JP4976844B2 - 多自由度駆動装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動子に振動波を生じさせ、この超音波振動子に接触する移動体を摩擦力により相対移動させる多自由度駆動装置および該多自由度駆動装置を備える撮像装置に関する。

従来の多自由度の駆動装置としては、リニアアクチュエータを用いてＸ，Ｙ，θの駆動を実現する装置が提案されている（特許文献１）。

この駆動装置６は、図１６に示すように、互いに平行配置された第１，第２リニアアクチュエータ２ｖ，２ｗと、第１，第２リニアアクチュエータ２ｖ，２ｗに対して直交配置された第３リニアアクチュエータ２ｕとを備える。

第１から第３リニアアクチュエータ２ｖ，２ｗ，２ｕは、回転ジョイント３およびリニアガイド４を介してテーブルをＸ，Ｙ，θ方向に駆動可能に支持する。

また、第１，第３アアクチュエータ２ｖ，２ｕのテーブル５との支持構造をＰ（直進継手）−Ｒ（回転継手）−Ｐ（直進継手）とし、第２リニアアクチュエータ２ｗのテーブル５との支持構造をＰ（直進継手）−Ｒ（回転継手）−Ｒ（回転継手）としている。

第１〜第３リニアアクチュエータ２ｖ，２ｗ，２ｕは、例えばモータマウント（不図示）に取り付けられたモータ２ａと、モータ２ａによって軸方向に進退作動する作動ロッド２ｂを収容するハウジング２ｃとを有する。作動ロッド２ｂは、ハウジング２ｃ内に直動軸受を介して進退可能に支持され、作動ロッド２ｂの先端には回転ジョイント３が連結される。

テーブル５の第１、第３リニアアクチュエータ２ｖ，２ｕの連結部分には、Ｐ（直進継手）であるリニアガイド４を構成するガイドレール４ａが配置されている。このガイドレール４ａに沿って移動する移動子４ｂにＲ（回転継手）である回転ジョイント３を介してＰ（直進継手）である第１，第３リニアアクチュエータ２ｖの作動ロッド２ｂが連結される。

一方、テーブル５の第２リニアアクチュエータ２ｗの連結部分には、回転ジョイント３が配置され、該回転ジョイント３に、連結リンク７および回転ジョイント３を介して第２リニアアクチュエータ２ｗの作動ロッド２ｂが連結される。

そして、第１，第２，第３リニアアクチュエータ２ｖ，２ｗ，２ｕの作動ロッド２ｂの進退駆動を制御することにより、テーブル５がＸ，Ｙ，θ方向に駆動される。
特開２００４−３３８０２１号公報

上記特許文献１では、テーブル５の外側にリニアアクチュエータ２ｖ，２ｗ，２ｕが大きく張り出すため、装置が大型化する。また、θ方向の旋回動作に関しては構造上微小角のみの移動が可能であり、大きく動かすことができない。

そこで、本発明は、移動体の多自由度の動作を可能にすることができるとともに、装置の小型化を図ることができる多自由度駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の多自由度駆動装置は、被駆動体を保持する移動体を異なる方向に駆動する多自由度駆動装置であって、前記移動体を挟み込んで該移動体に加圧接触する一対の超音波振動子と、前記一対の超音波振動子を個別に支持する一対の支持部材と、を備え、前記一対の超音波振動子は、対向配置されて、前記移動体に対する駆動方向が互いに異なり、前記一対の支持部材は、前記移動体を間に挟んで同一位置に配置され、かつ前記移動体に対する前記一対の超音波振動子の駆動方向に対して４５°をなす直線上に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、一対の超音波振動子のそれぞれを移動体に加圧接触させる加圧機構を設けることなく、移動体の多自由度の動作を可能にすることができるとともに、装置の小型化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態である多自由度駆動装置を説明するための斜視図である。この多自由度駆動装置は、ＣＣＤ等の被駆動体１３を保持する移動体１４をＸ方向およびＹ方向に駆動する一対の超音波振動子１１，１２を備える。

超音波振動子１１，１２は、いずれも圧電素子１７、該圧電素子１７に貼り付けられた弾性体１８、および弾性体１８から突出する突起部１９を有している。そして、超音波振動子１１，１２は、それぞれの突起部１９が移動体１４の角隅部を同一位置で厚さ方向に挟み込むように加圧接触して配置されている。

超音波振動子１１が移動体１４に対してＸ方向の駆動力を付与し、超音波振動子１２が移動体１４に対してＹ方向の駆動力を付与する。また、移動体１４は、不図示のＸ方向ガイド機構によってＸ方向に案内され、不図示のＹ方向ガイド機構によってＹ方向に案内される。

図２は超音波振動子１１（１２）の駆動原理を説明するための図であり、圧電素子１７に電圧を印加することで、図３に示すような振動モードが発生し、突起部１９に加圧接触する移動体２０が矢印方向に移動する。

図４は圧電素子１７の電極パターンを示す図であり、例えば超音波振動子１１の圧電素子１７には、長手方向（Ｘ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１７の２つの電極領域のうち図４の右側に位置する電極領域には交流電圧（Ｖ１）が印加され、左側に位置する電極領域には交流電圧（Ｖ２）が印加される。

図４において、Ｖ１およびＶ２をＡ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１７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、超音波振動子１１には図３（ａ）に示すＡモードの振動が発生することになる。

また、Ｖ１およびＶ２をＢ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１７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、超音波振動子１１には図３（ｂ）に示すＢモードの振動が発生することになる。このそれぞれの振動を合成することにより、超音波振動子１１によって移動体１４のＸ方向の駆動力が得られる。同様にして、超音波振動子１２によって移動体１４のＹ方向の駆動力が得られる。

図５は、Ｘ方向およびＹ方向に移動する移動体１４の移動量を検出するセンサ部の配置例を示す図である。

図５においてセンサ部２２は移動体１４のＸ方向の位置を検出し、センサ部２３は移動体１４のＹ方向の位置を検出する。センサ部２２，２３としては、例えばエンコーダなどが用いられる。

そして、超音波振動子１１，１２により移動体１４がＸ方向およびＹ方向に駆動されたときに、センサ部２２および２３の出力信号を基に移動体１４の移動量を検出することで、位置決め制御などが可能となる。

このように、この実施形態では、超音波振動子１１，１２で移動体１４を挟み込んで該移動体１４に駆動力を与えることができる。

これにより、一対の超音波振動子１１，１２が移動体１４の外側に大きく出っ張ることなく、かつ一対の超音波振動子１１，１２を移動体１４にそれぞれを加圧接触させる加圧機構を設けることなく、多自由度駆動装置の小型化を図ることができる。

また、２軸駆動の超音波振動子の配置を別々にすることなく効率良くＸ方向およびＹ方向に該移動体１４を移動させることが可能となる。

なお、本実施形態では、超音波振動子１１，１２の突起部１９をそれぞれ１つとしているが、直動駆動ができれば突起部１９の数や形状は特に限定されない。

次に、図６〜図１０を参照して、本発明の第２の実施形態である多自由度駆動装置を説明する。

図６は本発明の第２の実施形態である多自由度駆動装置を説明するための斜視図、図７は図６に示す多自由度駆動装置の駆動例を説明するための図、図８は移動体の位置を検出するセンサ部の配置例を示す図である。

図９は図６に示す多自由度駆動装置の回路構成図、図１０は図６に示す多自由度駆動装置の動作例を説明するためのフローチャート図である。なお、上記第１の実施形態と重複する部分については、各図に同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態の多自由度駆動装置は、図６に示すように、一対の超音波振動子１１，１２の移動体１４の対角側に一対の超音波振動子２４，２５を設けている。

超音波振動子１１，１２の移動体１４を挟み込んだ接触点と超音波振動子２４，２５で移動体１４を挟み込んだ接触点以外に移動体１４をある平面内に規制するためのボールによる支持部２６，２７が配置されている。

本実施形態では、移動体１４に対してＸ方向およびＹ方向の駆動力を付与する一対の超音波振動子を２組配置することで、上記第１実施形態で必要であったＸ方向ガイド機構およびＹ方向ガイド機構を不要にすることができる。

そして、図７を参照して、移動体１４を＋Ｘ方向のみに駆動させるときは、図７（ａ）に示すように、超音波振動子１１→プラス、超音波振動子２５→プラス、超音波振動子１２，２４→厚み方向の振動のみとする。

移動体１４を＋Ｙ方向のみに駆動させるときは、図７（ｂ）に示すように、超音波振動子１１，２５→厚み方向の振動のみ、超音波振動子１２→プラス、超音波振動子２４→プラスとする。

また、移動体１４を＋θ方向のみに駆動させるときは、図７（ｃ）に示すように、超音波振動子１１→プラス、超音波振動子２５→マイナス、超音波振動子１２→マイナス、超音波振動子２４→プラスというように駆動する。これにより、移動体１４をＸ，Ｙ，θ方向に駆動することができる。

また、図８において、センサ部２２は移動体１４のＸ方向の位置を検出し、センサ部２３，２８は移動体１４のＹ方向の位置を検出する。センサ部２２，２３，２８としては、例えばエンコーダなどを用いることができる。

このように、３ヶ所にセンサ部２２，２３，２８を配置することで、移動体１４のＸ，Ｙ，θ方向の移動量をそれぞれ検出することができる。

具体的には、初期位置に対し、移動体１４がＸ方向に動いた場合、センサ部２２から移動量に対する信号を検出することができる。移動体１４のＹ方向の移動がなければ、センサ部２３，２８の検出信号は両方ともゼロとなる。

移動体１４がＹ方向に動いた場合、Ｘ方向の移動がなければ、センサ部２２からの検出信号はゼロとなり、センサ部２３，２８からは同じ値の検出信号が得られる。

移動体１４がθ方向に動いた場合、Ｘ方向の移動が生じるのでセンサ部２２からは回転に応じた検出信号が得られ、また、センサ部２３，２８からは回転に応じてそれぞれ異なる値の検出信号が得られる。

そして、図９に示すように、センサ部２２，２３，２８から信号により信号処理部２９で位置情報が得られ、演算処理部３０によって超音波振動子１１，１２，２４，２５に対する駆動指令値が演算される。該駆動指令値に基づいて駆動回路部３１が超音波振動子１１，１２，２４，２５を駆動する。

次に、図１０を参照して、本発明の第２の実施形態である多自由度駆動装置の位置決め動作について説明する。

まず、ステップＳ１では、メカ的に決められたある位置に移動体１４を保持した状態でセンサ部２２，２３，２８をリセットするか、センサ部２２，２３，２８が持つ原点信号を得るように原点位置へ動作させるかなどして、原点検出動作を実施する。

次に、ステップＳ２で、信号処理部２８に目標移動位置がセットされると、ステップＳ３で、センサ部２２，２３，２４から位置情報を取得し、現在の位置を検出する。

次に、ステップＳ４では、目標位置との偏差と制御ゲインから超音波振動子１１，１２，２４，２５の移動量を決定し、ステップＳ５では、決定移動量に基づいて超音波振動子１１，１２，２４，２５を移動動作させる。

次に、ステップＳ６で、目標位置が更新されてないかを確認したのち、ステップＳで、目標位置との偏差がある範囲に入っているかを確認し、偏差がある範囲に入っていれば、ステップＳ８に移行して、超音波振動子１１，１２，２４，２５を停止する。

次に、ステップＳ９では、次の動作に入るか否かを確認し、動作終了であれば、ステップＳ１０に移行して動作を終了し、次の動作に入る場合は、ステップＳ２に戻る。

このように、センサ部２２，２３，２８から得られた信号を基に超音波振動子１１，１２，１４，２５の駆動を制御することにより目標位置に移動体１４を移動させることが可能となる。

次に、図１１〜図１３を参照して、本発明の第３の実施形態である多自由度駆動装置を説明する。

図１１は本発明の第３の実施形態である多自由度駆動装置の回路構成図、図１２は超音波振動子の駆動回路の詳細図、図１３は位相差と駆動速度との関係を示すグラフ図である。なお、上記第１および第２の実施形態と重複する部分については、各図に同一符号を付してその説明を省略する。

まず、図１２を参照して、スイッチング回路はスイッチング素子にＦＥＴ５１〜５８を用いている。

ここで、図１２に示すように、Ａ相パルスがＨｉになるとＦＥＴ５１，５４がオンとなり、Ａ相から／Ａ相に向かって電流が流れる。逆に、／Ａ相パルスがＨｉになると、ＦＥＴ５３，５２がオンとなり、／Ａ相からＡ相に向かって電流が流れる。

Ｂ相に対しても同様に与えられたパルス信号に応じてＦＥＴ５５〜５８がオンして超音波振動子１１，１２，２４，２５に電圧を印加するようになっている。

ここで、Ａ相と／Ａ相およびＢ相と／Ｂ相は、それぞれ１８０°位相がずれておりパルス幅は等しいパルス信号となっている。

また、超音波振動子とのインピーダンスを整合させるインピーダンス素子４１，４２は、インダクタンス素子である。なお、不図示ではあるが、インピーダンスを整合させるために容量素子を、超音波振動子と並列に設けるケースもある。

このようにインピーダンス素子４１，４２を付加することで、より低電圧でかつ高効率で超音波振動子を駆動することができる。

次に、図１３に、Ａ，Ｂの位相差と駆動速度との関係を示す。

上記第１の実施形態で説明した構成の超音波振動子を用いた場合、Ａ，Ｂの位相差を変えることで、ＡモードとＢモードとの比率が変わり、移動体１４を動かす力も変化する。

位相差が＋９０°もしくは−９０°のときが最も送り方向の力が発生するため、速い速度で移動体１４を動かすことができる。逆に、位相差をゼロに近づけていくと、移動体１４を動かそうとする力は減る方向となり、位相差ゼロのときは移動速度ゼロとなる。

従って、この位相差をコントロールすることで、移動体１４の速度をコントロールすることが可能となる。

図１１は、上記第２の実施形態のように、超音波振動子１１，１２，２４，２５を用いた場合の回路部の構成を示す図であり、符号５８は発振器部、符号５９，６０，６１，６２は該発振器部５８に対しそれぞれ位相が異なる信号を出すための位相シフタである。

また、符号６３〜６６は、図１２の回路で構成されたスイッチング回路部であり超音波振動子１１，１２，２４，２５にそれぞれ接続されている。

従来の超音波モータでは速度を変えるときには周波数を変える必要があるため、振動子が４つあった場合、発振部と位相シフト部がそれぞれ４組必要となっていた。

これに対し、本実施形態では、Ａ，Ｂの位相差を変えることで速度コントロールが可能であることを利用し、駆動周波数を出す発振器部５８をひとつにし、該発振器部５８に対して位相が変えられる位相シフタ５９〜６２を用いる構成としている。

また、発振器部５８をひとつにし、共通化することでそれぞれの振動子の振動位相が等しくなる。さらに、公知（特開平２−１９３８３５号公報等参照）のように、対向する振動子の振動の山になるタイミングを合わせることで、より効率よく駆動できるという効果も得られる。

従って、この実施形態では、回路規模を小さくできるだけでなく、図１３に示すようなモータ特性であることを利用し、単純なリニアな制御のみで可能となり、制御アルゴリズムも単純化できるという効果が得られる。

次に、図１４および図１５を参照して、本発明の第４の実施形態である多自由度駆動装置について説明する。

図１４は本発明の第４の実施形態である多自由度駆動装置を説明するための説明図、図１５は図１４に示す多自由度駆動装置の駆動例を説明するための斜視図である。なお、上記第１および第２の実施形態と重複する部分については、各図に同一符号を付してその説明を省略する。

この実施形態では、上記第１〜第３の実施形態の超音波振動子１１，１２，２４，２５の好適な支持構造について説明する。

図１４において、符号６７，６８は、超音波振動子の振動に影響を与えないように該超音波振動子の一部に設けられた支持部材である。

この支持部材６７，６８には、ねじ或いは接着などで超音波振動子を固定するための固定部が設けられている。

図１４（ａ）は、Ｘ方向駆動用の超音波振動子１１に支持部材６７，６８が設けられたもので 図１４（ｂ）は、Ｙ方向駆動用の超音波振動子１２に支持部材６７，６８が設けられたものである。

支持部材６７，６８が設けられた超音波振動子１１と超音波振動子１２とは同じ形状で、移動体１４を挟み込んで配置したときは、図１４（ｃ）に示すように、厚み方向で同じ位置で支持できるようになっている。

また、支持部材６７，６８は、移動体１４に対する一対の超音波振動子１１，１２の駆動方向に対して４５°をなす直線上に配置されている。

このような構成にすることで、超音波振動子を支持するための部分を共有化して小型化できるだけでなく、挟み込んで略一致した振動周期で加振することで、それぞれの振動が他の部分に漏れていくことも防げるという効果も得られる。

図１５は、支持部材６７，６８で支持された超音波振動子１１，１２および超音波振動子２４，２５により、移動体１４をＸ，Ｙおよびθ方向に駆動する多自由度駆動装置を示す図である。

この例では、超音波振動子１１，１２および超音波振動子２４，２５をそれぞれ支持部材６７，６８を介して固定するベース部材６９が設けられている。

なお、本実施形態では、ベース部材６９および移動体１４の形状は四角形状としているが、円形状や他の形状であってもよい。

なお、本発明は上記実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、被駆動体としてデジタルカメラ等の撮像装置に用いられるＣＣＤ（撮像素子）を例示したが、これに限定されず、被駆動体を撮像装置の光学系や光学部品等としてもよく、また、撮像装置以外の部品等を被駆動体としてもよい。

本発明の第１の実施形態である多自由度駆動装置を説明するための斜視図である。 超音波振動子の駆動例を説明するための斜視図である。 超音波振動子の振動モードを説明するための説明図である。 圧電素子の電極パターンを説明するための説明図である。 移動体の移動量を検出するセンサ部の配置例を示す図である。 本発明の第２の実施形態である多自由度駆動装置を説明するための斜視図である。 図６に示す多自由度駆動装置の駆動例を説明するための図である。 移動体の位置を検出するセンサ部の配置例を示す図である。 図６に示す多自由度駆動装置の回路構成図である。 図６に示す多自由度駆動装置の動作例を説明するためのフローチャート図である。 本発明の第３の実施形態である多自由度駆動装置の回路構成図である。 超音波振動子の駆動回路の詳細図である。 位相差と駆動速度との関係を示すグラフ図である。 本発明の第４の実施形態である多自由度駆動装置を説明するための説明図である。 図１４に示す多自由度駆動装置の駆動例を説明するための斜視図である。 従来の多自由度駆動装置の一例を説明するための図である。

符号の説明

１１，１２ 超音波振動子
１３ 被駆動体
１４ 移動体
１７ 圧電素子
１８ 弾性体
１９ 突起部
２２，２３ センサ部
２４，２５ 超音波振動子
２６，２７ ボール支持部
２８ センサ部
２９ 信号処理部
３０ 演算処理部
３１ 駆動回路部
４１，４２ インピーダンス素子
５１〜５８ ＦＥＴ
５８ 発振器部
５９〜６２ 位相シフタ
６３〜６６ スイッチング回路部
６７，６８ 支持部材
６９ ベース部材

Claims (10)

1. 被駆動体を保持する移動体を異なる方向に駆動する多自由度駆動装置であって、
   前記移動体を挟み込んで該移動体に加圧接触する一対の超音波振動子と、
   前記一対の超音波振動子を個別に支持する一対の支持部材と、を備え、
   前記一対の超音波振動子は、対向配置されて、前記移動体に対する駆動方向が互いに異なり、
   前記一対の支持部材は、前記移動体を間に挟んで同一位置に配置され、かつ前記移動体に対する前記一対の超音波振動子の駆動方向に対して４５°をなす直線上に配置されることを特徴とする多自由度駆動装置。
2. 前記一対の超音波振動子は、同一位置で前記移動体を挟んで加圧接触する突起部を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の多自由度駆動装置。
3. 前記移動体に対して前記一対の超音波振動子を２組以上配置した、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の多自由度駆動装置。
4. 前記一対の超音波振動子によって駆動される前記移動体を駆動方向に沿って案内するガイド機構を備える、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の多自由度駆動装置。
5. 前記一対の超音波振動子の駆動を制御する制御手段を備える、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の多自由度駆動装置。
6. 前記制御手段は、前記一対の超音波振動子の振動の山が互いに向かい合うように該一対の超音波振動子を制御する、ことを特徴とする請求項５に記載の多自由度駆動装置。
7. 前記一対の超音波振動子により駆動される前記移動体の駆動方向の位置を検出するセンサ部を備え、前記制御手段は、前記センサ部による検出信号に基づいて前記一対の超音波振動子の駆動を制御する、ことを特徴とする請求項５又は６に記載の多自由度駆動装置。
8. 前記一対の超音波振動子に対して駆動信号を出力する発振器部を共通化した、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の多自由度駆動装置。
9. 前記一対の超音波振動子をそれぞれ前記支持部材で支持したときの形状が同一形状である、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の多自由度駆動装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の多自由度駆動装置を備え、前記被駆動体が、撮像装置の光学系、光学部品、または撮像素子である、ことを特徴とする撮像装置。

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