JP4209261B2 - 多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置に関し、詳しくは、所望の回転運動を発生させるために固定子の圧電素子に交流電圧を印加して回転子の回転位置を制御する際に適用される多自由度超音波モータの回転位置制御方法及びその実施に直接使用する回転位置制御装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高トルク、高自由度を要求されるような部位に適用されるアクチュエータとして、省スペース、高トルクで静音性の高い多自由度超音波モータの適用が期待されている。
【０００３】
例えば、人間型ロボットの間接機構、特に首の部分のように、多自由度に姿勢を変えることができるように重量物を鉛直に支える必要のある機構等へ、従来の一自由度回転式の電磁式サーボモータに代わって、多自由度超音波モータの適用が期待されている。
【０００４】
ここで、多自由度超音波モータは、例えば、振動方向が異なる複数の圧電素子が積層された構成の固定子と、この固定子の上に密着された球状の回転子からなり、多自由度超音波モータの固定子の圧電素子に、周波数が等しく位相の異なる交流電流を印加すると圧電素子に固有振動が励振されて、それらの固有振動モードの組み合わせにより回転子が３自由度の回転を行う。
【０００５】
このように、３自由度の回転を行う多自由度超音波モータを適切に駆動するためには、適切な制御手段が必要であり、そのような制御手段として、固定子を構成する各圧電素子に印加される交流電圧の位相差を制御する手法が提案されている。前記手法では、各入力信号の位相差の値で構成されたベクトル値に対する回転子の回転方向の角度値に関する情報を保持した運動モデルを利用して、制御信号を決定している。
【０００６】
なお、上記多自由度超音波モータ回転位置制御の詳細については、下記の非特許文献１に記載されている。
【０００７】
【非特許文献１】
K. Takemura, T. Maeno, “Control of Multi-DOF Ultrasonic Motor using Neural Network based Inverse Model”, Proceedings of 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, October 2002.
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、多自由度超音波モータの回転子と固定子とが接する面における摩擦力の物理学的特性は複雑であり、さまざまな要因によって変化する。そのため、回転方向の制御に必要な運動モデルを推定することが非常に困難であり、また、運動モデルを利用した制御を長時間の運転に適用するには、多自由度超音波モータの運転中に運動モデルの更新を行わなければならない。
【０００９】
しかしながら、多自由度の運動を表現する運動モデルを効率よく実時間で更新することは困難であり、さらに、多自由度超音波モータは回転子と固定子間の物理特性に個体差があることを考慮すると、運動モデルを一つ一つの多自由度超音波モータのために用意しなければならないという問題がある。
【００１０】
ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は、次のとおりである。
【００１１】
即ち、本発明の第１の目的は、運動モデルを利用せずに、多自由度超音波モータの３自由度の回転位置を制御可能な多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置を提供せんとするものである。
【００１２】
本発明の第２の目的は、多自由度超音波モータを構成する回転子と固定子間の摩擦力の特性の変化の影響を受けずに、長時間の多自由度を表現する運転を可能とする多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置を提供せんとするものである。
【００１３】
本発明の第３の目的は、多自由度超音波モータ間の個体差に係わらず適用可能な多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置を提供せんとするものである。
【００１４】
本発明の他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から、自ずと明らかとなろう。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明方法においては、まず、回転運動に伴う回転子の現在回転位置を計測し、次いで、当該計測された値から回転子を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、固定子を構成する圧電素子に印加すべき交流電圧の振幅値を計算して、続いて、圧電素子に対して、振幅値と同じ振幅値を持ち、回転子を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を印加して当該回転子の回転方向の制御をなす、という特徴的構成手法を講じる。
【００１６】
一方、本発明装置においては、回転運動に伴う回転子の現在回転位置を計測する回転角度計測センサと、当該回転角度計測センサにて計測された現在回転位置の測定値から回転子を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、圧電素子に印加する交流電圧の振幅値を計算し、当該振幅値を振幅指令値として出力する回転位置監視部と、当該回転位置監視部から入力された当該振幅指令値と同じ振幅値を持ち、回転子を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を、圧電素子に出力する高周波回転方向切替部と、を具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【００１７】
さらに、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手段を採用することにより、前記目的を達成するように為される。
【００１８】
即ち、本発明方法の第１の特徴は、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する積層された複数の圧電素子によって構成される固定子と、負荷重量物を保持し前記固定子の前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子と、で構成される多自由度超音波モータにおいて、所望の回転運動を発生させるために前記固定子の圧電素子に前記交流電圧を印加して前記回転子の回転位置を制御する方法であって、まず、前記回転運動に伴う前記回転子の現在回転位置を計測し、次いで、当該計測された値から前記回転子を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、互いに直交して異なる仮想三次元座標３軸方向の前記固有振動をそれぞれ励振し前記３軸の各回転方向における前記圧電素子の各々に印加すべき交流電圧の振幅値を計算して、続いて、前記回転子の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で、交流電圧の出力先となる前記圧電素子を切り替え、交流電圧の出力先となった圧電素子に対して、その圧電素子の前記振幅値と同じ振幅値を持ち、前記回転子を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を印加して当該回転子の回転方向の制御を行い、交流電圧の出力先となる前記圧電素子が高周波で順次切り替わることにより、３軸方向の回転制御を行う多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。
【００１９】
本発明方法の第２の特徴は、上記本発明方法の第１の特徴における前記回転子の回転方向の制御を、前記現在回転位置の回転角度から前記目標回転位置の目標角度に到達するために、より多くの回転制御が必要な回転方向について、他の回転方向よりも優先的な制御を行う、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。
【００２０】
本発明方法の第３の特徴は、上記本発明方法の第１又は第２の特徴における前記振幅値の計算を、前記仮想三次元座標上の前記現在回転位置から前記目標回転位置までの到達に必要な回転角を、前記圧電素子の励振される前記３軸のそれぞれの回転方向の成分に分解して、前記交流電圧の振幅値を３つの当該回転方向の成分別に計算する、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。
【００２１】
本発明方法の第４の特徴は、上記本発明方法の第３の特徴における前記振幅値の計算を、前記回転子の回転駆動に対して、予め目標回転角速度が設定された場合に、先の前記回転位置の計測を継続的に行うことで、前記圧電素子に印加する前記交流電圧と対応させて当該回転子の回転角速度を監視して、当該回転角速度と当該交流電圧とを比較することで、次に印加する前記交流電圧の前記振幅値を前記目標回転速度に達するように計算する、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。
【００２６】
一方、本発明装置の第１の特徴は、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する積層された複数の圧電素子によって構成される固定子と、前記固定子の前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子と、で構成される多自由度超音波モータにおいて、所望の回転運動を発生させるために適用される多自由度超音波モータの回転位置制御装置であって、前記回転運動に伴う前記回転子の現在回転位置を計測する回転角度計測センサと、当該回転角度計測センサにて計測された前記現在回転位置の測定値から前記回転子を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、前記圧電素子に印加する交流電圧の振幅値を計算し、当該振幅値を振幅指令値として出力する回転位置監視部と、当該回転位置監視部から入力された当該振幅指令値と同じ振幅値を持ち、互いに直交して異なる仮想三次元座標３軸方向の前記固有振動をそれぞれ励振し、前記回転子を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を、前記３軸の各回転方向における前記圧電素子の各々に、前記回転子の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で切替出力可能に出力し、交流電圧の出力先となる前記圧電素子が高周波で順次切り替わることにより、３軸方向の回転制御を行う高周波回転方向切替部と、を具備してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。
【００２７】
本発明装置の第２の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記高周波回転方向切替部が、前記現在回転位置の回転角度から前記目標回転位置の目標角度に到達するために、より多くの回転制御を必要とする回転方向に対して、他の回転方向よりも優先的な前記交流電圧の印加を行うよう機能構成されてなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。
【００２８】
本発明装置の第３の特徴は、上記本発明装置の第１又は第２の特徴における前記回転位置監視部が、前記仮想三次元座標上の前記現在回転位置から前記目標回転位置までの到達に必要な回転角を、前記圧電素子の励振される前記３軸それぞれの回転方向の成分別に計算して、計算された振幅値をそれぞれ３つの前記振幅指令値として前記高周波回転方向切替部に出力可能に機能構成されてなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。
【００２９】
本発明装置の第４の特徴は、上記本発明装置の第３の特徴における前記回転位置監視部が、前記回転子の回転駆動に対して、予め目標回転角速度が設定された場合、前記回転角度計測センサから出力された前記測定値を、前記高周波回転方向切替部から出力された前記交流電圧と対応させて継続的に保持して、前記圧電素子に印加された当該交流電圧の振幅値を前記目標回転速度に達するように調整可能に機能構成されてなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、装置例及び方法例を添付図面を参照しつつ、本発明を球状の回転子を持つ多自由度超音波モータに適用した場合を例に挙げて詳細に説明する。
【００３９】
（装置例）
まず、図１は、本発明の一実施形態例に係る装置例としての多自由度超音波モータの回転位置制御装置の内部構成図であり、図２は、同回転位置制御装置が適用される多自由度超音波モータの外観斜視図であり、図２に示した座標軸は、固定子４の回転子５との接触端面の鉛直上方をｚ軸として、ぞれぞれ直交して異なるｘ，ｙ，ｚ軸からなる仮想三次元座標系を備える。
【００４０】
本装置例に係る回転位置制御装置αは、例えば、図２に示すような多自由度超音波モータβに適用されて、多自由度超音波モータβは、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する積層された複数の圧電素子によって構成される固定子４と、負荷重量物（図示せず）を保持し固定子４の固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子５と、で構成される。
【００４１】
また、固定子４は、同図に示しように、まず、交流電圧は印加されたときにそれぞれ、ｙ軸周りに軸回転する方向のピッチ方向にたわむピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａと、ｚ軸の正負方向に上下伸縮する上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂと、ｘ軸周りに軸回転する方向のロール方向にたわむロール方向たわみ振動発生用圧電素子４ｃと、から構成される。
【００４２】
一方、回転子５は、例えば、球状であり、固定子４の上端面に載置されていて、多自由度超音波モータβは、回転子５に十分な予圧が与えられていれば、交流電圧を各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加せずとも、その時点での回転位置を保持可能な高いトルクを発生することが可能であり、また回転運動を行っている多自由度超音波モータβの圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃへの印加電圧を急激に０Ｖに落としても、例えば、１０数ミリ秒以内に回転子５の回転が止まる特性を持つ。
【００４３】
他方、図２に示すとおり、本発明回転位置制御装置αは、回転運動に伴う回転子５の現在回転位置を計測する回転角度計測センサ１と、回転角度測定センサ１にて測定された現在回転位置の測定値から回転子５を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加する交流電圧の振幅値を計算し、この振幅値を振幅指令値として出力する回転位置監視部２と、回転位置監視部２から入力された振幅指令値と同じ振幅値を持ち、回転子５を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに出力する高周波回転方向切替部３と、を具備する。
【００４４】
ここで、回転角度計測センサ１は、例えば、随時回転子５の回転位置を計測可能なものとして、計測した回転子５の現在状態の回転位置を示す計測値である現在回転位置を、回転位置監視部２及び高周波回転方向切替部３に随時出力可能に構成される。
【００４５】
一方、回転位置監視部２は、回転角度計測センサ１から入力された現在回転位置から予め設定された目標回転位置までの到達に必要な回転角を、図２にて示したｘ，ｙ，ｚ座標の各座標軸をそれぞれ軸回転するロール方向、ピッチ方向、及びヨー方向の各回転方向成分に分解して、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加する交流電圧の振幅値を３つの当該回転方向の成分別に計算して、計算された振幅値をそれぞれ３つの振幅指令値として高周波回転方向切替部３に出力可能に構成される。
【００４６】
また、回転位置監視部２は、回転子５が、前記ロール方向、ピッチ方向及びヨー方向の各回転方向において、目標回転位置に到達した場合には、その回転方向に対して振幅指令値として電圧値０Ｖを出力する一方、目標回転位置に到達しない場合は、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加可能な大きさの一定値の電圧値を振幅指令値として出力するよう構成される。
【００４７】
さらに、回転位置監視部２は、多自由度超音波モータβの各方向における目標回転速度が与えられた場合には、その目標回転速度に見合った印加交流電圧の振幅値を振幅指令値として出力することによって、回転子５の回転速度の制御が可能である。
【００４８】
このとき、目標回転速度に対する適切な印加交流電圧の値が不明な場合には、回転角度計測センサ１から入力された現在回転位置の計測値によって回転子５の回転角速度を継続的に監視して、回転子５の回転速度計測値を利用したフィードバック制御によって印加交流電圧の値を調整して回転角速度の制御を可能とする。
【００４９】
他方、高周波回転方向切替部３は、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加する交流電圧の出力を、回転子５の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で切替出力して、それぞれの交流電圧は、例えば、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃのそれぞれに独立して出力可能に構成される。
【００５０】
図３は、本発明回転位置制御装置が適用された多自由度超音波モータの動作原理を説明する図であり、同図においては、ピッチ方向の正回転を例として示すものである。
【００５１】
同図に示すとおり、回転子５のピッチ方向の回転には、ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａと上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂとに、高周波回転方向切替部３から制御された交流電圧が印加されて、このとき印加される交流電圧の位相差は、例えば９０度であり、これにより誘起されるピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａと上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂとの機械振動も同様の位相差を持つ。
【００５２】
そのため、９０度の位相差でピッチ方向のたわみ振動と縦方向の伸縮運動が組み合わさり、固定子４の上端面は、ピッチ方向の回転駆動を表出される。この回転駆動が、固定子４と回転子５の間の摩擦力によって、回転子５に伝達され、回転子５にピッチ方向の回転が誘起される。
【００５３】
ここで、例えば、まず、図３（１）は、ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａの一点鎖線矢印で図示する方向のたわみにより回転子５がピッチ方向の正方向に回転駆動されるための初期の状態を示すものであり、次いで、図３（２）は、上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂが上下方向に伸長されて固定子４から回転子５へ回転駆動を伝達するための摩擦力を強く発生する状態であり、続いて、図３（３）は、ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａの一点鎖線で図示する方向のたわみにより回転子５が図３（１）の位置からピッチ方向の正方向に回転駆動された状態であり、引続き、図３（４）は、上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂが縮退されて固定子４から回転子５への回転駆動力の伝達が抑えられた状態をそれぞれ示すものである。
【００５４】
なお、図３（１）、（２）、（３）及び（４）は、例えば、同図に示すとおり、印加する圧電素子４ａ，４ｂを、例えば、回転子５の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で高速に切り替えることで順次実施されるものであり、ここで、上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂは、図３（２）に示す上下に伸長されるときには固定子４から回転子５へ回転駆動を伝達して、一方、図３（４）に示す縮退されるときには固定子４から回転子５への回転駆動を伝達しないようにしている。また、励振させる圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加する交流電圧の位相差の順は、予め設定された目標回転位置に応じて適宜組み合わせ可能なものである。
【００５５】
同様にして、高周波回転方向切替部３は、回転子５をロール方向に回転駆動させるためには、上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂと、ロール方向たわみ振動発生用圧電素子４ｃとに、９０度の位相差を持たせた交流電圧をそれぞれに印加することで、固定子４に、回転子５をロール方向に回転させる回転駆動を誘起させて、ヨー方向では、ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａと、ロール方向たわみ振動発生用圧電素子４ｃとに印加するように構成されて、どの方向への回転においても、２つの圧電素子４ａと４ｂ，４ｂと４ｃ又は４ｃと４ａに対して印加する。
【００５６】
さらに、回転の向きを逆方向にするためには、印加する２つの交流電圧の位相差の値の符号を反転させればよく、回転速度については、印加する交流電圧の振幅値によって制御可能である。
【００５７】
ここで、表１は、各回転方向における各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃへの印加電圧の位相差を示したものである。
【００５８】
【表１】
【００５９】
さらに、高周波回転方向切替部３は、回転角度計測センサ１から入力された現在回転位置の回転角度から予め設定された目標回転位置の目標角度に到達するために、より多くの回転制御を必要とする回転方向に対して、他の回転方向よりも優先的な交流電圧の印加を行うよう構成されてもよく、限られた数の圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃを回転速度が要求される方向の回転に有効利用することが可能である。
【００６０】
加えて、高周波回転方向切替部３から圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに交流電圧が印加することで発生する機械的振動によって、多自由度超音波モータβの回転子５の回転駆動が誘起されて、例えば、各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃの固有振動数は、２０ｋＨｚを超えており、各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃを振動させるために、高周波回転方向切替部３から、各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃの固有振動数と同じ値の交流電圧の周波数を印加するよう機能構成されることで、エネルギー効率が高くなる。
【００６１】
（方法例）
続いて、以上のように構成された回転位置制御装置αを用いて、多自由度超音波モータβの回転子５の回転位置の制御を行う場合に適応される多自由度超音波モータの回転位置制御方法の具体例を説明する。
【００６２】
図４は、本発明の多自由度超音波モータの回転位置制御方法を説明するためのシーケンス図である。
【００６３】
同図に示すように、本形態例では、まず、回転角度計測センサ１において、多自由度超音波モータβの回転運動に伴う回転子５の現在回転位置を計測し（ＳＴ１）、次いでこの現在回転位置の計測値を出力された回転位置監視部２において、回転子５を、予め設定された目標回転位置に到達させるべく、固定子４を構成する圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加すべき交流電圧の振幅値を計算する（ＳＴ２）。
【００６４】
回転位置監視部２にて計算された振幅値は、振幅指令値として高周波回転方向切替部３に出力されて（ＳＴ３）、続いて、高周波回転方向切替部３において振幅指令値と同じ振幅を持ち、回転子５を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに対して印加する（ＳＴ４）ことにより、回転子５の回転方向の制御を為す。
【００６５】
ここで、回転角度計測センサ１による現在回転位置の計測（ＳＴ１）は、例えば、予め設定された周期で回転子５の現在回転位置を計測（ＳＴ１´）して、計測された現在回転位置が目標回転位置に到達したかどうか確認して、到達した場合には処理を終了する一方、到達していない場合は、再度計測された現在回転位置を回転位置監視部２に出力する等の処理を繰り返す（ＳＴ５）ようにしても構わない。
【００６６】
また、振幅値の計算（ＳＴ２）は、回転角度計測センサ１から入力された現在回転位置から予め設定された目標回転位置までの到達に必要な回転角を、例えば、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃの励振される図２に示した座標軸の各軸をそれぞれ軸回転するピッチ方向、ロール方向及びヨー方向の回転方向の成分に分解して、これら回転方向の成分別に計算する。
【００６７】
加えて、振幅値の計算（ＳＴ２）は、回転子５の回転駆動に対して、予め目標回転角速度が設定された場合に、現在回転位置の計測を継続的に行う（ＳＴ１，ＳＴ１´，・・・）回転角度計測センサからの出力を継続的に監視して、現在回転位置の測定値から得られる回転角速度と計算された振幅値とを比較して、次に印加する交流電圧の振幅値を目標回転速度に達するように計算するようにしてもよい。
【００６８】
次に、図５は、本実施形態例における交流電圧の印加を説明するフロー図である。同図は、図４に示した交流電圧の印加（ＳＴ４）を詳細に説明するためのものである。
【００６９】
同図に示すとおり、高周波回転方向切替部３により行われる交流電圧の印加（ＳＴ４）は、まず、図４に示した回転位置監視部２からの振幅指令値の出力（ＳＴ３）により、ピッチ方向、ロール方向、ヨー方向の各成分方向の振幅指令値を受信する。
【００７０】
振幅指令値の受信（ＳＴ３）に引続き、本形態例では、受信した振幅指令値のそれぞれ対応する、互いに直交して異なる仮想三次元座標３軸方向の制御として、例えば、ピッチ方向回転制御（ＳＴ４ａ）、ロール方向回転制御（ＳＴ４ｂ）、ヨー方向回転制御（ＳＴ４ｃ）を行うものであり、それぞれの実施順は適宜設定されて構わず、これら仮想三次元座標３軸方向の回転制御（ＳＴ４ａ，ＳＴ４ｂ，ＳＴ４ｃ）は、それぞれが回転子５の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で切り替える。
【００７１】
また、ピッチ方向回転制御（ＳＴ４ａ）は、ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａと上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂとに交流電圧を印加するものであり、同様にして、ロール方向回転制御（ＳＴ４ｂ）は、上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂとロール方向たわみ振動発生用圧電素子４ｃに、ヨー方向回転制御（ＳＴ４ｃ）は、ロール方向たわみ振動発生用圧電素子４ｃとピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａとにそれぞれ交流電圧を印加するものである。
【００７２】
このとき、それぞれ２つの圧電素子（４ａと４ｂ，４ｂと４ｃ，４ｃと４ａ）に印加する交流電圧は、９０度の位相差を持たせたものであり、印加する２つの圧電素子（４ａと４ｂ，４ｂと４ｃ，４ｃと４ａ）、位相及び振幅指令値を高速に切り替えることで、回転子５を目標回転位置に到達するまで行う。
【００７３】
なお、同図においては、まず、ピッチ方向回転制御（ＳＴ４ａ）、次いで、ロール方向回転制御（ＳＴ４ｂ）、引続き、ヨー方向回転制御（ＳＴ４ｃ）を順次行うことを示したが、高周波回転方向切替部３により圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに対して交流電圧の印加（ＳＴ４）が行われるときに、現在回転位置の計測（ＳＴ１´）で得た計測値を高周波回転方向切替部３に出力することで、交流電圧の印加（ＳＴ５）は、計測された現在回転位置の回転角度から目標回転位置の目標角度に到達するために、より多くの回転制御が必要な回転方向について、他の回転方向よりも優先的な制御を行うことができる。
【００７４】
即ち、ピッチ方向回転制御（ＳＴ４ａ）、ロール方向回転制御（ＳＴ４ｂ）、ヨー方向回転制御（ＳＴ４ｃ）の順番は優先される順であって構わず、また、予め設定された順であっても構わず、全ての方向の回転制御が終了したときには、ＳＴ４の処理を終了して、再度、振幅指令値の受信（ＳＴ３）を持つ。
【００７５】
なお、本実施例の回転制御（ＳＴ４ａ，ＳＴ４ｂ，ＳＴ４ｃ）は、それぞれのその切替を一定時間ごとに行い、回転制御（ＳＴ４ａ，ＳＴ４ｂ，ＳＴ４ｃ）方向の切替時間は、適用される多自由度超音波モータβの加速特性を考慮して決定される。
【００７６】
例えば、多自由度超音波モータβの各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに一定振幅の交流電圧を印加し始めてから、回転子５の回転速度が一定の速度に安定するまでの時間が１０数ミリ秒である場合には、高周波回転方向切替部３における回転方向の切替時間は５ミリ秒よりも小さな値が好ましい。
【００７７】
続いて、図６は、本実施形態例を適用される回転子頭頂点の回転駆動における回転軌跡を示す図である。
【００７８】
同図に示すように、例えば、その回転軸を軸Ａとする回転駆動を誘起される場合に、球状の回転子５の頭頂点５ａは、以上のような回転制御により、ロール方向、ピッチ方向及びヨー方向の回転駆動を誘起される固定子４の上端面において、ロール方向、ピッチ方向及びヨー方向の仮想三次元座標３軸のそれぞれ軸回転方向の例えば、同図の一点鎖線矢印で示すような微小回転駆動の合成経路Ｂとして駆動される。
【００７９】
しかしながら、本発明方法に適用される回転方向の切替周波数は、十分に高いために、同図に図示するほどの大きさのギザギザな形状の経路Ｂではなく、点線で示すような円形の頭頂点５ａの回転軌跡Ｃに近いものとなる。
【００８０】
以上、本発明の実施の形態につき、本発明を多自由度超音波モータαに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明は、必ずしも上述した手段にのみ限定されるものではなく、後述する効果を有する範囲内において、適宜、変更実施することが可能なものである。
【００８１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、回転子と固定子間の摩擦力の物理学的特性の複雑さや、多自由度超音波モータの長時間の運転に伴う変化に起因する悪影響や、多自由度超音波モータ間の個体差の影響を受けない、多自由度超音波モータの回転位置制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る装置例としての多自由度超音波モータの回転位置制御装置の内部構成図である。
【図２】同上した回転位置制御装置が適用される多自由度超音波モータの外観斜視図である。
【図３】同上した回転位置制御装置が適用された多自由度超音波モータの動作原理を説明する図である。
【図４】本発明の多自由度超音波モータの回転位置制御方法を説明するためのシーケンス図である。
【図５】同上した回転位置制御方法における交流電圧の印加を説明するフロー図である。
【図６】同上した回転位置制御方法が適用される多自由度超音波モータの回転子頭頂点の回転駆動における回転軌跡を示す図である。
【符号の説明】
α…回転位置制御装置
β…多自由度超音波モータ
１…回転角度計測センサ
２…回転位置監視部
３…高周波回転方向切替部
４…固定子
４ａ…ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子
４ｂ…上下方向伸縮振動発生用圧電素子
４ｃ…ロール方向たわみ振動発生用圧電素子
５…回転子
５ａ…頭頂点
Ａ…軸
Ｂ…ロール方向、ピッチ方向、ヨー方向の回転駆動の合成経路
Ｃ…頭頂点の回転軌跡
【発明の属する技術分野】
本発明は、多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置に関し、詳しくは、所望の回転運動を発生させるために固定子の圧電素子に交流電圧を印加して回転子の回転位置を制御する際に適用される多自由度超音波モータの回転位置制御方法及びその実施に直接使用する回転位置制御装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高トルク、高自由度を要求されるような部位に適用されるアクチュエータとして、省スペース、高トルクで静音性の高い多自由度超音波モータの適用が期待されている。
【０００３】
例えば、人間型ロボットの間接機構、特に首の部分のように、多自由度に姿勢を変えることができるように重量物を鉛直に支える必要のある機構等へ、従来の一自由度回転式の電磁式サーボモータに代わって、多自由度超音波モータの適用が期待されている。
【０００４】
ここで、多自由度超音波モータは、例えば、振動方向が異なる複数の圧電素子が積層された構成の固定子と、この固定子の上に密着された球状の回転子からなり、多自由度超音波モータの固定子の圧電素子に、周波数が等しく位相の異なる交流電流を印加すると圧電素子に固有振動が励振されて、それらの固有振動モードの組み合わせにより回転子が３自由度の回転を行う。
【０００５】
このように、３自由度の回転を行う多自由度超音波モータを適切に駆動するためには、適切な制御手段が必要であり、そのような制御手段として、固定子を構成する各圧電素子に印加される交流電圧の位相差を制御する手法が提案されている。前記手法では、各入力信号の位相差の値で構成されたベクトル値に対する回転子の回転方向の角度値に関する情報を保持した運動モデルを利用して、制御信号を決定している。
【０００６】
なお、上記多自由度超音波モータ回転位置制御の詳細については、下記の非特許文献１に記載されている。
【０００７】
【非特許文献１】
K. Takemura, T. Maeno, “Control of Multi-DOF Ultrasonic Motor using Neural Network based Inverse Model”, Proceedings of 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, October 2002.
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、多自由度超音波モータの回転子と固定子とが接する面における摩擦力の物理学的特性は複雑であり、さまざまな要因によって変化する。そのため、回転方向の制御に必要な運動モデルを推定することが非常に困難であり、また、運動モデルを利用した制御を長時間の運転に適用するには、多自由度超音波モータの運転中に運動モデルの更新を行わなければならない。
【０００９】
しかしながら、多自由度の運動を表現する運動モデルを効率よく実時間で更新することは困難であり、さらに、多自由度超音波モータは回転子と固定子間の物理特性に個体差があることを考慮すると、運動モデルを一つ一つの多自由度超音波モータのために用意しなければならないという問題がある。
【００１０】
ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は、次のとおりである。
【００１１】
即ち、本発明の第１の目的は、運動モデルを利用せずに、多自由度超音波モータの３自由度の回転位置を制御可能な多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置を提供せんとするものである。
【００１２】
本発明の第２の目的は、多自由度超音波モータを構成する回転子と固定子間の摩擦力の特性の変化の影響を受けずに、長時間の多自由度を表現する運転を可能とする多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置を提供せんとするものである。
【００１３】
本発明の第３の目的は、多自由度超音波モータ間の個体差に係わらず適用可能な多自由度超音波モータの回転位置制御方法及び装置を提供せんとするものである。
【００１４】
本発明の他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から、自ずと明らかとなろう。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明方法においては、まず、回転運動に伴う回転子の現在回転位置を計測し、次いで、当該計測された値から回転子を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、固定子を構成する圧電素子に印加すべき交流電圧の振幅値を計算して、続いて、圧電素子に対して、振幅値と同じ振幅値を持ち、回転子を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を印加して当該回転子の回転方向の制御をなす、という特徴的構成手法を講じる。
【００１６】
一方、本発明装置においては、回転運動に伴う回転子の現在回転位置を計測する回転角度計測センサと、当該回転角度計測センサにて計測された現在回転位置の測定値から回転子を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、圧電素子に印加する交流電圧の振幅値を計算し、当該振幅値を振幅指令値として出力する回転位置監視部と、当該回転位置監視部から入力された当該振幅指令値と同じ振幅値を持ち、回転子を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を、圧電素子に出力する高周波回転方向切替部と、を具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【００１７】
さらに、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手段を採用することにより、前記目的を達成するように為される。
【００１８】
即ち、本発明方法の第１の特徴は、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する積層された複数の圧電素子によって構成される固定子と、負荷重量物を保持し前記固定子の前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子と、で構成される多自由度超音波モータにおいて、所望の回転運動を発生させるために前記固定子の圧電素子に前記交流電圧を印加して前記回転子の回転位置を制御する方法であって、まず、前記回転運動に伴う前記回転子の現在回転位置を計測し、次いで、当該計測された値から前記回転子を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、互いに直交して異なる仮想三次元座標３軸方向の前記固有振動をそれぞれ励振し前記３軸の各回転方向における前記圧電素子の各々に印加すべき交流電圧の振幅値を計算して、続いて、前記回転子の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で、交流電圧の出力先となる前記圧電素子を切り替え、交流電圧の出力先となった圧電素子に対して、その圧電素子の前記振幅値と同じ振幅値を持ち、前記回転子を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を印加して当該回転子の回転方向の制御を行い、交流電圧の出力先となる前記圧電素子が高周波で順次切り替わることにより、３軸方向の回転制御を行う多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。
【００１９】
本発明方法の第２の特徴は、上記本発明方法の第１の特徴における前記回転子の回転方向の制御を、前記現在回転位置の回転角度から前記目標回転位置の目標角度に到達するために、より多くの回転制御が必要な回転方向について、他の回転方向よりも優先的な制御を行う、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。
【００２０】
本発明方法の第３の特徴は、上記本発明方法の第１又は第２の特徴における前記振幅値の計算を、前記仮想三次元座標上の前記現在回転位置から前記目標回転位置までの到達に必要な回転角を、前記圧電素子の励振される前記３軸のそれぞれの回転方向の成分に分解して、前記交流電圧の振幅値を３つの当該回転方向の成分別に計算する、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。
【００２１】
本発明方法の第４の特徴は、上記本発明方法の第３の特徴における前記振幅値の計算を、前記回転子の回転駆動に対して、予め目標回転角速度が設定された場合に、先の前記回転位置の計測を継続的に行うことで、前記圧電素子に印加する前記交流電圧と対応させて当該回転子の回転角速度を監視して、当該回転角速度と当該交流電圧とを比較することで、次に印加する前記交流電圧の前記振幅値を前記目標回転速度に達するように計算する、多自由度超音波モータの回転位置制御方法の構成採用にある。
【００２６】
一方、本発明装置の第１の特徴は、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する積層された複数の圧電素子によって構成される固定子と、前記固定子の前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子と、で構成される多自由度超音波モータにおいて、所望の回転運動を発生させるために適用される多自由度超音波モータの回転位置制御装置であって、前記回転運動に伴う前記回転子の現在回転位置を計測する回転角度計測センサと、当該回転角度計測センサにて計測された前記現在回転位置の測定値から前記回転子を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、前記圧電素子に印加する交流電圧の振幅値を計算し、当該振幅値を振幅指令値として出力する回転位置監視部と、当該回転位置監視部から入力された当該振幅指令値と同じ振幅値を持ち、互いに直交して異なる仮想三次元座標３軸方向の前記固有振動をそれぞれ励振し、前記回転子を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を、前記３軸の各回転方向における前記圧電素子の各々に、前記回転子の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で切替出力可能に出力し、交流電圧の出力先となる前記圧電素子が高周波で順次切り替わることにより、３軸方向の回転制御を行う高周波回転方向切替部と、を具備してなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。
【００２７】
本発明装置の第２の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記高周波回転方向切替部が、前記現在回転位置の回転角度から前記目標回転位置の目標角度に到達するために、より多くの回転制御を必要とする回転方向に対して、他の回転方向よりも優先的な前記交流電圧の印加を行うよう機能構成されてなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。
【００２８】
本発明装置の第３の特徴は、上記本発明装置の第１又は第２の特徴における前記回転位置監視部が、前記仮想三次元座標上の前記現在回転位置から前記目標回転位置までの到達に必要な回転角を、前記圧電素子の励振される前記３軸それぞれの回転方向の成分別に計算して、計算された振幅値をそれぞれ３つの前記振幅指令値として前記高周波回転方向切替部に出力可能に機能構成されてなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。
【００２９】
本発明装置の第４の特徴は、上記本発明装置の第３の特徴における前記回転位置監視部が、前記回転子の回転駆動に対して、予め目標回転角速度が設定された場合、前記回転角度計測センサから出力された前記測定値を、前記高周波回転方向切替部から出力された前記交流電圧と対応させて継続的に保持して、前記圧電素子に印加された当該交流電圧の振幅値を前記目標回転速度に達するように調整可能に機能構成されてなる、多自由度超音波モータの回転位置制御装置の構成採用にある。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、装置例及び方法例を添付図面を参照しつつ、本発明を球状の回転子を持つ多自由度超音波モータに適用した場合を例に挙げて詳細に説明する。
【００３９】
（装置例）
まず、図１は、本発明の一実施形態例に係る装置例としての多自由度超音波モータの回転位置制御装置の内部構成図であり、図２は、同回転位置制御装置が適用される多自由度超音波モータの外観斜視図であり、図２に示した座標軸は、固定子４の回転子５との接触端面の鉛直上方をｚ軸として、ぞれぞれ直交して異なるｘ，ｙ，ｚ軸からなる仮想三次元座標系を備える。
【００４０】
本装置例に係る回転位置制御装置αは、例えば、図２に示すような多自由度超音波モータβに適用されて、多自由度超音波モータβは、位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する積層された複数の圧電素子によって構成される固定子４と、負荷重量物（図示せず）を保持し固定子４の固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子５と、で構成される。
【００４１】
また、固定子４は、同図に示しように、まず、交流電圧は印加されたときにそれぞれ、ｙ軸周りに軸回転する方向のピッチ方向にたわむピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａと、ｚ軸の正負方向に上下伸縮する上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂと、ｘ軸周りに軸回転する方向のロール方向にたわむロール方向たわみ振動発生用圧電素子４ｃと、から構成される。
【００４２】
一方、回転子５は、例えば、球状であり、固定子４の上端面に載置されていて、多自由度超音波モータβは、回転子５に十分な予圧が与えられていれば、交流電圧を各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加せずとも、その時点での回転位置を保持可能な高いトルクを発生することが可能であり、また回転運動を行っている多自由度超音波モータβの圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃへの印加電圧を急激に０Ｖに落としても、例えば、１０数ミリ秒以内に回転子５の回転が止まる特性を持つ。
【００４３】
他方、図２に示すとおり、本発明回転位置制御装置αは、回転運動に伴う回転子５の現在回転位置を計測する回転角度計測センサ１と、回転角度測定センサ１にて測定された現在回転位置の測定値から回転子５を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加する交流電圧の振幅値を計算し、この振幅値を振幅指令値として出力する回転位置監視部２と、回転位置監視部２から入力された振幅指令値と同じ振幅値を持ち、回転子５を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに出力する高周波回転方向切替部３と、を具備する。
【００４４】
ここで、回転角度計測センサ１は、例えば、随時回転子５の回転位置を計測可能なものとして、計測した回転子５の現在状態の回転位置を示す計測値である現在回転位置を、回転位置監視部２及び高周波回転方向切替部３に随時出力可能に構成される。
【００４５】
一方、回転位置監視部２は、回転角度計測センサ１から入力された現在回転位置から予め設定された目標回転位置までの到達に必要な回転角を、図２にて示したｘ，ｙ，ｚ座標の各座標軸をそれぞれ軸回転するロール方向、ピッチ方向、及びヨー方向の各回転方向成分に分解して、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加する交流電圧の振幅値を３つの当該回転方向の成分別に計算して、計算された振幅値をそれぞれ３つの振幅指令値として高周波回転方向切替部３に出力可能に構成される。
【００４６】
また、回転位置監視部２は、回転子５が、前記ロール方向、ピッチ方向及びヨー方向の各回転方向において、目標回転位置に到達した場合には、その回転方向に対して振幅指令値として電圧値０Ｖを出力する一方、目標回転位置に到達しない場合は、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加可能な大きさの一定値の電圧値を振幅指令値として出力するよう構成される。
【００４７】
さらに、回転位置監視部２は、多自由度超音波モータβの各方向における目標回転速度が与えられた場合には、その目標回転速度に見合った印加交流電圧の振幅値を振幅指令値として出力することによって、回転子５の回転速度の制御が可能である。
【００４８】
このとき、目標回転速度に対する適切な印加交流電圧の値が不明な場合には、回転角度計測センサ１から入力された現在回転位置の計測値によって回転子５の回転角速度を継続的に監視して、回転子５の回転速度計測値を利用したフィードバック制御によって印加交流電圧の値を調整して回転角速度の制御を可能とする。
【００４９】
他方、高周波回転方向切替部３は、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加する交流電圧の出力を、回転子５の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で切替出力して、それぞれの交流電圧は、例えば、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃのそれぞれに独立して出力可能に構成される。
【００５０】
図３は、本発明回転位置制御装置が適用された多自由度超音波モータの動作原理を説明する図であり、同図においては、ピッチ方向の正回転を例として示すものである。
【００５１】
同図に示すとおり、回転子５のピッチ方向の回転には、ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａと上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂとに、高周波回転方向切替部３から制御された交流電圧が印加されて、このとき印加される交流電圧の位相差は、例えば９０度であり、これにより誘起されるピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａと上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂとの機械振動も同様の位相差を持つ。
【００５２】
そのため、９０度の位相差でピッチ方向のたわみ振動と縦方向の伸縮運動が組み合わさり、固定子４の上端面は、ピッチ方向の回転駆動を表出される。この回転駆動が、固定子４と回転子５の間の摩擦力によって、回転子５に伝達され、回転子５にピッチ方向の回転が誘起される。
【００５３】
ここで、例えば、まず、図３（１）は、ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａの一点鎖線矢印で図示する方向のたわみにより回転子５がピッチ方向の正方向に回転駆動されるための初期の状態を示すものであり、次いで、図３（２）は、上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂが上下方向に伸長されて固定子４から回転子５へ回転駆動を伝達するための摩擦力を強く発生する状態であり、続いて、図３（３）は、ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａの一点鎖線で図示する方向のたわみにより回転子５が図３（１）の位置からピッチ方向の正方向に回転駆動された状態であり、引続き、図３（４）は、上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂが縮退されて固定子４から回転子５への回転駆動力の伝達が抑えられた状態をそれぞれ示すものである。
【００５４】
なお、図３（１）、（２）、（３）及び（４）は、例えば、同図に示すとおり、印加する圧電素子４ａ，４ｂを、例えば、回転子５の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で高速に切り替えることで順次実施されるものであり、ここで、上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂは、図３（２）に示す上下に伸長されるときには固定子４から回転子５へ回転駆動を伝達して、一方、図３（４）に示す縮退されるときには固定子４から回転子５への回転駆動を伝達しないようにしている。また、励振させる圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加する交流電圧の位相差の順は、予め設定された目標回転位置に応じて適宜組み合わせ可能なものである。
【００５５】
同様にして、高周波回転方向切替部３は、回転子５をロール方向に回転駆動させるためには、上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂと、ロール方向たわみ振動発生用圧電素子４ｃとに、９０度の位相差を持たせた交流電圧をそれぞれに印加することで、固定子４に、回転子５をロール方向に回転させる回転駆動を誘起させて、ヨー方向では、ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａと、ロール方向たわみ振動発生用圧電素子４ｃとに印加するように構成されて、どの方向への回転においても、２つの圧電素子４ａと４ｂ，４ｂと４ｃ又は４ｃと４ａに対して印加する。
【００５６】
さらに、回転の向きを逆方向にするためには、印加する２つの交流電圧の位相差の値の符号を反転させればよく、回転速度については、印加する交流電圧の振幅値によって制御可能である。
【００５７】
ここで、表１は、各回転方向における各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃへの印加電圧の位相差を示したものである。
【００５８】
【表１】
さらに、高周波回転方向切替部３は、回転角度計測センサ１から入力された現在回転位置の回転角度から予め設定された目標回転位置の目標角度に到達するために、より多くの回転制御を必要とする回転方向に対して、他の回転方向よりも優先的な交流電圧の印加を行うよう構成されてもよく、限られた数の圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃを回転速度が要求される方向の回転に有効利用することが可能である。
【００６０】
加えて、高周波回転方向切替部３から圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに交流電圧が印加することで発生する機械的振動によって、多自由度超音波モータβの回転子５の回転駆動が誘起されて、例えば、各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃの固有振動数は、２０ｋＨｚを超えており、各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃを振動させるために、高周波回転方向切替部３から、各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃの固有振動数と同じ値の交流電圧の周波数を印加するよう機能構成されることで、エネルギー効率が高くなる。
【００６１】
（方法例）
続いて、以上のように構成された回転位置制御装置αを用いて、多自由度超音波モータβの回転子５の回転位置の制御を行う場合に適応される多自由度超音波モータの回転位置制御方法の具体例を説明する。
【００６２】
図４は、本発明の多自由度超音波モータの回転位置制御方法を説明するためのシーケンス図である。
【００６３】
同図に示すように、本形態例では、まず、回転角度計測センサ１において、多自由度超音波モータβの回転運動に伴う回転子５の現在回転位置を計測し（ＳＴ１）、次いでこの現在回転位置の計測値を出力された回転位置監視部２において、回転子５を、予め設定された目標回転位置に到達させるべく、固定子４を構成する圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに印加すべき交流電圧の振幅値を計算する（ＳＴ２）。
【００６４】
回転位置監視部２にて計算された振幅値は、振幅指令値として高周波回転方向切替部３に出力されて（ＳＴ３）、続いて、高周波回転方向切替部３において振幅指令値と同じ振幅を持ち、回転子５を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに対して印加する（ＳＴ４）ことにより、回転子５の回転方向の制御を為す。
【００６５】
ここで、回転角度計測センサ１による現在回転位置の計測（ＳＴ１）は、例えば、予め設定された周期で回転子５の現在回転位置を計測（ＳＴ１´）して、計測された現在回転位置が目標回転位置に到達したかどうか確認して、到達した場合には処理を終了する一方、到達していない場合は、再度計測された現在回転位置を回転位置監視部２に出力する等の処理を繰り返す（ＳＴ５）ようにしても構わない。
【００６６】
また、振幅値の計算（ＳＴ２）は、回転角度計測センサ１から入力された現在回転位置から予め設定された目標回転位置までの到達に必要な回転角を、例えば、圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃの励振される図２に示した座標軸の各軸をそれぞれ軸回転するピッチ方向、ロール方向及びヨー方向の回転方向の成分に分解して、これら回転方向の成分別に計算する。
【００６７】
加えて、振幅値の計算（ＳＴ２）は、回転子５の回転駆動に対して、予め目標回転角速度が設定された場合に、現在回転位置の計測を継続的に行う（ＳＴ１，ＳＴ１´，・・・）回転角度計測センサからの出力を継続的に監視して、現在回転位置の測定値から得られる回転角速度と計算された振幅値とを比較して、次に印加する交流電圧の振幅値を目標回転速度に達するように計算するようにしてもよい。
【００６８】
次に、図５は、本実施形態例における交流電圧の印加を説明するフロー図である。同図は、図４に示した交流電圧の印加（ＳＴ４）を詳細に説明するためのものである。
【００６９】
同図に示すとおり、高周波回転方向切替部３により行われる交流電圧の印加（ＳＴ４）は、まず、図４に示した回転位置監視部２からの振幅指令値の出力（ＳＴ３）により、ピッチ方向、ロール方向、ヨー方向の各成分方向の振幅指令値を受信する。
【００７０】
振幅指令値の受信（ＳＴ３）に引続き、本形態例では、受信した振幅指令値のそれぞれ対応する、互いに直交して異なる仮想三次元座標３軸方向の制御として、例えば、ピッチ方向回転制御（ＳＴ４ａ）、ロール方向回転制御（ＳＴ４ｂ）、ヨー方向回転制御（ＳＴ４ｃ）を行うものであり、それぞれの実施順は適宜設定されて構わず、これら仮想三次元座標３軸方向の回転制御（ＳＴ４ａ，ＳＴ４ｂ，ＳＴ４ｃ）は、それぞれが回転子５の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で切り替える。
【００７１】
また、ピッチ方向回転制御（ＳＴ４ａ）は、ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａと上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂとに交流電圧を印加するものであり、同様にして、ロール方向回転制御（ＳＴ４ｂ）は、上下方向伸縮振動発生用圧電素子４ｂとロール方向たわみ振動発生用圧電素子４ｃに、ヨー方向回転制御（ＳＴ４ｃ）は、ロール方向たわみ振動発生用圧電素子４ｃとピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子４ａとにそれぞれ交流電圧を印加するものである。
【００７２】
このとき、それぞれ２つの圧電素子（４ａと４ｂ，４ｂと４ｃ，４ｃと４ａ）に印加する交流電圧は、９０度の位相差を持たせたものであり、印加する２つの圧電素子（４ａと４ｂ，４ｂと４ｃ，４ｃと４ａ）、位相及び振幅指令値を高速に切り替えることで、回転子５を目標回転位置に到達するまで行う。
【００７３】
なお、同図においては、まず、ピッチ方向回転制御（ＳＴ４ａ）、次いで、ロール方向回転制御（ＳＴ４ｂ）、引続き、ヨー方向回転制御（ＳＴ４ｃ）を順次行うことを示したが、高周波回転方向切替部３により圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに対して交流電圧の印加（ＳＴ４）が行われるときに、現在回転位置の計測（ＳＴ１´）で得た計測値を高周波回転方向切替部３に出力することで、交流電圧の印加（ＳＴ５）は、計測された現在回転位置の回転角度から目標回転位置の目標角度に到達するために、より多くの回転制御が必要な回転方向について、他の回転方向よりも優先的な制御を行うことができる。
【００７４】
即ち、ピッチ方向回転制御（ＳＴ４ａ）、ロール方向回転制御（ＳＴ４ｂ）、ヨー方向回転制御（ＳＴ４ｃ）の順番は優先される順であって構わず、また、予め設定された順であっても構わず、全ての方向の回転制御が終了したときには、ＳＴ４の処理を終了して、再度、振幅指令値の受信（ＳＴ３）を持つ。
【００７５】
なお、本実施例の回転制御（ＳＴ４ａ，ＳＴ４ｂ，ＳＴ４ｃ）は、それぞれのその切替を一定時間ごとに行い、回転制御（ＳＴ４ａ，ＳＴ４ｂ，ＳＴ４ｃ）方向の切替時間は、適用される多自由度超音波モータβの加速特性を考慮して決定される。
【００７６】
例えば、多自由度超音波モータβの各圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃに一定振幅の交流電圧を印加し始めてから、回転子５の回転速度が一定の速度に安定するまでの時間が１０数ミリ秒である場合には、高周波回転方向切替部３における回転方向の切替時間は５ミリ秒よりも小さな値が好ましい。
【００７７】
続いて、図６は、本実施形態例を適用される回転子頭頂点の回転駆動における回転軌跡を示す図である。
【００７８】
同図に示すように、例えば、その回転軸を軸Ａとする回転駆動を誘起される場合に、球状の回転子５の頭頂点５ａは、以上のような回転制御により、ロール方向、ピッチ方向及びヨー方向の回転駆動を誘起される固定子４の上端面において、ロール方向、ピッチ方向及びヨー方向の仮想三次元座標３軸のそれぞれ軸回転方向の例えば、同図の一点鎖線矢印で示すような微小回転駆動の合成経路Ｂとして駆動される。
【００７９】
しかしながら、本発明方法に適用される回転方向の切替周波数は、十分に高いために、同図に図示するほどの大きさのギザギザな形状の経路Ｂではなく、点線で示すような円形の頭頂点５ａの回転軌跡Ｃに近いものとなる。
【００８０】
以上、本発明の実施の形態につき、本発明を多自由度超音波モータαに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明は、必ずしも上述した手段にのみ限定されるものではなく、後述する効果を有する範囲内において、適宜、変更実施することが可能なものである。
【００８１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、回転子と固定子間の摩擦力の物理学的特性の複雑さや、多自由度超音波モータの長時間の運転に伴う変化に起因する悪影響や、多自由度超音波モータ間の個体差の影響を受けない、多自由度超音波モータの回転位置制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る装置例としての多自由度超音波モータの回転位置制御装置の内部構成図である。
【図２】同上した回転位置制御装置が適用される多自由度超音波モータの外観斜視図である。
【図３】同上した回転位置制御装置が適用された多自由度超音波モータの動作原理を説明する図である。
【図４】本発明の多自由度超音波モータの回転位置制御方法を説明するためのシーケンス図である。
【図５】同上した回転位置制御方法における交流電圧の印加を説明するフロー図である。
【図６】同上した回転位置制御方法が適用される多自由度超音波モータの回転子頭頂点の回転駆動における回転軌跡を示す図である。
【符号の説明】
α…回転位置制御装置
β…多自由度超音波モータ
１…回転角度計測センサ
２…回転位置監視部
３…高周波回転方向切替部
４…固定子
４ａ…ピッチ方向たわみ振動発生用圧電素子
４ｂ…上下方向伸縮振動発生用圧電素子
４ｃ…ロール方向たわみ振動発生用圧電素子
５…回転子
５ａ…頭頂点
Ａ…軸
Ｂ…ロール方向、ピッチ方向、ヨー方向の回転駆動の合成経路
Ｃ…頭頂点の回転軌跡
Claims (8)
- 位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する積層された複数の圧電素子によって構成される固定子と、前記固定子の前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子と、で構成される多自由度超音波モータにおいて、所望の回転運動を発生させるために前記固定子の圧電素子に前記交流電圧を印加して前記回転子の回転位置を制御する方法であって、
まず、前記回転運動に伴う前記回転子の現在回転位置を計測し、
次いで、当該計測された値から前記回転子を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、互いに直交して異なる仮想三次元座標３軸方向の前記固有振動をそれぞれ励振し前記３軸の各回転方向における前記圧電素子の各々に印加すべき交流電圧の振幅値を計算して、
続いて、前記回転子の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で、交流電圧の出力先となる前記圧電素子を切り替え、交流電圧の出力先となった圧電素子に対して、その圧電素子の前記振幅値と同じ振幅値を持ち、前記回転子を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を印加して当該回転子の回転方向の制御を行い、交流電圧の出力先となる前記圧電素子が高周波で順次切り替わることにより、３軸方向の回転制御を行う
ことを特徴とする多自由度超音波モータの回転位置制御方法。 - 前記回転子の回転方向の制御は、
前記現在回転位置の回転角度から前記目標回転位置の目標角度に到達するために、より多くの回転制御が必要な回転方向について、他の回転方向よりも優先的な制御を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。 - 前記振幅値の計算は、
前記仮想三次元座標上の前記現在回転位置から前記目標回転位置までの到達に必要な回転角を、前記圧電素子の励振される前記３軸のそれぞれの回転方向の成分に分解して、
前記交流電圧の振幅値を３つの当該回転方向の成分別に計算する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。 - 前記振幅値の計算は、
前記回転子の回転駆動に対して、予め目標回転角速度が設定された場合に、
先の前記回転位置の計測を継続的に行うことで、前記圧電素子に印加する前記交流電圧と対応させて当該回転子の回転角速度を監視して、
当該回転角速度と当該交流電圧とを比較することで、次に印加する前記交流電圧の前記振幅値を前記目標回転速度に達するように計算する、
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御方法。 - 位相が異なる交流電圧を印加すると固有振動数の等しい複数の固有振動を励振する積層された複数の圧電素子によって構成される固定子と、前記固定子の前記固有振動によって任意の方向に回転駆動される回転子と、で構成される多自由度超音波モータにおいて、所望の回転運動を発生させるために適用される多自由度超音波モータの回転位置制御装置であって、
前記回転運動に伴う前記回転子の現在回転位置を計測する回転角度計測センサと、
当該回転角度計測センサにて計測された前記現在回転位置の測定値から前記回転子を予め設定された目標回転位置に到達させるべく、前記圧電素子に印加する交流電圧の振幅値を計算し、当該振幅値を振幅指令値として出力する回転位置監視部と、
当該回転位置監視部から入力された当該振幅指令値と同じ振幅値を持ち、互いに直交して異なる仮想三次元座標３軸方向の前記固有振動をそれぞれ励振し、前記回転子を回転させるために必要な位相差を持たせた複数相の交流電圧を、前記３軸の各回転方向における前記圧電素子の各々に、前記回転子の回転加速所要時間よりも短い周期の高周波で切替出力可能に出力し、交流電圧の出力先となる前記圧電素子が高周波で順次切り替わることにより、３軸方向の回転制御を行う高周波回転方向切替部と、を具備する、
ことを特徴とする多自由度超音波モータの回転位置制御装置。 - 前記高周波回転方向切替部は、
前記現在回転位置の回転角度から前記目標回転位置の目標角度に到達するために、より多くの回転制御を必要とする回転方向に対して、他の回転方向よりも優先的な前記交流電圧の印加を行うよう機能構成される、
ことを特徴とする請求項５に記載の多自由超音波モータの回転位置制御装置。 - 前記回転位置監視部は、
前記仮想三次元座標上の前記現在回転位置から前記目標回転位置までの到達に必要な回転角を、前記圧電素子の励振される前記３軸それぞれの回転方向の成分別に計算して、計算された振幅値をそれぞれ３つの前記振幅指令値として前記高周波回転方向切替部に出力可能に機能構成される、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御装置。 - 前記回転位置監視部は、
前記回転子の回転駆動に対して、予め目標回転角速度が設定された場合、
前記回転角度計測センサから出力された前記測定値を、前記高周波回転方向切替部から出力された前記交流電圧と対応させて継続的に保持して、前記圧電素子に印加された当該交流電圧の振幅値を前記目標回転速度に達するように調整可能に機能構成される、
ことを特徴とする請求項５、６又は７に記載の多自由度超音波モータの回転位置制御装置。
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