JP6448406B2 - Vibrating actuator, control method therefor, and optical instrument - Google Patents

Vibrating actuator, control method therefor, and optical instrument Download PDF

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Description

本発明は、超音波モータ等の振動型アクチュエータとその制御方法、光学機器に関する。   The present invention relates to a vibration type actuator such as an ultrasonic motor, a control method therefor, and an optical apparatus.

超音波モータは、小型軽量、高速駆動、かつ、静音駆動という特徴をもち、撮像装置のレンズ鏡筒等に採用されている。特許文献1には、リニア駆動用の超音波モータが開示されている。この超音波モータは、圧電素子が固定された矩形状の振動板と、振動板上に設けられた接触部と接触する摩擦部材から構成される。圧電素子が発生する振動により、振動板に設けられた突起先端に楕円運動が発生する。振動板はこの楕円運動により駆動力を得て、摩擦部材に対して移動する。圧電素子は二つの分極領域を有しており、各分極領域への入力電圧の位相差が制御される(位相差制御法)。これにより突起先端の楕円運動の軌跡が変化するので、振動板の移動速度を制御できる。   Ultrasonic motors have the characteristics of small size, light weight, high speed drive, and silent drive, and are used in lens barrels of image pickup apparatuses. Patent Document 1 discloses an ultrasonic motor for linear drive. This ultrasonic motor is composed of a rectangular diaphragm on which a piezoelectric element is fixed and a friction member that comes into contact with a contact portion provided on the diaphragm. Due to the vibration generated by the piezoelectric element, an elliptical motion is generated at the tip of the protrusion provided on the diaphragm. The diaphragm obtains a driving force by this elliptical motion and moves relative to the friction member. The piezoelectric element has two polarization regions, and the phase difference of the input voltage to each polarization region is controlled (phase difference control method). As a result, the locus of the elliptical motion of the tip of the protrusion changes, so that the moving speed of the diaphragm can be controlled.

特開2004−88815号公報JP 2004-88815 A

位相差制御法では、圧電素子の二つの分極領域への入力電圧の位相差を制御することにより、突起先端の楕円運動の軌跡を変化させて振動板の速度制御が行われる。また、周波数制御法では駆動周波数の制御によって速度を制御する。周波数制御法に比べて、位相差制御法の利点は、低速度領域における駆動が可能なことである。しかし、位相差制御法において、位相差が0°または180°付近の位相差領域では駆動力が小さくなる。このため、駆動状態が不安定となるか、あるいは駆動が停止する領域、すなわち不感帯が存在する場合がある。不感帯が存在する場合には、超音波モータの制御系にて不感帯の影響により、所望の制御特性が得られない可能性がある。
本発明の目的は、振動型アクチュエータの駆動において制御性を向上させることである。
In the phase difference control method, by controlling the phase difference of the input voltage to the two polarization regions of the piezoelectric element, the speed of the diaphragm is controlled by changing the locus of the elliptical motion of the tip of the protrusion. In the frequency control method, the speed is controlled by controlling the driving frequency. The advantage of the phase difference control method compared to the frequency control method is that it can be driven in a low speed region. However, in the phase difference control method, the driving force is small in the phase difference region where the phase difference is near 0 ° or 180 °. For this reason, the drive state may become unstable or there may be a region where the drive stops, that is, a dead zone. If there is a dead zone, there is a possibility that desired control characteristics cannot be obtained due to the dead zone in the control system of the ultrasonic motor.
An object of the present invention is to improve controllability in driving a vibration type actuator.

本発明に係る装置は、振動部材および該振動部材に固定された圧電素子を用いる振動型アクチュエータであって、前記振動部材と接触して当該振動部材に対して相対的に移動する摩擦部材と、前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を取得して前記圧電素子の駆動を制御する制御手段と、を備える。前記圧電素子は、複数の分極領域を有しており、前記制御手段は、前記複数の分極領域にそれぞれ印加する電圧の位相差を制御する場合、第1の位相差領域にて前記位相差を設定する第1の制御と、前記第1の位相差領域よりも範囲が狭い第2の位相差領域にて前記位相差を設定する第2の制御を行う。   An apparatus according to the present invention is a vibration type actuator using a vibration member and a piezoelectric element fixed to the vibration member, and a friction member that contacts the vibration member and moves relative to the vibration member; Control means for acquiring relative position information of the vibration member with respect to the friction member and controlling driving of the piezoelectric element. The piezoelectric element has a plurality of polarization regions, and the control means controls the phase difference in the first phase difference region when controlling the phase difference between voltages applied to the plurality of polarization regions. First control to be set and second control to set the phase difference in a second phase difference region having a narrower range than the first phase difference region are performed.

本発明によれば、振動型アクチュエータの駆動において制御性を向上させることができる。   According to the present invention, controllability can be improved in driving the vibration type actuator.

本発明の第1の実施形態に係る超音波モータの構成例を示す図である。It is a figure showing an example of composition of an ultrasonic motor concerning a 1st embodiment of the present invention. 第1の実施形態に係る超音波モータの振動状態の説明図である。It is explanatory drawing of the vibration state of the ultrasonic motor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るリニア駆動装置を概略的に示す図である。It is a figure showing roughly the linear drive concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る超音波モータの位相差制御の説明図である。It is explanatory drawing of the phase difference control of the ultrasonic motor which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る楕円運動の軌跡を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the locus | trajectory of the elliptical motion which concerns on 1st Embodiment. 本発明の実施形態に係る駆動装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the drive device which concerns on embodiment of this invention. 第1の実施形態に係る位相差領域の説明図である。It is explanatory drawing of the phase difference area | region which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る駆動停止時の位相差制御を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the phase difference control at the time of the drive stop which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る位相差領域の説明図である。It is explanatory drawing of the phase difference area | region which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係るリニア駆動装置の傾きの影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the inclination of the linear drive device which concerns on 3rd Embodiment. 比較例における駆動停止時の位相差制御を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the phase difference control at the time of the drive stop in a comparative example.

以下、添付図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。各実施形態では振動型アクチュエータとして超音波モータを例示して機構および動作を説明する。超音波モータは、小型軽量かつ広い駆動速度レンジが要求される電子機器、例えばレンズ駆動装置等に利用可能である。振動型アクチュエータにより、レンズ等の光学部材を駆動する光学機器(レンズ装置、撮像装置等)に適用可能である。一実施例としての超音波モータは、矩形状の振動板と、該振動板に対して相対的に移動する摩擦部材を備える。本明細書中において、振動板の長辺方向をX方向、短辺方向をY方向とそれぞれ定義する。また、振動板における略矩形状の面の法線方向(厚さ方向)をZ方向とする。Z方向において、振動板から摩擦部材へ向かう方向を+Z方向と定義し、その逆方向を−Z方向と定義する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In each embodiment, the mechanism and the operation will be described by exemplifying an ultrasonic motor as a vibration type actuator. Ultrasonic motors can be used in electronic devices that require a small, lightweight and wide driving speed range, such as lens driving devices. The present invention can be applied to an optical device (lens device, imaging device, etc.) that drives an optical member such as a lens by a vibration actuator. An ultrasonic motor as one embodiment includes a rectangular diaphragm and a friction member that moves relative to the diaphragm. In this specification, the long side direction of the diaphragm is defined as the X direction, and the short side direction is defined as the Y direction. Further, the normal direction (thickness direction) of the substantially rectangular surface of the diaphragm is defined as the Z direction. In the Z direction, the direction from the diaphragm toward the friction member is defined as + Z direction, and the opposite direction is defined as -Z direction.

[第1の実施形態]
図1から図8を参照して、本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、本実施形態の超音波モータ10の基本的な構成を説明するための図である。図1(A)は平面図、図1(B)は正面図である。図1(C)および図1(D)はそれぞれ異なる方向から見た場合の側面図である。図1(E)は底面図である。超音波モータ10は、振動板1と圧電素子2を備える。
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram for explaining a basic configuration of an ultrasonic motor 10 according to the present embodiment. 1A is a plan view and FIG. 1B is a front view. 1C and 1D are side views when viewed from different directions. FIG. 1E is a bottom view. The ultrasonic motor 10 includes a diaphragm 1 and a piezoelectric element 2.

振動板1は、矩形状の平板部を有する振動部材である。平板部上には突起部1a,1bがX方向にて所定の間隔をおいて設けられている。突起部1a,1bについては、絞り加工により平板部と一体成型してもよいし、別部材を平板部に接着で固定してもよい。振動板1には高周波振動する圧電素子2が固定されている。   The diaphragm 1 is a vibrating member having a rectangular flat plate portion. Protrusions 1a and 1b are provided on the flat plate portion at a predetermined interval in the X direction. About protrusion part 1a, 1b, you may integrally mold with a flat plate part by drawing, and you may fix another member to a flat plate part by adhesion | attachment. A piezoelectric element 2 that vibrates at a high frequency is fixed to the diaphragm 1.

圧電素子2は、図1(A)に示すように、同方向に分極された2箇所の分極領域2a,2bを有する。分極領域2aがA相に割り当てられ、分極領域2bがB相に割り当てられている。A相およびB相とは、図示しない外部電源から圧電素子2へ位相差を持つ2相の電圧をそれぞれ入力する場合の2つの相である。圧電素子2は、分極されていない領域2cを有し、当該領域2cは圧電素子2の裏面2eの全面電極から側面2dの領域の電極を経由して導通されたグランドとして使用される電極部である。   As shown in FIG. 1A, the piezoelectric element 2 has two polarization regions 2a and 2b polarized in the same direction. The polarization region 2a is assigned to the A phase, and the polarization region 2b is assigned to the B phase. The A phase and the B phase are two phases when a two-phase voltage having a phase difference is input to the piezoelectric element 2 from an external power source (not shown). The piezoelectric element 2 has a non-polarized region 2c, and the region 2c is an electrode portion used as a ground that is conducted from the entire surface electrode on the back surface 2e of the piezoelectric element 2 via the electrode in the region of the side surface 2d. is there.

振動板1の矩形状の面における短辺部には、X方向に延在する連結部1c,1dがそれぞれ設けられている。連結部1c,1dは振動板1と同期して移動し、後述する振動板の保持部材に対し、直接的又は間接的に連結される。連結部1c,1dは、振動板1と圧電素子2の振動において変位が小さい部分に設けられており、十分に剛性が弱いので、振動を阻害しにくい形状に設計される。従って、連結部1c,1dは振動板1と圧電素子2の振動にほとんど影響を与えない。   Connection portions 1c and 1d extending in the X direction are provided on the short sides of the rectangular surface of the diaphragm 1, respectively. The connecting portions 1c and 1d move in synchronization with the diaphragm 1 and are directly or indirectly connected to a diaphragm holding member to be described later. The connecting portions 1c and 1d are provided in a portion where the displacement is small in the vibration of the vibration plate 1 and the piezoelectric element 2, and the rigidity is sufficiently weak, so that the connecting portions 1c and 1d are designed in a shape that does not hinder vibration. Accordingly, the connecting portions 1 c and 1 d hardly affect the vibration of the diaphragm 1 and the piezoelectric element 2.

圧電素子2に対し、A相とB相との位相差を−90°から+90°まで変化させた交流電圧を印加することによって、高周波振動が発生する。圧電素子2の高周波振動によって振動板1には、以下の固有振動モードが励振される。
・振動板1の短辺方向(Y方向)の曲げ振動に係る1次の固有振動モード(以下、第1のモードという)。
・振動板1の長辺方向(X方向)の曲げ振動に係る2次の固有振動モード(以下、第2のモードという)。
突起部1a,1bは第1のモードの腹(図1(E)におけるX参照)の近傍であって、かつ、第2のモードの節(図1(E)におけるY1およびY2参照)の近傍に設けられる。図1(E)にY1とY2で示す各位置はY方向の中心線Y0に関して対称である。
By applying an AC voltage in which the phase difference between the A phase and the B phase is changed from −90 ° to + 90 ° to the piezoelectric element 2, high-frequency vibration is generated. The vibration plate 1 is excited by the following natural vibration modes by high-frequency vibration of the piezoelectric element 2.
A primary natural vibration mode (hereinafter referred to as a first mode) related to bending vibration in the short side direction (Y direction) of the diaphragm 1.
A secondary natural vibration mode (hereinafter referred to as a second mode) related to bending vibration in the long side direction (X direction) of the diaphragm 1.
The protrusions 1a and 1b are in the vicinity of the antinode of the first mode (see X in FIG. 1 (E)) and in the vicinity of the node in the second mode (see Y1 and Y2 in FIG. 1 (E)). Is provided. Each position indicated by Y1 and Y2 in FIG. 1E is symmetrical with respect to the center line Y0 in the Y direction.

図2を参照して、振動の様相について説明する。図2は、A相に対してB相の位相を約90°遅らせた交流電圧を、圧電素子2に印加した場合の振動例を示す模式図である。図2(A)は、A相とB相の各交流電圧の波形例を示す。横軸は時間Tを表し、縦軸は電圧Vを表す。矢印で示す各時点P1からP4は、A相とB相についてそれぞれ位相の異なる時点を示す。P1の時点ではA相電圧が正値でB相電圧が負値であり、P2の時点ではA相電圧およびB相電圧が正値である。P3の時点ではA相電圧が負値でB相電圧が正値であり、P4の時点ではA相電圧およびB相電圧が負値である。つまり、P2とP4の時点でA相電圧とB相電圧は互いに同符号の関係であり、P1とP3の時点でA相電圧とB相電圧は互いに逆符号の関係である。図2(B)、(C)、(D)はそれぞれ、図1(B)、(C)、(D)に対応する。図2(B)はY方向から見た場合の図、図2(C)はX方向から見た場合の図、図2(D)はX方向にて図2(B)とは反対側から見た場合の図である。これらの図は、図2(A)に矢印で示すP1からP4の各時点に対して、所定時間の遅れをそれぞれ有するQ1からQ4の各時点における振動状態を示している。なお、図2において圧電素子2と、連結部1c,1dについては図示の簡略化のため省略する。   The aspect of vibration will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of vibration when an AC voltage obtained by delaying the phase of the B phase by about 90 ° with respect to the A phase is applied to the piezoelectric element 2. FIG. 2A shows an example of the waveform of each AC voltage of the A phase and the B phase. The horizontal axis represents time T, and the vertical axis represents voltage V. Time points P1 to P4 indicated by arrows indicate time points with different phases for the A phase and the B phase, respectively. At the time point P1, the A phase voltage is a positive value and the B phase voltage is a negative value, and at the time point P2, the A phase voltage and the B phase voltage are positive values. At the time point P3, the A phase voltage is a negative value and the B phase voltage is a positive value, and at the time point P4, the A phase voltage and the B phase voltage are negative values. That is, the phase A voltage and the phase B voltage have the same sign relationship at the time points P2 and P4, and the phase A voltage and the phase B voltage have the opposite sign relationship at the time points P1 and P3. 2B, 2C, and 2D correspond to FIGS. 1B, 1C, and 1D, respectively. 2B is a view when viewed from the Y direction, FIG. 2C is a view when viewed from the X direction, and FIG. 2D is a view from the opposite side of FIG. 2B in the X direction. FIG. These figures show the vibration state at each time point Q1 to Q4 having a predetermined time delay with respect to each time point P1 to P4 indicated by arrows in FIG. In FIG. 2, the piezoelectric element 2 and the connecting portions 1c and 1d are omitted for simplification of illustration.

A相電圧とB相電圧として同符号の電圧が印加される場合(例えば図2(A)に示すP2およびP4)、A相とB相とで同様の伸縮が生じる。これにより、第1のモードが励振され、図2(C)にてZで示すように突起部1a,1bの先端部のZ方向における振幅が最大となる。他方、A相電圧とB相電圧として異符号の電圧が印加される場合(例えば図2(A)に示すP1およびP3)、A相とB相とで逆方向の伸縮が生じる。これにより、第2のモードが励振され、図2(B)にてXで示すように突起部1a,1bの先端部のX方向における振幅が最大となる。A相に対してB相の位相を約90°遅らせて交流電圧を圧電素子2に印加すると、突起部1a,1bの先端部には図示のような楕円運動がそれぞれ発生する。突起部1a,1bの先端部は、後述の摩擦部材(図3:符号3参照)に当接するので、突起部1a,1bの楕円運動により生じる、摩擦部材と突起部1a,1bとの摩擦で振動板1は推進力を得る。すなわち、振動板1は図2(B)に示す+X方向(右方向を正方向とする)に相対移動する。 When voltages having the same sign are applied as the A phase voltage and the B phase voltage (for example, P2 and P4 shown in FIG. 2A), the same expansion and contraction occurs in the A phase and the B phase. Thus, the first mode is excited, the protrusion 1a as indicated by Z 1 in FIG. 2 (C), the amplitude in the Z direction of the distal end portion of 1b is maximized. On the other hand, when voltages having different signs are applied as the A-phase voltage and the B-phase voltage (for example, P1 and P3 shown in FIG. 2A), expansion and contraction in opposite directions occurs between the A-phase and the B-phase. Thus, the second mode is excited, the amplitude in the X direction of the distal end portion of the protrusion 1a, 1b as indicated by X 1 in FIG. 2 (B) is maximized. When an AC voltage is applied to the piezoelectric element 2 by delaying the phase of the B phase by about 90 ° with respect to the A phase, elliptical motions as shown in the figure are generated at the tips of the protrusions 1a and 1b, respectively. Since the tips of the protrusions 1a and 1b are in contact with a friction member described later (see FIG. 3: reference numeral 3), friction between the friction member and the protrusions 1a and 1b caused by the elliptical motion of the protrusions 1a and 1b occurs. The diaphragm 1 obtains a driving force. That is, the diaphragm 1 relatively moves in the + X direction (right direction is the positive direction) shown in FIG.

また、A相に対してB相の位相を約90°進めて交流電圧を圧電素子2に印加した場合には、図2に示した振動状態によって生成される楕円運動とは反対方向の楕円運動が発生する。よって、突起部1a,1bの楕円運動により生じる、摩擦部材と突起部1a,1bとの摩擦で振動板1は推進力を得る。すなわち、振動板1は図2(B)に示すX方向の矢印とは反対の−X方向(左方向を負方向とする)に相対移動する。   Further, when an AC voltage is applied to the piezoelectric element 2 by advancing the phase of the B phase by about 90 ° with respect to the A phase, the elliptical motion in the direction opposite to the elliptical motion generated by the vibration state shown in FIG. Will occur. Therefore, the diaphragm 1 obtains a driving force by the friction between the friction member and the protrusions 1a and 1b, which is generated by the elliptical motion of the protrusions 1a and 1b. That is, the diaphragm 1 relatively moves in the −X direction (the left direction is a negative direction) opposite to the arrow in the X direction shown in FIG.

次に、図3を参照して、超音波モータ10を利用したリニア駆動装置20の構成を説明する。リニア駆動装置20は、例えば撮影レンズ装置や撮像装置等において、光学部材を光軸方向に沿って移動させる機構部に使用される。図3はリニア駆動装置20の概略図である。図3(A)は超音波モータ10の進行方向から見た場合の正面図である。図3(A)では紙面に直交する方向がX方向であり、左右方向がY方向、上下方向がZ方向である。図3(B)は図3(A)に示すA−A線に沿う断面図である。図3(B)では紙面に直交する方向がY方向であり、左右方向がX方向、上下方向がZ方向である。   Next, the configuration of the linear drive device 20 using the ultrasonic motor 10 will be described with reference to FIG. The linear drive device 20 is used in a mechanism unit that moves an optical member along the optical axis direction in, for example, a photographing lens device and an imaging device. FIG. 3 is a schematic view of the linear drive device 20. FIG. 3A is a front view when viewed from the traveling direction of the ultrasonic motor 10. In FIG. 3A, the direction orthogonal to the paper surface is the X direction, the horizontal direction is the Y direction, and the vertical direction is the Z direction. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. In FIG. 3B, the direction orthogonal to the paper surface is the Y direction, the left-right direction is the X direction, and the up-down direction is the Z direction.

図3に示す圧電素子2は振動板1に固定されている。摩擦部材3には、振動板1の突起部1a,1bが加圧されて接触している。圧電素子2の駆動により、振動板1に高周波振動が発生し、振動板1は摩擦部材3に対してX方向に相対移動することができる。振動板保持部材4は振動板1と同期して移動する。振動板保持部材4は、第1の支持部4aにおいて振動板1を連結部1c,1dで支持する。本実施形態では振動板保持部材4にて、第1の支持部4aが2箇所に設けられている。振動板保持部材4は、第2の支持部4bにおいてローラ41を回転自在に軸支する。ローラ41は、摩擦部材3の裏面、つまり突起部1a,1bとの接触面とは反対側の面で回転摺動する。本実施形態では、ローラ41の数が2であり、それらに対応して第2の支持部4bは4箇所に設けられる。ローラ41は駆動の際の摺動抵抗を低減するために設けられた転動部材である。本実施形態に限らず、転動コロ等を用いる機構でもよい。   The piezoelectric element 2 shown in FIG. 3 is fixed to the diaphragm 1. The protrusions 1 a and 1 b of the diaphragm 1 are pressed against and contact the friction member 3. By driving the piezoelectric element 2, high-frequency vibration is generated in the diaphragm 1, and the diaphragm 1 can move relative to the friction member 3 in the X direction. The diaphragm holding member 4 moves in synchronization with the diaphragm 1. The diaphragm holding member 4 supports the diaphragm 1 with the coupling parts 1c and 1d in the first support part 4a. In the present embodiment, the diaphragm support member 4 is provided with two first support portions 4a. The diaphragm holding member 4 rotatably supports the roller 41 at the second support portion 4b. The roller 41 rotates and slides on the back surface of the friction member 3, that is, the surface opposite to the contact surface with the protrusions 1a and 1b. In the present embodiment, the number of rollers 41 is 2, and the second support portions 4b are provided at four locations corresponding to them. The roller 41 is a rolling member provided to reduce sliding resistance during driving. The mechanism using not only this embodiment but a rolling roller etc. may be sufficient.

加圧ばね42は、振動板1を摩擦部材3に対して圧接させるための付勢部材である。加圧ばね42は、その一端部42aが圧電素子2に当接し、他端部42bが振動板保持部材4に当接している。加圧ばね42の加圧力により、突起部1a,1bは摩擦部材3に圧接されるので、図2の矢印に示すように楕円運動による駆動力で振動板保持部材4を+X方向へ移動させる推進力が得られる。   The pressure spring 42 is an urging member for pressing the diaphragm 1 against the friction member 3. One end portion 42 a of the pressure spring 42 is in contact with the piezoelectric element 2, and the other end portion 42 b is in contact with the diaphragm holding member 4. Since the protrusions 1a and 1b are pressed against the friction member 3 by the pressure applied by the pressure spring 42, as shown by the arrows in FIG. 2, the driving for moving the diaphragm holding member 4 in the + X direction by the driving force by the elliptical motion Power is obtained.

図4を参照して、本実施形態における位相差制御法について説明する。図4はA相に対するB相の位相差が小さい交流電圧を圧電素子2に印加した場合の振動の様子を示す。図4(A)は、図2(A)に対応し、A相とB相の位相関係を示す。横軸tは時間を表し、縦軸vは電圧を表す。図4(A)ではA相電圧に対するB相電圧の位相差が小さい。図4(B)から(D)に示す各振動状態は、図2(B)から(D)で説明した振動状態にそれぞれ対応する。図4(B)に示すXは、突起部1a,1bの先端部のX方向における振幅を表し、図4(C)に示すZは、突起部1a,1bの先端部のZ方向における振幅を表す。 With reference to FIG. 4, the phase difference control method in the present embodiment will be described. FIG. 4 shows a state of vibration when an AC voltage having a small phase difference between the B phase and the B phase is applied to the piezoelectric element 2. FIG. 4A corresponds to FIG. 2A and shows the phase relationship between the A phase and the B phase. The horizontal axis t represents time, and the vertical axis v represents voltage. In FIG. 4A, the phase difference between the B phase voltage and the A phase voltage is small. Each vibration state shown in FIGS. 4B to 4D corresponds to the vibration state described in FIGS. 2B to 2D. X 2 shown in FIG. 4 (B), the protrusion 1a, represents the amplitude in the X direction of the distal end portion of 1b, Z 2 shown in FIG. 4 (C), in the Z direction of the distal end portion of the protrusion 1a, 1b Represents amplitude.

A相に対するB相の位相差が0°近傍である場合には、図2の場合と比べて、A相およびB相として異符号の電圧が印加される時間がほとんどない。このため、第2のモードの振幅、すなわち移動方向の振幅(図4(B)に示すX)が小さくなる。この結果、突起部1a,1bの先端部に図4(B)に示すような楕円運動が発生するので、振動板1はX方向に低速で相対的に移動する。 When the phase difference between the A phase and the B phase is around 0 °, compared to the case of FIG. 2, there is almost no time for applying voltages having different signs as the A phase and the B phase. For this reason, the amplitude of the second mode, that is, the amplitude in the movement direction (X 2 shown in FIG. 4B) is reduced. As a result, an elliptical motion as shown in FIG. 4B occurs at the tips of the protrusions 1a and 1b, so that the diaphragm 1 relatively moves in the X direction at a low speed.

図5は突起部1a,1bの先端部に発生する楕円運動の軌跡を示す。横軸はX軸であり、縦軸はZ軸である。図5(A)は、A相とB相の各入力電圧の位相差(以下、θと記す)が90°の場合であり、円形の軌跡を示す。図5(B)は「0°<θ<90°」の場合であり、X方向に比べてZ方向に長い楕円の軌跡を示す。図5(C)は「90°<θ<180°」の場合であり、Z方向に比べてX方向に長い楕円の軌跡を示す。各図において、AZ1、AZ2、AZ3は振動板1の加圧方向、すなわちZ方向の振幅をそれぞれ示し、AX1、AX2、AX3は振動板1の移動方向、すなわちX方向の振幅をそれぞれ示す。 FIG. 5 shows the locus of elliptical motion generated at the tip of the protrusions 1a and 1b. The horizontal axis is the X axis, and the vertical axis is the Z axis. FIG. 5A shows a circular locus when the phase difference between the input voltages of the A phase and the B phase (hereinafter referred to as θ) is 90 °. FIG. 5B shows a case of “0 ° <θ <90 °” and shows an elliptical trajectory that is longer in the Z direction than in the X direction. FIG. 5C shows a case where “90 ° <θ <180 °”, and shows an elliptical trajectory that is longer in the X direction than in the Z direction. In each figure, A Z1 , A Z2 , and A Z3 indicate the pressure direction of the diaphragm 1, that is, the amplitude in the Z direction, respectively. A X1 , A X2 , and A X3 indicate the movement direction of the diaphragm 1, that is, the X direction. Each amplitude is shown.

図5(B)に示すように、「0°<θ<90°」の場合には、図5(A)の場合(θ=90°)と比較して加圧方向の振幅が大きくなり、移動方向の振幅が小さくなる。すなわち、AZ2>AZ1、AX2<AX1となる。また、図5(C)に示すように、「90°<θ<180°」の場合には、図5(A)の場合(θ=90°)と比較して加圧方向の振幅が小さくなり、移動方向の振幅が大きくなる。すなわち、AZ3<AZ1、AX3>AX1となる。このように位相差θを90°よりも小さくすると移動方向の振幅Aが小さくなるため、速度が小さくなる。すなわち、位相差θを制御することによって振動板1を低速度で制御できる。一方、位相差θを90°よりも大きくすると加圧方向の振幅Aが次第に小さくなっていく。この場合、加圧方向の振幅Aが、突起部1a,1bの先端部と摩擦部材との表面粗さよりも小さくなると、振動板1が駆動できなくなる。加圧方向の振幅Aが突起部1a,1bの先端部と摩擦部材との表面粗さよりも十分に大きいことは、振動板1の駆動が可能となるための必要条件である。この条件を満たすように、位相差θの範囲を決定する必要がある。なお、本明細書中では、位相差θの範囲を−90°〜+90°として説明する。 As shown in FIG. 5B, in the case of “0 ° <θ <90 °”, the amplitude in the pressurizing direction is larger than in the case of FIG. 5A (θ = 90 °), The amplitude in the moving direction is reduced. That is, A Z2 > A Z1 and A X2 <A X1 . Further, as shown in FIG. 5C, when “90 ° <θ <180 °”, the amplitude in the pressurizing direction is smaller than in the case of FIG. 5A (θ = 90 °). Thus, the amplitude in the moving direction is increased. That is, the A Z3 <A Z1 ,A X3> A X1. Thus the amplitude A X of the moving direction of the phase difference θ is smaller than 90 ° is small, the speed is reduced. That is, the diaphragm 1 can be controlled at a low speed by controlling the phase difference θ. On the other hand, when the phase difference θ is larger than 90 °, the amplitude AZ in the pressurizing direction gradually decreases. In this case, if the amplitude AZ in the pressurizing direction is smaller than the surface roughness between the tip portions of the protrusions 1a and 1b and the friction member, the diaphragm 1 cannot be driven. The amplitude AZ in the pressing direction is sufficiently larger than the surface roughness of the tip portions of the protrusions 1a and 1b and the friction member, which is a necessary condition for enabling the diaphragm 1 to be driven. In order to satisfy this condition, it is necessary to determine the range of the phase difference θ. In the present specification, the range of the phase difference θ is described as being −90 ° to + 90 °.

一般的に、超音波モータでは入力電圧や周波数を制御することによって速度制御が行われる。低速度での制御において、入力電圧や周波数を小さくしていくと楕円運動の加圧方向の振幅Aが小さくなり、遂には駆動できなくなる。このように、入力電圧や周波数による速度制御では低速領域において一定の不感帯が存在する。一方、位相差による速度制御では、前述の通り位相差θを変化させることにより、楕円運動の加圧方向の振幅Aと移動方向の振幅Aがそれぞれ変化する。すなわち、加圧方向の振幅Aの大きさをある程度維持したまま移動方向の振幅Aを小さくすることができる。その結果、入力電圧や周波数をパラメータとする速度制御と比較して、より低速での駆動が可能となる。したがって、位相差による速度制御の方が低速領域の制御では有利である。 Generally, in an ultrasonic motor, speed control is performed by controlling an input voltage and frequency. In control at low speed, if the input voltage or frequency is decreased, the amplitude AZ of the elliptical motion in the pressurizing direction is decreased, and finally it cannot be driven. As described above, in the speed control based on the input voltage and the frequency, there is a certain dead zone in the low speed region. On the other hand, at a rate controlled by the phase difference, by varying the previously described phase difference theta, amplitude A Z and the amplitude A X in the moving direction of the pressing direction of the elliptical motion is changed, respectively. That is, it is possible to reduce the amplitude A X of size to some extent maintaining the as the moving direction of the amplitude A Z of the pressing direction. As a result, it is possible to drive at a lower speed than speed control using the input voltage and frequency as parameters. Therefore, the speed control based on the phase difference is more advantageous for the control in the low speed region.

以上説明した通り、超音波モータ10では、高周波振動により振動板1の突起部1a,1bに楕円運動が発生し、これにより摩擦部材3に対して振動板1が相対的に移動できる。A相およびB相の入力電圧の位相差を制御することによって振動板1の速度制御が行える。   As described above, in the ultrasonic motor 10, elliptical motion is generated in the protrusions 1 a and 1 b of the vibration plate 1 due to high-frequency vibration, so that the vibration plate 1 can move relative to the friction member 3. The speed control of the diaphragm 1 can be performed by controlling the phase difference between the input voltages of the A phase and the B phase.

以下に、図6を参照して、超音波モータ10の駆動装置30について説明する。図6は駆動装置30の構成例を示すブロック図である。
位置検出部51は振動板1の相対位置を検出し、検出信号を位相差制御部52の位置偏差算出部61に出力する。位置検出部51は、例えば光学式のエンコーダ等を備え、振動板1の位置情報を検出する。位置検出部51における検出手段の種類および測定原理の如何は問わない。位相差制御部52は、位置検出部51によって検出された位置情報に応じて、圧電素子2の分極領域2a,2bへの入力電圧の位相差を制御する。位相差制御部52は、位置検出部51によって検出された位置が、目標位置に近づくように位相差を制御する。位相差とは、図示しない外部電源から圧電素子2の分極領域2a,2bへのそれぞれ入力される電圧の位相差である。位相差制御部52にてフィードバック制御が行われる。
Below, with reference to FIG. 6, the drive device 30 of the ultrasonic motor 10 is demonstrated. FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of the driving device 30.
The position detector 51 detects the relative position of the diaphragm 1 and outputs a detection signal to the position deviation calculator 61 of the phase difference controller 52. The position detection unit 51 includes, for example, an optical encoder and the like, and detects position information of the diaphragm 1. The type of detection means and the measurement principle in the position detector 51 are not limited. The phase difference control unit 52 controls the phase difference of the input voltage to the polarization regions 2 a and 2 b of the piezoelectric element 2 in accordance with the position information detected by the position detection unit 51. The phase difference control unit 52 controls the phase difference so that the position detected by the position detection unit 51 approaches the target position. The phase difference is a phase difference between voltages respectively input from the external power source (not shown) to the polarization regions 2a and 2b of the piezoelectric element 2. The phase difference control unit 52 performs feedback control.

位相差制御部52の位置偏差算出部61には、位置検出部51によって検出された位置情報xと、図示しないコントローラからの目標位置情報xとが入力され、両情報の位置偏差e(=x−x)が出力される。位置偏差eはPID補償器62に入力され、制御信号が出力される。PID補償器62は比例(P)、積分(I)、微分(D)の各演算機能を有する補償器から構成される。各補償器の演算結果が加算されて出力される。PID補償器62が出力する制御信号は駆動波形発生器63に送られる。駆動波形発生器63は、入力された制御信号に応じた位相差θを持つ2相の駆動波形信号を発生させる。駆動波形発生器63が発生させた駆動波形信号は、超音波モータ10(具体的には圧電素子2の分極領域2a,2b)へ供給されることで、振動板1が所定の速度で駆動される。なお、加速度算出部55および姿勢差検出部56については、後述の実施形態にて説明する。 A positional deviation calculation unit 61 of the phase difference control unit 52, the position information x detected by the position detection unit 51, and the target position information x t from a controller (not shown) is inputted, the position deviation e of both information (= x t -x) is output. The position deviation e is input to the PID compensator 62 and a control signal is output. The PID compensator 62 includes a compensator having proportional (P), integral (I), and differential (D) calculation functions. The operation results of each compensator are added and output. The control signal output from the PID compensator 62 is sent to the drive waveform generator 63. The drive waveform generator 63 generates a two-phase drive waveform signal having a phase difference θ corresponding to the input control signal. The drive waveform signal generated by the drive waveform generator 63 is supplied to the ultrasonic motor 10 (specifically, the polarization regions 2a and 2b of the piezoelectric element 2), so that the diaphragm 1 is driven at a predetermined speed. The The acceleration calculation unit 55 and the attitude difference detection unit 56 will be described in the later-described embodiments.

以下に、図11の比較例を参照して、その位相差制御法と問題点について説明する。図11は、比較例にて、目標位置に到達する際の振動板1の位置偏差eおよび位相差θのグラフを示す。図11(A)では横軸に時間tを示し、縦軸に位置偏差eを示す。図11(B)では横軸に時間tを示し、縦軸に位相差θを示す。図11では各時刻をt11,t13 *,t12,t11で示し、「t11<t13 *<t12<t13」の関係とする。図11(A)では、時刻t11での位置偏差e11と、時刻t13での位置偏差e13を示し、「e11>e13」とする。図11(B)では、時刻t11での位相差θ11と、時刻t12での位相差θ12を示し、「θ11<θ12」とする。 The phase difference control method and problems will be described below with reference to the comparative example of FIG. FIG. 11 is a graph showing the positional deviation e and the phase difference θ of the diaphragm 1 when reaching the target position in the comparative example. In FIG. 11A, the horizontal axis represents time t, and the vertical axis represents position deviation e. In FIG. 11B, the horizontal axis indicates time t, and the vertical axis indicates the phase difference θ. In FIG. 11, the times are indicated by t 11 , t 13 * , t 12 , and t 11 , and have a relationship of “t 11 <t 13 * <t 12 <t 13 ”. In FIG. 11 (A), the a position deviation e 11 at time t 11, shows the position deviation e 13 at time t 13, and "e 11> e 13". In FIG. 11 (B), the phase difference theta 11 at time t 11, shows a phase difference theta 12 at time t 12, and "θ 1112".

振動板1の位置xが目標位置xに近づくに従って、位置偏差e(=x−x)は小さくなる。これに伴って、PID補償器62が出力する制御信号も小さくなるため、位相差θは小さくなる。位置偏差eが減少するにつれて位相差θが減少すると、突起部1a,1bの先端部の楕円運動において移動方向の振幅Aが小さくなる。その結果、駆動力が小さくなった場合、超音波モータの駆動が不安定となる。このため、時刻t11で位相差θがθ11に到達した際に駆動力が不足して振動板1の移動が途中で停止する。このとき、振動板1の位置xは目標位置xに到達しておらず、位置偏差e11が残差となる。PID補償器62の出力する制御信号は大きくなり、よって位相差θは増加する。時刻t12で位相差θがθ12に到達したときに振動板1は再度駆動を開始した後、整定時間に対応する時刻t13で位置偏差e13が目標位置偏差以下となる。このように、位相差θが小さくなるに伴って駆動力が小さくなった場合、超音波モータの駆動が不安定となる。位置偏差eが目標位置偏差以下となる前に超音波モータが停止した場合、再度駆動するまでには「t12−t11」の時間を要する。 According to the position x of the diaphragm 1 closer to the target position x t, the position deviation e (= x t -x) is reduced. Along with this, the control signal output from the PID compensator 62 also becomes small, so the phase difference θ becomes small. When the phase difference θ decreases as the position deviation e is decreased, the amplitude A X of the moving direction becomes smaller in the elliptical motion of the tip of the protrusion 1a, 1b. As a result, when the driving force becomes small, the driving of the ultrasonic motor becomes unstable. Therefore, insufficient driving force when the phase difference theta reaches theta 11 at time t 11 the movement of diaphragm 1 is stopped halfway. In this case, the position x of the diaphragm 1 does not reach the target position x t, the positional deviation e 11 becomes residual. The control signal output from the PID compensator 62 increases, and the phase difference θ increases accordingly. After diaphragm 1 which starts driving again when the phase difference at time t 12 theta reaches the theta 12, the positional deviation e 13 at time t 13 corresponding to the settling time is less than the target position deviation. Thus, when the driving force decreases as the phase difference θ decreases, the driving of the ultrasonic motor becomes unstable. When the ultrasonic motor is stopped before the position deviation e becomes equal to or less than the target position deviation, it takes “t 12 −t 11 ” time to drive again.

図11に点線で示すグラフは、振動板1が途中で停止することなく目標位置偏差に到達した場合を示している。この場合の整定時間に対応する時刻をt13 *に示す。実線のグラフでは、点線のグラフとの比較から判るように、位置偏差eが目標位置偏差以下になるまでの整定時間が長くなる(t13 *<t13)。
以上説明した通り、比較例の位相差制御では、低速度領域の駆動において不感帯の影響によって駆動が不安定化する可能性があり、所望の制御特性が得られない場合がある。そこで、その解決策として、図7および図8を参照して、本実施形態の位相差制御法について説明する。
A graph indicated by a dotted line in FIG. 11 shows a case where the diaphragm 1 reaches the target position deviation without stopping on the way. The time corresponding to the settling time in this case is shown as t 13 * . In the solid line graph, as can be seen from the comparison with the dotted line graph, the settling time until the position deviation e becomes equal to or less than the target position deviation becomes longer (t 13 * <t 13 ).
As described above, in the phase difference control of the comparative example, the driving may become unstable due to the influence of the dead zone in the driving in the low speed region, and a desired control characteristic may not be obtained. Therefore, as a solution, the phase difference control method of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図7は、本実施形態の位相差制御法において使用する位相差領域を説明するための図である。説明の便宜上、図7(A)では振動板1を+X方向へ駆動する場合に限定して説明する。図7に示すθ11は、図11(B)と同様に時刻t11での位相差である。前述の通り、位相差が90°のときに振動板1の速度は最大となり、位相差が0°のときに振動板1は停止する。図7(A)に示す位相差領域Aは0°〜θ11の範囲を有し、超音波モータの駆動が不安定となる領域である。駆動開始時には位置偏差eに応じて位相差θが次第に大きくなっていくため、超音波モータは停止することがない。他方、駆動停止時には駆動が不安定となるという問題がある。 FIG. 7 is a diagram for explaining a phase difference region used in the phase difference control method of the present embodiment. For convenience of explanation, FIG. 7A will be described only when the diaphragm 1 is driven in the + X direction. Θ 11 shown in FIG. 7 is a phase difference at time t 11 as in FIG. As described above, the speed of the diaphragm 1 is maximized when the phase difference is 90 °, and the diaphragm 1 stops when the phase difference is 0 °. A phase difference region A shown in FIG. 7A has a range of 0 ° to θ 11 and is a region where the driving of the ultrasonic motor becomes unstable. Since the phase difference θ gradually increases according to the position deviation e at the start of driving, the ultrasonic motor does not stop. On the other hand, there is a problem that driving becomes unstable when driving is stopped.

本実施形態の場合、駆動開始時には第1の位相差領域Bを使用して制御を行う。位相差領域Bは位相差が0°〜90°の領域である。一方、駆動停止時には、位相差0°から「θ>θ11」である位相差下限値θまでの位相差領域C(0°〜θ)の位相差を使用せず、θ〜90°の位相差領域Dを使用する。第2の位相差領域Dは、第1の位相差領域Bよりも範囲が狭く、θ〜90°の位相差領域内の位相差を使って位相差制御部52が位相差制御を行う。すなわち、位相差制御部52は位相差領域として、第1の位相差領域Bと、第1の位相差領域Bより範囲が狭い第2の位相差領域Dを備え、駆動開始時には第1の位相差領域Bを使用し、駆動停止時には第2の位相差領域Dを使用する。 In the case of the present embodiment, control is performed using the first phase difference region B at the start of driving. The phase difference region B is a region where the phase difference is 0 ° to 90 °. On the other hand, during driving stop, without using a phase difference retardation region C from the phase difference 0 ° to the phase difference lower limit theta 1 is "θ 1> θ 11" (0 ° ~θ 1), θ 1 ~ A phase difference region D of 90 ° is used. The range of the second phase difference region D is narrower than that of the first phase difference region B, and the phase difference control unit 52 performs phase difference control using the phase difference in the phase difference region of θ 1 to 90 °. That is, the phase difference control unit 52 includes a first phase difference region B and a second phase difference region D having a narrower range than the first phase difference region B as the phase difference regions. The phase difference region B is used, and the second phase difference region D is used when driving is stopped.

次に、図7(B)を参照して、振動板1を−X方向に移動する場合をも含めた制御について説明する。振動板1を−X方向に移動させる場合には、位相差θが負となる領域の位相差が使用される。このため、位相差が−90°のときに振動板1の速度は最大となり、位相差0°のときに振動板1は停止する。図7(A)で説明した通り、位相差が0°〜θの領域は使用しないため、同様にして、位相差が0°〜−θの領域を使用しない。つまり、位相差の絶対値が下限値より小さい範囲は除外される。よって、駆動停止時において、使用しない位相差領域Cは−θ〜θの範囲となり、使用する第2の位相差領域Dは−90°〜−θの範囲およびθ〜90°の範囲となる。 Next, with reference to FIG. 7B, control including the case of moving the diaphragm 1 in the −X direction will be described. When the diaphragm 1 is moved in the −X direction, a phase difference in a region where the phase difference θ is negative is used. For this reason, the speed of the diaphragm 1 becomes maximum when the phase difference is −90 °, and the diaphragm 1 stops when the phase difference is 0 °. As described in FIG. 7 (A), the phase difference is 0 region of ° through? 1 is not used, in the same manner, the phase difference does not use a region of 0 ° through? 1. That is, a range where the absolute value of the phase difference is smaller than the lower limit value is excluded. Therefore, when the driving is stopped, the phase difference region C that is not used is in the range of −θ 1 to θ 1 , and the second phase difference region D that is used is the range of −90 ° to −θ 1 and the range of θ 1 to 90 °. It becomes a range.

図8は、本実施形態の位相差制御において目標位置に到達する際の振動板1の位置偏差eおよび位相差θを例示する。図8(A)では横軸が時間tを表し、縦軸が位置偏差eを表す。図8(B)では横軸が時間tを表し、縦軸が位相差θを表す。図8にて時刻tと時刻tの関係は「t<t」とする。時刻tでの位置偏差e、目標位置偏差eを図8(A)に示し、時刻tでの位置差θを図8(B)に示す。 FIG. 8 illustrates the positional deviation e and the phase difference θ of the diaphragm 1 when the target position is reached in the phase difference control of the present embodiment. In FIG. 8A, the horizontal axis represents time t, and the vertical axis represents position deviation e. In FIG. 8B, the horizontal axis represents time t, and the vertical axis represents the phase difference θ. In FIG. 8, the relationship between time t 1 and time t 2 is “t 1 <t 2 ”. Positional deviation e 1 at time t 1, the target position deviation e t shown in FIG. 8 (A), the position difference theta 1 at time t 1 shown in FIG. 8 (B).

振動板1の位置xが目標位置xに近づくに従って位置偏差e(=x−x)は小さくなる。これに伴って、PID補償器62が出力する制御信号も小さくなるため、位相差θは小さくなる。時刻tで位相差θが、下限値である位相差θに到達した後、位相差θはθより小さくならず、θのままで時刻tまで一定となる。このため、振動板1は位相差がθでほぼ一定の速度で移動し、位置偏差eが小さくなっていく。時間が経過して時刻tにおいて、位置偏差eは目標位置偏差eよりも小さくなり、この時点で圧電素子2の分極領域2a,2bへの電圧入力が停止する。すなわち、位置検出部51によって検出された位置情報と、目標位置とから算出される位置偏差eが所定値(=目標位置偏差e)よりも小さくなった時点で分極領域2a,2bへの電圧入力が停止する。これにより、振動板1は目標位置偏差eよりも小さい位置偏差eに対応する位置で停止する。 Position deviation e in accordance with the position x of the diaphragm 1 closer to the target position x t (= x t -x) is reduced. Along with this, the control signal output from the PID compensator 62 also becomes small, so the phase difference θ becomes small. Phase difference theta at time t 1 is, after reaching the phase difference theta 1 which is the lower limit, the phase difference theta not less than theta 1, constant until time t 2 while the theta 1. For this reason, the diaphragm 1 moves at a substantially constant speed with the phase difference θ 1 , and the positional deviation e becomes smaller. At time t 2 has elapsed time, position deviation e is smaller than the target position deviation e t, polarized regions 2a of the piezoelectric element 2 at this time, the voltage input to 2b stops. That is, when the position deviation e calculated from the position information detected by the position detection unit 51 and the target position becomes smaller than a predetermined value (= target position deviation et ), the voltages to the polarization regions 2a and 2b Input stops. Thus, the diaphragm 1 is stopped at a position corresponding to the small positional deviation e from the target position deviation e t.

本実施形態では、超音波モータの低速度での駆動が不安定となる可能性のある、位相差が小さい位相差領域Cを使用せず、位相差領域Dを使用して位相差制御を行う。よって、超音波モータを安定に駆動できる。すなわち、位置偏差eが目標位置偏差eより小さくなる前に超音波モータは停止することがなく、整定時間が短くなる。このように、第1の位相差領域B(−90°〜90°の範囲)のうち、位相差ゼロを含む特定の位相差領域Cを除外した第2の位相差領域Dを使用することにより、低速度領域での駆動にて不感帯の影響を除去できる。よって、低速度領域での制御性が向上する。 In the present embodiment, the phase difference control is performed using the phase difference region D without using the phase difference region C having a small phase difference, which may cause unstable driving of the ultrasonic motor at a low speed. . Therefore, the ultrasonic motor can be driven stably. That is, the ultrasonic motor before the positional deviation e is less than the target position deviation e t has never stopped, settling time is shortened. As described above, by using the second phase difference region D in which the specific phase difference region C including the phase difference zero is excluded from the first phase difference region B (range of −90 ° to 90 °). The effect of the dead zone can be removed by driving in the low speed region. Therefore, controllability in the low speed region is improved.

[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。本実施形態では、振動板1の加速度に応じて第2の位相差領域Dの範囲を変化させる点で第1の実施形態と相違する。以下では、第1の実施形態の場合と同一の構成要素については既に使用した符号と同一の符号を用いることで、それらの詳細な説明を省略して主に相違点を説明する。このような説明の省略については、後述する実施形態でも同じである。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that the range of the second phase difference region D is changed according to the acceleration of the diaphragm 1. In the following description, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those already used, and the detailed description thereof will be omitted and mainly the differences will be described. Omitting such description is the same in the embodiments described later.

振動板1が移動している場合、振動板1に生じている力は振動板1に発生している高周波振動による駆動力と、振動板1の移動に伴って生じる慣性力、振動板1に加わる重力である。慣性力が大きい場合には、慣性力が小さい場合と比較して駆動力が小さくなったときでも振動板1が停止しにくい。このため、慣性力が大きくなる場合、すなわち加速度が大きい場合には、振動板1が停止しにくくなる。そこで、この場合には、使用しない位相差領域Cについてその範囲を狭くする制御が行われる。   When the diaphragm 1 is moving, the force generated in the diaphragm 1 is the driving force generated by the high frequency vibration generated in the diaphragm 1 and the inertial force generated by the movement of the diaphragm 1. It is the added gravity. When the inertial force is large, the diaphragm 1 is less likely to stop even when the driving force is smaller than when the inertial force is small. For this reason, when the inertial force increases, that is, when the acceleration is large, the diaphragm 1 is difficult to stop. Therefore, in this case, control is performed to narrow the range of the phase difference region C that is not used.

本実施形態において、駆動装置30は加速度算出部55(図6参照)を備える。加速度算出部55は、位置検出部51から位置情報を取得して振動板1と摩擦部材3の相対移動に伴う加速度を算出する。加速度算出部55により算出された加速度情報は位置偏差算出部61に送られる。   In the present embodiment, the drive device 30 includes an acceleration calculation unit 55 (see FIG. 6). The acceleration calculation unit 55 acquires position information from the position detection unit 51 and calculates an acceleration associated with the relative movement of the diaphragm 1 and the friction member 3. The acceleration information calculated by the acceleration calculation unit 55 is sent to the position deviation calculation unit 61.

図9は、本実施形態の位相差制御において使用する位相差領域を説明するための図である。図9(A)は加速度aが所定の加速度閾値(ashと記す)よりも小さい場合の位相差領域を示し、図9(B)は加速度aが所定の加速度閾値ash以上である場合の位相差領域を示す。 FIG. 9 is a diagram for explaining a phase difference region used in the phase difference control of the present embodiment. FIG. 9A shows a phase difference region when the acceleration a is smaller than a predetermined acceleration threshold (denoted as a sh ), and FIG. 9B shows a case where the acceleration a is greater than or equal to the predetermined acceleration threshold a sh. The phase difference region is shown.

加速度算出部55により算出された加速度aが加速度閾値未満である場合、図9(A)に示すように、−θ1A〜θ1Aの範囲をもつ位相差領域Cは使用せず、−90°〜−θ1Aの範囲とθ1A〜90°の範囲をもつ第2の位相差領域Dが使用される。また加速度aが所定の加速度閾値以上である場合には、図9(B)に示すように、−θ1B〜θ1Bの範囲をもつ位相差領域Cは使用せず、−90°〜−θ1Bの範囲とθ1B〜90°の範囲をもつ第2の位相差領域Dが使用される。この場合、「θ1B<θ1A」であり、図9(A)に比較して図9(B)の方が、位相差領域Cの範囲が小さく、位相差領域Dの範囲が大きい。すなわち、加速度算出部55によって算出される振動板1の加速度aの大きさに応じて、第2の位相差領域Dの範囲を変更することが、本実施形態の特徴である。 When the acceleration a calculated by the acceleration calculating unit 55 is less than the acceleration threshold, as shown in FIG. 9 (A), the phase difference region C with a range of - [theta] 1A through? 1A is not used, -90 ° A second phase difference region D having a range of ˜−θ 1A and a range of θ 1A ˜90 ° is used. Further, when the acceleration a is equal to or greater than a predetermined acceleration threshold value, as shown in FIG. 9 (B), the retardation regions C having a range of - [theta] 1B through? 1B are not used, -90 ° through? A second phase difference region D having a range of 1B and a range of θ 1B to 90 ° is used. In this case, “θ 1B1A ” is satisfied, and the range of the phase difference region C is smaller and the range of the phase difference region D is larger in FIG. 9B than in FIG. 9A. That is, it is a feature of this embodiment that the range of the second phase difference region D is changed according to the magnitude of the acceleration a of the diaphragm 1 calculated by the acceleration calculation unit 55.

駆動停止時に位相差θが下限値θに到達した後には、超音波モータは位相差θでほぼ一定の速度で移動する。このため、使用しない位相差領域の範囲が大きい場合、すなわち、下限値θが大きい場合には振動板1の速度は速くなる。位置偏差eが目標位置偏差eよりも小さくなった段階で電圧入力を停止することで振動板1が停止する。このため、振動板1の速度が大きい場合には停止精度が低下する可能性がある。第2の位相差領域Dの範囲を固定的に設定した場合には、加速度aの大きさに関わらず安定に超音波モータを駆動するためには、第2の位相差領域Dの範囲を予め小さくしておく必要がある。これに対して、本実施形態では加速度aの大きさに応じて第2の位相差領域Dの範囲が変更されて適切な設定処理が行われる。これにより、加速度aが大きい場合には下限値θを小さくすることで停止直前の振動板1の速度が遅くなるので、停止精度が向上するという利点がある。 After the phase difference θ reaches the lower limit value θ 1 when the drive is stopped, the ultrasonic motor moves at a substantially constant speed with the phase difference θ 1 . Therefore, if the range of retardation region is not used is large, i.e., it increases the speed of the diaphragm 1 when the lower limit value theta 1 is greater. Positional deviation e is the diaphragm 1 is stopped by stopping the voltage input at the stage it becomes smaller than the target position deviation e t. For this reason, when the speed of the diaphragm 1 is large, there is a possibility that the stopping accuracy is lowered. When the range of the second phase difference region D is fixedly set, in order to drive the ultrasonic motor stably regardless of the magnitude of the acceleration a, the range of the second phase difference region D is set in advance. It needs to be small. On the other hand, in the present embodiment, the range of the second phase difference region D is changed according to the magnitude of the acceleration a, and an appropriate setting process is performed. Thus, when the acceleration a is large because the rate of the vibration plate 1 immediately before stopping by reducing the lower limit theta 1 is slow, there is an advantage of improving the stopping accuracy.

本実施形態では、振動板1の加速度aと加速度閾値ashを比較し、その大小関係により位相差領域のおける2つの下限値θ1Aとθ1Bのどちらかを選択して設定した。これに限らず、振動板1の加速度と複数の加速度閾値との比較結果にしたがって3以上の下限値のいずれかを設定する処理でもよい。また、加速度aと線形関係にある位相差下限値θ1Cを用いて位相差領域を設定してもよい。すなわち、「θ1C=k×a+l」(k、lは定数)の関係式から算出されるθ1Cを用いて、−θ1C〜θ1Cの範囲を除外した第2の位相差領域Dが設定される。より一般的には加速度aの関数θ1C(a)から算出されるθ1Cを用いる。これにより、振動板1の加速度aに応じて適切な位相差領域Dの範囲を設定できるので、停止精度をより向上させることができる。 In this embodiment, the acceleration a of the diaphragm 1 and the acceleration threshold value a sh are compared, and one of the two lower limit values θ 1A and θ 1B in the phase difference region is selected and set depending on the magnitude relationship. However, the present invention is not limited to this, and a process of setting any one of three or more lower limit values according to a comparison result between the acceleration of the diaphragm 1 and a plurality of acceleration threshold values may be used. Alternatively, the phase difference region may be set using the phase difference lower limit value θ 1C that is linearly related to the acceleration a. That is, "θ 1C = k 1 × a + l 1 " (k 1, l 1 is a constant) using the theta 1C calculated from the relational expression, a second phase difference excluding the range of - [theta] 1C through? 1C Region D is set. More commonly used theta 1C calculated from the function theta 1C acceleration a (a). Thereby, since the range of the suitable phase difference region D can be set according to the acceleration a of the diaphragm 1, the stop accuracy can be further improved.

[第3の実施形態]
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。本実施形態では、振動板1の傾きおよび移動方向に応じて第2の位相差領域Dの範囲を変化させることが第1の実施形態との相違点である。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the difference from the first embodiment is that the range of the second phase difference region D is changed according to the inclination and the moving direction of the diaphragm 1.

図10を参照して、振動板1の移動方向が水平方向に対して傾いた場合を説明する。図10において鉛直方向をV方向とし、V方向に直交する水平方向をH方向と定義する。Z方向およびX方向は、V方向およびH方向に対してそれぞれ所定の角度で傾斜した方向である。図10(A)は、振動板1の移動方向であるX方向が水平方向Hに対して傾いた場合、つまり、振動板1の移動方向が水平方向Hである状態を基準として、リニア駆動装置がY軸回り方向に角度Gだけ回転した状態を示す。この状態では振動板1の移動方向であるX方向と水平方向Hとのなす角度がGとなる。   A case where the moving direction of the diaphragm 1 is inclined with respect to the horizontal direction will be described with reference to FIG. In FIG. 10, the vertical direction is defined as the V direction, and the horizontal direction orthogonal to the V direction is defined as the H direction. The Z direction and the X direction are directions inclined at predetermined angles with respect to the V direction and the H direction, respectively. FIG. 10A shows a linear drive device based on the case where the X direction which is the moving direction of the diaphragm 1 is inclined with respect to the horizontal direction H, that is, the state where the moving direction of the diaphragm 1 is the horizontal direction H. Shows a state in which it is rotated by an angle G around the Y axis. In this state, the angle formed by the X direction that is the moving direction of the diaphragm 1 and the horizontal direction H is G.

図10(B−1)および(B−2)は、図10(A)の状態にある振動板1の速度ベクトルおよび重力ベクトルの説明図である。図10(C−1)および(C−2)は、図10(A)の状態とは逆方向にリニア駆動装置が回転した状態にある振動板1の速度ベクトルおよび重力ベクトルの説明図である。この状態は、リニア駆動装置がY軸回り方向に−Gの角度だけ回転した状態である。振動板1の速度および移動方向を示す速度ベクトルをdと記す。速度ベクトルdの水平方向速度ベクトルをdと記し、鉛直方向速度ベクトルをdと記す。 10B-1 and 10B-2 are explanatory diagrams of the velocity vector and the gravity vector of the diaphragm 1 in the state of FIG. 10C-1 and 10C-2 are explanatory diagrams of the velocity vector and the gravity vector of the diaphragm 1 in a state in which the linear drive device rotates in the direction opposite to the state of FIG. . This state is a state in which the linear drive device is rotated by an angle of −G around the Y axis. A speed vector indicating the speed and moving direction of the diaphragm 1 is denoted by d. The horizontal velocity vector of the velocity vector d marked d H, mark the vertical velocity vector and d V.

本実施形態に係る駆動装置30は、振動板1の重力方向に対する傾きを検出する姿勢差検出部56(図6参照)を備える。姿勢差検出部56は、例えば加速度センサ等を有しており、重力加速度を測定することにより振動板1が重力方向に対してどの程度傾いているかを検出する。なお、姿勢差検出部56は振動板1の傾きを検出できればよく、検出手段の種類および測定原理の如何は問わない。姿勢差検出部56は検出した振動板1の傾きの情報を、位置偏差算出部61に出力する。位置偏差算出部61は、姿勢差検出部56が検出した振動板1の傾きと、加速度算出部55が算出した振動板1の速度から速度ベクトルdを計算する。   The drive device 30 according to the present embodiment includes an attitude difference detection unit 56 (see FIG. 6) that detects the inclination of the diaphragm 1 with respect to the direction of gravity. The attitude difference detection unit 56 includes, for example, an acceleration sensor, and detects how much the diaphragm 1 is inclined with respect to the direction of gravity by measuring gravitational acceleration. Note that the posture difference detection unit 56 only needs to be able to detect the tilt of the diaphragm 1, and the type of detection means and the measurement principle are not limited. The attitude difference detection unit 56 outputs the detected information about the tilt of the diaphragm 1 to the position deviation calculation unit 61. The position deviation calculator 61 calculates a velocity vector d from the tilt of the diaphragm 1 detected by the attitude difference detector 56 and the speed of the diaphragm 1 calculated by the acceleration calculator 55.

図10(B−1)および(B−2)は、振動板1の鉛直方向速度ベクトルdが正である場合を示している。この場合、図10(B−2)に示すように振動板1には、鉛直方向にて負方向、すなわち−V方向に重力ベクトルgが加わり、振動板1の移動方向に対して逆方向に重力ベクトルの成分gが働く。成分gはZ方向に作用する重力ベクトルの成分を示す。図10(C−1)および(C−2)は、振動板1の鉛直方向速度ベクトルdが負である場合を示している。この場合、図10(C−2)に示すように振動板1には、鉛直方向にて負方向、すなわち−V方向に重力ベクトルgが加わり、振動板1の移動方向と同じ方向に重力ベクトルの成分gが働く。 Figure 10 (B-1) and (B-2) shows a case where vertical velocity vector d V of the diaphragm 1 is positive. In this case, as shown in FIG. 10 (B-2), the gravity vector g is applied to the diaphragm 1 in the negative direction in the vertical direction, that is, in the −V direction, and in the opposite direction to the moving direction of the diaphragm 1. It acts components g X of the gravity vector. A component g Z represents a gravity vector component acting in the Z direction. Figure 10 (C-1) and (C-2), shows a case vertical velocity vector d V of the diaphragm 1 is negative. In this case, as shown in FIG. 10 (C-2), a gravity vector g is added to the diaphragm 1 in the negative direction in the vertical direction, that is, in the −V direction, and the gravity vector is moved in the same direction as the moving direction of the diaphragm 1. The component gX of X works.

振動板1の移動中にて、振動板1に生じている力は、振動板1に発生する高周波振動による駆動力と、振動板1の移動に伴って生じる慣性力と、振動板1に加わる重力である。振動板1の鉛直方向速度ベクトルdが正であって、振動板1の移動方向に対して逆方向に重力成分が加わる場合には停止しやすい。このため、位相差の下限値(θ1Dと記す)を大きくして第2の位相差領域Dの範囲を狭くする制御が行われる。一方で、振動板1の鉛直方向速度ベクトルdが負であって、振動板1の移動方向と同じ方向に重力成分が加わる場合には停止しにくい。このため、位相差の下限値(θ1Eと記す)を下限値θ1Dよりも小さくして(θ1E<θ1D)、第2の位相差領域Dの範囲を広くする制御が行われる。 During the movement of the diaphragm 1, the force generated in the diaphragm 1 is applied to the driving force due to the high-frequency vibration generated in the diaphragm 1, the inertial force generated by the movement of the diaphragm 1, and the diaphragm 1. Gravity. And vertical velocity vector d V of the diaphragm 1 is a positive, easily stopped when the gravity component is added in the opposite direction to the moving direction of the diaphragm 1. For this reason, control for increasing the lower limit value (denoted as θ 1D ) of the phase difference and narrowing the range of the second phase difference region D is performed. Meanwhile, a negative vertical velocity vector d V of the diaphragm 1 is less likely to stop if the gravity component is applied in the same direction as the movement direction of the diaphragm 1. For this reason, the lower limit value of the phase difference (denoted as θ 1E ) is set to be smaller than the lower limit value θ 1D1E1D ), and the second phase difference region D is widened.

本実施形態では、振動板1の鉛直方向速度ベクトルdが正である場合、第2の位相差領域Dの範囲が相対的に狭く設定される。他方、鉛直方向速度ベクトルdが負である場合、第2の位相差領域Dの範囲が相対的に広く設定される。振動板1の重力方向に対する傾きに応じて第2の位相差領域Dの範囲を変化させることで、振動板1の姿勢変化に対して安定した駆動が行われる。 In this embodiment, if the vertical velocity vector d V of the diaphragm 1 is positive, the range of the second retardation region D is set relatively narrow. On the other hand, the vertical velocity vector d V be a negative, the range of the second retardation region D is set relatively large. By changing the range of the second phase difference region D according to the inclination of the vibration plate 1 with respect to the direction of gravity, stable driving is performed with respect to the change in posture of the vibration plate 1.

第2の位相差領域Dの範囲を固定的に設定した場合には、振動板1の傾き角度Gに関わらず安定して駆動するために第2の位相差領域Dの範囲を予め大きくしておく必要がある。これに対して、本実施形態では振動板1の傾き角度Gに応じて、第2の位相差領域Dの範囲が適切に設定される。したがって、振動板1の鉛直方向速度ベクトルdが負である場合には、位相差の下限値θを小さくすることで停止直前の振動板1の速度が遅くなるので、停止精度が向上する。 When the range of the second phase difference region D is fixedly set, the range of the second phase difference region D is increased in advance in order to drive stably regardless of the tilt angle G of the diaphragm 1. It is necessary to keep. On the other hand, in the present embodiment, the range of the second phase difference region D is appropriately set according to the tilt angle G of the diaphragm 1. Therefore, when the vertical velocity vector d V of the diaphragm 1 is negative, the speed of the vibration plate 1 immediately before stopping by reducing the lower limit theta 1 of the phase difference becomes slow, thus improving the stopping accuracy .

本実施形態では、振動板の鉛直方向速度ベクトルdの正負を判定して、位相差領域における2つの下限値θ1Dとθ1Eのどちらかを選択して設定した。これに限らず、振動板1の移動方向に対する重力成分を複数の閾値と比較し、比較結果にしたがって3以上の下限値のいずれかを設定する処理でもよい。また、振動板1の傾き角度Gと線形関係にある位相差下限値θ1Fを用いて位相差領域を設定してもよい。すなわち、「θ1F=k×G+l」(k、lは定数)の関係式から算出されるθ1Fを用いて第2の位相差領域Dの範囲が設定される。より一般的には傾き角度Gの関数θ1F(G)から算出されるθ1Fを用いる。これにより、振動板1の傾き角度Gに応じて適切な位相差領域Dを設定できるので、停止精度をより向上させることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
In the present embodiment, to determine the positive and negative vertical velocity vector d V of the diaphragm was set by selecting one of two lower limit theta 1D and theta 1E in retardation region. Not only this but the process which compares the gravity component with respect to the moving direction of the diaphragm 1 with a some threshold value, and sets any 3 or more lower limit values according to a comparison result may be sufficient. Alternatively, the phase difference region may be set using the phase difference lower limit value θ 1F that is linearly related to the tilt angle G of the diaphragm 1. That is, the range of the second phase difference region D is set using θ 1F calculated from the relational expression “θ 1F = k 2 × G + l 2 ” (k 2 and l 2 are constants). More commonly used theta 1F calculated from the function theta 1F tilt angle G (G). Thereby, since the suitable phase difference area | region D can be set according to the inclination angle G of the diaphragm 1, a stop precision can be improved more.
As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.

1 振動板
2 圧電素子
3 摩擦部材
4 振動板保持部材
10 超音波モータ
20 リニア駆動装置
52 位相差制御部

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Diaphragm 2 Piezoelectric element 3 Friction member 4 Diaphragm holding member 10 Ultrasonic motor 20 Linear drive device 52 Phase difference control part

Claims (8)

振動部材および該振動部材に固定された圧電素子を用いる振動型アクチュエータであって、
前記振動部材と接触して当該振動部材に対して相対的に移動する摩擦部材と、
前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を取得して前記圧電素子の駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記圧電素子は、複数の分極領域を有しており、
前記制御手段は、前記複数の分極領域にそれぞれ印加する電圧の位相差を制御する場合、第1の位相差領域にて前記位相差を設定する第1の制御と、前記第1の位相差領域よりも範囲が狭い第2の位相差領域にて前記位相差を設定する第2の制御を行うことを特徴とする振動型アクチュエータ。
A vibration type actuator using a vibration member and a piezoelectric element fixed to the vibration member,
A friction member that contacts the vibration member and moves relative to the vibration member;
Control means for acquiring relative positional information of the vibrating member with respect to the friction member and controlling driving of the piezoelectric element;
The piezoelectric element has a plurality of polarization regions,
When the control means controls a phase difference between voltages applied to the plurality of polarization regions, a first control for setting the phase difference in a first phase difference region; and the first phase difference region A vibration type actuator that performs second control for setting the phase difference in a second phase difference region having a narrower range.
前記制御手段は、駆動開始時に前記第1の制御を行い、駆動停止時に前記第2の制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の振動型アクチュエータ。   2. The vibration type actuator according to claim 1, wherein the control unit performs the first control when driving is started and performs the second control when driving is stopped. 前記制御手段は、前記位置情報を用いて算出される、前記振動部材と前記摩擦部材との相対的な移動における加速度の情報により、前記第2の位相差領域の範囲を変更することを特徴とする請求項1または2に記載の振動型アクチュエータ。   The control means changes the range of the second phase difference region based on acceleration information in the relative movement between the vibration member and the friction member, which is calculated using the position information. The vibration type actuator according to claim 1 or 2. 前記制御手段は、重力方向に対する前記振動部材の傾きの情報により、前記第2の位相差領域の範囲を変更することを特徴とする請求項1または2に記載の振動型アクチュエータ。   3. The vibration type actuator according to claim 1, wherein the control unit changes a range of the second phase difference region based on information on an inclination of the vibration member with respect to a gravitational direction. 前記第2の位相差領域の範囲は、前記第1の位相差領域の範囲から、位相差または該位相差の絶対値が下限値より小さい範囲を除いた範囲であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータ。   The range of the second phase difference region is a range obtained by excluding a range where the phase difference or the absolute value of the phase difference is smaller than a lower limit value from the range of the first phase difference region. 5. The vibration type actuator according to any one of 1 to 4. 前記振動部材は、平板部および該平板部に設けられた突起部を有する振動板であり、前記突起部が前記摩擦部材と接触することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータ。   6. The vibration member according to claim 1, wherein the vibration member is a vibration plate having a flat plate portion and a protrusion portion provided on the flat plate portion, and the protrusion portion is in contact with the friction member. The vibration type actuator described. 請求項1から6のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータを備え、
前記振動型アクチュエータにより光学部材を駆動することを特徴とする光学機器。
A vibration type actuator according to any one of claims 1 to 6,
An optical apparatus, wherein an optical member is driven by the vibration actuator.
振動部材と、
前記振動部材に固定された、複数の分極領域を有する圧電素子と、
前記振動部材と接触して当該振動部材に対して相対的に移動する摩擦部材と、
前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を取得して前記圧電素子の駆動を制御する制御手段を備える振動型アクチュエータの制御方法であって、
前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を前記制御手段が取得するステップと、
前記制御手段が、前記複数の分極領域にそれぞれ印加する電圧の位相差を制御する制御ステップと、を有し、
前記制御ステップは、
第1の位相差領域にて前記位相差を設定する第1の制御を行うステップと、
前記第1の位相差領域よりも範囲が狭い第2の位相差領域にて前記位相差を設定する第2の制御を行うステップを有することを特徴とする振動型アクチュエータの制御方法。




A vibrating member;
A piezoelectric element having a plurality of polarization regions fixed to the vibrating member;
A friction member that contacts the vibration member and moves relative to the vibration member;
A control method of a vibration type actuator comprising control means for acquiring relative position information of the vibration member with respect to the friction member and controlling driving of the piezoelectric element,
The control means obtaining relative positional information of the vibration member with respect to the friction member;
The control means includes a control step of controlling a phase difference between voltages applied to the plurality of polarization regions, respectively.
The control step includes
Performing a first control to set the phase difference in a first phase difference region;
A method for controlling a vibration type actuator, comprising: performing a second control for setting the phase difference in a second phase difference region having a narrower range than the first phase difference region.




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