振動馬達控制器以及透鏡裝置和圖像拾取裝置的製作方法

2023-04-29 17:44:56 1

本發明涉及一種振動馬達控制器以及一種包括該振動馬達控制器的透鏡裝置和圖像拾取裝置。

背景技術：

已經提出了各種用於控制振動馬達的方法，該振動馬達具有：振動器，該振動器由金屬彈性本體等來形成，機電換能器(壓電元件或電致伸縮元件)結合至該振動器；以及接觸器，該接觸器與振動器壓力接觸。日本專利申請公開No.2011-067035公開了一種延伸振動馬達的速度的動態範圍的技術，即：通過執行相位差控制以便在頻率固定的情況下改變相位差，然後在相位差達到規定值時執行頻率控制，以便在相位差固定的情況下改變頻率。

在日本專利申請公開No.2011-067035中公開的技術是能夠利用振動馬達的驅動速度的較寬動態範圍的技術。不過，在從相位差控制轉換之後的頻率控制中，即使頻率升高或降低一定量，振動馬達的驅動速度也不相應地線性增加或減小，這降低了可控制性。因此，為了降低在頻率控制範圍中驅動速度相對於頻率的這種非線性的不利影響，相位差控制中的頻率可以設置成較低頻率。不過，在這種情況下，低速區域下的可控制性將降低。這是因為在頻率-速度曲線中在低於諧振頻率的頻率區域中速度隨頻率變化的變化較大，且因為在具有小相位差的頻率-速度曲線中的諧振頻率比在具有大相位差的頻率-速度曲線中的諧振頻率高。總體來說，當在相位差控制中的頻率設置成較高頻率時，由於在頻率控制範圍中的非線性的不利影響，可控制性降低；當在相位差控制中的頻率設置成較低頻率以便降低在頻率控制區域中的非線性的不利影響時，由於在低於諧振頻率的頻率區域中根據頻率-速度曲線進行的控制，振動馬達不穩定地操作。因此，很難同時在小相位差情況下實現振動馬達的可控制性和振動馬達的穩定性兩者。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種振動馬達控制器，它能夠在小相位差情況下獲得可控制性和穩定性兩者，同時保持驅動速度的較寬動態範圍。

本發明的振動馬達控制器控制振動馬達的驅動速度，該振動馬達使振動器和與振動器接觸的接觸器相對運動，振動器通過機電換能器而振蕩，具有相位差的第一頻率信號和第二頻率信號施加給所述機電換能器。振動馬達控制器包括：相位差確定器，所述相位差確定器儲存在頻率與所述第一頻率信號和第二頻率信號之間的相位差之間的關係，並根據所述關係來確定相對於頻率的相位差；以及控制器，所述控制器根據第一頻率信號和第二頻率信號的頻率以及由相位差確定器根據該頻率確定的相位差而控制振動馬達的速度。儲存在相位差確定器中的頻率與相位差之間的所述關係不包括在低于振動馬達的頻率-速度特性中的諧振頻率的頻率與相位差之間的關係。

根據本發明，能夠在小相位差情況下獲得可控制性和穩定性兩者，同時保持驅動速度的較寬動態範圍。

通過下面參考附圖對示例實施例的說明，將清楚本發明的其它特徵。

附圖說明

圖1是根據本發明實施例的振動馬達控制器的結構圖。

圖2示出了在本發明的實施例1中振動馬達控制器的頻率-速度特性曲線和頻率-速度控制線。

圖3A示出了在本發明的實施例1中振動馬達控制器的頻率-速度特性曲線和頻率-速度控制線。

圖3B示出了在本發明的實施例1中振動馬達控制器的頻率和相位差之間的關係。

圖4A示出了在本發明的實施例1中振動馬達控制器的頻率-速度特性曲線和頻率-速度控制線。

圖4B示出了在本發明的實施例1中振動馬達控制器的頻率和相位差之間的關係。

圖5A示出了在本發明的實施例2中振動馬達控制器的頻率-速度特性曲線和頻率-速度控制線。

圖5B示出了在本發明的實施例2中振動馬達控制器的頻率和相位差之間的關係。

圖6示出了振動馬達的速度特性。

圖7示出了在每種致動頻率處的速度軌跡。

圖8示出了在本發明的每個實施例中的線性的定義。

具體實施方式

下面將根據附圖詳細介紹本發明的優選實施例。

(振動馬達的常規控制的概述)

振動馬達包括：振動器，該振動器由金屬彈性本體等來形成，機電換能器(壓電元件或電致伸縮元件)結合至該振動器；以及接觸器，該接觸器與振動器壓力接觸。當具有相位差的多個頻率信號施加給壓電元件時，將引起振動器振蕩，且振動器和接觸器彼此相對運動，以便產生驅動力。振動馬達的驅動通過改變施加給壓電元件的頻率信號的頻率(也簡稱為頻率)的方法(稱為頻率控制)或者通過改變施加給壓電元件的多個頻率信號之間的相位差(也簡稱為相位差)的方法(稱為相位差控制)來控制。頻率控制和相位差控制是公知的，因此省略它們的詳細說明。

為了保證可控制性和延伸動態範圍，已知方法是執行相位差控制以便在頻率固定的情況下改變相位差，然後在相位差達到規定值時執行頻率控制以便在相位差固定的情況下改變頻率。圖6示出了在頻率和相位差以及振動馬達的驅動速度之間的關係(稱為頻率-速度特性曲線)。當使用水平軸線作為頻率並且使用豎直軸線作為驅動速度時，圖6示出了在頻率在相位差固定為10至90度的情況下變化的情形下振動馬達的頻率-速度特性曲線。對於每個相位差，在相對於達到最高速度的頻率(下文中稱為諧振頻率)的低頻率側上，驅動速度相對於頻率急劇變化。因此，為了提高可控制性，通常希望在不使用該頻率範圍的情況下控制振動馬達。

圖7示出了在作為開始點的頻率(下文中也稱為致動頻率)變化的情況下在振動馬達的速度特性中使用相位差控制和頻率控制兩者的驅動速度的軌跡。圖7以與圖6相同的方式畫出。首先，讓我們考慮以下情形：在相位差控制中頻率設置為頻率FresH(該頻率FresH高於在相位差為10度情況下的諧振頻率Fres)，並且在相位差為90度的情況下，相位差控制轉換成頻率控制。在這種情況下，驅動速度跟隨由虛線箭頭表示的頻率-速度軌跡。虛線箭頭的位置高於在相位差為10度情況下的諧振頻率Fres，從而導致穩定的控制。

不過，在相位差為90度或高於90度時的頻率控制中，虛線箭頭跟隨非線性軌跡。也就是，在頻率控制範圍中，即使當頻率升高或降低一定量時，振動馬達的驅動速度也不會增加或減小相應特定量，這降低了可控制性。當為了降低在頻率控制範圍中非線性對可控制性的不利影響，在相位差控制中將頻率設置成低於頻率FresH的頻率FresL時，驅動速度跟隨由實線箭頭表示的軌跡。實線箭頭具有比虛線箭頭更窄的頻率控制範圍，從而能夠降低在頻率控制中非線性的不利影響。

不過，在相位差控制中頻率FresL低於在相位差為10度的情況下的諧振頻率Fres。因此，當在相位差控制中將頻率設置為FresL時，在小相位差的情況下振動馬達的操作可能變得不穩定。通常，振動馬達的頻率-速度特性中的諧振頻率在獲得低速的相位差情況(在圖7中10度的相位差)下高於在獲得高速的相位差情況(在圖7中90度的相位差)。因此，當致動頻率設置在低頻率區域中時，可能沒有什麼選擇，只能通過使用比頻率-速度特性曲線中的諧振頻率低的頻率區域來進行控制。

[實施例1]

圖1示出了根據本發明實施例的振動馬達控制器的結構。在下面的說明中，為了清楚，只介紹了本發明的主要部件，並不形成本發明的特徵的部件的說明將省略。

振動馬達控制器100控制振動馬達103的驅動。

頻率確定器101確定輸入給振動馬達103的多個頻率信號的頻率。例如，根據位置檢測器105(該位置檢測器105檢測振動馬達103的位置)的輸出與目標輸入單元106的輸出之間的差異來確定頻率。而且，低頻率側從儲存在致動頻率存儲器107中的致動頻率確定。相位差確定器102根據由頻率確定器101確定的頻率來確定多個頻率信號之間的相位差。確定方法將在後面詳細介紹。輸出單元104(控制器)根據由頻率確定器101確定的頻率和由相位差確定器102確定的相位差向振動馬達103輸出多個頻率信號。

下面將參考圖2至5B介紹使用相位差確定器102來確定相位差的方法。與圖7類似，圖2通過使用相位差作為參數示出了在施加給振動馬達的兩個頻率信號的頻率和驅動速度之間的關係。

如上所述，在振動馬達的頻率-速度特性方面，驅動速度相對於頻率的梯度在低於諧振頻率的頻率區域中較大，因此，考慮到可控制性，該區域並不用於驅動控制。當相位差變大至一定程度時，驅動速度在高頻率側的端部處快速地減小，如圖2中所示(下文中也稱為「陡峭下降特性」或「懸崖下降現象」)，因此，考慮到可控制性，該區域也不用於驅動控制。這樣，在頻率-速度特性曲線中的驅動速度並不隨著頻率變化而較大變化的區域將用於控制，從而獲得良好的可控制性。

首先，確定用於控制的相位差的範圍。這裡，作為實例，用於控制的相位差的範圍設置為0至90度。在具有預定相位差(這裡，90度)的頻率-速度特性曲線上確定了表示在頻率(F0』，F0)中的頻率F0的點P0(圖3A)，該頻率F0高於諧振頻率，所述頻率(F0』，F0)指示在目標控制速度範圍中的最高速度V0。設置致動頻率Fa2，該致動頻率Fa2高於在具有相應相位差的所有頻率-速度特性曲線中的諧振頻率，並低於具有陡峭下降特性的高頻率側，將致動頻率Fa2且驅動速度為0時的點P1與具有預定相位差(90度)的頻率-速度特性曲線上的點P0連接。

致動頻率Fa2設置成使得直線P0-P1不與具有相應相位差的任何頻率-速度特性曲線在低於它們的諧振頻率的頻率區域中相交(例如，當選擇頻率Fa1時，線P0-P1相交)，且不與具有達到最高速度Vmax的相位差(這裡，90度)的頻率-速度特性曲線相交(例如，當選擇頻率Fa3時，線P0-P1相交)。

因為這樣確定的直線P1-P0表示頻率和驅動速度之間的線性關係，因此，驅動速度根據該關係通過改變頻率來控制，因此能夠獲得驅動速度相對於頻率的高可控制性。這裡，為了隨著頻率的改變而在作為控制線的直線P1-P0上改變驅動速度，相位差需要隨著頻率的改變而改變，以便滿足在如圖2、3A和3B中所示的直線上的頻率和相位差之間的關係。

因此，在頻率Fa2至頻率F0(驅動速度0至V0)的範圍內頻率和相位差之間的關係(它滿足作為控制線的直線P1-P0，圖3B)保持在相位差確定器102中。圖3B中的頻率和相位差之間的關係(以表格、公式等的形式)保持在相位差確定器102中，且相位差確定器102確定根據頻率輸出給振動馬達的相位差，從而響應頻率的輸入而線性地控制驅動速度。

圖3A中所示的作為頻率-速度控制線的直線P1-P0將設置為不與具有相應相位差的任何頻率-速度特性曲線在低於諧振頻率的頻率區域中相交，且不與具有達到最高速度Vmax的相位差的頻率-速度特性曲線相交。因為在驅動速度和頻率之間的關係為線性，因此與最高速度相對應的頻率是在控制頻率範圍中的最低頻率。

不過，與最高速度相對應的相位差不限於最大相位差(如圖3B中所示)。例如，當如圖4A中所示達到最高速度的頻率-速度特性曲線的相位差(在圖4A中，70度)不是在用作控制範圍的相位差範圍中達到最高速度的頻率-速度特性曲線上的相位差(圖4A中，90度)時，相位差不必在控制範圍中在最高速度V0處最大，如圖4B中所示。在圖4B中，當頻率從致動頻率降低時，相位差首先增加，然後降低，使得頻率和相位差對應於最高速度。根據這樣的頻率-速度控制線，頻率和驅動速度能夠在高可控制性的情況下被線性地控制。

[實施例2]

下面將參考圖5A和5B介紹根據本發明的實施例2的振動馬達103。在該實施例中，根據振動馬達103的頻率-速度特性，所希望的最高速度V0至最低速度不能相對於頻率來線性控制。

在該實施例中，振動馬達的結構與實施例1中的相同，因此省略它們的說明。

再一次，將介紹這樣的實例，其中，用於控制的相位差的範圍設置為0至90度。對於在控制範圍中要達到的最高速度V0，首先確定頻率(F0』、F0)，該頻率(F0』、F0)指示在具有達到最高速度的相位差(這裡，90度)的頻率-速度特性曲線上的最高速度V0，然後從頻率(F0』、F0)中確定表示頻率F0的點P0，該頻率F0高於諧振頻率。

然後設置致動頻率，該致動頻率高於諧振頻率，並低於具有陡峭下降特性的高頻率側。這裡，將在致動頻率且驅動速度為0時的點P1與在具有90度相位差的頻率-速度特性曲線上的點P0連接的直線P0-P1能夠在以下情形下相對於頻率線性地控制驅動速度的範圍(從0至最高速度V0)。也就是，直線P0-P1不與具有相應相位差的任何頻率-速度特性曲線在低於諧振頻率的頻率區域中相交(在選擇頻率Fb2的情況下，線P0-P1相交)，且不與具有達到最高速度的相位差的頻率-速度特性曲線相交(例如，在選擇頻率Fb3的情況下，線P0-P1相交)。不過，因為具有如圖5A中所示頻率-速度特性曲線的振動馬達沒有滿足上述條件的直線P0-P1，因此採用以下頻率-速度控制線。

首先，設置致動頻率Fb3，該致動頻率Fb3高於具有相應相位差的任何頻率-速度特性曲線中的諧振頻率，並且低於具有陡峭下降特性的高頻率側，且找到最高速度處的點P2，使得連接點P2與致動頻率Fb3處的點P1的直線不與表示最高速度的、具有90度相位差的頻率-速度特性曲線相交，但是以直線接觸。在大部分情況下，在點P2處，直線P1-P2是達到最高速度的、具有90度相位差的頻率-速度特性曲線的切線。

在點P1處的頻率Fb3至點P2處的頻率Fb1的範圍中，該直線用作頻率-速度控制線，以便控制速度，在頻率Fb1至頻率F0(該頻率F0表示最高速度V0)的範圍中，具有90度相位差的頻率-速度特性曲線用作控制線，以便在相位差保持恆定(這裡，90度)的情況下改變頻率。

在這樣確定的頻率-速度控制線(直線P1-P2，曲線P2-P0)中，在頻率Fb3至頻率Fb1的範圍中頻率和驅動速度之間的關係為線性。在頻率Fb1至頻率F0的範圍中頻率和驅動速度之間的關係並不為線性(驅動速度V1(第一速度)至V0)，不過，能夠獲得可以在直線P1-P2的部分中獲得的可控制性。

因為直線P1-P2與曲線P2-P0相切，因此直線P1-P2能夠過渡至曲線P2-P0，且不會引起急劇的加速或減速，這能夠在控制範圍之間平滑過渡。應當注意，相位差需要隨著頻率的變化而變化，以便滿足在如圖5A中所示的控制線P1-P0上的頻率和相位差之間的關係。為此，在頻率Fb3至頻率F0的範圍內(驅動速度0至V0)頻率和相位差之間的關係(它滿足作為控制線的直線P1-P0，圖5B)以表格、公式等形式而保持在相位差確定器102中。

圖5B中的頻率和相位差之間的關係保持在相位差確定器102中，相位差確定器102根據頻率來確定輸出給振動馬達的相位差，從而響應頻率的輸入而在低速側線性地控制驅動速度，在高速側基本線性地控制驅動速度。

通過這種設置，本發明的控制器能夠在小相位差的情況下獲得可控制性和穩定性，同時保持驅動速度的較寬動態範圍。

如圖4A中所示的實施例1中的控制線可以用作實施例2中的直線P1-P2中的頻率-速度控制線。

通過上述設置，通過根據頻率來確定相位差，同時使用高於諧振頻率的頻率-速度特性，即使在小相位差的情況下，驅動速度也能夠在整個速度控制範圍中根據頻率而線性或基本線性地控制。因此，能夠在小相位差的情況下獲得可控制性和穩定性兩者。通過改變相位差，同時從致動頻率至低頻率側改變頻率，驅動速度的動態範圍能夠較大。

在該實施例中，儘管使用的相位差為90度(0度至90度)，但是本發明並不局限於此。例如，80度或70度也能夠獲得本發明的優點。

在該實施例中，儘管相位差在0度至90度的範圍內變化，但是可以使用任何相位差，只要該相位差能夠改變以便表示低速至高速即可。例如，90度至180度的範圍或-90度至0度的範圍也能夠獲得本發明的優點。

在該實施例中，儘管在圖5A和5B中在頻率Fb3處的相位差設置為0度，但是可以使用能夠獲得控制器所需的最低速度的任何相位差，且用於獲得本發明的優點的控制速度並不必須包括0。例如，10度的相位差可以設置在頻率Fb3，與圖5A中類似的曲線或直線可以根據連接點P1與點P2的直線來獲得，以便獲得本發明的優點。

在該實施例中，儘管致動頻率設置為Fb3，但是可以使用滿足上述條件的任何致動頻率。例如，當在具有10度相位差的諧振頻率與頻率Fb3之間的頻率被設置為致動頻率，且將該點與如上所述的點P2連接的直線是高于振動馬達的具有各相位差的頻率-速度特性曲線上的諧振頻率地經過的直線時，能夠獲得本發明的優點。

在實施例1或2中的振動馬達控制器可以用作用於包括可動光學部件和用於驅動可動光學部件的振動馬達(作為驅動單元)的透鏡裝置的驅動馬達控制器。當可動光學部件是可動透鏡組時，操作環或操作旋鈕對應於目標輸入單元106，頻率確定器101根據來自目標輸入單元106的目標值和來自檢測器105(該檢測器105用於檢測可動透鏡組的位置)的檢測值之間的差異來確定頻率。確定的頻率輸入給相位差確定器102，相位差根據所儲存的、頻率和相位差之間的關係來確定，振動馬達103根據相位差來控制。這能夠實現這樣的透鏡裝置，該透鏡裝置能夠產生本發明的優點，也就是，能夠在小相位差的情況下獲得可控制性和穩定性，同時保持驅動速度的較寬動態範圍。

實施例1或2中的振動馬達控制器可以用作用於圖像拾取裝置的驅動馬達控制器，該圖像拾取裝置包括：透鏡裝置，該透鏡裝置具有可動光學部件和用於驅動該可動光學部件的振動馬達(作為驅動單元)；以及圖像拾取元件，用於拾取由透鏡裝置形成的光學圖像。還在該情形中，與將本發明的控制器應用於透鏡裝置的情況中相同，能夠提供這樣的圖像拾取裝置，該圖像拾取裝置能夠產生本發明的優點，也就是，能夠在小相位差的情況下獲得可控制性和穩定性，同時保持驅動速度的較寬動態範圍。

(線性的定義)

下面將參考圖8更詳細地介紹在各實施例中驅動速度的線性控制。在本發明的各實施例中驅動速度的線性控制並不需要嚴格數學意義的線性，相位差控制和頻率控制可以在由圖8中的雙頭箭頭和斜線界定的範圍中重複。

圖8中所示的範圍是在連接P0至P1的直線的較低頻率側和較高頻率側中的每一側上具有預定寬度的範圍。例如，該範圍是相對於連接P0至P1的直線具有使用頻率範圍的寬度的±10％或更小，更優選地±6％或更小的寬度的範圍。更詳細地說，當致動頻率為94kHz，且達到最高速度時的頻率為90kHz時，圖8中所示的範圍是離連接P0至P1的直線±0.4kHz的範圍。而且，圖8中所示的範圍可以是在連接P0至P1的直線的較高速度側和較低速度側中的每一側具有預定寬度的範圍。例如，該範圍是相對於連接P0至P1的直線是最高速度的±10％或更小，更優選地±6％或更小的範圍。

在本發明的各實施例中，驅動速度的線性控制是指這樣的特性，以定性方式，當振動馬達用於驅動聚焦透鏡並且頻率確定器以最小解析度(該最小解析度能夠由頻率確定器來確定)來改變頻率時，由於速度改變而改變的焦點深度不偏離當聚焦透鏡被理想地驅動時的預定焦點深度。

其它實施例

本發明的實施例還能夠通過系統或裝置的計算機來實現，該計算機讀取和執行記錄在儲存介質(該儲存介質也可以更完整地稱為「非臨時計算機可讀儲存介質」)上的計算機可執行指令(例如，一個或多個程序)，以便執行一個或多個上述實施例的功能，和/或該計算機包括一個或多個電路(例如專用集成電路(ASIC))，用於執行一個或多個上述實施例的功能，本發明的實施例還能夠通過由系統或裝置的計算機執行的方法來實現，例如通過從儲存介質中讀取和執行計算機可執行指令，以便執行一個或多個上述實施例的功能，和/或控制一個或多個電路，以便執行一個或多個上述實施例的功能。計算機可以包括一個或多個處理器(例如中央處理單元(CPU)、微處理單元(MPU))，並可以包括分開的計算機或分開的處理器的網絡，以便讀取和執行計算機可執行指令。計算機可執行指令可以例如從網絡或儲存介質提供給計算機。儲存介質可以包括例如硬碟、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、分布計算系統的存儲器、光碟(例如壓縮盤(CD)、數字通用盤(DVD)或者藍光碟(BD)TM)、快閃記憶體裝置、存儲卡等中的一種或多種。

儘管已經參考示例實施例介紹了本發明，但是應當理解，本發明並不局限於所公開的示例實施例。下面的權利要求的範圍將根據最廣義的解釋，以便包含所有這些變化形式以及等效結構和功能。