CN106469997A - 振动马达控制器以及透镜装置和图像拾取装置 - Google Patents

Abstract

一种振动马达控制器，用于控制振动马达的驱动速度，该振动马达使振动器和与振动器接触的接触器相对运动，振动器通过机电换能器而振荡，具有相位差的第一频率信号和第二频率信号施加给所述机电换能器；振动马达控制器包括：相位差确定器，储存在频率与所述第一频率信号和第二频率信号之间的相位差之间的关系，并根据所述关系来确定相对于频率的相位差；以及控制器，根据第一频率信号和第二频率信号的频率以及由相位差确定器根据该频率确定的相位差而控制振动马达的速度，其中，储存在相位差确定器中的频率与相位差之间的所述关系不包括在低于振动马达的频率‑速度特性中的谐振频率的频率与相位差之间的关系。以及一种透镜装置和图像拾取装置。

Description

振动马达控制器以及透镜装置和图像拾取装置

技术领域

本发明涉及一种振动马达控制器以及一种包括该振动马达控制器的透镜装置和图像拾取装置。

背景技术

已经提出了各种用于控制振动马达的方法，该振动马达具有：振动器，该振动器由金属弹性本体等来形成，机电换能器(压电元件或电致伸缩元件)结合至该振动器；以及接触器，该接触器与振动器压力接触。日本专利申请公开No.2011-067035公开了一种延伸振动马达的速度的动态范围的技术，即：通过执行相位差控制以便在频率固定的情况下改变相位差，然后在相位差达到规定值时执行频率控制，以便在相位差固定的情况下改变频率。

在日本专利申请公开No.2011-067035中公开的技术是能够利用振动马达的驱动速度的较宽动态范围的技术。不过，在从相位差控制转换之后的频率控制中，即使频率升高或降低一定量，振动马达的驱动速度也不相应地线性增加或减小，这降低了可控制性。因此，为了降低在频率控制范围中驱动速度相对于频率的这种非线性的不利影响，相位差控制中的频率可以设置成较低频率。不过，在这种情况下，低速区域下的可控制性将降低。这是因为在频率-速度曲线中在低于谐振频率的频率区域中速度随频率变化的变化较大，且因为在具有小相位差的频率-速度曲线中的谐振频率比在具有大相位差的频率-速度曲线中的谐振频率高。总体来说，当在相位差控制中的频率设置成较高频率时，由于在频率控制范围中的非线性的不利影响，可控制性降低；当在相位差控制中的频率设置成较低频率以便降低在频率控制区域中的非线性的不利影响时，由于在低于谐振频率的频率区域中根据频率-速度曲线进行的控制，振动马达不稳定地操作。因此，很难同时在小相位差情况下实现振动马达的可控制性和振动马达的稳定性两者。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动马达控制器，它能够在小相位差情况下获得可控制性和稳定性两者，同时保持驱动速度的较宽动态范围。

本发明的振动马达控制器控制振动马达的驱动速度，该振动马达使振动器和与振动器接触的接触器相对运动，振动器通过机电换能器而振荡，具有相位差的第一频率信号和第二频率信号施加给所述机电换能器。振动马达控制器包括：相位差确定器，所述相位差确定器储存在频率与所述第一频率信号和第二频率信号之间的相位差之间的关系，并根据所述关系来确定相对于频率的相位差；以及控制器，所述控制器根据第一频率信号和第二频率信号的频率以及由相位差确定器根据该频率确定的相位差而控制振动马达的速度。储存在相位差确定器中的频率与相位差之间的所述关系不包括在低于振动马达的频率-速度特性中的谐振频率的频率与相位差之间的关系。

根据本发明，能够在小相位差情况下获得可控制性和稳定性两者，同时保持驱动速度的较宽动态范围。

通过下面参考附图对示例实施例的说明，将清楚本发明的其它特征。

附图说明

图1是根据本发明实施例的振动马达控制器的结构图。

图2示出了在本发明的实施例1中振动马达控制器的频率-速度特性曲线和频率-速度控制线。

图3A示出了在本发明的实施例1中振动马达控制器的频率-速度特性曲线和频率-速度控制线。

图3B示出了在本发明的实施例1中振动马达控制器的频率和相位差之间的关系。

图4A示出了在本发明的实施例1中振动马达控制器的频率-速度特性曲线和频率-速度控制线。

图4B示出了在本发明的实施例1中振动马达控制器的频率和相位差之间的关系。

图5A示出了在本发明的实施例2中振动马达控制器的频率-速度特性曲线和频率-速度控制线。

图5B示出了在本发明的实施例2中振动马达控制器的频率和相位差之间的关系。

图6示出了振动马达的速度特性。

图7示出了在每种致动频率处的速度轨迹。

图8示出了在本发明的每个实施例中的线性的定义。

具体实施方式

下面将根据附图详细介绍本发明的优选实施例。

(振动马达的常规控制的概述)

振动马达包括：振动器，该振动器由金属弹性本体等来形成，机电换能器(压电元件或电致伸缩元件)结合至该振动器；以及接触器，该接触器与振动器压力接触。当具有相位差的多个频率信号施加给压电元件时，将引起振动器振荡，且振动器和接触器彼此相对运动，以便产生驱动力。振动马达的驱动通过改变施加给压电元件的频率信号的频率(也简称为频率)的方法(称为频率控制)或者通过改变施加给压电元件的多个频率信号之间的相位差(也简称为相位差)的方法(称为相位差控制)来控制。频率控制和相位差控制是公知的，因此省略它们的详细说明。

为了保证可控制性和延伸动态范围，已知方法是执行相位差控制以便在频率固定的情况下改变相位差，然后在相位差达到规定值时执行频率控制以便在相位差固定的情况下改变频率。图6示出了在频率和相位差以及振动马达的驱动速度之间的关系(称为频率-速度特性曲线)。当使用水平轴线作为频率并且使用竖直轴线作为驱动速度时，图6示出了在频率在相位差固定为10至90度的情况下变化的情形下振动马达的频率-速度特性曲线。对于每个相位差，在相对于达到最高速度的频率(下文中称为谐振频率)的低频率侧上，驱动速度相对于频率急剧变化。因此，为了提高可控制性，通常希望在不使用该频率范围的情况下控制振动马达。

图7示出了在作为开始点的频率(下文中也称为致动频率)变化的情况下在振动马达的速度特性中使用相位差控制和频率控制两者的驱动速度的轨迹。图7以与图6相同的方式画出。首先，让我们考虑以下情形：在相位差控制中频率设置为频率FresH(该频率FresH高于在相位差为10度情况下的谐振频率Fres)，并且在相位差为90度的情况下，相位差控制转换成频率控制。在这种情况下，驱动速度跟随由虚线箭头表示的频率-速度轨迹。虚线箭头的位置高于在相位差为10度情况下的谐振频率Fres，从而导致稳定的控制。

不过，在相位差为90度或高于90度时的频率控制中，虚线箭头跟随非线性轨迹。也就是，在频率控制范围中，即使当频率升高或降低一定量时，振动马达的驱动速度也不会增加或减小相应特定量，这降低了可控制性。当为了降低在频率控制范围中非线性对可控制性的不利影响，在相位差控制中将频率设置成低于频率FresH的频率FresL时，驱动速度跟随由实线箭头表示的轨迹。实线箭头具有比虚线箭头更窄的频率控制范围，从而能够降低在频率控制中非线性的不利影响。

不过，在相位差控制中频率FresL低于在相位差为10度的情况下的谐振频率Fres。因此，当在相位差控制中将频率设置为FresL时，在小相位差的情况下振动马达的操作可能变得不稳定。通常，振动马达的频率-速度特性中的谐振频率在获得低速的相位差情况(在图7中10度的相位差)下高于在获得高速的相位差情况(在图7中90度的相位差)。因此，当致动频率设置在低频率区域中时，可能没有什么选择，只能通过使用比频率-速度特性曲线中的谐振频率低的频率区域来进行控制。

[实施例1]

图1示出了根据本发明实施例的振动马达控制器的结构。在下面的说明中，为了清楚，只介绍了本发明的主要部件，并不形成本发明的特征的部件的说明将省略。

振动马达控制器100控制振动马达103的驱动。

频率确定器101确定输入给振动马达103的多个频率信号的频率。例如，根据位置检测器105(该位置检测器105检测振动马达103的位置)的输出与目标输入单元106的输出之间的差异来确定频率。而且，低频率侧从储存在致动频率存储器107中的致动频率确定。相位差确定器102根据由频率确定器101确定的频率来确定多个频率信号之间的相位差。确定方法将在后面详细介绍。输出单元104(控制器)根据由频率确定器101确定的频率和由相位差确定器102确定的相位差向振动马达103输出多个频率信号。

下面将参考图2至5B介绍使用相位差确定器102来确定相位差的方法。与图7类似，图2通过使用相位差作为参数示出了在施加给振动马达的两个频率信号的频率和驱动速度之间的关系。

如上所述，在振动马达的频率-速度特性方面，驱动速度相对于频率的梯度在低于谐振频率的频率区域中较大，因此，考虑到可控制性，该区域并不用于驱动控制。当相位差变大至一定程度时，驱动速度在高频率侧的端部处快速地减小，如图2中所示(下文中也称为“陡峭下降特性”或“悬崖下降现象”)，因此，考虑到可控制性，该区域也不用于驱动控制。这样，在频率-速度特性曲线中的驱动速度并不随着频率变化而较大变化的区域将用于控制，从而获得良好的可控制性。

首先，确定用于控制的相位差的范围。这里，作为实例，用于控制的相位差的范围设置为0至90度。在具有预定相位差(这里，90度)的频率-速度特性曲线上确定了表示在频率(F0’，F0)中的频率F0的点P0(图3A)，该频率F0高于谐振频率，所述频率(F0’，F0)指示在目标控制速度范围中的最高速度V0。设置致动频率Fa2，该致动频率Fa2高于在具有相应相位差的所有频率-速度特性曲线中的谐振频率，并低于具有陡峭下降特性的高频率侧，将致动频率Fa2且驱动速度为0时的点P1与具有预定相位差(90度)的频率-速度特性曲线上的点P0连接。

致动频率Fa2设置成使得直线P0-P1不与具有相应相位差的任何频率-速度特性曲线在低于它们的谐振频率的频率区域中相交(例如，当选择频率Fa1时，线P0-P1相交)，且不与具有达到最高速度Vmax的相位差(这里，90度)的频率-速度特性曲线相交(例如，当选择频率Fa3时，线P0-P1相交)。

因为这样确定的直线P1-P0表示频率和驱动速度之间的线性关系，因此，驱动速度根据该关系通过改变频率来控制，因此能够获得驱动速度相对于频率的高可控制性。这里，为了随着频率的改变而在作为控制线的直线P1-P0上改变驱动速度，相位差需要随着频率的改变而改变，以便满足在如图2、3A和3B中所示的直线上的频率和相位差之间的关系。

因此，在频率Fa2至频率F0(驱动速度0至V0)的范围内频率和相位差之间的关系(它满足作为控制线的直线P1-P0，图3B)保持在相位差确定器102中。图3B中的频率和相位差之间的关系(以表格、公式等的形式)保持在相位差确定器102中，且相位差确定器102确定根据频率输出给振动马达的相位差，从而响应频率的输入而线性地控制驱动速度。

图3A中所示的作为频率-速度控制线的直线P1-P0将设置为不与具有相应相位差的任何频率-速度特性曲线在低于谐振频率的频率区域中相交，且不与具有达到最高速度Vmax的相位差的频率-速度特性曲线相交。因为在驱动速度和频率之间的关系为线性，因此与最高速度相对应的频率是在控制频率范围中的最低频率。

不过，与最高速度相对应的相位差不限于最大相位差(如图3B中所示)。例如，当如图4A中所示达到最高速度的频率-速度特性曲线的相位差(在图4A中，70度)不是在用作控制范围的相位差范围中达到最高速度的频率-速度特性曲线上的相位差(图4A中，90度)时，相位差不必在控制范围中在最高速度V0处最大，如图4B中所示。在图4B中，当频率从致动频率降低时，相位差首先增加，然后降低，使得频率和相位差对应于最高速度。根据这样的频率-速度控制线，频率和驱动速度能够在高可控制性的情况下被线性地控制。

[实施例2]

下面将参考图5A和5B介绍根据本发明的实施例2的振动马达103。在该实施例中，根据振动马达103的频率-速度特性，所希望的最高速度V0至最低速度不能相对于频率来线性控制。

在该实施例中，振动马达的结构与实施例1中的相同，因此省略它们的说明。

再一次，将介绍这样的实例，其中，用于控制的相位差的范围设置为0至90度。对于在控制范围中要达到的最高速度V0，首先确定频率(F0’、F0)，该频率(F0’、F0)指示在具有达到最高速度的相位差(这里，90度)的频率-速度特性曲线上的最高速度V0，然后从频率(F0’、F0)中确定表示频率F0的点P0，该频率F0高于谐振频率。

然后设置致动频率，该致动频率高于谐振频率，并低于具有陡峭下降特性的高频率侧。这里，将在致动频率且驱动速度为0时的点P1与在具有90度相位差的频率-速度特性曲线上的点P0连接的直线P0-P1能够在以下情形下相对于频率线性地控制驱动速度的范围(从0至最高速度V0)。也就是，直线P0-P1不与具有相应相位差的任何频率-速度特性曲线在低于谐振频率的频率区域中相交(在选择频率Fb2的情况下，线P0-P1相交)，且不与具有达到最高速度的相位差的频率-速度特性曲线相交(例如，在选择频率Fb3的情况下，线P0-P1相交)。不过，因为具有如图5A中所示频率-速度特性曲线的振动马达没有满足上述条件的直线P0-P1，因此采用以下频率-速度控制线。

首先，设置致动频率Fb3，该致动频率Fb3高于具有相应相位差的任何频率-速度特性曲线中的谐振频率，并且低于具有陡峭下降特性的高频率侧，且找到最高速度处的点P2，使得连接点P2与致动频率Fb3处的点P1的直线不与表示最高速度的、具有90度相位差的频率-速度特性曲线相交，但是以直线接触。在大部分情况下，在点P2处，直线P1-P2是达到最高速度的、具有90度相位差的频率-速度特性曲线的切线。

在点P1处的频率Fb3至点P2处的频率Fb1的范围中，该直线用作频率-速度控制线，以便控制速度，在频率Fb1至频率F0(该频率F0表示最高速度V0)的范围中，具有90度相位差的频率-速度特性曲线用作控制线，以便在相位差保持恒定(这里，90度)的情况下改变频率。

在这样确定的频率-速度控制线(直线P1-P2，曲线P2-P0)中，在频率Fb3至频率Fb1的范围中频率和驱动速度之间的关系为线性。在频率Fb1至频率F0的范围中频率和驱动速度之间的关系并不为线性(驱动速度V1(第一速度)至V0)，不过，能够获得可以在直线P1-P2的部分中获得的可控制性。

因为直线P1-P2与曲线P2-P0相切，因此直线P1-P2能够过渡至曲线P2-P0，且不会引起急剧的加速或减速，这能够在控制范围之间平滑过渡。应当注意，相位差需要随着频率的变化而变化，以便满足在如图5A中所示的控制线P1-P0上的频率和相位差之间的关系。为此，在频率Fb3至频率F0的范围内(驱动速度0至V0)频率和相位差之间的关系(它满足作为控制线的直线P1-P0，图5B)以表格、公式等形式而保持在相位差确定器102中。

图5B中的频率和相位差之间的关系保持在相位差确定器102中，相位差确定器102根据频率来确定输出给振动马达的相位差，从而响应频率的输入而在低速侧线性地控制驱动速度，在高速侧基本线性地控制驱动速度。

通过这种设置，本发明的控制器能够在小相位差的情况下获得可控制性和稳定性，同时保持驱动速度的较宽动态范围。

如图4A中所示的实施例1中的控制线可以用作实施例2中的直线P1-P2中的频率-速度控制线。

通过上述设置，通过根据频率来确定相位差，同时使用高于谐振频率的频率-速度特性，即使在小相位差的情况下，驱动速度也能够在整个速度控制范围中根据频率而线性或基本线性地控制。因此，能够在小相位差的情况下获得可控制性和稳定性两者。通过改变相位差，同时从致动频率至低频率侧改变频率，驱动速度的动态范围能够较大。

在该实施例中，尽管使用的相位差为90度(0度至90度)，但是本发明并不局限于此。例如，80度或70度也能够获得本发明的优点。

在该实施例中，尽管相位差在0度至90度的范围内变化，但是可以使用任何相位差，只要该相位差能够改变以便表示低速至高速即可。例如，90度至180度的范围或-90度至0度的范围也能够获得本发明的优点。

在该实施例中，尽管在图5A和5B中在频率Fb3处的相位差设置为0度，但是可以使用能够获得控制器所需的最低速度的任何相位差，且用于获得本发明的优点的控制速度并不必须包括0。例如，10度的相位差可以设置在频率Fb3，与图5A中类似的曲线或直线可以根据连接点P1与点P2的直线来获得，以便获得本发明的优点。

在该实施例中，尽管致动频率设置为Fb3，但是可以使用满足上述条件的任何致动频率。例如，当在具有10度相位差的谐振频率与频率Fb3之间的频率被设置为致动频率，且将该点与如上所述的点P2连接的直线是高于振动马达的具有各相位差的频率-速度特性曲线上的谐振频率地经过的直线时，能够获得本发明的优点。

在实施例1或2中的振动马达控制器可以用作用于包括可动光学部件和用于驱动可动光学部件的振动马达(作为驱动单元)的透镜装置的驱动马达控制器。当可动光学部件是可动透镜组时，操作环或操作旋钮对应于目标输入单元106，频率确定器101根据来自目标输入单元106的目标值和来自检测器105(该检测器105用于检测可动透镜组的位置)的检测值之间的差异来确定频率。确定的频率输入给相位差确定器102，相位差根据所储存的、频率和相位差之间的关系来确定，振动马达103根据相位差来控制。这能够实现这样的透镜装置，该透镜装置能够产生本发明的优点，也就是，能够在小相位差的情况下获得可控制性和稳定性，同时保持驱动速度的较宽动态范围。

实施例1或2中的振动马达控制器可以用作用于图像拾取装置的驱动马达控制器，该图像拾取装置包括：透镜装置，该透镜装置具有可动光学部件和用于驱动该可动光学部件的振动马达(作为驱动单元)；以及图像拾取元件，用于拾取由透镜装置形成的光学图像。还在该情形中，与将本发明的控制器应用于透镜装置的情况中相同，能够提供这样的图像拾取装置，该图像拾取装置能够产生本发明的优点，也就是，能够在小相位差的情况下获得可控制性和稳定性，同时保持驱动速度的较宽动态范围。

(线性的定义)

下面将参考图8更详细地介绍在各实施例中驱动速度的线性控制。在本发明的各实施例中驱动速度的线性控制并不需要严格数学意义的线性，相位差控制和频率控制可以在由图8中的双头箭头和斜线界定的范围中重复。

图8中所示的范围是在连接P0至P1的直线的较低频率侧和较高频率侧中的每一侧上具有预定宽度的范围。例如，该范围是相对于连接P0至P1的直线具有使用频率范围的宽度的±10％或更小，更优选地±6％或更小的宽度的范围。更详细地说，当致动频率为94kHz，且达到最高速度时的频率为90kHz时，图8中所示的范围是离连接P0至P1的直线±0.4kHz的范围。而且，图8中所示的范围可以是在连接P0至P1的直线的较高速度侧和较低速度侧中的每一侧具有预定宽度的范围。例如，该范围是相对于连接P0至P1的直线是最高速度的±10％或更小，更优选地±6％或更小的范围。

在本发明的各实施例中，驱动速度的线性控制是指这样的特性，以定性方式，当振动马达用于驱动聚焦透镜并且频率确定器以最小分辨率(该最小分辨率能够由频率确定器来确定)来改变频率时，由于速度改变而改变的焦点深度不偏离当聚焦透镜被理想地驱动时的预定焦点深度。

其它实施例

本发明的实施例还能够通过系统或装置的计算机来实现，该计算机读取和执行记录在储存介质(该储存介质也可以更完整地称为“非临时计算机可读储存介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)，以便执行一个或多个上述实施例的功能，和/或该计算机包括一个或多个电路(例如专用集成电路(ASIC))，用于执行一个或多个上述实施例的功能，本发明的实施例还能够通过由系统或装置的计算机执行的方法来实现，例如通过从储存介质中读取和执行计算机可执行指令，以便执行一个或多个上述实施例的功能，和/或控制一个或多个电路，以便执行一个或多个上述实施例的功能。计算机可以包括一个或多个处理器(例如中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU))，并可以包括分开的计算机或分开的处理器的网络，以便读取和执行计算机可执行指令。计算机可执行指令可以例如从网络或储存介质提供给计算机。储存介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布计算系统的存储器、光盘(例如压缩盘(CD)、数字通用盘(DVD)或者蓝光盘(BD)^TM)、闪存装置、存储卡等中的一种或多种。

尽管已经参考示例实施例介绍了本发明，但是应当理解，本发明并不局限于所公开的示例实施例。下面的权利要求的范围将根据最广义的解释，以便包含所有这些变化形式以及等效结构和功能。

Claims (9)

1.一种振动马达控制器，用于控制振动马达的驱动速度，该振动马达使振动器和与振动器接触的接触器相对运动，振动器通过机电换能器而振荡，具有相位差的第一频率信号和第二频率信号施加给所述机电换能器；

振动马达控制器包括：

相位差确定器，所述相位差确定器储存在频率与所述第一频率信号和第二频率信号之间的相位差之间的关系，并根据所述关系来确定相对于频率的相位差；以及

控制器，所述控制器根据第一频率信号和第二频率信号的频率以及由相位差确定器根据该频率确定的相位差而控制振动马达的速度，其中，

储存在相位差确定器中的频率与相位差之间的所述关系不包括在低于振动马达的频率-速度特性中的谐振频率的频率与相位差之间的关系。

2.根据权利要求1所述的振动马达控制器，其中：根据储存在相位差确定器中的频率和相位差之间的所述关系，振动马达的速度具有这样的范围，在该范围中，速度在控制范围中相对于频率为线性。

3.根据权利要求2所述的振动马达控制器，其中：根据储存在相位差确定器中的频率和相位差之间的所述关系，振动马达的速度相对于频率为线性的范围包括在控制范围中的最低速度。

4.根据权利要求2所述的振动马达控制器，其中：根据储存在相位差确定器中的频率和相位差之间的所述关系，振动马达的速度相对于频率为线性的范围不包括从控制范围中的最高速度至低于最高速度的第一速度的范围。

5.根据权利要求4所述的振动马达控制器，其中：相位差确定器储存频率相对于恒定相位差变化的关系，作为在从控制范围中的最高速度至第一速度的范围中的频率和相位差之间的关系。

6.根据权利要求2所述的振动马达控制器，其中：根据储存在相位差确定器中的频率和相位差之间的所述关系，振动马达的速度相对于频率为线性的范围包括在控制范围中的最高速度。

7.根据权利要求2所述的振动马达控制器，其中：振动马达的频率-速度特性中的谐振频率是在相位差保持恒定的情况下达到最高速度的频率。

8.一种透镜装置，包括：

可动光学部件；

振动马达，所述振动马达驱动可动光学部件；以及

根据权利要求1至7中任意一项所述的振动马达控制器，作为用于振动马达的控制器。

9.一种图像拾取装置，包括：

根据权利要求8所述的透镜装置；以及

图像拾取元件，所述图像拾取元件捕获由透镜装置形成的光学图像。