JP3412923B2 - 振動波駆動装置の制御装置 - Google Patents

振動波駆動装置の制御装置

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JP3412923B2 JP22004494A JP22004494A JP3412923B2 JP 3412923 B2 JP3412923 B2 JP 3412923B2 JP 22004494 A JP22004494 A JP 22004494A JP 22004494 A JP22004494 A JP 22004494A JP 3412923 B2 JP3412923 B2 JP 3412923B2
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/142Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. speed, torque, starting, stopping, reversing

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、進行波型モータ等の振
動波駆動装置の制御装置に関するものであり、特に高
速、高精度位置決めが必要な分野において良好に適用で
きるものである。
【0002】
【従来の技術】振動波駆動装置の代表的な一つである進
行波型モータの基本的構成の一例としては、円環形状に
形成された振動弾性体に対して、分極処理の施された2
群の圧電素子を接着固定し、それぞれの圧電素子に位相
の異なる交流電圧を印加することによって励起される2
つの定在波の合成として進行波を形成する振動子と、該
振動子の進行波形成面に加圧接触し、進行波形成面との
摩擦力により駆動される移動部材から構成されている。
【0003】このように構成された進行波型モータは、
低速回転時の安定性が良好であり、同時に高いトルクを
出力できる等の特性から、例えば歯車機構等の減速手段
を用いることなく、被駆動部材を直接駆動できるという
特徴を有している。また、摩擦駆動であるため電磁ノイ
ズなどの発生がなく、保持トルク及び起動トルクが大き
いことから、高速、高精度位置決めが可能であるという
特徴を有している。
【0004】この進行波型モータを駆動するための、従
来技術の一例を図4に示す。関数発生器4は、与えられ
る周波数指令値に応じた周波数の2相信号を出力する。
2相信号は電力増幅器5で所定のレベルまで増幅され、
進行波型モータ6に印加される。進行波型モータに印加
される信号の周波数、即ち駆動周波数とモータの速度
は、一般に図5に示すような特性を持つ。従って図中ピ
ーク地点より右側の多少なだらかな特性を利用し、駆動
周波数をスイープすることによって、安定に速度を可変
することができる。この方法を用いた代表的なものとし
ては、特開昭62−85685号公報が挙げられる。
【0005】さらに、従来技術の他の一例を図6に示
す。関数発生器には正負の符号が取りうる指令値が与え
られる。そして、振幅決定手段により指令値の絶対値に
より出力信号の振幅を規定し、さらに指令値の符号に応
じて位相差決定手段1により出力2相信号の位相差を+
90度あるいは−90度とするのである。このように位
相差を切り替えることでモータの回転方向を自動的に切
り替え、連続的な可逆運転を行うことが可能になる。こ
の方式は本出願人より既に提案されている。
【0006】なお、上記従来例では簡単のためアナログ
回路を仮定して説明したが、回路構成簡略化のため、電
力増幅器までディジタル回路構成とすることは可能であ
る。この場合、パルスの幅によりモータに与える信号の
振幅を可変する、いわゆるパルス幅変調方式が用いられ
るのが一般的である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記第1の従来例にお
いては、駆動周波数を操作することで、大きなダイナミ
ックレンジが得られる。これは図5に示した駆動周波数
−速度特性によるものであり、言い換えれば共振特性を
利用しているからである。しかしながらこれは図5に示
したように強い非線形性を持つため、従来より広く利用
されているような、線形補償要素を付加したサーボ系を
構成することが困難であった。このため、実際の負荷に
応じた調整が困難となり、進行波型モータの用途を限定
する原因となっていた。また、駆動周波数を操作するの
みでは、一方向の運転しかできないことも、その原因の
一つである。
【0008】また、上記した第2の従来例においては、
位相差を自動的に操作することで連続的な可逆運転が可
能となるため、上述の問題点をある程度回避できる。特
に、進行波型モータに印加する信号振幅に対するモータ
速度は、線形性の良い特性を示すため、サーボ系の1要
素として取り扱い易くなり、例えば高精度位置決め等の
用途にも好適である。しかしながらこの場合、飽和等の
回路的な制限により、速度のダイナミックレンジを大き
くとれないという問題点があった。
【0009】このように従来技術では、進行波型モータ
を、精度とダイナミックレンジとを兼ね備えた線形性の
良いアクチュエータとして使うことが困難であった。
【0010】本発明の目的は、高精度な駆動制御と幅広
いダイナミックレンジ有する振動波駆動装置の制御装置
を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、請求項1
に記載のように、駆動用の電気−機械エネルギー変換素
子に2相の駆動信号を印加することにより弾性体に2相
の定在波を発生させ、該弾性の駆動面の表面粒子に楕
円運動を励起させる振動波駆動装置における該駆動用の
電気−機械エネルギー変換素子に2相の駆動信号を出力
する振動波駆動装置の制御装置において、任意の実数値
を入力とし、該2相の駆動信号の位相差指令値を出力
る第1の補償手段と、該第1の補償手段と同じ入力を用
いて該2相の駆動電圧の振幅指令値を出力する第2の補
償手段と、該第1及び第2の補償手段と同じ入力を用い
て該2相の駆動信号の周波数指令値を出力する第3の補
償手段とを有し、該入力の絶対値が該第2の補償手段で
規定される振幅下限値より大きく振幅上限値より小さい
場合には、該入力の絶対値を振幅指令値、駆動周波数の
上限値を周波数指令値として出力し、該入力の絶対値が
第2の補償手段で規定される振幅上限値より大きい場合
には、該振幅上限値を振幅指令値、該入力の絶対値と該
振幅上限値との差を変数として比例定数を乗じた値を該
第3の補償手段で規定される周波数上限値より減じた値
を周波数指令値として出力することを特徴とする。第2
の発明は、駆動用の電気−機械エネルギー変換素子に2
相の駆動信号を印加することにより弾性体に2相の定在
波を発生させ、該弾性体の駆動面の表面粒子に楕円運動
を励起させる振動波駆動装置における該駆動用の電気−
機械エネルギー変換素子に2相の駆動信号を出力する振
動波駆動装置の制御装置において、任意の実数値を入力
とし、該2相の駆動信号の位相差指令値を出力する第1
の補償手段と、該第1の補償手段と同じ入力を用いて該
2相の駆動電圧の振幅指令値を出力する第2の補償手段
と、該第1及び第2の補償手段と同じ入力を用いて該2
相の駆動信号の周波数指令値を出力する第3の補償手段
とを有し、該入力の絶対値が該第2の補償手段で規定さ
れる振幅下限値より大きく振幅上限値より小さい場合に
は、該入力の絶対値を振幅指令値、駆動周波数の上限値
を周波数指令値として出力し、該入力の絶対値が第2の
補償手段で規定される振幅上限値より大きい場合には、
該振幅上限値を振幅指令値、該入力の絶対値と該振幅上
限値との 差を変数とする単調増加関数の値を該第3の補
償手段で規定される周波数上限値より減じた値を周波数
指令値として出力することを特徴とする。
【0012】上記した第1、第2の発明では、入力の絶
対値が該第2の補償手段で規定される振幅下限値より大
きく振幅上限値より小さい場合には、該入力の絶対値を
振幅指令値、駆動周波数の上限値を周波数指令値として
出力し、該入力の絶対値が第2の補償手段で規定される
振幅上限値より大きい場合には、該振幅上限値を振幅指
令値、該入力の絶対値と該振幅上限値との差を変数とし
て比例定数を乗じた値、あるいは該差を変数とする単調
増加関数の値を、該第3の補償手段で規定される周波数
上限値より減じた値を周波数指令値として出力するの
で、ダイナミックレンジが広く、かつ、線形性に優れた
振動波駆動装置の制御装置を提供できる。
【0013】第3の発明は、請求項3に記載のように、
上記いずれかの発明で、第1の補償手段は、駆動方向の
入力情報に応じて+90度あるいは−90度のいずれか
の値を位相差指令として出力することを特徴とする。
【0014】この構成により、弾性体の駆動部の表面粒
子に形成される楕円運動の方向が決定され、駆動方向が
決まる。
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【実施例】本発明による第1の実施例を図1に示す。図
1において、1は位相差決定手段である第1の補償要
素、2は振幅決定手段である第2の補償要素、3は駆動
周波数決定手段である第3の補償要素、4は関数発生
器、5は電力増幅器、6は進行波型モータである。第
1、第2、第3の補償要素はCPU7上でソフトウエア
として実現している。関数発生器4はさらにD/Aコン
バータ8、V/Fコンバータ9、およびカウンタ主体で
構成されるロジック回路10から構成されている。第3
の補償要素をなす駆動周波数決定手段3の出力はD/A
コンバータ8に与えられ、さらにV/Fコンバータ9に
よって、駆動周波数の基準となる周期信号を生成する。
ロジック回路10はこの基準信号をもとに、第1の補償
要素をなす位相差決定手段1の出力に従って振幅指令値
に比例したデューティー比を持つ2相のパルス信号を生
成しており、それらの位相差は第2の補償要素をなす振
幅決定手段1の出力により決定される。また電力増幅器
5は、スイッチング素子と昇圧用のインダクタンスによ
り構成されている。
【0021】本実施例において、進行波型モータへの指
令値は、任意の値を取るディジタル値として与えられる
が、アナログ電圧をA/D変換して与えても良い。この
指令値が、第1、第2、第3の補償要素1,2,3の入
力となる。
【0022】第1の補償要素1では、指令値の符号に応
じて+90度あるいは−90度の値を位相差指令値とし
て出力する。従って指令値をU、位相差指令値をφとす
れば、第1の補償要素1の機能は次の様に記述できる。
【0023】U≧0 → φ=90度 U<0 → φ=−90度 また第2の補償要素2では、指令値Uの絶対値を取って
振幅指令値を出力する。この時、出力する振幅指令値に
上限値と下限値を設定する。この上限値は、後段の関数
発生器4や電力増幅器5における回路的な制限により規
定される。下限値を設けてあるのは、進行波型モータが
安定して駆動できるだけの電力を供給するためである。
これら上限値と下限値をそれぞれumax 、umin 、振幅
値をuとすれば、第2の補償要素2の機能は次のように
記述できる。
【0024】|U|<umin → u=umin |U|≧umax → u=umaxmin ≦|U|<umax → u=|U| さらに第3の補償要素3では、以下の式に従って駆動周
波数指令値fd を出力する。
【0025】 |U|<umax → fd=fmax |U|≧umax → fd=fmax−k・(|U|−umax) fmax−k・(|U|−umax)≦fmin → fd=fmin ここで、駆動周波数上限値fmaxは図5における共振点
より十分高い値に設定し、駆動周波数下限値fminは共
振点よりわずかに高い値に設定する。これら上限値と下
限値の差の分だけ、速度のダイナミックレンジを確保す
ることができることになる。上式においては、振幅の変
化分に対する速度の変化分と、駆動周波数の変化分に対
する速度の変化分とを、比例定数kを用いてマッチング
させている。そして、振幅Uの絶対値のうち振幅上限値
を越えた分を駆動周波数を操作する分に割り当てる。こ
のようにすることで操作量Uの有効範囲を拡大して十分
なダイナミックレンジを確保することができるのであ
る。
【0026】以上3つの補償要素の機能を図示すれば、
図2のようになる。このような第1、第2、第3の補償
要素を設けることにより、位相差、振幅、駆動周波数を
1つの線形操作量Uから一意的にかつ整合性を持って決
定することができ、しかも線形操作量Uに対する進行波
型モータの速度を概ね線形な特性とすることができる。
従って、操作量Uを決定するには通常よく用いられる制
御補償演算結果をそのまま用いることができ、負荷にあ
わせた調整が行いやすい進行波型モータ制御装置を提供
できる。
【0027】[第2の実施例]本発明による第2の実施
例を図3に示す。本実施例は進行波型モータの位置決め
の目的で用いたものである。進行波型モータにはロータ
リエンコーダ11が十分な剛性をもってカップリングさ
れており、これを用いて得た位置情報と目標値の差を取
る位置フィードバックループと、ダンピングを向上させ
るための速度フィードバックループを有する制御系構成
となっている。位置補償器12には比例要素、速度補償
器13には比例+積分要素が用いられている。これら補
償要素も、CPU7内でソフトウエアとして実現されて
いる。
【0028】速度補償器である比例+積分要素13にお
ける積分器の値は位置決め開始時にゼロに初期化するの
が一般的である。しかしながら、第1の実施例でも述べ
たように振幅決定手段2において下限値を設けているた
め、積分器をゼロに初期化した場合、この下限値に相当
する値に積分器がチャージアップされるまで一定の時間
を要することになる。特に微小ピッチ送りで位置決めを
行う用途では、この時間分だけ位置決め時間が長くなる
ことになってしまう。
【0029】そこで本実施例では、位置決め動作を始め
る直前に、積分器の値を振幅下限値に相当する値に初期
化する。進行波型モータの動作方向によりその符号が異
なるため、CPU7では位置決め開始前に現在位置と目
標位置との差を取り、その符号と積分器初期値の符号が
同一になるよう初期化している。これによって、進行波
型モータを素早く起動し、もって短時間での位置決めが
可能となる。
【0030】[第3の実施例]第1、第2の実施例で
は、駆動周波数決定手段3において、振幅の変化分に対
する速度の変化分と、駆動周波数の変化分に対する速度
の変化分とを、比例定数kを用いてマッチングさせてい
たが、これの替わりに任意の単調増加関数を用いること
も可能である。
【0031】特に、この関数として、図5に示した駆動
周波数−速度特性と同じものを用いれば、線形操作量U
に対する進行波型モータの速度は完全に比例関係とな
り、より系の特性を向上させることができる。そして関
数値はテーブル等の形でROMに保存し、これを参照し
て用いれば良い。
【0032】なお、上記した各実施例においては、振動
波駆動装置として、円環形状の弾性体に圧電素子を接合
したものを振動子とし、該弾性体に加圧接触する部材を
移動体として駆動する振動波モータを例にして説明した
が、該部材を固定させて振動子を移動させる方式、ある
いは振動子を固定し、その駆動面に接触する紙等のシー
ト部材を移動させるシート搬送装置等であっても良い。
【0033】さらに振動子を棒状に形成し、軸方向に対
して互いに直交する2軸について曲げ振動を励起し、そ
の合成により、例えば該振動子の一端部を駆動部とした
場合、該駆動部の表面粒子に該軸方向と直交する軸の回
りに楕円運動を生じさせ、該駆動部と加圧接触する部材
と、該棒状の振動子とを相対的に移動させる方式であっ
てもよい。
【0034】
【発明の効果】請求項1、2に係る発明によれば、入力
の絶対値が該第2の補償手段で規定される振幅下限値よ
り大きく振幅上限値より小さい場合には、該入力の絶対
値を振幅指令値、駆動周波数の上限値を周波数指令値と
して出力し、該入力の絶対値が第2の補償手段で規定さ
れる振幅上限値より大きい場合には、該振幅上限値を振
幅指令値、該入力の絶対値と該振幅上限値との差を変数
として比例定数を乗じた値、あるいは該差を変数とする
単調増加関数の値を、該第3の補償手段で規定される周
波数上限値より減じた値を周波数指令値として出力する
ので、ダイナミックレンジが広く、かつ、線形性に優れ
た振動波駆動装置の制御装置を提供できる。
【0035】請求項3に係る発明によれば、一つの入力
値により、弾性体の駆動部の表面粒子に形成される楕円
運動の方向が決定され、駆動方向が決まる。
【0036】
【0037】
【0038】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示すブロック図。
【図2】図1の要部の具体的構成を出力波形で夫々示す
図。
【図3】第2の実施例を示すブロック図。
【図4】従来の振動波モータの制御装置のブロック図。
【図5】周波数−速度特性を示す波形図。
【図6】従来の他の振動波モータの制御装置のブロック
図。
【符号の説明】
1 第1の補償要素(位相差決定手段) 2 第2の補償要素(振幅決定手段) 3 第3の補償要素(駆動周波数決定手段) 4 関数発生器 5 電力増幅器 6 進行波型モータ 7 CPU 8 D/Aコンバータ 9 V/Fコンバータ 10 ロジック回路 11 ロータリーエンコーダ 12 位置補償器 13 速度補償器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−90575(JP,A) 特開 平5−184167(JP,A) 特開 平3−277184(JP,A) 特開 平7−255186(JP,A) 特開 平3−18281(JP,A) 特開 平6−197563(JP,A) 特開 平4−29573(JP,A) 特開 平6−197562(JP,A) 特開 平5−328757(JP,A) 特開 平5−103487(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 駆動用の電気−機械エネルギー変換素子
    に2相の駆動信号を印加することにより弾性体に2相の
    定在波を発生させ、該弾性の駆動面の表面粒子に楕円
    運動を励起させる振動波駆動装置における該駆動用の電
    気−機械エネルギー変換素子に2相の駆動信号を出力す
    る振動波駆動装置の制御装置において、 任意の実数値を入力とし、該2相の駆動信号の位相差
    令値を出力する第1の補償手段と、該第1の補償手段と
    同じ入力を用いて該2相の駆動電圧の振幅指令値を出力
    する第2の補償手段と、該第1及び第2の補償手段と同
    じ入力を用いて該2相の駆動信号の周波数指令値を出力
    する第3の補償手段とを有し、該入力の絶対値が該第2
    の補償手段で規定される振幅下限値より大きく振幅上限
    値より小さい場合には、該入力の絶対値を振幅指令値、
    駆動周波数の上限値を周波数指令値として出力し、該入
    力の絶対値が第2の補償手段で規定される振幅上限値よ
    り大きい場合には、該振幅上限値を振幅指令値、該入力
    の絶対値と該振幅上限値との差を変数として比例定数を
    乗じた値を該第3の補償手段で規定される周波数上限値
    より減じた値を周波数指令値として出力することを特徴
    とする振動波駆動装置の制御装置。
  2. 【請求項2】 駆動用の電気−機械エネルギー変換素子
    に2相の駆動信号を印加することにより弾性体に2相の
    定在波を発生させ、該弾性体の駆動面の表面粒子に楕円
    運動を励起させる振動波駆動装置における該駆動用の電
    気−機械エネルギー変換素子に2相の駆動信号を出力す
    る振動波駆動装置の制御装置において、 任意の実数値を入力とし、該2相の駆動信号の位相差指
    令値を出力する第1の補償手段と、該第1の補償手段と
    同じ入力を用いて該2相の駆動電圧の振幅指令値を出力
    する第2の補償手段と、該第1及び第2の補償手段と同
    じ入力を用いて該2相の駆動信号の周波数指令値を出力
    する第3の補償手段とを有し、該入力の絶対値が該第2
    の補償手段で規定される振幅下限値より大きく振幅上限
    値より小さい場合には、該入力の絶対値を振幅指令値、
    駆動周波数の上限値を周波数指令値として出力し、該入
    力の絶対値が第2の補償手段で規定される振幅上限値よ
    大きい場合には、該振幅上限値を振幅指令値、該入力
    の絶対値と該振幅上限値との差を変数とする単調増加関
    数の値を該第3の補償手段で規定される周波数上限値よ
    り減じた値を周波数指令値として出力する ことを特徴と
    する振動波駆動装置の制御装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または2において、第1の補償
    手段は、駆動方向の入力情報に応じて+90度あるいは
    −90度のいずれかの値を位相差指令として出力する
    ことを特徴とする振動波駆動装置の制御装置。
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