JP2007074829A - Vibration actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被駆動体を駆動させる振動アクチュエータに関する。 The present invention relates to a vibration actuator that drives a driven body.
従来、超音波モータを使用して被駆動体を駆動させる振動アクチュエータが知られている。 Conventionally, a vibration actuator that drives an object to be driven using an ultrasonic motor is known.
この振動アクチュエータでは、振動体(ステータ)に付加された振動検出器によって振動体の振動状態を常時検出し、振動体が最適な共振状態に保たれるように、駆動信号の周波数、又は駆動信号の振動位相等を調整するフィードバック制御を行うことが一般的である。 In this vibration actuator, the vibration state of the vibration body is always detected by a vibration detector attached to the vibration body (stator), and the frequency of the drive signal or the drive signal is maintained so that the vibration body is maintained in an optimum resonance state. It is common to perform feedback control for adjusting the vibration phase and the like.
また、複数の超音波モータを使用して1つの回転軸や回転筒等の被回転体を駆動させるときに、各超音波モータの振動状態を検出して、両超音波モータが駆動可能な範囲で各種制御パラメータを調整する技術が提案されている(例えば、特許文献1)。 In addition, when a plurality of ultrasonic motors are used to drive a rotating body such as a single rotating shaft or a rotating cylinder, the vibration state of each ultrasonic motor is detected and both ultrasonic motors can be driven. A technique for adjusting various control parameters is proposed (for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1で提案された技術では、振動体である超音波モータに振動検出器を付加する必要性があるため、振動アクチュエータの小型化及び構造の簡素化を図ろうとすれば、振動検出器を設ける場所が限定され、振動検出精度が低下する虞がある。つまり、振動アクチュエータの小型化及び簡素化を図ることが難しい。
However, in the technique proposed in
また、振動検出器を振動体に直接付加することにより、振動体の振動特性に影響を与えるため、振動設計時に十分考慮する必要性があり、振動体の設計の制約となる。 In addition, by directly adding the vibration detector to the vibrating body, the vibration characteristics of the vibrating body are affected. Therefore, it is necessary to sufficiently consider the vibration design, which is a restriction on the design of the vibrating body.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、振動アクチュエータの小型化及び簡素化を容易に実現しつつ、精度良く振動体の振動を検出することができる振動アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a vibration actuator that can detect vibration of a vibrating body with high accuracy while easily realizing downsizing and simplification of the vibration actuator. And
上記の課題を解決するために、請求項1の発明は、被駆動体を駆動させる振動アクチュエータであって、振動を発生することで、前記被駆動体を駆動させる振動発生手段と、前記被駆動体に当接して、前記被駆動体の振動を検出する振動検出手段と、前記振動検出手段による検出結果に基づいて、前記振動発生手段に与える駆動信号の周波数、振幅、及び位相のうちの少なくとも1つを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention of
また、請求項2の発明は、請求項1に記載の振動アクチュエータであって、前記制御手段が、前記振動検出手段において検出される前記被駆動体の振動に応じて生じる起電圧と前記駆動信号との位相差が所定の目標値となるように、前記周波数を制御することを特徴とする。
The invention according to
また、請求項3の発明は、請求項1に記載の振動アクチュエータであって、前記制御手段によって前記駆動信号の周波数を所定の値域範囲内で変化させつつ、前記振動検出手段において前記被駆動体の振動に応じて発生する起電圧を検出し、前記制御手段が、前記周波数を、前記振動検出手段によって検出された前記起電圧の振幅が最大となる値に制御することを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the vibration actuator according to
また、請求項4の発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の振動アクチュエータであって、前記振動発生手段と前記被駆動体との当接箇所と、前記振動検出手段と前記被駆動体との当接箇所とが、前記被駆動体を挟んで略対向することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the vibration actuator according to any one of the first to third aspects, wherein the vibration generating means and the driven body are in contact with each other, the vibration detecting means, and the vibration detecting means. A contact portion with the driven body is substantially opposed to the driven body with the driven body interposed therebetween.
また、請求項5の発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の振動アクチュエータであって、前記振動発生手段が、圧電素子を有し、当該圧電素子によって振動を発生し、前記振動検出手段が、圧電素子を有し、当該圧電素子によって振動を発生することで前記被駆動体を駆動させることが可能であるとともに、当該圧電素子に発生する起電圧を検出することで、前記被駆動体の振動を検出することを特徴とする。
The invention according to
請求項1に記載の発明によれば、被駆動体の振動の検出結果に基づいて、振動発生手段に与える駆動信号の周波数、振幅、及び位相のうちの少なくとも1つを制御することで、振動体に直接振動検出器を付加することなく、駆動信号のフィードバック制御を行うことが可能となる。したがって、振動アクチュエータの小型化及び簡素化を容易に実現しつつ、精度良く振動体の振動を検出することができる。 According to the first aspect of the present invention, vibration is controlled by controlling at least one of the frequency, amplitude, and phase of the drive signal applied to the vibration generating means based on the detection result of vibration of the driven body. It is possible to perform feedback control of the drive signal without adding a vibration detector directly to the body. Therefore, it is possible to detect vibration of the vibrating body with high accuracy while easily realizing downsizing and simplification of the vibration actuator.
また、請求項2に記載の発明によれば、被駆動体の振動に応じて検出される起電圧と駆動信号との位相差が所定の目標値となるように、駆動信号の周波数を制御することで、容易に振動体を適正な共振状態に設定することができる。 According to the second aspect of the invention, the frequency of the drive signal is controlled so that the phase difference between the electromotive voltage detected according to the vibration of the driven body and the drive signal becomes a predetermined target value. Thus, the vibrating body can be easily set to an appropriate resonance state.
また、請求項3に記載の発明によれば、駆動信号の周波数を所定の値域範囲内で変化させつつ、被駆動体の振動に応じた起電圧を検出して、駆動信号の周波数を起電圧の振幅が最大となる値に制御することで、確実に振動体を適正な共振状態に設定することができる。 According to the third aspect of the present invention, the frequency of the drive signal is detected by detecting the electromotive voltage according to the vibration of the driven body while changing the frequency of the drive signal within a predetermined range. By controlling to a value that maximizes the amplitude of, the vibrator can be reliably set to an appropriate resonance state.
また、請求項4に記載の発明によれば、振動発生手段と被駆動体との当接箇所と、振動検出手段と被駆動体との当接箇所とを、被駆動体を挟んで略対向させることで、振動の検出精度をより高めることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the contact portion between the vibration generating means and the driven body and the contact portion between the vibration detecting means and the driven body are substantially opposed with the driven body interposed therebetween. By doing so, the vibration detection accuracy can be further increased.
また、請求項5に記載の発明によれば、振動発生手段が圧電素子によって振動を発生し、振動検出手段が、圧電素子によって振動を発生することで被駆動体を駆動させることができるとともに、当該圧電素子に発生する起電圧を検出することで被駆動体の振動を検出する構成により、振動を検出するための専用の構成を設けなくても良いため、振動アクチュエータの製造コストの低減、構成の簡素化、及び小型化に資する。
According to the invention described in
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<第1実施形態>
<A.装置概要>
<全体構成>
図1は、本発明の実施形態に係る駆動装置(振動アクチュエータ)1Aの構成を示す図であり、図2及び図3は、当該振動アクチュエータ1Aに用いられる振動体10を示す正面図及び側面図である。
<First Embodiment>
<A. Equipment overview>
<Overall configuration>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a drive device (vibration actuator) 1A according to an embodiment of the present invention. FIGS. 2 and 3 are a front view and a side view showing a vibrating
図1に示すように、振動アクチュエータ1Aは、駆動源である振動体10と、振動体10により駆動される1つの被駆動体(移動体)30Aと、振動体ガイド60と、振動検出部材70とを備えている。また、振動体10と振動体ガイド60との間には、振動体10を加圧方向(図のZ方向)において被駆動体30Aに向けて押し付けるための加圧部材40が設けられている。なお、振動体ガイド60は、振動アクチュエータ1Aが搭載される各種機器の筐体などに固定される。
As shown in FIG. 1, the
<振動体>
図2及び図3に示すように、振動体10は、2つの圧電素子11,12を用いたトラス型の振動発生体として構成される。具体的には、振動体10は、2つの圧電素子(変位素子)11,12と、チップ部材13と、ベース部材14とを備えている。振動体10は、高周波電圧(高周波信号)の印加に応じて振動する。
<Vibrating body>
As shown in FIGS. 2 and 3, the vibrating
2本の圧電素子11,12は直角に交差して配置され、圧電素子11,12の交差側端部はチップ部材13に接合されている。これら圧電素子11,12の他端は、ベース部材14に接合されている。チップ部材13は、安定して高い摩擦係数を得ることができるとともに高い耐摩耗性を得ることができる材料(例えば超硬合金などの金属材料)で形成されることが好ましい。ベース部材14は、製造しやすく高い強度を有する材料(例えばステンレスなどの金属材料)で形成されることが好ましい。また、圧電素子11,12と各部材13,14とは、接着剤を用いて接合されている。接着剤としては、接着強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤を用いることが好ましい。
The two
圧電素子11は、積層型圧電素子であり、圧電特性を有する複数のセラミック薄板と電極とを交互に積層した構造を有している。圧電素子11は、印加電圧の変更に応じて積層方向に伸縮する変位素子である。圧電素子12も圧電素子11と同様の構成を備えており、印加電圧の変更に応じて積層方向に伸縮する。具体的には、所定の符号の電圧を圧電素子11に印加すると圧電素子11は伸び、逆符号の電圧を圧電素子11に印加すると圧電素子11は縮む。そして、交流電圧を印加すれば、圧電素子11は当該交流電圧の周期に応じて伸縮を繰り返すことになる。圧電素子12についても同様である。このような交流電圧を印加することによって、圧電素子11および/または圧電素子12を振動させることができる。
The
ただし、本実施形態では、後述するように、2つの圧電素子11,12のいずれか一方、例えば圧電素子11のみを駆動し、その振動をベース部材14およびチップ部材13を介して他方の圧電素子12に伝達し、両圧電素子11,12を所定の位相差を持って共振させる。そうすると、圧電素子11,12の交点に設けられたチップ部材13は楕円(円を含む)を描くように駆動される。すなわち、振動体10のチップ部材13に楕円軌道が励起される。
However, in this embodiment, as will be described later, only one of the two
このチップ部材13を例えば棒状の被駆動体30A(図1)の平面部に押しつけることにより、チップ部材13の楕円運動を被駆動体30Aの直線運動に変換することが可能となる。すなわち、楕円運動により発生する駆動力を用いて、被駆動体30Aが駆動される。
By pressing the
<被駆動体>
図1に示されるように、被駆動体30Aは、振動体10に接触する部材であり、振動体10からの駆動力が直接的に伝達される部材である。具体的には、被駆動体30Aは、振動体10の振動動作に応じて振動体10との接触(衝突)および振動体10からの離反を繰り返しつつ振動体10との間に生じる摩擦力によって駆動される。換言すれば、振動体10は、被駆動体30Aの表面において摩擦接触を伴う微小移動動作を繰り返すことによって、被駆動体30Aを駆動することになる。
<Driven object>
As shown in FIG. 1, the driven body 30 </ b> A is a member that contacts the vibrating
被駆動体30Aは、例えば、金属(ステンレスあるいはアルミニウム等)で形成される。また、チップ部材13との接触による摩耗を防ぐため、被駆動体30Aの表面には表面硬化処理が施されることが好ましい。たとえば、被駆動体30Aとしては、ステンレスなどの鉄系材料に対して焼き入れ処理ないし窒化処理等を施したものが用いられる。あるいは、アルミニウムにアルマイト処理を施したもの、ないし、金属表面にセラミックなどによる耐摩耗性のコーティング処理を施したものを被駆動体30Aとして用いるようにしてもよい。また、被駆動体30Aは、金属以外の材料、たとえばセラミック(アルミナセラミックあるいはジルコニアセラミック等)で形成されてもよい。セラミックを用いれば、軽量化を図ることができるとともに、高い剛性および高い耐摩耗性を得ることができる。
The driven
被駆動体30Aは、ガイド部材としても機能する振動検出部材70によって支持されており、図の左右方向においてスムーズに直線運動することができる。
The driven
<加圧部材>
振動体10に対して被駆動体30Aとは反対側(+Z側)に加圧部材40が設けられている。加圧部材40は、例えばコイルバネなどの弾性部材で構成されており、その一端は、振動体10のベース部材14に固定され、他端は振動体ガイド60に固定される。加圧部材40による付勢力によって、振動体10は被駆動体30Aに所定の力量で押しつけられている。なお、振動体10の振動周期は加圧部材40の伸縮動作が追従できない程に短い(すなわち非常に高い周波数である)ため、振動体10のチップ部材13は、加圧部材40の付勢力に抗して、被駆動体30Aに対して接触と離反とを繰り返すことができる。したがって、次述するような駆動動作を行うことが可能である。
<Pressurizing member>
A
<振動検出部材>
図1に示されるように、振動検出部材70は、被駆動体30Aに対して相対的な位置関係を変更可能な状態(ここでは、摺動可能な状態)で当接し、被駆動体30Aの振動を検出する部材であるとともに、被駆動体30Aを支持するガイド部材としても機能する。
<Vibration detection member>
As shown in FIG. 1, the
図4に示すように、振動検出部材70は、摺動部材71と、振動検出用圧電素子72と、支持部材73とを備えている。なお、支持部材73は、振動アクチュエータ1Aが搭載される各種機器の筐体などに固定される。
As shown in FIG. 4, the
被駆動体30Aは、摺動部材71上を滑りながら移動するが、振動検出部材70は、振動体10の押圧力を受けるため、被駆動体30Aと摺動部材71との間には滑り摩擦が働き、駆動の抵抗となる。従って、この摩擦力が十分小さくなるように、摩擦係数を下げておく必要がある。そのため、摺動部材71は、テフロン(登録商標)などの樹脂で形成されても良いし、摺動部材71の表面にテフロンコーティングやDLCコーティングなどといった摩擦係数を低減させる表面処理が施された材料で形成されても良い。また、グリスや固体潤滑剤を表面に塗布することで摩擦係数を下げても良い。
The driven
振動検出用圧電素子72は、圧電素子などで構成されるとともに、摺動部材71と支持部材73で挟み込まれる。そして、振動検出用圧電素子72は、振動体10の振動に起因した被駆動体30Aの振動によって生じる圧力の変動に応じた起電力(すなわち起電圧)を発生し、振動体10の振動周期と同じ周波数の交流電圧を生じる。したがって、振動検出用圧電素子72から発生する起電圧を後述する起電圧検出部85(図14)によって検出することで、振動体10の振動状態を検出することができる。
The vibration detecting
そして、ここでは、振動検出部材70は、振動体10に略対向する位置に設けられている。言い換えれば、振動体10と被駆動体30Aとの当接箇所と、振動検出部材70と被駆動体30Aとの当接箇所とが、被駆動体30Aを挟んで略対向している。振動体10と振動検出部材70とをこのように配置すると、振動検出部材70は、振動体10からの被駆動体30Aに対する圧力の変化をほぼ直接的に検出することができるため、被駆動体30Aすなわち振動体10の振動の検出精度が向上する。
Here, the
なお、ここでは、振動検出部材70をガイド部材としたが、更に別途ガイド部材を設けても良く、振動体10と振動検出部材70とで被駆動体30Aを挟持する構成であれば良い。
Here, the
<B.駆動原理>
次に、振動体10における駆動原理について説明する。
<B. Driving principle>
Next, the driving principle in the vibrating
図5は、振動体10による駆動動作のモデルを示す図である。図5に示すように、振動体10の圧電素子11,12のうちの一方(ここでは圧電素子11)に、駆動信号(交流電圧)を付与する。このような駆動信号が付与されると、その向きおよび大きさが変化する駆動力Fが振動体10に作用する。このような駆動力Fが振動体10に作用すると、共振現象によって振幅が数倍から数十倍に増幅され、振動体10は比較的大きく振動する。なお、一般的には2つの圧電素子11,12の両方に駆動信号を付与することも考えられるが、この実施形態では、2つの圧電素子11,12のうちの一方にのみ駆動信号を供給する場合、換言すれば単一の圧電素子(変位素子)のみを駆動する「単相駆動」の場合を例示する。
FIG. 5 is a diagram illustrating a model of the driving operation by the vibrating
ここで、この駆動信号付与による駆動力Fが、図5の方向N(上述の加圧方向に相当)と当該方向Nに直交する方向Tとに分離されて作用するものと考え、方向Nにおける振動系(第1振動系とも称する)と方向Tにおける振動系(第2振動系とも称する)との両振動系における振動状態を考察する。第1振動系および第2振動系は、それぞれ、バネ、マス(重り)、ダンパで構成される1自由度の振動モデルで表現される。なお、ここでは、簡単化のため、ベース部材14は固定されており変形しないものとする。
Here, it is considered that the driving force F due to the application of the driving signal is separated into a direction N in FIG. 5 (corresponding to the pressurizing direction described above) and a direction T orthogonal to the direction N. Consider the vibration state in both the vibration system (also referred to as the first vibration system) and the vibration system in the direction T (also referred to as the second vibration system). The first vibration system and the second vibration system are each represented by a one-degree-of-freedom vibration model including a spring, a mass (weight), and a damper. Here, for simplification, the
また、第1振動系のみによる振動状態は、2つの圧電素子11,12が同位相で伸縮する同相モード(図11参照)に対応付けて表現される。また、第2振動系のみによる振動状態は、2つの圧電素子11,12が逆位相で伸縮する逆相モード(図12参照)に対応付けて表現される。同相モードは、チップ部材13は方向Nにおいて単振動する振動モードであり、逆相モードは方向Tにおいて単振動する振動モードである。
The vibration state only by the first vibration system is expressed in association with the common mode (see FIG. 11) in which the two
図6および図7は、一方の圧電素子に付与される駆動信号の周波数(駆動周波数)と、各振動系(第1振動系および第2振動系)における振動状態との関係を示す図である。図6は振幅の周波数特性を示す図であり、図7は、駆動力Fに対する位相遅れの周波数特性を示す図である。図6においては、駆動周波数fと第1振動系の振幅との関係を示す曲線LA1と、駆動周波数fと第2振動系の振幅との関係を示す曲線LA2とが示されている。図7においては、駆動周波数fと第1振動系の位相遅れとの関係を示す曲線LP1と、駆動周波数fと第2振動系の位相遅れとの関係を示す曲線LP2と、駆動周波数fと両振動系の位相遅れの差との関係を示す曲線LP3(端的に言えば、曲線LP1,LP2の差を示す曲線)とが示されている。 6 and 7 are diagrams showing the relationship between the frequency (drive frequency) of the drive signal applied to one piezoelectric element and the vibration state in each vibration system (first vibration system and second vibration system). . 6 is a diagram showing the frequency characteristics of the amplitude, and FIG. 7 is a diagram showing the frequency characteristics of the phase lag with respect to the driving force F. FIG. 6 shows a curve LA1 indicating the relationship between the drive frequency f and the amplitude of the first vibration system, and a curve LA2 indicating the relationship between the drive frequency f and the amplitude of the second vibration system. In FIG. 7, a curve LP1 indicating the relationship between the drive frequency f and the phase delay of the first vibration system, a curve LP2 indicating the relationship between the drive frequency f and the phase delay of the second vibration system, the drive frequency f, A curve LP3 showing a relationship with the difference in phase delay of the vibration system (in short, a curve showing the difference between the curves LP1 and LP2) is shown.
図6および図7に示すように、第1振動系および第2振動系の振動は、それぞれ、駆動周波数fに応じて変化する。具体的には、各振動系の振幅は、駆動周波数fが増大していくにつれて、増大していき、特定の周波数(「共振周波数」とも称する)のときに最大となり、その後減少していく。また、各振動系の位相遅れは、駆動周波数fが増大していくにつれて増大していく。 As shown in FIGS. 6 and 7, the vibrations of the first vibration system and the second vibration system change in accordance with the driving frequency f. Specifically, the amplitude of each vibration system increases as the drive frequency f increases, reaches a maximum at a specific frequency (also referred to as “resonance frequency”), and then decreases. Further, the phase delay of each vibration system increases as the drive frequency f increases.
ここで、振動体10においては、第1振動系におけるパラメータ(弾性係数、質量、減衰係数に関するパラメータ)と第2振動系におけるパラメータ(弾性係数、質量、減衰係数に関するパラメータ)とは若干相違するように構成されている。
Here, in the vibrating
このため、図6に示すように、第1振動系における共振周波数f1と第2振動系における共振周波数f2とは互いに異なっている。具体的には、駆動周波数fが値f1のときに第1振動系の振幅が最大となり、駆動周波数fが値f2(>f1)のときに第2振動系の振幅が最大となる。また、図7に示すように、両振動系における位相遅れの度合いも異なっている。具体的には、各周波数において、第1振動系における位相遅れは第2振動系における位相遅れよりも大きくなっている。なお、ここでは、値f1が値f2よりも小さい場合を例示しているが、逆に値f1を値f2よりも大きく設定しても良い。 For this reason, as shown in FIG. 6, the resonance frequency f1 in the first vibration system and the resonance frequency f2 in the second vibration system are different from each other. Specifically, the amplitude of the first vibration system is maximized when the drive frequency f is the value f1, and the amplitude of the second vibration system is maximized when the drive frequency f is the value f2 (> f1). Further, as shown in FIG. 7, the degree of phase delay in both vibration systems is also different. Specifically, at each frequency, the phase delay in the first vibration system is larger than the phase delay in the second vibration system. Here, a case where the value f1 is smaller than the value f2 is illustrated, but conversely, the value f1 may be set larger than the value f2.
振動体10における振動状態は、上記の第1振動系における振動と第2振動系における振動との合成振動として表現され(図8〜図10参照)、振動体10(より詳細にはチップ部材13)は、楕円運動する。このような楕円状の振動を楕円振動とも称するものとする。また、この楕円振動の軌跡形状は、駆動周波数に応じて変化する。
The vibration state in the
例えば、周波数f3の駆動信号が付与されたときには、図9のような振動状態が発生する。より詳細には、図6に示すように第1振動系の振幅と第2振動系の振幅とが同じ大きさを有しているため、方向Tと方向Nとの振幅が同じになるような楕円軌跡(すなわち円軌跡)を描くように振動する。また、図7の曲線LP1,LP2に示すように第1振動系よりも第2振動系の方が位相遅れが小さく、図7の曲線LP3に示すように、両振動系の位相遅れの差は90度である。そのため、まず方向T(+T)の変位が励起され、それに引き続いて位相が90度遅れて方向N(+N)の変位が励起されるため、反時計回りの振動が励起される。 For example, when a drive signal having a frequency f3 is applied, a vibration state as shown in FIG. 9 occurs. More specifically, as shown in FIG. 6, since the amplitude of the first vibration system and the amplitude of the second vibration system have the same magnitude, the amplitudes in the direction T and the direction N are the same. Vibrates to draw an elliptical trajectory (ie, a circular trajectory). Further, as shown by the curves LP1 and LP2 in FIG. 7, the second vibration system has a smaller phase lag than the first vibration system, and as shown by the curve LP3 in FIG. 90 degrees. Therefore, the displacement in the direction T (+ T) is first excited, and subsequently, the phase is delayed by 90 degrees and the displacement in the direction N (+ N) is excited, so that the counterclockwise vibration is excited.
また、周波数f3よりも小さな周波数を有する駆動信号が付与されたときには、例えば図8のような楕円軌道に沿った振動が発生する。このときには、図6に示すように第1振動系の振幅が第2振動系の振幅よりも大きいため、方向Nの振幅が方向Tの振幅よりも大きくなるような楕円軌跡を描くように振動する。 Further, when a drive signal having a frequency smaller than the frequency f3 is given, vibration along an elliptical orbit as shown in FIG. 8 occurs, for example. At this time, since the amplitude of the first vibration system is larger than the amplitude of the second vibration system as shown in FIG. 6, the vibration vibrates so as to draw an elliptical locus in which the amplitude in the direction N is larger than the amplitude in the direction T. .
一方、周波数f3よりも大きな周波数を有する駆動信号が付与されたときには、例えば図10のような楕円軌道に沿った振動が発生する。このときには、図6に示すように第2振動系の振幅が第1振動系の振幅よりも大きいため、方向Tの振幅が方向Nの振幅よりも大きくなるような楕円軌跡を描くように振動する。 On the other hand, when a drive signal having a frequency higher than the frequency f3 is applied, vibration along an elliptical orbit as shown in FIG. 10 occurs, for example. At this time, since the amplitude of the second vibration system is larger than the amplitude of the first vibration system as shown in FIG. 6, the vibration vibrates so as to draw an elliptical locus in which the amplitude in the direction T is larger than the amplitude in the direction N. .
なお、図8〜図10のいずれの場合も、第1振動系よりも第2振動系の方が位相遅れが小さいため、楕円振動における回転方向は反時計回りである。また、駆動信号を付与する圧電素子を切り替えることで、楕円振動の回転方向を変えることができるため、被駆動体30Aを反対方向に駆動させることができる。
8 to 10, the second vibration system has a smaller phase lag than the first vibration system, and therefore the rotational direction of the elliptical vibration is counterclockwise. Further, since the rotation direction of the elliptical vibration can be changed by switching the piezoelectric element to which the drive signal is applied, the driven
<C.駆動制御>
振動体10の共振周波数は、温度や加圧部材40による負荷などといった周囲の環境によって変化する。また、振動体10の製造状態のばらつきなどにより、個体毎に共振周波数が異なることもある。よって、周囲の環境や個体毎のばらつきを考慮して、駆動周波数を適切な値に合わせる必要性がある。そこで、振動アクチュエータ1Aでは、振動体10の振動状態を振動検出部材70などによって検出し、適切な振動状態となるように駆動周波数や駆動電圧を制御する。
<C. Drive control>
The resonance frequency of the vibrating
以下、振動アクチュエータ1Aにおける駆動制御について説明する。
Hereinafter, drive control in the
<駆動制御の理論>
振動体10は、共振周波数付近で駆動信号の位相に対する振動の位相が変化する。そして、振動体10の駆動信号と振動体10の第1振動系における振動との位相差ΔPaを所定の目標値ΔPtに設定すれば最適な振動状態となることが、振動体10の設計によって決まる。また、位相差ΔPaと駆動信号の周波数faとの関係は、図13に示す曲線Cvのようになるため、例えば、目標値ΔPt=0度とすると、位相差ΔPaがマイナスである場合には、位相差ΔPaを増加させて0度に合わせるために、駆動信号の周波数を増加させれば良い。一方、位相差ΔPaがプラスである場合には、位相差ΔPaを減少させて0度に合わせるために、駆動信号の周波数を減少させれば良い。このようにして、位相差ΔPaが目標値ΔPtとなるように駆動信号の周波数を変化させていくようなフィードバック制御を行うことで、最終的に位相差ΔPaを目標値ΔPtに合わせることができ、結果として、常に最適な振動状態を得ることができる。つまり、共振現象によって振幅が数倍から数十倍に増幅され、振動体10ひいては被駆動体30Aを比較的大きく振動させた状態(共振状態)とすることができる。なお、以下では、振動体10について、最適な振動状態(共振状態)を実現するための駆動信号の周波数を「最適周波数」とも称する。
<Theory of drive control>
In the vibrating
また、振動体10の第1振動系における振動に応じた起電圧を振動検出部材70などを用いることで検出することができる。そして、この起電圧の振幅を検出することで、振動体10の振動の強さが分かる。上述の如く最適な振動状態となるように、駆動信号の周波数を制御した後に、起電圧の振幅の検出値が所定値となるように駆動信号の電圧を調整することで、振動体10の振動状態を一定に保ちつつ、出力を安定させたり、必要に応じて出力(速度、駆動力)を制御することができる。
Further, an electromotive voltage corresponding to the vibration in the first vibration system of the vibrating
<具体的回路構成>
図14は、振動アクチュエータ1Aの制御回路80Aを示す図である。制御回路80Aを用いて上記のような制御を具体的に実現する。
<Specific circuit configuration>
FIG. 14 is a diagram illustrating a
この制御回路80Aは、MPU(Micro Processing Unit)81と発振器82と増幅器83と切替スイッチ84と振動検出部材70と起電圧検出部85と位相比較部86と振幅検出部87とを有している。
The
MPU81は、発振器82の発振周波数と、増幅器83の増幅率と、切替スイッチ84の接続状態とを制御する。MPU81は、位相比較部86から入力される位相差検出信号等に基づいて発振器82の発振周波数を制御する。
The
発振器82は、正弦波状若しくはパルス状の駆動信号を生成するものであり、MPU81からの制御入力に応じて、駆動信号の周波数を任意に設定することができるようになっている。発振器82からの出力信号(駆動信号)は、増幅器83に入力される。また、発振器82からの出力信号(駆動信号)は、位相比較部86にも入力される。
The
増幅器83は、発振器82で生成された駆動信号のレベルを圧電素子11あるいは圧電素子12を駆動し得るレベルに増幅するものであり、増幅された駆動信号は、切替スイッチ84の接続状態に応じて圧電素子11あるいは圧電素子12に選択的に入力される。なお、切替スイッチ84の接続状態はMPU81からの制御信号に応じて切り替えられる。ここでは圧電素子11に駆動信号を入力する場合について説明するが、他方の圧電素子12に駆動信号を入力すれば逆転駆動が可能になる。
The
このように、発振器82、増幅器83によって、振動体10に対して、2つの圧電素子11,12のうちの一方の圧電素子にのみ駆動信号が供給される。このような駆動信号の供給によって、振動体10が振動する。
As described above, the
振動体10の振動状態は、振動検出部材70によって被駆動体(移動体)30Aの振動を検出することで、間接的に検出される。なお、振動検出部材70では、内蔵する振動検出用圧電素子72によって図5で示す第1振動系における振動が検出される。
The vibration state of the vibrating
振動検出部材70では、振動検出用圧電素子72において振動検出用圧電素子72にかかる圧力に応じた起電力を発生し、当該起電力が起電圧検出部85に入力される。
In the
起電圧検出部85は、振動検出部材70から入力される起電力より、振動体10の振動周期に対応する交流電圧を検出する。起電圧検出部85で検出された交流電圧は、位相比較部86と振幅検出部87に供給される。
The electromotive
位相比較部86は、起電圧検出部85から入力された交流電圧と、発振器82から入力された駆動信号との位相を比較することで、位相差ΔPaを算出して、MPU81へ出力する。そして、MPU81では、入力された位相差ΔPaが目標値ΔPtとなるように、駆動信号の周波数を制御する。なお、目標値ΔPtは、予めMPU81に内蔵されるROMなどに格納されているものとする。
The
振幅検出部87は、起電圧検出部85から入力された交流電圧の振幅を検出し、MPU81に出力する。そして、MPU81では、MPU81に内蔵されたROMなどに予め記憶されている所定値と比較し、交流電圧の振幅が所定値となるように増幅器83の増幅率を調整する。
The
以上のように、上記振動アクチュエータ1Aにおいては、振動体10の振動状態を所定の目標状態に近づけるように、駆動信号の周波数および振幅が制御される。具体的には、被駆動体30Aの振動の検出結果に基づいて、振動体10に与える駆動信号の周波数、及び振幅のうちの少なくとも1つを制御する。これにより、振動体10に直接振動検出器を付加することなく、駆動信号の制御を行うことが可能となる。そのため、振動アクチュエータの小型化及び簡素化を容易に実現しつつ、精度良く振動体の振動を検出することができる。
As described above, in the
また、振動体10に付与する駆動信号と、被駆動体30Aの振動に応じて検出される起電圧との位相差ΔPaが所定の目標値ΔPtとなるように、駆動信号の周波数を制御する。その結果、容易に振動体10を適正な共振状態に設定することができる。
Further, the frequency of the drive signal is controlled so that the phase difference ΔPa between the drive signal applied to the vibrating
また、振動体10と被駆動体30Aとの当接箇所と、振動検出部材70と被駆動体30Aとの当接箇所とが、被駆動体30Aを挟んで略対向する。このため、振動体10の振動の検出精度をより高めることができる。
Further, the contact portion between the
なお、上述した振動アクチュエータ1Aでは、振動体10と振動検出部材70とを略対向させて配置した。しかしながら、これに限られず、例えば、図15に示す振動アクチュエータ1Aaのように、振動体10と振動検出部材70を被駆動体30Aの駆動方向に少しずらした位置に配置するとともに、被駆動体30Aを振動検出部材70と、ガイド部材90とによって支持されるようにしても良い。つまり、ガイド部材90と振動検出部材70との組と、振動体10とで、被駆動体30Aを挟持するようにしても良い。そして、このような構成では、被駆動体30Aは、振動体10を振動させることで、ガイド部材90と振動検出部材70とに沿って摺動する。なお、ガイド部材90は、振動アクチュエータ1Aaが搭載される各種機器の筐体などに固定される。
In the
但し、図15に示す振動アクチュエータ1Aaのように、振動体10と振動検出部材70との配置がずれている場合には、被駆動体30Aの振動によって、振動体10の振動が精度良く振動検出部材70によって検出されず、振動の位相が若干ずれて検出される。そこで、このような場合には、配置に合わせて修正された所定の目標値ΔPtを設定する必要がある。この修正された所定の目標値ΔPtは、実際に振動体10と振動検出部材70とのずれ量を変化させつつ、振動検出部材70によって振動状態を検出することで、位相のずれ量を把握して、決定することができる。
However, when the
しかしながら、振動の検出精度を考慮すると、上述した振動アクチュエータ1Aのように、振動体10と振動検出部材70とを略対向させた方が好ましく、更に、振動体10と振動検出部材70とを完全に対向させる方がより好ましい。
However, in consideration of vibration detection accuracy, it is preferable that the
<第2実施形態>
上述した第1実施形態に係る振動アクチュエータ1Aでは、振動体10を1個だけ用いたが、第2実施形態に係る振動アクチュエータ1Bでは、振動体10が2個用いられている。以下、第1実施形態に係る振動アクチュエータ1Aと同様な部分については、同様な符号を付して説明を省略しつつ、第2実施形態に係る振動アクチュエータ1Bについて説明する。
Second Embodiment
In the
図16は、本発明の第2実施形態に係る振動アクチュエータ1Bの構成を示す図である。 FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a vibration actuator 1B according to the second embodiment of the present invention.
図16に示すように、第1実施形態に係る振動アクチュエータ1Aとは異なり、第2実施形態に係る振動アクチュエータ1Bは、図中の被駆動体30Aの上側に振動体10と同様な構成を有する第1振動体10aと第2振動体10bとを備える。このように、複数の振動体10a,10bによって被駆動体30Aを駆動することで、駆動力がその個数倍になる。
As shown in FIG. 16, unlike the
ここで、駆動信号の周波数の設定方法について説明する。 Here, a method for setting the frequency of the drive signal will be described.
ここでは、振動体10を1つだけ備えた第1実施形態に係る振動アクチュエータ1Aと同様に、振動検出部材70の振動検出用圧電素子72の起電力を検出して、駆動信号の周波数を決定する。但し、振動体が2個備わっているため、一方の振動体10aの振動を検出する際には、他方の振動体10bを停止しておき、他方の振動体10bの振動を検出する際には、一方の振動体10aを停止しておく。これは、2個の振動体10a,10bを同時に駆動すると、被駆動体30Aの振動が2個の振動体10a,10bの振動が混ざったものとなってしまう為、正確に各振動体の振動状態を検出することができないからである。このとき、被駆動体30Aは、停止側振動体(振動体10a又は振動対10b)との間に生じる摩擦により停止した状態で保持される。
Here, similarly to the
このようにして、各振動体について振動状態を検出すると、第1振動体10aについて、駆動信号と起電圧との位相差ΔPaが求まり、第2振動体10bについても、駆動信号と起電圧との位相差ΔPbが求まる。このように、2つの位相差ΔPa,ΔPbが求まるため、第1振動体10aと第2振動体10bとについて、それぞれ最適な振動状態を実現するための駆動信号の周波数(最適周波数)を求めることができる。
Thus, when the vibration state is detected for each vibrating body, the phase difference ΔPa between the driving signal and the electromotive voltage is obtained for the first vibrating
このとき、例えば、各振動体10a,10bを、それぞれ最適周波数fa,fbの駆動信号を入力させて駆動させても良いし、最適周波数fa,fbの何れか一方の周波数を有する駆動信号を入力させて駆動させても良いし、最適周波数の平均値(fa+fb)/2の周波数を有する駆動信号を入力させて駆動させるようにしても良い。但し、複数の振動体10a,10bを同時に振動させる場合には、各振動体の駆動信号の周波数が異なると、その差分の周期の音が発生するため、同じ周波数の駆動信号によって複数の振動体10a,10bを駆動させることが好ましい。
At this time, for example, each of the
図17は、振動アクチュエータ1Bの制御回路80Bを示す図である。制御回路80Bを用いて上記のような制御を具体的に実現する。図17では、駆動信号の周波数の決定に関連する構成に着目しており、図14と比較して、駆動信号の振幅を制御するための振幅検出部87などの構成が省略されている。
FIG. 17 is a diagram illustrating a control circuit 80B of the vibration actuator 1B. The control as described above is specifically realized using the control circuit 80B. In FIG. 17, attention is focused on the configuration related to the determination of the frequency of the drive signal, and the configuration of the
以下、制御回路80Aと同様な構成については同じ符号を付して説明を省略しつつ、制御回路80Bについて説明する。
Hereinafter, the control circuit 80B will be described with the same components as those of the
制御回路80Bでは、制御回路80Aの構成とは異なり、増幅器83から出力される駆動信号を第1振動体10aに入力するのか、又は第2振動体10bに入力するのかを2つの切替スイッチ84a,84bの接続状態によって切り替える。なお、切替スイッチ84a,84bの接続状態はMPU81によって切り替えられる。
In the control circuit 80B, unlike the configuration of the
ここで、一方の振動体(例えば、第1振動体10a)を基準にして周波数を決定する場合には、第1実施形態と同様に、第1振動体10aの圧電素子11に駆動信号を入力して第1振動体10aを振動させつつ、振動検出部材70から出力される起電圧を起電圧検出部85で検出する。そして、位相比較部86で、発振器82から入力される駆動信号と、起電圧検出部85から入力される交流電圧との位相差ΔPaを算出し、MPU81によって当該位相差ΔPaが所定の目標値ΔPtとなるように、駆動信号の周波数を制御する。
Here, when the frequency is determined based on one of the vibrating bodies (for example, the first vibrating
一方、2個の振動体10a,10bに対する最適周波数fa,fbの平均値を駆動信号の周波数とする場合には、MPU81の制御により、2つの切替スイッチ84a,84bによって、最適周波数を求める対象となる振動体に駆動信号を入力させる。
On the other hand, when the average value of the optimum frequencies fa and fb for the two vibrating
例えば、第1振動体10aに駆動信号を入力することで、第1実施形態と同様な方法で第1振動体10aに対する最適周波数faを求め、次に、第2振動体10bに駆動信号を入力することで、第1実施形態と同様な方法で第2振動体10bに対する最適周波数fbを求める。そして、MPU81において、最適周波数fa,fbの平均値を算出して、その値を駆動信号の周波数として、両振動体10a,10bを駆動させるような制御を行う。
For example, by inputting a driving signal to the first vibrating
以上のようにして、第2実施形態に係る振動アクチュエータ1Bにおいても、振動体10に直接振動検出器を付加することなく、駆動信号の制御を行うことが可能となる。このため、振動アクチュエータの小型化及び簡素化を容易に実現しつつ、精度良く振動体の振動を検出することができる。
As described above, also in the vibration actuator 1B according to the second embodiment, it is possible to control the drive signal without adding a vibration detector directly to the vibrating
<第3実施形態>
上述した第1及び第2実施形態に係る振動アクチュエータ1A,1Bでは、被駆動体30Aの振動を検出する専用の部材である振動検出部材70を備えたが、第3実施形態に係る振動アクチュエータ1Cでは、振動体が被駆動体30Aの振動を検出する役割を果たす。そして、この第3実施形態に係る振動アクチュエータ1Cでは、図15に示す振動アクチュエータ1Aaと比較して、振動検出部材70の代わりに、振動体10dが設けられている。以下、第1実施形態の変形例に係る振動アクチュエータ1Aaと同様な部分については、同様な符号を付して説明を省略しつつ、第3実施形態に係る振動アクチュエータ1Cについて説明する。
<Third Embodiment>
The
図18は、本発明の第3実施形態に係る振動アクチュエータ1Cの構成を示す図である。 FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a vibration actuator 1C according to the third embodiment of the present invention.
図18に示すように、振動アクチュエータ1Cでは、図中上側の振動体(以下「上部振動体」とも称する)10uと図中下側の振動体(以下、「下部振動体」とも称する)10dとが、略対向するのではなく、被駆動体30Aが駆動する方向に対して相互に少しずれた位置に配置される。そして、被駆動体30Aが下部振動体10dとガイド部材90とによって支持される。つまり、ガイド部材90と下部振動体10dとの組と、上部振動体10uとで、被駆動体30Aが挟持されている。
As shown in FIG. 18, in the vibration actuator 1C, an upper vibration body (hereinafter also referred to as “upper vibration body”) 10u and a lower vibration body (hereinafter also referred to as “lower vibration body”) 10d in the figure. However, they are not substantially opposed to each other, but are arranged at positions slightly deviated from each other in the driving direction of the driven
上部振動体10u及び下部振動体10dは、上述した実施形態における振動体10と同様な構成を有する。
The upper vibrating
下部振動体10dは、振動アクチュエータ1Cが搭載される機器の筐体などに固定されており、上部振動体10uは加圧部材40からの所定の押圧力により被駆動体30Aに押しつけられる。そして、被駆動体30Aは、ガイド部材90と下部振動体10dに沿って移動する。
The lower vibrating
ここで、振動アクチュエータ1Cにおける駆動信号の周波数の設定方法について説明する。 Here, a method of setting the frequency of the drive signal in the vibration actuator 1C will be described.
下部振動体10dのみ振動させると、上部振動体10uの圧電素子には、下部振動体10dの振動による圧力変化に応じた起電圧が生じる。この起電圧は、下部振動体10dが発する振動の周波数(振動周波数)と同じ周期の交流電圧となる。このとき、被駆動体30Aは、上部振動体10uとの間に生じる摩擦により停止した状態で保持される。逆に、上部振動体10uのみを振動させると、下部振動体10dの圧電素子には、上部振動体10uの振動に応じた起電圧が生じる。このようにして、2つの振動体10u,10dによって互いの振動状態を検出することができる。
When only the lower vibrating
そして、各振動体について振動状態を検出すると、上部振動体10uについて、駆動信号と起電圧との位相差ΔPuが求まるとともに、下部振動体10dについて、駆動信号と起電圧との位相差ΔPdが求まる。このように、2つの位相差ΔPu,ΔPdが求まるため、上述した第1実施形態と同様な手法によって、上部振動体10uと下部振動体10dとについてそれぞれ最適な振動状態を実現するための駆動信号の周波数(最適周波数)fu,fdをそれぞれ求めることができる。
When the vibration state is detected for each vibrator, the phase difference ΔPu between the drive signal and the electromotive voltage is obtained for the
このとき、例えば、各振動体10u,10dを、それぞれ最適周波数fu,fdの駆動信号を入力させて駆動させても良いし、最適周波数fu,fdの何れか一方の周波数を有する駆動信号を入力させて駆動させても良いし、最適周波数の平均値(fu+fd)/2の周波数を有する駆動信号を入力させて駆動させるようにしても良い。
At this time, for example, each of the
図19は、振動アクチュエータ1Cの制御回路80Cを示す図である。制御回路80Cを用いて上記のような制御を具体的に実現する。図19では、駆動信号の周波数の決定に関連する構成に着目しており、駆動信号の振幅を制御するための構成は省略されている。
FIG. 19 is a diagram illustrating a
以下、制御回路80Aと同様な構成については同じ符号を付して説明を省略しつつ、制御回路80Cについて説明する。
Hereinafter, the
制御回路80Cでは、制御回路80Aの構成とは異なり、増幅器83から出力される駆動信号を上部振動体10uに入力するのか、又は下部振動体10dに入力するのかを2つの切替スイッチ841,842の接続状態によって切り替える。なお、切替スイッチ841,842の接続状態はMPU81によって切り替えられる。また、各振動体10u,10dから出力される起電圧をそれぞれ検出する第1及び第2起電圧検出部851,852が設けられている。また、第1及び第2起電圧検出部851,852の何れから出力される起電圧を位相比較部86に入力するのかを切り替える切替スイッチ88が設けられている。この切替スイッチ88の接続状態はMPU81によって切り替えられる。
In the
ここで、一方の振動体(例えば、上部振動体10u)を基準にして周波数を決定する場合には、第1実施形態と同様に、上部振動体10uの圧電素子11に駆動信号を入力して上部振動体10uを振動させつつ、下部振動体10dから出力される起電圧を第2起電圧検出部852で検出する。そして、位相比較部86で、発振器82から入力される駆動信号と、第2起電圧検出部852から入力される交流電圧との位相差ΔPuを算出し、MPU81によって当該位相差ΔPuが所定の目標値ΔPtとなるように、駆動信号の周波数を制御する。このとき、上部振動体10uに対する最適周波数fuを下部振動体10dに入力する駆動信号にも適用することで、振動アクチュエータ1Cを適切な振動状態とすることができる。
Here, when the frequency is determined based on one of the vibrating bodies (for example, the upper vibrating
一方、2個の振動体10u,10dに対する最適周波数fu,fdの平均値を駆動信号の周波数とする場合には、MPU81の制御により、2つの切替スイッチ841,842によって、最適周波数を求める対象となる振動体に駆動信号を入力させる。
On the other hand, when the average value of the optimum frequencies fu and fd for the two
例えば、上部振動体10uに駆動信号を入力することで、第1実施形態と同様な方法で上部振動体10uに対する最適周波数fuを求め、次に、下部振動体10dに駆動信号を入力することで、第1実施形態と同様な方法で下部振動体10dに対する最適周波数fdを求める。そして、MPU81において、最適周波数fu,fdの平均値を算出して、その値を駆動信号の周波数として、両振動体10u,10dを駆動させるような制御を行う。
For example, by inputting a driving signal to the upper vibrating
以上のように、第3実施形態に係る振動アクチュエータ1Cでは、上部及び下部振動体10u.10dが圧電素子によって振動を発生させる。そして、各振動体10u.10dが、圧電素子によって振動を発生することで被駆動体30Aを駆動可能とするとともに、一方の振動体を振動させた際に、他方の振動体の圧電素子に発生する起電圧を検出することで、被駆動体の振動を検出する。したがって、被駆動体30Aの振動を検出するための専用の構成を設けなくても良いため、振動アクチュエータ1Cの製造コストの低減、構成の簡素化、及び小型化に資する。
As described above, in the vibration actuator 1C according to the third embodiment, the upper and lower vibrating
<第4実施形態>
上述した第3実施形態に係る振動アクチュエータ1Cでは、2つの振動体10u,10dが、被駆動体30Aが駆動する方向に対して相互に少しずれた位置に配置された。これに対して、第4実施形態に係る振動アクチュエータ1Dでは、2つの振動体10u,10dが、被駆動体30Aを挟んで略対向した位置に配置される。以下、第3実施形態に係る振動アクチュエータ1Cと同様な部分については、同様な符号を付して説明を省略しつつ、第4実施形態に係る振動アクチュエータ1Dについて説明する。
<Fourth embodiment>
In the vibration actuator 1C according to the third embodiment described above, the two vibrating
図20は、本発明の第4実施形態に係る振動アクチュエータ1Dの構成を示す図である。 FIG. 20 is a diagram showing a configuration of a vibration actuator 1D according to the fourth embodiment of the present invention.
図20に示すように、振動アクチュエータ1Dでは、図中上側の振動体(上部振動体)10uと図中下側の振動体(下部振動体)10dとが、被駆動体30Aを挟んで略対向する位置に配置される。別の観点から言えば、上部振動体10uと被駆動体30Aとの当接箇所と、下部振動体10dと被駆動体30Aとの当接箇所とが、被駆動体30Aを挟んで略対向している。
As shown in FIG. 20, in the vibration actuator 1D, the upper vibration body (upper vibration body) 10u in the drawing and the lower vibration body (lower vibration body) 10d in the drawing are substantially opposed to each other with the driven
下部振動体10dは、上部振動体10uと同様に、加圧部材40からの所定の押圧力によって図中下方から被駆動体30Aに押しつけられる。下部振動体10dに対して押圧力を付する加圧部材40は、振動体ガイド60に固設され、更に、振動体ガイド60は、振動アクチュエータ1Dが搭載される機器の筐体などに固定される。
The lower vibrating
そして、第3実施形態に係る振動アクチュエータ1Cと同様に、一方の振動体の振動状態を他方の振動体によって検出することができる。そして、上部振動体10uと下部振動体10dとを略対向させて配置すると、一方の振動体は、他方の振動体による被駆動体30Aに対する圧力の変化をほぼ直接的に検出することができるため、振動の検出感度、すなわち検出精度が向上する。
Then, similarly to the vibration actuator 1C according to the third embodiment, the vibration state of one vibration body can be detected by the other vibration body. When the upper vibrating
また、被駆動体30Aは、上部振動体10uと下部振動体10dとによって挟持されることで保持され、上部及び下部振動体10u,10dを同時に振動することで、被駆動体30Aを移動させることができる。なお、振動アクチュエータ1Dが最適な駆動状態となるように、上部及び下部振動体10u,10dに入力される駆動信号の制御方法は、第3実施形態におけるものと同様な方法を適用することができる。
The driven
但し、上部振動体10uと下部振動体10dとが対向している場合には次のような問題点がある。
However, when the upper vibrating
上述した実施形態で既述したように、上部及び下部振動体10u,10dは、共振周波数付近で、駆動信号に対する振動の位相遅れが大きく生じるため、2つの振動体10u,10dの共振周波数にずれがある場合、同一の駆動信号に対する2つの振動体10u,10dの振動の位相に差が生じる。そして、もしも、2つの振動体10u,10dの振動の位相がずれていると、例えば、一方の振動体10uが被駆動体30Aを押すと、他方の振動体10dが被駆動体30Aから離れて被駆動体30Aを移動させようとする。このとき、他方の振動体10dが離れようとするが、一方の振動体10uの押圧により、被駆動体30Aから振動体10dが離れにくくなり、振動体10dの駆動が被駆動体30Aの移動に対してブレーキをかけてしまう。したがって、振動アクチュエータ1Dでは、高効率で被駆動体30Aを移動させるために、2つの振動体10u,10dの振動を同期させて駆動させることが好ましい。
As already described in the above-described embodiment, the upper and lower vibrating
ここで、2つの振動体10u,10dの振動を同期させる方法について説明する。
Here, a method for synchronizing the vibrations of the two vibrating
第3実施形態と同様に、下部振動体10dのみ振動させると、上部振動体10uの圧電素子には下部振動体10dの振動による圧力変化に応じた交流電圧が生じ、逆に、上部振動体10uのみを振動させると、下部振動体10dの圧電素子には上部振動体10uの振動に応じた交流電圧が生じる。そして、第3実施形態と同様な手法で、例えば、上部及び下部振動体10u,10dの両方、又は何れか一方について、駆動信号の最適周波数を求め、振動アクチュエータ1Dの適正な振動状態が得られる駆動信号の周波数(以下「適正駆動周波数」とも称する)を設定することができる。例えば、上部及び下部振動体10u,10dの両方について、駆動信号の最適周波数fu,fdを求め、駆動信号の適正駆動周波数を平均値(fu+fd)/2に設定することができる。
Similarly to the third embodiment, when only the lower vibrating
上述のようにして駆動信号が適正駆動周波数に設定された状態で、上部振動体10uについて、駆動信号と下部振動体10dから発せられる起電圧との位相差ΔPuを求めるとともに、下部振動体10dについても、駆動信号と上部振動体10uから発せられる起電圧との位相差ΔPdを求める。このとき、位相差の差分値(=ΔPu−ΔPd)が、上部振動体10uと下部振動体10dとの振動の位相差(以下「振動位相差」とも称する)に相当する。そこで、この振動位相差だけ上部振動体10uと下部振動体10dとに入力される駆動信号の位相をずらすことで、上部振動体10uと下部振動体10dとの振動を同期させることができる。
With the drive signal set to an appropriate drive frequency as described above, the phase difference ΔPu between the drive signal and the electromotive voltage generated from the
図21は、振動アクチュエータ1Dの制御回路80Dを示す図である。制御回路80Dを用いて上記のような位相の制御を具体的に実現する。図21では、駆動信号の位相の制御に関連する構成に着目しており、駆動信号の振幅などを制御するための構成は省略されている。 FIG. 21 is a diagram illustrating a control circuit 80D of the vibration actuator 1D. The above-described phase control is specifically realized using the control circuit 80D. In FIG. 21, attention is paid to the configuration related to the control of the phase of the drive signal, and the configuration for controlling the amplitude of the drive signal is omitted.
以下、制御回路80C(図19)と同様な構成については同じ符号を付して説明を省略しつつ、制御回路80Dについて説明する。
Hereinafter, the control circuit 80D will be described with the same reference numerals assigned to the same configuration as the
制御回路80Dでは、制御回路80Cの構成と比較して、増幅器83と下部振動体10dとの間に駆動信号の位相をずらす位相器89が追加されている点が異なっている。
The control circuit 80D is different from the
ここでは、2つの切替スイッチ84a,84bの接続状態を適宜切り替えることで、上部振動体10uにのみ適正駆動周波数に設定された駆動信号を入力させて、上部振動体10uを振動させる。このとき、下部振動体10dの圧電素子から出力される起電圧を第2起電圧検出部852で検出し、位相比較部86で、第2起電圧検出部852で検出される起電圧(交流電圧)と、発振器82から入力される駆動信号との位相差ΔPuを算出して、MPU81に入力する。
Here, by appropriately switching the connection state of the two change-over
一方、下部振動体10dにのみ適正駆動周波数に設定された駆動信号を入力させて、下部振動体10dを振動させる。このとき、上部振動体10aの圧電素子から出力される起電圧を第1起電圧検出部851で検出し、位相比較部86で、第1起電圧検出部851で検出される起電圧(交流電圧)と、発振器82から入力される駆動信号との位相差ΔPdを算出して、MPU81に入力する。
On the other hand, a driving signal set at an appropriate driving frequency is input only to the lower vibrating
そして、MPU81では、2つの位相差ΔPu,ΔPdとの差分値(=ΔPu−ΔPd)を算出する。この値が上部振動体10aと下部振動体10dとの振動位相差に相当するため、差分値(=ΔPu−ΔPd)を位相器89に入力することで、下部振動体10dに入力される駆動信号の位相を、上部振動体10aに入力される駆動信号の位相に対して、差分値(=ΔPu−ΔPd)の分だけずらすことで、上部振動体10aと下部振動体10dとの振動の位相(振動位相)を合致させて、同期させることができる。
Then, the
例えば、ΔPuが−20度でΔPdが20度と求められた場合、差分値(=ΔPu−ΔPd)=−40度と算出される。差分値=−40度である場合には、上部振動体10uの振動位相に対して下部振動体10dの振動位相が40度だけ遅れていることになる。そこで、位相器89によって、下部振動体10dに入力される駆動信号の位相を40度だけ早める方向にずらすことで、上部振動体10aと下部振動体10dとの振動の位相を同期させることができる。
For example, when ΔPu is −20 degrees and ΔPd is 20 degrees, the difference value (= ΔPu−ΔPd) = − 40 degrees is calculated. When the difference value = −40 degrees, the vibration phase of the
以上のように、第4実施形態に係る振動アクチュエータ1Dでは、上部振動体10aと下部振動体10dとを被駆動体30Aを挟持するように対向して配置する。そして、上部振動体10aと下部振動体10dとの振動の位相を同期させるように駆動信号を制御する。換言すれば、被駆動体30Aの振動の検出結果に基づいて、2つの振動体10u,10dに与える駆動信号の位相を制御する。このような構成により、高効率で被駆動体30Aを移動させることができる。
As described above, in the vibration actuator 1D according to the fourth embodiment, the
そして、第4実施形態に係る振動アクチュエータ1Dでは、第1から第3実施形態に係る振動アクチュエータ1A〜1Cと同様に、被駆動体30Aの振動の検出結果に基づいて、振動体10に与える駆動信号の周波数、及び振幅も制御して、振動アクチュエータ1Dをより適切に駆動させることができる。つまり、振動アクチュエータ1Dでは、状況に応じて、被駆動体30Aの振動の検出結果に基づいて、下部振動体10dに与える駆動信号の周波数、振幅、及び位相のうちの少なくとも1つを制御することで、振動アクチュエータ1Dを適正に駆動させることができる。そして、このような制御を、振動体に直接振動検出器を付加することなく実行することができる。すなわち、振動アクチュエータの小型化及び簡素化を容易に実現しつつ、精度良く振動体の振動を検出することができる。
In the vibration actuator 1D according to the fourth embodiment, similarly to the
<変形例>
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明は上記説明した内容のものに限定されるものではない。
<Modification>
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the thing of the content demonstrated above.
◎例えば、上述した実施形態では、位相比較部86から入力される位相差(例えば、位相差ΔPa)に応じてMPU81が駆動信号の周波数を制御したが、MPU81を介さずに、電気回路で位相差がΔPtとなるように発振器82から発生される駆動信号の周波数を制御しても良い。
For example, in the above-described embodiment, the
◎また、上述した第1実施形態では、駆動信号の位相と、振動検出部材70を用いて検出された起電圧の位相との差、すなわち位相差ΔPaを所定の目標値ΔPtに合わせるように制御することで、振動体の振動状態を最適化したが、これに限られず、例えば、駆動信号の周波数を所定の値域範囲内で変化させつつ、振動検出部材70および起電圧検出部85を用いて被駆動体30Aの振動に応じた起電圧を検出し、駆動信号の周波数を、検出された起電圧の振幅が最大となる値に制御するようにしても良い。ここでは、振動体10の振動が最大となる駆動信号の周波数において、振動検出部材70の起電圧も最大となることを利用している。つまり、駆動信号の周波数と起電圧の振幅とは、図22に示すように、ある周波数fmaxにおいて、起電圧の振幅が最大となるような関係(曲線Cv1)となることを利用している。
In the first embodiment described above, control is performed so that the difference between the phase of the drive signal and the phase of the electromotive voltage detected by using the
なお、駆動信号の周波数を変化させる所定の値域範囲は、例えば、予め設計された振動体10の共振周波数付近の所定の値域範囲とすれば良い。
Note that the predetermined value range that changes the frequency of the drive signal may be, for example, a predetermined value range near the resonance frequency of the
図23は、上記のような制御を具体的に実現するための制御回路80Eの一例を示す図である。この制御回路80Eは、第1実施形態の振動アクチュエータ1Aと同様な構成を有する場合に適用可能な制御回路を示している。
FIG. 23 is a diagram illustrating an example of a
この制御回路80Eは、第1実施形態に係る制御回路80Aと比較して、位相比較部86が存在していないだけで、その他の構成は同様なものとなるため、同様な構成については同様な符号を付して説明を省略する。
The
この制御回路80Eでは、MPU81の制御下で振動体10に入力される駆動信号の周波数を所定の値域範囲内で変化させつつ、振動検出部材70から出力される起電圧(交流電圧)を起電圧検出部85で検出する。そして、起電圧検出部85から入力される起電圧の振幅を振幅検出部87で検出する。そして、MPU81で、起電圧の振幅が最大となる駆動信号の周波数を検出し、駆動信号の周波数を検出された起電圧の振幅が最大となる値に制御する。
In this
このような制御により、確実に振動体10を最適な共振状態に設定することができる。そして、このような制御は、他の実施形態の構成に対しても適用することができる。但し、このような制御では、振動体10の振動開始時点において、駆動信号をより確実に最適な周波数に設定することができるが、ある程度の値範囲で周波数を変化させつつ起電圧の振幅を検出しなければ、駆動信号の周波数を増加させるべきなのか、減少させるべきなのかを判定することができない。これに対して、上述した第1実施形態では、位相差ΔPaが目標値ΔPtからプラスにずれたのかマイナスにずれたのかによって、駆動信号の周波数を増加せせるのか、減少させるのかを容易に判定することができる。よって、振動体10の振動中に、適時フィードバック制御を行うことを考えれば、位相差ΔPaを目標値ΔPtに合わせる手法を用いる方が好ましい。
By such control, it is possible to reliably set the vibrating
◎また、上述した第3実施形態では、被駆動体30Aを挟み込むように、2つの振動体10u,10dを配置したが、これに限られず、例えば、図24に示す振動アクチュエータ1Caのように、2つの振動体10a,10bを図中上側から被駆動体30Aを押さえつけるように配置し、被駆動体30Aを図中下側から2つのガイド部材90,91によって支持するようにしても良い。このような構成としても、第3実施形態と同様な手法で振動アクチュエータ1Caの駆動を制御することができる。
In the third embodiment described above, the two vibrating
◎また、上述した第1実施形態では、振動検出部材70と被駆動体30Aとの間で滑り摩擦が生じるため、駆動に対する抵抗となり、効率の低下を招く。従って、例えば、振動検出部材70の摺動部材71をローラなどの回転体とすることで、抵抗の小さな転がり摩擦としても良い。この場合、ローラの回転軸などに振動検出用圧電素子を設けるようにしても良い。
In the above-described first embodiment, sliding friction is generated between the
◎また、上述した第4実施形態の変形例としては、例えば、図25及び図26に示すような構成を有するものが挙げられる。図25に示す構成は、2つの振動体10u,10dが対向して被駆動体である回転体30Bを挟持し、2つの振動体10u,10dを振動させることによって、回転体30Bを回動させることができる。また、図26に示す構成は、リング状の被駆動体30Cの内側から相互に逆方向に押圧力を付与することで、2つの振動体10u,10dによって被駆動体30Cを保持し、2つの振動体10u,10dを振動させることによって、回転体30Cを回動させることができる。
In addition, as a modification of the above-described fourth embodiment, for example, one having a configuration as shown in FIGS. In the configuration shown in FIG. 25, the two vibrating
1A〜1E 振動アクチュエータ(駆動装置)
10 振動体
10a 第1振動体
10b 第2振動体
10u 上部振動体
10d 下部振動体
30A〜30B 被駆動体
70 振動検出部材
80A〜80E 制御回路
81 MPU
82 発振器
83 増幅器
84,84a,84b,88,841,842 切替スイッチ
85 起電圧検出部
86 位相比較部
87 振幅検出部
90,91 ガイド部材
851 第1起電圧検出部
852 第2起電圧検出部
1A to 1E Vibration actuator (drive device)
DESCRIPTION OF
82
Claims (5)
振動を発生することで、前記被駆動体を駆動させる振動発生手段と、
前記被駆動体に当接して、前記被駆動体の振動を検出する振動検出手段と、
前記振動検出手段による検出結果に基づいて、前記振動発生手段に与える駆動信号の周波数、振幅、及び位相のうちの少なくとも1つを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする振動アクチュエータ。 A vibration actuator for driving a driven body,
Vibration generating means for driving the driven body by generating vibration;
Vibration detecting means for contacting the driven body and detecting the vibration of the driven body;
Control means for controlling at least one of the frequency, amplitude, and phase of the drive signal applied to the vibration generating means based on the detection result by the vibration detecting means;
A vibration actuator comprising:
前記制御手段が、
前記振動検出手段において検出される前記被駆動体の振動に応じて生じる起電圧と前記駆動信号との位相差が所定の目標値となるように、前記周波数を制御することを特徴とする振動アクチュエータ。 The vibration actuator according to claim 1,
The control means is
A vibration actuator characterized by controlling the frequency so that a phase difference between an electromotive voltage generated according to vibration of the driven body detected by the vibration detecting means and the drive signal becomes a predetermined target value. .
前記制御手段によって前記駆動信号の周波数を所定の値域範囲内で変化させつつ、前記振動検出手段において前記被駆動体の振動に応じて発生する起電圧を検出し、
前記制御手段が、
前記周波数を、前記振動検出手段によって検出された前記起電圧の振幅が最大となる値に制御することを特徴とする振動アクチュエータ。 The vibration actuator according to claim 1,
While detecting the electromotive voltage generated according to the vibration of the driven body in the vibration detecting means while changing the frequency of the drive signal within a predetermined range by the control means,
The control means is
A vibration actuator, wherein the frequency is controlled to a value at which an amplitude of the electromotive voltage detected by the vibration detection means is maximized.
前記振動発生手段と前記被駆動体との当接箇所と、前記振動検出手段と前記被駆動体との当接箇所とが、前記被駆動体を挟んで略対向することを特徴とする振動アクチュエータ。 The vibration actuator according to any one of claims 1 to 3,
A vibration actuator characterized in that a contact portion between the vibration generating means and the driven body and a contact portion between the vibration detecting means and the driven body are substantially opposed to each other with the driven body interposed therebetween. .
前記振動発生手段が、
圧電素子を有し、当該圧電素子によって振動を発生し、
前記振動検出手段が、
圧電素子を有し、当該圧電素子によって振動を発生することで前記被駆動体を駆動させることが可能であるとともに、当該圧電素子に発生する起電圧を検出することで、前記被駆動体の振動を検出することを特徴とする振動アクチュエータ。
The vibration actuator according to any one of claims 1 to 4,
The vibration generating means is
Having a piezoelectric element and generating vibration by the piezoelectric element;
The vibration detecting means is
It is possible to drive the driven body by having a piezoelectric element and generating vibration by the piezoelectric element, and by detecting an electromotive voltage generated in the piezoelectric element, the vibration of the driven body is detected. The vibration actuator characterized by detecting.
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