JP2021013219A - Oscillatory driver, lens barrel, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気−機械エネルギー変換素子を用いた振動型駆動装置に関するものである。 The present invention relates to a vibration type drive device using an electric-mechanical energy conversion element.
振動型モータは、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。 The vibration type motor generates high-frequency vibration in an electric-mechanical energy conversion element such as a piezoelectric element coupled to an elastic body by applying an AC voltage to the element, and extracts the vibration energy as continuous mechanical motion. It is a non-electromagnetically driven motor configured as described above.
振動型モータを駆動する回路は、パルス信号を発生するパルス信号発生回路と、振動体が備える圧電素子にコイルやトランスで増幅した交流電圧を印加する共振回路から成る。振動型モータは、圧電素子に印加された交流電圧の周波数、振幅、位相差によって速度を制御する事ができる。 The circuit that drives the vibration type motor includes a pulse signal generation circuit that generates a pulse signal and a resonance circuit that applies an AC voltage amplified by a coil or a transformer to a piezoelectric element included in the vibrating body. The vibration type motor can control the speed by the frequency, amplitude, and phase difference of the AC voltage applied to the piezoelectric element.
振動型モータは、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且つ高速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。振動型モータによって駆動されるフォーカスレンズは、制御装置によって開始位置から所定の速度まで加速され、一定速度で駆動された後に、目標位置に近づくにつれて減速しながら停止するように制御される。 The vibration type motor is used, for example, for driving the autofocus of a camera. High-precision and high-speed positioning control is required for autofocus drive, and for example, position feedback control using a position sensor is performed. The focus lens driven by the vibration type motor is accelerated from the start position to a predetermined speed by the control device, driven at a constant speed, and then controlled to stop while decelerating as it approaches the target position.
ここで、フォーカスレンズを短時間、且つ高速に駆動するためには、振動型モータの性能を最大限に引き出す共振回路の設計が重要となる。つまり、制御演算によって出力された周波数、位相差、電圧に基づいて、振動型モータを効率良く駆動する共振回路が望まれる。しかしながら、振動型モータに機械腕電流が流れると出力側のインピーダンスが変化するので回路の共振特性が影響を受け、駆動電流と駆動電圧に波形歪みが発生してしまう。とりわけ、10〜20倍の昇圧率の高いトランスを使用するほどその傾向は顕著であり、振動型モータの性能を損なってしまうことがある。 Here, in order to drive the focus lens in a short time and at high speed, it is important to design a resonance circuit that maximizes the performance of the vibration type motor. That is, a resonance circuit that efficiently drives the vibration type motor based on the frequency, phase difference, and voltage output by the control calculation is desired. However, when the mechanical arm current flows through the vibrating motor, the impedance on the output side changes, so that the resonance characteristics of the circuit are affected, and waveform distortion occurs in the drive current and drive voltage. In particular, the more a transformer having a high boost rate of 10 to 20 times is used, the more remarkable the tendency becomes, and the performance of the vibration type motor may be impaired.
特許文献1には超音波モータの駆動回路が記載されており、特に直流電圧源用のフィルタ回路が開示されている。すなわち、トランスの1次側コイルと、スイッチング素子と、高周波成分を通過させないフィルタ素子とを直列に接続することで、スイッチング素子をオンした時に発生する高周波の発振を抑制し、ラジオノイズの発生を低減している。
また特許文献2はLCフィルタ回路をさらに改良する技術が記載されており、一部に結合インダクタを用いたトランスデューサーの駆動回路が開示されている。同相の電流に対して同相の磁気エネルギーを発生させる結合インダクタを用いることで、D級アンプのスイッチング信号による電流リップルやコモンモードノイズを低減することができる。
Further,
しかしながら、前述した従来の技術は回路に発生するノイズの除去することに止まっており、振動型モータの性能を向上する効果は十分ではなかった。本発明は振動型モータを効率良く駆動することを目的とする。 However, the above-mentioned conventional technique is limited to removing noise generated in the circuit, and the effect of improving the performance of the vibration type motor is not sufficient. An object of the present invention is to drive a vibrating motor efficiently.
上記課題を解決するための手段は、
電気−機械エネルギー変換素子と弾性体を有する振動体と、
前記振動体と接する接触体と、
互いに磁気的に結合され、流れる電流によって生じる磁束が互いに強め合うよう配されている互いに逆極性の第1のインダクタと第2のインダクタを備え、
前記第1のインダクタ、前記第2のインダクタおよび前記電気−機械エネルギー変換素子とで共振回路を形成している振動型駆動装置である。
The means to solve the above problems are
A vibrating body having an electric-mechanical energy conversion element and an elastic body,
With the contact body in contact with the vibrating body,
It comprises a first and second inductors of opposite polarity that are magnetically coupled to each other and are arranged so that the magnetic flux generated by the flowing current strengthens each other.
This is a vibration type drive device in which a resonance circuit is formed by the first inductor, the second inductor, and the electric-mechanical energy conversion element.
本発明によれば、振動型モータを効率良く駆動できる。 According to the present invention, the vibration type motor can be driven efficiently.
本願発明を実施するための形態として、振動型駆動装置は、電気−機械エネルギー変換素子と弾性体を有する振動体と、振動体と接する接触体を備えている。さらに互いに磁気的に結合され、流れる電流によって生じる磁束が互いに強め合うよう配されている互いに逆極性の第1のインダクタと第2のインダクタを備えている。このような構成のもと、第1のインダクタ、第2のインダクタおよび前記電気−機械エネルギー変換素子とで共振回路を形成しているものである。 As a mode for carrying out the present invention, the vibration type drive device includes a vibrating body having an electric-mechanical energy conversion element and an elastic body, and a contact body in contact with the vibrating body. Further, it includes a first inductor and a second inductor having opposite polarities, which are magnetically coupled to each other and arranged so that the magnetic flux generated by the flowing current strengthens each other. Under such a configuration, a resonance circuit is formed by the first inductor, the second inductor, and the electric-mechanical energy conversion element.
電圧を電気−機械エネルギー変換素子に印加する構成に限定は無いが、トランス昇圧を利用するものとコイル昇圧を利用するものが例として挙げられる。 The configuration in which the voltage is applied to the electric-mechanical energy conversion element is not limited, and examples include those using transformer boosting and those using coil boosting.
トランス昇圧を利用する構成としては、昇圧用トランスをさらに有し、昇圧用トランスの1次側巻線の一方の端部側に第1のインダクタ、他方の端部側に第2のインダクタ、が接続されている構成をとるとよい。その場合、前記昇圧用トランスの2次側巻線の一方の端部側および他方の端部側に前記電気−機械エネルギー変換素子が接続される。 As a configuration using transformer boosting, a boosting transformer is further provided, and a first inductor is on one end side of the primary winding of the boosting transformer, and a second inductor is on the other end side. It is advisable to take a connected configuration. In that case, the electro-mechanical energy conversion element is connected to one end side and the other end side of the secondary winding of the step-up transformer.
他方、コイル昇圧を利用する構成としては、前記電気−機械エネルギー変換素子の一方の端部に第1のインダクタ、他方の端部に第2のインダクタがそれぞれ接続される。 On the other hand, as a configuration using coil boosting, a first inductor is connected to one end of the electro-mechanical energy conversion element, and a second inductor is connected to the other end.
以下、具体的に図面を用いて詳述する。 Hereinafter, details will be given with reference to the drawings.
(振動型駆動装置の全体構成)
図4は、本発明の実施形態に係る振動型駆動装置20の概略構成を示すブロック図である。振動型駆動装置20は、振動型モータ23、制御装置21及び位置センサ24を有する。制御装置21は、制御部110と駆動回路120を有する。制御部110は、指令部111、制御演算部112、相対位置検出部113を有する。駆動回路120は、パルス信号発生回路104と共振回路105を有する。振動型モータ23は、振動体1、接触体2を有する。
(Overall configuration of vibration type drive device)
FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of the vibration
指令部111によって相対位置の時間毎の指令値が生成され、例えばエンコーダ等で構成される相対位置検出部113で検出された振動体1と接触体2との相対位置との差分が位置偏差として制御演算部112で演算される。フィードバック制御を行う制御演算部112で位置偏差に基づいて制御信号が演算結果として駆動回路120に出力される。制御演算部112は、例えばPID演算器などが用いられるが、これに限定されるものではない。また、速度偏差をフィードバック制御する速度制御の構成でも良い。
The
制御信号は、演算結果を交流電圧の制御パラメータである位相差、周波数、パルス幅に変換したものである。位相差、周波数、パルス幅の各制御量に基づいて、振動型モータの速度、駆動方向が制御される。パルス信号発生回路104では、位相差、周波数、パルス幅の情報に基づいて、位相の異なる2相のパルス信号が生成される。
The control signal is obtained by converting the calculation result into the phase difference, frequency, and pulse width, which are the control parameters of the AC voltage. The speed and drive direction of the vibrating motor are controlled based on the control amounts of the phase difference, frequency, and pulse width. In the pulse
後述の結合インダクタと昇圧用トランスから成る共振回路105によって所望の振幅に昇圧された交流電圧は、振動体1の圧電素子に印加され、接触体2を駆動する。接触体2に取り付けられた位置センサ24によって、振動体1と接触体2の相対位置又は相対速度が検出される。検出された相対位置は制御演算部112にフィードバックされ、時間毎の指令値に追従するように振動型モータは制御される。本発明は後述の如く、共振回路105の構成を工夫することで振動型モータの性能を向上するものである。
An AC voltage boosted to a desired amplitude by a
図2は、リニア駆動型の振動型モータの駆動原理を説明する図である。図2(a)に示す振動型モータは、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移動体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に加圧接触する移動体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、移動体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。この振動型モータでは発生比を変えることにより移動体の速度を変更させることが可能となる。
FIG. 2 is a diagram illustrating a driving principle of a linear drive type vibrating motor. The vibrating motor shown in FIG. 2A includes a vibrating
尚、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相駆動の制御装置を例にとり説明するが、本発明は2相駆動に限定されるものではなく、2相以上の振動型モータにも適用できる。 In this embodiment, a two-phase drive control device for driving a piezoelectric element, which is an electric-mechanical energy conversion element, by dividing it into two phases will be described as an example, but the present invention is not limited to two-phase drive. It can also be applied to vibration type motors with two or more phases.
図3は、レンズ鏡筒のレンズの駆動機構部を説明する図である。本実施例の振動型駆動装置による接触体の駆動機構は、振動体と、接触体と、この接触体を摺動自在に保持する、なお、「接触体」とは、振動体と接触し、振動体に発生した振動によって、振動体に対して相対移動する部材のことをいう。接触体と振動体の接触は、接触体と振動体の間に他の部材が介在しない直接接触に限られない。接触体と振動体の接触は、振動体に発生した振動によって、接触体が振動体に対して相対移動するならば、接触体と振動体の間に他の部材が介在する間接接触であってもよい。「他の部材」は、接触体及び振動体とは独立した部材(例えば焼結体よりなる高摩擦材)に限られない。「他の部材」は、接触体又は振動体に、メッキや窒化処理などによって形成された表面処理部分であってもよい。 FIG. 3 is a diagram illustrating a drive mechanism portion of the lens of the lens barrel. The drive mechanism of the contact body by the vibration type drive device of the present embodiment slidably holds the vibrating body, the contact body, and the contact body, and the "contact body" is in contact with the vibrating body. A member that moves relative to a vibrating body due to vibration generated in the vibrating body. The contact between the contact body and the vibrating body is not limited to the direct contact in which no other member is interposed between the contact body and the vibrating body. The contact between the contact body and the vibrating body is an indirect contact in which another member intervenes between the contact body and the vibrating body if the contact body moves relative to the vibrating body due to the vibration generated in the vibrating body. May be good. The "other member" is not limited to a member independent of the contact body and the vibrating body (for example, a high friction material made of a sintered body). The "other member" may be a surface-treated portion formed on the contact body or the vibrating body by plating, nitriding treatment, or the like.
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。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体の突起部の楕円運動によって、振動体と第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、接触体を第1及び第2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、本実施例の振動型駆動装置による接触体の駆動機構300は、主にレンズ保持部材であるレンズホルダ302、レンズ306を備えている。それに加え、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301、加圧磁石305、2つのガイドバー304及び不図示の基体から構成される。ここでは、振動体301を例に説明する。
It has a first guide bar and a second guide bar arranged in parallel. Then, a relative moving force is generated between the vibrating body and the second guide bar by the elliptical motion of the protrusion of the vibrating body generated by applying the driving voltage to the electric-mechanical energy conversion element. As a result, the contact body is configured to be movable along the first and second guide bars. Specifically, the contact
2本のガイドバーで構成された第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301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から構成される。加圧手段を構成するための加圧磁石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301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301との間に加圧力が与えられる。弾性体の2箇所の突起部が第2ガイドバー304と加圧接触して第2のガイド部を形成する。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おり、外力を受ける等により振動体301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301に所望の交流電圧信号を与えることで振動体301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。
In the
(駆動回路の構成)
図1は、本発明の実施形態に係る駆動回路120を示す図である。
(Configuration of drive circuit)
FIG. 1 is a diagram showing a
駆動回路120は、パルス信号を発生するパルス信号発生回路104と、振動体が備える圧電素子に増幅した2相の交流電圧を印加する共振回路105、で構成される。説明の便宜上、ここでは1相分の交流電圧を出力する駆動部について説明する。パルス信号発生回路104は、不図示の制御信号に応じて動作するパルス信号A+と、位相が180度異なるA−を出力する発振器有する。それに加え、こ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)で構成される。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、オン・オフ動作によって矩形の交流電圧パルスを発生する。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。パルス幅は、制御信号に応じて設定される。
The
スイッチング回路から出力された交流電圧は、逆極性を有する結合インダクタ101と昇圧用トランス102が圧電素子の静電容量106と共振回路105を形成することによって所望の電圧に昇圧される。逆極性とは、2つのインダクタに逆相の電流が流れるときに互いに磁束を強め合うように機能することを示す。尚、トランス102の極性はどちらでも良い。昇圧用トランス102によって昇圧されたSIN波状の交流電圧は圧電素子103に印加される。振動型モータは、圧電素子103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。
The AC voltage output from the switching circuit is boosted to a desired voltage by forming the
圧電素子103の等価回路について説明する。圧電素子103の等価回路は、振動体の機械的振動部分のRLC直列回路(自己インダクタンスLmの等価コイル107、静電容量Cmの等価コンデンサ108、抵抗値Rmの等価抵抗109)を備えている。加えて、このRLC直列回路に並列に接続された圧電素子103の固有静電容量Cdとしてのコンデンサ106と、により構成される。振動体の共振周波数fmは、LmとCmによって決まる。共振回路105の電気共振周波数feは、昇圧用トランス102、結合インダクタ101、静電容量Cdによって決まる。
The equivalent circuit of the
ここで、本発明で用いる結合インダクタ101について詳細に説明する。結合インダクタ101は、第1のインダクタ101aと第2のインダクタ101bが磁気的に結合されたインダクタである。2つのインダクタはインダクタンスが等価であることが望ましいが、±30%の一般的な素子ばらつきの範囲内であれば同様に効果を得ることができる。本発明では、2つのインダクタが逆極性として働くように構成された結合インダクタである。振動型モータを駆動する場合、180度位相の異なるA+パルスとA−パルスによってスイッチング動作が行われ、第1のインダクタ101aと第2のインダクタ101bには逆相の電流が流れる。例えば、A+パルスがHighでA−パルスがLowの場合、電源から第1のインダクタ101aを介してトランス1次側に電流が流れる。そして、トランス1次側巻線102aを介して第2のインダクタ101bに電流が戻り、グランド側に流れるように動作する。従って、第1、第2のインダクタには振動型モータの駆動中は逆相の電流が流れることになる。その時、結合インダクタ101は互いに磁束を強め合うように接続されているので、101aと101bのインダクタンスの合計値(直列インダクタンス)が共振回路として作用する。本構成によって、圧電素子の静電容量に流れる機械腕電流を安定化するように磁気エネルギーが発生するので、振動型モータに機械腕電流が流れても回路の共振特性が影響を受けにくく、インピーダンス変動に強い共振回路を形成できる。また、インダクタの磁気結合による相互誘導作用によって逆相電流の時間微分が小さくなるので、スイッチング動作で発生するサージ電流を低減できる。その結果、駆動電流及び駆動電圧の波形歪みを低減することができ、振動型モータを効率よく駆動できる。さらに、逆相電流の時間微分の低減と共に、同相電流による発生磁束は結合インダクタ内で打ち消し合うので、外部に漏洩する磁気ノイズを低減する効果も得られる。
Here, the
すなわち、第1のインダクタ101aに流れ込む電流によって生じた磁束によって生じる第2のインダクタ101bに生じる誘導電流が、第2のインダクタ101bに流れこむ電流を流れをより促すよう作用する。
That is, the induced current generated in the
尚、本発明とは逆に作用するように結合インダクタを接続した場合、著しく振動型モータの性能を損なってしまう。すなわち、2つのインダクタに同相の電流が流れるときに同相の磁束を発生するように接続した同極性の結合インダクタである。この場合、逆相電流における発生磁束は打ち消し合うのでインダクタンスが無効となり、回路の共振特性が崩れて電流及び電圧波形の歪みが増大して電力が増大してしまう。 If the coupling inductor is connected so as to operate in the opposite direction to the present invention, the performance of the vibration type motor is significantly impaired. That is, it is a coupled inductor of the same polarity connected so as to generate a magnetic flux of the same phase when a current of the same phase flows through the two inductors. In this case, the magnetic fluxes generated in the reverse-phase current cancel each other out, so that the inductance becomes invalid, the resonance characteristics of the circuit are disrupted, the distortion of the current and voltage waveforms increases, and the power increases.
共振回路から出力される交流電圧の周波数特性は、以下の式から算出できる。共振回路の電気共振周波数feは、式1−1によって算出される。 The frequency characteristics of the AC voltage output from the resonant circuit can be calculated from the following equation. The electric resonance frequency fe of the resonance circuit is calculated by the equation 1-1.
ここで、Lは式1−2で算出されるインダクタンス、Nは昇圧用トランス102の巻線比、Cdは圧電素子の静電容量106を示す。
Here, L is the inductance calculated by Equation 1-2, N is the winding ratio of the step-up
Lは、Lcp1とLcp2、Ltr1を用いて算出される。Lcp1は第1のインダクタ101aのインダクタンス、Lcp2は第2のインダクタ101bのインダクタンスである。本実施例では、101aと101bのインダクタンスは共に4.7μHである。Ltr1はトランス1次側巻線コイルのインダクタンスを示し、30μHである。トランス巻線比Nは16倍、静電容量Cdは0.5nFである。電源は3Vで、120Vpp前後の交流電圧が出力される。
L is calculated using Lcp1, Lcp2, and Ltr1. Lcp1 is the inductance of the first inductor 101a, and Lcp2 is the inductance of the
尚、第1のインダクタおよび第2のインダクタに75kHz以上110kHz以下の交流電流が流れると振動型モータの駆動周波数帯として好適である。より好ましくは87〜95kHzの間として操作される。ここで、振動体の共振周波数fmは86kHzである。上述の算出式より、電気共振周波数feは160kHzとなる。 When an alternating current of 75 kHz or more and 110 kHz or less flows through the first inductor and the second inductor, it is suitable as a drive frequency band of the vibration type motor. More preferably, it is operated between 87 and 95 kHz. Here, the resonance frequency fm of the vibrating body is 86 kHz. From the above calculation formula, the electric resonance frequency fe is 160 kHz.
図8は、本発明の実施形態における、発振器から出力されるパルス信号のタイミングチャートを示す図である。図8(a)は、発振器から出力される2相の交流パルス信号を示す。発振器は、制御演算部112から出力された位相差、周波数、パルス幅の情報に応じて、A相パルス信号及びA相反転パルス信号、B相パルス信号及びB相反転パルス信号を生成する。図8(b)は、パルス幅50%の場合のA相、B相パルス信号の時間変化を示すものである。t0〜t4までが、振動型アクチュエータを駆動する周波数の1周期である。各相のパルスは周期の50%に相当する時間がHiレベルで出力される。また、位相差の設定を+90度の場合、各相のパルスの立ち上がりをt0とt1でずらすように出力する。
FIG. 8 is a diagram showing a timing chart of a pulse signal output from an oscillator in the embodiment of the present invention. FIG. 8A shows a two-phase AC pulse signal output from the oscillator. The oscillator generates an A-phase pulse signal, an A-phase inversion pulse signal, a B-phase pulse signal, and a B-phase inversion pulse signal according to the phase difference, frequency, and pulse width information output from the
図9は、2相の交流信号の位相差を操作パラメータとして振動型モータの到達速度と平均電力を測定した結果を示すものであり、本発明と従来の駆動回路で結果を比較したものである。図9(a)は横軸に位相差、縦軸にモータ速度(左)と回路消費電力(右)を示したものである。位相差0°〜180°の範囲において、10°間隔でオープン駆動を行い、起動してから10ms後までの平均速度と平均電力を算出した。尚、駆動周波数は93kHzに固定している。制御で使用する位相差範囲である0〜90°において、本発明の駆動回路はモータ速度が高く、電力は低い傾向を示す。図9(b)は横軸にモータ速度、縦軸に回路消費電力を示したものである。本発明は同じ速度で比較した場合に電力が小さくなっている。つまり、振動型モータの駆動効率が向上している事が分かる。図7に、比較用に用いた従来の駆動回路の構成を示す。図に示すように、従来回路は昇圧用トランス102の1次側にインダクタ110を1つ、直列に接続した構成である。尚、インダクタ110のインダクタンスは10μHであり、本発明の結合インダクタ101が有する2つのインダクタの直列インダクタンス値とほぼ等しい値に設定した。これは、両者の共振回路の電気共振周波数を揃えて比較する為である。
FIG. 9 shows the results of measuring the arrival speed and the average power of the vibrating motor using the phase difference of the two-phase AC signals as operating parameters, and compares the results with the present invention and the conventional drive circuit. .. FIG. 9A shows the phase difference on the horizontal axis, the motor speed (left) and the circuit power consumption (right) on the vertical axis. In the range of the phase difference of 0 ° to 180 °, open drive was performed at 10 ° intervals, and the average speed and average power from the start to 10 ms later were calculated. The drive frequency is fixed at 93 kHz. In the phase difference range of 0 to 90 ° used for control, the drive circuit of the present invention tends to have a high motor speed and a low electric power. FIG. 9B shows the motor speed on the horizontal axis and the circuit power consumption on the vertical axis. The present invention has lower power when compared at the same speed. That is, it can be seen that the drive efficiency of the vibration type motor is improved. FIG. 7 shows the configuration of the conventional drive circuit used for comparison. As shown in the figure, the conventional circuit has a configuration in which one
図10は、2相の交流信号の位相差90度で振動型モータを駆動したときの電圧波形、電流波形、電流微分波形の測定結果を示すものであり、本発明と従来の駆動回路で比較したものである。電圧波形(1段目)、電流波形(2段目)ともに、本発明の結果は波形歪みが低減しているのが分かる。これは、圧電素子の静電容量に流れる電気腕電流を安定化するように磁気エネルギーが発生するので振動型モータに機械腕電流が流れても回路の共振特性が影響を受けにくい為である。すなわち、振動型モータを駆動する際に生じる共振特性の変化に強い共振回路と言える。さらに、2つのインダクタに逆相電流が流れると磁気的な相互誘導作用により、電流の時間微分成分を小さくする事ができる。電流微分波形(3段目)は外部に漏洩する磁気ノイズと相関があり、本発明はピーク値が低減しているので磁気ノイズの低減効果も併せて得ることができる。 FIG. 10 shows the measurement results of the voltage waveform, the current waveform, and the current differential waveform when the vibration type motor is driven with a phase difference of 90 degrees between the two-phase AC signals, and is compared between the present invention and the conventional drive circuit. It was done. It can be seen that the results of the present invention show that the waveform distortion is reduced for both the voltage waveform (first stage) and the current waveform (second stage). This is because magnetic energy is generated so as to stabilize the electric arm current flowing through the capacitance of the piezoelectric element, so that the resonance characteristics of the circuit are not easily affected even if the mechanical arm current flows through the vibration type motor. That is, it can be said that it is a resonance circuit that is resistant to changes in resonance characteristics that occur when driving a vibration motor. Further, when a reverse-phase current flows through the two inductors, the time derivative component of the current can be reduced by the magnetic mutual induction action. The current differential waveform (third stage) has a correlation with the magnetic noise leaking to the outside, and since the peak value is reduced in the present invention, the effect of reducing the magnetic noise can also be obtained.
図12は、本発明の駆動回路におけるステップ信号に対する制御結果を従来回路と比較したものである。微小な振幅2μmのステップ信号(指令値)に追従するように振動型モータの位置フィードバック制御を行った。横軸は時間、縦軸は位置(左)と位相差(右)を示す。図12(a)は従来回路の結果、図12(b)は本発明の駆動回路の結果である。従来回路では、実位置が指令値に達するまでに46msの時間を要している。その際の位相差は15°を超えており、それまで振動型モータは動かなかった事を意味する。これに対して本発明は22msで起動しており、応答時間が短縮化されている。その理由は、位相差の小さい領域で振動型モータの駆動性能が改善している為であり、応答時の位相差は10°以下である。位相差の小さい領域は送り振動が小さいので、圧電素子に印加する駆動電圧は波形歪みが小さく、振動型モータの変動の影響を受けにくい共振回路によって駆動性能を向上できる。 FIG. 12 compares the control results for the step signal in the drive circuit of the present invention with the conventional circuit. The position feedback control of the vibrating motor was performed so as to follow a step signal (command value) having a minute amplitude of 2 μm. The horizontal axis shows time, and the vertical axis shows position (left) and phase difference (right). FIG. 12A is the result of the conventional circuit, and FIG. 12B is the result of the drive circuit of the present invention. In the conventional circuit, it takes 46 ms for the actual position to reach the command value. The phase difference at that time exceeds 15 °, which means that the vibrating motor did not move until then. On the other hand, the present invention is started in 22 ms, and the response time is shortened. The reason is that the driving performance of the vibrating motor is improved in the region where the phase difference is small, and the phase difference at the time of response is 10 ° or less. Since the feed vibration is small in the region where the phase difference is small, the drive voltage applied to the piezoelectric element has a small waveform distortion, and the drive performance can be improved by the resonance circuit which is not easily affected by the fluctuation of the vibration type motor.
上述の本発明の実施例は、フルブリッジ駆動によるスイッチング回路であるが、これ以外のスイッチング回路を用いても良い。例えば、図5に示すようなハーフブリッジ駆動によるスイッチング回路を用いても本発明の効果を得ることができる。図において、スイッチング回路501はハーフブリッジ駆動を行う構成である。また、結合インダクタの101bとグランド間には電荷チャージ用のコンデンサ503が接続されており、電源電圧に相当する交流電圧が昇圧用トランス102の1次側に印加される。
The above-described embodiment of the present invention is a switching circuit driven by a full bridge, but other switching circuits may be used. For example, the effect of the present invention can be obtained by using a switching circuit driven by a half bridge as shown in FIG. In the figure, the
本実施例の振動型モータの制御装置は、撮像装置のオートフォーカス用のレンズ駆動に用いる例を説明したが、本発明の適用例はこれに限定されない。例えば、ズーム用レンズの移動のためのレンズホルダの駆動に用いることもできる。したがって、本願発明の制御装置は、レンズ駆動用に、撮像装置に加えて、交換用レンズにも搭載することができる。また、撮像素子の駆動に用いることもでき、手ぶれ補正時のレンズや撮像素子の駆動に用いることもできる。また監視カメラ用レンズや交換用レンズなどのリニア駆動、回転駆動などに適用できる。 Although the example in which the control device for the vibration type motor of this embodiment is used for driving a lens for autofocus of an image pickup device has been described, the application example of the present invention is not limited to this. For example, it can also be used to drive a lens holder for moving a zoom lens. Therefore, the control device of the present invention can be mounted on an interchangeable lens in addition to the image pickup device for driving the lens. It can also be used to drive an image sensor, and can also be used to drive a lens or an image sensor during image stabilization. It can also be applied to linear drive and rotary drive of surveillance camera lenses and interchangeable lenses.
また汎用のアクチュエータとして、部材とその部材を駆動する上記の振動型駆動装置を備えた電子機器を提供することができる。 Further, as a general-purpose actuator, it is possible to provide an electronic device including a member and the above-mentioned vibration type driving device for driving the member.
本発明の振動型モータの駆動装置における、その他の共振回路の例を示す。 An example of another resonance circuit in the driving device of the vibration type motor of this invention is shown.
図6は、結合インダクタ101のみで共振回路を構成する回路であり、昇圧トランスは用いていない。電気的な共振回路は、結合インダクタのインダクタンスと圧電素子の静電容量106とで形成する。本実施例の共振回路を用いても、駆動電流及び駆動電圧の波形歪みを低減することができ、振動型モータを効率よく駆動できる。
FIG. 6 shows a circuit in which the resonance circuit is composed of only the
共振回路の出力する交流電圧の周波数特性は、以下の式から算出できる。共振回路の電気共振周波数feは、式2−1によって算出される。 The frequency characteristics of the AC voltage output by the resonant circuit can be calculated from the following equation. The electric resonance frequency fe of the resonance circuit is calculated by Equation 2-1.
ここで、Lcp1は第1のインダクタ101aのインダクタンス、Lcp2は第2のインダクタ101bのインダクタンスである。Cdは圧電素子の静電容量106である。本実施例では、101aと101bのインダクタンスは共に15μHであり、直列インダクタンスは30μHである。静電容量Cdは33nFである。電源は10Vで、30Vpp前後の交流電圧が出力される。
Here, Lcp1 is the inductance of the first inductor 101a, and Lcp2 is the inductance of the
尚、駆動周波数は87〜95kHzの間で操作される。ここで、振動体の共振周波数fmは86kHzである。上述の算出式より、電気共振周波数feは160kHzとなる。 The drive frequency is operated between 87 and 95 kHz. Here, the resonance frequency fm of the vibrating body is 86 kHz. From the above calculation formula, the electric resonance frequency fe is 160 kHz.
図11は、本発明のその他の実施手段として、面実装型の2つのインダクタを対向配置することで磁気結合させた駆動回路の例を示すものである。面実装型のインダクタを基板の表裏面に実装し、基板を挟んで対向配置することで逆極性となるように接続する。トランス接続側の2つの端子には逆相の電流が流れ、その時に2つのインダクタに発生する磁束は互いに強め合うので、直列インダクタンスが共振コイルとして機能する。 FIG. 11 shows an example of a drive circuit in which two surface-mounted inductors are magnetically coupled by arranging them so as to face each other as another embodiment of the present invention. Surface-mounted inductors are mounted on the front and back surfaces of the board, and are connected so that they have opposite polarities by arranging them facing each other with the board sandwiched between them. A current of opposite phase flows through the two terminals on the transformer connection side, and the magnetic fluxes generated in the two inductors at that time strengthen each other, so that the series inductance functions as a resonance coil.
本実施例のように、共振回路を形成する2つのインダクタが磁気的に結合していれば、本発明の効果を同様に得ることができる。 If the two inductors forming the resonant circuit are magnetically coupled as in the present embodiment, the effect of the present invention can be obtained in the same manner.
以上、本発明によれば、振動型モータを効率良く駆動できる共振回路を実現することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a resonance circuit capable of efficiently driving a vibration type motor.
1 振動体
2 接触体
20 振動型駆動装置
21 制御装置
23 振動型モータ
24 位置センサ
110 制御部
120 駆動回路
104 パルス信号発生回路
105 共振回路
103 圧電素子
106 圧電素子の静電容量Cd
107 自己インダクタンスLmの等価コイル
108 静電容量Cmの等価コンデンサ
109 抵抗値Rmの等価抵抗
1
107 Equivalent coil with self-
Claims (10)
前記振動体と接する接触体と、
互いに磁気的に結合され、流れる電流によって生じる磁束が互いに強め合うよう配されている互いに逆極性の第1のインダクタと第2のインダクタを備え、
前記第1のインダクタ、前記第2のインダクタおよび前記電気−機械エネルギー変換素子とで共振回路を形成している振動型駆動装置。 A vibrating body having an electric-mechanical energy conversion element and an elastic body,
With the contact body in contact with the vibrating body,
It comprises a first and second inductors of opposite polarity that are magnetically coupled to each other and are arranged so that the magnetic flux generated by the flowing current strengthens each other.
A vibration type drive device in which a resonance circuit is formed by the first inductor, the second inductor, and the electric-mechanical energy conversion element.
前記昇圧用トランスの1次側巻線の一方の端部側に前記第1のインダクタ、
他方の端部側に第2のインダクタ、が接続されており、
前記昇圧用トランスの2次側巻線の一方の端部側および他方の端部側に前記電気−機械エネルギー変換素子が接続されている請求項1に記載の振動型駆動装置。 It also has a step-up transformer,
The first inductor, on one end side of the primary winding of the step-up transformer,
A second inductor, is connected to the other end side,
The vibration type drive device according to claim 1, wherein the electric-mechanical energy conversion element is connected to one end side and the other end side of the secondary winding of the step-up transformer.
前記レンズを保持するレンズ保持部材を駆動する請求項1乃至8のいずれか1項に記載の振動型駆動装置と、を備えたレンズ鏡筒。 With the lens
A lens barrel comprising the vibration-type drive device according to any one of claims 1 to 8, which drives a lens holding member that holds the lens.
前記部材を駆動する請求項1乃至8のいずれか1項に記載の振動型駆動装置と、を備えた電子機器。 Members and
An electronic device comprising the vibration type driving device according to any one of claims 1 to 8 for driving the member.
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