(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性体に駆動用電気−機械エネルギー変換素子部と振動検出用電気−機械エネルギー変換素子部とを配置した構造の振動体を有する振動型アクチュエータを駆動対象とする振動型アクチュエータの駆動装置において、
前記駆動用電気−機械エネルギー変換素子部の一端に接続した抵抗からなる第一の分圧手段と、
前記駆動用電気−機械エネルギー変換素子部の他端に接続され、第一の分圧手段と分圧比の等しい抵抗からなる第二の分圧手段と、
前記振動検出用電気−機械エネルギー変換素子部の一端に接続した抵抗からなる第三の分圧手段と、
前記振動検出用電気−機械エネルギー変換素子部の他端に接続され、第三の分圧手段と分圧比の等しい抵抗からなる第四の分圧手段と、
前記第一の分圧手段の出力と第二の分圧手段の出力を比較する第一の比較手段と、
前記第三の分圧手段の出力と第四の分圧手段の出力を比較する第二の比較手段を有し、
前記第一の比較手段の出力と第二の比較手段の出力に応じて前記駆動用電気−機械エネルギー変換素子部へ印加する交番信号を制御することを特徴とする振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項２】
一つの分圧手段にて前記第二の分圧手段と前記第四の分圧手段が兼用されることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の振動型アクチュエータの駆動装置を制御装置に有し、前記振動型アクチュエータを駆動源として被駆動体を駆動制御することを特徴とする振動型アクチュエータを駆動源とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動波モータ等の振動型アクチュエータの駆動装置に係り、特に振動状態を検出して、駆動用電気−機械エネルギー変換素子部としての圧電素子へ印加する交番信号を制御する駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、振動波モータ等の振動型アクチュエータが開発され、本出願人等によって実用化されている。この振動型アクチュエータは、既によく知られているように、圧電素子もしくは電歪素子などの電気−機械エネルギー変換素子に交番信号を印加することにより、該素子に高周波振動を発生させ、その振動エネルギーを連続的な機械運動として取り出すように構成されている。なお、この動作原理は公知であるため省略する。
【０００３】
図９は振動型アクチュエータとしての従来の棒状振動波モータの側面図およびそこに構成されている圧電素子の電圧供給および出力電圧の取り出しの配線図である。１０１は該棒状振動波モータを構成する振動体で、圧電素子もしくは電歪素子と弾性体との結合体から成る。
【０００４】
振動子部１０１の圧電素子部は、駆動用のＡ相圧電素子ａ１，ａ２およびＢ相圧電素子ｂ１，ｂ２と振動検出圧電素子ｓ１から構成されている。このときＡ相圧電素子ａ１，ａ２に挟まれた部分の電極板Ａ−ｄにＡ相印加電圧，Ｂ相圧電素子ｂ１，ｂ２に挟まれた部分の電極板Ｂ−ｄにＢ相印加電圧を加えることで、該圧電素子が駆動される。
【０００５】
また、このときＡ相圧電素子ａ１，ａ２およびＢ相圧電素子ｂ１，ｂ２の裏側はグランド電極板ＧＮＤ−ｄが配置されてＧＮＤ電位になっている。
【０００６】
振動検出圧電素子ｓ１は、同様に一方（図９のＢ相側）はＧＮＤ電位になっており、その反対側の電極板Ｓ−ｄから信号を取り出すように構成されている。またこのとき振動検出圧電素子ｓ１の信号取り出し面側（電極板Ｓ−ｄ側）は、金属ブロックと接しているが、そのブロックは絶縁シートによりＧＮＤ電位から絶縁されている。よって振動検出圧電素子ｓ１からその振動に応じた出力電圧がそのまま得られる。そして、この電圧の大きさや駆動電圧との位相差などにより共振周波数などを求める。
【０００７】
図１０はこのような振動波モータを用いたときの駆動回路を示し、２は交番電圧を発生する発振器、３は９０°移相器、４，５は該発振器２および移相器３からの交番電圧（信号）を電源電圧でスイッチングするスイッチング回路、６，７はスイッチング回路４，５でスイッチングされたパルス電圧を増幅する昇圧コイルである。
【０００８】
８はＡ相駆動電極と振動検出電極Ｓの信号位相差を検出する位相差検出器である。１０は制御用マイコンである。制御用マイコン１０は、振動波モータが駆動すべきある周波数の交番信号を与えるように発振器２に指令を与える。このとき駆動電極Ａと振動検出電極Ｓの信号はきれいな正弦波である。この信号は高圧コンパレータ１１，１２によって方形波になり、位相差検出器８はそのときの位相差に相当する信号をマイコン１０に出力することが可能である。マイコン１０はこの信号から現在共振周波数に対しどの程度ずれているかを判断し最適な周波数で駆動するよう制御する。このようにして、駆動周波数の制御を行うことができる。
【０００９】
また、振動波モータは圧電素子を使うため駆動電圧が高くなるという問題がある。この対策として図１１のようなフローティング構造にして従来の電圧の半分で駆動できるという方法が考えられている。この構成は公知なので簡単に説明すると、圧電素子ａ１と圧電素子ｂ１とはその両面に電極板Ａ−ｄ，Ａ’−ｄ、Ｂ−ｄ，Ｂ’−ｄにそれぞれ挟持された状態でこれらの電極板と接触しているが、隣接する電極板Ａ’−ｄとＢ−ｄとは絶縁シートにより絶縁されている。
【００１０】
図１２はこのような振動波モータを用いたときの駆動回路を示し、Ａ，Ａ’およびＢ，Ｂ’は該圧電素子もしくは電歪素子に交番電圧を印加するための駆動電極、２は交番電圧を発生する発振器、３は９０°移相器、４Ａ，４Ａ’，５Ｂ，５Ｂ’は、該発振器２および移相器３からの交番電圧を電源電圧でスイッチングするスイッチング回路、６，７はスイッチング回路４Ａ，４Ａ’，５Ｂ，５Ｂ’でスイッチングされたパルス電圧を増幅する昇圧コイルである。
【００１１】
１０は制御用マイコンで、振動波モータが駆動すべきである周波数の交番電圧を与えるように発振器２に指令を与える。このときスイッチング回路４Ａ，４Ａ’および５Ｂ，５Ｂ’位相の１８０度ずれた信号が入力されそのタイミングでスイッチングされる。このとき振動体の駆動電極Ａ，Ａ’およびＢ，Ｂ’には見かけ上電源電圧の２倍の電圧がコイルを介して印加されているかのようになる。よって、従来の電圧の半分で駆動できるようになる。
【００１２】
また、このような構造のときの振動状態検出手段として、図１２に示すように駆動用および振動検出用圧電素子の両端の電圧差から位相情報を得る差動コンパレータを用いて波形を方形波にし、それらの位相差を検出することで共振周波数からどの程度離れているかがわかるようになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように上記従来例でフローティング駆動における共振検出法を得ることができたが、そのときに処理する電圧が通常のＴＴＬレベルより大きいため、高圧コンパレータのような高電圧を処理できる手段が必要であった。
【００１４】
本出願に係る第１の発明の目的は、振動型アクチュエータの駆動装置の構成の改善を図ろうとするものである。
【００１５】
本出願に係る第２の発明の目的は、振動型アクチュエータを駆動源として被駆動体を駆動する装置の改善を図ろうとするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本出願に係る第１の発明の目的を実現する第１の構成は、弾性体に駆動用電気−機械エネルギー変換素子部と振動検出用電気−機械エネルギー変換素子部とを配置した構造の振動体を有する振動型アクチュエータを駆動対象とする振動型アクチュエータの駆動装置において、前記駆動用電気−機械エネルギー変換素子部の一端に接続した抵抗からなる第一の分圧手段と、前記駆動用電気−機械エネルギー変換素子部の他端に接続され、第一の分圧手段と分圧比の等しい抵抗からなる第二の分圧手段と、前記振動検出用電気−機械エネルギー変換素子部の一端に接続した抵抗からなる第三の分圧手段と、前記振動検出用電気−機械エネルギー変換素子部の他端に接続され、第三の分圧手段と分圧比の等しい抵抗からなる第四の分圧手段と、前記第一の分圧手段の出力と第二の分圧手段の出力を比較する第一の比較手段と、前記第三の分圧手段の出力と第四の分圧手段の出力を比較する第二の比較手段を有し、前記第一の比較手段の出力と第二の比較手段の出力に応じて前記駆動用電気−機械エネルギー変換素子部へ印加する交番信号を制御するものである。本出願に係る第１の発明の目的を実現する第２の構成は、一つの分圧手段にて前記第二の分圧手段と前記第四の分圧手段を兼用している。
【００２０】
本出願に係る第２の発明の目的を実現する構成は、上記した振動型アクチュエータの駆動装置を制御装置に有し、前記振動型アクチュエータを駆動源として被駆動体を駆動制御するものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態を示す。
【００２２】
図１は本発明による振動型アクチュエータの駆動装置を適用した第１の実施の形態の振動波モータの駆動装置の概略回路図で、図中、図１２に示す従来の回路図に示す回路構成部と同じ回路構成部には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２３】
従来例では、駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子の出力電圧を直接高圧コンパレータ１１、１２に繋いでいたが、本実施の形態では、駆動用のＡ相圧電素子の一端の出力を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２により分圧し、他端の出力を抵抗Ｒ３とＲ４により分圧し、Ａ相圧電素子の各端の分圧出力をコンパレータ１２’の＋−の各端子に入力させている。
【００２４】
また、振動検出用圧電素子Ｓについても、一端の出力を抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６により分圧し、他端の出力を抵抗Ｒ７とＲ８により分圧し、振動検出用圧電素子Ｓの各分圧出力をコンパレータ１１’の＋−の各端子に入力させている。
【００２５】
これらのコンパレータ１１’，１２’は高圧用ではなく普通のタイプのものであり、これらのコンパレータ１１’，１２’の出力は、位相差検出器８に入力され、駆動制御に供されることになる。
【００２６】
図２の（ａ）に本実施の形態における振動波モータの駆動用圧電素子がフローティング式の構成のときの駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子の出力電圧波形、図２の（ｂ）に上記分圧回路の出力電圧波形、図２の（ｃ）にコンパレータの出力波形を示す。
【００２７】
図２の（ａ）に示すように、駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子の出力電圧波形には、Ａ相およびＢ相駆動用圧電素子の他端にそれぞれＡ’およびＢ’の電圧が印加され、振動検出用圧電素子Ｓの一端にＢ’の電圧が印加されているため、駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子の出力電圧波形は上記印加電圧が重畳された波形になっている。
【００２８】
しかも、電圧レベルが大きく通常のＴＴＬレベルまででしか動作しないコンパレータでは処理が不可能であることがわかる。ここで、ＴＴＬレベルとはデジタル回路で処理できる信号レベルのことで、本実施の形態では０Ｖ〜５Ｖのアナログ信号とし、０Ｖと５Ｖの電圧で０と１のレベルとしている。
【００２９】
しかし本実施の形態では、Ａ相駆動用圧電素子と振動検出用圧電素子Ｓの出力を分圧する分圧回路では、その電圧をＴＴＬレベルより小さい範囲になるように分圧してコンパレータに入力される。このときＡ，Ｂ相駆動用の両圧電素子の他端のＡ’およびＢ’の電圧もコンパレータのプラス入力側とマイナス入力側の両方とも同じ分圧比になるように分圧されていなければならない。
【００３０】
図２の（ｃ）は駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子の出力電圧を上記のように処理した後、コンパレータを通した後の出力波形である。ここでは、実線で示した駆動用圧電素子の出力電圧の波形および破線で示した振動検出用圧電素子の出力電圧の波形をそれぞれ方形波にしたもので、互いの位相関係が正確に検出されている。
【００３１】
以上のように、駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子の出力電圧を分圧した後にコンパレートすることで、大きな電圧であっても正確に位相情報を得ることができる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図３は本発明による振動型アクチュエータの駆動装置を適用した第２の実施の形態の振動波モータの駆動装置の概略回路図である。
【００３３】
本実施の形態では、駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子の他端を同じ印加電圧になるようにするため、信号を取り出す駆動用の圧電素子をＡ相駆動用圧電素子からＢ相駆動用圧電素子に変更している。
【００３４】
第１の実施の形態のようにＡ相駆動用圧電素子を振動検出のための比較対象にした場合と、本実施の形態のようにＢ相駆動用圧電素子振動検出のための比較対象にした場合では、振動検出用圧電素子の出力電圧との位相差の関係は変わってしまうが、Ａ相駆動用圧電素子を検出対象とした場合と同様に共振周波数に対してどの辺の周波数で駆動されているかは判断できる。また、このような構成にし、しかも分圧比を同じくすることで分圧回路を共通化できる。
【００３５】
その結果、第１の実施の形態では４つ必要であった分圧回路を３つに減らすことが可能となり、回路を削減することができる。
【００３６】
（第３の実施の形態）
図４は本発明の振動型アクチュエータを適用した第３の実施の形態における振動波モータの圧電素子部の構造を示す分解斜視図を示す。
【００３７】
本実施の形態は圧電素子を積層構造にしたもので、各層の圧電体の片面側に電極が形成された圧電素子部における圧電体の上下に対向する電極にそれぞれ交流電圧を印加することにより、上記したフローティング構造と同様の効果が得られるようにしたものである。
【００３８】
図４において、１５−１〜１５−ｎは駆動および振動検出圧電素子部で、スルーホールなどを用いて積層化したものである。
【００３９】
圧電素子部１５−２は、駆動用電極Ａ，Ａ’、Ｂ，Ｂ’および振動検出用電極Ｓの５つの領域に分けられている。圧電素子部１５−３〜１５−ｎに対しては、貫通穴（スルーホール）を用いて給電が成される。また、圧電素子部１５−３〜１５−ｎにおける一方の面は、略十字の絶縁部を隔ててパターンが描かれ、４つの領域に分かれている。これらの４つの領域の電極において、対向している領域がＡ相駆動用およびＢ相駆動用にそれぞれ用いられる電極である。
【００４０】
またこれらの圧電素子部の電極が４つの領域に分けられているのは、モータの駆動力を有効に使うためのものであるが詳しい説明は略す。また、向かい合う電極は互いに逆方向に分極されている。
【００４１】
これらの積層状態の圧電素子部は、フレキシブル基板１６から最上層の圧電素子部１５−１のスルーホールを介して、各電極Ａ，Ａ’及びＢ，Ｂ’に位相の異なる交流電圧が印加される。これにより、振動波モータとしての駆動がなされることとなる。なお、電極Ａと電極Ｂは位置的位相が９０°ずれており、また電極Ａ’および電極Ｂ’に印加される交流電圧は、はそれぞれ電極Ａ，Ｂに対して印加される交流電圧に対して位相が１８０°ずれている。
【００４２】
このような積層構造において、圧電素子部１５−１〜１５−ｎまでが一体で焼成されて一つの部品になるので、圧電素子を電極板を介しながら重ねる必要がなくなり、しかも振動検出用電極Ｓの大きさや位置をある程度調整できるので、出力電圧の大きさもコントロールできる。
【００４３】
よって、振動検出用電極Ｓの出力電圧を駆動電圧と等しい程度にすれば、同じ比率で分圧してもどちらかのＳ／Ｎが悪くなると言うことは防げる。
【００４４】
（第４の実施の形態）
図５、図６は第４の実施の形態を示す。
【００４５】
図５は振動波モータの駆動装置の概略回路図で、コンパレータ１１’およびコンパレータ１２’の入力側に例えばダイオードによるクリップ回路が設けられている。ここで、クリップ回路とは、ある電圧レベル以上や電圧レベル以下になったときにそれ以上行かないようにする回路で、図６では（ａ）の波形の点線の範囲より大きかったり小さかったりしている信号成分をその電圧範囲内になすようにしている。
【００４６】
また片電源のコンパレータでも使用できるようにオフセット回路が設けられている。コンパレータは上述したように、０〜５Ｖのアナログ信号を「０」，「１」（５Ｖ）にする回路であり、このコンパレータを使用する場合、ある電圧より高いか低いかで「０」，「１」（５Ｖ）にするかを決める。これをスレッショルド電圧といい、電圧範囲が０〜５Ｖのアナログ信号であれば、通常２．５Ｖにする。本実施の形態で用いている信号はゼロを中心にプラスマイナスになるサイン状の波形である。それをデジタル信号にするためにはスレッショルド電圧を０Ｖにしたい。そのためには、両電源（プラスマイナスの範囲の電圧範囲で動作する）のコンパレータが必要になる。それを片電源（０Ｖ以上の電圧範囲で動作する）のコンパレータでできるようにするために、入力信号をプラス側に動かせば良く、本実施の形態ではオフセット回路（抵抗Ｒ１１，１２，１３、抵抗Ｒ１９，２０，２１、抵抗Ｒ１５，１６，１７）により行っている。
【００４７】
図６の（ａ）に図５におけるＡ相駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子Ｓの出力電圧波形、図６の（ｂ）に上記クリップ回路の出力電圧波形、図６の（ｃ）にコンパレータの出力波形を示す。
【００４８】
Ａ相駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子Ｓの出力電圧波形は、図６の（ａ）のようになる。クリップ回路ではその電圧をＴＴＬレベルより大きい成分をクリップさせて小さい範囲になるようにして、コンパレータに入力される。このとき圧電素子の他端のＡ’およびＢ’の電圧も同様にクリップさせている。ただし、通常はＡ’，Ｂ’の電圧はＴＴＬレベルより小さい場合が多いので、クリップ回路を省略する事が可能にできる。
【００４９】
図６の（ｃ）は駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子Ｓの出力電圧を以上のように処理した後にコンパレータを通した後の出力波形である。ここでは、駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子Ｓの出力電圧の波形を方形波にし、互いの位相関係が正確に検出されている。
【００５０】
以上のように駆動用圧電素子および振動検出用圧電素子の出力電圧をクリップさせた後にコンパレートすることで大きな電圧であっても正確に位相情報を得ることができる。
【００５１】
（第５の実施の形態）
図７は第５の実施の形態を示す。
【００５２】
図７は振動波モータの駆動装置の概略回路図で、Ａ相圧電素子の一端の出力を抵抗Ｒ１とＲ２により分圧し、振動検出用圧電素子Ｓの他端の出力を抵抗Ｒ５とＲ６で分圧しており、Ａ相圧電素子の分圧出力をコンパレータ１２’の＋入力側へ、また振動検出用圧電素子Ｓの分圧出力をコンパレータ１１’の＋入力側へそれぞれ入力させている。
【００５３】
また、図１０に示す従来の駆動回路では、インダクタンス素子（コイル）をＡ相及びＢ相の駆動用圧電素子の一端にそれぞれ接続していたが、本実施の形態ではＡ相駆動用圧電素子の両端にインダクタンス素子６，６’、Ｂ相駆動用圧電素子の両端にインダクタンス素子７，７’をそれぞれ接続している。
【００５４】
このときのインダクタンスの値は従来の一端だったときの値のほぼ半分にしている。このようにすると駆動用圧電素子の一端Ａに印加している電圧の波形はきれいなＳｉｎ波になり、他端の電圧を差し引かなくても正確な位相情報が得られる。上記した第１の実施の形態のように、圧電素子の片側にインダクタンス素子（６、７）を付けるのと、本実施の形態のように圧電素子の両側に半分の値のインダクタンス素子（６、６’、７、７’）を付けるのとは、インピーダンスのマッチングという意味において等価である。ただ、そのときに圧電素子の両端にインダクタンス素子を付けた場合は圧電素子の容量値とインダクタンスによるフィルタ効果で矩形波の高調波成分が除去されてきれいなサイン波となる。
【００５５】
よって、コンパレータ１１’，１２’のマイナス入力に入れる電圧もＧＮＤレベルのＤＣ電圧で良く、分圧回路を減らすことが可能となる。
【００５６】
（第６の実施の形態）
図８は第６の実施の形態を示す。
【００５７】
図８は上記した実施の形態における駆動装置あるいは振動波モータにより駆動される振動波モータを駆動源として用いたレンズ駆動装置を示す。
【００５８】
振動波モータと一体的に組みつけられているギアｆは、ギア伝達機構Ｇの入力ギアＧＩに噛合し、その出力ギアＧＯはレンズＬ１を保持するレンズ保持部材Ｈに形成されたギアＨＩに噛合している。このレンズ保持部材Ｈは固定筒Ｋにヘリコイド結合し、振動波モータの駆動力によりギア伝達機構Ｇを介して回転駆動されて合焦動作が行われる。
【００５９】
上記した各実施の形態は、振動型アクチュエータとして棒状振動波モータについて述べてきたが、他の円環などの形状のものでもフローティング構造で検出用圧電素子部を持つものであれば、どのような振動型アクチュエータであってもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の発明によれば、振動を検出するときに、高価で複雑な高圧コンパレータを不要とし、安価な汎用コンパレータを使用することができるようになり、しかも回路構成が簡単にできるようになり、駆動装置に関する大きなコストダウンを達成することができる。
【００６１】
また、第２の発明によれば、被駆動体を駆動する装置を安価に提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す振動波モータの駆動装置の概略回路図。
【図２】図１の回路における波形図で、（ａ）は分圧回路の入力側の電圧波形図、（ｂ）は分圧後の電圧波形図、（ｃ）はコンパレータの出力波形図。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す振動波モータの駆動装置の概略回路図。
【図４】本発明の第３の実施の形態における振動波モータの圧電素子の分解斜視図。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す振動波モータの駆動装置の概略回路図。
【図６】図５の回路図における波形図で、（ａ）はクリップ回路の入力側の電圧波形図、（ｂ）はクリップ回路の出力側の電圧波形図、（ｃ）はコンパレータの出力波形図。
【図７】本発明の第５の実施の形態を示す振動波モータの駆動装置の概略回路図。
【図８】本発明の第６の実施の形態を示すレンズ駆動装置の断面図。
【図９】従来例の振動波モータの概略構成図。
【図１０】図９の振動波モータの駆動装置の概略回路図。
【図１１】従来の他の棒状振動波モータの概略構成図。
【図１２】図１１の振動波モータの駆動装置の概略回路図。
【符号の説明】
１…弾性体
２…発振器
３…移相器
４，５，４Ａ，４Ａ’，５Ｂ，５Ｂ’…スイッチング回路
６，７…昇圧コイル
８…位相比較器
１０…制御用マイコン
１１，１２…高圧コンパレータ
１１’，１２’…コンパレータ
１５…積層型圧電素子
１６…フレキシブル基板
１７，１８…昇圧コイル
Ｒ１〜Ｒ２２…抵抗素子
Ａ，Ａ’，Ｂ，Ｂ’…駆動用電極
Ｓ…振動検出用電極
【図１】
0003839898.tif 000002
【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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【図１２】
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