(57)【要約】【課題】  電気機械変換素子を含む駆動装置であって、環境によって移動体の速度が変化しない駆動装置を提供する。【解決手段】  駆動装置は、所定の固定面３ａに伸縮方向一端４ａが固定された第１電気機械変換素子３と、第１電気機械変換素子４の伸縮方向他端４ｂに固定された挟み込み錘５と、挟み込み錘５に伸縮方向一端６ａが固定された第２電気機械変換素子６と、第２電気機械変換素子６の伸縮方向他端６ｂに固定された駆動摩擦部材７と、駆動摩擦部材７に摩擦係合した移動体８と、第１電気機械変換素子４および第２電気機械変換素子６に交流の駆動電圧ＶＳを印加する駆動回路１３と、駆動回路１３に流れる電流値ＩＳを検出して電流値ＩＳに応じた出力をする電流検出回路１４と、電流検出回路１４の出力を受け取って駆動回路１３の駆動電圧ＶＳの周波数を変化させる制御手段１２とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の固定面に伸縮方向一端が固定された第１電気機械変換素子と、
前記第１電気機械変換素子の伸縮方向他端に固定された挟み込み錘と、
前記挟み込み錘に伸縮方向一端が固定された第２電気機械変換素子と、
前記第２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係合した移動体と、
前記第１電気機械変換素子および前記第２電気機械変換素子に交流の駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記駆動回路に流れる電流値を検出して該電流値に応じた出力をする電流検出回路と、
前記電流検出回路の出力を受け取って前記駆動回路の駆動電圧の周波数を変化させる制御手段とを備えることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記電流検出回路が検出する電流値が最大となるように前記駆動電圧の周波数を変化させることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記駆動電圧は、矩形波であることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置に関し、さらに詳しくは、圧電素子（ピエゾ素子）等の電気機械変換素子を利用した駆動装置に関する。本発明の駆動装置は、例えば、カメラにおけるレンズ駆動機構や、精密ステージの駆動機構として適している。
【背景技術】
【０００２】
電圧の印加によって長さが変化する（伸縮する）圧電素子等の電気機械変換素子を利用した駆動装置として、下記特許文献１には、図１０（ａ）の分解斜視図および図１０（ｂ）の組立斜視図に示した機械装置２１に、図１１に示した電気回路２２を接続したものが記載されている。
【０００３】
この駆動装置の機械装置２１は、台座（固定台）２３に対して移動体２８を相対的に移動させることができ、例えば、カメラのレンズ駆動装置として使用できる。すなわち、移動体２８をレンズ玉枠と連結すれば、移動体２８とともにレンズを移動させることができる。
【０００４】
圧電素子２６は、多数の圧電板を積層して構成されており、伸縮方向一端２６ａが台座２３に固定されるとともに他端２６ｂが駆動摩擦部材２７の第１端２７ａに固定される。駆動摩擦部材２７は、台座２３に一体的に形成された支持部２４および２５に摺動可能に支持される。
【０００５】
移動体２８は、本体２９とキャップ３０とで駆動摩擦部材２７を挟み込むとともに、押圧バネ３１で本体２９およびキャップ３０に挟み込み方向の付勢力を与えることによって、駆動摩擦部材２７に摩擦係合される。
【０００６】
電気回路２２はマイコンからなる制御装置３３と４つのＭＯＳ型ＦＥＴ３５，３６，３７，３８からなるブリッジ回路である駆動回路３４とからなっている。駆動回路３４は、制御装置３３から出力する所定のデューティ比の信号によってＦＥＴ３５，３６，３７，３８をスイッチングすることにより、圧電素子２６に＋Ｅ（Ｖ）または−Ｅ（Ｖ）の電圧を印加する。つまり圧電素子２６には所定のデューティ比で振幅２Ｅ（Ｖ）の矩形波状の駆動電圧が印加される。
【０００７】
図１２に示すように、圧電素子２６は、矩形波状の駆動電圧が印加されると、その充電特性によって鋸歯状の変位をもって振動する。すると、図１３に示すように、期間Ａにおいて、圧電素子２６は急峻に伸張して駆動摩擦部材２７をＩ方向に急峻に移動させる。また、期間Ｂにおいて、圧電素子２６は緩慢に収縮して駆動摩擦部材２７をＩＩ方向に緩慢に移動させる。以下、同様の移動が繰り返され、結果として、駆動摩擦部材２７は、Ｉ方向への急峻な移動とＩＩ方向への緩慢な移動とを繰り返して振動する。このようにして、駆動摩擦部材２７は、緩急のついた鋸歯状の振動波形を描きながら振動する。
【０００８】
ここで、図１３に示したように、駆動摩擦部材２７が急激に移動する場合（すなわち、所定値よりも大きい速度で移動する場合）には移動体２８が慣性によってその場に止まり（または、駆動摩擦部材２７よりも少量だけ移動し）、駆動摩擦部材２７がゆっくりと移動する場合（すなわち、上記所定値よりも小さい速度で移動する場合）には移動体２８が該駆動摩擦部材２７と共に移動するように、移動体２８の押圧バネ３１のバネ力（移動体２８の駆動摩擦部材２７に対する摩擦係合力）が調節されている。したがって、駆動摩擦部材２７が振動する間に移動体２８は台座２３に対して相対的にＩＩ方向に移動することとなる。
【０００９】
なお、移動体２８を図１０（ｂ）中の矢印Ｉ方向へと移動させる場合には、駆動電圧が＋Ｅ（Ｖ）になる時間と−Ｅ（Ｖ）になる時間が反対になるように駆動電圧のデューティ比を変更すれば、圧電素子２６および駆動摩擦部材２７の振動波形が図１２に示したものと左右対称な、緩やかな立上がり部と急激な立下がり部を有する波形となる。
【００１０】
上述のように、駆動摩擦部材２７を鋸歯状の振動波形をもって振動させることが必要になるが、そのような鋸歯状の振動である鋸波は、該鋸波の周期に一致する基本周波数の正弦波（基本正弦波）と、基本周波数の整数倍の周波数を有する正弦波である高調波とを合成した波形として表され、特に、基本正弦波および基本周波数の２倍の周波数を有する２次の高調波が大きく寄与しており、それらの振幅が大きい。
【００１１】
また、一般的に、物理的な振動系に対しては、その共振周波数を入力した場合に利得が極大となる。駆動摩擦部材２７を鋸歯状の振動波形をもって効率よく振動させるために、駆動電圧に対する駆動摩擦部材２７の変位の周波数特性は、基本周波数および基本周波数の２倍の周波数において変位（利得）が極大となるように共振点（１次共振点および２次共振点）を有することが望ましい。
【００１２】
このため、下記特許文献２では、駆動摩擦部材２７の先端にスプリングと錘とからなる共振誘発部を設けて、駆動摩擦部材２７が２つの共振点を有し、図１４に示すように、基本周波数と基本周波数の２倍の周波数で変位の利得が高くなるようにしている。
【００１３】
【特許文献１】特開２０００-３５０４８２号公報
【特許文献２】特開平１１-９８８６５号公報
【００１４】
しかしながら、周波数特性は、環境（特に温度）が変化すると利得や共振周波数が変化してしまう。特に、共振周波数がわずかでも変化して駆動電圧の周波数からはずれると駆動電圧に対する変位が小さくなってしまう。とりわけ、２次共振点のずれによって駆動摩擦部材２７の変位の２次高調波成分が小さくなり正弦波に近い波形になると、駆動摩擦部材２７のＩ方向とＩＩ方向の移動速度がほぼ同じになり、移動体２８を効率よく駆動することができなくなる。このため、図１５に示すように、従来の駆動装置において、一定の駆動電圧を印加しても、温度が変化すると移動体の移動速度が変化してしまう。このため、常に一定の移動体速度を得るためには、温度センサで環境温度を監視したり、速度センサを設けて、移動体２８が一定の速度で移動するように駆動電圧を変化させなければならないという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで、本発明は、電気機械変換素子を含む駆動装置であって、環境によって移動体の速度が変化しない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】
【００１６】
前記課題を解決するために、本発明の駆動装置は、所定の固定面に伸縮方向一端が固定された第１電気機械変換素子と、前記第１電気機械変換素子の伸縮方向他端に固定された挟み込み錘と、前記挟み込み錘に伸縮方向一端が固定された第２電気機械変換素子と、前記第２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係合した移動体と、前記第１電気機械変換素子および前記第２電気機械変換素子に交流の駆動電圧を印加する駆動回路と、前記駆動回路に流れる電流値を検出して該電流値に応じた出力をする電流検出回路と、前記電流検出回路の出力を受け取って前記駆動回路の駆動電圧の周波数を変化させる制御手段とを備えるものとする。
【００１７】
この構成によれば、駆動電圧に対する駆動摩擦部材の変位は、第１電気機械変換素子および挟み込み錘の特性による共振と第２電気機械変換素子および駆動摩擦部の特性とによる共振とがあるため、１次共振点と２次共振点との２つの共振点を有するものとなるので、効率よく移動体を移動させる鋸歯状の変位を得ることが可能である。また、駆動摩擦部材の変位と駆動回路の電流とは相関があるため、電流検出回路で駆動回路が第１、第２電気機械変換素子に印加している電流を検出することにより駆動摩擦部材の変位を類推することが可能である。このため、本発明の駆動装置は、温度などの環境の変化によって共振周波数が変化しても、制御手段によって電流検出回路が検出した電流値に応じて第１、第２電気機械変換素子に印加する駆動電圧の周波数を変更することで、移動体の速度が変化しないようにすることができる。
【００１８】
また、本発明の駆動装置において、前記制御手段は、前記電流検出回路が検出する電流値が最大となるように前記駆動電圧の周波数を変化させてもよい。
【００１９】
この構成によれば、温度などの環境が変化しても、常に、駆動回路の電流値が極大となるような周波数の駆動電圧で駆動するので、駆動装置の効率をその環境において最高に保つことができる。また、利得の極大値は、周波数の違いによってもほとんど変化しないので、常に、駆動回路の電流値が極大となるような周波数の駆動電圧で駆動することで、温度などの環境が変化しても移動体の移動速度が変化しないようにできる。
【００２０】
また、本発明の駆動装置において、前記駆動電圧は、矩形波であってもよい。
【００２１】
駆動回路の電流値によって周波数を変化させる制御手段は、マイコンによるディジタル処理とするのが簡単であり安価である。駆動電圧を矩形波とすれば、マイコンが生成する駆動回路の電流値によって定めた周波数のトリガによって、直流電源をスイッチングして駆動電圧を生成できるので、簡単な回路構成で駆動摩擦部材を鋸歯状に変位させる駆動電圧を生成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明の駆動装置によれば、環境の変化によって共振周波数が変化することによる駆動効率の低下がなく、移動体の速度が変化しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施形態に係る駆動装置は、図１，２に示す機械装置１と電気回路２とで構成され、図１は、機械装置１の分解斜視図であり、図２は、組み立てた機械装置１および機械装置１に接続した電気回路２を示す。この駆動装置の機械装置１は、固定錘３、第１圧電素子（電気機械変換素子）４、挟み込み錘５、第２圧電素子（電気機械変換素子）６、駆動摩擦部材７および移動体８とからなっている。固定錘３は、図１０の構成における台座１に相当するものである。第１圧電素子４および第２圧電素子６は、多数の圧電板を積層してそれぞれ構成され、印加する電圧変化によって積層方向に伸縮するようになっている。第１圧電素子４は、伸縮方向の一端４ａが固定錘３の固定面３ａに固定されており、伸縮方向の他端４ｂに挟み込み錘５が固定されている。第２圧電素子６は、伸縮方向の一端６ａが挟み込み錘５に固定されており、伸縮方向の他端６ｂに駆動摩擦部材７が固定されている。移動体８は、本体９とキャップ１０とで駆動摩擦部材７を挟み込むとともに、押圧バネ１１で本体９およびキャップ１０に挟み込み方向の付勢力を与えることによって、駆動摩擦部材７に摩擦係合している。
【００２４】
図２に示したように、電気回路２は、駆動周波数ｆＳの矩形波状の駆動トリガｓを出力するマイコン（制御手段）１２と、駆動トリガｓに応じて交流の駆動電圧ＶＳを出力する駆動回路１３と、駆動回路１３の電流値ＩＳを検出してマイコン１２にフィードバックする電流検出回路１４とからなっている。第１、第２圧電素子４，６は、駆動回路１３の出力に並列に接続されている。この駆動装置を、例えば、固定錘３を鏡筒内の不動面に固定すれば、移動体８に固定したレンズ群を光軸方向に駆動できる。
【００２５】
図３に電気回路２の詳細を示す。マイコン１２は、設定された周波数ｆＳの矩形波電圧信号である駆動トリガｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を出力する。駆動回路１３は４つのＭＯＳ型ＦＥＴＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４からなるブリッジ回路であり、Ｑ１およびＱ４はＮチャンネルＦＥＴであり、Ｑ２およびＱ３はＰチャンネルＦＥＴである。この４つのＦＥＴを駆動トリガｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４で電源をスイッチングすることで、第１圧電素子４および第２圧電素子６に＋Ｅ（Ｖ）または−Ｅ（Ｖ）の駆動電圧ＶＳを印加するようになっている。電流検出回路１４は、駆動回路１３の接地回路に第１、第２圧電素子４，６に比べて十分に小さい抵抗Ｒを設け、第１圧電素子４および第２圧電素子６に流れる電流ＩＳにより抵抗Ｒで発生するわずかな電圧降下をオペアンプＯＰからなる反転増幅器で増幅してマイコン１２に入力するようになっている。マイコン１２は、電流検出回路１４からの入力値によって駆動トリガｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４の周波数ｆＳを決定する。
【００２６】
図４に第１、第２圧電素子４，６に正弦波を入力したときの駆動摩擦部材７の変位の周波数特性を示し、図５に第１、第２圧電素子４，６に流れる電流ＩＳの周波数特性を示す。図４に示すように、駆動摩擦部材７の変位は、駆動電圧に対して、１００ｋＨｚの１次共振点と２００ｋＨｚの２次共振点を有している。さらに、図５に示すように、第１、第２圧電素子４，６に流れる電流ＩＳは、駆動摩擦部材７の変位の２つの共振点１００ｋＨｚおよび２００ｋＨｚにおいて極大となっている。
【００２７】
続いて、前記構成からなる駆動装置の動作を説明する。
マイコン１２は、図４の１次共振点の周波数ｆＳ＝ｆ０（１００ｋＨｚ）でデューティ比０．７の駆動トリガｓ１，ｓ４および駆動トリガｓ１，ｓ４の反転出力である駆動トリガｓ２，ｓ３を出力する。駆動回路１３は、駆動トリガによってＦＥＴＱ１とＱ３またはＦＥＴＱ２とＱ４のいずれか一組を導通させるようにスイッチングを行う。ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ３とがＯＮすると、第１、第２圧電素子４，６に加わる駆動電圧ＶＳは−Ｅ（Ｖ）となり、ＦＥＴＱ２，とＦＥＴＱ４とがＯＮすると、駆動電圧ＶＳは＋Ｅ（Ｖ）となる。駆動トリガｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４の波長λ０は１／ｆ０であるからλ０＝１０μｓｅｃである。駆動トリガｓ１，ｓ４のデューティ比が０．７であるので、駆動電圧ＶＳは、＋Ｅ（Ｖ）で７μｓｅｃ、−Ｅ（Ｖ）で３μｓｅｃの状態をくり返す矩形波となる。
【００２８】
この矩形波駆動電圧ＶＳは、周波数ｆＳ＝ｆ０（１００ｋＨｚ）の正弦波（基本正弦波）と周波数２ｆ０（２００ｋＨｚ）の正弦波（２次高調波）を主とする高調波を合成したものとして表される。図４に示すように基本正弦波成分と２次高調波成分による駆動摩擦部材７の変位が大きいので、駆動摩擦部材７の振動を考える上では、３次以上の高調波は無視してもよい。デューティ比０．７の場合、２次高調波は基本正弦波に対して位相がπ／２遅れている。さらに、駆動摩擦部材７の変位は、１次共振点および２次共振点において駆動電圧ＶＳに対して位相がπ／２遅れる。このため、駆動摩擦部材７の変位の基本正弦波成分と２次高調波成分とは、急峻な第１、第２圧電素子４，６の伸長方向の移動と、緩慢な第１、第２圧電素子４，６の収縮方向の移動とをくり返す鋸波を構成する基本正弦波と２次高調波との位相差に一致する。こうして、本実施形態の駆動装置は移動体８を第１、第２圧電素子４，６の収縮方向に移動させることができる。逆に、移動体８を第１、第２圧電素子４，６の伸長方向に移動させる場合は、駆動摩擦部材７は、緩慢な第１、第２圧電素子４，６の伸長方向の移動と、急峻な収縮方向の移動とをくり返す鋸波となればよいが、これは、駆動トリガｓ１，ｓ４のデューティ比を０．３にし、駆動トリガｓ２，ｓ３を駆動トリガｓ１，ｓ４の反転出力にすることで達成できる。
【００２９】
また、本実施形態の駆動電圧ＶＳは＋Ｅ（Ｖ）と−Ｅ（Ｖ）とをくり返す矩形波状の交流であるが、本発明において、交流とは、立ち上がりと立ち下がりとを有する振動波形を意味し、例えば、０（Ｖ）と＋Ｅ（Ｖ）とをくり返すような矩形波であってもよく、複数の正弦波発生装置で異なる周波数の正弦波を生成して加算したような電圧であってもよい。
【００３０】
次に、本実施形態の駆動装置の環境温度が変化し、１次共振点および２次共振点の周波数がずれている場合の動作を説明する。
図６に、駆動トリガｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４および駆動電圧ＶＳの始動時の波形および電流検出装置１４の出力で周波数ｆＳを最適化したときの波形を示し、図７に駆動摩擦部材７の変位の波形を示す。始動時、マイコン１２は、初期設定された周波数ｆＳ＝ｆ０＝１００ｋＨｚ（波長λ０＝１／ｆ０）の矩形波状の駆動トリガｓ１，ｓ４および駆動トリガｓ１，ｓ４の反転出力である駆動トリガｓ２，ｓ３を出力する。しかしながら、駆動摩擦部材７の変位は、１次共振点および２次共振点の周波数が変化しているので、基本正弦波および２次高調波に対する利得が小さくなり、図７の左側に示すように、駆動摩擦部材７の振幅が小さくなってしまう。特に２次共振点がずれると２次高調波成分が非常に小さくなるので、駆動摩擦部材７の変位は、伸長方向と収縮方向との速度の差が小さい正弦波に近い波形になってしまう。つまり、初期設定された周波数では、移動体８の移動速度が最適時よりも遅くなってしまっている。
【００３１】
共振点がずれた状態で初期設定された周波数ｆ０の駆動電圧で駆動すると、図５に示すように、電流ＩＳの値は極大値よりもかなり低い値となってしまう。このとき、電流検出回路１４の出力が小さくなっているので、マイコン１２は、図６の右側に示すように、電流検出回路１４からの出力が極大となるように駆動トリガｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４の周波数ｆＳを波長がλになるように変更することで駆動電圧ＶＳの周波数ｆＳを共振周波数に合致させ、図７の右側に示すように、駆動摩擦部材７の変位を振幅が大きい理想的な鋸歯状の波形にする。これにより、本実施形態の駆動装置は、温度などの環境の変化によって共振周波数が変化しても、移動体８の速度が変化しない。
【００３２】
次に、電流検出回路１４からの出力が極大となる駆動トリガｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４の周波数ｆＳをいかにして見出すかを説明する。
図８は、共振点付近の周波数ｆＳと電流値ＩＳの関係を拡大して示すものである。先ず、初期設定された周波数ｆＳ＝ｆ０で始動する。このときの電流値ＩＳを記憶してから、周波数ｆＳを所定の量ｄｆだけ増減してみる。その結果、電流値ＩＳが大きくなる方（図では増加させる方向）の周波数を新たな周波数ｆＳ＝ｆ１とし、このときの電流値ＩＳを記憶する。さらに同じ方向にｄｆだけ周波数を変化させてｆＳ＝ｆ２とし、このときのＩＳが記憶しているｆ１のときの電流値ＩＳよりも大きければ、さらに同じ方向にｄｆだけ周波数を変化させてｆＳ＝ｆ３とする。しかし、ｆ２における電流値ＩＳがｆ１における電流値ＩＳよりも小さい場合には、ｄｆの１／２だけｆ１に近づく方向に周波数を変化させてｆＳ＝ｆ３とする。ｆ３における電流値ＩＳがｆ２における電流値ＩＳよりも大きい場合には、さらに同じ方向（ｆ１に近づく方向）に、同じ変化量（１／２ｄｆ）だけ周波数を変化させてｆＳ＝ｆ４（＝ｆ１）とする。以下、同様に周波数を変化させ、電流値ＩＳが大きくなった場合には、さらに直前の周波数変化と同じ変化量で同じ方向に周波数ｆＳを変化させ、電流値ＩＳが小さくなった場合には、直前の周波数変化と反対の方向に、直前の変化量の半分の変化量で周波数ｆＳを変化させることで、徐々に電流値ＩＳが極大となる周波数に近づけることができる。
【００３３】
図９に、環境温度を変えて前記周波数制御を行ったときの移動体８の移動速度を測定した結果を、周波数制御を行わなかったときの移動体８の移動速度とともに示す。図９から明らかなように、本実施形態の駆動装置では、環境の変化に関わらず移動体８の移動速度をほぼ維持することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態である駆動装置の機械装置の分解斜視図。
【図２】本発明の実施形態の駆動装置の構成図。
【図３】図２の電気回路の詳細な回路図。
【図４】図２の駆動装置の駆動摩擦部材の変位の周波数特性を示すグラフ。
【図５】図２の駆動装置の駆動回路を流れる電流の周波数特性を示すグラフ。
【図６】図３の制御装置および駆動回路の出力波形を示すグラフ。
【図７】図２の駆動装置の駆動摩擦部材の変位の波形を示すグラフ。
【図８】図２の駆動装置の電流値の共振点付近の周波数特性を示すグラフ。
【図９】図２の駆動装置の環境温度による移動体速度の変化を示すグラフ。
【図１０】従来の駆動装置の機械装置の分解および組立斜視図。
【図１１】従来の駆動装置の電気回路図。
【図１２】従来の駆動装置の駆動電圧と駆動摩擦部材変位との波形を示すグラフ。
【図１３】従来の駆動装置の動作原理図。
【図１４】従来の駆動装置の駆動摩擦部材変位の周波数特性を示すグラフ。
【図１５】従来の駆動装置の環境温度による移動体速度の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３５】
１  機械装置
２  電気回路
３ａ  固定面
４  第１圧電素子（電気機械変換素子）
５  挟み込み錘
６  第２圧電素子（電気機械変換素子）
７  駆動摩擦部材
８  移動体
１２  マイコン（制御手段）
１３  駆動回路
１４  電流検出回路
ｆＳ  周波数
ＩＳ  電流
ＶＳ  駆動電圧
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005323450.tif 000011
【図１０】
2005323450.tif 000012
【図１１】
2005323450.tif 000013
【図１２】
2005323450.tif 000014
【図１３】
2005323450.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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