JP7331209B2 - 振動型駆動装置、振動型駆動装置の制御方法、プログラム、ロボット、撮像装置の雲台及び画像形成装置 - Google Patents

振動型駆動装置、振動型駆動装置の制御方法、プログラム、ロボット、撮像装置の雲台及び画像形成装置 Download PDF

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Description

本発明は、不要振動を検出する振動型駆動装置、振動型駆動装置の制御方法、プログラム、ロボット、撮像装置の雲台及び画像形成装置に関する。
圧電素子を含むリング状の振動体を有し、高い周波数の駆動電圧を圧電素子に印加することによって振動体に駆動振動を励起させる振動型アクチュエータが知られている。この振動型アクチュエータでは、振動体へリング状の被駆動体を加圧接触させることにより、振動体の駆動振動によって被駆動体を回転駆動して回転力を出力する。このような振動型アクチュエータは、「低速での発生トルクが大きい」、「回転精度や位置決め精度が高い」、「摩擦力によって非駆動時の状態を維持することできる」等の特性を有する。これらの特性を考慮して、振動型アクチュエータは、例えば、一眼レフカメラ等の撮像装置においてオートフォーカス動作を行うためのレンズ駆動用モータとして実用化される。また、近年、振動型アクチュエータは、ロボットアームの関節駆動やロボットハンドの回転駆動、監視カメラ等の撮像装置の雲台の回転駆動、及び画像形成装置の感光体ドラムの回転駆動に用いることも検討されている。このように適用先が拡大する振動型アクチュエータは、駆動性能のさらなる向上(長寿命化、静音化、駆動の高精度化等)が求められている。
ところで、振動型アクチュエータでは意図する駆動振動とは異なる不要振動が発生することがある。不要振動は駆動振動と重畳されて回転精度が低下する等の弊害が生じるため、駆動電圧の周波数(以下、「駆動周波数」という。)の範囲から不要振動の固有振動数が外れるように振動体を設計する。これにより、不要振動の発生を低減することができる(例えば、特許文献1参照。)。
ところで、駆動周波数の範囲から不要振動の固有振動数が外れるように振動体を設計しても、振動体の製造時のばらつきや駆動環境の変化に起因して不要振動が発生する可能性を完全に排除するのは困難である。したがって、振動型アクチュエータの回転力の出力時において、不要振動に起因する弊害の発生の可能性を低減するために、振動体の不要振動を検出する必要がある。
不要振動を検出する方法として、例えば、特許文献2には、振動検出用の電極を径方向に分割して設け、面内モードの振動と面外モードの振動を検出する技術が開示されている。具体的には、分割された複数の振動検出用の電極のうち、内周側に設けた3つの電極の中の1つの電極又は外周側に設けた3つの電極の中の1つを用いて振動を検出する。なお、このとき、振動の検出に用いない振動検出用の電極は短絡する。また、特許文献3には、振動検出用の電極S相とS相とを径方向に分割して設け、駆動波信号が除去されたS相の出力とS相の出力の和の信号から不要振動を検出する技術が開示されている。
特開2003-180092号公報 特開平3-135382号公報 特開平3-139181号公報
しかしながら、特許文献2の方法では、不要振動の周波数が、駆動周波数の範囲に含まれ、又は駆動周波数の整数倍である場合には、駆動振動と不要振動の区別が困難であり、不要振動を精度よく検出できない恐れがあった。また、特許文献3の方法では、不要振動の検出に、S相からのある瞬間の出力とS相からのある瞬間の出力とを用いている。そのため、測定するタイミングやノイズにより出力が変化し、不要振動を精度よく検出できない恐れがあった。
本発明の目的は、振動体の不要振動の周波数が駆動周波数の範囲に含まれ、又は駆動周波数の整数倍であったとしても、従来の検出方法よりも不要振動を正確に検出することができる振動型駆動装置を提供することにある。また、本発明の目的は、同様の振動型駆動装置の制御方法、プログラム、ロボット、撮像装置の雲台及び画像形成装置を提供することにある。
本発明の一側面としての振動型駆動装置は、電気-機械エネルギー変換素子を含む環状の振動体と、前記振動体へ接触する被駆動体とを備え、前記電気-機械エネルギー変換素子へ駆動電圧を印加して前記振動体に駆動振動を発生させることにより、前記被駆動体を駆動する振動型駆動装置において、前記振動体の振動を検出する検出部を備え、前記電気-機械エネルギー変換素子は、前記振動体の同じ半径上で前記振動体の異なる位置に配置される第1の計測相及び第2の計測相を有し、前記検出部は、前記第1の計測相の出力信号と前記第2の計測相の出力信号との比較結果を用いて前記振動体の前記振動体と略同心の円を節とするねじりモードの不要振動を検出することを特徴とする。
本発明の一側面としての振動型駆動装置によれば、振動体の不要振動の周波数が駆動周波数の範囲に含まれ、又は駆動周波数の整数倍であったとしても、従来の検出方法よりも不要振動を正確に検出することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る振動型駆動装置の構成を概略的に示す断面図である。 図1における振動型アクチュエータの構成を概略的に示す斜視図である。 図2の振動体において励起される駆動振動における変形の態様を説明するための図である。 図2の振動体において発生する不要振動による変形の態様を説明するための図である。 7次の進行波である駆動振動のみが励起された場合における図2の振動体の振動変位を説明するための図である。 7次の進行波である駆動振動に4次の進行波である不要振動が重畳された場合における図2の振動体の振動変位を説明するための図である。 図2における圧電素子に形成される複数の駆動用パターン電極の配置形態を説明するための平面図である。 第1の実施の形態における不要振動の検出方法を説明するための図である。 本発明の第2の実施の形態に係る振動型駆動装置の圧電素子に形成される複数の駆動用パターン電極の配置形態を説明するための平面図である。 第2の実施の形態における不要振動の検出方法を説明するための図である。 図9の圧電素子における各センサ相の配置形態の第1の変形例を説明するための平面図である。 図9の圧電素子における各センサ相の配置形態の第2の変形例を説明するための平面図である。 本発明の第3の実施の形態としてのロボットの構成を概略的に示す斜視図である。 本発明の第4の実施の形態としての撮像装置の雲台の構成を概略的に示す図である。 本発明の第5の実施の形態としての画像形成装置の内部構成を概略的に示す側面図である。 図15のカラー画像形成装置における振動型アクチュエータの適用例を示す図である。 第1の実施の形態における不要振動の検出方法を説明するための図である。 第2の実施の形態における不要振動の検出方法を説明するための図である。 第2の実施の形態の第2の変形例における不要振動の検出方法を説明するための図である。 第1の実施の形態における不要振動の調整方法を説明するための図である。 第2の実施の形態における不要振動の調整方法を説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本発明の第1の実施の形態に係る振動型駆動装置について説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る振動型駆動装置の構成を概略的に示す断面図である。図1において、振動型駆動装置は、振動型アクチュエータ10と、該振動型アクチュエータ10が出力する回転力を制御する制御回路15とを備える。振動型アクチュエータ10は、円環状に形成された振動体20、円環状に形成された被駆動体30、及び加圧機構40を備える。また、振動型アクチュエータ10は、シャフト51、ハウジング52及びベアリング53,54を備える。
振動体20は、電気-機械エネルギー変換素子である圧電素子22及び該圧電素子22が接合された弾性体21を有する。被駆動体30は、本体30a及び接触ばね30bを有する。被駆動体30の材料としては、ステンレス鋼等の鉄系材料を用いることができるが、被駆動体30の材料はこれに限らない。加圧機構40は、制振ゴム41、加圧ばね受け部材42、加圧ばね受けゴム43、加圧ばね44及び加圧ばね固定部材45を有する。振動体20及び被駆動体30はシャフト51を中心軸として同心円状に配置され、シャフト51に固定された加圧機構40によってシャフト51のスラスト方向に関して互いに加圧接触(摩擦接触)する。具体的には、シャフト51に固定された加圧ばね固定部材45によって移動を規制された加圧ばね44が、制振ゴム41、加圧ばね受け部材42及び加圧ばね受けゴム43を介して被駆動体30をスラスト方向に押圧する。また、押圧された被駆動体30は接触ばね30bによって振動体20をスラスト方向に押圧することにより、振動体20へ安定的に加圧接触する。制御回路15は、交流電圧としての超音波領域の周波数を有する駆動電圧を発生する交流電圧発生手段16及び後述の不要振動を検出する不要振動検出手段17(検出部)を有する。
図2は、図1における振動型アクチュエータ10の構成を概略的に示す斜視図である。図2において、弾性体21は円皿状の部材からなり、周縁部において周方向に沿って略等間隔に配列され、且つ弾性体21の厚み方向(図中上方)へ突出する複数の突起部21bを有する。弾性体21の材料は適宜選択できるが、本実施の形態では、窒化処理されたステンレス鋼等の鉄系材料を用いる。また、弾性体21は、各突起部21bの土台となる基底部21aと、弾性体21の中央部を構成する支持部21cを有する。基底部21aの底面(各突起部21bが突出する面とは反対側の面)には圧電素子22が接合される。突起部21bの上端面は接触ばね30bと摩擦接触する接触部25を構成する。また、弾性体21は、支持部21cに開設された穴とハウジング52の穴を螺合させることにより、ベアリング53,54を備えるハウジング52へ固定される。ベアリング53,54はシャフト51を軸支する。
振動型駆動装置では、制御回路15の交流電圧発生手段16が、不図示のフレキシブルプリント基板を通して圧電素子22へ駆動電圧を印加することにより、振動体20に駆動振動(第1の進行波)を励起させる。駆動振動の態様は圧電素子22が有する複数の駆動用パターン電極の数や配置形態に依存するが、励起される駆動振動が振動体20の周方向に進むn次の進行波となるように、圧電素子22が設計される。なお、n次の駆動振動とは基底部21aの周方向における波数がn個となる曲げ振動である。圧電素子22に発生した駆動振動は振動体20の基底部21aへ伝達されるが、駆動振動による変位は各突起部21bによって拡大される。具体的には、各突起部21bの接触部25の変位は基底部21aの変位よりも大きくなる。このとき、各接触部25は楕円運動を行い、摩擦接触する接触ばね30bを周方向へ駆動する。すなわち、被駆動体30は振動体20と同心を保ったまま、回転駆動される。ここで、被駆動体30は加圧ばね44によって加圧ばね固定部材45と摩擦接触し、シャフト51に固定された加圧ばね固定部材45は被駆動体30の回転運動をシャフト51へ伝達する。これにより、被駆動体30の回転力がシャフト51を通して外部へ出力される。
ところで、上述したように、不要振動が発生するのを抑制するために、通常は、駆動電圧の周波数(以下、「駆動周波数」という。)の範囲から振動体20の不要振動の固有振動数が外れるように振動体20が設計される。しかしながら、各接触部25や接触ばね30bの接触面(摩擦面)の精度の低さ、振動体20及び被駆動体30に作用する接触圧力分布の不均一さ、振動体20の機械的な加工誤差等の要因により、振動体20において予期せぬ不要振動が発生する場合がある。このような不要振動も駆動振動と同様の振動体20の周方向に進む進行波(第2の進行波)を呈する。したがって、不要振動は駆動振動と重畳されて出力される回転力の質を低下させ、異音の発生や回転力の低下等の問題を生じさせるおそれがある。これに対して、第1の実施の形態では、予期せぬ不要振動を正確に検出し、不要振動が検出された場合、当該不要振動の固有振動数が駆動電圧の駆動周波数の範囲から外れるように駆動周波数を調整する。
図3は、図2の振動体20において励起される駆動振動による変形の態様を説明するための図である。なお、図3では、振動体20において励起される駆動振動の変位に対する理解を容易にするために、変位を実際よりも誇張して示している。図3に示すように、第1の実施の形態では、駆動振動が振動体20の周方向に進む7次の進行波を呈するように圧電素子22が有する複数の駆動用パターン電極の数や配置形態が設計される。圧電素子22が有する駆動用パターン電極の数や配置形態の詳細については図7において後述する。なお、本発明が適用される振動型駆動装置の振動体20の駆動振動の次数は7に限られず、1以上の自然数であればよい。
図4は、図2の振動体20において発生する不要振動による変形の態様を説明するための図である。なお、図4では、振動体20において発生する不要振動の変位に対する理解を容易にするために、変位を実際よりも誇張して示している。図4に示すように、第1の実施の形態において、不要振動は、各接触部25や接触ばね30bの接触面の精度の低さ等に起因して振動体20の周方向に進む4次の進行波を呈することを前提とする。また、ここでの不要振動は基底部21aにおいて振動体20と略同心の円状の節を有し、該節の内周側の振動変位の位相と外周側の振動変位の位相が逆であるねじりモードの振動である。なお、本発明が適用される振動型駆動装置の振動体20の不要振動の次数は4に限られず、1以上且つ駆動振動の次数と異なる自然数であればよい。
図5は、7次の進行波である駆動振動のみが励起された場合における図2の振動体20の振動変位を説明するための図である。図5において、横軸は振動体20の周方向の位置を角度で表す空間位相を示し、縦軸は振動体20の周方向の各位置の振動変位を示す。また、図5には、互いに異なる4つのタイミングにおける各位置の振動変位が示される。上述したように、駆動振動は7次の進行波であるため、各タイミングにおける各位置の振動変位を合成すると7次の波を呈する。ところで、振動体20の弾性体21や圧電素子22は振動体20の中心に関して対称に構成されるため、駆動振動における振動体20の周方向の各位置の振幅は同じである。したがって、各位置の振幅(振動の最大変位)を結んだ包絡線(図中破線で示す。)は直線を呈し、極値を有することがない。
図6は、7次の進行波である駆動振動に4次の進行波である不要振動が重畳された場合における図2の振動体20の振動変位を説明するための図である。図6においても、横軸は振動体20の周方向の位置を角度で表す空間位相を示し、縦軸は振動体20の周方向の各位置の振動変位を示す。また、図6にも、互いに異なる4つのタイミングにおける各位置の振動変位が示される。なお、駆動振動の振幅と不要振動の振幅の比が2:1であることを前提とする。ところで、上述したように、駆動振動の次数と不要振動の次数は異なるため、駆動振動に不要振動が重畳されると、各位置の振幅(振動の最大変位)を結んだ包絡線(図中破線で示す。)は、駆動振動の次数(7)と不要振動の次数(4)の差(3)に応じて凹凸が生じる。具体的に、包絡線において3つの山が生じる。すなわち、不要振動が生じたときの包絡線は振動体20の周方向に関して曲線を呈し、極値を有する。換言すれば、振動体20の周方向の各位置における駆動振動と不要振動の重畳振幅は互いに異なる。なお、図6では、駆動振動の振幅と不要振動の振幅の比が2:1であることを前提としたが、駆動振動の振幅と不要振動の振幅の比はこれに限定されない。また、駆動振動の振幅と不要振動の振幅の比の変化に応じて振動体20の周方向の各位置における駆動振動と不要振動の重畳振幅も変化する。
図7は、図2における圧電素子22に形成される複数の駆動用パターン電極の配置形態を説明するための平面図である。図7において、圧電素子22には、駆動相としての、例えば、26個の駆動用パターン電極23-1~23-26が7次の進行波の4分の1波長(λ/4)のピッチで円周上に順で配列して形成される。各駆動用パターン電極23-1~23-26は厚み方向に分極され、分極方向は各駆動用パターン電極23-1~23-26で同じである。したがって、各駆動用パターン電極23-1~23-26に略正弦波状の駆動電圧を印加すると、各駆動用パターン電極23-1~23-26は圧電素子22の周方向に伸縮する。各駆動用パターン電極23-1~23-26の伸縮は弾性体21へ伝達されて弾性体21へ弾性体21の周方向に沿う曲げモーメントを発生させる。ここで、各駆動用パターン電極23-1~23-26へ図中の時計回りの順に時間位相が90°だけずれた略正弦波状の駆動電圧を印加する。このとき、各駆動用パターン電極23-1~23-26が弾性体21に発生させる曲げモーメントを合成すると、弾性体21において弾性体21の周方向に進行する7次の進行波が生じる。特に、印加される駆動電圧の周波数を弾性体21の固有振動数の近傍へ設定すると、7次の進行波が弾性体21において増幅される。
また、圧電素子22には、センサ相(計測相)としての、例えば、2個のセンサ用パターン電極24-1a、24-2a(センサ相S1、S2)が7次の進行波の4分の1波長(λ/4)のピッチで円周上に配列して形成される。2つのセンサ相S1、S2は各駆動用パターン電極23-1~23-26と同じ円周に配置される。なお、図7では、2つのセンサ相S1、S2は駆動用パターン電極23-1及び駆動用パターン電極23-26の間に配置されるが、2つのセンサ相S1、S2の配置位置はこれに限られない。2つのセンサ相S1、S2は各駆動用パターン電極23-1~23-26と同じ円周に配置される限り、それらの配置位置は任意である。
各センサ相S1、S2は、駆動振動や不要振動によって生じる振動体20の機械的な歪を圧電効果によって交流信号である出力信号に変換して出力する。すなわち、各センサ相S1、S2は、駆動振動や不要振動の振幅をモニタする。各センサ相S1、S2から出力された出力信号は不図示のフレキシブルプリント基板を介して不要振動検出手段17に送信される。不要振動検出手段17は、2つのセンサ相S1、S2から取得される出力信号の振幅比(比較結果)を算出し、該振幅比から不要振動を検出する。不要振動の検出方法については以下の図8及び図17を用いて説明する。
図8及び図17は、第1の実施の形態における不要振動の検出方法を説明するための図である。振動体20に駆動振動のみが励起される場合、上述したように、駆動振動における振動体20の周方向の各位置の振幅は同じである。したがって、図17(A)に示すように、2つのセンサ相S1、S2が配置される箇所の振幅も同じになり、2つのセンサ相S1、S2からの出力信号の振幅比は、図8(A)に示すように、1.0となる。なお、図8(A)に示すグラフでは、横軸が交流電圧発生手段16からの駆動電圧の周波数(駆動周波数)(kHz)を示し、縦軸が各センサ相S1、S2の出力信号の振幅比(S1/S2)を示す。
ところで、上述したように、各接触部25や接触ばね30bの接触面の精度の低さ差等の要因により、駆動周波数の範囲において不要振動が発生する場合がある。例えば、7次の進行波である駆動振動が励起され、且つ駆動周波数のある部分範囲において4次の進行波である不要振動が発生する場合を考える。この場合、駆動振動に不要振動が重畳されると、上述したように、振動体20の周方向の各位置における駆動振動と不要振動の重畳振幅は異なる。したがって、図17(B)に示すように、2つのセンサ相S1、S2が配置される箇所の振幅は互いに異なり、2つのセンサ相S1、S2からの出力信号の振幅比は、図8(B)に示すように、不要振動が発生する駆動周波数の部分範囲A2では1.0と異なる値を示す。一方、不要振動が発生しない駆動周波数の部分範囲A1、A3では駆動振動のみが励起されるため、2つのセンサ相S1、S2からの出力信号の振幅比は1.0となる。すなわち、2つのセンサ相S1、S2からの出力信号の振幅比を算出し、算出された振幅比が1.0でない場合、不要振動が発生していると考えられる。これにより、2つのセンサ相S1、S2からの出力信号の振幅比を算出して不要振動を確実に検出することができる。なお、図8(B)の部分範囲A2では2つのセンサ相S1、S2からの出力信号の振幅比に極大値が存在するが、該極大値の存在は固有振動数の存在を示し、極値の駆動周波数は不要振動の固有振動数に該当する。
また、第1の実施の形態では、2つのセンサ相S1、S2からの出力信号の振幅比が1.0となるように、駆動周波数を調整するのが好ましい。図20に駆動周波数の調整方法を説明するための図(フローチャート)を示す。当該調整方法では、まず、所定の駆動周波数(ここでは仮にf1とする)で振動体20を駆動中に、2つのセンサ相S1、S2の出力信号を取得する(ステップST1)。次に、2つのセンサ相S1、S2から出力された、2つの出力信号の振幅V1、V2を測定する(ステップST2)。
ステップST2で測定される振幅とは、駆動周波数fの1周期(1/f[s])以上の区間における、振動の中心(振動の節)から振動の最大変位(振動の腹)までの距離のうちの最大値のことである。なお、当該区間における、振動の最大変位間の幅(一方の振動の腹から他方の振動の腹までの距離)のうちの最大値を、振幅としてもよい。また、当該区間における、振動の中心から振動の最大変位までの距離を平均した値を振幅としてもよい。また、当該区間における、振動の最大変位間の幅を平均した値を振幅としてもよい。
次に、測定された振幅V1、V2からV1/V2を演算する(導出する)(ステップST3)。次に、V1/V2の判定を行う(ステップST4)。当該判定で、V1/V2=1.0になった場合は、駆動周波数f1による振動体20の駆動を維持し、一連の処理を終了する。一方、当該判定で、V1/V2=1.0にならなかった場合は、駆動周波数f1を、これまでにV1/V2=1.0にならなかった場合における駆動周波数(ここではf1)とは異なる駆動周波数(ここでは仮にf2とする)に変更する(ステップST5)。次に、駆動周波数f2に対して、再び、ステップST1~ST4における処理を行う。これら一連のステップ(ST1~ST5)を、ステップST4における判定でV1/V2=1.0になるまで繰り返し、V1/V2=1.0になった場合は、その時点での駆動周波数による振動体の駆動を維持し、一連の処理を終了する。これにより、上記振幅比が1.0とならない場合、すなわち、不要振動が発生する場合を避けることができる。
なお、ステップST5における駆動周波数の変更は、変更前の駆動周波数を所定の周波数だけ増減させることにより行ってもよいし、ランダムに行ってもよい。また、不要振動は、振動体の製造時のばらつきのみならず、駆動環境の変化に起因しても発生するので、駆動環境が変化する度に、上記調整方法により駆動周波数を調整してもよい。
また、上記調整方法によって駆動周波数を調整した際に得られた、不要振動が発生する駆動周波数を記憶しておき、当該記憶した駆動周波数に基づき、振幅比が1.0とならない周波数の範囲(例えば、図8(B)の部分範囲A2)を不要振動検出手段17によって決定し、該決定された周波数の範囲を交流電圧発生手段16に送信し、駆動周波数が部分範囲A2を避けるように調整する。これにより、振動体の製造時のばらつきや駆動環境の変化に起因して不要振動が発生し、該不要振動に起因する弊害が生じるのを防止することができる。
なお、不要振動は、振動体の製造時のばらつきのみならず、駆動環境の変化に起因しても発生するので、不要振動が発生する駆動周波数を駆動環境毎に記憶しておくことにより、振幅比が1.0とならない周波数の範囲を、より高い精度で決定することができる。
なお、第1の実施の形態では、振幅比が1.0となるように駆動周波数を調整したが、駆動周波数を調整する際の指標となる振幅比は1.0に限られない。例えば、2つのセンサ相S1、S2からの出力信号に駆動周波数以外の周波数成分(高次高調波を含むノイズ)が含まれ、算出された振幅比が1.0であっても、駆動周波数以外の周波数成分の影響を除いたときの振幅比が1.0でない場合が存在するためである。駆動周波数を調整する際の指標となる振幅比には、所定の範囲、例えば、0.7~0.9という範囲を設定するのが好ましい。さらに、より精度よく不要振動を検出するためには、駆動周波数を調整する際の指標となる振幅比から駆動周波数以外の周波数成分を低減又は除去した後、振幅比を算出することが好ましい。
また、駆動周波数の2k倍(kは自然数)の高次高調波の周波数の領域に不要振動が存在する場合は、2つのセンサ相S1、S2からの出力信号から2k倍の高次高調波以外の周波数成分を低減又は除去した後、振幅比を算出することが好ましい。
また、第1の実施の形態では、2つのセンサ相S1、S2からの出力信号の振幅V1、V2に基づく振幅比を用いて不要振動を検出したが、2つのセンサ相S1、S2における振動状態を検知できる方法であれば、不要振動の検出に用いることができる。例えば、2つのセンサ相S1、S2の振幅の差を算出し、差が0でなければ、不要振動が発生していると判断してもよい。また、2つのセンサ相S1、S2の出力信号の最大値と最小値の差(Peak to Peak)を比較する方法や実効値を比較する方法等を用いてもよい。
なお、第1の実施の形態では、不要振動の影響によって2つのセンサ相S1、S2からの出力信号の振幅比に極大値が存在する場合について説明したが、当該振幅比には必ずしも極大値は存在しない。例えば、不要振動が駆動振動の振動変位を打ち消す方向に作用することもあるため、2つのセンサ相S1、S2からの出力信号の振幅比に極小値が存在する場合もある。
このように、本実施の形態では、振動体20の互いに異なる位置に複数のセンサ相S1、S2が配置される。振動体20において駆動振動に加えて不要振動が発生すると、駆動振動に不要振動が重畳される。これにより、駆動振動に加えて不要振動が発生している場合における振動体20の互いに異なる2つの位置の振幅の比は、駆動振動のみが発生している場合における振動体20の互いに異なる2つの位置の振幅の比から変化する。したがって、振動体20の互いに異なる2つの位置の振幅を計測することにより、計測された2つの振幅の比が変化するか否かを判別して不要振動が発生しているか否かを判別することができる。すなわち、振動体20の互いに異なる位置に複数のセンサ相S1、S2を配置することにより、振動体20の不要振動を従来よりも正確に検出することができる。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る振動型駆動装置について説明する。第2の実施の形態は、その構成、作用が上述した第1の実施の形態と基本的に同じであるので、重複した構成、作用については説明を省略し、以下に異なる構成、作用についての説明を行う。
図9は、本発明の第2の実施の形態に係る振動型駆動装置の圧電素子に形成される複数の駆動用パターン電極の配置形態を説明するための平面図である。第2の実施の形態では、振動体20が弾性体21及び圧電素子26を有する。圧電素子26は圧電素子22と同様の構成を有し、センサ用パターン電極の数及び配置形態のみが異なる。圧電素子26には、4個のセンサ用パターン電極24-1b、24-2b、24-3b、24-4b(4つのセンサ相S1、S2、S3、S4)が配置される。各センサ相S1、S2は圧電素子26の周方向に関して同位置に配置され、各センサ相S3、S4も圧電素子26の周方向に関して同位置に配置される。センサ相S1は圧電素子26の外周側に配置され、センサ相S2は圧電素子26の内周側に配置される。センサ相S3は圧電素子26の外周側に配置され、センサ相S4は圧電素子26の内周側に配置される。また、センサ相S3は圧電素子26の周方向に関して7次の進行波の4分の1波長(λ/4)のピッチ分だけセンサ相S1からずれるように配置される。さらに、センサ相S4は圧電素子26の周方向に関して7次の進行波の4分の1波長(λ/4)のピッチ分だけセンサ相S2からずれるように配置される。なお、圧電素子26の外周側に配置されるセンサ相S1、S3の形状は互いに異なり、圧電素子26の内周側に配置されるセンサ相S2、S4の形状も互いに異なる。
各センサ相S1~S4は駆動振動や不要振動によって生じる振動体20の機械的な歪を圧電効果によって交流信号である出力信号に変換して出力する。すなわち、各センサ相S1~S4は、駆動振動や不要振動の振幅をモニタする。各センサ相S1~S4から出力された出力信号は不図示のフレキシブルプリント基板を介して不要振動検出手段17に送信される。不要振動検出手段17は、2つのセンサ相S1、S4からの出力信号の振幅比を算出し、該振幅比から不要振動を検出する。不要振動の検出方法については以下の図10及び図18を用いて説明する。なお、残りの各センサ相S2、S3は接地される。
図10及び図18は、第2の実施の形態における不要振動の検出方法を説明するための図である。振動体20に駆動振動のみが励起される場合、図18に示すように、センサ相S1が配置される箇所とセンサ相S4が配置される箇所は径方向の位置が異なるため、2つのセンサ相S1、S4の出力信号の振幅は異なる値となる。一方、センサ相S1が配置される箇所の振幅は一定であり、センサ相S4が配置される箇所の振幅も一定である。したがって、2つのセンサ相S1、S4からの出力信号の振幅比は、図10(A)に示すように、全ての駆動周波数において1とは異なる特定値Xに維持される。なお、図10(A)に示すグラフでは、横軸が交流電圧発生手段16からの駆動電圧の周波数(駆動周波数)(kHz)を示し、縦軸が各センサ相S1、S4の出力信号の振幅比(S1/S4)を示す。ここで、説明の便宜のために、以下、圧電素子26の外周側のセンサ相S1における振幅と圧電素子26の内周側のセンサ相S4における振幅との比(S1/S4)を「内外振幅比」と定義する。
不要振動が発生して駆動振動に不要振動が重畳されるときの内外振幅比は、駆動振動のみが励起されるときの内外振幅比(特定値X)から変化する。具体的に、図10(B)に示すように、内外振幅比は不要振動が発生する駆動周波数の部分範囲A2において特定値Xと異なる値を示す。一方、不要振動が発生しない駆動周波数の部分範囲A1、A3では駆動振動のみが励起されるため、内外振幅比は特定値Xとなる。すなわち、内外振幅比を算出し、算出された内外振幅比が特定値Xでない場合、不要振動が発生していると考えられる。これにより、内外振幅比を算出して不要振動を確実に検出することができる。なお、図10(B)の部分範囲A2では内外振幅比に極大値が存在するが、該極大値の存在は固有振動数の存在を示し、極大値の駆動周波数は不要振動の固有振動数に該当する。
また、第2の実施の形態では、内外振幅比が特定値Xとなるように、駆動周波数を調整するのが好ましい。図21に駆動周波数の調整方法を説明するための図(フローチャート)を示す。ステップST1~ST3における処理の内容は、第1の実施形態(図20)に記載された内容と同じなので、ここでは、図20のステップST4、ST5に代えて行う、ステップST14、ST15の処理についてのみ説明する。ステップST14では、V1/V2の判定を行う(ステップST14)。当該判定で、V1/V2=Xになった場合は、駆動周波数f1による振動体20の駆動を維持し、一連の処理を終了する。当該判定で、V1/V2=Xにならなかった場合は、駆動周波数f1を、これまでにV1/V2=Xにならなかった場合における駆動周波数(ここではf1)とは異なる駆動周波数(ここでは仮にf2とする)に変更する(ステップST15)。これにより、上記内外振幅比が特定値Xとならない場合、すなわち、不要振動が発生する場合を避けることができる。
なお、ステップST15における駆動周波数の変更は、変更前の駆動周波数を所定の周波数だけ増減させることにより行ってもよいし、ランダムに行ってもよい。また、不要振動は、振動体の製造時のばらつきのみならず、駆動環境の変化に起因しても発生するので、駆動環境が変化する度に、上記調整方法により、駆動周波数を調整してもよい。
また、上記調整方法によって駆動周波数を調整した際に得られた、不要振動が発生する駆動周波数を記憶しておき、当該記憶した駆動周波数に基づき、内外振幅比が特定値Xとならない周波数の範囲(例えば、図10(B)の部分範囲A2)を不要振動検出手段17によって決定し、該決定された周波数の範囲を交流電圧発生手段16に送信し、駆動周波数が部分範囲A2を避けるように調整する。これにより、振動体の製造時のばらつきや駆動環境の変化に起因して不要振動が発生し、該不要振動に起因する弊害が生じるのを防止することができる。
なお、不要振動は、振動体の製造時のばらつきのみならず、駆動環境の変化に起因しても発生するので、不要振動が発生する駆動周波数を駆動環境毎に記憶しておくことにより、上記内外振幅比が特定値Xとならない周波数の範囲を、より高い精度で決定することができる。
ところで、第2の実施の形態では、不要振動の検出に用いる2つのセンサ相S1、S4が、振動体20の径方向に関して互いに異なる位置(内周側、外周側)に配置される。ここで、駆動振動に重畳される不要振動はねじりモードの振動であり、ねじりモードの振動では圧電素子22の内周側と外周側で振動変位による歪の大きさが異なる。したがって、内外振幅比について、第2の実施の形態の構成では、振動体20の径方向に関して2つのセンサ相がほぼ同じ位置に配置される構成に比して、極大値が明瞭に現れる。したがって、第1の実施の形態に比して、部分範囲A2の存在の判定が容易になり、もって、不要振動をより確実に検出することができる。
なお、2つのセンサ相S1、S4からの出力信号に駆動周波数以外の周波数成分(高次高調波を含むノイズ)が含まれる場合がある。したがって、駆動周波数を調整する際の指標となる内外振幅比から駆動周波数以外の周波数成分を低減又は除去した後、内外振幅比を算出することが好ましい。
また、駆動周波数の2k倍(kは自然数)の高次高調波の周波数の領域に不要振動が存在する場合は、2つのセンサ相S1、S4からの出力信号から2k倍の高次高調波以外の周波数成分を低減又は除去した後、内外振幅比を算出することが好ましい。
また、第2の実施の形態では、内外振幅比を用いて不要振動を検出したが、2つのセンサ相S1、S4からの出力信号の振幅の変動が確認できる方法であれば、不要振動の検出に用いることができる。例えば、2つのセンサ相S1、S4の振幅の差を定期的に算出し、算出された差が変化すれば、不要振動が発生したと判断してもよい。また、2つのセンサ相S1、S4の出力信号の最大値と最小値の差(Peak to Peak)を比較する方法や実効値を比較する方法等を用いてもよい。
なお、第2の実施の形態では、不要振動の影響によって内外振幅比に極大値が存在する場合について説明したが、当該内外振幅比には必ずしも極大値は存在しない。例えば、不要振動が駆動振動の振動変位を打ち消す方向に作用することもあるため、内外振幅比に極小値が存在する場合もある。
さらに、第2の実施の形態では、2つのセンサ相S1、S4からの出力信号の振幅比を用いて不要振動を検出したが、2つのセンサ相S2、S3からの出力信号の振幅比を用いてもよい。また、3つ以上のセンサ相からの出力信号を用いてもよい。例えば、外周側の2つのセンサ相S1、S3からの出力信号の振幅値を平均した値と、内周側の2つのセンサ相S2、S4からの出力信号の振幅値を平均した値の2つの値の比を用いて不要振動を検出してもよい。
なお、第2の実施の形態に係る振動型駆動装置の圧電素子における各センサ相の数や配置形態は、図9に示すものに限られない。例えば、図11に示すように、圧電素子26の外周側に配置されるセンサ相S1、S3の形状が同じであり、圧電素子26の内周側に配置されるセンサ相S2、S4の形状も同じであってもよい。また、図12に示すように、圧電素子26に2つのセンサ相S1、S2のみが配置されてもよい。例えば、センサ相S1は圧電素子26の外周側に配置され、センサ相S2は圧電素子26の内周側に配置されるとともに、各センサ相S1、S2は圧電素子26の周方向に関して同じ位置に配置される。この場合、駆動振動のみが発生していると、各センサ相S1、S2の振幅比は一定の特定値X’となる。発生する不要振動が円を節とするねじりモードの振動の場合では、圧電素子26の内周側と外周側で振動変位による歪の大きさが異なる。したがって、周方向に関する位置が同じであっても、不要振動が発生した場合には、図19の各センサ相S1、S2の出力信号が示すように、2つのセンサ相S1、S2の振幅の変化率が異なり、S1、S2の振幅比はX’とは異なる値となる。これにより、内外振幅比の変化に基づく不要振動の検出を正確に行うことができる。
また、圧電素子26が、図9や図11に示す各センサ相の配置形態を有する場合、内外振幅比だけでなく、第1の実施の形態と同様に、圧電素子26の周方向に関して異なる位置に配置される各センサ相S1、S3の出力信号の振幅比を算出してもよい。この場合、内外振幅比が特定値Xでないとき、又は、各センサ相S1、S3の出力信号の振幅比が1.0でないとき、不要振動が発生していると判断することができる。
次に、上述した第1の実施の形態や第2の実施の形態に係る振動型駆動装置の適用例について説明する。まず、本発明の第3の実施の形態としてのロボットについて説明する。
図13は、本発明の第3の実施の形態としてのロボットの構成を概略的に示す斜視図である。図13において、ロボット100は、例えば、水平多関節ロボットであり、振動型アクチュエータ10を搭載する。ロボット100は、先端部に設けられたハンド部112と、複数のアーム120と、複数のアーム120を接続し又はアーム120の端部に設けられるアーム関節部111とを有する。各アーム関節部111は振動型アクチュエータ10を有し、2本のアーム120が交差する角度を変え、又は、アーム120を自身のスラスト軸を中心軸として回転させる。ハンド部112は、アーム120と、アーム120の先端に取り付けられる把持部121と、アーム120及び把持部121を接続するハンド関節部122とを有する。ハンド関節部122も振動型アクチュエータ10を有し、把持部121を回転駆動する。なお、振動型アクチュエータ10の動作は制御回路15によって制御される。制御回路15による制御方法は第1の実施の形態及び第2の実施の形態において既に説明済みである。
次に、本発明の第4の実施の形態としての撮像装置の雲台について説明する。図14は、本発明の第4の実施の形態としての撮像装置の雲台の構成を概略的に示す図であり、図14(A)は側面図であり、図14(B)は正面図である。図14において、雲台は、撮像装置である監視カメラ60が据え付けられるステージ61と、回転台62と、雲台本体63とを備える。ステージ61は雲台本体63に設けられた回転台62によって回転可能に支持される。雲台本体63及び回転台62の間に設けられた振動型駆動装置64は振動型アクチュエータ10を有し、回転台62を回転軸回りに回転させる。これにより、回転台62を回転させて監視カメラ60の撮影方向を水平方向に関して変更することができる。振動型駆動装置64に振動型アクチュエータ10を適用することにより、振動型駆動装置64を薄くすることができる。また、振動型アクチュエータ10が回転台62を直接駆動するため、ギア減速機が不要となる。したがって、雲台を小型化することができる。
次に、本発明の第5の実施の形態としての画像形成装置について説明する。図15は、本発明の第5の実施の形態としての画像形成装置の内部構成を概略的に示す側面図である。図15において、カラー画像形成装置200は、4つの画像形成ユニットPa~Pdを備える。なお、画像形成ユニットの数は4つに限定されるものではない。画像形成ユニットPa~Pdはそれぞれ、実質的に同一の構成を有しており、回転駆動される像担持体である感光体ドラム201a~201dを有する。感光体ドラム201a~201dのそれぞれの周辺には、感光体ドラム201a~201dをそれぞれ一様に帯電させる帯電器202a~202dが配置される。また、感光体ドラム201a~201dのそれぞれの周辺には、その回転方向に順次、現像器203a~203d、帯電器204a~204d及びクリーニング器205a~205dが配置される。現像器203a~203dはそれぞれ、感光体ドラム201a~201dの各ドラム表面に形成された静電潜像を現像する。帯電器204a~204dはそれぞれ、現像されたトナー画像を用紙230へ転写する。クリーニング器205a~205dはそれぞれ、感光体ドラム201a~201d上に残存するトナーを除去する。感光体ドラム201a~201dのそれぞれの上方には、露光装置206a~206dが配置される。
各感光体ドラム201a~201dと対向し、且つ接触するように配置された搬送ベルト225は、給送ユニット210を通じて送給される転写材としての用紙230を担持し、駆動ローラ223によって図中に示す矢印A方向に駆動される。搬送ベルト225と駆動ローラ223は、用紙230を、順次、画像形成ユニットPa~Pdへ搬送する搬送手段を構成する。感光体ドラム201a~201dや駆動ローラ223はそれぞれ不図示の駆動モータによって回転駆動されるが、各駆動モータは振動型アクチュエータ10からなる。なお、振動型アクチュエータ10の動作は制御回路15によって制御される。制御回路15による制御方法は第1の実施の形態及び第2の実施の形態において既に説明済みである。
図16は、図15のカラー画像形成装置200における振動型アクチュエータ10の適用例を示す図である。図16(A)は振動型アクチュエータ10が感光体ドラム201a(201b~201d)の駆動モータに適用された場合を示し、図16(B)は振動型アクチュエータ10が駆動ローラ223の駆動モータに適用された場合を示す。図16(A)では、駆動モータとしての振動型アクチュエータ10が感光体ドラム201a(201b~201d)の駆動軸255に直接接続される。これにより、感光体ドラム201a等を駆動するためのギア等の減速手段を不要にすることができ、もって、ギアのバックラッシュ等に起因する色ずれの発生を低減させて、カラー画像形成装置200の印刷品位を向上させることができる。図16(B)では、駆動モータとしての振動型アクチュエータ10が駆動ローラ223の駆動軸224に直接接続される。これにより、感光体ドラム201aを振動型アクチュエータ10で駆動したときに得られる前述の効果と同様の効果を得ることができる。
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、上述した各実施の形態は本発明の一の実施の形態を示すものに過ぎず、各実施の形態を適宜組み合わせることもできる。例えば、第1の実施の形態や第2の実施の形態では、振動体20と被駆動体30の接触状態を安定させるための接触ばね30bを被駆動体30に設けた。しかしながら、接触ばね30bが振動体20に設けられてもよい。また、第1の実施の形態や第2の実施の形態では、振動体20を弾性体21の支持部21cによってハウジング52に固定した。しかしながら、振動体20が支持部21cを有することなく、振動体20の圧電素子22とハウジング52の間にフェルト等の部品を挟むことによって振動体20を支持してもよい。
また、本発明は、各実施の形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワークや記憶媒体を介してシステムや装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータの1つ以上のプロセッサーがプログラムを読み出して実行する処理でも実現可能である。また、本発明は、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
S1~S4 センサ相
10 振動型アクチュエータ
20 振動体
22 圧電素子
30 被駆動体
60 監視カメラ
64 振動型駆動装置
100 ロボット
111 アーム関節部
120 アーム
122 ハンド関節部
200 カラー画像形成装置
201a~201d 感光体ドラム
225 搬送ベルト

Claims (12)

  1. 電気-機械エネルギー変換素子を含む環状の振動体と、前記振動体へ接触する被駆動体とを備え、前記電気-機械エネルギー変換素子へ駆動電圧を印加して前記振動体に駆動振動を発生させることにより、前記被駆動体を駆動する振動型駆動装置において、
    前記振動体の振動を検出する検出部を備え、
    前記電気-機械エネルギー変換素子は、前記振動体の同じ半径上で前記振動体の異なる位置に配置される第1の計測相及び第2の計測相を有し、
    前記検出部は、前記第1の計測相の出力信号と前記第2の計測相の出力信号との比較結果を用いて前記振動体の前記振動体と略同心の円を節とするねじりモードの不要振動を検出することを特徴とする振動型駆動装置。
  2. 前記検出部は、前記第1の計測相の出力信号から取得する第1の振幅と、前記第2の計測相の出力信号から取得する第2の振幅と、を用いて前記振動体の振動を検出することを特徴とする請求項1に記載の振動型駆動装置。
  3. 前記検出部は、前記第1の振幅と前記第2の振幅との比又は差を用いて前記振動体の振動を検出することを特徴とする請求項2に記載の振動型駆動装置。
  4. 前記駆動振動は前記振動体の周方向に進む第1の進行波であり、前記振動体に発生し得る不要振動は前記振動体の周方向に進む第2の進行波であり、前記駆動振動の次数は前記不要振動の次数と異なることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  5. 前記電気-機械エネルギー変換素子は、前記第1の計測相及び前記第2の計測相と異なる計測相を有することを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
  6. 電気-機械エネルギー変換素子を含む環状の振動体と、前記振動体へ接触する被駆動体とを備え、前記電気-機械エネルギー変換素子へ駆動電圧を印加して前記振動体に駆動振動を発生させることにより、前記被駆動体を駆動する振動型駆動装置の制御方法であって、
    前記振動体の同じ半径上で前記振動体の互いに異なる位置に配置される第1の計測相及び第2の計測相のそれぞれが計測する少なくとも2つの振幅の比又は差を取得し、
    前記取得された比又は差に基づいて前記振動体の前記振動体と略同心の円を節とするねじりモードの不要振動を検出することを特徴とする制御方法。
  7. 前記取得された比又は差に基づいて前記駆動電圧の周波数を調整することを特徴とする請求項に記載の制御方法。
  8. 電気-機械エネルギー変換素子を含む環状の振動体と、前記振動体へ接触する被駆動体とを備え、前記電気-機械エネルギー変換素子へ駆動電圧を印加して前記振動体に駆動振動を発生させることにより、前記被駆動体を駆動する振動型駆動装置の制御方法をコンピュータに実行させるプログラムにおいて、
    前記制御方法は、
    前記振動体の同じ半径上で前記振動体の互いに異なる位置に配置される第1の計測相及び第2の計測相のそれぞれが計測する少なくとも2つの振幅の比又は差を取得し、
    前記取得された比又は差に基づいて前記振動体の前記振動体と略同心の円を節とするねじりモードの不要振動を検出することを特徴とするプログラム。
  9. 前記取得された比又は差に基づいて前記駆動電圧の周波数を調整することを特徴とする請求項に記載のプログラム。
  10. アームと、前記アームに接続された関節部とを備え、前記関節部は請求項1からのいずれか1項に記載の振動型駆動装置を有することを特徴とするロボット。
  11. 撮像装置と、前記撮像装置が据え付けられた回転台と、前記回転台を回転駆動する請求項1からのいずれか1項に記載の振動型駆動装置とを備えることを特徴とする撮像装置の雲台。
  12. 像担持体と、前記像担持体に対向するように設けられた搬送ベルトと、前記像担持体を回転駆動する請求項1からのいずれか1項に記載の振動型駆動装置とを備えることを特徴とする画像形成装置。
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