用于振动装置的驱动电路的制作方法

专利名称：用于振动装置的驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于振动装置的驱动电路。
背景技术：
近年来，在作为光学仪器的成像装置中，伴随光学传感器的分辨率的提高，在使用期间附着于光学系统的污物和其它外来粒子(foreign particle)已变得影响拍摄的图像。特别地，用于视频照相机和静物照相机的成像器件的分辨率已明显提高。因此，如果外部灰尘或在机械滑动表面上产生的内部磨损碎屑附着于置于成像器件附近的光学部分(诸如红外截止滤波器或光学低通滤波器)，那么，由于图像在成像器件的表面上不太模糊，因此，灰尘可能出现在拍摄的图像中。并且，复印机、传真机和其它类似 的光学仪器的成像部分通过在文档之上移动线传感器(line sensor)或移动靠近线传感器放置的文档来读取(扫描)平坦文档。在这种情况下，附着于线传感器的束入射部分的任何灰尘都可能出现在扫描的图像中。对于被设计为扫描并读取文档的传真机的读取器或在来自自动文档馈送器的传输期间读取文档的所谓的略读复印机(skim copier)的读取器，灰尘粒子可显现为在文档馈送方向上延伸(running)的连续线图像,从而大大损害图像质量。如果这种灰尘被手动擦掉，那么可以恢复图像质量，但是，对于在使用期间附着的灰尘，除在图像摄取之后进行检查以外，别无它法。外来粒子的图像将出现于其间摄取或扫描的图像中，从而需要基于软件的校正。并且,对于同时在纸介质上印出图像的复印机，需要大量的劳动来校正印出物。为了应对该问题，日本专利申请公开No. 2008-207170提出了这样的外来粒子去除装置其可通过在装配有光学部件的振动部件中激起行波而在希望的方向上移动外来粒子。图14A是示出在日本专利申请公开No. 2008-207170中公开的外来粒子去除装置的配置的示意图。在日本专利申请公开No. 2008-207170中提出的外来粒子去除装置装配有振动部件501。振动部件501被安装于成像器件503的入射侧。振动部件501包含作为弹性体的光学部件502、以及作为机电能量转换元件(electro-mechanical energy conversion element)的压电兀件 101a 和 IOlb0 压电兀件IOla和IOlb通过在一方向上偏移而被设置沿该方向布置振动部件501的面外弯曲振动的节线。给压电元件IOla和IOlb施加彼此频率等同但90°异相(out of phase)的交流电压。施加的交流电压的频率位于沿振动部件501的纵向而面外地变形的第m阶(m是自然数)振动模式的谐振频率与第(m+1)阶振动模式的谐振频率之间。在振动部件501上以相同的振幅并以相同的振动周期激起第m阶振动模式的振动和第(m+1)阶振动模式的振动，这里，第m阶振动具有谐振响应，第(m+1)阶振动具有90°时间相位差(相位相对于第m阶面外弯曲振动提前90° )。通过所述两个振动模式的振动的组合在振动部件501上产生合成振动(行波)。合成振动在希望的方向上移动振动部件501的表面上的外来粒子。图14B示出上述的外来粒子去除装置的控制装置。响应于来自成像装置的主单元(未示出)的驱动命令，控制器604向脉冲产生电路603a和603b发送作为用于交流电压信号的参数的相位信息、频率信息和脉冲宽度信息。从脉冲产生电路603输出的数字交流电压信号被输入到切换(switching)电路602a和602b,并且基于从电源电路605输出的电压而作为模拟交流电压Vi被输出。交流电压Vi被输入到驱动电路601a和601b，作为交流电压Vo被输出，并且分别被施加到安装于振动部件501中的压电元件IOla和101b。

发明内容
在上述的现有技术中，输入的交流电压Vi的电压振幅通过驱动电路601被升压到希望的电压，并经受从矩形形式到正弦波形的转换。然后，输出交流电压Vo。为了在振动部件501上激起理想的行波或驻波，希望交流电压Vo具有无谐波信号所导致的畸变的正弦波形并在使用的频带中变为恒定的电压。但是，在根据现有技术的外来粒子去除装置的驱动电路中，在给压电元件101施加的交流电压Vo中产生谐波信号。这些谐波信号影响在振动部件501上激起的振动，从而由于行波干扰导致外来粒子去除性能的劣化并由于振动振幅的增加导致光学部件502的损伤。并且，在使用的频带中，在振动部件501的谐振频率的附近，根据现有技术的外来粒子去除装置的驱动电路在给压电元件101施加的交流电压Vo中具有大的振幅变化，即，在交流电压Vo的频率特性中具有大的倾斜度。因此，如果振动部件501的谐振频率由于个体差异而变化或者在驱动期间改变，那么交流电压Vo大大波动。当交流电压变得比必要值高时，增大的电流可导致功耗的增加，并且在振动部件501上激起的增大的振动振幅可导致光学部件502的损伤。另一方面，当交流电压比需要的电压低时，在振动部件501上激起的面外弯曲振动不具有足够的振动振幅，从而导致外来粒子去除性能的劣化。图14C示出根据上述的现有技术的驱动电路601的配置。当电感器(inductor) 102如图14C所示的那样与压电元件101串联连接时,压电元件101的静电电容(electrostatic capacity)和电感器102形成LC串联谐振电路。交流电压Vi的电压振幅被LC串联谐振电路升压到希望的电压，并因此输出交流电压Vo。图15示出使用常规的驱动电路的情况下的交流电压Vo的电压振幅的频率特性。横轴代表频率(IlOkHz至140kHz)，纵轴代表电压振幅(50V至350V)。所述图代表电感器102的值从40 ii H变为90 ii H的情况下的特性。在图15中，f (m)是第m阶面外弯曲振动的谐振频率，f (m+1)是第(m+1)阶面外弯曲振动的谐振频率。给压电元件101施加的交流电压Vo的频率fd被设为f(m) < fd < f (m+1)。从图15可以看出，电感器102的电感值越大，则频率fd附近的电压振幅的波动越大。因此，常规上电压振幅的波动被设计为通过减小电感值而减小。但是，这对于交流电压提供低的升压率，并且增加谐波信号。图16示出使用常规驱动电路的情况下的交流电压Vo的电谐振对于电感值的频率变化。
横轴代表频率(120kHz至240kHz)，纵轴代表电压振幅(10V至1MV)。所述图代表电感器102的值从90 ii H变为40 ii H的情况下的特性。从图16可以看出，随着电感值减小，由于LC串联谐振导致的电谐振向高频率范围偏移。这增大图16所示的谐波频率范围中的电压振幅，从而增加输入的交流电压Vi的矩形波中包含的谐波成分。因此，在输出的交流电压Vo中，谐波重叠在驱动频率fd的基波上，从而导致输出波形的畸变。接下来将描述上述的谐波。图17示出在使用常规的驱动电路的情况下由交流电压Vo的傅立叶分析得到的基波和第3谐波(3rd harmonic wave)的电压振幅的测量数据。横轴代表交流电压Vi的脉冲占空比，纵轴代表交流电压Vo的电压振幅。从图17可以看出，当脉冲占空比为约50%和20%时，第3谐波的电压振幅具有峰值。第3谐波与基波的比率在脉冲占空比为50%时是31%，并且在脉冲占空比为20 %时是53%。当脉冲占空比小于20%时，第3谐波与基波的比率进一步增大。所述结果是实际的测量数据，并且主谐波成分是第3谐波。但是，除第3谐波以外，根据从基于脉冲占空比导出的矩形波向正弦波的傅立叶变换式，也产生了第5阶、第7阶和其它奇数阶的谐波。上述的傅立叶变换式是常用的数学表达式，因此将省略其描述。当谐波信号被施加到压电元件101时在振动部件501上激起的振动也产生谐波。这由于行波干扰导致外来粒子去除性能的劣化，并由于振动振幅的增大导致光学部件502的损伤。在控制外来粒子去除装置之外的振动装置的驱动时，出现驱动效率降低的类似问题。 鉴于以上问题，本发明提供用于振动装置的驱动电路，该驱动电路能够减少给机电能量转换元件施加的交流电压的谐波成分，提高驱动诸如外来粒子的对象的效率，即使在使用的频带中振动部件的谐振频率在驱动期间改变或变化也减少给机电能量转换元件施加的交流电压的波动，以及输出稳定的电压振幅。根据本发明的一个方面，由此提供一种用于通过振动部件的振动波来驱动对象的振动装置的驱动电路，所述振动部件包括弹性体和被供给交流电压的机电能量转换元件以用于产生所述振动波，其中，所述驱动电路包括多个电感器，所述多个电感器与所述机电能量转换元件串联连接；以及电容器，所述电容器的一端连接在所述多个电感器之间，并且所述电容器与所述机电能量转换元件并联连接，并且其中，所述机电能量转换元件的静电电容、所述多个电感器和所述电容器形成电谐振电路，所述谐振电路至少具有第一谐振频率fI和第二谐振频率f2，并且所述第一谐振频率n和所述第二谐振频率f2以及所述交流电压的频率fd满足关系fl < fd < f2。本发明可实现用于振动装置的驱动电路，该驱动电路能够减少给机电能量转换元件施加的交流电压的谐波成分，提高驱动诸如外来粒子的对象的效率，即使在使用的频带中振动部件的谐振频率在驱动期间改变或变化也减少给机电能量转换元件施加的交流电压的波动，以及输出稳定的电压振幅。从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。


图IA和图IB是示出根据本发明的振动装置的驱动电路的配置例子的示图。图2A和图2B是被配置为能够装配有可应用本发明的外来粒子去除装置的数字单镜头反射照相机(single-lens reflex camera)的透视图。图3A和图3B是示出根据本发明第一实施例的给压电元件施加的交流电压的频率、在压电元件中产生的振动的振幅以及电压波形的曲线图。图4是示出第10阶面外弯曲振动的位移(displacement)、第11阶面外弯曲振动的位移以及压电元件的布局的示图，这里振动是在根据本发明的第一和第二实施例的振动部件上激起的，并且位移导致沿纵向的面外变形。图5是示出根据本发明第一实施例的模拟结果的示图，所述模拟结果表示通过考虑了整个电路元件的变化的交流电压Vo的频率特性。图6是示出根据本发明第一实施例的驱动电路和常规驱动电路中表示交流电压Vo的频率特性的模拟结果的示图。图7A和图7B是示出根据本发明第一实施例的驱动电路和常规驱动电路中交流电压Vo的测量输出波形的示图。图8是示出根据本发明第一实施例的驱动电路和常规驱动电路中驱动频率附近的交流电压Vo的电压振幅的频率特性的示图。图9是示出根据本发明第一实施例的驱动电路和常规驱动电路中测量的外来粒子去除比率的示图。图IOA和图IOB是示出根据本发明第二实施例的在驻波驱动期间给压电元件施加的交流电压的频率、在压电元件中产生的振动的振幅和电压波形的曲线图。图11是示出根据本发明第三实施例的行波振动型致动器的控制装置的示图。图12A、图12B和图12C是示出根据本发明第三实施例的振动型致动器的应用例的示图。图13是示出根据本发明第三实施例的装配有变压器的驱动电路的配置的示图。图14A是示出装配有根据现有技术的外来粒子去除装置的照相机体的成像部分的结构的透视图，图14B是示出根据现有技术的外来粒子去除装置的控制装置的示图，图14C是示出根据现有技术的驱动电路的配置的示图。图15是示出使用根据现有技术的驱动电路的情况下交流电压Vo的电压振幅的频率特性的示图。
图16是示出使用根据现有技术的驱动电路的情况下交流电压Vo的电谐振对于电感值的频率变化的示图。图17是示出使用常规型的驱动电路的情况下由交流电压Vo的傅立叶分析得到的基波和第3谐波的电压振幅的测量数据的示图。
具体实施例方式现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。接下来，将描述根据本发明实施例的用于振动装置的驱动电路的配置例子。根据本发明，振动装置的例子包括适于相对地移动可移动体的振动型致动器以及外来粒子去除装置和粉末(powder)传输装置。即，根据本发明，被振动装置驱动的对象可以是诸如外来粒子的粉末和可移动体。[第一实施例] 在第一实施例中，将描述这样的配置例子根据本发明的用于振动装置的驱动电路作为外来粒子去除装置安装在作为光学仪器的照相机中(即，在本例子中，振动装置用作外来粒子去除装置)。顺便说一句，虽然在本实施例中描述振动装置安装在照相机中的配置例子，但是，这不是限制性的。并且，本发明可适用于设置在另一光学仪器(诸如传真机、扫描仪、投影仪、复印机、激光束打印机、喷墨打印机、镜头、双目镜或图像显示装置)中的外来粒子去除装置的驱动电路。根据本实施例的用于振动装置的驱动电路被配置为给作为机电能量转换元件的压电元件施加交流电压，在由转换元件和与转换元件接合的弹性体构成的振动部件上产生振动波,并且使用振动波驱动对象。以下将参照附图更具体地描述这一点。图2A是从被摄物(subject)侧观看的去除了摄取镜头的数字单镜头反射照相机的前透视图，这里，数字单镜头反射照相机被配置为能够并有根据本实施例的外来粒子去除装置及其驱动电路。图2B是从拍摄者侧观看的照相机的后透视图。镜箱(mirror box) 202被安装于照相机体201中。通过摄取镜头(未示出)的拍摄光通束(light flux)被引向镜箱202。主镜(快速返回镜)203被设置在镜箱202中。装配有外来粒子去除装置的成像部分被安装于通过摄取镜头(未示出)的照相机光轴上。主镜203可具有对于照相机光轴保持在45°的角度以便拍摄者通过取景器目镜204观察被摄物图像的状态、以及保持在从拍摄光通束缩回的位置处以便向成像器件引导拍摄光的状态。清洁开关205被设置在照相机的后面以使外来粒子去除装置被驱动。拍摄者可按压清洁开关205以指示控制器驱动外来粒子去除装置。根据本实施例的照相机体201的成像部分可装配有与上面在图14A中所示基本上相同配置的外来粒子去除装置，并且，将参照图14A描述外来粒子去除装置的配置。
成像器件503被安装在照相机体201的成像部分中，这里，成像器件503是适于将光学接收的被摄物图像转换成电信号并由此生成图像数据的光接收元件(诸如CCD或CMOS传感器)。并且，成形为矩形板的振动部件501以使得气密地密封成像器件503的前侧的空间的这样的方式被安装。外来粒子去除装置至少包括振动部件501。振动部件501包含光学部件502和一对压电元件IOla和101b，这里，光学部件502是成形为矩形板的弹性体，而压电元件IOla和IOlb是粘附地接合于光学部件502的相对端部的机电能量转换元件。根据本实施例，光学部件502由高透射率光学部件(诸如覆盖玻璃、红外截止滤波器或光学低通滤波器)构成，并且被配置为使得通过光学部件502的光将进入成像器件503。被设置在光学部件502的相对端部中的压电元件IOla和IOlb在厚度方向上(与 图14A中的纸面垂直的方向上)的尺寸方面等于光学部件502，以用较大的力产生振动的弯曲变形。以下，当不特别需要区分压电元件IOla和IOlb时，它们将被简称为“压电元件101”。除了驱动电路的具体配置以外，根据本实施例的外来粒子去除装置的控制装置具有与以上在图14B中示出的控制装置基本上相同的配置，并因此将参照图14B描述控制装
置的基本配置。根据本实施例，控制器604向脉冲产生电路603a和603b发送频率信息、相位信息和脉冲宽度信息作为用于交流电压信号的参数。例如，典型的数字振荡器被用作脉冲产生电路。频率设立在振动部件501上产生的两个面外弯曲振动的谐振频率之间的中间值附近，该频率相等地设定在两个脉冲产生电路603a和603b上。相互不同的相位值被输入在脉冲产生电路603a和603b中，以输出相互90°异相的交流电压信号。脉冲宽度(脉冲占空比)被适当地调整以获得希望的电压振幅，并且在脉冲产生电路603a和603b上被单独设定。从脉冲产生电路603输出的数字交流电压信号被输入到切换电路602a和602b，并且基于从电源电路605输出的电压被输出作为模拟交流电压Vi。可以使用典型的DC电源电路或DC-DC转换器电路作为电源电路。并且，典型的H桥电路可用于切换电路。交流电压Vi被输入到各自的驱动电路601a和601b，然后在它们的电压振幅被升压并被转换成正弦波形之后被输出作为交流电压Vo。交流电压Vo分别被施加到压电元件IOla和101b，从而在振动部件501上同时产生两个面外弯曲振动。所述两个面外弯曲振动的合成振动变为行波，并且在希望的方向上移动光学部件502的表面上的外来粒子。接下来，将描述如何通过根据本实施例的控制装置设定驱动频率。图3A是示出给压电元件101施加的交流电压的频率和在压电元件101中产生的振动的振幅的曲线图。
在图3A中，f (m)是第m阶面外弯曲振动的谐振频率，f (m+1)是第(m+1)阶面外弯曲振动的谐振频率。当给压电元件101施加的交流电压的频率fd被设为f(m) < fd < f (m+1)时，产生频率fd的振动，其中振幅通过第m阶面外弯曲振动的谐振和第(m+1)阶面外弯曲振动的谐振被增大。振动的时间周期相同。另一方面，给压电元件101施加的交流电压的频率fd降到f(m)之下越低，则第(m+1)阶面外弯曲振动的振幅变得越小，而频率fd升到f(m+l)之上越高，则第m阶面外弯曲振动的振幅变得越小。图4是示出第10阶面外弯曲振动的位移、第11阶面外弯曲振动的位移以及压电元件IOla和IOlb的布局的示图，这里，振动是在振动部件501上激起的，并且，位移导致沿纵向的面外变形。
横轴代表振动部件501的纵向位置,纵轴代表面外振动位移。在图4中，第10阶面外弯曲振动作为第一振动模式由波形A (实线)指示，并且，第11阶面外弯曲振动作为第二振动模式由波形B(虚线)指示。第一振动模式A和第二振动模式B是振动部件501经受向光学部件502的厚度方向的弯曲变形的面外弯曲振动模式。当分别给压电元件IOla和IOlb施加上述的交流电压Vo时，第一振动模式A和第二振动模式B的振动在振动部件501上同时产生。顺便说一句，虽然在本实施例中作为用于去除外来粒子的最小必需振动模式，使用第10阶弯曲振动模式作为第一振动模式并且使用第11阶弯曲振动模式作为第二振动模式，但是，这不是限制性的。在这种情况下，与成像器件503对应的光学有效部分是图4所示的范围。在第一振动模式A中，变形形状的左端和右端在相位上相反(具有180°的相位差)。另一方面，在第二振动模式B中，变形形状的左端和右端相互同相(具有0°的相位差)。S卩，如果给压电元件IOla和压电元件IOlb施加的交流电压的相位差被设为180°，那么只产生第一振动模式A。相反，如果相位差被设为0°，那么只产生第二振动模式B。因此，如果相位差被设为90°，那么可同时产生第一振动模式A和第二振动模式B，从而在图4中的右方向上产生合成振动的行波。图3B是示出给各自的压电元件施加以同时激起不同阶数(order)的振动模式的交流电压的例子的示图。交流电压Vol具有施加给压电元件IOla的电压波形，并且，交流电压Vo2具有施加给压电兀件IOlb的电压波形。纵轴代表电压振幅，并且横轴代表时间。交流电压Vol和Vo2被固定于上述的频率fd，并且彼此90°异相。但是，相位差不限于90°，只要交流电压具有不同的相位即可。通过外来粒子去除装置，附着于光学部件502的表面的外来粒子在被光学部件502突出于面外(thrown up out-of-plane)时通过被在与光学部件502的表面垂直的方向上作用的力轻弹(flip)而移动。S卩，在驱动频率循环期间的每个相位处，当振动部件501的合成振动位移的速度为正时，外来粒子被突出于面外，并在与该相位中的合成振动位移的方向垂直的方向上作用的力下被移动。如果重复地给附着于光学部件502的有效部分的表面的外来粒子施加振动，那么外来粒子可通过在图4中的右方向上移动而被去除。将参照图IA和图IB描述源自本发明的特征的应用的根据本实施例的驱动电路的
具体配置。图IA是示出可适用于外来粒子去除 装置的驱动电路的示图。在驱动电路的配置中，两个电感器102a和102b与压电元件101串联连接(S卩，与机电能量转换元件串联)。此外，电容器103与压电元件101并联连接，在一端被连在上述的两个电感器102a和102b之间。这些组件构成电谐振电路。电感元件(诸如线圈)可以用作电感器102a和102b。并且，电容元件(诸如膜电容器)可以用作电容器103。该配置的特征在于，通过电感器102a和102b与电容器103以及通过压电元件101的静电电容301a产生电路的两个电谐振，并且，在所述电谐振之间设立驱动频率。现在，将参照图IB描述压电元件101的等效电路。图IB通过等效电路表示压电元件101。压电元件101的等效电路包含与振动部件501的机械振动部分对应的RLC串联电路(自感Lm的等效线圈301b、静电容量(electrostatic capacitance)Cm的等效电容器301c和电阻Rm的等效电阻器301d)、以及与RLC串联电路并联连接的与压电元件101的静电电容Cd对应的电容器301a。以下将参照图IA和图IB描述设计两个电感器102a和102b与电容器103的方法。根据本实施例，电感器102a被设为135 ii H，电感器102b被设为180 y H，以及电容器103被设为17nF。这些设计值随压电元件101的静电电容Cd以及随振动部件501的谐振频率f(m)和f(m+l)改变，现在将定义它们。这里假定压电元件101的静电电容Cd为10. 78nF，f(m)为120kHz以及f (m+1)为128kHz。并且，假定驱动频率fd为123kHz。在设计的第一步骤中，确定电容器103的电容值。对于两个电感值使用适当的预设值，并且，调节电容值以获得希望的升压率。从升压率的观点，希望将电容值设为等于或大于压电元件101的静电电容Cd。电容值越大，则升压率趋于越高。顺便说一句，电容值越大，则两个电感值可被设定得越小。相反，电容值越小，则两个电感值需要被设定得越大。例如，如果电容器103被设为28nF，则电感器102a被设为95 ii H并且电感器102b被设为120 ii H。当电容值被设定时，产生两个电谐振频率第一谐振频率fl和第二谐振频率f2。接下来需要调节这些频率。
在设计的第二步骤中，确定两个电感器102a和102b的电感值。基于电谐振的频率fl和f2调节所述两个电感。电感器102a的电感值允许调节fl，电感器102b的电感值允许调节f2。如果使得电感器102b的电感值大于电感器102a的电感值，那么fl和f2可被调节到希望的频率。并且，电容器103的电容值允许fl和f2在相同的方向上偏移。上述的调节方法确定两个电感值，使得驱动频率fd将满足下式的关系。f I < fd < f2 在本实施例中，f I被设为72. 5kHz以及f2被设为165kHz。 在fl与fd之间以及在f2与fd之间提供约50kHz的差的原因是防止由电感器和电容器的变化导致的电谐振频率的波动的影响。此外，可以增大频率差，但然后，升压率趋于减小。由于fl和f2对于驱动频率fd具有大致相等的频率差，因此，可使得fd附近的电压振幅的变化平缓。图5示出根据本发明实施例的模拟结果，所述模拟结果表示通过考虑了整个电路元件的变化的交流电压Vo的频率特性。横轴代表频率(60kHz至180kHz)，纵轴代表电压振幅(10V至1MV)。假定电感器102a和102b的变化为± 20 %、电容器103的变化为± 10 %并且压电元件的静电电容Cd的变化为±10%，则使用Monte Carlo方法对均匀分布执行随机数计
笪
o从图5可以看出，f I从设计值波动±5kHz,以及f2从设计值波动± IOkHz。因此，为了防止交流电压Vo的电压振幅受波动影响，提供每个都对于fd的约50kHz的差。从图5可以看出，这允许在驱动频率fd的附近使得交流电压No的频率特性平缓。因此，即使存在振动部件501的谐振频率的变化或者在驱动期间在振动部件501的谐振频率中出现变化，施加到压电元件的交流电压的波动也小，从而使得能够输出稳定的电压振幅。图6示出在根据本实施例的驱动电路和作为比较例提供的常规驱动电路中表示交流电压Vo的频率特性的模拟结果。横轴代表频率(50kHz至400kHz)，纵轴代表电压振幅(0V至150V)。为了比较，使用图14C中的常规驱动电路获得的结果被一起示出。在图6中，现有技术I表示使用40 电感器获得的结果，并且，现有技术2表示使用60 ii H电感器获得的结果。根据本实施例的振动部件501使用两个面外弯曲振动，由此,两个谐振频率fm为f (m)和 f (m+1)。在模拟中，等效线圈301b的自感Lm被设为0.04H，并且，等效电容器301c的静电容量Cm被设为44pF。并且，f(m)被设为120kHz，f(m+l)被设为128kHz，并且，驱动频率被设为fd =123kHz。
在本发明的实施例中，电感器102a被设为135 ii H，电感器102b被设为180 y H，并且电容器103被设为17nF。从图6可以看出，根据本实施例，在与驱动频率fd的第3谐波频率对应的369kHz，电压振幅大大降低。具体而言，电压振幅为现有技术I的1/50。图7A和图7B示出根据本实施例的驱动电路和常规驱动电路中的交流电压Vo的测量输出波形。横轴代表时间，纵轴代表电压振幅。图7A表示当交流电压Vi的脉冲占空比被设为30%时获得的结果，并且比较本实 施例和现有技术I之间的波形。虽然在现有技术I的波形中正弦波形由于第3谐波的影响而畸变，但是，在本实施例中获得理想的正弦波形。图7B表示当交流电压Vi的脉冲占空比被设为10%时获得的结果。虽然现有技术I的波形由于第3谐波的影响被进一步变形，但是，本实施例示出理想的正弦波形。因此，本实施例的谐波减少效果在实验上得到确认。图8是示出根据本实施例的驱动电路和常规驱动电路中驱动频率附近的交流电压Vo的电压振幅的频率特性的示图。横轴代表频率(IOOkHz至150kHz)，纵轴代表电压振幅(0V至150V)。如图8所示，本实施例可在fd的附近以及在f(m)和f(m+l)的附近使交流电压Vo的频率特性平缓。即，尽管振动部件501的谐振频率改变，仍施加稳定的电压。例如，当谐振频率f(m+l)在驱动期间随时间下降时，交流电压的振幅在现有技术中增大，从而导致驱动电流的增大，但是本发明可使变化减小。在现有技术中，fm附近的交流电压Vo的振幅变化是由阻抗变化导致的，该阻抗变化又是由振动部件501的机械振动部分的自感Lm和静电容量Cm导致的。相比之下，通过使用两个电谐振之间的频率，本实施例可缓和振动部件501的机械振动部分中的阻抗变化。因此相信这减小了交流电压Vo的振幅变化。图9是示出根据本实施例的驱动电路和常规驱动电路中的测量的外来粒子去除比率的示图。横轴代表驱动次数，纵轴代表外来粒子去除比率。在本实施例中，如下进行测量实验用的粉末被附着于光学部件的表面，外来粒子去除装置以预定的空闲周期在相同的条件下间歇地运行，并且在各驱动之后测量光学有效部分上的粉末去除比率。去除比率的目标值被设为95%及以上，并被用作去除性能的指标。为了比较，对于用示出理想SIN波形的放大器振荡器驱动的情况以及使用根据现有技术I的驱动电路的情况两者类似地进行测量。如从图9可以看出的那样，在现有技术I中，即使在8次运行之后，去除比率仍未达到95%。相比之下，根据本实施例，在3次运行之后，去除比率超过95 %，从而表现出与放大器振荡器类似的去除性能。[第二实施例]作为第二实施例，将描述形式与第一实施例不同的用于振动装置的驱动电路的配置例子。
本实施例与第一实施例在配置方面的不同在于两个振动模式是在振动部件501上交替激起的。顺便说一句，外来粒子去除装置的驱动电路与第一实施例相同，并且，本实施例的区别之处在于设定控制装置的控制器的频率信息和相位信息的方法。以下将参照图IA和图IB描述根据本实施例的驱动电路。图IA是示出根据第二实施例的外来粒子去除装置的驱动电路的示图。在驱动电路的配置中，两个电感器102a和102b与压电元件101串联连接(即，与机电能量转换元件串联)。此外，电容器103与压电元件101并联连接，在一端被连在上述的两个电感器102a和102b之间。可以使用诸如线圈的电感元件作为电感器102a和102b。
并且，可以使用诸如膜电容器的电容元件作为电容器103。本实施例的特征在于，通过电感器102a和102b与电容器103以及通过压电元件101的静电电容301a产生电路的两个电谐振，并且，在所述电谐振之间设立驱动频率。在本实施例中，电感器102a被设为130 μ H，电感器102b被设为200 μ H，并且电容器103被设为14nF。这些设计值基于压电元件101的静电电容Cd以及振动部件501的谐振频率f(m)和f (m+1)而被确定。这里假定压电元件101的静电电容Cd为10. 78nF，f(m)为120kHz并且f (m+1)为128kHzο假定驱动频率fd在从150kHz至IOOkHz的范围中扫动，fl和f2被设定以满足下式的关系。fI < fd < f2这里，fl和f2是在根据本发明的驱动电路中产生的电路的电谐振频率。在本实施例中，电感器102a和102b与电容器103被确定，使得fl将为72. 5kHz并且f2将为165kHz。图IOA是示出给压电元件施加的交流电压的频率和在压电元件中产生的振动的振幅的曲线图。在该曲线图中，f(m)是第m阶面外弯曲振动的谐振频率，并且f(m+l)是第(m+1)阶面外弯曲振动的谐振频率。在图IOA中，f (m)出现在通过反相驱动激起的第10阶面外弯曲振动模式(基于第一驻波的振动模式)中，并且f (m+1)出现在通过同相驱动激起的第11阶面外弯曲振动模式(基于第二驻波的振动模式)中。在本实施例中，两个振动模式的驻波被交替激起，以去除附着于光学部件的表面的外来粒子。图4是示出第10阶面外弯曲振动的位移、第11阶面外弯曲振动的位移以及压电元件IOla和IOlb的布局的示图，这里，振动是在振动部件501上激起的，并且位移导致沿纵向的面外变形。横轴代表振动部件501的纵向位置，纵轴代表面外振动位移。在图4中，第10阶面外弯曲振动作为第一振动模式由波形A(实线)指示，第11阶面外弯曲振动作为第二振动模式由波形B(虚线)指示。
第一振动模式A和第二振动模式B是振动部件501经受向光学部件502的厚度方向的弯曲变形的面外弯曲振动模式。在第一振动模式A中，变形形状的左端和右端在相位上相反(具有180°的相位差)。另一方面，在第二振动模式B中，变形形状的左端和右端相互同相(具有0°的相位差)。S卩，如果给压电元件IOla和压电元件IOlb施加的交流电压的相位差被设为180°，那么在谐振状态中只激起第一振动模式A。相反，如果相位差被设为0°，那么激起第二振动模式B。图IOB是示出施加给各自的压电元件以交替激起不同阶数的两个驻波振动的交流电压的例子的示图。关于控制装置，使用参照图14B描述的控制装置。交流电压Vol具有给压电元件10Ia施加的电压波形，交流电压Vo2具有给压电元件10Ib施加的电压波形。纵轴代表电压 振幅，横轴代表时间。为了交替产生两个振动模式的振动，首先，给压电元件IOla和IOlb施加具有振动部件501的第10阶弯曲振动模式的固有频率(natural frequency)附近的频率和180°的相位差的交流电压(反相驱动)。当施加所述交流电压时，在振动部件501上激起第10阶弯曲振动模式。在第10阶弯曲振动模式被激起预定时间之后，接下来，给压电元件IOla和IOlb施加具有振动部件501的第11阶振动模式的固有频率附近的频率和0°的相位差的交流电压(同相驱动)。当施加所述交流电压时，在振动部件501上激起第11阶弯曲振动模式。当重复以上的驱动操作时,交替激起第10阶和第11阶面外弯曲振动模式的振动。在以上的驱动处理中，可取的是，如图IOB所示的那样，在各固有频率的附近从高频率侧向低频率侧逐渐扫动交流电压Vol和Vo2。如果在振动部件501的固有频率的附近设立交流电压的频率，那么可通过使用低的施加电压获得大的振幅，从而导致效率提高。以这种方式,第一振动模式的振动在振动部件501上产生时提供剥离位于第一振动模式的振动的腹点(anti-node)上的附着于光学部件502的外来粒子的功能。具体地，当比附着于光学部件502的外来粒子的附着力(adherence)高的加速度通过第一振动模式的振动被赋予外来粒子时，外来粒子从光学部件502剥离。此外，第二振动模式的振动在振动部件501上产生时提供剥离位于第一振动模式的振动的节点(node)位置附近的附着于光学部件502的外来粒子的功能。激起不同阶数的驻波的原因是，通过使两个静止波的节点位置偏移，从光学部件502消除没有振幅的位置。顺便说一句，可通过仅给压电元件IOla和IOlb中的一个施加上述的交流电压，在外来粒子去除装置的振动部件501上激起一个面外弯曲振动的驻波。[第三实施例]在第三实施例中，将描述根据本发明的用于振动装置的驱动电路被应用于振动型致动器的配置例子(即，振动装置被配置成振动型致动器的例子)。除了第一实施例和第二实施例中示出的外来粒子去除装置以外，根据本发明的驱动电路还可被广泛应用。例如，驱动电路可应用为振动型致动器的驱动电路。图11示出振动型致动器用作振动装置的情况下的控制装置。如第一实施例和第二实施例的情况中那样，控制装置至少装配有驱动电路。速度偏差检测器401接受通过速度检测器407 (诸如编码器(encoder))获得的速度信号和来自控制器(未不出)的目标速度作为输入，并且输出速度偏差信号。速度偏差信号被输入PID补偿器402中，并且作为控制信号被输出。从PID补偿器402输出的控制信号被输入驱动频率脉冲产生器403中。从驱动频率脉冲产生器403输出的驱动频率脉冲信号被输入到驱动电路404，该驱动电路404然后输出具有90°的相位差的两相交流电压。 交流电压是具有90°相位偏移的两相交流信号。从驱动电路404输出的交流电压被输入振动型致动器405的机电能量转换元件中，从而导致振动型致动器405的可移动体以恒定的速度旋转。即，本实施例中的对象是可移动体。与振动型致动器405的可移动体耦接的被驱动体406 (诸如齿轮、计量仪(scale)或轴)被旋转驱动，并且，速度检测器407检测旋转速度，并执行反馈控制以使旋转速度保持接近于目标速度。图12A至12C示出振动型致动器的应用例。根据产生的振动的类型，振动型致动器被分成驻波型和行波型。首先，将描述将根据本发明的驱动电路应用于行波振动型致动器的例子。在行波振动型致动器中，振动部件由第一机电能量转换元件、第二机电能量转换元件、以及与第一和第二机电能量转换元件结合的弹性体构成。交流电压的频率被设定，以使得在振动部件上同时产生具有不同阶数的第一驻波和第二驻波。同时，使得分别给第一和第二机电能量转换元件施加的交流电压在相位上不同。图12A是示出行波振动型致动器的透视图。振动型致动器包括振动部件501和可移动体802，这里，振动部件501由弹性体801和作为机电能量转换元件的压电元件101构成。固定于机座(housing)的弹性体801包含适于放大振动振幅并且用作可移动体802的驱动体的多个突起803。可移动体802在图12A中通过按压弹簧和盘(disk)经由橡胶被向下按压。组件是环形形状。当给压电元件101施加两相交流电压时，在振动部件501上产生行波，被放置为与振动部件501接触的可移动体802通过摩擦驱动而相对于振动部件旋转。经由滚柱轴承与机座连接的输出轴被固定于可移动体802，并适于随可移动体802的旋转而旋转。将以行波振动型致动器为例，描述根据本实施例的驱动电路。图13示出装配有变压器的根据本发明的驱动电路的配置。本振动型致动器通过施加400Vpp至500Vpp的高电压来驱动压电元件，并由此一般使用变压器来升压。
例如，如果使用绕组比为10的变压器，那么可从24V的供给电压获得480Vpp的输出。输入到驱动电路的交流电压Vi被施加到变压器701的一次线圈701a，并根据变压器701的一次线圈701a和二次线圈701b之间的绕组比被升压。两个电感器102a和102b与变压器的二次线圈701b串联连接，此外，电容器103与压电元件101并联连接。在变压器701的二次侧，包含于交流电压信号中的谐波被减少。因此，交流电压信号变为较不易受驱动频率附近的波动所影响的交流电压Vo。然后，交流电压Vo被施加到压电元件101。
这里，假定振动部件的谐振频率f(m)为45kHz，并且压电元件101的静电电容为3. 5nF。基于速度偏差信号，驱动频率fd在频率控制下被置于47kHz至50kHz的范围内。电感器102a和102b与电容器103被设定为使得在根据本发明的驱动电路中产生的电路的电谐振频率fl和f2将满足f I < fd < f2根据本发明的驱动电路使得能够大大减少给压电元件施加的交流电压Vo中的谐波，并提供较不易受驱动频率附近的波动所影响的稳定的电压振幅。这提供以下优点抑制由谐波频率导致的振动型致动器的无用振动和噪声，并且提高驱动效率和控制性能。并且，根据本发明的驱动电路可类似地被应用于驻波振动型致动器。在驻波振动型致动器中，振动部件由第一机电能量转换元件、第二机电能量转换元件、以及与第一和第二机电能量转换元件结合的弹性体构成。交流电压的频率被设定，以使得通过在第一驻波和第二驻波之间在时间上进行切换而在振动部件上产生具有不同阶数的第一驻波和第二驻波。同时，分别给第一和第二机电能量转换元件施加的交流电压被配置为相互0°或180°异相。图12B是示出驻波振动型致动器的基本配置的透视图。如图12B所示，振动型致动器的变换器包括由成形为矩形板的金属材料制成的弹性体801，并且，压电元件101与弹性体801的后侧结合。多个突起803被设置在弹性体801的顶部的预定位置处。对于该配置，当给压电元件101施加交流电压时，同时产生沿弹性体801的长边的第2阶挠曲(flexural)振动和沿弹性体801的短边的第I阶挠曲振动，从而在突起803上激起椭圆运动。由于可移动体802被放置为与突起803压力接触，因此，可移动体802可通过突起803的椭圆运动被线性(linearly)驱动。S卩，突起803用作可移动体802的驱动体。图12C是用于照相机镜头的自动聚焦的棒形振动型致动器的分解透视图。振动型致动器包括振动部件501和可移动体802。振动部件501包含第一弹性体801a、挠性(flexible)印刷板804和第二弹性体801b，这里，第一弹性体801a兼有摩擦材料，挠性印刷板804用于给用作机电能量转换元件的压电元件101供电。这些部件被夹在轴805的邻接凸缘(abut flange) 805a与适配(fit)在轴805下部中的螺纹部分805b之上的下螺母806之间。可移动体802包含粘附地固定于转子808的接触弹簧807。因此，通过输出齿轮810和按压弹簧811，将可移动体802放置为与振动部件501的摩擦表面812压力接触，这里，输出齿轮810被凸缘809的轴承可旋转地支撑。可移动体802的接触弹簧807的下端面用作可移动体的摩擦表面，并且与振动部件的第一弹性体的摩擦表面812邻接。经由挠性印刷板804从电源(未示出)给压电元件101施加交流电压。因此，在第一弹性体801a的摩擦表面上，激起两个正交方向上的第I阶弯曲振动。当振动以η /2的时间相位差重叠时，可在摩擦表面812上产生旋转椭圆运动。 这相对于振动部件501移动被放置为与摩擦表面压力接触的接触弹簧807。虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
权利要求
1.一种用于通过振动部件的振动波来驱动对象的振动装置的驱动电路，所述振动部件包括弹性体和被供给交流电压的机电能量转换元件以用于产生所述振动波，其中，所述驱动电路包括 多个电感器，所述多个电感器与所述机电能量转换元件串联连接；以及电容器，所述电容器的一端连接在所述多个电感器之间，并且所述电容器与所述机电能量转换元件并联连接， 其中，所述机电能量转换元件的静电电容、所述多个电感器和所述电容器形成电谐振电路， 所述电谐振电路至少具有第一谐振频率fl和第二谐振频率f2，以及 所述第一谐振频率fl和所述第二谐振频率f2以及所述交流电压的频率fd满足关系f I < fd < f2。
2.根据权利要求I的驱动电路，其中， 所述多个电感器具有相互不同的电感值，与所述机电能量转换元件连接的电感器的电感值比其它电感器的电感值大。
3.根据权利要求I的驱动电路，其中， 所述电容器的电容值等于或大于所述机电能量转换元件的静电电容的值。
4.根据权利要求I的驱动电路，其中， 所述振动部件包括第一机电能量转换元件、第二机电能量转换元件、以及与所述第一机电能量转换元件和第二机电能量转换元件结合的所述弹性体，以及 所述第一机电能量转换元件和第二机电能量转换元件分别被供给不同相位的交流电压，以在所述振动部件中同时产生不同阶数的第一驻波和第二驻波。
5.根据权利要求I的驱动电路，其中， 所述振动部件包括第一机电能量转换元件、第二机电能量转换元件、以及与所述第一机电能量转换元件和第二机电能量转换元件结合的所述弹性体，以及 所述第一机电能量转换元件和第二机电能量转换元件分别被供给相互之间相位差为0°或180°的交流电压，以在所述振动部件中在不同的定时能够切换地产生不同阶数的第一驻波和第二驻波。
6.根据权利要求I的驱动电路，其中， 所述弹性体是透光的光学部件。
7.根据权利要求I的驱动电路，其中， 所述对象是被所述振动波移动的粉末。
8.根据权利要求I的驱动电路，其中， 所述振动装置是通过所述振动波移动并去除作为所述对象的外来粒子的外来粒子去除装置。
9.根据权利要求I的驱动电路，其中， 所述振动装置是用于通过所述振动波相对于所述振动部件移动作为所述对象的移动物的振动型致动器。
全文摘要
本发明提供用于振动装置的驱动电路，该振动装置使用由机电能量转换元件产生的振动波来驱动对象。该驱动电路装配有电谐振电路，并能够减少给机电能量转换元件施加的交流电压的谐波成分。该电谐振电路包括转换元件的静电电容、与转换元件串联连接的多个电感器、以及在一端连接在该多个电感器之间并与转换元件并联连接的电容器。该电谐振电路具有包含第一频率和第二频率的至少两个谐振频率并满足关系f1＜fd＜f2，这里，f1是第一频率，f2是第二频率，并且fd是交流电压的频率。
文档编号B08B7/02GK102759842SQ201210127220
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者住冈润 申请人:佳能株式会社