JP2004320846A - Vibration-type drive unit - Google Patents
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Abstract
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、特に被駆動体を直線方向で駆動するタイプ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る。(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、弾性体と、少なくとも2つの電極を有し、この2つの電極に同一周波数の2相の駆動電圧が印加されることで弾性体に振動を励起する電気−機械エネルギ変換素子とを備えた振動体と、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、振動体は、同位相となる2相の駆動電圧の入力を受けて第1の曲げ振動モードを形成するとともに、逆位相となる2相の駆動電圧の入力を受けて第2の曲げ振動モード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。
【0101】
以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例でもあり、下記の各発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【0102】
〔発明1〕 弾性体と、少なくとも2つの電極を有し、この2つの電極に同一周波数の2相の駆動電圧が印加されることで前記弾性体に振動を励起する電気−機械エネルギ変換素子とを備えた振動体と、
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、
前記振動体は、同位相となる前記2相の駆動電圧の入力を受けて第1の曲げ振動モードを形成するとともに、逆位相となる前記2相の駆動電圧の入力を受けて第2の曲げ振動モード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。
【0103】
上記発明1の振動型駆動装置では、同位相となる2相の駆動電圧を2つの電極に入力することによって形成される第1の曲げ振動モードと、逆位相となる2相の駆動電圧を2つの電極に入力することによって形成される第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、2相の駆動電圧の位相差を同位相および逆位相間の値に設定することで、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ができ、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。
【0105】
〔発明2〕 前記2つの電極は、この分極方向が同一方向となるように分極処理されていることを特徴とする前記発明1に記載の振動型駆動装置。
【0106】
上記発明2によれば、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。
【0107】
〔発明3〕 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前記発明1又は2に記載の振動型駆動装置。
【0108】
〔発明4〕 前記発明1から3のいずれか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とともに、共振周波数よりも高周波数側の領域内において、前記駆動電圧の周波数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速度を変更することを特徴とする制御システム。
【0109】
〔発明5〕 前記発明1から3のいずれか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。
【0110】
〔発明6〕 前記発明1から3のいずれか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。
【0111】
上記発明6によれば、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]
TECHNICAL FIELD 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 by using the vibration energy, and particularly drives the driven body in a linear direction. The present invention relates to a vibration type driving device of the type.
[0002]
[Prior art]
Until now, various proposals have been made for a vibration wave motor that drives a driven body in a linear direction.
[0003]
For example, a plurality of protrusions are provided at predetermined positions on one side surface of an elastic body formed in a square rod shape, and a piezoelectric element is arranged on a surface of the elastic body opposite to the surface on which the protrusions are provided. In a vibrating wave motor, an AC voltage is applied to a piezoelectric element to simultaneously generate a bending resonance vibration and a longitudinal resonance vibration (longitudinal vibration) in an elastic body, thereby causing an elliptical motion in a 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 projection by bringing the driven body into pressure contact with the projection.
[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 elliptic motion at a predetermined mass point (projection or the like) by a combination of the two bending vibration modes. . (Second conventional example, for example, see Patent Document 2).
[0006]
Here, one of the two bending vibration modes (hereinafter, referred to as a first vibration mode) has a cross shape as shown in (a-1) and (a-2) of FIG. The vibration mode has a node. The other bending vibration mode (referred to as a second vibration mode) includes two nodes parallel to a predetermined direction, as shown in (b-1) and (b-2) of FIG. 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 symbols “+” and “−” in the figure indicate the polarization direction.
[0008]
In the
[0009]
Therefore, two bending vibration modes can be generated on the elastic body by stacking the
[0010]
On the other hand, as shown in FIG. 4, a piezoelectric element formed of a single layer without stacking a plurality of piezoelectric elements can be used as a piezoelectric element that generates two bending vibration modes. In FIG. 4, the electrode connected to the voltage signal Va is a piezoelectric element for generating the first vibration mode, and the electrode connected to the voltage signal Vb is a piezoelectric element for generating the second vibration mode.
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 6-106028
[Patent Document 2]
JP-A-6-31765
[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 reduced in size. Therefore, there is a limit to miniaturization of the vibration wave motor.
[0013]
On the other hand, in the vibration wave motor according to the second conventional example, since two bending vibration modes are combined, the elastic body (vibration wave motor) can be reduced in size as compared with the first conventional example. Further, by changing the ratio of the long side to the short side of the rectangular elastic body, the resonance frequency in each bending vibration mode can be matched, so that the resonance frequency can be easily adjusted as compared with the first conventional example. Thus, it is possible to realize an actuator having good driving efficiency.
[0014]
However, in the second conventional example, in order to excite the vibrating body to a plurality of vibration modes, a piezoelectric element having a dedicated electrode for generating each vibration mode is required. Accordingly, it is necessary to use a piezoelectric element having a complicated electrode pattern or to stack and use the piezoelectric elements, which is not preferable in terms of a manufacturing process, cost, and the like.
[0015]
In addition, since the polarization direction differs for each electrode pattern, not only the polarization process becomes complicated, but also the stiffness of the piezoelectric element changes near the boundary between the electrodes having different polarization directions.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides an elastic body, and an electro-mechanical energy conversion element having at least two electrodes, wherein two-phase driving voltages having the same frequency are applied to the two electrodes to excite the elastic body with vibration. A vibration type driving device having a vibrating body provided and a driven body that comes into contact with an elastic body, wherein the vibrating body receives a two-phase driving voltage having the same phase to enter a first bending vibration mode. The second bending vibration mode can be formed by receiving the input of two-phase driving voltages having opposite phases, and the vibration can be formed by a combination of the first bending vibration mode and the second bending vibration mode. The body and the driven body are relatively driven.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
FIG. 5 is an external perspective view of the vibrating
[0018]
The protruding
[0019]
If the
[0020]
The vibrating
[0021]
Here, the shape of the vibrating
[0022]
Hereinafter, two bending vibration modes excited by the vibrating
[0023]
FIG. 6 is a diagram illustrating two bending vibration modes. The vibration mode shown in FIG. 6A represents one of the two bending vibration modes (referred to as the A mode). The 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). are doing.
[0024]
Here, the protruding
[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 of the rectangular vibrating body 1 (elastic body 4) in the short side direction (arrow Y direction) and has two nodes parallel to the long side direction (arrow X direction). are doing.
[0026]
Here, the nodes in the A mode and the nodes in the B mode are substantially orthogonal to each other in the XY plane.
[0027]
Further, the
[0028]
That is, by making the nodes of the A mode and the nodes of the B mode substantially orthogonal to each other as described above, the positions of the nodes of the A mode can be matched with the positions of the antinodes of the B mode. By arranging, the vibration displacement of the
[0029]
As described above, by largely displacing the
[0030]
If the two
[0031]
By generating the 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
[0032]
If the electrode pattern of the piezoelectric element is configured in the same manner as in the related art in order to generate the above-described A mode and B mode vibrations in the vibrating
[0033]
The four electrode regions to which the voltage signal (Va) is connected among the piezoelectric elements shown in FIG. 8 are electrode regions for generating A-mode vibration. When an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the A mode is applied to Va, at a certain moment, two electrode regions (piezoelectric elements) polarized to “+” out of the four electrode regions expand, and “−” 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 among the piezoelectric elements shown in FIG. 8 is an electrode region for generating B-mode vibration. When an AC voltage having a frequency near the B-mode resonance frequency is applied to Vb, the central portion of the piezoelectric element in the short side direction (Y direction) expands and contracts, and the B-mode vibration occurs in the vibrating body.
[0036]
Here, by making the AC voltages of Va and Vb the same frequency (in the present embodiment, frequencies near the resonance frequencies of the A mode and the B mode) with a phase shift of 90 °, the elliptical motion on the
[0037]
FIG. 1 is a diagram showing an electrode pattern of the piezoelectric element according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the
[0038]
The AC voltage (V1) is applied to the electrode region located on the right side in FIG. 1 of the two electrode regions of the
[0039]
In FIG. 1, when V1 and V2 are frequencies near the resonance frequency of the A mode and an AC voltage whose phase is shifted by 180 °, at a certain moment, the piezoelectric element in the right electrode region shrinks and the left electrode region Of the piezoelectric element is extended. At another moment, the relationship is reversed. As a result, the A-mode vibration is generated in the vibrating
[0040]
Further, if V1 and V2 are AC voltages in the same phase and near the resonance frequency of the B mode, the entire piezoelectric element (two electrode regions) expands at one moment and contracts at another moment. Become. As a result, the B-mode vibration occurs in the vibrating
[0041]
In addition, the polarization direction in one of the two electrode regions of the
[0042]
In this case, A-mode vibration is applied to the vibrating
[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 above description using FIG. 1, the combination of the vectors “V1” and “−V2” becomes the vector indicating the A mode, and the combination of the vectors “V1” and “V2” indicates 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 means that the A-mode and B-mode vibrations occur simultaneously and the phase difference of the vibrations is shifted by 90 °. As a result, an elliptical motion can be generated in the
[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 at the same time, and the phase difference of the vibration must be 90 ° or -90 °. Further, by changing the phase difference θ between V1 and V2, the amplitudes of the A mode and the B mode can be changed.
[0047]
As described above, according to the present embodiment, the
[0048]
By making the electrode pattern a simple structure in this way, the wiring connected to each electrode region can be made a simple structure. In addition, by making the polarization direction the same direction over the entire area of the piezoelectric element, the polarization process can be easily performed as compared with a piezoelectric element having a different polarization direction, and the rigidity of the piezoelectric element near the boundary of the electrode region becomes uniform. , An ideal vibration can be generated.
[0049]
In addition, by driving the driven body using the two bending vibration modes, compared to a vibration wave actuator that drives the driven body by a combination of bending vibration and longitudinal vibration, the rise of the natural frequency can be suppressed. The size of the actuator can be reduced.
[0050]
In the vibration type driving device of the present embodiment, the driven body is driven 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, 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. If so, any bending vibration mode (a bending vibration mode having a different order) may be used.
[0052]
In the present embodiment, as shown in FIGS. 5 and 7, a description has been given of a vibrating body in which two
[0053]
For example, one
[0054]
In the vibrating body 1 'shown in FIG. 18, the
[0055]
Here, since the
[0056]
In the vibrating
[0057]
Here, since the four
[0058]
Further, in the present embodiment, the case where the driven body (slider 7) formed in a rod shape is brought into contact with the
[0059]
Specifically, as shown in FIG. 22 (a), a driven body 7 'formed in a disk shape is brought into contact with the
[0060]
(2nd Embodiment)
In the above-described first embodiment, in the vibrating body having the rectangular elastic body and the piezoelectric element, the phase difference of the AC voltage (V1, V2) applied to the piezoelectric element having the electrode having the simple two-part structure is 0 ° and It has been described that by setting the phase difference to a value other than 180 °, it is possible to generate an elliptical motion in the protrusion of the vibrator.
[0061]
In the second embodiment of the present invention, a method of controlling the vibration wave actuator described in the first embodiment will be described. The structure of the vibration wave actuator is the same as that of the above-described first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0062]
In the present 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 cross-sectional view (a cross-sectional view in a direction orthogonal to the optical axis) of the lens unit.
[0063]
In FIG. 10, reference numeral 8 denotes a lens barrel.
[0064]
[0065]
[0066]
Next, a method for controlling the above-described vibration wave actuator will be described. FIG. 11 is a block diagram illustrating a control device according to the present embodiment.
[0067]
In FIG. 11,
[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 setting the angle to other than 180 ° and 180 °, vibrations of the A mode and the B mode having a phase shift of 90 ° occur in the vibrating
[0069]
Here, when the phase difference θ of V2 with respect to V1 is an arbitrary value (0 ° to 180 °), the magnitudes of the A-mode amplitude (Aa) and the B-mode amplitude (Ab) are given by the following equation (1). It is determined by (2).
[0070]
Aa = | 2 × cos ((π−θ) / 2) | (1)
Ab = | 2 × cos (θ / 2) | (2)
FIG. 12 shows the relationship between the vibration amplitude of the A mode and the 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 magnitude of the amplitude in the vibration mode (A mode and B mode). Further, the phase difference of the vibration in the B mode with respect to the A mode is switched between 90 ° and −90 ° at the boundary of 180 ° between V1 and V2. That is, the drive direction of the driven body (slider 7) is reversed on both sides (+ direction and-direction in the figure) of the
[0071]
Here, the
[0072]
Note that the
[0073]
Next, control of the driving frequency will be described. The relationship between the frequency of the AC voltage (V1, V2) applied to the
[0074]
When controlling the driving speed with this characteristic, the driving control is performed at a frequency in a frequency region higher than the resonance frequency (fr).
[0075]
The position comparator 18 measures a deviation between the current position of the
[0076]
When the deviation of the position of the
[0077]
The drive
[0078]
The boosted AC voltages (V1, V2) are applied to the vibration wave actuator 15 (piezoelectric element). This makes it possible to configure a lens unit in which the
[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
[0080]
In this case, as shown in FIG. 14, the elliptical motion generated at the protrusion (6 in FIG. 5) of the vibrating body changes the amplitude ratio between the A mode, which is the horizontal amplitude of the elliptic motion, and the B mode, which is the vertical amplitude. Instead, the driving state is such that the amplitudes are different.
[0081]
When it is desired to drive the
[0082]
The third embodiment of the present invention is a further improvement of the above-described second embodiment, and is intended to stably realize low-speed driving. Hereinafter, the control method will be described.
[0083]
Note that, in the present embodiment, the configuration of the vibration wave actuator is the same as the configuration of the vibration wave actuator described in the first embodiment, and a case where this vibration wave actuator is mounted on the lens unit described in the second embodiment will be described. I do.
[0084]
In order to drive the vibration wave actuator stably at low speed, it is necessary to increase the amplitude of the B mode, which is the vibration in the direction in which the
[0085]
For example, as shown in FIG. 15, when the amplitude of the B mode is kept constant during the high-speed driving and the low-speed driving, and the driving speed of the
[0086]
FIG. 16 is a block diagram illustrating a control device according to the present embodiment. The difference from the control device (the block diagram in FIG. 11) described in the second embodiment is that a phase
[0087]
In this embodiment, the driving speed is controlled by fixing the frequencies of the AC voltages V1 and V2 applied to the vibration wave actuator to a predetermined frequency near the resonance frequency (fr), and manipulating the phase difference θ and the amplitude of V1 and V2. Control.
[0088]
As described in the second embodiment, the relationship between the phase difference θ of the voltages (V1, V2) applied to the electrodes of the piezoelectric element in the vibration wave actuator and the amplitudes of the A mode and the B mode with respect to the relationship shown in FIG. However, this is the case where the voltage amplitudes of V1 and V2 are constant within the range of the phase difference θ of 0 ° to 180 °.
[0089]
In this case, the B-mode vibration changes due to the phase difference θ as shown by the broken line in FIG. 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 a state of the vibration amplitude when the amplitude of the applied voltage (V1, V2) is changed according to the phase difference θ between V1 and V2 so that the amplitude of the B mode becomes 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 of this amplitude (V1 and V2) to the two electrodes of the piezoelectric element, the amplitude of the B mode becomes constant as shown by the dotted line in the figure.
[0092]
At this time, the amplitude of the A mode has such a characteristic 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 directions are opposite on the right side (−direction) and the left side (+ direction) in FIG. 17 with the 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
[0095]
Further, the phase
[0096]
For example, in the case where the lens 9 (slider 7) is driven in the + direction and the driving speed is set to be high, the phase difference θ is set to a large value in a region where the phase difference θ is smaller than 180 °. Determined to be. When the driving speed is set to be low, 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 180 ° from 0 °. Can be performed stably.
[0097]
When the lens 9 (slider 7) is driven in the negative direction and the driving speed is high, the phase difference θ is set to a small value in a region where the phase difference θ is larger than 180 °. Determined to be. When the driving speed is set to be low, 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 360 ° to 180 °. Can be performed stably.
[0098]
After the phase
[0099]
When the value of the phase difference θ is determined by the phase
[0100]
As a result of the above-described drive control, 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
[0101]
Each embodiment described above is also an example of the case where each of the following inventions is implemented, and each of the following inventions is implemented by adding various changes and improvements to each of the above embodiments.
[0102]
[Invention 1] An electro-mechanical energy conversion element having an elastic body and at least two electrodes, wherein a two-phase driving voltage having the same frequency is applied to the two electrodes to excite vibration in the elastic body. A vibrating body with
A vibration-type driving device having a driven body that contacts the elastic body,
The vibrating body forms the first bending vibration mode by receiving the input of the two-phase driving voltages having the same phase, and forms the second bending vibration by receiving the input of the two-phase driving voltages having the opposite phase. It is possible to form a vibration mode,
A vibratory driving device, wherein the vibrating body and the driven body are relatively driven by a combination of the first bending vibration mode and the second bending vibration mode.
[0103]
In the vibration type driving device according to the first aspect, the first bending vibration mode formed by inputting the two-phase driving voltages having the same phase to the two electrodes and the two-phase driving voltage having the opposite phase are set to two. By combining with the second bending vibration mode formed by inputting to one of the electrodes, the vibrating body and the driven body can be relatively driven. That is, by setting the phase difference between the two-phase drive voltages to a value between the same phase and the opposite phase, a bending vibration mode combining the first bending vibration mode and the second bending vibration mode is generated in the vibrating body. By this bending vibration mode, an elliptical motion is generated at a predetermined mass point of the elastic body, so that the vibrating body and the driven body can be relatively driven.
[0104]
According to the configuration of the vibration type driving device described above, the electrode pattern of the electro-mechanical energy conversion element can have a simple configuration as compared with the related art. In addition, since a single piezoelectric element can be used, the configuration can be simpler than that of a laminated piezoelectric element.
[0105]
[Invention 2] The vibration type driving device according to
[0106]
According to the second aspect, by setting the polarization directions of the two electrodes to be the same, the polarization processing of each electrode can be easily performed. In addition, since the rigidity of the electro-mechanical energy conversion element between the two electrodes does not change (unevenness in rigidity), ideal vibration can be generated.
[0107]
[Invention 3] 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 vibrator, and the second bending vibration mode is a secondary vibration mode in a longitudinal direction of the vibrator. The vibration-type driving device according to the
[0108]
[Invention 4] A control system including the vibration-type driving device according to any one of
The control device changes the relative driving direction of the vibrating body and the driven body by changing a phase difference between the two-phase driving voltages, and in a region on a higher frequency side than a resonance frequency, A control system, wherein a relative driving speed of the vibrating body and the driven body is changed by changing a frequency of the driving voltage.
[0109]
[Invention 5] A control system including the vibration-type driving device according to any one of
A control system, wherein 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 the two-phase driving voltages.
[0110]
[Invention 6] A control system including the vibration-type driving device according to any one of
The control device is configured such that, with respect to a change in the phase difference between the two-phase drive voltages, the vibration amplitude in one of the first bending vibration mode and the second bending vibration mode becomes constant. The amplitude of the driving voltage can be set so that the vibration amplitude in the other bending vibration mode changes, and by changing the phase difference between the two-phase driving voltages, the relative vibration between the vibrating body and the driven body is changed. A control system characterized by changing a driving speed or a driving direction.
[0111]
According to the sixth aspect, for example, by changing the phase difference between the two-phase drive voltages, the vibration amplitude in the pushing-up direction of the driven body is made constant, and the vibration in the driving direction (feeding direction) of the driven body. Since the amplitude can be changed, the driven body can be driven stably in a wide range from high-speed driving to low-speed driving.
[0112]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode of an electromechanical energy conversion element can be made into a simple structure in the vibration type drive device which produces | generates two bending vibration modes and drives a vibrating body and a driven body relatively. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing an electrode pattern of a piezoelectric element according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a vibration mode in a vibrating body of the related art.
FIG. 3 is a diagram showing an electrode pattern of a piezoelectric element according to the related art.
FIG. 4 is a diagram showing an electrode pattern of a piezoelectric element according to the related art.
FIG. 5 is an external perspective view of a vibrating body according to the embodiment.
FIG. 6 is a view showing a vibration mode in the vibrating body of the embodiment.
FIG. 7 is an external perspective view of the vibration wave actuator according to the embodiment.
FIG. 8 is a view 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 by 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 a second embodiment.
FIG. 12 is a diagram illustrating a relationship between a phase difference of an applied voltage and a vibration amplitude.
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a driving frequency and a driving speed of the vibration wave actuator.
FIG. 14 is a diagram illustrating an elliptical motion of a protrusion in the vibration wave actuator.
FIG. 15 is a diagram illustrating an elliptical motion of a protrusion in the vibration wave actuator.
FIG. 16 is a control block diagram according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing a relationship between a phase difference of an applied voltage and a 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 showing a vibration mode of a vibrating body.
FIG. 20 is an external perspective view of a vibration wave actuator that is a modification of the first embodiment.
FIG. 21 is a diagram showing a vibration mode of a vibrating body.
FIG. 22 is an external perspective view of a vibration wave actuator that is a modification of the first embodiment.
[Explanation of symbols]
4: elastic body, 5: piezoelectric element, 6: protrusion, 7, 7 ', 7 ": slider
8: lens barrel, 9: lens, 10: frame, 11: shaft
12, 15: vibration wave actuator, 13: encoder scale
14: light emitting and receiving element, 16: encoder
17: position counter, 18: position comparator, 19: phase difference selector
20: frequency determination unit, 21: drive signal generation circuit, 22: booster circuit
23: phase difference determination unit, 24: amplitude determination unit
Claims (1)
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、
前記振動体は、同位相となる前記2相の駆動電圧の入力を受けて第1の曲げ振動モードを形成するとともに、逆位相となる前記2相の駆動電圧の入力を受けて第2の曲げ振動モード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。A vibration comprising: an elastic body; and an electro-mechanical energy conversion element having at least two electrodes, wherein two-phase driving voltages having the same frequency are applied to the two electrodes to excite the elastic body with vibration. Body and
A vibration-type driving device having a driven body that contacts the elastic body,
The vibrating body forms the first bending vibration mode by receiving the input of the two-phase driving voltages having the same phase, and forms the second bending vibration by receiving the input of the two-phase driving voltages having the opposite phase. It is possible to form a vibration mode,
A vibratory driving device, wherein the vibrating body and the driven body are relatively driven by a combination of the first bending vibration mode and the second bending vibration mode.
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