WO2014038365A1 - 駆動装置及び駆動方法 - Google Patents

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WO2014038365A1
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drive
driving
piezoelectric element
generation circuit
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Inventor
吉昭 野村
井上 二郎
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • H02N2/025Inertial sliding motors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/067Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses

Definitions

  • the present invention relates to a driving device and a driving method using a piezoelectric element.
  • Patent Document 1 discloses an ultrasonic linear actuator using a piezoelectric element.
  • the expansion and contraction of the piezoelectric element is transmitted to the drive member.
  • a driven member engaged with the driving member with a predetermined frictional force is moved using a speed difference between when the piezoelectric element is expanded and when it is contracted.
  • the drive circuit for this ultrasonic linear actuator has a pulse generation circuit for applying a drive pulse to the piezoelectric element and a control circuit for controlling the drive pulse. Then, at the time of stop, the control circuit causes the pulse generation circuit to output a drive pulse having a pulse width that is shorter than the pulse width of the drive pulse at the time of activation.
  • the amount of shortening of the pulse width is selected to increase gradually when stopped and gradually decrease from the maximum value when starting. Thereby, noise caused by friction between the driven member and the driving member at the time of stopping is reduced.
  • An object of the present invention is to provide a driving device having a structure in which a driven member is engaged by a frictional force with a driving shaft connected to a piezoelectric element, and can further reduce noise. There is.
  • a driving apparatus includes a piezoelectric element, a driving shaft connected to the piezoelectric element and displaced in the axial direction, and a driven member engaged with the driving shaft by a frictional force.
  • the drive device of the present invention includes a drive circuit that drives the piezoelectric element.
  • the drive circuit includes a pulse generation circuit that applies a drive pulse to the piezoelectric element, and a control circuit that controls the drive pulse output from the pulse generation circuit.
  • the control circuit outputs a first drive pulse to the pulse generation circuit when the piezoelectric element is driven, and is stopped after the piezoelectric element is driven and when the driven member is displaced the most due to inertia.
  • a second drive pulse different from the first drive pulse is output to the pulse generation circuit.
  • the number of pulse outputs of the second drive pulse is smaller than the number of pulse outputs of the first drive pulse.
  • the shape of the waveform of one pulse of the second drive pulse is different from the shape of the waveform of one pulse of the first drive pulse.
  • one end of the driven member is engaged with the drive shaft by a frictional force, and the other end is a free end.
  • the pulse generation circuit includes an H-bridge circuit having a plurality of semiconductor switching elements, and the control circuit drives the plurality of semiconductor switching elements.
  • the driving method of the driving device is a driving method of the driving device configured according to the present invention.
  • the control circuit applies the first driving pulse from the pulse generation circuit to the piezoelectric element to drive the piezoelectric element, and engages the driving shaft with frictional force.
  • a step of driving a driven member; and after stopping application of the first driving pulse from the pulse generation circuit to the piezoelectric element and stopping driving of the piezoelectric element, the driven member is the largest due to inertia. Applying the second drive pulse from the pulse generation circuit to the piezoelectric element by the control circuit at the time of displacement.
  • the number of pulse outputs of the second drive pulse is smaller than the number of pulse outputs of the first drive pulse.
  • the displacement of the driven member can be suppressed by applying the second drive pulse to the piezoelectric element after the piezoelectric element is driven by the first drive pulse. For this reason, it is possible to effectively suppress the resonance of the vibration part mainly composed of the driven member. Therefore, it is possible to reduce the noise of the drive device.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram for explaining a drive circuit of a drive device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing drive signals s1 to s4 output from the control circuit and a first drive pulse applied to the piezoelectric element from the pulse generation circuit in one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams schematically showing the first drive pulse and the second drive pulse, respectively.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an external appearance of a lens driving mechanism in which the driving apparatus according to the embodiment of the present invention is configured.
  • FIG. 5 is a schematic front cross-sectional view showing the relationship between the driving device of one embodiment of the present invention and a lens holder as a driven member.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram for explaining a drive circuit of a drive device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing drive signals s1 to s4 output from the control circuit and a first drive pulse applied to the piezoelectric element
  • FIG. 6 is a schematic front sectional view showing the main part of the drive device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a front view showing a piezoelectric element and a conversion member used in the drive device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a frequency distribution of sound pressure when the driving device of the first comparative example is stopped after being driven.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a frequency distribution of sound pressures when the driving devices of the first comparative example and the second comparative example are stopped after being driven.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a change in the displacement amount of the displacement portion and a change in the voltage applied to the piezoelectric element in the drive device according to the embodiment of the present invention and the drive device of the first comparative example.
  • FIG. 11 is an enlarged view showing a main part of FIG.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a frequency distribution of sound pressures when the driving device according to the embodiment of the present invention and the driving device of the
  • FIG. 4 is a perspective view showing an appearance of a lens driving mechanism in which the driving device 1 according to the embodiment of the present invention is configured.
  • the driving device 1 has a lens holder 2.
  • a lens 3 is attached to the lens holder 2.
  • the lens holder 2 is driven by a piezoelectric linear motor 4 having a drive shaft 6. That is, one end of the lens holder 2 is frictionally engaged with the drive shaft 6 of the piezoelectric linear motor 4 as shown in a schematic front sectional view in FIG.
  • the piezoelectric linear motor 4 has a piezoelectric element 10 (not shown), and the drive shaft 6 is displaced in the vertical direction, that is, in the axial direction as the piezoelectric element 10 expands and contracts.
  • the lens holder 2 is frictionally engaged with the drive shaft 6 on one end side as described above. Accordingly, as the drive shaft 6 is displaced in the vertical direction, the lens holder 2 is largely displaced as indicated by an arrow A in FIG. 5, that is, the other end side of the lens holder 2 is a free end.
  • the frictional force between the drive shaft 6 and the lens holder 2 as a driven member changes abruptly at the start and stop of driving. Therefore, noise is generated. Such noise is reduced by a conventional technique as described in Patent Document 1, for example.
  • the drive device 1 of the present embodiment is characterized in that noise based on resonance due to excessive displacement of the vibration part at the time of stopping as described above is reduced.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram for explaining a drive circuit 101 of a drive device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the drive circuit 101 is a drive circuit that drives the piezoelectric element 10.
  • the drive circuit 101 includes a pulse generation circuit 102 and a control circuit 103.
  • the pulse generation circuit 102 includes an H bridge circuit having first to fourth semiconductor switching elements CH1 to CH4. That is, a series circuit of a first semiconductor switching element CH1 made of a p-type MOSFET and a second semiconductor switching element CH2 made of an n-type MOSFET is formed between the power supply line of the power supply voltage Vcc and the ground. ing.
  • a series circuit of a third semiconductor switching element CH3 made of a p-type MOSFET and a fourth semiconductor switching element CH4 made of an n-type MOSFET is formed between the power supply line of the power supply voltage Vcc and the ground.
  • piezoelectric Element 10 is connected between the connection point between the first semiconductor switching element CH1 and the second semiconductor switching element CH2 and the connection point between the third semiconductor switching element CH3 and the fourth semiconductor switching element CH4.
  • a capacitor C is connected between the power supply voltage Vcc and the ground.
  • FIG. 2 shows drive signals s1 to s4 for driving the first to fourth semiconductor switching elements CH1 to CH4.
  • the first semiconductor switching element CH1 and the fourth semiconductor switching element CH4 positioned in the diagonal direction are controlled by the opposite-phase drive signals s1 and s4 at the same timing and turned on / off.
  • the second semiconductor switching element CH2 and the third semiconductor switching element CH3 positioned in the diagonal direction are controlled by the opposite-phase drive signals s2 and s3 at the same timing and turned on / off.
  • the relationship between the drive signals s1 to s4 and the first drive pulse applied to the piezoelectric element 10 is shown in FIG.
  • the control circuit 103 applies the drive signals s 1 to s 4 to the pulse generation circuit 102.
  • the pulse generation circuit 102 applies the first drive pulse shown in FIG. 2 to the piezoelectric element 10.
  • the piezoelectric element 10 is driven to expand and contract.
  • the drive shaft 6 shown in FIG. 5 is displaced in the vertical direction.
  • the configuration of the piezoelectric linear motor 4 having the piezoelectric element 10 and the drive shaft 6 is not particularly limited, but an example thereof will be described later with reference to FIG.
  • a feature of the driving device 1 of the present embodiment is that the control circuit 103 outputs a second driving pulse from the pulse generation circuit 102 to the piezoelectric element 10 after the driving of the piezoelectric element 10 is stopped.
  • FIG. 3A is a diagram schematically showing the first drive pulse described above.
  • FIG. 3B is a diagram schematically showing the second drive pulse.
  • the first drive pulse P1 includes a number of rectangular wave pulses.
  • the pulse width of one pulse is W1
  • the pulse voltage, that is, the pulse height is H1
  • the interval between pulses is the duty D1.
  • the second drive pulse P2 also includes a plurality of rectangular wave pulses.
  • the pulse width of one pulse is W2
  • the height of the pulse is H2
  • the interval between pulses is a duty D2.
  • the number of pulse outputs is smaller than the number of pulse outputs in the first drive pulse P1. More specifically, in this embodiment, the number of pulse outputs of the second drive pulse P2 is 1 ⁇ 2 or less of the number of pulse outputs of the first drive pulse P1. Preferably, the number of pulse outputs of the second drive pulse P2 is about 1/10 to 1/2 of the number of pulse outputs of the first drive pulse P1.
  • a signal similar to the drive signals s1 to s4 may be supplied from the control circuit 103 to the pulse generation circuit 102 for a shorter period.
  • the first drive pulse P1 and the second drive pulse P2 have the same shape, but the first drive pulse P1 and the second drive pulse P2 have waveforms.
  • the shape may be different.
  • the first drive pulse P1 and the second drive pulse P2 may have different pulse voltages. That is, it may be appropriately selected according to the material, size, weight, resonance frequency, etc. of the vibration part that generates noise due to excessive displacement.
  • control circuit 103 controls the pulse generation circuit 102 so that the second drive pulse P2 is output from the pulse generation circuit 102. Thereby, the noise of the drive device 1 can be reduced. This will be described more specifically with reference to FIGS.
  • FIG. 8 is a diagram showing a frequency distribution of sound pressure when the drive device prepared as the first comparative example is stopped after being driven.
  • a broken line in FIG. 8 indicates background noise as a background.
  • the solid line shows the frequency distribution of the sound pressure in the driving device of the first comparative example.
  • the driving device of the first comparative example is the same as the driving device 1 of the above embodiment except that the second driving pulse P2 is not generated.
  • noise is generated due to a change in the frictional force with the lens holder 2 as the driven member in the high frequency range of 2000 Hz or more indicated by B. .
  • noise having a large peak is generated in the vicinity of 800 to 1100 Hz, particularly in the vicinity of 900 Hz.
  • This noise is a noise due to resonance of a displacement portion including the lens holder 2 and the lens 3 which are driven members.
  • FIG. 9 is a diagram showing a frequency distribution of sound pressure when the driving device prepared as the first comparative example and the second comparative example is stopped after being driven.
  • the driving device of the second comparative example has a configuration in which the shortened width of the driving pulse P1 is increased as it stops when the driving apparatus stops.
  • the driving device of the second comparative example is the same as the driving device 1 of the above embodiment except that the shortening width of the driving pulse P1 is increased.
  • the broken line indicates the background noise similarly to the broken line in FIG. 8
  • the solid line indicates the frequency distribution of the sound pressure in the driving device of the second comparative example
  • the alternate long and short dash line indicates the driving device of the first comparative example described above. Shows the frequency distribution of sound pressure at.
  • noise due to the change in frictional force with the lens holder 2 that is the driven member is the first comparison. It is reduced compared to the example drive. However, as indicated by C in FIG. 9, noise having a peak in the vicinity of 900 Hz is not reduced.
  • FIG. 10 shows the change in the displacement amount of the displacement portion of the driving device 1 of the present embodiment in which the first driving pulse P1 and the second driving pulse P2 are applied to the piezoelectric element 10, and the voltage applied to the piezoelectric element 10.
  • FIG. 11 is an enlarged view thereof.
  • a solid line shows the change of the displacement amount of the displacement part in the drive device 1 of this embodiment.
  • a dashed-dotted line shows the change of the variation
  • the piezoelectric element 10 is driven to expand and contract, and includes the lens holder 2 and the lens 3 which are driven members.
  • the displacement part is displaced.
  • the piezoelectric element 10 is not driven and stops.
  • the displacement amount of the displacement portion is further increased due to the inertia of the displacement portion.
  • the second driving pulse P2 indicated by E in FIG. 10 is applied to the piezoelectric element 10 when the displacement amount of the displacement portion reaches the maximum peak F.
  • the displacement amount of the displacement portion reaches the maximum peak F.
  • FIG. 12 is a diagram showing the frequency distribution of the sound pressure at the stop after driving in the driving device 1 of the present embodiment and the driving device of the first comparative example.
  • the broken line indicates the background noise as in the broken lines in FIGS. 8 and 9, the solid line indicates the frequency distribution of the sound pressure in the drive device 1 of the present embodiment, and the alternate long and short dash line indicates the first comparative example described above.
  • the frequency distribution of the sound pressure in a drive device is shown. As is clear from FIG. 12, it can be seen that noise due to resonance of the above-described displacement portion having a peak in the vicinity of 900 Hz is effectively reduced according to this embodiment.
  • the timing at which the control circuit 103 outputs the second drive pulse P2 from the pulse generation circuit 102 may be after a predetermined time has elapsed after the first drive pulse P1 is output.
  • the time point after the elapse of the predetermined time is a time point when the displacement amount of the excessive displacement due to the inertia of the displacement portion reaches a peak. Therefore, it can be obtained by calculation by knowing the material, mass, dimensions, engagement structure with the drive shaft, etc. constituting the displacement portion.
  • only the first drive pulse P1 may be output, the result of the one-dot chain line shown in FIGS. 10 and 11 may be obtained, and the timing for outputting the second drive pulse P2 may be obtained from the result.
  • the timing of the peak F of the displacement amount of the excessive displacement can be obtained. That is, the timing at which the peak F is obtained can be obtained by various methods.
  • the resonance is performed. It is possible to effectively reduce noise based on the above.
  • the pulse width W2 of one pulse of the second drive pulse P2, the pulse height H2, and the duty D2 are set to the pulse width W1 and pulse height of one pulse of the first drive pulse P1. It was equal to H1 and duty D1.
  • the waveform shape of the first drive pulse P1 and the waveform shape of the second drive pulse P2 be the same. Accordingly, the circuit configuration in the control circuit 103 can be simplified.
  • FIG. 6 is a schematic front sectional view showing a main part of the drive device 1 of the present embodiment.
  • FIG. 7 is a front view showing the piezoelectric element 10 used in the drive device 1 of the present embodiment and a conversion member 20 described later.
  • the piezoelectric linear motor 4 has a piezoelectric element 10.
  • the piezoelectric element 10 expands and contracts in the direction of arrow H in FIG.
  • Such a piezoelectric element 10 is not particularly limited, but can be configured using a laminated piezoelectric body in which a plurality of internal electrodes 12 and 13 are laminated via a piezoelectric layer as shown in FIG.
  • the piezoelectric element 10 is attached to a frame-shaped conversion member 20 made of a metal plate. More specifically, the conversion member 20 includes a top plate portion 21 that is disposed with a gap from the top surface of the piezoelectric element 10, and a side surface portion 22 that is connected to extend downward from both ends of the top plate portion 21. , 23 and a bottom surface portion 24 connecting the lower ends of the side surface portions 22, 23. The side surface portions 22 and 23 and the bottom surface portion 24 are in contact with the side surface and the bottom surface of the piezoelectric element 10.
  • the top plate portion 21 is arranged with a gap from the piezoelectric element 10 as described above.
  • the main part of the top plate part 21 is separated above the parts connected to the side parts 22 and 23. Therefore, when the piezoelectric element 10 expands and contracts in the arrow H direction, the top plate portion 21 is displaced in the vertical direction. Therefore, the drive shaft 6 connected to the top plate portion 21 is also displaced in the vertical direction.
  • the piezoelectric element 10 can be driven and the drive shaft 6 can be displaced in the vertical direction as described above.
  • the structure in which the drive shaft 6 is displaced in the axial direction by the piezoelectric element 10 is not particularly limited.
  • the drive shaft 6 may be connected directly or indirectly to the piezoelectric element 10 so that the drive shaft 6 is displaced in the axial direction.
  • the driven member is not limited to the lens holder 2 of the above embodiment, and an appropriate member that is frictionally engaged with the drive shaft 6 and is displaced by the axial displacement of the drive shaft 6 is used. Can do.
  • the present invention is applied to a structure in which one end is engaged with the drive shaft 6 and the other end is a free end, and the driven member is supported by the drive shaft with a cantilever.
  • the free end side is greatly displaced, and the noise due to the resonance of the displacement part as described above tends to be large. Therefore, by applying the present invention to such a structure, noise can be reduced more effectively.
  • the driven member may be frictionally engaged with the drive shaft by a mode such as both-end holding.

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

 圧電素子に連結された駆動軸に摩擦力により被駆動部材が係合している構造を備える駆動装置の騒音を低減し得る駆動装置を提供する。 圧電素子10と、圧電素子10に連結されており、軸方向に変位する駆動軸と、駆動軸に摩擦力により係合している被駆動部材と、圧電素子10を駆動する駆動回路101とを備え、駆動回路101が、圧電素子10に駆動パルスを印加するパルス発生回路102と、パルス発生回路102から出力される駆動パルスを制御する制御回路103とを含み、制御回路103は、圧電素子10の駆動時に第1の駆動パルスをパルス発生回路102に出力させ、圧電素子10の駆動後の停止時であって被駆動部材が慣性により最も大きく変位した時点に第1の駆動パルスと異なる第2の駆動パルスをパルス発生回路102に出力させる、駆動装置。

Description

駆動装置及び駆動方法
 本発明は、圧電素子を用いた駆動装置及び駆動方法に関する。
 従来、圧電素子を用いた様々な駆動装置が提案されている。例えば、下記の特許文献1には、圧電素子を用いた超音波リニアアクチュエータが開示されている。特許文献1に記載の超音波リニアアクチュエータでは、圧電素子の伸縮が駆動部材に伝えられる。駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材が、圧電素子の伸長時と縮小時との速度差を利用して移動される。
 この超音波リニアアクチュエータの駆動回路は、圧電素子に駆動パルスを印加するパルス発生回路と、駆動パルスを制御する制御回路とを有する。そして、制御回路は、停止時に、起動時の駆動パルスのパルス幅よりも短縮したパルス幅の駆動パルスをパルス発生回路に出力させている。一例では、パルス幅の短縮量が、停止時には徐々に大きくなり、起動時には最大値から徐々に小さくなるように選択されている。それによって、停止時の被駆動部材と駆動部材の摩擦による騒音が低減されている。
特開2011-182577号公報
 特許文献1に記載の超音波リニアアクチュエータの駆動回路では、上記摩擦による騒音を低減することが可能とされている。しかしながら、特許文献1に記載のような駆動装置を実際に構成した場合、上記摩擦による騒音を低減することは可能であったが、被駆動部材を停止した際に、なお大きな騒音が発生しがちであった。
 本発明の目的は、圧電素子に連結された駆動軸に摩擦力により被駆動部材が係合している構造を備える駆動装置であって、騒音をより一層低減することができる駆動装置を提供することにある。
 本発明に係る駆動装置は、圧電素子と、前記圧電素子に連結されており、軸方向に変位する駆動軸と、前記駆動軸に摩擦力により係合している被駆動部材とを備える。さらに、本発明の駆動装置は、前記圧電素子を駆動する駆動回路を備える。前記駆動回路は、前記圧電素子に駆動パルスを印加するパルス発生回路と、前記パルス発生回路から出力される前記駆動パルスを制御する制御回路とを含む。前記制御回路は、前記圧電素子の駆動時に第1の駆動パルスを前記パルス発生回路に出力させ、前記圧電素子の駆動後の停止時であって前記被駆動部材が慣性により最も大きく変位した時点に前記第1の駆動パルスと異なる第2の駆動パルスを前記パルス発生回路に出力させる。
 本発明に係る駆動装置のある特定の局面では、前記第2の駆動パルスのパルス出力数が、前記第1の駆動パルスのパルス出力数よりも少ない。
 本発明に係る駆動装置の他の特定の局面では、第2の駆動パルスの1つのパルスの波形の形状が、第1の駆動パルスの1つのパルスの波形の形状と異なっている。
 本発明に係る駆動装置のさらに別の特定の局面では、前記被駆動部材の一端が前記駆動軸に摩擦力で係合しており、他端が自由端とされている。
 本発明に係る駆動装置のさらに別の特定の局面では、前記パルス発生回路が複数の半導体スイッチング素子を有するHブリッジ回路からなり、前記制御回路は、前記複数の半導体スイッチング素子を駆動する。
 本発明に係る駆動装置の駆動方法は、本発明に従って構成された駆動装置の駆動方法である。本発明の駆動方法は、前記制御回路により、前記パルス発生回路から前記第1の駆動パルスを前記圧電素子に印加して前記圧電素子を駆動し、前記駆動軸に摩擦力で係合している被駆動部材を駆動する工程と、前記パルス発生回路から前記圧電素子への前記第1の駆動パルスの印加を停止し、前記圧電素子の駆動を停止した後に、前記被駆動部材が慣性により最も大きく変位した時点に、前記制御回路により、前記パルス発生回路から前記第2の駆動パルスを前記圧電素子に印加する工程とを備える。
 本発明に係る駆動装置の駆動方法のある特定の局面では、前記第2の駆動パルスのパルス出力数が、前記第1の駆動パルスのパルス出力数よりも少ない。
 本発明に係る駆動装置では、第1の駆動パルスによる圧電素子の駆動後に第2の駆動パルスを圧電素子に印加することにより、被駆動部材の変位を抑制することができる。そのため、被駆動部材を主体とする振動部分の共振を効果的に抑制することができる。よって、駆動装置の騒音を低減することが可能となる。
図1は、本発明の一実施形態に係る駆動装置の駆動回路を説明するための略図的回路図である。 図2は、本発明の一実施形態において制御回路から出力される駆動信号s1~s4と、パルス発生回路から圧電素子に印加される第1の駆動パルスを示す図である。 図3(a)及び図3(b)は、第1の駆動パルス及び第2の駆動パルスをそれぞれ模式的に示す図である。 図4は、本発明の一実施形態の駆動装置が構成されているレンズ駆動機構の外観を示す斜視図である。 図5は、本発明の一実施形態の駆動装置と被駆動部材としてレンズホルダとの関係を示す略図的正面断面図である。 図6は、本発明の一実施形態に係る駆動装置の要部を示す略図的正面断面図である。 図7は、本発明の一実施形態に係る駆動装置で用いられている圧電素子と変換部材とを示す正面図である。 図8は、第1の比較例の駆動装置の駆動後の停止時の音圧の周波数分布を示す図である。 図9は、第1の比較例及び第2の比較例の駆動装置の駆動後の停止時の音圧の周波数分布を示す図である。 図10は、本発明の一実施形態に係る駆動装置及び第1の比較例の駆動装置における、変位部分の変位量の変化と、圧電素子に印加される電圧の変化とを示す図である。 図11は、図10の要部を拡大して示す図である。 図12は、本発明の一実施形態に係る駆動装置及び第1の比較例の駆動装置の駆動後の停止時の音圧の周波数分布を示す図である。
 以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
 図4は、本発明の一実施形態の駆動装置1が構成されているレンズ駆動機構の外観を示す斜視図である。駆動装置1は、レンズホルダ2を有する。レンズホルダ2にレンズ3が取り付けられている。レンズホルダ2は、駆動軸6を有する圧電リニアモーター4により駆動される。すなわち、図5に略図的正面断面図で示すように、上記レンズホルダ2の一端が圧電リニアモーター4の駆動軸6に摩擦係合されている。本実施形態では、後述するように、圧電リニアモーター4は図示されていない圧電素子10を有し、駆動軸6は圧電素子10の伸縮に伴って、上下方向に、すなわち軸方向に変位する。
 他方、レンズホルダ2は、一端側において、上記のように、駆動軸6に摩擦係合されている。従って、駆動軸6の上下方向の変位に伴って、レンズホルダ2が図5の矢印Aで示すように、すなわちレンズホルダ2の他端側が自由端となって大きく変位する。このような圧電素子10を用いた駆動装置1では、駆動開始時と停止時とに駆動軸6と被駆動部材であるレンズホルダ2との摩擦力が急激に変化する。そのため、騒音が発生する。このような騒音が、例えば特許文献1に記載のような従来技術により低減されている。
 しかしながら、本願発明者らは、上記のような摩擦力の変化による騒音以外に、なお大きな騒音が発生していることに着目し検討した。その結果、上記摩擦力の変化による騒音よりも低い周波数側において、停止時に、大きな騒音が発生していることが確かめられた。この騒音は、被駆動部材であるレンズホルダ2及びレンズ3を含む変位部分、すなわち被駆動部材を含む振動部分が過剰な変位により共振していることにより生じている。
 本実施形態の駆動装置1は、上記のような停止時の振動部分の過剰な変位による共振に基づく騒音を低減することを特徴とするものである。
 図1は、本発明の一実施形態に係る駆動装置1の駆動回路101を説明するための略図的回路図である。
 駆動回路101は、圧電素子10を駆動する駆動回路である。駆動回路101は、パルス発生回路102と、制御回路103とを含む。パルス発生回路102は、第1~第4の半導体スイッチング素子CH1~CH4を有するHブリッジ回路からなる。すなわち、電源電圧Vccの電源ラインとグラウンドとの間に、p型のMOSFETからなる第1の半導体スイッチング素子CH1と、n型のMOSFETからなる第2の半導体スイッチング素子CH2との直列回路が構成されている。同様に、電源電圧Vccの電源ラインとグラウンドとの間に、p型のMOSFETからなる第3の半導体スイッチング素子CH3と、n型のMOSFETからなる第4の半導体スイッチング素子CH4との直列回路が構成されている。
 第1の半導体スイッチング素子CH1と第2の半導体スイッチング素子CH2との間の接続点と、第3の半導体スイッチング素子CH3と第4の半導体スイッチング素子CH4との間の接続点との間に、圧電素子10が接続されている。なお、電源電圧Vccとグラウンドとの間にコンデンサCが接続されている。
 第1~第4の半導体スイッチング素子CH1~CH4を駆動する駆動信号s1~s4を図2に示す。
 対角線線方向に位置している第1の半導体スイッチング素子CH1と第4の半導体スイッチング素子CH4とが、同じタイミングで、相互に逆相の駆動信号s1,s4で制御され、オン/オフされる。同様に、対角線方向に位置している第2の半導体スイッチング素子CH2と第3の半導体スイッチング素子CH3とが、同じタイミングで、相互に逆相の駆動信号s2,s3で制御され、オン/オフされる。駆動信号s1~s4と圧電素子10に印加される第1の駆動パルスとの関係を図2に示す。
 制御回路103は、上記駆動信号s1~s4をパルス発生回路102に印加する。パルス発生回路102は、図2に示す第1の駆動パルスを圧電素子10に印加する。その結果、圧電素子10が駆動され、伸縮する。この伸縮により、図5に示す駆動軸6が上下方向に変位する。
 なお、圧電素子10と駆動軸6とを有する圧電リニアモーター4の構成は特に限定されるものではないが、後ほど図6を参照してその一例を説明する。
 本実施形態の駆動装置1の特徴は、上記制御回路103が、圧電素子10の駆動を停止した後に、第2の駆動パルスをパルス発生回路102から圧電素子10に出力させることにある。図3(a)は、前述した第1の駆動パルスを模式的に示す図である。図3(b)は、上記第2の駆動パルスを模式的に示す図である。図3(a)に示すように、第1の駆動パルスP1は、多数の矩形波のパルスを含む。ここで、第1の駆動パルスP1において、1つのパルスのパルス幅をW1、パルス電圧、すなわち、パルスの高さをH1、パルス間の間隔をデューティD1とする。
 他方、図3(b)に示すように、第2の駆動パルスP2も、複数の矩形波のパルスを含む。第2の駆動パルスP2において、1つのパルスのパルス幅をW2、パルスの高さをH2、パルス間の間隔をデューティD2とする。
 本実施形態では、H1=H2、W1=W2、D1=D2である。すなわち、第1の駆動パルスP1と第2の駆動パルスP2とにおいて、パルス波同士は同一形状とされている。
 もっとも、第2の駆動パルスP2では、パルスの出力数が、第1の駆動パルスP1におけるパルスの出力数よりも少なくされている。より具体的には、本実施形態では、第2の駆動パルスP2のパルス出力数は、第1の駆動パルスP1のパルス出力数の1/2以下とされている。好ましくは、第2の駆動パルスP2のパルス出力数は、第1の駆動パルスP1のパルス出力数の1/10~1/2の程度であることが望ましい。
 よって、第2の駆動パルスP2をパルス発生回路102から発生させるには、上記駆動信号s1~s4と同様の信号をより短い期間だけ制御回路103からパルス発生回路102に与えればよい。
 なお、本実施形態では第1の駆動パルスP1と第2の駆動パルスP2とのパルス波同士は同一形状とされているが、第1の駆動パルスP1と第2の駆動パルスP2とは波形の形状が異なっていてもよい。例えば、第1の駆動パルスP1と第2の駆動パルスP2とは、パルス電圧が異なっていてもよい。すなわち、過剰な変位による騒音を発生する振動部分の材料、寸法、重量、共振周波数等に応じて適宜選択すればよい。
 本発明では、上記のように、第2の駆動パルスP2がパルス発生回路102から出力されるように制御回路103がパルス発生回路102を制御する。それによって、駆動装置1の騒音を低減することができる。これを、図8~図12を参照してより具体的に説明する。
 図8は、第1の比較例として用意した駆動装置の駆動後の停止時の音圧の周波数分布を示す図である。図8の破線は、バックグラウンドとしての暗騒音を示す。実線が、第1の比較例の駆動装置における音圧の周波数分布を示す。なお、第1の比較例の駆動装置では、上記第2の駆動パルスP2を発生させなかったことを除いては、上記実施形態の駆動装置1と同様とした。図8から明らかなように、第1の比較例の駆動装置では、Bで示す2000Hz以上の高周波数域において、被駆動部材であるレンズホルダ2との摩擦力の変化による騒音が発生している。他方、図8のCで示すように、800~1100Hz付近において、特に900Hz付近において大きなピークを有する騒音が発生している。この騒音は、被駆動部材であるレンズホルダ2及びレンズ3を含む変位部分の共振による騒音である。
 図9は、上記第1の比較例と、第2の比較例として用意した駆動装置の駆動後の停止時の音圧の周波数分布を示す図である。
 第2の比較例の駆動装置は、特許文献1の記載に従って、停止時に向かうにつれて、駆動パルスP1の短縮幅を大きくした構成である。なお、第2の比較例の駆動装置では、駆動パルスP1の短縮幅を大きくしたことを除いては、上記実施形態の駆動装置1と同様とした。図9において、破線が図8の破線と同様に暗騒音を示し、実線が第2の比較例の駆動装置における音圧の周波数分布を示し、一点鎖線が前述した第1の比較例の駆動装置における音圧の周波数分布を示す。
 図9から明らかなように、第2の比較例の駆動装置では、Bで示す2000Hz以上の高周波数域において、被駆動部材であるレンズホルダ2との摩擦力の変化による騒音が第1の比較例の駆動装置よりも低減されている。しかしながら、図9のCで示すように、900Hz付近にピークを有する騒音については低減されていない。
 図10は、第1の駆動パルスP1と第2の駆動パルスP2とを圧電素子10に印加した本実施形態の駆動装置1の変位部分の変位量の変化と、圧電素子10に印加される電圧の変化とを示す図であり、図11はその拡大図である。実線が、本実施形態の駆動装置1における変位部分の変位量の変化を示す。なお、一点鎖線は、前述した第1の比較例の駆動装置における変位部分の変化量の変化を示す。
 図10から明らかなように、Dで示す第1の駆動パルスP1を圧電素子10に印加することにより、圧電素子10が駆動されて伸縮し、被駆動部材であるレンズホルダ2及びレンズ3を含む変位部分が変位する。そして、第1の駆動パルスP1の印加が停止すると、圧電素子10は駆動されなくなり停止する。しかしながら、一点鎖線で示すように、第2の駆動パルスP2を圧電素子10に印加しないと、変位部分の慣性により、変位部分の変位量がさらに大きくなる。そして、一点鎖線で示すように、圧電素子10の駆動を停止した後も変位部分の変位量が慣性によって大きくなり、ピークFを経て、再度小さくなっていくことがわかる。この変位の振幅は徐々に小さくなるように、変位量が変化している。
 従って、図8及び図9のCで示す部分の騒音は、このような図10の一点鎖線で示す慣性に基づく変位部分の過剰な変位による共振によるものであることは明らかである。
 本実施形態の駆動装置1では、変位部分の変位量が最大となるピークFとなる時点で、図10のEで示す第2の駆動パルスP2を圧電素子10に印加する。図10及び図11の実線で示すように、本実施形態の駆動装置1では、慣性による変位部分の過剰な変位が抑制され、変位量が一定化される。
 図12は、本実施形態の駆動装置1と上記第1の比較例の駆動装置とにおける、駆動後の停止時の音圧の周波数分布を示す図である。図12において、破線が図8及び図9の破線と同様に暗騒音を示し、実線が本実施形態の駆動装置1における音圧の周波数分布を示し、一点鎖線が前述した第1の比較例の駆動装置における音圧の周波数分布を示す。図12から明らかなように、900Hz付近にピークを有する上記変位部分の共振による騒音が、本実施形態によれば効果的に低減されていることがわかる。
 なお、制御回路103によりパルス発生回路102から第2の駆動パルスP2を出力させるタイミングは、上記第1の駆動パルスP1を出力した後、所定の時間経過した後であればよい。この所定の時間経過後の時点については、前述したように、変位部分の慣性による過剰な変位の変位量がピークとなる時点である。よって、変位部分を構成する材料、質量、寸法及び駆動軸との係合構造等を知ることにより計算により求めることができる。あるいは、第1の駆動パルスP1のみを出力し、図10及び図11に示した一点鎖線の結果を得て、その結果から第2の駆動パルスP2を出力させるタイミングを得てもよい。すなわち、第1の駆動パルスP1のみを出力させ、図10及び図11の一点鎖線で示す結果を得る。その結果から上記過剰な変位の変位量のピークFのタイミングを得ることができる。すなわち、上記ピークFとなるタイミングは、様々な方法で求めることができる。
 本実施形態によれば、上記のように、変位部分の過剰な変位の変位量のピークの時点で上記第2の駆動パルスP2をパルス発生回路102から圧電素子10に印加することにより、上記共振に基づく騒音を効果的に低減することが可能となる。
 なお、上記実施形態では、第2の駆動パルスP2の1つのパルスのパルス幅W2、パルスの高さH2及びデューティD2を第1の駆動パルスP1の1つのパルスのパルス幅W1、パルスの高さH1及びデューティD1と等しくしていた。しかしながら、第1の駆動パルスP1と第2の駆動パルスP2とのパルスの出力数だけではなく、波形の形状も異なっていてもよい。もっとも、第1の駆動パルスP1の波形の形状と、第2の駆動パルスP2の波形の形状を同一とすることが、望ましい。それによって、制御回路103における回路構成の簡略化を図ることができる。
 なお、上記駆動軸6を圧電素子10により上下方向に変位させる駆動部分の構造は特に限定されないが、図6及び図7を参照してその一例を説明する。図6は、本実施形態の駆動装置1の要部を示す略図的正面断面図である。図7は、本実施形態の駆動装置1で用いられている圧電素子10と後述する変換部材20とを示す正面図である。
 図6に示すように、圧電リニアモーター4は、圧電素子10を有する。圧電素子10は、図6の矢印H方向に伸縮する。このような圧電素子10は、特に限定されないが、図7に示すように複数の内部電極12,13が圧電体層を介して積層されている積層型圧電体を用いて構成することができる。
 上記圧電素子10は、金属板からなる枠状の変換部材20に取り付けられている。より具体的には、変換部材20は、圧電素子10の上面と隙間を隔てて配置されている天板部21と、天板部21の両端から下方に延びるように連ねられている側面部22,23と、側面部22,23の下端同士を結ぶ底面部24とを有する。側面部22,23及び底面部24は圧電素子10の側面及び底面に接触している。
 他方、天板部21は、前述したように圧電素子10と隙間を隔てて配置されている。特に、天板部21の主要部分が側面部22,23に連ねられている部分よりも上方に隔てられている。そのため、圧電素子10が矢印H方向に伸縮すると、天板部21が上下方向に変位する。よって、天板部21に連結されている駆動軸6も上下方向に変位する。
 上記圧電リニアモーター4を用いることにより、圧電素子10を駆動し、駆動軸6を前述したように上下方向に変位させることができる。もっとも、本発明においては、圧電素子10により駆動軸6を軸方向に変位させる構造は特に限定されるものではない。駆動軸6が軸方向に変位するように、駆動軸6が圧電素子10に直接または間接に連結されていればよい。
 また、上記被駆動部材についても、上記実施形態のレンズホルダ2に限定されず、駆動軸6に摩擦係合しており、駆動軸6の軸方向の変位により変位される適宜の部材を用いることができる。
 もっとも、好ましくは、上記実施形態のように、駆動軸6に一端が係合され、他端が自由端である、片持ち梁で被駆動部材が駆動軸に支持されている構造に本発明を効果的に適用することができる。片持ち梁の場合、自由端側が大きく変位し、上記のような変位部分の共振による騒音が大きくなりがちである。従って、このような構造に本発明を適用することにより、騒音をより効果的に低減することができる。
 もっとも、両持ちなどの態様によって、被駆動部材が駆動軸に摩擦係合されていてもよい。
1…駆動装置
2…レンズホルダ
3…レンズ
4…圧電リニアモーター
6…駆動軸
10…圧電素子
12,13…内部電極
20…変換部材
21…天板部
22,23…側面部
24…底面部
101…駆動回路
102…パルス発生回路
103…制御回路
CH1…第1の半導体スイッチング素子
CH2…第2の半導体スイッチング素子
CH3…第3の半導体スイッチング素子
CH4…第4の半導体スイッチング素子
P1…第1の駆動パルス
P2…第2の駆動パルス
s1~s4…駆動信号

Claims (7)

  1.  圧電素子と、
     前記圧電素子に連結されており、軸方向に変位する駆動軸と、前記駆動軸に摩擦力により係合している被駆動部材と、
     前記圧電素子を駆動する駆動回路とを備え、
     前記駆動回路が、前記圧電素子に駆動パルスを印加するパルス発生回路と、
     前記パルス発生回路から出力される前記駆動パルスを制御する制御回路とを含み、
     前記制御回路は、前記圧電素子の駆動時に第1の駆動パルスを前記パルス発生回路に出力させ、前記圧電素子の駆動後の停止時であって前記被駆動部材が慣性により最も大きく変位した時点に前記第1の駆動パルスと異なる第2の駆動パルスを前記パルス発生回路に出力させることを特徴とする、駆動装置。
  2.  前記第2の駆動パルスのパルス出力数が、前記第1の駆動パルスのパルス出力数よりも少ない、請求項1に記載の駆動装置。
  3.  前記第2の駆動パルスの1つのパルスの波形の形状が、前記第1の駆動パルスの1つのパルスの波形の形状と異なっている、請求項1または2に記載の駆動装置。
  4.  前記被駆動部材の一端が前記駆動軸に摩擦力で係合しており、他端が自由端とされている、請求項1~3のいずれか1項に記載の駆動装置。
  5.  前記パルス発生回路が複数の半導体スイッチング素子を有するHブリッジ回路からなり、前記制御回路は、前記複数の半導体スイッチング素子を駆動する、請求項1~4のいずれか1項に記載の駆動装置。
  6.  請求項1~5のいずれか1項に記載の駆動装置の駆動方法であって、
     前記制御回路により、前記パルス発生回路から前記第1の駆動パルスを前記圧電素子に印加して前記圧電素子を駆動し、前記駆動軸に摩擦力で係合している被駆動部材を駆動する工程と、
     前記パルス発生回路から前記圧電素子への前記第1の駆動パルスの印加を停止し、前記圧電素子の駆動を停止した後に、前記被駆動部材が慣性により最も大きく変位した時点に、前記制御回路により、前記パルス発生回路から前記第2の駆動パルスを前記圧電素子に印加する工程とを備える、駆動装置の駆動方法。
  7.  前記第2の駆動パルスのパルス出力数が、前記第1の駆動パルスのパルス出力数よりも少ない、請求項6に記載の駆動装置の駆動方法。
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