(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電圧を印加されることにより発生する振動によって相対運動部材との間で相対運動を生じる振動子と、
前記駆動電圧を発生する駆動装置とを備え、
該駆動装置は、前記振動子または前記相対運動部材から前記相対運動の速度を検出する検出手段と、前記駆動電圧の周波数を共振周波数へ向けて低下させる際に、前記相対運動の速度の変化率が予め定めた所定の値より小さくなった時の周波数よりも低い周波数への前記駆動電圧の周波数の設定を禁止する周波数制御手段とを有すること
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】
前記相対運動の速度は、前記共振周波数よりも高い周波数に極大値を有するとともに、前記予め定めた所定の値より小さくなった時の周波数は、前記極大値またはその近傍における周波数であること
を特徴とする請求項１に記載された振動アクチュエータ。
【請求項３】
前記周波数制御手段は、前記駆動電圧の周波数を前記振動子の共振周波数へ向けて低下させること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載された振動アクチュエータ。
【請求項４】
前記駆動装置は、前記振動子に印加する前記駆動電圧の周波数を変更することができる発振手段と、
該発振手段からの出力信号を増幅する電力増幅手段とを有すること
を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ。
【請求項５】
前記周波数制御手段は、予め設定された一定時間における前記検出手段からの信号の平均値を用いて、前記相対運動の速度の変化率を求めること
を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ。
【請求項６】
前記振動子は、矩形平板状の外形を有し、前記相対運動の方向と略平行な方向へ振動する第１の振動と、前記相対運動の方向と交差する方向へ振動する第２の振動とを発生すること
を特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ。
【請求項７】
振動を発生することによって相対運動部材との間で相対運動を発生する振動子に印加される駆動電圧の周波数を、共振周波数へ向けて低下させる際に、前記相対運動を発生している時の前記振動子または前記相対運動部材から検出される前記相対運動の速度の変化率が予め定めた所定の値より小さくなった時の周波数よりも低い周波数への前記駆動電圧の周波数の設定を禁止することを特徴とする振動アクチュエータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動アクチュエータおよびその駆動方法に関する。より具体的には、本発明は、駆動電圧を印加されることにより発生する振動によって相対運動部材との間で相対運動を生じる振動子と、駆動電圧を発生する駆動装置とを備える振動アクチュエータと、振動アクチュエータの駆動方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の振動アクチュエータとして、超音波の振動域を利用した超音波アクチュエータが知られている。この超音波アクチュエータは、振動子に入力する駆動信号（交流電圧）の周波数（以下、本明細書では「駆動周波数」という。）を変化させることにより、相対運動部材との間の相対運動の速度（以下、本明細書では「相対運動速度」という。）を変化させることができる。特に、駆動周波数を振動子の共振周波数に一致させることにより、相対運動速度を最大にすることができる。
【０００３】
ところで、共振周波数以外の駆動周波数を有する駆動信号を入力した場合にもある程度の相対運動速度および駆動力を得るためには、振動子に印加する駆動信号の電圧を比較的高く設定しなければならない。また、この超音波アクチュエータを、例えばＸ−Ｙステージの位置決め機構の駆動源等に適用するには、必然的に、駆動周波数を広い範囲で変化させることによって相対運動速度を低速から高速までの広い範囲で制御する必要が生じる。
【０００４】
このため、振動子に印加する駆動信号の電圧が比較的高く設定されているときに駆動周波数を広い範囲で変化させた場合に、駆動周波数が振動子の共振周波数に一致すると、振動子には極めて過大なエネルギーが入力される。このため、振動子は劣化し、最悪の場合には破損してしまう。
【０００５】
そこで、駆動周波数を高い値から共振周波数へ向けて掃引する際に、駆動周波数が共振周波数に一致することによって振動子に過大なエネルギーが入力されることを防止するため、これまでにも様々な提案が行われている。
【０００６】
例えば特公平７−８１５４号公報には、振動子の圧電体からの信号を検知する振動検知用電極からの出力信号と、振動子に印加される駆動周波数との位相差を検出し、検出した位相差が共振周波数近傍となったことを示す値になった際に、これ以上低い周波数への掃引を禁止する発明が、提案されている。
【０００７】
また、特公平７−１０１８９号公報には、振動子が共振周波数から離れた駆動周波数（高周波数帯）で駆動されているときには駆動周波数の掃引を行い、共振周波数に近づいたことを、２相の駆動信号の位相差の検出値に基づいて検出したときに、これ以上低い周波数への掃引を禁止する発明が、提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、振動子の振動状態は、振動子の固体差や負荷変動、さらには温度変化等により、変化する。このため、これらのような環境の変化が生じた場合には、特公平７−８１５４号公報や同７−１０１８９号公報により提案された発明では、位相差を特性値として用い、この特性値そのものに基づいて共振周波数への接近を判断するため、駆動周波数が共振周波数に接近したことを確実に検知することは極めて難しかった。したがって、駆動周波数が共振周波数に一致することによって振動子に過大なエネルギーが入力されることを確実に防止することができなかった。
【０００９】
特に、特公平７−８１５４号公報により提案された発明は、駆動信号の波形が正弦波でない場合には、振動検知用電極からの出力信号と、振動子に印加される駆動周波数との位相差を検出すること自体が難しく、この点からも、駆動周波数が共振周波数に接近したことを確実に検知することは極めて難しい。
【００１０】
このように、これらの従来の技術を用いても、駆動周波数を高い値から共振周波数へ向けて掃引する際に、駆動周波数が振動子の共振周波数に一致することを確実に防止することは困難であった。
【００１１】
本発明は、これらの従来の技術が有する課題に鑑みてなされてものであり、例えば超音波アクチュエータ等の振動アクチュエータの駆動周波数を高い値から共振周波数へ向けて掃引する際に、駆動周波数が共振周波数に一致することによって振動子に過大なエネルギーが入力されることを確実に防止することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述した従来の技術は、いずれも、駆動周波数が共振周波数に接近したことを、例えば位相差等の特性値そのものの大きさに基づいて、検出しようとするものである。しかし、本発明者の知見によれば、振動子の固体差や負荷変動、さらには温度変化等が発生すると、この特性値の大きさと、駆動周波数の共振周波数への接近との相関関係が変化し、駆動周波数が共振周波数に近づいたことを確実に検知できない。
【００１３】
本発明は、相対運動を発生している時の振動子または相対運動部材から検出される特性値の変化率を用いることによって振動子の振動状態を相対的に把握し、これにより、振動子の固体差や負荷変動、さらには温度変化等が存在しても、駆動周波数が振動子の共振周波数に一致することを確実に防止できるとの、新規な知見に基づくものである。
【００１４】
請求項１の発明では、駆動電圧を印加されることにより発生する振動によって相対運動部材との間で相対運動を生じる振動子と、駆動電圧を発生する駆動装置とを備え、駆動装置が、振動子または相対運動部材から相対運動の速度を検出する検出手段と、駆動電圧の周波数を共振周波数へ向けて低下させる際に、相対運動の速度の変化率が予め定めた所定の値より小さくなった時の周波数よりも低い周波数への駆動電圧の周波数の設定を禁止する周波数制御手段とを有することを特徴とする振動アクチュエータを提供する。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載された振動アクチュエータにおいて、相対運動の速度が、共振周波数よりも高い周波数に極大値を有するとともに、予め定めた所定の値より小さくなった時の周波数が、極大値またはその近傍における周波数であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載された振動アクチュエータにおいて、周波数制御手段が、駆動電圧の周波数を振動子の共振周波数へ向けて低下させることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータにおいて、駆動装置が、振動子に印加する駆動電圧の周波数を変更することができる発振手段と、この発振手段からの出力信号を増幅する電力増幅手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータにおいて、周波数制御手段が、予め設定された一定時間における検出手段からの信号の平均値を用いて、相対運動の速度の変化率を求めることを特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータにおいて、振動子が、矩形平板状の外形を有し、相対運動の方向と略平行な方向へ振動する第１の振動と、相対運動の方向と交差する方向へ振動する第２の振動とを発生することを特徴とする。
【００２０】
さらに、請求項７の発明は、振動を発生することによって相対運動部材との間で相対運動を発生する振動子に印加される駆動電圧の周波数を、共振周波数へ向けて低下させる際に、相対運動を発生している時の前記振動子または相対運動部材から検出される相対運動の速度の変化率が予め定めた所定の値より小さくなった時の周波数よりも低い周波数への駆動電圧の周波数の設定を禁止することを特徴とする振動アクチュエータの駆動方法を提供する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明にかかる振動アクチュエータの実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以降の実施形態の説明では、振動アクチュエータが、超音波の振動域を利用した超音波アクチュエータである場合を、例にとる。
【００２２】
図１は、本実施形態の超音波アクチュエータ１の構成を示すブロック図である。同図に示すように、この超音波アクチュエータ１は、振動子２と駆動装置３とを備える。以下、これらの構成要素について、順次説明する。
【００２３】
〔振動子２〕
図２は、本実施形態で用いる振動子２を、相対運動部材４とともに示す斜視図である。また、図３は、振動子２を、発生する振動波形例とともに示す説明図である。
図２および図３に示すように、本実施形態の振動子２は、弾性体５と、弾性体５の一方の平面に装着された圧電体６とを備える。
【００２４】
弾性体５は、鉄鋼、ステンレス鋼、リン青銅またはエリンバー材等といった共振先鋭度が大きな金属材料により構成されることが望ましく、矩形平板状に形成される。また、弾性体５の各部の寸法は、発生する１次の縦振動Ｌ１および４次の曲げ振動Ｂ４それぞれの固有振動数が略一致するように、設定される。
【００２５】
弾性体５の一方の平面には、後述する圧電体６が例えば接着される。また、弾性体５の他方の平面には、弾性体５の幅方向に２本の溝部が相対運動方向（図２おける両矢印方向）に関して所定距離だけ離れて設けられる。これらの溝部に、横断面形状が矩形である角棒型の、高分子材等を主成分とした摺動部材が嵌め込まれて装着され、突起状に突出して装着される。高分子材としては、ＰＴＦＥ、ポリイミド樹脂、ＰＥＮ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等が例示される。
【００２６】
そして、この摺動部材が駆動力取出部５ａ、５ｂとして機能する。したがって、弾性体５は、図示しない加圧部材に加圧されて、これら摺動部材からなる駆動力取出部５ａ、５ｂを介して相対運動部材４に加圧接触する。
【００２７】
この駆動力取出部５ａ、５ｂは、図３に示すように、弾性体５に発生する４次の屈曲振動Ｂ４の４つの腹位置ｌ1 〜ｌ4 のうちの外側に位置する腹位置ｌ1 、ｌ4 に一致する位置に設けられる。なお、駆動力取出部５ａ、５ｂは、曲げ振動Ｂ４の腹位置ｌ1 、ｌ4 に正確に一致する位置に設けられる必要はなく、この腹位置の近傍に設けられていてもよい。
【００２８】
圧電体６は、本実施形態ではＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）からなる薄板状の圧電素子により構成される。この圧電体６には、Ａ相の駆動信号が入力される入力領域６ａ、６ｃと、Ａ相の駆動信号とは位相が（π／２）だけずれたＢ相の駆動信号が入力される入力領域６ｂ、６ｄとが形成される。各入力領域６ａ〜６ｄは、図３に示すように、弾性体５に発生する曲げ振動Ｂ４の５つの節位置ｎ1 〜ｎ5 により区画された４つの領域に連続して形成される。すなわち、駆動信号の入力により変形する各入力領域６ａ〜６ｄが、いずれも、不動点である節位置ｎ1 〜ｎ5 を跨がない。そのため、入力領域６ａ〜６ｄの変形が節位置ｎ1 〜ｎ5 によって抑制されることがない。これにより、各入力領域６ａ〜６ｄに入力された電気エネルギを最大の効率で弾性体５の変形、すなわち機械エネルギに変換することができる。
【００２９】
また、曲げ振動Ｂ４の節位置ｎ2 、ｎ4 には、検出領域６ｐ、６ｐ’が設けられる。検出領域６ｐ、６ｐ’により、振動子２に発生する縦振動Ｌ１に起因した歪みが検出され、この歪みの大きさに応じた電気エネルギがピックアップ電圧として出力される。これにより、振動子２が発生する縦振動Ｌ１の振幅が求められる。
【００３０】
各入力領域６ａ〜６ｄと各検出領域６ｐ、６ｐ’とは、それぞれの表面に、銀電極７ａ〜７ｄ、７ｐ、７ｐ’を接着される。これにより、各入力領域６ａ〜６ｄに独立して駆動信号を入力したり、各検出領域６ｐ、６ｐ’から独立して検出信号であるピックアップ電圧を出力することができる。
図示しないが、各銀電極７ａ〜７ｄ、７ｐ、７ｐ’には、電気エネルギの授受を行うためのリード線が、それぞれ半田付けされて、接続される。
【００３１】
なお、本実施形態では、図３に示すように、振動子２は、その平面の中央部を中心として点対称となるように、形成される。これにより、駆動力取出部５ａ、５ｂに発生する楕円運動を略同じ形状とすることができ、相対運動方向の反転に伴う駆動差が殆ど解消される。
【００３２】
後述する駆動装置３から、圧電体６の入力領域６ａ、６ｃに、縦振動Ｌ１および曲げ振動Ｂ４それぞれの固有振動数にほぼ一致した周波数を有するＡ相の駆動信号を入力する。また、入力領域６ｂ、６ｄにはＡ相の駆動信号とは（π／２）の位相差を有するＢ相の駆動信号を入力する。すると、図３に示すように、弾性体５には、相対運動方向（図２における両矢印方向）へ振動する第１の振動である１次の縦振動Ｌ１と、この相対運動方向に直交する方向へ振動する第２の振動である４次の曲げ振動Ｂ４とが同時に発生する。
【００３３】
これらの振動は合成されて、振動子２の駆動力取出部５ａ、５ｂには、左回りであって半周期ずれた楕円運動がそれぞれ発生する。発生した楕円運動により、加圧接触する相対運動部材４が左右いずれかの一方向へ直線的に駆動される。
また、相対運動方向を逆向きにするには、Ｂ相の駆動信号が、Ａ相の駆動信号に対して（−π／２）の位相差を有するように設定すればよい。
【００３４】
本実施形態では、振動子２は以上のように構成される。
また、図２に示すように、振動子２の駆動力取出部５ａ、５ｂに加圧接触して、移動子である相対運動部材４が配置される。
【００３５】
相対運動部材４は、本実施形態ではステンレス鋼により帯板状に構成される。相対運動部材４は、駆動力取出部５ａ、５ｂに発生する楕円運動により、縦振動Ｌ１の振動方向と同方向（図３における左右方向）へ駆動される。なお、相対運動部材４は、銅合金やアルミニウム合金さらには高分子材等により構成されていてもよい。
【００３６】
相対運動部材４は、相対運動部材４の一方の平面に接触する２基の搬送ローラと、相対運動部材４の幅方向の両端面に接触する４基の搬送ローラ（いずれも図示しない。）とにより、案内されて搬送される。これにより、相対運動部材４は、相対運動方向の両方向への往復移動が可能となる。
本実施形態では、相対運動部材４は以上のように構成される。
【００３７】
〔駆動装置３〕
図１に示すように、本実施形態の駆動装置３は、発振手段８と、１／４分周器９と、電力増幅手段１０ａ、１０ｂと、特性値検出手段１１と、周波数制御手段１２と、速度制御手段１３とを有する。以下、これらの要素について説明する。
【００３８】
本実施形態では、発振手段８は発振回路により構成した。発振手段８は、振動子２の縦振動Ｌ１および曲げ振動Ｂ４それぞれに対応する駆動周波数ｆの４倍の周波数４ｆを有する駆動信号（矩形波）を出力する。発振手段８は、後述する周波数制御手段１２から制御信号を入力されることにより、出力する駆動信号が有する駆動周波数を自在に変更することができる。
【００３９】
本実施形態では、１／４分周器９は、発振手段８から出力された駆動信号を入力される。１／４分周回器９により、入力された駆動信号は、Ａ相の駆動信号（正弦波）と、Ａ相の駆動信号とは（π／２）の位相差を有するＢ相の駆動信号（正弦波）とに、それぞれ変換および分岐される。
【００４０】
本実施形態では、電力増幅手段１０として増幅回路を用いた。電力増幅手段１０は、１／４分周器９により生成されたＡ相の駆動信号とＢ相の駆動信号とを、それぞれ、増幅する。すなわち、電力増幅手段１０ａにはＡ相の駆動信号が入力され、振動子２の駆動に必要な電圧に増幅される。また、電力増幅手段１０ｂにはＢ相の駆動信号が入力され、振動子２の駆動に必要な電圧に増幅される。
【００４１】
電力増幅手段１０ａの出力は、Ａ相の駆動信号として、振動子２の入力領域６ａ、６ｃに入力される。また、電力増幅手段１０ｂの出力は、Ｂ相の駆動信号として、振動子２の入力領域６ｂ、６ｄに入力される。これにより、前述したように、振動子２の駆動力取出部５ａ、５ｂには、左回りであって半周期ずれた楕円運動がそれぞれ発生し、相対運動部材４との間で相対運動を発生する。
【００４２】
本実施形態では、特性値検出手段１１として、相対運動部材４に取り付けたエンコーダを用いた。特性値検出手段１１は、相対運動を発生している時の振動子２の相対運動速度を検出する。
【００４３】
図４は、相対運動を発生している時の振動子または相対運動部材から検出される各種の特性値の大きさと駆動周波数ｆとの関係例を示すグラフである。同図に示すグラフにおいて、実線は振動子２の入力領域６ａ〜６ｄに入力される駆動信号の電流値ｉを示し、破線は相対運動速度ｖを示し、さらに、一点鎖線は振動子２の検出領域６ｐ、６ｐ’で検出されるピックアップ電圧であり、振動子２に発生する縦振動Ｌ１に起因した歪みを示す。
【００４４】
同図に示すグラフにおいて、駆動周波数ｆを、振動子２に発生する屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆＢへ向けて低下させる。すると、破線で示す相対運動速度ｖは、共振周波数ｆＢの近傍であって共振周波数ｆＢよりも高い周波数ｆ２に極大値を有することから、この極大値への到達により、駆動周波数ｆが共振周波数ｆＢに接近したことを検出することができる。
【００４５】
そこで、本実施形態では、特性値として、相対運動速度の変化率、すなわち相対運動部材４の移動速度の変化率を用いた。本実施形態で検出する相対運動速度の変化率は、振動子２自体の固体差や各種の動作環境といった変動要因が最終的に合成された、駆動状態を直接的に示す特性値である。したがって、本実施形態で特性値として用いる相対運動速度の変化率によれば、上記の変動要因それぞれの変動には影響されずに、振動子２の駆動状態を直接的かつ正確に検出することができる。このように、本実施形態では、特性値検出手段１１により、相対運動速度に略比例する信号が出力される。
【００４６】
本実施形態では、周波数制御手段１２として周波数制御回路を用いた。周波数制御手段１２には、特性値検出手段１１から出力される信号と、発振手段８から出力される駆動信号の駆動周波数と、後述する速度制御手段１３から出力される制御信号とが入力される。この周波数制御手段１２は、特性値検出手段１１から入力された信号、および発振手段８から入力された駆動信号の駆動周波数それぞれの変化を監視する。
【００４７】
図５は、振動子２に入力される駆動周波数ｆを、屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆB よりも高い値ｆ1 から屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆB へ向けて掃引したときに、相対運動速度ｖの変化率の一例を示すグラフである。このグラフにおいて、実線は相対運動速度ｖを示し、一点鎖線は相対運動速度の変化率ｖ’を示す。
【００４８】
図５のグラフに示すように、駆動信号の駆動周波数ｆを共振周波数ｆB より高い周波数ｆ1 から共振周波数ｆB へ向けて掃引すると、最初に変化率ｖ’は正の値を示すが、共振周波数ｆB に近づくにつれて速度変化率ｖ’は減少する。そして、共振周波数ｆB に達する直前の周波数ｆ2 において、変化率ｖ’は零になる。さらに周波数を低下すると、変化率ｖ’は負の値を示す。
本実施形態の周波数制御手段１２は、この変化率ｖ’が零になることによって、駆動信号の駆動周波数ｆが共振周波数ｆB に接近したことを検出する。
【００４９】
そして、周波数制御手段１２は、変化率ｖ’が零になる周波数ｆ2 を検出した時点で、周波数ｆ2 よりも低い周波数への駆動周波数ｆの設定を禁止する信号を、発振手段８に出力する。これにより、発振手段８から出力される駆動信号の駆動周波数は、周波数ｆ2 と同じか、または周波数ｆ2 よりも大きな値に制御される。
【００５０】
速度制御回路１３は、図示しない外部から入力される速度設定入力の値と、特性値検出回路１１から入力される速度情報の値とを比較する。そして、発振手段８から出力される駆動信号の駆動周波数をどのように変化させるかを指示する制御信号を、周波数制御手段１２に出力する。
【００５１】
本実施形態の駆動装置３は、以上のように構成される。次に、本実施形態の超音波アクチュエータ１の動作を説明する。
図１〜図３に示す本実施形態の超音波アクチュエータ１が、図５に示すように、駆動周波数ｆ1 を有する駆動信号を入力されることにより、相対運動部材４との間で、速度ｖ1 の相対運動を発生しているものとする。
【００５２】
この状態で、相対運動速度を上昇するために、発振手段８から出力される駆動信号の駆動周波数ｆを高い周波数ｆ1 から共振周波数ｆB へ向けて掃引すると、これに伴って、相対運動速度は上昇する。
【００５３】
そして、駆動周波数ｆが周波数ｆ2 （速度：ｖ2 ）に達すると、変化率ｖ’は零になる。速度変化率ｖ’が零になった時、周波数制御手段１２から発振手段８へ、周波数ｆ2 よりも低い周波数への駆動周波数ｆの設定を禁止する信号が出力される。これにより、発振手段８から出力される駆動信号の駆動周波数ｆは、周波数ｆ2 に保持されるか、または周波数ｆ2 よりも大きな値に変更される。
【００５４】
このように、本実施形態によれば、駆動信号の駆動周波数ｆを共振周波数ｆB より高い周波数ｆ1 から共振周波数ｆB へ向けて掃引しても、駆動周波数ｆは周波数ｆ2 （＝共振周波数ｆB ＋Δｆ）よりも小さな値にはならない。
【００５５】
特に、本実施形態では、振動子２自体の固体差や各種の動作環境といった変動要因が最終的に合成されて現れる相対運動速度の変化率を特性値として用いて駆動状態を直接的に求めるため、上記の変動要因には影響されずに、駆動信号の駆動周波数ｆが共振周波数ｆB に接近したことを、確実に検出することができる。
【００５６】
このため、駆動周波数ｆを高い値ｆ1 から共振周波数ｆB へ向けて掃引する際に、駆動周波数ｆが共振周波数ｆB に一致することによって振動子２に過大なエネルギが入力されることを、確実に防止することができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、駆動周波数ｆを設定できる範囲を、共振周波数ｆB に接近した周波数ｆ2 以上とすることができる。すなわち、前述した従来の技術では、環境の変化分を見込む必要があったために、例えば図５における周波数ｆ2'（ｆ2'＞ｆ2 ）よりも低い周波数に駆動周波数を設定することはできなかった。これに対し、本実施形態では、駆動周波数ｆを設定できる範囲を、低周波数側について、周波数ｆ2'と周波数ｆ2 との差（ｆ2'−ｆ2 ）だけ拡大することができる。このため、本実施形態により、従来よりも相対運動速度の最高速度を、（ｖ2 −ｖ2'）だけ引き上げることが可能となった。
【００５８】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態を説明する。なお、以降の各実施形態の説明は、前述した第１実施形態と相違する部分について行い、共通する部分については同一の図中符号を付すことにより重複する説明を省略する。
【００５９】
図６は、本実施形態の超音波アクチュエータ１−１の構成を示すブロック図である。本実施形態の超音波アクチュエータ１−１が、第１実施形態の超音波アクチュエータ１と相違するのは、周波数制御手段１２が、平均値回路１４から出力される相対運動速度の平均値を用いて、特性値の変化を求める点である。
【００６０】
特性値検出手段１１から出力される信号が、例えばノイズに影響されて、余り安定しなかったり誤検出された場合、この出力を特性値変化検出回路１２に直接入力すると、特性値変化検出回路１２が誤動作する可能性がある。そこで、本実施形態では、特性値検出手段１１と特性値変化検出回路１２との間に、平均値回路１４を設ける。
【００６１】
平均値回路１４は、クロック信号ｃを入力されることにより、予め定めた一定時間における特性値検出回路１２からの信号の平均値を演算することにより、特性値の変化率を検出する。そして、演算した平均値を周波数制御手段１２に入力する。
【００６２】
これ以外の構成は、第１実施形態と同様である。
本実施形態によれば、特性値検出手段１１からの出力値が、不安定であったり誤検出を伴う場合にも、誤動作することなく、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
（第３実施形態）
図７は、本実施形態の超音波アクチュエータ１−２の構成を示すブロック図である。本実施形態の超音波アクチュエータ１−２が、第１実施形態の超音波アクチュエータ１と相違するのは、特性値として、振動子２に発生する縦振動Ｌ１に起因した歪みを用いた点である。
【００６４】
本実施形態では、特性値検出手段１１−１として、振動子２に装着された圧電体６に形成された検出領域６ｐ、６ｐ’を用いた。特性値検出手段１１は、相対運動を発生している時の振動子２の検出領域６ｐ、６ｐ’から出力されるピックアップ電圧、すなわち振動子２に発生する縦振動Ｌ１に起因した歪みを検出する。
前述した図４に示すグラフにおいて、駆動周波数ｆを共振周波数ｆB へ向けて低下させる。
【００６５】
ここで、振動子２は、縦振動Ｌ１の共振周波数ｆＬが屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆＢよりも高い値になるように、設計されている。また、一点鎖線で示す、振動子２の検出領域６ｐ、６ｐ’で検出されるピックアップ電圧ａは、共振周波数ｆＢの近傍であって共振周波数ｆＢよりも高い周波数ｆ４に極大値を有する。この極大値を与える周波数ｆ４が、縦振動Ｌ１の共振周波数ｆＬである。
【００６６】
したがって、この極大値を与える周波数ｆ４への接近により、駆動周波数ｆが、屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆＢおよび縦振動Ｌ１の共振周波数ｆＬにそれぞれ接近したことを検出することができる。
【００６７】
そこで、本実施形態では、特性値として、振動子２の検出領域６ｐ、６ｐ’から出力されるピックアップ電圧の変化率、すなわち振動子２に発生する縦振動Ｌ１に起因した歪みの変化率を用いた。本実施形態で検出するピックアップ電圧ａは、振動子２自体の固体差や各種の動作環境といった変動要因が最終的に合成された、駆動状態を直接的に示す特性値である。したがって、本実施形態で特性値として用いるピックアップ電圧ａの変化率ａ’も、上記の変動要因それぞれの変動には影響されずに、振動子２の駆動状態を直接的かつ正確に検出することができる。
【００６８】
このように、本実施形態では、特性値検出手段１１−１により、振動子２に発生する縦振動Ｌ１に起因した歪みに略比例するピックアップ電圧ａが出力される。
これ以外の構成は、第１実施形態と同様である。
【００６９】
図８は、振動子２に入力される駆動周波数ｆを、屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆB よりも高い値ｆ3 から屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆB へ向けて掃引したときに、検出領域６ｐ、６ｐ’から出力されるピックアップ電圧ａの変化率ａ’の一例を示すグラフである。このグラフにおいて、実線はピックアップ電圧ａを示し、二点鎖線はピックアップ電圧ａの変化率ａ’を示す。
【００７０】
図８のグラフに示すように、駆動信号の駆動周波数ｆを共振周波数ｆB より高い周波数ｆ3 から共振周波数ｆB へ向けて掃引すると、最初にピックアップ電圧ａの変化率ａ’は正の値を示すが、共振周波数ｆB に近づくにつれてピックアップ電圧ａの変化率ａ’は減少する。そして、周波数ｆ4 （共振周波数ｆL ）に達すると、ピックアップ電圧ａの変化率ａ’は零になる。さらに周波数を低下すると、ピックアップ電圧ａの変化率ａ’は負の値を示す。
【００７１】
そこで、本実施形態の周波数制御手段１２では、この周波数ｆ4 よりも大きな値であってその変化率ａ’が正の値を示す周波数ｆ5 を予め設定しておき、駆動周波数ｆがこの周波数ｆ5 に到達したことを検出することによって、駆動信号の駆動周波数ｆが、屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆB および縦振動Ｌ１の共振周波数ｆL にそれぞれ接近したことを検出する。
【００７２】
そして、周波数制御手段１２は、周波数ｆ5 を検出した時点で、周波数ｆ5 よりも低い周波数への駆動周波数ｆの設定を禁止する信号を、発振手段８に出力する。これにより、発振手段８から出力される駆動信号の駆動周波数は、周波数ｆ5 以上の値とされる。
【００７３】
本実施形態の駆動装置３−２は、以上のように構成される。次に、本実施形態の超音波アクチュエータ１−２の動作を説明する。
図７に示す本実施形態の超音波アクチュエータ１−２が、図８に示すように、駆動周波数ｆ3 を有する駆動信号を入力されることにより、相対運動部材４との間で、ピックアップ電圧がａ3 である縦振動Ｌ１に起因した歪みを発生しているものとする。
【００７４】
この状態で、ピックアップ電圧ａ3 を上昇するために、発振手段８から出力される駆動信号の駆動周波数ｆを高い周波数ｆ3 から共振周波数ｆB へ向けて掃引すると、これに伴って、ピックアップ電圧ａは増加する。
【００７５】
そして、駆動周波数ｆが周波数ｆ5 （ピックアップ電圧：ａ5 ）に達すると、周波数制御手段１２から発振手段８へ、周波数ｆ5 よりも低い周波数への駆動周波数ｆの設定を禁止する信号が出力される。これにより、発振手段８から出力される駆動信号の駆動周波数ｆは、周波数ｆ5 に保持されるか、周波数ｆ5 よりも大きな値に変更される。
【００７６】
このように、本実施形態によれば、駆動信号の駆動周波数ｆを共振周波数ｆB より高い周波数ｆ3 から共振周波数ｆB へ向けて掃引しても、駆動周波数ｆは周波数ｆ5 （＝共振周波数ｆB ＋Δｆ）よりも小さな値にはならない。
したがって、本実施形態の超音波アクチュエータ１−２によれば、第１実施形態の超音波アクチュエータ１と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態を説明する。本実施形態は第３実施形態を改良したものである。
【００７８】
図９は、本実施形態の超音波アクチュエータ１−３の構成を示すブロック図である。本実施形態の超音波アクチュエータ１−３が、第３実施形態の超音波アクチュエータ１−２と相違するのは、周波数制御手段１２が、平均値回路１４から出力される相対運動速度の平均値を用いて、特性値の変化を求める点である。
【００７９】
特性値検出手段１１から出力される信号が、例えばノイズに影響されて、あまり安定しなかったり誤検出された場合、この出力を特性値変化検出回路１２に直接入力すると、特性値変化検出回路１２が誤動作する可能性がある。そこで、本実施形態では、特性値検出手段１１と特性値変化検出回路１２との間に、第２実施形態と同様に、平均値回路１４を設ける。
【００８０】
平均値回路１４は、クロック信号ｃを入力されることにより、予め定めた一定時間における特性値検出回路１２からの信号の平均値を演算することにより、特性値の変化を検出する。そして、演算した平均値を周波数制御手段１２に入力する。
【００８１】
これ以外の構成は、第３実施形態と同様である。
本実施形態によれば、特性値検出手段１１からの出力値が不安定であったり誤検出を伴う場合にも、誤動作することなく、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８２】
（変形形態）
各実施形態の説明では、振動アクチュエータが、超音波の振動域を利用した超音波アクチュエータである場合を例にとった。しかし、本発明は、超音波アクチュエータには限定されず、超音波以外の他の振動域を利用した振動アクチュエータについても同様に適用される。
【００８３】
また、各実施形態の説明では、特性値が、共振周波数よりも高い周波数に極大値を有する場合を例にとった。しかし、本発明は、極大値の周波数の大きさには限定されず、相対運動を発生している時の振動子または相対運動部材から検出される特性値であれば、等しく用いることができる。
【００８４】
また、各実施形態の説明では、特性値が、検出された相対運動速度の変化率または、検出された縦振動に起因した歪みの変化率である場合を例にとった。しかし、本発明は、相対運動速度の変化率または、縦振動に起因した歪みの変化率には限定されず、相対運動を発生している時の振動子または相対運動部材から検出される特性値であれば等しく適用される。このような特性値として、相対運動速度の変化率および、検出された縦振動に起因した歪みの変化率以外に、振動子に発生した振動と駆動電圧との間の位相差の変化率を例示することができる。
【００８５】
また、第１実施形態の説明では、特性値が零になった時の周波数を求め、この周波数よりも低い周波数への駆動周波数の設定を禁止する場合を例にとった。しかし、本発明は、この形態には限定されない。例えば、第３実施形態に示すように、特性値が、零以外の予め定めた所定の値に達した時の周波数を求め、この周波数よりも低い周波数への駆動周波数の設定を禁止することとしてもよい。これにより、駆動周波数が共振周波数に一致することを、より確実に防止することができる。
【００８６】
また、第１実施形態および第２実施形態の説明では、相対運動部材にエンコーダを装着して相対運動速度を検出したが、本発明は、この形態には限定されず、振動子にエンコーダを設けて相対運動速度を検出してもよい。
【００８７】
また、第１実施形態および第２実施形態の説明では、相対運動速度の検出にエンコーダを用いたが、本発明は、この形態には限定されず、相対運動速度を検出することができる部材であれば、等しく適用される。
【００８８】
また、各実施形態の説明では、駆動装置が、発振手段と、電力増幅手段と、特性値検出手段とを有する場合を例にとった。しかし、本発明は、この形態には限定されず、振動子に印加することによって振動を発生して相対運動部材との間で相対運動を生じる駆動電圧を発生することができる駆動装置であれば、等しく適用される。
【００８９】
また、各実施形態の説明では、略矩形平板状の外形を有し、１次の縦振動と４次の屈曲振動とを発生する振動子を用いた場合を例にとった。しかし、本発明はこの振動子には限定されない。例えば、文献「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳ  ＦＯＲＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」の第３７頁における表２．８に開示された各種の振動子や、「新版  超音波モータ」（上羽貞行氏、富川義朗氏共著、トリケップス刊）に開示された円板状振動子、円環状振動子、棒状振動子、板状振動子さらにはリニア型振動子等の各種の振動子についても、等しく適用される。
【００９０】
さらに、各実施形態の説明では、振動子に圧電素子が装着された場合を例にとったが、本発明は圧電素子には限定されず、電気エネルギと機械エネルギとの相互変換素子であれば、等しく用いることができる。圧電素子以外に、例えば電歪素子を用いることもできる。
【００９１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１〜請求項７の発明によれば、振動アクチュエータの駆動周波数を高い値から共振周波数へ向けて掃引する際に、振動子の固体差や負荷変動、さらには温度変化等が生じていても、駆動周波数が共振周波数に一致することによって振動子に過大なエネルギーが入力されることを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態で用いる振動子を、相対運動部材とともに示す斜視図である。
【図３】第１実施形態で用いる振動子を、発生する振動波形例とともに示す説明図である。
【図４】相対運動を発生している時の振動子または相対運動部材から検出される各種の特性値の大きさと駆動周波数ｆとの関係例を示すグラフである。
【図５】第１実施形態において、振動子に入力される駆動周波数を、屈曲振動の共振周波数よりも高い値から屈曲振動の共振周波数へ向けて掃引したときに、相対運動速度の変化の一例を示すグラフである。
【図６】第２実施形態の超音波アクチュエータの構成を示すブロック図である。
【図７】第３実施形態の超音波アクチュエータの構成を示すブロック図である。
【図８】第３実施形態において、振動子に入力される駆動周波数を、屈曲振動の共振周波数よりも高い値から屈曲振動の共振周波数へ向けて掃引したときに、振動子に発生する縦振動の振幅の変化の一例を示すグラフである。
【図９】第４実施形態の超音波アクチュエータの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  超音波アクチュエータ
２  振動子
３  駆動装置
８  発振手段
９  １／４分周期
１０ａ、１０ｂ  電力増幅手段
１１  相対運動速度検出手段
１２  周波数制御手段
１３  速度制御回路
【図１】
0004345132.tif 000002
【図２】
0004345132.tif 000003
【図３】
0004345132.tif 000004
【図４】
0004345132.tif 000005
【図５】
0004345132.tif 000006
【図６】
0004345132.tif 000007
【図７】
0004345132.tif 000008
【図８】
0004345132.tif 000009
【図９】
0004345132.tif 000010