JP2006333677A - 超音波モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動力の伝達機構などに存在するガタなどの影響を適切に除去して超音波モータの駆動を制御する超音波モータ制御装置を提供すること。
【解決手段】
超音波モータ制御装置は、超音波モータ３を駆動することにより制御対象５を動かす。まず、超音波モータ３の駆動力を伝達する機構に存在するガタを取るため、オープンループ制御によるガタ取り用駆動信号で超音波モータ３を駆動する。ガタが詰まった後、フィードバック制御による通常駆動信号を出力して制御対象５を動かす。通常駆動信号を出力しているとき、制御対象５が、ガタ取り用駆動信号で制御対象５を動かしたとしたときの速度になったことを検出したとき、そのときの通常駆動信号の値を記憶する。次にガタ取りのため超音波モータ３を駆動するとき、記憶した通常駆動信号の値をガタ取り用駆動信号の値として超音波モータ３を駆動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波モータの駆動を制御する超音波モータ制御装置に関する。

エンコーダなどの速度検出器の出力をフィードバックしながら超音波モータの駆動を制御する制御装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平２００３−３０４６９１号公報

しかし、ギヤ間のガタが開いている状態で駆動を行うと、超音波モータは、実際には動いていてもガタが詰まるまでは動いていることの検出が行えない。このため、フィードバック制御においては増速してしまい、ガタが詰まった時点では速度が出すぎて制御対象を突き飛ばして再びガタが開く。これの繰り返しとなって正常な制御が行えないというガタの影響があった。

本発明は、駆動力の伝達機構などに存在するガタなどの影響を適切に除去して超音波モータの駆動を制御する超音波モータ制御装置を提供する。

請求項１の発明は、制御対象を動かすための超音波モータの駆動を制御する超音波モータ制御装置に適用され、超音波モータを駆動するための駆動信号を出力する制御手段と、制御対象の動きを検出し、検出した制御対象の動きに関する情報を制御手段に送信する動き検出手段とを備え、制御手段は、動き検出手段から送信された制御対象の動きに関する情報を使用して、超音波モータの駆動力を制御対象に伝達する機構に存在するガタを取るために超音波モータを駆動する第１の駆動信号を出力し、制御対象を所望の速度で動かすために超音波モータを駆動する第１の駆動信号とは異なる第２の駆動信号を出力することを特徴とするものである。
請求項２の発明は、請求項１に記載の超音波モータ制御装置において、制御手段は、動き検出手段から送信された制御対象の動きに関する情報を使用したフィードバック制御により第２の駆動信号を生成して出力し、フィードバック制御はしないで第１の駆動信号を生成して出力することを特徴とするものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の超音波モータ制御装置において、制御手段は、第１の駆動信号の出力開始後動き検出手段から送信された制御対象の動きに関する情報に基づき制御対象の動きの開始を検出したとき第１の駆動信号の出力を停止し、第１の駆動信号の出力開始後所定時間経過したとき第１の駆動信号の出力を停止することを特徴とするものである。
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の超音波モータ制御装置において、制御手段は、動き検出手段から送信された制御対象の動きに関する情報に基づき制御対象の動きの速度を求め、第２の駆動信号を出力しているときに、制御対象の動きが、第１の駆動信号で超音波モータを駆動して制御対象を動かしたとしたときのガタ取り信号速度になったことを検出したとき、そのときの第２の駆動信号の値を記憶し、次にガタを取るために超音波モータを駆動するとき、記憶した第２の駆動信号の値を第１の駆動信号の値として第１の駆動信号を出力することを特徴とするものである。
請求項５の発明は、請求項４に記載の超音波モータ制御装置において、制御手段は、制御対象の動きがガタ取り信号速度になったことを検出したとき、応答遅れを考慮して応答遅れ時間前の第２の駆動信号の値を記憶することを特徴とするものである。

以上のように構成された本実施の形態の超音波モータ制御装置は、次のような効果を奏する。
請求項１の発明は、ガタを取るために超音波モータを駆動する駆動信号と、制御対象を所望の速度で動かすために超音波モータを駆動する駆動信号とを異ならせているので、ガタ取りと制御対象の通常の駆動とがそれぞれ適切に制御することができる。
請求項２の発明は、制御対象を所望の速度で動かすときにはフィードバック制御により駆動信号を生成して出力し、ガタ取りのときはフィードバック制御はしないので、通常の駆動はフィードバック制御により精度よく駆動され、ガタ取り時には超音波モータの回転速度が増速してしまうようなことがなく、ガタが詰まった時点で超音波モータの回転速度が出すぎて制御対象を突き飛ばしてしまうようなこともなくなる。
請求項４の発明は、制御対象を所望の速度で動かすために超音波モータを駆動しているときに、制御対象の動きがガタ取り信号速度になったことを検出したとき、そのときの駆動信号の値を記憶し、次にガタを取るために超音波モータを駆動するとき、記憶した駆動信号の値で超音波モータを駆動するので、超音波モータの使用環境が変化しても、超音波モータが期待以上の速度が出て制御対象を突き飛ばしたり、逆に速度が出ずガタ取り時間が長くなったり、最悪は動かないといったような問題が生じない。

図１は、本発明の一実施の形態である超音波モータ制御装置の構成図を示す。図２は、図１の超音波モータ制御装置が使用されるレンズ鏡筒１１およびカメラ本体１２を示す図である。本実施の形態の超音波モータ制御装置は、レンズ鏡筒１１内部に設けられ、オートフォーカス制御のためのレンズの駆動などに使用される。超音波モータ制御装置の電源は、カメラ本体１２から供給される。

図１において、ＭＣＵ１は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路から構成され、所定のプログラムを実行し、外部からの指示により超音波モータ３の駆動制御を行う。ＭＣＵ１は、また、エンコーダ４からの信号を受け、外部からの指示とエンコーダ４からの信号とに基づき、駆動周波数に対応したＤＡ（Digital to Analog)出力と、駆動動作の許可／禁止を示すＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。

ドライバー２は、ＭＣＵ１からＯＮ／ＯＦＦ信号とＤＡ出力を受けて、駆動信号を超音波モータ３へ出力する。電圧制御発振器（ＶＣＯ、不図示）が設けられ、電圧信号であるＤＡ出力に対応する周波数の信号を発振する。

超音波モータ３は、入力された駆動信号の駆動周波数に対応した回転数で回転を行い、不図示のギヤ列（伝達機構）を介して、制御対象５に駆動力を伝達する。なお、本実施の形態では、駆動周波数と超音波モータ３の回転数との関係は、右肩下がりの特性を示し、駆動周波数を上げることにより超音波モータ３の回転数が下がるように制御される。エンコーダ４は制御対象５の近傍に取り付けられており、制御対象５の動きを検出するものである。

ギヤ列（不図示）には機械的なガタが存在する。ギヤ間のガタが開いている状態では、超音波モータ３は、実際には動いていてもガタが詰まるまでは、エンコーダ４を介して動いていることの検出が行えない。このため、エンコーダ４からの信号をそのままフィードバックしてＤＡ出力すると、フィードバック制御においては増速してしまい、ガタが詰まった時点では速度が出すぎて制御対象を突き飛ばして再びガタが開く。これの繰り返しとなって正常な制御が行えないというガタの影響が生じる。

この影響を回避するため、本実施の形態では、超音波モータ３の駆動開始時に制御対象５を突き飛ばすことが無い程度の速度の駆動信号をオープンループ制御で出力し、ガタが詰まったことを検出すると、通常制御であるフィードバック制御に切り替え、フィードバック制御に基づいて生成された駆動信号を出力する。オープンループ制御とは、フィードバック制御でない、すなわち、フィードバックループがない制御であり、フィードフォワード制御と言ってもよい。

また、超音波モータ３は駆動周波数を変化させることで回転数を変えることが出来るものであるが、この周波数と回転数の対応関係は、周囲温度、負荷トルク、回転ムラなどの状況によって安定的ではない。このために制御対象５を突き飛ばすことが無い程度の速度でオープンループ制御を行っても、環境が変化すると、期待以上の速度が出て制御対象を突き飛ばしたり、逆に速度が出ず駆動時間が長くなったり、最悪は動かないといった問題が起こる可能性もある。

そのため、本実施の形態では、ガタ取りのための駆動周波数（ＤＡ出力）を、直前の駆動で得られたガタ取り駆動速度に対応する駆動周波数（ＤＡ出力）で常に更新し、更新した値で次の駆動のガタ取りのための駆動を行うようにしている。

図３は、ＭＣＵ１による処理のフローチャートを示す図である。カメラ本体１２の電源のオンによりスタートする処理である。ステップＳ１では、電源投入直後の初期化においてガタ取り駆動用周波数（ＤＡ出力値）に初期値をセットする。ステップＳ２では、駆動指示があるかどうかを判定し、駆動指示があった場合はステップＳ３に進み、駆動指示がない場合はステップＳ２の処理を繰り返す。

ステップＳ３では、ガタが詰まったかどうかの判定を行う。これは、エンコーダ４からの信号に基づき、制御対象５が動き出したかどうかで判別する。ガタが詰まっていない場合はステップＳ４へ、ガタが詰まった場合はステップＳ６へ進む。なお、１回の駆動においては一旦ガタが詰まった場合は、以後ガタ取り駆動は行わないように制御される。

ステップＳ４では、所定時間経過したかどうかを判定する。これは、ガタ取り駆動に制限時間を設け、何らかの異常でガタ取りが完了しない場合は通常制御に移行するためである。ステップＳ５では、ガタ取り駆動を行う。ガタが詰まるまでは設定されているガタ取り駆動用周波数（ＤＡ出力値）の駆動信号を出力する。

ステップＳ６では、通常の制御処理としてフィードバック制御を行う。ＭＣＵ１は、エンコーダ４からの信号に基づき制御対象５の速度を求め、目標とする速度に合うように超音波モータ５をフィードバック制御する。後述するステップＳ８のためにこのときの速度と駆動周波数（ＤＡ出力）を、不図示のメモリに記憶しておく。メモリは、後述する応答遅れ時間分の間データが記憶できる容量をもつ。

ステップＳ７では、エンコーダ４により検出された制御対象５の速度がガタ取り駆動速度と等しいかどうか判定する。ガタ取り駆動速度とは、ガタ取り駆動用周波数（ガタ取り信号）で超音波モータ３を駆動したとき、制御対象５がガタが取れた状態で駆動される駆動速度である。ガタ取り信号速度とも言える。制御対象５の速度は、エンコーダ４からの信号に基づきＭＣＵ１の演算により求められる。制御対象５の速度がガタ取り駆動速度と等しい場合はステップＳ８へ進み、等しくない場合はステップＳ９へ進む。

ステップＳ８では、応答遅れを考慮して応答遅れ分過去に出力した駆動周波数（ＤＡ出力値）を新たにガタ取り駆動用周波数（ＤＡ出力値）に不図示のメモリに記憶する。応答遅れ分過去に出力した駆動周波数（ＤＡ出力値）は、ステップＳ６において記憶されているメモリから取得する。ステップＳ９では、不図示の別のルーチンにより駆動終了の条件が整っている場合は、駆動を終了してステップＳ２に戻る。これにより、１回の駆動が終了する。例えば、レンズ鏡筒１１において開始したオートフォーカスが完了した場合などである。そうでない場合は、制御サイクル毎にステップＳ３に戻る。

図４は、カメラ本体１２の電源オン後、超音波モータ３の１回目の駆動の様子のグラフを示す図である。図３のフローチャートにおいて、ステップＳ１から始まり、ステップＳ９において、１回目の駆動が終了するところまでのグラフを示す図である。図４（ａ）はＭＣＵ１が出力するＯＮ／ＯＦＦ信号を示し、図４（ｂ）はＭＣＵ１が出力する超音波モータ３の駆動周波数（ＤＡ出力値）を示し、図４（ｃ）は超音波モータ３の動きすなわち回転数（回転速度）を示し、図４（ｄ）は制御対象５の駆動速度を示し、点線は制御対象５の目標速度を示し、実線はエンコーダ４により検出される制御対象５の実際の駆動速度（動き速度）を示している。

ＭＣＵ１は、ＯＮ／ＯＦＦ信号をＯＮすると同時に駆動周波数（ＤＡ出力）をガタ取り駆動として所定の値を出力して保持する（図４（ａ）、図４（ｂ）参照）。図３のステップＳ２からステップＳ３へ進んだ時に対応する。このとき応答遅れ分後に超音波モータ３が動き始め（図４（ｃ）参照）、エンコーダ４からの出力があった時点のｔ１のタイミングでフィードバック制御に切り替える（図４（ｂ）参照）。ステップＳ３からステップＳ６に進んだ時に対応する。

その後、フィードバック制御しながら、一定割合で増速して、ＴＯＰスピードに到達後はその速度を維持し、最後に一定割合で減速する動作を行う。この中で加速部分と減速部分で、制御対象５の動きの速度がガタ取り駆動速度と一致するｔ２とｔ３のところが存在する（図４（ｄ）参照）。

このｔ２とｔ３においては、図３のステップＳ７の条件を満たすので、ステップＳ８においてガタ取り駆動用周波数の更新を行う。このときに更新される周波数（ＤＡ出力値）は応答遅れ分過去の値として、図４（ｂ）に丸印で示したところの値が採用される。値の更新は、図４の中では２回行われるが、最終的にはより最新の値であるｔ３のときのものとなる。

本実施の形態では、このようにして更新されたガタ取り駆動用周波数で次の駆動におけるガタ取りの駆動を行う。図５は、超音波モータ３の複数回の駆動の様子のグラフを示す図である。４回の駆動を行っているが、最初の１回目以降はいずれも直前の駆動の減速部分で得られたガタ取り駆動用周波数（ＤＡ出力値）を用いてガタ取り駆動を行っているため、駆動毎にガタ取り駆動用周波数（ＤＡ出力値）は異なるが、モータ回転数は期待通りのガタ取り駆動速度となっている。図３で言えば、ステップＳ２からステップＳ９の処理が４回繰り返されている。

図６は、ガタ取り駆動用周波数を更新しない場合の、超音波モータ３の駆動の様子を示すグラフである。ガタ取り駆動用周波数は、初期値のままで変化させることは無いので図６（ｂ）のガタ取り駆動部分の駆動周波数は４回の駆動全て同じ出力となっている。この中で、３回目の駆動では実際のモータ回転数が期待している回転数の半分(図６（ｃ）参照)だったためガタ取り駆動の時間がかかっている。また、４回目の駆動では逆に実際のモータ回転数が期待している回転数以上出てしまった(図６（ｃ）参照)ことにより制御対象を突き飛ばしてしまうため制御対象速度に乱れが生じている（図６（ｄ）参照）。

以上のように構成された本実施の形態の超音波モータ制御装置は、次のような効果を奏する。
（１）ガタ取り用の駆動信号と通常の駆動信号とを異ならせているので、ガタ取りと制御対象５の通常の駆動とがそれぞれ適切に制御することができる。
（２）通常の駆動信号はフィードバック制御により生成して出力しているが、ガタ取り用の駆動信号はオープンループ制御で生成して出力している。その結果、通常の駆動はフィードバック制御により精度よく駆動され、ガタ取り時には超音波モータ３の回転速度が増速してしまうことがなく、ガタが詰まった時点で超音波モータ３の回転速度が出すぎて制御対象５を突き飛ばしてしまうようなこともなくなる。
（３）ガタ取りのためにガタ取り用駆動信号を出力開始した後所定時間を経過したとき、ガタ取り用駆動信号を停止する。これにより、ガタ取り時に何らかの異常が発生し、ガタ取り処理が永遠に終わらないとういうことを防ぐことができる。
（４）前回の通常駆動時に制御対象５がガタ取り駆動速度になったときの、駆動信号の値（駆動周波数、ＤＡ出力値）を記憶し、次のガタ取り駆動のときの駆動信号に使用するようにしている。これにより、ガタ取り駆動がオープンループ制御でも期待通りの駆動速度が得られてガタの影響を回避することが可能となる。超音波モータ３の駆動周波数と回転数の対応関係は、周囲温度、負荷トルク、回転ムラなどの状況によって安定的ではない。しかし、上記のような制御により、たとえ超音波モータの使用環境が変化しても、期待以上の速度が出て制御対象を突き飛ばしたり、逆に速度が出ず駆動時間が長くなったり、最悪は動かないといったような問題が起こることもない。
（５）前回の通常駆動時に制御対象５がガタ取り駆動速度になったときの駆動信号の値（駆動周波数、ＤＡ出力値）を記憶するとき、応答遅れ時間を考慮し応答遅れ時間分前の駆動信号の値を記憶し使用するようにしている。これにより、より正確なガタ取り駆動信号でガタ取り処理を行うことができる。
（６）本実施の形態の超音波モータ制御装置はカメラのレンズ鏡筒に使用されている。例えば、一眼レフカメラで超音波モータを使用している交換レンズを考えた場合、ＡＦの駆動時間にバラツキが出たり、突き飛ばしが起きたときに作動感として振動が感じられたり、ピント精度の悪化やハンチングといった等の不具合を回避することができる。

上記実施の形態では、超音波モータ制御装置をカメラのレンズ鏡筒に利用する例で説明をしたが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。超音波モータが利用されるあらゆる応用において、本発明の超音波モータ制御装置を適用することができる。また、超音波モータは、回転型超音波モータであってもリニア型超音波モータであってもよい。さらに、超音波モータは、振動アクチュエータなどと呼ぶものも含む概念である。

上記実施の形態では、制御対象５の動きや速度を検出するためにエンコーダ４を利用する例で説明をしたが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。制御対象５の動きや速度が検出できるものであればどのようなものでもよい。

上記実施の形態では、ギヤ列に存在するガタを取る例で説明をしたが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。超音波モータ３からギヤ列への接続機構やギヤ列から制御対象５への接続機構などにもガタが存在する。ガタ取り駆動によりこのようなガタも除去される。すなわち、超音波モータ３の駆動力を制御対象５に伝達する機構全体に存在するガタを取るために、本発明は適用される。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

本発明の一実施の形態である超音波モータ制御装置の構成図を示す。 超音波モータ制御装置が使用されるレンズ鏡筒１１およびカメラ本体１２を示す図である。 ＭＣＵ１による処理のフローチャートを示す図である。 超音波モータ３の１回目の駆動の様子のグラフを示す図である。 超音波モータ３の複数回の駆動の様子のグラフを示す図である。 ガタ取り駆動用周波数を更新しない場合の、超音波モータ３の駆動の様子を示すグラフである。

符号の説明

１ ＭＣＵ
２ ドライバー
３ 超音波モータ
４ エンコーダ
５ 制御対象

Claims (5)

1. 制御対象を動かすための超音波モータの駆動を制御する超音波モータ制御装置であって、
   前記超音波モータを駆動するための駆動信号を出力する制御手段と、
   前記制御対象の動きを検出し、検出した前記制御対象の動きに関する情報を前記制御手段に送信する動き検出手段とを備え、
   前記制御手段は、前記動き検出手段から送信された前記制御対象の動きに関する情報を使用して、前記超音波モータの駆動力を前記制御対象に伝達する機構に存在するガタを取るために前記超音波モータを駆動する第１の駆動信号を出力し、前記制御対象を所望の速度で動かすために前記超音波モータを駆動する前記第１の駆動信号とは異なる第２の駆動信号を出力することを特徴とする超音波モータ制御装置。
2. 請求項１に記載の超音波モータ制御装置において、
   前記制御手段は、前記動き検出手段から送信された前記制御対象の動きに関する情報を使用したフィードバック制御により前記第２の駆動信号を生成して出力し、前記フィードバック制御はしないで前記第１の駆動信号を生成して出力することを特徴とする超音波モータ制御装置。
3. 請求項１または２に記載の超音波モータ制御装置において、
   前記制御手段は、前記第１の駆動信号の出力開始後前記動き検出手段から送信された前記制御対象の動きに関する情報に基づき前記制御対象の動きの開始を検出したとき前記第１の駆動信号の出力を停止し、前記第１の駆動信号の出力開始後所定時間経過したとき前記第１の駆動信号の出力を停止することを特徴とする超音波モータ制御装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の超音波モータ制御装置において、
   前記制御手段は、
   前記動き検出手段から送信された前記制御対象の動きに関する情報に基づき前記制御対象の動きの速度を求め、
   前記第２の駆動信号を出力しているときに、前記制御対象の動きが、前記第１の駆動信号で前記超音波モータを駆動して前記制御対象を動かしたとしたときのガタ取り信号速度になったことを検出したとき、そのときの前記第２の駆動信号の値を記憶し、
   次に前記ガタを取るために前記超音波モータを駆動するとき、前記記憶した第２の駆動信号の値を前記第１の駆動信号の値として前記第１の駆動信号を出力することを特徴とする超音波モータ制御装置。
5. 請求項４に記載の超音波モータ制御装置において、
   前記制御手段は、前記制御対象の動きが前記ガタ取り信号速度になったことを検出したとき、応答遅れを考慮して応答遅れ時間前の前記第２の駆動信号の値を記憶することを特徴とする超音波モータ制御装置。

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