JP2017028933A - Control device, vibration type drive device, dust removal device, lens barrel, and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a control device that drives a vibration type actuator, a vibration type drive device, a dust removing device including the vibration type drive device, a lens barrel, and an imaging device.
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。 An oscillating body having an oscillating body formed by bonding an electro-mechanical energy conversion element such as a piezoelectric element to an elastic body, and a driven body in pressure contact with the oscillating body, and excited by the oscillating body There is known a vibration type actuator that relatively moves the driven body and the driven body. The vibration body is excited by applying an AC voltage to the piezoelectric element. At that time, the vibration body is controlled by controlling the frequency, voltage value (voltage amplitude), phase difference, etc. of the AC voltage applied to the piezoelectric element. And the relative movement speed of the driven body can be controlled.
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。 A control device that drives a vibration type actuator includes a pulse signal generation circuit that generates a pulse signal, and a booster circuit that amplifies an output from the pulse signal generation circuit to a predetermined voltage value. The frequency of the pulse signal output from the pulse signal generation circuit (hereinafter referred to as “driving frequency”) has an upper limit depending on the performance of the switching element. Generally, the driving frequency increases as the circuit becomes more expensive and has a larger device area. It tends to be possible to generate a high pulse signal.
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。 On the other hand, the optimum vibration mode varies depending on the configuration (size, shape, etc.) of the vibrating body. For example, depending on the configuration of the vibrating body, a low resonance frequency is 20 kHz, and a high resonance frequency is 120 kHz. Therefore, in order to use a small and inexpensive pulse signal generation circuit, it is necessary to lower the resonance frequency of the vibrator, but in that case, the degree of freedom in designing the vibrator is also limited.
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。
To solve this problem,
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。
However, in the driving method of the vibration type actuator using the harmonics described in
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。 An object of this invention is to provide the technique which improves the drive efficiency at the time of driving a vibration type actuator using a harmonic.
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。 One aspect of the present invention includes an oscillating body having an electro-mechanical energy conversion element and an elastic body joined to the electro-mechanical energy conversion element, and applying an AC voltage to the electro-mechanical energy conversion element. A control device that excites a predetermined vibration in the vibrating body, wherein the control device generates a pulse signal for driving the vibrating body with a third harmonic and generated by the generating means Boosting means for amplifying a pulse signal to generate the AC voltage, and the resonance frequency of the vibrating body is fm, the frequency of the pulse signal is fp, and the electric power generated by the boosting means and the electromechanical energy conversion element The control apparatus is characterized in that the condition of fm / 3 ≦ fp ≦ fe / 3 is satisfied when the resonance frequency is fe.
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。 According to the present invention, it is possible to realize a control device that improves the driving efficiency when driving a vibration type actuator using harmonics, thereby reducing the size and cost of the control device. The degree of freedom in designing the vibrating body can be increased.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, the vibration-type actuator refers to an actuator having a vibrating body including an electro-mechanical energy conversion element and having a configuration capable of driving a driven body by vibration excited by the vibrating body. In addition, the vibration type driving device refers to a device including a vibration type actuator and a control device for exciting predetermined vibrations in the vibration body of the vibration type actuator.
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。
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration and a driving principle of a linear vibration actuator that is an example of an object to be driven by a control device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a perspective view showing a schematic configuration of the
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。
The
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。
The
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。
The first vibration mode in FIG. 1C is a primary out-of-plane bending vibration mode in which two nodal lines appear in the vibrating
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。
The two
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。
Since a frictional force due to pressure contact acts between the two
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。
FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of a
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。
The
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。
A magnetic circuit is formed between the
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。
In addition, since the second guide portion forms a guide mechanism using magnetic attraction force, the vibrating
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。
By supplying a predetermined AC voltage to the vibrating
<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。
<First Embodiment>
FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of a
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。
The pulse
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。 In the present embodiment, it is assumed that the pulse signals A1 and A2 are rectangular waves. The pulse duty of the pulse signals A1 and A2 is adjusted so as to obtain a desired voltage value by well-known PWM (pulse width modulation) control, and at that time, as described later, the third harmonic is set to a large value. Is done.
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。
The voltage signal generated by the switching circuit is sent to the
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。
The
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。
Here, an equivalent circuit of the
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。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the
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。
The command
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。
For example, a PID computing unit or the like is used as the
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。
By the phase
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。
The reference frequency of the
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。
Since the operation of the
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。
In the present embodiment, the
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。
Next, the
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。
The phase difference /
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。
In the phase difference control region, the frequency is fixed to the frequency upper limit value, and the phase difference is changed between the phase difference upper limit value and the lower limit value, thereby controlling the reversal and stop of the driving direction and the speed in the low speed region. At this time, as described later, since the drive frequency is set to about 約 of the resonance frequency of the vibrating
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。 In the frequency control region, the phase difference is fixed to the phase difference lower limit value or the phase difference upper limit value, and the frequency is changed between the frequency upper limit value and the frequency lower limit value (for example, 92 kHz to 89 kHz). Control the speed.
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。
FIG. 5B is a diagram illustrating the driving speed of the vibration type actuator 100 (the moving speed of the driven body 101) based on the control amount of FIG. In FIG. 5B, the control amount is taken on the horizontal axis and the drive speed is taken on the vertical axis, and the elliptical motion shown in the lower stage schematically shows the movement of the tip of the
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。
Phase difference control is performed in a low-speed drive region where the drive speed is −50 to +50 mm / s, and frequency control is performed in other high-speed drive regions. In the phase difference control, the elliptical motion of the
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。
FIG. 6 is a diagram illustrating the electrical resonance frequency of the
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。
Here, the configuration of the
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。
FIG. 6A shows an example in which the primary winding coil of the
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。
FIG. 6B shows an example in which the electrical resonance frequency fe is shifted from 277 kHz to the low frequency side. Here, the circuit constants of the
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。
Driving efficiency can be increased by using more third-order harmonics than the fundamental wave of the driving frequency fp. Therefore, here, the electrical resonance frequency fe is adjusted so that the voltage of 3 fp is larger than the voltage at 2 fp, with 2 fp being the center of the fundamental wave and the third harmonic. When the condition of FIG. 6B is satisfied, the
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。
FIG. 6C shows an example (reference example) in which the electrical resonance frequency fe is further shifted from 133 kHz to the lower frequency side. Here, the circuit constant of the
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。
FIG. 7A is a diagram showing the relationship between the pulse width Tw of the pulse signals A1 and A2, and the fundamental wave and the third harmonic in the drive signal output from the
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。
FIG. 7B is a diagram showing the result of calculating the voltage ratios of the fundamental wave and the third harmonic with respect to the pulse signals A1 and A2 pulse duty Tw / T of the drive signal output from the
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。
Conventionally, when the
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。
FIG. 8 is a diagram illustrating measurement results of drive speed and power supply power when the
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。
In the conventional driving method of the
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。
FIG. 9A is a diagram showing a breakdown of power supply power in a conventional driving device, where the driving frequency fp is set to 90 kHz, the phase difference between the two-phase pulse signals is set to 110 degrees, and the pulse duty Tw / T is set to 50%. Has been. On the other hand, FIG. 9B is a diagram showing a breakdown of power supply power in the
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。
In common with FIGS. 9A and 9B, the switch loss is a loss generated when the switching element of the switching circuit constituting the pulse signal generation circuit is turned on / off. The coil loss is a heat loss caused by the resistance of the coil of the booster circuit. The on-resistance loss is a heat loss caused by the on-resistance of the switching element of the switching circuit constituting the pulse signal generation circuit. The transformer loss is a heat loss caused by each resistance of the secondary winding coil and the primary winding coil of the transformer constituting the booster circuit. These are the circuit losses of the drive device, the switch loss increases as the drive frequency fp increases, and the heat loss increases as the drive current increases. The motor loss is the total value of the internal loss and the sliding loss of the
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。
Comparing each loss of FIGS. 9A and 9B, it can be seen that in the
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。
As described above, since the driving
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。
In the present embodiment, the drive frequency fp is set to about 3 of the resonance frequency fm of the vibrating
<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。
Second Embodiment
In the second embodiment, a driving device in which the function of a high-pass filter is added to the
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。
FIG. 10A is a diagram showing a circuit configuration of a drive device 300A that constitutes the control device according to the second embodiment of the present invention. Of the driving device 300A, the same elements as those of the
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。
The
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。
FIG. 10B is a diagram illustrating the frequency characteristics of the drive signal output from the
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。
The maximum driving speed of the driven
<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。
<Third Embodiment>
In the third embodiment, an example in which the driving device described in the first embodiment or the driving device 300A described in the second embodiment is applied to a dust removing device of an optical device will be described. FIG. 11A is a perspective view illustrating a schematic configuration of the imaging apparatus
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。
FIG. 10B is a perspective view illustrating a schematic configuration of the
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。
The
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。
The
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。
A
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。
Here, the
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。
Therefore, since the
<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。
<Other embodiments>
Although the present invention has been described in detail based on preferred embodiments thereof, the present invention is not limited to these specific embodiments, and various forms within the scope of the present invention are also included in the present invention. included. Furthermore, each embodiment mentioned above shows only one embodiment of this invention, and it is also possible to combine each embodiment suitably.
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。
For example, in the first embodiment, the example in which the lens for autofocus is driven by the
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
DESCRIPTION OF
Claims (10)
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。 Control for exciting a predetermined vibration by applying an alternating voltage to the electro-mechanical energy conversion element to a vibration body having an electro-mechanical energy conversion element and an elastic body joined to the electro-mechanical energy conversion element A device,
The control device includes:
Generating means for generating a pulse signal for driving the vibrator with a third harmonic;
Boosting means for amplifying the pulse signal generated by the generating means to generate the alternating voltage,
When the resonance frequency of the vibrating body is fm, the frequency of the pulse signal is fp, and the electric resonance frequency generated by the boosting means and the electromechanical energy conversion element is fe, fm / 3 ≦ fp ≦ fe / 3, The control apparatus characterized by satisfying the following conditions.
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。 A vibration-type actuator comprising: an oscillating body having an electro-mechanical energy conversion element; an elastic body joined to the electro-mechanical energy conversion element; and a driven body in pressure contact with the elastic body;
A control device according to any one of claims 1 to 5, which controls driving of the vibration actuator.
A vibration type driving device that relatively moves the vibrating body and the driven body by vibration excited on the vibrating body by an alternating voltage applied to the electro-mechanical energy conversion element by the control device;
The control device includes:
Detecting means for detecting a relative position between the vibrating body and the driven body;
Setting means for setting the control amount of the frequency and phase difference of the AC voltage based on the relative position;
The vibration-type drive device, wherein the generating unit and the boosting unit generate the AC voltage based on the frequency and phase difference set by the setting unit.
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。 A vibrator having an electro-mechanical energy conversion element and an elastic body joined to the electro-mechanical energy conversion element;
A control device according to any one of claims 1 to 5, which controls driving of the vibrating body,
A dust removing device that removes dust attached to the elastic body by vibration generated by applying an alternating voltage to the electro-mechanical energy conversion element by the control device and excited by the vibrating body;
The control device includes:
Further comprising setting means for setting a control amount of the frequency and phase difference of the AC voltage;
The dust removing device, wherein the generating unit and the boosting unit generate the AC voltage based on a frequency and a phase difference set by the setting unit.
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。 An image sensor;
An oscillating body having an optical member attached to the imaging surface of the imaging element, and an electro-mechanical energy conversion element provided on the optical member,
A control device according to any one of claims 1 to 5, which controls driving of the vibrating body,
An imaging device that removes dust attached to the optical member by vibration generated by applying an alternating voltage to the electromechanical energy conversion element by the control device and exciting the vibrating body,
The control device includes:
Further comprising setting means for setting a control amount of the frequency and phase difference of the AC voltage;
The imaging device, wherein the generating unit and the boosting unit generate the AC voltage based on the frequency and phase difference set by the setting unit.
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。 A vibration-type actuator comprising: an oscillating body having an electro-mechanical energy conversion element; an elastic body joined to the electro-mechanical energy conversion element; and a driven body in pressure contact with the elastic body;
A holding member that holds the lens and is attached to the vibrating body or the driven body and moves in the optical axis direction by relative movement of the vibrating body and the driven body;
A control device according to any one of claims 1 to 5, which controls driving of the vibration actuator.
A lens barrel that relatively moves the vibrating body and the driven body by vibration excited on the vibrating body by an alternating voltage applied to the electro-mechanical energy conversion element by the control device;
The control device includes:
Detecting means for detecting the position of the holding member in the optical axis direction;
Setting means for setting the control amount of the frequency and the phase difference of the AC voltage based on the position of the holding member in the optical axis direction;
The lens barrel according to claim 1, wherein the generating unit and the boosting unit generate the AC voltage based on the frequency and phase difference set by the setting unit.
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。 A lens barrel having a holding member that holds the lens, and a vibration-type actuator that drives the holding member in the optical axis direction;
The control device according to any one of claims 1 to 5, which controls driving of the vibration type actuator;
An image pickup device that photoelectrically converts an optical image formed by the light flux that has passed through the lens barrel,
The vibration type actuator is
An oscillating body having an electro-mechanical energy conversion element and an elastic body joined to the electro-mechanical energy conversion element;
A driven body in pressure contact with the elastic body,
The holding member is attached to the vibrating body or the driven body, and the vibrating body and the driven body are caused by vibration excited by the vibrating body by an AC voltage applied to the electromechanical energy conversion element by the control device. Move in the direction of the optical axis according to the movement relative to the body,
The control device includes:
Detecting means for detecting the position of the holding member in the optical axis direction;
Setting means for setting the control amount of the frequency and the phase difference of the AC voltage based on the position of the holding member in the optical axis direction;
The imaging device, wherein the generating unit and the boosting unit generate the AC voltage based on the frequency and phase difference set by the setting unit.
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