JP2017041950A - 振動型アクチュエータの駆動回路、振動装置、交換用レンズ、撮像装置、及び自動ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動体が駆動に用いる振動以外の振動モードを有する場合、該振動モードの共振周波数のインピーダンス変化に応じて駆動回路の出力電圧が変動し、異音が発生してしまう。
【解決手段】 インダクタとキャパシタとが電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続され、前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の駆動に用いる振動以外の振動モードの共振周波数をｆｕとした場合に、０．７３・ｆｕ＜ｆｓ＜１．２・ｆｕを満たす、振動型アクチュエータの駆動回路。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば振動型アクチュエータの駆動回路、振動装置、交換用レンズ、撮像装置、及び自動ステージに関するものである。

振動型モータは、振動型アクチュエータの一例であり、弾性体及び弾性体に結合された圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体と、振動体と加圧接触する被駆動体を有する。振動型モータは、電気−機械エネルギー変換素子電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加することによって、該素子に高周波振動を発生させ、その振動エネルギーを連続的な機械運動として取り出すように構成された、非電磁駆動式のモータである。

振動型アクチュエータの制御装置は、パルス信号を発生するパルス信号生成手段や、振動体が備える圧電素子に増幅した交流電圧を印加する昇圧回路を有する。振動型アクチュエータは、圧電素子に印加された交流電圧の周波数、振幅、位相差などによって速度を制御する事ができ、例えばカメラのオートフォーカス駆動などに用いられている。オートフォーカス駆動には高精度な位置決め制御が必要であり、例えば位置センサを用いた位置フィードバック制御が行われる。

制御時は、駆動周波数を圧電素子の駆動振動モードの共振周波数に近づけるほど振動振幅が大きくなり、共振周波数から高域側に離すほど振動振幅が小さくなる事を利用して、駆動対象物であるレンズを高速又は低速に駆動する。

ここで、超低速から高速まで速度レンジを大きく取りたい場合、使用する駆動周波数レンジを広げる必要がある。しかし、駆動周波数レンジを広げた場合に、振動型アクチュエータの駆動に用いない振動モードである不要振動モードを加振してしまい、異音が発生してしまう可能性があった。

前記不要振動について、説明する。不要振動モードは、振動型モータの種類によっても異なるが、駆動周波数の２倍や３倍、１／２倍の周波数、あるいはその中間などに存在している。振動型アクチュエータへの交流電圧の印加により、振動体の駆動部に楕円運動を励起する振動波が発生し、被駆動体と振動体が接触することで、振動体と被駆動体の相対位置が、直線方向、又は回転方向に変化する。振動型アクチュエータの駆動中において、接触部での接触圧力は理想的には常に一定であるが、実際には接触圧力は、駆動部及び被駆動体の接触面の凹凸によって異なっており、接触位置によっても変化する。つまり、駆動中に接触圧力が変化しており、駆動に用いる振動以外の振動モードを有する場合、駆動周波数とは異なる周波数で不要振動が振動体にランダムに生じることになる。不要振動は駆動効率を阻害するだけでなく、異音の発生の原因となり得る。

この課題に対して、次のような方法が提案されている。特許文献１は、インピーダンス素子を圧電素子の静電容量に並列に設けて閉回路を形成し、並列共振周波数を固定部材の振動周波数に一致させるものである。インピーダンス素子としては、可変コイルを用いている。

特開平０３−０３２３７４

しかし、上記技術は、不要振動周波数におけるインピーダンスの変化によって、駆動回路の電圧変動が引き起こされ、これにより異音が増幅される事に着眼したものはなく、従来の手法では異音を防止する効果は得られていなかった。そこで、本発明は、不要振動周波数におけるインピーダンスの変化に対して、電圧変動が小さく、不要振動を抑制する駆動回路を提供することを目的とする。

本発明の振動型アクチュエータの駆動回路は、振動体の電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続されるように構成されたインダクタとキャパシタとを有し、前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の駆動に用いる振動以外の振動モードの共振周波数をｆｕとした場合に、０．７３・ｆｕ＜ｆｓ＜１．２・ｆｕを満たすことを特徴とする。

さらに、トランスを用いた場合、本発明の振動型アクチュエータの駆動回路は、
１次側コイルと２次側コイルを有し、前記１次側コイルに交流電圧が印加され、前記２次側コイルの第１の端子が振動体の電気−機械エネルギー変換素子の第１の端子に、前記２次側コイルの第２の端子が前記電気−機械エネルギー変換素子の第２の端子にそれぞれ接続されるように構成されたトランスと、
前記トランスの１次側コイル及び２次側コイルのうち少なくとも一方に直列に接続されたインダクタと、キャパシタと、を有し、前記インダクタと、前記キャパシタと、による直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の駆動に用いる振動以外の振動モードの共振周波数をｆｕとした場合に、０．７３・ｆｕ＜ｆｓ＜１．２・ｆｕを満たすことを特徴とする。

本発明によれば、振動体の不要振動による異音を駆動回路で抑制する事が可能となる。

本発明の第１の実施形態における振動型アクチュエータの駆動回路と、前記振動型アクチュエータと、を有する振動装置を示す図である。 リニア駆動型の振動型アクチュエータの駆動原理を説明する図である。 レンズ鏡筒のレンズの駆動機構を説明する図である。 従来の振動型アクチュエータの駆動回路と、前記振動型アクチュエータと、を有する振動装置を示す図である。 交流電圧Ｖｏの位相変化と交流電圧Ｖｏの振幅変動の関係を示す図である。 ｆｓ／ｆｕの変化に応じた位相変化量の割合を示す図である。 本発明の第２の実施形態における、振動型アクチュエータの駆動回路と、前記振動型アクチュエータと、を有する振動装置を示す図である。 第２の実施形態における振動型アクチュエータの駆動回路の変形例を示す図である。 従来の駆動回路を有する振動装置を示す図である。 従来の駆動回路を用いた場合の交流電圧Ｖｏと駆動電流の周波数解析結果を示す図である。 本発明の駆動回路を用いた場合の交流電圧Ｖｏと駆動電流の周波数解析結果を示す図である。 振動型アクチュエータを駆動した際の駆動音をマイクで測定した周波数特性を示す図である。 本発明の第３の実施形態における振動型アクチュエータの駆動回路である。 補正レンズにより画像振れを補正する撮像装置としてのカメラの断面図である。 本発明の振動型アクチュエータの駆動回路を適用した顕微鏡の斜視図である。

本発明の駆動回路は、例えば次のような振動型アクチュエータに適用される。即ち、本発明の駆動回路が駆動する振動型アクチュエータは、圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子と電気−機械エネルギー変換素子が接合される弾性体を有する振動体と、弾性体に加圧接触して振動体との相対位置が変化する被駆動体と、を備える。電気−機械エネルギー変換素子には、位相の異なる複数の交流電圧（駆動信号）が各々印加され、弾性体に振動波を発生させる。弾性体は、生じた振動波により弾性体の駆動部（被駆動体との接触部）に楕円運動を生じ、この楕円運動によって弾性体（振動体）と被駆動体の相対位置が変化する。

本発明の振動型アクチュエータの駆動回路は、様々な振動型アクチュエータに幅広く適用することができる。例えば、複写機の感光ドラムや画像形成装置の転写ベルトにおける回転駆動などに用いられる円環型の振動型アクチュエータで、進行波を振動体に形成して振動体と被駆動体の相対位置を変化させる円環型の振動型アクチュエータに適用できる。

また、カメラレンズのズーム駆動やオートフォーカス駆動に用いられる振動型アクチュエータに適用できる。該振動型アクチュエータは、例えば、弾性体の摩擦面（振動体と被駆動体との接触面）に直交する２方向の１次の曲げ振動が励起され、時間位相π／２で重ね合せることで摩擦面に回転楕円運動を生じさせる棒状の振動型アクチュエータである。

本発明において、駆動方向とは、振動体と被駆動体の接触面に対して平行な、振動体と被駆動体の相対移動の方向を指す。振動体と被駆動体の接触面とは、微視的に見た場合に、振動体と被駆動体の複数の接触点を含有する面のことであり、複数あってもよいが、振動体の摩擦面、または被駆動体の摩擦面と考えても良い。

本実施形態は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子を２相に分けて駆動する２相駆動における回路を例にとって説明する。２相駆動の場合、各相に加えられる交流電圧の位相が±９０°ずれる以外は第１と第２相間で差がないので、１相部分のみについて以後説明する。尚、本発明は２相駆動に限定されるものではなく、４相以上の進行波型のモータや、定在波型のモータの駆動回路にも適用できる。また、交流信号を発生する発振器、スイッチング回路についても、発明の本質に関わるものではなく、特に限定されない。

〔第１の実施形態〕
＜チップ振動体の原理説明＞
図２は、リニア駆動型の振動型アクチュエータの駆動原理を説明する図である。図２（ａ）に示す振動型アクチュエータは、弾性体２０３に圧電素子２０４が接着された振動体２０５と、振動体２０５によって駆動される被駆動体２０１から成る。圧電素子２０４に交流電圧を印加することにより、図２（ｃ）、（ｄ）に示すような２つの振動モードを発生させ、突起部２０２に加圧接触する被駆動体２０１を矢印方向に移動させる。

図２（ｂ）は圧電素子２０４の電極パターンを示す図であり、例えば振動体２０５の圧電素子２０４には、長手方向で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２０４の２つの電極領域のうち図２（ｂ）の右側に位置する電極領域には交流電圧（ＶＢ）が印加され、左側に位置する電極領域には交流電圧（ＶＡ）が印加される。ＶＢおよびＶＡを第１の振動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２０４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、振動体２０５には図２（ｃ）に示す第１の振動モードの振動（突上げ振動）が発生することになる。また、ＶＢおよびＶＡを第２の振動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２０４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、振動体２０５には図２（ｄ）に示す第２の振動モードの振動（送り振動）が発生することになる。

このように、２つの振動モードを合成することにより、被駆動体２０１が図２（ａ）の矢印方向に駆動される。また、第１の振動モードと第２の振動モードの発生比を２等分された電極へ入力する交流電圧の位相差を変えることにより変更可能とされている。この振動型アクチュエータでは発生比を変えることにより被駆動体の速度を変更させることが可能となる。

以下では、本実施形態として、本発明の振動型アクチュエータの駆動回路と、該駆動回路によって駆動される振動型アクチュエータと、を有する振動装置を、光学機器であるカメラのレンズ駆動機構に適用した構成例を説明する。尚、本実施形態ではカメラに搭載した構成例について説明するが、これに限定されるものではない。

図３は、レンズ鏡筒のレンズの駆動機構を説明する図である。本実施形態の振動型アクチュエータを用いた駆動対象物であるレンズの駆動機構は、振動体と、被駆動体と、この被駆動体を摺動自在に保持する、平行に配された第１ガイドバーと第２ガイドバーとを備えている。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振動体の突起部（駆動部）に生成される楕円運動によって、振動体と弾性体の突起部と接触する第２ガイドバーとの間に相対移動力を発生させる。これによって、被駆動体を第１及び第２ガイドバーに沿って駆動方向（ここでは、第２ガイドバーが延在する方向と平行な方向）に移動可能に構成されている。

具体的には、本実施形態の振動型アクチュエータによる被駆動対象物の駆動機構３１０は、主にレンズ保持部材であるレンズホルダ３０２、レンズ３０６、不図示のフレキシブルプリント基板が結合された振動体２０５を有する。また、加圧磁石３０５、２つのガイドバー３０３、３０４及び不図示の基体を有する。ここでは、振動体として振動体２０５を例に説明する。

第１のガイドバー３０３、第２ガイドバー３０４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、不図示の基体により保持固定されている。レンズホルダ３０２は、円筒状のホルダ部３０２ａ、振動体２０５及び加圧磁石３０５を保持固定する保持部３０２ｂ、第１ガイドバー３０３と嵌合してガイドの作用をなす第１のガイド部３０２ｃを有する。

加圧手段が有する加圧磁石３０５は永久磁石である。加圧磁石３０５とガイドバー３０４との間に磁気回路が形成され、これら部材間に吸引力が発生する。加圧磁石３０５はガイドバー３０４とは間隔を設けて配置されており、ガイドバー３０４は振動体２０５と接するように配置されている。前記の吸引力によりガイドバー３０４と振動体２０５との間に加圧力が与えられる。

弾性体の突起部が第２ガイドバー３０４と加圧接触して、第２のガイド部として機能する。第２のガイド部は磁気による吸引力を利用してガイド機構を形成しているため、外力を受ける等により振動体２０５とガイドバー３０４が引き離される状態が生じるが、これに対しては、つぎのように対処されている。すなわち、レンズホルダ３０２に備えられる脱落防止部３０２ｄがガイドバーに当たることで、レンズホルダ３０２が所望の位置に戻るように対応が施されている。振動体２０５に所望の交流電圧（駆動信号）を与えることで振動体２０５とガイドバー３０４との間に駆動力が発生し、この駆動力によりレンズホルダの駆動が行われる。

本実施形態における駆動回路は、図１４に示すように鏡筒等に設けられ、不図示のフレキシブル基板等を介して振動体２０５に接続される。また、本実施形態に記載の振動装置は、振動体２０５と被駆動体であるガイドバー３０４との相対位置を検出する位置センサを有していても良い。図３では、ガイドバー３０４の振動体２０５に対向する面に設けられたスケールバーと、保持部３０２ｂに設けられたセンサによって位置を検出する位置センサ３０７が設けられている例を示す。位置センサによって検出した相対位置を用いてフィードバック制御を行うことで、より正確にレンズを移動することができる。

よって、本発明の振動型アクチュエータの駆動回路を、交換レンズにおけるレンズの駆動に用いることができる。

（本発明の駆動回路）
本発明の振動型アクチュエータの駆動回路について、図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）は第１の実施形態における振動型アクチュエータの駆動回路を有する振動装置と、前記振動型アクチュエータと、を有する振動装置を示す図である。振動体の駆動装置１０６は、パルス信号を発生するパルス信号生成手段１０７と、振動体が備える圧電素子１０１に増幅した交流電圧を印加する駆動回路１０８を有する。パルス信号生成手段１０７は、不図示の制御信号に応じた駆動周波数を有し位相が異なる２相のパルス信号によって、スイッチング素子がオン・オフ制御されて交流電圧を出力するスイッチング回路（Ｈブリッジ回路）を有する。スイッチング回路には、直流電源を供給する不図示のＤＣ−ＤＣコンバータ回路などが接続され、交流電圧を発生する。尚、矩形のパルス信号は、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御によってパルス幅（パルス・デューティ）が所望の交流電圧振幅が得られるように調整される。

パルス信号生成手段１０７から出力された交流電圧は、インダクタ１０２とキャパシタ１０３を有する駆動回路によって所望の電圧に昇圧される。昇圧された交流電圧はフィルタ効果によって矩形からＳＩＮ波形に変換されて圧電素子１０１に印加される。振動型アクチュエータは、圧電素子１０１に印加された交流電圧の周波数、振幅、位相差などによって速度を制御する事ができる。

（不要振動の検出手段）
図１（ｂ）に、振動体のインピーダンス特性の例を示す。横軸は周波数、縦軸はアドミッタンスである。アドミッタンスのピークを示す周波数が各振動モードの周波数に相当し、電流の流れやすさ、すなわち振動モードの大きさを示す。本特性は、圧電素子に小振幅の交流信号を周波数スイープを行いながら印加し、その応答結果を周波数解析したもので、インピーダンスアナライザなどを用いて測定できる。前述の図２で示した第１、第２の振動モードが、周波数９０〜９５ｋＨｚにピークが見られる２つの駆動振動である。図１（ｂ）において、不要振動のピークは周波数１１０ｋＨｚ付近に検出されている。ここで、不要振動とは、振動体の駆動に用いる振動以外の振動モード、つまり、駆動に用いない振動モードで圧電素子が変形する周波数の事を指し、被駆動体の駆動を阻害するような振動モードである。駆動レンジが例えば９５〜１０５ｋＨｚであると、不要振動のピーク値が大きい場合には、制御中に不要振動が重畳されてしまい、異音が発生してしまう。不要振動の検出基準としては、不要振動のアドミッタンスが駆動振動のいずれかのアドミッタンスよりも大きい事が条件となる。

（異音防止の原理）
振動体に不要振動が生じる場合、不要振動にともなう電流が圧電素子に流れる事でインピーダンスが変化する。鋭意検討の結果、従来の振動型アクチュエータの駆動回路では、インピーダンス変化に応じて、不要振動の周波数において電圧ピークが生じてしまい、これが不要振動を増幅する事で異音を誘発してしまう事を新たに見出した。すなわち、不要振動に起因したインピーダンス変化を駆動回路で抑制できれば、異音を防止する事ができる。

（駆動回路の詳細な説明）
前述した本発明の駆動回路の機能について、詳細に説明する。駆動回路の構成として、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とが圧電素子１０１に直列に接続されている。ここで、インダクタ１０２としては、コイル等のインダクタンス素子を用いることができる。また、キャパシタ１０３としてはセラミックコンデンサやフィルムコンデンサ等の静電容量素子を用いることができる。インダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数を、振動体の不要振動周波数とほぼ一致させることで、不要振動に起因したインピーダンス変化を抑制することができる。

ここで、圧電素子１０１の等価回路について説明する。図１（ａ）は、１相部分の圧電素子１０１を等価回路で表わしたものである。圧電素子１０１の等価回路は、２つの機械的振動部分のＲＬＣ直列回路と、ＲＬＣ直列回路に並列に接続された、圧電素子１０１の固有静電容量Ｃｄ（１０４）と、により構成される。２つの機械的振動部分は、それぞれ駆動に用いる振動モードの駆動振動と、駆動に用いない振動モードの不要振動と、に基づいたＲＬＣ直列回路で表される。駆動振動に対する、等価コイルの自己インダクタンス、等価コンデンサの静電容量、等価抵抗の抵抗値を、各々Ｌｍ、Ｃｍ、Ｒｍと定義する。同様に、不要振動ついても同様に、等価コイルの自己インダクタンス、等価コンデンサの静電容量、等価抵抗の抵抗値を、各々Ｌｕ、Ｃｕ、Ｒｕと定義する。尚、駆動振動と不要振動は、各々周波数の異なる２つ以上の振動モードであっても良い。

本発明において、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数をｆｓとし、圧電素子１０１の不要振動の共振周波数（不要振動周波数）をｆｕと定義する。インダクタ１０２の自己インダクタンスをＬ、キャパシタ１０３の静電容量をＣとすると、

となる。上記ｆｓの値がｆｕの値に近くなるほど、ｆｕ近傍での交流電圧Ｖｏの電圧ピークを低減することが可能となる。ここで、Ｖｏは、圧電素子１０１に印加される交流電圧である。

尚、駆動回路と圧電素子を含めた回路全体の共振周波数をｆｅと定義する。これは一般的な電気共振周波数を示し、駆動電圧Ｖｏがピークを持つ周波数である。Ｖｏのピーク周波数ｆｅは、インダクタ１０２のインダクタンスＬとキャパシタ１０３の静電容量Ｃ、そして圧電素子１０１の静電容量Ｃｄ（１０４）から算出することができる。ピーク周波数ｆｅの式は、

となる。ここで、実際のピーク周波数ｆｅを計算するには、圧電素子１０１を等価的にキャパシタと見なし、機械的振動部分のＲＬＣ直列回路の影響を考慮したＣｄ’を用いて計算する必要がある。例えば、機械的振動部分のＲＬＣ直列回路の影響が１３４ｐＦの容量変化に相当する場合には、
Ｃｄ’＝Ｃｄ−１３４ｐＦ
として計算することが出来る。ピーク周波数ｆｅの式より、ｆｅの値を決めることによって、各々のＬとＣの関数を求めることができる。

（効果の確認）
ここで、図４を用いて、圧電素子１０１に直列にインダクタ１０２のみが接続され、キャパシタ１０３が接続されていない場合（従来の駆動回路）について説明する。図４（ｂ）は、圧電素子１０１に直列にインダクタ１０２のみが接続された従来の駆動回路の図４（ａ）を用いた場合の交流電圧Ｖｏの周波数特性を示す計算結果である。交流電圧Ｖｏの振幅は、インダクタ１０２と圧電素子１０１の静電容量Ｃｄ（１０４）との電気共振を用いて、ある周波数でピークを持つように設定することができる。

ここでは、インダクタ１０２の自己インダクタンスＬを１ｍＨ、圧電素子１０１の静電容量Ｃｄ（１０４）の固有静電容量Ｃｄを０．５４ｎＦとして、Ｖｏのピーク周波数ｆｅが２２０ｋＨｚとなるように設定した。また、圧電素子１０１の駆動振動周波数ｆｍを８８ｋＨｚ、不要振動周波数ｆｕを１０６ｋＨｚとした。駆動振動の等価コイルＬｍを５０ｍＨ、等価コンデンサＣｍを６５ｐＦ、等価抵抗Ｒｍを６６６Ω、不要振動の等価コイルＬｕを３５ｍＨ、等価コンデンサＣｕを６５ｐＦ、等価抵抗Ｒｕを６６６Ωとした。

この結果、図１（ｂ）から分かるように、交流電圧Ｖｏの周波数特性はｆｍとｆｕの前後で大きな電圧変動が生じている。図２に示すような振動型アクチュエータの周波数の駆動レンジはｆｍとｆｕの間の領域にあるため、ｆｕ近傍での電圧変動の影響によって不要振動が増幅され、異音が誘発されてしまう。

図１（ｃ）に、インダクタ１０２とキャパシタ１０３による直列共振周波数を、圧電素子１０１の不要振動周波数と一致させた場合における、交流電圧Ｖｏの周波数特性を示す計算結果を示す。この計算では、インダクタ１０２の自己インダクタンスＬを１ｍＨ、キャパシタ１０３の静電容量Ｃを２．２ｎＦとした。また、駆動振動の等価コイルＬｍを５０ｍＨ、等価コンデンサＣｍを６５ｐＦ、等価抵抗Ｒｍを６６６Ω、不要振動の等価コイルＬｕを３５ｍＨ、等価コンデンサＣｕを６５ｐＦ、等価抵抗Ｒｕを６６６Ωとした。

図１（ｃ）の縦軸は、駆動回路の出力側の交流電圧Ｖｏの振幅を表している。図１（ｃ）に示されるように、ｆｓとｆｕを一致させることで、ｆｕ近傍での交流電圧Ｖｏの電圧ピークを低減する事が可能となる。ｆｕ近傍で交流電圧Ｖｏの振幅変化が生じる原因は圧電素子１０１の機械的振動部分の自己インダクタンスＬｕと静電容量Ｃｕによってインピーダンスの変化が生じているためである。

これに対して、本発明では、ｆｓとｆｕを一致させることで、圧電素子１０１の不要振動部分のインピーダンスに対してマッチング（整合）を取ることができる。具体的には、不要振動部分に流れる電流が大きくなる周波数でインダクタとキャパシタの直列共振が生じることで、キャパシタに蓄積された電荷が不要振動分に流れるように作用し、電圧変動を補償する事ができる。結果として、圧電素子に印加される交流電圧Ｖｏの振幅変化を低減することができるものと考えられる。

（ｆｓとｆｕとの関係の許容範囲）
本発明は、圧電素子１０１に直列に接続されているインダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数ｆｓを、圧電素子１０１の不要振動周波数ｆｕに完全に一致させなくてもよい。つまりｆｓの値をｆｕの値に近づけることで、ｆｕ近傍での交流電圧Ｖｏの電圧ピークを低減することができる。但し、ｆｓはｆｕに近い程、その効果は大きくなる。

本発明では、好ましいｆｓの範囲を明確にする為に、圧電素子１０１の不要振動周波数ｆｕ近傍における交流電圧Ｖｏの位相変化に着目した。図５（ａ）は、交流電圧Ｖｏの位相を示す計算結果である。ここでは、進行波を利用する円環型の振動型モータを例にした。横軸は周波数であり、不要振動周波数ｆｕを４４．１４２ｋＨｚとして、４０ｋＨｚから４８ｋＨｚまでのＶｏの位相の変化を示す。

この計算では、図１（ａ）の駆動回路を用いて、インダクタ１０２とキャパシタ１０３による直列共振周波数ｆｓのｆｕに対する比（ｆｓ／ｆｕとする）を０．７３から１．２の範囲で変化させ、これをプロットした。ここで、ピーク周波数ｆｅは常に６１．７９８ｋＨｚになるようにＬとＣの値を各々調整して、ｆｓ／ｆｕを変化させた。ピーク周波数ｆｅを一定にする理由は、ｆｅの値によって圧電素子１０１の不要振動周波数ｆｕ近傍でのＶｏの振幅が大きく変わってしまう為である。

また、比較をする上での基準となる従来の構成としては図４（ａ）の回路を用いて計算し、この結果をプロットした。この場合のインダクタ１０２の自己インダクタンスＬは１．９７ｍＨとし、交流電圧Ｖｏのピーク周波数ｆｅを６１．７９８ｋＨｚになるよう設定した。

図５（ａ）より、従来の構成のＶｏは最大で６０°近く位相が遅れてしまうことがわかる。これに対して、ｆｓ／ｆｕ＝１となる場合は、Ｖｏの位相変化はほとんど生じない。なお、ｆｓ／ｆｕ＝１の場合、インダクタ１０２の自己インダクタンスＬは４．１７ｍＨ、キャパシタ１０３の静電容量Ｃは３．１２ｎＦである。傾向としては、ｆｓ／ｆｕ＜１となる程、負側に位相の変化が大きくなり、ｆｓ／ｆｕ＞１となる程、正側に位相の変化が大きくなる。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の交流電圧Ｖｏの位相変化と交流電圧Ｖｏの振幅変動の関係を調べるために、周波数に応じた交流電圧Ｖｏの変化を示す計算を行った結果である。計算条件は図５（ａ）と同様であり、ｆｓ／ｆｕを０．７３から１．２の範囲で変化させたものと、従来の構成と、を比較し、これをプロットした。図５（ｂ）で示した位相の変化量と、図５（ａ）で示す電圧の変動量の傾向は対応している事がわかる。つまり、Ｖｏの位相の変化が大きい程、Ｖｏの振幅変動は大きくなる。

図６は、ｆｓ／ｆｕの変化に応じた、従来の構成に対する位相変化量の割合を示す計算結果である。横軸はｆｓ／ｆｕであり、圧電素子１０１の不要振動周波数ｆｕに対するｆｓの比である。縦軸は従来の構成に対する位相変化量の割合であり、次のように計算した。

まず、従来の構成を用いた場合のＶｏの位相変化量の絶対値を４０ｋＨｚから４８ｋＨｚの範囲で計算し、最大値を検出した。これを「従来の構成の位相最大変化量」とする。続いて、図１（ａ）の構成において、ｆｓ／ｆｕをパラメータとして、Ｖｏの位相変化量の絶対値を４０ｋＨｚから４８ｋＨｚの範囲で計算し、最大値を検出した。これを「ｆｓ／ｆｕに応じた位相最大変化量」とする。従来の構成に対する位相変化量の割合は、両者の比を計算し、
「ｆｓ／ｆｕに応じた位相最大変化量」／「従来の構成の位相最大変化量」
として、これを縦軸とした。

本発明では、図６のように従来の構成に対する位相変化量の割合が半分となる条件を閾値と定義して、ｆｕ近傍での交流電圧Ｖｏの電圧ピークを低減するために好ましい範囲を求めた。この結果、ｆｓ／ｆｕの効果の得られる範囲は、
０．７３・ｆｕ＜ｆｓ＜１．２・ｆｕ
となった。

上記範囲は、ピーク周波数ｆｅを６１．７９８ｋＨｚ、圧電素子１０１の静電容量Ｃｄ（１０４）を３．５ｎＦとして計算したが、ピーク周波数ｆｅや固有静電容量Ｃｄの値を変えても、ほぼ同等の計算結果となる。なお、圧電素子１０１の不要振動の等価コイルＬｕは０．１Ｈ、等価コンデンサＣｕは１３０ｐＦ、等価抵抗Ｒｕは１ｋΩとして計算した。

よって、上記範囲に従って、交流電圧Ｖｏの位相差の変化量を半分以下に抑えることにより、従来と比較してＶｏの変動量も概ね半分以下に抑えることが可能となる。つまり、ｆｓとｆｕとを完全に一致させなくとも、上記ｆｓとｆｕの関係を満たすことにより、ｆｕ近傍での交流電圧Ｖｏの電圧ピークを従来の駆動回路の場合の半分以下に低減することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、図７を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、トランスとコイルを用いて昇圧する点が第１の実施形態と異なる。

図７は本発明の第２の実施形態における、振動型アクチュエータの駆動回路と、前記振動型アクチュエータと、を有する振動装置を示す図である。駆動回路の構成は、圧電素子１０１の第１端子とトランス１０５の２次側コイルの第１端子、及び圧電素子１０１の第２端子と２次側コイルの第２端子が、それぞれ電気的に接続されている。つまり、圧電素子１０１の２つの端子間に印加される交流電圧Ｖｏとトランス１０５の２次側コイルの２つの端子間に印加される電圧Ｖｏは等しくなっている。また、トランス１次側コイルに直列にインダクタ１０２とキャパシタ１０３が接続されている。ここで、キャパシタ１０３にはセラミックコンデンサやフィルムコンデンサ等の静電容量素子を用いることができる。尚、キャパシタ１０３は、トランス１次側コイルの上側に接続されているが、下側に接続しても良い。

ここで、インダクタ１０２とキャパシタ１０３とによる直列共振周波数をｆｓとし、圧電素子１０１の不要振動周波数をｆｕと定義する。インダクタ１０２をＬ、キャパシタ１０３をＣとすると、

となる。上記したように、Ｌｕ、Ｃｕは圧電素子１０１の不要振動の等価回路定数であり、Ｌｕは等価コイル、Ｃｕは等価コンデンサを示す。

第１の実施形態と同様に、直列共振周波数ｆｓを圧電素子１０１の不要振動周波数ｆｕに近づける程、上記インピーダンス変化の抑制による電圧変動の低減の効果を得ることができる。ｆｕとｆｓが以下の式を満たすように駆動回路を構成することで、図９に占めるような、キャパシタを有さずトランスとコンデンサを有する従来の駆動回路の場合に比べ、ｆｕ近傍での交流電圧Ｖｏの電圧ピークを半分以下とすることができる。
０．７３・ｆｕ＜ｆｓ＜１．２・ｆｕ
（第２の実施形態の変形例）
図８は、第２の実施形態における振動型アクチュエータの駆動回路の変形例を示す図である。図８（ａ）〜（ｃ）は、インダクタ１０２とキャパシタ１０３をトランス１０５の１次側と２次側で配置を変えた構成である。尚、インダクタ１０２とキャパシタ１０３は各々上側に配置しても下側に配置しても良い。図８（ｄ）は、トランス１次側コイルの漏洩インダクタンス１０２ａとトランス２次側コイルの漏洩インダクタンス１０２ｂを利用したものである。

図８（ａ）の駆動回路は、インダクタ１０２をＬ、キャパシタ１０３をＣとすると、直列共振周波数をｆｓは（式２−１）と同様である。

図８（ｂ）の駆動回路は、トランスの巻線比をＮとすると、

図８（ｃ）の駆動回路は、

となる。

図８（ｄ）の駆動回路は、トランス１次側コイルの漏洩インダクタンス１０２ａをＬ_１、トランス２次側コイルの漏洩インダクタンス１０２ｂをＬ_２、２次側コイルの１次側コイルに対する巻線比をＮ、キャパシタ１０３をＣとすると、

となる。

上記のようにして求められる直列共振周波数ｆｓと、圧電素子１０１の不要振動周波数ｆｕとが、下記式を満たすように駆動回路を構成することで、上記インピーダンス変化の抑制による電圧変動の低減の効果を得ることができる。
０．７３・ｆｕ＜ｆｓ＜１．２・ｆｕ

（発明の効果）
次に、振動型アクチュエータを試作した駆動回路を用いて駆動した測定結果を説明する。

図９は、従来の駆動回路と振動型アクチュエータと、を有する振動装置を示す図であり、トランスの１次側にキャパシタは接続されずインダクタ１０２のみが接続されている。インダクタ１０２の自己インダクタンスＬを１５μＨ、トランスの１次側コイルのインダクタンスを１９μＨ、２次側コイルのインダクタンスを１．６９ｍＨ、巻線比を９．５倍として圧電素子１０１に交流電圧を印加した。圧電素子１０１の静電容量Ｃｄ（１０４）は１．５ｎＦ、駆動振動周波数ｆｍは８８ｋＨｚ、不要振動周波数ｆｕは１０６ｋＨｚである。

図１０に従来の駆動回路を用いた場合の交流電圧Ｖｏと駆動電流の周波数解析結果を示す。図１０（ａ）は横軸が周波数、縦軸がＶｏの電圧振幅である。最もピーク値が大きい周波数９７ｋＨｚが駆動回路の入力Ｖｉの周波数であり、振動型アクチュエータの駆動速度を制御する周波数である。９７ｋＨｚの側波帯には８８ｋＨｚと１０６ｋＨｚのピークが生じており、不要振動のインピーダンス変動の影響を受けて電圧ピークが生じたものと考えられる。

図１０（ｂ）は横軸が周波数、縦軸が圧電素子に流れる電流振幅である。電圧振幅の結果と同様に、電流振幅にも不要振動に伴うピークが生じている様子がわかる。つまり、圧電素子に不要振動に伴う電流が流れてインピーダンス変動し、駆動電圧Ｖｏが不要振動周波数で電圧ピークを生じて、さらに圧電素子の不要振動を増幅してしまう、と考えられる。従来の駆動回路で駆動した場合、振動型アクチュエータに異音が生じていた。

これに対して、本発明の駆動回路である図８（ｃ）に示す駆動回路を用いた場合について説明する。インダクタ１０２の自己インダクタンスＬを１５μＨ、キャパシタ１０３の静電容量Ｃを１．５ｎＦとした。トランスの１次側コイルのインダクタンスを１９μＨ、２次側コイルのインダクタンスを１．６９ｍＨ、巻線比を９．５倍として圧電素子１０１に交流電圧を印加した。直列共振周波数ｆｓは、１１２ｋＨｚである。

図１１に本発明の駆動回路を用いた場合の交流電圧Ｖｏと駆動電流の周波数解析結果を示す。図１１（ａ）は横軸が周波数、縦軸がＶｏの電圧振幅である。駆動回路の入力周波数である９７ｋＨｚの側波帯には不要振動のピークが生じていないことがわかる。図１１（ｂ）の電流振幅においても、同様である。この結果、不要振動は駆動回路によって増幅されることなく、異音の発生を抑制する事ができた。

図１２は振動型アクチュエータを駆動した際の駆動音をマイクで測定した周波数特性である。従来の駆動回路では、可聴域である９．２ｋＨｚにピークを生じており、異音を発生していた。９．２ｋＨｚのピークは、駆動回路の入力周波数９７ｋＨｚと不要振動周波数１０６ｋＨｚとの差分で生じている。これに対して、本発明の駆動回路を適用した場合、不要振動のピークが消失した事によって差分の９．２ｋＨｚのピークも消失し、異音を防止する事ができたと考えられる。

〔第３の実施形態〕（抵抗を並列した回路）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１３は、本発明の第３の実施形態における振動型アクチュエータの駆動回路と、前記振動型アクチュエータと、を有する振動装置である。本実施形態によって、不要振動周波数ｆｕの圧電素子に流れる電流を減衰させる事ができ、より不要振動を抑制する効果が得られる。

図１３（ａ）はインダクタ１０２とキャパシタ１０３に並列にインピーダンス（Ｚ）素子１３０１を接続したものである。インピーダンス素子としては、抵抗、コンデンサ、コイルなどの交流信号で抵抗成分を有する素子が用いられる。図１３（ｂ）はインダクタ１０２とキャパシタ１０３に並列に抵抗１３０２を接続したものである。例えば、抵抗５０Ωを接続すると、ｆｓとｆｕを一致させることができ、不要振動電流を減衰する事ができる。

その他、図１３（ｃ）のように、インダクタ１０２とキャパシタ１０３が各々トランスの１次側と２次側に設けられている場合、図のように抵抗１３０３を並列に接続しても良い。例えば、抵抗３００Ωを接続すると、ｆｓとｆｕを一致させることができ、不要振動電流を減衰する事ができる。

このように、インピーダンス素子を更に設けても、インダクタ１０２とキャパシタ１０３の直列共振周波数ｆｓと、圧電素子１０１の不要振動周波数ｆｕとが、下記式を満たすように駆動回路を構成することで、上記効果を得ることができる。すなわち、インピーダンス変化の抑制による電圧変動の低減の効果を得ることができる。
０．７３・ｆｕ＜ｆｓ＜１．２・ｆｕ

〔第４の実施形態〕（カメラ、ステージへの適用例）
本発明の振動型アクチュエータの駆動回路を、カメラなどの撮像装置（光学機器）に適用した例について説明する。ここでは、撮像装置のレンズ鏡筒に、レンズを駆動する振動型アクチュエータを組み込んだ例を図１４を用いて説明する。

図１４は、補正レンズにより画像振れを補正する撮像装置としてのカメラの断面図である。そして、図１４のカメラは、動画及び静止画の撮影機能を有する。６１はレンズ鏡筒で、６２はカメラボディである。また、６８はレンズ鏡筒６１に内蔵された補正光学装置である。本実施形態の補正光学装置６８は、補正レンズ３１と、補正レンズ３１を保持した移動板（被駆動体）３２とを備え、回転リング６５とスライド板４１に各々設けられた振動型アクチュエータ４２により移動板３２は補正光学装置の光軸４０に垂直な面内を並進移動する。補正レンズ３１の光軸上には、撮像素子６７が設けられている。

また、図１４には示していないが、レンズ鏡筒６１には、補正レンズ３１以外の光学系、レンズ鏡筒６１の振れを検出する加速度センサ、移動板３２の２次元の移動を検出するエンコーダが設けられる。さらに、駆動装置に電気エネルギーを供給する電源、加速度センサの信号とエンコーダの信号を処理して電源を操作する制御部が設けられる。

カメラボディ６２内には撮像素子６７がある。被写体からの光が、レンズ鏡筒６１内の補正レンズ３１を含む光学系を透過し、カメラボディ６２内の撮像素子６７に入射する。加速度センサの信号に基づき、補正光学装置６８により補正レンズ３１を移動させることで、画像の振れを補正することが可能に構成されている。

本実施形態では、振動型アクチュエータによりレンズを移動させて画像の振れを補正する補正光学装置を備えた撮像装置の例を説明したが、本発明の適用例はこれに限定されない。例えば、振動型アクチュエータ等で撮像素子を移動させて画像の振れを補正する補正光学装置を備えた撮像装置にも適用することができる。

また、図１４では、本発明の振動型アクチュエータの駆動回路及び振動型アクチュエータを撮像装置に用いた例を示したが、応用例はこれに限定されず、顕微鏡等の各種ステージの駆動にも用いることができる。例えば、顕微鏡のステージの駆動に用いた例を図１５を用いて説明する。

図１５は、本発明の振動型アクチュエータの駆動回路を適用した顕微鏡の斜視図である。図１５の顕微鏡は、撮像素子と光学系を内蔵する撮像部３０と、基台上に設けられ、振動型駆動装置により移動されるステージ３２を有する自動ステージ３１と、を有する。被観察物をステージ３２上に置いて、拡大画像を撮像部３０で撮影する。観察範囲が広範囲に有る場合には、振動型駆動装置で、ステージ３２を移動させることで被観察物を図中のＸ方向やＹ方向に移動させて、多数の撮影画像を取得する。不図示のコンピュータにて、撮影画像を結合し、観察範囲が広範囲で、かつ、高精細な１枚の画像を取得できる。

１０１ 圧電素子
１０２ インダクタＬ
１０３ キャパシタＣ
１０５ トランス

Claims (12)

1. 振動体の電気−機械エネルギー変換素子に直列に接続されるように構成されたインダクタとキャパシタとを有し、
   前記インダクタと前記キャパシタとによる直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の駆動に用いる振動以外の振動モードの共振周波数をｆｕとした場合に、
   ０．７３・ｆｕ＜ｆｓ＜１．２・ｆｕ
   を満たすことを特徴とする振動型アクチュエータの駆動回路。
2. １次側コイルと２次側コイルを有し、前記１次側コイルに交流電圧が印加され、前記２次側コイルの第１の端子が振動体の電気−機械エネルギー変換素子の第１の端子に、前記２次側コイルの第２の端子が前記電気−機械エネルギー変換素子の第２の端子にそれぞれ接続されるように構成されたトランスと、
   前記トランスの１次側コイル及び２次側コイルのうち少なくとも一方に直列に接続されたインダクタ及びキャパシタと、
   を有し、
   前記インダクタと、前記キャパシタと、による直列共振周波数をｆｓとし、前記振動体の駆動に用いる振動以外の振動モードの共振周波数をｆｕとした場合に、
   ０．７３・ｆｕ＜ｆｓ＜１．２・ｆｕ
   を満たすことを特徴とする振動型アクチュエータの駆動回路。
3. 前記、共振周波数がｆｕである振動モードのアドミッタンスは、
   駆動に用いる振動のいずれかのアドミッタンスよりも大きい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の駆動回路。
4. 前記インダクタと前記キャパシタに対して、並列にインピーダンス素子が接続されていること特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動回路。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の駆動回路と、
   前記電気−機械エネルギー変換素子を有し、前記駆動回路により駆動される前記振動型アクチュエータと、を備える振動装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の駆動回路と、
   前記電気−機械エネルギー変換素子と前記電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体との相対位置が変化する被駆動体とを有し、前記駆動回路によって駆動される前記振動型アクチュエータと、
   前記被駆動体と前記前記電気−機械エネルギー変換素子の相対位置を検出する位置センサと、を備える、振動装置。
7. 前記振動型アクチュエータは、前記電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧が印加されることで、前記電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体に振動波が励起され、前記振動波により前記振動体と前記振動体に接触する被駆動体との相対位置が変化するよう構成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の振動装置。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の振動装置と、
   前記振動装置によって移動されるレンズと、を備えることを特徴とする画像振れ補正装置。
9. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の振動装置と、
   前記振動装置によって移動されるレンズと、を備えることを特徴とする交換用レンズ。
10. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の振動装置と、
    前記振動装置によって移動されるレンズと、
    前記レンズの光軸上に設けられた撮像素子と、
    を備えた撮像装置。
11. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の振動装置と、
    前記振動装置によって移動される撮像素子と、
    前記撮像素子が光軸上に設けられているレンズと、
    を備えた撮像装置。
12. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の振動装置と、
    前記振動装置によって移動されるステージと、
    を備えた自動ステージ。