JP2020137309A - 振動型モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速制御時の制御性を維持しつつ、低位相差時の制御を安定させることを可能とする振動型モータ制御装置を提供すること。【解決手段】 位相差を有する第１の周波信号及び第２の周波信号が印加された電気−機械エネルギー変換素子により振動が励起される振動体と、該振動体に接触する接触体を相対移動させる振動型モータの駆動速度を制御する振動型モータ制御装置であって、前記第１の周波信号及び第２の周波信号の位相差を決定する位相差決定手段と、前記位相差のリミット値を記憶する位相差リミット記憶手段と、を有し、前記位相差決定手段は前記位相差リミット記憶手段に記憶されている位相差にて前記振動型モータを駆動した場合に得られる駆動速度より低速度が得られる位相差を決定しないことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、振動型モータ制御装置に関する。

振動型モータは、電気−機械エネルギー変換素子（圧電素子や電歪素子）が接合された金属弾性体等により形成された振動体と、該振動体に加圧接触する接触体とを有する。位相差を有する複数の周波信号を圧電素子に印加すると、振動体に振動が励起され、該振動体と接触体とが相対移動して駆動力が発生する。このような振動型モータの駆動制御方法には圧電素子に印加する周波信号の周波数を変化させる方法（以下、周波数制御）や、圧電素子に印加する複数の周波信号の位相差を変化させる方法（以下、位相差制御）がある。周波数制御と位相差制御は公知のため詳細は省略する。

従来、振動型モータの制御方法として様々な提案がされている。特許文献１には、振動型モータの起動を有利にするために停止時に周波信号の位相差（以下、位相差）を振動型モータが駆動しない不感帯領域の最大値または最小値に設定する制御方法が開示されている。振動型モータは入力を与えてもある範囲の位相差において振動型モータが駆動しない不感帯領域がある。不感帯領域では振動体の突き上げ動作が支配的になり進行方向への駆動力が摩擦力を超えられないため、振動型モータは駆動しない。特に、突き上げ動作が支配的になる位相差範囲において不感帯領域は存在する。特許文献１の技術では、停止時に位相差を不感帯領域の位相差とすることで、動摩擦状態から駆動を開始することが出来、動き出しを有利にしている。

特開２０１５―１２８３６７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術は、不感帯領域が常に同じ位相差範囲に存在することを前提としているため、不感帯領域が位相差方向に変動した場合に対応することが困難である。更に、不感帯領域の境界値に位相差を設定するため、より不感帯領域の変動の影響を受ける可能性が高くなる。

ここで、図６を使用して不感帯領域の変動が発生する要因について説明する。図６は振動型モータの速度特性を示し、横軸は周波数、縦軸は速度、各カーブは位相差を１０°から９０°に固定し、周波数を変えた場合の振動型モータの速度を表す。

図６は速度のダイナミックレンジを広げるため、位相差制御と周波数制御を切替えて制御する場合について説明する。まず、起点となる周波数（以下、起動周波数）を周波数Ｆ２とした場合について説明する。

起動周波数を周波数Ｆ２として位相差制御時は位相差０°から９０°まで使用し、位相差９０°以降は位相差９０°固定として周波数制御に切替える。周波数制御は周波数Ｆ０から周波数Ｆ２までを使用する。周波数Ｆ０より低周波側は速度変化が急峻であることや、振動型モータの動作が不安定となるため使用しない。このようにある周波数より低周波側を崖落ち側と呼び、境となる周波数を共振周波数と呼ぶ。以上の制御方法の場合、破線の矢印の軌跡をたどり、常に共振周波数より高周波側を使用できるが、周波数制御において、破線の矢印が非線形な軌跡をたどることが分かる。この非線形性は振動型モータの特性のひとつであり、非線形性により周波数制御領域では、周波数を一定量増減させても振動型モータの速度の増減が一定ではなくなってしまい制御性が低下する。

ここで、周波数制御時の非線形領域の影響を低減するために起動周波数を周波数Ｆ１とした場合について説明する。起動周波数を周波数Ｆ２より低周波な周波数Ｆ１とし、破線の矢印と同様に位相差制御と周波数制御を切替えて制御する。この場合、実線の矢印の軌跡をたどり、破線の矢印に対して周波数制御領域が狭くなり、周波数制御の非線形性の影響を低減することが可能となる。しかし、周波数Ｆ１は位相差１０°の共振周波数より低周波側に位置することが分かる。これは、振動型モータの特性として、高速度が得られる位相差（図６中位相差９０°）に対して低速度が得られる位相差（図６中位相差１０°）は共振周波数がより高周波側に位置するためである。つまり、起動周波数を周波数Ｆ１とすると位相差制御において低位相差時に振動型モータの動作が不安定となる可能性がある。

以上、起動周波数を周波数Ｆ２、Ｆ１とした場合の長所と短所を説明したが、起動周波数を周波数Ｆ１に設定せざるを得ない場合がある。例えば、高速領域の制御性を重視したい場合や、周波信号を出力するハードの性能により周波数Ｆ２を選択できない場合である。

次に、起動周波数を周波数Ｆ１に設定した場合の影響について図２を使用して説明する。

図２は図６と同様に振動型モータの速度特性を示し、横軸は位相差、縦軸は速度、各直線は周波数Ｆ１固定とし、位相差を順次変更した時の速度特性を示し、同様な測定を複数回実施したときの結果を表す。

周波数Ｆ１固定として位相差をＰｈ０から順次変更した時、１回目はＰｈ０からＰｈ１未満まで振動型モータは駆動せず、Ｐｈ１以降は駆動する。つまり、Ｐｈ１が動き出す位相差となる。１回目と同様にして位相差をＰｈ０から順次変更した時、２回目はＰｈ２が動き出す位相差となる。更に、３回目はＰｈ３が動き出す位相差となる。この様に、同じ振動型モータに対して、同じ周波数、位相差を与えても動き出す位相差がばらつくことがある。つまり、駆動する毎に動き出す位相差が変わるため、同じ位相差の入力信号を与えても動く場合と動かない場合が発生してしまい制御が不安定となる。図２の様に同条件下でも動き出す位相差がばらつく原因として図６で説明した様に、共振周波数より低周波側を使用していることにより不安定な動作となってしまうからである。

以上をまとめると、周波数制御時の制御性を有利にする起動周波数を選択すると、位相差制御時の動き出す位相差が同条件下であってもばらつくことがある。よって、動き出す時に振動型モータの動作が不安定となってしまう。また、低速度制御時の制御性が低下してしまう。

そこで、本発明の目的は、高速制御時の制御性を維持しつつ、低位相差時の制御を安定させることを可能とする振動型モータ制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る振動型モータ制御装置は、
位相差を有する第１の周波信号及び第２の周波信号が印加された電気−機械エネルギー変換素子により振動が励起される振動体と、該振動体に接触する接触体を相対移動させる振動型モータの駆動速度を制御する振動型モータ制御装置であって、前記第１の周波信号及び第２の周波信号の位相差を決定する位相差決定手段と、前記位相差のリミット値を記憶する位相差リミット記憶手段と、を有し、前記位相差決定手段は前記位相差リミット記憶手段に記憶されている位相差にて前記振動型モータを駆動した場合に得られる駆動速度より低速度が得られる位相差を決定しないことを特徴とする。

本発明に係る振動型モータ制御装置によれば、高速制御時の制御性を維持しつつ、低位相差時の制御を安定させることが可能となる。

第１実施例の構成図 測定回数毎の位相差対速度 第２実施例の構成図 位相差リミット更新部フローチャート （ａ）は位相差対速度（運用中）、（ｂ）は位相差対速度（出荷時） 周波数対速度（位相差毎）

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施例における振動型モータ制御装置の構成を図１に示す。

以下の説明では、本発明を分かり易くするために本発明の主要な部位のみ図示し、本発明の特徴ではない部位は省略した。

振動型モータ制御装置１００は振動型モータ１０７の駆動制御を行う。

目標入力部１０１は振動型モータの制御目標を入力する。例えば、位置や速度を指令として入力を与える。

検出部１０２は振動型モータ１０７の位置を検出する。

周波数決定部１０３は振動型モータ１０７に入力する複数の周波信号の周波数を決定する。決定方法としては、例えば、検出部１０２の出力と目標入力部１０１の出力との差に応じて決定する。

位相差決定部１０４は振動型モータ１０７に入力する複数の周波信号の位相差を決定する。決定方法としては、周波数決定部１０３と同様にして決定する。また、振動型モータ１０７を駆動させたい場合は、位相差リミット記憶部１０５にて記憶している位相差リミット値に基づいて決定する。例えば、使用する位相差範囲が位相差０°〜９０°において位相差リミット値が５°の場合、５°〜９０°の範囲で決定する。また、使用する位相差範囲が位相差−９０°〜０°において位相差リミット値が−５°の場合、−９０°〜−５°の範囲で決定する。つまり、位相差リミット値が最低速度を得られる位相差となる。
出力部１０６は周波数決定部１０３にて決定された周波数と位相差決定部１０４にて決定された位相差に基づいて複数の周波信号を振動型モータ１０７に出力する。

次に、図２を使用して位相差リミット記憶部１０５にて記憶している位相差のリミット値の決定方法について説明する。図２はすでに説明したため、詳細は省略する。

図２の様に同条件下において同様な測定を複数回実行することで、動き出す位相差のばらつき範囲を測定することが可能となる。図２の場合、動き出す位相差のばらつき範囲はＰｈ１からＰｈ３であることがわかる。また、Ｐｈ３の場合、測定１回目から３回目まですべてにおいて、速度が０ではないため、測定した結果上、常に振動型モータを駆動させることが可能となる。よって、Ｐｈ３以降の位相差を使用することで、測定した結果上、常に振動型モータを駆動させることが可能となる。

つまり、複数回測定した結果、どの測定においても振動型モータが駆動する位相差をリミットとすることで、確実に駆動させることが可能となる。言い換えると、測定した結果、得られた動き出す位相差の中で、理論上、最も速い速度が得られる位相差をリミットとする。例えば、使用する位相差範囲が０°〜９０°の場合、より大きい位相差を、使用する位相差範囲が−９０°〜０°の場合、より小さい位相差を測定した結果、得られた動き出す位相差から選択する。図２の場合、位相差Ｐｈ３を位相差のリミット値として、位相差リミット記憶部１０５に記憶する。以上の方法により位相差のリミット値を決定し、位相差リミット記憶部１０５にリミット値を記憶する。また、図２で説明した測定は、出荷時に不図示の外部装置からの指令により、オープン制御として、順次位相差を変更して測定する。または、オープン制御を指示する処理部を振動型モータ制御装置１００に組み込んでも良い。

以上、説明した構成、方法により、事前に動き出す位相差のばらつき範囲を測定して、ばらつき範囲の内、全ての測定結果において振動型モータの速度が０ではない位相差をリミット値とすることで、動き出す位相差のばらつきの影響を低減することが可能となる。よって、高速制御時の制御性を維持しつつ、低位相差時の制御を安定させることを可能とする。

第２実施例に係る振動型モータ制御装置について説明する。

第１実施例に対する本実施例の振動型モータ制御装置の最も特徴的な部分は、振動型モータ制御装置の運用中に位相差リミット値を更新することで、振動型モータの特性が変化して不感帯領域が変動しても対応することが可能となる。第１実施例では、出荷時などのある環境化でのばらつきを測定し、位相差のリミット値を決定したため、環境変化や振動型モータの特性変化までは考慮していない。

本実施例における振動型モータ制御装置の構成を図３に示す。図３は図１と同様な図であるため、図１と異なる部分についてのみ説明する。

速度算出部３００は検出部１０２からの位置信号に基づいて、振動型モータ１０７の駆動速度を算出する。

停止判定部３０１は速度算出部３００の出力に基づいて振動型モータ１０７が停止しているか判定する。具体的には速度が０または、閾値以下なら停止と判定する。

位相差リミット更新部３０２は、速度算出部３００と停止判定部３０１と位相差決定部１０４の出力と位相差リミット記憶部１０５にて記憶している位相差のリミット値に基づいて、位相差リミット記憶部１０５に記憶している位相差のリミット値を更新する。位相差リミット更新部３０１の動作について図４を使用して説明する。

図４は位相差リミット更新部３０１の動作のフローチャートを示す。

ステップＳ４００では、位相差決定部１０４から位相差を取得する。

ステップＳ４０１では、不図示のメモリから停止判定部３０１の前回の判定結果を取得する。

ステップ４０２では、ステップＳ４０１にて取得した前回の停止判定結果に基づいて振動型モータ１０７が、前回、停止していたか判定する。前回、停止していた場合は、ステップＳ４０３へ進む。一方、前回、停止していなかった場合は、ステップＳ４１３へ進む。

ステップＳ４０３では、不図示のメモリから前回、出力した位相差値を取得する。

ステップＳ４０４では、停止判定部３０１の判定結果を取得する。

ステップＳ４０５では、ステップＳ４０４にて取得した判定結果に基づいて振動型モータ１０７が現在、停止しているか判定する。停止している場合は、ステップＳ４０６へ進む。一方、停止していない場合は、ステップＳ４１１へ進む。

ステップＳ４０６では、位相差リミット記憶部１０５から位相差のリミット値を取得する。

ステップＳ４０７では、ステップＳ４００にて取得した位相差とステップＳ４０６にて取得した位相差のリミット値に基づいて、ステップＳ４００にて取得した位相差が駆動用の位相差か判定する。具体的な判定方法は、使用する位相差の範囲が０°〜９０°の場合、ステップＳ４００にて取得した位相差がリミット値より大きい場合は駆動用位相差と判定する。また、使用する位相差の範囲が−９０°〜０°の場合、ステップＳ４００にて取得した位相差がリミット値より小さい場合は駆動用位相差と判定する。つまり、使用する範囲の内、理論的にステップＳ４００にて取得した位相差がリミット値の位相差より高速度が得られる位相差であれば、駆動用位相差と判定する。また、停止用位相差は０°または１８０°とし、駆動用位相差は位相差決定部１０４にてリミット値と停止用位相差の間は設定しないことを前提とする。ステップＳ４０７にて駆動用位相差と判定された場合は、ステップＳ４０８に進む。一方、駆動用位相差と判定されなかった場合は、ステップＳ４１３に進む。

ステップＳ４０８では、ステップＳ４０３にて取得した前回の位相差値に基づいて位相差値を更新する。更新方法としては、前回の位相差値が停止用位相差であれば、ステップＳ４０６にて取得した位相差のリミット値とする。また、前回の位相差が駆動用の位相差の場合は、前回の位相差値から規定値分、位相差を更新する。規定値は、出力部１０６が出力できる最小分解能または、最小分解能より大きな値としても良い。

ステップＳ４０９では、ステップＳ４０８にて更新した位相差を不図示のメモリに記憶する。

ステップＳ４１０では、ステップＳ４０４にて取得した停止判定結果を不図示のメモリに記憶する。

ステップＳ４１１では、位相差リミット値を算出する。算出方法については後述する。

ステップＳ４１２では、ステップＳ４１１にて算出した位相差リミット値を位相差リミット記憶部１０５に記憶する。

ステップＳ４１３では、ステップＳ４０７にて駆動用位相差と判定された場合は、ステップＳ４０８にて更新された位相差を出力部１０６に出力する。上記以外は、ステップＳ４００にて取得した位相差値を出力部１０６に出力する。

次に、図５の（ａ）、（ｂ）を使用してステップＳ４１１の処理内容について説明する。

図５の（ａ）は、横軸に位相差、縦軸に速度を示し、出荷時の位相差のリミット値は位相差Ｐｈ５であり、その時の速度がＶ５であったとする。速度Ｖ５は不図示のメモリに記憶しておく。例えば、振動型モータ制御装置１００を運用中に停止状態において、位相差決定部１０４にて位相差のリミット値である位相差Ｐｈ５が決定されたとする。位相差Ｐｈ５にて駆動した結果、速度算出部３００の算出した結果が速度Ｖ６であったとする。ここで、速度Ｖ６が速度Ｖ５に対して閾値以上速いとする。ただし、閾値は事前に不感帯領域を測定した時の動き出す位相差それぞれの最大速度と最小速度の差分とする。この場合、不感帯領域が位相差Ｐｈ５を位相差のリミット値として設定した状態と変化していると判断し位相差のリミット値を更新する。

更新方法について、図５の（ｂ）を使用して説明する。

図５の（ｂ）は図５の（ａ）と同様であるため詳細は省略する。図５の（ｂ）は出荷時に位相差のリミット値をＰｈ５として設定した時の位相差に対する速度を示す。出荷時に図５の（ｂ）で示す速度の傾きも記憶しておく。記憶しておいた傾きと図５の（ａ）にて説明した速度Ｖ６から出荷時の特性において、Ｖ６が得られる位相差を算出する。図５の（ｂ）の場合Ｐｈ６が求まる。よって、図５の（ａ）の状態ではＰｈ５とＰｈ６の差分分不感帯領域が位相差方向に移動したと推測できる。つまり、位相差のリミット値をＰｈ５に対してＰｈ５とＰｈ６の差分分更新すればよい。更に、図５の（ｂ）で説明した傾きを図５の（ａ）の状態でも不図示のメモリに記憶することで、常に位相差のリミット値を更新することが可能となる。以上の更新方法は、振動型モータの特徴として、動き出す位相差が変化しても動き出した時の速度は大きく変わらないことや、記憶している速度の傾きも大きく変わらないため用いることが可能である。

以上の説明では、位相差Ｐｈ５の時に速度が速くなった場合について説明した。

次に図５の（ａ）と同様に出荷時に位相差のリミット値を位相差Ｐｈ５とし、位相差Ｐｈ５で駆動した結果、速度が０となった場合の位相差のリミット値の更新方法について説明する。位相差Ｐｈ５にて駆動した結果、速度が０となった場合、図４のフローチャートにおけるステップＳ４０８にて説明した最小分解能分、出力する位相差を更新し、動き出す位相差を得られるまで繰り返す。または、最小分解能より大きく、出力する位相差を更新し、先ほど説明した速度Ｖ６と同様に速度Ｖ５より速い速度を得ることで、不図示のメモリに記憶している傾きから位相差のリミット値を算出するとしても良い。

以上説明した方法により、位相差のリミット値を実際に動き出した位相差や不図示のメモリに記憶している速度の傾きから算出し更新することで、運用中においても常に位相差のリミット値を更新することが可能となる。よって、出荷時から振動型モータの特性が変化しても、不感帯領域の影響を低減することが可能となる。

本実施例では、図５の（ｂ）において停止状態の時に、位相差決定部１０４にて位相差のリミット値である位相差Ｐｈ５が決定された場合について説明したが位相差のリミット値に限らない。例えば、位相差のリミット値より速い速度が得られる駆動用位相差を使用して、停止状態から駆動を開始した場合、不図示のメモリに記憶している速度の傾きから更新する位相差のリミット値を算出するとしても本発明の効果を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００ 振動型モータ制御装置、１０４ 位相差決定部、
１０５ 位相差リミット記憶部、３０２ 位相差リミット更新部

Claims (9)

1. 位相差を有する第１の周波信号及び第２の周波信号が印加された電気−機械エネルギー変換素子により振動が励起される振動体と、
   該振動体に接触する接触体を相対移動させる振動型モータの駆動速度を制御する振動型モータ制御装置であって、
   前記第１の周波信号及び第２の周波信号の位相差を決定する位相差決定手段と、
   前記位相差のリミット値を記憶する位相差リミット値記憶手段と、
   を有し、
   前記位相差決定手段は、前記振動型モータを駆動させたい場合は、前記位相差リミット値記憶手段に記憶されている位相差にて前記振動型モータを駆動した場合に得られる駆動速度より低速度が得られる位相差を決定しないことを特徴とする振動型モータ制御装置。
2. 前記振動型モータ制御装置は、
   前記振動型モータの駆動速度を算出する駆動速度算出手段と、
   前記位相差リミット値を決定する位相差リミット決定手段と、
   前記位相差を順次変更し、前記駆動速度を各位相差において求める駆動速度算出工程と、
   を更に有し、
   前記位相差リミット決定手段は、
   前記駆動速度算出工程を複数回実施し、前記駆動速度が規定値以上で最も低速度が得られる実施回数毎の位相差において、最も高速度が得られる位相差に最も近い位相差をリミット値として決定し、前記位相差リミット値記憶手段に記憶することを特徴とする請求項１に記載の振動型モータ制御装置。
3. 前記規定値は、０であることを特徴とする請求項２に記載の振動型モータ制御装置。
4. 前記振動型モータ制御装置は、
   前記位相差に対する前記駆動速度算出工程時に得られた速度の傾きを記憶する速度傾き記憶手段と、
   前記リミット値記憶手段に記憶されているリミット値を更新する位相差リミット値更新手段と、
   を更に有し、
   前記位相差リミット値更新手段は、
   前記リミット値または、前記リミット値近傍にて前記振動型モータを駆動した際、前記駆動速度算出手段から得られる駆動速度が前記傾きから得られる速度と閾値以上異なる場合は、前記傾きと前記駆動速度から算出される位相差値に前記位相差リミット値を更新することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の振動型モータ制御装置。
5. 前記閾値は、前記駆動速度算出工程を複数回実施し、規定値以上で最も低速度な速度の内、最大速度と最小速度の差分であることを特徴とする請求項４に記載の振動型モータ制御装置。
6. 前記振動型モータ制御装置は、
   前記リミット値記憶手段に記憶されているリミット値を更新する位相差リミット値更新手段と、
   前記位相差決定手段にて決定された位相差を一定間隔で変更する位相差スイープ手段と、
   を更に有し、
   前記位相差リミット値更新手段は、
   前記リミット値または、前記リミット値近傍にて前記振動型モータを駆動した際、前記駆動速度算出手段から得られる駆動速度が前記規定値未満の場合、前記位相差スイープ手段によって、前記位相差を順次変更した際に、前記駆動速度が前記規定値以上となった前記位相差に前記位相差リミット値を更新することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の振動型モータ制御装置。
7. 前記一定間隔は、前記振動型モータ制御装置が出力出来る前記位相差の最小分解能であることを特徴とする請求項６に記載の振動型モータ制御装置。
8. 可動光学部材と、該可動光学部材を駆動する振動型モータと、請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の振動型モータ制御装置を該振動型モータの制御装置として有することを特徴とするレンズ装置。
9. 請求項８に記載のレンズ装置と、該レンズ装置によって形成された光学像を撮像する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。