JP3722082B2 - 駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置に関し、特にはＸＹ移動ステージ、カメラの撮影レンズ、オーバヘッドプロジェクタの投影レンズ、双眼鏡のレンズ等の駆動に適した駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮影レンズ等が取り付けられた移動部材を棒状の駆動部材に所定の摩擦力を有するように結合させると共に、その駆動部材の一方端に圧電素子を固着して構成されたインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置が知られている。例えば、図１１は、カメラの撮影レンズ位置を調節するための駆動装置の概略構成を示す図である。
【０００３】
この図１１における駆動装置１００は、電気機械変換素子である圧電素子１０１と、圧電素子１０１により駆動される棒状の駆動部材１０２と、駆動部材１０２に所定の摩擦力で結合された移動部材１０３と、圧電素子１０１に駆動電圧を印加する駆動回路１０４とを備えている。
【０００４】
圧電素子１０１は、駆動回路１０４から印加される駆動電圧に応じて伸縮するものであり、その伸縮方向における一方端が支持部材１０５に固着されると共に、その他方端が駆動部材１０２の軸方向における一方端に固着されたものである。移動部材１０３は、所定箇所に駆動対象物である撮影レンズＬが固着され、駆動部材１０２上を軸方向に沿って移動可能とされている。
【０００５】
駆動回路１０４は、図１２に示すように、波形発生器１０７とパワーアンプ１０８とで構成される。波形発生器１０７は、例えば０〜５Ｖの矩形波からなる駆動電圧を生成してパワーアンプ１０８に入力し、パワーアンプ１０８は、波形発生器１０７から供給される駆動電圧を例えば０〜１０Ｖの矩形波からなる駆動電圧に増幅して圧電素子１０１に印加する。
【０００６】
このように構成された駆動装置１００では、駆動回路１０４から、例えばデューティ比Ｄ（Ｄ＝Ｂ／Ａ）が０．２５である図１３（ａ）に示すような矩形波形の駆動電圧が圧電素子１０１に印加される。この駆動電圧を用いた駆動方法は、インパクト型圧電アクチュエータを構成する圧電素子１０１に結合された駆動部材１０２の機械共振特性による振幅伝達特性と位相伝達特性とを利用している。
【０００７】
図１４（ａ）は振幅伝達特性を示す図であり、縦軸は駆動部材１０２の振幅を表し、横軸は駆動部材１０２の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。図１４（ｂ）は位相伝達特性を示す図であり、縦軸は位相を表し、横軸は駆動部材１０２の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。複数の共振のなかで最も低い機械共振周波数ｆｒ１の前後に駆動電圧に含まれる基本波信号の周波数ｆｄａ（図１３（ｂ）参照）と第２高調波の周波数ｆｄｂ（図１３（ｃ）参照）とをｆｄａ＜ｆｒ１＜ｆｄｂとなるように設定することによって第３高調波の周波数ｆｄｃ以上の高調波信号成分に対する駆動部材１０２の機械応答を低下させる。そして、機械共振の単峰特性を利用して基本波信号と第２高調波信号とに対する適当な機械変位の応答を得て、さらに基本波と第２高調波との位相関係を変化させることで最終的に駆動部材１０２の機械変位が図１３（ｄ）に示すような鋸波形状となるように駆動電圧の振幅、デューティ比Ｄ、駆動周波数ｆｄ、振幅伝達特性及び位相伝達特性を設定することによって所望のインパクト型圧電アクチュエータの機械負荷速度を得ている。
【０００８】
また、駆動装置１００の動作としては、駆動電圧が圧電素子１０１に繰り返し印加されると、圧電素子１０１の伸縮により移動部材１０３は繰出方向（圧電素子１０１から離反する方向）である矢印ａ方向に駆動部材１０２とともに移動する（図１１参照）。すなわち、図１３（ｄ）に示す機械変位の緩慢な立ち上がり部Ｃでは駆動部材１０２が緩やかに伸長することになるため、移動部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が大きくなり、移動部材１０３は駆動部材１０２と共に繰出方向に移動する一方、急峻な立ち下がり部Ｄでは駆動部材１０２が急激に縮小することになるため、移動部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が小さくなり、駆動部材１０２が戻り方向（矢印ａとは逆方向）に移動しても移動部材１０３は駆動部材１０２上をスリップして略同位置に留まることになる。このため、図１３（ａ）に示すような波形の駆動電圧が圧電素子１０１に繰り返し印加されると、移動部材１０３は矢印ａ方向に間欠的に移動する。
【０００９】
また、移動部材１０３を戻り方向に移動させる場合は、駆動電圧のデューティ比Ｄを変化させることで図１３（ｄ）に示す立ち上がり部Ｃを急峻な立ち上がりとなるようにし、立ち下り部Ｄを緩慢な立ち下りとなるようにする。これにより、機械変位の急峻な立ち上がり部Ｃでは駆動部材１０２が繰出方向に急激に伸長することになるため、移動部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が小さくなり、移動部材１０３は駆動部材１０２上をスリップして略同位置に留まる一方、緩慢な立ち下がり部Ｄでは駆動部材１０２が緩やかに縮小することになるため、移動部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が大きくなり、移動部材１０３は駆動部材１０２と共に戻り方向（矢印ａとは逆方向）に移動することになる。このため、移動部材１０３は矢印ａの逆方向に間欠的に移動することになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の駆動装置において、振幅伝達特性や位相伝達特性はインパクト型圧電アクチュエータの機械設計によって達成される特性であるため、低コスト化及び小型化等の制約で自由に設計できるものではない。また、駆動信号としては、その振幅とデューティ比Ｄは操作可能であり、基本波と第２高調波との振幅の合成比は変えることができるが、デューティ比Ｄを変えても位相は同相のままで変わらないため位相関係を操作することは困難である。そのため、インパクト型圧電アクチュエータの機械設計で位相関係を設定する必要があるが、この場合も低コスト化及び小型化等の制約で自由に設計できるものではない。
【００１１】
このような問題を解決するために、出願人は、インパクト型圧電アクチュエータを構成する圧電素子１０１の有する複数の電極に異なる駆動信号を各々加算して印加し、インパクト型圧電アクチュエータを駆動させる出願時点で未公開である駆動方法を提案している（特願2001−357660）。この場合の移動部材１０３の駆動する速度を制御する駆動方法としては、デューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法と周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法とがある。これらの駆動方法において、圧電素子１０１に印加される複数の駆動電圧を同時に可変させる電圧速度制御を行った場合、第１の駆動方法では振幅が同じ駆動電圧を印加した第２の駆動方法よりも駆動電圧の基本波成分の振幅が大きいので、高い速度が発生するが、不感帯が大きくなり低速時の速度が不安定となるという問題が生じる場合がある。
【００１２】
また、第２の駆動方法では、複数の駆動電圧間の位相の調整により最適な駆動部材１０２の機械変位の波形形状（鋸波形状）が得られるため、第１の駆動方法に比べて不感帯が小さくなり安定した低速度駆動が可能となる。
【００１３】
そのため、上記の第１の駆動方法及び第２の駆動方法で移動部材１０３の位置や速度の制御を行う場合、移動距離が短い微調整時には、通常、低速度駆動を行うが、第１の駆動方法でこの低速度駆動を行った場合、低電圧で駆動するため、動作範囲が不感帯に近づいて速度が不安定になるという問題が生じる場合がある。
【００１４】
ここで、不感帯について説明する。図１５は、不感帯について説明するための図である。不感帯とは、入力が少ない間は出力が０のままであるという入出力特性における入力の強度のことである。例えば、電圧速度制御方法においては、駆動電圧（入力）が小さい間は機械負荷の速度（出力）が０のままであるという入出力特性における駆動電圧の大きさのこととなる。図１５に示すように、出力が立ち上がる部分では、入力値に対する出力値にばらつきが生じて不安定な速度特性となる。この不感帯は、装置や環境等によっても左右され、実験等によって得られる特性である。
【００１５】
また、高電圧で駆動する場合、比較的速度の安定性が良好な間引き速度制御方法による低速度駆動が考えられる。しかし、駆動信号を間引くことによって速度を制御する間引き速度制御方法では、速度にばらつきが生じたり、見かけ上の駆動周期が大きくなり、当該駆動周期が可聴帯域に入ると音響雑音が発生するため、静粛さが求められる例えばカメラ等の機器では好ましくないという問題が生じる場合がある。
【００１６】
また、移動距離が長い粗調整時には、通常、高速度駆動を行うが、第２の駆動方法では、第１の駆動方法に比べて、最大速度が低いため、目標値に到達するまでに時間がかかり、製品としての仕様を満足することができないという問題が生じる場合がある。
【００１７】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、電気機械変換素子に印加される駆動電圧を生成する駆動回路の駆動方法を所望する移動部材の制御速度及び調整状態に応じて切り換えることができる駆動装置を提供することを目的とするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る駆動装置は、駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、電気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固着される支持部材と、電気機械変換素子の伸縮方向における他方端に固着される駆動部材と、駆動部材に所定の摩擦力で係合され、電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで支持部材と相対移動する移動部材と、駆動電圧を生成する駆動回路と、第１及び第２の駆動方法を含む複数の駆動方法を切り換えることによって駆動回路を制御し、複数の駆動電圧を生成する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、第１及び第２の駆動方法を含む複数の駆動方法を切り換えることによって、電気機械変換素子に印加される駆動電圧を生成する駆動回路の動作が制御され、複数の駆動電圧が生成されるため、駆動回路の駆動方法を所望する移動部材の制御速度及び調整状態に応じて切り換えることができる。
【００２１】
また、制御手段によって、複数の駆動方法のうちのデューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法で駆動回路の動作が制御されるため、移動部材を現在位置から目標位置まで高速度で移動させる粗調整時に、デューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法を適用することができる。
【００２３】
また、制御手段によって、複数の駆動方法のうちの周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法で駆動回路の動作が制御されるため、移動部材を目標位置に低速度で移動させる微調整時に、周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法を適用することができる。
【００２４】
制御手段は、移動部材の微調整時に他の駆動方法と比較して不感帯の小さい駆動方法を用い、移動部材の粗調整時に他の駆動方法と比較して高速度を発生させる駆動方法を用いることが好ましい。
【００２５】
この構成によれば、制御手段は、移動部材の微調整時に複数の駆動方法のうちの他の駆動方法と比較して不感帯の小さい駆動方法を用い、移動部材の粗調整時に複数の駆動方法のうちの他の駆動方法と比較して高速度を発生させる駆動方法を用いることで駆動回路を動作させることができる。
【００２６】
なお、ここでの粗調整とは移動部材を現在位置から目標位置の一定距離範囲以内まで高速度で移動させる調整状態であり、微調整とはさらに移動部材を低速度で一定距離移動させることによって目標位置に停止させるよう調整する調整状態である。
【００２７】
制御手段は、移動部材の粗調整時に第１の駆動方法を用い、移動部材の微調整時に第２の駆動方法を用いることが好ましい。
【００２８】
この構成によれば、制御手段は、移動部材の粗調整時に複数の駆動方法のうちのデューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法で駆動回路を動作させることができ、移動部材の微調整時に複数の駆動方法のうちの周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法で駆動回路を動作させることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係るインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置の基本構成を概略的に示すブロック図である。この図１において、駆動装置１０は、駆動部１２と、駆動部１２を駆動する駆動回路１４と、駆動部１２に取り付けられている移動部材３０の位置を検出する部材センサ１６と、駆動部１２に取り付けられている移動部材３０の移動可能範囲内の基端に配設された基端センサ１８と、駆動部１２に取り付けられている移動部材３０の移動可能範囲内の先端に配設された先端センサ２０と、全体の動作を制御する制御部２２とを備えている。
【００３０】
図２は、駆動部１２の構成例を示す斜視図である。この図２において、駆動部１２は、素子固定式構造のものであり、支持部材２４と、電気機械変換素子である圧電素子２６と、駆動部材２８と、移動部材３０とから構成されている。
【００３１】
支持部材２４は、圧電素子２６及び駆動部材２８を保持するものであり、円柱体の軸方向両端部２４１，２４２と略中央に位置する仕切壁２４３とを残して内部を刳り貫くことにより形成された第１の収容空間２４４及び第２の収容空間２４５を有している。この第１の収容空間２４４には、圧電素子２６がその分極方向である伸縮方向を支持部材２４の軸方向と一致させた状態で収容されている。また、第２の収容空間２４５には、駆動部材２８と移動部材３０の一部とが収容されている。
【００３２】
圧電素子２６は、例えば、所定の厚みを有する複数枚の圧電基板を各圧電基板間に電極を介して積層することにより構成したものであって、その伸縮方向（積層方向）である長手方向の一方端面が第１の収容空間２４４の一方端部２４１側端面に固着されている。支持部材２４の他方端部２４２及び仕切壁２４３には中心位置に丸孔が穿設されると共に、この両丸孔を貫通して断面円形状の棒状の駆動部材２８が第２収容空間２４５に軸方向に沿って移動可能に収容されている。
【００３３】
駆動部材２８の第１の収容空間２４４内に突出した端部は圧電素子２６の他方端面に固着され、駆動部材２８の第２の収容空間２４５の外部に突出した端部は板ばね３２により所定のばね圧で圧電素子２６側に付勢されている。この板ばね３２による駆動部材２８への付勢は、圧電素子２６の伸縮動作に基づく駆動部材２８の軸方向変位を安定化させるためである。
【００３４】
移動部材３０は、駆動部材２８の軸方向の両側に取付部３０１を有する基部３０２と、両取付部３０１の間に装着される挟込み部材３０３とを備えており、基部３０２が駆動部材２８に遊嵌されると共に、挟込み部材３０３が両取付部３０１に取り付けられた板ばね３０４により下方に押圧されて駆動部材２８に接触することで移動部材３０が所定の摩擦力で駆動部材２８に結合され、移動部材３０に対してその摩擦力よりも大きな駆動力が作用したときに駆動部材２８の軸方向に沿って移動可能とされている。なお、移動部材３０には駆動対象物である撮影レンズＬ（図１）が取り付けられる。
【００３５】
図３は、駆動回路１４の構成例を示す図である。図３に示す駆動回路１４は、ブリッジ回路で構成され、第１の駆動手段である第１の駆動回路１４１と第２の駆動手段である第２の駆動回路１４２とから構成される。第１の駆動回路１４１は、エンハンスメント型のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型ＦＥＴ（Field Ｅffect Transistor）であるスイッチ素子Ｔｒ１からなる第１スイッチ回路１４３、同じくエンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ２からなる第２スイッチ回路１４４、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１及び波形発生器１４５で構成される。第２の駆動回路１４２は、エンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ３からなる第３スイッチ回路１４６、同じくエンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ４からなる第４スイッチ回路１４７、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２及び波形発生器１４８で構成される。
【００３６】
第１の駆動回路１４１は、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１がスイッチ素子Ｔｒ１のソース電極に供給され、接地される接続点ａとの間に第１スイッチ回路１４３及び第２スイッチ回路１４４の直列回路が接続される。第２の駆動回路１４２は、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２がスイッチ素子Ｔｒ３のソース電極に供給され、接地される接続点ａとの間に第３スイッチ回路１４６及び第４スイッチ回路１４７の直列回路が接続される。
【００３７】
第１スイッチ回路１４３を構成するスイッチ素子Ｔｒ１及び第３スイッチ回路１４６を構成するスイッチ素子Ｔｒ３はＰチャンネルＦＥＴであり、第２スイッチ回路１４４を構成するスイッチ素子Ｔｒ２及び第４スイッチ回路１４７を構成するスイッチ素子Ｔｒ４はＮチャンネルＦＥＴである。ＰチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ１，Ｔｒ３は駆動制御信号がローレベルのときにオンになり、ＮチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ２，Ｔｒ４は駆動制御信号がハイレベルのときにオンになる。なお、第１スイッチ回路１４３及び第２スイッチ回路１４４の接続点ｃと、第３スイッチ回路１４６及び第４スイッチ回路１４７の接続点ｄとの間に圧電素子２６が接続されてブリッジ回路が構成される。
【００３８】
波形発生器１４５からの第１の駆動信号Ｓ ａはスイッチ素子Ｔｒ１及びスイッチ素子Ｔｒ２のゲート電極に接続され、波形発生器１４８からの第２の駆動信号Ｓｂはスイッチ素子Ｔｒ３及びスイッチ素子Ｔｒ４のゲート電極に接続される。第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂは、複数の駆動方法に応じて切り換えられる駆動信号である。
【００３９】
本実施の形態では、デューティ比Ｄが０．５以外の駆動信号を用いた第１の駆動方法、周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法を切り換えて駆動回路の動作を制御する。なお、第２の駆動方法における第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号ＳｂはそれぞれＳａＡ，ＳｂＡとし、第１の駆動方法における第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号ＳｂはそれぞれＳａＢ，ＳｂＢとする。
【００４０】
第２の駆動方法の場合、第１の駆動信号ＳａＡ及び第２の駆動信号ＳｂＡは、周波数比が整数比の駆動信号であり、本実施の形態においてこの整数比は１：２である。第１の駆動信号ＳａＡは、周波数がｆｄ１であり、振幅がＶ１でデューティ比Ｄ１（Ｄ１＝Ｂ１／Ａ１）が０．５の矩形波形である。第２の駆動信号ＳｂＡは、周波数がｆｄ２であり、振幅がＶ２でデューティ比Ｄ２（Ｄ２＝Ｂ２／Ａ２）が０．５の矩形波形である。なお、第１の駆動信号ＳａＡのデューティ比Ｄ１と第２の駆動信号ＳｂＡのデューティ比Ｄ２とは、Ｄ１＋Ｄ２＝１の関係にある。
【００４１】
第１の駆動方法の場合、第１の駆動信号ＳａＢ及び第２の駆動信号ＳｂＢは、各々同じ周波数ｆｄ３であり、第１の駆動信号ＳａＢは振幅がＶ３でデューティ比Ｄ３（Ｄ３＝Ｂ３／Ａ３）が０．７５の矩形波形であり、第２の駆動信号ＳｂＢは、第１の駆動信号ＳａＢとは逆相の振幅がＶ４でデューティ比Ｄ４（Ｄ４＝Ｂ４／Ａ４）が０．２５の矩形波形である。
【００４２】
直流電源電圧Ｖ１及びＶ２は、圧電素子２６に印加される矩形波駆動電圧の大きさを決める値であり、直流電源電圧Ｖ１は第１の駆動信号Ｓａに対応する第１の駆動電圧Ｖａの振幅、直流電源電圧Ｖ２は第２の駆動信号Ｓｂに対応する第２の駆動電圧Ｖｂの振幅を決める速度制御電圧となる。第１の駆動電圧Ｖａ及び第２の駆動電圧Ｖｂは第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂとは逆位相の電圧で、第１の駆動電圧Ｖａは圧電素子２６の電極Ａ側から、第２の駆動電圧Ｖｂは圧電素子２６の電極Ｂ側からそれぞれ印加される。
【００４３】
なお、直流電源電圧Ｖ１及びＶ２をＶ１＝Ｖ２として電源系統を統一してもよい。この場合、回路構成が簡素化されることとなり、駆動回路の低コスト化及び小型化をさらに実現することができる。
【００４４】
図１に戻り、部材センサ１６は、移動部材３０の移動可能範囲内に配設されたものであり、ＭＲＥ（Magneto Resistive Effect）素子やＰＳＤ（Position Sensitive Device）素子等の適宜のセンサにより構成されている。また、基端センサ１８及び先端センサ２０は、フォトインタラプタ等の適宜のセンサにより構成されている。これにより、移動部材３０の位置が部材センサ１６により検出されることで移動部材３０の所定位置への移動制御が可能となる一方、移動部材３０の位置が基端センサ１８及び先端センサ２０により検出されることで移動部材３０のそれ以上の移動が禁止される。
【００４５】
また、制御部２２は、演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理プログラム及びデータが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）及びデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されており、部材センサ１６、基端センサ１８及び先端センサ２０から入力される信号に基づいて駆動回路１４の動作を制御する。すなわち、制御部２２は、第１の駆動回路１４１において生成される第１の駆動信号Ｓａ及び駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１と、第２の駆動回路１４２において生成される第２の駆動信号Ｓｂ及び駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２とを制御し、第２の駆動方法と第１の駆動方法とを切り換えることによって、駆動回路１４の動作を制御する。
【００４６】
次に、図４〜９を参照して駆動回路１４を用いた位相差速度制御方法の説明を行う。図４は、第２の駆動方法における駆動回路１４の原理的な動作を説明するためのパルス波形等を示す図である。図４（ａ）は、波形発生器１４５から出力される第１の駆動信号ＳａＡを表す矩形波であり、矩形波の振幅はＶ１であり、デューティ比Ｄ１は０．５である。図４（ｂ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動電圧ＶａＡを表す矩形波である。図４（ｃ）は圧電素子２６に印加される第１の駆動周波数ｆｄ１の正弦波電圧ＶＡ１を表す波形である。図４（ｄ）は、波形発生器１４８から出力される第２の駆動信号ＳｂＡを表す矩形波であり、矩形波の振幅はＶ２であり、デューティ比Ｄ２は０．５である。また、第１の駆動信号ＳａＡと第２の駆動信号ＳｂＡとの周波数の比は１：２であり、デューティ比Ｄ１とデューティ比Ｄ２との関係はＤ１＋Ｄ２＝１である。図４（ｅ）は、圧電素子２６に印加される第２の駆動電圧ＶｂＡを表す矩形波である。図４（ｆ）は圧電素子２６に印加される第２の駆動周波数ｆｄ２の正弦波電圧ＶＡ２を表す波形である。図４（ｇ）は第１の駆動電圧ＶａＡと第２の駆動電圧ＶｂＡとの差に相当する駆動電圧ＶｄＡを表す図である。第１の駆動電圧ＶａＡが圧電素子２６の一方側の電極である電極Ａから印加され、第２の駆動電圧ＶｂＡが他方側の電極である電極Ｂから印加される（図３参照）。
【００４７】
図５は、第１の駆動方法における駆動回路１４の原理的な動作を説明するためのパルス波形等を示す図である。図５（ａ）は、波形発生器１４５から出力される第１の駆動信号ＳａＢを表す矩形波であり、矩形波の振幅はＶ３であり、デューティ比Ｄ１は０．２５である。図５（ｂ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動電圧ＶａＢを表す矩形波である。図５（ｃ）は圧電素子２６に印加される第１の駆動周波数ｆｄ３の正弦波電圧ＶＢ１を表す波形である。図５（ｄ）は、波形発生器１４８から出力される第２の駆動信号ＳｂＢを表す矩形波であり、矩形波の振幅はＶ４であり、デューティ比Ｄ２は０．７５である。また、第１の駆動信号ＳａＢのデューティ比Ｄ１と第２の駆動信号ＳｂＢのデューティ比Ｄ２との関係はＤ１＋Ｄ２＝１である。図５（ｅ）は、圧電素子２６に印加される第２の駆動電圧ＶｂＢを表す矩形波である。図５（ｆ）は圧電素子２６に印加される第２の駆動周波数ｆｄ３の正弦波電圧ＶＢ２を表す波形である。図５（ｇ）は第１の駆動電圧ＶａＢと第２の駆動電圧ＶｂＢとの差に相当する駆動電圧ＶｄＢを表す図である。第１の駆動電圧ＶａＢが圧電素子２６の一方側の電極である電極Ａから印加され、第２の駆動電圧ＶｂＢが他方側の電極である電極Ｂから印加される（図３参照）。
【００４８】
図６は、駆動装置１０を構成する駆動部材２８の機械共振特性を示す特性図である。図６（ａ）は振幅伝達特性を示す図であり、縦軸は駆動部材２８の振幅を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。図６（ｂ）は位相伝達特性を示す図であり、縦軸は位相を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。なお、共振特性の鋭さを表す量Ｑの値は、駆動部材２８に移動部材３０（機械負荷）が実装されている状態での実効Ｑ値で１０としている。
【００４９】
駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒの最も低い機械共振周波数ｆｒ１付近に、駆動周波数ｆｄ１及び駆動周波数ｆｄ２を各々設定することによって共振特性の有する振幅伝達特性を利用し、第１の駆動電圧Ｖａ及び第２の駆動電圧Ｖｂの基本波成分及び高調波成分に対する駆動部材２８の機械変位応答を操作することができる。この操作により、第２の駆動方法の場合、圧電素子２６に第１の駆動電圧ＶａＡ及び第２の駆動電圧ＶｂＡの各々の基本波成分電圧である正弦波電圧ＶＡ１，ＶＡ２を主に印加できる。また、第１の駆動方法の場合、駆動電圧ＶｄＢの基本波成分ＶＢ１と第２高調波成分ＶＢ２とを主に印加することができる。
【００５０】
ここで、駆動部材２８の機械変位応答を操作する一例を示す。第２の駆動方法の場合、駆動周波数ｆｄ１、ｆｄ２の設定はｆｒ１を基準にして以下の３種類がある。
ｆｄ１＜ｆｄ２＜ｆｒ１・・・・▲１▼
ｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２・・・・▲２▼
ｆｒ１＜ｆｄ１＜ｆｄ２・・・・▲３▼
【００５１】
上記のように、第１の駆動信号Ｓｄ１及び第２の駆動信号Ｓｄ２の周波数が、電気機械変換素子である圧電素子２６の最も低い機械共振周波数ｆｒ１に基づいて設定されるため、例えば、第１の駆動信号Ｓｄ１の駆動周波数ｆｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２の駆動周波数ｆｄ２とをｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２（▲２▼）となるように設定することや、ｆｒ１＜ｆｄ１＜ｆｄ２（▲３▼）となるように設定することや、ｆｄ１＜ｆｄ２＜ｆｒ１（▲１▼）となるように設定することができ、設定の自由度が増すこととなる。
【００５２】
また、第１の駆動方法の場合、駆動電圧ＶａＢ，ＶｂＢに含まれる基本成分周波数ｆｄ３と第２高調波成分周波数ｆｄ４（＝２×ｆｄ３）との位相関係は圧電素子２６の振幅伝達特性と位相伝達特性との両立のため固定であるので、駆動部材２８の変位波形を鋸波形状にできるだけ近似させるためには、上記▲２▼に相当するｆｄ３＜ｆｒ１＜ｆｄ４の設定が最良となる。
【００５３】
なお、支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の機械共振周波数ｆｒは、次の式（１）により求めたものである。
【００５４】
【数１】
【００５５】
上記式（１）におけるｆｒｏは圧電素子２６の両電極間におけるフリー共振周波数（圧電素子２６自体の電極間方向における機械共振周波数）、ｍｐは圧電素子２６の質量、ｍｆは駆動部材２８の質量をそれぞれ表わしている。なお、支持部材２４の質量は、共振系における圧電素子２６の機械共振周波数ｆｒに関係するが、支持部材２４の質量は圧電素子２６及び駆動部材２８の各質量ｍｐ，ｍｆを加算したものに比べて十分大きな値を有しており、機械共振周波数ｆｒに与える影響は小さいので演算パラメータとして考慮する必要はない。また、移動部材３０は、圧電素子２６の共振時には駆動部材２８に対して滑りを生じて実質的に共振系の要素として考慮する必要はないので、上記式（１）の演算パラメータとしては含まれていない。
【００５６】
図７（ａ）は、図６（ａ），（ｂ）のｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２（▲２▼）の場合における振幅伝達特性を示す特性図であり、縦軸は駆動部材２８の振幅を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。図７（ｂ）は、図６（ａ），（ｂ）のｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２（▲２▼）の場合における位相伝達特性を示す特性図であり、縦軸は位相を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。
【００５７】
ここで、第２の駆動方法の基本となる駆動周波数ｆｄ１及び第１の駆動方法の基本となる駆動周波数ｆｄ３の設定は、上述に従い任意でよいが、本実施の形態では、一例として両駆動方法の基本駆動周波数を等しく設定し（ｆｄ１＝ｆｄ３）、上記▲２▼の設定を選択した場合について説明する。
【００５８】
例えば、基本駆動周波数ｆｄ１、ｆｄ３をｆｄ１＝ｆｄ３＝０．７５×ｆｒ１（ｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２、ｆｄ３＜ｆｒ１＜ｆｄ４）となるように設定する。なお、説明の便宜上、直流電源電圧Ｖ１，Ｖ２をＶ１＝Ｖ２とし、その結果、第１の駆動電圧Ｖａの振幅は第２の駆動電圧Ｖｂの振幅と等しくなる。このとき、第１の駆動方法では、ＶａＢ＝ＶｂＢのため、駆動電圧ＶｄＢ＝ＶａＢ−ＶｂＢとなる。
【００５９】
第２の駆動方法の場合、圧電素子２６の両電極Ａ，Ｂには、第１の駆動電圧ＶａＡと第２の駆動電圧ＶｂＡとの差に相当する駆動電圧ＶｄＡが印加される。したがって、駆動電圧ＶｄＡに含まれる基本波成分と第２高調波成分の含有率は各々同値で０．６３７である。これは、第１の駆動電圧ＶａＡ又は第２の駆動電圧ＶｂＡのＰ−Ｐ値に対する各正弦波成分の振幅比のことで、フーリエ級数解析から得られる値である。振幅伝達特性によって、第１の駆動電圧ＶａＡ及び第２の駆動電圧ＶｂＡに対する変位の高調波成分は各々除去され、残った変位の基本波成分は各々振幅と位相シフトの変化を受ける。振幅伝達特性による振幅変化は、図７（ａ）に示すようにｒ１：ｒ２＝２．２５：０．７９４となる。また、位相伝達特性による位相シフト量は、図７（ｂ）に示すようにθ１：θ２＝−９．７°：−１７３．２°となる。
【００６０】
図８は、本発明に係る駆動装置１０に適用される駆動回路１４の第２の駆動方法における具体的な位相差制御を説明するための図である。図８（ａ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動電圧ＶａＡを表す矩形波である。図８（ｂ）は、圧電素子２６に印加される第２の駆動電圧ＶｂＡを表す矩形波である。図８（ｃ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動周波数ｆｄ１の正弦波電圧ＶＡ１及び第２の駆動周波数ｆｄ２の正弦波電圧ＶＡ２を表す波形である。図８（ｄ）は、第１の正弦波電圧ＶＡ１による機械変位ｘ１、第２の正弦波電圧ＶＡ２による機械変位ｘ２及び駆動部材２８の機械変位ｘを表す波形である。図８（ｄ）に示すように、駆動部材２８の機械変位ｘは、第１の正弦波電圧ＶＡ１による機械変位ｘ１と第２の正弦波電圧ＶＡ２による機械変位ｘ２とを合成（ｘ＝ｘ１＋ｘ２）したものとなる。図８（ｅ）は、機械変位ｘ１を微分した速度ｖ１、機械変位ｘ２を微分した速度ｖ２及び駆動部材２８の駆動速度ｖを表す波形である。図８（ｅ）に示すように、駆動部材２８の駆動速度ｖは、上記機械変位ｘ１を微分した速度ｖ１と機械変位ｘ２を微分した速度ｖ２とを合成（ｖ＝ｖ１＋ｖ２）したものとなる。
【００６１】
ここで、図８（ｄ）に示す合成変位ｘの波形を見てみると、立ち上がり部Ｅで大きなふくらみが発生しており、鋸波形状とはなっておらず、所望する駆動部材２８の機械変位ｘを得ることができない。また、駆動部材２８の速度ｖ１，ｖ２が略同相の場合に、駆動速度ｖの波形は略台形形状になるが、図８（ｅ）に示す駆動速度ｖの波形は略台形形状になっておらず、所望する駆動部材２８の速度を得ることはできない。そのため、所望する駆動部材２８の鋸波形状の機械変位を得るためには第１の正弦波電圧ＶＡ１、第２の正弦波電圧ＶＡ２の振幅と位相関係を操作する必要がある。なお、この操作は機械共振周波数ｆｒ１の特性の変更は困難であるため、振幅の操作に関しては直流電源電圧Ｖ１又はＶ２の可変によって行い、位相の操作に関しては第１の駆動信号ＳａＡ、第２の駆動信号ＳｂＡの位相関係の可変によって行う。なお、本実施の形態では、Ｖ１＝Ｖ２と設定しているため、駆動周波数のシフト及び駆動信号Ｓａ，Ｓｂの位相関係の操作により最適な機械変位を得る。
【００６２】
そこで、第２の駆動信号ＳｂＡの位相を第１の駆動信号ＳａＡの位相に対して例えば６５°進ませる。図８（ｆ）は、第２の駆動信号ＳｂＡの位相を第１の駆動信号ＳａＡの位相に対して６５°進ませた第２の駆動電圧ＶｂＡ’を表す矩形波である。このように、第２の駆動信号ＳｂＡの位相を第１の駆動信号ＳａＡの位相に対して例えば６５°進ませることによって図８（ｆ）に示すような第２の駆動電圧ＶｂＡ’が得られる。このときの第２の正弦波電圧ＶＡ２’による機械変位ｘ２’は図８（ｇ）に示す波形となる。機械変位ｘ１と機械変位ｘ２’とを合成した機械変位ｘ’は図８（ｇ）に示すような鋸波形状となり、所望する駆動部材２８の機械変位を得ることができるようになる。また、このときの機械速度ｖ２’は図８（ｈ）に示す波形となる。機械速度ｖ１と機械速度ｖ２’とを合成した駆動速度ｖ’は図８（ｈ）に示すような略台形波形となり、所望の駆動速度を得ることができるようになる。
【００６３】
図９は、本発明に係る駆動装置１０に適用される駆動回路１４の第１の駆動方法における具体的な位相差制御を説明するための図である。図９（ａ）は、圧電素子２６に印加される駆動電圧ＶｄＢを表す矩形波である。図９（ａ）に示すように、第１の駆動方法の場合、圧電素子２６の両電極Ａ，Ｂには、第２の駆動方法と同様に第１の駆動電圧ＶａＢと第２の駆動電圧ＶｂＢとの差に相当する駆動電圧ＶｄＢ（＝２ＶａＢ）が印加される。したがって、駆動電圧ＶｄＢに含まれる基本波成分と第２高調波成分の含有率は各々０．９００，０．６３７である。これは、第１の駆動電圧ＶａＢ又は第２の駆動電圧ＶｂＢのＰ−Ｐ値に対する各正弦波成分の振幅比を２倍した値で、第２の駆動方法の場合と比べて基本波成分の比率が大きいため、最大速度も高くなる。振幅伝達特性によって、第１の駆動電圧ＶａＢ及び第２の駆動電圧ＶｂＢに対する変位の３次以上の高調波成分は各々除去され、残った変位の基本波成分は各々振幅と位相シフトの変化を受ける。振幅伝達特性による振幅変化は、第２の駆動方法と同様に図７（ａ）に示すようにｒ１：ｒ２＝２．２５：０．７９４となる。また、位相伝達特性による位相シフト量は、第２の駆動方法と同様に図７（ｂ）に示すようにθ１：θ２＝−９．７°：−１７３．２°となる。図９（ｂ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動周波数ｆｄ３の正弦波電圧ＶＢ１及び第２の駆動周波数ｆｄ１（＝ｆｄ３）の正弦波電圧ＶＢ２を表す波形であり、図９（ｃ）は、第１の正弦波電圧ＶＢ１による機械変位ｘ３、第２の正弦波電圧ＶＢ２による機械変位ｘ４及び駆動部材２８の機械変位ｘを表す波形である。図９（ｃ）に示すように、駆動部材２８の機械変位ｘは、第１の正弦波電圧ＶＢ１による機械変位ｘ３と第２の正弦波電圧ＶＢ２による機械変位ｘ４とを合成（ｘ＝ｘ３＋ｘ４）したものとなる。図９（ｄ）は、機械変位ｘ３を微分した速度ｖ３、機械変位ｘ４を微分した速度ｖ４及び駆動部材２８の駆動速度ｖを表す波形である。図９（ｄ）に示すように、駆動部材２８の駆動速度ｖは、上記機械変位ｘ３を微分した速度ｖ３と機械変位ｘ４を微分した速度ｖ４とを合成（ｖ＝ｖ３＋ｖ４）したものとなる。
【００６４】
ここで、図９（ｃ）に示す合成変位ｘの波形を見てみると、略鋸波形状ではあるが、基本波成分と第２高調波成分間の振幅、位相関係の調整ができないため、第２の駆動方法のように理想的な鋸波形状を得ることができない。
【００６５】
以上のように移動部材３０の機械変位が理想的な鋸波形状が得られるように調整された駆動回路１４において、第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂを第２の駆動方法及び第１の駆動方法に切り換えた場合の速度制御電圧と移動部材３０の速度特性を図１０に示す。図１０において、縦軸を機械負荷（移動部材３０）の速度ｖとし、横軸を速度制御電圧Ｖ１（＝Ｖ２）とし、第２の駆動方法に切り換えた場合の速度制御電圧と移動部材３０の速度特性をＰとし、第１の駆動方法に切り換えた場合の速度制御電圧と移動部材３０の速度特性をＱとする。図１０に示す低速度領域Ｒ1は、移動部材３０の速度が０から第１の駆動方法の立ち上がり部分の不感帯Ｆ2が安定状態に移行する速度ｖxまでの領域を表す。この低速度領域Ｒ1において、第２の駆動方法の立ち上がり部分の不感帯Ｆ1が第１の駆動方法の立ち上がり部分の不感帯Ｆ2と比べて小さくなっているため、第２の駆動方法を用いた方が比較的安定した速度の立ち上がり特性が得られ、安定した低速度が得られる。また、高速度領域Ｒ2では、第１の駆動方法の方が第２の駆動方法と比べて低電圧で高速度が得られることがわかる。このような特性を考慮して、所望する移動部材３０の速度に応じて両駆動方法を切り換えればよい。すなわち、制御部２２は、少なくとも低速度領域Ｒ1では第２の駆動方法を用い、高速度領域Ｒ2では第１の駆動方法を用いて駆動回路を動作させる。
【００６６】
なお、第２の駆動方法と第１の駆動方法とを切り換えるタイミングについて制御部２２は、速度制御電圧Ｖ１の値がＶｔとなる第２の駆動方法における特性Ｐと第１の駆動方法における特性Ｑとの交点Ｓで両駆動方法を切り換えることにより、両駆動方法の利点を生かすことができ、且つ低速度及び高速度間の滑らかな速度制御が可能となる。
【００６７】
このように、第１の駆動方法及び第２の駆動方法を切り換えることによって駆動回路１４の動作が制御されるため、電気機械変換素子である圧電素子２６に印加される駆動電圧を生成する駆動回路１４の駆動方法を、所望する移動部材３０の制御速度に応じて切り換えることができる。さらに、低速度で細かい調整が要求される微調整時には、第１の駆動方法と比較して、不感帯の小さい低速度が得られる第２の駆動方法を用い、高速度で大まかな調整が要求される粗調整時には、第２の駆動方法と比較して、不感帯は大きいものの高速度が得られる第１の駆動方法を用いることによって移動部材３０の調整状態に応じて切り換えることができる。
【００６８】
なお、本実施の形態では、第２の駆動方法において第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂに矩形波を用いたが、本発明は特にこれに限定されず、第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂに正弦波を用いてもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では、第２の駆動方法において第１の駆動信号ＳａＡのデューティ比Ｄ１及び第２の駆動信号ＳｂＡのデューティ比Ｄ２がともに０．５である矩形波としたが、本発明は特にこれに限定されず、第１の駆動信号ＳａＡのデューティ比Ｄ１及び第２の駆動信号ＳｂＡのデューティ比Ｄ２がともに０．５でない矩形波であってもよい。
【００７０】
また、本実施の形態では、周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法及びデューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法を複数の駆動方法として用いたが、本発明は特にこれに限定されず、他の駆動方法を用いてもよい。
【００７１】
また、本実施の形態では、周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法及びデューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法を同一の駆動回路を動作させることによって切り換えるが、本発明は特にこれに限定されず、両駆動方法を別の駆動回路で動作させてもよい。この場合、駆動回路が複数必要となり、コスト削減及び装置の簡素化を考慮すると好ましいものではなく、本実施の形態のように、両駆動方法を同一の駆動回路で実現した方がコスト削減及び装置の簡素化を図ることができる。
【００７２】
また、本実施の形態では、カメラの撮影レンズに関する駆動装置で説明したが、本発明は特にこれに限定されず、ＸＹ移動ステージ、オーバーヘッドプロジェクタの投影レンズ及び双眼鏡のレンズ等の駆動に適した駆動装置にも適用可能である。
【００７３】
【発明の効果】
複数の駆動方法を切り換えることによって、電気機械変換素子に印加される駆動電圧を生成する駆動回路の動作が制御され、複数の駆動電圧が生成されるため、駆動回路の駆動方法を所望する移動部材の制御速度及び調整状態に応じて切り換えることができる。
また、移動部材を現在位置から目標位置まで高速度で移動させる粗調整時に、デューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法を適用することができる。
さらに、移動部材を目標位置に低速度で移動させる微調整時に、周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置の基本構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】 駆動部１２の構成例を示す斜視図である。
【図３】 駆動回路１４の構成例を示す図である。
【図４】 第２の駆動方法における駆動回路１４の原理的な動作を説明するためのパルス波形等を示す図である。
【図５】 第１の駆動方法における駆動回路１４の原理的な動作を説明するためのパルス波形等を示す図である。
【図６】 駆動装置１０を構成する駆動部材２８の機械共振特性を示す特性図である。
【図７】 本発明に係る駆動装置１０の振幅伝達特性及び位相伝達特性を示す特性図である。
【図８】 本発明に係る駆動装置１０に適用される駆動回路１４の具体的な位相差制御を説明するための図である。
【図９】 本発明に係る駆動装置１０に適用される駆動回路１４の第２の駆動方法における具体的な動作を説明するための図である。
【図１０】 第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂを第２の駆動方法及び第１の駆動方法に切り換えた場合の速度制御電圧と移動部材３０の速度特性を示す図である。
【図１１】 従来例の駆動装置の概略構成を示す図である。
【図１２】 図１１に示す従来例の駆動装置の駆動回路の構成例を示すブロック図である。
【図１３】 図１２に示す駆動回路の出力波形を示す図である。
【図１４】 従来例の駆動装置の振幅伝達特性及び位相伝達特性を示す特性図である。
【図１５】 不感帯について説明するための図である。
【符号の説明】
１０ 駆動装置
１４ 駆動回路
２２ 制御部（制御手段）
２４ 支持部材
２６ 圧電素子（電気機械変換素子）
２８ 駆動部材
３０ 移動部材
１４１ 第１の駆動回路
１４２ 第２の駆動回路
１４３ 第１のスイッチング回路
１４４ 第２のスイッチング回路
１４５ 第１の波形発振器
１４６ 第３のスイッチング回路
１４７ 第４のスイッチング回路
１４８ 第２の波形発振器
Ｔｒ１ 第１のスイッチ素子
Ｔｒ２ 第２のスイッチ素子
Ｔｒ３ 第３のスイッチ素子
Ｔｒ４ 第４のスイッチ素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置に関し、特にはＸＹ移動ステージ、カメラの撮影レンズ、オーバヘッドプロジェクタの投影レンズ、双眼鏡のレンズ等の駆動に適した駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮影レンズ等が取り付けられた移動部材を棒状の駆動部材に所定の摩擦力を有するように結合させると共に、その駆動部材の一方端に圧電素子を固着して構成されたインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置が知られている。例えば、図１１は、カメラの撮影レンズ位置を調節するための駆動装置の概略構成を示す図である。
【０００３】
この図１１における駆動装置１００は、電気機械変換素子である圧電素子１０１と、圧電素子１０１により駆動される棒状の駆動部材１０２と、駆動部材１０２に所定の摩擦力で結合された移動部材１０３と、圧電素子１０１に駆動電圧を印加する駆動回路１０４とを備えている。
【０００４】
圧電素子１０１は、駆動回路１０４から印加される駆動電圧に応じて伸縮するものであり、その伸縮方向における一方端が支持部材１０５に固着されると共に、その他方端が駆動部材１０２の軸方向における一方端に固着されたものである。移動部材１０３は、所定箇所に駆動対象物である撮影レンズＬが固着され、駆動部材１０２上を軸方向に沿って移動可能とされている。
【０００５】
駆動回路１０４は、図１２に示すように、波形発生器１０７とパワーアンプ１０８とで構成される。波形発生器１０７は、例えば０〜５Ｖの矩形波からなる駆動電圧を生成してパワーアンプ１０８に入力し、パワーアンプ１０８は、波形発生器１０７から供給される駆動電圧を例えば０〜１０Ｖの矩形波からなる駆動電圧に増幅して圧電素子１０１に印加する。
【０００６】
このように構成された駆動装置１００では、駆動回路１０４から、例えばデューティ比Ｄ（Ｄ＝Ｂ／Ａ）が０．２５である図１３（ａ）に示すような矩形波形の駆動電圧が圧電素子１０１に印加される。この駆動電圧を用いた駆動方法は、インパクト型圧電アクチュエータを構成する圧電素子１０１に結合された駆動部材１０２の機械共振特性による振幅伝達特性と位相伝達特性とを利用している。
【０００７】
図１４（ａ）は振幅伝達特性を示す図であり、縦軸は駆動部材１０２の振幅を表し、横軸は駆動部材１０２の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。図１４（ｂ）は位相伝達特性を示す図であり、縦軸は位相を表し、横軸は駆動部材１０２の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。複数の共振のなかで最も低い機械共振周波数ｆｒ１の前後に駆動電圧に含まれる基本波信号の周波数ｆｄａ（図１３（ｂ）参照）と第２高調波の周波数ｆｄｂ（図１３（ｃ）参照）とをｆｄａ＜ｆｒ１＜ｆｄｂとなるように設定することによって第３高調波の周波数ｆｄｃ以上の高調波信号成分に対する駆動部材１０２の機械応答を低下させる。そして、機械共振の単峰特性を利用して基本波信号と第２高調波信号とに対する適当な機械変位の応答を得て、さらに基本波と第２高調波との位相関係を変化させることで最終的に駆動部材１０２の機械変位が図１３（ｄ）に示すような鋸波形状となるように駆動電圧の振幅、デューティ比Ｄ、駆動周波数ｆｄ、振幅伝達特性及び位相伝達特性を設定することによって所望のインパクト型圧電アクチュエータの機械負荷速度を得ている。
【０００８】
また、駆動装置１００の動作としては、駆動電圧が圧電素子１０１に繰り返し印加されると、圧電素子１０１の伸縮により移動部材１０３は繰出方向（圧電素子１０１から離反する方向）である矢印ａ方向に駆動部材１０２とともに移動する（図１１参照）。すなわち、図１３（ｄ）に示す機械変位の緩慢な立ち上がり部Ｃでは駆動部材１０２が緩やかに伸長することになるため、移動部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が大きくなり、移動部材１０３は駆動部材１０２と共に繰出方向に移動する一方、急峻な立ち下がり部Ｄでは駆動部材１０２が急激に縮小することになるため、移動部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が小さくなり、駆動部材１０２が戻り方向（矢印ａとは逆方向）に移動しても移動部材１０３は駆動部材１０２上をスリップして略同位置に留まることになる。このため、図１３（ａ）に示すような波形の駆動電圧が圧電素子１０１に繰り返し印加されると、移動部材１０３は矢印ａ方向に間欠的に移動する。
【０００９】
また、移動部材１０３を戻り方向に移動させる場合は、駆動電圧のデューティ比Ｄを変化させることで図１３（ｄ）に示す立ち上がり部Ｃを急峻な立ち上がりとなるようにし、立ち下り部Ｄを緩慢な立ち下りとなるようにする。これにより、機械変位の急峻な立ち上がり部Ｃでは駆動部材１０２が繰出方向に急激に伸長することになるため、移動部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が小さくなり、移動部材１０３は駆動部材１０２上をスリップして略同位置に留まる一方、緩慢な立ち下がり部Ｄでは駆動部材１０２が緩やかに縮小することになるため、移動部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が大きくなり、移動部材１０３は駆動部材１０２と共に戻り方向（矢印ａとは逆方向）に移動することになる。このため、移動部材１０３は矢印ａの逆方向に間欠的に移動することになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の駆動装置において、振幅伝達特性や位相伝達特性はインパクト型圧電アクチュエータの機械設計によって達成される特性であるため、低コスト化及び小型化等の制約で自由に設計できるものではない。また、駆動信号としては、その振幅とデューティ比Ｄは操作可能であり、基本波と第２高調波との振幅の合成比は変えることができるが、デューティ比Ｄを変えても位相は同相のままで変わらないため位相関係を操作することは困難である。そのため、インパクト型圧電アクチュエータの機械設計で位相関係を設定する必要があるが、この場合も低コスト化及び小型化等の制約で自由に設計できるものではない。
【００１１】
このような問題を解決するために、出願人は、インパクト型圧電アクチュエータを構成する圧電素子１０１の有する複数の電極に異なる駆動信号を各々加算して印加し、インパクト型圧電アクチュエータを駆動させる出願時点で未公開である駆動方法を提案している（特願2001−357660）。この場合の移動部材１０３の駆動する速度を制御する駆動方法としては、デューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法と周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法とがある。これらの駆動方法において、圧電素子１０１に印加される複数の駆動電圧を同時に可変させる電圧速度制御を行った場合、第１の駆動方法では振幅が同じ駆動電圧を印加した第２の駆動方法よりも駆動電圧の基本波成分の振幅が大きいので、高い速度が発生するが、不感帯が大きくなり低速時の速度が不安定となるという問題が生じる場合がある。
【００１２】
また、第２の駆動方法では、複数の駆動電圧間の位相の調整により最適な駆動部材１０２の機械変位の波形形状（鋸波形状）が得られるため、第１の駆動方法に比べて不感帯が小さくなり安定した低速度駆動が可能となる。
【００１３】
そのため、上記の第１の駆動方法及び第２の駆動方法で移動部材１０３の位置や速度の制御を行う場合、移動距離が短い微調整時には、通常、低速度駆動を行うが、第１の駆動方法でこの低速度駆動を行った場合、低電圧で駆動するため、動作範囲が不感帯に近づいて速度が不安定になるという問題が生じる場合がある。
【００１４】
ここで、不感帯について説明する。図１５は、不感帯について説明するための図である。不感帯とは、入力が少ない間は出力が０のままであるという入出力特性における入力の強度のことである。例えば、電圧速度制御方法においては、駆動電圧（入力）が小さい間は機械負荷の速度（出力）が０のままであるという入出力特性における駆動電圧の大きさのこととなる。図１５に示すように、出力が立ち上がる部分では、入力値に対する出力値にばらつきが生じて不安定な速度特性となる。この不感帯は、装置や環境等によっても左右され、実験等によって得られる特性である。
【００１５】
また、高電圧で駆動する場合、比較的速度の安定性が良好な間引き速度制御方法による低速度駆動が考えられる。しかし、駆動信号を間引くことによって速度を制御する間引き速度制御方法では、速度にばらつきが生じたり、見かけ上の駆動周期が大きくなり、当該駆動周期が可聴帯域に入ると音響雑音が発生するため、静粛さが求められる例えばカメラ等の機器では好ましくないという問題が生じる場合がある。
【００１６】
また、移動距離が長い粗調整時には、通常、高速度駆動を行うが、第２の駆動方法では、第１の駆動方法に比べて、最大速度が低いため、目標値に到達するまでに時間がかかり、製品としての仕様を満足することができないという問題が生じる場合がある。
【００１７】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、電気機械変換素子に印加される駆動電圧を生成する駆動回路の駆動方法を所望する移動部材の制御速度及び調整状態に応じて切り換えることができる駆動装置を提供することを目的とするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る駆動装置は、駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、電気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固着される支持部材と、電気機械変換素子の伸縮方向における他方端に固着される駆動部材と、駆動部材に所定の摩擦力で係合され、電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで支持部材と相対移動する移動部材と、駆動電圧を生成する駆動回路と、第１及び第２の駆動方法を含む複数の駆動方法を切り換えることによって駆動回路を制御し、複数の駆動電圧を生成する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、第１及び第２の駆動方法を含む複数の駆動方法を切り換えることによって、電気機械変換素子に印加される駆動電圧を生成する駆動回路の動作が制御され、複数の駆動電圧が生成されるため、駆動回路の駆動方法を所望する移動部材の制御速度及び調整状態に応じて切り換えることができる。
【００２１】
また、制御手段によって、複数の駆動方法のうちのデューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法で駆動回路の動作が制御されるため、移動部材を現在位置から目標位置まで高速度で移動させる粗調整時に、デューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法を適用することができる。
【００２３】
また、制御手段によって、複数の駆動方法のうちの周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法で駆動回路の動作が制御されるため、移動部材を目標位置に低速度で移動させる微調整時に、周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法を適用することができる。
【００２４】
制御手段は、移動部材の微調整時に他の駆動方法と比較して不感帯の小さい駆動方法を用い、移動部材の粗調整時に他の駆動方法と比較して高速度を発生させる駆動方法を用いることが好ましい。
【００２５】
この構成によれば、制御手段は、移動部材の微調整時に複数の駆動方法のうちの他の駆動方法と比較して不感帯の小さい駆動方法を用い、移動部材の粗調整時に複数の駆動方法のうちの他の駆動方法と比較して高速度を発生させる駆動方法を用いることで駆動回路を動作させることができる。
【００２６】
なお、ここでの粗調整とは移動部材を現在位置から目標位置の一定距離範囲以内まで高速度で移動させる調整状態であり、微調整とはさらに移動部材を低速度で一定距離移動させることによって目標位置に停止させるよう調整する調整状態である。
【００２７】
制御手段は、移動部材の粗調整時に第１の駆動方法を用い、移動部材の微調整時に第２の駆動方法を用いることが好ましい。
【００２８】
この構成によれば、制御手段は、移動部材の粗調整時に複数の駆動方法のうちのデューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法で駆動回路を動作させることができ、移動部材の微調整時に複数の駆動方法のうちの周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法で駆動回路を動作させることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係るインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置の基本構成を概略的に示すブロック図である。この図１において、駆動装置１０は、駆動部１２と、駆動部１２を駆動する駆動回路１４と、駆動部１２に取り付けられている移動部材３０の位置を検出する部材センサ１６と、駆動部１２に取り付けられている移動部材３０の移動可能範囲内の基端に配設された基端センサ１８と、駆動部１２に取り付けられている移動部材３０の移動可能範囲内の先端に配設された先端センサ２０と、全体の動作を制御する制御部２２とを備えている。
【００３０】
図２は、駆動部１２の構成例を示す斜視図である。この図２において、駆動部１２は、素子固定式構造のものであり、支持部材２４と、電気機械変換素子である圧電素子２６と、駆動部材２８と、移動部材３０とから構成されている。
【００３１】
支持部材２４は、圧電素子２６及び駆動部材２８を保持するものであり、円柱体の軸方向両端部２４１，２４２と略中央に位置する仕切壁２４３とを残して内部を刳り貫くことにより形成された第１の収容空間２４４及び第２の収容空間２４５を有している。この第１の収容空間２４４には、圧電素子２６がその分極方向である伸縮方向を支持部材２４の軸方向と一致させた状態で収容されている。また、第２の収容空間２４５には、駆動部材２８と移動部材３０の一部とが収容されている。
【００３２】
圧電素子２６は、例えば、所定の厚みを有する複数枚の圧電基板を各圧電基板間に電極を介して積層することにより構成したものであって、その伸縮方向（積層方向）である長手方向の一方端面が第１の収容空間２４４の一方端部２４１側端面に固着されている。支持部材２４の他方端部２４２及び仕切壁２４３には中心位置に丸孔が穿設されると共に、この両丸孔を貫通して断面円形状の棒状の駆動部材２８が第２収容空間２４５に軸方向に沿って移動可能に収容されている。
【００３３】
駆動部材２８の第１の収容空間２４４内に突出した端部は圧電素子２６の他方端面に固着され、駆動部材２８の第２の収容空間２４５の外部に突出した端部は板ばね３２により所定のばね圧で圧電素子２６側に付勢されている。この板ばね３２による駆動部材２８への付勢は、圧電素子２６の伸縮動作に基づく駆動部材２８の軸方向変位を安定化させるためである。
【００３４】
移動部材３０は、駆動部材２８の軸方向の両側に取付部３０１を有する基部３０２と、両取付部３０１の間に装着される挟込み部材３０３とを備えており、基部３０２が駆動部材２８に遊嵌されると共に、挟込み部材３０３が両取付部３０１に取り付けられた板ばね３０４により下方に押圧されて駆動部材２８に接触することで移動部材３０が所定の摩擦力で駆動部材２８に結合され、移動部材３０に対してその摩擦力よりも大きな駆動力が作用したときに駆動部材２８の軸方向に沿って移動可能とされている。なお、移動部材３０には駆動対象物である撮影レンズＬ（図１）が取り付けられる。
【００３５】
図３は、駆動回路１４の構成例を示す図である。図３に示す駆動回路１４は、ブリッジ回路で構成され、第１の駆動手段である第１の駆動回路１４１と第２の駆動手段である第２の駆動回路１４２とから構成される。第１の駆動回路１４１は、エンハンスメント型のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型ＦＥＴ（Field Ｅffect Transistor）であるスイッチ素子Ｔｒ１からなる第１スイッチ回路１４３、同じくエンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ２からなる第２スイッチ回路１４４、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１及び波形発生器１４５で構成される。第２の駆動回路１４２は、エンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ３からなる第３スイッチ回路１４６、同じくエンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ４からなる第４スイッチ回路１４７、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２及び波形発生器１４８で構成される。
【００３６】
第１の駆動回路１４１は、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１がスイッチ素子Ｔｒ１のソース電極に供給され、接地される接続点ａとの間に第１スイッチ回路１４３及び第２スイッチ回路１４４の直列回路が接続される。第２の駆動回路１４２は、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２がスイッチ素子Ｔｒ３のソース電極に供給され、接地される接続点ａとの間に第３スイッチ回路１４６及び第４スイッチ回路１４７の直列回路が接続される。
【００３７】
第１スイッチ回路１４３を構成するスイッチ素子Ｔｒ１及び第３スイッチ回路１４６を構成するスイッチ素子Ｔｒ３はＰチャンネルＦＥＴであり、第２スイッチ回路１４４を構成するスイッチ素子Ｔｒ２及び第４スイッチ回路１４７を構成するスイッチ素子Ｔｒ４はＮチャンネルＦＥＴである。ＰチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ１，Ｔｒ３は駆動制御信号がローレベルのときにオンになり、ＮチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ２，Ｔｒ４は駆動制御信号がハイレベルのときにオンになる。なお、第１スイッチ回路１４３及び第２スイッチ回路１４４の接続点ｃと、第３スイッチ回路１４６及び第４スイッチ回路１４７の接続点ｄとの間に圧電素子２６が接続されてブリッジ回路が構成される。
【００３８】
波形発生器１４５からの第１の駆動信号Ｓ ａはスイッチ素子Ｔｒ１及びスイッチ素子Ｔｒ２のゲート電極に接続され、波形発生器１４８からの第２の駆動信号Ｓｂはスイッチ素子Ｔｒ３及びスイッチ素子Ｔｒ４のゲート電極に接続される。第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂは、複数の駆動方法に応じて切り換えられる駆動信号である。
【００３９】
本実施の形態では、デューティ比Ｄが０．５以外の駆動信号を用いた第１の駆動方法、周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法を切り換えて駆動回路の動作を制御する。なお、第２の駆動方法における第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号ＳｂはそれぞれＳａＡ，ＳｂＡとし、第１の駆動方法における第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号ＳｂはそれぞれＳａＢ，ＳｂＢとする。
【００４０】
第２の駆動方法の場合、第１の駆動信号ＳａＡ及び第２の駆動信号ＳｂＡは、周波数比が整数比の駆動信号であり、本実施の形態においてこの整数比は１：２である。第１の駆動信号ＳａＡは、周波数がｆｄ１であり、振幅がＶ１でデューティ比Ｄ１（Ｄ１＝Ｂ１／Ａ１）が０．５の矩形波形である。第２の駆動信号ＳｂＡは、周波数がｆｄ２であり、振幅がＶ２でデューティ比Ｄ２（Ｄ２＝Ｂ２／Ａ２）が０．５の矩形波形である。なお、第１の駆動信号ＳａＡのデューティ比Ｄ１と第２の駆動信号ＳｂＡのデューティ比Ｄ２とは、Ｄ１＋Ｄ２＝１の関係にある。
【００４１】
第１の駆動方法の場合、第１の駆動信号ＳａＢ及び第２の駆動信号ＳｂＢは、各々同じ周波数ｆｄ３であり、第１の駆動信号ＳａＢは振幅がＶ３でデューティ比Ｄ３（Ｄ３＝Ｂ３／Ａ３）が０．７５の矩形波形であり、第２の駆動信号ＳｂＢは、第１の駆動信号ＳａＢとは逆相の振幅がＶ４でデューティ比Ｄ４（Ｄ４＝Ｂ４／Ａ４）が０．２５の矩形波形である。
【００４２】
直流電源電圧Ｖ１及びＶ２は、圧電素子２６に印加される矩形波駆動電圧の大きさを決める値であり、直流電源電圧Ｖ１は第１の駆動信号Ｓａに対応する第１の駆動電圧Ｖａの振幅、直流電源電圧Ｖ２は第２の駆動信号Ｓｂに対応する第２の駆動電圧Ｖｂの振幅を決める速度制御電圧となる。第１の駆動電圧Ｖａ及び第２の駆動電圧Ｖｂは第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂとは逆位相の電圧で、第１の駆動電圧Ｖａは圧電素子２６の電極Ａ側から、第２の駆動電圧Ｖｂは圧電素子２６の電極Ｂ側からそれぞれ印加される。
【００４３】
なお、直流電源電圧Ｖ１及びＶ２をＶ１＝Ｖ２として電源系統を統一してもよい。この場合、回路構成が簡素化されることとなり、駆動回路の低コスト化及び小型化をさらに実現することができる。
【００４４】
図１に戻り、部材センサ１６は、移動部材３０の移動可能範囲内に配設されたものであり、ＭＲＥ（Magneto Resistive Effect）素子やＰＳＤ（Position Sensitive Device）素子等の適宜のセンサにより構成されている。また、基端センサ１８及び先端センサ２０は、フォトインタラプタ等の適宜のセンサにより構成されている。これにより、移動部材３０の位置が部材センサ１６により検出されることで移動部材３０の所定位置への移動制御が可能となる一方、移動部材３０の位置が基端センサ１８及び先端センサ２０により検出されることで移動部材３０のそれ以上の移動が禁止される。
【００４５】
また、制御部２２は、演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理プログラム及びデータが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）及びデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されており、部材センサ１６、基端センサ１８及び先端センサ２０から入力される信号に基づいて駆動回路１４の動作を制御する。すなわち、制御部２２は、第１の駆動回路１４１において生成される第１の駆動信号Ｓａ及び駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１と、第２の駆動回路１４２において生成される第２の駆動信号Ｓｂ及び駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２とを制御し、第２の駆動方法と第１の駆動方法とを切り換えることによって、駆動回路１４の動作を制御する。
【００４６】
次に、図４〜９を参照して駆動回路１４を用いた位相差速度制御方法の説明を行う。図４は、第２の駆動方法における駆動回路１４の原理的な動作を説明するためのパルス波形等を示す図である。図４（ａ）は、波形発生器１４５から出力される第１の駆動信号ＳａＡを表す矩形波であり、矩形波の振幅はＶ１であり、デューティ比Ｄ１は０．５である。図４（ｂ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動電圧ＶａＡを表す矩形波である。図４（ｃ）は圧電素子２６に印加される第１の駆動周波数ｆｄ１の正弦波電圧ＶＡ１を表す波形である。図４（ｄ）は、波形発生器１４８から出力される第２の駆動信号ＳｂＡを表す矩形波であり、矩形波の振幅はＶ２であり、デューティ比Ｄ２は０．５である。また、第１の駆動信号ＳａＡと第２の駆動信号ＳｂＡとの周波数の比は１：２であり、デューティ比Ｄ１とデューティ比Ｄ２との関係はＤ１＋Ｄ２＝１である。図４（ｅ）は、圧電素子２６に印加される第２の駆動電圧ＶｂＡを表す矩形波である。図４（ｆ）は圧電素子２６に印加される第２の駆動周波数ｆｄ２の正弦波電圧ＶＡ２を表す波形である。図４（ｇ）は第１の駆動電圧ＶａＡと第２の駆動電圧ＶｂＡとの差に相当する駆動電圧ＶｄＡを表す図である。第１の駆動電圧ＶａＡが圧電素子２６の一方側の電極である電極Ａから印加され、第２の駆動電圧ＶｂＡが他方側の電極である電極Ｂから印加される（図３参照）。
【００４７】
図５は、第１の駆動方法における駆動回路１４の原理的な動作を説明するためのパルス波形等を示す図である。図５（ａ）は、波形発生器１４５から出力される第１の駆動信号ＳａＢを表す矩形波であり、矩形波の振幅はＶ３であり、デューティ比Ｄ１は０．２５である。図５（ｂ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動電圧ＶａＢを表す矩形波である。図５（ｃ）は圧電素子２６に印加される第１の駆動周波数ｆｄ３の正弦波電圧ＶＢ１を表す波形である。図５（ｄ）は、波形発生器１４８から出力される第２の駆動信号ＳｂＢを表す矩形波であり、矩形波の振幅はＶ４であり、デューティ比Ｄ２は０．７５である。また、第１の駆動信号ＳａＢのデューティ比Ｄ１と第２の駆動信号ＳｂＢのデューティ比Ｄ２との関係はＤ１＋Ｄ２＝１である。図５（ｅ）は、圧電素子２６に印加される第２の駆動電圧ＶｂＢを表す矩形波である。図５（ｆ）は圧電素子２６に印加される第２の駆動周波数ｆｄ３の正弦波電圧ＶＢ２を表す波形である。図５（ｇ）は第１の駆動電圧ＶａＢと第２の駆動電圧ＶｂＢとの差に相当する駆動電圧ＶｄＢを表す図である。第１の駆動電圧ＶａＢが圧電素子２６の一方側の電極である電極Ａから印加され、第２の駆動電圧ＶｂＢが他方側の電極である電極Ｂから印加される（図３参照）。
【００４８】
図６は、駆動装置１０を構成する駆動部材２８の機械共振特性を示す特性図である。図６（ａ）は振幅伝達特性を示す図であり、縦軸は駆動部材２８の振幅を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。図６（ｂ）は位相伝達特性を示す図であり、縦軸は位相を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。なお、共振特性の鋭さを表す量Ｑの値は、駆動部材２８に移動部材３０（機械負荷）が実装されている状態での実効Ｑ値で１０としている。
【００４９】
駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒの最も低い機械共振周波数ｆｒ１付近に、駆動周波数ｆｄ１及び駆動周波数ｆｄ２を各々設定することによって共振特性の有する振幅伝達特性を利用し、第１の駆動電圧Ｖａ及び第２の駆動電圧Ｖｂの基本波成分及び高調波成分に対する駆動部材２８の機械変位応答を操作することができる。この操作により、第２の駆動方法の場合、圧電素子２６に第１の駆動電圧ＶａＡ及び第２の駆動電圧ＶｂＡの各々の基本波成分電圧である正弦波電圧ＶＡ１，ＶＡ２を主に印加できる。また、第１の駆動方法の場合、駆動電圧ＶｄＢの基本波成分ＶＢ１と第２高調波成分ＶＢ２とを主に印加することができる。
【００５０】
ここで、駆動部材２８の機械変位応答を操作する一例を示す。第２の駆動方法の場合、駆動周波数ｆｄ１、ｆｄ２の設定はｆｒ１を基準にして以下の３種類がある。
ｆｄ１＜ｆｄ２＜ｆｒ１・・・・▲１▼
ｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２・・・・▲２▼
ｆｒ１＜ｆｄ１＜ｆｄ２・・・・▲３▼
【００５１】
上記のように、第１の駆動信号Ｓｄ１及び第２の駆動信号Ｓｄ２の周波数が、電気機械変換素子である圧電素子２６の最も低い機械共振周波数ｆｒ１に基づいて設定されるため、例えば、第１の駆動信号Ｓｄ１の駆動周波数ｆｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２の駆動周波数ｆｄ２とをｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２（▲２▼）となるように設定することや、ｆｒ１＜ｆｄ１＜ｆｄ２（▲３▼）となるように設定することや、ｆｄ１＜ｆｄ２＜ｆｒ１（▲１▼）となるように設定することができ、設定の自由度が増すこととなる。
【００５２】
また、第１の駆動方法の場合、駆動電圧ＶａＢ，ＶｂＢに含まれる基本成分周波数ｆｄ３と第２高調波成分周波数ｆｄ４（＝２×ｆｄ３）との位相関係は圧電素子２６の振幅伝達特性と位相伝達特性との両立のため固定であるので、駆動部材２８の変位波形を鋸波形状にできるだけ近似させるためには、上記▲２▼に相当するｆｄ３＜ｆｒ１＜ｆｄ４の設定が最良となる。
【００５３】
なお、支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の機械共振周波数ｆｒは、次の式（１）により求めたものである。
【００５４】
【数１】
上記式（１）におけるｆｒｏは圧電素子２６の両電極間におけるフリー共振周波数（圧電素子２６自体の電極間方向における機械共振周波数）、ｍｐは圧電素子２６の質量、ｍｆは駆動部材２８の質量をそれぞれ表わしている。なお、支持部材２４の質量は、共振系における圧電素子２６の機械共振周波数ｆｒに関係するが、支持部材２４の質量は圧電素子２６及び駆動部材２８の各質量ｍｐ，ｍｆを加算したものに比べて十分大きな値を有しており、機械共振周波数ｆｒに与える影響は小さいので演算パラメータとして考慮する必要はない。また、移動部材３０は、圧電素子２６の共振時には駆動部材２８に対して滑りを生じて実質的に共振系の要素として考慮する必要はないので、上記式（１）の演算パラメータとしては含まれていない。
【００５６】
図７（ａ）は、図６（ａ），（ｂ）のｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２（▲２▼）の場合における振幅伝達特性を示す特性図であり、縦軸は駆動部材２８の振幅を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。図７（ｂ）は、図６（ａ），（ｂ）のｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２（▲２▼）の場合における位相伝達特性を示す特性図であり、縦軸は位相を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。
【００５７】
ここで、第２の駆動方法の基本となる駆動周波数ｆｄ１及び第１の駆動方法の基本となる駆動周波数ｆｄ３の設定は、上述に従い任意でよいが、本実施の形態では、一例として両駆動方法の基本駆動周波数を等しく設定し（ｆｄ１＝ｆｄ３）、上記▲２▼の設定を選択した場合について説明する。
【００５８】
例えば、基本駆動周波数ｆｄ１、ｆｄ３をｆｄ１＝ｆｄ３＝０．７５×ｆｒ１（ｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２、ｆｄ３＜ｆｒ１＜ｆｄ４）となるように設定する。なお、説明の便宜上、直流電源電圧Ｖ１，Ｖ２をＶ１＝Ｖ２とし、その結果、第１の駆動電圧Ｖａの振幅は第２の駆動電圧Ｖｂの振幅と等しくなる。このとき、第１の駆動方法では、ＶａＢ＝ＶｂＢのため、駆動電圧ＶｄＢ＝ＶａＢ−ＶｂＢとなる。
【００５９】
第２の駆動方法の場合、圧電素子２６の両電極Ａ，Ｂには、第１の駆動電圧ＶａＡと第２の駆動電圧ＶｂＡとの差に相当する駆動電圧ＶｄＡが印加される。したがって、駆動電圧ＶｄＡに含まれる基本波成分と第２高調波成分の含有率は各々同値で０．６３７である。これは、第１の駆動電圧ＶａＡ又は第２の駆動電圧ＶｂＡのＰ−Ｐ値に対する各正弦波成分の振幅比のことで、フーリエ級数解析から得られる値である。振幅伝達特性によって、第１の駆動電圧ＶａＡ及び第２の駆動電圧ＶｂＡに対する変位の高調波成分は各々除去され、残った変位の基本波成分は各々振幅と位相シフトの変化を受ける。振幅伝達特性による振幅変化は、図７（ａ）に示すようにｒ１：ｒ２＝２．２５：０．７９４となる。また、位相伝達特性による位相シフト量は、図７（ｂ）に示すようにθ１：θ２＝−９．７°：−１７３．２°となる。
【００６０】
図８は、本発明に係る駆動装置１０に適用される駆動回路１４の第２の駆動方法における具体的な位相差制御を説明するための図である。図８（ａ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動電圧ＶａＡを表す矩形波である。図８（ｂ）は、圧電素子２６に印加される第２の駆動電圧ＶｂＡを表す矩形波である。図８（ｃ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動周波数ｆｄ１の正弦波電圧ＶＡ１及び第２の駆動周波数ｆｄ２の正弦波電圧ＶＡ２を表す波形である。図８（ｄ）は、第１の正弦波電圧ＶＡ１による機械変位ｘ１、第２の正弦波電圧ＶＡ２による機械変位ｘ２及び駆動部材２８の機械変位ｘを表す波形である。図８（ｄ）に示すように、駆動部材２８の機械変位ｘは、第１の正弦波電圧ＶＡ１による機械変位ｘ１と第２の正弦波電圧ＶＡ２による機械変位ｘ２とを合成（ｘ＝ｘ１＋ｘ２）したものとなる。図８（ｅ）は、機械変位ｘ１を微分した速度ｖ１、機械変位ｘ２を微分した速度ｖ２及び駆動部材２８の駆動速度ｖを表す波形である。図８（ｅ）に示すように、駆動部材２８の駆動速度ｖは、上記機械変位ｘ１を微分した速度ｖ１と機械変位ｘ２を微分した速度ｖ２とを合成（ｖ＝ｖ１＋ｖ２）したものとなる。
【００６１】
ここで、図８（ｄ）に示す合成変位ｘの波形を見てみると、立ち上がり部Ｅで大きなふくらみが発生しており、鋸波形状とはなっておらず、所望する駆動部材２８の機械変位ｘを得ることができない。また、駆動部材２８の速度ｖ１，ｖ２が略同相の場合に、駆動速度ｖの波形は略台形形状になるが、図８（ｅ）に示す駆動速度ｖの波形は略台形形状になっておらず、所望する駆動部材２８の速度を得ることはできない。そのため、所望する駆動部材２８の鋸波形状の機械変位を得るためには第１の正弦波電圧ＶＡ１、第２の正弦波電圧ＶＡ２の振幅と位相関係を操作する必要がある。なお、この操作は機械共振周波数ｆｒ１の特性の変更は困難であるため、振幅の操作に関しては直流電源電圧Ｖ１又はＶ２の可変によって行い、位相の操作に関しては第１の駆動信号ＳａＡ、第２の駆動信号ＳｂＡの位相関係の可変によって行う。なお、本実施の形態では、Ｖ１＝Ｖ２と設定しているため、駆動周波数のシフト及び駆動信号Ｓａ，Ｓｂの位相関係の操作により最適な機械変位を得る。
【００６２】
そこで、第２の駆動信号ＳｂＡの位相を第１の駆動信号ＳａＡの位相に対して例えば６５°進ませる。図８（ｆ）は、第２の駆動信号ＳｂＡの位相を第１の駆動信号ＳａＡの位相に対して６５°進ませた第２の駆動電圧ＶｂＡ’を表す矩形波である。このように、第２の駆動信号ＳｂＡの位相を第１の駆動信号ＳａＡの位相に対して例えば６５°進ませることによって図８（ｆ）に示すような第２の駆動電圧ＶｂＡ’が得られる。このときの第２の正弦波電圧ＶＡ２’による機械変位ｘ２’は図８（ｇ）に示す波形となる。機械変位ｘ１と機械変位ｘ２’とを合成した機械変位ｘ’は図８（ｇ）に示すような鋸波形状となり、所望する駆動部材２８の機械変位を得ることができるようになる。また、このときの機械速度ｖ２’は図８（ｈ）に示す波形となる。機械速度ｖ１と機械速度ｖ２’とを合成した駆動速度ｖ’は図８（ｈ）に示すような略台形波形となり、所望の駆動速度を得ることができるようになる。
【００６３】
図９は、本発明に係る駆動装置１０に適用される駆動回路１４の第１の駆動方法における具体的な位相差制御を説明するための図である。図９（ａ）は、圧電素子２６に印加される駆動電圧ＶｄＢを表す矩形波である。図９（ａ）に示すように、第１の駆動方法の場合、圧電素子２６の両電極Ａ，Ｂには、第２の駆動方法と同様に第１の駆動電圧ＶａＢと第２の駆動電圧ＶｂＢとの差に相当する駆動電圧ＶｄＢ（＝２ＶａＢ）が印加される。したがって、駆動電圧ＶｄＢに含まれる基本波成分と第２高調波成分の含有率は各々０．９００，０．６３７である。これは、第１の駆動電圧ＶａＢ又は第２の駆動電圧ＶｂＢのＰ−Ｐ値に対する各正弦波成分の振幅比を２倍した値で、第２の駆動方法の場合と比べて基本波成分の比率が大きいため、最大速度も高くなる。振幅伝達特性によって、第１の駆動電圧ＶａＢ及び第２の駆動電圧ＶｂＢに対する変位の３次以上の高調波成分は各々除去され、残った変位の基本波成分は各々振幅と位相シフトの変化を受ける。振幅伝達特性による振幅変化は、第２の駆動方法と同様に図７（ａ）に示すようにｒ１：ｒ２＝２．２５：０．７９４となる。また、位相伝達特性による位相シフト量は、第２の駆動方法と同様に図７（ｂ）に示すようにθ１：θ２＝−９．７°：−１７３．２°となる。図９（ｂ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動周波数ｆｄ３の正弦波電圧ＶＢ１及び第２の駆動周波数ｆｄ１（＝ｆｄ３）の正弦波電圧ＶＢ２を表す波形であり、図９（ｃ）は、第１の正弦波電圧ＶＢ１による機械変位ｘ３、第２の正弦波電圧ＶＢ２による機械変位ｘ４及び駆動部材２８の機械変位ｘを表す波形である。図９（ｃ）に示すように、駆動部材２８の機械変位ｘは、第１の正弦波電圧ＶＢ１による機械変位ｘ３と第２の正弦波電圧ＶＢ２による機械変位ｘ４とを合成（ｘ＝ｘ３＋ｘ４）したものとなる。図９（ｄ）は、機械変位ｘ３を微分した速度ｖ３、機械変位ｘ４を微分した速度ｖ４及び駆動部材２８の駆動速度ｖを表す波形である。図９（ｄ）に示すように、駆動部材２８の駆動速度ｖは、上記機械変位ｘ３を微分した速度ｖ３と機械変位ｘ４を微分した速度ｖ４とを合成（ｖ＝ｖ３＋ｖ４）したものとなる。
【００６４】
ここで、図９（ｃ）に示す合成変位ｘの波形を見てみると、略鋸波形状ではあるが、基本波成分と第２高調波成分間の振幅、位相関係の調整ができないため、第２の駆動方法のように理想的な鋸波形状を得ることができない。
【００６５】
以上のように移動部材３０の機械変位が理想的な鋸波形状が得られるように調整された駆動回路１４において、第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂを第２の駆動方法及び第１の駆動方法に切り換えた場合の速度制御電圧と移動部材３０の速度特性を図１０に示す。図１０において、縦軸を機械負荷（移動部材３０）の速度ｖとし、横軸を速度制御電圧Ｖ１（＝Ｖ２）とし、第２の駆動方法に切り換えた場合の速度制御電圧と移動部材３０の速度特性をＰとし、第１の駆動方法に切り換えた場合の速度制御電圧と移動部材３０の速度特性をＱとする。図１０に示す低速度領域Ｒ1は、移動部材３０の速度が０から第１の駆動方法の立ち上がり部分の不感帯Ｆ2が安定状態に移行する速度ｖxまでの領域を表す。この低速度領域Ｒ1において、第２の駆動方法の立ち上がり部分の不感帯Ｆ1が第１の駆動方法の立ち上がり部分の不感帯Ｆ2と比べて小さくなっているため、第２の駆動方法を用いた方が比較的安定した速度の立ち上がり特性が得られ、安定した低速度が得られる。また、高速度領域Ｒ2では、第１の駆動方法の方が第２の駆動方法と比べて低電圧で高速度が得られることがわかる。このような特性を考慮して、所望する移動部材３０の速度に応じて両駆動方法を切り換えればよい。すなわち、制御部２２は、少なくとも低速度領域Ｒ1では第２の駆動方法を用い、高速度領域Ｒ2では第１の駆動方法を用いて駆動回路を動作させる。
【００６６】
なお、第２の駆動方法と第１の駆動方法とを切り換えるタイミングについて制御部２２は、速度制御電圧Ｖ１の値がＶｔとなる第２の駆動方法における特性Ｐと第１の駆動方法における特性Ｑとの交点Ｓで両駆動方法を切り換えることにより、両駆動方法の利点を生かすことができ、且つ低速度及び高速度間の滑らかな速度制御が可能となる。
【００６７】
このように、第１の駆動方法及び第２の駆動方法を切り換えることによって駆動回路１４の動作が制御されるため、電気機械変換素子である圧電素子２６に印加される駆動電圧を生成する駆動回路１４の駆動方法を、所望する移動部材３０の制御速度に応じて切り換えることができる。さらに、低速度で細かい調整が要求される微調整時には、第１の駆動方法と比較して、不感帯の小さい低速度が得られる第２の駆動方法を用い、高速度で大まかな調整が要求される粗調整時には、第２の駆動方法と比較して、不感帯は大きいものの高速度が得られる第１の駆動方法を用いることによって移動部材３０の調整状態に応じて切り換えることができる。
【００６８】
なお、本実施の形態では、第２の駆動方法において第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂに矩形波を用いたが、本発明は特にこれに限定されず、第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂに正弦波を用いてもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では、第２の駆動方法において第１の駆動信号ＳａＡのデューティ比Ｄ１及び第２の駆動信号ＳｂＡのデューティ比Ｄ２がともに０．５である矩形波としたが、本発明は特にこれに限定されず、第１の駆動信号ＳａＡのデューティ比Ｄ１及び第２の駆動信号ＳｂＡのデューティ比Ｄ２がともに０．５でない矩形波であってもよい。
【００７０】
また、本実施の形態では、周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法及びデューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法を複数の駆動方法として用いたが、本発明は特にこれに限定されず、他の駆動方法を用いてもよい。
【００７１】
また、本実施の形態では、周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法及びデューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法を同一の駆動回路を動作させることによって切り換えるが、本発明は特にこれに限定されず、両駆動方法を別の駆動回路で動作させてもよい。この場合、駆動回路が複数必要となり、コスト削減及び装置の簡素化を考慮すると好ましいものではなく、本実施の形態のように、両駆動方法を同一の駆動回路で実現した方がコスト削減及び装置の簡素化を図ることができる。
【００７２】
また、本実施の形態では、カメラの撮影レンズに関する駆動装置で説明したが、本発明は特にこれに限定されず、ＸＹ移動ステージ、オーバーヘッドプロジェクタの投影レンズ及び双眼鏡のレンズ等の駆動に適した駆動装置にも適用可能である。
【００７３】
【発明の効果】
複数の駆動方法を切り換えることによって、電気機械変換素子に印加される駆動電圧を生成する駆動回路の動作が制御され、複数の駆動電圧が生成されるため、駆動回路の駆動方法を所望する移動部材の制御速度及び調整状態に応じて切り換えることができる。
また、移動部材を現在位置から目標位置まで高速度で移動させる粗調整時に、デューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法を適用することができる。
さらに、移動部材を目標位置に低速度で移動させる微調整時に、周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置の基本構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】 駆動部１２の構成例を示す斜視図である。
【図３】 駆動回路１４の構成例を示す図である。
【図４】 第２の駆動方法における駆動回路１４の原理的な動作を説明するためのパルス波形等を示す図である。
【図５】 第１の駆動方法における駆動回路１４の原理的な動作を説明するためのパルス波形等を示す図である。
【図６】 駆動装置１０を構成する駆動部材２８の機械共振特性を示す特性図である。
【図７】 本発明に係る駆動装置１０の振幅伝達特性及び位相伝達特性を示す特性図である。
【図８】 本発明に係る駆動装置１０に適用される駆動回路１４の具体的な位相差制御を説明するための図である。
【図９】 本発明に係る駆動装置１０に適用される駆動回路１４の第２の駆動方法における具体的な動作を説明するための図である。
【図１０】 第１の駆動信号Ｓａ及び第２の駆動信号Ｓｂを第２の駆動方法及び第１の駆動方法に切り換えた場合の速度制御電圧と移動部材３０の速度特性を示す図である。
【図１１】 従来例の駆動装置の概略構成を示す図である。
【図１２】 図１１に示す従来例の駆動装置の駆動回路の構成例を示すブロック図である。
【図１３】 図１２に示す駆動回路の出力波形を示す図である。
【図１４】 従来例の駆動装置の振幅伝達特性及び位相伝達特性を示す特性図である。
【図１５】 不感帯について説明するための図である。
【符号の説明】
１０ 駆動装置
１４ 駆動回路
２２ 制御部（制御手段）
２４ 支持部材
２６ 圧電素子（電気機械変換素子）
２８ 駆動部材
３０ 移動部材
１４１ 第１の駆動回路
１４２ 第２の駆動回路
１４３ 第１のスイッチング回路
１４４ 第２のスイッチング回路
１４５ 第１の波形発振器
１４６ 第３のスイッチング回路
１４７ 第４のスイッチング回路
１４８ 第２の波形発振器
Ｔｒ１ 第１のスイッチ素子
Ｔｒ２ 第２のスイッチ素子
Ｔｒ３ 第３のスイッチ素子
Ｔｒ４ 第４のスイッチ素子
Claims (3)
- 駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固着される支持部材と、
前記電気機械変換素子の伸縮方向における他方端に固着される駆動部材と、
前記駆動部材に所定の摩擦力で係合され、前記電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで前記支持部材と相対移動する移動部材と、
前記駆動電圧を生成する駆動回路と、
デューティ比Ｄが０．５でない駆動信号を用いた第１の駆動方法及び周波数の異なる複数の駆動信号を用いた第２の駆動方法を含む複数の駆動方法を切り換えることによって前記駆動回路の動作を制御し、複数の駆動電圧を生成する制御手段とを備えることを特徴とする駆動装置。 - 前記制御手段は、前記移動部材の微調整時に他の駆動方法と比較して不感帯の小さい駆動方法を用い、前記移動部材の粗調整時に他の駆動方法と比較して高速度を発生させる駆動方法を用いることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
- 前記制御手段は、前記移動部材の粗調整時に前記第１の駆動方法を用い、前記移動部材の微調整時に前記第２の駆動方法を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置。
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