JP2021027624A - 振動型駆動装置、振動型アクチュエータ、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構成で複数の振動体の個々の個体差に応じた、優れた駆動特性を備えた振動型アクチュエータを実現する。【解決手段】 直列に接続された複数の振動体により構成される振動体群と、センタータップ端子を有するトランス、を有し、振動体群の一端電極は前記トランスの第１の端子と接続され、振動体群の他端電極は前記トランスの第２の端子と接続され、振動体群の振動体同士が接続されている電極は前記センタータップ端子にインピーダンス素子を介して接続されていることを特徴とする振動型駆動装置を提供する。【選択図】 図１

Description

本発明は、振動波を利用する振動型駆動装置、および振動型アクチュエータに関するものである。

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。

振動型モータの駆動装置は、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。

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。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高推力化を図ることが必要であり、一つの信号源からの駆動信号に基づき複数の振動体を駆動させる振動型モータが提案されている（図３に例示）。

しかしながら、複数の振動体を用いる場合は個々の振動体の共振周波数などのばらつきが生じるので、単に組合せるだけではモータ性能を損なってしまう課題がある。この課題に対して、例えば駆動信号を昇圧する１つのトランス回路に、振動体を並列に接続して対処するケースと、振動体を直列に接続して対処するケースが考えられる。

図９は、従来における、振動体を並列接続または直列接続した駆動回路を示す図である。以下、従来の駆動回路の構成例を説明し、発生する技術課題を具体的に説明する。図９（ａ）は、トランス回路に２つの振動体を並列に接続する従来の構成である。シンプルな回路構成で駆動できるメリットがあるが、第１及び第２の圧電素子（１０３、１０３’）に流れる電流Ｉ１とＩ２の大きさは、第１及び第２の圧電素子のインピーダンス等に個体差がある場合には揃えることができない。これは、トランス２次側コイルの出力Ｖｏ１とＶｏ２は回路の構成上、同じ電圧である為である。

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、インダクタ７０１、トランス７０２、静電容量Ｃｄの各定数によって決まる。

回路定数は、Ｌ１は４．７μＨ、Ｌ３は１５μＨ、Ｌ４は３．８４ｍＨ、ｎは２個、Ｃｄは０．５４ｎＦである。トランスの巻線比は１６倍、静電容量電源は３Ｖで、１２０Ｖｐｐ前後の交流電圧が出力される。

このように振動体を並列に接続して対処するケースでは、振動体を共振周波数で層別して周波数を揃える対策が考えられる。シンプルな回路構成で駆動できるというメリットがあるが、層別にコストが発生する事や、ある程度の速度性能差は許容しなければならないといったデメリットがある。

他方で、図９（ｂ）は、トランス回路に２つの振動体を直列に接続する従来の構成である。直列に接続された第１及び第２の圧電素子（１０３、１０３’）に流れる駆動電流Ｉ１及びＩ２は同じ値をとる。そのため、両者の電流を揃えるようにトランス出力電圧はＶｏ１とＶｏ２に分圧されるため、第１及び第２の圧電素子の個体差による影響を低減することができる。

共振回路の電気共振周波数ｆｅは式１−２によって算出され、インダクタ７０３、トランス７０４、静電容量Ｃｄの各定数によって決まる。

回路定数はトランス２次側コイルのインダクタンスと巻線比が並列方式よりも増加し、Ｌ１は４．７μＨ、Ｌ３は１５μＨ、Ｌ４は１５．３６ｍＨ、ｎは２個、Ｃｄは０．５４ｎＦである。トランスの巻線比は３２倍、電源は３Ｖで、２４０Ｖｐｐ前後の交流電圧（Ｖｏ１＋Ｖｏ２）がトランス２次側コイルに出力される。２４０Ｖｐｐの電圧は、駆動電流Ｉ１及びＩ２を揃えるように２つの圧電素子に分圧される。

このように、従来は直列に接続する圧電素子の数をｎとすると、１個の圧電素子に必要な電圧のｎ倍の電圧をトランス回路が出力する必要がある。トランス２次側コイルのインダクタンス増加は巻線抵抗の増加につながり、回路損が増加してしまう。

特許文献１の回路には、２相駆動で２つの圧電素子群の正負の電極は独立しており、それぞれが直列に接続される構成が記載されている。特許文献１には昇圧手段の記載はないが、一般的に用いられるトランスを使用した場合は上述した課題が生じる。すなわち、直列に接続する圧電素子の数をｎとすると、単体の圧電素子に必要な電圧のｎ倍の電圧をドライバ回路が出力する必要がある為、トランスの巻数比増加や電源電圧の増加を招いてしまう。巻数比の増加はトランスの大型化や制御性が不安定になる傾向にある。また、電源電圧の増加はＤＣ−ＤＣコンバータを使用する場合は効率低下につながるので、消費電力の増加といった課題が生じる。

上記のように、複数の振動体を並列接続する方式は簡素な回路構成で必要電圧の増加も無いが、個体差に応じた電圧の自動調整機能はない。一方で、直列接続する方式は個体差を補償できる電圧の自動調整機能を有するが、トランスの巻数比増加や電源電圧の増加を招いてしまう課題があった。

特許第４９５４７８４号

本発明は前記課題を解決するものであり、簡素な構成で複数の振動体の個々の個体差に応じた、優れた駆動特性を備えた振動型アクチュエータを実現することを目的とする。

上記課題を解決する振動型駆動装置は、
電気−機械エネルギー変換素子と弾性体を備え接触体と接する直列に接続された複数の振動体により構成される振動体群と、
センタータップ端子を有するトランス、
を有し、
前記振動体群の一端電極は前記トランスの第１の端子と接続され、
前記振動体群の他端電極は前記トランスの第２の端子と接続され、
前記振動体群の振動体同士が接続されている電極は前記センタータップ端子にインピーダンス素子を介して接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、簡素な構成で複数の振動体の個々の個体差に応じた、優れた駆動特性を備えた振動型アクチュエータを実現することができる。

また本発明の駆動回路を用いるとトランスのインダクタンスと巻数比を大きくする必要を低減できるため、回路消費電力を下げることができる。

本発明の実施形態に係る駆動回路を示す図である。 リニア駆動の振動型モータの駆動原理を説明する図である。 ２個の振動体から構成される振動型モータの斜視図である。 本発明の実施形態に係る振動型駆動装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明のパルス信号発生回路の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る駆動回路の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る駆動回路の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る駆動回路の構成例を示す図であり、直列接続された振動体群をさらに直列に接続するものである。 従来における、振動体を並列接続または直列接続した駆動回路を示す図である。 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。 圧電素子に印加される電圧と機械腕電流の周波数特性のシミュレーション結果を示すものであり、従来の並列接続方式の駆動回路と本発明の駆動回路を比較したものである。

［実施例１］
（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、第１の振動体１、第２の振動体１’、接触体２を有する。

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、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。

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。

後述の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、第１及び第２の振動体の各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、２つの振動体と接触体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、複数の振動体を駆動可能な共振回路１０５に用いるトランス回路の構成に特徴を有する。

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。

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。

次に、２つの振動体を有する振動型モータの例について説明する。

図３は、本実施形態に用いる２つの振動体と接触体を有する振動型モータの斜視図である。本振動型モータは、角棒状の接触体３０１に対して図中Ｚ軸方向に２個の振動体が、Ｘ−Ｙ平面に対して対象に配され、接触体３０１を挟み込む構成となっている。接触体の上下の摩擦面に加圧接触された振動体の駆動部に楕円振動が発生し、この駆動力によって接触体と振動体はＸ方向に相対的に移動する。尚、２個の振動体の構成と駆動原理は、ここでは、前述の図２で示した振動体と同じものを用いている。

「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。

図３において、接触体３０１に対して、−Ｚ側に第１の振動体３０２が配される。振動体３０２は前述の図２で示した突起部２０２が接触体３０１と当接するように向きが決められている。第１の振動体３０２は振動体固定部材３０４に固定される。接触体３０１の図３における＋Ｚ側に第２の振動体３０３が配される。振動体３０３も、前述の突起部２０２が接触体３０１と当接するように向きが決められている。第２の振動体３０３は振動体固定部材３０５に固定される。伝達部材３０６は、前記振動体固定部材３０４と３０５を保持すると共に、振動型モータの発生する出力を外部へ伝達する。さらに、振動型駆動装置は、振動体固定部材３０４と３０５とに保持される、２つの弾性部材３０７を有する。本実施形態においては弾性部材３０７としてコイルばねを用いている。ただし弾性部材３０７としては、板バネ等の他の形態の弾性部材を用いても良い。第１の振動体３０２と第２の振動体３０３には不図示の圧電素子板と外部との電気的な接続を行うフレキシブル基板が備えられている。２個の振動体は、不図示の駆動回路に対して直列に接続されており、共通化された駆動回路を用いて交番電圧が印加される。

（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。

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、２つの振動体が備える各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−を出力する発振器を有する。加えて、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。

図１０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１０（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１０（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。

図５は、本発明のパルス信号発生回路の構成を示す図である。尚、これ以外に例えば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良い。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。

図１に戻り、説明を続ける。スイッチング回路から出力された交流電圧Ｖｉは、インダクタ１０１と昇圧用トランス１０２によって所望のＳＩＮ波の交流電圧Ｖｏに昇圧される。振動型モータは、交流電圧Ｖｏ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。本実施例の振動型モータは２つの振動体が直列に接続された振動体群から成る。本発明で用いるトランス１０２は、２次側コイルに第１の端子、第２の端子、第１と第２の端子の間にセンタータップ端子を有する。振動体群の始端電極はトランスの第１の端子と接続され、振動体群の終端電極はトランスの第２の端子と接続され、振動体群の振動体同士が接続されている電極はセンタータップ端子に接続されている。本発明の特徴として、センタータップ端子と２つの圧電素子が接続される電極との間にはインピーダンス素子が設けられている。具体的には抵抗素子としての抵抗１２１が設けられている。抵抗１２１は高いインピーダンスを有する１ｋΩ以上１ＭΩ以下の抵抗であり、センタータップ端子から圧電素子同士を接続する電極に流れる電流を制限し、センタータップ端子は所定の電位に固定される。駆動中の抵抗１２１に流れる電流はほぼゼロであり、少なくとも電流Ｉ１及びＩ２よりも小さい電流値となる抵抗である事が望ましい。本発明は抵抗１２１を入れることにより、駆動電流の主経路をトランス２次側コイルと振動体群で形成されるループ状の直列回路として働かせる事ができる。すなわち、第１の振動体が備える第１の圧電素子（１０３）と、第２の振動体が備える第２の圧電素子（１０３’）とは実質的に直列に接続されている。

第１の圧電素子には交流電圧Ｖｏ１が、第２の圧電素子には交流電圧Ｖｏ２がそれぞれ印加される。ここで、第１の圧電素子に流れる電流Ｉ１と第２の圧電素子に流れる電流Ｉ２は、直列接続のためほぼ等しい電流値となる。従って、個体差によって２つの圧電素子のインピーダンスが異なっていても、トランスは等しい電流値が流れるようにＶｏ１とＶｏ２の電圧があたかも自動で調整されるように機能する。これは、前述の抵抗１２１を入れることによって駆動電流の主経路をトランス２次側コイルと複数の圧電素子で形成される直列回路として働かせる事ができる為である。第１の圧電素子と第２の圧電素子には同じ大きさの値の電流が流れるため、第１の圧電素子及び第２の圧電素子のそれぞれのインピーダンスの値に応じてそれぞれに電圧が印加されるためである。

一方で、トランスの共振回路としては、センタータップ端子の電位が２つの圧電素子を接続する電極に固定されているので並列回路として回路定数を設計でき、並列接続時と等価な条件でトランス２次側コイルのインダクタンスを設計することができる。尚、抵抗１２１の抵抗値をゼロにした場合は単純な並列回路として機能する為、Ｖｏ１とＶｏ２は同じ電圧になり、２つの振動体の駆動電流を揃えることはできなくなる。

尚、本実施例において、２つの圧電素子を接続する電極を図６（ａ）に示すようにグランド電位に落としても良い。また、図６（ｂ）に示すように、振動体群の終端（始端）電極をグランド電位に落としても良い。

次に、第１及び第２の圧電素子（１０３、１０３’）の等価回路を図１（ｂ）で説明する。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の静電容量１０６を示すＣｄを備えている。振動体の共振周波数ｆｍは、ＬｍとＣｍによって決まる。静電容量１０６に流れる電気腕電流Ｉｅと、機械的振動部分に流れる機械腕電流Ｉｍの合計値が圧電素子１０３に流れる電流Ｉ１及びＩ２であり、本発明はＩ１とＩ２の電流値が自動的に揃うように作用する。具体的には、振動体の共振周波数差によって生じる機械腕電流Ｉｍの差を補償するように、センタータップ端子を挟むトランス２次側コイルの電圧（Ｖｏ１、Ｖｏ２）が自動的に変化する。例えば、第１の振動体より第２の振動体の共振周波数が１ｋＨｚ低い場合、回路は同一の周波数で駆動するので通常は第２の振動体の方が共振から離れるのでＩｍは小さくなる。それに対して、本実施例は第２の振動体に印加する電圧が自動的に大きくなるので、２つの振動体のＩｍが揃うように作用する。

次に、共振回路１０５の電気共振周波数ｆｅについて説明する。ｆｅの設定は、出力される交流電圧のＳＩＮ波形の高調波歪みに関わるので、回路効率を上げるには重要である。一般的には、駆動周波数よりも高く、２倍又は３倍周波数より低い周波数に設定すると効果的に高調波歪みを低減できる。ここでポイントになるのが、複数の振動体を並列接続、あるいは直列接続するかで上記のｆｅに設定する際のトランスのコイル定数が変化する点である。トランスの設計としては、コイルのインダクタンス乃至巻線比（昇圧率）が大きくなり過ぎると素子の大型化や熱抵抗の増加を招いてしまう事が課題となる。

本実施例の共振回路１０５の電気共振周波数ｆｅは、インダクタ１０１、トランス１０２、静電容量Ｃｄの各定数によって決まり、前述の式１−１によって算出される。

ここで、Ｌ１はインダクタ１０１、Ｌ３はトランス１０２の１次側コイル、Ｌ４はトランス１０２の２次側コイル（センタータップ端子を挟む片方のコイル）、の各インダクタンスである。Ｍはトランス１０２の相互インダクタンスである。また、ｎは直列接続する振動体の数である（ｎは自然数）。本実施例では、Ｌ１は４．７μＨ、Ｌ３は１５μＨ、Ｌ４は３．８４ｍＨ、ｎは２、Ｃｄは０．５４ｎＦである。トランスの巻線比は１６倍、電源は３Ｖで、１２０Ｖｐｐ前後の交流電圧が出力される。本実施例の回路はトランスのインダクタンスと巻数比を大きくする必要がなく、結果的に回路消費電力を下げることができる。また、トランス２次側コイルと圧電素子の静電容量とのＬＣ共振周波数ｆｒ（ｆｒ＝１／（２π√（ＬＣ）））を駆動周波数付近にて周波数マッチングを取ることでトランス１次側の電流を下げることができ、回路効率を上げることができる。

尚、駆動周波数は８９〜９５ｋＨｚの間の帯域で操作される。この場合たとえば駆動周波数ｆｄの帯域の下限ｆｄ_ｍｉｎの７０％以上であり、上限ｆｄ_ｍａｘの１２０％以下であるような範囲、すなわち０．７×ｆｄ_ｍｉｎ≦ｆｒ≦１．２×ｆｄ_ｍａｘとなるよう調整するとよい。

ここで、２つの振動体の共振周波数ｆｍは８８ｋＨｚと８７ｋＨｚであり、１ｋＨｚの共振周波数差を有する。上述の算出式より、電気共振周波数ｆｅは１６０ｋＨｚとなる。

（本実施形態の効果）
図１１は２つの圧電素子に印加される電圧と機械腕電流の周波数特性のシミュレーション結果を示すものであり、従来の並列接続方式と本発明の駆動回路を比較したものである。横軸は周波数（８０〜１００ｋＨｚ）、縦軸は電圧（０〜２５０Ｖ）又は機械腕電流（０〜１５０ｍＡ）を示す。図１１（ａ）は、従来の並列接続方式（図９（ａ））におけるトランス出力電圧の周波数特性を示すものである。第１、第２の圧電素子に印加される電圧Ｖｏ１とＶｏ２は同じ電圧であり、振動体の共振周波数である８７〜８８ｋＨｚ付近で電圧が最も落ち込むように変化する。尚、駆動周波数は８９〜９５ｋＨｚの間で操作される。図１１（ｂ）は、従来の並列接続方式における機械腕電流の周波数特性を示すものである。ここで、２つの振動体の共振周波数ｆｍは８７ｋＨｚと８８ｋＨｚであり、１ｋＨｚの周波数差を有する。第１の振動体の共振周波数は１ｋＨｚ高いので、機械腕電流Ｉｍ１もそれに応じてピーク周波数が高くなっている。一方で、第２の振動体の共振周波数は８７ｋＨｚであり、機械腕電流Ｉｍ２は低域側でピークを生じる。このように、機械腕電流のピークがふた山に分かれてしまうことで２つの圧電素子に励起される振動が揃わず、振動体と接触体との摩擦接触面で滑りが生じてしまう。滑りによって本来のモータ性能を引き出すことができず、摺動損失による電力増加や速度低下を招いてしまう。

対して、図１１（ｃ）は、本発明の駆動回路におけるトランス出力電圧の周波数特性を示すものである。第１、第２の圧電素子に印加される電圧Ｖｏ１とＶｏ２のバランスは周波数に応じて変化している様子が分かる。例えば９０ｋＨｚ付近では、Ｖｏ１よりもＶｏ２の電圧が大きくなっている。これは、共振周波数の低い第２の振動体に出力される電圧は大きくなるように作用し、逆に共振周波数の高い第１の振動体に出力される電圧は小さくなるように作用する事を示す。図１１（ｄ）は、本発明の駆動回路における機械腕電流の周波数特性を示すものである。第１の振動体と第２の振動体の共振周波数差が１ｋＨｚあるにも関わらず、機械腕電流Ｉｍ１とＩｍ２のピーク周波数は揃っている。従って、２つの圧電素子に励起される振動を揃えることができ、速度の低下なく良好なモータ性能を得ることができる。

これまで本実施例の図１のように２つの振動体を接続する回路構成を説明してきたが、３つ以上の振動体を接続する回路構成においても同様の効果を得ることができる。

図７は、２次側コイルに複数のセンタータップ端子を有するトランスに３つ乃至４つの振動体を接続する駆動回路の構成例を示す図である。図７（ａ）は、３つの振動体を接続する構成例である。また、図７（ｂ）は、４つの振動体を接続する構成例である。振動体の圧電素子同士を直列に接続する電極とセンタータップ端子は高インピーダンスを有する抵抗を介して接続されており、電流の主経路はトランス２次側コイルと直列接続された圧電素子群で形成されるループ回路となる。従って、複数の圧電素子群に流れる電流を揃えることができ、個体差があっても自動的に電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ４は個別に調整される。また、振動体の個数を増やしてもトランスの昇圧率を変える必要はなく、トランス２次側コイルのインダクタンスを増加する必要はない。

このように、本発明によれば、簡素な構成で必要電圧の増加も無く、個体差に応じた電圧の自動調整機能を有する回路を実現することができる。

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（レンズ保持部材）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。

また部材とその部材を駆動する上述の振動型アクチュエータを備えた電子機器を提供することで、優れた駆動性能を有する電子機器を構成することも可能である。

［実施例２］
本発明の振動型モータの駆動装置として、その他のトランス回路の構成例を示す。

一般的には前記振動体群をｎセット有し、１つ又は複数のセンタータップ端子を有するトランスをｎ個有する振動型駆動装置を構成する。この振動型駆動装置のｎ番目の振動体群の一端電極はｎ番目のトランスの第１の端子と接続され、前記ｎ番目の振動体群の他端電極はｎ番目のトランスの第２の端子と接続される。加えて、前記ｎ番目の振動体群の振動体同士が接続されている電極はｎ番目のトランスのセンタータップ端子に接続され、前記ｎ個のトランスの１次側コイル同士が直列に接続されているよう構成するとよい。（ｎは２以上の自然数）

図８は、本発明の実施形態に係る駆動回路の構成例を示す図であり、２セットの振動体群を２個のトランスで駆動する回路である。２つの振動体が直列接続された振動体群１は、トランスの１次側コイルを通じて別の振動体群２に接続される。つまり、１番目のトランス１次側コイルと２番目のトランス１次側コイルとは直列に接続されるので、同じ電流が流れることを利用する。従って、振動体群１と振動体群２は同じ電流が流れるように作用する。図の中心より左側がＡ相用の駆動回路、右側がＢ相用の駆動回路であり、各圧電素子の共通電極はグランドに接続されている。本実施例の構成を用いれば、Ａ相とＢ相の圧電素子の電極の一方が共通電極となる振動体を４つ以上駆動する場合においても、Ａ相とＢ相の電極がつながることなく振動体を直列に接続することができる。

共振回路の設計は振動体群１と振動体群２で個別に考えれば良く、電気共振周波数ｆｅは図１で説明した算出式と同じである。本実施例では、コイル８０１は１０μＨ、トランス８０２の１次側コイルは１５μＨ、トランス８０２の２次側コイルは３．８４ｍＨ、トランス８０２の巻線比は１６倍、圧電素子の静電容量Ｃｄは０．５４ｎＦである。また、振動体群２に接続されるトランスの回路定数も同様である。電源は６Ｖで、Ｖｏ１〜Ｖｏ４は各々１２０Ｖｐｐ前後の交流電圧が出力され、個体差に応じて電圧が変化する。

尚、駆動周波数は８９〜９５ｋＨｚの間で操作される。電気共振周波数ｆｅは１６０ｋＨｚとなる。

本実施例は２つの振動体を直列接続した振動体群を説明したが、例えば３つ以上の振動体を直列接続した振動体群としても良い。また、トランス１次側コイルを介して２セットの振動体群を接続したが、３セット以上の振動体群を接続しても良い。

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。

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振動型モータの駆動装置に好適に適用できる。

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

Claims (13)

1. 電気−機械エネルギー変換素子と弾性体を備え接触体と接する直列に接続された複数の振動体により構成される振動体群と、
   センタータップ端子を有するトランス、
   を有し、
   前記振動体群の一端電極は前記トランスの第１の端子と接続され、
   前記振動体群の他端電極は前記トランスの第２の端子と接続され、
   前記振動体群の振動体同士が接続されている電極は前記センタータップ端子にインピーダンス素子を介して接続されていることを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記振動型駆動装置が駆動する際に、前記センタータップ端子と前記振動体群の振動体同士が接続されている電極との間で流れる電流は、
   前記振動体群における前記一端電極から前記他端電極を流れる電流よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の振動型駆動装置。
3. 前記トランスの２次側コイルと振動体の静電容量とによるＬＣ共振周波数ｆｒを下記式１の範囲となるよう構成された請求項１又は２記載の振動型駆動装置。
   （式１）０．７×ｆｄ_ｍｉｎ≦ｆｒ≦１．２×ｆｄ_ｍａｘ
   但し、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加される電圧の駆動周波数ｆｄの帯域の下限がｆｄ_ｍｉｎであり、上限がｆｄ_ｍａｘである。
4. 前記インピーダンス素子は抵抗素子である請求項１乃至３のいずれか１項記載の振動型駆動装置。
5. １ｋΩ以上１ＭΩ以下の抵抗素子である請求項４記載の振動型駆動装置。
6. 前記振動体群は共振周波数に差があることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の振動型駆動装置。
7. 前記振動体同士が接続されている電極がグランド電位にあることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の振動型駆動装置。
8. 前記一端電極または前記他端電極がグランド電位にあることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の振動型駆動装置。
9. ３つ以上の前記振動体によって前記振動体群が構成され、前記トランスは複数の前記センタータップ端子を有し、
   前記振動体群の振動体同士が接続されている電極は前記複数のセンタータップ端子のそれぞれにインピーダンス素子を介して接続されている請求項１乃至８のいずれか１項記載の振動型駆動装置。
10. ｎを２以上の自然数とし、前記振動体群をｎセット有し、
    １つ又は複数のセンタータップ端子を有するトランスをｎ個有し、
    ｎ番目の振動体群の一端電極はｎ番目のトランスの第１の端子と接続され、
    前記ｎ番目の振動体群の他端電極はｎ番目のトランスの第２の端子と接続され、
    前記ｎ番目の振動体群の振動体同士が接続されている電極はｎ番目のトランスのセンタータップ端子に接続され、前記ｎ個のトランスの１次側コイル同士が直列に接続されている
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の振動型駆動装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項記載の振動型駆動装置と、
    前記振動体群に接する共通の接触体とを有する振動型アクチュエータ。
12. レンズと、前記接触体を駆動することで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１１に記載の振動型アクチュエータと、前記レンズあるいは前記レンズ保持部材の位置を検出する位置センサと、を備えた交換用レンズ。
13. 部材と、
    前記部材を駆動する請求項１１に記載の振動型アクチュエータを備えた電子機器。

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