JP2020089133A - Control method of piezoelectric drive device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電駆動装置の制御方法に関するものである。 The present invention relates to a method for controlling a piezoelectric drive device.
特許文献1に記載されている超音波モーターは、回転軸まわりに回転可能なローターと、ローターに接触して設けられた弾性体と、弾性体に配置され、弾性体を振動させることにより、ローターを回転軸まわりに回転させる圧電体と、ローターに加わる負荷を検出するトルクセンサーと、を有する。そして、トルクセンサーが検出する負荷に基づいて、常に、超音波センサーの共振周波数よりも高い周波数で運転し、ローターの回転が停止したり、逆転したりするのを防止している。仮に、ローターの回転が停止したり、逆転したりした場合は、駆動を一旦停止し、駆動開始制御を再度初めからやり直すように構成されている。 The ultrasonic motor described in Patent Document 1 is a rotor that is rotatable about a rotation axis, an elastic body that is provided in contact with the rotor, and an elastic body. It has a piezoelectric body for rotating the rotor around a rotation axis and a torque sensor for detecting a load applied to the rotor. Then, based on the load detected by the torque sensor, the operation is always performed at a frequency higher than the resonance frequency of the ultrasonic sensor to prevent the rotation of the rotor from stopping or reversing. If the rotation of the rotor is stopped or the rotor is rotated in the reverse direction, the drive is temporarily stopped and the drive start control is restarted from the beginning.
上述のような構成の超音波モーターは、駆動をやり直す際の条件が前回と同じであるため、再び、ローターの回転が停止したり、逆転したりするおそれが高いという課題があった。 The ultrasonic motor configured as described above has a problem that the rotation of the rotor is likely to stop or reverse again because the conditions for re-driving are the same as those of the previous time.
本発明の圧電駆動装置の制御方法は、第1圧電素子および第2圧電素子を備える振動部と、前記振動部に接続されている凸部と、を有し、前記振動部が前記第1圧電素子の伸縮によって当該伸縮方向へ伸縮振動すると共に前記第2圧電素子の伸縮によって前記伸縮方向と直交する方向へ屈曲振動することより、前記凸部が回転運動する圧電振動子と、
前記凸部と接触し、前記凸部の前記回転運動が伝達されて移動する被駆動部と、を有する圧電振動装置の制御方法であって、
前記圧電振動子を振動させ、目標位置に向けて前記被駆動部を移動させる際、前記被駆動部が前記目標位置のある方向とは逆方向へ移動する状態または前記被駆動部の移動が停止している状態である異常状態となる場合、
前記第1圧電素子に印加する第1駆動信号と前記第2圧電素子に印加する第2駆動信号との位相差、前記第1駆動信号の振幅、および、前記第1駆動信号および前記第2駆動信号の周波数のうちのいずれかを変更することを特徴とする。
A control method for a piezoelectric drive device according to the present invention includes a vibrating portion including a first piezoelectric element and a second piezoelectric element, and a convex portion connected to the vibrating portion, wherein the vibrating portion is the first piezoelectric element. A piezoelectric vibrator in which the convex portion rotates by vibrating in the direction of expansion and contraction due to expansion and contraction of the element and bending and vibration in a direction orthogonal to the direction of expansion and contraction due to expansion and contraction of the second piezoelectric element,
A method for controlling a piezoelectric vibrating device, comprising: a driven portion that is in contact with the convex portion and is moved by transmitting the rotational movement of the convex portion,
When the piezoelectric vibrator is vibrated to move the driven part toward the target position, the driven part moves in a direction opposite to the direction in which the target position exists, or the movement of the driven part stops. If there is an abnormal condition that is
The phase difference between the first drive signal applied to the first piezoelectric element and the second drive signal applied to the second piezoelectric element, the amplitude of the first drive signal, and the first drive signal and the second drive. It is characterized in that any one of the frequencies of the signal is changed.
以下、本発明の圧電駆動装置の制御方法を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a method for controlling a piezoelectric driving device of the present invention will be described in detail based on an embodiment shown in the accompanying drawings.
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧電モーターの全体構成を示す平面図である。図2は、図1に示す圧電振動子に印加する駆動電圧を示す図である。図3は、図2に示す駆動電圧を印加したときの圧電振動子の様子を示す平面図である。図4は、図1に示す圧電振動子に印加する駆動電圧を示す図である。図5は、図4に示す駆動電圧を印加したときの圧電振動子の様子を示す平面図である。図6は、図1に示す圧電モーターの制御方法を説明するためのフローチャートである。図7は、駆動信号の周波数と凸部の振幅との関係を示すグラフである。図8は、駆動条件の変更順の一例を示す図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a plan view showing the overall configuration of the piezoelectric motor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a drive voltage applied to the piezoelectric vibrator shown in FIG. FIG. 3 is a plan view showing a state of the piezoelectric vibrator when the drive voltage shown in FIG. 2 is applied. FIG. 4 is a diagram showing a drive voltage applied to the piezoelectric vibrator shown in FIG. FIG. 5 is a plan view showing a state of the piezoelectric vibrator when the drive voltage shown in FIG. 4 is applied. FIG. 6 is a flow chart for explaining the method of controlling the piezoelectric motor shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the frequency of the drive signal and the amplitude of the convex portion. FIG. 8 is a diagram showing an example of the order of changing the driving conditions.
なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交する3軸をX軸、Y軸およびZ軸とし、X軸に沿う方向をX軸方向、Y軸に沿う方向をY軸方向(第1方向)、Z軸に沿う方向をZ軸方向(第2方向)とも言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」とも言い、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。また、X軸方向プラス側を「上」または「上側」とも言い、X軸方向マイナス側を「下」または「下側」とも言う。 In the following description, for convenience of description, three axes orthogonal to each other are referred to as an X axis, a Y axis, and a Z axis, a direction along the X axis is an X axis direction, a direction along the Y axis is a Y axis direction (first direction), and The direction along the Z axis is also referred to as the Z axis direction (second direction). The arrow side of each axis is also referred to as a "plus side", and the opposite side of the arrow is also referred to as a "minus side". Further, the X-axis direction positive side is also referred to as "upper" or "upper side", and the X-axis direction negative side is also referred to as "lower" or "lower side".
図1に示す圧電モーター1は、圧電駆動装置であり、円盤状で、その中心軸Oまわりに回転可能な被駆動部としてのローター2と、ローター2の外周面21に当接し、ローター2を中心軸Oまわりに回転させる圧電振動子4と、圧電振動子4の駆動を制御する制御装置7と、を有する。また、圧電モーターは、圧電振動子4をローター2に向けて付勢する図示しない付勢部材を有する。このような構成の圧電モーター1では、圧電振動子4が屈曲振動すると、その振動がローター2に伝わり、ローター2が中心軸Oまわり矢印B1方向または矢印B2方向に回転する。そして、ローター2が回転すると、ローター2の外周面21がその周方向に移動する。
A piezoelectric motor 1 shown in FIG. 1 is a piezoelectric drive device, and is a disk-shaped member that is in contact with an outer
なお、圧電モーター1の構成としては、図1の構成に限定されない。例えば、ローター2の周方向に沿って複数の圧電振動子4を配置し、複数の圧電振動子4の駆動によってローター2を回転させてもよい。また、圧電振動子4は、ローター2の外周面21ではなく、ローター2の主面29に当接していてもよい。また、被駆動部は、ローター2のような回転体に限定されず、例えば、直線移動するスライダーであってもよい。ここで、被駆動部材の「移動」とは、変位と同義であり、被駆動部材の全体がX軸、Y軸またはZ軸方向に移動する場合のみならず、被駆動部材の一部、例えば、外周面21が周方向に移動する場合も含まれる。したがって、ローター2が回転することは、被駆動部材が移動することと言える。
The configuration of the piezoelectric motor 1 is not limited to that shown in FIG. For example, a plurality of
また、ローター2にはエンコーダー9が設けられ、エンコーダー9によってローター2の挙動、特に、回転量および角速度が検出できる。エンコーダー9としては、特に限定されず、例えば、ローター2の回転時にその回転量を検出するインクリメンタル型のエンコーダーであってもよいし、ローター2の回転の有無に関わらず、ローター2の原点からの絶対位置を検出するアブソリュート型のエンコーダーであってもよい。このエンコーダー9は、後述する異常状態を検出する検出部として機能する。
An
圧電振動子4は、振動部41と、振動部41を支持する支持部42と、振動部41と支持部42とを接続する接続部43と、振動部41に接続され、振動部41の振動をローター2に伝達する凸部44と、を有する。
The
振動部41は、X軸方向を厚さ方向とし、Y軸およびZ軸を含むY−Z平面に広がる板状をなし、Y軸方向に伸縮しながらZ軸方向に屈曲することによりS字状に屈曲振動する。また、振動部41は、X軸方向からの平面視で、伸縮方向であるY軸方向を長手とする長手形状となっている。ただし、振動部41の形状としては、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。
The vibrating
また、振動部41は、振動部41を屈曲振動させるための圧電素子6A〜6Eを有する。圧電素子6Cは、振動部41の中央部において、振動部41の長手方向であるY軸方向に沿って配置されている。この圧電素子6Cに対して振動部41のZ軸方向プラス側には圧電素子6A、6Bが振動部41の長手方向に並んで配置され、Z軸方向マイナス側には圧電素子6D、6Eが振動部41の長手方向に並んで配置されている。また、これら圧電素子6A〜6Eは、それぞれ、通電によって振動部41の長手方向であるY軸方向に伸縮する。また、圧電素子6A、6Eが互いに電気的に接続され、圧電素子6B、6Dが互いに電気的に接続されている。
Further, the vibrating
なお、本実施形態では、圧電素子6Cが「第1圧電素子」に相当し、圧電素子6A、6Eまたは圧電素子6B、6Dが「第2圧電素子」に相当する。
In the present embodiment, the
凸部44は、振動部41の先端部に設けられ、振動部41からY軸方向プラス側へ突出している。そして、凸部44の先端面が、ローター2の外周面21と接触している。そのため、振動部41の振動は、凸部44を介してローター2に伝達される。
The
図2に示す駆動信号V1を圧電素子6A、6Eに印加し、駆動信号V2を圧電素子6Cに印加し、駆動信号V3を圧電素子6B、6Dに印加すると、図3に示すように、圧電素子6Cの伸縮によって振動部41がY軸方向に伸縮振動しつつ、圧電素子6A、6Eと圧電素子6B、6Dとのタイミングのずれた伸縮によって振動部41がZ軸方向にS字状に屈曲振動し、これら伸縮振動と屈曲振動とが合成されて、凸部44の先端が矢印A1で示すように反時計回りに楕円軌道を描く楕円運動する。このような凸部44の楕円運動によってローター2が送り出され、ローター2が矢印B1で示すように時計回りに回転する。
When the drive signal V1 shown in FIG. 2 is applied to the
反対に、図4に示す駆動信号V1を圧電素子6B、6Dに印加し、駆動信号V2を圧電素子6Cに印加し、駆動信号V3を圧電素子6A、6Eに印加すると、図5に示すように、圧電素子6Cの伸縮によって振動部41がY軸方向に伸縮振動しつつ、圧電素子6A、6Eと圧電素子6B、6Dとのタイミングのずれた伸縮によって振動部41がZ軸方向にS字状に屈曲振動し、これら伸縮振動と屈曲振動とが合成されて、凸部44が矢印A2で示すように時計回りに楕円運動する。このような凸部44の楕円運動によってローター2が送り出され、ローター2が矢印B2で示すように反時計回りに回転する。
On the contrary, when the drive signal V1 shown in FIG. 4 is applied to the
なお、駆動信号V1、V2、V3は、それぞれ、同じ周波数fである。また、駆動信号V1、V2の位相差は、180°に保たれる。この関係は、後述するように、圧電振動子4の駆動条件を変更する際にも保たれる。
The drive signals V1, V2, and V3 have the same frequency f. Further, the phase difference between the drive signals V1 and V2 is maintained at 180°. This relationship is maintained even when the driving condition of the
制御装置7は、例えば、図示しないホストコンピューターからの指令に基づいて、所定時刻にローター2の位置が目標位置(目標角度)となるように、圧電振動子4の駆動を制御する。すなわち、制御装置7は、第1圧電素子である圧電素子6Cと、第2圧電素子である6A、6B、6D、6Eと、にそれぞれ所望の駆動信号を印加するよう制御する。また、制御装置7は、後述する「異常状態」であるか否かを判断する機能を有する。このような制御装置7は、例えば、所定のプログラムを実行する少なくとも1つのCPUと、プログラムやデータを一時的に格納するメインメモリと、フラッシュメモリのような補助メモリと、を有するコンピューターで構成されている。
The control device 7 controls the drive of the
例えば、図3に示すように凸部44を矢印A1のように反時計回りに楕円運動させ、ローター2を矢印B1まわりに回転させようとして、駆動信号V1を圧電素子6A、6Eに印加し、駆動信号V2を圧電素子6Cに印加し、駆動信号V3を圧電素子6B、6Dに印加しても、何らかの原因によって、凸部44の楕円運動が矢印A1で示す楕円軌道とならず、それに起因して、ローター2が矢印B1とは逆の矢印B2まわりに回転したり、矢印B1まわりに回転するものの、その角速度が目標の角速度よりも遅かったりする場合がある。なお、前記「何らかの原因」としては、例えば、圧電振動子4の振動を開始する直前における圧電振動子4の姿勢、凸部44とローター2の外周面21との接触状態、凸部44の先端面および外周面21の表面状態、駆動信号V1、V2、V3の印加方法等が考えられる。
For example, as shown in FIG. 3, the
このように、ローター2に異常な移動が生じると、圧電モーター1の駆動特性が悪化する。そこで、制御装置7は、ローター2の異常な移動が生じた際、速やかに、ローター2の移動が正常な移動すなわち上述の例では矢印B1まわりで所望の角速度を有する移動に戻るように圧電振動子4の駆動を制御する。以下、このような制御装置7による圧電モーター1の制御方法について、図6に示すフローチャートに基づいて説明する。
In this way, when the
図6に示すように、まず、ステップS1として、図示しないホストコンピューター等を介して駆動指令が制御装置7に入力される。駆動指令には、各時刻におけるローター2の目標位置が含まれている。同図では、「矢印B1方向に5000」が目標位置に相当する。次に、制御装置7は、ステップS2として、エンコーダー9からローター2の現在の位置情報を取得する。
As shown in FIG. 6, first, in step S1, a drive command is input to the control device 7 via a host computer (not shown) or the like. The drive command includes the target position of the
次に、制御装置7は、ステップS3として、ローター2の位置が目標位置となるような駆動信号V1、V2、V3を生成し、駆動信号V1を圧電素子6A、6Eに印加し、駆動信号V2を圧電素子6Cに印加し、駆動信号V3を圧電素子6B、6Dに印加する。これにより、圧電振動子4が正常に駆動すれば、凸部44が矢印A1に示すように楕円運動し、それに伴ってローター2が所定の角速度で矢印B1まわりに回転し、ローター2が所定時刻に目標位置となる。
Next, in step S3, the control device 7 generates drive signals V1, V2, V3 such that the position of the
次に、制御装置7は、ステップS4として、エンコーダー9からローター2の現在の位置情報を取得する。そして、制御装置7は、ステップS5として、ステップS4で取得したエンコーダー9の位置である「現在位置」と、それよりも前のステップS2で取得したエンコーダー9の位置である「前回位置」と、を比較する。現在位置−前回位置>0であれば、ローター2が目標位置に向けて矢印B1まわりに回転している正常状態であり、現在位置−前回位置<0であれば、ローター2が目標位置とは逆側に向けて矢印B2まわりに回転している異常状態であり、現在位置−前回位置=0であれば、ローター2が停止している異常状態であることが判断できる。
Next, the control device 7 acquires the current position information of the
ステップS5の判断がYesの場合、すなわち、ローター2の回転が正常状態である場合には、制御装置7は、ステップS6として、ステップS4で取得したエンコーダー9の位置である「現在位置」と駆動指令に含まれる「目標位置」とを比較する。そして、ステップS6の判断がYseの場合、すなわち、現在位置が目標位置と等しい場合には、制御装置7は、ステップS7として、圧電素子6A〜6Eへの駆動信号V1〜V3の印加を停止し、圧電振動子4の駆動を停止する。これにより、ローター2が目標位置で停止する。なお、前述したように、圧電振動子4は、図示しない付勢部材によってローター2の外周面21に向けて付勢されている。そのため、圧電振動子4の駆動が停止しているときは、凸部44が外周面21に押圧された状態となり、これによりローター2にブレーキがかかり、ローター2が目標位置で維持される。
If the determination in step S5 is Yes, that is, if the rotation of the
一方、ステップS6の判断がNoの場合、すなわち、現在位置が目標位置と異なっている場合には、制御装置7は、ステップS4に戻ってステップS6の判断がYseとなるまでステップS4、S5を繰り返す。 On the other hand, when the determination in step S6 is No, that is, when the current position is different from the target position, the control device 7 returns to step S4 and repeats steps S4 and S5 until the determination in step S6 becomes Yse. repeat.
また、前述したステップS5の判断がNoの場合、すなわち、ローター2の回転が異常状態である場合には、制御装置7は、ステップS8として、圧電振動子4の駆動条件を変更することができるかを判断する。なお、この「駆動条件」については、後に詳細に説明する。そして、ステップS8の判断がYesの場合、すなわち、圧電振動子4の駆動条件を変更することができる場合には、制御装置7は、圧電振動子4の駆動条件を変更し、変更した新たな駆動条件によって圧電振動子4を駆動する。このように、異なる駆動条件で圧電振動子4を駆動することにより、凸部44の楕円運動が矢印A1で示す正常な楕円軌道に回復し、ローター2の移動が正常状態に戻る場合がある。
Further, when the determination in step S5 described above is No, that is, when the rotation of the
次に、制御装置7は、ステップS4に戻り、エンコーダー9からローター2の現在の位置情報を取得する。そして、制御装置7は、ステップS5として、直前のステップS4で取得したエンコーダー9の位置である「現在位置」と、それよりも一回前のステップS4で取得したエンコーダー9の位置である「前回位置」と、を比較する。つまり、圧電振動子4の駆動条件を変更する前後においてローター2の位置を比較する。ステップS5の判断がYesであれば、ステップS6に進み、Noであれば、ステップS8に進んで、再び、圧電振動子4の駆動条件を変更することができるかを判断する。ステップS8の判断がNoの場合、すなわち、圧電振動子4の駆動条件を変更し尽くして、もう変更する駆動条件がない場合には、制御装置7は、ステップS7に進み、圧電振動子4の駆動を停止する。ステップS8の判断がNoであることは、ローター2の移動を異常状態から正常状態に戻す策が尽きたことを意味するため、上述のように、圧電振動子4の駆動を停止することにより、ローター2の異常状態でのそれ以上の移動を抑制することができ、ローター2の目標位置からのずれを小さく抑えることができる。
Next, the control device 7 returns to step S4 and acquires the current position information of the
以上、制御装置7による圧電振動子4の制御方法について簡単に説明した。次に、上述したステップS9、すなわち、圧電振動子4の駆動条件の変更についてより詳細に説明する。制御装置7は、凸部44の楕円振動の軌跡を変化させるために、駆動条件を変更する。制御装置7は、変更する駆動条件として、駆動信号V1と駆動信号V2との位相差θと、駆動信号V2の振幅Dと、駆動信号V1、V2、V3の周波数fと、を有し、ステップS9を繰り返すたびに、これら3つの条件のうちの少なくとも1つを変更する。
The control method of the
本実施形態では、一度のステップS9で変更する条件は、位相差θ、振幅Dおよび周波数fのうちのいずれか1つだけである。これにより、駆動条件を過度にかつ複雑に変更してしまうのを抑制できる。また、仮に、駆動条件の変更によってローター2の移動が正常状態に戻ったときに、異常状態となった原因をより明確に判断することができ、それを今後の駆動にフィードバックすることも可能となる。
In the present embodiment, the only condition to be changed in step S9 is any one of the phase difference θ, the amplitude D and the frequency f. As a result, it is possible to prevent the driving conditions from being changed excessively and complicatedly. Further, if the movement of the
また、本実施形態では、制御装置7は、位相差θ、振幅D、周波数fの順で、圧電振動子4の駆動条件を変更する。すなわち、まず、位相差θを変更し、それでもローター2の移動が異常状態から正常状態に戻らない場合には、振幅Dを変更し、それでもローター2の移動が異常状態から正常状態に戻らない場合には、周波数fを変更する。
Further, in the present embodiment, the control device 7 changes the driving condition of the
この順に変更する理由を説明すると、位相差θを変更すると、主に、凸部44の楕円運動の長軸の傾きが変わり、振幅Dを変更すると、主に、凸部44の楕円運動のY軸方向の振幅が変わり、周波数fを変更すると、主に、凸部44の楕円運動の大きさ(全体的な振幅)が変わる。そのため、位相差θ、振幅Dおよび周波数fの中で、位相差θを変更することが、凸部44の楕円運動の軌跡を変化させるのに最も有効であり、振幅Dを変更することが次に有効であり、周波数fを変更することがその次に有効である。したがって、上述したように、位相差θ、振幅D、周波数fの順で、圧電振動子4の駆動条件を変更することにより、より短い時間で、ローター2の移動を異常状態から正常状態に戻すことができる。
The reason for changing in this order will be described. When the phase difference θ is changed, the inclination of the major axis of the elliptic motion of the
また、別の理由として、位相差θおよび振幅Dの変更は、それぞれ、圧電素子6A〜6Eへの駆動信号V1〜V3の印加を停止することなく行うことができる。つまり、圧電振動子4の駆動を継続しながら、位相差θおよび振幅Dを変更することができる。そのため、位相差θおよび振幅Dであれば、駆動条件の変更を速やかに行うことができ、より短い時間で、ローター2の移動を異常状態から正常状態に戻すことができる。一方で、周波数fの変更は、圧電振動子4の駆動を一旦停止しなければならない。つまり、圧電振動子4への駆動信号V1〜V3の印加を停止し、変更した周波数fを有する駆動信号V1〜V3を改めて圧電振動子4に印加する必要がある。これは、後述するように、圧電振動子4を駆動させるのに「ダウンスイープ制御」を行っているためである。そのため、周波数fの場合は、駆動条件の変更を速やかに行うことができない。このような理由からも、位相差θおよび振幅Dの変更を、周波数fの変更よりも先に行うことが好ましい。
As another reason, the phase difference θ and the amplitude D can be changed without stopping the application of the drive signals V1 to V3 to the
ただし、駆動条件の変更順は、位相差θ、振幅D、周波数fの順に限定されず、位相差θ、周波数f、振幅Dの順であってもよいし、振幅D、位相差θ、周波数fの順であってもよいし、振幅D、周波数f、位相差θの順であってもよいし、周波数f、位相差θ、振幅Dの順であってよいし、周波数f、振幅D、位相差θの順であってよい。 However, the order of changing the drive conditions is not limited to the order of the phase difference θ, the amplitude D, and the frequency f, and may be the order of the phase difference θ, the frequency f, and the amplitude D, or the amplitude D, the phase difference θ, and the frequency. The order may be f, the order may be the amplitude D, the frequency f, and the phase difference θ, the order may be the frequency f, the phase difference θ, and the amplitude D, or the frequency f and the amplitude D. , The phase difference θ may be in this order.
まず、位相差θの変更について説明する。例えば、異常状態のうちでも、ローター2が目標位置とは逆側に向けて矢印B2まわりに回転している場合は、凸部44が矢印A1に示す軌跡とは逆の矢印A2に示す軌跡で楕円運動している可能性が高い。そこで、楕円運動の軌跡を反転すべく、制御装置7は、圧電振動子4の駆動条件を、駆動信号V1、V3の位相を逆転させたものに変更する。すなわち、図2に示す位相から図4に示す位相に変更する。これにより、凸部44の楕円運動の軌跡が反転し、ローター2の移動が異常状態から正常状態に戻る可能性がある。
First, the change of the phase difference θ will be described. For example, even in the abnormal state, when the
上述のような駆動条件に変更してもローター2の移動が異常状態から正常状態に戻らない場合は、制御装置7は、位相差θを30°、60°、90°、120°、250°といったように徐々に増加させ、凸部44の楕円運動の軌跡を徐々に変化させる。制御装置7は、位相差θを変更するたびに、ステップS5によってローター2の移動が異常状態から正常状態に戻ったかを判断する。このように、位相差θを徐々に変更することにより、そのどこかで凸部44の楕円運動の軌跡が正常な軌跡となり、ローター2の移動が異常状態から正常状態に戻る可能性がある。
When the movement of the
なお、制御装置7は、上述のような位相差θの変更を、圧電素子6A〜6Eへの駆動信号V1〜V3の印加を継続したままで行う。これにより、位相差θの変更をより迅速に行うことができ、短時間で、ローター2の移動を異常状態から正常状態に戻すことができる。また、制御装置7は、位相差θを変更する処理の最中、すなわち、位相差θの変更を開始してから変更後の位相差θで圧電振動子4の駆動を開始するまでの間は、駆動信号V1、V3の振幅を一時的に小さくしてもよい。これにより、位相差θを変更する処理の最中、ローター2の角速度が小さくなり、ローター2の異常状態での移動を抑制することができ、目標位置からのずれの拡大を効果的に抑制することができる。ただし、これに限定されず、制御装置7は、上述のような位相差θの変更を、圧電素子6A〜6Eへの駆動信号V1〜V3の印加を停止して行ってもよい。
The controller 7 changes the phase difference θ as described above while continuing to apply the drive signals V1 to V3 to the
以上のような位相差θの変更によってもローター2の移動が異常状態から正常状態に戻らなかった場合、制御装置7は、駆動条件を初期値にリセットしたうえで、駆動信号V2の振幅Dを変更する。具体的には、制御装置7は、例えば、初期値の1.5倍、2.0倍、2.5倍、3.0倍といったように徐々に増加させ、凸部44の楕円運動の軌跡を徐々に変化させる。制御装置7は、振幅を変更するたびに、ステップS5によってローター2の移動が異常状態から正常状態に戻ったかを判断する。このように、振幅Dを徐々に変更することにより、そのどこかで凸部44の楕円運動の軌跡が正常な軌跡となり、ローター2の移動が異常状態から正常状態に戻る可能性がある。
When the movement of the
上述のように、振幅Dを変更する際に位相差θの条件を初期値にリセットすることにより、仮に、振幅Dの変更によってローター2の移動が正常状態に戻ったときに、異常状態となった原因が振幅Dにあったことをより明確に判断することができ、それを今後の駆動にフィードバックすることが可能となる。なお、振幅Dの変更は、初期値から徐々に増加させるのではなく、初期値の0.8倍、0.6倍、0.4倍、0.2倍といったように初期値から徐々に減少させてもよい。
As described above, by resetting the condition of the phase difference θ to the initial value when the amplitude D is changed, if the movement of the
なお、制御装置7は、上述のような振幅Dの変更を、圧電素子6A〜6Eへの駆動信号V1〜V3の印加を継続したままで行う。これにより、振幅Dの変更をより迅速に行うことができ、短時間で、ローター2の移動を異常状態から正常状態に戻すことができる。また、制御装置7は、振幅Dを変更する処理の最中、すなわち、振幅Dの変更を開始してから変更後の振幅Dで圧電振動子4の駆動を開始するまでの間は、駆動信号V1、V3の振幅を一時的に小さくしてもよい。これにより、振幅Dを変更する処理の最中、ローター2の角速度が小さくなり、ローター2の異常状態での移動を抑制することができ、目標位置からのずれの拡大を効果的に抑制することができる。ただし、これに限定されず、制御装置7は、上述のような振幅Dの変更を、圧電素子6A〜6Eへの駆動信号V1〜V3の印加を停止して行ってもよい。
The controller 7 changes the amplitude D as described above while continuing to apply the drive signals V1 to V3 to the
以上のような振幅Dの変更によってもローター2の移動が異常状態から正常状態に戻らなかった場合、制御装置7は、駆動条件を初期値にリセットしたうえで、各駆動信号V1〜V3の周波数fを変更する。
When the movement of the
ここで、周波数fの変更を説明するのに先立って、圧電振動子4の周波数特性について図7に基づいて説明する。図7は、駆動信号V1〜V3の周波数fと凸部44の振幅との関係を示すグラフである。同図に示すように、共振周波数f0よりも周波数が低い領域では、周波数fが共振周波数f0から離間するにつれて急峻に凸部44の振幅が減少するが、共振周波数f0よりも周波数が高い領域では、周波数fが共振周波数f0から離間するにつれて緩やかに振幅が減少する。そのため、周波数fの初期値faは、共振周波数f0よりも高い領域において設定される。これにより、周波数fに対する凸部44の振幅の変化率が小さくなるため、凸部44の振幅をより細かく精度よく制御することができる。
Here, before explaining the change of the frequency f, the frequency characteristic of the
このような前提のもと、制御装置7は、例えば、駆動信号V1〜V3の周波数fを、初期値faから共振周波数f0に向けて徐々に低くし、凸部44の楕円運動の軌跡を徐々に変化させる。制御装置7は、周波数fを変更するたびに、ステップS5によってローター2の移動が異常状態から正常状態に戻ったかを判断する。このように、周波数fを徐々に変更することにより、そのどこかで凸部44の楕円運動の軌跡が正常な軌跡となり、ローター2の移動が異常状態から正常状態に戻る可能性がある。
Based on such a premise, the control device 7 gradually lowers the frequency f of the drive signals V1 to V3 from the initial value fa toward the resonance frequency f0, and gradually moves the locus of the elliptic movement of the
上述のように、周波数fを変更する際に振幅Dの条件を初期値にリセットすることにより、仮に、周波数fの変更によってローター2の移動が正常状態に戻ったときに、異常状態となった原因が周波数fにあったことをより明確に判断することができ、それを今後の駆動にフィードバックすることが可能となる。なお、周波数fの変更は、初期値faから徐々に低くするのではなく、初期値faから徐々に高くしてもよい。
As described above, by resetting the condition of the amplitude D to the initial value when changing the frequency f, if the movement of the
ここで、圧電振動子4がローター2に押し付けられているため、圧電振動子4のQ値が低い。そのため、駆動条件に設定された周波数f1(共振周波数f0に近い周波数)と等しい周波数の駆動信号V1〜V3をいきなり圧電素子6A〜6Eに印加しても圧電振動子4が発振せず、凸部44の楕円運動が生じないおそれがある。そこで、制御装置7は、周波数f1よりも高い周波数fmの駆動信号V1〜V3を圧電素子6A〜6Eに印加し、小さい振幅で凸部44の楕円運動を生じさせた後、そこから徐々に駆動信号V1〜V3の周波数を周波数fmからf1に近づける制御である「ダウンスイープ制御」を行う。そのため、上述のように周波数fを変更する場合には、それに応じて、ダウンスイープ制御を開始する周波数fmも変更することが好ましい。
Since the
なお、制御装置7は、上述のような周波数fの変更を、圧電素子6A〜6Eへの駆動信号V1〜V3の印加を停止して行う。これにより、ダウンスイープ制御によって、圧電振動子4を再駆動させることができ、より確実に、変更後の周波数fで圧電振動子4を駆動させることができる。ただし、これに限定されず、制御装置7は、上述のような周波数fの変更を、圧電素子6A〜6Eへの駆動信号V1〜V3の印加を継続したままで行ってもよい。
The controller 7 changes the frequency f as described above by stopping the application of the drive signals V1 to V3 to the
以上、制御装置7が行う駆動条件の変更について説明した。制御装置7は、これら位相差θ、振幅Dおよび周波数fの全要素の変更を順に行ったにも関わらず、ステップS5での判断がNoとなる場合は、前述したように、ステップS8からステップS7に進み、圧電振動子4を緊急停止する。
The change of the driving condition performed by the control device 7 has been described above. When the determination in step S5 results in No even though the phase difference θ, the amplitude D, and the frequency f have all been changed in order, the control device 7 proceeds from step S8 to step S8 as described above. Proceeding to S7, the
なお、本実施形態では、制御装置7は、位相差θ、振幅Dおよび周波数fのうちの1つだけを順に変更しているが、これに限定されず、位相差θ、振幅Dおよび周波数fから選択された2つ、または、全てを同時に変更してもよい。例えば、図8に示すように、初めは、位相差θ、振幅Dおよび周波数fから選択される1つの要素だけを変更し、それでも、ローター2の移動が正常状態に戻らなければ、位相差θ、振幅Dおよび周波数fから選択される2つの要素を変更し、それでも、ローター2の移動が正常状態に戻らなければ、位相差θ、振幅Dおよび周波数fのすべてを変更してもよい。
Note that, in the present embodiment, the control device 7 sequentially changes only one of the phase difference θ, the amplitude D, and the frequency f, but the present invention is not limited to this, and the phase difference θ, the amplitude D, and the frequency f are not limited thereto. Two or all selected from may be changed at the same time. For example, as shown in FIG. 8, initially, only one element selected from the phase difference θ, the amplitude D and the frequency f is changed, and even if the movement of the
また、例えば、現在位置と目標位置とが近く、駆動条件を変更する時間がないとき、つまり、駆動条件を変更している間に現在位置が目標位置を通り過ぎてしまう場合は、変更できる駆動条件が残っているとしても、圧電振動子4への駆動信号V1〜V3の印加を停止し、圧電振動子4の駆動を停止させてもよい。
Further, for example, when the current position and the target position are close to each other and there is no time to change the driving condition, that is, when the current position passes the target position while changing the driving condition, the driving condition that can be changed However, even if there is left, the application of the drive signals V1 to V3 to the
以上、圧電モーター1の制御方法について説明した。このような圧電モーター1の制御方法は、前述したように、第1圧電素子としての圧電素子6Cおよび第2圧電素子としての圧電素子6A、6B、6D、6Eを備える振動部41と、振動部41に接続されている凸部44と、を有し、振動部41が圧電素子6Cの伸縮によって当該伸縮方向であるY軸方向へ伸縮振動すると共に圧電素子6A、6B、6D、6Eの伸縮によって伸縮方向と直交する方向であるZ軸方向へ屈曲振動することより、凸部44が回転運動、特に、本実施形態では楕円運動する圧電振動子4と、凸部44と接触し、凸部44の回転運動が伝達されて移動する被駆動部としてのローター2と、を有する圧電振動装置としての圧電モーター1の制御方法である。そして、このような制御方法は、圧電振動子4を振動させ、目標位置に向けてローター2を移動させる際、ローター2が目標位置のある方向とは逆方向へ移動する状態またはローター2の移動が停止している状態である異常状態となる場合、圧電素子6Cに印加する第1駆動信号としての駆動信号V2と圧電素子6A、6Eに印加する第2駆動信号としての駆動信号V1との位相差θ、駆動信号V2の振幅D、および、駆動信号V1、V2、V3の周波数fのうちのいずれかを変更する。このように駆動の条件を変更することにより、より確実に、ローター2の移動を異常状態から目標位置がある方向に移動する正常状態に戻すことができる。そのため、優れた駆動特性を有する圧電モーター1となる。
The control method of the piezoelectric motor 1 has been described above. As described above, the method of controlling the piezoelectric motor 1 includes the vibrating
つまり、圧電モーター1は、圧電素子6Cに駆動信号V2を印加すると共に、圧電素子6A、6B、6D、6Eに駆動信号V1、V3を印加するよう制御する制御装置7を有する。そして、圧電振動子4を振動させ、目標位置に向けてローター2を移動させる際、ローター2が目標位置とは逆側へ移動する状態またはローター2の移動が停止している状態である異常状態となる場合、制御装置7は、駆動信号V2、V1の位相差θ、駆動信号V2の振幅D、ならびに、駆動信号V1、V2、V3の周波数fのうちの少なくとも1つを変更するよう制御する。このように、駆動の条件を変更することにより、より確実に、ローター2の移動を異常状態から正常状態に戻すことができる。そのため、優れた駆動特性を有する圧電モーター1となる。
That is, the piezoelectric motor 1 has the control device 7 that controls the
また、前述したように、ローター2の移動が異常状態のときは、駆動信号V1と駆動信号V2との位相差θを変更する。位相差θ、振幅Dおよび周波数fの中で、位相差θを変更することが、凸部44の楕円運動の軌跡を変化させるのに最も有効である。そのため、まず、位相差θを変更することにより、短時間で、ローター2の移動を異常状態から正常状態に戻すことができる。
Further, as described above, when the movement of the
また、前述したように、位相差θを変更してもローター2の移動が異常状態を継続するときは、駆動信号V2の振幅Dを変更する。位相差θ、振幅Dおよび周波数fの中で、振幅Dを変更することが、位相差θを変更することの次に、凸部44の楕円運動の軌跡を変化させるのに有効である。そのため、まず、位相差θの変更によってもローター2の移動が正常状態に戻らなかった場合に、次に、振幅Dを変更することにより、短時間で、ローター2の移動を異常状態から正常状態に戻すことができる。
Further, as described above, if the movement of the
また、前述したように、駆動信号V2の振幅Dを変更する際、位相差θを変更前の初期値に戻す。これにより、初期の駆動条件から変更されるパラメータを振幅Dだけにすることができるため、駆動条件の変更が簡単なものとなる。また、仮に、振幅Dの変更によってローター2の移動が正常状態に戻ったときに、異常状態となった原因が振幅Dにあったことをより明確に判断することができる。
Further, as described above, when changing the amplitude D of the drive signal V2, the phase difference θ is returned to the initial value before the change. As a result, the parameter that is changed from the initial drive condition can be only the amplitude D, so that the drive condition can be easily changed. Further, if the movement of the
また、前述したように、駆動信号V2の振幅Dを変更してもローター2の移動が異常状態となるときは、駆動信号V1〜V3の周波数fを変更する。位相差θ、振幅Dおよび周波数fの中で、周波数fを変更することが、凸部44の楕円運動の軌跡を変化させるのに最も効果が小さい。そのため、周波数fの変更を最後に行い、それよりも効果の高い位相差θおよび振幅Dをその前に行うことにより、短時間で、ローター2の移動を異常状態から正常状態に戻すことができる。
Further, as described above, if the movement of the
また、前述したように、駆動信号V1〜V3の周波数fを変更する際、振幅Dを変更前の初期値に戻す。これにより、初期の駆動条件から変更されるパラメータを周波数fだけにすることができるため、駆動条件の変更が簡単なものとなる。また、仮に、周波数fの変更によってローター2の移動が正常状態に戻ったときに、異常状態となった原因が周波数fにあったことをより明確に判断することができる。
Further, as described above, when the frequency f of the drive signals V1 to V3 is changed, the amplitude D is returned to the initial value before the change. As a result, the parameter that is changed from the initial drive condition can be only the frequency f, so that the drive condition can be easily changed. Further, if the movement of the
<第2実施形態>
図9は、本発明の第2実施形態に係る圧電モーターの制御方法を示すフローチャートである。
<Second Embodiment>
FIG. 9 is a flowchart showing a method of controlling a piezoelectric motor according to the second embodiment of the present invention.
本実施形態は、圧電振動子4の駆動条件を変更する際に、圧電振動子4の駆動を一旦停止すること以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図9において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
The present embodiment is the same as the above-described first embodiment except that the driving of the
図9に示すように、本実施形態の圧電モーター1の制御方法では、ステップS5の判断がNoの場合、すなわち、ローター2の回転が異常状態である場合、制御装置7は、ステップS10として、圧電素子6A〜6Eへの駆動信号V1〜V3の印加を停止し、圧電振動子4の駆動を停止する。そして、制御装置7は、ステップS8に進み、圧電振動子4の駆動条件を変更することができるかを判断する。このように、圧電振動子4の駆動条件を変更できるかを判断する前に、圧電振動子4の駆動を停止することにより、駆動条件を変更する処理の最中におけるローター2の移動が防止され、目標位置からのずれの拡大を効果的に抑制することができる。
As shown in FIG. 9, in the method for controlling the piezoelectric motor 1 of the present embodiment, if the determination in step S5 is No, that is, if the rotation of the
このように、本実施形態では、位相差θ、振幅Dおよび周波数fのいずれかを変更する場合は、圧電振動子4の駆動を停止する。これにより、駆動条件を変更する処理の最中におけるローター2の移動が防止され、目標位置からのずれの拡大を効果的に抑制することができる。
As described above, in the present embodiment, when any one of the phase difference θ, the amplitude D and the frequency f is changed, the driving of the
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。 According to such a second embodiment, the same effect as that of the above-described first embodiment can be exhibited.
以上、本発明の圧電駆動装置の制御方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。 Although the method for controlling the piezoelectric drive device according to the present invention has been described above based on the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part may be any configuration having the same function. Can be replaced with one. Moreover, other arbitrary components may be added to the present invention. Moreover, you may combine each embodiment suitably.
1…圧電モーター、2…ローター、21…外周面、29…主面、4…圧電振動子、41…振動部、42…支持部、43…接続部、44…凸部、6A〜6E…圧電素子、7…制御装置、9…エンコーダー、A1、A2、B1、B2…矢印、D…振幅、O…中心軸、S1〜S10…ステップ、V1〜V3…駆動信号、f、f1…周波数、f0…共振周波数、fa…初期値、fm…周波数、θ…位相差 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Piezoelectric motor, 2... Rotor, 21... Outer peripheral surface, 29... Main surface, 4... Piezoelectric vibrator, 41... Vibration part, 42... Support part, 43... Connection part, 44... Convex part, 6A-6E... Piezoelectric Element, 7... Control device, 9... Encoder, A1, A2, B1, B2... Arrow, D... Amplitude, O... Central axis, S1 to S10... Step, V1 to V3... Drive signal, f, f1... Frequency, f0 … Resonance frequency, fa… Initial value, fm… Frequency, θ… Phase difference
Claims (7)
前記凸部と接触し、前記凸部の前記回転運動が伝達されて移動する被駆動部と、を有する圧電振動装置の制御方法であって、
前記圧電振動子を振動させ、目標位置に向けて前記被駆動部を移動させる際、前記被駆動部が前記目標位置のある方向とは逆方向へ移動する状態または前記被駆動部の移動が停止している状態である異常状態となる場合、
前記第1圧電素子に印加する第1駆動信号と前記第2圧電素子に印加する第2駆動信号との位相差、前記第1駆動信号の振幅、および、前記第1駆動信号および前記第2駆動信号の周波数のうちのいずれかを変更することを特徴とする圧電駆動装置の制御方法。 A vibrating section including a first piezoelectric element and a second piezoelectric element and a convex section connected to the vibrating section are provided, and the vibrating section expands and contracts in the expanding and contracting direction due to expansion and contraction of the first piezoelectric element. Along with the expansion and contraction of the second piezoelectric element, bending vibration in a direction orthogonal to the expansion and contraction direction causes the convex portion to rotate, and the piezoelectric vibrator.
A method for controlling a piezoelectric vibrating device, comprising: a driven portion that is in contact with the convex portion and is moved by transmitting the rotational movement of the convex portion,
When the piezoelectric vibrator is vibrated to move the driven part toward the target position, the driven part moves in a direction opposite to the direction in which the target position exists, or the movement of the driven part stops. If there is an abnormal condition that is
The phase difference between the first drive signal applied to the first piezoelectric element and the second drive signal applied to the second piezoelectric element, the amplitude of the first drive signal, and the first drive signal and the second drive. A method of controlling a piezoelectric driving device, characterized in that any one of the frequencies of signals is changed.
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JP2018222493A JP2020089133A (en) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | Control method of piezoelectric drive device |
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