(57)【要約】【課題】  圧電素子の変形により、移動体に一方向の力だけを伝え移動体を駆動する圧電アクチュエータの制御方法及びそれを用いた電子機器の提供。【解決手段】  制御システムは移動体２に駆動力を与える圧電素子１からなる圧電アクチュエータ１００と、圧電素子１に駆動パルスを出力する駆動回路７と、移動体２の動作もしくは移動体２の動作に連動して動作する稼動体１２の位置情報を得る位置センサ１４と、位置センサ１４の位置情報に基づいて駆動回路７から出力される駆動パルスを制御する制御回路８からなる。【選択図】    図３
2005218158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に配置される移動体と、
一端が固定部材に固定され、他端もしくは他端に設けられた摩擦部材が前記移動体に接し、その変形により前記移動体の径方向と直交する接線方向に変位を伝えて前記移動体を駆動する圧電素子と、
前記固定部材に加圧力を働かせ前記移動体と前記圧電素子もしくは前記圧電素子に設けられた摩擦部材との間に接触圧を働かせる加圧部材とからなる圧電アクチュエータ。
【請求項２】
圧電素子の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と、前記圧電素子の第二の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に駆動力を与える圧電アクチュエータと、
前記圧電素子に駆動パルスを出力する駆動回路と、
前記移動体の動作もしくは前記移動体の動作に連動して動作する稼動体の位置情報を得る位置センサと、
前記位置センサの位置情報に基づいて前記駆動回路から出力される駆動パルスを制御する制御回路からなる制御システムであって、
前記位置センサの位置情報を受けた後、予め得られている駆動データに基づいて所定のパルス数だけ駆動信号を出力することで前記移動体あるいは前記稼動体を所定の位置に位置決めする圧電アクチュエータを用いた制御システム。
【請求項３】
圧電素子に、前記圧電素子の共振周波数を外れた周期の駆動パルスを印加することで移動体に駆動力を与える圧電アクチュエータと、
前記圧電素子に駆動パルスを出力する駆動回路と、
前記移動体の動作もしくは前記移動体の動作に連動して動作する稼動体の位置情報を得る位置センサと、
前記位置センサの位置情報に基づいて前記駆動回路から出力される駆動パルスを制御する制御回路からなる制御システムであって、
前記位置センサの位置情報を受けた後、予め得られている駆動データに基づいて所定のパルス数だけ駆動信号を出力することで前記移動体あるいは前記稼動体を所定の位置に位置決めする圧電アクチュエータを用いた制御システム。
【請求項４】
前記駆動データは、前記圧電アクチュエータが待機状態になった際に先行動作を行い決められたものであることを特徴とする請求項２または３記載の圧電アクチュエータを用いた制御システム。
【請求項５】
前記先行動作は前記移動体もしくは前記稼動体の原点位置を確認する際に行われることを特徴とする請求項４記載の圧電アクチュエータを用いた制御システム。
【請求項６】
前記駆動データは前記アクチュエータの動作に基づいて更新されることを特徴とする請求項２または３記載の圧電アクチュエータを用いた制御システム。
【請求項７】
前記所定のパルス数だけ出力される駆動信号はそれ以前に前記圧電素子に出力される駆動信号とは異なることを特徴とする請求項２または３記載の圧電アクチュエータを用いた制御システム。
【請求項８】
請求項２〜７の何れかに記載の圧電アクチュエータを用いた制御システムを用いたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の変形の速度もしくは加速度を変え、移動体に一方向の力だけを伝え移動体を駆動する圧電アクチュエータの制御方法及びそれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年電子機器の小型化が進み、そこで用いられるアクチュエータの小型化も要求されている。このアクチュエータの代表例として、電磁型のモータの回転力により減速歯車列を介して稼働部材を駆動する方式があり、そこで用いられるDCモータやステッピングモータの小型化が進んでいる。
【０００３】
また一方では、新原理のアクチュエータの開発も盛んに行われており、発生力の大きな圧電素子を用いたものにも期待が掛かっている。例えば稼働部材と、これを一方向に移動可能にガイドする軸との間に摩擦力を生じさせておき、軸の先端に設けた圧電素子を周期的に変形させたときに生じる稼働部材の慣性力により稼働部材を稼働する方式が開発されている（例えば、非特許文献１参照。）。また、このようなアクチュエ−タは、カメラのズーム機構やオートフォーカス機構への応用も試みられている。
【非特許文献１】吉田龍一、岡本康弘、マイクロ圧電アクチュエータ  精密工学会誌Vol．６８、ＮＯ．５，２００２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら電磁モータは小型化が難しいばかりでなく、小型化するとトルクが極めて弱くなってしまう為、その分だけ減速歯車列が必要となり、機構自体の大きさを小さくするのが難しかった。
【０００５】
また、圧電素子の変形により生じる駆動力を利用して、移動体を摩擦駆動するアクチュエータは、小型化が容易に出来るが、DCモータと同様に位置決め制御する際には位置センサが必要となり、高精度な位置決め制御をするために、大型で高価なセンサや駆動回路が必要となってしまった。これは機構の設計の自由度に制限を与え、機器に塔載することへの障害となる恐れがあった。
【０００６】
また、ステッピングモータの場合にもステップ角に限度があり、特に小型化した際にはステップ角は大きくなってしまった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、回転可能に配置される移動体と、一端が固定部材に固定され、他端もしくは他端に設けられた摩擦部材が前記移動体に接し、その変形により前記移動体の径方向と直交する接線方向に変位を伝えて前記移動体を駆動する圧電素子と、前記固定部材に加圧力を働かせ前記移動体と前記圧電素子もしくは前記圧電素子に設けられた摩擦部材との間に接触圧を働かせる加圧部材とからなることを特徴とする圧電アクチュエータにある。
【０００８】
本発明の第２の態様は、圧電素子の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と、前記圧電素子の第二の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に駆動力を与える圧電アクチュエータと、前記圧電素子に駆動パルスを出力する駆動回路と、前記移動体の動作もしくは前記移動体の動作に連動して動作する稼動体の位置情報を得る位置センサと、前記位置センサの位置情報に基づいて前記駆動回路から出力される駆動パルスを制御する制御回路からなる制御システムであって、前記位置センサの位置情報を受けた後、予め得られている駆動データに基づいて所定のパルス数だけ駆動信号を出力することで前記移動体あるいは前記稼動体を所定の位置に位置決めすることを特徴とする圧電アクチュエータを用いた制御システムにある。
【０００９】
本発明の第３の態様は、圧電素子に、前記圧電素子の共振周波数を外れた周期の駆動パルスを印加することで移動体に駆動力を与える圧電アクチュエータと、前記圧電素子に駆動パルスを出力する駆動回路と、前記移動体の動作もしくは前記移動体の動作に連動して動作する稼動体の位置情報を得る位置センサと、前記位置センサの位置情報に基づいて前記駆動回路から出力される駆動パルスを制御する制御回路からなる制御システムであって、
前記位置センサの位置情報を受けた後、予め得られている駆動データに基づいて所定のパルス数だけ駆動信号を出力することで前記移動体あるいは前記稼動体を所定の位置に位置決めすることを特徴とする圧電アクチュエータを用いた制御システムにある。
【００１０】
本発明の第４の態様は、第２または３の態様において、前記駆動データは、前記圧電アクチュエータが待機状態になった際に先行動作を行い決められたものであることを特徴とする圧電アクチュエータを用いた制御システムにある。
【００１１】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記先行動作は前記移動体もしくは前記稼動体の原点位置を確認する際に行われることを特徴とする圧電アクチュエータを用いた制御システムにある。
【００１２】
本発明の第６の態様は、第２または３の態様において、前記駆動データは前記アクチュエータの動作に基づいて更新されることを特徴とする圧電アクチュエータを用いた制御システムにある。
【００１３】
本発明の第７の態様は、第２または３の態様において、前記所定のパルス数だけ出力される駆動信号はそれ以前に前記圧電素子に出力される駆動信号とは異なることを特徴とする圧電アクチュエータを用いた制御システムにある。
【００１４】
本発明の第８の態様は、第２から７のいずれかの態様における圧電アクチュエータを用いた制御システムを備えたことを特徴とする電子機器にある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば位置センサの分解能が粗くても、高精度で信頼性に富んだ制御システムが実現できる。特に、小型で安価な位置センサを使用でき、またこれに伴い制御回路も小型で簡単なもので良いため、圧電アクチュエータを含めた制御システムが小型化できる。
【００１６】
特に、位置センサの位置情報を受けた後で所定のパルス数だけ駆動信号を出力する際に用いられる駆動データは、圧電アクチュエータが待機状態になった際に先行動作を行い決めることで、圧電アクチュエータの摩擦状態の経時変化による変動や温度や湿度等の外部環境、あるいは移動体によって稼動される負荷の変動の影響による駆動パルスに対する移動距離の変動を補償することが可能となる。この先行動作は、電源の投入等により制御システムが使用可能となる待機状態となった際に、移動体もしくは稼動体の原点位置を確認する際に同時に行うことで、使用する電子機器に無駄な動作を行わせずに済む。そして、この駆動データは、アクチュエータの動作に基づいて適宜、更新されることで、データの信頼性も高くなる。
【００１７】
また、この所定のパルス数だけ出力される駆動信号は、それ以前に圧電素子に出力される駆動信号とは異ならせる。即ち、細かい位置決めをする際には、速度を落としたり、駆動信号1パルスあたりの移動体の移動量が小さくなるような駆動信号とすることで、トータルの移動時間は短くかつ高精度な位置決めが可能となる。
【００１８】
そして、本制御システムの圧電アクチュエータは圧電素子を非共振状態で駆動できるため、消費電流が小さく、また駆動回路が簡単で小型化が容易なことを併せ、本制御システムを搭載した電子機器の小型化、低消費電力化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の制御システムは圧電素子の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と、圧電素子の第二の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に駆動力を与える圧電アクチュエータと、圧電素子に駆動パルスを出力する駆動回路と、移動体の動作もしくは移動体の動作に連動して動作する稼動体の位置情報を得る位置センサと、位置センサの位置情報に基づいて駆動回路から出力される駆動パルスを制御する制御回路からなる制御システムであって、位置センサの位置情報を受けた後、予め得られている駆動データに基づいて所定のパルス数だけ駆動信号を出力することで移動体あるいは稼動体を所定の位置に位置決めすることを特徴とする圧電アクチュエータを用いた制御システムとする。
【００２０】
ここで駆動データは、圧電アクチュエータが待機状態になった際に先行動作を行い決める。特に、先行動作は電源の投入等により制御システムが使用可能となる待機状態となった際に移動体もしくは稼動体の原点位置を確認すると同時に行われる。そして、この駆動データはアクチュエータが動作に基づいて適宜更新される。
【００２１】
また、所定のパルス数だけ出力される駆動信号はそれ以前に圧電素子に出力される駆動信号とは異ならせることで高速で高精度な位置決めを可能とする。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の制御システムに使用される圧電アクチュエータ１００の構成を示した図である。固定部材３には、圧電素子で構成されるバイモルフ１の一端が固定されている。円板形状の移動体２は中心軸２ａを有し、図示しない軸受けによって回転可能に支持されている。固定部材３の一端には、穴を有する軸受け部３ａが設けられており、図示しない軸を中心に回転可能に支持されている。固体部材３の他端３ｂを板ばねからなる加圧部材４によって圧電素子１と移動体２は加圧接触している。尚、図１に示した様に、圧電素子１の移動体３の接触部には、耐磨耗性に優れたエンジニヤリングプラスチックやアルミナ等のエンジニヤリングセラミクス等の摩擦部材５を接合しても良い。
【００２２】
次に、本発明の制御システムに使用される圧電アクチュエータ１００の駆動原理について、図１，図２を用いて説明する。圧電素子からなるバイモルフ1は、例えば回転体２の径方向と直交する接線方向（図２中で矢印の方向）に分極処理された圧電素子１ａ、１ｂを重ねて接合し構成されている。圧電素子１ａ、１ｂの接合面と他方の面には図示しない電極が設けられている。ここで、圧電素子１ａ、１ｂの接合面にある電極に接続したリード２２ｂをＧＮＤとし、圧電素子１ａ、１ｂの他の面にある電極を短絡するリード２２ａに、駆動回路により電圧を印可すると、一方の圧電素子は伸び、一方の圧電素子は縮む為、圧電素子１は全体として屈曲変位を示す。そして、電圧の極性を変えると変形の方向も逆になる。ここで、図１（ｂ）の状態から図１（ｃ）の状態に急速に変形させる動作と、図１（ｃ）の状態から図１（ｂ）の状態へ緩やかに変形させる行為を交互に行えば、前者の動作では移動体２と圧電素子１の間には滑りが生じ、後者の動作では圧電素子１の変形に伴い移動体２も回転するため、移動体２は一方向に移動する。実際には、両者の動作において滑りと移動が共存していても、その割合が異なれば結果として一方向に移動体２を移動させることが出来る。
【００２３】
この様な駆動を圧電素子１にさせるためには、駆動信号を交番電圧とする駆動パルスとするとともに、電圧を上げる際のスピードと下げる際のスピードを変えることで、圧電素子1の変形の速度，加速度は変形する方向である第一の方向と、第一の方向と逆方向である第二の方向とによって異なる。例えば、リード２２ａ、２２ｂの間に、図２（ｂ）もしくは図２（ｃ）に示した駆動パルスを加えることで、移動体２の回転方向を変えることが出来る。ここでは＋極性だけの駆動パルスを印加したが、＋，−極性を交互に繰り返す駆動パルスを印加しても良い。この場合、圧電素子１は図１（ａ）の状態を中心として左右に振れる変位となる為、大きな変位が得られる。
【００２４】
この様に、圧電素子１の第一の方向の変形により生じる移動体２の移動量と、第二の方向（第一の方向と逆方向）により生じる移動体２の移動量に差を持たせるような駆動パルスであれば、図２に示したものに限らない。要求される出力仕様や回路構成に応じて適当なものを採用すれば良い。また、バイモルフ素子の代わりに、圧電素子と金属等の弾性部材を用いてユニモルフを構成したものを用いても構わない。本実施の形態のように、圧電素子１の屈曲変形を利用することで大きな変位が得られる為、低電圧で駆動できる。
【００２５】
また、本実施の形態において、圧電素子は移動体の径方向と直交する接線方向に分極処理されているが、分極方向や電圧のかけ方は異なっていたとしても、結果として移動体の径方向と直交する接線方向に変形を発生させる構成であれば良い。次に、本発明の制御システムの構成について図３を基に説明する。本制御システムは移動体２に駆動力を与える圧電素子１からなる圧電アクチュエータ１００と、圧電素子１に駆動パルスを出力する駆動回路７と、移動体２の動作もしくは移動体２の動作に連動して動作する図示しない稼動体１２の位置情報を得る位置センサ１４と、位置センサ１４の位置情報に基づいて駆動回路７から出力される駆動パルスを制御する制御回路８からなる。
【００２６】
本発明の制御システムを電子機器に応用した構成を図４を基に説明する。本駆動機構は、移動体９と、これと図示しない加圧機構により加圧接触する圧電素子１と、圧電素子１を支持する固定部材３と、移動体９の回転中心軸上に設けられ移動体９と一体的に回転する出力軸１０と、出力軸１０並びに移動体９の回転を移動体９，出力軸１０と一体的に設けられた軸部１０ａ，１０ｂと勘合して案内する軸受け１６，１１と、出力軸１０の側面に設けられた、おねじ部１０ｃと係合する、めねじ部１２ａを有する稼動体１２と、稼動体１２に設けられた穴状の案内部１２ｂと係合する案内軸１５と、出力軸１０に設けられたスリット板１４ａと発光部，受光部からなる検出素子１４ｂで構成される位置センサ１４と，稼動体１２に取り付けられた突出部１３ａと受光部，発光部からなる検出素子１３ｂで構成される原点位置検出素子１３からなる。
【００２７】
圧電素子１の動作に伴い移動体９が回転すると、出力軸１０も一体に回転し、稼動体１２は出力軸１０の回転中心軸方向へ稼動する。移動体９の回転方向を変えることで稼動体１２の稼動方向は変わる。この稼動体１２の位置は、位置センサ１４と原点位置検出素子１３によって確認できる。まず稼動体１２を突出部１３ａが検出できる位置、即ち原点位置まで移動することで、制御回路８の位置情報を原点（カウンタ値０）に合わせる。その後は、位置センサのパルス数（移動体９の回転量）と稼動体１２の移動量の関係から稼動体１２の位置を知ることが出来る。
【００２８】
例えば、稼動体１２に設けられた穴部１２ｃにレンズ２４を接合すれば、カメラのズーム機構やオートフォーカス機構等が実現できる。このような構造とすることで、移動体９の移動角に対して稼動体１２の移動量が小さい減速機構となる為、高精度な位置決めが可能となると共に、位置センサ１４の分解能も比較的粗いもので済む。そして、稼動体12の駆動力も大きくなる。また、外部からの衝撃や振動に対しても、稼動体１２は動きにくい信頼性の高い電子機器が実現できる。
【００２９】
次に、本発明の圧電アクチュエータ１００の制御法について述べる。圧電アクチュエータ１００は、基本的に各駆動パルス毎に同一量だけ移動体９を回転させることが可能な為、位置センサ１４を用いずに位置決め制御を行っても良いが、圧電素子１と移動体９との間の摩擦状態の変化や温度，湿度等の環境の影響、電池の使用状態による駆動電圧の変動等によって、この１パルス当たりの移動量が変動する恐れがある。そこで、位置センサ１４を用いておおよその位置を確認すると共に、位置センサ１４の分解能よりも微小な領域に対しては、予め制御回路８に記憶された駆動パルス１パルス当たりの移動量の関係（駆動データ）に基づいて、必要なパルス数を算出し、駆動回路７に必要なパルス数だけを出力するように指令を送る。例えば、移動体９の移動位置が位置センサ１４から得られる位置情報であるパルスで８パルスと９パルスの間にある場合には、８パルスを検出した時点から残りの距離を移動するのに必要な駆動パルスの数だけ圧電素子１に出力する。このようにすることで、位置センサ１４の分解能が粗い場合でも高精度で信頼性の高い位置決めが可能となる。
【００３０】
この駆動データは、製造段階で記憶されたものでも良いが、圧電アクチュエータ１００が待機状態になった際に、先行動作を行い決められたものであることが望ましく、移動体もしくは稼動体１２の原点位置を確認する際に行われることで、電子機器に無駄な動作をさせない。例えば、デジタルカメラの場合、電源を入れた場合や撮影モードにした場合が、この待機状態に当たる。このようにすることで、使用段階で異なる摩擦状態の変化や温度、湿度等の環境の影響、電池の使用状態による駆動電圧の変動等の影響を受けない。また、駆動データとしては例えば、簡単に一定距離動くのに必要なパルスを計測しても良いが、位置センサ１４の位置情報の各間隔（パルス）毎の移動に必要な駆動パルスを、移動体９の一周にわたり、あるいは稼動体１２の移動距離全域にわたり計測すれば、摩擦むら等によって生じる移動位置による必要駆動パルスの違いを補償することが出来る。また、移動方向によるデータも計測すれば、例えばカメラの場合、姿勢差の影響も補償できる。
【００３１】
ところで、この駆動データは、この待機状態になった場合だけでなく、アクチュエータの動作中に計測を行い更新しても良い。例えば、動作中のデータを基に、何パルス出すかを決定しても良い。
【００３２】
この所定のパルス数だけ出力される駆動パルスは、それ以前、即ち位置センサ１４から最後の位置情報を得るまでに圧電素子に出力される駆動信号とは異ならせることで、高速で高精度な位置決めが可能となる。図５に示した様に、駆動パルスによって移動体９の動作の挙動は異なる。即ち、図５（ａ）に示した様に、駆動パルス１パルス毎に動作，停止を繰り返す場合と、図５（ｂ）に示した様に、停止せずに連続的に動作する場合に大きく分けられる。一般的に、駆動パルスの周波数が高くなると、図５（ｂ）の様な挙動を示す傾向がある。この場合、移動体９のスピードは高くなるが、駆動パルス停止時に移動体７が瞬時に止まれないばかりでなく、駆動パルス１パルス毎の移動距離が特定しずらくなる。即ち、一定距離を連続で動作するのに必要な駆動パルス数で割った値と、１パルスだけ加えたときの移動距離とが一致しないため、駆動データの信憑性が低くなる。因みに、振動体の共振現象を用いた超音波モータも、この状態に近い。そこで、位置センサ１４から位置情報を得ている範囲内では、図５（ｂ）の動作で高速に移動し、所定のパルスを印加する際には、図５（ａ）の動作とすることで微動動作を行う。この微動動作を行うタイミングは、位置センサ１４から位置情報を得ている範囲内からでも良く、制御システム全体の特性，要求仕様等に応じて適宜決めれば良い。
【００３３】
ところで、圧電アクチュエータ１００は本発明の動作原理に基づくものであれば、その形態は問わずリニヤ型のものでも良く、非特許文献１に示してあるものでも構わない。その他、駆動パルス１パルス毎に動作，停止を繰り返して、一定間隔で動作可能な非共振型の超音波モータでも、同様の効果が得られる。
【００３４】
また位置センサ１４は、リニヤ型のセンサでも良く、稼動体に付けても構わない。また、移動体９自体で仕事を行う電子機器であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の圧電アクチュエータの稼動体に例えばレンズを備えれば、カメラのズーム機構やオートフォーカス機構等の電子機器へ応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータの構成並びに駆動信号を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかわる制御システムの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかわる制御システムを電子機器に応用した図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータの挙動を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  圧電素子
２  移動体
３  固定部材
４  加圧部材
５  摩擦部材
７  駆動回路
８  制御回路
９  移動体
１２  稼動体
１４  位置センサ
【図１】
2005218158.tif 000003
【図２】
2005218158.tif 000004
【図３】
2005218158.tif 000005
【図４】
2005218158.tif 000006
【図５】
2005218158.tif 000007