(57)【要約】【課題】簡単な構成で超音波アクチュエータ内の駆動機構への負担を減らし、正確な停止位置を得ることができる精度の良い駆動制御が可能な超音波アクチュエータ駆動装置及びアクチュエータ駆動方法を提供する。【解決手段】本発明の超音波アクチュエータ駆動装置１は、制御部２、駆動部３、第１及び第２振動情報検出部４、６、超音波振動子５Ａ及び被駆動体５Ｂを有する超音波アクチュエータ５とを備え、前記制御部２は、前記被駆動体５Ｂを起動又は停止するにあたり、前記超音波振動子５Ａの振動状態（例えば屈曲振動モード、楕円振動モード、無給電モードの３つの振動モード）を切り替えることによって、前記被駆動体５Ｂに対する駆動力を徐々に変化させるように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる超音波振動子及び前記超音波振動子の少なくとも一部に接触し相対的に移動する被駆動体を備えた超音波アクチュエータと、交流信号を生成する発振部と、前記交流信号に基づいて２相の駆動信号を生成する移相部と、前記２相の駆動信号を増幅し、前記超音波振動子に印加することで、前記超音波振動子に縦振動及び／又は屈曲振動を発生させる駆動部と、前記発振部、移相部及び駆動部を制御する制御部と、を有する超音波アクチュエータ駆動装置において、
前記制御部は、前記被駆動体を起動又は停止するにあたり、前記超音波振動子の振動状態を切り替えることによって、前記被駆動体に対する駆動力を徐々に変化させることを特徴とする超音波アクチュエータ駆動装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記被駆動体を起動するにあたり、前記超音波振動子に屈曲振動のみを発生した後に、縦振動及び屈曲振動を発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を制御することを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
【請求項３】
前記制御部は、駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子への前記駆動信号の印加を停止する期間と屈曲振動を発生させる期間を複数組み合わせて用いることにより、前記被駆動体に対する駆動力を徐々に変化させることを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子に屈曲振動のみを所定期間発生させた後、前記駆動信号の印加を停止することを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
【請求項５】
前記制御部は、駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子への前記駆動信号の印加を所定期間停止した後、屈曲振動を発生させることを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記超音波振動子に屈曲振動を発生するにあたり、前記超音波振動子に印加する駆動信号の振幅を徐々に変化させることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記超音波振動子に屈曲振動を発生するにあたり、前記超音波振動子に印加する駆動信号の周波数を徐々に変化させることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
【請求項８】
圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる超音波振動子及び前記超音波振動子の少なくとも一部に接触し相対的に移動する被駆動体を備えた超音波アクチュエータを有し、前記超音波振動子に、交流信号に基づいて生成された２相の駆動信号を印加することで、前記超音波振動子に縦振動及び／又は屈曲振動を発生させて駆動を行う超音波アクチュエータ駆動方法であって、
前記被駆動体を起動又は停止するにあたり、前記超音波振動子の振動状態を切り替えることによって、前記被駆動体に対する駆動力を徐々に変化させるようにしたことを特徴とする超音波アクチュエータ駆動方法。
【請求項９】
前記被駆動体を起動するにあたり、前記超音波振動子に屈曲振動のみを発生した後に、縦振動及び屈曲振動を発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を制御することを特徴とする請求項８に記載の超音波アクチュエータ駆動方法。
【請求項１０】
駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子への前記駆動信号の印加を停止する期間と屈曲振動を発生させる期間を複数組み合わせることにより、前記被駆動体に対する駆動力を徐々に変化させることを特徴とする請求項８に記載の超音波アクチュエータ駆動方法。
【請求項１１】
駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子に屈曲振動のみを所定期間発生させた後、前記駆動信号の印加を停止することを特徴とする請求項８に記載の超音波アクチュエータ駆動方法。
【請求項１２】
駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子への前記駆動信号の印加を所定期間停止した後、屈曲振動を発生させることを特徴とする請求項８に記載の超音波アクチュエータ駆動方法。
【請求項１３】
前記超音波振動子に前記屈曲振動を発生するにあたり、前記超音波振動子に印加する駆動信号の振幅を徐々に変化させることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか１つに超音波アクチュエータ駆動方法。
【請求項１４】
前記超音波振動子に前記屈曲振動を発生するにあたり、前記超音波振動子に印加する駆動信号の周波数を徐々に変化させることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか１つに超音波アクチュエータ駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波アクチュエータ駆動装置及び超音波アクチュエータ駆動方法に関し、特に超音波アクチュエータの超音波振動子に印加する交流電圧の駆動信号を制御することで超音波アクチュエータの停止等の駆動制御を駆動機構に負荷を与えることなく精度良く行うことができる超音波アクチュエータ駆動装置及び超音波アクチュエータ駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電磁型モータよりも多くの利点を有する超音波アクチュエータに関する提案が数多くなされている。  
例えば、特開平７−１６３１６２号公報による提案では、縦及び屈曲の２振動モードにより駆動点に超音波楕円振動を発生させる超音波アクチュエータに関し、この超音波アクチュエータを駆動するのに必要な基本的技術が開示されている。
【０００３】
この提案による技術では、前記超音波アクチュエータ(前記公報明細書中では超音波リニアモータと記載）を駆動するにあたり、図９（ａ）又は図９（ｂ）に示すようなＡ相とＢ相に位相が９０°異なる駆動信号を前記超音波アクチュエータを構成する超音波振動子５７Ａ（図１０参照）に印加することにより、図１０（ａ）に示すような縦振動と、図１０（ｂ）に示すような屈曲振動との２振動モードを同時に励起される。なお、図９（ａ）乃至図９（ｄ）においては駆動信号を矩形波信号で示されているが、正弦波であっても良い。
【０００４】
その結果、前記超音波振動子５７Ａに設けられた摩擦接触部５７Ｃ（図１０参照）には、図１０（ｃ）に示すような楕円振動が発生し、この楕円振動により被駆動部５７Ｂが駆動することになる。この場合、Ｂ相の位相が＋９０°あるいは―９０°とすることにより、楕円振動の回転方向が反対向きになる、即ち、駆動の方向を制御することができる。なお、図９（ｃ）は縦振動時における、Ａ相とＢ相の位相が同相である駆動信号を示し、図９（ｄ）は屈曲振動時における、Ａ相とＢ相の位相が逆相である駆動信号を示している。
【０００５】
このような超音波アクチュエータの駆動制御を実現する従来の駆動回路は、図示はしないが例えば超音波振動子及び被駆動体で構成される超音波アクチュエータの駆動を制御する制御部と、駆動信号の源信号を発生するとともに前記制御部の制御によりこの駆動信号の周波数を決定する第１発振部と、前記制御部の制御により前記第１発振部と同じ周波数で＋９０°又は−９０°の位相で制御可能に発振する第２発振部と、前記２つの第１、第２発振部の出力信号を電力増幅して前記超音波アクチュエータに印加する２つの第１、第２駆動回路からなる駆動部とを有して構成することにより、前記超音波アクチュエータの駆動制御を行うようにしている。
【特許文献１】特開平７−１６３１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来の超音波アクチュエータ駆動回路では、前記超音波振動子の起動及び停止制御は、前記制御部により２相（Ａ相、Ｂ相）の駆動信号を単純に前記超音波振動子に対して印加、あるいは遮断するようにして行われているものである。しかしながらこのような制御方法では、慣性質量のある被駆動体５７Ｂに対し超音波アクチューエータ５７の駆動力の変化が急峻であるため、特に停止動作の場合には、停止位置が不正確になってしまったり、超音波アクチュエータ５７及び被駆動部５７Ｂの駆動機構に係る負担が大きくなってしまう等の不都合があった。
【０００７】
図を用いて説明すると、図１１（ａ）には前記従来の超音波アクチュエータ駆動回路による制御例が示され、図１１（ｂ）にはその制御に基づき駆動される被駆動体の動作状態が示されている。  
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、最初、時間ｔ0 〜ｔ1 において超音波アクチュエータ５７及び被駆動体５７Ｂは停止状態にある。そして、起動時（駆動開始時）の時間ｔ1 に制御部は、第１発振部と第２発振部に制御信号を出力し、Ａ相信号とそれと＋９０°又は−９０°の位相差を持つＢ相信号を電力増幅部を介して超音波振動子５７Ａに印加する。これにより、前記超音波振動子５７Ａには楕円振動が発生する。すると、超音波アクチュエータ５７内の被駆動体５７Ｂは、図１１（ａ）に示すように、徐々に速度を上げ、一定の速度になる。  
そして、制御部は、前記被駆動体５７Ｂが所定の位置（例えば図１１（ｂ）中に示す目標位置Ｌo 手前の所定位置Ｌy ）まで来ると、時間ｔx において給電を停止するように制御する。しかしその後、前記被駆動体５７Ｂは、慣性により給電中断前の速度、慣性質量、摩擦に応じた距離（慣性移動想定距離Ｌz ）を移動することになる。つまり、従来の制御方法では、それを見越して目標位置Ｌo の手前で給電を中止するように制御するが、前記超音波アクチュエータ５７は急に電源ＯＦＦされるため、逆に負荷から駆動されることになり、駆動系のメカ部材に負担がかかる。即ち、超音波アクチュエータ５７は、超音波駆動子５７Ａに生じた楕円振動で前記被駆動体５７Ｂを駆動するが、給電を時間ｔx にて停止すると前記被駆動体５７Ｂは、超音波振動子５７Ａを引きずることになり、大きな摩擦力が生じる。通常、前記超音波駆動子５７Ａは超音波アクチュエータ５７に接着する構造を採用しているため、接着部への負担が大きい。同時に超音波駆動子５７Ａと被駆動体５７Ｂの接触部分（摩擦接触部５７Ｃ）の摩耗も進んでしまう。
【０００８】
上述したように、慣性で移動する距離（慣性移動想定距離Ｌx ）は、摩擦力のバラツキで変わる。超音波アクチュエータ５７は、被駆動体５７Ｂの移動距離により速度も変化する場合が多く、結果的に慣性で移動する距離のバラツキは大きくなる。したがって、被駆動体５７Ｂの正確な停止位置が実現しにくくなる。  
従来技術は、停止位置に関しては、通常、別途リニアスケール等の位置検出手段を設けて、微少送り／戻しにより目標の位置に引き込む方法を採用している。しかしながら、このような従来技術では、超音波アクチュエータ単体での停止精度が悪いと、目標位置に収束する時に送り／引き戻し制御が多く発生し、結果的にその停止制御に係る時間が増大してしまうといった不都合もあった。
【０００９】
そこで、本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で超音波アクチュエータ内の駆動機構への負担を減らし、正確な停止位置を得ることができる精度の良い駆動制御が可能な超音波アクチュエータ駆動装置及びアクチュエータ駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる超音波振動子及び前記超音波振動子の少なくとも一部に接触し相対的に移動する被駆動体を備えた超音波アクチュエータと、交流信号を生成する発振部と、前記交流信号に基づいて２相の駆動信号を生成する移相部と、前記２相の駆動信号を増幅し、前記超音波振動子に印加することで、前記超音波振動子に縦振動及び／又は屈曲振動を発生させる駆動部と、前記発振部、移相部及び駆動部を制御する制御部と、を有する超音波アクチュエータ駆動装置において、前記制御部は、前記被駆動体を起動又は停止するにあたり、前記超音波振動子の振動状態を切り替えることによって、前記被駆動体に対する駆動力を徐々に変化させることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動装置において、前記制御部は、前記被駆動体を起動するにあたり、前記超音波振動子に屈曲振動のみを発生した後に、縦振動及び屈曲振動を発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を制御することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動装置において、前記制御部は、駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子への前記駆動信号の印加を停止する期間と屈曲振動を発生させる期間を複数組み合わせて用いることにより、前記被駆動体に対する駆動力を徐々に変化させることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動装置において、前記制御部は、駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子に屈曲振動のみを所定期間発生させた後、前記駆動信号の印加を停止することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項５の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動装置において、前記制御部は、駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子への前記駆動信号の印加を所定期間停止した後、屈曲振動を発生させることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項６の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、請求項３乃至請求項５のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動装置において、前記制御部は、前記超音波振動子に屈曲振動を発生するにあたり、前記超音波振動子に印加する駆動信号の振幅を徐々に変化させることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項７の発明の超音波アクチュエータ駆動装置は、請求項３乃至請求項５のいずれか１つに記載の超音波アクチュエータ駆動装置において、前記制御部は、前記超音波振動子に屈曲振動を発生するにあたり、前記超音波振動子に印加する駆動信号の周波数を徐々に変化させることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項８の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる超音波振動子及び前記超音波振動子の少なくとも一部に接触し相対的に移動する被駆動体を備えた超音波アクチュエータを有し、前記超音波振動子に、交流信号に基づいて生成された２相の駆動信号を印加することで、前記超音波振動子に縦振動及び／又は屈曲振動を発生させて駆動を行う超音波アクチュエータ駆動方法であって、前記被駆動体を起動又は停止するにあたり、前記超音波振動子の振動状態を切り替えることによって、前記被駆動体に対する駆動力を徐々に変化させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項９の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項８に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、前記被駆動体を起動するにあたり、前記超音波振動子に屈曲振動のみを発生した後に、縦振動及び屈曲振動を発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を制御することを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１０の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項８に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子への前記駆動信号の印加を停止する期間と屈曲振動を発生させる期間を複数組み合わせることにより、前記被駆動体に対する駆動力を徐々に変化させることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項１１の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項８に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子に屈曲振動のみを所定期間発生させた後、前記駆動信号の印加を停止することを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１２の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項８に記載の超音波アクチュエータ駆動方法において、駆動中の前記被駆動体を減速、停止するにあたり、前記超音波振動子への前記駆動信号の印加を所定期間停止した後、屈曲振動を発生させることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１３の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１つに超音波アクチュエータ駆動方法において、前記超音波振動子に前記屈曲振動を発生するにあたり、前記超音波振動子に印加する駆動信号の振幅を徐々に変化させることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１４の発明の超音波アクチュエータ駆動方法は、請求項１０乃至請求項１２のいずれか１つに超音波アクチュエータ駆動方法において、前記超音波振動子に前記屈曲振動を発生するにあたり、前記超音波振動子に印加する駆動信号の周波数を徐々に変化させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の超音波アクチュエータ駆動装置及び超音波アクチュエータ駆動方法は、簡単な構成で超音波アクチュエータ内の駆動機構への負担を減らし、正確な停止位置を得ることができる精度の良い駆動制御が可能であるといった利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１乃至図５は本発明の超音波アクチュエータ駆動装置の第１実施例を示し、図１は前記超音波アクチュエータ駆動装置の全体構成を示すブロック図、図２（ａ）及び図２（ｂ）は図１の超音波アクチュエータの構成例を示すもので、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図である。また、図３はＹ軸方向に積層してなる図２の圧電体積層体の分解斜視図、図４は図１の電流検出部及び位相検出部の具体的な構成例を示すブロック図、図５は本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法を用いた制御動作に基づく超音波アクチュエータの動作状態を示すグラフである。
【００２７】
図１に示すように、本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置１は、超音波振動子５Ａと被駆動部５Ｂを有して構成された超音波アクチュエータ５の駆動を後述する第２振動情報検出部６からの検出結果に基づき制御する制御部２と、前記超音波アクチュエータ５を駆動する駆動信号の源信号を発生するとともに前記制御部２の制御によりこの駆動信号の周波数を決定する発振部７を有し、この発振部７からの出力信号を電力増幅部９を介して前記超音波アクチュエータ５に印加する駆動部３と、この駆動部３の出力信号（駆動信号）を取り込み前記超音波アクチュエータ５に流れる駆動信号の電流を検出する第１振動情報検出部４と、前記超音波振動子５Ａに接触する被駆動部５Ｂとの間に生じる摩擦力を利用して駆動を行う超音波アクチュエータ５と、前記駆動部３の出力信号（駆動信号）及び前記第１振動情報検出部４の検出結果を取り込み前記駆動部３の出力信号（駆動信号）と前記第１振動情報検出部４にて検出した電流との位相差を検出し、検出結果を前記制御部２に出力する第２振動情報検出部６と、を有している。
【００２８】
前記超音波アクチュエータ駆動装置１の詳細な構成については後述するが、この超音波アクチュエータ駆動装置１に設けられた前記超音波アクチュエータ５の構成を図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照しながら説明する。
【００２９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、前記超音波アクチュエータ５は、角柱形状の圧電積層体で構成された超音波振動子５Ａと、この超音波振動子５Ａの圧電積層体の後述する摩擦部材２０を介して接触するように配設された被駆動部５Ｂと、前記超音波振動子５Ａの圧電積層体の左右両側側面それぞれ２箇所に設けられた外部電極１９と、前記超音波振動子５Ａの圧電積層体の例えば上面及び底面の２箇所に接着された摩擦部材２０と、を有している。
【００３０】
前記超音波振動子５Ａの圧電積層体は、図３に示すように内部電極処理が施された薄い矩形状の圧電板５ａをＹ軸方向（超音波振動子５Ａの振動方向に対し直交する超音波振動子５Ａの奥行き方向）に積層して一体に構成されている。前記各圧電板５ａは、内部電極処理が施されることにより、所定形状の内部電極５ｂを有している。
【００３１】
図中右側の外部電極１９は、前記超音波振動子５Ａの圧電積層体の図中右側面部から取り出されている内部電極露出部（図示せず）に取付けることにより、２つの電気端子（Ａ＋，Ａ−の両端子）をＡ（Ａ相）として構成している。また、図中左側の外部電極１９は、前記圧電積層体の図中左側側面部から取り出されている内部電極露出部（図示せず）に取付けることにより、２つの電気端子（Ｂ＋，Ｂ−の両端子）をＢ（Ｂ相）として構成している。この場合、前記Ａ−，Ｂ−端子は、平衡回路の場合はそれぞれＡ相，Ｂ相の−側であるが、不平衡回路で駆動する場合はグラウンドとして図示しないリード線等で電気的に同電位となるように構成しても良い。
【００３２】
これらの外部電極１９には、図示はしないがそれぞれリード線が半田等で接続されており、これらリード線は、前第１の振動情報検出部４に接続されるようになっている。  
前記摩擦部材２０は、被駆動部５Ｂに接触する前記圧電積層体の上面及び底面に発生する屈曲振動の腹の位置にそれぞれ設けられている。  
なお、本構成例では、前記超音波振動子５Ａは、長手方向の寸法が例えば５〜２０ｍｍとなるよう構成する。また、この超音波振動子５Ａ及び前記被駆動部５Ｂを含めて超音波アクチュエータ５を構成する際に加える押圧力は、例えば０．１〜５ｋｇである。
【００３３】
次に、前記超音波アクチュエータ５を駆動する超音波アクチュエータ駆動装置１の詳細な構成について図１及び図４を参照しながら説明する。  
図１に示すように、前記制御部２は、制御信号２ａ、２ｂを生成し、制御信号２ａを前記駆動部３の発振部７に出力し、制御信号２ｂを前記駆動部３の移相部８に出力する。  
前記駆動部３は、制御信号２ａにより駆動信号の所定の周波数を決定しＡ相信号８ａを出力する発振部７と、この発振部７のＡ相信号８ａに対し＋９０°、−９０°、１８０°の位相差をもったＢ相信号８ｂに変換して出力する移相部８と、前記Ａ相信号８ａ及び前記Ｂ相信号８ｂを取り込み、これら２つの信号を電力増幅して前記第１、第２振動情報検出部４、６に出力する電力増幅部９と、を有している。
【００３４】
前記発振部７は、制御信号２ａに対応する周波数のＡ相信号８ａを前記移相部８及び前記電力増幅部９に出力する。  
そして、前記移相部８は、供給されたＡ相信号８ａに対し＋９０°、−９０°、１８０°の位相差をもったＢ相信号に変換して前記電力増幅部９に出力する。この場合、移相部８は、前記制御部２からの制御信号２ｂにより、入力されたＡ相信号（＝０°位相の信号）、＋９０°位相の信号、−９０°位相の信号、１８０°位相の信号のいずれかを前記Ｂ相信号として電力増幅部９に対して選択的に出力するようになっている。
【００３５】
前記電力増幅部９は、入力された２つのＡ相信号８ａ及びＢ相信号８ｂを電力増幅し且つ両極性の信号に変換して出力する（平衡出力）。すなわち、電力増幅部９の出力信号である２つのＡ相信号８ａ、Ｂ相信号８ｂは、前記第１振動情報検出部４を介して前記超音波アクチュエータ５の超音波振動子５Ａに供給される。また、前記電力増幅部９の出力信号は、前記第２振動情報検出部６にも供給されるようになっている。
【００３６】
前記第１振動情報検出部４は、Ａ相電流を検出するＡ相電流検出部１０と、Ｂ相電流を検出するＢ相電流検出部１１とを有し、それぞれ前記超音波振動子５Ａに流れる電流値を検出するためのものである。  
具体的には、前記Ａ相電流検出部１０及びＢ相電流検出部１１は、図４に示すように、抵抗器１４と、その抵抗器１４の両端電圧の差分を検出する差動増幅回路１５と、で構成している。なお、前記抵抗器１４の抵抗値は、超音波振動子５Ａの直流抵抗値に比べ十分小さな値で、且つ差動増幅回路１５の利得と合わせて、前記第２振動情報検出部６での検出誤差が生じない値を選べば良く、通常数Ω以下の値をとるようになっている。
【００３７】
通常の動作では、Ａ相駆動信号と、+９０°または-９０°の位相差のＢ相駆動信号を超音波振動子５Ａに出力すると、この超音波振動子５Ａは、それ自体に設けられた摩擦部材２０（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）に楕円振動を発生し、前記被駆動部５Ｂを駆動させる。この場合、楕円振動の方向、即ち被駆動部５Ｂが駆動される方向は、Ａ相に対するＢ相の位相が＋９０°か−９０°かで決定する。  
また、前記超音波振動子５Ａは、Ａ相とＢ相の位相差が０°の時は、図１０（ａ）に示す縦振動のみが発生する。また、前記超音波振動子５Ａは、Ａ相とＢ相の位相差が１８０°の時は、図１０（ｂ）に示す屈曲振動のみが発生することになる。
【００３８】
前記第２振動情報検出部６は、Ａ相の電圧と電流の位相差を検出するＡ相位相差検出部１２と、Ｂ相の電圧と電流の位相差を検出するＢ相位相差検出部１３を有している。また、前記Ａ相位相差検出部１２及びＢ相位相差検出部１３には、前記電力増幅部９の出力電圧、及び駆動電流波形を検出する前記第１情報検出部４（Ａ相、Ｂ相電流検出部１０、１１）の出力信号が入力されるようになっている。
【００３９】
前記Ａ相位相差検出部１２及びＢ相位相差検出部１３は、Ａ相、あるいはＢ相の電圧と電流の位相差を検出するもので、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）  ＩＣ  ４０４６のフェーズコンパレータを用いて構成している。そして、前記Ａ相位相差検出部１２及びＢ相位相差検出部１３により検出されたＡ相及びＢ相のそれぞれの電圧と電流の位相差は、前記制御部２に入力される。
【００４０】
前記制御部２は、前記第２振動情報検出部６からの検出結果（位相情報）に基づき、前記駆動部３の発振部７への制御信号２ａ及び移相部８への制御信号２ｂを制御して、前記超音波アクチュエータ５の駆動制御を行う。  
次に、前記構成の超音波アクチュエータ駆動装置に適用される超音波アクチュエータ駆動方法について、図１及び図５を参照しながら説明する。  
なお、本実施例では、前記超音波アクチュエータ駆動方法を実施する場合には、事前に前記超音波振動子５Ａの駆動周波数を決めておく必要がある。したがって、予め前記駆動周波数を設定したものとして説明する。  
また、前記超音波アクチュエータ５は、前記したように縦振動、屈曲振動、縦振動と屈曲振動が同時に発生して得られる楕円振動の３つの振動モードがあり、その周波数は若干異なる場合もある。また、温度変化により各周波数は変化する。ここでは、説明簡略化のため、縦振動、屈曲振動、楕円振動の各振動をは既知の同一の周波数で発生するものとして説明する。さらに、図５は、前記３つの振動モードの内、縦振動モードを“縦”、屈曲振動モードを“屈曲”、楕円振動モードを“屈曲＋縦”と示している。
【００４１】
図５に示すように、最初、時間ｔ0 〜ｔ1 においては、前記制御部２による駆動制御がなされてない無給電の状態（以下、無給電モードと称す）であるので、超音波アクチュエータ５及び被駆動体５Ｂは停止状態にある。
【００４２】
そして、起動時（駆動開始時）の時間ｔ1 になると、制御部２は、発振部７が所定の周波数での発振するように制御信号２ａを出力する。同時に、制御部２は、移相部８に制御信号２ｂを出力して前記移相部８からＡ相信号８ａと１８０°の位相差を持つＢ相信号８ｂを出力させるように制御する。これらＡ相信号８ａ及びＢ相信号８ｂの２相信号は、電力増幅を行う電力増幅部９と、Ａ，Ｂ各相の電流検出部１０、１１を介して、前記超音波振動子５Ａに印加される。このことにより、前記超音波振動子５Ａには、時間ｔ1 〜時間ｔ2 の間のＡ領域内において屈曲振動（図１０（ｂ）参照）のみが発生することになる。
【００４３】
次に、前記超音波振動子５Ａに楕円振動を発生させるため、制御部２は、時間ｔ2 において、前記移相部８に対して制御信号２ｂを出力し、この制御信号に基づき前記移相部８は、Ａ相信号８ａと＋９０°或いは−９０°のＢ相信号８ｂを出力する。
【００４４】
このとき、Ａ相信号８ａとＢ相信号８ｂが９０°の位相差を持つ場合、前記超音波振動子５Ａは、図１０（ｃ）に示すような楕円振動が摩擦接触部２０近傍に発生し、被駆動体５Ｂを駆動させる。なお、前記被駆動体５Ｂの駆動方向は、前記Ｂ相信号８ｂの＋９０°と−９０°で逆の向きになる。  
このようにして、前記被駆動部５Ｂは、時間ｔ2 〜時間ｔ3 の間のＢ領域内において動き出し、図５に示すように、徐々に速度を上げて一定の速度になる。
【００４５】
本実施例では、屈曲振動が既に発生している状態から縦振動を発生させるので、前記超音波振動子５Ａの摩擦接触部２０と前記被駆動体５Ｂとの不要な摩擦を回避することができる。通常、前記摩擦接触部２０は、前記超音波振動子５Ａに接着固定されるが、この摩擦接触部２０への不要なストレスを減らし、即ち、摩擦係数を小さくすることができる。また、本実施例では、前記摩擦接触部２０と前記被駆動体５Ｂの接触面の摩耗も減らすことができる。
【００４６】
そして、前記被駆動体５Ｂが時間ｔ3 にて所定速度に達した後、時間ｔ3 〜時間ｔ4 の間のＢ１領域内において、制御部２は、前記被駆動体５Ｂが停止位置手前の所定距離に到達したことを検出する。これは別途設けたスケールにより検出する。なお、仮にスケールを使わない場合は、制御部２によって駆動自体を時間で管理することにより、一定時間前に所定距離に配置されたことを検出すれば良い。
【００４７】
次に、時間ｔ4 において、前記被駆動体５Ｂの停止制御を行うものとする。すると、制御部２は、時刻ｔ4 〜時間ｔ5 の間のＣ領域内において、前記移相部８への制御信号２ｂを変更し、前記移相部８からＡ相信号８ａと１８０°位相が異なるＢ相信号８ｂが出力されるように制御する。これらＡ相信号８ａ及びＢ相信号８ｂの２相信号は、電力増幅を行う電力増幅部９と、Ａ，Ｂ各相の電流検出部１０、１１を介して、前記超音波振動子５Ａに印加される。
【００４８】
すると、前記超音波振動子５Ａは屈曲振動（図１０（ｂ）参照）のみが発生する。このとき、超音波アクチュエータ５の摩擦接触部２０は、周期的に被駆動体５Ｂに押圧をかけることになるが、これは駆動力を持たず前記被駆動体５Ｂへの一定の加圧のみが生じることになる。その結果、前記被駆動体５Ｂに対しブレーキの効果が生じる。これに対し超音波アクチュエータ５への給電を全く停止した場合、摩擦接触部２０は常に前記被駆動体５Ｂに密着し引きずられることになり強いブレーキとなるが、この無給電モード実行に比べて屈曲振動モード実行時は緩やかな減速効果が得られるようになっている。これにより、本実施例では、前記したように摩擦接触部２０が引きずられることがないので、駆動機構部分への負荷等の悪影響も少なくすることができる。
【００４９】
その後、前記屈曲振動による減速状態でさらに被駆動体５Ｂが一定距離進むと、時間ｔ5 以降の領域Ｄ内において、制御部２は、前記超音波アクチュエータ５への給電を中止するように制御する。これにより、前記被駆動体５Ｂには強い制動がかかりこの被駆動体５Ｂは、時刻ｔz にて停止することになる。この時点では、前記被駆動体５Ｂの速度は十分に落ちてきているので、駆動機構部分への悪影響も小さい。そして、停止した所でスケールを確認し、目標点に対し過不足があれば微少送りにより修正すれば良い。
【００５０】
以上、説明したように、本実施例によれば、前記被駆動体５Ｂに対する起動、停止を段階的な加減速を行うように制御することで、駆動機構に対する悪影響を減らすことが出来、また正確に停止位置で停止させることが可能となるので、精度のよい超音波アクチュエータ５の駆動を行うことができる。
【００５１】
なお、本実施例では、前記制御部２による制御動作例では、屈曲振動モード、楕円振動モード、及び無給電モードを、Ａ〜Ｄの期間内においてそれぞれ適宜実行した場合について説明したが、この順序に限定されるものではなく、屈曲振動モード、縦振動モード、楕円振動モード及び無給電モードに相当する期間をそれぞれ組み合わせて制御することにより、前記被駆動体５Ｂに対する駆動力を徐々に変化させるようにして停止させても良い。
【実施例２】
【００５２】
図６は本発明の超音波アクチュエータ駆動装置の第２実施例を示し、超音波アクチュエータ駆動方法を用いた制御動作に基づく超音波アクチュエータの動作状態を示すグラフである。  
本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置の構成は、前記第１実施例と同様である。また、本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置は、前記第１実施例における超音波アクチュエータ駆動方法を適用するが、減速停止動作するにあたり、急減速となる無給電モードと緩減速となる屈曲振動モードとを組み合わせこれを繰り返すように制御することで、効果的な減速が可能となるように制御している。
【００５３】
このような本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法について図６を参照しながら説明する。  
いま、時間ｔ0 〜時間ｔ1 の間のＡ領域内において、前記超音波アクチュエータ５が楕円振動モードの実行により駆動しているものとする。この場合、前記超音波アクチュエータ５の起動時から楕円振動モードが実行されるまでの動作については、前記第１実施例と略同様である。
【００５４】
つまり、起動時（駆動開始時）、制御部２は、発振部７が所定の周波数で発振するように制御信号２ａを出力する。同時に、制御部２は、移相部８に制御信号２ｂを出力して前記移相部８からＡ相信号８ａと１８０°の位相差を持つＢ相信号８ｂを出力させるように制御する。これらＡ相信号８ａ及びＢ相信号８ｂの２相信号は、電力増幅を行う電力増幅部９と、Ａ，Ｂ各相の電流検出部１０、１１を介して、前記超音波振動子５Ａに印加される。このことにより、前記超音波振動子５Ａには、屈曲振動（図１０（ｂ）参照）のみが発生することになる。
【００５５】
次に、前記超音波振動子５Ａに楕円振動を発生させるため、制御部２は、前記移相部８に対して制御信号２ｂを出力し、この制御信号に基づき前記移相部８は、Ａ相信号８ａと＋９０°或いは−９０°のＢ相信号８ｂを出力する。
【００５６】
このとき、Ａ相信号８ａとＢ相信号８ｂが９０°の位相差を持つ場合、前記超音波振動子５Ａは、図１０（ｃ）に示すような楕円振動が摩擦接触部２０近傍に発生し、被駆動体５Ｂを駆動させる。なお、前記被駆動体５Ｂの駆動方向は、前記Ｂ相信号８ｂの＋９０°と−９０°で逆の向きになる。  
このようにして、前記被駆動部５Ｂは動き出し、前記第１実施例と同様に、徐々に速度を上げて一定の速度になる。
【００５７】
そして、前記被駆動体５Ｂが所定速度に達した後、時間ｔ0 〜時間ｔ1 の間のＡ領域内において、制御部２は、前記被駆動体５Ｂが停止位置手前の所定距離に到達したことを検出する。これは別途設けたスケールにより検出する。なお、仮にスケールを使わない場合は、制御部２によって駆動自体を時間で管理することにより、一定時間前に所定距離に配置されたことを検出すれば良い。
【００５８】
次に、時間ｔ1 において、前記被駆動体５Ｂの停止制御を行うものとする。この場合、本実施例では、制御部２は、時刻ｔ1 〜時間ｔ2 の間のＢ領域内において、移相部８への制御信号２ｂを変更してＡ相信号８ａとＢ相信号８ｂとの位相差が１８０°となるように制御する。これにより、超音波振動子５Ａには屈曲振動が発生し被駆動体５Ｂに対し緩やかな制動がかかる。この状態で一定時間（時間ｔ2 までの時間） 経過した後、制御部２は、時間ｔ2 〜時間ｔ3 の間のＣ領域内において、無給電モードを実行させ、つまり、発振部７への制御信号２ａを変更し発振を停止するように制御する。これにより、前記被駆動体５Ｂに対して強い制動がかかる。
【００５９】
その後、本実施例では、前記制御部２は、この屈曲振動状態（屈曲振動モード）と発振停止状態（無給電モード）を繰り返すように制御する。つまり、制御部２は、時間ｔ3 〜時間ｔ4 の間のＤ領域内において前記同様に屈曲振動モードを実行するように制御し、その後、時間ｔ4 〜時間ｔ5 の間のＥ領域内において前記同様に無給電モードを実行するように制御することにより、被駆動体５Ｂは、時刻ｔ5〜時間ｔz の間のＦ領域内にて減速し停止に至る。このとき、前記第１実施例と同様に停止した所でスケールを確認し、目標点に対し過不足があれば微少送りにより修正すれば良い。
【００６０】
したがって、本実施例によれば、前記第１実施例と同様の効果が得られる他に、駆動中の超音波アクチュエータ５を停止するにあたり、屈曲振動モードと無給電モードを複数組み合わせるように制御することで、駆動機構の負担を減らし、より正確な停止位置を得ることが可能となる。
【実施例３】
【００６１】
図７は本発明の超音波アクチュエータ駆動装置の第３実施例を示し、超音波アクチュエータ駆動方法を用いた制御動作に基づく超音波アクチュエータの動作状態を示すグラフであり、図８は第３実施例の変形例を示し、図８（ａ）は屈曲振動モード実行中に駆動信号の振幅を徐々に変化させた場合の制御例を示すグラフ、図８（ｂ）は屈曲振動モード実行時の駆動信号の共振周波数を含む周波数と超音波アクチュエータに流れる電流との関係を示すグラフ、図８（ｃ）は屈曲振動モード実行中に駆動信号の周波数を徐々に変化させた場合の制御例を示すグラフである。
【００６２】
前記第１実施例の超音波アクチュエータ駆動方法は、慣性質量が大きい被駆動体５Ｂ等駆動部を機構部に負担をかけず正確に停止させるものであったが、前記駆動部の慣性質量が小さい場合や、前記機構部への影響よりも停止までの時間を最短にしたいと言う場合も考えられる。そのような場合には、先に給電を中止して強い制動をかけ、その後屈曲振動で徐々に止めるといった制御方法も有効である。  
このような制御方法を採用した実施例を図７を参照しながら説明する。なお、本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置の構成は、前記第１実施例と同様である。
【００６３】
図７に示すように、いま、時間ｔ0 〜時間ｔ1 の間のＡ領域内において、前記超音波アクチュエータ５が楕円振動モードの実行により駆動しているものとする。この場合、前記超音波アクチュエータ５の起動時から楕円振動モードが実行されるまでの動作については、前記第１実施例と略同様である。
【００６４】
つまり、起動時（駆動開始時）、制御部２は、発振部７が所定の周波数での発振するように制御信号２ａを出力する。同時に、制御部２は、移相部８に制御信号２ｂを出力して前記移相部８からＡ相信号８ａと１８０°の位相差を持つＢ相信号８ｂを出力させるように制御する。これらＡ相信号８ａ及びＢ相信号８ｂの２相信号は、電力増幅を行う電力増幅部９と、Ａ，Ｂ各相の電流検出部１０、１１を介して、前記超音波振動子５Ａに印加される。このことにより、前記超音波振動子５Ａには、屈曲振動（図１０（ｂ）参照）のみが発生することになる。
【００６５】
次に、前記超音波振動子５Ａに楕円振動を発生させるため、制御部２は、前記移相部８に対して制御信号２ｂを出力し、この制御信号に基づき前記移相部８は、Ａ相信号８ａと＋９０°或いは−９０°のＢ相信号８ｂを出力する。
【００６６】
このとき、Ａ相信号８ａとＢ相信号８ｂが９０°の位相差を持つ場合、前記超音波振動子５Ａは、図１０（ｃ）に示すような楕円振動が摩擦接触部２０近傍に発生し、被駆動体５Ｂを駆動させる。なお、前記被駆動体５Ｂの駆動方向は、前記Ｂ相信号８ｂの＋９０°と−９０°で逆の向きになる。  
このようにして、前記被駆動部５Ｂは動き出し、前記第１実施例と同様に、徐々に速度を上げて一定の速度になる。
【００６７】
本実施例においても、前記第１実施例と同様に屈曲振動が既に発生している状態から縦振動を発生させるので、前記超音波振動子５Ａの摩擦接触部２０と前記被駆動体５Ｂとの不要な摩擦を回避することができる。通常、前記摩擦接触部２０は、前記超音波振動子５Ａに接着固定されるが、この摩擦接触部２０への不要なストレスを減らし、即ち、摩擦係数を小さくすることができる。また、本実施例においても、前記摩擦接触部２０と前記被駆動体５Ｂの接触面の摩耗も減らすことができる。
【００６８】
そして、前記被駆動体５Ｂが所定速度に達した後、時間ｔ0 〜時間ｔ1 の間のＡ領域内において、制御部２は、前記被駆動体５Ｂが停止位置手前の所定距離に配置されたことを検出する。これは別途設けたスケールにより検出する。なお、仮にスケールを使わない場合は、制御部２によって駆動自体を時間で管理することにより、一定時間前に所定距離に配置されたことを検出すれば良い。
【００６９】
次に、時間ｔ1 において、前記被駆動体５Ｂの停止制御を行うものとする。すると、制御部２は、時刻ｔ1 〜時間ｔ2 の間のＢ領域内において、発振部７に発振停止を指令して、超音波アクチュエータ５への給電を中止する。つまり、制御部２は、無給電モードを実行させる。これにより、前記被駆動体５Ｂには強い制動がかかり、この被駆動体５Ｂは急激に減速しながら慣性で移動することになる。
【００７０】
続いて、前記したように前記被駆動体５Ｂが所定の位置まで来たことが検出されると、制御部２は、時間ｔ2 〜時間ｔz の間のＣ領域内において、発振部７及び移相部８への制御信号２ａ、２ｂを変更して、Ｂ相信号８ｂが、Ａ相信号８ａと１８０°位相が異なるＢ相信号８ｂとなるように制御する。これらの２相信号（Ａ相信号８ａ及びＢ相信号８ｂ）は電力増幅されて超音波アクチュエータ５に印加される。
【００７１】
すると、前記超音波振動子５Ａには屈曲振動が発生し被駆動体５Ｂに対し緩やかな制動がかかり、時刻ｔz にておいて停止に至る。このとき、前記第１実施例と同様に停止した所でスケールを確認し、目標点に対し過不足があれば微少送りにより修正すれば良い。
【００７２】
したがって、本実施例によれば、前記したように被駆動体５Ｂに対する加速、減速を段階的に制御することで、駆動部機構に対する悪影響を減らすことができ、短い駆動時間で且つ正確に停止させることが可能となる。  
なお、本実施例では、前記屈曲振動モード実行による制動は一様で有ったが、例えば超音波アクチュエータ５に印加する駆動電力（駆動電圧）を加減することで、弱い制動から強い制動へと変化するような制御も可能である。このような変形例が図８（ａ）に模式的に示されている。  
図８（ａ）に示すように、前記制御部２による制御によって、Ａ、Ｂ相の駆動電圧を時間時間ｔ1 〜時間ｔx の間の期間において徐々に下げていくことで、屈曲振動は減衰し制動力は増加することになる。つまり、前駆駆動電圧が下がると、屈曲振動の減衰により超音波振動子５Ａの摩擦接触部２０と被駆動体５Ｂとの摩擦係数が増大するので、制動力もそれに応じて増大するため、その結果、速度も減衰し停止することになる。
【００７３】
また、本実施例では、超音波アクチュエータ５の駆動周波数を振ることで屈曲振動の平均的な押圧を変化させて制動を制御することも可能である。このような変形例が図８（ｂ）及び図８（ｃ）に模式的に示されている。  
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、前記制御部２による制御によって、最初、時間ｔ1 にて屈曲振動の共振周波数ｆ１で駆動を初め、その後、時間ｔ1 〜時間ｔx の間の所定期間で徐々に周波数を上げて周波数ｆ２に至るように制御される。すなわち、共振周波数ｆ１から駆動周波数が離れることにより、屈曲振動が減衰して摩擦接触部２０と被駆動体５Ｂとの摩擦係数が増大するので、制動力もそれに応じて増大することになる。なお、このような変形例では、前記とは逆に周波数を下げても行っても類似の効果は得られる。
【００７４】
なお、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】図１乃至図６は本発明の超音波アクチュエータ駆動装置の第１実施例を示し、図１は前記超音波アクチュエータ駆動装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】図２は図１の超音波アクチュエータの構成例を示す構成図。
【図３】Ｙ軸方向に積層してなる図２の圧電体積層体の分解斜視図。
【図４】図１の電流検出部及び位相検出部の具体的な構成例を示すブロック図。
【図５】図５は本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法を用いた制御動作に基づく超音波アクチュエータの動作状態を示すグラフ。
【図６】本発明の超音波アクチュエータ駆動装置の第２実施例を示し、超音波アクチュエータ駆動方法を用いた制御動作に基づく超音波アクチュエータの動作状態を示すグラフ。
【図７】本発明の超音波アクチュエータ駆動装置の第３実施例を示し、超音波アクチュエータ駆動方法を用いた制御動作に基づく超音波アクチュエータの動作状態を示すグラフ。
【図８】第３実施例の変形例を示し、屈曲振動モード実行中の制御例を説明するためのグラフ。
【図９】超音波振動子に印加される駆動信号の波形を示す波形図。
【図１０】超音波振動子の縦振動、屈曲振動及び楕円振動を説明するための説明図。
【図１１】従来の超音波アクチュエータ駆動装置による制御例及び被駆動体の動作状態を示すグラフ。
【符号の説明】
【００７６】
１…超音波アクチュエータ駆動装置、
２…制御部、
２Ａ…特性データ部、
２Ｂ…要求仕様部、
２Ｃ…演算部、
２ａ、２ｂ…制御信号、
３…駆動部、
４…第１振動情報検出部、
５…超音波アクチュエータ、
５Ａ…超音波振動子、
５Ｂ…被駆動部、
５ａ…圧電板、
５ｂ…内部電極、
６…第２振動情報検出部、
７…発振部、
８…移相部、
９…電力増幅部、
１０…Ａ相電流検出部
１１…Ｂ相電流検出部、
１２…Ａ相位相差検出部、
１３…Ｂ相位相差検出部、
１５…差動増幅回路、
１６…バンドパスフィルター、
１７…比較回路、
１８…位相比較器、
２０…摩擦部材。  
代理人    弁理士      伊    藤      進
【図１】
2006109679.tif 000003
【図２】
2006109679.tif 000004
【図３】
2006109679.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006109679.tif 000008
【図７】
2006109679.tif 000009
【図８】
2006109679.tif 000010
【図９】
2006109679.tif 000011
【図１０】
2006109679.tif 000012
【図１１】
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