JP2016152746A - 振動型アクチュエータおよびその制御方法、光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】振動型アクチュエータの駆動において制御性を向上させること。【解決手段】振動型アクチュエータは、矩形状の平板部および平板部上に設けられた突起部を有する振動板と、振動板に固定され高周波振動する圧電素子を備える。圧電素子は２以上の分極領域を有し、高周波振動によって振動板と接触する摩擦部材が相対移動する。位相差制御部は、振動板の相対位置情報を取得し、相対位置情報に応じて、圧電素子の分極領域にそれぞれ入力する電圧の位相差を制御する。位相差制御部は、駆動開始時において、第１の位相差領域Ｂにて位相差を設定する第１の制御を行い、駆動停止時には、第１の位相差領域Ｂよりも範囲が狭い第２の位相差領域Ｄにて位相差を設定する第２の制御を行う。【選択図】 図７

Description

本発明は、超音波モータ等の振動型アクチュエータとその制御方法、光学機器に関する。

超音波モータは、小型軽量、高速駆動、かつ、静音駆動という特徴をもち、撮像装置のレンズ鏡筒等に採用されている。特許文献１には、リニア駆動用の超音波モータが開示されている。この超音波モータは、圧電素子が固定された矩形状の振動板と、振動板上に設けられた接触部と接触する摩擦部材から構成される。圧電素子が発生する振動により、振動板に設けられた突起先端に楕円運動が発生する。振動板はこの楕円運動により駆動力を得て、摩擦部材に対して移動する。圧電素子は二つの分極領域を有しており、各分極領域への入力電圧の位相差が制御される（位相差制御法）。これにより突起先端の楕円運動の軌跡が変化するので、振動板の移動速度を制御できる。

特開２００４−８８８１５号公報

位相差制御法では、圧電素子の二つの分極領域への入力電圧の位相差を制御することにより、突起先端の楕円運動の軌跡を変化させて振動板の速度制御が行われる。また、周波数制御法では駆動周波数の制御によって速度を制御する。周波数制御法に比べて、位相差制御法の利点は、低速度領域における駆動が可能なことである。しかし、位相差制御法において、位相差が０°または１８０°付近の位相差領域では駆動力が小さくなる。このため、駆動状態が不安定となるか、あるいは駆動が停止する領域、すなわち不感帯が存在する場合がある。不感帯が存在する場合には、超音波モータの制御系にて不感帯の影響により、所望の制御特性が得られない可能性がある。
本発明の目的は、振動型アクチュエータの駆動において制御性を向上させることである。

本発明に係る装置は、振動部材および該振動部材に固定された圧電素子を用いる振動型アクチュエータであって、前記振動部材と接触して当該振動部材に対して相対的に移動する摩擦部材と、前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を取得して前記圧電素子の駆動を制御する制御手段と、を備える。前記圧電素子は、複数の分極領域を有しており、前記制御手段は、前記複数の分極領域にそれぞれ印加する電圧の位相差を制御する場合、第１の位相差領域にて前記位相差を設定する第１の制御と、前記第１の位相差領域よりも範囲が狭い第２の位相差領域にて前記位相差を設定する第２の制御を行う。

本発明によれば、振動型アクチュエータの駆動において制御性を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る超音波モータの構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る超音波モータの振動状態の説明図である。 第１の実施形態に係るリニア駆動装置を概略的に示す図である。 第１の実施形態に係る超音波モータの位相差制御の説明図である。 第１の実施形態に係る楕円運動の軌跡を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る駆動装置の構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る位相差領域の説明図である。 第１の実施形態に係る駆動停止時の位相差制御を説明するための図である。 第２の実施形態に係る位相差領域の説明図である。 第３の実施形態に係るリニア駆動装置の傾きの影響を説明するための図である。 比較例における駆動停止時の位相差制御を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。各実施形態では振動型アクチュエータとして超音波モータを例示して機構および動作を説明する。超音波モータは、小型軽量かつ広い駆動速度レンジが要求される電子機器、例えばレンズ駆動装置等に利用可能である。振動型アクチュエータにより、レンズ等の光学部材を駆動する光学機器（レンズ装置、撮像装置等）に適用可能である。一実施例としての超音波モータは、矩形状の振動板と、該振動板に対して相対的に移動する摩擦部材を備える。本明細書中において、振動板の長辺方向をＸ方向、短辺方向をＹ方向とそれぞれ定義する。また、振動板における略矩形状の面の法線方向（厚さ方向）をＺ方向とする。Ｚ方向において、振動板から摩擦部材へ向かう方向を＋Ｚ方向と定義し、その逆方向を−Ｚ方向と定義する。

［第１の実施形態］
図１から図８を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の超音波モータ１０の基本的な構成を説明するための図である。図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は正面図である。図１（Ｃ）および図１（Ｄ）はそれぞれ異なる方向から見た場合の側面図である。図１（Ｅ）は底面図である。超音波モータ１０は、振動板１と圧電素子２を備える。

振動板１は、矩形状の平板部を有する振動部材である。平板部上には突起部１ａ，１ｂがＸ方向にて所定の間隔をおいて設けられている。突起部１ａ，１ｂについては、絞り加工により平板部と一体成型してもよいし、別部材を平板部に接着で固定してもよい。振動板１には高周波振動する圧電素子２が固定されている。

圧電素子２は、図１（Ａ）に示すように、同方向に分極された２箇所の分極領域２ａ，２ｂを有する。分極領域２ａがＡ相に割り当てられ、分極領域２ｂがＢ相に割り当てられている。Ａ相およびＢ相とは、図示しない外部電源から圧電素子２へ位相差を持つ２相の電圧をそれぞれ入力する場合の２つの相である。圧電素子２は、分極されていない領域２ｃを有し、当該領域２ｃは圧電素子２の裏面２ｅの全面電極から側面２ｄの領域の電極を経由して導通されたグランドとして使用される電極部である。

振動板１の矩形状の面における短辺部には、Ｘ方向に延在する連結部１ｃ，１ｄがそれぞれ設けられている。連結部１ｃ，１ｄは振動板１と同期して移動し、後述する振動板の保持部材に対し、直接的又は間接的に連結される。連結部１ｃ，１ｄは、振動板１と圧電素子２の振動において変位が小さい部分に設けられており、十分に剛性が弱いので、振動を阻害しにくい形状に設計される。従って、連結部１ｃ，１ｄは振動板１と圧電素子２の振動にほとんど影響を与えない。

圧電素子２に対し、Ａ相とＢ相との位相差を−９０°から＋９０°まで変化させた交流電圧を印加することによって、高周波振動が発生する。圧電素子２の高周波振動によって振動板１には、以下の固有振動モードが励振される。
・振動板１の短辺方向（Ｙ方向）の曲げ振動に係る１次の固有振動モード（以下、第１のモードという）。
・振動板１の長辺方向（Ｘ方向）の曲げ振動に係る２次の固有振動モード（以下、第２のモードという）。
突起部１ａ，１ｂは第１のモードの腹（図１（Ｅ）におけるＸ参照）の近傍であって、かつ、第２のモードの節（図１（Ｅ）におけるＹ１およびＹ２参照）の近傍に設けられる。図１（Ｅ）にＹ１とＹ２で示す各位置はＹ方向の中心線Ｙ０に関して対称である。

図２を参照して、振動の様相について説明する。図２は、Ａ相に対してＢ相の位相を約９０°遅らせた交流電圧を、圧電素子２に印加した場合の振動例を示す模式図である。図２（Ａ）は、Ａ相とＢ相の各交流電圧の波形例を示す。横軸は時間Ｔを表し、縦軸は電圧Ｖを表す。矢印で示す各時点Ｐ１からＰ４は、Ａ相とＢ相についてそれぞれ位相の異なる時点を示す。Ｐ１の時点ではＡ相電圧が正値でＢ相電圧が負値であり、Ｐ２の時点ではＡ相電圧およびＢ相電圧が正値である。Ｐ３の時点ではＡ相電圧が負値でＢ相電圧が正値であり、Ｐ４の時点ではＡ相電圧およびＢ相電圧が負値である。つまり、Ｐ２とＰ４の時点でＡ相電圧とＢ相電圧は互いに同符号の関係であり、Ｐ１とＰ３の時点でＡ相電圧とＢ相電圧は互いに逆符号の関係である。図２（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、図１（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に対応する。図２（Ｂ）はＹ方向から見た場合の図、図２（Ｃ）はＸ方向から見た場合の図、図２（Ｄ）はＸ方向にて図２（Ｂ）とは反対側から見た場合の図である。これらの図は、図２（Ａ）に矢印で示すＰ１からＰ４の各時点に対して、所定時間の遅れをそれぞれ有するＱ１からＱ４の各時点における振動状態を示している。なお、図２において圧電素子２と、連結部１ｃ，１ｄについては図示の簡略化のため省略する。

Ａ相電圧とＢ相電圧として同符号の電圧が印加される場合（例えば図２（Ａ）に示すＰ２およびＰ４）、Ａ相とＢ相とで同様の伸縮が生じる。これにより、第１のモードが励振され、図２（Ｃ）にてＺ_１で示すように突起部１ａ，１ｂの先端部のＺ方向における振幅が最大となる。他方、Ａ相電圧とＢ相電圧として異符号の電圧が印加される場合（例えば図２（Ａ）に示すＰ１およびＰ３）、Ａ相とＢ相とで逆方向の伸縮が生じる。これにより、第２のモードが励振され、図２（Ｂ）にてＸ_１で示すように突起部１ａ，１ｂの先端部のＸ方向における振幅が最大となる。Ａ相に対してＢ相の位相を約９０°遅らせて交流電圧を圧電素子２に印加すると、突起部１ａ，１ｂの先端部には図示のような楕円運動がそれぞれ発生する。突起部１ａ，１ｂの先端部は、後述の摩擦部材（図３：符号３参照）に当接するので、突起部１ａ，１ｂの楕円運動により生じる、摩擦部材と突起部１ａ，１ｂとの摩擦で振動板１は推進力を得る。すなわち、振動板１は図２（Ｂ）に示す＋Ｘ方向（右方向を正方向とする）に相対移動する。

また、Ａ相に対してＢ相の位相を約９０°進めて交流電圧を圧電素子２に印加した場合には、図２に示した振動状態によって生成される楕円運動とは反対方向の楕円運動が発生する。よって、突起部１ａ，１ｂの楕円運動により生じる、摩擦部材と突起部１ａ，１ｂとの摩擦で振動板１は推進力を得る。すなわち、振動板１は図２（Ｂ）に示すＸ方向の矢印とは反対の−Ｘ方向（左方向を負方向とする）に相対移動する。

次に、図３を参照して、超音波モータ１０を利用したリニア駆動装置２０の構成を説明する。リニア駆動装置２０は、例えば撮影レンズ装置や撮像装置等において、光学部材を光軸方向に沿って移動させる機構部に使用される。図３はリニア駆動装置２０の概略図である。図３（Ａ）は超音波モータ１０の進行方向から見た場合の正面図である。図３（Ａ）では紙面に直交する方向がＸ方向であり、左右方向がＹ方向、上下方向がＺ方向である。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３（Ｂ）では紙面に直交する方向がＹ方向であり、左右方向がＸ方向、上下方向がＺ方向である。

図３に示す圧電素子２は振動板１に固定されている。摩擦部材３には、振動板１の突起部１ａ，１ｂが加圧されて接触している。圧電素子２の駆動により、振動板１に高周波振動が発生し、振動板１は摩擦部材３に対してＸ方向に相対移動することができる。振動板保持部材４は振動板１と同期して移動する。振動板保持部材４は、第１の支持部４ａにおいて振動板１を連結部１ｃ，１ｄで支持する。本実施形態では振動板保持部材４にて、第１の支持部４ａが２箇所に設けられている。振動板保持部材４は、第２の支持部４ｂにおいてローラ４１を回転自在に軸支する。ローラ４１は、摩擦部材３の裏面、つまり突起部１ａ，１ｂとの接触面とは反対側の面で回転摺動する。本実施形態では、ローラ４１の数が２であり、それらに対応して第２の支持部４ｂは４箇所に設けられる。ローラ４１は駆動の際の摺動抵抗を低減するために設けられた転動部材である。本実施形態に限らず、転動コロ等を用いる機構でもよい。

加圧ばね４２は、振動板１を摩擦部材３に対して圧接させるための付勢部材である。加圧ばね４２は、その一端部４２ａが圧電素子２に当接し、他端部４２ｂが振動板保持部材４に当接している。加圧ばね４２の加圧力により、突起部１ａ，１ｂは摩擦部材３に圧接されるので、図２の矢印に示すように楕円運動による駆動力で振動板保持部材４を＋Ｘ方向へ移動させる推進力が得られる。

図４を参照して、本実施形態における位相差制御法について説明する。図４はＡ相に対するＢ相の位相差が小さい交流電圧を圧電素子２に印加した場合の振動の様子を示す。図４（Ａ）は、図２（Ａ）に対応し、Ａ相とＢ相の位相関係を示す。横軸ｔは時間を表し、縦軸ｖは電圧を表す。図４（Ａ）ではＡ相電圧に対するＢ相電圧の位相差が小さい。図４（Ｂ）から（Ｄ）に示す各振動状態は、図２（Ｂ）から（Ｄ）で説明した振動状態にそれぞれ対応する。図４（Ｂ）に示すＸ_２は、突起部１ａ，１ｂの先端部のＸ方向における振幅を表し、図４（Ｃ）に示すＺ_２は、突起部１ａ，１ｂの先端部のＺ方向における振幅を表す。

Ａ相に対するＢ相の位相差が０°近傍である場合には、図２の場合と比べて、Ａ相およびＢ相として異符号の電圧が印加される時間がほとんどない。このため、第２のモードの振幅、すなわち移動方向の振幅（図４（Ｂ）に示すＸ_２）が小さくなる。この結果、突起部１ａ，１ｂの先端部に図４（Ｂ）に示すような楕円運動が発生するので、振動板１はＸ方向に低速で相対的に移動する。

図５は突起部１ａ，１ｂの先端部に発生する楕円運動の軌跡を示す。横軸はＸ軸であり、縦軸はＺ軸である。図５（Ａ）は、Ａ相とＢ相の各入力電圧の位相差（以下、θと記す）が９０°の場合であり、円形の軌跡を示す。図５（Ｂ）は「０°＜θ＜９０°」の場合であり、Ｘ方向に比べてＺ方向に長い楕円の軌跡を示す。図５（Ｃ）は「９０°＜θ＜１８０°」の場合であり、Ｚ方向に比べてＸ方向に長い楕円の軌跡を示す。各図において、Ａ_Ｚ１、Ａ_Ｚ２、Ａ_Ｚ３は振動板１の加圧方向、すなわちＺ方向の振幅をそれぞれ示し、Ａ_Ｘ１、Ａ_Ｘ２、Ａ_Ｘ３は振動板１の移動方向、すなわちＸ方向の振幅をそれぞれ示す。

図５（Ｂ）に示すように、「０°＜θ＜９０°」の場合には、図５（Ａ）の場合（θ＝９０°）と比較して加圧方向の振幅が大きくなり、移動方向の振幅が小さくなる。すなわち、Ａ_Ｚ２＞Ａ_Ｚ１、Ａ_Ｘ２＜Ａ_Ｘ１となる。また、図５（Ｃ）に示すように、「９０°＜θ＜１８０°」の場合には、図５（Ａ）の場合（θ＝９０°）と比較して加圧方向の振幅が小さくなり、移動方向の振幅が大きくなる。すなわち、Ａ_Ｚ３＜Ａ_Ｚ１、Ａ_Ｘ３＞Ａ_Ｘ１となる。このように位相差θを９０°よりも小さくすると移動方向の振幅Ａ_Ｘが小さくなるため、速度が小さくなる。すなわち、位相差θを制御することによって振動板１を低速度で制御できる。一方、位相差θを９０°よりも大きくすると加圧方向の振幅Ａ_Ｚが次第に小さくなっていく。この場合、加圧方向の振幅Ａ_Ｚが、突起部１ａ，１ｂの先端部と摩擦部材との表面粗さよりも小さくなると、振動板１が駆動できなくなる。加圧方向の振幅Ａ_Ｚが突起部１ａ，１ｂの先端部と摩擦部材との表面粗さよりも十分に大きいことは、振動板１の駆動が可能となるための必要条件である。この条件を満たすように、位相差θの範囲を決定する必要がある。なお、本明細書中では、位相差θの範囲を−９０°〜＋９０°として説明する。

一般的に、超音波モータでは入力電圧や周波数を制御することによって速度制御が行われる。低速度での制御において、入力電圧や周波数を小さくしていくと楕円運動の加圧方向の振幅Ａ_Ｚが小さくなり、遂には駆動できなくなる。このように、入力電圧や周波数による速度制御では低速領域において一定の不感帯が存在する。一方、位相差による速度制御では、前述の通り位相差θを変化させることにより、楕円運動の加圧方向の振幅Ａ_Ｚと移動方向の振幅Ａ_Ｘがそれぞれ変化する。すなわち、加圧方向の振幅Ａ_Ｚの大きさをある程度維持したまま移動方向の振幅Ａ_Ｘを小さくすることができる。その結果、入力電圧や周波数をパラメータとする速度制御と比較して、より低速での駆動が可能となる。したがって、位相差による速度制御の方が低速領域の制御では有利である。

以上説明した通り、超音波モータ１０では、高周波振動により振動板１の突起部１ａ，１ｂに楕円運動が発生し、これにより摩擦部材３に対して振動板１が相対的に移動できる。Ａ相およびＢ相の入力電圧の位相差を制御することによって振動板１の速度制御が行える。

以下に、図６を参照して、超音波モータ１０の駆動装置３０について説明する。図６は駆動装置３０の構成例を示すブロック図である。
位置検出部５１は振動板１の相対位置を検出し、検出信号を位相差制御部５２の位置偏差算出部６１に出力する。位置検出部５１は、例えば光学式のエンコーダ等を備え、振動板１の位置情報を検出する。位置検出部５１における検出手段の種類および測定原理の如何は問わない。位相差制御部５２は、位置検出部５１によって検出された位置情報に応じて、圧電素子２の分極領域２ａ，２ｂへの入力電圧の位相差を制御する。位相差制御部５２は、位置検出部５１によって検出された位置が、目標位置に近づくように位相差を制御する。位相差とは、図示しない外部電源から圧電素子２の分極領域２ａ，２ｂへのそれぞれ入力される電圧の位相差である。位相差制御部５２にてフィードバック制御が行われる。

位相差制御部５２の位置偏差算出部６１には、位置検出部５１によって検出された位置情報ｘと、図示しないコントローラからの目標位置情報ｘ_ｔとが入力され、両情報の位置偏差ｅ（＝ｘ_ｔ−ｘ）が出力される。位置偏差ｅはＰＩＤ補償器６２に入力され、制御信号が出力される。ＰＩＤ補償器６２は比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）の各演算機能を有する補償器から構成される。各補償器の演算結果が加算されて出力される。ＰＩＤ補償器６２が出力する制御信号は駆動波形発生器６３に送られる。駆動波形発生器６３は、入力された制御信号に応じた位相差θを持つ２相の駆動波形信号を発生させる。駆動波形発生器６３が発生させた駆動波形信号は、超音波モータ１０（具体的には圧電素子２の分極領域２ａ，２ｂ）へ供給されることで、振動板１が所定の速度で駆動される。なお、加速度算出部５５および姿勢差検出部５６については、後述の実施形態にて説明する。

以下に、図１１の比較例を参照して、その位相差制御法と問題点について説明する。図1１は、比較例にて、目標位置に到達する際の振動板１の位置偏差ｅおよび位相差θのグラフを示す。図１１（Ａ）では横軸に時間ｔを示し、縦軸に位置偏差ｅを示す。図１１（Ｂ）では横軸に時間ｔを示し、縦軸に位相差θを示す。図１１では各時刻をｔ_１１，ｔ_１３ ^*，ｔ_１２，ｔ_１１で示し、「ｔ_１１＜ｔ_１３ ^*＜ｔ_１２＜ｔ_１３」の関係とする。図１１（Ａ）では、時刻ｔ_１１での位置偏差ｅ_１１と、時刻ｔ_１３での位置偏差ｅ_１３を示し、「ｅ_１１＞ｅ_１３」とする。図１１（Ｂ）では、時刻ｔ_１１での位相差θ_１１と、時刻ｔ_１２での位相差θ_１２を示し、「θ_１１＜θ_１２」とする。

振動板１の位置ｘが目標位置ｘ_ｔに近づくに従って、位置偏差ｅ（＝ｘ_ｔ−ｘ）は小さくなる。これに伴って、ＰＩＤ補償器６２が出力する制御信号も小さくなるため、位相差θは小さくなる。位置偏差ｅが減少するにつれて位相差θが減少すると、突起部１ａ，１ｂの先端部の楕円運動において移動方向の振幅Ａ_Ｘが小さくなる。その結果、駆動力が小さくなった場合、超音波モータの駆動が不安定となる。このため、時刻ｔ_１１で位相差θがθ_１１に到達した際に駆動力が不足して振動板１の移動が途中で停止する。このとき、振動板１の位置ｘは目標位置ｘ_ｔに到達しておらず、位置偏差ｅ_１１が残差となる。ＰＩＤ補償器６２の出力する制御信号は大きくなり、よって位相差θは増加する。時刻ｔ_１２で位相差θがθ_１２に到達したときに振動板１は再度駆動を開始した後、整定時間に対応する時刻ｔ_１３で位置偏差ｅ_１３が目標位置偏差以下となる。このように、位相差θが小さくなるに伴って駆動力が小さくなった場合、超音波モータの駆動が不安定となる。位置偏差ｅが目標位置偏差以下となる前に超音波モータが停止した場合、再度駆動するまでには「ｔ_１２−ｔ_１１」の時間を要する。

図１１に点線で示すグラフは、振動板１が途中で停止することなく目標位置偏差に到達した場合を示している。この場合の整定時間に対応する時刻をｔ_１３ ^*に示す。実線のグラフでは、点線のグラフとの比較から判るように、位置偏差ｅが目標位置偏差以下になるまでの整定時間が長くなる（ｔ_１３ ^*＜ｔ_１３）。
以上説明した通り、比較例の位相差制御では、低速度領域の駆動において不感帯の影響によって駆動が不安定化する可能性があり、所望の制御特性が得られない場合がある。そこで、その解決策として、図７および図８を参照して、本実施形態の位相差制御法について説明する。

図７は、本実施形態の位相差制御法において使用する位相差領域を説明するための図である。説明の便宜上、図７（Ａ）では振動板１を＋Ｘ方向へ駆動する場合に限定して説明する。図７に示すθ_１１は、図１１（Ｂ）と同様に時刻ｔ_１１での位相差である。前述の通り、位相差が９０°のときに振動板１の速度は最大となり、位相差が０°のときに振動板１は停止する。図７（Ａ）に示す位相差領域Ａは０°〜θ_１１の範囲を有し、超音波モータの駆動が不安定となる領域である。駆動開始時には位置偏差ｅに応じて位相差θが次第に大きくなっていくため、超音波モータは停止することがない。他方、駆動停止時には駆動が不安定となるという問題がある。

本実施形態の場合、駆動開始時には第１の位相差領域Ｂを使用して制御を行う。位相差領域Ｂは位相差が０°〜９０°の領域である。一方、駆動停止時には、位相差０°から「θ_１＞θ_１１」である位相差下限値θ_１までの位相差領域Ｃ（０°〜θ_１）の位相差を使用せず、θ_１〜９０°の位相差領域Ｄを使用する。第２の位相差領域Ｄは、第１の位相差領域Ｂよりも範囲が狭く、θ_１〜９０°の位相差領域内の位相差を使って位相差制御部５２が位相差制御を行う。すなわち、位相差制御部５２は位相差領域として、第１の位相差領域Ｂと、第１の位相差領域Ｂより範囲が狭い第２の位相差領域Ｄを備え、駆動開始時には第１の位相差領域Ｂを使用し、駆動停止時には第２の位相差領域Ｄを使用する。

次に、図７（Ｂ）を参照して、振動板１を−Ｘ方向に移動する場合をも含めた制御について説明する。振動板１を−Ｘ方向に移動させる場合には、位相差θが負となる領域の位相差が使用される。このため、位相差が−９０°のときに振動板１の速度は最大となり、位相差０°のときに振動板１は停止する。図７（Ａ）で説明した通り、位相差が０°〜θ_１の領域は使用しないため、同様にして、位相差が０°〜−θ_１の領域を使用しない。つまり、位相差の絶対値が下限値より小さい範囲は除外される。よって、駆動停止時において、使用しない位相差領域Ｃは−θ_１〜θ_１の範囲となり、使用する第２の位相差領域Ｄは−９０°〜−θ_１の範囲およびθ_１〜９０°の範囲となる。

図８は、本実施形態の位相差制御において目標位置に到達する際の振動板１の位置偏差ｅおよび位相差θを例示する。図８（Ａ）では横軸が時間ｔを表し、縦軸が位置偏差ｅを表す。図８（Ｂ）では横軸が時間ｔを表し、縦軸が位相差θを表す。図８にて時刻ｔ_１と時刻ｔ_２の関係は「ｔ_１＜ｔ_２」とする。時刻ｔ_１での位置偏差ｅ_１、目標位置偏差ｅ_ｔを図８（Ａ）に示し、時刻ｔ_１での位置差θ_１を図８（Ｂ）に示す。

振動板１の位置ｘが目標位置ｘ_ｔに近づくに従って位置偏差ｅ（＝ｘ_ｔ−ｘ）は小さくなる。これに伴って、ＰＩＤ補償器６２が出力する制御信号も小さくなるため、位相差θは小さくなる。時刻ｔ_１で位相差θが、下限値である位相差θ_１に到達した後、位相差θはθ_１より小さくならず、θ_１のままで時刻ｔ_２まで一定となる。このため、振動板１は位相差がθ_１でほぼ一定の速度で移動し、位置偏差ｅが小さくなっていく。時間が経過して時刻ｔ_２において、位置偏差ｅは目標位置偏差ｅ_ｔよりも小さくなり、この時点で圧電素子２の分極領域２ａ，２ｂへの電圧入力が停止する。すなわち、位置検出部５１によって検出された位置情報と、目標位置とから算出される位置偏差ｅが所定値（＝目標位置偏差ｅ_ｔ）よりも小さくなった時点で分極領域２ａ，２ｂへの電圧入力が停止する。これにより、振動板１は目標位置偏差ｅ_ｔよりも小さい位置偏差ｅに対応する位置で停止する。

本実施形態では、超音波モータの低速度での駆動が不安定となる可能性のある、位相差が小さい位相差領域Ｃを使用せず、位相差領域Ｄを使用して位相差制御を行う。よって、超音波モータを安定に駆動できる。すなわち、位置偏差ｅが目標位置偏差ｅ_ｔより小さくなる前に超音波モータは停止することがなく、整定時間が短くなる。このように、第１の位相差領域Ｂ（−９０°〜９０°の範囲）のうち、位相差ゼロを含む特定の位相差領域Ｃを除外した第２の位相差領域Ｄを使用することにより、低速度領域での駆動にて不感帯の影響を除去できる。よって、低速度領域での制御性が向上する。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態では、振動板１の加速度に応じて第２の位相差領域Ｄの範囲を変化させる点で第１の実施形態と相違する。以下では、第１の実施形態の場合と同一の構成要素については既に使用した符号と同一の符号を用いることで、それらの詳細な説明を省略して主に相違点を説明する。このような説明の省略については、後述する実施形態でも同じである。

振動板１が移動している場合、振動板１に生じている力は振動板１に発生している高周波振動による駆動力と、振動板１の移動に伴って生じる慣性力、振動板１に加わる重力である。慣性力が大きい場合には、慣性力が小さい場合と比較して駆動力が小さくなったときでも振動板１が停止しにくい。このため、慣性力が大きくなる場合、すなわち加速度が大きい場合には、振動板１が停止しにくくなる。そこで、この場合には、使用しない位相差領域Ｃについてその範囲を狭くする制御が行われる。

本実施形態において、駆動装置３０は加速度算出部５５（図６参照）を備える。加速度算出部５５は、位置検出部５１から位置情報を取得して振動板１と摩擦部材３の相対移動に伴う加速度を算出する。加速度算出部５５により算出された加速度情報は位置偏差算出部６１に送られる。

図９は、本実施形態の位相差制御において使用する位相差領域を説明するための図である。図９（Ａ）は加速度ａが所定の加速度閾値（ａ_ｓｈと記す）よりも小さい場合の位相差領域を示し、図９（Ｂ）は加速度ａが所定の加速度閾値ａ_ｓｈ以上である場合の位相差領域を示す。

加速度算出部５５により算出された加速度ａが加速度閾値未満である場合、図９（Ａ）に示すように、−θ_１Ａ〜θ_１Ａの範囲をもつ位相差領域Ｃは使用せず、−９０°〜−θ_１Ａの範囲とθ_１Ａ〜９０°の範囲をもつ第２の位相差領域Ｄが使用される。また加速度ａが所定の加速度閾値以上である場合には、図９（Ｂ）に示すように、−θ_１Ｂ〜θ_１Ｂの範囲をもつ位相差領域Ｃは使用せず、−９０°〜−θ_１Ｂの範囲とθ_１Ｂ〜９０°の範囲をもつ第２の位相差領域Ｄが使用される。この場合、「θ_１Ｂ＜θ_１Ａ」であり、図９（Ａ）に比較して図９（Ｂ）の方が、位相差領域Ｃの範囲が小さく、位相差領域Ｄの範囲が大きい。すなわち、加速度算出部５５によって算出される振動板１の加速度ａの大きさに応じて、第２の位相差領域Ｄの範囲を変更することが、本実施形態の特徴である。

駆動停止時に位相差θが下限値θ_１に到達した後には、超音波モータは位相差θ_１でほぼ一定の速度で移動する。このため、使用しない位相差領域の範囲が大きい場合、すなわち、下限値θ_１が大きい場合には振動板１の速度は速くなる。位置偏差ｅが目標位置偏差ｅ_ｔよりも小さくなった段階で電圧入力を停止することで振動板１が停止する。このため、振動板１の速度が大きい場合には停止精度が低下する可能性がある。第２の位相差領域Ｄの範囲を固定的に設定した場合には、加速度ａの大きさに関わらず安定に超音波モータを駆動するためには、第２の位相差領域Ｄの範囲を予め小さくしておく必要がある。これに対して、本実施形態では加速度ａの大きさに応じて第２の位相差領域Ｄの範囲が変更されて適切な設定処理が行われる。これにより、加速度ａが大きい場合には下限値θ_１を小さくすることで停止直前の振動板１の速度が遅くなるので、停止精度が向上するという利点がある。

本実施形態では、振動板１の加速度ａと加速度閾値ａ_ｓｈを比較し、その大小関係により位相差領域のおける２つの下限値θ_１Ａとθ_１Ｂのどちらかを選択して設定した。これに限らず、振動板１の加速度と複数の加速度閾値との比較結果にしたがって３以上の下限値のいずれかを設定する処理でもよい。また、加速度ａと線形関係にある位相差下限値θ_１Ｃを用いて位相差領域を設定してもよい。すなわち、「θ_１Ｃ＝ｋ_１×ａ＋ｌ_１」（ｋ_１、ｌ_１は定数）の関係式から算出されるθ_１Ｃを用いて、−θ_１Ｃ〜θ_１Ｃの範囲を除外した第２の位相差領域Ｄが設定される。より一般的には加速度ａの関数θ_１Ｃ（ａ）から算出されるθ_１Ｃを用いる。これにより、振動板１の加速度ａに応じて適切な位相差領域Ｄの範囲を設定できるので、停止精度をより向上させることができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態では、振動板１の傾きおよび移動方向に応じて第２の位相差領域Ｄの範囲を変化させることが第１の実施形態との相違点である。

図１０を参照して、振動板１の移動方向が水平方向に対して傾いた場合を説明する。図１０において鉛直方向をＶ方向とし、Ｖ方向に直交する水平方向をＨ方向と定義する。Ｚ方向およびＸ方向は、Ｖ方向およびＨ方向に対してそれぞれ所定の角度で傾斜した方向である。図１０（Ａ）は、振動板１の移動方向であるＸ方向が水平方向Ｈに対して傾いた場合、つまり、振動板１の移動方向が水平方向Ｈである状態を基準として、リニア駆動装置がＹ軸回り方向に角度Ｇだけ回転した状態を示す。この状態では振動板１の移動方向であるＸ方向と水平方向Ｈとのなす角度がＧとなる。

図１０（Ｂ−１）および（Ｂ−２）は、図１０（Ａ）の状態にある振動板１の速度ベクトルおよび重力ベクトルの説明図である。図１０（Ｃ−１）および（Ｃ−２）は、図１０（Ａ）の状態とは逆方向にリニア駆動装置が回転した状態にある振動板１の速度ベクトルおよび重力ベクトルの説明図である。この状態は、リニア駆動装置がＹ軸回り方向に−Ｇの角度だけ回転した状態である。振動板１の速度および移動方向を示す速度ベクトルをｄと記す。速度ベクトルｄの水平方向速度ベクトルをｄ_Ｈと記し、鉛直方向速度ベクトルをｄ_Ｖと記す。

本実施形態に係る駆動装置３０は、振動板１の重力方向に対する傾きを検出する姿勢差検出部５６（図６参照）を備える。姿勢差検出部５６は、例えば加速度センサ等を有しており、重力加速度を測定することにより振動板１が重力方向に対してどの程度傾いているかを検出する。なお、姿勢差検出部５６は振動板１の傾きを検出できればよく、検出手段の種類および測定原理の如何は問わない。姿勢差検出部５６は検出した振動板１の傾きの情報を、位置偏差算出部６１に出力する。位置偏差算出部６１は、姿勢差検出部５６が検出した振動板１の傾きと、加速度算出部５５が算出した振動板１の速度から速度ベクトルｄを計算する。

図１０（Ｂ−１）および（Ｂ−２）は、振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄ_Ｖが正である場合を示している。この場合、図１０（Ｂ−２）に示すように振動板１には、鉛直方向にて負方向、すなわち−Ｖ方向に重力ベクトルｇが加わり、振動板１の移動方向に対して逆方向に重力ベクトルの成分ｇ_Ｘが働く。成分ｇ_ＺはＺ方向に作用する重力ベクトルの成分を示す。図１０（Ｃ−１）および（Ｃ−２）は、振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄ_Ｖが負である場合を示している。この場合、図１０（Ｃ−２）に示すように振動板１には、鉛直方向にて負方向、すなわち−Ｖ方向に重力ベクトルｇが加わり、振動板１の移動方向と同じ方向に重力ベクトルの成分ｇ_Ｘが働く。

振動板１の移動中にて、振動板１に生じている力は、振動板１に発生する高周波振動による駆動力と、振動板１の移動に伴って生じる慣性力と、振動板１に加わる重力である。振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄ_Ｖが正であって、振動板１の移動方向に対して逆方向に重力成分が加わる場合には停止しやすい。このため、位相差の下限値（θ_１Ｄと記す）を大きくして第２の位相差領域Ｄの範囲を狭くする制御が行われる。一方で、振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄ_Ｖが負であって、振動板１の移動方向と同じ方向に重力成分が加わる場合には停止しにくい。このため、位相差の下限値（θ_１Ｅと記す）を下限値θ_１Ｄよりも小さくして（θ_１Ｅ＜θ_１Ｄ）、第２の位相差領域Ｄの範囲を広くする制御が行われる。

本実施形態では、振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄ_Ｖが正である場合、第２の位相差領域Ｄの範囲が相対的に狭く設定される。他方、鉛直方向速度ベクトルｄ_Ｖが負である場合、第２の位相差領域Ｄの範囲が相対的に広く設定される。振動板１の重力方向に対する傾きに応じて第２の位相差領域Ｄの範囲を変化させることで、振動板１の姿勢変化に対して安定した駆動が行われる。

第２の位相差領域Ｄの範囲を固定的に設定した場合には、振動板１の傾き角度Ｇに関わらず安定して駆動するために第２の位相差領域Ｄの範囲を予め大きくしておく必要がある。これに対して、本実施形態では振動板１の傾き角度Ｇに応じて、第２の位相差領域Ｄの範囲が適切に設定される。したがって、振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄ_Ｖが負である場合には、位相差の下限値θ_１を小さくすることで停止直前の振動板１の速度が遅くなるので、停止精度が向上する。

本実施形態では、振動板の鉛直方向速度ベクトルｄ_Ｖの正負を判定して、位相差領域における２つの下限値θ_１Ｄとθ_１Ｅのどちらかを選択して設定した。これに限らず、振動板１の移動方向に対する重力成分を複数の閾値と比較し、比較結果にしたがって３以上の下限値のいずれかを設定する処理でもよい。また、振動板１の傾き角度Ｇと線形関係にある位相差下限値θ_１Ｆを用いて位相差領域を設定してもよい。すなわち、「θ_１Ｆ＝ｋ_２×Ｇ＋ｌ_２」（ｋ_２、ｌ_２は定数）の関係式から算出されるθ_１Ｆを用いて第２の位相差領域Ｄの範囲が設定される。より一般的には傾き角度Ｇの関数θ_１Ｆ（Ｇ）から算出されるθ_１Ｆを用いる。これにより、振動板１の傾き角度Ｇに応じて適切な位相差領域Ｄを設定できるので、停止精度をより向上させることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１ 振動板
２ 圧電素子
３ 摩擦部材
４ 振動板保持部材
１０ 超音波モータ
２０ リニア駆動装置
５２ 位相差制御部

Claims (8)

1. 振動部材および該振動部材に固定された圧電素子を用いる振動型アクチュエータであって、
   前記振動部材と接触して当該振動部材に対して相対的に移動する摩擦部材と、
   前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を取得して前記圧電素子の駆動を制御する制御手段と、を備え、
   前記圧電素子は、複数の分極領域を有しており、
   前記制御手段は、前記複数の分極領域にそれぞれ印加する電圧の位相差を制御する場合、第１の位相差領域にて前記位相差を設定する第１の制御と、前記第１の位相差領域よりも範囲が狭い第２の位相差領域にて前記位相差を設定する第２の制御を行うことを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記制御手段は、駆動開始時に前記第１の制御を行い、駆動停止時に前記第２の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記制御手段は、前記位置情報を用いて算出される、前記振動部材と前記摩擦部材との相対的な移動における加速度の情報により、前記第２の位相差領域の範囲を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記制御手段は、重力方向に対する前記振動部材の傾きの情報により、前記第２の位相差領域の範囲を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記第２の位相差領域の範囲は、前記第１の位相差領域の範囲から、位相差または該位相差の絶対値が下限値より小さい範囲を除いた範囲であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
6. 前記振動部材は、平板部および該平板部に設けられた突起部を有する振動板であり、前記突起部が前記摩擦部材と接触することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータを備え、
   前記振動型アクチュエータにより光学部材を駆動することを特徴とする光学機器。
8. 振動部材と、
   前記振動部材に固定された、複数の分極領域を有する圧電素子と、
   前記振動部材と接触して当該振動部材に対して相対的に移動する摩擦部材と、
   前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を取得して前記圧電素子の駆動を制御する制御手段を備える振動型アクチュエータの制御方法であって、
   前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を前記制御手段が取得するステップと、
   前記制御手段が、前記複数の分極領域にそれぞれ印加する電圧の位相差を制御する制御ステップと、を有し、
   前記制御ステップは、
   第１の位相差領域にて前記位相差を設定する第１の制御を行うステップと、
   前記第１の位相差領域よりも範囲が狭い第２の位相差領域にて前記位相差を設定する第２の制御を行うステップを有することを特徴とする振動型アクチュエータの制御方法。
   
   
   
   
   

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