定した駆動を開始させることができ、また、駆動音の低減を図ることができる。

上記予備振動領域では、前記出力端から前記被駆動体に加えられる力が静止摩擦力を超えない範囲で、前記出力端に予備振動を発生させることが好ましい。より好ましくは、出力端に生ずる動摩擦力が静止摩擦力にできるだけ近づくような予備振動を発生させると良い。

このように、出力端から被駆動体に与えられる力が静止摩擦力を超えない範囲で予備振動を発生させることにより、スティックスリップの発生を確実に防止することが可能となる。また、出力端に生ずる動摩擦力を静止摩擦力にできるだけ近づけるような予備振動を発生させることにより、予備振動領域における状態を本振動領域の状態により近づけることが可能となるので、本振動領域において、超音波振動子と被駆動体とを更に円滑に、相対的に移動させることが可能となる。

更に、上記本振動領域の後に、前記出力端に前記略楕円振動よりも小さい終息振動を発生させる終息振動領域を設けると良い。
本振動領域の後に、本振動領域に係る略楕円振動よりも小さい終息振動を発生させることにより、出力端の振動を本振動領域のときよりも弱めることが可能となる。これにより、超音波モータの駆動をスムーズに終止させることが可能となる。

本発明において、例えば、前記予備振動領域において前記超音波振動子に印加される予備交番信号及び前記終息振動領域において、前記超音波振動子に印加される終息交番信号の少なくともいずれか一方は、前記駆動交番信号の振幅よりも小さい振幅又は前記駆動交番信号のデューティ比よりも小さいデューティ比を有する信号とする。このとき、予備交番信号であれば、例えば、その振幅又はデューティ比が駆動交番信号の振幅又はデューティ比に近づくように、除々に変化させても良い。また、終息交番信号であれば、駆動交番信号から除々に振幅を小さくする又はデューティ比を小さくすることにより、除々に信号をゼロに近づけるように変化させても良い。

本発明は、超音波振動子に駆動交番信号を印加することにより、前記超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの駆動装置において、前記駆動交番信号を印加する本振動領域の前に、前記出力端に前記略楕円振動よりも小さい予備振動を発生させる予備振動領域を設ける超音波モータの駆動装置を提供する。

本発明によれば、安定した駆動及び駆動音の低減を図ることができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施形態に係る超音波モータの駆動方法及びその装置について、図を参照して以下に説明する。
本実施形体に係る超音波モータ１は、図１に示されるように、超音波振動子２と、超音波振動子２により駆動される被駆動体３とを備えて構成されている。また、本実施形態に係る超音波モータシステム５は、上記超音波モータ１と、該超音波モータ１を駆動する駆動装置６とを備えている。

上記超音波振動子２は、例えば、図２乃至図４に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート７の片側面にシート状の内部電極８を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体９と、該圧電積層体９の幅方向の一側面に形成される２つの出力端に接着された２つの摩擦接触子１０とを備えている。

図に示される圧電セラミックスシート７は、そのほぼ全面に内部電極８を備えている。内部電極８は、圧電セラミックスシート７の長さ方向に所定の絶縁距離を開けて２つ配列されている。各内部電極８は、圧電セラミックスシート７の周縁から所定の隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート７の周縁まで延びている。

図３に示される圧電セラミックスシート７は、その幅方向の略半分に内部電極８を備えている。内部電極８は、圧電セラミックスシート７の長さ方向に所定の絶縁距離を開けて２つ配列されている。各内部電極８は、圧電セラミックスシート７の周縁から所定の隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート７の周縁まで延びている。

これら内部電極８を備えた圧電セラミックスシート７は、図３に示される内部電極８の大きいものと、図４に示される内部電極８の小さいものとが交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体９を構成している。

圧電積層体９の長さ方向の両端面には２個ずつ、合計４個の外部電極１１が設けられている。各外部電極１１には、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される全ての内部電極８が接続されている。これにより、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される内部電極８は、同一の電位とされるようになっている。なお、外部電極１１には図示しない配線が接続されている。配線は、リード線、フレキシブル基板等、可撓性を有する配線であれば任意のものでよい。

次に、圧電積層体９の動作について説明する。
圧電積層体９の長さ方向の一端に形成された２つの外部電極１１をＡ相（Ａ＋，Ａ−）、他端に形成された２つの外部電極１１をＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）とする。Ａ相およびＢ相に同位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図５に示されるような１次の縦振動が励起されるようになっている。また、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図６に示されるような２次の屈曲振動が励起されるようになっている。図５および図６は、有限要素法によるコンピュータ解析結果を示す図である。

圧電積層体９に１次の縦振動が発生したときには、摩擦接触子１０が圧電積層体９の長さ方向（図５に示されるＸ方向）に変位させられるようになっている。一方、圧電積層体９に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１０が、圧電積層体９の幅方向（図６に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。

したがって、超音波振動子のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数に対応する交番電圧を加えることにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが同時に発生して、図２に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子１０の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動が発生するようになっている。

次に、このように構成された本実施形態に係る超音波モータの駆動方法について以下に説明する。
まず、駆動開始時において、超音波振動子２が備える摩擦接触子１０は、図示しない押圧機構により被駆動体３の上面に密着状態に押し付けされている。つまり、摩擦接触子１０と被駆動体３の上面とは固着状態にある。

この状態において、駆動装置６は、超音波振動子２に対して、摩擦接触子１０と被駆動体３との間の摩擦力を低減させるための予備交番信号を所定期間（以下「予備振動領域」という。）にわたり印加する。この予備振動領域とは、図７に示されるように、実際に超音波モータを駆動させる本振動領域の前に設けられた領域である。この予備振動領域においては、摩擦接触子１０に本振動領域にて発生させる略楕円振動よりも小さい予備振動を生じさせるような予備交番信号が、超音波振動子２に印加される。

この予備振動領域においては、摩擦接触子１０から被駆動体３に加えられる力が静止摩擦力を超えない範囲で、摩擦接触子１０に予備振動を発生させることが好ましい。より好ましくは、摩擦接触子１０と被駆動体３との間に生ずる動摩擦力が静止摩擦力にできるだけ近づくような予備振動を発生させると良い。具体的には、駆動装置６は、後述する本振動領域において印加する駆動交番信号の振幅よりも小さい振幅又は駆動交番信号のデューティ比よりも小さいデューティ比を有する予備交番信号を超音波振動子２に印加する。
なお、予備交番信号は、予備振動領域において一定であっても良いし、その振幅及びデューティ比の少なくともいずれか一方が除々に或いは段階的に変化（例えば、増加）するような信号であっても良い。

このような予備交番信号が超音波振動子２に印加されることにより、摩擦接触子１０には、図８に示すような小さい不均一な予備振動が生じ、これにより、摩擦接触子１０と被駆動体３との固着状態を緩和させることが可能となり、その間に生じている摩擦力を低減させることができる。

そして、このような状態、つまり、固着状態のときよりも摩擦接触子１０と被駆動体３との間の摩擦力が低減している状態において、駆動装置６は、超音波モータを本駆動させるための駆動交番信号を超音波振動子２に対して供給する。これにより、摩擦接触子１０には、図９に示すように、予備振動領域における振動よりも大きく、且つ、略楕円の振動が発生する。この結果、摩擦接触子１０は、略楕円運動させられ、摩擦接触子１０と被駆動体３との間に発生する動摩擦力によって、被駆動体３が摩擦接触子１０により略楕円運動の接線方向に押圧される。そして、この２つの摩擦接触子１０によって交互に動摩擦による押圧動作が繰り返されることにより、摩擦接触子１０と被駆動体３との密着及び離間が断続的に繰り返されながら、被駆動体３が超音波振動子２に対して相対的に移動させられることとなる。

そして、本振動領域において被駆動体３が目的の位置まで移動させられると、駆動装置６は、超音波モータ１を滑らかに停止させるための終息交番信号を所定の期間（以下、「終息振動領域」という。）にわたり、超音波振動子２に対して供給する。これにより、摩擦接触子１０に生じていた略楕円の振動は小さくなり、被駆動体３の移動が止まる。そして、駆動装置６は、終息振動領域後において終息交番信号の供給を停止することにより、摩擦接触子１０の振動は停止し、摩擦接触子１０と被駆動体３とは、再び固着状態となる。
なお、駆動装置６は、終息振動領域において、本振動領域において印加する駆動交番信号の振幅よりも小さい振幅又は駆動交番信号のデューティ比よりも小さいデューティ比を有する終息交番信号を超音波振動子２に印加する。ここで、終息交番信号は、予備振動領域と同一であっても良いし、異なっていても良い。また、終息交番信号は、その振幅やデューティが段階的に変化するような信号であっても良い。

次に、図１０に、上述した予備振動領域、本振動領域、終息振動領域において、駆動装置６から超音波振動子２のＡ相に印加される電圧の一例を示す。図１０では、予備交番信号のデューティ比を駆動交番信号のデューティ比に比べて小さくしている。また、終息交番信号については、そのデューティ比を除々に小さくしている。このように、本振動領域で超音波振動子２に印加される駆動交番信号よりもエネルギー的に小さい交番信号を予備振動領域及び終息振動領域にて印加することにより、例えば、予備振動領域においては、被駆動体３を相対的に移動させずに、被駆動体３と摩擦接触子との間の摩擦力を低減させることが可能となる。また、終息振動領域においては、被駆動体３の移動をスムーズに停止させることが可能となる。なお、図１０に示した信号は、一例であり、予備交番信号等を限定するものではない。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び駆動装置によれば、超音波モータ１を駆動させる本振動領域の前に、摩擦接触子１０に予備振動を与える予備振動領域を設けているので、摩擦接触子１０と被駆動体３との間の摩擦力が緩和された状態から本駆動へと遷移させることが可能となる。これにより、スティックスリップの発生を回避することが可能となり、超音波モータの安定駆動を実現させることができる。更に、急に駆動が開始されることに伴う振動音を低減させることが可能となる。

なお、上述の実施形態において、駆動装置６は、ハードウェアにより構成されていても良く、また、ソフトウェアによる処理にて上記駆動制御を実現させるようにしても良い。この場合、駆動装置６は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えて構成されている。上記の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でＲＯＭ等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上述の機能を実現するものとする。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
第１に、上記実施形態においては、超音波振動子２に対して被駆動体３を移動させたが、これに限られず、被駆動体３に対して超音波振動子２を移動させるようにしても良い。
第２に、上記実施形態では、超音波振動子を１つ備える超音波モータについて説明したが、超音波振動子２の設置数については、特に限定されない。超音波振動子２の設置数が増減したとしても、各超音波振動子２に対して上述のような信号を印加させることにより、安定した駆動を実現させることが可能となる。この場合、複数の超音波振動子２に対して複数の駆動装置６をそれぞれ設け、個別に駆動信号を供給するような構成としても良いし、１つの駆動装置６から複数の超音波振動子２に対して同一の信号を供給するような構成としても良い。

本発明の一実施形態に係る超音波モータの全体構成を示す図である。 図１の超音波モータの超音波振動子を示す斜視図である。 図２の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。 図２の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。 図２の圧電積層体が１次の縦振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。 図２の圧電積層体が２次の屈曲振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。 本発明の一実施形態に係る超音波モータの駆動方法を説明する図である。 予備振動領域において摩擦接触子に発生する振動の一例を示した図である。 本振動領域において摩擦接触子に発生する振動の一例を示した図である。 超音波振動子に印加される予備交番信号、駆動交番信号、終息交番信号の一例を示した図である。

符号の説明

１ 超音波モータ
２ 超音波振動子
３ 被駆動体
５ 超音波モータシステム
６ 駆動部
９ 圧電積層体
１０ 摩擦接触子

Claims (5)

1. 超音波振動子に駆動交番信号を印加することにより、前記超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの駆動方法において、
   前記駆動交番信号を印加する本振動領域の前に、前記出力端に前記略楕円振動よりも小さい予備振動を発生させる予備振動領域を設ける超音波モータの駆動方法。
2. 前記予備振動領域では、前記出力端から前記被駆動体に加えられる力が静止摩擦力を超えない範囲で、前記出力端に予備振動を発生させる請求項１に記載の超音波モータの駆動方法。
3. 前記本振動領域の後に、前記出力端に前記略楕円振動よりも小さい終息振動を発生させる終息振動領域を設ける請求項１又は請求項２に記載の超音波モータの駆動方法。
4. 前記予備振動領域において前記超音波振動子に印加される予備交番信号及び前記終息振動領域において前記超音波振動子に印加される終息交番信号の少なくともいずれか一方は、前記駆動交番信号の振幅よりも小さい振幅又は前記駆動交番信号のデューティ比よりも小さいデューティ比を有する信号である請求項３に記載の超音波モータの駆動方法。
5. 超音波振動子に駆動交番信号を印加することにより、前記超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの駆動装置において、
   前記駆動交番信号を印加する本振動領域の前に、前記出力端に前記略楕円振動よりも小さい予備振動を発生させる予備振動領域を設ける超音波モータの駆動装置。

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