JP2008295269A - 振動型モータの駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低周波域の不要な振動を抑制し、これに伴う回転ムラを抑制することができる振動型モータの駆動制御装置を提供する。
【解決手段】振動型モータ１０の駆動制御装置は、振動型モータ１０の振動子１２の低周波域信号を検出する低周波域検出部５２と、低周波域信号とは１８０度位相の異なる逆位相信号を生成する逆相信号生成部５３とを備える。また、逆位相信号と振動型モータ１０の駆動制御電圧とを加算する加算器５５と、加算器５５により加算された信号に応じて、振動型モータ１０へ印加する信号の周波数を変える可変周波数発振器４５とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、振動型モータの駆動制御装置に関する。

振動型モータは、超音波領域周波数の機械振動を利用し、電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子に位相の異なる２相の周波電圧を印加することによって振動弾性体の表面に進行性振動波を励起する。そして、振動弾性体の表面に加圧接触する移動子を相対的に移動させ、駆動を得るものである。

図５は、周波数と振動型モータの回転数の関係を示す図である。

振動型モータは、印加する周波数が高い場合は回転が遅く、周波数を下げていくことで回転が速くなる。この特性を利用し、周波数を可変することで所望の回転速度を得ることができる。

通常、振動型モータは安定した回転速度を得るために回転数を検出するためのエンコーダ等を備え、速度フィードバック制御を行うのが一般的である（特許文献１参照）。

また、振動弾性体の振動状態を検出する手段として、積層された圧電素子の一部にセンサ層を設け、そのセンサ層の出力電圧をモニタすることにより振動弾性体の振動振幅を検出する手段がある（特許文献２参照）。

速度フィードバック制御方式としては、以下のものがある。振動型モータの回転軸上に備えたエンコーダから回転速度を検出し、目標速度とエンコーダにより検出された現在速度とを逐次比較し、目標速度との偏差を所定の演算方法により演算し、振動型モータに与える周波数を操作して速度フィードバック制御を行う。偏差の演算方法には、得られた偏差を比例倍するものや、積分するもの、微分するもの等があり、各々を目的に応じ組み合わせて使う場合が一般的である。
特開平０５−１６１３７０号公報 特開平０６−１３３５７０号公報

しかしながら、上記従来の速度フィードバック制御方式において、振動型モータの回転数制御を行った場合、主に定常状態での周波数操作の際に、不要な低周波域の振動と回転ムラが発生する。この低周波域の振動（低周波振動）は、モータ内部に備える振動子の振動検出手段により観察することができる。

本発明の目的は、低周波域の不要な振動を抑制し、これに伴う回転ムラを抑制することができる振動型モータの駆動制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の振動型モータの駆動制御装置は、振動型モータを駆動制御する振動型モータの駆動制御装置において、前記振動型モータの振動子の低周波域信号を検出する低周波域検出手段と、前記低周波域信号とは１８０度位相の異なる逆位相信号を生成する逆相信号生成手段と、前記逆位相信号と前記振動型モータの駆動制御電圧とを加算する加算手段と、前記加算手段により加算された信号に応じて、前記振動型モータへ印加する信号の周波数を変える可変周波数発振器とを備えることを特徴とする。

本発明の振動型モータの駆動制御装置の構成により、低周波域の不要な振動を抑制し、これに伴う回転ムラを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、振動型モータの構成図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は要部拡大図である。

振動型モータ１０は、超音波領域周波数の機械振動を利用し、移動子を摩擦駆動させるものである。

図１において、振動型モータ１０の圧電素子１１は、２極に分極され、かつ多重に積層され、焼成された所謂、電気−機械エネルギ変換素子である。圧電素子１１は、２つの相、Ａ相・Ｂ相が複数対、リング中心に対し放射状にほぼ等中心角を以って交互に形成されている。

振動子（振動体、弾性振動体）１２は、圧電素子１１に溶接され、圧電素子１１からの振動を増幅する。スライダ部材１３は、移動子１４に固定されており、振動子１２に加圧されている。

圧電素子１１のＡ相・Ｂ相に、互いに９０度の位相を持った２つの周波信号（周波電圧）を印加することで、圧電素子１１の電歪現象により微弱な振動が発生し、振動子１２の表面に進行波が生ずる。振動子表面の一点の動作を見ると、その点は楕円運動をしており、この摩擦力が運動対象物であるスライダ部材１３、移動子１４へと伝達され、移動子１４に固定されたシャフト１５が回転し、連続的な機械運動となる。

図２は、図１における振動子と積層された圧電素子の分解斜視図である。

振動型モータ１０の（シャフト１５の）回転時には、電極板２１―１と電極板２１−２の間に印加された周波電圧により圧電素子１１−１が振動子１２を励振する。

同様にして、電極板２１−３から圧電素子１１−２に周波電圧が印加され、振動子１２が積和的に砺振される。発生した振動は、電極板２１−４と電極板２１−１の間に配置された振動検出素子２２により電気信号として取り出される。

図３は、図２における振動検出素子から検出された信号の例を示す図である。

図３において、振動検出素子２２から出力される検出信号３１として、圧電素子１１に印加された周波電圧と略等しい周期で振動子１２の大きさに比例した電圧を出力する。検出信号３１の極値を結んだ曲線である所謂、包絡線３２は、圧電素子１１に印加された周波電圧に対して低周波の成分であり、これが振動型モータ１０の不要振動である低周波域振動源となる。

図４は、本発明の実施の形態に係る振動型モータの駆動制御装置のブロック図である。

図４において、振動型モータ１２の駆動制御装置は、ＣＰＵ４１、ホストコンピュータ４２、正転、逆転切替部４３、Ｄ／Ａ変換器４４を備える。また、振動型モータ１２の駆動制御装置は、可変周波数発振器（Voltage Controlled Oscillator以下にはＶＣＯと略記）（可変周波数発振手段）４５、位相変換部４６を備える。

また、振動型モータ１２の駆動制御装置は、増幅器４７、４８、マッチングコイル４９、５０、エンコーダ５１、低周波域検出部（低周波域検出手段）５２、逆相信号生成部（逆相信号生成手段）５３、増幅器５４、加算器（加算手段）５５を備える。

ＣＰＵ４１は振動型モータ１０を制御する。ホストコンピュータ４２は、振動型モータ１０の回転開始、目標速度、停止位置等の指示を出す。Ｄ／Ａ変換器４４は、ＣＰＵ４１から発生される駆動ディジタル信号をアナログ駆動信号に変換する。

ＶＣＯ４５は、Ｄ／Ａ変換器４４から生じるアナログ駆動信号により駆動されて該駆動信号の電圧に応じた周波数の交流電圧を発生する。位相変換部４６は、ＶＣＯ４５の出力電圧の位相を変える（本実施の形態では９０°）。

増幅器４７、４８は、位相変換部４６から出力された電圧を増幅する。マッチングコイル４９からの信号は振動型モータ１０のＡ相、マッチングコイル５０からの信号は振動型モータ１０のＢ相に印加される。

エンコーダ５１は、振動型モータ１０の回転を検出し、ＣＰＵ４１に回転情報をフィードバックする。低周波域検出部５２は、振動検出素子２２により検出された振動子１２の検出信号３１（以下にはＳ相信号と略記）から低周波成分のみを取り出し包絡線（低周波域信号）３２を生成する。

逆位相信号生成器５３は、抽出（生成）された低周波域信号と１８０度位相の異なる信号（逆位相信号）を生成する。増幅器５４は、生成された逆位相信号の振幅を増幅する。加算器５５は、増幅器５４の出力信号（逆位相信号）とＤ／Ａ変換器４４からの駆動制御電圧とを重畳し合成する（加算する）。

ここで、振動型モータ１０の内部に配置された振動検出素子２２からのＳ相信号と低周波域検出部５２、逆相信号生成部５３の各々について説明する。

Ｓ相信号は、圧電素子１１に印加された周波電圧と略等しい周波数で、共振点付近において信号の振幅が最大となり、共振点から離れるに従って振幅も小さくなる。本実施の形態では、振動型モータ１０の駆動時の動作周波数範囲は３０ＫＨｚ〜４０ＫＨｚであり、低周波域不要振動の周波数は１００〜１ＫＨｚ以下である。

このため、低域周波域検出部５２に、１ＫＨｚの低域通過フィルタ（以下にはＬＰＦと略記）を用い、包絡線３１を生成している。

また、ＬＰＦの遮断周波数を可変とすることで低周波振動の周波数の制限をかけることも可能である。不要低周波振動を打ち消すための逆相信号生成部５３には、オペ増幅器、抵抗、コンデンサから構成される反転増幅器を用い、逆位相信号を生成すると共に、不要低周波振動の打ち消し量を可変するための利得調整を行うことを可能としている。

次に、図４の振動型モータの駆動制御装置の全体の制御について説明する。

ＣＰＵ４１は、Ｄ／Ａ変換器４４に振動型モータ１０を駆動するための発振周波数データを出力する。本実施の形態では、１０ビットのディジタル値を設け、周波数の分解能を略１０Ｈｚとした。

Ｄ／Ａ変換器４４は、ＣＰＵ４１からのデータに基づき、アナログの電圧信号（駆動制御電圧）を加算器５５に出力する。Ｄ／Ａ変換器４４から出力された電圧信号と、不要低周波振動を打ち消すための逆位相信号は加算器５５により加算（合成）され、アナログ電圧がＶＣＯ４５に入力される。ＶＣＯ４５は、合成された電圧値に従った周波数の信号を生成し、信号の変化に従って発振周波数を可変する。

ＶＣＯ４５で生成された信号は、位相制御部４６に入力され、振動型モータ１０に印加する第１の相であるＡ相と、第２の相であるＢ相に印加するため、９０度位相が異なる信号に変換される。

ここで、変換される信号の位相差がＡ相に対してＢ相が９０度進みの場合と、９０度遅れの場合のどちらかに切り替えることにより、振動型モータ１０の回転方向を変えることが可能である。

ここまでで生成された信号は増幅器４７、４８を介し、振動型モータ駆動用のマッチングコイル４９、５０を通して振動型モータ１０のＡ相、Ｂ相にそれぞれ印加され、振動型モータ１０を駆動する。

振動型モータ１０のシャフト（回転軸）１５に設けたエンコーダ５１は、シャフト１５の回転角度に応じパルス信号を出力する。このパルス信号の単位時間当たりのパルス数をＣＰＵ４１がカウントし、目標速度との偏差を演算処理、利得計算し、Ｄ／Ａ変換器４４に演算値を出力し、速度フィードバック制御を行う。

本実施の形態では、上述した通り、低周波域検出部５２は、Ｓ相から出力される振動子１２の高周波振動の信号の中から振動型モータ１０の回転中に発生した不要な低周波振動成分（低周波域信号）をＬＰＦにより検出する。

そして、逆相信号生成部５３において、不要な低周波振動成分とは１８０度位相の異なる逆位相信号を生成して増幅器５４を通し、加算器５５において、Ｄ／Ａ変換器４４から出力された駆動制御電圧信号と重畳し合成（加算）する。これをＶＣＯ４５に印加することにより低周波域の振動と回転ムラを抑制する。

振動型モータの構成図である。 図１における振動子と積層された圧電素子の分解斜視図である。 図２における振動検出素子から検出された信号の例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る振動型モータの駆動制御装置のブロック図である。 周波数と振動型モータの回転数の関係を示す図である。

符号の説明

１０ 振動型モータ
１１ 圧電素子
１２ 振動子
１４ 移動子
１５ シャフト
２１ 電極板
２２ 振動検出素子
４１ ＣＰＵ
４２ ホストコンピュータ
４４ Ｄ／Ａコンバータ
４５ 可変周波数発振器
４６ 位相変換部
４７、４８ 増幅器
４９、５０ マッチングコイル
５１ エンコーダ
５２ 低周波域検出部
５３ 逆相信号生成部
５４ 増幅器
５５ 加算器

Claims (2)

1. 振動型モータを駆動制御する振動型モータの駆動制御装置において、
   前記振動型モータの振動子の低周波域信号を検出する低周波域検出手段と、
   前記低周波域信号とは１８０度位相の異なる逆位相信号を生成する逆相信号生成手段と、
   前記逆位相信号と前記振動型モータの駆動制御電圧とを加算する加算手段と、
   前記加算手段により加算された信号に応じて、前記振動型モータへ印加する信号の周波数を変える可変周波数発振手段と、
   を備えることを特徴とする振動型モータの駆動制御装置。
2. 前記逆相信号の振幅を可変としたことを特徴とする請求項１記載の振動型モータの駆動制御装置。

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