JP3641902B2

JP3641902B2 - 駆動装置

Info

Publication number: JP3641902B2
Application number: JP13627097A
Authority: JP
Inventors: 豪松本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: JPH10337050A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子を相対運動部材に接触させることにより、その相対運動部材と相対運動を行う振動アクチュエータの駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、圧電体を装着された弾性体に駆動信号を印加して縦振動及び屈曲振動を調和的に発生させ、弾性体の表面に楕円運動を発生させることにより、弾性体に加圧接触する相対運動部材と相対運動を行う振動アクチュエータが知られている。
このような振動アクチュエータに関しては、「光ピックアップ移動を目的とした圧電リニア・モータ」（富川義朗氏他：第五回電磁力関連のダイナミックシンポジウム講演論文集，第３９３頁〜第３９８頁）に、その構成及び負荷特性に関する解析結果が詳細に説明されている。
また、新版超音波モータ（上羽貞行氏、富川義朗氏共著，トリケップス刊，第１４５頁〜第１４６頁）には、この振動アクチュエータを用いた自走式装置が開示されている。
【０００３】
図４は、従来の振動アクチュエータの振動子を示す斜視図である。
振動子１１０は、縦振動１次モード及び屈曲振動４次モードのそれぞれの固有振動数が非常に近い値となるように設計された平板状の弾性体１１２に２つ圧電体１１４を接合したものである。各々の圧電体１１４には、所定周波数の交流電圧が、所定の位相差をもって印加される。ここで、所定周波数とは、弾性体１１２の上記２つの振動モードの固有振動数に近い周波数のことである。交流電圧印加により、圧電体は振動し、弾性体１１２に上記２つのモードの振動を調和的に発生させる。弾性体に生じる屈曲４次モードの振動の腹となる部分には、駆動力取出部１１６が設けられており、弾性体１１２が振動すると、この駆動力取出部１１６の先端に楕円運動が生じる。駆動力取出部１１６の先端は、不図示の相対運動部材に所定の圧力で加圧接触しており、その先端が上記楕円運動を行うと、推力が得られ、振動子１１０と相対運動部材とが直線的な相対運動を行う。
【０００４】
従来、このような振動アクチュエータでは、振動アクチュエータと相対運動部材との相対運動の速度を検出するために、振動子１１０に振動子の振動振幅を検出するピックアップを取り付けていた。そして、振動アクチュエータの駆動装置は、ピックアップの出力を参照して、振動アクチュエータの動作（相対運動）を制御していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した振動アクチュエータは、相対運動の方向に関し、前後対称の形となるように振動子１１０を設計・製造される。しかし、完全な対称形を得ることは不可能であり、このために、振動子１１０は前後非対称な振動を行う。したがって、そのピックアップが検出する振動は、例えば、ピックアップを図４に示す振動子の位置Ｙ１に取り付けた場合と、それと対称な位置Ｙ２に取り付けた場合とで異なる。
一方、駆動力取出部１１６の行う楕円運動は、図中矢印Ｍで示すように、その長軸Ｓが弾性体１１２に対し垂直ではなく、弾性体の前後端へ向けて開くように、やや傾いている。このために、振動子１１０の行う相対運動に対する２つの駆動力取出部の力の寄与率は等しくなく、例えば、振動子１１０が矢印Ｎの方向に進むときは、駆動力取出部１１６ａの寄与率が駆動力取出部１１６ｂの寄与率より大きくなる。
上記２つの事情より、仮にピックアップを振動子１１０の位置Ｙ１に取り付けた場合には、振動子１１０が、矢印Ｎの方向に相対運動を行うときと、その反対の方向に相対運動を行うときとでは、ピックアップの出力する検出信号が同一のものであっても、相対運動の速度が異なり、正確な速度検出ができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、振動アクチュエータと相対運動部材の相対運動の方向によらず、相対運動の速度を正確に検出し、もって振動アクチュエータの動作を適正に制御する駆動装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、振動子を相対運動部材に接触させることにより前記相対運動部材と相対運動を行う振動アクチュエータであって、少なくとも２つの振動検出器を前記振動子に備えた振動アクチュエータの駆動装置において、前記振動検出器の出力を処理する処理部と、前記振動検出器のいずれか１つ又は２つ以上を選択する選択部とを有し、前記処理部は、前記選択部により選択された前記振動検出器の出力情報を処理することを特徴とする駆動装置である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の駆動装置において、前記処理部は、前記選択部により選択された前記振動検出器の出力に基づいて前記振動アクチュエータの速度を制御することを特徴とする駆動装置である。
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の駆動装置において、前記選択部は、前記振動アクチュエータの駆動状態に応じて、選択する前記振動検出器を変更することを特徴とする駆動装置である。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項２に記載の駆動装置において、前記選択部は、前記相対運動の方向に応じて、選択する前記振動検出器を変更することを特徴とする駆動装置である。
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の駆動装置において、前記振動子は、縦振動及び屈曲振動を励振され、所定位置に設けられた駆動力取出部に楕円運動を発生させる平板状又は柱状の弾性体を有し、前記駆動力取出部を前記相対運動部材に接触させることにより前記相対運動を行うものであり、前記選択部は、前記相対運動の方向に関し、前記振動子の後側に設けられた１つ又は２つ以上の前記振動検出器を選択することを特徴とする駆動装置である。
【００１０】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の駆動装置において、前記選択部は、前記相対運動の方向に関し、前記振動子の後側に位置する前記駆動力取出部の近傍に設けられた１つ又は２つ以上の前記振動検出器を選択することを特徴とする駆動装置である。
請求項７に係る発明は、請求項５又は請求項６に記載の駆動装置において、前記振動子は、前記相対運動の方向に関し前後対称の形状を有し、前記少なくとも２つの振動検出器は、前記振動子に、前記相対運動の方向に関し前後対称の位置に設けられていることを特徴とする駆動装置である。
【００１１】
請求項８に係る発明は、所定の振動を行う弾性体と、前記弾性体の異なる位置に設けられた２以上の出力取出部と、それぞれ異なる前記出力取出部の振動特性を検出する２以上の振動検出器とを備え、前記出力取出部を相対運動部材に接触させることにより、前記相対運動部材と相対運動を行う振動アクチュエータであって、前記出力取出部が前記相対運動部材に作用させる力の前記相対運動に寄与する率が、前記相対運動の方向により異なる振動アクチュエータを駆動する駆動装置において、前記振動アクチュエータの動作を制御する制御部と、前記相対運動に寄与する力が最大である前記出力取出部の振動特性を検出する前記振動検出器を選択する選択部とを有し、前記制御部は、前記選択部により選択された振動検出器の出力に基づいて前記振動アクチュエータの動作を制御することを特徴とする駆動装置である。
【００１２】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の駆動装置において、前記選択部は、前記制御部から得た前記相対運動の方向に関する情報に基づいて前記振動検出器を選択することを特徴とする駆動装置である。
請求項１０に係る発明は、請求項８に記載の駆動装置において、前記制御部は、前記振動アクチュエータに第１の駆動信号と、前記第１の駆動信号と位相差を有する第２の駆動信号を与え、前記位相差の正負により前記相対運動の方向を制御するものであり、前記選択部は、前記位相差の正負に関する情報に基づいて前記振動検出器を選択することを特徴とする駆動装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明に係る実施形態について、さらに詳しく説明する。なお、以降の説明は、振動アクチュエータとして、超音波の振動域を利用する超音波モータを例にとって行う。
【００１４】
図１は、本発明に係る駆動装置により駆動される超音波モータの一実施形態を示す側面図である。また、図２は、図１に示した超音波モータに用いられている振動子の斜視図である。
はじめに、図２を用いて振動子１１の構成について説明する。振動子１１は、弾性体１２と、その弾性体１２の上面に接合された４つの圧電体１３ａ、１３ｂ、１３ｐ及び１３ｐ’とから構成される。
【００１５】
弾性体１２は、金属材料又はプラスチック材料等の弾性材料からなる矩形平板状の部材である。弾性体には、４次の屈曲振動と１次の縦振動とを同時に行うことにより、相対運動部材を駆動するための駆動力を発生させる。弾性体１２の下面であって、４次の屈曲振動の腹が生じる位置には、２つの直方体型の駆動力取出部１２ａ、１２ｂが突起状に形成されている。また、弾性体１２は、１次の伸縮振動（縦振動）の節位置、すなわち長手方向の中央部に、断面が半円形をしている切り欠き部１２ｃ及び１２ｄを設けられている。
４つの圧電体（１３ａ、１３ｂ、１３ｐ、１３ｐ’）は、本実施形態ではＰＺＴにより構成される電気機械変換素子である。これらの圧電体は、弾性体１２の駆動力取出部（１２ａ、１２ｂ）が形成されているのと反対の面に接着されている。
【００１６】
圧電体１３ａ、１３ｂは振動発生用圧電体であり、これらに周波電圧を印加し振動させることで、弾性体１３に屈曲振動と縦振動とが励振される。一方、圧電体１３ｐ、１３ｐ’は、弾性体１２に発生する振動を圧電効果により検出するための圧電体である。圧電体１３ｐが取り付けられている位置は、駆動力取出部１２ａが設けられている位置の近傍である。したがって、圧電体１３ｐが検出する振動は、駆動力取出部１２ａに生じている振動の特性を強く反映している。これに対し、圧電体１３ｐ’が取り付けられている位置は、駆動力取出部１２ｂが設けられている位置の近傍であり、それが検出する振動は、駆動力取出部１２ｂに生じている振動の特性を強く反映している。
【００１７】
図１に示されるように、振動子１１は、相対運動部材２１の上面に配置され、ハウジング４０に固定された２本の支持ピン２９により支持されている。支持ピン２９は、その先端部を弾性体１２の切り欠き１２ｃ又は１２ｄに配置させることで、図面の左右方向及び図面に垂直な方向に関する振動子１１の位置決めを行っている。なお、ハウジング４０は、超音波モータ１の筐体の一部である。
支持ピン２９の外周には、コイルバネ２８が配置されている。コイルバネ２８は、圧縮された状態にあり、振動子の駆動力取出部１２ａ、１２ｂが所定の圧力をもって相対運動部材２１の上面と加圧接触するよう、振動子１１に図面下方へ向いた力（加圧力）を作用させている。
相対運動部材２１は、平板状の部材であり、図面中、左右方向へ移動可能な状態に、その下面をローラ３０により支持されている。
【００１８】
次に、超音波モータ１の駆動装置について説明する。
図３は、超音波モータ１の駆動装置を示すブロック図である。はじめに図３を用いて、駆動回路４１の構成について説明する。
コントローラ４６は、駆動装置全体の動作を統括制御する回路である。コントローラ４６の出力は、発振器４２に接続されている。
発振器４２は、コントローラ４２からの発振命令により指定された周波数の駆動信号（周波電圧）を出力する回路である。発振器４２の出力は、増幅器４４及び移相器４３に接続されている。
【００１９】
増幅器４４は、発振器４２からの駆動信号を所定の電圧まで昇圧し、これを圧電体１３ａに印加する回路である。
一方、移相器４３は、発振器４２から入力された駆動信号と所定の位相差を有する信号を出力する回路である。移相器４３は、コントローラ４６とも接続されており、上記位相差の大きさは、コントローラ４６から与えられる命令によって定められる。移相器４３の出力は、増幅器４５に接続されている。
増幅器４５は、増幅器４４と同一の機能を果たす回路である。すなわち、増幅器４５は、移相器４３からの駆動信号を所定の電圧まで昇圧し、これを圧電体１３ｂに印加する。
【００２０】
選択回路４７は、コントローラ４６の命令に従い、圧電体１２ｐ、１２ｐ’のいずれか一方を選択し、その検出信号（出力）をコントローラ４６に入力する回路である。
なお、図示は省略されているが、弾性体１２は、駆動装置４１のグランドに接続されている。
【００２１】
次に、超音波モータ１を駆動し、相対運動部材２１を図１において紙面右方向へ駆動する場合の駆動装置４１の動作について説明する。
はじめに、コントローラ４６は、発振器４２に対し発振命令を与え、発振器４２は、その発振命令により指定された周波数の駆動信号を出力する。また、コントローラ４６は、入力信号に対し位相が９０°遅れた信号を出力すべき旨の命令を移相器４３に与える。
【００２２】
次に、発振器４２が出力する駆動信号は、増幅器４４を介して圧電体１３ａに、また、移相器４３及び増幅器４５を介して圧電体１３に印加される。この駆動信号の印加により、圧電体１３ａ及び１３ｂは、同一周波数の振動運動を行う。ただし、圧電体１３ｂの行う振動は、圧電体１３ａが行う振動に対し９０°の位相遅れを有する。この結果、弾性体１２には、１次の縦振動及び４次の屈曲振動が調和的に励振され、これらの振動の合成である楕円運動が駆動力取出部１２ａ、１２ｂの端面に発生する。既に説明したように、駆動力取出部１２ａ、１２ｂは、相対運動部材２１に加圧接触しているので、上記楕円運動により、相対運動部材２１は図面右の方向に駆動される。
【００２３】
一方、選択回路４７は、コントローラ４６から相対運動部材２１が図面右の方向に駆動される旨の情報を受ける。この結果、選択回路４７は、相対運動部材２１が進行する方向の側にある圧電体１３ｐ’を選択し、その検出信号をコントローラ４６に入力する。
コントローラ４６は、選択回路４７から入力された検出信号の電圧の実効値を求める。この実効値は、相対運動部材２１の速度を表す値である。求められた実効値は、予めコントローラ４６のメモリ等に設定されている値と比較される。それぞれの値が一致しない場合は、コントローラ４７は、発振器４２に適当な発振命令を与え、発振器４２が発生する駆動信号の周波数を変更し、上記２つの値が一致するように、すなわち、相対運動部材２１の速度が所定値となるように超音波モータ１の動作を制御する。
【００２４】
次に、相対運動部材２１を図１において紙面左の方向へ駆動する場合の駆動装置４１の動作について説明する。
この場合には、コントローラ４６は、入力信号に対し位相が９０°進んだ信号を出力すべき旨の命令を移相器４３に与え、圧電体１３ｂが、圧電体１３ａの振動に対し９０°位相の進んだ振動を行うようにする。この結果、駆動力取出部１２ａ、１２ｂの端面に発生する楕円運動の回転方向が前述の場合と逆となり、相対運動部材２１は紙面左の方向に駆動される。
一方、コントローラ４６は、選択回路４７に、相対運動部材２１が紙面左の方向に駆動される旨の情報を与える。この結果、選択回路４７は、相対運動部材２１の進行方向の側にある圧電体１３ｐを選択し、その検出信号をコントローラ４６に入力する。よって、この場合には、コントローラ４６は、圧電体１３ｐが出力する検出信号に基づき、超音波モータ１の動作を制御する。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態の駆動装置４１では、選択回路４７が、相対運動部材が駆動される方向に応じて、２つある振動検出用の圧電体（１２ｐ、１２ｐ’）のいずれか一方を選択する。そして、コントローラ４７は、その選択された圧電体の検出信号に基づいて超音波モータ１の動作を制御し、相対運動部材が駆動される速度を調整する。ここで、選択回路４７が選択する圧電体は、相対運動部材が移動する方向の側において振動子１１に取り付けられている圧電体である。より詳細には、選択回路４７により選択される圧電体は、相対運動部材が移動する方向の側において、振動子１１に設けられた駆動力取出部の近傍に取り付けられている圧電体である。つまり、選択回路４７は、相対運動部材の駆動に最も寄与する駆動力取出部の振動特性を、最もよく反映する圧電体を選択し、その検出信号をコントローラ４６に入力する。この結果、コントローラ４６は、相対運動部材が行う相対運動の速度を、その方向によらず正確に検出でき、その速度を所定の値に一致させるべく、超音波モータ１の動作を適正に制御することができる。
【００２６】
（その他の実施形態）
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００２７】
１）上記実施形態では、選択回路は、コントローラからの命令に従い選択すべき圧電体を定める場合について説明したが、これは、選択回路が切換スイッチであり、外部からの人為的操作により選択する圧電体を切り換えることであってもよい。また、選択回路が、相対運動部材の移動方向を検出するエンコーダその他のセンサの出力に基づいて選択する圧電体を定めること、コントローラが移相器４３に与える位相差に関する命令に応じて選択する圧電体を定めること、又は、外部のコンピュータ等から通信により受けた命令に従い選択する圧電体を定めることであってもよい。さらには、選択回路が、超音波モータの駆動前に、振動検出用の圧電体の検査を行い、性能の良好な１又は２以上の圧電体を選択することとしてもよい。
【００２８】
２）上記実施形態では、振動検出用の圧電体（１２ｐ、１２ｐ’）がいずれも相対運動の速度という同一情報を検出するために用いられている場合を例に説明をしたが、これは、２つの圧電体がそれぞれ異なる情報を検出するために用いられることであってもよい。例えば、一方の圧電体を主に縦振動を検出できる位置において、他方の圧電体を主に屈曲振動を検出できる位置において弾性体に取り付け、前者により相対運動の速度を検出し、後者により振動子と相対運動部材との間の加圧力を検出することであってもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によれば、駆動装置は、振動アクチュエータの相対運動部材に対する相対運動の方向に応じて、その相対運動の状態を最も適正に検出する振動検出器を選択し、選択された振動検出器の出力を用いて振動アクチュエータの動作を制御するので、相対運動の方向によらず、常に、振動アクチュエータを適正に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る駆動装置により駆動される超音波モータを示す側面図である。
【図２】図１に示した超音波モータに用いられている振動子の斜視図である。
【図３】本発明に係る駆動装置を示すブロック図である。
【図４】従来の振動アクチュエータの振動子を示す斜視図である。
【符号の説明】
４１駆動装置
４２発振器
４３移相器
４４、４５増幅器
４６コントローラ
４７選択回路

Claims

振動子を相対運動部材に接触させることにより前記相対運動部材と相対運動を行う振動アクチュエータであって、少なくとも２つの振動検出器を前記振動子に備えた振動アクチュエータの駆動装置において、
前記振動検出器の出力を処理する処理部と、
前記振動検出器のいずれか１つ又は２つ以上を選択する選択部とを有し、
前記処理部は、前記選択部により選択された前記振動検出器の出力情報を処理する
ことを特徴とする駆動装置。
請求項１に記載の駆動装置において、
前記処理部は、前記選択部により選択された前記振動検出器の出力に基づいて前記振動アクチュエータの速度を制御する
ことを特徴とする駆動装置。
請求項１又は請求項２に記載の駆動装置において、
前記選択部は、前記振動アクチュエータの駆動状態に応じて、選択する前記振動検出器を変更する
ことを特徴とする駆動装置。
請求項１から請求項２に記載の駆動装置において、
前記選択部は、前記相対運動の方向に応じて、選択する前記振動検出器を変更する
ことを特徴とする駆動装置。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の駆動装置において、
前記振動子は、縦振動及び屈曲振動を励振され、所定位置に設けられた駆動力取出部に楕円運動を発生させる平板状又は柱状の弾性体を有し、前記駆動力取出部を前記相対運動部材に接触させることにより前記相対運動を行うものであり、前記選択部は、前記相対運動の方向に関し、前記振動子の後側に設けられた１つ又は２つ以上の前記振動検出器を選択する
ことを特徴とする駆動装置。
請求項５に記載の駆動装置において、
前記選択部は、前記相対運動の方向に関し、前記振動子の後側に位置する前記駆動力取出部の近傍に設けられた１つ又は２つ以上の前記振動検出器を選択する
ことを特徴とする駆動装置。
請求項５又は請求項６に記載の駆動装置において、
前記振動子は、前記相対運動の方向に関し前後対称の形状を有し、
前記少なくとも２つの振動検出器は、前記振動子に、前記相対運動の方向に関し前後対称の位置に設けられている
ことを特徴とする駆動装置。
所定の振動を行う弾性体と、
前記弾性体の異なる位置に設けられた２以上の出力取出部と、
それぞれ異なる前記出力取出部の振動特性を検出する２以上の振動検出器と
を備え、前記出力取出部を相対運動部材に接触させることにより、前記相対運動部材と相対運動を行う振動アクチュエータであって、前記出力取出部が前記相対運動部材に作用させる力の前記相対運動に寄与する率が、前記相対運動の方向により異なる振動アクチュエータを駆動する駆動装置において、
前記振動アクチュエータの動作を制御する制御部と、
前記相対運動に寄与する力が最大である前記出力取出部の振動特性を検出する前記振動検出器を選択する選択部と
を有し、
前記制御部は、前記選択部により選択された振動検出器の出力に基づいて前記振動アクチュエータの動作を制御する
ことを特徴とする駆動装置。
請求項８に記載の駆動装置において、
前記選択部は、前記制御部から得た前記相対運動の方向に関する情報に基づいて前記振動検出器を選択する
ことを特徴とする駆動装置。
請求項８に記載の駆動装置において、
前記制御部は、前記振動アクチュエータに第１の駆動信号と、前記第１の駆動信号と位相差を有する第２の駆動信号を与え、前記位相差の正負により前記相対運動の方向を制御するものであり、
前記選択部は、前記位相差の正負に関する情報に基づいて前記振動検出器を選択する
ことを特徴とする駆動装置。