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技術 振動型駆動装置、振動型アクチュエータの駆動方法及び電子機器

出願人 キヤノン株式会社
発明者 住岡潤
出願日 2018年2月1日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2018-016593
公開日 2019年8月8日 (8ヶ月経過) 公開番号 2019-134633
状態 未査定
技術分野 圧電、電歪、磁歪装置 機械的振動の発生装置
主要キーワード 固有静電容量 摩擦エネルギ 等価コンデンサ 機械運動 交換用レンズ LC直列回路 PID演算器 起動性能
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (11)

課題

振動型アクチュエータ起動性を向上させる。

解決手段

振動型駆動装置20は、振動体15と被駆動体11とが接触する振動型アクチュエータ10と、振動型アクチュエータ10の駆動を制御する制御装置21を有する。制御装置21は、コイルを有し、振動体15に印加する交流電圧を出力する共振回路122と、共振回路122の電気共振周波数feを相対的に高い周波数と低い周波数とで切り替え切替信号を出力する電気共振周波数調整部102とを備える。電気共振周波数調整部102は、振動型アクチュエータ10が駆動されずに所定時間が経過した後に振動型アクチュエータ10を起動する場合には電気共振周波数feを高い周波数に設定し、所定時間が経過する前に振動型アクチュエータ10を起動する場合には電気共振周波数feを低い周波数に設定する。

概要

背景

電磁駆動モータとして、電気機械エネルギ変換素子の一例である圧電素子弾性体接合してなる振動体被駆動体とを接触させた振動型アクチュエータが知られている。振動型アクチュエータでは、電気−機械エネルギ変換素子に交流電圧印加することによって振動体に発生させた振動エネルギを、振動体と被駆動体との相対移動という機械運動として取り出すように構成されている。

振動型アクチュエータの駆動装置は、パルス信号を発生するパルス信号発生回路と、圧電素子にコイルトランス増幅した交流電圧を印加する共振回路を備える。振動型アクチュエータでは、圧電素子に印加された交流電圧の周波数振幅位相差によって、振動体と被駆動体との相対移動速度を制御することができる。

ここで、振動型アクチュエータには、振動体と被駆動体との間の摩擦摺動面放置時間の経過に従って薄い水膜が形成され、振動体と被駆動体との間の摩擦力が低下しやすくなることで、特に高負荷の条件では起動時に移動体の移動速度が低下してしまうことがある。この場合、起動直後に設定された速度に達せずに制御不能となり、駆動シーケンス追従することができなくなる可能性がある。

このような問題に対して特許文献1は、振動体に生じさせる楕円運動軌跡を被駆動体の駆動方向と平行な成分が大きい軌跡とすることで摩擦エネルギを発生させて、振動体と被駆動体との摩擦摺動面に存在する水分を除去する制御方法を提案している。こうして、摩擦摺動面の水膜が除去されて摩擦力が回復すると、放置前と同等の性能が得られるようになる。

概要

振動型アクチュエータの起動性を向上させる。振動型駆動装置20は、振動体15と被駆動体11とが接触する振動型アクチュエータ10と、振動型アクチュエータ10の駆動を制御する制御装置21を有する。制御装置21は、コイルを有し、振動体15に印加する交流電圧を出力する共振回路122と、共振回路122の電気共振周波数feを相対的に高い周波数と低い周波数とで切り替え切替信号を出力する電気共振周波数調整部102とを備える。電気共振周波数調整部102は、振動型アクチュエータ10が駆動されずに所定時間が経過した後に振動型アクチュエータ10を起動する場合には電気共振周波数feを高い周波数に設定し、所定時間が経過する前に振動型アクチュエータ10を起動する場合には電気共振周波数feを低い周波数に設定する。

目的

本発明は、振動型アクチュエータの起動性を向上させることが可能な振動型駆動装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

電気機械エネルギ変換素子弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と接触する被駆動体とを有する振動型アクチュエータと、前記振動型アクチュエータの駆動を制御する制御装置と、を有する振動型駆動装置であって、前記制御装置は、コイルを有し、前記電気−機械エネルギ変換素子に印加する交流電圧を出力する共振回路と、前記共振回路の電気共振周波数を相対的に高い周波数と低い周波数とで切り替え切替手段と、を備え、前記切替手段は、前記振動型アクチュエータが駆動されずに所定時間が経過した後に前記振動型アクチュエータを起動する場合には前記電気共振周波数を前記高い周波数に設定し、前記所定時間が経過する前に前記振動型アクチュエータを起動する場合には前記電気共振周波数を前記低い周波数に設定することを特徴とする振動型駆動装置。

請求項2

電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と接触する被駆動体とを有する振動型アクチュエータと、前記振動型アクチュエータの駆動を制御する制御装置と、を有する振動型駆動装置であって、前記制御装置は、コイルを有し、前記電気−機械エネルギ変換素子に印加する交流電圧を出力する共振回路と、前記共振回路の電気共振周波数を相対的に高い周波数と低い周波数とで切り替える切替手段と、を備え、前記切替手段は、前記振動型アクチュエータの起動時に前記電気共振周波数を前記高い周波数に設定することを特徴とする振動型駆動装置。

請求項3

前記切替手段は、前記振動体と前記被駆動体との相対的な移動の往復駆動所定回数を超えるまでは前記電気共振周波数を前記高い周波数に設定し、前記往復駆動が前記所定回数を超えた場合に前記電気共振周波数を前記低い周波数に設定することを特徴とする請求項2に記載の振動型駆動装置。

請求項4

前記切替手段は、前記振動型アクチュエータの起動後に前記振動体と前記被駆動体との相対的な移動速度が所定速度に達すると前記電気共振周波数を前記低い周波数に切り替えることを特徴とする請求項2に記載の振動型駆動装置。

請求項5

前記切替手段は、前記振動型アクチュエータの起動後に前記振動体と前記被駆動体との相対的な移動距離所定距離に達すると前記電気共振周波数を前記低い周波数に切り替えることを特徴とする請求項2に記載の振動型駆動装置。

請求項6

前記切替手段は、前記振動型アクチュエータを起動してからの駆動時間が所定時間に達したときに前記電気共振周波数を前記低い周波数に切り替えることを特徴とする請求項2に記載の振動型駆動装置。

請求項7

前記振動体に励起される振動の振動モードの共振周波数と前記高い周波数との差は、前記共振周波数と前記低い周波数との差よりも大きいことを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。

請求項8

前記共振回路は、前記コイルを少なくとも2つ有し、且つ、前記少なくとも2つのコイルによる前記共振回路のインダクタンスを切り替えるスイッチを有し、前記切替手段は、前記スイッチを切り替えることにより前記電気共振周波数を切り替えることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。

請求項9

前記共振回路は、少なくとも1つのコンデンサと、前記コイルと前記コンデンサによる前記共振回路のインダクタンスを切り替えるスイッチを有し、前記切替手段は、前記スイッチを切り替えることにより前記電気共振周波数を切り替えることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。

請求項10

前記共振回路へパルス信号を入力する第1のパルス信号発生回路と第2のパルス信号発生回路を備え、前記切替手段は、前記第1のパルス信号発生回路と前記第2のパルス信号発生回路のいずれか一方からパルス信号が前記共振回路へ入力されるように切り替えを行い、前記共振回路が、前記共振回路に対して前記第1のパルス信号発生回路が接続されたときと前記第2のパルス信号発生回路が接続されたときとで前記電気共振周波数が異なる値となるよう構成されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。

請求項11

前記第2のパルス信号発生回路が接続されたときの前記共振回路の電気共振周波数が、前記第1のパルス信号発生回路が接続されたときの前記共振回路の電気共振周波数よりも高いことを特徴とする請求項10に記載の振動型駆動装置。

請求項12

前記振動型アクチュエータの起動時に前記電気−機械エネルギ変換素子に印加する駆動電圧または駆動電流を相対的に上げることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。

請求項13

電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と接触する被駆動体とを有する振動型アクチュエータの駆動方法であって、電気共振周波数を相対的に高い周波数と低い周波数とで切替可能に構成された共振回路から出力される交流電圧を前記電気−機械エネルギ変換素子に印加して前記振動型アクチュエータを起動する際に、前記振動型アクチュエータが駆動されずに所定時間が経過した後に前記振動型アクチュエータを起動する場合には前記電気共振周波数を前記高い周波数に設定し、前記所定時間が経過する前に前記振動型アクチュエータを起動する場合には前記電気共振周波数を前記低い周波数に設定することを特徴とする振動型アクチュエータの駆動方法。

請求項14

電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と接触する被駆動体とを有する振動型アクチュエータの駆動方法であって、電気共振周波数を相対的に高い周波数と低い周波数とで切替可能に構成された共振回路から出力される交流電圧を前記電気−機械エネルギ変換素子に印加して前記振動型アクチュエータを起動する際に前記電気共振周波数を前記高い周波数に設定することを特徴とする振動型アクチュエータの駆動方法。

請求項15

請求項1乃至12のいずれか1項に記載の振動型駆動装置と、前記振動型駆動装置が備える振動型アクチュエータの駆動によって位置決めされる部材と、を備えることを特徴とする電子機器

技術分野

0001

本発明は、振動型駆動装置振動型アクチュエータ駆動方法及び電子機器に関し、特に、監視カメラレンズデジタルカメラ交換用レンズ等のリニア駆動等に用いることができる振動型アクチュエータの駆動を制御する技術に関する。

背景技術

0002

電磁駆動モータとして、電気機械エネルギ変換素子の一例である圧電素子弾性体接合してなる振動体被駆動体とを接触させた振動型アクチュエータが知られている。振動型アクチュエータでは、電気−機械エネルギ変換素子に交流電圧印加することによって振動体に発生させた振動エネルギを、振動体と被駆動体との相対移動という機械運動として取り出すように構成されている。

0003

振動型アクチュエータの駆動装置は、パルス信号を発生するパルス信号発生回路と、圧電素子にコイルトランス増幅した交流電圧を印加する共振回路を備える。振動型アクチュエータでは、圧電素子に印加された交流電圧の周波数振幅位相差によって、振動体と被駆動体との相対移動速度を制御することができる。

0004

ここで、振動型アクチュエータには、振動体と被駆動体との間の摩擦摺動面放置時間の経過に従って薄い水膜が形成され、振動体と被駆動体との間の摩擦力が低下しやすくなることで、特に高負荷の条件では起動時に移動体の移動速度が低下してしまうことがある。この場合、起動直後に設定された速度に達せずに制御不能となり、駆動シーケンス追従することができなくなる可能性がある。

0005

このような問題に対して特許文献1は、振動体に生じさせる楕円運動軌跡を被駆動体の駆動方向と平行な成分が大きい軌跡とすることで摩擦エネルギを発生させて、振動体と被駆動体との摩擦摺動面に存在する水分を除去する制御方法を提案している。こうして、摩擦摺動面の水膜が除去されて摩擦力が回復すると、放置前と同等の性能が得られるようになる。

先行技術

0006

特開2016−144262号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかし、従来の摩擦力の回復方法では、振動体と被駆動体を相対移動させないように振動体に振動励起して摩擦力を回復させた後に、振動型アクチュエータの実駆動を可能とするものである。したがって、摩擦力の回復に所定の時間を要するため、振動型アクチュエータを備える電子機器の動作は、特に起動時に制約を受けることになってしまう。

0008

本発明は、振動型アクチュエータの起動性を向上させることが可能な振動型駆動装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

本発明に係る振動型駆動装置は、電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と接触する被駆動体とを有する振動型アクチュエータと、前記振動型アクチュエータの駆動を制御する制御装置と、を有する振動型駆動装置であって、前記制御装置は、コイルを有し、前記電気−機械エネルギ変換素子に印加する交流電圧を出力する共振回路と、前記共振回路の電気共振周波数を相対的に高い周波数と低い周波数とで切り替え切替手段と、を備え、前記切替手段は、前記振動型アクチュエータが駆動されずに所定時間が経過した後に前記振動型アクチュエータを起動する場合には前記電気共振周波数を前記高い周波数に設定し、前記所定時間が経過する前に前記振動型アクチュエータを起動する場合には前記電気共振周波数を前記低い周波数に設定することを特徴とする。

発明の効果

0010

本発明によれば、振動型アクチュエータの起動性を向上させることができる。

図面の簡単な説明

0011

本発明の実施形態に係る振動型駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
振動型アクチュエータの駆動原理を説明する図である。
レンズ鏡筒に配置されるレンズ駆動ユニットの構成を説明する図である。
制御装置内の駆動部の構成を説明する回路図である。
駆動部内の共振回路が出力する交流電圧の周波数特性を示す図である。
駆動部を操作する切替信号タイミングチャートである。
振動型アクチュエータの起動性能を本実施形態に係る制御装置と従来の制御装置とで比較した図である。
共振回路の交流電圧波形を本実施形態に係る制御装置と従来の制御装置とで比較した図である。
共振回路の変形例を説明する回路図である。
駆動部の変形例を説明する回路図である。

実施例

0012

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る振動型駆動装置20の概略構成を示すブロック図である。振動型駆動装置20は、振動型アクチュエータ10、制御装置21及び位置センサ24を有する。制御装置21は、制御部100及び駆動部120を有する。制御部100は、指令部101、電気共振周波数調整部102、制御演算部103、相対速度検出部104及び相対位置検出部105を有する。駆動部120は、パルス信号発生回路121及び共振回路122を有する。振動型アクチュエータ10は、振動体15及び被駆動体11を有するリニア駆動型アクチュエータ(モータ)である。

0013

指令部101によって振動体15と被駆動体11の相対位置(以下では単に「相対位置」と記す)の時間毎指令値が生成され、相対位置検出部105で検出された相対位置との差分が位置偏差として制御演算部103で演算される。フィードバック制御を行う制御演算部103は、位置偏差に基づいて制御信号を演算し、生成した制御信号を駆動部120へ出力する。制御演算部103には、例えば、PID演算器等が用いられるが、これに限定されるものではない。制御信号は、位置偏差を交流電圧の制御パラメータである位相差、周波数及びパルス幅に変換したものである。位相差、周波数及びパルス幅の各制御量に基づいて、振動型アクチュエータ10の駆動速度と駆動方向が制御される。なお、駆動速度とは、振動体15と被駆動体11の相対的な移動速度(以下では単に「相対速度」と記す)であり、駆動方向とは、振動体15と被駆動体11のうちのいずれか一方の移動体の移動方向である。

0014

パルス信号発生回路121では、位相差、周波数及びパルス幅の情報に基づいて、位相の異なる2相のパルス信号が生成される。共振回路122は、コイルとトランスを有し、振動体15を構成する電気−機械エネルギ変換素子の一例である圧電素子(不図示)へ所望の振幅に昇圧された交流電圧を印加する。これにより振動体15に振動が励起されて、被駆動体11が駆動される。被駆動体11に取り付けられた位置センサ24の出力信号は、相対速度検出部104と相対位置検出部105へ入力される。相対位置検出部105は相対位置を検出し、検出された相対位置は制御演算部103にフィードバックされ、振動型アクチュエータ10は時間毎の指令値に追従するように制御される。相対速度検出部104は、振動型アクチュエータ10の駆動速度(振動体15と被駆動体11の相対速度)を検出し、検出した駆動速度を電気共振周波数調整部102へ入力する。

0015

電気共振周波数調整部102は、指令部101から指令を受けて、共振回路122の電気共振周波数を相対的に高い周波数と低い周波数とで切り替える切替信号を出力する。共振回路122は、詳細は後述するが、切替信号により電気共振周波数を相対的に高い周波数と低い周波数とで切替可能な構造となっている。切替信号は、振動型アクチュエータ10の放置時間(無通電状態継続時間)や駆動速度に基づいて制御される。本実施形態では、詳細は後述するが、振動型アクチュエータ10を所定時間放置した後の起動時には、電気共振周波数を相対的に高い周波数に設定する。これにより、詳細は後述するが、振動型アクチュエータ10を起動する際の起動性を向上させることができる。

0016

制御装置21の詳細について説明する前に、振動型アクチュエータ10の構成及び駆動原理と、振動型アクチュエータ10の適用例について説明する。

0017

図2は、振動型アクチュエータ10の駆動原理を説明する図である。図2(a)は、振動型アクチュエータ10の概略構成を示す斜視図である。図2(b)は、圧電素子14の厚み方向と直交する一方の面に形成されている電極パターンを示す図である。図2(c)は、振動体15に励起される第1の振動モードを説明する模式図である。図2(d)は、振動体15に励起される第2の振動モードを説明する模式図である。

0018

振動型アクチュエータ10は、板状の弾性体13に板状の圧電素子14が接着されて構成される振動体15と、振動体15からの駆動力を受ける被駆動体11を有する。弾性体13において圧電素子14が接着されている面の反対側の面には、突起部12が形成されている。圧電素子14には、長手方向で2等分された電極領域が形成されており、各電極領域における分極方向は厚み方向において同じ向き(+)となっている。なお、圧電素子14の厚み方向と直交する他方の面には、共通電極GND電極)が形成されている。

0019

図2(b)に示す2つの電極領域のうち、右側の電極領域には交流電圧VBが印加され、左側の電極領域には交流電圧VAが印加される。交流電圧VB,VAを第1の振動モードの共振周波数付近の周波数で、且つ、同位相の交流電圧とすると、圧電素子14の全体(2つの電極領域)がある瞬間には伸び、別の瞬間には縮む。その結果、図2(c)に示す第1の振動モードの振動を振動体15に発生させることができる。また、交流電圧VB,VAを第2の振動モードの共振周波数付近の周波数で、且つ、位相が180°ずれた交流電圧とすると、ある瞬間には、圧電素子14の右側の電極領域がX方向に縮むと共に左側の電極領域がX方向に伸び、別の瞬間には逆の変位が生じる。その結果、図2(d)に示す第2の振動モードの振動が振動体15に発生させることができる。

0020

第1の振動モードの振動と第2の振動モードの振動を合成することにより、突起部12の先端にZX面での楕円運動を生じさせることができ、突起部12は被駆動体11に対して被駆動体11をX方向に移動させる摩擦駆動力を与える。このとき、振動体15が固定されていれば、被駆動体11が移動体となって図2(a)に示す駆動方向に移動し、被駆動体11が固定されていれば、振動体15が移動体となって図2(a)に示す駆動方向に移動する。第1の振動モードと第2の振動モードの発生比は、圧電素子14の長手方向に2等分された各電極へ入力する交流電圧VB,VAの位相差を変えることにより変更することができる。つまり、振動型アクチュエータ10では、第1の振動モードと第2の振動モードの発生比を変えることにより移動体の駆動速度を調節することができる。

0021

図3は、レンズ鏡筒に配置されたレンズ駆動ユニット30の構成を説明する図である。レンズ駆動ユニット300は、振動体301、レンズホルダ302、第1のガイドバー303、第2のガイドバー304、加圧磁石305、レンズ306及び不図示の基体から構成される。なお、振動体301は、図2を参照して説明した振動体15と同等である。第2のガイドバー304は、図2(a)を参照して説明した被駆動体11に対応する。

0022

第1のガイドバー303と第2のガイドバー304は、不図示の基体によって両端が保持されることによって、互いに平行に配置されている。レンズホルダ302は、レンズ306を保持する円筒状のホルダ部302a、振動体301及び加圧磁石305を固定して保持する保持部302b、第1のガイドバー303と嵌合してガイドの作用をなす第1のガイド部302cを有する。第1のガイド部302cは、第1のガイドバー303と摺動自在に嵌合している。レンズ306は、具体的には、ズームレンズ又はフォーカスレンズである。

0023

加圧磁石305は永久磁石であり、加圧磁石305と第2のガイドバー304との間に磁気回路が形成され、これらの部材間には吸引力が発生している。加圧磁石305は第2のガイドバー304とは間隔を設けて配置されており、第2のガイドバー304は振動体301と接するように配置されている。加圧磁石305により発生する吸引力によって、第2のガイドバー304と振動体301との間に加圧力が与えられる。その際、振動体301の2箇所の突起部(図3に不図示、図2(a)の突起部12に相当するもの)が第2のガイドバー304と加圧接触することにより、第2のガイド部が形成される。

0024

なお、第2のガイド部は磁気による吸引力を利用してガイド機構を形成しており、外力を受ける等した場合に振動体301と第2のガイドバー304が引き離される状態が生じる可能性があるが、これに対しては、次のように対処されている。すなわち、レンズホルダ302に備えられる脱落防止部302dが第2のガイドバー304に当接することで、レンズホルダ302が所定位置に戻るように対策が取られている。

0025

振動体301を構成する不図示の圧電素子には不図示のフレキシブルプリント基板が接続されている。制御装置21(図3に不図示)からフレキシブルプリント基板を通じて振動体301の圧電素子に所定の交流電圧を与えることにより、振動体301と第2のガイドバー304との間に駆動力を発生させる。この駆動力により、レンズ306の光軸方向(第1のガイドバー303と第2のガイドバー304の軸方向)でレンズホルダ302を駆動する(移動させる)ことができる。つまり、レンズ駆動ユニット300は、図2(a)を参照して説明した振動型アクチュエータ10を構成する被駆動体11を固定すると共に振動体15を移動体とし、振動体15をレンズに連結させてレンズを光軸方向に移動させるものである。よって、レンズ駆動ユニット300の駆動制御は、制御装置21によって行うことができる。

0026

次に、制御装置21の構成と動作について詳細に説明する。図4は、制御装置21内の駆動部120の構成を説明する回路図である。説明の便宜上、ここでは1相分の交流電圧を出力する構成について説明する。前述したように、駆動部120は、パルス信号発生回路121及び共振回路122を有する。パルス信号発生回路121は、不図示の制御信号に応じて矩形のパルス信号A1,A2を出力する発振器と、パルス信号A1,A2によってスイッチング素子オンオフ制御されて交流電圧を出力するスイッチング回路(Hブリッジ回路)を有する。ここで、パルス信号A1とパルス信号A2とでは、位相が180度ずれている。スイッチング回路には、直流電源を供給するDC-DCコンバータ回路(不図示)等が接続されており、パルス信号A1,A2に応じた交流電圧がスイッチング回路から出力される。なお、パルス信号A1,A2は、PWM(パルス幅変調)制御によって所望のパルス幅(パルスデューティ)及び振幅となるように調整され、パルス幅は制御演算部103から入力された制御信号に従って設定される。

0027

スイッチング回路から出力された交流電圧は、トランス404と2つのコイル402,403で構成される共振回路122によって所定の電圧に昇圧される。昇圧された交流電圧はフィルタ効果によって矩形からsin波形に変換されて圧電素子14に印加される。振動型アクチュエータ10は、圧電素子14に印加された交流電圧の周波数、振幅、位相差等によって駆動速度を制御することができる。

0028

ここで、圧電素子14の等価回路について説明する。圧電素子14の等価回路は、振動体15の機械的振動部分のRLC直列回路と、RLC直列回路に並列に接続された圧電素子14の固有静電容量Cdとしてのコンデンサ406により構成される。RLC直列回路は、自己インダクタンスLmの等価コイル407と、静電容量Cmの等価コンデンサ408と、抵抗値Rmの等価抵抗409により構成される。振動体15の共振周波数fmは、自己インダクタンスLmと静電容量Cmによって決まる。

0029

共振回路122の電気共振周波数feは、トランス404、コイル402,403、固有静電容量Cdによって決まる。共振回路122は、スイッチ401でコイル403を切り替えてインダクタンスを変化させることによって電気共振周波数feを調整する。スイッチ401を操作する切替信号は、振動型アクチュエータ10の駆動中に電気共振周波数feを変更することができるように制御される。振動型アクチュエータ10の起動時にはスイッチ401をオンして電気共振周波数feを相対的に高い値に設定して起動性を向上させ、駆動速度が所定速度に達したらスイッチ401をオフして電気共振周波数feを相対的に低い値に切り替えるようにする。

0030

スイッチ401の切替操作による電気共振周波数feの変更は、振動型アクチュエータ10の摩擦摺動面の状態に応じて判断すればよい。例えば、スイッチ401のオン操作は、振動型アクチュエータ10の駆動が停止された状態(放置された状態)で予め定められた一定時間が経過した後に振動型アクチュエータ10を起動する場合に実行されるようにすればよい。例えば、振動型アクチュエータ10の駆動停止時からの経過時間を計測するタイマを制御装置21に設け、タイマの計測時間が予め定められた一定時間を超えたか否かを電気共振周波数調整部102が判定してスイッチ401のオン/オフを自動設定する構成とする。但し、振動型アクチュエータ10の起動時に常にスイッチ401をオンに設定する構成とする場合には、このようなタイマは不要である。これは、前述したように、振動型アクチュエータ10は、放置時間の経過に伴って摩擦摺動面(突起部12と被駆動体11の摩擦摺動面)に薄い水膜が形成されて滑りやすくなり、起動時の速度が低下するからである。

0031

また、移動体の往復駆動によって摩擦摺動面の水膜を除去することができるため、スイッチ401をオンして、起動開始から所定回数の移動体の往復駆動が完了するまではスイッチ401のオン状態を維持する。そして、所定回数の移動体の往復駆動が完了した時点では、摩擦摺動面の水膜が除去されたものとみなして、スイッチ401をオフするようにしてもよい。

0032

振動型アクチュエータ10の起動時に電気共振周波数feを高い値に調整する制御に加えて、駆動電圧又は駆動電流を上げるようにすれば、起動性を更に向上させることができる。具体的には、振動型アクチュエータ10の起動時にパルス信号発生回路121から出力されるパルス信号のパルス幅を広くするか又はパルス信号発生回路121の電源電圧を大きくすればよい。

0033

図5は、駆動部120の共振回路122が出力する交流電圧の周波数特性を示す図であり、振動体15の共振周波数fmと電気共振周波数feの関係を説明するものである。図5(a),(b)の各図において、横軸は周波数であり、縦軸は交流電圧の振幅である。

0034

図5(a)は、スイッチ401がオフ状態となっている状態での共振回路122の特性を示しており、2つのコイル402,403のインダクタンスの和によって電気共振周波数feは低い方の値である150kHzに調整されている状態を示している。図5(b)は、スイッチ401がオン状態となっている状態での共振回路122の特性を示しており、コイル402のインダクタンスによって電気共振周波数feは高い方の値である185kHzに調整されている状態を示している。

0035

電気共振周波数feは、下記式1により算出される。ここで、Lpは下記式2により算出されるインダクタンス、Nはトランス404の巻線比、Cdは圧電素子14のコンデンサ406の固有静電容量である。インダクタンスLpは、インダクタンスL1,L3を用いて算出される。インダクタンスL1は、図5(a)の場合はコイル402とコイル403のインダクタンスの合計値であり、図5(b)の場合はコイル402のインダクタンスの値である。コイル402,403のインダクタンスがそれぞれ2μHである場合、インダクタンスL1は、図5(a)の場合は4μHとなり、図5(b)の場合は2μHとなる。インダクタンスL3は、トランス404の1次巻線コイルのインダクタンスであり、本実施形態では6.25μHである。また、本実施形態では、トランス404の巻線比Nは20倍、固有静電容量Cdは0.92nFである。なお、駆動周波数は90〜100kHzの間で操作される。

0036

0037

振動体15の共振周波数fmは、スイッチ401のオン/オフに関係なく、90kHzである。図5(a)では電気共振周波数feが低い方の値(150kHz)に調整されているために交流電圧の高調波成分は小さく、よって、回路損失は低減されるが、起動性は低下してしまう。図5(b)では電気共振周波数feは高い方の値(185kHz)に調整されているため、図5(b)の設定の電気共振周波数feの方が図5(a)の設定の電気共振周波数feよりも35kHzだけ共振周波数fmから離れている。共振周波数fmと電気共振周波数feとの差を相対的に起動時に通常駆動時よりも大きくすることで、共振回路122が振動体15の影響を受け難くなって交流電圧が安定する。これにより、振動型アクチュエータ10の起動性を向上させことができる。その反面、高調波成分が増えるために回路効率は低下する。そこで、振動型アクチュエータ10の起動後に移動体が所定の駆動速度に達したら、スイッチ401をオフして電気共振周波数feを低い方の値に変更して回路効率を向上させる。

0038

図6は、駆動部120を操作する切替信号のタイミングチャートである。切替信号は、共振回路122のスイッチ401(図4参照)のオン/オフを切り替える信号である。通電オフ停止状態が所定時間続いている(つまり、所定時間、放置されていた)振動型アクチュエータ10が、時刻t1において起動指令によって起動される。このとき、電気共振周波数feは、切替信号がスイッチ401をオンにすることにより、高い方の値に調整される。振動型アクチュエータ10の駆動速度が所定速度に達した時刻t2のタイミングで、切替信号によりスイッチ401はオフされ、電気共振周波数feが低い方の値へ調整される。つまり、振動型アクチュエータ10の摩擦摺動面において摩擦力(保持力)が時刻t2で十分に回復したと判断される。時刻t3で振動型アクチュエータ10(圧電素子14)への交流電圧の印加を停止し(通電をオフし)、これにより振動型アクチュエータ10の駆動は停止される。

0039

つまり図6では、時刻t1〜t3までの駆動期間において、時刻t1〜t2の起動時間では電気共振周波数feは185kHz(図5(b))に設定され、時刻t2〜t3の通常駆動期間では電気共振周波数feは150kHz(図5(a))に設定される。本実施形態では、電気共振周波数feを切り替える判断基準は、駆動中に所定の駆動速度に達したか否かであり、所定の駆動速度に達した時点で低い方の値へ切り替えている。但し、これに限らず、振動型アクチュエータ10の起動後に移動体の移動距離所定距離に達したときに電気共振周波数feを低い方の値へ切り替えるようにしてもよい。また、振動型アクチュエータ10を起動してからの駆動時間が所定時間に達したときに電気共振周波数feを低い方の値へ切り替えるようにしてもよい。

0040

図7は、振動型アクチュエータ10の初期の起動性能と常温環境で24時間放置した後の起動性能を比較した結果である。図7(a),(b)において、横軸は駆動開始からの経過時間であり、縦軸は駆動速度である。なお、初期の駆動性能とは、振動型アクチュエータ10の製造後に一定時間の慣らし運転を行った後、放置時間を設けることなく駆動したときの駆動性能である。

0041

図7(a)は、従来の駆動装置を用いた場合の起動特性を示しており、放置後では駆動速度が低下し、同じ速度に達するまで時間を要していることと、最高速度が低下していることがわかる。これに対して、図7(b)は、本実施形態に係る制御装置21を用いた場合の起動特性を示しており、放置後であっても駆動速度の低下が抑制されており、初期の機動性能に近い機動性能が得られていることがわかる。

0042

図8は、常温環境で24時間放置した後の振動型アクチュエータ10を起動した直後の共振回路の交流電圧波形を示す図である。図8(a),(b)はそれぞれ、従来の駆動装置による起動直後の2相(第1相、第2相)の交流電圧波形であって、駆動周波数が99kHzの場合と96kHzの場合を示している。2相の交流電圧の振幅差は、駆動周波数が99kHzの場合には小さいのに対して、駆動周波数が96kHzの場合には大きくなっていることがわかる。これは、長時間放置された後の振動型アクチュエータ10では摩擦摺動面が滑りやすい状態となっているため、駆動周波数が低くなって振動体15の共振周波数fmに近付くと、その影響が大きくなるためである。2相の交流電圧の振幅差が大きくなると、振動体15の駆動力となる振動波形理想的な形状から崩れてしまうため、駆動速度の低下が著しくなってしまう。

0043

図8(c),(d)はそれぞれ、本実施形態に係る制御装置21による起動直後の2相の交流電圧波形であって、駆動周波数が99kHzの場合と96kHzの場合を示している。駆動周波数が96kHzの場合の2相の交流電圧の振幅差が、従来(図8(b))に比べて小さくなっている。これは、共振回路122の電気共振周波数feを従来よりも高くして、振動体15の共振周波数fmから従来よりも離すようにしたことで、摩擦摺動面での滑りの影響を受け難くなった結果である。つまり、振動型アクチュエータ10の摩擦摺動面が滑りやすい状態となっている場合には、振動体15の機械的振動部分の抵抗値Rmが変動する。共振回路の電圧振幅はその影響を受けて変化するが、お互いの共振周波数を離すことで電気的な干渉緩和することができる。

0044

次に、図5に示した共振回路122の変形例について説明する。図9(a)は、共振回路122の第1の変形例である共振回路602の回路図であり、共振回路602は、並列接続された2つのコイル604,605をスイッチ603で切り替えるように構成されている。例えば、コイル604,605のインダクタンスはそれぞれ4μHである。振動型アクチュエータ10の起動時に切替信号によりスイッチ603をオンすれば、インダクタンスは半分の2μHとなり、共振回路602の電気共振周波数feは高い方の値に設定される。起動期間が終了すると切替信号によりスイッチ603がオフされてインダクタンスは4μHとなり、共振回路602の電気共振周波数feは低い方の値に設定される。

0045

図9(b)は、共振回路122の第1の変形例である共振回路610の回路図であり、共振回路610は、コンデンサ613を用いて電気共振周波数feを切り替える。共振回路610は、コイル612、コンデンサ613及びスイッチ611を有する。振動型アクチュエータ10の起動時には、切替信号によりスイッチ611をオフすれば、コイル612に直列接続されたコンデンサ613によって共振回路602の電気共振周波数feは高い方の値に設定される。起動期間が終了すると切替信号によりスイッチ611をオンすることでコンデンサ613は無効となり、共振回路610の電気共振周波数feは低い方の値に設定される。図9に示した共振回路602,610は一例であり、これら以外の構成であっても、共振回路の電気共振周波数feを切り替えることができれば、制御装置21への適用が可能である。

0046

続いて、図5に示した駆動部120の変形例について説明する。図10は、駆動部120の変形例である駆動部700の回路図である。駆動部700は、第1のパルス信号発生回路121aと、第2のパルス信号発生回路121bと、これら2つのパルス信号発生回路を切り替えるスイッチ701と、共振回路702を有する。共振回路702は、2つのコイル703,704と、トランス705を有する。ここで、例えば、コイル703,704のインダクタンスはそれぞれ2μHである。また、トランス705の1次巻線コイルのインダクタンスは6μH、2次巻線コイルのインダクタンスは2.5mHである。また、駆動周波数は、90〜100kHzの間とする。

0047

スイッチ701を切替信号によって操作することにより、制御信号は第1のパルス信号発生回路121aと第2のパルス信号発生回路121bのいずれか一方に入力される。振動型アクチュエータ10の起動時には、スイッチ701を第2のパルス信号発生回路121bに接続し、コイル703を経由させずにコイル704から電流が流れるように設定する。これにより、コイル704のインダクタンスのみによって電気共振周波数feは高い方の値に調整され、前記の各値によって185kHzとなる。起動期間が終了すると切替信号によりスイッチ701を第1のパルス信号発生回路121aに切り替え、コイル703,704を経由して電流が流れるように設定する。これにより、共振回路702の電気共振周波数feは低い方の値に調整され、前記の各値によって150kHzとなる。ここで、振動体15の共振周波数fmが前述したように90kHzである場合、電気共振周波数feは、起動期間終了後よりも起動時において35kHzだけ高くなって、振動体15の共振周波数fmから離れるため、起動性を向上させることができる。

0048

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

0049

例えば、上記実施形態では、電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子14を2相に分けて駆動する2相駆動の制御装置を取り上げたが、本発明は、2相駆動に限定されるものではなく、3相以上で駆動する振動型アクチュエータにも適用が可能である。また、上記実施形態では、振動型駆動装置20の適用例としてレンズ駆動ユニット300を取り上げたが、振動型駆動装置20の適用例はこれに制限されるものではない。振動型駆動装置20は、振動型アクチュエータ10の駆動による位置決めが必要とされる部品を備える電子機器に広く適用が可能である。

0050

10振動型アクチュエータ
11被駆動体
15振動体
20振動型駆動装置
21制御装置
102電気共振周波数調整部
121a 第1のパルス信号発生回路
121b 第2のパルス信号発生回路
122,602,610,702共振回路
300レンズ駆動ユニット
401,603,611,701 スイッチ
402,403,604,605,612,703,704コイル
406,613 コンデンサ

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