JP7379285B2 - Vibration drive devices, equipment, vibration actuator control devices - Google Patents
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Description
本発明は、振動型駆動装置、振動型駆動装置を備える撮像装置、雲台装置、画像形成装置及び機器、並びに、振動型駆動装置を構成する振動型アクチュエータの制御装置に関する。 The present invention relates to a vibration type drive device, an imaging device, a pan head device, an image forming device and equipment including the vibration type drive device, and a control device for a vibration type actuator that constitutes the vibration type drive device.
振動型アクチュエータは、接触体と振動体とを接触させ、振動体に発生させた高周波振動の振動エネルギを接触体と振動体を相対的に移動させる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(モータ)である。振動体は一般的に、圧電素子等の電気-機械エネルギ変換素子を弾性体と接合させて構成される。そして、振動型アクチュエータの駆動を制御する制御装置は、パルス信号を発生するパルス信号発生回路と、トランスで増幅した交流電圧を電気-機械エネルギ変換素子へ印加するための昇圧回路を有する。 A vibration-type actuator is a non-electromagnetic actuator that is configured to bring a contact body into contact with a vibrating body and extract the vibration energy of high-frequency vibration generated in the vibrating body as mechanical motion that moves the contact body and the vibrating body relatively. It is a type actuator (motor). A vibrating body is generally constructed by bonding an electro-mechanical energy conversion element such as a piezoelectric element to an elastic body. The control device that controls the drive of the vibration type actuator includes a pulse signal generation circuit that generates a pulse signal, and a booster circuit that applies the AC voltage amplified by the transformer to the electro-mechanical energy conversion element.
振動型アクチュエータは、電気-機械エネルギ変換素子に印加された交流電圧の周波数や振幅、位相差を調整することにより、接触体と振動体との相対移動速度を制御することができる。そこで、振動型アクチュエータは、一例として、撮像装置でオートフォーカス動作を行うためのフォーカスレンズの駆動に用いられている。 The vibration type actuator can control the relative movement speed between the contact body and the vibrating body by adjusting the frequency, amplitude, and phase difference of the alternating current voltage applied to the electro-mechanical energy conversion element. Therefore, the vibration type actuator is used, for example, to drive a focus lens for performing an autofocus operation in an imaging device.
オートフォーカス動作には高精度な位置決め制御が必要であり、一般的にフォーカスレンズは位置センサを用いた位置フィードバック制御等により、加速、等速、減速を行った後に目標停止位置で停止するよう制御される。その際には制御装置での消費電力を抑制して、フォーカスレンズの駆動効率を高めることが望ましく、そのためには、駆動回路における電気-機械エネルギ変換素子の電気的な共振を利用した昇圧回路(共振回路)の設計が重要となる。トランスを用いた昇圧回路を用いる場合には、振動型アクチュエータの駆動に用いる周波数領域に合わせて回路定数を調整する必要がある。回路定数による調整は、トランス、コイル、コンデンサ等の電気素子だけでなく、振動体の機械的振動部分の等価コイル及び等価コンデンサを考慮する必要がある。これに対して、例えば特許文献1には、圧電素子の静電容量と昇圧用トランスの出力コイルによって生じる並列共振周波数が、モータの共振周波数とモータの振幅特性が最初に最も低レベルとなる周波数との間となるように構成された制御装置が記載されている。
Autofocus operation requires highly accurate positioning control, and generally a focus lens is controlled to stop at a target stop position after accelerating, constant velocity, and deceleration using position feedback control using a position sensor. be done. In this case, it is desirable to suppress the power consumption in the control device and increase the driving efficiency of the focus lens. (resonant circuit) design is important. When using a booster circuit using a transformer, it is necessary to adjust the circuit constants according to the frequency range used for driving the vibration type actuator. Adjustment using circuit constants requires consideration of not only electric elements such as transformers, coils, and capacitors, but also the equivalent coil and equivalent capacitor of the mechanically vibrating portion of the vibrating body. On the other hand, for example,
上記特許文献1に記載された駆動回路では、共振周波数より少し高い周波数域におけるトランス出力の電圧変動を低減することができる。しかしながら、消費電力に関しては、振動型アクチュエータの無効電流を低く抑えることに止まっており、より大きな消費電力の低減効果を奏する昇圧回路が望まれている。なお、無効電流とは、電気-機械エネルギ変換素子の静電容量に流れる電流を指し、振動に寄与しない電流成分である。
The drive circuit described in
本発明は、振動型アクチュエータの駆動時の消費電力を低減することが可能な振動型駆動装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a vibration type drive device that can reduce power consumption when driving a vibration type actuator.
本発明に係る振動型駆動装置は、振動型アクチュエータと、前記振動型アクチュエータの駆動を制御する制御装置と、を備える振動型駆動装置であって、前記振動型アクチュエータは、弾性体と、該弾性体に接合された電気-機械エネルギ変換素子とを有する振動体と、前記弾性体と接触する接触体と、を有し、前記制御装置は、入力信号を前記電気-機械エネルギ変換素子に印加する交流電圧に変換するトランスを有する駆動回路と、前記入力信号の周波数、位相および電圧を制御する制御部と、を有し、前記トランスの一次側電流が極小となる周波数をf1、前記トランスの二次側電流が極小となる周波数をfaとした場合に、1.00≦f1/fa≦1.07、の関係が満たされることを特徴とする。 A vibration type drive device according to the present invention is a vibration type drive device including a vibration type actuator and a control device that controls driving of the vibration type actuator, and the vibration type actuator includes an elastic body and an elastic body. A vibrating body having an electro-mechanical energy conversion element joined to the body, and a contact body in contact with the elastic body, and the control device applies an input signal to the electro-mechanical energy conversion element. It has a drive circuit having a transformer that converts it into an alternating current voltage, and a control unit that controls the frequency, phase, and voltage of the input signal, and sets the frequency at which the primary current of the transformer is minimum to f1, and It is characterized in that the following relationship is satisfied: 1.00≦f1/fa≦1.07, where fa is the frequency at which the next-side current becomes minimum.
本発明によれば、振動型アクチュエータの駆動時の消費電力を低減させることが可能になる。 According to the present invention, it is possible to reduce power consumption when driving a vibration type actuator.
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。以下の説明において、「振動型駆動装置」は「振動型アクチュエータ」と「制御装置」を含み、「振動型アクチュエータ」は「振動体」と「接触体」を含み、「振動体」は「弾性体」と「電気-機械エネルギ変換素子」を含むものとする。また、振動型アクチュエータを駆動すると振動体と接触体とが相対移動するが、説明の便宜上、振動体は所定位置に固定されて不動であり、接触体が振動体に対して移動可能であるとする。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the following explanation, "vibration type drive device" includes "vibration type actuator" and "control device", "vibration type actuator" includes "vibration body" and "contact body", and "vibration body" includes "elastic ``body'' and ``electrical-mechanical energy conversion element.'' Furthermore, when a vibration-type actuator is driven, the vibrating body and the contact body move relative to each other, but for the sake of explanation, it is assumed that the vibrating body is fixed at a predetermined position and does not move, and the contact body is movable relative to the vibrating body. do.
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態に係る振動型駆動装置20の概略構成を示すブロック図である。振動型駆動装置20は、振動型アクチュエータ23と、振動型アクチュエータ23の駆動を制御する制御装置100を有する。制御装置100は、制御部110と、駆動回路120と、位置センサ24を有する。制御部110は、指令部111、制御演算部112及び相対位置検出部113を有する。駆動回路120は、パルス信号発生回路104と昇圧回路105を有する。振動型アクチュエータ23は、振動体1と接触体2を有する。
<First embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a vibration
位置センサ24は、例えば、エンコーダであり、接触体2の位置を検出する。位置センサ24は、ハードウェアとしては制御部110及び駆動部220とは別体で振動型アクチュエータ23に設けられることが一般的であるが、振動型アクチュエータ23の制御に必要な構成要素として制御装置100に含まれるものとして扱うこととする。
The
指令部111は、接触体2の時間毎の位置指令値を生成して制御演算部112へ送る。相対位置検出部113は、位置センサ24からの出力信号に基づいて接触体2の位置を検出し、検出した位置信号を制御演算部112へ送る。制御演算部112は、指令部111から入力された位置指令値と相対位置検出部113から入力された位置信号との位置偏差を演算し、制御信号に変換して駆動回路120へ出力する。なお、制御信号とは、位置偏差を、振動体1を構成する後述の圧電素子204(図2参照)に印加する交流電圧VA,VB(図2を参照して後述する)を生成するためのパルス信号の制御パラメータである位相差、周波数及びパルス幅に変換したものである。制御部110から出力される位相差、周波数及びパルス幅の各制御量に基づいて、接触体2の駆動速度及び駆動方向が制御される。このように、制御部110は、位置指令値と接触体2の実際の位置との所定の時間毎の偏差に基づいて振動型アクチュエータ23の駆動を制御する位置フィードバック制御を行う。
The
なお、制御演算部112には、例えばPID演算器等が用いられるが、これに限定されるものではない。また、ここでは位置フィードバック制御を行う構成としているが、これに限らず、速度偏差に基づく速度フィードバック制御を行う構成であってもよい。更に、振動型アクチュエータ23を駆動する際に消費電力を低減させるという目的に鑑みれば、フィードバック制御を行わずにオープン駆動制御を行う構成であってもよい。
Note that the
パルス信号発生回路104は、制御信号(位相差、周波数、パルス幅の制御量)に基づいて位相の異なるパルス信号(A相パルス信号、A相反転パルス信号、B相パルス信号及びB相反転パルス信号(図4参照))を生成し、昇圧回路105へ出力する。昇圧回路105は、入力されたパルス信号で直流電源をスイッチングすることにより生成した入力信号をトランスで所定の電圧へ昇圧することにより、略正弦波形で位相の異なる2相の交流電圧VA,VBを生成する。
The pulse
交流電圧VA,VBが圧電素子204に印加されると、振動体1に後述の振動が発生し、振動体1から受ける摩擦駆動力によって接触体2が所定の方向に移動する。接触体2の位置は位置センサ24によって検出され、検出信号が相対位置検出部113へ送られる。こうして、前述したように、時間毎の位置指令値に接触体2の実際の位置が追従するように、振動型アクチュエータ23の位置フィードバック制御が行われる。
When alternating current voltages VA and VB are applied to the
図2は、振動型アクチュエータ23の概略構成と、振動体1に励起される振動モードを説明する図である。図2(a)は、振動型アクチュエータ23の概略構成を示す斜視図である。振動型アクチュエータ23を構成する振動体1は、略矩形板状の弾性体203と、弾性体203の一方の面に接着剤等を用いて接合された略矩形板状の圧電素子204を有する。弾性体203の他方の面(圧電素子204が接合されている面の反対側の面)には、2か所に突起部202が設けられている。
FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
図2(b)は圧電素子204に設けられた電極パターンを示す図である。図2(c)は振動体1に励振される第1の振動モードを説明する図である。図2(d)は振動体1に励振される第2の振動モードを説明する図である。なお、振動体1において2つの突起部202を結ぶ方向をX方向、弾性体203の厚さ方向をZ方向、X方向及びZ方向と直交する方向をY方向と定義する。
FIG. 2(b) is a diagram showing an electrode pattern provided on the
圧電素子204において弾性体203と接合している面の反対側の面には、長手方向(X方向)で略2等分された2つ電極領域が形成されており、各電極領域における圧電体の分極方向は同一方向(+)となっている。なお、圧電素子204において弾性体203と接合している面には、不図示であるが、略面全体に1つの電極(共通電極)が設けられている。
On the surface of the
圧電素子204の図2(b)の2つの電極領域のうち、右側の電極領域には交流電圧VBが印加され、左側の電極領域には交流電圧VAが印加される。交流電圧VA,VBを第1の振動モードの共振周波数付近の周波数で、且つ、同位相とすると、圧電素子204が全体的にある瞬間には伸び、別の瞬間には縮む。その結果、振動体1には、図2(c)に示すような、X方向と略平行に振動体1に2つの節が現れる一次の面外曲げ振動モードの振動が発生する。また、交流電圧VA,VBを第2の振動モードの共振周波数付近の周波数で、且つ、位相を180°ずらすと、ある瞬間には、圧電素子204の一方の電極領域が縮むと同時に他方の電極領域が伸び、別の瞬間には逆の関係が生じる。その結果、振動体1には、図2(d)に示すような、Y方向と略平行に振動体115に3つの節が現れる二次の面外曲げ振動モードの振動が発生する。
Of the two electrode regions of the
ここで、2か所の突起部202は、第1の振動モードでの振動の腹となる位置の近傍、且つ、第2の振動モードでの振動の節となる位置の近傍に配置されている。よって、第1の振動モードと第2の振動モードの振動位相差が±π/2近傍となるように同時に励振して重ね合わせることで、突起部202の先端は、第2の振動モードの振動の節を支点として振り子運動を行ってX方向に往復運動すると共に第1の振動モードの振動によってZ方向に往復運動する。これにより、突起部202の先端面にXZ面内の楕円運動を生じさせて、突起部202の先端面と接触している接触体2に摩擦駆動力を与えて、接触体2をX方向に駆動することができる。その際、交流電圧VA,VBの位相差等を変えることによって、接触体2の駆動速度を調整することができる。
Here, the two
なお、ここでは、圧電素子204を2相の交流電圧VA,VBで駆動する構成を取り上げているが、制御装置100は、3相以上の交流電圧で駆動する振動型アクチュエータの駆動と制御にも適用することができる。
Note that although a configuration in which the
次に、駆動回路120の構成について詳細に説明する。本発明はトランスの一次側電流と二次側電流が極小となる周波数に着目し、駆動回路120では振動型アクチュエータ23の駆動に用いる周波数領域に合わせて回路定数を設定する。つまり、昇圧回路105に流れる電流の周波数特性を調整することにより、昇圧回路105での消費電力を低減させる。
Next, the configuration of the
図3は駆動回路120の回路図である。なお、図3には交流電圧VAを生成する回路構成のみが示されており、交流電圧VBを生成する回路構成の図示を省略している。交流電圧VBを生成する回路構成は、交流電圧VAを生成する回路構成と同じであるため、重複する説明を省略する。
FIG. 3 is a circuit diagram of the
駆動回路120は、大略的に、パルス信号発生回路104と昇圧回路105によって構成される。パルス信号発生回路104は、パルス信号を発生させる発振器と、発振器から出力されるパルス信号により直流電源をスイッチングするスイッチング回路(Hブリッジ回路)を有し、スイッチング回路から交流パルス信号Viが出力される。
The
図4(a)はパルス信号発生回路104の発振器から出力されるパルス信号のタイミングチャートである。発振器は、制御部110から入力された位相差、周波数、パルス幅の情報を有する制御信号に基づいて、A相パルス信号(A+)と、A相パルス信号とは位相が180度ずれたA相反転パルス信号(A-)を出力する。スイッチング回路には直流電源を供給する不図示のDC-DCコンバータ回路等が接続されており、発振器が出力したパルス信号によってスイッチング素子がオン/オフすることで矩形波の交流電圧である交流パルス信号Viを生成し、昇圧回路105へ出力する。
FIG. 4A is a timing chart of the pulse signal output from the oscillator of the pulse
なお、パルス信号発生回路104は、所望の電圧振幅の交流パルス信号Viが得られるように、PWM(パルス幅変調)制御によってA相パルス信号及びA相反転パルス信号のパルス幅(パルス・デューティ)を調整する。パルス幅は、制御部110から入力される制御信号に基づいて設定される。また、本実施形態では、フルブリッジ駆動のスイッチング回路を用いているが、これに限らず、ハーフブリッジ駆動によるスイッチング回路等を用いてもよい。
Note that the pulse
パルス信号発生回路104で生成された交流パルス信号Viは、昇圧回路105へ入力される。昇圧回路105は、圧電素子204の静電容量106と共振回路を形成するコイル101とトランス102によって構成されており、交流パルス信号Viを所望の出力電圧Voに昇圧することにより、略正弦波形の交流電圧VAを生成する。なお、トランス102の極性はどちらでも構わない。
The AC pulse signal Vi generated by the pulse
なお、パルス信号発生回路104の発振器は、制御部110からの位相差、周波数、パルス幅の情報を有する制御信号に基づき、B相パルス信号(B+)と、位相がB相パルス信号とは180度ずれたB相反転パルス信号(B-)を出力する(図4(a)参照)。交流電圧VAを生成する方法と同じ方法で交流電圧VBが生成される。
Note that the oscillator of the pulse
図4(b)はA相パルス信号とB相パルス信号の位相差を説明するタイミングチャートである。ここでは、A相パルス信号とB相パルス信号は、デューティが共に50%であり、且つ、+90度の位相差を有する例が示されている。なお、時刻t0~t4の時間が振動型アクチュエータ23を駆動する周波数の1周期であり、A相パルス信号とB相パルス信号の立ち上がりが1/4周期分だけずれている。
FIG. 4(b) is a timing chart illustrating the phase difference between the A-phase pulse signal and the B-phase pulse signal. Here, an example is shown in which the A-phase pulse signal and the B-phase pulse signal both have a duty of 50% and a phase difference of +90 degrees. Note that the period from time t0 to t4 is one cycle of the frequency for driving the
圧電素子204の等価回路は、図3に示されるように、振動体1の機械的振動部分のRLC直列回路と、RLC直列回路に並列に接続された圧電素子204の静電容量Cd106とにより構成される。RLC直列回路は、等価コイルLm107、等価コンデンサCm108及び等価抵抗Rm109により構成される。振動体1の共振周波数fmは、等価コイルLm107と等価コンデンサCm108によって決まる。
As shown in FIG. 3, the equivalent circuit of the
等価抵抗Rm109は負荷等により変動するが、共振周波数fmには影響しない。昇圧回路105の電気的共振周波数feは、トランス102、コイル101及び圧電素子204によって調整することができる。電気的共振周波数feを調整することにより、出力する交流電圧VAの波形歪みを低減すると共に、駆動周波数域での電圧の安定化を図ることができる。本実施形態では、主にコイル101の定数(インダクタンス)を変更することにより電気的共振周波数feを調整する。
Although the equivalent resistance Rm109 varies depending on the load etc., it does not affect the resonance frequency fm. The electrical resonance frequency fe of the
昇圧用のトランス102は、磁気的に結合した一次側コイル102aと二次側コイル102bを有する。一次側コイル102aに電流が流れることで磁束が発生し、二次側コイル102bに誘導的に電流が流れて電圧が発生する。なお、トランス102では、二次側コイル102bの巻き数を一次側コイル102aに対して数倍~20倍程度とし、巻き数の比に応じて一次側の電圧振幅を増幅する。
The step-up
トランス102の一次側コイル102aに流れる電流は、パルス信号発生回路104の電源側から選択されたスイッチング素子を介してコイル101と一次側コイル102aを通じてGND側に流れる交流電流である。したがって、トランス102の一次側の消費電力は、スイッチング素子のオン抵抗と、コイル101及び一次側コイル102aの抵抗成分及び電流値によって変化する。トランス102での巻き数比の関係で、一般的に一次側電流は二次側電流より大きいため、消費電力も大きくなる傾向にある。一方、トランス102の二次側に流れる電流は、二次側コイル102bを通じて圧電素子204の静電容量106乃至機械的振動部分(RLC直列回路)を流れる交流電流である。
The current flowing through the
トランス102の一次側電流と二次側電流の周波数特性は、昇圧回路105に用いる電気素子の定数、静電容量、機械的振動部分の等価定数によって異なるが、各周波数特性を一致又は近接させることによって昇圧回路105の消費電力を低減させることができる。
The frequency characteristics of the primary current and secondary current of the
駆動回路120の周波数特性について図5を参照して説明する。図5(a)は振動型アクチュエータ23の駆動時における振動型アクチュエータ23の駆動速度(接触体2の移動速度)と駆動周波数との関係を示す図である。
The frequency characteristics of the
図5(a)に示すように、最大駆動速度が得られる共振周波数fmに対して、駆動周波数域は共振周波数fmよりも高周波数側の最小周波数fminから最大周波数fmaxまでの範囲内となる。駆動周波数域の最小周波数fminを共振周波数fmよりも高周波数側に設定するのは、駆動周波数が共振周波数fmを跨ぐことで振動型アクチュエータ23が制御不能になってしまうことを回避するためである。
As shown in FIG. 5A, with respect to the resonance frequency fm at which the maximum drive speed is obtained, the drive frequency range is from the minimum frequency fmin to the maximum frequency fmax on the higher frequency side than the resonance frequency fm. The reason why the minimum frequency fmin in the drive frequency range is set to a higher frequency side than the resonance frequency fm is to avoid the
振動型アクチュエータ23を起動する際の起動周波数fdを最大周波数fmaxの近傍に設定した場合には応答性の低下が懸念され、一方、起動周波数fdを最小周波数fminの近傍に設定した場合には制御の不安定性が懸念される。そこで、起動周波数fdは、駆動周波数域内で安定した起動が可能であり、且つ、制御性能を考慮した周波数に設定される。
If the starting frequency fd when starting the vibration-
また、起動周波数fdは、駆動回路120での消費電力を考慮して設定する必要がある。これは、起動周波数fdによって、起動時だけでなく、位相差又はパルス幅の制御による低速駆動時の消費電力を低減することが可能になるためである。本実施形態では、後述するように、トランス102の一次側電流が極小となる周波数(以下「極小周波数f1」と言う)と、トランス102の二次側電流が極小となる周波数(以下「***振周波数fa」と言う)を回路定数の調整によって一致又は近接させる。これにより、駆動周波数域での駆動回路の消費電力を低減すると共に、***振周波数faと極小周波数f1の間に起動周波数fdを設定して起動時や低速駆動時の消費電力を効果的に低減することが可能になる。なお、振動体1の共振周波数fmは下記式1により求めることができ、振動体1の機械的振動部分の等価コイルLm107と等価コンデンサCm108に依存する値であることがわかる。
Further, the starting frequency fd needs to be set in consideration of the power consumption in the
図5(b)は昇圧回路105からの出力電圧Voと駆動周波数との関係を示す図である。コイル101、トランス102及び圧電素子204の静電容量によって電気的な共振回路が形成されており、その電気共振周波数feにおいて出力電圧Voの振幅(電圧値)はピークを示す。電気共振周波数feは最大周波数fmaxより高周波数側に設定することが一般的で有り、電気共振周波数feを適切に設定することにより、波形歪みの小さい交流電圧を安定して出力することができる。
FIG. 5(b) is a diagram showing the relationship between the output voltage Vo from the
昇圧回路105の電気共振周波数feは、コイル101、トランス102、圧電素子204の各定数により決まり、下記式2により求めることができる。ここで、‘Le’はコイル101の、‘L1’はトランス102の一次側コイルの、‘L2’はトランス102の二次側コイルの各インダクタンスであり、‘M’ はトランス102の相互インダクタンスであり、下記式3により表される。‘Cd’は圧電素子204の静電容量である。
The electrical resonance frequency fe of the
本実施形態では、昇圧回路105においてコイル101をトランス102の一次側に設けているが、これに限らず、二次側に設けてもよいし、また、トランス102に対して直列に接続しているが、並列に接続してもよい。更に、コンデンサをトランス102の一次側又は二次側に直列又は並列に接続してもよい。これは、昇圧回路105においてコイルやコンデンサは、主に電気共振周波数feの調整や出力電圧Voの安定化を目的として組み込まれるものだからである。コイルやコンデンサがなくとも所望の電気共振周波数feと安定した出力電圧Voが得られるのであれば、これらは必ずしも必要ではない。
In this embodiment, the
図5(c)は昇圧回路105のトランス102の一次側と二次側をそれぞれ流れる電流と駆動周波数との関係を示す図である。図5(c)に破線で示す二次側電流は、共振周波数fmと電気共振周波数feでピークを有する。共振周波数fmと電気共振周波数feの間において極小値を示す***振周波数faは、下記式4により求めることができる。ここで、‘Cd’は圧電素子204の静電容量であり、‘Lm’及び‘Cm’はそれぞれ振動体1の機械的振動部分の等価コイル及び等価コンデンサである。
FIG. 5C is a diagram showing the relationship between the current flowing through the primary side and the secondary side of the
図5(c)に実線で示す一次側電流も、二次側電流と同様に共振周波数fmと電気共振周波数feにピークを有しており、その間に極小周波数f1が存在する。極小周波数f1と***振周波数faには‘fa≦f1’の関係が存在し、これらは回路定数の調整によって近付けたり遠ざけたりすることができる。極小周波数f1は、下記式5により求めることができる。ここで、‘L2’はトランス102の二次側コイルのインダクタンス、‘Cd’は圧電素子204の静電容量、‘Lm’及び‘Cm’はそれぞれ振動体1の機械的振動部分の等価コイル及び等価コンデンサである。
The primary current shown by the solid line in FIG. 5(c) also has a peak at the resonant frequency fm and the electrical resonant frequency fe, like the secondary current, and a minimum frequency f1 exists between them. The relationship 'fa≦f1' exists between the minimum frequency f1 and the anti-resonance frequency fa, and these can be made closer or farther apart by adjusting the circuit constants. The minimum frequency f1 can be determined using
本実施形態では、トランス102の一次側電流での極小周波数f1と二次側電流での***振周波数faとが下記式6の関係を満たすように昇圧回路105が設計される。極小周波数f1と***振周波数faとの比である‘f1/fa’を1の近傍に設定すること、つまり、極小周波数f1と***振周波数faを一致又は近接させることにより、駆動周波数域での昇圧回路105での消費電力を低減することができる。
In the present embodiment, the
望ましくは、***振周波数faと極小周波数f1の間に起動周波数fdを設ける。具体的には、下記式7に示されるように、起動周波数fdが***振周波数fa以上、極小周波数f1以下で規定される境界値から1%(周波数で1kHz前後)の範囲に収まるようにする。これにより、振動型アクチュエータ23の起動時や低速駆動時の消費電力の低減効果を高めることができる。
Desirably, a starting frequency fd is provided between the anti-resonant frequency fa and the minimum frequency f1. Specifically, as shown in Equation 7 below, the starting frequency fd is made to fall within 1% (approximately 1 kHz in frequency) of the boundary value defined by the anti-resonance frequency fa or more and the minimum frequency f1 or less. . This can enhance the effect of reducing power consumption when the
また、***振周波数faと極小周波数f1を共に下記式8で示されるように、振動型アクチュエータ23の駆動周波数域(最小周波数fmin以上、最大周波数fmax以下)に収まるように調整することが望ましい。これにより、最小周波数fmin及びその近傍での高速駆動域や最大周波数fmax及びその近傍での低速駆動域における駆動での消費電力を低減することができる。
Further, it is desirable that both the anti-resonance frequency fa and the minimum frequency f1 be adjusted so that they fall within the drive frequency range (minimum frequency fmin or more, maximum frequency fmax or less) of the
次に、昇圧回路105の具体的な設計例について説明する。図6(a)は実施例1に係る昇圧回路105Aの回路図である。なお、駆動回路120の全体的な構成の図示は省略する。昇圧回路105Aは、図3に示したトランス102及びコイル101に対応するコイル601及びトランス602を有する。
Next, a specific design example of the
交流パルス信号Viが昇圧回路105Aに入力され、トランス602によって昇圧された交流電圧Voが圧電素子204に印加される。昇圧回路105Aでのインダクタンスについて、コイル601は10μH、トランス602の一次側コイルは47μH、二次側コイルは12mHである。また、圧電素子204の静電容量Cdは0.54nFである。トランス602の巻線比は16倍、電源は3Vで、120Vpp前後の交流電圧Voが出力される。振動体1の機械的振動部分の等価コイルLmは50mH、等価コンデンサCmは65pFである。振動体1の共振周波数fmは88kHz、電気共振周波数feは142kHzである。
The AC pulse signal Vi is input to the
図6(b)は、昇圧回路105Aでの出力電圧Vo、トランス602の一次側電流及び二次側電流と駆動周波数との関係をシミュレーションした結果を示す図である。昇圧回路105Aを前述の回路定数に設定することにより、トランス602の一次側電流での極小周波数f1は97kHz、トランス602の二次側電流での***振周波数faは93.5kHzであり、f1/fa=1.04、となって上記式6の関係を満たしている。このとき、***振周波数fa(=93.5kHz)でのトランス602の一次側電流は0.23A、回路消費電力は71mW(後述する図7での電力比は約1.75)となる。なお、実施例1の昇圧回路105Aを有する制御装置100の場合、駆動周波数域は、最小周波数fminが89kHz、最大周波数fmaxが98kHzにそれぞれ設定される。また、起動周波数fdは92.6~98.0kHzの範囲で設定される。
FIG. 6(b) is a diagram showing the results of simulating the relationship between the output voltage Vo of the
図7は、昇圧回路105Aの構成で極小周波数f1と***振周波数faとの比(f1/fa)を変えた場合の電力比をシミュレーションした結果を示す図である。なお、図7には、後述する実施例2,3に係る各昇圧回路の構成での同様のシミュレーション結果と、後述する比較例1,2の特性を並記している。また、電力比は、最も消費電力が小さくなる条件である‘f1/fa=1.01’を基準として、f1/faの値を1.00~1.20の範囲で調整した場合の消費電力を相対的な比として算出している。そして、消費電力には、起動周波数fdを***振周波数faに設定した場合のトランス602の一次側電流と二次側電流によって回路素子で消費する電力の合計値を用いている。
FIG. 7 is a diagram showing the results of simulating the power ratio when the ratio (f1/fa) between the minimum frequency f1 and the anti-resonant frequency fa is changed in the configuration of the
昇圧回路での消費電力を低減する効果が得られるのは、f1/faの値が上記式6の関係を満たす場合であるが、消費電力が最も小さくなる条件は、‘f1/fa=1.01’の関係が満たされる場合である。f1/faが1.01から1に近付くに従って、電力比は大きくなっている。これは、トランス602のコイルのインダクタンスが大きくなり、インダクタンスの増加に伴って抵抗成分による損失が増えるためである。実施例1に係る昇圧回路105Aでは、f1/fa=1.04、となっており、後述する比較例1,2に対して消費電力を低減することが可能となっている。
The effect of reducing the power consumption in the booster circuit can be obtained when the value of f1/fa satisfies the relationship of
図8(a)は比較例1に係る昇圧回路800Aの回路図である。交流パルス信号Viが昇圧回路800Aに入力され、トランス802によって昇圧された交流電圧Voが圧電素子204に印加される。昇圧回路800Aのインダクタンスについて、コイル801は12μH、トランス802の一次側コイルは30μHであり、二次側コイルは7.68mHである。また、圧電素子204の静電容量Cdは0.54nFである。トランス802の巻線比は16倍、電源は3Vで、120Vpp前後の交流電圧Voが出力される。振動体1の機械的振動部分の等価コイルLmは50mH、等価コンデンサCmは65pFである。振動体1の共振周波数fmは88kHz、電気共振周波数feは142kHzである。
FIG. 8A is a circuit diagram of a
図8(b)は、昇圧回路800Aでの出力電圧Vo、トランス802の一次側電流及び二次側電流と駆動周波数との関係をシミュレーションした結果を示す図である。トランス802の一次側電流での極小周波数f1は101kHz、二次側電流での***振周波数faは93.5kHzとなり、f1/fa=1.08、である。***振周波数fa(=93.5kHz)でのトランス802の一次側電流は0.34Aで、回路消費電力は96mW(図7での電力比は約2.4)であり、上述の実施例1よりも大きい。つまり、***振周波数faと極小周波数f1とが離れて上記式6の関係を満たさない場合には、消費電力が増加していることがわかる。
FIG. 8(b) is a diagram showing the results of simulating the relationship between the output voltage Vo in the
図9(a)は比較例1に係る昇圧回路800Bの回路図である。交流パルス信号Viが昇圧回路800Bに入力され、トランス812によって昇圧された交流電圧Voが圧電素子204に印加される。昇圧回路800Bのインダクタンスについて、コイル811は18μH、トランス812の一次側コイルは20μHであり、二次側コイルは5mHである。圧電素子204の静電容量Cdは0.54nFである。トランス812の巻線比は16倍、電源は3Vで、120Vpp前後の交流電圧Voが出力される。また、振動体1の機械的振動部分の等価コイルLmは50mH、等価コンデンサCmは65pFである。振動体1の共振周波数fmは88kHz、電気共振周波数feは142kHzである。
FIG. 9A is a circuit diagram of a
図9(b)は、昇圧回路800Bでの出力電圧Vo、トランス812の一次側電流及び二次側電流と駆動周波数との関係をシミュレーションした結果を示す図である。トランス812の一次側電流での極小周波数f1は110kHz、二次側電流での***振周波数faは93.5kHzとなり、f1/fa=1.18、である。***振周波数fa(=93.5kHz)でのトランス812の一次側電流は0.44Aで回路消費電力は108mW(図7での電力比は約2.7)であり、よって、上述の実施例1よりも大きい。このように、比較例2でも、***振周波数faと極小周波数f1とが離れて上記式6の関係を満たさない場合に、消費電力が増加している。
FIG. 9B is a diagram showing the results of simulating the relationship between the output voltage Vo in the
図10(a)は、実施例1(昇圧回路105A)と比較例1(昇圧回路800A)それぞれを有する制御装置で振動型アクチュエータ23を駆動した際の駆動速度と回路消費電力を測定した結果を示す図である。振動型アクチュエータ23の概略構成は図2を参照して説明した通りである。また、制御装置100の構成は図1及び図3を参照して説明した通りであり、昇圧回路105A,800Aの構成はそれぞれ図6及び図8を参照して説明した通りである。
FIG. 10(a) shows the results of measuring the drive speed and circuit power consumption when the
極小周波数f1と***振周波数faの比(f1/fa)は、実施例1が1.04、比較例1が1.08である。図7の昇圧回路105Aと図8の昇圧回路800Aは、回路定数が異なる点以外では共通しており、よって同じ回路構成であっても実施例1では比較例1に対して消費電力が小さくなっていることがわかる。なお、振動型アクチュエータ23を高速駆動する場合には、実施例1と比較例1とで消費電力が同等となっている。これは、駆動周波数が振動体1の共振周波数fmに近付くに従って、振動体1で消費する電力が支配的になり、共振回路で消費する電力の割合が小さくなるためである。図10(b)については後述する。
The ratio (f1/fa) between the minimum frequency f1 and the anti-resonance frequency fa is 1.04 in Example 1 and 1.08 in Comparative Example 1. The
以上の説明の通り、昇圧回路をトランスの一次側電流での極小周波数f1と二次側電流での***振周波数faを上記式6の関係が満たされる構成とすることにより、昇圧回路の消費電力を低減することができる。
As explained above, by configuring the booster circuit so that the minimum frequency f1 in the primary current of the transformer and the anti-resonance frequency fa in the secondary current satisfy the relationship of
<第2実施形態>
第1実施形態では、1個の振動体1で1個の接触体2を駆動する振動型アクチュエータ23の駆動に適した昇圧回路105(105A)を有する駆動回路120について説明した。これに対して、第2実施形態では、複数の振動体で1個の接触体を駆動する振動型アクチュエータの駆動に適した昇圧回路を有する駆動回路について説明する。
<Second embodiment>
In the first embodiment, the
図11(a)は第2実施形態(実施例2)に係る昇圧回路105Bの回路図である。なお、昇圧回路105B以外の制御装置の構成は、第1実施形態で説明した制御装置100に準ずるため、図示と説明を省略する。昇圧回路105Bは、図3に示されるトランス102及びコイル101に対応するコイル611及びトランス612を有する。交流パルス信号Viが昇圧回路105Bに入力され、トランス612によって昇圧された交流電圧Voが並列に接続された3個の圧電素子613に印加される。ここでは、便宜的に、並列に接続された3個の圧電素子613を「圧電素子615」と称呼する。また、3個の圧電素子613は実質的に等価であるとする。
FIG. 11A is a circuit diagram of a
昇圧回路105Bのインダクタンスについて、コイル611は10μH、トランス612の一次側コイルは89μHであり、二次側コイルは8mHである。また、圧電素子615の静電容量Cd(3個の圧電素子613の合成容量)は1.38nFである。トランス612の巻線比は9.5倍、電源は9Vで、150Vpp前後の交流電圧Voが出力される。また、それぞれに圧電素子613を有する3個の振動体を1個の振動体とみなした場合の振動体の機械的振動部分の等価コイルLmは46mH、等価コンデンサCmは65pFである。振動体の共振周波数fmは92kHz、電気共振周波数feは132kHzである。
Regarding the inductance of the
図11(b)は、昇圧回路105Bでの出力電圧Vo、トランス612の一次側電流及び二次側電流と駆動周波数との関係をシミュレーションした結果を示す図である。トランス612の一次側電流の極小周波数f1は95kHz、二次側電流の***振周波数faは94.2kHzとなり、f1/fa=1.01、となって上記式6の関係を満たしている。そして、***振周波数fa(=94.2kHz)でのトランス612の一次側電流は0.4A、回路消費電力は222mWとなる。昇圧回路105Bでのf1/faの値と電力比との関係は図7に示す通りである。
FIG. 11B is a diagram showing the results of simulating the relationship between the output voltage Vo of the
なお、実施例2の昇圧回路105Bを有する制御装置では、駆動周波数域は、最小周波数fminが93kHz、最大周波数fmaxが98kHzにそれぞれ設定される。また、起動周波数fdは93.3~95.9kHzの範囲で設定される。
Note that in the control device having the
第2実施形態でも、昇圧回路をトランスの一次側電流での極小周波数f1と二次側電流での***振周波数faを上記式6の関係が満たされる構成とすることにより、昇圧回路の消費電力を低減することができる。
In the second embodiment as well, the power consumption of the booster circuit is made such that the minimum frequency f1 in the primary current of the transformer and the anti-resonance frequency fa in the secondary current satisfy the relationship of
<第3実施形態>
図12(a)は第3実施形態(実施例3)に係る昇圧回路105Cの回路図である。なお、昇圧回路105C以外の制御装置の構成は、第1実施形態で説明した制御装置100に準ずるため、図示と説明を省略する。昇圧回路105Cは、図3に示されるトランス102及びコイル101に対応するコイル621及びトランス622を有する。また、昇圧回路105Cは、トランス622の一次側にコイル621と並列接続された第1のコンデンサ623と、トランス622の二次側に圧電素子625と並列接続された第2のコンデンサ624を有する。交流パルス信号Viが昇圧回路105Cに入力され、トランス622によって昇圧された交流電圧Voが圧電素子625に印加される。
<Third embodiment>
FIG. 12A is a circuit diagram of a
昇圧回路105Cのインダクタンスについて、コイル621は25μH、トランス622の一次側コイルは50μHで二次側コイルは4.5mHである。また、圧電素子625の静電容量Cdは3.5nFであり、第2のコンデンサ624の静電容量は3nFである。第2のコンデンサ624の定数によって極小周波数f1と***振周波数faを個別に変更することができるが、本実施形態では主に極小周波数f1を調整する目的で使用している。第1のコンデンサ623は主に電圧変動を抑制する目的で設けられており、その静電容量は1μFである。トランス622の巻線比は12倍、電源は10Vで、150Vpp前後の交流電圧Voが出力される。また、圧電素子625を有する振動体の機械的振動部分の等価コイルLmは0.1Hであり、等価コンデンサCmは281pFである。圧電素子625を備える振動体の共振周波数fmは30kHzであり、電気共振周波数feは50kHzである。
Regarding the inductance of the
図12(b)は、昇圧回路105Cでの出力電圧Vo、トランス622の一次側電流及び二次側電流と駆動周波数との関係をシミュレーションした結果を示す図である。トランス622の一次側電流での極小周波数f1は33.0kHz、二次側電流での***振周波数faは30.7kHzとなり、f1/fa=1.07、となって上記式6の関係を満たしている。そして、***振周波数fa(=33.0kHz)でのトランス622の一次側電流は1.8A、回路消費電力は554mWとなる。昇圧回路105Cでのf1/faの値と電力比との関係は、図7に並記されている通りである。
FIG. 12(b) is a diagram showing the results of simulating the relationship between the output voltage Vo of the
なお、実施例3の昇圧回路105Cを有する制御装置では、駆動周波数域は、最小周波数fminが31kHz、最大周波数fmaxが35kHzにそれぞれ設定される。また、起動周波数fdは30.4~33.3kHzの範囲で設定される。
Note that in the control device having the
図10(b)は実施例3と比較例3の各共振回路を有する制御装置で振動型アクチュエータを駆動した際の接触体の駆動速度と回路消費電力を測定した結果を示す図である。なお、回路消費電力の測定に用いた実機として、図15を参照して後述する進行波型の振動型アクチュエータ23Bを用いている。実施例3では前述の通り、f1/fa=1.07である。また、比較例3は、図12(a)の回路構成において、f1/faを1.66としたものである。
FIG. 10(b) is a diagram showing the results of measuring the driving speed of the contact body and the circuit power consumption when the vibration type actuator was driven by the control device having each of the resonance circuits of Example 3 and Comparative Example 3. Note that a traveling wave
図10(b)に示されるように、実施例3では比較例3と比較して、全速度領域で回路消費電力が大幅に小さくなっていることがわかる。実施例3と比較例3のf1/faの値の差は、前述の実施例1,2と比較例1,2のf1/faの値の差よりも大きい。つまりf1/faが上記式6に規定される範囲から大きく離れた構成に対して、上記式6の条件を満たす構成とすることで、消費電力の低減効果を顕著に得ることができる。
As shown in FIG. 10(b), it can be seen that the circuit power consumption in Example 3 is significantly smaller in the entire speed range than in Comparative Example 3. The difference in f1/fa values between Example 3 and Comparative Example 3 is larger than the difference in f1/fa values between Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 described above. In other words, for a configuration in which f1/fa is far from the range defined by
第3実施形態でも、昇圧回路をトランスの一次側電流での極小周波数f1と二次側電流での***振周波数faを上記式6の関係が満たされる構成とすることにより、昇圧回路の消費電力を低減することができる。
In the third embodiment as well, the power consumption of the booster circuit is made such that the minimum frequency f1 in the primary current of the transformer and the anti-resonance frequency fa in the secondary current satisfy the relationship of
<第4実施形態>
第4実施形態では、第1実施形態として説明した振動型駆動装置20を撮像装置(光学機器)のレンズ駆動機構に適用した構成について説明する。図13は、撮像装置が備えるレンズ鏡筒のレンズ駆動機構900の概略構造を示す斜視図である。なお、制御装置100の図示は省略する。レンズ駆動機構900は、レンズホルダ902、レンズホルダ902を駆動する振動体901、加圧磁石905、第1のガイドバー903、第2のガイドバー904及び不図示の基体を備える。
<Fourth embodiment>
In the fourth embodiment, a configuration will be described in which the vibration
レンズホルダ902は、図2を参照して説明した接触体2に対応する部品である。レンズホルダ902は、円筒状の本体部902aと、振動体901及び加圧磁石905を保持する保持部902bと、第1のガイドバー903と嵌合することによって第1のガイド部を形成する第1のガイド部902cと、脱落防止部902dを有する。本体部902aには、レンズ907が保持されている。第1のガイドバー903と第2のガイドバー904は互いに平行に配置されており、第1のガイドバー903と第2のガイドバー904のそれぞれの両端は、不図示の基体に固定されている。なお、レンズ907(光学素子)は、ここでは、オートフォーカス動作を行うためのレンズ(フォーカスレンズ)であるとする。
The
加圧手段を構成する加圧磁石905は、永久磁石と、その永久磁石の両端に配置される2つのヨークから構成される。加圧磁石905と第2のガイドバー904との間に磁気回路が形成され、これら部材間に吸引力が発生する。これにより、振動体901に設けられた2カ所の突起部の先端が所定の力で第2のガイドバー904に押し当てられた状態で保持され、第2のガイド部が形成される。
The
加圧磁石905と第2のガイドバー904との間には一定の隙間が設けられている。そのため、第2のガイド部が外力を受ける等すると、振動体901の突起部と第2のガイドバー904とが引き離される状態が生じるおそれがある。しかし、その際にはレンズホルダ902に設けられた脱落防止部902dが第2のガイドバー904に当接し、レンズホルダ902の保持部902bが本来の位置に戻ることで、振動体901の突起部が第2のガイドバー904に当接した状態に戻るよう構成されている。
A certain gap is provided between the
振動体901は、第1実施形態で説明した振動体1と同等の構造を有しており、その構成についての詳細な説明は省略する。振動体901の圧電素子に2相の交流電圧を印加することによって2カ所の突起部に楕円振動を発生させ、振動体901と第2のガイドバー904との間に摩擦駆動力を発生させる。このとき、第1のガイドバー903と第2のガイドバー904は固定されているため、発生した摩擦駆動力によって、レンズホルダ902を第1のガイドバー903と第2のガイドバー904の長さ方向に沿って移動させることができる。こうして、レンズ907の位置調整によるオートフォーカス動作を行うことができる。
The vibrating
なお、レンズ駆動機構900では、加圧機構として磁力(加圧磁石905)を用いたが、これに限られず、ばねによる付勢力を用いてもよい。また、レンズ駆動機構900は、リニア型の振動型駆動装置として構成されているが、これに限られず、図14や図15を参照して後述する回転型の振動型アクチュエータ23A,23Bを用いてレンズ駆動機構を構成することもできる。即ち、接触体の回転力を用いてレンズを保持した環状部材を回転させ、このとき、カムピンとカム溝との係合等の手法を用いて、環状部材の回転量を光軸方向での直線移動量に変換する。これにより、レンズを光軸方向で移動させることができる。
Note that in the
振動型駆動装置は、撮像装置でのフォーカスレンズ(光学素子)の駆動に好適であるが、これに限られず、ズームレンズ(光学素子)についても、同様の構成による駆動が可能である。また、振動型駆動装置は、手ぶれ補正を行うためにレンズ(光学素子)又は撮像素子(光学素子)を駆動する機構にも用いることができる。 The vibration type drive device is suitable for driving a focus lens (optical element) in an imaging device, but is not limited to this, and a similar configuration can also be used to drive a zoom lens (optical element). Further, the vibration type drive device can also be used as a mechanism for driving a lens (optical element) or an image sensor (optical element) to perform camera shake correction.
<第5実施形態>
第5実施形態では、図2を参照して説明した振動体1を複数用いて接触体を回転駆動する振動型アクチュエータについて説明する。図14は第5実施形態での振動型アクチュエータ23Aの構成を説明する図であり、上側に平面図を示すと共に下側に側面図を示している。
<Fifth embodiment>
In the fifth embodiment, a vibration type actuator that rotationally drives a contact body using a plurality of vibrating
振動型アクチュエータ23Aは、振動体1A,1B,1Cと接触体2Aを有する。振動体1A,1B,1Cは、図2を参照して説明した振動体1と同等であり、よって、これらの構成の詳細については説明を省略する。接触体2Aは、円板形状を有する。振動体1A,1B,1Cは、それぞれの2か所の突起部202(図14では符号の記載を省略)を結ぶ線が接触体2Aの回転中心を中心とする円の接線となるように、円環状のベース板43の一方の平面に周方向に等間隔で保持されている。振動体1A,1B,1Cのそれぞれの突起部202は接触体2Aの一方の面と接触しており、接触体2Aの中心には回転軸47が同軸に固定されている。回転軸47には円板状のスケール部48が同軸に固定されており、スケール部48は接触体2Aと同じ角速度で回転する。スケール部48と対向するように位置センサ46が配置されている。位置センサ46がスケール部48のスケール(不図示)を読み取った結果に基づいて、接触体2Aの回転角度(回転位置)或いは回転速度を検出することができ、検出結果に基づいてフィードバック制御が行われる。
The
振動型アクチュエータ23Aの駆動には、図11を参照して説明した昇圧回路105Bを有する駆動回路を備える制御装置が用いられる。昇圧回路105Bから出力される出力電圧Voは、2相の交流電圧としてフレキシブルケーブル49を通じて並列接続された振動体1A,1B,1Cのそれぞれの圧電素子204に供給され、振動体1A,1B,1Cは同時に駆動される。
A control device including a drive circuit including the
例えば、振動体1A,1B,1Cに図14に矢印M1,M2,M3でそれぞれ示す方向に摩擦駆動力を発生させることにより、接触体2Aを図14の上段に示した状態で時計まわり方向に回転させることができる。このとき、3個の振動体1A,1B,1Cを用いることで、各振動体が発生するトルクを合わせた大きなトルクを得ることができる。なお、周知の通り、2相の交流電圧の位相を調整することによって、回転速度と回転方向を調整することができる。
For example, by generating frictional driving force in the vibrating
<第6実施形態>
第6実施形態では、接触体を回転駆動する振動型アクチュエータの別の例について説明する。図15(a)は第6実施形態での振動型アクチュエータ23Bを構成する振動体51と接触体52の概略構成を示す斜視図である。振動体51と接触体52は共に円環形状を有し、同軸となるように配置され、接触体52は回転自在に軸支された状態で振動体51と接触している。なお、図15(a)では接触体52を一部を切り欠いて示している。
<Sixth embodiment>
In the sixth embodiment, another example of a vibration type actuator that rotationally drives a contact body will be described. FIG. 15(a) is a perspective view showing a schematic configuration of a vibrating
図15(b)は振動体51に設けられた圧電素子204Aの電極を説明する平面図である。振動体51は、円環状の弾性体の下面(接触体52に対する接触面の反対側の面)に、円環状で平板状の圧電素子204Aが接着された構造を有する。圧電素子204Aには、周方向に16等分されて4位相に分けられた電極パターンが形成されている。
FIG. 15(b) is a plan view illustrating the electrodes of the
振動型アクチュエータ23Bの駆動には、図12を参照して説明した昇圧回路105Cを有する駆動回路を含む制御装置が好適に用いられる。振動体51に進行性の振動の波数が1回転中に4波となるように圧電素子204Aに所定の交流電圧を印加することにより、接触体52を回転駆動することができる。なお、振動体51に発生させる進行性の振動の波数は4波に限らない。また、このような駆動原理で動作する振動型アクチュエータは周知であるため、より詳細な説明は省略する。
A control device including a drive circuit having the
図15(c)は、振動型アクチュエータ23Bを用いた回転駆動装置50の概略構成を示す断面図である。回転駆動装置50において、振動体51はハウジング53にビス等で固定されている。なお、振動体51は、接触体52に設けられた摩擦材に接触している。接触体52の回転運動を外部に取り出す出力軸55が玉軸受け56によってハウジング53に回転自在に支持されており、加圧ばね58は接触体52を振動体51に接触させるように付勢する共に、接触体52の回転を出力軸55に伝達する。
FIG. 15(c) is a sectional view showing a schematic configuration of a
出力軸55には、不図示の機構を介して、回転駆動装置50を駆動源とする各種の機器等の駆動部60が接続されており、駆動部60は出力軸55の出力(回転駆動力)を受けて作動する。
The
図16(a)は回転駆動装置50を備える雲台装置70の概略構成を示す正面図である。雲台装置70は、取付台71(保持部材)に固定されたカメラ(撮像装置、被回転装置)を、回転駆動装置50によりパン方向に回転可能な構造を有する。図16(b)は回転駆動装置50により回転駆動される、画像形成装置等の転写ドラム81(回転ドラム)の構成を示す正面図である。転写ドラム81は、出力軸55に直結され、出力軸55の回転駆動力を受けて回転する。
FIG. 16A is a front view showing a schematic configuration of a pan head device 70 including a
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。例えば、本実施形態に係る昇圧回路を備える制御装置による駆動対象は、振動型アクチュエータに限定されず、例えば、圧電素子を用いた振動デバイスや発電デバイス、圧電型トランスデューサ等の制御に用いることができる。また、上記実施形態では、移動可能に配置された接触体が、固定された振動体に対して移動する構成を前提としたが、逆の構成であっても構わない。 Although the present invention has been described above in detail based on its preferred embodiments, the present invention is not limited to these specific embodiments, and the present invention may take various forms without departing from the gist of the present invention. included. For example, the object to be driven by the control device including the booster circuit according to the present embodiment is not limited to a vibration type actuator, but can be used to control a vibration device using a piezoelectric element, a power generation device, a piezoelectric transducer, etc. . Further, in the above embodiment, the movably arranged contact body is premised on a configuration in which it moves relative to the fixed vibrating body, but the configuration may be reversed.
1 振動体
2 接触体
20 振動型駆動装置
23 振動型アクチュエータ
100 制御装置
102 トランス
110 制御部
120 駆動回路
203 弾性体
204 圧電素子
1 Vibrating
Claims (15)
前記振動型アクチュエータの駆動を制御する制御装置と、を備える振動型駆動装置であって、
前記振動型アクチュエータは、
弾性体と、該弾性体に接合された電気-機械エネルギ変換素子と、を有する振動体と、
前記弾性体と接触する接触体と、を有し、
前記制御装置は、
入力信号を前記電気-機械エネルギ変換素子に印加する交流電圧に変換するトランスを有する駆動回路と、
前記入力信号の周波数、位相および電圧を制御する制御部と、を有し、
前記トランスの一次側電流が極小となる周波数をf1、前記トランスの二次側電流が極小となる周波数をfaとした場合に、1.00≦f1/fa≦1.07、の関係が満たされることを特徴とする振動型駆動装置。 A vibration type actuator,
A vibration type drive device comprising: a control device that controls driving of the vibration type actuator;
The vibration type actuator is
a vibrating body having an elastic body and an electro-mechanical energy conversion element joined to the elastic body;
a contact body that contacts the elastic body,
The control device includes:
a drive circuit having a transformer that converts an input signal into an alternating current voltage applied to the electro-mechanical energy conversion element;
a control unit that controls the frequency, phase, and voltage of the input signal,
When the frequency at which the primary current of the transformer becomes minimum is f1, and the frequency at which the secondary current of the transformer becomes minimum is fa, the relationship 1.00≦f1/fa≦1.07 is satisfied. A vibration type drive device characterized by:
前記トランスは、前記交流パルス信号を所定の電圧に昇圧することにより前記交流電圧を生成することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。 The drive circuit includes a pulse signal generation circuit that generates an AC pulse signal as the input signal by switching a DC power supply using a pulse signal whose phase is shifted by 180 degrees,
6. The vibration type drive device according to claim 1, wherein the transformer generates the AC voltage by boosting the AC pulse signal to a predetermined voltage.
前記パルス信号発生回路は、前記所定の位相差を有する2相の前記交流パルス信号を前記駆動回路へ出力することを特徴とする請求項6に記載の振動型駆動装置。 In the vibration type actuator, the two-phase alternating current voltage having the same frequency and a predetermined phase difference is applied to the electro-mechanical energy converting element, and vibration excited in the vibrating body causes the vibration between the contact body and the vibration type actuator. The vibrating body moves relative to the
7. The vibration type drive device according to claim 6, wherein the pulse signal generation circuit outputs the two-phase alternating current pulse signal having the predetermined phase difference to the drive circuit.
前記振動型駆動装置が備える振動型アクチュエータにより駆動される光学素子と、を有することを特徴とする撮像装置。 The vibration type drive device according to any one of claims 1 to 10,
An imaging device comprising: an optical element driven by a vibration-type actuator included in the vibration-type drive device.
前記振動型駆動装置が備える振動型アクチュエータにより駆動される、被回転装置を固定するための保持部材と、を有することを特徴とする雲台装置。 The vibration type drive device according to any one of claims 1 to 10,
A pan head device comprising: a holding member for fixing a rotated device, which is driven by a vibration type actuator included in the vibration type drive device.
前記振動型駆動装置が備える振動型アクチュエータにより駆動される回転ドラムと、を有することを特徴とする画像形成装置。 The vibration type drive device according to any one of claims 1 to 10,
An image forming apparatus comprising: a rotating drum driven by a vibration type actuator included in the vibration type drive device.
前記振動型駆動装置が備える振動型アクチュエータにより駆動される部品と、を有することを特徴とする機器。 The vibration type drive device according to any one of claims 1 to 10,
A device comprising: a component driven by a vibration type actuator included in the vibration type drive device.
交流パルス信号を生成するパルス信号発生回路と、
前記パルス信号発生回路から入力された前記交流パルス信号を前記振動型アクチュエータが備える電気-機械エネルギ変換素子に印加する交流電圧に変換するトランスと、
前記交流パルス信号の周波数、位相および電圧を制御することにより前記交流電圧の周波数、位相および電圧を制御する制御部と、を有し、
前記トランスの一次側電流が極小となる周波数をf1、前記トランスの二次側電流が極小となる周波数をfaとした場合に、1.00≦f1/fa≦1.07、の関係が満たされることを特徴とする振動型アクチュエータの制御装置。 A control device for controlling the drive of a vibration type actuator,
a pulse signal generation circuit that generates an AC pulse signal;
a transformer that converts the AC pulse signal input from the pulse signal generation circuit into an AC voltage applied to an electro-mechanical energy conversion element included in the vibration type actuator;
a control unit that controls the frequency, phase, and voltage of the AC voltage by controlling the frequency, phase, and voltage of the AC pulse signal;
When the frequency at which the primary current of the transformer becomes minimum is f1, and the frequency at which the secondary current of the transformer becomes minimum is fa, the relationship 1.00≦f1/fa≦1.07 is satisfied. A control device for a vibration type actuator, which is characterized by:
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