JP5645489B2 - 複数の振動子を用いた振動型アクチュエータの制御装置並びに調整方法、振動型アクチュエータ、及びそれを用いたレンズユニット並びに光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の振動子を用いて１つの被駆動体を動作させる振動型アクチュエータの制御装置並びに調整方法に関するものである。

従来、所定の質点に楕円運動を生じさせて、被駆動体を駆動する振動型アクチュエータが知られている。

振動型アクチュエータは低騒音、高トルク駆動特性の特徴がある。この特性を生かして、レンズ鏡筒等に円形のスライダーを複数の振動子で駆動する振動型アクチュエータを用いることが提案されている。

しかしながら、個々の振動子の特性にバラツキがあると、所望のトルクが得られない場合や、駆動特性に影響が出てしまう場合がある。そのため、個々の振動子の特性を調整する必要がある。

複数の振動型アクチュエータの特性を調整するものとして特許文献１や特許文献２がある。

特許文献１は、複数の振動型アクチュエータの共振周波数を合わせるために、ロータとステータの加圧を調節可能にする構成を開示している。

また、特許文献２は、複数の振動型アクチュエータの出力差を検出し、それによって複数の振動型アクチュエータの特性を調節することを開示している。

特開平１−２２７６６９号公報 特許第３２４８５４５号公報

特許文献１および２は、いずれも１つのロータを１つのステータで駆動するものであるため、振動型アクチュエータの個々の特性を測定することは、さほど困難なことではないと考えられる。

しかしながら、１つのスライダーを複数の振動子で駆動する構成では、１つの振動子を駆動しただけでは、トルク不足によりスライダー部を駆動できず、個々の振動子の特性を測定できない場合がある。そのため、組み込む前に個々の振動子の特性を調整しておく必要があるが、１つ１つ調整してから組み込んでいくのは大変な作業である。

そこで、本発明は１つの被駆動体を複数の振動子で駆動する振動型アクチュエータにおいて、振動子を組み込んだ後でも個々の振動子の特性を調整可能にする制御装置および調整方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数の振動子によって１つの被駆動体を移動させる振動型アクチュエータの各々の振動子に、位相差を有する２つの交流信号を供給し、前記位相差を固定して前記２つの交流信号の周波数を変更する周波数制御と、前記２つの交流信号の周波数を固定して前記位相差を変更する位相差制御を組み合わせて、前記振動型アクチュエータを制御する制御装置において、前記制御装置は、第１の速度領域では前記位相差制御により前記振動型アクチュエータの制御を行い、前記第１の速度領域よりも高速側の第２の速度領域では前記周波数制御により前記アクチュエータの制御を行い、前記複数の振動子のうち１つの振動子を進行波駆動させ、その他の振動子を定在波駆動させた状態で、前記制御装置は、前記周波数制御が行われているときの前記被駆動体の速度に関する情報を取得し、該速度に関する情報を取得した際に進行波駆動させた振動子に供給された交流信号の周波数に基づいて該周波数に対する前記被駆動体の速度の周波数特性を取得し、前記位相差制御が行われているときの前記被駆動体の速度に関する情報を取得し、該速度に関する情報を取得した際に進行波駆動させた振動子に供給された２つの信号の間の位相差に基づいて該位相差に対する前記被駆動体の速度の位相差特性を取得し、前記制御装置は、前記取得された位相差特性に基づいて前記複数の振動子間の前記位相差特性のずれを低減し、前記取得された周波数特性に基づいて前記複数の振動子間の前記周波数特性のずれを低減することを特徴とする。

本発明によれば、１つの被駆動体を複数の振動子で駆動する振動型アクチュエータにおいて、振動子を組み込んだ後でも個々の振動子の特性を調整する制御装置および調整方法を提供することが可能となる。

本実施形態における鏡筒の投射図 振動型アクチュエータの構成図 振動子の模式図 振動子の位相、周波数に対する速度の関係図 本実施形態における振動型アクチュエータの駆動ブロック図 本実施形態のフローチャート図 ３つの振動子の位相９０°時のそれぞれの周波数に対する速度の関係と補正図 ３つの振動子の位相９０°時のそれぞれの周波数に対する速度の関係と補正図 本実施形態における振動型アクチュエータの別の駆動ブロック図 レンズ交換式カメラを表す図

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を記述する。

図１は、本実施形態におけるレンズ鏡筒の投射図である。固定鏡筒１０１とその内部にはカム溝が彫られた筒状のカム環があり、その内部にレンズや絞りなどの光学部材が配置されている。カム環は、スライダー１０２と連結されている。スライダー１０２には、光軸同心円状を回転できるように各種メカ部材が配置されている。スライダー１０２が振動子１０３、１０４、１０５と触れ合うことにより、同心円方向に回転することで各種光学部材がカム溝によって光軸方向に移動することができる。また、スライダー１０２の回転量を測定するための回転位置検出センサー１０６が、後部から他の支持部材、回転補助部材と共に付けられている。回転位置検出センサー１０６はスライダーの位置を検出するものであり、例えば、リニアスケールやエンコーダにて構成される。

図２は振動型アクチュエータの構成図であり、図１に記載のスライダー１０２、振動子１０３、１０４、１０５を有する。スライダー１０２が複数の振動子１０３、１０４、１０５との作用によって回転する。回転位置検出センサー１０６は、その回転によるスライダー１０２の回転位置を検出する。

図３は、振動子１０３、１０４、１０５の構成を示す図である。各振動子は、矩形の板状に形成された金属材質からなる弾性体２０２を備え、弾性体２０２の裏面には圧電素子（電気―機械エネルギー変換素子）２０３が接合されている。弾性体２０２の上面の所定位置には、複数の突起部２０４が設けられている。そして、圧電素子２０３に２つの交流電圧を印加することにより、弾性体２０２の長辺方向における２次の屈曲振動と、弾性体２０２の短辺方向における１次の屈曲振動とを同時に発生させる。これにより、突起部２０４に楕円運動が励起される。そして、突起部２０４にスライダー１０２を加圧接触させることで、各振動子はスライダー１０２を概直線的に駆動させる。つまり、各振動子と被駆動体とによって直動の振動型アクチュエータが構成されている。そして、図２のように振動子１０３、１０４、１０５を配置することで、スライダー１０２を回転させることができる。スライダー１０２の加圧には、スライダー１０２を磁化させることで、各振動子の金属素材との間に発生する磁気吸引力を用いている。

振動子の突起部の楕円運動は、圧電素子に２つの交流信号をかけることによって発生させる。この２つの交流信号の位相差と周波数によって楕円運動が変化し、その変化によってスライダー１０２の移動速度は変わる。

図４は、この交流信号の周波数を横軸、縦軸にスライダー１０２の移動速度を取り、２つの交流信号の位相差を１０°、３０°、５０°、７０°、９０°まで変化させた時のグラフである。

交流信号の周波数をある周波数から下げていくと、スライダー１０２の速度が上がり、ある周波数（一般に共振周波数と呼ばれる）を頂点として速度が下がる。また位相差を上げていくと速度は増加し、９０°より大きくになると減少に転じる。また位相差が０°からマイナス方向になるとスライダー１０２の進行方向が逆になり、−９０°まで同様に逆方向での速度が増加する。

また、交流信号の振幅を増加させると速度が増加し、下げると速度は下がる特性を持つ。つまり、交流信号の振幅（電圧）を変更することでも速度を制御することができる。

つまり、振動型アクチュエータは、圧電素子に印加する２つの交流信号の周波数を変化させることによって速度制御を行うことが可能であり、交流信号の位相差を変化させることでも速度制御を行うことが可能である。

このような、周波数や振幅、位相差に対する速度の特性は、振動子の形状や加圧量の違いなどによって振動子ごとに違いがある。

つまり、図２のように振動子を３つ配置した場合、メカガタや寸法誤差やスライダー１０２の着磁量の違いによって振動子の特性が異なってしまう。加圧のばらつきを防ぐために振動子を不図の板バネによって均一になるようにしているが、それでも振動子の特性を均一にすることは難しい。

次に、図５を用いて、振動型アクチュエータの駆動動作について説明する。

マイコン４０４で各振動子の制御信号が生成され、モータドライバー４０１、４０２、４０３に送られる。また、マイコン４０４から各振動子の電圧情報が電圧調整装置４０５に送られ、各振動子の電圧信号を生成する。モータドライバー４０１、４０２、４０３では、マイコン４０４で生成された制御信号と電圧調整装置４０５で生成された電圧信号により適切な交流信号が作り出され、各振動子に供給される。一般にはマイコン内でＰＷＭ信号を生成し、電圧調整回路にて適切な振幅にされた後、電気回路上のコイルと振動子のコンデンサ成分からなる電気回路でＬＣ発振を起こしＰＷＭ信号が交流信号に変換される。そして、各交流信号が各振動子１０３、１０４、１０５に入力されることで、スライダー１０２を動作させる。図５において、制御装置４００は、マイコン４０４、モータドライバー４０１、４０２、４０３、電圧調整装置４０５を含んで構成される。スライダー１０２の回転量は、回転位置検出センサー１０６によって読み出され、その情報はマイコン４０４に入力される。マイコン４０４はこの情報に基づいて適切なサーボゲイン、位相をコントロールし、各振動子の制御信号を作りだす。この一連の制御が行われることで、振動型アクチュエータは動作している。

ここで、それぞれの振動子１０３、１０４、１０５に個体差があると適切に制御できず、スピードダウンやトルクの減少、異音の発生などになるため、個体差を調整する作業が必要になる。そのためには、振動子１０３、１０４、１０５の特性をそれぞれ調整する必要がある。

図６のフローチャート図を参照しながら、振動子の調整について説明する。

まず、Ｓ９０１でＸ＝１として、一つの振動子Ｘ（Ｘは振動子のナンバーであり、仮に振動子１とする）を選択する。次に、Ｓ９０２で選択された振動子以外（振動子２、振動子３）を定在波駆動に設定する（ここでいう定在波は楕円振動の横方向の振幅が０の楕円軌道であり、位相差０°がそれに相当する）。これによって、振動子２、３がスライダー方向に付勢されている力をキャンセルできる。Ｓ９０３でＹ＝Ｙ１（Ｙは振動子にかけられる駆動信号の周波数を表し、Ｙ１は予め決められた周波数である）として、駆動周波数を設定する。Ｓ９０４で振動子Ｘ＝１の振動子の位相差を９０°で所定の周波数ＹｋＨｚに設定し、所定の時間Ｔだけ駆動させる。Ｓ９０５ではマイコン４０４内のタイマ機能を用いて時間をカウントし、所定時間経過したかどうか判断し、所定時間過ぎた場合、Ｓ９０６に移る。そして、所定時間Ｔでスライダー１０２が移動した量を回転位置検出センサー１０６で測定し、移動量を求め、その移動量を所定時間Ｔで割ることで、１つの振動子（振動子１）で駆動した時の速度を計算する。ここでは、回転位置検出センサー１０６で測定した移動量と移動時間に基づいてスライダー１０２の速度検出を行ったが、速度センサーによって直接求めてもよい。また、加速度センサーの出力を積分することで求めても良い。次に、Ｓ９０７でＹ＝Ｙ２（Ｙ２は予め決められた周波数）であるか判断し、Ｙ＝Ｙ２でなければＳ９１０に移る。Ｓ９１０で駆動周波数Ｙ＝Ｙ２に設定し、Ｓ９０４に移り、Ｓ９０４〜Ｓ９０７までＹ＝Ｙ２に替えて前回と同様の処理を行う。ここまでの処理で、ある１つの振動子（振動子１）に付いて、所定の周波数２つの速度データが得られたことになる。次にＳ９０８に進みＳ９１１で振動子Ｎｏ．Ｘに１を足し、次の振動子の測定に移り、Ｓ９０２〜Ｓ９０８まで同様の処理を繰り返す。本実施例の場合は３つの振動子を用いているため、Ｓ９０２〜Ｓ９０８までを３回繰り返し、Ｓ９０９の処理に移ることになる。

また、メカ負荷が大きくて１つの振動子だけでは回せない場合、２つの振動子、例えば振動子１、振動子２を駆動し、振動子３を定在波駆動することにより、振動子１と振動子２の合力による特性が分かる。同様に駆動させる振動子と定在波駆動させる振動子を変更し、３回同じ作業を繰り返すことにより振動子１と振動子２、振動子２と振動子３、振動子３と振動子１の合力が得られる。さらに振動子１と振動子２と振動子３の合力を得ることにより、３つの合力から２つの合力の引き算により、各素子１つ１つの特性を得ることもできる。ここでは、振動子が３つの場合について説明したが、それより多い場合も同様の処理によって各振動子のデータを得ることができる。

一連の処理によって、３つの各振動子において、位相差が９０°で２つの周波数（Ｙ１、Ｙ２）による速度データが得られたことになる。そして、Ｓ９０９に進み、得られた各振動子の特性から、各振動子に与える交流信号の振幅（電圧）や周波数、各振動子に与える２つの交流信号の位相差のいずれか１つ以上によって、振動子間の個体差を低減するように調整を行う。

例えば、電圧によって調整を行う場合について説明する。図７は、３つの各振動子に与える２つの交流信号の位相差が９０°のときの周波数に対する速度の関係を表したものである。

先のフローチャートでは、Ｙ１、Ｙ２の周波数におけるデータを取得することしか説明していないが、より多くの周波数におけるデータを取得することで図７に示すようなより正確な周波数−速度曲線が類推される。さらに、予め電圧と速度の関係も測定等しておくことで、電圧と速度との関係を取得しておく。そして、この電圧と速度との関係を用いて、一番出力の出ていない振動子３に特性を合わせるように振動子１、振動子２の電圧を下げることで３つの振動子の特性を合わせる。ここで、一番出力の出ていない振動子とは、最大速度（共振周波数での速度）が最も遅い振動子や、使用周波数領域における最大速度が最も遅い振動子のことを指す。ここでは、一番出力の出ていない振動子３に合わせたが、振動子１や２に合わせても良いし、振動子１〜３を全て調整することである所定の特性になるようにしても良い。しかし、振動子２や３に与える電圧を上げて振動子１に合わせようとすると電力消費が大きくなってしまう。そのため、アクチュエータの駆動に問題が無いのであれば、一番出力の出ていない振動子か、それよりも電圧を低くした特性に合わせる方が消費電力の点から好ましい。

また、電圧の調整は、電圧調整装置４０５によって行われるが、振動子１０３、１０４、１０５に対して、マイコン４０４から出力される信号のパワーレートを調整することでも同様に振動子間の調整を行うことができる。

また、図９は、各振動子の駆動信号をマイコン側で生成する構成である。このよう構成であれば、マイコン５０４で各振動子の駆動信号を調整することで振動子間の調整を行うことができる。図９において、制御装置５００は、マイコン５０４、モータドライバー５０１、５０２、５０３を含んで構成される。

以上、電圧によって調整を行う場合について説明したが、図４に示すように位相差を調整することによっても周波数−速度曲線の形を変えることができる。そのため、位相差を調整することでも各振動子の特性の違いを低減することができる。

各振動子における周波数−速度曲線の形状が似ている場合には、上記のような電圧や位相差を調整する方法は適用し易い。しかしながら、図８に示すように各振動子の周波数−速度曲線の形状が大きく異なる場合もある。このような場合の調整方法について以下に説明する。

まず、低速時には位相制御を個別に変えることで速度制御を行う。振動子１は位相差９０°で周波数Ｙｐ１のときに速度Ｖｐに達する。そのため、Ｙｐ１周波数で位相差制御を行い、位相差を０°から９０°に変えることで、０からＶｐまで速度制御を行う。次に、位相差を９０°に保ちながら周波数をＹｐ１から速度Ｖｆとなる周波数Ｙｆ１まで変えることで、ＶｐからＶｆまでの速度制御を行う。

同様に、振動子２も位相差９０°で速度Ｖｐに達する周波数Ｙｐ２において位相制御を行い、位相を０°から９０°まで変えることで、０からＶｐまでの速度制御を行う。次に、位相差を９０°に保ちながら周波数をＹｐ２から速度Ｖｆとなる周波数Ｙｆ２まで変えることで、ＶｐからＶｆまでの速度制御を行う。

同様に、振動子３も位相差９０°で速度Ｖｐに達する周波数Ｙｐ３において位相制御を行い、位相を０°から９０°まで変えることで０からＶｐまでの速度制御を行う。次に、位相差を９０°に保ちながら周波数をＹｐ３から速度Ｖｆとなる周波数Ｙｆ３まで変えることで、ＶｐからＶｆまでの速度制御を行う。

このように、振動子１、２、３において、位相差制御と周波数制御を組み合わせて用いて各振動子による速度を合わせることで、例えば０からＶｆまでの速度制御を行うことが可能となる。この方法であれば、各振動子の周波数−速度曲線の形状が似ていなくても、振動子間の特性を合わせることができる。

また、位相差制御の部分を電圧制御によって行うことも可能である。

以上のように、本実施例では複数個の振動子を用いて可動対象１つを動作させる際に、超音波振動子の個体差のバラツキ、環境変化のバラツキを、スライダーと複数の振動子が組み込まれた状態でも簡単な構成と手順で調整し安定して駆動させることができる。

図１０は、レンズ交換式カメラを説明する図である。このレンズ交換式カメラは、大きくレンズユニット１００１とカメラユニット１００２から構成されている。両ユニットは電気的な接点を持ったマウント部を介して着脱できるようになっており、レンズユニット１００１がカメラユニット１００２に装着されると、レンズユニット１００１の電源が入る構成になっている。レンズユニット１００１とカメラユニット１００２内にそれぞれマイコンを内蔵しておりお互いが通信することによって各種動作を可能にしている。

外部から入射された光束は、レンズユニット１００１を通り、カメラユニット１００２内にある撮像素子１００６で結像する。撮像素子で電気信号に変換された電気映像信号は適切な信号処理装置が行われ記録処理や映像出力が行われる。

レンズユニット１００１内には、光速を撮像素子に導くためのレンズ１００５があり、このレンズ１００５を移動させるために図１のレンズ鏡筒が備えられている。そして、振動型アクチュエータ１００３でレンズ鏡筒を駆動してレンズ１００５を移動させる。マイコン１００４によって振動型アクチュエータ１００３の調整が行われる。振動子の調整は、レンズユニットの出荷前に行ってもよいが、カメラユニットに装着されて電源作動した際に自動的に行うように構成してもよい。こうすることで、経年変化や、温度変化があった場合にも対応することができる。

また、本発明は、レンズ交換式カメラだけでなく、レンズ一体式カメラや双眼鏡等の光学機器に適応可能である。また、スチルカメラだけでなくビデオカメラにも適応可能である。

１０２ スライダー
１０３、１０４、１０５ 振動子
１０６ 回転位置検出センサー
４０１、４０２、４０３ モータドライバー
４０４ マイコン
４０５ 電圧調整装置

Claims (7)

1. 複数の振動子によって１つの被駆動体を移動させる振動型アクチュエータの各々の振動子に、位相差を有する２つの交流信号を供給し、前記位相差を固定して前記２つの交流信号の周波数を変更する周波数制御と、前記２つの交流信号の周波数を固定して前記位相差を変更する位相差制御を組み合わせて、前記振動型アクチュエータを制御する制御装置において、
   前記制御装置は、第１の速度領域では前記位相差制御により前記振動型アクチュエータの制御を行い、前記第１の速度領域よりも高速側の第２の速度領域では前記周波数制御により前記アクチュエータの制御を行い、
   前記複数の振動子のうち１つの振動子を進行波駆動させ、その他の振動子を定在波駆動させた状態で、
   前記制御装置は、前記周波数制御が行われているときの前記被駆動体の速度に関する情報を取得し、該速度に関する情報を取得した際に進行波駆動させた振動子に供給された交流信号の周波数に基づいて該周波数に対する前記被駆動体の速度の周波数特性を取得し、前記位相差制御が行われているときの前記被駆動体の速度に関する情報を取得し、該速度に関する情報を取得した際に進行波駆動させた振動子に供給された２つの信号の間の位相差に基づいて該位相差に対する前記被駆動体の速度の位相差特性を取得し、
   前記制御装置は、前記取得された位相差特性に基づいて前記複数の振動子間の前記位相差特性のずれを低減し、前記取得された周波数特性に基づいて前記複数の振動子間の前記周波数特性のずれを低減することを特徴とする制御装置。
2. 進行波駆動させる振動子を変更しながら前記被駆動体の前記周波数特性及び前記位相差特性を取得することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記複数の振動子のうち最大速度が最も遅い特性を有する振動子に対して、その他の振動子を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記複数の振動子のうち使用周波数領域における最大速度が最も遅い特性を有する振動子に対して、その他の振動子を調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. １つの被駆動体と、
   前記被駆動体を移動させる複数の振動子と、
   前記複数の振動子の各々の振動子に２つの交流信号を供給する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置と、
   を有することを特徴とする振動型アクチュエータ。
6. カメラユニットに装着されるレンズユニットにおいて、
   請求項５に記載の振動型アクチュエータによって前記レンズユニットに含まれるレンズを移動させることを特徴とするレンズユニット。
7. 撮像素子と、
   前記撮像素子に光を導くレンズユニットと、
   前記レンズユニットに含まれるレンズを移動させる請求項５に記載の振動型アクチュエータと、
   を有することを特徴とする光学機器。

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