JPH07274545A - 電気−機械変換素子を使用した駆動装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電素子に発生するリンキング振動を抑え、
高速駆動できる電気−機械変換素子を使用した駆動装置
の駆動方法を提供する。 【構成】 圧電素子に正方向大電流と所定の負方向一定
電流が交互に流れると、圧電素子は正方向大電流に対応
した急速な伸び変位と、負方向一定電流に対応した緩や
かな縮み変位とが交互に生ずる。圧電素子の急速な伸び
変位による駆動軸の移動では軸に摩擦結合する被駆動部
材が摩擦力に打ち勝つてその実質的に位置に留まり移動
せず、圧電素子の緩やかな縮み変位による駆動軸の移動
は軸に摩擦結合する被駆動部材を実質的に移動させる。
圧電素子に正方向大電流と所定の負方向一定電流を交互
に流し、交互に生じる伸び変位と縮み変位により被駆動
部材を連続的に移動させる。圧電素子に供給する電流を
制御するので、圧電素子に発生するリンキング振動を抑
え、より高速で駆動することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電気−機械変換素子を
使用した駆動装置の駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】カメラその他の精密機器を構成する部材
の駆動に、圧電素子を使用した駆動装置が提案されてい
る（特開平４−６９０７０号公報、特開昭６３−１１０
７４号公報参照）。

【０００３】図６はカメラに装着されたズ−ムレンズの
駆動に応用された駆動装置の一例であつて、被駆動部材
であるレンズの鏡筒７１を支持する支持体７２の摺動嵌
合部７２ａ、７２ｂが駆動軸７３に摺動自在に摩擦接触
して嵌合している。また、駆動軸７３は、フレ−ム７７
の支持部７５、７６により軸方向に変位自在に支持され
ている。厚み方向に変位する圧電素子７８の一端は駆動
軸７３の軸方向端部に固定され、また、圧電素子７８の
他の端部はフレ−ム７７に固着され、圧電素子７８の厚
み方向の変位により、駆動軸７３は軸方向に変位する。

【０００４】また、７４は板ばねで、図示しない小ねじ
により支持体７２の摺動嵌合部７２ａ、７２ｂに、図６
で下側から固定されている。板ばね７４の中央部分には
上向きに屈曲した屈曲部７４ａが形成されているが、こ
れは屈曲部７４ａが駆動軸７３に圧接し、適当な摩擦力
を接触部に発生させるためのものである。

【０００５】図６に示す駆動機構において、図７で示す
ような急速な立ち上がり部とこれに続く緩やかな立ち下
がり部からなる波形の駆動パルスを圧電素子７８に印加
すると、駆動パルスの急速な立ち上がり部では圧電素子
７８が急速に厚み方向の伸び変位を生じ、駆動軸７３は
軸方向に矢印ａと反対方向へ急速に移動する。

【０００６】このとき、駆動軸７３に摺動嵌合部７２
ａ、７２ｂで支持されている支持体７２は、その慣性力
により駆動軸７３と支持体７２の摺動嵌合部７２ａ、７
２ｂとの摩擦力、及び駆動軸７３と板ばね７４の屈曲部
７４ａとの摩擦力に打ち勝つてその位置に留まるので、
レンズ鏡筒７１は移動しない。

【０００７】一方、駆動パルスの緩やかな立ち下がり部
では、圧電素子７８は緩やかに厚み方向の縮み変位を生
じるので、駆動軸７３は軸方向に矢印ａ方向に緩やかに
に移動する。

【０００８】このとき、駆動軸７３と支持体７２の摺動
嵌合部７２ａ、７２ｂとの摩擦力、及び駆動軸７３と板
ばね７４の屈曲部７４ａとの摩擦力が、圧電素子７８に
より駆動軸７３に加えられた力以下であれば、支持体７
２は駆動軸７３と摩擦結合した状態で駆動軸７３と共に
矢印ａ方向に移動し、レンズ鏡筒７１は矢印ａで示す方
向に移動する。

【０００９】上記波形の駆動パルスを連続して圧電素子
７８に印加することにより、レンズ鏡筒７１を矢印ａで
示す方向へ連続して移動させることができる。レンズ鏡
筒７１を矢印ａと反対方向に移動させるには、緩やかな
立ち上がり部とこれに続く急速な立ち下がり部からなる
波形の駆動パルスを圧電素子７８に印加することで達成
することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うな圧電素子などの電気−機械変換素子を使用した駆動
装置では電気−機械変換素子の伸縮を利用しているか
ら、被駆動部材の移動速度は、電気−機械変換素子に印
加する駆動パルスの周波数と、印加された駆動パルスに
より生ずる電気−機械変換素子の変位量に関係し、印加
された駆動パルスに対して電気−機械変換素子の変位量
が一定であるならば、駆動パルスの周波数を高めること
で被駆動部材の移動速度を高めることができるように思
われる。

【００１１】しかし、電気−機械変換素子に前記した鋸
歯状波の駆動パルスを印加すると、電気−機械変換素子
に「リンキング」と呼ばれる振動が生じ、発生する変位
にリンキング振動が付加される。電気−機械変換素子の
変位にリンキング振動が付加されると、電気−機械変換
素子の変位は図３（ｂ）のような振動となり、電気−機
械変換素子に結合する駆動部材も共に振動するため、結
果として被駆動部材の移動速度が低下する。

【００１２】駆動パルスの立ち上がり時間を駆動系の共
振周期の整数倍とすることでリンキング振動が発生しな
いことが知られている。しかしながら、駆動パルスの立
ち上がり時間は立ち下がり時間よりも短くしなければ被
駆動部材を動かすことはできない。これは駆動パルスの
立ち上がり時間を駆動周期の１／２未満、実質的にはも
つと小さくしなければならないということである。その
ため、駆動周期がとても短い場合、この立ち上がり時間
を共振周期の整数倍にする方法は採用することができな
い。

【００１３】この発明の第１の目的は、より高速で被駆
動部材を駆動することができる電気−機械変換素子を使
用した駆動装置の駆動方法を提供することにある。

【００１４】この発明の第２の目的は、電気−機械変換
素子に発生するリンキング振動を抑えて、より高速で被
駆動部材を駆動することができる電気−機械変換素子を
使用した駆動装置の駆動方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するもので、電気−機械変換素子と、前記変換素子に
結合して変換素子と共に変位する駆動部材と、前記駆動
部材に摩擦結合した被駆動部材から構成される電気−機
械変換素子を使用した駆動装置の駆動方法において、前
記駆動部材を緩やかに変位させて実質的に駆動部材と共
に被駆動部材を移動させるときは、前記電気−機械変換
素子に供給する駆動信号として所定の一定電流が流れる
ようにし、前記駆動部材を急速に変位させて駆動部材の
移動によつても駆動部材との摩擦結合に打勝たせて実質
的に被駆動部材を移動させないときは、前記電気−機械
変換素子に供給する駆動信号として前記所定の一定電流
よりも大きな電流が流れるように、前記駆動信号電流を
制御することを特徴とするものである。

【００１６】

【作用】電気−機械変換素子に所定の一定電流の駆動信
号が流れると、電気−機械変換素子は緩やかに変位して
駆動部材を移動させるので、駆動部材に摩擦結合した被
駆動部材も実質的に移動する。電気−機械変換素子に所
定の一定電流よりも大電流が流れると、電気−機械変換
素子は急速に変位して駆動部材を移動させるが、駆動部
材に摩擦結合した被駆動部材は慣性力により駆動軸との
摩擦結合に打勝ち、実質的にその位置に留まる。電気−
機械変換素子に一定電流の駆動信号と大電流の駆動信号
を交互に印加することで、駆動部材に摩擦結合した被駆
動部材を軸方向に移動させることができる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。
図１はこの発明を適用したズ−ムレンズの駆動機構を示
す。図１において、１１は被駆動部材であるズ−ムレン
ズの鏡筒、１２は摩擦板、１３は駆動軸、１４は圧接ば
ねで、圧接ばね１４は小ねじ１４ａによりズ−ムレンズ
鏡筒１１に固定されるが、このとき圧接ばね１４の中央
に設けた湾曲部１４ｂが摩擦板１２を下側に押圧するよ
うに構成されている。また、１５、１６は摩擦板１２が
駆動軸１３の軸方向にずれないようにする押さえ板で、
小ねじ１５ａによりズ−ムレンズ鏡筒１１に固定されて
いる。

【００１８】駆動軸１３はズ−ムレンズ鏡筒１１と摩擦
板１２との間を貫通しており、圧接ばね１４により摩擦
板１２が駆動軸１３をズ−ムレンズ鏡筒１１との間に挟
む方向に押圧されているので、駆動軸１３はズ−ムレン
ズ鏡筒１１及び摩擦板１２と面接触し、接触面に適当な
摩擦力を発生させる。

【００１９】２１はフレ−ム、２２及び２３はフレ−ム
２１に設けられた支持板で、駆動軸１３を軸方向に移動
自在に支持する。また１８は厚み方向に変位する圧電素
子であつて、その一端は駆動軸１３の端部に固着され、
他の端部はフレ−ム２１に設けられた支持板２４に固着
されている。

【００２０】なお、ズ−ムレンズ鏡筒１１が駆動軸１３
の回りに回転することを防ぐため、駆動軸１３に並行な
図示しない支持軸を設け、ズ−ムレンズ鏡筒１１を駆動
軸１３と支持軸とにより支持するようにするとよい。

【００２１】次に、圧電素子の駆動方法について説明す
る。図２は圧電素子の等価回路を示すものであり、コン
デンサＣp に充電された電荷量が圧電素子の変位量に対
応する。従来は、圧電素子の駆動は供給する駆動パルス
の電圧で制御していた。即ち、等価回路のコンデンサＣ
p に充電される電荷量を駆動パルスの電圧の変化で制御
していた。

【００２２】例えば、図３の（ａ）に示すような急速な
立上り部と緩やかな立下り部からなる駆動パルス（電
圧）を圧電素子に印加すると、圧電素子は急速な伸びと
緩やかな縮み変位を生ずる。

【００２３】しかしながら、圧電素子は入力された駆動
パルスの変化に過応答して周期の短い振動が発生する。
この振動は「リンキング」と呼ばれるもので、このリン
キングが圧電素子自体の変位に付加され、圧電素子は図
３の（ｂ）に示すような時間に対する変位を示す。

【００２４】先に説明した通り、駆動パルスの立ち上が
り時間を駆動系の共振周期の整数倍とすることでリンキ
ング振動が発生しないことが知られているが、駆動パル
スの立ち上がり時間は立ち下がり時間よりも短くしなけ
れば被駆動部材を動かすことはできないから、これは駆
動パルスの立ち上がり時間を駆動周期の１／２未満、実
質的にはもつと小さくしなければならないということで
ある。

【００２５】そこで、この発明では、図２に示した前記
等価回路においてコンデンサＣp に充電された電荷量が
圧電素子の変位量に対応するから、圧電素子を急速に変
位させるときは大電流を流してコンデンサＣp を急速に
充電し、圧電素子を緩やかに変位させるときは一定電流
を流してコンデンサＣp を緩やかに充電するようにして
も圧電素子に所望の変位を発生させることができる点に
着目し、圧電素子を駆動する駆動信号の電流を制御する
駆動方法を開発した。

【００２６】図４は圧電素子の駆動回路の一例を示すも
ので、オペアンプＡm とトランジスタＴｒ1 、Ｔｒ2 か
らなる定電流回路ＲＣの入力側は電源Ｖ2 に接続され、
出力側は圧電素子１８に接続されている。また、電界効
果トランジスタＦＥＴのソ−ス電極は電源Ｖ1 に接続さ
れ、ドレイン電極は定電流回路の出力側を経て圧電素子
１８に接続され、ゲ−ト電極は制御パルス源に接続され
ている。

【００２７】その動作を説明すると、電界効果トランジ
スタＦＥＴのゲ−ト電極に制御パルスが入力されるとソ
−ス電極とドレイン電極が導通し、圧電素子１８は電源
Ｖ1に接続されて大電流が流れる。一方、ゲ−ト電極に
制御パルスが入力されないときは、電界効果トランジス
タＦＥＴのソ−ス電極とドレイン電極は非導通となり、
圧電素子１８には定電流回路ＲＣから所定の一定電流が
供給される。

【００２８】図５は図４に示す駆動回路により圧電素子
に供給される電流の変化と、圧電素子の変位を示すもの
で、図５（ａ）に示すように圧電素子に大電流（正方
向）と所定の一定電流（負方向）が交互に流れるとき
は、圧電素子は図５（ｂ）に示すように大電流（正方
向）に対応した急速な変位（伸び）と、一定電流（負方
向）に対応した緩やかに変位（縮み）とが交互に生ずる
ことを示している。

【００２９】次に、図１に示すズ−ムレンズの駆動機構
の動作を説明する。まず、ズ−ムレンズ鏡筒１１を矢印
ａ方向に移動する場合を説明する。図４に示す圧電素子
駆動回路の電界効果トランジスタＦＥＴのゲ−ト電極に
制御パルスを入力すると、圧電素子１８には正方向の大
電流が流れる。この結果、圧電素子１８は急速に厚み方
向の伸び変位を生じるので、駆動軸１３は軸方向に矢印
ａと反対方向に急速に移動する。このとき、ズ−ムレン
ズ鏡筒１１及び摩擦板１２は、その慣性力により駆動軸
１３とズ−ムレンズ鏡筒１１及び摩擦板１２との間の摩
擦力に打ち勝つて実質的にその位置に留まるので、移動
しない。

【００３０】なお、ここでいう実質的とは、矢印ａ方向
と、これと反対方向のいずれにおいてもズ−ムレンズ鏡
筒１１及び摩擦板１２が駆動軸１３との間に滑りを生じ
つつ追動し、駆動時間の差によつて全体として矢印ａ方
向に移動するものも含むことを意味している。どのよう
な移動形態になるかは、与えられた摩擦条件に応じて決
定される。

【００３１】次に、圧電素子駆動回路の電界効果トラン
ジスタＦＥＴのゲ−ト電極の制御パルスが消失すると、
圧電素子１８には定電流回路ＲＣから所定の負方向の一
定電流が流れる。この結果、圧電素子１８は緩やかに厚
み方向の縮み変位を生じるので、駆動軸１３は軸方向に
矢印ａ方向に緩やかに移動する。

【００３２】このとき、ズ−ムレンズ鏡筒１１は、摩擦
板１２が圧接ばね１４により押圧され、駆動軸１３とズ
−ムレンズ鏡筒１１及び摩擦板１２とは面接触し、接触
面に発生する摩擦力により結合しているので、駆動軸１
３と共に実質的に矢印ａ方向に移動する。

【００３３】圧電素子駆動回路の電界効果トランジスタ
ＦＥＴのゲ−ト電極に連続的に制御パルスを入力して圧
電素子１８に正方向の大電流と負方向の所定の一定電流
が交互に流れるようにして圧電素子１８に伸び変位と縮
み変位を交互に生じさせ、ズ−ムレンズ鏡筒１１を矢印
ａで示す方向へ連続して移動させることができる。

【００３４】ズ−ムレンズ鏡筒１１を矢印ａと反対方向
に移動させるには、上記と逆に圧電素子１８に負方向の
大電流と、正方向の所定の一定電流が交互に流れるよう
にすることで達成することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、電気−機械変換素子に結合した駆動部材と、これに
摩擦結合した被駆動部材から構成される電気−機械変換
素子を使用した駆動装置の駆動方法において、駆動部材
を緩やかに変位させて実質的に駆動部材と共に被駆動部
材を移動させるときは、前記電気−機械変換素子に供給
する駆動信号として所定の一定電流が流れるようにし、
また、駆動部材を急速に変位させて駆動部材の移動によ
つても駆動部材との摩擦結合に打勝たせて実質的に被駆
動部材を移動させないときは、前記電気−機械変換素子
に供給する駆動信号として前記所定の一定電流よりも大
きな電流が流れるように、前記駆動信号電流を制御する
から、従来の駆動装置において発生するリンキング振動
を抑えることができ、より高速で被駆動部材を駆動する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の駆動方法を適用するに適した駆動装
置の構成を示す斜視図。

【図２】圧電素子の等価回路を示す図。

【図３】圧電素子の駆動パルス波形と圧電素子に発生す
る変位を説明する図。

【図４】この発明による圧電素子の駆動回路を示す図。

【図５】図４に示す駆動回路の出力電流と圧電素子に発
生する変位を説明する図。

【図６】従来の電気−機械変換素子を使用した駆動装置
の構成の一例を示す斜視図。

【図７】従来の電気−機械変換素子を使用した駆動装置
の駆動パルス波形を示す図。

【符号の説明】

１１ ズ−ムレンズ鏡筒 １２ 摩擦板 １３ 駆動軸 １４ 圧接ばね １８ 圧電素子 ２１ フレ−ム ２２、２３、２４ 支持板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気−機械変換素子と、前記変換素子に
   結合して変換素子と共に変位する駆動部材と、前記駆動
   部材に摩擦結合した被駆動部材から構成される電気−機
   械変換素子を使用した駆動装置の駆動方法において、 前記駆動部材を緩やかに変位させて実質的に駆動部材と
   共に被駆動部材を移動させるときは、前記電気−機械変
   換素子に供給する駆動信号として所定の一定電流が流れ
   るようにし、前記駆動部材を急速に変位させて駆動部材
   の移動によつても駆動部材との摩擦結合に打勝たせて実
   質的に被駆動部材を移動させないときは、前記電気−機
   械変換素子に供給する駆動信号として前記所定の一定電
   流よりも大きな電流が流れるように、前記駆動信号電流
   を制御することを特徴とする電気−機械変換素子を使用
   した駆動装置の駆動方法。