JP2010263672A - 振動型駆動装置および振動型駆動装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動周波数を最適化できる振動型駆動装置を提供する。
【解決手段】電気機械変換素子と、電気機械変換素子によって振動させられる駆動部材と、駆動部材に摩擦係合する移動体とを有する振動型駆動装置において、電気機械変換素子に、移動体を駆動部材に対して相対変位させない周期的な検出電圧を印加し、検出電圧と、電気機械変換素子を流れる電流との位相差を検出し、この位相差に基づいて、移動体を駆動部材に対して相対変位させる駆動電圧の周波数を決定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、振動型駆動装置および振動型駆動装置の制御方法に関する。

電気機械変換素子によって駆動部材を軸方向に非対称に振動させて、駆動部材に摩擦係合する移動体を駆動軸に対して滑り変位させる振動型の駆動装置が公知である。振動型の駆動装置では、移動体の駆動速度が装置毎にばらつきやすく、同じ装置であっても温度変化等によって駆動速度が変化することがある。

特に、電気機械変換素子および駆動部材の弾性による駆動部材変位量の共振を利用して、矩形波駆動電圧によって駆動する振動型駆動装置では、電気機械変換素子および駆動部材の温度変化による弾性率のずれによって、共振周波数が変化するために駆動速度がばらつく問題がある。

特許文献１には、電気機械変換素子の電流を増幅発振させて、電気機械変換素子の共振点で駆動する発明が記載されている。特許文献２には、電気機械変換素子の電流に応じて駆動周波数を調節する発明が記載されている。特許文献３には、圧電素子の電流をシャント抵抗で測定することで圧電素子の容量変化を検出し、駆動速度を標準化することが記載されている。これらの発明では、駆動時の電流を駆動電圧にフィードバックするので、制御回路が複雑になったり、制御が不安定になったりしやすい。

他にも、振動型駆動装置の駆動を最適化または標準化するために、温度センサを設けて検出温度に応じて駆動周波数を変更したり、センサで移動体の速度を検出して駆動周波数を調節したりする場合もある。

特開２００６−８１２９０号公報 特開２００５−３２３４５０号公報 特開２００８−１９９７７４号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、駆動周波数を最適化できる振動型駆動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による振動型駆動装置は、電気機械変換素子と、電気機械変換素子によって振動させられる駆動部材と、前記駆動部材に摩擦係合する移動体と、前記電気機械変換素子に、前記移動体を前記駆動部材に対して相対変位させる周期的な駆動電圧と、前記移動体を前記駆動部材に対して相対変位させない周期的な検出電圧とを印加可能な駆動回路と、前記検出電圧と、前記電気機械変換素子を流れる電流との位相差を検出する位相差検出手段と、前記位相差に基づいて前記駆動電圧の周波数を決定する周波数設定手段とを有するものとする。

共振を利用した振動型駆動装置では、駆動効率が最も高くなる駆動電圧の周波数は、電気機械変換素子の共振周波数と共に変動する。上記構成によれば、検出電圧の周波数が電気機械変換素子の共振周波数に近いとき、検出電圧の周波数が高い程、電気機械変換素子の電流が検出電圧に対して遅れ、検出電圧の周波数が電気機械変換素子の共振周波数に一致するとき、電気機械変換素子の電流の検出電圧に対する位相差がゼロになる。周波数設定手段は、電気機械変換素子の電流と検出電圧との位相差に基づいて電気機械変換素子の共振周波数を推測することができ、電気機械変換素子の共振周波数に応じて駆動電圧の周波数を選択することで、駆動効率を最大化することができる。

また、本発明の振動型駆動装置において、前記位相差が所定値以下になるまで、前記検出電圧の周波数を変更して前記位相差を検出し直し、前記位相差が所定値以下になったときの前記検出電圧の周波数に一定の係数を乗じた周波数を前記駆動電圧の周波数としてもよい。

この構成によれば、実際に共振状態になるまで検出電圧の周波数を変化させるので、共振周波数を正確に検出でき、共振点と一定の比にある最適な駆動周波数を選択できる。

また、本発明の振動型駆動装置において、前記駆動電圧を印加する直前に、前記検出電圧を印加して前記駆動電圧の周波数を設定してもよい。

この構成によれば、駆動の直前に駆動電圧の周波数を最適化するので、駆動効率が高く、駆動誤差も小さくなる。

また、本発明の振動型駆動装置において、前記検出電圧および前記駆動電圧は、共に矩形波電圧であって、前記検出電圧は、デューティ比が５０％であってもよい。

この構成によれば、駆動回路を、直流電圧をスイッチングするだけの簡単な構成にすることができる。また、デューティ比５０％の矩形波であれば、高調波成分が小さいために、共振周波数を精度よく検出できる。

また、本発明によれば、電気機械変換素子と、電気機械変換素子によって振動させられる駆動部材と、前記駆動部材に摩擦係合する移動体とを有する振動型駆動装置の制御方法は、前記電気機械変換素子に前記移動体を前記駆動部材に対して相対変位させない周期的な検出電圧を印加し、前記検出電圧と、前記電気機械変換素子を流れる電流との位相差を検出し、前記位相差に基づいて、前記移動体を前記駆動部材に対して相対変位させる周期的な駆動電圧の周波数を決定する方法とする。

この方法によれば、電気機械変換素子の電流と検出電圧との位相差に基づいて電気機械変換素子の共振周波数を推測し、駆動電圧の周波数を最適な値に設定できるので、駆動効率を常に高く維持できる。

以上のように、本発明によれば、電気機械変換素子の電流と検出電圧との位相差を検出することとで、電気変換素子の共振周波数を推定し、共振周波数に応じて最適な駆動電圧の周波数を選択することで、振動型駆動装置の駆動を最適化できる。

本発明の一実施形態の振動型駆動装置の構成図である。 図１の駆動装置の周波数特性を示す図である。 図１の駆動装置の検出信号の関係を示す図である。 図１の駆動装置の判定基準を示す図である。 図１の駆動装置における駆動制御の流れ図である。 図５の周波数設定制御の流れ図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の１つの実施形態の振動型駆動装置１の構成を示す。この振動型駆動装置１は、機械的構成要素であるアクチュエータ２と、アクチュエータ２に電圧を印加する駆動回路３と、駆動回路３の出力する電圧と電流との位相差を検出する位相差検出回路（位相差検出手段）４と、外部から入力される駆動信号に応じてアクチュエータ２を駆動するために、位相差検出回路４が検出した位相差を考慮して駆動回路３を制御するマイコンからなる制御装置（周波数設定手段）５とを有する。

アクチュエータ２は、一端が錘６に固定され、駆動電圧が印加されると伸縮する圧電素子（電気機械変換素子）７と、圧電素子７の伸縮によって軸方向に振動する軸状の駆動部材８と、駆動部材８に滑り移動可能に摩擦係合する移動体９とを有する。

駆動回路３は、制御装置５から入力される制御信号Ｓ１、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によってそれぞれスイッチングされる４つのＦＥＴ１０，１１，１２，１３によって、圧電素子７の両電極を、直流電源１４に接続、または、接地するブリッジ回路である。

駆動回路３は、移動体９を駆動部材８に対して滑り変位させるために、デューティ比３０％または７０％の周期的な矩形波電圧である駆動電圧を圧電素子７に印加することができると共に、移動体９を駆動部材８に対して滑り変位させないデューティ比５０％の検出電圧を印加することができる。

位相差検出回路４は、駆動回路３と圧電素子７との間の電路に設けたシャント抵抗１５の両端の電位差を出力する比較器１６と、比較器１６の出力を十分に大きなゲインで増幅してディジタル化する整形器１７と、整形器１７の出力信号とＦＥＴ１０に入力される制御信号Ｓ１との排他論理和（ＸＯＲ）を出力するＸＯＲ演算子１８と、ＸＯＲ演算子１８の出力の平均電圧を出力する整流器１９と、整流器１９の出力電圧をディジタル変換して制御装置５に入力するＡＤ変換器２０とを有する。

シャント抵抗１５を圧電素子７側から駆動回路３側に電流が流れている場合、シャント抵抗１５の圧電素子７側の電位が高くなる。このため、比較器１６は、正の電圧を出力し、整形器１７は、制御用電源電圧（例えば５Ｖ）と等しい電圧を出力する。逆に、シャント抵抗１５を駆動回路３から圧電素子７に向かって電流が通過している場合は、シャント抵抗１５の圧電素子７側の電位が低くなるが、比較器１６は、負の値を出力できないので０Ｖを出力し、整形器１７の出力も０Ｖとなる。

つまり、整形器１７の出力は、圧電素子７を流れる電流がシャント抵抗１５を介して流出する正の位相であるときはＯＮ状態になり、圧電素子７を流れる電流がゼロまたはシャント抵抗１５から圧電素子７に電流が流れ込む負の位相であるときはＯＦＦ状態になる。

図２に、アクチュエータ２の駆動部材８の変位（振幅）および圧電素子７を流れる電流の電圧に対する周波数特性を示す。アクチュエータ２では、圧電素子７および駆動部材８が一体となって振動するので、この駆動部材８の変位の周波数特性（Ａ図）は、圧電素子７の見かけ上の周波数特性と一致する。図示するように、圧電素子７および駆動部材８は、圧電素子７に印加された電圧の周波数が低いときは、一定のゲインを示し、ある周波数において共振してゲインが最大になり、共振点を過ぎるとゲインが減少する。

また、図示するように、圧電素子７および駆動部材８の変位の周波数特性は、温度によって共振周波数が変化する。その温度による周波数特性の変化は、そのプロファイルを略保持したまま周波数帯を平行移動したものとなる。具体的には、圧電素子７および駆動部材８の共振周波数は、３０℃において５００ｋＨｚであるが、５０℃では４５０ｋＨｚに低下し、１０℃では５５０ｋＨｚに上昇する。

さらに、Ｂ図に示すように、温度に拘わらず、圧電素子７および駆動部材８の変位が最大となる共振周波数において、圧電素子７を流れる電流の位相は、電圧の位相と同位相となる。詳しく説明すると、圧電素子７は、低周波域では位相が進むキャパシタと同視することができ、容量性の特性を示すが、周波数が高くなると圧電素子７および駆動部材８の慣性力および弾性力による圧電素子７の伸縮に対する抵抗が、圧電素子７に流れる電流の抵抗となり、インダクタのように電流の位相を遅らせる作用を呈する。駆動部材８のゲインが最大となる共振点は、このキャパシタとインダクとが打ち消し合う点であるから、共振周波数において圧電素子７の力率は１００％となり、その電流は電圧と同位相となる。共振点よりも周波数が高くなると、インダクタの作用が強くなるため、電流が電圧に対して遅れる誘導性の特性を呈する。

図３に、デューティ比が５０％の検出電圧を入力したときの、検出電圧と同位相の制御信号Ｓ１、圧電素子７の電流の位相を示す整形器１７の出力、ＸＯＲ演算子１８の出力および整流器１９の出力を示す。図において、左側は圧電素子７の力率が１００％である場合を示し、右側は、圧電素子７を流れる電流が、駆動電圧に対して遅れている場合を示す

ＸＯＲ演算子１８の出力は、駆動電圧の位相と、圧電素子７の電流の位相とが食い違っているときだけＯＮとなる。つまり、ＸＯＲ演算子１８は、圧電素子７の電流の駆動電圧に対する位相差に比例するデューティ比の矩形波を出力し、位相差が±１８０°で１００％のデューティ比となる。但し、図２に示されるように、位相差は、±９０°の範囲内でしか変動せず、ＸＯＲ演算子１８の出力のデューティ比の最大値は５０％である。

図４に示すように、整流器１９は、ＸＯＲ演算子１８の出力電圧を平均化し、ＸＯＲ出力のデューティ比に比例した電圧の直流電圧、つまり、アナログ電圧信号を出力する。ここで、ＸＯＲ出力を平均化するため、整流器１９からはその絶対値が出力され、電流の位相が駆動電圧に対して進んでいるか遅れているかの情報は失われる。制御装置５は、整流器１９の電圧信号をＡＤ変換器２０によってディジタル変換した信号が入力される。

図５に、制御装置５による、外部から入力される駆動信号に応じた変位量だけアクチュエータ２の移動体９を変位させるための駆動制御の流れを示す。制御装置５は、ステップＳ１において、駆動信号が入力されるのを待つ。駆動信号が入力されると、ステップＳ２において、駆動回路３にデューティ比５０％の検出信号を出力させて、ＸＯＲ演算子１８の出力電圧から圧電素子７の電流の検出電圧に対する位相差を確認して、駆動電圧の周波数ｆｄを設定する、後述の周波数設定を行う。

駆動電圧の周波数ｆｄが設定されたなら、ステップＳ３において、駆動回路３に、駆動信号に応じた距離だけ移動体９を滑り変位させるのに必要なパルス数の駆動電圧を出力させる。その後、ステップＳ４において、駆動終了信号が入力されていなければ、ステップＳ１に戻って、次の駆動信号の入力を待つ。

図６に、図５のステップＳ２の周波数設定の詳細を示す。周波数設定では、先ず、ステップＳ１１において、駆動回路３に、基準周波数ｆｎで、デューティ比５０％の矩形波状の検出電圧を出力させる。基準周波数ｆｎの初期値は、設計上の圧電素子７の共振周波数（例えば５００ｋＨｚ）とする。そして、ステップＳ１２において、この周波数ｆ＝ｆｎの検出電圧を印加しながら、ＸＯＲ演算子１８の出力を確認し、圧電素子７の電流の検出電圧に対する位相差φ（ｆｎ）を検出する。このために必要な検出電圧は、１００パルス程度である。

ステップＳ１３で、ＸＯＲ演算子１８の出力が所定電圧Ｖ_ＳＨ、例えば０．０５Ｖ以下であれば、つまり、圧電素子７の電流の駆動電圧に対する位相差φ（ｆｎ）の絶対値が所定値φ_ＳＨ（０．９°）以下であれば圧電素子７が共振状態にあり、駆動部材８のゲインが最大となっているとみなす。

振動型駆動装置１のような振動型駆動装置では、駆動部材８のゲインの共振周波数の約７０％の周波数でデューティ比約３０％または約７０％程度の矩形波状の駆動電圧を圧電素子７に印加すれば、移動体９を駆動部材８に対して効率よく移動させられることが知られている。よって、ステップＳ１３で、圧電素子７の電流の位相差φ（ｆｎ）が所定値φ_ＳＨ（０．９°）以下であれば、ステップＳ１４で、この基本周波数ｆｎの０．７倍の周波数を、移動体９を駆動部材８に対して滑り変位させるための駆動電圧の周波数ｆｄに設定してこの周波数設定処理を終了する。

尚、制御装置５は、駆動回路３に、移動体９を圧電素子７から遠ざける方向に移動させるときは、デューティ比３０％の駆動電圧を出力させ、移動体９を圧電素子７に近づける方向に移動させるときは、デューティ比７０％の駆動電圧を出力させる。

ステップＳ１３において、位相差φ（ｆｎ）が大きく、基本周波数ｆｎが圧電素子７の共振周波数でないと判断されたならば、ステップＳ１５に進んで、駆動回路３に、基本周波数ｆｎから微小周波数ｄｆだけ増加させた周波数ｆ＝（ｆｎ＋ｄｆ）で、デューティ比５０％の検出電圧を出力させ、ステップＳ１６において、圧電素子７の電流の検出電圧に対する位相差φ（ｆｎ＋ｄｆ）を検出する。微小周波数ｄｆは、例えば１ｋＨｚ程度とする。

さらに、ステップＳ１７において、位相差φ（ｆｎ）と位相差φ（ｆｎ＋ｄｆ）との差である位相差偏差ｄφを算出する。また、図４に示すように、ＸＯＲ演算子１８の出力は絶対値であるため、圧電素子７の電流の位相差が遅れ領域にあるときには、周波数が増加すると位相差が大きくなり、位相差偏差ｄφは負の値となるが、圧電素子７の電流の位相差が進み領域にあるときには、周波数が減少すると位相差が小さくなるので、位相差偏差ｄφは正の値となる。

よって、ステップＳ１８において、位相偏差ｄφがゼロより大きいか否かを確認し、位相偏差ｄφがゼロより大ければ、位相が進み領域にあるので、図２に示すように、現在の基本周波数ｆｎが、圧電素子７の共振周波数より小さい。よって、この場合、ステップＳ１９に進んで基本周波数ｆｎを微小周波数ｄｆだけ増加させる。

逆に、ステップＳ１８において、位相偏差ｄφがゼロより小さければ、現在の基本周波数ｆｎが、圧電素子７の共振周波数より大きいので、ステップＳ２０に進んで基本周波数ｆｎを微小周波数ｄｆだけ減少させる。ステップＳ１９またはステップＳ２０において、基本周波数ｆｎを更新したなら、再び、ステップＳ１１に戻って、検出電圧による位相差検出を繰り返す。尚、ステップＳ１９およびステップＳ２０における基本周波数の増減量は、ステップＳ１５の微小周波数ｄｆと必ずしも一致させる必要はない。

尚、本実施形態の振動型駆動装置１は、外部から駆動信号が入力される毎に、周波数設定処理を実行し、圧電素子７の共振周波数を検出して、駆動電圧の周波数ｆｄを設定し直すが、電源投入時、所定時間毎、その他、いかなるときに、周波数設定処理を実行するようにしてもよい。

また、振動型駆動装置１において、移動体９を駆動部材８に対して相対変位させる駆動の頻度が高く、共振周波数の検出に多くの時間を割けない場合、所定の基本周波数ｆｎの検出電圧に対する圧電素子７の電流の位相差φ（ｆｎ）のみを検出し、この位相差φ（ｆｎ）に基づいて、図２に示す関係から共振周波数を推測して、駆動電圧の周波数を設定してもよい。

本実施形態において、検出電圧は、デューティ比５０パーセントの矩形波を用いているが、これは、矩形波の中で最も高調波成分の少ない波形であるからである。検出電圧として正弦波電圧を利用できれば、最も正確に圧電素子７の共振周波数を検出できることはいうまでもない。

また、本実施形態の駆動回路３において、ＦＥＴ１０，１１をオフし、ＦＥＴ１２，１３をオンすることで、圧電素子７の両電極を短絡させることで、充電電流を節約し、駆動電流に中間電位を設けることも可能である。この場合、圧電素子７の両電極の短絡時間を長くすることで、より高調波成分を小さくした電圧波形にすることもできる。この場合、ＦＥＴ１０の制御信号Ｓ１ではなく、制御装置５から駆動電圧の位相を示す別の制御信号をＸＯＲ演算子１８に入力することが好ましい。

１…振動型駆動装置
２…アクチュエータ
３…駆動回路
４…位相差検出回路
５…制御装置（周波数設定手段）
７…圧電素子（電気機械変換素子）
８…駆動部材
９…移動体
１４…直流電源
１５…シャント抵抗
１６…比較器
１７…整形器
１８…ＸＯＲ演算子
１９…整流器
２０…ＡＤ変換器

Claims (8)

1. 電気機械変換素子と、
   電気機械変換素子によって振動させられる駆動部材と、
   前記駆動部材に摩擦係合する移動体と、
   前記電気機械変換素子に、前記移動体を前記駆動部材に対して相対変位させる周期的な駆動電圧と、前記移動体を前記駆動部材に対して相対変位させない周期的な検出電圧とを印加可能な駆動回路と、
   前記検出電圧と、前記電気機械変換素子を流れる電流との位相差を検出する位相差検出手段と、
   前記位相差に基づいて前記駆動電圧の周波数を決定する周波数設定手段とを有することを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記位相差が所定値以下になるまで、前記検出電圧の周波数を変更して前記位相差を検出し直し、前記位相差が前記所定値以下になったときの前記検出電圧の周波数に一定の係数を乗じた周波数を前記駆動電圧の周波数とすることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
3. 前記駆動電圧を印加する直前に、前記検出電圧を印加して前記駆動電圧の周波数を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の振動型駆動装置。
4. 前記検出電圧および前記駆動電圧は、共に矩形波電圧であって、
   前記検出電圧は、デューティ比が５０％であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動型駆動装置。
5. 電気機械変換素子と、電気機械変換素子によって振動させられる駆動部材と、前記駆動部材に摩擦係合する移動体とを有する振動型駆動装置の制御方法であって、
   前記電気機械変換素子に前記移動体を前記駆動部材に対して相対変位させない周期的な検出電圧を印加し、
   前記検出電圧と、前記電気機械変換素子を流れる電流との位相差を検出し、
   前記位相差に基づいて、前記移動体を前記駆動部材に対して相対変位させる周期的な駆動電圧の周波数を決定することを特徴とする振動型駆動装置の制御方法。
6. 前記位相差が前記所定値以下になるまで、前記検出電圧の周波数を変更して前記位相差を検出し直し、前記位相差が前記所定値以下なったときの前記検出電圧の周波数に一定の係数を乗じた周波数を前記駆動電圧の周波数とすることを特徴とする請求項５に記載の振動型駆動装置の制御方法。
7. 前記駆動電圧を印加する直前に、前記検出電圧を印加して前記駆動電圧の周波数を設定することを特徴とする請求項５または６に記載の振動型駆動装置の制御方法。
8. 前記検出電圧および前記駆動電圧は、共に矩形波電圧であって、
   前記検出電圧は、デューティ比が５０％であることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の振動型駆動装置の制御方法。

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