振動型駆動装置の制御装置
【課題】 振動子と被駆動体の相対位置を検出する際に、光学式のリニア型エンコーダ等の別の装置を用いる必要があった。
【解決手段】 本発明の制御装置は、振動子の振動状態を示す信号と、被駆動体に設けられ前記被駆動体の振動を検出する被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて前記振動子と前記被駆動体側振動検出部との相対位置を検出する。
【解決手段】 本発明の制御装置は、振動子の振動状態を示す信号と、被駆動体に設けられ前記被駆動体の振動を検出する被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて前記振動子と前記被駆動体側振動検出部との相対位置を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型駆動装置の制御装置に関するものである。特に振動型駆動装置の振動子と被駆動体との相対位置を検出する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、所定の質点に楕円運動を生じさせ被駆動体を駆動するタイプの振動型駆動装置に関する様々な提案がなされている。振動型駆動装置の基本的な構成としては、特許文献１に示すような構成が知られている。図１２は、特許文献１に記載の振動型駆動装置の構成を示す外観斜視図である。図１２（ａ）に示すように、この振動型駆動装置の振動子は、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体４を備え、弾性体４の裏面には電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子５が接合されている。弾性体４の上面の所定位置には、複数の突起部６が設けられている。
【０００３】
この構成によれば、圧電素子５に交流電圧を印加することにより、弾性体４の長辺方向における２次の屈曲振動と、弾性体４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６に楕円運動が励起される。そして、突起部６に被駆動体７を加圧接触させることにより、被駆動体７を突起部６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６がこの振動子の駆動部として作用する。
【０００４】
図１２（ｂ）に示すように、圧電素子５は分極処理されており、２つの電極Ａ１、Ａ２を備えている。上記２つの電極Ａ１、Ａ２に同相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することにより、上記矩形の弾性体４において長辺方向と平行な方向に延びた２本の節を有する１次の屈曲振動を励振する。これが第１の振動モードとなる。また、２つの電極Ａ１、Ａ２に逆相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することにより、矩形の弾性体４の短辺方向と平行な方向に延びた３本の節を有する２次の屈曲振動を励振する。これが第２の振動モードとなる。そして、上記第１の振動モードと第２の振動モードの組み合わせにより突起部６に楕円運動を励振し、このとき、突起部６に被駆動体を加圧接触させると、被駆動体を直線的に駆動することができるようになっている。
【０００５】
この特許文献１に記載された振動型駆動装置は、圧電素子に印加する２つの交流電圧の周波数又は位相を変化させることによって速度制御を行うことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２０８４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の振動型駆動装置において、振動子と被駆動体の相対位置を検出する際に、光学式のリニア型エンコーダを用いて位置を検出していた。光学式のリニア型エンコーダにより位置を検出する際には、スリットや反射により位置検出を行うことが出来るリニアスケールや受光素子等の構成部品が必要である。そのため、振動型駆動装置を組み込む装置側に上記構成部品を組み込むためのスペースも必要となり、小型化が困難であった。本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、光学式のリニア型エンコーダを用いずに振動子と被駆動体の相対位置検出を行うことができる制御装置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】
本発明の制御装置は上記目的を達成するため、
電気−機械エネルギー変換素子と前記電気−機械エネルギー変換素子に接合され突起部が設けられた弾性体とを備え、前記振動子に駆動信号が印加されることで２つの振動モードの振動を励振し、前記２つの振動モードの振動が組み合わさることにより前記突起部に楕円運動を生成する振動子と、端部を有し、前記突起部に接触して前記振動子と相対移動する被駆動体と、を有する振動型駆動装置の制御装置であって、前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体に設けられ前記被駆動体の振動を検出する被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて前記振動子と前記被駆動体側振動検出部との相対位置を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、被駆動体側に振動検出部を設けることで、光学式のリニア型エンコーダ等を用いずに振動子と被駆動体の相対位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）第１の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成図及び（ｂ）圧電素子の分極領域を示す模式図である
【図２】第１の実施形態の振動型駆動装置における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図３】第２の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成図である。
【図４】第２の実施形態の振動型駆動装置における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図５】第３の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成図である。
【図６】第３の実施形態の信号重畳手段２３における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図７】第３の実施形態の振動型駆動装置における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図８】第４の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成図である。
【図９】第４の実施形態の振動型駆動装置における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図１０】第５の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成図である。
【図１１】第５の実施形態の振動型駆動装置における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図１２】従来の振動型駆動装置の基本的な構成を示す一例を示す外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１の実施形態］
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成を示す図である。本発明の第１の実施形態では、図１に示す、振動子の振動状態を示す信号として圧電素子５から出力される信号と、被駆動体側振動検出部８から出力される信号と、を用いて振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置を検出する装置について説明する。
【００１２】
＜制御装置の構成＞
図１（ａ）に示す振動型駆動装置の制御装置は、振動型駆動装置に駆動信号を印加する駆動信号生成手段２１を有し、その出力側には昇圧回路３１が接続され昇圧回路により昇圧された信号が圧電素子５に印加されている。昇圧回路は駆動に寄与する周波数帯域において振動型駆動装置が動作可能な電圧まで昇圧する。電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子５は、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体４の裏面に接合されている。圧電素子５が接合された面と反対側の弾性体４の表面には、駆動部としての突起部６が複数設けられており、突起部６に被駆動体７が加圧接触している。
【００１３】
圧電素子５は、図１（ｂ）に示すように、３つの電極Ａ１、Ａ２、Ｓ１を備えている。従来例でも述べたように、本発明のような板状の振動子は、２つの振動モードの振動を励起し、２つの振動モードの振動を組み合わせることにより突起部（被駆動体との接触部）に楕円運動を生成する。以下、具体的に２つの振動モードの振動について説明する。上記の電極Ａ１、Ａ２に同相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加すると、上記矩形の弾性体４において長辺方向と平行な方向に延びた２本の節を有する１次の屈曲振動（第１の振動モード）を励振する。つまり、第１の振動モードの振動は、圧電素子５が弾性体４に接合された面と垂直な方向に突起部６を変位させる突き上げモードの振動である。また、電極Ａ１、Ａ２に逆相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加すると、矩形の弾性体４の短辺方向と平行な方向に延びた３本の節を有する２次の屈曲振動（第２の振動モード）を励振する。つまり、第２の振動モードの振動は、圧電素子５が弾性体４に接合された面と平行な方向に前記突起部を変位させる振動を主とする送りモードの振動である。このように、駆動信号生成手段２１により生成された所定の周波数の駆動信号を圧電素子５に印加することにより、前記第１の振動モードの振動と前記第２の振動モードの振動とを励振する。この第１の振動モードの振動と第２の振動モードの振動とが組み合わさることにより、突起部６に楕円運動が起きる。そしてこの楕円運動により、被駆動体を振動子に対して直線的に相対移動させることができるようになっている。
【００１４】
本実施形態の被駆動体７の一方の端部には、被駆動体７の振動を検出する被駆動体側振動検出部８が設けられている。突起部６に励起する楕円運動により被駆動体７と突起部６の加圧接触部に振動が印加され、突起部６の振動が被駆動体７を伝播し被駆動体側振動検出部８に到達する。被駆動体側振動検出部８は電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子により構成されており、出力側には被駆動体側振動検出回路１８が接続されている。被駆動体側振動検出回路１８は被駆動体側振動検出部８から出力された信号の中心値（振幅の上限値と下限値の中心）を閾値とする２値の信号に変換し出力側に出力する。被駆動体側振動検出回路１８の出力側には位置検出手段１７が接続されている。
【００１５】
図１（ａ）に示す圧電素子５には振動振幅を検出する振動子側振動検出部としての電極である振動振幅検出電極Ｓ１が備えられている。振動振幅検出電極Ｓ１は第１の振動モードの振動を検出し電圧Ｖ３を出力する。振動振幅検出電極Ｓ１は圧電素子５に印加する振動を検出する機能を持っている。振動振幅検出電極Ｓ１の出力側には図１（ａ）に示す振動子側振動検出回路１９が接続されている。振動子側振動検出回路１９は振動振幅検出電極Ｓ１から出力された信号の中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力側に出力する。振動子側振動検出回路１９の出力側には位置検出手段１７が接続されている。位置検出手段１７は被駆動体側振動検出回路１８と振動子側振動検出回路１９の信号に基づいて振動子と被駆動体側検出部の相対位置を演算する。位置検出手段１７の機能については後述する。
【００１６】
＜位置検出手段１７の機能＞
位置検出手段１７の機能について図２を用いて説明する。位置検出手段１７は、振動振幅検出電極Ｓ１の検出する振動の信号と被駆動体側振動検出部の検出する振動の信号との位相差を検出する機能を持っている。
【００１７】
位相差を検出することにより、振動子と被駆動体側検出部の相対位置（以下、距離Ｌと呼ぶ）は、材料（被駆動体を形成する材料）を伝播する振動の周期に伝播速度と位相差を乗じ、３６０度で除した下記計算式（１）で導出できる。
距離Ｌ＝材料を伝播する振動の周期×材料の伝播速度×位相差／３６０度 （１）
図２（ａ）に示す振動振幅検出電極Ｓ１の時間―振幅における信号がサイン波形である時、図２（ｂ）に示す被駆動体側振動検出回路１９の出力側の時間―振幅における信号は中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力された矩形の信号となる。同様に、図２（ｃ）に示す被駆動体側振動検出部８の時間―振幅における信号がサイン波形である時、図２（ｄ）に示す被駆動体側振動検出回路１８の出力側の時間―振幅における信号は中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力されるため矩形の信号となる。図２（ｃ）に示す検出振動周期Ｔは図２に示す振動の周期であり、マイコン又はロジック回路で検出できる。
【００１８】
図２（ｄ）に示す遅れ時間Ｐ（振動子側振動検出回路から矩形信号が出力される時間と被駆動体側振動検出回路から該矩形信号が出力される時間との時間差）は、振動子側振動検出回路の波形の立ち上がりエッジと被駆動体側振動検出回路の立ち上がりエッジの時間間隔であり、カウンタを用いることにより求めることができる。また、カウンタを用いることにより検出振動周期Ｔを求めることが出来る。前記遅れ時間Ｐと前記検出振動周期Ｔとから位相差を導出する計算式を下記式（２）に示す。
位相差＝遅れ時間Ｐ／検出振動周期Ｔ （２）
つまり、位相差は、カウンタやロジック回路を用いて検出することができる。また、Ｄ／Ａコンバータを用いて振動振幅検出電極Ｓ１と被駆動体側振動検出部８から出力される信号を比較して位相差を求めてもよい。
【００１９】
さらに、被駆動体側振動検出回路からの信号および振動子側振動検出回路からの信号について複数周期の信号同士を比較して位相差を算出し、位相差情報から距離Ｌを検出することで、より精度が向上する。また、予め測定された、振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置と、振動振幅検出電極Ｓ１と被駆動体側信号検出部の検出する振動の位相差と、の関係を不図示のメモリから読み出すことで相対位置を検出することもできる。この場合、振動子と被駆動体側検出部の相対位置とは、複数の突起部のうちいずれか１つの端部と被駆動体側振動検出部との距離でもよいし、複数の突起部の中間位置と被駆動体側振動検出部との距離でもよく、任意に定めることができる。
【００２０】
このように、本実施形態では、振動子の振動を検出する振動子側振動検出部から出力される信号と、被駆動体の振動を検出する被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて位相差を検出することにより振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置を検出することができる。
【００２１】
［第２の実施形態］
第１の実施形態では振動子と被駆動体側振動検出部が相対移動している時に距離Ｌを検出する形態に関して述べたが、本実施形態では振動子と被駆動体側振動検出部が相対移動せず停止している時に位置を検出する形態について述べる。
【００２２】
本実施形態の振動型駆動装置と制御装置の構成は、図３に示す伝播振動生成手段２２と位置検出手段１７の機能を除き第１の実施形態と同様であり図３で表わすことができる。図３は、被駆動体を駆動する時間とは別の時間に位置を検出する際のブロック図であり、駆動する時間においては別途駆動するための回路が存在する。
【００２３】
＜制御装置の構成＞
図３に示す振動型駆動装置の制御装置は、振動型駆動装置に伝播信号を印加する伝播信号生成手段２２を有し、その出力側には圧電素子５が接続されている。伝播信号生成手段２２から出力する信号は振動子と被駆動体の相対移動に寄与しない周波数の信号である。伝播信号生成手段２２により圧電素子５に信号が印加され、突起部６に振動が励振される。突起部６の振動が被駆動体７を伝播し被駆動体側振動検出部８に到達する。被駆動体７の端部には、被駆動体７の振動を検出する被駆動体側振動検出部８が設けられている。被駆動体側振動検出部は電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子により構成されており、出力側には被駆動体側振動検出回路１８が接続されている。被駆動体側振動検出回路１８は、被駆動体側振動検出部８から出力された信号の中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力側に出力する。被駆動体側振動検出回路の出力側には位置検出手段１７が接続されている。
【００２４】
＜位置検出手段１７の機能＞
位置検出手段１７の機能について図４を用いて説明する。位置検出手段１７は、振動振幅検出電極Ｓ１が振動を検出する時間と、被駆動体側信号検出部が振動を検出する時間と、の時間差（振動の伝播時間ＴＤ）を検出する機能を持っている。
【００２５】
図４（ａ）に示す振動振幅検出電極Ｓ１の時間―振幅における信号を出力した際、図４（ｂ）に示す振動子側振動検出回路１９の出力側の時間―振幅における信号は中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力された矩形の信号となる。同様に、図４（ｃ）に示す被駆動体側振動検出部８の時間―振幅における信号を出力した際、図４（ｄ）に示す被駆動体側振動検出回路１８の出力側の時間―振幅における信号は中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力されるため矩形の信号となる。
【００２６】
振動振幅検出電極Ｓ１が振動を検出する時間と被駆動体側信号検出部が振動を検出する時間の時間差は、図４（ｃ）に示す伝播時間ＴＤ（振動子側振動検出回路から矩形信号が出力される時間と被駆動体側振動検出回路から該矩形信号が出力される時間との時間差）に等しい。この伝播時間ＴＤは、振動子側振動検出回路の波形の立ち上がりエッジと被駆動体側振動検出回路の立ち上がりエッジとの時間間隔であり、カウンタを用いることにより求めることができる。振動子側振動検出回路及び被駆動体側振動検出回路は、カウンタやロジック回路で構成されている。距離Ｌは伝播時間ＴＤに材料の伝播時間を乗じた下記計算式（３）により導出できる。
距離Ｌ＝伝播時間ＴＤ×材料の伝播速度 （３）
このように、本実施形態では、振動子と被駆動体の相対移動に寄与しない周波数の信号を圧電素子に印加し、振動振幅検出電極Ｓ１の出力する信号と被駆動体側信号検出部８の出力する信号を用いて、振動振幅検出電極Ｓ１が振動を検出した時間と被駆動体側信号検出部８の振動を検出した時間との時間差（伝播時間ＴＤ）を検出する。このような時間差を検出することにより、振動型駆動装置が停止状態であっても、振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置を検出することができる。
【００２７】
［第３の実施形態］
本実施形態では、振動子と被駆動体の相対移動に寄与する振動とは異なる振動（相対移動に寄与しない振動）を重畳して、距離Ｌを検出する形態について述べる。
【００２８】
本実施形態の振動型駆動装置の制御装置の構成を図５を用いて説明する。図５に示す信号生成手段２０において、駆動信号生成手段２１及び伝播信号生成手段２２の出力側に信号重畳手段２３が接続されている。信号重畳手段２３により、駆動信号生成手段２１の信号と伝播信号生成手段２２の信号とを重畳する。信号重畳手段２３の出力側には昇圧回路３１が接続され、昇圧回路３１により昇圧された信号が圧電素子５に接続されている。ここで伝播信号生成手段２２から出力する信号は振動子と被駆動体の相対移動に寄与しない周波数の信号である。
【００２９】
信号重畳手段２３の重畳方法について図６を用いて説明する。図６において、駆動信号生成手段２１からの信号波形を駆動信号２４として示し、伝播信号生成手段２２からの信号波形を伝播信号２５として示す。重畳信号２６とは、駆動信号２４と伝播信号２５とを重ね合わせた信号であり信号重畳手段２３から出力される。
【００３０】
図５に示す被駆動体７の端部には、実施形態１と同様に被駆動体７の振動を検出する被駆動体側振動検出部８が設けられている。被駆動体側振動検出部８は圧電素子により構成されており、出力側には伝播信号帯域通過手段２８が接続されている。
【００３１】
伝播信号帯域通過手段２８は伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させる機能をもっており、ハイパスフィルタやバンドパスフィルタにより構成されている。伝播信号帯域通過手段２８の出力側には伝播時間検出手段３０が接続されており、伝播時間を検出する。伝播時間検出手段３０の出力側には位置検出手段１７が接続されている。
【００３２】
位置検出方法について図７を用いて説明する。図７（ａ）は図５に示す振動振幅検出電極Ｓ１の出力信号である。図７（ｂ）は伝播信号帯域通過手段２８の内部信号であり、図７（ａ）に示す振動振幅検出電極Ｓ１の出力信号より伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させている。図７（ｃ）は伝播信号帯域通過手段２８の出力信号であり、図７（ｂ）の信号をコンパレータにより中心値を閾値とする２値の信号に変換している。
【００３３】
図７（ｄ）は図５に示す被駆動体側振動検出部の出力信号である。図７（ｅ）は伝播信号帯域通過手段２８の内部信号であり、図７（ｄ）に示す被駆動体側振動検出部の出力信号より伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させている。図７（ｆ）は伝播信号帯域通過手段２８の出力信号であり、図７（ｅ）の信号を中心値を閾値とする２値の信号に変換している。図５に示す伝播時間検出手段３０は図７（ｃ）と図７（ｆ）の信号に基づいて伝播時間ＴＤ（相対移動に寄与しない振動の伝播時間）を出力する。
【００３４】
位置検出手段１７は伝播時間検出手段３０の信号に基づいて位置を演算する。位置検出手段１７は、伝播時間ＴＤを検出することにより、第２の実施例と同様に距離Ｌを導出できる。
【００３５】
このように本実施形態では、振動子と被駆動体の相対移動に寄与しない周波数の信号を、相対移動に寄与する周波数の信号に重畳して被駆動体を相対移動させる。これにより、相対移動に寄与する周波数で駆動している時間と同じ時間に、伝播時間ＴＤを検出することができる。つまり、本実施形態では、振動振幅検出電極Ｓ１の出力した信号のうち相対移動に寄与しない振動成分の信号と、被駆動体側振動検出部の出力した信号のうち相対移動に寄与しない振動成分の信号と、を用いて伝播時間ＴＤを検出する。そして、実施形態２と同様に、伝播時間ＴＤから振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置を検出することができる。
【００３６】
［第４の実施形態］
実施形態１〜３では振動振幅検出電極Ｓ１を用いて振動子の振動を検出し、振動振幅検出電極Ｓ１から出力された信号を振動子の振動状態を示す信号として用いていた。本実施形態では、振動振幅検出電極Ｓ１を用いず、振動子に印加する信号を直接利用し、振動子の振動状態を示す信号として用いる。そして、振動子に印加する信号と被駆動体側信号検出部から出力される信号とから、距離Ｌを検出する。本実施形態に係る振動型駆動装置の構成を図８に示す。図１に示す振動子側振動検出回路１９を除き第１の実施形態の構成と同様である。
【００３７】
＜制御装置の構成＞
図８に示す振動型駆動装置の制御装置は、振動型駆動装置に信号を印加する駆動信号生成手段２１を有し、その出力側には昇圧回路３１が接続され昇圧回路により昇圧された信号が圧電素子５に接続されている。駆動信号生成手段２１から出力される信号は振動子と被駆動体の相対移動に寄与する周波数の信号である。駆動信号生成手段２１により出力される信号が圧電素子５に印加されて突起部６に振動が印加され被駆動体７を伝播し被駆動体側振動検出部に到達する。また、駆動信号生成手段２１の出力側には位置検出手段１７が接続されている。位置検出手段１７は被駆動体側振動検出回路１８が出力する信号と駆動信号生成手段２１の印加する信号との位相差を検出する機能を持っている。
【００３８】
図９（ａ）に示す駆動信号生成手段１９の波形は矩形波であり、図８に示す昇圧回路３１により昇圧され圧電素子５に接続されている。図９（ｂ）に示す被駆動体側振動検出部８の時間―振幅における信号がサイン波形である時、図９（ｃ）に示す被駆動体側振動検出回路１８の出力側の時間―振幅における信号は中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力されるため矩形の信号となる。図９（ｃ）に示す検出振動周期Ｔは図２に示す振動の周期であり、マイコン又はロジック回路で検出できる。
【００３９】
図９（ｃ）に示す遅れ時間Ｐ（駆動信号生成手段の印加信号と被駆動体側振動検出回路の出力する矩形信号の時間差）は、駆動信号生成手段の波形の立ち上がりエッジと被駆動体側振動検出回路の立ち上がりエッジの時間間隔であり、カウンタにより求めることができる。距離Ｌは、第１の実施形態と同様に導出できる。また駆動に寄与する周波数である複数周期の信号同士を比較して位相差を算出し、位相差情報から距離を検出することで、より精度が向上する。
【００４０】
ただし、本実施形態における駆動信号生成手段の信号と比較して、第１の実施形態における、振動振幅検出電極Ｓ１から出力される信号は、昇圧回路と圧電素子の介在により位相が遅れる。この位相遅れ分を考慮する場合は、遅れ時間Ｐから位相遅れ分を減算することでより正確な距離を求めることが可能となる。メリットとして振動子側振動検出回路が不用となり回路を簡素化できる。
【００４１】
以上より、第４の実施形態では振動子の振動状態を示す信号として、第１の実施形態における振動振幅検出電極Ｓ１の出力する信号の代わりに駆動信号生成手段の信号を用いて位置の検出を行った。ただし、第２の実施形態および第３の実施形態においても同様に駆動信号生成手段２１の信号を用いて振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置の検出が可能となる。
【００４２】
［第５の実施形態］
本実施形態の振動型駆動装置の制御装置の構成は、図１０を用いて説明する。本実施形態は複数の被駆動体側振動検出部を設けた形態であり、図１０に示す被駆動体側振動検出部８ｂを除き第３の実施形態の構成と同様である。
【００４３】
図１０に示す、被駆動体７の両端部には、被駆動体側振動検出部８ａと被駆動体側振動検出部８ｂが設けられている。突起部６の振動により突起部６と加圧接触する被駆動体７に振動が印加され、被駆動体７を伝播し被駆動体側振動検出部８ａと被駆動体側振動検出部８ｂに到達する。図１０に示す被駆動体長さＬｓは被駆動体の長さである。被駆動体側振動検出部は圧電素子により構成されており、出力側には伝播信号帯域通過手段２８が接続されている。伝播信号帯域通過手段２８は伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させる機能をもっており、ハイパスフィルタやバンドパスフィルタにより構成されている。伝播信号帯域通過手段の出力側には伝播時間検出手段３０が接続されており、伝播時間を検出する。伝播時間検出手段３０の出力側には位置演算手段１７が接続されている。
【００４４】
位置検出方法については図１１を用いて説明する。図１１（ａ）は図１０に示す振動振幅検出電極の出力信号である。図１１（ｂ）は伝播信号帯域通過手段２８の内部信号であり、図１１（ａ）に示す振動振幅検出電極の出力信号より伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させている。図１１（ｃ）は伝播信号帯域通過手段２８の出力信号であり、図１１（ｂ）の信号をコンパレータにより中心値を閾値とする２値の信号に変換している。
【００４５】
図１１（ｄ）は図１０に示す被駆動体側振動検出部８ａの出力信号である。図１１（ｅ）は伝播信号帯域通過手段２８の内部信号であり、図１１（ｄ）に示す被駆動体側振動検出部８ａの出力信号より伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させている。図１１（ｆ）は伝播信号帯域通過手段２８の出力信号であり、図１１（ｅ）の信号を中心値を閾値とする２値の信号に変換している。図１０に示す伝播時間検出手段３０は図１１（ｃ）と図１１（ｆ）の信号に基づいて伝播時間ＴＤａを出力する。
【００４６】
図１１（ｇ）は図１０に示す被駆動体側振動検出部８ｂの出力信号である。図１１（ｈ）は伝播信号帯域通過手段２８の内部信号であり、図１１（ｇ）に示す被駆動体側振動検出部８ｂの出力信号より伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させている。図１１（ｉ）は伝播信号帯域通過手段２８の出力信号であり、図１１（ｈ）の信号を中心値を閾値とする２値の信号に変換している。
【００４７】
図１０に示す伝播時間検出手段３０は図１１（ｃ）と図１１（ｉ）の信号に基づいて伝播時間ＴＤｂを出力する。位置検出手段１７は伝播時間検出手段３０の信号に基づいて位置を演算する。
【００４８】
＜位置検出手段１７の機能＞
位置検出手段１７は、距離Ｌを伝播時間ＴＤａと伝播時間ＴＤｂの比率から導出する。距離Ｌは伝播時間ＴＤａと伝播時間ＴＤｂの比率と被駆動体長さＬｓの関係式（４）から導出できる。
距離Ｌ＝（伝播時間ＴＤａ／（伝播時間ＴＤａ＋伝播時間ＴＤｂ））×被駆動体長さＬｓ（４）
このように、本実施形態では、被駆動体に複数の振動検出部を設けることにより、複数の伝播時間を検出することができ、複数の伝播時間を比較することにより相対位置を検出することができる。また、前述の実施形態においては、材料の伝播速度が距離Ｌを求める関係式に表れていたが、本実施形態においては伝播時間同士の比率を用いるため材料の伝播速度は距離Ｌを求める関係式に表れない。よって温度環境下の変動やバラツキ等の影響を受けず精度を向上させることができる。また、本実施形態は、第１、第２、第４の実施形態においても同様に適用でき、複数の被駆動体側振動検出部の出力する複数の信号を用いて振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置の検出が可能となる。
【符号の説明】
【００４９】
Ｓ１ 振動振幅検出電極
４ 弾性体
５ 圧電素子
６ 突起部
７ 被駆動体
８ 被駆動体側振動検出部
１７ 位置演算手段
１８ 被駆動体側振動検出回路
１９ 振動子側振動検出回路
２０ 信号生成手段
２１ 駆動信号生成手段
２２ 伝播信号生成手段
２３ 信号重畳手段
２４ 駆動信号
２５ 伝播信号
２６ 重畳信号
２８ 伝播信号帯域通過手段
３０ 伝播時間検出手段
３１ 昇圧回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型駆動装置の制御装置に関するものである。特に振動型駆動装置の振動子と被駆動体との相対位置を検出する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、所定の質点に楕円運動を生じさせ被駆動体を駆動するタイプの振動型駆動装置に関する様々な提案がなされている。振動型駆動装置の基本的な構成としては、特許文献１に示すような構成が知られている。図１２は、特許文献１に記載の振動型駆動装置の構成を示す外観斜視図である。図１２（ａ）に示すように、この振動型駆動装置の振動子は、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体４を備え、弾性体４の裏面には電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子５が接合されている。弾性体４の上面の所定位置には、複数の突起部６が設けられている。
【０００３】
この構成によれば、圧電素子５に交流電圧を印加することにより、弾性体４の長辺方向における２次の屈曲振動と、弾性体４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６に楕円運動が励起される。そして、突起部６に被駆動体７を加圧接触させることにより、被駆動体７を突起部６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６がこの振動子の駆動部として作用する。
【０００４】
図１２（ｂ）に示すように、圧電素子５は分極処理されており、２つの電極Ａ１、Ａ２を備えている。上記２つの電極Ａ１、Ａ２に同相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することにより、上記矩形の弾性体４において長辺方向と平行な方向に延びた２本の節を有する１次の屈曲振動を励振する。これが第１の振動モードとなる。また、２つの電極Ａ１、Ａ２に逆相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することにより、矩形の弾性体４の短辺方向と平行な方向に延びた３本の節を有する２次の屈曲振動を励振する。これが第２の振動モードとなる。そして、上記第１の振動モードと第２の振動モードの組み合わせにより突起部６に楕円運動を励振し、このとき、突起部６に被駆動体を加圧接触させると、被駆動体を直線的に駆動することができるようになっている。
【０００５】
この特許文献１に記載された振動型駆動装置は、圧電素子に印加する２つの交流電圧の周波数又は位相を変化させることによって速度制御を行うことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２０８４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の振動型駆動装置において、振動子と被駆動体の相対位置を検出する際に、光学式のリニア型エンコーダを用いて位置を検出していた。光学式のリニア型エンコーダにより位置を検出する際には、スリットや反射により位置検出を行うことが出来るリニアスケールや受光素子等の構成部品が必要である。そのため、振動型駆動装置を組み込む装置側に上記構成部品を組み込むためのスペースも必要となり、小型化が困難であった。本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、光学式のリニア型エンコーダを用いずに振動子と被駆動体の相対位置検出を行うことができる制御装置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】
本発明の制御装置は上記目的を達成するため、
電気−機械エネルギー変換素子と前記電気−機械エネルギー変換素子に接合され突起部が設けられた弾性体とを備え、前記振動子に駆動信号が印加されることで２つの振動モードの振動を励振し、前記２つの振動モードの振動が組み合わさることにより前記突起部に楕円運動を生成する振動子と、端部を有し、前記突起部に接触して前記振動子と相対移動する被駆動体と、を有する振動型駆動装置の制御装置であって、前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体に設けられ前記被駆動体の振動を検出する被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて前記振動子と前記被駆動体側振動検出部との相対位置を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、被駆動体側に振動検出部を設けることで、光学式のリニア型エンコーダ等を用いずに振動子と被駆動体の相対位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）第１の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成図及び（ｂ）圧電素子の分極領域を示す模式図である
【図２】第１の実施形態の振動型駆動装置における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図３】第２の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成図である。
【図４】第２の実施形態の振動型駆動装置における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図５】第３の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成図である。
【図６】第３の実施形態の信号重畳手段２３における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図７】第３の実施形態の振動型駆動装置における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図８】第４の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成図である。
【図９】第４の実施形態の振動型駆動装置における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図１０】第５の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成図である。
【図１１】第５の実施形態の振動型駆動装置における電圧波形の一例を示す模式図である。
【図１２】従来の振動型駆動装置の基本的な構成を示す一例を示す外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１の実施形態］
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動型駆動装置と制御装置の構成を示す図である。本発明の第１の実施形態では、図１に示す、振動子の振動状態を示す信号として圧電素子５から出力される信号と、被駆動体側振動検出部８から出力される信号と、を用いて振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置を検出する装置について説明する。
【００１２】
＜制御装置の構成＞
図１（ａ）に示す振動型駆動装置の制御装置は、振動型駆動装置に駆動信号を印加する駆動信号生成手段２１を有し、その出力側には昇圧回路３１が接続され昇圧回路により昇圧された信号が圧電素子５に印加されている。昇圧回路は駆動に寄与する周波数帯域において振動型駆動装置が動作可能な電圧まで昇圧する。電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子５は、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体４の裏面に接合されている。圧電素子５が接合された面と反対側の弾性体４の表面には、駆動部としての突起部６が複数設けられており、突起部６に被駆動体７が加圧接触している。
【００１３】
圧電素子５は、図１（ｂ）に示すように、３つの電極Ａ１、Ａ２、Ｓ１を備えている。従来例でも述べたように、本発明のような板状の振動子は、２つの振動モードの振動を励起し、２つの振動モードの振動を組み合わせることにより突起部（被駆動体との接触部）に楕円運動を生成する。以下、具体的に２つの振動モードの振動について説明する。上記の電極Ａ１、Ａ２に同相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加すると、上記矩形の弾性体４において長辺方向と平行な方向に延びた２本の節を有する１次の屈曲振動（第１の振動モード）を励振する。つまり、第１の振動モードの振動は、圧電素子５が弾性体４に接合された面と垂直な方向に突起部６を変位させる突き上げモードの振動である。また、電極Ａ１、Ａ２に逆相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加すると、矩形の弾性体４の短辺方向と平行な方向に延びた３本の節を有する２次の屈曲振動（第２の振動モード）を励振する。つまり、第２の振動モードの振動は、圧電素子５が弾性体４に接合された面と平行な方向に前記突起部を変位させる振動を主とする送りモードの振動である。このように、駆動信号生成手段２１により生成された所定の周波数の駆動信号を圧電素子５に印加することにより、前記第１の振動モードの振動と前記第２の振動モードの振動とを励振する。この第１の振動モードの振動と第２の振動モードの振動とが組み合わさることにより、突起部６に楕円運動が起きる。そしてこの楕円運動により、被駆動体を振動子に対して直線的に相対移動させることができるようになっている。
【００１４】
本実施形態の被駆動体７の一方の端部には、被駆動体７の振動を検出する被駆動体側振動検出部８が設けられている。突起部６に励起する楕円運動により被駆動体７と突起部６の加圧接触部に振動が印加され、突起部６の振動が被駆動体７を伝播し被駆動体側振動検出部８に到達する。被駆動体側振動検出部８は電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子により構成されており、出力側には被駆動体側振動検出回路１８が接続されている。被駆動体側振動検出回路１８は被駆動体側振動検出部８から出力された信号の中心値（振幅の上限値と下限値の中心）を閾値とする２値の信号に変換し出力側に出力する。被駆動体側振動検出回路１８の出力側には位置検出手段１７が接続されている。
【００１５】
図１（ａ）に示す圧電素子５には振動振幅を検出する振動子側振動検出部としての電極である振動振幅検出電極Ｓ１が備えられている。振動振幅検出電極Ｓ１は第１の振動モードの振動を検出し電圧Ｖ３を出力する。振動振幅検出電極Ｓ１は圧電素子５に印加する振動を検出する機能を持っている。振動振幅検出電極Ｓ１の出力側には図１（ａ）に示す振動子側振動検出回路１９が接続されている。振動子側振動検出回路１９は振動振幅検出電極Ｓ１から出力された信号の中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力側に出力する。振動子側振動検出回路１９の出力側には位置検出手段１７が接続されている。位置検出手段１７は被駆動体側振動検出回路１８と振動子側振動検出回路１９の信号に基づいて振動子と被駆動体側検出部の相対位置を演算する。位置検出手段１７の機能については後述する。
【００１６】
＜位置検出手段１７の機能＞
位置検出手段１７の機能について図２を用いて説明する。位置検出手段１７は、振動振幅検出電極Ｓ１の検出する振動の信号と被駆動体側振動検出部の検出する振動の信号との位相差を検出する機能を持っている。
【００１７】
位相差を検出することにより、振動子と被駆動体側検出部の相対位置（以下、距離Ｌと呼ぶ）は、材料（被駆動体を形成する材料）を伝播する振動の周期に伝播速度と位相差を乗じ、３６０度で除した下記計算式（１）で導出できる。
距離Ｌ＝材料を伝播する振動の周期×材料の伝播速度×位相差／３６０度 （１）
図２（ａ）に示す振動振幅検出電極Ｓ１の時間―振幅における信号がサイン波形である時、図２（ｂ）に示す被駆動体側振動検出回路１９の出力側の時間―振幅における信号は中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力された矩形の信号となる。同様に、図２（ｃ）に示す被駆動体側振動検出部８の時間―振幅における信号がサイン波形である時、図２（ｄ）に示す被駆動体側振動検出回路１８の出力側の時間―振幅における信号は中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力されるため矩形の信号となる。図２（ｃ）に示す検出振動周期Ｔは図２に示す振動の周期であり、マイコン又はロジック回路で検出できる。
【００１８】
図２（ｄ）に示す遅れ時間Ｐ（振動子側振動検出回路から矩形信号が出力される時間と被駆動体側振動検出回路から該矩形信号が出力される時間との時間差）は、振動子側振動検出回路の波形の立ち上がりエッジと被駆動体側振動検出回路の立ち上がりエッジの時間間隔であり、カウンタを用いることにより求めることができる。また、カウンタを用いることにより検出振動周期Ｔを求めることが出来る。前記遅れ時間Ｐと前記検出振動周期Ｔとから位相差を導出する計算式を下記式（２）に示す。
位相差＝遅れ時間Ｐ／検出振動周期Ｔ （２）
つまり、位相差は、カウンタやロジック回路を用いて検出することができる。また、Ｄ／Ａコンバータを用いて振動振幅検出電極Ｓ１と被駆動体側振動検出部８から出力される信号を比較して位相差を求めてもよい。
【００１９】
さらに、被駆動体側振動検出回路からの信号および振動子側振動検出回路からの信号について複数周期の信号同士を比較して位相差を算出し、位相差情報から距離Ｌを検出することで、より精度が向上する。また、予め測定された、振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置と、振動振幅検出電極Ｓ１と被駆動体側信号検出部の検出する振動の位相差と、の関係を不図示のメモリから読み出すことで相対位置を検出することもできる。この場合、振動子と被駆動体側検出部の相対位置とは、複数の突起部のうちいずれか１つの端部と被駆動体側振動検出部との距離でもよいし、複数の突起部の中間位置と被駆動体側振動検出部との距離でもよく、任意に定めることができる。
【００２０】
このように、本実施形態では、振動子の振動を検出する振動子側振動検出部から出力される信号と、被駆動体の振動を検出する被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて位相差を検出することにより振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置を検出することができる。
【００２１】
［第２の実施形態］
第１の実施形態では振動子と被駆動体側振動検出部が相対移動している時に距離Ｌを検出する形態に関して述べたが、本実施形態では振動子と被駆動体側振動検出部が相対移動せず停止している時に位置を検出する形態について述べる。
【００２２】
本実施形態の振動型駆動装置と制御装置の構成は、図３に示す伝播振動生成手段２２と位置検出手段１７の機能を除き第１の実施形態と同様であり図３で表わすことができる。図３は、被駆動体を駆動する時間とは別の時間に位置を検出する際のブロック図であり、駆動する時間においては別途駆動するための回路が存在する。
【００２３】
＜制御装置の構成＞
図３に示す振動型駆動装置の制御装置は、振動型駆動装置に伝播信号を印加する伝播信号生成手段２２を有し、その出力側には圧電素子５が接続されている。伝播信号生成手段２２から出力する信号は振動子と被駆動体の相対移動に寄与しない周波数の信号である。伝播信号生成手段２２により圧電素子５に信号が印加され、突起部６に振動が励振される。突起部６の振動が被駆動体７を伝播し被駆動体側振動検出部８に到達する。被駆動体７の端部には、被駆動体７の振動を検出する被駆動体側振動検出部８が設けられている。被駆動体側振動検出部は電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子により構成されており、出力側には被駆動体側振動検出回路１８が接続されている。被駆動体側振動検出回路１８は、被駆動体側振動検出部８から出力された信号の中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力側に出力する。被駆動体側振動検出回路の出力側には位置検出手段１７が接続されている。
【００２４】
＜位置検出手段１７の機能＞
位置検出手段１７の機能について図４を用いて説明する。位置検出手段１７は、振動振幅検出電極Ｓ１が振動を検出する時間と、被駆動体側信号検出部が振動を検出する時間と、の時間差（振動の伝播時間ＴＤ）を検出する機能を持っている。
【００２５】
図４（ａ）に示す振動振幅検出電極Ｓ１の時間―振幅における信号を出力した際、図４（ｂ）に示す振動子側振動検出回路１９の出力側の時間―振幅における信号は中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力された矩形の信号となる。同様に、図４（ｃ）に示す被駆動体側振動検出部８の時間―振幅における信号を出力した際、図４（ｄ）に示す被駆動体側振動検出回路１８の出力側の時間―振幅における信号は中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力されるため矩形の信号となる。
【００２６】
振動振幅検出電極Ｓ１が振動を検出する時間と被駆動体側信号検出部が振動を検出する時間の時間差は、図４（ｃ）に示す伝播時間ＴＤ（振動子側振動検出回路から矩形信号が出力される時間と被駆動体側振動検出回路から該矩形信号が出力される時間との時間差）に等しい。この伝播時間ＴＤは、振動子側振動検出回路の波形の立ち上がりエッジと被駆動体側振動検出回路の立ち上がりエッジとの時間間隔であり、カウンタを用いることにより求めることができる。振動子側振動検出回路及び被駆動体側振動検出回路は、カウンタやロジック回路で構成されている。距離Ｌは伝播時間ＴＤに材料の伝播時間を乗じた下記計算式（３）により導出できる。
距離Ｌ＝伝播時間ＴＤ×材料の伝播速度 （３）
このように、本実施形態では、振動子と被駆動体の相対移動に寄与しない周波数の信号を圧電素子に印加し、振動振幅検出電極Ｓ１の出力する信号と被駆動体側信号検出部８の出力する信号を用いて、振動振幅検出電極Ｓ１が振動を検出した時間と被駆動体側信号検出部８の振動を検出した時間との時間差（伝播時間ＴＤ）を検出する。このような時間差を検出することにより、振動型駆動装置が停止状態であっても、振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置を検出することができる。
【００２７】
［第３の実施形態］
本実施形態では、振動子と被駆動体の相対移動に寄与する振動とは異なる振動（相対移動に寄与しない振動）を重畳して、距離Ｌを検出する形態について述べる。
【００２８】
本実施形態の振動型駆動装置の制御装置の構成を図５を用いて説明する。図５に示す信号生成手段２０において、駆動信号生成手段２１及び伝播信号生成手段２２の出力側に信号重畳手段２３が接続されている。信号重畳手段２３により、駆動信号生成手段２１の信号と伝播信号生成手段２２の信号とを重畳する。信号重畳手段２３の出力側には昇圧回路３１が接続され、昇圧回路３１により昇圧された信号が圧電素子５に接続されている。ここで伝播信号生成手段２２から出力する信号は振動子と被駆動体の相対移動に寄与しない周波数の信号である。
【００２９】
信号重畳手段２３の重畳方法について図６を用いて説明する。図６において、駆動信号生成手段２１からの信号波形を駆動信号２４として示し、伝播信号生成手段２２からの信号波形を伝播信号２５として示す。重畳信号２６とは、駆動信号２４と伝播信号２５とを重ね合わせた信号であり信号重畳手段２３から出力される。
【００３０】
図５に示す被駆動体７の端部には、実施形態１と同様に被駆動体７の振動を検出する被駆動体側振動検出部８が設けられている。被駆動体側振動検出部８は圧電素子により構成されており、出力側には伝播信号帯域通過手段２８が接続されている。
【００３１】
伝播信号帯域通過手段２８は伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させる機能をもっており、ハイパスフィルタやバンドパスフィルタにより構成されている。伝播信号帯域通過手段２８の出力側には伝播時間検出手段３０が接続されており、伝播時間を検出する。伝播時間検出手段３０の出力側には位置検出手段１７が接続されている。
【００３２】
位置検出方法について図７を用いて説明する。図７（ａ）は図５に示す振動振幅検出電極Ｓ１の出力信号である。図７（ｂ）は伝播信号帯域通過手段２８の内部信号であり、図７（ａ）に示す振動振幅検出電極Ｓ１の出力信号より伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させている。図７（ｃ）は伝播信号帯域通過手段２８の出力信号であり、図７（ｂ）の信号をコンパレータにより中心値を閾値とする２値の信号に変換している。
【００３３】
図７（ｄ）は図５に示す被駆動体側振動検出部の出力信号である。図７（ｅ）は伝播信号帯域通過手段２８の内部信号であり、図７（ｄ）に示す被駆動体側振動検出部の出力信号より伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させている。図７（ｆ）は伝播信号帯域通過手段２８の出力信号であり、図７（ｅ）の信号を中心値を閾値とする２値の信号に変換している。図５に示す伝播時間検出手段３０は図７（ｃ）と図７（ｆ）の信号に基づいて伝播時間ＴＤ（相対移動に寄与しない振動の伝播時間）を出力する。
【００３４】
位置検出手段１７は伝播時間検出手段３０の信号に基づいて位置を演算する。位置検出手段１７は、伝播時間ＴＤを検出することにより、第２の実施例と同様に距離Ｌを導出できる。
【００３５】
このように本実施形態では、振動子と被駆動体の相対移動に寄与しない周波数の信号を、相対移動に寄与する周波数の信号に重畳して被駆動体を相対移動させる。これにより、相対移動に寄与する周波数で駆動している時間と同じ時間に、伝播時間ＴＤを検出することができる。つまり、本実施形態では、振動振幅検出電極Ｓ１の出力した信号のうち相対移動に寄与しない振動成分の信号と、被駆動体側振動検出部の出力した信号のうち相対移動に寄与しない振動成分の信号と、を用いて伝播時間ＴＤを検出する。そして、実施形態２と同様に、伝播時間ＴＤから振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置を検出することができる。
【００３６】
［第４の実施形態］
実施形態１〜３では振動振幅検出電極Ｓ１を用いて振動子の振動を検出し、振動振幅検出電極Ｓ１から出力された信号を振動子の振動状態を示す信号として用いていた。本実施形態では、振動振幅検出電極Ｓ１を用いず、振動子に印加する信号を直接利用し、振動子の振動状態を示す信号として用いる。そして、振動子に印加する信号と被駆動体側信号検出部から出力される信号とから、距離Ｌを検出する。本実施形態に係る振動型駆動装置の構成を図８に示す。図１に示す振動子側振動検出回路１９を除き第１の実施形態の構成と同様である。
【００３７】
＜制御装置の構成＞
図８に示す振動型駆動装置の制御装置は、振動型駆動装置に信号を印加する駆動信号生成手段２１を有し、その出力側には昇圧回路３１が接続され昇圧回路により昇圧された信号が圧電素子５に接続されている。駆動信号生成手段２１から出力される信号は振動子と被駆動体の相対移動に寄与する周波数の信号である。駆動信号生成手段２１により出力される信号が圧電素子５に印加されて突起部６に振動が印加され被駆動体７を伝播し被駆動体側振動検出部に到達する。また、駆動信号生成手段２１の出力側には位置検出手段１７が接続されている。位置検出手段１７は被駆動体側振動検出回路１８が出力する信号と駆動信号生成手段２１の印加する信号との位相差を検出する機能を持っている。
【００３８】
図９（ａ）に示す駆動信号生成手段１９の波形は矩形波であり、図８に示す昇圧回路３１により昇圧され圧電素子５に接続されている。図９（ｂ）に示す被駆動体側振動検出部８の時間―振幅における信号がサイン波形である時、図９（ｃ）に示す被駆動体側振動検出回路１８の出力側の時間―振幅における信号は中心値を閾値とする２値の信号に変換し出力されるため矩形の信号となる。図９（ｃ）に示す検出振動周期Ｔは図２に示す振動の周期であり、マイコン又はロジック回路で検出できる。
【００３９】
図９（ｃ）に示す遅れ時間Ｐ（駆動信号生成手段の印加信号と被駆動体側振動検出回路の出力する矩形信号の時間差）は、駆動信号生成手段の波形の立ち上がりエッジと被駆動体側振動検出回路の立ち上がりエッジの時間間隔であり、カウンタにより求めることができる。距離Ｌは、第１の実施形態と同様に導出できる。また駆動に寄与する周波数である複数周期の信号同士を比較して位相差を算出し、位相差情報から距離を検出することで、より精度が向上する。
【００４０】
ただし、本実施形態における駆動信号生成手段の信号と比較して、第１の実施形態における、振動振幅検出電極Ｓ１から出力される信号は、昇圧回路と圧電素子の介在により位相が遅れる。この位相遅れ分を考慮する場合は、遅れ時間Ｐから位相遅れ分を減算することでより正確な距離を求めることが可能となる。メリットとして振動子側振動検出回路が不用となり回路を簡素化できる。
【００４１】
以上より、第４の実施形態では振動子の振動状態を示す信号として、第１の実施形態における振動振幅検出電極Ｓ１の出力する信号の代わりに駆動信号生成手段の信号を用いて位置の検出を行った。ただし、第２の実施形態および第３の実施形態においても同様に駆動信号生成手段２１の信号を用いて振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置の検出が可能となる。
【００４２】
［第５の実施形態］
本実施形態の振動型駆動装置の制御装置の構成は、図１０を用いて説明する。本実施形態は複数の被駆動体側振動検出部を設けた形態であり、図１０に示す被駆動体側振動検出部８ｂを除き第３の実施形態の構成と同様である。
【００４３】
図１０に示す、被駆動体７の両端部には、被駆動体側振動検出部８ａと被駆動体側振動検出部８ｂが設けられている。突起部６の振動により突起部６と加圧接触する被駆動体７に振動が印加され、被駆動体７を伝播し被駆動体側振動検出部８ａと被駆動体側振動検出部８ｂに到達する。図１０に示す被駆動体長さＬｓは被駆動体の長さである。被駆動体側振動検出部は圧電素子により構成されており、出力側には伝播信号帯域通過手段２８が接続されている。伝播信号帯域通過手段２８は伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させる機能をもっており、ハイパスフィルタやバンドパスフィルタにより構成されている。伝播信号帯域通過手段の出力側には伝播時間検出手段３０が接続されており、伝播時間を検出する。伝播時間検出手段３０の出力側には位置演算手段１７が接続されている。
【００４４】
位置検出方法については図１１を用いて説明する。図１１（ａ）は図１０に示す振動振幅検出電極の出力信号である。図１１（ｂ）は伝播信号帯域通過手段２８の内部信号であり、図１１（ａ）に示す振動振幅検出電極の出力信号より伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させている。図１１（ｃ）は伝播信号帯域通過手段２８の出力信号であり、図１１（ｂ）の信号をコンパレータにより中心値を閾値とする２値の信号に変換している。
【００４５】
図１１（ｄ）は図１０に示す被駆動体側振動検出部８ａの出力信号である。図１１（ｅ）は伝播信号帯域通過手段２８の内部信号であり、図１１（ｄ）に示す被駆動体側振動検出部８ａの出力信号より伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させている。図１１（ｆ）は伝播信号帯域通過手段２８の出力信号であり、図１１（ｅ）の信号を中心値を閾値とする２値の信号に変換している。図１０に示す伝播時間検出手段３０は図１１（ｃ）と図１１（ｆ）の信号に基づいて伝播時間ＴＤａを出力する。
【００４６】
図１１（ｇ）は図１０に示す被駆動体側振動検出部８ｂの出力信号である。図１１（ｈ）は伝播信号帯域通過手段２８の内部信号であり、図１１（ｇ）に示す被駆動体側振動検出部８ｂの出力信号より伝播信号生成手段２２の出力する周波数帯域の信号のみを通過させている。図１１（ｉ）は伝播信号帯域通過手段２８の出力信号であり、図１１（ｈ）の信号を中心値を閾値とする２値の信号に変換している。
【００４７】
図１０に示す伝播時間検出手段３０は図１１（ｃ）と図１１（ｉ）の信号に基づいて伝播時間ＴＤｂを出力する。位置検出手段１７は伝播時間検出手段３０の信号に基づいて位置を演算する。
【００４８】
＜位置検出手段１７の機能＞
位置検出手段１７は、距離Ｌを伝播時間ＴＤａと伝播時間ＴＤｂの比率から導出する。距離Ｌは伝播時間ＴＤａと伝播時間ＴＤｂの比率と被駆動体長さＬｓの関係式（４）から導出できる。
距離Ｌ＝（伝播時間ＴＤａ／（伝播時間ＴＤａ＋伝播時間ＴＤｂ））×被駆動体長さＬｓ（４）
このように、本実施形態では、被駆動体に複数の振動検出部を設けることにより、複数の伝播時間を検出することができ、複数の伝播時間を比較することにより相対位置を検出することができる。また、前述の実施形態においては、材料の伝播速度が距離Ｌを求める関係式に表れていたが、本実施形態においては伝播時間同士の比率を用いるため材料の伝播速度は距離Ｌを求める関係式に表れない。よって温度環境下の変動やバラツキ等の影響を受けず精度を向上させることができる。また、本実施形態は、第１、第２、第４の実施形態においても同様に適用でき、複数の被駆動体側振動検出部の出力する複数の信号を用いて振動子と被駆動体側振動検出部の相対位置の検出が可能となる。
【符号の説明】
【００４９】
Ｓ１ 振動振幅検出電極
４ 弾性体
５ 圧電素子
６ 突起部
７ 被駆動体
８ 被駆動体側振動検出部
１７ 位置演算手段
１８ 被駆動体側振動検出回路
１９ 振動子側振動検出回路
２０ 信号生成手段
２１ 駆動信号生成手段
２２ 伝播信号生成手段
２３ 信号重畳手段
２４ 駆動信号
２５ 伝播信号
２６ 重畳信号
２８ 伝播信号帯域通過手段
３０ 伝播時間検出手段
３１ 昇圧回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械エネルギー変換素子と前記電気−機械エネルギー変換素子に接合され突起部が設けられた弾性体とを備え、前記振動子に駆動信号が印加されることで２つの振動モードの振動を励振し、前記２つの振動モードの振動が組み合わさることにより前記突起部に楕円運動を生成する振動子と、
端部を有し、前記突起部に接触して前記振動子と相対移動する被駆動体と、
を有する振動型駆動装置の制御装置であって、
前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体に設けられ前記被駆動体の振動を検出する被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて前記振動子と前記被駆動体側振動検出部との相対位置を検出することを特徴とする振動型駆動装置の制御装置。
【請求項２】
前記被駆動体側振動検出部で検出する振動は、前記相対移動に寄与する振動であり、
前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される前記相対移動に寄与する振動の信号と、を用いて前記相対位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置の制御装置。
【請求項３】
前記被駆動体側振動検出部で検出する振動は、前記相対移動に寄与しない振動であり、
前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される前記相対移動に寄与しない振動の信号と、を用いて前記相対位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置の制御装置。
【請求項４】
前記振動子には、前記相対移動に寄与する振動に前記相対移動には寄与しない振動が重畳されており、
前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される信号のうち前記相対移動に寄与しない振動の信号と、を用いて前記相対位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置の制御装置。
【請求項５】
前記振動子の振動状態を示す信号は、前記振動子に印加する信号であり、
前記振動子に印加する信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて前記相対位置を検出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の制御装置。
【請求項６】
前記振動子の振動状態を示す信号は、前記振動子に設けられ前記振動子の振動を検出する振動子側振動検出部から出力される信号であり、
前記振動子側振動検出部から出力される信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて前記相対位置を検出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の制御装置。
【請求項７】
前記振動子に印加する信号もしくは前記振動子側振動検出部から出力される信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される信号と、の位相差から前記相対位置を検出することを特徴とする請求項５又は６に記載の振動型駆動装置の制御装置。
【請求項８】
前記振動子に信号を印加する時間もしくは前記振動子側振動検出部が振動を検出する時間と、前記被駆動体側振動検出部の振動を検出する時間と、の時間差から前記相対位置を検出することを特徴とする請求項５又は６に記載の振動型駆動装置の制御装置。
【請求項９】
前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体に設けられた複数の前記被駆動体側振動検出部から出力される複数の信号と、を用いて前記相対位置を検出する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の制御装置。
【請求項１】
電気−機械エネルギー変換素子と前記電気−機械エネルギー変換素子に接合され突起部が設けられた弾性体とを備え、前記振動子に駆動信号が印加されることで２つの振動モードの振動を励振し、前記２つの振動モードの振動が組み合わさることにより前記突起部に楕円運動を生成する振動子と、
端部を有し、前記突起部に接触して前記振動子と相対移動する被駆動体と、
を有する振動型駆動装置の制御装置であって、
前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体に設けられ前記被駆動体の振動を検出する被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて前記振動子と前記被駆動体側振動検出部との相対位置を検出することを特徴とする振動型駆動装置の制御装置。
【請求項２】
前記被駆動体側振動検出部で検出する振動は、前記相対移動に寄与する振動であり、
前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される前記相対移動に寄与する振動の信号と、を用いて前記相対位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置の制御装置。
【請求項３】
前記被駆動体側振動検出部で検出する振動は、前記相対移動に寄与しない振動であり、
前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される前記相対移動に寄与しない振動の信号と、を用いて前記相対位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置の制御装置。
【請求項４】
前記振動子には、前記相対移動に寄与する振動に前記相対移動には寄与しない振動が重畳されており、
前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される信号のうち前記相対移動に寄与しない振動の信号と、を用いて前記相対位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置の制御装置。
【請求項５】
前記振動子の振動状態を示す信号は、前記振動子に印加する信号であり、
前記振動子に印加する信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて前記相対位置を検出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の制御装置。
【請求項６】
前記振動子の振動状態を示す信号は、前記振動子に設けられ前記振動子の振動を検出する振動子側振動検出部から出力される信号であり、
前記振動子側振動検出部から出力される信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される信号と、を用いて前記相対位置を検出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の制御装置。
【請求項７】
前記振動子に印加する信号もしくは前記振動子側振動検出部から出力される信号と、前記被駆動体側振動検出部から出力される信号と、の位相差から前記相対位置を検出することを特徴とする請求項５又は６に記載の振動型駆動装置の制御装置。
【請求項８】
前記振動子に信号を印加する時間もしくは前記振動子側振動検出部が振動を検出する時間と、前記被駆動体側振動検出部の振動を検出する時間と、の時間差から前記相対位置を検出することを特徴とする請求項５又は６に記載の振動型駆動装置の制御装置。
【請求項９】
前記振動子の振動状態を示す信号と、前記被駆動体に設けられた複数の前記被駆動体側振動検出部から出力される複数の信号と、を用いて前記相対位置を検出する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の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−２６３７７０（Ｐ２０１０−２６３７７０Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６７２８（Ｐ２０１０−２６７２８）
【出願日】平成２２年２月９日（２０１０．２．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月９日（２０１０．２．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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