JP6415301B2 - 振動体の駆動回路、振動型アクチュエータ、撮像装置、画像生成装置、及び塵埃除去装置 - Google Patents

Description

本発明の一様態は、振動体の駆動回路、振動型アクチュエータ、撮像装置、画像生成装置、または塵埃除去装置に関するものである。

振動型アクチュエータは、弾性体に結合された電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加して該素子に高周波振動を発生させ、その振動エネルギーを連続的な機械運動として取り出すように構成された、非電磁駆動式のアクチュエータである。

振動型アクチュエータは、例えばカメラのオートフォーカス駆動などに用いられている。オートフォーカス駆動には高精度な位置決め制御が必要であり、位置センサを用いた位置フィードバック制御が行われる。フィードバック制御を行う制御回路では、位置指令値と位置センサから検出された位置信号との偏差に基づいて制御パラメータが演算される。

制御パラメータとして駆動周波数、圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子に印加する２相の駆動電圧信号の位相差、駆動パルス幅などを調整する事によって、振動型アクチュエータの速度をコントロールする事ができる。例えば、駆動周波数を圧電素子の共振周波数に近づけるほど振動振幅が大きくなり、駆動対象物であるレンズを高速に駆動する事ができる。パルス発生器にて前記制御パラメータに基づいた矩形波状の駆動周波数信号が生成された後、駆動回路にて所定の交番電圧に昇圧される。制御パラメータがコントロールされながら逐次、交番電圧が圧電素子に印加される事によって、振動型アクチュエータの位置決め制御を行う事ができる。

前記駆動回路について詳しく説明する。駆動回路は、パルス発生器から入力された矩形波信号をコイルやトランスを用いて数倍から数十倍に昇圧し、正弦波の交番電圧を出力する機能を有する。前記パルス発生器の信号は、スイッチング回路によって周波数とパルスデューティがオン・オフ制御され、駆動周波数に応じて調整される。

前記コイルを用いた駆動回路は、コイルのインダクタンスと圧電素子の静電容量とによって特定周波数信号を電気的に増幅するＬＣ共振を利用したＬＣ昇圧回路である。その昇圧率は一般的に１．５〜３倍程度である。トランスを用いた昇圧回路は、さらに大きな昇圧率を必要とする場合に用いられ、トランスの１次巻線コイルと２次巻線コイルの巻数比によって昇圧率を自由に調整可能なものである。その昇圧率は一般的には３倍〜３０倍程度で使用され、振動体の必要とする駆動電圧が１００〜５００Ｖｐｐ程度と大きい場合が主である。また、トランス昇圧回路では、トランスの１次側又は２次側に圧電素子に直列にコイル素子を設ける事によって、より効果的に高調波成分が除去された正弦波を作る事ができる。

以下、トランスを用いた振動型アクチュエータの駆動回路における従来技術を説明する。

特許文献１は、１石式スイッチング回路を用いて圧電振動体を共振周波数近傍において駆動する圧電振動体駆動回路であって、トランスが用いられている。トランスの２次側に、適当な値のコイルを圧電振動体に直列に挿入することで圧電振動体の電圧、電流を概略正弦波とし、さらにその電流波形の位相に着目して駆動周波数制御を行うものである。

特許文献２は、振動波モータの駆動用電極にインダクタンス素子を接続するとともに、該モータの等価回路に静電容量素子を並列に接続してモータ特性として好適化を計る振動波モータを提供するものである。その一例として、トランスを用いた駆動回路が示されている。

特許文献３には、次のような駆動回路が開示されている。すなわち、特許文献３に記載の超音波モータの駆動回路は、基準周波数の発振回路である超音波モータ駆動用の高周波を発生する発振器と、発振器の高周波を受けて駆動回路を構成する各スイッチングトランジスタを駆動するためのバッファー群を有する。また、バッファーを介して高周波の導通をオン・オフするフル・ブリッジ方式のスイッチングトランジスタと、駆動用高周波電力の低電圧を昇圧するためのトランスと、トランスの出力波形を整形するためのコイルを有する。

特許文献４には、超音波モータの回転駆動源である圧電振動体に印加する高周波電力のデューティ比の可変制御手段を設け、負荷変動による速度変化を補償することで電圧制御用のチョッパ回路（ＤＣ−ＤＣ変換回路）を不要とする駆動回路が開示されている。すなわち、圧電体に高周波電力を供給するインバータ回路として、電源分離型のハーフ・ブリッジを組み合わせた回路が示されている。また、インバータ回路の出力パルスは、昇圧用のトランスを介して圧電体に印加されている。この圧電体に印加する高周波電力は、降圧トランスを介して帰還させ、インバータ回路の出力周波数を可変制御し、負荷の外乱に対する変動補正をする周波数制御手段が設けられている。さらに、この周波数制御手段の出力と圧電体の振動状態検出手段の検出電圧とに基づいて、方形波パルスの幅を可変するパルス幅制御手段の出力をインバータ回路に入力するものが開示されている。回転速度が下がったときは方形波のパルス幅を大きくし、回転速度が上がったときは方形波のパルス幅を小さくすることが記載されている。

特許文献５には、パルス列からなる基準信号を出力する発振器と、この発振器から出力される基準信号の周波数が超音波モータの最適駆動周波数になるように制御する周波数追尾回路を有する駆動回路が開示されている。この駆動回路は、更に超音波モータの回転部の回転速度を検出するフォトセンサと、このフォトセンサによって検出された回転速度が目標の回転速度となるように基準信号のパルス幅を変調するパルス幅変調手段を有する。また、このパルス幅変調手段のパルス幅の変調に応じた振幅の駆動信号を圧電体の電極に供給する電力増幅器を有する。この開示の駆動回路は、基準信号のパルス幅を変調することにより、電力増幅器すなわち昇圧トランスから出力される超音波モータ駆動電圧の振幅が変化し、回転数の制御を正確にすることができる。よって、この開示の駆動回路は、フォトセンサの出力と周波数追尾回路のフィードバック信号を用いて、パルス幅の制御と、発振周波数の制御とを行い、超音波モータの回転速度を、細やかに精度高く行うことができる。

以上のように、制御の工夫まで含めたトランスを用いた振動型アクチュエータの駆動回路が提案されている。

特登録２６１８６８５ 特登録３１６５７０１ 特開平１−１０７６８０号公報 特開平４−２２２４７７号公報 特開平５−１１１２６７号公報

振動体の駆動回路として、昇圧部分である、トランス及びコイルから構成される駆動回路に要求される性能に着目した場合、回路効率の向上が求められている。

回路効率の改善は、電気共振周波数の調整により向上させることができる。電気共振周波数をより小さいインダクタンスのトランスとコイルで低域側に調整し、高調波歪みの少ないＳＩＮ駆動波形を生成することにより、不要な電流を抑えて回路効率を向上する事ができる。

本発明の一様態は、トランスと、インダクタと、を有し、前記トランスの１次コイルに前記インダクタが接続され、前記トランスの２次コイルに電気−機械エネルギー変換素子が接続され、前記インダクタのインダクタンスをＬｅ１、前記１次コイルのインダクタンスをＬ１、Ｋａ＝Ｌ１／Ｌｅ１とした場合に、１≦Ｋａ≦１０を満たす振動型アクチュエータの駆動回路に関する。

また、本発明の一様態は、トランスと、インダクタと、を有し、前記トランスの２次コイルに前記インダクタと電気−機械エネルギー変換素子とが直列に接続され、前記インダクタのインダクタンスをＬｅ２、前記２次コイルのインダクタンスをＬ２、Ｋｂ＝Ｌ２／Ｌｅ２とした場合に、Ｋｂ≦１０を満たす振動型アクチュエータの駆動回路に関する。

本発明の一様態によれば、消費電力の少ない振動体の駆動回路、及びそれを有する振動型アクチュエータ、撮像装置、画像形成装置、または塵埃除去装置を実現することができる。

本発明の実施形態における振動体の駆動回路を示す図である。 本発明の実施形態における振動型アクチュエータの駆動原理を説明する図である。 本発明の実施形態における振動体の駆動回路を用いた位置フィードバック制御システムを説明する図である。 本発明の実施形態における駆動回路の電力と出力電圧の計算結果を示す図である。 本発明の実施形態における、Ｋａに基づくコイルとトランス１次巻線コイルの各インダクタンスの関係と、１００ｋＨｚでの交番電圧と消費電力の計算結果を示す図である。 本発明の実施形態における駆動回路の電力と出力電圧の計算結果を示す図である。 本発明を適用した駆動回路における、回路全体の消費電力の実験結果を示す図である。 本発明の実施形態における、複数の振動体とその駆動回路を有する振動型アクチュエータの例を示すものである。 本実施の形態の複数振動体とその駆動回路を有する振動型アクチュエータを示す図である。 本実施の形態の駆動回路における、回路全体の消費電力の実験結果を示す図である。 カメラレンズのオートフォーカス駆動などに用いられる、棒状の振動型アクチュエータの分解斜視図である。 実施の形態２における、Ｋｂに基づく３次高調波の基本波成分に対する電圧振幅の比を示す計算結果である。 実施の形態２における駆動回路の電力と出力電圧の計算結果を示す図である。 進行波型の振動型アクチュエータの構成を示す模式図である。 実施の形態１におけるＬｅとＬ１の合計インダクタンス値とトランス１次巻線コイルに流れる電流値の関係を示すものである。 実施の形態２の振動体とその駆動回路を有する振動型アクチュエータの構成を示すものである。 実施の形態２における、Ｋｂ＝０．２〜３０の範囲で変えた場合の電気共振周波数ｆｅと電圧比を計算した結果である。 本発明の実施の形態１における、Ｋａに基づく電気共振周波数ｆｅの計算結果を示すものである。 本発明の実施の形態１における、Ｋａに基づく電圧比の計算結果を示すものである。 本発明の実施の形態４における、振動体の駆動回路を備える装置の一例であるデジタルカメラ、ロボットの概略構造を示すものである。 本発明の実施形態における駆動回路の電力と出力電圧の計算結果を示す図である。

以下に図面を参照し、本発明の実施の形態の例について説明する。ただし、本発明は、この発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、これに限定されるものではない。

本願において、振動体は、圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子と電気−機械エネルギー変換素子に接合する弾性体を有し、振動子は、前記振動体と移動体を有する。また、振動型アクチュエータは、前記振動子と前記振動体の駆動回路を有する。

本発明の一様態によれば、消費電力の少ない振動型アクチュエータを実現することができる。また、高調波歪みの少ないＳＩＮ駆動波形を生成することでき、回路起因の振動体への不要振動を抑制でき、良好な制御性能を得ることができる。更にまた、製作容易な回路素子の定数を設計することができ、回路の実装面積の縮小を図ることができる。本発明の一様態により、これらの効果を、異なる共振周波数や圧電素子の静電容量、複数振動子の共通化駆動時においても幅広く得る事ができる。

（実施の形態１）
本発明の振動体の駆動回路及び振動型アクチュエータについて、図面を参照しながら説明する。本発明の駆動回路は、次のような振動体に適用される。即ち、本発明の駆動回路が駆動する振動体は、圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子と電気−機械エネルギー変換素子に接合する弾性体を有する。また、振動子は、前記振動体と、前記弾性体に加圧接触して振動体に対して相対的に移動する移動体と、を備える。電気−機械エネルギー変換素子には、位相の異なる複数の交番電圧が各々印加され、弾性体に振動を発生させる。弾性体は、生じた振動により弾性体の駆動部（移動体との接触部）に楕円運動を生じ、この楕円運動によって移動体は弾性体に対して相対的に移動する。例えば、本実施形態の駆動回路は、電気−機械エネルギー変換素子と、電気−機械エネルギー変換素子が接合された板状の弾性体を有する振動体の駆動回路に用いることができる。弾性体は、移動体と摩擦接触する突起状の駆動部を有し、電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することで、駆動部に楕円運動が生成される。

本実施形態は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子を２相に分けて駆動する２相駆動における回路を例にとって説明する。２相駆動の場合、各相に加えられる交番電圧の位相が±９０°ずれる以外は第１と第２相間で差がないので、１相部分のみについて以後説明する。尚、本発明は２相駆動に限定されるものではなく、４相以上の進行波型のアクチュエータなど、幅広く適用できる。また、交番信号を発生する発振器、スイッチング回路についても、発明の本質に関わるものではなく、特に限定されない。従って、下記に示すように、入力側の交番電圧が、電圧Ｖｉである部分から、振動体に印加される出力側の交番電圧が、電圧Ｖｏである部分までの駆動回路についてのみ、以後説明する。

図１（ａ）は本発明の実施形態における振動体の駆動回路及び振動型アクチュエータを示す図である。駆動回路の構成は、振動体１０１にトランス１０３の２次巻線コイル１０５が並列に接続され、トランス１次巻線コイル１０４に直列にインダクタ１０２が接続されている。ここで、インダクタ１０２としては、コイル等のインダクタンス素子を用いることができる。インダクタ１０２は、一般的には高調波の除去と電気共振の調整を目的として用いられるが、本発明ではトランスの回路定数との関連性も考慮して、電気共振周波数の調整と十分な駆動電圧の確保、回路効率の改善、または磁気ノイズの低減を図ることもできる。尚、インダクタ１０２は、トランス１次巻線コイル１０４の上側に図１（ａ）では接続されているが、回路的に等価であるので、下側に接続しても良い。ここで、トランス２次巻線コイル１０５の１次巻線コイル１０４に対する巻線比は１６とした。また、図１６に示すようにインダクタ１６０１をトランス２次巻線コイル１０５に直列に接続することが一般的であるが、本実施の形態では図１（ａ）のようにトランスの１次側に設けるように工夫している。これは、１次側に設けたコイルは２次側のコイルに対して、トランスの相互誘導の作用によりインダクタンスを巻数比の２乗分の１に低減してもインピーダンスが等価なので、同様の電気特性が得られる為である。本発明のようにインダクタ１０２をトランスの１次側に設けることで、インダクタンスが小さいものを使用でき、回路実装面積の縮小を図ることができる。

また、本発明で用いるトランスとしては、回路効率の向上と磁気ノイズの低減、高調波除去を両立する事を目的として、トランスの結合係数Ｔｋが０．９５〜０．９８程度の一般的に磁気結合が高いものを用いるのが望ましい。結合係数が低いものは、トランスからの漏洩磁束が大きく、トランス自体の効率が下がる為である。よって、過剰電圧防止に用いられるリーケージトランスは磁気ノイズの増加と消費電力の増大を招くので、本発明の駆動回路には適さない。

ここで、振動体１０１の等価回路について図１（ｂ）を用いて説明する。図１（ｂ）は、１相部分の振動体１０１を等価回路で表わしたものである。振動体１０１の等価回路は、機械的振動部分のＲＬＣ直列回路と、ＲＬＣ直列回路に並列に接続された振動体１０１の固有静電容量Ｃｄのコンデンサ１０６と、により構成される。ここで、機械的振動部分のＲＬＣ直列回路は、自己インダクタンスＬｍの等価コイル１０７、静電容量Ｃｍの等価コンデンサ１０８、及び抵抗値Ｒｍの等価抵抗１０９を用いて表すことができる。本実施の形態で使用する振動型アクチュエータの各定数は、Ｌｍは５０ｍＨ、Ｃｍは６５ｐＦ、Ｒｍは３ｋΩ、Ｃｄは０．５４ｎＦとする。

本発明において、振動体１０１のメカ共振周波数をｆｍと定義すると、

となる。本実施形態では、ｆｍは８８ｋＨｚとした。

図２は、本実施形態におけるリニア型振動波駆動装置の駆動原理を説明する図である。

図２（ａ）において、弾性体２０３に接着された圧電素子２０４に交番電圧を印加することにより、図２（ｃ）、（ｄ）に示すような２つの振動モードを発生させ、突起部２０２に加圧接触する移動体２０１を矢印方向に移動させる。

図２（ｂ）は圧電素子２０４の電極パターンを示す図であり、例えば振動体２０５の圧電素子２０４には、長手方向で２等分された電極領域が形成されている。

また、各電極領域に対応する圧電層の分極方向は、同一方向（＋）となっている。

圧電素子２０４の２つの電極領域のうち図２（ｂ）の右側に位置する電極領域には交番電圧（Ｖ１）が印加され、左側に位置する電極領域には交番電圧（Ｖ２）が印加される。

Ｖ１およびＶ２をＡモードの共振周波数付近の周波数で、かつ同位相の交番電圧とすると、圧電素子２０４の全体（２つの電極領域）がある瞬間には伸び、また別の瞬間には縮むことになる。

この結果、振動体２０５には図２（ｃ）に示すＡモードの振動が発生することになる。

また、Ｖ１およびＶ２をＢモードの共振周波数付近の周波数で、かつ位相が１８０°ずれた交番電圧とすると、ある瞬間には、圧電素子２０４の右側の電極領域が縮むとともに、左側の電極領域が伸びる。

また、別の瞬間には逆の関係となる。この結果、振動体２０５には図２（ｄ）に示すＢモードの振動が発生することになる。

このように、２つの振動モードを合成することにより、移動体２０１が図２（ａ）の矢印方向に駆動される。

また、２等分された電極へ入力する交番電圧の位相差を変えることにより、ＡモードとＢモードの発生比を変更することができる。

この振動体では、発生比を変えることにより移動体の速度を変更させることが可能となる。

図３は、本発明の実施形態における振動型アクチュエータの駆動回路を用いた位置フィードバック制御システムを説明する図である。

不図示のコントローラより位置指令が与えられ、制御回路３０１に入力される。制御回路３０１では、位置検出回路３０９で得られた検出位置と位置指令との差分により偏差が演算される。制御回路３０１は偏差情報に基づき、制御回路３０１内のＰＩＤ補償器による演算が行われ、駆動パラメータとなる制御信号が出力される。ここで、ＰＩＤ補償器とは、比例（Ｐ）・積分（Ｉ）・微分（Ｄ）の各機能を有する補償器の出力を加算したものであり、制御対象の位相遅れやゲインを補償して、安定且つ高精度な制御系を構築するために一般的に用いられる。

振動体の制御パラメータである周波数、位相差、パルス幅情報を有する制御信号が制御回路から出力され、パルス発生器３０２に入力される。パルス発生器３０２は、入力された制御信号に応じて駆動周波数が変化するパルス信号を発生させるものであり、デジタル分周回路やＶＣＯ（電圧制御発振器）などが用いられる。また、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により、制御信号に応じてパルス幅が変化するパルス信号を発生させても良い。パルス発生器３０２から出力されたパルス信号は、スイッチング回路３０４に入力され、位相が９０°異なる２相の交番電圧が出力される。スイッチング回路３０４は、ＤＣ電源３０３から供給された直流電圧を入力パルス信号のタイミングでスイッチングし、矩形波の交番電圧を生成する。前記交番電圧は図１（ａ）で示した構成の駆動回路３０５に入力され、所望の駆動電圧に昇圧される。

駆動回路３０５から出力されたＳＩＮ波の交番電圧はフレキ３０６を介して圧電素子２０４に印加され、振動体２０５と移動体２０１とが相対移動する。移動体２０１に取り付けられた位置スケール３０７の相対位置を位置センサ３０８によって検出し、位置検出回路３０９で位置情報を検出する。位置情報は制御回路３０１に入力され、位置指令に近づくように振動体２０５はフィードバック制御される。

図４は、本発明の実施形態における駆動回路の電力と出力電圧の計算結果を示す図である。本計算は、図１（ａ）で示した駆動回路の構成と回路定数を用いている。図４（ａ）は回路全体で消費する電力を示し、図４（ｂ）は出力側の交番電圧Ｖｏ（圧電素子の印加電圧）を示している。消費電力は、コイルの直流抵抗０．９Ωとトランスの２次巻線コイルの抵抗８０Ω、そして圧電素子の等価回路定数を考慮して計算した。ここで、入力側の交番電圧Ｖｉは６Ｖｐｐとして、トランスによって約１６倍の昇圧率が得られるように設定した。横軸は周波数を示し、振動体のメカ共振周波数ｆｍが８８ｋＨｚであるので、駆動周波数範囲は９０〜１００ｋＨｚとした。本実施の形態で使用する振動体は、１００ｋＨｚ以下より起動する事ができ、起動時は低速で駆動を開始する。そして、駆動周波数をメカ共振周波数に向けて低側にスイープしていく事で速度を上げる事ができる。メカ共振周波数を超えると振動体の崖落ち現象で振動が急激に停止し、再度周波数を上げても駆動できなくなるので、安定して駆動する為に９０ｋＨｚより大きな周波数を用いる。この駆動周波数範囲において、電力と駆動電圧の変化に注目する。ここで、電圧入力側に設けられたコイル、トランス、及び圧電素子の固有静電容量Ｃｄによって生成される回路の、電気共振ピークの周波数をｆｅとする。振動体の駆動周波数として、ｆｍより大きく、後述の回路全体の電気共振周波数ｆｅ（図４では１３５〜２４０ｋＨｚ）より低い周波数範囲を使用する事で、駆動電圧の変化がなだらかな領域で駆動でき、急激な速度変化を抑えることができる。従って、振動体を精度良く駆動でき、性能の高い振動型アクチュエータを実現できる。

ここで、電圧入力側に設けられたコイル１０２のインダクタンスをＬｅ１、トランス１次巻線コイル１０４のインダクタンスをＬ１とし、そのインダクタンス比を下記Ｋａとして定義する。
Ｋａ＝Ｌ１／Ｌｅ１ （式１−２）

前記Ｋａは、振動体のメカ共振周波数や固有静電容量の違いに対応可能なように一般化する為に定義したパラメータである。つまり、Ｋａを本発明で述べる適切な範囲に設定すれば、振動型アクチュエータを駆動する上で最適な回路を構成する事が可能となる。

図１５は、実施の形態１におけるインダクダンスＬｅ１とインダクタンスＬ１の合計インダクタンス値とトランス１次巻線コイルに流れる電流値の関係を示すものである。横軸はトランス１次側の電流値、縦軸は合計インダクタンス値である。１次側の入力電圧をＶｉｎ、電圧オン時間をＴｏｎ、駆動周波数をｆｄ、電流値をＩとすると、合計インダクタンス値は下記式にて算出される。

ここで、Ｖｉｎを３Ｖ、Ｔｏｎを５．６μｓとし、周波数は９０ｋＨｚ、駆動パルス幅５０％で計算した。合計インダクタンス値と電流は逆数の関係にあるため、電流を小さくするには合計インダクタンス値を大きくする必要がある。一方、電流値には、トランスが磁気飽和を起こさないための上限値がある。上記を考慮すると、本実施の形態で使用するトランスに流れる電流の最大値は、０．５Ａである。従って、図１５より、合計インダクタンス値は、３３μＨ以上が必要と求められる。一方、必要以上にインダクタンスを大きくすると、巻線コイルの配線抵抗が増えて消費電力が増えてしまう。よって、合計インダクタンス値を、３３μＨに対して余裕をみて、４０μＨに設定した。尚、Ｖｉｎ、Ｔｏｎ、Ｉは使用する電源やトランスによって条件が変わるので、上式に基づいて合計インダクタンス値を調整すれば良い。

図４に、Ｋａを０．１〜１０の範囲で変化させた計算結果をプロットしたものを示す。横軸は周波数であり、（ａ）は回路消費電力、（ｂ）は出力側の交番電圧Ｖｏを示す。尚、コイル１０２とトランス１次巻線コイル１０４の合計インダクタンス、Ｌｅ１＋Ｌ１は、前記の理由から４０μＨに設定し、Ｋａの値を振っている。例えば、Ｋａ＝１の場合、Ｌｅ１＝２０μＨ、Ｌ１＝２０μＨと設定される。まず、図４（ａ）の回路消費電力をみると、２つのピークが存在する。低周波数側は８８ｋＨｚ付近であり、これはメカ共振周波数付近で圧電素子に電流が大きく流れる事を意味している。高周波数側は１３５〜２４０ｋＨｚの範囲でピーク周波数が変化しており、Ｋａの値によって、電気的共振周波数が変化することが分かる。これはＫａに基づいて回路の電気的共振特性を調整可能な事を意味しており、電気共振周波数を低域側にシフトして３次高調波を低減する事ができる。ここで、駆動周波数を１００ｋＨｚとした場合、図４（ａ）及び図４（ｂ）より、Ｋａの値によって回路の消費電力と駆動電圧が変化する様子がわかる。すなわち、Ｋａを最適化する事によって回路の消費電力を低減しつつ、十分な交番電圧を出力する回路を構成できる。Ｋａの最適化に際して、電気共振周波数ｆｅと交番電圧の特性をまとめたものを次に説明する。

図１８は、本発明の実施形態における、Ｋａに基づく電気共振周波数ｆｅの計算結果を示すものである。Ｋａの変更によってｆｅを低域側に調整することができるので、後述の理由から３次高調波を低減でき、回路効率の向上が図れる。ここで、トランス１次巻線コイル１０４のインダクタンスＬ１の値を１μＨ、１０μＨ、３０μＨ、１００μＨの各条件で比較した。１μＨはトランスの巻線コイルとしては実現可能な最小値と考えて良い。

図１８（ａ）は、巻数比１６倍でＣｄが０．４７ｎＦの条件において、Ｋａを０．２〜３０まで振った場合の結果である。図からわかるように、Ｋａ≦１０の時、電気共振周波数ｆｅの値が小さくなっていることから、Ｋａ≦１０にすることで効果的にｆｅを低域側にシフトする事ができる。すなわち、３次高調波の基本波に対する比を小さくできる。この傾向は、Ｌ１の値を変えても同様である事がわかった。図１８（ｂ）は、巻数比１０倍でＣｄが０．４７ｎＦの条件における結果、図１８（ｃ）は、巻数比１０倍でＣｄが３．５ｎＦの条件における結果である。これらの結果より、トランスの巻数比や圧電素子の固有静電容量が変わっても、Ｋａ≦１０であればより小さいインダクタンスでｆｅを低域側に調整できる事がわかった。

本実施の形態では、ｆｅを低域側に調整することで３次高調波の基本波に対する比を小さくできるＫａの値を適正範囲とし、
Ｋａ≦１０ （式１−４）
である事を導きだした。Ｋａの値が適正であれば、振動型アクチュエータの回路消費電力を低減する事ができる。

例えば、振動体の構造や大きさ、振動モードが異なる振動子では、共振周波数や圧電素子の静電容量が異なるため、振動子毎に回路定数を変更する必要がある。さらには、同じ振動体であっても、駆動対象の振動体が複数個である場合は、駆動回路の共通化を図ると静電容量が個数に応じて増えるので、回路の電気共振特性が振動体が単数の場合と異なってしまう。また、複数の振動体に対応する駆動回路を設計する場合、駆動回路の各素子のインダクタンス値など設計パラメータは多く、必要な駆動電圧を単に出力するだけであれば、無数の組合せが存在する。これらの回路定数の組合せは主に設計者の判断に委ねられているが、その結果は振動子の駆動時の消費電力や制御性に大きく影響する事となる。

本発明の駆動回路は、振動体の構造や大きさ、振動モードや数に拘らず、回路効率がよく、回路の消費電力が低減された駆動回路である。

また、従来は、上記課題を解決する、トランス昇圧を用いた駆動回路の各定数の体系化された決定手法は無かった。一方、本発明の駆動回路は、例えばトランス昇圧回路であり、コイルとトランス定数の関係、及び複数振動体の個数とトランスのインダクタンス値に着目して、Ｋａ≦１０を満たすように駆動回路を設計することで、回路効率のよい駆動回路を設計することができる。

上述の通り、トランスの１次側のコイルを流れる電流が、最大許容入力電流値Ｉｍａｘを超えると、トランスが磁気飽和状態となり、昇圧を適切に行うことができない。ここで、１次側の入力電圧Ｖｉｎ及び電圧オン時間Ｔｏｎは、入力側に接続される電源や、振動体を所望の条件で駆動するために交番電圧に求められる周波数や振幅により、それぞれ取りうる値が決まり、設計の自由度は大きくない。（式１−３）に示す通り、入力電流値Ｉは、１次側の入力電圧Ｖｉｎ、電圧オン時間Ｔｏｎ、及びインダクダンスＬｅ１とインダクタンスＬ１の合計インダクタンス値によって決まる。よって、インダクダンスＬｅ１とインダクタンスＬ１の合計インダクタンス値を下記（式１−５）を満たすように設定することで、入力電流が最大許容入力電流値Ｉｍａｘを超えるのを防ぎ、入力電圧を安定して昇圧することが可能になる。

更に、上述の通り、インダクダンスＬｅ１とインダクタンスＬ１の比を（式１−４）を満たす値とすることで、効果的にｆｅを低域側にシフトする事、すなわち、３次高調波の基本波に対する比を小さくすることができる。よって、（式１−４）に基づいて適切な範囲に設定されたＫａ、及び（式１−５）に基づいて算出された合計インダクタンス値を用いることによって、トランスが磁気飽和を起こさず、巻線コイルの抵抗がより小さい回路定数を選択することができ、更に、回路効率が向上した振動体の駆動回路を実現することができる。

図１９は、本発明の実施形態における、Ｋａに基づく電圧比の計算結果を示すものである。図１９における電圧比は、Ｖｏ／Ｖｉｎ／Ｒで規格化したものであり、入出力の電圧比を巻数比Ｒで除したものである。巻数比Ｒで除した電圧比を評価することで、入力電圧と巻数比の値に依らずに、本発明の効果を説明できる。尚、トランス１次巻線コイル１０４のインダクタンスＬ１の値は、図１８と同様に、１μＨ、１０μＨ、３０μＨ、１００μＨの条件で確認したが、条件による違いが生じなかったので、３０μＨの場合の計算結果のみをプロットした。理想的な電圧比は１であるが、ｆｅを低域側へ調整する効果とのトレードオフにより、ある程度の低下は避けられない。したがって、ｆｅの低域側への調整を考慮すると、電圧比が、０．５以上となる構成が好ましいと考えられる。

図１９（ａ）は、巻数比１６倍でＣｄが０．４７ｎＦの条件において、Ｋａを０．２〜３０まで振った場合の結果である。図のように、Ｋａ≧１であれば電圧比は０．５以上となる事がわかった。図１９（ｂ）は、巻数比１０倍でＣｄが０．４７ｎＦの条件における結果、図１９（ｃ）は、巻数比１０倍でＣｄが３．５ｎＦの条件における結果である。これらの結果より、トランスの巻数比や圧電素子の固有静電容量が変わっても、電圧比とＫａの関係は同様の傾向を示しており、Ｋａ≧１であればトランス巻数比の半分以上の電圧（電圧比０．５以上）が得られる事がわかった。

本実施の形態では、（式１−４）の範囲に加えて、巻数比の半分以上の駆動電圧が得られるＫａの値は、
１≦Ｋａ （式１−６）
である事を導きだした。よって、Ｋａの値が１≦Ｋａ≦１０であれば、振動型アクチュエータの回路消費電力を低減した上で、良好な駆動電圧を得る事ができる。さらには、より小さいインダクタンスのトランスの設計が可能となるので、製作容易な回路素子を設計する事ができる。トランスやコイルの外形サイズは、その巻数比やインダクタンス値によって決まるので、回路実装面積を小さくするにはこれらの値を下げる事が必要である。また、高調波の電流を低減できるので、トランスからの磁気ノイズも低減する事ができる。

前述のＫａの計算では、広範囲の条件下で一般化した適正範囲の結果を説明したが、次の図では、巻数比や固有静電容量、駆動周波数といった条件を固定した場合の具体例を説明する。図５は、本発明の実施形態における、Ｋａに基づくコイルとトランス１次巻線コイルの各インダクタンスの関係と、１００ｋＨｚでの交番電圧と消費電力の計算結果を示す図である。図５（ａ）は、Ｋａに基づくコイル１０２とトランス１次巻線コイル１０４の各インダクタンス（Ｌｅ１、Ｌ１）の関係を示す。Ｌｅ１とＬ１の合計値は４０μＨであり、Ｋａを０〜１０まで変えている。計算結果に基づき試作した回路を評価した結果、更に、Ｋａ＝１．５〜３．０の範囲で後述のように回路消費電力が最も低減された。したがって、コイル１０２とトランス１次巻線コイル１０４のインダクタンス（Ｌｅ１、Ｌ１）の関係は、１．５≦Ｋａ≦３．０とすることが、より好ましい。

図５（ｂ）に、Ｋａに基づく３次高調波の基本波に対する電圧の比の結果を示す。３次高調波を分子、基本波を分母とする。３次高調波の電圧は、駆動周波数を１００ｋＨｚとしたので３倍の３００ｋＨｚでの電圧値である。トランスの１次側に入力される交番電圧Ｖｉは上述の通り矩形波であり、矩形波に含まれる高調波成分は３次高調波が最も大きく、続いて５次、７次と生じる。つまり、３次高調波の比が大きいと、波形歪みの大きいＳＩＮ波となり、不要な電流が流れるので効率低下や磁気ノイズの発生を招く。Ｋａが大きくなるに従い回路の電気共振周波数ｆｅが高域側にシフトするので、３次高調波の比が大きくなる。図５（ｂ）より、Ｋａの値が、Ｋａ≦５を満たす時、Ｌｅ１＋Ｌ１の値が、２０μＨ、４０μＨ、及び６０μＨの全ての場合において、基本波の電圧の方が、３次高調波の電圧よりも大きな値となる。従って、高調波の影響を低減する観点からは、ＫａはＫａ≦５を満たすことが、好ましい。

更に、３次高調波の電圧の、基本波の電圧に対する比が０．５以下であると高い回路効率を得ることができるため、一次巻線コイルのインダクダンスＬ１を、図５（ｂ）のグラフを作成して、決定してもよい。つまり、駆動周波数を基本波とした電圧振幅をＶ１、３次高調波の電圧振幅をＶ３とすると、一次巻線コイル１０４とコイル１０２は、前記交番電圧の３次高調波の比Ｖ３／Ｖ１が０．５以下となるインダクタンス値であることが好ましい。

図５（ｃ）に、Ｋａに基づく回路消費電力の結果を示す。ここで、回路消費電力とは、圧電素子を含む駆動回路全体の電力である。図より、Ｌｅ１とＬ１の合計値が２０μＨの場合はＫａが大きくなるにつれて消費電力が増加する。これは、３次高調波が大きくなると電流が増え、巻線コイルの配線抵抗での消費電力が増加する為である。次に、Ｌｅ１とＬ１の合計値が６０μＨの場合は、Ｋａ＝３において、図５（ｄ）より駆動電圧は１６０Ｖｐｐが得られ、図５（ｃ）より消費電力は５００ｍＷである。対して、合計値４０μＨの場合、駆動電圧は１２５Ｖｐｐが得られ、消費電力は４００ｍＷと小さい。つまり、合計値６０μＨの場合は駆動電圧が大きい分、消費電力も増加する傾向にある。前述のトランスの磁気飽和の点では、Ｌｅ１とＬ１の合計値は、６０μＨとしても良い。また、合計値を４０μＨとすることで、更に消費電力を小さくすることができる。インダクタンスを小さくすればより小型のトランスを使用する事ができ、回路の実装面積の縮小を図ることができる。

十分な昇圧効果と高調波の低減を実現するためには、電気共振周波数ｆｅと振動体のメカ共振周波数ｆｍが、下記の（式１−７）を満たすことが好ましい。
１．３０・ｆｍ＜ｆｅ＜２．５０・ｆｍ （式１−７）

これによって、基本波に対する第３次高調波の電圧比を１．０以下とする事ができる。３次高調波等の高調波成分の影響を低減するためには、上記の他に、圧電素子の静電容量Ｃｄ、トランスの巻き数比を調整してもよい。しかし、Ｃｄを調整する場合、入力電流の増加を招くので消費電力が増加してしまう。巻き数比を調整する場合、駆動回路の入力電圧を変更しなければならず、使用する電源の制約が生じて難しい。よって、電気共振周波数ｆｅと振動体のメカ共振周波数ｆｍを上記の（式１−７）を満たす値とすることによって十分な昇圧効果が得られ、高調波を低減できる。つまり、振動体の駆動回路を設計する際、Ｌｅ１とＬ１の合計値とその比であるＫａを、（式１−７）が成立するように決めていくことで、十分な昇圧効果と高調波の低減を実現できる。

具体例を以下に示す。図５（ｄ）に、Ｋａに基づく交番電圧Ｖｏの結果を示す。Ｌｅ１とＬ１の合計値は２０μＨ、４０μＨ、６０μＨのケースを併せてプロットしている。いずれのケースにおいても、Ｋａ＝０〜１の領域にかけて急激に交番電圧Ｖｏが増大し、Ｌｅ１＋Ｌ１が２０μＨ、４０μＨの場合は、Ｋａ＝１〜５の領域にかけて電圧が緩やかに上昇し、Ｋａ＝５〜１０の領域で電圧変化がほぼ無くなる。また、Ｌｅ１＋Ｌ１が６０μＨの場合は、Ｋａ＝１〜５の領域にかけて電圧が高い値の範囲で緩やかに上昇及びわずかに下降し、Ｋａ＝５〜１０の領域で電圧変化がほぼ無くなる。これは、Ｋａ≧１で十分な昇圧効果が得られ、Ｋａ≧５では昇圧効果が飽和する事を意味している。したがって、昇圧効果が効果的に得られるのは、Ｋａが、Ｋａ≦５を満たしている場合である。よって、昇圧効果を効果的に得るという観点からは、Ｋａの値をＫａ≦５を満たすようにすることが、好ましい。本実施形態の振動型アクチュエータでは、交番電圧が９０Ｖｐｐ以上、好ましくは１２０Ｖｐｐを確保することにより、十分な制御性能を得る事ができる。

次に、電気共振周波数ｆｅの範囲について説明する。前述した図４において、１≦Ｋａ≦１０の範囲でｆｅは１３５〜１８０ｋＨｚ（ｆｍの１．５３〜２．０５倍）であった。これは、Ｌｅ１とＬ１の合計値が４０μＨの場合である。

図６は、Ｌｅ１とＬ１の合計値６０μＨにおける回路消費電力と交番電圧Ｖｏの計算結果を示す図である。図６（ａ）は回路消費電力を示し、図６（ｂ）は出力側の交番電圧Ｖｏを示す。図５（ｂ）より、Ｌｅ１とＬ１の合計値が２０μＨ、４０μＨ、及び６０μＨの３つの場合では、６０μＨの時が、基本波に対する第３次高調波の電圧比が最も小さい。よって、３次高調波を低減する事を最優先する場合は、このように、Ｌｅ１とＬ１の合計値６０μＨのケースを用いても良い。Ｋａ＝１〜１０の領域をプロットすると、電気共振周波数ｆｅは１１５〜１５０ｋＨｚ（ｆｍの１．３０〜１．７０倍）となる。

図２１は、Ｌｅ１とＬ１の合計値２０μＨにおける回路消費電力と交番電圧Ｖｏの計算結果を示す図である。図２１（ａ）は回路消費電力を示し、図２１（ｂ）は出力側の交番電圧Ｖｏを示す。図５（ｂ）より、Ｌｅ１とＬ１の合計値が２０μＨの場合、基本波に対する第３次高調波の電圧比が１．０以下であるＫａ＝１〜５の領域をプロットすると、電気共振周波数ｆｅは１８８〜２２０ｋＨｚ（ｆｍの２．１４〜２．５０倍）となる。

電気共振周波数ｆｅは、Ｌｅ１と静電容量Ｃｄによる直列電気共振、及びＬ１と静電容量Ｃｄによる並列電気共振を両方用いたものであり、インダクタンスが小さいほど応答周期が短くなり、共振周波数は大きくな」。したがって、他の条件が一定の場合、電気共振周波数ｆｅは、Ｌｅ１とＬ１の合計値が小さくなるほど、大きな値となる。

よって、駆動に用いる基本波以外の高調波の影響を低減し、振動体に実用に適した振動モードを励起するためには、前記のＬｅ１とＬ１の合計値が２０μＨから６０μＨまでの範囲に含まれる場合、ｆｅの適正範囲は、上述の（式１−７）で表すことができる。

よって、本駆動回路において、少なくとも、前記インダクタ、前記トランス、及び前記電気−機械エネルギー変換素子の静電容量とによる電気共振のピーク周波数をｆｅ、前記電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体の共振周波数をｆｍ、前記インダクタのインダクタンスをＬｅ１、前記トランスの１次巻線コイルのインダクタンスをＬ１、及び、Ｋａ＝Ｌ１／Ｌｅ１とした場合に、駆動回路を、これらの値が１．３０・ｆｍ＜ｆｅ＜２．５０・ｆｍ、及びＫａ≦１０を満たすように設計することで、高調波の影響が低減され、回路の消費電力が低減される。よって、駆動回路内、または振動型アクチュエータ内を流れる不要な電流を抑制し、回路効率が向上した駆動回路、及び効率のよい振動型アクチュエータを実現することができる。

図７は、本実施の形態の駆動回路における、回路全体の消費電力の実験結果を示す図である。横軸は振動子駆動時の速度、縦軸は消費電力を示す。本発明における消費電力の低減効果を示す為、比較例をプロットしている。以下、インダクタ１０２であるコイルのインダクタンスをＬｅ１、トランス１次巻線コイルのインダクタンスをＬ１、トランス１次巻線コイル１０４のインダクタンスをＬ２とする。比較例は、Ｌ１＝３０μＨ、Ｌ２＝１２ｍＨで巻数比２０倍のトランスと、Ｌｅ１＝１μＨのコイルとから成る回路であり、Ｋａ＝３０である。本発明の適用例１は、Ｌ１＝３０μＨ、Ｌ２＝１２ｍＨで巻数比２０倍のトランスと、Ｌｅ１＝５．６μＨのコイルとから成る回路であり、Ｋａ＝５．３である。本発明の適用例２は、Ｌ１＝６．２５μＨ、Ｌ２＝２．５ｍＨで巻数比２０倍のトランスと、Ｌｅ１＝５．６μＨのコイルとから成る回路であり、Ｋａ＝１．１である。本発明の適用例３は、Ｌ１＝３０μＨ、Ｌ２＝７．６８ｍＨで巻数比１６倍のトランスと、Ｌｅ１＝１０μＨのコイルとから成る回路であり、Ｋａ＝３である。いずれのケースも、回路が出力する駆動電圧が１２０Ｖｐｐ程度になるよう、電源電圧を２．７５Ｖ〜３．５の範囲で調整している。比較例は、十分に電圧は確保されているが、Ｋａが大きいため高調波成分が大きく、効率低下を招いている。これに対して、本発明の適用例は、消費電力の値が概ね１．０Ｗ以下となっており、いずれも比較例に対して高調波を抑制し、消費電力が低減されている。本発明の適用例３は適用例１より高調波の比率が小さいので、消費電力を更に抑制できている。また、本発明の適用例３は適用例２より駆動電圧の低下を抑制できるため、必要な駆動力を得るために電源から投入する電力を抑制できるため消費電力が少なくなっている。よって、本発明適用例３が最も効率の良い結果となっている。

本発明の振動体の駆動回路は、撮像装置におけるレンズ駆動や撮像素子の移動に用いることができる。また、その他の振動型アクチュエータにも適用できる。図１１は、カメラレンズのズーム駆動やオートフォーカス駆動に用いることができる、棒状の振動子の分解斜視図である。振動子は、振動体１１０１と、移動体１１０２を有する。振動体１１０１は、摩擦材料から成る摩擦部を含む第１の弾性体１１０３、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子１１０４、圧電素子１１０４への給電用のフレキシブルプリント基板１１０５、第２の弾性体１１０６を有する。これら部材は、シャフト１１０７の突き当てフランジ部１１０７ａとシャフト１１０７下部のネジ部１１０７ｂに嵌る下ナット１１０８で挟まれ、加圧締結されている。第１の弾性体１１０３は、例えばアルミナを主成分とする焼結セラミックであり、上下両面を両刀研削した後に上面の摩擦面側が仕上げポリッシュされている。移動体１１０２は、接触ばね１１０９及びロータ１１１０とを含む。接触ばね１１０９は、ロータ１１１０に例えば接着固定されている。これにより、移動体１１０２は、フランジ１１１１の軸受部によって回転自在に支持された出力ギア１１１２と加圧ばね１１１３によって振動体１１０１の摩擦面１１１４に加圧接触されている。移動体１１０２の接触ばね１１０９はステンレスの絞り加工で小さなクランク断面を持つ円筒形状に形成されており、下端面が移動体の摩擦面として振動体の第１の弾性体の摩擦面１１１４と当接している。フレキシブルプリント基板１１０５を介して、不図示の電源から圧電素子１１０４に交番信号を印加する。それにより第１の弾性体１１０３の摩擦面には直交する２方向の１次の曲げ振動が励起され、時間位相π／２で重ね合せることによって、摩擦面１１１４に回転楕円運動を生じさせる。これにより、摩擦面に加圧接触する接触ばね１１０９を振動体１１０１に対して相対移動させる。

上記の棒状の振動子に本発明の駆動回路である図１（ａ）を適用した。振動体１１０１のメカ共振周波数ｆｍは４２ｋＨｚ、固有静電容量Ｃｄは９ｎＦである。ここで、電源電圧は５Ｖ、トランスの巻数比は８倍に設定し、駆動周波数範囲４２．５〜４４ｋＨｚにおいて、必要とする駆動電圧７０〜１１０Ｖｐｐが得られるよう設計した。以下、コイルのインダクタンスをＬｅ１、トランス１次巻線コイルのインダクタンスをＬ１、トランス１次巻線コイルのインダクタンスをＬ２とする。本発明を適用して、Ｌ１＝２７μＨ、Ｌ２＝１．７３ｍＨのトランスと、Ｌｅ１＝１５μＨのコイルとから成る駆動回路を試作した。この場合、Ｋａ＝１．８である。比較用に、Ｋａ＝０．３６で、電源電圧は６Ｖ、トランスの巻数比は１０倍、Ｌ１＝８μＨ、Ｌ２＝８００μＨのトランスと、Ｌｅ１＝２２μＨのコイルとから成る回路を検討した。図は省略するが、本発明を適用した回路は駆動電圧が１．３倍で、且つ消費電力は半分に低減することができた。このように、本実施形態の駆動回路は、圧電素子の共振周波数ｆｍや固有静電容量Ｃｄが異なる振動型アクチュエータにおいても適用可能である。

本発明の振動体の駆動回路は、例えば、画像生成装置における転写ドラムの回転駆動などに用いられる、円環型の振動体にも適用することが可能である。図１４は、進行波型の振動子の構成を示す模式図である。まず、本実施形態における振動子の概要を説明する。

図１４（ａ）は、進行波型の振動子の断面を示す模式図である。共用のハウジング１４０１上に、振動子は１つの出力軸１４０２を介して接続されている。振動体１４０３の圧電素子１４０４に設けられた駆動電極に不図示の駆動回路から出力された２相の交番電圧を印加することによって、移動体１４０６は同一方向に回転駆動する。図１４（ｂ）は振動子の一部を示す斜視図である。振動子は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子１４０４と弾性体１４０５を有する振動体１４０３と、移動体１４０６と、を備える。各部材は図中θ方向に円環形状を為している。圧電素子１４０４に２相の交番電圧が印加されると、振動体１４０３に進行波が発生し、振動体１４０３に接触する移動体１４０６は摩擦駆動によって振動体と相対的に回転する。

上記の進行波型の振動子に本発明の駆動回路である図１（ａ）を適用した。振動体１４０３のメカ共振周波数ｆｍは４４ｋＨｚ、固有静電容量Ｃｄは３．５ｎＦである。ここで、電源電圧２４Ｖ、トランスの巻数比は１０倍に設定し、駆動周波数範囲４５〜５０ｋＨｚにおいて、５００Ｖｐｐの駆動電圧が得られるように設計した。以下、コイルのインダクタンスをＬｅ１、トランス１次巻線コイルのインダクタンスをＬ１、トランス１次巻線コイルのインダクタンスをＬ２とする。本発明を適用した場合、Ｌ１＝１５μＨ、Ｌ２＝１．５０ｍＨのトランスと、Ｌｅ１＝１０μＨのコイルとから成る回路であり、Ｋａ＝１．５と設定した。結果、所望の駆動電圧を確保した上で、回路効率が良く、良好な駆動特性を得る事ができる。電気共振周波数をより小さいインダクタンスのトランスとコイルを用いて低域側に調整し、高調波歪みの少ないＳＩＮ駆動波形を生成することにより、不要な電流を抑える事ができる為である。このように、進行波型の振動型アクチュエータにも適用できる。

本発明の振動体の駆動回路の適用例は、上記に限定されず、例えば、振動体が塵埃除去装置である場合、つまり、塵埃除去装置の駆動回路にも用いることができる。

（実施の形態２）
次に、トランスの２次側にコイルを設けた場合の回路構成の例を説明する。図１６は、実施の形態２の駆動回路の構成を示すものである。トランスの２次側にインダクタ１６０１としてコイルが設けられており、そのインダクタンスをＬｅ２、トランス２次巻線コイルのインダクタンスをＬ２として、そのインダクタンス比をＫｂとして定義する。
Ｋｂ＝Ｌ２／Ｌｅ２ （式２−１）

本実施の形態において、トランス１次側の入力電圧Ｖｉ、使用するトランスの巻数比と電流の上限値、振動体のメカ共振周波数などの各種定数、必要な駆動電圧は実施の形態１と同じ値である。まず、トランスの１次側に流れる電流値の上限から、トランス１次巻線コイルのインダクタンスＬ１は４０μＨに設定される。よって、トランスの巻線比をＲとすると、トランス２次巻線コイルのインダクタンス値Ｌ２は下式より１０．２４ｍＨとなる。
Ｌ２＝Ｌ１×Ｒ^２ （式２−２）

図１７は、本発明の実施形態における、Ｋｂに基づく電気共振周波数ｆｅと電圧比の計算結果を示すものである。Ｋａと同様に、Ｋｂに応じてｆｅを低周波数領域側に調整することができるので、３次高調波を低減でき回路効率の向上が図れる。ここで、トランス２次巻線コイル１０５のインダクタンスＬ２の値を０．２５６ｍＨ、２．５６ｍＨ、７．６８ｍＨ、２５．６ｍＨの各条件で比較した。巻数比は１６倍としたので、０．２５６ｍＨの場合はトランスの１次巻線コイルは実現可能な最小値１μＨに相当する。

図１７（ａ）は、巻数比１６倍でＣｄが０．４７ｎＦの条件において、Ｋｂを０．２〜３０まで振った場合のｆｅの計算結果である。図のように、Ｋｂ≦１０にすることで効果的にｆｅを低域側にシフトする事ができる。すなわち、３次高調波の基本波に対する比を小さくできる。この傾向は、Ｌ２の値を変えても同様である事がわかった。Ｋａと同様に、トランスの巻数比や圧電素子の固有静電容量が変わっても、Ｋｂ≦１０であればｆｅを低域側に調整する事ができる。

本実施の形態では、ｆｅを低域側に調整することで３次高調波の基本波に対する比を小さくできるＫｂの値を適正範囲とすると、Ｋｂは下記（式（２−３）を満たすことが好ましい。
Ｋｂ≦１０ （式２−３）

Ｋｂの値を上記（式２−３）を満たす値とすることで、振動型アクチュエータの回路消費電力を、効果的に低減する事ができる。

図１７（ｂ）は、Ｋｂに基づく電圧比の計算結果を示すものである。電圧比はＶｏ／Ｖｉｎ／Ｒで規格化しており、入出力の電圧比を巻数比Ｒで除したものである。図のように、すべてのＫｂの範囲で電圧比は０．５以上となる事がわかった。すなわち、トランスの２次側に設けるインダクタのインダクタンスＬｅ２によって、出力電圧はほとんど影響を受けない。対して、Ｋａの場合は影響を受けていた。この理由は、トランスの１次巻線コイル１０４に供給される電圧の違いに依るものである。Ｋａの場合、入力電圧はコイル１０２と１次巻線コイル１０４に分圧されるので、Ｌｅ１が大きいと１次巻線コイル１０４に供給される電圧が小さくなる一方、Ｋｂの場合は、入力電圧は全て１次巻線コイル１０４に供給されるので、分圧されずに昇圧される為である。図１２に、Ｋｂに基づく３次高調波の基本波に対する電圧振幅の比を示す。ここでは、Ｌ２が５．１２ｍＨ、７．６８ｍＨ、１０．２４ｍＨの場合について説明する。３次高調波を分子、基本波を分母とする。３次高調波の電圧は、駆動周波数が１００ｋＨｚなので３倍の３００ｋＨｚでの値である。トランスの１次側に入力される交番電圧Ｖｉは上述の通り矩形波であり、矩形波に含まれる高調波成分は３次高調波が最も大きい。Ｋｂが大きくなるに従い、コイル１６０１のインダクタンスＬｅ２は小さくなり、３次高調波の比が大きくなる。３次高調波の比が０．５以下となる条件は、Ｌ２が５．１２ｍＨの場合は、Ｋｂの値が、Ｋｂ≦約５を満たす時であり、Ｌ２が１０．２４ｍＨの場合は、Ｋｂの値が、Ｋｂ≦約１０を満たす時である。

図１３は、実施の形態２における回路消費電力と交番電圧Ｖｏの計算結果を示す図である。トランスの定数は、Ｌ１は４０μＨ、Ｌ２は１０．２４ｍＨで、１≦Ｋｂ≦５の範囲の計算結果を示す。また、トランスの２次側に配されるコイル１６０１のインダクタンスＬｅ２は、Ｋｂ＝５の場合は２．０５ｍＨ、Ｋｂ＝１の場合は１０．２４ｍＨである。横軸は周波数で、図１３（ａ）は回路全体で消費する電力を示し、図１３（ｂ）は出力側の交番電圧Ｖｏを示す。図１３（ｂ）より、Ｋｂが大きくなるに従い、回路の電気共振周波数ｆｅが高域側にシフトしていく様子がわかる。なお、Ｋｂ≦１０の範囲において、前述の図１２より、Ｋｂ＝１〜２の領域で最も３次高調波を低減でき、大きな駆動電圧が得られる傾向にある。一方、電気共振周波数ｆｅが駆動周波数の上限１００ｋＨｚに近いので、Ｋｂの値をＫｂ＝１〜２の範囲内の値とする場合、過剰な電圧が振動体に印加されないように抵抗をトランス１次側或いは２次側に設けてピーク電圧を落とすように設計すればよい。また、Ｋｂ＝３〜５の領域では、電気共振周波数ｆｅが１１５〜１３５ｋＨｚ（ｆｍの１．３０〜１．５３倍）である。この場合、前述の図１２の結果より、３次高調波の基本波に対する比は０．０７〜０．１５と小さく、３次高調波の影響が小さく、消費電力が小さい。また、前述の図１７の結果より、必要な駆動電圧は得られている。従って、本実施の形態の振動型アクチュエータであれば、Ｋｂ＝３〜５の領域で使用するのがより好ましい。

（実施の形態３）
図８は、本発明の実施形態における、複数の振動体から構成された振動型アクチュエータの例を示すものである。本実施形態では、トランスの２次側に３個の振動体が並列に接続された駆動回路を用いて駆動する。図８（ａ）は本実施形態の３個の振動体を用いた振動型アクチュエータの構成を示す図である。８０１は振動型アクチュエータのベースとなるベース板、８０３、８０４、８０５は移動体８０２を回転駆動させる振動体である。振動体は実施の形態１と同様の振動体であり、３個の振動体に駆動回路の出力端子が並列に接続され、２相の駆動信号がそれぞれ、フレキシブルケーブル８０９を介して供給される。そして、共通の駆動回路８１０で３個の振動体が駆動される。駆動電圧が印加されると、各振動体に駆動力を発生する振動波が生じ、移動体８０２は、振動体８０３、８０４、及び８０５の駆動力の合力によって、回転軸８０７を中心に回転駆動される。本実施形態の如く３個の振動体を用いることにより、合成された回転駆動力が移動体８０２に働くので、トルクを最大で３倍に上げる事が可能となる。８０６は位置センサであり、移動体８０２の回転位置を検出する。

図８（ｂ）は同装置の側面図である。振動体８０３、８０４、８０５は２点突起を持つ振動部材と圧電素子（不図示）を接着などで一体化し、取り付け部材を介してベース板８０１に取り付けられている。また、位置センサ８０６の上面には円板状のスケール部８０８が設けられている。スケール部８０８が回転方向に移動することで移動量に応じた位置信号が位置センサ８０６から出力される。

図９は本実施の形態の複数の振動体を含む振動型アクチュエータにおける、振動体１相分の駆動回路を示す図である。駆動回路の構成は、トランス１次巻線コイル９０６に直列にインダクタ９０４が接続され、トランス９０５の２次巻線コイル９０７には振動体９０１、９０２、９０３が並列に接続されている。ここで、インダクタ９０４としては、コイル等のインダクタンス素子を用いることができる。尚、インダクタ９０４は、トランス１次巻線コイル９０６の上側に図９（ａ）では接続されているが、回路的には等価なので下側に接続しても良い。ここで、トランス２次巻線コイル９０７の１次巻線コイル９０６に対する巻線比は２０とした。

ここで、振動体９０１の等価回路について図９（ｂ）を用いて説明する。図９（ｂ）は、１相部分の振動体９０１を等価回路で表わしたものである。振動体９０１の等価回路は、機械的振動部分のＲＬＣ直列回路と、ＲＬＣ直列回路に並列に接続された振動体９０１の固有静電容量Ｃｄのコンデンサ９０８と、により構成される。ここで、機械的振動部分のＲＬＣ直列回路は、自己インダクタンスＬｍの等価コイル９０９、静電容量Ｃｍの等価コンデンサ９１０、及び抵抗値Ｒｍの等価抵抗９１１を用いて表すことができる。Ｌｍは５０ｍＨ、Ｃｍは６５ｐＦ、Ｒｍは３ｋΩ、Ｃｄは０．５４ｎＦとした。また、振動体９０２、９０３も同様の等価回路で表わされる。従って、３個の振動体の固有静電容量は３倍の１．６２ｎＦとなる。

本実施形態に示すような、トランスの２次巻線に複数の振動体が並列に接続されており、トランスを共通化して複数の振動体を駆動する場合は、トランスのインダクタンスを次のように設定すると電気的にマッチングを取ることができる。ここで、Ｎ個の振動体を共通の駆動回路で駆動する場合のトランスの巻線比をＲ、トランス１次巻線コイルをＬｎ１、２次巻線コイルのインダクタンスＬｎ２、１次側のコイルをＬｅｎ１とする。これに対して、実施の形態１の駆動回路である図１（ａ）におけるトランスの１次巻線コイルのインダクタンスをＬ１とすると、
Ｌｎ２＝Ｌ１・Ｒ^２／Ｎ
Ｌｎ１＝Ｌ１／Ｎ
Ｌｅｎ１＝Ｌｎ１／Ｋａ （式３−１）
と設定すれば良い。この理由は、複数の振動体を並列接続する場合、振動体の固有静電容量がＮ倍なのでインピーダンスが１／Ｎになり、電流がＮ倍流れる。これとトランス２次巻線コイルのインピーダンスを等価にするには、インダクタンスを１／Ｎにすれば良く、同様に電流をＮ倍流せるようになる。例えば、図３で説明した１個の振動体を駆動する場合のトランスの２次巻線コイル１０５のインダクタンスＬ２（＝Ｌ１・Ｒ^２）は、７．６８ｍＨであった。これに基づいてマッチングを取ると、Ｎ＝３であるので、Ｌｎ２は２．５６ｍＨと計算される。本実施の形態ではＬｎ２は２．５０ｍＨとした。従って、巻数比Ｒｎが２０倍の場合、トランス１次巻線コイルのインダクタンスＬｎ１は６．２５μＨとなり、Ｋａ＝３に設定すればコイルＬｅｎ１は２．０８μＨと各回路定数を決定できる。上記方法にてトランス巻線コイルのインダクタンスを決定することにより、インダクタンスを必要十分な大きさに設定することができる。すなわち、必要以上にインダクタンスを大きくする必要がなく、結果としてトランスの巻線抵抗を低減することができる。

また、トランスの２次側にコイルを設けた駆動回路においても、複数の振動体を並列接続して駆動する場合は、以下のように定数を決めることができる。Ｎ個の振動体を共通の駆動回路で駆動する場合のトランスの巻線比をＲ、トランス１次巻線コイルをＬｎ１、２次巻線コイルのインダクタンスＬｎ２、２次側のコイルをＬｅｎ２とする。これに対して、実施の形態２の駆動回路である図１６におけるトランスの２次巻線コイルのインダクタンスをＬ２とすると、
Ｌｎ２＝Ｌ２／Ｎ
Ｌｎ１＝Ｌ２／Ｎ／Ｒ^２
Ｌｅｎ２＝Ｌｎ２／Ｋｂ （式３−２）
と設定すれば良い。

図１０は、本実施形態の駆動回路における、回路全体の消費電力の実験結果を示す図である。横軸は超音波モータ駆動時の速度、縦軸は消費電力を示す。消費電力の本発明による低減効果を示す為、比較例をプロットしている。以下、インダクタ９０４であるコイルのインダクタンスをＬｅｎ１、トランス１次巻線コイル９０６のインダクタンスをＬｎ１、トランス２次巻線コイル９０７のインダクタンスをＬｎ２とする。比較例は、Ｌｎ１＝３０μＨ、Ｌｎ２＝７．６８ｍＨで巻数比１６倍のトランスと、Ｌｅｎ１＝１μＨのコイルとから成る回路であり、Ｋａ＝３０である。本発明の適用例は、Ｌｎ１＝６．２５μＨ、Ｌｎ２＝２．５ｍＨで巻数比２０倍のトランスと、Ｌｅｎ１＝２．０８μＨのコイルとから成る回路であり、Ｋａ＝３．０である。いずれのケースも、回路が出力する駆動電圧が１２０Ｖｐｐ程度になるよう、電源電圧を３．０Ｖ〜３．５の範囲で調整している。比較例は、トランスの巻線コイルのインダクタンスが大きいので抵抗値が大きく、回路効率が悪い。つまり、マッチングが取れていない。ここで、Ｋａを小さくすると、電気共振周波数ｆｅがメカ共振ｆｍに近い値となってしまい、過剰な電圧が印加されてしまう。また、トランスの巻線コイルの抵抗値が大きい場合、分圧比の関係から振動体に印加される駆動電圧は低下してしまう。従って、電源電圧を３．５Ｖまで上げる必要があり、これも効率低下の要因となる。本発明適用例は、Ｋａを最適な値に設定して十分な駆動電圧と高調波の抑制を実現した上で、トランスのインダクタンスを複数の振動体に対してマッチングを図ることで巻線抵抗を下げることができ、回路効率の良い駆動回路を実現できる。

（実施の形態４）
本実施形態では、上述した各実施形態に係る振動体の駆動回路を備える装置の一例としての撮像装置について説明する。図２０（ａ）は、撮像装置の一例であるデジタルカメラ４００の概略構造を示す斜視図であり、一部を透過した状態で図示している。

デジタルカメラ４００の前面には、レンズ鏡筒４１０が取り付けられており、レンズ鏡筒４１０の内部には、フォーカスレンズ４０７を含む複数のレンズ（不図示）と、手ぶれ補正光学系４０３が配置されている。手ぶれ補正光学系４０３は、２軸のコアレスモータ４０４、４０５の回転が伝達されることによって、上下方向（Ｙ方向）と左右方向（Ｘ方向）に振動可能となっている。

デジタルカメラ４００の本体側には、デジタルカメラ４００の全体的な動作を制御するマイコン（ＭＰＵ）４０９と、撮像素子４０８が配置されている。撮像素子４０８は、ＣＭＯＳセンサ或いはＣＣＤセンサ等の光電変換デバイスであり、レンズ鏡筒４１０を通過した光が結像した光学像をアナログ電気信号に変換する。よって、撮像素子４０８はフォーカスレンズ４０７の光軸上に配置されている。撮像素子４０８から出力されるアナログ電気信号は、不図示のＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された後、不図示の画像処理回路による所定の画像処理を経て、画像データ（映像データ）として不図示の半導体メモリ等の記憶媒体に記憶される。

また、デジタルカメラ４００の本体側には、内部装置として、上下方向（ピッチング）の手ぶれ量（振動）を検出するジャイロセンサ４０１と、左右方向（ヨーイング）の手ぶれ量（振動）を検出するジャイロセンサ４０２が配置されている。ジャイロセンサ４０１、４０２によって検出された振動の逆方向にコアレスモータ４０４、４０５が駆動され、手ぶれ補正光学系４０３の光軸を振動させる。その結果、手ぶれによる光軸の振動が打ち消され、手ぶれが補正された良好な写真を撮影することができる。

振動体は、不図示のギア列を介してレンズ鏡筒４１０に配置されたフォーカスレンズ４０７を光軸方向に駆動する駆動ユニット３００として用いられる。但し、これに限定されず、振動体は、ズームレンズ（不図示）の駆動等、任意のレンズの駆動や、コアレスモータ４０４、４０５の代わりに、手ぶれ補正時の撮像素子の駆動に用いることができる。

また、上述した各実施形態に係る振動体の駆動回路は、産業用ロボットに適用してもよい。

図２０（ｂ）は、振動型駆動装置を搭載したロボット１００の概略構造を示す斜視図であり、ここでは、産業用ロボットの一種である水平多関節ロボットを例示している。振動体は、ロボット１００において、アーム関節部１１１やハンド部１１２に内蔵される。アーム関節部１１１は、２本のアーム１２０が交差する角度を変えることができるように、２本のアームを接続する。ハンド部１１２は、アーム１２０と、アーム１２０の一端に取り付けられる把持部１２１と、アーム１２０と把持部１２１とを接続するハンド関節部１２２とを有する。振動体は、アーム１２０同士の角度を変化させるアーム関節部１１１や、把持部１２１を、所定角度、回転させるハンド関節部１２２に用いられる。

その他、上述した各実施形態に係る振動体の駆動回路は、画像形成装置や、上述の塵埃除去装置に設けることもできる。前記振動体の駆動回路は、前記画像形成装置では、例えば、回転ドラムの駆動に用いることができる。また、前記振動体の駆動回路は、塵埃除去装置において、基板上に前記振動体が設けられ、前記振動体を駆動回路で駆動することにより基板を振動させ、前記基板上の塵埃を除去することができる。この塵埃除去装置は、例えば撮像装置のレンズの光軸上に設けることができる。

上述の各実施形態に係る振動体の駆動装置を適用することで、撮像装置、ロボット、塵埃除去装置、または画像形成装置において、低消費電力化を実現することができる。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。

１０１ 振動体
１０２ インダクタ
１０３ トランス
１０４ トランス１次巻線コイル
１０５ トランス２次巻線コイル
１０６ 振動体の固有静電容量Ｃｄのコンデンサ
１０７ 振動体の自己インダクタンスＬｍの等価コイル
１０８ 振動体の静電容量Ｃｍの等価コンデンサ
１０９ 振動体の抵抗値Ｒｍの等価抵抗
２０１ 移動体
２０５ 振動型アクチュエータ

Claims (15)

1. トランスと、インダクタと、を有し、
   前記トランスの１次コイルに前記インダクタが接続され、
   前記トランスの２次コイルに電気−機械エネルギー変換素子が接続され、
   前記インダクタのインダクタンスをＬｅ１、
   前記１次コイルのインダクタンスをＬ１、
   Ｋａ＝Ｌ１／Ｌｅ１とした場合に、
   １≦Ｋａ≦１０
   を満たす振動体の駆動回路。
2. 前記駆動回路の入力電圧をＶｉｎ、電圧オン時間をＴｏｎ、最大許容入力電流をＩとした場合に、前記インダクタのインダクタンスＬｅ１と前記１次コイルのインダクタンスＬ１の合計値は、
   

   

   
   を満たす請求項１に記載の振動体の駆動回路。
3. 前記インダクタ、前記トランス、及び前記電気−機械エネルギー変換素子の静電容量を含む電気共振のピーク周波数をｆｅ、
   前記電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体の共振周波数をｆｍとした場合に、 １．３０・ｆｍ＜ｆｅ＜２．５０・ｆｍ
   を満たす請求項１または２に記載の振動体の駆動回路。
4. 前記トランスの２次コイルにＮ個の前記電気−機械エネルギー変換素子が並列に接続され、
   前記トランスの巻数比をＲ、
   前記２次コイルのインダクタンスをＬｎ２とした場合に、
   Ｌｎ２＝Ｌ１・Ｒ^２／Ｎ
   を満たす請求項１乃至３のいずれか１項に振動体の駆動回路。
5. 前記インダクタ及び前記１次コイルは、
   Ｋａ≦５
   を満たす請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路。
6. 前記インダクタ及び前記１次コイルは、
   １．５≦Ｋａ≦３
   を満たす請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路。
7. 前記インダクタンスＬ１と前記インダクタンスＬｅ１の合計値は、
   前記駆動回路が出力する交番電圧の、周波数を基本波とした電圧振幅をＶ１、３次高調波の電圧振幅をＶ３として、
   前記インダクタ及び前記１次コイルは、前記交番電圧の３次高調波の比Ｖ３／Ｖ１が０．５以下となるインダクタンス値を有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路。
8. トランスと、インダクタと、を有し、
   前記トランスの２次コイルに前記インダクタと電気−機械エネルギー変換素子とが直列に接続され、
   前記インダクタのインダクタンスをＬｅ２、
   前記２次コイルのインダクタンスをＬ２、
   Ｋｂ＝Ｌ２／Ｌｅ２とした場合に、
   Ｋｂ≦１０
   を満たす振動体の駆動回路。
9. 前記インダクタンスＬ２と前記インダクタンスＬｅ２の合計値は、
   前記駆動回路が出力する交番電圧の、周波数を基本波とした電圧振幅をＶ１、３次高調波の電圧振幅をＶ３として、
   前記２次コイルと前記インダクタは、前記交番電圧の３次高調波の比Ｖ３／Ｖ１が０．５以下となるインダクタンス値を有する請求項８に記載の振動体の駆動回路。
10. 前記トランスの２次コイルにＮ個の前記電気−機械エネルギー変換素子が並列に接続され、
    前記トランスの２次コイルのインダクタンスをＬｎ２とすると、
    Ｌｎ２＝Ｌ２／Ｎ
    を満たす請求項８または９に記載の振動体の駆動回路。
11. 前記電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体と、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路と、を有する振動型アクチュエータ。
12. レンズと、
    前記レンズの光軸上に設けられた撮像素子と、
    前記レンズを駆動するように構成された請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路と、を有する撮像装置。
13. レンズと、
    前記レンズの光軸上に設けられた撮像素子と、
    前記撮像素子を駆動するように構成された請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路と、を有する撮像装置。
14. 転写ドラムと、
    前記転写ドラムの回転駆動に用いられる請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路と、を有する画像生成装置。
15. 基板と、
    前記基板に設けられた前記振動体と、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動体の駆動回路と、を有する塵埃除去装置。

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