JP2011176983A - 超音波モータの駆動回路および駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物を低速で滑らかに動作することができ、より細かな動作を可能にす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】対象物を動作するための超音波モータの駆動回路１６０であって、入力された制御電圧が基準電圧より小さいか否かを判定する判定部１３２と、入力された制御電圧が基準電圧より小さい場合には、制御電圧に応じたパルス幅を算出するパルス幅演算部１３３と、算出されたパルス幅で、対象物の安定的動作が可能な安定領域内の駆動電圧をパルス幅分出力する駆動部１４０とを備え、出力されたパルス幅分の駆動電圧により超音波モータを駆動する。制御電圧が基準電圧より小さい場合には制御電圧に応じたパルス幅分の駆動電圧を出力することで、対象物を動作する。その結果、対象物を低速で滑らかに動作することができ、より細かな動作を可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、対象物を動作するための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を印加することで、伸縮運動、たわみ運動をする圧電素子である。そして、ドライバなどの駆動源に外部から制御電圧を直流で印加し、駆動源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、対象物（ステージなど）を動かし、制御することが可能になる。従来、対象物の動作速度に比例する駆動電圧を超音波モータに印加することで、対象物の動作を制御している。

たとえば、特許文献１記載の超音波モータは、２個の超音波振動子にそれぞれ同位相の電圧を印加し、その際に、一方に所定値以上の電圧を常に印加し、他方に印加する電圧値を変化させることで、被駆動体の速度を制御している。このようにして、被駆動体の最小移動速度を小さくしている。

一方、従来、超音波アクチュエータの分野では、間欠周波数による駆動方法が知られている。特許文献２記載の超音波アクチュエータ装置は、間欠周波数を、駆動周波数以下、かつ可聴周波数以上とすることで、微動送り時に駆動信号を間欠的に制御している。そして、間欠周波数が人間の可聴範囲に入らないようにして、騒音を小さくしている。

特開２００６−２７１０２２号公報 特開２００８−２７８７２１号公報

上記のように、従来は対象物の動作速度に比例する駆動電圧を超音波モータに印加することで、対象物の動作を制御している。しかし、超音波モータの駆動は、対象物に押しつけた状態で駆動する摩擦駆動であり、制御電圧を印加してもある一定以上の推力が得られるまで対象物が動かない不感帯領域が生じてしまう。そのため、低い制御電圧では対象物を動かすことができず、低速動作ができない。また、動きうる制御電圧においても動いたり動かなかったりする不安定領域が生じる。

したがって、対象物を確実に動かすためには不感帯領域および不安定領域を超えた制御電圧を超音波モータに印加する必要性がある。ところが、不感帯領域を超えた制御電圧を印加すると対象物が突然動くため、制御は荒くなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、対象物を低速で滑らかに動作することができ、より細かな動作を可能にす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、対象物を動作するための超音波モータの駆動回路であって、入力された制御電圧が基準電圧より小さいか否かを判定する判定部と、前記入力された制御電圧が前記基準電圧より小さい場合には、前記制御電圧に応じたパルス幅を算出するパルス幅演算部と、前記算出されたパルス幅で、対象物の安定的動作が可能な安定領域内の駆動電圧をパルス幅分出力する駆動部とを備え、前記出力されたパルスにより超音波モータを駆動することを特徴としている。

このように、本発明の超音波モータの駆動回路は、制御電圧が基準電圧より小さい場合には制御電圧に応じたパルス幅分の駆動電圧を出力することで、対象物を動作する。その結果、対象物を低速で滑らかに動作することができ、より細かな動作を可能にする。

（２）また、本発明の超音波モータの駆動回路は、前記パルス幅演算部が、前記安定領域内の駆動電圧とデューティ比との積が、前記入力された制御電圧と一致するパルス幅を算出することを特徴としている。これにより、入力された制御電圧に応じた対象物の動作速度を実現できるパルス幅を算出し、対象物を低速で滑らかに動作することができる。

（３）また、本発明の超音波モータの駆動方法は、対象物を動作するための超音波モータの駆動方法であって、入力された制御電圧が基準電圧より小さいか否かを判定するステップと、前記入力された制御電圧が前記基準電圧より小さい場合には、前記制御電圧に応じたパルス幅を算出するステップと、前記算出されたパルス幅で、安定領域内の駆動電圧をパルス幅分出力するステップと、を含み、前記出力されたパルス幅分の駆動電圧により超音波モータを駆動することを特徴としている。これにより、対象物を低速で滑らかに動作することができ、より細かな動作が可能になる。

本発明によれば、制御電圧が小さい場合に、パルス駆動をすることで対象物を低速で滑らかに動作することができ、より細かな動作が可能になる。

本発明に係る超音波モータの駆動装置の構成を模式的に示すブロック図である。 本発明に係る超音波モータの駆動回路の構成を示すブロック図である。 本発明の駆動原理を模式的に示す図である。 本発明に係る超音波モータの駆動装置の動作を示すフローチャートである。 実施例を示すグラフである。 比較例を示すグラフである。

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。

（駆動装置の構成）
図１は、超音波モータの駆動装置１００の構成を模式的に示すブロック図である。駆動装置１００は、位置検出部１１０、制御電圧出力部１２０、制御ユニット１３０、駆動部１４０および超音波モータ１５０を備えている。

位置検出部１１０は、超音波モータ１５０の動作対象となる対象物（たとえばステージ）の実位置を検出し、目標位置と実位置との距離から指示位置を出力する。駆動装置１００は、たとえばステージを微小駆動して位置決めする装置として用いられる。制御電圧出力部１２０は、検出された対象物の位置および指示位置に基づいて必要な制御電圧を出力する。制御電圧としては、基本的に超音波モータ１５０により対象物を動作する速度に対応する電圧がこの速度に比例する。

制御ユニット１３０は、制御電圧に応じてパルス電圧または直流の制御電圧を出力する。パルス幅は、制御電圧に応じて演算される。駆動部１４０は、交流の駆動電圧を超音波モータ１５０に出力する。安定領域内の駆動電圧駆動部１４０は、制御電圧が基準電圧より小さいときには、安定領域内の駆動電圧を算出されたパルス幅分出力する。制御ユニット１３０および駆動部１４０は、駆動回路１６０を構成している。駆動回路１６０の詳細は後述する。超音波モータ１５０は、圧電素子により形成されており、駆動電圧が印加されることで、駆動し、対象物を動作する。その際には、超音波モータ１５０が対象物に当接し、摩擦力により対象物を動作する。

（駆動回路の構成）
図２は、駆動回路１６０の構成を示すブロック図である。図２に示すように駆動回路１６０は、制御ユニット１３０および駆動部１４０を備え、制御ユニット１３０は、判定基準記憶部１３１、判定部１３２およびパルス幅演算部１３３を備えている。

判定基準記憶部１３１は、制御電圧の大きさを判定する際の基準電圧を記憶している。判定部１３２は、入力された制御電圧が基準電圧より小さいか否かを判定する。これにより、低速が必要になる速度まではパルス駆動を回避して効率良く対象物を動作することができる。一方、入力された制御電圧が基準電圧以上である場合には、直流の制御電圧を印加する。

制御電圧の判定の結果、判定基準記憶部１３１を参照し、入力された制御電圧が基準電圧より小さいか否かを判定する。入力された制御電圧が基準電圧より小さい場合にはパルス駆動を行い、基準電圧以上なら直流駆動を行う。スイッチＳＷ１は、判定結果によりパルス駆動を行う場合にはＯＮとなり、直流駆動を行う場合にはＯＦＦとなる。スイッチＳＷ２は、判定結果によりパルス駆動を行う場合にはＯＦＦとなり、直流駆動を行う場合にはＯＮとなる。

パルス幅演算部１３３は、入力された制御電圧が基準電圧より小さい場合には、制御電圧に応じたパルス幅を算出する。駆動部１４０は、算出されたパルス幅分の駆動電圧を出力する。その結果、超音波モータ１５０により対象物を低速で滑らかに動作することができ、より細かな動作を可能にする。低速域の確保によって、より滑らかな加減速域を得ることが可能になり、位置決め精度も向上する。なお、パルス幅を長くすれば速度が増す。

また、パルス幅演算部１３３は、入力された制御電圧が基準電圧より小さい場合には、所定の安定領域内の駆動電圧とデューティ比との積が、入力された制御電圧と一致するパルス幅を算出するのが好ましい。上記の所定の駆動電圧は、安定領域内の数値として設定されており、安定領域内の数値であってもよい。このようにして、入力された制御電圧に応じた対象物の動作速度を実現できるパルス幅を算出し、対象物を低速で滑らかに動作することができる。

そして、入力された制御電圧が基準電圧より小さい場合には、駆動部１４０がパルス幅演算部１３３により算出されたパルス幅分の駆動電圧を超音波モータ１５０に印加し、超音波モータ１５０は対象物を動作する。このようにして駆動回路１６０は、出力されたパルス幅分の駆動電圧により超音波モータ１５０を駆動し、超音波モータ１５０の駆動により対象物を動作する。

（駆動原理）
図３は、駆動原理を模式的に示す図である。図３（ａ）に示すように、駆動電圧が不感帯領域ａにある場合には、対象物が動かない。また、駆動電圧が不安定領域ｂにある場合には、対象物が動いたり動かなかったりする。一方、駆動電圧が安定領域ｃにあれば対象物は駆動電圧に応じた速度で動作される。

図３（ｂ）に示すように、駆動電圧に直流の制御電圧が対応する場合には、制御電圧の不感帯領域ａ、不安定領域ｂおよび安定領域ｃが存在する。これに対して、不感帯領域ａ、不安定領域ｂの制御電圧の代わりに安定領域内の駆動電圧をパルス状に分割して印加することで、図３（ｃ）に示すように、小さい制御電圧に対しても対象物を制御電圧に応じた速度で動作できる。

（駆動装置の動作）
図４は、駆動装置１００の動作を示すフローチャートである。まず、現在の対象物の位置に応じて対象物の動作速度および指示位置を決定し、その速度に対応する制御電圧を印加する（ステップＳ１）。

制御電圧が基準電圧より小さいか否かを判定する（ステップＳ２）。制御電圧が基準電圧以上である場合には、ステップＳ３に進み、スイッチＳＷ１をＯＦＦとし、スイッチＳＷ２をＯＮにしてステップＳ６に進む。制御電圧が基準電圧より小さい場合には、スイッチＳＷ１をＯＮとし、スイッチＳＷ２をＯＦＦにして（ステップＳ４）、制御電圧に応じたパルス幅を算出する（ステップＳ５）。

次に、駆動電圧を超音波モータ１５０に出力する。スイッチＳＷ１をＯＮとし、スイッチＳＷ２をＯＦＦにしたときには、パルス幅分の駆動電圧を出力し、スイッチＳＷ１をＯＦＦとし、スイッチＳＷ２をＯＮにしたときには、間欠しない駆動電圧を出力する。そして、動作される対象物が目的位置に達したか否かを判定する（ステップＳ７）。動作される対象物が目的位置に達していないときには、ステップＳ１に戻る。動作される対象物が目標位置に達したときには、終了する。

駆動装置１００を以下のように構成した。駆動部１４０に、０〜５Ｖの制御電圧に対して駆動電圧０Ｖ〜５０Ｖを出力するドライバを用いた。そして、ステージを動作する位置決め装置として駆動装置１００を構成した。その場合に、制御電圧１．５Ｖ以下、駆動電圧１５Ｖ以下が不感帯領域であった。

制御電圧１．５Ｖまでの不感帯領域を補うために、制御電圧０〜２Ｖの範囲では制御電圧２Ｖを上記の安定領域内の駆動電圧としてパルス幅分で印加し、駆動電圧２０Ｖの印加時間を調整した。一方、制御電圧の最低のパルス幅を５ｍｓに調整し、最低速度の１０μｍ／ｓでの移動を可能にした。

このように構成された駆動装置１００を用いて位置決め操作を行った。図５は、実施例を示すグラフである。位置決め精度（整定範囲）０．１μｍの設定で位置０μｍから２００μｍへの移動を行った。目的位置まで残り２０μｍあたりまでは通常駆動で動き、その後、減速して低速になったところでパルス駆動に切り替え、徐々に目的位置へ到達させた。

一方、パルス駆動を行わない場合についても比較例として実験を行った。図６は、比較例を示すグラフである。このような従来の駆動では、目的位置まで近づいた後、中速で残りわずかを調整することになる。したがって、位置がふらついてしまい、なかなか目的位置まで到達できない。図５（ａ）と図６（ａ）とを比較すると駆動開始時の立ち上がり時間について、パルス駆動の方が従来の駆動より滑らかで指示位置Ｐ１に対する実位置Ｐ２の追従性がよいのが分かる。また、図５（ｂ）、（ｃ）と図６（ｂ）、（ｃ）とを比較すると最終的な目標位置への位置決めについてパルス駆動の方が指示位置Ｐ１に対する実位置Ｐ２の追従性がよく、従来の駆動より短時間で高精度に位置決めできるのが分かる。以下の表の通り、パルス駆動では、短時間で高精度の位置決めを達成できるが、従来の駆動では、高精度な位置決めに時間がかかる。このように、短時間での位置決めを行うにもパルス駆動が優れていることが実証された。

１００ 駆動装置
１１０ 位置検出部
１２０ 制御電圧出力部
１３０ 制御ユニット
１３１ 判定基準記憶部
１３２ 判定部
１３３ パルス幅演算部
１４０ 駆動部
１５０ 超音波モータ
１６０ 駆動回路
ａ 不感帯領域
ｂ 不安定領域
ｃ 安定領域
ＳＷ１ スイッチ
ＳＷ２ スイッチ

Claims (3)

1. 対象物を動作するための超音波モータの駆動回路であって、
   入力された制御電圧が基準電圧より小さいか否かを判定する判定部と、
   前記入力された制御電圧が前記基準電圧より小さい場合には、前記制御電圧に応じたパルス幅を算出するパルス幅演算部と、
   前記算出されたパルス幅で、対象物の安定的動作が可能な安定領域内の駆動電圧をパルス幅分出力する駆動部と、を備え、
   前記出力されたパルス幅分の駆動電圧により超音波モータを駆動することを特徴とする超音波モータの駆動回路。
2. 前記パルス幅演算部は、前記安定駆動領域内の駆動電圧とデューティ比との積が、前記入力された制御電圧と一致するパルス幅を算出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。
3. 対象物を動作するための超音波モータの駆動方法であって、
   入力された制御電圧が基準電圧より小さいか否かを判定するステップと、
   前記入力された制御電圧が前記基準電圧より小さい場合には、前記制御電圧に応じたパルス幅を算出するステップと、
   前記算出されたパルス幅で、安定駆動領域内の駆動電圧をパルス幅分出力するステップと、を含み、
   前記出力されたパルス幅分の駆動電圧により超音波モータを駆動することを特徴とする超音波モータの駆動方法。

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