CN113169681A - 使得能够从振动型致动器获得稳定输出的驱动控制设备和驱动控制方法、包括振动型致动器的振动型驱动设备和装置 - Google Patents

使得能够从振动型致动器获得稳定输出的驱动控制设备和驱动控制方法、包括振动型致动器的振动型驱动设备和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及驱动控制设备100，其使得能够在整个驱动频率范围内从振动型致动器200稳定地获得高输出。控制包括振动器214(振动器214包括压电元件203)和转子207的振动型致动器200的驱动的驱动控制设备100包括：放大器电路11和12，其放大电源电压以生成要施加到压电元件203的驱动电压；以及微计算机单元1，其控制由放大器电路11和12进行的对驱动电压的生成。微计算机单元1进行控制，以从启动振动型致动器200至达到转子207的目标速度，增大驱动电压的振幅以进行加速，当提供给压电元件203的电力超过第一电力极限P‑Lim1时，减小驱动电压的频率而不改变驱动电压的振幅，并且当在减小频率的操作期间电力下降到第二电力极限P‑Lim2以下时，增大驱动电压的振幅。

Description

使得能够从振动型致动器获得稳定输出的驱动控制设备和驱 动控制方法、包括振动型致动器的振动型驱动设备和装置
技术领域
本发明涉及使得能够从振动型致动器获得稳定输出的驱动控制设备和驱动控制方法、包括振动型致动器的振动型驱动设备和装置。
背景技术
作为非电磁驱动致动器，已知如下振动型致动器，其使振动器和接触体彼此接触并且激发振动器中的振动以使振动器和接触体彼此相对移动。振动器例如具有如下结构，其中诸如压电元件的电-机能量转换元件结合到弹性体。在振动型致动器中，将AC电压施加到电-机能量转换元件以在振动器中产生高频振动，并且该高频振动的振动能量作为机械运动而输出，在该机械运动中，振动器和接触体彼此相对移动。
振动型致动器被应用于各种电子设备，并且被用于例如驱动摄像装置中的摄像镜头。通常，电池被用作摄像装置中的电源。例如，已知如下技术，其中通过DC/DC转换器将电池电压升高，然后通过LC谐振电路将电池电压进一步升高至预定电压值。在这种情况下，LC谐振电路的电谐振频率被定义为1/{2π×(L×C)1/2}。
专利文献1提出了如下技术，其中当通过在特定频率范围内增大脉冲宽度来启动振动型致动器时，在电流值超过预定值的情况下停止脉冲宽度的增大以防止电流值进一步增大，从而有效地利用了从电池提供的有限电力。另外，在专利文献1中，当相对移动速度等于或低于目标速度时，进行控制，以在使脉冲宽度固定的同时，通过将驱动频率向低频侧偏移来增大相对移动速度，直到相对移动速度达到目标速度为止。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本特许第5791343号
发明内容
技术问题
为了满足进一步简化电子设备中包括的电路并降低成本的需求，振动型致动器的驱动方法可以包括如下驱动方法，其中，通过LC谐振电路直接升高电池的电压而不使用DC/DC转换器，并且使电谐振频率接近振动器的机械谐振频率以增大升压速率，从而获得高输出。然而，在使电谐振频率接近机械谐振频率的情况下，输出在驱动频率范围内大幅波动，这是新问题。
将参照图10描述该问题。图10是示出振动型致动器的驱动频率与驱动电压(施加到电-机能量转换元件的电压)之间的关系的图。虚线示出了机械谐振频率fr'和电谐振频率fe'彼此远离的情况，并且实线示出了机械谐振频率fr和电谐振频率fe彼此接近的情况。在两个谐振频率彼此远离(虚线)的情况下，由于在驱动频率范围内的电压变化量ΔV'小，因此输出和电力的波动小。然而，由于电压电平低，因此通常需要使用诸如DC/DC转换器的用于升高电压的机构来升高电源电压。另一方面，在两个谐振频率彼此接近(实线)的情况下，尽管电压电平本身较高，但是驱动频率范围内的电压变化量ΔV变大，因此在驱动频率范围内，输出和电力的波动变大，这是有问题的。
本发明提供了一种简单的振动型驱动设备，其中即使在由于机械谐振频率和电谐振频率彼此接近而使在驱动频率范围内电压变化量较大的情况下，也可以从振动型致动器获得稳定的输出。
解决问题的技术方案
根据本发明的振动型驱动设备包括：振动型致动器，其包括彼此相对移动的振动器和接触体；以及驱动控制设备，其被构造为，控制要施加到所述振动型致动器的驱动电压和所述驱动电压的频率，其中，从启动所述振动型致动器至达到相对移动的目标速度，所述驱动控制设备增大所述驱动电压以加速所述振动型致动器的驱动，当提供给所述振动器的电力超过第一电力值时，所述驱动控制设备减小所述驱动电压的频率而不改变所述驱动电压，并且当在减小频率的操作期间所述电力下降到小于所述第一电力值的第二电力值以下时，所述驱动控制设备增大所述驱动电压。
本发明的有利效果
根据本发明，通过简单的电路构造，即使在由于机械谐振频率和电谐振频率彼此接近而使在驱动频率范围内电压变化量较大的情况下，也可以从振动型致动器获得稳定的输出。
附图说明
图1是示出振动型致动器的示意性构造的截面图。
图2是示出驱动控制设备的构造的框图。
图3A是用于描述驱动信号的图。
图3B是用于描述放大器电路的构造的图。
图4是示出振动型致动器的谐振频率与驱动电压之间的关系的图。
图5是分别示出根据示例1和比较示例的驱动序列中的特性的比较的图。
图6是振动型致动器的示例1的驱动序列的流程图。
图7A是用于描述驱动信号的脉冲宽度与电压比之间的关系的曲线图。
图7B是用于描述相对于电源电压设置的驱动信号的脉冲宽度的曲线图。
图8是分别示出根据示例2和比较示例的驱动序列中的特性的比较的图。
图9是示出包括振动型驱动设备的数字相机的外观的立体图。
图10是示出振动型致动器的驱动频率与驱动电压之间的关系的图。
具体实施方式
下文中将参照附图详细描述本发明的实施例。在以下描述中，振动型驱动设备包括振动型致动器和控制振动型致动器的驱动控制设备。
<第一实施例>
图1是示出包括在振动型驱动设备中的振动型致动器200的示意性构造的截面图。振动型致动器200整体上大致为圆柱形状。振动型致动器200包括第一弹性体201、第二弹性体202、压电元件203、柔性印刷电路板204、下螺母205和轴206。第一弹性体201、第二弹性体202、压电元件203和柔性印刷电路板204沿轴206的轴向(推力方向)紧固，使得通过轴206和下螺母205施加预定的保持力。第一弹性体、第二弹性体202和压电元件203形成振动器214，并且振动器214固定在轴206上的预定位置。
第一弹性体201由振动损失低、耐磨性和耐腐蚀性优异的材料形成。例如，可以选择金属或陶瓷用于第一弹性体201，并且特别优选马氏体不锈钢(例如，诸如SUS440C的高硬度材料)。这里，通过切割SUS440C的构件、然后对所切割的SUS440C构件进行淬火并氮化以提高耐磨性，来获得第一弹性体201。
压电元件203是电-机能量转换元件。这里，使用具有如下结构的压电元件203，其中，在轴206的轴向上堆叠在正面和背面形成有电极的多个环状压电体。压电元件203可以通过交替地堆叠多个薄板状压电陶瓷和电极层、并同时对压电陶瓷和电极层进行烧结而形成(整体烧结型)，或者可以通过堆叠各自在正面和背面形成有电极的多个单板型压电体、并在堆叠方向上紧固堆叠的压电体而形成(朗之万型，Langevin type)。
压电元件203的各个电极层包括A相电极、B相电极、A'相电极和B'相电极。压电元件203的这种结构例如在日本特开2013-123335号公报中公开，因此将省略其图示和详细描述。可以通过经由柔性印刷电路板204将具有预定相位差的交流(AC)电压(下文中称为“驱动电压”)施加到A相电极、B相电极、A'相电极和B'相电极，来在振动器214中激发彼此正交的两个弯曲振动。这两个弯曲振动模式绕轴的空间相位偏移90度(90°)，并且这两个弯曲振动可以通过改变驱动电压的相位而具有90度的时间相位差。结果，振动器214的弯曲振动绕轴306旋转，并且在第一弹性体201(与稍后描述的转子207的接触部207a接触的表面)上产生椭圆运动。
由于振动器214的弯曲振动，通过直接压电效应而在压电元件203中产生电荷。因此，可以通过检测电荷来监视振动器214的振动状态。因此，在压电元件203中，例如，通过分割多个A相电极中的一个而形成的两个电极中的一个被用作用于监视振动状态的传感器电极。在这种情况下，施加到A相电极的驱动电压与来自传感器电极的输出信号之间的相位差在谐振频率处为90度，并且朝着比谐振频率更高的频率逐渐增大。因此，可以通过在振动器214中激发振动状态下，检测施加到A相电极的驱动电压与来自传感器电极的输出信号之间的相位差，来监视输入到压电元件203的驱动电压的频率与振动器214的谐振频率之间的关系。此外，可以通过基于监视结果进行稍后描述的控制，来稳定地驱动振动型致动器200。
振动型致动器200包括转子207(接触体)、转子橡胶208、压紧弹簧209、作为输出传递构件的齿轮210、轴承211、法兰212和上螺母213。通过将上螺母213拧到轴206上，将布置在轴206的上端侧的法兰212固定到轴206上。法兰212是用于将振动型致动器200固定在安装振动型致动器200的装置(仪器)上的预定位置的构件。
转子207包括转子主环207b和接触部207a。接触部207a通过粘合剂固定到转子主环207b上。接触部207a的下端(面对振动器214的一端)的表面与第一弹性体201接触，并且接触部207a弯曲成使得该下端的表面的直径小于上端的表面的直径。结果，接触部207a具有适当的弹性水平。接触部207a优选地由具有良好的耐磨性、机械强度和耐腐蚀性的材料形成。例如，优选使用诸如SUS420J2的不锈钢。在振动型致动器200中，接触部207a是通过以低的生产成本和优异的尺寸精度进行冲压加工并进行淬火以提高耐磨性来形成的。应当注意，将接触部207a固定到转子主环207b的方法不限于使用粘合剂的方法，并且可以包括其他方法，例如金属钎焊(诸如软钎焊)、焊接(诸如激光焊接或电阻焊接)、以及机械接合(诸如压入配合或铆接)。
转子207被压紧弹簧209经由转子橡胶208压在振动器214上，并与振动器214接触。通过在振动器214中产生上述椭圆运动，可以将摩擦驱动力施加到转子207上以使转子207旋转。应当注意，转子橡胶208具有均衡压紧力和衰减从转子207传递到齿轮210的振动的功能。
在轴206的轴向上，齿轮210经由轴承211布置在法兰212与第一弹性体201之间。在转子主环207b的上表面形成的凹部与在齿轮210上形成的凸部彼此配合。齿轮210接收来自压紧弹簧209的力，并且在相对于轴承211滑动的同时与转子207一体地旋转，以将旋转驱动力输出到外部。
图2是示出包括在振动型驱动设备中的驱动控制设备100的示意性构造的框图。驱动控制设备100包括微计算机单元1、振荡器单元2、电流检测电路3、速度检测电路4、电源单元5、放大器电路11和12以及阻抗元件21和22。
微计算机单元1是全面控制振动型致动器200的驱动的控制单元。为了在振动器214中激发上述振动，振荡器单元2响应于来自微计算机单元1的命令值生成四个脉冲信号(即A相脉冲、A'相脉冲、B相脉冲和B'相脉冲)，作为充当驱动信号的脉冲信号。
放大器电路11和12以及阻抗元件21和22用作驱动控制设备100中的驱动器。放大器电路11利用A相脉冲和A'相脉冲来开关电源单元5的电压(电源电压)，与阻抗元件21组合来升高电源电压，并生成要施加到压电元件203的驱动电压。放大器电路12利用B相脉冲和B'相脉冲来开关电源电压，与阻抗元件22组合来升高电源电压，并生成要施加到压电元件203的驱动电压。由放大器电路11利用A相脉冲生成的两个不同相位的驱动电压被施加到压电元件203的A相电极和A'相电极，稍后将参照图3A和图3B提供其详细描述。此外，由放大器电路12利用B相脉冲生成的驱动电压被施加到压电元件203的B相电极和B'相电极。
电源单元5是将直流(DC)电压提供给放大器电路11和12的电源，诸如电池。电流检测电路3是检测从电源单元5提供的电流的电流检测单元。可以计算由电流检测电路3检测到的电流与给到放大器电路11和12的电压命令值的乘积，以计算所消耗的电力(下文中称为“电力”)。计算出的电力被输入到微计算机单元1，并且用作用于进行稍后描述的驱动序列的信息。
速度检测电路4检测转子207的速度(旋转速度)和位置(旋转角度)，并且将与检测到的转子207的速度和位置有关的信息发送到微计算机单元1。微计算机单元1基于接收到的与转子207的速度和位置有关的信息，通过控制用于生成要施加到压电元件203的驱动电压的A相脉冲和B相脉冲，来控制转子207的旋转。
图3A是用于描述驱动信号(A相脉冲、B相脉冲、A'相脉冲和B'相脉冲)的图。图3B是放大器电路11和12的电路图。如图3A所示，A相脉冲和A'相脉冲的相位偏移180度，B相脉冲和B'相脉冲的相位偏移180度，并且各个驱动信号的脉冲宽度(占空比)相等。这里，A相脉冲和B相脉冲的相位偏移90度。
FET 31至38用作包括在放大器电路11和12中的开关元件。FET 31和34由于A相脉冲而进行开关，并且FET 32和33由于A'相脉冲而进行开关。通过FET 31至34的开关运动而从电源电压生成的驱动电压被施加到A相电极和A'相电极。FET 35和38由于B相脉冲而进行开关，并且FET 36和37由于B'相脉冲而进行开关。通过FET 35至38的开关运动而从电源电压生成的驱动电压被施加到B相电极和B'相电极。
阻抗元件21和22用于与振动型致动器200进行阻抗匹配，这里使用电感元件。通过在图2、图3A和图3B所示的预定位置处合并阻抗元件21和22，可以以较低的电源电压和高效率来驱动振动型致动器200。应当注意，尽管未示出，但是可以与振动器214并联地设置电容元件以进行阻抗匹配。
由包括放大器电路11和12以及阻抗元件21和22的驱动器进行的升压的速率在作为驱动器的谐振频率的电谐振频率fe处具有最大值。fe＝1/{2π×(L×C)1/2}，其中阻抗元件21和22的电感为L，压电元件203的电容为C。在驱动控制设备100中，使驱动频率(驱动信号的频率)的范围接近电谐振频率fe，以增大要施加到压电元件203的驱动电压，从而实现如下电路构造，其中不使用作为升压单元的DC/DC转换器。应当注意，增大驱动电压意味着增大有效驱动电压的电压值。改变有效驱动电压的电压值的方法包括改变驱动电压的振幅或脉冲宽度的方法。
此外，在振动型致动器200中，可以通过使用振动器214的机械谐振现象来增大振动振幅，从而以高速驱动转子207。因此，使驱动频率范围接近电谐振频率fe等同于使机械谐振频率fr接近电谐振频率fe。然而，如以上参照图10所述，在机械谐振频率fr过于接近电谐振频率fe的情况下，振动型致动器的输出变得不稳定。另一方面，在机械谐振频率fr远离电谐振频率fe的情况下，当不存在诸如DC/DC转换器的升压单元时，输出变得不足。考虑到这些问题的平衡，期望机械谐振频率fr与电谐振频率fe之间的差(fe-fr)为8kHz至30kHz。
接下来，将描述由驱动控制设备100进行的用于振动型致动器200的驱动控制方法。首先，将参照图4和图5描述振动型致动器200的控制的概况。图4是示出振动型致动器200的各种谐振频率与驱动电压之间的关系的图。图5是分别示出根据示例1和比较示例的振动型致动器200的驱动序列中的特性的比较的图。图5的上部示出了驱动频率与电力之间的关系，图5的中部示出了驱动频率与脉冲宽度之间的关系，并且图5的下部示出了驱动频率与速度之间的关系。
微计算机单元1以频率fs(启动频率)逐渐增大驱动信号(A相脉冲、A'相脉冲、B相脉冲和B'相脉冲)的脉冲宽度(占空比)，以启动振动型致动器200。当脉冲宽度增大时，有效驱动电压增大。结果，电力也增大。如图5的上部所示，当达到预定的第一电力极限P-Lim1(第一电力值)时，脉冲宽度是固定的。这里，如图4和图5的中部所示，当脉冲宽度达到22％的占空比时，脉冲宽度是固定的。当在这种状态下减小驱动频率(向低频侧偏移)时，由于使驱动频率接近于振动器214的机械谐振频率fr，因此在振动器214中激发的振动的振幅增大，使得转子207的速度增大，如图5的下部所示。
在作为传统驱动方法的比较示例中，由于在将脉冲宽度固定为22％的同时减小了驱动频率(如图4所示)，因此在机械谐振频率fr和电谐振频率fe彼此接近的情况下，驱动电压减小，并且在频率fs与频率fx之间发生电压减小ΔV'。应当注意，频率fx是低于频率fs的任意频率，换句话说，频率fx是发生电压从频率fs处的驱动电压减小ΔV的频率。结果，如图5的上部所示，电力不超过额定电力P-Lim0，而如图5的下部所示，即使当驱动频率减小到机械谐振频率fr时也没有达到额定速度。应当注意，额定电力P-Lim0是振动型致动器200的额定电力。通过以不超过额定电力的高输出来驱动振动型致动器200，可以稳定地驱动利用齿轮210的输出而被驱动的部件。
另一方面，在示例1中，由于在减小驱动频率的操作期间电力下降到预定的第二电力极限P-Lim2(第二电力值)以下时增大脉冲宽度，因此，即使在机械谐振频率fr和电谐振频率fe彼此接近的情况下，也可以防止电压不足。然而，在示例1中，将脉冲宽度的最大值设置为50％的占空比，并且其原因将在后面描述。结果，如图5的下部所示，可以以大幅超过额定速度的速度来驱动转子207，因此可以有余力地进行驱动。将参照图6所示的流程图描述根据示例1的这种驱动序列。
图6是用于描述由驱动控制设备100进行的根据示例1的振动型致动器200的驱动序列的流程图。以微计算机单元1执行预定程序以控制包括在驱动控制设备100中的各部件的操作的方式，来实现图6的流程图中由S和编号指示的各处理(步骤)。应当注意，图6的流程图示出了从开始转子207的旋转到开始停止操作的控制。
在S1中，微计算机单元1以频率fs打开驱动信号，并将驱动信号的脉冲宽度(在图6中称为“PW”)从零(0)开始逐渐增大。增大速率可以相对于时间一致，或者可以根据预定的速度命令值。在S2中，微计算机单元1确定转子207的速度是否已经达到目标速度。在微计算机单元1确定转子207的速度已经达到目标速度的情况下(在S2中为“是”)，处理进入S3，而在微计算机单元1确定转子207的速度尚未达到目标速度的情况下(在S2中为“否”)，处理进入S7。
在S3中，微计算机单元1通过频率控制或脉冲宽度控制(在图6中称为“F/PW控制”)对转子207进行速度控制。在这里的速度控制中，在转子207的速度低于目标速度的情况下，增大驱动信号的脉冲宽度以增大速度，而在转子207的速度高于目标速度的情况下，减小驱动信号的脉冲宽度以减小速度。应当注意，由于在驱动期间外部负载的增大等，转子207的速度可能减小，并且脉冲宽度可能达到最大脉冲宽度PW-max(具体地，为50％，即初始值)。在这种情况下，尽管未在流程图中进行描述，但是可以通过减小驱动频率以增大速度、然后根据需要调整驱动频率，来进行速度控制。
在S4中，微计算机单元1确定转子207的旋转角度是否已到达停止操作开始位置。应当注意，考虑到转子207最终停止的位置和转子207的当前速度来确定停止操作开始位置。在微计算机单元1确定到达停止操作开始位置的情况下(在S4中为“是”)，微计算机单元1结束处理并开始停止操作，而在微计算机单元1确定未到达停止操作开始位置的情况下(在S4中为“否”)，处理进入S5。在S5中，微计算机单元1确定电力是否等于或高于第一电力极限P-Lim1。在微计算机单元1确定电力低于第一电力极限P-Lim1的情况下(在S5中为“否”)，处理返回到S3，而在微计算机单元1确定电力等于或高于第一电力极限P-Lim1的情况下(在S5中为“是”)，处理进入S6。
在S6中，微计算机单元1将最大脉冲宽度PW-max改变为通过从紧接在电力超过第一电力极限P-Lim1之前的、或在电力超过第一电力极限P-Lim1的瞬间的脉冲宽度中减去一定值而获得的脉冲宽度。应当注意，最大脉冲宽度PW-max的初始值为PW-max0。这里，即使在由于干扰等导致电力过冲的情况下，第一电力极限P-Lim1也被设置为电力不超过额定电力P-Lim0的值，并且第一电力极限P-Lim1优选被设置为与额定电力P-Lim0的80％至95％相对应的值。另一方面，第二电力极限P-Lim2被设置为低于第一电力极限P-Lim1、并且可以在额定电力内获得足够输出的值，并且第二电力极限P-Lim2优选被设置为与额定电力P-Lim0的70％至90％相对应的值。在微计算机单元1中，在S6中的处理之后，处理进入S12。
同时，在微计算机单元1在S2中确定转子207的速度尚未达到目标速度的情况下(在S2中为“否”)，处理进入S7。在S7中，微计算机单元1确定电力是否等于或高于第一电力极限P-Lim1。在微计算机单元1确定电力等于或高于第一电力极限P-Lim1的情况下(在S7中为“是”)，处理进入S9，而在微计算机单元1确定电力低于第一电力极限P-Lim1的情况下(在S7中为“否”)，处理进入S8。
在S8中，微计算机单元1确定驱动信号的脉冲宽度是否小于PW-max0。在微计算机单元1确定脉冲宽度小于PW-max0的情况下(在S8中为“是”)，处理返回到S1，而在微计算机单元1确定脉冲宽度等于或大于PW-max0的情况下(在S8中为“否”)，处理进入S10。
应当注意，作为最大脉冲宽度的初始值的PW-max0是根据电源电压设置的固定值。通常，电池在充满电时(100％)具有最高电压，而电池在即将耗尽电力之前具有最低电压。由于驱动控制设备100不使用DC/DC转换器，因此在该状态下，驱动电压减小，并且输出也相应减小。
这里，将参照图7A和图7B描述用于设置最大脉冲宽度的初始值PW-max0的方法。图7A是示出驱动信号的脉冲宽度与电压比之间的关系的曲线图。当脉冲宽度为50％时，基波分量的电压比被设置为1。这里所指的基波分量是具有与驱动信号相同的频率的电压分量。方波的电压由不同的正弦波(基波及其谐波)的组合构成，其分量比根据脉冲宽度而变化。换句话说，可以通过改变脉冲宽度来控制基波分量的电压。图7B是用于描述相对于电源电压设置的驱动信号的脉冲宽度的曲线图。如上所述，由于电源电压根据电池的状态而波动，因此可以通过根据电源电压的值来确定驱动信号的脉冲宽度，来使基波分量的电压保持恒定。在根据示例1的驱动序列中，如图7B所示，对于最低电源电压，驱动信号的最大脉冲宽度的初始值PW-max0被设置为50％。然后，改变最大脉冲宽度PW-max以使基波分量的电压与此相同，从而防止驱动电压的波动。
将再次描述图6的流程图。在S7中为“是”的情况之后的S9中，微计算机单元1将最大脉冲宽度PW-max改变为通过从紧接在电力超过第一电力极限P-Lim1之前的、或在电力超过第一电力极限P-Lim1的瞬间的脉冲宽度中减去一定值而获得的值。应当注意，最大脉冲宽度的初始值被设置为PW-max0。结果，可以防止电力超过额定电力P-Lim0。至此，S1、S2和S7至S9中的控制对应于直到电力以图5中的频率fs达到第一电力极限P-Lim1为止的控制。
在S10中，微计算机单元1在维持驱动信号的脉冲宽度的同时，通过减小驱动频率来增大转子207的速度。S10中的处理可以通过开放驱动来进行，或者可以根据速度命令值来进行。在通过开放驱动将转子207加速至目标速度的情况下，使驱动频率单调减小就足够了。另一方面，在遵循速度命令值的情况下，基本上减小了驱动频率。但是，由于转子207的实际速度可能超过速度命令值，因此可能需要增大和减小驱动频率。
在S11中，微计算机单元1确定转子207的速度是否已达到目标速度。在微计算机单元1确定转子207的速度已经达到目标速度的情况下(在S11中为“是”)，处理进入S12，而在微计算机单元1确定转子207的速度尚未达到目标速度的情况下(在S11中为“否”)，处理进入S15。在S12中，微计算机单元1通过频率控制或脉冲宽度控制对转子207进行速度控制。在这里的速度控制中，当转子207的速度尚未达到目标速度时，减小驱动频率以增大速度，而当转子207的速度超过目标速度时，增大驱动频率(向高频侧偏移)以减小速度。
应当注意，尽管未示出，但是在由于在驱动期间外部负载的减小而导致转子207的速度增大并且因此使驱动频率达到频率fs的情况下，通过调整脉冲宽度来进行速度控制。以此方式，通过以比频率fs低的频率改变(调整)驱动频率来进行速度控制，并且通过以频率fs增大/减小(调整)脉冲宽度来进行速度控制。
在S13中，微计算机单元1确定是否到达停止操作开始位置。S13中的处理等同于S4中的处理。在微计算机单元1确定到达停止操作开始位置的情况下(在S13中为“是”)，微计算机单元1结束处理并开始停止操作，而在微计算机单元1确定未到达停止操作开始位置的情况下(在S13为“否”)，处理进入S14。在S14中，微计算机单元1确定电力是否等于或高于额定电力P-Lim0。在微计算机单元1确定电力低于额定电力P-Lim0的情况下(在S14中为“否”)，处理返回到S12，而在微计算机单元1确定电力等于或高于额定电力P-Lim0的情况下(在S14中为“是”)，处理进入S19。
在S11中确定转子207的速度尚未达到目标速度的情况之后的处理S15中，微计算机单元1确定电力是否等于或高于额定电力P-Lim0。在微计算机单元1确定电力低于额定电力P-Lim0的情况下(在S15中为“否”)，处理进入S16，而在微计算机单元1确定电力等于或高于额定电力P-Lim0的情况下(在S15中为“是”)，处理进入S19。
S16至S18中的处理是根据示例1的驱动序列中的特征性处理。在S16中，微计算机单元1确定电力是否等于或低于第二电力极限P-Lim2。在微计算机单元1确定电力等于或低于第二电力极限P-Lim2的情况下(在S16中为“是”)，处理进入S17，而在微计算机单元1确定电力超过第二电力极限P-Lim2的情况下(在S16中为“否”)，处理返回到S10。在S17中，微计算机单元1确定驱动信号的最大脉冲宽度是否小于PW-max0。在微计算机单元1确定脉冲宽度小于PW-max0的情况下(在S17中为“是”)，处理进入S18，而在微计算机单元1确定脉冲宽度等于或大于PW-max0的情况下(在S17中为“否”)，处理返回到S10。在S18中，微计算机单元1增大驱动信号的脉冲宽度，然后处理返回到S10。
S10、S11以及S15至S18的这种例程对应于如下控制，其中在电力达到图5中的第一电力极限P-Lim1之后驱动频率从频率fs减小到频率fx。应当注意，如以上参照图7A和图7B所描述，在根据示例1的驱动序列中，考虑到电源电压，将驱动信号的脉冲宽度的最大值设置为50％的占空比。因此，在将脉冲宽度固定为50％之后，即使当电力下降到第二电力极限P-Lim2以下时，脉冲宽度也不增大，但是可以通过减小驱动频率来增大转子207的速度。
在进行上述S10、S11和S15至S18的循环时，脉冲宽度在频率fs与频率fx之间增大，并且电力基本恒定，如图5的中部和上部中的示例1所示。换句话说，在比较示例中，由于驱动电压减小，电力减小并且速度不足，但是，在示例1中，通过增大脉冲宽度来防止驱动电压的减小，结果，电力基本恒定，并且速度足够。应当注意，为了稳定的驱动，期望在电力恒定的区间(电力维持在第二电力极限P-Lim2的区间)中的电力变化为第二电力极限P-Lim2的值的10％或更小。
在微计算机单元1在S14中确定电力等于或高于额定电力P-Lim0的情况下(在S14中为“是”)，或者在微计算机单元1在S15中确定电力等于或高于额定电力P-Lim0的情况下(在S15中为“是”)，处理进入S19。在S19中，微计算机单元1通过增大驱动频率或减小脉冲宽度来减小电力，然后处理返回到S13。根据示例1的驱动序列如上所述。
应当注意，在图6的流程图中，基于电力的值进行各种确定，但是由电流检测电路3检测到的电流也可以用作确定基准。此外，尽管在图6的流程图中未描述停止操作的各个处理，但是，在电力、脉冲宽度和速度的方面，停止操作的控制基本上遵循与启动时相反的路径。即，当到达停止操作开始位置时，通过增大驱动频率来开始减小速度。此外，当电力等于或高于第一电力极限P-Lim1时，通过减小脉冲宽度来减小电力。当通过重复这些步骤使驱动频率达到频率fs时，不管电力如何都减小脉冲宽度，并且转子207停止在停止位置。
如上所述，即使在由于机械谐振频率fr和电谐振频率fe彼此接近而使在驱动频率范围内电压变化量ΔV较大的情况下，也可以通过将图6的驱动序列应用于具有简单的电路构造的驱动控制设备100，来驱动振动型致动器200，并在整个驱动频率范围内具有稳定的输出。
<第二实施例>
在第二实施例中，将描述第二电力极限P-Lim2和第一电力极限P-Lim1具有相同值的情况下的驱动序列。第一实施例和第二实施例的彼此不同之处仅在于由微计算机单元1进行的控制，下面将仅描述该不同之处。
图8是分别示出根据示例2和比较示例的振动型致动器200的驱动序列中的特性的比较的图。图8的上部示出了驱动频率与电力之间的关系(上部)，图8的中部示出了驱动频率与脉冲宽度之间的关系，并且图8的下部示出了驱动频率与速度之间的关系。与示例1中相同，在示例2中，通过以频率fs逐渐增大驱动信号的脉冲宽度来启动振动型致动器200。由于脉冲宽度增大，因此转子207的速度逐渐增大，并且电力也增大。当电力达到第一电力极限P-Lim1时，脉冲宽度是固定的(在图9的中部为22％)。
当从此处减小驱动频率时，驱动频率接近振动器214的机械谐振频率fr，因此，振动器214的振动振幅增大，并且转子207的速度增大。在这种情况下，在根据比较示例的传统驱动方法中，由于在将驱动信号的脉冲宽度固定为22％的同时减小了驱动频率，因此如图4所示，电压减小，并且在频率fs与频率fx之间发生电压减小ΔV'。结果，在比较示例中，电力不会超过如图8的上部所示的额定电力P-Lim0，但是，即使当驱动信号的频率减小到机械谐振频率fr时(如图8的下部所示)，转子207的速度也不会超过额定速度。
另一方面，在示例2中，当电力等于或低于第一电力极限P-Lim1时，增大驱动信号的脉冲宽度以防止电压变得不足。结果，转子207的速度大幅超过额定速度，从而能够有余力地进行驱动。另外，由于将第一电力极限P-Lim1设置为即使在由于干扰等导致电力过冲的情况下，也不超过额定电力P-Lim0的值，因而虽然电力消耗增大，但是驱动电压也增大。因此，可以在不超过额定电力的情况下获得更高且更稳定的输出。
<第三实施例>
在第三实施例中，将描述作为包括振动型驱动设备的装置的示例的数字相机(摄像装置)。图9是示出数字相机300的外观的立体图。数字相机300包括相机主体301和布置在相机主体301的前表面上的镜筒302。包括能够在镜筒302的光轴方向上移动的聚焦透镜的多个透镜组(未示出)布置在镜筒302中。此外，在镜筒302中，振动型致动器200的齿轮210与用于使布置在镜筒302中的聚焦透镜在光轴方向上移动的齿轮(旋转传递构件)啮合。
振动型致动器200通过根据示例1或示例2的驱动控制方法来驱动，并且由于聚焦透镜在光轴方向上稳定且快速地移动，因此可以实现对被摄体的平滑聚焦。此外，由于驱动控制设备100具有简单的电路构造，因此即使将驱动控制设备100安装在相机主体301上，相机主体301的尺寸也几乎不会增大。应当注意，振动型致动器200还可以用于沿光轴方向驱动镜筒302中包括的变焦透镜。
尽管以上已经基于本发明的优选实施例详细地描述了本发明，但是各个实施例仅是本发明的实施例，并且各个实施例可以适当地彼此组合。
例如，在上述实施中，作为由驱动控制设备100控制的振动型致动器的结构，描述了如下结构，其中振动器与接触体之间的相对移动表现为旋转运动。然而，振动型致动器的构造不限于此。例如，示例1和示例2的驱动控制方法也可以应用于线性驱动型振动型致动器的驱动，其中，振动器与接触体之间的相对移动表现为线性运动。
此外，在第三实施例中，已经描述了应用振动型驱动设备的数字相机。然而，振动型驱动设备的具体应用示例不限于此。振动型驱动设备可以广泛地应用于包括需要通过驱动振动型致动器200来定位的部件的装置(仪器)。
<其他实施例>
本发明还可以通过以下处理来实现，在该处理中，将实现上述实施例的一个或更多个功能的程序经由网络或存储介质提供给系统或装置，并且系统或装置的计算机中的一个或更多个处理器读取并执行该程序。此外，本发明还可以通过实现一个或更多个功能的电路(例如，ASIC)来实现。
本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变和变型。因此，附加了权利要求以使本发明的范围公开。
本申请要求2018年10月15日提交的日本专利申请第2018-194399号的权益，其全部内容通过引用并入本文。
附图标记列表
1 微计算机单元；
2 振荡器单元；
5 电源单元；
11，12 放大器电路；
100 驱动控制设备；
200 振动型致动器；
203 压电元件；
207 转子；
214 振动器；
300 数字相机。

Claims (16)

1.一种振动型驱动设备，其包括：
振动型致动器，其包括彼此相对移动的振动器和接触体；以及
驱动控制设备，其被构造为，控制要施加到所述振动型致动器的驱动电压和所述驱动电压的频率，
其中，从启动所述振动型致动器至达到相对移动的目标速度，所述驱动控制设备增大所述驱动电压以加速所述振动型致动器的驱动，当提供给所述振动器的电力超过第一电力值时，所述驱动控制设备减小所述驱动电压的频率而不改变所述驱动电压，并且当在减小频率的操作期间所述电力下降到小于所述第一电力值的第二电力值以下时，所述驱动控制设备增大所述驱动电压。
2.根据权利要求1所述的振动型驱动设备，其中，所述驱动控制设备还包括生成脉冲信号的振荡单元，所述驱动控制设备通过利用所述脉冲信号开关直流电源电压来生成所述驱动电压，通过改变所述脉冲信号的脉冲宽度来改变所述驱动电压，并通过改变所述脉冲信号的频率来改变所述驱动电压的频率。
3.根据权利要求2所述的振动型驱动设备，其中，根据所述电源电压的电压值来设置所述脉冲宽度的最大值，并且
当所述脉冲宽度达到所述最大值时，即使所述电力下降到所述第二电力值以下，所述驱动控制设备也不增大所述脉冲宽度。
4.根据权利要求3所述的振动型驱动设备，其中，所述驱动控制设备改变所述脉冲信号的脉冲宽度和频率，使得在所述电力下降到小于所述第一电力值的所述第二电力值以下之后、直到在通过增大所述脉冲宽度来增大所述驱动电压的操作中所述脉冲宽度达到所述最大值为止，所述电力的变化等于或小于所述第二电力值的10％。
5.一种振动型驱动设备，其包括：
振动型致动器，其包括彼此相对移动的振动器和接触体；以及
驱动控制设备，其被构造为，控制要施加到所述振动型致动器的驱动电压和所述驱动电压的频率，
其中，从启动所述振动型致动器至达到相对移动的目标速度，所述驱动控制设备增大所述驱动电压以加速所述振动型致动器的驱动，并且当提供给所述振动器的电力超过预定电力值时，所述驱动控制设备减小所述驱动电压的频率并增大所述驱动电压。
6.根据权利要求5所述的振动型驱动设备，其中，所述驱动控制设备还包括生成脉冲信号的振荡单元，所述驱动控制设备通过利用所述脉冲信号开关直流电源电压来生成所述驱动电压，通过改变所述脉冲信号的脉冲宽度来改变所述驱动电压，并通过改变所述脉冲信号的频率来改变所述驱动电压的频率。
7.根据权利要求6所述的振动型驱动设备，其中，根据所述电源电压的电压值来设置所述脉冲宽度的最大值，并且
当所述脉冲宽度达到所述最大值时，即使所述电力下降到所述预定电力值以下，所述驱动控制设备也不增大所述脉冲宽度。
8.根据权利要求7所述的振动型驱动设备，其中，所述驱动控制设备改变所述脉冲信号的脉冲宽度和频率，使得在所述电力下降到所述预定电力值以下之后、直到在通过增大所述脉冲宽度来增大所述驱动电压的操作中所述脉冲宽度达到所述最大值为止，所述电力的变化等于或小于所述预定电力值的10％。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的振动型驱动设备，其中，所述驱动控制设备在减小所述驱动电压的频率的操作中，单调地减小所述驱动电压的频率。
10.根据权利要求1至8中的任一项所述的振动型驱动设备，其中，所述驱动控制设备在减小所述驱动电压的频率的操作中，基于预定速度命令值，来控制所述驱动电压的频率。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的振动型驱动设备，其中，所述驱动控制设备的谐振频率与所述振动器的谐振频率之间的差在8KHz至30KHz的范围内。
12.一种装置，其包括：
根据权利要求1至11中的任一项所述的振动型驱动设备；以及
被构造为通过驱动由所述振动型驱动设备的驱动控制设备控制的所述振动型致动器来定位的构件。
13.一种振动型致动器的驱动控制设备，所述振动型致动器包括彼此相对移动的振动器和接触体，所述驱动控制设备包括：
放大单元，其被构造为，放大电源电压以生成要施加到所述振动器的驱动电压；以及
控制单元，其被构造为控制由所述放大单元进行的对所述驱动电压的生成，
其中，从启动所述振动型致动器至达到相对移动的目标速度，所述驱动控制设备增大所述驱动电压以加速所述振动型致动器的驱动，当提供给所述振动器的电力超过第一电力值时，所述驱动控制设备减小所述驱动电压的频率而不改变所述驱动电压，并且当在减小频率的操作期间所述电力下降到小于所述第一电力值的第二电力值以下时，所述驱动控制设备增大所述驱动电压。
14.一种振动型致动器的驱动控制设备，所述振动型致动器包括彼此相对移动的振动器和接触体，所述驱动控制设备包括：
放大单元，其被构造为，放大电源电压以生成要施加到所述振动器的交流驱动电压；以及
控制单元，其被构造为控制由所述放大单元进行的对所述驱动电压的生成，
其中，从启动所述振动型致动器至达到相对移动的目标速度，所述驱动控制设备增大所述驱动电压以加速所述振动型致动器的驱动，并且当提供给所述振动器的电力超过预定电力值时，所述驱动控制设备减小所述驱动电压的频率并增大所述驱动电压。
15.一种振动型致动器的驱动控制方法，所述振动型致动器包括彼此相对移动的振动器和接触体，所述驱动控制方法包括如下步骤：
从启动所述振动型致动器至达到相对移动的目标速度，增大驱动电压以加速所述振动型致动器的驱动；
当提供给所述振动器的电力超过第一电力值时，减小所述驱动电压的频率而不改变所述驱动电压；以及
当在减小频率的操作期间所述电力下降到小于所述第一电力值的第二电力值以下时，增大所述驱动电压。
16.一种振动型致动器的驱动控制方法，所述振动型致动器包括彼此相对移动的振动器和接触体，所述驱动控制方法包括如下步骤：
从启动所述振动型致动器至达到相对移动的目标速度，增大驱动电压以加速所述振动型致动器的驱动；以及
当提供给所述振动器的电力超过预定电力值时，减小所述驱动电压的频率并增大所述驱动电压。
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