振動型致動器的驅動單元的制作方法

振動型致動器的驅動單元的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種振動型致動器的驅動單元，包括：命令單元、改變進行單元、AC信號生成單元和濾波器單元。命令單元輸出規定AC信號的頻率、振幅和相位差中的至少一個的命令信號。改變進行單元對命令信號進行改變，并輸出命令信號。AC信號生成單元生成所生成的AC信號，其中，根據改變進行單元的輸出對所生成的AC信號的頻率、振幅和相位差中的至少一個進行調制。濾波器單元選擇性地減弱改變進行單元的輸出信號和AC信號生成單元的輸出信號中的至少一個的頻率分量，所述頻率分量激發除預先確定的振動模式中的振動之外的振動。
【專利說明】振動型致動器的驅動單元
[0001]本申請是申請日為2011年3月18日、申請號為201110065857.8、發明名稱為“振
動型致動器的驅動單元”的發明專利申請的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種振動型致動器的驅動單元，其通過將交流(AC)信號(AC電壓)提供給電一機械能量轉換元件來激發至少具有該電一機械能量轉換元件的振動體，以驅動與該振動體接觸的可移動體。
【背景技術】
[0003]振動型致動器(例如超聲馬達)的驅動速度根據在振動體上激發的振動的振幅而改變。因此，通過使用提供給在振動體處所設置的電一機械能量轉換元件(例如壓電元件)的AC信號的振幅或頻率來控制驅動速度。普遍采用使用頻率來減小由于溫度而造成的共振頻率的波動或個體差異的影響的控制方法。就頻率生成方法而言，存在使用模擬振蕩器或石英振蕩器與可編程分頻器的數字方法、以及與數一模轉換器組合的半數字(semidigital)方法。
[0004]然而，這樣的數字方法在實現高的頻率分辨率時存在問題。
[0005]日本專利公開N0.06-339289提出了一種通過周期性地改變分頻率(frequencydividing rate)和使用平均分頻率來虛擬地(falsely)改進頻率分辨率的方法。此外,它提供了一種當周期性改變引起可聽范圍內的振動時增大周期性改變速度以將振動從可聽范圍移位(shift)的方法。
[0006]日本專利公布N0.3504130提出了這樣一種方法，通過該方法，通過使用脈沖馬達或壓電元件而在周期信號的每一周期移動預先確定的距離的致動器漸漸地改變它的周期命令，并使用平均周期。作為漸漸改變周期命令的方法，將均勻隨機數添加到周期信號的周期命令中以防止周期命令周期性地改變，從而防止產生特定的可聽聲音。
[0007]然而，日本專利申請公布N0.3504130和日本專利申請公開N0.06-339389中所公開的方法改變AC電壓的頻率。因此，如果改變中所包含的頻率分量在振動體的固有(natural)頻率附近或者在被致動器驅動的機構的固有頻率附近，則可能發生可聽聲音或者速度控制功能惡化(degradation)的問題。此外,還存在這樣的問題，即，由于激發不必要的振動，導致促進磨損，從而降低耐用性。

【發明內容】

[0008]本發明提供一種振動型致動器的驅動單元。振動型致動器可通過將交流(AC)信號施加于電一機械能量轉換元件來以預先確定的振動模式激發至少具有電一機械能量轉換元件的振動體，以產生驅動力。驅動單元包括命令單元、改變進行單元、AC信號生成單元和濾波器單元。命令單元輸出規定AC信號的頻率、振幅和相位差中的至少一個的命令信號。改變進行單元對命令信號進行改變，并輸出命令信號。AC信號生成單元生成所生成的AC信號，其中，根據改變進行單元的輸出對所生成的AC信號的頻率、振幅和相位差中的至少一個進行調制。濾波器單元選擇性地減弱改變進行單元的輸出信號和AC信號生成單元的輸出信號中的至少一個的激發與預先確定的振動模式中的振動不同的振動的頻率分量。
[0009]從以下參照附圖對示例性實施例的描述，本發明的進一步的特征將變得清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是顯示根據第一實施例的驅動單元的框圖。
[0011]圖2A是顯示根據第一實施例的振動型致動器的示圖。
[0012]圖2B是顯示根據第一實施例的振動型致動器的驅動機構的總體配置的示圖。
[0013]圖2C是從側面看到的限制器(slider)的示圖。
[0014]圖3A是顯示彈性體的一次彎曲振動模式的示圖。
[0015]圖3B是顯示彈性體的一次彎曲振動模式的示圖。
[0016]圖3C是顯示彈性體的一次彎曲振動模式的示圖。
[0017]圖4A是顯示彈性體的二次彎曲振動模式的示圖。
[0018]圖4B是顯示彈性體的二次彎曲振動模式的示圖。
[0019]圖4C是顯示彈性體的二次彎曲振動模式的示圖。
[0020]圖5A是顯示噪聲生成單元的輸出信號的頻率的示圖。
[0021]圖5B是顯示AC信號生成單元5的振幅調制的輸出信號的頻率的示圖。
[0022]圖6A是顯示振幅調制命令和從AC信號生成單元輸出的AC信號的振幅的示圖。
[0023]圖6B是顯示噪聲信號疊加(superimpose)在振幅調制命令上的狀態的示圖。
[0024]圖6C是顯示AC信號生成單元根據振幅調制命令輸出的AC信號的振幅的示圖。
[0025]圖7A是顯示頻率特性的示圖。
[0026]圖7B是顯示頻率特性的示圖。
[0027]圖8A是顯示噪聲生成單元的電路配置的示圖。
[0028]圖8B是顯示噪聲生成單元的輸出信號的示例的示圖。
[0029]圖9A是顯示AC信號生成單元的配置示例的示圖。
[0030]圖9B是顯示AC信號生成單元的配置示例的示圖。
[0031]圖9C是顯示AC信號生成單元的配置示例的示圖。
[0032]圖10是顯示第一實施例的第二配置的示圖。
[0033]圖1lA是顯示濾波器單元的電路示例的示圖。
[0034]圖1lB是顯示電路的頻率特性的示圖。
[0035]圖12A是顯示梳狀濾波器(comb filter)的配置示例的示圖。
[0036]圖12B是顯示梳狀濾波器的配置示例的示圖。
[0037]圖12C是顯示梳狀濾波器的配置示例的示圖。
[0038]圖13A是顯示圖12A中的梳狀濾波器的頻率特性的示圖。
[0039]圖13B是顯示圖12B中的梳狀濾波器的頻率特性的示圖。
[0040]圖13C是顯示圖12C中的梳狀濾波器的頻率特性的示圖。
[0041]圖14是顯示根據第二實施例的驅動單元的框圖。
[0042]圖15是顯示根據第二實施例的振動型致動器的示圖。[0043]圖16是顯示根據第二實施例的振動型致動器的彈性體和壓電元件的配置的示圖。
[0044]圖17A是顯示AC信號的頻率分量的示例的示圖。
[0045]圖17B是顯示振幅調制命令的頻率分量的示例的示圖。
[0046]圖17C是顯示AC信號生成單元的輸出信號的頻率分量的示例的示圖。
[0047]圖18A是顯示根據第二實施例的機構的各個部件的固有頻率的示圖。
[0048]圖18B是顯示根據第二實施例的濾波器單元的頻率特性的示圖。
[0049]圖19是粉體轉移(powder-transfer)振動型致動器的示例的示圖。
【具體實施方式】
[0050]在振動型致動器的驅動單元中，通過對規定(direct)用于驅動振動型致動器的AC信號的頻率、振幅和相位差中的至少一個的命令信號進行改變，能以這樣的分辨率設置AC信號的頻率、振幅或相位差，該分辨率高于或等于AC信號生成單元可輸出AC信號的有效分辨率。此外，可通過使用濾波器單元選擇性地減弱(damp)由改變生成的并且范圍遍及寬頻帶的噪聲信號中的頻率分量來抑制不必要的振動，所述頻率分量以振動型致動器和振動型致動器的驅動機構的特定固有頻率激發振動。此外，由于可通過選擇性地減弱特定頻率分量來將噪聲信號分散在寬頻帶中，所以可降低施加于振動型致動器的AC電壓中所包括的AC電壓中所包含的噪聲信號的水平，因此，可減少可聽聲音的產生和速度的改變。
[0051]第一實施例
[0052]圖1是顯示根據第一實施例的驅動單元的框圖。標號I表示作為振動體的電一機械能量轉換元件。本實施例包括兩個電一機械能量轉換元件l_a和Ι-b。電一機械能量轉換元件I的示例包括功能元件，例如壓電元件、磁致伸縮元件和電致伸縮元件。
[0053]標號2表示振幅命令單元，其輸出振幅命令A (命令信號)，振幅命令A設置提供給電一機械能量轉換元件I的AC信號(AV電壓)的振幅。標號3表示噪聲生成單元，其生成具有預先確定的振幅的白噪聲SN。標號4表示改變進行單元，其將噪聲生成單元3的輸出SN添加到振幅命令A，以輸出振幅調制命令Ad。標號5表示AC信號生成單元，其接收從改變進行單元4輸出的振幅調制命令Ad和來自頻率命令單元(未示出)的頻率命令F，并輸出振幅調制的AC信號。標號6表示濾波器單元，其具有從振幅調制的AC信號中所包含的頻率分量選擇性地減弱期望的頻率分量的特性，所述振幅調制的AC信號是從AC信號生成單元生成的。標號7表示極性切換單元,其根據來自命令單元(未示出)的方向切換信號D來切換是否使濾波器單元6的輸出信號反轉(reverse)。來自濾波器單元6的輸出信號被提供給電一機械能量轉換元件l_a的電極，并且其輸出信號或反相(inverted)信號被極性切換單元7提供給電一機械能量轉換元件Ι-b的電極。
[0054]圖2A、圖2B和圖2C是顯示振動型致動器和使用該致動器的驅動機構的配置示圖。圖2A顯示振動型致動器,其包括電一機械能量轉換元件1、與電一機械能量轉換元件I接合以一起構成振動體的彈性體8、限制器9以及彈性體8的突起8-a，突起8-a與限制器9壓力接觸。在本實施例中，彈性體8獨立于壓電元件；然而，如果壓電元件具有所期望的彈性，則可省略彈性體8。電一機械能量轉換元件Ι-a和Ι-b分別具有用于接收AC信號的電極Ι-c和Ι-d。彈性體8連接至地電勢。[0055]圖2B顯示驅動機構的總體配置。標號10-a、10-b、10_c和10_d表示與彈性體8接合(join)的支撐構件，用于使彈性體8以期望的壓力壓靠限制器9。標號ΙΙ-a和ll_b表示導向件，其承載支撐構件10-a、10-b、10-c和ΙΟ-d，以使得能夠沿水平方向移動。標號12-a和12-b表示稍后將描述的固定構件，這些固定構件將導向件ΙΙ-a和ll_b以及限制器9固定到殼體13。
[0056]圖2C是從側面看到的限制器9的示圖，在該圖中，實線和虛線指示限制器9在固有頻率模式中的振動形狀。固定構件12-a和12-b將限制器9固定到殼體13。
[0057]接下來，將對振動型致動器的工作原理進行描述。圖3A-3C和圖4A-4C顯示彈性體8的振動模式，其中，振動隨時間改變。圖3A-3C顯示彈性體8的一次彎曲振動模式，其中，彈性體8的中心向上和向下彎曲。當通過彎曲振動向下和向左推動突起8-a的下端時，產生向左的推動驅動力，因此使振動型致動器移動到附圖平面中的右邊。
[0058]圖4A-4C顯示彈性體8的二次彎曲振動模式，其中，彈性體8的右邊和左邊沿相反方向彎曲。此時，通過彎曲振動向下和向右推動突起8-a的下端，產生向右的推動驅動力，因此使振動型致動器移動到附圖平面中的左邊。為了以圖3A-3C和圖4A-4C所示的不同振動模式有效地激發彈性體8，必須以適合于各種模式的頻率和激發模式來激發它。因此，對于如圖3A-3C所示的對稱彎曲振動，極性切換單元7不執行極性切換，并且相同相位的AC信號被提供給電極Ι-c和電極Ι-d。對于圖4A-4C所示的左右相反方向的彎曲振動，極性切換單元7執行極性切換，并且相反相位的AC信號被提供給電極Ι-c和電極Ι-d。此外，從頻率命令單元(未示出)發出適合于各種固有頻率模式的頻率命令，以激發適合于各種模式的振動。
[0059]接下來，將對圖1中的各個部件的操作進行描述。圖5A顯示噪聲生成單元3的輸出信號的頻率的分析，圖5B顯示AC信號生成單元5的振幅調制的輸出信號的頻率的分析。圖5A中的噪聲生成單元3的輸出信號在寬頻率范圍內具有均勻的振幅特性。圖5B中的AC信號生成單元5的輸出信號的頻率特性包括以下分量:具有來自命令單元(未示出)的頻率命令F所規定的頻率的振幅A的分量；和由于振幅改變而生成的、范圍寬達頻率F的上界和下界的頻率分量。
[0060]圖5B中所示的白圓RKFl、F2、F3、F4和F5所指示的頻率是圖2A和圖2B中所示的振動型致動器和驅動機構的各個部件的固有頻率。參考符號H)表示彈性體8沿彎曲振動方向平移(translate)的振動模式中的固有頻率；F1表示彈性體8的一次彎曲振動的固有頻率；F2表示彈性體8的二次彎曲振動的固有頻率；F3表示限制器9的九次彎曲振動的固有頻率；F4表示限制器9的十次彎曲振動的固有頻率；以及，F5表示固定到殼體13的部件(未示出)的固有頻率。圖2C用實線顯示限制器9的九次彎曲振動的狀態，并用虛線顯示限制器9的十次彎曲振動的狀態。
[0061]這里，假設AC信號生成單元5的輸出信號的頻率分量包括與固有頻率R)_F5相同的頻率。以固有頻率H)-F5振動彈性體8，由于頻率R)-F2處的相應振動模式是彈性體8的振動模式，所以彈性體8以頻率R)-F2處的相應振動模式振動。由于頻率F3-F5不屬于彈性體8的振動模式，所以在彈性體8中沒有發生大的振動。
[0062]雖然當彈性體8的振動傳送到被固定于限制器9和殼體13的部件(未示出)時該部件振動，但是由于它們的固有頻率大大地不同，所以在H)-F2處不發生大的振動。然而，在F3-F5處，如果固定于限制器9和殼體13的部件(未示出)處的振動的Q因子高，則可發生大的振動。換句話講，在AC信號生成單元5的輸出信號包括具有大量頻率分量的信號的情況中，也可發生與彈性體8的預先確定的振動模式(有利于生成驅動力的主振動模式，在本實施例中，其對應于圖3A-3C和圖4A-4C中所示的振動模式)的振動不同的振動。
[0063]振動型致動器的驅動單元可抑制與彈性體8的預先確定的振動模式的振動不同的振動的激發。
[0064]當使用參數作為控制輸入來控制振動型致動器的振動器的振動振幅、移動速度等時，振動型致動器的驅動單元可實質上實現這樣的分辨率，該分辨率比可數字地設置的AC電壓的參數(例如，頻率、振幅和相位差)的可設置的分辨率高。
[0065]以下將對其配置進行描述。
[0066]AC信號生成單元5可數字地設置其輸出信號的振幅，換句話講，能以預先確定的有效分辨率設置振幅。這里振幅是與從AC信號生成單元5輸出的AC信號的主頻率的振幅對應的值；例如，對于正弦波信號，例如，是與最大值和最小值之間的差對應的值，對于振幅恒定的脈沖信號，其脈沖寬度(width)對應于振幅。主頻率是接近彈性體8的一次彎曲振動或二次彎曲振動的固有頻率的頻率。該頻率作為頻率命令從頻率命令單元(未示出)輸入到AC信號生成單元5。
[0067]假設彈性體8將以期望的速度沿著限制器9移動。彈性體8的移動速度根據彈性體8的振動振幅的大小(magnitude)而改變。因此,可通過改變提供給電一機械能量轉換元件I的AC信號的頻率或振幅來改變彈性體8的振動振幅。在本實施例中，由于振動頻率根據來自命令單元(未示出)的頻率命令而固定，所以彈性體8的移動速度受AC信號的振幅控制。
[0068]這里，可僅以預先確定的有效分辨率(B卩，離散地)設置AC信號生成單元5的輸出振幅。在這種情況中，通過AC信號生成單元5的輸出振幅的有效分辨率確定彈性體8的移動速度的分辨率。因此，在本實施例中，改變進行單元4生成振幅調制命令Ad，其中，振幅的分辨率高于或等于AC信號生成單元5的輸出振幅的有效分辨率的白噪聲被添加到振幅命令A。這個振幅調制命令Ad輸入到AC信號生成單元5，以應對(cope with)有效分辨率的中間水平的振幅命令。也就是說，該中間振幅命令在AC信號生成單元5的輸出振幅的最小分辨率處或者該最小分辨率之下被省略，并且沒有被反映到AC信號生成單元5的輸出信號。因此，通過將白噪聲添加到該中間振幅命令，AC信號生成單元5的輸出振幅就概率而言發生波動，以通過使用平均輸出振幅生成有效分辨率的中間水平處的輸出振幅。圖6A-6C是用于描述這個操作的示圖。在圖6A中，用斜坡狀虛線指示的曲線圖指示振幅調制命令Af,階梯式實線指示從AC信號生成單元5輸出的AC信號的振幅。圖6B顯示噪聲信號SN疊加在振幅調制命令Af上的狀態。圖6C顯示AC信號生成單元5根據圖6B中的振幅調制命令Af輸出的AC信號的振幅。因此，AC信號生成單元5的輸出振幅以預先確定的寬度改變，以提高時間平均分辨率，從而改進彈性體8的移動速度的分辨率。
[0069]如圖5B所不,其振幅隨時間改變的AC信號的頻率分量包括寬范圍的頻率分量。這引起了這樣的問題，即，激發了與彈性體8的預先確定的振動模式的振動不同的振動。因此，本實施例被配置為通過對來自AC信號生成單元5的振幅調制的AC信號使用濾波器單元6，選擇性地減弱激發與彈性體8的預先確定的振動模式的振動不同的振動的頻率分量。[0070]圖7A和圖7B是顯示濾波器單元6的頻率特性和圖5B中所示的頻率F0-F5之間的關系的示圖。在本實施例中，通過在頻率Fl和頻率F2之間切換來切換移動方向，因此，當以一個頻率驅動彈性體8時，需要抑制其它振動。因此，濾波器單元6被配置為通過方向切換信號D在兩個頻率特性之間切換。
[0071]圖7A顯示當以頻率Fl驅動彈性體8時的頻率特性，圖7B顯示當以頻率F2驅動彈性體8時的頻率特性。當以頻率Fl驅動彈性體8時，如圖7A所示，濾波器單元6用作選擇性地減弱頻率F0、F2、F3、F4和F5處的信號的濾波器。當以頻率F2驅動彈性體8時，如圖7B所示，濾波器單元6用作選擇性地減弱頻率F0、FU F3、F4和F5處的信號的濾波器。考慮到由于環境而導致的固有頻率波動，選擇減弱的頻率分量優選具有在要被減弱的頻率附近的± IkHz內的頻帶。在本實施例中，彈性體8具有面外(out-of-plane plane)—次彎曲振動模式和二次彎曲振動模式；不必說，它可具有高階振動模式、伸縮振動模式或者面內(in-plane)振動模式。此外，雖然本實施例顯示使用矩形彈性體的駐波振動型致動器的例子，但是可應用下述振動型致動器，這些致動器使用利用行進振動波的環形振動器以及利用渦動(whirl)振動、扭轉振動或者伸縮振動的桿狀彈性體。雖然圖7A和圖7B顯示濾波器單元6的頻率特性實質上與固有頻率一致的示例，但是由于固有頻率根據其環境而波動，因此它們不必彼此一致。換句話講，濾波器單元6的頻率特性可與固有頻率不同，以允許一定的波動。
[0072]圖8A和圖8B顯示噪聲生成單元3的具體配置示例。圖8A顯示電路配置，圖8B顯不輸出信號SN的不例。標號14表不移位寄存器,在該移位寄存器中，十個D觸發器串聯連接，該移位寄存器將第七比特D7和第零比特DO輸入到異或元件15。異或元件15的輸出返回到移位寄存器14的數據輸入。可將移位寄存器14的初始值設置為除O之外的任何值。移位寄存器14的輸出信號D0-D9可與從外部輸入的時鐘信號同步地生成高質量的隨機數，其中，O和I出現的頻率基本相同，并且彼此間相關性小。因此,如果按任何順序從移位寄存器14的輸出信號D0-D9選擇任何比特信號并將其提取為例如7比特的數據，則可生成高質量的7比特的輸出信號SN。這種噪聲生成方法采用生成通常稱為M序列的隨機數的方法。
[0073]圖8B顯示與1，023脈沖時鐘信號同步地輸出7比特的隨機數的示例。由于使用10比特的移位寄存器14，所以可重復地生成相同的偽隨機數1，023次，其是通過從10比特的二進制數的最大值1，024減I而獲得的。增加移位寄存器的比特數量可生成長周期的隨機數，從而允許生成基本隨機數序列。
[0074]接下來，將對AC信號生成單元5的具體配置和操作進行描述。當振幅命令A和輸出信號SN被改變進行單元4相加并被輸入到AC信號生成單元5時，可獲得其振幅被輸出信號SN調制的AC信號。圖9A-9C是顯示AC信號生成單元5的具體示例的電路圖。圖9A顯示使用正弦波振蕩器和乘法器改變振幅的配置。標號16表示能根據來自頻率命令單元(未示出)的頻率命令F設置頻率的正弦波振蕩器。標號17表示數一模轉換器，其將作為數字信號的振幅調制命令Ad轉換為模擬電壓。標號18表示乘法器，其將數一模轉換器17的輸出信號和正弦波振蕩器16的輸出信號一起相乘。乘法器18的輸出信號Am為這樣的信號，在該信號中，通過振幅調制命令Ad調制正弦波振蕩器16的輸出信號的振幅。
[0075]圖9B顯示通過數字方法代替圖9A中的正弦波振蕩器16來生成正弦波的示例。標號19表示已知的分頻器。分頻器19設置與來自頻率命令單元(未示出)的頻率命令F對應的分頻率(N)，并輸出頻率(FxO/N)為石英振蕩器(未示出)的輸出信號XO的頻率(FxO)的整數約數(integral submultiple)的脈沖信號Xl。標號20表示計數器,其對脈沖信號Xl的脈沖信號的數量進行計數，并輸出計數信號X2。當計數信號X2達到預先確定的值時，將計數器20重置為O。標號21表示已知的ROM，其接收作為輸入的計數信號X2，并且在其中存儲與計數信號X2的相位對應的正弦波圖案。計數信號X2為鋸齒形數字信號，其與脈沖信號Xl的脈沖序列同步地以規律間隔增大。R0M21接收作為地址輸入的數字信號，并以恒定速率輸出正弦波數字信號X3。標號22表示數一模轉換器，其接收從R0M21輸出的正弦波數字信號X3，并輸出模擬正弦波信號Am。
[0076]另一方面，振幅調制命令Ad被數一模轉換器17轉換為模擬電壓，并被輸入到數一模轉換器22的基準電壓輸入。因此，數一模轉換器22被配置為改變正弦波信號Am的輸出振幅。
[0077]圖9C顯示這樣的配置的示例，其中，通過改變脈沖信號的脈沖寬度(代替輸出模擬正弦波波形)，改變脈沖信號的基波的振幅。由于分頻器19和計數器20的操作與圖9B中的那些相同，所以將省略其描述。標號23和24表示比較器。比較器23將計數信號X2和振幅調制命令Ad進行比較，并且當計數信號X2變得比振幅調制命令Ad大時，它輸出I。當計數信號X2超過預先確定的值并被重置為O時，比較器24輸出I。標號25表不已知的RS觸發器，其輸出這樣的脈沖信號Am，當計數信號X2變為O時，脈沖信號Am的輸出變為1，當計數信號X2變得比振幅調制命令Ad大時，脈沖信號Am的輸出變為O。因此，生成其中脈沖寬度根據振幅調制命令Ad而改變的脈沖信號Am。
[0078]在本實施例中，改變進行單元4通過添加白噪聲來進行改變；作為備選的方案，也可采用使用乘法和除法的方法、使用函數的方法、使用ROM表的方法、或者其它方法。例如，如果振幅命令A被乘以其中將I加到±0.01范圍內的白噪聲的信號(I ±0.01)，則可給予A±0.0lXA內的改變。可代替白噪聲給予周期性重復的改變。雖然進行改變的效果不同，但是這可提供與濾波器單元6相同的抑制不必要的振動的效果。為了引起周期性改變，存在代替噪聲生成單元3使用正弦波振蕩器的方法和使用鋸齒形波生成器的方法。在這種情況中，可預先將周期性改變的頻率設置為與預先確定的振動模式的振動的固有頻率不同的、不在預先確定的振動模式內的頻率。
[0079]雖然以上實施例顯示了對振幅進行調制的示例，但是可對頻率進行調制。圖10顯示與振幅和頻率相關的塊被代替的配置。標號26表示頻率命令單元,其輸出頻率命令F,頻率命令F設置提供給電一機械能量轉換元件I的AC信號的頻率。標號27表示改變進行單元，其將噪聲生成單元3的輸出信號SN添加到頻率命令F，并輸出頻率調制命令Fd。AC信號生成單元5接收振幅命令A (未示出)和從改變進行單元27輸出的頻率調制命令Fd，并輸出具有期望振幅的頻率調制的AC信號Fm。由于其它配置與圖1中的那些相同，所以將省略其描述。
[0080]振動型致動器的致動器的振動振幅隨著提供給電一機械能量轉換元件I的AC信號的振幅的改變而改變，還隨著所施加的電壓的頻率的改變而改變。由于移動速度隨著振動器的振幅的改變而改變，所以如以上示例中那樣，還可通過控制所施加的電壓的頻率的方法來控制移動速度。倘若進行的改變小，則在對振幅進行調制的情況和對頻率進行調制的情況之間，AC信號生成單元5的輸出信號中所包含的頻率分量的振幅的分布幾乎沒有差另O。因此，具有圖10中的配置的濾波器單元6的效果與圖1中的相同。可對振幅和頻率這二者進行調制，以提高分辨率。為了出于無關的目的分別控制頻率和振幅，必要的是，用于設置進行改變時所使用的頻率的噪聲信號和用于設置進行改變時所使用的振幅的噪聲信號的相關性低。然而，對于出于相同的控制目的使用它們，可使用彼此緊密相關的噪聲信號，并注意對于該目的具有相同的極性。
[0081]可通過以下方式配置圖10中的AC信號生成單元5，即，在圖9所示的配置中，用振幅命令A代替頻率命令F，用頻率調制命令Fd代替振幅調制命令Ad，用輸出信號Fm代替輸出信號Am。由于操作相同,所以將省略其描述。
[0082]圖1lA顯示濾波器單元6的電路示例。該電路由運算放大器28和29、電阻器和電容器構成，并具有減弱特定頻率的輸入信號的濾波器功能。通過將多個所述電路串聯連接，可減弱多個固有頻率的頻率分量。圖1lB顯示以上電路的頻率特性。
[0083]由于圖1lA中的電路具有對于一個頻率的減弱特性，所以對于多個固有頻率，需要串聯地和在多段中連接多個電路。
[0084]作為其方法，將顯示使用梳狀濾波器的電路示例，所述梳狀濾波器具有用一個電路減弱多個頻率的特性。圖12A和圖12B顯示兩個電路示例，圖13A和圖13B顯示各自的頻率特性。標號30表不延遲單兀,其將輸入信號延遲固定時間，并輸出它。標號31表不加法單元，其將延遲單元30的輸出信號和輸入信號相加，并輸出它。標號32表示減法單元，其從輸入信號減去延遲單元30的輸出信號，并輸出它。
[0085]首先，將對圖12A中的電路的頻率特性進行描述。如果我們讓Ta為延遲單元30的延遲時間的兩倍，則如圖13A所示，電路具有減弱頻率為Ta的倒數的奇數倍的信號的特性。通過這樣的簡單的電路配置，在多個頻率處獲得減弱特性。雖然不能獲得完全規則間隔的固有頻率，但是可通過一個濾波器減弱很多頻率，因此，可減少串聯連接的濾波器的數量。
[0086]接下來，將對圖12B中的電路的頻率特性進行描述。如果我們讓Tb為延遲時間，則如圖13B所示，電路具有減弱頻率為Tb的倒數的偶數倍的信號和DC信號的特性。
[0087]因此，圖12A和圖12B中所示的梳狀濾波器的使用可減弱多個頻率。然而，由于要被減弱的頻率以規律間隔布置，所以這種配置有時生成不能減弱的頻率。因此，通過將對應于不同頻率的梳狀濾波器串聯連接，可配置具有不規律間隔減弱特性的濾波器。
[0088]圖12C顯示具有不規律間隔減弱特性的濾波器的配置示例，圖13C顯示圖12C中的濾波器的特性示例。以下述方式配置濾波器，即，由延遲單元30和加法單元31配置的梳狀濾波器I以及由延遲單元33和加法單元34配置的梳狀濾波器2串聯連接。
[0089]雖然本實施例不具有用于檢測振動型致動器的移動速度的單元，但是可使用光編碼器等來檢測移動速度或位置。這樣的配置允許高精度的速度控制或位置控制，在該配置中，根據目標速度或目標位置與檢測到的移動速度或位置之間的差，通過預先確定的計算或電路改變振幅命令A或頻率命令F。
[0090]第二實施例
[0091]雖然第一實施例在AC信號生成單元5的輸出側具有濾波器單元6，但是第二實施例在AC信號生成單元5的前面具有濾波器單元6。圖14是顯示根據第二實施例的驅動單元的框圖。由于圖14中的被給予和圖1中相同的標號的部件具有相同的功能，所以將簡化其描述。
[0092]振幅命令單元2根據來自命令單元(未示出)的速度命令Spd和來自光編碼器50(其為稍后描述的速度檢測單元)的速度信號S控制振幅命令A，以使得速度命令Spd的級別與速度信號S的級別匹配。在速度信號S比速度命令Spd的級別慢的情況中，振幅命令A增大，在速度信號S比速度命令Spd的級別快的情況中，振幅命令A減小。濾波器單元6位于AC信號生成單元35的前面。濾波器單元6從振幅調制命令Ad中所包含的噪聲分量減弱期望的頻率分量，并將它們作為振幅調制命令Af輸出到AC信號生成單元35。AC信號生成單元35生成振幅與振幅調制命令Af對應的兩相AC信號(AC電壓)，從命令單元(未示出)接收頻率命令F和相位差命令P，并可設置兩相AC信號之間的相位差。光編碼器50檢測(稍后將描述的)振動型致動器的旋轉速度，并將速度信號S輸出到振幅命令單元2。兩相AC信號ΦΑ和ΦΒ分別被提供給電一機械能量轉換兀件36-a和36_b的電極。
[0093]圖15是顯示對其應用根據第二實施例的振動型致動器的驅動電路的打印機的感光鼓的驅動機構的示圖。標號36表示電一機械能量轉換元件,所述電一機械能量轉換元件與(稍后將描述的)彈性體37接合，并在彈性體37上形成行進振動波(travelingvibration wave)。電一機械能量轉換元件36由壓電元件形成。標號38表示轉子,所述轉子被形成于彈性體37上的行進振動波驅動；39表示摩擦構件，所述摩擦構件在彈性體37和轉子38之間與彈性體37的突起接觸部分接合；以及，40表示與轉子38連接的旋轉軸。
[0094]圖16顯示從電一機械能量轉換元件36處設置的電極和電一機械能量轉換元件36側看到的所述電極的形狀和彈性體37的結構。圖中的標號36-a和36-b表示圖14中所示的電一機械能量轉換兀件36_a和36_b的電極。標號36_c和36_d表不用于連接至地電勢的電極，其利用導電涂層與彈性體37連接。彈性體37包括用陰影線(hatch lines)指示的薄的圓形板37-a和固定部分37-b,固定部分37_b具有用于固定電一機械能量轉換元件36的規律間隔的通孔。在本實施例中，電一機械能量轉換元件36的形狀像環。
[0095]在圖15中，標號41表不用于圖像形成的感光鼓,其與旋轉軸40—體化；42表不固定板，用螺絲將彈性體37的固定部分37-b固定到固定板42，并且用固定構件(未示出)將固定板42固定到圖像形成設備(未示出)的殼體；43表示用于檢測旋轉軸40的旋轉速度的光學尺；44表示半導體激光，其將近紅外線發射到光學尺(scale) 43上；45表示激光控制板，半導體激光器44安裝在其上；46表示光接收板，光傳感器安裝在其上，光傳感器檢測由光束形成的光學圖像，所述光束為來自半導體激光器44的、被光學尺43衍射的近紅外線光束；47和48表示用于將激光控制板45和光接收板46固定到固定板42的固定柱；以及，49表不擋光罩。
[0096]接下來，將對圖14中的驅動單元的操作進行描述。在上述第一實施例中，振動型致動器響應于一相AC信號操作，并通過切換頻率和相位來切換驅動方向，而在本實施例中，它響應于兩相AC信號操作，并根據兩相AC信號之間的相位差切換驅動方向。雖然基本操作與第一實施例的基本操作相同，但是由于濾波器單元6的布置位置改變，所以濾波器單元6的頻率特性與其不同。因此，將對濾波器單元6的頻率特性和與振動型致動器直接或間接連接的機構的固有頻率之間的關系進行描述。
[0097]如圖15所示，彈性體37的振動通過固定板42和旋轉軸40傳送到光編碼器50。因此，振動可引起問題，例如，半導體激光器44中的饋送接合線(未示出)可共振而導致差的光發射，以及，光學尺43和固定柱47和48共振而導致速度檢測誤差。
[0098]此外，當提供給振動型致動器的AC信號ΦΑ和ΦΒ的振幅根據振幅調制命令Af改變時，被振動型致動器驅動的旋轉體(例如感光鼓41)的速度改變。因此，通過振幅調制命令Af中所包含的頻率分量將與旋轉軸40直接或間接連接的機構直接激發而振動。這引起了這樣的問題，即，由于旋轉軸40和感光鼓41而導致激發扭轉共振，從而使感光鼓41上曝光的圖像的質量劣化。
[0099]圖17A顯示響應于頻率命令F和振幅命令A而生成的AC信號的頻率分量的示例；圖17B顯示振幅調制命令Af的頻率分量的示例；以及圖17C顯示AC信號生成單元35的輸出信號的頻率分量的示例。振幅調制命令Af設想(assume)這樣的信號，在該信號中，頻率為F0、振幅為Al的正弦波疊加在振幅命令A上。振幅調制的波通常具有對稱的頻率特性，其中，調制的波的頻率分量出現在作為載波的中心頻率的兩邊帶上。通過將振幅調制命令Af的頻率與中心頻率相加和從中心頻率減去振幅調制命令Af的頻率，出現邊帶上的頻率。如圖17A所示,調制之前的頻率分量具有頻率為F、振幅為A的分量。如圖17B所示,振幅調制命令Af的頻率分量具有頻率為F0、振幅為Al的分量。如圖17C所示，AC信號生成單元35的輸出信號的頻率分量具有頻率為F、振幅為A的分量以及頻率為F-FO和F+F0、振幅為振幅Al的一半的分量。因此，為了防止調制的AC信號包含激發機構的固有頻率的頻率，應該從振幅調制命令Ad消除用機構的固有頻率和由頻率命令F確定的中心頻率之間的差的絕對值表達的頻率。
[0100]此外，由于機構有時被振幅調制命令Ad的頻率分量直接振動，所以還必須消除激發將被直接振動的機構的固有頻率的頻率。因此，濾波器單元6被配置為，除了將被消除的激發固有頻率模式的頻率之外，還減弱通過固有頻率和頻率命令F之間的差的絕對值指示的頻率。雖然在以下描述中固有頻率和激發固有頻率的頻率同義，但是實際中它們不必然相同。
[0101]圖18A是顯示以上機構的各個部件的固有頻率的示圖，圖18B顯示濾波器單元6的頻率特性。在圖18A中，參考符號F表示彈性體37在預先確定的振動模式中的固有頻率；Fl表不由于感光鼓41和旋轉軸40而引起的扭轉共振的固有頻率；F2表不由于光學尺43和旋轉軸40引起的扭轉共振的固有頻率；F3表示彈性體37在除主驅動模式之外的另一種模式中的固有頻率；以及F4表示半導體激光器44的接合線(未示出)的固有頻率。
[0102]圖18B顯示與圖18A中的頻率F1、F2、F3和F4對應的減弱頻率G1、G2、G3和G4。需要從振幅調制命令Ad減弱或直接去除通過旋轉軸40的旋轉改變而產生的扭轉振動的固有頻率Fl和F2。因此，頻率Gl和G2與頻率Fl和F2相同。對于彈性體37的固有頻率F3和接合線(未示出)的固有頻率F4，通過頻率命令F與固有頻率F3和F4之間的差的絕對值表達的頻率G3和G4分別相配(correspond)。
[0103]雖然本實施例顯示對振幅命令A進行改變的示例，但是在對到AC信號生成單元的頻率命令F或相位差命令P進行改變的情況中，濾波器配置也是相同的。根據已知的頻率調制和相位調制理論，顯然，在對頻率或相位差進行調制的情況中，如在本實施例的振幅調制中那樣，調制命令中所包含的頻率分量出現在頻率命令F的基波分量的兩邊帶上。因此，在振幅、頻率和相位差中的任何一個的調制中，濾波器單元6的頻率特性相同。然而，嚴格來講，如果對頻率或相位差進行調制，則生成調制的頻率的諧波分量，因此，不僅需要減弱與要被減弱的固有頻率和頻率命令F之間的差的絕對值對應的頻率，而且需要減弱作為其整數約數的頻率分量。然而，由于所作的改變通常小，因此諧波分量小，所以不對作為其整數約數的頻率進行調制通常是足夠的。
[0104]在不僅振幅、而且頻率和相位差都將被改變的情況中，必須將濾波器單元6與其隨后段處的改變進行單元中的每一個連接，以在命令信號輸入到AC信號生成單元35之前，減弱與要被減弱的固有頻率對應的頻率分量。
[0105]在這種情況中，要進行的改變可以是噪聲SN，其中，振幅、頻率和相位幾乎不相關。例如，在使用圖8A中所示的噪聲生成單元的情況中，很可能的是，即使從相同的比特數據生成信號，相關性也變高，并且比特順序改變。為了應對它，通過使用大比特數的移位寄存器并小心選擇不同比特的組合來生成長周期的隨機數可減小影響。此外，使用生成模式完全不同的M序列信號的方法，或者使用即使按相同模式但是在不同的定時生成的隨機數可提供相關性低的隨機數。除了使用M序列信號的方法之外，存在預先將隨機數數據存儲在ROM中并使用它的方法和使用已知的乘法器的線性同余(congruential)方法。
[0106]此外，由于通過驅動機構的操作改變要被驅動的部件，所以可改變要被減弱的固有頻率。在這種情況中，可切換濾波器單元6的頻率特性，以獲得期望的特性。
[0107]此外，必須考慮濾波器單元6的有效分辨率和AC信號生成單元35的有效分辨率之間的關系。如果濾波器單元6和AC信號生成單元35執行模擬操作，則沒有問題；然而，通過模一數轉換或者數一模轉換的數字操作和離散算術處理需要小心考慮。這是因為，如果AC信號生成單兀35的輸入的有效分辨率低于濾波器單兀6的有效分辨率,則由于省略了小于或等于有效分辨率的分辨率，或者由于有效分辨率的差異，而導致誤差發生。
[0108]為了確保濾波器單元6的效果，優選的是，不在濾波器單元6的操作中執行舍入(rounding),并且輸出信號的有效分辨率等于AC信號生成單元35的有效分辨率或者是AC信號生成單元35的有效分辨率的整數倍。換句話講，如果AC信號生成單元35的輸入信號的有效分辨率為1，則優選的是，濾波器單元6的輸出信號的有效分辨率為I或更大。這是因為，例如，如果濾波器單元6的輸出信號的分辨率為0.5，則所有0.5的改變都變為噪聲。此外，優選的是，濾波器單元6的輸出信號的有效分辨率為大于或等于I的整數。這是因為，如果濾波器單元6的有效分辨率為1.5，則當AC信號生成單元35將它接收為I或2時，將發生0.5的誤差，從而生成新的噪聲。
[0109]前面的實施例是作為線性致動器和旋轉致動器的振動型致動器的典型示例。然而，假設以高分辨率設置電壓振幅、頻率、相位差等，振動型致動器的驅動單元不僅僅對于這樣的馬達式振動型致動器是有利的。
[0110]圖19顯示設在COMS傳感器的光圖像接收表面上的濾光器，CMOS傳感器為單鏡頭反射式照相機的圖像輸入裝置。這是一種使用彈性體作為濾光器的粉體轉移振動型致動器，因為粘到濾光器的灰塵將使圖像劣化。標號51表示濾光器；52和53表示接合到濾光器51的兩端的壓電元件；以及52-1、52-2、53-1和53-2為饋送電極。驅動電路也可應用于這樣的振動型致動器。
[0111]盡管已參照示例性實施例對本發明進行了描述，但是應該理解，本發明不限于所公開的示例性實施例。應該給予權利要求的范圍以最廣泛的解釋，以涵蓋所有這樣的變型與等同的結構和功能。
【權利要求】
1.一種振動型致動器的驅動單元，其中，所述振動型致動器被配置為通過將交流(AC)信號施加于電一機械能量轉換元件來以預先確定的振動模式激發至少具有電一機械能量轉換元件的振動體，以產生驅動力，所述驅動單元包括: 命令單元，所述命令單元被配置為輸出規定所述交流信號的頻率、振幅和相位差中的至少一個的命令信號； 改變進行單元，所述改變進行單元被配置為對所述命令信號進行改變，并輸出所述命令信號； 交流信號生成單元，所述交流信號生成單元被配置為生成所生成的交流信號，其中，根據所述改變進行單元的輸出對所生成的交流信號的頻率、振幅和相位差中的至少一個進行調制；和 濾波器單元，所述濾波器單元被配置為選擇性地減弱改變進行單元的輸出信號和交流信號生成單元的輸出信號中的至少一個的頻率分量，所述頻率分量激發除預先確定的振動模式中的振動之外的振動。
2.根據權利要求1所述的驅動單元，其中，所述改變進行單元包括隨機數生成單元和加法單元。
3.根據權利要求2所述的驅動單元，其中，所述隨機數生成單元為被配置為生成M序列信號的單元。
4.根據權利要求2所述的驅動單元，其中，所述交流信號生成單元包括分頻器和計數器。
5.根據權利要求1所述的驅動單元，其中，所述濾波器單元為選擇性地減弱多個頻率分量的梳狀濾波器。
6.根據權利要求5所述的驅動單元，其中，所述濾波器單元被配置為使得多個梳狀濾波器串聯連接。
7.根據權利要求1所述的驅動單元，其中，所述濾波器單元為執行離散算術處理的濾波器，并且濾波器的輸出信號的有效分辨率大于或等于所述交流信號生成單元的輸入的有效分辨率。
【文檔編號】H02N2/06GK103715940SQ201410004803
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2011年3月18日 優先權日:2010年3月19日
【發明者】片岡健一, 住岡潤 申請人:佳能株式會社