JP2003333872A

JP2003333872A - 積層振動型アクチュエータの駆動装置

Info

Publication number: JP2003333872A
Application number: JP2002140429A
Authority: JP
Inventors: Tei Hayashi; 禎林; Atsushi Kimura; 篤史木村; Kenichi Kataoka; 健一片岡
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2003-11-21
Anticipated expiration: 2022-05-15
Also published as: JP4125041B2

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の振動体間に移動体を配置した積層振動型
アクチュエータの安定駆動を図る駆動装置を提供する。【解決手段】制御回路４、発振器５及びドライバ６を単
一とし、ドライバ６からの出力を積層振動型アクチュエ
ータを構成する複数の振動体における各圧電素子に印加
して駆動すると共に、各振動体における振動検出相の振
動状態検出信号の中で、共振周波数の高い振動体の振動
検出相の振動状態検出信号に基づいて位相制御を行な
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は画像形成装置の駆動
部等に用いられる複数のアクチュエータを用いた積層振
動型アクチュエータの駆動回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】振動型アクチュエータは金属等の弾性体
に電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子を接
着またはねじ止めして構成された棒状あるいは円環状の
振動体を有し、前記圧電素子を振動体の固有振動数に略
一致する共振周波数付近で駆動し、振動体に圧接された
接触体（移動体）を相対的に駆動する。

【０００３】前記圧電素子は、例えば円環状の振動体に
用いられるものとして、共振周波数における波長をλと
すると、λ/４の間隔を有して2相の素子群が形成され、
両素子群はλ/２の間隔を有して互いに分極方向が異な
る電極領域が形成され、両群の電極に互いに９０°の位
相差を持つ２相の交番信号を印加することによって、前
記弾性体上に進行波を発生させ、これに接触体（移動
体）を圧接し、摩擦力により前記振動体に対して前記接
触体を相対移動させる。なお、前記弾性体と前記接触体
との接触部には、適切な摩擦力を得るための摩擦材が接
着、塗布、または形成される。

【０００４】一方、通常アクチュエータは一対の振動体
と移動体で構成されるが、中には図2に示されるよう
に、複数の振動体と複数の移動体とを有し、振動体間の
対向する駆動部間に移動体を夫々配置し、出力の増加を
狙った構成の積層振動型アクチュエータが提供されてい
る。図２において、1a〜1cが振動体、2a〜2dが移動体で
ある。

【０００５】このような積層振動型アクチュエータを駆
動するアクチュエータの制御回路として、信頼性が高く
最近は安価になってきたディジタル回路が良く用いられ
ている。また制御パラメータとして周波数、電圧または
駆動相の位相差が用いられている。複数のアクチュエー
タを積層した振動型アクチュエータに対しては、たとえ
ば特開平7-39173号公報に示されるように、各々のアク
チュエータに対して独立に電圧を印加、制御してその出
力差を制御する方法、特開平11-18456号公報のように、
各アクチュエータに対して共通のドライバで駆動し、各
々の振動を検出してその平均値をもってドライバを制御
する方法が知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】例えば特開平7-39173
号公報の駆動制御回路では、アクチュエータの数だけ、
ドライバおよびコントローラが必要であり、数が増える
ほど不利となる。また制御するアクチュエータの数が多
くなると、同期を取って出力差を正確に制御するために
複雑なアルゴリズムが必要である。

【０００７】また、特開平11-18456号公報の方法では、
周波数によって振動型アクチュエータを制御しようとす
ると問題が生じる。図４に示されるように通常各々のア
クチュエータが非線形な特性を持っており、通常高い周
波数から低い周波数へスイープして起動している。また
共振点frより下に周波数をスイープするとヒステリシス
により跳躍現象を起こし振動が急低下してしまう。また
この様になると起動点fsまで周波数を戻さなければ、元
の振幅に戻すことはできない。

【０００８】この様な特性のため平均の振幅を持って周
波数制御を行なうと、周波数はすべてのアクチュエータ
の振動特性の平均となるため、最も共振周波数が高いア
クチュエータが図４の跳躍現象を起こして振動が急低下
してしまう恐れがある。またこれを回復させるには通常
と逆方向に周波数を制御しなければならないため大変難
しい。

【０００９】本発明は以上を鑑みて、積層振動型アクチ
ュエータの駆動制御に好適な、安価で安定した制御回路
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに本発明における第一の構成は、弾性体間に電気−機
械エネルギー変換素子を挟持し、該電気−機械エネルギ
ー変換素子の駆動用素子部への駆動信号の印加により前
記両弾性体の端面の駆動部に駆動振動が形成される振動
体を軸方向に複数配列すると共に、前記振動体間の対向
する前記駆動部に接触体を加圧挟持した積層振動型アク
チュエータの駆動装置において、前記複数の振動体の各
電気−機械エネルギー変換素子の駆動用素子部に単一周
波数の駆動信号を出力する駆動回路部と、前記各振動体
の振動状態を検出する振動状態検出手段の出力を１つま
たは2つ以上並列に接続して得られた振動状態検出信号
を制御信号の一つとして前記駆動回路部への出力信号を
制御する制御回路部を有することを特徴とする。

【００１１】本発明における第二の構成は、弾性体間に
電気−機械エネルギー変換素子を挟持し、該電気−機械
エネルギー変換素子の駆動用素子部への駆動信号の印加
により前記両弾性体の端面の駆動部に駆動振動が形成さ
れる振動体を軸方向に複数配列すると共に、前記振動体
間の対向する前記駆動部に接触体を加圧挟持した積層振
動型アクチュエータの駆動装置において、前記複数の振
動体の各電気−機械エネルギー変換素子の駆動用素子部
に単一周波数の駆動信号を出力する駆動回路部と、前記
複数の振動体の共振周波数を起動時に測定する共振周波
数検出手段と、前記共振周波数検出手段で検出された共
振周波数に応じ、対応する振動体の振動状態を検出する
振動状態検出手段の出力を１つまたは2つ以上選択して
振動状態検出信号とする選択手段と、前記選択手段で選
択された振動状態検出信号を制御信号の一つとして前記
駆動回路部への出力信号を制御する制御回路部を有する
ことを特徴とする。

【００１２】本発明における第三の構成は、上記いずれ
かの構成で、前記複数の振動体の共振周波数が高い順に
前記振動状態検出信号を得る振動状態検出手段を決定す
ることを特徴とする。

【００１３】本発明における第四の構成は、上記いずれ
かの構成で、複数の振動体における振動状態検出手段の
中で、制御に用いる振動状態検出手段以外の振動状態検
出手段のうち少なくとも一つ以上が接地または電位が固
定されていることを特徴とする。

【００１４】本発明における第五の構成は、上記いずれ
かの構成で、前記複数の振動体の中で、制御に用いる振
動状態検出手段を有する振動体を優先的に積層振動型ア
クチュエータの端部に配置したことを特徴とする。

【００１５】本発明における第六の構成は、上記第一か
ら第四のいずれかの構成で、前記複数の振動体の中で、
制御に用いる振動状態検出手段を有する振動体を優先的
に積層振動型アクチュエータの中心部に配置したことを
特徴とする。

【００１６】本発明における第七の構成は、上記第一か
ら第四のいずれかの構成で、前記複数の振動体の中で、
制御に用いる振動状態検出手段を有する振動体を優先的
に、より大きな負荷が結合された側の出力端に配置した
ことを特徴とする。

【００１７】本発明における第八の構成は、上記第一か
ら第四のいずれかの構成で、前記複数の振動体の中で、
制御に用いる振動状態検出手段を有する振動体を優先的
に、中心部に配置したことを特徴とする。

【００１８】本発明における第九の構成は、上記第一か
ら第四のいずれかの構成で、前記複数の振動体を共振周
波数の高い順に端部から配したことを特徴とする。

【００１９】本発明における第十の構成は、上記第一か
ら第四のいずれかの構成で、前記複数の振動体を共振周
波数の高い順に中心部から配したことを特徴とする。

【００２０】本発明における第十一の構成は、上記いず
れかの構成で、前記振動状態検出手段は、電気−機械エ
ネルギー変換素子であり、制御に用いられず、且つ電位
も固定されていない振動検出手段に電圧を印加して駆動
のために用いること特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】（第一の実施の形態）まず、図３
の積層振動型アクチュエータについて説明する。ディス
ク状の弾性体a1,a2間に圧電素子b1,b2を配置し、中空の
ねじ部材iに両弾性体をねじ込むことで、両弾性体の間
に圧電素子と、中央部の円板部から放射方向に複数の支
持部が延びる振動体支持部材dを挟持したものを振動体
としている。

【００２２】本実施の形態の振動体は、支持部材dを境
界にして上下対称であり、弾性体a1とa2、圧電素子b1と
b2は構成部品の共通化を図ることができる。

【００２３】圧電素子b1,b2には同一周波数で時間的位
相差を有する交流電解が印加され、振動弾性体には面外
2次曲げモードが生じる。この結果表面粒子は楕円運動
を行い、これにロータを押圧すれば摩擦駆動される原理
は周知の通りである。

【００２４】ｃ1,c2はロータであり、ゴムｇを介して加
圧用の薄板ばねeに結合される。薄板ばねeは内周部にお
いてスラスト方向の位置決め用部品ｈとかしめ結合され
ていて、ラジアル、スラスト両方向に拘束される。位置
決め用部品ｈはビスｋにより出力軸ｌに固定されてい
る。振動体支持部材dの外周部は、モータケースｆの間
に固定されている。ｊは玉軸受けでケースｆに結合され
ていて、モータ出力軸ｌが突出して軸支されている。

【００２５】図２は図３で示した振動体（1a〜1c）を複
数ユニット接続したものである。モータ出力軸は断面B
B'に示すようにDカットされていて、ロータ固定薄板3b,
3cの内径はこれに嵌合してラジアル方向に拘束されてい
る。上下に摺動部を有するロータ2b,2cはロータ固定薄
板3b,3cとビスにより直接またはゴムを介して接続され
ている。両端のロータ2a、2dは加圧用の板ばね11a,11d
を介して出力軸に固定されている。このような構成とす
ることで単一の振動体を有するアクチュエータの場合と
比較して出力を増大している。

【００２６】図１は本発明の第１の実施の形態の制御回
路を示す図である。ここでa1,a2,a3・・・anは積層振動型
アクチュエータ7を構成する各振動体を示す。またs1,s
2,s3・・・snは振動体a1,a2,a3・・・anに付属する振動状態検
出手段であり、スイッチング素子等から構成されるドラ
イバに接続されていない圧電素子である。

【００２７】図において、各振動体にドライバから1本
の線しか示されていないが、通常の振動体は2相または
４相で駆動される。したがって1本の線で2相または４相
分を示している。振動体a1,a2,a3・・・anの共振周波数
は、組上げ前に別途測定されており、共振周波数が最も
高い振動体に付属する振動状態検出手段が制御に用いら
れる。図1では振動体a1に付属の振動状態検出手段s1が
それにあたる。

【００２８】制御回路４は、振動状態検出手段s1、駆動
電圧、およびロータリエンコーダ8からの回転速度信号
から得られる情報により発振器5の周波数またはドライ
バ6の電圧、位相差等のうち少なくとも一つを制御す
る。このとき例えば周波数に関して振動検出手段s1の出
力と印加電圧の位相が90度を越えないように制御するこ
とによってすべてのアクチュエータが跳躍現象を起こさ
ないようにできる。

【００２９】また同じ目的のために振動検出手段s1の最
大出力をあらかじめ決めておいて、その値を超えないよ
うに周波数を制御することも可能である。

【００３０】また、本実施の形態では検出手段が駆動用
の圧電素子の一部に形成されているので、圧電素子の振
動特性の均一性を上げるために制御に用いない振動検出
手段s2・・・snは接地している。なお接地は電位を任意
の値に固定することに変えても良い。また本構成におい
て必ずしもすべての振動検出手段を接地する必要はな
い。すなわち振動特性を改善するために選択的に接地す
る素子を決定しても良い。また、図では一つの検出素子
を用いているが、発生する信号が弱いときには、共振周
波数が高い方から数個選んで並列に接続して振動状態を
検出しても良い。

【００３１】（第２の実施の形態）図５は第２の実施の
形態を示す構成である。共振周波数検出手段9は制御手
段4の設定したシーケンスにしたがって、すべての振動
体の共振周波数を測定する。通常はアクチュエータの起
動前やシステム電源投入時またはアクチュエータの搭載
された機器の設置時等に行なう。このうち最も共振周波
数が高い振動体が記憶され、実際の駆動時には、最も共
振周波数が高いアクチュエータに付属の振動状態検出素
子の出力をフィードバックすることによって制御を行な
う。

【００３２】すなわち、選択回路（セレクタ）10がすべ
ての振動検出手段としての振動検出素子の出力から共振
周波数検出手段9の出力に応じて選択する。なお第１の
実施の形態と同様に、セレクタ10において共振周波数が
高い方の振動体から順にそれに設けられた複数の振動状
態検出素子を並列に接続して出力とする構成も可能であ
る。またセレクタ10によって制御に用いない該検出素子
を設置または電位を固定しても良い。

【００３３】（第３の実施の形態）図６は第３の実施の
形態を示す。

【００３４】本実施の形態においては、各振動体の共振
周波数はあらかじめ測定されており、最も共振周波数の
高いものに付属する振動検出信号がフィードバック制御
に用いられる。その他の振動検出素子は駆動相の一部と
して用いられる。

【００３５】即ち、一つのドライバ6の出力を各振動体
の圧電素子に印加するように分岐接続されて用いられ
る。このとき接続する信号は振動検出手段の空間的な位
相によって決定される。

【００３６】したがって、振動状態検出素子は2相、4相
駆動の場合の駆動相と空間的に同位相に配置される。な
お、あらかじめ共振周波数を測定する変わりに、図５に
示す回路と同様にしてオンボードで共振周波数を検出し
て、制御に用いる検出素子を決定しても良い。

【００３７】この場合、制御に用いない検出素子はセレ
クタ10によって駆動相に接続される。

【００３８】また、図では単一の振動検出素子をフィー
ドバックしているがS/N比をあげるため感度が必要なと
きは、第１,第２の実施の形態と同様に共振周波数が高
い振動体に付属する検出素子から複数を並列接続して用
いても良い。

【００３９】（第４の実施の形態）図７は本発明の第４
の実施の形態の構成を示す図である。積層振動型アクチ
ュエータを構成する各振動体の共振周波数はあらかじめ
測定されていて、そのうち最も高いものと2番目に高い
ものを積層アクチュエータの両端部に配置している。共
振周波数が高い振動体は、積層を構成する振動体のうち
振動が大きく、それらを偏って配置すると、図８のよう
に上端部と下端部のトルクの違いから、ねじれの力が発
生して、精度や効率、寿命を悪化させたり、振動を引き
起こしたりする恐れがある。

【００４０】これに対して本実施の形態では、上下がほ
ぼ対称となるため、ねじれの力が発生せず、また上下の
振動体が最も駆動に寄与するので積層アクチュエータ全
体の駆動状態と検出される振動状態信号との整合性も良
くなる。

【００４１】また、積層数が増えても常に両端部に検出
手段の出力がくるため、電気的な配線も容易になるとい
う特徴も有する。

【００４２】なお、図７では上下一ずつの振動体から振
動状態を検出しているが、必要な感度に応じて複数の検
出素子を並列に接続して用いてもよい。

【００４３】また、図10のように、出力軸に対して対称
という意味では制御に用いる検出素子を備えた振動体を
優先的に積層の中心部に配しても良い。

【００４４】さらに、全ての振動体について、出力方向
に対して振動体の出力がバランスするように、共振周波
数が高い振動体から順に端部、もしくは中心部に配置す
るようにしても良い。

【００４５】（第5の実施の形態）図11は本発明の第5の
実施の形態を示す図である。

【００４６】本実施の形態において、積層振動型アクチ
ュエータの出力は一端がダイレクトに負荷12に結合さ
れ、他端に前出と同様のロータリエンコーダ8が接続さ
れている。

【００４７】積層振動型アクチュエータを構成する複数
の振動体のうち制御に用いる検出素子を備えた振動体を
負荷12と結合している側に優先的に配置している。ロー
タリエンコーダ８の慣性や摩擦抵抗は通常負荷と比較し
て小さな値であるため、この様な構成では片負荷となっ
ている。このためシャフトにねじれ力が発生して精度を
悪化させたり、振動を引き起こしたりする原因となる。

【００４８】図11の構成では制御に用いる振動検出素子
が付属する振動体を優先的に負荷側の端部に配置してい
る。この負荷12側に配置されている振動体は共振周波数
が高いものが選ばれており、駆動時に共振周波数に近く
なるため必然的に他のアクチュエータより大きな振幅を
出している。

【００４９】すなわち、より大きな出力が出せる振動体
を負荷の近くに配置したため、逆の場合と比較して、ね
じり量を少なく抑えることができる。

【００５０】なお、図11ではアクチュエータから負荷12
にダイレクト結合されているが、ギアやベルトなどのト
ルク伝達機構を介して負荷に接続されている場合にも同
様の配置が適用できる。

【００５１】また、負荷12と比較してエンコーダ8のも
つ慣性や摩擦抵抗の方が大きい場合は、制御に用いる振
動検出手段が付属する振動体を優先的にエンコーダ側の
端部に配置する。

【００５２】さらに、両側とも負荷に接続される場合
は、より重い負荷の方の端部に制御に用いる振動検出手
段が付属する振動体を優先的に配置する。

【００５３】また、振動状態検出手段としての電気−機
械エネルギー変換素子部においては、制御に用いられ
ず、且つ電位も固定されていないものに電圧を印加して
駆動のために用いるようにしても良い。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数の振動体と接触体で構成される積層振動型アクチュ
エータの駆動制御に好適な、安価で安定した制御回路を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す回路ブロック
図

【図２】本発明の適用される積層振動型アクチュエータ
の一例を示す図

【図３】図２の積層振動型アクチュエータを構成する一
アクチュエータを示す図

【図４】振動型アクチュエータのヒステリシス特性を示
す図

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す回路ブロック
図

【図６】本発明の第３の実施の形態を示す回路ブロック
図

【図７】本発明の第４の実施の形態を示す回路ブロック
図

【図８】本発明の第４の実施の形態を適用しなかった場
合の説明図

【図９】本発明の第４の実施の形態を適用した場合の説
明図

【図１０】本発明の第４の別の実施の形態を適用した場
合の説明図

【図１１】本発明の第５の実施の形態を示す回路ブロッ
ク図

【符号の説明】

１振動体２ロータ３支持板４制御手段５発振器６ドライバ７積層振動型アクチュエータ８ロータリエンコーダ９共振周波数検出回路１０セレクタ１１加圧ばね１２負荷

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者片岡健一東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 5H680 AA06 BB03 BB12 BB16 BB19 BB20 CC02 CC07 DD01 DD15 DD23 DD27 DD35 DD53 DD55 DD65 DD75 DD85 DD87 EE02 EE07 EE10 EE22 EE24 FF03 FF04 FF24 FF26 FF30 FF33 GG19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体間に電気−機械エネルギー変換素
子を挟持し、該電気−機械エネルギー変換素子の駆動用
素子部への駆動信号の印加により前記両弾性体の端面の
駆動部に駆動振動が形成される振動体を軸方向に複数配
列すると共に、前記振動体間の対向する前記駆動部に接
触体を加圧挟持した積層振動型アクチュエータの駆動装
置において、前記複数の振動体の各電気−機械エネルギー変換素子の
駆動用素子部に単一周波数の駆動信号を出力する駆動回
路部と、前記各振動体の振動状態を検出する振動状態検
出手段の出力を１つまたは2つ以上並列に接続して得ら
れた振動状態検出信号を制御信号の一つとして前記駆動
回路部への出力信号を制御する制御回路部を有すること
を特徴とする積層振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項２】弾性体間に電気−機械エネルギー変換素
子を挟持し、該電気−機械エネルギー変換素子の駆動用
素子部への駆動信号の印加により前記両弾性体の端面の
駆動部に駆動振動が形成される振動体を軸方向に複数配
列すると共に、前記振動体間の対向する前記駆動部に接
触体を加圧挟持した積層振動型アクチュエータの駆動装
置において、前記複数の振動体の各電気−機械エネルギー変換素子の
駆動用素子部に単一周波数の駆動信号を出力する駆動回
路部と、前記複数の振動体の共振周波数を起動時に測定
する共振周波数検出手段と、前記共振周波数検出手段で
検出された共振周波数に応じ、対応する振動体の振動状
態を検出する振動状態検出手段の出力を１つまたは2つ
以上選択して振動状態検出信号とする選択手段と、前記
選択手段で選択された振動状態検出信号を制御信号の一
つとして前記駆動回路部への出力信号を制御する制御回
路部を有することを特徴とする積層振動型アクチュエー
タの駆動装置。
【請求項３】前記複数の振動体の共振周波数が高い順
に前記振動状態検出信号を得る振動状態検出手段を決定
することを特徴とする請求項１または２に記載の積層振
動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項４】複数の振動体における振動状態検出手段
の中で、制御に用いる振動状態検出手段以外の振動状態
検出手段のうち少なくとも一つ以上が接地または電位が
固定されていることを特徴とする請求項１、２または３
に記載の積層振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項５】前記複数の振動体の中で、制御に用いる
振動状態検出手段を有する振動体を優先的に積層振動型
アクチュエータの端部に配置したことを特徴とする請求
項１、２、３または４に記載の積層振動型アクチュエー
タの駆動装置。
【請求項６】前記複数の振動体の中で、制御に用いる
振動状態検出手段を有する振動体を優先的に積層振動型
アクチュエータの中心部に配置したことを特徴とする請
求項１から４のいずれかに記載の積層振動型アクチュエ
ータの駆動装置。
【請求項７】前記複数の振動体の中で、制御に用いる
振動状態検出手段を有する振動体を優先的に、より大き
な負荷が結合された側の出力端に配置したことを特徴と
する請求項１から４のいずれかに記載の振動型アクチュ
エータの駆動装置。
【請求項８】前記複数の振動体の中で、制御に用いる
振動状態検出手段を有する振動体を優先的に、中心部に
配置したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに
記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項９】前記複数の振動体を共振周波数の高い順
に端部から配したことを特徴とする請求項１から４のい
ずれかに記載の積層振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項１０】前記複数の振動体を共振周波数の高い
順に中心部から配したことを特徴とする請求項１から４
のいずれかに記載の積層振動型アクチュエータの駆動装
置。
【請求項１１】前記振動状態検出手段は、電気−機械
エネルギー変換素子であり、制御に用いられず、且つ電
位も固定されていない振動検出手段に電圧を印加して駆
動のために用いること特徴とする請求項１から１０のい
ずれかに記載の積層振動型アクチュエータの駆動装置。