(57)【要約】【課題】良好な速度性能が得られる周波数範囲が広い駆動装置を提供する。【解決手段】電圧が印加されると伸縮する電気機械変換素子４と、電気機械変換素子４の伸縮方向一端に固定された固定部材２と、電気機械変換素子４の伸縮方向他端に固定された駆動摩擦部材６と、駆動摩擦部材６に摩擦力で係合する係合部材８と、電気機械変換素子４に矩形波形の電圧を印加し、係合部材８を駆動摩擦部材６に沿って移動させる駆動回路とを備えた駆動装置１０において、電気機械変換素子４の１次の共振周波数をｆｒ１、２次の共振周波数をｆｒ２とするとき、１．７＜ｆｒ１／ｆｒ２＜２．２の関係を満足する。【選択図】　図１４
2004104919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が印加されると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一端に固定された固定部材と、
前記電気機械変換素子の伸縮方向他端に固定された駆動摩擦部材と、
前記駆動摩擦部材に摩擦力で係合する係合部材と、
前記電気機械変換素子に矩形波形の電圧を印加し、前記係合部材を前記駆動摩擦部材に沿って移動させる駆動回路とを備えた駆動装置において、
前記電気機械変換素子の１次の共振周波数をｆｒ１、２次の共振周波数をｆｒ２とするとき、１．７＜ｆｒ１／ｆｒ２＜２．２の関係を満足することを特徴とする、駆動装置。
【請求項２】
１．９＜ｆｒ１／ｆｒ２＜２．０の関係を満足することを特徴とする、請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記電気機械変換素子に印加する矩形波形の前記電圧のデューティ比が０．１から０．４５の間又は０．５から０．９５の間であることを特徴とする、請求項１又は２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、詳しくは、圧電素子などの電気機械変換素子を用いた駆動装置に関し、例えばカメラにおけるレンズ駆動や精密ステージの駆動に好適な駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電素子を用いて駆動する駆動装置が提供されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、圧電素子の伸縮方向一端に固定部材が固着され、他端に駆動摩擦部材が固着され、移動体が摩擦力で駆動摩擦部材に係合するタイプの駆動装置が開示されている。この駆動装置は、圧電素子に矩形波形の電圧を印加することにより、駆動摩擦部材を向きにより異なる速度で、すなわち鋸波形で変位させ、移動体を駆動摩擦部材に沿って移動させることができる。
【０００４】
矩形波形の電圧で鋸波形の変位が得られるのは、周波数が高くなると、圧電素子の伝達関数の影響で、印加電圧波形と変位波形が一致しなくなるためである。これは、圧電素子の電圧−変位伝達関数がフラットでないことに起因し、逆にこれを利用することで、矩形波形の電圧で鋸波形の変位を得ることができる。そして、矩形波形ならば、簡単な構成で駆動回路を作ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２００１−１０３７７２号公報（第５−９頁、図２、図８、図９）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この駆動装置において、速度性能は、圧電素子に印加する電圧の周波数（「駆動周波数」とも言う。）に依存し、良好な速度性能が得られる周波数範囲は狭い。そのため、機械的な駆動装置のばらつきによって速度性能が許容範囲内に収まらない場合には、駆動装置ごとに駆動周波数を調整しなければならず、コストアップにつながる。
【０００７】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、良好な速度性能が得られる周波数範囲が広い駆動装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の駆動装置を提供する。
【０００９】
駆動装置は、電圧が印加されると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一端に固定された固定部材と、前記電気機械変換素子の伸縮方向他端に固定された駆動摩擦部材と、前記駆動摩擦部材に摩擦力で係合する係合部材と、前記電気機械変換素子に矩形波形の電圧を印加し、前記係合部材を前記駆動摩擦部材に沿って移動させる駆動回路とを備えたタイプのものである。駆動装置は、前記電気機械変換素子の１次の共振周波数をｆｒ１、２次の共振周波数をｆｒ２とするとき、１．７＜ｆｒ１／ｆｒ２＜２．２の関係を満足する。
【００１０】
上記構成において、圧電素子、電歪素子、磁歪素子などの電気機械変換素子は、電圧、電流、磁力などの電気的エネルギーを、伸縮、ねじれ、歪みなどの機械的エネルギーに変換する。適宜周波数の矩形波形の電圧を電気機械変換素子に印加することにより、駆動摩擦部材を鋸波形で変位させ、係合部材を駆動摩擦部材に沿って移動させることができる。
【００１１】
上記構成によれば、２次の共振を利用して、可動周波数範囲、すなわち、電気機械変換素子に印加すれば駆動装置を駆動できる矩形波形の電圧の周波数の範囲を拡大することができる。
【００１２】
好ましくは、１．９＜ｆｒ１／ｆｒ２＜２．０の関係を満足する。この場合、最も広い可動周波数範囲を得ることができ、さらに高性能、ロバスト性を得ることができる。
【００１３】
好ましくは、前記駆動回路は、前記電気機械変換素子に印加する矩形波形の前記電圧のデューティ比が０．１から０．４５の間又は０．５から０．９５の間である。デューティ比が上記範囲内にあるとき、駆動装置を駆動することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の駆動装置の実施の形態について、図１〜図１５に基づいて説明する。
【００１５】
図１４に模式的に示したように、駆動装置１０は、固定部材２と、圧電素子４と、駆動軸６と、移動体８と、不図示の駆動回路とを備える。圧電素子４は、電圧が印加されると伸縮する電気機械変換素子である。圧電素子４の伸縮方向一端は、固定部材２に固着される。圧電素子４の伸縮方向他端は、駆動摩擦部材である駆動軸６に固着される。移動体８は、適宜な摩擦発生機構を介して、駆動軸６に摩擦力で係合する。駆動装置１０は、駆動回路により圧電素子４に矩形波形の電圧を印加して伸縮させ、これによる駆動軸６の軸方向の往復動によって、移動体８を駆動軸６に沿って移動させることができる。
【００１６】
すなわち、圧電素子４に適宜なデューティ比、周波数の矩形波形の電圧を印加すると、圧電素子４の伸縮により、駆動軸６が向きによって異なる速度で変位する。駆動軸６が相対的に小さい速度で移動するとき、移動体８と駆動軸とは、摩擦力によって実質的に一体的に移動する。一方、駆動軸６が相対的に大きい速度で逆向きに移動するとき、移動体８は摩擦力に抗して実質的に静止し、駆動軸６のみが元の位置に戻る。このサイクルの繰り返しにより、移動体８を駆動軸６に沿って移動させることができる。
【００１７】
次に、圧電素子４に矩形波形の電圧を印加することで、鋸波形の変位を得る原理について、図１〜図３を参照しながら説明する。
【００１８】
図１に示すように、矩形波の電圧波形をフーリエ変換し、図３（ａ）に示すように周波数領域に直す。これに、図３（ｂ）に示す圧電素子の伝達関数を乗じ、その結果（図３（ｃ））を、図２（ａ）に示すように再び時間領域に直し、逆フーリエ変換したもの（図２（ｂ））が変位の波形となる。
【００１９】
図３に示すように、駆動周波数ｆｄが共振周波数ｆｓの０．７倍のとき、電圧波形中の２次正弦波は、１次正弦波に対して位相が略πｒａｄ（＝９０ｄｅｇ）遅れ、ゲイン比は略１／２となる。これらの効果により、矩形波形の電圧で鋸波形の変位が得られる。
【００２０】
図１〜図３では、駆動周波数ｆｄが共振周波数ｆｓの０．７倍のとき、矩形波形の電圧で鋸波形の変位が得られることだけをピックアップしているが、もう少し広い駆動周波数範囲で最適な電圧波形を考える。
【００２１】
駆動装置で必要なのは、鋸波形の変位を得ることである。鋸波形の変位ｘは、次式のように、少なくとも１次、２次の正弦波の足し合わせで得られる。
ｘ＝−（　ｓｉｎ（２πｆｄ・ｔ）＋０．２５　ｓｉｎ（２・２πｆｄ・ｔ））　…（１ａ）
ｘ＝−（　ｓｉｎ（２πｆｄ・ｔ）＋０．２５　ｓｉｎ（２・２πｆｄ・ｔ＋π））　…（１ｂ）
【００２２】
きれいな鋸波形の変位を示すとき、上式に示したように、そこに含まれる１次、２次の振幅、位相の間には以下の関係がある。
▲１▼　（２次の振幅／１次の振幅）＝０．２５
▲２▼　（１次に対する２次の位相）＝０ｒａｄ、πｒａｄ（０ｄｅｇ、１８０ｄｅｇ）
この関係が崩れると鋸波形の変位は乱れ、駆動装置の速度は低下する。
【００２３】
この（２次の振幅／１次の振幅）、（１次に対する２次の位相）と駆動装置の速度の関係を、図４に示す。図中には、変位の波形も示している。上記▲１▼▲２▼を満たすとき、変位の波形はきれいな鋸波形となっていることが分かる。
【００２４】
圧電素子の電圧−変位伝達関数がフラットであれば、圧電素子に印加する電圧Ｖにおける１次正弦波、２次正弦波の間にも同様な関係があればよい。つまり、Ｖ＝−（　ｓｉｎ（２πｆｄ・ｔ）＋０．２５　ｓｉｎ（２・２πｆｄ・ｔ＋π））　…（２ａ）
Ｖ＝−（　ｓｉｎ（２πｆｄ・ｔ）＋０．２５ｓｉｎ（２・２πｆｄ・ｔ））　…（２ｂ）
である。
【００２５】
しかし、電圧−変位の伝達関数は、実際にはフラットでない。実際の電圧−変位の伝達関数を、図５に示す。振幅が大きくなるところが共振であり、そこでは位相の遅れが生じる。
【００２６】
この伝達関数のため、式（１ａ）、（１ｂ）の鋸波形を得る電圧波形も、周波数に依存して変化させる必要がある。
【００２７】
具体的には、圧電素子に印加する電圧を次式のようにして、周波数に依存して変化させる。
Ｖ＝−（　ｓｉｎ（２πｆｄ・ｔ）＋Ｇ（ｆｄ）・ｓｉｎ（２・２πｆｄ・ｔ＋θ（ｆｄ）））　…（３）
【００２８】
すなわち、（２次の振幅／１次の振幅）をＧ（ｆｄ）、（１次に対する２次の位相）をθ（ｆｄ）とし、それらを駆動周波数ｆｄに依存して変化させる。
【００２９】
Ｇ（ｆｄ）、θ（ｆｄ）は伝達関数から計算できる。伝達関数の振幅特性をＧｐ（ｆｄ）、位相特性をθｐ（ｆｄ）とすると、
Ｇ（ｆｄ）＝０．２５×（Ｇｐ（ｆｄ）／Ｇｐ（２ｆｄ））　…（４ａ）
θ（ｆｄ）＝−（θｐ（２ｆｄ）−θｐ（ｆｄ））　…（４ｂ）
である。
【００３０】
図６は、これを計算した結果を示す。
【００３１】
このように鋸波形の変位を得るための電圧波形のパラメータが周波数に依存して変わるのに対し、矩形波形中の（２次の振幅／１次の振幅）、（１次に対する２次の位相）は一定である。図６（ａ）中の点線は、デュ−ティ比０．３の矩形波について（２次の振幅／１次の振幅）＝０．５を示す。図６（ｂ）中の点線は、テューティ比０．３の矩形波について（１次に対する２次の位相）＝９０ｄｅｇを示す。
【００３２】
図６から、（駆動周波数／１次共振周波数）が０．７〜０．８では、デューティ比０．３の矩形波は最適な電圧波形に近いものとなることが分かる。
【００３３】
従来の駆動装置の構成において、矩形波形の電圧で動かす場合、（駆動周波数／１次共振周波数）が０．７〜０．８を外れると、矩形波形は最適波形でなくなり、駆動装置の速度性能が悪くなってしまう。これは、矩形波形で駆動可能な駆動周波数範囲が狭いことを意味している。これが従来の問題点であり、矩形波形での駆動可能な周波数範囲を広げることが、本発明の技術的課題である。
【００３４】
次に、矩形波形での駆動周波数範囲を広げる方法について、より詳しく考える。
【００３５】
図６のグラフで、（２次の振幅／１次の振幅）の最適なパラメータが０．５付近である周波数範囲と、（１次に対する２次の位相）の最適なパラメータが９０ｄｅｇ付近である周波数範囲とを、どちらも広げることができれば、矩形波形で動く周波数範囲が広がる。
【００３６】
図６のグラフは伝達関数に依存するので、この伝達関数の特性曲線を変えることで、矩形波形で動く周波数範囲を広げることができる。
【００３７】
そのための方法として、（駆動周波数／１次共振周波数）が０．８〜０．９となっても、（２次の振幅／１次の振幅）＝０．５、（１次に対する２次の位相）＝９０ｄｅｇを維持することを目指す。
【００３８】
このためには、１次周波数の１．９〜２．０倍の位置に２次共振があれば可能となる。この伝達関数を図７に示す。
【００３９】
図７の伝達関数から計算される最適な電圧波形のパラメータを、図８に実線で示す。図８（ａ）中の点線は、図６（ａ）と同様、デューティ比０．３の矩形波形の（１次の振幅／２次の振幅）＝０．５を示す。図８（ｂ）中の点線は、図６（ｂ）と同様、デューティ比０．３の矩形波形の（１次に対する２次の位相）＝９０ｄｅｇを示す。図６と比較すると、（２次の振幅／１次の振幅）が最適な０．５前後、（１次に対する２次の位相）が最適な９０ｄｅｇ前後となる駆動周波数の領域が拡大していることが分かる。
【００４０】
図９は、（２次共振周波数／１次共振周波数）＝３．０、１．９の駆動装置において、デューティ比０．３の矩形波形の電圧としたときの性能の解析結果を示す。横軸は、（駆動周波数／１次共振周波数）である。（２次共振周波数／１次共振周波数）＝１．９とすることで、矩形波形で動く周波数範囲が広がり、１次共振周波数付近では非常に速度が高くなることが分かる。
【００４１】
図１０は、（２次共振周波数／１次共振周波数）をパラメータに可動周波数範囲が変わる様子を示す。１．７＜（２次共振周波数／１次共振周波数）＜２．２の範囲で可動周波数範囲が拡大していることが分かる。さらには、１．９＜（２次共振周波数／１次共振周波数）＜２．０で、最も広い可動周波数範囲を得ることかできる。
【００４２】
次に、最適なデューティ比に関して検討する。
【００４３】
デューティ比を変えると、図１１に示すように、波形中に含まれる（２次の振幅／１次の振幅）が変わる。ここで、図８において実線で示した最適なパラメータで駆動を行う周波数範囲、すなわち駆動周波数が共振周波数の０．７倍前後で、（２次の振幅／１次の振幅）は０．４〜０．６の間で変化している。図１１、図８のグラフを対比させると、デューティ比は０．３前後が望ましいことが分かる。
【００４４】
図１３に駆動周波数が共振周波数の０．７倍のとき、デューティ比を変化させて速度を解析した結果を示す。デューテイ比が、０．１から０．４５の間と、０．５から０．９５の間とで動作することが分かる。
【００４５】
【実施例】
図１４に示した駆動装置１０において、２次の共振周波数は、固定部材２、圧電素子４、駆動軸６の弾性率、密度、大きさに依存する。一例をあげると、固定部材２が完全剛体、質量無限大、駆動軸６が完全剛体であれば、（２次共振波数／１次共振周波数）＝３となる。固定部材２、駆動軸６の弾性要素が大きくなるにつれ、（２次共振周波数／１次共振周波数）の値は小さくなる。そして、定量的には、有限要素法などを用いたシミュレーションで、容易に調べることができる。ただし、パラメータが多数あるため、定式として表すことは難しい。
【００４６】
そこで、有限要素法で解析しながら、（２次共振周波数／１次振周波数）が１．９〜２．０のとなるような固定部材２、駆動軸６、圧電素子４に関するパラメータを求め、表１のＮｏ．１〜１５の試作を行った。固定部材２、圧電素子４、駆動軸６は円柱状であり、同軸に配置し、それぞれの長さ、外径、材料をパラメータとした。試作後、インピーダンスアナライサで共振周波数を測定して得た（２次共振周波数／１次共振波数）を、表１に合わせて示す。
【表１】
2004104919.tif 000003
【００４７】
試作に用いた材料の材料定数を、表２に示す
【表２】
2004104919.tif 000004
【００４８】
このように、駆動装置１０の構成要素のパラメータで、（２次共振周波数／１次共振周波数）を調整できる。
【００４９】
表１のＮｏ．５の試作品について、デューティ比０．３の矩形波形の電圧を用いて周波数−速度特性を測定した結果を、図１５に示す。図９の解析と同様の周波数−速度特性の結果が得られた。なお、１次共振周波数は１９０ｋＨｚ、（２次共振周波数／１次共振周波数）は１．９であった。
【００５０】
【発明の効果】
この発明の効果は、最高速度の向上と性能ばらつきの低減である。
【００５１】
図９に示したように、駆動周波数範囲が広がることで、共振周波数の手前くらいで動かせば、速度が向上する。
【００５２】
また、一般に、製造のばらつきにより共振周波数にばらつきが生じる。駆動周波数範囲が狭いと、このばらつきにより最適な駆動周波数がばらつく。そして、性能のばらつきが許容内に収まらない場合、駆動周波数を個々に調整しなければならず、コストアップにつながる。ところが、本発明によれば、共振周波数がばらついても性能のばらつきを許容範囲内に収めるようにして、１つの駆動周波数に固定して駆動装置を使うことが十分可能となる。
【００５３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】フーリエ変換の説明図である。
【図２】逆フーリエ変換の説明図である。
【図３】周波数領域の説明図である。
【図４】振幅比と速度の関係を示すグラフである。
【図５】伝達関数を示すグラフである。
【図６】（ａ）最適な振幅比、（ｂ）最適な位相を示すグラフである。
【図７】伝達関数を示すグラフである。
【図８】（ａ）駆動周波数と振幅比の関係、（ｂ）駆動周波数と位相の関係を示すグラフである。
【図９】駆動周波数と速度の関係を示すグラフである。
【図１０】共振周波数比と可動周波数範囲の関係を示すグラフである。
【図１１】デューティ比と振幅比の関係を示すグラフである。
【図１２】デューティ比と位相の関係を示すグラフである。
【図１３】デューティ比と速度の関係を示すグラフである。
【図１４】駆動装置の模式図である。
【図１５】駆動周波数と速度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
２　固定部材
４　圧電素子（電気機械変換素子）
６　駆動軸（駆動摩擦部材）
８　移動体（係合部材）
１０　駆動装置
【図１】
2004104919.tif 000005
【図２】
2004104919.tif 000006
【図３】
2004104919.tif 000007
【図４】
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【図５】
2004104919.tif 000009
【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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【図１４】
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【図１５】
2004104919.tif 000019