JP2013226032A - 振動型アクチュエータの不要振動検出装置および駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で不要な振動成分を追従検出することが可能となる振動型アクチュエータの不要振動検出装置を提供する。
【解決手段】複数の交流電圧を発生させる交流電圧発生手段と、
振動型アクチュエータの振動検出信号を出力する振動検出手段と、
前記振動検出信号から不要振動成分を検出する不要振動検出手段と、
を備え、
前記不要振動検出手段は、前記複数の交流電圧の発生に用いる複数の交流信号の振幅を制御し、前記振動検出信号における駆動周波数の振動成分を打ち消す信号を生成することで前記不要振動成分を検出するように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動型アクチュエータの不要振動検出装置および駆動制御装置に関する。

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。
超音波モータは、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、被駆動体（例えば移動体であるロータ）との接触状態によっては、回転中に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、或いは偏磨耗の原因となっていた。

接触状態に依存する異音や速度ムラへの対応策としては、特許文献１において、振動の可聴周波数信号を分離選択した後にフィードバックする、可聴周波数打消し駆動方法が提案されている。具体には、バンドパスフィルタを用いて可聴周波数のみを通過させる回路構成が提案されている。

特開平０２−２６２８４号公報

しかしながら、上記従来の振動型アクチュエータ駆動装置においては、つぎのような課題を有している。
まず、受動素子を用いてバンドパスフィルタを構成すると、フィルタ特性を変えることはできず、可聴音の成分が変化した場合に対応できず、予め定めた特定の成分に対してしか効果が得られない場合があった。
また、検出信号の位相遅れが無視できないなど、フィルタを挿入することによる弊害も存在する場合もあった。
更には、複雑な回路構成が必要となり、コストの点でも改善の余地があった。

本発明は、上記課題に鑑み、簡単な構成で不要な振動成分を追従検出することが可能となる振動型アクチュエータの不要振動検出装置の提供を目的とする。
また、上記振動型アクチュエータの不要振動検出装置を備えた低コストで安定した回転駆動を行う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。

本発明の振動型アクチュエータの不要振動検出装置は、複数の交流電圧を発生させる交流電圧発生手段と、
振動型アクチュエータの振動検出信号を出力する振動検出手段と、
前記振動検出信号から不要振動成分を検出する不要振動検出手段と、
を備え、
前記不要振動検出手段は、前記複数の交流電圧の発生に用いる複数の交流信号の振幅を制御し、前記振動検出信号において前記駆動周波数の振動成分を打ち消す信号を生成する
ことで前記不要振動成分を検出する。
また、本発明の振動型アクチュエータの駆動制御装置は、上記した振振動型アクチュエータの不要振動検出装置を備え、該不要振動検出装置によって検出された前記不要振動成分を打ち消すように振動型アクチュエータの駆動を制御する。

本発明によれば、簡単な構成で不要な振動成分を追従検出することが可能となる振動型アクチュエータの不要振動検出装置を実現することができる。
また、上記振動型アクチュエータの不要振動検出装置を備えた低コストで安定した回転駆動を行う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。

振動型アクチュエータにおける不要振動検出装置の構成例を示すブロック図。 振動型アクチュエータの等価回路図。 不要振動検出器の構成例を示すブロック図。 位相制御器の構成例を示すブロック図。 振幅制御器の構成例を示すブロック図。 動作例を示すプロット図。 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。 相殺信号生成器の構成例を示すブロック図。 位相制御器の構成例を示すブロック図。 振幅制御器の構成例を示すブロック図。

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。
なお、以下の実施例の構成によって、本発明は何ら限定されるものではない。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動型アクチュエータの不要振動検出装置の構成例について説明する。
本実施例の振動型アクチュエータは、交流電圧の印加によって振動波が励起される振動体と、前記振動体に接触または間接的に接続される被駆動体とが、前記振動波によって発生する摩擦力によって相対移動するように構成されている。
例えば、振動型アクチュエータは、金属やセラミック製の弾性体を備えた振動体を、弾性体の固有振動モードの共振現象を利用して振動させ、弾性体に接触する被駆動体を相対的に移動させる。励振するための加振力の発生源として、主に圧電素子が用いられる。
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。
圧電素子を用いた振動型アクチュエータの構造やロータ回転原理および制御原理は公知の技術であるため、本実施例では詳細な説明を割愛し、一般的な±Ａ相、±Ｂ相の４相電極構成である円環型の振動型アクチュエータの使用を想定して説明する。

以下、図１乃至図６を用いて本実施例の振動型アクチュエータにおける不要振動検出装置の構成ならびに動作について説明する。
図１は、不図示の指令手段からの駆動周波数指令に応じて振動型アクチュエータを回転駆動した時における不要振動を検出する、振動型アクチュエータにおける不要振動検出装置のシステムを示している。
駆動周波数指令に応じて４相の交流電圧を生成する交流電圧発生手段２は、駆動信号生成
器２１とドライバ２２から成る。
駆動信号生成器２１は、駆動周波数指令に応じて正弦波、余弦波およびそれぞれの逆相信号から成る駆動信号を生成する。
そして、ドライバ２２はそれに従って、圧電素子１ａ、１ｂ、１ａ−、１ｂ−にそれぞれ９０度の位相差を有する交流電圧φＡ、φＢ、−φＡ、−φＢを印加する。
なお、簡単化のため、圧電素子１ａ−および１ｂ−、交流電圧−φＡおよび−φＢについては、図示を省略している。
図中太線で示された矢印はベクトル信号であり、例えば駆動信号は４相駆動に対応した前述の４本の信号で構成されることを示している。

図２は振動子の１相分を示す電気的等価回路図である。
コンデンサＣｅを電気腕、インダクタＬｍ、コンデンサＣｍ、抵抗Ｒｍの直列回路を機械腕と呼び、振動子を電気腕と機械腕の並列回路で表すことができる。
機械腕を流れる電流を機械腕電流と呼び、これは振動体の振動速度に比例する成分に相当する。
図１において、機械腕電流検出器（振動検出手段）４が、不図示のロータが回転中の機械腕電流を振動検出信号として検出する。
具体的な検出方法は公知の技術であるため、詳細な説明を省略する。不要振動検出器３は、駆動信号である正弦波および余弦波を用いて、機械腕電流から駆動周波数に相当する成分をキャンセルし、異音や速度ムラの原因となる不要振動成分を検出する。
なお、本実施例では、振動に係わる物理量として振動速度に比例する機械腕電流を用いたが、例えば圧電素子を用いた振動検出センサの検出信号（φＳ）、即ち振動変位に比例する成分を利用する構成でも構わない。

図３は不要振動検出器（不要振動検出手段）３の内部構成を示すブロック図である。
位相制御器３１は、駆動信号である正弦波と余弦波を用いて位相制御を行い、機械腕電流の駆動周波数成分と同位相の正弦波を出力する。
次いで、後段の振幅制御器３２により上記正弦波の振幅が最小となるように制御する。具体的には、振幅制御器３２は位相制御器３１の出力信号の振幅を、機械腕電流と同振幅になるよう制御する。最後に、減算器３３において、機械腕電流から振幅制御器３２の出力を差し引くことで機械腕電流の駆動周波数成分がキャンセルされ、残りの不要振動成分が出力として得られる。

図４は位相制御器３１の内部構成を示すブロック図である。
位相差検出器１０２で検出した機械腕電流と位相制御出力との位相差に基づいて、制御器１０３が公知のＰＩＤ制御などにより、正弦波の位相を制御するための指令を移相器１０１にフィードバックする。
移相器１０１では、この指令を元に駆動信号生成用の正弦波と余弦波の振幅を制御することで機械腕電流と同位相の正弦波を生成し、これが位相制御出力となる。
更に、駆動信号生成用の正弦波と逆位相の信号や駆動信号生成用の余弦波と逆位相の信号の振幅を制御して、機会腕電流と同位相の正弦波を生成してもよい。
なお、任意の位相を有する正弦波の生成について、本実施例では、任意の位相の正弦波は任意の振幅を持つ正弦波と余弦波の和で表現できるという三角関数の性質を利用したが、無論本発明の範囲はこれに限定されるものではない。
同様の動作をすればよく、例えばＰＬＬなどで構成してもよい。
また、上述の実施例では、位相制御器３１が、機械腕電流の駆動周波数成分と同位相の正弦波を出力信号として出力し、振幅制御器３２が、前記出力信号の振幅を、機械腕電流と同振幅になるよう制御する。
そして、減算器３３が、機械腕電流から振幅制御器３２の出力を差し引くことによって、前記振動検出信号から前記駆動周波数の振動成分を打ち消す構成としているが、本発明は
これに限定されない。
例えば、位相制御器３１が、機械腕電流の駆動周波数成分と逆位相の正弦波を出力信号として出力し、振幅制御器３２が、前記出力信号の振幅を、機械腕電流と同振幅になるよう制御する。そして、加算器が、機械腕電流に振幅制御器３２の出力を加算することによって、前記振動検出信号から前記駆動周波数の振動成分を打ち消す構成としてもよい。

図５は振幅制御器３２の内部構成を示すブロック図である。
振幅差検出器２０２で検出した機械腕電流と振幅制御出力との振幅差に基づいて、制御器２０３が公知のＰＩＤ制御などにより、位相制御器３１の出力である位相制御出力の振幅を制御するための指令を乗算器２０１にフィードバックする。乗算器２０１では、この指令を元に位相制御出力の振幅を制御することで機械腕電流と同振幅の正弦波を生成し、これが振幅制御出力となる。
ここで、機械腕電流には駆動周波数以外の不要振動成分も含まれており、駆動周波数成分のみの位相制御出力を振幅制御しても、厳密には機械腕電流の駆動周波数成分と同振幅とならない。
しかしながら、不要振動成分は非常に微小な振幅であり、不要振動成分の検出、即ち駆動周波数成分のキャンセルに対しては、十分な効果を挙げられることが、本発明者らの検討により明らかとされている。

図６は、以上説明した動作に基づいて生成される各種信号の一例を示したシミュレーション結果のプロット図である。
図中（ａ）は振動子への印加電圧を示しており、単位は［Ｖ］である。ここでは、４０ｋＨｚの正弦波に、不要振動を励起する外乱として１１０ｋＨｚの正弦波を重畳しているため、歪んでいる。
図中（ｂ）は機械腕電流であり、単位は［Ａ］である。かなり正弦波に近い波形をしているのは、不要振動成分の振幅が、振動子の共振周波数から外れるため駆動周波数成分に比して極めて小さくなるためである。
図中（ｃ）では、理想的な不要振動成分の波形を黒色の細点線で、不要振動検出器の出力を灰色の太実線で示している。
類似の形状をしており、不要振動成分を概ね検出できていることがわかる。
以上説明したように、駆動信号生成用の正弦波状交流信号を用いて位相および振幅を制御して機械腕電流から駆動周波数成分を打ち消すことで、機械腕電流の不要振動成分が変化しても追従して不要振動を検出することが可能となる。
これにより、フィルタを用いない簡単な構成での不要振動の能動的かつ確度の高い検出を実現することができる。

［実施例２］
実施例２として、振動型アクチュエータの駆動制御装置の構成例について説明する。
本実施例において、ロータの回転速度をフィードバックする速度制御ループと、不要振動をキャンセルする相殺制御ループが存在する以外の基本的な構成は実施例１と同様であるため、重複する説明は省略する。
図７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を示すブロック図である。この振動型アクチュエータの駆動制御装置は、実施例１の不要振動検出装置を含んでいてもよい。
まず、不図示の指令手段からの速度指令に応じてロータの回転速度を制御するループについて説明する。
不図示のロータの回転速度は、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。
次いで、不要振動をキャンセルする相殺制御ループについて説明する。
相殺信号生成器５は、不要振動検出器３からの出力信号が最小となるような制御を行い、相殺制御出力信号を出力する。
この出力信号が加算器２３で所定の相の駆動信号に重畳される。以上の制御により、不要振動成分の抑制が行われる。

以下、図８乃至図１０を用いて、相殺信号生成器５の動作について説明する。図８は相殺信号生成器の構成を示すブロック図である。
不要振動検出器３からの不要信号成分に相当する信号が入力され、一方は位相制御器５１を通過することで適切な位相に移相された後に、もとの信号と共に振幅制御器５２に入力される。
振幅制御器５２で、位相制御出力信号は、もとの不要振動成分が最小となるよう制御され、その結果が相殺制御出力となる。

図９は位相制御器５１の構成を示すブロック図である。
制御器３０３が公知のＰＩＤ制御などにより、振幅検出器３０２で検出した不要振動成分の振幅が最小となるよう指令を移相器３０１にフィードバックする。
移相器３０１では、前述の指令に基づいて不要振動成分の信号を移相し、その結果が位相制御出力となる。

図１０は振幅制御器５２の構成を示すブロック図である。制御器４０３が公知のＰＩＤ制御などにより、振幅検出器４０２で検出した不要振動成分の振幅が最小となるよう指令を乗算器４０１にフィードバックする。
乗算器４０１では、前述の指令に基づいて位相制御出力を振幅調整し、その結果が相殺制御出力となる。相殺制御出力は、不要振動成分を打ち消すような駆動信号に相当する。
以上説明したように、フィードバック制御によって得られた、不要振動成分を相殺する信号を振動子の駆動信号に重畳することで、不要振動を能動的に抑制することが可能となり、振動型アクチュエータの安定した回転駆動を実現する。

以上によれば、上記交流電圧の発生に用いる正弦波状交流信号の位相かつ振幅を制御して振動型アクチュエータの振動検出信号の振幅を最小化し、振動検出信号から駆動周波数の振動成分を打ち消すことで、簡単な構成で不要な振動成分の追従検出を行うことが可能となる。
また、上記構成で追従検出した不要な振動成分に基づいたフィードバック制御を行うことで、低コストで安定した回転駆動を行う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。

１ａ、１ｂ：圧電素子
２：交流電圧発生手段
３：不要振動検出器
４：機械腕電流検出器
５：相殺信号生成器
１２：速度検出器
１３：減算器
１４：制御器
２１：駆動信号生成器
２２：ドライバ

Claims (12)

1. 複数の交流電圧を発生させる交流電圧発生手段と、
   振動型アクチュエータの振動検出信号を出力する振動検出手段と、
   前記振動検出信号から不要振動成分を検出する不要振動検出手段と、
   を備え、
   前記不要振動検出手段は、前記複数の交流電圧の発生に用いる複数の交流信号の振幅を制御し、前記振動検出信号における駆動周波数の振動成分を打ち消す信号を生成することで前記不要振動成分を検出する振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
2. 前記不要振動検出手段は、
   前記複数の交流信号の振幅を制御し、前記振動検出信号における駆動周波数成分と同位相の正弦波を出力する位相制御手段を含む請求項１に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
3. 前記不要振動検出手段は、
   前記複数の交流信号の振幅を制御し、前記振動検出信号における駆動周波数成分と同位相の正弦波を出力する位相制御手段と、
   前記位相制御手段から出力された正弦波の振幅を制御する振幅制御手段と、
   を含み構成されている請求項１に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
4. 前記不要振動検出手段は、前記振幅制御手段によって前記振動検出信号の振幅が最小となるように制御された前記振幅制御手段の出力信号を、前記振動検出信号から差し引く減算器を有する請求項３に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
5. 前記不要振動検出手段は、
   前記複数の交流信号の振幅を制御し、前記振動検出信号における駆動周波数成分と逆位相の正弦波を出力する位相制御手段を含む請求項１に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
6. 前記不要振動検出手段は、
   前記複数の交流信号の振幅を制御し、前記振動検出信号における駆動周波数成分と逆位相の正弦波を出力する位相制御手段と、
   前記位相制御手段から出力された正弦波の振幅を制御する振幅制御手段と、
   を含み構成されている請求項１に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
7. 前記不要振動検出手段は、前記振幅制御手段によって前記振動検出信号の振幅が最小となるように制御された前記振幅制御手段の出力信号を、前記振動検出信号に加算する加算器を有する請求項６に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
8. 前記複数の交流信号は第１の交流信号及び第２の交流信号を含み、
   前記不要振動検出手段は、少なくとも前記第１の交流信号である正弦波の振幅と前記第２の交流信号である余弦波の振幅を制御する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
9. 前記振動検出手段は、前記振動体の振動速度を検出することが可能に構成されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
10. 前記振動型アクチュエータは、前記複数の交流電圧の印加によって振動波が励起される振動体と、前記振動体に接触または間接的に接続される被駆動体とを備え、前記振動体と
    前記被駆動体は相対移動する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
11. 前記振動体と前記被駆動体は、前記振動波によって前記振動体と前記被駆動体の間で発生する摩擦力により相対移動する請求項１０に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの不要振動検出装置を備え、前記不要振動検出装置によって検出された前記不要振動成分を打ち消すように振振動型アクチュエータの駆動を制御する振動型アクチュエータの駆動制御装置。