(57)【要約】【課題】安定状態で長時間駆動することができるピエゾアクチュエータの駆動装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るピエゾアクチュエータの駆動装置は、ピエゾモータの駆動装置１であって、電歪公転子１１が駆動を開始する共振周波数ｆ１が格納される記憶部１４と、電歪公転子１１に流れる電流を検出する電流検出部１２と、電歪公転子１１に入力される駆動信号の周波数を制御する制御部１３とを備えたものである。そして、制御部１３は、駆動を開始した周波数ｆ１以上の周波数帯において電流検出部１２によって検出された検出電流に応じて駆動信号の周波数ｆを制御する。【選択図】  図１
2007336681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾ素子から構成され、連続的なパルスよりなる駆動信号に応じて駆動力を発生する電歪公転子と、
前記駆動力を実動運動に変換する可動子とを有するピエゾアクチュエータを駆動するための装置であって、
前記電歪公転子が駆動を開始する駆動開始周波数が格納される記憶部と、
前記電歪公転子に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電歪公転子に入力される駆動信号の周波数を制御する制御部とを備え、
当該制御部は、前記駆動開始周波数以上の周波数帯において前記電流検出部によって検出された検出電流に応じて前記駆動信号の周波数を制御するピエゾアクチュエータの駆動装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記検出電流の電流値が上がった場合には、前記電歪公転子に入力される駆動信号の周波数を上げ、
前記検出電流の電流値が下がった場合には、前記電歪公転子に入力される駆動信号の周波数を下げることを特徴とする請求項１に記載のピエゾアクチュエータの駆動装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記ピエゾアクチュエータに電源が投入されるのに従って、前記駆動信号の周波数を上げながら駆動信号を前記電歪公転子に入力し、当該電歪公転子が駆動を開始する前記駆動開始周波数を前記記憶部に格納することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のピエゾアクチュエータの駆動装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の駆動装置によって駆動するピエゾアクチュエータ。
【請求項５】
ピエゾ素子から構成され、連続的なパルスよりなる駆動信号に応じて駆動力を発生する電歪公転子と、
前記駆動力を実動運動に変換する可動子とを有するピエゾアクチュエータを駆動するための方法であって、
前記電歪公転子が駆動を開始する駆動開始周波数を格納するステップと、
電歪公転子に流れる電流を検出するステップと、
前記駆動開始周波数以上の周波数帯において、前記電流検出部によって検出された検出電流に応じて前記駆動信号の周波数を制御するステップとを備えたピエゾアクチュエータの駆動方法。
【請求項６】
前記駆動信号の周波数を制御するステップでは、
前記検出電流の電流値が上がった場合には、前記電歪公転子に入力される駆動信号の周波数を上げ、
前記検出電流の電流値が下がった場合には、前記電歪公転子に入力される駆動信号の周波数を下げることを特徴とする請求項５に記載のピエゾアクチュエータの駆動方法。
【請求項７】
前記ピエゾアクチュエータに電源を投入するステップと、
当該電源投入に従って、前記駆動信号の周波数を上げながら駆動信号を前記電歪公転子に入力するステップと、
当該電歪公転子が駆動を開始する前記駆動開始周波数を格納するステップとを、さらに備えたことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のピエゾアクチュエータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾアクチュエータの駆動装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ピエゾ素子から構成された電歪公転子が用いられたピエゾモータ（電歪公転子型モータ）が開発されている。ピエゾモータは、搭載された電歪公転子にピエゾ素子の共振周波数の４相パルス信号が入力されることによって公転トルクを発生させ、電歪公転子に圧接されたロータを回転させている。ピエゾモータは、その構造が簡素であることから、小型化・薄型化が可能であり、低速・高トルク、高分解能といった利点を有している。
【０００３】
このようなピエゾモータを安定して回転させるためには、周波数がピエゾ素子の共振周波数となる駆動信号を入力する必要がある。ピエゾ素子に駆動信号を入力してピエゾモータを駆動するとき、その周波数を低い値から上昇させた場合と高い値から下降させた場合とでは、ピエゾモータの振る舞いが異なる。図５，６に、ピエゾモータの動作特性（周波数／信号電流特性）が示されている。
【０００４】
図５に示すように、周波数を低い値から上昇させた場合には、共振周波数（復帰周波数）より低い値ではモータは停止した状態を保ち、復帰周波数を通過するとモータは回転して回転停止点に到達すると回転を停止する。これに対して、周波数を高い値から下降させた場合には、復帰周波数を通過しても停止することなく、脱調周波数で停止する。
【０００５】
そこで、予めピエゾ素子の共振周波数と電流を測定し、そのデータを基にしてピエゾ素子に適切な駆動信号が入力される。図６に示すように、ピエゾモータの動作特性は、モータが駆動中に発生させる熱等、種々の要因により、共振周波数ｆ０が周波数ｆ１やｆ２にシフトする。そのため、所定の周波数におけるピエゾ素子に流れる電流値が変化するので、常に一定の周波数の駆動信号を入力していても定常状態を維持することが困難である。これに対処するためには、ピエゾモータから駆動電流をフィードバックし、駆動信号の周波数が適切となるように制御し、最大電流（ピーク電流）を保持する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
さらに、駆動信号の周波数のフィードバック制御を行ったとしても、ピエゾモータが非線形特性を有しているので、脱調周波数に達して回転が停止する危険性がある。そのため、ある程度安定した状態を保持しながらピエゾモータを駆動することはできるが、長時間安定した状態を保持しながらピエゾモータを駆動することは困難である。さらに、ピエゾ素子それぞれによって共振周波数が微妙に異なるため、多くのピエゾ素子を安定して動作させる共通の共振周波数を設定することは困難である。さらにまた、電歪公転子は、ヒステリシス特性を持っているため同じピエゾ素子であっても共振周波数が変化する。
【特許文献１】特開２００２−３５９９８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来のピエゾモータの駆動方法では、ピエゾモータの非線形特性や電歪公転子のヒステリシス特性等のため、安定した状態で長時間駆動することが困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、安定状態で長時間駆動することができるピエゾアクチュエータの駆動装置及びその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】
【０００９】
本発明に係るピエゾアクチュエータの駆動装置は、ピエゾ素子から構成され、連続的なパルスよりなる駆動信号に応じて駆動力を発生する電歪公転子と、前記駆動力を実動運動に変換する可動子とを有するピエゾアクチュエータを駆動するための装置であって、前記電歪公転子が駆動を開始する駆動開始周波数が格納される記憶部と、前記電歪公転子に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電歪公転子に入力される駆動信号の周波数を制御する制御部とを備え、当該制御部は、前記駆動開始周波数以上の周波数帯において前記電流検出部によって検出された検出電流に応じて前記駆動信号の周波数を制御するものである。このような構成においては、ピーク電流を流すことができる駆動開始周波数の駆動信号で電歪公転子を駆動することができるので、脱調することなく、停止点に至ることなく、安定状態で長時間駆動することができる。
【００１０】
さらに、前記制御部は、前記検出電流の電流値が上がった場合には、前記電歪公転子に入力される駆動信号の周波数を上げ、前記検出電流の電流値が下がった場合には、前記電歪公転子に入力される駆動信号の周波数を下げる。
【００１１】
また、前記制御部は、前記ピエゾアクチュエータに電源が投入されるのに従って、前記駆動信号の周波数を上げながら駆動信号を前記電歪公転子に入力し、当該電歪公転子が駆動を開始する前記駆動開始周波数を前記記憶部に格納する。
【００１２】
本発明に係るピエゾアクチュエータは、このような駆動装置によって駆動されるものである。このような構成においては、ピーク電流を流すことができる駆動開始周波数の駆動信号で電歪公転子を駆動することができるので、脱調することなく、停止点に至ることなく、安定状態で長時間駆動することができる。
【００１３】
本発明に係るピエゾアクチュエータの駆動方法は、ピエゾ素子から構成され、連続的なパルスよりなる駆動信号に応じて駆動力を発生する電歪公転子と、前記駆動力を実動運動に変換する可動子とを有するピエゾアクチュエータを駆動するための方法であって、前記電歪公転子が駆動を開始する駆動開始周波数を格納するステップと、電歪公転子に流れる電流を検出するステップと、前記駆動開始周波数以上の周波数帯において前記電流検出部によって検出された検出電流に応じて前記駆動信号の周波数を制御するステップとを備えたものである。このような構成においては、ピーク電流を流すことができる駆動開始周波数の駆動信号で電歪公転子を駆動することができるので、脱調することなく、停止点に至ることなく、安定状態で長時間駆動することができる。
【００１４】
さらに、前記駆動信号の周波数を制御するステップでは、前記検出電流の電流値が上がった場合には、前記電歪公転子に入力される駆動信号の周波数を上げ、前記検出電流の電流値が下がった場合には、前記電歪公転子に入力される駆動信号の周波数を下げる。
【００１５】
また、本発明に係るピエゾアクチュエータの駆動方法は、前記ピエゾアクチュエータに電源を投入するステップと、当該電源投入に従って、前記駆動信号の周波数を上げながら駆動信号を前記電歪公転子に入力するステップと、当該電歪公転子が駆動を開始する前記駆動開始周波数を格納するステップとを備えたものである。これにより、ピエゾ素子によって構成された電歪公転子の電源投入時の初期状態に応じて駆動開始周波数で駆動することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、安定状態で長時間駆動することができるピエゾアクチュエータの駆動装置及びその駆動方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係るピエゾアクチュエータの駆動装置は、駆動を開始する共振周波数（復調周波数）よりも高い周波数範囲で電歪公転子の駆動電流が最大となるように保持しながらピエゾアクチュエータを駆動するものである。具体的には、この駆動装置は、駆動信号の周波数を復調周波数まで徐々に上げてピエゾアクチュエータの駆動を開始させ、この復調周波数よりも高い周波数範囲でピエゾアクチュエータを駆動するものである。
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図を参照しながら説明する。本実施形態では、ピエゾアクチュエータの好適な例としてピエゾモータを用いて説明するが、これに限らず、駆動力の伝達機構を種々変更することによって種々のアクチュエータを構成することができる。
【００１９】
まず、図１を用いて、本発明に係るピエゾモータの駆動装置の構成について説明する。図１は、本発明に係るピエゾモータの駆動装置の一構成例を示すブロック図である。
【００２０】
図１に示すように、本発明に係るピエゾモータの駆動装置１は、駆動機構１０、電歪公転子１１、電流検出部１２、制御部１３、記憶部１４、電圧制御発信器１５（以下、ＶＣＯ１５と略す）を有する。
【００２１】
駆動機構１０は、ピエゾモータを駆動させる駆動機構等であり、その詳細については後述する。電歪公転子１１は、入力された駆動信号に応じて伸縮するいわゆるピエゾ素子から構成され、ピエゾモータの駆動力を発生させる。電流検出部１２は、電流計等から構成され、駆動中の電歪公転子１１に流れる電流を検出する。制御部１３は、ＣＰＵやＭＰＵ等から構成され、当該駆動装置１の動作制御を実行する。
【００２２】
記憶部１４は、ＲＯＭやＲＡＭ、ハードディスクドライブ等から構成され、ピエゾモータを駆動させるための各種処理に必要なプログラムやデータを記憶する。記憶部１４には、電歪公転子１１を駆動させるための駆動信号の復調周波数が格納されている。また、記録部１４には、例えば、電歪公転子１１に流れる電流の電流値等のデータ、これら駆動信号の周波数や電流値を用いて駆動信号を制御するための制御プログラム等がさらに格納されている。ＶＣＯ１５は、電歪公転子１１を駆動させるための駆動信号を生成する駆動信号生成部の一例であり、入力電圧に応じて駆動信号の周波数を変化させて駆動信号を出力する。
【００２３】
このような駆動装置１では、駆動機構１０が電歪公転子１１を駆動させると、電流検出部１３は、電歪公転子１１に流れる電流を検出する。電流検出部１３は検出した検出電流の電流値を制御部１３に入力し、制御部１３は入力された電流値を記憶部１４に保存する。制御部１３は、この電流値からＶＣＯ１５を制御するための電圧値を算出し、この電圧値の電圧をＶＣＯ１５に入力する。ここで、制御部１３は、電歪公転子１１に入力される駆動信号の周波数に基づいてＶＣＯ１５を制御するための電圧値を算出する。
【００２４】
ＶＣＯ１５は、入力された電圧に基づいて所定の周波数の駆動信号を電歪公転子１１に入力し、電歪公転子１１を駆動させる。駆動装置１は、電歪公転子１１が駆動を開始するまでの間、さらに電歪公転子１１が駆動している間、このように電歪公転子１１に流れる電流をフィードバックして電歪公転子１１の制御を繰り返す。なお、これらの各機能部は、図示しないが、ピエゾモータを駆動するための電源部から電源が供給されることによって駆動する。
【００２５】
続いて、図２を用いて、本発明に係る駆動装置１の駆動機構１０について具体的に説明する。図２は、本発明に係る駆動装置１の駆動機構１０の一構成例を示す模式図である。
【００２６】
図２（ａ）の外観図に、電歪公転子１１の一構成例が示されている。図２（ａ）に示すように、電歪公転子１１は、略円筒状の形状を有し、その外周に沿って４分割となるように長手方向に溝が形成されている。略円筒状の電歪公転子１１の端面上にはロータ１０１が圧接され、電歪公転子１１はロータ１０１に対してステータとして機能する。
【００２７】
図２（ｂ）の平面図に、電歪公転子１１の一構成例が示されている。図２（ｂ）に示すように、電歪公転子１１の４分割された各部分は、ＶＣＯ１５を介して制御部１３に電気的に接続されている。このとき、電歪公転子１１の４分割された各部分はＶＣＯ１５に並列に接続され、駆動信号の極性が周期的にスイッチングされた交番信号が印加される。すなわち、制御部１３は、電歪公転子１１の４分割された各部分に駆動信号を切替えて印加するスイッチング手段としても機能する。
【００２８】
図２（ｃ）の波形図に、電歪公転子１１に入力される駆動信号の一例が示されている。図２（ｃ）に示すように、電歪公転子１１の４分割された各部分には、例えば、位相が異なる４つの交流電圧（Ａ相電圧、Ｂ相電圧、Ｃ相電圧、Ｄ相電圧）が印加される。Ｂ相電圧の位相はＡ相電圧の位相に対して９０°シフトしている。Ｃ相電圧の位相は、Ａ相電圧の位相に対して１８０°シフトし、Ｄ相電圧の位相はＡ相電圧の位相に対して２７０°シフトしている。すなわち、Ａ相電圧、Ｂ相電圧、Ｃ相電圧、Ｄ相電圧の各位相は順に９０°シフトしている。
【００２９】
この順に９０°シフトした位相を有する４つの交流電圧が電歪公転子１１に印加されることによって、電歪公転子１１の４分割された各部分で異なった公転振動が発生する。詳細には、隣接した一組の部分同士が同じ公転振動を発生させ、これら一組の部分が回転するように公転振動が発生する。ロータ１０１が電歪公転子１１に圧接しているので、ロータ１０１の重心が電歪公転子１１端面の中心周りを回転するように共振する。これによって、ロータ１０１に回転トルクが発生し、フラフープのように偏心しながら電歪公転子１１に対して公転する。このように、電歪公転子１１は、制御部１３が印加電圧をスイッチングすることによって、共振状態に励振して公転トルクを発生させる。
【００３０】
次に、図３を用いて、本発明に係る駆動装置１の動作処理について説明する。図３は、本発明に係る駆動装置１の動作処理の一例を示すフローチャートである。ここで、適宜図４を参照しながら説明する。図４は、駆動装置１によって駆動しているピエゾモータの動作特性の変化を示す模式図である。
【００３１】
初期に電源投入すると、制御部１３は、ＶＣＯ１５を制御して、初期周波数の駆動信号を電歪公転子１１に入力させる（Ｓ１０１）。このとき、初期周波数は、電歪公転子１１を構成するピエゾ素子の共振周波数よりも小さな周波数である。制御部１３は、この初期周波数から徐々に周波数を上げながら、ＶＣＯ１５に対して所定の周波数の駆動信号を電歪公転子１１に入力させる（Ｓ１０２）。そして、制御部１３は、電歪公転子１１に設定周波数fでの回転駆動を指示する（Ｓ１０３）。
【００３２】
制御部１３は、電流検出部１２によって検出された検出電流によって電歪公転子１１の駆動を検出する（Ｓ１０４）。詳細には、制御部１３は、電流検出部１２から入力される検出電流の電流値がほぼ０である場合には電歪公転子１１が駆動していないと判定し、検出電流の電流値がほぼ０でない場合には電歪公転子１１が駆動していると判定する。
【００３３】
制御部１３は、電歪公転子１１が駆動を開始するまで周波数を上げながら駆動信号を電歪公転子１１に入力し、駆動開始した時点での駆動信号の周波数を記録する。詳細には、制御部１３は、電歪公転子１１が駆動していないと判定した場合には（Ｓ１０４）、電歪公転子１１が駆動を開始するまで駆動信号の周波数を上げ、この駆動信号を電歪公転子１１に入力する。制御部１３は、電歪公転子１１が駆動していると判定した場合には（Ｓ１０４）、その時点で入力している駆動信号の周波数ｆ１として、さらに電流検出部１２で検出した電流値を記憶部１４に保存する（Ｓ１０５、Ｓ１０６）。
【００３４】
電流検出部１２は、電歪公転子１１が駆動を開始した後も、この電歪公転子１１に流れる電流を検出し、検出電流の電流値を制御部１３に入力する。制御部１３は、電流検出部１２から検出電流の電流値を入力されると、検出電流の電流値を一時的に記憶部１４に保存する（Ｓ１０７）。制御部１３は、さらに電流検出部１２から検出電流を入力されると、この今回の検出電流の電流値と予め記憶部１４に保存した前回検出時の電流値とを比較する（Ｓ１０８、Ｓ１１１）。制御部１３は、この今回の検出電流の電流値と予め記憶部１４に保存した前回検出時の電流値とが等しい場合には（Ｓ１０８）、駆動周波数ｆを維持する（Ｓ１０９）。そして、制御部１３は電歪公転子１２に設定周波数ｆでの回転駆動を指示し（Ｓ１１０）、電流検出部１２が電歪公転子１１に流れる電流を検出するステップＳ１０７に戻る。
【００３５】
制御部１３は、そのときに検出した検出電流の電流値が保存された前回検出の電流値よりも大きい場合には（Ｓ１０８、Ｓ１１１）、駆動信号の設定周波数ｆを所定量だけ、例えば２５０Ｈｚ程度上げる（Ｓ１１２）。図４（ａ）に示すように、検出電流の電流値が保存した電流値よりも大きい場合には、ピエゾモータの動作特性は、周波数が上昇する方向にシフトしている。そのため、電歪公転子１１の共振周波数は、駆動時に発生する熱等の種々の要因によって、予め保存した共振周波数ｆ１よりも高くなっている。従って、電歪公転子１１が現に駆動している駆動信号の周波数ｆが脱調周波数に近づいているので、入力する駆動信号の周波数ｆを上昇させる。その後、制御部１３は、電歪公転子１２に設定周波数ｆでの回転駆動を指示し（Ｓ１１０）、電流検出部１２が電歪公転子１１に流れる電流を検出するステップＳ１０７に戻る。
【００３６】
制御部１３は、検出電流の電流値が保存した電流値よりも小さい場合には（Ｓ１０８、Ｓ１１１）、駆動信号の周波数ｆを所定量だけ下げる（Ｓ１１３）。制御部１３は、この下げた駆動信号の周波数と共振周波数ｆ１とを比較する（Ｓ１１４）。制御部１３は、そのときの駆動信号の周波数ｆが共振周波数ｆ１よりも大きい場合には（Ｓ１１４）、ＶＣＯ１５に設定周波数ｆでの回転駆動を指示し（Ｓ１１０）、電流検出部１２が電歪公転子１１に流れる電流を検出するステップＳ１０７に戻る。
【００３７】
制御部１３は、下げた駆動信号の周波数ｆが記憶部１４に格納された共振周波数ｆ１以下である場合には（Ｓ１１４）、電歪公転子１１を駆動させる駆動信号の周波数ｆを共振周波数ｆ１に設定する（Ｓ１１５）。その後、制御部１３は、ＶＣＯ１５に設定周波数ｆでの回転駆動を指示し（Ｓ１１０）、電流検出部１２が電歪公転子１１に流れる電流を検出するステップＳ１０７に戻る。
【００３８】
図４（ｂ）に示すように、検出電流の電流値が保存した電流値以下である場合には、ピエゾモータの動作特性は、周波数が下降する方向にシフトしている。そのため、電歪公転子１１の共振周波数は、駆動時に発生する熱等の種々の要因によって予め保存した共振周波数ｆ１よりも低くなっている。従って、電歪公転子１１を駆動している駆動信号の電流値を高くするために、入力する駆動信号の周波数ｆを下降させる。このときに、駆動信号の周波数ｆを下降させるために、駆動信号の周波数ｆが脱調をひきおこす可能性があるが、本発明では、駆動信号の周波数ｆをｆ１以上にしているために、脱調をひきおこす可能性がなくなる。そのために、安定して電歪公転子１１を駆動させることができる。
【００３９】
以上のように、本発明に係る駆動装置１では、初期電源投入時に駆動信号の周波数を低い値から上昇させることによって、駆動時に電歪公転子１１に流れる電流のピーク値（最大電流値）を検出し、これに対応した共振周波数ｆ１を検出する。それ故、電歪公転子１１は、この共振周波数ｆ１よりも高い周波数範囲において、最大電流値で駆動した状態を保持することができる。従って、脱調することなく、安定状態で長時間駆動することができる。
【００４０】
特に、検出電流の電流値が上がった場合には駆動信号の周波数を上げるので、電歪公転子の共振周波数が上昇する方向にシフトしていたとしても、脱調するのを防ぐことができる。それとともに、検出電流の電流値が下がった場合には駆動信号の周波数を下げるので、電歪公転子の共振周波数が下降する方向にシフトしていたとしても、停止点に至ることを防ぐことができる。従って、共振周波数よりも高い周波数領域を使用しながら、いずれの回転停止点に到達することを確実に防ぐことができる。
【００４１】
さらに、初期電源投入時には駆動信号の周波数を徐々に上げながら電歪公転子１１の駆動を開始させる。これによって、電歪公転子１１を構成するピエゾ素子の状態が変化したとしても、その状態に対応することができ、最適な状態で電歪公転子１１を駆動させることができる。また、初期電源投入時における電歪公転子１１の共振周波数を保存することによって、２回目からの電源投入においては、保存された共振周波数から起動して動作を行うことができる。これによって、電源投入とともに常にモータを速やかに起動することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係るピエゾモータの駆動装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る電歪公転子の構成の一例を示す図である。
【図３】本発明に係るピエゾモータの駆動装置の動作処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明に係るピエゾモータの動作特性を示すグラフである。
【図５】従来のピエゾモータの動作特性を示すグラフである。
【図６】従来のピエゾモータの動作特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１...ピエゾモータの駆動装置、１０...駆動機構、１１...電歪公転子、１３...制御部、
１４...記憶部、１５...電圧制御発信器（ＶＣＯ）
【図１】
2007336681.tif 000003
【図２】
2007336681.tif 000004
【図３】
2007336681.tif 000005
【図４】
2007336681.tif 000006
【図５】
2007336681.tif 000007
【図６】
2007336681.tif 000008