JPH1118455A - 振動アクチュエータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動アクチュエータの微少駆動または間欠駆
動を容易かつ安価な構成で実現する振動アクチュエータ
の駆動装置を提供すること。 【解決手段】振動アクチュエータ１の弾性体１０１に接
合された圧電素子１０２、１０３に印加する駆動周波信
号の周波数を変化させることにより振動アクチュエータ
１を間欠駆動させる。

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
タを駆動する駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】弾性体の表面に例えば圧電素子を接合
し、この圧電素子に一定の周波数を有する駆動電圧を印
加することにより弾性体に複数の振動モードを調和的に
発生させ、弾性体表面に物理的な楕円運動を発生させる
ことにより、弾性体に加圧接触される相対運動部材を駆
動する振動アクチュエータが知られている。この種の振
動アクチュエータにおいて、超音波の振動域を利用した
ものを超音波振動アクチュエータあるいは超音波モータ
とも呼ばれている。

【０００３】上記振動アクチュエータを駆動する駆動装
置の一般的な構成を図１０に示す。図１０において、振
動アクチュエータ２０１を駆動する駆動装置は、振動ア
クチュエータ２０１の共振周波数近傍の駆動周波数を有
するｓｉｎ（正弦）波信号を発振する発振器２０２と、
発振器２０２からのｓｉｎ波信号から９０゜位相が遅れ
たｃｏｓ（余弦）波信号を生成する移相器２０３と、移
相器２０３のｃｏｓ波信号を反転させて−ｃｏｓ波信号
を生成する反転器２０４と、振動アクチュエータ２０１
の駆動方向を規定すべくｃｏｓ波信号と−ｃｏｓ波信号
を切り換えるための切換器２０５と、ｓｉｎ波信号およ
び±ｃｏｓ波信号を振動アクチュエータ２０１の駆動レ
ベルまで増幅する増幅器２０６、２０７とから構成され
る。増幅器２０６で増幅されたｓｉｎ波信号はＡ相信号
として振動アクチュエータの一つの圧電素子に供給さ
れ、増幅器２０７で増幅された±ｃｏｓ波信号のいずれ
かはＢ相信号として振動アクチュエータの他の一つの圧
電素子に供給されて振動アクチュエータ２０１が駆動さ
れる。

【０００４】上記のような駆動装置において、振動アク
チュエータ２０１を微少駆動または間欠（Ｓｔｅｐｐｉ
ｎｇ）駆動させる場合は、図１１（ａ）に示すように駆
動信号の供給を時間で制限するバースト信号による駆動
が提案されている。しかし、このようなバースト信号に
よる駆動の場合は、バーストの周期が音波帯域になり摺
動部等における発音（騒音）の問題が発生する。その消
音対策としては、図１１（ｂ）に示すようなガウシャン
波や、図１１（ｃ）に示すような振幅変調波による提案
も同時になされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらのガウ
シャン波や振幅変調波を得るには複雑な構成が必要とな
り、駆動装置が大がかりとなりコストが上昇するという
問題が発生していた。

【０００６】本発明の目的は、振動アクチュエータの微
少駆動または間欠駆動を容易かつ安価な構成で実現する
振動アクチュエータの駆動装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】実施の形態を示す図１、
図２に対応づけて本発明を説明する。上記目的を達成す
るために、請求項１の発明は、弾性体１０１と弾性体１
０１に接合されて弾性体１０１に複数の振動を発生させ
る駆動用電気機械変換素子１０２、１０３とを有して複
数の振動により駆動力を得る振動子と、振動子に加圧接
触されて駆動力により振動子との間で相対運動を行なう
相対運動部材１０６とを備えた振動アクチュエータ１を
駆動する振動アクチュエータの駆動装置に適用され、相
対運動が所定の速度となるように設定された所定の周波
数の周波信号を駆動用電気機械変換素子１０２、１０３
に印加するとともに、所定の周波数を変化させることに
より振動アクチュエータ１を間欠駆動する制御回路２、
７、８、９を備えるものである。請求項２の発明は、請
求項１記載の振動アクチュエータの駆動装置において、
制御回路２、７、８、９を、周波信号の周波数を所定の
周波数からその相対運動が実質的に停止する周波数まで
変化させるようにするものである。請求項３の発明は、
請求項２記載の振動アクチュエータの駆動装置におい
て、制御回路２、７、８、９を、周波信号の周波数を、
振動子の共振周波数の値から離れる方向に変化させるこ
とにより、相対運動を実質的に停止させる周波数まで変
化させるようにするものである。請求項４の発明は、請
求項１〜３のいずれかの１項に記載の振動アクチュエー
タの駆動装置において、制御回路２、７、８、９を、周
波信号の周波数を段階的に変化させるようにするもので
ある。請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかの１
項に記載の振動アクチュエータの駆動装置において、制
御回路２、７、８、９を、周波信号の周波数を連続的に
変化させるようにするものである。請求項６の発明は、
請求項１〜５のいずれかの１項に記載の振動アクチュエ
ータの駆動装置において、制御回路２、７、８、９を、
入力信号に応じた周波数で発振する発振器２と、周波信
号の周波数の変化の度合いに応じた入力信号を生成する
信号生成手段７、８、９とを有するようにしたものであ
る。

【０００８】なお、上記課題を解決するための手段およ
び作用の項では、分かりやすく説明するため実施の形態
の図と対応づけたが、これにより本発明が実施の形態に
限定されるものではない。

【０００９】

【発明の実施の形態】

−第１の実施形態− 図１〜図５を使用して本発明の第１の実施の形態を説明
する。

【００１０】図１は、本発明の振動アクチュエータの駆
動装置により駆動される振動アクチュエータの概略構成
を説明する斜視図である。図１において、振動アクチュ
エータ１は、弾性体１０１の表面に２個の圧電素子１０
２、１０３が接着接合され、この圧電素子１０２、１０
３に位相の異なる駆動電圧を印加することにより弾性体
１０１に複数の振動モードを調和的に発生させ、駆動力
取り出し部１０４、１０５に物理的な楕円運動を発生さ
せ、この駆動力取り出し部１０４、１０５に不図示の付
勢部材により加圧接触される相対運動部材１０６を相対
運動させて駆動するものである。弾性体１０１には振動
状態をモニタする振動モニタ用圧電素子１０７、１０８
も接着接合されている。弾性体１０１と、圧電素子１０
２、１０３と、駆動力取り出し部１０４、１０５と、振
動モニタ用圧電素子１０７、１０８とを総合して振動子
ともいう。以上の動作原理は公知であるので詳細な説明
は省略する（例えば特開平８−１８４７６９号公報を参
照）。

【００１１】図２は、図１の振動アクチュエータ１を駆
動する本発明による駆動装置の第１の実施の形態の構成
図である。図２の駆動装置は、電圧制御発振器（以下Ｖ
ＣＯと言う）２と、移相器３と、イクスクルーシブＯＲ
（ＥＸＯＲ）ゲート４と、増幅器５、６と、矩形波信号
発生器７と、積分器８と、アナログスイッチ９とから構
成される。

【００１２】ＶＣＯ２は、入力電圧により発振周波数が
制御され制御された周波数の矩形波を出力する。移相器
３は、ＶＣＯ２からの信号Ｓ１をそれぞれお互いにπ／
２位相がずれた２個の信号Ｓ２、Ｓ３を出力する。図３
は移相器３における信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の関係を示す
図である。移相器３の具体的な構成は、例えば２個のＤ
タイプフリップフロップをたすきがけに接続することに
より実現することができるが、公知な内容であるので詳
細な説明は省略する。イクスクルーシブＯＲゲート４
は、不図示の制御回路から送られてくる信号Ｒ／Ｌによ
り移相器３からの信号Ｓ３を反転させるかしないか（位
相をπずらすかどうか）を制御する。すなわち、信号Ｓ
２に対して信号Ｓ３の位相をπ／２ずらせるか−π／２
ずらせるかを決定し、振動アクチュエータ１の駆動方向
を決めるものである。増幅器５、６は、移相器３および
イクスクルーシブＯＲゲート４からの出力信号を振動ア
クチュエータ１の駆動レベルまで増幅し、増幅された信
号は振動アクチュエータ１の圧電素子１０２、１０３に
印加される。

【００１３】矩形波信号発生器７は、所定のデューティ
ー比を有する矩形波信号Ｓ４（図４（ａ））を出力す
る。積分器８は、矩形波信号Ｓ４を積分し三角波Ｓ５を
出力する（図４（ｂ））。図４に、矩形波信号Ｓ４、積
分された三角波Ｓ５、ＶＣＯ２の出力、振動アクチュエ
ータ１の駆動の様子の関係を示す。アナログスイッチ９
は、不図示の制御回路より送られてくる信号Ｃ／Ｓによ
り回路Ｓ、Ｃの間を切り換え、ＶＣＯ２へ電源Ｅからの
直流電圧を入力するか、積分器８からの三角波Ｓ５を入
力するかを切り換える。回路Ｓが選択されているときは
間欠（Ｓｔｅｐｐｉｎｇ）駆動であり、回路Ｃが選択さ
れているときは連続（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）駆動であ
る。Ｓ側の回路が選ばれ三角波信号Ｓ５がＶＣＯ２の電
圧制御入力に加えられると、ＶＣＯ２の制御入力電圧Ｖ
と周波数ｆの特性がｆ∝（１／Ｖ）の場合には、ＶＣＯ
２の出力は図４（ｃ）に示すごとく三角波Ｓ５で周波数
変調された信号が得られる。すなわち、ＶＣＯ２は入力
電圧Ｖが高い時は低い周波数を発振し、低い時は高い周
波数で発振するので、図４（ｂ）のＰ点では高い周波数
が得られ、Ｑ点では低い周波数が得られる。

【００１４】図５は、振動アクチュエータ１における、
駆動電圧の周波数ｆと駆動力取り出し部１０４、１０５
おける楕円運動の振幅ａとの関係を示す図である。ｆ0
は共振周波数であり、速度制御は右下がりの波形Ｙ１の
範囲で行われる。駆動電圧の周波数が低くなると共振周
波数ｆ0に近づき駆動力取り出し部１０４、１０５の楕
円運動の振幅が大きくなり、駆動電圧の周波数が高くな
ると共振周波数ｆ0から遠ざかり駆動力取り出し部１０
４、１０５の楕円運動の振幅は小さくなる。第１の実施
の形態では、図４（ｂ）のＱ点で所定の速度になる振幅
が得られるような周波数を設定し、Ｐ点の前後で振動ア
クチュエータ１の駆動が停止状態になる振幅が得られる
ような周波数を設定する。停止状態とは、使用の態様に
より実質停止状態とみなせることができるような非常に
小さい振幅となるように設定した場合か、振動アクチュ
エータ１の構成要素の静止摩擦係数等の関係で現に全く
駆動されない状態になるような非常に小さな振幅を設定
した場合をいう。

【００１５】ＶＣＯ２における発振周波数が上記のよう
に設定された状態で、不図示の制御回路からの信号Ｃ／
Ｓによりアナログスイッチ９の回路Ｓが選択されると、
振動アクチュエータ１は図４（ｄ）に示すような状態で
間欠駆動される。図４（ｄ）の縦軸は振動アクチュエー
タ１の駆動速度を示す。不図示の制御回路からの信号Ｃ
／Ｓによりアナログスイッチ９の回路Ｃが選択された場
合は、ＶＣＯ２は電源Ｅの電圧により規定される一定の
周波数信号を発振し、振動アクチュエータ１は一定速度
で駆動される。

【００１６】このようにして、振動アクチュエータ１へ
印加する２相信号の周波数を共振周波数付近から高い周
波数にスイープさせ、駆動力取り出し部１０４、１０５
の楕円運動の振幅を大から小にスイープさせ、駆動力を
低下させて一時的に停止させる期間を設けて間欠駆動を
行う。すなわち、共振周波数付近の周波数を最小周波数
とし、この周波数よりも高い周波数へある繰り返し周期
でスイープして間欠駆動を行う。

【００１７】上記第１の実施の形態では、ＶＣＯ2にお
いて制御入力電圧Ｖと周波数ｆの特性がｆ∝（１／Ｖ）
の関係を有するものについて説明したが、その関係はｆ
∝Ｖであってもよい。この場合は、積分器８の出力が反
転するように構成されていればよい。

【００１８】−第２の実施形態− 図６は、図１の振動アクチュエータ１を駆動する本発明
による駆動装置の第２の実施の形態の構成図である。上
述した図２における第１の実施の形態と同一の構成要素
には同一の符号をつけその説明を省略し、新たに置き換
えられた構成要素を中心に以下説明する。具体的には、
図２における矩形波信号発生器７と積分器８とが、図６
における新たな構成要素であるアップダウンカウンタ１
１と、Ｄタイプフリップフロップ１２と、Ｄ／Ａコンバ
ータ１３とに置き換えられている。

【００１９】アップダウンカウンタ１１は、制御信号Ｄ
／Ｕによりクロック信号ＣＫをアップカウントあるいは
ダウンカウントする。Ｄタイプフリップフロップ１２
は、アップダウンカウンタ１１の信号Ｍａｘ／Ｍｉｎを
受けて制御信号Ｄ／Ｕを生成し、Ｄ／Ａコンバータ１３
は、アップダウンカウンタ１１のカウント値をアナログ
電圧に変換する。アップダウンカウンタ１１の信号Ｍａ
ｘ／Ｍｉｎは、アップダウンカウンタ１１のカウント値
が最大値あるいは最小値になっとき、クロック信号ＣＫ
の１周期分ハイレベル信号とされる。

【００２０】図７は、アップダウンカウンタ１１および
Ｄタイプフリップフロップ１２の動作を説明する図であ
る。ＶＣＯ２の出力はクロック信号ＣＫとしてアップダ
ウンカウンタ１１に入力される。アップダウンカウンタ
１１の最大カウント値はＮであるものとする。アップダ
ウンカウンタ１１にＮ個目のクロック信号ＣＫが入力さ
れたとき、すなわち図７においてＮの時アップダウンカ
ウンタ１１は最大値となり、信号Ｍａｘ／Ｍｉｎがハイ
レベルにセットされ、Ｄタイプフリップフロップもハイ
レベルにセットされる。制御信号Ｄ／Ｕは、Ｄタイプフ
リップフロップの出力が、抵抗Ｒ、コンデンサＣにより
若干のディレイがかかりアップダウンカウンタ１１に入
力され、ダウンカウントモードにセットされる。アップ
ダウンカウンタ１１は、次のクロックからダウンカウン
トを開始する。すなわち、最大値Ｎの値からダウンカウ
ントされていく。

【００２１】アップダウンカウンタ１１がダウンカウン
トされゼロになると、再び信号Ｍａｘ／Ｍｉｎはクロッ
クの１周期分ハイレベルにセットされ、その立ち上がり
エッジでＤタイプフリップフロップはローレベルにリセ
ットされる。制御信号Ｄ／Ｕは、上記と同様に、抵抗Ｒ
コンデンサＣにより若干のディレイがかかりアップダウ
ンカウンタ１１に入力され、アップカウントモードにセ
ットされる。アップダウンカウンタ１１は、次のクロッ
クからアップカウントを開始する。すなわち、最小値０
の値からアップカウントされていく。

【００２２】このようにして、アップダウンカウンタ１
１は一定のカウント値によりアップダウンを繰り返し、
その出力はＤ／Ａコンバータ１３に入力され、Ｄ／Ａコ
ンバータ１３はそのカウント値に応じたアナログ電圧を
出力する。アナログスイッチ９において回路Ｓが選択さ
れていると、Ｄ／Ａコンバータ１３のアナログ電圧はＶ
ＣＯ２に入力され、ＶＣＯ２はその入力電圧に応じた周
波数で発振する。

【００２３】図８はこの関係を示す図であり、図８
（ａ）はＤ／Ａコンバータ１３の出力電圧を示し、図８
（ｂ）はＶＣＯ2の出力を示す。このようにして、第１
の実施の形態の図４（ｃ）と同様に周波数変調された信
号を得ることができる。この周波数変調された信号によ
り、第１の実施の形態と同様に振動アクチュエータ１を
間欠駆動させることができる。

【００２４】−第３の実施形態− 図９は、本発明の第３の実施の形態を示す構成図であ
る。前記第１および第２の実施の形態では、アナログ的
に周波数を変調させる構成について説明したが、第３の
実施の形態では、デジタル信号を用い、このデジタル信
号をコンピュータ等で制御することで周波信号を所望の
周波数に制御する。なお、図９では、図２における第１
の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号をつけて
あり、その説明は適宜省略する。以下、新たに置き換え
られた構成要素を中心に説明する。

【００２５】図９に示す駆動装置は、制御装置２１とＤ
／Ａコンバータ２２とを備えており、これらによりＶＣ
Ｏ２に印加される入力電圧を制御するように構成されて
いる。制御装置２１は、振動アクチュエータに印加され
る周波信号の変調を制御するための任意の情報を含むデ
ジタル信号を生成する。Ｄ／Ａコンバータ２２は、制御
装置２１で生成されたデジタル信号を入力してアナログ
電圧に変換する。そして、変換したアナログ電圧をＶＣ
Ｏ２に出力する。

【００２６】ＶＣＯ２は、Ｄ／Ａコンバータ２２からの
アナログ電圧に応じた周波数で発振するので、周波信号
の周波数変調の度合いは、制御装置２１で生成されるデ
ジタル信号に依存する。そのため、駆動装置の構成要素
によって変調度が決まる第１および第２の実施の形態に
対し、周波数の変調の度合いをより容易に設定すること
ができる。例えば、図４のように三角波をＶＣＯ２に印
加して周波数変調を行うと、周波信号の周波数が一定と
なる領域はない。この場合、三角波の頂点部分を平らに
して台形状の波形にすれば、周波信号の周波数が一定と
なる領域ができるが、第３の実施の形態では制御装置２
１で生成するデジタル信号を適宜設定することで、この
ような台形状に波形を容易に生成することが可能とな
る。

【００２７】上記各実施の形態では、振動アクチュエー
タ１へ印加する駆動信号を共振周波数付近を最小値とし
てそれよりも高い周波数へ変調をかける具体的な例を示
したが、周波数変調をかける方法はこれらの方法に限定
する必要はない。その他の既存の方法で周波数変調をか
けるようにしてもよい。また、三角波は必ずしも直線的
に変化するものでなくてもよく、段階的に変化するもの
であってもよい。すなわち、周波数を段階的にあるいは
連続的に変化させることができるような回路であればど
のようなものでもよい。

【００２８】上記各実施の形態では、定在波型の振動ア
クチュエータで説明をしたが、定在波型の振動アクチュ
エータに限定する必要はない。進行波型の振動アクチュ
エータであってもよい。すなわち、本発明は、ある駆動
周波数を有する周波信号で駆動される振動アクチュエー
タ全般に適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、次のような効果を奏する。請
求項１〜６の発明は、駆動周波信号の周波数を変化させ
ることにより振動アクチュエータの間欠駆動をしている
ので、消音性のある間欠駆動（または微少駆動）を容易
かつ安価な構成で実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動アクチュエータの駆動装置により
駆動される振動アクチュエータの概略構成を説明する斜
視図である。

【図２】本発明による駆動装置の第１の実施の形態の構
成図である。

【図３】移相器３における信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の関係
を示す図である。

【図４】矩形波信号Ｓ４、積分された三角波Ｓ５、ＶＣ
Ｏ２の出力、振動アクチュエータ１の駆動の様子の関係
を示す図である。

【図５】駆動電圧の周波数ｆと駆動力取り出し部１０
４、１０５おける楕円運動の振幅ａとの関係を示す図で
ある。

【図６】本発明による駆動装置の第２の実施の形態の構
成図である。

【図７】アップダウンカウンタ１１およびＤタイプフリ
ップフロップ１２の動作を説明する図である。

【図８】Ｄ／Ａコンバータ１３の出力電圧とＶＣＯ2の
出力の関係を示す図である。

【図９】本発明による駆動装置の第３の実施の形態の構
成図である。

【図１０】従来の振動アクチュエータの駆動装置の一般
的な構成を示す図である。

【図１１】従来のバースト信号、ガウシャン波、変調波
を示す図である。

【符号の説明】

１ 振動アクチュエータ ２ 電圧制御発振器（ＶＣＯ） ３ 移相器 ４ イクスクルーシブＯＲ（ＥＸＯＲ）ゲート ５、６ 増幅器 ７ 矩形波信号発生器 ８ 積分器 ９ アナログスイッチ １１ アップダウンカウンタ １２ Ｄタイプフリップフロップ １３ Ｄ／Ａコンバータ １０１ 弾性体 １０２、１０３ 圧電素子 １０４、１０５ 駆動力取り出し部 １０６ 相対運動部材 １０７、１０８ 振動モニタ用圧電素子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性体と該弾性体に接合されて該弾性体に
   複数の振動を発生させる駆動用電気機械変換素子とを有
   して前記複数の振動により駆動力を得る振動子と、前記
   振動子に加圧接触されて前記駆動力により前記振動子と
   の間で相対運動を行なう相対運動部材とを備えた振動ア
   クチュエータを駆動する振動アクチュエータの駆動装置
   において、 前記相対運動が所定の速度となるように設定された所定
   の周波数の周波信号を前記駆動用電気機械変換素子に印
   加するとともに、前記所定の周波数を変化させることに
   より前記振動アクチュエータを間欠駆動する制御回路を
   備えることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装
   置。
2. 【請求項２】請求項１記載の振動アクチュエータの駆動
   装置において、 前記制御回路は、前記周波信号の周波数を前記所定の周
   波数からその相対運動が実質的に停止する周波数まで変
   化させることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装
   置。
3. 【請求項３】請求項２記載の振動アクチュエータの駆動
   装置において、 前記制御回路は、前記周波信号の周波数を、前記振動子
   の共振周波数の値から離れる方向に変化させることによ
   り、前記相対運動を実質的に停止させる周波数まで変化
   させることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装
   置。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかの１項に記載の振
   動アクチュエータの駆動装置において、 前記制御回路は、前記周波信号の周波数を段階的に変化
   させることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装
   置。
5. 【請求項５】請求項１〜３のいずれかの１項に記載の振
   動アクチュエータの駆動装置において、 前記制御回路は、前記周波信号の周波数を連続的に変化
   させることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装
   置。
6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれかの１項に記載の振
   動アクチュエータの駆動装置において、 前記制御回路は、入力信号に応じた周波数で発振する発
   振器と、前記周波信号の周波数の変化の度合いに応じた
   前記入力信号を生成する信号生成手段とを有することを
   特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。