JP2007166776A - 超音波アクチュエータ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
出力トルク一定の条件で、精度良く減速動作が可能な超音波アクチュエータ及びその駆動方法を提供すること。
【解決手段】
本発明にかかる超音波アクチュエータは、例えば、Ａ F機構に用いられ、トレインパルスよりなる駆動信号に応じて回転駆動力を発生するステ一タ１と、前記回転駆動力を実動運動に変換する移動子２とを備えたものである。本発明は、かかる構成を有する超音波アクチュエータにおいて、減速動作の場合に、連続するパルストレインの一部を間引いて駆動信号を構成するものであり、間引かれずに残るパルスの連続する数を最低限２つ、あるいは４つ以上とした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、光学装置に搭載されたオートフォーカス（ＡＦ）機構に用いられる超音波アクチュエータ及びその駆動方法に関する。

超音波モータは、従来のモータの駆動原理である電磁気作用を使わない、新しい動作原理に基づくモータであり、カメラ用レンズ駆動装置や医療用マイクロアクチュエータ等において用いられている。超音波モータは駆動力源に圧電振動子を用いたモータであり、圧電振動子には共振型と非共振型とがあるが、本発明の超音波アクチュエータには、共振型圧電振動子が用いられている。共振型圧電振動子には、振動の節が移動しない定在波型と節も腹もともに音速で移動する進行波型の２種類が知られているが、これらは共に重心固定の振動子の１次元往復振動によるものである。この他、円柱、円筒の曲げ振動を利用した重心固定の振動子の円周に沿う２次元往復運動の定在波振動子も利用されている。これらのうち定在波は往復運動であり、１つの向きの運動ではない。進行波は１つの向きの運動であり、駆動力に利用できるが、これまで知られてきた進行波振動子は本来の定在波の正逆両位相のどちらかを削除して進行波に変える構成をとるため発生効率が低い。

これに対して電歪公転子は、単相交流電圧で可逆回転トルクが励振でき、励振電力の１，０００倍を超すＱ倍の振動パワーを蓄え、９９．９％を越す高効率で維持できる公転共振子である。これは、トルク共振子であり、電気歪が公転する共振子の意味で電歪公転子といわれた最効率でトルクを発生する素子である。この素子は、進行波振動子の一種と誤解されることがある。共振時に振動の腹は円周に沿って、励振電圧と同期して１サイクルに１回転するが、振動の節は振動媒体の中にはなく、振動子の重心と共に公転運動をしている。節が移動しないので無論、進行波と言えないばかりか、波動でもなく、言うなれば渦流である。この渦流は円周と径方向のモードが結合したモード回転による２次元トルクであるが、円筒の場合はさらに軸方向のモードが容易に結合できるためか３次元のモード回転が生じ、公転子の全表面に様々な方向の立体トルクが発生する３次元共振子となることは後述の先願で公開されている。公転トルクは対向電極ＡとＣ及びＢとＤの間に逆極性の電圧を印加する非対称モードにより励振することで重心が中心の周りを公転し、円の外周がフラフープのように偏心運動し公転子の全ての部分の軌跡が無数の渦巻状の運動になる結果惹き起こされる。

特許文献１に超音波モータの構成例が示されている。図７は、当該特許文献１に開示された超音波モータの模式的な斜視図である。この超音波モータは、円筒型の圧電セラミックのステ一タ１と、その後端に圧接された環状のロータ２を備えている。円筒型ステ一タ１の外周面には、四分割された電極１１，１２，１３および１４が形成されており、内周面には全面に共通電極（図示せず）が施されている。

図８（ａ）の模式図に示されるように、電極１１，電極１２，電極１３，電極１４にそれぞれ位相の異なる交番駆動信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが印加される。また、円筒型ステ一タ１の内周面電極は浮動若しくは接地された中間電位に保たれる。図９に示されるように、駆動信号Ａ，駆動信号Ｂ，駆動信号Ｃ，駆動信号Ｄはこの順に互いに位相が９０度異なっている。従って、駆動信号Ａと駆動信号Ｃ、駆動信号Ｂと駆動信号Ｄはそれぞれ位相が１８０度異なっている。このような円筒軸に対する非対称電圧で励振されると、圧電素子それぞれの部分が電圧の大きさに応じた伸縮動作をする筈であるが、隣接する部分が順次周方向の力を作用し合う結果、径方向と周方向とが結合したモード回転が生じ、渦巻き運動となる。このような渦巻き運動が発生すると、重心が中心の周りを公転するモードの共振現象が現れ、公転半径が共鳴増幅される。この様に電歪公転子では直接回転モードを励振でき、周面には強力な公転トルクが一様に発生する。さらに円筒型ステ一タでは全表面にトルクが発生するが、殊に端面には、直径と垂直方向の強力な公転トルクが発生する。この回転トルクは直接ステ一タ１に圧接したロータ２の回転運動として取り出すことができる。

ここで、従来の超音波モータの一例における、負荷電流と駆動周波数との関係について、図１０のグラフを用いて説明する。ステ一タを構成している電歪公転子の共振周波数より高い周波数の回転停止点から周波数を下げていくと、負荷電流が最大となる点がある。このとき、トルクも最大となる。負荷電流の最大点からさらに若干周波数を下げると共振脱調点に到達し、負荷電流が突然激減して回転が停止する。次に、脱調点から周波数を上げて共振復調点に達すると、負荷電流が突然飛躍的に激増して回転が再開し、さらに周波数を上げると停止点に到達する。脱調点、復調点が同一周波数でなく、周波数掃引で履歴が現れ、電流のジャンプ現象が発生するのは非線形共振の特徴である。

脱調点から復調点までの周波数履歴帯域は図に示されるように不安定領域であり、駆動領域としては不向きである。復調点から停止点までの周波数帯域は駆動に適する領域である。周波数履歴帯域は、共振振幅がある程度大きくなると、急激に飽和現象が現れ、Qが低下し熱損失が発生する非線形共振子に特有な帯域である。このため周波数掃引速度に依存して帯域幅が変化する。一方、復調点は振動していない状態、即ち発熱のない状態から共振状態に復調する周波数なので、安定な測定周波数値が得られやすい。実際に復調点付近の一定周波数で励振し、共振状態を維持していると、発熱のため、共振周波数が高域側にずれ、励振周波数が復調周波数より低い履歴帯域に入り、やがて脱調し発熱しなくなる。この状態で、しばらく待っていると、放熱による温度低下のため、復調周波数が励振周波数に一致し、共振状態にジャンプする。励振周波数を調整すると、脱調・復調のジャンプを一定周期で繰り返す周波数が見つかる。この周波数が安定駆動領域の低域限界であり、これより停止点までが安定な駆動領域である。
特開２００２−３０３７７５号公報

このような構成の超音波モータは高精細ステッピングモータの機能を備えているが、これを用いて各種のアクチュエータを構成するためには、高精細移動性を損なうことなく、モータの回転速度を低下させる、即ち減速できなければならない。モータの回転を減速させる手段としては、まず、機構的にギアなどを使用して行なう方法が考えられる。しかしながら、かかる方法を採用した場合には、高精細移動性を損なう恐れがあるだけでなく、構造上形状が大きくなるという問題がある。特に、ＡＦアクチュエータのように小型・高精細化が要求される用途には、不向きである。

また、電気的にモータの回転を減速させる方法には、駆動信号を変化させる方法が考えられるが、非線形性が大きいので、線形応答が期待できず、制御性が悪い。電圧一定条件で回転数を減らすには、駆動信号の周波数を駆動周波数帯域内で高域側にシフトする方法がある。この方法では、周波数を高域側にずらすことによって圧電素子に発生する振動エネルギーを減少させてロータへの伝達エネルギーを減らし、これによりモータの回転を減速させるので、伝達エネルギーの減少に伴って回転数が下がるだけでなく、同時に駆動トルクも低下してしまい、出力トルク一定条件で、回転数だけを変化できないという問題が発生する。

本発明は、かかる問題を解消するためになされたものであり、複雑な機構とすることなく、出力トルク一定の条件で精度良く減速動作が可能な超音波アクチュエータ及びその駆動方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる超音波アクチュエータは、トレインパルスよりなる駆動信号に応じて回転駆動力を発生するステ一タと、前記回転駆動力を実動運動に変換する移動子とを備えた超音波アクチュエータにおいて、通常の動作速度よりも減速した減速動作の場合には、前記のパルストレインの一部を間引いて前記駆動信号を構成することを特徴とするものである。

ここで、前記減速動作の場合における駆動信号としては、バースト波を用いてデューティ比を変える手段が考えられ、大きな範囲での減速動作を得ることができるが、かかるアナログ的手段ではデューティ比を大きく取って、残存波数が少なくなり数十サイクル以下になると、動作が不安定になり、動かなくなる。このため安定に動作する最低サイクル数が多くなり、そのサイクル数に応じて動作分解能が悪くなり、特徴的な動作高精細性が損なわれる。そこで、バースト波を用いてデューティ比を変えると言うアナログ的な概念から、パルスの数に応じたステップ分だけ移動子を移動させる手段を採用した。このとき１パルスで１ステップ移動してくれれば、最大感度の高精細性が達成できることになるが、電歪公転子の飽和特性のため１パルスでは共振状態が立ち上がらないため、最低２パルス必要である。したがって少なくとも２パルス以上連続した後に所定数のパルスを間引いたトレインパルスであることが好ましい。

本発明にかかる別の超音波アクチュエータは、トレインパルスよりなる駆動信号に応じて回転駆動力を発生するステータと、前記回転駆動力を実動運動に変換する移動子とを備えた超音波アクチュエータにおいて、前記ステータは外周に沿って４等分割された４電極Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤが施された円筒型電歪公転子からなり、前記駆動信号は、互いに位相が９０度異なる４チャンネル信号であり、対向配置されたＡとＣ及びＢとＤそれぞれの間には逆極性の電位が印加されるごとく構成され、通常の動作速度よりも減速した減速動作の場合には、前記４チャンネルからなる駆動信号のうち少なくとも１チャンネルには前記の連続するパルストレインのパルスが一部間引かれている信号により駆動される。

通常このような目的で使用される駆動信号は、アナログ回路におけるバースト波信号の概念であり、デューティ比を変えて減速比を変えるものであるが、デューティ比が大きく連続波に近い状態では好調に減速できるが、さらに大きく減速するためにデューティ比を小さくしていくと、移動子の動作が不安定になり、間引かれないで連続するパルスの数が数十パルスになると、動作が停止してしまうという問題点があった。本発明ではデジタル信号のパルス数を変えて制御するデジタル制御の概念から、単一パルスで駆動する条件から検討を開始したので、連続パルス数が少なく、発熱が少なく十分放熱される結果、動作特性が影響を受ける素子の温度上昇を極力避けることができ、安定な動作での減速手段を得た。

ここで、本発明にかかわる前記減速動作の場合における前記の連続するパルストレインのパルスが一部間引かれている信号は、少なくとも２パルス以上連続した後に所定数のパルスが間引かれていることが好ましい。
さらに減速比の大きい減速動作の場合は、少なくとも４パルス以上連続した後に所定数のパルスが間引かれていることが望ましい。

上記の超音波アクチュエータを用いることによって、オートフォーカス機構を構成することが可能である。

本発明にかかる超音波アクチュエータの駆動方法は、トレインパルスよりなる駆動信号に応じて回転駆動力を発生するステ一タと、前記回転駆動力を実動運動に変換する移動子とを備えた超音波アクチュエータを通常の動作速度よりも減速した減速動作で駆動する場合には、前記のトレインパルスの一部を間引いた駆動信号によって、駆動することを特徴とするものである。

本発明にかかる別の駆動方法は、トレインパルスよりなる駆動信号に応じて回転駆動力を発生するステ一タと、前記回転駆動力を実動運動に変換する移動子とを備えた超音波アクチュエータにおいて、前記ステ一タは外周に沿って４等分割された４電極Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤが施された円筒型電歪公転子からなり、前記駆動信号は、互いに位相が９０度異なる４チャンネル信号であり、対向配置されたＡとＣ及びＢとＤそれぞれの間には逆極性の電位が印加されるごとく構成され、通常の動作速度よりも減速した減速動作の場合には、前記４チャンネルからなる駆動信号のうち少なくとも１チャンネルには前記の連続するパルストレインパルスが一部間引かれている信号により駆動することを特徴とするものである。

本発明によれば、機構を複雑にすることなく、一定出力トルク下で高精度減速動作が可能な超音波アクチュエータ及びその駆動方法を提供することができる。

本発明の実施の形態にかかる超音波アクチュエータの基本的な構成は、図７及び図８にて説明した従来の超音波モータと同じである。本実施の形態にかかる超音波アクチュエータでは、その駆動信号に特徴を有する。

図１は、通常の速度、即ち、減速前の速度で超音波モータを回転させるための駆動信号（以下、基本駆動信号とする）の信号波形図である。図に示されるように、通常速度においては、４相のパルス状の駆動信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが超音波モータの各電極１１，１２，１３，１４に印加される。駆動信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのそれぞれは、複数のパルス列よりなり、圧電素子の共振点に基づき定められる固定周期を有する。各駆動信号における各パルスのパルス幅及びパルス電圧は一定である。従来技術において説明したように、ステ一タ１の上面にロータ２を圧接させることによって、駆動信号によって発生した振動エネルギーがロータ２に対して伝達され、ロータ２が回転運動する。図１に示されるように、それぞれ、９０°の位相差がある駆動信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが電極１１，１２，１３，１４に印加され、素子対角線上の電極に逆位相の駆動信号が印加されているので、振動エネルギーが回転方向の進行波となり、その進行波に合わせてロータ２が回転運動
する。

通常の速度よりも低い速度で超音波モータを回転させるための駆動信号として、図２の信号波形図に示されるように、１パルス毎に信号を間引きする方法が考えられるが、超音波モータでは素子対角線上の電極に逆位相である１８０°ずらした信号を印加する必要があるところ、この駆動方法ではその条件が満足されないことから進行波が十分に得られず回転動作が得られなかった。

そこで、本願発明者は、図３の信号波形図に示されるように、駆動信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのそれぞれにおいて２パルスを連続した後の１パルスを間引き、さらに２パルスを連続させるような信号波形を採用した。本例の駆動信号に含まれるパルスは、基本駆動信号に含まれるパルスの形状は変えておらず、同じである。換言すると、本例の駆動信号に含まれるパルスのパルス幅及びパルス電圧は同じである。また、本例の駆動信号に含まれるパルスの繰返周期も同じであるが、一部のパルスについては生成させずに間引いている。

このような駆動信号を超音波モータに印加した場合には、駆動信号Ａがマイナスのとき駆動信号Ｃがプラス、駆動信号Ａがプラスのとき駆動信号Ｃがマイナスといったように素子対角線上の電極に逆位相である１８０°ずらした信号を印加するという条件を充足することができ、安定した回転速度で減速させることができた。

また、図４に示されるように、４パルス連続させた後、１パルス分間引き、さらに４パルス連続させるような駆動信号によっても安定した回転速度で減速させることができた。なお、図４において斜線で示した位置はパルスを間引いた位置である。

図５に示されるように、４パルス連続させた後、２パルス分間引き、さらに４パルス連続させるような駆動信号によっても安定した回転速度で減速させることができた。

図６は、連続させる駆動パルス数及び間引き数を変えた場合の回転動作についてまとめた表である。表において、×が回転しなかった場合、△が回転したが不安定動作であった場合、○は動作良好であった場合を示す。まず、図２で示されるような、パルスの連続数が１で間引き数が１の場合には、回転しなかった。パルスの連続数が２で間引き数が１，２の場合には動作が良好であったが、同じ連続数で間引き数が３，４の場合には回転したが動作が不安定であり、同じ連続数で間引き数が５の場合には回転しなかった。パルスの連続数が３で間引き数が１〜６の場合には動作が良好であったが、同じ連続数で間引き数が７の場合には回転したが動作が不安定であり、同じ連続数で間引き数が８の場合には回転しなかった。パルスの連続数が４で間引き数が１〜２８の場合には動作が良好であったが、同じ連続数で間引き数が３２，３６の場合には回転したが動作が不安定であった。なお、パルスの連続数が４の場合において間引き数が３７以上については実験していない。

上述の通り、本発明にかかる超音波モータによれば、モータ回転の減速動作を行う上で複雑な減速機構を必要としないため、小型で安価である。さらに、超音波モータを、２パルス以上連続した後に所定のパルスを間引いた駆動信号により駆動するようにしたので、安定的な減速回転動作を実現することができる。

本発明にかかる超音波アクチュエータの構成波は、基本的には上述した様な通常の超音波モータと同じである。違いはロータの回転力をそのまま付加を回転する駆動力とする通常のモータ機能だけでなく、例えばロータの内周にスクリュウねじを施し、これと係合する雄ねじを外周面に施したレンズ鏡筒を内挿して、鏡筒を光軸方向に移動するリニア運動の駆動子の機能も果たせることである。このことから、本発明にかかる超音波アクチュエータはカメラ用レンズ駆動装置、監視カメラの回転駆動装置、医療用マイクロアクチュエータ等様々な分野で使用することができる。ここでカメラ用レンズ駆動装置とは、具体的には一般的なデジタルカメラや携帯電話に搭載されたデジタルカメラにおけるＡＦ機構やズームアクチュエータ等である。なお、本発明にかかる超音波アクチュエータをＡ F機能に用いる場合には、例えば、上記特許文献１に記載された構成を採用することができる。超音波アクチュエータにおいて用いられる圧電素子は、比較的安価であることから、ＡＦ機構の低コスト化を実現することができる。また、超音波アクチュエータは、電磁波などの妨害波を発生させないので、医療用マイクロアクチュエータや医療用小型カメラに応用することができる。

本発明にかかる超音波モータを駆動するための駆動信号の波形図である。 本発明にかかる超音波モータを駆動するための駆動信号の波形図である。 本発明にかかる超音波モータを駆動するための駆動信号の波形図である。 本発明にかかる超音波モータを駆動するための駆動信号の波形図である。 本発明にかかる超音波モータを駆動するための駆動信号の波形図である。 本発明にかかる超音波モータを駆動するための駆動信号に関し、連続させる駆動パルス数及び間引き数を変えた場合の回転動作についてまとめた表である。 超音波モータの模式的な斜視図である。 超音波モータのステータの上面図及び側面図である。 超音波モータを駆動するための従来の駆動信号の波形図である。 従来の超音波モータにおける、負荷電流と駆動周波数との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ステータ
２ ロータ
１１，１２，１３，１４ それぞれ電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ

Claims (8)

1. 連続的なパルスよりなる駆動信号に応じて回転駆動力を発生するステ一タと、
   前記回転駆動力を実動運動に変換する可動子とを備えた超音波アクチュエータにおいて、通常の動作速度よりも遅い減速動作の場合には、前記連続的なパルスの一部を間引いて前記駆動信号を構成することを特徴とする超音波アクチュエータ。
2. 前記減速動作の場合における駆動信号は、少なくとも２パルス以上連続した後
   に所定数のパルスが間引かれていることを特徴とする請求項１記載の超音波アク
   チュエータ。
3. 連続的なパルスよりなる駆動信号に応じて回転駆動力を発生するステ一タと、
   前記の回転駆動力を実動運動に変換する可動子とを備えた超音波アクチュエータ
   において、
   前記ステ一タは、隣り合わせで円形に配置された第１の電極、第２の電極、第３の電極
   及び第４の電極から構成され、
   前記駆動信号は、互いに位相が９０度異なる、前記第１の電極に印加される第１の駆動信号と、前記第２の電極に印加される第２の駆動信号と、前記第３の電極に印加される第３の駆動信号と、前記第４の電極に印加される第４の駆動信号より構成され、
   通常の回転動作よりも減速した減速動作の場合には、前記第１の駆動信号、前記第２の駆動信号、前記第３の駆動信号及び前記第４の駆動信号のそれぞれにおいて、前記連続的なパルスの一部が間引かれていることを特徴とする超音波アクチュエータ。
4. 前記減速動作の場合における，前記第１の駆動信号、前記第２の駆動信号、前記第３の駆動信号及び前記第４の駆動信号のそれぞれは、少なくとも２パルス以上連続した後に所定数のパルスが間引かれていることを特徴とする請求項３記載の超音波アクチュエータ。
5. 前記減速動作の場合における前記第１の駆動信号、前記第２の駆動信号、前記第３の駆動信号及び前記第４の駆動信号のそれぞれは、少なくとも４パルス以上連続した後に所定数のパルスが間引かれていることを特徴とする請求項３記載の超音波モータ。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の超音波アクチュエータを搭載したオートフォーカス用アクチュエータ。
7. 連続的なパルスよりなる駆動信号に応じて回転駆動力を発生するステ一タと、
   前記回転駆動力を実動運動に変換する可動子とを備えた超音波アクチュエータの駆動方法において、
   通常の動作速度よりも遅い減速動作の場合には、前記連続的なパルスの一部を間引いた駆動信号によって、前記超音波アクチュエータを駆動することを特徴とする超音波アクチュエータの駆動方法。
8. 連続的なパルスよりなる駆動信号に応じて回転駆動力を発生するステ一タと、前記回転駆動力によって回転運動を行なうロータとを備えた超音波モータの駆動方法において、
   前記ステ一タは、隣り合わせで円形に配置された第１の電極、第２の電極、第３の電極
   及び第４の電極から構成され、
   前記駆動信号は、互いに位相が９０度異なる、前記第１の電極に印加される第１の駆動信号と、前記第２の電極に印加される第２の駆動信号と、前記第３の電極に印加される第３の駆動信号と、前記第４の電極に印加される第４の駆動信号より構成され、
   通常の回転動作よりも減速した減速動作の場合には、前記第１の駆動信号、前記第２の駆動信号、前記第３の駆動信号及び前記第４の駆動信号のそれぞれにおいて、前記連続的なパルスの一部を間引いた駆動信号によって、前記超音波モータを駆動することを特徴とする超音波モータの駆動方法。

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