JP3724087B2 - 振動アクチュエータの駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ（振動波モータ）等のような振動アクチュエータに用いる圧電体を駆動するための圧電体駆動回路を備えた振動アクチュエータの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動アクチュエータの一例として円環型の超音波モータが知られており、その一般的な構成を図４に示す。
図４（Ａ）は超音波モータの断面図であり、この超音波モータ２００は、互いに接着されているロータ２０１ａと摺動材２０１ｂとからなる移動子２０１と、これと同様に互いに接着されている弾性体２０２ａと圧電体２０２ｂとからなる固定子２０２によって構成されている。これらの移動子２０１と固定子２０２とは図示しない加圧手段により加圧接触された状態で駆動される。
【０００３】
図４（Ｂ）は圧電体２０２ｂにおける電極の配置を示す平面図である。電極２０２ｂ１、２０２ｂ２は入力電極であり、相互にπ／２の位相差をもち、超音波モータ２００毎に決められた周波数の正弦波電圧が印加される。電極２０２ｂ３は接地される共通電極である。電極２０２ｂ４はこの圧電体２０２ｂの励起には寄与しない電極である。
【０００４】
図４（Ｃ）は圧電体２０２ｂの入力電極群２０２ｂ１または２０２ｂ２と接地電極２０２ｂ３間の等価回路を示す。この等価回路は自己容量Ｃ０と、自己容量Ｃ０と並列接続されたインダクタンスＬ、容量Ｃ、抵抗Ｒの直列共振回路により表される。
【０００５】
これらのインダクタンスＬ、容量Ｃ、抵抗Ｒの直列共振回路に流れる電流はモーショナル電流と呼ばれ、その大きさは超音波モータ２００の駆動量すなわち回転速度に比例するものと考えられている。ここで、上述したインダクタンスＬ、容量Ｃ、抵抗Ｒによる直列回路のインピーダンスは、印加される周波電圧の周波数を変化させることで増減する。したがって、モーショナル電流の大きさは、振動体の振動周波数を可変制御することにより変化させることができ、その結果超音波モータ２００の駆動量を制御することが可能となる。
【０００６】
そこで、従来から超音波モータ２００の駆動量を調整する方法として、二つの方法が知られている。
第一の方法は、周波電圧の周波数を一定に維持しつつ、周波電圧の電圧値を変えることによりモーショナル電流を変化させるものである。また、第２の方法は、周波電圧の電圧値を変更せずに、周波数を前記直列共振回路の共振周波数の近傍で増減させ、モーショナル電流を変化させるものである。
【０００７】
次に、以上のようにロータ２０１ａ、摺動材２０１ｂ、弾性体２０２ａ、圧電体２０２ｂにより構成された超音波モータ２００の駆動量を、上述した第２の方法により調整する場合を一例として以下に説明する。
このような超音波モータ２００の駆動回路としては、図５のブロック図に示すような構成によるものが考えられている。すなわち、図４に示すような超音波モータ２００の駆動装置は、制御回路１と、ＶＣＯ（電圧制御発振器；以下、ＶＣＯという）２と、移相回路５と、圧電体駆動回路３（３Ａ，３Ｂ）、電源４等によって構成されている。
【０００８】
前記制御回路１は、その出力端子がＶＣＯ２に接続され、ＶＣＯ２に対して電圧Ｖｆの制御信号を出力することにより、前記超音波モータ２００の駆動量を制御する。
前記ＶＣＯ２は、その出力端子が移相回路５に接続しており、入力信号Ｖｆの電圧値に対応した周波数の論理信号Ｓａを出力する。
【０００９】
前記移相回路５は、ＶＣＯ２の出力論理信号Ｓａを、相互にπ／２だけ位相の異なった２種類の周波数信号にする回路であって、その出力は圧電体駆動回路３（３Ａ，３Ｂ）に接続されている。
前記圧電体駆動回路３Ａ、３Ｂは、移相回路５からの周波数信号を増幅した正弦波電圧を、それぞれ圧電体２０２ｂの電極２０２ｂ１、２０２ｂ２に入力する回路である。
【００１０】
前記圧電体２０２ｂ１，２０２ｂ２には、前記超音波モータ２００における固定子２０２によって決まる共振周波数近傍の周波数である正弦波電圧が、互いに時間的にπ／２位相をずらされて入力され、励振される。弾性体２０２ａに進行性振動波を発生させることで、この弾性体２０２ａに加圧接触された摺動材２０１ｂとロータ２０１ａからなる移動子２０１を駆動する。このような超音波モータの構成および動作については、たとえば日経メカニカル１９８３年２月２８日号や特開昭５９−２０４４７７号公報等に示されている通りであり、ここでの具体的な説明は省略する。
【００１１】
このような超音波モータ２００について検討すると、その共振周波数は共振次数毎に存在し、通常はそれらの中で最良の駆動特性を示す次数の共振周波数帯を超音波モータ２００の駆動周波数範囲として設定する。なお、駆動周波数範囲として予め設定された共振周波数帯域以外の共振周波数帯域でも超音波モータ２００を駆動することは可能であるが、隣り合う次数では駆動方向が逆転する。
【００１２】
たとえば前述した図４に示す圧電体２０２ｂでは、入力電極群２０２ｂ１、２０２ｂ２の中の一つの分極の周長がλ／２であるから、入力電極群２０２ｂ１，２０２ｂ２の周長はそれぞれ５λとなり、さらに接地電極２０２ｂ３が３λ／４、検出電極２０２ｂ４がλ／４であるから、電極全体の周長は１１λとなる。
このような圧電体２０２ｂの分極による波数と、超音波モータ２００を駆動したときにステータ（固定子２０２）上に発生する進行性振動波の波数が一致する状態、すなわち図４に示す例では１１波の進行波が発生する１１次の共振周波数帯が通常、超音波モータ２００の駆動周波数として用いられる共振周波数帯である。
【００１３】
この１１次の駆動周波数範囲の低周波側および高周波側には、図６に示すように、１０次の駆動周波数範囲と、１２次の駆動周波数範囲がある。すなわち、図６は上述した図５に示す一般的な駆動回路からなる駆動装置で超音波モータ２００を駆動した場合の駆動種波数ｆＤに対する駆動量Ｎの関係を表している。
【００１４】
前記超音波モータ２００が駆動を開始する周波数をｆｂ、制御上扱う振動波モータの最高速となる駆動周波数をｆｄとした場合、前記制御回路１は、Ｖｆ０からＶｆｍａｘの範囲で電圧制御を行い、ＶＣＯ２は、それに対応した論理信号Ｓｎとして、ｆ０からｆｍａｘの範囲の周波数を出力する。
たとえばｖＬの回転数で超音波モータ２００を回転させる場合、駆動周波数ｆＤはｆＨである。また、ｖＬよりも速い回転数ｖＨで超音波モータを回転させる場合は、駆動周波数ｆＤはｆＨよりも低い周波数であるｆＬを出力する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような構成による超音波モータ２００において、これに与える制御信号をステップ状に変化させ、ステップ応答の状態を測定したものが、図７である。
この図７では制御信号Ｖｆ、論理信号Ｓａに由来する駆動周波数ｆＤ、その時の超音波モータ２００の回転数Ｎを示している。
【００１６】
同図において、時間ｔ０からｔ１まで、制御信号ＶｆはＶｆＬであり、その時の駆動周波数ｆＤはｆＬ、回転数ＮはｖＬである。時間ｔ１に制御信号ＶｆをＶｆＬからＶｆＨに上げたとき、駆動周波数ｆＤは、それに伴い、ｆＨからｆＬへと下がるが、超音波モータ２００の回転数Ｎは、加速にエネルギを必要とするため、直ちにｖＨにはならず、徐々に加速し、ｖＨに収束するのは時間ｔ１よりＴｕだけ時間がかかった時間ｔ２となる。
【００１７】
次に、制御信号ＶｆをＶｆＨに保っていたものを時間ｔ３で、ＶｆＨからＶｆＬに下げた場合、駆動周波数はｆＬからｆＨへと上がる。このとき、超音波モータ２００の回転数Ｎは直ちにｖＨから減速し始める。減速した超音波モータ２００は一時的にｖＬを下回った後、時間ｔ３からＴｄだけ時間がかかった時間ｔ４までにｖＬへと収束する。
【００１８】
このように従来の超音波モータ２００の駆動装置によれば、超音波モータ２００を駆動した場合、加速にかかる時間Ｔｕと、減速にかかる時間Ｔｄが大きく変わってしまうことになる。
一般に、制御のパラメータを決定する際は、制御対象の特性より決まる伝達関数から数学的に決定されるが、このように加速の時間と減速の時間とが異なる場合、加速の伝達関数と、減速の伝達関数が異なってしまい、加速時と減速時で、別々のパラメータを決定しなくてはならない。
【００１９】
特に、これらを制御しようとすると、制御アルゴリズムが複雑になってしまうという問題点があり、たとえばカメラやレンズ鏡筒のような携帯用の機器に搭載するような制御装置には適さない。
【００２０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、超音波モータのような振動アクチュエータを駆動するに加速にかかる時間と停止のための減速にかかる時間とをほぼ同等にし、駆動時の加速、減速制御を同じパラメータで決定できるようにし、制御アルゴリズムを簡素化することを可能とする振動アクチュエータの駆動装置を得ることを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
このような目的に応えるために本発明に係る振動アクチュエータの駆動装置は、電気的エネルギを機械的エネルギに変換する電気機械変換素子の機械的振動運動を利用して駆動するにあたって、電源と、発振器と、振動アクチュエータに必要とされる変位速度の変化量に応じて制御信号を変化させる制御手段と、振動アクチュエータの運動エネルギが減少するときには、制御信号の変化が遅延するよう伝達関数を変換する伝達関数変換手段とを備えた構成としたものである。
【００２２】
また、本発明に係る振動アクチュエータの駆動装置は、上述した伝達関数変換手段を、振動アクチュエータの運動エネルギが上昇するときの伝達関数と、前記振動アクチュエータの運動エネルギが減少するときの伝達関数とを同一に扱えるように構成したものである。
【００２３】
本発明によれば、振動アクチュエータを駆動するにあたって、制御信号が振動アクチュエータに作用する途中過程において、振動アクチュエータの運動エネルギが減少するときには、制御信号の変化が遅延するよう伝達関数が変換される。
【００２４】
また、本発明によれば、振動アクチュエータの運動エネルギが上昇するときの伝達関数と減少するときの伝達関数とを同一に扱えるようにする手段を設けることにより、振動アクチュエータの状態によらず、一つのパラメータを決めることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１ないし図３は本発明に係る振動アクチュエータの駆動装置の一つの実施の形態を示すものであり、これらの図において、前述した図４以下と同一または相当する部分には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
【００２６】
この実施の形態では、図１に示すように、制御回路１とＶＣＯ２の間に、応答時間変換回路６を設け、ＶＣＯ２に入力される制御信号ＶｆをＶｆ’に変換している点において、図５に示した駆動装置と異なっている。
【００２７】
図２は本発明を特徴づける応答時間変換回路６の回路構成の一例を示し、この回路６を、演算増幅器６１、整流素子６２、抵抗６３、コンデンサ６４によって構成している。前記演算増幅器６１の「＋」入力端子には制御回路１からの制御信号Ｖｆが入力されている。また、前記演算増幅器６１の出力端子は、整流素子６２あるいは抵抗６３を介して、ＶＣＯ２に接続され、応答時間変換回路６の出力信号Ｖｆ’を出力するようになっている。
【００２８】
さらに、演算増幅器６１の「−」入力端子は、整流素子６２あるいは抵抗６３と、ＶＯＣ２との接続点Ａに接続され、応答時間変換回路６の出力信号Ｖｆ’の帰還がかけられている。前記抵抗６３の前記演算増幅器６１の出力端子と接続されている一端とは異なる一端、すなわち接続点Ａ側の一端は、コンデンサ６４を介して接地されている。
【００２９】
図３は本発明を特徴づける応答時間変換回路６の動作を説明する図であって、前記図７に対応するものである。
たとえば時間ｔ０のとき、制御信号ＶｆがＶｆＬである。この場合、演算増幅器６１の「＋」入力端子にＶｆＬが入力され、接続点ＡにはＶｆＬが出力されている。時間ｔ１の時、制御信号ＶｆをＶｆＬからＶｆＨに上げると、演算増幅器６１の「＋」入力端子にＶｆＨが加わる。
【００３０】
すると、演算増幅器６１の出力は、演算増幅器６１の「−」入力端子がＶｆＨと同電位になるまで、電位を上げる方向に働こうとする。そして、この演算増幅器６１の出力は、接続点Ａより電位が高くなるため、整流素子６２を電流が通過でき、演算増幅器６１は一般的なボルテージ・フォロワとしての働きをし、接続点Ａすなわち出力信号Ｖｆ’の出力は直ちにＶｆＨとなる。
【００３１】
次に、時間ｔ３で制御信号ＶｆをＶｆＨからＶｆＬに下げた場合、演算増幅器６１の出力もそれに追随して電位を下げる方向に作用する。
しかし、接続点Ａの電位に対して演算増幅器６１の電位が低いため、整流素子６２を電流が通ることができない。そのため、演算増幅器６１の出力は、抵抗６３を介して接続点Ａから電流を吸い込む形となる。この場合、この接続点Ａの電位すなわちコンデンサ６４の接地とは異なる一端の電位は、演算増幅器６１の出力する電位に対し、抵抗６３の抵抗値と、コンデンサ６４の容量値より決まる時定数をもって放電したときの過渡状態となる。そのため、演算増幅器６１の出力電位が下がっても、接続点Ａの電位は直ぐには下がらず、出力信号Ｖｆ’も時定数をもって下がる。
【００３２】
したがって、制御信号ＶｆをＶｆＨからＶｆＬにステップ状に下げたとき、出力信号Ｖｆ’がＶｆＨからＶｆＬになる時間が、Ｔｕになるように、応答時間変換回路６の抵抗６３とコンデンサ６４の素子の値を決めることにより、出力信号Ｖｆ’はｔ３からＴｕ時間後のｔ５でＶｆＬになることになる。
【００３３】
そして、駆動周波数ｆＤは、出力信号Ｖｆ’に依存するため、時刻ｔ０でｆＨであったものが、時間ｔ１で直ちにｆＨからｆＬとなり、時間ｔ３ではｆＬからＴｕだけ時間をかけて、時間ｔ５でｆＨとなる。
したがって、超音波モー２００の回転数Ｎは、時間ｔ１でｖＬであり、ｔ１から時間Ｔｕ後のｔ２においてｖＨに達する。次いで、回転数Ｎはｔ３でｖＨであるが、駆動周波数が時定数をもって、Ｔｕだけ時間をかけてｔ５でｆＨとなるので、回転数Ｎもｔ５までかかって、ｖＬへと達する。
【００３４】
以上のように応答時間変換回路６を用いることにより、図３に示すように、制御回路１が出力する制御信号Ｖｆによらず、振動は超音波モータ２００の応答特性を加速時とも、減速時とも一定に保つことができる。したがって、制御回路１から見た制御対象の加速時と減速時の伝達関数は同一とみなすことができ、制御回路１内にもつ制御パラメータは超音波モータ２００の加速、減速の状態によらないで一つのパラメータとして設定することができる。
【００３５】
なお、本発明は上述した実施の形態で説明した構造には限定されず、各部の形状、構造等を適宜変形、変更し得ることはいうまでもない。
たとえば上述した実施の形態においては、駆動周波数を制御することで、超音波モータ（振動波モータ）２００の変位速度（動作速度）の制御を行う場合を用いて説明したが、電圧を変化させることで制御する場合でも同様である。
【００３６】
また、上述した実施の形態においては、円環型の超音波モータ（振動波モータ）２００について説明をしたが、本発明はこれに限らず、リニア型の超音波（振動波）モータに対して適用することも可能である。
さらに、上述した実施の形態においては、振動アクチュエータの駆動装置における各機能を回路素子を用いて説明したが、同様の働きをするマイクロコンピュータなどを使用することも可能である。
【００３７】
以上説明したように本発明に係る振動アクチュエータの駆動装置によれば、電気機械変換素子の機械的振動運動を利用して駆動するにあたって、電源と、発振器と、振動アクチュエータに必要とされる変位速度の変化量に応じて制御信号を変化させる制御手段と、振動アクチュエータの運動エネルギが減少するときには、制御信号の変化が遅延するよう伝達関数を変換する伝達関数変換手段を設けることにより、簡単な構成であるにもかかわらず、以下に述べる優れた効果を奏する。
【００３８】
本発明によれば、振動アクチュエータを駆動するにあたって、制御信号が振動アクチュエータに作用する途中過程において、振動アクチュエータの運動エネルギが減少するときには制御信号の変化が遅延するよう伝達関数を変換することにより、加速時と減速時の伝達関数を同一とし、振動アクチュエータの駆動時の加速、減速制御を同じパラメータで決定するようにし、制御アルゴリズムを簡素化することができる。
【００３９】
特に、本発明に係る振動アクチュエータの駆動装置によれば、伝達関数変換手段を、振動アクチュエータの運動エネルギが上昇するときの伝達関数と、前記振動アクチュエータの運動エネルギが減少するときの伝達関数とを同一に扱えるように構成することにより、振動アクチュエータの状態によらず、一つのパラメータを決めることができ、装置構成の簡素化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る振動アクチュエータとしての超音波モータの駆動装置の一つの実施の形態を示すブロック図である。
【図２】 図１における応答時間変換回路を示す回路図である。
【図３】 図１、図２の実施の形態での振動アクチュエータの駆動装置の動作特性を説明するための時間に対する制御信号、出力信号、駆動周波数、回転数の関係を示す特性図である。
【図４】 振動アクチュエータとしての円環型超音波モータの一般的な構成を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は圧電体の電極配置を示す平面図、（Ｃ）は等価回路を示す回路図である。
【図５】 振動アクチュエータを駆動する駆動装置の一例を例示するブロック図である。
【図６】 振動アクチュエータの駆動特性を説明するための駆動周波数に対する駆動量を示す特性図である。
【図７】 一般的な振動アクチュエータの駆動装置の動作特性を説明するための時間に対する制御信号、駆動周波数、回転数の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１…制御回路、２…ＶＣＯ（電圧制御発振器）、３（３Ａ，３Ｂ）…圧電体駆動回路、４…電源、５…移相回路、６…応答時間変換回路、２０…回路用電源、６１…演算増幅器、６３…抵抗、６４…コンデンサ、２００…超音波モータ（振動アクチュエータ）。

Claims (3)

1. 電気的エネルギを機械的エネルギに変換する電気機械変換素子の機械的振動運動を利用して駆動する振動アクチュエータの駆動装置において、
   電源と、
   発振器と、
   前記振動アクチュエータに必要とされる変位速度の変化量に応じて制御信号を変化させる制御手段と、
   前記振動アクチュエータの運動エネルギが減少するときには、前記制御信号の変化が遅延するよう伝達関数を変換する伝達関数変換手段と
   を備えたことを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
2. 請求項１記載の振動アクチュエータの駆動装置において、
   伝達関数変換手段を、
   前記振動アクチュエータの運動エネルギが上昇するときの伝達関数と、前記振動アクチュエータの運動エネルギが減少するときの伝達関数とを同一に扱えるように構成した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記載の振動アクチュエータの駆動装置において、
   前記制御手段は、前記電気機械変換素子に印加する周波電圧の周波数を変化させることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。

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