JP6448406B2 - Vibrating actuator, control method therefor, and optical instrument - Google Patents
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Description
本発明は、超音波モータ等の振動型アクチュエータとその制御方法、光学機器に関する。 The present invention relates to a vibration type actuator such as an ultrasonic motor, a control method therefor, and an optical apparatus.
超音波モータは、小型軽量、高速駆動、かつ、静音駆動という特徴をもち、撮像装置のレンズ鏡筒等に採用されている。特許文献１には、リニア駆動用の超音波モータが開示されている。この超音波モータは、圧電素子が固定された矩形状の振動板と、振動板上に設けられた接触部と接触する摩擦部材から構成される。圧電素子が発生する振動により、振動板に設けられた突起先端に楕円運動が発生する。振動板はこの楕円運動により駆動力を得て、摩擦部材に対して移動する。圧電素子は二つの分極領域を有しており、各分極領域への入力電圧の位相差が制御される（位相差制御法）。これにより突起先端の楕円運動の軌跡が変化するので、振動板の移動速度を制御できる。
Ultrasonic motors have the characteristics of small size, light weight, high speed drive, and silent drive, and are used in lens barrels of image pickup apparatuses.
位相差制御法では、圧電素子の二つの分極領域への入力電圧の位相差を制御することにより、突起先端の楕円運動の軌跡を変化させて振動板の速度制御が行われる。また、周波数制御法では駆動周波数の制御によって速度を制御する。周波数制御法に比べて、位相差制御法の利点は、低速度領域における駆動が可能なことである。しかし、位相差制御法において、位相差が０°または１８０°付近の位相差領域では駆動力が小さくなる。このため、駆動状態が不安定となるか、あるいは駆動が停止する領域、すなわち不感帯が存在する場合がある。不感帯が存在する場合には、超音波モータの制御系にて不感帯の影響により、所望の制御特性が得られない可能性がある。
本発明の目的は、振動型アクチュエータの駆動において制御性を向上させることである。
In the phase difference control method, by controlling the phase difference of the input voltage to the two polarization regions of the piezoelectric element, the speed of the diaphragm is controlled by changing the locus of the elliptical motion of the tip of the protrusion. In the frequency control method, the speed is controlled by controlling the driving frequency. The advantage of the phase difference control method compared to the frequency control method is that it can be driven in a low speed region. However, in the phase difference control method, the driving force is small in the phase difference region where the phase difference is near 0 ° or 180 °. For this reason, the drive state may become unstable or there may be a region where the drive stops, that is, a dead zone. If there is a dead zone, there is a possibility that desired control characteristics cannot be obtained due to the dead zone in the control system of the ultrasonic motor.
An object of the present invention is to improve controllability in driving a vibration type actuator.
本発明に係る装置は、振動部材および該振動部材に固定された圧電素子を用いる振動型アクチュエータであって、前記振動部材と接触して当該振動部材に対して相対的に移動する摩擦部材と、前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を取得して前記圧電素子の駆動を制御する制御手段と、を備える。前記圧電素子は、複数の分極領域を有しており、前記制御手段は、前記複数の分極領域にそれぞれ印加する電圧の位相差を制御する場合、第１の位相差領域にて前記位相差を設定する第１の制御と、前記第１の位相差領域よりも範囲が狭い第２の位相差領域にて前記位相差を設定する第２の制御を行う。 An apparatus according to the present invention is a vibration type actuator using a vibration member and a piezoelectric element fixed to the vibration member, and a friction member that contacts the vibration member and moves relative to the vibration member; Control means for acquiring relative position information of the vibration member with respect to the friction member and controlling driving of the piezoelectric element. The piezoelectric element has a plurality of polarization regions, and the control means controls the phase difference in the first phase difference region when controlling the phase difference between voltages applied to the plurality of polarization regions. First control to be set and second control to set the phase difference in a second phase difference region having a narrower range than the first phase difference region are performed.
本発明によれば、振動型アクチュエータの駆動において制御性を向上させることができる。 According to the present invention, controllability can be improved in driving the vibration type actuator.
以下、添付図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。各実施形態では振動型アクチュエータとして超音波モータを例示して機構および動作を説明する。超音波モータは、小型軽量かつ広い駆動速度レンジが要求される電子機器、例えばレンズ駆動装置等に利用可能である。振動型アクチュエータにより、レンズ等の光学部材を駆動する光学機器（レンズ装置、撮像装置等）に適用可能である。一実施例としての超音波モータは、矩形状の振動板と、該振動板に対して相対的に移動する摩擦部材を備える。本明細書中において、振動板の長辺方向をＸ方向、短辺方向をＹ方向とそれぞれ定義する。また、振動板における略矩形状の面の法線方向（厚さ方向）をＺ方向とする。Ｚ方向において、振動板から摩擦部材へ向かう方向を＋Ｚ方向と定義し、その逆方向を−Ｚ方向と定義する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In each embodiment, the mechanism and the operation will be described by exemplifying an ultrasonic motor as a vibration type actuator. Ultrasonic motors can be used in electronic devices that require a small, lightweight and wide driving speed range, such as lens driving devices. The present invention can be applied to an optical device (lens device, imaging device, etc.) that drives an optical member such as a lens by a vibration actuator. An ultrasonic motor as one embodiment includes a rectangular diaphragm and a friction member that moves relative to the diaphragm. In this specification, the long side direction of the diaphragm is defined as the X direction, and the short side direction is defined as the Y direction. Further, the normal direction (thickness direction) of the substantially rectangular surface of the diaphragm is defined as the Z direction. In the Z direction, the direction from the diaphragm toward the friction member is defined as + Z direction, and the opposite direction is defined as -Z direction.
［第１の実施形態］
図１から図８を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の超音波モータ１０の基本的な構成を説明するための図である。図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は正面図である。図１（Ｃ）および図１（Ｄ）はそれぞれ異なる方向から見た場合の側面図である。図１（Ｅ）は底面図である。超音波モータ１０は、振動板１と圧電素子２を備える。
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram for explaining a basic configuration of an
振動板１は、矩形状の平板部を有する振動部材である。平板部上には突起部１ａ，１ｂがＸ方向にて所定の間隔をおいて設けられている。突起部１ａ，１ｂについては、絞り加工により平板部と一体成型してもよいし、別部材を平板部に接着で固定してもよい。振動板１には高周波振動する圧電素子２が固定されている。
The
圧電素子２は、図１（Ａ）に示すように、同方向に分極された２箇所の分極領域２ａ，２ｂを有する。分極領域２ａがＡ相に割り当てられ、分極領域２ｂがＢ相に割り当てられている。Ａ相およびＢ相とは、図示しない外部電源から圧電素子２へ位相差を持つ２相の電圧をそれぞれ入力する場合の２つの相である。圧電素子２は、分極されていない領域２ｃを有し、当該領域２ｃは圧電素子２の裏面２ｅの全面電極から側面２ｄの領域の電極を経由して導通されたグランドとして使用される電極部である。
As shown in FIG. 1A, the
振動板１の矩形状の面における短辺部には、Ｘ方向に延在する連結部１ｃ，１ｄがそれぞれ設けられている。連結部１ｃ，１ｄは振動板１と同期して移動し、後述する振動板の保持部材に対し、直接的又は間接的に連結される。連結部１ｃ，１ｄは、振動板１と圧電素子２の振動において変位が小さい部分に設けられており、十分に剛性が弱いので、振動を阻害しにくい形状に設計される。従って、連結部１ｃ，１ｄは振動板１と圧電素子２の振動にほとんど影響を与えない。
圧電素子２に対し、Ａ相とＢ相との位相差を−９０°から＋９０°まで変化させた交流電圧を印加することによって、高周波振動が発生する。圧電素子２の高周波振動によって振動板１には、以下の固有振動モードが励振される。
・振動板１の短辺方向（Ｙ方向）の曲げ振動に係る１次の固有振動モード（以下、第１のモードという）。
・振動板１の長辺方向（Ｘ方向）の曲げ振動に係る２次の固有振動モード（以下、第２のモードという）。
突起部１ａ，１ｂは第１のモードの腹（図１（Ｅ）におけるＸ参照）の近傍であって、かつ、第２のモードの節（図１（Ｅ）におけるＹ１およびＹ２参照）の近傍に設けられる。図１（Ｅ）にＹ１とＹ２で示す各位置はＹ方向の中心線Ｙ０に関して対称である。
By applying an AC voltage in which the phase difference between the A phase and the B phase is changed from −90 ° to + 90 ° to the
A primary natural vibration mode (hereinafter referred to as a first mode) related to bending vibration in the short side direction (Y direction) of the
A secondary natural vibration mode (hereinafter referred to as a second mode) related to bending vibration in the long side direction (X direction) of the
The
図２を参照して、振動の様相について説明する。図２は、Ａ相に対してＢ相の位相を約９０°遅らせた交流電圧を、圧電素子２に印加した場合の振動例を示す模式図である。図２（Ａ）は、Ａ相とＢ相の各交流電圧の波形例を示す。横軸は時間Ｔを表し、縦軸は電圧Ｖを表す。矢印で示す各時点Ｐ１からＰ４は、Ａ相とＢ相についてそれぞれ位相の異なる時点を示す。Ｐ１の時点ではＡ相電圧が正値でＢ相電圧が負値であり、Ｐ２の時点ではＡ相電圧およびＢ相電圧が正値である。Ｐ３の時点ではＡ相電圧が負値でＢ相電圧が正値であり、Ｐ４の時点ではＡ相電圧およびＢ相電圧が負値である。つまり、Ｐ２とＰ４の時点でＡ相電圧とＢ相電圧は互いに同符号の関係であり、Ｐ１とＰ３の時点でＡ相電圧とＢ相電圧は互いに逆符号の関係である。図２（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、図１（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に対応する。図２（Ｂ）はＹ方向から見た場合の図、図２（Ｃ）はＸ方向から見た場合の図、図２（Ｄ）はＸ方向にて図２（Ｂ）とは反対側から見た場合の図である。これらの図は、図２（Ａ）に矢印で示すＰ１からＰ４の各時点に対して、所定時間の遅れをそれぞれ有するＱ１からＱ４の各時点における振動状態を示している。なお、図２において圧電素子２と、連結部１ｃ，１ｄについては図示の簡略化のため省略する。
The aspect of vibration will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of vibration when an AC voltage obtained by delaying the phase of the B phase by about 90 ° with respect to the A phase is applied to the
Ａ相電圧とＢ相電圧として同符号の電圧が印加される場合（例えば図２（Ａ）に示すＰ２およびＰ４）、Ａ相とＢ相とで同様の伸縮が生じる。これにより、第１のモードが励振され、図２（Ｃ）にてＺ１で示すように突起部１ａ，１ｂの先端部のＺ方向における振幅が最大となる。他方、Ａ相電圧とＢ相電圧として異符号の電圧が印加される場合（例えば図２（Ａ）に示すＰ１およびＰ３）、Ａ相とＢ相とで逆方向の伸縮が生じる。これにより、第２のモードが励振され、図２（Ｂ）にてＸ１で示すように突起部１ａ，１ｂの先端部のＸ方向における振幅が最大となる。Ａ相に対してＢ相の位相を約９０°遅らせて交流電圧を圧電素子２に印加すると、突起部１ａ，１ｂの先端部には図示のような楕円運動がそれぞれ発生する。突起部１ａ，１ｂの先端部は、後述の摩擦部材（図３：符号３参照）に当接するので、突起部１ａ，１ｂの楕円運動により生じる、摩擦部材と突起部１ａ，１ｂとの摩擦で振動板１は推進力を得る。すなわち、振動板１は図２（Ｂ）に示す＋Ｘ方向（右方向を正方向とする）に相対移動する。
When voltages having the same sign are applied as the A phase voltage and the B phase voltage (for example, P2 and P4 shown in FIG. 2A), the same expansion and contraction occurs in the A phase and the B phase. Thus, the first mode is excited, the
また、Ａ相に対してＢ相の位相を約９０°進めて交流電圧を圧電素子２に印加した場合には、図２に示した振動状態によって生成される楕円運動とは反対方向の楕円運動が発生する。よって、突起部１ａ，１ｂの楕円運動により生じる、摩擦部材と突起部１ａ，１ｂとの摩擦で振動板１は推進力を得る。すなわち、振動板１は図２（Ｂ）に示すＸ方向の矢印とは反対の−Ｘ方向（左方向を負方向とする）に相対移動する。
Further, when an AC voltage is applied to the
次に、図３を参照して、超音波モータ１０を利用したリニア駆動装置２０の構成を説明する。リニア駆動装置２０は、例えば撮影レンズ装置や撮像装置等において、光学部材を光軸方向に沿って移動させる機構部に使用される。図３はリニア駆動装置２０の概略図である。図３（Ａ）は超音波モータ１０の進行方向から見た場合の正面図である。図３（Ａ）では紙面に直交する方向がＸ方向であり、左右方向がＹ方向、上下方向がＺ方向である。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３（Ｂ）では紙面に直交する方向がＹ方向であり、左右方向がＸ方向、上下方向がＺ方向である。
Next, the configuration of the
図３に示す圧電素子２は振動板１に固定されている。摩擦部材３には、振動板１の突起部１ａ，１ｂが加圧されて接触している。圧電素子２の駆動により、振動板１に高周波振動が発生し、振動板１は摩擦部材３に対してＸ方向に相対移動することができる。振動板保持部材４は振動板１と同期して移動する。振動板保持部材４は、第１の支持部４ａにおいて振動板１を連結部１ｃ，１ｄで支持する。本実施形態では振動板保持部材４にて、第１の支持部４ａが２箇所に設けられている。振動板保持部材４は、第２の支持部４ｂにおいてローラ４１を回転自在に軸支する。ローラ４１は、摩擦部材３の裏面、つまり突起部１ａ，１ｂとの接触面とは反対側の面で回転摺動する。本実施形態では、ローラ４１の数が２であり、それらに対応して第２の支持部４ｂは４箇所に設けられる。ローラ４１は駆動の際の摺動抵抗を低減するために設けられた転動部材である。本実施形態に限らず、転動コロ等を用いる機構でもよい。
The
加圧ばね４２は、振動板１を摩擦部材３に対して圧接させるための付勢部材である。加圧ばね４２は、その一端部４２ａが圧電素子２に当接し、他端部４２ｂが振動板保持部材４に当接している。加圧ばね４２の加圧力により、突起部１ａ，１ｂは摩擦部材３に圧接されるので、図２の矢印に示すように楕円運動による駆動力で振動板保持部材４を＋Ｘ方向へ移動させる推進力が得られる。
The
図４を参照して、本実施形態における位相差制御法について説明する。図４はＡ相に対するＢ相の位相差が小さい交流電圧を圧電素子２に印加した場合の振動の様子を示す。図４（Ａ）は、図２（Ａ）に対応し、Ａ相とＢ相の位相関係を示す。横軸ｔは時間を表し、縦軸ｖは電圧を表す。図４（Ａ）ではＡ相電圧に対するＢ相電圧の位相差が小さい。図４（Ｂ）から（Ｄ）に示す各振動状態は、図２（Ｂ）から（Ｄ）で説明した振動状態にそれぞれ対応する。図４（Ｂ）に示すＸ２は、突起部１ａ，１ｂの先端部のＸ方向における振幅を表し、図４（Ｃ）に示すＺ２は、突起部１ａ，１ｂの先端部のＺ方向における振幅を表す。
With reference to FIG. 4, the phase difference control method in the present embodiment will be described. FIG. 4 shows a state of vibration when an AC voltage having a small phase difference between the B phase and the B phase is applied to the
Ａ相に対するＢ相の位相差が０°近傍である場合には、図２の場合と比べて、Ａ相およびＢ相として異符号の電圧が印加される時間がほとんどない。このため、第２のモードの振幅、すなわち移動方向の振幅（図４（Ｂ）に示すＸ２）が小さくなる。この結果、突起部１ａ，１ｂの先端部に図４（Ｂ）に示すような楕円運動が発生するので、振動板１はＸ方向に低速で相対的に移動する。
When the phase difference between the A phase and the B phase is around 0 °, compared to the case of FIG. 2, there is almost no time for applying voltages having different signs as the A phase and the B phase. For this reason, the amplitude of the second mode, that is, the amplitude in the movement direction (X 2 shown in FIG. 4B) is reduced. As a result, an elliptical motion as shown in FIG. 4B occurs at the tips of the
図５は突起部１ａ，１ｂの先端部に発生する楕円運動の軌跡を示す。横軸はＸ軸であり、縦軸はＺ軸である。図５（Ａ）は、Ａ相とＢ相の各入力電圧の位相差（以下、θと記す）が９０°の場合であり、円形の軌跡を示す。図５（Ｂ）は「０°＜θ＜９０°」の場合であり、Ｘ方向に比べてＺ方向に長い楕円の軌跡を示す。図５（Ｃ）は「９０°＜θ＜１８０°」の場合であり、Ｚ方向に比べてＸ方向に長い楕円の軌跡を示す。各図において、ＡＺ１、ＡＺ２、ＡＺ３は振動板１の加圧方向、すなわちＺ方向の振幅をそれぞれ示し、ＡＸ１、ＡＸ２、ＡＸ３は振動板１の移動方向、すなわちＸ方向の振幅をそれぞれ示す。
FIG. 5 shows the locus of elliptical motion generated at the tip of the
図５（Ｂ）に示すように、「０°＜θ＜９０°」の場合には、図５（Ａ）の場合（θ＝９０°）と比較して加圧方向の振幅が大きくなり、移動方向の振幅が小さくなる。すなわち、ＡＺ２＞ＡＺ１、ＡＸ２＜ＡＸ１となる。また、図５（Ｃ）に示すように、「９０°＜θ＜１８０°」の場合には、図５（Ａ）の場合（θ＝９０°）と比較して加圧方向の振幅が小さくなり、移動方向の振幅が大きくなる。すなわち、ＡＺ３＜ＡＺ１、ＡＸ３＞ＡＸ１となる。このように位相差θを９０°よりも小さくすると移動方向の振幅ＡＸが小さくなるため、速度が小さくなる。すなわち、位相差θを制御することによって振動板１を低速度で制御できる。一方、位相差θを９０°よりも大きくすると加圧方向の振幅ＡＺが次第に小さくなっていく。この場合、加圧方向の振幅ＡＺが、突起部１ａ，１ｂの先端部と摩擦部材との表面粗さよりも小さくなると、振動板１が駆動できなくなる。加圧方向の振幅ＡＺが突起部１ａ，１ｂの先端部と摩擦部材との表面粗さよりも十分に大きいことは、振動板１の駆動が可能となるための必要条件である。この条件を満たすように、位相差θの範囲を決定する必要がある。なお、本明細書中では、位相差θの範囲を−９０°〜＋９０°として説明する。
As shown in FIG. 5B, in the case of “0 ° <θ <90 °”, the amplitude in the pressurizing direction is larger than in the case of FIG. 5A (θ = 90 °), The amplitude in the moving direction is reduced. That is, A Z2 > A Z1 and A X2 <A X1 . Further, as shown in FIG. 5C, when “90 ° <θ <180 °”, the amplitude in the pressurizing direction is smaller than in the case of FIG. 5A (θ = 90 °). Thus, the amplitude in the moving direction is increased. That is, the A Z3 <A Z1 ,A X3> A X1. Thus the amplitude A X of the moving direction of the phase difference θ is smaller than 90 ° is small, the speed is reduced. That is, the
一般的に、超音波モータでは入力電圧や周波数を制御することによって速度制御が行われる。低速度での制御において、入力電圧や周波数を小さくしていくと楕円運動の加圧方向の振幅ＡＺが小さくなり、遂には駆動できなくなる。このように、入力電圧や周波数による速度制御では低速領域において一定の不感帯が存在する。一方、位相差による速度制御では、前述の通り位相差θを変化させることにより、楕円運動の加圧方向の振幅ＡＺと移動方向の振幅ＡＸがそれぞれ変化する。すなわち、加圧方向の振幅ＡＺの大きさをある程度維持したまま移動方向の振幅ＡＸを小さくすることができる。その結果、入力電圧や周波数をパラメータとする速度制御と比較して、より低速での駆動が可能となる。したがって、位相差による速度制御の方が低速領域の制御では有利である。 Generally, in an ultrasonic motor, speed control is performed by controlling an input voltage and frequency. In control at low speed, if the input voltage or frequency is decreased, the amplitude AZ of the elliptical motion in the pressurizing direction is decreased, and finally it cannot be driven. As described above, in the speed control based on the input voltage and the frequency, there is a certain dead zone in the low speed region. On the other hand, at a rate controlled by the phase difference, by varying the previously described phase difference theta, amplitude A Z and the amplitude A X in the moving direction of the pressing direction of the elliptical motion is changed, respectively. That is, it is possible to reduce the amplitude A X of size to some extent maintaining the as the moving direction of the amplitude A Z of the pressing direction. As a result, it is possible to drive at a lower speed than speed control using the input voltage and frequency as parameters. Therefore, the speed control based on the phase difference is more advantageous for the control in the low speed region.
以上説明した通り、超音波モータ１０では、高周波振動により振動板１の突起部１ａ，１ｂに楕円運動が発生し、これにより摩擦部材３に対して振動板１が相対的に移動できる。Ａ相およびＢ相の入力電圧の位相差を制御することによって振動板１の速度制御が行える。
As described above, in the
以下に、図６を参照して、超音波モータ１０の駆動装置３０について説明する。図６は駆動装置３０の構成例を示すブロック図である。
位置検出部５１は振動板１の相対位置を検出し、検出信号を位相差制御部５２の位置偏差算出部６１に出力する。位置検出部５１は、例えば光学式のエンコーダ等を備え、振動板１の位置情報を検出する。位置検出部５１における検出手段の種類および測定原理の如何は問わない。位相差制御部５２は、位置検出部５１によって検出された位置情報に応じて、圧電素子２の分極領域２ａ，２ｂへの入力電圧の位相差を制御する。位相差制御部５２は、位置検出部５１によって検出された位置が、目標位置に近づくように位相差を制御する。位相差とは、図示しない外部電源から圧電素子２の分極領域２ａ，２ｂへのそれぞれ入力される電圧の位相差である。位相差制御部５２にてフィードバック制御が行われる。
Below, with reference to FIG. 6, the
The
位相差制御部５２の位置偏差算出部６１には、位置検出部５１によって検出された位置情報ｘと、図示しないコントローラからの目標位置情報ｘｔとが入力され、両情報の位置偏差ｅ（＝ｘｔ−ｘ）が出力される。位置偏差ｅはＰＩＤ補償器６２に入力され、制御信号が出力される。ＰＩＤ補償器６２は比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）の各演算機能を有する補償器から構成される。各補償器の演算結果が加算されて出力される。ＰＩＤ補償器６２が出力する制御信号は駆動波形発生器６３に送られる。駆動波形発生器６３は、入力された制御信号に応じた位相差θを持つ２相の駆動波形信号を発生させる。駆動波形発生器６３が発生させた駆動波形信号は、超音波モータ１０（具体的には圧電素子２の分極領域２ａ，２ｂ）へ供給されることで、振動板１が所定の速度で駆動される。なお、加速度算出部５５および姿勢差検出部５６については、後述の実施形態にて説明する。
A positional
以下に、図１１の比較例を参照して、その位相差制御法と問題点について説明する。図1１は、比較例にて、目標位置に到達する際の振動板１の位置偏差ｅおよび位相差θのグラフを示す。図１１（Ａ）では横軸に時間ｔを示し、縦軸に位置偏差ｅを示す。図１１（Ｂ）では横軸に時間ｔを示し、縦軸に位相差θを示す。図１１では各時刻をｔ１１，ｔ１３ *，ｔ１２，ｔ１１で示し、「ｔ１１＜ｔ１３ *＜ｔ１２＜ｔ１３」の関係とする。図１１（Ａ）では、時刻ｔ１１での位置偏差ｅ１１と、時刻ｔ１３での位置偏差ｅ１３を示し、「ｅ１１＞ｅ１３」とする。図１１（Ｂ）では、時刻ｔ１１での位相差θ１１と、時刻ｔ１２での位相差θ１２を示し、「θ１１＜θ１２」とする。
The phase difference control method and problems will be described below with reference to the comparative example of FIG. FIG. 11 is a graph showing the positional deviation e and the phase difference θ of the
振動板１の位置ｘが目標位置ｘｔに近づくに従って、位置偏差ｅ（＝ｘｔ−ｘ）は小さくなる。これに伴って、ＰＩＤ補償器６２が出力する制御信号も小さくなるため、位相差θは小さくなる。位置偏差ｅが減少するにつれて位相差θが減少すると、突起部１ａ，１ｂの先端部の楕円運動において移動方向の振幅ＡＸが小さくなる。その結果、駆動力が小さくなった場合、超音波モータの駆動が不安定となる。このため、時刻ｔ１１で位相差θがθ１１に到達した際に駆動力が不足して振動板１の移動が途中で停止する。このとき、振動板１の位置ｘは目標位置ｘｔに到達しておらず、位置偏差ｅ１１が残差となる。ＰＩＤ補償器６２の出力する制御信号は大きくなり、よって位相差θは増加する。時刻ｔ１２で位相差θがθ１２に到達したときに振動板１は再度駆動を開始した後、整定時間に対応する時刻ｔ１３で位置偏差ｅ１３が目標位置偏差以下となる。このように、位相差θが小さくなるに伴って駆動力が小さくなった場合、超音波モータの駆動が不安定となる。位置偏差ｅが目標位置偏差以下となる前に超音波モータが停止した場合、再度駆動するまでには「ｔ１２−ｔ１１」の時間を要する。
According to the position x of the
図１１に点線で示すグラフは、振動板１が途中で停止することなく目標位置偏差に到達した場合を示している。この場合の整定時間に対応する時刻をｔ１３ *に示す。実線のグラフでは、点線のグラフとの比較から判るように、位置偏差ｅが目標位置偏差以下になるまでの整定時間が長くなる（ｔ１３ *＜ｔ１３）。
以上説明した通り、比較例の位相差制御では、低速度領域の駆動において不感帯の影響によって駆動が不安定化する可能性があり、所望の制御特性が得られない場合がある。そこで、その解決策として、図７および図８を参照して、本実施形態の位相差制御法について説明する。
A graph indicated by a dotted line in FIG. 11 shows a case where the
As described above, in the phase difference control of the comparative example, the driving may become unstable due to the influence of the dead zone in the driving in the low speed region, and a desired control characteristic may not be obtained. Therefore, as a solution, the phase difference control method of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図７は、本実施形態の位相差制御法において使用する位相差領域を説明するための図である。説明の便宜上、図７（Ａ）では振動板１を＋Ｘ方向へ駆動する場合に限定して説明する。図７に示すθ１１は、図１１（Ｂ）と同様に時刻ｔ１１での位相差である。前述の通り、位相差が９０°のときに振動板１の速度は最大となり、位相差が０°のときに振動板１は停止する。図７（Ａ）に示す位相差領域Ａは０°〜θ１１の範囲を有し、超音波モータの駆動が不安定となる領域である。駆動開始時には位置偏差ｅに応じて位相差θが次第に大きくなっていくため、超音波モータは停止することがない。他方、駆動停止時には駆動が不安定となるという問題がある。
FIG. 7 is a diagram for explaining a phase difference region used in the phase difference control method of the present embodiment. For convenience of explanation, FIG. 7A will be described only when the
本実施形態の場合、駆動開始時には第１の位相差領域Ｂを使用して制御を行う。位相差領域Ｂは位相差が０°〜９０°の領域である。一方、駆動停止時には、位相差０°から「θ１＞θ１１」である位相差下限値θ１までの位相差領域Ｃ（０°〜θ１）の位相差を使用せず、θ１〜９０°の位相差領域Ｄを使用する。第２の位相差領域Ｄは、第１の位相差領域Ｂよりも範囲が狭く、θ１〜９０°の位相差領域内の位相差を使って位相差制御部５２が位相差制御を行う。すなわち、位相差制御部５２は位相差領域として、第１の位相差領域Ｂと、第１の位相差領域Ｂより範囲が狭い第２の位相差領域Ｄを備え、駆動開始時には第１の位相差領域Ｂを使用し、駆動停止時には第２の位相差領域Ｄを使用する。
In the case of the present embodiment, control is performed using the first phase difference region B at the start of driving. The phase difference region B is a region where the phase difference is 0 ° to 90 °. On the other hand, during driving stop, without using a phase difference retardation region C from the
次に、図７（Ｂ）を参照して、振動板１を−Ｘ方向に移動する場合をも含めた制御について説明する。振動板１を−Ｘ方向に移動させる場合には、位相差θが負となる領域の位相差が使用される。このため、位相差が−９０°のときに振動板１の速度は最大となり、位相差０°のときに振動板１は停止する。図７（Ａ）で説明した通り、位相差が０°〜θ１の領域は使用しないため、同様にして、位相差が０°〜−θ１の領域を使用しない。つまり、位相差の絶対値が下限値より小さい範囲は除外される。よって、駆動停止時において、使用しない位相差領域Ｃは−θ１〜θ１の範囲となり、使用する第２の位相差領域Ｄは−９０°〜−θ１の範囲およびθ１〜９０°の範囲となる。
Next, with reference to FIG. 7B, control including the case of moving the
図８は、本実施形態の位相差制御において目標位置に到達する際の振動板１の位置偏差ｅおよび位相差θを例示する。図８（Ａ）では横軸が時間ｔを表し、縦軸が位置偏差ｅを表す。図８（Ｂ）では横軸が時間ｔを表し、縦軸が位相差θを表す。図８にて時刻ｔ１と時刻ｔ２の関係は「ｔ１＜ｔ２」とする。時刻ｔ１での位置偏差ｅ１、目標位置偏差ｅｔを図８（Ａ）に示し、時刻ｔ１での位置差θ１を図８（Ｂ）に示す。
FIG. 8 illustrates the positional deviation e and the phase difference θ of the
振動板１の位置ｘが目標位置ｘｔに近づくに従って位置偏差ｅ（＝ｘｔ−ｘ）は小さくなる。これに伴って、ＰＩＤ補償器６２が出力する制御信号も小さくなるため、位相差θは小さくなる。時刻ｔ１で位相差θが、下限値である位相差θ１に到達した後、位相差θはθ１より小さくならず、θ１のままで時刻ｔ２まで一定となる。このため、振動板１は位相差がθ１でほぼ一定の速度で移動し、位置偏差ｅが小さくなっていく。時間が経過して時刻ｔ２において、位置偏差ｅは目標位置偏差ｅｔよりも小さくなり、この時点で圧電素子２の分極領域２ａ，２ｂへの電圧入力が停止する。すなわち、位置検出部５１によって検出された位置情報と、目標位置とから算出される位置偏差ｅが所定値（＝目標位置偏差ｅｔ）よりも小さくなった時点で分極領域２ａ，２ｂへの電圧入力が停止する。これにより、振動板１は目標位置偏差ｅｔよりも小さい位置偏差ｅに対応する位置で停止する。
Position deviation e in accordance with the position x of the
本実施形態では、超音波モータの低速度での駆動が不安定となる可能性のある、位相差が小さい位相差領域Ｃを使用せず、位相差領域Ｄを使用して位相差制御を行う。よって、超音波モータを安定に駆動できる。すなわち、位置偏差ｅが目標位置偏差ｅｔより小さくなる前に超音波モータは停止することがなく、整定時間が短くなる。このように、第１の位相差領域Ｂ（−９０°〜９０°の範囲）のうち、位相差ゼロを含む特定の位相差領域Ｃを除外した第２の位相差領域Ｄを使用することにより、低速度領域での駆動にて不感帯の影響を除去できる。よって、低速度領域での制御性が向上する。 In the present embodiment, the phase difference control is performed using the phase difference region D without using the phase difference region C having a small phase difference, which may cause unstable driving of the ultrasonic motor at a low speed. . Therefore, the ultrasonic motor can be driven stably. That is, the ultrasonic motor before the positional deviation e is less than the target position deviation e t has never stopped, settling time is shortened. As described above, by using the second phase difference region D in which the specific phase difference region C including the phase difference zero is excluded from the first phase difference region B (range of −90 ° to 90 °). The effect of the dead zone can be removed by driving in the low speed region. Therefore, controllability in the low speed region is improved.
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態では、振動板１の加速度に応じて第２の位相差領域Ｄの範囲を変化させる点で第１の実施形態と相違する。以下では、第１の実施形態の場合と同一の構成要素については既に使用した符号と同一の符号を用いることで、それらの詳細な説明を省略して主に相違点を説明する。このような説明の省略については、後述する実施形態でも同じである。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that the range of the second phase difference region D is changed according to the acceleration of the
振動板１が移動している場合、振動板１に生じている力は振動板１に発生している高周波振動による駆動力と、振動板１の移動に伴って生じる慣性力、振動板１に加わる重力である。慣性力が大きい場合には、慣性力が小さい場合と比較して駆動力が小さくなったときでも振動板１が停止しにくい。このため、慣性力が大きくなる場合、すなわち加速度が大きい場合には、振動板１が停止しにくくなる。そこで、この場合には、使用しない位相差領域Ｃについてその範囲を狭くする制御が行われる。
When the
本実施形態において、駆動装置３０は加速度算出部５５（図６参照）を備える。加速度算出部５５は、位置検出部５１から位置情報を取得して振動板１と摩擦部材３の相対移動に伴う加速度を算出する。加速度算出部５５により算出された加速度情報は位置偏差算出部６１に送られる。
In the present embodiment, the
図９は、本実施形態の位相差制御において使用する位相差領域を説明するための図である。図９（Ａ）は加速度ａが所定の加速度閾値（ａｓｈと記す）よりも小さい場合の位相差領域を示し、図９（Ｂ）は加速度ａが所定の加速度閾値ａｓｈ以上である場合の位相差領域を示す。 FIG. 9 is a diagram for explaining a phase difference region used in the phase difference control of the present embodiment. FIG. 9A shows a phase difference region when the acceleration a is smaller than a predetermined acceleration threshold (denoted as a sh ), and FIG. 9B shows a case where the acceleration a is greater than or equal to the predetermined acceleration threshold a sh. The phase difference region is shown.
加速度算出部５５により算出された加速度ａが加速度閾値未満である場合、図９（Ａ）に示すように、−θ１Ａ〜θ１Ａの範囲をもつ位相差領域Ｃは使用せず、−９０°〜−θ１Ａの範囲とθ１Ａ〜９０°の範囲をもつ第２の位相差領域Ｄが使用される。また加速度ａが所定の加速度閾値以上である場合には、図９（Ｂ）に示すように、−θ１Ｂ〜θ１Ｂの範囲をもつ位相差領域Ｃは使用せず、−９０°〜−θ１Ｂの範囲とθ１Ｂ〜９０°の範囲をもつ第２の位相差領域Ｄが使用される。この場合、「θ１Ｂ＜θ１Ａ」であり、図９（Ａ）に比較して図９（Ｂ）の方が、位相差領域Ｃの範囲が小さく、位相差領域Ｄの範囲が大きい。すなわち、加速度算出部５５によって算出される振動板１の加速度ａの大きさに応じて、第２の位相差領域Ｄの範囲を変更することが、本実施形態の特徴である。
When the acceleration a calculated by the
駆動停止時に位相差θが下限値θ１に到達した後には、超音波モータは位相差θ１でほぼ一定の速度で移動する。このため、使用しない位相差領域の範囲が大きい場合、すなわち、下限値θ１が大きい場合には振動板１の速度は速くなる。位置偏差ｅが目標位置偏差ｅｔよりも小さくなった段階で電圧入力を停止することで振動板１が停止する。このため、振動板１の速度が大きい場合には停止精度が低下する可能性がある。第２の位相差領域Ｄの範囲を固定的に設定した場合には、加速度ａの大きさに関わらず安定に超音波モータを駆動するためには、第２の位相差領域Ｄの範囲を予め小さくしておく必要がある。これに対して、本実施形態では加速度ａの大きさに応じて第２の位相差領域Ｄの範囲が変更されて適切な設定処理が行われる。これにより、加速度ａが大きい場合には下限値θ１を小さくすることで停止直前の振動板１の速度が遅くなるので、停止精度が向上するという利点がある。
After the phase difference θ reaches the lower limit value θ 1 when the drive is stopped, the ultrasonic motor moves at a substantially constant speed with the phase difference θ 1 . Therefore, if the range of retardation region is not used is large, i.e., it increases the speed of the
本実施形態では、振動板１の加速度ａと加速度閾値ａｓｈを比較し、その大小関係により位相差領域のおける２つの下限値θ１Ａとθ１Ｂのどちらかを選択して設定した。これに限らず、振動板１の加速度と複数の加速度閾値との比較結果にしたがって３以上の下限値のいずれかを設定する処理でもよい。また、加速度ａと線形関係にある位相差下限値θ１Ｃを用いて位相差領域を設定してもよい。すなわち、「θ１Ｃ＝ｋ１×ａ＋ｌ１」（ｋ１、ｌ１は定数）の関係式から算出されるθ１Ｃを用いて、−θ１Ｃ〜θ１Ｃの範囲を除外した第２の位相差領域Ｄが設定される。より一般的には加速度ａの関数θ１Ｃ（ａ）から算出されるθ１Ｃを用いる。これにより、振動板１の加速度ａに応じて適切な位相差領域Ｄの範囲を設定できるので、停止精度をより向上させることができる。
In this embodiment, the acceleration a of the
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態では、振動板１の傾きおよび移動方向に応じて第２の位相差領域Ｄの範囲を変化させることが第１の実施形態との相違点である。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the difference from the first embodiment is that the range of the second phase difference region D is changed according to the inclination and the moving direction of the
図１０を参照して、振動板１の移動方向が水平方向に対して傾いた場合を説明する。図１０において鉛直方向をＶ方向とし、Ｖ方向に直交する水平方向をＨ方向と定義する。Ｚ方向およびＸ方向は、Ｖ方向およびＨ方向に対してそれぞれ所定の角度で傾斜した方向である。図１０（Ａ）は、振動板１の移動方向であるＸ方向が水平方向Ｈに対して傾いた場合、つまり、振動板１の移動方向が水平方向Ｈである状態を基準として、リニア駆動装置がＹ軸回り方向に角度Ｇだけ回転した状態を示す。この状態では振動板１の移動方向であるＸ方向と水平方向Ｈとのなす角度がＧとなる。
A case where the moving direction of the
図１０（Ｂ−１）および（Ｂ−２）は、図１０（Ａ）の状態にある振動板１の速度ベクトルおよび重力ベクトルの説明図である。図１０（Ｃ−１）および（Ｃ−２）は、図１０（Ａ）の状態とは逆方向にリニア駆動装置が回転した状態にある振動板１の速度ベクトルおよび重力ベクトルの説明図である。この状態は、リニア駆動装置がＹ軸回り方向に−Ｇの角度だけ回転した状態である。振動板１の速度および移動方向を示す速度ベクトルをｄと記す。速度ベクトルｄの水平方向速度ベクトルをｄＨと記し、鉛直方向速度ベクトルをｄＶと記す。
10B-1 and 10B-2 are explanatory diagrams of the velocity vector and the gravity vector of the
本実施形態に係る駆動装置３０は、振動板１の重力方向に対する傾きを検出する姿勢差検出部５６（図６参照）を備える。姿勢差検出部５６は、例えば加速度センサ等を有しており、重力加速度を測定することにより振動板１が重力方向に対してどの程度傾いているかを検出する。なお、姿勢差検出部５６は振動板１の傾きを検出できればよく、検出手段の種類および測定原理の如何は問わない。姿勢差検出部５６は検出した振動板１の傾きの情報を、位置偏差算出部６１に出力する。位置偏差算出部６１は、姿勢差検出部５６が検出した振動板１の傾きと、加速度算出部５５が算出した振動板１の速度から速度ベクトルｄを計算する。
The
図１０（Ｂ−１）および（Ｂ−２）は、振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄＶが正である場合を示している。この場合、図１０（Ｂ−２）に示すように振動板１には、鉛直方向にて負方向、すなわち−Ｖ方向に重力ベクトルｇが加わり、振動板１の移動方向に対して逆方向に重力ベクトルの成分ｇＸが働く。成分ｇＺはＺ方向に作用する重力ベクトルの成分を示す。図１０（Ｃ−１）および（Ｃ−２）は、振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄＶが負である場合を示している。この場合、図１０（Ｃ−２）に示すように振動板１には、鉛直方向にて負方向、すなわち−Ｖ方向に重力ベクトルｇが加わり、振動板１の移動方向と同じ方向に重力ベクトルの成分ｇＸが働く。
Figure 10 (B-1) and (B-2) shows a case where vertical velocity vector d V of the
振動板１の移動中にて、振動板１に生じている力は、振動板１に発生する高周波振動による駆動力と、振動板１の移動に伴って生じる慣性力と、振動板１に加わる重力である。振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄＶが正であって、振動板１の移動方向に対して逆方向に重力成分が加わる場合には停止しやすい。このため、位相差の下限値（θ１Ｄと記す）を大きくして第２の位相差領域Ｄの範囲を狭くする制御が行われる。一方で、振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄＶが負であって、振動板１の移動方向と同じ方向に重力成分が加わる場合には停止しにくい。このため、位相差の下限値（θ１Ｅと記す）を下限値θ１Ｄよりも小さくして（θ１Ｅ＜θ１Ｄ）、第２の位相差領域Ｄの範囲を広くする制御が行われる。
During the movement of the
本実施形態では、振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄＶが正である場合、第２の位相差領域Ｄの範囲が相対的に狭く設定される。他方、鉛直方向速度ベクトルｄＶが負である場合、第２の位相差領域Ｄの範囲が相対的に広く設定される。振動板１の重力方向に対する傾きに応じて第２の位相差領域Ｄの範囲を変化させることで、振動板１の姿勢変化に対して安定した駆動が行われる。
In this embodiment, if the vertical velocity vector d V of the
第２の位相差領域Ｄの範囲を固定的に設定した場合には、振動板１の傾き角度Ｇに関わらず安定して駆動するために第２の位相差領域Ｄの範囲を予め大きくしておく必要がある。これに対して、本実施形態では振動板１の傾き角度Ｇに応じて、第２の位相差領域Ｄの範囲が適切に設定される。したがって、振動板１の鉛直方向速度ベクトルｄＶが負である場合には、位相差の下限値θ１を小さくすることで停止直前の振動板１の速度が遅くなるので、停止精度が向上する。
When the range of the second phase difference region D is fixedly set, the range of the second phase difference region D is increased in advance in order to drive stably regardless of the tilt angle G of the
本実施形態では、振動板の鉛直方向速度ベクトルｄＶの正負を判定して、位相差領域における２つの下限値θ１Ｄとθ１Ｅのどちらかを選択して設定した。これに限らず、振動板１の移動方向に対する重力成分を複数の閾値と比較し、比較結果にしたがって３以上の下限値のいずれかを設定する処理でもよい。また、振動板１の傾き角度Ｇと線形関係にある位相差下限値θ１Ｆを用いて位相差領域を設定してもよい。すなわち、「θ１Ｆ＝ｋ２×Ｇ＋ｌ２」（ｋ２、ｌ２は定数）の関係式から算出されるθ１Ｆを用いて第２の位相差領域Ｄの範囲が設定される。より一般的には傾き角度Ｇの関数θ１Ｆ（Ｇ）から算出されるθ１Ｆを用いる。これにより、振動板１の傾き角度Ｇに応じて適切な位相差領域Ｄを設定できるので、停止精度をより向上させることができる。
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および変更が可能である。
In the present embodiment, to determine the positive and negative vertical velocity vector d V of the diaphragm was set by selecting one of two lower limit theta 1D and theta 1E in retardation region. Not only this but the process which compares the gravity component with respect to the moving direction of the
As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
１ 振動板
２ 圧電素子
３ 摩擦部材
４ 振動板保持部材
１０ 超音波モータ
２０ リニア駆動装置
５２ 位相差制御部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記振動部材と接触して当該振動部材に対して相対的に移動する摩擦部材と、
前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を取得して前記圧電素子の駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記圧電素子は、複数の分極領域を有しており、
前記制御手段は、前記複数の分極領域にそれぞれ印加する電圧の位相差を制御する場合、第１の位相差領域にて前記位相差を設定する第１の制御と、前記第１の位相差領域よりも範囲が狭い第２の位相差領域にて前記位相差を設定する第２の制御を行うことを特徴とする振動型アクチュエータ。 A vibration type actuator using a vibration member and a piezoelectric element fixed to the vibration member,
A friction member that contacts the vibration member and moves relative to the vibration member;
Control means for acquiring relative positional information of the vibrating member with respect to the friction member and controlling driving of the piezoelectric element;
The piezoelectric element has a plurality of polarization regions,
When the control means controls a phase difference between voltages applied to the plurality of polarization regions, a first control for setting the phase difference in a first phase difference region; and the first phase difference region A vibration type actuator that performs second control for setting the phase difference in a second phase difference region having a narrower range.
前記振動型アクチュエータにより光学部材を駆動することを特徴とする光学機器。 A vibration type actuator according to any one of claims 1 to 6,
An optical apparatus, wherein an optical member is driven by the vibration actuator.
前記振動部材に固定された、複数の分極領域を有する圧電素子と、
前記振動部材と接触して当該振動部材に対して相対的に移動する摩擦部材と、
前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を取得して前記圧電素子の駆動を制御する制御手段を備える振動型アクチュエータの制御方法であって、
前記摩擦部材に対する前記振動部材の相対的な位置情報を前記制御手段が取得するステップと、
前記制御手段が、前記複数の分極領域にそれぞれ印加する電圧の位相差を制御する制御ステップと、を有し、
前記制御ステップは、
第１の位相差領域にて前記位相差を設定する第１の制御を行うステップと、
前記第１の位相差領域よりも範囲が狭い第２の位相差領域にて前記位相差を設定する第２の制御を行うステップを有することを特徴とする振動型アクチュエータの制御方法。
A vibrating member;
A piezoelectric element having a plurality of polarization regions fixed to the vibrating member;
A friction member that contacts the vibration member and moves relative to the vibration member;
A control method of a vibration type actuator comprising control means for acquiring relative position information of the vibration member with respect to the friction member and controlling driving of the piezoelectric element,
The control means obtaining relative positional information of the vibration member with respect to the friction member;
The control means includes a control step of controlling a phase difference between voltages applied to the plurality of polarization regions, respectively.
The control step includes
Performing a first control to set the phase difference in a first phase difference region;
A method for controlling a vibration type actuator, comprising: performing a second control for setting the phase difference in a second phase difference region having a narrower range than the first phase difference region.
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