JP2010273439A - 振動型駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、移動体の位置を検出できる振動型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８と、駆動部材８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７と、駆動部材８に摺動可能に係合する移動体９と、駆動部材８を軸方向に非対称に往復変位させて移動体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８を傾斜振動させる周期的な傾斜駆動電圧とを電気機械変換素子７に印加可能な駆動回路３と、駆動部材８の傾斜振動の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、共振周波数に基づいて、移動体の位置を推定する位置推定手段とを有する。
【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軸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。また、特許文献１および２のような磁気を検出するセンサでは、位置検出の直線範囲が狭かったり、位置の算出のために複雑な演算を行う必要があったりするという問題があった。

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振動型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振動させる周期的な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、前記駆動部材の傾斜振動の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、前記共振周波数に基づいて、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、移動体の位置によって、駆動部材の傾斜振動により揺動する移動体の揺動半径が定まり、移動体の揺動半径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。移動体を含む駆動部材の慣性モーメントの変化によって駆動部材の傾斜振動の共振周波数が変化するので、この共振周波数を検出することで移動体の位置を逆算できる。さらに、移動体の揺動半径の変化率が大きいので共振周波数の変化が十分に大きく、移動体の位置を正確に推定できる。また、その周波数範囲は、摩擦駆動電圧の周波数に比べて十分に小さいため、傾斜駆動電圧によって移動体が滑り変位することもない。

また、本発明の振動型駆動装置において、前記共振周波数検出手段は、前記電気機械変換素子の電気的共振を検出してもよい。

この構成によれば、駆動部材が共振状態にあるとき、駆動部材と一体に動作する電気機械変換素子も機械的および電気的に共振している。よって、電気機械変換素子の電気的共振を検出することで、駆動部材の共振を容易に検出できる。

また、本発明の振動型駆動装置において、前記共振周波数検出手段は、前記電気機械変換素子の電圧と電流との位相差がなくなる周波数を前記共振周波数と認識してもよい。

駆動部材が共振していると、電気機械変換素子の力率が１００％になるので、電圧と電流の位相差がなくなる。よって、電気機械変換素子の電圧と電流との位相差によって共振を検出できる。

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して設けられた複数の、典型的には２つの伸縮部を有し、前記傾斜駆動電圧は、対称位置にある前記伸縮部に逆位相の周期的な電圧を印加するものであってもよい。

この構成によれば、全ての伸縮部に同位相の摩擦駆動電圧を印加することで、駆動部材を傾斜させることなく、軸方向に変位させられ、対称位置にある伸縮部に逆位相の傾斜駆動電圧を印加することで、駆動部材を軸方向に変位させることなく傾斜振動させ、共振周波数を検出できる。

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、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。

本発明によれば、移動体の位置に応じて駆動部材の慣性モーメントが変化するので、駆動部材を傾斜振動させ、慣性モーメントに従って変化する共振周波数を検出することで、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の振動型駆動装置のアクチュエータの詳細図である。 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振動を示す図である。 図１の駆動装置の検出信号の関係を示す図である。 図１の駆動装置の判定基準を示す図である。 図１の駆動装置に周波数検出の流れ図である。 本発明の第２実施形態の振動型駆動装置のアクチュエータの回路図である。

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、アクチュエータ２の電気的共振状態を検出するための位相差検出回路４と、マイコンからなる制御装置５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６と、錘６に一端が固定された圧電素子（電気機械変換素子）７と、圧電素子７の他端に一端が固定された軸状の駆動部材８と、駆動部材８に滑り変位（摺動）可能に摩擦係合する移動体９とからなる。圧電素子７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１０，１１を有する。

図３，４に示すように、圧電素子７は、シート状の圧電層１２に２つの印刷電極１３，１４を印刷したものを駆動部材８の軸方向に積層し、印刷電極１３，１４をそれぞれ１つ置きに接続する外部電極１５，１６を形成してなる。圧電素子７は、印刷電極１３が介設された部分である伸縮部１０が、両外部電極１５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１６の間に電圧を印加することで、印刷電極１４が介設された伸縮部１１が、印加した電圧に応じて伸縮する。つまり、伸縮部１０と伸縮部１１とは、それぞれ駆動部材８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７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５により制御され、圧電素子７の伸縮層１０の両電極１５を、それぞれ、直流電源１７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１８，１９を有する。ブリッジ回路１８，１９は、制御装置５の制御信号によってＯＮ／ＯＦＦ駆動されるＦＥＴ２０，２１，２２，２３またはＦＥＴ２４，２５，２６，２７を有する。

制御装置５の制御信号に従って、ブリッジ回路１８および１９が等しい電圧を出力し、外部電極１５および１６に同位相の電圧を印加すると、伸縮部１０および１１は、同じ方向に伸縮し、駆動部材８を軸方向に変位させる。伸縮部１０，１１を緩慢に伸張させてから急峻に収縮させると、移動体９を駆動部材８上で、圧電素子７から遠ざかる方向に滑り変位させられる。このため、移動体９を圧電素子７から遠ざけるように移動するときは、駆動回路３は、制御装置５の制御信号に従って、外部電極１５および１６に、同位相で、例えば、周波数３５０ｋＨｚ、デューティ比３０％の摩擦駆動電圧を印加し、移動体９を圧電素子７に近づけるように移動するときは、外部電極１５および１６に、同位相で、例えば、周波数３５０ｋＨｚ、デューティ比７０％の摩擦駆動電圧を印加する。

また、駆動回路３は、駆動部材８を傾斜振動させるために、制御装置５の制御信号に従って、伸縮部１０と伸縮部１１とに、逆位相でデュユーティ比５０％の傾斜駆動電圧を印加する。伸縮部１０と伸縮部１１とに、逆位相の電圧を印加すると、図５に示すように、伸縮部１０と伸縮部１１との長さに違いが生じるため、圧電素子７が湾曲し、圧電素子７の先端に保持された駆動部材８が傾斜する。

位相差検出回路４は、ブリッジ回路１９と圧電素子７との間の電路に設けたシャント抵抗２８の両端の電位差を出力する比較器２９と、比較器２９の出力を十分に大きなゲインで増幅してディジタル化する整形器３０と、整形器３０の出力信号とＦＥＴ２４を駆動する制御信号との排他論理和（ＸＯＲ）を出力するＸＯＲ演算子３１と、ＸＯＲ演算子３１の出力の平均電圧を出力する整流器（平滑回路またはローパスフィルタ）３２と、整流器３２の出力電圧をディジタル変換して制御装置５に入力するＡＤ変換器３３とを有する。

シャント抵抗２８を圧電素子７側から駆動回路３側に電流が流れている場合、シャント抵抗２８の圧電素子７側の電位が高くなる。このため、比較器２９は、正の電圧を出力し、整形器３０は、制御用電源電圧（例えば５Ｖ）と等しい電圧を出力する。逆に、シャント抵抗２８を駆動回路３から圧電素子７に向かって電流が通過している場合は、シャント抵抗２８の圧電素子７側の電位が低くなるが、比較器２９は、負の値を出力できないので０Ｖを出力し、整形器３０の出力も０Ｖとなる。

つまり、整形器３０の出力は、圧電素子７を流れる電流がシャント抵抗２８を介して流出する正の位相であるときはＯＮ状態になり、圧電素子７を流れる電流がゼロまたはシャント抵抗２８から圧電素子７に電流が流れ込む負の位相であるときはＯＦＦ状態になる。

駆動部材８の傾斜振動の共振周波数において、圧電素子７を流れる電流の位相は、電圧の位相と同位相となる。詳しく説明すると、圧電素子７は、低周波域では位相が進むキャパシタと同視することができ、容量性の特性を示すが、周波数が高くなると圧電素子７および駆動部材８の慣性力による圧電素子７の屈曲に対する抵抗が、圧電素子７に流れる電流の抵抗となり、インダクタのように電流の位相を遅らせる作用を呈する。駆動部材８のゲインが最大となる共振点は、このキャパシタとインダクタとが打ち消し合う点であるから、共振周波数において圧電素子７の力率は１００％となり、その電流は電圧と同位相となる。共振点よりも周波数が高くなると、インダクタの作用が強くなるため、電流が電圧に対して遅れる誘導性の特性を呈する。

図６に、デューティ比が５０％の傾斜駆動電圧を入力したときの、傾斜駆動電圧と同位相で駆動されるＴＦＴ２４の制御信号、圧電素子７の電流の位相を示す整形器３０の出力、ＸＯＲ演算子３１の出力および整流器３２の出力を示す。図において、左側は圧電素子７の力率が１００％である場合を示し、右側は、圧電素子７を流れる電流が、駆動電圧に対して遅れている場合を示す

ＸＯＲ演算子３１の出力は、駆動電圧の位相と、圧電素子７の電流の位相とが食い違っているときだけＯＮとなる。つまり、ＸＯＲ演算子３１は、圧電素子７の電流の駆動電圧に対する位相差に比例するデューティ比の矩形波（ＰＷＭ信号）を出力し、位相差が±１８０°で１００％のデューティ比となる。但し、上述のように、キャパシタおよびインダクタの作用の結果と同視し得る位相差は、±９０°の範囲内でしか変動せず、ＸＯＲ演算子３１の出力のデューティ比の最大値は５０％である。

整流器３２は、ＸＯＲ演算子３１の出力電圧を平均化し、ＸＯＲ出力のデューティ比に比例した電圧の直流電圧、つまり、アナログ電圧信号を出力する。図７に、駆動電圧と圧電素子７の電流との位相差に応じた整流器３２の出力電圧を示す。整流器３２は、ＸＯＲ演算子３１の出力を平均化するため、図示するように、整流器３２からはその絶対値が出力され、電流の位相が駆動電圧に対して進んでいるか遅れているかの情報は失われる。制御装置５には、整流器３２の電圧信号をＡＤ変換器３３によってディジタル変換した信号が入力される。

図８に、共振周波数検出の手順を示す。周波数設定では、先ず、ステップＳ１において、駆動回路３に、検出周波数ｆｎで、デューティ比５０％の矩形波状の傾斜駆動電圧を出力させる。検出周波数ｆｎの初期値は、移動体９が駆動部材８の中央に係合しているときの、設計上の圧電素子７の共振周波数（例えば７ｋＨｚ）とする。そして、ステップＳ２において、この周波数ｆ＝ｆｎの傾斜駆動電圧を印加しながら、ＸＯＲ演算子３１の出力を確認し、圧電素子７の電流の傾斜駆動電圧に対する位相差φ（ｆｎ）を検出する。このために必要な傾斜駆動電圧は、１００パルス程度である。

ステップＳ３で、ＸＯＲ演算子３１の出力が所定電圧Ｖ_ＳＨ、例えば０．０５Ｖ以下であれば、つまり、圧電素子７の電流の駆動電圧に対する位相差φ（ｆｎ）の絶対値が所定値φ_ＳＨ（例えば０．９°）以下であれば圧電素子７が共振状態にあるとみなす（共振周波数検出手段）。この場合、傾斜駆動電圧の検出周波数ｆｎが、移動体９を含む駆動部材８の傾斜振動の共振周波数と一致する。

よって、ステップＳ３で、圧電素子７の電流の位相差φ（ｆｎ）が所定値φ_ＳＨ（０．９°）以下であれば、ステップＳ４で、この検出周波数ｆｎから移動体９の位置を逆算する。現実的には、共振周波数と移動体９の位置との関係をテーブルに表して記憶しておき、テーブルを参照することで移動体９の位置を推定すればよい（位置推定手段）。

ステップＳ３において、位相差φ（ｆｎ）が大きく、検出周波数ｆｎが圧電素子７の共振周波数でないと判断されたならば、ステップＳ５に進んで、駆動回路３に、検出周波数ｆｎから微小周波数ｄｆだけ増加させた周波数ｆ＝（ｆｎ＋ｄｆ）で、デューティ比５０％の傾斜駆動電圧を出力させ、ステップＳ６において、圧電素子７の電流の傾斜駆動電圧に対する位相差φ（ｆｎ＋ｄｆ）を検出する。微小周波数ｄｆは、例えば５０Ｈｚ程度とする。

さらに、ステップＳ７において、位相差φ（ｆｎ）と位相差φ（ｆｎ＋ｄｆ）との差である位相差偏差ｄφを算出する。また、図７に示すように、ＸＯＲ演算子３１の出力は絶対値であるため、圧電素子７の電流の位相差が遅れ領域にあるときには、周波数が増加すると位相差が大きくなり、位相差偏差ｄφは負の値となるが、圧電素子７の電流の位相差が進み領域にあるときには、周波数が減少すると位相差が小さくなるので、位相差偏差ｄφは正の値となる。

よって、ステップＳ８において、位相偏差ｄφがゼロより大きいか否かを確認し、位相偏差ｄφがゼロより大ければ、位相が進み領域にあるので、現在の検出周波数ｆｎが、圧電素子７の共振周波数より小さい。よって、この場合、ステップＳ９に進んで検出周波数ｆｎを微小周波数ｄｆだけ増加させる。

逆に、ステップＳ８において、位相偏差ｄφがゼロより小さければ、現在の検出周波数ｆｎが、圧電素子７の共振周波数より大きいので、ステップＳ１０に進んで検出周波数ｆｎを微小周波数ｄｆだけ減少させる。ステップＳ９またはステップＳ１０において、検出周波数ｆｎを更新したなら、再び、ステップＳ１に戻って、傾斜駆動電圧による位相差検出を繰り返す。尚、ステップＳ９およびステップＳ１０における検出周波数の増減量は、ステップＳ５の微小周波数ｄｆと必ずしも一致させる必要はない。

このように、検出周波数ｆｎを調節しながら、駆動部材８の傾斜振動の共振状態を確認することで、共振周波数を検出し、共振周波数から移動体９の位置を推定できる。また、本実施形態では、検出周波数ｆｎを微小周波数ｄｆだけ増加して、共振状態に近付いているかどうかを確認することによって、検出周波数ｆｎを大きくすべきか小さくすべきかを判定している。しかしながら、検出周波数ｆｎの初期値を、例えば、有り得る共振周波数の範囲より小さい値としておき、位相差φ（ｆｎ）が所定値φ_ＳＨより小さくなるまで、検出周波数ｆｎを微小周波数ｄｆずつ増加していってもよい。

続いて、図９に、本発明の第２実施形態の振動型駆動装置４１を示す。振動型駆動装置４１は、アクチュエータ４２と、駆動回路４３と、位相差検出回路４４と、制御装置４５とからなる。

アクチュエータ４２は、圧電層４６と電極層４７とを交互に積層してなり、印加された電圧に応じて積層方向に伸縮する圧電素子（電気機械変換素子）４８と、圧電素子４８に一端が固定され、圧電素子４８の積層方向に延伸する軸状の駆動部材４９と、駆動部材４９に摩擦係合する移動体５０と、圧電素子４８と駆動部材４９の接合部の外周下側に接着固定され、圧電素子４８および駆動部材４９を支持するとともに、圧電素子４８の接着された下側を部分的に拘束して寸法変位を阻害する拘束部材５１とを有する。

アクチュエータ４２では、圧電素子４８が拘束部材５１によって不均衡に拘束されている。図示するように、圧電素子４８と駆動部材４９との接合面近傍の下面を拘束部材５１に接着して固定した場合、圧電素子４８を伸張させる電圧を印加すると、圧電素子４８と駆動部材４９との接合面の拘束部材５１に保持されていない側（上側）が、圧電素子４８側に移動し、駆動部材４８の先端を拘束部材５１と反対側に傾斜させる。

駆動回路４３は、直流電源５２の電源電圧をスイッチングする４つのスイッチング素子を備えるブリッジ回路である。駆動回路４３は、移動体５０を駆動部材４９に対して滑り変位させるときは、例えば、周波数３５０ｋＨｚ、デューティ比３０％または７０％の矩形波状の摩擦駆動電圧を出力し、駆動部材４９を傾斜振動させるときは、例えば、第１実施形態と同様の検出周波数ｆｎ、デューティ比５０％の矩形波状の傾斜駆動電圧を出力する。

位相差検出回路４４は、第１実施形態と同様の構成であり、駆動回路４３と圧電素子４８との間の電路に設けたシャント抵抗５３の両端の電位差を出力する比較器５４と、比較器５４の出力を十分に大きなゲインで増幅してディジタル化する整形器５５と、整形器５５の出力信号と圧電素子４８に印加される電圧と同位相の制御信号との排他論理和（ＸＯＲ）を出力するＸＯＲ演算子５６と、ＸＯＲ演算子５６の出力の平均電圧を出力する整流器５７と、整流器５７の出力電圧をディジタル変換して制御装置４５に入力するＡＤ変換器５８とを有する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、傾斜駆動電圧を印加して圧電素子４８の電圧と電流との位相差を検出し、検出される位相差が所定値以下になるまで、検出周波数ｆｎを変更することで、駆動部材４９の傾斜振動の共振周波数を検出し、共振周波数から移動体５０の位置を推定できる。

１…振動型駆動装置
２…アクチュエータ
３…駆動回路
４…位相差検出回路
５…制御装置
６…錘
７…圧電素子（電気機械変換素子）
８…駆動部材
９…移動体
１０，１１…伸縮部
１７…直流電源
１８，１９…ブリッジ回路
２８…シャント抵抗
２９…比較器
３０…整形器
３１…ＸＯＲ演算子
３２…整流器
３３…ＡＤ変換器
４１…振動型駆動装置
４２…アクチュエータ
４３…駆動回路
４４…位相差検出回路
４５…制御装置
４８…圧電素子
４９…駆動部材
５０…移動体
５１…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振動させる周期的な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、
   前記駆動部材の傾斜振動の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、
   前記共振周波数に基づいて、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. 前記共振周波数検出手段は、前記電気機械変換素子の電気的共振を検出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. 前記共振周波数検出手段は、前記電気機械変換素子の電圧と電流との位相差がなくなる周波数を前記共振周波数と認識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して設けられた複数の伸縮部を有し、
   前記傾斜駆動電圧は、対称位置にある前記伸縮部に逆位相の周期的な電圧を印加するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動型駆動装置。
5. 前記電気機械変換素子は、前記伸縮部を２つ有することを特徴とする請求項４に記載の振動型駆動装置。
6. 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から３のいずれかに記載の振動型駆動装置。

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