JP5983018B2 - 圧電モーター、圧電モーター装置、駆動回路及び駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電モーター、駆動回路及び駆動方法に関する。

圧電モーターは、圧電素子を具備する圧電アクチュエーターによって回転体を回転駆動させるものである。圧電モーターに用いられる圧電アクチュエーターは、振動部材と、振動部材を振動させる圧電素子を備えている。このような圧電アクチュエーターでは、圧電素子の電極に電圧を印加し、振動部材を縦振動及び屈曲振動させることによって、振動部材の端に設けられた突起部を楕円運動させている。楕円運動する突起部が回転体の側面に接触することによって、回転体が回転する（特許文献１参照）。

特開２０１０−２３３３３９号公報

振動部材を縦振動及び屈曲振動させるため、圧電素子に正弦波電圧を印加して、振動部材を共振させている。一方、圧電モーターは、突起部を回転体の側面に接触させて回転体を駆動するため、接触時の反力によって圧電素子に逆起電力が生じる。この結果、圧電素子に流れる電流が歪んでしまうという、圧電モーター特有の現象を本願発明者は発見した。

本発明は、圧電モーターに特有の高調波成分の電流の影響を除去して、安定して圧電モーターを駆動させることを目的とする。

上記目的を達成するための主たる発明は、回転体と、前記回転体と接触する突起部を有し、圧電素子を駆動したときの前記突起部の運動によって前記回転体を回転させる圧電アクチュエーターと、前記圧電素子を駆動する駆動回路とを備え、前記駆動回路は、所定周波数の駆動信号を出力する駆動信号生成部と、前記圧電素子に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流の高調波成分を抽出する抽出部と、前記高調波成分に基づいて前記駆動信号を補正し、補正された駆動信号を前記圧電素子に印加する補正部とを有することを特徴とする圧電モーターである。

本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

図１は、圧電モーターの分解図である。 図２は、圧電モーターの平面図である。 図３は、圧電モーターの断面図である。 図４Ａは、縦振動の説明図である。図４Ｂ及び図４Ｃは、屈曲振動の説明図である。 図５は、突起部の楕円運動の説明図である。 図６は、比較例の圧電モーターの駆動回路の説明図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、比較例の駆動時の波形の説明図である。 図８Ａは、図７Ａの電流波形のＦＦＴの結果を示すグラフである。図８Ｂは、ＦＦＴの結果に基づいて１次と４次の周波数成分を重ね合わせたシミュレーション結果を示すグラフである。 図９は、比較例の場合の回転速度に応じた等価特性の表である。 図１０は、本実施形態の圧電モーター１の駆動回路６０のブロック図である。 図１１は、本実施形態の圧電モーター１の駆動回路６０の一例の構成図である。 図１２Ａ〜図１２Ｃは、駆動回路６０の各部の電圧の概略説明図である。 図１３は、位相シフト部６５の説明図である。 図１４は、第１変形例の駆動回路６０のブロック図である。 図１５は、第１変形例の駆動回路６０の一例の構成図である。 図１６は、調整量出力部７３の回路図である。

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。

回転体と、前記回転体と接触する突起部を有し、圧電素子を駆動したときの前記突起部の運動によって前記回転体を回転させる圧電アクチュエーターと、前記圧電素子を駆動する駆動回路とを備え、前記駆動回路は、所定周波数の駆動信号を出力する駆動信号生成部と、前記圧電素子に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流の高調波成分を抽出する抽出部と、前記高調波成分に基づいて前記駆動信号を補正し、補正された駆動信号を前記圧電素子に印加する補正部とを有することを特徴とする圧電モーターが明らかとなる。
このような圧電モーターによれば、圧電モーターに特有の高調波成分の電流の影響を除去して、安定して圧電モーターを駆動させることができる。

前記抽出部は、前記電流検出部からの出力が入力され、前記所定周波数よりも高い周波数を遮断するローパスフィルターと、前記電流検出部からの出力と、前記ローパスフィルターからの出力との差に基づいて、前記高調波成分を出力する差動増幅部とを有することが望ましい。これにより、圧電モーターに特有の高調波成分を抽出できる。

前記ローパスフィルターのカットオフ周波数は、前記所定周波数の４倍以下であることが望ましい。これにより、圧電モーターに特有の高調波電流を除去できる。

前記圧電素子に流れる電流の振幅が小さくなるほど、前記駆動信号生成部からの前記駆動信号の振幅を大きく調整し、前記圧電素子に流れる電流の振幅が大きくなるほど、前記駆動信号生成部からの前記駆動信号の振幅を小さく調整する振幅調整部を備え、前記補正部は、前記振幅調整部によって振幅の調整された前記駆動信号を前記高調波成分に基づいて補正し、補正された補正された駆動信号を前記圧電素子に印加することが望ましい。これにより、圧電モーターの回転体の回転速度が変動しても、回転体の回転速度を元に戻すように負帰還がかかる。

前記突起部の空回りを検出し、前記空回りを検出したとき、前記駆動信号の電圧の振幅を小さくすることが望ましい。これにより、空回りを解消できる。

回転体と、前記回転体と接触する突起部を有し、圧電素子を駆動したときの前記突起部の運動によって前記回転体を回転させる圧電アクチュエーターと、前記圧電素子を駆動する駆動回路とを備えた圧電モーターの駆動回路であって、所定周波数の駆動信号を出力する駆動信号生成部と、前記圧電素子に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流の高調波成分を抽出する抽出部と、前記高調波成分に基づいて前記駆動信号を補正し、補正された駆動信号を前記圧電素子に印加する補正部とを有することを特徴とする駆動回路が明らかとなる。
このような駆動回路によれば、圧電モーターに特有の高調波成分の電流の影響を除去して、安定して圧電モーターを駆動させることができる。

（Ａ）回転体と、前記回転体と接触する突起部を有し、圧電素子を駆動したときの前記突起部の運動によって前記回転体を回転させる圧電アクチュエーターと、前記圧電素子を駆動する駆動回路とを備える圧電モーターを準備し、（Ｂ）所定周波数の駆動信号を出力し、（Ｃ）前記圧電素子に流れる電流を検出し、（Ｄ）前記電流の高調波成分を抽出し、（Ｅ）前記高調波成分に基づいて前記駆動信号を補正し、補正された駆動信号を前記圧電素子に印加することを特徴とする圧電モーターの駆動方法が明らかとなる。
このような駆動方法によれば、圧電モーターに特有の高調波成分の電流の影響を除去して、安定して圧電モーターを駆動させることができる。

＝＝＝圧電モーター１の基本構成＝＝＝
図１は、圧電モーター１の分解図である。図２は、圧電モーター１の平面図である。図３は、圧電モーター１の断面図である。

圧電モーター１は、回転体１０と、圧電アクチュエーター２０とを備えている。回転体１０は、本体４０に対して回転軸１１を中心に回転可能な部材である。圧電アクチュエーター２０は、圧電素子３０を利用して回転体１０を回転させるアクチュエーターである。圧電アクチュエーター２０は、圧電素子３０に電圧を印加して突起部２２を楕円運動させ、楕円運動する突起部２２が回転体１０の側面に接触することによって、回転体１０を回転させる。

圧電アクチュエーター２０は、振動部材２１と、圧電素子３０とを備えている。

振動部材２１は、圧電素子３０とほぼ同じ表面形状を有すると共に、圧電素子３０よりも突出した突起部２２を有する。突起部２２は回転体１０に向かって突出しており、この突起部２２が楕円運動しつつ回転体１０の側面に接触することによって、回転体１０を回転させることになる。

圧電素子３０は、振動部材２１を縦方向及び屈曲方向に振動させるための駆動素子であり、振動部材２１の両面に設けられている。圧電素子３０は、圧電体層３１と、第１電極３２と、第２電極３３とを有する。第１電極３２は、圧電体層３１の振動部材２１側に設けられた電極である。第２電極３３は、第１電極３２とは反対側で圧電体層３１に設けられた電極である。第１電極３２は、圧電体層３１の振動部材２１側の面にわたって連続して設けられた共通電極である。第２電極３３は、溝部３４によって互いに電気的に隔離され、面内方向で複数に分割されている。
第２電極３３を分割する溝部３４は、圧電素子３０の幅をほぼ３等分するように形成された第１溝部３４Ａと、第１溝部３４Ａによって分割された３つの電極のうち外側の電極を長手方向でほぼ２分割するように形成された第２溝部３４Ｂとから構成されている。第１溝部３４Ａによって分割された３つの電極のうちの中央の電極は、縦振動用電極部３３１となる。縦振動用電極部３３１を挟んで対角に配置されて対をなす電極は、屈曲振動用電極部３３２となる。縦振動用電極を挟んで対角に配置される電極は２対あるが、本実施形態では、一対を屈曲振動用電極部３３２として使用し、他方の対の電極は、屈曲振動の検出用電極部３３３として用いている。但し、検出用電極部３３３を屈曲振動用電極部としても良い。また、回転体１０を逆回転させるときには、屈曲振動用電極部３３２を検出用電極部として用い、検出用電極部３３３を屈曲振動用電極部として用いても良い。

図４Ａは、縦振動の説明図である。縦振動用電極部３３１に所定周波数の電圧を印加することによって、図に示すような縦振動が励起される。
図４Ｂ及び図４Ｃは、屈曲振動の説明図である。屈曲振動用電極部３３２に所定周波数の電圧を印加することによって、図に示すような屈曲振動が励起される。

図５は、突起部２２の楕円運動の説明図である。縦振動と屈曲振動とを組み合わせて励起すると、図に示すように突起部２２を楕円運動させることが可能である。本実施形態では、縦振動用電極部３３１及び屈曲振動用電極部３３２に共通の電圧を印加して、突起部２２を楕円運動させている。但し、縦振動用電極部３３１と屈曲振動用電極部３３２に印加する電圧をそれぞれ変えて、突起部２２を楕円運動させても良い。

また、図５に示すように、同じ周波数であっても印加電圧の振幅が異なれば、突起部２２の楕円運動の軌跡の大きさが変化する。印加電圧が大きいほど楕円運動の軌跡が大きくなり（図中の点線参照）、印加電圧が小さいほど楕円運動の軌跡が小さくなる。つまり、印加電圧が大きいほど回転体１０が回転しやすくなり、印加電圧が小さいほど回転体１０が回転しにくくなる。

なお、圧電モーター１は、付勢機構５０を備えている。付勢機構５０は、圧電アクチュエーター２０を保持しつつ、圧電アクチュエーター２０を回転体１０に向かって付勢するための機構である。圧電アクチュエーター２０が付勢機構５０によって回転体１０に押し付けられることによって、振動部材２１の突起部２２と回転体１０との接触が維持される。
付勢機構５０は、保持部５１と、バネ５５とを有する。保持部５１は、圧電アクチュエーター２０を固定するための固定部５２と、スライド部５３とを備えている。固定部５２は、振動部材２１の短手方向から突出した腕部２３をネジ固定するためのネジ穴５２Ａを備えている。スライド部５３は長孔５３Ａを備えており、本体４０から突出したピン４１によって案内されている。バネ５５は、保持部５１を回転体１０に向かって付勢するための弾性部材である。

圧電モーター１は、圧電素子３０を駆動するための駆動回路６０を備えている。駆動回路６０の構成について、次に説明する。

＝＝＝駆動回路６０＝＝＝
＜比較例＞
図６は、比較例の圧電モーター１の駆動回路６０’の説明図である。比較例では、交流電源で生成した正弦波電圧を圧電素子３０にそのまま印加している。

ここでは、圧電モーター１がコンデンサーＣと抵抗Ｒを並列接続した回路と等価であるとみなしている。駆動回路６０’の電気エネルギーは、コンデンサーＣと抵抗Ｒの並列回路において、回転体１０の運動エネルギーに変換される。回転体１０の回転が遅い状態は、コンデンサーＣと抵抗Ｒの並列回路の動インピーダンスが大きい状態と等価である。逆に、回転体１０の回転が速い状態は、コンデンサーＣと抵抗Ｒの並列回路の動インピーダンスが小さい状態と等価である。

図７Ａ及び図７Ｂは、比較例の駆動時の波形の説明図である。図７Ａ及び図７Ｂの横軸はいずれも時間を示しており、図７Ｂの時間軸は、図７Ａよりも、長期の時間軸である。図７Ａ及び図７Ｂの縦軸は、電圧若しくは電流を示している。図７Ａ及び図７Ｂの「駆動信号波形」は、圧電素子３０に印加される電圧の波形を示している（どちらも同じグラフであるが、時間軸が異なっている）。図７Ａ及び図７Ｂの「電流波形」は、圧電素子３０に流れる電流の波形を示している（どちらも同じグラフであるが、時間軸が異なっている）。図７Ｂの「検出電圧」は、圧電素子３０の検出用電極部３３３に生じる逆起電圧のグラフである。言い換えると、図７Ｂの「検出電圧」は、圧電素子３０の駆動状況を示している。図７Ｂの「エンコーダー出力」は、回転体１０の回転軸１１に設けたエンコーダーの出力を示している。言い換えると、図７Ｂの「エンコーダー出力」は、回転体１０の回転状況を示している。

圧電素子３０には、２５０ｋＨｚの正弦波電圧が印加されている（図７Ａの「駆動信号波形」参照）。但し、図７Ａの「電流波形」を見て理解できるように、圧電素子３０に流れる電流は歪んでいる。

圧電素子３０の電流波形が歪む理由は、圧電モーター１が回転体１０を回転させるときに突起部２２を楕円運動させて回転体１０の側面に接触させるため、接触時の反力によって圧電素子３０に逆起電力が生じているためと考えられる。このように電流波形が歪むのは、圧電モーター１に特有の現象である。

図８Ａは、図７Ａの電流波形のＦＦＴの結果を示すグラフである。図８Ｂは、ＦＦＴの結果に基づいて１次と４次の周波数成分を重ね合わせたシミュレーション結果を示すグラフである。

これらのグラフに示されるように、圧電素子３０に流れる電流には、２５０ｋＨｚの基本周波数の電流に、４倍の周波数成分の電流が重畳している。図８Ａの４倍の周波数成分は、基本周波数に対して−１２ｄＢであり、２倍の周波数成分の−３８ｄＢと比べて大きな値を示している。つまり、圧電モーター１に特有の電流波形の歪みは、４次の高調波が主な原因であると考えられる。

圧電素子３０に流れる電流が歪んでしまうと、圧電素子３０が異常振動を起こし、図５に示すような突起部２２の楕円運動の軌跡も歪んでしまうと考えられる。この結果、回転体１０のスムーズな回転が損なわれるおそれがある。

加えて、比較例の駆動回路６０’では、回転体１０のスムーズな回転が一旦損なわれると、回転体１０が止まりやすくなるという現象が生じる。以下、この現象について説明する。

回転体１０の回転速度が低下する状態は、図６のコンデンサーＣと抵抗Ｒの並列回路の動インピーダンスが大きい状態（抵抗値が大きい状態）となる。動インピーダンスが大きくなると、圧電素子３０に流れる電流の振幅が小さくなり、突起部２２の楕円運動の軌跡が小さくなり、更に回転体１０が回転しにくくなる。例えば図７Ｂにおいても、比較例の駆動回路６０’では、回転体１０の回転速度が低下したときに（図中の「エンコーダー出力」のパルス幅が広いときに）、電流波形の振幅が小さくなり、検出電圧の振幅が極端に小さくなっている（圧電素子３０の屈曲変形が小さくなっている）。この結果、比較例の駆動回路６０’では、回転体１０のスムーズな回転が一旦損なわれると、回転体１０が止まりやすくなる。

図９は、比較例の場合の回転速度に応じた等価特性の表である。ここでは、回転体１０に負荷を加えることによって、回転体１０の回転速度の速い状態と遅い状態を再現し、そのときの動インピーダンスを実測し、比較例の駆動回路６０’の抵抗Ｒで消費されるエネルギーを評価している。ここでは、交流電源の電圧は振幅１６Ｖ（±８Ｖ）である。回転速度が遅い場合の消費電力は、速い場合よりも、小さい値を示している。この評価結果も、回転体１０の回転速度が遅くなると、更に回転体１０が回転しにくくなることを示している。このように、比較例の駆動回路６０’では、回転体１０のスムーズな回転が一旦損なわれると、回転体１０が止まりやすくなる。

＜本実施形態＞
図１０は、本実施形態の圧電モーター１の駆動回路６０のブロック図である。本実施形態の駆動回路６０は、駆動信号生成部６１と、補正部６２と、電流検出部６３と、高調波抽出部６４とを備えている。また、必要に応じて、駆動回路６０は、位相シフト部６５を備える。

駆動信号生成部６１は、駆動信号となる正弦波電圧を出力する。補正部６２は、駆動信号を補正し、補正された信号を圧電モーター１の圧電素子３０に印加する。電流検出部６３は、圧電モーター１に流れる電流を検出する。高調波抽出部６４は、電流検出部６３の検出結果に基づいて、高調波信号を抽出する。補正部６２は、高調波抽出部６４の抽出した高調波信号に基づいて駆動信号を補正し、補正された信号を圧電モーター１の圧電素子３０に印加する。

図１１は、本実施形態の圧電モーター１の駆動回路６０の一例の構成図である。図１１は、駆動信号生成部６１と位相シフト部６５を省略して描かれている。図１２Ａ〜図１２Ｃは、駆動回路６０の各部の電圧の概略説明図である。

図１１に示すように、駆動回路６０は、駆動信号生成部６１と、補正部６２と、電流検出部６３と、高調波抽出部６４を備えている。補正部６２は、抵抗Ｒ０と抵抗Ｒ６から構成された分圧回路である。圧電モーター１の圧電素子３０の一端（第１電極３２又は第２電極３３）は、抵抗Ｒ０を介して駆動信号生成部６１（図１１では不図示）に接続されているとともに、抵抗Ｒ６を介して差動増幅部６４Ｂの出力端子に接続されている。圧電モーター１の圧電素子３０の他端は、電流検出部６３の入力側に接続されている。

電流検出部６３は、圧電素子３０に流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換回路である。電流検出部６３の入力端子は、圧電素子３０に接続されている。電流検出部６３の出力端子は、ローパスフィルター６４Ａの入力端子と、差動増幅部６４Ｂの入力端子に接続されている。電流検出部６３の入力端子に電流ｉ（ｔ）が流れると、出力端子の電圧Ｖ（ｔ）は、Ｖ（ｔ）＝−ｉ（ｔ）×Ｒ１となる。図１２Ａは、電圧Ｖ（ｔ）を示している。

高調波抽出部６４は、ローパスフィルター６４Ａと、差動増幅部６４Ｂとから構成されている。

ローパスフィルター６４Ａは、駆動信号の周波数よりも高い周波数を遮断する（減衰させる）フィルターである。ここでは、ローパスフィルター６４Ａとして、正帰還型のアクティブフィルターが採用されている。ローパスフィルター６４Ａの入力端子は、電流検出部６３の出力端子と接続されている。ローパスフィルター６４Ａの出力端子は、差動増幅部６４Ｂの入力端子に接続されている。

ローパスフィルター６４Ａのカットオフ周波数は、駆動信号の周波数の２倍以下（かつ、駆動信号の周波数よりも高い周波数）に設定されている。このため、４次の高調波成分だけでなく、２次及び３次の高調波成分も除去できる（圧電アクチュエーター２０を共振させて圧電モーター１を駆動する関係上、２次及び３次の高調波成分も発生しており、これらの高調波の発生も圧電モーター１に特有の現象である）。但し、最も影響の大きい４次の高調波成分を除去するためには、ローパスフィルター６４Ａのカットオフ周波数は、駆動周波数（２５０ｋＨｚ）の４倍以下であれば良い。ローパスフィルター６４Ａは、入力信号（図１２Ａ参照）の１次成分に相当する信号を出力する。図１２Ｂは、ローパスフィルター６４Ａの出力電圧Ｖ１を示している。

差動増幅部６４Ｂは、２つの入力電圧の電位差を増幅する回路である。２つの入力電圧の一方は電流検出部６３の出力電圧であり、他方はローパスフィルター６４Ａの出力電圧である。ローパスフィルター６４Ａの出力電圧をＶ１、電流検出部６３の出力電圧をＶ２（＝Ｖ（ｔ））としたとき、差動増幅部６４Ｂの出力電圧は、（Ｒ５／Ｒ４）・（Ｖ２−Ｖ１）となる。電流検出部６３の出力電圧は高調波が重畳した波形（図１２Ａ参照）であり、ローパスフィルター６４Ａの出力電圧は１次成分の波形（図１２Ｂ参照）であるため、差動増幅部６４Ｂは、高調波信号を出力する。図１２Ｃは、差動増幅部６４Ｂの出力電圧を示している。

補正部６２は、抵抗Ｒ０と抵抗Ｒ６の分圧回路から構成されている。抵抗Ｒ０は駆動信号生成部６１に接続されており、抵抗Ｒ６は差動増幅部６４Ｂに接続されている。つまり、補正部６２には、駆動信号生成部６１からの駆動信号と、差動増幅部６４Ｂからの高調波信号とが入力する。圧電素子３０の一端（第１電極３２又は第２電極３３）は抵抗Ｒ０及び抵抗Ｒ６に接続されているので、圧電素子３０の一端には、抵抗Ｒ０と抵抗Ｒ６で分圧された信号が入力される。高調波電流が圧電素子３０に流れようとするとき、差動増幅部６４Ｂの出力が高調波成分をキャンセルさせる電位になり、抵抗Ｒ０に電流が流れ、この結果、高調波成分が除去された電流が圧電素子３０に流れることになる。

図１３は、位相シフト部６５の説明図である。差動増幅部６４Ｂの出力する高調波と圧電素子３０に流れようとする高調波との位相がずれるような場合には、差動増幅部６４Ｂの後に位相シフト部を挿入すると良い（差動増幅部６４Ｂの出力を位相シフト部に入力すると良い）。これにより、高調波電流が圧電素子３０に流れようとするとき、位相シフト部の出力端子が高調波成分をキャンセルさせる電位になり、抵抗Ｒ０に電流が流れ、この結果、高調波成分が除去された電流が圧電素子３０に流れることになる。

なお、駆動回路６０の各部のアナログ回路は一例であり、他のアナログ回路が採用されても良い。また、アナログ回路の一部をデジタル回路で構成することも可能である。

本実施形態では、高調波成分の除去された正弦波の電流が圧電素子３０に流れるため、突起部２２が回転体１０に接触して反力を受けても、突起部２２はきれいな楕円を描いて運動すると考えられる。これにより、回転体１０の回転がスムーズになる。

また、本実施形態によれば、ローパスフィルター６４Ａのカットオフ周波数が駆動周波数（２５０ｋＨｚ）の４倍以下に設定されている。これにより、圧電素子３０に流れる主な高調波電流（４次の高調波電流）を除去することができる。

なお、ローパスフィルター６４Ａのカットオフ周波数は、駆動信号の周波数の２倍以下であっても良い。この場合にも、圧電素子３０に流れる主な高調波電流（４次の高調波電流）を除去することができるとともに、２次及び３次の高調波成分も除去できる。

＜第１変形例＞
図１４は、第１変形例の駆動回路６０のブロック図である。図１４の駆動回路には、前述の図１０や図１１の駆動回路の構成に、振幅調整部７１と、ＡＣ／ＤＣ変換部７２と、調整量出力部７３とが追加されている。

ＡＣ／ＤＣ変換部７２は、ローパスフィルター６４Ａの出力信号（図１２Ｂ参照）を、実効電圧を示すＤＣ信号に変換する。ＤＣ信号は、圧電モーター１に流れる電流の振幅（詳しくは、基本周波数成分の振幅）の大きさに対応しており、圧電モーター１に流れる電流が大きければ大きくなり、圧電モーター１に流れる電流が小さければ小さくなる。調整量出力部７３はＤＣ信号に応じた調整量（調整電圧）を出力し、振幅調整部７１は調整電圧に基づいて駆動信号の振幅を調整する（ゲインを調整する）。ＡＣ／ＤＣ変換部のＤＣ信号が大きいほど、駆動信号の振幅が小さくなるように調整され、ＡＣ／ＤＣ変換部のＤＣ信号が小さいほど、駆動信号の振幅が大きくなるように調整される。すなわち、振幅調整部７１は、圧電モーター１に流れる電流が大きいほど駆動信号の振幅を小さく調整し、圧電モーター１に流れる電流が小さいほど駆動信号の振幅を大きく調整する。

圧電モーター１の回転体１０が回転しにくい状態（回転体１０の回転速度が低下する状態）は、圧電モーター１の動インピーダンスが大きい状態と等価である。このため、圧電モーター１の回転体１０が回転しにくい状態になると、圧電モーター１に流れる電流が低下する。但し、第１変形例の駆動回路６０によれば、圧電モーター１に流れる電流が低下すると、駆動信号の振幅が大きくなるように調整されるため、圧電モーター１の回転体１０の回転速度が元に戻る。つまり、第１変形例の駆動回路６０では、圧電モーター１の回転体１０の回転速度が変動しても、回転体１０の回転速度を元に戻すように負帰還がかかる。

図１５は、第１変形例の駆動回路６０の一例の構成図である。

ＡＣ／ＤＣ変換部７２は、ＡＣ信号をＤＣ信号に変換する変換回路である。ＡＣ／ＤＣ変換部７２の入力端子は、ローパスフィルター６４Ａの出力端子に接続されている。ＡＣ／ＤＣ変換部７２の出力端子は、調整量出力部７３の入力端子に接続されている。ＡＣ／ＤＣ変換部７２は、圧電モーター１に流れる電流の基本周波数成分の振幅に対応するＤＣ信号を調整量出力部７３に出力する。

ここでは、ＡＣ／ＤＣ変換部として、全波整流検出回路が採用されている。図中の全波整流検出回路の平滑コンデンサーＣ１０は、平滑回路を構成しており、１０００ｐＦである。なお、図中の抵抗は、Ｒ１１＝Ｒ１２、Ｒ１３＝Ｒ１５、Ｒ１４＝Ｒ１３／２であり、Ｒ１１＝Ｒ１２＝Ｒ１３＝Ｒ１５＝１００ｋΩ、Ｒ１４＝５０ｋΩである。

調整量出力部７３は、ＤＣ信号に応じた調整量（調整電圧）を出力する回路である。調整量出力部７３の入力端子は、ＡＣ／ＤＣ変換部７２の出力端子に接続されている。調整量出力部７３の出力端子は、振幅調整部７１の入力端子に接続されている。

図１６は、調整量出力部７３の回路図である。調整量出力部７３は、第１の反転増幅回路７３Ａと、電圧フォロワ回路７３Ｂと、加算回路７３Ｃと、第２の反転増幅回路７３Ｄとから構成されている。

第１の反転増幅回路７３Ａの入力端子は、ＡＣ／ＤＣ変換部７２の出力端子に接続されている。ＡＣ／ＤＣ変換部７２からのＤＣ信号はプラス側の電圧であるため、第１の反転増幅回路７３Ａは、マイナスの電圧を出力する。第１の反転増幅回路７３Ａの帰還抵抗は可変であり、増幅率を調整することができる。電圧フォロワ回路７３Ｂは、所定電圧を出力する回路であり、入力側のボリュームによって出力電圧を調整できる。加算回路７３Ｃは、第１の反転増幅回路７３Ａの出力と、電圧フォロワ回路の出力を合成する回路である。加算回路７３Ｃによって合成された信号は、第２の反転増幅回路７３Ｄに出力される。

第２の反転増幅回路７３Ｄは、加算回路７３Ｃからの合成信号の極性を反転させた信号を出力する。圧電モーター１に流れる電流が目標電流値であるときに、第２の反転増幅回路７３Ｄの出力電圧が所定電圧（例えば５Ｖ）になるように、電圧フォロワ回路７３Ｂのボリュームが予め調整されている。これにより、圧電モーター１に流れる電流が目標電流値以上のときには、第２の反転増幅回路７３Ｄの出力電圧は５Ｖ以下になる。逆に、圧電モーター１に流れる電流が目標電流値以下のときには、第２の反転増幅回路７３Ｄの出力電圧は５Ｖ以上になる。なお、圧電モーター１に流れる電流の変動に対する第２の反転増幅回路７３Ｄの出力電圧の変動は、第１の反転増幅回路の帰還抵抗で予め調整されている。

このようにして、調整量出力部７３（若しくは第２の反転増幅回路７３Ｄの出力端子）は、ＡＣ／ＤＣ変換部７２からのＤＣ信号に応じた調整量（調整電圧）を出力する。調整量出力部７３は、ＡＣ／ＤＣ変換部７２からのＤＣ信号が大きいほど、小さい電圧（調整電圧）を出力する。また、調整量出力部７３は、ＡＣ／ＤＣ変換部７２からのＤＣ信号が小さいほど、大きい電圧（調整電圧）を出力する。

図１５の振幅調整部７１は、アナログ乗算器により構成されている。振幅調整部７１には、駆動信号生成部６１からの駆動信号と、調整量出力部７３からの調整電圧とが入力する。駆動信号生成部６１からの駆動信号（正弦波）をＡsinωｔ（Ｖ）とし、調整量出力部７３からの調整電圧Ｂ（Ｖ）としたとき、振幅調整部７１は、ＡＢsinωｔ／１０（Ｖ）の電圧を出力する。このようにして、振幅調整部７１は、調整量（調整電圧Ｂ）に基づいて、駆動信号の振幅を調整する（ゲインを調整する）。

第１変形例によれば、圧電モーター１の回転体１０が回転しにくい状態になり、圧電モーター１に流れる電流が低下すると、振幅調整部７１から出力される駆動信号の振幅が大きくなる。振幅調整部７１から出力される駆動信号の振幅が大きくなると、突起部２２の楕円運動の軌跡が大きくなり、突起部２２と回転体１０との接触圧が増加する。突起部２２と回転体１０との接触圧が増加すると、回転体１０に伝達される力が大きくなり、回転体１０の回転速度が元に戻る。つまり、これにより、第１変形例の駆動回路６０では、圧電モーター１の回転体１０の回転速度が変動しても、回転体１０の回転速度を元に戻すように負帰還がかかる。

したがって、第１変形例の駆動回路によれば、仮に回転体１０のスムーズな回転が一旦損なわれても、回転体１０の回転が安定する。なお、第１変形例においても、前述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

第１変形例においても、駆動回路６０の各部のアナログ回路は一例であり、他のアナログ回路が採用されても良い。また、アナログ回路の一部をデジタル回路で構成することも可能である。

＜第２変形例＞
上記の第１変形例では、圧電モーター１の回転体１０が回転しにくい状態になり、圧電モーター１に流れる電流が低下すると、振幅調整部７１から出力される駆動信号の振幅が大きく調整され、突起部２２の楕円運動の軌跡が大きくなり、突起部２２と回転体１０との接触圧が増加し、回転体１０の回転が安定する（負帰還がかかる）。

一方、突起部２２が空回りしている場合（突起部２２が回転体１０に対して滑っている場合）においても、回転体１０が回転しにくいため、動インピーダンスが大きい状態になり、圧電モーター１に流れる電流が低下する。但し、突起部２２が空回りしているときに、突起部２２の楕円運動の軌跡が大きくなると、更に突起部２２が滑ってしまうおそれがある。

そこで、第２変形例の圧電モーター１は、突起部２２の空回りを検出し、前記突起部２２の空回りを検出したときには、駆動信号生成部６１から出力する正弦波の電圧の振幅を一旦小さくする。これにより、突起部２２の楕円運動の軌跡が小さくなり、回転体１０に対する突起部２２の滑りが解消される。そして、空回りの解消後に、圧電モーター１は、駆動信号生成部６１から出力する正弦波の電圧の振幅を徐々に元に戻す。

突起部２２の空回りを検出する第１の方法として、回転体１０の回転軸１１にエンコーダーを設け、エンコーダーの出力に基づいて回転体１０の回転を検出することが考えられる。この場合、圧電モーター１を駆動時に回転体１０が回転していないことをエンコーダーで検出すれば、突起部２２の空回りを検出することができる。

突起部２２の空回りを検出する第２の方法として、圧電素子３０に流れる電流を検出することが考えられる。この場合、圧電素子３０の電流の振幅を検出し、圧電素子３０の電流振幅が所定値以下であれば空回りではないと判断し、圧電素子３０の電流振幅が所定値以上であれば空回りであると判断することができる。若しくは、圧電素子３０の電流の位相を検出し、圧電素子３０の電流の位相が、駆動信号の位相に対して９０度ずれているときに、空回りしていると判断することができる。（なお、空回りのときには、図６のコンデンサーＣと抵抗Ｒの並列回路の抵抗値はほぼゼロなので、電流と電圧の位相差が９０度になる。）

突起部２２の空回りを検出する第３の方法として、圧電素子３０の検出用電極部３３３を用いて、圧電素子３０の逆起電力を検出することが考えられる。この第３の方法においても、第２の方法と同様に、検出用電極部３３３の逆起電圧の振幅又は位相に基づいて空回りを検出することができる。

第２変形例によれば、空回りを検出したときに駆動信号の電圧振幅を小さくするため、空回りを解消させることができる。

＝＝＝その他＝＝＝
上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。

１ 圧電モーター、
１０ 回転体、１１ 回転軸、
２０ 圧電アクチュエーター、
２１ 振動部材、２２ 突起部、２３ 腕部、
３０ 圧電素子、
３１ 圧電体層、３２ 第１電極、３３ 第２電極、
３３１ 縦振動用電極部、３３２ 屈曲振動用電極部、３３３ 検出用電極部、
３４ 溝部、３４Ａ 第１溝部、３４Ｂ 第２溝部、
４０ 本体、４１ ピン、
５０ 付勢機構、
５１ 保持部、５２固定部、５２Ａ ネジ穴、
５３ スライド部、５３Ａ 長孔、
５５ バネ、
６０ 駆動回路、６０’ 比較例の駆動回路、
６１ 駆動信号生成部、６２ 補正部、６３ 電流検出部、
６４ 高調波抽出部、６４Ａ ローパスフィルター、６４Ｂ 差動増幅部、
６５ 位相シフト部、
７１ 振幅調整部、７２ ＡＣ／ＤＣ変換部、
７３ 調整量出力部、７３Ａ 第１の反転増幅回路、７３Ｂ 電圧フォロワ回路、
７３Ｃ 加算回路、７３Ｄ 第２の反転増幅回路、
Ｃ コンデンサー、
Ｒ 抵抗

Claims (7)

1. 回転体と、
   前記回転体と接触する突起部を有し、圧電素子を駆動したときの前記突起部の運動によって前記回転体を回転させる圧電アクチュエーターと、
   前記圧電素子を駆動する駆動回路と
   を備え、
   前記駆動回路は、
   所定周波数の駆動信号を出力する駆動信号生成部と、
   前記圧電素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記電流の高調波成分を抽出する抽出部と、
   前記高調波成分に基づいて前記駆動信号を補正し、補正された駆動信号を前記圧電素子に印加する補正部と
   を有し、
   前記抽出部は、
   前記電流検出部からの出力が入力され、前記所定周波数よりも高い周波数を遮断するローパスフィルターと、
   前記電流検出部からの出力と、前記ローパスフィルターからの出力との差に基づいて、前記高調波成分を出力する差動増幅部と
   を有する
   ことを特徴とする圧電モーター。
2. 請求項１に記載の圧電モーターであって、
   前記ローパスフィルターのカットオフ周波数は、前記所定周波数の４倍以下である
   ことを特徴とする圧電モーター。
3. 請求項１又は２に記載の圧電モーターであって、
   前記圧電素子に流れる電流の振幅が小さくなるほど、前記駆動信号生成部からの前記駆動信号の振幅を大きく調整し、前記圧電素子に流れる電流の振幅が大きくなるほど、前記駆動信号生成部からの前記駆動信号の振幅を小さく調整する振幅調整部を備え、
   前記補正部は、前記振幅調整部によって振幅の調整された前記駆動信号を前記高調波成分に基づいて補正し、補正された駆動信号を前記圧電素子に印加する
   ことを特徴とする圧電モーター。
4. 請求項１〜３に記載の圧電モーターであって、
   前記突起部の空回りを検出し、
   前記空回りを検出したとき、前記駆動信号の電圧の振幅を小さくする
   ことを特徴とする圧電モーター。
5. 本体と、
   前記本体に対して回転可能な回転体と、
   前記本体に対して保持され、前記回転体と接触する突起部を有し、圧電素子を駆動したときの前記突起部の運動によって前記回転体を回転させる圧電アクチュエーターと、
   前記圧電素子を駆動する駆動回路と
   を備え、
   前記駆動回路は、
   所定周波数の駆動信号を出力する駆動信号生成部と、
   前記圧電素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記電流の高調波成分を抽出する抽出部と、
   前記高調波成分に基づいて前記駆動信号を補正し、補正された駆動信号を前記圧電素子に印加する補正部と
   を有し、
   前記抽出部は、
   前記電流検出部からの出力が入力され、前記所定周波数よりも高い周波数を遮断するローパスフィルターと、
   前記電流検出部からの出力と、前記ローパスフィルターからの出力との差に基づいて、前記高調波成分を出力する差動増幅部と
   を有する
   ことを特徴とする圧電モーター装置。
6. 圧電素子が駆動されたときの突起部の運動によって、前記突起部と接触する回転体を回転させる圧電アクチュエーターに備えられる前記圧電素子を駆動する駆動回路であって、
   所定周波数の駆動信号を出力する駆動信号生成部と、
   前記圧電素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記電流の高調波成分を抽出する抽出部と、
   前記高調波成分に基づいて前記駆動信号を補正し、補正された駆動信号を前記圧電素子に印加する補正部と
   を有し、
   前記抽出部は、
   前記電流検出部からの出力が入力され、前記所定周波数よりも高い周波数を遮断するローパスフィルターと、
   前記電流検出部からの出力と、前記ローパスフィルターからの出力との差に基づいて、前記高調波成分を出力する差動増幅部と
   を有する
   ことを特徴とする駆動回路。
7. 圧電素子と突起部とを有し、前記圧電素子が駆動されたときの前記突起部の運動によって、前記突起部と接触する回転体を回転させる圧電アクチュエーター、を備える圧電モーターの駆動方法であって、
   所定周波数の駆動信号を出力し、
   前記圧電素子に流れる電流を検出し、
   前記電流の高調波成分を抽出し、
   前記高調波成分に基づいて前記駆動信号を補正し、補正された駆動信号を前記圧電素子に印加するとともに、
   前記電流の前記高調波成分を抽出する際に、
   前記圧電素子に流れる前記電流を検出する電流検出部からの出力を、前記所定周波数よりも高い周波数を遮断するローパスフィルターに入力し、
   前記電流検出部からの出力と、前記ローパスフィルターからの出力との差に基づいて、前記高調波成分を出力する
   ことを特徴とする圧電モーターの駆動方法。