超音波モータの駆動装置およびその方法
【課題】電力効率の低減を抑えること。
【解決手段】位相の異なる２相の駆動交番信号に基づく駆動交番電圧を超音波振動子４に印加して該超音波振動子４に異なる２つの振動モードを同時に励起させ、該超音波振動子４の出力端に生じた略楕円振動により被駆動体を相対的に移動させる超音波モータの駆動装置であって、超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である基準駆動信号を生成する基準駆動信号生成部２３と、基準駆動信号よりも周波数が高いパルス信号であり、超音波モータの速度に応じたパルス幅をもつ分割信号を生成する分割信号生成部２４と、基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、該駆動交番信号を所定の位相差で出力する駆動信号生成部２５とを具備する超音波モータの駆動装置３を提供する。
【解決手段】位相の異なる２相の駆動交番信号に基づく駆動交番電圧を超音波振動子４に印加して該超音波振動子４に異なる２つの振動モードを同時に励起させ、該超音波振動子４の出力端に生じた略楕円振動により被駆動体を相対的に移動させる超音波モータの駆動装置であって、超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である基準駆動信号を生成する基準駆動信号生成部２３と、基準駆動信号よりも周波数が高いパルス信号であり、超音波モータの速度に応じたパルス幅をもつ分割信号を生成する分割信号生成部２４と、基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、該駆動交番信号を所定の位相差で出力する駆動信号生成部２５とを具備する超音波モータの駆動装置３を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータの駆動装置およびその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、振動体と、振動体と接触して振動体と相対移動する対象物とを有し、振動体に対して速度に応じたパルス幅を持ったパルス信号を印加することにより、振動体を励起させる振動波モータ用駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、図１６（ａ）に示されるような正弦波に代えて、図１６（ｂ）に示されるようなパルス波形の駆動電圧を印加し、このパルス波形のパルス幅ｔ１を変化させることにより、振動体の駆動電圧エネルギーを変化させ、駆動速度を制御することが開示されている。
【特許文献１】特開平５−１５１５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献１に開示されているような振動子モータは、インダクタンス素子を介して振動体にパルス信号が印加される構成とされている。この場合、上記特許文献１に開示されているようなパルス信号を印加すると、図１５に示されるように、インダクタンス素子の影響により振動体に印加される波形が歪み、この歪みによって電力効率が悪化するという問題があった。
更に、この電圧波形の歪みが超音波モータの動きに悪影響を及ぼす可能性もあった。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、電力効率の低減を抑えることのできる超音波モータの駆動装置およびその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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、位相の異なる２相の駆動交番信号に基づく駆動交番電圧を超音波振動子に印加して該超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に励起させ、該超音波振動子の出力端に生じた略楕円振動により被駆動体を相対的に移動させる超音波モータの駆動装置であって、前記超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である基準駆動信号を生成する基準駆動信号生成手段と、前記基準駆動信号よりも周波数が高いパルス信号であり、前記超音波モータの速度に応じたパルス幅をもつ分割信号を生成する分割信号生成手段と、前記基準駆動信号のハイレベル期間が前記分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、該駆動交番信号を所定の位相差で出力する駆動信号生成手段とを具備する超音波モータの駆動装置を提供する。
【０００６】
このような構成によれば、基準駆動信号のハイレベル期間内（基準駆動信号の立ち上がりから立下りまでの期間内）に、基準駆動信号よりも周期が短く、かつ、超音波モータの速度に応じた幅を持つ複数のパルスを分散させることが可能となる。これにより、インダクタンス素子を介したときの電圧波形のひずみを低減することが可能となり、電力効率の低減を抑制することが可能となる。
【０００７】
ここで、上記分割信号の周期は、必ずしも一定である必要はない。例えば、基準駆動信号のハイレベル期間内において分割信号の周期が変化してもかまわない。また、基準駆動信号の周期は、分割信号の周期の整数倍である必要はない。
上記超音波モータの駆動装置においては、例えば、前記基準駆動信号生成手段は、所定の位相差を有する２相の前記基準駆動信号を生成し、前記駆動信号生成手段は、各相の基準駆動信号のハイレベル期間において分割信号を出力することで、２相の駆動交番信号を生成することとしてもよい。
【０００８】
上記超音波モータの駆動装置において、前記分割信号よりも周波数の高い基準信号を生成する基準信号生成手段を備え、前記基準駆動信号の周期、前記分割信号の周期、および前記分割信号のパルス幅は、前記基準信号の周期の整数倍に設定されることとしてもよい。
このように、基準信号を生成することで、容易に信号の同期を取ることが可能となる。
【０００９】
上記超音波モータの駆動装置において、前記超音波モータの移動速度を指示するための速度指示手段を備え、前記分割信号生成手段は、前記速度指示手段からの指示に従って、前記分割信号のパルス幅を変更することとしてもよい。
このような構成によれば、速度指示手段からの指示に応じて超音波モータの速度を自由に変えることができる。
【００１０】
本発明は、上記超音波モータの駆動装置を備える超音波モータシステム、並びに、該超音波モータシステムを搭載したカメラを提供する。
【００１１】
本発明は、超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である第１の駆動交番信号と該第１の駆動交番信号と位相が異なり、かつ同一の周波数をもつパルス信号である第２の駆動交番信号とを超音波振動子に印加して該超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に励起させ、該超音波振動子の出力端に生じた略楕円振動により被駆動体を相対的に移動させる超音波モータの駆動方法において、前記第１の駆動交番信号および前記第２の駆動交番信号のハイレベル期間を複数のパルスに分割し、該パルスの幅を前記超音波モータの速度に応じて調整可能とした超音波モータの駆動方法を提供する。
【００１２】
このような駆動方法によれば、第１の駆動交番信号および第２の駆動交番信号のハイレベル期間にわたり、超音波振動子の共振周波数で定められる周期よりも短く、かつ、超音波モータの速度に応じた幅を持つ複数のパルスを分散させることが可能となる。これにより、インダクタンス素子を介したときの電圧波形のひずみを低減することが可能となり、電力効率の低減を抑制することが可能となる。
【００１３】
上記超音波モータの駆動方法において、前記超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である基準駆動信号を生成するとともに、該基準駆動信号よりも周波数が高いパルス信号であり、かつ、前記超音波モータの速度に応じたパルス幅をもつ分割信号を生成し、該基準駆動信号のハイレベル期間が該分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、該駆動交番信号に位相差をもたせることで前記第１の駆動交番信号および第２の駆動交番信号を生成することとしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電力効率の低減を抑えることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る超音波モータの駆動装置および駆動方法が適用される超音波モータシステムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る超音波モータシステムの概略構成を示したブロック図である。
図１に示されるように超音波モータシステム１は、超音波モータ２と超音波モータ２を駆動する駆動装置３とを備えている。超音波モータ２は、超音波振動子４と、超音波振動子４により駆動される被駆動体５とを備えて構成されている。
【００１６】
上記超音波振動子４は、図２〜図４に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート７の片側面にシート状の内部電極８を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体９と、該圧電積層体９の一側面に接着された２個の摩擦接触子１０とを備えている。
【００１７】
図３および図４に示される圧電セラミックスシート７はそれぞれ、その略全面に内部電極８を備えている。内部電極８は、セラミックスシート７の中央部において、セラミックスシート７の長さ方向に沿って設けられた一つの検出用内部電極、およびこの内部電極の周囲に配置されて、この内部電極との間に圧電セラミックスシート７の幅方向に絶縁距離を開け、かつ圧電セラミックスシート７の長さ方向に絶縁距離を開けて設けられた、略同じ大きさを有する四つの駆動用内部電極からなる。各内部電極８は、圧電セラミックスシート７の周縁から隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート７の周縁まで延びている。
【００１８】
これら内部電極８を備えた圧電セラミックスシート７は、図３に示されるものと、図４に示されるものとが交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体９を構成している。
【００１９】
圧電積層体９の長さ方向の一端面には６個、圧電積層体９の長さ方向の他端面には４個の合計１０個の外部電極１１が設けられている。各外部電極１１には、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される全ての内部電極８が接続されている。これにより、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される内部電極８は、同一の電位とされるようになっている。なお、これら外部電極１１はそれぞれ、配線（図示せず）を介して制御器（図示せず）に接続されている。配線は、リード線、フレキシブル基板等、可撓性を有する配線であれば任意のものでよい。
【００２０】
次に、圧電積層体９の動作について説明する。
圧電積層体９の長さ方向の一端に形成された６つの外部電極１１を、圧電積層体９の他側面の側（図において上側）からＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）、およびＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、他端に形成された４つの外部電極１１を、圧電積層体９の他側面の側（図において上側）からＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、およびＡ相（Ａ＋，Ａ−）とする。Ａ相およびＢ相は駆動用の外部電極であり、Ｃ相は振動検出用の外部電極である。
【００２１】
Ａ相およびＢ相に同位相で共振周波数またはその近傍の周波数に対応する周波数をもつ交番電圧を加えると、図５に示されるような１次の縦振動が励起されるようになっている。また、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図６に示されるような２次の屈曲振動が励起されるようになっている。図５および図６は、有限要素法によるコンピュータ解析結果を示す図である。
【００２２】
圧電積層体９に１次の縦振動が発生したときには、摩擦接触子１０が圧電積層体９の長さ方向（図５に示されるＸ方向）に変位させられるようになっている。一方、圧電積層体９に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１０が、圧電積層体９の幅方向（図６に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。
【００２３】
したがって、超音波振動子のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数またはその近傍の周波数に対応する周波数をもつ駆動交番電圧を加えることにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが同時に発生して、図２に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子１０の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動が発生するようになっている。
また、超音波振動子に発生している縦振動に応じた電荷が検出用の内部電極８に励起されることにより、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）の外部電極１１を介して縦振動に比例した信号（以下、この信号を「振動検出信号」という。）が検出される。この振動検出信号は、駆動装置３（図１参照）に供給され、超音波振動子４の制御に用いられる。
【００２４】
次に、駆動装置３について説明する。
図７には、駆動装置３の内部概略構成が示されている。
図７に示されるように、駆動装置３は、発信回路（基準信号生成手段）２１、制御値設定部２２、基準駆動信号生成部（基準駆動信号生成手段）２３、分割信号生成部（分割信号生成手段）２４、駆動信号生成部（駆動信号生成手段）２５、位相差検出部２６、位置検出部２７、および速度指示部（速度指示手段）２８と、ドライブ回路３０とを主な構成要素として備えている。
【００２５】
発信回路２１は基準信号（クロック信号）を生成し、基準駆動信号生成部２３、分割信号生成部２４に出力する。図８には、基準信号の一例が示されている。
制御値設定部２２は、超音波振動子４の駆動周波数、Ａ相とＢ相との位相差（本実施形態では、９０°）、後述する分割信号のパルス幅、超音波モータ２の初期位置および停止位置等、超音波モータ２を制御するために必要となる各種パラメータが設定されているパラメータテーブル（図示略）を備えている。制御設定部２２は、このパラメータテーブルおよび後述する位相差検出部２６および位置検出部２７からのフィードバック値等に基づいて、基準駆動信号の周波数指令値、分割信号のパルス幅指令値、Ａ相Ｂ相の位相差指令値等を作成し、基準駆動信号の周波数指令値を基準駆動信号生成部２３に、分割信号のパルス幅指令値を分割信号生成部２４に、Ａ相Ｂ相の位相差指令値を駆動信号生成部２５にそれぞれ出力する。
【００２６】
上記基準駆動信号の周波数指令値は、基準駆動信号の周波数を超音波振動子４の共振周波数に一致させるための指令値である。
分割信号のパルス幅指令値は、超音波モータの速度に応じて決定される値であり、予め設定された所定の速度で定速制御を行う場合には、該所定の速度に対応して設定されているパルス幅をパラメータテーブルから読み出し、このパルス幅をパルス幅指令値とする。パルス幅は、速度が早いほど大きい値に設定されている。
Ａ相Ｂ相の位相差指令値は、Ａ相とＢ相の位相差を予め設定されている最適な位相差（本実施形態では９０°）に一致させるための指令値である。
【００２７】
基準駆動信号生成部２３は、発信回路２１から入力される基準信号Ｓ１と制御値設定部２２から入力される周波数指令値とに基づいて、所定の周波数のパルス信号である基準駆動信号Ｓ２を生成し、これを駆動信号生成部２５に出力する。ここで、制御値設定部２２は、基準駆動信号生成部２３に対して、基準駆動信号の周波数を超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数に設定するための周波数指令値を与えるので、基準駆動信号生成部２３からは超音波振動子４の共振周波数と略同じ周波数の基準駆動信号が出力される。図８のｂは、基準駆動信号Ｓ２の一例である。基準駆動信号の周期は、基準信号の周期の整数倍とされる。
【００２８】
分割信号生成部２４は、発信回路２１から入力される基準信号Ｓ１と制御値設定部２２から入力されるパルス幅指令値とに基づいて、基準駆動信号Ｓ２よりも周波数が高く、超音波モータ２の速度に応じたパルス幅をもつ分割信号Ｓ３を生成し、これを駆動信号生成部２５に出力する。図８のｃは、分割信号Ｓ３の一例である。ここで、分割信号の周期は、必ずしも一定である必要はない。例えば、基準駆動信号のハイレベル期間内において分割信号の周期が変化してもかまわない。また、基準駆動信号の周期は、分割信号の周期の整数倍である必要はない。
【００２９】
駆動信号生成部２５は、基準駆動信号Ｓ２と制御値設定部２２からのＡ相Ｂ相の位相差指令値とに基づいて、位相差が９０°であるＡ相の基準駆動信号とＢ相の基準駆動信号とを生成し、更に、Ａ相の基準駆動信号のハイレベル期間において分割信号生成部２４から入力される分割信号をＡ相の駆動交番信号として出力し、Ｂ相の基準駆動信号のハイレベル期間において分割信号生成部２４から入力される分割信号をＢ相の駆動交番信号として出力する。これにより、Ａ相の基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成されたＡ相の駆動交番信号と、Ｂ相の基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成されたＢ相の駆動交番信号とが生成される。
【００３０】
このとき、Ａ相、Ｂ相の駆動交番信号は、プラス側とマイナス側とに分けて生成される。図８のｄには、Ａ相プラス側の駆動交番信号の一例が、図８のｅにはＢ相プラス側の駆動交番信号の一例が、図８のｆには、Ａ相マイナス側の駆動交番信号の一例が、図８のｇにはＢ相マイナス側の駆動交番信号の一例がそれぞれ示されている。
このように、本実施形態においては、Ａ相とＢ相との位相差は９０°であり、また、プラス側の駆動交番信号とマイナス側の駆動交番信号とは、正負が逆であり、かつ、位相が１８０°ずれている。
【００３１】
駆動信号生成部２５は、Ａ相プラス側の駆動交番信号、Ｂ相プラス側の駆動交番信号、Ａ相マイナス側の駆動交番信号、Ｂ相マイナス側の駆動交番信号をそれぞれ生成すると、これらの駆動交番信号をドライブ回路３０に出力する。
【００３２】
ドライブ回路３０は、図９に示されるように、スイッチング素子で構成されたＨブリッジ回路３１とインピーダンスマッチングおよび昇圧用のコイル３２とを備えて構成されている。このドライブ回路３０に駆動信号生成部２５から各種駆動交番信号が入力されると、図１０に示される真理値表に従って、各駆動交番電圧ＯＵＴＡ＋、ＯＵＴＡ−、ＯＵＴＢ＋、ＯＵＴＢ−が出力される。このとき、ドライブ回路３０はコイル３２を有しているので、パルス信号である駆動交番信号は、コイル３２の働きにより正弦波に近い波形に変換され、正弦波に近いＡ相、Ｂ相の駆動交番電圧が超音波振動子４が備えるＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｂ相（Ｂ＋，Ｂ−）の外部電極１１にそれぞれ印加される。
図１１には、駆動信号生成部２５からドライブ回路３０に供給されるＡ相（Ａ＋，Ａ−）の駆動交番信号、および、ドライブ回路３０から超音波振動子４のＡ相（Ａ＋，Ａ−）に印加される駆動交番電圧ＯＵＴ（Ａ＋，Ａ−）の一例が示されている。
【００３３】
図７に戻り、超音波振動子４に励起されている縦振動は、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）の内部電極８により検出され、この縦振動に比例する電気信号がＣ相（Ｃ＋，Ｃ−）の外部電極１１を介して位相差検出部２６に入力されるようになっている。
また、位相差検出部２６には、駆動信号生成部２５からいずれか一つの駆動交番信号、例えば、Ａ相プラス側の駆動交番信号が入力されるようになっている。位相差検出部２６は、超音波振動子４の外部電極１１を介して入力された振動検出信号と駆動信号生成部２５から入力される駆動交番信号との位相差を検出し、この位相差に比例する電気信号を制御値設定部２２に出力する。これにより、超音波振動子４の位相に関するフィードバックループが形成され、超音波振動子４の位相差を一定（例えば、９０°）とするためのフィードバック制御が制御値設定部２２において行われることとなる。
【００３４】
また、超音波モータ４の位置がエンコーダ４０により検出され、検出信号が位置検出部２７に入力されるようになっている。位置検出部２７は、エンコーダ４０からの検出信号を処理し、出力パルス数をカウントし、このカウント値を制御値設定部２２に出力する。
また、速度指示部２８が操作されることにより、所望の速度を指示することができるようになっている。速度指示部２８から速度指令値が制御値設定部２２に入力されると、制御値設定部２２は、速度指示値に対応する分割信号のパルス幅をパラメータテーブルから読み出し、このパルス幅に基づくパルス幅指令を分割信号生成部２４に与えるようになっている。
【００３５】
次に、上述したような構成を備える駆動装置３により実現される超音波モータ２の駆動方法について説明する。
まず、超音波モータ２の起動時において、発信回路２１から基準駆動信号生成部２３および分割信号生成部２４に基準信号が入力される。一方、制御値設定部２２は、パラメータテーブルに設定されている超音波モータ２の駆動周波数を読み出し、この共振周波数を周波数指令値として基準駆動信号生成部２３に与える。また、制御値設定部２２は、初期値として設定されている分割信号の周波数およびパルス幅をパラメータテーブルから読み出し、これらを分割信号生成部２４に与える。更に、制御値設定部２２は、パラメータテーブルから初期値として設定されているＡ相とＢ相との位相差を読み出し、これを駆動信号生成部２５に与える。
【００３６】
これにより、基準駆動信号生成部２３により超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数に設定された基準駆動信号Ｓ２が生成されて駆動信号生成部２５に出力される。また、分割信号生成部２４において、制御値設定部２２により与えられた周波数およびパルス幅のパルス信号である分割信号Ｓ３が生成され、これが駆動信号生成部２５に出力される。
【００３７】
駆動信号生成部２５では、基準駆動信号Ｓ２および制御値設定部２２からの位相差に基づいて所定の位相差をもつＡ相（Ａ＋，Ａ−）に対応する基準駆動信号とＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）に対応する基準駆動信号とが生成され、更に、これら各相のハイレベル期間において分割信号Ｓ３が駆動交番信号として出力される。
この結果、図８のｅからｇに示されるように、Ａ相，Ｂ相に対応する基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成された各駆動交番信号が生成されることとなる。
Ａ相、Ｂ相の駆動交番信号は、ドライブ回路３０により正弦波の駆動交番電圧に変換されて、超音波振動子４の各外部端子１１に印加される。
これにより、超音波振動子には図５および図６に示したような縦振動と屈曲振動とが同時に励起され、その出力端１０に楕円振動が形成されることにより被駆動体が相対的に移動させられる。
【００３８】
超音波振動子４に励起された縦振動は、Ｃ相の内部電極８および外部電極１１により検出され、振動検出信号が位相差検出部２６に入力される。位相差検出部２６では、超音波振動子４に励起されている縦振動と駆動信号生成部２５から出力されるＡ相の駆動交番信号との位相差が検出され、この位相差に応じた電気信号が制御値設定部２２に出力される。
また、被駆動体５の移動位置に関する情報は、エンコーダ４０、位置検出部２７により検出され、移動位置に応じたカウント数が制御値設定部２２に出力される。
【００３９】
制御値設定部２２は、位相差検出部２６により検出された位相差（以下「検出位相差」という。）と目標位相差とを比較し、検出位相差が目標位相差となるような周波数指令値を生成し、これを基準駆動信号生成部２３に与える。
また、制御値設定部２２は、位置検出部２７から入力されるカウント値から被駆動体５の移動量を求め、この移動量をサンプリング周期で割ることで超音波モータ２の駆動速度を計算する。そして、この駆動速度が目標速度よりも大きい場合には、分割信号のパルス幅を減少させるパルス幅指令値を作成し、また、駆動速度が目標速度よりも小さい場合には、分割信号のパルス幅を増加させるパルス幅指令値を作成し、これを分割信号生成部２４に与える。これにより、図１２に示されるように、超音波モータ２の速度に応じてパルス幅が調整された分割信号が生成され、出力される。
【００４０】
このようにして、駆動速度や位相差のフィードバック制御が行われながら安定したモータ駆動が行われ、位置検出部２７から通知されるカウント数が予め設定されているカウント数に達すると、制御値設定部２２は、被駆動体５が所望の位置まで移動したと判断し、駆動信号生成部２５に駆動停止指令を出力する。これにより、駆動信号生成部２５から駆動交番信号が出力されなくなることにより、超音波振動子４の振動が徐々に終息し、停止することとなる。
【００４１】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る超音波モータの駆動装置及び駆動方法によれば、図８に示すように、基準駆動信号のハイレベル期間内が基準駆動信号よりも周波数の高い分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、この駆動交番信号をドライブ回路３０に与えることとしたので、基準駆動信号のハイレベル期間において、電圧印加期間を分散させることが可能となる。これにより、図１３および図１４に示すように、超音波振動子４に印加する駆動交番電圧の歪みを低減することが可能となり、電力効率の低減を抑制することが可能となる。また、分割信号のパルス幅を超音波モータの速度に応じて変えることで、容易に速度制御を行うことができる。
【００４２】
なお、上述の実施形態において、駆動装置３は、ハードウェアにより構成されていても良く、また、ソフトウェアによる処理にて上記駆動制御を実現させるようにしても良い。この場合、駆動装置３は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えて構成されている。上記の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でＲＯＭ等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上述の機能を実現するものとする。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
第１に、上記実施形態においては、超音波振動子４に対して被駆動体３を移動させたが、これに限られず、被駆動体３に対して超音波振動子４を移動させるようにしても良い。
第２に、上記実施形態では、超音波振動子を１つ備える超音波モータについて説明したが、超音波振動子４の設置数については、特に限定されない。超音波振動子４の設置数が増減したとしても、各超音波振動子４に対して上述のような駆動交番信号に基づく駆動交番電圧を印加させることにより、安定した駆動を実現させることが可能となる。この場合、複数の超音波振動子４に対して複数の駆動装置３をそれぞれ設け、個別に駆動信号を供給するような構成としても良いし、１つの駆動装置３から複数の超音波振動子４に対して同一の信号を供給するような構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波モータシステムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の超音波モータの超音波振動子を示す斜視図である。
【図３】図２の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図４】図２の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図５】図２の圧電積層体が１次の縦振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図６】図２の圧電積層体が２次の屈曲振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る超音波モータの駆動装置の内部概略構成を示した図である。
【図８】基準信号、基準駆動信号、分割信号、各駆動交番信号について説明するための図である。
【図９】図７のドライブ回路の内部概略構成を示した図である。
【図１０】ドライブ回路の真理値表を示した図である。
【図１１】ドライブ回路に入力される駆動交番信号とドライブ回路から出力される駆動交番電圧の波形の一例を示した図である。
【図１２】超音波モータの速度が早い場合と遅い場合における分割信号の一例を示した図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る超音波モータの駆動装置および駆動方法の効果について説明するための図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る超音波モータの駆動装置および駆動方法の効果について説明するための図である。
【図１５】従来の振動波モータについて説明するための図である。
【図１６】従来の振動波モータについて説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 超音波モータシステム
２ 超音波モータ
３ 駆動装置
４ 超音波振動子
５ 被駆動体
９ 圧電積層体
１０ 摩擦接触子
２１ 発信回路
２２ 制御値設定部
２３ 基準駆動信号生成部
２４ 分割信号生成部
２５ 駆動信号生成部
２６ 位相差検出部
２７ 位置検出部
２８ 速度指示部
３０ ドライブ回路
４０ エンコーダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータの駆動装置およびその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、振動体と、振動体と接触して振動体と相対移動する対象物とを有し、振動体に対して速度に応じたパルス幅を持ったパルス信号を印加することにより、振動体を励起させる振動波モータ用駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、図１６（ａ）に示されるような正弦波に代えて、図１６（ｂ）に示されるようなパルス波形の駆動電圧を印加し、このパルス波形のパルス幅ｔ１を変化させることにより、振動体の駆動電圧エネルギーを変化させ、駆動速度を制御することが開示されている。
【特許文献１】特開平５−１５１５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献１に開示されているような振動子モータは、インダクタンス素子を介して振動体にパルス信号が印加される構成とされている。この場合、上記特許文献１に開示されているようなパルス信号を印加すると、図１５に示されるように、インダクタンス素子の影響により振動体に印加される波形が歪み、この歪みによって電力効率が悪化するという問題があった。
更に、この電圧波形の歪みが超音波モータの動きに悪影響を及ぼす可能性もあった。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、電力効率の低減を抑えることのできる超音波モータの駆動装置およびその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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、位相の異なる２相の駆動交番信号に基づく駆動交番電圧を超音波振動子に印加して該超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に励起させ、該超音波振動子の出力端に生じた略楕円振動により被駆動体を相対的に移動させる超音波モータの駆動装置であって、前記超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である基準駆動信号を生成する基準駆動信号生成手段と、前記基準駆動信号よりも周波数が高いパルス信号であり、前記超音波モータの速度に応じたパルス幅をもつ分割信号を生成する分割信号生成手段と、前記基準駆動信号のハイレベル期間が前記分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、該駆動交番信号を所定の位相差で出力する駆動信号生成手段とを具備する超音波モータの駆動装置を提供する。
【０００６】
このような構成によれば、基準駆動信号のハイレベル期間内（基準駆動信号の立ち上がりから立下りまでの期間内）に、基準駆動信号よりも周期が短く、かつ、超音波モータの速度に応じた幅を持つ複数のパルスを分散させることが可能となる。これにより、インダクタンス素子を介したときの電圧波形のひずみを低減することが可能となり、電力効率の低減を抑制することが可能となる。
【０００７】
ここで、上記分割信号の周期は、必ずしも一定である必要はない。例えば、基準駆動信号のハイレベル期間内において分割信号の周期が変化してもかまわない。また、基準駆動信号の周期は、分割信号の周期の整数倍である必要はない。
上記超音波モータの駆動装置においては、例えば、前記基準駆動信号生成手段は、所定の位相差を有する２相の前記基準駆動信号を生成し、前記駆動信号生成手段は、各相の基準駆動信号のハイレベル期間において分割信号を出力することで、２相の駆動交番信号を生成することとしてもよい。
【０００８】
上記超音波モータの駆動装置において、前記分割信号よりも周波数の高い基準信号を生成する基準信号生成手段を備え、前記基準駆動信号の周期、前記分割信号の周期、および前記分割信号のパルス幅は、前記基準信号の周期の整数倍に設定されることとしてもよい。
このように、基準信号を生成することで、容易に信号の同期を取ることが可能となる。
【０００９】
上記超音波モータの駆動装置において、前記超音波モータの移動速度を指示するための速度指示手段を備え、前記分割信号生成手段は、前記速度指示手段からの指示に従って、前記分割信号のパルス幅を変更することとしてもよい。
このような構成によれば、速度指示手段からの指示に応じて超音波モータの速度を自由に変えることができる。
【００１０】
本発明は、上記超音波モータの駆動装置を備える超音波モータシステム、並びに、該超音波モータシステムを搭載したカメラを提供する。
【００１１】
本発明は、超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である第１の駆動交番信号と該第１の駆動交番信号と位相が異なり、かつ同一の周波数をもつパルス信号である第２の駆動交番信号とを超音波振動子に印加して該超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に励起させ、該超音波振動子の出力端に生じた略楕円振動により被駆動体を相対的に移動させる超音波モータの駆動方法において、前記第１の駆動交番信号および前記第２の駆動交番信号のハイレベル期間を複数のパルスに分割し、該パルスの幅を前記超音波モータの速度に応じて調整可能とした超音波モータの駆動方法を提供する。
【００１２】
このような駆動方法によれば、第１の駆動交番信号および第２の駆動交番信号のハイレベル期間にわたり、超音波振動子の共振周波数で定められる周期よりも短く、かつ、超音波モータの速度に応じた幅を持つ複数のパルスを分散させることが可能となる。これにより、インダクタンス素子を介したときの電圧波形のひずみを低減することが可能となり、電力効率の低減を抑制することが可能となる。
【００１３】
上記超音波モータの駆動方法において、前記超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である基準駆動信号を生成するとともに、該基準駆動信号よりも周波数が高いパルス信号であり、かつ、前記超音波モータの速度に応じたパルス幅をもつ分割信号を生成し、該基準駆動信号のハイレベル期間が該分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、該駆動交番信号に位相差をもたせることで前記第１の駆動交番信号および第２の駆動交番信号を生成することとしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電力効率の低減を抑えることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る超音波モータの駆動装置および駆動方法が適用される超音波モータシステムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る超音波モータシステムの概略構成を示したブロック図である。
図１に示されるように超音波モータシステム１は、超音波モータ２と超音波モータ２を駆動する駆動装置３とを備えている。超音波モータ２は、超音波振動子４と、超音波振動子４により駆動される被駆動体５とを備えて構成されている。
【００１６】
上記超音波振動子４は、図２〜図４に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート７の片側面にシート状の内部電極８を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体９と、該圧電積層体９の一側面に接着された２個の摩擦接触子１０とを備えている。
【００１７】
図３および図４に示される圧電セラミックスシート７はそれぞれ、その略全面に内部電極８を備えている。内部電極８は、セラミックスシート７の中央部において、セラミックスシート７の長さ方向に沿って設けられた一つの検出用内部電極、およびこの内部電極の周囲に配置されて、この内部電極との間に圧電セラミックスシート７の幅方向に絶縁距離を開け、かつ圧電セラミックスシート７の長さ方向に絶縁距離を開けて設けられた、略同じ大きさを有する四つの駆動用内部電極からなる。各内部電極８は、圧電セラミックスシート７の周縁から隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート７の周縁まで延びている。
【００１８】
これら内部電極８を備えた圧電セラミックスシート７は、図３に示されるものと、図４に示されるものとが交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体９を構成している。
【００１９】
圧電積層体９の長さ方向の一端面には６個、圧電積層体９の長さ方向の他端面には４個の合計１０個の外部電極１１が設けられている。各外部電極１１には、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される全ての内部電極８が接続されている。これにより、同種の圧電セラミックスシート７の同一位置に配される内部電極８は、同一の電位とされるようになっている。なお、これら外部電極１１はそれぞれ、配線（図示せず）を介して制御器（図示せず）に接続されている。配線は、リード線、フレキシブル基板等、可撓性を有する配線であれば任意のものでよい。
【００２０】
次に、圧電積層体９の動作について説明する。
圧電積層体９の長さ方向の一端に形成された６つの外部電極１１を、圧電積層体９の他側面の側（図において上側）からＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）、およびＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、他端に形成された４つの外部電極１１を、圧電積層体９の他側面の側（図において上側）からＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、およびＡ相（Ａ＋，Ａ−）とする。Ａ相およびＢ相は駆動用の外部電極であり、Ｃ相は振動検出用の外部電極である。
【００２１】
Ａ相およびＢ相に同位相で共振周波数またはその近傍の周波数に対応する周波数をもつ交番電圧を加えると、図５に示されるような１次の縦振動が励起されるようになっている。また、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図６に示されるような２次の屈曲振動が励起されるようになっている。図５および図６は、有限要素法によるコンピュータ解析結果を示す図である。
【００２２】
圧電積層体９に１次の縦振動が発生したときには、摩擦接触子１０が圧電積層体９の長さ方向（図５に示されるＸ方向）に変位させられるようになっている。一方、圧電積層体９に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１０が、圧電積層体９の幅方向（図６に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。
【００２３】
したがって、超音波振動子のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数またはその近傍の周波数に対応する周波数をもつ駆動交番電圧を加えることにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが同時に発生して、図２に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子１０の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動が発生するようになっている。
また、超音波振動子に発生している縦振動に応じた電荷が検出用の内部電極８に励起されることにより、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）の外部電極１１を介して縦振動に比例した信号（以下、この信号を「振動検出信号」という。）が検出される。この振動検出信号は、駆動装置３（図１参照）に供給され、超音波振動子４の制御に用いられる。
【００２４】
次に、駆動装置３について説明する。
図７には、駆動装置３の内部概略構成が示されている。
図７に示されるように、駆動装置３は、発信回路（基準信号生成手段）２１、制御値設定部２２、基準駆動信号生成部（基準駆動信号生成手段）２３、分割信号生成部（分割信号生成手段）２４、駆動信号生成部（駆動信号生成手段）２５、位相差検出部２６、位置検出部２７、および速度指示部（速度指示手段）２８と、ドライブ回路３０とを主な構成要素として備えている。
【００２５】
発信回路２１は基準信号（クロック信号）を生成し、基準駆動信号生成部２３、分割信号生成部２４に出力する。図８には、基準信号の一例が示されている。
制御値設定部２２は、超音波振動子４の駆動周波数、Ａ相とＢ相との位相差（本実施形態では、９０°）、後述する分割信号のパルス幅、超音波モータ２の初期位置および停止位置等、超音波モータ２を制御するために必要となる各種パラメータが設定されているパラメータテーブル（図示略）を備えている。制御設定部２２は、このパラメータテーブルおよび後述する位相差検出部２６および位置検出部２７からのフィードバック値等に基づいて、基準駆動信号の周波数指令値、分割信号のパルス幅指令値、Ａ相Ｂ相の位相差指令値等を作成し、基準駆動信号の周波数指令値を基準駆動信号生成部２３に、分割信号のパルス幅指令値を分割信号生成部２４に、Ａ相Ｂ相の位相差指令値を駆動信号生成部２５にそれぞれ出力する。
【００２６】
上記基準駆動信号の周波数指令値は、基準駆動信号の周波数を超音波振動子４の共振周波数に一致させるための指令値である。
分割信号のパルス幅指令値は、超音波モータの速度に応じて決定される値であり、予め設定された所定の速度で定速制御を行う場合には、該所定の速度に対応して設定されているパルス幅をパラメータテーブルから読み出し、このパルス幅をパルス幅指令値とする。パルス幅は、速度が早いほど大きい値に設定されている。
Ａ相Ｂ相の位相差指令値は、Ａ相とＢ相の位相差を予め設定されている最適な位相差（本実施形態では９０°）に一致させるための指令値である。
【００２７】
基準駆動信号生成部２３は、発信回路２１から入力される基準信号Ｓ１と制御値設定部２２から入力される周波数指令値とに基づいて、所定の周波数のパルス信号である基準駆動信号Ｓ２を生成し、これを駆動信号生成部２５に出力する。ここで、制御値設定部２２は、基準駆動信号生成部２３に対して、基準駆動信号の周波数を超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数に設定するための周波数指令値を与えるので、基準駆動信号生成部２３からは超音波振動子４の共振周波数と略同じ周波数の基準駆動信号が出力される。図８のｂは、基準駆動信号Ｓ２の一例である。基準駆動信号の周期は、基準信号の周期の整数倍とされる。
【００２８】
分割信号生成部２４は、発信回路２１から入力される基準信号Ｓ１と制御値設定部２２から入力されるパルス幅指令値とに基づいて、基準駆動信号Ｓ２よりも周波数が高く、超音波モータ２の速度に応じたパルス幅をもつ分割信号Ｓ３を生成し、これを駆動信号生成部２５に出力する。図８のｃは、分割信号Ｓ３の一例である。ここで、分割信号の周期は、必ずしも一定である必要はない。例えば、基準駆動信号のハイレベル期間内において分割信号の周期が変化してもかまわない。また、基準駆動信号の周期は、分割信号の周期の整数倍である必要はない。
【００２９】
駆動信号生成部２５は、基準駆動信号Ｓ２と制御値設定部２２からのＡ相Ｂ相の位相差指令値とに基づいて、位相差が９０°であるＡ相の基準駆動信号とＢ相の基準駆動信号とを生成し、更に、Ａ相の基準駆動信号のハイレベル期間において分割信号生成部２４から入力される分割信号をＡ相の駆動交番信号として出力し、Ｂ相の基準駆動信号のハイレベル期間において分割信号生成部２４から入力される分割信号をＢ相の駆動交番信号として出力する。これにより、Ａ相の基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成されたＡ相の駆動交番信号と、Ｂ相の基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成されたＢ相の駆動交番信号とが生成される。
【００３０】
このとき、Ａ相、Ｂ相の駆動交番信号は、プラス側とマイナス側とに分けて生成される。図８のｄには、Ａ相プラス側の駆動交番信号の一例が、図８のｅにはＢ相プラス側の駆動交番信号の一例が、図８のｆには、Ａ相マイナス側の駆動交番信号の一例が、図８のｇにはＢ相マイナス側の駆動交番信号の一例がそれぞれ示されている。
このように、本実施形態においては、Ａ相とＢ相との位相差は９０°であり、また、プラス側の駆動交番信号とマイナス側の駆動交番信号とは、正負が逆であり、かつ、位相が１８０°ずれている。
【００３１】
駆動信号生成部２５は、Ａ相プラス側の駆動交番信号、Ｂ相プラス側の駆動交番信号、Ａ相マイナス側の駆動交番信号、Ｂ相マイナス側の駆動交番信号をそれぞれ生成すると、これらの駆動交番信号をドライブ回路３０に出力する。
【００３２】
ドライブ回路３０は、図９に示されるように、スイッチング素子で構成されたＨブリッジ回路３１とインピーダンスマッチングおよび昇圧用のコイル３２とを備えて構成されている。このドライブ回路３０に駆動信号生成部２５から各種駆動交番信号が入力されると、図１０に示される真理値表に従って、各駆動交番電圧ＯＵＴＡ＋、ＯＵＴＡ−、ＯＵＴＢ＋、ＯＵＴＢ−が出力される。このとき、ドライブ回路３０はコイル３２を有しているので、パルス信号である駆動交番信号は、コイル３２の働きにより正弦波に近い波形に変換され、正弦波に近いＡ相、Ｂ相の駆動交番電圧が超音波振動子４が備えるＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｂ相（Ｂ＋，Ｂ−）の外部電極１１にそれぞれ印加される。
図１１には、駆動信号生成部２５からドライブ回路３０に供給されるＡ相（Ａ＋，Ａ−）の駆動交番信号、および、ドライブ回路３０から超音波振動子４のＡ相（Ａ＋，Ａ−）に印加される駆動交番電圧ＯＵＴ（Ａ＋，Ａ−）の一例が示されている。
【００３３】
図７に戻り、超音波振動子４に励起されている縦振動は、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）の内部電極８により検出され、この縦振動に比例する電気信号がＣ相（Ｃ＋，Ｃ−）の外部電極１１を介して位相差検出部２６に入力されるようになっている。
また、位相差検出部２６には、駆動信号生成部２５からいずれか一つの駆動交番信号、例えば、Ａ相プラス側の駆動交番信号が入力されるようになっている。位相差検出部２６は、超音波振動子４の外部電極１１を介して入力された振動検出信号と駆動信号生成部２５から入力される駆動交番信号との位相差を検出し、この位相差に比例する電気信号を制御値設定部２２に出力する。これにより、超音波振動子４の位相に関するフィードバックループが形成され、超音波振動子４の位相差を一定（例えば、９０°）とするためのフィードバック制御が制御値設定部２２において行われることとなる。
【００３４】
また、超音波モータ４の位置がエンコーダ４０により検出され、検出信号が位置検出部２７に入力されるようになっている。位置検出部２７は、エンコーダ４０からの検出信号を処理し、出力パルス数をカウントし、このカウント値を制御値設定部２２に出力する。
また、速度指示部２８が操作されることにより、所望の速度を指示することができるようになっている。速度指示部２８から速度指令値が制御値設定部２２に入力されると、制御値設定部２２は、速度指示値に対応する分割信号のパルス幅をパラメータテーブルから読み出し、このパルス幅に基づくパルス幅指令を分割信号生成部２４に与えるようになっている。
【００３５】
次に、上述したような構成を備える駆動装置３により実現される超音波モータ２の駆動方法について説明する。
まず、超音波モータ２の起動時において、発信回路２１から基準駆動信号生成部２３および分割信号生成部２４に基準信号が入力される。一方、制御値設定部２２は、パラメータテーブルに設定されている超音波モータ２の駆動周波数を読み出し、この共振周波数を周波数指令値として基準駆動信号生成部２３に与える。また、制御値設定部２２は、初期値として設定されている分割信号の周波数およびパルス幅をパラメータテーブルから読み出し、これらを分割信号生成部２４に与える。更に、制御値設定部２２は、パラメータテーブルから初期値として設定されているＡ相とＢ相との位相差を読み出し、これを駆動信号生成部２５に与える。
【００３６】
これにより、基準駆動信号生成部２３により超音波振動子４の共振周波数またはその近傍の周波数に設定された基準駆動信号Ｓ２が生成されて駆動信号生成部２５に出力される。また、分割信号生成部２４において、制御値設定部２２により与えられた周波数およびパルス幅のパルス信号である分割信号Ｓ３が生成され、これが駆動信号生成部２５に出力される。
【００３７】
駆動信号生成部２５では、基準駆動信号Ｓ２および制御値設定部２２からの位相差に基づいて所定の位相差をもつＡ相（Ａ＋，Ａ−）に対応する基準駆動信号とＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）に対応する基準駆動信号とが生成され、更に、これら各相のハイレベル期間において分割信号Ｓ３が駆動交番信号として出力される。
この結果、図８のｅからｇに示されるように、Ａ相，Ｂ相に対応する基準駆動信号のハイレベル期間が分割信号で構成された各駆動交番信号が生成されることとなる。
Ａ相、Ｂ相の駆動交番信号は、ドライブ回路３０により正弦波の駆動交番電圧に変換されて、超音波振動子４の各外部端子１１に印加される。
これにより、超音波振動子には図５および図６に示したような縦振動と屈曲振動とが同時に励起され、その出力端１０に楕円振動が形成されることにより被駆動体が相対的に移動させられる。
【００３８】
超音波振動子４に励起された縦振動は、Ｃ相の内部電極８および外部電極１１により検出され、振動検出信号が位相差検出部２６に入力される。位相差検出部２６では、超音波振動子４に励起されている縦振動と駆動信号生成部２５から出力されるＡ相の駆動交番信号との位相差が検出され、この位相差に応じた電気信号が制御値設定部２２に出力される。
また、被駆動体５の移動位置に関する情報は、エンコーダ４０、位置検出部２７により検出され、移動位置に応じたカウント数が制御値設定部２２に出力される。
【００３９】
制御値設定部２２は、位相差検出部２６により検出された位相差（以下「検出位相差」という。）と目標位相差とを比較し、検出位相差が目標位相差となるような周波数指令値を生成し、これを基準駆動信号生成部２３に与える。
また、制御値設定部２２は、位置検出部２７から入力されるカウント値から被駆動体５の移動量を求め、この移動量をサンプリング周期で割ることで超音波モータ２の駆動速度を計算する。そして、この駆動速度が目標速度よりも大きい場合には、分割信号のパルス幅を減少させるパルス幅指令値を作成し、また、駆動速度が目標速度よりも小さい場合には、分割信号のパルス幅を増加させるパルス幅指令値を作成し、これを分割信号生成部２４に与える。これにより、図１２に示されるように、超音波モータ２の速度に応じてパルス幅が調整された分割信号が生成され、出力される。
【００４０】
このようにして、駆動速度や位相差のフィードバック制御が行われながら安定したモータ駆動が行われ、位置検出部２７から通知されるカウント数が予め設定されているカウント数に達すると、制御値設定部２２は、被駆動体５が所望の位置まで移動したと判断し、駆動信号生成部２５に駆動停止指令を出力する。これにより、駆動信号生成部２５から駆動交番信号が出力されなくなることにより、超音波振動子４の振動が徐々に終息し、停止することとなる。
【００４１】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る超音波モータの駆動装置及び駆動方法によれば、図８に示すように、基準駆動信号のハイレベル期間内が基準駆動信号よりも周波数の高い分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、この駆動交番信号をドライブ回路３０に与えることとしたので、基準駆動信号のハイレベル期間において、電圧印加期間を分散させることが可能となる。これにより、図１３および図１４に示すように、超音波振動子４に印加する駆動交番電圧の歪みを低減することが可能となり、電力効率の低減を抑制することが可能となる。また、分割信号のパルス幅を超音波モータの速度に応じて変えることで、容易に速度制御を行うことができる。
【００４２】
なお、上述の実施形態において、駆動装置３は、ハードウェアにより構成されていても良く、また、ソフトウェアによる処理にて上記駆動制御を実現させるようにしても良い。この場合、駆動装置３は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えて構成されている。上記の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でＲＯＭ等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、上述の機能を実現するものとする。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
第１に、上記実施形態においては、超音波振動子４に対して被駆動体３を移動させたが、これに限られず、被駆動体３に対して超音波振動子４を移動させるようにしても良い。
第２に、上記実施形態では、超音波振動子を１つ備える超音波モータについて説明したが、超音波振動子４の設置数については、特に限定されない。超音波振動子４の設置数が増減したとしても、各超音波振動子４に対して上述のような駆動交番信号に基づく駆動交番電圧を印加させることにより、安定した駆動を実現させることが可能となる。この場合、複数の超音波振動子４に対して複数の駆動装置３をそれぞれ設け、個別に駆動信号を供給するような構成としても良いし、１つの駆動装置３から複数の超音波振動子４に対して同一の信号を供給するような構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波モータシステムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の超音波モータの超音波振動子を示す斜視図である。
【図３】図２の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図４】図２の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図５】図２の圧電積層体が１次の縦振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図６】図２の圧電積層体が２次の屈曲振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る超音波モータの駆動装置の内部概略構成を示した図である。
【図８】基準信号、基準駆動信号、分割信号、各駆動交番信号について説明するための図である。
【図９】図７のドライブ回路の内部概略構成を示した図である。
【図１０】ドライブ回路の真理値表を示した図である。
【図１１】ドライブ回路に入力される駆動交番信号とドライブ回路から出力される駆動交番電圧の波形の一例を示した図である。
【図１２】超音波モータの速度が早い場合と遅い場合における分割信号の一例を示した図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る超音波モータの駆動装置および駆動方法の効果について説明するための図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る超音波モータの駆動装置および駆動方法の効果について説明するための図である。
【図１５】従来の振動波モータについて説明するための図である。
【図１６】従来の振動波モータについて説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 超音波モータシステム
２ 超音波モータ
３ 駆動装置
４ 超音波振動子
５ 被駆動体
９ 圧電積層体
１０ 摩擦接触子
２１ 発信回路
２２ 制御値設定部
２３ 基準駆動信号生成部
２４ 分割信号生成部
２５ 駆動信号生成部
２６ 位相差検出部
２７ 位置検出部
２８ 速度指示部
３０ ドライブ回路
４０ エンコーダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相の異なる２相の駆動交番信号に基づく駆動交番電圧を超音波振動子に印加して該超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に励起させ、該超音波振動子の出力端に生じた略楕円振動により被駆動体を相対的に移動させる超音波モータの駆動装置であって、
前記超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である基準駆動信号を生成する基準駆動信号生成手段と、
前記基準駆動信号よりも周波数が高いパルス信号であり、前記超音波モータの速度に応じたパルス幅をもつ分割信号を生成する分割信号生成手段と、
前記基準駆動信号のハイレベル期間が前記分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、該駆動交番信号を所定の位相差で出力する駆動信号生成手段と
を具備する超音波モータの駆動装置。
【請求項２】
前記分割信号よりも周波数の高い基準信号を生成する基準信号生成手段を備え、
前記基準駆動信号の周期、前記分割信号の周期、および前記分割信号のパルス幅は、前記基準信号の周期の整数倍に設定される請求項１に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項３】
前記超音波モータの移動速度を指示するための速度指示手段を備え、
前記分割信号生成手段は、前記速度指示手段からの指示に従って、前記分割信号のパルス幅を変更する請求項１または請求項２に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波モータの駆動装置を備える超音波モータシステム。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波モータシステムを搭載したカメラ。
【請求項６】
超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である第１の駆動交番信号と該第１の駆動交番信号と位相が異なり、かつ同一の周波数をもつパルス信号である第２の駆動交番信号とを超音波振動子に印加して該超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に励起させ、該超音波振動子の出力端に生じた略楕円振動により被駆動体を相対的に移動させる超音波モータの駆動方法において、
前記第１の駆動交番信号および前記第２の駆動交番信号のハイレベル期間を複数のパルスに分割し、該パルスの幅を前記超音波モータの速度に応じて調整可能とした超音波モータの駆動方法。
【請求項７】
前記超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である基準駆動信号を生成するとともに、該基準駆動信号よりも周波数が高いパルス信号であり、かつ、前記超音波モータの速度に応じたパルス幅をもつ分割信号を生成し、該基準駆動信号のハイレベル期間が該分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、該駆動交番信号に位相差をもたせることで前記第１の駆動交番信号および第２の駆動交番信号を生成する請求項６に記載の超音波モータの駆動方法。
【請求項１】
位相の異なる２相の駆動交番信号に基づく駆動交番電圧を超音波振動子に印加して該超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に励起させ、該超音波振動子の出力端に生じた略楕円振動により被駆動体を相対的に移動させる超音波モータの駆動装置であって、
前記超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である基準駆動信号を生成する基準駆動信号生成手段と、
前記基準駆動信号よりも周波数が高いパルス信号であり、前記超音波モータの速度に応じたパルス幅をもつ分割信号を生成する分割信号生成手段と、
前記基準駆動信号のハイレベル期間が前記分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、該駆動交番信号を所定の位相差で出力する駆動信号生成手段と
を具備する超音波モータの駆動装置。
【請求項２】
前記分割信号よりも周波数の高い基準信号を生成する基準信号生成手段を備え、
前記基準駆動信号の周期、前記分割信号の周期、および前記分割信号のパルス幅は、前記基準信号の周期の整数倍に設定される請求項１に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項３】
前記超音波モータの移動速度を指示するための速度指示手段を備え、
前記分割信号生成手段は、前記速度指示手段からの指示に従って、前記分割信号のパルス幅を変更する請求項１または請求項２に記載の超音波モータの駆動装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波モータの駆動装置を備える超音波モータシステム。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波モータシステムを搭載したカメラ。
【請求項６】
超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である第１の駆動交番信号と該第１の駆動交番信号と位相が異なり、かつ同一の周波数をもつパルス信号である第２の駆動交番信号とを超音波振動子に印加して該超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に励起させ、該超音波振動子の出力端に生じた略楕円振動により被駆動体を相対的に移動させる超音波モータの駆動方法において、
前記第１の駆動交番信号および前記第２の駆動交番信号のハイレベル期間を複数のパルスに分割し、該パルスの幅を前記超音波モータの速度に応じて調整可能とした超音波モータの駆動方法。
【請求項７】
前記超音波振動子の共振周波数またはその近傍の周波数をもつパルス信号である基準駆動信号を生成するとともに、該基準駆動信号よりも周波数が高いパルス信号であり、かつ、前記超音波モータの速度に応じたパルス幅をもつ分割信号を生成し、該基準駆動信号のハイレベル期間が該分割信号で構成された駆動交番信号を生成し、該駆動交番信号に位相差をもたせることで前記第１の駆動交番信号および第２の駆動交番信号を生成する請求項６に記載の超音波モータの駆動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−２３６８３４（Ｐ２００８−２３６８３４Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６９１０６（Ｐ２００７−６９１０６）
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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