JP2010273397A - 振動型駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の位置を検出できる駆動装置を提供する。
【解決手段】振動型駆動装置１は、軸状の駆動部材７と、駆動部材７を傾斜させることも軸方向に変位させることもできる電気機械変換素子６と、駆動部材７に摺動可能に係合する移動体８と、駆動部材７を軸方向に非対称に往復変位させて移動体８を駆動部材に対して滑り変位させる周期的な摩擦駆動電圧と、駆動部材７を傾斜させる傾斜駆動電圧とを電気機械変換素子に印加可能な駆動回路３と、傾斜駆動電圧が印加されたときの電気機械変換素子６の電圧または電流の立ち上がり波形を検出する波形検出手段２７と、電圧または電流の立ち上がり波形に基づいて移動体の位置を推定する位置推定手段４とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動型駆動装置に関する。

電気機械変換素子によって駆動部材を軸方向に非対称に振動させて、駆動部材に摺動可能に係合する移動体を駆動部材に対して滑り変位させる振動型の駆動装置が公知である。振動型の駆動装置では、電気機械変換素子に印加する駆動電圧の１周期当たりの移動体の変位量が、厳密には一定でなく、実際の移動体の位置が、駆動電圧から推定される位置（パルス駆動においては、パルス数に比例した距離だけ移動した位置）からずれてしまう場合がある。

このため、従来の振動型駆動装置で位置決めを行う場合、特許文献１および２に記載されているように、移動体の位置を検出する専用のセンサおよび回路を設ける必要があり、コストアップや大型化の要因になっている。

特開２００６−１１３８７４号公報 特開２００５−２８４１６９号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、簡単な構成で、移動体の位置を検出できる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、本発明による振動型駆動装置は、軸状の駆動部材と、前記駆動部材を傾斜させることも軸方向に変位させることもできる電気機械変換素子と、前記駆動部材に摺動可能に係合する移動体と、前記駆動部材を軸方向に非対称に往復変位させて前記移動体を前記駆動部材に対して滑り変位させる周期的な摩擦駆動電圧と、前記駆動部材を傾斜させる傾斜駆動電圧とを前記電気機械変換素子に印加可能な駆動回路と、前記傾斜駆動電圧が印加されたときの前記電気機械変換素子の電圧または電流の立ち上がり状態を検出する波形検出手段と、前記電圧または電流の立ち上がり状態に基づいて前記移動体の位置を推定する位置推定手段とを有するものとする。

この構成によれば、移動体の係合位置に応じて、移動体を含む駆動部材の慣性モーメントが変化するので、駆動部材を傾斜させるときに電気機械変換素子が駆動部材から受ける反力の大きさが変化する。このため、傾斜駆動電圧を印加したときの電気機械変換素子の電圧または電流の立ち上がり波形は、移動体の係合位置に応じて変化する。よって、この立ち上がりの状態から移動体の係合位置を推定できる。

また、本発明の振動型駆動装置において、前記電気機械変換素子は、それぞれ、前記駆動部材の軸方向に伸縮可能に、並列に設けられた複数の、典型的には２つの伸縮部を有し、前記駆動部材の一端を保持してもよい。

この構成によれば、複数の伸縮部を同時に伸縮することで駆動部材を軸方向に変位させることができ、伸縮部に異なる電圧を印加することで、伸縮部の寸法に差を生じせしめ、駆動部材を傾斜させることができる。

また、本発明の振動型駆動装置において、前記立ち上がり状態の検出は、前記伸縮部の一部に電圧を印加し、他の前記伸縮部に誘起される電圧または電流を検出してもよい。

この構成によれば、立ち上がり状態を検出する伸縮部には駆動電圧が印加されないので、立ち上がり波形の検出回路に電源電圧が入力されず、精密な測定が可能である。

また、本発明の振動型駆動装置において、前記電気機械変換素子は、前記駆動部材の軸方向に伸縮し、その収縮を不均衡に阻害するように部分的に拘束されていてもよい。

この構成によれば、駆動回路が１系統だけでよい。

また、本発明の振動型駆動装置において、前記移動体の位置の推定は、前記電気機械変換素子の電圧または電流の立ち上がり波形と所定の基準波形との差に基づいて行ってもよい。

この構成によれば、移動体の基準位置における立ち上がり波形を基準波形とすることで、検出した立ち上がり波形と基準波形との差によって移動体の係合位置を特定できる。

本発明によれば、駆動部材を傾斜させる傾斜駆動電圧が印加されたときの電気機械変換素子の電圧または電流の立ち上がり状態を検出し、移動体の係合位置による駆動部材の慣性モーメントの変化に起因する電気機械変換素子の電圧または電流の立ち上がり状態の変化を検出して移動体の位置を推定できる。

本発明の第１実施形態の振動型駆動装置の回路図である。 図１の駆動装置のアクチュエータの側面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 図２のアクチュエータの傾斜状態を示す側面図である。 図１の振動型駆動装置の傾斜駆動時の電圧の立ち上がり波形を示す図である。 本発明の第２実施形態の振動型駆動装置の回路図である。 本発明の第３実施形態の振動型駆動装置の回路図である。 本発明の第４実施形態の振動型駆動装置の回路図である。 本発明の第５実施形態の振動型駆動装置の回路図である。 本発明の第６実施形態の振動型駆動装置の回路図である。

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実施形態の振動型駆動装置１を示す。振動型駆動装置１は、機械的構成要素であるアクチュエータ２と、アクチュエータ２を駆動する駆動回路３と、マイコンからなる制御装置４とを有する。

図２乃至４に、アクチュエータ２の詳細を示す。アクチュエータ２は、錘５と、錘５に一端が固定された圧電素子（電気機械変換素子）６と、圧電素子６の他端に一端が固定された軸状の駆動部材７と、駆動部材７に滑り変位（摺動）可能に摩擦係合する移動体８とからなる。圧電素子６は、それぞれ、軸方向に伸縮可能な並列に設けられた一対の伸縮部９，１０を有する。

図３，４に示すように、圧電素子６は、シート状の圧電層１１に２つの印刷電極１２，１３を印刷したものを駆動部材７の軸方向に積層し、印刷電極１２，１３をそれぞれ１つ置きに接続する外部電極１４，１５を形成してなる。圧電素子６は、印刷電極１２が介設された部分である伸縮部９が、両外部電極１４の間に電圧を印加することで、印加した電圧に応じて伸縮し、両外部電極１５の間に電圧を印加することで、印刷電極１３が介設された伸縮部１０が、印加した電圧に応じて伸縮する。つまり、伸縮部９と伸縮部１０とは、それぞれ駆動部材７の軸方向に伸縮可能に並列して設けられている。

図１に戻って、圧電素子６に電圧を印加する駆動回路３について説明する。駆動回路３は、制御装置４により制御され、圧電素子６の伸縮層１０の両電極１５を、それぞれ、直流電源１６に接続または接地することができる２つのブリッジ回路１７，１８を有する。ブリッジ回路１７，１８は、制御装置４の制御信号によってオン／オフ駆動されるＦＥＴ１９，２０，２１，２２またはＦＥＴ２３，２４，２５，２６を有する。

ブリッジ回路１７および１８が等しい電圧を出力し、外部電極１４および１５に、同位相の電圧を印加すると、伸縮部９および１０は、同じ方向に伸縮し、駆動部材７を軸方向に変位させる。伸縮部９，１０を緩慢に伸張させてから急峻に収縮させると、移動体８を駆動部材７上で、圧電素子６から遠ざかる方向に滑り変位させられる。このため、駆動回路３は、移動体８を圧電素子６から遠ざけるように移動するときは、外部電極１４および１５に、同位相で、例えば、周波数３５０ｋＨｚ、デューティ比３０％の周期的な矩形波状の摩擦駆動電圧を印加し、移動体８を圧電素子６に近づけるように移動するときは、外部電極１４および１５に、同位相で、例えば、周波数３５０ｋＨｚ、デューティ比７０％の周期的な矩形波状の摩擦駆動電圧を印加する。

また、駆動回路３は、伸縮部９のみに電源電圧を印加し、伸縮部１０を直流電源１６および接地から切り離す傾斜駆動電圧を出力できるようになっている。具体的には、傾斜駆動電圧は、制御装置４の制御信号によって、ブリッジ回路１７のＦＥＴ２０とＦＥＴ２２とをオンし、ＦＥＴ１９とＦＥＴ２１とをオフし、ブリッジ回路１８のＦＥＴ２３，２４，２５，２６をオフすることで出力される。この傾斜駆動電圧を圧電素子６に印加すると、図５に示すように、伸縮部９と伸縮部１０との長さに違いが生じるため、圧電素子６が湾曲し、圧電素子６の先端に保持された駆動部材７が傾斜する。

また、振動型駆動装置１は、伸縮部１０両端の電位差、つまり両電極１５の間の電圧を出力する差分器（波形検出手段）２７を有する。差分器２７の出力は、制御装置４に入力される。

図６に、傾斜駆動電圧を印加したときの、差分器２７の出力波形を示す。傾斜駆動電圧は、時間「０」において直流電源１６の電源電圧まで一瞬で上昇するステップ入力である。伸縮部９および伸縮部１０は、弾性を有するため、傾斜駆動電圧に対して遅れて伸張する。さらに、駆動部材７および移動体８の慣性モーメントは、圧電素子６の屈曲（伸縮部９，１０の伸張）を遅らせる。伸縮部１０の両電極１５の間には、伸縮部１０の伸張に比例する電圧が発生するので、差分器２７の出力はステップ入力に対して、圧電素子６の弾性および駆動部材７および移動体８の慣性モーメントに起因して遅れた立ち上がり波形を描く。

制御装置４は、移動体８が駆動部材７の圧電素子６側の端部に係合している場合の差分器２７の出力波形を基準波形として記憶している。移動体８が圧電素子６から離れた位置に係合している場合、移動体８の動径が大きくなるので、慣性モーメントが大きくなり、差分器２７の立ち上がり波形は、図示するように基準波形よりもさらに遅れが大きくなる。

制御装置４は、基準波形と差分器２７の立ち上がり波形との差分を基準波形の立ち上がり時間Ｔｓまで積分し、図中のハッチング領域の面積を算出する。このハッチング領域の面積は、移動体８の慣性モーメントの増加分を示す。よって、制御装置４は、このハッチング領域の面積と移動体８の位置とを対応させた参照テーブルを記憶しており、基準波形と差分器２７の立ち上がり波形との差分に応じて、移動体８の位置を推定する（位置推定手段）。

本実施形態では、基準波形と差分器２７の立ち上がり波形との差分の立ち上がり時間Ｔｓまでの積分値に基づいて移動体８の位置を推定するが、差分器２７の立ち上がり波形の傾きや、所定電圧に達するまでの時間等の電圧または電流の立ち上がり状態を示す他の指標と、移動体８の位置とを対応付けた参照テーブルを用いて移動体８の位置を推定してもよい。

続いて、図７に、本発明の第２実施形態の振動型駆動装置１の構成を示す。尚、以下の説明では、先に説明した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

本実施形態の振動型駆動装置１は、駆動回路３と圧電素子６との間の電路に、検出抵抗２８，２９を有する。差分器２７は、検出抵抗２９の両端の電位差を出力する。

また、本実施形態において、駆動回路３は、伸縮部９のみに電源電圧を印加し、伸縮部１０の両電極１５を短絡させる傾斜駆動電圧を出力できるようになっている。具体的には、傾斜駆動電圧は、ブリッジ回路１７のＦＥＴ２０とＦＥＴ２２とをオンし、ＦＥＴ１９とＦＥＴ２１とをオフし、ブリッジ回路１８のＦＥＴ２３，２４をオフし、ＦＥＴ２５，２６をオンすることで出力される。

本実施形態において、傾斜駆動電圧を印加すると、伸縮部１０には、その寸法変位に比例した電流が検出抵抗２９を介して流れる。差分器２７は、伸縮部１０の電流を、検出抵抗２９における電圧降下として検出する。

本実施形態でも、制御装置４は、差分器２７の立ち上がり波形に基づいて、移動体８の位置を推定する。

図８に、本発明の第３実施形態の振動型駆動装置１の構成を示す。この振動型駆動装置１は、伸縮部９の両端の電位差を検出する差分器３０と、差分器２７の出力と差分器３０の出力との差を出力する比較器３１とを有する。制御装置４には、比較器３１の出力が入力される。

また、本実施形態において、駆動回路３は、伸縮部９および伸縮部１０に電源電圧を逆極性で印加する傾斜駆動電圧を出力できるようになっている。具体的には、傾斜駆動電圧は、ブリッジ回路１７のＦＥＴ２０とＦＥＴ２２とをオンし、ＦＥＴ１９とＦＥＴ２１とをオフし、ブリッジ回路１８のＦＥＴ２４，２６をオンし、ＦＥＴ２３，２５をオフすることで出力される。

差分器２７および差分器３０は、電源電圧と、伸縮層９または伸縮層１０の寸法変位に比例する起電力とを重畳した電圧を検出する。伸縮部９と伸縮部１０とには、逆極性の電圧が印加されるので、差分器２７および差分器３０の出力は、逆極性になる。従って、比較器３１は、差分器２７および差分器３０の出力の絶対値を足し合わせた電圧を出力する。

本実施形態では、伸縮部９，１０の両方を駆動するので、駆動部材７の傾斜角度が大きく、移動体８の慣性モーメントの変化による圧電素子６の伸縮の遅れが大きくなる。また、移動体８の重心のオフセットなどにより、伸縮部９，１０のいずれかの移動体８の慣性モーメントによる伸縮の遅れが小さくても、伸縮部９，１０の両方の起電力を検出するので、移動体８の位置を精度よく推定できる。

また、図９に示す本発明の第４実施形態の振動型駆動装置１のように、差分器２７および差分器３０で、伸縮層９および伸縮層１０の電流の立ち上がり波形を検出してもよい。

さらに、図１０に、本発明の第５実施形態の振動型駆動装置１の構成を示す。この振動型駆動装置１は、圧電素子６が１つの伸縮部からなり、圧電素子６および駆動部材７を支持するとともに、圧電素子６の下側を部分的に拘束して伸縮を阻害する拘束部材３２を有する。

圧電素子６は、電圧が印加されると伸縮するが、拘束部材３２によって不均衡に伸縮を阻害されるので、図示するように、拘束部材３２上で不均衡に歪んで、駆動部材７を傾斜させる。具体的には、本実施形態のように、圧電素子６と駆動部材７との接合部の片側を接着剤で拘束部材３２に固定した場合、圧電素子６を伸張させる電圧を印加すると、圧電素子６と駆動部材７との接合面の拘束部材３２に保持されていない側（上側）が、圧電素子６側に移動し、駆動部材７の先端を拘束部材３２と反対側に傾斜させる。

本実施形態の駆動回路３は、１つのブリッジ回路１７のみを有する。また、本実施形態において、駆動回路３は、移動体８を駆動部材７上で滑り変位させるときは、圧電素子６に、周波数３５０ｋＨｚ、デューティ比３０％または７０％の周期的な矩形波状の摩擦駆動電圧を印加する。また、駆動回路３は、駆動部材７を傾斜させて移動体８の位置を推定するために、圧電素子６にステップ状に電源電圧を印加する傾斜駆動電圧を出力する。

本実施形態でも、差分器２７の立ち上がり波形は、電源電圧に、圧電素子６の起電力を重畳したものとなるので、差分器２７の立ち上がり波形から移動体８の位置を推定できる。

また、図１１に示す本発明の第６実施形態のように、拘束部材３２によって不均衡に拘束された圧電素子６の電流を検出する構成としてもよい。

１…振動型駆動装置
２…アクチュエータ
３…駆動回路
４…制御装置
５…錘
６…圧電素子（電気機械変換素子）
７…駆動部材
８…移動体
９，１０…伸縮部
１６…直流電源
１７，１８…ブリッジ回路
２７…差分器
２８，２９…検出抵抗
３０…差分器
３１…比較器
３２…拘束部材

Claims (6)

1. 軸状の駆動部材と、
   前記駆動部材を傾斜させることも軸方向に変位させることもできる電気機械変換素子と、
   前記駆動部材に摺動可能に係合する移動体と、
   前記駆動部材を軸方向に非対称に往復変位させて前記移動体を前記駆動部材に対して滑り変位させる周期的な摩擦駆動電圧と、前記駆動部材を傾斜させる傾斜駆動電圧とを前記電気機械変換素子に印加可能な駆動回路と、
   前記傾斜駆動電圧が印加されたときの前記電気機械変換素子の電圧または電流の立ち上がり状態を検出する波形検出手段と、
   前記電圧または電流の立ち上がり状態に基づいて前記移動体の位置を推定する位置推定手段とを有することを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記電気機械変換素子は、それぞれ、前記駆動部材の軸方向に伸縮可能に、並列に設けられた複数の伸縮部を有し、前記駆動部材の一端を保持することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
3. 前記電気機械変換素子は、前記伸縮部を２つ有することを特徴とする請求項２に記載の振動型駆動装置。
4. 前記立ち上がり状態の検出は、前記伸縮部の一部に電圧を印加し、他の前記伸縮部に誘起される電圧または電流を検出することを特徴とする請求項２または３に記載の振動型駆動装置。
5. 前記電気機械変換素子は、前記駆動部材の軸方向に伸縮し、その収縮を不均衡に阻害するように部分的に拘束されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
6. 前記移動体の位置の推定は、前記電気機械変換素子の電圧または電流の立ち上がり波形と所定の基準波形との差に基づいて行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の振動型駆動装置。

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