(57)【要約】【課題】振動型アクチュエータを駆動する際の制御性を向上させる。【解決手段】圧電素子１４と弾性体１３とが接合されてなる振動体１５と、振動体１５と加圧接触する被駆動体１１とを有する振動型アクチュエータ１０の駆動を制御する制御装置１４０は、圧電素子１４に交流電圧を印加して振動体１５に振動を励起し、励起された振動により移動する被駆動体１１の位置を検出し、検出した位置に基づき圧電素子１４に印加する交流電圧の位相差と周波数を操作パラメータとして、被駆動体１１の位置をフィードバック制御する。制御装置１４０は、被駆動体１１の停止時と低速駆動時には、交流電圧を生成するためのパルス信号のパルス幅を２５％に固定してその位相差を操作し、被駆動体１１の高速駆動時には、交流電圧を生成するためのパルス信号のパルス幅を２５％から５０％の範囲で変化させると共にその周波数を操作する。【選択図】図１
2017143602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを有する振動型アクチュエータと、
前記振動型アクチュエータの駆動を制御する制御装置と、を有し、
前記制御装置により前記電気−機械エネルギ変換素子に複数の交流電圧が印加されることによって前記振動体に励起された振動によって前記振動体と前記被駆動体とが相対的に移動する振動型駆動装置であって、
前記制御装置は、
第１のパルス幅と前記第１のパルス幅より大きい第２のパルス幅との間でパルス幅が変化するパルス信号に基づいて前記交流電圧を生成する生成手段と、
前記複数の交流電圧の位相差と周波数を操作パラメータとして、前記振動体と前記被駆動体との相対的な位置または速度をフィードバック制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記振動型アクチュエータの停止時と低速駆動時には、前記パルス信号のパルス幅を前記第１のパルス幅に固定してその位相差を操作し、前記振動型アクチュエータの高速駆動時には、前記パルス信号のパルス幅を前記第１のパルス幅から前記第２のパルス幅の範囲で変化させると共にその周波数を操作することを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項２】
前記第１のパルス幅のパルス信号は、前記第２のパルス幅のパルス信号よりも、基本波に対する２倍高調波または３倍高調波の比が大きいことを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
【請求項３】
前記パルス信号は、矩形波であり、
前記第１のパルス幅のパルス信号は、デューティ比が２５％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型駆動装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記パルス信号のパルス幅を前記第１のパルス幅とする場合の制御ゲインを、前記第２のパルス幅とする場合の制御ゲインよりも大きくすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記複数の交流電圧の周波数の制御ゲインよりも位相差の制御ゲインを大きくすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項６】
電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを有する振動型アクチュエータと、
前記振動型アクチュエータの駆動を制御する制御装置と、を有し、
前記制御装置により前記電気−機械エネルギ変換素子に複数の交流電圧が印加されることによって前記振動体に励起された振動によって前記振動体と前記被駆動体とが相対的に移動する振動型駆動装置であって、
前記制御装置は、
基本波に対する高調波の比が互いに異なる第１のパルス信号と第２のパルス信号に基づいて前記交流電圧を生成する生成手段と、
前記複数の交流電圧の位相差と周波数を操作パラメータとして、前記振動体と前記被駆動体との相対的な位置または速度をフィードバック制御する制御手段と、を備え、
前記第１のパルス信号は、前記第２のパルス信号よりも基本波に対する高調波の比が大きく、
前記制御手段は、前記振動型アクチュエータの停止時と低速駆動時には、前記第１のパルス信号を用いると共にその位相差を操作し、前記振動型アクチュエータの高速駆動時には、前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号の範囲で高調波の比を変えたパルス信号を用いると共にその周波数を操作することを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項７】
前記高調波は、２倍高調波または３倍高調波であることを特徴とする請求項６に記載の振動型駆動装置。
【請求項８】
前記第１のパルス信号での基本波に対する高調波の比は５０％以上であることを特徴とする請求項６又は７に記載の振動型駆動装置。
【請求項９】
前記振動体に励起される振動は、前記振動体と前記被駆動体とを加圧接触させる加圧方向への突き上げ振動と、前記加圧方向と直交する方向への送り振動とを含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項１０】
前記振動体と前記被駆動体との相対的な位置を検出する位置検出手段を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項１１】
電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを有する振動型アクチュエータの制御方法であって、
前記電気−機械エネルギ変換素子に複数の交流電圧を印加することによって前記振動体に励起した振動によって前記振動体と前記被駆動体の一方を移動体として他方に対して相対的に移動させる駆動ステップと、
前記移動体の位置を検出する検出ステップと、
前記検出ステップで検出した前記移動体の位置に基づき、前記複数の交流電圧の位相差と周波数を操作パラメータとして、前記駆動ステップにおける前記移動体の位置または速度をフィードバック制御する制御ステップと、を有し、
前記制御ステップでは、第１のパルス幅と前記第１のパルス幅より大きい第２のパルス幅との範囲でパルス幅が変化するパルス信号に基づいて前記交流電圧を生成し、前記振動型アクチュエータの停止時と低速駆動時には、前記パルス信号のパルス幅を前記第１のパルス幅に固定してその位相差を操作し、前記振動型アクチュエータの高速駆動時には、前記パルス信号のパルス幅を前記第１のパルス幅から前記第２のパルス幅の範囲で変化させると共にその周波数を操作することを特徴とする振動型アクチュエータの制御方法。
【請求項１２】
電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを有する振動型アクチュエータの制御方法であって、
前記電気−機械エネルギ変換素子に複数の交流電圧を印加することによって前記振動体に励起した振動によって前記振動体と前記被駆動体の一方を移動体として他方に対して相対的に移動させる駆動ステップと、
前記移動体の位置を検出する検出ステップと、
前記検出ステップで検出した前記移動体の位置に基づき、前記複数の交流電圧の位相差と周波数を操作パラメータとして、前記駆動ステップにおける前記移動体の位置または速度をフィードバック制御する制御ステップと、を有し、
前記制御ステップでは、第１のパルス信号と、基本波に対する高調波の比が前記第１のパルス信号よりも小さい第２のパルス信号に基づいて前記交流電圧を生成し、前記振動型アクチュエータの停止時と低速駆動時には、前記第１のパルス信号を用いると共にその位相差を操作し、前記振動型アクチュエータの高速駆動時には、前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号の範囲で高調波の比を変えたパルス信号を用いると共にその周波数を操作することを特徴とする振動型アクチュエータの制御方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動型駆動装置と、
前記振動型駆動装置が有する振動型アクチュエータの駆動によって位置決めされる部品と、を有する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、振動型アクチュエータの制御方法、振動型駆動装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
非電磁駆動式のアクチュエータとして、振動体と被駆動体とを加圧接触させ、振動体に励起した振動により振動体と被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータが知られている。振動体は、例えば、弾性体に圧電素子等の電気−機械エネルギ変換素子が接合された構造を有する。振動型アクチュエータでは、電気−機械エネルギ変換素子に交流の駆動電圧を印加することにより振動体に高周波振動を発生させ、発生させた振動エネルギを振動体と被駆動体との相対移動という機械運動として取り出す。
【０００３】
このような振動型アクチュエータを用いた駆動機構における駆動対象物の位置及び速度の制御における高精度化や応答性の向上を図る技術が、種々、提案されている。特許文献１には、振動型アクチュエータの駆動時と停止時とで駆動電圧を切り換える制御方法が提案されている。具体的には、駆動時は周波数制御による速度制御を行い、停止時には駆動電圧を小さく変更したうえで位相差を短時間に変化させて駆動方向を反転させている。また、特許文献２には、周波数制御による速度制御と電圧振幅制御による速度制御を切り換えることによって生じる不安定動作を防止することができるように、周波数と電圧振幅を同時に変化させる制御方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１５３４９７号公報
【特許文献２】特許３４３７３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術の適用によっても、制御性や応答性が十分であるとは言えない。例えば、駆動機構における駆動力の伝達機構部で生じる機械的な共振のピークが、駆動機構の制御性に影響を与える。具体的には、被駆動体の質量やイナーシャが大きい場合、振動体と被駆動体の連結部の剛性不足やがたつき等によって生じる負荷変動や振動に起因する機械的な共振ピークが、速度制御及び位置制御を行うための制御帯域の高周波近傍に生じる場合がある。この場合、制御ゲインを十分に上げることができず、特に、低速駆動時や停止時にリンギングや発振が生じやすくなる。
【０００６】
例えば、カメラのレンズ駆動機構においてレンズを高速で高精度に制御する場合に、レンズ連結部の剛性が低いと、１００〜２００Ｈｚ付近に共振ピークが生じることによって、制御性が低下してしまうことがある。この問題に対しては、ノッチフィルタやローパスフィルタ等を用いて共振ピークを低減させる方法の適用も考えられる。しかし、共振ピークの周波数が振動型アクチュエータの制御帯域に近い高周波域にある場合、これらのフィルタを用いると位相遅れが発生することによって、全体として、制御性を向上させることができなくなってしまう。
【０００７】
本発明は、振動型アクチュエータを駆動する際の制御性を向上させる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る振動型駆動装置は、電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを有する振動型アクチュエータと、前記振動型アクチュエータの駆動を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置により前記電気−機械エネルギ変換素子に複数の交流電圧が印加されることによって前記振動体に励起された振動によって前記振動体と前記被駆動体とが相対的に移動する振動型駆動装置であって、前記制御装置は、第１のパルス幅と前記第１のパルス幅より大きい第２のパルス幅との間でパルス幅が変化するパルス信号に基づいて前記交流電圧を生成する生成手段と、前記複数の交流電圧の位相差と周波数を操作パラメータとして、前記振動体と前記被駆動体との相対的な位置または速度をフィードバック制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記振動型アクチュエータの停止時と低速駆動時には、前記パルス信号のパルス幅を前記第１のパルス幅に固定してその位相差を操作し、前記振動型アクチュエータの高速駆動時には、前記パルス信号のパルス幅を前記第１のパルス幅から前記第２のパルス幅の範囲で変化させると共にその周波数を操作することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、振動型アクチュエータを駆動する際の制御性を向上させることができ、特に、停止時や低速駆動時における制御性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る振動型駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態に係る振動型駆動装置を構成する振動型アクチュエータの一例の概略構成と駆動モードを説明する図である。
【図３】本実施形態に係る振動型駆動装置を構成する制御装置が有する駆動部の概略構成を示すブロック図である。
【図４】図１中の制御装置が有する判定部とパルス幅調整部からの各出力と被駆動体の速度の関係を説明する図である。
【図５】図１中の制御装置による振動型アクチュエータの駆動制御のフローチャートである。
【図６】図１中の制御装置による振動型アクチュエータの駆動制御のタイミングチャートの一例を示す図である。
【図７】図１中の制御装置が有する交流信号生成部から出力される交流信号のパルス幅と基本波及び高調波との関係を説明する図である。
【図８】図１中の制御装置と従来の制御装置のそれぞれにより振動型アクチュエータを駆動した際の開ループ特性のゲインと位相遅れを説明する図である。
【図９】図１中の制御装置により振動型アクチュエータを駆動したときの、送り振動に相当する駆動電流波形とその周波数解析結果を示す図である。
【図１０】図１中の制御装置により振動型アクチュエータに対して位置フィードバック制御を行った際の閉ループ特性と開ループ特性を示す図である。
【図１１】図１中の制御装置と従来の制御装置のそれぞれによるカメラでのオートフォーカス駆動時の位置決め制御の結果を示す図である。
【図１２】図２に示す振動型アクチュエータの駆動制御を、パルス幅を一定とし、電圧又は駆動周波数を変えて行った場合の開ループ特性のゲインと位相遅れを説明する図である。
【図１３】振動型駆動装置を適用したレンズ駆動機構の概略構成を示す斜視図である。
【図１４】振動型駆動装置を適用した撮像装置の外観を示す平面図と、撮像装置内部の概略構造を示す図である。
【図１５】振動型駆動装置を適用した顕微鏡の外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る振動型駆動装置１５０の概略構成を示すブロック図である。振動型駆動装置１５０は、振動型アクチュエータ１０、制御装置１４０及び位置検出部１４５を有する。制御装置１４０は、制御部１２０及び駆動部１３０を有する。制御部１２０は、指令値生成部１０１、制御量演算部１０２、パルス幅調整部１０７、減算器１０８及び位相差−周波数制御部１１０を有する。位相差−周波数制御部１１０は、位相差変換部１０３、周波数変換部１０４及び位相差−周波数判定部１０６（以下「判定部１０６」と記す）を有する。駆動部１３０は、交流信号生成部１１１及び昇圧回路１１２を有する。
【００１２】
最初に、振動型アクチュエータ１０の概略構成と駆動モードについて説明する。なお、図２に示す振動型アクチュエータ１０は、制御装置１４０による駆動制御対象となる振動型アクチュエータの一例であるリニア型の振動型アクチュエータである。図２（ａ）は、振動型アクチュエータ１０の概略構成を示す斜視図である。図２（ｂ）は、振動型アクチュエータ１０を構成する圧電素子１４に形成された電極パターンと分極領域を説明する平面図である。図２（ｃ）は、振動型アクチュエータ１０を構成する振動体１５に励起される第１の振動モードを模式的に説明する図である。図２（ｄ）は、振動型アクチュエータ１０を構成する振動体１５に励起される第２の振動モードを模式的に説明する図である。なお、図２（ｃ），（ｄ）には、振動体１５を変形の様子が誇張して示されている。
【００１３】
振動型アクチュエータ１０は、振動体１５及び被駆動体１１を有する。振動体１５は、弾性体１３、２つの突起部１２及び圧電素子１４を有する。弾性体１３は、例えば、ステンレス材からなる薄板状の部材である。突起部１２は、ステンレス材等からなり、弾性体１３の一方の面に弾性体１３と一体的に形成され、又は、溶接等により接合されている。電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子１４は、弾性体１３において突起部１２が設けられている面の反対側の面に、接着剤等により接合されている。振動体１５と被駆動体１１とは、突起部１２の上面において、不図示の加圧手段によって突起部１２の突出方向（図２（ｃ）に示すＺ方向）を加圧方向として加圧接触している。
【００１４】
圧電素子１４には、２つの突起部１２を結ぶ方向Ｘ方向に２等分された電極領域が形成されており、各電極領域における分極方向は、同一方向（＋）となっている。圧電素子１４の２つの電極領域のうち、図２（ｂ）の左側の電極領域（Ａ相）には交流の駆動電圧ＶＡが印加され、右側の電極領域（Ｂ相）には交流の駆動電圧ＶＢが印加される。これにより、振動体１５に第１の振動モード及び第２の振動モードの振動を発生させる。
【００１５】
詳しくは、駆動電圧ＶＢ，ＶＡを、第１の振動モードの共振周波数付近の周波数で、且つ、同位相とすると、圧電素子１４全体がある瞬間には伸び、また別の瞬間には縮む。この結果、振動体１５に第１の振動モードの振動が発生する。第１の振動モードは、２つの突起部１２を結ぶ方向（Ｘ方向）と略平行に２本の節線が生じる振動モードである。突起部１２は、この振動の腹となる位置の近傍に設けられており、突起部１２の突出方向であるＺ方向に振動（変位）する。以下、第１の振動モードの振動を「突き上げ振動」と称呼する。また、駆動電圧ＶＢ，ＶＡを第２の振動モードの共振周波数付近の周波数で、且つ、位相が１８０度ずれた交流電圧とすると、ある瞬間には圧電素子１４の右側の電極領域が縮むと同時に左側の電極領域が伸び、別の瞬間には逆の関係となる。この結果、振動体１５には第２の振動モードの振動が発生する。第２の振動モードは、Ｘ方向及びＺ方向と直交するＹ方向と略平行に３本の節線が生じる振動モードである。突起部１２は、この振動の節となる位置の近傍に設けられており、Ｘ方向に変位する。以下、第２の振動モードの振動を「送り振動」と称呼する。
【００１６】
したがって、駆動電圧ＶＢ，ＶＡを第１振動モードと第２の振動モードの各共振周波数に近い周波数の交流電圧として圧電素子１４の電極に印加することにより、突き上げ振動と送り振動とが合成された振動を励起することができる。突き上げ振動と送り振動とが合成されることにより、突起部１２は、Ｚ−Ｘ面内で楕円運動を行い、この楕円運動によって、被駆動体１１と振動体１５とを相対的にＸ方向に移動させることができる。このとき、駆動電圧ＶＢ，ＶＡの位相差を変えることによって、突き上げ振動と送り振動の振幅比を変えることができ、これにより、被駆動体１１と振動体１５の相対的な駆動速度（以下単に「速度」という）を調整することができる。
【００１７】
このような振動型アクチュエータ１０は、例えば、カメラ等の撮像装置におけるフォーカスレンズのレンズ駆動に用いられており、フォーカスレンズを保持する保持部材を被駆動体１１と連結させることにより、保持部材を光軸方向に移動させることができる。その際、レンズ駆動には高精度な位置決め制御が必要であるため、一般的に、位置センサを用いた位置フィードバック制御が行われる。圧電素子１４に印加する駆動電圧ＶＡ，ＶＢの周波数、位相差、パルス幅等を調整することによって、被駆動体１１の速度、つまり、フォーカスレンズの速度、を制御することができる。例えば、制御装置１４０は、フォーカスレンズが静止状態から所定の速度へ加速し、一定速度で移動した後に目標位置に近付くにしたがって減速して目標位置で停止するように、振動型アクチュエータ１０の駆動を制御する。ここで、オートフォーカスに速さが望まれる場合には、フォーカスレンズを高速移動させて、短時間で目標位置に到達させる必要がある。この場合、制御ゲインを上げて追従性を向上さえたうえでリンギングを抑えることが重要となり、その必要性は、重いレンズや敏感度（移動距離に対する像面の移動距離の度合い）の高いレンズで顕著に求められる。
【００１８】
制御装置１４０は、このような必要性に対応する構成を備えており、次に制御装置１４０の構成と動作の詳細について説明する。なお、以下の説明において「振動型アクチュエータ１０を駆動する」とは、振動体１５に励起する第１振動モードの振動と第２の振動モードの振動を制御することにより、被駆動体１１と振動体１５の相対的な位置の変化を制御することを指す。また、以下の説明では、便宜上、振動体１５は不図示の固定手段に固定されており、制御装置１４０は、被駆動体１１を移動体として振動体１５に対して移動させるように振動型アクチュエータ１０を駆動するものとして説明を行う。
【００１９】
振動型駆動装置１５０が備える位置検出部１４５は、リニアエンコーダ等の位置センサと、この位置センサからの出力信号に基づき被駆動体１１の位置を検出する演算回路とを有する。位置検出部１４５から出力される位置信号１４１は、制御部１２０が備える減算器１０８へ入力される。なお、図１のブロック図では、位置検出部１４５を制御装置１４０から外れた構成要素としているが、勿論、制御装置１４０は、位置検出部１４５を含むように構成されていてもよい。
【００２０】
制御部１２０は、例えば、ＣＰＵやＰＬＤ（ＡＳＩＣを含む）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器等の各種の電子デバイスや電気部品から構成されており、振動型アクチュエータ１０の駆動を制御するための情報を有する信号を生成する。指令値生成部１０１は、被駆動体１１の位置の制御サンプリング毎（時間毎）に、例えば、被駆動体１１の位置に関する１つの指令値を生成して減算器１０８へ出力する。なお、「制御サンプリング」とは、後述する偏差１４２の取得から振動体１５への駆動電圧ＶＡ，ＶＢの印加、被駆動体１１の速度と位置の検出を経て、偏差１４２の取得が始まる直前までの１サイクルを指す。そして、この１サイクルで、被駆動体１１の位置（又は速度）がフィードバック制御される。また、「被駆動体１１の位置に関する指令値」とは、時間毎に指令値生成部１０１から出力される被駆動体１１の位置に関する値である。例えば、制御サンプリング毎に１つの指令値が、指令値生成部１０１から出力される。
【００２１】
減算器１０８は、位置検出部１４５が検出した被駆動体１１に関する位置信号１４１と指令値との差分を偏差１４２として算出し、算出した偏差１４２を制御量演算部１０２へ出力する。制御量演算部１０２は、偏差１４２を用いて制御量１４３を演算し、算出した制御量１４３を、位相差−周波数制御部１１０を構成する位相差変換部１０３と周波数変換部１０４へ出力する。なお、制御量演算部１０２は、例えば、ＰＩＤ補償器等を用いて制御量１４３を演算する。ＰＩＤ補償器は、比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）の各機能を有する補償器の出力を加算したものであり、制御対象の位相遅れやゲインを補償して、安定した、且つ、高精度な制御系を構築するために一般的に用いられている。
【００２２】
位相差−周波数制御部１１０は、制御量１４３に基づき、突き上げ振動と送り振動の振幅と振幅比を制御する役割を担う。位相差変換部１０３と周波数変換部１０４はそれぞれ、制御量１４３を、振動型アクチュエータ１０に供給する駆動電圧ＶＡ，ＶＢを生成するためのパルス波である交流信号の操作パラメータである位相差と周波数の各制御量に変換する。位相差変換部１０３は、生成した位相差の制御量θを判定部１０６及びパルス幅調整部１０７へ出力し、周波数変換部１０４は、生成した周波数の制御量Ｆを判定部１０６及びパルス幅調整部１０７へ出力する。
【００２３】
パルス幅調整部１０７は、ルックアップテーブルや演算式等を用いて、位相差の制御量θと周波数の制御量Ｆに基づいてパルス幅（ＰＷ）を決定し、決定したパルス幅を、駆動部１３０の交流信号生成部１１１へ出力する。パルス幅は、第１のパルス幅（ＰＷ１）を下限値、第２のパルス幅（ＰＷ２）を上限値として、位相差の制御量θと周波数の制御量Ｆのそれぞれの変化に応じて、制御サンプリング毎に更新される。その具体例については後述する。判定部１０６は、位相差の制御量θと周波数の制御量Ｆに基づき、被駆動体１１の速度と駆動方向を制御するための周波数と位相差の制御量を生成し、駆動部１３０の交流信号生成部１１１へ出力する。
【００２４】
交流信号生成部１１１は、例えば、ＣＰＵや関数発生器、スイッチング回路等から構成されている。交流信号生成部１１１は、判定部１０６から入力された位相差及び周波数の各制御量と、パルス幅調整部１０７から入力されたパルス幅に関する情報とに基づいて、矩形波の交流信号を生成する。交流信号生成部１１１は、生成した２相の交流信号を昇圧回路１１２へ出力する。昇圧回路１１２は、交流信号生成部１１１から入力された交流信号を所定の電圧値に昇圧して交流の駆動電圧ＶＡ，ＶＢを生成し、生成した駆動電圧を振動体１５の圧電素子１４に印加する。これにより、被駆動体１１が振動体１５により摩擦駆動され、被駆動体１１を所定の方向に所定速度で移動させることができる。先述の通り、被駆動体１１の位置は位置検出部１４５によって検出され、位置検出部１４５から出力される位置信号１４１は減算器１０８へ入力された後、偏差１４２として制御量演算部１０２にフィードバックされる。このように、振動型アクチュエータ１０は、時間毎の指令値に追従するようにフィードバック制御される。
【００２５】
ここで、駆動部１３０の構成について詳細に説明する。なお、駆動部１３０において、圧電素子１４に印加される駆動電圧ＶＡ，ＶＢの生成に用いられる部分の構成は同じであるため、ここでは、駆動電圧ＶＡの生成に用いられる部分について説明する。
【００２６】
図３（ａ）は、交流信号生成部１１１と昇圧回路１１２の概略構成を示すブロック図である。交流信号生成部１１１は、パルス信号生成部１６５とスイッチング回路１６０を有する。また、昇圧回路１１２は、コイル１６２とトランス１６３を有する。パルス信号生成部１６５は、判定部１０６及びパルス幅調整部１０７からの情報に応じた位相差、周波数及びパルス幅の情報を有する矩形のＡ相パルス信号と、Ａ相パルス信号とは位相が１８０度ずれたＡ相反転パルス信号を生成する。図３（ｂ）は、パルス信号生成部１６５で生成されるパルス信号を示す図である。パルス信号生成部１６５で生成されたＡ相パルス信号及びＡ相反転パルス信号は、スイッチング回路１６０に入力される。スイッチング回路１６０は、電源１６１から供給された直流電圧を入力されたパルス信号のタイミングでスイッチング動作させ、矩形波の交流信号を生成する。なお、パルス信号生成部１６５で生成されるパルス信号のパルス幅をデューティ比で表した場合、交流信号生成部１１１で生成される交流信号のパルス幅も同じデューティ比で表される。
【００２７】
交流信号生成部１１１から出力される交流信号は、昇圧回路１１２に入力されて所定の電圧値に昇圧されることでｓｉｎ波の駆動電圧ＶＡに変換され、圧電素子１４の一方の電極（Ａ相）に印加される。なお、圧電素子１４の他方の電極（Ｂ相）に印加される駆動電圧ＶＢの生成に用いられるＢ相パルス信号は、Ａ相パルス信号に対して、判定部１０６から出力された位相差の情報に基づく所定の位相差を有するように生成される。Ｂ相反転パルス信号は、Ｂ相パルス信号とは位相が１８０度ずれるように生成される。ｓｉｎ波の駆動電圧ＶＢは、駆動電圧ＶＡと同様に生成される。
【００２８】
次に、制御装置１４０による振動型アクチュエータ１０の制御方法について説明する。図４は、判定部１０６とパルス幅調整部１０７の各出力と被駆動体１１の速度の関係を説明する図である。図４（ａ）は、駆動周波数と被駆動体１１の速度との関係を示している。駆動周波数の上限値ｆ０では、位相差制御による低速駆動のフィードバック制御が行われる。その際、速度が−Ｖ１から＋Ｖ１の範囲（駆動停止を含む）では、パルス幅調整部１０７から出力されるパルス幅は、例えば２５％（デューティ比が２５％であることを指し、以下、他の比率でも同様とする）のＰＷ１に設定される。つまり、位相差の制御量θが変化する場合、パルス幅はＰＷ１に固定される。一方、速度が＋Ｖ１から＋Ｖ２の範囲及び−Ｖ１〜−Ｖ２の範囲では、周波数制御による高速駆動のフィードバック制御が行われる。その際、駆動周波数が上限値ｆ０から下限値ｆ１の範囲で操作されると共に、パルス幅調整部１０７から出力されるパルス幅は、ＰＷ１とそれより幅の大きいＰＷ２（例えば５０％）の間の範囲で、駆動周波数の操作量に応じて調整される。つまり、周波数の制御量Ｆが変化する場合、周波数の制御量Ｆに応じてパルス幅調整部１０７から出力されるパルス幅はＰＷ１とＰＷ２との間の範囲で変更され、これにより、被駆動体１１に生じさせることができる速度を効率的に利用した駆動制御が可能となる。なお、被駆動体１１を停止状態で維持する場合等のようにフィードバック制御における偏差１４２がゼロとなる場合には周波数の制御量Ｆは変化しない。この場合には、位相差の制御量θが変化していなくても、パルス幅調整部１０７から出力されるパルス幅はＰＷ１に固定される。
【００２９】
図４（ｂ）は、制御量１４３、制御部１２０からの出力及び被駆動体１１の速度の関係を示している。判定部１０６は、制御量１４３の絶対値が小さい領域を、振動型アクチュエータ１０を駆動するための２相の駆動電圧ＶＡ，ＶＢの位相差を変化させる位相差制御領域として、位相差と駆動周波数を制御する。一方、判定部１０６は、制御量１４３の絶対値が大きい領域を、２相の駆動電圧ＶＡ，ＶＢの駆動周波数を変化させる周波数制御領域として、駆動周波数と位相差を制御する。このように、判定部１０６は、制御量１４３に応じて、位相差制御と周波数制御とを切り換える。
【００３０】
具体的には、位相差制御領域では、駆動周波数を上限値ｆ０に固定し、２相の駆動電圧ＶＡ，ＶＢの位相差を上限値から下限値の間で変化させることにより、被駆動体１１の移動方向の反転や停止、低速駆動領域での被駆動体１１の速度が制御される。その間、パルス幅調整部１０７からは常に小さいパルス幅であるＰＷ１が出力される。また、位相差の制御量θの制御範囲は、例えば、−９０度から＋９０度の範囲とすることができるが、これに限らず、−６０度から＋６０度の範囲或いは−１２０度から＋１２０度の範囲としてもよい。図４（ｂ）の下段に示すように、制御量１４３に応じて、被駆動体１１の速度は変化するが、−Ｖ１〜＋Ｖ１（例えば、−５０〜＋５０ｍｍ／ｓ）の低速駆動領域では位相差制御が行われる。位相差制御では、２相の駆動電圧ＶＡ，ＶＢの位相差を制御することにより、振動体１５に設けられた突起部１２の楕円運動の楕円比を変化させ、位相差の符号を反転させることにより楕円運動の方向を反転させる。なお、突起部１２の運動軌跡が縦長形状となって楕円比がゼロになると、被駆動体１１の速度はゼロとなる。
【００３１】
一方、高速駆動領域である周波数制御領域では、位相差の制御量θは下限値又は上限値に固定され、駆動周波数は上限値ｆ０（例えば、９０ｋＨｚ）から下限値ｆ１（例えば、８８ｋＨｚ）の間で変更されることにより、被駆動体１１の速度が制御される。図４（ｂ）の下段に示すように、被駆動体１１の速度が＋Ｖ１〜＋Ｖ２，−Ｖ１〜−Ｖ２（例えば、５０〜１００ｍｍ／ｓ）となる高速駆動領域では、周波数制御が行われる。周波数制御では、駆動周波数を制御することにより、振動体１５に設けられた突起部１２の楕円運動の楕円比を一定として、楕円振幅を変化させる。このような制御において、位相差−周波数制御部１１０は、制御量１４３に対して速度ができる限り線形となるように位相差と周波数を設定する。なお、周波数制御においてパルス幅調整部１０７から出力されるパルス幅が大きくなる場合には開ループ応答ゲインが大きくなるため、周波数制御では、位相差制御よりもその分だけ制御ゲインを小さくすることが望ましい。
【００３２】
図５は、制御装置１４０による振動型アクチュエータ１０の駆動制御（被駆動体１１の位置フィードバック制御）のフローチャートである。前述の通り、制御部１２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を有しており、図５のフローチャートの各処理は、ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムをＲＡＭに展開し、制御装置１４０の各部の動作を制御することにより実現される。
【００３３】
制御装置１４０の電源がオンされると、ステップＳ１においてＣＰＵは、２相の駆動電圧ＶＡ，ＶＢを生成するための交流信号の周波数、位相差、パルス幅を初期値に設定する。ステップＳ２においてＣＰＵは、位置検出部１４５により被駆動体１１の現在位置を検出し、生成した位置信号１４１と指令値生成部１０１から出力された指令値との偏差１４２を算出する。ステップＳ３においてＣＰＵは、位相差変換部１０３と周波数変換部１０４により、偏差１４２に基づいて位相差の制御量θと周波数の制御量Ｆを算出する。ステップＳ４においてＣＰＵは、算出した位相差の制御量θが所定の閾値の範囲内であるか否かを判定する。閾値は、例えば±９０度に設定されるが、これに限定されるものではなく、±８０度や±１００度等の他の値であってもよい。ＣＰＵは、位相差の制御量θが閾値の範囲内である場合（Ｓ４でＹＥＳ）、処理をステップＳ５へ進め、位相差の制御量θが閾値の範囲内にない場合（Ｓ４でＮＯ）、処理をステップＳ８へ進める。
【００３４】
ステップＳ５〜Ｓ７では、位相差制御が実行される。ステップＳ５においてＣＰＵは、交流信号生成部１１１で生成される交流信号の駆動周波数を上限値ｆ０に設定する。ステップＳ６においてＣＰＵは、交流信号生成部１１１で生成される交流信号（パルス信号生成部１６５で生成されるパルス信号）のパルス幅をＰＷ１に設定する。ステップＳ７においてＣＰＵは、位相差の制御量θに基づいて、交流信号生成部１１１で生成される交流信号の位相差を変更する。その後、処理はステップＳ１０へ進められる。なお、ステップＳ５〜Ｓ７の処理は同時に実行される。
【００３５】
ステップＳ８〜Ｓ９では、周波数制御が実行される。ステップＳ８においてＣＰＵは、位相差の制御量θを閾値に設定する。ステップＳ９においてＣＰＵは、周波数の制御量Ｆに基づいて、交流信号生成部１１１で生成される交流信号のパルス幅と駆動周波数を同時に変更し、その後、処理をステップＳ１０へ進める。ここで、ステップＳ９において、交流信号のパルス幅は、ＰＷ１からＰＷ２の範囲で変更され、駆動周波数は上限値ｆ０から下限値ｆ１の範囲で変更され、基本的には駆動周波数を下げるにしたがってパルス幅が大きくなるように制御される（図４参照）。なお、ステップＳ９において、ＰＷ１は、ＰＷ２よりデューティ比が小さく、基本波に対する高調波の比が大きい。周波数の制御量Ｆに基づくパルス幅の変更方法には、例えば、テーブルデータや演算式等を用いることができ、パルス幅は、連続的に変更されてもよいし離散的に変更されてもよい。
【００３６】
ステップＳ１０においてＣＰＵは、被駆動体１１が目標位置に到達したか否かを、所定の整定時間を経て停止指令が入力さたか否かによって判定する。ＣＰＵは、停止指令が入力されていない場合（Ｓ１０でＮＯ）、処理をステップＳ２に戻し、これにより、目標位置に向かって位相差制御又は周波数制御による位置フィードバック制御が制御サンプリング毎に繰り返される。一方、ＣＰＵは、停止指令が入力された場合（Ｓ１０でＹＥＳ）、処理をステップＳ１１へ進める。ステップＳ１１においてＣＰＵは、パルス幅をＰＷ１以下に設定する。これにより、振動型アクチュエータ１０の駆動制御は終了となる。
【００３７】
図６は、制御装置１４０による駆動制御のタイミングチャートの一例である。指令値は、指令値生成部１０１により時間毎に設定される位置情報であり、被駆動体１１の駆動開始位置から目標位置まで、例えばＳ字カーブを描いて出力される。振動型アクチュエータ１０の駆動は、時間毎に変化する指令値に追従するように制御される。駆動開始直後の時刻ｔ０〜ｔ１では、振動型アクチュエータ１０を駆動するための駆動電圧ＶＡ，ＶＢについて、駆動周波数は上限値ｆ０に設定され、位相差が０度から＋９０度へ操作される。これにより、被駆動体１１は加速し、被駆動体１１の速度は時刻ｔ１に速度＋Ｖ１（例えば、５０ｍｍ／ｓ）に達する。時刻ｔ０〜ｔ１の間は、交流信号生成部１１１で生成される交流信号（第１のパルス信号）では、パルス幅（パルス信号生成部１６５で生成されるパルス信号のパルス幅）はＰＷ１（２５％）に固定される。
【００３８】
時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、被駆動体１１の速度は速度＋Ｖ１から＋Ｖ２（例えば、１００ｍｍ／ｓ）へ達する。その間、駆動周波数は上限値ｆ０から下限値ｆ１へ操作され、駆動周波数の操作量に応じて、交流信号生成部１１１で生成される交流信号は、パルス幅が２５％（ＰＷ１）の第１のパルス信号から５０％（ＰＷ２）の第２のパルス信号へ変更される。時刻ｔ２〜ｔ３では、駆動周波数は上限値ｆ０へ戻され、パルス幅もＰＷ１に戻されることにより、被駆動体１１の速度は＋Ｖ２から＋Ｖ１へ減速される。なお、駆動周波数が操作される時刻ｔ１〜ｔ３の間は、位相差は＋９０度に固定される。被駆動体１１が目標位置に到達する前の時刻ｔ３〜ｔ４では、駆動周波数が上限値ｆ０で位相差が＋９０度から０度へ操作される。これにより、時刻ｔ４で、被駆動体１１は速度がゼロの停止状態となる。なお、理想的には位相差が０度で速度がゼロとなるが、振動型アクチュエータ１０の個体差や環境によっては、位相差が０度近傍の値で速度はゼロとなる。つまり、被駆動体１１を停止状態となる条件は、位置フィードバック制御の偏差１４２の値に依存する。
【００３９】
時刻ｔ４で被駆動体１１が目標位置近傍に到達した後、所定の整定時間で進み動作と戻り動作を繰り返しながら位置決め制御が行われる。被駆動体１１が目標位置に所定の精度で整定された後、被駆動体１１は目標位置で保持される。被駆動体１１を目標位置で保持する方法には制限はなく、例えば、交流信号生成部１１１で生成される交流信号のパルス幅をゼロにして、圧電素子１４への給電をオフすることで節電を図ることができる。また、交流信号生成部１１１で生成される交流信号のパルス幅を変更せずに又は０〜２５％の範囲で変更すると共に位相差を０度に設定してもよい。時刻ｔ５〜ｔ６では、被駆動体１１を目標位置から開始位置へ駆動しているが、その際の駆動制御は、被駆動体１１の駆動方向が異なるだけであり、前述した時刻ｔ０〜ｔ４の被駆動体１１の駆動制御と同様に行われるため、詳細な説明は省略する。
【００４０】
上述した制御装置１４０による振動型アクチュエータ１０の駆動制御の特徴についてより詳しく説明する前に、交流信号生成部１１１から出力される交流信号の基本波と高調波について説明する。図７は、交流信号生成部１１１のパルス信号生成部１６５から出力されるパルス信号のパルス幅と基本波及び高調波との関係を説明する図である。図７（ａ）は、パルス幅が５０％の場合のＡ相パルス信号とＢ相パルス信号の時間変化を示している。時刻ｔ１０〜ｔ１４の間が、振動型アクチュエータ１０を駆動する駆動周波数の１周期であり、Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号はそれぞれ、周期の５０％に相当する時間がＨｉレベルで出力されるパルス信号である。また、Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号の位相差を＋９０度とした場合には、Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号は、立ち上がりが１／４周期（時刻ｔ１０と時刻ｔ１１）だけずれるように出力される。
【００４１】
図７（ｂ）は、パルス幅が２５％の場合のＡ相パルス信号とＢ相パルス信号の時間変化を示している。時刻ｔ１５〜ｔ１９までが、振動型アクチュエータ１０を駆動する駆動周波数の１周期であり、Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号はそれぞれ、周期の２５％に相当する時間がＨｉレベルで出力されるパルス信号である。また、Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号の位相差を＋９０度とした場合には、Ａ相パルス信号とＢ相パルス信号は、立ち上がりが１／４周期（時刻ｔ１５と時刻ｔ１６）だけずれるように出力される。
【００４２】
図７（ｃ）は、パルス幅、基本波、２倍高調波及び倍高調波の電圧振幅との関係を計算により求めた結果を示している。パルス幅を小さくするにしたがって、基本波に対して高調波の比率は大きくなる。図７（ｄ）は、パルス幅と、高調波と基本波との電圧振幅比との関係を示しており、ここでの電圧振幅比は、２倍高調波と３倍高調波の電圧振幅の平均値を基本波の電圧振幅で除した値である。パルス幅が２５％以下の場合には、基本波に対する高調波の電圧振幅比が５０％以上となっていることから、高調波の影響が大きいことがわかる。
【００４３】
図８は、制御装置１４０と従来の制御装置のそれぞれにより振動型アクチュエータ１０を駆動した際の開ループ特性のゲインと位相遅れを説明する図である。図８（ａ），（ｂ）には、制御装置１４０によりパルス幅を変えて被駆動体１１の速度を制御したときの、開ループ特性のゲインと位相遅れの各結果（周波数応答性）が示されている。ここでは、振動型アクチュエータ１０の圧電素子１４に印加するｓｉｎ波駆動電圧の時間的な位相差を９０度（振幅の変化に１／４周期のずれがある）としている。交流信号生成部１１１で生成される交流信号のパルス幅を５０％から下げていくにしたがって、１２０Ｈｚ近傍の高域のピークが低減し、位相遅れが改善することがわかり、パルス幅を２５％以下とすることにより、大きな改善効果を得ることができることがわかる。この結果から、本実施形態では、高調波の比が大きくなるようにパルス幅を小さくすることにより、機械的な共振ピークを低減する効果が得られ、更に、位相遅れの少ない良好な応答特性が得られることがわかる。なお、パルス幅を小さくするとゲインが低下するのは、交流電圧の基本波の振幅が低下して被駆動体１１の速度が低下するためである。
【００４４】
図８（ｃ），（ｄ）には、振動型アクチュエータ１０の被駆動体１１の速度を従来の制御装置により制御したときのゲインと位相遅れの各結果が示されている。ここでは、駆動電圧を生成するための交流信号のパルス幅は５０％に固定され、振動型アクチュエータ１０の圧電素子１４に印加するｓｉｎ波駆動電圧の時間的な位相差が１０度〜９０度の範囲で変更されている。これにより、振動体１５の突起部１２に生じる楕円比の違いによる周波数応答性を比較することができる。ゲインについては、図８（ｃ）に示されるように、位相差を小さくするにしたがって１２０Ｈｚ近傍のピークが小さくなる傾向が見られるが、このピークは高周波数側へシフトしていく。つまり、突き上げ振動と送り振動の振幅比に応じて、高周波域でのピークの発生の態様が異なっている。位相遅れについては、図８（ｄ）に示されるように、位相差が大きくなるにしたがって位相遅れが大きくなることがわかる。よって、パルス幅を５０％として従来の位相差制御を行った場合、被駆動体１１の駆動停止や低速駆動時に高周波域に現れるピークの影響を受けやすく、制御性が低下する。これに対して、前述の通り、制御装置１４０による振動型アクチュエータ１０の駆動制御では、高周波域ではパルス幅を５０％よりも小さい値（例えば、２５％）に設定しているため、このような問題の発生を回避することができる。
【００４５】
図８（ｅ），（ｆ）には、振動型アクチュエータ１０の圧電素子１４に印加するｓｉｎ波駆動電圧の時間的な位相を１０度〜９０度の範囲で変更して、被駆動体１１の速度を制御装置１４０により制御したときのゲインと位相遅れの各結果が示されている。ここでは、交流信号生成部１１１で生成される交流信号のパルス幅は２５％に固定されている。この場合、ゲインについて、図８（ｅ）に示すように、高周波域（１２０Ｈｚ近傍）にピークはどの位相差でも生じていないことがわかる。また、位相遅れについて、図８（ｆ）に示されるように、位相遅れの変化に対する位相差の影響は小さく、良好な特性が得られていることがわかる。つまり、本実施形態のように位相差制御を行う停止時及び低速駆動時にパルス幅を２５％とすることで、高周波域にピークが現れることを抑制して、制御性を損なわずに、停止及び低速駆動を行うことができることがわかる。このような効果は、後述するように、単に圧電素子１４に印加する駆動電圧を下げるだけでは得ることはできず、パルス幅を制御することによって基本波に対する高調波の電圧振幅比を変化させることによって初めて得ることができる。
【００４６】
図９は、制御装置１４０により振動型アクチュエータ１０を駆動したときの、送り振動に相当する駆動電流波形とその周波数解析結果を示す図である。図９（ａ）では、駆動周波数を９２ｋＨｚとし、交流信号生成部１１１で生成される交流信号のパルス幅を２５％又は５０％としてそれぞれ駆動した場合の送り振動に相当する駆動電流波形を比較している。ここで、送り振動に相当する駆動電流は、圧電素子１４の一方の電極（Ａ相）の駆動電流と他方の電極（Ｂ相）の駆動電流の差分から、圧電素子１４の静電容量電流を差し引いて算出している。パルス幅が５０％での送り振動に相当する駆動電流波形では高調波の歪みが大きいのに対して、パルス幅が２５％での送り振動に相当する駆動電流波形では高調波の歪みが小さくなっている。また、図９（ｂ）は、交流信号生成部１１１で生成される交流信号のパルス幅をそれぞれ２５％、５０％としたときの、送り振動に相当する駆動電流の周波数解析結果を示している。パルス幅が５０％の場合には、高調波成分が大きくなり、特に３倍高調波成分が大きくなっているが、パルス幅が２５％の場合には、高調波成分が低減されていることがわかる。このことから、パルス幅が２５％の場合には、突起部１２の楕円振動でも同様に高調波振動が低減されていると考えられる。
【００４７】
交流信号生成部１１１で生成される交流信号である矩形パルス波に含まれる高調波成分は、パルス幅が５０％の場合よりもパルス幅が２５％の場合で大きい。しかし、図９に示す結果は、高調波成分の大きい矩形パルス波を利用した駆動によって、振動体１５に発生する送り振動に含まれる高調波成分を逆に少なくすることができることを示している。その結果、高調波成分の大きい矩形パルス波を利用した駆動では、振動体１５に発生する送り振動と突き上げ振動の位相関係が高調波によって補償され、高調波成分の振動が逆に生じ難い接触状態に変化したと考えられる。つまり、振動体１５の突起部１２は、駆動中に被駆動体１１から受ける反力や接触面の細かな凹凸によって接触状態が変化し、送り振動と突き上げ振動の位相関係が特に高域側で変化しやすいが、高調波の作用で位相関係が補償されると考えられる。なお、振動体１５の突起部１２には、できる限り高調波振動を発生させないことが望ましい。したがって、パルス幅を小さくして高調波振動を低減させることによって振動状態を安定化させることができ、振動型アクチュエータ１０の機械的な負荷変動や外乱の影響を受け難い駆動を行うことが可能となる。
【００４８】
図１０は、制御装置１４０により振動型アクチュエータ１０に対して位置フィードバック制御を行った際の閉ループ特性と開ループ特性を示す図である。ここでは、指令値生成部１０１が生成する指令値の振幅を±５０μｍとして、指令周波数を１０Ｈｚから３００Ｈｚの範囲で変えながら位置フィードバック制御を行っている。位相差制御では交流信号生成部１１１で生成される交流信号のパルス幅を１４％に設定し、周波数制御では駆動周波数の操作量にしたがってパルス幅を１４％から５０％の範囲で変えており、これを実施例として示している。なお、比較のため、パルス幅を５０％に固定して位相差制御と周波数制御を行った結果を従来例として図１０に併記している。
【００４９】
図１０（ａ）は、閉ループ特性のゲインと周波数との関係を示している。従来例には１２０Ｈｚ近傍に０ｄＢを超える共振ピークが見られるが、実施例では大幅にピークが低減されており、約１０ｄＢの低減効果が得られていることがわかる。図１０（ｂ）は、閉ループ特性の位相遅れと周波数との関係を示している。従来例と比較して、実施例では１２０Ｈｚ近傍の位相遅れに改善が見られる。図１０（ｃ）は、開ループ特性のゲインと周波数との関係を示している。低周波域（例えば、１０Ｈｚ近傍）のゲインは、実施例では従来例より大きく、高周波域（例えば、１２０Ｈｚ近傍）のゲインは低減していることがわかる。よって、実施例では、従来例よりも制御ゲインを大きくすることができる。図１０（ｄ）は、開ループ特性の位相遅れと駆動周波数と関係を示しており、実施例では位相遅れも改善されていることがわかる。このように、実施例の制御方法を用いることにより、制御に用いる各種パラメータの設定条件に余裕ができ、制御帯域が狭められることなく高周波域側の共振ピークを大幅に低減することができるため、制御性を向上させることができる。
【００５０】
図１１は、制御装置１４０と従来の制御装置のそれぞれによるカメラでのオートフォーカス駆動時の位置決め制御の結果を示す図である。図１１（ａ）は、従来の制御装置により、駆動電圧を生成するための交流信号のパルス幅を５０％に固定して位相差制御と周波数制御とを行うことで位置決めを行った結果（比較例）を示している。図１１（ｂ）は、制御装置１４０により、パルス幅を２０％として位相差制御を行い、駆動周波数の操作量に応じてパルス幅を２０％から５０％の範囲で変えながら周波数制御を行うことで位置決めを行った結果（実施例）を示している。なお、オートフォーカスレンズは、振動型アクチュエータ１０の被駆動体１１と連結されており、オートフォーカスレンズの実位置は、カメラに設けられた位置センサ（光学センサ）を用いて検出されている。つまり、振動型アクチュエータ１０の被駆動体１１の位置を検出する代わりに、オートフォーカスレンズの位置を検出している。
【００５１】
図１１（ａ），（ｂ）の各図において、横軸には時間、縦軸には位置がそれぞれ取られており、指令値とレンズの実位置がプロットされている。図１１（ａ）に示す従来例では、減速領域及び停止領域で約５０μｍ前後のリンギングが生じており、これには、高周波域側の共振ピークが影響しているものと考えられる。一方、実施例では、減速領域及び停止領域でのリンギングの発生は抑制されており、従来例と比較して、良好な制御性が得られていることがわかる。また、実施例では、周波数制御での制御ゲインを位相差制御の制御ゲインより下げており、これにより、最大速度を低下させることなく、制御に用いる各種パラメータの設定条件の幅を広げることができる。更に、実施例での周波数制御では、振動体１５の突起部１２に生じる楕円比は変化せずに楕円振幅が変化するため、高周波域のピークの影響を回避することができる。
【００５２】
図１２は、振動型アクチュエータ１０の駆動制御を、駆動電圧を生成するための交流信号のパルス幅を５０％に固定し、電圧又は駆動周波数を変えて行った場合の開ループ特性のゲインと位相遅れの各結果（周波数応答性）を説明する図である。なお、図１２に示す結果は本発明に対する比較例であり、図８に示した結果を得た際の条件と同様に、振動型アクチュエータ１０の圧電素子１４に印加するｓｉｎ波駆動電圧の時間的な位相差は９０度に設定されている。
【００５３】
図１２（ａ），（ｂ）は、駆動周波数を９２ｋＨｚとし、電源電圧（電源１６１の電圧）をそれぞれ３．０Ｖ、２．０Ｖとして被駆動体１１の速度を制御したときの開ループ特性のゲインと位相遅れの結果を示している。電源電圧を下げているため、圧電素子１４に印加される電圧は約６７％に低下しており、電圧振幅が下がった場合には、振動体１５の突起部１２に生じる楕円振動の振幅は小さくなる。しかし、図１２（ａ）に見られるように、１２０Ｈｚ近傍にピークが生じており、図１２（ｂ）に見られるように、位相遅れも改善されていない。このように、駆動電圧を単に下げるだけでは、上記実施例が奏する効果は得られない。
【００５４】
図１２（ｃ），（ｄ）は、電源電圧を３．０Ｖに設定し、駆動周波数を９３ｋＨｚから９６ｋＨｚの範囲で変えて被駆動体１１の速度を制御したときの、開ループ特性のゲインと位相遅れの結果を示している。駆動周波数を上げていくことは、振動体１５の共振周波数から離れていくことになるため、振動体１５の突起部１２に生じる楕円振動の振幅は小さくなる。しかし、図１２（ｃ）に見られるように、１２０Ｈｚ近傍にはピークが生じており、図１２（ｄ）に見られるように、位相遅れも改善されていない。このように、駆動周波数を単に調整するだけでも、上記実施例が奏する効果は得られない。
【００５５】
以上の説明の通り、本実施形態では、振動型アクチュエータ１０の駆動制御において、低速駆動時には高周波域での位相差制御を用い、高速駆動時には周波数制御を用いる。このとき、位相差制御ではパルス幅を小さく設定し、周波数制御では駆動周波数に応じてパルス幅を変更することにより、機械的な共振ピークを低減すると共に位相遅れを改善することができる。こうして、速度の低下を起こすことなく、良好な制御性を得ることができる。
【００５６】
次に、振動型駆動装置１５０を適用した電子機器について説明する。図１３は、振動型駆動装置１５０を応用したレンズ駆動機構７００の概略構成を示す斜視図である。レンズ駆動機構７００は、振動体７０１、レンズ保持部材７０２、第１のガイドバー７０３、第２のガイドバー７０４、加圧磁石７０５及びレンズ７０６を備える。振動体７０１は、図２に示した振動体１５に対応し、第２のガイドバー７０４は、図２に示した被駆動体１１に対応する。図１３では、制御装置１４０を不図示としている。
【００５７】
第１のガイドバー７０３及び第２のガイドバー７０４は、互いに平行に、且つ、これらの長手方向がレンズ７０６の光軸方向と平行となるように、不図示の基体に保持されている。レンズ保持部材７０２は、レンズ７０６を保持する円筒状のホルダ部７０２ａ、振動体７０１と加圧磁石７０５を保持する保持部７０２ｂ、第１のガイドバー７０３が挿通されるガイド部７０２ｃを有する。第１のガイドバー７０３に対してガイド部７０２ｃが移動自在に挿通されることにより第１のガイド部が形成される。
【００５８】
永久磁石である加圧磁石７０５と第２のガイドバー７０４との間には磁気回路が形成され、これら部材間に吸引力が発生することにより、加圧磁石７０５と第２のガイドバー７０４との間に配置された振動体７０１が、第２のガイドバー７０４へ押し当てられる。これにより、振動体が有する２つの突起部（図２の振動体１５の突起部１２に対応する）が第２のガイドバー７０４と加圧接触して、第２のガイド部が形成される。なお、第２のガイド部は、磁気による吸引力を利用してガイド機構を形成しているため、外力を受ける等した場合に振動体７０１と第２のガイドバー７０４とが引き離される状態が生じることが予想される。その対策として、レンズ駆動機構７００では、レンズ保持部材７０２に設けられた脱落防止部７０２ｄが第２のガイドバー７０４に当接することで、レンズ保持部材７０２（振動体７０１）が所定位置に戻るように構成されている。
【００５９】
不図示の制御装置１４０から所定の駆動電圧を振動体７０１に供給すると、振動体７０１が第２のガイドバー７０４を摩擦駆動し、これにより、レンズ保持部材７０２はレンズ７０６の光軸方向に駆動される。なお、ここでは、振動体７０１がレンズ保持部材７０２と共に光軸方向に移動するレンズ駆動機構７００を取り上げたが、レンズ駆動機構は、固定された振動体に対してレンズを保持した保持部材が被駆動体として光軸方向に移動する構成であってもよい。
【００６０】
次に、振動型駆動装置１５０を一眼レフカメラ等の撮像装置における像ぶれ補正機構に適用した例について説明する。図１４（ａ）は、撮像装置８００の外観を示す平面図（上面図）である。図１４（ｂ）は、撮像装置８００の内部の概略構造を示す図である。撮像装置８００は、大略的に、本体８１０と、本体８１０に対して着脱自在なレンズ鏡筒８２０とで構成されている。本体８１０は、レンズ鏡筒８２０を通過した光が結像した光学像を画像信号に変換するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子８３０と、撮像装置８００の全体的な動作を制御するカメラ制御マイコン８４０を備える。また、本体８１０には、カメラ制御マイコン８４０の制御下で動作する制御装置１４０が設けられている。
【００６１】
レンズ鏡筒８２０には、フォーカスレンズやズームレンズ等の複数のレンズＬが所定位置に配置されている。また、レンズ鏡筒８２０には、像ぶれ補正装置８５０が内蔵されており、像ぶれ補正装置８５０は、円板部材８５１、円板部材８５１に設けられた被駆動体１１を有し、円板部材８５１の中央に形成されている穴部に、像ぶれ補正レンズ８５２が配置されている。像ぶれ補正装置８５０は、レンズ鏡筒８２０の光軸（図１４（ｂ）中の一点鎖線）と直交する面内で像ぶれ補正レンズ８５２を移動させることができるように配置される。
【００６２】
制御装置１４０により振動体１５を駆動することで、レンズ鏡筒８２０に固定されている振動体１５に対し、被駆動体１１と円板部材８５１が光軸と直交する平面内で相対移動し、補正レンズ８５２が駆動される。なお、ここでは、補正レンズ８５２を駆動する像ぶれ補正装置について説明したが、これに限らず、撮像素子８３０を結像面と平行な方向に駆動することで像ぶれ補正装置を構成することもできる。また、円板部材８５１に振動体１５を固定し、被駆動体１１をレンズ鏡筒８２０に固定することにより、振動体１５と円板部材８５１が光軸と直交する平面内で相対移動し、補正レンズ８５２が駆動される構成としてもよい。
【００６３】
振動型駆動装置１５０を位置決め用ステージ装置において観察対象物が載置されるステージの位置決めに応用した例について説明する。図１５は、振動型駆動装置１５０を備える顕微鏡９００の外観斜視図である。顕微鏡９００は、撮像素子と光学系を内蔵する撮像部９３０と、基台上でＸ−Ｙ面内で移動可能にされるステージ９２０を有する自動ステージ部９１０を備える。
【００６４】
振動型駆動装置１５０を構成する制御装置１４０は、ベースプレート９４０に配置されているが、これに限定されず、例えば、撮像部９３０に設けられていてもよい。不図示の振動型アクチュエータ１０を構成する振動体１５は、少なくとも２つ用いられている。少なくとも１つの振動体１５は、被駆動体１１に相当するステージ９２０のＸ方向駆動に用いられ、振動体１５のＸ方向がステージ９２０のＸ方向と一致するように配置される。また、少なくとも１つの別の振動体１５は、被駆動体であるステージ９２０のＹ方向駆動に用いられ、振動体１５のＸ方向がステージ９２０のＹ方向と一致するように配置される。
【００６５】
被観察物をステージ９２０の上面に置いて、拡大画像を撮像部９３０で撮影する場合において観察範囲が広範囲となる場合には、自動ステージ部９１０を駆動してステージ９２０をＸ方向とＹ方向に移動させて被観察物を移動させる。これにより、多数の撮影画像を撮影し、撮影された画像を不図示のコンピュータで画像処理により結合させることで、観察範囲が広く、しかも高精細な１枚の画像を取得することができる。
【００６６】
なお、図１３乃至図１５を参照して、振動型駆動装置１５０を適用した撮像装置及び位置決めステージ装置について説明したが、振動型駆動装置１５０の具体的な適用例はこれらに制限されるものではない。振動型駆動装置１５０は、振動型アクチュエータ１０の駆動による位置決めが必要とされる部品を備える電子機器に広く適用が可能である。
【００６７】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。例えば、上記実施形態では、振動体１５が固定され、被駆動体１１が移動体として移動する構成で説明したが、逆に、被駆動体１１が固定され、振動体１５を移動体として移動させる構成であっても、効果に何ら変わりはない。また、指令値生成部１０１は、被駆動体１１の位置に関する指令値を、位置検出部１４５による位置信号１４１に基づいて求めるとしたが、これに限らず、被駆動体１１の速度を検出し、検出した速度から求めるようにしてもよい。制御部１２０や駆動部１３０は、上述した機能を実現することができる限りにおいて、その構成（使用されている電子デバイスや電気部品）は限定されるものではない。また、制御装置１４０として、圧電素子１４を２相に分けて駆動する２相駆動の構成を取り上げたが、本発明は２相駆動の振動型アクチュエータに限定されるものではなく、３相以上の複数の交流電圧で駆動する振動型アクチュエータにも適用が可能である。
【００６８】
本発明は、上述した実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読み出して実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１０    振動型アクチュエータ
１１  被駆動体
１４    圧電素子
１５    振動体
１０２    制御量演算部
１０６    判定部（位相差−周波数判定部）
１０７    パルス幅調整部
１１１    交流信号生成部
１２０    制御部
１３０    駆動部
１４０    制御装置
１４５    位置検出部
１５０    振動型駆動装置
１６５    パルス信号生成部
７００    レンズ駆動機構
８００    撮像装置
９００    顕微鏡
【図１】
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【図２】
2017143602.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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【図１４】
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【図１５】
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