JP2000324860A - 振動アクチュエータおよびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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できない。 【解決手段】 振動子２と駆動装置３とを備える超音波
アクチュエータ１である。駆動装置３は、発振手段８
と、電力増幅手段１０と、相対運動速度検出手段１１
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、相対運動を発生している振動子２から検出される
相対運動速度の変化に基づいて、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１２とを有
する。この超音波アクチュエータ１により、振動子２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、駆動周波数が振動子２の共振周波数に一
致することが、確実に防止される。

Description

【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、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
変化率が予め定めた所定の値に達し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、特性値が、共振周波数よ
りも高い周波数に変曲点を有するとともに、予め定めた
所定の値に達した時の周波数が、変曲点またはその近傍
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、特性値
が、相対運動の速度、振動子に発生する歪み、または、
振動子に発生する振動と駆動電圧との間の位相差である
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、特性値を検出
する特性値検出手段とを有し、周波数制御手段が、特性
値検出手段からの信号に応じて、所定の値に対応する周
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。

【００１８】請求項５の発明は、請求項４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特性値検出手段からの信号
の平均値を用いて、特性値の変化を検出することを特徴
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の発明では、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
化率が予め定めた所定の値に達し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、ＰＰ
Ｓ、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５
ａ、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ｌ
₁ 、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Ｂ
４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６
ｐ、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、７
ｐ、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６
ｐ、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７
ａ〜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１
１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１０
ａ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６
ａ〜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ｆ_B
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ｆ_B の近傍であって共振周波数ｆ_B よ
りも高い周波数ｆ₂ に変曲点を有することから、この変
曲点への到達により、駆動周波数ｆが共振周波数ｆ_B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。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ｆ_B よりも高い値ｆ₁
から屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆ_B 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ｆ_B より高い周波数ｆ₁ から共
振周波数ｆ_B 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ｆ_B 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ｆ_B 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ｆ_B 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ｆ
₂ 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ｆ_B 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ｆ_Bより高い周波数ｆ₁
から共振周波数ｆ_B 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ｆ_B ＋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ｆ
_B 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ｆ_B へ向けて掃引する際に、駆動周波数ｆが
共振周波数ｆ_B 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ｆ_B 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ｆ_B 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ｆ_L が屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆ_B 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ｆ_B の近傍であって共振
周波数ｆ_B よりも高い周波数ｆ₄ に変曲点を有する。こ
の変曲点を与える周波数ｆ₄ が、縦振動Ｌ１の共振周波
数ｆ_L である。

【００６６】したがって、この変曲点を与える周波数ｆ
₄ 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ｆ_B および縦振動Ｌ１の共振周波数ｆ_L 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ｆ_B よりも高い値ｆ₃
から屈曲振動Ｂ４の共振周波数ｆ_B 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ｆ_B より高い周波数ｆ₃ から共
振周波数ｆ_B 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ｆ_B
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ｆ_L ）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ｆ_B および縦振動Ｌ１の共振周波数ｆ
_L 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ｆ
₅ 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ｆ_B 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ｆ_Bより高い周波数ｆ₃
から共振周波数ｆ_B 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ｆ_B ＋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１
２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変曲点を有する場合を例
にとった。しかし、本発明は、変曲点の周波数の大きさ
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「ＶＩ
ＢＲＯＭＯＴＯＲＳ ＦＯＲＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＭＩ
ＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」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

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【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特性
   値の変化率が予め定めた所定の値に達した時の周波数よ
   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を有することを特徴とする振動アク
   チュエータ。
2. 【請求項２】 前記特性値は、前記共振周波数よりも高
   い周波数に変曲点を有するとともに、前記予め定めた所
   定の値に達した時の周波数は、前記変曲点またはその近
   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。
3. 【請求項３】 前記特性値は、前記相対運動の速度、前
   記振動子に発生する歪み、または前記振動と前記駆動電
   圧との間の位相差であ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。
4. 【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、 前記特性値を検出する特性値検出手段とを有し、 前記周波数制御手段は、該特性値検出手段からの信号に
   応じて、前記所定の値に対応する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。
5. 【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特性値検出手段からの信号の平均
   値を用いて、前記特性値の変化を検出することを特徴と
   する請求項４に記載された振動アクチュエータ。
6. 【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。
7. 【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特性値の変化率が予め定め
   た所定の値に達し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。