JP2008211920A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動ノイズの小さい駆動装置を提供する。
【解決手段】電圧が印加されると伸縮する電気機械変換素子５と、電気機械変換素子５に一端が固定され、電気機械変換素子５の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材６と、振動部材６に摩擦係合し、振動部材６の往復移動によって振動部材６に対してすべり変位可能な摩擦係合部材７と、摩擦係合部材７をすべり変位させる周期的な主駆動電圧と、摩擦係合部材７を主駆動電圧より遅い速度ですべり変位させられる周期的な副駆動電圧とのいずれかを、電気機械変換素子５に印加可能な駆動回路４とを有する駆動装置において、摩擦係合部材７の駆動開始または駆動終了から２５ｍｓｅｃの間の少なくとも一部の時間に、電気機械変換素子５に副駆動電圧を印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦駆動方式の駆動装置に関する。

圧電素子のような電気機械変換素子によって、軸状の振動部材を軸方向に非対称に往復変位させ、振動部材に摩擦係合する摩擦係合部材を振動部材に対してすべり変位させる（摩擦係合部材が移動する場合と、振動部材が移動する場合とがある）摩擦駆動方式の駆動装置が公知である。特許文献１には、電気機械変換素子を非対称に伸縮させるために、矩形波状の駆動電圧を印加する回路が開示されている。

摩擦駆動方式の駆動装置は、応答性に優れ、駆動する対象である被駆動部材に大きな駆動トルクを与えるが、被駆動部材の撓みなどによって、被駆動部材の重心の移動が摩擦係合部材のすべり変位から遅れる場合がある。このような被駆動部材の重心の移動の遅れは、被駆動部材を振動させる原因となる。

例えば、図７に、従来の摩擦駆動方式の駆動装置によって被駆動部材を駆動したときの、摩擦係合部材および被駆動部材の重心の移動速度の経時変化を示す。図示するように、駆動装置を起動すると、摩擦係合部材がすぐに所定の駆動速度に達する。しかしながら、被駆動部材は、摩擦係合部材に対して遅れて加速し摩擦係合部材と被駆動部材との差が弾性エネルギーとして蓄積され、被駆動部材を振動させる。被駆動部材の振動周期は、その固有振動数に依存する。

被駆動部材の固有振動数が２０Ｈｚから２０ｋＨｚの可聴域にあると、被駆動部材の振動が音波振動となって伝播し、駆動ノイズとして認知される。駆動装置を使用する機器を静音化するためにも、このような駆動ノイズを低減することが期待されている。
特開２００１−２１１６６９号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、駆動ノイズの小さい駆動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による駆動装置は、電圧が印加されると伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子に一端が固定され、前記電気機械変換素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復移動によって前記振動部材に対してすべり変位可能な摩擦係合部材と、前記摩擦係合部材をすべり変位させる周期的な主駆動電圧と、前記摩擦係合部材を前記主駆動電圧より遅い速度ですべり変位させられる周期的な副駆動電圧とのいずれかを、前記電気機械変換素子に印加可能な駆動回路とを有し、前記駆動回路は、前記摩擦係合部材の駆動開始または駆動終了から２５ｍｓｅｃの間の少なくとも一部の時間に、前記電気機械変換素子に前記副駆動電圧を印加するものとする。

この構成によれば、駆動装置が駆動する被駆動部材の固有振動周期が５０ｍｓｅｃ以下であって２０Ｈｚ以上の可聴周波数の振動を発生させる場合、主駆動電圧印加時の摩擦係合部材の立ち上がりに対する被駆動部材の遅れによって蓄積される振動エネルギーと、副駆動電圧印加時の被駆動部材の遅れによって蓄積される振動エネルギーとを異なる位相とすることで振動エネルギーを相殺して振動を小さくすることができる。

また、小型の摩擦駆動方式の駆動装置を適用する機器においては、被駆動部材や筐体などの固有振動数が１００Ｈｚから１ｋＨｚになる場合が多いので、前記副駆動電圧の印加時間を、１２５μｓｅｃ以上、５ｍｓｅｃ以下にすればよい。

また、本発明の駆動装置において、駆動開始時に前記副駆動電圧の印加を開始してもよく、先ず、前記主駆動電圧を印加してから、続いて前記副駆動電圧を印加してもよい。

また、本発明の駆動装置において、前記副駆動電圧を複数回に分けて印加し、前記主駆動電圧の印加時間に対する前記副駆動電圧の印加時間の比が順に減じてもよい。被駆動部材が、振動の中で駆動方向に対して遅れて弾性エネルギーを蓄積する複数のタイミングで、それぞれ、摩擦係合部材の速度を低下させることにより、被駆動部材の遅れを低減することで、振動エネルギーを徐々に低減することができる。また、副駆動電圧の印加時間を振動エネルギーに合わせて減少させることで駆動トルクが過剰に遅れることで、進み方向の弾性エネルギーが蓄積されることを防止できる。

また、本発明の駆動装置において、前記駆動回路は、前記電気機械変換素子の一対の電極をそれぞれ電源に接続可能な一対の充電スイッチング素子と、前記一対の電極をそれぞれ接地可能な一対の放電スイッチング素子とを備えるフルブリッジ回路であり、前記副駆動電圧は、前記電気機械変換素子のいずれかの前記電極に接続された前記充電スイッチング素子と前記放電スイッチング素子との動作を無効にすることにより生成してもよい。

また、本発明の駆動装置において、前記副駆動電圧は、前記主駆動電圧の波高を圧縮した波形、または、前記主駆動電圧とデューティ比のみが異なる波形の電圧であってもよい。また、前記副駆動電圧は、前記主駆動電圧と反対方向に前記摩擦係合部材を移動させる波形の電圧であっても、無電圧信号であってもよい。

本発明によれば、使用する機器や駆動装置に駆動される部材の遅れに合わせて駆動装置の駆動速度を低減するので、可聴域の振動エネルギーの蓄積を低減できる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の第１実施形態の駆動装置１の構成を示す。駆動装置１は、電圧Ｖｐ（Ｖ）の直流電源２および制御回路３が接続された駆動回路４と、駆動回路４の出力が電極５ａ，５ｂに印加される圧電素子（電気機械変換素子）５と、圧電素子５に一端が固定された軸状の振動部材６と、振動部材６に摩擦力によって係合する摩擦係合部材７とを有する。駆動装置１は、圧電素子５が筐体に固定され、摩擦係合部材５がレンズ（被駆動部材）８を保持するレンズ駆動装置である。

圧電素子５は、電極５ａ，５ｂ間に印加される電圧に応じて、振動部材６の軸方向に伸縮するようになっている。圧電素子５が伸縮すると、振動部材６は軸方向に往復移動する。摩擦係合部材７は、振動部材６が緩慢に移動する場合には、振動部材６に摩擦係合したままともに移動するが、振動部材６が急峻に移動すると、その慣性力によってその場に留ろうとして、振動部材６の上ですべり移動する。これによって、駆動装置１は、レンズ８を筐体８に対して位置決めできる。

駆動回路４は、トランジスタ９，１０，１１，１２と、ＡＮＤゲート素子１３，１４とを備える。トランジスタ９は、オンすることで電源２の電圧を圧電素子５の電極５ａに印加するｐチャネル型ＦＥＴからなる充電スイッチング素子であり、トランジスタ１０は、オンすることで電極５ａを接地するｎチャネル型ＦＥＴからなる放電スイッチング素子である。また、トランジスタ１１は、オンすることで電源２の電圧を電極５ｂに印加するｐチャネル型ＦＥＴからなる充電スイッチング素子であり、トランジスタ１２は、オンすることで電極５ｂを接地するｎチャネル型ＦＥＴからなる放電スイッチング素子である。

制御回路３は、トランジスタ９，１０，１１，１２をそれぞれ駆動する周期的な矩形波状の制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を出力するが、制御信号Ｓ１と制御信号Ｓ２が同じ波形であり、制御信号Ｓ３と制御信号Ｓ４とは、制御信号Ｓ１，Ｓ２の反転出力である。また、ＡＮＤゲート素子１３，１４は、外部端子１５に電圧信号ｓｃが印加されていれば、制御信号Ｓ３およびＳ４をそれぞれトランジスタ１１および１２に印加するが、外部端子１５に電圧信号ｓｃが印加されていないときは、制御信号Ｓ３およびＳ４とは無関係に、ＬＯ信号を出力し続け、トランジスタ１１をオフ状態に維持し、トランジスタ１２をオン状態に維持する。

外部端子１５に電圧信号ｓｃが印加されているとき、駆動回路４は、トランジスタ９とトランジスタ１２とが同時にオンし、トランジスタ１０とトランジスタ１１とがトランジスタ９，１２がオフのときにオンする。つまり、駆動回路４は、圧電素子５の電極５ａ，５ｂのいずれか一方に電源２の電圧Ｖｐ（Ｖ）を印加しながら他方を接地し、電圧Ｖｐ（Ｖ）を印加する電極５ａ，５ｂを交互に切り替え、電素子５に振幅２Ｖｐ（Ｖ）の矩形波である主駆動電圧を印加するフルブリッジ回路である。

制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の一定の周波数で所定の時間比のオン／オフを繰り返す。例えば、制御信号Ｓ１，Ｓ２は、周波数１４０ｋＨｚでオン／オフの比が０．７：０．３である。このとき、圧電素子５の電極５ａ−５ｂ間には、周波数１４０ｋＨｚ、振幅２Ｖｐ（Ｖ）、デューティ比０．７の主駆動電圧が印加される。

この場合、圧電素子５および振動部材６の機械的な遅れによって、振動部材６は圧電素子５に急峻に押し出され、緩慢に引き戻され、摩擦係合部材７を振動部材６上で、圧電素子５に向かってすべり移動させる。制御信号Ｓ１，Ｓ２と、制御信号Ｓ３，Ｓ４との出力時間比を入れ替えることによって、摩擦係合部材７を圧電素子５から遠ざかるようにすべり移動させる主駆動電圧が出力される。

外部端子１５に電圧信号ｓｃが印加されていないとき、駆動回路４は、圧電素子５の電極５ｂを常に接地し、電極５ａを電源２および接地点に交互に接続し、圧電素子５に主駆動電圧の半分の振幅Ｖｐ（Ｖ）の（波高を圧縮した）矩形波である副駆動電圧を印加するハーフブリッジ回路である。この副駆動電圧は、主駆動電圧よりも振幅が小さいため、圧電素子５に伸縮長差が小さく、摩擦係合部材５の移動速度が主駆動電圧のおよそ半分になる。

図２に、駆動装置１の駆動開始時の駆動回路４の出力と摩擦係合部材７およびレンズ８の移動速度との関係を示す。図示するように、圧電素子５に主駆動電圧のみを印加した場合、駆動開始時に摩擦係合部材７は直ちに立ち上がり、一定の速度で移動する。しかしながら、レンズ８は、図１に示すように、摩擦係合部材７を中心に撓んで揺動するため、レンズ８の重心は、図２に示すように、摩擦係合部材７に遅れて加速する。レンズ８の撓みによって蓄積された弾性エネルギーは、レンズ８を摩擦係合部材７上で振動させるエネルギーとなる。この振動の周期は、レンズ８の固有振動周期Ｔであり、その振幅は、エネルギーが空気の振動や熱として放散することにより徐々に減衰する。

本実施形態の駆動装置１では、図３に示すように、駆動装置１の駆動開始時、先ず、外部端子１５の電圧信号をオフすることにより圧電素子５に副駆動電圧を印加し、副駆動電圧を固有振動Ｔの１／２だけ継続して印加してから、外部端子１５から電圧信号を入力して圧電素子５に主駆動電圧を印加するようになっている。

このように、最初に副駆動電圧を印加すれば、摩擦係合部材７の移動速度が遅いため、駆動開始時にレンズ８の摩擦係合部材７に対する遅れ量が小さくなる。つまり、レンズ８に蓄積される弾性エネルギーが小さくなり、レンズ８の振動の振幅が小さくなる。

本実施形態では、副駆動電圧を継続時間１／２Ｔだけ印加して、主駆動電圧に切り替える。このとき、レンズ８は、その振動により、摩擦係合部材７に対して進んだ位置にあり、ここで、主駆動電圧を印加することにより、摩擦係合部材７が加速して、レンズ８に遅れを生じさせる。つまり、副駆動電圧印加時の遅れが振動によって進みに転じたときに、この遅れを主駆動電圧を印加することで発生する遅れによって相殺することで、最終的にレンズ８に蓄積される弾性エネルギーを小さくする。

また、本実施形態において、図４に示すように、先ず圧電素子５に主駆動電圧を印加してから、レンズ８が摩擦係合部材７に対して遅れている間に、所定時間、圧電素子５に副駆動電圧を印加してもよい。

最初に主駆動電圧を印加して摩擦係合部材７が加速した後で、一旦、副駆動電圧を印加して摩擦係合部材７を減速させることで、レンズ８の遅れを低減して振動エネルギーの蓄積量を低減し、レンズ８の振動を抑制することができる。

この駆動パターンによれば、図３の駆動パターンに比べて副駆動電圧を印加する時間が短く、摩擦係合部材７およびレンズ８の移動速度の低下が少ない。

ただし、レンズ８に蓄積される弾性エネルギーを低減するために、主駆動電圧と副駆動電圧とがそれぞれレンズ８に与える振動エネルギーの位相を異ならせる必要があるので、副駆動電圧の印加時間は、固有振動周期Ｔの１／８以上とすることが望ましい。

また、図５に示すように、駆動開始からレンズ８の固有振動周期Ｔの１／２までの間に、副駆動信号を複数回に亘って印加するようにしてもよい。このとき、主駆動信号による振動エネルギーを相殺するために、初めは副駆動電圧を印加する時間の割合を大きくし、主駆動信号による振動エネルギーの減少に応じて、副駆動電圧を印加する比率を順に減じていくことで、レンズ８の振動を効果的に抑制できる。

レンズ８の固有振動周期Ｔを予測することは必ずしも容易ではない。しかし、レンズ８の固有振動周期Ｔが可聴域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）に対応する０．０５〜５０ｍｓｅｃの範囲外である場合、たとえレンズ８が振動しても騒音として認知されることはない。よって、駆動装置１は、レンズ８の固有振動周期Ｔが可聴域にあるものとして、駆動開始または駆動終了から２５ｍｓｅｃの間に副駆動電圧を印加するように設計すればよい。

また、レンズ８の振動は、駆動装置１およびレンズ８を収容する機器の筐体を介して外部に伝わる。携帯機器などの筐体は、固有振動周期が１〜１０ｍｓｅｃであることが多いので、副駆動電圧を１ｍｓｅｃの１／８である１２５μｓｅｃ以上、１０ｍｓｅｃの１／２である５ｍｓｅｃ以下だけ印加するようにすることが効果的である。

ここまで、駆動装置１によってレンズ８の駆動を開始する際の駆動パターンを説明したが、移動状態にあるレンズ８を停止させる際も、主駆動電圧を停止してから１／２Ｔの間に副駆動電圧を印加することで、駆動開始時と同様に、停止時のレンズ８の振動を低減することができる。

さらに、図６に、本発明の第２実施形態の駆動装置１を示す。第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。例えば２０ＭＨｚのパルスを発生する発振器１６と、発振器１６の発生したパルスから、２０ＭＨｚのパルスと、１０ＭＨｚのパルスとを取り出す分周回路１７と、分周回路の出力を選択して、制御回路の動作クロックとして入力する選択スイッチ１８とを有する。

本実施形態では、選択スイッチ１８により、制御回路３に２０ＭＨｚの動作クロックを入力したときに駆動回路４が主駆動電圧を出力し、制御回路３に１０ＭＨｚの動作クロックを入力したときに、圧電素子５の伸縮の回数が主駆動電圧印加時の半分になり、摩擦係合部材７の移動速度が半減する副駆動電圧を出力する。

本実施形態においても、図３から図５に示したパターンで、圧電素子５に副駆動電圧を印加することで、レンズ８の振動を抑制することができる。

さらに、本発明において、副駆動電圧は、主駆動電圧とデューティ比だけを異ならせた電圧であってもよい。例えば、主駆動電圧のデューティ比が０．７であるとき、副駆動電圧のデューティ比を０．８５にすれば、副駆動電圧による摩擦係合部材８の移動速度が主駆動電圧を印加したときの約半分になる。

また、本発明における副駆動信号は、主駆動電圧による摩擦係合部材７の移動速度よりも遅い速度で移動させるものであればよいが、この中には、速度がゼロまたはマイナスになるものも含まれる。つまり、副駆動信号は、無信号であってもよく、逆方向の駆動電圧であってもよい。

本発明の第１実施形態の駆動装置を示す概略図。 図１の駆動装置を従来のパターンで駆動したときの速度の変化を示す図。 図１の駆動装置を本発明のパターンで駆動したときの速度の変化を示す図。 図１の駆動装置を異なるパターンで駆動したときの速度の変化を示す図。 図１の駆動装置をさらに異なるパターンで駆動したときの速度の変化を示す図。 本発明の第２実施形態の駆動装置を示す概略図。 従来の駆動装置による駆動速度の変化を示す図。

符号の説明

１ 駆動装置
３ 制御回路
４ 駆動回路
５ 圧電素子（電気機械変換素子）
６ 振動部材
７ 摩擦係合部材
８ レンズ（被駆動部材）
９，１０，１１，１２ トランジスタ
１３，１４ ＡＮＤゲート素子
１５ 外部端子
１６ 発振器
１７ 分周回路
１８ 選択スイッチ

Claims (7)

1. 電圧が印加されると伸縮する電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子に一端が固定され、前記電気機械変換素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、
   前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復移動によって前記振動部材に対してすべり変位可能な摩擦係合部材と、
   前記摩擦係合部材をすべり変位させる周期的な主駆動電圧と、前記摩擦係合部材を前記主駆動電圧より遅い速度ですべり変位させられる周期的な副駆動電圧とのいずれかを、前記電気機械変換素子に印加可能な駆動回路とを有し、
   前記駆動回路は、前記摩擦係合部材の駆動開始または駆動終了から２５ｍｓｅｃの間の少なくとも一部の時間に、前記電気機械変換素子に前記副駆動電圧を印加することを特徴とする駆動装置。
2. 前記副駆動電圧の印加は、１２５μｓｅｃ以上、５ｍｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記副駆動電圧の印加は、駆動開始または駆動終了時に開始することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 駆動開始には、先ず前記主駆動電圧を印加し、続いて前記副駆動電圧を印加することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
5. 前記副駆動電圧を複数回に分けて印加し、前記主駆動電圧の印加時間に対する前記副駆動電圧の印加時間の比を順に減じることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置。
6. 前記駆動回路は、前記電気機械変換素子の一対の電極をそれぞれ電源に接続可能な一対の充電スイッチング素子と、前記一対の電極をそれぞれ接地可能な一対の放電スイッチング素子とを備えるフルブリッジ回路であり、
   前記副駆動電圧は、前記電気機械変換素子のいずれかの前記電極に接続された前記充電スイッチング素子と前記放電スイッチング素子との動作を無効にすることにより生成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の駆動装置。
7. 前記副駆動電圧は、前記主駆動電圧の波高を圧縮した波形の電圧であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の駆動装置。

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