JP2020025465A - 振動型アクチュエータの駆動装置、フォーカスレンズ駆動装置、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動波アクチュエータの動作開始或いは停止時に発生する異音レベルを低減することのできる振動波アクチュエータの駆動装置を提供する。【解決手段】 振動型アクチュエータの駆動停止期間において、圧電素子の電極に印加する交流信号の電圧振幅及び位相差の少なくとも一方を、それらの不感帯領域の最小値または最大値に設定する。【選択図】 図６

Description

本発明は、振動型アクチュエータを用いた駆動装置に関し、例えば、カメラのフォーカスレンズのウォブリング駆動に好適な振動型アクチュエータの駆動装置に関するものである。

従来、所定の質点に楕円運動を生じさせ、被駆動体を駆動する振動型アクチュエータに関する様々な提案（例えば、特許文献１）がされており、例えば図１６に示すような構成が知られている。

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１を備え、弾性体１の裏面には圧電素子２が接合されている。弾性体１の上面の所定位置には、複数の突起部３が設けられている。この構成によれば、圧電素子２に交流電圧を印加することにより、弾性体１の長辺方向における２次の屈曲振動と、弾性体１の短辺方向における１次の屈曲振動とが同時に発生し、突起部３に楕円運動が励起される。そして、突起部３に被駆動体４を加圧接触させることにより、被駆動体４を突起部３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。

圧電素子２は、図１７に示すように、分極処理されて２つの電極Ａ１、Ａ２を備えている。この２つの電極Ａ１、Ａ２に同相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２を印加することにより、図１８（ａ）に示すように、矩形の弾性体３において長辺方向と平行な方向に延びた２本の節を有する１次の屈曲振動を励振する。また、２つの電極Ａ１、Ａ２に逆相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２を印加することにより、図１８（ｂ）に示すように、矩形の弾性体１の短辺方向と平行な方向に延びた３本の節を有する２次の屈曲振動を励振する。そして、１次と２次の屈曲振動（振動モード）の組み合わせにより突起部３に楕円運動を励振し、この際に突起部３に被駆動体４を加圧接触させることで、被駆動体４を直線的に駆動することができるようになっている。

ここで、図１８（ａ）に示す１次の屈曲振動によって、突起部３には被駆動体４との加圧接触する接触面と垂直な方向に振動の振幅（以下、Ｚ軸振幅と呼ぶ）が変化する振動が励起される。また、図１８（ｂ）に示す２次の屈曲振動によって、突起部３には被駆動体４の駆動方向と平行な方向に振動の振幅（以下、Ｘ軸振幅と呼ぶ）が変化する振動が励起される。１次の屈曲振動と２次の屈曲振動を組み合わせることにより、突起部３に図１９に示すように楕円運動が励起することができ、Ｚ軸振幅とＸ軸振幅の大きさの比が、楕円運動の楕円比を表す。そして、印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差を変更することにより、Ｘ軸振幅の大きさを変え、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の電圧振幅を変更することにより、Ｚ軸振幅の大きさを変えることで、突起部３の励起する楕円運動の楕円比を調整することができる。

また、圧電素子２に印加する交流電圧の周波数を振動子の共振周波数に近づけることにより、駆動速度を速くすることができる。また、印加する交流電圧の周波数を振動子の共振周波数から遠ざけることにより、駆動速度を遅くすることができる。例えば、上記の図１６に示した振動型アクチュエータの基本的構成において、駆動周波数と駆動速度の関係は、図２０に示すような関係になる。即ち、振動子の共振周波数を駆動速度のピークとし、共振周波数よりも高周波側ではなだらかに駆動速度が減少し、且つ低周波側では急激に駆動速度が減少するようなアクチュエータ特性となる。

このような振動型アクチュエータは、圧電素子２に印加する２つの交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数を変化させることによって、周波数による速度制御（周波数制御）行うことが可能である。また、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相を変化させることによって、位相差による速度制御（位相差制御）を行うことが可能である。さらに圧電素子２に印加する２つの交流電圧Ｖ１、Ｖ２の電圧振幅の大小を変化させることによって、電圧による速度制御（電圧制御）を行うことが可能である。

従って、上述した周波数制御、位相差制御、及び電圧制御を組み合わせて振動型アクチュエータの速度制御を行うことができる。

特開平１０−２１０７７５号公報

しかしながら、楕円比制御などの速度制御により振動型アクチュエータを移動や停止させる時には、図２１に示すように点Ａ及び点Ｂにおいて急激に振動が変動する現象が生じる。これは、振動型アクチュエータの加圧接触部における摩擦力に対して、振動型アクチュエータの駆動力が不十分なために起こる現象である。この現象が起こった際に発生する異音は比較的大きい。特にカメラのフォーカスレンズ駆動に応用した場合に必要な微小往復駆動動作（ウォブリング動作）時にはレンズの光軸方向へ移動と停止が継続して何度も繰り返され、その度に異音が発生するために無視できない問題となる。

本発明の一様態は、電気−機械エネルギー変換素子の第１の電極に印加される第１の交流信号、及び、前記電気−機械エネルギー変換素子電極に印加される第２の交流信号を生成する交流信号生成手段と、前記第１の交流信号と前記第２の交流信号との位相差及び電圧振幅の少なくとも一方を設定する制御手段とを備え、前記制御手段は、駆動停止期間における前記位相差及び電圧振幅の少なくとも一方を、それらの不感帯領域内で制御することを特徴とする振動型アクチュエータの駆動装置に関する。

本発明によれば、振動波アクチュエータの停止状態において、振動波アクチュエータの加圧接触する接触面と垂直な方向の振動の振幅を小さくすることで、停止状態で発生する異音を低減することができる。また、振動波アクチュエータの移動開始時及び停止時の楕円比の急激な変動を抑えることで、その際に発生する異音を低減することができる。

本発明を適用した振動型アクチュエータの駆動機構を、フォーカスレンズ駆動装置を例として示した図。 第１の実施形態における振動型アクチュエータの駆動装置のブロック図及び回路図。 パルスデューティと不感帯の関係を説明するための図。 第１の実施形態におけるフローチャート図。 従来の振動型アクチュエータの駆動装置における指令位置と交流信号のパルスデューティ、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図。 第１の実施形態における指令位置とパルスデューティ、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図。 第２実施形態における振動型アクチュエータの駆動装置のブロック図及び回路図。 位相差と不感体との関係を説明するための図。 第２の実施形態におけるフローチャート図。 従来の振動型アクチュエータの駆動装置における指令位置と交流信号の位相差、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図。 第２の実施形態における指令位置と交流信号の位相差、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図。 従来の振動型アクチュエータの駆動装置における指令位置と交流信号の位相差、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図。 第３の実施形態における指令位置と交流信号の位相差、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図。 第４の実施形態のフローチャートを示した図。 第４の実施形態における指令位置と交流信号の位相差、パルスデューティ、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図。 従来の振動型アクチュエータの基本的な構成を示す外観斜視図。 図１６の振動型アクチュエータにおける圧電素子の分極領域を示す模式図。 振動子の振動モードを示す斜視図。 弾性体の突起部に励起する楕円運動を説明するための図。 振動型アクチュエータの駆動周波数と駆動速度の関係を示す図。 振動型アクチュエータの指令位置と駆動速度の関係を示す図。

本発明の実施の形態について、以下に図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態では、駆動周波数（交流信号の周波数）を調整することにより速度制御を行う振動型アクチュエータの駆動装置について説明する。

まず本実施の形態を適用した振動型アクチュエータによる被駆動体の駆動機構を、撮像装置であるカメラにおけるフォーカスレンズ駆動機構を例として、図１を用いて説明する。

本実施の形態の振動型アクチュエータによる被駆動体の駆動機構は以下を少なくとも有する。即ち、駆動機構は、電気−機械エネルギー変換素子と少なくとも２か所の接触部が形成された弾性体とを有する振動子が固定された被駆動体と、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。これによって、被駆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。なお、振動子の具体的構成及び動作原理は図１６に示される構成と同様である。

具体的には、図１に示すように、本実施の形態の振動型アクチュエータによる被駆動体の駆動機構１００は、以下を有する。即ち、駆動機構は、主にレンズホルダ１０２、レンズ１０６、振動子１０１、加圧磁石１０５、２つのガイドバー１０３、１０４及び不図示の基体から構成される。この駆動機構によりオートフォーカス時にレンズ１０６がそれの光軸方向に移送させられる。撮像装置が光軸上に設けられている（不図示）。

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、不図示の基体により保持固定されている。

振動子１０１は、金属で形成された板状の弾性体と、電気−機械エネルギー変換素子とを一体に接合して形成される。また、１０２は被駆動体であり、円筒状のホルダ部１０２ａ、振動子１０１及び加圧磁石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、保持部１０２ｂと第二ガイドバー１０４を挟んで対向する係合部１０２ｂを有する。

なお、振動子１０１の少なくとも２箇所の接触部は第二ガイドバー１０４と加圧磁石１０５の磁力により加圧接触されている。

次に本実施の形態に係わる振動型アクチュエータの駆動装置について、図２を用いて説明する。図２は本発明の第１の実施形態に関わる振動型アクチュエータの駆動装置の構成を示すブロック図及び回路図である。

図２（ａ）に示すように振動型アクチュエータ２０１は、振動子２０２及び被駆動体２０３を備える。被駆動体２０３は、振動子２０２の突起部に励起する楕円運動により駆動される。位置検出手段２０４は、振動子２０２と被駆動体２０３の相対位置を検出するものであり、例えば、振動子２０２または被駆動体２０３の位置を検出する検出手段を用いることができ、具体的には、例えばリニアエンコーダを用いることができる。位置検出手段２０４の出力側には制御手段２０５が接続されている。制御手段２０５は図２（ｂ）に示すように、位置指令生成手段２０９、比較手段２１０、操作量決定知手段２１１、及び駆動周波数決定手段２１３を有する。比較手段２１０は、位置検出手段２０４の検出位置と位置指令生成手段２０９から出力された目標位置を比較する。本発明では、この検出位置と目標位置との偏差が制御偏差である。

操作量決定手段２１１は、比較手段２１０の比較結果から、振動型アクチュエータの操作量を演算する。操作量決定手段２１１は例えばＰＩＤ制御器で構成されている。操作量決定手段２１１の出力側には交流信号の周波数を設定する駆動周波数決定手段２１３が接続されている。また、駆動周波数決定手段２１３は操作量決定手段２１１の出力から振動子２０２に印加する交流信号の駆動周波数を設定する。即ち、本実施の形態においては、制御偏差に応じて駆動周波数を調整することにより被駆動体の速度制御が行われる。

さらに、駆動周波数決定手段２１３の出力側が駆動信号生成手段２０６に接続されている。駆動信号生成手段２０６は、駆動周波数決定手段２１３で決定された駆動周波数を有する２相のパルス信号を生成する。また駆動信号生成手段２０６は、パルスデューティ決定手段２０８に接続されている。パルスデューティ決定手段は、駆動信号生成手段２０６で生成される２相のパルス信号それぞれのパルスデューティを設定可能に構成されている。この交流信号のパルスデューティの割合を設定することで、設定された割合に応じて出力される交流信号の電圧振幅が変化する。なお、パルスデューティとは、パルス幅をパルス周期で除した値である。

ここでの２相のパルス信号のパルスデューティは上限の閾値として５０％に設定されている。このパルスデューティが上限の閾値に近いほど、振動型アクチュエータの突起部に生じる楕円運動の振幅が大きくなり、被駆動体の移動速度が速くなる。駆動信号生成手段２０６の出力側には昇圧回路２０７が接続されている。

昇圧回路２０７は、図２（ｃ）に示すようにドライバＩＣ２１４内のスイッチング素子、コイル２１５、トランス２１６から構成される。そして、昇圧回路２０７は、駆動信号生成手段２０６で生成された２相のパルス信号によりスイッチングした信号をトランス２１６により昇圧し、昇圧された２相の交流信号が振動子２０２の圧電素子の複数の電極に印加する。

次にパルスディーティの不感帯について図３を用いて説明する。図３は振動型アクチュエータに印加する交流信号のパルスデューティと駆動速度の関係を示した図である。例えば図３に示すように、圧電素子に印加される交流信号の駆動周波数、位相差を一定としてパルスデューティを変化させると、パルスデューティの増減に対して駆動速度が所定の関係で変化する。交流信号のパルスデューティが０に近付くほどＺ軸振幅は小さくなり、駆動速度が減少するが、領域Ｑでは振動子の接触面との摩擦力に対して振動型アクチュエータの駆動力が小さい状態となるため、振動型アクチュエータは停止状態となる。この領域Ｑは不感帯領域とも呼ばれる。なお、領域Ｑの範囲は振動型アクチュエータの特性により変動するため、予め振動型アクチュエータの特性を把握し、その特性に応じた領域Ｑの範囲を設定する。

次に、第１の実施形態に関わる制御動作について、図４を用いて説明する。図４はカメラのフォーカスレンズ駆動に応用した場合において微小往復駆動動作（以下、ウォブリング動作と呼ぶ）時のフローチャートを示した図である。

図４に示すように、ウォブリング動作をする際には、駆動状態となる前にパルスデューティを所定の割合に設定（Ｓ１０１）し、予め交流信号が印加された状態から開始する（Ｓ１０２）。ここで、図３に示すように不感帯領域内のパルスデューティの値の上限値が５％である場合、このパルスデューティの所定の割合を、例えば５％に設定することができる。このパルスデューティの値を不感帯領域内の値に設定した場合には、振動子の接触面との摩擦力に対して振動型アクチュエータの駆動力が不十分となり、振動子は振動するものの振動子と被駆動体は相対移動しない状態となる。また、この状態においては振動が維持された状態であるため、駆動開始する際には動摩擦力が支配的となり、大きな力を要することなく移動することができる。なお、パルスデューティの値を不感帯領域外の０％とした場合には、停止状態から駆動開始するため静止摩擦力が支配的となり、一時的に大きな力が必要となる。このため、駆動開始時に発生する異音が大きくなる。

以上のことから、駆動開始時（駆動開始期間）には、交流信号のパルスデューティの値を、駆動信号が圧電素子が入力されても振動子と被駆動体が相対移動しない領域である、不感帯領域内の値に設定することが好ましい。また、図３に示すように不感帯領域Ｑでは駆動信号の入力に対する駆動速度が０であり、振動子と被駆動体を相対移動させる際にはパルスデューティを速度の生じる領域までスイープする必要がある。

ここで、パルスデューティ―のスイープ量が大きい場合、振動子（振動型駆動装置）の駆動開始時に、瞬間的に振動子に大きな入力が入り、異音が発生することがある。つまり、振動子停止時のパルスデューティと、その後の振動子の駆動開始時における交流信号のパルスデューティとの差が大きい場合、駆動開始時にパルスデューティを大きく変化させることになるため、振動子に瞬間的に大きな入力が入り、異音が発生することがある。従って、振動子が停止状態の時に、パルスデューティを不感帯領域の上限または下限の値とすることで、その後の駆動開始時の異音の発生をより効果的に抑制することができる。そのため、例えば、予めパルスデューティを、不感帯領域の上限値である５％に設定することが好ましい。

ここで、振動子が停止状態の際、パルスデューティの値が不感帯領域Ｑ内で、かつ０より大きければ、その後の駆動開始時の異音の発生を抑制することができる。例えば、パルスデューティの値が、不感帯領域の上限値の半分から上限値の間とすることで、発生する異音をより効果的に抑制することができる。

このように駆動開始時にパルスデューティは、０より大きく、不感帯領域内の値とすることで、異音発生を抑制することができ、不感帯領域の上限値の半分から上限値（上記の例では２．５〜５．０％）の間の値とすることで、より異音発生を低減することができる。更に、不感帯領域の上限値に設定することで、より効果的に異音の発生を低減することができる。

次に、目標位置を設定（Ｓ１０３）し、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて、振動型アクチュエータを駆動し、振動子２０２または被駆動体２０３を目標位置まで移動させるための駆動を行う（Ｓ１０４）。そして、パルスデューティを所定値である５％から上限値である５０％まで徐々に増加させる（Ｓ１０５）。次に、振動子２０２と被駆動体２０３の相対位置が目標位置に到達したかを判定（Ｓ１０６）し、到達した場合はパルスデューティを上限の５０％から所定値の５％に向けて徐々に減少させ（Ｓ１０７）（駆動停止期間）、目標位置で停止している間はその値を維持する。目標位置に到達していない場合は、パルスデューティを上限の５０％のまま、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて、振動子２０２と被駆動体２０３の相対位置を目標位置まで移動させる（Ｓ１０４）。最後に、ウォブリング動作の終了の判定（Ｓ１０８）をし、終了である場合はＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を停止（Ｓ１０９）して電源をＯＦＦ（Ｓ１１０）する。継続してウォブリング動作を行う場合は、次の目標位置を設定（Ｓ１０３）し、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて、目標位置に向けて振動子２０２または被駆動体２０３の移動を開始する。

次に、第１の実施形態を適用した際の効果について、図５を用いて説明する。図５は従来のウォブリング動作時の振動型アクチュエータの指令位置とパルスデューティ、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図である。図６は第１の実施形態を適用したウォブリング動作時の振動型アクチュエータの指令位置とパルスデューティ、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図である。

図５に示すように、従来のウォブリング動作開始時は振動型アクチュエータを移動させるためにパルスデューティを０％から５０％まで増加している。またウォブリング動作停止時にはパルスデューティを５０％に一定としている。さらにウォブリング動作終了時にはパルスデューティを０％まで減少している。この場合、前述した信号のパルスデューティの不感帯である領域Ｑ（図３参照）も含めてＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御をするため、接触部における楕円運動のＺ軸振幅の急激な変化により、異音が生じる。またウォブリング動作停止時はパルスデューティを上限の５０％に一定としているため、振動型アクチュエータが停止状態であっても、必要以上にＺ軸振幅を生じることで異音の音圧レベルが増加する。

これに対して第１の実施形態を適用した場合、図６に示すようにウォブリング動作開始時（駆動開始期間）には、パルスデューティを例えば５％から上限値である５０％まで上げる。またウォブリング動作停止時（駆動停止期間）にはパルスデューティを上限値である５０％から例えば５％まで下げる。さらにウォブリング動作終了時にはパルスデューティを０％まで下げる。このようにパルスデューティを、不感帯を除いた領域で調整して急激な変化を抑えることで、ウォブリング動作開始時及び停止時に発生する異音の音圧レベルを減少することができる。さらにウォブリング動作の停止状態ではパルスデューティを例えば５％としてＺ振幅を最小限に抑えることで、停止状態での音圧レベルを最小限に抑えると共に移動開始時の異音の音圧レベルを減少することができる。

つまり、振動型アクチュエータの停止状態において、振動型アクチュエータの振動子と被駆動体が加圧接触する接触面と垂直な方向の振動の振幅を小さくすることで、停止状態で発生する異音を低減することができる。また、振動型アクチュエータの駆動開始時及び停止時の楕円比の急激な変動を抑えることで、その際に発生する異音を低減することができる。

ここでは、昇圧回路に入力される交流信号のパルスデューティ―を制御することで駆動信号である交流信号の電圧振幅を制御する例を説明したが、電圧振幅を制御することができればよく、本願はこの様態に限定されない。例えば、昇圧回路に入力される交流信号の絶対値を制御することでも、振動子に印加される交流信号の電圧振幅を制御することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、圧電素子の複数の電極に印加される複数の交流信号の周波数（駆動周波数）とそれら交流信号間の位相差の調整により速度制御を行う振動型アクチュエータの駆動装置について説明する。

本実施の形態ではウォブリング動作により振動型アクチュエータが連続して同方向へ移動する際に騒音を低減するための方法について述べる。

図７（ａ）に示すように振動型アクチュエータ７０１は、振動子７０２及び被駆動体７０３を備える。被駆動体７０３は、振動子７０２の突起部に励起する楕円運動により駆動される。位置検出手段７０４は、実施の形態１と同様に、振動子７０２と被駆動体７０３の相対位置を検出するものであり、例えば、リニアエンコーダにて構成される。位置検出手段７０４の出力側には制御手段７０５が接続されている。制御手段７０５は、図７（ｂ）に示すように、位置指令生成手段７０９、比較手段７１０、操作量決定手段７１１、楕円比決定手段７１２、及び駆動周波数決定手段７１３を有する。比較手段７１０は、位置検出手段７０４の検出位置と位置指令生成手段７０９から出力された目標位置を比較する。操作量決定手段７１１は、比較手段７１０の比較結果から、振動型アクチュエータの操作量を演算する。操作量決定手段７１１は、例えばＰＩＤ制御器で構成されている。操作量決定手段７１１の出力側には、楕円運動における楕円の比率を設定する楕円比決定手段７１２と、交流信号の周波数を設定する駆動周波数決定手段７１３が接続されている。楕円比決定手段７１２は、操作量決定手段７１１の出力から、被駆動体の移動方向と平行な方向に振動する振幅（以下、Ｘ軸振幅と呼ぶ）の比率を設定し、その比率を実現する交流信号の位相差を設定する。また、駆動周波数決定手段７１３は、操作量決定手段７１１の出力から振動子７０２に印加する交流信号の駆動周波数を設定する。即ち、本実施の形態においては、制御偏差に応じて交流信号の位相差と周波数を調整することにより被駆動体の速度制御が行われる。

さらに、楕円比決定手段７１２及び駆動周波数決定手段７１３の出力側が駆動信号生成手段７０６に接続されている。駆動信号生成手段７０６は、周波数決定手段で決定された周波数で、かつ楕円比決定手段７１２で決定された楕円比（位相差）を有する２相のパルス信号を生成する。また駆動信号生成手段７０６は、パルスデューティ決定手段７０８に接続されている。パルスデューティ決定手段７０８は、駆動信号生成手段７０６で生成された２相のパルス信号のパルスデューティを設定可能に構成されている。この２相のパルス信号のパルスデューティの割合を設定することで、設定された割合に応じて出力される交流信号の電圧振幅が設定される。ここでは、パルスデューティは上限の閾値として５０％に設定されている。

駆動信号生成手段７０６の出力側には昇圧回路７０７が接続されている。昇圧回路７０７は図７（ｃ）に示すようにドライバＩＣ７１４内のスイッチング素子、コイル７１５、トランス７１６から構成される。そして、昇圧回路７０７は、駆動信号生成手段７０６で生成された２相のパルス信号によりスイッチングした信号をトランス７１６により昇圧し、昇圧された２相の交流信号は振動子７０２の圧電素子の複数の電極に印加する。

次に楕円比の不感帯について図８を用いて説明する。図８は振動型アクチュエータに印加する交流信号の位相差と駆動速度の関係を示した図である。図８に示すように、圧電素子に印加される交流信号のパルスデューティ、駆動周波数を一定として楕円運動の楕円比を変化させるために交流信号の位相差を増減させると駆動速度が所定の関係で変化する。位相差が０に近付くほどＸ軸振幅（駆動方向の振幅）は小さくなり、駆動速度が減少するが、不感帯領域Ｐでは振動子の接触面との摩擦力に対して振動型アクチュエータの駆動力が小さい状態となるため、振動型アクチュエータは停止状態となる。なお、パルスデューティを減少させ、Ｚ軸振幅（突き上げ方向、すなわち振動子と被駆動体の加圧方向の振幅）を小さくすると、この位相差の不感帯領域Ｐの範囲は広くなる。逆にパルスデューティを増加させ、Ｚ軸振幅を大きくすると、この位相差の不感帯領域Ｐの範囲は狭くなる。

また、図８に示す不感帯領域Ｐは正負が均等な割合となっているが、振動型アクチュエータの特性によりこの割合は変動するため、予め振動型アクチュエータの特性を把握し、その特性に応じた不感帯領域Ｐの範囲を設定する。

次に、第２の実施形態に関わる制御動作について、図９を用いて説明する。図９は第２の実施の形態を適用したウォブリング動作時の動作フローチャートを示した図である。

図９に示すように、ウォブリング動作を行う際には、駆動状態となる前に予め交流信号を印加された状態から開始する（Ｓ２０１）。次に目標位置を設定（Ｓ２０２）し、振動子７０２と被駆動体７０３の相対移動方向を判定（Ｓ２０３）する。移動方向が順方向である場合、交流信号の位相差を例えば図８に示す不感帯領域の最大値である２０°に設定（Ｓ２０４）する。移動方向が逆方向である場合には、交流信号の位相差を図８に示す不感帯領域の最小値である−２０°に設定（Ｓ２０５）する。

この位相差を不感帯領域内の値に設定した場合には、振動子の接触面との摩擦力に対して振動型アクチュエータの駆動力が不十分となり、振動子は振動するが振動体と被駆動体が相対移動しない状態となる。これらの振動が維持された状態から駆動開始する際には動摩擦力が支配的となるため、大きな力を要することなく移動することができる。しかし位相差の値を不感帯領域外である０°とした場合には、停止状態から駆動開始するため静止摩擦力が支配的となり、一時的に大きな力が必要となることでその際に発生する異音が大きくなる。そのため、駆動開始時には少しでも駆動信号の入力があると共に、振動型アクチュエータが移動しない状態である不感帯領域内の値に設定することが好ましい。

また、図８に示すように不感帯である領域Ｐでは入力に対する駆動速度が０であり、振動型アクチュエータを移動する際には位相差を速度の生じる領域までスイープする必要がある。ここで、位相差のスイープ量が大きい場合、振動子（振動型駆動装置）の駆動開始時に振動子に入力される交流信号の変化が大きく、異音が発生することがある。つまり、振動子停止時の位相差と、その後の振動子の駆動開始時における交流信号の位相差の差が大きい場合、駆動開始時に位相差を大きく変化させることになるため、振動子への入力の変化が大きく、異音が発生することがある。従って、振動子が停止状態の時に、位相差を不感帯領域の上限または下限の値とすることで、その後の駆動開始時の異音の発生をより効果的に抑制することができる。例えば、予め位相差を、２０°もしくは−２０°に設定することが好ましい。

ここで、振動子が停止状態の際、位相差の値が不感帯領域Ｑ内で、０よりもその後の駆動開始時の位相差の値に近い値であれば、駆動開始時に発生する可能性のある異音の発生をより効果的に抑制することができる。更に、位相差の値が、不感帯領域の上限値の半分から上限値、または下限値と下限値と０の中間値の間の値とすることで、発生する異音をより効果的に抑制することができる。ここで、位相差を上限値側の領域内のとするか、下限値側の領域内の値とするかは、停止状態の後の駆動開始時の位相差の値によって決まり、具体的には、設定する位相差の値と駆動開始時の位相差との値の差が小さくなる領域の値とすることができる。

このように駆動開始時に位相差を、０以外の不感帯領域内の値とすることで、異音発生を抑制することができ、不感帯領域の上限値の半分から上限値の間（１０〜２０°）、または下限値から下限値と０の中間の値の間（−１０〜−２０°）の値とすることで、より異音発生を低減することができる。更に、不感帯領域の上限値に設定することで、より効果的に異音の発生を低減することができる。

次に、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて、交流信号の駆動周波数と位相差（楕円比）を位置偏差に応じた値に設定（Ｓ２０６）する。Ｓ２０６においてはＰＩＤ制御で決定した交流信号の位相差が図８に示す不感帯領域Ｐとならないようにリミッタを設けている。そして、振動型アクチュエータが目標位置に到達したかを判定（Ｓ２０７）し、到達した場合はＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を停止（Ｓ２０８）する。振動型アクチュエータの駆動方向が判定され（Ｓ２０９）、交流信号の位相差を判定された振動型アクチュエータの駆動方向に応じて不感帯領域内の値まで徐々に増減させる。例えば駆動方向が順方向である場合には、交流信号の位相差を例えば図８に示す不感帯領域の最大値である２０°に設定（Ｓ２１０）する。駆動方向が逆方向である場合には、交流信号の位相差を図８に示す不感帯領域の最小値である−２０°に設定（Ｓ２１１）する。目標位置に到達していない場合は、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて、振動型アクチュエータを目標位置まで移動させる。最後に、ウォブリング動作の終了の判定（Ｓ２１２）をし、終了の場合は交流信号の印加を停止し、電源をＯＦＦ（Ｓ２１３）する。継続してウォブリング動作を行う場合には、本実施の形態の場合は、駆動方向が前回と同方向であるため、停止状態において設定されている交流信号の位相差を維持する。そして次の目標位置を設定し、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて目標位置に向けて振動型アクチュエータの駆動を開始する。

次に、第２の実施形態を適用した際の効果について、図１０を用いて説明する。図１０は従来のウォブリング動作時の振動型アクチュエータの指令位置と交流信号の位相差、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図である。図１１は第２の実施形態を適用したウォブリング動作時の振動型アクチュエータの指令位置と交流信号の位相差、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図である。

図１０に示すように従来のウォブリング動作では、交流信号の位相差は０度を基準としてＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御により、位置偏差に応じた値に設定している。そのため、振動型アクチュエータの移動開始時や停止時には、前述したように交流信号の位相差は不感帯を持っているため、接触部における楕円運動のＸ軸振幅が急な変動をすることで音圧レベルが増加する。これに対して、第２の実施形態を適用する場合、図１１に示すようにウォブリング動作開始時には、交流信号の位相差を例えば２０°から制御を開始し、停止時には２０°まで減少させる。このようにすることで、振動型アクチュエータの振動の急な変動を抑えることができるため、移動開始時や停止時に発生する異音の音圧レベルを減少することができる。またウォブリング動作の停止状態では交流信号の位相差を２０°に維持する。このようにすることで、停止状態において発生する異音の音圧レベルを増加させることなく、次の目標位置へ移動を開始する際の振動型アクチュエータの振動の急激な変動を抑えることができる。

つまり第２の実施形態では、交流信号の位相差の基準とする値をオフセットすることで、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御による振動型アクチュエータの振動の急激な変動を抑えている。その結果、移動開始時や停止時に発生する異音の音圧レベルを減少することができる。

（第３の実施形態）
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装置について説明する。

本実施の形態では実施の形態２で説明した連続した同方向への駆動に対し、逆方向へ駆動する際に騒音を低減するための方法について述べる。その他の所は第２の実施形態と同様であるため、詳細は省略する。

まず第３の実施形態に関わる制御動作について、図９を用いて説明する。

図９に示すように、ウォブリング動作を行う際には、駆動状態となる前に予め交流信号を印加された状態から開始する（Ｓ２０１）。次に目標位置を設定（Ｓ２０２）し、振動型アクチュエータの駆動方向を判定（Ｓ２０３）する。駆動方向が順方向である場合、交流信号の位相差を例えば図８に示す不感帯領域の最大値である２０°に設定（Ｓ２０４）する。駆動方向が逆方向である場合には、交流信号の位相差を図８に示す不感帯領域の最小値である−２０°に設定（Ｓ２０５）する。次に、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて、交流信号の駆動周波数と位相差（楕円比）を位置偏差に応じた値に設定（Ｓ２０６）する。Ｓ２０６においてはＰＩＤ制御で決定した交流信号の位相差が図８に示す不感帯領域Ｐとならないようにリミッタを設けている。

そして、振動型アクチュエータが目標位置に到達したかを判定（Ｓ２０７）し、到達した場合はＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を停止（Ｓ２０８）する。この際にはＳ２０９にて判定された振動型アクチュエータの駆動方向に応じて交流信号の位相差の値まで徐々に増減させる。例えば駆動方向が順方向である場合には、交流信号の位相差を例えば図８に示す不感帯領域の最大値である２０°に設定（Ｓ２１０）する。駆動方向が逆方向である場合には、交流信号の位相差を図８に示す不感帯領域の最小値である−２０°に設定（Ｓ２１１）する。目標位置に到達していない場合は、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて、振動型アクチュエータを目標位置まで移動させる。

最後に、ウォブリング動作の終了の判定（Ｓ２１２）をし、終了の場合は交流信号の印加を停止し、電源をＯＦＦ（Ｓ２１３）する。継続してウォブリング動作を行う場合には次の駆動方向が逆方向であるため、停止状態において交流信号の位相差を増減させる。例えばＳ２０９の判定により振動型アクチュエータの駆動方向が順方向から逆方向への切り替えであればＳ２１０で設定した値を正負反転した−２０°まで徐々に減少させる。また、逆方向から順方向への切り替えであればＳ２１１で設定した値を正負反転した２０°まで徐々に増加させる。そして次の目標位置を設定し、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて目標位置に向けて振動型アクチュエータの移動を開始する。

次に、第３の実施形態を適用した際の効果について、図１２を用いて説明する。図１２は従来のウォブリング動作時の振動型アクチュエータの指令位置と交流信号の位相差、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図である。図１３は第３の実施形態を適用したウォブリング動作時の振動型アクチュエータの指令位置と交流信号の位相差、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図である。

図１２に示すように従来のウォブリング動作では、交流信号の位相差は０度を基準としてＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御により、位置偏差に応じた値に設定している。そのため、振動型アクチュエータの移動開始時や停止時には、前述したように交流信号の位相差は不感帯を持っているため、接触部における楕円運動のＸ軸振幅が急な変動をすることで音圧レベルが増加する。これに対して、第３の実施形態を適用する場合、図１３に示すようにウォブリング動作開始時には、交流信号の位相差を例えば２０°から制御を開始し、停止時には２０°まで減少させる。このようにすることで、振動型アクチュエータの振動の急な変動を抑えることができるため、移動開始時や停止時に発生する異音の音圧レベルを減少することができる。また駆動方向を切り替える場合においても、ウォブリング動作の停止状態において交流信号の位相差を制御し、２０°から−２０°まで減少させる。このようにすることで、停止状態において発生する異音の音圧レベルを増加させることなく、次の目標位置へ移動を開始する際に振動型アクチュエータの振動の急激な変動を抑えることができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態では、圧電素子の複数の電極に印加される複数の交流信号の周波数（駆動周波数）とそれら交流信号間の位相差の調整により速度制御を行う振動型アクチュエータの駆動装置について説明する。先の第３実施形態と異なるのは、被駆動体の停止時において位相差とパルスデューティの両方を調整する点にある。

なお、振動型アクチュエータの駆動装置のブロック図及び回路図は第２、第３の実施形態と同様であるため、詳細は省略する。

まず、第４の実施形態に関わる制御動作について、図１４を用いて説明する。図１４は第３の実施の形態を適用したウォブリング動作時の動作フローチャートを示した図である。

図１４に示すように、ウォブリング動作をする際には、駆動状態となる前にパルスデューティを所定の割合に設定（Ｓ３０１）し、予め交流信号を印加された状態から開始する（Ｓ３０２）。このパルスデューティの所定の割合は、例えば図３に示すように不感帯領域内の最大値である５％に設定する。次に目標位置を設定（Ｓ３０３）し、振動型アクチュエータの駆動方向を判定（Ｓ３０４）する。駆動方向が順方向である場合、交流信号の位相差を例えば図８に示す不感帯領域の最大値である２０°に設定（Ｓ３０５）する。駆動方向が逆方向である場合には、交流信号の位相差を図８に示す不感帯領域の最小値である−２０°に設定（Ｓ３０６）する。そして、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて、交流信号の駆動周波数と位相差を位置偏差に応じた値に設定（Ｓ３０７）し、振動型アクチュエータを目標位置まで移動させる。

Ｓ３０７においてはＰＩＤ制御で決定した交流信号の位相差が不感帯領域Ｐとならないようにリミッタを設けている。また、パルスデューティを図３に示す５％から上限値である５０％まで徐々に増加させる（Ｓ３０８）。そして、振動型アクチュエータが目標位置に到達したかを判定（Ｓ３０９）し、到達した場合はＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を停止（Ｓ３１０）する。この際にはＳ３１１にて判定された振動型アクチュエータの駆動方向に応じて交流信号の位相差の値まで徐々に増減させる。例えば駆動方向が順方向である場合には、交流信号の位相差を例えば図８に示す不感帯領域の最大小値である２０°に設定（Ｓ３１２）する。駆動方向が逆方向である場合には、交流信号の位相差を図８に示す不感帯領域の最小値である−２０°に設定（Ｓ３１３）する。そして交流信号のパルスデューティを上限の５０％から図３に示す所定の割合の５％に向けて徐々に減少させ（Ｓ３１４）、停止している間はその値を維持する。目標位置に到達していない場合は、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて、振動型アクチュエータを目標位置まで移動させる。最後に、ウォブリング動作の終了の判定（Ｓ３１５）をし、終了の場合は交流信号の印加を停止して電源をＯＦＦ（Ｓ３１６）する。継続してウォブリング動作を行う場合には次の駆動方向が前回と同方向であるため、停止状態において設定されている交流信号の位相差を維持する。

そして、次の目標位置を設定し、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御を用いて目標位置に向けて振動型アクチュエータの移動を開始する。

次に、第４の実施形態を適用した際の効果について、図１５を用いて説明する。図１５は第４の実施形態を適用したウォブリング動作時の振動型アクチュエータの指令位置と交流信号の位相差、パルスデューティ、駆動速度、音圧レベルの関係を示した図である。

第４の実施形態を適用した場合、例えば図１５に示すように交流信号の位相差とパルスディーティの両方を所定値に設定することで、Ｘ軸振幅とＺ軸振幅の急な変動を抑え、移動開始や停止時に発生する異音の音圧レベルをより確実に低減することができる。つまり第４の実施形態では、交流信号の位相差とパルスディーティを各々の不感帯領域において調整することで、ＰＩＤ制御などの位置フィードバック制御をした際の振動型アクチュエータの振動の急な変動を抑えている。その結果、移動開始時や停止時に発生する異音の音圧レベルを確実に減少することができる。

なお、上述の実施の形態では、図１５を用いてウォブリング動作により振動型アクチュエータが連続して同方向へ移動する際の交流信号の制御方法を示した。しかし、逆方向へ移動する際には第３の実施形態で示したような交流信号の位相差の制御方法に変更することで同様の効果を得ることができる。

なお、本発明における交流信号を生成する手段は、上記の駆動信号生成手段と昇圧回路とからなる構成に対応する。また、本発明における調整手段は、上記の制御手段或いはこの制御手段とパルスデューティ決定回路からなる構成に対応する。

２０１ 振動波アクチュエータ
２０２ 振動子
２０３ 移動体
２０４ 位置検出手段
２０５ 制御手段
２０６ 駆動信号生成手段
２０７ 昇圧回路
２０８ パルスデューティ決定手段

本発明の一様態は、振動子の電気−機械エネルギー変換素子の第１の電極に印加される第１の交流信号、及び、前記電気−機械エネルギー変換素子電極に印加される第２の交流信号を生成する交流信号生成手段と、前記第１の交流信号と前記第２の交流信号との位相差を設定する制御手段とを備え、
前記制御手段は、振動子の停止状態において、前記第１の交流信号と前記第２の交流信号の位相差をゼロ以外で、かつ不感帯領域内の値に設定し、
前記制御手段は、
同方向に続いて前記相対移動が生じる場合は、
前記相対移動と、続く前記相対移動の間の時間では、前記不感帯領域内の前記位相差の値が設定されるとともに前記位相差の符号を維持し、
一方向に続けて前記一方向と逆の方向の相対移動が生じる場合は、
前記一方向の相対移動と、続く前記一方向と逆の方向の相対移動の間の時間では、前記一方向に対応する符号を有する前記不感帯領域内の前記位相差の値から、前記逆の方向に対応する正負反転した符号を有する前記不感帯領域内の前記位相差の値へ、徐々に変化させるよう構成された振動型アクチュエータの駆動装置である。

Claims (15)

1. 振動子の電気−機械エネルギー変換素子の第１の電極に印加される第１の交流信号、及び、前記電気−機械エネルギー変換素子電極に印加される第２の交流信号を生成する交流信号生成手段と、前記第１の交流信号と前記第２の交流信号との位相差及び電圧振幅の少なくとも一方を設定する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記振動子の停止状態において、前記第１の交流信号と前記第２の交流信号の電圧振幅をゼロより大きく、かつ不感帯領域内の値に設定するよう構成されており、
   前記不感帯領域は、前記振動体が振動していても、被駆動体に対する駆動力は発生しない、前記電気―機械エネルギー変換素子に印加される第１の交流信号及び第２の交流信号の電圧振幅の領域である振動型アクチュエータの駆動装置。
2. 前記交流信号生成手段は、２相のパルス信号を生成する駆動信号生成手段と、前記２相のパルス信号に応じた交流信号を生成する昇圧回路を含み、
   前記制御手段は、前記２相のパルス信号のパルスデューティを制御することで前記交流信号の電圧振幅を制御する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の駆動装置。
3. 振動子の電気−機械エネルギー変換素子の第１の電極に印加される第１の交流信号、及び、前記電気−機械エネルギー変換素子電極に印加される第２の交流信号を生成する交流信号生成手段と、前記第１の交流信号と前記第２の交流信号との位相差及び電圧振幅の少なくとも一方を設定する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、振動子の停止状態において、前記第１の交流信号と前記第２の交流信号の位相差をゼロ以外で、かつ不感帯領域内の値に設定するよう構成されており、
   前記不感帯領域は、前記振動体が振動していても、被駆動体に対する駆動力は発生しない、前記電気―機械エネルギー変換素子に印加される第１の交流信号及び第２の交流信号の位相差の領域である振動型アクチュエータの駆動装置。
4. 前記交流信号生成手段は、２相のパルス信号を生成する駆動信号生成手段と、前記２相のパルス信号に応じた交流信号を生成する昇圧回路を含み、
   前記制御手段は、前記２相のパルス信号の位相差を制御することにより前記交流信号の位相差を制御することを特徴とする請求項３に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
5. 前記制御手段は、前記位相差を、ゼロ以外で、前記不感帯領域内のある値に設定するように構成され、
   前記ある値は、前記不感帯領域の下限値と上限値のうち、前記停止状態の後の駆動時の位相差との差が小さい値と、ゼロとの間の領域にある請求項３または４に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
6. 前記制御手段は、前記振動子が駆動される駆動状態と、前記停止状態とが交互に現れるよう、前記第１の交流信号と前記第２の交流信号を制御するよう構成されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
7. 前記交流信号生成手段は、２相のパルス信号を生成する駆動信号生成手段と、前記２相のパルス信号に応じた交流信号を生成する昇圧回路を含む請求項１、３、５、及び６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
8. 前記制御手段は、前記２相のパルス信号の位相差及びパルスデューティを制御することにより、前記交流信号の電圧振幅と位相差を制御する請求項２、４、及び７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
9. 前記制御手段は、前記振動型アクチュエータの駆動停止期間には前記パルスデューティを、前記不感帯領域の上限値に設定する請求項１、２、及び６乃至８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
10. 前記制御手段は、前記振動型アクチュエータの駆動停止期間には、前記位相差を、前記移動方向に応じて前記不感帯領域の最小或いは最大値に設定する請求項３乃至８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
11. 前記制御手段は、前記振動子に生じる楕円運動の楕円比を決定し、前記楕円比に基づいて前記交流信号の位相差を決定する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
12. 前記第１の交流信号と前記第２の交流信号の位相が同じ時に前記振動子に生じる第１の振動モードと、前記第１の交流信号と前記第２の交流信号の位相が逆の時に前記振動子に生じる第２の振動モードを組み合わせることにより前記被駆動体を相対移動させることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
13. フォーカスレンズと、
    前記フォーカスレンズを駆動する振動型アクチュエータと、
    前記振動型アクチュエータを駆動する請求項１に記載の駆動装置と、
    を有する請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のフォーカスレンズ。
14. レンズと、
    前記レンズを駆動する振動型アクチュエータと、
    前記振動型アクチュエータを駆動する請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の駆動装置と、
    前記レンズの光軸上に設けられた撮像素子と、
    を有する撮像装置。
15. 前記静止状態は、前記レンズの合焦時の前記振動子の一状態である請求項１４に記載の撮像装置。

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