JP4086536B2 - 振動波駆動装置及びその駆動回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性体に振動を発生させ、その振動を利用して弾性体に接触する移動体に駆動力を与える超音波モータ等の振動波駆動装置とその駆動回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
振動波駆動装置の1つであり、ステータを構成する弾性体に進行波を発生させる超音波モータは、弾性体と圧電素子からなるステータに位相の異なる複数の定在波を生じさせ、この定在波を合成することで進行波を発生させるものである。
【0003】
図7はこの超音波モータの円環状ステータに設けられた圧電素子の電極パターンを示したものである。図7の略右半分の電極領域が第1の定在波(A相)を発生させるための第1の電極群であり、略左半分の電極領域が第2の定在波(B相)を発生させるための第2の電極群である。第1の電極群に不図示の駆動回路によって駆動信号を印加すると、ステータ全体に第1の定在波振動が生じる。第2の電極群に不図示の駆動回路によって駆動信号を印加すると、ステータ全体に第2の定在波振動が生じる。第1の定在波と第2の定在波は波長λが等しく、第1の電極群と第2の電極群とは互いの位相がこの波長λの1/4だけずれて配置されている。この2つの定在波を時間的に90度ずらして発生させると、弾性体には進行波が発生する。
【0004】
上記方式の超音波モータの場合、第1の電極群で発生した第1の定在波は第1の電極群から離れるほど振動振幅が減衰し、振動波長も異なってくる。同様に、第2の電極群で発生した第2の定在波は第2の電極群から離れるほど振動振幅が減衰し、振動波長も異なってくる。
【0005】
つまり、A相の振動振幅および振動波長は第1の電極群部分と第2の電極群部分で完全に等しい状態とはならず、B相の振動振幅および振動波長も第1の電極群部分と第2の電極群部分で完全に等しい状態とはならなかった。結果的に第1の定在波と第2の定在波を合成して得られる進行波の振動振幅が場所によって異なってしまい、超音波モータの出力を低下させる原因となっていた。また、振動振幅にムラがある状態で超音波モータを長時間駆動すると、振動体の摩耗量が場所によって異なってしまい、この摩耗量のムラによっても時間と共に出力が低下してしまうという問題点もあった。
【0006】
上記問題を解決するために特開2000−333477号公報では、図8に示すように第1の定在波(A相)を発生させる電極群と第2の定在波(B相)を発生させるための電極群をそれぞれ分割し、境界を波長λの1/4だけ空けて第1および第2の電極郡が交互に並ぶよう配置している。このような構成にすることにより、定在波の振動振幅が減衰する程度を抑えることができるようになる。
【0007】
しかし、上記特開2000−333477号公報に開示された発明も、振動振幅のムラの程度を多少抑える方法にしかすぎない。ゆえに、第1の定在波と第2の定在波の振動が振動体全体において均等に励振されない現象は解消されておらず、進行波の振幅および波長は依然として部位による差が生じてしまう。
【0008】
進行波の振幅および波長にムラが生じる原因は他にもある。
【0009】
図7,8に示した電極パターンは、圧電素子の厚み方向に「+」方向に分極された電極領域と「−」方向に分極された電極領域とが隣接するように形成されている。この「+」方向に分極された電極領域のほぼ中央部と「−」方向に分極された電極領域のほぼ中央部では、電気力線は厚み方向と平行に走っているが、「+」方向に分極された電極領域と「−」方向に分極された電極領域の境界部では、電気力線は厚み方向と直交する方向に電極領域をまたぐように走っている。この電気力線の走る方向によって圧電素子の縦弾性係数には差が生じてしまうため、圧電素子の剛性は部位によって差が生じてしまう。そのために進行波の伝播速度が部分的に変化してしまい、進行波の振動振幅および波長にムラが生じてしまう。
【0010】
このような分極方向が異なることによる剛性のムラを改善するために、特開2001−157473号公報では図9に示す圧電素子の構成が提案されている。この圧電素子の電極パターンは、振動波長λの1/4毎に電極領域を区切り、これらの電極領域を交互に第1の定在波を発生させる第1の電極群、第2の定在波を発生させる第2の電極群として割り当ててある。これらの定在波を発生させるための電極領域は、全ての電極領域において同一方向に分極されている。隣接する電極領域が同一方向に分極されているので、これらの電極領域の電気力線は全て厚み方向と平行に走ることになり、圧電素子の剛性は部位によって差が生じることがない。
【0011】
なお、図9に示すものは後述するように4相駆動に適した形態であって、3相駆動等の他の駆動形態でも実現できる。そのためには、進行波の波長λに相当する電極領域に合成する定在波の整数倍に等しい電極領域を設け、これらの電極領域を同一方向に分極すればよい。
【0012】
図9に戻って、3つおきに配置された+A相の電極領域には同一の駆動振動を印加する。この+A相の時計回り方向に隣接する+B相の電極領域には、+A相の駆動信号とは時間的に90度ずれた駆動信号を印加する。この+B相の時計回り方向に隣接する−A相の電極領域には、+A相の駆動信号とは逆の位相となる駆動信号を印加する。そして、−A相の時計回り方向に隣接する−B相の電極領域には、+B相の駆動信号とは逆の位相となる駆動信号を印加する。これらの各電極領域は、駆動信号を印加することで発生する定在波の波長λの1/4の間隔で配置されている。上述した駆動信号を印加すると、圧電素子には互いの位相が波長λの1/4だけずれた第1の定在波と第2の定在波が発生する。第1の定在波を発生させる第1の電極群と第2の定在波を発生させる第2の電極群とは、共に圧電素子の全周にわたって等間隔で配置されているため進行波にムラは生じない。
【0013】
図10は図9の圧電素子を使用した超音波モータの回路構成を示すブロック図である。発振回路1で超音波モータの駆動周波数に相当する交流信号を生成し、この交流信号を位相シフタ2に入力し、90度位相のずれた交流信号を生成する。この90度位相のずれた交流信号をさらに別の位相シフタ2に入力し、発振回路1による交流信号とは180度位相のずれた交流信号を生成する。この180度位相のずれた交流信号をさらに別の位相シフタ2に入力し、発振回路1による交流信号とは270度位相のずれた交流信号を生成する。このように90度ずつ位相の異なる交流信号を生成し、それぞれが昇圧回路3によって超音波モータが駆動可能な電圧まで昇圧され、順に90度ずつ位相のずれた+A相電圧、−A相電圧、+B相電圧、−B相電圧が生成される。これらの電圧波形を図11に示す。
【0014】
この+A相電圧、−A相電圧、+B相電圧、−B相電圧をそれぞれ上述した+A相の電極領域、−A相の電極領域、+B相の電極領域、−B相の電極領域に印加すると、振動振幅が均一である進行波が発生する。このような構成をとることで、出力が高く、部分的にステータが摩耗することのない超音波モータを実現することができる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
図9に示すように圧電素子の電極パターンを形成することで進行波の振動振幅は均一にできるが、図10に示すように4相の交流信号を発生させる回路が必要となり、回路は複雑になってしまっていた。
【0016】
また、図9に示す構成では、振動体の振動を検出するためのセンサ相となる電極領域を確保できなかった。センサ相となる電極領域を設けると、このセンサ相となる電極領域にだけ駆動信号が印加されないことになり、振動振幅にムラが生じてしまうからである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願請求項1記載の発明は、全ての電極領域が同一方向に分極された円環状の電気−機械エネルギー変換素子を弾性体に固着し、該電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、位相の異なる複数の振動を合成して成る進行波を発生させる振動波駆動装置において、該複数の振動の各振動において、該進行波の波長の整数倍の間隔を有して等間隔で位置する電極領域のみを、該振動を発生させるための交番電圧が印加される電極領域とすることを特徴とするものである。
【0018】
同様に上記課題を解決するため、本願請求項5記載の発明は、該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域のうち少なくとも1つにおいて発生する電圧を検出し、該検出した電圧に応じて該交番電圧の周波数、電圧振幅、あるいは、電圧位相差のうちいずれかを変化させることを特徴とする上記の振動波駆動装置の駆動回路とするものである。
【0019】
同様に上記課題を解決するため、本願請求項6記載の発明は、該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域のうち少なくとも1つにおいて発生する電圧を用いた自励発振回路を有し、該自励発振回路の出力信号を用いて該交番電圧を生成することを特徴とする上記の振動波駆動装置の駆動回路とするものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図である。発振回路1、位相シフタ2、および、昇圧回路3の動作については図10で説明したものと同様であるので説明を省略する。
【0021】
また、本実施の形態における圧電素子の電極パターンは、上述した図9の電極パターンと同一であり、全ての電極領域が同一の厚み方向に分極されている。よって周方向の剛性のムラは生じない。
【0022】
本実施の形態における超音波モータの駆動回路は、全て同一方向に分極された電極領域を有する圧電素子に対して、2相の駆動振動により2相の定在波を発生させ、この2相の定在波を合成して進行波を形成する。
【0023】
図2に本実施の形態における駆動信号の電圧波形を示す。図9の電極パターンにおける+A相の電極領域と+B相の電極領域のみに、互いの時間的位相が90度異なる交番電圧を印加する。つまり、進行波を形成するための第1の定在波と第2の定在波のそれぞれにおいて、1波長の一方の腹に相当する電極領域のみに交番電圧を印加することになる。それぞれの定在波を発生させるために交番電圧が印加される電極領域は、円環状の振動体の全周にわたって等間隔に配置されるため、振動振幅を均一にすることができる。このとき−A相の電極領域と−B相の電極領域は電気的に開放された状態となっている。
【0024】
図1ではA相、B相それぞれの定在波の腹に相当する電極領域であって、1周期毎に位置する電極領域に交番電圧を印加しているが、本発明はこれに限られるものではない。定在波の2周期毎、あるいは3周期毎に位置する電極といった振動波長の整数倍の領域に対して1箇所の電極領域に交番電圧を印加する形態であっても同様の効果が得ることができる。
【0025】
以上のように本実施の形態によれば、進行波にムラを生じさせない振動体を有し、かつ、駆動回路を従来よりも減らした超音波モータの駆動回路を構成することができる。本実施の形態では使用しない電極は電気的に開放状態としたが、接地状態としてもよいものとする。
【0026】
(第2の実施の形態)
図3は本発明の第2の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図である。本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、図1に示すようなA相およびB相の2相の交番電圧を印加して駆動を行う。
【0027】
本実施の形態では、駆動信号である交番電圧の印加に用いられない電極領域のうち、A相の振動の腹にあたる部分の電極領域の電圧を振動モニタ信号として制御回路4に入力する。これにより、振動体の振動振幅を検知している。
【0028】
図10に示す回路構成の場合、振動モニタ信号を得るための電極領域を一つ確保しようとすると、その電極領域にだけ駆動信号が印加されないことになり、振動振幅のムラが生じてしまう。しかし本実施の形態によれば、もともと駆動信号の印加には用いていない電極領域から振動モニタ信号を得るので、駆動信号を円環状の振動体の全周にわたって均等に印加することができ、振動振幅のムラが生じることはない。
【0029】
制御回路4では振動振幅が所定の値になるように、発振回路1および位相シフタ2の出力を調整して、超音波モータの駆動周波数、駆動電圧、あるいは、2相の交流信号の位相差を制御する。その結果、超音波モータの駆動状態を一定に保つことが可能となる。
【0030】
また、公知の方法であるので詳細は説明しないが、前記振動モニタ信号と駆動電圧の位相差が所定の値になるように駆動周波数を制御する方法であっても良い。
【0031】
本実施の形態では振動状態を検出するために、駆動信号を印加しない電極のうち、いずれかの相の定在波の腹にあたる部分の電圧をモニタ信号として使用したが、本発明はこれに限られるものではなく、電圧を供給しない複数の電極の信号を電気的に接続してモニタ信号として使用しても良い。複数の電極の信号を電気的に接続することによって、振動状態を平均化することができる。また、駆動にも検出にも使用されない電極は電気的に開放状態または接地状態のいずれかの状態にしておく。
【0032】
以上のように本実施の形態によれば、上述した第1の実施の形態の効果に加え、圧電素子の電極領域から振動モニタ信号を得て超音波モータの駆動状態を一定に保つ制御を行うことが可能となる。
【0033】
(第3の実施の形態)
図4は本発明の第3の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図である。本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、図1に示すようなA相およびB相の2相の交番電圧を印加して駆動を行う。
【0034】
本実施の形態では、駆動信号である交番電圧の印加に用いられない電極領域の電圧をRMS/DC変換器8により振幅情報に変換し、その出力を電圧変動検出回路5に入力している。この電圧変動検出手段で検出した電圧変動の回数をカウンタ回路6により計測することにより、超音波モータの回転角度を検出している。以下に詳細を説明する。
【0035】
超音波モータの振動体は図5に示すように、ロータと接触する部分の変位を拡大するために、くし歯101が設けられている。ロータの平面度は厳密には完全な平坦というわけではないので、くし歯とロータの接触に応じた振動ムラが生じる。振動ムラをパルス化し、カウンタでカウント動作をおこなうと、カウント値は超音波モータの移動角度となる。移動角度[deg]は下記の計算で求めることができる。
【0036】
(移動角度[deg])=(カウント値)/(振動体のくし歯の数)×360以上のように本実施の形態によれば、圧電素子の電極領域から振幅振幅変動を検出することによって超音波モータの回転角度を求めることができる。この回転角度をもとに超音波モータの制御を行うことにより、従来回転速度や回転位置を制御するために必要であったエンコーダ等のセンサを使用しなくても位置および速度の制御が可能となり、制御回路の低価格化を実現することが可能となる。
【0037】
なお、これまで説明した実施の形態と同様に、駆動にも検出にも使用されない電極は電気的に開放状態または接地状態のいずれかの状態にしておく。
【0038】
(第4の実施の形態)
図6は本発明の第4の実施の形態である超音波モータの駆動回路を示すブロック図である。本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、図1に示すようなA相およびB相の2相の交番電圧を印加して駆動を行う。
【0039】
本実施の形態では、駆動信号である交番電圧の印加に用いられないA相の電極領域の電圧を電圧調整回路7により所定の電圧振幅になるように調整し、位相シフタ2により位相変換を行い、昇圧回路3により昇圧し超音波モータのA相駆動用の交番電圧とすることにより自励発振回路を構成している。
【0040】
B相には位相シフタ2の信号をさらに別の位相シフタ2で位相変換し、昇圧回路3で昇圧した信号を交番電圧として印加している。
【0041】
上記構成により超音波モータの振動体の共振周波数の個体差、および振動体の共振周波数の温度や負荷による変化があっても常に超音波モータの駆動を安定して行うことが可能になるとともに、回路を大幅に簡素化することが可能となっている。
本実施の形態においても、これまで説明した実施例と同様に、駆動にも検出にも使用されない電極は電気的に開放状態または接地状態のいずれかの状態にしておく。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では超音波モータの振動振幅ムラを改善するために、圧電素子の分極方向を全て同一方向とし、かつ、円環上の振動体上の圧電素子に均等に電圧を印加するように構成された超音波モータにおいても、これまで必要であった4相の交流信号を2相に減らすことができ、回路の簡素化が可能となっている。
【0043】
さらに本発明では、圧電素子の電極領域から振動状態の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図。
【図2】図1の回路の駆動信号波形を示す図。
【図3】本発明の第2の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図。
【図4】本発明の第3の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図。
【図5】超音波モータの振動体の斜視図。
【図6】本発明の第4の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図。
【図7】定在波の波長λの1/2毎に駆動用の電極領域を設けた従来の圧電素子の電極パターンを示す図。
【図8】定在波の波長λの1/2毎に駆動用の電極領域を設けた従来の圧電素子の電極パターンを示す図。
【図9】定在波の波長λの1/4毎に駆動用の電極領域を設けた従来の圧電素子の電極パターンを示す図。
【図10】図9の圧電素子を有する超音波モータの従来の回路構成を示すブロック図。
【図11】図10の回路の駆動信号波形を示す図。
【符号の説明】
1 発振回路
2 位相シフタ
3 昇圧回路
4 制御回路
5 電圧変動検出回路
6 カウンタ回路
7 電圧調整回路
8 RMS/DC変換器
101 くし歯
Claims (6)
- 全ての電極領域が同一方向に分極された円環状の電気−機械エネルギー変換素子を弾性体に固着し、該電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、位相の異なる複数の振動を合成して成る進行波を発生させる振動波駆動装置において、
該複数の振動の各振動において、該進行波の波長の整数倍の間隔を有して等間隔で位置する電極領域のみを、該振動を発生させるための交番電圧が印加される電極領域とすることを特徴とする振動波駆動装置。 - 該交番電圧が印加される電極領域は、各振動において、該進行波の1波長の間隔を有して等間隔で設けられていることを特徴とする請求項1記載の振動波駆動装置。
- 該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域は、電気的に開放状態であることを特徴とする請求項1又は2記載の振動波駆動装置。
- 該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域は、電気的に接地状態であることを特徴とする請求項1又は2記載の振動波駆動装置。
- 該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域のうち少なくとも1つにおいて発生する電圧を検出し、該検出した電圧に応じて該交番電圧の周波数、電圧振幅、あるいは、電圧位相差のうちいずれかを変化させることを特徴とする請求項1又は2記載の振動波駆動装置の駆動回路。
- 該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域のうち少なくとも1つにおいて発生する電圧を用いた自励発振回路を有し、該自励発振回路の出力信号を用いて該交番電圧を生成することを特徴とする請求項1又は2記載の振動波駆動装置の駆動回路。
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