(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気／機械エネルギー変換素子の振動運動を利用して駆動する振動波モータの駆動装置において、
前記電気／機械エネルギー変換素子に所定電圧を印加することにより電気エネルギーを供給する充電回路と、
電気エネルギーが供給された前記電気／機械エネルギー変換素子を誘導性素子を介して放電させることにより、前記電気／機械エネルギー変換素子において機械エネルギーを発生させる放電回路と、
前記電気／機械エネルギー変換素子に、前記充電回路を接続した後に前記放電回路に接続し、前記電気／機械エネルギー変換素子と前記誘導性素子とで構成する回路により、前記電気／機械エネルギー変換素子に加わる電位が降下した後に上昇し放電開始時の電位に近づいたときに、再び前記充電回路を接続することを繰り返す制御回路と、
を備えることを特徴とする振動波モータの駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の振動波モータ駆動装置において、
前記制御回路は、前記充電回路が前記電気／機械エネルギー変換素子に電圧を印加する電圧印加期間を少なくとも前記電気／機械エネルギー変換素子が充電されるのに必要とする充電時間より長い期間となるように充電制御信号を出力し、
前記放電回路が、前記電気／機械エネルギー変換素子に作用する放電期間を前記エネルギー変換素子と前記誘導性素子とで構成する回路の共振振動の周期とほぼ等しい期間となるように放電制御信号を出力する、
ことを特徴とする振動波モータの駆動装置。
【請求項３】
請求項２に記載の振動波モータの駆動装置において、
前記制御回路が充電制御信号の出力期間を変化させることにより、前記電気／機械エネルギー変換素子の駆動量を変化させる、
ことを特徴とする振動波モータの駆動装置。
【請求項４】
請求項３に記載の振動波モータの駆動装置において、
さらに、前記充電回路から前記電気／機械エネルギー変換素子に供給される電流を検出する電流検出回路を有し、
前記制御回路は、前記電流検出回路が検出する電流値が所定値以下となるように、前記充電制御信号の出力期間を制御する、
ことを特徴とする振動波モータの駆動装置。
【請求項５】
請求項３に記載の振動波モータの駆動装置において、
さらに、前記充電回路が接続される直前の前記電気／機械エネルギー変換素子の電圧を検出する電圧検出部を有し、
前記制御回路は、前記電圧検出部が検出する電圧値が所定値になる駆動周波数よりも高い駆動周波数で駆動されるように、前記充電制御信号の出力期間を制御する、
ことを特徴とする振動波モータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動波モータの駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の振動波モータの一般的な構成を示す図である。
図４（Ａ）は、振動波モータ１００の断面図であり、互いに接着されているロータ１００−１及び摺動材１００−２からなる移動子と、同様に互いに接着されている弾性体１００−３及び振動体１００−４からなる固定子とにより構成されている。これらの移動子と固定子は、不図示の加圧手段により加圧接触されて駆動される。
【０００３】
図４（Ｂ）は、振動体１００−４の電極の配置を示す平面図である。電極１００−４ａ及び１００−４ｂは、入力電極であり、これらの電極に振動波モータ毎に決まった周波数であって、相互に９０゜あるいは２７０゜の位相差を持つ周波電圧が印加されることにより固定子が振動する。また、電極１００−４ｃは、接地される共通電極である。一方、電極１００−４ｄは、モニター電圧を取り出すことに使用される電極であるが、振動体１００−４の振動には直接寄与しない電極である。
【０００４】
図４（Ｃ）は、振動体１００−４の入力電極１００−４ａ、又は１００−４ｂと接地電極間の等価回路を示したものである。図に示すように、等価回路は、自己容量Ｃ0 と、Ｃ0 と並列接続されたＬ、Ｃ、Ｒの直列共振回路で表される。
振動波モータの駆動量（回転速度）は、振動体等価回路のＬ、Ｃ、Ｒの直列共振回路に流れる電流（モーショナル電流）の値によって変化するものと考えられている。すなわち、振動体に印加する周波電圧を大きくするか、周波電圧の周波数をこの直列共振回路の共振周波数に近づけることにより電流値を大きくすることにより、大きな駆動量を得ることが可能となる。
【０００５】
次に、従来の振動波モータ１００の駆動装置について説明する。図５は、図４の振動波モータの駆動装置を示したブロック図である。
従来の振動波モータの駆動装置は、駆動周波数設定回路１０１と、移相回路１０２と、圧電体駆動回路１０３（１０３Ａ、１０３Ｂ）等から構成されている。駆動周波数設定回路１０１は周波信号を出力する回路であり、その周波数は振動波モータごとに決められた駆動周波数に対応して設定され、その出力は、移相回路１０２に接続されている。移相回路１０２は、駆動周波数設定回路１０１の出力を９０゜あるいは２７０゜だけ位相の異なった２つの周波信号を出力する回路であり、その出力は、圧電体駆動回路１０３（１０３Ａ、１０３Ｂ）に接続されている。圧電体駆動回路１０３（１０３Ａ、１０３Ｂ）は、移相回路１０２からの周波信号を増幅した正弦波電圧をそれぞれ振動体１００−４の電極１００−４ａ、１００−４ｂに入力する回路である。振動体１００−４は、正弦波電圧が入力されることにより励振され、移動子を駆動する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の振動波モータの駆動装置では、正弦波電圧を発生させて振動体の電極に印加する必要があるために、駆動装置の回路が複雑になり、また、駆動装置におけるエネルギーの損失が大きくなるという問題があった。
さらに、駆動装置の回路が複雑であることは、回路自体の体積の増大につながり、そのために振動波モータの携帯用機器への適用が困難となるという問題もあった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気／機械エネルギー変換素子の振動運動を利用して駆動する振動波モータの駆動装置において、電気／機械エネルギー変換素子に所定電圧を印加することにより電気エネルギーを供給する充電回路（１０、１１、１４、１５、１６）と、電気エネルギーが供給された電気／機械エネルギー変換素子を誘導性素子を介して放電させることにより、電気／機械エネルギー変換素子において機械エネルギーを発生させる放電回路（１２、１３）と、
前記電気／機械エネルギー変換素子に、前記充電回路を接続した後に前記放電回路に接続し、前記電気／機械エネルギー変換素子と前記誘導性素子とで構成する回路により、前記電気／機械エネルギー変換素子に加わる電位が降下した後に上昇し放電開始時の電位に近づいたときに、再び前記充電回路を接続することを繰り返す制御回路（１、２、１７）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の振動波モータ駆動装置において、制御回路は、充電回路が電気／機械エネルギー変換素子に電圧を印加する電圧印加期間を少なくとも電気／機械エネルギー変換素子が充電されるのに必要とする充電時間より長い期間となるように充電制御信号を出力し、放電回路が、電気／機械エネルギー変換素子に作用する放電期間を前記エネルギー変換素子と誘導性素子とで構成する回路の共振振動の周期とほぼ等しい期間となるように放電制御信号を出力することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の振動波モータの駆動装置において、制御回路が充電制御信号の出力期間を変化させることにより、電気／機械エネルギー変換素子の駆動量を変化させることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の振動波モータの駆動装置において、さらに、充電回路から電気／機械エネルギー変換素子に供給される電流を検出する電流検出回路（５）を有し、制御回路は、電流検出回路が検出する電流値が所定値以下となるように、充電制御信号の出力期間を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項３に記載の振動波モータの駆動装置において、さらに、充電回路が接続される直前の電気／機械エネルギー変換素子の電圧を検出する電圧検出部を有し、制御回路は、電圧検出部が検出する電圧値が所定値になる駆動周波数よりも高い駆動周波数で駆動されるように、充電制御信号の出力期間を制御することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明に係る実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る振動波モータの駆動装置の実施形態を示す回路図、図２は、その動作を説明するための線図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態は、駆動信号発生器１、移相回路２、駆動回路３Ａ及び３Ｂ、高圧電源１０を有する。
駆動信号発生器１は、駆動回路３Ａと移相回路２に接続されており、それぞれに周波信号Ｓa を出力する回路である。ここで、周波信号Ｓa は、図２（Ａ）上段に示すような期間Ｔa を駆動サイクルとする論理信号である。なお、本実施形態では、Ｔa と振動体１００−４の駆動周波数をｆa とは、Ｔa ＝１／ｆa で与えられる関係を有する。
移相回路２は、駆動信号発生器１から出力された周波信号Ｓa を入力すると、それと位相が９０°あるいは、２７０°異なる周波信号Ｓb を駆動回路３Ｂに出力する回路である。
【００１４】
駆動回路３Ａ及び３Ｂは、それぞれ振動体１００−４の入力電極１００−４ａ、４ｂに接続されており、駆動信号発生器１又は移相回路２より周波信号Ｓa 又はＳb を受けると、振動体１００−４へ駆動信号を出力する回路である。なお、本実施形態では、駆動回路３Ａ及び３Ｂとして、回路構成が同一のものを用いている。よって、以下の説明では、駆動回路３Ａについてのみその回路構成と動作を記述する。
【００１５】
駆動回路３Ａは、スイッチング素子１１ａ及び１２ａ、誘導性素子１３ａ、抵抗１４ａ及び１５ａ、トランジスタ１６ａ、位相反転器１７ａ、並びに必要に応じて挿入されるダイオード等の整流素子１８ａ及び１９ａから構成される。
スイッチング素子１１ａは、その一端が電流検出回路５を介して高圧電源１０に接続されているとともに、他端が誘導性素子１３ａを介してスイッチング素子１２ａと接続されている。また、スイッチング素子１２ａは、誘導性素子１３ａを介してスイッチング素子１１ａと接続されているのと異なる一端が接地されている。なお、本実施形態では、スイッチング素子として例えばＭＯＳ型ＦＥＴを用いたが、これは、特にＭＯＳ型ＦＥＴに限定されるものではなく、その他のスイッチング素子であってもよい。
【００１６】
振動体１００−４の入力電極１００−４ａは、スイッチング素子１１ａと誘導性素子１３ａの接点Ａに接続されている。一方、振動体１００−４の入力電極１００−４ｂは、駆動回路３Ｂ中のスイッチング素子１１ｂと誘導性素子１３ｂの接点Ｂに接続されている。
駆動信号発生器１より出力され、駆動回路３Ａに入力した駆動信号Ｓa は、駆動回路３Ａ内において２つに分岐される。分岐した一方の信号は、位相反転器１７ａを介してスイッチング素子１２ａに入力され、他方は、トランジスタ１６ａに入力される。
【００１７】
スイッチング素子１１ａは、抵抗１４ａ，１５ａ，トランジスタ１６ａからなる回路の働きにより、駆動信号Ｓa が論理レベル”Ｈ”（充電制御信号）であるときのみ閉鎖、すなわち、スイッチＯＮの状態となる。一方、スイッチング素子１２ａは、位相反転器１７ａからの信号により、駆動信号Ｓa が論理レベル”Ｌ”（放電制御信号）であるときにのみ閉鎖される。
【００１８】
駆動信号Ｓa が論理レベル”Ｈ”であるときは、振動体の入力電極１００−４ａにスイッチング素子１１ａを介して高圧電源１０の電圧Ｖd が印加される。これにより、振動体１００−４内の等価静電容量には、電圧Ｖd が充電される。なお、充電に要する時間は、スイッチング素子のＯＮ抵抗値が小さいことから、Ｔa と比較して極めて短い。
一方、駆動信号Ｓa の論理レベル”Ｌ”である場合は、誘導性素子１３ａの一端は、スイッチング素子１２ａによって接地される。この結果、振動体１００−４の等価静電容量と誘導性素子１３ａのインダクタンスによる電気的な共振振動が発生する。
【００１９】
いま、図２（Ｂ）上段に示すように時刻ｔ0 より、駆動信号Ｓa が論理レベル”Ｌ”の状態を保持するものと仮定すると、接点Ａの電圧ＶA の変化は、同図下段に示す実線波形のように振動周期及び初期電位がそれぞれＴr 、Ｖd であり、振幅中心が接地電位である減衰共振振動となる。ここで、振動周期Ｔr は、誘導性素子１３ａのインダクタンスの大きさ及び振動体の等価回路定数（Ｌ、Ｃ、Ｒ、Ｃ0 ）によって決まると考えられる。
【００２０】
本実施形態では、図２（Ａ）上段に示すように、所定時間Ｔc だけ”Ｈ”であり、その後に上記振動周期Ｔr の１周期に相当する時間”Ｌ”となる周期Ｔa （Ｔa ＝Ｔc ＋Ｔr ）の周波信号Ｓa を駆動回路３Ａに入力した。このような周波信号Ｓa を用いることにより、駆動信号Ｓa が”Ｈ”となる瞬間の電源電圧Ｖｄと接点Ａの電圧ＶA の電圧差δＶは最小となり、振動体の等価静電容量に充電される電荷量が最小となる。したがって、高圧電源１０から駆動回路３Ａを通して振動体に供給される平均電流は最小となる。
【００２１】
以上のように、本実施形態では、駆動回路３Ａより図２（Ａ）下段に示すような周波電圧が振動体１００−４の入力電極１００−４ａに印加される。一方、入力電極１００−４ａに印加される周波電圧とその位相のみが９０゜あるいは２７０゜異る周波電圧が駆動回路３Ｂによって入力電極１００−４ｂに印加される。これによって、弾性体１００−３に進行波が形成され、移動子が駆動される。
【００２２】
次に、本実施形態において、振動波モータの駆動量（回転速度）を調定する方法について説明する。
従来の技術において既に記述したように、振動波モータの駆動量を変化させる方法としては、振動体の入力電極に印加される周波電圧の電圧を増減させる方法（以下「第一の方法」という）と、周波電圧の周波数を増減させる方法（以下「第２の方法」という）とがある。本実施形態は、高圧電源１０の電圧値Ｖｄを変えることにより第１の方法を実現することが可能である。しかし、一般に出力電圧が可変である高圧電源は、回路構成が複雑となる等の欠点を有する。
【００２３】
そこで、本実施形態では、第２の方法を用いて、振動波モータの駆動量を調定することとした。すなわち、駆動信号発生器１の発生周波数ｆを可変として、駆動信号Ｓa ，Ｓb の繰り返し周期Ｔa （＝１／ｆ）を変えることにより、振動体に印加される周波電圧の周波数を変化させるのである。
ここで、周期Ｔa のうち期間Ｔr は、電気的な振動周期によって決まり、任意に増減させることのできない期間である。よって、周期Ｔa の変化は、駆動周波数発生器１が出力する充電制御信号の出力期間、すなわち、駆動信号Ｓa が論理レベル”Ｈ”である期間Ｔc をＴc ＝Ｔa −Ｔr の関係を満たすように変化させることにより実現する。ただし、期間Ｔc は、振動体の等価静電容量を充電するのに要する時間よりも長くなければならない。
【００２４】
ここで、発明者は、例えば駆動周波数を３０ｋＨｚから３２ｋＨｚの範囲で変化させることにより、振動波モータの駆動量を停止から最大量まで調定できるという知見を実験的に得ている。これによれば、期間Ｔc の可変量はＴa の約６％である。よって、上記充電時間をＴa の４％程度と仮定した場合は、期間Ｔr がＴa の９０％以下となるよう適切なインダクタンスの値を有する誘導性素子１３を選択すれば良いこととなる。
【００２５】
次に、本実施形態を用いて駆動した振動波モータの駆動周波数特性について説明する。
図３は、駆動周波数ｆを高周波数ｆH から低周波数ｆL 方向に走査した場合における移動子の駆動量Ｎ（振動波モータの回転速度）、及び高圧電源から供給された電流値Ｉd の変化を示す図である。振動波モータは、駆動周波数ｆ0 より低い周波数で駆動を開始し、その駆動量Ｎは、周波数が低くなるほど大きくなる。また、駆動量Ｎは、さらに駆動周波数を低くすると、ｆ2 において急激に低下する。これは、振動波モータに特有な現象であり、振動体の振動が過大となったために、その安定性が低下して生じる現象であると考えられている。
【００２６】
一方、電流値Ｉd は、駆動周波数ｆH 〜ｆ1 （ｆ2 ＜ｆ1 ）の範囲において大きな変化を示さず、小さな値にとどまるが、ｆ1 より低周波数域において、駆動周波数の低下に伴い徐々に増加する。また、電流値Ｉd は、さらに駆動周波数を低くすると、ｆ2 以下で駆動量Ｎの低下に同期して初期の電流値に戻る。
このような電流値Ｉd の周波数特性は、以下のように説明される。振動体のＬ、Ｃ、Ｒ直列共振回路に流れる電流（モーショナル電流）は、駆動周波数が低くなるに従い増大する。このために、接点Ａにおける電圧ＶA が示す減衰共振振動は、図２（Ｂ）下段に点線で示す電圧波形のように、その減衰の度合を増大させる。この結果、駆動信号Ｓａが論理レベル”Ｈ”となったときの電圧差δＶ（図２（Ａ）参照）が増大し、充電するために電源より供給される電流値Ｉd が大きくなるのである。
【００２７】
上述のように、本実施形態では、大きな駆動量Ｎを得ようとして駆動周波数ｆを低下させ過ぎた場合に（ｆ＜ｆ2 ）、駆動量Ｎが急激に低下してしまうという不都合がある。この問題を回避するためには、駆動周波数ｆがｆ2 以下とならないように、その最低周波数を定める必要がある。しかしながら、周波数ｆ2 は、温度等の条件によって変動するものであるために、その最低周波数は一概には決められない。そこで、本実施形態では、電流値Ｉd が所定値Ｉs を越えた場合に駆動周波数ｆをそれ以下の値に低下させないこととした。
具体的には、駆動周波数ｆをｆH より徐々に低下させながら駆動量Ｎを増加させ、高圧電源１０と振動波モータ１００の間に接続された電流検出回路５により、高圧電源１０から振動波モータ１００へ供給される電流の値Ｉd をモニタする。電流検出回路５がＩd が所定値Ｉs を越えた（Ｉd ≧Ｉs ）ことを検出したときは、駆動周波数発生器１は、そのときの駆動周波数ｆs 以上の周波数で振動波モータを駆動すべく、充電制御信号の出力期間（Ｔc ）を制御する。これにより、駆動量Ｎの急激な低下を防止することが可能となる。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態の駆動装置は、駆動周波数発生器が出力する矩形波の論理信号に基づいて、振動体に所定電圧を印加することにより電気エネルギーを供給し、その後に振動体を誘導性素子を介して放電させることを周期的に繰り返し行う。ここで、振動体は誘導性素子を介して放電されるので、駆動周波数発生器が出力する信号が矩形であるにも関わらず、振動体には、誘導性素子のインダクタンスと振動体の等価回路定数から定まる共振周波数に従って正弦波状の振動電圧が印加される。これにより、振動体において電気エネルギーの機械エネルギーへの変換が生じ、振動波モータが駆動する。従って、本実施形態では、振動体を振動運動させるために、駆動装置自身が正弦波状の信号を出力する必要がなく、これにより、駆動周波数発生器の回路構成を簡単でコンパクトなものとすることが可能となっている。
【００２９】
また、本実施形態では、振動体を放電させている期間、すなわち、駆動信号Ｓａが論理レベル”Ｌ”である期間を誘導性素子のインダクタンスと振動体の等価回路定数から定まる共振周波数に一致させている。これより、振動体を再度充電する際に、振動体に供給する電流量を最小限に抑制することができ、この点からも振動波モータの駆動効率を向上させている。
【００３０】
一方、駆動装置が振動体を充電する期間は、上記放電期間と異なり、誘導性素子と振動体の共振周波数と無関係に設定することが可能である。そこで、本実施形態は、この特性に着目し、充電期間を増減させることにより振動体の振動周波数を変化させ、もって、振動波モータの駆動量を容易に調定することを可能としている。
また、本実施形態の駆動装置は、さらに高圧電源から振動体へ供給される電流量を電流検出回路によってモニターし、その電流値が所定値以上とならないように振動波モーターを駆動する周波数を調整することとしたので、この種の振動波モータに特有の現象である急激な駆動量の低下を未然に防止することが可能となっている。
【００３１】
（その他の実施形態）
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３２】
例えば、上記実施形態では、円環型の振動波モータについて説明をしたが、本発明に係る技術的思想は、リニア型の振動波モータに対して適用することも可能である。
また、上記実施形態では、振動波モータの安定な駆動を保証するために、電流検出回路を用い、高圧電源から振動体へ供給される電流値をモニターしている。これは、電流値Ｉd の代わりに期間Ｔc の直前の振動電圧と電源電圧Ｖd の電圧差δＶ，あるいは期間Ｔc の直前の振動電圧値を直接モニタすることであってもよい。この場合は、電圧検出回路を振動波モータ１００の電極１００−４ａに接続し、検出された電圧値が所定値に達したときの周波数をｆs とし、振動波モータの駆動周波数がｆs 以下とならないように充電制御信号の出力期間（Ｔc ）を適切に調整する。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、請求項１又は請求項２に係る発明によれば、回路構成が簡単であり、エネルギー効率のよい振動波モータの駆動装置を提供することが可能となった。
また、請求項３に係る発明によれば、振動波モータの駆動量を容易に制御できる振動波モータの駆動装置を提供することが可能となった。
さらに、請求項４又は請求項５に係る発明によれば、振動波モータを常時安定な状態において駆動できる振動波モータの駆動装置を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動波モータの駆動装置の実施形態を示す回路図である。
【図２】図１に示す実施形態の動作を説明する線図である。
【図３】図１に示す実施形態により駆動される振動波モータの駆動量と供給電流の駆動周波数特性を示す図である。
【図４】従来の振動波モータの一般的な構成を示す図である。
【図５】従来の振動波モータの駆動装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  駆動周波数発生器              ２  移相器
５  電流検出回路
１０  高圧電源                    １１，１２  スイッチング素子
１３  誘導性素子                  １４，１５  抵抗
１６  トランジスタ                １７  位相反転器
１８，１９  整流素子              １００  振動体
【図１】
0003790830.tif 000002
【図２】
0003790830.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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