JP3618930B2 - 振動波モータの駆動制御装置および振動波モータを駆動源とする装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動波モータの駆動制御装置および振動波モータを駆動源とする装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に、交番信号例えば数１０ＫＨｚの駆動電圧を加えて弾性振動を励振し、この振動体を伸縮振動又は厚み振動させ、この振動を駆動力として、前記振動体と、この振動体と加圧接触する接触体とを相対的に押圧駆動し、前記振動体と前記接触体とを相対回転又は相対的に直線運動させる振動波モータが提案されている。なお、本明細書中振動体を固定した場合、振動体をステータ、接触体をロータあるいは移動体と称する。
【０００３】
以下、図面を参照しながら振動波モータの従来技術について説明を行う。
【０００４】
図９は円環型振動波モータの斜視図であり、円環型の弾性体１５に円環型圧電体１４を貼り合わせて振動体１６を構成している。
【０００５】
一方、１７は耐摩耗性材料の摩擦材、１８は金属等の弾性体であり、互いに貼り合わせられて移動体１９を構成している。移動体１９は摩擦材１７を介して振動体１６と接触している。
【０００６】
圧電体１４に電圧を印加すると、振動体１６の周方向に曲げ振動が励起され、これが進行波となることにより、移動体１９を駆動する。尚、同図中の振動体１６には、機械出力取り出し用の突起体２０が設置されている。
【０００７】
図１０は図９の振動波モータに使用した圧電体１４の電極構造の一例を示している。同図では円周方向に波長λの９個の弾性波が形成されるように構成されている。同図において、ＡおよびＢはそれぞれ２分の１波長（λ）相当の小領域から成る電極群で、Ｃは４分の３波長（λ）、Ｄは４分の１波長（λ）相当の電極である。
【０００８】
電極ＣおよびＤは、電極群ＡとＢに位置的に４分の１波長（＝９０°）の位相差を設けている。電極ＡとＢ内の隣合う小電極部は、圧電体１４を分極する際に用いる電極で、圧電体１４の弾性体１５との接着面は、図１０に示された面と反対の面であり、その面の電極は全面平面電極である。使用時には、電極群ＡおよびＢは図１０の斜線で示されたように、それぞれ短絡して用いられる。
【０００９】
以上のように構成された振動波モータの圧電体１４の電極ＡおよびＢに
Ｖ_１ ＝Ｖ_０ ・ｓｉｎ（ωｔ） …（１）
Ｖ_２ ＝Ｖ_０ ・ｃｏｓ（ωｔ） …（２）
ただし、Ｖ_０ ：電圧の瞬時値
ω ：角周波数
ｔ ：時間
で表される電圧Ｖ_１ およびＶ_２ をそれぞれ印加すれば、振動体には

ただし、ξ ：曲げ振動の振幅値
ξ_０ ：曲げ振動の瞬時値
ｋ ：波数（２π／λ）
λ ：波長
Ｘ ：位置
で表せる、円周方向に進行する曲げ振動が励起される。
【００１０】
図１１は振動体１６の表面のＡ点が進行波の励起によって、長軸２Ｗ、短軸２Ｕの楕円運動をし、振動体１６上に加圧して設置された移動体１９が、楕円の頂点近傍で接触することにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向にｖ＝ωＵの回転速度で運動する様子を示している。また、この速度は振動体１６と移動体１９の間にスベリがあるときは、上記のｖより小さくなる。同図の矢印Ｂは、移動体１９の進行方向を示し、矢印Ｃは、この進行波の進行方向を示す。また、上記した移動体１９の速度ｖは、振動体１６と移動体１９の間にスベリがない時、ほぼこの曲げ振動の瞬時値ξ_０ に比例する。
【００１１】
このような振動波モータは、例えば特開昭６４−８５５８７号公報で公知となっている方法によって駆動される。これについて以下に説明する。
【００１２】
図７は従来例の振動波モータにおける制御装置のブロック図を示し、１は可変発振器２の発振周波数を制御する可変発振器制御回路、２は入力される電圧値によって出力周波数が決まる可変発振器、３は可変発振器２の出力から９０°位相の異なった二つの信号を発生させる９０°移相回路である。
【００１３】
４，５はこの９０°位相の異なった各々の信号を増幅して圧電体１４の各々の電極に印加し、その増幅度がコントロール入力に印加される直流電圧値によって制御される電力増幅回路、７は移動体１９の周囲に貼付され着磁されたプラスチック状のマグネットから移動速度に比例した磁束の変化を磁気抵抗素子で検出する周知の周波数発電機のごとき速度センサー、８は速度センサーの出力周波数に比例した電圧を出力する周波数−電圧（Ｆ−Ｖ）変換回路、９は速度制御ループを安定にするための補償フィルタ、１１はＦ−Ｖ変換回路８の出力を監視することによって移動体１９の移動速度が所定値に達したかどうかを検出する速度検出回路である。
【００１４】
１２はその接点の選択を速度検出回路１１の出力によって制御され電力増幅回路４，５のコントロール入力に印加する信号が補償フィルタ９の出力もしくは一定電圧Ｖ_ｒ１になるよう切り換えられるスイッチ（ＳＷ）、１３は振動波モータ６の起動停止のためのコントロール端子である。
【００１５】
このブロック図において、速度センサー７、Ｆ−Ｖ変換回路８、補償フィルタ９、電力増幅回路４，５及び振動波モータ６で速度制御ループが形成される。図８は図７に示した振動波モータ６の駆動制御装置の起動時における動作波形図で、ａはコントロール端子１３に入力されるモータ起動停止指令信号であって、「Ｈ」レベルで起動し、「Ｌ」レベルで停止を指令する。ｂは可変発振器制御回路１の出力で可変発振器制御信号、ｃはＦ−Ｖ変換回路８の出力で移動体１９の移動速度に比例した速度比例信号、ｄは速度検出回路１１の出力で所定速度に達したら「Ｈ」レベルになる速度検出信号である。
【００１６】
以上のように構成された制御装置の動作を図８を参照して以下に説明する。
【００１７】
振動波モータ６を起動させるべく、コントロール端子１３に入力されるモータ起動停止信号ａが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルになると、可変発振器制御回路１は、振動波モータ６に交流電圧を印加するために可変発振器２をオンすると同時に、後述する速度検出回路１１によって、移動体１９の速度が所定の速度に達したことが検出されるまでの期間（ｔ）、可変発振器２の出力周波数が高い周波数（ｆ_Ｈ ）から低い周波数（ｆ_Ｌ ）に掃引させるべく、図８に示すように高い電圧から時間と共に低い電圧に変化する可変発振器制御信号ｂを出力する。
【００１８】
ここで、周波数ｆ_Ｈ およびｆ_Ｌ は環境等の変化による機械腕（図１６の等価回路のＲＬＣに相当するものであるが、詳細については後述する）の特性の変化を十分カバーする範囲で設定される。可変発振器２の交流出力は９０°移相回路３及び電力増幅回路４，５を通じて振動波モータ６の圧電体１４に印加される。この交流電圧が印加されると移動体１９は回転運動を開始する。
【００１９】
この時、電力増幅回路４，５の増幅度は可変範囲の中心になるように各々のコントロール入力には一定の電圧Ｖ_ｒ１が印加される（ＳＷ１２はｌ側に接続される）。従って、振動波モータ６には一定の交流電圧Ｖ_１ （実効値）が印加されていることになる。
【００２０】
この一定電圧Ｖ_１ のもとで、可変発振器制御回路１によって可変発振器の発振周波数が低い方に変化して行くと、機械腕のアドミタンスは増加し、それにつれて機械腕電流ｉ_ｍ も増加するので、移動体１９の速度は速くなって行く。この移動体１９の速度は速度センサー７およびＦ−Ｖ変換回路８によってその速度に比例した直流電圧（図８のｃの速度比例信号）として取り出される。周知の電圧コンパレータ等で構成される速度検出回路１１は、この電圧によって移動体１９の速度を監視し、ある所定の速度即ち速度比例信号ｃが所定のレレベル（Ｖ_ｒ２）に達すると、図８に示すように出力を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルにし、速度検出信号ｄとしてスイッチ１２および可変発振器制御回路１に出力する。
【００２１】
従来例では、この所定速度として設定速度（定常時の移動速度）に略一致させている。
【００２２】
ここで、可変発振器制御回路１は、「Ｈ」レベルの速度検出信号ｄが入力されると、図８に示すように、可変発振器制御信号ｂの高い電圧から低い電圧への変化を停止しその状態を保持する。従って可変発振器２による周波数の掃引は停止し、その時点での周波数の交流電圧が振動波モータ６に印加され続けることになる。また、スイッチ１２は速度検出信号ｄが入力されると、ｍ側に接続される。従って速度制御ループが閉じることになり、以後は速度センサーの情報を基に電力増幅回路４，５の増幅度を変化させて振動波モータ６に印加する電圧を変え機械腕電流ｉ_ｍ を制御して移動体１９の速度を一定にしている。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来例において、起動から設定速度へ達するまでの時間、すなわち立ち上り時間を短縮するために、可変発振器の発振周波数を低い方に変化させる速さを大きくすると、立ち上り途中に突然モータが停止することがあった。
【００２４】
すなわち、図１２に示すように、モータ起動停止指令信号ａが「Ｈ」レベルになると同時に、可変発振器制御信号ｂを図８の場合よりも速い速度で小さくすると、モータが起動し図８の場合よりも大きな加速度で加速するものの、速度が設定速度に達する以前に急に停止するため、速度比例信号ｃもＶ_ｒ２に達しない。
【００２５】
このように、従来の振動波モータにおいては、立ち上り時間を短縮しようとすると、立ち上り中に突然停止するといった不安定な動作を招いていた。
【００２６】
本出願に係る第１の発明の目的は、短い立ち上がり時間で安定して設定速度に駆動制御できる振動波モータの駆動制御装置を提供することにある。
【００２７】
本出願に係る第２の発明の目的は、振動波モータを駆動源として起動から設定速度まで安定して被駆動体を駆動できる振動波モータを駆動源とする装置を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本出願に係る第１の発明の目的を実現する第１の構成は、電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体に接触体を加圧接触させた振動波モータの前記電気−機械エネルギー変換素子に交番信号としての駆動電圧を印加する駆動回路を有し、前記駆動回路から前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号が印加されて前記振動体に形成される駆動波により、前記振動体と前記接触体とを相対移動させる振動波モータの駆動制御装置において、前記駆動回路は、加速動作中における駆動信号の実効値Ｖを以下で表わす電圧よりも大きくしたことを特徴とする。
Ｖ＝（１／√２）πｆａ_０ ＡＲ_Ｔｍａｘ
但し、πは円周率、ｆは駆動周波数、ａ_０ は接触部の振動振幅でｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ値、Ａは接触部における振幅ａ_０ と同じ座標系での力係数、Ｒ_Ｔｍａｘはその振幅で回転可能となる最大負荷での振動波モータの入力側から見た抵抗値。
【００３１】
本出願に係る第２の発明の目的を実現する構成は、上記した各構成の振動波モータを駆動源として被駆動体を駆動することを特徴とする振動波モータを駆動源とする装置にある。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明は従来例の課題である現象、すなわち立ち上り時間を短縮しようとすると、立ち上り中に突然停止するという現象について、実験的および理論的に解析し、原因を明らかにすることによって見出された。そこで上記の本発明の実施の形態を説明する前に、従来例の課題である現象の原因について述べる。
【００３３】
図１３は、従来例の振動波モータが、図８に示したように問題なく立ち上り設定速度へ達した場合のモータの回転速度とトルクの時間変化である。なお負荷として２２０ｇｃｍ^２ の慣性モーメントが振動波モータに与えられている。また、ここで用いた振動波モータは、設定速度８００ｒｐｍに達した定常状態では最大トルク９００ｇｆ・ｃｍを発生することが可能である。
【００３４】
振動波モータを起動させるべく、モータ起動停止信号が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルになると、ほぼ同時に振動波モータはトルクを発生しはじめ回転速度が増す。発生したトルクに比例した加速度で回転速度が増し、４０ｍｓｅｃ後に設定速度である８００ｒｐｍに達するとトルクは０になり、回転速度も８００ｒｐｍに保たれる。
【００３５】
次に、図１２のように、可変発振器制御信号ｂを図８の場合よりも速い速度で小さくした場合の従来例の振動波モータの回転速度とトルクの時間変化を図１４に示す。モータ起動停止信号が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルになると同時に、振動波モータはトルクを発生しはじめ回転数が増すが、可変発振器制御信号ｂをより速い速度で小さくしたため、図１３の場合に比べて加速度が大きくなり、回転速度は急峻に大きくなるものの、約１５ｍｓｅｃ後に振動波モータのトルクが図示していないが−（マイナス）になると同時に回転速度が急減し停止する。
【００３６】
このように、可変発振器制御信号ｂを速い速度で小さくする過程では、設定速度に達した後の定常状態で発生しうる最大トルクや回転速度に達することなく停止する。
【００３７】
このようになる原因を調べるため、加速中の振動波モータに印加される電圧Ｖ_１ を印加した場合の駆動周波数をパラメータとした振動波モータのトルク−回転速度特性を測定した。これを図１５の実線で示す。図中の実線で示したカーブに添えたｆ_１ 〜ｆ_９ は駆動周波数を表わし、周波数の大小関係はｆ_１ ＞ｆ_２ ＞ｆ_３ ＞…＞ｆ_９ であり、いずれもステータの共振周波数よりも高い。
【００３８】
ｆ_１ からｆ_９ の周波数の範囲において、駆動周波数が低い場合ほどステータの振動振幅が大きいため、無負荷（０ｇｆ・ｃｍ）回転数が大きい。また、駆動周波数が低い場合ほど最大トルクが大きい。この結果破線より矢印側に示す不作動領域は、回転数が小さい場合ほどトルクの小さい側にひろがっている。
【００３９】
また、図１５中の点線および一点鎖線は、夫々図１３および図８に示したモータの回転速度とトルクの時間変化を、トルク対回転速度平面に示したものであり、時間とともに点線および一点鎖線上の矢印の方向に推移したことを示す。
【００４０】
図８と図１３に示すように問題なく立ち上って設定速度に達した場合、トルクおよび回転数は図１５のトルク−回転速度特性の不作動領域ではない作動領域内で推移するのに対し、図１２と図１４に示すように設定速度に達することなく急停止した場合、図１５に示すトルク−回転速度特性の不作動領域へ推移しそうになると同時に、トルクが急減して急停止することがわかる。
【００４１】
すなわち、図１５に示すように、トルク−回転速度特性の不作動領域が存在するために、設定速度に達することなく急停止する。なお、図１５中の一点鎖線は、図１４と同様図示していないが、さらに時間の経過とともにトルクが負の領域となって回転速度が急減する。
【００４２】
次に、不作動領域が存在する理由ならびに不作動領域が回転数の小さい場合ほどトルクの小さい側にひろがっている理由を調べるため、以下に述べる実験的解析を行なった。通常共振現象を用いる圧電振動子は、図１６に示す等価回路で表現される。ここで、Ｃ_０ は圧電素子の制動容量であり、Ｃ_１ ・Ｌ_１ ・Ｒ_１ が直列の部分は機械腕と呼ばれ、機械的な共振周波数ｆ_ｒ はｆ_ｒ ＝（１／２π）√（１／Ｌ_１ ・Ｃ_１ ）で表わされる。また、出力や損失などの機械的エネルギーは、Ｒ_１ で消費される電気エネルギーとして表現される。
【００４３】
振動波モータの場合、トルクや、振動振幅によって振動体と移動体のスベリなどの接触状態が異なるため、機械腕の等価回路定数であるＣ_１ Ｌ_１ Ｒ_１ はトルクや振動振幅に依存すると考えられる。これらの等価回路定数のうちＲ_１ は、駆動可能な印加電圧を決定する重要な因子であり、圧電基本式
ＡＶ＝Ｚ_ｍ ｖ ただしＶは印加電圧で
Ｚ_ｍ は機械インピーダンス
ｖは接触部における振動速度
Ａは接触部における振動速度ｖと同じ座標系で の力係数で振幅やトルク等に依存しない。
【００４４】
より、共振時はＺ_ｍ ＝Ａ^２ Ｒ_１ となるため共振駆動で必要な印加電圧（以下共振電圧）Ｖ_ｆｒと以下の関係にある。
【００４５】
Ｖ_ｆｒ＝（１／√２）πｆ_ｒ ａ_０ ＡＲ_１ …（４）
ただしπは円周率、ｆ_ｒ は共振周波数、ａ_０ は接触部の振動振幅でｐｅａｋ
ｔｏ ｐｅａｋ値、である。なおＶ_ｆｒは実効値であり、以下文中の電圧の表記はすべて実効値とする。
【００４６】
そこで、トルクや振動振幅によってＶ_ｆｒがどのように変化するかを実測し、Ｒ_１ の変化を見積った。その結果を図１７に示す。横軸の振動振幅は相対値であり、１．０のときに無負荷（Ｔ＝０ｇｆｃｍ）で１０００ｒｐｍとなる振動振幅である。また縦軸は共振電圧Ｖ_ｆｒであり、振動波モータが加速中に印加される電圧Ｖ_１ に対する相対値とした。測定は負荷トルクを電磁ブレーキにより一定に保ったうえで、図１６の空き電極Ｄを振動センサーとし、センサー出力の印加電圧に対する位相が共振状態を示す位相になるように、印加電圧および周波数を調整するという既知の方法で共振状態を保ち、印加電圧と振動振幅を測定することにより行なった。なお負荷トルクをパラメータとし、０ｇｆ・ｃｍ〜１２００ｇｆ・ｃｍで測定した。
【００４７】
いかなる振動振幅においても負荷トルクが大きいほど共振電圧が大きくなっているが、負荷トルクが大きいほど出力が大きいのは、図１６におけるＲ_１ が大きいためである。
【００４８】
式（４）によれば、仮にＲ_１ が一定であれば、共振電圧は振動振幅に比例する。しかし実際には図１７に示されるようにいかなるトルクにおいても振動振幅が小さい方が共振電圧が大きい傾向にある。
【００４９】
すなわち式（４）によれば、振動振幅が小さいほどＲ_１ がきわめて大きくなる傾向にある。これは以下の理由によると考えられる。
【００５０】
そもそも、固体摩擦による抵抗は、粘性摩擦による抵抗が速度の２乗に比例したエネルギーを消費させるのとは異なり、速度に比例したエネルギーを消費させる。したがって、粘性摩擦を電気系で表現した場合には速度に依存しない一定の抵抗となるのに対し、固体摩擦を電気系で表現した場合には、速度に反比例した抵抗となる。
【００５１】
振動波モータにおけるＲ_１ は、振動子の内部摩擦による成分よりも摩擦駆動部での損失および出力の成分が大きいため、上述した固体摩擦による抵抗と同様、速度、すなわち振動振幅が小さいほど大きくなる。
【００５２】
また、振動波モータにおける摩擦駆動部の接触状態は、図１８に模式的に示すように、振動体の振幅が大きい（ｂ）に示す場合には、移動体の移動方向の速度成分を有する進行波の波の頂上付近にしか移動体が接触しないのに対し、振動体の振幅が小さい（ａ）に示す場合には、移動体の移動方向と逆方向の速度成分を有する進行波の谷付近にも移動体が接触する。したがって振動振幅が小さい場合にはさらにＲ_１ は大きいものとなる。
【００５３】
以上のように、振動波モータにおけるＲ_１ が主に固体摩擦に起因していることと、移動体と振動体の接触状態が振動振幅に依存していることにより、Ｒ_１ が振動振幅に大きく依存し共振電圧Ｖ_ｆｒが図１７に示すような結果となった。
【００５４】
共振時における印加電圧である共振電圧は、その駆動状態を可能にする最低の電圧である。なぜなら共振時に最も印加電圧あたりの振動振幅が大きく、共振状態からずれている場合には同じ駆動状態を得るのにより大きい印加電圧を要するからである。
【００５５】
したがって、図１７に示す共振電圧の振幅特性は、ある印加電圧における駆動可能な状態を示すグラフでもある。
【００５６】
すなわち、例えば図１７において、負荷トルクが０〜７００ｇｆ・ｃｍの共振電圧カーブが全てＶ_１ 以下であるため、これらの共振電圧カーブ上の全ての状態が印加電圧Ｖ_１ で駆動可能である。
【００５７】
しかし、負荷トルクが大きい場合、例えば１０００ｇｆ・ｃｍの場合、振動振幅が図１７における１．１より大きいと、その共振電圧がＶ_１ より小さくなるため印加電圧がＶ_１ で駆動可能となるが、振幅が図１７における１．１より小さい場合にはその共振電圧がＶ_１ より大きくなるため、印加電圧がＶ_１ では駆動不能となる。
【００５８】
すなわち、振動振幅が小さいほど共振電圧が大きくなるため、８００ｇｆ・ｃｍ以上の負荷トルクでは印加電圧Ｖ_１ の場合、振動振幅が小さい領域すなわち回転速度の小さい領域は駆動不能となる。これは図１５に示したトルク−回転速度カーブに対応し、すなわち図１５の不作動領域は、図１７における共振電圧Ｖ_ｆｒ＞Ｖ_１ の領域に対応する。
【００５９】
以上のような実験的解析によりまとめると以下のことが明らかになった。
【００６０】
▲１▼：振動波モータにおけるＲ_１ が主に固体摩擦に起因し、かつ移動体と振動体の接触状態が振動振幅に依存するため、Ｒ_１ は振動振幅が小さいほどきわめて大きくなる。
【００６１】
▲２▼：その結果Ｖ_ｆｒ＝（１／√２）πｆ_ｒ ａ_０ ＡＲ_１ で表わされる共振電圧は振動振幅が小さいほど大きい。
【００６２】
▲３▼：負荷トルクが大きいほどＲ_１ および共振電圧が大きい。
【００６３】
▲４▼：▲２▼と▲３▼より負荷トルクが大きく、回転速度が小さい領域は印加電圧が小さいと駆動不能になりやすい。
【００６４】
▲５▼：振動波モータの立ち上り速度を上げようとすると、▲４▼で言うところの駆動不能状態となり急停止する場合がある。
【００６５】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態を示す。
【００６６】
上述の解析の結果、図１７で得られた共振電圧の最大値以上の印加電圧を振動波モータに与えれば、図１７の全ての共振電圧カーブが駆動可能な領域となるため、トルク−回転速度カーブにおける不作動領域は、図１５における不作動領域よりも小さくなることは明らかである。
【００６７】
そこで、前述の従来例の振動波モータに、１．５×Ｖ_１ なる実効値の交流電圧を印加して、従来例では設定速度に達することなく急停止した図１２の場合と同じ速さで可変発振器の発振周波数を下げた。なお、本実施の形態における振動波モータの構成や機能および制御装置は従来例とほぼ同様であるので、異なるところのみ説明し、同様のところの説明は省略する。
【００６８】
本実施の形態において、立ち上り時のモータ起動停止指令信号、可変発振器制御信号、速度比例信号および速度検出信号の変化を図１に示す。
【００６９】
図１に示すように、急停止することなく設定速度に達し、また、起動から設定速度に達するまでの時間、すなわち立ち上り時間ｔも、図８との比較から明らかなように、従来例より大幅に短縮された。
【００７０】
なお、本発明の技術的な思想が正しいか否かを確認するため、従来例における駆動周波数をパラメータとした振動波モータのトルク−回転速度特性を示す図１５と同様に、本実施の形態である１．５×Ｖ_１ なる実効値の交流電圧を印加して、駆動周波数をパラメータとしたトルク−回転速度特性を測定した。それを図２に示す。
【００７１】
駆動周波数ｆ_ｅ 〜ｆ_ｉ において、最大トルクが振動体と移動体の摩擦係数で決まるトルク（動摩擦係数×加圧力×接触部平均半径）である１２００ｇｆ・ｃｍ程度となり、前述の解析の結果から予想されるとおり不作動領域が大幅に小さくなった。
【００７２】
その結果、トルク−回転速度特性カーブ群が図２中で占める領域の形状が、従来例の図１５で右凸形状となっているのとは異なり、ほぼ右凸形状ではなくなった。図２中の点線は本実施の形態における振動波モータの立ち上り時のトルクと回転速度の時間変化を示すが、不作動領域が大幅に小さくなったため、トルクと回転速度の時間変化カーブは作動領域内のみで推移し、設定速度まで加速が可能となった。なお図２において、駆動周波数ｆ_ａ 〜ｆ_ｄ での最大トルクが１２００ｇｆ・ｃｍに達していないのは、振動振幅が小さく、図１８の（ａ）に示すように、移動体が逆方向の力を受けるような接触状態になっているためと思われる。
（第２の実施の形態）
図４は第２の実施の形態を示す。
【００７３】
上記した第１の実施の形態において、設定速度に達する加速中の振動波モータへの交流印加電圧を実効値で１．５×Ｖ_１ としたが、これに限るものではなく、各振幅において、その振幅における最大トルクでの共振電圧以上、すなわち、実効値が以下に表わす電圧以上であれば良い。
【００７４】
Ｖ＝（１／√２）πｆａ_０ ＡＲ_Ｔｍａｘ …（５）
（ただしπは円周率、ｆは駆動周波数、ａ_０ は接触部の振動振幅でｐｅａｋ
ｔｏ ｐｅａｋ値、Ａは接触部における振幅ａ_０ と同じ座標系での力係数でＲ_Ｔｍａｘはその振幅で回転可能となる最大負荷での振動波モータの入力側から見た抵抗値。）
従来例における振動波モータの式（５）で表わされる電圧は、図１７の各振幅における最大トルクでの共振電圧を抽出することで得られ、それは図３に示す電圧である。したがって、設定速度に達するまでの、回転速度および振動振幅が増加している間、常に印加電圧が１．５×Ｖ_１ 以上である必要はなく、式（５）で表わされる電圧以上であれば良く、以下に説明するような実施の形態でも良い。なお本実施の形態も従来例と異なる部分のみ説明し、従来例と構成・機能が同様である部分の説明は省略する。
【００７５】
図４は、振動波モータの制御装置のブロック図であるが、電力増幅回路出力側と振動波モータの間に、昇圧用コイル２１を設けた。この昇圧コイル２１によって電力増幅回路４および５の出力する交流電圧よりも大きい電圧を振動波モータ６に印加することが可能になる。
【００７６】
本実施の形態の振動波モータの設定速度に達するまでの立ち上り特性を図５に示す。横軸はモータ起動停止指令信号がＨレベルになってからの時間で、実線は振動波モータの回転速度、点線は振動体の振動振幅、一点鎖線は振動波モータへの印加電圧の大きさを示す。
【００７７】
振動振幅の増加とともに回転速度も増加するが、これらとともに振動波モータのインピーダンスも変化するため、昇圧コイル２１の昇圧率も変化して印加電圧は減少し、振動振幅が０．８を越えてからは印加電圧は第１の実施の形態の場合よりも小さい、１．５×Ｖ_１ 以下となる。しかし、振動振幅増加中のいかなる振動振幅においても、図３に示す電圧、すなわち式（５）で表わされる電圧以上の印加電圧であるため、急停止することなく、かつ第１の実施の形態と同等の時間で設定速度に達した。
【００７８】
（第３の実施の形態）
図６は本発明の第３の実施の形態を示す。本実施の形態は上記の各実施の形態における振動波モータを駆動源として、被駆動体としての例えばフォーカスレンズを駆動するレンズ鏡筒に関する。
【００７９】
１００は振動体で、加圧バネ１０１を介してストッパ部材１０２に当接し、駆動面側には円環形状のロータである出力部材１０３が摩擦部材１０４を介して加圧接触している。１０５はフォーカスキー１０６に連結されるコロで、光軸回りに回転することによりフォーカスレンズＬを光軸方向に移動させる。このコロ１０５は、振動波モータから出力部材１０３と、光軸方向に移動してマニュアルフォーカスとオートフォーカスとの切換を行うマニュアルフォーカスリング１０７との連結によって光軸回りに回転するマニュアル出力リング１０８と摩擦接触し、マニュアルフォーカスリング１０７がマニュアル出力リング１０８と非結合のオートフォーカス状態の場合、出力部材１０３の回転により差動回転してフォーカスキー１０６が回転駆動し、フォーカスレンズＬを振動波モータにより合焦のために駆動する。
【００８０】
またマニュアルフォーカスリング１０７がマニュアル出力リング１０８と結合している場合には、マニュアルフォーカスリング１０７を回転すると、コロ１０５の差動回転により同様にフォーカスレンズＬがフォーカスキー１０６によりフォーカスレンズＬが移動し、マニュアルフォーカスが行われる。
【００８１】
さらに、振動波モータの駆動回路は、レンズ鏡筒のマウント側に設けた不図示のプリント板に設けられている。
【００８２】
なお、上記した各実施の形態において振動波モータは円環形状の回転型であるが、これに限定されるものではなく、円筒形状回転型や、リニア駆動型等他の形状の振動波モータでも良い。さらに、振動波モータの特性が、上記した特性と異なるものであっても良い。
【００８３】
また、圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子に印加する駆動信号としての交番信号をアナログ信号である交流電圧として説明したが、デジタル信号であっても良い。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、振動波モータの加速動作中における駆動信号、例えば印加電圧の交流成分の実効値の大きさが、いかなる振動振幅においてもＶ＝（１／√２）πｆａ_０ ＡＲ_Ｔｍａｘで表わす電圧よりも大きくしたことにより、横軸を負荷の大きさ、縦軸を移動体に対する相対速度とした負荷−速度グラフ上で、駆動周波数をパラメータとした負荷−速度特性曲線群によって占められる領域の形状が右凸形状ではなくなり、すなわち不作動領域が小さくなり、従来よりも短かい立ち上り時間にて設定速度に到達し、安定した動作が得られるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における振動波モータの駆動制御装置の起動時における動作波形。
【図２】第１の実施の形態の振動波モータのトルク−回転速度特性図。
【図３】第１の実施の形態の振幅と最大トルクでの共振電圧との関係を示す図。
【図４】第２の実施の形態の振動波モータの駆動制御装置ブロック図。
【図５】第２の実施の形態の立ち上り特性図。
【図６】本発明の第３の実施の形態を示すレンズ鏡筒の断面図。
【図７】従来の振動波モータの駆動制御装置のブロック図。
【図８】従来の駆動制御装置の起動時における動作波形図。
【図９】円環型振動波モータの斜視図。
【図１０】図９の振動波モータの圧電体の電極構造を示す平面図。
【図１１】振動体の運動の模式図。
【図１２】従来の振動波モータの駆動制御装置の起動時における動作波形図。
【図１３】従来の振動波モータの回転速度とトルクの時間変化を示す図。
【図１４】従来の振動波モータの回転速度とトルクの時間変化を示す図。
【図１５】従来の振動波モータのトルク−回転速度特性図。
【図１６】振動波モータの等価回路図。
【図１７】振動波モータの振幅−共振電圧特性図。
【図１８】振動波モータの振動体と移動体の接触模式図。
【符号の説明】
１…可変発振器制御回路
２…可変発振器
３…９０°移相回路
４，５…電力増幅回路
６…振動波モータ
７…速度センサー
８…Ｆ−Ｖ変換回路
９…補償フィルタ
１１…速度検出回路
２１…昇圧用コイル

Claims (2)

1. 電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体に接触体を加圧接触させた振動波モータの前記電気−機械エネルギー変換素子に交番信号としての駆動電圧を印加する駆動回路を有し、前記駆動回路から前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号が印加されて前記振動体に形成される駆動波により、前記振動体と前記接触体とを相対移動させる振動波モータの駆動制御装置において、
   円周率をπ、前記駆動信号の駆動周波数をｆ、前記振動体の前記接触体との接触部における振動振幅をａ ₀ 、前記振動体の前記接触体との接触部における前記振動振幅ａ ₀ と同一座標系での力係数をＡ、前記振動振幅ａ ₀ で回転可能となる最大負荷での前記振動波モータの入力側から見た抵抗値をＲ _Tmax とすると、
   前記駆動回路は、前記振動波モータの加速動作中における前記駆動信号の実行値Ｖを、
   Ｖ＝（１／√２）・π・ｆ・ａ₀・Ａ・Ｒ_Tmaxで表される電圧よりも大きく設定することを特徴とする振動波モータの駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の振動波モータの駆動制御装置を有し、前記振動波モータを駆動源として被駆動体を駆動することを特徴とする振動波モータを駆動源とする装置。

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