JP3722165B2 - 振動アクチュエータの駆動装置及び振動アクチュエータの駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気機械変換素子によって振動する振動子、及び前記振動子に加圧接触して前記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材を有する振動アクチュエータの駆動装置、及び振動アクチュエータの駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動アクチュエータは、圧電体等の電気−機械エネルギー変換素子（以下、「電気機械変換素子」という。）に電気信号を供給することにより、電気機械変換素子に圧接される弾性体に振動を発生させ、その振動により移動体を摩擦駆動するものである。
従来より、振動アクチュエータとしては、（１）円環型超音波進行波モータ、（２）進行波を用いたリニア型超音波モータ、（３）円筒状の弾性体に進行波を発生させることにより移動子を駆動する形式の超音波モータ、（４）円筒型弾性体に定在波を発生させ、その定在波により移動子を駆動するロッド型振動波モータ、等が知られている。
【０００３】
図４は、従来の振動アクチュエータの１つである円環型超音波モータの一例を示す断面図である。弾性体１０１は、外周側に伸びたフランジ上の支持部を有しており、この支持部が所定の部材（図示せず）に固定されている。弾性体１０１の下側には、電気機械変換素子の一種である圧電体１０２が固着されている。圧電体１０２には、セグメント電極が集合してなる電極群（図示せず）が２群形成されている。そのセグメント電極は、交互に反対方向に分極され、各々の電極群は、位置的にπ／２の位相差を有するように配置されている。
【０００４】
移動体１０３は、ロータ１０５と、ロータ１０５に固着された摺動材１０４とから構成されている。移動体１０３は、加圧手段（図示せず）により弾性体１０１に加圧接触されている。以上の弾性体１０１、圧電体１０２、及び移動体１０３（ロータ１０５、摺動材１０４）により、振動アクチュエータ１００が構成されている。
【０００５】
圧電体１０２の各電極群に相互にπ／２の位相差を有する駆動交流信号を加えると、弾性体１０１は、圧電体１０２の振動により励振され、弾性体１０２に進行波が発生する。この進行波により、弾性体１０２に加圧接触された移動体１０３が摩擦駆動される。
【０００６】
図５は、従来の円筒形の形状を有するロッド型の振動アクチュエータの一例を示す外観図である。弾性体１１０と１１１との間には、圧電体１１２及び１１３が挟み込まれている。また、弾性体１１０と１１１とは、圧電体１１２を挟んで機械的に結合されている。
圧電体１１２及び１１３は、それぞれ縦振動及びねじり振動を発生させるための電気機械変換素子の一種である。また、移動子は、弾性体１１０、ロータ１１４及び摺動材１１５から構成されており、ロータ１１４と弾性体１１１とが加圧接触されている。
圧電体１１２及び１１３に相互に位相差を有する駆動交流信号を与えることにより、移動子と接する面に振動波が発生し、移動子が摩擦駆動される。
【０００７】
他の振動アクチュエータについては説明を省略するが、いずれの形式の振動アクチュエータでも、弾性体に発生させた振動により、移動子又は負荷物を摩擦駆動させるものである。
これらの振動アクチュエータは、電気機械変換素子の振動により弾性体を共振振動状態として用いている。従って、駆動交流信号の周波数を変更することにより、弾性体の振動の振幅を変化させることができる。この振動の振幅を変化させることにより、振動アクチュエータの駆動速度を設定している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の従来の振動アクチュエータでは、以下の課題があった。
図６は、常温（２５℃）における振動アクチュエータの特性の一例を示すグラフである。図６において、通常用いられる共振周波数帯域においては、駆動交流信号の周波数を変化させることにより、振動アクチュエータの駆動速度を設定することができる。そして、その周波数が高ければ駆動速度は遅くなり、その周波数が低ければ駆動速度は速くなる。周波数を低くしていくと、振動アクチュエータの共振周波数の極近傍に到達し、この位置では駆動が不安定となる。さらに周波数を低くすると、駆動速度は遅くなり、やがては停止する。また、駆動交流信号の大きさは、振動アクチュエータの駆動効率が良好となるように設定する。
【０００９】
図６に示す特性を有する場合には、極低速から振動アクチュエータを駆動することができる。しかし、振動アクチュエータを駆動する環境が低温になると、特性が大きく変化する。
図７は、低温（−２０℃）における振動アクチュエータの特性の第１の例を示すグラフである。図７に示す特性を有する場合には、駆動交流信号の周波数を高周波側から（低速で）振動アクチュエータを起動し、駆動交流信号の周波数を図中矢印の方向に（低周波側に）変化させ、駆動速度を速くさせていくと、周波数ｆ１において突然停止してしまう。
【００１０】
また、図８は、低温（−２０℃）における振動アクチュエータの特性の第２の例を示すグラフである。図８に示す特性を有する場合には、駆動交流信号の周波数ｆ０で駆動していた振動アクチュエータの駆動速度を遅くするために、駆動交流信号の周波数を高周波側に変化させていくと、周波数ｆ２において突然停止してしまう。
【００１１】
さらにまた、図９は、低温（−２０℃）における振動アクチュエータの特性の第３の例を示すグラフである。図９に示す特性を有する場合には、駆動速度を低速から高速にするため、駆動交流信号の周波数を高周波側から低周波側に変化させてゆくと、周波数ｆ３までは起動せず、周波数がｆ３となったときに、突然起動する。そして、周波数を低周波側に変化させていくと、周波数ｆ４において駆動が不安定となり突然停止してしまう。これは、振動アクチュエータの共振周波数の極近傍となったときに発生するものであり、常温の場合とは異なる周波数で発生するものである。
【００１２】
以上の図７〜図９では、低温（−２０℃）における振動アクチュエータの特性の一例を示したが、高温（６０℃）における環境下でも同様の特性、特に図９に示すような特性に変化する場合がある。
このような環境温度の変化による振動アクチュエータの特性の変化の原因としては、弾性体と圧電体との膨張係数の相違による変形、圧電体の特性の変化、弾性体と圧電体とを固着する接着剤の物性値の変化、摺動材と弾性体との摩擦係数の変化、摺動材の物性の変化、摩擦特性の変化等があげられ、これらの要因が絡み合って発生していると考えられる。ロータと摺動材とから移動子を形成せずに１つの材料から移動子を形成した場合も、同様の問題が発生する。
【００１３】
このような現象が発生すると、振動アクチュエータが起動不可能となったり、あるいは駆動速度を制御しているときに突然停止してしまう等、正常な駆動ができなくなるという問題がある。また、目標駆動速度を得ることができないという問題がある。特に、振動アクチュエータの駆動速度をエンコーダ等により検出し、目標駆動速度と比較することにより振動アクチュエータの駆動交流信号の周波数をフィードバック制御するような場合にあっては、制御パラメータである周波数と駆動速度との関係が不連続となるという問題がある。
以上の現象は、円環型、円筒型及びリニア型のいずれの振動アクチュエータにおいても発生する。また、用いる材料等によっては、前述した変化とは異なる変化具合を示す場合もあるが、温度によって変化する現象であるので、同様に考えることができる。
【００１４】
本発明の課題は、環境温度が変化しても安定して振動アクチュエータを駆動することができるようにすることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、電気機械変換素子によって振動する振動子、及び前記振動子に加圧接触して前記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材を有する振動アクチュエータの駆動装置において、前記振動アクチュエータを駆動する環境の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出された温度が常温よりも低い温度となった場合に、前記電気機械変換素子に供給する駆動信号を、常温時の駆動電圧よりも高い駆動電圧でかつ周波数制御された駆動信号とする制御部とを備えることを特徴とする。
請求項２の発明は、電気機械変換素子によって振動する振動子、及び前記振動子に加圧接触して前記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材を有する振動アクチュエータの駆動装置において、前記振動アクチュエータを駆動する環境の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出された温度が常温よりも高い温度となった場合に、前記電気機械変換素子に供給する駆動信号を、常温時の駆動電圧よりも高い駆動電圧でかつ周波数制御された駆動信号とする制御部とを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータの駆動装置において、前記振動アクチュエータの駆動速度を検出する駆動速度検出部と、前記駆動速度検出部により検出された速度と目標駆動速度とを比較して、前記電気機械変換素子に供給する電気信号の周波数をフィードバック制御する周波数制御部とを備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、電気機械変換素子によって振動する振動子、及び前記振動子に加圧接触して前記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材を有する振動アクチュエータの駆動方法において、前記振動アクチュエータを駆動する環境の温度を検出し、その検出した温度が常温よりも低い温度または高い温度の場合には、常温時の駆動電圧よりも高い駆動電圧でかつ周波数制御された駆動信号を前記電気機械変換素子に供給することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
先ず、本発明にあたり、低温の環境下において、駆動交流信号の電圧値を常温時より高くすることにより、前述した問題等なく振動アクチュエータを駆動することができることが判明した。さらに、高温の環境下においても、駆動交流信号の電圧値を制御することにより、前述した問題等なく振動アクチュエータを駆動することができることが判明した。
また、駆動交流信号の電圧値と振動アクチュエータの駆動効率との関係において、同一の出力を得る場合には、電圧値が低いほど高効率が得られることも判明した。
【００１９】
このため、いかなる状況下でも電圧値を常に高くすると、駆動効率が悪い状態で振動アクチュエータを駆動する場合が発生することとなる。
ところで、前述の図６〜図９における駆動交流信号の電圧値は、いずれも３０（ＶＲＭＳ）である。図１０は、低温（−２０℃）において駆動交流信号の電圧を４０（ＶＲＭＳ）としたときの特性の一例を示すグラフである。図１０に示すように、電圧値が４０（ＶＲＭＳ）のときは前述した問題は発生しない。これは、圧電体に高電圧を印加することにより、弾性体に発生する振動が大きくなり、駆動力が増強されるためである。そして、弾性体と摺動材との摩擦係数の変化、弾性体及び摺動材の温度変化による変形、圧電素子の温度による特性変化等の低温度環境下での特性の変化が補われるためである。
【００２０】
図１１は、振動アクチュエータの環境温度と、前述の問題が発生しない駆動電圧との関係を示すグラフである。ここで、これらの関係は、振動アクチュエータの形状、材料、製造方法等により異なるものである。
そこで、本発明は、振動アクチュエータを駆動する環境温度に応じて、振動アクチュエータに入力する駆動交流信号の電力を制御するようにしたものである。
【００２１】
図１は、本発明による振動アクチュエータの駆動装置の第１の実施形態を示すブロック図である。本実施形態における振動アクチュエータは、従来例で示した振動アクチュエータ１００（図４）を例にあげている。
速度設定手段１は、電圧制御発信器２の出力周波数を設定するための電圧を出力する手段である。速度設定手段１の出力電圧は、任意に設定可能であり、その出力は、電圧制御発信器（ＶＣＯ）２に入力される。電圧制御発信器２は、入力電圧によって出力信号の周波数が変化するものである。電圧制御発信器２の出力信号は、矩形波信号であり、その周波数は、振動アクチュエータ１００を駆動する駆動交流信号の周波数のｎ倍となるように設定されている。
【００２２】
電圧制御発信器２の出力は、分周位相器３に入力され、その周波数は１／ｎの周波数となり、相互にπ／２の位相差を持つ２つの正弦波信号に変換される。この信号の周波数は、振動アクチュエータ１００を駆動するための駆動交流信号と同一の周波数となる。
分周位相器３の出力信号は、電力増幅器５，６に入力される。電力増幅器５，６は、電源７から電力が供給され、駆動交流信号を振動アクチュエータ１００の駆動に必要なものとするために、その振動を増幅するものである。電力増幅器５は、図２に示すように、電圧制御増幅器（ＶＣＭ）５−１と、電力増幅器５−２とを備える（電力増幅器６も同様である）。これにより、電力増幅器５の増幅率は、電圧制御増幅器５−１の増幅率と、電力増幅器５−２の増幅率とによって決定されることになる。従って、電圧制御増幅器５−１の増幅率を変えることにより、振動アクチュエータ１００に与える駆動交流信号を制御することができる。
【００２３】
電圧制御増幅器５−１の増幅率は、交流信号制御手段４の出力電圧により決定される。
交流信号制御手段４は、図２に示すように、温度検出素子４−１と、増幅・補正回路４−２とを備える。温度検出素子４−１は、従来より公知の半導体温度検出器、サーミスタ、熱伝対等によるものであり、振動アクチュエータを用いる環境に設置され、その環境温度を検出するものである。
増幅・補正回路４−２は、電圧制御増幅器５−１を制御するために、温度検出素子４−１の出力を必要な電圧にまで増幅するとともに、温度検出素子４−１で検出した温度で必要な駆動交流信号となるように温度検出素子４−１の出力特性を補正するものである。
【００２４】
この方法としては、例えば以下のような構成にすれば良い。先ず温度検出素子４−１の出力をそのまま、又は増幅しＡ／Ｄ変換してマイクロプロセッサーに取り込み温度を判定する。次に、その環境で必要な駆動交流信号を得るために必要な電圧制御増幅器５−１の増幅率を、予め与えた実験データ等により求める。そして、それに対応した値が電圧制御増幅器５−１に与えられるように、Ｄ／Ａ変換器を介して補正データを出力する。ここで、振動アクチュエータの種類等により駆動交流信号の必要値は異なるので、その振動アクチュエータに適した補正をしなければならない。温度変化により電圧制御増幅器５−１の増幅率を直線的に可変すれば良い場合には、単に増幅して出力するような構成で良い。
以上のような構成とすることで、振動アクチュエータ１００を駆動する環境温度が変化しても、常に安定した駆動を行うことができる。
【００２５】
図３は、本発明による振動アクチュエータの駆動装置の第２の実施形態を示すブロック図である。第１の実施形態では、振動アクチュエータ１００の駆動交流信号として正弦波を与えるものであるが、第２の実施形態は、駆動交流信号としてパルス波形、又は擬似正弦波状の波形を与えるものである。ここで、パルス波形を擬似正弦波状の波形にするには、パルス波形をインダクタンスを介して圧電体の有する自己容量と共振させることにより行う。
【００２６】
第２の実施形態では、分周位相器３の出力信号は、矩形波である。電力増幅器５は、出力スイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）５−１１，５−１２と、出力スイッチング素子５−１１，５−１２をスイッチング動作させるために分周位相器３の出力信号を必要な信号レベルに変換するためのレベル変換回路５−１３とを備える。電力増幅器５は、電源７から供給される電源電圧レベルに信号を増幅する。増幅された信号は、インダクタンス５−１４を介して振動アクチュエータ１００に供給される。電力増幅器６も電力増幅器５と同様である。その他の構成は、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００２７】
第２の実施形態では、図３に示すように交流信号制御手段４の出力を用いて電源７の出力電圧を制御すれば良い。この場合には、電源７は、従来より公知の可変出力電源となる。電源７の出力電圧が高くなると、駆動交流信号の値は大きくなり、電源７の出力電圧が低くなると、駆動交流電圧の値は小さくなる。従って、第１の実施形態と同様に、交流信号制御手段４により駆動交流信号を制御することができる。
【００２８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、均等の範囲内で以下のような種々の変形が可能である。
例えば、第２の実施形態において、出力スイッチング素子５−１１，５−１２のオン／オフのデューティ比を制御するデューティ比制御回路を設け、それを交流信号制御手段４の出力により制御するようにしても良い。
また、本実施形態では、駆動交流信号の電圧値を制御するようにしたが、電流値を制御するようにしても同様の効果を得ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、環境温度が変化しても、安定して、かつ効率良く振動アクチュエータを駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による振動アクチュエータの駆動装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の交流信号制御手段４及び電力増幅器５の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明による振動アクチュエータの駆動装置の第２の実施形態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１つである円環型超音波モータの一例を示す断面図である。
【図５】従来の円筒形の形状を有するロッド型の振動アクチュエータの一例を示す外観図である。
【図６】常温（２５℃）での振動アクチュエータの特性の一例を示すグラフである。
【図７】低温（−２０℃）における振動アクチュエータの特性の第１の例を示すグラフである。
【図８】低温（−２０℃）における振動アクチュエータの特性の第２の例を示すグラフである。
【図９】低温（−２０℃）における振動アクチュエータの特性の第３の例を示すグラフである。
【図１０】低温（−２０℃）において駆動交流信号の電圧を４０（ＶＲＭＳ）としたときの特性の一例を示すグラフである。
【図１１】振動アクチュエータの環境温度と、問題が発生しない駆動電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 速度設定手段
２ 電圧制御発信器
３ 分周位相器
４ 交流信号制御手段
４−１ 温度検出素子
４−２ 増幅・補正回路
５ 電力増幅器
５−１ 電圧制御増幅器
５−２ 電力増幅器
６ 電力増幅器
７ 電源
１００ 振動アクチュエータ

Claims (4)

1. 電気機械変換素子によって振動する振動子、及び前記振動子に加圧接触して前記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材を有する振動アクチュエータの駆動装置において、
   前記振動アクチュエータを駆動する環境の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部により検出された温度が常温よりも低い温度となった場合に、前記電気機械変換素子に供給する駆動信号を、常温時の駆動電圧よりも高い駆動電圧でかつ周波数制御された駆動信号とする制御部と
   を備えることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
2. 電気機械変換素子によって振動する振動子、及び前記振動子に加圧接触して前記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材を有する振動アクチュエータの駆動装置において、
   前記振動アクチュエータを駆動する環境の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部により検出された温度が常温よりも高い温度となった場合に、前記電気機械変換素子に供給する駆動信号を、常温時の駆動電圧よりも高い駆動電圧でかつ周波数制御された駆動信号とする制御部と
   を備えることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータの駆動装置において、
   前記振動アクチュエータの駆動速度を検出する駆動速度検出部と、
   前記駆動速度検出部により検出された速度と目標駆動速度とを比較して、前記電気機械変換素子に供給する電気信号の周波数をフィードバック制御する周波数制御部と
   を備えることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
4. 電気機械変換素子によって振動する振動子、及び前記振動子に加圧接触して前記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材を有する振動アクチュエータの駆動方法において、
   前記振動アクチュエータを駆動する環境の温度を検出し、その検出した温度が常温よりも低い温度または高い温度の場合には、常温時の駆動電圧よりも高い駆動電圧でかつ周波数制御された駆動信号を前記電気機械変換素子に供給する
   ことを特徴とする振動アクチュエータの駆動方法。

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