JP6579778B2 - 振動型駆動装置、振動型駆動装置を備える交換用レンズ、撮像装置、及び振動型駆動装置の製造方法 - Google Patents

振動型駆動装置、振動型駆動装置を備える交換用レンズ、撮像装置、及び振動型駆動装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、例えば、振動型駆動装置、振動型駆動装置を備える交換用レンズ、撮像装置、及び振動型駆動装置の調整方法に関する。
振動型アクチュエータの一例である振動波モータは、弾性体に結合された圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧が印加されることで、該圧電素子に高周波振動が生じ、その振動エネルギーを連続的な機械運動として出力するように構成された、非電磁駆動式のモータである。
振動型モータを有する振動型駆動装置は、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。圧電素子に印加する駆動信号の周波数、2相の駆動信号の位相差、駆動パルス幅などを調整する事によって、振動型モ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。
昨今は、より重い対象物を、より高速に駆動するニーズが高まっており、その1つの手段として、複数の振動子を用いた振動型モータが提案されている。複数の振動子を用いた振動型モータにおける課題は、個体差のばらつきによって各振動子の共振周波数が異なる為、互いに速度が異なる点である。これを補正するには個別に駆動回路を設けて、駆動周波数を振動子毎に調整すれば良いが、回路のコストアップを招いてしまう。従って、共通の駆動回路で複数の振動子を同じ速度で駆動するには、駆動回路上で何らかの工夫をする必要がある。
特許文献1には、1つのトランス昇圧回路によって複数の振動型モータを同一の回転数で駆動する駆動回路が示されている。回転数を揃える為に、各振動型モータに印加される駆動電圧をコンデンサの容量分割を利用して調整するものである。
特許文献2は、同様に1つのトランス駆動回路によって複数の振動子を駆動するものである。1つのトランス昇圧回路で共振周波数が異なる振動子に対して、インピーダンスのマッチングを取る事を目的とし、各振動子に互いに異なるリアクタンス素子を接続するものである。電気共振周波数を各振動子に応じて調整できるので、トランスの回路定数を変更することなく使用できるというものである。
特開平04−185288号公報 特開2001−136764号公報
以上のように、1つの駆動回路によって複数の振動子を駆動する方法が提案されているが、これらの振動型モータは振動子と被駆動部材が独立に構成されているので、速度が異なっても駆動効率は悪化しない。これに対して、共通の被駆動部材に複数の振動子が加圧接触されて1つの振動型モータを構成する場合は、各振動子の速度差によってモータの駆動効率が低下してしまうという新たな課題が生じる。これは、各振動子の速度差によって、共通の被駆動体を介して各振動子間で引っ張り合いが生じるので、被駆動部材との摩擦摺動部の滑りが大きくなり、摺動損失が増える為である。また、被駆動部材の速度は複数の振動子の平均値よりも低下してしまう。
本発明の一様態は、複数の振動子間で個体差が生じても駆動効率と速度の低下を招かない振動型駆動装置に関する。
本発明の一様態は、電気−機械エネルギー変換素子を備え、被駆動体に加圧接触するように構成された第1の振動子と、電気−機械エネルギー変換素子を備え、前記被駆動体に加圧接触するように構成された第2の振動子と、前記第2の振動子に直列に接続された第1の電気素子を有し、前記第1の振動子が駆動回路に接続され、前記第2の振動子と前記第1の電気素子が前記第1の振動子に並列に接続され、前記第2の振動子が前記駆動回路と前記第1の電気素子を介して接続され、前記第1の振動子の共振周波数をf1、第2の振動子の共振周波数をf2として、f1<f2を満たすことを特徴とする振動型駆動装置に関する。
また、本発明の一様態は、電気−機械エネルギー変換素子を有する第1の振動子と、電気−機械エネルギー変換素子を有し、前記第1の振動子の共振周波数以上の共振周波数を有する第2の振動子と、を備え、前記第1の振動子及び前記第2の振動子が1つの被駆動部材に加圧接触するように構成された振動型モータの製造方法において、
前記第1の振動子及び前記第2の振動子の共振周波数の差に基づいて前記第1の振動子及び前記第2の振動子の速度比を求め、前記速度比に基づいて前記第1の振動子及び前記第2の振動子に印加する電圧比を算出し、前記電圧比に基づいて第1の電気素子の回路定数を求め、前記第1の振動子及び前記第2の振動子を、前記振動型モータの駆動回路から前記第1の振動子、前記第2の振動子の順に並列接続となるよう、前記駆動回路に電気的に接続し、前記第1の振動子及び前記第2の振動子の間に直列に前記第1の電気素子を配することを特徴とする振動型モータの製造方法に関する。
本明細書において、振動型モータは、少なくとも振動子及び被駆動体を有し、振動型駆動装置は、少なくとも振動子及び振動子の駆動回路を備えるものとする。
本発明の一様態によれば、複数の振動子間で個体差がある場合に、振動型モータの駆動効率と速度の低下を抑制した振動型駆動装置を実現することができる。
振動型駆動装置の概念図を示す図である。 リニア駆動の振動型モータの駆動原理を説明する図である。 2個の振動子から構成される振動型モータの斜視図である。 振動型駆動装置の位置制御システムを説明する図である。 駆動回路、複数の振動子、及び電気素子を含む回路の具体的な構成例を示す図である。 2つの振動子に印加される電圧V1とV2の算出方法を説明する図である。 2つの振動子の周波数fと速度sの関係を示す図と、速度差からコンデンサの定数を決定する方法を説明する図である。 振動型駆動装置の周波数と速度の実測結果である。 振動型駆動装置を示す図である。 駆動回路、複数の振動子、及び電気素子を含む回路の、具体的な構成を示す図である。 3つの振動子に印加される電圧V1、V2、V3の算出方法を説明する図である。 3つの振動子の周波数fと速度sの関係を示す図と、速度差からコンデンサの定数を決定する方法を説明する図である。 振動型駆動装置の周波数と速度の実測結果である。 比較例の構成と、その回転速度と消費電力の実測結果を示す図である。 本発明の実施の形態2の変形例を示す図である。 構成例2の構成を示す図である。 振動子のインピーダンス変動に基づく速度差の変化について、振動型駆動装置の構成例1と構成例2を比較した図である。 レンズ鏡筒のレンズの駆動機構部を説明する図である。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲において、その構成、材料、方法等を変更した物を含む。
(実施の形態1)
本発明の振動型駆動装置のいくつかの様態について、図面を参照しながら説明する。
図2は、リニア駆動型の振動型モータの駆動原理を説明する図である。図2(a)に示す振動型モータは、弾性体203に圧電素子204が接着された振動子205と、振動子205によって駆動される移動体201を有する。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つの振動モードを振動子205に発生させ、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、例えば振動子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、各電極領域における分極方向は、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(VB)が印加され、左側に位置する電極領域には交番電圧(VA)が印加される。VBおよびVAを、第1の振動モードの共振周波数付近の周波数を有し、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、振動子205には図2(c)に示す第1の振動モードの振動が発生することになる。また、VBおよびVAを第2の振動モードの共振周波数付近の周波数を有し、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、振動子205には図2(d)に示す第2の振動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つの電極へ入力する交番電圧の位相差を変えることにより、第1の振動モードと第2の振動モードの発生比を変更することができる。この振動型モータでは、2つの振動モードの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1は、本発明の振動型駆動装置の概念図を示す図である。振動型モータ105は、複数の振動子(ここでは、第1の振動子101、第2の振動子102、及び第3の振動子103)と、複数の振動子に加圧接触された被駆動部材104とを有する。被駆動部材104は各振動子からの駆動力を受け、それらの合成された駆動力に基づいて所定の速度で相対移動する。本実施の形態では、振動子が3つの例について説明するが、振動子は2つであっても良いし、3つ以上であっても良い。
駆動回路106は、所定の周波数の駆動信号に基づいて交番電圧を出力し、並列に接続された複数の振動子を駆動する。第1の振動子101と第2の振動子102の間には直列に第1の電気素子107が接続され、更に、第2の振動子102と第3の振動子103の間には第2の電気素子108が接続される。つまり、前記第2の振動子102は、前記第1の電気素子107を介して駆動回路106に接続され、前記第3の振動子103は、前記第1の電気素子107及び前記第2の電気素子108を介して駆動回路に接続される。
より具体的には、振動子が振動子101及び102の2つの場合を例として示すと、振動型駆動装置は、下記構成としてもよい。第1の振動子101は、電気−機械エネルギー変換素子を備え、被駆動部材104に加圧接触するように構成される。振動子102は、電気−機械エネルギー変換素子を備え、前記被駆動体に加圧接触するように構成される。振動波駆動装置は、前記第1の振動子101と、前記第2の振動子102と、前記第1の振動子及び前記第2の振動子の間に直列に接続された第1の電気素子を有する。前記第1の振動子101の第1端子101aは駆動回路106及び前記第1の電気素子107の第1端子107aに接続される。前記第1の電気素子107の第2端子107bは前記第2の振動子102の第1端子102aと接続される。前記第1の振動子101の第2端子101b及び前記第2の振動子102の第2端子102bは、前記駆動回路106に電気的に接続される。
前記電気素子には、例えばコンデンサを用いる。本実施の形態では、前記電気素子が各振動子の間に設けられた振動型駆動装置、各振動子の配置について説明する。ここで、第1、第2、第3の振動子の共振周波数fをそれぞれf1、f2、f3とし、印加される電圧VをV1、V2、V3とする。本実施の形態では、共振周波数がf1<f2<f3となるように振動子を配置する。詳細は後述するが、共振周波数が低くなるほど、振動子の速度が低下するためである。つまり、共振周波数の差に起因して速度差が生じるので、これを補正するために電圧比を調整する。前記電気素子の有するインピーダンスによって、電圧Vの関係は、それぞれの絶対値を|V1|、|V2|、|V3|とすると、|V1|>|V2|>|V3|となる。従って、速度の低い(共振周波数の低い)振動子ほど、より高い電圧が印加されることになる。これによって、各振動子間で速度差が低減され、各振動子と被駆動部材との摩擦摺動部の滑りが小さくなるので、駆動効率を高めることができる。尚、被駆動部材104は説明上、一体化されているが、振動子毎に被駆動部材を備え、それらが不図示の固定部材に連結されることで、一体物として機能する構造でも良い。
次に、2つの振動子を有する振動型モータの例について説明する。
図3は、本実施形態に用いる2つの振動子と被駆動体を有する振動型モータの斜視図である。本振動型モータは、角棒状の被駆動体301に対して図中Z軸方向に2個の振動子が、X−Y平面に対して対象に配され、被駆動体301を挟み込む構成となっている。被駆動体の上下の摩擦面に加圧接触された振動子の駆動部に楕円振動が発生し、この駆動力によって被駆動体と振動子はX方向に相対的に移動する。尚、2個の振動子の構成と駆動原理は、ここでは、前述の図2で示した振動子と同じものを用いている。
図3において、被駆動体301に対して、−Z側に第1の振動子302が配される。振動子302は前述の図2で示した突起部202が被駆動体301と当接するように向きが決められている。第1の振動子302は振動子固定部材304に固定される。被駆動体301の図3における+Z側に第2の振動子303が配される。振動子303も、前述の突起部202が被駆動体301と当接するように向きが決められている。第2の振動子303は振動子固定部材305に固定される。伝達部材306は、前記振動子固定部材304と305を保持すると共に、振動型モータの発生する出力を外部へ伝達する。さらに、振動型駆動装置は、振動子固定部材304と305とに保持される、2つの弾性部材307を有する。本実施形態においては弾性部材307としてコイルばねを用いている。ただし弾性部材307としては、板バネ等の他の形態の弾性部材を用いても良い。第1の振動子302と第2の振動子303には不図示の圧電素子板と外部との電気的な接続を行うフレキシブル基板が備えられている。2個の振動子は、不図示の駆動回路に対して並列に接続されており、共通化された駆動回路を用いて交番電圧が印加される。
図4は、本実施の形態の振動型駆動装置における位置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からの位置指令が、制御回路401に入力される。制御回路401では、位置検出回路409で得られた検出位置との差分により偏差が演算される。制御回路401では、偏差情報に基づき制御回路401内のPID補償器による演算が行われ、駆動パラメータを含む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。
振動型駆動装置の駆動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402に入力される。パルス発生器402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402から出力されたパルス信号はスイッチング回路404に入力され、位相が互いに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404は、DC電源403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動作させ、矩形波の交番電圧を生成する。前記交番電圧は駆動回路405に入力され、所望の駆動電圧に昇圧される。
駆動回路405から出力されたSIN波の波形を有する交番電圧は、フレキシブルプリント基板(FPC)等の給電部材406を介して第1の振動子302と第2の振動子303の各圧電素子に印加され、被駆動体301を駆動する。また、給電部材406上には、第1の振動子302と第2の振動子303の間に電気素子であるコンデンサ410が実装されている。被駆動体301に取り付けられた位置スケール407の相対位置を位置センサ408によって検出し、位置検出回路409で位置情報を検出する。位置情報は制御回路401に入力され、位置指令に近づくように振動型モータ308はフィードバック制御される。
尚、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相駆動の回路を例にとり説明する。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、以降は1相部分のみの回路構成について説明する。しかし、本発明は2相駆動に限定されるものではなく、4相以上の進行波型モータなど、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、発明の効果が得られるものであれば、特に限定されない。従って、交番電圧Voを出力する駆動回路と、振動子及びコンデンサの回路構成について、以後説明する。
図5は、本実施の形態における駆動回路、複数の振動子、及び電気素子を含む回路の、具体的な構成例を示す図である。駆動回路501は、高調波除去用のコイル502と、昇圧用のトランス503を有する。
コイル502のインダクタンス値は15μH、トランス503は巻数比10倍で2次側のインダクタンス値は1.69mHのものを用いた。12Vppの矩形波の交番電圧Viは駆動回路501によって約10倍に昇圧され、120VppのSIN波の交番電圧Voが出力される。
尚、本実施の形態の駆動回路は1つの構成例であり、例えば、コイルのみ、或いはトランスのみで昇圧部を構成しても良い。交番電圧Voは、並列に接続された第1の振動子504と第2の振動子505に印加される。コンデンサ506は、第1の振動子504と第2の振動子505の間に直列に接続され、2つの振動子に印加される電圧比を調整することができる。尚、コンデンサ506の容量値は2.7nFのものを用いた。この定数の決め方については、後で説明する。
本実施の形態はコンデンサ506を用いるが、これに限らず、コイルや抵抗のようなインピーダンスを有する素子であっても良い。但し、コイルや抵抗は、振動子のインピーダンスとの関係から、電圧比を変えるほどのインピーダンスを有するものは、定数が大きくなってしまう。従って、電気素子としてコイルや抵抗を用いた場合、コンデンサに比べて抵抗値が大きくなるので、電気素子としてコンデンサを用いることで、駆動時の熱損失をより抑制でき、消費電力をより低減することができる。
図6は、2つの振動子に印加される電圧V1とV2の算出方法を説明する図である。図6(a)は、図5で示した回路において、出力部の交番電圧Voと、各振動子とコンデンサをインピーダンスで表現した等価回路である。コンデンサ506のインピーダンスをZc1(601)、第1の振動子504、第2の振動子505の各インピーダンスをZm1(602)、Zm2(603)とした。この場合、電圧V1とV2は以下の式で算出される。
V1=Vo (式1−1)
図6(b)は、振動子のインピーダンスZm1(602)、及びZm2(603)における等価回路である。Zm1、Zm2は、それぞれ、圧電素子の静電容量Cdを示すコンデンサ604と、機械的振動部分のRLC直列回路(との並列回路により構成される。RLC直列回路は、自己インダクタンスLmの等価コイル605、静電容量Cmの等価コンデンサ606、及び抵抗値Rmの等価抵抗607を有する回路となる。
本実施の形態で使用する振動型駆動装置の各定数は、Lmは50mH、Cmは65pF、Rmは3000Ω、Cdは0.54nFである。ここで、機械的振動部分は共振から離れた領域ではインピーダンスが非常に大きいので無視し、Zm1、Zm2を静電容量Cdのインピーダンスから算出する。よって、駆動周波数を90kHzとすると、Zm1=3275Ωと算出される。一方で、コンデンサ506の容量値は2.7nFであるので、Zc1は655Ωとなる。従って、(式1−2)より、
V2=V1・0.83
となる。つまり、コンデンサ506の容量値を調整することで、2つの振動子に印加される電圧V1とV2の比を調整する事ができる。
次に、コンデンサの定数を決定する具体的な方法を説明する。図7は、2つの振動子の周波数fと速度sの関係を示す図と、速度差からコンデンサの定数を決定する方法を説明する図である。図7(a)は、本実施の形態の振動型モータの周波数fと速度sの関係を示すf−s特性を説明する図である。
ここで、個体差ばらつきによって、第1の振動子と第2の振動子の共振周波数が異なる事を仮定し、それぞれf1、f2とする。このf1とf2の共振周波数の差が速度差となって駆動効率を低下させる。つまり、周波数差の分だけf−s特性が全体的にシフトするので、同じ駆動周波数での速度は図7(a)のs1、s2となり、差が生じる。ここで、駆動周波数における第1の振動子の速度をs1、第2の振動子の速度をs2とする。
図7(b)は、コンデンサの定数を決定する方法をステップ毎に示したものである。ステップ1で、第1、第2の振動子の共振周波数f1、f2を計測する。これは、振動子の電極間に交流の入力信号を印加しながら周波数応答を測定する、いわゆるインピーダンス測定であり、従来からの汎用的な手法である。ステップ2で、f1とf2の周波数差を算出する。ステップ3で、周波数差に基づき速度s1とs2を推定する。これは前述したf−s特性に基づいて、周波数差からそのシフト量を算出し、速度を推定するものである。ここで、f−s特性は実機の測定データを用いても良いし、近似式などを用いても良い。
ステップ4で、速度比s1/s2を算出する。ステップ5で、速度比に基づいて電圧比V2/V1を算出する。これは、振動型モータの速度は電圧にほぼ比例するので、下式のように速度比に基づいて電圧比を決定するためである。
V2/V1=k・s1/s2 (式1−3)
尚、本実施の形態の振動型モータの比例項kは1であるが、モータ特性に応じて変更しても良い。最後に、ステップ6で、コンデンサの定数を演算式を用いて決定する。演算式は、(式1−2)を用いる。設定したい電圧比V2/V1と、振動子のインピーダンスZm1、Zm2を用いて、コンデンサのインピーダンスZc1が算出される。Zc1に応じて、容量値を決定すれば良い。
以上の方法を振動型駆動装置に適用した例を説明する。図8は、本実施形態における振動型モータの周波数と速度の実測結果である。図は、2つの振動子の共振周波数が一致したものを選別して組み合わせたモータのf−s特性の実測値である。ここで、第1の振動子の共振周波数をf1、第2の振動子の共振周波数をf2とし、個体差ばらつきによってf2がf1より0.5kHz大きいものとする。駆動周波数90kHzにおける速度は235mm/sであり、これを第2の振動子の速度s2とする。第1の振動子は共振周波数差0.5kHzに応じて速度が低下するので、195mm/sとなり、これをs1とする。このようにf−s特性に基づいてs1とs2が推定される。
尚、2つの振動子を個別に駆動して速度を直接測定しても良いが、モータの組みばらしなど、測定に時間を要するのが欠点である。速度比s1/s2=195/235=0.83、と計算されるので、電圧比V2/V1は0.83と決定した。よって、(式1−2)より、コンデンサの容量値は2.7nFと決定する事ができる。
このように、2つの振動子で共振周波数差が生じた振動型モータを有する振動型駆動装置に本実施の形態の構成を適用することで、速度差を補償するように電圧比を設定することができ、モータの駆動効率の低下を抑制することができる。
(実施の形態2)
次に、3つの振動子と被駆動体とを有する振動型モータを備えた振動型駆動装置の例を説明する。実施の形態1と異なる点は、振動子が3つとなる事で、電圧Vの算出式が異なるのと、コンデンサの配置のバリエーションが増える点である。
図9は、本実施の形態における振動型駆動装置を示す図である。本実施形態では、駆動回路に3つの振動子が並列に接続されている。図9(a)は3つの振動子を用いた振動型モータと駆動回路の構成を示す図である。901は振動型モータのベースとなるベース板、第1、第2、第3の振動子である903、904、905は移動体902に加圧接触され、移動体902を回転駆動させる。各振動子は実施の形態1に記載の振動子と同様の振動子であり、給電部材909が3個の振動子に並列に接続され、2相の駆動信号がそれぞれ3個の振動子に供給される。そして、共通の駆動回路910で3つの振動子が駆動される。
交番電圧が印加されると、各振動子に同回転方向に駆動力を発生する振動波が生じ、移動体902は回転軸907を中心に回転駆動する。本実施形態の如く3個の振動子を用いることにより、合成された回転駆動力が移動体902に働くので、トルクを振動子が1個の場合のトルクの3倍に上げる事が可能となる。906は位置センサであり、移動体902の回転位置を検出する。
図9(b)は同装置の側面図である。振動子903、904、905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901に取り付けられている。また、位置センサ906の上面には円板状のスケール部908が設けられている。スケール部908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センサ906から出力される。また、給電部材909には第1の振動子903と第2の振動子904の間にコンデンサ911が実装され、更に第2の振動子904と第3の振動子905の間にコンデンサ912が実装されている。
図10は本発明の実施の形態における、駆動回路、複数の振動子、及び電気素子を含む回路の、具体的な構成例を示す図であり、1相分の駆動回路を示す。駆動回路1001は、高調波除去用のコイル1002と、昇圧用のトランス1003を有し、回路定数は実施の形態1と同様である。交番電圧Voは、並列に接続された第1の振動子1004と第2の振動子1005、第3の振動子1006に印加される。第1のコンデンサ1007は、第1の振動子1004と第2の振動子1005の間に直列に接続され、第2のコンデンサ1008は、第2の振動子1005と第3の振動子1006の間に接続される。これによって、第1、第2、第3の振動子に印加される電圧比を調整することができる。
図11は、3つの振動子に印加される電圧V1、V2、V3の算出方法を説明する図である。同図は、図10で示した回路において、出力部の交番電圧Voと、振動子とコンデンサをインピーダンスで表現した等価回路である。第1のコンデンサ1007のインピーダンスをZc1(1101)、第2のコンデンサ1008のインピーダンスをZc2(1102)とする。また、第1の振動子1004、第2の振動子1005、第3の振動子1006の各インピーダンスをZm1(1103)、Zm2(1104)、Zm3(1105)とする。この場合、電圧V1、V2、V3は以下の式で算出される。
V1=Vo (式2−1)
ここで、振動子のインピーダンスZm1(1103)、Zm2(1104)、Zm3(1105)は、実施の形態1と同様に圧電素子の静電容量Cdを用いて算出する。例えば、Cdは0.54nF、駆動周波数を90kHzとすると、Zm1、Zm2、Zm3は3275Ωと算出される。また、上記の電圧Vの式を用いて第1、第2のコンデンサの容量値を決定する。これに際し、演算の順番としては、まず電圧比V3/V2に基づいて第2のコンデンサの容量値を決定し、次に電圧比V2/V1に基づいて第1のコンデンサの容量値を決定する。これは、電圧比V2/V1は、第2のコンデンサの容量値が決まらないと算出できない為である。つまり、振動子を4つ、5つと増やす場合は、最も番号の大きい振動子間に接続されたコンデンサから容量値を決めていく。
次に、コンデンサの定数を決定する具体的な方法を説明する。図12は、3つの振動子の周波数fと速度sの関係を示す図と、速度差からコンデンサの定数を決定する方法を説明する図である。図12(a)は、本実施の形態の振動型モータの周波数fと速度sの関係を示すf−s特性を説明する図である。ここで、個体差ばらつきによって、第1、第2、第3の振動子の共振周波数が異なっていると仮定し、それぞれf1、f2、f3とする。
f1とf2、f2とf3の共振周波数の差が速度差となって駆動効率を低下させる。つまり、周波数差の分だけf−s特性が全体的にシフトするので、同じ駆動周波数での速度はs1、s2、s3となって差が生じる事になる。ここで、駆動周波数における第1の振動子の速度をs1、第2の振動子の速度をs2、第3の振動子の速度をs3とする。
図12(b)は、コンデンサの定数を決定する方法をステップ毎に示したものである。ステップ1で、第1、第2、第3の振動子の共振周波数f1、f2、f3を計測する。ステップ2で、f1とf2、f2とf3の周波数差を算出する。ステップ3で、周波数差に基づき速度s1とs2とs3を推定する。これは前述したf−s特性に基づいて、周波数差からそのシフト量を算出し、速度を推定するものである。ステップ4で、速度比s1/s2、速度比s2/s3を算出する。ステップ5で、速度比に基づいて電圧比V3/V2を算出する。これは、振動型モータの速度は電圧にほぼ比例するので、(式2−5)のように速度比に基づいて電圧比を決定するためである。
V2/V1=k・s1/s2 (式2−4)
V3/V2=k・s2/s3 (式2−5)
尚、本実施の形態では、振動型モータの比例項kが1の例を説明するが、モータ特性に応じて変更しても良い。次に、ステップ6で、第2のコンデンサの定数を演算式より決定する。演算式は、(式2−3)を用いる。設定したい電圧比V3/V2と、振動子のインピーダンスZm3を用いて、コンデンサのインピーダンスZc2が算出される。次に、Zc2に応じて第2のコンデンサの容量値を決定する。
ステップ7で、速度比に基づいて電圧比V2/V1を算出する。同様に、(式2−4)を用いて速度比に基づいて電圧比を決定する。最後に、ステップ8で、第1のコンデンサの定数を演算式より決定する。演算式は、(式2−2)を用いる。設定したい電圧比V2/V1と、振動子のインピーダンスZm2とZm3、コンデンサのインピーダンスZc2を用いて、コンデンサのインピーダンスZc1が算出される。Zc1に応じて第1のコンデンサの容量値を決定する。
実施の形態1と同様に、上記方法を設計に適用して構成した振動型駆動装置の例を説明する。図13は、本実施形態における振動型モータの周波数と速度の実測結果である。同図は、3つの振動子の共振周波数が一致したものを選別して組み合わせたモータのf−s特性の実測値である。ここで、第1の振動子の共振周波数をf1、第2の振動子の共振周波数をf2、第3の振動子の共振周波数をf3とし、個体差ばらつきによってf2がf1より0.5kHz大きく、f3がf2より0.6kHz大きいものを用いた。
駆動周波数90kHzにおける速度は53rpmであり、これを第2の振動子の速度s2とする。第1の振動子は共振周波数差0.5kHzに応じて速度が低下するので、47rpmとなり、これをs1とする。また、第3の振動子は共振周波数差0.6kHzに応じて速度が増加するので、64rpmとなり、これをs3とする。このようにf−s特性に基づいてs1とs2とs3が推定される。よって、速度比s1/s2=0.89、s2/s3=0.83と計算されるので、電圧比V2/V1は0.89、V3/V2は0.83と決定した。次に、第2のコンデンサ1008の容量値を(式2−3)を用いて算出し、2.7nFと決定した。そして、第1のコンデンサ1007の容量値を(式2−2)を用いて算出し、8.0nFと決定した。
このように、3つの振動子で共振周波数差が生じた振動型モータを有する振動型駆動装置に本実施の形態の構成を適用することで、速度差を補償するように電圧比を設定することができ、モータの駆動効率が低下することを防ぐことができる。
図14は、本発明の効果を示す為に用いた比較例の構成と、その回転速度と消費電力の実測結果を示す図である。図14(a)は、比較例の構成を示す図である。図のように、3つの振動子1004、1005、1006は駆動回路1001に並列に接続され、各振動子の間に第1、第2のコンデンサは接続されていない。図14(b)は、本実施の形態の振動型駆動装置における回転速度と回路消費電力の実測結果である。横軸に回転速度、縦軸に回路消費電力を示す。尚、3つの振動子の共振周波数差は、図13で説明したものと同様である。
まず、回転速度53rpmでの両者の回路消費電力を比較する。比較例の回路消費電力は1.6Wであるのに対して、本実施の形態の構成を適用した場合は1.3Wであり、19%の電力を低減することができた。これは、比較例では速度差によって滑りが大きく、摺動損失が大きかったのに対して、本実施の形態の振動型駆動装置は速度差が低減され、駆動効率が向上した為である。また、最高速度に注目すると、比較例は63rpmであるが、本実施の形態の振動型駆動装置では81rpmであり、1.3倍に向上する事ができた。このように、駆動効率の改善だけでなく、本来のモータが有する性能を十分に引き出す事が可能となる。
図15は、本発明の実施の形態2で説明した振動波駆動装置の変形例を示す図である。2つ変形例について説明する。図15(a)は、第1のコンデンサ1007のみを有する場合である。これは、第1、第2、第3の振動子の共振周波数fをf1、f2、f3として、
f1<f2≒f3
となる場合に適用することができる。つまり、第2の振動子1005と第3の振動子1006の共振周波数が一致、或いは近い場合は両者の速度差が小さくなるので、
|V1|>|V2|≒|V3|
となるように電圧Vを設定することで、各振動子の駆動の速度差の影響を抑制した振動型駆動装置を実現できるためである。ここで、複数の振動子の共振周波数が一致、或いは近いとは、振動波駆動装置において、複数の振動子の速度差が振動波駆動装置の駆動が機能するのに実質的に影響を与えない程度である場合を指す。例えば、複数の振動子の共振周波数の差が0.5kHz以下である場合を示す。
また、図15(b)は、第2のコンデンサ1008のみを有する場合である。同様に、第1、第2、第3の振動子の共振周波数fをf1、f2、f3として、
f1≒f2<f3
となる場合に適用することができる。よって、電圧Vは、
|V1|≒|V2|>|V3|
と設定する。
また、実施の形態1の構成(2つの振動子)に加え、実施の形態2の図10で示した基本構成(3つの振動子)、そして図15で示した変形例を組み合わせる事で、4つ以上の振動子から成る振動型モータに対しても適用する事ができる。
振動子が3つ以上設けられる場合、駆動回路、複数の振動子、及び電気素子を含む回路としては、図16に示す構成例も用いることができる。図16において、3つの振動子の各インピーダンスを示すZm1(1603)、Zm2(1604)、Zm3(1605)は、交番電圧Voに対して並列に接続される。
したがって、n個(nは3以上の整数)の振動子が設けられる場合、図10に示される構成例1と、図16(a)及び(b)に示される構成例2を用いることができる。構成例1では、n−1番目の電気素子とn番目の振動子は直列に接続され、n−1番目の電気素子とn番目の振動子は、n−1番目の振動子に並列に接続される。また、n−1番目の電気素子とn番目の振動子は、1、2、・・・、n−2番目の電気素子を介して駆動回路に接続される。構成例2では、n−1番目の電気素子とn番目の振動子が直列に接続され、n−2番目の電気素子及びn−1番目の振動子と並列に接続される。したがって、構成例2では、n−1番目の電気素子とn番目の振動子は、他の電気素子を介さずに駆動回路に接続される。
どちらの回路でも、複数の振動子間のばらつきによる速度差を低減することができるが、図10に示される構成例1の方が、より、上記効果が大きく、駆動効率の低下を抑制できる。
例えば、第3の振動子がインピーダンス変化した場合の速度差について、構成例1と構成例2を比較する。構成例2を示す図16(a)において、第1のコンデンサのインピーダンスを示すZc1(1601)はZm2に直列に接続され、さらに、第2のコンデンサのインピーダンスを示すZc2(1602)はZm3に直列に接続される。図16(b)は、構成例2の具体的な回路構成を示すものである。第1のコンデンサ1601を4.4nF、第2のコンデンサ1602を1.6nFと決定した。これは、本発明の実施の形態2の図13で算出された電圧比V2/V1、V3/V2と同じ値になるよう定数を設定したものである。
図17は、振動子のインピーダンス変動に基づく速度差の変化について、構成例1と構成例2を比較した図である。前提として、第1、第2の振動子のインピーダンスは変化せず、第3の振動子のインピーダンスが変化する場合を計算した。これは、第3の振動子の共振周波数が最も高いので、速度制御時に駆動周波数をスイープすると最初に電流が流れてインピーダンスの変動が生じる為である。本計算では、インピーダンス比をZm3/Zm2として、標準値の1.0から0.2まで変化させた。尚、Zm2はZm1と同じ値とした。
図17(a)は、インピーダンス比に基づく電圧比V2/V1、V3/V2の計算結果を示すものである。破線は構成例2、実線は構成例1を示す。インピーダンス比が1.0の場合は両者に差は見られないが、0.2まで低下すると、構成例1の振動型駆動装置は電圧比の差が小さいのがわかる。図17(b)は、前述の電圧比を速度比s2/s3に換算したものである。これは、第2の振動子と第3の振動子の速度差を表すものであり、構成例1の振動型駆動装置は構成例2の振動型駆動装置に対して速度差が小さい事がわかる。よって、振動型駆動装置が構成例1に示す構成を有することで、第3の振動子のインピーダンスが変動しても、速度差を低減できる効果が得られやすい事がわかった。
(実施の形態3)
本発明の振動型駆動装置を、カメラなどの撮像装置(光学機器)に適用した例について説明する。ここでは、撮像装置のレンズ鏡筒に、レンズを駆動しオートフォーカスする為の振動型駆動装置を組み込んだ例を図18を用いて説明する。
図18は、レンズ鏡筒のレンズの駆動機構部を説明する図である。本実施の形態の撮像装置の駆動機構は、振動子と、レンズホルダと、前記レンズホルダを摺動自在に保持する、平行に配された第一ガイドバーと第二ガイドバーとを備えている。そして、この電気−機械エネルギー変換素子に対する駆動電圧の印加によって生成された振動子の突起部の楕円運動によって、振動子と、振動子の弾性体の突起部と接触する第二ガイドバーとの間に相対移動力を発生させる。これによって、レンズホルダは、第一及び第二ガイドバーに沿って移動可能となる。
具体的には、図18に示すように、本実施の形態の撮像装置の駆動機構50は、主にレンズ保持部材であるレンズホルダ52、レンズ57、フレキシブルプリント基板が結合された振動子51a及び51b、2つのガイドバー53、54及び不図示の基体を備える。ここでは、振動型モータして、図3を用いて説明した2つの振動子51a及び51bを有し、被駆動体として第二のガイドバー54を有する振動型モータを例に説明する。
第一のガイドバー53、第二ガイドバー54は、互いに平行に配置されるようにそれらの各ガイドバーの両端が、不図示の基体により保持固定されている。
レンズホルダ52は、円筒状のホルダ部52a、及び振動子51a及び51bを保持固定する保持部52b、第一ガイドバー53と嵌合してガイドの作用をなす第一のガイド部52cから構成される。
振動型モータの2つの振動子51a及び51bは、第二ガイドバー54を挟み込むように対向して配置され、各突起部が加圧接触することで、第二のガイドバー54に沿って駆動される。
2つの振動子51a及び振動子51bに所望の電気信号を与えることで振動子51aおよび51bとガイドバー54との間に駆動力が発生し、この駆動力によりレンズホルダ52の駆動が行われる。
本実施の形態では、振動型駆動装置を撮像装置のオートフォーカス用のレンズ駆動に用いる例を説明したが、本発明の適用例はこれに限定されない。例えば、ズーム用レンズの移動のためのレンズホルダの駆動に用いることもできる。したがって、本願発明の振動型駆動装置は、レンズ駆動用に、撮像装置に加えて、交換用レンズにも適用することができる。また、撮像素子の駆動に用いることもでき、手ぶれ補正時のレンズや撮像素子の駆動に用いることもできる。
101 第1の振動子
102 第2の振動子
104 被駆動部材
105 振動型モータ
106 駆動回路
107 第1の電気素子

Claims (19)

  1. 電気−機械エネルギー変換素子を備えた第1の振動子と、
    電気−機械エネルギー変換素子を備えた第2の振動子と、
    電気−機械エネルギー変換素子を備えた第3の振動子と、
    前記第1の振動子、前記第2の振動子および前記第3の振動子と接する1つの被駆動体と、
    前記第2の振動子に直列に接続された第1の電気素子と、
    前記第3の振動子に直列に接続された第2の電気素子を有し
    前記第1の振動子が駆動回路に接続され、
    前記第2の振動子と前記第1の電気素子が前記第1の振動子に並列に接続され、
    前記第2の振動子が前記駆動回路と前記第1の電気素子を介して接続され、
    前記第3の振動子と前記第2の電気素子が、前記第2の振動子と並列に接続され、
    前記第3の振動子が前記第1の電気素子と前記第2の電気素子を介して前記駆動回路と接続され、前記第1の振動子の共振周波数をf1、第2の振動子の共振周波数をf2、前記第3の振動子の共振周波数をf3として、
    f1<f2<f3
    を満たすことを特徴とする振動型駆動装置。
  2. 電気−機械エネルギー変換素子を備え、被駆動体に加圧接触するように構成された第4の振動子を有し、
    前記第4の振動子が前記駆動回路に接続され、
    前記第4の振動子は、前記第1の振動子、前記第2の振動子、及び前記第1の電気素子を有する電気回路と並列に接続され、
    前記第4の振動子の共振周波数をf4として、
    f4≦f1
    を満たすことを特徴とする請求項1に記載の振動型駆動装置。
  3. 前記被駆動体を有する請求項1または2に記載の振動型駆動装置。
  4. 前記駆動回路を有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  5. 前記第1の電気素子はコンデンサである請求項1乃至4のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  6. 前記第2の電気素子はコンデンサである請求項1乃至5のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  7. 前記第1の電気素子のインピーダンスは、前記第1の振動子と第2の振動子の共振周波数の違いに起因して生じる、前記第1の振動子と前記被駆動体の相対移動の速度と、前記第2振動子と前記被駆動体の相対移動の速度の差を低減する値である請求項1乃至6のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  8. 前記第1の振動子の駆動電圧をV1、前記第2の振動子の駆動電圧をV2とすると、
    前記第1の電気素子のインピーダンスは、V1とV2の比であるV2/V1に基づいて設定され、
    V2/V1は、前記第1の振動子と第2の振動子の共振周波数の違いに起因して生じる、前記第1の振動子と前記被駆動体の相対移動の速度と、前記第2振動子と前記被駆動体の相対移動の速度の差を低減するように設定され、
    |V2/V1|<1
    を満たすことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  9. 前記第2の電気素子のインピーダンスは、前記第2の振動子と第3の振動子の共振周波数の違いに起因して生じる、前記第2の振動子と前記被駆動体の相対移動の速度と、前記第3振動子と前記被駆動体の相対移動の速度の差を低減する値である請求項1乃至9のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  10. 前記第3の振動子の駆動電圧をV3とすると、
    前記第2の電気素子のインピーダンスはV2とV3の比であるV3/V2に基づいて設定され、
    V3/V2は前記第2の振動子と第3の振動子の速度差をするように設定され、
    |V3/V2|≦1
    を満たすことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  11. 前記駆動回路はトランス又はコイルから成る昇圧部を備えることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  12. 前記第1の電気素子が実装される給電部材と、
    前記第1の振動子及び前記第2の振動子にそれぞれ接続される給電部材と、を備える、請求項1乃至11のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  13. 前記第1の電気素子及び第2の電気素子が直列に実装される給電部材と、
    前記第1の振動子、前記第2の振動子、及び前記第3の振動子にそれぞれ接続される給電部材と、を備える請求項1乃至12のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  14. レンズと、
    前記被駆動部材を駆動することで、前記レンズを保持するレンズ保持部材を駆動する請求項1乃至13のいずれか1項に記載の振動型駆動装置と、
    前記レンズ保持部材の位置を検出する位置センサと、
    検出した位置に基づいて制御を行なう制御装置と、を備えた交換用レンズ。
  15. 撮像素子と、
    レンズと、
    前記被駆動部材を駆動することで、前記レンズを保持するレンズ保持部材を駆動する請求項1乃至13のいずれか1項に記載の振動型駆動装置と、
    前記レンズ保持部材の位置を検出する位置センサと、
    検出した位置に基づいて制御を行なう制御装置と、を備えた撮像装置。
  16. レンズと、
    撮像素子と、
    前記被駆動部材を駆動することで、前記撮像素子を駆動する請求項1乃至13のいずれか1項に記載の振動型駆動装置と、
    前記撮像素子の位置を検出する位置センサと、
    検出した位置に基づいて制御を行なう制御装置と、を備えた撮像装置。
  17. 電気−機械エネルギー変換素子を有する第1の振動子と、
    電気−機械エネルギー変換素子を有し、前記第1の振動子の共振周波数より大きい共振周波数を有する第2の振動子と、
    電気−機械エネルギー変換素子を有し、前記第2の振動子の共振周波数より大きい共振周波数を有する第3の振動子と、
    前記第1の振動子、前記第2の振動子および前記第3の振動子と接する1つの被駆動部材を備えた振動型モータの製造方法において、
    前記第1の振動子及び前記第2の振動子の共振周波数の差に基づいて前記第1の振動子及び前記第2の振動子の速度比を求めるとともに前記第2の振動子及び前記第3の振動子の共振周波数の差に基づいて前記第2の振動子及び前記第3の振動子の速度比を求め
    それぞれの前記速度比に基づいて前記第1の振動子、前記第2の振動子及び前記第3の振動子に印加する電圧比を算出し、
    前記電圧比に基づいて第1の電気素子および第2の電気素子の回路定数を求め、
    前記第1の振動子、前記第2の振動子、前記第3の振動子、前記第1の電気素子及び前記第2の電気素子を、
    前記第1の振動子が前記振動型モータの駆動回路に接続され、
    前記第2の振動子と前記第1の電気素子が前記第1の振動子に並列に接続され、
    前記第2の振動子が前記駆動回路と前記第1の電気素子を介して接続され、
    前記第3の振動子と前記第2の電気素子が、前記第2の振動子と並列に接続され、
    前記第3の振動子が前記第1の電気素子と前記第2の電気素子を介して前記駆動回路に接続されるよう、配することを特徴とする振動型モータの製造方法。
  18. 前記電気素子はコンデンサであることを特徴とする請求項17に記載の振動型モータの製造方法。
  19. 前記第1の振動体と前記第2の振動体の共振周波数を求める工程を有する請求項17または請求項18に記載の振動型モータの製造方法。
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