(57)【要約】【課題】超音波アクチュエータの共振点を正確に検出することができるとともに、効率が良い駆動が可能な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、前記超音波振動子５Ａに縦振動と屈曲振動のうちいずれか一方の振動を発生させた状態における前記第１及び第２振動情報検出部４、６から振動情報から前記超音波振動子５Ａの共振周波数を検出し、この共振周波数に基づいて発振部７により発生する交流信号の周波数を設定すると共に、前記超音波振動子５Ａに縦振動と屈曲振動を同時に発生させるように、駆動部９により超音波振動子５Ａに印加される２相の駆動信号の位相差を設定する。【選択図】図１
2006109538.tif 000002
【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、前記超音波振動子の振動情報を検出する検出部と、前記交流信号の周波数及び前記２相の駆動信号の位相差を制御する制御部と、を有する超音波アクチュエータ装置において、
前記制御部は、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動のうちいずれか一方の振動を発生させた状態における前記振動情報から前記超音波振動子の共振周波数を検出し、この共振周波数に基づいて前記交流信号の周波数を設定すると共に、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動を同時に発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を設定す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】
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、前記超音波振動子の振動情報を検出する検出部と、前記交流信号の周波数及び前記２相の駆動信号の位相差を制御する制御部と、を有する超音波アクチュエータ装置において、
前記制御部は、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動のうちいずれか一方の振動を発生させた状態における前記振動情報から、前記超音波振動子の第１の共振周波数を検出すると共に、前記超音波振動子に他方の振動を発生させた状態における前記振動情報から前記超音波振動子の第２の共振周波数を検出し、前記第１と前記第２の共振周波数に基づいて前記交流信号の周波数を設定すると共に、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動を同時に発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を設定す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３】
前記制御部は、前記第１の共振周波数と前記第２の周波数を所定の比率で内分することによって得た値を前記交流信号の周波数として設定することを特徴とする請求項２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、超音波アクチュエータの特性データを格納する格納手段と、前記超音波アクチュエータの動作状態を指示する要求特性入力手段と、前記超音波アクチュエータの駆動周波数を決定する演算部とを有して、前記超音波アクチュエータの所望の駆動速度と駆動推力に応じた駆動周波数を決定し、制御が可能なであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の超音波アクチュエータ駆動装置。
【請求項５】
前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動を同時に発生させるための前記２相の駆動信号の位相差は、９０°あるいは−９０°であることを特徴とする請求項１乃至請求項４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６】
前記検出部は、前記駆動部から前記超音波振動子に出力される信号の電圧と電流の位相差を前記振動情報として検出することを特徴とする請求項１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】
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、
前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動のうちいずれか一方の振動を発生させた状態における前記超音波振動子の振動情報から前記超音波振動子の共振周波数を検出する手順と、
前記共振周波数に基づいて前記交流信号の周波数を設定する手順と、
前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動を同時に発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を設定する手順と、
を含んだ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、
前記制御部は、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動のうちいずれか一方の振動を発生させた状態における前記振動情報から、前記超音波振動子の第１の共振周波数を検出する手順と、
前記超音波振動子に他方の振動を発生させた状態における前記振動情報から前記超音波振動子の第２の共振周波数を検出する手順と、
前記第１及び前記第２の共振周波数に基づいて前記交流信号の周波数を設定する手順と、  前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動を同時に発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を設定する手順と、
を含むことを特徴とする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して効率良く超音波アクチュエータを駆動させることの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１２（ａ）又は図１２（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１３参照）に印加することにより、図１３（ａ）に示すような縦振動と、図１３（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１２（ａ）乃至図１２（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（図示１３参照）には、図１３（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を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１２（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１２（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の一例が図１１に示されている。この図に示すように、従来の超音波アクチュエータ駆動回路５０は、超音波振動子５７Ａ及び被駆動体５８Ｂで構成される超音波アクチュエータ５７の駆動を制御する制御部５１と、駆動信号の源信号を発生するとともに前記制御部５１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５２と、前記制御部５１の制御により前記第１発振部５２とと同じ周波数で＋９０°又は−９０°の位相で制御可能に発振する第２発振部５３と、前記２つの第１、第２発振部５２、５３の出力信号を電力増幅して前記超音波アクチュエータ５７に印可する２つの第１、第２駆動回路５５、５６からなる駆動部５４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５７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】
しかしながら、前記従来技術では、超音波振動子は有る駆動周波数の範囲で楕円振動を発生するものの共振点近傍で最も効率が良いが、この状態では、縦振動と屈曲振動の二つの共振が同時に起きている状態であるため、信号の変化が激しく、正確な共振点が見いだしにくい。
【０００７】
つまり、図１４に示すように、本来超音波アクチュエータの縦振動と屈曲振動は、周波数的に離れた位置にある。しかし、超音波振動子５７Ａを適正に加圧して被駆動体５８Ｂに接触させることにより、縦振動と屈曲振動は近い周波数となり、図１４に示す周波数領域６０内（または近傍）に位置することになる。これは負荷を駆動するという観点では望ましい状態ではある。しかし、駆動周波数制御の観点からは、前記周波数領域６０内においては、二つの共振が存在するため、信号波形が複雑となり、必ずしも好ましくはない。
【０００８】
また、前記超音波振動子５７Ａは、使う目的により縦振動と屈曲振動のどちらが主体になるかが変わる。図１３（ａ）乃至図１３（ｃ）から解るように、縦振動は駆動速度の主要因になり、屈曲振動は駆動の力量の主要因になる。したがって、駆動の速度重視の場合には縦振動の共振点付近で駆動し、駆動の推力重視の場合には、屈曲振動の共振点付近で駆動するのが望ましい。  
しかしながら、前記従来技術では共振点付近の周波数で駆動はしているが、駆動周波数を正確に絞り込むのが難しく、その結果、駆動効率を低下させる一つの要因になってしまい、駆動効率の良い超音波アクチュエータ駆動装置の改良が望まれている。
【０００９】
そこで、本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、超音波アクチュエータの共振点を正確に検出することができるとともに、効率が良い駆動が可能な超音波アクチュエータ装置及び超音波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、前記超音波振動子の振動情報を検出する検出部と、前記交流信号の周波数及び前記２相の駆動信号の位相差を制御する制御部と、を有する超音波アクチュエータ装置において、前記制御部は、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動のうちいずれか一方の振動を発生させた状態における前記振動情報から前記超音波振動子の共振周波数を検出し、この共振周波数に基づいて前記交流信号の周波数を設定すると共に、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動を同時に発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を設定す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、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、前記超音波振動子の振動情報を検出する検出部と、前記交流信号の周波数及び前記２相の駆動信号の位相差を制御する制御部と、を有する超音波アクチュエータ装置において、前記制御部は、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動のうちいずれか一方の振動を発生させた状態における前記振動情報から、前記超音波振動子の第１の共振周波数を検出すると共に、前記超音波振動子に他方の振動を発生させた状態における前記振動情報から前記超音波振動子の第２の共振周波数を検出し、前記第１と前記第２の共振周波数に基づいて前記交流信号の周波数を設定すると共に、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動を同時に発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を設定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２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、前記第１の共振周波数と前記第２の周波数を所定の比率で内分することによって得た値を前記交流信号の周波数として設定す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２又は請求項３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、超音波アクチュエータの特性データを格納する格納手段と、前記超音波アクチュエータの動作状態を指示する要求特性入力手段と、前記超音波アクチュエータの駆動周波数を決定する演算部とを有して、前記超音波アクチュエータの所望の駆動速度と駆動推力に応じた駆動周波数を決定し、制御が可能なであ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乃至請求項４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、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動を同時に発生させるための前記２相の駆動信号の位相差は、９０°あるいは−９０°であ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１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、前記検出部は、前記駆動部から前記超音波振動子に出力される信号の電圧と電流の位相差を前記振動情報として検出す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、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動のうちいずれか一方の振動を発生させた状態における前記超音波振動子の振動情報から前記超音波振動子の共振周波数を検出する手順と、前記共振周波数に基づいて前記交流信号の周波数を設定する手順と、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動を同時に発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を設定する手順と、を含んだ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、前記制御部は、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動のうちいずれか一方の振動を発生させた状態における前記振動情報から、前記超音波振動子の第１の共振周波数を検出する手順と、前記超音波振動子に他方の振動を発生させた状態における前記振動情報から前記超音波振動子の第２の共振周波数を検出する手順と、前記第１及び前記第２の共振周波数に基づいて前記交流信号の周波数を設定する手順と、前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動を同時に発生させるように前記２相の駆動信号の位相差を設定する手順と、を含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
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、超音波アクチュエータの共振点を正確に検出することができるとともに、効率が良い駆動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】
【００１９】
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】
【００２０】
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（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による制御手順を示すフローチャート、図６（ａ）及び図６（ｂ）は前記超音波アクチュエータ駆動方法における駆動電圧と電流との位相差を検出する検出原理を説明するためのもので、図６（ａ）は電圧波形と電流波形とが位相遅れ状態である場合の位相差出力を示すグラフ、図６（ｂ）は電圧波形と電流波形とが位相進み状態である場合の位相差出力を示すグラフを示している。
【００２１】
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して前記超音波アクチュエータ５に印可する駆動部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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、それぞれＡ相，Ｂ相の−側であるが、平衡回路で給電する場合は浮かせて使い、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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に出力する駆動部９と、を有している。
【００２８】
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及び前記駆動部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駆動部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相信号として駆動部９に対して選択的に出力するようになっている。
【００２９】
前記駆動部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、駆動部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、前記駆動部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。
【００３０】
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。
【００３１】
通常の動作では、前記Ａ相電流検出部１０及びＢ相電流検出部１１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。
【００３２】
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、前記駆動部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。
【００３３】
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４０４６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。
【００３４】
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。  
以上説明した各種ブロックが本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置における制御系のループの主要構成部を構成している。
【００３５】
次に、本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置１による超音波アクチュエータ駆動方法について図５及び図６を参照しながら説明する。  
本実施例に適用される超音波アクチュエータ駆動方法の全体の流れが、図５に示されている。  
すなわち、前記超音波アクチュエータ駆動装置１の制御部２は、図５に示すプログラムを起動し、ステップＳ１の処理を実行する。この処理では、前記制御部２は、前記超音波アクチュエータ５の超音波振動子５Ａに対し縦、又は屈曲振動を励起させるように制御する。以下の例ではまず縦振動の場合を示す。
【００３６】
具体的には、前記制御部２は、発振部７が予め決められた初期値の周波数で発振するように、制御信号２ａを出力する。この場合、前記発振周波数は、超音波振動子５Ａの共振点よりも高い周波数に設定されることになる。
【００３７】
また、同時に、前記制御部２は、移相部８に対して制御信号２ｂを出力する。すると、前記移相部８は、位相のずれのないＡ相信号と同じ信号をＢ相信号として駆動部９に出力する。この場合、前記駆動部９にＡ相とＢ相に同じ信号が供給され、前記超音波振動子５Ａは、図１３（ａ）に示すような縦振動のみを発生する。
【００３８】
次に、前記制御部２は、続くステップＳ２の処理にて、共振点を検出する処理を実行する。この処理では、制御部２は、前記ステップＳ１の処理にて縦振動を発生させた状態の超音波振動子５Ａの駆動電圧と電流の位相差を、第２振動情報検出部６によって検出させる。この場合の、前記第２振動情報検出部６による前記駆動電圧と電流の位相差の検出原理が図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されている。  
なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、正弦波で駆動した場合を示し、また、前記したように図６（ａ）は電圧波形と電流波形とが位相遅れ状態である場合の位相差出力を示すグラフ、図６（ｂ）は電圧波形と電流波形とが位相進み状態である場合の位相差出力を示すグラフである。
【００３９】
これらの図に示すように、電流波形は、前記超音波振動子５Ａの固有容量に流れる電流と共振電流との和になる。また、共振成分は、駆動する周波数に従い、振幅、位相とも変化するが、図８に示すように、特に共振点付近（図中に示す屈曲共振周波数ＦＲ１と縦共振周波数ｆｒ２との間付近）では大きく変化する。すなわち、周波数を変化させながら、電圧と電流の位相差を監視し大きく変化が見られた所が検出すべき共振点である。
【００４０】
図４に、前記第１振動情報検出部４及び前記第２情報検出部６の具体的な回路構成が示されている。  
図４に示すように、前記第１情報検出部４のＡ相、Ｂ相電流検出部１０、１１は、それぞれ抵抗１４及び作動増幅回路１５にて構成されている。また、前記第２情報検出部６のＡ相、Ｂ相位相差検出部１２、１３は、フィルター１６、比較回路１７及び位相比較器１８を有して構成されている。
【００４１】
図４に示す回路において、図１に示す駆動部９からの電圧は、前記抵抗１４を介して図１に示す超音波振動子５Ａに印加される。  
この場合、前記抵抗１４の両端電圧の差分が実際の超音波振動子５Ａに流れる電流に比例した値となる。前記差動増幅回路１５は、前記抵抗１４の両端電圧の差分を検出して増幅するもので、電流に比例した電圧（以下、駆動電流信号と呼ぶ）を前記第２情報検出部６の前記フィルター１６に出力する。
【００４２】
そして、前記駆動電流信号は、フィルター１６により不要な成分が除去されて比較回路１７に供給される。なお、実施例では、約８０KHｚの駆動信号に対して約２０ＫＨｚ〜７００ＫＨｚの帯域幅に設定している。
【００４３】
次に、前記比較回路１７は、供給された駆動電流信号のゼロクロス点を検出し、検出結果を位相比較器１８に供給する。  
前記位相比較器１８は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）  ＩＣ  ４０４６のフェーズコンパレータ４０４６を用いて構成されている。  
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、前記位相比較器１８の出力は、電圧波形の先端ゼロクロス点でローレベル（以下、"Ｌ"と称す）になり、二値化された駆動電流信号の先端ゼロクロス点で再びハイレベル（以下、"Ｈ"と称す）になる。
【００４４】
前記したように図６（ａ）は電圧波形と電流波形とが位相遅れ状態である場合、図６（ｂ）は電圧波形と電流波形とが位相進み状態である場合を示しているが、図６（ｂ）に示すように位相進み状態である場合は、２π側に折り返して検出している。このパルスの周期に対する"Ｌ"の幅が検出すべき電流の位相である。前記制御部２には、この位相比較器１８の出力がそのまま入力されるようになっている。
【００４５】
前記制御部２は、例えば、ワンチップマイコンやカウンタを含んで構成され、前記カウンタで前記位相比較器１８の出力信号のパルス幅、即ち、位相を検出する。制御部２は、制御信号２ａを変化させながら急激な位相変化の有った箇所を共振点と判断する。また、前記位相比較器１８におけるゼロ度位相を挟んだ折り返しは、前記制御部２がソフトウェアにより補正するようになっている。  
この場合、Ａ相とＢ相は同位相であるため、前記制御部２は、どちらの位相の変化を検出しても良い。実際には、超音波振動子５Ａは、左右対称に構成されておりＡ相、Ｂ相どちらも同じ変化を示すことになる。
【００４６】
以上述べたように、前記制御部２は、Ａ相、Ｂ相に同一の信号を供給して位相変化を検出することで、超音波振動子５Ａに縦振動のみを発生させて正確に共振点を検出することができる。
【００４７】
このように、前記ステップＳ２の処理にて共振周波数を検出した後、前記制御部２は、前記発振部７がこの周波数で発振するように制御信号２ａを固定する。あるいは、前記制御部２はステップＳ３の処理にて、予め測定しておいた共振点付近の出力特性と検出された共振周波数から、駆動周波数を演算して決めることも可能である。  
次に、前記制御部２は、ステップＳ４の処理にて、移相部８に対して、＋９０°又は−９０°の信号を駆動方向に応じて出力するように制御信号２ｂを出力する。このことにより超音波振動子５Ａは、縦振動の最大効率点の周波数で楕円振動を発生するように制御される。
【００４８】
次に、屈曲振動の最大効率点で楕円振動を発生する場合について図５を参照しながら説明する。  
前記制御部２は、前記したようにステップＳ１の処理にて初期周波数に相当する制御信号２ａを発振部７に出力する。同時に、前記制御部２は、移相部３に対し１８０°位相の信号を出力させるように制御信号２ｂを出力する。したがって、駆動部９に供給されるＡ相の駆動信号とＢ相駆動信号は、１８０°の位相差を持つことになるが、このことにより、前記超音波振動子５Ａには屈曲振動のみが発生する。この場合の駆動信号波形は、矩形波でも正弦波でもよいことは、縦振動の場合と同様である。  
次に、前記制御部２は、前記同様に続くステップＳ２の処理にて、共振点を検出する処理を実行する。この処理では、制御部２は、縦振動のときと同様に、Ａ相又はＢ相の位相変化を監視する。この場合、屈曲の位相は逆になるが、超音波振動子５Ａの対称性のため、共振点は同じである。すなわち、縦振動の場合と同様に位相に急激な変化の有る箇所が共振点である。
【００４９】
前記制御部２は、この周波数を検出し、以降、発振部７に対して同周波数で発振するように制御信号２ａを固定する。あるいは、前記制御部２はステップＳ３の処理にて、予め測定しておいた共振点付近の出力特性と検出された共振周波数から、駆動周波数を演算して決めることも可能である。
【００５０】
次に、前記制御部２は、ステップＳ４の処理にて、移相部８に対して、駆動方向にしたがって＋９０°又は−９０°の信号を出力するように制御信号２ｂを出力する。
【００５１】
したがって、本実施例によれば、前記したように超音波アクチュエータ５の共振周波数を含む周波数領域において、単一の振動モードを選択して共振周波数を検出することで、超音波アクチュエータ５の共振点を正確に検出することができる。これにより、正確な共振周波数で超音波アクチュエータ５を駆動させることができるので、最も効率の良い状態での使用が可能となる。
【実施例２】
【００５２】
図７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、前記超音波アクチュエータ駆動装置に採用された超音波アクチュエータ駆動方法による制御手順を示すフローチャートである。
【００５３】
本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置は、前記第１実施例と同様の超音波アクチュエータ５を有し、その具体的な構成についても前記第１実施例と同様ではあるが、その超音波アクチュエータ駆動方法による制御方法が異なっている。
【００５４】
本実施例に適用される超音波アクチュエータ駆動方法の全体の流れが、図７に示されている。  
すなわち、前記超音波アクチュエータ駆動装置１の制御部２は、図７に示すプログラムを起動し、ステップＳ１０の処理を実行する。この処理では、前記制御部２は、前記超音波アクチュエータ５の超音波振動子５Ａに対し縦、又は屈曲振動の一方を励起させるように制御する。
【００５５】
具体的には、前記制御部２は、初期周波数に相当する制御信号２ａを発振部７に出力する。同時に、前記制御部２は、移相部３に対して０°位相の信号を出力するように制御信号２ｂを出力する。この場合、Ａ相の駆動信号とＢ相の駆動信号とは全く同じ信号になるが、このことにより、超音波振動子５Ａには縦振動のみが発生する。
【００５６】
そして、制御部２は、続くステップＳ１１の処理にてこの縦振動時における共振点を検出する。制御部２は、前記第１実施例と同様に、発振部７に対して発振周波数を変化させるように制御信号２ａを制御しながら、Ａ相又はＢ相の位相変化を監視する。この場合、Ａ相、Ｂ相とも振舞いは同じであり、位相に急激な変化の有る箇所が共振点である。前記制御部２は、この周波数を検出する。
【００５７】
次に、前記制御部２は、続くステップＳ１２の処理により、超音波振動子５Ａに対し縦、又は屈曲振動の他方（前記ステップＳ１０にて励起した振動とは異なる振動）を励起させるように制御する。  
つまり、制御部２は、再び初期周波数に相当する制御信号２ａを発振部７に出力する。同時に、前記制御部２は、移相部８に対して１８０°位相の信号を出力するように制御信号２ｂを出力する。この場合、Ａ相の駆動信号とＢ相の駆動信号の位相が逆の信号になるが、このことにより、超音波振動子５Ａには屈曲振動のみが発生する。
【００５８】
そして、制御部２は、続きステップＳ１３の処理にてこの屈曲振動時における共振点を検出する。制御部２は、前記第１実施例と同様に発振部７に対して発振周波数を変化させるように制御信号２ａを制御しながら、Ａ相又はＢ相の位相変化を監視する。この場合、Ａ相、Ｂ相とも振舞いは同じであり、位相に急激な変化の有る箇所が共振点である。前記制御部２は、この周波数を検出する。
【００５９】
そして、制御部２は、続くステップＳ１４の処理にて、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数から所望の周波数を決定する。例えば、事前に超音波アクチュエータ５の特性を測定しておき、縦振動と屈曲振動のそれぞれの共振周波数の中央を駆動周波数とすると言うように駆動点を決めておき、前記制御部２の図示しない記憶部に記憶させておく。これにより、温度変化により共振点が変化しても、必要な周波数で駆動することができ所望の特性を得ることが可能となる。  
そして、制御部２は、続くステップＳ１５の処理にて、決定した駆動周波数に基づく駆動信号により縦振動及び屈曲振動を励起させることで、超音波アクチュエータ５を使用する。  
したがって、本実施例では、超音波アクチュエータ５の共振周波数を含む周波数領域において、個別に振動モードを選択して共振周波数を検出することで正確な共振周波数で超音波アクチュエータの駆動が可能となり、最適な速度、推力のバランスが得られるとともに、使用目的に合った状態で超音波アクチュエータ５の駆動が可能となる。その他の効果は前記第１実施例と同様である。  
なお、本実施例では、縦振動、屈曲振動の順に共振点を検出したが、これに限定されることはなく、屈曲振動、縦振動と逆の順序で検出してもよい。
【実施例３】
【００６０】
図８乃至図１０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、図８は
超音波アクチュエータの駆動周波数に対する駆動速度及び推力特性を示すグラフ、図９は屈曲共振周波数と縦共振周波数の間における駆動速度及び推力特性を示すグラフ、図１０は本実施例の制御部の具体的な構成を示すブロック図である。
【００６１】
本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置は、前記第１実施例と同様の超音波アクチュエータ５を有し、その具体的な構成についても前記第１実施例と同様ではある。また、本実施例の超音波アクチュエータ駆動装置に採用された超音波アクチュエータ駆動方法は、前記第２実施例における縦振動及び屈曲振動の共振周波数を検出する処理（図７中のステップＳ１３の処理）までの制御手順については前記第２実施例と同様である。したがって、本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法の全体の流れは、図７に示す通りであり、相違点は図７のステップＳ１４における駆動周波数を演算する部分の具体的方法である。  
本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法で、前記制御部２は、前記ステップＳ１４の処理により、超音波アクチュエータ５の駆動速度と駆動推力の要求を取り込み、この要求に基づいて縦及び屈曲の両振動を内分する点を決定するようにしている。
【００６２】
図８に示すように、超音波アクチュエータ５の駆動速度のピークは縦振動の共振点付近（図中の縦共振周波数ｆｒ２近傍）で発生し、前記超音波アクチュエータ５の推力のピークは屈曲振動の共振点付近（図中の屈曲共振周波数ｆｒ１近傍）で発生する。そして、屈曲共振周波数ｆｒ１と縦共振周波数ｆｒ２との間における駆動速度と推力とを直線で近似させた特性を示すと、図９に示すような代表的な特性となる。
【００６３】
本実施例における周波数決定の処理は、例えば超音波アクチュエータ５の初期化のタイミングで行われるようになっている。この場合、特性値は、予め使用される超音波アクチュエータ５を複数測定して代表値として例えば制御部２内の図示しない記憶部に記録しておく。前記超音波アクチュエータ５における縦屈曲の各共振周波数は、温度等で変化するが、それぞれの共振点での推力及び駆動速度はほぼ変わらない。したがって、前記制御部２は、この共振点での値を記録しておき、実際に検出された各共振周波数での値と見なすようにしている。
【００６４】
次に、前記制御部２は、必要な駆動速度と推力からもっとも近い周波数ｆｒを求めるが、実際には両立しない場合もあり得る。この場合、前記制御部２は、駆動速度を優先する、あるいは推力を優先するといったように優先順位を付けて前記周波数ｆｒを決定する。  
あるいは、前記制御部２は、駆動速度と推力のそれぞれの要求と超音波アクチュエータ５の特性の差分の自乗和が最小になる様に前記周波数ｆｒを決定する方法も実行可能である。  
即ち、超音波アクチュエータ５の有る周波数における推力をＦ（ｆｒ）とし、駆動速度をＶ（ｆｒ）、前記推力の要求をＦｓ、前記駆動速度の要求をＶｓとすると、
誤差Ｅ（ｆｒ)  ＝（Ｆ(ｆｒ)−Ｆｓ）＾２  ＋  （Ｖ(ｆｒ)−Ｖｓ）^２  …（式１）
となる関係を有し、前記制御部２は、前記(式１）から、前記誤差Ｅが最小となる周波数ｆｒを求めて駆動周波数と設定する。
【００６５】
図１０に前記したような駆動周波数を演算処理して求めるために必要な構成が示されている。  
図１０に示すように、前記制御部２は、前記駆動速度ｖ（ｆｒ）及び推力Ｆ（ｆｒ）のデータを有する特性データ部２Ａと、各種数値の入力手段である要求仕様部２Ｂと、前記誤差Ｅ（ｆｒ）を演算処理して求めるＣＰＵ及びそれを実行するための格納されたプログラムを有する演算部２Ｃと、を有している。
【００６６】
この構成とすることにより、前記制御部２は、前記ステップＳ１４の処理にて前記したように駆動周波数を設定し、その後、前記第２実施例と同様にステップＳ１５の処理にてこの駆動周波数に基づき縦及び屈曲振動を励起させることで超音波振動子５Ａに楕円振動を発生させて超音波アクチュエータ５を駆動させることができる。
【００６７】
なお、本実施例では、前記特性データ部２Ａは、各特性データを関数の形で格納しても良く、あるいはテーブル形式で格納しても良い。
【００６８】
したがって、本実施例によれば、超音波アクチュエータ５の共振周波数を含む周波数領域において、個別に振動モードを選択して共振周波数を検出し、その後、要求性能から最適な周波数を求め駆動することにより、要求にあった速度、推力が得られるとともに、使用目的に合った状態で超音波アクチュエータ５の駆動が可能となる。その他の効果は前記第２実施例と同様である。
【００６９】
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】
【００７０】
【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】本実施例の超音波アクチュエータ駆動方法による制御手順を示すフローチャート。
【図６】超音波アクチュエータ駆動方法における駆動電圧と電流との位相差を検出する検出原理を説明するためグラフ。
【図７】本発明の超音波アクチュエータ駆動装置の第２実施例を示し、前記超音波アクチュエータ駆動装置に採用された超音波アクチュエータ駆動方法による制御手順を示すフローチャート。
【図８】図８乃至図１０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、図８は超音波アクチュエータの駆動周波数に対する駆動速度及び推力特性を示すグラフ。
【図９】屈曲共振周波数と縦共振周波数の間における駆動速度及び推力特性を示すグラフ。
【図１０】本実施例の制御部の具体的な構成を示すブロック図
【図１１】従来の超音波アクチュエータ駆動装置の一例を示すブロック図。
【図１２】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１３】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１４】従来の超音波アクチュエータ駆動装置の問題点を説明するためのグラフ。
【符号の説明】
【００７１】
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…駆動部、
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】
2006109538.tif 000003
【図２】
2006109538.tif 000004
【図３】
2006109538.tif 000005
【図４】
2006109538.tif 000006
【図５】
2006109538.tif 000007
【図６】
2006109538.tif 000008
【図７】
2006109538.tif 000009
【図８】
2006109538.tif 000010
【図９】
2006109538.tif 000011
【図１０】
2006109538.tif 000012
【図１１】
2006109538.tif 000013
【図１２】
2006109538.tif 000014
【図１３】
2006109538.tif 000015
【図１４】
2006109538.tif 000016