(57)【要約】【課題】高調波を用いて振動型アクチュエータを効率よく駆動する。【解決手段】被駆動体１０１及び振動体１０５を備え、振動体１０５が２つの突起部１０２、弾性体１０３及び圧電素子１０４を有する振動型アクチュエータ１００の駆動装置３００は、振動体１０５を３次高調波で駆動するためのパルス信号を生成するパルス信号生成回路３０１と、パルス信号生成回路３０１が生成したパルス信号を増幅して圧電素子１０４に印加する交流電圧を発生させる昇圧回路３０２を有する。駆動装置３００を、振動体１０５の共振周波数をｆｍ、パルス信号の周波数をｆｐ、昇圧回路３０２と圧電素子１０４によって生じる電気共振周波数をｆｅとしたときに、ｆｍ／３≦ｆｐ≦ｆｅ／３、の条件が満たされる構成とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械エネルギ変換素子と、前記電気−機械エネルギ変換素子と接合された弾性体とを有する振動体に、前記電気−機械エネルギ変換素子に交流電圧を印加することによって所定の振動を励起させる制御装置であって、
前記制御装置は、
前記振動体を３次高調波で駆動するためのパルス信号を生成する生成手段と、
前記生成手段が生成したパルス信号を増幅して前記交流電圧を発生させる昇圧手段と、を備え、
前記振動体の共振周波数をｆｍ、前記パルス信号の周波数をｆｐ、前記昇圧手段と前記電気−機械エネルギ変換素子によって生じる電気共振周波数をｆｅとしたときに、ｆｍ／３≦ｆｐ≦ｆｅ／３、の条件が満たされることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
２ｆｐ≦ｆｍ≦３ｆｐ、且つ、２ｆｐ≦ｆｅ、の条件が満たされることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記パルス信号のパルス幅をＴｗ、周期をＴとしたときの前記パルス信号のパルスデューティＴｗ／Ｔは、０％＜Ｔｗ／Ｔ＜３３％、の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。
【請求項４】
パルスデューティＴｗ／Ｔは、１０％＜Ｔｗ／Ｔ＜２０％、関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
前記昇圧手段は、前記パルス信号の周波数の電圧を低減するフィルタを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。
【請求項６】
電気−機械エネルギ変換素子と、前記電気−機械エネルギ変換素子に接合された弾性体とを有する振動体と、前記弾性体と加圧接触する被駆動体と、を備え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請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御装置と、を備え、
前記制御装置により前記電気−機械エネルギ変換素子に印加された交流電圧により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を相対的に移動させる振動型駆動装置であって、
前記制御装置は、
前記振動体と前記被駆動体との相対位置を検出する検出手段と、
前記相対位置に基づいて前記交流電圧の周波数および位相差の制御量を設定する設定手段と、を更に備え、
前記生成手段および前記昇圧手段は、前記設定手段により設定された周波数および位相差に基づいて前記交流電圧を発生させることを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項７】
電気−機械エネルギ変換素子と、前記電気−機械エネルギ変換素子に接合された弾性体とを有する振動体と、
前記振動体の駆動を制御する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御装置と、を備え、
前記制御装置により前記電気−機械エネルギ変換素子に交流電圧を印加して前記振動体に励起した振動により前記弾性体に付着した塵埃を除去する塵埃除去装置であって、
前記制御装置は、
前記交流電圧の周波数および位相差の制御量を設定する設定手段を更に備え、
前記生成手段および前記昇圧手段は、前記設定手段により設定された周波数および位相差に基づいて前記交流電圧を生成することを特徴とする塵埃除去装置。
【請求項８】
撮像素子と、
前記撮像素子の撮像面に取り付けられた光学部材と、前記光学部材に設けられた電気−機械エネルギ変換素子と、を有する振動体と、
前記振動体の駆動を制御する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御装置と、を備え、
前記制御装置により前記電気−機械エネルギ変換素子に交流電圧を印加して前記振動体に励起した振動により前記光学部材に付着した塵埃を除去する撮像装置であって、
前記制御装置は、
前記交流電圧の周波数および位相差の制御量を設定する設定手段を更に備え、
前記生成手段および前記昇圧手段は、前記設定手段により設定された周波数および位相差に基づいて前記交流電圧を生成することを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
電気−機械エネルギ変換素子と、前記電気−機械エネルギ変換素子に接合された弾性体とを有する振動体と、前記弾性体と加圧接触する被駆動体と、を備える振動型アクチュエータと、
レンズを保持し、前記振動体または前記被駆動体に取り付けられて前記振動体と前記被駆動体との相対的な移動によって光軸方向に移動する保持部材と、
前記振動型アクチュエータの駆動を制御する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御装置と、を備え、
前記制御装置により前記電気−機械エネルギ変換素子に印加された交流電圧により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を相対的に移動させるレンズ鏡筒であって、
前記制御装置は、
前記保持部材の前記光軸方向での位置を検出する検出手段と、
前記保持部材の前記光軸方向での位置に基づいて前記交流電圧の周波数および位相差の制御量を設定する設定手段と、を更に備え、
前記生成手段および前記昇圧手段は、前記設定手段により設定された周波数および位相差に基づいて前記交流電圧を生成することを特徴とするレンズ鏡筒。
【請求項１０】
レンズを保持する保持部材と、前記保持部材を光軸方向に駆動する振動型アクチュエータと、を有するレンズ鏡筒と、
前記振動型アクチュエータの駆動を制御する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御装置と、
前記レンズ鏡筒を通過した光束が結像した光学像を光電変換する撮像素子と、を備える撮像装置であって、
前記振動型アクチュエータは、
電気−機械エネルギ変換素子と、前記電気−機械エネルギ変換素子に接合された弾性体と、を有する振動体と、
前記弾性体と加圧接触する被駆動体と、を備え、
前記保持部材は前記振動体または前記被駆動体に取り付けられ、前記制御装置により前記電気−機械エネルギ変換素子に印加された交流電圧により前記振動体に励起された振動による前記振動体と前記被駆動体との相対的に移動に応じて前記光軸方向に移動し、
前記制御装置は、
前記保持部材の前記光軸方向での位置を検出する検出手段と、
前記保持部材の前記光軸方向での位置に基づいて前記交流電圧の周波数および位相差の制御量を設定する設定手段と、を更に備え、
前記生成手段および前記昇圧手段は、前記設定手段により設定された周波数および位相差に基づいて前記交流電圧を生成することを特徴とする撮像装置。
【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を駆動する制御装置、振動型駆動装置、振動型駆動装置を備える塵埃除去装置、レンズ鏡筒及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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て構成される振動体と、振動体と加圧接触する被駆動体とを有し、振動体に励起させた高周波振動によって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。振動体の励振は圧電素子に交流電圧を印加することによって行われ、その際に、圧電素子に印加する交流電圧の周波数や電圧値（電圧振幅）、位相差等を制御することによって、振動体と被駆動体との相対移動速度を制御することができる。
【０００３】
振動型アクチュエータを駆動する制御装置は、パルス信号を発生するパルス信号生成回路と、パルス信号生成回路からの出力を所定の電圧値に増幅する昇圧回路とを有する。パルス信号生成回路から出力されるパルス信号の周波数（以下「駆動周波数」という）には、スイッチング素子の性能に応じて上限があり、一般的に、高価でデバイス面積が大きい回路になるほど、駆動周波数の高いパルス信号を生成することができる傾向にある。
【０００４】
一方、振動体の構成（大きさや形状等）によって、最適な振動モードは変わってくる。例えば、振動体の構成に応じて、共振周波数が低いものでは２０ｋＨｚのものがあり、高いものでは１２０ｋＨｚのものがある。したがって、小型で安価なパルス信号生成回路を用いるためには、振動体の共振周波数を低くする必要があるが、その場合には振動体の設計自由度も制限されることになる。
【０００５】
この問題に対して、特許文献１には、駆動周波数を振動体の共振周波数の１／Ｎ（Ｎは２以上の自然数）とし、高調波を利用して振動体を駆動する方法が提案されている。このような駆動方法によれば、駆動周波数を振動体の共振周波数の１／Ｎに低下させることができるため、小型で安価なパルス信号生成回路を用いることが可能となり、また、振動体の設計自由度を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−９７３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１に記載の高調波を利用した振動型アクチュエータの駆動方法では、振動体の駆動は可能であるが、より小さい消費電力で大きな駆動力を発生させるという効率の観点から十分とは言い難い。
【０００８】
本発明は、高調波を用いて振動型アクチュエータを駆動する際の駆動効率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】
【０００９】
本発明の一態様は、電気−機械エネルギ変換素子と、前記電気−機械エネルギ変換素子と接合された弾性体とを有する振動体を備え、前記電気−機械エネルギ変換素子に交流電圧を印加することによって前記振動体に所定の振動を励起させる制御装置であって、前記制御装置は、前記振動体を３次高調波で駆動するためのパルス信号を生成する生成手段と、前記生成手段が生成したパルス信号を増幅して前記交流電圧を発生させる昇圧手段と、を備え、前記振動体の共振周波数をｆｍ、前記パルス信号の周波数をｆｐ、前記昇圧手段と前記電気−機械エネルギ変換素子によって生じる電気共振周波数をｆｅとしたときに、ｆｍ／３≦ｆｐ≦ｆｅ／３、の条件が満たされることを特徴とする制御装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高調波を用いて振動型アクチュエータを駆動する際の駆動効率を向上させた制御装置を実現することができ、これにより、制御装置の小型化とコストダウンを図り、また、振動体の設計自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る制御装置による駆動対象となるリニア型の振動型アクチュエータの概略構成と駆動原理を説明する図である。
【図２】図１に示す振動型アクチュエータを応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３】図１に示す振動型アクチュエータを駆動する、本発明の第１実施形態に係る制御装置を構成する駆動装置の回路構成を示す図である。
【図４】図３の駆動装置を有する、図１に示す振動型アクチュエータの本発明の第１実施形態に係る制御装置の回路構成を示すブロック図である。
【図５】図４の制御装置が有する位相差・周波数判定部からの出力（制御量）を説明する図である。
【図６】図３の駆動装置での、昇圧回路の電気共振周波数と昇圧回路から出力される駆動信号との関係を示す図である。
【図７】図３の駆動装置での、パルス信号のパルス幅と駆動信号における基本波と３次高調波との関係を示す図である。
【図８】図４の制御装置により図１の振動型アクチュエータを駆動した場合の駆動速度と電源電力の測定結果を示す図である。
【図９】従来の駆動装置と図３の駆動装置のそれぞれにおける電源電力の内訳を示す図である。
【図１０】図１に示す振動型アクチュエータを駆動する、本発明の第２実施形態に係る制御装置を構成する駆動装置の回路構成を示す図と、駆動装置から出力される駆動信号の周波数特性を示す図である。
【図１１】撮像装置本体の概略構成を示す斜視図と、撮像装置本体に設けられる撮像部の概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において、振動型アクチュエータとは、電気−機械エネルギ変換素子を備えた振動体を有し、振動体に励起された振動によって被駆動体を駆動可能な構成を有するものを指す。また、振動型駆動装置とは、振動型アクチュエータと、振動型アクチュエータの振動体に所定の振動を励起させるための制御装置を備えるものを指す。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る制御装置による駆動対象の一例であるリニア型の振動型アクチュエータの概略構成と駆動原理を説明する図である。図１（ａ）は、振動型アクチュエータ１００の概略構成を示す斜視図である。図１（ｂ）は、振動型アクチュエータ１００を構成する圧電素子１０４に設けられた電極パターンを示す平面図である。図１（ｃ）は、振動型アクチュエータ１００を構成する振動体１０５に励起される第１の振動モードを説明する斜視図である。図１（ｄ）は、振動型アクチュエータ１００を構成する振動体１０５に励起される第２の振動モードを説明する斜視図である。
【００１４】
振動型アクチュエータ１００は、被駆動体１０１及び振動体１０５を備え、振動体１０５は、２つの突起部１０２、弾性体１０３及び圧電素子１０４を有する。２つの突起部１０２及び弾性体１０３は、例えば、ステンレス等の金属材料からなる。弾性体１０３の一方の面に設けられた２つの突起部１０２は、弾性体１０３を構成する板材の機械加工等により弾性体１０３と一体的に形成されていてもよいし、溶接等の接合により弾性体１０３に取り付けられていてもよい。被駆動体１０１と２つの突起部１０２とは、不図示の加圧手段によって、図示のＺ方向で加圧接触している。
【００１５】
電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子１０４には、長手方向で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。例えば、圧電素子１０４の２つの電極領域のうち、右側に位置する電極領域に交流電圧ＶＢを印加し、左側に位置する電極領域に交流電圧ＶＡを印加することにより、図１（ｃ），（ｄ）に示す２つの振動モードの振動を発生させることができる。
【００１６】
図１（ｃ）の第１の振動モードは、２つの突起部１０２を結ぶ方向であるＸ方向と平行に振動体１０５に２つの節線が現れる一次の面外曲げ振動モードである。図１（ｄ）に示す第２の振動モードは、２つの突起部１０２を結ぶＸ方向と弾性体１０３の板厚方向であるＺ方向の両方向と直交するＹ方向と平行に、振動体１０５に３つの節線が現れる二次の面外曲げ振動モードである。
【００１７】
２つの突起部１０２は、第１の振動モードの振動において振動の腹となる位置の近傍、且つ、第２の振動モードの振動において振動の節となる位置の近傍に配置されている。よって、２つの突起部１０２の先端面をそれぞれ、第２の振動モードの振動の節を支点として振り子運動を行ってＸ方向に往復運動させると共に、第１の振動モードの振動によってＺ方向に往復運動させることができる。即ち、第１の振動モードと第２の振動モードの振動位相差が±π／２近傍となるように同時に励振して重ね合わせることにより、２つの突起部１０２の各先端面にＸ−Ｚ面内での楕円運動を生じさせることができる。
【００１８】
２つの突起部１０２と被駆動体１０１との間には加圧接触による摩擦力が働いているため、２つの突起部１０２の楕円運動によって、被駆動体１０１と振動体１０５とを相対的にＸ方向に移動させる摩擦駆動力を発生させることができる。第１の振動モードと第２の振動モードの発生比は、圧電素子１０４の２つの電極領域に印加する交流電圧ＶＡ，ＶＢの位相差を変えることによって変更することができ、これにより、被駆動体１０１と振動体１０５との相対的な移動速度を調整することができる。
【００１９】
図２は、振動型アクチュエータ１００を応用したレンズ駆動機構２００の概略構成を示す斜視図である。レンズ駆動機構２００は、振動体２０１、レンズ保持部材２０２、第１のガイドバー２０３、第２のガイドバー２０４、加圧磁石２０５及びレンズ２０６を備える。振動体２０１は、図１で説明した振動体１０５に対応し、第２のガイドバー２０４は、図１で説明した被駆動体１０１に対応する。
【００２０】
第１のガイドバー２０３及び第２のガイドバー２０４は、互いに平行となるように、不図示の基体に保持されている。レンズ保持部材２０２は、レンズ２０６を保持する円筒状のホルダ部２０２ａ、振動体２０１と加圧磁石２０５を保持する保持部２０２ｂ、第１のガイドバー２０３が挿通されるガイド部２０２ｃを有する。第１のガイドバー２０３に対してガイド部２０２ｃ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。
【００２１】
永久磁石である加圧磁石２０５と第２のガイドバー２０４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２０５と第２のガイドバー２０４との間に配置された振動体２０１が、第２のガイドバー２０４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１の振動体１０５の突起部１０２に対応する）が第２のガイドバー２０４と加圧接触して、第２のガイド部が形成される。
【００２２】
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２０１と第２のガイドバー２０４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２００では、レンズ保持部材２０２に設けられた脱落防止部２０２ｄが第２のガイドバー２０４に当接することで、レンズ保持部材２０２（振動体２０１）が所定位置に戻るように構成されている。
【００２３】
振動体２０１に所定の交流電圧を供給することにより、図１を参照した説明の通り、振動体２０１と第２のガイドバー２０４との間に摩擦駆動力が発生し、この摩擦駆動力によりレンズ保持部材２０２が駆動される。なお、ここでは、振動体２０１がレンズ保持部材２０２と共に光軸方向に移動するレンズ駆動機構２００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。
【００２４】
＜第１実施形態＞
図３は、振動型アクチュエータ１００を駆動する、本発明の第１実施形態に係る制御装置を構成する駆動装置３００の回路構成を示す図である。駆動装置３００は、パルス信号生成回路３０１及び昇圧回路３０２を有する。
【００２５】
パルス信号生成回路３０１は、例えば後述の制御回路４０２（図４参照）からの出力に基づき、電圧信号を生成する。具体的には、パルス信号生成回路３０１は、振動体１０５をその共振周波数の略１／３の周波数で動作させるためのパルス信号Ａ１と、パルス信号Ａ１に対して１８０度の位相差を有するパルス信号Ａ２を出力する発振器を有する。また、パルス信号生成回路３０１は、直流電源を供給する不図示のＤＣ−ＤＣコンバータ回路等が接続され、パルス信号Ａ１，Ａ２によってスイッチング素子がオン／オフ制御されることで電圧信号を出力するスイッチング回路（Ｈブリッジ回路）を有する。
【００２６】
なお、本実施形態では、パルス信号Ａ１，Ａ２は矩形波であるとする。パルス信号Ａ１，Ａ２のパルスデューティは、周知のＰＷＭ（パルス幅変調）制御によって所望の電圧値が得られるように調整され、その際に、後述の通りに３次高調波が大きくなる値に設定される。
【００２７】
スイッチング回路で発生された電圧信号は、パルス信号生成回路３０１からの出力として、昇圧回路３０２へ送られる。なお、以下の説明では、パルス信号生成回路３０１から出力される電圧信号の周波数を「駆動周波数」と称呼する。
【００２８】
昇圧回路３０２は、コイル３０４及びトランス３０５を有し、パルス信号生成回路３０１から入力された電圧信号を所定の電圧値へ昇圧する。昇圧回路３０２では、入力された電圧信号は、昇圧回路３０２によるフィルタ効果によって矩形から正弦波形に変換され、駆動信号として振動体１０５が備える圧電素子１０４へ印加される。本実施形態では、後述するように、基本波の電圧増幅率よりも３次高調波の電圧増幅率が大きくなるように、昇圧回路３０２の電気共振周波数が調整される。
【００２９】
ここで、圧電素子１０４の等価回路について説明する。圧電素子１０４の等価回路は、振動体１０５の機械的振動部分のＲＬＣ直列回路と、このＲＬＣ直列回路に並列に接続された圧電素子１０４の固有静電容量Ｃｄとしてのコンデンサ３０６とによって構成される。ＲＬＣ直列回路は、自己インダクタンスＬｍの等価コイル３０７、静電容量Ｃｍの等価コンデンサ３０８及び抵抗値Ｒｍの等価抵抗３０９からなる。
【００３０】
図４は、駆動装置３００を有する、振動型アクチュエータ１００の本発明の第１実施形態に係る制御装置４００の構成を示すブロック図である。制御装置４００は、指令値生成部４０１、制御回路４０２、駆動装置３００及び位置検出部４０７を備える。制御回路４０２は、フィードバック演算部４０９、位相差変換部４１１、周波数変換部４１２、位相差・周波数判定部４１３及び電圧調整部４１４を備える。駆動装置３００は、上述の通り、パルス信号生成回路３０１及び昇圧回路３０２を有する。
【００３１】
指令値生成部４０１は、被駆動体１０１と振動体１０５との相対位置の時間毎の指令値を生成する。また、位置検出部４０７が、振動型アクチュエータ１００に設けられた不図示のエンコーダ（位置センサ）からの検出信号に基づき、被駆動体１０１と振動体１０５との相対位置４０８を求める。指令値生成部４０１が生成した指令値と位置検出部４０７から出力される相対位置４０８との差分が位置偏差４１５として演算され、フィードバック演算部４０９に入力される。
【００３２】
フィードバック演算部４０９には、例えば、ＰＩＤ演算器等が用いられるが、これに限定されるものではない。フィードバック演算部４０９は、位置偏差４１５に基づき、例えばＰＩＤ演算等によって、制御量４１０を算出する。制御量４１０は、位相差変換部４１１と周波数変換部４１２へ入力される。
【００３３】
位相差変換部４１１と周波数変換部４１２により、制御量４１０は、振動型アクチュエータ１００を駆動するための制御パラメータである位相差制御量と周波数制御量とに変換される。位相差変換部４１１から出力される位相差制御量と周波数変換部４１２から出力される周波数制御量は、位相差・周波数判定部４１３へ入力される。位相差・周波数判定部４１３は、位相差制御量と周波数制御量から制御信号を生成し、駆動装置３００のパルス信号生成回路３０１へ入力する。
【００３４】
周波数変換部４１２の基準周波数は、振動体１０５の共振周波数の約１／３に設定されている。これにより、後述のように、駆動周波数を振動体１０５の共振周波数の約１／３としている。
【００３５】
駆動装置３００の動作については、図３を参照して既に説明しているため、ここでは、簡単な説明に止める。パルス信号生成回路３０１は、入力された制御信号に含まれる位相差及び周波数と、電圧調整部４１４から入力されるパルス幅情報とに基づいて、位相の異なるパルス信号Ａ１，Ａ２を生成する。パルス信号生成回路３０１からのパルス信号Ａ１，Ａ２に基づく出力（電圧信号）は、昇圧回路３０２によって所定の電圧値へ昇圧され、振動体１０５が備える圧電素子１０４へ印加される。振動体１０５に励起された振動による振動体１０５と被駆動体１０１との相対的な移動量は、前述の通り、不図示のエンコーダによって検出され、位置検出部４０７へ入力される。こうして、制御装置４００は、振動型アクチュエータ１００のフィードバック制御を行う。
【００３６】
なお、本実施形態では、制御装置４００は、圧電素子１０４を２相に分けて駆動する２相駆動を行うものとして説明する。但し、制御装置４００は、２相以上の駆動信号による駆動が可能な振動型アクチュエータへの適用も可能である。
【００３７】
次に、制御回路４０２について詳細に説明する。図５は、位相差・周波数判定部４１３からの出力（制御量）を説明する図である。図５（ａ）は、制御量に基づく位相差と周波数の出力を示しており、横軸には制御量が、縦軸左には位相差が、縦軸右には周波数がそれぞれ取られている。
【００３８】
位相差・周波数判定部４１３は、制御量の絶対値が小さい領域を位相差制御領域として位相差を変化させ、制御量の絶対値が大きい領域を周波数制御領域として周波数を変化させるように、制御量に応じて位相差又は周波数による制御を切り換える。
【００３９】
位相差制御領域では、周波数が周波数上限値に固定され、位相差を位相差上限値から下限値の間で変化させることにより、駆動方向の反転、停止、低速領域での速度を制御する。このとき、後述するように、駆動周波数は振動体１０５の共振周波数の約１／３に設定されるため、位相差上限値と位相差下限値も同様に約１／３とする必要がある。例えば、振動体１０５を共振周波数近傍で駆動したときの位相差の制御範囲が＋１２０度〜−１２０度である場合には、位相差・周波数判定部４１３は、位相差の制御範囲を＋４０度〜−４０度に設定する。
【００４０】
周波数制御領域では、位相差を位相差下限値又は位相差上限値に固定し、周波数を周波数上限値から周波数下限値の間（例えば、９２ｋＨｚ〜８９ｋＨｚ）で変化させることにより、高速駆動領域での速度を制御する。
【００４１】
図５（ｂ）は、図５（ａ）の制御量に基づく振動型アクチュエータ１００の駆動速度（被駆動体１０１の移動速度）を示す図である。図５（ｂ）では、横軸に制御量が、縦軸に駆動速度が取られており、下段に示す楕円運動は、突起部１０２の先端の動きを模式的に示している。なお、駆動速度−３００〜＋３００ｍｍ／ｓは、一例であって、振動型アクチュエータ１００における被駆動体１０１と振動体１０５の相対的な移動速度は、この範囲に限定されるものではない。また、駆動速度の正負は、駆動方向が逆方向であることを示している。
【００４２】
駆動速度が−５０〜＋５０ｍｍ／ｓの低速駆動領域では、位相差制御が行われており、それ以外の高速駆動領域では、周波数制御が行われる。位相差制御では、突起部１０２の楕円運動は楕円比（楕円の縦横比）が変化するように制御され、位相差の符号が反転することによって楕円運動の方向が変化する。そして、楕円比が０（ゼロ）となる縦長形状では、駆動速度は０（ゼロ）となる。一方、周波数制御では、楕円運動の楕円比が一定に保持された状態で、楕円振幅を変化させることにより駆動速度を制御する。これらの制御によって、制御量に対して駆動速度ができるだけ線形となるように、位相差と周波数は設定される。
【００４３】
図６は、昇圧回路３０２の電気共振周波数と昇圧回路３０２から出力される駆動信号の周波数特性を示す図であり、昇圧回路３０２による電圧増幅率を説明する図である。図６（ａ）〜（ｃ）にはそれぞれ、昇圧回路３０２において、コイル３０４とトランス３０５の回路定数を変えた場合の、昇圧回路３０２の電気共振周波数ｆｅの変化が示されている。電気共振周波数ｆｅは、コイル３０４とトランス３０５と圧電素子１０４の固有静電容量であるコンデンサ３０６との値によって決定される。
【００４４】
ここでは、駆動周波数ｆｐ（パルス信号生成回路３０１から出力される電圧信号の周波数）が３０ｋＨｚであり、振動体１０５の共振周波数ｆｍが８６ｋＨｚであるものとして、昇圧回路３０２の構成を決定する。
【００４５】
図６（ａ）は、コンデンサ３０６が０．５４ｎＦである場合に、トランス３０５の１次巻線コイルを３０μＨ、２次巻線コイルを７．６８ｍＨ、コイル３０４を０μＨとした例を示しており、電気共振周波数ｆｅは２７７ｋＨｚとなっている。この場合、ｆｍ／３≦ｆｐ≦ｆｅ／３、の関係が成り立っている。この関係が満たされているとき、振動体１０５の共振周波数の略１／３の周波数で振動体１０５を駆動することができ、且つ、昇圧回路３０２による３次高調波（９０ｋＨｚ）の電圧増幅率を基本波（３０ｋＨｚ）の電圧増幅率よりも大きくすることができる。したがって、効率的に３次高調波を用いた振動体１０５の駆動が可能となる。
【００４６】
図６（ｂ）は、電気共振周波数ｆｅを２７７ｋＨｚから低域側へシフトさせた一例を示している。ここでは、トランス３０５とコンデンサ３０６の回路定数は図６（ａ）の場合と同じであり、コイル３０４を１０μＨに変えることにより、電気共振周波数ｆｅを１３３ｋＨｚへシフトさせている。この場合、ｆｍ／３≦ｆｐ≦ｆｅ／３、の関係が満たされているのみならず、２ｆｐ≦ｆｍ≦３ｆｐ、且つ、２ｆｐ≦ｆｅ、の関係が成り立っている。
【００４７】
駆動周波数ｆｐの基本波よりも３次高調波を多く用いることによって、駆動効率を高くすることができる。そこで、ここでは、基本波と３次高調波の中心となる２ｆｐを基準とし、２ｆｐでの電圧よりも３ｆｐの電圧が大きくなるように電気共振周波数ｆｅを調整している。図６（ｂ）の条件が成立している場合には、図６（ａ）の条件が成立している場合よりも更に高い効率で、３次高調波を用いた振動体１０５の駆動が可能となる。
【００４８】
図６（ｃ）は、電気共振周波数ｆｅを１３３ｋＨｚから更に低域側へシフトさせた一例（参考例）を示している。ここでは、トランス３０５の回路定数は図６（ａ）の場合と同じであり、コイル３０４を１０μＨ、コンデンサ３０６を３．０ｎＦに変えることにより、電気共振周波数ｆｅを６０ｋＨｚへシフトさせている。この場合、図６（ａ），（ｂ）で成立している条件（ｆｍ／３≦ｆｐ≦ｆｅ／３）を満たしておらず、ｆｅ／３＜ｆｍ／３＜ｆｐとなっている。この場合、３次高調波の電圧増幅率は基本波の電圧増幅率よりも小さくなるため、振動体１０５の駆動効率が低下してしまう。
【００４９】
図７（ａ）は、パルス信号Ａ１，Ａ２のパルス幅Ｔｗと、昇圧回路３０２から出力される駆動信号における基本波と３次高調波との関係を示す図である。パルス信号Ａ１，Ａ２の周期Ｔに対するパルス幅Ｔｗの比であるパルスデューティＴｗ／Ｔは、例えば、１７％に設定される。これにより、昇圧回路３０２から出力される駆動信号は、基本波に対して３次高調波が大きくなっており、これが本実施形態での特徴の１つである。
【００５０】
図７（ｂ）は、昇圧回路３０２から出力される駆動信号の、パルス信号Ａ１，Ａ２パルスデューティＴｗ／Ｔに対する基本波と３次高調波のそれぞれの電圧比を算出した結果を示す図である。基本波の電圧比は、各パルスデューティＴｗ／Ｔでの基本波の電圧値（Ｖｐ−ｐ）をパルスデューティＴｗ／Ｔが５０％の基本波の電圧値（Ｖｐ−ｐ）で除した値である。よって、基本波の電圧比は、パルスデューティＴｗ／Ｔが５０％のときに１となる。また、３次高調波の電圧比は、各パルスデューティＴｗ／Ｔでの３次高調波の電圧値（Ｖｐ−ｐ）を、パルスデューティＴｗ／Ｔが５０％の基本波の電圧値（Ｖｐ−ｐ）で除した値である。
【００５１】
従来は、振動型アクチュエータ１００の駆動に際して、基本波を大きくし、できる限り３次高調波を小さくしている。しかし、３次高調波を用いて振動型アクチュエータ１００を効率よく駆動するためには、できる限り基本波を小さくし、３次高調波を大きくすることが望ましく、０％＜Ｔｗ／Ｔ＜３３％の範囲が、この条件に適合することがわかる。理論的な最適値は、３次高調波の電圧比が最大となり、且つ、基本波が小さい１７％であるが、以下に説明する実験結果を考慮すると、パルスデューティＴｗ／Ｔを１０〜２０％の範囲に設定するのが望ましい。
【００５２】
図８は、制御装置４００により振動型アクチュエータ１００を駆動した場合の駆動速度と電源電力の測定結果を示す図である。振動型アクチュエータ１００は、パルスデューティＴｗ／Ｔに関係なく、一定の条件で設置されている。図８には、駆動周波数ｆｐは３０ｋＨｚ、パルス信号Ａ１，Ａ２の位相差は３３度に設定され、パルスデューティＴｗ／Ｔを１０〜４０％の範囲で変化させたときの被駆動体１０１の駆動速度を測定した結果が示されている。
【００５３】
従来の振動型アクチュエータ１００の駆動方法では、一般的に、パルスデューティＴｗ／Ｔが５０％のときに最も速度が高くなる。これに対して、本実施形態では、パルスデューティＴｗ／Ｔが１７％のときに最も速度が高くなり、電源電力はパルスデューティＴｗ／Ｔが１３％のときに最も小さくなる。これは、駆動周波数ｆｐが従来の略１／３（振動体１０５の共振周波数ｆｍの１／３）であり、３次高調波を用いて駆動するからである。図８に示される測定結果では、パルスデューティＴｗ／Ｔが１５％近傍である場合に、振動型アクチュエータ１００を最も高い効率で駆動することができることがわかる。一方、電源電力の観点からは、パルスデューティＴｗ／Ｔが１０％〜２０％の範囲で、電源電力が小さくなっている。これらのことから、パルスデューティＴｗ／Ｔを１０％〜２０％の範囲とすることで、駆動速度と電源電力とを考慮したバランスのよい駆動が可能になると判断することができる。
【００５４】
図９（ａ）は、従来の駆動装置における電源電力の内訳を示す図であり、駆動周波数ｆｐは９０ｋＨｚ、２相のパルス信号の位相差は１１０度、パルスデューティＴｗ／Ｔは５０％に設定されている。一方、図９（ｂ）は、駆動装置３００における電源電力の内訳を示す図であり、昇圧回路３０２には図６（ａ）の特性を示す回路（駆動周波数ｆｐ：３０ｋＨｚ、２相のパルス信号の位相差：３３度、パルスデューティＴｗ／Ｔ：１５％）を用いている。そして、図９（ａ），（ｂ）共に、振動型アクチュエータ１００の被駆動体１０１の駆動速度が１５０ｍｍ／ｓとなるときの電源電力に対する各損失の内訳を算出した結果を示している。
【００５５】
図９（ａ），（ｂ）に共通して、スイッチ損失は、パルス信号生成回路を構成するスイッチング回路のスイッチング素子のオン／オフ時に生じる損失である。コイル損失は、昇圧回路のコイルの抵抗で生じる熱損失である。オン抵抗損失は、パルス信号生成回路を構成するスイッチング回路のスイッチング素子のオン抵抗で生じる熱損失である。トランス損失は、昇圧回路を構成するトランスの２次巻線コイルと１次巻線コイルの各抵抗で生じる熱損失である。これらが駆動装置の回路損失であり、スイッチ損失は駆動周波数ｆｐが高くなるにしたがって増加し、熱損失は駆動電流が大きくなるにしたがって増加する。モータ損失は、振動型アクチュエータ１００の内部損失と摺動損失の合計値である。
【００５６】
図９（ａ），（ｂ）の各損失を比較すると、駆動装置３００では、従来の駆動装置よりも、スイッチ損失とトランス損失が小さくなっていることがわかる。スイッチ損失の低減は、駆動周波数ｆｐが１／３となったことに起因している。また、トランス損失の低減は、駆動電流が小さくなっていることに起因する。これは、駆動周波数ｆｐが９０ｋＨｚの従来の駆動装置では、高域側の電流（昇圧回路の電気共振周波数２７７ｋＨｚに近い電流）が多くなるのに対して、駆動周波数ｆｐが３０ｋＨｚである駆動装置３００では、高域側の不要な電流が抑えられるためである。このように図９（ａ），（ｂ）から、駆動装置３００では、従来の駆動装置よりも小さな電力で、従来の駆動装置で得られる駆動特性と同じ駆動特性を得ることができることがわかる。
【００５７】
以上の説明の通り、本実施形態に係る駆動装置３００は、パルス信号生成回路３０１で発生させるパルス信号Ａ１，Ａ２の周波数を従来よりも低くすることができるため、パルス信号生成回路３０１のコストダウンと小型化が可能になる。また、振動型アクチュエータ１００を従来と同じ駆動速度が得られる条件で駆動した際の電源電力を小さく抑えることができる。したがって、例えば、駆動装置３００を撮像装置のレンズ駆動機構２００に適用した場合に、従来と同等の駆動特性を小さな消費電力で得ることができ、撮像装置の電源として用いられるバッテリでの電力消費を抑制することができる。
【００５８】
本実施形態では、周波数変換部４１２の基準周波数を、振動体１０５の共振周波数ｆｍの約１／３に設定することで、駆動周波数ｆｐを振動体１０５の共振周波数ｆｍの約１／３としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、パルス信号生成回路３０１が駆動周波数ｆｐを振動体１０５の共振周波数ｆｍの約１／３とする構成を内蔵していてもよい。
【００５９】
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、第１実施形態で説明した駆動装置３００に、ハイパスフィルタの機能を加えた駆動装置について説明する。
【００６０】
図１０（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る制御装置を構成する駆動装置３００Ａの回路構成を示す図である。駆動装置３００Ａのうち、図３に示した駆動装置３００と同じ要素については、同じ符号を付して、説明を省略する。駆動装置３００Ａは、パルス信号生成回路３０１と、昇圧回路３０２Ａから構成される。
【００６１】
昇圧回路３０２Ａは、駆動周波数ｆｐの基本波の電圧を低減するハイパスフィルタとして機能する。即ち、昇圧回路３０２Ａは、コイル３０４、トランス３０５及びコンデンサ１００１から構成されており、コンデンサ１００１のキャパシタンスを調整することにより、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を変えることが可能な構成となっている。例えば、駆動周波数ｆｐが３０ｋＨｚ、振動体１０５の共振周波数ｆｍが８６ｋＨｚである場合に、駆動周波数ｆｐの電圧を低減するためにカットオフ周波数を５５ｋＨｚに設定する。そのためには、トランス３０５の１次巻線コイルが３０μＨで２次巻線コイルが７．６８ｍＨ、コイル３０４が１０μＨ、圧電素子１０４のコンデンサ３０６が０．５４ｎＦであれば、コンデンサ１００１を１５０ｎＦとすればよい。
【００６２】
図１０（ｂ）は、昇圧回路３０２Ａから出力される駆動信号の周波数特性を示す図である。駆動周波数ｆｐが３０ｋＨｚの基本波の電圧は低くなっているが、３次高調波である９０ｋＨｚの電圧は高められており、これにより、より高い効率で振動型アクチュエータ１００を駆動することができることがわかる。なお、このときの昇圧回路３０２Ａの電気共振周波数ｆｅは１７０ｋＨｚであり、ｆｍ／３≦ｆｐ≦ｆｅ／３、の関係が満たされており、また、２ｆｐ≦ｆｍ≦３ｆｐ、且つ、２ｆｐ≦ｆｅ、の関係も満たされている。
【００６３】
駆動装置３００（図３参照）を備える制御装置４００（図４参照）により振動型アクチュエータ１００を駆動したときの被駆動体１０１の最高駆動速度は３００ｍｍ／ｓであり、このときの電源電力は約０．４Ｗであった（図８参照）。これと同じ条件（パルスデューティＴｗ／Ｔ：１５％、パルス信号Ａ１，Ａ２の位相差：３３度）で、駆動装置３００Ａを備える制御装置により振動型アクチュエータ１００を駆動した場合の最高駆動速度は３３０ｍｍ／ｓとなった。また、このときの電源電力は、０．３１Ｗとなった。よって、振動型アクチュエータ１００の駆動効率を更に高めて、省電力化が可能になると共に、駆動性能を向上させることができる。
【００６４】
＜第３実施形態＞
第３実施形態では、第１実施形態で説明した駆動装置又は第２実施形態で説明した駆動装置３００Ａを、光学装置の塵埃除去装置に適用した例について説明する。図１１（ａ）は、撮像装置本体１１００の概略構成を示す斜視図であり、レンズ鏡筒（撮影レンズ）が外された状態が示されている。撮像装置本体１１００の内部には、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１１０２が設けられており、ミラーボックス１１０２内にメインミラー（クイックリターンミラー）１１０３が配設されている。
【００６５】
図１０（ｂ）は、塵埃除去装置が装備されたカメラ本体１１０１の撮像部１１１０の概略構成を示す斜視図である。撮像部１１１０は、撮影光軸上で、不図示の撮影レンズとミラーボックス１１０２を通過した光束が光学像（被写体像）として結像する位置に配置されている。
【００６６】
撮像部１１１０は、光学像を電気信号に変換するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子である撮像素子１１０４を有する。撮像素子１１０４には、撮像素子１１０４の被写体側の面（撮像面）の空間が密封されるように振動体１１０５が取り付けられている。振動体１１０５は、弾性体である矩形の板状を有する光学部材１１０６と、光学部材１１０６の長手方向端に接着された１対の圧電素子１１０７ａ，１１０７ｂを有する。光学部材１１０６は、カバーガラス、赤外線カットフィルタ又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、光学部材１１０６を透過した光が撮像素子１１０４に入射する。
【００６７】
圧電素子１１０７ａ，１１０７ｂは、図１を参照して説明した圧電素子１０４と同等の構成を有する。圧電素子１１０７ａ，１１０７ｂに駆動周波数ｆｐの駆動信号を印加することによって振動体１１０５に振動を励起させて、光学部材１１０６に付着した塵埃を光学部材１１０６から除去する。
【００６８】
圧電素子１１０７ａ，１１０７ｂの各電極には、駆動装置１１２０が接続されている。ここでは、便宜上、２つの駆動装置１１２０が示されているが、１つの駆動装置１１２０から圧電素子１１０７ａ，１１０７ｂへ駆動信号を印加する構成とすることができる。駆動装置１１２０は、パルス信号生成回路３０１と昇圧回路３０２Ｂを有する。パルス信号生成回路３０１の構成は、図３を参照して説明した通りであるため、ここでの説明を省略する。なお、パルス信号生成回路３０１は、ここでは、駆動周波数ｆｐが４０ｋＨｚ、パルスデューティが１５％の２相のパルス信号を昇圧回路３０２Ｂへ出力するものとする。
【００６９】
昇圧回路３０２Ｂは、ここでは、インダクタンスが６８μＨのコイルのみから構成されている。また、振動体１１０５の共振周波数ｆｍは１１０ｋＨｚであり、圧電素子１１０７ａ，１１０７ｂの静電容量はそれぞれ１０．７８ｎＦであるとする。この場合、昇圧回路３０２Ｂのコイルと圧電素子１１０７ａ，１１０７ｂの静電容量による電気共振周波数ｆｅは１８６ｋＨｚとなる。よって、ｆｍ／３≦ｆｐ≦ｆｅ／３、の関係が満たされており、また、２ｆｐ≦ｆｍ≦３ｆｐ、且つ、２ｆｐ≦ｆｅ、の関係も満たされている。
【００７０】
よって、パルス信号生成回路３０１で生成可能な駆動周波数より高い共振周波数を有する振動体１１０５を効率よく駆動することができるため、パルス信号生成回路３０１のコストダウンと小型化、回路損失の低減による省電力化を実現することができる。
【００７１】
＜その他の実施形態＞
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。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。
【００７２】
例えば、第１実施形態では、本発明に係る駆動装置３００を有する制御装置４００により、オートフォーカス用のレンズを駆動する例について説明したが、これに限られず、例えば、制御装置４００は、ズーム用のレンズを駆動する用途に用いることができる。また、本発明に係る駆動装置は、撮像装置において、レンズ又は撮像素子を光軸方向と略直交する平面内で移動させることにより手ぶれ等による像ぶれ補正を行う振動型アクチュエータ（振動体）の駆動にも用いることができる。
【符号の説明】
【００７３】
１００    振動型アクチュエータ
１０１    被駆動体
１０２    突起部
１０３    弾性体
１０４    圧電素子
１０５，２０１    振動体
２００    レンズ駆動機構
３００，３００Ａ    駆動装置
３０１    パルス信号生成回路
３０２    昇圧回路
３０４    コイル
３０５    トランス
３０６    コンデンサ
４００    制御装置
【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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