JP4110153B2 - 振動型アクチュエータの駆動装置および振動型アクチュエータの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、相対移動する振動体および接触体を有する振動型アクチュエータの駆動制御に関するものである。

振動型アクチュエータの駆動信号には、数１０ＫＨｚ以上の周波数で数１０Ｖｐｐ以上の交流駆動電圧が必要である。このため、電源として電池等の低電圧電源を用いるため、ＤＣ−ＤＣコンバータで一旦直流高電圧を発生させ、これを電源として駆動回路に供給し、駆動電圧を発生させている。また、この駆動回路の出力は、インダクタを介して圧電素子に接続されており、インダクタの昇圧効果も加えて増幅した交流電圧を圧電素子に供給している（例えば、特許文献１参照）。また、電源電圧を昇圧させる構成として、トランスによる増幅回路を用いたものも一般的に多く用いられている。

一方、上述した高電圧発生回路を利用する代わりに、圧電素子を積層化することで駆動電圧を低電圧化させた振動型アクチュエータもある。
特開２００２−１５９１９０号公報（段落番号００１５、００１６等）

しかしながら、積層圧電素子を用いる方法や、ＤＣ−ＤＣコンバータやトランス等を用いて電源電圧を昇圧する方法は、高価であり、駆動回路が大型化してしまう。また、積層圧電素子を用いた場合には、単板の圧電素子に比べて駆動効率が若干低くなる傾向がある。

そこで、本発明は上記課題を解決するため、電気−機械エネルギ変換素子により振動が励起される振動体と、振動体に接触し振動体に励起された振動によって移動する接触体とを有する振動型アクチュエータの駆動装置において、電源に接続されたインダクタと、電気−機械エネルギ変換素子と並列に接続されたコンデンサと、位相差をもつ第１のパルス信号と第２のパルス信号を生成するパルス生成回路と、第１のパルス信号に応じて、インダクタに蓄積されたエネルギのコンデンサへの供給動作を切り替える第１のスイッチング素子と、第２のパルス信号に応じて、コンデンサに蓄積されたエネルギの放電動作を切り替える第２のスイッチング素子とを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、振動体の駆動指令に応じて、インダクタに蓄積されたエネルギの前記電気−機械エネルギ変換素子への供給動作を切り替える第１のスイッチング素子と、電気−機械エネルギ変換素子に蓄積されたエネルギの放電動作を切り替える第２のスイッチング素子とを制御する。よって、単純な回路構成とすることができ、低コスト化および小型化を図ることが可能となる。

以下、本発明の好適な実施例について説明する。

本発明の実施例１である振動型アクチュエータの駆動装置について説明する。図１は、本実施例の駆動装置における回路構成を示す図である。

図１において、１は電源である。２は第１のインダクタであるインダクタ素子であり、電源１に接続されている。３は、インダクタ素子２とグランドの間をスイッチングする第１のスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴである。４は、ＭＯＳＦＥＴ３をオン状態としたときにインダクタ素子２に蓄積されるエネルギを後述する圧電素子５に転送するためのダイオードである。

５は不図示の振動体の一部を成す圧電素子（電気―機械エネルギ変換素子）、６は圧電素子５に蓄えられた電荷（エネルギ）を後述するインダクタ素子７によって放電させるためのスイッチング回路、７はスイッチング回路６と電源１の間に設けられたインダクタ素子である。

８はパルス生成回路であり、指令回路（ＣＰＵ等）１００からの指令に従って、不図示の振動体の共振周波数近傍で且つ共振周波数よりも高い周波数を持つ複数のパルス信号（Ｐ１、Ｐ２）を生成し、このパルス信号をＭＯＳＦＥＴ３とスイッチング回路６に出力している。指令回路１００からの指令は、振動体５の振動振幅を制御するためのものである。

図２は振動型アクチュエータの構成を示す図である。

図２において、２００は、円環形状の振動体である。２０１はロータ（接触体）であり、振動体２００に加圧接触し、振動体２００に形成される進行性振動波によって回転する。２０２は、振動体２００とロータ２０１との間に設けられ、振動体２００の突起状接触部に接着された摩擦部材である。

圧電素子５は、振動体２００に接着され、位相の異なる交番信号の入力を受けて振動体２００に進行性振動波を形成させる。２０３は、ロータ２０１に接続された回転軸である。ロータ２０１の回転によって回転軸２０３が回転し、この回転力は不図示の動力伝達機構を介して被駆動機構２０５に伝達される。

これにより、被駆動機構２０５が駆動することになる。ここで、被駆動機構としては、レンズユニット、画像形成装置における感光ドラム又は搬送機構、その他の各種機構がある。なお、図２では、円環状の振動型アクチュエータを示したが、棒状の振動型アクチュエータやその他の振動型アクチュエータを用いることもできる。

図３は、一般的な振動型アクチュエータの駆動周波数と、振動体およびロータ間の相対速度との関係を示す図である。ここで、横軸は駆動周波数を示し、縦軸はロータ２０１の回転速度を示している。

振動型アクチュエータは、通常図３に示す共振周波数ＦＲよりも高い周波数領域で駆動制御される。すなわち、共振周波数ＦＲよりも高い周波数Ｆ１で駆動を開始し、駆動周波数を共振周波数ＦＲに近づけることで、回転速度を増加させている。また、回転速度は振動体２００の振幅にほぼ比例しており、図３は駆動周波数に対する振動振幅の特性も表していることになる。

図４は、図１に示す回路の各部における信号波形を示している。図３および図４を用いて、本実施例の駆動装置の動作について説明する。

信号Ｐ１は、パルス生成回路８からＭＯＳＦＥＴ３のゲートに入力されるパルス信号であり、振動体の共振周波数より高い周波数となっている。駆動装置の起動時には、信号Ｐ１として、例えば周波数Ｆ１（図３参照）で、デューティ２８％のパルス信号が設定される。

Ｖ１はＭＯＳＦＥＴ３のドレイン電圧を示している。信号Ｐ１がＯＮ状態の期間はＭＯＳＦＥＴ３がグランドにショートして、電圧Ｖ１がほぼ０Ｖとなっている。また、信号Ｐ１がＯＦＦ状態の期間では、ＭＯＳＦＥＴ３がＯＦＦ状態となり、電圧Ｖ１は電源１の電圧値Ｖ０よりも高い電圧値まで上昇する。

Ｖ２は圧電素子５に印加される電圧を示している。ＭＯＳＦＥＴ３がＯＮ状態となっている間にインダクタ素子２に蓄積されたエネルギは、ＭＯＳＦＥＴ３をＯＦＦ状態とすることによって、ダイオード４を介して圧電素子５に転送され、電圧Ｖ２を電源１の電圧値Ｖ０よりも高い電圧値まで上昇させる。

この電圧の増幅効果によって、振動体２００（圧電素子５）に十分な電圧を印加することができ、小さな電源電圧でも大きな振動を発生させることが可能となる。本実施例の回路構成では、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇圧回路に比べて電圧制御部が不要となり簡単な構成することができ、低コスト化および小型化を図ることが可能となる。

次に、圧電素子５に転送されたエネルギを放電する動作について説明する。

放電用の信号である信号Ｐ２は信号Ｐ１に同期して生成される。本実施例において、信号Ｐ２は信号Ｐ１に対して３０度の位相ずれを持っており、信号Ｐ２のデューティは５％で、信号Ｐ１よりもＯＮ状態の期間（時間）が短くなっている。

信号Ｐ２がＯＮ状態となっている期間にスイッチング回路６がＯＮ状態となり、圧電素子５に蓄えられた電荷エネルギはインダクタ素子７に転送されてから、電源１に転送される。ここで、電源１に内蔵されたインダクタＬ０およびコンデンサＣ０から成るフィルタ回路は、振動型アクチュエータの振動周波数を十分遮断する構成となっており、振動周波数成分の電流のほとんどは、コンデンサＣ０に流れることになる。

このように信号Ｐ１と信号Ｐ２は、ともにパルス生成回路８にて生成されたパルス信号によって生成されているため、その周期は等しくなる。そして信号Ｐ１と信号Ｐ２を交互にＯＮ状態とすることによって、圧電素子５にかかる電圧は、正弦波のように増減を周期的に繰り返す交番信号となる。また信号Ｐ１と信号Ｐ２の位相差を変化させて圧電素子５に転送されるエネルギ量を変化させることもでき、これによって振動体２００の振動振幅を制御することもできる。

上述したように、パルス生成回路８は指令回路１００の周波数指令を受けて、信号Ｐ１および信号Ｐ２を生成している。つまり、圧電素子５に増幅させた電圧を印加するための昇圧回路（インダクタ素子２、ＭＯＳＦＥＴ３）と、圧電素子５に転送されたエネルギを放電する放電回路（スイッチング回路６）とを、同じ振動型アクチュエータの駆動指令を用いて制御していることになり、単純な回路構成とすることができる。

図５は、本発明の実施例２である振動型アクチュエータの駆動装置を構成する回路のうち各部の信号波形を示している。ここで、本実施例の駆動装置の回路構成は実施例１（図１）と同じであり、信号Ｐ１、Ｐ２および電圧Ｖ１、Ｖ２も、実施例１と同じである。

実施例１（図４）では、振動体２００の共振周波数の１周期内において、信号Ｐ１及び信号Ｐ２のそれぞれが１回、ＯＮ状態となっている。一方、本実施例では、図５に示すように、上記１周期の範囲内において、信号Ｐ１および信号Ｐ２のそれぞれが複数回、ＯＮ状態となっている。すなわち、信号Ｐ１は振動体２００の共振周波数の半周期の間に３回ＯＮ状態となる期間があり、信号Ｐ２は上記半周期の間に２回ＯＮ状態となる期間がある。

このように信号Ｐ１を複数回ＯＮ状態としたあとに、信号Ｐ２を複数回ＯＮ状態とした場合も、これらに位相差を持たせることで正弦波のように増減を周期的に繰り返す交番信号となる。

信号Ｐ１、Ｐ２のＯＮ状態となっている時間を短縮し、複数回ＯＮ状態とさせることにより、インダクタ素子２、７のインダクタンス値を小さな値にすることができ、インダクタ素子２及びインダクタ素子７の小型化を図ることが可能となる。そして、インダクタ素子２、７の小型化によって、駆動装置を構成する回路の小型化を図ることができる。

図６は、本発明の実施例３である振動型アクチュエータの駆動装置を構成する回路図である。ここで、実施例１で説明した部材と同じ部材については同一符号を用いている。

本実施例の駆動装置では、ＭＯＳＦＥＴ３のゲートに入力される信号Ｐ１や信号Ｐ２のパルス幅を変化させることにより、振動体２００の振動振幅を制御する構成となっている。

図６において、９は、振動体２００の一部を構成し、振動体２００の振動を検出して振動波形を出力する圧電素子（振動検出素子）である。１０はパルス幅制御回路（制御回路）であり、圧電素子９の出力信号と指令回路（ＣＰＵ等、指令回路）１００からの振幅指令を比較し、この比較結果に基づいて信号Ｐ１及び信号Ｐ２のパルス幅を決定する。そして、パルス幅制御回路１０は、決定したパルス幅のパルス信号を生成する指令を、パルス生成回路８に対して出力する。

図７は、パルス幅制御回路からのパルス幅指令に応じて信号Ｐ１及び信号Ｐ２のパルス幅が変化する様子を表している。

信号Ｐ１及び信号Ｐ２は、振動体２００の主振動成分の周波数の１周期内（不図示）で、複数回ＯＮ状態となる。各信号Ｐ１、Ｐ２のパルス幅（ＯＮ状態の期間）はパルス幅制御回路１０のパルス幅指令に応じて設定され、圧電素子５に印加される交流電圧の振幅を制御する。

図７に示すように、信号Ｐ１および信号Ｐ２のパルス幅の変化に応じて、電圧Ｖ２の波形の振幅が変化している。

本実施例では、振動振幅を制御するために、信号Ｐ１及び信号Ｐ２のパルス幅を変化させているが、信号Ｐ１および信号Ｐ２の周波数（振動体２００の主振動成分の周波数）を変化させても振動振幅を制御することが可能である。このことは、図３の周波数および駆動速度の関係を示すグラフから明白である。

また、本実施例では振動体２００の振動振幅を制御する例を示したが、図３に示した駆動速度と振動振幅がほぼ比例関係にあることから、振動を検出する代わりに速度を検出するようにすれば、振動型アクチュエータでの速度制御が可能となる。

図８は、本発明の実施例４である振動型アクチュエータの駆動装置の回路構成を示す図である。本実施例では、インダクタ２のみを用いて、実施例１（図１）におけるインダクタ２およびインダクタ７の機能を持たせるようにしている。これにより、インダクタの数を減らして、駆動装置を構成する回路の小型化を図ることができる。

また、実施例３では、パルス幅制御回路１０からのパルス幅指令によって、信号Ｐ１及び信号Ｐ２のパルス幅を制御しているが、本実施例では、後述する記憶回路に記憶された波形データに応じてパルス幅を設定するようにしている。

以下、本実施例の駆動装置について具体的に説明する。なお、図４において、実施例１で説明した部材と同じ部材については同一符号を用いている。

１１は基準クロック信号を発生する基準クロック発生回路、１２は基準クロック発生回路１１から出力された基準クロック信号をカウントするカウンタである。１３は記憶回路であり、複数の記憶データを有し、これらの記憶データのうちカウンタ１２のカウント値に応じた記憶データを出力する。

記憶回路１３には、正弦波の波形、三角波の波形、又はこれらの合成波形（正弦波同士の合成波形、三角波同士の合成波形、正弦波および三角波の合成波形）等に関する波形データ（上記記憶データ）が記憶されている。そして、記憶回路１３は、カウンタ１２の出力値（カウント値）に応じた波形データを出力する。

１４は乗算回路であり、記憶回路１３からの波形データと、指令回路１００から出力された正弦波振幅指令値との乗算を行う。記憶回路１３から出力された波形データは、乗算回路１４において正弦波振幅指令値に応じた増幅処理が施された後、パルス生成回路８にパルス幅指令信号として入力される。パルス幅指令信号は正負の値を持っており、正の値の場合には信号Ｐ１に対するパルス幅指令となり、負の値の場合には信号Ｐ２に対するパルス幅指令となる。

１５は第１のスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ、１６は第２のスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴである。ここで、インダクタ２に蓄積されたエネルギを圧電素子５に転送するためのダイオードとして、ＭＯＳＦＥＴ１６内のダイオードが用いられている。

図９は、図１に示す回路内における各部の波形を示している。図９では、記憶回路１３から正弦波データが出力された場合を示しており、この波形を信号Ｓで示している。

信号Ｐ１に関して、信号Ｓの正の周期でパルスが生成されており、１つの正の周期内で５回〜６回ＯＮ状態となっている。信号Ｐ１のパルス幅は信号Ｓの変化に応じて増減しており、この結果、圧電素子５の印加電圧である電圧Ｖ２の波形は正弦的に電圧が変化（正弦波に沿って段階的に変化）する。また、電圧Ｖ２の波形の位相は信号Ｓに対して約９０°位相が遅れている。

信号Ｐ２に関して、信号Ｓの負の周期でパルスが生成されており、１つの負の周期内で３回〜４回ＯＮ状態となっている。信号Ｐ２のパルス幅も、信号Ｐ１のパルス幅と同様に、信号Ｓの変化に応じてパルス幅が増減している。

ここでは、記憶回路１３から正弦波データが出力された場合について説明したが、記憶回路１３に記憶された他の波形データが出力されれば、この波形データに応じた任意の電圧（波形データに沿って段階的に変化する波形を持つ電圧）を圧電素子５に印加することができる。

また、複数の記憶回路を設け、これらの記憶回路から出力される波形データを用いて複雑な形状の波形を形成することもできる。

本実施例によれば、信号Ｐ１のパルス幅を信号Ｓの変化に応じて増減（変更）させることで、圧電素子５に印加される電圧Ｖ２の波形を自由に変更することができる。これにより、振動型アクチュエータにおいて駆動効率の良い波形を生成することができる。また、上述したように複数の波形を合成した波形データを用いれば、振動体２００において複数の異なる振動を同時に励振させることができる。

図１０は、本発明の実施例５である振動型アクチュエータの駆動装置の回路構成を示す図である。ここで、実施例１および実施例４で説明した部材と同じ部材については同一符号を用いている。

実施例４では、圧電素子５をＭＯＳＦＥＴ１６に接続しているが、本実施例では、コンデンサ１８をＭＯＳＦＥＴ１６に接続し、コンデンサ１８と圧電素子５との間にインダクタ素子１７を接続している。また、圧電素子５には、容量調整用のコンデンサ１９が並列に接続されている。

インダクタ素子１７によるフィルタ効果と昇圧効果によって、圧電素子５に印加される交流電圧の波形を滑らかで歪の少ない波形にすることができるとともに、振幅を増幅することができる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１５のドレイン−ソース間電圧を低下させることができ、ＭＯＳＦＥＴ１５として耐圧の低いＭＯＳＦＥＴを用いることができる。

ここで、インダクタ素子１７のインダクタンス値は、コンデンサ１８とインピーダンスマッチングがとられており、マッチングの周波数は振動体２００（図２参照）の共振周波数より高い周波数となるように設定されている。

図１１は、図１０に示す回路の各部の波形を示している。

信号Ｐ１及び信号Ｐ２は１周期内で３回ＯＮ状態となるパルス列信号となっており、信号Ｐ１より信号Ｐ２のほうが短いパルス幅となっている。

電圧Ｖ１はＭＯＳＦＥＴ１５のドレイン電圧を示し、インダクタ素子１７の昇圧効果等によって、比較的ピーク電圧が低く抑えられている。電圧Ｖ２はコンデンサ１８の端子電圧を示し、この波形は、正弦波を複数の断片に切断し、これらの断片をつないだような波形となっている。電圧Ｖ３は圧電素子５に印加される電圧を示し、この波形は正弦波となっている。

本発明の実施例１である駆動装置の回路構成を示す図。 振動型アクチュエータの構成を示す図。 振動型アクチュエータの周波数―速度特性を示す図。 実施例１の駆動装置における各部の信号波形を示す図。 本発明の実施例２である駆動装置における各部の信号波形を示す図。 本発明の実施例３である駆動装置の回路構成を示す図。 実施例３の駆動装置における各部の信号波形を示す図。 本発明の実施例４である駆動装置の回路構成を示す図。 実施例４の駆動装置における各部の信号波形を示す図。 本発明の実施例５である駆動装置の回路構成を示す図。 実施例５の駆動装置における各部の信号波形を示す図。

符号の説明

１ 電源
２、７、１７、２０ インダクタ素子
３、１５、１６ ＭＯＳＦＥＴ
４ ダイオード
５、１０４ 圧電素子
６ スイッチング回路
８ パルス生成回路
１００ 振動体
１０１ ロータ

Claims (10)

1. 電気−機械エネルギ変換素子により振動が励起される振動体と、該振動体に接触し該振動体に励起された振動によって移動する接触体とを有する振動型アクチュエータの駆動装置において、
   電源に接続されたインダクタと、
   前記電気−機械エネルギ変換素子と並列に接続されたコンデンサと、
   位相差をもつ第１のパルス信号と第２のパルス信号を生成するパルス生成回路と、
   前記第１のパルス信号に応じて、前記インダクタに蓄積されたエネルギの前記コンデンサへの供給動作を切り替える第１のスイッチング素子と、
   前記第２のパルス信号に応じて、前記コンデンサに蓄積されたエネルギの放電動作を切り替える第２のスイッチング素子とを有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。
2. 前記パルス生成回路は前記振動体の振動振幅、あるいは、前記振動型アクチュエータの駆動速度を制御するための指令に応じて、前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号を生成す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。
3. 第２のスイッチング素子は前記インダクタと前記電気−機械エネルギ変換素子の間に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
4. 前記第１のパルス信号の周期と前記第２のパルス信号の周期は等しいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
5. 前記第１のパルス信号は一周期に複数のパルス成分を含むことを特徴とする請求項４に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
6. 波形データを記憶する記憶回路を有し、前記パルス生成回路は、前記パルス成分のパルス幅を前記波形データに基づいて決定することを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
7. 前記振動体の振動振幅に関する指令信号を出力する指令回路を有し、
   前記パルス生成回路は、振動検出素子によって検出された振動体の振動状態と前記指令信号とに基づいて前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
8. 前記振動型アクチュエータの駆動速度に関する指令信号を出力する指令回路と、前記振動型アクチュエータの駆動速度を検出する振動検出回路とを有し、
   前記パルス生成回路は、該検出された駆動速度と前記指令信号とに基づいて前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
9. 電気−機械エネルギ変換素子により振動が励起される振動体と、該振動体に接触し該振動体に励起された振動によって移動する接触体とを有する振動型アクチュエータの駆動方法において、
   位相差をもつ第１のパルス信号と第２のパルス信号を生成するパルス生成工程と、
   前記第１のパルス信号に応じて、電源に接続されたインダクタに蓄積されたエネルギの前記電気−機械エネルギ変換素子と並列に接続されたコンデンサへの供給動作を切り替える工程と、
   前記第２のパルス信号に応じて、前記コンデンサに蓄積されたエネルギの放電動作を切り替える工程とを備えることを特徴とする振動型アクチュエータの駆動方法。
10. 前記パルス生成工程では、前記振動体の振動振幅、あるいは、前記振動型アクチュエータの駆動速度を制御するための指令に応じて、前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号を生成することを特徴とする請求項９に記載の振動型アクチュエータの駆動方法。

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