超声波致动器驱动装置及超声波致动器驱动方法.pdf

本发明的超声波致动器驱动方法，是通过向交互层叠压电板和内部电极构成的超声波振子施加交变信号，来进行驱动，其在上述交变信号的电压和电流的振幅比为规定值以上的频率范围内检测出上述交变信号的电压和电流的相位差成为规定状态的频率并将驱动频率设定为该检测出的频率。通过正确进行相位检测，而可以可靠地进行在共振频率附近的驱动。

1、  一种超声波致动器的驱动方法，通过向交互层叠压电板和内部电极构成的超声波振子施加交变信号，来进行驱动，其特征在于，
检测出在上述交变信号的电压和电流的振幅比为规定值以上的频率范围内，上述交变信号的电压和电流的相位差成为规定状态的频率，并将驱动频率设定为该检测出的频率。

2、  如权利要求1所述的超声波致动器驱动方法，其特征在于，
包括如下步骤：
检测出上述交变信号的电压和电流的振幅比取得规定值以上的最小频率，作为下限频率，检测出上述交变信号的电压和电流的振幅比取得规定值以上的最大频率，作为上限频率的第1步骤；
在用上述第1步骤中检测出的上限频率和下限频率所定义的频带内，检测出上述交变信号的电压和电流的相位差成为规定状态的频率的第2步骤；
将驱动频率设定为通过第2步骤检测出的频率的第3步骤。

3、  如权利要求2所述的超声波致动器驱动方法，其特征在于，
从下方向上方扫描上述交变信号的频率的同时，进行上述下限频率的检测，从上方向下方扫描上述交变信号的频率的同时，进行上述上限频率的检测。

4、  如权利要求2所述的超声波致动器驱动方法，其特征在于，
使上述交变信号的频率离散地变化的同时，进行上述下限频率的检测，使上述交变信号的频率离散地变化的同时，进行上述上限频率的检测。

5、  如权利要求1所述的超声波致动器驱动方法，其特征在于，
同时进行上述交变信号的电压和电流的振幅比是否在规定值以上的判断、和上述交变信号的电压和电流的相位差是否是规定状态的判断，检测出上述振幅比为规定值以上且上述相位差成为规定状态的频率，将驱动频率设定为该检测出的频率。

6、  如权利要求1所述的超声波致动器驱动方法，其特征在于，
上述规定的状态是上述相位差相对于频率的变化量成为最大的状态。

7、  如权利要求1所述的超声波致动器驱动方法，其特征在于，
上述规定的状态是上述相位差相对于频率的变化量超过规定值的状态。

8、  如权利要求1所述的超声波致动器驱动方法，其特征在于，
上述超声波振子具有：
沿同一方向层叠压电板而构成的压电层叠体；
设在上述压电层叠体的侧面，以规定的按压力与被驱动部接触的摩擦部件；
设在上述压电层叠体内部，具有第1电极组和第2电极组的内部电极；
与上述内部电极导通的第1外部电极组和第2外部电极组；
通过驱动部向上述第1外部电极组及/或者上述第2外部电极组施加交变信号，同时发生第1振动模式及第2振动模式，来在上述超声波振子上发生超声波椭圆振动。

9、  如权利要求1所述的超声波致动器驱动方法，其特征在于，
上述超声波振子隔着上述摩擦部件被向上述压电层叠体施加规定按压力的第1及第2导轨部件挟持。

10、  如权利要求8所述的超声波致动器驱动方法，其特征在于，
通过上述压电层叠体采用规定的外形尺寸，在上述规定的按压力下，使第1振动模式和第2振动模式的共振频率一致。

11、  如权利要求9所述的超声波致动器驱动方法，其特征在于，
通过上述压电层叠体采用规定的外形尺寸，在上述规定的按压力下，使第1振动模式和第2振动模式的共振频率一致。

12、  一种超声波致动器驱动装置，通过向交互层叠压电板和内部电极构成的超声波振子施加交变信号，来进行驱动，其特征在于，
具备：
生成上述交变信号的驱动电路；
检测上述交变信号的电压和电流的振幅比的振幅检测电路；
检测上述交变信号的电压和电流的相位差的相位差检测电路；
根据上述振幅比和上述相位差设定上述交变信号的频率的控制电路；
上述控制电路在上述振幅比为规定值以上的频率范围内，检测出上述相位差成为规定状态的频率，并将驱动频率设定为上述频率。

13、  如权利要求12所述的超声波致动器驱动装置法，其特征在于，
上述超声波振子具有：
沿同一方向层叠压电板而构成的压电层叠体；
设在上述压电层叠体的侧面，以规定的按压力与被驱动部接触的摩擦部件；
设在上述压电层叠体内部，具有第1电极组和第2电极组的内部电极；
与上述内部电极导通的第1外部电极组和第2外部电极组；
通过驱动部向上述第1外部电极组及/或者上述第2外部电极组施加交变信号，同时发生第1振动模式及第2振动模式，来在上述超声波振子上发生超声波椭圆振动。

14、  如权利要求12所述的超声波致动器驱动装置，其特征在于，
上述超声波振子隔着上述摩擦部件被向上述压电层叠体施加规定的按压力的第1及第2导轨部件挟持。

15、  如权利要求13所述的超声波致动器驱动装置，其特征在于，
通过上述压电层叠体采用规定的外形尺寸，在上述规定的按压力下，使第1振动模式和第2振动模式的共振频率一致。

16、  如权利要求14所述的超声波致动器驱动装置，其特征在于，
通过上述压电层叠体采用规定的外形尺寸，在上述规定的按压力下，使第1振动模式和第2振动模式的共振频率一致。

超声波致动器驱动装置及超声波致动器驱动方法
技术领域
本发明涉及超声波致动器驱动装置及超声波致动器驱动方法，特别涉及通过向超声波致动器的例如层叠型超声波振子施加频率电压的驱动信号，来发生驱动力的超声波致动器驱动装置及超声波致动器驱动方法。
背景技术
近年，作为代替电磁型马达的新的马达，超声波致动器倍受瞩目。
通常，这种超声波致动器由超声波驱动装置进行驱动控制。该超声波驱动装置如下控制：通过向上述超声波致动器的超声波振子施加频率电压的驱动信号，使该超声波振子发生超声波椭圆振动，从而该超声波振子得到驱动力，或者经由与该超声波振子接触的被驱动体来得到驱动力。
作为由这样的超声波致动器驱动装置进行的驱动方法的现有技术，有例如特开昭63-56178号公报公开的超声波马达驱动方法。用于实施该现有的超声波马达驱动方法的超声波致动器驱动电路的构成例表示在图21中。
如图21所示，现有的超声波致动器驱动装置包括：超声波致动器驱动电路100、通过该超声波致动器驱动电路100控制驱动的超声波致动器101。
上述超声波致动器驱动电路100具有：振荡电路102、功率放大器103、电流检测电路104、相位差检测电路105、相位差条件判定电路106、频率控制电路107；上述超声波致动器101通过电流检测电路104与功率放大电路103连接。
上述振荡电路102根据由后述的频率控制电路107输出的频率控制信号，生成规定频率的交变信号102a，并供给功率放大电路103。
上述功率放大电路103对交变信号102a进行放大，将得到的驱动电压信号103a供给电流检测电路104及相位差检测电路105。
上述电流检测电路104检测出向超声波致动器101施加驱动电压信号103a时流过的电流，并将作为检测结果的驱动电流检测信号104a提供给相位差检测电路105。
上述相位差检测电路105检测出驱动电压信号103a和驱动电流检测信号104a的相位差，并将作为检测结果的相位差检测信号105a提供给相位差条件判定电路106。
上述相位差条件判定电路106在提供的相位差检测信号105a成为规定的值时，将相位差条件信号106a提供给频率控制电路107。
上述频率控制电路107为控制该超声波致动器驱动电路100整体的控制装置，其向振荡电路102提供频率控制信号107a，控制由该振荡电路102进行的振荡动作，以便交变信号102a从高频向低频扫描。
在上述构成的超声波致动器驱动电路100中，上述频率控制电路107如下控制：使频率控制信号107a变化以便扫描交变信号102a的频率，直到由相位差条件判定电路106输出的相位差条件信号106a被输出，在相位差检测信号105a达到规定值时停止扫描。即，由于该频率控制电路107可以进行得到驱动电流和驱动电压的相位差成为规定值的频率的驱动电压信号103a的控制，因此超声波致动器驱动电路100能够进行以与超声波致动器100的共振频率有一定关系的频率进行的驱动。
但是，一般的超声波致动器，其离开共振频率的频率下的驱动电流与共振频率附近的驱动电流相比很小。因此存在如下问题，即，在上述的现有的超声波致动器驱动电路中，在由频率控制电路107进行的频率扫描范围内包含上述驱动电流小的频率范围的情况下，由于驱动电流检测信号被噪声埋没，所以在频率扫描中可能检测出与实际相位差不同的相位差。其结果，频率扫描在与致动器的共振频率没有关系的频率结束，而以与致动器的共振频率没有关系的频率驱动，驱动效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种驱动效率高的超声波致动器驱动装置及超声波致动器驱动方法，该装置及方法通过正确进行相位检测，而可以可靠地进行在共振频率附近的驱动。
简单地讲，该发明的超声波致动器驱动方法是通过向交互层叠压电板和内部电极的超声波振子施加交变信号来进行驱动的超声波致动器驱动方法，其特征在于，检测出在上述交变信号的电压和电流的振幅比为规定值以上的频率范围内的、上述交变信号的电压和电流的相位差成为规定状态的频率，将驱动频率设定为该检测出的频率。
另外，简单地讲该发明的超声波致动器驱动装置是通过向交互层叠压电板和内部电极的超声波振子施加交变信号来进行驱动的超声波致动器驱动装置，其特征在于，具有：生成上述交变信号的驱动电路、检测上述交变信号的电压和电流的相位差的相位差检测电路、根据上述振幅比和上述相位差设定上述交变信号的频率的控制电路；上述控制电路在上述振幅比为规定值以上的频率范围内检测出上述相位差成为规定状态地频率并将驱动频率设定为上述频率。
通过该构成能够提供一种驱动效率高的超声波致动器驱动装置及超声波致动器驱动方法，该装置及方法通过正确进行相位检测而构成可以可靠进行在共振频率附近的驱动。
本发明的这些目的和有益效果通过参照以下具体实施方式将更加清楚明了。
附图说明
图1表示本发明的超声波致动器驱动方法的第1实施例，是表示实现超声波致动器驱动方法的超声波致动器驱动装置的整体构成的方框图。
图2A是本实施例所涉及的超声波致动器驱动装置中使用的超声波致动器的俯视图。
图2B是本实施例所涉及的超声波致动器驱动装置中使用的超声波致动器的侧视图。
图3是表示第1实施例的超声波致动器的第1变形例的主视图。
图4是沿Y轴方向层叠的压电层叠体的立体分解图。
图5是沿Z轴方向层叠的压电层叠体的立体分解图。
图6是沿X轴方向层叠的压电层叠体的立体分解图。
图7是表示超声波致动器的第2变形例的主视图。
图8A是表示通过本实施例的超声波致动器驱动方法驱动的超声波致动器的速度和频率的特性的图表。
图8B是表示通过本实施例的超声波致动器驱动方法驱动的超声波致动器的电压-电流相位差和频率的特性的图表。
图8C是表示通过本实施例的超声波致动器驱动方法驱动的超声波致动器的驱动电流振幅和频率的特性的图表。
图8D是表示通过本实施例的超声波致动器驱动方法驱动的超声波致动器的相位差检测信号和频率的特性的图表。
图9A是说明通过频率控制电路进行的决定驱动频率的频率范围的检测方法的图，是表示说明频率范围的下限频率的检测方法的驱动电流振幅和频率的特性的图表。
图9B是表示说明频率范围的上限频率的检测方法的驱动电流振幅和频率的特性的图表。
图9C是表示说明基于下限频率和上限频率的频率范围的相位差检测信号和频率的特性的图表。
图10A是说明根据来自图1的频带检测电路的检测结果检测共振频率附近的检测方法的图，是表示检测初期的电压-电流相位差和频率的特性的图表。
图10B是说明根据来自图1的频带检测电路的检测结果检测共振频率附近的检测方法的图，是表示检测过程中电压-电流相位差和频率的特性的图表。
图11是表示由图1的频率控制电路进行的共振频率检测处理程序的控制例的流程图。
图12表示本发明的超声波致动器驱动方法的第2实施例，是表示实现超声波致动器驱动方法的超声波致动器驱动装置的整体构成的方框图。
图13A是说明由频率控制电路进行的下限频率的检测方法的图，是表示说明振荡电路的能够设定的频率范围的驱动电流振幅和频率的特性的图表。
图13B是说明由频率控制电路进行的下限频率的检测方法的图，是表示说明频率范围的下限频率的检测方法的驱动电流振幅和频率的特性的图表。
图14是表示由图12的频率控制电路进行的下限频率检测处理程序的控制例的流程图。
图15是表示实行本发明的超声波致动器驱动方法时的频率控制电路整体的动作的流程的流程图。
图16表示本发明的超声波致动器驱动方法的第3实施例，是表示实现超声波致动器驱动方法的超声波致动器驱动装置的整体构成的方框图。
图17A是本实施例所涉及的超声波致动器驱动装置中使用的超声波致动器的主视图。
图17B是本实施例所涉及的超声波致动器驱动装置中使用的超声波致动器的侧视图。
图18是表示本实施例的超声波致动器的第1变形例的侧视图。
图19是表示本实施例的超声波致动器的第2变形例的主视图。
图20A是说明本实施例的超声波致动器驱动方法的图，是表示驱动电流振幅和频率的特性的图表。
图20B是说明本实施例的超声波致动器驱动方法的图，是表示频率设定信号和频率的特性的图表。
图20C是说明本实施例的超声波致动器驱动方法的图，是表示说明禁止设定的频率范围的相位差检测信号和频率的特性的图表。
图21是表示现有的超声波致动器驱动电路的构成例的方框图。
图22A是说明与本发明所涉及的超声波振子的纵1次振动模式对应的位移量-频率特性的说明图。
图22B是说明与本发明所涉及的超声波振子的弯曲2次振动模式对应的位移量-频率特性的说明图。
图23是说明本发明所涉及的超声波振子的速度-频率特性的说明图。
具体实施方式
以下参照付图对本发明的实施例进行说明。
[实施例1]
图1~图11表示本发明的超声波致动器驱动方法的第1实施例，图1是表示实现超声波致动器驱动方法的超声波致动器驱动装置的整体构成的方框图，图2A及图2B是表示本实施例所涉及的超声波致动器驱动装置中使用的超声波致动器的构成例的图，图2A是主视图，图2B是侧视图，图3是表示超声波致动器的第1变形例的主视图。图4~图6表示超声波致动器的压电层叠体的构成例，图4是沿Y轴方向层叠的压电层叠体的立体分解图，图5是沿Z轴方向层叠的压电层叠体的立体分解图，图6是沿X轴方向层叠的压电层叠体的立体分解图。
另外，图7是表示超声波致动器的第2变形例的主视图，图8A~8D是表示通过本视实例的超声波致动器驱动方法驱动的超声波致动器的特性的特性图，图8A是表示速度和频率的特性的图表，图8B是表示电压-电流相位差和频率的特性的图表，图8C是表示驱动电流振幅和频率的特性的图表，图8D是表示相位差检测信号和频率的特性的图表。
另外，图9A~图11是用于说明本实施例的超声波致动器驱动方法的图，图9A~图9C是说明由频率控制电路进行的决定驱动频率的频率范围的检测方法的图表，图9A是表示说明频率范围的下限频率的检测方法的驱动电流振幅和频率的特性的图表，图9B是表示说明频率范围的上限频率的检测方法的驱动电流振幅和频率的特性的图表，图9C是表示说明基于下限频率及上限频率的频率范围的相位差检测信号和频率的特性的图表。
进一步，图10A及图10B是说明根据来自图1的频带检测电路的检测结果检测出共振频率附近的检测方法的图表，图10A是表示检测初期电压-电流相位差和频率的特性的图表，图10B是表示检测过程中电压-电流相位差和频率的特性的图表。图11是表示由图1的频率控制电路进行的共振频率检测处理程序的控制例的流程图。
如图1所示，本实施例的超声波致动器驱动装置具有：超声波致动器驱动电路1、被该超声波致动器驱动电路1控制驱动的超声波致动器2。
上述超声波致动器驱动电路1是驱动上述超声波致动器2的电路，具有：振荡电路3、功率放大电路4、电流检测电路5、相位差检测电路6、电流振幅检测电路7、比较电路8、频带检测电路9、模式控制电路10及频率控制电路11，上述超声波致动器2通过上述电流检测电路5与上述功率放大电路4连接。
在此，对于上述超声波致动器2的构成进行说明。
本实施例的超声波致动器驱动装置具备例如图2A所示的超声波致动器2。如图2A、2B所示，该超声波致动器2具有：由方柱形状的压电层叠体构成的超声波振子2A、通过该超声波振子2A的压电层叠体的后述的摩擦部件13相接触而配设的被驱动部2B、分别设在上述超声波振子2A的压电层叠体的左右两侧侧面的2个位置的外部电极12、与上述超声波振子2A的压电层叠体的例如底面的2个位置相接的摩擦部件13。另外，可以通过规定的按压装置(图中未示出)向超声波振子2A施加规定的按压力。
在使用这样的超声波振子2A的情况下，如果施加在超声波振子2A上的按压力的大小变化，则超声波振子2A的位移量-频率特性变化。即，如图22A及图22B所示的，伴随着按压力0kgf、1kgf、2kgf这样变大，位移量-频率特性整体地向位移量变小而且高频率侧转移。另外，位移量-频率特性在纵1次振动模式和弯曲2次振动模式中向上述的高频率侧转移的程度不同。在本实施例中，通过将方柱形状的压电层叠体的纵横尺寸比设定为规定的值，使得在某一规定的按压力下纵1次振动模式和弯曲2次振动模式的共振频率一致。
上述超声波振子2A的压电层叠体沿Y轴方向(与超声波振子2A的振动方向垂直相交的朝向超声波振子2A的里侧的方向)层叠如图4所示的实施过内部电极处理的薄的矩形压电板2c，构成一体。
图中右侧的外部电极12通过安装在从上述超声波振子2A的压电层叠体的图中右侧侧面部取出的内部电极露出部(图中没有示出)，将2个电气端子(A+、A-的两端子)作为A(A相)而构成。另外图中左侧的外部电极12通过安装在从上述压电层叠体的图中左侧侧面部取出的内部电极露出部(图中没有示出)，将2个电气端子(B+、B-的两端子)作为B(B相)而构成。这时，对于A-、B-端子，由于其分别作为A相、B相的接地而构成，所以也可以利用导线等将其连接成相同的电位而构成。
在这些外部电极12上，虽然图中没有示出，但是通过焊锡等分别连接有导线，这些导线与上述电流检测电路5连接。
上述摩擦部件13分别设在与被驱动部2B接触的上述压电层叠体的底面发生的弯曲振动的腹部位置。
另外，在本构成例中，上述超声波振动子2A在其长度方向的尺寸最好在例如5~20mm范围内。另外，包含该超声波振子2A及上述被驱动部2B，构成超声波致动器2时施加的按压力最好在例如0.1~3kgf范围内。
根据上述构成例，可以得到在效率好的状态下驱动的适宜的超声波致动器2，另外，通过利用上述构成的超声波振子2A，可以减少部件的件数，还可以抑制个体的差异。另外，由于将超声波振子2A的Q值设计成规定的值，在某一规定按压力下纵1次振动模式和弯曲2次振动模式的共振频率一致，因此，可以更高效地实行上述共振频率检测处理程序。
另外，在本构成例中，超声波振子2A的外部电极12作为压电层叠体的外部表面，配置在该压电层叠体的长度方向，但是，不限定于此，如图3的第1变形例所示的，也可以从侧面一侧引出外部电极12，形成上述压电层叠体的表面，另外，也可以配置在上述压电层叠体背面的对应位置。
另外，在本实施例中，上述超声波振子2A的压电层叠体的层叠方向以沿Y轴方向层叠为例进行了说明，但是不限定于此，如图5所示，也可以采用超声波振子2A的压电层叠体的大致上半部分层叠体的第1压电层叠体2a和为大致下半部分层叠体的第2压电层叠体2b通过绝缘压电片2d沿Z轴方向(与上述超声波振子2A的驱动方向垂直的垂直方向)层叠的构成。进一步如图6所示，也可以采用上述压电层叠体的大致左半部分层叠体的第1压电层叠体2a和大致右半部分层叠体的第2压电层叠体2b通过绝缘压电片2d沿X轴方向(与上述超声波振子2A的驱动方向相同的水平方向)层叠的构成。
另外，上述第1实施例及上述第1变形例的超声波致动器2以通过图中没有示出的绝缘层使压电层叠体成为一体的例子进行了说明，但是不限定于此，也可以如图7的第2变形例所示的，使用具有并列固定在方柱状的基本弹性体18的长度方向的至少2个层叠型压电元件17A、和向上述基本探形体18按压挟持这2个上述层叠型压电元件17A的保持用弹性体17B、及设置在与为被驱动部的接触部19接触的上述基本弹性体18的面上发生的弯曲振动的腹部位置的摩擦部件13的超声波振子，作为上述超声波致动器2。
将上述超声波致动器2的特性表示在图8A~8D中。即，该超声波致动器2具有如下特性：在图8A所示的速度和频率特性中，如果使频率f在比共振频率(图8A中以虚线表示的部分)低的频带进行驱动则速度急剧降低，反过来，如果使频率f在比共振频率高的频带进行驱动，则速度逐渐降低，在某一点速度急剧降低。
另外，该超声波致动器2的速度-频率特性几乎不随频率的扫描方向变化，几乎没有发生磁滞现象。即，如图23所示，该超声波致动器2将频率自共振频率开始从高的一方向低的一方扫描频率所得到的速度-频率特性，和自共振频率开始从低的一方向高的一方扫描所得到的各速度-频率特性几乎没有差别。
另外，和其速度-频率特性一起，在图8B所示的电压-电流相位差和频率特性中，超声波致动器2具有在共振频率附近相位差急剧变化的特性和不随频率的扫描方向变化的特性。另外，在图8C所示的驱动电流振幅-频率特性中，超声波致动器2在共振频率附近流过检测相位差所需的充分的电流，但是，如果远离共振频率则电流振幅减小，如图8D所示的，很难准确地检测出相位差。
因此，本实施例的超声波致动器驱动装置对于具有这样的特性的超声波致动器2的超声波振自2A，通过上述超声波致动器驱动电路1进行准确的相位检测，如果可靠地施加共振频率附近的交变信号，则可以使该超声波致动器2在驱动效率好的状态下驱动。
接下来参照图1对本实施例的超声波致动器驱动电路1的构成进行说明。
如图1所示，在超声波致动器驱动电路1中，作为上述驱动电路的振荡电路3，是生成由自频率控制电路11输出的频率控制信号11a所决定的频率的交变信号3a的电路，向功率放大器4提供生成的交变信号。
功率放大器4作为对上述交变信号3a进行功率放大并输出驱动电压信号4a的电路，通过电流检测电路向上述超声波致动器2提供放大后的驱动电压信号4a。通过该方式，上述超声波致动器2根据提供的驱动电压信号4a被驱动。
电流检测电路5是检测向上述超声波致动器2施加上述驱动电压信号4a时流过的电流并作为驱动电流检测信号5a进行输出的电路，向相位差检测电路6及电流振幅检测电路7提供检测出的驱动电流检测信号5a。
相位差检测电路6作为检测上述驱动电压信号4a和上述驱动电流检测信号5a的相位差并输出相位差检测信号6a的电路，向上述频率控制电路11提供检测出的相位差检测信号6a。
电流振幅检测电路7作为检测上述驱动电流检测信号5a的振幅的电路，向比较电路8的一个输入端提供检测出的振幅结果信号7a。作为用于进行比较处理的基准的驱动电流阈值信号8a1，从与输出端8A连接的图中没有示出的驱动电流阈值信号发生装置，提供给该比较电路8的另一输入端。
比较电路8在上述电流振幅检测电路7的振幅结果信号7a超过规定值的驱动电流阈值信号8a1时，输出电流振幅条件信号8a，向频带检测电路9提供该电流振幅条件信号8a。
频带检测电路9在来自后述的模式控制电路10的上方扫描控制信号10a被输入的状态下，将电流振幅条件信号8a开始输入时的频率控制信号作为下限频率信号9b输出，在来自上述模式控制电路10的下方扫描控制信号10b被输入的状态下，将电流振幅条件信号8a开始输入时的频率控制信号作为上限频率信号9a输出。该频带检测电路9将上述上限频率信号9a和上述下限频率信号9b提供给模式控制电路10及频率控制电路11。
模式控制电路10和频率控制电路11是控制本实施例的超声波致动器驱动电路1整体的控制装置(控制电路)。
模式控制电路10在上述超声波致动器2驱动开始前输出上方扫描控制信号10a，在频带检测电路9输出上述下限频率信号9b后，停止上述上方扫描控制信号10a的输出，并输出下限扫描控制信号10b。然后，模式控制电路10在自频带检测电路9输出上述上限频率信号9a后，停止下限扫描控制信号10b的输出，并输出频率跟随控制信号10c。该模式控制电路10向上述频率控制电路11提供上述上方扫描控制信号10a、上述下方扫描控制信号10b及频率跟随控制信号10c。
频率控制电路11在上方扫描控制信号10a被输入的状态下，使频率控制信号11a变化，以使交变信号3a的频率从下方向上方变化的方向变化。另外，频率控制电路11在下方扫描控制信号10b被输入的状态下，使频率控制信号11a变化，以使交变信号3a的频率从上方向下方变化的方向变化。另外，频率控制电路11如下控制：在频率跟随控制信号10c被输入的状态下，在由上述上限频率信号9a和上述下限频率信号9b定义的频带内，检测出上述相位差检测信号6a相对于频率的变化量为最大的频率，在上述频率检测结束后，将驱动频率设定为检测出的上述频率。
另外，上述电流振幅检测电路7采用检测驱动电流检测信号5a的振幅的构成，但是，也可以采用检测驱动电压信号4a的振幅和驱动电流检测信号5a的振幅之比的构成，或者导出超声波致动器2的导纳的构成。
另外，上述相位差检测电路6采用输出上述驱动电压信号4a和上述驱动电流检测信号5a的相位差的构成，但是，也可以采用输出上述交变信号3a和上述驱动电流检测信号5a的相位差的构成。
接下来，参照图9A~9C及图15对本实施例的超声波致动器驱动电路1的作用进行说明。另外，图15是表示实行本发明的超声波致动器驱动方法时频率控制电路整体动作的流程的流程图。
在上述构成的超声波致动器驱动电路中1，如图9A所示，上述频率控制电路11在驱动初期如下控制：从下方向上方扫描驱动电压信号的频率，检测出驱动电流的振幅(振幅结果信号7a)超过由驱动电流阈值信号8a1定义的值的频带的下限值(步骤S100)。
接下来，频率控制电路11如下控制：如图9B所示的，从上方向下方扫描驱动电压信号4a的频率，检测出驱动电流的振幅(振幅结果信号7a)超过由驱动电流阈值信号8a1定义的值的频带的上限值(步骤S101)。
在此，上述驱动电流阈值信号8a1可以设定为与能够正确求出驱动电压信号4a和驱动电流检测信号5a的相位差的最小电流振幅值相当的值。
最后，如图9C所示，频率控制电路11如下控制：在检测出的频带L3的上限值和下限值之间检测出相位差检测信号6相对于频率的变化量为最大的频率(步骤S102)，在检测结束后，将驱动频率设定为检测出的频率(步骤S103)。
接下来，参照图10A、图10B及图11对相位差检测信号6a相对于频率的变化量为最大的频率的检测方法(通过图15中的步骤S102进行的检测处理方法)进行说明。
现在，在实行本实施例的超声波致动器驱动装置的驱动方法时，上述频率控制电路11启动图11所示的共振频率检测处理程序，实行步骤S1以下到步骤S7的处理。
在步骤S1，频率控制电路11将包含根据图10所示的电压-电流相位差特性检测出的共振频率的频带(上限值为fmax、下限值为fmin的频域)的上限值fmax代入频率f2，将下限值fmin代入频率f1。
然后，频率控制电路11在接下来的步骤S2中计算出频率f1和频率f2的中间值(f1+f2)/2并代入频率fc。
接下来，频率控制电路11在步骤S3的处理中检测出与上述频率f1、频率f2及频率fc的各频率对应的电压-电流的相位差(以下简称相位差)，分别将在频率f1检测出的相位差代入ph(f1)、将在频率f2检测出的相位差代入ph(f2)、将在频率fc检测出的相位差代入ph(fc)。
之后，频率控制电路11在步骤S4的判断处理中，比较|ph(fc)-ph(f1)|和|ph(f2)-ph(fc)|。在此，在|ph(f2)-ph(fc)|小的情况下，在接下来的步骤S5的处理中将频率f2置换成频率fc的值，转移到接下来的步骤S7的处理。在|ph(fc)-ph(f1)|小的情况下，在接下来的步骤S6的处理中将频率f1置换成频率fc的值，转移到步骤S7的处理。
另外，在图10B中，由于是|ph(f2)-ph(fc)|小的情况，因此通过频率控制电路11执行的上述步骤S5的处理，频率f2被置换成频率fc的值。
之后，频率控制电路11在步骤S7的判断处理中，判定上述频率f1和上述f2是否大致相等。这时，在频率控制电路11判定为不满足f1f2的关系即不相等的情况下，返回到上述步骤S2的处理，继续再次进行该步骤S2的处理。
另一方面，在频率控制电路11在步骤S7的判断处理中，判定为满足f1f2的关系即大致相等的情况下，在识别出满足f1f2的关系的同时将这时的频率值设定为适于超声波振自2A驱动的共振频率附近的值，结束该共振频率检测处理程序。
因此，频率控制电路11通过反复进行上述步骤S2~上述步骤S6的处理直到满足f1f2的关系，可以高精度地检测出上述共振频率附近。
因此，根据本实施例，通过以上动作，可以回避由于驱动电流小而不能正确检测出驱动电压和驱动电流的相位差的区域，可以可靠地将驱动频率设定为共振频率附近的频率，因此，可以进行驱动效率高的超声波致动器2的驱动。
另外，在本实施例中，控制为在上方扫描后进行下方扫描，但是，控制为最初进行下方扫描，之后进行上方扫描，也可以得到与上述实施例同样的效果。
另外，在本实施例中，对全部用电路来构成致动器驱动电路1的情况进行了说明，但是，不限定于此，也可以使用计算机利用软件构成。这时，可以采用以软件替换频率控制电路11、频带检测电路9、模式控制电路10等的构成。
[实施例2]
图12~图15表示本发明的超声波致动器驱动方法的第2实施例，图12是表示实现超声波致动器驱动方法的超声波致动器驱动装置的整体构成的方框图，图13A~图15是用于说明本实施例的超声波致动器驱动方法的图，图13A及图13B是说明由频率控制电路进行的下限频率的检测方法的图表，图13A是表示说明振荡电路的能够设定的频率范围的驱动电流振幅和频率的特性的图表，图13B是表示说明频率范围的下限频率的检测方法驱动电流振幅和频率的特性的图表。另外，图14是表示由图12的频率控制电路进行的下限频率检测处理程序的控制例的流程图，图15是表示实行本发明的超声波致动器驱动方法时的频率控制电路整体的动作流程的流程图。另外，图12对于与上述第1实施例同样的构成要素付与了相同的符号省略其说明，只说明不同的部分。
本实施例的超声波致动器驱动装置具有超声波致动器驱动电路1A、超声波致动器2。该超声波致动器2与上述第1实施例同样。另外，上述超声波致动器驱动电路1A去掉了上述第1实施例中的频带检测电路9。
如图12所示，在超声波致动器驱动电路1A中，上述振荡电路3生成被自频率控制电路11A输出的频率控制信号11a所决定的频率的交变信号3a，向功率放大电路4提供生成的交变信号3a。
功率放大器4作为对上述交变信号3a进行功率放大并输出驱动电压信号4a的电路，通过电流检测电路向上述超声波致动器2提供放大后的驱动电压信号4a。通过该方式，上述超声波致动器2根据提供的驱动电压信号4a被驱动。
电流检测电路5检测向上述超声波致动器2施加上述驱动电压信号4a时流过的电流，并作为驱动电流检测信号5a进行输出，向相位差检测电路6及电流振幅检测电路7提供检测出的驱动电流检测信号5a。
相位差检测电路6检测上述驱动电压信号4a和上述驱动电流检测信号5a的相位差，并输出相位差检测信号6a，向上述频率控制电路1 1A提供检测出的相位差检测信号6a。
电流振幅检测电路7检测上述驱动电流检测信号5a的振幅，向比较电路8的一个输入端提供检测出的振幅结果信号7a。作为用于进行比较处理的基准的驱动电流阈值信号8a1，从与输出端8A连接的图中没有示出的驱动电流阈值信号发生装置，提供给该比较电路8的另一输入端。
比较电路8在上述电流振幅检测电路7的振幅结果信号7a超过规定值的驱动电流阈值信号8a1时，输出电流振幅条件信号8a，向频带检测电路11A提供该电流振幅条件信号8a。
模式控制电路10A和频率控制电路11A是控制本实施例的超声波致动器驱动电路1A整体的控制装置。
模式控制电路10A在上述超声波致动器2驱动开始前输出下限频率检测信号10e，在自频率控制电路11A输入动作结束信号11b后，停止上述下限频率检测控制信号10e的输出，并输出上限频率检测控制信号10d。模式控制电路10A在频率控制电路11A输入上述动作结束信号11b后，停止上述上限频率检测控制信号10d的输出，并输出频率跟随控制信号10f。该模式控制电路10A向上述频率控制电路11A提供上述下限频率检测控制信号10e、上述上限频率检测控制信号10d及频率跟随控制信号10f。
频率控制电路11A在下限频率检测控制信号10e被输入的状态下，使频率离散地变化的同时，检测输出电流振幅条件信号8a的下限频率。另外，频率控制电路11A在上限频率检测控制信号10d被输入的状态下，使频率离散地变化的同时，检测输出电流振幅条件信号8a的上限频率。另外，频率控制电路11A如下控制：在频率跟随控制信号10f被输入的状态下，在由上述上限频率和上述下限频率定义的频带内，检测出上述相位差检测信号6a相对于频率的变化量为最大的频率，在上述频率检测结束后，将驱动频率设定为检测出的上述频率。
其它构成与上述第1实施例同样。
接下来参照图15对本实施例的超声波致动器驱动电路1A的作用进行说明。
在上述构成的超声波致动器驱动电路1A中，上述频率控制电路11A在驱动初期如下控制：，检测出驱动电流的振幅(振幅结果信号7a)超过由驱动电流阈值信号8a1定义的值的频带的下限频率(下限值)(步骤S100)。
接下来，频率控制电路11A如下控制：检测出驱动电流的振幅(振幅结果信号7a)超过由驱动电流阈值信号8a1定义的值的频带的上限频率(上限值)(步骤S101)。
在此，上述驱动电流阈值信号8a1可以设定为与能够正确求出驱动电压信号4a和驱动电流检测信号5a的相位差的最小电流振幅值相当的值。
然后，频率控制电路11A在检测出的频带L3(参照图9C)的上限值和下限值之间，检测出相位差检测信号6a相对于频率的变化量为最大的频率(步骤S102)。
最后，频率控制电路11A将驱动频率设定为在上述步骤S102的处理中检测出的频率(步骤S103)。
接下来，参照图13A、图13B及图14对通过上述步骤S100进行的下限频率的检测处理方法进行说明。
现在，在实行本实施例的超声波致动器驱动装置的驱动方法并实行图15中的步骤S100的处理后，上述频率控制电路11A启动图14所示的下限值检测处理程序，实行步骤S10以下到步骤S16的处理。
在步骤S10，频率控制电路11A将振荡电路3能够设定的频带(上限值为fmax、下限值为fmin的频域，参照图13A)的下限值fmin代入频率fa。
然后，频率控制电路11A在接下来的步骤S11的处理中，将上限值fmax和下限值fmin的中间值(fmax+fmin)/2代入频率fb(参照图13B)，转移到步骤S12。
之后，频率控制电路1 1A在步骤S12的处理中将频率fa和频率fb的中间值(fa+fb)/2代入频率fcc，转移到步骤S13。
接下来，频率控制电路11A在步骤S13的判断处理中判断以频率fcc驱动时是否输出电流振幅条件信号8a。这时，如图13B所示，在上述频率控制电路11A判断为没有输出上述电流振幅条件信号8a的情况下，在接下来的步骤S15的处理中，将频率fa置换成频率fcc，转移到步骤S16的判断处理。另一方面，在频率控制电路11A判断为有输出上述电流振幅条件信号8a的情况下，在接下来的步骤S14的处理中将频率fb置换成频率fcc，转移到步骤S16的判断处理。
在步骤S16的判断处理中，频率控制电路11A判定上述频率fa和上述fcc是否大致相等，或者判定上述频率fb和上述fcc是否大致相等。这时，在频率控制电路11A判定为不满足fafcc或者fbfcc的关系即不相等的情况下，返回到上述步骤S12的处理，继续再次进行该步骤S12的处理。
另一方面，在频率控制电路11A在步骤S16的判断处理中，判定为满足fafcc或者fbfcc的关系即大致相等的情况下，在识别出满fafcc或者fbfcc足的关系的同时，将这时的频率值fcc设定为下限频率(下限值)，结束该下限值检测处理程序。
因此，频率控制电路11A通过反复进行上述步骤S12~上述步骤S16的处理直到满足fafcc或者fbfcc的关系，可以高精度地检测出驱动电流的振幅(振幅结果信号7a)超过以驱动电流阈值信号8a1定义的值的频带的下限频率(下限值)。
另外，在本实施例中，通过上述频率控制电路11A进行的控制例对于下限值的频率检测处理进行了说明，但是不限定于此，对于图15中的步骤S101所示的上限值的频率检测出也可以同样进行。另外，本实施例的频率控制电路11A对于相位差检测信号6a相对于频率的变化量为最大的频率的检测方法，与上述第1实施例同样控制。
因此，根据本实施例，与上述第1实施例同样，可以回避由于驱动电流小而不能正确求出驱动电压和驱动电流的相位差的区域，可以可靠地将驱动频率设定为共振频率附近的频率，因此，可以进行驱动效率高的超声波致动器2的驱动。
另外，在本实施例中，控制其在下限频率检测处理(图15的步骤S100的处理)进行上限频率检测处理(图15的步骤S101的处理)，但是，也可以控制其最初进行上述上限频率检测处理，之后进行上述下限频率检测处理，可以得到与上述实施例同样的效果。
另外，在本实施例中，对致动器驱动电路1A全部用电路来构成的情况进行了说明，但是，不限定于此，也可以使用计算机利用软件构成。这时，可以采用以软件替换频率控制电路11A、模式控制电路10A等的构成。
[实施例3]
图16~图19表示本发明的超声波致动器驱动方法的第3实施例，图16是表示实现超声波致动器驱动方法的超声波致动器驱动装置的整体构成的方框图。图17A及图17B是表示本实施例所涉及的超声波致动器驱动装置中使用的超声波致动器的构成例，图17A是主视图，图17B是侧视图，图18是表示本实施例的超声波致动器的第1变形例的侧视图，图19是表示本实施例的超声波致动器的第2变形例的主视图，图20A~图20C是用于说明本实施例的超声波致动器驱动方法的图表，图20A是表示驱动电流振幅和频率的特性的图表，图20B是表示频率设定信号和频率的特性的图表，图20C是表示说明禁止设定的频率范围的相位差检测信号和频率的特性的图表。另外，图16~19对于与实施例同样的构成要素付与了相同的符号省略其说明，只对不同的部分进行说明。
本实施例的超声波致动器驱动装置具有：超声波致动器驱动电路1B、超声波致动器2D。另外，本实施例的超声波致动器驱动装置与上述第1实施例不同之处在于：上述超声波致动器2D的构成与上述第1实施例不同，另外，对于上述超声波致动器驱动电路1B，去掉了为上述第1实施例的构成要素的频带检测电路9及模式控制电路10，新增设了相位差条件判定电路14。
如图16所示，致动器驱动电路1B是驱动上述超声波致动器2D的电路，具有：振荡电路3、功率放大电路4、电流检测电路5、相位差检测电路6、电流振幅检测电路7、比较电路8D、频率控制电路11B、相位差条件判定电路14；上述超声波致动器2D通过电流检测电路5与上述功率放大电路4连接。
在此，对于本实施例所使用的上述超声波致动器2D的构成进行说明。
本实施例的超声波致动器驱动装置具备例如图17A所示的超声波致动器2D。如图17A、图17B所示，该超声波致动器2D在构成超声波振自2A的压电层叠体的上表面及底面至少2处分别设摩擦部件13，同时具有向该压电层叠体施加规定压力的同时对其进行挟持的第1导轨15和第2导轨16。另外，通过包含上述导轨15、16等的规定按压装置(图中未示出)向超声波振自2A施加规定的按压力。
在使用这样的超声波振子2A的情况下，如果向超声波振子2A施加的按压力的大小变化，则超声波振子2A的位移量-频率特性变化。即，如图22A及图22B所示，伴随着按压力0kgf、1kgf、2kgf这样变大，位移量-频率特性整体地向位移量变小且高频侧转移。另外，位移量-频率特性在纵1次振动模式和弯曲2次振动模式下，向上述高频率侧转移的程度不同。在本实施例中，通过将方柱形状的压电层叠体的纵横尺寸比设定为规定的值，使纵1次振动模式和弯曲2次振动模式的共振频率在某一规定的按压力下一致而构成。
另外，上述摩擦部件13最好设在超声波致动器2d可以得到最高水平的输出特性的任意位置，即，设在超声波振子2A的最高水平的超声波椭圆振动能够进行的位置。一般情况下，进行椭圆振动会成为驱动源，因此，至少在1个以上摩擦部件13引起图17A中所示的箭头那样的椭圆振动，在所有的摩擦部件13的部位产生的振动引起的驱动力的总和不为0地配置上述摩擦部件13即可。
另外，在本实施例中，上述超声波振子2A最好如下构成：其长度方向的尺寸为例如5~20mm。另外，包含该超声波振子2A及上述第1、第2导轨15、16，在构成超声波致动器2D时施加的压力最好在30gf~100gf范围内。
另外，本构成例的超声波致动器2D的特性及上述超声波振子2A的压电层叠体的层叠方向与上述第1实施例大致相同。
本实施例的超声波致动器2D在通过上述超声波致动器驱动电路1B施加交变信号的驱动信号后，通过在超声波振子2A的摩擦部件13附近产生椭圆振动，该超声波振子2A在上述第1及第2导轨15、16的导引下进行左右驱动。
关于其它作用，与上述第1实施例(参照图2)同样。
根据上述构成例，可以得到在效率良好的状态下进行驱动的超声波致动器2D，另外，通过利用上述构成的超声波振子2A，可以减少部件的数目，也可以抑制个体的差异。另外，由于将超声波振子2A的Q值设计为一定值，在某一按压力下纵1次振动模式和弯曲2次模式的共振频率一致，因此可以更有效地实行上述共振频率检测处理程序。
另外，在本实施例中，超声波振子2A的外部电极12作为压电层叠体的外部表面，配置在该压电层叠体的长度方向的两侧面，但是，不限定于此，也可以如图19的第2变形例所示的，从侧面侧引出外部电极，形成上述压电层叠体的表面，或者配置在与上述压电层叠体的背面对应的位置。
进一步，如图17A所示，上述第1及第2导轨15、16以形成为方柱状为例进行了说明，但是不限定于此，也可以如图18的第1变形例所示的使用圆柱状的材料或者半圆柱状的材料。伴随上述改变，上述摩擦部件13A必须配合上述第1及第2导轨15A、16A的形状，使用形成U字状或者V字状的材料。
接下来，对本实施例的超声波致动器驱动电路1B的构成进行说明。
如图16所示，在超声波致动器驱动电路1B中，上述振荡电路3生成由频率控制电路11B输出的频率控制信号11a所决定的频率的交变信号3a，向功率放大电路4提供生成的交变信号3a。
功率放大器4作为对上述交变信号3a进行功率放大并输出驱动电压信号4a的电路，通过电流检测电路向上述超声波致动器2D提供放大后的驱动电压信号4a。通过该方式，上述超声波致动器2D根据提供的驱动电压信号4a被驱动。
电流检测电路5检测向上述超声波致动器2D施加上述驱动电压信号4a时流过的电流，并作为驱动电流检测信号5a进行输出，向相位差检测电路6及电流振幅检测电路7提供检测出的驱动电流检测信号5a。
相位差检测电路6检测上述驱动电压信号4a和上述驱动电流检测信号5a的相位差，并输出相位差检测信号6a，向上述相位差条件判定电路14提供检测出的相位差检测信号6a。
相位差条件判定电路14在上述相位差检测信号6a相对于频率的变化量超过规定值时，输出相位差条件信号14a，具有例如图中没有示出的微分电路或比较电路等，通过这些电路向上述频率控制电路11B提供生成的上述相位差条件信号14a。
电流振幅检测电路7作为检测上述驱动电流检测信号5a的振幅的电路，向比较电路8A的一个输入端提供检测出的振幅结果信号7a。作为用于进行比较处理的基准的驱动电流阈值信号8a1，从与输出端8A连接的图中没有示出的驱动电流阈值信号发生装置，提供给该比较电路8的另一输入端。
比较电路8A在上述电流振幅检测电路7的振幅结果信号7a低于作为规定值的驱动电流阈值信号8a1时，输出频率设定禁止信号8b，向上述频率控制电路11B提供该频率设定禁止信号8b。
频率控制电路11B是控制本实施例的超声波致动器驱动电路1B整体的控制装置。该频率控制电路11B扫描频率，并将不从比较电路8A输出频率设定禁止信号8b且从相位差条件判定电路14输出相位差条件信号14a的频率，设定为驱动频率的电路。
接下来，参照图20A~20C对本实施例的超声波致动器驱动电路1B作用进行说明。
在上述构成的超声波致动器驱动电路1B中，上述频率控制电路11B以一定的速度从上方向下方扫描例如图20A所示的频率。那么，这时的相位差检测信号6a根据由上述频率控制电路11B进行的频率扫描而变化。由于频率扫描的速度是一定的，因此，通过包含在上述相位差条件判定电路14中的图中没有示出的微分电路，对上述相位差检测信号6a进行微分，可以导出相位差检测信号6a相对于频率的变化量。
因此，上述相位差条件判定电路14通过利用比较电路(图中没有示出)比较上述微分电路(图中没有示出)的输出，可以检测出相位差检测信号6a相对于频率的变化量是否超过规定的值(参照图20C)。将该检测结果即上述比较电路的输出作为相位差条件信号14a，提供给上述频率控制电路11B后，该频率控制电路11B在图20B所示的频率设定禁止信号8b为低电平的有效期间内，识别上述相位差条件信号14a，并使扫描停止，检测出共振频率附近的频率。然后，与上述第1实施例同样，频率控制电路11B将该频率设定为驱动频率。
另外，在本实施例中，上述频率控制电路11B能够如下控制：如图20C所示，由于驱动电流值小，在不能检测相位的频带内，识别从上述比较电路8A输出的上述频率设定禁止信号8b，因此不会将驱动频率设定为与共振频率没有关系的频率。
因此，根据本实施例，通过以上动作，可以回避由于驱动电流小而不能正确求出驱动电压和驱动电流的相位差的区域，可以可靠地将驱动频率设定为共振频率附近的频率，因此，可以进行驱动效率高的超声波致动器2D的驱动。
另外，在本实施例中，对以微分电路和比较电路构成上述相位差条件判定电路14的情况进行了说明，但是，不限定于此，也可以如下构成：离散地扫描频率，存储相对该频率的相位差检测信号，以软件进行上述相位差检测信号相对于频率的变化量及其比较。
在本发明所涉及的上述第1~第3实施例中，超声波致动器可以适用在各实施例中说明的结构的任何一种超声波致动器，或者根据需要对其进行适当组合而构成。
本发明不限定于上述的第1~第3实施例，在不超出发明的宗旨的范围内可以进行种种变形。
在本发明中，在不脱离本发明的精神的范围内，可以在一个宽的范围内进行各种改进。本发明不限于说明书中的具体实施例。