(57)【要約】【課題】温度センサを用いず、駆動性能に影響を及ぼすことなく精度良く振動体の温度検出が可能となる温度検出用の電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を提供する。【解決手段】振動体に備えられた電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加して振動波を発生させて対象物を駆動する際、該振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置であって、  振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子は、異なる相転移温度を有する第一の電気−機械エネルギー変換素子と第二の電気−機械エネルギー変換素子とを備え、  第一の電気−機械エネルギー変換素子は、相転移温度が使用温度範囲内にあり、  第二の電気−機械エネルギー変換素子は、相転移温度が使用温度範囲外にあるように構成される。【選択図】            図１
2013090495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体に備えられた電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加して振動波を発生させて対象物を駆動する際、該振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置であって、
前記振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子は、異なる相転移温度を有する第一の電気−機械エネルギー変換素子と第二の電気−機械エネルギー変換素子とを備え、
前記第一の電気−機械エネルギー変換素子は、前記相転移温度が使用温度範囲内にあり、
前記第二の電気−機械エネルギー変換素子は、前記相転移温度が使用温度範囲外にある、
ことを特徴とする振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置。
【請求項２】
前記第一の電気−機械エネルギー変換素子は、静電容量が使用温度範囲内で温度ヒステリシスを有することを特徴とする請求項１に記載の振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置。
【請求項３】
前記振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子からの検出信号を用い、前記振動体の温度情報を得る温度検出装置を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置。
【請求項４】
前記温度検出装置は、前記検出信号を用いて振動体の温度情報と、前記振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子の相転移温度に相当する温度とを検出することを特徴とする請求項３に記載の振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置。
【請求項５】
前記電気−機械エネルギー変換素子は、チタン酸バリウムを主成分とする圧電材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を有する塵埃除去装置であって、
前記振動体の制御装置によって所定の方向に塵埃を移動させて除去する際に、前記振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子によって検出された温度に基づいて前記振動体を制御することを特徴とする塵埃除去装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を有する振動型アクチュエータであって、
前記振動体の制御装置によって所定の方向に塵埃を移動させて除去する際に、前記振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子によって検出された温度に基づいて前記振動体を制御することを特徴とする振動型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置、該制御装置を有する塵埃除去装置及び振動型アクチュエータに関する。特に、温度センサを用いずに振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子によって振動体の温度検出ができるようにした振動体の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学機器として、撮像装置では、光学センサの分解能が向上するにつれて、使用中に光学系に付着するゴミが撮影画像に影響を及ぼすようになってきた。
特に、ビデオカメラ、スチルカメラに用いられる撮像素子の分解能はめざましく向上している。
このため、撮像素子の近くに配置されている赤外線カットフィルタ、光学ローパスフィルタ等の光学部品に、外部からの埃や内部の機械的な摺擦面で生じる磨耗粉等が付着すると、撮像素子面で像のぼけが少ないので、撮影画像に埃が写り込んでしまうことがあった。
【０００３】
このような問題に対し、特許文献１では、光学部材を備えた振動体に進行波を励起することによって、塵埃を所望の方向に移動させることができる塵埃除去装置が提案されている。
図３（ａ）は、特許文献１に開示された塵埃除去装置の構成を示す模式図である。
撮像素子３０７の光入射側に光学部材３０６を備えた振動体１０３が設けられている。圧電素子１０１ａ及び１０１ｂは、振動体１０３における面外曲げ振動の節線の並ぶ方向に位置をずらして配置されている。圧電素子１０１ａ及び１０１ｂには、各々周波数が同じであり、かつ位相差が９０°となる交番電圧を印加する。
印加される交番電圧の周波数は、振動体１０３の長手方向に沿って面外に変形するｍ次（ｍは自然数）の振動モードの共振周波数と（ｍ＋１）次の振動モードの共振周波数との間の周波数である。
振動体１０３には、共振現象の応答を持ったｍ次の振動モードの振動、及び９０°の時間的位相差（ｍ次の面外曲げ振動に対して９０°進んだ位相）を持った（ｍ＋１）次の振動モードの振動が、同じ振幅かつ同じ振動周期で励起される。そして、振動体１０３には、この２つの振動モードの振動が合成された合成振動（進行波）が生成する。
この合成振動によって、振動体１０３の表面の塵埃を所望の方向に移動していく。
【０００４】
図３（ｂ）は、上記塵挨除去装置の制御装置を示すものである。
不図示の撮像装置本体からの駆動指令に基づき、コントローラ３０４からは交番電圧信号のパラメータとなる位相情報、周波数情報、パルス幅情報がパルス発生回路３０３ａ及び３０３ｂに送られる。
パルス発生回路３０３から出力されたデジタルの交番電圧信号はスイッチング回路３０２ａ及び３０２ｂに入力され、電源回路３０５より供給される電圧に基づいたアナログの交番電圧Ｖｉとして出力される。
交番電圧Ｖｉは駆動回路３０１ａ及び３０１ｂに入力されて交番電圧Ｖｏとして出力され、振動体１０３に設けられた圧電素子１０１ａ及び１０１ｂに各々印加される。
【０００５】
上記制御装置において、環境温度によって圧電素子の温度が変化すると、振動体の周波数による振動振幅特性が変化し、制御性能が悪化するという問題が生じる。
また、振動子の駆動時に、その発熱により圧電素子が過熱状態となる場合があり、信頼性の点から過熱を回避する必要がある。
このような問題に対処するため、特許文献２では、温度センサを用いて温度検出を行い、検出した温度に応じて必要な制御を行う方法が提案されている。
しかしながら、温度センサ及びその周辺回路や振動体の構成が大掛かりになりコストが高くなる。
また、温度センサを振動子に直接取り付けた場合、振動に影響を及ぼし駆動性能を妨げるといった問題が生じる。
これに対して、特許文献３や特許文献４では、温度センサを用いずに、振動体や振動検出用の圧電素子の静電容量の変化を用いて温度を検出する方法が提案されている。
温度検出の原理は、圧電素子の静電容量の温度特性に基づき温度を推測するものである。
具体的には、静電容量は温度上昇に伴って増加するので、時間的な容量変化から温度変化を算出することができる。
しかし、実際には温度領域によって静電容量は非線形特性を有しており、容量変化もなだらかであるので、精度良く検出することは難しい。
また、温度の絶対値はある基準値に基づいてテーブルデータ又は計算式を用いて算出するので、直接的に検出する温度センサと違い、精度が低下してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２０７１７０号公報
【特許文献２】特開平１１−２６５２１３号公報
【特許文献３】特開平１０−１７４４６８号公報
【特許文献４】特許第２９２４４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来例の特許文献３や特許文献４によると温度センサを用いずに振動体の温度を検出することができるが、圧電素子の静電容量の温度特性に基づき温度を推測するものであるため、つぎのような課題を有している。
すなわち、圧電素子の静電容量の温度特性によるものでは、実際には温度領域によって静電容量は非線形特性を有しており、容量変化もなだらかであるので、精度良く検出することが難しい。
また、温度の絶対値はある基準値に基づいてテーブルデータ又は計算式を用いて算出するので、直接的に検出する温度センサと違い、精度が低下してしまうこととなる。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、温度センサを用いず、駆動性能に影響を及ぼすことなく精度良く振動体の温度検出が可能となる振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置の提供を目的とする。
また、前記振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を有する塵埃除去装置及び振動型アクチュエータの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、振動体に備えられた電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加して振動波を発生させて対象物を駆動する際、該振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置であって、
前記振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子は、異なる相転移温度を有する第一の電気−機械エネルギー変換素子と第二の電気−機械エネルギー変換素子とを備え、
前記第一の電気−機械エネルギー変換素子は、前記相転移温度が使用温度範囲内にあり、
前記第二の電気−機械エネルギー変換素子は、前記相転移温度が使用温度範囲外にある、
ことを特徴とするとする。
また、本発明の塵埃除去装置は、上記した振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を有する塵埃除去装置であって、
前記振動体の制御装置によって所定の方向に塵埃を移動させて除去する際に、前記振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子によって検出された温度に基づいて前記振動体を制御する。
また、本発明の振動型アクチュエータは、上記した振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を有する振動型アクチュエータであって、
前記振動体の制御装置によって所定の方向に塵埃を移動させて除去する際に、前記振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子によって検出された温度に基づいて前記振動体を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、温度センサを用いず、駆動性能に影響を及ぼすことなく精度良く振動体の温度検出が可能となる振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を実現することができる。
また、前記振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を有する塵埃除去装置及び振動型アクチュエータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１における振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を用いて構成した塵挨除去装置について説明する図である。
【図２】本発明の実施例１における塵挨除去装置が装備可能に構成されたデジタル一眼レフカメラの斜視図である。
【図３】塵埃除去装置の構成を示す斜視図と、従来の塵挨除去装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例１における振動体に設けられた駆動用圧電素子と検出用圧電素子の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例１におけるカルシウムの添加量を調整した場合における、チタン酸バリウムを主成分とする圧電素子の静電容量の温度特性の測定データ例を示す図である。
【図６】本発明の実施例１で用いる２つの検出用圧電素子の静電容量の温度特性を示す図である。（ｂ）は昇温時、（ｃ）は降温時の特性を示す図である。
【図７】本発明の実施例１における振動体の温度が変化した場合の、昇温／降温の判定と相転移温度の検出を説明するタイミングチャートを示す図である。
【図８】本発明の実施例１における容量検出回路の具体的な構成例を示す図である。
【図９】本発明の実施例２における振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を用いて構成した振動型アクチュエータについて説明する図である。
【図１０】本発明の実施例２における振動型アクチュエータの構成例を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２における進行波型の振動型アクチュエータに用いられる、駆動用圧電素子と検出用圧電素子の構成例を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。
【実施例】
【００１３】
［実施例１］
実施例１として、本発明の振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を用いて構成された塵埃除去装置の構成例について説明する。
なお、本実施例ではこの塵挨除去装置カメラに搭載した構成例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
これ以外にも、ファクシミリ装置、スキャナ、プロジェクタ、複写機、レーザビームプリンタ、インクジェットプリンタ、レンズ、双眼鏡および画像表示装置のいずれかの光学機器に備えられた塵埃除去装置等に適用が可能である。
本実施例に用いられる振動体の制御装置は、つぎのように振動体に振動波を発生させ、該振動波により対象物を駆動させる際の制御装置として構成されている。すなわち、振動体に備えられた電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加して振動波を発生させて対象物を駆動する際、該振動体の温度を検出して制御するための振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置として構成されている。
【００１４】
以下、これらについて更に具体的に図を用いて説明する。
図２（ａ）は、本実施例における塵挨除去装置が装備可能に構成されたデジタル一眼レフカメラを被写体側より見た正面側斜視図であり、撮影レンズを外した状態を示すものである。
図２（ｂ）はカメラを撮影者側より見た背面側斜視図である。
カメラ本体２０１内には、不図示の撮影レンズを通過した撮影光束が導かれるミラーボックス２０２が設けられており、ミラーボックス２０２内にメインミラー（クイックリターンミラー）２０３が配設されている。
塵埃除去装置を備えた撮像部は、不図示の撮影レンズを通過した撮影光軸上に設けられている。
メインミラー２０３は、撮影者がファインダ接眼窓２０４から被写体像を観察するために撮影光軸に対して４５°の角度に保持される状態と、撮像素子の方向へ導くために撮影光束から退避した位置に保持される状態と、を取り得る。
カメラ背面には、塵埃除去装置を駆動するためのクリーニング指示スイッチ２０５が設けられており、撮影者がクリーニング指示スイッチ２０５を押すと、塵埃除去装置を駆動するようコントローラに指示する。
【００１５】
つぎに、図３（ａ）を用いて、本実施例の塵埃除去装置の構成について説明する。
本実施例におけるカメラ本体２０１の撮像部には、図３（ａ）に示すものと基本的に同じ構成の塵埃除去装置が装備可能に構成されている。
このカメラ本体２０１の撮像部では、受光した被写体像を電気信号に変換して画像データを作成するＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の受光素子である撮像素子３０７が設けられている。
また、撮像素子３０７の表（おもて）面の空間が密封されるように、矩形の板状を有する振動体１０３が取り付けられる。
振動体１０３は、矩形の板状を有する光学部材３０６、及びその両端部に接着によって固着された電気−機械エネルギー変換素子である１対の圧電素子１０１ａ、１０１ｂから構成される。
本実施例では、光学部材３０６はカバーガラス、赤外線カットフィルタ、あるいは、光学ローパスフィルタ等の透過率の高い光学部材で構成されており、撮像素子３０７には、この光学部材３０６を透過した光が入射するように構成されている。
ここで、光学部材３０６の両端部に配置された圧電素子１０１ａ、１０１ｂの厚み方向（図中、上下方向）の寸法は、振動に対する曲げ変形の発生力が大きくなるように、光学部材３０６の厚み方向（図中、上下方向）の寸法と同じ値である。
なお、以下の説明において圧電素子１０１ａ、１０１ｂを特に区別する必要がないときは、単に駆動用圧電素子１０１と記す。
【００１６】
図１は、本実施例における振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を用いて構成された塵挨除去装置を示すものである。
この制御装置は、コントローラ３０４から駆動装置３０８に指令信号が入力されると、所望の駆動信号が振動体１０３に印加されて振動が励起される。
振動体１０３に設けられた検出用の電気−機械エネルギー変換素子１０２からの検出信号は、温度検出装置１０８で静電容量に換算されて、温度情報を得るための各種演算が行われる。
温度検出装置１０８で検出された振動体の温度情報は、コントローラ３０４にフィードバックされることにより、駆動電圧の調整や過熱を回避する制御が行われる。
【００１７】
以下に、これらについて更に詳細に説明する。
コントローラ３０４から交番電圧信号のパラメータとなる周波数情報、位相情報、パルス幅情報がパルス発生回路３０３ａ及び３０３ｂに送られる。
パルス発生回路には、例えば一般的なデジタル発振器などが用いられる。周波数は、振動体１０３に発生させる２つの面外曲げ振動の共振周波数の中間値近傍に設定され、同じ周波数がパルス発生回路３０３ａ及び３０３ｂに各々設定される。
位相は、互いに異なる値をパルス発生回路３０３ａ及び３０３ｂに入力し、出力される各交番電圧信号の位相差が９０°となるように設定される。
パルス幅（パルス・デューティ比）は所望の電圧振幅が得られるよう適宜調整され、パルス発生回路３０３ａ及び３０３ｂに個別に設定される。
パルス発生回路３０３から出力されたデジタルの交番電圧信号はスイッチング回路３０２ａ及び３０２ｂに入力され、不図示の電源回路より供給される電圧に基づいてアナログの交番電圧Ｖｉとして出力される。
電源回路には、一般的な直流電源回路、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路などが用いられる。
また、スイッチング回路には、一般的なＨブリッジ回路が用いられる。
交番電圧Ｖｉは駆動回路３０１ａ及び３０１ｂに各々入力されて、電圧振幅が昇圧、且つＳＩＮ波形に変換されてから交番電圧Ｖｏとして出力される。
交番電圧Ｖｏは圧電素子１０１ａ及び１０１ｂに各々印加され、振動体１０３に２つの面外曲げ振動が同時に発生する。
この合成振動が進行波となり、光学部材３０６の表面の塵埃を所望の方向に移動させることができる。
【００１８】
振動体１０３には、第一の電気−機械エネルギー変換素子と第二の電気−機械エネルギー変換素子とによる振動体の温度を検出する２つの電気−機械エネルギー変換素子（検出用圧電素子１０２ａと１０２ｂ）が設けられている。
以下の説明において圧電素子１０２ａ、１０２ｂを特に区別する必要がないときは、単に検出用圧電素子１０２と記す。
検出用圧電素子１０２は一方の電極がグランドに接続され、もう一方の電極が温度検出装置１０８に接続されている。
振動体１０３に励起された振動は検出用圧電素子１０２によって電気的に変換されて、振動振幅に相当する電圧を検出することができる。
検出用圧電素子１０２からの検出信号は、温度検出装置１０８に各々入力される。
圧電素子１０２ａからの検出信号は容量検出回路１０４ａで容量値が検出されてから、昇温／降温判定器１０５に入力される。
昇温／降温判定器１０５では容量値の時間的な変化を演算し、その符号に基づいて振動体の温度が上昇、又は降下しているかを判定する。
これと並行して、圧電素子１０２ｂからの検出信号は容量検出回路１０４ｂで容量値が検出されてから、閾値検出回路１０６に入力される。
閾値検出回路１０６では、圧電素子１０２ｂの相転移温度における静電容量に準じた閾値が設定され、検出した静電容量が閾値をクロスしたかどうかを出力する。
次に、相転移温度検出器１０７では、昇温／降温判定器１０５からの出力と、閾値検出回路１０６の出力とによって、昇温／降温の判定と同時に、圧電素子１０２ｂの相転移温度を振動体の温度情報として、出力する。
コントローラ３０４では、温度検出装置１０８からの温度情報に基づいて、制御パラメータが適宜調整される。
【００１９】
図４は、振動体１０３に設けられた、駆動用圧電素子１０１と検出用圧電素子１０２の構成を示すものである。
本実施例における特徴は、２つの検出用圧電素子１０２に異なる相転移温度（以下、Ｔｒと称する）を有する圧電素子が用いられる点にある。
なお、本実施例は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）を主成分する圧電材料（圧電セラミックス）による圧電素子を用いるものとする。
本材料を用いた圧電素子の静電容量は温度ヒステリシスを有し、主成分にカルシウムを添加することによってＴｒを調整することができる。
まず、駆動用圧電素子１０１にはカルシウムが添加されており、Ｔｒが−３０℃以下になるよう添加量が調整されている。
これによって、通常の動作温度範囲では温度ヒステリシスが生じないので、駆動性能を阻害することはない。
次に、図面左側の検出用圧電素子１０２ａにも同様にカルシウムが添加されており、Ｔｒが−３０℃以下になるよう添加量が調整されている。
これに対して、図面右側の検出用圧電素子１０２ｂにはカルシウムが添加されておらず、Ｔｒは昇温時は５５℃、降温時は４５℃であり、温度ヒステリシスを有するように設計されている。
【００２０】
図５は、カルシウムの添加量を調整した場合における、チタン酸バリウムを主成分とする圧電素子の静電容量の温度特性の測定データ例を示すものである。
カルシウムを添加しない場合、Ｔｒは昇温時５５℃と降温時４５℃であり、静電容量は使用温度範囲内で温度ヒステリシスを有する。
ここで、使用温度範囲は例えば０℃〜６５℃とする。０℃から６５℃まで圧電素子を昇温すると、５５℃で静電容量は大きく変化し、逆に６５℃から０℃まで圧電素子を降温すると、４５℃で静電容量は再び大きく変化する。
通常、このような温度特性を有する圧電素子は駆動電圧が大きく変動してしまうので駆動性能を阻害してしまうが、温度検出用として用いれば静電容量の変化が大きいので、ＳＮ比が十分に確保され、精度良く検出することができる。
一方、Ｔｒが−３０℃以下の使用温度範囲外になるようにカルシウム添加量が調整された圧電素子は、温度が高いほど静電容量がなだらかに低下していく特性を示す。
また、昇温時と降温時で温度特性に変化はなく、温度ヒステリシスは生じないので、温度の絶対値を精度良く検出することは難しいが、静電容量の増減方向の検出によって昇温又は降温の判定に用いることができる。
【００２１】
図６は、本実施例で用いる２つの検出用圧電素子の静電容量の温度特性を示すものである。この図は説明上、簡略化されている。
図６（ａ）において、検出素子ａのプロットは検出用圧電素子１０２ａの温度特性を示し、Ｔｒは−３０℃以下である。
検出素子ｂのプロットは、検出用圧電素子１０２ｂの温度特性を示し、昇温時のＴｒは５５℃（これをＴｒ１とする）、降温時のＴｒは４５℃（これをＴｒ２とする）であり、温度ヒステリシスを有する。
本実施例は、検出素子ａからの検出信号を用いて振動体１０３の昇温又は降温を判定し、且つ、検出素子ｂの検出信号を用いて振動体１０３の相転移温度Ｔｒを温度情報として検出する。
図６（ｂ）は、昇温時の温度特性を示したものである。
検出素子ａの静電容量は低下していくので、このマイナス方向の変化を検出することで昇温と判定できる。また、検出素子ｂの静電容量はＴｒ１付近で急激に増加し、その後低下する。
検出素子ｂの静電容量に対して図のように閾値を設け、これを超えた場合、且つ、検出素子ａが昇温と判定されている場合に、Ｔｒ１を検出することができる。図６（ｃ）は、降温時の温度特性を示したものである。
検出素子ａの静電容量は増加していくので、このプラス方向の変化を検出することで降温と判定できる。
また、検出素子ｂの静電容量はＴｒ２付近で急激に低下する。
検出素子ｂの静電容量に対して図のように閾値を設け、これを下回った場合、且つ、検出素子ａが降温と判定されている場合に、Ｔｒ２を検出することができる。
【００２２】
図７は、振動体の温度が変化した場合における、昇温／降温の判定と相転移温度の検出を説明するタイミングチャートである。横軸は時間である。ここで、使用温度範囲は例えば０℃〜６５℃とする。
図７（ａ）は、振動体の温度の時間変化を示し、説明を簡略化する為、温度は線形に上昇及び降下するものと仮定した。
まず、図７（ｂ）に示す検出素子ａの容量値が検出される。図７（ｃ）は得られた検出素子ａの容量値を時間微分し、容量変化を求めたものである。昇温時はマイナス、降温時はプラスの変化を示す。
図７（ｄ）は容量変化の符号から昇温／降温を判定し、不図示のコントローラに出力される。
これと並行して、図７（ｅ）に示す検出素子ｂの容量値を検出する。
検出素子ｂの容量値を検出する場合、図のように閾値が設けられ、図７（ｆ）に示すように閾値検出が行われる。
【００２３】
ここで、図７（ｇ）に示すように、図７（ｄ）の昇温／降温判定の結果に基づいて、閾値のエッジ検出が行われる。
すなわち、昇温判定時は閾値検出の立ち上りエッジ（図中、Ｐｏｓと表示）を検出し、降温判定時は立ち下がりエッジ（図中、Ｎｅｇと表示）を検出する。
これによって、図７（ｈ）に示すように相転移温度Ｔｒを検出することができる。
すなわち、立ち上りエッジ検出時にＴｒ１に相当する５５℃を振動体の温度として検出できる。その後の昇温判定期間は５５℃以上であると検出される。
次に、立ち下がりエッジが検出されるまでの降温判定期間は４５℃以上であると検出される。
最後に、立ち下がりエッジ検出時にＴｒ２の４５℃を振動体の温度として検出できる。
【００２４】
図８は、容量検出回路の具体的な構成例を示すものである。
検出用圧電素子１０２に並列に既知のコンデンサ１０９が接続されており、検出用圧電素子１０２の振動から変換された電圧信号は分圧用抵抗１１１によって分圧される。
分圧された電圧信号は整流回路１１２によって交流信号から直流信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器１１３によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。
静電容量演算器１１４では、検出された電圧値Ｖと既知のコンデンサ１０９の容量値を用いて、検出用圧電素子１０２の静電容量を演算によって算出する。
ここで、演算に用いる電圧Ｖは、２つの場合によって検出される。すなわち、既知のコンデンサ１０９が並列接続された場合と、そうでない場合とによって検出される。
【００２５】
既知のコンデンサ１０９が並列接続された場合は、２つの静電容量の合成値に基づく電圧が検出され、これをＶ１とする。既知のコンデンサ１０９が接続されない場合は、検出用圧電素子１０２の静電容量だけで決まる電圧が検出され、これをＶ２とする。
Ｖ１とＶ２の選択は、既知のコンデンサ１０９に直列に接続されたスイッチング素子１１０の開閉によって行う。
なお、スイッチング素子１１０の開閉は、コントローラ３０４からの指令によって行う。
Ｖ１とＶ２の関係から、検出用圧電素子１０２の静電容量をＣｓ、既知のコンデンサ１０９の静電容量をＣとすると、次式が導かれる。
Ｃｓ＝Ｖ２／（Ｖ１−Ｖ２）×Ｃ
ここで、Ｃの値は既知であるので、検出用圧電素子１０２の静電容量Ｃｓを算出することが可能となる。
【００２６】
［実施例２］
実施例２として、本発明の振動体の温度を検出する電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の制御装置を用いて構成された振動型アクチュエータの構成例について説明する。
図９は、上記制御装置を備えた振動型アクチュエータを示したものである。
速度偏差検出器４０１には、エンコーダ等の速度検出器４０７で得られた速度信号と、コントローラ３０４からの目標速度と、が入力され、速度偏差信号が出力される。
速度偏差信号はＰＩＤ補償器４０２に入力され、制御信号として出力される。ＰＩＤ補償器４０２から出力された制御信号は、駆動周波数パルス発生器４０３に入力される。
駆動周波数パルス発生器４０３から出力された駆動周波数パルス信号は、駆動回路４０４に入力され、位相が９０°異なる２相の交番電圧が出力される。
【００２７】
交番電圧は、位相が９０°ずれた２相の交番信号である。駆動回路４０４から出力された交番電圧は振動型アクチュエータ４０５の不図示の駆動用の電気−機械エネルギー変換素子に入力され、振動型アクチュエータ４０５の移動体は一定速度で回転する。
振動型アクチュエータ４０５の移動体に連結された被駆動体４０６（ギヤやスケール、シャフト等）は回転駆動され、前記速度検出器４０７によって回転速度が検出され、回転速度が常に目標速度に近づくようにフィードバック制御される。一方、振動型アクチュエータ４０５には２つの検出用の圧電素子４０８ａと４０８ｂが設けられており、これらの検出信号を温度検出装置１０８に入力し、静電容量を検出することで、振動体の温度情報が得られる。
前記検出用の圧電素子４０８は、各々異なる相転移温度Ｔｒを有するものとする。
【００２８】
図１０は、振動型アクチュエータの構成例を示すものである。振動型アクチュエータは、発生する振動の種類によって定在波型と進行波型とに分けられる。同図（ａ）は進行波型の振動型アクチュエータを示す斜視図である。振動型アクチュエータは、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子９０１と弾性体８０１とから成る振動体９０３と、移動体８０２と、を備える。
ハウジングに固定された弾性体８０１は振動振幅を拡大する為の複数の突起部８０３が設けられており、突起部８０３は移動体８０２の駆動部として作用する。移動体８０２はゴムを介して加圧バネとディスクによって図面下側方向に加圧接触されている。各部材は円環形状を為している。
圧電素子９０１に２相の交番電圧が印加されると、振動体９０３に進行波が発生し、振動体９０３に接触する移動体８０２は摩擦駆動によって振動体と相対的に回転する。
ハウジングと転がり軸受を介して接続された出力軸は移動体８０２に固定されており、移動体８０２の回転に伴って回転する。
【００２９】
本実施例の別の構成例の一つとして、円環型の圧電素子が用いられた上記進行波型の振動型アクチュエータの制御装置について、図１１を用いて説明する。
図１１は、進行波型の振動型アクチュエータに用いられる、駆動用圧電素子９０１と検出用圧電素子４０８の構成例を示すものである。
駆動用圧電素子９０１ａと９０１ｂは図のような位相でプラスとマイナス方向に交互に分極されており、各々駆動用の電極が接続されている。それぞれ位相が９０°異なる交番電圧が印加されることで、進行波が円環の周方向に励起される。また、検出用圧電素子４０８ａと４０８ｂには、一端がグランドに接続され、もう一端が温度検出装置１０８に接続されている。
したがって、検出用圧電素子４０８の振動を電圧信号として検出することができる。
本実施例の特徴である、２つの検出用圧電素子４０８には異なる相転移温度Ｔｒを有する圧電素子が用いられる。
なお、本実施例は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）を主成分する圧電素子を用いるものとする。
本材料を用いた圧電素子の静電容量は温度ヒステリシスを有し、カルシウムの添加量によってＴｒを調整することができる。
まず、駆動用圧電素子９０１にはカルシウムが添加されており、Ｔｒが−３０℃以下になるよう添加量が調整されている。
これによって、動作温度範囲では温度ヒステリシスが生じないので、駆動性能を阻害することはない。
次に、検出用圧電素子４０８ａにも同様にカルシウムが添加されており、Ｔｒが−３０℃以下になるよう添加量が調整されている。
これに対して、検出用圧電素子４０８ｂにはカルシウムが添加されておらず、Ｔｒは昇温時は５５℃、降温時は４５℃であり、温度ヒステリシスを有するように設計されている。
相転移温度での静電容量の変化は急峻であるので、精度良く温度情報を検出することができる。
【００３０】
検出用圧電素子４０８からの検出信号は温度検出装置１０８に入力されて、各々静電容量が検出される。
検出用圧電素子４０８ａからの検出信号を用いて振動体の昇温／降温を判定し、検出用圧電素子４０８ｂからの検出信号を用いて相転移温度を検出する。
温度検出装置１０８の具体的な構成やタイミングチャートは実施例１と基本的に同じであるので、説明は省略する。
本実施例の制御装置を用いれば、振動体の昇温／降温の判定と同時に、検出用の圧電素子４０８ｂの相転移温度を振動体の温度情報として検出できる。
得られた温度情報に基づいて、コントローラ３０４は適宜制御パラメータを調整する。これによって、過度な温度上昇の抑制や、制御性能の向上を図ることができる。
また、下記の振動型アクチュエータにも本発明の制御装置を同様に適用することができる。
【００３１】
図１０（ｂ）は、定在波型の振動型アクチュエータの基本的な構成を示す斜視図である。
図に示すように、この振動型アクチュエータの振動子は、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体８０１を備え、弾性体８０１の裏面には圧電素子９０１が接合されている。
弾性体８０１の上面の所定位置には、複数の突起部８０３が設けられている。
この構成によれば、圧電素子９０１に交番電圧を印加することにより、弾性体８０１の長辺方向における２次の屈曲振動と、弾性体８０１の短辺方向における１次の屈曲振動とが同時に発生し、突起部８０３に楕円運動が励起される。
そして、突起部８０３に移動体８０２を加圧接触させることにより、移動体８０２を突起部８０３の楕円運動によって直線的に駆動することができるようになっている。つまり、突起部８０３がこの振動体の駆動部として作用する。
【００３２】
図１０（ｃ）は、カメラレンズのオートフォーカス駆動などに用いられる、棒状の振動型アクチュエータの分解斜視図である。
振動型アクチュエータは、振動体９０３と、移動体８０２と、を備えている。振動体９０３には、摩擦材料を兼ねた第１の弾性体８０１ａ、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子９０１への給電用のフレキシブルプリント基板８０４、第２の弾性体８０１ｂが設けられている。
これらの部材は、シャフト８０５の突き当てフランジ部８０５ａとシャフト８０５下部のネジ部８０５ｂに嵌る下ナット８０６で挟み、加圧締結されている。
移動体８０２は、接触ばね８０７がロータ８０８に接着固定されている。
【００３３】
これにより、移動体８０２は、フランジ８０９の軸受部によって回転自在に支持された出力ギア８１０と加圧ばね８１１によって振動体９０３の摩擦面８１２に加圧接触されている。
移動体８０２の接触ばね８０７は、下端面が移動体の摩擦面として振動体の第１の弾性体の摩擦面８１２と当接している。
フレキシブルプリント基板８０４を介して、不図示の電源から圧電素子９０１に交番電圧を印加する。
それにより、第１の弾性体８０１ａの摩擦面には直交する２方向の１次の曲げ振動が励起され、時間位相π／２を持って重ね合せることによって、摩擦面８１２に回転楕円運動を生じさせる。
これによって、摩擦面に加圧接触する接触ばね８０７を振動体９０３に対して相対移動させることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０１：駆動用の圧電素子
１０２：検出用の圧電素子
１０３：振動体
１０４：容量検出回路
１０５：昇温／降温判定器
１０６：閾値検出回路
１０７：相転移温度検出器
１０８：温度検出装置
３０１：駆動回路
３０２：スイッチング回路
３０３：パルス発生回路
３０４：コントローラ
３０８：駆動装置
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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