JP2006333682A

JP2006333682A - 超音波モータの駆動信号周波数設定方法及び超音波モータの駆動装置

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Publication number: JP2006333682A
Application number: JP2005157355A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Kasai; 靖明葛西
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】複数の超音波振動子を備える超音波モータにおいて、各超音波振動子の駆動信号周波数を簡易な方法により短時間で設定すること。
【解決手段】複数の超音波振動子１０ａ乃至１０ｃのうち、いずれか一つの超音波振動子の共振周波数を検出する共振周波数検出部３１と、検出された共振周波数を用いて、その他の各超音波振動子の共振周波数をそれぞれ算出する共振周波数算出部３２と、各超音波振動子の共振周波数に基づいて、各超音波振動子１０ａ乃至１０ｃの駆動信号周波数をそれぞれ設定する駆動信号周波数設定部３３とを具備する超音波モータの駆動装置を提供する。
【選択図】図７

Description

この発明は、超音波モータの駆動信号周波数の設定方法及び超音波モータの駆動装置に関するものである。

近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を有している。
（１）ギヤなしで高トルクが得られる。
（２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
（３）高分解能である。
（４）静粛性に富んでいる。

このような超音波モータにおいては、通常、超音波モータが備える超音波振動子に対して周波電圧の駆動信号を印加し、超音波振動子に超音波楕円振動を発生させることにより、超音波振動子、或いは超音波振動子に接触している被駆動体を介して駆動力が得られるように制御している。
一般的に、上記駆動信号の周波数（以下「駆動信号周波数」という。）は、駆動効率の面から、超音波振動子の共振周波数に設定されることが好ましい。しかしながら、この共振周波数は、温度の変化や負荷の変化によって変動することが知られている。

このような共振周波数の変動に係る対処方法として、例えば、特開平０９−２８５１５０号公報（特許文献１）には、超音波モータの起動時に、超音波モータの共振周波数を検出し、検出した共振周波数に駆動信号周波数を設定する方法が開示されている。
この特許文献１に開示された発明は、起動時に、複数の圧電素子の一部に周波数を掃引した掃引信号を供給する一方で、この掃引信号の供給されていない圧電素子の変位に伴う逆起電圧を検出し、この逆起電圧に基づいて、超音波モータの駆動信号の周波数を設定するものである。
特開平０９−２８５１５０号公報

ところで、複数の超音波振動子を備える超音波モータにおいては、各超音波振動子の駆動信号周波数に、それぞれの共振周波数を設定する必要がある。この場合、各超音波振動子に対応して上記特許文献１に示されるような駆動信号周波数の設定手法を採用したのでは、装置の大型化やコストの増大を招くという問題がある。また、装置の大型化を防ぐために、１つの周波数検出器により複数の超音波振動子の共振周波数を検出しようとすると、検出時間が長くなってしまうという問題がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数の超音波振動子を備える超音波モータにおいて、各超音波振動子の駆動信号周波数を簡易な方法により短時間で設定することのできる超音波モータの駆動信号周波数設定方法及び超音波モータの駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、複数の超音波振動子を備える超音波モータにおいて、各前記超音波振動子の駆動周波数を設定する超音波モータの駆動信号周波数設定方法であって、複数の前記超音波振動子のうち、いずれか一つの前記超音波振動子の共振周波数を検出する検出過程と、検出された前記共振周波数を用いて、その他の各前記超音波振動子の共振周波数をそれぞれ算出する算出過程と、各前記超音波振動子の共振周波数に基づいて、各前記超音波振動子の駆動信号周波数を設定する設定過程とを具備する超音波モータの駆動信号周波数設定方法を提供する。

この発明によれば、複数の超音波振動子のうちのいずれか一つの超音波振動子について、共振周波数を検出すればよいので、共振周波数を検出する検出機構を１つにすることができ、装置の小型化を図ることが可能となる。また、その他の超音波振動子の共振周波数については、検出された共振周波数を用いて求めるため、全ての超音波振動子について共振周波数を検出する場合に比べ、駆動信号周波数を設定するまでに要する時間を短くすることができる。

上記発明の算出過程において、各前記超音波振動子の共振周波数の相関関係に基づいて決定された各調整量が予め登録されている相関テーブルから、他の各前記超音波振動子の共振周波数を求めるための前記調整量をそれぞれ読み出し、読み出した各前記調整量及び検出された前記共振周波数を用いて他の各前記超音波振動子の共振周波数を算出すると良い。

このように、各前記超音波振動子の共振周波数の相関関係に基づいて決定された各調整量が予め登録されている相関テーブルから、共振周波数が検出された超音波振動子以外の超音波振動子の共振周波数を求めるための調整量をそれぞれ読み出し、読み出した各調整量及び検出された共振周波数を用いて、上記各超音波振動子の共振周波数をそれぞれ算出するので、共振周波数を容易に且つ精度良く求めることが可能となる。
例えば、出荷時において、各超音波振動子の共振周波数を検出し、各超音波振動子の共振周波数の相関関係、例えば、基準共振周波数に対する差分（誤差）情報を調整量として記録媒体に記録しておく。そして、上記算出過程においては、記録媒体に予め記録された調整量を読み出し、この調整量と検出された共振周波数とを用いて各超音波振動子の共振周波数を算出する。

本発明は、複数の超音波振動子を備える超音波モータの駆動装置であって、複数の前記超音波振動子のうち、いずれか一つの前記超音波振動子の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、検出された前記共振周波数を用いて、その他の前記超音波振動子の共振周波数をそれぞれ算出する共振周波数算出手段と、各前記超音波振動子の共振周波数に基づいて、各前記超音波振動子の駆動信号周波数を設定する駆動周波数設定手段と、設定した前記駆動信号周波数にて、各前記超音波振動子を駆動する駆動手段とを具備する超音波モータの駆動装置を提供する。

この発明によれば、共振周波数検出手段にて、複数の超音波振動子のうちのいずれか一つの超音波振動子について共振周波数が検出され、共振周波数算出手段にて、共振周波数検出手段により検出された共振周波数を用いて、他の各超音波振動子の共振周波数が求められる。そして、駆動周波数設定手段にて、上記共振周波数検出手段及び共振周波数算出手段にて求められた各超音波振動子の共振周波数に基づいて、各超音波振動子の駆動信号周波数が設定され、この駆動信号周波数に基づく超音波振動子の駆動が駆動手段により実施される。

この場合において、複数あるうちの一つの超音波振動子についてのみ共振周波数を検出すればよいので、共振周波数検出手段の構成を簡略化することができ、装置の小型化を図ることが可能となる。また、その他の超音波振動子の共振周波数については、検出された共振周波数を用いて求めるため、全ての超音波振動子について共振周波数を求める場合に比べ、駆動信号周波数を設定するまでに要する時間を短くすることができる。

本発明によれば、複数の超音波振動子を備える超音波モータにおいて、各超音波振動子の駆動信号周波数を簡易な方法により短時間で設定することができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施形態に係る超音波モータの駆動信号周波数設定方法及び超音波モータの駆動装置について、図を参照して以下に説明する。
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る超音波モータは、図１に示されるように、３つの超音波振動子１０ａ乃至１０ｃと、３つの超音波振動子１０ａ乃至１０ｃにより駆動される１つの被駆動体５０とを備えて構成されている。

上記超音波振動子１０ａは、例えば、図２乃至図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の幅方向の一側面に形成される２つの出力端に接着された２つの摩擦接触子１０とを備えている。

図に示される圧電セラミックスシート７は、そのほぼ全面に内部電極８を備えている。内部電極８は、圧電セラミックスシート７の長さ方向に所定の絶縁距離を開けて２つ配列されている。各内部電極８は、圧電セラミックスシート７の周縁から所定の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。

図３に示される圧電セラミックスシート７は、その幅方向の略半分に内部電極８を備えている。内部電極８は、圧電セラミックスシート７の長さ方向に所定の絶縁距離を開けて２つ配列されている。各内部電極８は、圧電セラミックスシート７の周縁から所定の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。

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に示される内部電極８の大きいものと、図４に示される内部電極８の小さい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。

圧電積層体９の長さ方向の両端面には２個ずつ、合計４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、外部電極１１には図示しない配線が接続されている。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。

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２つの外部電極１１をＡ相（Ａ＋，Ａ−）、他端に形成された２つの外部電極１１をＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）とする。Ａ相およびＢ相に同位相で共振周波数に対応する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。

圧電積層体９に１次の縦振動が発生したときには、摩擦振動子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。

したがって、超音波振動子のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数に対応する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。
なお、図１に示した超音波振動子１０ｂ、１０ｃについても、上述の超音波振動子１０ａと同様の構成を有し、同様の動作を行う。

次に、上述したような構成を備える超音波モータを駆動する駆動装置について図を参照して説明する。図７は、本実施形態に係る超音波モータの駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
図７に示されるように、超音波モータの駆動装置は、各超音波振動子１０ａ乃至１０ｃに対応してそれぞれ設けられた駆動部（駆動手段）２０ａ乃至２０ｃ、各駆動部２０ａ乃至２０ｃに対応して設けられた発信部２１ａ乃至２１ｃ、発信部２１ａ乃至２１ｃに対して制御信号を供給する制御部２２を備えて構成されている。

上記駆動部２０ａ乃至２０ｃは、対応して設けられている発振部２１ａ乃至２１ｃから供給された周波信号を増幅し、増幅した周波信号を上記交番信号（駆動信号）として超音波振動子１０ａ乃至１０ｃに供給することにより、超音波モータを駆動させる。
発振部２１ａ乃至２１ｃは、後述する制御部２２の制御により９０度位相のずれた周波信号の源信号を生成して、上記駆動部２０ａ乃至２０ｃに出力する。

制御部２２は、超音波振動子１０ａ乃至１０ｃにそれぞれ印加させる交番信号が、その超音波振動子１０ａ乃至１０ｃの共振周波数となるように、発振部２１ａ乃至２１ｃの発振周波数を制御する。具体的には、この制御部２２は、共振周波数検出部（共振周波数検出手段）３１、共振周波数算出部（共振周波数算出手段）３２、及び駆動信号周波数設定部（駆動信号周波数設定手段）３３を備えて構成されている。

次に、本実施形態に係る超音波モータの駆動装置の動作について説明する。
まず、超音波モータの起動時において、制御部２２内の共振周波数検出部３１により、超音波振動子１０ａ乃至１０ｃのうちのいずれか一つの超音波振動子の共振周波数が検出される（図８のステップＳＡ１）。本実施形態においては、超音波振動子１０ａの共振周波数ｆａが検出される。ここで、共振周波数の検出手法については、公知の技術を適用する。共振周波数の検出手法の一例として、例えば、特開２００５−１１０４８８号公報に開示されている手法、特開平０９−２８５１５０号公報に開示されている手法が挙げられる。

共振周波数検出部３１により検出された共振周波数ｆａは、共振周波数算出部３２及び駆動信号周波数設定部３３へ転送される。共振周波数算出部３２は、転送されてきた共振周波数ｆａを用いて、残りの超音波振動子１０ｂ及び１０ｃの共振周波数ｆｂ及びｆｃを算出する（図８のステップＳＡ２）。例えば、共振周波数算出部３２は、各超音波振動子１０ａ乃至１０ｃの共振周波数の相関関係に基づく調整量が予め登録されている相関テーブルを備えており、この相関テーブルから他の各超音波振動子の共振周波数を求めるための調整量をそれぞれ読み出し、読み出した各調整量及び検出された共振周波数ｆａを用いて、他の各超音波振動子１０ｂ、１０ｃの共振周波数ｆｂ、ｆｃをそれぞれ算出する。

ここで、例えば、上記相関テーブルには、以下のような情報が記録されている。
まず、出荷前に、所定の気温条件下において、超音波振動子１０ａ乃至１０ｃの共振周波数ｆａｓ、ｆｂｓ、ｆｃｓがそれぞれ測定される。続いて、このうち、共振周波数検出部３１（図７）により共振周波数が検出される超音波振動子１０ａの共振周波数ｆａｓを基準共振周波数ｆｓとし、この基準共振周波数ｆｓと、その他の共振周波数ｆｂｓ、ｆｃｓとの差分Δｂ（＝ｆｂｓ−ｆｓ）、Δｃ（＝ｆｃｓ−ｆｓ）がそれぞれ算出される。そして、この差分Δｂ、Δｃが調整量として相関テーブルに記録される。

共振周波数算出部３２は、共振周波数検出部３１から超音波振動子１０ａの共振周波数ｆａを取得すると、上記相関テーブルから調整量Δｂ、Δｃを読み出し、共振周波数ｆａに上記調整量Δｂ、Δｃをそれぞれ加算することにより、超音波振動子１０ｂ及び１０ｃの共振周波数ｆｂ、ｆｃを算出する。
このように算出された共振周波数ｆｂ，ｆｃは、駆動信号周波数設定部３３へ転送される。駆動信号周波数設定部３３は、共振周波数検出部３１により検出された共振周波数ｆａと、共振周波数算出部３２により算出された共振周波数ｆｂ、ｆｃとに基づいて、各超音波振動子１０ａ乃至１０ｃの駆動信号周波数を設定する（図８のステップＳＡ３）。例えば、各駆動信号周波数に各共振周波数ｆａ乃至ｆｃを設定する。

駆動信号周波数設定部３３は、各超音波振動子に対応する駆動信号周波数をそれぞれ設定すると、発信部２１ａ乃至２１ｃのそれぞれに対して、設定した駆動信号周波数の信号を生成するよう指令を出す。発振部２１ａ乃至２１ｃは、制御部２２からの指令に基づいて、周波信号を生成し、対応する各駆動部２０ａ乃至２０ｃへ出力する。駆動部２０ａ乃至２０ｂは、入力された周波信号を増幅し、増幅した周波信号を交番信号（駆動信号）として対応する超音波振動子１０ａ乃至１０ｃに印加する。

これにより、超音波振動子１０ａ乃至１０ｃが備えるＡ相とＢ相（図２参照）とに、位相が９０°ずれた共振周波数に対応する交番電圧が印加されることとなり、図２の矢印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。これにより、超音波振動子とこの超音波振動子に接触する被駆動体４０との間に摩擦力が生じ、この摩擦力によって、被駆動体４０が摩擦接触子１０により略楕円運動の接線方向に押圧される。そして、２つの摩擦接触子１０によって交互に、摩擦による押圧動作が繰り返されることにより、摩擦接触子１０と被駆動体４０との密着および離間が断続的に繰り返されながら、被駆動体４０が超音波振動子１０ａに対して相対的に移動させられることになる。

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によれば、温度変化などの外部要因の変化に伴って、各超音波振動子１０ａ乃至１０ｃの共振周波数が変化した場合でも、容易に、且つ、短時間で、各超音波振動子１０ａ乃至１０ｃの共振周波数を求めることができる。これにより、常に、良好な状態で超音波モータを駆動させることが可能となる。また、共振周波数を検出する共振周波数検出部３１は、１つ備えていればよいため、装置の大型化を防ぐことが可能となる。

なお、上記実施形態では、共振周波数算出部３２において示した調整量Δｂ、Δｃは、一例であり、各超音波振動子１０ａ乃至１０ｃの共振周波数の相関に基づいて決定されたものであれば、他の情報を設定することも可能である。例えば、差分から求められる標準偏差αを調整量として登録するようにしても良い。

また、各超音波振動子の共振周波数は、上記温度変化などのほか、例えば、超音波振動子の押圧力によっても変化する。このように、外部変化に起因する共振周波数の変動に対応すべく、例えば、超音波モータの駆動時において、図８に示した動作を定期的に繰り返し実施することにより、常に、駆動信号周波数を共振周波数に一致させることが可能となる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波モータの駆動装置について説明する。
上記第１の実施形態においては、各超音波振動子１０ａ乃至１０ｃに対して、それぞれ対応する駆動部２０ａ乃至２０ｃ、及び発振部２１ａ乃至２１ｃを設けていたが、本実施形態においては、１つの発信部２５及び駆動部２６により、超音波振動子１０ａ乃至１０ｃを駆動する。

以下、本実施形態に係る超音波モータの駆動装置の動作について図９を参照して説明する。なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には、同一の符号を付し、説明を省略する。図９は、本発明の第２の実施形態に係る超音波モータの駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
図９において、制御部４２の駆動信号周波数設定部４４は、共振周波数検出部３１にて検出された共振周波数ｆａ、並びに共振周波数算出部３２により算出された共振周波数ｆｂ、ｆｃを取得すると、これらの共振周波数ｆａ乃至ｆｃの平均値ｆｖを算出し、駆動信号周波数にこの平均値ｆｖを設定する。そして、制御部４２は、発信部２５に対して、設定した駆動信号周波数の信号を生成するよう指令を出す。発振部２５は、制御部４２からの指令に基づいて、周波信号を生成し、駆動部２６へ出力する。駆動部２６は、入力された周波信号を増幅し、交番信号（駆動信号）として各超音波振動子１０ａ乃至１０ｃに印加する。

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によれば、１つの発信部２５及び１つの駆動部２６により複数の超音波振動子１０ａ乃至１０ｃを駆動することが可能となるので、駆動装置を更に小型化することが可能となる。

なお、上記実施形態では、各超音波振動子の共振周波数の平均値を駆動信号周波数として設定していたが、この設定の仕方については、適宜設定することが可能である。
例えば、上記平均値ｆｖから予め設定されているオフセット値βを引いた値ｆｖ−βを駆動信号周波数として設定するようにしても良い。また、平均値ｆｖに予め設定されているオフセット値γを加算した値ｆｖ＋γを駆動信号周波数として設定しても良い。或いは、各共振周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃにおいて、最小の値ｆｍｉｎ、最大の値ｆｍａｘ、及び中間の値ｆｍｉｄのいずれかを駆動信号周波数として設定するようにしても良い。なお、これらの設定手法については、一例であり、その他の手法を用いても良い。

また、上述の実施形態においては、制御部２２及び４２において、ハードウェアによる処理を前提としていたが、このような構成に限定される必要はない。例えば、別途ソフトウェアにて処理する構成も可能である。この場合、制御部２２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、上記各部の機能を実現するものとする。

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。

本発明の第１の実施形態に係る超音波モータの全体構成を示す図である。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。本発明の第１の実施形態に係る超音波モータの駆動装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る超音波モータの駆動装置の制御部により実行される処理手順の一例を示したフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る超音波モータの駆動装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ａ乃至１０ｃ超音波振動子
５０被駆動体
２０ａ乃至２０ｃ、２６駆動部
２１ａ乃至２１ｃ、２５発信部
２２、４２制御部
３１共振周波数検出部
３２共振周波数算出部
３３、４４駆動信号周波数設定部

Claims

複数の超音波振動子を備える超音波モータにおいて、各前記超音波振動子の駆動周波数を設定する超音波モータの駆動信号周波数設定方法であって、
複数の前記超音波振動子のうち、いずれか一つの前記超音波振動子の共振周波数を検出する検出過程と、
検出された前記共振周波数を用いて、その他の各前記超音波振動子の共振周波数をそれぞれ算出する算出過程と、
各前記超音波振動子の共振周波数に基づいて、各前記超音波振動子の駆動信号周波数を設定する設定過程と
を具備する超音波モータの駆動信号周波数設定方法。
前記算出過程は、各前記超音波振動子の共振周波数の相関関係に基づいて決定された各調整量が予め登録されている相関テーブルから、他の各前記超音波振動子の共振周波数を求めるための前記調整量をそれぞれ読み出し、読み出した各前記調整量及び検出された前記共振周波数を用いて他の各前記超音波振動子の共振周波数を算出する請求項１に記載の超音波モータの駆動信号周波数設定方法。
複数の超音波振動子を備える超音波モータの駆動装置であって、
複数の前記超音波振動子のうち、いずれか一つの前記超音波振動子の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、
検出された前記共振周波数を用いて、その他の前記超音波振動子の共振周波数をそれぞれ算出する共振周波数算出手段と、
各前記超音波振動子の共振周波数に基づいて、各前記超音波振動子の駆動信号周波数を設定する駆動周波数設定手段と、
設定した前記駆動信号周波数にて、各前記超音波振動子を駆動する駆動手段と
を具備する超音波モータの駆動装置。