JP4687314B2 - 駆動装置および駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、電圧の印加に応じて伸縮する電気機械変換素子を有する駆動技術に関する。

圧電素子等の電気機械変換素子を用いた種々のタイプの駆動装置が提案されている。

例えば図１４(ａ)〜(ｃ)に模式的に示した素子固定タイプの駆動装置では、電機機械変換素子である圧電素子９２の伸縮方向の一端が固定部材９１に固定され、他端に駆動摩擦部材９４が固定されている。駆動摩擦部材９４は、圧電素子９２の伸縮に伴なって、操出方向と戻り方向とに移動するようになっている。駆動摩擦部材９４には、移動体９３が摩擦力によって係合している。

圧電素子９２に電圧を印加し、圧電素子９２を伸長時と収縮時との速度を異ならせて伸縮させることにより、移動体９３を駆動する。図１４(ａ)〜(ｃ)は、図１５に示した操出波形の電圧を印加したときのＰａ、Ｐｂ、Ｐｃにおける各状態を、それぞれ示している。

図１５の区間Ｐａ−Ｐｂにおいて電圧波形が緩やかに上昇するとき、圧電素子９２は相対的にゆっくり伸び、図１４(ａ)の状態から図１４(ｂ)の状態へと変化する。このとき、移動体９３は、駆動摩擦部材９４に対して滑ることなく、あるいはほとんど滑ることなく、実質的には駆動摩擦部材９４とともに一体的に移動する。

次に、区間Ｐｂ−Ｐｃにおいて電圧波形が急に下降するとき、圧電素子９２は相対的に急に縮み、駆動摩擦部材９４は急に初期位置に戻る。このとき、駆動摩擦部材９４と移動体９３との間に滑りが生じ、移動体９３は実質的に移動せず、駆動摩擦部材９４だけが初期位置に戻る。その結果、移動体９３は、図１４(ｃ)に示すように、図１４(ａ)の初期位置に対して操出方向に移動することとなる。

このサイクルの繰り返しにより、移動体９３は駆動摩擦部材９４に沿って移動する。

なお、急な上昇と緩やかな下降とで構成された戻り波形の電圧を圧電素子に印加すれば、移動体９３は戻り方向に移動する。

圧電素子９２に鋸波形の電圧を印加する方法としては、次の２つの方法がある。

図１６は、第１の方法を示している。図１６(ａ)のように、波形発生器９５のデジタルアナログ変換器により、例えば８ビット、０−５Ｖの鋸波形を生成し、それをパワーアンプ９６に入力し、例えば０−１０Ｖに増幅した駆動用の鋸波形を圧電素子Ｐｖに印加する。波形発生器９５を調整することにより、図１６(ｂ)に示す繰出し波形や、図１６(ｃ)に示す戻り波形の鋸波形を生成することができる。

図１７および図１８は、第２の方法を示している。図１７のように、電源９７の電圧を圧電素子Ｐｖに印加するために、定電流回路９８ａ、９８ｂとスイッチ回路９９ａ、９９ｂとを備えた回路を用い、定電流回路９８ａ、９８ｂとスイッチ回路９９ａ、９９ｂとを交互に働かせることで、繰出し波形と戻り波形を生成する。

詳しくは、例えば図１８(ａ)に示したデジタル回路を構成し、端子Ｒａ〜Ｒｄに図１８(ｂ)に示すような制御信号を入力することにより、繰出し波形と戻り波形を生成する。

すなわち、端子ＲａにＨｉ信号を入力し、定電流回路９８ａを介して圧電素子Ｐｖに印加する電圧を徐々に上昇させた後、端子ＲｂにＨｉ信号を入力し、スイッチ回路９９ｂを介して圧電素子Ｐｖを接地し、圧電素子Ｐｖに印加する電圧を急に下げ、繰出し波形Ｈａを生成する。

また、端子ＲｃにＨｉ信号を入力し、スイッチ回路９９ａを介して電源９７の電圧を圧電素子Ｐｖに印加した後、端子ＲｄにＨｉ信号を入力し、定電流回路９８ｂを介して接地することにより、戻り波形Ｈｂを生成する。

しかし、第１の方法では波形発生器９５とパワーアンプ９６とが必要であり、第２の方法では定電圧回路９８ａ、９８ｂとスイッチ回路９９ａ、９９ｂとが必要であるため、回路が複雑化しコストも高くなる。

そこで、簡単な回路構成を有する駆動装置が提案されている(特許文献１参照)。この駆動装置では、圧電素子に印加する電圧として３つの電圧値(最大値、最小値、中間値)を用いた駆動制御が行われる。

特開２００４−８０９６４号公報

しかしながら、上記特許文献１の駆動装置においては、最大値、最小値および中間値を用いて、ある程度の低速駆動が可能であるものの、サーボ制御等を行う場合に要求される、更なる低速駆動に対応するのは難しい。また、繰出方向(正方向)から戻り方向(逆方向)に滑らかに駆動速度を変化させる動作も難しい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、十分な低速駆動および駆動速度の滑らかな変更が可能な駆動技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、駆動装置であって、(a)電圧の印加に応じて伸縮する電気機械変換素子と、(b)前記電気機械変換素子の伸縮動作に連動して往復動する所定の部材と、(c)前記所定の部材に摩擦力で係合するとともに、前記電気機械変換素子の伸縮動作により前記所定の部材に対して相対的な移動が可能な可動部と、(d)第１電圧値、前記第１電圧値より低い第２電圧値、および前記第２電圧値より低い第３電圧値から選択的に１の電圧値を出力する出力サイクルを繰り返し、前記電気機械変換素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備えるとともに、前記出力サイクルは、まず第１期間に前記第１電圧値の出力を行い、次の第２期間に前記第２電圧値の出力を行ってから、第３期間に前記第３電圧値の出力を行い、最後の第４期間に前記第２電圧値の出力を行うサイクルとなっており、前記電圧印加手段は、(d-1)前記第１期間ないし第４期間の長さを変化させることで、前記所定の部材に対する前記可動部の移動速度を変更する速度変更手段を有するとともに、前記速度変更手段では、前記第２期間を長くする場合には前記第３期間と前記第４期間とを短くするとともに前記第１期間を長くし、前記第２期間を短くする場合には前記第３期間と前記第４期間とを長くするとともに前記第１期間を短くする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る駆動装置において、前記第１期間と前記第３期間とは、相補的に増減する関係を有しているとともに、前記第２期間と前記第４期間とは、相補的に増減する関係を有している。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る駆動装置を有する駆動システムであって、カメラにおける所定の駆動機構を前記駆動装置により駆動する。

また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る駆動システムにおいて、前記所定の駆動機構は、手振れ補正機構である。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、第１電圧値、第１電圧値より低い第２電圧値、および第２電圧値より低い第３電圧値から選択的に１の電圧値を出力するとともに、まず第１期間に第１電圧値の出力を行い次の第２期間に第２電圧値の出力を行ってから第３期間に第３電圧値の出力を行い最後の第４期間に第２電圧値の出力を行う出力サイクルを繰り返し、電気機械変換素子に電圧を印加する。ここで、第２期間を長くする場合には第３期間と第４期間とを短くするとともに第１期間を長くし、第２期間を短くする場合には第３期間と第４期間とを長くするとともに第１期間を短くする。その結果、十分な低速駆動および駆動速度の滑らかな変更が可能となる。

特に、請求項２の発明においては、第１期間と第３期間とは相補的に増減する関係を有しているとともに、第２期間と第４期間とは相補的に増減する関係を有しているため、より十分な低速駆動を行えるとともに、より滑らかな駆動速度の変更を行える。

また、請求項３の発明においては、カメラにおける所定の駆動機構を駆動装置により駆動するため、カメラの小型化が図れる。

また、請求項４の発明においては、所定の駆動機構が手振れ補正機構であるため、手振れ補正機構の小型化が図れる。

＜駆動装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る駆動装置１の要部構成を示す図である。ここで、図１(ａ)は、駆動装置１に関する分解斜視図であり、図１(ｂ)は、駆動装置１に関する組立斜視図である。

駆動装置１は、機器の固定部、例えばＸＹ駆動テーブルのベース(不図示)に取り付けられる固定部材１０と、例えば積層形の圧電素子１１と、固定部材１０に摺動可能に支持される駆動軸１２と、被駆動部、例えばＸＹ駆動テーブルのステージ(不図示)に結合される駆動ユニット１３とを備えている。

圧電素子１１は、その伸縮方向の一方の端面が固定部材１０に固着結合され、その伸縮方向の他方の端面には駆動摩擦部材(所定の部材)として機能する駆動軸１２の一方の軸端面が固着結合されている。

駆動軸１２には、スライダー１３ａ、摩擦部材１３ｂおよび板ばね１３ｃからなる駆動ユニット(可動部)１３が、摩擦力で係合するようになっている。

駆動装置１では、駆動回路２による電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子１１の伸縮動作に連動して駆動軸１２を軸方向に往復動させることにより、駆動軸１２に対する駆動ユニット１３の相対的な移動が可能となっている。

図２は、駆動回路２の回路構成を示す図である。

駆動回路２は、制御回路２０と４個のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４とを有しており、圧電素子１１の端子間に電圧を印加する。

スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＭＯＳ型ＦＥＴとして構成されており、各ゲートは、制御回路２０の端子Ｓｃ１〜Ｓｃ４にそれぞれ接続され、Ｈｉ信号またはＬｏ信号が入力される。

スイッチ素子Ｑ１、Ｑ３は、ＰチャンネルＦＥＴとして構成されており、ゲートにＬｏ信号が入力されるとソース・ドレイン間はオン(導通状態)になり、ゲートにＨｉ信号が入力されるとソース・ドレイン間はオフ(遮断状態)になる。また、スイッチ素子Ｑ２、Ｑ４は、ＮチャンネルＦＥＴとして構成されており、ゲートにＨｉ信号が入力されるとソース・ドレイン間はオン(導通状態)になり、Ｌｏ信号が入力されるとソース・ドレイン間はオフ(遮断状態)になる。

スイッチ素子Ｑ１のソースとスイッチ素子Ｑ３のソースとは、それぞれ接続点２１を介して電源電圧Ｖｐに接続されている。また、スイッチ素子Ｑ１のドレインは、接続点２２を介してスイッチ素子Ｑ２のドレインに接続されており、スイッチ素子Ｑ３のドレインは、接続点２３を介してスイッチ素子Ｑ４のドレインに接続されている。また、スイッチ素子Ｑ２のソースとスイッチ素子Ｑ４のソースとは、それぞれ接続点２４を介して接地されている。さらに、圧電素子１１の各端子は、それぞれ接続点２２、２３に接続される。

＜駆動装置１の動作＞
以上のような構成を有する駆動装置１の動作を以下で説明するが、駆動速度の制御に関して、(ｉ)駆動波形での時間幅調整による速度制御、(ii)駆動信号の間引きによる速度制御、(iii)これらを組み合わせた速度制御に分けて順に説明する。

(ｉ)駆動波形での時間幅調整による速度制御について
まず、駆動波形での時間幅調整による駆動原理について、図３を参照しながら説明する。ここで、図３(ａ)は、制御回路２０の端子Ｓｃ１および端子Ｓｃ２の電圧（すなわちスイッチ素子Ｑ１およびスイッチ素子Ｑ２のゲート電圧）を示している。また、図３(ｂ)は、制御回路２０の端子Ｓｃ３および端子Ｓｃ４の電圧（すなわちスイッチ素子Ｑ３およびスイッチ素子Ｑ４のゲート電圧）を示している。また、図３(ｃ)は、圧電素子１１の端子間に印加される駆動電圧Ｖloadを示しており、この駆動電圧Ｖloadにおいては図２の矢印Ｄｃに示す方向を正としている。

駆動装置１では、後述の第１期間〜第４期間からなる周期Ｔｅのサイクルを繰り返すことで駆動ユニット１３を操出方向または戻り方向に駆動できるとともに、第１期間〜第４期間の長さを変化させることで駆動軸１２に対する駆動ユニット１３の移動速度を変更できる。なお、図３(ａ)〜(ｃ)に示される信号については、駆動ユニット１３を繰出方向に駆動する場合の一例である。

まず第１期間ｔｂでは、図３(ａ)に示す信号Ｊａのように端子Ｓｃ１および端子Ｓｃ２はＬｏとなり、図３(ｂ)のように端子Ｓｃ３および端子Ｓｃ４は引き続きＨｉの状態となっている。このような第１期間ｔｂの信号状態により、駆動回路２ではスイッチ素子Ｑ１およびスイッチ素子Ｑ４がオンの導通状態となり、スイッチ素子Ｑ２およびスイッチ素子Ｑ３がオフの遮断状態となる。その結果、接続点２３がスイッチ素子Ｑ４を介して接地され、接続点２２はスイッチ素子Ｑ１を介して電源電圧Ｖｐに接続されるため、圧電素子１１の両端間の駆動電圧Ｖloadは、図３(ｃ)に示す信号Ｋａのように電源電圧に相当する＋Ｖｐ(最大値)となる。

次の第２期間ｔｃでは、図３(ａ)のように端子Ｓｃ１および端子Ｓｃ２はＨｉとなり、図３(ｂ)のように端子Ｓｃ３および端子Ｓｃ４は引き続きＨｉの状態となっている。このような第２期間ｔｃの信号状態により、駆動回路２ではスイッチ素子Ｑ１およびスイッチ素子Ｑ３がオフの遮断状態となり、スイッチ素子Ｑ２およびスイッチ素子Ｑ４がオンの導通状態となる。その結果、接続点２２がスイッチ素子Ｑ２およびスイッチ素子Ｑ４を介して接続点２３に接続され、圧電素子１１の端子間が短絡するため、圧電素子１１の両端間の駆動電圧Ｖloadは、図７(ｃ)に示す信号Ｋｂのように０ボルト(中間値１)となる。

第３期間ｔａでは、図３(ａ)のように端子Ｓｃ１および端子Ｓｃ２は引き続きＨｉの状態となっているが、図３(ｂ)に示す信号Ｊｂのように端子Ｓｃ３および端子Ｓｃ４はＬｏとなる。このような第３期間ｔａの信号状態により、スイッチ素子Ｑ１およびスイッチ素子Ｑ４がオフの遮断状態となり、スイッチ素子Ｑ２およびスイッチ素子Ｑ３がオンの導通状態となる。その結果、接続点２２がスイッチ素子Ｑ２を介して接地され、接続点２３はスイッチ素子Ｑ３を介して電源電圧Ｖｐに接続されるため、駆動電圧Ｖloadは、図７(ｃ)に示す信号Ｋｃのように−Ｖｐ(最小値)となる。

最後の第４期間ｔｄ(ｔｄ＝Ｔｅ−ｔａ−ｔｂ−ｔｃ)では、図３(ａ)のように端子Ｓｃ１および端子Ｓｃ２は引き続きＨｉの状態となっているが、図３(ｂ)のように端子Ｓｃ３および端子Ｓｃ４はＨｉとなる。このような第４期間ｔｄの信号状態により、スイッチ素子Ｑ１およびスイッチ素子Ｑ３がオフの遮断状態となり、スイッチ素子Ｑ２およびスイッチ素子Ｑ４がオンの導通状態となる。その結果、接続点２２がスイッチ素子Ｑ２およびスイッチ素子Ｑ４を介して接続点２３に接続され、圧電素子１１の端子間が短絡するため、駆動電圧Ｖloadは、図３(ｃ)に示す信号Ｋｄのように０ボルト(中間値２)となる。

以上のように駆動回路２では、電源電圧Ｖｐに相当する最大値(第１電圧値)＋Ｖｐ、最大値より低い中間値(第２電圧値)０Ｖおよび中間値より低い最小値(第３電圧値)−Ｖｐから選択的に１の電圧値を出力する出力サイクルを繰り返し、圧電素子１１に電圧を印加する。これにより、図３のように駆動電圧Ｖloadの１サイクル期間Ｔｅにおいてタイミングが相対的に離れた２回の立ち上がり信号Ｋｕ、Ｋｖによって駆動軸１２とともに駆動ユニット１３が繰出方向に送られる。一方、駆動電圧Ｖloadの１サイクル期間Ｔｅにおいてタイミングが相対的に近い２回の立ち下がり信号Ｋｓ、Ｋｔによって駆動軸１２は比較的急峻に戻り方向に変位する。この際、駆動ユニット１３は戻り方向に移動しようとするが、その移動量(戻り量)は繰出方向に送られた移動量に比べると小さくなる。このような動作を繰り返すことで、駆動ユニット１３を駆動軸１２に沿って操出方向に駆動することが可能となる。

ここで、１サイクル周期Ｔｅを変化させずに第１期間と第３期間との合計時間(ｔａ＋ｔｂ)を一定、第２期間ｔｃと第４期間ｔｄとの合計時間(ｔｃ＋ｔｄ)を一定としつつ、第２期間ｔｃを増加させる場合には同時に第１期間ｔｂも増加させるように変化させる。すなわち、第２期間ｔｃを長くする場合には第３期間ｔａと第４期間ｔｄとを短くするとともに第１期間ｔｂを長くし、第２期間ｔｃを短くする場合には第３期間ｔａと第４期間ｔｄとを長くするとともに第１期間ｔｂを短くする。そして、第１期間ｔｂと第３期間ｔａとの長さが等しくなる場合には、第２期間ｔｃと第４期間ｔｄとの長さが等しくなるようにする。これにより、駆動ユニット１３に関する繰出方向の駆動波形から、繰出方向・戻り方向のいずれにも駆動ユニット１３が移動しない中立状態を経て、戻り方向の駆動波形へと連続的に変化させることができ、駆動ユニット１３の駆動速度の滑らかな変更が可能となる。この駆動波形での時間幅調整による速度制御方法について、詳しく説明する。

図４(ａ)〜(ｉ)および図５(ａ)〜(ｌ)は、駆動波形での時間幅調整による速度制御を説明するための図であり、駆動ユニット１２の速度および駆動方向を段階的に変化させる場合の駆動波形を示している。

図４(ａ)〜(ｃ)は、図３において第２期間ｔｃ＝０と設定した場合の駆動波形を示している。この駆動波形では、図４(ｃ)に示すように駆動電圧Ｖloadの立ち下がり信号Ｍａは最も急峻となるため、駆動ユニット１２はほとんど戻り方向に移動することなく、現在位置を維持する。よって、このような場合には、駆動ユニット１３の移動速度Ｖ０は繰出方向に最大となる。

次に、図４(ｄ)〜(ｆ)のように駆動電圧Ｖloadにおける立ち上がり信号Ｍｄ、Ｍｅの時間間隔を短縮し、その短縮分だけ立ち下がり信号Ｍｂ、Ｍｃの時間間隔を延ばすことで、駆動電圧Ｖloadの立ち上がりによる繰出方向の送り量を減少させるとともに、駆動電圧Ｖloadの立ち下がりによる戻り方向の送り量を増加させる。これにより、図５(ｃ)に示す駆動波形の場合に対して駆動ユニット１３の駆動速度を相対的に遅くできることとなる。

同様に、図４(ｇ)〜(ｉ)のように駆動電圧Ｖloadにおける立ち上がり信号Ｍｈ、Ｍｉの時間間隔を短くして立ち下がり信号Ｍｆ、Ｍｇの時間間隔を延ばすことで、繰出方向に関する駆動ユニット１３の駆動速度を低速化できる。

さらに、駆動電圧Ｖloadにおける立ち上がり信号の時間間隔を短くするとともに立ち下がり信号の時間間隔を延ばすと、これらの時間間隔が等しくなる(図５(ａ)〜(ｃ))。この際には、駆動電圧Ｖloadにおいて＋Ｖｐの出力を行う信号Ｍｊの期間(第１期間)ｔｂ３と−Ｖｐの出力を行う信号Ｍｍの期間(第３期間)ｔａ３とを等しくさせるように、第１期間ｔｂと第３期間ｔａとの時間を滑らかに調整して、図５(ａ)に示すＳｃ１、Ｓｃ２の信号波形と、図５(ｂ)に示すＳｃ３、Ｓｃ４の信号波形とが同形の波形となるようにする。

これにより、駆動電圧Ｖloadの立ち上がり信号Ｍｎ、Ｍｏによる駆動ユニット１３の繰出量と、駆動電圧Ｖloadの立ち下がり信号Ｍｋ、Ｍｌによる駆動ユニット１３の戻り量とが等しくなるため、駆動ユニット１３の移動速度Ｖ３はほぼ０となって静止状態に移行する。

この静止状態から、更に駆動電圧Ｖloadにおける立ち上がり信号の時間間隔を短くするとともに立ち上がり信号の時間間隔を延ばすことで、図５(ｄ)〜(ｆ)に示す駆動信号の波形や図５(ｇ)〜(ｉ)に示す駆動信号の波形が生成される。これらの駆動波形により、駆動ユニット１３においては、図４に示す繰出方向への駆動状態と異なって立ち上がり信号による繰出量より立ち下がり信号による戻り量が大きくなるため、図５(ｄ)〜(ｆ)の駆動波形による駆動速度Ｖ３と、図５(ｇ)〜(ｉ)の駆動波形による駆動速度Ｖ４(Ｖ４＞Ｖ３)は、戻り方向に関する速度となる。

そして、立ち上がり信号の時間間隔をさらに短くして第４期間ｔｄ＝０とすると、駆動電圧Ｖloadの立ち上がり信号Ｍｐが最も急峻となる図５(ｊ)〜(ｌ)に示す駆動波形が生成される。ここで、図５(ｊ)および図５(ｋ)の信号波形は、図４(ａ)に示すＳｃ１、Ｓｃ２の信号波形と図４(ｂ)に示すＳｃ３、Ｓｃ４の信号波形とを入れ替えたものに相当する。このような駆動波形によって駆動される駆動ユニット１３の駆動速度は、繰出方向の最大速度Ｖ０と大きさがほぼ等しい戻り方向の最大速度Ｖ６となる。

以上のように、駆動電圧Ｖloadにおける中間値１の出力時間(第２期間)と中間値２の出力時間(第４期間)とを相補的に増減させつつ、同時に駆動電圧Ｖloadにおける最大値の出力時間(第１期間)と最小値の出力時間(第３期間)とを相補的に増減させることにより、繰出方向から戻り方向まで駆動ユニット１３の速度を連続的に変化させることが可能となる。

以上で説明した速度制御方法によって駆動波形の時間幅を変化させた場合の駆動速度の測定値を表したグラフを図６に示す。

図６においては、横軸が制御パラメータ番号を示し、縦軸が駆動ユニット１３の駆動速度を示している。この制御パラメータ番号とは、図４(ａ)〜(ｃ)に示すように繰出方向の駆動速度を最大とする制御パラメータに付与される番号「１」から、図５(ｊ)〜(ｌ)に示すように戻り方向の駆動速度を最大とする制御パラメータに付与される番号「３２」まで、上記の最大値、中間値１、中間値２および最小値を出力する各時間帯(第１時間〜第４時間)を徐々に変化させる際の各時点の制御パラメータに番号を付したものである。なお、制御パラメータ番号「１６」は、図５(ａ)〜(ｃ)に示す駆動ユニット１３の静止状態の制御に対応している。

図６のグラフに示すように、第１期間〜第４期間に関する各時間幅が異なる制御パラメータを変更することにより、繰出方向から戻り方向までほぼ直線的かつ連続的に駆動ユニット１３の駆動速度を変化させることが可能となる。

(ii)駆動信号の間引きによる速度制御
駆動装置１では、制御回路２０において駆動信号に関する間引き処理を行うことにより、消費電力を削減しつつ駆動ユニット１３の駆動速度を低減させることが可能となっている。これに関して、以下で詳しく説明する。

図７は、駆動信号の間引きによる速度制御を説明するための図である。

図７(ａ)に示す駆動信号は、図３(ｃ)に示す周期Ｔｅの駆動波形を十数周期程度表したもので、間引き処理が施されていない状態(間引き無しの状態)となっている。

一方、図７(ｂ)に示す駆動信号は、圧電素子１１に順次に与える印加電圧＋Ｖｐ、−Ｖｐの信号を周期(以下では「間引き周期」ともいう)Ｔｆ(＝４×Ｔｅ)ごとに１回の割合で間引いたものである。ここで、図３(ｃ)に示す駆動信号によって１周期Ｔｅの間に駆動ユニット１３が移動する移動量は、駆動波形の立ち上がり信号による繰出量(送り量)と立ち下がり信号による戻り量とで決定される。すなわち、図７(ａ)に示す駆動信号では間引き周期Ｔｆの間に４周期分の駆動が行われるため、駆動ユニット１３の移動は４回分の移動量となる。一方、図７(ｂ)に示す駆動信号では間引き周期Ｔｆにおいて３周期分の駆動が行われた後に、駆動されず現在位置を保持する１周期分の期間がある。このため、駆動ユニット１３の移動速度は図７(ａ)に示す間引き無しの場合に比べて約３／４の駆動速度となる。

図７(ｃ)に示す駆動信号は、図７(ｂ)に対して更に駆動信号の間引きを行ったものである。この駆動信号では、間引き周期Ｔｆにおいて２周期分の駆動が行われないため、駆動ユニット１３の移動速度は図７(ａ)示す間引き無しの場合に対して約１／２の駆動速度となる。なお、間引き周期Ｔｆの間に２回の信号間引きを行う駆動信号については、図７(ｃ)に示す駆動信号に限らず、図７(ｅ)に示すように間引き周期Ｔｆの半周期の間に１回の信号間引きを行う駆動信号として構成されても良い。

また、図７(ｄ)に示す駆動信号は、図７(ｃ)に対して更に駆動信号の間引きを行ったものである。この駆動信号では、間引き周期Ｔｆにおいて３周期分の駆動が行われないため、駆動ユニット１３の移動速度は図７(ａ)示す間引き無しの場合に対して約１／４の駆動速度となる。

アクチュエータとして使用する圧電素子１１では、印加電圧が変化する際に通電電流が流れて電力が消費されるため、印加電圧の変化する回数を減少させることにより、その減少回数にほぼ比例した消費電力の削減が行える。

よって、図７(ａ)〜(ｄ)に示す駆動電圧を圧電素子１１に印加する場合の各消費電流の比は、ほぼ１：３/４：１/２：１/４となり、駆動ユニット１３を低速で駆動する際には消費電流も適切に削減できることとなる。

駆動信号に関して間引き処理を施す場合には、間引き周波数Ｆｆ＝１/Ｔｆを可聴周波数の上限である２０ｋＨｚ以上に設定することにより、耳障りな駆動音の発生を抑えて低速化が図れることとなる。すなわち、間引き周波数Ｆｔを２０ｋＨｚ以上に設定すれば、図７(ｃ)の駆動信号や図７(ｅ)の駆動信号のように間引くタイミングが異なる場合でも、駆動音の発生しない駆動が可能となる。

以上で説明した駆動信号の間引きによる速度制御を行った場合の駆動速度の測定値を表したグラフを図８に示す。

図８においては、横軸が間引き率を示し、縦軸が駆動ユニット１３の駆動速度を示している。この間引き率については、繰出方向の駆動速度が最大となる図４(ｃ)の駆動信号に関する間引き率を「間引き無し」から「３/４間引き」まで１/４づつ増加させた各ケース、および戻り方向の駆動速度が最大となる図５(ｌ)の駆動信号に関する間引き率を「３/４間引き」から「間引き無し」まで１/４づつ減少させた各ケースを示している。

図８のグラフに示すように、駆動装置１では、繰出方向または戻り方向において間引き率に応じた駆動ユニット１３の速度制御が可能となっている。一方、各間引き率における圧電素子の消費電流（駆動中の平均電流）については、例えば図９に示す計測結果が得られるが、上述のように駆動信号の間引き率に応じた電流値となっている。すなわち、駆動ユニット１３の駆動速度および消費電流は、駆動信号の間引き率に略比例して変化することとなる。

(iii)上記(ｉ)および上記(ii)の速度制御を組み合わせた速度制御について
上記(ｉ)で説明した駆動波形での時間幅調整による速度制御に、上記(ii)で説明した駆動信号の間引きによる速度制御を加えた速度制御(以下では「ハイブリッド制御」という)について、以下で説明する。

図１０は、ハイブリッド制御を説明するための図である。図１０の横軸に示す制御パラメータ番号については、図６に示す駆動波形での時間幅制御のように制御パラメータを変化させる際の各時点の制御パラメータに番号１〜１７を付したものである。そして、各制御パラメータにより時間幅が定められる駆動信号において、「間引き無し」から「３/４間引き」まで１/４づつ間引き率を変化させた場合の各駆動速度の測定値を図１０にプロットしている。

図１０のグラフに示すように、間引きをせず駆動波形の時間幅のみを調整して駆動速度の制御を行う場合に対して、駆動信号の間引きによる速度制御を加えた場合（ハイブリッド制御）では、間引き率に応じた低速化を行えるため、駆動速度の細やかな制御が可能となる。

このようなハイブリッド制御を利用して、繰出方向の最大速度から駆動速度を徐々に低下させ戻り方向の最大速度に変化させる速度制御の一例を、図１１を参照して説明する。

まず、図４(ｃ)に示す駆動波形を間引きせずに圧電素子１３に印加することにより駆動ユニット１３を繰出方向に最高速で駆動する。次に、駆動ユニット１３の駆動速度を徐々に低下させる場合には、以下の手順(１)〜(１４)に従った制御を行うこととする。

(１)駆動波形の時間幅調整による速度制御により、図４(ｆ)の駆動波形を経て図４(ｉ)の駆動波形に変化させる。これにより、図１１の矢印Ｄ１のように駆動速度が低下する。

(２)図４(ｃ)に示す駆動波形で１/４間引きを行う場合の駆動速度（１/４間引きでの最高速度）程度まで速度が低下する場合には、図１１の矢印Ｄ２に示すように、駆動波形を図４(ｃ)に示す時間幅の駆動波形に戻して駆動信号の１/４間引きを行う。

(３)駆動信号の１/４間引き状態のまま駆動波形の時間幅調整による速度制御により、図４(ｆ)の駆動波形を経て図４(ｉ)のような駆動波形に変化させる。これにより、図１１の矢印Ｄ３のように駆動速度が低下する。

(４)図４(ｃ)に示す駆動波形で１/２間引きを行う場合の駆動速度程度まで速度が低下する場合には、図１１の矢印Ｄ４に示すように、駆動波形を図４(ｃ)に示す時間幅の駆動波形に戻して駆動信号の１/２間引きを行う。

(５)駆動信号の１/２間引き状態のまま駆動波形の時間幅調整による速度制御により、図４(ｆ)の駆動波形を経て図４(ｉ)のような駆動波形に変化させる。これにより、図１１の矢印Ｄ５のように駆動速度が低下する。

(６)図４(ｃ)に示す駆動波形で３/４間引きを行う場合の駆動速度程度まで速度が低下する場合には、図１１の矢印Ｄ６に示すように、駆動波形を図４(ｃ)に示す時間幅の駆動波形に戻して駆動信号の３/４間引きを行う。

(７)駆動信号の３/４間引き状態のまま駆動波形の時間幅調整による速度制御により、図４(ｆ)の駆動波形や図４(ｉ)の駆動波形を経て、図５(ｃ)の駆動波形に変化させる。これにより、図１１の矢印Ｄ７のように駆動速度が徐々に低下して、駆動ユニット１３の静止状態に移行することとなる。

(８)駆動ユニット１３の静止状態に至ると、駆動信号の３/４間引き状態のまま戻り方向に関する駆動波形の時間幅調整による速度制御により、図５(ｃ)の駆動波形から図５(ｆ)の駆動波形や図５(ｉ)の駆動波形を経て、図５(ｌ)の駆動波形に変化させる。これにより、図１１の矢印Ｄ８のように駆動方向が戻り方向に転じて速度が徐々に上昇することとなる。

(９)図５(ｌ)の駆動波形まで時間幅制御が行われると、図１１の矢印Ｄ９に示すように、駆動波形を図５(ｆ)に示す時間幅の駆動波形に戻して駆動信号の１/２間引きを行う。

(１０)駆動信号の１/２間引き状態のまま駆動波形の時間幅調整による速度制御により、図５(ｉ)の駆動波形を経て図５(ｌ)の駆動波形に変化させる。これにより、図１１の矢印Ｄ１０のように戻り方向に駆動速度が上昇する。

(１１)図５(ｌ)の駆動波形まで時間幅制御が行われると、図１１の矢印Ｄ１１に示すように、駆動波形を図５(ｆ)に示す時間幅の駆動波形に戻して駆動信号の１/４間引きを行う。

(１２)駆動信号の１/４間引き状態のまま駆動波形の時間幅調整による速度制御により、図５(ｉ)の駆動波形を経て図５(ｌ)の駆動波形に変化させる。これにより、図１１の矢印Ｄ１２のように戻り方向に駆動速度が上昇する。

(１３)図５(ｌ)の駆動波形まで時間幅制御が行われると、図１１の矢印Ｄ１３に示すように、駆動波形を図５(ｆ)に示す時間幅の駆動波形に戻して間引き無しの制御を行う。

(１４)駆動信号の間引き無しの状態のまま駆動波形の時間幅調整による速度制御により、図５(ｉ)の駆動波形を経て図５(ｌ)の駆動波形に変化させる。これにより、図１１の矢印Ｄ１４のように駆動速度が徐々に上昇して、戻り方向に関する駆動ユニット１３の最高速度に至ることとなる。

このようなハイブリッド制御を行った場合の駆動速度の測定値を表したグラフを図１２に示す。

図１２においては、横軸が制御パラメータ番号を示し、縦軸が駆動ユニット１３の駆動速度を示している。この制御パラメータ番号については、図１１に示す矢印Ｄ１〜Ｄ１４に沿って速度制御を行う際の各時点の制御パラメータに番号１〜３１を付したものである。

図１２のグラフに示すように、駆動波形の時間幅調整のみによる駆動速度の制御（図６参照）に比べて、ハイブリッド制御では広い速度範囲(特に低速域の速度範囲)で速度分解能の良い制御、つまり駆動ユニット１３の細やかな速度制御が可能であるとともに、駆動信号の間引きによる消費電力の削減も図れることとなる。

以上の駆動装置１の動作により、圧電素子１１に印加する電圧を最大値(＋Ｖｐ)→中間値１(０Ｖ)→最小値(−Ｖｐ)→中間値２(０Ｖ)と繰り返す際には、中間値１の電圧を印加する時間(第２期間ｔｃ)と中間値２の電圧を印加する時間(第４期間ｔｄ)とを相補的に増減することにより最大値と最小値との電圧印加タイミングをずらせるとともに最大値・最小値の電圧を印加する時間(第１期間ｔｂおよび第３期間ｔａ)を相補的に変化させることで駆動ユニット１３の駆動速度を変更するため、十分な低速駆動および駆動速度の滑らかな変更が可能となる。

なお、上述した駆動装置１をカメラ(撮像装置)の手振れ補正機構で利用するようにしても良い。このようなカメラの機構を以下で具体的に説明する。

図１３は、手振れ補正が可能なカメラ３の要部構成を示すブロック図である。

カメラ３は、例えばデジタルカメラとして構成されており、手振れ補正機構として機能する手振れ補正ユニット３０と、手振れ補正ユニット３０に伝送可能に接続するカメラ制御部３４とを備えている。このカメラ制御部３４においては、手振れ補正を除くカメラ３の動作を統括制御するとともに、手振れ補正の必要性に応じて手振れ補正ユニット３０に信号を送信し手振れ補正の開始や終了を指示する。

手振れ補正ユニット３０は、駆動装置１に対応する駆動部３１と手振れ補正制御部３２とブレ検出部３３とを有している。

ブレ検出部３３は、例えば角速度センサを有しており、カメラ３の揺れを検出し撮影方向の変化に応じた信号を出力する。

手振れ補正制御部３２は、ブレ検出部３３から出力される信号に基づき手振れ補正量を求め、この手振れ補正量に応じた駆動信号を駆動部３１に出力する。そして、この駆動信号に基づく駆動ユニット１３の駆動制御(速度制御)を駆動部３１で行うことにより、適切な手振れ補正が実施されることとなる。

以上のように圧電素子を備えた駆動装置１をカメラ３の手振れ補正機構で利用することにより、カメラの小型化が図れることとなる。なお、手振れ補正機構に限らず他の駆動機構、例えばカメラのレンズ駆動機構で駆動装置１を利用することによっても、カメラの小型化を図ることができる。

＜変形例＞
◎上記の実施形態における駆動装置１においては、圧電素子に限らず、電圧、電流、電界、磁界、静電気などの電気的エネルギーを、伸縮、曲げ、ねじれ、歪みなどの機械的エネルギーに変換する電気機械変換素子、例えば電歪素子、磁歪素子、静電アクチュエータなどを使用するようにしても良い。

本発明の実施形態に係る駆動装置１の要部構成を示す図である。 駆動回路２の回路構成を示す図である。 制御回路２０の動作を説明するための図である。 駆動波形での時間幅調整による速度制御を説明するための図である。 駆動波形での時間幅調整による速度制御を説明するための図である。 駆動波形での時間幅調整による速度制御を行った場合の駆動速度の測定値を表した図である。 駆動信号の間引きによる速度制御を説明するための図である。 駆動信号の間引きによる速度制御を行った場合の駆動速度の測定値を表した図である。 駆動信号の間引き率と圧電素子の消費電流との関係を説明するための図である。 ハイブリッド制御を説明するための図である。 ハイブリッド制御の一例を示す図である。 ハイブリッド制御を行った場合の駆動速度の測定値を表した図である。 手振れ補正が可能なカメラ３の要部構成を示すブロック図である。 本発明の従来技術に係る駆動装置を説明するための図である。 本発明の従来技術に係る駆動装置を説明するための図である。 本発明の従来技術に係る駆動装置を説明するための図である。 本発明の従来技術に係る駆動装置を説明するための図である。 本発明の従来技術に係る駆動装置を説明するための図である。

符号の説明

１ 駆動装置
２ 駆動回路
３ カメラ
１１、９２、Ｐｖ 圧電素子
１２ 駆動軸
１３ 駆動ユニット
２０ 制御回路
３０ 手振れ補正ユニット
３１ 駆動部
３２ 手振れ補正制御部
３３ ブレ検出部
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチ素子
Ｓｃ１〜Ｓｃ４ 制御回路の端子

Claims (4)

1. 駆動装置であって、
   (a)電圧の印加に応じて伸縮する電気機械変換素子と、
   (b)前記電気機械変換素子の伸縮動作に連動して往復動する所定の部材と、
   (c)前記所定の部材に摩擦力で係合するとともに、前記電気機械変換素子の伸縮動作により前記所定の部材に対して相対的な移動が可能な可動部と、
   (d)第１電圧値、前記第１電圧値より低い第２電圧値、および前記第２電圧値より低い第３電圧値から選択的に１の電圧値を出力する出力サイクルを繰り返し、前記電気機械変換素子に電圧を印加する電圧印加手段と、
   を備えるとともに、
   前記出力サイクルは、まず第１期間に前記第１電圧値の出力を行い、次の第２期間に前記第２電圧値の出力を行ってから、第３期間に前記第３電圧値の出力を行い、最後の第４期間に前記第２電圧値の出力を行うサイクルとなっており、
   前記電圧印加手段は、
   (d-1)前記第１期間ないし第４期間の長さを変化させることで、前記所定の部材に対する前記可動部の移動速度を変更する速度変更手段、
   を有するとともに、
   前記速度変更手段では、前記第２期間を長くする場合には前記第３期間と前記第４期間とを短くするとともに前記第１期間を長くし、前記第２期間を短くする場合には前記第３期間と前記第４期間とを長くするとともに前記第１期間を短くすることを特徴とする駆動装置。
2. 請求項１に記載の駆動装置において、
   前記第１期間と前記第３期間とは、相補的に増減する関係を有しているとともに、
   前記第２期間と前記第４期間とは、相補的に増減する関係を有していることを特徴とする駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の駆動装置を有する駆動システムであって、
   カメラにおける所定の駆動機構を前記駆動装置により駆動することを特徴とする駆動システム。
4. 請求項３に記載の駆動システムにおいて、
   前記所定の駆動機構は、手振れ補正機構であることを特徴とする駆動システム。
   

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