(57)【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各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回転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、
前記駆動回路部への出力信号を制御する制御回路部とを有し、
前記制御回路部は、前記複数の振動体の振動状態をそれぞれ検出する複数の振動状態検出手段のうち、共振周波数が最も高い振動体に対応した振動状態検出手段から出力された振動状態検出信号を、前記駆動回路部への出力信号のフィードバック制御に用い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】
前記複数の振動状態検出手段の出力に基づいて前記複数の振動体の共振周波数を検出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のうち最も高い共振周波数を示す前記振動体に対応した前記振動状態検出手段の出力を振動状態検出信号として選択する選択手段とを有し、
前記制御回路部は、前記選択手段で選択された振動状態検出信号を、前記駆動回路部への出力信号のフィードバック制御に用いることを特徴とする請求項１に記載の積層振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項３】
前記複数の振動体における振動状態検出手段の中で、前記駆動回路部の前記フィードバック制御に用いられる振動状態検出手段以外の振動状態検出手段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又は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】
前記複数の振動体の中で、前記駆動回路部の前記フィードバック制御に用いられる振動状態検出手段を有する振動体を、前記積層振動型アクチュエータの回転軸方向における端部に配置した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、前記駆動回路部の前記フィードバック制御に用いられる振動状態検出手段を有する振動体を、前記積層振動型アクチュエータの回転軸方向における中心部に配置した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、前記駆動回路部の前記フィードバック制御に用いられる振動状態検出手段を有する振動体を、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３のいずれか１つ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】
前記複数の振動体を共振周波数の高い順に、前記積層振動型アクチュエータの回転軸方向における端部から配したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の積層振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項８】
前記複数の振動体を共振周波数の高い順に、前記積層振動型アクチュエータの回転軸方向における中心部から配したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の積層振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項９】
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、前記駆動回路部の制御に用いられず、且つ電位も固定されていない振動状態検出手段は、電圧が印加されて前記積層振動型アクチュエータの駆動のために用いられること特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の積層振動型アクチュエータの駆動装置。
【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各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回転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、前記駆動回路部への出力信号を制御する制御回路部とを有し、前記制御回路部は、前記複数の振動体の振動状態をそれぞれ検出する複数の振動状態検出手段のうち、共振周波数が最も高い振動体に対応した振動状態検出手段から出力された振動状態検出信号を、前記駆動回路部への出力信号のフィードバック制御に用いることを特徴とする。
【００１１】
本発明における第二の構成は、複数の振動状態検出手段の出力に基づいて前記複数の振動体の共振周波数を検出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のうち最も高い共振周波数を示す前記振動体に対応した前記振動状態検出手段の出力を振動状態検出信号として選択する選択手段とを有し、前記制御回路部は、前記選択手段で選択された振動状態検出信号を、前記駆動回路部への出力信号のフィードバック制御に用いることを特徴とする。
【００１３】
本発明における第三の構成は、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、駆動回路部のフィードバック制御に用いられる振動状態検出手段以外の振動状態検出手段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】
本発明における第四の構成は、上記いずれかの構成で、前記複数の振動体の中で、駆動回路部のフィードバック制御に用いられる振動状態検出手段を有する振動体を、積層振動型アクチュエータの回転軸方向における端部に配置したことを特徴とする。
【００１５】
本発明における第五の構成は、上記第一から第三のいずれかの構成で、前記複数の振動体の中で、駆動回路部のフィードバック制御に用いられる振動状態検出手段を有する振動体を積層振動型アクチュエータの回転軸方向における中心部に配置したことを特徴とする。
【００１６】
本発明における第六の構成は、上記第一から第三のいずれかの構成で、前記複数の振動体の中で、駆動回路部のフィードバック制御に用いられる振動状態検出手段を有する振動体を、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。
【００１８】
本発明における第七の構成は、上記第一から第三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、積層振動型アクチュエータの回転軸方向における端部から配したことを特徴とする。
【００１９】
本発明における第八の構成は、上記第一から第三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、積層振動型アクチュエータの回転軸方向における中心部から配したことを特徴とする。
【００２０】
本発明における第九の構成は、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、駆動回路部の制御に用いられず、且つ電位も固定されていない振動状態検出手段は、電圧が印加されて積層振動型アクチュエータの駆動のために用いられること特徴とする。
【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BB'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,s2,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状態検出手段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状態検出手段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状態検出手段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状態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は制御回路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手段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がすべての振動状態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手段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接地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状態検出信号がフィードバック制御に用いられる。その他の振動状態検出手段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状態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、振動状態検出手段は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、図では単一の振動状態検出手段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振動状態検出手段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検出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振動状態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状態検出手段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、制御に用いる振動状態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状態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
【図１】
0004125041.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004125041.tif 000008
【図８】
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【図９】
0004125041.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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