JP2011200031A - 振動型アクチュエータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ディジタル的に設定可能な交流信号のパラメータを操作量として振動型アクチュエータの振動振幅や移動速度を制御する際に、上記パラメータの設定可能分解能以上の分解能を実現すると同時に不要な振動の発生を抑制する。
【解決手段】 交流信号の周波数、振幅、位相差の少なくとも一つを指令する指令信号を出力する指令手段と、指令信号に変動を与えて出力する変動付与手段と、変動付与手段の出力に応じて周波数、振幅、位相差の少なくとも一つが変調された交流信号を発生する交流信号発生手段とを有し、前記変動付与手段又は前記交流信号発生手段の少なくとも一方の出力信号に対し、所定の振動モードの振動以外の振動を励起する周波数帯域を選択的に減衰させるフィルタ手段を設ける。
【選択図】 図１

Description

電気−機械エネルギー変換素子に交流信号（交流電圧）を印加することによって、少なくとも該電気−機械エネルギー変換素子で構成される振動体を励振させ、該振動体に接触する移動体を駆動する振動型アクチュエータの駆動装置に関する。

超音波モータ等の振動型アクチュエータの駆動速度は、振動体に励起される振動振幅に応じて変化する。そのため、駆動速度は、振動体に設けられた圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流信号の振幅や周波数で制御する。温度による共振周波数変動や個体差の影響を少なくする為に周波数で制御する方式が一般的である。周波数の発生方式に着目すると、アナログ的な発振器や水晶発振器とプログラマブルな分周器によるディジタル的な手法、Ｄ／Ａ変換器と組み合わせた半ディジタル的な手法等がある。

しかし、ディジタル的な手法では周波数の高分解能化が課題であった。

特許文献１では、分周率を周期的に変化させ、平均的な分周率によって擬似的に周波数の分解能を上げる手法が提案されている。また、周期的変動が可聴域の振動を発生させる時には周期的変化の速度を速くして可聴域からずらす方法が示されている。

特許文献２では、パルスモータや圧電素子を用いた周期信号の１周期毎に所定量移動するアクチュエータにおいて、周期指令を小刻みに変動させその平均の周期を用いる提案がなされている。また周期指令を小刻みに変化させる方法として一様乱数を周期信号の周期指令に加算することで周期指令が周期的に変化することを防ぎ、特定の可聴音の発生を防いでいる。

特登録３１４０６１５号公報 特登録３５０４１３０号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２の方法では、交流電圧の周波数を変動させている。そのため、この変動に含まれる周波数成分が振動体の固有振動数近傍にあったり、アクチュエータによって駆動される機構の固有振動数近傍であったりする場合、可聴音の発生や速度制御性能の低下が問題であった。また不要な振動が励振されることで磨耗が進み耐久性能を劣化させる問題もあった。

本発明の振動型アクチュエータの駆動装置は、電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印加することによって、少なくとも該電気−機械エネルギー変換素子で構成される振動体を所定の振動モードで励振させ、駆動力を発生する振動型アクチュエータの駆動装置において、
前記交流信号の周波数、振幅、位相差の少なくとも一つを指令する指令信号を出力する指令手段と、指令信号に変動を与えて出力する変動付与手段と、変動付与手段の出力に応じて周波数、振幅、位相差の少なくとも一つが変調された交流信号を発生する交流信号発生手段と、前記変動付与手段又は前記交流信号発生手段の少なくとも一方の出力信号に対し、前記所定の振動モードでの振動以外の振動を励起する周波数成分を選択的に減衰させるフィルタ手段を設けたことを特徴としている。

本発明によれば、振動型アクチュエータを駆動するための交流信号の周波数、振幅、位相差の少なくとも一つを指令する指令信号に変動を付与することで交流信号発生手段が出力可能な有効分解能以上で交流信号の周波数、振幅、位相差の設定をできる。また、変動の付与によって発生する広周波数帯域にわたるノイズ信号のうち、振動型アクチュエータ及び振動型アクチュエータの駆動機構の持つ特定の固有振動数での振動を励起する周波数成分をフィルタ手段により選択的に減衰させることで不要振動を抑制できる。また、特定の周波数成分を選択的に減衰するので、ノイズ信号を広周波数帯域に分散することができるため、振動型アクチュエータに印加する交流電圧に含まれるノイズ信号レベルを下げることができ、可聴音の発生や速度変動を低く抑えることができる。

第１の実施例の構成を示すブロック図 第１の実施例の振動型アクチュエータ及びそれを用いた駆動機構を示す図 図２図示の振動型アクチュエータの１次の振動モードを示す図 図２図示の振動型アクチュエータの２次の振動モードを示す図 ノイズ信号及び交流信号発生手段の出力信号の周波数特性と固有振動数の関係を示す図 変調振幅指令Ａｆとノイズ信号の関係を説明する図 第１の実施例のフィルタ６の周波数特性と固有振動数の関係を説明する図 ノイズ発生手段の回路例と出力信号例を示す図 変調振幅指令に対する交流信号発生手段の構成例を示す図 第１の実施例の第２の構成を示すブロック図 フィルタの回路例及び周波数特性の例を示す図 くし型フィルタの構成例を示す図 くし型フィルタの周波数特性例を示す図 第２の実施例の構成を示すブロック図 第２の実施例の振動型アクチュエータの構成を示す図 第２の実施例の振動型アクチュエータの弾性体及び圧電素子の構成を示す図 振幅変調の周波数特性を説明する図 第２の実施例のフィルタ６の周波数特性と固有振動数の関係を説明する図 粉体搬送用の振動型アクチュエータの例を示す図

（実施例１）
図１は、本発明の駆動装置の第１の実施例を示すブロック図である。１は、振動体であるところの電気−機械エネルギー変換素子である。本実施例では、１−ａ及び１−ｂの２つの電気−機械エネルギー変換素子を備えている。電気−機械エネルギー変換素子１としては圧電素子や磁歪素子、電歪素子等の機能素子が挙げられる。

２は、電気−機械エネルギー変換素子１に印加する交流信号（交流電圧）の振幅を設定する振幅指令Ａ（指令信号）を出力する振幅指令手段である。３は、所定の振幅のホワイトノイズＳＮを生成するノイズ生成手段である。４は、上記振幅指令Ａにノイズ生成手段３の出力ＳＮを加算して変調振幅指令Ａｄを出力する変動付与手段である。５は、変動付与手段４の出力する変調振幅指令Ａｄと不図示の周波数指令手段からの周波数指令Ｆを入力して振幅が変調された交流信号を出力する交流信号発生手段である。６は、交流信号発生手段５の振幅が変調された交流信号に含まれる周波数成分から所望の周波数成分の成分を選択的に減衰させる特性を有するフィルタ手段である。７は、フィルタ手段６の出力信号を反転するかどうかを不図示の指令手段からの方向切り替え信号Ｄによって切り替える極性切り替え手段である。電気−機械エネルギー変換素子１−ａの電極にはフィルタ手段６の出力信号が印加され、電気−機械エネルギー変換素子１−ｂの電極には極性切り替え手段７によってフィルタ手段６の出力信号又はこれを反転した信号が印加される。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、振動型アクチュエータ及びそれを用いた駆動機構の例を示す構成図である。図２（ａ）は、振動型アクチュエータを示し、電気−機械エネルギー変換素子１とこれに接着されて一体となって振動体を構成する弾性体８及びスライダ９に加圧接触する、弾性体８の突起部８−ａを有している。なお、本実施例では、弾性体８を圧電素子とは別体で設けたが、圧電素子が所望の弾性を有している場合は、弾性体８はなくても良い。電気−機械エネルギー変換素子１−ａ、１−ｂの夫々には交流信号印加用の電極１−ｃ、１−ｄが設けられている。また弾性体８はグランド電位に接続されている。

図２（ｂ）は、駆動機構の全体構成を示している。１０−ａ、１０−ｂ、１０−ｃ、１０−ｄは弾性体８に接合されており、弾性体８をスライダ９に所望の加圧力で加圧する為の支持部材である。１１−ａ、１１−ｂは支持部材１０−ａ、１０−ｂ、１０−ｃ、１０−ｄを水平方向に移動自由に固定するガイド、１２−ａ、１２−ｂはガイド１１−ａ、１１−ｂおよびスライダ９を後述する筐体１３に固定する固定部材である。

図２（ｃ）は、スライダ９を横から見た図で実線及び鎖線はスライダ９の固有振動モードの振動形状を示している。固定部材１２−ａ、１２−ｂは、スライダ９を筐体１３に固定している。

次に、振動型アクチュエータの動作原理を説明する。図３、図４は弾性体８の振動モードを示しており、図３及び図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は振動の時間的変化を示している。図３では弾性体８の１次の曲げ振動状態を示しており、弾性体８の中心が上下にたわむ振動モードを示している。突起部８−ａは曲げ振動に応じて下端が下方向に押し下げられると共に左方向に変位することで左方向へ押し出す駆動力を発生し、振動型アクチュエータを紙面右方向に移動させる。

図４では弾性体８の２次の曲げ振動状態を示しており、弾性体８の左右が逆方向にたわむ振動状態を示している。その際突起部８−ａは曲げ振動に応じて下端が下方向に押し下げられると共に右方向に変位することで右方向へ押し出す駆動力を発生し、振動型アクチュエータを紙面左方向に移動させる。なお、弾性体８を図３、図４で示すように異なる振動モードを効率的に励振するにはそれぞれのモードに合った周波数で励振すると共にそれぞれのモード形状に合った励振パターンで励振する必要がある。そこで図３のような左右対称な曲げ振動には上記極性切り替え手段７で極性切り替えを行わずに電極１−ｃと電極１−ｄに同相の交流信号を印加する。図４のような左右逆方向の曲げ振動には極性切り替え手段７で極性切り替えを行い電極１−ｃと電極１−ｄに逆相の交流信号を印加する。そして更に不図示の周波数指令手段からそれぞれの固有振動モードに合った周波数を指令することでモード形状に合った励振を行っている。

次に、図１の各部の動作について説明する。図５（ａ）はノイズ生成手段３の出力信号の周波数分析結果、図５（ｂ）は振幅が変調された交流信号発生手段５の出力信号の周波数分析結果である。図５（ａ）のノイズ生成手段３の出力信号は広い周波数範囲で均一な振幅特性を有している。また、図５（ｂ）の交流信号発生手段５の出力信号の周波数特性は不図示の指令手段からの周波数指令Ｆで示される周波数の振幅Ａの成分と、振幅が変動することで生ずる成分であって周波数Ｆの上側及び下側の周波数領域の広帯域にわたる周波数成分を含んでいる。

また、図５（ｂ）に示した白丸Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５で示す周波数は、図２で示される振動型アクチュエータ及び駆動機構の各部の固有振動数を示している。Ｆ０は弾性体８が上記曲げ振動の振動方向に並進運動する振動モードの固有振動数、Ｆ１は弾性体８の１次の曲げ振動の固有振動数、Ｆ２は弾性体８の２次の曲げ振動の固有振動数、Ｆ３はスライダ９の９次の曲げ振動の固有振動数、Ｆ４はスライダ９の１０次の曲げ振動の固有振動数、Ｆ５は筐体１３に固定される不図示の部材の固有振動数である。図２（ｃ）にスライダ９の９次の曲げ振動の様子を実線で、スライダ９の１０次の曲げ振動の様子を破線で示した。

ここで交流信号発生手段５の出力信号の周波数成分にＦ０〜Ｆ５の固有振動数と同じ周波数が含まれている場合を考えてみる。弾性体８はＦ０〜Ｆ５の固有周波数で加振され、Ｆ０〜Ｆ２では弾性体８の振動モードであるため弾性体８は対応する振動モードで振動する。Ｆ３〜Ｆ５の場合は弾性体８の振動モードでないため弾性体８に大きな振動は発生しない。

一方、弾性体８の振動が伝わることでスライダ９や筐体１３に固定された不図示の部材に振動が生じるが、Ｆ０〜Ｆ２では固有振動数が大きくずれているため大きな振動は発生しない。しかし、Ｆ３〜Ｆ５の場合はスライダ９や筐体１３に固定された不図示の部材における振動のＱ値が高ければ大きな振動が発生することも考えられる。つまり、交流信号発生手段５の出力信号に多くの周波数成分の信号が含まれている場合、弾性体８の所定の振動モード（駆動力の発生に寄与する主たる振動モードを意味し、本実施例では図３及び図４で示される振動モードがそれに該当する。）での振動以外の振動も発生させる可能性がある。

本発明の第１の目的は、この弾性体８の所定の振動モードでの振動以外の振動の励起を抑制することである。

また、第２の目的は、ディジタル的に設定可能な交流電圧のパラメータ（例えば周波数、振幅、位相差）を操作量として振動型アクチュエータの振動子の振動振幅や移動速度等を制御する際に、上記パラメータの設定可能な分解能以上の分解能を実質的に可能とすることである。

先ず、第２の目的を達成するための構成について以下に説明する。

交流信号発生手段５は、ディジタル的に出力信号の振幅を設定可能であり、つまり、所定の有効分解能で振幅を設定可能となっている。ここで振幅とは交流信号発生手段５が出力する交流信号の主要周波数における振幅に対応する値であって、例えば正弦波信号であればその最大値と最小値の差に応じた値である。振幅一定のパルス信号であればそのパルス幅が振幅に相当する。また、この主要周波数は弾性体８の１次の曲げ振動又は２次の曲げ振動の固有振動数近傍の周波数であって、この周波数は不図示の周波数指令手段から交流信号発生手段５に周波数指令として入力される。

ここで所望の速度で弾性体８をスライダ９に沿って移動させたい場合を考える。弾性体８の移動速度は弾性体８の振動振幅の大きさによって変化する。従って、弾性体８の振動振幅は電気−機械エネルギー変換素子１に印加する交流信号の周波数又は振幅を変えることで変化させることが可能である。本実施例では不図示の指令手段からの周波数指令で振動周波数が固定されているため、交流信号の振幅によって弾性体８の移動速度を制御している。

ここで交流信号発生手段５の出力振幅は所定の有効分解能、つまり離散的でしか振幅を設定出来ないとする。この場合、弾性体８の移動速度の分解能が交流信号発生手段５の出力振幅の有効分解能で決定される。そこで本実施例では、振幅指令Ａに変動付与手段４によって交流信号発生手段５の出力振幅の有効分解能以上の振幅のホワイトノイズを加算した変調振幅指令Ａｄを生成する。そして、この変調振幅指令Ａｄを交流信号発生手段５に入力することで有効分解能に対して中間的な振幅指令に対応出来るようにしている。つまり、この中間的な振幅指令は交流信号発生手段５の出力振幅の最小分解能以下では切り捨てられて交流信号発生手段５の出力信号に反映されない。そこで、この中間的な振幅指令にホワイトノイズを加算することで交流信号発生手段５の出力振幅を確率的に変動させ、平均的な出力振幅により有効分解能に対して中間的な出力振幅を発生させている。図６は、この動作を説明する図である。図６（ａ）において、ランプ状に変化する鎖線で示したグラフは変調振幅指令Ａｆを示しており、階段状の実線は交流信号発生手段５が出力する交流信号の振幅である。図６（ｂ）は、変調振幅指令Ａｆにノイズ信号ＳＮが重畳した状態を示している。図６（ｃ）は、図６（ｂ）の変調振幅指令Ａｆに応じて交流信号発生手段５が出力する交流信号の振幅である。このように交流信号発生手段５の出力振幅が所定の幅で変動することで時間平均分解能が上がり、弾性体８の移動速度の分解能を向上することができる。

このように時間的に振幅の変化する交流信号の周波数成分は、図５（ｂ）に示すように広い周波数帯域の周波数成分を含んでいる。そのため弾性体８の所定の振動モードでの振動以外の振動を励起してしまう問題があった。そこで本実施例では、交流信号発生手段５の振幅変調された交流信号に対し、フィルタ手段６を用いて、弾性体８の所定の振動モードでの振動以外の振動を励起する周波数成分を選択的に減衰させる構成とした。

図７は、フィルタ手段６の周波数特性と図５（ｂ）に示した周波数Ｆ０〜Ｆ５の関係を示す図である。本実施例では周波数Ｆ１と周波数Ｆ２を切り替えることで移動方向を切り替えるため、一方の周波数で駆動する際には他方の振動を抑制する必要がある。そこでフィルタ手段６の周波数特性は方向切り替え信号Ｄによって２つの特性を切り替える構成としている。

図７（ａ）は、周波数Ｆ１で駆動する際の周波数特性、図７（ｂ）は、周波数Ｆ２で駆動する際の周波数特性である。フィルタ手段６は、図７（ａ）のように周波数Ｆ１で駆動する際には周波数Ｆ０、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５において信号を選択的に減衰させるフィルタとして機能する。また、フィルタ手段６は、図７（ｂ）のように周波数Ｆ２で駆動する際には周波数Ｆ０、Ｆ１、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５において信号を選択的に減衰させるフィルタとして機能している。なお、減衰対象として選択される周波数成分は、固有振動数の環境による変動を考慮すれば、減衰対象となる周波数を中心に±１ｋＨｚ以内の帯域を持つのが好ましい。また、本実施例では弾性体８のを面外の曲げ振動の１次、２次としたが更に高次の次数や伸縮振動や面内の振動モードであっても良いことは当然である。また、本実施例では矩形状の弾性体を用いた定在波型の振動型アクチュエータの例を示したが、進行性振動波を用いたリング状の振動子や棒状弾性体による触れ回り振動やねじり振動、伸縮振動を用いた振動型アクチュエータ等においても利用可能である。また、図７にはフィルタ手段６の周波数特性が固有振動数とほぼ一致する例を示したが固有振動数は環境によって変動するものであるから、必ずしも一致させる必要はない。つまり、多少の変動を許容するようにフィルタ手段６の周波数特性を固有振動数からずらした設計とすることも可能である。

図８にノイズ生成手段３の具体的な構成例を示す。図８（ａ）は回路構成を示しており、図８（ｂ）は出力信号ＳＮの例を示している。１４は、１０個のＤフリップフロップが直列に接続されたシフトレジスタであり、第７ビットのＤ７と第０ビットのＤ０を排他的論理和素子１５に入力している。排他的論理和素子１５の出力はシフトレジスタ１４のデータ入力に戻す構成となっている。尚、シフトレジスタの初期値は０以外の任意の値に設定可能となっている。シフトレジスタ１４の出力信号Ｄ０〜Ｄ９は外部から入力されるクロック信号に同期してほぼ０と１の出現回数が同じで相関の少ない良質の乱数を発生することが可能である。そこでシフトレジスタ１４の出力信号Ｄ０〜Ｄ９から任意のビット信号を任意の順で選択して例えば７ビットのデータとして取り出せば良質の７ビットの出力信号ＳＮを生成することができる。このノイズ生成方法は一般にＭ系列と呼ばれる乱数を発生する方式を用いている。

図８（ｂ）は、７ビットの乱数を１０２３パルスのクロック信号に同期して出力した例である。１０ビットのシフトレジスタ１４を用いているので１０ビットの２進数の最大値１０２４から１引いた回数１０２３回で繰り返し同じ擬似乱数を発生することができる。シフトレジスタのビット数を増やせば長周期の乱数を発生することができ、実質的にランダムな数列を発生することが可能となる。

次に、交流信号発生手段５の具体的な構成及び動作について説明する。振幅指令Ａと出力信号ＳＮを変動付与手段４で加算して交流信号発生手段５に入力すると出力信号ＳＮで振幅の変調された交流信号を得ることができる。図９は交流信号発生手段５の具体例を示す回路図である。図９（ａ）は、正弦波発振器と乗算手段によって振幅を変化させる構成である。１６は、不図示の周波数指令手段からの周波数指令Ｆによって周波数の設定が可能な正弦波発振器、１７、はディジタル信号である変調振幅指令Ａｄをアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器である。１８、はＤ／Ａ変換器１７と正弦波発振器１６の出力信号を乗算する乗算手段である。乗算手段１８の出力信号Ａｍは正弦波発振器１６の出力信号が変調振幅指令Ａｄで振幅変調された信号となっている。

図９（ｂ）は、図９（ａ）の正弦波発振器１６の代わりにディジタル的な手法で正弦波を発生させる例を示したものである。１９は、公知の分周器である。分周器１９は、不図示の周波数指令手段からの周波数指令Ｆに対応する分周率（Ｎ）を設定し、不図示の水晶発振器の出力信号Ｘ０の周波数（Ｆｘ０）の整数分の１の周波数（Ｆｘ０／Ｎ）のパルス信号Ｘ１を出力する。２０は、カウンタでパルス信号Ｘ１のパルス信号の数をカウントしてカウント信号Ｘ２を出力している。なお、カウンタ２０はカウント信号Ｘ２が所定の値に達すると０にリセットされるようになっている。２１は、公知のＲＯＭでカウント信号Ｘ２を位相入力として位相に対する正弦波パターンが記憶されている。カウント信号Ｘ２はパルス信号Ｘ１のパルス列に同期して一定周期で増加する鋸波状のディジタル信号でありＲＯＭ２１はこれをアドレス入力として正弦波のディジタル信号Ｘ３を一定のレートで出力している。２２は、Ｄ／Ａ変換器でＲＯＭ２１から出力される正弦波のディジタル信号Ｘ３を入力してアナログの正弦波信号Ａｍを出力している。

一方、変調振幅指令ＡｄはＤ／Ａ変換器１７によってアナログ電圧に変換されＤ／Ａ変換器２２のリファレンス電圧入力に入力される。これによってＤ／Ａ変換器２２は正弦波信号Ａｍの出力振幅を変化させる構成となっている。

図９（ｃ）は、アナログ的な正弦波波形を出力する代わりにパルス信号のパルス幅を変化させることでパルス信号の基本波の振幅を変化させる構成の例を示している。分周器１９とカウンタ２０は図９（ｂ）と同じ動作であるので説明を省略する。２３、２４は比較器である。比較器２３はカウント信号Ｘ２と変調振幅指令Ａｄを比較し、カウント信号Ｘ２が変調振幅指令Ａｄより大きくなると１を出力する。比較器２４はカウント信号Ｘ２が上記所定の値を超えて０にリセットされると１を出力する。２５は公知のＲＳフリップフロップでカウント信号Ｘ２が０になると出力が１となり、カウント信号Ｘ２が変調振幅指令Ａｄより大きくなると０になるパルス信号Ａｍを出力している。これによって変調振幅指令Ａｄによってパルス幅が変化するパルス信号Ａｍが生成される。

また、本実施例では変動付与手段４はホワイトノイズを加算することで変動を付与したが、乗除算を使用する方法、関数による方法、ＲＯＭテーブルを利用する方法等を用いても良い。例えば±０．０１の範囲のホワイトノイズに１を加算した信号（１±０．０１）を振幅指令Ａに乗算するとＡ±０．０１×Ａの範囲の変動を付与することが出来る。またホワイトノイズの代わりに周期的に繰り返す変動であっても良い。この場合、変動を付与した場合の効果に差は生ずるが、フィルタ手段６により得られる不要振動抑制の効果については同様の効果が得られる。周期的変動を与えるにはノイズ生成手段３の変わりに正弦波発振器や鋸波発生器を用いる方法等がある。その場合は、周期的変動の周波数を事前に所定の振動モード及び所定の振動モード以外での振動の固有振動数を避けて設定することが好ましい。

また、上記実施例では振幅を変調する場合の例を示したが、周波数を変調するようにしても良い。図１０は、図１における振幅と周波数の関係のブロックを入れ替えたものである。２６は、電気−機械エネルギー変換素子１に印加する交流信号の周波数を設定する周波数指令Ｆを出力する周波数指令手段、２７は、周波数指令Ｆにノイズ生成手段３の出力信号ＳＮを加算して変調周波数指令Ｆｄを出力する変動付与手段である。交流信号発生手段５は不図示の振幅指令Ａと変動付与手段２７の出力する変調周波数指令Ｆｄを入力して周波数が変調された所望の振幅の交流信号Ｆｍを出力する。その他の構成は図１と同様のため説明を省略する。

振動型アクチュエータは、電気−機械エネルギー変換素子１に印加する交流信号の振幅の変化によって振動子の振動振幅が変化するが、印加電圧の周波数変化によっても同様に振動子の振幅が変化する。振動子の振幅の変化によって移動速度が変化するから印加電圧の周波数を制御する方法でも上記例と同様に移動速度を制御できる。また、交流信号発生手段５の出力信号に含まれる周波数成分の振幅の分布は、振幅を変調した場合でも周波数を変調した場合でも付与した変動の大きさが小さい場合にはほとんど変わらない。従ってフィルタ手段６による効果は、図１０の構成の場合も図１と同様の効果が得られる。また、振幅と周波数の両方を変調して双方とも分解能を高く設定しても良い。周波数と振幅を独立した目的のためにそれぞれ制御する場合には変動付与に利用する周波数設定用と振幅設定用のノイズ信号間の相関は少ないものを用いる必要がある。但し、同じ制御目的に利用する場合には目的に対して同じ極性になるように注意したうえで相関の高いノイズ信号を用いても良い。

図１０における交流信号発生手段５は、図９で示された構成において、周波数指令Ｆを振幅指令Ａに、変調振幅指令Ａｄを変調周波数指令Ｆｄに、出力信号Ａｍを出力信号Ｆｍに置き換えることにより構成できる。動作は双方とも同じであるので説明は省略する。

図１１（ａ）にフィルタ手段６の回路例を示す。この回路は、ＯＰアンプ２８、２９と抵抗、コンデンサによって構成され、特定の周波数の入力信号を減衰するフィルタ機能を持つ。この回路を直列に複数接続することで複数の固有振動数の周波数成分を減衰するように構成することができる。図１１（ｂ）に上記回路の周波数特性を示す。

また、図１１の回路は一つの周波数に対して減衰特性を有するため複数の固有振動数に対応するには複数の回路を直列に多段接続する必要があった。

これを改善する方法として一つの回路で複数の周波数に対して減衰特性を持つくし型フィルタによる回路例を示す。図１２（ａ）、（ｂ）に２つの回路例を、図１３（ａ）、（ｂ）にそれぞれの周波数特性を示す。３０は、遅延手段で入力信号を一定の時間遅延して出力する。３１は、加算手段で遅延手段３０の出力信号と入力信号を加算して出力している。３２は、減算手段で入力信号から遅延手段３０の出力信号を減算して出力している。

まず図１２（ａ）の回路の周波数特性を説明する。遅延手段３０の遅延時間の２倍をＴａとすると図１３（ａ）に示すようにＴａの逆数に対して奇数倍の周波数の信号を減衰する特性となっている。このように単純な回路構成によって複数の周波数で減衰特性が得られている。上記固有振動数が完全に等間隔になることは無いが一つのフィルタでの減衰対象周波数が多くなるため直列に接続するフィルタの数を少なくすることができる。

次に、図１２（ｂ）の回路の周波数特性を説明する。遅延時間をＴｂとすると図１３（ｂ）に示すようにＴｂの逆数の偶数倍及び直流の周波数の信号を減衰する特性を有している。

このように図１２（ａ），（ｂ）のくし型フィルタを用いることで複数の周波数を減衰させることができる。しかし、減衰される周波数が等間隔であるためどうしても減衰できない周波数が出てしまうことがある。そこで異なる周波数に対応したくし型フィルタを直列に接続すれば不等間隔の減衰特性を持つフィルタを構成することができる。

図１２（ｃ）に不等間隔の減衰特性を有するフィルタの構成例、図１３（ｃ）に図１２（ｃ）のフィルタの特性例を示す。遅延手段３０と加算手段３１で構成されるくし型フィルタ１と遅延手段３３と加算手段３４で構成されるくし型フィルタ２が直列に接続されている。

また、本実施例では振動型アクチュエータの移動速度を検出する手段を設けていないが、光学式エンコーダ等を用いて移動速度や位置を検出しても良い。目標速度や目標位置と検出した移動速度や位置の差に応じて振幅指令Ａや周波数指令Ｆを所定の演算又は回路によって変更するように構成すれば、高精度な速度制御や位置制御が可能となる。

（実施例２）
上記第１の実施例では交流信号発生手段５の出力側にフィルタ手段６を配置したが、本第２の実施例では交流信号発生手段５の前段にフィルタ手段６を挿入する例を示す。図１４は、本発明の駆動装置の第２の実施例を示すブロック図である。図１４において、図１と同番号を付している構成については同様の機能を果たすため説明を簡略化する。

振幅指令手段２は不図示の指令手段からの速度指令Ｓｐｄと後述する速度検出手段である光学式エンコーダ５０からの速度信号Ｓに応じて速度指令Ｓｐｄと速度信号Ｓの大きさが一致するように振幅指令Ａを制御している。速度信号Ｓが速度指令Ｓｐｄより遅い場合には振幅指令Ａを増加させ、速度信号Ｓが速度指令Ｓｐｄより速い場合には振幅指令Ａを減少させるように動作する。フィルタ手段６は、交流信号発生手段５の前段に入っており、変調振幅指令Ａｄに含まれるノイズ成分から所望の周波数成分を減衰し交流信号発生手段３５に変調振幅指令Ａｆとして出力する。３５は交流信号発生手段である。交流信号発生手段３５は変調振幅指令Ａｆに応じた振幅の２相の交流信号（交流電圧）を発生すると共に不図示の指令手段から周波数指令Ｆ及び位相差指令Ｐを入力し、２相の交流信号間の位相差を設定可能とされている。５０は、光学式エンコーダであり、後述する振動型アクチュエータの回転速度を検出し、振幅指令手段２に速度信号Ｓを出力している。交流信号発生手段３５の２相の交流信号φＡ、φＢはそれぞれ電気−機械エネルギー変換素子３６−ａ、３６−ｂの電極に供給されている。

図１５は、第２の実施例の振動型アクチュエータの駆動回路を適用した、プリンタの感光ドラムの駆動機構を示す図である。３６は、後述する弾性体３７に接着された電気−機械エネルギー変換素子であり、弾性体３７に進行性振動波を形成する。電気−機械エネルギー変換素子３６は圧電素子で構成されている。３７は弾性体、３８は弾性体３７上に形成される進行性振動波によって駆動されるロータ、３９は弾性体３７とロータ３８との間にあって弾性体３７の突起状接触部に接着された摩擦部材である。４０はロータ３８に接続される回転軸である。

図１６は、電気−機械エネルギー変換素子３６に設けられた電極形状及び各電極及び電気−機械エネルギー変換素子３６側から見た弾性体３７の構造を示している。図中の３６−ａ、３６−ｂは、図１４で示される電気−機械エネルギー素子３６−ａ、３６−ｂの電極を示している。電極３６−ｃ、３６−ｄは、弾性体３７との間を導電性塗料で接続されたグランド電位接続用の電極である。弾性体３７は、斜線で示した薄い円板部３７−ａと、電気−機械エネルギー変換素子３６を接着するための、等間隔に締結用の貫通孔が設けられた固定部３７−ｂとから構成されている。本実施例では、電気−機械エネルギー変換素子３６は円環状をなしている。

また、図１５において、４１は、画像形成用の感光ドラムで回転軸４０と一体に構成されている。４２は、弾性体３７の固定部３７−ｂがネジで固定される固定板で不図示の画像形成装置の筐体に不図示の固定部材によって固定されている。４３は、回転軸４０の回転速度を検出するための光学スケール、４４は、半導体レーザであり近赤外の光線を光学スケール４３に照射している。４５は、半導体レーザ４４の実装されたレーザ制御基板、４６は、半導体レーザ４４からの近赤外のレーザ光が光学スケールで回折した光線による光学像を検出する受光センサが実装された受光基板である。４７及び４８は、レーザ制御基板４５及び受光基板４６を固定版４２に固定するための固定柱である。４９は、遮光用のケースである。

次に、図１４の駆動装置の動作を説明する。上述した第１の実施例では、振動型アクチュエータが１相の交流信号で動作し、周波数及び位相を切り替えることで駆動方向を切り替えているのに対して、本実施例では２相の交流信号で動作し、２相の交流信号間の位相差で駆動方向を切り替えている。基本的な動作は第１の実施例とほぼ同様であるが、フィルタ手段６の配置位置の変更に伴い、フィルタ手段６の周波数特性が異なっている。そこでまずフィルタ手段６の周波数特性と振動型アクチュエータに直接又は間接的に接続される機構の固有振動数の関係について説明する。

図１５に示すように弾性体３７の振動は固定板４２や回転軸４０を介して光学式エンコーダ５０に伝わる。そのため振動の影響によって例えば半導体レーザ内の不図示の給電用のボンディングワイヤが共振して発光不良を起したり、光学スケール４３や固定柱４７、４８等が共振して速度検出に誤差が重畳されたりする等の問題が発生する可能性があった。

また、変調振幅指令Ａｆによって振動型アクチュエータに印加する交流信号φＡ、φＢの振幅を変化させると振動型アクチュエータが駆動する感光ドラム４１等の回転体の速度が変動する。そのため回転軸４０に直接又は間接的に接続されている機構は変調振幅指令Ａｆに含まれる周波数成分で直接加振されて振動する。これによって回転軸４０と感光ドラム４１によるねじり共振が励起され感光ドラム４１に露光される画像品位が低下する問題があった。

図１７（ａ）は、周波数指令Ｆ、振幅指令Ａによって発生する交流信号、図１７（ｂ）は、変調振幅指令Ａｆ、図１７（ｃ）は、交流信号発生手段３５の出力信号の周波数成分の例を表している。変調振幅指令Ａｆには振幅指令Ａに周波数Ｆ０で振幅がＡ１の正弦波が重畳された信号を想定した。一般に振幅変調波は搬送波である中心周波数に対して変調波の周波数成分が中心周波数の両側波帯に現れる対称な周波数特性になっている。そして、その際の側波帯の周波数は中心周波数に変調振幅指令Ａｆの周波数を加算及び減算することで現れる。図１７（ａ）で示されるように、変調前の周波数成分は周波数Ｆで振幅Ａの成分を持っている。また、図１７（ｂ）で示されるように、変調振幅指令Ａｆの周波数成分は周波数Ｆ０で振幅Ａ１の成分を持っている。図１７（ｃ）で示される交流信号発生手段３５の出力信号の周波数成分には周波数Ｆで振幅Ａの成分と周波数Ｆ−Ｆ０及び周波数Ｆ＋Ｆ０に振幅Ａ１の２分の１の成分が現れている。従って、変調後の交流信号に上記機構の固有振動を励起する周波数が含まれないようにするには上記機構の固有振動数と周波数指令Ｆによって決まる中心周波数との差の絶対値の周波数を変調振幅指令Ａｄから除去すればよい。

また、変調振幅指令Ａｄの周波数成分で直接加振される場合があるため、直接加振される機構の固有振動を励起する周波数を除去する必要もある。従って、フィルタ手段６は、除去したい固有振動モードを励起する周波数の他に固有振動数と周波数指令Ｆとの差の絶対値で示される周波数を減衰するように構成される。なお、以下の説明では、固有振動数と固有振動を励起する周波数を同義で扱うが、実際には両者は必ずしも一致するものではない。

図１８（ａ）は、上記機構の各部の固有振動数を示す図であり、図１８（ｂ）はフィルタ手段６の周波数特性を示している。図１８（ａ）において、Ｆは弾性体３７の所定の振動モードの固有振動数、Ｆ１は感光ドラム４１と回転軸４０によるねじり共振の固有振動数、Ｆ２は、光学スケール４３と回転軸４０によるねじり共振の固有振動数である。また、Ｆ３は、弾性体３７の主駆動モード以外の固有振動数、Ｆ４は、半導体レーザ４４の不図示のボンディングワイヤの固有振動数である。

図１８（ｂ）において、図１８（ａ）の各周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に対応する減衰周波数をＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４と示した。回転軸４０の回転変動によって発生するねじり振動の固有振動数Ｆ１、Ｆ２は変調振幅指令Ａｄから直接その周波数を減衰或いは遮断しなければならない。従って、Ｇ１、Ｇ２はＦ１、Ｆ２と同じ周波数である。また、弾性体３７の固有振動数であるＦ３や不図示のボンディングワイヤの固有振動数Ｆ４に対しては、周波数指令Ｆと固有振動数Ｆ３、Ｆ４の差の絶対値で表される周波数Ｇ３、Ｇ４としている。

また、本実施例では、振幅指令に対して変動を付与する例を示したが交流信号発生手段への周波数指令Ｆや位相差指令Ｐに対して変動を付与する場合もフィルタ構成は同様である。周波数または位相差を変調する場合、本実施例の振幅変調と同様に変調指令に含まれる周波数成分が周波数指令Ｆの基本波成分の両側波帯に現れることは公知の周波数変調及び位相変調の理論より明らかである。そのため変調を与える操作量が振幅、周波数、位相差のいずれであってもフィルタ手段６の周波数特性は同じ特性となる。但し、厳密に言えば周波数又は位相差を変調した場合、変調周波数の高調波成分が発生するため減衰させたい固有振動数と周波数指令Ｆの差の絶対値に相当する周波数だけではなくその整数分の１の周波数成分も減衰させる必要がある。しかし、通常は付与する変動が小さく高調波成分が小さくなるため整数分の１の周波数は対象としなくても十分な場合が多い。

また、振幅だけでなく周波数及び位相差の全てに変動を付与する場合には、全ての変動付与手段の後段でそれぞれに対してフィルタ手段６を接続して交流信号発生手段３５に入力される前に減衰させたい固有振動数に対応する周波数成分を減衰させる必要がある。

また、その場合、付与される変動は振幅、周波数、位相差のそれぞれに相互に相関の少ないノイズＳＮを用いることが望ましい。例えば、図８のノイズ生成手段を用いる場合、同じビットデータから信号を生成し、ビット配列の順番を入れ替えたとしても相関が高くなる可能性が高い。対策としてはビット数の多いシフトレジスタを用いた長周期の乱数を発生させ、異なるビットの組み合わせを注意深く選択すればこの影響を少なくすることができる。また、完全に異なるパターンのＭ系列信号を生成する方法や同じパターンでも異なるタイミングで生成された乱数をそれぞれに用いることで相関の少ない乱数を得ることができる。また、Ｍ系列を用いる方法以外にも予め乱数データをＲＯＭに記憶しておきこれを利用する方法や公知の乗算器を利用した線形合同法等がある。

また、駆動機構の動作によっては、駆動対象となる部位が異なり、減衰させたい固有振動数が変化することも考えられる。その際にはフィルタ手段６の周波数特性を切り替えて所望の特性を得るように構成しても良い。

また、フィルタ手段６と交流信号発生手段３５の有効分解能の関係には注意する必要がある。フィルタ手段６及び交流信号発生手段３５がアナログ的な動作をする場合には問題無いが、ディジタル演算やＡ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換による離散的な演算処理を行う場合には注意が必要である。交流信号発生手段３５の入力の有効分解能がフィルタ６の有効分解能より劣る場合には有効分解能以下の切り捨てや有効分解能の違いによって誤差が発生するからである。

フィルタ手段６の効果を確実に得るためにはフィルタ手段６での演算において丸め処理を行わないと共に出力信号の有効分解能が交流信号発生手段３５の有効分解能と同じかその整数倍であることが望まれる。即ち、交流信号発生手段３５の入力信号の有効分解能が１であるならフィルタ手段６の出力信号の有効分解能は１以上であることが望ましい。例えばフィルタ手段６の出力信号の分解能が０．５である場合、０．５の変動は全てノイズとなってしまうからである。さらに言えばフィルタ手段６の出力信号の有効分解能は１以上の整数であることが望ましい。フィルタ手段６の有効分解能が１．５の場合、交流信号発生手段３５がこれを１と受け取っても２と受け取っても０．５の誤差が発生してしまい新たなノイズの発生となってしまうからである。

また、上記実施例は振動型アクチュエータの例としてリニア型のアクチュエータと回転型アクチュエータの代表的な例を示した。しかし、このようなモータタイプの振動型アクチュエータでなくとも高分解能に電圧振幅や周波数、位相差等を設定する場合には本発明は有効である。

図１９は、一眼レフカメラの画像入力デバイスであるＣＭＯＳセンサの光学像受光面に設けられる光学フィルタである。光学フィルタに塵埃が付着すると画像を劣化させるため光学フィルタを弾性体として粉体搬送用の振動型アクチュエータを構成したものである。５１は光学フィルタであり、５２、５３は光学フィルタ５１の両端に接着された圧電素子であり、給電用の電極５２−１、５２−２、５３−１、５３−２が図示されている。本発明の駆動回路は、このような振動型アクチュエータにも適用可能である。

１ 電気−機械エネルギー変換素子
２ 振幅指令手段
３ ノイズ生成手段
４ 変動付与手段
５ 交流信号発生手段
６ フィルタ手段

Claims (7)

1. 電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印加することによって、少なくとも該電気−機械エネルギー変換素子で構成される振動体を所定の振動モードで励振させ、駆動力を発生する振動型アクチュエータの駆動装置において、
   前記交流信号の周波数、振幅、位相差の少なくとも一つを指令する指令信号を出力する指令手段と、指令信号に変動を与えて出力する変動付与手段と、変動付与手段の出力に応じて周波数、振幅、位相差の少なくとも一つが変調された交流信号を発生する交流信号発生手段と、前記変動付与手段又は前記交流信号発生手段の少なくとも一方の出力信号に対し、前記所定の振動モードでの振動以外の振動を励起する周波数成分を選択的に減衰させるフィルタ手段を設けたことを特徴とする振動型アクチュエータの駆動装置。
2. 前記変動付与手段は、乱数を発生させる手段と加算手段で構成されることを特徴とした、請求項１記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
3. 前記乱数を発生させる手段は、Ｍ系列信号を発生させる手段であることを特徴とした、請求項２記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
4. 前記フィルタ手段は、複数の周波数成分を選択的に減衰させるくし型フィルタであることを特徴とした、請求項１記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
5. 前記フィルタ手段は、複数のくし型フィルタを直列に接続して構成されていることを特徴とした、請求項４記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
6. 前記交流信号発生手段は、分周器とカウンタを含むことを特徴とした、請求項２又は４記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
7. 前記フィルタ手段は、離散的な演算処理を行うフィルタであり、該フィルタの出力信号の有効分解能は前記交流信号発生手段の入力の有効分解能以上の値であることを特徴とした、請求項１記載の振動型アクチュエータの駆動装置。

Images