JP5885380B2 - 振動波駆動装置の駆動制御装置及び駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動波駆動装置の駆動を制御する駆動制御装置及び駆動制御方法に関する。

カメラ等の光学機器に搭載されている圧電素子を利用した公知の振動波駆動装置（いわゆる超音波モータ）では、ステータと呼ばれる振動子にロータと呼ばれる被駆動体がバネにより強く圧接されている。
そのため、この被駆動体を静止時から起動させる時には該振動子と該被駆動体との間の静止摩擦力と該被駆動体の静止慣性力との和以上の力を該被駆動体に加えなければならない。
このようなことから、起動に際しては定常駆動中に該圧電素子に印加する交番電圧よりも大きな電圧を、該素子に印加するように制御が行われている。

しかしながら、これでも起動性が向上しない場合があるため、特許文献１では、起動に際して該振動子に定在波の振動を発生させて該振動子と該被駆動体との間の固着力を弱めてから起動させようとする振動波駆動装置の駆動方式が提案されている。
また、特許文献２では、起動に際してホワイトノイズを励振信号として印加する振動波駆動装置の起動方法が提案されている。

特開昭５９−１０６８８６号公報 特開平５−１７６５６２号公報

振動波駆動装置においては、装置を起動させる場合、ある所定掃印周波数の電圧を印加後、所定掃印周波数をスイープダウンさせて、所望の回転数を得るという手法が一般的に行われている。
ところで、ある所定掃印周波数からスイープダウンして、所望の回転数を得る場合の周波数−回転数カーブと、ある所望の回転数からスイープアップして得られる周波数−回転数カーブにはヒステリシスがある。
このヒステリシスがつぎのような課題となってきている。

すなわち、振動波駆動装置においては、低速域ではステータとロータの接触状態が不安定であることから、このヒステリシスにより最低起動回転数が大きくなってしまうため、起動時の加速が急激になり、大きな打撃音を生じてしまうこととなる。
特に動画撮影中心のカメラでは、この起動時の音が動画の音声として録音され、動画の品質を落としてしまうという課題が発生する。
上記２つの従来例の駆動制御技術でも、振動波駆動装置の起動性の改善は試みられているが、このような従来例のものでは、さらなる高ダイナミックレンジ化や、静音化を図る上で必ずしも十分に対応できるものではない。

本発明は、上記課題に鑑み、高ダイナミックレンジ化や、静音化を図ることが可能となる振動波駆動装置の駆動制御装置及び駆動制御方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、つぎのように構成した振動波駆動装置の駆動制御装置及び駆動制御方法を提供するものである。
本発明の一様態は、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで、前記振動子に接触する被駆動体を相対移動させる振動波駆動装置の駆動制御装置であって、
前記駆動信号の周波数を変化させて前記被駆動体を起動させる際、周波数を変化させる前に前記駆動信号を前記振動子に供給しない時間を設ける振動波駆動装置の駆動制御装置に関する。
本発明の一様態は、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで、前記振動子に接触する被駆動体を相対移動させる振動波駆動装置の駆動制御方法であって、
前記駆動信号の周波数を変化させて前記被駆動体を起動させる際、
第１の周波数を有する第１の駆動信号を前記振動子に入力し、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２の駆動信号を前記振動子に入力し、
前記第１の駆動信号の入力と前記第２の駆動信号の入力との間に、前記駆動信号を供給しない時間を設ける振動波駆動装置の駆動制御方法に関する。
また、本発明の一様態は、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで、前記振動子に接触する被駆動体を相対移動させる振動波駆動装置の駆動制御装置であって、
第１の周波数を有する第１の駆動信号を前記振動子に入力する期間と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２の駆動信号を前記振動子に入力する期間との間に、前記駆動信号を前記振動子に入力しない時間を設けるように構成された制御手段を有する振動波駆動装置の駆動制御装置に関する。

本発明によれば、高ダイナミックレンジ化や、静音化を図ることが可能となる振動波駆動装置の駆動制御装置及び駆動制御方法を実現することができる。

本発明に適用できる振動波駆動装置における駆動制御装置の構成を示すブロック図。 本発明に適用できるスイッチング回路部のＯＦＦ−ＯＮタイミング波形図。 本発明に適用できる周波数−回転数特性を表す模式図。 本発明に適用できる振動波駆動装置の構成を説明する図。 従来例におけるスイッチング回路部のＯＦＦ−ＯＮタイミング波形図。 本発明と従来例とを適用した場合における周波数−回転数特性を表す模式図。

本発明を実施するための形態を、以下の実施形態により説明する。

本発明の１つの実施形態として、振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、振動子の駆動部に接触する被駆動体を相対移動させる振動波駆動装置とその駆動を制御する駆動制御装置の構成例について説明する。
図１は、本実施形態の駆動制御装置としての駆動制御回路の構成を示すブロック図である。図１においてａは振動波駆動装置である振動型モータである。
まず、振動型モータａの構成の一例を、図４を参照して説明する。
図４において、ｂは金属等の振動減衰損失の小さい材料で構成された第１の弾性体、ｄは電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子である。
ｈは図１の駆動制御回路より圧電素子ｄに駆動信号を印加するためのフレキシブル基板、ｅは第２の弾性体、ｆはシャフトｃの下端に形成されたネジ部と勘合する第１の締め付け部材である。
第１の弾性体ｂ、圧電素子ｄ、フレキシブル基板ｈ、および、第２の弾性体ｅの中心部に設けられた貫通孔にシャフトｃを挿入する。
シャフトｃの途中には段差が設けられており、この段差が第１の弾性体ｂの内壁に設けられた段差に突き当たる。
シャフトｃの先端（下部）部にはネジが形成され、このネジに締結部材である第１の締め付け部材ｆを嵌合させて締め付けることで、第２の弾性体ｅ、フレキシブル基板ｈ、圧電素子ｄ、および、第１の弾性体ｂを固定することができる。

第１の弾性体ｂの圧電素子ｄと接触していない側の表面（駆動部）には、被駆動体であるロータｉに固定された接触バネｊが加圧接触する。この接触バネｊは弾性を有しており、ロータｉに固定されて一体となって回転する。
ｋは出力手段であるギアであり、ロータｉの回転軸方向の移動を許容し、ロータｉの回転運動の移動に追従するようにロータｉと嵌合している。
ｍはバネ等の加圧手段であり、ロータｉのバネ受け部とギアｋとの間に配置され、ロータｉを第１の弾性体ｂの方向に押し下げるように加圧している。
ギアｋはシャフトｃと結合した固定部材ｌに軸支されており、その軸方向における位置は固定部材ｌによって規制されている。シャフトｃの第１の締め付け部材ｆと嵌合しない側の先端（上端）部にもネジが形成されており、このネジに第２の締め付け部材ｇを嵌合させて、固定部材ｌにシャフトｃを固定している。
固定部材ｌにはネジ穴が設けてあり、この固定部材ｌを所望の個所にネジを用いて固定することで、振動型モータを所望の個所に取り付けることができる。

圧電素子ｄは、複数の圧電体の層が積層して構成されている。例えば、１つの圧電体の両面には電極層が形成されており、電極層は４つの領域（４つの電極）に分割されている。この４つの電極に対応する圧電体の４つの領域は、互いに同じ向きとなるように圧電素子ｄの厚み方向に分極が施されている。
この４つの電極層に夫々駆動信号（後述のＡ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’）を印加すると、振動子には第１の弾性体ｂを紙面の前後と左右に振るような２つの曲げ振動（１つの曲げ振動ともう一方の曲げ振動は空間的に９０度位相がずれている）が発生する。
これらの振動が合成されると、第１の弾性体ｂの表面には、楕円運動が励起される。

この楕円運動が励起された第１の弾性体ｂの表面に接触バネｊを加圧接触させれば、接触バネｊおよびロータｉ（被駆動体）がこの楕円運動に押し出されるようにして移動する。
振動型モータの構成は上記の構成に限定されるものではない。
例えば、圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子、振動子、被駆動体等から構成され、電気−機械エネルギー変換素子に２相以上の交流電圧を印加することにより振動子に進行性の振動波を発生させる円環型の振動波駆動装置にも適用できる。

図１に戻り、本実施形態では、スイッチング回路１２、１２’はスイッチング素子にオン抵抗の小さいＦＥＴを使用している。また、各ＦＥＴには逆方向電流通過用ダイオードが設けられている。このダイオードを設けることで逆方向電流によるＦＥＴの破損を避けている。駆動信号であるＡ、Ａ’信号と、Ｂ、Ｂ’信号と、はそれぞれ時間的に位相が９０度異なる。
１３、１４はモータとのインピーダンスを整合させるインピーダンス素子である。本実施形態では１３、１４はインダクタンス素子である。
図１の４相の駆動方法でも、１３、１４の位置にインピーダンス素子を付加することで、より低電圧でかつ高効率にモータを駆動することができる。
１５は被駆動体と振動子の相対的な位置を検出するエンコーダー（移動量検出手段）である。
尚、マイコン（制御手段）１１からスイッチング回路１２’に入力される信号ｄｉｒは、正転、逆転を指示する信号である。マイコン１１から、正転信号がスイッチング回路１２’に入力された場合は、スイッチング回路１２’はＢ、Ｂ’信号が、スイッチング回路１２のＡ、Ａ’信号に対してそれぞれ時間的に９０度位相が遅れる様に制御される。
逆に、逆転信号がスイッチング回路１２’に入力した場合は、Ｂ、Ｂ’出力はＡ、Ａ’のスイッチングパルスに対してそれぞれ時間位相が９０度進む様に制御される。
ここで、Ａ、Ａ’信号やＢ、Ｂ’信号は、駆動信号としての駆動電圧（交流電圧）であり、図１はこの駆動電圧によるフローティング駆動の様子を示している。フローティング駆動においては、Ａ信号がプラス電圧でＡ’信号がグランド電圧の場合と、Ａ信号がグランド電圧でＡ’信号がプラス電圧の場合と、を交互に変更する。同じように、Ａ、Ａ’信号と時間的に９０度位相が遅れるＢ、Ｂ’信号においても、Ｂ信号がプラス電圧でＢ’信号がグランド電圧の場合と、Ｂ信号がグランド電圧でＢ’信号がプラス電圧の場合と、を交互に変更する。
このフローティング駆動によれば、常にＡをプラスの電圧にしてＡ’をグランド電圧とする場合に比べて、みかけ上、２倍の電圧を印加することが可能となり、２倍の振幅を発生することができる。つまり、従来と比べて半分の電圧で同振幅を発生することができる。
また、Ａ、Ａ’信号とＢ、Ｂ’信号は時間位相が９０度異なる例で説明したが、時間位相のずれは９０度に限定されるものではない。

つぎに、本実施形態における所定掃印周波数を変化させる毎にパルス信号である駆動信号をオフ−オンさせる構成について説明する。
図２は、スイッチング回路部１２、１２’のＯＦＦ−ＯＮタイミング波形を示す図であり、モータを駆動させる時のＡ、Ａ’信号と、エンコーダー（移動量検出手段）から出力されるエンコーダー信号（ＥＮＣ信号）の変化の様子を示す。
まず、駆動信号として周波数ｆ１の駆動信号を入力する。そして、所定時間、周波数ｆ１を入力後、駆動信号をオフ状態にする。
次に、所定時間オフの時間が経過後、駆動信号として周波数ｆ２を入力する。駆動信号のオフの時間は、任意に設定可能である。
この時、周波数ｆ１とｆ２の関係は、ｆ１＞ｆ２となっている。所定時間、周波数ｆ２を入力後、駆動信号をオフ状態にする。
ここまでの領域を分かりやすいように、図中ではオフ−オンモード領域としている。
ここで、このオフ−オンは、図１のマイコン１１からの指令によって、Ａ、Ａ’信号（Ｂ、Ｂ’信号）自体を同時にオフ−オンさせることにより行われる。
さらに、次の駆動信号として周波数ｆ３を入力する。この時、周波数ｆ２とｆ３の関係は、ｆ２＞ｆ３となっている。
また、ＥＮＣ信号に着目すると、周波数ｆ３を入力後、エンコーダーに入力が入ったことを表している。
すなわち、モータが駆動し始めたことを表している。駆動していることが確認できたら、次の信号として連続的に周波数ｆ４を入力する。
この時、周波数ｆ３とｆ４の関係は、ｆ３＞ｆ４となっている。その後は、所望の回転数が得られるまで、周波数を下げていき、所望の回転数を得る動作を実行する。起動してからの領域をスイープモード領域としている。
本実施形態では、このように所定掃印周波数を順次に減少するように変化させて駆動信号を入力するに際し、所定掃印周波数を変化させる毎に、駆動信号をオフ−オンさせる（つまり周波数を変化させる毎に駆動信号をオフさせる時間を設ける）ように構成されている。
そして、本実施形態では、エンコーダーによって被駆動体の移動量を検出し、この検出された移動量の検出値によって、パルス信号である駆動信号をオフ−オンするモードと、駆動信号の周波数をスイープするモード（駆動信号をオフせずに、周波数を連続的に変化させるモード）とに、マイコン１１により切り替え可能に構成されている。

図３は周波数−回転数特性を表す図であり、図２の信号の様子とモータの回転数の様子を表した模式図である。
所定掃印周波数を変更する毎に、入力信号のオフ−オンを繰り返し、矢印で示した起動周波数ポイントで、モータが起動し回転し始める様子を示している。
そのときの周波数−回転数特性を表しているのが、丸数字１の線である。
さらに、丸数字１は所望の回転数からスイープアップして得られる周波数−回転数特性とほぼ一致することが筆者らの実験により確かめられている。

図５に、従来例におけるスイープモード領域のみで構成されたＡ、Ａ’の入力信号とエンコーダーのＥＮＣ信号の変化の様子を示す。
まず、入力信号として周波数ｆ１を入力する。所定時間周波数ｆ１を入力後、次の信号として連続的に周波数ｆ２を入力する。
この時、周波数ｆ１とｆ２の関係は、ｆ１＞ｆ２となっている。
さらに、周波数ｆ３、ｆ４、・・・、ｆ７と連続的に入力していく。周波数ｆ２、ｆ３、・・・、ｆ７の関係は、ｆ２＞ｆ３＞・・・＞ｆ７となっている。
周波数ｆ７を入力後、エンコーダ信号ＥＮＣに入力が入ったことを表している。すなわち、モータが駆動し始めたことを表している。
なお、上記の説明では、前記駆動信号として所定掃印周波数を印加する場合について説明したが、駆動信号として所定掃印周波数に振動子と該被駆動体との間の固着力を弱めるのに効果のあるそれ以外の周波数成分を重畳させるようにしてもよい。

図６は従来例と本発明を適用した場合とにおける周波数−回転数特性を表す図であり、図５の信号の様子とモータの回転数の様子を表した模式図である。
入力信号を常にオンの状態で、所定掃印周波数を変更し、スイープダウンすると、矢印で示した起動周波数ポイントでモータが起動し回転し始める様子を示している。
そのときの周波数−回転数特性を表しているのが、丸数字２の線（従来例）である。
丸数字１（本発明を適用した場合）と丸数字２を比較すると丸数字１の方が最低回転数が低く、低速から安定して駆動できる様子が明らかである。

以上のように、本実施形態によれば、従来例のものに比べて低速から安定して駆動できる。
これは、本実施形態における周波数ごとにオンとオフを繰り返すステップ入力により、従来例のようなオフ状態のない連続的な入力に比べて、駆動波成分が大きくなり、起動性が向上するものと考えられる。よって、前述した周波数−回転数カーブのヒステリシスを小さくすることができる。
そのため、最低起動回転数を小さくすることができ、起動時の加速を緩やかに行うことが可能となる。
これらにより、起動時の打撃音を小さくすることができ、振動波駆動装置の高ダイナミックレンジ化と静音化を実現することができる。
また、電圧を上げるなどの耐圧のある素子を使用する構成でないことから、装置のコストを上げずに制御機能の良い振動波駆動装置を実現することできる。

ａ：振動子
１１：マイコン
１２：スイッチング回路
１３、１４：インダクタンス素子
１５：エンコーダ

Claims (15)

1. 電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで、前記振動子に接触する被駆動体を相対移動させる振動波駆動装置の駆動制御装置であって、
   前記駆動信号の周波数を変化させて前記被駆動体を起動させる際、周波数を変化させる前に前記駆動信号を前記振動子に供給しない時間を設けることを特徴とする振動波駆動装置の駆動制御装置。
2. 前記駆動信号は、時間位相の異なる複数の駆動信号を備え、
   前記周波数を変化させる毎に前記複数の駆動信号を同時に、前記振動子に入力しない状態とすることが可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置の駆動制御装置。
3. 前記被駆動体の移動を検出する移動量検出手段によって検出された検出値によって、
   前記周波数を変化させる毎に前記駆動信号を前記振動体へ入力する状態と入力しない状態とを繰り返すモードと、
   前記駆動信号を前記振動子に入力しない状態とせずに周波数を連続的に変化させるモードと、を切り替えることが可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動波駆動装置の駆動制御装置。
4. 前記検出値に基づき、前記被駆動体の移動開始した時に、前記周波数を変化させる毎に前記駆動信号を振動子に入力する状態と入力しない状態とを繰り返すモードから前記駆動信号を前記振動子に入力しない状態とせずに周波数を連続的に変化させるモードに切り替えるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の振動波駆動装置の駆動制御装置。
5. 電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで、前記振動子に接触する被駆動体を相対移動させる振動波駆動装置の駆動制御方法であって、
   前記被駆動体を起動させる際、
   第１の周波数を有する第１の駆動信号を前記振動子に入力し、
   前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２の駆動信号を前記振動子に入力し、
   前記第１の駆動信号の入力と前記第２の駆動信号の入力との間に、前記駆動信号を前記振動子に入力しない時間を設けることを特徴とする振動波駆動装置の駆動制御方法。
6. 前記駆動信号は、時間位相の異なる複数の駆動信号を備え、
   前記周波数を変化させる毎に前記複数の駆動信号を同時に、前記振動子に入力しない状態とすることを特徴とする請求項５に記載の振動波駆動装置の駆動制御方法。
7. 前記被駆動体の移動を検出する移動量検出手段によって検出された検出値によって、
   前記周波数を変化させる毎に前記駆動信号を振動子に入力する状態と入力しない状態とを繰り返すモードと、
   前記駆動信号を前記振動子に入力しない状態とせずに周波数を連続的に変化させるモードと、を切り替えることが可能に構成されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の振動波駆動装置の駆動制御方法。
8. 前記検出値に基づき、前記被駆動体の移動開始した時に、前記周波数を変化させる毎に前記駆動信号を振動子に入力する状態と入力しない状態とを繰り返すモードから前記駆動信号を前記振動子に入力しない状態とせずに周波数を連続的に変化させるモードに切り替えることを特徴とする請求項７に記載の振動波駆動装置の駆動制御方法。
9. 前記周波数の変化は、周波数が小さくなることであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の駆動制御装置。
10. 前記第２の周波数は前記第１の周波数より小さいことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の駆動制御装置。
11. 電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで、前記振動子に接触する被駆動体を相対移動させる振動波駆動装置の駆動制御装置であって、
    第１の周波数を有する第１の駆動信号を前記振動子に入力する期間と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２の駆動信号を前記振動子に入力する期間との間に、前記駆動信号を前記振動子に入力しない時間を設けるように構成された制御手段を有することを特徴とする振動波駆動装置の駆動制御装置。
12. 前記第１の駆動信号は、時間位相の異なる複数の駆動信号を備え、
    前記第１の駆動信号の入力期間の後、前記複数の駆動信号を同時に、前記振動子に入力しない状態とすることが可能に構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の振動波駆動装置の駆動制御装置。
13. 前記被駆動体の移動を検出する移動量検出手段によって検出された検出値に基づいて、
    前記第２の駆動信号の後に前記振動子に入力しない状態とする期間を設けず、周波数を連続的に変化させるモードに切り替えることが可能に構成されていることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の振動波駆動装置の駆動制御装置。
14. 前記被駆動体の移動を検出する移動量検出手段によって検出された検出値に基づき、前記被駆動体の移動を開始した時に、前記周波数を変化させる毎に前記駆動信号を振動子に入力する状態と入力しない状態とを繰り返すモードから前記駆動信号を前記振動子に入力しない状態とせずに周波数を連続的に変化させるモードに切り替えるように構成されていることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の振動波駆動装置の駆動制御装置。
15. 前記第２の周波数は前記第１の周波数より小さいことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の駆動制御装置。

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