JP4541785B2 - 振動型アクチュエータ駆動制御装置および振動型アクチュエータ駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動型アクチュエータの駆動制御に関し、特に、電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印加することで振動体を励振させ駆動力を得るようにした振動型アクチュエータの駆動速度の制御に関する。

電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印加することによって振動体に駆動力を得るようにした振動型アクチュエータでは従来、振動型アクチュエータの一種である振動型モータにおいてその加減速方法にさまざまな提案がなされている。

例えば、特許文献１では、振動型モータの加速および減速を安定して行うために、予め振動型モータの特性、特に振動型モータの駆動周波数に対する駆動速度の傾きを学習しておき、これを利用して駆動周波数の更新動作を必要に応じて繰り返すように構成しており、特性変動に関係なく円滑で安定な起動および停止制御を可能としている。

また、特許文献２では、振動型モータの起動および停止時に、異音、振動が発生することなく安定に効率良く駆動させるために、振動体に印加すべき交流電圧の周波数を、振動体の共振周波数よりも高い周波数領域（駆動周波数に対する駆動速度の傾きが負の傾きとなっている領域）において可変制御し、起動時には該交流電圧の周波数を、該周波数領域において高い周波数から低い方へと掃引して加速するようにしている。また、停止の際の減速時には該交流電圧の周波数を、該周波数領域においてその時点の周波数から高い周波数へと掃引することにより、駆動速度を徐々に低下させて停止させるようにしている。

その他にも、速度フィードバック制御により振動型モータの速度が所定の値になるように構成された振動型モータの制御装置において、マイコン等から制御装置へ送られる目標速度を、起動時は徐々に上昇させることにより加速し、停止時には徐々に減少させることにより減速し、これによって、起動時や停止時に異音を発生させないようにしている。また、振動型モータと振動型モータが接続された負荷とを含む系の機械的時定数に起因する起動遅れによって、駆動周波数が振動体の共振周波数よりも低くフィードバック制御されてしまい、これによって、振動型モータが停止してしまうことがあるが、こうしたことが上記の振動型モータ制御装置では防止されるようになっている。
特開平６−２６９１８２号公報 特開平８−４７２６９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の発明では、予め駆動周波数に対する駆動速度の傾きを学習しておく必要があるので、予備動作が必要になる。また、記憶した傾き情報は、温度等の環境条件に変動があると、厳密には変化してしまうので、常に同じ経過で加速動作を行うのは困難であり、特に振動型モータと他のアクチュエータとが協調して動作するように構成された装置では、振動型モータと他のアクチュエータとの動作に差が生じてしまい、装置動作に不具合が生じる可能性がある。さらに、傾きを記憶しておく手段が必要となるので、装置にかかるコストが高くなってしまう等といった問題があった。

また、特許文献２に記載の発明では、振動型モータの駆動速度を検知せずに交流電圧の周波数の掃引を行っているので、温度等の環境条件や負荷の状態の変動によって加速する際の動作に差が生じてしまい、特許文献１に記載の発明の上記問題点と同様に、振動型モータと他のアクチュエータとが協調して動作するように構成された装置では不具合が生じてしまう可能性がある。

さらに、マイコン等から制御装置へ送られる目標速度を徐々に変更させていく上記従来の方法では、マイコンはソフトウエアにより動作しているので、目標速度を送出するタイミングを高速化するのにも限界があり、そのために、加減速動作をスムーズに行うことができない。また、制御回路にかかるコストが高くなってしまうという問題点もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、振動型アクチュエータの加減速動作をスムーズに行うことができ、さらに、起動時に駆動周波数が共振周波数よりも低下して、振動型アクチュエータが停止してしまうことを防ぐようにした振動型アクチュエータ駆動制御装置および振動型アクチュエータ駆動制御方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、振動型アクチュエータが他のアクチュエータと協調して動作する場合に、アクチュエータ相互の速度差を少なくするようにした振動型アクチュエータ駆動制御装置および振動型アクチュエータ駆動制御方法を提供することを他の目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明によれば、電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印加することで振動体を励振させ駆動力を得るようにした振動型アクチュエータの駆動速度を制御するための振動型アクチュエータ駆動制御装置において、前記振動型アクチュエータの駆動速度に応じて周期が変化するパルスを出力するパルス出力手段と、前記振動型アクチュエータの加速時に第１の値から該第１の値よりも大きい第２の値までアップカウントするカウンタと、前記カウンタのカウント値に応じた周波数をもつクロックを出力するクロック出力手段と、前記パルス出力手段の出力するパルスの周期を、前記クロック出力手段が出力するクロックをカウントすることによって計測する計測手段と、前記計測手段によって計測されたパルスの周期が目標の値になるように、前記振動型アクチュエータの駆動速度を制御する制御手段とを有することを特徴とする振動型アクチュエータ駆動制御装置が提供される。

また、請求項２記載の発明によれば、前記カウンタは、前記振動型アクチュエータの減速時には前記第２の値から前記第２の値よりも小さい予め定められた値までダウンカウントすることを特徴とする。

また、請求項３記載の発明によれば、前記カウンタは、前記振動型アクチュエータの加速動作中であって、該カウンタのカウント値が前記第１の値と前記第２の値の間の第３の値であるときに、前記振動型アクチュエータの減速が指示された場合、前記第３の値から前記第３の値よりも小さい予め定められた値までダウンカウントすることを特徴とする。

また、請求項１１記載の発明によれば、電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印加することで振動体を励振させ駆動力を得るようにした振動型アクチュエータの駆動速度を制御するための振動型アクチュエータ駆動制御方法において、前記振動型アクチュエータの駆動速度に応じて周期が変化するパルスを出力するパルス出力工程と、前記振動型アクチュエータの加速時に第１の値から該第１の値よりも大きい第２の値までアップカウントするカウンタ工程と、前記カウンタ工程のカウント値に応じた周波数をもつクロックを出力するクロック出力工程と、前記パルス出力工程にて出力されたパルスの周期を、前記クロックをカウントすることによって計測する計測工程と、前記計測工程にて計測されたパルスの周期が目標の値になるように、前記振動型アクチュエータの駆動速度を制御する制御工程とを有することを特徴とする振動型アクチュエータ駆動制御方法が提供される。

本発明によれば、振動型アクチュエータの加速動作および減速動作において、加速度が一定で、かつ、速度が細かいステップで変更されるので、振動型アクチュエータの動作をスムーズに行うことができる。

また、起動時に振動型アクチュエータの駆動周波数が、振動体の固有振動数よりも低くなって、振動型アクチュエータが停止してしまうような事態の発生を防ぐことができる。

また、振動型アクチュエータの駆動周波数を操作することにより速度制御を行う場合においては、振動型アクチュエータの高速側と低速側とにおける駆動周波数対駆動速度特性の差（傾きの違い）を補完するような制御を実施することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

〔第１の実施の形態〕
図２は、本発明に係る第１の実施の形態の振動型アクチュエータ駆動制御装置としての振動型モータ制御回路の構成を示すブロック図である。

図２において、１０１は振動型モータである。振動型モータの構成の一例を、図７および図８を参照して説明する。図７は振動型モータの分解斜視図、図８は図７の振動型モータの組立て後の斜視図である。

これらの図において、２０１は金属等の振動減衰損失の小さい材料で構成された板（円板）状の第１の弾性体、２０２は電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子、２０３は不図示の電源より圧電素子２０２に交番信号を印加するためのフレキシブル基板、２０４はシャフト２０６の下端に形成されたネジ部と嵌合する下ナット、２０５は第２の弾性体である。

第１の弾性体２０１、圧電素子２０２、フレキシブル基板２０３、および、第２の弾性体２０５の中心部に設けられた貫通孔にシャフト２０６を挿入する。シャフト２０６の途中には段差が設けられており、この段差が第２の弾性体２０５の内壁に設けられた段差に突き当たる。シャフト２０６の先端（下端）部にはネジが形成され、このネジに締結部材である下ナット２０４を嵌合させて締め付けることで、第２の弾性体２０５、第１の弾性体２０１、圧電素子２０２、および、フレキシブル基板２０３を固定することができる。

第１の弾性体２０１の圧電素子２０２と接触していない側の表面には、移動体であるロータ２０７に固定された接触バネ２０８が加圧接触する。この接触バネ２０８は弾性を有しており、ロータ２０７に固定されて一体となって回転する。２０９は出力手段であるギアであり、ロータ２０７の回転軸方向の移動を許容し、ロータ２０７の回転運動の移動を追従するようにロータ２０７と嵌合している。２１０はバネ等の加圧手段であり、ロータ２０７のバネ受け部とギア２０９との間に配置され、ロータ２０７を第１の弾性体２０１の方向に押し下げるように加圧している。ギア２０９はシャフト２０６と結合した固定部材２１１に軸支されており、その軸方向における位置は固定部材２１１によって規制されている。シャフト２０６の下ナット２０４と嵌合しない側の先端（上端）部にもネジが形成されており、このネジに上ナット２１２を嵌合させて、固定部材２１１にシャフト２０６を固定している。固定部材２１１にはネジ穴が設けてあり、この固定部材２１１を所望の個所にネジを用いて固定することで、振動型モータを所望の個所に取り付けることができる。

圧電素子２０２は例えば、１つの圧電体の両面に電極膜が形成されており、片面の電極膜を２つの電極膜に分割し、電極膜が形成された２つの領域には、互いに逆向きとなるように圧電素子２の厚み方向に分極が施されている。この２つの電極膜に同一の交番信号を印加すると、圧電素子２の一方の領域は厚み方向に膨張し、他方の領域は厚み方向に収縮する。

この圧電体にさらに電極膜の位相が９０度ずれるように、もう１枚の圧電体を重ね合わせ、この２つの圧電体に時間的に９０度位相のずれた交番信号を印加する。

すると、振動子には第１の弾性体２０１を左右に振るような２つの曲げ振動（１つは振幅方向がシャフト２０６の軸方向と垂直な方向、もう１つは振幅方向がシャフト２０６の軸方向と垂直な方向）が発生する。これらの振動が合成されると、第１の弾性体２０１の表面には、楕円運動が励起される。

この楕円運動が励起された第１の弾性体２０１の表面に接触バネ２０８を加圧接触させれば、接触バネ２０８およびロータ２０７がこの楕円運動に押し出されるようにして移動する。

振動型モータの構成は上記の構成に限定されるものではなく、圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子、振動体、移動体等から構成されており、電気−機械エネルギー変換素子に２相以上の交流電圧を印加することにより振動体に進行性の振動波を発生させ、この振動エネルギーが、振動体に加圧接触されたロータ等の移動体に伝達されるように構成されたモータであってもよい。

図２に戻り、振動型モータ１０１の出力軸にはロータリエンコーダ１０２が取り付けられている。ロータリエンコーダ１０２からは、振動型モータ１０１の駆動速度に比例した周波数をもつパルス信号が出力される。よって、ロータリエンコーダ１０２から出力されるパルス信号の周波数または周期を計測することにより、振動型モータ１０１の駆動速度を検知できる。

１０３は速度検出回路である。詳しい内部動作に関しては後述するが、本実施の形態では速度検知の方法として、ロータリエンコーダ１０２から出力されるパルス信号の周期を計測することにより振動型モータ１０１の駆動速度を検知している。

１０４は減算器であり、速度検出回路１０３から得られる速度データと、外部から入力される目標速度データとの差である速度偏差データを算出する。

１０５はＰＩ演算部であり、減算器１０４で算出された速度偏差データを基に比例積分演算を行う。すなわち、ＰＩ演算部１０５は、速度偏差データに対して比例ゲインを乗じたものと、速度偏差データを積分した値に対して積分ゲインを乗じたものとを合算し、振動型モータ１０１の駆動速度を可変させるための操作量データを決定する。さらに、ＰＩ演算部１０５は、操作量データに対して所定のオフセットを加算し、これにより、振動型モータ１０１の駆動周波数を決定している。振動型モータ１０１は、駆動周波数が、振動型モータ１０１の構成要素である振動体の固有振動数近傍でかつ固有振動数以上の周波数でなければ、正常に動作しないので、前記所定のオフセットの値は、駆動周波数が固有振動数よりも高い値となるような値となっている。

１０６は発振回路であり、ＰＩ演算部１０５から送られた駆動周波数に基づいたパルス信号を生成する。

１０７は昇圧回路であり、トランスを有しており、発振回路１０６から送られたパルス信号のタイミングでトランスを動作させ、振動型モータ１０１を十分駆動できる電圧まで昇圧された高圧パルスを発生して、振動型モータ１０１へ供給する。

このように構成された駆動回路において、振動型モータ１０１の駆動速度が目標速度に一致するように振動型モータ１０１がフィードバック制御される。

図１は、第１の実施の形態における速度検出回路１０３の内部構成を示すブロック図である。なお、従来の速度検出回路では、ロータリエンコーダから出力されるパルス信号の周期を、一定周波数のクロックをカウントすることによって計測し、これに基づいて振動型モータの駆動速度を認識するようにしていた。

図１において１０９は８ビットのアップダウンカウンタであり、水晶発振器Ａｌ０８から出力される一定周波数のクロックに基づいてアップカウント動作およびダウンカウント動作を行っている。振動型モータ１０１の停止時にはアップダウンカウンタ１０９のカウントデータはゼロを保つようになっている。詳しくは後述するが、アップダウンカウンタ１０９は、外部から振動型モータ１０１を起動するようにハイレベルの起動停止信号が入力されると、加速動作としてゼロから２５５までのアップカウント動作を行う。そして、アップダウンカウンタ１０９のカウント値（カウントデータ）が２５５となったら加速完了となり、アップダウンカウンタは２５５を保持するような動作を行っている。

アップダウンカウンタ１０９のカウントデータは、レートマルチプライア１１０に８ビットのバイナリデータでレートデータとして入力される。レートマルチプライア１１０は、レートデータに応じて決まる周波数をもったパルスを出力する機能を有する。レートマルチプライア１１０から出力されるパルス信号の周波数は、下記式（１）によって表される。

出力周波数＝Ｍ×ｆ１／２^ｎ ・・・（１）
ここで、Ｍは、アップダウンカウンタ１０９からレートマルチプライア１１０に入力されたバイナリデータを１０進数に変換した値、ｆ１は、水晶発振器Ｂ１１１からレートマルチプライア１１０に入力される一定周波数のクロックの周波数、ｎは、アップダウンカウンタ１０９からレートマルチプライア１１０に入力されるバイナリデータのビット数である。

本実施の形態で使用するレートマルチプライア１１０は、アップダウンカウンタ１０９から８ビットのバイナリデータを入力されるように構成されているので、レートマルチプライア１１０から出力されるパルス信号の周波数は、水晶発振器Ｂ１１１が出力するクロックの周波数ｆ１の２５６分の１から２５６分の２５５までの範囲の周波数となり、水晶発振器Ｂ１１１の出力クロック周波数の２５６分の１の分解能を有する。なお、水晶発振器Ｂ１１１が出力するクロックの周波数ｆ１は、水晶発振器Ａｌ０８が出力するクロックの周波数よりも高いものとする。

レートマルチプライア１１０から出力される周波数の可変するパルス信号はカウンタ１１２にクロックとして入力される。

１１３はエッジ検出回路であり、ロータリエンコーダ１０２からパルス信号（エンコーダ信号）が入力され、該エンコーダ信号の立ち上がりエッジを検出するように構成されている。

エッジ検出回路１１３がエンコーダ信号の立ち上がりエッジを検出すると、その検出信号がカウンタ１１２およびラッチ１１４に送られる。カウンタ１１２は、エッジ検出回路１１３から検出信号を受ける度に、それまでのカウント値をクリアして、レートマルチプライア１１０から出力されるパルス信号（クロック）のカウントを開始する。ラッチ１１４は、エッジ検出回路１１３から検出信号を受ける度に、カウンタ１１２のクリア前のカウント値を読み込み、保持する。

したがって、カウンタ１１２は、レートマルチプライア１１０から出力されるパルス信号（クロック）を、エンコーダ信号の立ち上がりエッジから次の立ち上がりエッジまで、すなわちエンコーダ信号の１周期に亘ってカウントし、そのカウント値をラッチ１１４が保持し、この値が速度データとして減算器１０４へ出力される。

以上の説明で分かるように、本実施の形態の速度検出回路１０３から出力される速度データは、エンコーダ信号の１周期の間にレートマルチプライア１１０から出力されるクロックの数であり、この数は、振動型モータ１０１の駆動速度に応じて変化するとともに、レートマルチプライア１１０から出力されるクロックの周波数に応じても変化する。すなわち、速度検出回路１０３から出力される速度データは、振動型モータ１０１の駆動速度が高くなるにつれて、小さい値（速度の逆数）になるが、ハイレベルの起動停止信号が入力された直後の該速度データは、振動型モータ１０１の駆動速度が同一であっても、小さい値から始まり、水晶発振器Ａｌ０８のクロック出力ごとに漸増する値となる。

次に、振動型モータ１０１の加速時の動作について詳細に説明する。

図２に示す減算器１０４に入力される目標速度データは、加速完了後の振動型モータ１０１の速度に基づいて設定される。すなわち、加速完了後はアップダウンカウンタ１０９のカウント値（カウントデータ）が２５５となるので、カウンタ１１２の入力クロックであるレートマルチプライア１１０の出力パルス信号は、水晶発振器Ｂ１１１から出力されるクロック信号の周波数の２５６分の２５５の周波数となる。したがって、ここで水晶発振器Ｂ１１１の周波数を前述のようにｆ１とし、目標速度におけるロータリエンコーダ１０２の出力クロックの周波数をｆ２とすると、目標速度データとして設定される値は下記式（２）で表される。

目標速度データ＝ｆ１×（２５５／２５６）／ｆ２ ・・・（２）
この目標速度データの値は、加速中および減速中も不変である。

上述したように加速時には、アップダウンカウンタ１０９のカウント値が、水晶発振器Ａｌ０８からのクロックの出力タイミングで、ゼロから２５５まで増加していくので、ロータリエンコーダ１０２の周期を計測するために用いられるレートマルチプライア１１０の出力パルス信号の周波数が漸増し、目標速度データは同じ値であっても、ロータリエンコーダ１０２から出力されるエンコーダ信号の周波数が、下記式（３）で表される周波数となるように制御されることになる。

周波数＝ｆ２×（ｉ／２５６） ・・・（３）
ここでｉは、アップダウンカウンタ１０９のカウント値である。カウント値ｉは一定時間ごとに増加して行くので、ロータリエンコーダ１０２から出力されるエンコーダ信号の周波数が一定量ずつ増加するように制御され、結果として振動型モータ１０１の駆動速度が等加速度で加速されることになる。

アップダウンカウンタ１０９のカウント値が２５５に達すると、そのまま保持されるので、振動型モータ１０１の速度は一定速度となり、加速動作が完了する。

次に、振動型モータ１０１の減速時の動作について説明する。

加速動作が完了した後に減速動作が開始される場合には、アップダウンカウンタ１０９のカウント値は２５５に保持されている。減速命令は、外部から振動型モータ１０１に対して、ローレベルの起動停止信号が入力されることによって行われる。ローレベルの起動停止信号が入力されたアップダウンカウンタ１０９は、水晶発振器Ａ１０８からのクロックでダウンカウントを行い、カウント値が２５５からゼロに至ると、その値を保持する。

アップダウンカウンタ１０９によるダウンカウント動作が行われている間には、上記式（３）におけるｉの値が２５５から等時間間隔でゼロまで減少していくので、ロータリエンコーダ１０２から出力されるエンコーダ信号の周波数が一定量ずつ減少するように制御され、結果として振動型モータ１０１は等加速度で減速されることになる。なお、減速動作が完了すると同時に振動型モータ１０１への駆動電圧の供給も停止される。

また、振動型モータ１０１の加速動作の最中に減速動作を行う必要が生じた場合は、加速途中のアップダウンカウンタ１０９のカウント値を今度はダウンカウントする。これにより、加速動作から減速動作へ動作が移っても、動作の変わり目に振動型モータ１０１の速度が急激に変更されることが防止され、安定した動作を行うことができる。なお、振動型モータの減速時に速度ゼロまで減速する必要がない場合は、アップダウンカウンタ１０９を所定のカウント値までダウンカウントした後停止させる。

以上説明したように、本実施の形態では、図１に示すような安価なロジック回路を用いて、加速動作および減速動作を２５５段階という細かいステップで行うことができ、その結果、振動型モータ１０１の加減速をスムーズに行うことができ、かつ、振動型モータ１０１の駆動周波数を起動時に、振動体の固有振動数（共振周波数）よりも低い周波数に制御してしまって振動型モータ１０１を駆動停止させてしまうことを防ぐことができる。すなわち一般に、共振周波数よりも低い駆動周波数領域では、駆動周波数がわずか低下するだけで振動型モータの駆動速度が急激に低下する性質があるので、起動時に振動型モータ１０１の起動応答が遅れることによって、共振周波数よりも高い駆動周波数領域のつもりで駆動速度を上げるべく駆動周波数を低下させてしまうと、振動型モータ１０１が駆動停止してしまうことがあり得るが、こうした事態に陥ることを、本実施の形態では防止できる。

ところで、本実施の形態では加減速の際に目標速度データの値を変更せずにエンコーダ信号の周期を計測するためのクロックの周波数を変更することにより、振動型モータ１０１の駆動速度の制御を行っているが、こうした制御を行う理由は、本実施の形態で使用している制御回路に設定する目標速度データが、実際には速度の逆数に比例する値であるために、もし目標速度データを一定量ずつ変化させた場合は、振動型モータ１０１の実際の駆動速度が反比例的に変化してしまい、低速側では加速度が小さくて起動時間が長くなる反面、高速側では加速度が大きくなりすぎて動作が不安定となってしまうということを回避するためである。

また、振動型モータ１０１の駆動速度に比例した量を検出するために、ロータリエンコーダ１０２から一定時間において発生されるパルス数をカウントする方法もあるが、高分解能で速度情報を得ようとした場合、ロータリエンコーダ１０２の１回転あたりの出力パル数を多くする必要があり、高価なロータリエンコーダを使用する必要が出てくる。

また、本実施の形態のようにロータリエンコーダ１０２の周期を計測した後に、その計測値に対してマイコン等で逆数演算し、駆動速度に比例した量に変換する方法もあるが、マイコン等の高価な素子が必要となる。

なお、本実施の形態においては、基準クロックを発生する手段として２つの水晶発振器Ａ１０８，Ｂ１１１を用いているが、これに代わって、水晶発振器以外の発振器を用いてもよいし、さらに、１つの発振器から別々の周期の２つのクロックを生成し、上記２つの基準クロックの代わりに使用してもよい。

また、本実施の形態のアップダウンカウンタ１０９およびレートマルチプライア１１０は８ビットのものを使用したが、ビット数は用途に応じて変更してもよいし、機能が同じであればＡＳＩＣやゲートアレイ等で構成してもよい。

さらに、本実施の形態では、振動型モータ１０１の制御において、駆動周波数を操作することにより駆動速度の制御を行っていたが、駆動電圧振幅や駆動電圧の位相差等の振動型モータの駆動速度を変更できる別のパラメータを駆動周波数の代わりに用いてもよい。また、振動型モータ１０１の速度制御にＰＩ制御を用いているが、これに代わってＰＩＤ制御など他の制御方法を用いてもよい。

また、通常の速度制御では、目標速度と実際の速度との偏差を検出してフィードバック制御を行うが、本実施の形態では、目標速度と実際の速度との比率に比例した量を算出して、これに基づいてフィードバック制御を行っていることになる。本実施の形態におけるこのフィードバック制御の場合、速度偏差が同じ量であっても、高速側と比較して低速側の方で、速度偏差が大きく取り扱われることになる。

一方、共振現象を使用した振動型モータの場合、駆動周波数と駆動速度との関係は、図６に示すような特性となる。すなわち、図示のように、駆動周波数に対する駆動速度の傾きは、駆動速度の低速側で小さく（ゾーン２０２）、高速側で大きくなる（ゾーン２０１）。したがって、こうした振動型モータの特性と、前述した本実施の形態における高速側と低速側とでの速度偏差の取り扱われ方の違いとは、相互に補完される関係となっている。この結果、本実施の形態では、フィードバックゲインを高速側と低速側とで異なる値にするようなことをせずとも、振動型モータに対して、幅広い駆動速度の領域で安定したフィードバック制御を実現することが可能となる。

よって、駆動周波数を変更することにより振動型モータの駆動速度を制御する制御装置においては、通常の速度制御で実施されるような、速度偏差に基づいたフィードバック制御を行うよりも、目標速度と実際の速度との比率に基づいてフィードバック制御する方が有利となる。本実施の形態は、このような制御の安定化においても寄与している。

〔第２の実施の形態〕
図３は、第２の実施の形態における速度検出回路の構成を示すブロック図である。なお、第２の実施の形態における振動型モータ制御回路の構成は、図２に示す第１の実施の形態における振動型モータ制御回路と基本的に同じであるので説明を省略し、第１の実施の形態と異なる部分である速度検出回路のみを説明する。

第２の実施の形態における振動型モータ制御回路では、該制御回路の全構成部分に水晶発振器Ｃｌ１５からクロックが供給され、全構成部分はこのクロックに同期して動作する。

図３において１１６はダウンカウンタであり、外部から入力される加速度指令の値をロードして、水晶発振器Ｃｌ１５からのクロック入力でダウンカウントして、カウンタ値がゼロになるとハイレベル信号をアップダウンカウンタ１１７に出力するとともに、加速度指令の値を再びロードする。すなわち、加速度指令の値に比例する時間を周期とするリングカウンタとして動作する。

カウンタ１１６から出力されたハイレベル信号はアップダウンカウンタ１１７にカウントイネーブル信号として入力される。アップダウンカウンタ１１７は、カウントイネーブル信号がハイレベルとなっている時のみ、水晶発振器Ｃｌ１５からのクロックに基づきアップカウント動作またはダウンカウント動作を行う。すなわち、起動停止信号がハイレベルの加速動作時にはアップカウント動作を行い、ローレベルの減速動作時にはダウンカウント動作を行う。

レートマルチプライア１１８、エッジ検出回路１２０、カウンタ１１９は、第１の実施の形態におけるレートマルチプライア１１０、エッジ検出回路１１３、カウンタ１１２と基本的に同一の動作を行う。ただし、第２の実施の形態では、水晶発振器Ｃｌ１５からのクロックに同期した動作となる。

なお、本実施の形態では、第１の実施の形態で使用したラッチ１１４の代わりにレジスタ１２１を使用しているが、これは、制御回路全体が同期回路であるためであり、レジスタ１２１が、エンコーダ信号の立ち上がりエッジのタイミングで、カウンタ１１９のカウント値を入力して保持する点に関しては、第１の実施の形態におけるラッチ１１４と同じ動作を行う。

上記構成により、本実施の形態でも、第１の実施の形態で得られた効果と同様な効果が得られる上、ダウンカウンタ１１６に入力される加速度指令の値に応じて、レートマルチプライア１１８に入力するレートデータの値が変化するタイミングを任意に設定することができるので、加速動作および減速動作の際の加速度に相当する量を任意に設定することが可能となる。すなわち例えば、ダウンカウンタ１１６に入力される加速度指令の値が大きくなると、起動加速時におけるアップダウンカウンタ１１７のカウント値が変化する速度が遅くなり、レートマルチプライア１１８から出力されるクロックの周波数の上昇速度も遅くなる。したがって、ダウンカウンタ１１６に入力される加速度指令の値を大きくすることによって、加速動作の際の加速度を低く設定することができる。

また、本実施の形態では、図３に示す制御回路を同期回路で構成しているので、ＡＳＩＣやゲートアレイなどで回路を構成する場合、検証が容易な信頼性の高い回路を実現することができる。

〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態では、本発明の振動型モータ制御回路が搭載されたカラー画像形成装置を説明する。

図４は、第３の実施の形態におけるカラー画像形成装置の構成を示す正面図である。

図４において１は原稿を読み取るためのリーダ部である。２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは画像形成部であり、各々が、ＬＥＤアレー３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄや感光ドラム４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ等により構成されており、リーダ部１で読み取った画像を感光ドラム４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにそれぞれ現像するような構成になっている。画像形成部２ａはイエロー色、画像形成部２ｂはマゼンタ色、画像形成部２ｃはシアン色、画像形成部２ｄはブラック色のための現像を行う。上記４色を合成することによりフルカラーの複写が行えるようになっている。５は転写ベルトであり、記録紙を搬送するためのベルトである。記録紙は転写ベルト５上を搬送され、画像形成部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの部分を通過しながら各色のトナーが記録紙に転写される。６は定着ユニットであり、加熱された内蔵の定着ローラにより、記録紙上に形成されたトナーを定着させる。

上記のように構成されたカラー画像形成装置では、画像形成部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ中の感光ドラム４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの回転速度のムラや転写ベルト５の送り速度ムラが印字品位に大きく影響してしまう。そこで、本実施の形態では、感光ドラム４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの駆動と転写ベルト５の駆動に、振動型モータおよび本発明の制御回路を使用している。振動型モータは低速駆動時において高トルクを発生するので、ダイレクトドライブが容易に行え、高精度な駆動を実現できる。

図５は、上述した画像形成装置において、感光ドラム４ａと転写ベルト５とを拡大して示す図である。ここでは感光ドラム４ａを例に取り上げて示すが、感光ドラム４ｂ、４ｃ、４ｄも同様である。

感光ドラム４ａと転写ベルト５とは、弾力性を有したブレード７によって互いに押し付けられている。よって、感光ドラム４ａと転写ベルト５との接触点において、速度差に基づく滑りが生じた場合、摩擦により感光ドラム４ａに損傷を与えてしまう。そのため、画像形成時はもちろんのこと、感光ドラム４ａおよび転写ベルト５の加速時および減速時においても、感光ドラム４ａと転写ベルト５との接触点において、速度差が生じないようにする必要がある。感光ドラム４ｂ、４ｃ、４ｄと転写ベルト５との接触点においても同様なことが言える。

本実施の形態では、感光ドラム４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄと転写ベルト５の駆動源である振動型モータそれぞれの加速動作および減速動作を、上述した第１の実施の形態または第２の実施の形態における駆動回路を使用して行う。

よって、加速動作中および減速動作中においても全ての振動型モータが同じ速度で駆動されるので、感光ドラム４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに損傷が与えられることがない。

第１の実施の形態における速度検出回路の内部構成を示すブロック図である。 本発明に係る振動型モータ制御回路の実施の形態の構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態における速度検出回路の構成を示すブロック図である。 第３の実施の形態におけるカラー画像形成装置の構成を示す正面図である。 図４に示す画像形成装置における感光ドラムと転写ベルトとを拡大して示す図である。 振動型モータの駆動周波数と駆動速度との関係を示す図である。 振動型モータの分解斜視図である。 図７に示す振動型モータの組立て後の斜視図である。

符号の説明

１０１ 振動型モータ（振動型アクチュエータ）
１０２ ロータリエンコーダ（パルス出力手段）
１０３ 速度検出回路
１０４ 減算器（制御手段）
１０５ ＰＩ演算部（制御手段）
１０６ 発振回路（制御手段）
１０７ 昇圧回路（制御手段）
１０８ 水晶発振器Ａ
１０９ アップダウンカウンタ（カウンタ）
ｌ１０ レートマルチプライア（クロック出力手段）
１１１ 水晶発振器Ｂ
１１２ カウンタ（計測手段）
１１３ エッジ検出回路
１１４ ラッチ

Claims (11)

1. 電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印加することで振動体を励振させ駆動力を得るようにした振動型アクチュエータの駆動速度を制御するための振動型アクチュエータ駆動制御装置において、
   前記振動型アクチュエータの駆動速度に応じて周期が変化するパルスを出力するパルス出力手段と、
   前記振動型アクチュエータの加速時に第１の値から該第１の値よりも大きい第２の値までアップカウントするカウンタと、
   前記カウンタのカウント値に応じた周波数をもつクロックを出力するクロック出力手段と、
   前記パルス出力手段の出力するパルスの周期を、前記クロック出力手段が出力するクロックをカウントすることによって計測する計測手段と、
   前記計測手段によって計測されたパルスの周期が目標の値になるように、前記振動型アクチュエータの駆動速度を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする振動型アクチュエータ駆動制御装置。
2. 前記カウンタは、前記振動型アクチュエータの減速時には前記第２の値から前記第２の値よりも小さい予め定められた値までダウンカウントすることを特徴とする請求項１記載の振動型アクチュエータ駆動制御装置。
3. 前記カウンタは、前記振動型アクチュエータの加速動作中であって、該カウンタのカウント値が前記第１の値と前記第２の値の間の第３の値であるときに、前記振動型アクチュエータの減速が指示された場合、前記第３の値から前記第３の値よりも小さい予め定められた値までダウンカウントすることを特徴とする請求項１記載の振動型アクチュエータ駆動制御装置。
4. 前記クロック出力手段は、前記カウンタのカウント値をレートデータとするレートマルチプライアで構成されることを特徴とする請求項１記載の振動型アクチュエータ駆動制御装置。
5. 前記カウンタを動作させるタイミングを外部指令に従って制御するタイミング制御手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の振動型アクチュエータ駆動制御装置。
6. 前記タイミング制御手段は、前記外部指令の値を周期とするリングカウンタで構成されることを特徴とする請求項５記載の振動型アクチュエータ駆動制御装置。
7. 前記振動型アクチュエータ駆動制御装置は複数のロジック回路を含み、該複数のロジック回路は同一のクロックに応じて動作する同期回路であることを特徴とする請求項１記載の振動型アクチュエータ駆動制御装置。
8. 前記制御手段は、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流信号の周波数を変更することにより、前記振動型アクチュエータの駆動速度を制御することを特徴とする請求項１記載の振動型アクチュエータ駆動制御装置。
9. 前記制御手段は、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流信号の電圧を変更することにより、前記振動型アクチュエータの駆動速度を制御することを特徴とする請求項１記載の振動型アクチュエータ駆動制御装置。
10. 前記制御手段は、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加する複数の交流信号の位相差を変更することにより、前記振動型アクチュエータの駆動速度を制御することを特徴とする請求項１記載の振動型アクチュエータ駆動制御装置。
11. 電気−機械エネルギー変換素子に交流信号を印加することで振動体を励振させ駆動力を得るようにした振動型アクチュエータの駆動速度を制御するための振動型アクチュエータ駆動制御方法において、
    前記振動型アクチュエータの駆動速度に応じて周期が変化するパルスを出力するパルス出力工程と、
    前記振動型アクチュエータの加速時に第１の値から該第１の値よりも大きい第２の値までアップカウントするカウンタ工程と、
    前記カウンタ工程のカウント値に応じた周波数をもつクロックを出力するクロック出力工程と、
    前記パルス出力工程にて出力されたパルスの周期を、前記クロックをカウントすることによって計測する計測工程と、
    前記計測工程にて計測されたパルスの周期が目標の値になるように、前記振動型アクチュエータの駆動速度を制御する制御工程と
    を有することを特徴とする振動型アクチュエータ駆動制御方法。

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