JP2008301557A - 超音波モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電特性を損なうことなく、駆動時において発生する自己発熱や環境の温度変化による圧電素子のインピーダンスが変化したとしても安定な駆動特性を有する超音波モータ駆動装置を提供する。
【解決手段】 超音波モータＡＡに所定の駆動周波数を有する交流電圧を供給する駆動回路Ｂと、振動に起因して変化する圧電素子Ａのインピーダンスを測定する測定回路Ｃと、第１電極群５Ａ及び第２電極群５Ｂのうち一方を前記駆動回路Ｂと接続し、かつ前記第１電極群５Ａおよび前記第２電極群５Ｂのうち他方を前記測定回路Ｃと接続する切替スイッチＥと、前記測定回路Ｃによって測定されたインピーダンスに基づいて前記圧電素子Ａに印加する交流電圧の駆動周波数を補正する補正回路Ｄとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を安定に圧電振動させるための機能を備えた超音波モータ駆動装置に関する。

従来より、圧電層の両面に電極層を形成したものを複数積層して形成された積層型の圧電素子が開発され、超音波モータに応用されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された超音波モータは、図５に示すように、圧電層１０１の第１の主面上に、この圧電層１０１の面積に相当する面積を有する単一電極１０３が形成され、第１の主面に対向する第２の主面上に、単一電極を４つに分割した分割電極１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄとを備え、分割電極１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄが縦横の並びに配置された圧電素子により構成されている。

このような超音波モータでは、駆動速度を高めるために圧電素子の駆動周波数は共振周波数近傍の周波数が選択される。そして、長時間駆動していると圧電素子の自己発熱の影響で、超音波モータを構成する圧電素子の温度が上昇してしまい、結果的に共振周波数が低下することになる。このため駆動時において駆動周波数が最適ではなくなるために、所望の駆動速度が得られにくく、駆動速度がばらつく原因となる。

そこで、近年に至り、圧電素子における、このような共振周波数の変動を抑制する目的で、超音波モータに温度補償する機能を持たせた超音波モータ駆動装置が開発されているが、例えば、図６に示すように、圧電素子２００を構成する電極２０１の一部分に温度計測用の電極２０３を形成した構造となっており、この場合、温度計測用の電極２０３を用いて圧電素子２００のインピーダンスや静電容量の変化量を計測し、その変化量から超音波モータの温度を推測し、その推測した温度における最適な駆動周波数を設定するように温度補償を行う機能を有している（例えば、特許文献２参照）。
特表２００３−５０１９８８号公報 特開平１１−１５０９５９号公報

しかしながら、特許文献２に開示された超音波モータ駆動装置は、それを構成する圧電素子２００の表面の一部分に温度計測用の電極２０３を形成したものでは温度の測定精度が低いことが懸念される。

即ち、このような超音波モータ駆動装置の構成では、圧電素子２００の表面のごく一部に温度測定用の電極２０３を設けているため、圧電素子２００を構成する圧電層２０５のごく一部分の温度しか測定できず、共振周波数の変動に大きく関係する超音波モータの内部の温度を正しく計測できないという問題がある。また、表面においては、熱の空気中への拡散の影響を受けるため、圧電素子２００の内部で発熱が生じて圧電素子２００の温度が上昇しても表面付近では温度が低いままであり、正確な温度測定が困難である。

しかも、この超音波モータ駆動装置では、圧電駆動に寄与する電極２０１の一部を絶縁したかたちで温度補償用の電極２０３としているために、圧電駆動用の電極２０１の有効面積が小さくなる分だけ圧電特性が低くなるという問題がある。

従って本発明は、圧電特性を損なうことなく、駆動時において発生する自己発熱や環境の温度変化による圧電素子のインピーダンスが変化したとしても安定な駆動特性を有する超音波モータ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波モータ駆動装置は、長方形状の圧電層の第１の主面に短辺に近接して前記第１の主面の大部分を占めるように単一電極が形成され、前記圧電層の第２の主面に前記単一電極と対向する部位を縦横に４等分した領域にそれぞれ交差する位置同士のものが電気的に接続された第１電極群および第２電極群が形成された圧電素子の前記短辺側の端面に被移動体に接触させる接触部が設けられた超音波モータと、該超音波モータの前記圧電素子に所定の駆動周波数の交流電圧を印加する駆動回路と、該駆動回路から前記交流電圧が印加されることによって振動する前記圧電素子の発熱に対応して変化する前記圧電素子のインピーダンスを測定する測定回路と、前記第１電極群および前記第２電極群のうちの一方を前記駆動回路に接続し、他方を前記測定回路に接続するように交互に切り替える切替スイッチと、前記測定回路によって測定されたインピーダンスに基づいて前記圧電素子に印加する前記交流電圧の前記駆動周波数を補正する補正回路とを有することを特徴とする。

その為、第１電極群および第２電極群のいずれか一方に交流電圧を供給するとともに、他方で超音波モータの圧電素子のインピーダンスを測定し、測定したインピーダンスに基づいて超音波モータに印加する駆動信号を補正することができるため、超音波モータの安定した駆動特性が得られる。

また、切替スイッチを設けて駆動回路及び測定回路とそれぞれ接続する分割電極群とを切り替えることができるため、超音波モータの振動方向が異なる場合でも超音波モータの安定した駆動特性が得られる。

また、前記超音波モータ駆動装置では、前記超音波モータは、前記圧電素子を複数有しており、それら複数の圧電素子が、間に圧電層を挟んで一体化されていることが望ましい。

このように、超音波モータを構成する圧電素子が、間に圧電層を挟んで一体化されたものであれば、積層方向に隣り合う圧電層同士が反対方向に分極されていることから、圧電層を多層化することにより圧電素子に共振を励起するために必要な電圧の大きさは圧電素子が単層の場合よりも小さくなり、これにより低電力、高出力の超音波モータを形成できる。

本発明によれば、超音波モータの駆動に伴って、超音波モータを構成する圧電素子のインピーダンスが環境変化や自己発熱によって変化したとしても超音波モータ駆動装置を安定して駆動させることができる。

図１は、本発明の超音波モータ駆動装置の一例を示す模式図である。図１における破線に囲まれた部分は外部の回路構成を示すものである。本発明の超音波モータ駆動装置は、圧電素子Ａの端面に接触部Ｆを有し、圧電振動する超音波モータＡＡと、圧電素子Ａに交流電圧を供給するための駆動回路Ｂと、圧電素子Ａの温度に対応してインピーダンスの変化を検出するための測定回路Ｃと、測定回路Ｃにおいて測定されたインピーダンスに基づいて圧電素子Ａに対する駆動周波数を補正する補正回路Ｄと、圧電素子Ａへの交流電圧の供給と圧電素子Ａのインピーダンスの変化の検出とを超音波モータにおける圧電素子Ａの振動によって発生する周回運動の回転方向によって切り替えを行う切替スイッチＥとを含んで構成されている。ここで、接触部Ｆは変位する被移動体に接触するように突出して形成されている。

超音波モータを構成する圧電素子Ａは長方形状の圧電層１の第１の主面１ａにおける短辺１ａａに近接して、この第１の主面１ａの大部分を占めるように単一電極３が形成されており、一方、第１の主面１ａの単一電極３と対向する部位を縦横に４等分した領域に、それぞれ第１電極群５Ａおよび第２電極群５Ｂとなる分割電極５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄが近接して配置されている。

これらの単一電極３および分割電極５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄには、それぞれ引出部５ａｈ、５ｂｈ、５ｃｈおよび５ｄｈ（ただし、単一電極３の引出部は不図示）が形成されており、各引出部５ａｈ、５ｂｈ、５ｃｈおよび５ｄｈに接続する外部電極３ｏ、５ａｏ）および５ｄｏ（ただし、引出部５ｂｏ、５ｃｏに接続される外部電極は不図示）がそれぞれ圧電層１の側面に形成されている。

圧電素子Ａに形成された４つの分割電極５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄにおいて、分割電極５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄが交差する方向に配置された分割電極５ａ、５ｃおよび分割電極５ｂ、５ｄがそれぞれ電気的に接続され同期して駆動する第１電極群５Ａおよび第２電極群５Ｂを形成する。図１において示した分割電極５ａおよび分割電極５ｃの間、ならびに、分割電極５ｂおよび分割電極５ｄをそれぞれ結線している２つの実線は実際には結線されていないものである。この場合、同期して駆動する第１電極群５Ａおよび第２電極群５Ｂが明確に表せるようにしたものである。なお、本発明における圧電素子Ａを構成する圧電層１は圧電層１は厚み方向に分極されている。

図２は、本発明の超音波モータ駆動装置に備える超音波モータを構成する圧電素子Ａの共振の励起による動きを示す模式図である。図１に示したように、分割電極５ａと分割電極５ｃ、分割電極５ｂと分割電極５ｄとがそれぞれ同期して駆動するためにアルファベットのＳの字または逆のＳの字状に変形し、圧電素子Ａの端面に形成された接触部Ｆが楕円運動を生成するものである。

例えば、圧電素子Ａの分割電極５ｂおよび分割電極５ｄに交流電圧を印加し、分割電極５ａおよび分割電極５ｃを浮かせることにより、接触部Ｆを楕円５０のように時計方向（矢印５２の方向）に動かすことができ、動かす被移動体を矢印５４の方向に移動させることができる。即ち、本発明の超音波モータでは、分割電極５ａ、５ｃ、または分割電極５ｂ、５ｄに印加された場合に、Ｓ字状の屈曲振動モードが励起される。

次に、本発明の超音波モータ駆動装置を構成する駆動回路Ｂは、Ｓ字状の屈曲振動を励起するのに用いる交流電圧の大きさおよび周波数を制御する電源回路を有するものであり、圧電層１の面に平行な面内において種々の振幅の振動運動を選択的に行わせることができる。

本発明の超音波モータ駆動装置では、超音波モータＡＡの動く方向によって、第１電極群５Ａまたは第２電極群５Ｂのいずれか一方に所定の駆動周波数を有する交流電圧が供給されて、第１電極群５Ａおよび第２電極群５Ｂのいずれか一方が独立して所定の圧電振動を発生するものになるとともに、交流電圧が供給されず圧電振動しない方の、第１電極群５Ａまたは第２電極群５Ｂのいずれか一方は圧電素子Ａのインピーダンスの検出を行うために用いられる。なお、動く方向が逆になれば、圧電振動する第１、第２電極群とインピーダンスを検出する第１、第２電極群とは逆になる。

次に、本発明の超音波モータ駆動装置を構成する測定回路Ｃは、上述のように、圧電素子Ａの温度に対応して変化するインピーダンスを測定するものである。図１に示すように、この測定回路Ｃは圧電層１を介して単一電極３と分割電極５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄとの間の電位や誘電特性等を測定するように接続されている。

次に、本発明の超音波モータ駆動装置を構成する補正回路Ｄは、駆動回路Ｂと圧電素子Ａとの間で並列に接続されており、これにより測定回路Ｃによって測定された圧電素子Ａのインピーダンスに基づいて駆動回路Ｂの駆動周波数を補正する。

なお、補正回路Ｄには、予め測定された圧電素子Ａの温度とインピーダンスとの関係、および圧電素子Ａの温度と駆動周波数との関係を示す情報がＩＣ等の記憶部に記憶されており、これらの情報を基に補正するようになっている。

図３（ａ）（ｂ）は記憶部に記憶する情報をグラフとして示したもので、図３（ａ）は、本発明における超音波モータを構成する圧電素子の静電容量の温度依存性を示すグラフであり、図４（ｂ）は本発明における超音波モータを構成する圧電素子の駆動周波数の温度依存性を示すグラフである。

例えば、駆動開始時において圧電素子Ａの静電容量Ｃ_ｔｏを測定回路Ｃで測定すると、図３（ａ）の関係からそのときの圧電素子Ａの温度Ｔ_１がわかり、この温度Ｔ_１において圧電素子Ａに印加すべき駆動周波数は、図３（ｂ）の関係からＦ_Ｄ０と求めることができるため、この駆動周波数Ｆ_Ｄ０を有する交流電圧を超音波モータＡＡに印加して駆動させる。そして、駆動が継続すると、自己発熱や周囲の温度変化によって圧電素子Ａの温度が上昇することになり、例えば、圧電素子Ａの静電容量がＣ_ｔ１に変化したとすると、駆動開始時の駆動周波数に対して最適な駆動周波数が変化することになる。この場合、図３（ａ）（ｂ）から圧電素子Ａの静電容量がＣ_ｔ１のときの最適な駆動周波数はＦ_Ｄ１であるので、この駆動周波数Ｆ_Ｄ１を有する交流電圧を超音波モータＡＡに印加することで安定した駆動特性を得ることができる。

本発明によれば、圧電素子Ａが圧電振動に寄与する単一電極３や分割電極５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄを用いてインピーダンスを測定することができるために、従来の超音波モータ駆動装置のように圧電素子Ａの表面に別にインピーダンス測定用の電極等を形成したものに比較して、温度センサとして機能させるための電極を設ける必要が無く、しかも、本発明においては圧電層１の全体を対象としてのインピーダンスを測定できるために、駆動中の圧電素子Ａについて、より正確な温度を求めることができる。

従って、本発明の超音波モータ駆動装置によれば、外部の温度センサ等を用いることなく簡易な構成で、駆動周波数と圧電素子との温度特性を一致させ、駆動効率の向上を図ることが可能となる。

次に、本発明の超音波モータ駆動装置においては、駆動回路Ｂと、第１電極群５Ａおよび第２電極群５Ｂとの間に、これら第１電極群５Ａまたは第２電極群５Ｂに交互に交流電圧を供給するための切替スイッチＥが設けられていることが重要である。

本発明の超音波モータ駆動装置を構成する切替スイッチＥは、超音波モータを所定の方向に動かすときに、第１電極群５Ａまたは第２電極群５Ｂのうちいずれかに交流電圧を印加するとともに、交流電圧が供給されない第１電極群５Ａまたは第２電極群５Ｂのうちいずれかを圧電層１のインピーダンスを測定するための測定回路Ｃに接続するようにはたらくものである。この場合、切替スイッチＥは圧電素子Ａの動く方向を規定する交流電圧の入力に連動するように動くように構成されている。

具体的には、図１において、第２電極群５Ｂ側に交流電圧を印加して圧電振動を起こさせ、一方、第１電極群５Ａ側からインピーダンスを測定する場合、切替スイッチＥでは、最初、中立であったスイッチＥ１、Ｅ４は、切替スイッチＥの中で、スイッチＥ２およびＥ５が結線される。これにより駆動回路Ｂから切替スイッチＥにおけるスイッチＥ２を介して、順に圧電素子Ａの外部電極５ｄｏ、引出電極５ｄｈ、分割電極５ｄが導通し、分割電極群５Ｂが圧電駆動する。

圧電素子Ａにおいて、第２電極群５Ｂ側に圧電振動を発生させると、振動により圧電素子Ａの温度が上昇し、交流電圧が供給されず圧電振動しない方の第１電極群５Ａ側の圧電素子Ａの領域も温度が上昇する。このため圧電素子Ａは温度変化によりインピーダンスが変化するとともに共振周波数も変化することになる。

一方、圧電素子Ａの分割電極５ａ、引出電極５ａｈ、外部電極５ａｏから結線された切替スイッチＥにおけるスイッチＥ５は、測定回路Ｃにさらに結線されて、圧電振動しない分割電極群５Ａにおける圧電層１の温度変化によって変わるインピーダンスを検出する。

これに対して、分割電極群５Ａ側に交流電圧を印加して圧電振動を発生させ、一方、第２電極群５Ｂ側からインピーダンスを測定する場合、切替スイッチＥでは、最初、中立であったスイッチＥ１、Ｅ４は、切替スイッチＥの中で、スイッチＥ３およびＥ６が結線される。これにより駆動回路Ｂから切替スイッチＥにおけるスイッチＥ６を介して、順に圧電素子Ａの外部電極５ａｏ、引出電極５ａｈ、分割電極５ａが導通し、分割電極群５Ａが圧電振動する。

一方、圧電素子Ａの分割電極５ｄ、引出電極５ｄｈ、外部電極５ｄｏから結線された切替スイッチＥにおけるスイッチＥ３は、測定回路Ｃにさらに結線されて、圧電振動しない第２電極群５Ｂにおける圧電層１の温度変化によって変わるインピーダンスを検出する。

こうして圧電素子Ａにおいて、第１電極群５Ａまたは第２電極群５Ｂのうちのいずれかから得られたインピーダンスに基づき補正回路Ｄにおいて圧電素子Ａに印加する駆動周波数を補正し、次に、補正された駆動周波数を駆動回路Ｂに伝えて圧電素子Ａに供給する。

図４は、本発明の超音波モータ駆動装置に備える超音波モータの他の例を示す模式図である。積層型の圧電素子は、積層方向に隣り合う圧電層１同士が反対方向に分極されており、また、圧電素子Ａを多層化することにより圧電素子Ａに共振を励起するために必要な電圧の大きさは圧電素子Ａが単層の場合よりも小さいという利点がある。こうして低電力、高出力の超音波モータを形成できる。

本発明の超音波モータ駆動装置の一例を示す模式図である。 本発明の超音波モータ駆動装置に備える超音波モータを構成する圧電素子の共振の励起による動きを示す模式図である。 （ａ）は、本発明における超音波モータを構成する圧電素子の静電容量の温度依存性を示すグラフであり、（ｂ）は本発明における超音波モータを構成する圧電素子の駆動周波数の温度依存性を示すグラフである。 本発明の超音波モータ駆動装置に備える超音波モータの他の例を示す模式図である。 従来の超音波モータを構成する圧電素子の模式図である。 従来の超音波モータ駆動装置を構成する電極の一部分に温度計測用の電極を形成した圧電素子の模式図である。

符号の説明

ＡＡ 超音波モータ
Ａ 圧電素子
Ｂ 駆動回路
Ｃ 測定回路
Ｄ 補正回路
Ｅ 切替スイッチ
１ 圧電層
３ 単一電極
５ａ〜ｄ 分割電極
５Ａ 第１電極群
５Ｂ 第２電極群

Claims (2)

1. 長方形状の圧電層の第１の主面に短辺に近接して前記第１の主面の大部分を占めるように単一電極が形成され、前記圧電層の第２の主面に前記単一電極と対向する部位を縦横に４等分した領域にそれぞれ交差する位置同士のものが電気的に接続された第１電極群および第２電極群が形成された圧電素子の前記短辺側の端面に被移動体に接触させる接触部が設けられた超音波モータと、該超音波モータの前記圧電素子に所定の駆動周波数の交流電圧を印加する駆動回路と、該駆動回路から前記交流電圧が印加されることによって振動する前記圧電素子の発熱に対応して変化する前記圧電素子のインピーダンスを測定する測定回路と、前記第１電極群および前記第２電極群のうちの一方を前記駆動回路に接続し、他方を前記測定回路に接続するように交互に切り替える切替スイッチと、前記測定回路によって測定されたインピーダンスに基づいて前記圧電素子に印加する前記交流電圧の前記駆動周波数を補正する補正回路とを有することを特徴とする超音波モータ駆動装置。
2. 前記超音波モータは、前記圧電素子を複数有しており、それら複数の圧電素子が、間に圧電層を挟んで一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ駆動装置。

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