(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固着された支持部材と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における他方端に固着された駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合された係合部材と、前記電気機械変換素子を駆動する駆動回路とから構成され、前記電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで前記支持部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置において、
前記駆動回路は、所定の周波数の第１の駆動信号を生成する第１の駆動手段と、前記第１の駆動信号とは異なる所定の周波数の第２の駆動信号を生成する第２の駆動手段とを備え、前記第１の駆動信号と前記第２の駆動信号とを加算して前記電気機械変換素子に印加することで当該電気機械変換素子を駆動させ、前記第１の駆動信号の周波数と前記第２の駆動信号の周波数との比が整数比であることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記整数比は１：２であることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
第１の駆動信号と第２の駆動信号との位相関係を変化させて前記電気機械変換素子の伸縮方向における駆動速度を変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の駆動装置。
【請求項４】
前記電気機械変換素子の最も低い機械共振周波数ｆｒに基づいて第１の駆動信号及び第２の駆動信号の周波数を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項５】
第１の駆動信号と第２の駆動信号とは互いに周波数が同じであり、第１の駆動信号のデューティ比Ｄ１と第２の駆動信号のデューティ比Ｄ２とは、Ｄ１＋Ｄ２＝１の関係にないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置に関し、特にはＸＹ移動ステージ、カメラの撮影レンズ、オーバヘッドプロジェクタの投影レンズ、双眼鏡のレンズ等の駆動に適した駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮影レンズ等が取り付けられた係合部材を棒状の駆動部材に所定の摩擦力を有するように結合させると共に、その駆動部材の一方端に圧電素子を固着して構成されたインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置が知られている。例えば、図１０は、カメラの撮影レンズ位置を調節するための駆動装置の概略構成を示す図である。
【０００３】
この図１０における駆動装置１００は、電気機械変換素子である圧電素子１０１と、圧電素子１０１により駆動される棒状の駆動部材１０２と、駆動部材１０２に所定の摩擦力で結合された係合部材１０３と、圧電素子１０１に駆動電圧を印加する駆動回路１０４とを備えている。
【０００４】
圧電素子１０１は、駆動回路１０４から印加される駆動電圧に応じて伸縮するものであり、その伸縮方向における一方端が支持部材１０５に固着されると共に、その他方端が駆動部材１０２の軸方向における一方端に固着されたものである。係合部材１０３は、所定箇所に駆動対象物である撮影レンズＬが固着され、駆動部材１０２上を軸方向に沿って移動可能とされている。
【０００５】
駆動回路１０４は、図１１に示すように、波形発生器１０７とパワーアンプ１０８とで構成される。波形発生器１０７は、例えば０〜５Ｖの矩形波からなる駆動電圧を生成してパワーアンプ１０８に入力し、パワーアンプ１０８は、波形発生器１０７から供給される駆動電圧を例えば０〜１０Ｖの矩形波からなる駆動電圧に増幅して圧電素子１０１に印加する。
【０００６】
このように構成された駆動装置１００では、駆動回路１０４から、例えばデューティ比Ｄ（Ｄ＝Ｂ／Ａ）が０．２５である図１２（ａ）に示すような矩形波形の駆動電圧が圧電素子１０１に印加される。この駆動電圧を用いた駆動方法は、インパクト型圧電アクチュエータを構成する圧電素子１０１に結合された駆動部材１０２の機械共振特性による振幅伝達特性と位相伝達特性とを利用している。
【０００７】
図１３（ａ）は振幅伝達特性を示す図であり、縦軸は駆動部材１０２の振幅を表し、横軸は駆動部材１０２の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。図１３（ｂ）は位相伝達特性を示す図であり、縦軸は位相を表し、横軸は駆動部材１０２の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。複数の共振のなかで最も低い機械共振周波数ｆｒ１の前後に駆動電圧に含まれる基本波信号の周波数ｆｄ１（図１２（ｂ）参照）と第２高調波の周波数ｆｄ２（図１２（ｃ）参照）とをｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２となるように設定することによって第３高調波の周波数ｆｄ３以上の高調波信号成分に対する駆動軸の機械応答を低下させる。そして、機械共振のただ一つのモードを有する分布を表す単峰特性を利用して基本波信号と第２高調波信号とに対する適当な機械変位の応答を得て、さらに基本波と第２高調波との位相関係を変化させることで最終的に駆動軸の機械変位が図１２（ｄ）に示すような鋸波形となるように駆動電圧の振幅、デューティ比Ｄ、駆動周波数ｆｄ、振幅伝達特性及び位相伝達特性を設定することによって所望のインパクト型圧電アクチュエータの機械負荷速度を得ている。
【０００８】
また、駆動装置１００の動作としては、駆動電圧が圧電素子１０１に繰り返し印加されると、圧電素子１０１の伸縮により係合部材１０３は繰出方向（圧電素子１０１から離反する方向）である矢印ａ方向に移動する（図１０参照）。すなわち、図１２（ｄ）に示す機械変位の緩慢な立ち上がり部Ｃでは駆動部材１０２が緩やかに伸長することになるため、係合部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が大きくなり、係合部材１０３は駆動部材１０２と共に繰出方向に移動する一方、急峻な立ち下がり部Ｄでは駆動部材１０２が急激に縮小することになるため、係合部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が小さくなり、駆動部材１０２が戻り方向（矢印ａとは逆方向）に移動しても係合部材１０３は駆動部材１０２上をスリップして略同位置に留まることになる。このため、図１２（ａ）に示すような波形の駆動電圧が圧電素子１０１に繰り返し印加されると、係合部材１０３は矢印ａ方向に間欠的に移動する。
【０００９】
また、係合部材１０３を戻り方向に移動させる場合は、駆動電圧のデューティ比Ｄを変化させることで図１２（ｄ）に示す立ち上がり部Ｃを急峻な立ち上がりとなるようにし、立ち下り部Ｄを緩慢な立ち下りとなるようにする。これにより、機械変位の急峻な立ち上がり部Ｃでは駆動部材１０２が繰出方向に急激に伸長することになるため、係合部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が小さくなり、係合部材１０３は駆動部材１０２上をスリップして略同位置に留まる一方、緩慢な立ち下がり部Ｄでは駆動部材１０２が緩やかに縮小することになるため、係合部材１０３と駆動部材１０２との摩擦係数が大きくなり、係合部材１０３は駆動部材１０２と共に戻り方向（矢印ａとは逆方向）に移動することになる。このため、係合部材１０３は矢印ａの逆方向に間欠的に移動することになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記の従来の駆動装置において、振幅伝達特性や位相伝達特性はインパクト型圧電アクチュエータの機械設計によって達成される特性であるため、低コスト化及び小型化等の制約で自由に設計できるものではない。また、駆動信号としては、その振幅とデューティ比Ｄは操作可能であり、基本波と第２高調波との振幅の合成比は変えることができるが、デューティ比Ｄを変えても位相は同相のままで変わらないため位相関係を操作することは困難である。そのため、インパクト型圧電アクチュエータの機械設計で位相関係を設定する必要があるが、この場合も低コスト化及び小型化等の制約で自由に設計できるものではない。
【００１１】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、振幅や合成比の他に位相関係も操作可能である駆動信号の印加方法によって、機械共振特性の有する位相伝達特性に頼ることなく、最適な機械変位の応答が得られる駆動装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、駆動信号が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固着された支持部材と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における他方端に固着された駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合された係合部材と、前記電気機械変換素子を駆動する駆動回路とから構成され、前記電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで前記支持部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置において、前記駆動回路は、所定の周波数の第１の駆動信号を生成する第１の駆動手段と、前記第１の駆動信号とは異なる所定の周波数の第２の駆動信号を生成する第２の駆動手段とを備え、前記第１の駆動信号と前記第２の駆動信号とを加算して前記電気機械変換素子に印加することで当該電気機械変換素子を駆動させ、前記第１の駆動信号の周波数と前記第２の駆動信号の周波数との比が整数比であることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、第１の駆動手段によって生成された所定の周波数の第１の駆動信号と、第２の駆動手段によって生成された第１の駆動信号とは異なる所定の周波数の第２の駆動信号とを加算して電気機械変換素子に印加することで当該電気機械変換素子が駆動される。このため、第１の駆動信号と第２の駆動信号の位相関係を操作することによって電気機械変換素子の機械共振特性の有する位相伝達特性に頼ることなく、最適な機械変位の応答が得られる駆動装置が実現される。
【００１５】
また、第１の駆動信号の周波数と第２の駆動信号の周波数との比が整数比であるため、第１の駆動信号の周波数と第２の駆動信号の周波数との比が整数比である駆動装置に適用することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、前記整数比は１：２であることを特徴とする。この構成によれば、第１の駆動信号の周波数と第２の駆動信号の周波数との比が１：２である駆動装置に適用することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、第１の駆動信号と第２の駆動信号との位相関係を変化させて前記電気機械変換素子の伸縮方向における駆動速度を変化させることを特徴とする。この構成によれば、第１の駆動信号と第２の駆動信号との位相関係を変化させることで電気機械変換素子の伸縮方向における駆動速度を変化させるため、例えば、鋸波形の最適状態の機械変位を得ている状態から第１の駆動信号と第２の駆動信号との位相関係を変化させることで当該変化量に応じた滑らかな速度変化を得ることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記電気機械変換素子の最も低い機械共振周波数ｆｒに基づいて第１の駆動信号及び第２の駆動信号の周波数を設定することを特徴とする。この構成によれば、第１の駆動信号及び第２の駆動信号の周波数が電気機械変換素子の最も低い機械共振周波数ｆｒに基づいて設定されるため、例えば、第１の駆動信号の駆動周波数ｆｄ１と第２の駆動信号の駆動周波数ｆｄ２とをｆｄ１＜ｆｒ＜ｆｄ２となるように設定することや、ｆｒ＜ｆｄ１＜ｆｄ２となるように設定することや、ｆｄ１＜ｆｄ２＜ｆｒとなるように設定することができ、設定の自由度が増すこととなる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、第１の駆動信号と第２の駆動信号とは互いに周波数が同じであり、第１の駆動信号のデューティ比Ｄ１と第２の駆動信号のデューティ比Ｄ２とは、Ｄ１＋Ｄ２＝１の関係にないことを特徴とする。この構成によれば、第１の駆動信号と第２の駆動信号とが互いに周波数が同じであり、第１の駆動信号のデューティ比Ｄ１と第２の駆動信号のデューティ比Ｄ２とが、Ｄ１＋Ｄ２＝１の関係にない場合にも適用することができ、設定の自由度が増すこととなる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係るインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置の基本構成を概略的に示すブロック図である。この図において、駆動装置１０は、駆動部１２と、駆動部１２を駆動する駆動回路１４と、駆動部１２に取り付けられている係合部材３０の位置を検出する部材センサ１６と、駆動部１２の基端に配設された基端センサ１８と、駆動部１２の先端に配設された先端センサ２０と、全体の動作を制御する制御部２２とを備えている。
【００２１】
図２は、駆動部１２の構成例を示す斜視図である。この図において、駆動部１２は、素子固定式構造のものであり、支持部材２４、電気機械変換素子である圧電素子２６、駆動部材２８及び係合部材３０から構成されている。
【００２２】
支持部材２４は、圧電素子２６及び駆動部材２８を保持するものであり、円柱体の軸方向両端部２４１，２４２と略中央に位置する仕切壁２４３とを残して内部を刳り貫くことにより形成された第１の収容空間２４４及び第２の収容空間２４５を有している。この第１の収容空間２４４には、圧電素子２６がその分極方向である伸縮方向を支持部材２４の軸方向と一致させた状態で収容されている。また、第２の収容空間２４５には、駆動部材２８と係合部材３０の一部とが収容されている。
【００２３】
圧電素子２６は、例えば、所定の厚みを有する複数枚の圧電基板を各圧電基板間に電極を介して積層することにより構成したものであって、その伸縮方向（積層方向）である長手方向の一方端面が第１の収容空間２４４の一方端部２４１側端面に固着されている。支持部材２４の他方端部２４２及び仕切壁２４３には中心位置に丸孔が穿設されると共に、この両丸孔を貫通して断面円形状の棒状の駆動部材２８が第２収容空間２４５に軸方向に沿って移動可能に収容されている。
【００２４】
駆動部材２８の第１の収容空間２４４内に突出した端部は圧電素子２６の他方端面に固着され、駆動部材２８の第２の収容空間２４５の外部に突出した端部は板ばね３２により所定のばね圧で圧電素子２６側に付勢されている。この板ばね３２による駆動部材２８への付勢は、圧電素子２６の伸縮動作に基づく駆動部材２８の軸方向変位を安定化させるためである。
【００２５】
係合部材３０は、駆動部材２８の軸方向の両側に取付部３０１を有する基部３０２と、両取付部３０１の間に装着される挟込み部材３０３とを備えており、基部３０２が駆動部材２８に遊嵌されると共に、挟込み部材３０３が両取付部３０１に取り付けられた板ばね３０４により下方に押圧されて駆動部材２８に接触することで係合部材３０が所定の摩擦力で駆動部材２８に結合され、係合部材３０に対してその摩擦力よりも大きな駆動力が作用したときに駆動部材２８の軸方向に沿って移動可能とされている。なお、係合部材３０には駆動対象物である撮影レンズＬ（図１）が取り付けられる。
【００２６】
図３は、駆動回路１４の構成例を示す図である。図３に示す駆動回路１４は、ブリッジ回路で構成され、第１の駆動手段である第１の駆動回路１５１と第２の駆動手段である第２の駆動回路１５２とから構成される。第１の駆動回路１５１は、エンハンスメント型のＭＯＳ（Metal  Oxide  Semiconductor）型ＦＥＴ（Field  Ｅffect  Transistor）であるスイッチ素子Ｔｒ１からなる第１スイッチ回路１４１、同じくエンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ２からなる第２スイッチ回路１４２、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１及び波形発生器１４５で構成される。第２の駆動回路１５２は、エンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ３からなる第３スイッチ回路１４３、同じくエンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ４からなる第４スイッチ回路１４４、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２及び波形発生器１４６で構成される。
【００２７】
第１の駆動回路１５１は、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１がスイッチ素子Ｔｒ１のソート電極に供給され、接地される接続点ａとの間に第１スイッチ回路１４１及び第２スイッチ回路１４２の直列回路が接続される。第２の駆動回路１５２は、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２がスイッチ素子Ｔｒ３のソート電極に供給され、接地される接続点ａとの間に第３スイッチ回路１４３及び第４スイッチ回路１４４の直列回路が接続される。
【００２８】
第１スイッチ回路１４１を構成するスイッチ素子Ｔｒ１及び第３スイッチ回路１４３を構成するスイッチ素子Ｔｒ３はＰチャンネルＦＥＴであり、第２スイッチ回路１４２を構成するスイッチ素子Ｔｒ２及び第４スイッチ回路１４４を構成するスイッチ素子Ｔｒ４はＮチャンネルＦＥＴである。ＰチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ１，Ｔｒ３は駆動制御信号がローレベルのときにオンになり、ＮチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ２，Ｔｒ４は駆動制御信号がハイレベルのときにオンになる。なお、第１スイッチ回路１４１及び第２スイッチ回路１４２の接続点ｃと、第３スイッチ回路１４３及び第４スイッチ回路１４４の接続点ｄとの間に圧電素子２６が接続されてブリッジ回路が構成される。
【００２９】
波形発生器１４５からの第１の駆動信号Ｓｄ１はスイッチ素子Ｔｒ１及びスイッチ素子Ｔｒ２のゲート電極に印加され、波形発生器１４６からの第２の駆動信号Ｓｄ２はスイッチ素子Ｔｒ３及びスイッチ素子Ｔｒ４のゲート電極に印加される。第１の駆動信号Ｓｄ１及び第２の駆動信号Ｓｄ２は周波数比が整数比の駆動信号であり、本実施の形態においてこの整数比は１：２である。第１の駆動信号Ｓｄ１は振幅がＶ３でデューティ比Ｄ１（Ｄ１＝Ｂ１／Ａ１）が０．５の矩形波形であり、第２の駆動信号Ｓｄ２は振幅がＶ４でデューティ比Ｄ２（Ｄ２＝Ｂ２／Ａ２）が０．５の矩形波形である。なお、第１の駆動信号Ｓｄ１のデューティ比Ｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２のデューティ比Ｄ２とは、Ｄ１＋Ｄ２＝１の関係にある。
【００３０】
直流電源電圧Ｖ１及びＶ２は、圧電素子２６に印加される矩形波駆動電圧の大きさを決める値であり、直流電源電圧Ｖ１は第１の駆動信号Ｓｄ１に対応する第１の駆動電圧Ｖｄ１、直流電源電圧Ｖ２は第２の駆動信号Ｓｄ２に対応する第２の駆動電圧Ｖｄ２となる。第１の駆動電圧Ｖｄ１及び第２の駆動電圧Ｖｄ２は第１の駆動信号Ｓｄ１及び第２の駆動信号Ｓｄ２とは逆位相の電圧で、それぞれ圧電素子２６に印加される。
【００３１】
なお、直流電源電圧Ｖ１及びＶ２をＶ１＝Ｖ２として電源系統を統一してもよい。この場合、回路構成が簡素化されることとなり、駆動回路の低コスト化及び小型化をさらに実現することができる。
【００３２】
図１に戻り、部材センサ１６は、係合部材３０の移動可能範囲内に配設されたものであり、ＭＲＥ（Magneto Resistive Effect）素子やＰＳＤ（Position Sensitive Device）素子等の適宜のセンサにより構成されている。また、基端センサ１８及び先端センサ２０は、フォトインタラプタ等の適宜のセンサにより構成されている。これにより、係合部材３０の位置が部材センサ１６により検出されることで係合部材３０の所定位置への移動制御が可能となる一方、係合部材３０の位置が基端センサ１８及び先端センサ２０により検出されることで係合部材３０のそれ以上の移動が禁止される。
【００３３】
また、制御部２２は、演算処理を行うＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、処理プログラム及びデータが記憶されたＲＯＭ（Read  Only  Memory）及びデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random  Access  Memory）等から構成されており、部材センサ１６、基端センサ１８及び先端センサ２０から入力される信号に基づいて駆動回路１４を駆動制御する。すなわち、制御部２２は、第１の駆動回路１５１において生成される第１の駆動信号Ｓｄ１及び駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１と、第２の駆動回路１５２において生成される第２の駆動信号Ｓｄ２及び駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２とを制御する。
【００３４】
次に、図４及び図５を参照して駆動回路１４の原理的な動作説明を行う。図４は、駆動回路１４の原理的な動作を説明するための駆動電圧のパルス波形等を示す図である。図４（ａ）は、波形発生器１４５から出力される第１の駆動信号Ｓｄ１を表す矩形波であり、矩形波の振幅はＶ３であり、デューティ比Ｄ１は０．５である。図４（ｄ）は、波形発生器１４６から出力される第２の駆動信号Ｓｄ２を表す矩形波であり、矩形波の振幅はＶ４であり、デューティ比Ｄ２は０．５である。また、第１の駆動信号Ｓｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２との周波数の比は１：２であり、デューティ比Ｄ１とデューティ比Ｄ２との関係はＤ１＋Ｄ２＝１である。
【００３５】
図４（ｂ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動電圧Ｖｄ１を表す矩形波であり、図４（ｅ）は、圧電素子２６に印加される第２の駆動電圧Ｖｄ２を表す矩形波である。図４（ｃ）は圧電素子２６に印加される第１の駆動周波数ｆｄ１の正弦波電圧Ｖｄ１ｃを表す波形であり、図４（ｆ）は圧電素子２６に印加される第２の駆動周波数ｆｄ２の正弦波電圧Ｖｄ２ｃを表す波形である。図４（ｇ）は第１の駆動電圧Ｖｄ１と第２の駆動電圧Ｖｄ２との差に相当する駆動電圧Ｖｄを表す図である。この駆動電圧Ｖｄが圧電素子２６の一方側の電極である電極Ａと他方側の電極である電極Ｂとから印加される（図３参照）。
【００３６】
図５は、駆動装置１０を構成する支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の機械共振特性を示す特性図である。図５（ａ）は振幅伝達特性を示す図であり、縦軸は駆動部材２８の振幅を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。図５（ｂ）は位相伝達特性を示す図であり、縦軸は位相を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。なお、共振特性の鋭さを表す量であるＱの値は、駆動部材に機械負荷が実装されている状態での実効Ｑ値で１０としている。
【００３７】
支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の機械共振周波数ｆｒの最も低い機械共振周波数ｆｒ１付近に、駆動周波数ｆｄ１及び駆動周波数ｆｄ２を各々設定することによって共振特性の有する振幅伝達特性を利用し、第１の駆動電圧Ｖｄ１及び第２の駆動電圧Ｖｄ２の高調波成分（デューティ比Ｄ１及びＤ２が０．５なので奇数次の高調波を各々有する）に対する機械変位応答をなくし、基本波成分に相当する応答が得られる。すなわち、駆動周波数ｆｄ１の正弦波電圧Ｖｄ１ｃと駆動周波数ｆｄ２の正弦波電圧Ｖｄ２ｃとが圧電素子２６に印加される。そのため、駆動周波数ｆｄ１，ｆｄ２の設定はｆｒ１を基準にして以下の３種類がある。
【００３８】
ｆｄ１＜ｆｄ２＜ｆｒ１・・・・▲１▼
ｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２・・・・▲２▼
ｆｒ１＜ｆｄ１＜ｆｄ２・・・・▲３▼
【００３９】
これらの設定は、従来のデューティ矩形波駆動では圧電素子２６の振幅伝達特性と位相伝達特性との両立のため、ｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２（▲２▼）の設定しかできなかった。しかしながら、第１の駆動信号Ｓｄ１及び第２の駆動信号Ｓｄ２の周波数が電気機械変換素子である圧電素子２６の最も低い機械共振周波数ｆｒ１に基づいて設定されるため、例えば、第１の駆動信号Ｓｄ１の駆動周波数ｆｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２の駆動周波数ｆｄ２とをｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２（▲２▼）となるように設定することや、ｆｒ１＜ｆｄ１＜ｆｄ２（▲３▼）となるように設定することや、ｆｄ１＜ｆｄ２＜ｆｒ１（▲１▼）となるように設定することができ、設定の自由度が増すこととなる。
【００４０】
なお、支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の機械共振周波数ｆｒは、次の数式により求めたものである。
【００４１】
【数１】
0003722050.tif 000002
【００４２】
この数１におけるｆｒｏは圧電素子２６の両電極間におけるフリー共振周波数（圧電素子２６自体の電極間方向における機械共振周波数）、ｍｐは圧電素子２６の質量、ｍｆは駆動部材２８の質量をそれぞれ表わしている。なお、支持部材２４の質量は、共振系における圧電素子２６の機械共振周波数ｆｒに関係するが、支持部材２４の質量は圧電素子２６及び駆動部材２８の各質量ｍｐ，ｍｆを加算したものに比べて十分大きな値を有しており、機械共振周波数ｆｒに与える影響は小さいので演算パラメータとして考慮する必要はない。また、係合部材３０は、圧電素子２６の共振時には駆動部材２８に対して滑りを生じて実質的に共振系の要素として考慮する必要はないので、上記数１の演算パラメータとしては含まれていない。
【００４３】
図６（ａ）は、図５（ａ），（ｂ）のｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２（▲２▼）の場合における振幅伝達特性を示す特性図であり、縦軸は駆動部材２８の振幅を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。図６（ｂ）は、図５（ａ），（ｂ）のｆｄ１＜ｆｒ１＜ｆｄ２（▲２▼）の場合における位相伝達特性を示す特性図であり、縦軸は位相を表し、横軸は駆動部材２８の機械共振周波数ｆｒに対する駆動周波数ｆｄの比（ｆｄ／ｆｒ）を表す。また、図７は、本発明に係る駆動装置１０に適用される駆動回路１４の具体的な動作を説明するための図である。
【００４４】
例えば、駆動周波数ｆｄ１が支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の共振周波数ｆｒの最も低い機械共振周波数ｆｒ１の０．７５倍（ｆｄ１＝０．７５×ｆｒ１）となるように設定する。なお、説明の便宜上、直流電源電圧Ｖ１，Ｖ２をＶ１＝Ｖ２とする。すなわち、第１の駆動電圧Ｖｄ１及び第２の駆動電圧Ｖｄ２はＶｄ１＝Ｖｄ２となる。この場合、第１の駆動電圧Ｖｄ１は図７（ａ）に示すような矩形波となり、第２の駆動電圧Ｖｄ２は図７（ｂ）に示すような矩形波となる。圧電素子２６の両電極Ａ，Ｂには、第１の駆動電圧Ｖｄ１と第２の駆動電圧Ｖｄ２との差に相当する駆動電圧Ｖｄ（Ｖｄ＝Ｖｄ１−Ｖｄ２）が印加される。振幅伝達特性によって、第１の駆動電圧Ｖｄ１及び第２の駆動電圧Ｖｄ２に対する変位の高調波成分は各々除去され、残った変位の基本波成分は各々振幅と位相の変化を受ける。振幅伝達特性による振幅変化は、図６（ａ）に示すようにｒ１：ｒ２＝２．２５：０．７９４となる。また、位相伝達特性による位相の変化は、図６（ｂ）に示すようにθ１：θ２＝−９．７°：−１７３．２°となる。支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の機械変位ｘは、第１の正弦波電圧Ｖｄ１ｃによる機械変位ｘ１と第２の正弦波電圧Ｖｄ２ｃによる機械変位ｘ２との合成変位（ｘ＝ｘ１＋ｘ２）となる（図７（ｄ））。また、支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の速度ｖは、上記機械変位ｘ１を微分した速度ｖ１と機械変位ｘ２を微分した速度ｖ２との合成速度（ｖ＝ｖ１＋ｖ２）となる（図７（ｅ））。
【００４５】
ここで、図７（ｄ）に示す合成変位ｘの波形を見てみると、立ち上がり部Ｅで大きなふくらみが発生しており、鋸波形とはなっておらず、支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の所望する機械変位ｘを得ることができない。また、支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の速度ｖ１，ｖ２が略同相の場合に、合成速度ｖの波形は略台形形状になるが、図７（ｅ）に示す合成速度ｖの波形は略台形形状になっておらず、支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の所望する速度を得ることはできない。そのため、支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の所望する鋸波形の機械変位を得るためには第１の正弦波電圧Ｖｄ１ｃ、第２の正弦波電圧Ｖｄ２ｃの振幅と位相関係を操作する必要がある。この操作は機械共振周波数ｆｒ１の特性の変更は困難であるため、振幅の操作に関しては直流電源電圧Ｖ１又はＶ２の可変によって行い、位相の操作に関しては第１の駆動信号Ｓｄ１、第２の駆動信号Ｓｄ２の位相関係の可変によって行う。
【００４６】
そこで、直流電源電圧Ｖ１，Ｖ２を例えばＶ１：Ｖ２＝１：０．７に設定し、第２の駆動信号Ｓｄ２の位相を第１の駆動信号Ｓｄ１の位相に対して例えば６５°進ませる。これによって図７（ｆ）に示すような第２の駆動電圧Ｖｄ２''が得られる。このときの第２の正弦波電圧Ｖｄ２''による機械変位ｘ２''は図７（ｇ）に示す波形となる。機械変位ｘ１と機械変位ｘ２''との合成変位ｘ''は図７（ｇ）に示すような鋸波形となり、所望の機械変位を得ることができるようになる。また、このときの機械速度ｖ２''は図７（ｇ）に示す波形となる。機械速度ｖ１と機械速度ｖ２''との合成速度ｖ''は図７（ｇ）に示すような略台形波形となり、所望の機械速度を得ることができるようになる。
【００４７】
このように、第１の駆動回路１５１によって生成された所定の周波数の第１の駆動信号Ｓｄ１と、第２の駆動回路１５２によって生成された第１の駆動信号Ｓｄ１とは異なる所定の周波数の第２の駆動信号Ｓｄ２とを加算して電気機械変換素子である圧電素子２６に印加することで当該圧電素子２６が駆動される。このため、第１の駆動信号Ｓｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２の位相関係を操作することによって圧電素子２６の機械共振特性の有する位相伝達特性に頼ることなく、最適な機械変位の応答が得られる駆動装置が実現される。
【００４８】
また、第１の駆動信号Ｓｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２との位相関係を変化させることで電気機械変換素子である圧電素子２６の伸縮方向における駆動速度を変化させるため、例えば、鋸波形の最適状態の機械変位を得ている状態から第１の駆動信号Ｓｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２との位相関係を変化させることで当該変化量に応じた滑らかな速度変化を得ることができる。
【００４９】
図８は、駆動回路１４の別の構成例を示す図である。この図において、駆動回路１４'はブリッジ回路で構成され、第１の駆動回路１５１'と第２の駆動回路１５２'とから構成される。第１の駆動回路１５１'は、エンハンスメント型のＭＯＳ（Metal  Oxide  Semiconductor）型ＦＥＴ（Field  Ｅffect  Transistor）であるスイッチ素子Ｔｒ１からなる第１スイッチ回路１４１、同じくエンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ２からなる第２スイッチ回路１４２、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１、波形発生器１４５'、コンデンサＣ１、入力抵抗Ｒ１及び帰還抵抗Ｒ２で構成される。第２の駆動回路１５２'は、エンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ３からなる第３スイッチ回路１４３、同じくエンハンスメント型のＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ４からなる第４スイッチ回路１４４、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２、波形発生器１４６'、コンデンサＣ２、入力抵抗Ｒ３及び帰還抵抗Ｒ４で構成される。このように、第１の駆動回路１５１'に入力抵抗Ｒ１及び帰還抵抗Ｒ２を配置することによって、ゲインＧ１がＧ１＝Ｒ２／Ｒ１である増幅回路となり、同様に、第２の駆動回路１５２'に入力抵抗Ｒ３及び帰還抵抗Ｒ４を配置することによって、ゲインＧ２がＧ２＝Ｒ４／Ｒ３である増幅回路となる。ただし、ゲインＧ１，Ｇ２は充分大きいとする。
【００５０】
第１の駆動回路１５１'は、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ１がスイッチ素子Ｔｒ１のソート電極に供給され、接地される接続点ａとの間に第１スイッチ回路１４１及び第２スイッチ回路１４２の直列回路が接続される。第２の駆動回路１５２'は、図略の駆動電源からの直流電源電圧Ｖ２がスイッチ素子Ｔｒ３のソート電極に供給され、接地される接続点ａとの間に第３スイッチ回路１４３及び第４スイッチ回路１４４の直列回路が接続される。
【００５１】
第１スイッチ回路１４１を構成するスイッチ素子Ｔｒ１及び第３スイッチ回路１４３を構成するスイッチ素子Ｔｒ３はＰチャンネルＦＥＴであり、第２スイッチ回路１４２を構成するスイッチ素子Ｔｒ２及び第４スイッチ回路１４４を構成するスイッチ素子Ｔｒ４はＮチャンネルＦＥＴである。ＰチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ１，Ｔｒ３は駆動制御信号がローレベルのときにオンになり、ＮチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｔｒ２，Ｔｒ４は駆動制御信号がハイレベルのときにオンになる。なお、第１スイッチ回路１４１及び第２スイッチ回路１４２の接続点ｃと、第３スイッチ回路１４３及び第４スイッチ回路１４４の接続点ｄとの間に圧電素子２６が接続されてブリッジ回路が構成される。
【００５２】
第１の駆動信号Ｓｄ１'は直流阻止用のコンデンサＣ１を通じて入力抵抗Ｒ１に印加され、第１の駆動電圧Ｖｄ１'は第１の駆動信号Ｓｄ１'をゲインＧ１倍した電圧となる。同様に、第２の駆動信号Ｓｄ２'は直流阻止用のコンデンサＣ２を通じて入力抵抗Ｒ３に印加され、第２の駆動電圧Ｖｄ２'は第２の駆動信号Ｓｄ２'をゲインＧ２倍した電圧となる。
【００５３】
図９は、駆動回路１４'の原理的な動作を説明するための駆動電圧のパルス波形等を示す図である。図９（ａ）は、波形発生器１４５'から出力される第１の駆動信号Ｓｄ１'を表す正弦波であり、正弦波の振幅はＶ３である。図９（ｄ）は、波形発生器１４６'から出力される第２の駆動信号Ｓｄ２'を表す正弦波であり、正弦波の振幅はＶ４である。また、第１の駆動信号Ｓｄ１'と第２の駆動信号Ｓｄ２'との周波数の比は整数比であり、本実施の形態においてこの整数比は１：２である。
【００５４】
図９（ｂ）は、圧電素子２６に印加される第１の駆動電圧Ｖｄ１'を表す正弦波であり、図９（ｅ）は、圧電素子２６に印加される第２の駆動電圧Ｖｄ２'を表す正弦波である。図９（ｃ）は圧電素子２６に印加される駆動周波数ｆｄ１'の正弦波電圧Ｖｄ１ｃ'を表す波形であり、図９（ｆ）は圧電素子２６に印加される駆動周波数ｆｄ２'の正弦波電圧Ｖｄ２ｃ'を表す波形である。図９（ｇ）は第１の駆動電圧Ｖｄ１'と第２の駆動電圧Ｖｄ２'との差に相当する駆動電圧Ｖｄ'を表す図である。この駆動電圧Ｖｄ'が圧電素子２６の一方側の電極である電極Ａと他方側の電極である電極Ｂとから印加される。
【００５５】
このように、第１の駆動信号Ｓｄ１'及び第２の駆動信号Ｓｄ２'を正弦波とすることで、振幅伝達特性による高調波除去に留意しなくてもよくなるという利点がある。
【００５６】
また、第１の駆動回路１５１'によって生成された所定の周波数の正弦波である第１の駆動信号Ｓｄ１'と、第２の駆動回路１５２'によって生成された第１の駆動信号Ｓｄ１'とは異なる所定の周波数の正弦波である第２の駆動信号Ｓｄ２'とを加算して電気機械変換素子である圧電素子２６に印加することで当該圧電素子２６が駆動される。このため、第１の駆動信号Ｓｄ１'と第２の駆動信号Ｓｄ２'の位相関係を操作することによって圧電素子２６の機械共振特性の有する位相伝達特性に頼ることなく、最適な機械変位の応答が得られる駆動装置が実現される。
【００５７】
なお、本実施の形態では、第１の駆動信号及び第２の駆動信号としていずれも矩形波または正弦波を用いたが、本発明は特にこれに限定されず、いずれか一方が矩形波で他方が正弦波でもよい。この場合、駆動回路１４は、矩形波を発生させる第１の駆動回路１５１と正弦波を発生させる第２の駆動回路１５２'とで構成されるか、正弦波を発生させる第１の駆動回路１５１'と矩形波を発生させる第２の駆動回路１５２とで構成される。このように、第１の駆動信号及び第２の駆動信号として生成される波形は、いずれも矩形波またはいずれも正弦波またはいずれか一方が矩形波で他方が正弦波であるため、第１の駆動信号及び第２の駆動信号の波形に応じた駆動信号を得ることができる。
【００５８】
また、本実施の形態では、第１の駆動電圧Ｖｄ１のデューティ比Ｄ１あるいは第２の駆動電圧Ｖｄ２のデューティ比Ｄ２のうちの一方、または第１の駆動電圧Ｖｄ１のデューティ比Ｄ１及び第２の駆動電圧Ｖｄ２のデューティ比Ｄ２の両方が０．５であり、Ｄ１＋Ｄ２＝１の関係にある矩形波を用いたが、本発明は特にこれに限定されず、デューティ比Ｄ１，Ｄ２が０．５以外で、Ｄ１＋Ｄ２＝１の関係でない矩形波を用いてもよい。この場合、例えば図５（ａ）に示すｆｄ１＜ｆｄ２＜ｆｒ１（▲１▼）の関係にある駆動周波数の設定方法を選択したとすると第１の駆動電圧Ｖｄ１の第３高調波が機械共振周波数ｆｒ１の近傍に存在する可能性が高くなる。そのため、共振特性によって支持部材２４及び駆動部材２８が固着された状態での圧電素子２６の駆動周波数の第３高調波に対する機械変位の応答に悪影響を及ぼす（鋸波形とならない）可能性がある。そこで、第２の駆動電圧Ｖｄ２のデューティ比Ｄ２は０．５のままで、第１の駆動電圧Ｖｄ１にデューティ比Ｄ１が０．３３または０．６７の矩形波電圧を用いることで第１の駆動電圧Ｖｄ１には第３高調波成分が含まれなくなり、上記問題は解決される。このように、第１の駆動信号Ｓｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２とが互いに周波数が同じであり、第１の駆動信号Ｓｄ１のデューティ比Ｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２のデューティ比Ｄ２とが、Ｄ１＋Ｄ２＝１の関係にない場合にも適用することができ、設定の自由度が増すこととなる。
【００５９】
また、本発明に係る駆動装置の圧電素子の機械負荷の速度を変化させる場合や反転させる場合は、図７（ｇ）に示す鋸波形の機械変位を得ている状態から、第１の駆動信号Ｓｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２との位相関係を変化させることで、当該変化量に応じて鋸波形の機械変位は最適状態から外れていくため速度は徐々に低下する。そして、変化量をさらに増加させることで停止に至り、ついには反転した鋸波形が得られるため、変化量に応じた滑らかな速度変化を得ることができる。つまり、駆動装置の機械負荷の速度制御を第１の駆動信号Ｓｄ１と第２の駆動信号Ｓｄ２との位相差で行うことが可能となる。
【００６０】
また、圧電素子２６には、図４（ｇ）に示す駆動電圧Ｖｄによると１周期について３回の充放電が存在している。この放電時には、原理的に一旦０ボルトになる期間が存在する（図４（ｇ）のＥ１，Ｅ２，Ｅ３）。これは、駆動回路１４のトランジスタ（スイッチ素子Ｔｄ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４）による圧電素子２６の短絡放電動作である。従来のデューティ矩形波駆動は、駆動電圧の１周期について１回の充放電が存在し、放電時は短絡放電動作ではなく直流電源を通じての放電動作となるので、放電電流が駆動電源に流れて当該駆動電源での消費電力が加算され、その結果駆動時の消費電力が大きくなっている。従来のデューティ矩形波駆動での消費電力Ｐ１は下記の（１）式で表される。
【００６１】
Ｐ１＝Ｃ×（２Ｖ）2×ｆｄ＝４×Ｃ×Ｖ2×ｆｄ・・・・（１）
ただし、従来のデューティ矩形波駆動での消費電力をＰ１とし、圧電素子の静電容量をＣとし、直流電源電圧をＶとし、駆動周波数をｆｄとする。
【００６２】
しかしながら、本発明に係る駆動回路では、消費電力Ｐ２は下記の（２）式で表される。
Ｐ２＝３×Ｃ×Ｖ2×ｆｄ・・・・（２）
【００６３】
このように、本発明に係る駆動回路の消費電力Ｐ２は従来の駆動回路の消費電力Ｐ１の０．７５倍となり、消費電力が向上されることとなる。
【００６４】
なお、本実施の形態ではカメラの撮影レンズに関する駆動装置で説明したが、本発明は特にこれに限定されず、ＸＹ移動ステージ、オーバーヘッドプロジェクタの投影レンズ及び双眼鏡のレンズ等の駆動に適した駆動装置にも適用可能である。
【００６５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、第１の駆動手段によって生成された所定の周波数の第１の駆動信号と、第２の駆動手段によって生成された第１の駆動信号とは異なる所定の周波数の第２の駆動信号とを加算して電気機械変換素子に印加することで当該電気機械変換素子が駆動される。このため、第１の駆動信号と第２の駆動信号の位相関係を操作することによって電気機械変換素子の機械共振特性の有する位相伝達特性に頼ることなく、最適な機械変位の応答を得ることができる。
【００６７】
また、第１の駆動信号の周波数と第２の駆動信号の周波数との比が整数比である駆動装置に適用することができる。
【００６８】
請求項２に記載の発明によれば、第１の駆動信号の周波数と第２の駆動信号の周波数との比が１：２である駆動装置に適用することができる。
【００６９】
請求項３に記載の発明によれば、第１の駆動信号と第２の駆動信号との位相関係を変化させることで電気機械変換素子の伸縮方向における駆動速度を変化させるため、例えば、鋸波形の最適状態の機械変位を得ている状態から第１の駆動信号と第２の駆動信号との位相関係を変化させることで当該変化量に応じた滑らかな速度変化を得ることができる。
【００７０】
請求項４に記載の発明によれば、第１の駆動信号及び第２の駆動信号の周波数が電気機械変換素子の最も低い機械共振周波数ｆｒに基づいて設定されるため、例えば、第１の駆動信号の駆動周波数ｆｄ１と第２の駆動信号の駆動周波数ｆｄ２とをｆｄ１＜ｆｒ＜ｆｄ２となるように設定することや、ｆｒ＜ｆｄ１＜ｆｄ２となるように設定することや、ｆｄ１＜ｆｄ２＜ｆｒとなるように設定することができ、設定の自由度が増すこととなる。
【００７１】
請求項５に記載の発明によれば、第１の駆動信号と第２の駆動信号とが互いに周波数が同じであり、第１の駆動信号のデューティ比Ｄ１と第２の駆動信号のデューティ比Ｄ２とが、Ｄ１＋Ｄ２＝１の関係にない場合にも適用することができ、設定の自由度が増すこととなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係るインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置の基本構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】  駆動部の構成例を示す斜視図である。
【図３】  駆動回路の構成例を示す図である。
【図４】  駆動回路の原理的な動作を説明するための駆動電圧のパルス波形等を示す図である。
【図５】  駆動装置を構成する支持部材及び駆動部材が固着された状態での圧電素子の機械共振特性を示す特性図である。
【図６】  本発明に係る駆動装置の振幅伝達特性及び位相伝達特性を示す特性図である。
【図７】  本発明に係る駆動装置に適用される駆動回路の具体的な動作を説明するための図である。
【図８】  駆動回路の別の構成例を示す図である。
【図９】  別の構成例である駆動回路の原理的な動作を説明するための駆動電圧のパルス波形等を示す図である。
【図１０】  従来例の駆動装置の概略構成を示す図である。
【図１１】  図１０に示す駆動装置の駆動回路の構成例を示すブロック図である。
【図１２】  図１１に示す駆動回路の出力波形を示す図である。
【図１３】  従来例の駆動装置の振幅伝達特性及び位相伝達特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１４，１４'  駆動回路
２６  圧電素子（電気機械変換素子）
１４１  第１のスイッチング回路
１４２  第２のスイッチング回路
１４３  第３のスイッチング回路
１４４  第４のスイッチング回路
１４５，１４５'  第１の波形発振器
１４６，１４６'  第２の波形発振器
１５１，１５１'  第１の駆動回路（第１の駆動手段）
１５２，１５２'  第２の駆動回路（第２の駆動手段）
Ｔｒ１  第１のスイッチ素子
Ｔｒ２  第２のスイッチ素子
Ｔｒ３  第３のスイッチ素子
Ｔｒ４  第４のスイッチ素子
【図１】
0003722050.tif 000003
【図２】
0003722050.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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