CN111740640B

CN111740640B - 压电驱动装置的控制方法以及压电驱动装置

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Publication number: CN111740640B
Application number: CN202010213136.6A
Authority: CN
Inventors: 村上诚
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: JP2020162237A; US20200313574A1; US11527970B2; CN111740640A; JP7263874B2

Abstract

本申请公开了压电驱动装置的控制方法以及压电驱动装置，能够发挥优异的停止位置精度。压电驱动装置的控制方法的特征在于，所述压电驱动装置的控制方法具有：振动体，具备压电元件，通过对所述压电元件施加驱动信号而振动；被驱动部，通过所述振动体的振动而移动；以及驱动信号生成部，基于脉冲信号来生成所述驱动信号，在停止所述被驱动部的驱动时，是在所述被驱动部的驱动速度为基准速度时停止对所述压电元件施加所述驱动信号的。

Description

压电驱动装置的控制方法以及压电驱动装置

技术领域

本发明涉及压电驱动装置的控制方法以及压电驱动装置。

背景技术

例如，在专利文献1中，作为使超声波电机停止时的控制方法，记载了一种如果靠近停止位置就使超声波电机的驱动速度减少而在停止位置停止超声波电机的方法。另外，驱动速度的控制通过变更驱动脉冲信号的占空比(duty)来进行，随着占空比从50％接近0％，驱动速度降低。

专利文献1：日本特开2010-183816号公报。

发明内容

这样，在专利文献1的超声波电机的控制方法中，通过变更驱动脉冲信号的占空比来控制驱动速度，但是若驱动脉冲信号的占空比接近0％则驱动信号的波形变形。因此，在低速区域，对超声波电机进行高精度控制是困难的。因此，存在难以发挥高的停止位置精度这一技术问题。

本发明的压电驱动装置的控制方法的特征在于，所述压电驱动装置的控制方法具有：振动体，具备压电元件，通过对所述压电元件施加驱动信号而振动；被驱动部，通过所述振动体的振动而移动；以及驱动信号生成部，基于脉冲信号来生成所述驱动信号，在停止所述被驱动部的驱动时，是在所述被驱动部的驱动速度为基准速度时停止对所述压电元件施加所述驱动信号的。

附图说明

图1是表示本发明的优选实施方式涉及的压电驱动装置的俯视图。

图2是说明压电致动器的驱动的俯视图。

图3是说明压电致动器的驱动的俯视图。

图4是表示施加于压电致动器的驱动信号的图。

图5是表示控制装置的电路结构的框图。

图6是用于说明控制装置的控制方法的图表。

图7是用于说明控制装置的控制方法的图表。

附图标记说明

1…压电驱动装置；2…转子；21…外周面；22…上表面；3…驱动部；4…压电致动器；41…振动体；42…支承部；43…连接部；44…凸部；5…施力部件；6A～6G…压电元件；7…控制装置；71…第一驱动信号生成电路；711…第一PWM波形生成部；712…第一驱动信号生成部；72…第二驱动信号生成电路；721…第二PWM波形生成部；722…第二驱动信号生成部；73…第三驱动信号生成电路；731…第三PWM波形生成部；732…第三驱动信号生成部；74…位置偏差检测电路；75…电压差检测电路；9…编码器；91…标尺；92…光学元件；921…发光元件；922…受光元件；A1、A2、B1、B2…箭头；CP…基准时钟脉冲；D1…目标位置；D2…当前位置；Da…基准移动量；G…误差；L1、L2…直线；O…中心轴；P1、P2、P3…脉冲信号；Smax…最大速度；Smin…最低驱动速度；Ss…停止时速度；Td…维持时间；Ts…时刻；V1、V2、V3…驱动信号；Vm…目标拾取电压值；Vpu…拾取电压；Wmin…最低振幅；Ws…停止时振幅。

具体实施方式

下面，基于附图所示的优选实施方式详细地说明本发明的压电驱动装置的控制方法以及压电驱动装置。

图1是表示本发明的优选实施方式涉及的压电驱动装置的俯视图。图2以及图3是说明压电致动器的驱动的俯视图。图4是表示施加于压电致动器的驱动信号的图。图5是表示控制装置的电路结构的框图。图6以及图7是用于说明控制装置的控制方法的图表。

此外，在图1至图3中，为了便于说明，以相互正交的三个轴为X轴、Y轴以及Z轴，将沿着X轴的方向称为X轴方向，将沿着Y轴的方向称为Y轴方向，将沿着Z轴的方向称为Z轴方向。另外，将各轴的箭头侧称为“正侧”，将箭头的反向侧称为“负侧”。另外，将X轴方向正侧称为“上”或者“上侧”，将X轴方向负侧称为“下”或者“下侧”。

图1所示的压电驱动装置1具有：圆盘状的转子2，为能够绕其中心轴O旋转的被驱动部；以及驱动部3，抵接于转子2的外周面21，使转子2绕中心轴O旋转。另外，驱动部3具有：压电致动器4；施力部件5，对压电致动器4朝向转子2施力；以及控制装置7，控制压电致动器4的驱动。在这种压电驱动装置1中，若压电致动器4弯曲振动，则该振动传递至转子2，转子2绕中心轴O旋转。

此外，作为压电驱动装置1的结构不限定于图1的结构。例如，也可以沿着转子2的周向配置多个驱动部3，通过多个驱动部3的驱动而使转子2旋转。另外，驱动部3也可以不抵接于转子2的外周面21，而是抵接于作为转子2的主面的上表面22。另外，被驱动部不限定于转子2这样的旋转体，例如，也可以是进行直线移动的滑块。

另外，压电驱动装置1具有配置于转子2的编码器9，能够通过编码器9来检测转子2的举动，特别是旋转量以及角速度。作为编码器9无特别限定，例如可以是在转子2旋转时检测该旋转量的增量式编码器，也可以是与转子2的旋转的有无无关地检测相对于转子2的原点的绝对位置的绝对式编码器。

编码器9具有固定于转子2的上表面22的标尺91以及与标尺91在其上表面侧对置的光学元件92。标尺91呈圆板状，设置有未图示的图案。另一方面，光学元件92具有朝向标尺91的图案照射光的发光元件921以及接受由标尺91反射后的光的受光元件922。在这种结构的编码器9中，能够基于受光元件922的受光结果来检测转子2的旋转量、驱动速度、绝对位置等。但是，作为编码器9的结构不限定于上述的结构。例如，也可以通过使用拍摄元件的模板匹配来检测转子2的旋转量、驱动速度、绝对位置等。

如图1所示，压电致动器4具有：振动体41；支承部42，支承振动体41；连接部43，连接振动体41与支承部42；以及凸部44，连接于振动体41，将振动体41的振动传递至转子2。

振动体41呈以X轴方向为厚度方向且在包含Y轴以及Z轴的Y-Z平面上扩展的板状，并且通过在Y轴方向上伸缩的同时在Z轴方向上弯曲，如图2以及图3所示S字状地弯曲振动。另外，振动体41为从X轴方向的俯视观察时以伸缩方向即Y轴方向为长度方向的长条形状。但是，作为振动体41的形状，只要能够发挥其功能，则无特别的限定。

如图2以及图3所示，振动体41具有：使振动体41弯曲振动的驱动用的压电元件6A～6E以及用于检测振动体41的振动的检测用的压电元件6F、6G。

压电元件6A～6E分别通过通电而在振动体41的长度方向即Y轴方向上伸缩。另外，压电元件6F、6G受到与随着压电元件6A～6E的驱动产生的振动体41的振动相应的外力，并且输出与受到的外力相应的信号。因此，能够基于从压电元件6F、6G输出的信号来检测振动体41的振动状态。

例如，若将图4所示的驱动信号V1施加于压电元件6A、6E，将驱动信号V2施加于压电元件6C，将驱动信号V3施加于压电元件6B、6D，则如图2所示，振动体41在Y轴方向上伸缩振动并且在Z轴方向上S字状地弯曲振动，这些振动被合成而使凸部44的前端如箭头A1所示进行椭圆运动。然后，转子2通过凸部44的椭圆运动被送出，转子2沿箭头B1方向旋转。另一方面，若切换驱动信号V1、V3的波形，则如图3所示，振动体41在Y轴方向上伸缩振动并且在Z轴方向上S字状地弯曲振动，这些振动被合成而使凸部44如箭头A2所示进行椭圆运动。然后，转子2通过凸部44的椭圆运动被送出，转子2沿箭头B2方向旋转。另外，如图4所示，与这种振动体41的振动相对应地从压电元件6F、6G输出拾取电压Vpu。

在这种结构的压电致动器4中，凸部44通过压电元件6A、6B、6D、6E的伸缩而在Z轴方向上弯曲振动，将转子2向箭头B1或者箭头B2的方向送出。因此，能够通过控制施加于压电元件6A、6B、6D、6E的驱动信号V1、V3的振幅而控制凸部44在Z轴方向的振幅来控制转子2的驱动速度即角速度。即，随着增大驱动信号V1、V3的振幅，凸部44在Z轴方向的振幅变大，转子2的驱动速度増加。

控制装置7控制压电致动器4的驱动。控制装置7例如由计算机构成，具有处理信息的处理器(CPU)、与处理器以能够通信的方式连接的存储器以及外部接口。存储器中保存能够通过处理器执行的各种程序，处理器能够读取并执行存储器所存储的各种程序等。

另外，如图5所示，控制装置7具有：第一驱动信号生成电路71，生成驱动信号V1；第二驱动信号生成电路72，生成驱动信号V2；以及第三驱动信号生成电路73，生成驱动信号V3。

另外，第一驱动信号生成电路71具有：第一PWM波形生成部711，生成脉冲信号P1；以及第一驱动信号生成部712，根据第一PWM波形生成部711所生成的脉冲信号P1生成驱动信号V1。同样地，第二驱动信号生成电路72具有：第二PWM波形生成部721，生成脉冲信号P2；以及第二驱动信号生成部722，根据第二PWM波形生成部721所生成的脉冲信号P2生成驱动信号V2。同样地，第三驱动信号生成电路73具有：第三PWM波形生成部731，生成脉冲信号P3；以及驱动信号生成部732，根据第三PWM波形生成部731所生成的脉冲信号P3生成驱动信号V3。此外，上述“PWM”为“Pulse Width Modulation”(脉冲宽度调制)的简称。

另外，控制装置7具有位置偏差检测电路74，该位置偏差检测电路74检测从未图示的主机接收的转子2的目标位置D1与从编码器9得到的转子2的当前位置D2的差ΔD。然后，控制装置7基于差ΔD来控制第一、第三PWM波形生成部711、731所生成的脉冲信号P1、P3的占空比。另外，控制装置7具有电压差检测电路75，该电压差检测电路75检测从未图示的主机接收的目标拾取电压值Vm与从压电元件6F、6G输出的拾取电压Vpu的差ΔV。然后，控制装置7控制第二PWM波形生成部721所生成的脉冲信号P2的占空比，以使差ΔV为0。

占空比是脉冲宽度的L与H之比，能够在0％～50％的范围内变更。脉冲信号P1、P2、P3的占空比越接近0％，第一、第二、第三驱动信号生成部712、722、732所生成的驱动信号V1、V2、V3的振幅越小，相反，脉冲信号P1、P2、P3的占空比越接近50％，第一、第二、第三驱动信号生成部712、722、732所生成的驱动信号V1、V2、V3的振幅越大。因此，越使脉冲信号P1、P3的占空比接近0％，转子2的驱动速度越慢，相反，越使脉冲信号P1的占空比接近50％，转子2的驱动速度越快。

此外，在脉冲信号P1、P2、P3的占空比接近0％的情况下，由于电路内的布线电阻等，有时第一、第二、第三PWM波形生成部711、721、731所生成的脉冲信号P1、P2、P3的波形从理想的矩形波变形，由此，第一、第二、第三驱动信号生成部712、722、732所生成的驱动信号V1、V2、V3的波形也从理想的正弦波形变形。因此，在小振幅的驱动信号V1、V2、V3中，压电致动器4的驱动控制变得不稳定。

因此，控制装置7对驱动信号V1、V2、V3，尤其是对其中控制转子2的驱动速度的驱动信号V1、V3不使用小振幅。具体而言，如图6所示，在控制装置7中，设定最低振幅Wmin，若小于最低振幅Wmin则驱动信号V1、V3的波形变形达到无法允许的大小，在停止转子2的驱动时，以驱动信号V1、V3的振幅不小于最低振幅Wmin的方式控制脉冲信号P1、P3的占空比。换言之，在控制装置7中，设定驱动信号V1、V3的波形变形达到无法允许的大小的转子2的最低驱动速度Smin，在停止转子2的驱动时，以转子2的驱动速度不小于等于最低驱动速度Smin的方式控制脉冲信号P1、P3的占空比。由此，压电致动器4的驱动控制稳定。此外，最低振幅Wmin(最低驱动速度Smin)能够基于压电驱动装置1所要求的精度来适当设定。

而且，在控制装置7中，停止时振幅Ws被设定为使转子2的驱动停止时的驱动信号V1、V3的振幅。并且，控制装置7在停止转子2的驱动时，在将驱动信号V1、V3的振幅作为停止时振幅Ws的状态下，停止对压电致动器4施加驱动信号V1、V2、V3。停止时振幅Ws只要在最低振幅Wmin以上即可，即Ws≥Wmin即可。换言之，在控制装置7中，停止时速度Ss被设定为使转子2的驱动停止时的转子2的驱动速度。该停止时速度Ss为基准速度。并且，控制装置7在停止转子2的驱动时，在将转子2的驱动速度作为停止时速度Ss的状态下，停止对压电致动器4施加驱动信号V1、V2、V3。停止时速度Ss只要在最低驱动速度Smin以上即可，即Ss≥Smin即可。此外，在本实施方式中，Ws＝Wmin，Ss＝Smin。

在此，如图6所示，即使停止了对压电致动器4施加驱动信号V1、V2、V3，转子2也会由于振动体41的残留振动、惯性而不能立即停止，在停止施加后以短暂期间继续移动。因此，在控制装置7中，在驱动信号V1、V3的振幅为停止时振幅Ws的状态下从停止对压电致动器4施加驱动信号V1、V2、V3起到转子2实际停止为止的转子2的多余移动量被设定为基准移动量Da。并且，当由位置偏差检测电路74所检测的差ΔD即目标位置D1与当前位置D2的差为基准移动量Da时，控制装置7停止对压电致动器4施加驱动信号V1、V2、V3。由此，能够通过施加停止后的多余移动而使转子2在目标位置D1停止。

此外，“当差ΔD成为基准移动量Da时”例如是指以下内容。例如，位置偏差检测电路74以从未图示的振荡器输出的基准时钟脉冲CP的频率间隔反复检测差ΔD。因此，将在位置偏差检测电路74中初次检测到差ΔD成为基准移动量Da以下的时刻称为“差ΔD成为基准移动量Da时”。

此外，由于压电驱动装置1的各部的消耗，特别是转子2的外周面21或凸部44的磨损，基准移动量Da存在发生变动的可能性。因此，控制装置7可以根据编码器9的输出来检测转子2的实际的多余移动量并将该值作为新的基准移动量Da，也可以基于该值来校正基准移动量Da。由此，能够按照随时间推移而发生变化的压电驱动装置1的状态来校正、更新基准移动量Da。因此，能够长时间维持转子2的优异的停止位置精度。

另外，控制装置7在使转子2的驱动停止时将驱动信号V1、V3的振幅为停止时振幅Ws的状态维持一定时间以上。因此，在控制装置7中，维持时间Td被设定为所述一定时间。并且，在停止转子2的驱动时，从将驱动信号V1、V3的振幅设为停止时振幅Ws起将该状态维持维持时间Td以上后，控制装置7停止对压电致动器4施加驱动信号V1、V2、V3。换言之，控制装置7在使转子2的驱动停止时将转子2的驱动速度被设为停止时速度Ss的状态维持一定时间以上。因此，在控制装置7中，维持时间Td被设定为所述一定时间。并且，在停止转子2的驱动时，从将转子2的驱动速度设为停止时速度Ss起将该状态维持维持时间Td以上后，控制装置7停止对压电致动器4施加驱动信号V1、V2、V3。由此，能够在驱动稳定的状态下停止转子2的驱动，因此转子2的多余移动量不易偏离基准移动量Da。因此，能够更高精度地控制转子2的停止位置。

此外，作为维持时间Td无特别限定，根据压电驱动装置1所要求的精度而不同，例如，能够设为1/1000秒～1/100秒左右。由此，维持时间Td为充分短的时间并且为足够使转子2的驱动稳定的时间，因此能够充分地抑制转子2的移动所花费的总时间变长，并且能够充分地提高转子2的停止位置精度。

即，控制装置7基于根据差ΔD求出的转子2的移动速度等来求出差ΔD成为基准移动量Da的时刻Ts，在比求出的时刻Ts早维持时间Td以上的时候将驱动信号V1、V3的振幅设为停止时振幅Ws(将转子2的驱动速度设为停止时速度Ss)。

另外，如图6所示，在将停止时振幅Ws维持维持时间Td以上之前，控制装置7将比停止时振幅Ws大的振幅的驱动信号V1、V3施加于压电致动器4。换言之，以比停止时速度Ss快的速度驱动转子2之后，再使转子2减速至停止时速度Ss。由此，能够使转子2在更短时间内移动至目标位置D1。

在此，如前所述，位置偏差检测电路74以基准时钟脉冲CP的频率间隔连续检测差ΔD。因此，如图7所示，根据基准时钟脉冲CP的定时，转子2的停止位置有可能会产生误差G。即，图7所示的线L1、L2均在第n次的基准时钟脉冲CP的定时时检测到了“差ΔD成为基准移动量Da”，但是在直线L1中检测到时的ΔD与基准移动量Da相等，因此转子2的停止位置为目标位置D1。另一方面，在直线L2中，检测到时的ΔD比基准移动量Da小，因此转子2的停止位置从目标位置D1偏离误差G。

因此，控制装置7控制差ΔD＝基准移动量Da的定时前的转子2的驱动速度，使得位置偏差检测电路74能够在差ΔD＝基准移动量Da的定时时检测差ΔD。由此，实质上没有误差G，转子2的停止位置精度进一步得到提高。作为这样的方法无特别限定，但是例如可以在图6所示的例子时，通过调整将转子2从最大速度Smax开始降低至停止时速度Ss时的减速度、即将驱动信号V1、V3从最大振幅Wmax开始降低至停止时振幅Ws时的减速度，位置偏差检测电路74能够在差ΔD＝基准移动量Da的定时检测差ΔD。另外，通过在维持时间Td中微调整转子2的驱动速度，位置偏差检测电路74能够在差ΔD＝基准移动量Da的定时时检测差ΔD。

以上，对压电驱动装置1及其控制方法进行说明。如前所述，这样的压电驱动装置1的控制方法中，压电驱动装置1具有：振动体41，具备压电元件6A～6E，通过将驱动信号V1、V2、V3施加于压电元件6A～6E而振动；转子2，为通过振动体41的振动而移动的被驱动部；以及第一、第二、第三驱动信号生成电路71、72、73，为基于脉冲信号P1、P2、P3来生成驱动信号V1、V2、V3的驱动信号生成部，在停止转子2的驱动时，是在转子2的驱动速度为作为基准速度的停止时速度Ss时停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3的。

这样，如果在预先确定的停止时速度Ss时，停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3，就能够预先掌握从该停止时起到转子2实际停止为止的转子2的多余移动量。因此，如果考虑多余移动量而停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3，就能够使转子2在目标位置停止。特别是通过将停止时速度Ss设定为足够高的速度，不再需要使用波形发生了变形的驱动信号V1、V2、V3，转子2的停止位置精度进一步得到提高。

另外，如前所述，在压电驱动装置1的控制方法中，当将转子2的目标位置D1与当前位置D2的差设为差ΔD时，基于差ΔD来停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3。即，考虑转子2的多余移动量而控制停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3的定时。由此，能够使转子2停止在目标位置。

另外，如前所述，在压电驱动装置1的控制方法中，将从停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3起到转子2停止为止转子2所移动的距离设为基准移动量Da时，在最先检测到ΔD≤Da的阶段，停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3。由此，ΔD与Da的误差变小，相应地，转子2的停止位置精度得到提高。

另外，如前所述，在压电驱动装置1的控制方法中，控制差ΔD的检测定时以便能够在差ΔD＝基准移动量Da时检测差ΔD。由此，实质上没有ΔD与Da的误差，转子2的停止位置精度进一步得到提高。

另外，如前所述，在压电驱动装置1的控制方法中，通过变更停止时速度Ss来控制差ΔD的检测定时。由此，能够以比较简单的方法控制差ΔD的检测定时。

另外，如前所述，在压电驱动装置1的控制方法中，在将转子2的驱动速度以停止时速度Ss维持作为基准时间的维持时间Td后，停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3。由此，施加即将停止时的转子2的状态稳定，相应地，转子2的停止位置精度得到提高。

另外，如前所述，在压电驱动装置1的控制方法中，以比停止时速度Ss快的速度驱动转子2之后，再使转子2减速至停止时速度Ss。由此，能够使转子2以更短时间移动至目标位置。

另外，如前所述，压电驱动装置1具有：振动体41，具备压电元件6A～6E，通过将驱动信号V1、V2、V3施加于压电元件6A～6E而振动；转子2，为通过振动体41的振动而移动的被驱动部；第一、第二、第三驱动信号生成电路71、72、73，为基于脉冲信号P1、P2、P3来生成驱动信号V1、V2、V3的驱动信号生成部；以及控制装置7，在停止转子2的驱动时，是在转子2的驱动速度为作为基准速度的停止时速度Ss时停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3的。

这样，如果在预先确定的停止时速度Ss时，停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3，就能够掌握从该停止时起到转子2实际停止为止的转子2的多余移动量。因此，如果考虑多余移动量而停止对压电元件6A～6E施加驱动信号V1、V2、V3，就能够使转子2停止在目标位置。特别是，通过将停止时速度Ss设定为充分高的速度，不再需要使用波形发生了变形的驱动信号V1、V2、V3，转子2的停止位置精度进一步得到提高。

上文中，基于图示的实施方式对本发明的压电驱动装置的控制方法以及压电驱动装置进行说明，但是本发明并不限定于此，各部分的结构能够替换为具有同样功能的任意结构。另外，也可以在本发明上附加其他任意的结构物。另外，也可以适当组合各实施方式。

Claims

1.一种压电驱动装置的控制方法，其特征在于，

所述压电驱动装置具有：

振动体，具备压电元件，通过对所述压电元件施加驱动信号而振动；

被驱动部，通过所述振动体的振动而移动；以及

驱动信号生成部，基于脉冲信号来生成所述驱动信号，

当将所述被驱动部的目标位置与当前位置的差设为差ΔD且将从停止对所述压电元件施加所述驱动信号起到所述被驱动部停止为止所述被驱动部所移动的距离设为基准移动量Da时，

所述基准移动量Da大于0，

在停止所述被驱动部的驱动时，在所述被驱动部的驱动速度为基准速度时且最先检测到ΔD≤Da的阶段，停止对所述压电元件施加所述驱动信号。

2.根据权利要求1所述的压电驱动装置的控制方法，其特征在于，

通过变更所述基准速度来控制所述差ΔD的检测定时。

3.根据权利要求1或2所述的压电驱动装置的控制方法，其特征在于，

在将所述被驱动部的驱动速度以所述基准速度维持基准时间后，停止对所述压电元件施加所述驱动信号。

4.根据权利要求1或2所述的压电驱动装置的控制方法，其特征在于，

在以比所述基准速度快的速度驱动所述被驱动部之后，使所述被驱动部减速至所述基准速度。

5.一种压电驱动装置，其特征在于，

所述压电驱动装置具有：

被驱动部，通过所述振动体的振动而移动；

驱动信号生成部，基于脉冲信号来生成所述驱动信号；以及

控制装置，在停止所述被驱动部的驱动时，是在所述被驱动部的驱动速度为基准速度时停止对所述压电元件施加所述驱动信号的，

所述基准移动量Da大于0，

所述控制装置在最先检测到ΔD≤Da的阶段，停止对所述压电元件施加所述驱动信号。