JP2006223020A - アクチュエータ制御装置 - Google Patents

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俊治 速水
Eiichi Ito
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Abstract

【課題】 電流値検出用の信号を重畳することなく、圧電素子の電流値を検出する。
【解決手段】 アクチュエータ制御装置10は、制御部11、発振部12、第1増幅部14a、電流検出部16、第1スイッチ17a、及び第2スイッチ17bを有する。発振部12は交流電圧を発振する。発振部12に接続される第1増幅部14aは増幅した交流電圧を第1駆動信号として第1圧電素子22aに出力する。第1増幅部14aと第1圧電素子22aとの間に第1スイッチ17aを設ける。第1スイッチ17aと第1圧電素子22aとの間に第2スイッチ17bを介して電流検出部16を設ける。第1スイッチ17aをOFFに切替えた後に第2スイッチ17bをONに切替える。第2スイッチ17bをOFFに切替えた後に第1スイッチ17aをOFFに切替える。制御部11は第1、第2スイッチ17a、17bのON/OFFの切替えを行なう。
【選択図】 図2

Description

本発明は、超音波モータ等のアクチュエータの駆動を制御する制御装置に関する。
交流電圧を印加することにより振動する圧電素子等から駆動力を取出すアクチュエータが知られている。このようなアクチュエータは駆動信号の周波数を調整することによって駆動速度の調整が行われていた。
しかし、アクチュエータの動力発生部である圧電素子の温度が変化すると、圧電素子の共振周波数が変化する。そのため駆動信号の周波数を一定に保っているにも関わらず、アクチュエータの駆動速度が変化する。そこで、圧電素子の温度を求め、求めた温度に応じて駆動信号の周波数の調整を行なうことにより、駆動速度の調節が行われている。
駆動速度の調節は、圧電素子のインピーダンスを利用して行なわれている。インピーダンスを利用した調節方法について説明する。図7は、異なる温度t1、t2、t3におけるインピーダンス―駆動信号の周波数の曲線を示す。
アクチュエータの駆動速度は、例えば共振周波数を基準とした駆動信号の周波数に応じて変化する。しかし、温度の変化に応じて、インピーダンス―周波数の曲線は周波数の軸方向に沿ってシフトする。従って、t1における圧電素子の共振周波数fr1と反共振周波数fa1から、t2における共振周波数fr2と反共振周波数fa2は同じ変位で移動し、さらにt3における共振周波数fr3と反共振周波数fa3は同じ変位で移動する。
いずれの温度に対応してシフトした曲線であっても、共振周波数を基準とした駆動信号の周波数Δfにおけるアクチュエータの駆動速度は一定であり、インピーダンスも一定である。そこで、インピーダンスを一定に保つことによって動作速度を一定に保つことが可能である。
インピーダンスは、圧電素子の温度にも応じて変化する(図8参照)。従って、所定の周波数の駆動信号を入力した状態において、圧電素子のインピーダンスを求めることにより圧電素子の温度が求められる。求められた温度におけるインピーダンス―周波数曲線に基づいて、インピーダンスを所定の値に保つための駆動信号の周波数が求められる。求められた周波数の駆動信号をアクチュエータに出力することにより、駆動速度の調節が行われていた。
圧電素子のインピーダンスの測定のために、駆動信号とは別の周波数の信号をインピーダンス検出用の信号として駆動信号に重畳して圧電素子に入力することが提案されていた(特許文献1)。
しかし、インピーダンスの検出のための信号は圧電素子の駆動に不要であり、圧電素子に不要な電流が流れることによって、エネルギーの損失が生じる点で問題であった。
特開平11−356069号公報
したがって、本発明では、アクチュエータの動力発生部に出力する駆動信号に圧電素子に流れる電流値などを求めるための信号等を重畳することなく、圧電素子に流れる電流値などの検出を可能にさせることを目的とする。
本発明のアクチュエータ制御装置は、圧電素子を振動させるために交流電圧である駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、圧電素子への駆動信号の出力のON/OFFを切替える第1スイッチング手段と、圧電素子から流れる電流を検出する電流検出手段と、圧電素子と電流検出手段の間の導通のON/OFFを切替える第2スイッチング手段と、第1スイッチング手段をOFFに切替えた後又は同時に第2スイッチング手段をONに切替え第2スイッチング手段をOFFに切替えた後又は同時に第1スイッチング手段をONに切替えるスイッチ制御手段を備えることを特徴としている。このような構成により、圧電素子の駆動と圧電素子に流れる電流の検出を時分割的に行なうので、駆動信号の他の電流を流すことなく圧電素子に流れる電流値を検出が可能となる。
また、第1スイッチング手段は、圧電素子との導通を駆動信号出力手段と電流検出手段のとのいずれかに切替え、第2スイッチング手段をかねることが好ましい。
また、圧電素子と電流検出手段の間に設けられ圧電素子から流れる電流に重畳される高周波成分を除去するローパスフィルタを備えることが好ましい。このような構成により、第1スイッチング手段のON/OFFの切替えにより発生する高周波成分の除去が可能になる。さらには、スイッチ制御手段が第2スイッチング手段をONにしている時間である検出時間を高周波成分が重畳される時間より長くなるように制御することが好ましい。
また、スイッチ制御手段が第2スイッチング手段をONにしている時間である検出時間を駆動信号の周期より短くなるように制御することが好ましい。このような構成により、圧電素子に駆動信号が出力されない期間を短縮し、安定的な駆動に与える影響を低減させることが出来る。
また、電流検出手段において検出された電流値に基づいて、駆動信号出力手段から出力される駆動信号の周波数を決定する周波数制御手段を備えることが好ましい。
また、電流検出手段において検出された電流値を記憶する記憶手段を備え、周波数制御手段が記憶手段に連続して記憶された電流値の平均値に基づいて駆動信号の周波数を決定することが好ましい。
本発明によれば、圧電素子等のアクチュエータの動力発生部に出力する駆動信号に電流検出用の信号を重畳することなく、電流を検出することが可能になる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態を適用したアクチュエータ制御装置により駆動されるアクチュエータの構成を概略的に示す図である。
アクチュエータ20は、板状で弾性を有する本体21、第1圧電素子22a、第2圧電素子22b、第1出力部23a、及び第2出力部23bによって構成される。本体21の一方の面に、第1、第2圧電素子22a、22bが接合される。本体21の他方の面に、第1、第2出力部23a、23bが形成される。
第1圧電素子22a及び第2圧電素子22bにそれぞれ90°位相の異なる交流電圧を印加することにより、本体21の厚さ方向に屈曲振動が発生し、長手方向に伸縮振動が発生する。両振動の組合わせにより、第1、第2出力部23a、23bに発生する楕円運動から駆動力が取出される。
図2は、本発明の第1の実施形態を適用したアクチュエータ制御装置10の内部構成を示す。アクチュエータ制御装置10は、制御部(スイッチ制御手段)11、発振部(駆動信号出力手段)12、移相部13、第1増幅部14a、第2増幅部14b、ローパスフィルタ(LPF)回路15、電流検出部16、第1スイッチ17a、及び第2スイッチ17bによって構成される。
発振部12において、所定の周波数のパルス状の交流電圧が発振される。発振部12は、第1増幅部14a及び移相部13を介して第2増幅部14bに接続される。発振部12において発振した交流電圧が、第1増幅部14a及び第2増幅部14bにおいて所定の増幅率で増幅される。なお、第2増幅部14bにおいて増幅される交流電圧は、移相部13において元の位相から位相が90°移動させられる。
第1増幅部14aは、第1スイッチ17aを介して第1圧電素子22aに接続される。第1スイッチ17aがONのとき、第1増幅部14aにおいて所定の増幅率で増幅された交流電圧が第1駆動信号として、第1圧電素子22aに出力される。第2増幅部14bは、第2圧電素子22bに接続される。第2増幅部14bにおいて所定の増幅率で増幅された交流電圧が第2駆動信号として、第2圧電素子22bに出力される。
第1スイッチ17aの出力端は、第2スイッチ17b及びLPF回路15を介して電流検出部16に接続される。第1スイッチ17aがOFFであって第2スイッチ17bがONである間に、第1圧電素子22aに蓄えられた電荷が電流として、LPF回路15に流される。
第1圧電素子22aから流される電流に重畳される高周波成分は、LPF回路15により除去される。高周波成分の除去された電流が電流検出部16に流れ、電流値が検出される。すなわち、第2スイッチ17bのON/OFFを切替えることにより、第1圧電素子22aと電流検出部16との接続/遮断が切替えられる。
第1、第2スイッチ17a、17bのON/OFFの切替えは、制御部11によって行われる。図3に示すように、第1、第2スイッチ17a、17bのON/OFFの切替えは、それぞれ一定の周期で行われる。
第1スイッチ17aがOFFに切替えられると同時に、第2スイッチ17bがONに切替えられる。第2スイッチ17bがOFFに切替えられると同時に、第1スイッチ17aがONに切替えられる。
なお、第1スイッチ17aがOFFに切替えられた後に、第2スイッチ17bがONに切替えられてもよい。第2スイッチ17bのONの切替えを同時または後に行うことにより、駆動信号が電流検出部16に流れることが防がれる。
また、第2スイッチ17bがOFFに切替えられた後に、第1スイッチ17aがONに切替えられてもよい。第1スイッチ17aのONの切替えを同時または後に行なうことにより、第1圧電素子22aから流れる電流が第1増幅部14a側に流れることが防がれる。
なお、第1スイッチ17aをOFFにする時間が駆動信号の周期Tdを基準として相対的に長いとアクチュエータ20の駆動に影響が及ぼされる。アクチュエータの駆動への影響を低減させるため、第2スイッチ17bをONにしている時間である検出時間Tsは第1駆動信号の周期より短くなるように設定される。
第1圧電素子22aに流れる電流は、第1駆動信号の極性が正、すなわち圧電素子に印加される電圧が正である間に増加し(図3タイミングTp参照)、負、すなわち圧電素子に印加される電圧が負であるときに減少する(図3タイミングTn参照)。
ところで、圧電素子は静電容量を有するため、圧電素子と配線の有する抵抗とによって微分回路が形成される。そのため、第1圧電素子22aに流れる電流の波形には、第1駆動信号の極性が反転するとき、或いは第1スイッチ17aのON/OFFを切替えるときに、微分波形DWが含まれる。
駆動信号の周波数である駆動周波数の調整のためのインピーダンスは、微分波形DWを除去した電流である第1電流の電流値によって求めることが可能である。一方、第1電流の周波数は、駆動周波数と略等しく、入力による微分波形の周波数より小さい、従って、微分波形をLPF回路15によって除去可能である。LPF回路15によって電流検出部16には第1電流のみが流され、第1電流の電流値が検出可能である。
なお、第1圧電素子22aへの駆動信号の入力に対する出力が最終値に達するまでの応答時間に、微分波形DWが重畳される。検出開始から応答時間が経過するまでの間に電流検出部16で検出される電流値は正確な第1電流の電流値でないので、検出時間Tsはスイッチングによる微分波形の立ち上がりが収束するまでの応答時間Trより長くなるように設定される(図4参照)。
検出された電流値は、制御部11によって認識される。検出された電流値は、制御部11に接続されるRAM18に記憶される。制御部11において、RAM18に記憶された所定の回数の電流値の平均値が算出される。電流値の平均値と駆動信号の電圧とに基づいて、第1圧電素子22aのインピーダンスが算出される。
さらに、算出されたインピーダンスに基づき駆動信号の周波数である駆動周波数が求められる。発振部12は、求められた周波数の交流電圧を発振するように制御部11によって制御される。
制御部11は、ROM(図示せず)に接続される。ROMには、予め複数の温度領域毎のインピーダンス―周波数曲線(図7参照)が記憶される。また、所定の駆動周波数におけるインピーダンス―温度曲線が記憶される。所定の駆動周波数は、例えばt1(図6参照)における共振周波数fr1と反共振周波数fa1との中間の周波数fm1である。
制御部11は最初に駆動周波数をfm1に設定して、発振部12に交流電圧を発振させる。駆動周波数fm1におけるインピーダンスが、検出される電流値に基づいて算出される。ROMに記憶されたインピーダンス―温度曲線(図8参照)に基づいて第1圧電素子22aの温度が求められる。
次に求められた温度領域に対応したインピーダンス―周波数曲線が選択される。前述のようにインピーダンスとアクチュエータ20の動作速度とは相関関係を有する。所望の動作速度に対応するインピーダンスとなるように、選択されたインピーダンス―周波数曲線から駆動周波数が求められる。
次に、以上のような構成であるアクチュエータ制御装置の制御部において行なわれるアクチュエータに出力する駆動信号の周波数を求める処理について図5のフローチャートを用いて説明する。
最初にステップS100において、第2スイッチ17bをOFFにして、第1圧電素子22aから電流検出部16までの導通を遮断する。次にステップS101に進み、第1スイッチ17aをONにして、第1駆動信号を第1圧電素子22aに出力する。
次のステップS102では、第1スイッチ17aをONにしてからの経過時間T1が、設定された第1スイッチ17aのON状態を継続する時間Tt以上であるかを判断する。経過時間T1がTt以上になるまでステップS102の処理を繰り返し、経過時間T1がTt以上になるとステップS103に進む。
ステップS103において、第1スイッチ17aをOFFに切替えて、ステップS104に進み、第2スイッチ17bをONに切替える。次のステップS105においては、電流検出部16により検出される第1圧電素子22aから流れる電流を認識して、RAM18に記憶する。
電流値をRAM18に記憶後、ステップS106に進む。ステップS106では、第2スイッチ17bがONになってからの経過時間T2が、設定された検出時間Ts以上であるかを判断する。経過時間T2がTs未満である場合はステップS105に戻り、ステップS105、ステップS106の処理を繰返す。経過時間T2がTs以上である場合は、ステップS107に進む。
ステップS107では、ステップS100〜ステップS106までの処理が、予め定められた認識回数であるn回に達しているか否か判断する。n回に達していない場合は、ステップS100に戻り、再びステップS100〜ステップS107の処理を繰返す。n回に達している場合は、ステップS108に進む。
ステップS108において、RAM18に記憶されたn個の電流値の平均値を計算する。次のステップS109では、計算された平均値に基づいてインピーダンスを算出する。インピーダンスの算出が終わると、ステップS110に進む。ステップS110では、算出されたインピーダンスとROMに記憶されたインピーダンス―温度曲線とに基づいて、第1圧電素子22aの温度を求める。
温度を求めると、ステップS111に進み、求めた温度に対応するインピーダンス―周波数曲線の選択を行ない、ステップS112に進む。ステップS112では、操作者により設定されるインピーダンスになるように、選択されたインピーダンス―周波数曲線に基づき駆動周波数が求められる。なお、前述のようにインピーダンスとアクチュエータの駆動速度は対応関係があり、駆動速度の調整のためにインピーダンスが直接的に、或いは間接的に設定される。
以上のように、本実施形態を適用したアクチュエータ駆動装置によれば、駆動のための信号のみが圧電素子に出力されるため、駆動に不要な電流を流すことなく、インピーダンスを検出するために圧電素子に流れる電流を検出することが可能になる。従って、消費電力を低減させながら、電流を検出することが可能になる。
また、本実施形態を適用したアクチュエータ制御装置によれば、駆動信号と異なる周波数であるインピーダンス検出用の信号を生成するための発振器が不要である。従って、アクチュエータ制御装置の構成の簡易化及び製造コストの低減が図れる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態においては第1、第2スイッチの代わりに単一のスイッチを用いる点で第1の実施形態と異なる。以下、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第1の実施形態と同じ機能を有する部位は同じ符号をつけている。
図6は本実施形態のアクチュエータ制御装置100の内部構成を示す。アクチュエータ制御装置100は、制御部11、発振部12、移相部13、第1増幅部14a、第2増幅部14b、LPF回路15、電流検出部16、及び第1スイッチ170aによって構成される。
発振部12、移相部13、第1、第2増幅部14a、14bの機能は、第1の実施形態と同じである。したがって、第1、第2増幅部14a、14bからは、それぞれ第1、第2駆動信号が出力される。さらに、第1の実施形態と同じく、第2増幅部14bと第2圧電素子22bとは接続されており、第2駆動信号が第2圧電素子22bに出力される。
第1スイッチ170aは、第1増幅部14a、LPF回路15、及び第1圧電素子22aに接続される。第1スイッチ170aによって、第1圧電素子22aは、第1増幅部14aとLPF回路15とのいずれかとの接続に切替えられる。
従って、第1スイッチ170aにおいて第1圧電素子22aと第1増幅部14aとが接続されるとき、第1駆動信号が第1圧電素子22aに出力される。また、第1スイッチ170aにおいて第1圧電素子22aとLPF回路15とが接続されるとき、第1圧電素子22aに蓄えられた電荷が電流として、LPF回路15に流される。
第1スイッチ170aの切替えは、制御部11によって行なわれる。第1増幅部14aとLPF回路15といずれかへの接続の切替えは、一定の周期で行なわれる。なお、第1圧電素子22aとLPF回路15或いは第1増幅部14aとの接続への切替えは、第1の実施形態における第2スイッチ17bのON或いはOFFへの切替えに相当する。すなわち、第1スイッチ170aは、第1の実施形態における第2スイッチ17bを兼ねている。
従って、第1の実施形態と同様に、LPF回路15との接続への切替時間は、第1駆動信号の周期より短くなるように、かつ、スイッチングによる微分波形の立ち上がりが収束するまでの応答時間Trより長くなるように設定される。
制御部11、LPF回路15、電流検出部16、及びRAM18の機能は第1の実施形態と同じである。従って、電流検出部16において検出された第1電流の電流値が制御部に11に認識され、RAM18に記憶される。また、検出された第1電流の電流値の平均値に基づいて、駆動周波数が求められる。求められた駆動周波数に基づいて、発振部12の発振は制御部11によって制御される。
以上のように、第2の実施形態によっても、駆動のための信号のみが圧電素子に出力されるため、駆動に不要な電流を流すことなく、インピーダンスを検出するために圧電素子に流れる電流を検出することが可能になる。
また、単一のスイッチを用いて、第1圧電素子と第1増幅部或いはLPF回路のいずれかとの接続の切替えを行うので、別々のスイッチを用いてON/OFFの切替えを行うより、簡潔な制御が可能となり、さらに、簡潔な構成となる。
なお、第1、第2の実施形態において、電流値を複数回求めてその平均値に基づいてインピーダンスを算出しているが、平均値でなくてもよい。ただし、異常値が検出された場合でもアクチュエータの制御を安定化させるために平均値を用いて制御することが好ましい。
また、第1、第2の実施形態では、第1スイッチ17aにより第1増幅部14aと第1圧電素子22aとの間の導通の切替えが行われる構成であるが、第1スイッチ17aの切替えにより、発振部12及び第1増幅部22aを有する駆動信号出力部の機能のON/OFFを切替える構成であってもよい。すなわち、第1スイッチ17aがONであるときに第1圧電素子22aに駆動信号が出力され、OFFであるときに第1圧電素子22aへの出力が停止されればよい。
なお、第1、第2の実施形態では、第1駆動信号と第2駆動信号がアクチュエータ20に出力される構成であるが、単一の駆動信号が出力されてもよいし、複数の駆動信号が出力されてもよい。そのうちの少なくとも1つの駆動信号から電流値を検出することが可能である。
なお、第1、第2実施形態において、駆動信号の極性が負から正に切替わるときに第2スイッチ17bをONにして電流値を検出する構成であるが、正から負に切替わるときであってもよい。アクチュエータ20の安定的な駆動のために、極性が切替わるときが好ましいが、極性が正又は負である間に検出する構成であってもよい。
アクチュエータの斜視図である。 本発明の第1の実施形態を適用したアクチュエータ制御装置の内部構成を示すブロック図である。 第1、第2スイッチのON/OFFのタイミング、圧電素子に印加される電圧の波形、及び圧電素子に流れる電流の波形を示す図である。 検出時間と応答時間の関係を説明するための図である。 駆動信号の周波数を求める処理のフローチャートである。 本発明の第2の実施形態を適用したアクチュエータ制御装置の内部構成を示すブロック図である。 背景技術を説明するための図であって、異なる温度毎のインピーダンス―周波数曲線である。 背景技術を説明するための図であって、所定の周波数におけるインピーダンス―温度曲線である。
符号の説明
10、100 アクチュエータ制御装置
11 制御部
12 発振部
13 移相部
14a、14b 第1、第2増幅部
15 ローパスフィルタ(LPF)回路
16 電流検出部
17a、170a 第1スイッチ
17b 第2スイッチ
18 RAM
20 アクチュエータ
22a、22b 第1、第2圧電素子
DW 微分波形
Td 駆動信号の周期
Tr 応答時間
Ts 検出時間

Claims (7)

  1. 圧電素子を振動させるために、交流電圧である駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
    前記圧電素子への前記駆動信号の出力のON/OFFを切替える第1スイッチング手段と、
    前記圧電素子から流れる電流を検出する電流検出手段と、
    前記圧電素子と前記電流検出手段の間の導通のON/OFFを切替える第2スイッチング手段と、
    前記第1スイッチング手段をOFFに切替えた後又は同時に前記第2スイッチング手段をONに切替え、前記第2スイッチング手段をOFFに切替えた後又は同時に前記第1スイッチング手段をONに切替えるスイッチ制御手段を備える
    ことを特徴とするアクチュエータ制御装置。
  2. 前記第1スイッチング手段は、前記圧電素子との導通を前記駆動信号出力手段と前記電流検出手段のとのいずれかに切替え、前記第2スイッチング手段をかねることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ制御装置。
  3. 前記圧電素子と前記電流検出手段の間に設けられ、前記圧電素子から流れる電流に重畳される高周波成分を除去するローパスフィルタを備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアクチュエータ制御装置。
  4. 前記スイッチ制御手段が、前記第2スイッチング手段をONにしている時間である検出時間を、前記高周波成分が重畳される時間より長くなるように制御することを特徴とする請求項3に記載のアクチュエータ制御装置。
  5. 前記スイッチ制御手段が、前記第2スイッチング手段をONにしている時間である検出時間を、前記駆動信号の周期より短くなるように制御することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のアクチュエータ制御装置。
  6. 前記電流検出手段において検出された電流値に基づいて、前記駆動信号出力手段から出力される前記駆動信号の周波数を決定する周波数制御手段を備えることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のアクチュエータ制御装置。
  7. 前記電流検出手段において検出された電流値を記憶する記憶手段を備え、
    前記周波数制御手段が、前記記憶手段に連続して記憶された電流値の平均値に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する
    ことを特徴とする請求項6に記載のアクチュエータ制御装置。


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008178173A (ja) * 2007-01-16 2008-07-31 Seiko Epson Corp アクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置

Cited By (1)

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JP2008178173A (ja) * 2007-01-16 2008-07-31 Seiko Epson Corp アクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置

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