JP2015136282A - 振動子の駆動装置とその駆動方法、レンズ駆動装置、振動装置、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 起動時に急峻な速度の立ち上がりが発生し、消費電力が大きな状態で起動する現象を抑制可能な振動型アクチュエータの駆動装置を提供する。
【解決手段】 一様態は、制御部と交流信号生成部を有し、
前記制御部は、前記振動子の駆動時に、
前記振動子に印加される交流信号の、周波数を第１の周波数に、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第１の楕円比となるように設定した後、周波数を第２の周波数に設定し、その後、前記振動子に印加される交流信号の、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記楕円運動の楕円比が第２の楕円比となるように設定するように構成され、
前記第２の周波数は前記第１の周波数より小さく、
前記第２の楕円比は、前記第１の楕円比より、前記楕円運動の、前記相対移動方向の成分の、前記相対移動方向と垂直な方向の成分に対する比が大きい、振動子の駆動装置に関する。
【選択図】 図１

Description

本発明の一様態は、振動子の駆動装置とその駆動方法、レンズ駆動装置、振動装置、又は撮像装置に関する。

電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印加することによって振動体に駆動力を得るようにし、カメラやビデオなどのレンズを駆動する方式の振動型アクチュエータが本出願人等から提案されている。

図１６は、従来の振動型アクチュエータの基本的な構成を示す一例を示す外観斜視図である。

図１６に示すように、この振動型アクチュエータの振動子は、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体４を備え、弾性体４の裏面には圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子）５が接合されている。

この弾性体４と圧電素子５を張り付けて一体化したものを振動子と称する。ここで弾性体４の上面の所定位置には、複数の突起部６が設けられている。

図１７は、上記振動型アクチュエータの弾性体４の長辺方向における２次の屈曲振動と、弾性体４の短辺方向における１次の屈曲振動とを示す図である。

ここで、長辺方向における２次の屈曲振動をＡモード、短辺方向における１次の屈曲振動をＢモードと称する。

上記構成によれば、圧電素子５に交流電圧を印加することにより、ＡモードとＢモードが同時に発生し、突起部６に楕円運動が励起される。

そして、突起部６に被駆動体７を加圧接触させることにより、被駆動体７を突起部６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。つまり、突起部６がこの振動子の駆動部として作用する。

図１８は圧電素子５の電極パターンを示す図であり、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。

圧電素子５の２つの電極領域のうち図１８の右側に位置するＡ電極領域には交流電圧（Ｖ１）が印加され、左側に位置するＢ電極領域には交流電圧（Ｖ２）が印加される。

図１８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、圧電素子５の右側の電極領域が縮むとともに、左側の電極領域が伸びる。

また、別の瞬間には逆の関係となる。この結果、振動子には図１７（ａ）に示すＡモードの振動が発生することになる。

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５の全体（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、振動子には図１７（ｂ）に示すＢモードの振動が発生することになる。このように、該振動子のそれぞれの振動を合成することにより、突起部６に加圧接触した移動体が図１６の矢印方向に駆動される。またＡモードとＢモードの発生比を２等分された電極へ入力する電圧の位相差を変えることにより変更可能である。

このような振動型アクチュエータの構成や駆動原理については、特許文献１等に詳細に述べられているのでその説明は省略する。

因みに、振動子とは、弾性体と圧電素子を張り付けた振動発生部、振動型アクチュエータは振動子と移動体を加圧接触させて移動体を動かせるようにした駆動力を発生する部分、振動型アクチュエータ装置は上記駆動力部を少なくとも１つ以上有し、それらの駆動力を移動部に与えることにより回転運動もしくは直線運動をさせることが可能となるものである。

図１９は該振動型アクチュエータを駆動制御するときの駆動周波数に対するアクチュエータの速度およびそのときの消費電力の関係を示す図である。

振動型アクチュエータの制御では加圧され摩擦駆動される移動体の速度を観測して検出速度が目標速度より低いと周波数を下げて速度を増加させ、検出速度が目標速度より大きいと周波数を高い周波数へ上げて速度を下げるという速度制御を行っている。

振動型アクチュエータの特性として駆動周波数を下げていくと入力電力が増え、出力も増加する。

ここで、負荷が大きくなったときの速度と消費電力の関係を点線で示している。起動周波数の点線では速度ゼロすなわちアクチュエータを起動させることができなくなってしまっているということがわかる。

この状態で、アクチュエータが起動するまで周波数を下げていくと、起動できずに不起動となるか、駆動周波数が下がった周波数で速度が急激な速度で起動するという現象になる。

このように、アクチュエータが起動できたとしても、急峻な速度で立ち上がることとなり、滑らかな起動が困難となってしまう。また、起動したときの入力電力も大きくなり、設定された許容電力よりも大きくなってしまうことも発生する。

上記説明では負荷が大きくなった状態であったが、振動子がばらついたり劣化したりして起動性が下がったときも同様な現象となる。

特開２００４−３２０８４６号公報

従来の駆動制御方式を用いた振動型アクチュエータ装置では負荷変動やアクチュエータの特性変化により、起動性が落ちると急峻に立ち上がったり、消費電力が大きくなったりするという現象が発生する。

起動性を改善する手段として、駆動電圧を上げ振動振幅を増やすことが考えられるが、このような手段では起動時に駆動電圧を上げる回路が必要になる。また、常に高い電圧で起動できるような構成にすると、消費電力が上がってしまい、アクチュエータ効率を悪くしてしまうこととなる。

本発明は、上記課題に鑑み、起動時に急峻な速度の立ち上がりが発生する現象を避け、あるいは消費電力が大きな状態で起動する現象を避けることができ、所定の電力の範囲内で滑らかに駆動することが可能となる振動型アクチュエータの駆動装置とその駆動方法の提供を目的とする。

本発明の一様態は、制御部と、
前記制御部からの出力に基づいて交流信号を生成し、振動子に印加する交流信号生成部を有し、
前記制御部は、前記振動子の駆動時に、
前記振動子に印加される交流信号の、周波数を第１の周波数に、また、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第１の楕円比となるように設定する、第１の設定を行い、
前記第１の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、楕円比を前記第１の楕円比に、周波数を第２の周波数に設定する、第２の設定を行い、
前記第２の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、周波数を前記第２の周波数に、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第２の楕円比となるように設定する、第３の設定を行うように構成され、
前記第２の周波数は前記第１の周波数より小さく、
前記第２の楕円比は、前記第１の楕円比より、前記楕円運動の、前記相対移動方向の成分の、前記相対移動方向と垂直な方向の成分に対する比が大きい、振動子の駆動装置に関する。

また、本発明の一様態は、
駆動部を有する弾性体と、前記弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子と、を有する振動体と、
制御部と、
前記制御部からの出力に基づいて交流信号を生成し、振動子に印加する、交流信号生成部を有し、
前記制御部は、前記振動子の駆動時に、
前記振動子に印加される交流信号の、周波数を第１の周波数に、また、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第１の楕円比となるように設定する、第１の設定を行い、
前記第１の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、楕円比を前記第１の楕円比に、周波数を第２の周波数に設定する、第２の設定を行い、
前記第２の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、周波数を前記第２の周波数に、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第２の楕円比となるように設定する、第３の設定を行うように構成され、
前記第２の周波数は前記第１の周波数より小さく、
前記第２の楕円比は、前記第１の楕円比より、前記楕円運動の、前記相対移動方向の成分の、前記相対移動方向と垂直な方向の成分に対する比が大きい、振動装置に関する。

また、本発明の一様態は、振動子を起動する際に、
前記振動子に印加される交流信号の、周波数を第１の周波数に、また、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第１の楕円比となるように設定し、
前記第１の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、楕円比を前記第１の楕円比に、周波数を第２の周波数に設定し、
前記第２の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、周波数を前記第２の周波数に、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第２の楕円比となるように設定し、
前記第２の周波数は前記第１の周波数より小さく、
前記第２の楕円比は、前記第１の楕円比より、前記楕円運動の、前記相対移動方向の成分の、前記相対移動方向と垂直な方向の成分に対する比が大きい、
振動子の駆動方法に関する。

なお、本願における楕円比とは、楕円運動において、被駆動体を駆動する方向の成分に対する、被駆動体と振動体が加圧される方向の成分の比のことであり、楕円比が大きいほど、振動体と被駆動体を突き放す力が強い運動となる。

本発明によれば、起動時に急峻な速度の立ち上がりが発生する現象を避け、あるいは消費電力が大きな状態で起動する現象を避けることができ、所定の電力の範囲内で滑らかに駆動することが可能となる振動型アクチュエータの駆動装置とその駆動方法を実現することができる。

振動子の駆動装置における制御回路の構成を示すブロック図。 振動子の駆動装置におけるアルゴリズムを説明するための周波数ｖｓアクチュエータ速度、電力を示す図。 振動子の駆動装置における第１の位相差と第２の位相差のときの接触部の楕円形状イメージ図。 振動子の駆動装置におけるアルゴリズムを表わすフローチャート図。 振動子の駆動装置におけるアルゴリズムでアクチュエータを駆動したときの時間と速度の関係図。 振動子の駆動装置で用いる接触部の楕円形状イメージ図。 振動子の駆動装置におけるアルゴリズムを表わすフローチャート図。 振動子の駆動装置におけるアルゴリズムを説明するための周波数ｖｓアクチュエータ速度、電力を示す図。 振動子の駆動装置におけるアルゴリズムを表わすフローチャート図。 振動子の駆動装置で用いる圧電素子の電極パターン図。 振動子の駆動装置における制御回路の構成を示すブロック図。 振動子の駆動装置におけるアルゴリズムを説明するための周波数ｖｓアクチュエータ速度、電力を示す図。 振動子の駆動装置で用いる接触部の楕円形状イメージ図。 振動子の駆動装置におけるアルゴリズムを表わすフローチャート図。 レンズ駆動装置の駆動機構の構成例を示す図。 振動型アクチュエータの部品構成図。 振動型アクチュエータの振動モードを示す図。 振動型アクチュエータに用いる圧電素子の電極パターン図。 制御回路の説明するための周波数ｖｓ電力、位相差、速度を示す図。 駆動装置の応用例を説明する図。

本実施形態の振動子の駆動装置は、弾性体に電気−機械エネルギー変換素子を固着させた振動体と、前記電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印加することにより前記振動体の駆動部に楕円運動を生じさせて前記被駆動体を相対移動させる駆動装置と、を備える。また、駆動装置は、前記交流信号の位相、周波数、電圧振幅等を設定する制御部と、制御部の出力に基づいて、前記交流信号を生成する交流信号生成部を有している。

この楕円運動は、前記電気−機械エネルギー変換素子が有する二つに分割された電極に、同相の交流電圧を印加したときに振動体に生じる第１の振動モードと、逆相の交流電圧を印加したときに前記振動体に生じる第２の振動モードとを組み合わせることにより生じさせるように構成することができる。その際、前記電極を前記第１の振動モードを発生させるように設けられた１つ以上の第１の電極と、前記第２の振動モードを発生させるように設けられた１つ以上の第２の電極の複数に分割された電極により構成することができる。また、この楕円運動は、この二つの電極に印加する交流電圧の位相差を調整することにより、振動体の駆動部に生じるその楕円比を変更するように構成することができる。

尚、前記電気−機械エネルギー変換素子の電極構造により２つの交流電圧の電圧比を調整することにより、振動体の駆動部に生じるその楕円比を変更するように構成することもできる。

そして、前記振動型アクチュエータを起動する際に、前記振動体の駆動部に生じさせる楕円運動の楕円比を第１の楕円比とした上で、前記交流信号の周波数を低くなる方向に掃引し、前記被駆動体が相対移動したときにおける前記振動体の駆動部に生じさせる楕円運動の楕円比を、第１の楕円比より前記被駆動体を駆動する方向の力を発生する方向の比率が大きい第２の楕円比とする。

例えば、この振動型アクチュエータ装置を起動させるとき、駆動電圧Ａ、Ｂの位相差を通常動作のときより小さい値の第１の位相差に設定し、振動形状の異なる楕円運動を接触部に発生させることで、起動性を向上させかつ滑らかに起動させる。一方、起動確認後においては、通常の第２の位相差に設定して、速度・推力が出せる状態にした後に速度制御を実施するようにする。

これにより、速度が急峻に立ち上がるのを防ぐこと、または、起動時の消費電力が大きくなってしまうことの無い安定した起動をさせることが可能な振動子の駆動装置とその駆動方法を実現できる。

以下に、本発明の実施例について説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動子とその駆動方法の構成例について説明する。

図１は、本実施例の振動装置を説明するための図であり、振動子とその駆動装置の回路構成を示すブロック図である。すなわち、本明細書において、振動装置は、振動子及びその駆動回路を有する。

振動子１０は、電気機械エネルギー変換素子を備え、駆動装置は、振動子に振動モードの所定の周波数の電圧を印加することで移動体を駆動することができる。

駆動装置は、制御部２０、交流信号生成部２１、ＤＣ／ＤＣ変換器１７、及び電力検出回路部１８を有する。

制御部２０は、コントローラ１０、発振器部１１を有し、交流信号生成部２１は、スイッチング回路部１２、インピーダンス素子１３Ａ、１３Ｂ、及びトランス１４Ａおよび１４Ｂを有する。

コントローラ１０は、マイクロコンピュータなどのコント−ロールを司るマイコン部分である。以下１０をマイコン部と略す。

発振器部１１は、マイコン部１０の指令値に応じて振動子の共振周波数のパルス信号である第一のパルス信号Ａと、第一のパルス信号と同じ周波数で位相が異なる第二の信号Ｂを発生させる。それぞれのパルス幅およびパルス信号Ａとパルス信号Ｂの位相差は可変である。

ここでＡ’はパルス信号ＡとＢ’はパルス信号Ｂと１８０度位相が異なるパルス信号である。

マイコン１０の指令により、駆動周波数、ＡＢの位相差、ＡＢのパルス幅などが設定され上記Ａ、Ｂ、Ａ’、Ｂ’パルス信号が出力される。

スイッチング回路部１２は、Ａ、Ｂ、Ａ’、Ｂ’パルス信号を電源電圧でスイッチングし、Ａ、Ｂ、Ａ’、Ｂ’パルス信号に基づいて、振動子に印加する電圧パルス（駆動電圧、または駆動信号）ＶＡ、ＶＢ、ＶＡ’、ＶＢ’を発生し、交流信号生成部２１に入力される。

ここで、ＶＡ、ＶＢは、振動子とインピーダンスマッチングするためのインピーダンス素子１３Ａ、１３Ｂを介して、トランス１４Ａ、１４Ｂの１次側に入力される。

トランスの２次側電圧は振動子の圧電素子Ａ＋およびＡ−と圧電素子Ｂ＋およびＢ−に印加される。

上記インピーダンス素子１３Ａ、１３Ｂは振動子の圧電素子とインダクタンスでインピーダンスマッチングさせることで、電圧を昇圧したり、余計な周波数成分が入らないようにフィルタする効果が盛り込まれた回路である。

直流電源１６は、例えばバッテリーなどである。

ＤＣ／ＤＣ変換器１７は、上記直流電源の電圧を必要な電圧に昇圧もしくは降圧し、電圧変動を無くす。

ここで、直流電源１６が必要な電圧を出力できる安定化電源であればＤＣ／ＤＣ変換器１７は不要とできる。

電力検出回路部１８は、スィッチング回路部１２で振動子（または振動型アクチュエータ）を駆動するときの電力を検出し、その値をマイコン部１０に通知する。

ここで、検出される電力は電圧と電流の積であり電源電圧が一定値であれば電流値のみでも電力の大きさをモニタすることも可能である。

位置検出手段１５は、例えばフォトインタラプタとスリット板からなり、回転部の回転位置を検出する。この位置検出手段１５で得られた結果により、回転体の位置および速度情報がマイコン部１０に渡されマイコン部はそれに応じてアクチュエータをコントロールする。

図２は、本実施例のアルゴリズムを説明するための周波数ｖｓアクチュエータ速度、電力の関係を示す図である。

図３は本実施例で示している楕円比変更手段の１つであるＡ、Ｂの印加電圧の位相差を変えることにより振動体接触部に発生する楕円振動のイメージを記したものである。

図１９で示した圧電素子のＡＢ電極の印加電圧の位相差を１８０°にしたＶ１、Ｖ２を加えた場合、振動子には図１７（ａ）で示したようにあるときにはＡ電極部が伸びＢ電極部が縮み、ある時にはＡ電極が縮みＢ電極が伸びるという振動が発生する。

このときの接触部６の例えば中心部の点に着目し、その点の軌道を確認すると振動子が移動体を駆動する方向Ｘの運動が発生する。

次に、圧電素子のＡＢ電極の印加電圧の位相差を０°にした駆動電圧（駆動信号）Ｖ１、Ｖ２を加えた場合、振動子には図１７（ｂ）で示したようにあるときにはＡＢ電極部が同時に伸び、ある時にはＡＢ電極が同時に縮むという振動が発生する。

このときの接触部６には振動子と移動体を突き放す方向Ｚの上下方向の運動が発生する。すなわち、ＡＢ電極の印加電圧の位相差を０°にすると上記振動子と移動体を突き放す方向Ｚの振動となり３０°→６０°→９０°・・・→１８０°となると接触部６には振動子が移動体を駆動する方向Ｘの運動が増えるというふうな楕円形状の振動が発生することとなる。

このように、ＡＢ電極の印加電圧の位相差を変えることで接触部に発生する楕円運動の楕円比が変えられる。

ここで、ＡＢ印加電圧（駆動電圧、駆動信号）の位相差の値を３０°という風にプラス値で示しているが、−３０、＋３０°の両方のケースを意味しておりＡＢ間の位相差が３０°であるということを示しているものである。

図４に本実施例のアルゴリズムを示し、図２、３を参照しながら動作を説明する。

アクチュエータ起動時はマイコン１０は共振周波数より高い周波数でアクチュエータ速度が十分小さい周波数ｆｓを設定し二つの駆動電圧位相差θａｂを３０°に設定し、振動子部に交流電圧を印加する（Ｆ−１１、Ｆ−１２）（図２の丸数字１）。

起動時の周波数ｆｓは、アクチュエータが起動したとき移動体を含めた装置（例えばレンズ）の速度が急激に変化することで速度が発振してしまうような制御上問題が発生せず、かつ事前に加速度センサなどを用いて速度変化を測定し、手感や視覚から衝撃や揺れを感じるようなことが無いような範囲に入るようにしている。

図３からわかるように駆動電圧位相差θａｂを３０°とすると、接触部で発生する楕円形状が振動子と移動体を突き放す方向の成分が大きく、移動体の移動方向の成分が小さくなる。

この状態だと、移動体の速度は出ないが振動子と移動体の接触分離し易くなり、起動しやすい状態となっている。

本実施例では駆動電圧（駆動信号）の位相差θａｂを３０°としているが、振動子と移動体の接触分離し易くかつ急峻な速度で起動しなければ２０°や１０°でも良く、この最適な位相差は振動子と移動体の加圧状態や摩擦面の摩擦係数や形状などにより変わる。

例えば、加圧が大きくなると、振動子と移動体の圧力が大きくなり振動子と移動体を突き放す方向の振幅が小さくなる。よって、上記駆動電圧の位相差θａｂを小さくすることで加圧が大きくなる前と同じ接触部の楕円形状になると考えられる。

また、摩擦力が大きくなった場合は接触部で発生する楕円運動の形状において、移動体の移動方向の成分が小さくなると考えられる。よって、上記駆動電圧位相差θａｂを大きくしてやることで摩擦係数が大きくなる前と同じ接触部の楕円形状になると考えられる。

本実施例では、通常の駆動状態で用いる、接触部の楕円運動の形状に比べて、駆動時における振動子と移動体を突き放す方向の成分が大きく、または移動体の移動方向の成分が小さくなっていれば、起動性の改善がなされることを考慮して駆動電圧の位相差θａｂを設定している。

次に、位置検出手段１５により現在の位置および速度を検出する（Ｆ−１３）。

位置の変化もしくは速度値からアクチュエータが起動したか否かを判断する（Ｆ−１４）。

アクチュエータが起動していない場合、ＡＢの駆動電圧の位相差を３０°に保ったまま、駆動周波数を下げる。駆動周波数を下げる量は起動に必要な時間や負荷の状態で決められた値を用いる（Ｆ−１５）。

アクチュエータが起動するまでは、Ｆ−１３〜１５を繰り返す（図２の丸数字２）。

ここで、アクチュエータが起動した場合、ＡＢの駆動電圧（駆動信号）の位相差を１１０°に変更し、接触部で発生する楕円運動において、振動子と移動体を突き放す方向に対する、移動体の移動方向の比が大きくなるようにする。

このような楕円比にすることで、効率良く移動体を高速で移動させることが可能となる（Ｆ−１６）（図２の丸数字３）。

本実施例で示したＡＢの駆動電圧の位相差１１０°は、アクチュエータ状態でＡＢの駆動電圧位相差を変えながら入力電力と出力の関係から効率を求めた結果、効率が最も良い位相差として決めた値である。

このように、アクチュエータを効率良く駆動する楕円比にした状態すなわち、通常の駆動状態で周波数を変えながら速度と位置を検出し、目標位置に達したところで駆動停止させるという周波数制御が行われる（Ｆ−１７〜２０）（図２の丸数字４は目標速度に達するまでを示している）。

このように、アクチュエータ起動時は起動に適した接触部の楕円形状にし、起動後は効率良くアクチュエータを駆動できる接触部の楕円形状にすることで、従来例図１９で示したような起動特性が落ちたり、負荷が増えたことによりアクチュエータが起動できないもしくは急な速度で起動する、大きな入力電力の状態で起動するという問題が発生することを防ぐことが可能となる。

本実施例では第１の楕円比を発生するＡＢ印加電圧（駆動電圧、駆動信号）の位相差を３０°に固定して駆動周波数を下げていくと説明しているが、第２の楕円比を発生する１１０°より小さな位相差の範囲、例えば６０°〜０°の間で変化させながら駆動周波数を下げていく手段でも良い。

このように位相差を変化させると、楕円形状が変わり起動に最適な楕円形状を通過させることが可能となり、より起動し易くすることが可能となる。

［実施例２］
実施例２として、起動時に、実施例１に比べ滑らかに起動できるようにパラメータで
あるＡＢ位相差の変更方法を改良した構成例について説明する。

ここで、駆動回路構成は実施例１の図１と同じ構成のものが用いられる。

図５は実施例２のアルゴリズムでアクチュエータを駆動したときの時間と速度の関係を示しており、実施例１とは起動後にＡ、Ｂの印加電圧の位相差を変える手順が異なっている。

図６は実施例で示している楕円比変更手段の１つであるＡ、Ｂの印加電圧の位相差を変えることにより振動体接触部に発生する楕円振動のイメージを記したものである。

図７に、本実施例のアルゴリズムを示し図５、６を参照しながら動作を説明する。

アクチュエータ起動時は実施例１と同じように、共振周波数より高い周波数でアクチュエータ速度が十分低い周波数ｆｓを設定し、二つの駆動電圧位相差θａｂを３０°に設定し、振動子部に交流電圧を印加する（Ｆ−１１、Ｆ−１２）。

次に位置検出手段１５により現在の位置および速度を検出する（Ｆ−１３）。

位置の変化もしくは速度値からアクチュエータが起動したか否かを判断する（Ｆ−１４）。

アクチュエータが起動していない場合、ＡＢの駆動電圧位相差を３０°に保ったまま駆動周波数を下げる（Ｆ−１５）。

アクチュエータが起動するまでは、Ｆ−１３〜１５を繰り返す。

ここまでは実施例１と同じアルゴリズムである。

ここで、アクチュエータが起動した場合、実施例１ではＡＢの駆動電圧位相差をいきなり１１０°に変更し、接触部で発生する楕円形状の振動子と移動体を突き放す方向と、移動体の移動方向の比が移動体の移動方向に大きくなるようにした。ここで、接触部楕円形状を急激に変化させると急峻な速度変化が発生する。

また、急激な摩擦面変化による摩擦面へ影響（ダメージ）も大きくなってしまう（図５点線）。

そこで、本実施例では接触部楕円形状を徐々に変化させて、接触部で発生する楕円運動において、振動子と移動体を突き放す方向に対する、移動体の移動方向の比が徐々に大きくなるようにした。

本実施例では、起動した周波数にてＡＢの駆動電圧位相差を３０°→６０°→９０°→１１０°というように変化させていくことで接触部楕円形状を徐々に変化させている（Ｆ−２１〜２３）（図５実線）。

このようにして、アクチュエータを効率良く駆動する楕円比にした状態の後は、実施例１と同様に、通常の駆動状態で周波数を変えながら速度と位置を検出し、目標位置に達したところで駆動停止させるという周波数制御が行われる（Ｆ−１７〜２０）。

図５は、上記アルゴリズムで動作したときの時間ｖｓ速度の関係を示しており、点線は実施例１のＡ、Ｂの印加電圧位相差を３０°から１１０°に切り替えたときの速度特性で、実線は本実施例のＡＢの駆動電圧位相差を３０°→６０°→９０°→１１０°と変化させたときの図である。

図５からわかるように、ＡＢの駆動電圧位相差を徐々に切り替えていくことで点線の円で示したような急激な速度変化することも無く滑らかな速度変化をしながら目標速度に達することが可能とできる。

本実施例ではＡＢの駆動電圧位相差を変化させる回数を３回としているが、３０°から１１０°へ刻む回数を増やすことで、より滑らかに速度が変化していく。

ここで、ＡＢの駆動電圧位相差を変えることによる接触部の楕円運動における、振動子と移動体を突き放す方向に対する、移動体の移動方向の比はＡＢの駆動電圧位相差を０°から１８０°に変えていくことで大きくなるが、上記起動時のＡＢの駆動電圧位相差および周波数制御を行うときのＡＢの駆動電圧位相差は接触部の加圧状態や、駆動振幅、アクチュエータ負荷などにより最適な値があり、３０°や１１０°に決められた値ではない。

本実施例では、起動時は接触部の楕円運動において、振動子と移動体を突き放す方向の成分に対する、移動体の移動方向の成分の比を、起動後よりも小さくし、起動した後の、駆動時には、接触部の楕円運動における、移動体の移動方向の成分の割合を大きくすることが必要である。

［実施例３］
実施例３として、起動時に、振動体の接触部に発生する楕円運動（楕円振動）において、振動子と移動体を突き放す方向の成分の比を、駆動時よりも大きくした駆動で、起動しなかったときにリトライして確実に起動させるようにした、振動子の駆動装置の構成例について説明する。

図８は、実施例３のアルゴリズムを説明するための周波数ｖｓアクチュエータ速度、電力の関係を示す図である。

本実施例の駆動回路構成は、実施例１の図１と同じ構成で、制御アルゴリズムのみ変更した構成とされている。

図９に本実施例のアルゴリズムを示し、図８を参照しながら動作を説明する。

振動子起動時は、実施例１と同じように、共振周波数より高い周波数でアクチュエータ速度が十分低い周波数ｆｓを設定し、二つの駆動電圧位相差θａｂを３０°に設定し、振動子部に交流電圧の印加する（Ｆ−１１、Ｆ−１２）（図８の丸数字１）。

次に、位置検出手段１５により現在の位置および速度を検出する（Ｆ−１３）。

位置の変化もしくは速度値から振動子が起動したか否かを判断する（Ｆ−１４）。

振動子が起動していない場合、ＡＢの駆動電圧位相差を３０°に保ったまま駆動周波数を下げる（Ｆ−１５）。

このときの周波数をあらかじめ設定した周波数ｆｋよりも小さい周波数になったかどうかを比較する（Ｆ−２４）。

そして、上記ｆｋよりも小さい周波数になったとき、駆動周波数を上げｆｓに戻す（Ｆ−２５）。

ここで、周波数を下げていくリミットの周波数ｆｋは、振動子が起動したときに、許容できる最大電力の周波数であったり、起動したときの速度が事前にユーザーの手感や視覚から決めたり、加速度センサにより決めたりした、ユーザーが衝撃や音などを感じない程度になめらかに起動できる最大速度の周波数である。

このように、振動子が起動するまでは、Ｆ−１３〜１５、Ｆ−２４〜２５を繰り返す（図８の丸数字２’）。

このように、電力・速度などが許容できる範囲内で起動動作を繰り返すことにより、より確実に上記振動子を起動させることが可能となる。

振動子起動後は、実施例１と同様にＡＢの駆動電圧位相差を１１０°に変更し、接触部で発生する楕円運動において、振動子と移動体を突き放す方向に対する、移動体の移動方向の比が大きくなるようにする（Ｆ−１６）（図８の丸数字３）。

振動子を効率良く駆動する楕円比にした後には周波数を変えながら速度と位置を検出し、速度に応じて周波数を上下させる周波数制御を実施し、目標位置手前に達したところで減速動作後、駆動停止させるという制御が行われる（Ｆ−１７〜２０）。

ここで、図８の丸数字４では、目標速度に達するところまでを図示している。

［実施例４］
実施例４として、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、ＡモードとＢモードを発生させるための圧電素子電極パターンを構成し、電極に印加する電圧が大きければ発生するモードも大きくなるようにした構成例について説明する。

図１０に、本実施例で用いる、振動型アクチュエータの振動子である圧電素子の電極パターンを示す。

図１１は、振動型振動子の制御回路の構成を示すブロック図である。図１１の「＋」記号および「−」記号は分極方向を表す。

図１０に示す圧電素子のうち電圧信号（駆動信号）（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。

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。

一方、図１０に示す圧電素子のうち電圧信号（駆動信号）（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。

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。この構成だとＶａとＶｂの交流電圧比がＡモード、Ｂモードの発生比率すなわち、接触部で発生する楕円形状の振動子と移動体を突き放す方向の振幅と、移動体の移動方向の振幅の比となる。よって、ＶａとＶｂの電圧比を変えることで接触部で発生する楕円の振幅比を変えることが可能となる。

図１１の制御回路のブロック図に示されるように、本実施例ではＶａとＶｂの電圧を可変にするために１７のＤＣ／ＤＣ変換器を２出力で、かつ出力電圧がプログラマブルであるＤＣ／ＤＣ変換器１７’としている。

そして、１つの出力がスイッチング回路１２の電源電圧、もう１つの出力がスイッチング回路１２’の電源電圧となっている。

よって、Ｖａ、Ｖｂ電圧は上記スイッチング回路の出力をインピーダンスマッチング回路１３とトランス回路１４を介した電圧で出力され、アクチュエータのＡ＋とＡ−間およびＢ＋とＢ−間に印加されている。

図１２は、本実施例のアルゴリズムを説明するための周波数ｖｓアクチュエータ速度、電力の関係を示す図である。

実施例１〜３では、接触部で発生する楕円運動において、振動子と移動体を突き放す方向の成分と、移動体の移動方向の成分との比をＡＢの駆動電圧（駆動信号）の位相差で変化させていたが、本実施例では圧電素子に印加する電圧ＶａとＶｂの大きさの比を変えることで実現している。

図１３は本実施例で示している楕円比変更手段の１つであるＶａ、Ｖｂの大きさを変えることにより振動体接触部に発生する楕円振動のイメージを記したものである。

図１４に本実施例のアルゴリズムを示し、図１２、１３を参照しながら動作を説明する。振動子起動時はマイコン１０は共振周波数より高い周波数でアクチュエータ速度が十分低い周波数ｆｓを設定し、二つの駆動電圧Ｖａ、Ｖｂの大きさの比を１：４に設定し、振動子部に交流電圧の印加する（Ｆ−１１、Ｆ−１２）（図１２の丸数字１）。

図１３からわかるようにＶａ、Ｖｂの大きさの比を１：４とすると、接触部で発生する楕円運動の形状が、振動子と移動体を突き放す方向に大きく、移動体の移動方向には小さくなる。この状態だと、移動体の速度は出ないが、振動子と移動体の接触分離がし易くなり、起動しやすい状態となっている。

本実施例では、Ｖａ、Ｖｂの大きさの比を１：４としているが、振動子と移動体の加圧状態や摩擦面の摩擦係数や形状などにより変わる。

本実施例では、Ｖａ、Ｖｂの大きさの比を通常の駆動状態で用いるＶａ、Ｖｂの大きさの比に比べ、振動子と移動体を突き放す方向の成分の割合が大きくすることで、すなわち移動体の移動方向の成分の割合が小さくすることで、起動性を改善することができる。

次に、位置検出手段１５により現在の位置および速度を検出する（Ｆ−１３）。

位置の変化もしくは速度値から振動子が起動したか否かを判断する（Ｆ−１４）。

振動子が起動していない場合、Ｖａ、Ｖｂの大きさの比を１：４に保ったまま、駆動周波数を下げる（Ｆ−１５）。

振動子が起動するまでは、Ｆ−１３〜１５を繰り返す（図１２の丸数字２）。

ここで、振動子が起動した場合、Ｖａ、Ｖｂの大きさの比を３：２に変更し、接触部で発生する楕円運動における、振動子と移動体を突き放す方向の成分に対する、移動体の移動方向の成分の比が大きくなるようにする。このような楕円比にすることで、効率良く、移動体を高速で移動させることが可能となる（Ｆ−１６）（図１２の丸数字３）。

このように、振動子を効率良く駆動する楕円比にした状態すなわち、通常の駆動状態で周波数を変えながら速度と位置を検出し、目標位置に達したところで駆動停止させるという周波数制御が行われる（Ｆ−１７〜２０）（図１２の丸数字４）。

このように、振動子起動時は、起動に適した接触部の楕円形状にし、起動後は効率良く振動子を駆動できる接触部の楕円形状にすることで、起動特性を改善できる。楕円形状を変える手段としては、ある電極パターンではＡＢ電圧位相差であったり、他の電極パターンではＶａ、Ｖｂ電圧の比であったりし、目的を達成するためであればどのような方法を用いても良い。

［実施例５］
実施例５として、本発明の駆動装置の駆動機構の構成例を、図１５を用いて説明する。

本実施例の振動型駆動装置は、レンズの構成例を示したもので、振動型アクチュエータの振動子部を保持兼加圧機構を備えた移動体部とこの移動体部を摺動自在に保持する、平行に配された第一ガイドバーと第二ガイドバーとを備えている。

そして、この電気−機械エネルギー変換素子に対する駆動電圧の印加によって生成された振動子部の接触部の楕円運動によって、振動子と該振動子の接触部と接触する第二ガイドバーとの間に相対移動力を発生させるものである。

これによって、移動体を第一及び第二ガイドバーに沿って移動可能に構成されている。

具体的には、図１５に示すように、本実施例の振動型駆動装置１００の移動体部の駆動機構は、主にレンズホルダ１０２、レンズ１０７、振動子部１０１、支持兼加圧部１０５、２つのガイドバー１０３、１０４及び点線で図示の基体から構成される。

２本のガイドバーで構成された第一のガイドバー１０３、第二ガイドバー１０４は、互いに平行に配置されるようにそれらの各ガイドバーの両端が、基体により保持固定されている。

レンズホルダ１０２は、円筒状のホルダ部１０２ａ、振動子１０１及び支持兼加圧部１０５を保持固定する保持部１０２ｂ、第一ガイドバー１０３と嵌合してガイドの作用をなす第一のガイド部１０２ｃから構成される。

また、振動子部１０１に設けられている２箇所の接触部が第二ガイドバー１０４と加圧接触して第二のガイド部を形成している。

振動子部１０１に駆動電圧を印加することにより、振動子部１０１に楕円運動が発生し、加圧接触したガイドバー１０４に沿ってレンズホルダ１０２およびレンズ１０７がレンズの光軸方向に移動する。このような構成でレンズ群を光軸方向に移動させることで、オートフォーカス動作やズーム動作が可能となっている。

ここで、実施例１〜４の駆動方法を用いることで、このような製品においても起動時の特性が改善され、確実にレンズ駆動できるレンズ駆動装置が実現できる。なお、本実施例では、振動子部１０１がレンズホルダ１０２と共に動く構成を示したが、振動子は動かず、レンズホルダ１０２が振動子に対して動く構成であっても良い。

また、駆動装置の応用例として、撮像装置を図２０に示す。図２０は、撮像装置７００の概略構成を示す上面図である。撮像装置７００は、撮像素子７１０及び電源ボタン７２０を搭載したカメラ本体７３０を備える。また、撮像装置７００は、第１レンズ群（不図示）、第２レンズ群３２０、第３レンズ群（不図示）、第４レンズ群３４０、振動子６２０、６４０を備えるレンズ鏡筒７４０を備える。撮像素子７１０は、前記第４レンズ群の光軸上に設けられている。レンズ鏡筒７４０は、交換レンズとして取り換え可能であり、撮影対象に合わせて適したレンズ鏡筒７４０をカメラ本体７３０に取り付けることができる。撮像装置７００では、２つの振動子６２０、６４０によってそれぞれ、第２レンズ群３２０、第４レンズ群３４０の駆動が行われる。上記第１乃至第４のいずれか１つのレンズ群についても、上記実施例の駆動装置を用いることができ、起動時の特性が改善され、少ない電力で、レンズ駆動部の動作がより安定した撮像装置を実現することができる。

１ 振動子
４ 振動体
５ 圧電素子
６ 振動体突起部
７ リニア駆動時移動体
１０ マイコン部
１１ 発振器部
１２ 増幅回路
１３ インピーダンス素子
１４ トランス回路
１５ 位置検出手段
１６ 直流電源
１７ 電圧変換手段
１８ 電力検出部
１９ 振動型アクチュエータ

Claims (20)

1. 制御部と、
   前記制御部からの出力に基づいて交流信号を生成し、振動子に印加する交流信号生成部を有し、
   前記制御部は、前記振動子の駆動時に、
   前記振動子に印加される交流信号の、周波数を第１の周波数に、また、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第１の楕円比となるように設定する、第１の設定を行い、
   前記第１の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、楕円比を前記第１の楕円比に、周波数を第２の周波数に設定する、第２の設定を行い、
   前記第２の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、周波数を前記第２の周波数に、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第２の楕円比となるように設定する、第３の設定を行うように構成され、
   前記第２の周波数は前記第１の周波数より小さく、
   前記第２の楕円比は、前記第１の楕円比より、前記楕円運動の、前記相対移動方向の成分の、前記相対移動方向と垂直な方向の成分に対する比が大きい、振動子の駆動装置。
2. 前記交流信号の印加によって前記振動子の駆動部に発生する前記楕円運動によって、前記振動子と被駆動体が相対移動する請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記制御回路は、前記第２の設定を行った後、前記振動子が駆動していない場合に前記周波数と所定の周波数を比較し、前記第２の周波数が前記所定の周波数より小さい時は、前記振動子に印加される交流信号の、周波数を第１の周波数に、また、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第１の楕円比となるように設定するように構成されている請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 前記電気−機械エネルギー変換素子は二つに分割された電極を有し、
   前記二つの電極に同相の交流電圧を印加したときに前記振動体に生じる第１の振動モードと、前記二つの電極に逆相の交流電圧を印加したときに前記振動体に生じる第２の振動モードとを組み合わせ、
   前記振動体の駆動部に前記楕円運動を生じさせる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の駆動装置。
5. 前記二つの電極に印加する交流電圧の位相差を調整することにより前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比を変更する請求項４に記載の駆動装置。
6. 前記電気−機械エネルギー変換素子は、前記振動体に第１の振動モードを発生させるように設けられた１つ以上の第１の電極と、第２の振動モードを発生させるように設けられた１つ以上の第２の電極を有し、
   前記電極に交流電圧を印加することにより前記振動体の駆動部に楕円運動を生じさせる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の駆動装置。
7. 前記第１の電極及び前記第２の電極に印加する交流電圧の電圧比を調整することにより前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比を変更することを特徴とする請求項６に記載の駆動装置。
8. レンズと、
   前記レンズを保持するレンズホルダと、
   前記レンズホルダを駆動するように構成された請求項１乃至７のいずれか１項に記載の駆動装置と、
   を有するレンズ駆動装置。
9. 駆動部を有する弾性体と、前記弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子と、を有する振動体と、
   制御部と、
   前記制御部からの出力に基づいて交流信号を生成し、振動子に印加する、交流信号生成部を有し、
   前記制御部は、前記振動子の駆動時に、
   前記振動子に印加される交流信号の、周波数を第１の周波数に、また、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第１の楕円比となるように設定する、第１の設定を行い、
   前記第１の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、楕円比を前記第１の楕円比に、周波数を第２の周波数に設定する、第２の設定を行い、
   前記第２の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、周波数を前記第２の周波数に、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第２の楕円比となるように設定する、第３の設定を行うように構成され、
   前記第２の周波数は前記第１の周波数より小さく、
   前記第２の楕円比は、前記第１の楕円比より、前記楕円運動の、前記相対移動方向の成分の、前記相対移動方向と垂直な方向の成分に対する比が大きい、振動装置。
10. 前記交流信号の印加によって前記振動子の駆動部に発生する前記楕円運動によって、前記振動子と被駆動体が相対移動する請求項９に記載の振動装置。
11. 前記制御回路は、前記第２の設定を行った後、前記振動子が駆動していない場合に前記周波数と所定の周波数を比較し、前記第２の周波数が前記所定の周波数より小さい時は、前記振動子に印加される交流信号の、周波数を第１の周波数に、また、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第１の楕円比となるように設定するように構成されている請求項９または１０に記載の振動装置。
12. 前記電気−機械エネルギー変換素子は二つに分割された電極を有し、
    前記二つの電極に同相の交流電圧を印加したときに振動体に生じる第１の振動モードと、前記二つの電極に逆相の交流電圧を印加したときに前記振動体に生じる第２の振動モードとを組み合わせ、
    前記振動体の駆動部に楕円運動を生じさせる請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の振動装置。
13. 前記二つの電極に印加する交流電圧の位相差を調整することにより前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比を変更する請求項１２に記載の振動装置。
14. 前記電気−機械エネルギー変換素子は、前記振動体に第１の振動モードを発生させるように設けられた１つ以上の第１の電極と、第２の振動モードを発生させるように設けられた１つ以上の第２の電極を有し、
    前記電極に交流電圧を印加することにより前記振動体の駆動部に楕円運動を生じさせる請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の振動装置。
15. 前記第１の電極及び前記第２の電極に印加する交流電圧の電圧比を調整することにより前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比を変更する請求項１４に記載の振動装置。
16. レンズと、
    前記レンズを保持するレンズホルダと、
    前記レンズホルダを駆動するように構成された請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の振動装置と、
    前記レンズの光軸上にある撮像素子と、
    を有する撮像装置。
17. 振動子を起動する際に、
    前記振動子に印加される交流信号の、周波数を第１の周波数に、また、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第１の楕円比となるように設定し、
    前記第１の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、楕円比を前記第１の楕円比に、周波数を第２の周波数に設定し、
    前記第２の設定より後に、前記振動子に印加される交流信号の、周波数を前記第２の周波数に、電圧比及び位相差の少なくとも一方を前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比が第２の楕円比となるように設定し、
    前記第２の周波数は前記第１の周波数より小さく、
    前記第２の楕円比は、前記第１の楕円比より、前記楕円運動の、前記相対移動方向の成分の、前記相対移動方向と垂直な方向の成分に対する比が大きい、振動子の駆動方法。
18. 前記振動子を起動させる際に印加する駆動周波数は、前記第１の楕円比で起動した際に動き始める周波数よりも高い周波数である請求項１７に記載の振動子の駆動方法。
19. 前記第１の楕円比で周波数を掃引する際に、所定の周波数になるまで前記被駆動体が相対移動しなかった場合、周波数を再び高い状態にした後、周波数を低くなる方向に掃引することを特徴とする請求項９または請求項１７または１８に記載の振動子の駆動方法。
20. 二つの電極に印加する交流電圧の位相差を調整することにより前記振動体の駆動部に生じる楕円運動の楕円比を変更することを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の振動子の駆動方法。

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