JP5183108B2

JP5183108B2 - 振動波駆動装置の制御装置

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Description

本発明は、電気／機械エネルギー変換素子を駆動源とする振動子を有する振動波モータ等の振動波駆動装置の制御装置に関する。

一般に、振動波モータ等の振動波駆動装置は、駆動振動を形成する振動子と、前記振動子に加圧接触する回転体とを有し、前記振動子と前記回転体とを前記駆動振動により相対的に移動させるようにしたものである。

従来、リングタイプの振動子を有する多自由度駆動可能な振動波モータ等の振動波駆動装置の例としては、例えば特許文献１に開示されるものがあった。この多自由度振動波モータは、図１６（ａ），（ｂ）に示すような面外振動と面内振動を組み合せて、単一の振動子を励振することにより、多軸方向の駆動を可能としている。
特開２００３−１１６２８９号公報

振動子上の接触部と回転体とが常に安定した接触状態を維持するためには、球面を有する被駆動体である回転体との振動子上の接触部の数が３点であり、かつ略均等な接触面圧となるように接触部が等間隔で配置されることが好ましいことが知られている。しかしながら、従来の振動子では、稼動範囲が制限されるといった課題があることから接触部の数は４点以上となっていた。

４点接触部の場合、各接触部の磨耗進行速度の差などにより各接触部と回転体の当たり方が時々刻々と変化してしまい、長期に渡って常に安定した接触状態を維持することが困難である。そして、時刻暦の接触状態ごとのモータ制御パラメータが大きく異なるため、制御上も高耐久化を図る上で不利である。

また、従来の振動波駆動装置においては、振動子上の接触部は駆動に用いられる面外振動或いは面内振動の腹の位置に精度良く配置される必要があった。これは、腹の位置からずれることで接触部先端に振動子周方向への変位が発生し、不要な送り運動が発生するからである。さらに、振動子を製造する上で不可避的に生じる振動子の周方向の剛性ムラによって駆動に使用する面外振動と面内振動の腹の空間的位置位相がずれ、不要な送り運動が発生する場合もあり、期待通りの振動子の製作は困難であった。将来的な量産性も考慮し、このような不具合が生じても問題のない振動波駆動装置と制御装置が求められる。

本発明は上記従来の問題点に鑑み、次のような振動波駆動装置の制御装置を提供することを目的とする。即ち、接触部と回転体との接触が長期に渡って常に安定した状態を維持することができ、また、不要な送り運動の発生を阻止して振動子の製作を簡単化することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の振動波駆動装置の制御装置は、第１の定在波を、回転体との接触部を複数有する振動子に発生させるための第１の駆動信号を、振動子の電気／機械エネルギー変換素子に供給する第１の信号発生部と、２つの定在波から合成される第２の定在波を、前記振動子に発生させるための第２の駆動信号及び第３の駆動信号を、前記振動子の前記電気／機械エネルギー変換素子にそれぞれ供給する、第２の信号発生部及び第３の信号発生部と、前記第１の定在波と合成されて前記振動子に進行波を発生させる、第３の定在波を発生させるための第４の駆動信号を、振動子の電気／機械エネルギー変換素子に供給する第４の信号発生部と、を備え、前記第２の定在波は前記第２の駆動信号及び前記第３の駆動信号により、腹の空間的位置位相が制御され、前記第１及び第３の定在波は面内振動定在波かつ前記第２の定在波は面外振動定在波、または前記第１及び第３の定在波は面外振動定在波かつ前記第２の定在波は面内振動定在波であり、前記進行波は、前記第１の定在波に対し、第３の定在波が時間的位相をずらして励起されることで生成され、前記進行波により、前記振動子の中心軸を回転軸とする水平方向の回転の送り運動を発生させることを特徴とする。

本発明によれば、接触部と回転体との接触が長期に渡って常に安定した状態を維持することが可能になる。これにより、振動波モータの駆動制御も簡単化され、高耐久化を図る上で有利となる。

また、不要な送り運動の発生を阻止して振動子の製作を簡単化することが可能になり、生産性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１の実施の形態］
＜振動子の構成＞
まず、本実施の形態に係る振動波モータの振動子について説明する。

図１は、本実施の形態に使用する振動波モータのリングタイプ振動子を示す斜視図である。

このリングタイプ振動子４は、電気／機械エネルギー変換素子としての圧電素子２を有している。圧電素子２の上部には、金属材料等から成る弾性体１が固着されている。弾性体１の表面上には、突起部を有する３カ所の接触部３ａ，３ｂ，３ｃが形成されている。

接触面である球面部を有する回転体（不図示）は、図１中のＺ軸方向から接触部３ａ，３ｂ，３ｃと加圧接触される。接触部３ａ，３ｂ，３ｃの先端に形成される楕円運動は、加圧接触による摩擦力によって駆動力が回転体に伝達される。

＜駆動原理＞
（Ａ）接触部先端に楕円運動が形成される原理
次に、接触部３ａ，３ｂ，３ｃの先端に楕円運動が形成される原理について、図２等を参照して説明する。図２は、任意軸回りの駆動における回転軸の説明図である。

図１中の圧電素子２に交流電圧を印加すると該素子２は周方向に伸縮し、振動子全体が図１６（ａ）或いは（ｂ）に示すような奇数次或いは偶数次の駆動振動を励起する。このとき、交流電圧の周波数を振動子４の固有振動数に近づけることで、振動の変位を拡大することができる。振動の腹と接触部３ａ，３ｂ，３ｃの空間的位置位相を一致させた場合、例えば図１６（ａ）の振動により接触部３ａ，３ｂ，３ｃの先端は振動子４の面外方向、つまり図１のＺ軸方向の変位を発生する。

また、図１６（ｂ）の振動により、接触部３ａ，３ｂ，３ｃの先端は振動子４の面内方向、つまり図１のリングにおいて径方向の変位を発生する。そして、該振動子４における両駆動振動の固有振動数を略一致させておけば、同一周波数により両駆動振動を同時に発生させることができる。さらに、両駆動振動に時間的な位相差を持たせることで、接触部３ａ，３ｂ，３ｃの先端に楕円運動を発生させることができる。

ここで、任意軸回りに駆動可能な多自由度駆動において、回転体の回転軸によって傾斜回転と水平回転という２つの言葉を定義する。回転体を図２のように球体とすると、回転体の回転中心を含みかつ振動子４の中心軸を法線ベクトルとする平面内に回転軸を有する傾斜方向の回転、つまり図２においてφ＝０度（θ＝０〜３６０度）のときを傾斜回転とする。

また、振動子４の中心軸を回転軸とする水平方向の回転、つまりφ＝±９０度のときを水平回転とする。そして、図２のようにφ≠０かつφ≠±９０である任意軸回りの駆動の場合は、傾斜回転成分と水平回転成分が合成された回転と考える。水平回転については後述するため、続く説明ではまず傾斜回転についてのみ説明する。

（Ｂ）回転体が駆動される原理
次に、図１６（ａ）、（ｂ）の駆動振動の組み合せにより、接触部３ａ，３ｂ，３ｃの先端に楕円運動が形成され回転体が駆動される原理について、図３及び図４等を参照して説明する。

図３は、振動子４に発生させる駆動振動の次数（波数）及びその空間的位置位相を示す模式図である。図４（a）,（b）は、駆動力伝達の説明図である。

図３中の、放射方向に延びる実線部９ａ〜９ｅ及び破線部１０ａ〜１０ｅは振動の腹を示し、実線部９ａ〜９ｅと破線部１０ａ〜１０ｅで振動位相は逆である。

図３において、符号５で示す外側の円は３波の面外振動、符号６で示す内側の円は２波の面内振動について示したものである。また、判りやすく内側の円６の内周側に面内振動による振動子４の変形を楕円１１で示した。さらに、接触部３ａ〜３ｃは、図３中の黒丸で示す位置に等間隔（１２０度間隔）で３カ所存在する。

接触部３ａ〜３ｃは、面外振動の腹位置（実線９ａ〜９ｃ）に存在し、位相は同じである。一方、面内振動に対しては接触部３ａが腹（実線９ａ、９ｅ）の位置で、接触部３ｂ、３ｃは腹（破線１０ｄ、１０ｅ）から３０度ずれた位置に存在する。そして、接触部３ａと３ｂ、３ｃの面内振動における位相関係は逆であるから変位発生方向が逆である。

このとき、面内振動と面外振動の間に位相差（ここでは仮に面内振動を９０度遅らせる）を与えて両振動を励振すると、接触部３ａは、図４（ａ）の矢印Ｗ１が示す楕円運動を生成する。また、接触部３ｂ及び３ｃは、図４（ｂ）の矢印Ｗ２が示す楕円運動を生成する。但し、図４（ａ），（ｂ）は図３中の視点Ａ、Ｂ、Ｃの方向から観察したものである。その結果、接触部３ａは、回転体１３を持ち上げるような送り運動を発生し、回転体１３には、図４（ａ）中の矢印Ｗ３の方向に駆動力が伝達される。接触部の送り運動による回転軸は、それぞれ接触部とリング中心を結ぶ直線と直角を成す直線になるから、この送り運動により回転体１３には図３のＸ軸を回転軸とする回転が発生する。また、接触部３ｂ、３ｃは、図４（ｂ）の矢印Ｗ４に示すように回転体１３を繰り込むような送り運動を発生し、接触部３ｂ、３ｃはそれぞれ、図３中の直線７、８を回転軸とする駆動力を回転体１３に対して伝達する。

接触部３ｂと３ｃは面内振動の腹から等しい角度離れた位置にあるから、面内振動による径方向振幅が等しく、駆動力は略一致していると考えてよい。そのため、両駆動力を足し合わせて相殺される成分を除くと、残存する駆動力は直線７、８が成す角度の２等分線に相当する図３のＸ軸を回転軸とする駆動力となる。したがって、３つの接触部３ａ〜３ｃの送り運動は、総合するとＸ軸を回転軸とする傾斜回転を実現する送り運動となる。

本実施の形態は原理的に、偶数次数の面内方向と奇数次数の面外方向の駆動振動、又は奇数次数の面内方向と偶数次数の面外方向の駆動振動、のいずれの如何なる次数の振動モードの組み合せでも成立する。そのため、図１６（ａ）の面外３次振動と図１６（ｂ）の面内２次振動の組み合せに限られるものではない。具体的な一例として図１６（ａ），（ｂ）の組み合せを以降の説明においても使用する。

＜第１実施の形態に係る制御装置＞
以上の基本的な駆動原理を踏まえて、以下では、本発明の第１の実施の形態に係る、傾斜回転駆動の制御装置について詳述する。

（Ａ）圧電素子と振動
まず、振動子４に使用する圧電素子２と、圧電素子２により発生される振動について、図５及び図６等を参照して説明する。

図５は、振動子４の接触部３ａ〜３ｃとは反対側の面から見たときの圧電素子２の電極パターン図である。また、図６は、回転定在波を変形した例を示す図である。

図５に示すように、圧電素子２は、同心円状に電極が２列配置され、本実施の形態では内周側が面内振動用、外周側が面外振動用の電極群である。内周側と外周側の電極群の位置位相関係は特に決められた関係ではなく任意である。なお、圧電素子２における、弾性体１と固着される面（図５の裏側）は共通電極となっている。このとき、電極の＋記号と−記号は、同一のアルファベット記号の電極群に同位相の入力信号を印加して駆動する場合の分極方向を示している。例えばＦ電極群すべてに同位相の正弦波入力信号を入力すると、Ｆ＋電極とＦ−電極の領域の圧電素子は逆位相の変形を生じるため、振動子４には面外３波の振動が励起されＦ＋電極が山であればＦ−電極は谷となる。そして、Ｆ電極群による面外３次振動の定在波を以降は固定定在波（一方の振動駆動による第１の定在波）と呼ぶ。

また、３つの接触部３ａ〜３ｃの位置は、図５に示すように、固定定在波を生成するＦ電極群の位置と重なるように配置されている。Ｒ１電極群とＲ２電極群は、空間的位置位相で４５度周方向にずれた位置に交互に配置されており、Ｆ電極群と同様にそれぞれ電極位置に腹を有する面内２次振動の定在波を励振する。このとき、ある時間におけるＲ１電極群およびＲ２電極群に生じる振動波形を式で示すと以下である。但し、θは図５参照、Ａｒ１、Ａｒ２はＲ１電極群、Ｒ２電極群におけるそれぞれの定在波振幅で振幅≠０である。

ｆｒ１（θ）＝Ａｒ１・ｃｏｓ２θ
ｆｒ２（θ）＝Ａｒ２・ｃｏｓ２（θ−４５°）
このとき、２つの定在波を同位相で加振すると足し合わされた新たな合成定在波を生成する。そして、その腹は２つの定在波における元の腹位置とは異なる位置位相となる。例えば、２つの面内２次振動の振幅比が１：１のときは、図６の破線３１の変形（腹の位置θｍ＝２２．５度）、振幅比は同じで位相を逆にして合成すると図６の点線３２の変形（腹の位置θｍ＝６７．５度）となる。なお、θｍは面内２次振動の山の位置位相である。
合成された定在波の波形は以下の式で示される。

ｆ（θ）＝ｆｒ１（θ）＋ｆｒ２（θ）
Ｒ１定在波とＲ２定在波の振幅比をＡｒ＝Ａｒ２／Ａｒ１とすると、
ｆ’（θ）＝−２Ａｒ１（ｓｉｎ２θ＋Ａｒ・ｓｉｎ２（θ−４５°））
かつｆ’（θ）＝０より、合成定在波の腹の位置位相は、
θｍ＝１／２・ａｒｃｔａｎＡｒ（但し、２つの定在波が同位相で０＜θｍ＜４５°の場合）となる。

上の式より、腹の位置位相θｍは合成定在波を構成する両定在波の振幅比Ａｒによって決定される。したがって、合成定在波（面内振動）の空間的位置位相（腹の位置）が指令値として与えられると、振幅比Ａｒ＝Ａｒ２／Ａｒ１が一意に決定される。さらに、振幅比Ａｒが決まると合成定在波の腹位置の振幅ｆ（θｍ）はＡｒ１の関数として表せるから、合成定在波振幅指令値をもとに両定在波振幅Ａｒ１及びＡｒ２が決まる。なお、４５°＜θｍ＜９０°の場合はＲ１定在波の位相を反転させて足し合わせることで合成定在波を生成する。

以上より、任意の空間的位置位相に腹を有することが可能な面内２次振動の定在波を生ぜしめることが可能である。そして、この合成定在波を以降は回転定在波（他方の振動駆動による第２の定在波）と呼ぶ。

＜第１実施の形態に係る制御装置の構成＞
図７は、本発明の第１実施の形態に係る、振動波駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図である。

この制御装置は、振動波モータ１３０（振動波駆動装置）の動作を制御する装置であって、回転定在波発生部１１０と固定定在波発生部１２０を備えている。

傾斜回転の目標値として、回転軸、回転数が与えられると、事前に得られている振動波モータ１３０の特性から固定定在波（面外振動）と回転定在波（面内振動）の振幅・位相差、そして回転定在波（面内振動）の空間的位置位相が決定される。これらの指令値が回転定在波発生部１１０及び固定定在波発生部１２０へ送られる。

回転定在波発生部１１０の機能を説明する。まず、与えられた回転定在波の空間的位置位相の指令値から、回転定在波を構成する２つの面内振動定在波の位相が同じであるか逆であるかを選択し、振幅比を振幅比率計算機１１１で算出する。そして、振幅指令値に合せて両電圧振幅を電圧振幅決定部１１２で決定し、Ｒ１電極群用の入力電圧振幅Ａｖｒ１及びＲ２電極群用の入力電圧振幅Ａｖｒ２を、信号発生部１１３と信号発生部１１４へそれぞれ送信する。そして、両信号発生部１１３、１１４は得られた指令に従い駆動信号を生成し、固定定在波との位相差指令に従って発信を行う。

なお、回転定在波を構成する定在波の数は本実施の形態のように２つに限られるものではない。振動発生効率を向上するために３つ以上の回転定在波用電極群を配置した場合でも、同様の考え方で信号を入力すればよい。

一方、固定定在波発生部１２０では、電圧振幅決定部１２１で固定定在波の振幅指令値から入力電圧振幅を決定し、Ｆ電極群用の信号発生部１２２で駆動信号の生成と発信が行われる。

このようにして、信号発生部１１３、１１４、１２２では、各定在波の発生用駆動信号が生成される。信号発生部１１３、１１４、１２２からの駆動信号は、給電手段を介して、それぞれ振動波モータ１３０におけるＲ１電極群、Ｒ２電極群、Ｆ電極群（図５参照）へ供給され、傾斜回転が駆動される。

＜傾斜回転の回転軸の変化＞
次に、回転定在波の空間的位置位相が変化することによって傾斜回転の回転軸が変化することについて、図８及び図９等を参照して説明する。

図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、駆動振動による接触部３ａ〜３ｃの動きを説明する振動子駆動状態図である。図９は、回転定在波による周方向変位を説明する振動子駆動状態図である。

図８において、等間隔に３つ複数配置される複数の接触部３ａ〜３ｃは、面外３次振動である固定定在波により同位相で面外方向（紙面垂直方向）に変位を発生する。固定定在波に対して、ある位相差を持たせて励振される回転定在波（面内２次振動）の変形を実線の楕円３１〜３３で示している。また、面内変形による３つの接触部３ａ〜３ｃの変位方向（特にここでは径方向のみ、周方向については後述する）を矢印３ａ−１〜３ｃ−１で示す。このとき、面内振動が面外振動に対して例えば９０度位相が遅れているとすると、３つの接触部３ａ〜３ｃは個々に楕円軌道を描き回転体に駆動力を伝達する。

上で説明した内容と同じことであるが、接触部３ａ〜３ｃの送り運動による回転軸は、それぞれ接触部とリング中心を結ぶ直線と直角を成す直線になるから、図８（ａ）中の接触部３ａ〜３ｃの送り運動による回転軸はそれぞれ直線２０、２１、２２である。接触部３ａと接触部３ｂの位置は、共に回転定在波の腹の位置から３０度ずれた位置である。そのため、発生する駆動力は略一致すると考えてよく、２つの駆動力による回転軸は直線２０と２１の２等分線である直線２２となり、総合すると直線２２を回転軸とする傾斜回転を発生する。

図９は、図８（ａ）に示される接触部３ａ〜３ｃの径方向変位３ａ−１〜３ｃ−１に加えて、実際に発生している周方向の変位を矢印３ａ−１、３ｂ−２で追加したものである。上の説明では、傾斜回転の駆動力に影響を及ぼす径方向の変位のみを考慮したが、実際には面内２次振動により径方向と周方向の両方の変位が同時に発生しており、合成したベクトルの方向に接触部３ａ〜３ｃの先端は振動している。

このとき、回転定在波の腹と空間的位置位相が一致している接触部３ｃにおいて周方向の変位は発生しない。それ以外の位置にある２つの接触部３ａ、３ｂは、図９のように面内２次振動の山の頂点に向かう方向に変位３ａ−１、３ｂ−２を発生している。面内２次振動の腹と一つの接触部の空間的位置位相が一致している場合、残り２つの接触部の位置は共に同じ山の頂点から６０度ずれた位置であるから、接触部の周方向の変位量は等しくなる。そのため、この周方向変位量による駆動力は相殺され無視することができる。

図８（ｂ）、（ｃ）のように回転定在波の腹が、図８（ａ）から３０度ずつ回転した位置に存在する場合、図８（ａ）と同じ考えにより、回転軸はそれぞれ直線２０、２１となる。よって、図８（ｃ）の矢印Ｗ５、Ｗ６が示すように、面内２次振動である回転定在波の腹の位置が６０度回転すると、傾斜回転の回転軸は１２０度移動（図８（ｃ）の矢印Ｗ７）する。さらに、回転定在波は１８０度回転することができる。即ち、上で図５により説明したように回転定在波は０〜９０度回転させることができ、かつ９０度〜１８０度に関しては固定定在波との位相差の関係で設定できる。これにより、傾斜回転の回転軸は３６０度可変である。

以上より、回転定在波の空間的位置位相が平面内で回転することによって、傾斜回転の回転軸の位置を制御することが可能である。

＜本実施の形態に係る利点＞
本実施の形態に係る制御装置を使用することにより、等間隔に配置された３点の接触部による駆動が可能であるから、常に略均等な接触面圧となる安定した接触状態を長期に渡って維持することが可能となる。これにより、振動波モータの多自由度駆動制御も簡単化され、高耐久化を図る上で有利である。

また、本実施の形態の方式では、メカ的な原因により発生する不要な送り運動を制御装置からの電気的な駆動信号によってキャンセルすることが可能となるため、振動子製作が簡単になって生産性を高めることができる。これにより、各部品の加工精度や組み立て精度などを落とした設計が可能となり、量産性の向上及びコスト削減を図ることができる。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、面内２次振動の腹と一つの接触部の空間的位置位相が一致している場合のみ考慮した。ところが、不要な周方向変位を説明する図１０に示すように、図８（ａ）と図８（ｂ）の中間地点に腹を有する回転定在波の位置位相では、周方向の変位の向きと大きさのバランスが崩れるから、打ち消し合った結果として残存するどちらか一方の方向の水平回転が発生する。水平回転成分は傾斜回転において不要であるため、この水平回転方向の送り運動成分を打ち消す必要がある。

また、図１１（ａ），（ｂ）は、固定定在波による接触部の挙動の説明図であり、固定定在波である面外振動による接触部３ａ〜３ｃの挙動を水平方向（リング側面の法線方向）から見たものである。実振幅はミクロンオーダであるため、振幅を拡大し可視化したものである。固定定在波の腹と接触部との空間的位置位相が完全に一致すれば、図１１（ａ）のように周方向変位は発生しない。しかし、加工精度や組み立て精度などメカ的な原因などにより完全な一致は有り得ないため、接触部３ａ〜３ｃの先端は図１１（ｂ）が示すように周方向の変位が発生する。これを踏まえ、以下、第２の実施形態について詳述する。

＜第２実施の形態に係る制御装置の構成及び動作＞
図１２は、本発明の第２実施の形態に係る、振動波駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図であり、図７と共通の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態における制御装置は、図７に示した構成において、付加定在波発生部１４０を追加した構成となっている。傾斜回転の目標値として、回転軸、回転数が与えられると、固定定在波と空間的位置位相が９０度ずれた位置の面外３次振動の定在波（付加定在波：第３の定在波）の振幅・位相差（対固定定在波）が決定される。この指令値は、付加定在波発生部１４０へ送られる。そして、信号発生部１４２では付加定在波発生用の駆動信号が生成されて振動波モータ１３０に供給され、傾斜回転が駆動される。

付加定在波を発生する電極群は、図５のＡで示される。Ａ電極群はＦ電極群と位置位相が９０度ずれた位置に交互に配置されており、固定定在波と時間的に９０度位相差を持たせて付加定在波を励振させることにより面外３次振動の進行波を生成することができる。付加定在波の振幅は、固定定在波による接触部の面外方向の変位量に影響を与えないから、固定定在波と回転定在波の組み合せによる傾斜方向の送り運動とは関係ないものとして考えることができる。そのため、付加定在波の振幅、つまり進行波による送り運動を独立して制御することができる。

付加定在波の振幅値によって、２つの定在波による進行波の振幅分布は、図１３のようになる。図１３は、２つの定在波による進行波の振幅分布を示すグラフである。同図の縦軸は進行波振幅、横軸はリングタイプ振動子４の空間的位置位相であり、図中のＸ１、Ｘ２、Ｘ３位置にそれぞれ接触部が配置されている。このとき、３つの接触部のＸ１、Ｘ２、Ｘ３位置（６０度、１８０度、３００度）と固定定在波の腹の位置は一致しており、この位置での進行波振幅は固定定在波の振幅指令値で決定される。

また、隣り合う接触部の中間地点である０度、１２０度、２４０度の位置も固定定在波の腹の位置であるから、進行波振幅は接触部と同じである。なお、接触部位置と固定定在波の山が理想的に一致していれば、固定定在波のみによる接触部先端の周方向変位は０である。そして、Ａ電極群とＦ電極群の位置位相は９０度ずれているから、隣り合う固定定在波の腹の中間地点での振幅が付加定在波の振幅指令値である。即ち、図１３では、固定定在波の振幅１に対して「０．２」、「０．８」、「１．５」としたときの進行波振幅分布を示している。

本実施の形態の制御装置は、上に挙げた２例のように不要な水平回転方向の送り運動が発生する場合にこの成分をキャンセルする方向に進行波を生成している。付加定在波と固定定在波の位相差により進行波の移動方向が決まり、付加定在波の振幅により進行波による接触部先端の周方向振幅が決定される。

以上より、進行波を形成する固定定在波と付加定在波間の位相差と付加定在波の振幅を制御することにより、自在に周方向の送り運動を制御することが可能であり、不要な水平回転方向の送り運動成分を打ち消すことが可能となる。

なお、第１及び第２の実施の形態では、図５のように固定定材波を励振するＦ＋電極群の位置に固定定材波の１波長間隔で接触部を配置しているが、Ｆ−電極群の位置に配置しても同じことである。また、１／２波長ステップでＦ電極群すべての位置に配置しても本駆動原理は成立する。さらに、Ｆ＋電極が６個、つまり固定定材波が面外６次振動のときは、２波長間隔にして３つの接触部を設けるようなことも可能である。なお、３つの接触部は必ずしも等間隔である必要はなく、駆動力のバランスで回転軸の位置が可変であることを確認して接触部を配置すればよい。

［第３の実施の形態］
＜第３実施の形態の制御装置の構成＞
図１４は、本発明の第３実施の形態に係る、振動波駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図である。

与えられる任意軸回転の目標値としての回転軸、回転数から、傾斜回転成分と水平回転成分を計算する。これに合せて事前に得られている振動波モータ１３０の特性から固定定在波（面外振動）と回転定在波（面内振動）の振幅・位相差、そして回転定在波（面内振動）の空間的位置位相が決定される。さらに、付加定在波（面外振動）の振幅・位相差（対固定定在波）も決定される。これらの指令値が各定在波発生部１１０、１２０、１４０に送られ、それぞれの信号発生部１１３、１１４、１２１、１４２では、各定在波の発生用駆動信号が生成されるとともに、振動波モータ１３０に入力され傾斜回転が駆動される。

本実施の形態では、第２実施の形態で示した図１２の各定在波発生部１１０、１２０、１４０の構成をそのまま使用し、また、不要な水平回転方向の送り運動成分を相殺する制御機能を残している。さらに積極的に水平回転を発生すべく、付加定在波の振幅及び位相差が設定される構成となっている。したがって、水平回転方向の送り運動成分と前記傾斜回転方向の送り運動成分の比率を任意に定めることで任意軸回りの駆動を実現することが可能である。

即ち、本実施の形態の構成では、回転体の回転軸と回転数を測定する検出手段が配置されるセンサ部１５０を設けている。センサ部１５０の検出データからは傾斜回転成分１５１と水平回転成分１５２が算出され、各成分データのフィードバックによって各定在波指令値が制御される。

図１５は、本発明の第３実施の形態の変形例に係る、振動波駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図である。

この制御装置の構成は、図１５のように、回転体の絶対位置を測定或いは計算する検出手段をセンサ部１５３に設けている。このセンサ部１５３によって得られる現在位置から目標位置への理想的な軌道を修正回転軸計算部１５４で再計算させ、新たな修正回転軸指令値を左上の任意軸設定に返して制御する構成である。もちろん、これらセンサ部１５３は組み合せて使用することもできるし、第１及び第２の実施の形態の制御装置にも設置することも可能である。

なお、本第３の実施の形態に係るシステムでは、例えば、長時間駆動や駆動環境により接触状態（主に摩擦係数）が変化する場合や振動波モータの特性が事前に得られていない場合を想定する。そのため、センサ部１５０、１５３からのデータと入力信号の関係から制御パラメータが自動調整され逐次パラメータが更新されることが望ましい。これは、任意軸回りの回転が可能な振動波モータでは、使用頻度の高い回転軸によって各接触部の劣化の進行状況に差が生じ、初期の制御パラメータからの変化が大きくなりやすい。また、仮に初期モータ特性が同じものが２つあったとしても、その後の使用状況によって大きく特性が異なるものになりやすいからである。

なお、本発明の目的は、以下の処理を実行することによって達成される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す処理である。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施の形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード及び該プログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。

また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、次のものを用いることができる。例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等である。又は、プログラムコードをネットワークを介してダウンロードしてもよい。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施の形態の機能が実現される場合も本発明に含まれる。加えて、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。

更に、前述した実施形態の機能が以下の処理によって実現される場合も本発明に含まれる。即ち、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。その後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部又は全部を行う場合である。

実施の形態に使用する振動波モータのリングタイプ振動子を示す斜視図である。任意軸回りの駆動における回転軸の説明図である。振動子に発生させる駆動振動の次数及びその空間的位置位相を示す模式図である。駆動力伝達の説明図である。圧電素子の電極パターン図である。回転定在波を変形した例を示す図である。第１実施の形態に係る、振動波駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図である。駆動振動による接触部の動きを説明する振動子駆動状態図である。回転定在波による周方向変位を説明する振動子駆動状態図である。不要な周方向変位を説明する説明図である。固定定在波による接触部の挙動の説明図である。第２実施の形態に係る、振動波駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図である。２つの定在波による進行波の振幅分布を示すグラフである。第３実施の形態に係る、振動波駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図である。第３実施の形態の変形例に係る、振動波駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図である。面外振動と面内振動の一例を示す図である。

符号の説明

２圧電素子
３ａ〜３ｃ接触部
４振動子
１３回転体
１１０回転定在波発生部
１２０固定定在波発生部
１３０振動波モータ
１４０付加定在波発生部

Claims

第１の定在波を、回転体との接触部を複数有する振動子に発生させるための第１の駆動信号を、振動子の電気／機械エネルギー変換素子に供給する第１の信号発生部と、
２つの定在波から合成される第２の定在波を、前記振動子に発生させるための第２の駆動信号及び第３の駆動信号を、前記振動子の前記電気／機械エネルギー変換素子にそれぞれ供給する、第２の信号発生部及び第３の信号発生部と、
前記第１の定在波と合成されて前記振動子に進行波を発生させる、第３の定在波を発生させるための第４の駆動信号を、振動子の電気／機械エネルギー変換素子に供給する第４の信号発生部と、
を備え、
前記第２の定在波は前記第２の駆動信号及び前記第３の駆動信号により、腹の空間的位置位相が制御され、
前記第１及び第３の定在波は面内振動定在波かつ前記第２の定在波は面外振動定在波、または前記第１及び第３の定在波は面外振動定在波かつ前記第２の定在波は面内振動定在波であり、
前記進行波は、前記第１の定在波に対し、第３の定在波が時間的位相をずらして励起されることで生成され、前記進行波により、前記振動子の中心軸を回転軸とする水平方向の回転の送り運動を発生させることを特徴とする振動波駆動装置の制御装置。
前記回転体の回転中心を含みかつ前記振動子の中心軸を法線ベクトルとする平面内に回転軸を有する傾斜方向の回転において、前記第２の定在波の腹の空間的位置位相によって、前記傾斜方向の回転の回転軸の位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置の制御装置。
前記第２の定在波を構成する２つ以上の定在波の振幅比によって、前記第２の定在波の腹の空間的位置位相を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の振動波駆動装置の制御装置。
前記進行波は、前記複数の接触部に励起される送り運動の総和における、不要な水平方向の回転の送り運動を打ち消す方向に生成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の制御装置。
前記水平方向の回転の送り運動は、前記進行波を形成する前記第１の定在波と前記第３の定在波の間の位相差と、前記第３の定在波の振幅とにより制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の制御装置。
前記水平方向の回転の送り運動成分と前記傾斜方向の回転の送り運動成分との比率により、前記回転体の回転の回転軸を定めることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の制御装置。
前記進行波を形成する前記第１の定在波と前記第３の定在波の間の時間的な位相差は９０度であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の制御装置。
前記第１の定在波は偶数次数の駆動振動であり、かつ前記第２の定在波は奇数次数の駆動振動である、または、前記第１の定在波は奇数次数の駆動振動であり、かつ前記第２の定在波は偶数次数の駆動振動である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の制御装置。