JP2000295872A - 振動アクチュエータの駆動装置及び駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用環境の温度変化や、負荷特性の変化など
が生じても、駆動時に異音が発生せず、性能も低下しな
い振動アクチュエータの駆動装置及び駆動方法を提供す
る。 【解決手段】 弾性体１１に接合された電気機械変換素
子１２ａ，１２ｂに駆動信号を印加して、異なるモード
の振動を調和的に発生させて、超音波モータ１０を駆動
する駆動装置２０において、駆動電流から駆動周波数よ
りも低周波数の駆動電流を通過させるフィルタ２７を備
え、その低周波の駆動電流に基づき駆動周波数又は駆動
電圧を変化させる制御器２１を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動アクチュエー
タを駆動する振動アクチュエータの駆動装置及び駆動方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来の振動アクチュエータの一
例を示す斜視図である。この振動アクチュエータは、矩
形平板状であって、下面に出力取り出し部１ａ，１ｂが
形成された弾性体１と、この弾性体１の上面に接合され
た、電気機械変換素子である圧電体２ａ，２ｂとを備
え、この圧電体２ａ，２ｂに交流電圧を印加して弾性体
１を振動させて、その弾性体１に縦振動と屈曲振動を調
和的に発生させることにより、出力取り出し部１ａ，１
ｂに発生する楕円運動を用いて駆動する構造である。

【０００３】この振動アクチュエータは、弾性体１の縦
振動１次モードと屈曲振動４次モードの固有振動数が非
常に近い周波数の交流電圧を２相印加することにより、
２つのモードが調和した振動を発生させる。出力取り出
し部１ａ，１ｂは、屈曲振動４次モードの腹となる部分
に設けられており、その出力取り出し部１ａ，１ｂの先
端が楕円運動することにより、推力を得る。

【０００４】このような振動アクチュエータに関して、
「光ピックアップ移動を目的とした圧電リニア・モータ
（富川義朗 他：第５回電磁力関連のダイナミックシン
ポジウム講演論文集ｐｐ３９３〜３９８）」には、その
構造と負荷特性が開示されている。

【０００５】また、新版超音波モータ（上羽貞行、富川
義朗著、トリケップス刊ｐｐ１４５〜１４６）には、自
走式の装置が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来、この種の振動ア
クチュエータは、駆動周波数や駆動電圧を変化させるこ
とにより、速度制御を行っていた。図９は、振動アクチ
ュエータの駆動周波数と速度の関係を示す図である。図
９からわかるように、駆動周波数がＡ点付近にあると
き、駆動周波数が上がると速度は、減少し、駆動周波数
が下がると速度が増加する。図１０は、振動アクチュエ
ータの駆動電圧と速度の関係を示す図である。図１０か
らわかるように、駆動電圧の変化に応じて速度は、変化
する。

【０００７】しかし、前述した従来の振動アクチュエー
タの駆動装置は、その使用環境の温度変化や、振動アク
チュエータが駆動する負荷特性の変化などにより、駆動
時に異音が発生し、振動アクチュエータの性能も低下す
るという問題があった。

【０００８】本発明の課題は、使用環境の温度変化や、
負荷特性の変化などが生じても、駆動時に異音が発生せ
ず、性能も低下しない振動アクチュエータの駆動装置及
び駆動方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下のような
解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容
易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付
して説明するが、これに限定されるものではない。すな
わち、請求項１の発明は、電気機械変換素子（１２ａ，
１２ｂ）を有し、その電気機械変換素子に駆動信号が印
可されることによって生じる振動によって駆動力を発生
させる振動アクチュエータ（１０）の駆動装置（２０）
であって、前記駆動信号を制御する駆動制御部（２１）
と、前記振動アクチュエータの駆動時に、その振動アク
チュエータの駆動状態を検出する駆動状態監視部（２
６，２７）とを備え、前記駆動制御部は、前記駆動状態
監視部の検出結果に基づいて前記駆動信号を変更するこ
とを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置である。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１に記載の振動
アクチュエータの駆動装置において、 前記駆動状態監
視部は、駆動電流を検出する駆動電流検出部（２６）
と、その駆動電流から特定の周波数成分を検出する周波
数検出部（２７）とから成り、前記駆動制御部は、前記
周波数検出部が検出する特定の周波数成分の駆動電流に
基づき、前記振動アクチュエータの駆動信号を変更する
ことを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置であ
る。

【００１１】請求項３の発明は、請求項２に記載の振動
アクチュエータの駆動装置において、 前記周波数検出
部は、前記駆動制御部が制御している駆動周波数より低
周波数の駆動電流のみを検出することを特徴とする振動
アクチュエータの駆動装置である。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動
装置において、前記駆動制御部は、駆動周波数を変更す
ることにより前記振動アクチュエータの駆動信号を変更
することを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置で
ある。

【００１３】請求項５の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動
装置において、前記駆動制御部は、駆動電圧を変更する
ことにより前記振動アクチュエータの駆動信号を変更す
ることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置であ
る。

【００１４】請求項６の発明は、光軸方向へ移動可能に
保持された光学系（Ｌ１）と、請求項１から請求項５ま
でのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ（１
０）と、前記振動アクチュエータの駆動力を前記光学系
の前記光軸方向への運動に変換する変換手段（１１ａ，
１１ｂ，１１３）とを備えたことを特徴とする光学系駆
動装置である。

【００１５】請求項７の発明は、電気機械変換素子を有
し、その電気機械変換素子に駆動信号が印可されること
によって生じる振動によって駆動力を発生させる振動ア
クチュエータの駆動方法であって、前記振動アクチュエ
ータの駆動時に、その振動アクチュエータの駆動状態を
検出し、その検出結果に基づいて前記駆動信号を変更す
ることを特徴とする振動アクチュエータの駆動方法であ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】なお、以降は、振動アクチュエー
タが、超音波の振動領域を利用した超音波モータである
場合を例に説明する。図１は、本発明による振動アクチ
ュエータの駆動装置の第１実施形態を示す図である。本
実施形態の超音波モータ１０は、下面に突起状の出力取
り出し部１１ａ，１１ｂが形成され、両側面に支持用の
切り欠き部１１ｃが形成された矩形平板状の弾性体１１
と、弾性体１１の上面に接合された電気機械変換素子で
ある２つの圧電体１２ａ，１２ｂと、弾性体１１の切り
欠き部１１ｃに係合し、その弾性体１１を固定部に対し
て位置規制するピン状などの支持部材１４と、その支持
部材１４に挿入されたコイルバネ等であって、弾性体１
１を駆動対象となる相対運動部材３０側に加圧する加圧
部材１５と、相対運動部材３０を挟んで出力取り出し部
１１ａ，１１ｂと対向する位置に配置されたガイドロー
ラ１６ａ，１６ｂ等とを備えている。本実施形態の超音
波モータ１０では、弾性体１１と圧電体１２ａ，１２ｂ
と出力取り出し部１１ａ，１１ｂとを主体にして振動子
が構成される。この超音波モータ１０は、圧電体１２
ａ，１２ｂに電気的に位相が９０度異なった交流電圧が
印加され、また、弾性体１１の本体は、ＧＮＤ電位に接
続される。

【００１７】この超音波モータ１０は、以上のような構
成をもつので、圧電体１２ａ，１２ｂに電気的に位相が
９０度異なる交流電圧を印加した場合に、弾性体１１の
出力取り出し部１１ａ，１１ｂに楕円運動が発生する。
そのときに、弾性体１１は、加圧部材１４によって、相
対運動部材３０に加圧させられているので、出力取り出
し部１１ａ，１１ｂと相対運動部材３０とが加圧接触す
ることになり、両者の摩擦によって駆動力が得られる。

【００１８】図２は、本発明による超音波モータの第１
実施形態を示すブロック図である。この駆動装置２０
は、駆動信号（駆動周波数と駆動電圧）を設定する制御
器２１と、その制御器２１の駆動信号に基づいて、所定
の周波数の交流電圧を発振する発振器２２と、発振器２
２の出力を増幅して、圧電体１２ａに印加する増幅器２
３と、発振器２２の交流電圧の位相を９０度異ならせる
移相器２４と、移相器２４の出力を増幅して、圧電体１
２ｂに印加する増幅器２５と、超音波モータ１０に流れ
る駆動電流から低周波数成分のみを通過させるフィルタ
２７と、フィルタ２７を通過した低周波数の駆動電流を
検出して、制御器２１に出力する電流計２６等とを備え
ている。

【００１９】図３は、第１実施形態における超音波モー
タ１０が、正常に駆動している状態における、駆動電流
を示した図である。このように、超音波モータ１０が、
正常に駆動しているときには、駆動電流は、制御器２１
が制御する駆動周波数に対応した波形となる。具体的に
は、駆動電流は、その周波数が駆動周波数と等しく、振
幅が一定の波形となる。この状態において、フィルタ２
７を通過する低周波数の駆動電流は、ほぼ０である。

【００２０】図４は、第１実施形態における超音波モー
タ１０が、可聴域の音を発生するなど、異常な駆動状態
にあるときの、駆動電流を示した図である。図４のよう
に、超音波モータ１０が可聴域の音を発生するなど、異
常な駆動状態にあるときの駆動電流の波形は、駆動周波
数よりも低周波数の電流波形が含まれた波形となる。こ
のような状態では、超音波モータ１０は、可聴域の音を
発生するだけでなく、所定の駆動力、駆動速度が得られ
なかったり、駆動力や駆動速度にむらが生ずるなど、性
能が低下する。

【００２１】図５は、フィルタ２７を通過することで、
図４の電流波形から低周波数成分のみを取り出した波形
である。図６は、第１実施形態における超音波モータ１
０が行う制御信号の処理の流れを示すフローチャートで
ある。超音波モータ１０は、駆動電流を検出し（Ｓ１０
１）、低周波成分を分離し（Ｓ１０２）、フィルタ２７
を通過した電流（図５）が、所定値（閾値）以上の電流
値（振幅）を示すときには（Ｓ１０３，Ｙｅｓ）、制御
器２１が駆動周波数を大きい値に変更し、正常な駆動状
態になるように制御を行う（Ｓ１０４）。この駆動周波
数を大きい値に変更する制御は、図５の電流波形が所定
値（閾値）以下の電流値（振幅）を示すようになるまで
行う。

【００２２】このように第１実施形態では、超音波モー
タ１０の駆動中に、圧電体１２ａ，１２ｂに流入する電
流（駆動電流）を検出し、この駆動電流の電流波形から
低周波成分を取り出すようにしている。そして、この低
周波成分の電流波形の大きさに基づいて、出力取り出し
部１１ａ，１１ｂに発生している楕円運動が小さくなる
ように駆動周波数を変更しているので、超音波モータ１
０の駆動を正常な状態に保つことができる。

【００２３】（第２実施形態）図７は、第２実施形態に
おける超音波モータ１０が行う制御信号の処理の流れを
示すフローチャートである。以下、第２実施形態の説明
において、第１実施形態と共通の部位についての説明
は、省略する。超音波モータ１０は、駆動電流を検出し
（Ｓ２０１）、低周波成分を分離し（Ｓ２０２）、フィ
ルタ２７を通過した電流（図５）が、所定値（閾値）以
上の電流値（振幅）を示すときには（Ｓ２０３，Ｙｅ
ｓ）、制御器２１が駆動電圧を低い値に変更し、正常な
駆動状態になるように制御を行う（Ｓ２０４）。この駆
動電圧を低い値に変更する制御は、図５の電流波形が所
定値（閾値）以下の電流値（振幅）を示すようになるま
で行う。

【００２４】このように第２実施形態では、超音波モー
タ１０の駆動中に、圧電体１２ａ，１２ｂに流入する電
流（駆動電流）を検出し、この駆動電流の電流波形から
低周波成分を取り出すようにしている。そして、この低
周波成分の電流波形の大きさに基づいて、出力取り出し
部１１ａ，１１ｂに発生している楕円運動が小さくなる
ように駆動電圧を変更しているので、超音波モータ１０
の駆動を正常な状態に保つことができる。

【００２５】（第３実施形態）図１１は、本発明に係る
超音波モータを内蔵したカメラのレンズ鏡筒の概略断面
図である。以下、第３実施形態の説明において、第１実
施形態と共通の構成については同一の符号を付してその
説明を適宜省略する。

【００２６】図１１に示すように、このレンズ鏡筒１０
７は、固定筒１０８，１０９と、回転筒１１０と、操作
環１１１とを有する。固定筒１０８，１０９の間には、
光軸Ｏ−Ｏの方向と平行な方向へ向けてリニアガイド１
１２が設けられる。可動光学系Ｌ１は、枠体１１３を介
してリニアガイド１１２に案内され、光軸Ｏ−Ｏの方向
と平行な方向へ移動自在に支持される。

【００２７】固定筒１０８の内面には、加圧部材１１４
を介して超音波モータ１０の振動子１０２が装着され
る。超音波モータ１０の駆動力取り出し部１１ａ，１１
ｂは、枠体１１３の外周面の一部に形成された平面に加
圧接触する。この枠体１１３は、超音波モータ１０に対
する相対運動部材としても機能する。

【００２８】この状態で、超音波モータ１０を起動する
と、駆動力取り出し部１１ａ，１１ｂにそれぞれ発生す
る楕円運動により、枠体１１３には、光軸Ｏ−Ｏの方向
と平行な方向への駆動力が作用する。これにより、可動
光学系Ｌ１は、光軸Ｏ−Ｏの方向と平行な方向へ直線的
に駆動される。

【００２９】なお、図１１に示すレンズ鏡筒１０７で
は、固定筒１０９と回転筒１１０との間に、ステータ１
１５ａ、ロータ１１５ｂ等を含む円環状の回転駆動型の
超音波モータ１１５が装着される。超音波モータ１１５
を起動することにより、回転筒１１０が固定筒１０９に
対して回転する。この回転筒１１０の内面に設けられた
キー溝１１０ａには、可動光学系Ｌ２を支持する枠体１
１６の外面に形成されたキー１１６ａが係合する。ま
た、枠体１１６の外面に螺旋状に形成された凹部１１６
ｂは、固定筒１０９の内面に螺旋状に形成された凸部１
０９ａと噛み合う。このため、回転筒１１０が固定筒１
０９に対して回転することにより、枠体１１６は、光軸
Ｏ−Ｏの方向と平行な方向へ直線的に駆動される。

【００３０】第３実施形態では、第１実施形態と同様、
超音波モータ１０の駆動中に、圧電体１２ａ，１２ｂに
流入する電流（駆動電流）を検出し、この駆動電流の電
流波形から低周波成分を取り出すようにしている。そし
て、この低周波成分の電流波形の大きさに基づいて、出
力取り出し部１１ａ，１１ｂに発生している楕円運動が
小さくなるように超音波モータ１０の駆動周波数を変更
しているので、超音波モータ１０の駆動を正常な状態に
保つことができる。そのため、レンズ鏡筒を常に正常な
状態で駆動することができる。

【００３１】（変形形態）以上説明した実施形態に限定
されることなく、種々の変形や変更が可能であって、そ
れらも本発明の均等の範囲内である。

【００３２】（１） 各実施形態において、振動アクチ
ュエータは、リニア駆動型の超音波モータの例を示した
が、これに限らず、たとえば、回転駆動を行う超音波モ
ータでもよい。

【００３３】（２） 各実施形態において、振動アクチ
ュエータは、超音波モータの例を示したが、これに限ら
ず、たとえば、可聴域の作動音がする振動アクチュエー
タでもよい。

【００３４】（３） 各実施形態において、超音波モー
タ１０は、縦振動１次モードと屈曲振動４次モードの振
動を用いたもの（Ｌ１−Ｂ４型）を示したが、振動の次
数が異なるもの（Ｌ１−Ｂ６型等）であってもよく、ま
た、他の振動モード、例えば、縦振動と捩じり振動を合
成したもの（Ｌ−Ｔ型等）であってもよい。

【００３５】（４） 各実施形態において、圧電体１２
ａ，１２ｂは、他の電気機械変換素子、例えば、電歪素
子であってもよい。

【００３６】（５） 各実施形態において、駆動信号
（駆動周波数，駆動電圧）の変更は、それぞれ単独で行
う例を示したが、これら２つのパラメータの両方を変更
してもよい。

【００３７】（６） 第３実施形態において、超音波モ
ータ１０の駆動電流を変更する例を示したが、第２実施
形態のように超音波モータ１０の駆動電圧を変更するよ
うにしてもよい。

【００３８】（７） 第３実施形態において、光学系駆
動装置は、カメラのレンズ鏡筒である例を示したが、こ
れに限らず、顕微鏡や、露光装置等を含む各種光学機器
に用いてもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、請求項１の
発明によれば、駆動制御部は、駆動状態監視部が検出す
る振動アクチュエータの駆動状態に基づき、その振動ア
クチュエータの駆動信号を変更することとしたので、駆
動状態を常に正常な状態に保つことができる。

【００４０】請求項２の発明によれば、駆動状態監視部
は、駆動電流を検出する駆動電流検出部と、その駆動電
流から特定の周波数成分を検出する周波数検出部とから
成り、周波数検出部が検出する特定の周波数成分の駆動
電流に基づき、振動アクチュエータの駆動信号を変更す
ることとしたので、わずかの部品追加で、駆動状態を常
に正常な状態に保つことができる。

【００４１】請求項３の発明によれば、周波数検出部
は、駆動制御部が制御している駆動周波数より低周波数
の駆動電流のみを検出することとしたので、駆動状態の
判定が簡単であり、特に可聴域の異音をおさえることが
できる。

【００４２】請求項４の発明によれば、駆動制御部は、
駆動周波数を変更することにより振動アクチュエータの
駆動信号を変更することとしたので、駆動状態が異常な
ときの制御が簡単である。また、新たな部品追加をする
ことなく駆動状態を常に正常な状態に保つことができ
る。

【００４３】請求項５の発明によれば、駆動制御部は、
駆動電圧を変更することにより振動アクチュエータの駆
動信号を変更することとしたので、駆動状態が異常なと
きの制御が簡単である。また、新たな部品追加をするこ
となく駆動状態を常に正常な状態に保つことができる。

【００４４】請求項６の発明によれば、振動アクチュエ
ータの駆動状態に基づいてその振動アクチュエータの駆
動信号を変更するようにしたので、光学系駆動装置を常
に正常な状態で駆動することができる。

【００４５】請求項７の発明によれば、振動アクチュエ
ータの駆動状態を検出し、その検出結果に基づいて駆動
信号を変更するようにしたので、振動アクチュエータを
常に正常な状態で駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す図である。

【図２】第１実施形態における、振動アクチュエータの
駆動装置の制御の流れを示すブロック図である。

【図３】第１実施形態の振動アクチュエータの駆動装置
における、正常な駆動状態の駆動電流を示す図である。

【図４】第１実施形態の振動アクチュエータの駆動装置
における、異常な駆動状態の駆動電流を示す図である。

【図５】第１実施形態の振動アクチュエータの駆動装置
における、異常な駆動状態の駆動電流のうち、フィルタ
２７を通過した後の電流（低周波成分）を示す図であ
る。

【図６】第１実施形態の振動アクチュエータの駆動装置
における制御信号の処理の流れを示すフローチャートで
ある。

【図７】第２実施形態の振動アクチュエータの駆動装置
における制御信号の処理の流れを示すフローチャートで
ある。

【図８】従来の振動アクチュエータの一例を示す斜視図
である。

【図９】振動アクチュエータの駆動周波数と速度の関係
を示す図である。

【図１０】振動アクチュエータの駆動電圧と速度の関係
を示す図である。

【図１１】本発明に係る超音波モータを内蔵したカメラ
のレンズ鏡筒の概略断面図である。

【符号の説明】

１０ 超音波モータ １１ 弾性体 １１ａ，１１ｂ 出力取り出し部 １１ｃ 切り欠き部 １２ａ，１２ｂ 圧電体 １４ 支持部材 １５ 加圧部材 １６ａ，１６ｂ ガイドローラ ２０ 駆動装置 ２１ 制御器 ２２ 発信器 ２３，２５ 増幅器 ２４ 移相器 ２６ 電流計 ２７ フィルタ ３０ 相対運動部材

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気機械変換素子を有し、その電気機械
   変換素子に駆動信号が印可されることによって生じる振
   動によって駆動力を発生させる振動アクチュエータの駆
   動装置であって、 前記駆動信号を制御する駆動制御部と、 前記振動アクチュエータの駆動時に、その振動アクチュ
   エータの駆動状態を検出する駆動状態監視部とを備え、 前記駆動制御部は、前記駆動状態監視部の検出結果に基
   づいて前記駆動信号を変更すること、 を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の振動アクチュエータの
   駆動装置において、 前記駆動状態監視部は、駆動電流を検出する駆動電流検
   出部と、その駆動電流から特定の周波数成分を検出する
   周波数検出部とから成り、 前記駆動制御部は、前記周波数検出部が検出する特定の
   周波数成分の駆動電流に基づき、前記振動アクチュエー
   タの駆動信号を変更すること、 を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の振動アクチュエータの
   駆動装置において、 前記周波数検出部は、前記駆動制御部が制御している駆
   動周波数より低周波数の駆動電流のみを検出すること、 を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項に記載の振動アクチュエータの駆動装置において、 前記駆動制御部は、駆動周波数を変更することにより前
   記振動アクチュエータの駆動信号を変更すること、 を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項に記載の振動アクチュエータの駆動装置において、 前記駆動制御部は、駆動電圧を変更することにより前記
   振動アクチュエータの駆動信号を変更すること、 を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
6. 【請求項６】 光軸方向へ移動可能に保持された光学系
   と、 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された
   振動アクチュエータと、 前記振動アクチュエータの駆動力を前記光学系の前記光
   軸方向への運動に変換する変換手段とを備えたこと、 を特徴とする光学系駆動装置。
7. 【請求項７】 電気機械変換素子を有し、その電気機械
   変換素子に駆動信号が印可されることによって生じる振
   動によって駆動力を発生させる振動アクチュエータの駆
   動方法であって、 前記振動アクチュエータの駆動時に、その振動アクチュ
   エータの駆動状態を検出し、その検出結果に基づいて前
   記駆動信号を変更すること、 を特徴とする振動アクチュエータの駆動方法。