JP2012235656A - Drive controller of vibration-type actuator - Google Patents

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JP2012235656A JP2011104046A JP2011104046A JP2012235656A JP 2012235656 A JP2012235656 A JP 2012235656A JP 2011104046 A JP2011104046 A JP 2011104046A JP 2011104046 A JP2011104046 A JP 2011104046A JP 2012235656 A JP2012235656 A JP 2012235656A
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Tsuyoshi Iwasa
剛志 岩佐
Kenichi Kataoka
健一 片岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a drive controller of a vibration-type actuator, which suppresses occurrence of unnecessary vibration in a low speed drive region where behavior becomes unstable, stabilizes driving and can suppress power consumption.SOLUTION: The drive controller of the vibration-type actuator includes: a vibrator including an elastic body in which an electromechanical energy conversion element is arranged; and a mobile body which is directly or indirectly brought into contact with the vibrator. The mobile body is relatively moved to the vibrator with friction force generated by a vibration wave excited by the vibrator with an applied voltage to the electromechanical energy conversion element. The drive controller also includes control means for variably controlling a frequency and an amplitude of the applied voltage depending on a speed command from command means. The control means increases the amplitude of the applied voltage in a previously determined drive region.

Description

本発明は、振動型アクチュエータの駆動制御装置に関し、特に安定して低速回転させることを可能とする振動型アクチュエータの駆動制御装置に関するものである。   The present invention relates to a drive control device for a vibration type actuator, and more particularly to a drive control device for a vibration type actuator that can be stably rotated at a low speed.

振動型アクチュエータの一種である超音波モータは、複写機やカメラ用交換レンズなどに搭載されている。
近年では、機器の高性能化、低消費電力化に伴い、高回転精度化、高効率化などが要求されている。
このような振動型アクチュエータは、DCブラシレスモータに代表される電磁モータに比して低速高トルク駆動が可能であるという特徴を有するが、上記要求に対応するためには課題も存在する。
例えば、弾性体と圧電素子とから成るステータと、移動体であるロータとの接触状態によっては、極低速回転域で挙動が安定せず不要な振動を発生させる場合があり、異音や速度ムラの原因となっていた。
Ultrasonic motors, which are a type of vibration actuator, are mounted on copiers, interchangeable lenses for cameras, and the like.
In recent years, higher rotational accuracy, higher efficiency, and the like have been demanded as devices have higher performance and lower power consumption.
Such a vibration type actuator has a feature that it can be driven at a low speed and a high torque as compared with an electromagnetic motor typified by a DC brushless motor. However, there is a problem to meet the above demand.
For example, depending on the contact state between a stator composed of an elastic body and a piezoelectric element and a rotor that is a moving body, behavior may not be stable in an extremely low speed rotation region, and unnecessary vibration may be generated. It was the cause.

以上のような接触状態に依存する異音や速度ムラに対応するため、特許文献1では、ステータとロータとの接触状態が全面接触と部分接触の境界領域になることを回避する方法が提案されている。
ここでは、その方法として、振動型アクチュエータへ印加する交流電圧の振幅を一時的に異ならせるようにした手法が採られている。
In order to cope with the abnormal noise and speed unevenness depending on the contact state as described above, Patent Document 1 proposes a method for avoiding the contact state between the stator and the rotor being a boundary region between the full contact and the partial contact. ing.
Here, as the method, a method is adopted in which the amplitude of the AC voltage applied to the vibration type actuator is temporarily changed.

特開2005−192276号公報JP 2005-192276 A

しかしながら、上記従来例の振動型アクチュエータでは、つぎのような課題を有している。
まず、上記従来例では目標速度が境界領域となった場合に電圧を異ならせる構成であるため、起動時における最初の目標速度が境界領域に該当する場合、最初から電圧を通常よりも高く設定する場合があり、このような場合には起動電流が増大する、即ち消費電力を増加させることになる。
逆に、電圧を通常よりも低く設定すると、耐久後や低温時など条件によっては起動に十分な電圧を確保できず起動しない場合が生じる。
更に、極低速回転域で挙動が安定しない要因は、ステータとロータの接触状態が全面接触と部分接触の境界領域になることのみではなく、場所によって接触圧が異なる面圧ムラや、ステータやロータの平面度バラつきなどが引き金となる場合も存在する。
以上のような複数の要因によって、振動体の共振周波数が一時的に駆動電圧の周波数に近づき、その結果変動が激しくなる場合があり得る。
そのため、上記従来例のように接触状態が全面接触と部分接触の境界領域になることを回避するだけでは、挙動を安定させる上では必ずしも充分ではない。
However, the vibration type actuator according to the conventional example has the following problems.
First, in the above conventional example, the voltage is changed when the target speed reaches the boundary region. Therefore, when the initial target speed at the start corresponds to the boundary region, the voltage is set higher than usual from the beginning. In such a case, the starting current increases, that is, power consumption increases.
On the other hand, if the voltage is set lower than usual, there may be a case where a voltage sufficient for activation cannot be ensured depending on conditions such as after endurance or at a low temperature and the apparatus does not start.
Furthermore, the reason why the behavior is not stable in the extremely low speed rotation region is not only that the contact state between the stator and the rotor becomes the boundary region between the full contact and the partial contact, but also the surface pressure unevenness that varies depending on the location, the stator and the rotor There are also cases where the flatness variation is triggered.
Due to a plurality of factors as described above, the resonance frequency of the vibrating body may temporarily approach the frequency of the driving voltage, and as a result, fluctuations may become severe.
For this reason, it is not always sufficient to stabilize the behavior only by avoiding that the contact state becomes the boundary region between the full contact and the partial contact as in the conventional example.

本発明は、上記課題に鑑み、挙動が不安定な低速駆動領域での不要な振動の発生を抑制して駆動を安定化させ、且つ消費電力の抑制を図ることが可能となる振動型アクチュエータの駆動制御装置の提供を目的とするものである。   In view of the above problems, the present invention provides a vibration type actuator that can suppress the generation of unnecessary vibration in a low-speed drive region where the behavior is unstable, stabilize the drive, and reduce power consumption. The object is to provide a drive control device.

本発明の振動型アクチュエータの駆動制御装置は、電気−機械エネルギ変換素子が設けられた弾性体を有する振動体と、前記振動体に直接的または間接的に接触する移動体と、を備え、
前記電気−機械エネルギ変換素子への印加電圧により、前記振動体に励起される振動波によって発生する摩擦力で前記移動体を前記振動体に対して相対移動させる振動型アクチュエータの駆動制御装置であって、
前記印加電圧の少なくとも周波数及び振幅を、指令手段からの速度指令に基づいて可変制御する制御手段を備え、
前記制御手段によって、予め定めた駆動領域で前記印加電圧の振幅を増加させることを特徴とする。
A drive control apparatus for a vibration type actuator of the present invention includes a vibration body having an elastic body provided with an electro-mechanical energy conversion element, and a moving body that directly or indirectly contacts the vibration body,
A drive control device for a vibration type actuator that moves the moving body relative to the vibrating body by a frictional force generated by a vibration wave excited by the vibrating body by a voltage applied to the electro-mechanical energy conversion element. And
Control means for variably controlling at least the frequency and amplitude of the applied voltage based on a speed command from the command means;
The control means increases the amplitude of the applied voltage in a predetermined drive region.

本発明によれば、挙動が不安定な低速駆動領域での不要な振動の発生を抑制して駆動を安定化させ、且つ消費電力の抑制を図ることが可能となる振動型アクチュエータの駆動制御装置を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the drive control apparatus of the vibration type actuator which can suppress the generation | occurrence | production of the unnecessary vibration in the low-speed drive area | region where behavior is unstable, can stabilize drive, and can aim at suppression of power consumption. Can be realized.

本発明の実施例1における振動型アクチュエータの駆動制御装置の構成例を説明するブロック図。The block diagram explaining the structural example of the drive control apparatus of the vibration type actuator in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における振動型アクチュエータの構成例を示す概略図。Schematic which shows the structural example of the vibration type actuator in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における振動型アクチュエータの振動の様子を示す概略図。Schematic which shows the mode of a vibration of the vibration type actuator in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における振動型アクチュエータの電極を示す概略図。Schematic which shows the electrode of the vibration type actuator in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における振動型アクチュエータの振動振幅−周波数特性の例を示す概略図。Schematic which shows the example of the vibration amplitude-frequency characteristic of the vibration type actuator in Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の振動型アクチュエータの周波数掃引時における、駆動周波数と共振周波数の周波数差の例を示す概略図。Schematic which shows the example of the frequency difference of the drive frequency and the resonance frequency at the time of the frequency sweep of the vibration type actuator of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の振動型アクチュエータの周波数掃引時における、駆動電圧による挙動の違いを示す概略図。Schematic which shows the difference in the behavior by a drive voltage at the time of the frequency sweep of the vibration type actuator of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1における演算器の構成を示すブロック図および入出力特性を示す概略図。The block diagram which shows the structure of the calculator in Example 1 of this invention, and the schematic which shows an input-output characteristic. 本発明の実施例2における振動型アクチュエータの駆動制御装置の構成例を説明するブロック図。The block diagram explaining the structural example of the drive control apparatus of the vibration type actuator in Example 2 of this invention. 本発明の実施例2における振動型アクチュエータの駆動電圧と振動振幅との位相差−周波数特性の例を示す概略図。Schematic which shows the example of the phase difference-frequency characteristic of the drive voltage and vibration amplitude of a vibration type actuator in Example 2 of this invention. 本発明の実施例2の振動型アクチュエータの周波数掃引時における、駆動電圧と振動振幅の位相差の例を示す概略図。Schematic which shows the example of the phase difference of a drive voltage and a vibration amplitude at the time of the frequency sweep of the vibration type actuator of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2における演算器の構成を示すブロック図および入出力特性を示す概略図。The block diagram which shows the structure of the calculator in Example 2 of this invention, and the schematic which shows an input-output characteristic.

本発明の振動型アクチュエータの駆動制御装置は、電気−機械エネルギ変換素子が設けられた弾性体を有する振動体と、前記振動体に直接的または間接的に接触する移動体を備え、前記電気−機械エネルギ変換素子への印加電圧により、前記振動体に励起される振動波によって発生する摩擦力で前記移動体を前記振動体に対して相対移動させる振動型アクチュエータの駆動制御装置であって、前記印加電圧の少なくとも周波数及び振幅を、指令手段からの速度指令に基づいて可変制御する制御手段を備え、前記制御手段によって、予め定めた駆動領域で前記印加電圧の振幅を増加させるものである。
本発明において、「振動体に直接的または間接的に接触する移動体」とは、振動体と直接的に接する(物理的に接する)ように移動体を設けるだけでなく、間に摺動部材や、摩擦部材、或いは振動を伝達する振動伝達部材等を介在させる構成も含むことを意味する。即ち振動体の振動エネルギが移動体に伝達可能な状態で構成されていることを意味する。
また、「予め定めた駆動領域」とは、典型例としては、「振動型アクチュエータの挙動が不安定となり得る駆動領域」を意味しており、例えば振動型アクチュエータの定格速度領域のうち低速度領域等(例えば最高速度の10%以下の速度領域)を意味する。さらに前記駆動領域を周波数の観点から規定する場合には、予め定めた周波数帯域(周波数領域)ということもできる。また「挙動が不安定」とは、設定値(制御値)通りの速度で安定して駆動できない状態を意味する。例えば、当該速度(領域)で定常駆動させた場合に速度の変化が、他の速度領域で定常駆動させた場合よりも大きい場合や、停止してしまう場合が「挙動が不安定」といえる。
本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明するが、本発明はこれら実施例の記載によって何ら限定されるものではない。
A drive control apparatus for a vibration type actuator according to the present invention includes a vibrating body having an elastic body provided with an electro-mechanical energy conversion element, and a moving body that directly or indirectly contacts the vibrating body, A drive control device for a vibration type actuator that moves the moving body relative to the vibrating body by a frictional force generated by a vibration wave excited by the vibrating body by a voltage applied to a mechanical energy conversion element, Control means for variably controlling at least the frequency and amplitude of the applied voltage based on a speed command from the command means is provided, and the control means increases the amplitude of the applied voltage in a predetermined drive region.
In the present invention, the “moving body that is in direct or indirect contact with the vibrating body” is not only provided with a moving body so as to be in direct contact (physical contact) with the vibrating body but also a sliding member therebetween. It also means that a configuration including a friction member or a vibration transmitting member for transmitting vibration is included. That is, it means that the vibration energy of the vibrating body is configured to be transmitted to the moving body.
The “predetermined drive region” typically means “a drive region in which the behavior of the vibration type actuator may be unstable”. For example, the low speed region of the rated speed region of the vibration type actuator (For example, a speed region of 10% or less of the maximum speed). Further, when the drive region is defined from the viewpoint of frequency, it can also be referred to as a predetermined frequency band (frequency region). Further, “behavior is unstable” means a state in which stable driving cannot be performed at a speed according to a set value (control value). For example, when the steady drive is performed at the speed (region), the change in the speed is larger than when the steady drive is performed in another speed region, or when the vehicle stops, it can be said that the behavior is unstable.
Although the form for implementing this invention is demonstrated by the following examples, this invention is not limited at all by description of these Examples.

[実施例1]
本発明の実施例1における振動型アクチュエータは、電気−機械エネルギ変換素子による圧電素子が設けられた金属やセラミック製の弾性体を有する振動体と、前記振動体に接触または間接的に接続される移動体を備える。
そして、電気−機械エネルギ変換素子への印加電圧により、前記振動体に励起される固有振動モードの共振現象を利用した振動波によって発生する摩擦力で前記移動体を振動体に対して相対移動させる。
その際、振動型アクチュエータは、加振周波数と同じ周波数の交流電圧を入力することで加振力を発生させることができる。
[Example 1]
The vibration type actuator according to the first embodiment of the present invention is in contact with or indirectly connected to a vibration body having a metal or ceramic elastic body provided with a piezoelectric element by an electro-mechanical energy conversion element. A moving body is provided.
Then, the moving body is moved relative to the vibrating body by a frictional force generated by a vibration wave using a resonance phenomenon of a natural vibration mode excited by the vibrating body by an applied voltage to the electro-mechanical energy conversion element. .
At that time, the vibration type actuator can generate an excitation force by inputting an AC voltage having the same frequency as the excitation frequency.

まず、以下に圧電素子を用いた振動型アクチュエータおよびその回転原理について説明する。
図2は振動型アクチュエータの例を示す概略構成図、図3は振動型アクチュエータの振動の様子を示す概略図である。
弾性体2a、2bが圧電素子1を挟持しており、これらは一体となって振動体2を構成している。振動体2には、圧電素子1に給電するためのフレキシブル基板3と、振動体2の上面に形成される楕円振動との間に生ずる摩擦力によって回転するロータ4が組み付けられている。
ロータを回転させるには、振動体2が持っている直交する2方向の曲げ振動の固有振動モードを利用する。時間的位相が90°ずれた状態でこの2つの振動を発生させると、振動体2の上部構造が、くびれ部分を支点として振れ回るように回転振動する。
この様子を図3に示す。この振動の力が、不図示の加圧手段によって振動体2の上部に押し付けられたロータ4に摩擦力を介して伝達され、回転出力となって取り出される。
図4に、圧電素子1上に形成された給電用の電極パターンを示す。
電極は4つの区画に分割されており、各電極にはフレキシブル基板3を介してA相およびB相の交流電圧が供給される。圧電素子1の電極1a(+)、1a(−)、1b(+)、1b(−)の符号が分極方向を示しており、対向する電極はそれぞれ逆方向の極性を持つよう分極されている。
対向する電極に同じ駆動電圧を印加することによって逆方向の加振力を発生し、A相及びB相に対応して夫々一つの固有振動モードの振動が励振される。
First, a vibration type actuator using a piezoelectric element and its rotation principle will be described below.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a vibration type actuator, and FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a state of vibration of the vibration type actuator.
Elastic bodies 2 a and 2 b sandwich the piezoelectric element 1, and these constitute a vibrating body 2 together. The vibrating body 2 is assembled with a rotor 4 that is rotated by a frictional force generated between the flexible substrate 3 for supplying power to the piezoelectric element 1 and the elliptical vibration formed on the upper surface of the vibrating body 2.
In order to rotate the rotor, a natural vibration mode of bending vibration in two orthogonal directions which the vibrating body 2 has is used. When these two vibrations are generated in a state where the temporal phase is shifted by 90 °, the upper structure of the vibrating body 2 vibrates so as to swing around the constricted portion.
This is shown in FIG. This vibration force is transmitted via a frictional force to the rotor 4 pressed against the upper portion of the vibrating body 2 by a pressing means (not shown), and is taken out as a rotational output.
FIG. 4 shows an electrode pattern for power feeding formed on the piezoelectric element 1.
The electrode is divided into four sections, and an AC voltage of A phase and B phase is supplied to each electrode via the flexible substrate 3. The signs of the electrodes 1a (+), 1a (−), 1b (+), and 1b (−) of the piezoelectric element 1 indicate the polarization direction, and the opposing electrodes are polarized to have opposite polarities, respectively. .
By applying the same drive voltage to the opposing electrodes, an excitation force in the reverse direction is generated, and vibrations in one natural vibration mode are excited corresponding to the A phase and the B phase, respectively.

つぎに、振動型アクチュエータの基本的な制御原理について説明する。
図5は、上記振動型アクチュエータの振動体2に励起された振動の周波数と、振動体2の振動振幅との関係を示す図である。
ここでは、代表的な特性を示した細実線を用いて説明する(太点線については後述)。Frは振動体2の共振周波数を示しており、駆動周波数が共振周波数Frより高い領域から共振周波数Frに近付くと徐々に振動体2の振動振幅は増加し、共振周波数Frで最大振幅、即ち最大速度Vmaxとなる。
そして、共振周波数Frより低い周波数になると、振動振幅が急に減少する非対称な特性となっている。
振動型アクチュエータの回転速度(駆動速度)は振動振幅に比例しており、振動型アクチュエータの速度制御は、制御性を考慮して通常は共振周波数Frよりも高い領域が使用される。
Next, the basic control principle of the vibration type actuator will be described.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the frequency of vibration excited by the vibrating body 2 of the vibration type actuator and the vibration amplitude of the vibrating body 2.
Here, description will be made using a thin solid line showing typical characteristics (the thick dotted line will be described later). Fr indicates the resonance frequency of the vibrating body 2, and when the drive frequency approaches the resonance frequency Fr from a region where the driving frequency is higher than the resonance frequency Fr, the vibration amplitude of the vibrating body 2 gradually increases, and the maximum amplitude, that is, the maximum at the resonance frequency Fr. The speed becomes Vmax.
And when it becomes a frequency lower than the resonance frequency Fr, it has an asymmetric characteristic in which the vibration amplitude suddenly decreases.
The rotational speed (drive speed) of the vibration type actuator is proportional to the vibration amplitude, and the speed control of the vibration type actuator is usually performed in a region higher than the resonance frequency Fr in consideration of controllability.

以下、上記原理に基づいた振動型アクチュエータの駆動制御について説明する。
図1は、本実施例における振動型アクチュエータの駆動制御装置の構成例を示すブロック図であり、不図示の指令手段からの速度指令に応じてロータ4の回転速度を制御するシステムを示している。
周波数指令と振幅指令に応じて2相の交流電圧を生成する交流電圧発生器11は、圧電素子1a、1bに90°の位相差を有する交流電圧φA、φBを印加する。
不図示のロータ4の回転速度は、ロータリーエンコーダなどの速度検出器12で検出される。
速度検出信号と、不図示の指令手段からの速度指令との差分が減算器13で演算される。
この差分信号に基づいて、制御器14が公知のPID制御などにより交流電圧の周波数(以下、駆動周波数)をフィードバック制御する。
振動型アクチュエータの起動停止に伴う加減速については、不図示の指令手段から所定の加速度を有する速度指令が与えられることで制御器14から周波数挿引指令が発せられ、ロータ4の回転速度が制御される。
Hereinafter, drive control of the vibration type actuator based on the above principle will be described.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a drive control device for a vibration type actuator in this embodiment, and shows a system for controlling the rotational speed of the rotor 4 in accordance with a speed command from a command means (not shown). .
An AC voltage generator 11 that generates a two-phase AC voltage according to a frequency command and an amplitude command applies AC voltages φA and φB having a phase difference of 90 ° to the piezoelectric elements 1a and 1b.
The rotational speed of the rotor 4 (not shown) is detected by a speed detector 12 such as a rotary encoder.
A subtractor 13 calculates the difference between the speed detection signal and a speed command from a command means (not shown).
Based on this difference signal, the controller 14 feedback-controls the frequency of the AC voltage (hereinafter referred to as drive frequency) by known PID control or the like.
For acceleration / deceleration accompanying the start and stop of the vibration type actuator, a speed command having a predetermined acceleration is given from a command means (not shown), and a frequency insertion command is issued from the controller 14 to control the rotational speed of the rotor 4. Is done.

ここで、ロータ4が回転を開始した後、極低速において挙動が不安定となる領域について、図5および図6を用いて説明する。
上記のような不安定領域は、つぎのような要因によって振動状態が安定しないことが明らかとされている。
すなわち、振動体2とロータ4の接触状態が全面接触と部分接触の境界領域になる場合や、振動体2とロータ4の接触圧が場所によって異なる面圧ムラや、振動体2とロータ4の平面度バラつきなどによって、振動状態が安定しない場合がある。
周波数Fsで振動型アクチュエータを起動させ、目標となる回転速度Vtに対応する目標周波数Ftまで周波数を掃引する過程における、駆動周波数と共振周波数の差の推移をプロットしたグラフが図6である。細実線αで示す曲線が大局的な推移を表す。
Fsから掃引開始後、周波数Fr’近傍では、一時的に共振周波数が駆動周波数に近づいてくることで両者の周波数差が小さくなり、前述した振動状態が安定しない領域となる。
この領域では、前述の要因により共振周波数も振動的となっており、共振周波数と駆動周波数の差も図6中の太実線βで示すように振動的となる。この状態において両者の差が負の値を取ってしまった場合に、ストール(停止)してしまう。
Here, the region where the behavior becomes unstable at an extremely low speed after the rotor 4 starts rotating will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
In the unstable region as described above, it has been clarified that the vibration state is not stable due to the following factors.
That is, when the contact state between the vibrating body 2 and the rotor 4 is a boundary region between full contact and partial contact, the contact pressure between the vibrating body 2 and the rotor 4 varies depending on the location, The vibration state may not be stable due to variations in flatness.
FIG. 6 is a graph plotting the transition of the difference between the drive frequency and the resonance frequency in the process of starting the vibration actuator at the frequency Fs and sweeping the frequency to the target frequency Ft corresponding to the target rotational speed Vt. A curve indicated by a thin solid line α represents a global transition.
After the start of sweeping from Fs, in the vicinity of the frequency Fr ′, the resonance frequency temporarily approaches the drive frequency, so that the frequency difference between the two becomes small, and the above-described vibration state becomes an unstable region.
In this region, the resonance frequency is also oscillating due to the above-described factors, and the difference between the resonance frequency and the driving frequency is also oscillating as shown by the thick solid line β in FIG. In this state, if the difference between the two has taken a negative value, it will stall (stop).

このことは、図5において、加速中の回転速度が速度Vmax’近辺を通過する時、振動振幅(速度)−周波数特性が一時的に太点線で示すように移動して振動的になっている状態(図6でのβに相当)で、
駆動周波数<共振周波数Fr’となった場合にストール(停止)することに対応する。
不安定領域を通過して振動状態が安定すると、共振周波数は遠のいてFrまで戻るため、Ftまで周波数掃引を完了することができる。
図6の曲線αにおいて、周波数Fr’付近で極小値をとった後Ftまでの区間がこれに相当する。
なお、本発明者らが検討に用いた図2のタイプの振動型アクチュエータにおいては、この回転速度Vmax’は大凡2[rps]付近が中心的であることが実験的に確認されている。
In FIG. 5, when the rotational speed during acceleration passes near the speed Vmax ′ in FIG. 5, the vibration amplitude (speed) -frequency characteristics temporarily move as indicated by the thick dotted line and become vibrational. In the state (corresponding to β in FIG. 6),
This corresponds to stalling (stopping) when drive frequency <resonance frequency Fr ′.
When the vibration state is stabilized after passing through the unstable region, the resonance frequency is far and returns to Fr, so that the frequency sweep can be completed up to Ft.
In the curve α in FIG. 6, the interval from the minimum value near the frequency Fr ′ to Ft corresponds to this.
In the vibration type actuator of the type shown in FIG. 2 used by the present inventors, it has been experimentally confirmed that the rotational speed Vmax ′ is centered around 2 [rps].

このような現象を抑止するためには、
駆動電圧の振幅をより大きな値とすることが望まれる。
これは、駆動電圧の振幅が大きいほど加振力が強く、振動を安定させられるためである。
図7に、駆動電圧による周波数掃引時の挙動の違いの例を示す。
図7(a)が通常の振幅、図7(b)が通常よりも大きな振幅の駆動電圧とした場合の、振動型アクチュエータの起動時における挙動を示したものである。
図中「R」で示される、約2±1強[rps]の低い速度領域で、通常の振幅では速度変動が大きく振動状態が不安定であるのに対し、通常より高い振幅では、大きな速度変動なく安定して加速していることが見てとれる。
しかしながら、常時或いは加減速中は常に通常より高い振幅の駆動電圧が振動型アクチュエータに印加されるように設定すると、不必要に消費電力が増大してしまう。そのため、安定駆動に必要十分な駆動電圧を印加し、不必要な消費電力の増大を抑止することが望ましい。
To suppress this phenomenon,
It is desirable to set the amplitude of the drive voltage to a larger value.
This is because the greater the amplitude of the drive voltage, the stronger the excitation force and the more stable the vibration.
FIG. 7 shows an example of the difference in behavior at the time of frequency sweep by the drive voltage.
FIG. 7A shows the behavior at the start of the vibration type actuator when the drive voltage has a normal amplitude and FIG. 7B shows a drive voltage having a larger amplitude than usual.
In the figure, indicated by “R”, in a low speed range of about 2 ± 1 slightly [rps], the speed fluctuation is large and the vibration state is unstable at normal amplitude, whereas the vibration speed is unstable at higher amplitude than normal. It can be seen that it is accelerating stably without fluctuation.
However, if the drive voltage having a higher amplitude than usual is applied to the vibration actuator at all times or during acceleration / deceleration, power consumption increases unnecessarily. Therefore, it is desirable to apply a driving voltage necessary and sufficient for stable driving to suppress an unnecessary increase in power consumption.

そこで、本実施例では、振動状態が不安定となる中心的な回転速度を予め測定しておき、不図示の指令手段からの速度指令との差分に応じて駆動電圧の振幅を増加させる制御を行う。
具体的には、図1の減算器15で、前述した予め測定された振動状態が不安定となる中心的な回転速度と、不図示の指令手段からの速度指令との差分を求め、演算器16で所定の演算を行った後、交流電圧発生器11に駆動電圧の振幅指令を出力する振幅制御を行う。
演算器16の構成例を図8(a)に、その入出力特性、即ち差分と振幅指令の関係を表すグラフを図8(b)に示す。
差分は、除算器100において差分限度設定値で除された後、乗算器101で二乗される。
さらに、飽和器(リミッタ)102を通過する、上限値1以下の値のみが、減算器103で値1より減算される。
しかる後、乗算器104でGain倍されたものが、加算器105で、通常時における駆動電圧の振幅値に加算され、振幅指令として出力される。
Therefore, in this embodiment, the central rotational speed at which the vibration state becomes unstable is measured in advance, and control is performed to increase the amplitude of the drive voltage in accordance with the difference from the speed command from the command means (not shown). Do.
Specifically, the subtracter 15 of FIG. 1 obtains a difference between the above-described central rotational speed at which the vibration state measured in advance becomes unstable and a speed command from a command means (not shown). After performing a predetermined calculation at 16, amplitude control for outputting a drive voltage amplitude command to the AC voltage generator 11 is performed.
FIG. 8A shows an example of the configuration of the arithmetic unit 16, and FIG. 8B shows a graph showing the input / output characteristics, that is, the relationship between the difference and the amplitude command.
The difference is divided by the difference limit setting value in the divider 100 and then squared in the multiplier 101.
Further, only a value equal to or lower than the upper limit value 1 passing through the saturator (limiter) 102 is subtracted from the value 1 by the subtractor 103.
After that, the gain multiplied by the multiplier 104 is added to the amplitude value of the drive voltage at the normal time by the adder 105 and output as an amplitude command.

なお、乗算器104におけるGainは最大増加振幅の設定値のことである。このように演算器16を構成すると、振幅指令は図8(b)の通りとなる。
即ち、振動状態が不安定となる中心的な回転速度(差分0)で振幅指令が最大値「通常電圧振幅値+最大増加振幅(Gain)」を取り、差分限度設定値だけ離れた回転速度で通常の電圧振幅となるような二乗特性を持つ。
例えば、上記した図7における速度領域「R」に対応させて、前述の中心的な回転速度を2[rps]、差分限度設定値を1.2[rps]、Gainを0.2、通常電圧振幅を0.5とする。
これにより、起動時から0.8[rps]までの振幅指令は0.5であり、そこから振幅指令が二乗関数的に増加し、2[rps]で最大振幅0.7となる。
回転速度が2[rps]を超えると振幅指令は二乗関数的に減少し、3.2[rps]以上は通常振幅である0.5に戻る。なお、駆動電圧の振幅は規格化しており、1が最大値である。
Note that Gain in the multiplier 104 is a set value of the maximum increase amplitude. When the computing unit 16 is configured in this way, the amplitude command is as shown in FIG.
That is, the amplitude command takes the maximum value “normal voltage amplitude value + maximum increase amplitude (Gain)” at the central rotational speed (difference 0) at which the vibration state becomes unstable, and the rotational speed is separated by the difference limit set value. It has a square characteristic that gives a normal voltage amplitude.
For example, in correspondence with the speed region “R” in FIG. 7 described above, the central rotational speed is 2 [rps], the difference limit setting value is 1.2 [rps], the gain is 0.2, and the normal voltage Let the amplitude be 0.5.
As a result, the amplitude command from startup to 0.8 [rps] is 0.5, from which the amplitude command increases as a square function, and the maximum amplitude becomes 0.7 at 2 [rps].
When the rotational speed exceeds 2 [rps], the amplitude command decreases in a square function, and when it exceeds 3.2 [rps], it returns to 0.5, which is the normal amplitude. Note that the amplitude of the drive voltage is standardized, and 1 is the maximum value.

以上のように、演算器16を構成することで、振動状態が不安定となる領域において、必要に応じて駆動電圧の振幅を増加させることができる。
なお、本実施例では二乗関数的な特性を得られる構成としたが、無論本発明の範囲はこれに限定されるものではない。
演算量を低減するために線形特性としても良いし、不連続な一定値を増加させる0次特性としてもよい。
或いは、より高次の特性を持たせても良いし、速度差分の符号によって特性を変えるなど非対称な特性を持たせてもよい。
また、振動状態が不安定となる中心的な回転速度の決定方法についても、実験的に求めた固定値としても良いし、個々のアクチュエータに最適化するため、工場の生産ラインで測定してもよい。
更には、中心的な回転速度の代わりに、その速度に相当する周波数値を用いて、周波数指令との差分をもとに制御を行っても良い。なお、減速時も上記で説明した加速時と同様の制御を行うことができるのは言うまでもない。
As described above, by configuring the computing unit 16, the amplitude of the drive voltage can be increased as necessary in a region where the vibration state becomes unstable.
Although the present embodiment is configured to obtain a square function characteristic, of course, the scope of the present invention is not limited to this.
In order to reduce the amount of calculation, it may be a linear characteristic, or a zero-order characteristic that increases a discontinuous constant value.
Alternatively, higher-order characteristics may be given, or asymmetric characteristics such as changing the characteristics depending on the sign of the speed difference may be given.
In addition, the method for determining the central rotational speed at which the vibration state becomes unstable may be a fixed value obtained experimentally, or it may be measured on the production line of the factory to optimize for each actuator. Good.
Furthermore, instead of the central rotational speed, control may be performed based on the difference from the frequency command using a frequency value corresponding to that speed. Needless to say, the same control as that during acceleration described above can be performed during deceleration.

以上に説明したように、予め測定した振動状態が不安定となる中心的な回転速度と速度指令との差分に応じて、振動型アクチュエータへの印加電圧の振幅を増加させる可変制御を行うことにより、振動状態が不安定となる現象を抑止することが可能となる。
これらにより、挙動が不安定な低速駆動領域での不要な振動の発生を抑制して駆動を安定化させ、且つ消費電力の抑制を図ることが可能となる。
As described above, by performing variable control to increase the amplitude of the voltage applied to the vibration type actuator according to the difference between the central rotational speed at which the vibration state measured in advance becomes unstable and the speed command. It becomes possible to suppress the phenomenon that the vibration state becomes unstable.
As a result, it is possible to stabilize the drive by suppressing the generation of unnecessary vibrations in the low-speed drive region where the behavior is unstable, and to suppress the power consumption.

[実施例2]
実施例2として、上記実施例1とは異なる構成例について説明する。
本実施例では、回転速度差でなく位相差の差分をフィードバック制御する以外の基本的な構成は実施例1と同様であることから、重複する説明は省略する。
図9は、本実施例における振動型アクチュエータの駆動制御装置の構成例を示すブロック図である。
実施例1における図1とは、圧電素子を用いた振動検出センサ1cを不図示の振動体2に設け、交流信号φAと振動検出信号φSの位相差と、予め設定される中心位相差との差分を元に交流電圧の振幅を制御する点が異なる。
位相差検出器17で交流電圧φAと振動検出信号φSの位相差を検出し、これと前述の中心位相差との差分を減算器15で求め、演算器16で所定の演算を行って交流電圧の振幅指令を得る。
[Example 2]
As the second embodiment, a configuration example different from the first embodiment will be described.
In the present embodiment, since the basic configuration is the same as that of the first embodiment except that the difference in phase difference, not the rotational speed difference, is feedback-controlled, the overlapping description is omitted.
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of the drive control device for the vibration type actuator in the present embodiment.
FIG. 1 in the first embodiment is different from FIG. 1 in that a vibration detection sensor 1c using a piezoelectric element is provided in a vibration body 2 (not shown), and a phase difference between an AC signal φA and a vibration detection signal φS is set to a preset center phase difference. The difference is that the amplitude of the AC voltage is controlled based on the difference.
The phase difference between the AC voltage φA and the vibration detection signal φS is detected by the phase difference detector 17, and the difference between this and the above-mentioned center phase difference is obtained by the subtractor 15. Get the amplitude command.

図10は、駆動周波数と上記位相差との関係を示す図である。
ここでは、代表的な特性を示した細実線を用いて説明する(太点線については後述)。
公知の通り、振動型アクチュエータに印加する電圧信号φAと、振動型アクチュエータの振動を検出した信号φSとの位相差は、周波数が共振周波数Frより高い領域から下がるにつれて徐々に増加し、共振周波数Frで−90度の点を通過する。
このような特性は実施例1で説明した図5の振動振幅特性および図6と対応しており、上記位相差をパラメータとすることで共振周波数の変化を検出することができる。
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the driving frequency and the phase difference.
Here, description will be made using a thin solid line showing typical characteristics (the thick dotted line will be described later).
As is well known, the phase difference between the voltage signal φA applied to the vibration type actuator and the signal φS that detects the vibration of the vibration type actuator gradually increases as the frequency decreases from a region higher than the resonance frequency Fr, and the resonance frequency Fr. Pass through a point of -90 degrees.
Such characteristics correspond to the vibration amplitude characteristics of FIG. 5 and FIG. 6 described in the first embodiment, and the change of the resonance frequency can be detected by using the phase difference as a parameter.

ここで、ロータ4が回転を開始した後の極低速において挙動が不安定となる領域について、図10および図11を用いて説明する。
周波数掃引過程における上記位相差の推移をプロットしたグラフが図11である。細実線αで示す曲線が大局的な推移を表す。
Fsから掃引開始後、周波数Fr’近傍では、一時的に共振周波数が駆動周波数に近づいてくることで上記位相差が−90度に近くなり、実施例1で説明した振動状態が安定しない領域となる。
この領域では、前述の要因により共振周波数も振動的となっており、上記位相差も図11中の太実線βで示すように振動的となる。この状態において位相差が−90度を超えてしまった場合に、ストール(停止)してしまう。
このことは、図10において、周波数掃引時、上記位相差−周波数特性が一時的に太点線で示す付近に移動して振動的になっている状態(図11でのβに相当)で位相差が−90度を超えた場合にストール(停止)することに対応する。
不安定領域を通過して振動状態が安定すると、共振周波数が遠のいて位相差特性も細実線で示す状態に戻っていくため、Ftまで周波数掃引を完了することができる。
図11の曲線αにおいて、周波数がFr’からFtまでの区間がこれに相当する。
なお、前述の通り、実施例1の図6で説明した駆動周波数と共振周波数の差を示す曲線と図11の位相差曲線は一対一対応しており、図6におけるFr’付近での極小値は、図11におけるFr’付近での極大値に相当する。
Here, the region where the behavior becomes unstable at an extremely low speed after the rotor 4 starts rotating will be described with reference to FIGS. 10 and 11.
FIG. 11 is a graph plotting the transition of the phase difference in the frequency sweep process. A curve indicated by a thin solid line α represents a global transition.
After the start of sweeping from Fs, in the vicinity of the frequency Fr ′, the resonance frequency temporarily approaches the drive frequency, so that the phase difference becomes close to −90 degrees, and the vibration state described in the first embodiment is an unstable region. Become.
In this region, the resonance frequency is also oscillating due to the above-described factors, and the phase difference is also oscillating as shown by the thick solid line β in FIG. In this state, when the phase difference exceeds -90 degrees, it stalls (stops).
In FIG. 10, the phase difference in the state (corresponding to β in FIG. 11) in which the phase difference-frequency characteristic temporarily moves to the vicinity shown by the thick dotted line and becomes oscillating during frequency sweep. Corresponds to stalling when the angle exceeds −90 degrees.
When the vibration state is stabilized after passing through the unstable region, the resonance frequency is far and the phase difference characteristic returns to the state indicated by a thin solid line, so that the frequency sweep can be completed up to Ft.
In the curve α in FIG. 11, the interval from the frequency Fr ′ to Ft corresponds to this.
As described above, the curve indicating the difference between the driving frequency and the resonance frequency described in FIG. 6 of Example 1 and the phase difference curve in FIG. 11 have a one-to-one correspondence, and the minimum value near Fr ′ in FIG. Corresponds to the maximum value in the vicinity of Fr ′ in FIG.

以上のような現象を抑止するためには、駆動電圧の振幅をより大きな値とすることが望まれる。
しかしながら、消費電力の増大を必要最小限にするため、安定駆動に必要十分な駆動電圧を適宜印加することが望ましい。
そこで、本実施例では、振動状態が不安定となる中心的な上記位相差即ち上記極大値である中心位相差を予め測定しておき、これと振動型アクチュエータ駆動中の上記位相差との差分に応じて駆動電圧の振幅を増加させる制御を行う。
具体的には、図9の減算器15において、前述した予め測定された振動状態が不安定となる上記中心位相差と、位相差検出器17からの位相差検出信号との差分を求める、そして、演算器16で所定の演算を行った後、交流電圧発生器11に駆動電圧の振幅指令を出力する振幅制御を行う。
演算器16の構成例を図12(a)に、その入出力特性、即ち上記差分と振幅指令の関係を表すグラフを図12(b)に示す。
差分は、まず最初に飽和器(リミッタ)106に入力され、上限値0以下の値のみが通過する。この後の演算器16の構成は実施例1(図8に示す演算器16)と同様であるため、詳細は省略する。
In order to suppress the above phenomenon, it is desirable to set the amplitude of the drive voltage to a larger value.
However, in order to minimize the increase in power consumption, it is desirable to appropriately apply a driving voltage necessary and sufficient for stable driving.
Therefore, in this embodiment, the central phase difference at which the vibration state becomes unstable, that is, the central phase difference which is the maximum value is measured in advance, and the difference between this and the phase difference during driving of the vibration type actuator is measured. In response to this, control is performed to increase the amplitude of the drive voltage.
Specifically, in the subtractor 15 of FIG. 9, the difference between the above-described center phase difference at which the previously measured vibration state becomes unstable and the phase difference detection signal from the phase difference detector 17 is obtained. After performing a predetermined calculation by the calculator 16, amplitude control for outputting a drive voltage amplitude command to the AC voltage generator 11 is performed.
FIG. 12A shows a configuration example of the arithmetic unit 16, and FIG. 12B shows a graph showing the input / output characteristics, that is, the relationship between the difference and the amplitude command.
The difference is first input to a saturator (limiter) 106, and only values below the upper limit 0 pass. Since the configuration of the arithmetic unit 16 thereafter is the same as that of the first embodiment (the arithmetic unit 16 shown in FIG. 8), the details are omitted.

このように演算器16を構成すると、振幅指令は図12(b)の通りとなる。即ち、振動状態が不安定となる中心位相差で振幅指令が最大値「通常電圧振幅値+最大増加振幅(Gain)」を取り、負側に差分限度設定値だけ離れた回転速度で通常の電圧振幅となるような二乗特性を持つ。
正側では上記最大値に保たれることで、上記位相差の差分が不安定で振動的な状態で、上記中心位相差から共振に近い側になった場合にも加振力を大きな状態に保つ効果がある。
なお、共振周波数の変化の検出方法について、本実施例では交流電圧と振動体2の振動の位相差を用いたが、無論本発明の範囲はこれに限定されるものではない。
例えば、周波数指令に乱数信号を重畳し、この周波数変動に対するロータ4の速度変動の周波数応答特性を計測し、ゲイン特性および位相特性から振動体2の共振周波数と駆動周波数の差を直接推定してもよい。
また、本実施例に記載の処理は、上記不安定領域でのみ行い、目標速度Vtを超えるような共振に近い速度領域では行わないようにしてもよい。
When the computing unit 16 is configured in this way, the amplitude command is as shown in FIG. That is, the amplitude command takes the maximum value “normal voltage amplitude value + maximum increase amplitude (Gain)” at the center phase difference at which the vibration state becomes unstable, and the normal voltage at the rotational speed separated by the difference limit set value on the negative side. Has a square characteristic that gives amplitude.
By maintaining the maximum value on the positive side, the difference in the phase difference is unstable and oscillating, and the excitation force is increased even when the center phase difference is closer to resonance. There is an effect to keep.
In this embodiment, the phase difference between the AC voltage and the vibration of the vibrating body 2 is used as the method for detecting the change in the resonance frequency. However, the scope of the present invention is not limited to this.
For example, a random number signal is superimposed on the frequency command, the frequency response characteristic of the speed fluctuation of the rotor 4 with respect to this frequency fluctuation is measured, and the difference between the resonance frequency and the driving frequency of the vibrating body 2 is directly estimated from the gain characteristic and the phase characteristic. Also good.
Further, the processing described in the present embodiment may be performed only in the unstable region, and may not be performed in a velocity region close to resonance that exceeds the target velocity Vt.

以上に説明したように、予め測定した振動状態が不安定となる中心的な、交流電圧と振動体2の振動の位相差と、振動型アクチュエータ駆動中の上記位相差との差分に応じて、振動型アクチュエータへの印加電圧の振幅を増加させる可変制御を行う。
これにより、振動状態が不安定となる現象を抑止することが可能となる。
加えて、電圧振幅の増加に伴う消費電力の増大を必要最小限に抑制することが可能となり、低回転速度領域での駆動安定化と消費電力抑制との両立を実現することができる。
As explained above, according to the difference between the central AC voltage and the vibration phase difference of the vibrating body 2 where the vibration state measured in advance becomes unstable, and the phase difference during driving of the vibration type actuator, Variable control is performed to increase the amplitude of the voltage applied to the vibration type actuator.
Thereby, it becomes possible to suppress the phenomenon that the vibration state becomes unstable.
In addition, an increase in power consumption accompanying an increase in voltage amplitude can be suppressed to a necessary minimum, and both driving stabilization and power consumption suppression in a low rotation speed region can be realized.

1:圧電素子
2:振動体
2a、2b:弾性体
3:フレキシブル基板
4:ロータ
11:交流電圧発生器
12:速度検出器
13:減算器
14:制御器
15:減算器
16:演算器
1: Piezoelectric element 2: Vibrating body 2a, 2b: Elastic body 3: Flexible substrate 4: Rotor 11: AC voltage generator 12: Speed detector 13: Subtractor 14: Controller 15: Subtractor 16: Calculator

Claims (5)

電気−機械エネルギ変換素子が設けられた弾性体を有する振動体と、前記振動体に直接的または間接的に接触する移動体と、を備え、
前記電気−機械エネルギ変換素子への印加電圧により、前記振動体に励起される振動波によって発生する摩擦力で前記移動体を前記振動体に対して相対移動させる振動型アクチュエータの駆動制御装置であって、
前記印加電圧の少なくとも周波数及び振幅を、指令手段からの速度指令に基づいて可変制御する制御手段を備え、
前記制御手段によって、予め定めた駆動領域で前記印加電圧の振幅を増加させることを特徴とする振動型アクチュエータの駆動制御装置。
A vibrating body having an elastic body provided with an electro-mechanical energy conversion element; and a moving body that directly or indirectly contacts the vibrating body,
A drive control device for a vibration type actuator that moves the moving body relative to the vibrating body by a frictional force generated by a vibration wave excited by the vibrating body by a voltage applied to the electro-mechanical energy conversion element. And
Control means for variably controlling at least the frequency and amplitude of the applied voltage based on a speed command from the command means;
A drive control apparatus for a vibration type actuator, wherein the control means increases the amplitude of the applied voltage in a predetermined drive region.
前記予め定めた駆動領域が、前記印加電圧の周波数が前記振動体の共振周波数よりも高く、且つ前記印加電圧の周波数掃引時に前記印加電圧の周波数から前記振動体の共振周波数を減じた差が極小値をとる周波数を中心とする領域であり、
前記領域に相当する前記移動体の駆動速度を予め測定し、前記予め測定された移動体の駆動速度と、前記指令手段からの速度指令との差分に応じて前記印加電圧の振幅を増加させることを特徴とする請求項1に記載の振動型アクチュエータの駆動制御装置。
The predetermined drive region is such that the frequency of the applied voltage is higher than the resonant frequency of the vibrating body, and the difference obtained by subtracting the resonant frequency of the vibrating body from the frequency of the applied voltage during the frequency sweep of the applied voltage is minimal. It is a region centered on the frequency where the value is taken,
The driving speed of the moving body corresponding to the region is measured in advance, and the amplitude of the applied voltage is increased according to the difference between the driving speed of the moving body measured in advance and the speed command from the command means. The drive control apparatus for a vibration type actuator according to claim 1.
前記予め測定された前記移動体の駆動速度は、前記印加電圧を一定として前記印加電圧の周波数掃引時に、前記移動体の駆動速度が最も大きく変動する領域における駆動速度であることを特徴とする請求項2に記載の振動型アクチュエータの駆動制御装置。   The driving speed of the moving body measured in advance is a driving speed in a region where the driving speed of the moving body fluctuates most at a frequency sweep of the applied voltage with the applied voltage being constant. Item 3. A drive control device for a vibration type actuator according to Item 2. 前記挙動が不安定な低速駆動領域に相当する前記印加電圧と前記振動体における位相差を予め測定し、
前記予め測定された前記印加電圧と前記振動体における位相差と、
前記振動型アクチュエータの駆動中における前記印加電圧と前記振動体における位相差との差分に応じて前記印加電圧の振幅を増加させることを特徴とする請求項1に記載の振動型アクチュエータの駆動制御装置。
Preliminarily measuring the applied voltage corresponding to the low-speed drive region where the behavior is unstable and the phase difference in the vibrator,
The applied voltage measured in advance and the phase difference in the vibrator;
2. The drive control apparatus for a vibration type actuator according to claim 1, wherein the amplitude of the applied voltage is increased in accordance with a difference between the applied voltage during driving of the vibration type actuator and a phase difference in the vibrating body. .
前記振動体の共振周波数と前記印加電圧の共振周波数との差を演算する演算手段を備え、前記演算手段の出力に応じて前記印加電圧の振幅を増加させることを特徴とする請求項1に記載の振動型アクチュエータの駆動制御装置。   The calculation means for calculating a difference between a resonance frequency of the vibrating body and a resonance frequency of the applied voltage is provided, and the amplitude of the applied voltage is increased according to an output of the calculation means. Drive controller for vibration type actuators.
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