(57)【要約】【課題】簡単な構成で、移動体が可動端に達したことを検知し得る振動型駆動装置を提供する。【解決手段】電気機械変換素子７と、電気機械変換素子７によって振動させられる駆動部材８と、駆動部材８に摩擦係合する移動体９と、移動体９と当接して移動体９の相対移動を制限し得る規制部材１０，１１と、電気機械変換素子７に周期的な駆動電圧を印加する駆動回路３とを有する振動型駆動装置１において、位相差検出回路４によって、駆動電圧と、電気機械変換素子７を流れる電流との位相差を検出し、位相差が所定の範囲にあるとき、移動体９が規制部材１０，１１に当接していると判断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械変換素子と、
電気機械変換素子によって振動させられる駆動部材と、
前記駆動部材に摩擦係合する移動体と、
前記移動体と当接して前記移動体の相対移動を制限し得る規制部材と、
前記電気機械変換素子に周期的な駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記駆動電圧と、前記電気機械変換素子を流れる電流との位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相差が所定の範囲にあるとき、前記移動体が前記規制部材に当接していると判断する判定手段とを有することを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項２】
前記駆動回路は、前記位相差を検出する際、前記駆動電圧の周波数を、前記移動体が前記規制部材に当接していない状態で前記駆動部材の変位が最大となる共振周波数とすることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記位相差を検出する際、前記駆動電圧をデューティ比５０％の矩形波電圧とし、
前記判定手段は、前記駆動電圧に対する前記電流の位相の遅れが所定の値以上になったとき、前記移動体が前記規制部材に当接していると判断することを特徴とする請求項２に記載の振動型駆動装置。
【請求項４】
前記駆動回路は、前記位相差を検出する際、駆動電圧の波高を低くすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【請求項５】
電気機械変換素子と、電気機械変換素子によって振動させられる駆動部材と、前記駆動部材に摩擦係合する移動体と、前記移動体と当接して前記移動体の移動を制限し得る規制部材とを有する振動型駆動装置の制御方法であって、
前記電気機械変換素子に印加する駆動電圧と、前記電気機械変換素子を流れる電流との位相差が所定の範囲にあるとき、前記移動体が前記規制部材に当接していると判断することを特徴とする振動型駆動装置の制御方法。
【請求項６】
前記位相差の検出は、前記移動体を移動させる必要がないときに、前記駆動電圧の波形を、前記移動体を移動させるときと異ならせて行うことを特徴とする請求項５に記載の振動型駆動装置の制御方法。
【請求項７】
前記位相差を検出するときは、デューティ比５０％で、前記移動体が前記規制部材に当接していない状態で前記駆動部材の変位が最大となる共振周波数の駆動電圧を記電気機械変換素子に印加し、前記駆動電圧に対する前記電流の位相の遅れが所定の値以上になったとき、前記移動体が前記規制部材に当接していると判断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の制御方法。
【請求項８】
前記移動体の移動を停止する度に、前記位相差を検出することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の振動型駆動装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型駆動装置および振動型駆動装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械変換素子によって駆動部材を軸方向に非対称に振動させて、駆動部材に摩擦係合する移動体を駆動軸に対して滑り変位させる振動型の駆動装置が公知である。振動型の駆動装置では、電気機械変換素子に印加する駆動電圧の１周期当たりの移動体の変位量が、厳密には一定でなく、実際の移動体の位置が、駆動電圧から推定される位置からずれてしまう場合がある。このため、従来の振動型駆動装置で位置決めを行う場合、特許文献１に記載されているように、移動体の位置を検出するセンサを設ける必要があった。
【０００３】
また、簡易な構成として、移動体に当接して移動体の可動範囲を定める部材を設け、移動体を可動範囲よりも十分に長い距離を移動させ得るだけの駆動電圧を印加することで、一度、移動体を可動範囲の一端に移動させ、この可動端を基点として、所望の位置まで移動体を移動させるだけの駆動電圧を印加することで、移動体の位置決め誤差を抑制するものもある。しかしながら、この構成では、移動体が可動端に達してからも、一定時間は駆動電圧を印加し続けることが必要であり、駆動に時間がかかるという問題がある。
【０００４】
例えば、２つの振動型駆動装置によって、移動体をＸ−Ｙ方向に走査移動させる場合、１走査毎に移動体を可動端まで移動させる必要があり、このような余分な駆動時間が積み重なって大きなタイムロスとなる。
【０００５】
余分な駆動時間をなくすために、移動体が可動端に達したことを検出できるセンサを設けることが考えられるが、センサの検出精度が装置の位置決め精度に直結するので、高価なセンサを使用する必要があり、大きなコストアップは避けられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−７８８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記問題点に鑑みて、本発明は、簡単な構成で、移動体が可動端に達したことを検知し得る振動型駆動装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明による振動型駆動装置は、電気機械変換素子と、電気機械変換素子によって振動させられる駆動部材と、前記駆動部材に摩擦係合する移動体と、前記移動体と当接して前記移動体の相対移動を制限し得る規制部材と、前記電気機械変換素子に周期的な駆動電圧を印加する駆動回路と、前記駆動電圧と、前記電気機械変換素子を流れる電流との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差が所定の範囲にあるとき、前記移動体が前記規制部材に当接していると判断する判定手段とを有するものとする。
【０００９】
この構成によれば、移動体が規制部材に当接することで、電気機械変換素子が駆動する駆動部材の見かけ上の質量が大きくなって振動系の周波数特性が変化する。このため、電気機械変換素子の力率が変化して、駆動電圧と電流との位相差が変化するので、位相差によって移動体が規制部材に当接していることを検出できる。移動体を規制部材に当接させることで原点復帰し、駆動電圧から推定される移動体の位置と、実際の移動体の位置との誤差をなくすことによって、移動体の位置決め精度を確保できる。
【００１０】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記駆動回路は、前記位相差を検出する際、前記駆動電圧の周波数を、前記移動体が前記規制部材に当接していない状態で前記駆動部材の変位が最大となる共振周波数としてもよい。
【００１１】
このような振動系では、周波数変化に対する電流の位相の変化率が共振点付近で最大となるので、共振周波数の駆動電圧を用いることで、移動体が規制部材に当接することによる周波数特性の変化によって生じる位相差の変化が大きくなる。
【００１２】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記駆動回路は、前記位相差を検出する際、前記駆動電圧をデューティ比５０％の矩形波電圧とし、前記判定手段は、前記駆動電圧に対する前記電流の位相の遅れが所定の値以上になったとき、前記移動体が前記規制部材に当接していると判断してもよい。
【００１３】
この構成によれば、駆動電圧を矩形波にしたことで、駆動回路が直流電源のスイッチングを行うだけの簡単な構成となる。また、駆動電圧のデューティ比を５０％にすれば高調波成分が最も小さくなるので、振動系の周波数特性の変化による電流の位相の変化が検出しやすくなる。さらに、共振点における電気機械変換素子の力率は１００％であるため、移動体が規制部材に当接していないときに検出される位相差はゼロである。そして、移動体が規制部材に当接すると振動系の質量増加によって共振点が低くなり、共振点より高い周波数では電流の位相が遅れるので、電流の位相が駆動電圧に対して遅れたときは、移動体が規制部材に当接していると判断できる。
【００１４】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記駆動回路は、前記位相差を検出する際、駆動電圧の波高を低くしてもよい。
【００１５】
この構成によれば、位相差検出のために消費する電力を低減できる。
【００１６】
また、本発明による、電気機械変換素子と、電気機械変換素子によって振動させられる駆動部材と、前記駆動部材に摩擦係合する移動体と、前記移動体と当接して前記移動体の移動を制限し得る規制部材とを有する振動型駆動装置の制御方法は、前記電気機械変換素子に印加する駆動電圧と、前記電気機械変換素子を流れる電流との位相差が所定の範囲にあるとき、前記移動体が前記規制部材に当接していると判断する方法とする。
【００１７】
この方法によれば、センサを設けずとも、移動体の原点復帰を検出でき、移動体の原点復帰のために必要以上の駆動電圧を印加する必要がなく、移動体の位置決めを迅速に行うことができる。
【００１８】
また、本発明の振動型駆動装置の制御方法において、記位相差の検出は、前記移動体を移動させる必要がないときに、前記駆動電圧の波形を、前記移動体を移動させるときと異ならせて行ってもよい。
【００１９】
この方法によれば、移動体の駆動と移動体の原点復帰の検出とにそれぞれ駆動電圧を最適化することで、振動型駆動装置を高トルク且つ高精度に使用できる。
【００２０】
また、本発明の振動型駆動装置の制御方法において、前記移動体の移動を停止する度に、前記位相差を検出してもよい。
【００２１】
この方法によれば、移動体の移動が終わる度に、移動体が可動端に達していないか確認するので、移動体をさらに規制部材に押し当てる無駄な駆動をなくすことができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明によれば、移動体が規制部材に当接したときに、振動系の周波数特性が変化することにより生じる駆動電圧と電流との位相差の変化を検出することで、移動体が可動端に達したことを確認できるので、無駄な駆動電圧の印加をなくし、迅速且つ正確な移動体の位置決めができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態の振動型駆動装置の構成図である。
【図２】図１の駆動装置の周波数特性を示す図である。
【図３】図１の駆動装置の検出信号の関係を示す図である。
【図４】図１の駆動装置の判定基準を示す図である。
【図５】図１の駆動装置における移動体の走査駆動を示す図である。
【図６】図１の駆動装置における移動体の位置決めを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の１つの実施形態の振動型駆動装置１の構成を示す。この振動型駆動装置１は、機械的構成要素であるアクチュエータ２と、アクチュエータ２に駆動電圧を印加する駆動回路３と、駆動回路３の出力する電圧と電流との位相差を検出する位相差検出回路（位相差検出手段）４と、位相差検出回路４が検出した位相差を考慮して駆動回路３を制御するマイコンからなる制御装置（判定手段）５とを有する。
【００２５】
アクチュエータ２は、一端が錘６に固定され、駆動電圧が印加されると伸縮する圧電素子（電気機械変換素子）７と、圧電素子７の伸縮によって軸方向に振動する軸状の駆動部材８と、駆動部材８に滑り移動可能に摩擦係合する移動体９と、駆動部材８の両端に設けられ、移動体９と当接して移動体９の移動を制限する規制部材１０，１１とを有する。
【００２６】
駆動回路３は、制御装置５から入力される制御信号Ｓ１、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によってそれぞれスイッチングされる４つのＦＥＴ１２，１３，１４，１５によって、圧電素子７の両電極を、直流電源１６に接続、または、接地するブリッジ回路である。
【００２７】
位相差検出回路４は、駆動回路３と圧電素子７との間の電路に設けたシャント抵抗１７の両端の電位差を出力する比較器１８と、比較器１８の出力を十分に大きなゲインで増幅してディジタル化する整形器１９と、整形器１９の出力信号とＦＥＴ１２に入力される制御信号Ｓ１との排他論理和（ＸＯＲ）を出力するＸＯＲ演算子２０と、ＸＯＲ演算子２０の出力の平均電圧を出力する整流器２１と、整流器２１の出力電圧をディジタル変換して制御装置５に入力するＡＤ変換器２２とかを有する。
【００２８】
シャント抵抗１７を圧電素子７側から駆動回路３側に電流が流れている場合、シャント抵抗１７の圧電素子７側の電位が高くなる。このため、比較器１８は、正の電圧を出力し、整形器１９は、制御用電源電圧（例えば５Ｖ）と等しい電圧を出力する。逆に、シャント抵抗１７を駆動回路３から圧電素子７に向かって電流が通過している場合は、シャント抵抗１７の圧電素子７側の電位が低くなるが、比較器１８は、負の値を出力できないので０Ｖを出力し、整形器１９の出力も０Ｖとなる。
【００２９】
つまり、整形器１９の出力は、圧電素子７を流れる電流がシャント抵抗１７を介して流出する正の位相であるときはＯＮ状態になり、圧電素子７を流れる電流がゼロまたはシャント抵抗１７から圧電素子７に電流が流れ込む負の位相であるときはＯＦＦ状態になる。
【００３０】
図２に、アクチュエータ２の駆動電圧に対する周波数特性を、移動体９が、駆動部材８の中央Ｐａにあるときと、圧電素子７側の規制部材１０に当接する位置（近位可動端）Ｐ１にあるときと、他端の規制部材１１に当接する位置（遠位可動端）Ｐ２にあるときとについて、それぞれ示す。Ａ図に示すように、移動体９が中央Ｐａにあるとき、駆動部材８の変位（振幅）は、駆動電圧が約５００ｋＨｚのときに共振して最大となる。しかしながら、移動体９が近位可動端Ｐ１または遠位可動端Ｐ２にあるときは、約３００ｋＨｚ程度で駆動部材８の変位が共振による最大値を示す。
【００３１】
これは、移動体９が規制部材１０，１１に当接すると、駆動部材８に対する滑りが規制され、移動体９が駆動部材８と一体に振動することになるため、圧電素子７の伸縮によって振動する駆動部材８の質量が、あたかも移動体９の質量分だけ増加したかのように振る舞うからである。したがって、移動体９が規制部材１０，１１に当接していなければ、移動体９が中央Ｐａからずれていても、駆動部材８の変位は、移動体９が中央Ｐａにあるときとほぼ同じ周波数特性を示す。
【００３２】
さらに、Ｂ図に示すように、移動体９が中央Ｐａにあるときも可動端Ｐ１またはＰ２にあるときも、移動体９の変位が最大となる共振点において、圧電素子７を流れる電流の位相は、駆動電圧の位相と同位相となる。詳しく説明すると、圧電素子７は、低周波域では位相が進むキャパシタと同視することができ、容量性の特性を示すが、周波数が高くなると圧電素子７および駆動部材８の慣性力および弾性力による圧電素子７の伸縮に対する抵抗が、圧電素子７に流れる電流の抵抗となり、インダクタのように電流の位相を遅らせる作用を呈する。駆動部材８のゲインが最大となる共振点は、このキャパシタとインダクタとが打ち消し合う点であるから、圧電素子７の力率は１００％となり、その電流は駆動電圧と同位相となる。共振点よりも周波数が高くなると、インダクタの作用が強くなるため、電流が電圧に対して遅れる誘導性の特性を呈する。
【００３３】
移動体９が規制部材１０，１１に当接しているか否かは、これらの周波数特性の違い、特に、圧電素子７を流れる電流の位相（駆動電圧との位相差）を検出することで確認可能である。図２からは、共振点において、電流の位相の変化率が最大となっており、移動体９の位置による電流の位相の変化が大きくなっていることが分かる。よって、駆動電圧の周波数が、移動体９が規制部材１０，１１に当接している時の共振点から、規制部材１０，１１から離間しているときの共振点までの間であれば、移動体９が可動端Ｐ１またはＰ２に到達したことによる位相の変化が大きく、検出し易い。さらに、アクチュエータ２では、移動体９が規制部材１０，１１に当接していない状態が通常の状態であるから、通常の検出値がゼロである方が都合がよい。
【００３４】
図３に、駆動電圧の電圧と同位相の制御信号Ｓ１、圧電素子７の電流の位相を示す整形器１９の出力、ＸＯＲ演算子２０の出力および整流器２１の出力を示す。この図は、圧電素子７の電流の位相を検出するために、移動体９が中央Ｐａにあるときの共振周波数でデューティ比が５０％の矩形波を駆動電圧として入力する場合を示す。図において、左側は圧電素子７の力率が１００％である場合を示し、右側は、圧電素子７を流れる電流が、駆動電圧に対して遅れている場合を示す
【００３５】
ＸＯＲ演算子２０の出力は、駆動電圧の位相と、圧電素子７の電流の位相とが食い違っているときだけＯＮとなる。つまり、ＸＯＲ演算子２０は、圧電素子７の電流の駆動電圧に対する位相差に反比例するデューティ比の矩形波を出力し、位相差が±１８０°で１００％のデューティ比となる。但し、図２に示されるように、位相差は、±９０°の範囲内でしか変動せず、ＸＯＲ演算子２０の出力のデューティ比の最大値は５０％である。整流器２１は、図４に示すように、ＸＯＲ演算子２０の出力電圧を平均化し、ＸＯＲ出力のデューティ比に比例した電圧の直流電圧、つまり、アナログ電圧信号を出力する。ここで、ＸＯＲ出力を平均化するため、電流の位相が駆動電圧に対して進んでいるか遅れているかの情報は失われる。
【００３６】
制御装置５は、整流器２１の電圧信号をディジタル変換した信号が入力され、この信号が、所定の値以上である場合、つまり、圧電素子７の電流の駆動電圧に対する位相差が所定の値以上、例えば３６°（ＸＯＲ出力で２Ｖ）以上であれば、移動体９が規制部材１０または１１に当接していると判断する（判定手段）。
【００３７】
振動型駆動装置１において、駆動部材８のゲインの共振周波数の約７０％の周波数でデューティ比約３０％または約７０％程度の矩形波状の駆動電圧を圧電素子７に印加すれば、移動体９を駆動部材８に対して効率よく移動させられる。よって、制御装置５は、駆動回路３に、移動体９を遠位可動端Ｐ２（規制部材１１）に向かって移動させるときは、周波数３５０ｋＨｚ、デューティ比３０％の前進駆動電圧を出力させ、移動体９を近位可動端Ｐ１（規制部材１０）に向かって移動させるときは、周波数３５０ｋＨｚ、デューティ比７０％の後進駆動電圧を出力させ、移動部材９が可動端Ｐ１またはＰ２にあるかどうかを検出するときは、駆動回路に、周波数５００ｋＨｚ、デューティ比５０％の検出駆動電圧を出力させる。
【００３８】
本実施形態の駆動装置１をＸ−Ｙ方向に２つ用いて光学部材を位置決め可能とし、光学部材を走査移動させて、光学出力が得られる位置を探索する場合、所定のパルス数の前進駆動電圧または後進駆動電圧を出力して、光学部材を保持する移動体９を１走査ピッチ分だけ移動させる度に、光学出力があるかどうかを確認することになる。この光学出力の確認を行う間は、移動体９の移動を停止しているので、この間に、検出駆動電圧を出力して、移動体９が可動端Ｐ１またはＰ２に達したかどうかを確認するとよい。
【００３９】
これにより、図５に示すように、従来は、移動体９の変位量の誤差を考慮して、可動端Ｐ１またはＰ２に当接してからさらに同じ方向にピッチ送りするような駆動をおこなっていたものが、移動体９が可動端Ｐ１，Ｐ２に達して直ぐに副走査方向に１ピッチ移動して次の走査を開始できるようになった。これにより、従来副走査方向の可動端に達する度に蓄積されていた遅れが解消され、素早い走査ができるようになった。
【００４０】
尚、本実施形態において、駆動回路３が検出駆動電圧を出力する場合、直流電源１６の電圧を低下させるようにしてもよい。検出駆動電圧は、移動部材９の位置を確認するためだけのものであるので、駆動トルクが小さくてもよく、電圧を低くすることで、消費電力を節減することができる。但し、電圧を低くしすぎると移動体９が駆動部材８上で滑り変位しないため、可動部材８の見かけ上の質量が大きくなり、移動体９が可動端Ｐ１，Ｐ２になくても共振点が低下してしまうため、移動体９の位置を確認できなくなるので注意が必要である。
【００４１】
また、本実施形態において、図２に示すように、前進駆動電圧および後進駆動電圧の基本周波数３５０ｋＨｚにおいても、圧電素子７の電流の位相から、移動体９が可動端Ｐ１，Ｐ２にあるかどうかを確認できる。つまり、前進駆動電圧または後進駆動電圧を印加して移動体９を移動させながら、圧電素子７の電流の駆動電圧に対する位相差を検出してもよい。
【００４２】
図６に示すように、移動体９を可動端Ｐ１，Ｐ２のいずれかに原点復帰させてから目標位置まで移動させる必要がある場合、前進駆動電圧または後進駆動電圧と圧電素子７の電流との位相差を検出して、原点復帰を検出することで、移動体９を目標位置まで移動させるのにようする時間を大幅に短縮できる。
【００４３】
但し、前進駆動電圧および後進駆動電圧は、デューティ比が３０％または７０％であるので、デューティ比５０％の矩形波に比べて高調波成分が多いため、検出できる電流の位相変化が小さくなるため、位相差検出回路４の分解能を高く設計する必要がある。
【００４４】
尚、図２に示したような周波数特性の変化は、アクチュエータ２の構成、特に、質量バランスに依存するので、移動体９が規制部材１０または１１に当接していると判断するＸＯＲ出力の閾値は、アクチュエータ毎に検討する必要がある。
【符号の説明】
【００４５】
１…振動型駆動装置
２…アクチュエータ
３…駆動回路
４…位相差検出回路
５…制御装置（判定手段）
７…圧電素子（電気機械変換素子）
８…駆動部材
９…移動体
１０，１１…規制部材
１６…直流電源
１７…シャント抵抗
１８…比較器
１９…整形器
２０…ＸＯＲ演算子
２１…整流器
２２…ＡＤ変換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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