JP2012120300A

JP2012120300A - 超音波モータの駆動回路および駆動方法

Info

Publication number: JP2012120300A
Application number: JP2010266774A
Authority: JP
Inventors: Ayata Asakura; 綾太浅倉; Nobuyuki Kurosaki; 信之黒崎
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-06-21

Abstract

【課題】各圧電素子の駆動のタイミングを分散でき、速度むら、外力の影響を防ぎ、被駆動体をスムーズに動かすことができる超音波モータの駆動回路および駆動方法を提供する。
【解決手段】独立に楕円軌道で駆動する複数の圧電素子１０２を駆動方向に並列に設けた超音波モータ１０１の駆動回路であって、圧電素子１０２毎に位相をずらしたパルス波の制御電圧を生成する制御電圧生成部１０８と、制御電圧に基づいて駆動電圧を印加する駆動電圧印加部１０９とを備える。これにより、各圧電素子１０２の駆動のタイミングを分散でき、速度むら、外力の影響を防ぎ、被駆動体１０７をスムーズに動かすことができる。被駆動体１０７に外力が加わっている状態でも、被駆動体１０７への効力がかかるタイミングを分散でき、安定した速度でスムーズに駆動することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦駆動にて被駆動体を駆動する複数個の圧電素子を有する超音波モータの駆動回路および駆動方法に関する。

超音波モータは、固有の共振周波数の交流電圧が印加されることで、伸縮運動、たわみ運動等を行う。駆動の際には、外部から制御電圧をドライバに直流で印加し、ドライバから出力される交流電圧を駆動電圧として超音波モータに印加する。これにより、ステージ等の被駆動体を動かし、制御することが可能になる。

特許文献１記載の超音波モータ装置は、２つの振動子を有するＬ１Ｂ４型モータと、各電源から出力される駆動電圧の位相をずらす位相制御装置と、振動子を保持して移動子に所定の力で押し付ける予圧機構とを有している。そして、各電源から出力される２種類の駆動電圧の位相を変化させ、位相差に応じて移動子の移動速度を変化させている。

特開２００４−８８８１５号公報

しかしながら、特許文献１記載の超音波モータ装置は、各圧電素子へ駆動電圧を印加し、Ｌ１Ｂ４モード付近で共振を生じさせるために位相を制御しており、各圧電素子が独立した楕円軌道で駆動するものではない。したがって、各圧電素子について所定の位相差で駆動することを前提とし、微妙な位相の調整を行うことで移動速度の制御を可能にしているに過ぎない。

これに対して、独立に楕円軌道で駆動する複数の圧電素子を駆動方向に並列に設けた超音波モータが知られている。このような超音波モータは、パルス状の制御電圧を各圧電素子に印加し、いずれも同じ位相で駆動する。図８の例は、制御電圧をパルス状にして３つの圧電素子を駆動し、被駆動体を駆動した場合を示している。図８の最下段は、パルス状の制御電圧で超音波モータを駆動した際の被駆動体の速度を示している。

しかしながら、図８に示す例のように駆動電圧を印加するものでは、被駆動体が加速、等速、減速、停止を繰り返し、速度むらの原因となる。このように各圧電素子に印加する駆動電圧の位相が等しいときは被駆動体と圧電素子の接点が全ての圧電素子で同時に離れ、被駆動体と超音波モータの摩擦力に変動が発生し、速度むらの原因となる。また、被駆動体に外力が働いている場合等では、被駆動体から圧電素子が離れた瞬間に、外力により被駆動体が移動しうる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、各圧電素子の駆動のタイミングを分散でき、速度むら、外力の影響を防ぎ、被駆動体をスムーズに動かすことができる超音波モータの駆動回路および駆動方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の超音波モータの駆動回路は、独立に楕円軌道で駆動する複数の圧電素子を駆動方向に並列に設けた超音波モータの駆動回路であって、圧電素子毎に位相をずらしたパルス状の制御電圧を生成する制御電圧生成部と、前記制御電圧に基づいて駆動電圧を印加する駆動電圧印加部を備えることを特徴としている。

これにより、各圧電素子の駆動のタイミングを分散でき、速度むら、外力の影響を防ぎ、被駆動体をスムーズに動かすことができる。被駆動体に外力が加わっている状態でも、被駆動体への抗力がかかるタイミングを分散し、安定した速度でスムーズに駆動することができる。

（２）また、本発明の超音波モータの駆動回路は、前記制御電圧生成部が、いずれの時点においても、前記圧電素子のうちの１つへの駆動電圧を印加すると同時に他の１つへの駆動電圧の印加を停止するよう制御電圧を生成することを特徴としている。

これにより、常にいずれかの圧電素子が停止し、摺動チップが被駆動体と接触しているため、外力によって被駆動体が移動してしまう現象を防止できる。また、すべての圧電素子が同時にＯＮ／ＯＦＦしないため、被駆動体は加速、等速、減速、停止の大きな変動を繰り返さず、速度むらを防止できる。よって、被駆動体に外力が加わっている状態でも、被駆動体に均一な力が加わり、安定した速度でスムーズに駆動することができる。

（３）また、本発明の超音波モータの駆動回路は、前記制御電圧生成部が、前記圧電素子毎にずらしたパルス状の制御電圧の位相差を均等にして制御電圧を生成することを特徴としている。これにより、被駆動体に均一な力が加わり、安定した速度でスムーズに駆動することができる。位相差による各圧電素子の駆動のタイミングは、圧電素子の共振周波数の１０波長分の許容範囲をもつ。なお、圧電素子毎の磨耗の進行を均一化するには圧電素子毎にずらしたパルス状の制御電圧の位相差が均等であることが望ましい。

（４）また、本発明の超音波モータの駆動回路は、前記制御電圧生成部が、前記複数の圧電素子について時間平均が一定になるように制御電圧を生成することを特徴としている。これにより、安定した速度でスムーズに駆動することができる。また、圧電素子毎の磨耗の進行を均一化することができる。

（５）また、本発明の超音波モータの駆動方法は、独立に楕円軌道で駆動する複数の圧電素子を駆動方向に並列に設けた超音波モータの駆動方法であって、圧電素子毎に位相をずらしたパルス状の制御電圧によって出力された駆動電圧を印加することを特徴としている。

本発明によれば、各圧電素子の駆動のタイミングを分散でき、速度むら、外力の影響を防ぎ、被駆動体をスムーズに動かすことができる。

第１実施形態に係る超音波モータの駆動回路を示すブロック図である。第１実施形態に用いられる超音波モータを示す斜視図である。超音波モータと被駆動体との配置を示す斜視図である。第１実施形態のパルスパターンおよび被駆動体速度を示す図である。第１実施形態に係る超音波モータの駆動方法によるパルス幅とその間隔を示す概略図である。第２実施形態に係る超音波モータの駆動回路を示すブロック図である。第３実施形態に用いられる超音波モータを示す斜視図である。超音波モータと被駆動体との配置を示す斜視図である。第４実施形態の超音波モータの駆動回路を示すブロック図である。従来技術のパルス状の制御電圧および被駆動体速度を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１実施形態］
図１は、超音波モータの駆動回路１００を示すブロック図である。図１に示すように、駆動回路１００は、制御電圧生成部１０８および駆動電圧印加部１０９を備えており、さらに制御電圧生成部１０８は、パルス生成部１１１を備えている。このような構成により、駆動回路１００は、超音波モータ１０１を駆動する。超音波モータ１０１は、３つの圧電素子１０２を備えている。

パルス生成部１１１は、各圧電素子１０２に対して個別の位相でパルス状の制御電圧を生成する。その際、各圧電素子１０２に対する位相をずらして生成する。制御電圧生成部１０８は、生成されたパルス状の制御電圧を用いてパルス状の制御電圧Ｖｃａ〜Ｖｃｃを生成し、駆動電圧印加部１０９に出力する。なお、後述のように駆動電圧印加部１０９に位相回路を設けて、位相を調整することもできるが、パルス生成部１１１により位相を調整する方が、制御が容易になり、回路構成も複雑にならないため好ましい。

制御電圧生成部１０８は、いずれの時点においても、圧電素子１０２のうちの１つへの駆動電圧を印加すると同時に他の１つへの駆動電圧の印加を停止することが好ましい。これにより、常にいずれかの圧電素子１０２が停止すると同時に、摺動チップ１０３（摺動突起）が被駆動体１０７と接触しているため、外力による被駆動体１０７の移動を防止できる。また、すべての圧電素子１０２が同時にＯＮ／ＯＦＦしないため、被駆動体１０７は加速、等速、減速、停止の大きな変動を繰り返さず、速度むらを防止できる。よって、被駆動体１０７に外力が加わっている状態でも、被駆動体１０７に均一な力が加わり、安定した速度でスムーズに駆動することができる。

制御電圧生成部１０８は、圧電素子１０２毎にずらしたパルス状の制御電圧の位相差を均等にして制御電圧を生成することが好ましい。これにより、被駆動体１０７に均一な力が加わり、安定した速度でスムーズに駆動することができる。位相差による各圧電素子の駆動のタイミングは、圧電素子の共振周波数の１０波長分の許容範囲をもつ。なお、圧電素子毎の磨耗の進行を均一化するには圧電素子毎にずらしたパルス状の制御電圧の位相差が均等であることが望ましい。

また、制御電圧生成部１０８は、複数の圧電素子１０２について時間平均が一定になるように制御電圧を生成する。これにより、安定した速度でスムーズに駆動することができる。また、圧電素子１０２毎の磨耗の進行を均一化することができる。

駆動電圧印加部１０９は、全圧電素子１０２に対して単一のものとして構成されており、パルス状の制御電圧Ｖｃａ〜Ｖｃｃに基づいて駆動電圧Ｖｄａ〜Ｖｄｃを生成し、各圧電素子１０２に印加する。駆動電圧Ｖｄａ〜Ｖｄｃの印加により各圧電素子１０２が伸縮し、超音波モータ１０１が駆動する。

図２Ａは、超音波モータ１０１を示す斜視図である。超音波モータ１０１は２個つ以上の矩形型の圧電素子１０２を内部ケース１０５の内部に一定の空間を空けて配列するように組み込まれている。具体的には、内部ケース１０５内に独立に楕円軌道で駆動する複数の圧電素子１０２が駆動方向に並列に設けられている。圧電素子１０２の主面の一方の面には１つ以上の駆動電極が形成されており、主面の他方の面には、接地電位に保持された共通電極が形成されている。圧電素子１０２の側面１０４には摺動チップ１０３がエポキシ系樹脂接着剤により接着されている。ここで、圧電素子１０２と摺動チップ１０３とを強固に接着するには接着強度の大きいエポキシ系樹脂接着剤を使用することが好ましい。

図２Ｂは、超音波モータ１０１と被駆動体１０７と配置を示す斜視図である。また、摺動チップ１０３には被駆動体１０７との接触によって磨耗粉が発生するのを防ぐためにアルミナ等の硬度の高いセラミックスを使用することが好ましい。内部ケース１０５は外部ケース１０６の内部に組み込まれ、内部ケース１０５の背面と外部ケース１０６の間にある図示しない予圧機構により、圧電素子１０２を組み込んだ内部ケース１０５が押圧されて摺動チップ１０３の先端部が被駆動体に接触する。

圧電素子１０２の駆動電極に正弦波等の駆動電圧を印加すると、圧電素子１０２が駆動して、摺動チップ１０３の先端部が楕円運動する。このことより、摺動チップ１０３の先端部に接触している被駆動体１０７が圧電素子１０２の駆動方向と同一方向に移動することになる。駆動電極は、図示していない駆動電圧印加部１０９と結線されている。

図２Ａでは、超音波モータ１０１に３つの圧電素子１０２が組み込まれている。図２Ａに示す超音波モータ１０１では、制御電圧をパルス状かつ、圧電素子毎に位相をずらすことで、２つの圧電素子１０２が駆動（ＯＮ）しつつ、１つの圧電素子１０２が停止（ＯＦＦ）する状態を、各圧電素子に対して順に作り出す。よって、被駆動体１０７に外力が加わっている状態でも、被駆動体１０７に均一な力が加わり、安定した速度でスムーズに駆動することができる。また、３つの圧電素子１０２が同時にＯＮ／ＯＦＦしないため、速度むらを防ぐことができる。被駆動体１０７に外力が加わっている状態でも、被駆動体に均一な力が加わり、安定した速度でスムーズに駆動することができる。

図３は、パルス状の制御電圧で超音波モータ１０１を駆動した際の被駆動体１０７の速度の一例を示している。制御電圧をパルス状かつ、ずらしたもので３つの圧電素子１０２を駆動し、被駆動体１０７を駆動した場合の例である。パルス状の制御電圧を、圧電素子１０２毎にずらして入力することで、各圧電素子１０２に印加される駆動電圧もずれ、常に駆動しているものと停止しているものがある状態を作り出す。これにより、被駆動体１０７に外力が加わっている状態でも、被駆動体１０７に均一な力が加わり、安定した速度でスムーズに駆動することができる。

図４は、超音波モータの駆動方法によるパルス幅とその間隔を示す概略図である。圧電素子１０２を駆動するための駆動電圧の印加時間ｔは５ｍｓ以上が好ましい。そのような駆動電圧を生成するためには各制御電圧の印加時間も５ｍｓ以上である必要がある。また、各圧電素子１０２を停止しておく時間は圧電素子１０２の数をｎとすると、ｔ／（ｎ−１）で求められる。また、ずらす間隔もｔ／（ｎ−１）となる。これにより、一定間隔で圧電素子１０２の駆動および停止を制御する。

［第２実施形態］
上記の実施形態では、駆動電圧印加部１０９が単一で構成されているが、圧電素子１０２の数に応じて複数で構成されていてもよい。図５は、超音波モータの駆動回路２００を示すブロック図である。

超音波モータの駆動回路２００では、複数個の駆動電圧印加部２０９が、パルス状の制御電圧を用いて複数個の圧電素子１０２を駆動する。パルス生成部１１１を有する制御電圧生成部１０８は、各駆動電圧印加部２０９へ位相をずらしたパルス状の制御電圧Ｖｃａ〜Ｖｃｃを入力している。そして、各制御電圧Ｖｃａ〜Ｖｃｃに従って各駆動電圧印加部２０９が駆動電圧Ｖｄａ〜Ｖｄｃを出力し、各圧電素子１０２が伸縮して駆動する。

［第３実施形態］
上記の実施形態では、超音波モータ１０１は３つの圧電素子１０２を有しているが、２つを有するものでもよい。図６Ａは、超音波モータ３０１を示す斜視図である。また、図６Ｂは、超音波モータ３０１と被駆動体１０７と配置を示す斜視図である。

超音波モータ３０１の基本構造は、超音波モータ１０１のものと変わらないが、超音波モータ３０１には３つの圧電素子１０２が組み込まれているのに対して、超音波モータ２０１には２つの圧電素子１０２が組み込まれている。内部ケース３０５は、２つの圧電素子１０２を、外部ケース３０６は、内部ケース３０５をそれぞれ収容できるように形成されている。超音波モータ２０１では、制御電圧をパルス状かつ、圧電素子毎にずらすことで、１つの圧電素子１０２が駆動（ＯＮ）し、もう片方の圧電素子１０２が停止（ＯＦＦ）するといったＯＮ／ＯＦＦ動作を交互に行う状態を作り出す。これにより、常にどちらか１つの圧電素子１０２が停止し、摺動チップ１０３が被駆動体と接触しているため、外力による被駆動体１０７の移動を防止できる。

［第４実施形態］
上記の実施形態では、制御電圧生成部４０８により制御電圧の位相を制御しているが、位相回路により位相を制御してもよい。図７は、超音波モータ１０１の駆動回路４００を示すブロック図である。超音波モータ１０１は圧電素子１０２で構成され、駆動電圧Ｖｄａ〜Ｖｄｃの位相を変えて複数個の圧電素子１０２を駆動するものである。制御電圧は直流で印加し、駆動電圧印加部４０９内部にある位相回路４１０で圧電素子１０２毎に印加する駆動電圧の位相を変え、各圧電素子１０２の伸縮のタイミングをずらしている。

超音波モータ１０１に３つの圧電素子１０２が組み込まれている場合では、３つの圧電素子１０２への各駆動電圧の位相を１２０°ずらすことで各圧電素子１０２の伸縮のタイミングをずらし、摩擦力の変動を小さくすることで等速性能が向上すると共に被駆動体１０７に外力が加わっている状態でも、スムーズに駆動することができる。

１００駆動回路
１０１超音波モータ
１０２圧電素子
１０３摺動チップ（摺動突起）
１０４圧電素子の側面
１０５内部ケース
１０６外部ケース
１０７被駆動体
１０８制御電圧生成部
１０９駆動電圧印加部
１１１パルス生成部
２０９駆動電圧印加部
３０１超音波モータ
３０５内部ケース
３０６外部ケース
４００駆動回路
４０８制御電圧生成部
４０９駆動電圧印加部
４１０位相回路

Claims

独立に楕円軌道で駆動する複数の圧電素子を駆動方向に並列に設けた超音波モータの駆動回路であって、
圧電素子毎に位相をずらしたパルス状の制御電圧を生成する制御電圧生成部と、
前記制御電圧に基づいて駆動電圧を印加する駆動電圧印加部を備えることを特徴とする超音波モータの駆動回路。
前記制御電圧生成部は、いずれの時点においても、前記圧電素子のうちの１つへの駆動電圧を印加すると同時に他の１つへの駆動電圧の印加を停止するよう制御電圧を生成することを特徴とする請求項１記載の超音波モータの駆動回路。
前記制御電圧生成部は、前記圧電素子毎にずらしたパルス状の制御電圧の位相差を均等にして制御電圧を生成することを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波モータの駆動回路。
前記制御電圧生成部は、前記複数の圧電素子について時間平均が一定になるように制御電圧を生成することを特徴とする請求項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回路。
独立に楕円軌道で駆動する複数の圧電素子を駆動方向に並列に設けた超音波モータの駆動方法であって、
圧電素子毎に位相をずらしたパルス状の制御電圧で駆動電圧を印加することを特徴とする超音波モータの駆動方法。