JP7191635B2 - 振動型駆動装置、振動型アクチュエータの駆動制御装置と駆動制御方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動型アクチュエータの駆動制御装置と駆動制御方法、振動型アクチュエータを備える振動型駆動装置及び装置に関する。

非電磁駆動式アクチュエータとして、振動体と接触体とを接触させ、振動体に振動を励起することにより振動体と接触体を相対移動させる振動型アクチュエータが知られている。振動体は、例えば、弾性体に圧電素子等の電気－機械エネルギ変換素子が接合された構造を有する。振動型アクチュエータでは、電気－機械エネルギ変換素子に交流電圧を印加することにより振動体に高周波振動を発生させ、高周波振動の振動エネルギを振動体と接触体との相対移動という機械運動として取り出す。

振動型アクチュエータは、各種の電子機器に応用されており、例えば、撮像装置における撮像レンズの駆動に用いられている。一般的に撮像装置では電源に電池が用いられており、例えば電池電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧し、更にＬＣ共振回路により所定の電圧値まで昇圧する技術が知られている。この場合のＬＣ共振回路の電気共振周波数は１／｛２π×（Ｌ×Ｃ）^１／２｝で定義される。

特許文献１は、ある周波数領域でパルス幅を増加させて振動型アクチュエータを起動する際に、電流値が所定の値を超えた場合にパルス幅の増加を停止することにより、電流値がそれ以上増加しないようにすることで、電池からの限られた供給電力を有効に活用する技術を提案している。また、特許文献１では、目標速度以下の場合に、目標速度に達するまでパルス幅を固定したままで駆動周波数を低周波数側へシフトさせることによって速度を増加させる制御を行っている。

特許第５７９１３４３号

電子機器を構成する回路のさらなる簡素化と低コスト化の要求にこたえるため、振動型アクチュエータの駆動方法として、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いずに電池の電圧をＬＣ共振回路によって直接昇圧し、電気共振周波数を振動体の機械的共振周波数に近付けて昇圧率を稼ぐことで大きな出力を得る駆動方法が考えられる。しかし、電気共振周波数を機械的共振周波数に近付けた場合には、駆動周波数範囲において出力の変動が大きくなるという新たな問題が生じる。

この問題について図１０を参照して説明する。図１０は、振動型アクチュエータの駆動周波数と駆動電圧（電気－機械エネルギ変換素子に印加する電圧）との関係を示す図である。破線は機械的共振周波数ｆｒ´と電気共振周波数ｆｅ´とが離れている場合を示しており、実線は機械的共振周波数ｆｒと電気共振周波数ｆｅとが近い場合を示している。破線の（２つの共振周波数が離れている）場合、駆動周波数範囲における電圧変化量ΔＶ´が小さいため、出力と電力の変動は小さくなるが、電圧レベルが低いため、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の昇圧するための機構を用いて電源電圧を昇圧する必要がある場合が多い。一方、実線の（２つの共振周波数が近い）場合、電圧のレベルそのものは高いものの駆動周波数範囲における電圧変化量ΔＶが大きくなるため、駆動周波数範囲において出力と電力の変動が大きくなるという問題がある。

本発明は、機械的共振周波数と電気共振周波数とが近いために駆動周波数範囲にわたって電圧変化量が大きな場合であっても、振動型アクチュエータから安定した出力を得ることが可能な簡素な振動型駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係る振動型駆動装置は、互いに相対移動する振動体と接触体を備えた振動型アクチュエータと、前記振動型アクチュエータに印加される駆動電圧および前記駆動電圧の周波数を制御する駆動制御装置と、を備える振動型駆動装置であって、前記駆動制御装置は、前記振動型アクチュエータの起動から前記相対移動の目標速度までは前記駆動電圧を大きくして加速を行い、前記振動体に供給される電力が第１の電力値を超えた場合に前記駆動電圧を変えずに前記駆動電圧の周波数を下げ、前記周波数を下げる動作中に前記電力が前記第１の電力値よりも小さい第２の電力値を下回った場合に前記駆動電圧を大きくすることを特徴とする。

本発明によれば、機械的共振周波数と電気共振周波数とが近いために駆動周波数範囲にわたって電圧変化量が大きな場合であっても、簡素な回路構成で振動型アクチュエータから安定した出力を得ることが可能になる。

振動型アクチュエータの概略構成を示す断面図である。 駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 駆動信号と増幅回路の回路構成を説明する図である。 振動型アクチュエータの共振周波数と駆動電圧との関係を示す図である。 実施例１と比較例の各駆動シーケンスでの特性比較図である。 振動型アクチュエータの実施例１の駆動シーケンスのフローチャートである。 駆動信号のパルス幅と電圧比との関係、電源電圧に対して設定される駆動信号のパルス幅を説明するグラフである。 実施例２と比較例の各駆動シーケンスでの特性比較図である。 振動型駆動装置を備えるデジタルカメラの外観斜視図である。 振動型アクチュエータの駆動周波数と駆動電圧との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において、振動型駆動装置とは、振動型アクチュエータと、振動型アクチュエータの制御を行う駆動制御装置を含むものとする。

＜第１実施形態＞
図１は、振動型駆動装置を構成する振動型アクチュエータ２００の概略構成を示す断面図である。振動型アクチュエータ２００は、全体が略円柱状の形状を有する。振動型アクチュエータ２００は、第１の弾性体２０１、第２の弾性体２０２、圧電素子２０３、フレキシブルプリント基板２０４、下ナット２０５及びシャフト２０６を備える。第１の弾性体２０１、第２の弾性体２０２、圧電素子２０３及びフレキシブルプリント基板２０４は、シャフト２０６及び下ナット２０５によって所定の挟持力が付与されるように、シャフト２０６の軸方向（スラスト方向）締め付けられている。第１の弾性体２０１、第２の弾性体２０２及び圧電素子２０３は振動体２１４を形成しており、振動体２１４はシャフト２０６の所定位置に固定された状態となる。

第１の弾性体２０１には、振動損失が少なく、耐摩耗性と耐食性に優れた材料が用いられ、例えば、金属やセラミックスが選択可能であるが、特にマルテンサイト系ステンレス（例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ等の高硬度材）が好適である。ここでは、第１の弾性体２０１には、ＳＵＳ４４０Ｃを切削加工した後、耐摩耗性を向上するために焼入れ、窒化を行ったものを用いている。

電気－機械エネルギ変換素子である圧電素子２０３には、ここでは、表裏面に電極が形成されたリング状の複数の圧電体がシャフト２０６の軸方向に積層された構造を有するものが用いられている。圧電素子２０３は、複数の薄板状の圧電セラミックスと電極層を交互に積層して同時焼成したもの（一体焼成型）であってもよいし、表裏面に電極が形成された単板の圧電体を複数積層し、積層方向で締め付けたもの（ランジュバン型）であってもよい。

圧電素子２０３の各電極層は、Ａ相電極、Ｂ相電極、Ａ´相電極、Ｂ´相電極を有する。このような圧電素子２０３の構造は、例えば、特開２０１３－１２３３３５号公報に開示されているため、図示と詳細な説明を省略する。フレキシブルプリント基板２０４を介してＡ相電極、Ｂ相電極、Ａ´相電極、Ｂ´相電極に所定の位相差を有する交流電圧（以下「駆動電圧」という）を印加することで、互いに直交する２つの曲げ振動を振動体２１４に励起することができる。これらの２つの曲げ振動モードは、軸まわりの空間的な位相が９０度（°）ずれており、駆動電圧の位相を変更することで２つの曲げ振動に９０度の時間的な位相差を与えることができる。その結果、振動体２１４の曲げ振動がシャフト３０６まわり回転し、第１の弾性体２０１上（後述のロータ２０７の接触部２０７ａとの接触面）に楕円運動が発生する。

振動体２１４の曲げ振動によって圧電素子２０３には正圧電効果により電荷が発生するため、この電荷を検出することによって振動体２１４の振動状態をモニタすることができる。そこで、圧電素子２０３には、例えば、複数のＡ相電極の１つを分割することにより形成される２つの電極のうち１つを、振動状態をモニタするためのセンサ電極として用いる。この場合、Ａ相電極へ印加する駆動電圧とセンサ電極からの出力信号の位相差は、共振周波数において９０度となり、共振周波数より高周波数側で徐々にずれていく。よって、振動体２１４に振動が励起されている状態で、Ａ相電極へ印加する駆動電圧とセンサ電極からの出力信号の位相差を検出することにより、圧電素子２０３に入力される駆動電圧の周波数と振動体２１４の共振周波数との関係をモニタすることができる。そして、このモニタ結果に基づいて後述の制御を行うことにより、振動型アクチュエータ２００を安定して駆動することができる。

振動型アクチュエータ２００は、ロータ２０７（接触体）、ロータゴム２０８、加圧バネ２０９、出力伝達部材であるギア２１０、軸受２１１、フランジ２１２及び上ナット２１３を備える。シャフト２０６の上端側に配置されたフランジ２１２は、上ナット２１３をシャフト２０６に螺合することによって、シャフト２０６に固定されている。フランジ２１２は、振動型アクチュエータ２００が実装される装置（機器）の所定位置に振動型アクチュエータ２００を固定するための部材である。

ロータ２０７は、ロータ本環２０７ｂと接触部２０７ａを有する。接触部２０７ａは、ロータ本環２０７ｂに接着剤により固定されている。接触部２０７ａは、下方端（振動体２１４側の端）の面が第１の弾性体２０１に接触しており、且つ、下端側の面の直径が上方端の面の直径よりも短くなるように屈曲しており、これにより適度なバネ性を有する構造となっている。接触部２０７ａは、耐摩耗性、機械的強度及び耐食性を兼ね備えた材料からなることが望ましく、例えば、ＳＵＳ４２０Ｊ２等のステンレス鋼が好適に用いられる。振動型アクチュエータ２００では、接触部２０７ａには、生産コストと寸法精度に優れたプレス加工により成形され、耐摩耗性を高めるために焼入れ処理を行ったものを用いている。なお、接触部２０７ａのロータ本環２０７ｂに対する固定方法は、接着剤を用いる方法に限らず、ハンダ付け等の金属ろう付け、レーザ溶接や抵抗溶接等の溶接、圧入やカシメ等の機械的接合等、別の方法を用いてもよい。

ロータ２０７は、ロータゴム２０８を介して加圧バネ２０９により振動体２１４に対して加圧され、振動体２１４と接触している。振動体２１４に前述の楕円運動を生じさせることによって、ロータ２０７に摩擦駆動力を与えてロータ２０７を回転させることができる。なおロータゴム２０８には、加圧力を均一化させ、また、ロータ２０７からギア２１０へ伝わる振動を減衰させる機能がある。

シャフト２０６の軸方向において、軸受２１１を介してフランジ２１２と第１の弾性体２０１との間にギア２１０が配置されている。また、ロータ本環２０７ｂの上面に形成された凹部とギア２１０に形成された凸部とが係合している。ギア２１０は、加圧バネ２０９の力を受けて軸受２１１に対して摺動しながらロータ２０７と一体的に回転することで、回転駆動力を外部へ出力する。

図２は、振動型駆動装置を構成する駆動制御装置１００の概略構成を示すブロック図である。駆動制御装置１００は、マイコン部１、発振器部２、電流検出回路３、速度検出回路４、電源部５、増幅回路１１，１２及びインピーダンス素子２１，２２を備える。

マイコン部１は、振動型アクチュエータ２００の駆動を統括的に制御する制御部である。発振器部２は、振動体２１４上に上述した振動を励起するためにマイコン部１からの指令値に応じて、駆動信号であるパルス信号として、Ａ相パルス、Ａ相´パルス、Ｂ相パルス及びＢ相´パルスの４つのパルス信号を発生させる。

増幅回路１１，１２及びインピーダンス素子２１，２２は、駆動制御装置１００内ではドライバとして位置づけられる。増幅回路１１は、Ａ相パルスとＡ相´パルスで電源部５の電圧（電源電圧）をスイッチングし、インピーダンス素子２１との組み合わせによって電源電圧を昇圧し、圧電素子２０３に印加する駆動電圧を生成する。増幅回路１２は、Ｂ相パルスとＢ相´パルスで電源電圧をスイッチングし、インピーダンス素子２２との組み合わせによって電源電圧を昇圧し、圧電素子２０３に印加する駆動電圧を生成する。詳細は図３を参照して後述するが、Ａ相パルスにより増幅回路１１で生成された位相の異なる２相の駆動電圧は、圧電素子２０３のＡ相電極とＡ´相電極に印加される。また、B相パルスにより増幅回路１２で生成された駆動電圧は圧電素子２０３のＢ相電極とＢ´相電極に印加される。

電源部５は、増幅回路１１，１２へ直流電圧を供給する電池等の電源である。電流検出回路３は、電源部５からの供給電流を検出する電流検出手段である。電流検出回路３で検出された電流と増幅回路１１，１２に与えた電圧指令値との積を計算することにより、消費電力（以下「電力」と記す）を求めることができる。求められた電力は、マイコン部１に入力され、後述する駆動シーケンスを実行するための情報として用いられる。

速度検出回路４は、ロータ２０７の速度（回転速度）及び位置（回転角度）を検出し、検出したロータ２０７の速度及び位置の情報をマイコン部１へ送信する。マイコン部１は、受信したロータ２０７の速度及び位置の情報に基づいて、圧電素子２０３へ印加する駆動電圧を生成するためのＡ相パルスとＢ相パルスを制御することによりロータ２０７の回転を制御する。

図３（ａ）は、駆動信号（Ａ相パルス、Ｂ相パルス、Ａ´相パルス、Ｂ´相パルス）を説明する図である。図３（ｂ）は、増幅回路１１，１２の回路図である。図３（ａ）に示すように、Ａ相パルスとＡ相´パルスとは位相が１８０度ずれており、Ｂ相パルスとＢ相´パルスとは位相が１８０度ずれており、各駆動信号のパルス幅（デューティ）は等しい。Ａ相パルスとＢ相パルスとは、ここでは、位相が９０度ずれている。

増幅回路１１，１２を構成するスイッチング素子には、ＦＥＴ３１～３８が用いられている。ＦＥＴ３１，３４はＡ相パルスでスイッチングされ、ＦＥＴ３２，３３はＡ相´パルスによりスイッチングされる。電源電圧をＦＥＴ３１～３４でスイッチングすることにより生成される駆動電圧がＡ相電極とＡ´相電極へ印加される。同様に、ＦＥＴ３５，３８はＢ相パルスでスイッチングされ、ＦＥＴ３６，３７はＢ相´パルスによりスイッチングされる。電源電圧をＦＥＴ３５～３８でスイッチングすることにより生成される駆動電圧がＢ相電極とＢ´相電極へ印加される。

インピーダンス素子２１，２２は、振動型アクチュエータ２００とのインピーダンスを整合させる役割を担い、ここではインダクタンス素子を用いている。インピーダンス素子２１，２２を図２及び図３に示す所定の位置に組み込むことにより、振動型アクチュエータ２００をより低い電源電圧で、且つ、高効率で、駆動することが可能になる。なお、不図示であるが、インピーダンスを整合させるために容量素子を、振動体２１４と並列に設けた構成としてもよい。

増幅回路１１，１２とインピーダンス素子２１，２２からなるドライバによる昇圧率は、ドライバの共振周波数である電気共振周波数ｆｅで極大値を取る。インピーダンス素子２１，２２のインダクタンスをＬ、圧電素子２０３の静電容量をＣとすると、ｆｅ＝１／｛２π×（Ｌ×Ｃ）^１／２｝となる。駆動制御装置１００では、駆動周波数（駆動信号の周波数）の範囲を電気共振周波数ｆｅに近付けて圧電素子２０３に印加する駆動電圧を大きくすることにより、昇圧手段であるＤＣ／ＤＣコンバータを用いない回路構成を実現している。なお、駆動電圧を大きくするとは、実効的な駆動電圧の電圧値を大きくすることをいう実効的な駆動電圧の電圧値を変化させる方法として駆動電圧の振幅やパルス幅を変更する方法がある。

また、振動型アクチュエータ２００では、振動体２１４の機械的な共振現象を利用して振動振幅を拡大させることにより、ロータ２０７を高速駆動することができる。そのため、駆動周波数範囲を電気共振周波数ｆｅに近付けるということは、機械的共振周波数ｆｒを電気共振周波数ｆｅに近付けることと等価である。しかし、図１０を参照して前述した通り、機械的共振周波数ｆｒを電気共振周波数ｆｅに近付け過ぎると、出力が不安定になってしまう。これに対して、機械的共振周波数ｆｒを電気共振周波数ｆｅから離してしまうと、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの昇圧手段が無い場合は出力が不足する。これらの問題のバランスを考えると、機械的共振周波数ｆｒと電気共振周波数ｆｅとの差（ｆｅ－ｆｒ）は、８ｋＨｚ～３０ｋＨｚとすることが望ましい。

次に、駆動制御装置１００による振動型アクチュエータ２００の駆動制御方法について説明する。先ず、図４と図５を参照して、振動型アクチュエータ２００の制御の概要について説明する。図４は、振動型アクチュエータ２００の各種の共振周波数と駆動電圧との関係を示す図である。図５は、実施例１と比較例のそれぞれに係る振動型アクチュエータ２００の駆動シーケンスでの特性比較図である。図５上段は駆動周波数と電力との関係を、図５中段は駆動周波数とパルス幅との関係を、図５下段は駆動周波数と速度との関係（下段）をそれぞれ示している。

マイコン部１は、周波数ｆｓ（起動周波数）において駆動信号（Ａ相パルス、Ａ相´パルス、Ｂ相パルス、Ｂ相´パルス）のパルス幅（デューティ比）を徐々に増加させて、振動型アクチュエータ２００を起動する。パルス幅を増加させると、実効的な駆動電圧が大きくなって電力も大きくなる。図５上段に示されるように、予め定められた第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１（第１の電力値）に達したところでパルス幅を固定する。ここでは、図４及び図５中段に示すように、パルス幅がデューティ比で２２％となった時点でパルス幅を固定している。ここから駆動周波数を下げて（低周波数側へシフトさせて）いくと、駆動周波数が振動体２１４の機械的共振周波数ｆｒに近付くことで振動体２１４に励起される振動の振幅が大きくなり、図５下段に示されるようにロータ２０７の速度が増加する。

従来の駆動方法である比較例では、図４に示すようにパルス幅を２２％に固定したまま駆動周波数を下げていくために、機械的共振周波数ｆｒと電気共振周波数ｆｅが近い場合は、駆動電圧は小さくなっていき、周波数ｆｓ～ｆｘの間でΔＶ´だけ電圧が低下してしまう。その結果、図５上段に示すように、電力は定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０を超えることはないが、図５下段に示すように駆動周波数を機械的共振周波数ｆｒまで下げても定格速度に到達することができていない。なお、定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０は、振動型アクチュエータ２００の定格電力である。定格電力を超えない範囲において大きな出力で振動型アクチュエータ２００を駆動することにより、ギア２１０からの出力により駆動される部品を安定して駆動することができる。

これに対して実施例１では、駆動周波数を下げる動作中に電力が予め定められた第２の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_２（第２の電力値）を下回った時点でパルス幅を増加させることで、械的共振周波数ｆｒと電気共振周波数ｆｅが近い場合であっても電圧不足に陥ることを防止している。但し、実施例１では、パルス幅の最大値をデューティ比で５０％に設定しており、その理由については後述する。その結果、図５下段に示すように、定格速度を大きく超える速度でロータ２０７を駆動することが可能となっており、余裕のある駆動が可能となっている。このような実施例１に係る駆動シーケンスについて、図６に示すフローチャートを用いて説明する。

図６は、駆動制御装置１００による振動型アクチュエータ２００の実施例１に係る駆動シーケンスを説明するフローチャートである。図６のフローチャートにＳ番号で示す各処理（ステップ）は、マイコン部１が所定のプログラムを実行して、駆動制御装置１００を構成する各部の動作を制御することによって実現される。なお、図６のフローチャートは、ロータ２０７の回転開始から停止動作に入るまでの制御を表している。

Ｓ１でマイコン部１は、周波数ｆｓで駆動信号をオンにして、駆動信号のパルス幅（図６では「ＰＷ」と記す）をゼロ（０）から徐々に増加させていく。増加させる割合は、時間に対して一律としてもよいし、予め定められた速度指令値に従うようにしてもよい。Ｓ２でマイコン部１は、ロータ２０７の速度が目標速度に到達したか否かを判定する。マイコン部１は、ロータ２０７の速度が目標速度に到達したと判定した場合（Ｓ２でＹＥＳ）、処理をＳ３へ進め、ロータ２０７の速度が目標速度に到達していない判定した場合（Ｓ２でＮＯ）、処理を後述のＳ７へ進める。

Ｓ３でマイコン部１は、周波数制御又はパルス幅制御（図６では「Ｆ／ＰＷ制御」と記す）により、ロータ２０７の速度制御を行う。ここでの速度制御では、ロータ２０７の速度が目標速度よりも小さい場合には、駆動信号のパルス幅を増加させて速度を増加させ、ロータ２０７の速度が目標速度よりも大きい場合には、駆動信号のパルス幅を減少させることにより速度を低下させる。なお、駆動中に外部負荷の増加等が原因でロータ２０７の速度が低下し、パルス幅が最大パルス幅ＰＷ－ｍａｘ（具体的には、初期値の５０％）に達することが考えられる。この場合には、フローチャートへの記載は省いているが、駆動周波数を下げて速度を増加させた後、必要に応じて駆動周波数を調整することで速度制御を行えばよい。

Ｓ４でマイコン部１は、ロータ２０７の回転角度が停止動作の開始位置に到達したか否かを判定する。なお、停止動作の開始位置は、ロータ２０７が最終的に停止する位置と、現在のロータ２０７の速度を考慮して決められている。マイコン部１は、停止動作の開始位置に到達したと判定した場合（Ｓ４でＹＥＳ）、本処理を終了させて停止動作を開始し、停止動作の開始位置に到達していないと判定した場合（Ｓ４でＮＯ）、処理をＳ５へ進める。Ｓ５でマイコン部１は、電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１以上か否かを判定する。マイコン部１は、電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１未満であると判定した場合（Ｓ５でＮＯ）、Ｓ３へ処理を戻し、電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１以上であると判定した場合（Ｓ５でＹＥＳ）、処理をＳ６へ進める。

Ｓ６でマイコン部１は、最大パルス幅ＰＷ－ｍａｘを、電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１を超える直前又は超えた時点でのパルス幅から一定値を減じたパルス幅に変更する。なお、最大パルス幅ＰＷ－ｍａｘの初期値はＰＷ－ｍａｘ_０となっている。ここで、第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１は、外乱等で電力がオーバーシュートしても、電力が定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０を超えない値に設定されており、好ましくは定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０の８０～９５％の値に設定されている。一方、第２の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_２は、第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１より小さく、且つ、定格電力内で十分な出力が得られる値に設定されており、好ましくは定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０の７０～９０％の値に設定されている。マイコン部１は、Ｓ６の処理後にＳ１２へ処理を進める。

さて、マイコン部１は、Ｓ２でロータ２０７の速度が目標速度に到達していないと判定した場合（Ｓ２でＮＯ）、処理をＳ７へ進める。Ｓ７でマイコン部１は、電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１以上か否かを判定する。マイコン部１は、電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１以上であると判定した場合（Ｓ７でＹＥＳ）、処理をＳ９へ進め、電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１未満であると判定した場合（Ｓ７でＮＯ）、処理をＳ８へ進める。

Ｓ８でマイコン部１は、駆動信号のパルス幅がＰＷ－ｍａｘ_０未満であるか否かを判定する。マイコン部１は、パルス幅がＰＷ－ｍａｘ_０未満であると判定した場合（Ｓ８でＹＥＳ）、Ｓ１へ処理を戻し、パルス幅がＰＷ－ｍａｘ_０以上であると判定した場合（Ｓ８でＮＯ）、処理をＳ１０へ進める。

なお、最大パルス幅の初期値であるＰＷ－ｍａｘ_０は、電源電圧に応じて設定される固定値である。通常、電池は充電が１００％完了した状態で電圧が最も高く、電力を使い切る前で最も電圧が低くなる。駆動制御装置１００ではＤＣ／ＤＣコンバータを使用していないため、そのままでは駆動電圧が小さくなって出力が低下してしまう。

ここで、最大パルス幅の初期値ＰＷ－ｍａｘ_０の設定手法について、図７を参照して説明する。図７（ａ）は、駆動信号のパルス幅と電圧比との関係を示すグラフである。パルス幅50％時の基本波成分の電圧比を１としている。ここでいう基本波成分とは駆動信号と同じ周波数の電圧成分のことである。矩形波の電圧は異なるサイン波（基本波及びその高調波）の合成で構成されており、その構成比がパルス幅によって異なっている。言い換えると、パルス幅を変更することにより基本波成分の電圧をコントロールすることが可能である。図７（ｂ）は、電源電圧に対して設定される駆動信号のパルス幅を説明するグラフである。前述のように電池の状態により電源電圧が変動するため、電源電圧の値に応じて、駆動信号のパルス幅を定めることにより、基本波成分の電圧を一定にすることが可能である。実施例１に係る駆動シーケンスでは、図７（ｂ）に示すように電源電圧が最も降下した状態に合わせて駆動信号の最大パルス幅の初期値ＰＷ－ｍａｘ_０を５０％に設定している。そして、これと同じ基本波成分の電圧となるように、最大パルス幅ＰＷ－ｍａｘを変更することで、駆動電圧が変動することを防いでいる。

図６のフローチャートの説明に戻る。Ｓ８の次のＳ９でマイコン部１は、最大パルス幅ＰＷ－ｍａｘを電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１を超える直前の又は超えた瞬間のパルス幅から一定値を減じた値に変更する。なお、最大パルス幅の初期値はＰＷ－ｍａｘ_０に設定されている。これにより、電力が定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０をオーバーすることを防止することができる。ここまでのＳ１～Ｓ２，Ｓ７～Ｓ９の制御は、図５において周波数ｆｓで電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１に達するまでの制御に相当する。

Ｓ１０でマイコン部１は、駆動信号のパルス幅を維持した状態で駆動周波数を下げていくことでロータ２０７の速度を増加させる。Ｓ１０の処理は、オープン駆動で行ってもよいし、速度指令値に従って行っても構わない。目標速度までオープン駆動で加速させる場合には、駆動周波数を単調に下げればよい。一方、速度指令値に追従させる場合には、基本的には駆動周波数を下げていくが、実速度が速度指令値を上回ることが起こり得るため、駆動周波数を上下させることが必要となる場合がある。

Ｓ１１でマイコン部１は、ロータ２０７の速度が目標速度に到達したか否かを判定する。マイコン部１は、ロータ２０７の速度が目標速度に到達したと判定した場合（Ｓ１１でＹＥＳ）、処理をＳ１２へ進め、ロータ２０７の速度が目標速度に到達していないと判定した場合（Ｓ１１でＮＯ）、処理を後述のＳ１５へ進める。Ｓ１２でマイコン部１は、周波数制御又はパルス幅制御により、ロータ２０７の速度を制御する。ここでの速度制御では、ロータ２０７の速度が目標速度に達していなければ駆動周波数を下げることにより速度を増加させ、ロータ２０７の速度が目標速度を超えていれば、駆動周波数を上げる（高周波数側にシフトさせる）ことにより速度を低下させる。

なお、不図示であるが、駆動中に外部負荷の減少等が原因で、ロータ２０７の速度が増大して駆動周波数が周波数ｆｓに到達した場合には、パルス幅を調整して速度制御を行う。このように周波数ｆｓより低周波数側では駆動周波数の変更（調整）で速度制御を行い、周波数ｆｓではパルス幅の増減（調整）により速度制御を行う。

Ｓ１３でマイコン部１は、停止動作の開始位置に到達したか否かを判定する。Ｓ１３の処理は、Ｓ４の処理と同等である。マイコン部１は、停止動作の開始位置に到達したと判定した場合（Ｓ１３でＹＥＳ）、本処理を終了させて停止動作を開始し、停止動作の開始位置に到達していないと判定した場合（Ｓ１３でＮＯ）、処理をＳ１４へ進める。Ｓ１４でマイコン部１は、電力が定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０以上か否かを判定する。マイコン部１は、電力が定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０未満であると判定した場合（Ｓ１４でＮＯ）、処理をＳ１２へ戻し、電力が定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０以上であると判定した場合（Ｓ１４でＹＥＳ）、処理を後述のＳ１９へ進める。

マイコン部１は、Ｓ１１でロータ２０７の速度が目標速度に到達していないと判定した場合の次の処理であるＳ１５で、電力が定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０以上か否かを判定する。マイコン部１は、電力が定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０未満であると判定した場合（Ｓ１５でＮＯ）、処理をＳ１６へ進め、電力が定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０以上であると判定した場合（Ｓ１５でＹＥＳ）、処理を後述のＳ１９へ進める。

Ｓ１６～Ｓ１８の処理は、実施例１に係る駆動シーケンスでの特徴的な処理である。Ｓ１６でマイコン部１は、電力が第２の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_２以下か否かを判定する。マイコン部１は、電力が第２の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_２以下であると判定した場合（Ｓ１６でＹＥＳ）、処理をＳ１７へ進め、電力が第２の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_２を超えていると判定した場合（Ｓ１６でＮＯ）、処理をＳ１０へ戻す。Ｓ１７でマイコン部１は、駆動信号の最大パルス幅がＰＷ－ｍａｘ_０未満か否かを判定する。マイコン部１は、パルス幅がＰＷ－ｍａｘ_０未満であると判定した場合（Ｓ１７でＹＥＳ）、処理をＳ１８へ進め、パルス幅がＰＷ－ｍａｘ_０以上であると判定した場合（Ｓ１７でＮＯ）、処理をＳ１０へ戻す。Ｓ１８でマイコン部１は、駆動信号のパルス幅を増加させ、その後、処理をＳ１０へ戻す。

このようなＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１５～Ｓ１８のルーチンは、図５において、電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１に達してから、駆動周波数を周波数ｆｓから周波数ｆｘへ下げている制御に対応する。なお、図７を参照して前述したように、電源電圧を考慮して、実施例１に係る駆動シーケンスでは、駆動信号のパルス幅の最大値をデューティ比で５０％に設定している。そのため、パルス幅を５０％に固定した後には電力が第２の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_２を下回ってもパルス幅を増加させないようにしているが、駆動周波数を下げることで速度を増加させることが可能である。

上述のＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１５～Ｓ１８のループが実行されている間は、図５中段及び上段に実施例１で示すように、周波数ｆｓ～ｆｘ間でパルス幅が増加し、且つ、電力は略一定となる。換言すると、比較例では駆動電圧が小さくなることによって電力の低下及び速度不足が生じるが、実施例１では、パルス幅を増加させることで駆動電圧の低下が防止され、その結果として電力が略一定になると共に速度不足になることもない。なお、安定して駆動するために、電力が一定の区間（第２の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_２で維持する区間）の電力のばらつきは、第２の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_２の値の１０％以下であることが望ましい。

マイコン部１は、Ｓ１４で電力が定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０以上であると判定した場合（Ｓ１４でＹＥＳ）とＳ１５で電力が定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０以上であると判定した場合（Ｓ１５でＹＥＳ）には、処理をＳ１９へ進める。Ｓ１９でマイコン部１は、駆動周波数を上げるか又はパルス幅を減少させることによって電力を低減させ、その後、処理をＳ１３へ戻す。以上が実施例１に係る駆動シーケンスである。

なお、図６のフローチャートでは、電力の値に基づいて各種の判定を行っているが、電流検出回路３で検出された電流を判定基準に用いても構わない。また、停止動作の各処理については図６のフローチャートに記載していないが、停止動作は基本的に、起動時とは逆の電力、パルス幅、速度の経路を辿る。つまり、停止動作の開始位置に到達すると、駆動周波数を上げることで減速を開始する。そして、電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１以上であれば、パルス幅を減少させることで電力を低減させる。これらを繰り返して駆動周波数が周波数ｆｓに達したところで、電力に関係なくパルス幅を減少させていき、停止位置でロータ２０７を停止させる。

以上の説明の通り、機械的共振周波数ｆｒと電気共振周波数ｆｅとが近いために、駆動周波数範囲にわたって電圧変化量ΔＶが大きな場合であっても、回路構成が簡素な駆動制御装置１００に図６の駆動シーケンスを適用することにより、振動型アクチュエータ２００を駆動周波数の全域にわたって安定した出力で駆動することが可能になる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、第２の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_２と第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１が同じ値の場合の駆動シーケンスについて説明する。第１実施形態と第２実施形態との相違点は、マイコン部１が実行する制御のみであり、以下、この相違点についてのみ説明することとする。

図８は、振動型アクチュエータ２００の実施例２と比較例のそれぞれに係る駆動シーケンスでの特性比較図である。図８上段は駆動周波数と電力との関係（上段）を、図８中段は駆動周波数とパルス幅との関係を、図８下段は駆動周波数と速度との関係をそれぞれ示している。実施例２でも、実施例１と同様に、周波数ｆｓで駆動信号のパルス幅を徐々に増加させていくことで振動型アクチュエータ２００を起動する。パルス幅が増加するに従って徐々に速度が増加し、電力も増大する。電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１に達したところで、パルス幅を固定する（図９中段では２２％）。

ここから駆動周波数を下げていくと振動体２１４の機械的共振周波数ｆｒに近付いていくため、振動体２１４の振動振幅が大きくなり、ロータ２０７の速度が増加していく。その際、比較例に係る従来の駆動方法では、駆動信号のパルス幅を２２％に固定した状態で駆動周波数を下げていくため、図４に示したように電圧は降下していき、周波数ｆｓ～ｆｘの間でΔＶ´だけ電圧が低下してしまう。その結果、比較例では、図８上段に示すように電力は定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０を超えることはないが、図８下段に示すように駆動信号の周波数を機械的共振周波数ｆｒまで下げても、ロータ２０７の速度は定格速度を超えていない。

これに対して実施例２では、電力が第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１以下になると、駆動信号のパルス幅を大きくすることで電圧不足に陥ることを防いでおり、これにより、定格速度を大きく超えた余裕のある駆動が可能となっている。また、第１の電力リミットＰ－Ｌｉｍ_１を、外乱等で電力がオーバーシュートしても定格電力Ｐ－Ｌｉｍ_０を超えない値に設定することで、消費電力は大きくなるが駆動電圧も大きくなるため、定格電力内でより大きく、安定した出力を得ることが可能になる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、振動型駆動装置を備える装置の一例としてのデジタルカメラ（撮像装置）について説明する。図１０は、デジタルカメラ３００の外観斜視図である。デジタルカメラ３００は、カメラ本体３０１と、カメラ本体３０１の前面に配置されたレンズ鏡筒３０２を有する。レンズ鏡筒３０２内には、レンズ鏡筒３０２の光軸方向に移動可能なフォーカスレンズを含む複数のレンズ群（不図示）が配置されている。そして、レンズ鏡筒３０２内で、振動型アクチュエータ２００のギア２１０は、レンズ鏡筒３０２内に配置されたフォーカスレンズを光軸方向に移動させるためのギア（回転伝達部材）と噛み合っている。

振動型アクチュエータ２００は実施例１又は実施例２に係る駆動制御方法により駆動され、フォーカスレンズの高速に安定して光軸方向に移動させることで、被写体に対するスムーズな合焦動作を実現することができる。また、駆動制御装置１００は、回路構成が簡素であるため、カメラ本体３０１に実装しても、カメラ本体３０１を大型化させ難い。なお、振動型アクチュエータ２００は、レンズ鏡筒３０２が備えるズームレンズの光軸方向での駆動に用いることもできる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

例えば、上記実施形態では、駆動制御装置１００により制御される振動型アクチュエータとして、振動体と接触体との相対移動が回転運動として現れる構造のものを取り上げたが、振動型アクチュエータの構成はこれに限定されるものではない。例えば、振動体と接触体との相対移動が直進運動として現れるリニア駆動型の振動型アクチュエータの駆動にも実施例１，２の駆動制御方法を適用することができる。

また、第３実施形態では、振動型駆動装置を適用したデジタルカメラについて説明したが、振動型駆動装置の具体的な適用例はこれらに制限されるものではない。振動型駆動装置は、振動型アクチュエータ２００の駆動による位置決めが必要とされる部品を備える装置（機器）に広く適用可能である。

１ マイコン部
２ 発振器部
５ 電源部
１１，１２ 増幅回路
１００ 駆動制御装置
２００ 振動型アクチュエータ
２０３ 圧電素子
２０７ ロータ
２１４ 振動体
３００ デジタルカメラ

Claims (16)

1. 互いに相対移動する振動体と接触体を備えた振動型アクチュエータと、
   前記振動型アクチュエータに印加される駆動電圧および前記駆動電圧の周波数を制御する駆動制御装置と、を備える振動型駆動装置であって、
   前記駆動制御装置は、
   前記振動型アクチュエータの起動から前記相対移動の目標速度までは前記駆動電圧を大きくして加速を行い、前記振動体に供給される電力が第１の電力値を超えた場合に前記駆動電圧を変えずに前記駆動電圧の周波数を下げ、前記周波数を下げる動作中に前記電力が前記第１の電力値よりも小さい第２の電力値を下回った場合に前記駆動電圧を大きくすることを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記駆動制御装置は、パルス信号を発振する発振手段を更に備え、直流の電源電圧を前記パルス信号でスイッチングすることによって前記駆動電圧を生成し、前記パルス信号のパルス幅を変更することによって前記駆動電圧を変更し、前記パルス信号の周波数を変更することにより前記駆動電圧の周波数を変更することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
3. 前記電源電圧の電圧値に応じて前記パルス幅の最大値が設定されており、
   前記駆動制御装置は、前記パルス幅が前記最大値に達した場合には、前記電力が前記第２の電力値を下回った場合でも前記パルス幅を増加させないことを特徴とする請求項２に記載の振動型駆動装置。
4. 前記駆動制御装置は、前記電力が前記第１の電力値よりも小さい第２の電力値を下回った後に前記パルス幅を増加させることで前記駆動電圧を大きくする動作において前記パルス幅が前記最大値に達するまでの間は、前記電力のばらつきが前記第２の電力値の１０％以下となるように前記パルス信号のパルス幅と周波数を変更することを特徴とする請求項３に記載の振動型駆動装置。
5. 互いに相対移動する振動体と接触体を備えた振動型アクチュエータと、
   前記振動型アクチュエータに印加される駆動電圧および前記駆動電圧の周波数を制御する駆動制御装置と、を備える振動型駆動装置であって、
   前記駆動制御装置は、
   前記振動型アクチュエータの起動から前記相対移動の目標速度までは前記駆動電圧を大きくして加速を行い、前記振動体に供給される電力が所定の電力値を超えた場合に、前記駆動電圧の周波数を下げると共に前記駆動電圧を大きくすることを特徴とする振動型駆動装置。
6. 前記駆動制御装置は、パルス信号を発振する発振手段を更に備え、
   直流の電源電圧を前記パルス信号でスイッチングすることによって前記駆動電圧を生成し、
   前記パルス信号のパルス幅を変更することによって前記駆動電圧を変更し、前記パルス信号の周波数を変更することにより前記駆動電圧の周波数を変更することを特徴とする請求項５に記載の振動型駆動装置。
7. 前記電源電圧の電圧値に応じて前記パルス幅の最大値が設定されており、
   前記駆動制御装置は、前記パルス幅が前記最大値に達した場合には、前記電力が前記所定の電力値を下回った場合でも前記パルス幅を増加させないことを特徴とする請求項６に記載の振動型駆動装置。
8. 前記駆動制御装置は、前記電力が前記所定の電力値を下回った後に前記パルス幅を増加させることで前記駆動電圧を大きくする動作において前記パルス幅が前記最大値に達するまでの間は、前記電力のばらつきが前記所定の電力値の１０％以下となるように前記パルス信号のパルス幅と周波数を変更することを特徴とする請求項７に記載の振動型駆動装置。
9. 前記駆動制御装置は、前記駆動電圧の周波数を下げる動作では、前記周波数を単調に減少させることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
10. 前記駆動制御装置は、前記駆動電圧の周波数を下げる動作では、予め定められた速度指令値に基づき前記周波数を制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
11. 前記駆動制御装置の共振周波数と前記振動体の共振周波数との差が８ｋＨｚ～３０ｋＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動型駆動装置と、
    前記振動型駆動装置の前記駆動制御装置によって制御される前記振動型アクチュエータの駆動によって位置決めされる部材と、を備えることを特徴とする装置。
13. 互いに相対移動する振動体と接触体とを備える振動型アクチュエータの駆動制御装置であって、
    電源電圧を増幅することにより前記振動体に印加する駆動電圧を生成する増幅手段と、
    前記増幅手段による前記駆動電圧の生成を制御する制御手段と、を有し、
    前記駆動制御装置は、
    前記振動型アクチュエータの起動から前記相対移動の目標速度までは前記駆動電圧を大きくして加速を行い、前記振動体に供給される電力が第１の電力値を超えた場合に前記駆動電圧を変えずに前記駆動電圧の周波数を下げ、前記周波数を下げる動作中に前記電力が前記第１の電力値よりも小さい第２の電力値を下回った場合に前記駆動電圧を大きくすることを特徴とする振動型アクチュエータの駆動制御装置。
14. 互いに相対移動する振動体と接触体とを備える振動型アクチュエータの駆動制御装置であって、
    電源電圧を増幅することにより前記振動体に印加する交流の駆動電圧を生成する増幅手段と、
    前記増幅手段による前記駆動電圧の生成を制御する制御手段と、を有し、
    前記駆動制御装置は、
    前記振動型アクチュエータの起動から前記相対移動の目標速度までは前記駆動電圧を大きくして加速を行い、前記振動体に供給される電力が所定の電力値を超えた場合に、前記駆動電圧の周波数を下げると共に前記駆動電圧を大きくすることを特徴とする振動型アクチュエータの駆動制御装置。
15. 互いに相対移動する振動体と接触体を備えた振動型アクチュエータの駆動制御方法であって、
    前記振動型アクチュエータの起動から前記相対移動の目標速度までは駆動電圧を大きくして加速を行うステップと、
    前記振動体に供給される電力が第１の電力値を超えた場合に、前記駆動電圧を変えずに前記駆動電圧の周波数を下げるステップと、
    前記周波数を下げる動作中に、前記電力が前記第１の電力値よりも小さい第２の電力値を下回った場合に前記駆動電圧を大きくするステップと、を有し、ことを特徴とする振動型アクチュエータの駆動制御方法。
16. 互いに相対移動する振動体と接触体を備えた振動型アクチュエータの駆動制御方法であって、
    前記振動型アクチュエータの起動から前記相対移動の目標速度までは駆動電圧を大きくして加速を行うステップと、
    前記振動体に供給される電力が所定の電力値を超えた場合に前記駆動電圧の周波数を下げると共に前記駆動電圧を大きくするステップと、を有することを特徴とする振動型アクチュエータの駆動制御方法。
    

Images