JP4261964B2 - Vibration type driving device and control system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性体に振動を発生させ、この振動エネルギを利用して被駆動体に駆動力を与える振動波モータ等の振動型駆動装置に関するものである
【0002】
【従来の技術】
これまでに被駆動体を直線方向に駆動するタイプの振動波モータには、さまざまな提案がなされている。
【0003】
例えば、角棒状に形成された弾性体の一側面における所定位置に複数の突起部が設けられているとともに、上記弾性体のうち突起部が設けられた面と反対側の面に圧電素子が配置された振動波モータにおいて、圧電素子に交流電圧を印加することにより、弾性体に屈曲共振振動と、長さ方向共振振動(縦振動)を同時に発生させ、突起部に楕円運動を生じさせるものがある(第1の従来例、例えば、特許文献1参照)。
【0004】
この構成では、突起部に被駆動体を加圧接触させることにより、被駆動体を突起部の楕円運動によって直線的に駆動することができるようになっている。
【0005】
一方、矩形の板状に形成された弾性体に異なる2つの曲げ振動モードを励起し、2つの曲げ振動モードの組み合わせで所定の質点(突起部等)に楕円運動を生じさせる振動波モータがあ(第2の従来例、例えば、特許文献2参照)。
【0006】
ここで、2つの曲げ振動モードのうち一方の曲げ振動モード(第1振動モードと呼ぶことにする)は、図2の(a−1)、(a−2)に示すように、十字状の節を有する振動モードとなっている。また、他方の曲げ振動モード(第2振動モードと呼ぶことにする)は、図2の(b−1)、(b−2)に示すように、所定方向に対して平行な2つの節を有する振動モードとなっている。
【0007】
そして、上述した2つの曲げ振動モードを発生させるために、図3に示すような電極パターンを持つ圧電素子を使用している。図3において、3Aは第1振動モードを発生させるための圧電素子であり、3Bは第2振動モードを発生させるための圧電素子である。図中の「+」記号および「−」記号は分極方向を示している。
【0008】
圧電素子3Aでは、第1振動モードにおける十字状の節と一致するように電極の境界部が存在しており、この4分割された電極に第1振動モードの共振周波数付近の周波数の交流信号(Va)を印加すると、第1振動モードの振動が発生する。一方、圧電素子3Bに第2振動モードの共振周波数付近の周波数の交流信号(Vb)を印加すると、弾性体には第2振動モードの振動が発生する。
【0009】
このため、圧電素子3Aおよび圧電素子3Bを積層して、弾性体に取り付けることにより、弾性体上に2つの曲げ振動モードを発生させることができ、この2つの曲げ振動モードの合成によって所定の質点に生じる楕円運動によって被駆動体を駆動することができる。
【0010】
一方、2つの曲げ振動モードを発生させる圧電素子としては、図4に示すように、複数の圧電素子を積層せずに単一の層で構成された圧電素子を用いることもできる。図4において、電圧信号Vaに接続されている電極は第1振動モード発生用の圧電素子であり、電圧信号Vbに接続されている電極は第2振動モード発生用の圧電素子である。
【0011】
【特許文献1】
特公平6−106028号公報
【特許文献2】
特開平6−311765号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第1の従来例における振動波モータの構成においては、長さ方向共振振動(縦振動)を使用しているため、弾性体を小型化しようとすると共振周波数が高くなりすぎてしまうという問題があり、振動波モータの小型化には限界がある。
【0013】
一方、第2の従来例における振動波モータでは、2つの曲げ振動モードを組み合わせたものであるため、第1の従来例と比べると弾性体(振動波モータ)を小型化することができる。また、矩形の弾性体の長辺と短辺の比を変更することにより、各曲げ振動モードにおける共振周波数を一致させることができるため、第1の従来例と比べて共振周波数の調整を行い易く、駆動効率が良いアクチュエータを実現することが可能となっている。
【0014】
しかしながら、第2の従来例においては、振動体に複数の振動モードを励振させるために、それぞれの振動モードを発生するための専用の電極を有する圧電素子が必要となる。これにより、複雑な電極パターンの圧電素子を使用したり、圧電素子を積層して使用したりする必要があるため、製造工程やコスト等の点で好ましいものとはいえない。
【0015】
また、電極パターンごとに分極方向が異なるため、分極処理の工程が複雑となるだけでなく、分極方向が異なる電極の境界付近において圧電素子の剛性が変化してしまうという問題点もある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は、弾性体および、弾性体に固着された電気−機械エネルギ変換素子備えた振動体と、弾性体と接触する被駆動体とを有する振動型駆動装置であって、電気−機械エネルギ変換素子は、この電気−機械エネルギ変換素子のうち第1の領域を伸縮させるための第1の電極と、この電気−機械エネルギ変換素子のうち第1の領域と隣り合う第2の領域を伸縮させるための第2の電極と、を有し、振動体は、第1の領域と第2の領域が共に伸張又は収縮する第1の曲げ振動モード第1の領域が伸張するときに第2の領域が収縮するとともに、第1の領域が収縮するときに第2の領域が伸張する第2の曲げ振動モードと、を形成することが可能であり、第1の曲げ振動モードおよび第2の曲げ振動モードの組み合わせによって生じた振動により振動体および被駆動体を相対的に駆動することを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図5は、本発明の第1実施形態である振動波アクチュエータにおける振動体1の外観斜視図である。図5において、4は金属材料からなり、矩形の板状に形成された弾性体であり、5は弾性体4の裏面に接合された圧電素子(電気−機械エネルギ変換素子)であり、6は弾性体4の上面に設けられた突起部である。
【0018】
突起部6は、この先端において後述するように被駆動体に接触する。ここで、突起部6の先端には、摩擦係数や耐摩耗性に優れた接触部を設けることができる。また、突起部6は、プレス加工等により弾性体4と一体的に形成したり、弾性体4とは別に形成してから弾性体4に固定したりすることができる。
【0019】
突起部6および弾性体4を一体的に形成すれば、これらを別々に形成する場合に比べて、弾性体1の組み立て工数を減らすことができるとともに、部品(突起部6)の位置合わせを行う必要がないことで部品間のバラツキを防止することができる。
【0020】
本実施形態の振動体1は、後述するように2つの曲げ振動モードを励起することができ、この2つの曲げ振動モードを組み合わせることにより突起部6の先端に楕円運動を生じさせるものである。
【0021】
ここで、振動体1の形状は、上記の2つの曲げ振動モードの共振周波数が略一致するように形成されている。具体的には、弾性体4の長手方向の寸法(長辺)と、長手方向と直交する方向の寸法(短辺)を適宜設定することにより、2つの曲げ振動モードの共振周波数を一致させることができる。
【0022】
以下、振動体1に励起される2つの曲げ振動モードについて説明する。
【0023】
図6は、2つの曲げ振動モードを表した図である。図6(a)に示す振動モードは、2つの曲げ振動モードのうち一方の曲げ振動モード(Aモードと呼ぶ)を表している。このAモードは、矩形の振動体1(弾性体4)の長辺方向(矢印X方向)における2次の屈曲振動であり、短辺方向(矢印Y方向)と平行な3本の節を有している。
【0024】
ここで、突起部6は、Aモードの振動で節となる位置の近傍に配置されており、Aモードの振動により矢印X方向で往復運動を行う。このように突起部6を配置することにより、突起部6を矢印X方向で最も大きく変位させることができる。
【0025】
また、図6(b)に示す振動モードは、2つの曲げ振動モードのうち他方の曲げ振動モード(Bモードと呼ぶ)を表している。このBモードは、矩形の振動体1(弾性体4)の短辺方向(矢印Y方向)における1次の屈曲振動であり、長辺方向(矢印X方向)と平行な2本の節を有している。
【0026】
ここで、Aモードにおける節と、Bモードにおける節は、XY平面内において略直交するようになっている。
【0027】
また、突起部6は、Bモードの振動で腹となる位置の近傍に配置されており、Bモードの振動により矢印Z方向で往復運動を行う。このように突起部6を配置することにより、突起部6を矢印Z方向で最も大きく変位させることができる。
【0028】
すなわち、上述したようにAモードの節とBモードの節を略直交させることにより、Aモードの節の位置とBモードの腹の位置とを一致させることができ、この位置に突起部6を配置することにより、突起部6の振動変位を最も大きくすることができ、高出力を得ることができるようになる。
【0029】
そして、上述したように突起部6をX方向およびZ方向で大きく変位させることにより、突起部6に接触する被駆動体に対して大きな駆動力を与えることができる。
【0030】
なお、2つの突起部6を、弾性体4の中心を通るXZ平面又はYZ平面に対して対称に配置すれば、突起部6においてスライダ7(図7)から受ける反力を振動体1は偏り無く受けることができる。また、スライダ7と突起部6の相対位置関係が安定するため、環境や負荷の変動等の影響を受けずに振動体1の出力を安定させることができる。
【0031】
上述したAモードとBモードの振動を所定の位相差で発生させることにより、突起部6の先端に楕円運動を発生させることができる。突起部6の先端には、図7に示すように、被駆動体であるスライダ7が加圧接触するようになっており、スライダ7は突起部6の楕円運動によって矢印L方向に移動することができる。
【0032】
振動体1に上述のAモードおよびBモードの振動を発生させるために、従来技術と同様な考え方で圧電素子の電極パターンを構成すると、図8に示すような電極パターンになる。図8において、「+」記号および「−」記号は分極方向を表す。
【0033】
図8に示す圧電素子のうち電圧信号(Va)が接続されている4つの電極領域は、Aモードの振動を発生させるための電極領域である。VaにAモードの共振周波数付近の周波数の交流電圧を印加すると、ある瞬間には4つの電極領域のうち「+」に分極処理された2つの電極領域(圧電素子)が伸びるとともに、「−」に分極処理された2つの電極領域(圧電素子)が縮むことになる。
【0034】
また、別の瞬間には「+」に分極処理された電極領域(圧電素子)が縮むとともに、「−」に分極処理された電極領域(圧電素子)が伸びることになる。この結果、Aモードの振動が発生する。
【0035】
一方、図8に示す圧電素子のうち電圧信号(Vb)が接続されている1つの電極領域は、Bモードの振動を発生させるための電極領域である。VbにBモードの共振周波数付近の周波数の交流電圧を印加すると、圧電素子の短辺方向(Y方向)の中央部分が伸縮するため、振動体にはBモードの振動が発生する。
【0036】
ここで、VaとVbの交流電圧を位相の90°ずれた同一の周波数(本実施形態では、AモードおよびBモードの共振周波数付近の周波数)とすることにより、突起部6上に楕円運動が発生する。
【0037】
図1は、本実施形態である圧電素子の電極パターンを示した図である。図1に示すように、圧電素子5には、この長手方向(X方向)で2等分された電極領域が形成されている。また、各電極領域における分極方向は、同一方向(「+」)となっている。
【0038】
圧電素子5の2つの電極領域のうち図1中右側に位置する電極領域には交流電圧(V1)が印加され、左側に位置する電極領域には交流電圧(V2)が印加される。
【0039】
図1において、V1およびV2をAモードの共振周波数付近の周波数で、かつ位相が180°ずれた交流電圧とすると、ある瞬間には、右側の電極領域の圧電素子が縮むとともに、左側の電極領域の圧電素子が伸びる。また、別の瞬間には逆の関係となる。この結果、振動体1にはAモードの振動が発生することになる。
【0040】
また、V1およびV2をBモードの共振周波数付近の周波数で、かつ同位相の交流電圧とすると、圧電素子全体(2つの電極領域)がある瞬間には伸び、また別の瞬間には縮むことになる。この結果、振動体1にはBモードの振動が発生することになる。
【0041】
なお、圧電素子5における2つの電極領域のうち一方の電極領域における分極方向を「+」とし、他方の電極領域における分極方向を「−」とすることもできる。
【0042】
この場合には、上記の2つの電極領域それぞれに、Aモードの共振周波数付近の周波数で、かつ同位相の交流電圧(V1、V2)を印加することにより、振動体1にAモードの振動を発生させることができる。また、上記の2つの電極領域それぞれに、Bモードの共振周波数付近の周波数で、かつ位相が180°ずれた交流電圧(V1、V2)を印加することにより、振動体1にBモードの振動を発生させることができる。
【0043】
ここで、V1やV2と、AモードおよびBモードとの関係について、図9を用いて説明する。
【0044】
上述した図1を用いた説明によれば、「V1」と「−V2」のベクトルの合成がAモードを示すベクトルとなり、「V1」と「V2」のベクトルの合成がBモードを示すベクトルとなる。ここで、V1とV2の振幅(V1およびV2のベクトルの大きさ)を同じくし、位相差を0°と180°の間の位相差θ(0°<θ<180°)とすると、図9に示すように(V1+V2)と(V1−V2)のベクトルが直交することがわかる。
【0045】
これは、AモードとBモードの振動が同時に発生し、かつ振動の位相差が90°ずれていることを表している。この結果、弾性体4上の突起部6に楕円運動を発生させることができ、突起部6に接触させたスライダ7を駆動することが可能となる。
【0046】
すなわち、V1およびV2の電圧振幅を同じとし、V1およびV2の位相差θを0°および180°以外とすれば、AモードとBモードを同時に発生させることができ、振動の位相差は必ず90°又は−90°のいずれかになる。また、V1とV2の位相差θを変更することにより、AモードとBモードの振幅を変更することができる。
【0047】
以上説明したように、本実施形態によれば電極パターンを振動体1の長手方向で2等分した簡単な構成で、かつ各電極領域の分極方向が同一方向であるような圧電素子5を用いた振動体1であっても、振動体1の突起部6に楕円運動を発生させることができる。
【0048】
このように電極パターンを簡単な構成とすることで、各電極領域に接続される配線を簡単な構成とすることができる。また、分極方向が圧電素子全域にわたって同一方向とすることで、分極方向が異なる圧電素子に比べて、分極処理を容易に行うことができるとともに、電極領域の境界付近における圧電素子の剛性が均一となり、理想的な振動を発生させることができる。
【0049】
また、2つの曲げ振動モードを用いて被駆動体の駆動を行うことにより、曲げ振動及び縦振動の組み合わせによって被駆動体を駆動する振動波アクチュエータに比べて、固有周波数の上昇を抑えて振動波アクチュエータの小型化を図ることができる。
【0050】
なお、本実施形態の振動型駆動装置では、2次の曲げ振動モード(Aモード)と1次の曲げ振動モード(Bモード)の組み合わせにより被駆動体の駆動を行うように構成されているが、本発明はこれに限るものではない。
【0051】
すなわち、V1とV2に位相差0°の交流電圧を印加した時に発生するモードと、V1とV2に位相差180°の交流電圧を印加した時に発生するモードの組み合わせによって楕円運動を発生できるものであれば、どのような曲げ振動モード(次数の異なる曲げ振動モード)を用いてもよい。
【0052】
本実施形態では、図5や図7に示すように、弾性体4の上面に2つの突起部6を設けた振動体について説明したが、突起部6を配置する位置や数については適宜設定することができる。
【0053】
例えば、図18に示すように弾性体4の中央に1つの突起部6を設けたり、図20に示すように弾性体4に4つの突起部6を設けたりすることができる。
【0054】
図18に示す振動体1’において、突起部6は、Aモードの振動によって図19(a)に示すようにX方向に往復運動するとともに、Bモードの振動によって図19(b)に示すようにZ方向に往復運動する。そして、AモードおよびBモードの組み合わせにより、突起部6の先端には楕円運動が生じ、これによりスライダ7が矢印L方向に移動する。
【0055】
ここで、突起部6は、Aモードの節の近傍に配置されているとともに、Bモードの腹の近傍に配置されているため、X方向およびZ方向の変位が大きくなり、スライダ7に大きな駆動力を与えることができる。
【0056】
また、図20に示す振動体1”において、突起部6は、Aモードの振動によって図21(a)に示すようにX方向に往復運動するとともに、Bモードの振動によって図21(b)に示すようにZ方向に往復運動する。そして、AモードおよびBモードの組み合わせにより、突起部6の先端には楕円運動が生じ、これにより突起部6に接する不図示の被駆動体が駆動する。
【0057】
ここで、4つの突起部6はそれぞれ、Aモードの節の近傍に配置されているとともに、Bモードの腹の近傍に配置されているため、X方向およびZ方向の変位が大きくなる。
【0058】
また、本実施形態では、図7に示すように棒状に形成された被駆動体(スライダ7)を突起部6に接触させた場合について説明したが、本発明はこれに限るものではない。
【0059】
具体的には、図22(a)に示すように円盤状に形成された被駆動体7’を突起部6に接触させて、この被駆動体7’を矢印に示す方向に駆動させる構成の振動波アクチュエータとすることができる。また、図22(b)に示すように円環状に形成された被駆動体7”を突起部6に接触させて、この被駆動体7”を矢印に示す方向に駆動させる構成の振動波アクチュエータとすることができる。
【0060】
(第2実施形態)
上述した第1実施形態では、矩形状の弾性体および圧電素子を有する振動体において、単純な2分割構造の電極を有する圧電素子に印加する交流電圧(V1、V2)の位相差を0°および180°以外の位相差にすることにより、振動体の突起部に楕円運動を発生させることが可能であることを説明した。
【0061】
本発明の第2実施形態では、第1実施形態で説明した振動波アクチュエータの制御方法に関して説明する。振動波アクチュエータの構造については、上述した第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
【0062】
本実施形態では、第1実施形態の振動波アクチュエータを、ビデオカメラのレンズユニットにおける駆動源として用いたものである。図10に、レンズユニットの断面図(光軸と直交する方向における断面図)を示す。
【0063】
図10において、8はレンズ鏡筒である。9はレンズ(撮影レンズ)であり、フレーム10によって保持されている。11はシャフトであり、レンズ9が光軸方向(図10の紙面と直交する方向)に移動する際のガイドとして使用されている。ここで、レンズ9が光軸方向に移動することによって、撮影光学系の焦点距離を変更することができるようになっている。
【0064】
12は第1実施形態で説明した振動波アクチュエータの振動体であり、突起部6がフレーム10に設けられたスライダ7と接触するような構成となっている。
【0065】
13および14はレンズ9の光軸方向における位置を検出するための公知のエンコーダである。エンコーダスケール13に対して投受光素子14で光を照射し、エンコーダスケール13からの反射光を投受光素子14で読み取ることによってレンズ9の位置情報が検出される。
【0066】
次に、上述した振動波アクチュエータの制御方法について説明する。図11は本実施形態における制御装置を説明するためのブロック図である。
【0067】
図11において、15は振動波アクチュエータである。振動波アクチュエータ15によって駆動されるレンズ9の位置情報はエンコーダ16(図10の13、14)および位置カウンタ17によって計測される。位置カウンタ17で計測されたレンズ9の位置情報は、位置比較部18において外部から入力された位置指令と比較される。この比較結果は位相差選択部19および周波数決定部20に入力される。
【0068】
第1実施形態で説明したように、振動波アクチュエータ15(圧電素子)の2つの電極に印加する2相の交流電圧(V1、V2)の振幅を同一とし、かつ交流電圧の位相差θを0°および180°以外にすることにより、振動体12には90°位相のずれたAモードおよびBモードの振動が発生する。
【0069】
ここで、V1に対するV2の位相差θが任意の値(0°〜180°)であるときのAモードの振幅(Aa)およびBモードの振幅(Ab)の大きさは下記式(1)、(2)によって求められる。
【0070】
Aa=|2×cos((π−θ)/2)| ・・・(1)
Ab=|2×cos(θ/2)| ・・・(2)
上記式(1)、(2)によって求めたAモードおよびBモードの振動振幅とV1およびV2の位相差θの関係を図12に示す。図12において、横軸は位相差θ、縦軸は振動モード(AモードおよびBモード)の振幅の大きさを示している。また、Aモードに対するBモードの振動の位相差は、V1とV2の位相差180°を境に90°と−90°が入れ替わる。すなわち、V1とV2の位相差180°を境として、この両側(図中の+方向、−方向)で被駆動体(スライダ7)の駆動方向が逆になる。
【0071】
ここで、位置比較部18において、位置カウンタ17から得られるレンズ9の位置情報と外部から指令されるレンズ9の目標位置(停止位置)とを比較することにより、振動波アクチュエータによるスライダ7の駆動方向が決定される。そして、この決定された駆動方向に応じて、V1とV2の位相差θを位相差選択部19で選択している。すなわち、位相差選択部19では、スライダ7の駆動方向を+方向としたいときはV1に対するV2の位相差θを90°に、駆動方向を−方向としたいときには位相差θを270°としている。
【0072】
なお、90°および270°以外の位相差θであってもレンズ9を駆動することは可能であるが、本実施形態ではAモードおよびBモードの振幅が均等に発生するときの位相差θである90°および270°を選択している。
【0073】
次に、駆動周波数の制御に関して述べる。振動波アクチュエータ15に印加する交流電圧(V1、V2)の周波数と駆動速度の関係は、一般的な共振を利用した振動波モータと同様であり、図13に示すように、共振周波数(fr)を速度のピークとし、frよりも高周波数側ではなだらかに駆動速度が減少し、かつ低周波側では急激に駆動速度が減少するような特性となる。
【0074】
この特性において駆動速度の制御を行う場合には、共振周波数(fr)よりも高い周波数領域での周波数で駆動制御を行うことになる。
【0075】
位置比較部18では、位置カウンタ17の出力に基づくレンズ9の現在位置と外部から入力された目標位置との偏差が計測されている。周波数決定部20では、上記の偏差が大きいときは駆動周波数を共振周波数(fr)に近づけることにより、駆動速度が速くなるようにしている。また、上記の偏差が小さいときは駆動周波数を共振周波数(fr)から高周波数側に遠ざけることにより、駆動速度が遅くなるようにしている。
【0076】
なお、レンズ9の位置の偏差が所定の範囲以内となった場合は、振動波アクチュエータに交流電圧(V1、V2)を印加しないように構成してもよい。
【0077】
駆動信号生成回路21では、位相差選択部19で選択された位相差θで、かつ周波数決定部20で決定された周波数となるような2相の信号(V1、V2に対応)を生成している。この2相の信号は昇圧回路22によって振動波アクチュエータが動作可能な電圧まで昇圧される。
【0078】
昇圧された交流電圧(V1、V2)は、振動波アクチュエータ15(圧電素子)に印加されることになる。これにより、レンズ9が目標位置まで速やかに移動するようなレンズユニットを構成することができる。
【0079】
(第3実施形態)
第2実施形態では、レンズ9の現在位置と目標位置の差に応じて振動波アクチュエータに印加する交流電圧(V1、V2)の周波数を変化させることにより駆動速度を変化させていた。また、印加電圧V1、V2の位相差θは被駆動体(スライダ7)の駆動方向に応じて90°または270°のいずれかを選択していた。
【0080】
この場合、振動体の突起部(図5の6)に発生する楕円運動は、図14に示すように楕円運動の横方向振幅であるAモードと縦方向振幅であるBモードの振幅比率は変化せずに、振幅の大きさが異なるような駆動状態となる。
【0081】
レンズ9をより低速で駆動させたい場合において、上述した第2実施形態のような駆動方法ではBモード振幅が小さくなりすぎるため(図14(b))に、突起部6が楕円運動の下側、すなわち、スライダ7の送り方向とは逆方向の運動時にもスライダ7に接触してしまい、安定した低速駆動が行えないという事態が生じてしまう場合も考えられる。
【0082】
本発明の第3実施形態は、上述した第2実施形態をさらに改善したものであり、低速駆動を安定して実現するためのものである。以下、その制御方法に関して説明する。
【0083】
なお、本実施形態において、振動波アクチュエータの構成は第1実施形態で説明した振動波アクチュエータの構成と同様であり、この振動波アクチュエータを第2実施形態で説明したレンズユニットに搭載した場合について説明する。
【0084】
振動波アクチュエータを低速で安定して駆動するためには、スライダ7を突き上げる方向の振動であるBモードの振幅を大きくし、スライダ7の送り方向の振動であるAモードの振幅を小さくすることが考えられる。
【0085】
例えば、図15に示すように、高速駆動時と低速駆動時において、Bモードの振幅を一定にしておき、Aモードの振幅を変化させることによりスライダ7の駆動速度の制御を行えば、高速駆動から低速駆動までの広い領域でスライダ7を安定して駆動することが可能となる。
【0086】
図16は本実施形態における制御装置を説明するためのブロック図である。第2実施形態で説明した制御装置(図11のブロック図)と異なる点は、位相差決定部23および振幅決定部24が設けられている点である。それ以外の構成に関しては第2実施形態と同様である。
【0087】
本実施形態では振動波アクチュエータに印加する交流電圧V1、V2の周波数を共振周波数(fr)付近の所定の周波数に固定しておき、V1およびV2の位相差θおよび振幅を操作することにより駆動速度を制御する。
【0088】
第2実施形態で述べたように、振動波アクチュエータにおける圧電素子の電極に印加する電圧(V1、V2)の位相差θに対するAモードおよびBモードの振幅の関係は図12に示すような関係となるが、これは位相差θが0°〜180°の範囲内においてV1およびV2の電圧振幅を一定とした場合である。
【0089】
この場合、図12の破線で示すようにBモードの振動が位相差θによって変化してしまう。そこで、本実施形態では、位相差θに応じて印加電圧(V1、V2)の振幅を変更することによりBモードの振幅を一定としている。
【0090】
図17は、Bモードの振幅が一定となるように、V1とV2の位相差θに応じて印加電圧(V1、V2)の振幅を変化させたときの振動振幅の様子を示す。図17の丸印のマークを結んだ線上における電圧振幅は、図12に示すBモードの振幅の逆数に比例した値であり、Bモードの振幅の変化を補正するものである。すなわち、位相差θに応じて下記式(3)で求められる係数(K)を掛けてV1およびV2の電圧振幅とする。
【0091】
K=|1/(2×cos(θ/2))| ・・・(3)
上記式(3)を用いて求められた電圧振幅は、図17の丸印のマークで示したような関係となる。この振幅の電圧(V1およびV2)を圧電素子の2つの電極に印加することによって、Bモードの振幅は図中の点線で示すように一定の振幅となる。
【0092】
この時、Aモードの振幅は、図17の実線で示すように、位相差θが0°から180°に向かって増加するとともに、180°から360°に向かって減少するような特性となる。なお、図12と同様に、位相差180°を境界として図17の右側(−方向)と左側(+方向)では駆動方向が逆になる。
【0093】
本実施形態では、以上に述べた特性を利用して、次のような駆動制御を行う。
【0094】
まず、レンズ9の現在位置と目標位置との比較を位置比較部18において行う。位相差決定部23では、位置比較部18での比較結果に基づいて駆動方向を決定し、V1とV2の位相差θを180°より小さい領域(図17の+方向の領域)での値とするか、180°より大きい領域(図17の−方向の領域)での値とするかを決定する。
【0095】
また、位相差決定部23において、レンズ9の現在位置と目標位置の距離に応じた速度となるように位相差θを決定する。
【0096】
例えば、レンズ9(スライダ7)を+方向に駆動する場合であって、駆動速度を高速とする場合には、位相差θが180°よりも小さい領域の中で、位相差θが大きい値となるように決定する。駆動速度を低速とする場合には、位相差が180°よりも小さい領域の中で、位相差θが小さい値となるように決定する。位相差θが180°よりも小さい側の領域では、Bモードの振幅が一定であるとともに、位相差θが0°から180°に近づくにつれてAモードの振幅が大きくなるため、低速駆動から高速駆動までを安定して行うことができる。
【0097】
また、レンズ9(スライダ7)を−方向に駆動する場合であって、駆動速度を高速とする場合には、位相差θが180°よりも大きい領域の中で、位相差θが小さい値となるように決定する。駆動速度を低速とする場合には、位相差が180°よりも大きい領域の中で、位相差θが大きい値となるように決定する。位相差θが180°よりも大きい側の領域では、Bモードの振幅が一定であるとともに、位相差θが360°から180°に近づくにつれてAモードの振幅が大きくなるため、低速駆動から高速駆動までを安定して行うことができる。
【0098】
位相差決定部23で位相差θが決定された後に、振幅決定部24において、決定された位相差θに対応した電圧振幅(図17の丸印マークを結ぶ線上の値)を決定する。電圧振幅を決定する際には、位相差θから上記演算式(3)によって求めてもよいし、あらかじめ複数の位相差θと電圧振幅の関係を記憶回路に記憶しておくことによって求めてもよい。
【0099】
位相差決定部23で位相差θの値が決定され、振幅決定部24で電圧振幅が決定されると、これらのデータが駆動信号生成回路21に入力され、この入力に応じた信号が生成される。そして、昇圧回路22で昇圧された電圧(V1、V2)が振動波アクチュエータの圧電素子に印可される。
【0100】
上述した駆動制御の結果、振動波アクチュエータの振動のうち、スライダ7に対する突き上げ方向の振動であるBモードの振動振幅を一定の状態とし、Aモードの振動振幅を変化させることができるので、スライダ7の駆動速度を高速から低速まで幅広く安定して動作させることができる。
【0103】
本発明の振動型駆動装置では、電気−機械エネルギ変換素子における第1及び第2の領域が共に伸張又は収縮する第1の曲げ振動モードと、第1の領域が伸張するときに第2の領域が収縮するとともに、第1の領域が収縮するときに第2の領域が伸張する第2の曲げ振動モードとを組み合わせることで、振動体および被駆動体を相対的に駆動することができる。すなわち、振動体に、第1の曲げ振動モードおよび第2の曲げ振動モードを組み合わせた曲げ振動モードを発生させること、この曲げ振動モードによって弾性体の所定の質点に楕円運動を生じさせて振動体および被駆動体を相対的に駆動することができる。
【0104】
上述した振動型駆動装置の構成によれば、従来技術に比べて電気−機械エネルギ変換素子の電極パターンを簡単な構成とすることができる。また、単一の圧電素子を用いることができるため、積層圧電素子に比べて簡単な構成とすることができる。
【0106】
発明のように、2つの電極における分極方向を同一方向とすることで、各電極における分極処理を容易に行うことができる。しかも、2つの電極間における電気−機械エネルギ変換素子の剛性が変化すること(剛性のムラ)がなくなるため、理想的な振動を発生させることができる。
【0111】
発明において、例えば、2相の駆動電圧の位相差を変化させることによって、被駆動体の突き上げ方向における振動振幅を一定にするとともに、被駆動体の駆動方向(送り方向)における振動振幅を変化させることができるため、高速駆動から低速駆動までの幅広い範囲において、安定して被駆動体を駆動することができる。
【0112】
【発明の効果】
本発明によれば、2つの曲げ振動モードを発生させて振動体および被駆動体を相対的に駆動する振動型駆動装置において、電気−機械エネルギ変換素子の電極を簡単な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態における圧電素子の電極パターンを示す図。
【図2】従来技術の振動体における振動モードを示す図。
【図3】従来技術における圧電素子の電極パターンを示す図。
【図4】従来技術における圧電素子の電極パターンを示す図。
【図5】本実施形態における振動体の外観斜視図。
【図6】本実施形態の振動体における振動モードを示す図。
【図7】本実施形態である振動波アクチュエータの外観斜視図。
【図8】従来の考え方による圧電素子の電極パターンを示す図。
【図9】圧電素子への印加電圧と振動モードとの関係をベクトルで示した図。
【図10】第2実施形態におけるレンズユニットの機構を示す図。
【図11】第2実施形態における制御ブロック図。
【図12】印加電圧の位相差と振動振幅の関係を示す図。
【図13】振動波アクチュエータの駆動周波数と駆動速度の関係を示す図。
【図14】振動波アクチュエータにおける突起部の楕円運動を説明する図。
【図15】振動波アクチュエータにおける突起部の楕円運動を説明する図。
【図16】本発明の第3実施形態における制御ブロック図。
【図17】印加電圧の位相差と振動振幅の関係を示す図。
【図18】第1実施形態の変形例である振動波アクチュエータの外観斜視図。
【図19】振動体の振動モードを示す図。
【図20】第1実施形態の変形例である振動波アクチュエータの外観斜視図。
【図21】振動体の振動モードを示す図。
【図22】第1実施形態の変形例である振動波アクチュエータの外観斜視図。
【符号の説明】
4:弾性体、5:圧電素子、6:突起部、7、7’、7”:スライダ
8:レンズ鏡筒、9:レンズ、10:フレーム、11:シャフト
12、15:振動波アクチュエータ、13:エンコーダスケール
14:投受光素子、16:エンコーダ
17:位置カウンタ、18:位置比較部、19:位相差選択部
20:周波数決定部、21:駆動信号生成回路、22:昇圧回路
23:位相差決定部、24:振幅決定部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibration type driving device such as a vibration wave motor that generates vibration in an elastic body and applies a driving force to a driven body using the vibration energy. Is .
[0002]
[Prior art]
Various proposals have been made for vibration wave motors that drive a driven body in a linear direction.
[0003]
For example, a plurality of protrusions are provided at predetermined positions on one side of an elastic body formed in a square bar shape, and a piezoelectric element is disposed on the surface of the elastic body opposite to the surface on which the protrusions are provided. In such a vibration wave motor, an AC voltage is applied to the piezoelectric element, so that a flexural resonance vibration and a longitudinal resonance vibration (longitudinal vibration) are simultaneously generated in the elastic body and an elliptical motion is generated in the protrusion. There is a first conventional example (for example, see Patent Document 1).
[0004]
In this configuration, the driven body can be linearly driven by the elliptical motion of the protruding portion by bringing the driven body into pressure contact with the protruding portion.
[0005]
On the other hand, there is a vibration wave motor that excites two different bending vibration modes in an elastic body formed in a rectangular plate shape and generates an elliptical motion at a predetermined mass point (projection, etc.) by combining the two bending vibration modes. Ru (Refer to the second conventional example, for example, Patent Document 2).
[0006]
Here, one bending vibration mode (referred to as a first vibration mode) of the two bending vibration modes is a cross-like shape as shown in (a-1) and (a-2) of FIG. The vibration mode has nodes. The other bending vibration mode (referred to as the second vibration mode) has two nodes parallel to a predetermined direction as shown in (b-1) and (b-2) of FIG. It has a vibration mode.
[0007]
In order to generate the two bending vibration modes described above, a piezoelectric element having an electrode pattern as shown in FIG. 3 is used. In FIG. 3, 3A is a piezoelectric element for generating the first vibration mode, and 3B is a piezoelectric element for generating the second vibration mode. The “+” and “−” symbols in the figure indicate the polarization direction.
[0008]
In the piezoelectric element 3A, the boundary portion of the electrode exists so as to coincide with the cross-shaped node in the first vibration mode, and an alternating-current signal (frequency signal near the resonance frequency of the first vibration mode is applied to the four divided electrodes. When Va) is applied, vibration in the first vibration mode is generated. On the other hand, when an AC signal (Vb) having a frequency near the resonance frequency in the second vibration mode is applied to the piezoelectric element 3B, vibration in the second vibration mode is generated in the elastic body.
[0009]
Therefore, by stacking the piezoelectric element 3A and the piezoelectric element 3B and attaching them to the elastic body, two bending vibration modes can be generated on the elastic body, and a predetermined mass point can be obtained by combining these two bending vibration modes. The driven body can be driven by the elliptical motion generated in the above.
[0010]
On the other hand, as a piezoelectric element that generates two bending vibration modes, as shown in FIG. 4, a piezoelectric element constituted by a single layer without stacking a plurality of piezoelectric elements may be used. In FIG. 4, the electrode connected to the voltage signal Va is a piezoelectric element for generating a first vibration mode, and the electrode connected to the voltage signal Vb is a piezoelectric element for generating a second vibration mode.
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 6-106028
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 6-311765
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the configuration of the vibration wave motor in the first conventional example, since the longitudinal resonance vibration (longitudinal vibration) is used, the resonance frequency becomes too high when the elastic body is downsized. There is a limit to downsizing a vibration wave motor.
[0013]
On the other hand, since the vibration wave motor in the second conventional example is a combination of two bending vibration modes, the elastic body (vibration wave motor) can be downsized compared to the first conventional example. In addition, since the resonance frequency in each bending vibration mode can be matched by changing the ratio of the long side to the short side of the rectangular elastic body, the resonance frequency can be easily adjusted as compared with the first conventional example. Thus, it is possible to realize an actuator with good driving efficiency.
[0014]
However, in the second conventional example, in order to excite a plurality of vibration modes in the vibrating body, a piezoelectric element having a dedicated electrode for generating each vibration mode is required. As a result, it is necessary to use a piezoelectric element having a complicated electrode pattern, or to stack and use piezoelectric elements, which is not preferable in terms of the manufacturing process and cost.
[0015]
In addition, since the polarization direction is different for each electrode pattern, not only the process of polarization processing becomes complicated, but also there is a problem that the rigidity of the piezoelectric element changes near the boundary of electrodes having different polarization directions.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an elastic body. And fixed to the elastic body Electro-mechanical energy conversion element The A provided vibrating body, and a driven body in contact with the elastic body; , A vibration type driving device having The electro-mechanical energy conversion element includes a first electrode for expanding and contracting a first area of the electro-mechanical energy conversion element, and a second electrode adjacent to the first area of the electro-mechanical energy conversion element. A second electrode for expanding and contracting the region of The vibrating body is The first region and the second region expand or contract together First bending vibration mode When , The second region contracts when the first region expands and the second region expands when the first region contracts Second bending vibration mode When, The vibrating body and the driven body are relatively driven by vibration generated by a combination of the first bending vibration mode and the second bending vibration mode.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 5 is an external perspective view of the vibrating body 1 in the vibration wave actuator according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 5, 4 is an elastic body made of a metal material and formed in a rectangular plate shape, 5 is a piezoelectric element (electro-mechanical energy conversion element) bonded to the back surface of the elastic body 4, and 6 is It is a protrusion provided on the upper surface of the elastic body 4.
[0018]
The protrusion 6 comes into contact with the driven body at the tip as described later. Here, a contact portion having excellent friction coefficient and wear resistance can be provided at the tip of the protrusion 6. Further, the protrusion 6 can be formed integrally with the elastic body 4 by pressing or the like, or formed separately from the elastic body 4 and then fixed to the elastic body 4.
[0019]
If the protrusion 6 and the elastic body 4 are integrally formed, the number of assembling steps of the elastic body 1 can be reduced as compared with the case where these are separately formed, and the parts (protrusion 6) are aligned. Since it is not necessary, it is possible to prevent variations between parts.
[0020]
The vibrating body 1 of the present embodiment can excite two bending vibration modes as will be described later, and generates elliptical motion at the tip of the protrusion 6 by combining these two bending vibration modes.
[0021]
Here, the shape of the vibrating body 1 is formed so that the resonance frequencies of the two bending vibration modes substantially coincide. Specifically, the resonance frequency of the two bending vibration modes is matched by appropriately setting the dimension (long side) in the longitudinal direction of the elastic body 4 and the dimension (short side) in the direction orthogonal to the longitudinal direction. Can do.
[0022]
Hereinafter, two bending vibration modes excited by the vibrating body 1 will be described.
[0023]
FIG. 6 is a diagram showing two bending vibration modes. The vibration mode shown in FIG. 6A represents one bending vibration mode (referred to as A mode) of the two bending vibration modes. This A mode is a secondary bending vibration in the long side direction (arrow X direction) of the rectangular vibrating body 1 (elastic body 4), and has three nodes parallel to the short side direction (arrow Y direction). is doing.
[0024]
Here, the protrusion 6 is disposed in the vicinity of a position that becomes a node by the vibration of the A mode, and reciprocates in the arrow X direction by the vibration of the A mode. By arranging the protrusions 6 in this way, the protrusions 6 can be displaced most greatly in the direction of the arrow X.
[0025]
The vibration mode shown in FIG. 6B represents the other bending vibration mode (referred to as B mode) of the two bending vibration modes. This B mode is a primary bending vibration in the short side direction (arrow Y direction) of the rectangular vibrating body 1 (elastic body 4), and has two nodes parallel to the long side direction (arrow X direction). is doing.
[0026]
Here, the nodes in the A mode and the nodes in the B mode are substantially orthogonal in the XY plane.
[0027]
Further, the protrusion 6 is disposed in the vicinity of a position that becomes an antinode due to the vibration of the B mode, and reciprocates in the arrow Z direction by the vibration of the B mode. By arranging the protrusions 6 in this way, the protrusions 6 can be displaced the most in the direction of the arrow Z.
[0028]
That is, as described above, the position of the A mode node and the position of the antinode of the B mode can be matched by making the node of the A mode and the node of the B mode substantially orthogonal to each other. By disposing, the vibration displacement of the protrusion 6 can be maximized, and a high output can be obtained.
[0029]
As described above, by greatly displacing the protrusion 6 in the X direction and the Z direction, a large driving force can be applied to the driven body that contacts the protrusion 6.
[0030]
If the two protrusions 6 are arranged symmetrically with respect to the XZ plane or the YZ plane passing through the center of the elastic body 4, the vibrating body 1 biases the reaction force received from the slider 7 (FIG. 7) at the protrusion 6. You can receive without. Further, since the relative positional relationship between the slider 7 and the protrusion 6 is stabilized, the output of the vibrating body 1 can be stabilized without being affected by the environment and load fluctuations.
[0031]
By generating the above-described vibrations of the A mode and the B mode with a predetermined phase difference, an elliptical motion can be generated at the tip of the protrusion 6. As shown in FIG. 7, a slider 7 as a driven body is brought into pressure contact with the tip of the protrusion 6, and the slider 7 moves in the direction of arrow L due to the elliptical motion of the protrusion 6. Can do.
[0032]
If the electrode pattern of the piezoelectric element is configured in the same way as the prior art in order to cause the vibration body 1 to generate the above-described A mode and B mode vibrations, an electrode pattern as shown in FIG. 8 is obtained. In FIG. 8, the “+” symbol and the “−” symbol indicate the polarization direction.
[0033]
Of the piezoelectric elements shown in FIG. 8, four electrode regions to which the voltage signal (Va) is connected are electrode regions for generating A-mode vibration. When an alternating voltage having a frequency in the vicinity of the resonance frequency of the A mode is applied to Va, two electrode regions (piezoelectric elements) polarized to “+” out of the four electrode regions expand at a certain moment, and “−” Thus, the two electrode regions (piezoelectric elements) that have been polarized are shrunk.
[0034]
At another moment, the electrode region (piezoelectric element) polarized to “+” contracts and the electrode region (piezoelectric element) polarized to “−” expands. As a result, A-mode vibration occurs.
[0035]
On the other hand, one electrode region to which the voltage signal (Vb) is connected in the piezoelectric element shown in FIG. 8 is an electrode region for generating B-mode vibration. When an AC voltage having a frequency in the vicinity of the B-mode resonance frequency is applied to Vb, the central portion in the short side direction (Y direction) of the piezoelectric element expands and contracts, so that B-mode vibration is generated in the vibrating body.
[0036]
Here, when the alternating voltages of Va and Vb are set to the same frequency with a phase difference of 90 ° (in this embodiment, a frequency near the resonance frequency of the A mode and the B mode), the elliptical motion is generated on the protrusion 6. appear.
[0037]
FIG. 1 is a diagram showing an electrode pattern of a piezoelectric element according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the piezoelectric element 5 is formed with an electrode region that is divided into two equal parts in the longitudinal direction (X direction). In addition, the polarization direction in each electrode region is the same direction (“+”).
[0038]
Of the two electrode regions of the piezoelectric element 5, an AC voltage (V1) is applied to the electrode region located on the right side in FIG. 1, and an AC voltage (V2) is applied to the electrode region located on the left side.
[0039]
In FIG. 1, when V1 and V2 are alternating voltages having a frequency near the resonance frequency of the A mode and the phase is shifted by 180 °, at a certain moment, the piezoelectric element in the right electrode region contracts and the left electrode region The piezoelectric element extends. At the other moment, the relationship is reversed. As a result, vibration of the A mode is generated in the vibrator 1.
[0040]
Further, if V1 and V2 are AC voltages having a frequency in the vicinity of the resonance frequency of the B mode and the same phase, the entire piezoelectric element (two electrode regions) expands at a certain moment and contracts at another moment. Become. As a result, B-mode vibration is generated in the vibrator 1.
[0041]
The polarization direction in one of the two electrode regions in the piezoelectric element 5 may be “+”, and the polarization direction in the other electrode region may be “−”.
[0042]
In this case, the A-mode vibration is applied to the vibrating body 1 by applying AC voltages (V1, V2) having the same phase and the same phase to the two electrode regions as described above. Can be generated. Further, by applying AC voltages (V1, V2) having a frequency near the B-mode resonance frequency and having a phase shifted by 180 ° to each of the two electrode regions, vibration of the B mode is applied to the vibrator 1. Can be generated.
[0043]
Here, the relationship between V1 and V2, and the A mode and the B mode will be described with reference to FIG.
[0044]
According to the description using FIG. 1 described above, the combination of the vectors “V1” and “−V2” is a vector indicating the A mode, and the combination of the vectors “V1” and “V2” is the vector indicating the B mode. Become. Here, assuming that the amplitudes of V1 and V2 (the magnitudes of the vectors of V1 and V2) are the same and the phase difference is a phase difference θ between 0 ° and 180 ° (0 ° <θ <180 °), FIG. It can be seen that the vectors of (V1 + V2) and (V1-V2) are orthogonal as shown in FIG.
[0045]
This indicates that the vibrations in the A mode and the B mode are generated at the same time, and the phase difference between the vibrations is shifted by 90 °. As a result, an elliptical motion can be generated in the protrusion 6 on the elastic body 4, and the slider 7 brought into contact with the protrusion 6 can be driven.
[0046]
That is, if the voltage amplitudes of V1 and V2 are the same and the phase difference θ between V1 and V2 is other than 0 ° and 180 °, the A mode and the B mode can be generated simultaneously, and the vibration phase difference is always 90. It will be either ° or -90 °. Moreover, the amplitude of A mode and B mode can be changed by changing phase difference (theta) of V1 and V2.
[0047]
As described above, according to this embodiment, the piezoelectric element 5 having a simple configuration in which the electrode pattern is divided into two equal parts in the longitudinal direction of the vibrating body 1 and the polarization directions of the electrode regions are the same direction is used. Even in the case of the vibrating body 1, elliptical motion can be generated in the protrusion 6 of the vibrating body 1.
[0048]
In this way, by making the electrode pattern simple, the wiring connected to each electrode region can be made simple. In addition, since the polarization direction is the same over the entire piezoelectric element, the polarization process can be performed more easily than the piezoelectric elements with different polarization directions, and the rigidity of the piezoelectric element near the boundary of the electrode region becomes uniform. Can generate ideal vibration.
[0049]
In addition, by driving the driven body using two bending vibration modes, the vibration wave is suppressed with an increase in the natural frequency compared to the vibration wave actuator that drives the driven body by a combination of bending vibration and longitudinal vibration. The actuator can be downsized.
[0050]
Note that the vibration type driving apparatus of the present embodiment is configured to drive the driven body by a combination of the secondary bending vibration mode (A mode) and the primary bending vibration mode (B mode). However, the present invention is not limited to this.
[0051]
That is, an elliptical motion can be generated by a combination of a mode generated when an AC voltage having a phase difference of 0 ° is applied to V1 and V2 and a mode generated when an AC voltage having a phase difference of 180 ° is applied to V1 and V2. Any bending vibration mode (bending vibration modes having different orders) may be used.
[0052]
In the present embodiment, as shown in FIG. 5 and FIG. 7, the vibration body in which the two protrusions 6 are provided on the upper surface of the elastic body 4 has been described. However, the position and number of the protrusions 6 are appropriately set. be able to.
[0053]
For example, one protrusion 6 can be provided at the center of the elastic body 4 as shown in FIG. 18, or four protrusions 6 can be provided on the elastic body 4 as shown in FIG.
[0054]
In the vibrating body 1 ′ shown in FIG. 18, the protrusion 6 reciprocates in the X direction as shown in FIG. 19A due to A-mode vibration, and as shown in FIG. 19B due to B-mode vibration. Reciprocate in the Z direction. Then, due to the combination of the A mode and the B mode, an elliptical motion is generated at the tip of the protrusion 6, thereby moving the slider 7 in the arrow L direction.
[0055]
Here, since the protrusion 6 is disposed in the vicinity of the node of the A mode and in the vicinity of the antinode of the B mode, the displacement in the X direction and the Z direction is increased, and the slider 7 is driven greatly. Can give power.
[0056]
Further, in the vibrating body 1 ″ shown in FIG. 20, the protrusion 6 reciprocates in the X direction as shown in FIG. 21 (a) by the A mode vibration, and in FIG. 21 (b) by the B mode vibration. As shown in the figure, it reciprocates in the Z direction, and the combination of the A mode and the B mode causes an elliptical motion at the tip of the projection 6, thereby driving a driven body (not shown) in contact with the projection 6.
[0057]
Here, the four protrusions 6 are arranged in the vicinity of the A-mode node and in the vicinity of the B-mode antinode, so that the displacement in the X direction and the Z direction becomes large.
[0058]
Moreover, although this embodiment demonstrated the case where the to-be-driven body (slider 7) formed in the rod shape was made to contact the projection part 6 as shown in FIG. 7, this invention is not limited to this.
[0059]
Specifically, as shown in FIG. 22 (a), the driven body 7 ′ formed in a disk shape is brought into contact with the protrusion 6, and the driven body 7 ′ is driven in the direction indicated by the arrow. It can be a vibration wave actuator. Further, as shown in FIG. 22 (b), a driven wave 7 ″ formed in an annular shape is brought into contact with the protrusion 6, and the driven wave 7 ″ is driven in the direction indicated by the arrow. It can be.
[0060]
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, the phase difference of the AC voltage (V1, V2) applied to the piezoelectric element having a simple two-divided structure electrode in the vibrating body having the rectangular elastic body and the piezoelectric element is 0 ° and It has been explained that elliptical motion can be generated in the protrusions of the vibrating body by setting the phase difference to other than 180 °.
[0061]
In the second embodiment of the present invention, a control method of the vibration wave actuator described in the first embodiment will be described. Since the structure of the vibration wave actuator is the same as that of the first embodiment described above, description thereof is omitted.
[0062]
In this embodiment, the vibration wave actuator of the first embodiment is used as a drive source in a lens unit of a video camera. FIG. 10 shows a sectional view of the lens unit (a sectional view in a direction perpendicular to the optical axis).
[0063]
In FIG. 10, 8 is a lens barrel. Reference numeral 9 denotes a lens (photographing lens), which is held by a frame 10. Reference numeral 11 denotes a shaft, which is used as a guide when the lens 9 moves in the optical axis direction (direction orthogonal to the paper surface of FIG. 10). Here, the focal length of the photographing optical system can be changed by moving the lens 9 in the optical axis direction.
[0064]
Reference numeral 12 denotes a vibration body of the vibration wave actuator described in the first embodiment, and is configured such that the protrusion 6 contacts the slider 7 provided on the frame 10.
[0065]
Reference numerals 13 and 14 are known encoders for detecting the position of the lens 9 in the optical axis direction. The position information of the lens 9 is detected by irradiating the encoder scale 13 with light by the light projecting / receiving element 14 and reading the reflected light from the encoder scale 13 by the light projecting / receiving element 14.
[0066]
Next, a method for controlling the vibration wave actuator described above will be described. FIG. 11 is a block diagram for explaining a control device in the present embodiment.
[0067]
In FIG. 11, 15 is a vibration wave actuator. Position information of the lens 9 driven by the vibration wave actuator 15 is measured by an encoder 16 (13 and 14 in FIG. 10) and a position counter 17. The position information of the lens 9 measured by the position counter 17 is compared with a position command input from the outside in the position comparison unit 18. This comparison result is input to the phase difference selector 19 and the frequency determiner 20.
[0068]
As described in the first embodiment, the amplitudes of the two-phase AC voltages (V1, V2) applied to the two electrodes of the vibration wave actuator 15 (piezoelectric element) are the same, and the phase difference θ of the AC voltage is 0. By making the angle other than 0 ° and 180 °, vibrations in the A mode and the B mode, which are 90 ° out of phase, are generated in the vibrating body 12.
[0069]
Here, the magnitude of the amplitude (Aa) of the A mode and the amplitude (Ab) of the B mode when the phase difference θ of V2 with respect to V1 is an arbitrary value (0 ° to 180 °) is expressed by the following equation (1): It is calculated | required by (2).
[0070]
Aa = | 2 × cos ((π−θ) / 2) | (1)
Ab = | 2 × cos (θ / 2) | (2)
FIG. 12 shows the relationship between the vibration amplitudes of the A mode and B mode obtained by the above equations (1) and (2) and the phase difference θ between V1 and V2. In FIG. 12, the horizontal axis represents the phase difference θ, and the vertical axis represents the amplitude of the vibration mode (A mode and B mode). Further, the phase difference between the vibrations in the B mode with respect to the A mode is switched between 90 ° and −90 ° with the phase difference 180 ° between V1 and V2 as a boundary. That is, the drive direction of the driven body (slider 7) is reversed on both sides (+ direction and-direction in the figure) with the phase difference 180 ° between V1 and V2 as a boundary.
[0071]
Here, the position comparison unit 18 compares the position information of the lens 9 obtained from the position counter 17 with the target position (stop position) of the lens 9 commanded from outside, thereby driving the slider 7 by the vibration wave actuator. The direction is determined. Then, the phase difference selection unit 19 selects the phase difference θ between V1 and V2 according to the determined driving direction. That is, in the phase difference selector 19, the phase difference θ of V2 with respect to V1 is set to 90 ° when the driving direction of the slider 7 is set to the + direction, and the phase difference θ is set to 270 ° when the driving direction is set to the − direction.
[0072]
Although it is possible to drive the lens 9 even with a phase difference θ other than 90 ° and 270 °, in the present embodiment, the phase difference θ when the amplitudes of the A mode and the B mode are generated uniformly is used. Some 90 ° and 270 ° are selected.
[0073]
Next, control of the drive frequency will be described. The relationship between the frequency of the alternating voltage (V1, V2) applied to the vibration wave actuator 15 and the driving speed is the same as that of a vibration wave motor using general resonance, and as shown in FIG. 13, the resonance frequency (fr) Is the speed peak, and the driving speed gently decreases on the higher frequency side than fr, and the driving speed rapidly decreases on the lower frequency side.
[0074]
When the drive speed is controlled in this characteristic, the drive control is performed at a frequency in a frequency region higher than the resonance frequency (fr).
[0075]
The position comparison unit 18 measures the deviation between the current position of the lens 9 based on the output of the position counter 17 and the target position input from the outside. In the frequency determination unit 20, when the deviation is large, the drive frequency is made close to the resonance frequency (fr) so as to increase the drive speed. Further, when the deviation is small, the drive frequency is set to be low by moving the drive frequency away from the resonance frequency (fr) to the high frequency side.
[0076]
In addition, when the deviation of the position of the lens 9 is within a predetermined range, an AC voltage (V1, V2) may not be applied to the vibration wave actuator.
[0077]
The drive signal generation circuit 21 generates a two-phase signal (corresponding to V1 and V2) that has the phase difference θ selected by the phase difference selector 19 and the frequency determined by the frequency determiner 20. Yes. The two-phase signal is boosted by the booster circuit 22 to a voltage at which the vibration wave actuator can operate.
[0078]
The boosted AC voltages (V1, V2) are applied to the vibration wave actuator 15 (piezoelectric element). Thereby, a lens unit in which the lens 9 moves quickly to the target position can be configured.
[0079]
(Third embodiment)
In the second embodiment, the driving speed is changed by changing the frequency of the AC voltage (V1, V2) applied to the vibration wave actuator according to the difference between the current position of the lens 9 and the target position. Further, the phase difference θ between the applied voltages V1 and V2 is selected to be 90 ° or 270 ° depending on the driving direction of the driven body (slider 7).
[0080]
In this case, the elliptical motion generated in the protrusion (6 in FIG. 5) of the vibrating body changes in the amplitude ratio between the A mode which is the horizontal amplitude of the elliptical motion and the B mode which is the vertical amplitude as shown in FIG. Without such a drive state, the amplitude is different.
[0081]
When it is desired to drive the lens 9 at a lower speed, since the B-mode amplitude is too small in the driving method as in the second embodiment described above (FIG. 14B), the protrusion 6 is below the elliptical motion. In other words, there may be a case where the slider 7 is in contact with the slider 7 even when moving in the direction opposite to the feeding direction, and a stable low-speed drive cannot be performed.
[0082]
The third embodiment of the present invention is a further improvement of the above-described second embodiment, and is for stably realizing low-speed driving. Hereinafter, the control method will be described.
[0083]
In this embodiment, the configuration of the vibration wave actuator is the same as that of the vibration wave actuator described in the first embodiment, and the case where this vibration wave actuator is mounted on the lens unit described in the second embodiment will be described. To do.
[0084]
In order to stably drive the vibration wave actuator at a low speed, it is necessary to increase the amplitude of the B mode, which is the vibration in the direction in which the slider 7 is pushed up, and to decrease the amplitude of the A mode, which is the vibration in the feed direction of the slider 7. Conceivable.
[0085]
For example, as shown in FIG. 15, when the drive speed of the slider 7 is controlled by changing the amplitude of the A mode by keeping the B mode amplitude constant during the high speed drive and the low speed drive, the high speed drive is achieved. Thus, the slider 7 can be stably driven in a wide area from low speed to low speed driving.
[0086]
FIG. 16 is a block diagram for explaining a control device in the present embodiment. The difference from the control device (block diagram of FIG. 11) described in the second embodiment is that a phase difference determination unit 23 and an amplitude determination unit 24 are provided. Other configurations are the same as those in the second embodiment.
[0087]
In this embodiment, the frequency of the AC voltages V1 and V2 applied to the vibration wave actuator is fixed to a predetermined frequency near the resonance frequency (fr), and the driving speed is adjusted by manipulating the phase difference θ and the amplitude of V1 and V2. To control.
[0088]
As described in the second embodiment, the relationship between the amplitudes of the A mode and the B mode with respect to the phase difference θ of the voltages (V1, V2) applied to the electrodes of the piezoelectric element in the vibration wave actuator is as shown in FIG. However, this is a case where the voltage amplitudes of V1 and V2 are constant within a phase difference θ of 0 ° to 180 °.
[0089]
In this case, as shown by the broken line in FIG. 12, the B-mode vibration changes due to the phase difference θ. Therefore, in the present embodiment, the amplitude of the B mode is made constant by changing the amplitude of the applied voltage (V1, V2) according to the phase difference θ.
[0090]
FIG. 17 shows the state of the vibration amplitude when the amplitude of the applied voltage (V1, V2) is changed in accordance with the phase difference θ between V1 and V2 so that the amplitude of the B mode is constant. The voltage amplitude on the line connecting the circle marks in FIG. 17 is a value proportional to the reciprocal of the B mode amplitude shown in FIG. 12, and corrects the change in the B mode amplitude. That is, the voltage amplitude of V1 and V2 is obtained by multiplying the coefficient (K) obtained by the following equation (3) according to the phase difference θ.
[0091]
K = | 1 / (2 × cos (θ / 2)) | (3)
The voltage amplitude obtained by using the above equation (3) has a relationship as shown by a circle mark in FIG. By applying voltages (V1 and V2) of this amplitude to the two electrodes of the piezoelectric element, the amplitude of the B mode becomes a constant amplitude as shown by the dotted line in the figure.
[0092]
At this time, the amplitude of the A mode has such characteristics that the phase difference θ increases from 0 ° to 180 ° and decreases from 180 ° to 360 ° as shown by the solid line in FIG. As in FIG. 12, the driving direction is reversed on the right side (− direction) and the left side (+ direction) in FIG. 17 with a phase difference of 180 ° as a boundary.
[0093]
In the present embodiment, the following drive control is performed using the characteristics described above.
[0094]
First, the position comparison unit 18 compares the current position of the lens 9 with the target position. The phase difference determination unit 23 determines the drive direction based on the comparison result in the position comparison unit 18, and sets the phase difference θ between V1 and V2 to a value in a region smaller than 180 ° (region in the + direction in FIG. 17). Or to determine the value in a region larger than 180 ° (region in the negative direction in FIG. 17).
[0095]
Further, the phase difference determination unit 23 determines the phase difference θ so that the speed is in accordance with the distance between the current position of the lens 9 and the target position.
[0096]
For example, when the lens 9 (slider 7) is driven in the + direction and the driving speed is high, the phase difference θ is a large value in a region where the phase difference θ is smaller than 180 °. Decide to be. When the driving speed is set to a low speed, the phase difference θ is determined to be a small value in a region where the phase difference is smaller than 180 °. In the region where the phase difference θ is smaller than 180 °, the amplitude of the B mode is constant, and the amplitude of the A mode increases as the phase difference θ approaches from 0 ° to 180 °. Can be performed stably.
[0097]
When the lens 9 (slider 7) is driven in the-direction and the driving speed is high, the phase difference θ is a small value in a region where the phase difference θ is larger than 180 °. Decide to be. When the driving speed is set to a low speed, the phase difference θ is determined to be a large value in a region where the phase difference is larger than 180 °. In the region where the phase difference θ is larger than 180 °, the amplitude of the B mode is constant, and the amplitude of the A mode increases as the phase difference θ approaches 180 ° from 360 °. Can be performed stably.
[0098]
After the phase difference θ is determined by the phase difference determination unit 23, the amplitude determination unit 24 determines the voltage amplitude corresponding to the determined phase difference θ (the value on the line connecting the circle marks in FIG. 17). When determining the voltage amplitude, it may be obtained from the phase difference θ by the above equation (3), or may be obtained by storing in advance a relationship between a plurality of phase differences θ and the voltage amplitude in the storage circuit. Good.
[0099]
When the value of the phase difference θ is determined by the phase difference determining unit 23 and the voltage amplitude is determined by the amplitude determining unit 24, these data are input to the drive signal generation circuit 21, and a signal corresponding to this input is generated. The Then, the voltages (V1, V2) boosted by the booster circuit 22 are applied to the piezoelectric element of the vibration wave actuator.
[0100]
As a result of the drive control described above, among the vibrations of the vibration wave actuator, the vibration amplitude of the B mode, which is the vibration in the push-up direction with respect to the slider 7, can be made constant and the vibration amplitude of the A mode can be changed. Can be operated stably from a high speed to a low speed.
[0103]
In the vibration type driving device of the present invention, The first and second regions in the electro-mechanical energy conversion element both expand or contract A first bending vibration mode; The second region contracts when the first region expands and the second region expands when the first region contracts By combining with the second bending vibration mode, the vibrating body and the driven body can be relatively driven. Ie , Shake Generating a bending vibration mode in which a first bending vibration mode and a second bending vibration mode are combined in a moving body; so In this bending vibration mode, the vibrating body and the driven body can be driven relatively by causing an elliptical motion at a predetermined mass point of the elastic body.
[0104]
According to the configuration of the vibration-type driving device described above, the electrode pattern of the electro-mechanical energy conversion element can be simplified as compared with the conventional technology. In addition, since a single piezoelectric element can be used, a simple configuration can be obtained as compared with a laminated piezoelectric element.
[0106]
Book invention like By making the polarization directions of the two electrodes the same direction, the polarization treatment at each electrode can be easily performed. Moreover, since the rigidity of the electromechanical energy conversion element between the two electrodes does not change (stiffness unevenness), ideal vibration can be generated.
[0111]
Book invention In For example, by changing the phase difference between the two-phase drive voltages, the vibration amplitude in the driven-up direction of the driven body can be made constant and the vibration amplitude in the drive direction (feeding direction) of the driven body can be changed. Therefore, the driven body can be stably driven in a wide range from high speed driving to low speed driving.
[0112]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the vibration type driving device that generates two bending vibration modes and relatively drives the vibrating body and the driven body, the electrode of the electro-mechanical energy conversion element can have a simple configuration. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an electrode pattern of a piezoelectric element according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a vibration mode in a vibration body according to a conventional technique.
FIG. 3 is a diagram showing an electrode pattern of a piezoelectric element in the prior art.
FIG. 4 is a diagram showing an electrode pattern of a piezoelectric element in the prior art.
FIG. 5 is an external perspective view of a vibrating body according to the present embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a vibration mode in the vibrating body according to the embodiment.
FIG. 7 is an external perspective view of a vibration wave actuator according to the present embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing an electrode pattern of a piezoelectric element according to a conventional concept.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between a voltage applied to a piezoelectric element and a vibration mode as a vector.
FIG. 10 is a diagram illustrating a mechanism of a lens unit according to a second embodiment.
FIG. 11 is a control block diagram according to the second embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing a relationship between a phase difference of applied voltage and vibration amplitude.
FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between a driving frequency and a driving speed of a vibration wave actuator.
FIG. 14 is a diagram for explaining an elliptical motion of a protrusion in a vibration wave actuator.
FIG. 15 is a diagram for explaining the elliptical motion of the protrusion in the vibration wave actuator.
FIG. 16 is a control block diagram according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing a relationship between a phase difference of applied voltage and vibration amplitude.
FIG. 18 is an external perspective view of a vibration wave actuator that is a modification of the first embodiment.
FIG. 19 is a diagram illustrating a vibration mode of a vibrating body.
20 is an external perspective view of a vibration wave actuator that is a modification of the first embodiment. FIG.
FIG. 21 is a diagram illustrating a vibration mode of a vibrating body.
22 is an external perspective view of a vibration wave actuator that is a modification of the first embodiment. FIG.
[Explanation of symbols]
4: Elastic body, 5: Piezoelectric element, 6: Projection, 7, 7 ′, 7 ″: Slider
8: Lens barrel, 9: Lens, 10: Frame, 11: Shaft
12, 15: Vibration wave actuator, 13: Encoder scale
14: Light emitting / receiving element, 16: Encoder
17: Position counter, 18: Position comparison unit, 19: Phase difference selection unit
20: Frequency determination unit, 21: Drive signal generation circuit, 22: Booster circuit
23: Phase difference determination unit, 24: Amplitude determination unit

Claims (5)

弾性体および、該弾性体に固着された電気−機械エネルギ変換素子備えた振動体と、
前記弾性体と接触する被駆動体とを有する振動型駆動装置であって、
前記電気−機械エネルギ変換素子は、該電気−機械エネルギ変換素子のうち第1の領域を伸縮させるための第1の電極と、該電気−機械エネルギ変換素子のうち前記第1の領域と隣り合う第2の領域を伸縮させるための第2の電極と、を有し、
前記振動体は、前記第1の領域と前記第2の領域が共に伸張又は収縮する第1の曲げ振動モード前記第1の領域が伸張するときに前記第2の領域が収縮するとともに、前記第1の領域が収縮するときに前記第2の領域が伸張する第2の曲げ振動モードと、を形成することが可能であり、
前記第1の曲げ振動モードおよび前記第2の曲げ振動モードの組み合わせによって生じた振動により前記振動体および前記被駆動体を相対的に駆動することを特徴とする振動型駆動装置。
Elastic body and an electric secured to elastic body - a vibrating body provided with a mechanical energy conversion element,
A driven body in contact with the elastic member, a vibration type driving apparatus having,
The electro-mechanical energy conversion element is adjacent to the first electrode for expanding and contracting the first area of the electro-mechanical energy conversion element, and the first area of the electro-mechanical energy conversion element. A second electrode for expanding and contracting the second region,
The vibrating body includes a first bending vibration mode in which both the first region and the second region expand or contract, and the second region contracts when the first region extends, A second bending vibration mode in which the second region expands when the first region contracts ,
A vibration type driving apparatus, wherein the vibration body and the driven body are driven relatively by vibration generated by a combination of the first bending vibration mode and the second bending vibration mode.
前記弾性体が矩形状に形成されており、
前記第1の曲げ振動モードが前記振動体の長手方向と直交する方向における1次の振動モードであるとともに、前記第2の曲げ振動モードが前記振動体の長手方向における2次の振動モードであることを特徴とする請求項に記載の振動型駆動装置。
The elastic body is formed in a rectangular shape,
The first bending vibration mode is a primary vibration mode in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the vibrating body, and the second bending vibration mode is a secondary vibration mode in the longitudinal direction of the vibrating body. The vibration-type drive device according to claim 1 .
請求項1または2に記載の振動型駆動装置と、この振動型駆動装置の駆動を制御する制御装置とを有する制御システムであって、
前記制御装置は、前記第1の電極と前記第2の電極とに印加される2相の駆動電圧の位相差を変更することで前記振動体および前記被駆動体の相対的な駆動方向を変更することを特徴とする制御システム。
A vibration type driving apparatus according to claim 1 or 2, a control system and a control device for controlling the driving of the vibration type driving apparatus,
The control device changes a relative driving direction of the vibrating body and the driven body by changing a phase difference between two-phase driving voltages applied to the first electrode and the second electrode. A control system characterized by
請求項1または2に記載の振動型駆動装置と、この振動型駆動装置の駆動を制御する制御装置とを有する制御システムであって、
前記制御装置は、前記第1の電極と前記第2の電極とに印加される2相の駆動電圧の位相差および振幅に基づいて前記振動体および前記被駆動体の相対的な駆動速度を制御することを特徴とする制御システム。
A vibration type driving apparatus according to claim 1 or 2, a control system and a control device for controlling the driving of the vibration type driving apparatus,
The control device controls a relative driving speed of the vibrating body and the driven body based on a phase difference and an amplitude of two-phase driving voltages applied to the first electrode and the second electrode. A control system characterized by
請求項1または2に記載の振動型駆動装置と、この振動型駆動装置の駆動を制御する制御装置とを有する制御システムであって、
前記制御装置は、前記第1の電極と前記第2の電極とに印加される2相の駆動電圧の位相差の変化に対して、前記第1の曲げ振動モードおよび前記第2の曲げ振動モードのうち一方の曲げ振動モードにおける振動振幅が一定になるとともに、他方の曲げ振動モードにおける振動振幅が変化するように前記駆動電圧の振幅を設定可能であり、前記第1の電極と前記第2の電極とに印加される2相の駆動電圧の位相差を変化させることによって前記振動体および前記被駆動体の相対的な駆動速度又は駆動方向を変化させることを特徴とする制御システム。
A vibration type driving apparatus according to claim 1 or 2, a control system and a control device for controlling the driving of the vibration type driving apparatus,
The controller controls the first bending vibration mode and the second bending vibration mode with respect to a change in phase difference between two-phase driving voltages applied to the first electrode and the second electrode. The amplitude of the drive voltage can be set so that the vibration amplitude in one bending vibration mode becomes constant and the vibration amplitude in the other bending vibration mode changes, and the first electrode and the second electrode A control system, wherein a relative driving speed or a driving direction of the vibrating body and the driven body is changed by changing a phase difference between two-phase driving voltages applied to the electrodes .
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