JP2007209179A - 振動波モーター駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、振動波モーターの速度制御には周波数制御がよく用いられているが、駆動周波数と回転速度の特性があり、減速時に低速で速度制御する場合、目標速度と実際の速度の偏差に対して補正量が小さくなり、目標速度になるのに遅れが生じる。これにより、停止する目標位置に到達したときに、十分に低速になっておらず、停止時に振動子の振幅の大きい状態で急にローターに接触するため音が発生するという問題があった。
【解決手段】 本発明では、振動波モーターの減速時に設定された速度カーブに基づき、駆動周波数を増減して制御しつつ、設定された減速開始位置と目標位置までの減速区間を複数の領域に分割し、目標位置に向かって領域ごとにパルス幅を初期の幅から段階的に減少させ最小パルス幅に到達させ、その状態を保持し、目標位置に停止させる。
【選択図】 図２

Description

本発明はで、振動波モーターを駆動する振動波モーター駆動制御装置であり、特に減速時に発生する停止音を抑制する振動波モーター駆動制御装置に関するものである。

従来、超音波で振動子を振動させ、ローターを回転させる振動波モーターが種々開発され、カメラのレンズのオートフォーカス駆動などに用いられている。

このような振動波モーターは、圧電素子により円環型または棒状型の振動子からなり、複数に分割された電極を有する圧電素子に位相が９０°ずれた2相の交流信号を与え、振動子のローター接触面に進行波を発生させることによりローターを摩擦駆動して回転させるものである。振動波モーターはトルクが大きく、減速のギアを多段に設けなくても被駆動体を駆動できるという特徴があり、ギアの歯の噛み合いによる騒音が少なくでき、静かな駆動系が実現できる。

このような振動波モーターの速度制御には、与える交流信号の駆動周波数は共振周波数付近で回転速度が一番高くなり、その周波数より高くなるに従って回転速度が遅くなる特性を利用して、目標速度と実際の速度の偏差に応じて周波数の増減を行い速度を制御する方法が用いられている。

この周波数制御の方法には種々の提案がなされている。例えば、特開平５−２６８７７７号公報には振動波モーターの減速時の速度制御において、停止位置までの減速区間を幾つかの領域に分割して、フィードバックする周波数の変化量を段階的に変化させ、停止位置に近づくほどフィードバックする周波数の変化量を大きくする方法が開示されている。これは、停止位置に近づき、振動波モーターの回転速度が遅くなると振動波モーターの駆動周波数と回転速度の特性で、駆動周波数の変化に対する回転速度の変化量は少なくなるので、正確な速度制御を実現するためにフィードバックする周波数の変化量を段階的に大きくしていくものである。

特許第３２２０９３０号公報にも正確な速度制御を実現するために目標速度と実際の速度の偏差と目標速度の比を求め、その値に基づいてフィードバックする周波数の変化量を決める制御方法が開示されている。

また、振動波モーターの速度制御の方法として、周波数制御の他にパルス幅制御という方法が提案されている。これは駆動交流信号の電圧値を変えることにより回転速度の制御をすることができ、電圧値を高くすると速度は上がり、電圧値を低くすると速度は下がることを利用したものである。実際の振動波モーターの駆動回路では、昇圧トランスが用いられ、その入力信号にはパルス信号を入力し、出力は交流信号に変換されて圧電素子に印加される。その交流信号の実効値は入力のパルス信号のパルス幅を変えることで変化させることができ、速度制御ができるので、これをパルス幅制御（PWM）と呼んでいる。

このパルス幅制御の方法については、例えば、特許第３１４０２３５号公報には周波数制御で駆動を開始し、減速や一定速度の駆動制御にはパルス幅制御に切り替えて速度制御する方法が開示されている。また、特許第３２２０９３３号公報でもパルス幅制御が有効に働く回転速度を設定し、パルス幅制御に切り替える方法が示されている。
特開平５−２６８７７７号公報 特許第３２２０９３０号公報 特許第３１４０２３５号公報 特許第３２２０９３３号公報

一般に、振動波モーターの速度制御には周波数制御がよく用いられているが、駆動周波数と回転速度の特性があり、減速時などに低速で速度制御する場合、目標速度と実際の速度の偏差に対して補正量が小さくなり、目標速度になるのに遅れが生じる。これにより、停止する目標位置に到達したときに、十分に低速になっておらず、停止時に振動子の振幅が大きい状態で急にローターに接触するため音が発生するという問題があった。

また、周波数制御とパルス幅制御を切り替えて速度制御する方法では、制御のパラメータの決定などが煩雑になるという問題点があった。

カメラのオートフォーカスやズームの駆動に使用する場合には、移動時は高速で一定速度で動き、停止時には速やかに静かに停止することが望ましく、本発明は停止時の停止音を低減するために成されたものである。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明の振動波モーター駆動制御装置において、振動波モーターの移動量を検出する移動量検出手段と、
前記移動量検出手段が出力する移動量から移動速度を算出し、目標速度との差信号に基づき、前記振動波モーターの移動速度を目標速度に制御する駆動周波数信号の周波数とパルス幅を設定し、周波数制御信号とパルス幅制御信号を出力する制御手段と、
前記制御手段により出力された駆動周波数信号の周波数とパルス幅の制御信号に対応した位相の異なる複数のパルス周波数信号を発生させる駆動パルス発生手段と、
前記駆動パルス発生手段からの複数のパルス周波数信号に基づき、駆動周波数信号を発生する増幅手段とからなり、
振動波モーターの減速時に設定された速度カーブに基づき、駆動周波数を増減する周波数制御を行い、設定された減速開始位置と目標停止位置までの減速区間を複数の領域に分割し、目標位置に向かって領域ごとにパルス幅を初期の幅から段階的に減少させ最小パルス幅に到達させ、その状態を保持し、目標位置に停止させることを特徴とする。

また、請求項２記載の発明の振動波モーター駆動制御装置は、請求項１の発明において、前記減速開始位置と目標停止位置までの減速区間でパルス幅を初期の幅から段階的に減少させる位置は、前記減速区間に対して予め設定した比率により決定することを特徴とする。

上述したように本発明の振動波モーター駆動制御装置は、複雑な制御を用いることなく、減速時にパルス幅を段階的に小さくして行くことにより速度を目標速度に遅れなく制御し、停止する目標位置に到達したときに、十分に低速で振動子の振幅も小さい状態で停止させることで、停止音を小さくすることを可能にするものである。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。

最初に、図１において本発明の振動波モーター駆動制御装置のブロック図を説明する。

１は２相の交流信号により駆動される振動波モーターで、その回転位置をモニターするエンコーダー２が設けられている。エンコーダー２は回転数検出回路３により、回転位置が検出され、システムを制御するCPU４に回転位置信号として入力される。

CPU４では、その回転位置信号から回転速度を算出し、目標速度との偏差を求めて後述する制御アルゴリズムに基づいて、振動波モーター１の駆動周波数及び駆動パルス幅を決定して、各制御信号を出力する。５は駆動パルス発生回路で、CPU４から出力される駆動周波数信号の周波数制御信号に基づき、４相のパルス信号A1、A2、B1、B2を生成する。

図４は、４相のパルス信号A1、A2、B1、B2を示すタイミングチャートで、CPU４から出力される駆動周波数信号の周期に対して４倍の周期になっている。パルス信号A1とパルス信号A２、及びパルス信号B1とパルス信号B２は180°の位相差となり、パルス信号A1とパルス信号B1の位相差は９０°となっている。

これらの４相のパルス信号A1、A2、B1、B2を基に、振動波モーター１を駆動するA相とB相の２相の交流信号を生成する。

４相のパルス信号A1、A2、B1、B2は増幅回路６に入力され、２相の交流信号に変換され、昇圧されて出力され、振動波モーター１を駆動する。

図5は増幅回路６の詳細構成を示す回路図である。５４a、５４b、５４c、５４dはスイッチング用のトランジスターで、昇圧用トランス５２，５３の一次側に接続されている。トランジスター５４a、５４bはA相交流信号を生成するもので、各々パルス信号A1、A2により順次スイッチング駆動され、昇圧用トランス５２の一次側に交互に電流が流れることになる。トランス５２の２次側にはトランス５２の昇圧率に応じた交流信号が発生して、A相の交流信号となる。同様にして、B相についても、A相に対して９０°位相がずれた交流信号が発生する。昇圧用トランスの２次側には、図中５１の振動波モーターが接続され、振動子を駆動する２相の圧電素子にA相及びB相の交流信号が印加され、振動波モーターは駆動される。

図１に戻って、CPU４から出力されるパルス幅制御信号はパルス幅設定回路７に入力され、パルス幅を変化させるパルス信号を生成し、そのパルス信号により駆動パルス発生回路５が生成する４相のパルス信号A1、A2、B1、B2のパルス幅を変更することができる。例えば、図４の４相のパルス信号A1、A2、B1、B2が点線で示されるように初期のパルス幅P0からパルス幅P1に減少させることができる。

このように駆動パルス発生回路５で４相のパルス信号A1、A2、B1、B2のパルス幅を変化させることで、増幅回路６から出力されるA相、B相交流信号の実効値を変化させることができる。

図２は本実施例の速度制御カーブを示したもので、横軸は回転位置を、縦軸は回転速度を表している。一定速度で制御された状態から減速するとき、減速時の加速度が一定となるように制御される。その一定速度の大きさに応じて目標位置に対する減速開始位置が決められる。減速開始位置から目標位置までの減速区間を位置により幾つかの領域に分割し、減速開始位置XSから段階的にパルス幅の減少を開始するパルス幅減少開始位置X１までは一定速度のときと同様のパルス幅P0で駆動を行い、パルス幅減少開始位置X１からは、X２、X３、X４、X５の位置で段階的にパルス幅をP1、P2、P3、P4、P5に減少させて行く。その際、速度制御は周波数制御のみを行っており、パルス幅でのフィードバック制御は行わない。

X５の位置以降はパルス幅の減少を停止し、最小パルス幅P5での周波数制御で停止速度を維持し、目標位置で停止させる。そのとき、減速開始位置XSは一定速度の大きさにより変化するので、パルス幅減少開始位置X１、X２、X３、X４、X５は減速区間に対して比率で位置を計算するようにする。

減速開始位置XSはパルス幅減少開始位置X１と一致させるように制御しても同様な動作が得られる。また、最小パルス幅P５は振動波モーターが途中で停止しないように余裕を見て設定するようにする。段階的にパルス幅を減少していく分割領域はここで説明するように５領域に限る必要はなく、複数の領域に分割しても良い。

図３は振動波モーターの駆動周波数−回転速度の特性を示す図で、共振周波数F0で回転速度がピークとなり、駆動周波数を高くするにつれ、回転速度が低下して行く特性がある。周波数制御による速度制御はこの特性を利用して、駆動周波数を増減して目標速度に制御するものである。一般に周波数制御では、回転速度が低速になった場合、特性カーブが平坦になってくるので、目標速度に対してずれが生じ易い。そこで、パルス幅を減少させるとこの特性カーブは図のように回転速度が下がる方にシフトする。

振動波モーターが停止速度N1になったとき、パルス幅が大では特性カーブが平坦となる駆動周波数F1で動作しており、それに対してパルス幅を減少したときには、より低い駆動周波数F2で動作するようになるので、特性カーブの傾きは平坦にはならず、十分に周波数制御が働く。それにより停止音が発生し難い停止速度にずれなく制御できるので、停止音の発生が抑制される。

図６は減速制御時の動作を示すフローチャートで、以下順に説明を行う。

減速開始前に、予め一定速度制御の大きさにより、減速に要する減速区間が決められ、減速開始位置XSは目標位置に対してどの位置になるかをCPU４で算出する。また、パルス幅を減少して行く位置X１、X２、X３、X４、X５は減速区間に対して予め減速が最適になるように比率を設定して置き、求めた減速開始位置XSに対してパルス幅減少位置を求めて置く。

振動波モーターの回転位置が減速開始位置XSに到達したことを判定してステップS１から減速制御を開始する。ステップS２ではエンコーダー２と回転数検出回路３で回転位置を検出し、CPU４に入力し、ステップS３で回転速度を演算する。

ステップS４では減速制御のループの中で、目標の停止位置に達したかどうかを判定するステップが設けられていて、到達していれば駆動信号を止め、直ちに停止する。

到達していなければ、減速カーブに従って、周波数制御で減速して行き、ステップS５でパルス幅減少位置X１、X２、X３、X４、X５に達しているかを判定する。各パルス幅減少位置に達していれば、パルス幅をその区間で決めてあるパルス幅P１、P２、P３、P４、P５ （P１＞P２＞P３＞P４＞P５）に変更する。

ステップS７では実測の回転速度が減速カーブの目標速度となっているか判定し、目標速度より大きければステップS８で周波数を決められた増分を増加させ、目標速度より小さければステップS９で周波数を決められた増分を減少させて速度を上げるように制御する。その後、ステップS２に戻り、再びエンコーダーの位置検出の工程に戻り、停止位置になるまでループを繰り返す。

減速カーブの停止位置直前では駆動信号を０にすればエンコーダーの１ステップ以内で停止できる低速な停止速度を維持して、停止精度を上げるようにしている。

以上の制御動作により、複雑な制御によらず、停止時の停止音を抑制することができる。

本発明の一実施形態の振動波モーター駆動制御装置のブロック図 本発明の一実施形態の振動波モーター駆動制御装置の速度制御カーブの説明図 振動波モーターの駆動周波数−回転速度の特性図 ４相のパルス信号A1、A2、B1、B2を示すタイミングチャート 増幅回路の詳細構成を示す回路図 本発明の一実施形態の減速制御時の動作を示すフローチャート

符号の説明

１ 振動波モーター
２ エンコーダー
３ 回転数検出回路
４ CPU
５ 駆動パルス発生回路
６ 増幅回路
７ パルス幅設定回路
５１ 振動波モーター
５２、５３ 昇圧用トランス
５４a、５４b、５４c、５４d トランジスター

Claims (2)

1. 電気−機械エネルギー変換素子に駆動周波数信号を印加することにより励振させ、駆動力を発生させる振動波モーターにおいて、
   前記振動波モーターの移動量を検出する移動量検出手段と、
   前記移動量検出手段が出力する移動量から移動速度を算出し、目標速度との差信号に基づき、前記振動波モーターの移動速度を目標速度に制御する駆動周波数信号の周波数とパルス幅を設定し、周波数制御信号とパルス幅制御信号を出力する制御手段と、
   前記制御手段により出力された駆動周波数信号の周波数とパルス幅の制御信号に対応した位相の異なる複数のパルス周波数信号を発生させる駆動パルス発生手段と、
   前記駆動パルス発生手段からの複数のパルス周波数信号に基づき、駆動周波数信号を発生する増幅手段とからなり、
   振動波モーターの減速時に設定された速度カーブに基づき、駆動周波数を増減する周波数制御を行い、設定された減速開始位置と目標停止位置までの減速区間を複数の領域に分割し、目標位置に向かって領域ごとにパルス幅を初期の幅から段階的に減少させ最小パルス幅に到達させ、その状態を保持し、目標位置に停止させることを特徴とする振動波モーター駆動制御装置。
2. 前記減速開始位置と目標停止位置までの減速区間でパルス幅を初期の幅から段階的に減少させる位置は、前記減速区間に対して予め設定した比率により決定することを特徴とする請求項１の振動波モーター駆動制御装置。

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