JPH10234192A - 電気機械変換素子を使用した駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 所望の駆動速度で駆動効率の良い電気機械変
換素子を使用した駆動機構を提供する。 【解決手段】 圧電素子に駆動パルスを供給して伸縮変
位を発生させ、圧電素子に固定された駆動軸に摩擦結合
した被駆動部材を駆動する駆動機構において、圧電素子
２８を積層数の異なる複数のブロツク２８ａ〜２８ｄに
分割し、スイツチング素子２７ａ〜２７ｄを介して定電
流駆動回路２５ａ〜２５ｄに接続する。定電流駆動回路
は圧電素子ブロツク２８ａ〜２８ｄのインピ−ダンスの
相違に応じた最適の回路構成とする。駆動速度に応じて
選択した圧電素子ブロツクを、選択した圧電素子ブロツ
クに適した定電流駆動回路で駆動するので、所望の駆動
速度で効率良く駆動することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気機械変換素
子を使用した駆動装置に関し、特に精密測定用ＸＹ移動
ステ−ジ、カメラの撮影レンズ、オ−バ−ヘツドプロジ
エクタの投影レンズ、双眼鏡のレンズなどの駆動に適し
た電気機械変換素子を使用した駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子に対し、緩やかな立ち上がり部
とこれに続く急速な立ち下がり部からなる波形の駆動パ
ルスを印加すると、駆動パルスの緩やかな立ち上がり部
では圧電素子が緩やかに厚み方向の伸び変位を生じ、急
速な立ち下がり部では急速に縮み変位を生じる。そこ
で、この特性を利用し、圧電素子に対して上記したよう
な波形の駆動パルスを印加して異なる速度で充放電を繰
り返し、圧電素子に速度の異なる厚み方向の振動を発生
させて圧電素子に固着された駆動部材を異なる速度で往
復動させ、駆動部材に摩擦結合した移動部材を所定方向
に移動させる駆動装置が知られている（一例として、特
開平６−１２３８３０号公報参照）。

【０００３】図６は、上記した駆動装置を使用したカメ
ラの撮影レンズ駆動装置の構成の一例を示す断面図であ
る。図において、１０１はレンズ鏡筒で、その左端には
第１レンズＬ1 の保持枠１０２が固定的に取り付けら
れ、その右端１０１ａは第３レンズＬ3 の保持枠を形成
している。レンズ鏡筒１０１の内部には、第２レンズＬ
2 の保持枠１０３が、光軸方向に移動可能に配置されて
いる。１０４はレンズ保持枠１０３を光軸方向に駆動す
る駆動軸で、駆動軸１０４は、レンズ鏡筒１０１の第１
のフランジ部１０１ｂとレンズ保持枠１０２のフランジ
部１０２ｂとにより光軸方向に移動自在に支持され、そ
の一端は圧電素子１０５の１つの面に接着固定されてい
る。

【０００４】圧電素子１０５は厚み方向に変位して駆動
軸１０４を軸方向に変位させるもので、その一端面は駆
動軸１０４に接着固定され、他の端面はレンズ鏡筒１０
１の第２のフランジ部１０１ｃに接着固定されている。

【０００５】第２レンズＬ2 を保持するレンズ保持枠１
０３は、その上方に延びた移動部材であるスライダブロ
ツク１０３ｂを備えている。スライダブロツク１０３ｂ
には横方向に駆動軸１０４が貫通している。スライダブ
ロツク１０３ｂの駆動軸１０４が貫通している上部には
開口部１０３ｃが形成され、駆動軸１０４の上半分が露
出している。また、この開口部１０３ｃには駆動軸１０
４の上半分に当接するパツド１０６が嵌挿され、パツド
１０６には上部に突起１０６ａが設けられており、パツ
ド１０６の突起１０６ａが板ばね１０７により押し下げ
られ、パツド１０６には駆動軸１０４に当接する下向き
の付勢力Ｆが与えられている。図７は駆動軸１０４とス
ライダブロツク１０３ｂ及びパツド１０６との摩擦結合
部分の構成を示す断面図である。

【０００６】次にその制御動作を説明する。レンズＬ2
の矢印ａ方向への移動を必要としているときは、図８に
示すような緩やかな立ち上がり部とこれに続く急速な立
ち下がり部からなる波形の駆動パルスを圧電素子１０５
に供給する。

【０００７】駆動パルスの緩やかな立ち上がり部では、
圧電素子１０５は緩やかに厚み方向の伸び変位を生じ、
駆動軸１０４は軸方向に矢印ａ方向へ変位する。このた
め、駆動軸１０４に板ばね１０７により圧接して摩擦結
合しているスライダブロツク１０３ｂ及びパツド１０６
も矢印ａ方向へ移動するので、レンズ保持枠１０３を矢
印ａ方向へ移動させることができる。

【０００８】駆動パルスの急速な立ち下がり部では、圧
電素子１０５が急速に厚み方向の縮み変位を生じ、駆動
軸１０４も軸方向に矢印ａと反対方向へ変位する。この
とき、駆動軸１０４に板ばね１０７により圧接している
スライダブロツク１０３ｂ、パツド１０６及びレンズ保
持枠１０３はその慣性力により駆動軸１０４との間の摩
擦力に打ち勝つて実質的にその位置に留まるので、レン
ズ保持枠１０３は移動しない。

【０００９】なお、ここでいう実質的とは、矢印ａ方向
と、これと反対方向のいずれにおいてもスライダブロツ
ク１０３ｂ及びパツド１０６と駆動軸１０４との間の摩
擦結合面に滑りを生じつつ追動し、駆動時間の差によつ
て全体として矢印ａ方向に移動するものも含むことを意
味している。

【００１０】上記波形の駆動パルスを連続して圧電素子
１０５に印加することにより、レンズ保持枠１０３を矢
印ａで示す方向へ連続して移動させることができる。

【００１１】レンズ保持枠１０３を矢印ａと反対方向へ
移動させるときは、急速な立ち上がり部とこれに続く緩
やかな立ち下がり部からなる波形の駆動パルスを圧電素
子１０５に印加することで達成することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記した圧電素子によ
る駆動装置では、駆動パルス発生回路により発生させた
鋸歯状波形パルスを圧電素子に印加するか、或いは定電
流充電回路と短絡放電回路とを組み合わせ、定電流充電
と急速放電からなる駆動パルス、或いは急速充電と定電
流放電からなる駆動パルスを圧電素子に印加して駆動す
る方法が採用されてきた。

【００１３】一方、この種の駆動装置では、精密な位置
決めを行うためには駆動速度を遅くすることで達成する
のが一般的である。圧電素子による駆動装置では、駆動
パルスの電圧を下げて圧電素子の伸縮変位を小さくすれ
ば、一応駆動速度を遅くしたり、最小駆動量を小さくす
ることが可能であるが、電圧を下げると駆動パルスの波
形が乱れ、速度、最小駆動量（最小分解能）が不安定に
なり、広い速度範囲で駆動速度や最小駆動量を調整でき
ないという不都合がある。

【００１４】図１は圧電素子に印加する駆動パルス電圧
と駆動速度の関係を示す図で、駆動パルスの電圧が増加
すると駆動速度も速くなり、駆動パルス電圧が低下する
と駆動速度も低下することを示しており、駆動パルス電
圧が低下して臨界値以下になると駆動速度が不安定にな
ることを示している。

【００１５】また、図２は圧電素子に印加する駆動パル
ス電圧と変位量の関係を示す図で、図２の（ａ）は印加
するパルス電圧を示し、図２の（ｂ）はパルス電圧と変
位量の関係を示す。図２の（ａ）（ｂ）に示すように、
駆動パルス電圧が線Ｖａで示すように臨界値以上の電圧
では、駆動パルス電圧に応じた線Ｄａで示すような変位
が発生するが、駆動パルス電圧が線Ｖｂで示す臨界値以
下では、駆動パルス電圧に応じた変位は線Ｄｂで示すよ
うに変位が発生しないことを示している。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するもので、電気機械変換素子と、前記電気機械変換
素子に固着結合され該電気機械変換素子と共に変位する
駆動部材と、前記駆動部材に摩擦結合した被駆動部材
と、前記電気機械変換素子に伸縮変位を与える駆動パル
ス発生手段と、駆動制御手段とを備え、前記駆動パルス
発生手段により電気機械変換素子に伸縮変位を発生させ
ることにより駆動部材を駆動し、該駆動部材に摩擦結合
した被駆動部材を所定方向に移動させる電気機械変換素
子を使用した駆動装置において、前記電気機械変換素子
は複数の変換素子集合体から構成され、前記駆動パルス
発生手段は、複数の定電流駆動回路と、該複数の定電流
駆動回路を選択的に前記変換素子集合体に接続する選択
回路とから構成され、前記駆動制御手段は、指定された
駆動速度に対応して１又は複数の定電流駆動回路を前記
変換素子集合体に接続するよう選択回路を制御すること
を特徴とする。

【００１７】そして、前記電気機械変換素子は積層数の
異なる複数の変換素子集合体から構成され、前記定電流
駆動回路は、前記変換素子集合体の積層数により異なる
インピ−ダンスに対応した複数の定電流駆動回路から構
成される。

【００１８】また、前記駆動制御手段は、所要の駆動速
度に応じて前記複数の変換素子集合体から所定の変換素
子集合体を選択し、選択した変換素子集合体に対応した
定電流駆動回路に接続するよう選択回路を制御するとよ
い。

【００１９】また、前記選択回路は半導体スイツチング
素子から構成され、前記駆動制御手段によりオン／オフ
制御されるようにするとよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて説明する。図３はこの発明の電気機械変換素子を使
用した駆動装置を、レンズ装置に適用した場合の駆動機
構１０とその制御回路のブロツク図である。

【００２１】レンズ装置の駆動機構１０の構成を簡単に
説明すると、２８は圧電素子で、その一端はフレ−ム１
９に接着固定され、圧電素子２８の他端には図示しない
支持手段により軸方向に変位自在に支持された駆動軸１
１が接着固定されている。圧電素子２８は、ここでは積
層数の異なる４個のブロツク２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、
２８ｄに分割されている。

【００２２】１２はスライダブロツクで、横方向に駆動
軸１１が貫通している。スライダブロツク１２の駆動軸
１１が貫通している上部には開口部１２ａが形成され、
駆動軸１１の上半分が露出している。また、この開口部
１２ａには駆動軸１１の上半分に当接するパツド１３が
嵌挿され、パツド１３には上部に突起１３ａが設けられ
ており、パツド１３の突起１３ａが板ばね１４により押
し下げられ、パツド１３には駆動軸１１に当接する下向
きの付勢力Ｆが与えられている。図４は駆動軸１１とス
ライダブロツク１２及びパツド１３との摩擦結合部分の
構成を示す断面図である。

【００２３】以上の構成により、パツド１３を含むスラ
イダブロツク１２と駆動軸１１とは板ばね１４の付勢力
Ｆにより圧接され、摩擦結合している。

【００２４】また、スライダブロツク１２の下側にはレ
ンズ保持枠１５が固定されており、レンズ１６を保持す
るように構成されている。１７ａはレンズ１６の位置を
検出する磁気抵抗検出素子でレンズ保持枠１５に固定さ
れている。磁気抵抗検出素子１７ａにはＮＳの磁極が所
定間隔λで着磁されている着磁ロツド１７ｂが接近して
配置されており、磁気抵抗検出素子１７ａと着磁ロツド
１７ｂとで公知のＭＲセンサ１７が構成される。レンズ
保持枠１５が移動するとき、ＭＲセンサ１７の磁気抵抗
検出素子１７ａが着磁ロツド１７ｂの磁極の変化を検出
して出力される信号により、レンズの現在位置を知るこ
とができる。

【００２５】駆動制御回路２０はＣＰＵ２１と、その入
力ポ−トに接続されたＭＲセンサ出力信号処理回路２
２、出力ポ−トに接続された定電流駆動回路２５ａ、２
５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、及びスイツチング素子２７ａ、
２７ｂ、２７ｃ、２７ｄからなるスイツチング回路２７
から構成される。

【００２６】定電流駆動回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、
２５ｄは、複数ブロツクに分割された圧電素子２８ａ、
２８ｂ、２８ｃ、２８ｄの、それぞれの素子積層数によ
り異なるインピ−ダンス（電気容量）に応じて、最適の
駆動電流が得られるように構成された定電流駆動回路で
ある。このため、圧電素子の各ブロツクには素子の積層
数に関係なく所定の正常な電圧波形、例えば図２の
（ａ）の線Ｖａで示すような正常な電圧波形の駆動パル
スを印加することができる。

【００２７】圧電素子２８は、１乃至複数個の単位変換
素子を積層して構成した変換素子集合体（ブロツク）を
複数個積層して構成される。ここでは圧電素子２８は、
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄの４個のブロツクに分
割されており、第１ブロツク２８ａの正電極はスイツチ
ング素子２７ａを経て、第２ブロツク２８ｂの正電極は
スイツチング素子２７ｂを経て、第３ブロツク２８ｃの
正電極はスイツチング素子２７ｃを経て、第４ブロツク
２８ｄの正電極はスイツチング素子２７ｄを経て、それ
ぞれ定電流駆動回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄに
接続されており、各ブロツクの負電極は接地され定電流
駆動回路の接地端子に接続されている。

【００２８】なお、圧電素子に印加する電圧が同じであ
れば圧電素子を構成する素子の積層数が多いほど伸び量
が大きくなるから、積層数が多いほど駆動速度は速くな
ることになる。但し、積層数が多くなると圧電素子を含
む駆動機構の共振周波数が低下するため、駆動時に発生
する振動音が可聴周波数範囲となつて人間の耳に不快感
を与えるばかりでなく、共振周波数の低下により駆動速
度が低下し、超音波領域では駆動できない場合もある。
この点で素子の積層数には制限がある。

【００２９】上記したスイツチング回路２７のスイツチ
ング素子は半導体スイツチング素子で構成され、駆動制
御回路を構成するＣＰＵ２１により制御される。

【００３０】次に、駆動制御回路２０の動作を説明す
る。ここでは、図示しない手段により外部から入力され
た目標とするレンズ設定位置と、ＭＲセンサ１７で検出
されたレンズの現在位置との差をＣＰＵ２１で求め、移
動距離に応じて高速駆動するか低速駆動するか、そして
圧電素子のどのブロツクを駆動するかが決定される。そ
して、選択されたブロツクに対応したスイツチング回路
２７のスイツチング素子をオンにするように制御され
る。目標とするレンズ設定位置とＭＲセンサ１７で検出
されたレンズの現在位置との差が零になつたとき、スイ
ツチング素子をオフとして駆動を停止する。

【００３１】先に説明したとおり、積層数が多いほど駆
動速度は速くなるから、高速駆動するときは、圧電素子
２８の第１ブロツク２８ａ乃至第４ブロツク２８ｄの４
個全てのブロツクを駆動する。このために、スイツチン
グ素子２７ａ〜２７ｄの全てをオンとし、圧電素子の第
１ブロツク２８ａ乃至第４ブロツク２８ｄをそれぞれ定
電流駆動回路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄに接続す
る。

【００３２】また、低速駆動するときは、積層数の最も
少ない圧電素子２８の第１ブロツク２８ａのみを駆動す
る。このために、スイツチング素子２７ａをオンとして
第１ブロツク２８ａを定電流駆動回路２５ａに接続す
る。他のスイツチング素子２７ｂ、２７ｃ、２７ｄはオ
フとして定電流駆動回路に接続しない。

【００３３】中間速度で駆動するときは、所望の速度に
応じて第１ブロツク２８ａ、第２ブロツク２８ｂ、第３
ブロツク２８ｃ、第４ブロツク２８ｄから１つ或いは複
数の組み合わせを選択して駆動すればよい。例えば第４
ブロツク２８ｄのみを選択、或いは第２ブロツク２８ｂ
と第３ブロツク２８ｃを選択駆動するなどが可能であ
る。この場合、圧電素子を含む駆動機構の共振周波数が
高いほうが安定した速度を得ることができるから、駆動
軸１１側に近いブロツクを優先して駆動するように選択
するのがよい。

【００３４】図５は、圧電素子２８の駆動ブロツクと駆
動速度との関係の一例を示す図で、線（ａ）は圧電素子
の第１ブロツク２８ａを駆動した場合、線（ｂ）は圧電
素子の第３ブロツク２８ｃを駆動した場合、線（ｃ）は
圧電素子の第１ブロツク２８ａ、第２ブロツク２８ｂ及
び第３ブロツク２８ｃを駆動した場合、線（ｄ）は圧電
素子の第１ブロツク２８ａ乃至第４ブロツク２８ｄの４
個全てのブロツクを駆動した場合を示している。

【００３５】このような圧電素子を構成する素子数を変
更した場合には、圧電素子のインピ−ダンス（電気容
量）が変化するので、１つの駆動回路で駆動するときは
インピ−ダンスのミスマツチングが発生し、圧電素子に
印加される駆動パルス電圧が低下し、駆動効率が低下す
る。このため、この発明では、駆動される圧電素子のブ
ロツクを構成する素子数に応じたインピ−ダンスを持つ
定電流駆動回路をブロツクに対応した数だけ複数準備
し、駆動されるブロツクの素子数に応じて駆動回路を切
換えて常に適正な駆動パルスを印加できるようにし、駆
動効率の低下を防止したものである。

【００３６】

【発明の効果】以上詳細に説明した通り、この発明は、
電気機械変換素子に駆動パルスを印加し、電気機械変換
素子と共に変位する駆動部材に摩擦結合した被駆動部材
を所定方向に移動させる電気機械変換素子を使用した駆
動装置において、電気機械変換素子を複数の変換素子集
合体から構成するとともに、変換素子集合体の素子数
（インピ−ダンス）に応じた複数の定電流駆動回路を設
け、駆動速度に対応して最適の定電流駆動回路を変換素
子集合体に接続するように構成したものであるから所望
の駆動速度に応じた変換素子集合体を選択して駆動する
ことができる。

【００３７】そして、電気機械変換素子は積層数の異な
る複数の変換素子集合体から構成し、定電流駆動回路は
変換素子集合体の積層数により異なるインピ−ダンスに
対応した複数の定電流駆動回路を準備したので、所望の
駆動速度に応じて変換素子集合体を適宜選択組み合わ
せ、選択組み合わせた変換素子集合体に応じた定電流駆
動回路を駆動することで、高速駆動から低速駆動までの
広い範囲にわたり駆動速度を設定でき、しかも高い駆動
効率を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電素子に印加する駆動パルス電圧と駆動速度
の関係を示す図。

【図２】圧電素子に印加する駆動パルス電圧と変位量の
関係を示す図。

【図３】この発明の電気機械変換素子を使用した駆動装
置をレンズ装置に適用した場合の駆動機構と制御回路の
ブロツク図。

【図４】駆動軸とスライダブロツク及びパツドとの摩擦
結合部分の断面図。

【図５】圧電素子の駆動ブロツクと駆動速度との関係の
一例を示す図。

【図６】従来の圧電素子を使用した駆動機構によるカメ
ラのレンズ駆動機構の一例を説明する断面図。

【図７】図６に示す駆動機構の駆動軸とスライダブロツ
ク及びパツドとの摩擦結合部分の断面図。

【図８】圧電素子に印加する駆動パルスの波形の一例を
示す図。

【符号の説明】

１０ 駆動機構 １１ 駆動軸 １２ スライダブロツク １３ パツド １４ 板ばね １７ ＭＲセンサ ２０ 制御回路 ２１ ＣＰＵ ２２ 信号処理回路 ２５ａ 定電流駆動回路 ２５ｂ 定電流駆動回路 ２５ｃ 定電流駆動回路 ２５ｄ 定電流駆動回路 ２７ スイツチング回路 ２７ａ スイツチング素子 ２７ｂ スイツチング素子 ２７ｃ スイツチング素子 ２７ｄ スイツチング素子 ２８ 圧電素子 ２８ａ 圧電素子の第１ブロツク ２８ｂ 圧電素子の第２ブロツク ２８ｃ 圧電素子の第３ブロツク ２８ｄ 圧電素子の第４ブロツク

フロントページの続き (72)発明者 吉田 龍一 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 岡本 泰弘 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気機械変換素子と、 前記電気機械変換素子に固着結合され該電気機械変換素
   子と共に変位する駆動部材と、 前記駆動部材に摩擦結合した被駆動部材と、 前記電気機械変換素子に伸縮変位を与える駆動パルス発
   生手段と、 駆動制御手段とを備え、 前記駆動パルス発生手段により電気機械変換素子に伸縮
   変位を発生させることにより駆動部材を駆動し、該駆動
   部材に摩擦結合した被駆動部材を所定方向に移動させる
   電気機械変換素子を使用した駆動装置において、 前記電気機械変換素子は複数の変換素子集合体から構成
   され、 前記駆動パルス発生手段は、複数の定電流駆動回路と、
   該複数の定電流駆動回路を選択的に前記変換素子集合体
   に接続する選択回路とから構成され、 前記駆動制御手段は、指定された駆動速度に対応して１
   又は複数の定電流駆動回路を前記変換素子集合体に接続
   するよう選択回路を制御することを特徴とする電気機械
   変換素子を使用した駆動装置。
2. 【請求項２】 前記電気機械変換素子は積層数の異なる
   複数の変換素子集合体から構成されていることを特徴と
   する請求項１記載の電気機械変換素子を使用した駆動装
   置。
3. 【請求項３】 前記定電流駆動回路は、前記変換素子集
   合体の積層数により異なるインピ−ダンスに対応した複
   数の定電流駆動回路から構成されることを特徴とする請
   求項１記載の電気機械変換素子を使用した駆動装置。
4. 【請求項４】 前記駆動制御手段は、所要の駆動速度に
   応じて前記複数の変換素子集合体から所定の変換素子集
   合体を選択し、選択した変換素子集合体に対応した定電
   流駆動回路に接続するよう選択回路を制御することを特
   徴とする請求項１記載の電気機械変換素子を使用した駆
   動装置。
5. 【請求項５】 前記選択回路は半導体スイツチング素子
   から構成され、前記駆動制御手段によりオン／オフ制御
   されることを特徴とする請求項１記載の電気機械変換素
   子を使用した駆動装置。