JP2020137310A - 振動アクチュエータの制御方法及び駆動装置、光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 転動可能な駆動体が設定範囲位置から外れてしまったことを検知し、転動可能な駆動体を所定位置に復帰させ、リニア駆動用振動アクチュエータの駆動効率を低減させないようにする。【解決手段】 圧電素子に複数の駆動信号を印加することで、前記圧電素子と摩擦材が接触する接触部に楕円運動を発生する振動アクチュエータを駆動する駆動装置において、前記圧電素子を有する可動部材と前記摩擦材を含み固定部材との間で転動可能に挟持された駆動体を有し、前記可動部材の駆動量を検知する駆動量検知部を有し、前記駆動量検知部の出力より、前記可動部材が正常に駆動しているか判断する判断部を有し、前記判断部が異常を検知したら、前記可動部に対して初期化駆動を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いた振動アクチュエータの制御方法及びその制御方法を用いた光学機器に関する。

振動アクチュエータは小型軽量、高速駆動、静音駆動といった特徴があり、撮影装置のレンズ等の駆動装置として利用されている。駆動装置として利用する際、レンズ等を光軸方向へ駆動するためにリニア駆動用の振動アクチュエータがある。このリニア駆動用振動アクチュエータは、他の振動アクチュエータと同様に、圧電素子が固定された振動板と、振動板上に設けられた接触部と接触する摩擦材から構成される。

超音波振動子の振動は、超音波振動子が押圧する摺動部材を駆動する。リニア超音波モータは小型であっても高出力を維持でき、また駆動効率を高めるための様々な工夫が考えられている。

特許文献１には、振動子を含みガイド部材に加圧接触された可動部と、ガイド部材であり前記可動部に対して固定された基礎部を含み、そのガイド部と駆動部の間に転動可能な駆動体を備えており、振動子から発生した駆動力を効率的に駆動部に伝達するリニア駆動用振動アクチュエータが開示されている。

特開２０１４−２１２６８２号公報

しかし、特許文献１に開示された従来技術では、外力等が印加された際に、前記転動可能な駆動体が移動し、ガイド部材の端に詰まってしまい、可動部の駆動を妨げてしまう場合がある。または、繰り返しの駆動により転動可能な駆動体が設定範囲位置から外れて移動してしまうことも考えられる。

本発明は、上記の課題に鑑みて提案されたものであり、転動可能な駆動体が設定範囲位置から外れてしまったことを検知し、転動可能な駆動体を所定位置に復帰させ、リニア駆動用振動アクチュエータの駆動効率を低減させないことを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る振動アクチュエータ駆動装置は、
圧電素子に複数の駆動信号を印加することで、前記圧電素子と摩擦材が接触する接触部に楕円運動を発生する振動アクチュエータを駆動する駆動装置において、
前記圧電素子を有する可動部材と前記摩擦材を含む固定部材との間で転動可能に挟持された駆動体を有し、
前記可動部材の駆動量を検知する駆動量検知部を有し、
前記駆動量検知部の出力より、前記可動部材が正常に駆動しているか判断する判断部を有し、
前記判断部が異常を検知したら、前記可動部に対して初期化駆動を行うことを特徴とする。

本発明に係る振動アクチュエータ駆動装置によれば、圧電素子を有する可動部材と摩擦材を含む固定部材の間で転動可能に挟持された駆動体を備えた振動アクチュエータの駆動装置において、駆動体が所定位置外に移動し駆動効率が落ちても、所定位置に戻して駆動効率を復帰させることが可能となる。

振動アクチュエータを用いたレンズ駆動装置のブロック図 振動アクチュエータの構成分解図 振動アクチュエータの動作説明図１ 振動アクチュエータの動作説明図２ 振動アクチュエータの動作説明図３ 振動アクチュエータの異常状態説明図 振動アクチュエータの復帰処理フローチャート

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態であるレンズ駆動装置のレンズ移動部と制御ブロックを示している。

１０１は固定鏡筒、１０２は摩擦材、１０３はＰＺＴ等を用いた圧電素子が固定された振動板である。摩擦材１０２は高摩擦係数と摩擦耐久性を兼ね備えた材料で形成されている。この摩擦材１０２と振動板１０３は、バネ力や磁力等により加圧接触されることで振動アクチュエータを形成している。圧電素子に外部から複数の周期的な電気信号を印加することで、振動板と摩擦材の接触点に楕円運動が励振され、所望の方向に駆動する。

図１では１０２を摩擦材、１０３を振動板としたが、１０２を振動板、１０３を摩擦材としても同様の振動アクチュエータを構成することが可能である。

１０４はレンズホルダであり、例えばフォーカスレンズやズームレンズ等のレンズ群１０５を保持しており、振動板１０３に固定されている。１０６はレンズホルダと一体となって形成されたスリーブであり、保持バー１０７と係合することで、矢印の方向への直進駆動を可能としている。

レンズ群の位置は位置検出センサ１０９により検出される。位置検出センサとしては、例えばレンズホルダと一体となった移動部に取り付けられた光学式スケールに対して、固定鏡筒側に配置された発光部と受光部により、光学式スケールに刻まれたパターンを光学的に検出する位置センサがある。また、所定ピッチで着磁された磁気パターンを磁気抵抗素子の変化を検出することで位置を検出するセンサや、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗの繰り返しパターンが位相をずらして複数出力するパルスエンコーダ等がある。位置検出センサ１０９から出力される信号は複数の方形波や正弦波の繰り返し信号（相対位置）である。これをＡＤ変換器１１０によりアナログ信号からデジタル信号に変換する。

１１３は位置演算部であり、位置検出センサからＡＤ変換器を介して得られた信号をレンズ位置と等価の位置データに変換する信号処理部である。１１２は速度演算部であり、一定周期間隔で検出した位置データの変化量を速度に換算している。もちろん、レンズ移動部分に速度センサを設置することでも速度検出を行うこともできる。

１０８は基準位置を検出するための基準位置検出センサである。基準位置検出センサとしてはフォトインタラプタなどが挙げられる。レンズホルダ等の光学レンズと一体となって移動する移動部材に遮光部を設け、移動部材の移動に応じて遮光部がフォトインタラプタの光路を遮ることで、フォトインタラプタの出力がＨｉｇｈからＬｏｗまたはＬｏｗからＨｉｇｈに変化する。

１１１は、例えばシュミットトリガ機能の付いたバッファ回路等の基準位置検出センサが出力する信号を検出するための回路である。１１４は基準位置を演算する基準位置演算部、１１５は基準位置を記憶するための基準位置記憶部である。レンズの絶対位置を得たい場合、例えば、フォトインタラプタのＨｉｇｈからＬｏｗへの立下りエッジを検出し、そのとき位置演算部から得られる位置を基準位置として基準位置記憶部に記憶する。以後、この基準位置と位置演算部で逐次得られる位置データとの差分を算出することで絶対位置を求めることが可能である。あるいは、エッジを検出した際の位置データを基準位置記憶部で記憶している所定の基準位置で置き換え、以後検出される位置データは置換え後の位置データに加算・減算することでも絶対位置を得ることができる。なお、位置検出センサがポテンショメータのような絶対位置を検出できるセンサである場合には、これらの基準位置を検出するためのセンサ及び制御部は必要ない。

１１６は所望のレンズ位置に駆動するための目標位置を発生するための目標位置生成部である。操作部１２３が操作されると、目標位置生成部は操作に従って目標位置を生成する。目標位置生成部の目標位置を微小な時間毎に変化させることで、あたかも速度指令を与えるような使い方もできる。

１１７は位置演算部で算出した現在のレンズ群の位置と目標位置生成部の生成した目標位置との差分を演算し、偏差信号を生成するための減算器である。偏差信号は積分部１１８、位相補償演算部１１９及びゲイン部１２０を介することで駆動信号を得るための制御信号に変換される。振動アクチュエータにおける制御信号とは、駆動周波数や複数の駆動信号の位相差といった情報を含む信号である。駆動周波数や位相差を変更することで、振動アクチュエータの推力や速度が制御される。積分部は主に、停止時に発生してしまう偏差を小さくする効果や衝撃等の外乱が入力された後でも、目標位置に追従するようにする効果を有する。位相補償演算部は主に、位相遅れにより発生する装置の発振現象を回避するために用いる。また、ゲイン部は主に係数変換や、装置の応答性・安定性の微調整に用いる。

１２５は目標位置到達判断部である。位置演算部の算出した現在のレンズ群の位置と、目標位置発生部が生成した目標位置を比較し、レンズ群が目標とする位置に到達したか否かを判定し、圧電素子の振動を停止させる。あるいは、目標位置にとどまるように位置フィードバック制御を継続する。

１２２、１２６は所定の条件での位相差を記憶する位相差記憶部と駆動方向を記憶する駆動方向記憶部である。位相差記憶部で記憶する位相差を得る条件については後述する。１２１の駆動信号生成部では演算で求めた制御信号あるいは位相差記憶部の記憶した位相差を用いて、圧電素子を駆動するための正弦波信号やパルス信号の周波数と位相差、デューティ比を生成し、駆動回路１２４へ送る。駆動信号生成部から出力される信号は圧電素子を駆動するには不十分な電圧・電流であるため、駆動回路１２４では電圧・電流増幅を行い振動板１０３に駆動信号を供給し、駆動を行う。また、これらの各種制御は制御ＣＰＵである１２７が実行する。

１２８は装置全体の振動を検知するセンサー部である。ジャイロセンサーや加速センサー等により装置が受けた外力による振動を検出する。この振動検知部からの出力を制御ＣＰＵ１２７等に入力することにより、装置に加えられた振動を検知している。

次に本発明の振動アクチュエータの駆動方式について図２〜図３ｃを使用して説明する。

まず、振動アクチュエータ部の構成について図２を使用して説明する。

図２は振動アクチュエータ部を分解した図である。

２０１は振動板と呼ばれ、圧電素子２０２が接着または蒸着されており、圧電素子２０２に電圧が印加された際に、圧電素子２０２の変形に合わせて変形駆動する。今後は２０１と２０２を合わせて振動板１０３として説明する。

２０１の上部には２つの突起があり、この突起部が摩擦材１０２に加圧接触されている。この突起部が楕円軌道で変形駆動することにより摩擦材１０２との間に推進力が発生する。

移動体２０３は振動板１０３と結合されており、振動板１０３と摩擦材１０２で発生した推力により、ガイド溝にそってＸ軸方向に駆動可能となっている。実際にはこの移動体２０３がフォーカスレンズ等の駆動レンズに連結して対象物を駆動させる。

２０４は固定部材であり、図示していないが振動板１０２と接合しており、移動体２０３に対して常に静止状態である。

転動駆動する転動ボール２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃはガイド溝部に収まるように移動体２０３と固定部材２０４に挟持されている。

以上が振動アクチュエータ部の構成である。

次に図３ａ〜図３ｃを用いて、転動ボールの動作、及び振動アクチュエータの異常状態について説明する。

図３ａは図２の振動アクチュエータをＹ方向から見た図である。この状態から振動板１０３（２０１と２０２）を振動さえて移動体２０３と摩擦材１０２との間に推力を発生させて、図３ｂ、図３ｃのように移動体をＸ方向に移動させる。

前述したように、摩擦材１０２と固定部材２０４は係合している。この際、転動ボール２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃがガイド溝に沿って転がることにより、移動体２０３の駆動方向ガイドと駆動負荷の低減を行っている。

次に、転動ボールの位置が所定位置より大きくズレてしまった際の課題について、図３ａ〜図４を用いて説明する。

移動体２０３が駆動範囲の中間地点にいる場合は、図３ａのような位置に転動ボールがいることが理想であるが、外部から激力が印加されたり、駆動の蓄積によりズレが発生した場合に、図４のようになることが考えられる。この場合、移動体をＸ方向の正方向に駆動させると、転動ボール２０５ａがつまってしまい、駆動を潤滑にするはずの転動ボールが負荷を発生させてしまう。このように、通常状態より駆動に関して過負荷になってしまっている状態を振動アクチュエータの異常状態とする。

次に図３ａ〜図５を使用して異常状態からの復帰について説明する。

操作部１２３の操作により、振動アクチュエータの動作指示が発生する（Ｓ１０１）。

位置演算部１１３の結果より、振動アクチュエータが駆動できているか判断する（Ｓ１０２）。もし駆動していない場合は、異常検知フラグを設定（Ｓ１０９）し、駆動処理を終了（Ｓ１１０）してステップＳ１０６へと進む。

駆動状態である場合は、次に加速が終了した所定時間後に目標速度に到達しているか、速度演算部１１２から出力される結果と比較して判断する（Ｓ１０３）。目標速度に達していない場合は異常検知フラグを設定（Ｓ１０９）して、そのまま駆動を続ける。

目標位置に到達後、カメラはシャッターを開いて撮影状態（露光中）となる（Ｓ１０４）。

撮影が終了し、シャッターを閉じる。撮影の一連動作が終了する（Ｓ１０５）。

制御ＣＰＵ１２７は振動アクチュエータ駆動の異常が検知されたか確認する（Ｓ１０６）。異常が検知されている場合は、振動アクチュエータを可能範囲全域において往復駆動させる。この際に、通常の駆動より高い推力にて駆動させる（Ｓ１０７）。例えば、ＤＣＤＣコンバータで圧電素子２０２に印加する電圧を決定している時には、昇圧電圧をアップさせたり、またはＰＷＭ制御で電力調整している場合はＰＷＭのデューティ比を上げる等が考えられる。往復駆動することにより、図４のように転動ボール２０５ａがＸ方向正方向にズレていても図３ｂ状態までＸ方向に移動体２０３を駆動し図３ａの状態に戻すことにより、正常な位置に復帰する。勿論、転動ボール２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃは回転しない場合も所定以上の力がかかると、空転するように設計されている。

全ての処理が終了したら、駆動の終了処理を行う（Ｓ１０８）。

上記の方法以外にも、異常の検知方法としてＳ１０２、Ｓ１０３で駆動できない、または駆動速度が目標速度に達しない方向を検知することにより、移動体２０３を所定の駆動方向の端位置まで駆動させて、復帰させることも考えられる。他に、図１の振動検知部１２８に所定異常の大きな加速が検知された時点で、上述した復帰方法を行うことも考えられる。

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及び変更が可能である。また、撮影装置に振動アクチュエータ駆動装置を搭載したことを想定して説明したが、他の民生機器及び産業機器についても適用可能である。

１０１ 固定鏡筒、１０２ 摩擦材、１０３ 振動板、１０４ レンズホルダ、
１０５ レンズ群、１０６ スリーブ、１０７ 保持バー、
１０８ 基準位置検出センサ、１０９ 位置検出センサ、１１０ ＡＤ変換機、
１１１ 基準位置検出回路、１１２ 速度演算部、１１３ 位置演算部、
１１４ 基準位置演算部、１１５ 基準位置記憶部、１１６ 目標位置生成部、
１１７ 減算器、１１８ 積分部、１１９ 位相補償演算部、１２０ ゲイン部、
１２１ 駆動信号生成部、１２２ 位相差記憶部、１２３ 操作部、
１２４ 駆動回路、１２５ 目標位置到達判断部、１２６ 駆動方向記憶部、
１２７ 制御ＣＰＵ、１２８ 振動検知部

Claims (7)

1. 圧電素子に複数の駆動信号を印加することで、前記圧電素子と摩擦材が接触する接触部に楕円運動を発生する振動アクチュエータを駆動する駆動装置において、
   前記圧電素子を有する可動部材と前記摩擦材を含む固定部材との間で転動可能に挟持された駆動体を有し、
   前記可動部材の駆動量を検知する駆動量検知部を有し、
   前記駆動量検知部の出力より、前記可動部材が正常に駆動しているか判断する判断部を有し、
   前記判断部が異常を検知したら、前記可動部に対して初期化駆動を行うことを特徴とする振動アクチュエータ駆動装置。
2. 駆動量検知部から出力される信号により駆動していない、または駆動量より駆動速度を算出し、駆動速度が所定速度に到達していない場合は異常と判断することを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータ駆動装置。
3. 圧電素子に複数の駆動信号を印加することで、前記圧電素子と摩擦材が接触する接触部に楕円運動を発生する振動アクチュエータを駆動する駆動装置において、
   前記圧電素子を有する可動部材と前記摩擦材を含む固定部材との間で転動可能に挟持された駆動体を有し、
   振動を検知する振動検知部を有し、
   前記振動検出部が所定量以上の振動を検知したら、前記可動部に対して初期化駆動を行うことを特徴行うことを特徴とする振動アクチュエータ駆動装置。
4. 振動検出部がジャイロセンサであり、所定量以上の角速度を検出したら、前記可動部に対して初期化駆動を行うことを特徴とする請求項３に記載の振動アクチュエータ駆動装置。
5. 初期化駆動とは可動部材の駆動範囲全域において、１度以上の往復運動を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の振動アクチュエータ駆動装置。
6. 初期化駆動とは、請求項２で検出された異常に対して、異常を検出した駆動方向の駆動端へ駆動することを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ駆動装置。
7. 初期化駆動時は通常の駆動時より圧電素子に印加する駆動信号を変化させ、駆動推力を増加させることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の振動アクチュエータ駆動装置。