JP7405252B2 - 駆動制御装置及び超音波モータシステム - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を有する駆動体を駆動させる駆動制御装置及び圧電素子を有する超音波モータシステムに関する。

従来、圧電素子によりステータを振動させる超音波モータが種々提案されている。例えば、超音波モータは、複数に分極された圧電素子を含むステータと、ステータに接触しているロータとを有する。複数に分極された圧電素子に、互いに異なる位相の信号が印加されることにより、ステータが振動する。この振動によりロータが回転する。

圧電素子に印加される信号の最適な周波数は、ステータ及びロータの接触圧力、超音波モータの温度や超音波モータに加わる負荷によって変動する。そのため、上記信号の周波数に対して適切なフィードバック制御を行うことにより、超音波モータを効率的に駆動し得る。

下記の特許文献１に記載の超音波モータにおいては、弾性体に、圧電素子と、フィードバック用圧電素子とが貼り付けられている。弾性体の振動に応じて、フィードバック用圧電素子からフィードバック信号が出力される。フィードバック信号に基づき、圧電素子に印加する駆動電圧信号が制御される。

特許第２６８３２３７号公報

特許文献１に記載の超音波モータにおいては、弾性体にフィードバック用圧電素子を配置する必要がある。そのため、部品の点数を減らすこと、及び超音波モータを小型にすることが困難となる。

本発明の目的は、超音波モータ素子の小型化を容易に進めることができる、駆動制御装置、及びこれを用いた超音波モータシステムを提供することにある。

本発明に係る駆動制御装置は、振動体上の圧電素子に設けられた複数の電極に、互いに異なる位相の信号を印加することで前記振動体を振動させる駆動制御装置であって、前記複数の電極のうち一部の電極に選択的に信号を印加する信号印加部と、前記複数の電極のうち前記信号印加部が選択的に印加した電極とは異なる電極からのフィードバック信号を受信するフィードバック信号受信部と、前記フィードバック信号に基づいて前記信号印加部が印加する信号条件を制御する信号条件制御部とを備える。

本発明に係る超音波モータシステムは、本発明に従い構成されている駆動制御装置と、前記振動体と、前記振動体上の前記圧電素子に設けられている前記複数の電極とを備え、フィードバック用の電極を備えない。

本発明に係る駆動制御装置によれば、超音波モータ素子の小型化を容易に進めることができる。また、本発明に係る超音波モータシステムによれば、小型化を容易に進めることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態における超音波モータ素子及びその駆動制御回路の接続関係図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。 図３は、本発明の第１の実施形態におけるステータの底面図である。 図４は、本発明の第１の実施形態における第１の圧電素子の正面断面図である。 図５は、本発明の第１の実施形態における駆動制御装置の動作手順を示すフローチャートである。 図６は、周波数及びフィードバック電圧との関係の例を示す図である。 図７（ａ）～図７（ｃ）は、進行波を分かりやすく説明するための、ステータの模式的底面図である。 図８は、本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。 図９は、本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。 図１０は、本発明の第２の実施形態に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態の変形例に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。 図１２は、本発明の第３の実施形態に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。 図１３は、本発明の第３の実施形態の変形例に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

図１は、本発明の第１の実施形態における超音波モータ素子及びその駆動制御回路の接続関係図である。

超音波モータシステム１は、駆動制御装置２と超音波モータ素子を有する。超音波モータ素子は、ステータ３と、ロータ８とを有する。超音波モータシステム１においては、駆動制御装置２からステータ３に、駆動用の信号が印加される。それによって、ステータ３を振動させることにより、軸方向Ｚを中心として周回する進行波を発生させる。ここで、ステータ３とロータ８とは接触している。ステータ３において生じた進行波により、ロータ８を回転させる。以下において、超音波モータシステム１の具体的な構成を説明する。

図１に示すように、ステータ３は振動体４を有する。振動体４は円板状である。振動体４は第１の主面４ａ及び第２の主面４ｂを有する。第１の主面４ａ及び第２の主面４ｂは対向し合っている。本明細書において、軸方向Ｚとは、第１の主面４ａ及び第２の主面４ｂを結ぶ方向であって、回転中心に沿う方向をいう。なお、振動体４の形状は円板状には限定されない。軸方向Ｚから見た振動体４の形状は、例えば、正六角形、正八角形または正十角形などの正多角形であってもよい。振動体４は適宜の金属からなる。もっとも、振動体４は必ずしも金属からなっていなくともよい。振動体４は、例えば、セラミックス、シリコン材料または合成樹脂などの他の弾性体により構成されていてもよい。

ここで、以下の実施形態に示す圧電素子は複数に分極されている。複数に分極された圧電素子としては、例えば、領域毎に異なる分極方向を有する１つの圧電素子が挙げられる。もしくは、複数に分極された圧電素子としては、互いに分極方向の異なる複数の圧電素子を挙げることができる。第１の実施形態においては、複数に分極された圧電素子が複数の圧電素子である場合を示す。

振動体４の第１の主面４ａには、複数に分極された圧電素子が設けられている。より具体的には、互いに分極方向の異なる複数の圧電素子が設けられている。第２の主面４ｂはロータ８に接触している。ロータ８は、ロータ本体８ａと、回転軸８ｂとを有する。ロータ本体８ａは円板状である。回転軸８ｂの一端がロータ本体８ａに連ねられている。ロータ本体８ａが振動体４の第２の主面４ｂに接触している。なお、ロータ本体８ａの形状は円板状には限定されない。軸方向Ｚから見たロータ本体８ａの形状は、例えば、正六角形、正八角形または正十角形などの正多角形であってもよい。

駆動制御装置２から、複数に分極された圧電素子に信号が印加される。これにより、ステータ３の振動体４が振動する。なお、駆動制御装置２は、ステータ３からのフィードバック信号を受信する。駆動制御装置２は、このフィードバック信号に基づき、ステータ３の振動及び超音波モータ素子における回転速度を制御する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。

駆動制御装置２は、切り替えスイッチ１３と、フィルタ部１４と、振幅検出部１５と、信号条件制御部１６と、信号印加部１７と、切り替え制御部１８とを有する。切り替えスイッチ１３と信号印加部１７との間に、フィルタ部１４、振幅検出部１５及び信号条件制御部１６がこの順序において接続されている。複数に分極された圧電素子には、複数の電極が設けられている。切り替えスイッチ１３は、複数の電極のうち接続する電極を選択することにより、受信するフィードバック信号を選択する。フィルタ部１４は、フィードバック信号をフィルタリングする。振幅検出部１５は、フィードバック電圧から、振動体４の振幅を検出する。振幅検出部１５は、本発明における「フィードバック信号受信部」である。信号条件制御部１６は、検出された振動体４の振幅などに基づいて、圧電素子の各電極に印加する信号の周波数を設定する。信号印加部１７は、複数の電極に信号を印加する。また、複数の電極のうち一部の電極に選択的に信号を印加することもできる。より具体的には、信号印加部１７は、複数に分極された圧電素子に設けられた複数の電極のうち選択した電極に、圧電素子を振動させる信号を送信する。なお、切り替え制御部１８は、切り替えスイッチ１３における、接続する圧電素子の電極の選択と、信号印加部１７における、振動させる圧電素子の選択とを制御する。

なお、フィルタ部１４、振幅検出部１５、信号条件制御部１６、信号印加部１７、及び切り替え制御部１８は各々の機能を説明するために概念的に分けて記載するが、互いに物理的に分離されている必要はない。例えば、振幅検出部１５、信号条件制御部１６、信号印加部１７、及び切り替え制御部１８は同一のマイコンに含まれてもよい。また、フィルタ部１４もフィルタ回路部品で構成されるものに限らず、振幅検出部１５などと同様にマイコン内のデジタルフィルタとして構成されていてもよい。

本実施形態の特徴は、超音波モータシステム１が、振動体４上の圧電素子に設けられた複数の電極と、駆動制御装置２とを有し、フィードバック用の電極を有さないことにある。さらに、本実施形態の特徴は、駆動制御装置２が切り替えスイッチ１３、信号印加部１７及び振幅検出部１５を有し、信号印加部１７が選択的に印加した電極とは異なる電極と振幅検出部１５とが接続するように、切り替えスイッチ１３が切り替えを行うことにある。超音波モータシステム１が駆動制御装置２を有することにより、超音波モータシステム１においては、フィードバック用の圧電素子及びその電極は不要となる。よって、超音波モータ素子の小型化を容易に進めることができる。この詳細を、本実施形態の構成の詳細と共に、以下において説明する。

図３は、第１の実施形態におけるステータの底面図である。

本実施形態において、複数に分極された圧電素子は、第１の圧電素子５Ａ、第２の圧電素子５Ｂ、第３の圧電素子５Ｃ及び第４の圧電素子５Ｄである。複数の圧電素子は、振動体４に接着剤により貼り付けられている。接着剤には、例えば、エポキシ樹脂やポリエチレン樹脂などを用いることができる。

複数に分極された圧電素子は、軸方向Ｚに平行な軸を中心として周回する進行波を発生させるように、該進行波の周回方向に沿って分散配置されている。軸方向Ｚから見たときに、第１の圧電素子５Ａ及び第２の圧電素子５Ｂは軸を挟んで対向し合っている。第３の圧電素子５Ｃ及び第４の圧電素子５Ｄは軸を挟んで対向し合っている。

図４は、第１の実施形態における第１の圧電素子の正面断面図である。

第１の圧電素子５Ａは圧電体６を有する。圧電体６は第３の主面６ａ及び第４の主面６ｂを有する。第３の主面６ａ及び第４の主面６ｂは対向し合っている。第１の圧電素子５Ａは第１の電極７Ａ及び第２の電極７Ｂを有する。圧電体６は、第３の主面６ａから第４の主面６ｂに向けて分極されている。圧電体６の第３の主面６ａに第１の電極７Ａが設けられており、第４の主面６ｂに第２の電極７Ｂが設けられている。

第２の圧電素子５Ｂ、第３の圧電素子５Ｃ及び第４の圧電素子５Ｄも、第１の圧電素子５Ａと同様に構成されている。もっとも、第１の圧電素子５Ａにおける圧電体６と、第２の圧電素子５Ｂにおける圧電体６とは、互いに逆方向に分極されている。よって、第１の圧電素子５Ａ及び第２の圧電素子５Ｂに同じ信号が印加された場合には、互いに逆位相において振動する。第３の圧電素子５Ｃの圧電体６及び第４の圧電素子５Ｄの圧電体６も、互いに逆方向に分極されている。つまり、複数の、第１，第２，第３，第４の圧電素子５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは、複数に分極された圧電素子である。

複数に分極された圧電素子は、上記駆動制御装置２に電気的に接続されている。駆動制御装置２は、複数に分極された圧電素子を、互いに異なる位相において振動させる。ここで、互いに異なる位相における一方をＡ相とし、他方をＢ相とする。本実施形態におけるＡ相とＢ相の位相差は９０°である。さらに、Ａ相において互いに１８０°異なる位相のうち一方をＡ相＋とし、他方をＡ相－とする。Ｂ相において互いに１８０°異なる位相のうち一方をＢ相＋とし、他方をＢ相－とする。なお、以下の実施形態ではＡ相、Ｂ相の２相で制御する例を示すが、本発明の技術はＡ相、Ｂ相、Ｃ相の３つの位相で制御する場合にも適用可能である。

図２に示すように、第１の圧電素子５Ａ及び第２の圧電素子５Ｂには、駆動制御装置２から同じ信号が印加される。本実施形態においては、第１の圧電素子５ＡはＡ相＋において振動し、第２の圧電素子５ＢはＡ相－において振動する。なお、第１の圧電素子５Ａ及び第３の圧電素子５Ｃには、異なる信号が印加される。そして、第３の圧電素子５Ｃ及び第４の圧電素子５Ｄには、同じ信号が印加される。第３の圧電素子５ＣはＢ相＋において振動し、第４の圧電素子５ＤはＢ相－において振動する。以下においては、Ａ相において振動する圧電素子を圧電素子Ａ相と記載することがある。Ｂ相において振動する圧電素子を圧電素子Ｂ相と記載することがある。

なお、駆動制御装置２からは、圧電素子における第１の電極に信号が印加される。よって、圧電素子の複数の第１の電極は、Ａ相の信号が印加されるＡ相電極と、Ｂ相の信号が印加されるＢ相電極とを含む。圧電素子Ａ相の第１の電極がＡ相電極であり、圧電素子Ｂ相の第１の電極がＢ相電極である。もっとも、各圧電素子の各第２の電極がＡ相電極またはＢ相電極であってもよい。駆動制御装置２は、図５に示すフローにより、ステータ３を振動させる。

図５は、第１の実施形態における駆動制御装置の動作手順を示すフローチャートである。図６は、周波数及びフィードバック電圧との関係の例を示す図である。なお、フィードバック電圧はフィードバック信号の電圧である。

図５に示すように、ステップＳ１において動作を開始する。ステップＳ２では、圧電素子Ａ相のみにおいて周波数掃引を行う。このとき、切り替え制御部１８によって信号印加部１７を制御することにより、信号印加部１７から圧電素子Ａ相のみに信号を送信する。さらに、切り替え制御部１８によって切り替えスイッチ１３を制御することにより、切り替えスイッチ１３を圧電素子Ｂ相の電極のみに接続する。このように、複数の圧電素子のうち、切り替えスイッチ１３が選択する圧電素子と、信号印加部１７により振動させる圧電素子とが異なるように、切り替え制御部１８が切り替えスイッチ１３及び信号印加部１７を制御する。それによって、圧電素子Ａ相における周波数掃引に際し、圧電素子Ｂ相からのフィードバック信号を受信する。このフィードバック信号を、フィルタ部１４によりフィルタリングする。そして、圧電素子Ａ相に印加した信号の周波数に応じた、圧電素子Ｂ相のフィードバック電圧を測定する。これにより、図６に示すような、周波数及びフィードバック電圧の関係を導出する。なお、フィルタ部１４を通ったフィードバック電圧から、振幅検出部１５によって、振動体４の振幅の検出も行う。これらの関係及び目標電圧から、信号条件制御部１６において、圧電素子Ａ相に送信する信号の最適周波数を算出する。

なお、目標電圧は、具体的には、フィードバック電圧に対する目標電圧である。目標電圧は、信号条件制御部１６に格納されている。目標電圧は、例えば、超音波モータ素子の用途に応じて、必要となる振動体４の変位や超音波モータ素子の回転速度などに応じて定めてもよい。同様に、最適周波数も、図６に示すような関係及び目標電圧に基づき、必要となる振動体４の変位や超音波モータ素子の回転速度などに応じて定めてもよい。

ステップＳ３において、圧電素子Ａ相を励振させ、かつ圧電素子Ｂ相の励振を停止させる。ステップＳ３においては、ステップＳ２と同様に、切り替え制御部１８によって信号印加部１７を制御する。より具体的には、信号印加部１７から圧電素子Ａ相のみに信号を送信する。このとき、信号印加部１７は、Ａ相及びＢ相における振動の条件から、Ａ相における振動の条件を選択し、圧電素子Ａ相のＡ相電極に信号を印加する。なお、信号の周波数は、信号条件制御部１６において設定する。信号条件制御部１６により、信号印加部１７によって各圧電素子を振動させる周波数を制御する。

信号印加部１７が位相の条件、つまりＡ相もしくはＢ相を選択するに際し、信号条件制御部１６の制御下において、選択が行われてもよい。もっとも、これに限られず、信号印加部１７自体の制御の下、位相の条件の選択が行われてもよい。この場合には、信号印加部１７が、位相を選択するための制御部を内蔵していてもよい。信号を印加する圧電素子の電極に応じて、Ａ相及びＢ相のうちいずれの位相を印加するかが、信号印加部１７にプログラミングされていてもよい。

ステップＳ４において、圧電素子Ｂ相のフィードバック電圧を測定する。ステップＳ４においては、ステップＳ２と同様に、切り替え制御部１８によって切り替えスイッチ１３を制御する。より具体的には、切り替えスイッチ１３を圧電素子Ｂ相のＢ相電極のみに接続する。これにより、Ｂ相電極のみと振幅検出部１５とを接続する。

ステップＳ５では、圧電素子Ｂ相のみにおいて周波数掃引を行う。このとき、切り替え制御部１８によって信号印加部１７を制御することにより、信号印加部１７から圧電素子Ｂ相のみに信号を送信する。さらに、切り替え制御部１８によって切り替えスイッチ１３を制御することにより、切り替えスイッチ１３を圧電素子Ａ相の電極のみに接続する。そして、圧電素子Ｂ相における周波数掃引に際し、圧電素子Ａ相からのフィードバック電圧を測定する。それによって、圧電素子Ａ相に送信する信号の最適周波数を算出する。

ステップＳ６において、圧電素子Ｂ相を励振させ、かつ圧電素子Ａ相の励振を停止させる。ステップＳ６においては、ステップＳ５と同様に、切り替え制御部１８によって信号印加部１７を制御する。より具体的には、信号印加部１７から圧電素子Ｂ相のみに信号を送信する。このとき、信号印加部１７は、Ａ相及びＢ相における振動の条件から、Ｂ相における振動の条件を選択し、圧電素子Ｂ相のＢ相電極に信号を印加する。

ステップＳ７において、圧電素子Ａ相のフィードバック電圧を測定する。ステップＳ７においては、ステップＳ５と同様に、切り替え制御部１８によって切り替えスイッチ１３を制御する。より具体的には、切り替えスイッチ１３を圧電素子Ａ相のＡ相電極のみに接続する。これにより、Ａ相電極のみと振幅検出部１５とを接続する。

ステップＳ８において、圧電素子Ａ相及び圧電素子Ｂ相のフィードバック電圧のうち低い側のフィードバック電圧が目標電圧以上であるか否かを判定する。フィードバック電圧が目標電圧以上である場合には、ステップＳ９に進む。他方、上記フィードバック電圧が目標電圧未満である場合には、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ９において、目標電圧を基にステータ３の圧電素子に印加する信号の周波数を計算する。具体的には、ステップＳ２またはステップＳ５において導出した関係、振幅検出部１５において検出された振動体４の振幅、及び目標電圧に基づき、圧電素子Ａ相または圧電素子Ｂ相に印加する信号の最適周波数を計算する。

ステップＳ１０において、ステータ３の圧電素子に最適周波数の信号を印加する。ここで、ステップＳ１０では、信号印加部１７は、圧電素子Ａ相及び圧電素子Ｂ相の双方に信号を印加する。このように、信号印加部１７の信号の印加が選択的であるのは、常時ではない。なお、信号印加部１７は、圧電素子Ａ相のＡ相電極にＡ相の信号を印加し、圧電素子Ｂ相のＢ相電極にＢ相の信号を印加する。ステップＳ１０の実行後、ステップＳ２に戻る。駆動制御装置２は以上のような動作を繰り返す。

なお、超音波モータ素子の用途に応じて、ステップＳ１０からステップＳ２に戻る条件を別途設けてもよい。上記条件としては、例えば、超音波モータ素子を一定時間回転させた場合や、異常を検知した場合などを挙げることができる。あるいは、上記条件としては、ステップＳ１０の後に信号の印加を停止し、かつ停止後に一定時間が経過した場合などを挙げることもできる。

上記のように、本実施形態における駆動制御装置２は、圧電素子Ａ相または圧電素子Ｂ相からのフィードバック信号を受信する。これにより、超音波モータ素子の回転を制御する。よって、フィードバック用の圧電素子は不要である。従って、超音波モータ素子の小型化を容易に進めることができる。さらに、複数に分極された圧電素子のフィードバック電圧をそれぞれ測定することによって、超音波モータシステム１全体の異常を検出することができる。加えて、フィードバック電圧の測定に基づいて各圧電素子を振動させるため、ステータ３とロータ８との接触圧や超音波モータ素子の温度などに対して、超音波モータ素子を安定的に制御することができる。各圧電素子を効率的に振動させることができるため、各圧電素子からの発熱を抑制することもできる。

本実施形態のように、駆動制御装置２はフィルタ部１４を有することが好ましい。それによって、より正確なフィードバックを行うことができる。フィルタ部１４にはローパスフィルタを用いることがより好ましい。フィルタ部１４の通過帯域は、複数に分極された圧電素子の共振周波数の３倍以下の周波数帯域であることがさらに好ましい。これらの場合には、ノイズを十分に除去することができ、かつ周波数及びフィードバック電圧の関係を十分に把握することができる。よって、より一層正確なフィードバックを行うことができる。

図７（ａ）～図７（ｃ）は、進行波を分かりやすく説明するための、ステータの模式的底面図である。なお、図７（ａ）～図７（ｃ）では、グレースケールにおいて、黒色に近いほど一方の方向の応力が大きく、白色に近いほど他方の方向の応力が大きいことを示す。

本実施形態の場合、ステップＳ３では、圧電素子Ａ相において励振させ、圧電素子Ｂ相における励振を停止させている。このときには、図７（ａ）に示すような三波の定在波Ｘが生じる。他方、ステップＳ６では、圧電素子Ｂ相において励振させ、圧電素子Ａ相における励振を停止させている。このときには、図７（ｂ）に示すような三波の定在波Ｙが生じる。位相が９０°異なる三波の定在波Ｘ及び定在波Ｙが励振され、両者が合成されることにより、図７（ｃ）に示す進行波が生じる。なお、三波の例を示したが、これに限定されない。九波の場合も同様に、位相が９０°異なる２つの定在波が励振され、両者の合成により進行波が生じる。上記のように、振動体４に周回方向に進む進行波を発生させることにより、振動体４の第２の主面４ｂに接触しているロータ８が軸方向Ｚ中心周りに回転することとなる。なお、本発明において、進行波を発生させる構成は、本実施形態の構成に限らず、従来より公知の様々な進行波を発生させる構成を用いることができる。

ロータ本体８ａにおけるステータ３側の面には、摩擦材が固定されていてもよい。それによって、ステータ３の振動体４とロータ８との間に加わる摩擦力を大きくすることができる。

本実施形態においては、進行波の中心は、ステータ３の中心及び振動体４の中心と一致する。もっとも、進行波の中心は、ステータ３の中心及び振動体４の中心とは必ずしも一致しなくともよい。

切り替えスイッチ１３は、Ａ相接続部１３ａ、Ｂ相接続部１３ｃ及びニュートラル部１３ｅを有する。Ａ相接続部１３ａは圧電素子Ａ相の電極に電気的に接続されている。Ｂ相接続部１３ｃは圧電素子Ｂ相の電極に電気的に接続されている。ニュートラル部１３ｅは、圧電素子Ａ相及び圧電素子Ｂ相のいずれにも電気的に接続されていない。切り替えスイッチ１３は、Ａ相接続部１３ａとの接続またはＢ相接続部１３ｃとの接続の選択により、接続する圧電素子の電極を選択する。ここで、駆動制御装置２の動作手順は、切り替えスイッチ１３がニュートラル部１３ｅに接続された状態とするステップを含んでいてもよい。この場合には、超音波モータシステム１における信号のアンバランスなどを抑制することができる。

本実施形態においては、圧電素子Ａ相のフィードバック信号は、切り替えスイッチ１３によって同時に選択される。さらに、各圧電素子Ａ相には、信号印加部１７によって同時に同じ信号が送信される。圧電素子Ｂ相においても同様である。もっとも、これに限られず、各圧電素子が独立して、切り替えスイッチ１３及び信号印加部１７により選択されてもよい。この例を以下において示す。

図８は、第１の実施形態の第１の変形例に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。なお、図８では、Ａ相＋において振動する圧電素子をＡ＋の符号により示し、Ａ相－において振動する圧電素子をＡ－の符号により示す。Ｂ相＋において振動する圧電素子をＢ＋の符号により示し、Ｂ相－において振動する圧電素子をＢ－の符号により示す。図８以降の模式的制御回路図においても同様である。

本変形例では、駆動制御回路２２Ａの切り替えスイッチ２３は、第１のＡ相接続部２３ａと、第２のＡ相接続部２３ｂと、第１のＢ相接続部２３ｃと、第２のＢ相接続部２３ｄと、ニュートラル部１３ｅとを有する。第１のＡ相接続部２３ａはＡ相＋において振動する圧電素子の電極に接続されている。第２のＡ相接続部２３ｂはＡ相－において振動する圧電素子の電極に接続されている。第１のＢ相接続部２３ｃはＢ相＋において振動する圧電素子の電極に接続されている。第２のＢ相接続部２３ｄはＢ相－において振動する圧電素子の電極に接続されている。切り替えスイッチ２３は、切り替え制御部１８の制御の下、上記各接続部との接続の選択により、接続する圧電素子を選択する。

Ａ相＋において振動する圧電素子、Ａ相－において振動する圧電素子、Ｂ相＋において振動する圧電素子及びＢ相－において振動する圧電素子は、それぞれ独立して信号印加部１７に接続されている。信号印加部１７は、切り替え制御部１８の制御の下、複数に分極された圧電素子のうち振動させる圧電素子を選択する。

図９は、第１の実施形態の第２の変形例に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。

本変形例では、駆動制御回路２２Ｂにおいて、切り替えスイッチは設けられていない。駆動制御回路２２Ｂはフィルタ部２４Ａ及びフィルタ部２４Ｂを有する。フィルタ部２４Ａの通過帯域は、圧電素子Ａ相からの信号のフィルタリングに適している。フィルタ部２４Ｂの通過帯域は、圧電素子Ｂ相からの信号のフィルタリングに適している。なお、フィルタ部２４Ａ，２４Ｂは、一体として構成されていてもよい。

切り替え制御部１８が振幅検出部１５に切り替え制御を指示することで、振幅検出部１５自体がフィードバック信号を受信する電極を切り替える。これにより、部品素子数の低減に加え、切り替えスイッチによるノイズの低減やＡ相・Ｂ相間のインピーダンス不整合の問題を解消することができる。このように、切り替えスイッチを用いないことにより、圧電素子の電極と、振幅検出部１５との電気的な接続の安定性を高めることができ、ループ安定度の向上を図ることができる。

本変形例においては、例えば、圧電素子の電極が振幅検出部１５を含むマイコンの入出力端子に接続される。該マイコンは、駆動制御回路２２Ｂのフィルタ部２４Ａ，２４Ｂ、振幅検出部１５、信号条件制御部１６、信号印加部１７、及び切り替え制御部１８のうち少なくとも２つを含んでいてもよい。マイコンがフィルタ部２４Ａ，２４Ｂを含む場合には、フィルタ部２４Ａ，２４Ｂをデジタルフィルタとしてもよい。マイコンは、フィルタ部２４Ａ，２４Ｂ、振幅検出部１５、信号条件制御部１６、信号印加部１７、及び切り替え制御部１８の全てを含んでいることが好ましい。この場合には、駆動制御回路２２Ｂ全体を単一のマイコンにすることができる。それによって、部品点数をより一層低減することができ、かつノイズのより一層の低減を図ることができる。

図１０は、第２の実施形態に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。図１０においては、圧電素子をハッチングにより示す。後述する図１１においても同様である。

本実施形態は、駆動制御装置２に接続されている圧電素子３５の構成が第１の実施形態と異なる。上記の点以外においては、本実施形態の超音波モータシステムは第１の実施形態の超音波モータシステム１と同様の構成を有する。

圧電素子３５は、複数に分極された１つの圧電素子である。以下において、圧電素子３５の詳細を説明する。圧電素子３５は円環状である。圧電素子３５は複数の領域を有する。圧電素子３５は、領域毎に異なる分極方向を有する。これにより、圧電素子３５は、互いに異なる領域では、互いに異なる位相において振動する。複数の領域は圧電素子３５における周回方向に並んでいる。より具体的には、複数の領域は、複数の第１のＡ相領域と、複数の第２のＡ相領域と、複数の第１のＢ相領域と、複数の第２のＢ相領域とを含む。圧電素子３５は、第１のＡ相領域ではＡ相＋において振動し、第２のＡ相領域ではＡ相－において振動する。圧電素子３５は、第１のＢ相領域ではＢ相＋において振動し、第２のＢ相領域ではＢ相－において振動する。

上記のように、圧電素子３５における各領域は、互いに異なる位相において振動する。圧電素子３５は上記各領域を３箇所ずつ含む。なお、圧電素子３５は、上記各領域を少なくとも１箇所ずつ含んでいればよい。

圧電素子３５は複数の第１の電極を有する。各第１の電極は円弧状である。圧電素子３５の隣接する領域に設けられている各第１の電極は、接触していない。本実施形態の圧電素子３５の圧電体は、第１のＡ相領域及び第２のＡ相領域においては、互いに逆方向に分極されている。同様に、圧電素子３５の圧電体は、第１のＢ相領域及び第２のＢ相領域においては、互いに逆方向に分極されている。つまり、圧電素子３５は、複数に分極された圧電素子である。

駆動制御装置２における切り替えスイッチ１３のＡ相接続部１３ａは、複数の第１のＡ相領域及び複数の第２のＡ相領域の電極に電気的に接続されている。他方、Ｂ相接続部１３ｃは、複数の第１のＢ相領域及び複数の第２のＢ相領域の電極に電気的に接続されている。よって、切り替えスイッチ１３は、切り替え制御部１８の制御の下、Ａ相接続部１３ａまたはＢ相接続部１３ｃとの接続の選択により、接続する領域の電極を選択する。

複数の第１のＡ相領域及び複数の第２のＡ相領域の電極は、信号印加部１７に共通接続されている。同様に、複数の第１のＢ相領域及び複数の第２のＢ相領域は、信号印加部１７に共通接続されている。信号印加部１７は、切り替え制御部１８の制御の下、複数に分極された圧電素子のうち振動させる圧電素子を選択する。

本実施形態においても、駆動制御装置２の動作手順は図５に示すフローと同様である。駆動制御装置２は、圧電素子３５の第１のＡ相領域及び第２のＡ相領域、または第１のＢ相領域及び第２のＢ相領域からのフィードバック信号を受信する。これにより、超音波モータの回転を制御する。よって、フィードバック用の圧電素子は不要である。従って、第１の実施形態と同様に、超音波モータ素子の小型化を容易に進めることができる。

図１１は、第２の実施形態の変形例に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。

本変形例では、切り替えスイッチ２３は、第１の実施形態の第１の変形例と同様の構成を有する。第１のＡ相接続部２３ａは第１のＡ相領域の電極に接続されている。第２のＡ相接続部２３ｂは第２のＡ相領域の電極に接続されている。第１のＢ相接続部２３ｃは第１のＢ相領域の電極に接続されている。第２のＢ相接続部２３ｄは第２のＢ相領域の電極に接続されている。切り替えスイッチ２３は、切り替え制御部１８の制御の下、上記各接続部との接続の選択により、圧電素子３５の複数の領域の電極のうち接続する領域の電極を選択する。

第１のＡ相領域、第２のＡ相領域、第１のＢ相領域及び第２のＢ相領域の電極は、それぞれ独立して信号印加部１７に接続されている。信号印加部１７は、切り替え制御部１８の制御の下、圧電素子３５の複数の領域のうち振動させる領域を選択する。本変形例においても、第２の実施形態と同様に、超音波モータ素子の小型化を容易に進めることができる。

ところで、本発明に係る駆動制御装置は、超音波リニアモータにも用いることができる。この例を以下において示す。

図１２は、第３の実施形態に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。

本実施形態の超音波モータシステム４１における超音波モータ素子は超音波リニアモータである。超音波モータシステム４１は振動子４３を有する。振動子４３は直方体状の振動体４４を有する。振動体４４上に複数の圧電素子が設けられている。より具体的には、振動子４３は、２個の圧電素子Ａ相と、２個の圧電素子Ｂ相とを有する。なお、一方の圧電素子Ａ相はＡ相＋において振動し、他方の圧電素子Ａ相はＡ相－において振動する。一方の圧電素子Ｂ相はＢ相＋において振動し、他方の圧電素子Ｂ相はＢ相－において振動する。

図１２においては、Ａ相＋において振動する圧電素子Ａ相を符号Ａ＋により示し、Ａ相－において振動する圧電素子Ａ相を符号Ａ－により示す。さらに、図１２においては、Ｂ相＋において振動する圧電素子Ｂ相を符号Ｂ＋により示し、Ｂ相－において振動する圧電素子Ｂ相を符号Ｂ－により示す。複数の圧電素子は、振動体４４の長手方向に並んでいる。圧電素子Ａ相及び圧電素子Ｂ相は交互に配置されている。より具体的には、Ａ相＋において振動する圧電素子Ａ相、Ｂ相＋において振動する圧電素子Ｂ相、Ａ相－において振動する圧電素子Ａ相、Ｂ相－において振動する圧電素子Ｂ相がこの順序において並んでいる。

超音波モータシステム４１は、第１の実施形態と同様の駆動制御装置２を有する。駆動制御装置２における切り替えスイッチ１３のＡ相接続部１３ａは、複数の圧電素子Ａ相の電極に電気的に接続されている。他方、Ｂ相接続部１３ｃは、複数の圧電素子Ｂ相の電極に電気的に接続されている。よって、切り替えスイッチ１３は、切り替え制御部１８の制御の下、Ａ相接続部１３ａまたはＢ相接続部１３ｃとの接続の選択により、接続する圧電素子の電極を選択する。

複数の圧電素子Ａ相の電極は信号印加部１７に共通接続されている。同様に、複数の圧電素子Ｂ相の電極は信号印加部１７に共通接続されている。信号印加部１７は、切り替え制御部１８の制御の下、複数の圧電素子のうち振動させる圧電素子を選択する。

本実施形態においても、駆動制御装置２の動作手順は図５に示すフローと同様である。駆動制御装置２は、圧電素子Ａ相または圧電素子Ｂ相からのフィードバック信号を受信する。これにより、超音波モータの回転を制御する。よって、フィードバック用の圧電素子及びその電極は不要である。従って、第１の実施形態と同様に、超音波モータ素子の小型化を容易に進めることができる。

図１３は、第３の実施形態の変形例に係る超音波モータシステムの模式的制御回路図である。

本変形例では、切り替えスイッチ２３は、第１の実施形態の第１の変形例と同様の構成を有する。第１のＡ相接続部２３ａは、Ａ相＋において振動する圧電素子Ａ相の電極に接続されている。第２のＡ相接続部２３ｂは、Ａ相－において振動する圧電素子Ａ相の電極に接続されている。第１のＢ相接続部２３ｃは、Ｂ相＋において振動する圧電素子Ｂ相の電極に接続されている。第２のＢ相接続部２３ｄは、Ｂ相－において振動する圧電素子Ｂ相の電極に接続されている。切り替えスイッチ２３は、切り替え制御部１８の制御の下、上記各接続部との接続の選択により、接続する圧電素子の電極を選択する。

各圧電素子の電極は、それぞれ独立して信号印加部１７に接続されている。信号印加部１７は、切り替え制御部１８の制御の下、振動させる圧電素子を選択する。本変形例においても、第３の実施形態と同様に、超音波モータ素子の小型化を容易に進めることができる。

１…超音波モータシステム
２…駆動制御装置
３…ステータ
４…振動体
４ａ，４ｂ…第１，第２の主面
５Ａ～５Ｄ…第１～第４の圧電素子
６…圧電体
６ａ，６ｂ…第３，第４の主面
７Ａ，７Ｂ…第１，第２の電極
８…ロータ
８ａ…ロータ本体
８ｂ…回転軸
１３…切り替えスイッチ
１３ａ…Ａ相接続部
１３ｃ…Ｂ相接続部
１３ｅ…ニュートラル部
１４…フィルタ部
１５…振幅検出部（フィードバック信号受信部）
１６…信号条件制御部
１７…信号印加部
１８…切り替え制御部
２２Ａ，２２Ｂ…駆動制御回路
２３…切り替えスイッチ
２３ａ，２３ｂ…第１，第２のＡ相接続部
２３ｃ，２３ｄ…第１，第２のＢ相接続部
２４Ａ，２４Ｂ…フィルタ部
３５…圧電素子
４１…超音波モータシステム
４３…振動子
４４…振動体

Claims (6)

1. 振動体上の複数の圧電素子にそれぞれ電極が設けられており、複数の前記電極に、互いに異なる位相の信号を印加することで前記振動体を振動させる駆動制御装置であって、
   前記複数の電極のうち一部の電極に選択的に、または前記複数の電極のうち全部の電極に信号を印加する信号印加部と、
   前記複数の電極のうち前記信号印加部が選択的に印加した電極とは異なる電極からのフィードバック信号を受信するフィードバック信号受信部と、
   前記フィードバック信号に基づいて前記信号印加部が印加する信号条件を制御する信号条件制御部と、
   を備え、
   前記振動体が円板状であり、
   前記振動体と接触しているロータをさらに備え、
   前記複数の圧電素子が、進行波を発生させるように、前記振動体上に分散配置されており、前記信号印加部が、前記信号条件制御部の制御に基づき、前記進行波を発生させるように、前記複数の電極のうち全部の電極に信号を印加し、
   前記信号印加部が前記複数の電極に印加する信号が、Ａ相の信号及びＢ相の信号を含み、
   前記複数の電極が、前記Ａ相の信号が印加されるＡ相電極と、前記Ｂ相の信号が印加されるＢ相電極と、を含み、
   前記信号印加部が前記Ｂ相電極に前記Ｂ相の信号を印加し、かつ前記Ａ相電極に信号を印加していないときに、前記フィードバック信号受信部が受信する前記フィードバック信号は、前記Ａ相電極からの信号である、駆動制御装置。
2. 前記複数の電極と、前記フィードバック信号受信部との間に接続されており、前記フィードバック信号をフィルタリングするフィルタ部をさらに備える、請求項１に記載の駆動制御装置。
3. 前記複数の電極のうち前記信号印加部が選択的に印加した電極とは異なる電極と、前記フィードバック信号受信部とが接続するように、接続を切り替える指示を前記フィードバック信号受信部に対して行う切り替え制御部をさらに備える、請求項１または２に記載の駆動制御装置。
4. 前記複数の電極のうち前記信号印加部が選択的に印加した電極とは異なる電極と、前記フィードバック信号受信部とが接続するように、接続を切り替える切り替えスイッチをさらに備える、請求項１または２に記載の駆動制御装置。
5. 前記フィードバック信号の電圧の測定と、前記フィードバック信号の電圧が目標電圧以上であるか否かの判定と、前記圧電素子の振動の条件の設定と、前記圧電素子への信号の印加と、の動作を繰り返す、請求項１～４のいずれか１項に記載の駆動制御装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の駆動制御装置と、
   前記振動体と、
   前記振動体上の前記圧電素子に設けられている前記複数の電極と、
   を備え、
   フィードバック用の電極を備えない、超音波モータシステム。

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