JP2011024312A - Ultrasonic motor - Google Patents

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Katsuichi Uratani
勝一 浦谷
Takashi Matsuo
隆 松尾
Shigeaki Tochimoto
茂昭 栃本
Akira Kosaka
明 小坂
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the cost and size of an ultrasonic motor of a self-sensing type. <P>SOLUTION: In the ultrasonic motor 1 in which a piezoelectric element rotates by the pressure contact of a moving body 13 to a vibrator 12 performing high-frequency vibration in response to a drive signal, and which periodically forms a part for changing the vibration state of a groove or the like at the contact part of the vibrator and the moving body, and eliminates the use of a sensor by an effect that a detection circuit 31 detects the change of the vibration state caused by the passage of the part, a signal converter 32 generates a pulsation waveform accompanied by the passage of the part from a change of a phase with respect to the drive signal of a detection voltage of a detection electrode, a band filter 33 extracts a pulsation component form the pulsation waveform, and at least either of a rotation position and a rotation speed is detected by counting by a counter 35. Then, since a frequency setter 36 changes a block frequency of the band filter 33 according to a frequency of the drive signal, an AC component periodically appearing at the pulsation component due to a variation of a pressurizing force at each rotation is eliminated. By this, the accuracy of assembling is alleviated. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、超音波モータに関し、特にDSC(デジタルスチルカメラ)や携帯電話等に搭載可能なマイクロカメラユニット(MCU)のレンズ駆動機構、或いはDVD等の光ピックアップユニットなどに使用される小型の超音波モータに関する。   The present invention relates to an ultrasonic motor, and more particularly, to a small-sized super motor used for a lens driving mechanism of a micro camera unit (MCU) that can be mounted on a DSC (digital still camera), a mobile phone, or an optical pickup unit such as a DVD. The present invention relates to a sonic motor.

前記超音波モータは、電磁モータに比較して、高トルクで停止時の保持力が高く、しかも速度が速く(ステッピングモータの約3倍)、微少な動きなので振動や騒音が少ないなどの利点を有する。しかしながら、速度制御や位置制御を行う場合、位置検出センサを別途搭載する必要があり、前記のような小型の装置へ搭載するには、配置や大きさの点で、電磁式のステッピングモータやボイスコイルモータなどに比較して不利な点があり、この点が改善されれば、電磁式に対して、トルクや効率面で非常に優位なものとなる。   Compared with electromagnetic motors, the ultrasonic motor has high torque, high holding power when stopped, and high speed (about 3 times that of stepping motors). Have. However, when speed control or position control is performed, it is necessary to separately install a position detection sensor. For mounting on a small device as described above, an electromagnetic stepping motor or voice is required in terms of arrangement and size. There are disadvantages compared to coil motors and the like, and if this point is improved, it will be very advantageous in terms of torque and efficiency over the electromagnetic type.

そこで、このような問題に対応するために、特許文献1が提案された。その従来技術によれば、移動体(ロータ)と振動体(ステータ)との接触部に不均一な構造(移動体に突起など)を設けるとともに、圧電素子に検出用圧電素子を挟み込み、前記不均一な構造で発生する面圧のムラによって、検出用圧電素子の出力に現れる前記不均一な構造と該検出用圧電素子との位置関係に応じた信号成分から、移動体の回転量を検出できるセルフセンシング方式の超音波モータが提案されている。   Therefore, Patent Document 1 has been proposed to deal with such a problem. According to the prior art, a non-uniform structure (protrusions or the like is provided on the moving body) is provided at the contact portion between the moving body (rotor) and the vibrating body (stator), and the detection piezoelectric element is sandwiched between the piezoelectric elements. The amount of rotation of the moving body can be detected from the signal component corresponding to the positional relationship between the non-uniform structure and the detection piezoelectric element, which appears in the output of the detection piezoelectric element due to uneven surface pressure generated in the uniform structure. Self-sensing ultrasonic motors have been proposed.

特開平6−133570号公報JP-A-6-133570

上述の従来技術は、エンコーダなどの回転量や回転位置を検出するための手段を別途設けなくてもよいという優れた技術である。しかしながら、移動体と振動体との接触状態の変化による振動体の振動状態の変化を検出用圧電素子で検知するので、移動体を振動体へ押圧する押圧部材(巻きばね)の押圧力にムラがあったり、移動体に取付けられる出力取出し軸が傾いていたりすると、移動体の振動体への押圧力に部位によるムラが生じ、正確な検知ができなくなるという問題がある。   The above-described conventional technique is an excellent technique in which a means for detecting the rotation amount and the rotation position of an encoder or the like need not be provided separately. However, since the change in the vibration state of the vibrating body due to the change in the contact state between the moving body and the vibrating body is detected by the detecting piezoelectric element, the pressing force of the pressing member (winding spring) that presses the moving body against the vibrating body is uneven. If the output take-out shaft attached to the moving body is inclined, the pressing force of the moving body to the vibrating body is uneven due to the site, and there is a problem that accurate detection cannot be performed.

具体的には、図16は、その押圧力のムラによる位置パルスの波形変化を説明するための図である。前記検出用圧電素子の検出電圧は、駆動部からの駆動信号と比較されることで、図16(b)において参照符号α1で示すような、脈動波形が得られ、この脈動波形において、前記不均一な構造(検出部)と前記均一な構造(駆動部)との通過で、それぞれ振幅変化を生じ(図16の例では、参照符号α2で示す基準電圧よりも高い方が検出部となり、低い方が駆動部となっており、1回転周期τ当り、6箇所の検出部が設けられている)、前記不均一な構造(検出部)のパルスをカウントすることで、前記回転速度や位置を検出することができる。   Specifically, FIG. 16 is a diagram for explaining the waveform change of the position pulse due to the uneven pressing force. The detection voltage of the detection piezoelectric element is compared with the drive signal from the drive unit to obtain a pulsation waveform as indicated by reference numeral α1 in FIG. 16B. Amplitude changes are caused by passing through the uniform structure (detection unit) and the uniform structure (drive unit) (in the example of FIG. 16, the one higher than the reference voltage indicated by reference numeral α2 becomes the detection unit and lower) The number of pulses of the non-uniform structure (detection unit) is counted by counting the number of pulses of the non-uniform structure (detection unit). Can be detected.

しかしながら、前記押圧ムラが生じると、図16(a)で示すように、参照符号α3で示す前記脈動波形に、参照符号α4で示すような、回転に伴う低周波の周期成分(前記1回転周期τで繰返すうねり)が重畳してしまう。前記低周波成分の振幅は、前記脈動波形の振幅の半分にも及ぶことがあり、これによって著しくS/Nが低下してしまう。   However, when the pressing unevenness occurs, as shown in FIG. 16A, the pulsation waveform indicated by the reference symbol α3 has a low-frequency periodic component (the one rotation cycle) as indicated by the reference symbol α4. (swells repeated at τ) are superimposed. The amplitude of the low frequency component may reach half of the amplitude of the pulsation waveform, which significantly reduces the S / N.

一方、前記マイクロカメラユニット(MCU)などに用いられる超音波モータの場合、その回転速度は、目的位置と離れていて誤差が大きい場合と、目的位置近くの誤差が小さい場合とで大きく異なり、たとえば2400rpm〜120rpmで変化する。したがって、前記周期成分の周波数も、40〜2Hzの範囲で変化してしまう。一方、前記検出部の数は、たとえば1回転周期τ当り24箇所であり、前記脈動波形の周波数は、960〜48Hzである。このため、フィルタ分離によって前記周期成分を除去しようとすると、比較的小さな振幅変化にしかならない脈動波形を、良好なS/Nで検出することができなくなってしまうという問題がある。このため、高い組立て精度が要求され、モータが大型化したり、コストが上昇してしまう。   On the other hand, in the case of an ultrasonic motor used for the micro camera unit (MCU) or the like, the rotation speed is greatly different between a case where the error is large because it is far from the target position and a case where the error near the target position is small. Varies between 2400 rpm and 120 rpm. Therefore, the frequency of the periodic component also changes in the range of 40 to 2 Hz. On the other hand, the number of the detection units is, for example, 24 per rotation period τ, and the frequency of the pulsation waveform is 960 to 48 Hz. For this reason, when the periodic component is removed by filter separation, there is a problem that a pulsation waveform having a relatively small amplitude change cannot be detected with good S / N. For this reason, high assembly accuracy is required, and the motor is increased in size and costs are increased.

本発明の目的は、低コスト化および小型化を図ることができる超音波モータを提供することである。   An object of the present invention is to provide an ultrasonic motor that can be reduced in cost and size.

本発明の超音波モータは、駆動部と、前記駆動部からの駆動信号で圧電素子が高周波振動を行う振動体と、前記振動体に加圧接触し、前記高周波振動によって回転駆動される移動体と、前記振動体と移動体との接触部に形成され、前記振動体の振動状態を変化させるための前記移動体の移動方向に対して構造的に周期的に不均一な部分と、前記振動体の圧電変形に伴い発生する電圧を検出する検出電極と、前記検出電極の検出電圧から、前記周期的に不均一な部分の通過による前記振動体の振動状態の変化を検出することで、前記移動体の回転位置と回転速度との少なくとも一方を検出する検出部とを備え、前記検出部は、前記検出電極の検出電圧の前記駆動信号に対する位相の変化から、前記周期的に不均一な部分の通過に伴う脈動波形を出力する信号変換器と、前記脈動波形から脈動成分を抽出するフィルタと、前記フィルタの出力から前記脈動成分のパルスをカウントすることで前記移動体の回転位置(回転量)や回転速度を検出するカウンタと、前記駆動信号の周波数に応じて、前記フィルタの遮断周波数を変化する周波数設定器とを含むことを特徴とする。   The ultrasonic motor of the present invention includes a driving unit, a vibrating body in which a piezoelectric element performs high-frequency vibration in response to a driving signal from the driving unit, and a movable body that is in pressure contact with the vibrating body and is rotationally driven by the high-frequency vibration. And a portion that is formed in a contact portion between the vibrating body and the moving body and is structurally periodically non-uniform with respect to a moving direction of the moving body for changing a vibration state of the vibrating body, and the vibration Detecting a change in the vibration state of the vibrating body due to the passage of the periodically non-uniform portion from a detection electrode for detecting a voltage generated along with piezoelectric deformation of the body and a detection voltage of the detection electrode, A detection unit that detects at least one of a rotational position and a rotation speed of the moving body, and the detection unit is configured to detect the periodically non-uniform portion from a change in phase of the detection voltage of the detection electrode with respect to the drive signal. The pulsation waveform accompanying the passage of A rotating signal converter (rotation amount) and a rotation speed are detected by counting the pulse of the pulsating component from the output of the filter, and a signal converter that outputs the pulsating component from the pulsating waveform. It includes a counter and a frequency setter that changes the cutoff frequency of the filter in accordance with the frequency of the drive signal.

上記の構成によれば、駆動部と、前記駆動部からの駆動信号で圧電素子が高周波振動を行う振動体(ステータ)と、前記振動体に加圧接触し、前記高周波振動によって回転駆動される移動体(ロータ)と、前記振動体の圧電変形に伴い発生する電圧を検出する検出電極と、前記検出電極の検出電圧から、前記移動体の回転位置(回転量)と回転速度との少なくとも一方を検出する検出部とを備え、前記振動体と移動体との接触部には、溝などの前記振動体の振動状態を変化させるために前記移動体の移動方向に対して構造的に不均一な部分が周期的に形成され、その不均一な部分の通過による前記振動体の振動状態の変化を、前記検出部が前記検出電極による検出電圧から検出することで、エンコーダなどのセンサレスで、移動体の前記回転位置(回転量)と回転速度との少なくとも一方の検出を可能にしたセルフセンシング方式の超音波モータにおいて、前記検出部を、前記検出電圧の前記駆動信号に対する位相の変化から、前記周期的に不均一な部分の通過に伴う脈動波形を出力する信号変換器と、前記脈動波形から脈動成分を抽出するフィルタと、前記フィルタの出力から前記脈動成分のパルスをカウントすることで前記移動体の位置を検出するカウンタとを備えて構成する。さらに、注目すべきは、前記フィルタは、その遮断周波数を可変とし、これに対応して、前記駆動信号の周波数に応じて、前記フィルタの遮断周波数を変化する周波数設定器を設けることである。   According to the above configuration, the driving unit, the vibrating body (stator) in which the piezoelectric element performs high-frequency vibration in response to a driving signal from the driving unit, and press-contacting the vibrating body are driven to rotate by the high-frequency vibration. At least one of the rotational position (rotation amount) and rotational speed of the moving body based on the detection voltage of the moving body (rotor), the detection electrode for detecting the voltage generated by the piezoelectric deformation of the vibrating body, and the detection voltage of the detection electrode A contact portion between the vibrating body and the moving body is structurally non-uniform with respect to the moving direction of the moving body in order to change a vibration state of the vibrating body such as a groove. In such a case, the detection unit detects the change in the vibration state of the vibrating body due to the passage of the non-uniform part from the detection voltage by the detection electrode, and the sensorless movement such as an encoder is performed. Said rotation of the body In a self-sensing ultrasonic motor that can detect at least one of a position (amount of rotation) and a rotation speed, the detection unit is periodically disabled from a change in phase of the detection voltage with respect to the drive signal. A signal converter that outputs a pulsation waveform associated with the passage of a uniform portion, a filter that extracts a pulsation component from the pulsation waveform, and a position of the moving body by counting pulses of the pulsation component from the output of the filter And a counter for detection. Further, it should be noted that the filter has a variable cutoff frequency, and correspondingly, a frequency setting unit is provided that changes the cutoff frequency of the filter in accordance with the frequency of the drive signal.

したがって、移動体を振動体へ押圧する押圧部材から移動体への押圧力にムラがあったり、該移動体の出力取出し軸が傾いていたりして、移動体の振動体への押圧力に部位によるムラがあっても、そのムラによって前記脈動成分に1回転毎に周期的に現れる交流成分を、前記駆動信号の周波数、すなわち回転速度に応じて、周波数設定器がフィルタの遮断周波数を変化することで、適切に除去することができる。これによって、カウンタ、或いはその前段に波形整形器が設けられている場合にはその波形整形器への入力パルスの振幅レベルを所定の範囲に収め、S/Nを改善することができる。こうして、前記移動体の振動体への押圧力や、移動体の出力取出し軸の傾き、すなわち組立て精度に対する許容範囲(公差)を拡げることができ、低コスト化および小型化を図ることができる。   Therefore, there is unevenness in the pressing force from the pressing member that presses the moving body to the vibrating body, or the output take-out shaft of the moving body is inclined, and the pressing force of the moving body to the vibrating body is Even if there is non-uniformity due to the non-uniformity, the frequency setting device changes the cut-off frequency of the filter according to the frequency of the drive signal, that is, the rotational speed, of the AC component that periodically appears in the pulsating component due to the non-uniformity. Therefore, it can be appropriately removed. As a result, when a waveform shaper is provided in the counter or preceding stage, the amplitude level of the input pulse to the waveform shaper can be kept within a predetermined range, and the S / N can be improved. In this way, the pressing force of the moving body on the vibrating body and the inclination of the output take-out shaft of the moving body, that is, the allowable range (tolerance) for the assembly accuracy can be expanded, and the cost and size can be reduced.

また、本発明の超音波モータでは、前記フィルタは、抵抗に容量素子およびそれらの接続点に接続されるアンプとを備え、前記抵抗の抵抗値および容量素子の容量による時定数によって遮断周波数が決定されるハイパスフィルタであり、前記抵抗は通過電流に応じて抵抗値が変化し、前記周波数設定器からの出力に応答して前記抵抗を流れる電流を制御する電流制御部をさらに備えることを特徴とする。   In the ultrasonic motor of the present invention, the filter includes a capacitive element in a resistor and an amplifier connected to a connection point thereof, and a cutoff frequency is determined by a resistance value of the resistor and a time constant depending on a capacitance of the capacitive element. The resistor further includes a current control unit that controls a current flowing through the resistor in response to an output from the frequency setter, the resistance value of the resistor changing according to a passing current. To do.

上記の構成によれば、受動素子に電流制御部というアナログ的で簡単な回路で前記フィルタを実現することができるとともに、細かな調整が可能となり、前記脈動成分を良好に除去することができる。   According to said structure, while being able to implement | achieve the said filter with an analog simple circuit called a current control part as a passive element, a fine adjustment is attained and the said pulsation component can be removed favorably.

さらにまた、本発明の超音波モータでは、前記電流制御部は、電界効果トランジスタから成り、前記電界効果トランジスタのドレイン電流路に前記抵抗が直列に接続され、前記周波数設定器は、前記電界効果トランジスタのゲートに印加する電圧を変化することを特徴とする。   Furthermore, in the ultrasonic motor of the present invention, the current control unit includes a field effect transistor, the resistor is connected in series to a drain current path of the field effect transistor, and the frequency setting device includes the field effect transistor. The voltage applied to the gate is changed.

上記の構成によれば、前記周波数設定器が前記電界効果トランジスタのゲートに印加する電圧を変化することで、前記抵抗の通過電流が変化して該抵抗の抵抗値が変化し、前記ハイパスフィルタの遮断周波数を変化することができる。前記周波数設定器は、たとえば周波数−電圧変換器から成り、前記駆動信号の周波数に応じて、前記電界効果トランジスタのゲートに印加する電圧を変化する。こうして、上述のようなアナログ的で簡単な回路で電流制御部を実現することができる。   According to the above configuration, the frequency setter changes the voltage applied to the gate of the field effect transistor, so that the current passing through the resistor changes and the resistance value of the resistor changes. The cutoff frequency can be changed. The frequency setter comprises, for example, a frequency-voltage converter, and changes the voltage applied to the gate of the field effect transistor according to the frequency of the drive signal. In this way, the current control unit can be realized with an analog and simple circuit as described above.

さらにまた、本発明の超音波モータでは、前記圧電素子は、周方向に等間隔に電極が形成された圧電層が複数積層されて成り、さらに前記駆動部から各電極に与えられる駆動信号が、前記等間隔に対応する位相が互いにずれた高周波信号であることで、該圧電素子はその先端が公転を行い、該圧電素子の先端に取付けられた接触部材によって前記移動体が該圧電素子の軸線回りに回転され、前記移動体は、前記回転を取出す軸と、前記軸に固着される移動体本体と、前記移動体本体に積層されるカバー板とを備えて構成され、前記移動体本体のカバー板側の面において、半径方向に延びて周方向に等間隔で形成される溝が前記構造的に不均一な部分と成ることを特徴とする。   Furthermore, in the ultrasonic motor of the present invention, the piezoelectric element is formed by laminating a plurality of piezoelectric layers in which electrodes are formed at equal intervals in the circumferential direction, and a drive signal given from the drive unit to each electrode is The piezoelectric element revolves at the tip of the piezoelectric element because the phases corresponding to the equal intervals are shifted from each other, and the moving body is moved by the contact member attached to the tip of the piezoelectric element. The movable body is configured to include a shaft for taking out the rotation, a movable body main body fixed to the shaft, and a cover plate stacked on the movable body main body. In the surface on the cover plate side, the grooves that extend in the radial direction and are formed at equal intervals in the circumferential direction are the structurally non-uniform portions.

上記の構成によれば、円筒の本体から出力軸が延びる通常の円筒型のモータと同じ形状の超音波モータを実現することができる。   According to said structure, the ultrasonic motor of the same shape as the normal cylindrical motor from which an output shaft extends from a cylindrical main body is realizable.

本発明の超音波モータは、以上のように、駆動信号に応答して圧電素子が高周波振動を行う振動体(ステータ)に移動体(ロータ)が加圧接触することで該移動体が回転駆動され、前記振動体と移動体との接触部には溝などの前記振動体の振動状態を変化させるための構造的に不均一な部分が周期的に形成され、その不均一な部分の通過による前記振動体の振動状態の変化を、検出部が検出電極による検出電圧から検出することで、エンコーダなどのセンサレスで、移動体の回転位置(回転量)と回転速度との少なくとも一方の検出を可能にしたセルフセンシング方式の超音波モータにおいて、前記検出部を、前記検出電圧の前記駆動信号に対する位相の変化から、前記周期的に不均一な部分の通過に伴う脈動波形を出力する信号変換器と、前記脈動波形から脈動成分を抽出するフィルタと、前記フィルタの出力から前記脈動成分のパルスをカウントすることで前記移動体の位置を検出するカウンタとを備えて構成し、さらに前記フィルタの遮断周波数を可変とするとともに、前記駆動信号の周波数に応じて前記フィルタの遮断周波数を変化する周波数設定器を設ける。   As described above, the ultrasonic motor according to the present invention is driven to rotate when the moving body (rotor) comes into pressure contact with the vibrating body (stator) in which the piezoelectric element performs high-frequency vibration in response to the drive signal. In addition, a structurally non-uniform portion for changing the vibration state of the vibrating body, such as a groove, is periodically formed in the contact portion between the vibrating body and the moving body. By detecting the change in the vibration state of the vibrating body from the detection voltage of the detection electrode, it is possible to detect at least one of the rotational position (rotation amount) and rotational speed of the moving body without using a sensor such as an encoder. In the self-sensing ultrasonic motor, the detection unit outputs a pulsation waveform accompanying the passage of the non-uniform portion periodically from a change in phase of the detection voltage with respect to the drive signal; , A filter that extracts a pulsating component from the pulsating waveform, and a counter that detects the position of the moving body by counting pulses of the pulsating component from the output of the filter, and further, a cutoff frequency of the filter A frequency setting device is provided that is variable and changes the cutoff frequency of the filter in accordance with the frequency of the drive signal.

それゆえ、移動体を振動体へ押圧する押圧部材から移動体への押圧力にムラがあったり、該移動体の出力取出し軸が傾いていたりして、移動体の振動体への押圧力に部位によるムラがあっても、そのムラによって前記脈動成分に1回転毎に周期的に現れる交流成分を、前記駆動信号の周波数、すなわち回転速度に応じて、周波数設定器がフィルタの遮断周波数を変化することで、適切に除去することができる。これによって、カウンタ、或いはその前段に波形整形器が設けられている場合にはその波形整形器への入力パルスの振幅レベルを所定の範囲に収め、S/Nを改善することができる。こうして、前記移動体の振動体への押圧力や、移動体の出力取出し軸の傾き、すなわち組立て精度に対する許容範囲(公差)を拡げることができ、低コスト化および小型化を図ることができる。   Therefore, there is unevenness in the pressing force from the pressing member that presses the moving body to the vibrating body, or the output take-out shaft of the moving body is inclined, and the pressing force of the moving body to the vibrating body is reduced. Even if there is unevenness due to the part, the frequency setting device changes the cut-off frequency of the filter according to the frequency of the drive signal, that is, the rotational speed, of the alternating current component that periodically appears in the pulsation component due to the unevenness. By doing so, it can be appropriately removed. As a result, when a waveform shaper is provided in the counter or preceding stage, the amplitude level of the input pulse to the waveform shaper can be kept within a predetermined range, and the S / N can be improved. In this way, the pressing force of the moving body on the vibrating body and the inclination of the output take-out shaft of the moving body, that is, the allowable range (tolerance) for the assembly accuracy can be expanded, and the cost and size can be reduced.

本発明の実施の一形態に係る超音波モータを用いるレンズ駆動ユニットの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the lens drive unit using the ultrasonic motor which concerns on one Embodiment of this invention. 前記超音波モータの構造を示す軸線方向断面図である。It is an axial direction sectional view showing the structure of the ultrasonic motor. 前記超音波モータにおける振動体の六面図である。6 is a six-sided view of a vibrating body in the ultrasonic motor. FIG. 前記振動体における積層型の圧電素子の一層当りの表裏両面を示す平面図および底面図である。It is the top view and bottom view which show the front and back both surfaces per layer of the lamination type piezoelectric element in the said vibrating body. 前記圧電素子の屈曲1次モードの変形の様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the mode of a deformation | transformation of the bending primary mode of the said piezoelectric element. 前記圧電素子の変形による振動体の振動の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the vibration of a vibrating body by the deformation | transformation of the said piezoelectric element. 前記超音波モータにおける移動体の斜視図である。It is a perspective view of the moving body in the ultrasonic motor. 前記振動体の振動による移動体の駆動を説明するための展開図である。It is an expanded view for demonstrating the drive of the moving body by the vibration of the said vibrating body. 前記移動体の駆動および回転位置の検出メカニズムを説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the detection mechanism of the drive and rotation position of the said mobile body. 本発明の実施の一形態の駆動回路および検出回路のブロック図である。It is a block diagram of a drive circuit and a detection circuit of an embodiment of the present invention. 前記検出回路における帯域フィルタの一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the band filter in the said detection circuit. 前記検出回路における周波数設定器の具体的な一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one specific structural example of the frequency setting device in the said detection circuit. 図12で示す周波数設定器の動作を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating operation | movement of the frequency setting device shown in FIG. 前記周波数設定器の動作を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating operation | movement of the said frequency setting device. 周波数設定された帯域フィルタの動作を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating operation | movement of the band filter by which the frequency setting was carried out. 前記移動体の振動体への押圧ムラによる位置検出波形のゆらぎを説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating the fluctuation of the position detection waveform by the press nonuniformity to the vibrating body of the said mobile body.

図1は、本発明の実施の一形態に係る超音波モータ1を用いるレンズ駆動ユニット2の概略構成図である。このレンズ駆動ユニット2は、DSC(デジタルスチルカメラ)やデジタルビデオカメラのズーム用、或いはDVDのピックアップレンズの収差補正用などに用いられ、厚さW1が、たとえば3〜5mmの小型の超音波モータである。円筒型の該超音波モータ1は、レンズユニットのフレーム3に取付けられ、その出力軸はリードスクリュー11となって直動レンズ送り機構を構成している。前記フレーム3にはまた、リードスクリュー11と並行に案内軸4,5が設けられており、それらの案内軸4,5上を摺動自在の案内部材6にレンズ7が保持されている。前記案内部材6には前記リードスクリュー11が噛合しており、該リードスクリュー11が回転することで、案内部材6、したがってレンズ7が、リードスクリュー11(超音波モータ1)および案内軸4,5の軸線(図の左右)方向に摺動変位する。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a lens driving unit 2 using an ultrasonic motor 1 according to an embodiment of the present invention. The lens driving unit 2 is used for zooming of a DSC (digital still camera) or digital video camera, or for correcting aberrations of a DVD pickup lens, and is a small ultrasonic motor having a thickness W1 of, for example, 3 to 5 mm. It is. The cylindrical ultrasonic motor 1 is attached to a frame 3 of a lens unit, and an output shaft thereof serves as a lead screw 11 to constitute a linear motion lens feed mechanism. The frame 3 is also provided with guide shafts 4 and 5 in parallel with the lead screw 11, and a lens 7 is held by a guide member 6 slidable on the guide shafts 4 and 5. The lead screw 11 is engaged with the guide member 6, and when the lead screw 11 is rotated, the guide member 6, and thus the lens 7, is connected to the lead screw 11 (ultrasonic motor 1) and the guide shafts 4, 5. Is displaced in the direction of the axis (left and right in the figure).

図2は、前記超音波モータ1の構造を示す軸線方向断面図である。この超音波モータ1は、圧電素子12aが高周波振動を行う振動体(ステータ)12と、前記振動体12に加圧接触し、前記高周波振動によって移動される移動体(ロータ)13と、前記振動体12を移動体13に押圧する加圧部材14と、それらを収納する有底円筒状のケース15と、前記移動体13に一体的またはかしめなどによって固着される前記リードスクリュー11と、前記リードスクリュー11を枢支する一対の軸受け部材16,17とを備えて構成される。   FIG. 2 is an axial sectional view showing the structure of the ultrasonic motor 1. The ultrasonic motor 1 includes a vibrating body (stator) 12 in which a piezoelectric element 12a performs high-frequency vibration, a moving body (rotor) 13 that is in pressure contact with the vibrating body 12 and moved by the high-frequency vibration, and the vibration. A pressure member 14 that presses the body 12 against the moving body 13, a bottomed cylindrical case 15 that accommodates them, the lead screw 11 that is fixed to the moving body 13 integrally or by caulking, and the lead A pair of bearing members 16 and 17 that pivotally support the screw 11 are provided.

一方の軸受け部材16は、前記有底円筒状のケース15の開口端を閉塞し、前記リードスクリュー11の基端部11aをラジアル方向に支持し、他方の軸受け部材17は、フレームに取付けられたキャップ18に嵌り込む玉軸受けから成り、リードスクリュー11の遊端部11bに形成された凹面11cが嵌り込み、該遊端部11bをラジアル方向およびスラスト方向に支持する。   One bearing member 16 closes the open end of the bottomed cylindrical case 15, supports the base end portion 11a of the lead screw 11 in the radial direction, and the other bearing member 17 is attached to the frame. It consists of a ball bearing that fits into the cap 18, and a concave surface 11c formed on the free end portion 11b of the lead screw 11 fits in to support the free end portion 11b in the radial direction and the thrust direction.

前記振動体12は、前記圧電素子12aに、移動体13側に接触部材12bを、その反対側に安定のための錘部材12cを備えて構成され、巻ばね状の前記加圧部材14によって、ケース15に対して回転が規制されながら、移動体13との軸心が位置決めされて保持される。前記加圧部材14によって、振動体12は移動体13側(図中右方)に付勢され、接触部材12bが移動体13に押付けられる。これに対して、前記第2の軸受け部材17は、前記移動体13からリードスクリュー11への押圧力によるキャップ18からの反力を回転中心で受け止め、摩擦ロスを最小限に抑えられるようになっている。そして、前記キャップ18には、フレーム3との間にネジ18aが刻設されており、ネジ18aの回転量によってキャップ18が超音波モータ1側(図中左方)に移動し、押圧力を調整可能であり、その調整後、接着によって該キャップ18はフレーム3に固定される。   The vibrating body 12 includes the piezoelectric element 12a, a contact member 12b on the moving body 13 side, and a weight member 12c for stability on the opposite side. While the rotation of the case 15 is restricted, the axis with the moving body 13 is positioned and held. The pressure member 14 biases the vibrating body 12 toward the moving body 13 (right side in the figure), and the contact member 12 b is pressed against the moving body 13. On the other hand, the second bearing member 17 receives the reaction force from the cap 18 due to the pressing force from the moving body 13 to the lead screw 11 at the center of rotation, and the friction loss can be minimized. ing. The cap 18 is engraved with a screw 18a between the frame 3 and the cap 18 is moved to the ultrasonic motor 1 side (left side in the figure) by the amount of rotation of the screw 18a. The cap 18 is fixed to the frame 3 by adhesion after the adjustment.

図3は、前記振動体12の六面図であり、(a)は平面図であり、(b)は正面図であり、(c)は側面図であり、(d)は底面図である。前述のとおり、振動体12は、積層型の圧電素子12aに、移動体13側に接触部材12bを、その反対側に錘部材12cを備え、それらが接着剤で結合されて構成される。接着剤には、剛性が高く、接着力の高いエポキシ系接着剤が使用される。接触部材12bは、耐摩耗性の高いアルミナ、ジルコニアなどによるセラミックスから成る。この接触部材12bは、3つの球面状の接触部12dが、該圧電素子12の周方向に等間隔(120°間隔)で形成され、前述の加圧部材14の押圧力によって、前記球面状の接触部12dの各頂点12eが移動体13に接触する。前記錘部材12cは、後述するような圧電素子12aの屈曲振動による基端側の振れを抑えるために、比重の高いタングステン、或いは銅や鉄系のタングステン合金などから成る。   FIG. 3 is a six-sided view of the vibrating body 12, wherein (a) is a plan view, (b) is a front view, (c) is a side view, and (d) is a bottom view. . As described above, the vibrating body 12 includes the laminated piezoelectric element 12a, the contact member 12b on the moving body 13 side, and the weight member 12c on the opposite side, and these are coupled with an adhesive. For the adhesive, an epoxy adhesive having high rigidity and high adhesive strength is used. The contact member 12b is made of ceramics such as alumina and zirconia having high wear resistance. In this contact member 12 b, three spherical contact portions 12 d are formed at equal intervals (120 ° intervals) in the circumferential direction of the piezoelectric element 12, and the spherical shape is formed by the pressing force of the pressure member 14 described above. Each vertex 12e of the contact portion 12d contacts the moving body 13. The weight member 12c is made of tungsten having a high specific gravity or a copper or iron-based tungsten alloy or the like in order to suppress the deflection on the base end side caused by bending vibration of the piezoelectric element 12a as will be described later.

図4は、前記積層型の圧電素子12aの一層当りの表裏両面を示す平面図および底面図である。各層12fは、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)から成る圧電層12gを挟んで、一方の面(図4(a))には、周方向に等間隔(90°間隔)に、後述する駆動回路からの駆動信号が入力される駆動電極IA,IB,IC,IDが形成されるとともに、屈曲変位の最も大きいできるだけ外周側の箇所に、後述する検出回路へ検出信号を出力する検出電極ISが形成され、他方の面(図4(b))には共通にベタのGND電極IGが形成される。これらの内部の電極IA,IB,IC,ID;ISおよびIGは、銀パラジウムの印刷などで形成され、積層される圧電層12gの層間で、前記駆動電極IA,IB,IC,IDおよび検出電極ISと、GND電極IGとが交互に形成される。   FIG. 4 is a plan view and a bottom view showing both the front and back surfaces per layer of the multilayer piezoelectric element 12a. Each layer 12f sandwiches a piezoelectric layer 12g made of PZT (lead zirconate titanate), and on one surface (FIG. 4 (a)), a drive circuit, which will be described later, at equal intervals (90 ° intervals) in the circumferential direction. The drive electrodes IA, IB, IC, ID to which the drive signal is input are formed, and the detection electrode IS that outputs the detection signal to the detection circuit, which will be described later, is formed at the position where the bending displacement is the largest as much as possible. The solid GND electrode IG is formed on the other surface (FIG. 4B) in common. These internal electrodes IA, IB, IC, ID; IS and IG are formed by silver palladium printing or the like, and between the stacked piezoelectric layers 12g, the drive electrodes IA, IB, IC, ID and detection electrodes IS and GND electrodes IG are alternately formed.

各層12fにおける電極IA,IB,IC,ID;ISおよびIGは、銀や金などをスクリーン印刷や蒸着などで形成された外部電極OA,OB,OC,OD;OSおよびOGによって、それぞれ共通に接続される。その外部電極OA,OB,OC,OD;OSおよびOGには、リード線やフレキシブル基板(図3の例ではリード線12h)などがハンダや導電性接着剤などで接合され、前記駆動回路や検出回路との間で駆動信号の入力や検出信号の出力が行われる。これら外部電極OA,OB,OC,OD;OSおよびOGの形成の関係で、圧電素子12aは、四角柱が好ましい。前記各層12fならびにそれに形成された電極IA,IB,IC,ID;ISおよびIGは、積層後に、同方向に分極される。   Electrodes IA, IB, IC, ID; IS and IG in each layer 12f are commonly connected by external electrodes OA, OB, OC, OD; OS and OG formed by screen printing or vapor deposition of silver or gold. Is done. The external electrodes OA, OB, OC, OD; OS and OG are joined with a lead wire or a flexible substrate (lead wire 12h in the example of FIG. 3) with solder or a conductive adhesive, etc. A drive signal and a detection signal are input to and from the circuit. Due to the formation of these external electrodes OA, OB, OC, OD; OS and OG, the piezoelectric element 12a is preferably a quadrangular prism. Each layer 12f and the electrodes IA, IB, IC, ID; IS and IG formed thereon are polarized in the same direction after lamination.

このように構成される圧電素子12aに対して、前記駆動回路から各駆動電極IA,IB,IC,IDとGND電極IGとの間に、前記等間隔(90°間隔)に対応する位相が互いに90°ずれた高周波の駆動信号が与えられることで、各駆動電極IA,IB,IC,IDの領域は、90°位相がずれた伸縮振動を行う。そして、前記駆動信号の周波数を共振周波数、たとえば180kHzに近付けると、該圧電素子12aには図5で示すような屈曲1次モードの振動を生じる。ここで、前述のように圧電素子12aの基端側には錘部材12cが取付けられるとともに、加圧部材14を介してケース15に固定されており、前記屈曲振動によって、先端側の接触部12dは公転運動(首振り振動)を行う。その結果、接触部12dの各頂点12eには、図6において参照符号12rで示すように、互いに位相が120°ずれた楕円振動が生成され、移動体13は、加圧部材14による押圧力とこの楕円振動12rとによって発生する摩擦力で、圧電素子12aの軸線回りに回転駆動される。前記図3と同様に、図6(a)は振動体12の平面図であり、図6(b)は正面図である。   With respect to the piezoelectric element 12a configured as described above, phases corresponding to the equal intervals (90 ° intervals) are mutually connected between the drive electrodes IA, IB, IC, ID and the GND electrode IG from the drive circuit. By applying a high-frequency drive signal that is shifted by 90 °, each of the drive electrodes IA, IB, IC, and ID performs stretching vibration that is 90 ° out of phase. When the frequency of the drive signal is brought close to a resonance frequency, for example, 180 kHz, the piezoelectric element 12a generates a vibration in the bending primary mode as shown in FIG. Here, as described above, the weight member 12c is attached to the proximal end side of the piezoelectric element 12a, and is fixed to the case 15 via the pressure member 14, and the contact portion 12d on the distal end side is caused by the bending vibration. Performs a revolving motion (swing vibration). As a result, elliptical vibrations whose phases are shifted from each other by 120 ° are generated at the apexes 12e of the contact portion 12d, as indicated by reference numeral 12r in FIG. The frictional force generated by the elliptical vibration 12r is rotationally driven around the axis of the piezoelectric element 12a. Similar to FIG. 3, FIG. 6 (a) is a plan view of the vibrating body 12, and FIG. 6 (b) is a front view.

これに対して、図7は前記移動体13の斜視図であり、図8は前記移動体13と振動体12の接触部材12bとの接触部付近を展開して示す断面図である。なお、これらの図7および図8は、図3および図6とは上下関係が逆になっている。移動体13は、前記回転を取出す軸としての前記リードスクリュー11と、前記リードスクリュー11に固着される移動体本体13aと、前記移動体本体13aに積層されるカバー板13bとを備えて構成され、前記移動体本体13aのカバー板13b側の面において、半径方向に延びて周方向に等間隔に溝13cが形成されて構成される。そして、この溝13cが構造的に不均一な部分であり、検出域13dとなる。また、前記溝13cが形成されていない部分が構造的に均一な部分であり、駆動(通常)域13eとなる。   On the other hand, FIG. 7 is a perspective view of the moving body 13, and FIG. 8 is a cross-sectional view showing the vicinity of the contact portion between the moving body 13 and the contact member 12 b of the vibrating body 12. Note that FIGS. 7 and 8 are upside down with respect to FIGS. 3 and 6. The moving body 13 includes the lead screw 11 as a shaft for taking out the rotation, a moving body main body 13a fixed to the lead screw 11, and a cover plate 13b stacked on the moving body main body 13a. In the surface of the movable body 13a on the cover plate 13b side, grooves 13c are formed at equal intervals in the circumferential direction extending in the radial direction. And this groove | channel 13c is a structurally non-uniform | heterogenous part, and becomes the detection area 13d. Further, the portion where the groove 13c is not formed is a structurally uniform portion, and becomes a drive (normal) region 13e.

前記移動体13の作成は、ステンレスなどの金属から成る移動体本体13aに、機械加工やエッチングなどで溝13cを形成した後、ステンレスなどから成る薄板のカバー板13bを積層して行われる。前記カバー板13bには、耐摩耗性を向上させるために、窒化処理などが施されている。前記移動体本体13aへのカバー板13bの積層は、薄い接着層などで接合したり、中心付近をスポット溶接などで結合することで行われ、移動体本体13aとカバー板13bとが、ずれなく一体で回転するようになっていればよい。このように構成することで、円筒の本体から出力軸が延びる通常の円筒型のモータと同じ形状の超音波モータ1を実現することができる。なお、前記構造的に不均一な部分として、溝13cに代えて、突起が用いられても同様の効果を得ることができる。   The moving body 13 is produced by forming a groove 13c on a moving body main body 13a made of metal such as stainless steel by machining or etching, and then laminating a thin cover plate 13b made of stainless steel or the like. The cover plate 13b is subjected to nitriding treatment or the like in order to improve wear resistance. Lamination of the cover plate 13b to the movable body main body 13a is performed by joining with a thin adhesive layer or by joining the vicinity of the center by spot welding or the like, so that the movable body main body 13a and the cover plate 13b are not misaligned. It only needs to be able to rotate integrally. By comprising in this way, the ultrasonic motor 1 of the same shape as the normal cylindrical motor from which an output shaft extends from a cylindrical main body is realizable. The same effect can be obtained even when a protrusion is used in place of the groove 13c as the structurally non-uniform portion.

上述のように構成される超音波モータ1において、前記図8は振動体12による移動体13の駆動の様子を模式的に示す図である。これを参照して、圧電素子12aを共振状態で駆動すると、接触部12dの頂点12eの楕円振動12rによって、移動体13は矢符13fで示す図の左方に移動(回転)され、前記頂点12eは移動体13の前記駆動域13eと検出域13dとの上を交互に通過する。ここで、溝13c、すなわち検出域13dは、頂点12eが同じタイミングで通過するように、すなわち120°毎の頂点12eに対して、検出域13dは、120°/n(nは整数で、図8ではn=4)毎に形成されている。   In the ultrasonic motor 1 configured as described above, FIG. 8 is a diagram schematically showing how the movable body 13 is driven by the vibrating body 12. Referring to this, when the piezoelectric element 12a is driven in a resonance state, the movable body 13 is moved (rotated) to the left in the figure indicated by the arrow 13f by the elliptical vibration 12r of the vertex 12e of the contact portion 12d, and the vertex 12e alternately passes over the drive area 13e and the detection area 13d of the moving body 13. Here, the groove 13c, that is, the detection area 13d, is arranged so that the vertex 12e passes at the same timing, that is, the detection area 13d is 120 ° / n (n is an integer, with respect to the vertex 12e every 120 °. 8 is formed every n = 4).

これによると、前記検出電極ISから出力される検出電圧の電圧と位相とは、それぞれ図9(a)および図9(b)で示すようになる。先ず図9(a)は、検出電圧の振幅値を示すもので、参照符号α11が駆動域13eに対応し、参照符号α12が検出域13dに対応している。検出電圧が最大値、すなわち歪が最大となる周波数f0が共振点で、駆動は、その近傍の周波数f0’で行われている。検出域13dに入ると、共振周波数は低周波側のf0''へシフトし、圧電素子12aの歪量も少なくなる。これによって、振幅はΔVだけ低下する。これは、駆動域13eと検出域13dとで移動体13の接触部のばね定数が異なるためで、駆動域13eではカバー板13bの直下に移動体本体13aがあるので、接触点での剛性が高いのに対して、検出域13dではカバー板13bの直下は空隙であり、接触点での圧を該カバー板13bの弾性で支える構造となり、剛性が低下しているためである。こうして、圧電素子12aの共振周波数は低下し、駆動域13e上と検出域13d上とでは、圧電素子12aの共振状態が変化する。   According to this, the voltage and the phase of the detection voltage output from the detection electrode IS are as shown in FIG. 9A and FIG. 9B, respectively. First, FIG. 9A shows the amplitude value of the detection voltage. Reference numeral α11 corresponds to the drive area 13e, and reference numeral α12 corresponds to the detection area 13d. The frequency f0 at which the detected voltage is the maximum value, that is, the distortion is the maximum, is the resonance point, and the driving is performed at the frequency f0 'in the vicinity thereof. When entering the detection region 13d, the resonance frequency shifts to f0 ″ on the low frequency side, and the amount of distortion of the piezoelectric element 12a also decreases. This reduces the amplitude by ΔV. This is because the spring constant of the contact portion of the moving body 13 is different between the drive area 13e and the detection area 13d. In the drive area 13e, since the moving body main body 13a is located directly below the cover plate 13b, the rigidity at the contact point is high. On the other hand, in the detection area 13d, the space immediately below the cover plate 13b is a space, and the structure is such that the pressure at the contact point is supported by the elasticity of the cover plate 13b, and the rigidity is reduced. Thus, the resonance frequency of the piezoelectric element 12a is lowered, and the resonance state of the piezoelectric element 12a changes between the drive area 13e and the detection area 13d.

また、図9(b)は、駆動信号に対する検出電圧の位相差を示すもので、参照符号α21が駆動域13eに対応し、参照符号α22が検出域13dに対応している。上述と同様の理由で、検出域13dに入り、共振周波数が低周波側へシフトすると、検出電圧の位相は、Δθだけ進む。   FIG. 9B shows the phase difference of the detected voltage with respect to the drive signal. Reference numeral α21 corresponds to the drive area 13e, and reference numeral α22 corresponds to the detection area 13d. For the same reason as described above, when entering the detection region 13d and the resonance frequency is shifted to the low frequency side, the phase of the detection voltage advances by Δθ.

これを利用して、この超音波モータ1の駆動回路21および検出回路31は、図10で示すように構成されている。前記駆動回路21および検出回路31は、超音波モータ1の制御IC20に一体化される。   Utilizing this, the drive circuit 21 and the detection circuit 31 of the ultrasonic motor 1 are configured as shown in FIG. The drive circuit 21 and the detection circuit 31 are integrated with the control IC 20 of the ultrasonic motor 1.

先ず、駆動回路21では、マイクロカメラユニット(MCU)などのコントローラ22から、パルス(移動速度信号)が入力される。このパルス(移動速度信号)によって表されるのは、前述のように移動体13の回転速度として、たとえば2400rpm〜200rpmの指示であり、1回転当り、たとえば前記24個のパルスで構成されている。前記の入力パルス(移動速度信号)は、カウンタ23に入力され、そのパルス数から、移動体13を駆動すべき移動速度が検出される。その移動速度情報は、偏差カウンタ24に入力され、検出回路31から後述するようにして与えられる現在の移動速度情報との差が求められ、偏差カウンタ24は、その差に対応した駆動パルスを出力する。前記駆動パルスは、速度調整部25で前記差に対応して振幅増幅され、すなわち目標回転速度と現在の回転速度とのずれが大きい程、大きな振幅の前記駆動パルスが作成されて、駆動電圧生成部26に入力される。前記駆動電圧生成部26にはまた、発振器27から前記180kHzの共振周波数の信号が入力されており、この駆動電圧生成部26は、前記共振周波数の信号を前記駆動パルスで変調し、さらに位相が互いに90°ずれた信号を作成することで、前記のように各駆動電極IA,IB,IC,IDに対応した駆動信号を作成する。   First, in the drive circuit 21, a pulse (moving speed signal) is input from a controller 22 such as a micro camera unit (MCU). What is represented by this pulse (movement speed signal) is an instruction of 2400 rpm to 200 rpm, for example, as the rotation speed of the moving body 13 as described above, and is composed of, for example, the 24 pulses per rotation. . The input pulse (movement speed signal) is input to the counter 23, and the movement speed at which the moving body 13 is to be driven is detected from the number of pulses. The movement speed information is input to the deviation counter 24, and a difference from the current movement speed information given from the detection circuit 31 as described later is obtained. The deviation counter 24 outputs a drive pulse corresponding to the difference. To do. The drive pulse is amplitude-amplified corresponding to the difference by the speed adjusting unit 25, that is, the drive pulse having a larger amplitude is generated as the deviation between the target rotation speed and the current rotation speed is larger. Input to the unit 26. The drive voltage generation unit 26 also receives a signal having a resonance frequency of 180 kHz from an oscillator 27. The drive voltage generation unit 26 modulates the signal having the resonance frequency with the drive pulse, and further has a phase. By generating signals that are shifted from each other by 90 °, the drive signals corresponding to the drive electrodes IA, IB, IC, and ID are generated as described above.

一方、前記検出電極IGからの検出電圧は、前記検出回路31の信号変換器32に入力される。この信号変換器32にはまた、前記駆動電圧生成部26からの4つの駆動信号の内の基準となる信号が入力されており、この信号変換器32は、前記検出電極IGの検出電圧の前記駆動信号に対する位相の変化から、前記検出域13dと駆動域13eとで振幅の異なる前記図16で示すような脈動波形を出力する。前記脈動波形は帯域フィルタ(ハイパスフィルタ)33に入力され、前記図16(a)において参照符号α4で示す低周波の周期成分(うねり)が除去され、図16(b)で示すような脈動成分のみが抽出される。その脈動成分は波形整形器34に入力され、前記検出域13dに係る部分だけが、検出パルスとして出力される。その検出パルスはカウンタ35に入力され、実際の回転速度を表す前記移動速度情報が作成され、前記偏差カウンタ24に入力される。   On the other hand, the detection voltage from the detection electrode IG is input to the signal converter 32 of the detection circuit 31. The signal converter 32 also receives a reference signal among the four drive signals from the drive voltage generator 26, and the signal converter 32 outputs the detection voltage of the detection electrode IG. From the change in the phase with respect to the drive signal, a pulsation waveform as shown in FIG. 16 having different amplitudes in the detection area 13d and the drive area 13e is output. The pulsation waveform is input to a band-pass filter (high-pass filter) 33, and the low-frequency periodic component (swell) indicated by reference numeral α4 in FIG. 16A is removed, and the pulsation component as shown in FIG. Only is extracted. The pulsating component is input to the waveform shaper 34, and only the portion related to the detection area 13d is output as a detection pulse. The detection pulse is input to the counter 35, and the moving speed information indicating the actual rotational speed is generated and input to the deviation counter 24.

このような摩擦駆動アクチュエータでは、移動体13は、その摩擦力(慣性力)に打ち勝つように駆動されるので、圧電素子12aへの駆動信号(入力パルス)の入力から検出電極IGでの検出電圧に反映されるまでの時間が短く、前記偏差カウンタ24では、前記カウンタ23からの入力パルスによる目標の移動速度情報と、カウンタ35からの現在の移動速度情報とから、速度のずれ量を求め、直ちに駆動信号に反映させることができる。こうして、目標の移動速度情報と現在の移動速度情報との差が所定値以下となると前記カウンタ23は、前記発振器27と駆動電圧生成部26との間に介在されるスイッチ28を遮断し、超音波駆動が停止される。   In such a friction drive actuator, since the moving body 13 is driven so as to overcome the friction force (inertial force), the detection voltage at the detection electrode IG from the input of the drive signal (input pulse) to the piezoelectric element 12a. The deviation counter 24 calculates the amount of speed deviation from the target movement speed information based on the input pulse from the counter 23 and the current movement speed information from the counter 35. It can be immediately reflected in the drive signal. Thus, when the difference between the target moving speed information and the current moving speed information is less than or equal to a predetermined value, the counter 23 cuts off the switch 28 interposed between the oscillator 27 and the drive voltage generator 26, Sonic drive is stopped.

上述のように構成される超音波モータ1において、注目すべきは、検出回路31の帯域フィルタ33は、その遮断周波数が変化可能に構成されており、これに対応して、前記駆動信号(本実施の形態ではそれに比例する入力パルス)の周波数に応じて、前記帯域フィルタ33の遮断周波数を変化する周波数設定器36が設けられていることである。   In the ultrasonic motor 1 configured as described above, it should be noted that the cut-off frequency of the band-pass filter 33 of the detection circuit 31 can be changed. In the embodiment, there is provided a frequency setter 36 that changes the cutoff frequency of the band-pass filter 33 in accordance with the frequency of the input pulse proportional to it.

図11は、前記帯域フィルタ33の一構成例を示すブロック図である。この帯域フィルタ33は、抵抗R1,R2および容量素子C1と、前記抵抗R2と容量素子C1との接続点に接続されるアンプ331とを備えて構成されるハイパスフィルタ332と、電流制御部333とを備えて構成される。そして、前記信号変換器32からの脈動波形は、入力抵抗R1を介してアンプ331の反転入力端に入力されるとともに、容量素子C1および抵抗R2を介してアンプ331の非反転入力端に入力される。また、前記アンプ331には負帰還が行われている。一方、電流制御部333のソース−ドレイン抵抗は、周波数設定器の電圧vに依存する関数R333(v)となる。これによって、ハイパスフィルタ332は、前記抵抗R2の抵抗値、容量素子C1の容量および電流制御部333のソース−ドレイン抵抗の関数R333(v)による時定数によって、遮断周波数fcが下式のように決定される。   FIG. 11 is a block diagram showing a configuration example of the band filter 33. The band-pass filter 33 includes a high-pass filter 332 that includes resistors R1 and R2 and a capacitive element C1, and an amplifier 331 connected to a connection point between the resistor R2 and the capacitive element C1, and a current control unit 333. It is configured with. The pulsating waveform from the signal converter 32 is input to the inverting input terminal of the amplifier 331 via the input resistor R1, and is input to the non-inverting input terminal of the amplifier 331 via the capacitive element C1 and the resistor R2. The The amplifier 331 is negatively fed back. On the other hand, the source-drain resistance of the current control unit 333 is a function R333 (v) that depends on the voltage v of the frequency setter. Accordingly, the high-pass filter 332 has a cutoff frequency fc as shown in the following equation according to a time constant based on a function R333 (v) of the resistance value of the resistor R2, the capacitance of the capacitive element C1, and the source-drain resistance of the current controller 333. It is determined.

fc=1/{2πC1×R2×R333}(v)
一方、前記抵抗R2は通過電流に応じて抵抗値が変化し、前記電流制御部333は、前記周波数設定器36からの出力に応答して前記抵抗R2を流れる電流を制御する。本実施の形態では、前記電流制御部333は、電界効果トランジスタから成り、そのドレイン電流路に前記抵抗R2が直列に接続され、前記周波数設定器36は、そのゲートに印加する電圧を変化する。
fc = 1 / {2πC1 × R2 × R333} (v)
Meanwhile, the resistance value of the resistor R2 changes according to the passing current, and the current control unit 333 controls the current flowing through the resistor R2 in response to the output from the frequency setter 36. In the present embodiment, the current control unit 333 is composed of a field effect transistor, the resistor R2 is connected in series to the drain current path, and the frequency setting unit 36 changes the voltage applied to the gate.

図12は、前記周波数設定器36の具体的な一構成例を示すブロック図である。先ず、図13(a)で示す入力速度指示信号となるコントローラ22からの入力パルス信号V1は、NANDゲートU1の一方の入力に与えられ、その出力V2は、図13(b)で示すような、前記入力パルス信号V1の反転パルス信号V2となる。その反転パルス信号V2は、コンデンサCtおよび抵抗Rtの直列回路に与えられて、前記コンデンサCtの充電を開始する。したがって、前記コンデンサCtと抵抗Rtとの接続点の電位V3は、図13(c)で示すように、前記反転パルス信号V2が立上がった瞬間に立上がり、その後はコンデンサCtの充電に伴い、該コンデンサCtの容量と抵抗Rtの抵抗値とで決まる時定数に従って、徐々に低下する。その電位V3はインバータU2に入力され、したがってこのインバータU2の出力V4は、図13(d)で示すように、その入力の電位V3が該インバータU2に設定される閾値電圧Vthを超えている期間だけ、ハイレベルとなる。このインバータU2の出力V4は、抵抗RおよびコンデンサCによって積分され、こうして前記入力パルスが周波数−電圧変換されて、パルスの周波数に比例した直流電圧が前記電流制御部333に与えられるとともに、NANDゲートU1の他方の入力に帰還される。   FIG. 12 is a block diagram showing a specific configuration example of the frequency setting unit 36. First, an input pulse signal V1 from the controller 22 serving as an input speed instruction signal shown in FIG. 13A is given to one input of the NAND gate U1, and its output V2 is as shown in FIG. 13B. The inverted pulse signal V2 of the input pulse signal V1. The inverted pulse signal V2 is supplied to a series circuit of a capacitor Ct and a resistor Rt, and charging of the capacitor Ct is started. Therefore, the potential V3 at the connection point between the capacitor Ct and the resistor Rt rises at the moment when the inverted pulse signal V2 rises, as shown in FIG. The voltage gradually decreases according to a time constant determined by the capacitance of the capacitor Ct and the resistance value of the resistor Rt. The potential V3 is input to the inverter U2, and therefore the output V4 of the inverter U2 is a period in which the input potential V3 exceeds the threshold voltage Vth set in the inverter U2, as shown in FIG. Only goes high. The output V4 of the inverter U2 is integrated by a resistor R and a capacitor C. Thus, the input pulse is subjected to frequency-voltage conversion, and a direct current voltage proportional to the frequency of the pulse is applied to the current control unit 333, and a NAND gate. Returned to the other input of U1.

このように構成することで、図14で示すように、コントローラ22からの入力パルス信号V1の周波数が高くなる程(Fa→Fb→Fc)、周波数設定器36は電流制御部333への出力V4の電圧を高くしてゆき(Va→Vb→Vc)、これによって帯域フィルタ33の抵抗R2の抵抗値が変化し、該帯域フィルタ33遮断周波数fcを、図15で示すように、高くしてゆく(fca→fcb→fcc)ことが可能となる。   With this configuration, as shown in FIG. 14, as the frequency of the input pulse signal V1 from the controller 22 increases (Fa → Fb → Fc), the frequency setting unit 36 outputs V4 to the current control unit 333. Is increased (Va → Vb → Vc), thereby changing the resistance value of the resistor R2 of the bandpass filter 33, and the bandpass filter 33 cutoff frequency fc is increased as shown in FIG. (Fca → fcb → fcc).

したがって、移動体13の振動体12への押圧力のムラによって、前述の図16(a)で示すように、参照符号α3で示す位置検出のための脈動波形に、参照符号α4で示すような回転に伴う低周波の周期成分(1回転周期τで繰返すうねり)が重畳しても、その周期成分を前記帯域フィルタ33によって、図16(b)において参照符号α1で示すように適切に除去することができる。これによって、カウンタ35、或いはその前段に波形整形器34が設けられている場合にはその波形整形器34への入力パルスの振幅レベルを所定の範囲に収め、S/Nを改善することができる。こうして、前記移動体13の振動体12への押圧力や、移動体13の出力取出し軸(リードスクリュー11)の傾き、すなわち組立て精度に対する許容範囲(公差)を拡げることができ、低コスト化および小型化を図ることができる。   Therefore, as shown in FIG. 16A, the pulsation waveform for position detection indicated by the reference symbol α3 has a pulsation waveform for detecting the position indicated by the reference symbol α4 due to unevenness in the pressing force of the movable body 13 on the vibrating body 12. Even if a low-frequency periodic component accompanying the rotation (swelling repeated at one rotation period τ) is superimposed, the periodic component is appropriately removed by the band filter 33 as indicated by reference numeral α1 in FIG. be able to. As a result, when the waveform shaper 34 is provided in the counter 35 or the preceding stage, the amplitude level of the input pulse to the waveform shaper 34 falls within a predetermined range, and the S / N can be improved. . In this way, the pressing force of the moving body 13 to the vibrating body 12 and the inclination of the output take-out shaft (lead screw 11) of the moving body 13, that is, the allowable range (tolerance) for the assembly accuracy can be expanded. Miniaturization can be achieved.

また、前記帯域フィルタ33は、受動素子(R1,R2,C1)に電流制御部(FET)というアナログ的で簡単な回路で実現することができるとともに、細かな調整が可能となり、前記脈動成分を良好に除去することができる。   Further, the band-pass filter 33 can be realized by an analog and simple circuit called a current control unit (FET) in the passive elements (R1, R2, C1), and can be finely adjusted. It can be removed well.

なお、上述の例では、帯域フィルタ33において、遮断周波数fcの変化を、通過電流の変化によって抵抗値が変化する抵抗R2を用いて実現したけれど、同種の機能を備える素子であれば、本発明への適用は可能である。また、前記FETに代えて、制御電圧によって電流が変化する素子であれば、本発明への適用は可能である。   In the above example, in the band-pass filter 33, the change in the cut-off frequency fc is realized by using the resistor R2 whose resistance value changes according to the change in the passing current, but any element having the same type of function can be used. Application to is possible. Further, in place of the FET, any element whose current is changed by a control voltage can be applied to the present invention.

本発明の範囲は上述の実施形態によって限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載およびこれと均等なものの範囲内で様々な変形が可能なことは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。   The scope of the present invention should not be limited by the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the description of the claims and the equivalents thereof, and it has ordinary knowledge in the art. It is clear to the person.

1 超音波モータ
2 レンズ駆動ユニット
3 フレーム
6 案内部材
7 レンズ
11 リードスクリュー
12 振動体(ステータ)
12a 圧電素子
12b 接触部材
12c 錘部材
12d 接触部
12e 頂点
12g 圧電層
13 移動体(ロータ)
13a 移動体本体
13b カバー板
13c 溝
13d 検出域
13e 駆動(通常)域
14 加圧部材
15 ケース
16,17 軸受け部材
20 制御IC
21 駆動回路
22 コントローラ
23 カウンタ
24 偏差カウンタ
25 速度調整部
26 駆動電圧生成部
27 発振器
28 スイッチ
31 検出回路
32 信号変換器
33 帯域フィルタ
331 アンプ
332 ハイパスフィルタ
333 電流制御部
34 波形整形器
35 カウンタ
36 周波数設定器
C,Ct コンデンサ
C1 容量素子
IA,IB,IC,ID 駆動電極
IG GND電極
IS 検出電極
OA,OB,OC,OD;OS;OG 外部電極
R,R1,R2,Rt 抵抗
U1 NANDゲート
U2 インバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic motor 2 Lens drive unit 3 Frame 6 Guide member 7 Lens 11 Lead screw 12 Vibrating body (stator)
12a Piezoelectric element 12b Contact member 12c Weight member 12d Contact portion 12e Vertex 12g Piezoelectric layer 13 Moving object (rotor)
13a Mobile body 13b Cover plate 13c Groove 13d Detection area 13e Drive (normal) area 14 Pressure member 15 Case 16, 17 Bearing member 20 Control IC
21 drive circuit 22 controller 23 counter 24 deviation counter 25 speed adjustment unit 26 drive voltage generation unit 27 oscillator 28 switch 31 detection circuit 32 signal converter 33 band filter 331 amplifier 332 high pass filter 333 current control unit 34 waveform shaper 35 counter 36 frequency Setter C, Ct Capacitor C1 Capacitance element IA, IB, IC, ID Drive electrode IG GND electrode IS Detection electrode OA, OB, OC, OD; OS; OG External electrode R, R1, R2, Rt Resistance U1 NAND gate U2 Inverter

Claims (5)

駆動部と、
前記駆動部からの駆動信号で圧電素子が高周波振動を行う振動体と、
前記振動体に加圧接触し、前記高周波振動によって回転駆動される移動体と、
前記振動体と移動体との接触部に形成され、前記振動体の振動状態を変化させるための前記移動体の移動方向に対して構造的に周期的に不均一な部分と、
前記振動体の圧電変形に伴い発生する電圧を検出する検出電極と、
前記検出電極の検出電圧から、前記周期的に不均一な部分の通過による前記振動体の振動状態の変化を検出することで、前記移動体の回転位置と回転速度との少なくとも一方を検出する検出部とを備え、
前記検出部は、
前記検出電極の検出電圧の前記駆動信号に対する位相の変化から、前記周期的に不均一な部分の通過に伴う脈動波形を出力する信号変換器と、
前記脈動波形から脈動成分を抽出するフィルタと、
前記フィルタの出力から前記脈動成分のパルスをカウントすることで前記移動体の回転位置と回転速度との少なくとも一方を検出するカウンタと、
前記駆動信号の周波数に応じて、前記フィルタの遮断周波数を変化する周波数設定器とを含むことを特徴とする超音波モータ。
A drive unit;
A vibrating body in which the piezoelectric element performs high-frequency vibration in response to a driving signal from the driving unit;
A movable body that is in pressure contact with the vibrating body and is rotationally driven by the high-frequency vibration;
A portion that is formed at a contact portion between the vibrating body and the moving body, and is structurally periodically non-uniform with respect to a moving direction of the moving body for changing a vibration state of the vibrating body;
A detection electrode for detecting a voltage generated with piezoelectric deformation of the vibrating body;
Detection that detects at least one of the rotational position and the rotational speed of the moving body by detecting a change in the vibration state of the vibrating body due to the passage of the periodically non-uniform portion from the detection voltage of the detection electrode. With
The detector is
A signal converter that outputs a pulsation waveform accompanying the passage of the periodically non-uniform portion from a phase change of the detection voltage of the detection electrode with respect to the drive signal;
A filter for extracting a pulsation component from the pulsation waveform;
A counter that detects at least one of a rotational position and a rotational speed of the moving body by counting pulses of the pulsating component from the output of the filter;
An ultrasonic motor comprising: a frequency setter that changes a cutoff frequency of the filter according to a frequency of the drive signal.
前記フィルタは、抵抗に容量素子およびそれらの接続点に接続されるアンプとを備え、前記抵抗の抵抗値および容量素子の容量による時定数によって遮断周波数が決定されるハイパスフィルタであり、
前記抵抗は通過電流に応じて抵抗値が変化し、
前記周波数設定器からの出力に応答して前記抵抗を流れる電流を制御する電流制御部をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の超音波モータ。
The filter is a high-pass filter including a capacitive element in a resistor and an amplifier connected to a connection point thereof, and a cutoff frequency is determined by a time constant depending on a resistance value of the resistor and a capacitance of the capacitive element,
The resistance value of the resistor changes according to the passing current,
The ultrasonic motor according to claim 1, further comprising a current control unit that controls a current flowing through the resistor in response to an output from the frequency setter.
前記電流制御部は、電界効果トランジスタから成り、前記電界効果トランジスタのドレイン電流路に前記抵抗が直列に接続され、
前記周波数設定器は、前記電界効果トランジスタのゲートに印加する電圧を変化することを特徴とする請求項2記載の超音波モータ。
The current control unit includes a field effect transistor, and the resistor is connected in series to a drain current path of the field effect transistor,
The ultrasonic motor according to claim 2, wherein the frequency setting unit changes a voltage applied to a gate of the field effect transistor.
前記周波数設定器は、周波数−電圧変換器から成り、前記駆動信号の周波数に応じて、前記電界効果トランジスタのゲートに印加する電圧を変化することを特徴とする請求項3記載の超音波モータ。   The ultrasonic motor according to claim 3, wherein the frequency setting unit includes a frequency-voltage converter, and changes a voltage applied to a gate of the field effect transistor according to a frequency of the driving signal. 前記圧電素子は、周方向に等間隔に電極が形成された圧電層が複数積層されて成り、さらに前記駆動部から各電極に与えられる駆動信号が、前記等間隔に対応する位相が互いにずれた高周波信号であることで、該圧電素子はその先端が公転を行い、該圧電素子の先端に取付けられた接触部材によって前記移動体が該圧電素子の軸線回りに回転され、
前記移動体は、前記回転を取出す軸と、前記軸に固着される移動体本体と、前記移動体本体に積層されるカバー板とを備えて構成され、前記移動体本体のカバー板側の面において、半径方向に延びて周方向に等間隔で形成される溝が前記構造的に不均一な部分と成ることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の超音波モータ。
The piezoelectric element is formed by laminating a plurality of piezoelectric layers in which electrodes are formed at equal intervals in the circumferential direction, and the drive signals given to the electrodes from the driving unit are shifted in phase corresponding to the equal intervals. By being a high-frequency signal, the tip of the piezoelectric element revolves, and the moving body is rotated around the axis of the piezoelectric element by a contact member attached to the tip of the piezoelectric element.
The movable body includes a shaft for taking out the rotation, a movable body main body fixed to the shaft, and a cover plate stacked on the movable body main body, and a surface on the cover plate side of the movable body main body. 5. The ultrasonic motor according to claim 1, wherein grooves that extend in the radial direction and are formed at equal intervals in the circumferential direction are the structurally nonuniform portions. 6.
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