專利名稱：用于振動裝置的驅動電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于振動裝置的驅動電路。
背景技術：
近年來，在作為光學儀器的成像裝置中，伴隨光學傳感器的分辨率的提高，在使用期間附著于光學系統(tǒng)的污物和其它外來粒子(foreign particle)已變得影響拍攝的圖像。特別地，用于視頻照相機和靜物照相機的成像器件的分辨率已明顯提高。因此，如果外部灰塵或在機械滑動表面上產生的內部磨損碎屑附著于置于成像器件附近的光學部分(諸如紅外截止濾波器或光學低通濾波器)，那么，由于圖像在成像器件的表面上不太模糊，因此，灰塵可能出現(xiàn)在拍攝的圖像中。并且，復印機、傳真機和其它類似 的光學儀器的成像部分通過在文檔之上移動線傳感器(line sensor)或移動靠近線傳感器放置的文檔來讀取(掃描)平坦文檔。在這種情況下，附著于線傳感器的束入射部分的任何灰塵都可能出現(xiàn)在掃描的圖像中。對于被設計為掃描并讀取文檔的傳真機的讀取器或在來自自動文檔饋送器的傳輸期間讀取文檔的所謂的略讀復印機(skim copier)的讀取器，灰塵粒子可顯現(xiàn)為在文檔饋送方向上延伸(running)的連續(xù)線圖像,從而大大損害圖像質量。如果這種灰塵被手動擦掉，那么可以恢復圖像質量，但是，對于在使用期間附著的灰塵，除在圖像攝取之后進行檢查以外，別無它法。外來粒子的圖像將出現(xiàn)于其間攝取或掃描的圖像中，從而需要基于軟件的校正。并且,對于同時在紙介質上印出圖像的復印機，需要大量的勞動來校正印出物。為了應對該問題，日本專利申請公開No. 2008-207170提出了這樣的外來粒子去除裝置其可通過在裝配有光學部件的振動部件中激起行波而在希望的方向上移動外來粒子。圖14A是示出在日本專利申請公開No. 2008-207170中公開的外來粒子去除裝置的配置的示意圖。在日本專利申請公開No. 2008-207170中提出的外來粒子去除裝置裝配有振動部件501。振動部件501被安裝于成像器件503的入射側。振動部件501包含作為彈性體的光學部件502、以及作為機電能量轉換元件(electro-mechanical energy conversion element)的壓電兀件 101a 和 IOlb0 壓電兀件IOla和IOlb通過在一方向上偏移而被設置沿該方向布置振動部件501的面外彎曲振動的節(jié)線。給壓電元件IOla和IOlb施加彼此頻率等同但90°異相(out of phase)的交流電壓。施加的交流電壓的頻率位于沿振動部件501的縱向而面外地變形的第m階(m是自然數(shù))振動模式的諧振頻率與第(m+1)階振動模式的諧振頻率之間。在振動部件501上以相同的振幅并以相同的振動周期激起第m階振動模式的振動和第(m+1)階振動模式的振動，這里，第m階振動具有諧振響應，第(m+1)階振動具有90°時間相位差(相位相對于第m階面外彎曲振動提前90° )。通過所述兩個振動模式的振動的組合在振動部件501上產生合成振動(行波)。合成振動在希望的方向上移動振動部件501的表面上的外來粒子。圖14B示出上述的外來粒子去除裝置的控制裝置。響應于來自成像裝置的主單元(未示出)的驅動命令，控制器604向脈沖產生電路603a和603b發(fā)送作為用于交流電壓信號的參數(shù)的相位信息、頻率信息和脈沖寬度信息。從脈沖產生電路603輸出的數(shù)字交流電壓信號被輸入到切換(switching)電路602a和602b,并且基于從電源電路605輸出的電壓而作為模擬交流電壓Vi被輸出。交流電壓Vi被輸入到驅動電路601a和601b，作為交流電壓Vo被輸出，并且分別被施加到安裝于振動部件501中的壓電元件IOla和101b。

發(fā)明內容
在上述的現(xiàn)有技術中，輸入的交流電壓Vi的電壓振幅通過驅動電路601被升壓到希望的電壓，并經受從矩形形式到正弦波形的轉換。然后，輸出交流電壓Vo。為了在振動部件501上激起理想的行波或駐波，希望交流電壓Vo具有無諧波信號所導致的畸變的正弦波形并在使用的頻帶中變?yōu)楹愣ǖ碾妷骸５?，在根?jù)現(xiàn)有技術的外來粒子去除裝置的驅動電路中，在給壓電元件101施加的交流電壓Vo中產生諧波信號。這些諧波信號影響在振動部件501上激起的振動，從而由于行波干擾導致外來粒子去除性能的劣化并由于振動振幅的增加導致光學部件502的損傷。并且，在使用的頻帶中，在振動部件501的諧振頻率的附近，根據(jù)現(xiàn)有技術的外來粒子去除裝置的驅動電路在給壓電元件101施加的交流電壓Vo中具有大的振幅變化，即，在交流電壓Vo的頻率特性中具有大的傾斜度。因此，如果振動部件501的諧振頻率由于個體差異而變化或者在驅動期間改變，那么交流電壓Vo大大波動。當交流電壓變得比必要值高時，增大的電流可導致功耗的增加，并且在振動部件501上激起的增大的振動振幅可導致光學部件502的損傷。另一方面，當交流電壓比需要的電壓低時，在振動部件501上激起的面外彎曲振動不具有足夠的振動振幅，從而導致外來粒子去除性能的劣化。圖14C示出根據(jù)上述的現(xiàn)有技術的驅動電路601的配置。當電感器(inductor) 102如圖14C所示的那樣與壓電元件101串聯(lián)連接時,壓電元件101的靜電電容(electrostatic capacity)和電感器102形成LC串聯(lián)諧振電路。交流電壓Vi的電壓振幅被LC串聯(lián)諧振電路升壓到希望的電壓，并因此輸出交流電壓Vo。圖15示出使用常規(guī)的驅動電路的情況下的交流電壓Vo的電壓振幅的頻率特性。橫軸代表頻率(IlOkHz至140kHz)，縱軸代表電壓振幅(50V至350V)。所述圖代表電感器102的值從40 ii H變?yōu)?0 ii H的情況下的特性。在圖15中，f (m)是第m階面外彎曲振動的諧振頻率，f (m+1)是第(m+1)階面外彎曲振動的諧振頻率。給壓電元件101施加的交流電壓Vo的頻率fd被設為f(m) < fd < f (m+1)。從圖15可以看出，電感器102的電感值越大，則頻率fd附近的電壓振幅的波動越大。因此，常規(guī)上電壓振幅的波動被設計為通過減小電感值而減小。但是，這對于交流電壓提供低的升壓率，并且增加諧波信號。圖16示出使用常規(guī)驅動電路的情況下的交流電壓Vo的電諧振對于電感值的頻率變化。
橫軸代表頻率(120kHz至240kHz)，縱軸代表電壓振幅(10V至1MV)。所述圖代表電感器102的值從90 ii H變?yōu)?0 ii H的情況下的特性。從圖16可以看出，隨著電感值減小，由于LC串聯(lián)諧振導致的電諧振向高頻率范圍偏移。這增大圖16所示的諧波頻率范圍中的電壓振幅，從而增加輸入的交流電壓Vi的矩形波中包含的諧波成分。因此，在輸出的交流電壓Vo中，諧波重疊在驅動頻率fd的基波上，從而導致輸出波形的畸變。接下來將描述上述的諧波。圖17示出在使用常規(guī)的驅動電路的情況下由交流電壓Vo的傅立葉分析得到的基波和第3諧波(3rd harmonic wave)的電壓振幅的測量數(shù)據(jù)。橫軸代表交流電壓Vi的脈沖占空比，縱軸代表交流電壓Vo的電壓振幅。從圖17可以看出，當脈沖占空比為約50%和20%時，第3諧波的電壓振幅具有峰值。第3諧波與基波的比率在脈沖占空比為50%時是31%，并且在脈沖占空比為20 %時是53%。當脈沖占空比小于20%時，第3諧波與基波的比率進一步增大。所述結果是實際的測量數(shù)據(jù)，并且主諧波成分是第3諧波。但是，除第3諧波以外，根據(jù)從基于脈沖占空比導出的矩形波向正弦波的傅立葉變換式，也產生了第5階、第7階和其它奇數(shù)階的諧波。上述的傅立葉變換式是常用的數(shù)學表達式，因此將省略其描述。當諧波信號被施加到壓電元件101時在振動部件501上激起的振動也產生諧波。這由于行波干擾導致外來粒子去除性能的劣化，并由于振動振幅的增大導致光學部件502的損傷。在控制外來粒子去除裝置之外的振動裝置的驅動時，出現(xiàn)驅動效率降低的類似問題。 鑒于以上問題，本發(fā)明提供用于振動裝置的驅動電路，該驅動電路能夠減少給機電能量轉換元件施加的交流電壓的諧波成分，提高驅動諸如外來粒子的對象的效率，即使在使用的頻帶中振動部件的諧振頻率在驅動期間改變或變化也減少給機電能量轉換元件施加的交流電壓的波動，以及輸出穩(wěn)定的電壓振幅。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，由此提供一種用于通過振動部件的振動波來驅動對象的振動裝置的驅動電路，所述振動部件包括彈性體和被供給交流電壓的機電能量轉換元件以用于產生所述振動波，其中，所述驅動電路包括多個電感器，所述多個電感器與所述機電能量轉換元件串聯(lián)連接；以及電容器，所述電容器的一端連接在所述多個電感器之間，并且所述電容器與所述機電能量轉換元件并聯(lián)連接，并且其中，所述機電能量轉換元件的靜電電容、所述多個電感器和所述電容器形成電諧振電路，所述諧振電路至少具有第一諧振頻率fI和第二諧振頻率f2，并且所述第一諧振頻率n和所述第二諧振頻率f2以及所述交流電壓的頻率fd滿足關系fl < fd < f2。本發(fā)明可實現(xiàn)用于振動裝置的驅動電路，該驅動電路能夠減少給機電能量轉換元件施加的交流電壓的諧波成分，提高驅動諸如外來粒子的對象的效率，即使在使用的頻帶中振動部件的諧振頻率在驅動期間改變或變化也減少給機電能量轉換元件施加的交流電壓的波動，以及輸出穩(wěn)定的電壓振幅。從參照附圖對示例性實施例的以下描述，本發(fā)明的進一步的特征將變得明顯。


圖IA和圖IB是示出根據(jù)本發(fā)明的振動裝置的驅動電路的配置例子的示圖。圖2A和圖2B是被配置為能夠裝配有可應用本發(fā)明的外來粒子去除裝置的數(shù)字單鏡頭反射照相機(single-lens reflex camera)的透視圖。圖3A和圖3B是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的給壓電元件施加的交流電壓的頻率、在壓電元件中產生的振動的振幅以及電壓波形的曲線圖。圖4是示出第10階面外彎曲振動的位移(displacement)、第11階面外彎曲振動的位移以及壓電元件的布局的示圖，這里振動是在根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實施例的振動部件上激起的，并且位移導致沿縱向的面外變形。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的模擬結果的示圖，所述模擬結果表示通過考慮了整個電路元件的變化的交流電壓Vo的頻率特性。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的驅動電路和常規(guī)驅動電路中表示交流電壓Vo的頻率特性的模擬結果的示圖。圖7A和圖7B是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的驅動電路和常規(guī)驅動電路中交流電壓Vo的測量輸出波形的示圖。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的驅動電路和常規(guī)驅動電路中驅動頻率附近的交流電壓Vo的電壓振幅的頻率特性的示圖。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的驅動電路和常規(guī)驅動電路中測量的外來粒子去除比率的示圖。圖IOA和圖IOB是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的在駐波驅動期間給壓電元件施加的交流電壓的頻率、在壓電元件中產生的振動的振幅和電壓波形的曲線圖。圖11是示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的行波振動型致動器的控制裝置的示圖。圖12A、圖12B和圖12C是示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的振動型致動器的應用例的示圖。圖13是示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的裝配有變壓器的驅動電路的配置的示圖。圖14A是示出裝配有根據(jù)現(xiàn)有技術的外來粒子去除裝置的照相機體的成像部分的結構的透視圖，圖14B是示出根據(jù)現(xiàn)有技術的外來粒子去除裝置的控制裝置的示圖，圖14C是示出根據(jù)現(xiàn)有技術的驅動電路的配置的示圖。圖15是示出使用根據(jù)現(xiàn)有技術的驅動電路的情況下交流電壓Vo的電壓振幅的頻率特性的示圖。
圖16是示出使用根據(jù)現(xiàn)有技術的驅動電路的情況下交流電壓Vo的電諧振對于電感值的頻率變化的示圖。圖17是示出使用常規(guī)型的驅動電路的情況下由交流電壓Vo的傅立葉分析得到的基波和第3諧波的電壓振幅的測量數(shù)據(jù)的示圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將根據(jù)附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。接下來，將描述根據(jù)本發(fā)明實施例的用于振動裝置的驅動電路的配置例子。根據(jù)本發(fā)明，振動裝置的例子包括適于相對地移動可移動體的振動型致動器以及外來粒子去除裝置和粉末(powder)傳輸裝置。即，根據(jù)本發(fā)明，被振動裝置驅動的對象可以是諸如外來粒子的粉末和可移動體。[第一實施例] 在第一實施例中，將描述這樣的配置例子根據(jù)本發(fā)明的用于振動裝置的驅動電路作為外來粒子去除裝置安裝在作為光學儀器的照相機中(即，在本例子中，振動裝置用作外來粒子去除裝置)。順便說一句，雖然在本實施例中描述振動裝置安裝在照相機中的配置例子，但是，這不是限制性的。并且，本發(fā)明可適用于設置在另一光學儀器(諸如傳真機、掃描儀、投影儀、復印機、激光束打印機、噴墨打印機、鏡頭、雙目鏡或圖像顯示裝置)中的外來粒子去除裝置的驅動電路。根據(jù)本實施例的用于振動裝置的驅動電路被配置為給作為機電能量轉換元件的壓電元件施加交流電壓，在由轉換元件和與轉換元件接合的彈性體構成的振動部件上產生振動波,并且使用振動波驅動對象。以下將參照附圖更具體地描述這一點。圖2A是從被攝物(subject)側觀看的去除了攝取鏡頭的數(shù)字單鏡頭反射照相機的前透視圖，這里，數(shù)字單鏡頭反射照相機被配置為能夠并有根據(jù)本實施例的外來粒子去除裝置及其驅動電路。圖2B是從拍攝者側觀看的照相機的后透視圖。鏡箱(mirror box) 202被安裝于照相機體201中。通過攝取鏡頭(未示出)的拍攝光通束(light flux)被引向鏡箱202。主鏡(快速返回鏡)203被設置在鏡箱202中。裝配有外來粒子去除裝置的成像部分被安裝于通過攝取鏡頭(未示出)的照相機光軸上。主鏡203可具有對于照相機光軸保持在45°的角度以便拍攝者通過取景器目鏡204觀察被攝物圖像的狀態(tài)、以及保持在從拍攝光通束縮回的位置處以便向成像器件引導拍攝光的狀態(tài)。清潔開關205被設置在照相機的后面以使外來粒子去除裝置被驅動。拍攝者可按壓清潔開關205以指示控制器驅動外來粒子去除裝置。根據(jù)本實施例的照相機體201的成像部分可裝配有與上面在圖14A中所示基本上相同配置的外來粒子去除裝置，并且，將參照圖14A描述外來粒子去除裝置的配置。
成像器件503被安裝在照相機體201的成像部分中，這里，成像器件503是適于將光學接收的被攝物圖像轉換成電信號并由此生成圖像數(shù)據(jù)的光接收元件(諸如CCD或CMOS傳感器)。并且，成形為矩形板的振動部件501以使得氣密地密封成像器件503的前側的空間的這樣的方式被安裝。外來粒子去除裝置至少包括振動部件501。振動部件501包含光學部件502和一對壓電元件IOla和101b，這里，光學部件502是成形為矩形板的彈性體，而壓電元件IOla和IOlb是粘附地接合于光學部件502的相對端部的機電能量轉換元件。根據(jù)本實施例，光學部件502由高透射率光學部件(諸如覆蓋玻璃、紅外截止濾波器或光學低通濾波器)構成，并且被配置為使得通過光學部件502的光將進入成像器件503。被設置在光學部件502的相對端部中的壓電元件IOla和IOlb在厚度方向上(與 圖14A中的紙面垂直的方向上)的尺寸方面等于光學部件502，以用較大的力產生振動的彎曲變形。以下，當不特別需要區(qū)分壓電元件IOla和IOlb時，它們將被簡稱為“壓電元件101”。除了驅動電路的具體配置以外，根據(jù)本實施例的外來粒子去除裝置的控制裝置具有與以上在圖14B中示出的控制裝置基本上相同的配置，并因此將參照圖14B描述控制裝
置的基本配置。根據(jù)本實施例，控制器604向脈沖產生電路603a和603b發(fā)送頻率信息、相位信息和脈沖寬度信息作為用于交流電壓信號的參數(shù)。例如，典型的數(shù)字振蕩器被用作脈沖產生電路。頻率設立在振動部件501上產生的兩個面外彎曲振動的諧振頻率之間的中間值附近，該頻率相等地設定在兩個脈沖產生電路603a和603b上。相互不同的相位值被輸入在脈沖產生電路603a和603b中，以輸出相互90°異相的交流電壓信號。脈沖寬度(脈沖占空比)被適當?shù)卣{整以獲得希望的電壓振幅，并且在脈沖產生電路603a和603b上被單獨設定。從脈沖產生電路603輸出的數(shù)字交流電壓信號被輸入到切換電路602a和602b，并且基于從電源電路605輸出的電壓被輸出作為模擬交流電壓Vi?？梢允褂玫湫偷腄C電源電路或DC-DC轉換器電路作為電源電路。并且，典型的H橋電路可用于切換電路。交流電壓Vi被輸入到各自的驅動電路601a和601b，然后在它們的電壓振幅被升壓并被轉換成正弦波形之后被輸出作為交流電壓Vo。交流電壓Vo分別被施加到壓電元件IOla和101b，從而在振動部件501上同時產生兩個面外彎曲振動。所述兩個面外彎曲振動的合成振動變?yōu)樾胁?，并且在希望的方向上移動光學部件502的表面上的外來粒子。接下來，將描述如何通過根據(jù)本實施例的控制裝置設定驅動頻率。圖3A是示出給壓電元件101施加的交流電壓的頻率和在壓電元件101中產生的振動的振幅的曲線圖。
在圖3A中，f (m)是第m階面外彎曲振動的諧振頻率，f (m+1)是第(m+1)階面外彎曲振動的諧振頻率。當給壓電元件101施加的交流電壓的頻率fd被設為f(m) < fd < f (m+1)時，產生頻率fd的振動，其中振幅通過第m階面外彎曲振動的諧振和第(m+1)階面外彎曲振動的諧振被增大。振動的時間周期相同。另一方面，給壓電元件101施加的交流電壓的頻率fd降到f(m)之下越低，則第(m+1)階面外彎曲振動的振幅變得越小，而頻率fd升到f(m+l)之上越高，則第m階面外彎曲振動的振幅變得越小。圖4是示出第10階面外彎曲振動的位移、第11階面外彎曲振動的位移以及壓電元件IOla和IOlb的布局的示圖，這里，振動是在振動部件501上激起的，并且，位移導致沿縱向的面外變形。
橫軸代表振動部件501的縱向位置,縱軸代表面外振動位移。在圖4中，第10階面外彎曲振動作為第一振動模式由波形A (實線)指示，并且，第11階面外彎曲振動作為第二振動模式由波形B(虛線)指示。第一振動模式A和第二振動模式B是振動部件501經受向光學部件502的厚度方向的彎曲變形的面外彎曲振動模式。當分別給壓電元件IOla和IOlb施加上述的交流電壓Vo時，第一振動模式A和第二振動模式B的振動在振動部件501上同時產生。順便說一句，雖然在本實施例中作為用于去除外來粒子的最小必需振動模式，使用第10階彎曲振動模式作為第一振動模式并且使用第11階彎曲振動模式作為第二振動模式，但是，這不是限制性的。在這種情況下，與成像器件503對應的光學有效部分是圖4所示的范圍。在第一振動模式A中，變形形狀的左端和右端在相位上相反(具有180°的相位差)。另一方面，在第二振動模式B中，變形形狀的左端和右端相互同相(具有0°的相位差)。S卩，如果給壓電元件IOla和壓電元件IOlb施加的交流電壓的相位差被設為180°，那么只產生第一振動模式A。相反，如果相位差被設為0°，那么只產生第二振動模式B。因此，如果相位差被設為90°，那么可同時產生第一振動模式A和第二振動模式B，從而在圖4中的右方向上產生合成振動的行波。圖3B是示出給各自的壓電元件施加以同時激起不同階數(shù)(order)的振動模式的交流電壓的例子的示圖。交流電壓Vol具有施加給壓電元件IOla的電壓波形，并且，交流電壓Vo2具有施加給壓電兀件IOlb的電壓波形?？v軸代表電壓振幅，并且橫軸代表時間。交流電壓Vol和Vo2被固定于上述的頻率fd，并且彼此90°異相。但是，相位差不限于90°，只要交流電壓具有不同的相位即可。通過外來粒子去除裝置，附著于光學部件502的表面的外來粒子在被光學部件502突出于面外(thrown up out-of-plane)時通過被在與光學部件502的表面垂直的方向上作用的力輕彈(flip)而移動。S卩，在驅動頻率循環(huán)期間的每個相位處，當振動部件501的合成振動位移的速度為正時，外來粒子被突出于面外，并在與該相位中的合成振動位移的方向垂直的方向上作用的力下被移動。如果重復地給附著于光學部件502的有效部分的表面的外來粒子施加振動，那么外來粒子可通過在圖4中的右方向上移動而被去除。將參照圖IA和圖IB描述源自本發(fā)明的特征的應用的根據(jù)本實施例的驅動電路的
具體配置。圖IA是示出可適用于外來粒子去除 裝置的驅動電路的示圖。在驅動電路的配置中，兩個電感器102a和102b與壓電元件101串聯(lián)連接(S卩，與機電能量轉換元件串聯(lián))。此外，電容器103與壓電元件101并聯(lián)連接，在一端被連在上述的兩個電感器102a和102b之間。這些組件構成電諧振電路。電感元件(諸如線圈)可以用作電感器102a和102b。并且，電容元件(諸如膜電容器)可以用作電容器103。該配置的特征在于，通過電感器102a和102b與電容器103以及通過壓電元件101的靜電電容301a產生電路的兩個電諧振，并且，在所述電諧振之間設立驅動頻率?，F(xiàn)在，將參照圖IB描述壓電元件101的等效電路。圖IB通過等效電路表示壓電元件101。壓電元件101的等效電路包含與振動部件501的機械振動部分對應的RLC串聯(lián)電路(自感Lm的等效線圈301b、靜電容量(electrostatic capacitance)Cm的等效電容器301c和電阻Rm的等效電阻器301d)、以及與RLC串聯(lián)電路并聯(lián)連接的與壓電元件101的靜電電容Cd對應的電容器301a。以下將參照圖IA和圖IB描述設計兩個電感器102a和102b與電容器103的方法。根據(jù)本實施例，電感器102a被設為135 ii H，電感器102b被設為180 y H，以及電容器103被設為17nF。這些設計值隨壓電元件101的靜電電容Cd以及隨振動部件501的諧振頻率f(m)和f(m+l)改變，現(xiàn)在將定義它們。這里假定壓電元件101的靜電電容Cd為10. 78nF，f(m)為120kHz以及f (m+1)為128kHz。并且，假定驅動頻率fd為123kHz。在設計的第一步驟中，確定電容器103的電容值。對于兩個電感值使用適當?shù)念A設值，并且，調節(jié)電容值以獲得希望的升壓率。從升壓率的觀點，希望將電容值設為等于或大于壓電元件101的靜電電容Cd。電容值越大，則升壓率趨于越高。順便說一句，電容值越大，則兩個電感值可被設定得越小。相反，電容值越小，則兩個電感值需要被設定得越大。例如，如果電容器103被設為28nF，則電感器102a被設為95 ii H并且電感器102b被設為120 ii H。當電容值被設定時，產生兩個電諧振頻率第一諧振頻率fl和第二諧振頻率f2。接下來需要調節(jié)這些頻率。
在設計的第二步驟中，確定兩個電感器102a和102b的電感值?；陔娭C振的頻率fl和f2調節(jié)所述兩個電感。電感器102a的電感值允許調節(jié)fl，電感器102b的電感值允許調節(jié)f2。如果使得電感器102b的電感值大于電感器102a的電感值，那么fl和f2可被調節(jié)到希望的頻率。并且，電容器103的電容值允許fl和f2在相同的方向上偏移。上述的調節(jié)方法確定兩個電感值，使得驅動頻率fd將滿足下式的關系。f I < fd < f2 在本實施例中，f I被設為72. 5kHz以及f2被設為165kHz。 在fl與fd之間以及在f2與fd之間提供約50kHz的差的原因是防止由電感器和電容器的變化導致的電諧振頻率的波動的影響。此外，可以增大頻率差，但然后，升壓率趨于減小。由于fl和f2對于驅動頻率fd具有大致相等的頻率差，因此，可使得fd附近的電壓振幅的變化平緩。圖5示出根據(jù)本發(fā)明實施例的模擬結果，所述模擬結果表示通過考慮了整個電路元件的變化的交流電壓Vo的頻率特性。橫軸代表頻率(60kHz至180kHz)，縱軸代表電壓振幅(10V至1MV)。假定電感器102a和102b的變化為± 20 %、電容器103的變化為± 10 %并且壓電元件的靜電電容Cd的變化為±10%，則使用Monte Carlo方法對均勻分布執(zhí)行隨機數(shù)計
笪
o從圖5可以看出，f I從設計值波動±5kHz,以及f2從設計值波動± IOkHz。因此，為了防止交流電壓Vo的電壓振幅受波動影響，提供每個都對于fd的約50kHz的差。從圖5可以看出，這允許在驅動頻率fd的附近使得交流電壓No的頻率特性平緩。因此，即使存在振動部件501的諧振頻率的變化或者在驅動期間在振動部件501的諧振頻率中出現(xiàn)變化，施加到壓電元件的交流電壓的波動也小，從而使得能夠輸出穩(wěn)定的電壓振幅。圖6示出在根據(jù)本實施例的驅動電路和作為比較例提供的常規(guī)驅動電路中表示交流電壓Vo的頻率特性的模擬結果。橫軸代表頻率(50kHz至400kHz)，縱軸代表電壓振幅(0V至150V)。為了比較，使用圖14C中的常規(guī)驅動電路獲得的結果被一起示出。在圖6中，現(xiàn)有技術I表示使用40 電感器獲得的結果，并且，現(xiàn)有技術2表示使用60 ii H電感器獲得的結果。根據(jù)本實施例的振動部件501使用兩個面外彎曲振動，由此,兩個諧振頻率fm為f (m)和 f (m+1)。在模擬中，等效線圈301b的自感Lm被設為0.04H，并且，等效電容器301c的靜電容量Cm被設為44pF。并且，f(m)被設為120kHz，f(m+l)被設為128kHz，并且，驅動頻率被設為fd =123kHz。
在本發(fā)明的實施例中，電感器102a被設為135 ii H，電感器102b被設為180 y H，并且電容器103被設為17nF。從圖6可以看出，根據(jù)本實施例，在與驅動頻率fd的第3諧波頻率對應的369kHz，電壓振幅大大降低。具體而言，電壓振幅為現(xiàn)有技術I的1/50。圖7A和圖7B示出根據(jù)本實施例的驅動電路和常規(guī)驅動電路中的交流電壓Vo的測量輸出波形。橫軸代表時間，縱軸代表電壓振幅。圖7A表示當交流電壓Vi的脈沖占空比被設為30%時獲得的結果，并且比較本實 施例和現(xiàn)有技術I之間的波形。雖然在現(xiàn)有技術I的波形中正弦波形由于第3諧波的影響而畸變，但是，在本實施例中獲得理想的正弦波形。圖7B表示當交流電壓Vi的脈沖占空比被設為10%時獲得的結果。雖然現(xiàn)有技術I的波形由于第3諧波的影響被進一步變形，但是，本實施例示出理想的正弦波形。因此，本實施例的諧波減少效果在實驗上得到確認。圖8是示出根據(jù)本實施例的驅動電路和常規(guī)驅動電路中驅動頻率附近的交流電壓Vo的電壓振幅的頻率特性的示圖。橫軸代表頻率(IOOkHz至150kHz)，縱軸代表電壓振幅(0V至150V)。如圖8所示，本實施例可在fd的附近以及在f(m)和f(m+l)的附近使交流電壓Vo的頻率特性平緩。即，盡管振動部件501的諧振頻率改變，仍施加穩(wěn)定的電壓。例如，當諧振頻率f(m+l)在驅動期間隨時間下降時，交流電壓的振幅在現(xiàn)有技術中增大，從而導致驅動電流的增大，但是本發(fā)明可使變化減小。在現(xiàn)有技術中，fm附近的交流電壓Vo的振幅變化是由阻抗變化導致的，該阻抗變化又是由振動部件501的機械振動部分的自感Lm和靜電容量Cm導致的。相比之下，通過使用兩個電諧振之間的頻率，本實施例可緩和振動部件501的機械振動部分中的阻抗變化。因此相信這減小了交流電壓Vo的振幅變化。圖9是示出根據(jù)本實施例的驅動電路和常規(guī)驅動電路中的測量的外來粒子去除比率的示圖。橫軸代表驅動次數(shù)，縱軸代表外來粒子去除比率。在本實施例中，如下進行測量實驗用的粉末被附著于光學部件的表面，外來粒子去除裝置以預定的空閑周期在相同的條件下間歇地運行，并且在各驅動之后測量光學有效部分上的粉末去除比率。去除比率的目標值被設為95%及以上，并被用作去除性能的指標。為了比較，對于用示出理想SIN波形的放大器振蕩器驅動的情況以及使用根據(jù)現(xiàn)有技術I的驅動電路的情況兩者類似地進行測量。如從圖9可以看出的那樣，在現(xiàn)有技術I中，即使在8次運行之后，去除比率仍未達到95%。相比之下，根據(jù)本實施例，在3次運行之后，去除比率超過95 %，從而表現(xiàn)出與放大器振蕩器類似的去除性能。[第二實施例]作為第二實施例，將描述形式與第一實施例不同的用于振動裝置的驅動電路的配置例子。
本實施例與第一實施例在配置方面的不同在于兩個振動模式是在振動部件501上交替激起的。順便說一句，外來粒子去除裝置的驅動電路與第一實施例相同，并且，本實施例的區(qū)別之處在于設定控制裝置的控制器的頻率信息和相位信息的方法。以下將參照圖IA和圖IB描述根據(jù)本實施例的驅動電路。圖IA是示出根據(jù)第二實施例的外來粒子去除裝置的驅動電路的示圖。在驅動電路的配置中，兩個電感器102a和102b與壓電元件101串聯(lián)連接(即，與機電能量轉換元件串聯(lián))。此外，電容器103與壓電元件101并聯(lián)連接，在一端被連在上述的兩個電感器102a和102b之間。可以使用諸如線圈的電感元件作為電感器102a和102b。
并且，可以使用諸如膜電容器的電容元件作為電容器103。本實施例的特征在于，通過電感器102a和102b與電容器103以及通過壓電元件101的靜電電容301a產生電路的兩個電諧振，并且，在所述電諧振之間設立驅動頻率。在本實施例中，電感器102a被設為130 μ H，電感器102b被設為200 μ H，并且電容器103被設為14nF。這些設計值基于壓電元件101的靜電電容Cd以及振動部件501的諧振頻率f(m)和f (m+1)而被確定。這里假定壓電元件101的靜電電容Cd為10. 78nF，f(m)為120kHz并且f (m+1)為128kHzο假定驅動頻率fd在從150kHz至IOOkHz的范圍中掃動，fl和f2被設定以滿足下式的關系。fI < fd < f2這里，fl和f2是在根據(jù)本發(fā)明的驅動電路中產生的電路的電諧振頻率。在本實施例中，電感器102a和102b與電容器103被確定，使得fl將為72. 5kHz并且f2將為165kHz。圖IOA是示出給壓電元件施加的交流電壓的頻率和在壓電元件中產生的振動的振幅的曲線圖。在該曲線圖中，f(m)是第m階面外彎曲振動的諧振頻率，并且f(m+l)是第(m+1)階面外彎曲振動的諧振頻率。在圖IOA中，f (m)出現(xiàn)在通過反相驅動激起的第10階面外彎曲振動模式(基于第一駐波的振動模式)中，并且f (m+1)出現(xiàn)在通過同相驅動激起的第11階面外彎曲振動模式(基于第二駐波的振動模式)中。在本實施例中，兩個振動模式的駐波被交替激起，以去除附著于光學部件的表面的外來粒子。圖4是示出第10階面外彎曲振動的位移、第11階面外彎曲振動的位移以及壓電元件IOla和IOlb的布局的示圖，這里，振動是在振動部件501上激起的，并且位移導致沿縱向的面外變形。橫軸代表振動部件501的縱向位置，縱軸代表面外振動位移。在圖4中，第10階面外彎曲振動作為第一振動模式由波形A(實線)指示，第11階面外彎曲振動作為第二振動模式由波形B(虛線)指示。
第一振動模式A和第二振動模式B是振動部件501經受向光學部件502的厚度方向的彎曲變形的面外彎曲振動模式。在第一振動模式A中，變形形狀的左端和右端在相位上相反(具有180°的相位差)。另一方面，在第二振動模式B中，變形形狀的左端和右端相互同相(具有0°的相位差)。S卩，如果給壓電元件IOla和壓電元件IOlb施加的交流電壓的相位差被設為180°，那么在諧振狀態(tài)中只激起第一振動模式A。相反，如果相位差被設為0°，那么激起第二振動模式B。圖IOB是示出施加給各自的壓電元件以交替激起不同階數(shù)的兩個駐波振動的交流電壓的例子的示圖。關于控制裝置，使用參照圖14B描述的控制裝置。交流電壓Vol具有給壓電元件10Ia施加的電壓波形，交流電壓Vo2具有給壓電元件10Ib施加的電壓波形。縱軸代表電壓 振幅，橫軸代表時間。為了交替產生兩個振動模式的振動，首先，給壓電元件IOla和IOlb施加具有振動部件501的第10階彎曲振動模式的固有頻率(natural frequency)附近的頻率和180°的相位差的交流電壓(反相驅動)。當施加所述交流電壓時，在振動部件501上激起第10階彎曲振動模式。在第10階彎曲振動模式被激起預定時間之后，接下來，給壓電元件IOla和IOlb施加具有振動部件501的第11階振動模式的固有頻率附近的頻率和0°的相位差的交流電壓(同相驅動)。當施加所述交流電壓時，在振動部件501上激起第11階彎曲振動模式。當重復以上的驅動操作時,交替激起第10階和第11階面外彎曲振動模式的振動。在以上的驅動處理中，可取的是，如圖IOB所示的那樣，在各固有頻率的附近從高頻率側向低頻率側逐漸掃動交流電壓Vol和Vo2。如果在振動部件501的固有頻率的附近設立交流電壓的頻率，那么可通過使用低的施加電壓獲得大的振幅，從而導致效率提高。以這種方式,第一振動模式的振動在振動部件501上產生時提供剝離位于第一振動模式的振動的腹點(anti-node)上的附著于光學部件502的外來粒子的功能。具體地，當比附著于光學部件502的外來粒子的附著力(adherence)高的加速度通過第一振動模式的振動被賦予外來粒子時，外來粒子從光學部件502剝離。此外，第二振動模式的振動在振動部件501上產生時提供剝離位于第一振動模式的振動的節(jié)點(node)位置附近的附著于光學部件502的外來粒子的功能。激起不同階數(shù)的駐波的原因是，通過使兩個靜止波的節(jié)點位置偏移，從光學部件502消除沒有振幅的位置。順便說一句，可通過僅給壓電元件IOla和IOlb中的一個施加上述的交流電壓，在外來粒子去除裝置的振動部件501上激起一個面外彎曲振動的駐波。[第三實施例]在第三實施例中，將描述根據(jù)本發(fā)明的用于振動裝置的驅動電路被應用于振動型致動器的配置例子(即，振動裝置被配置成振動型致動器的例子)。除了第一實施例和第二實施例中示出的外來粒子去除裝置以外，根據(jù)本發(fā)明的驅動電路還可被廣泛應用。例如，驅動電路可應用為振動型致動器的驅動電路。圖11示出振動型致動器用作振動裝置的情況下的控制裝置。如第一實施例和第二實施例的情況中那樣，控制裝置至少裝配有驅動電路。速度偏差檢測器401接受通過速度檢測器407 (諸如編碼器(encoder))獲得的速度信號和來自控制器(未不出)的目標速度作為輸入，并且輸出速度偏差信號。速度偏差信號被輸入PID補償器402中，并且作為控制信號被輸出。從PID補償器402輸出的控制信號被輸入驅動頻率脈沖產生器403中。從驅動頻率脈沖產生器403輸出的驅動頻率脈沖信號被輸入到驅動電路404，該驅動電路404然后輸出具有90°的相位差的兩相交流電壓。 交流電壓是具有90°相位偏移的兩相交流信號。從驅動電路404輸出的交流電壓被輸入振動型致動器405的機電能量轉換元件中，從而導致振動型致動器405的可移動體以恒定的速度旋轉。即，本實施例中的對象是可移動體。與振動型致動器405的可移動體耦接的被驅動體406 (諸如齒輪、計量儀(scale)或軸)被旋轉驅動，并且，速度檢測器407檢測旋轉速度，并執(zhí)行反饋控制以使旋轉速度保持接近于目標速度。圖12A至12C示出振動型致動器的應用例。根據(jù)產生的振動的類型，振動型致動器被分成駐波型和行波型。首先，將描述將根據(jù)本發(fā)明的驅動電路應用于行波振動型致動器的例子。在行波振動型致動器中，振動部件由第一機電能量轉換元件、第二機電能量轉換元件、以及與第一和第二機電能量轉換元件結合的彈性體構成。交流電壓的頻率被設定，以使得在振動部件上同時產生具有不同階數(shù)的第一駐波和第二駐波。同時，使得分別給第一和第二機電能量轉換元件施加的交流電壓在相位上不同。圖12A是示出行波振動型致動器的透視圖。振動型致動器包括振動部件501和可移動體802，這里，振動部件501由彈性體801和作為機電能量轉換元件的壓電元件101構成。固定于機座(housing)的彈性體801包含適于放大振動振幅并且用作可移動體802的驅動體的多個突起803?？梢苿芋w802在圖12A中通過按壓彈簧和盤(disk)經由橡膠被向下按壓。組件是環(huán)形形狀。當給壓電元件101施加兩相交流電壓時，在振動部件501上產生行波，被放置為與振動部件501接觸的可移動體802通過摩擦驅動而相對于振動部件旋轉。經由滾柱軸承與機座連接的輸出軸被固定于可移動體802，并適于隨可移動體802的旋轉而旋轉。將以行波振動型致動器為例，描述根據(jù)本實施例的驅動電路。圖13示出裝配有變壓器的根據(jù)本發(fā)明的驅動電路的配置。本振動型致動器通過施加400Vpp至500Vpp的高電壓來驅動壓電元件，并由此一般使用變壓器來升壓。
例如，如果使用繞組比為10的變壓器，那么可從24V的供給電壓獲得480Vpp的輸出。輸入到驅動電路的交流電壓Vi被施加到變壓器701的一次線圈701a，并根據(jù)變壓器701的一次線圈701a和二次線圈701b之間的繞組比被升壓。兩個電感器102a和102b與變壓器的二次線圈701b串聯(lián)連接，此外，電容器103與壓電元件101并聯(lián)連接。在變壓器701的二次側，包含于交流電壓信號中的諧波被減少。因此，交流電壓信號變?yōu)檩^不易受驅動頻率附近的波動所影響的交流電壓Vo。然后，交流電壓Vo被施加到壓電元件101。
這里，假定振動部件的諧振頻率f(m)為45kHz，并且壓電元件101的靜電電容為3. 5nF?；谒俣绕钚盘?，驅動頻率fd在頻率控制下被置于47kHz至50kHz的范圍內。電感器102a和102b與電容器103被設定為使得在根據(jù)本發(fā)明的驅動電路中產生的電路的電諧振頻率fl和f2將滿足f I < fd < f2根據(jù)本發(fā)明的驅動電路使得能夠大大減少給壓電元件施加的交流電壓Vo中的諧波，并提供較不易受驅動頻率附近的波動所影響的穩(wěn)定的電壓振幅。這提供以下優(yōu)點抑制由諧波頻率導致的振動型致動器的無用振動和噪聲，并且提高驅動效率和控制性能。并且，根據(jù)本發(fā)明的驅動電路可類似地被應用于駐波振動型致動器。在駐波振動型致動器中，振動部件由第一機電能量轉換元件、第二機電能量轉換元件、以及與第一和第二機電能量轉換元件結合的彈性體構成。交流電壓的頻率被設定，以使得通過在第一駐波和第二駐波之間在時間上進行切換而在振動部件上產生具有不同階數(shù)的第一駐波和第二駐波。同時，分別給第一和第二機電能量轉換元件施加的交流電壓被配置為相互0°或180°異相。圖12B是示出駐波振動型致動器的基本配置的透視圖。如圖12B所示，振動型致動器的變換器包括由成形為矩形板的金屬材料制成的彈性體801，并且，壓電元件101與彈性體801的后側結合。多個突起803被設置在彈性體801的頂部的預定位置處。對于該配置，當給壓電元件101施加交流電壓時，同時產生沿彈性體801的長邊的第2階撓曲(flexural)振動和沿彈性體801的短邊的第I階撓曲振動，從而在突起803上激起橢圓運動。由于可移動體802被放置為與突起803壓力接觸，因此，可移動體802可通過突起803的橢圓運動被線性(linearly)驅動。S卩，突起803用作可移動體802的驅動體。圖12C是用于照相機鏡頭的自動聚焦的棒形振動型致動器的分解透視圖。振動型致動器包括振動部件501和可移動體802。振動部件501包含第一彈性體801a、撓性(flexible)印刷板804和第二彈性體801b，這里，第一彈性體801a兼有摩擦材料，撓性印刷板804用于給用作機電能量轉換元件的壓電元件101供電。這些部件被夾在軸805的鄰接凸緣(abut flange) 805a與適配(fit)在軸805下部中的螺紋部分805b之上的下螺母806之間?？梢苿芋w802包含粘附地固定于轉子808的接觸彈簧807。因此，通過輸出齒輪810和按壓彈簧811，將可移動體802放置為與振動部件501的摩擦表面812壓力接觸，這里，輸出齒輪810被凸緣809的軸承可旋轉地支撐?？梢苿芋w802的接觸彈簧807的下端面用作可移動體的摩擦表面，并且與振動部件的第一彈性體的摩擦表面812鄰接。經由撓性印刷板804從電源(未示出)給壓電元件101施加交流電壓。因此，在第一彈性體801a的摩擦表面上，激起兩個正交方向上的第I階彎曲振動。當振動以η /2的時間相位差重疊時，可在摩擦表面812上產生旋轉橢圓運動。 這相對于振動部件501移動被放置為與摩擦表面壓力接觸的接觸彈簧807。雖然已參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但要理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實施例。以下的權利要求的范圍要被賦予最寬的解釋，以包含所有這樣的修改以及等同的結構和功能。
權利要求
1.一種用于通過振動部件的振動波來驅動對象的振動裝置的驅動電路，所述振動部件包括彈性體和被供給交流電壓的機電能量轉換元件以用于產生所述振動波，其中，所述驅動電路包括 多個電感器，所述多個電感器與所述機電能量轉換元件串聯(lián)連接；以及電容器，所述電容器的一端連接在所述多個電感器之間，并且所述電容器與所述機電能量轉換元件并聯(lián)連接， 其中，所述機電能量轉換元件的靜電電容、所述多個電感器和所述電容器形成電諧振電路， 所述電諧振電路至少具有第一諧振頻率fl和第二諧振頻率f2，以及 所述第一諧振頻率fl和所述第二諧振頻率f2以及所述交流電壓的頻率fd滿足關系f I < fd < f2。
2.根據(jù)權利要求I的驅動電路，其中， 所述多個電感器具有相互不同的電感值，與所述機電能量轉換元件連接的電感器的電感值比其它電感器的電感值大。
3.根據(jù)權利要求I的驅動電路，其中， 所述電容器的電容值等于或大于所述機電能量轉換元件的靜電電容的值。
4.根據(jù)權利要求I的驅動電路，其中， 所述振動部件包括第一機電能量轉換元件、第二機電能量轉換元件、以及與所述第一機電能量轉換元件和第二機電能量轉換元件結合的所述彈性體，以及 所述第一機電能量轉換元件和第二機電能量轉換元件分別被供給不同相位的交流電壓，以在所述振動部件中同時產生不同階數(shù)的第一駐波和第二駐波。
5.根據(jù)權利要求I的驅動電路，其中， 所述振動部件包括第一機電能量轉換元件、第二機電能量轉換元件、以及與所述第一機電能量轉換元件和第二機電能量轉換元件結合的所述彈性體，以及 所述第一機電能量轉換元件和第二機電能量轉換元件分別被供給相互之間相位差為0°或180°的交流電壓，以在所述振動部件中在不同的定時能夠切換地產生不同階數(shù)的第一駐波和第二駐波。
6.根據(jù)權利要求I的驅動電路，其中， 所述彈性體是透光的光學部件。
7.根據(jù)權利要求I的驅動電路，其中， 所述對象是被所述振動波移動的粉末。
8.根據(jù)權利要求I的驅動電路，其中， 所述振動裝置是通過所述振動波移動并去除作為所述對象的外來粒子的外來粒子去除裝置。
9.根據(jù)權利要求I的驅動電路，其中， 所述振動裝置是用于通過所述振動波相對于所述振動部件移動作為所述對象的移動物的振動型致動器。
全文摘要
本發(fā)明提供用于振動裝置的驅動電路，該振動裝置使用由機電能量轉換元件產生的振動波來驅動對象。該驅動電路裝配有電諧振電路，并能夠減少給機電能量轉換元件施加的交流電壓的諧波成分。該電諧振電路包括轉換元件的靜電電容、與轉換元件串聯(lián)連接的多個電感器、以及在一端連接在該多個電感器之間并與轉換元件并聯(lián)連接的電容器。該電諧振電路具有包含第一頻率和第二頻率的至少兩個諧振頻率并滿足關系f1＜fd＜f2，這里，f1是第一頻率，f2是第二頻率，并且fd是交流電壓的頻率。
文檔編號B08B7/02GK102759842SQ201210127220
公開日2012年10月31日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權日2011年4月26日
發(fā)明者住岡潤 申請人:佳能株式會社