JP5393008B2 - 振動型モータ装置の駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動型モータ装置の駆動制御装置に関する。

最近、振動波モータもしくは圧電モータと称される振動型モータ装置（以下これらを総称して超音波モータと略す）が開発され、本出願人等によって実用化されている。この超音波モータは、既によく知られているように、弾性体に配置した圧電素子もしくは電歪素子などの電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することによって該素子及び弾性体に高周波振動を発生させる。そして、その振動エネルギーを、弾性体に接触してこの弾性体との摩擦により駆動される接触体の連続的な機械運動として取り出すように構成されている。即ち、超音波モータは、非電磁駆動式の駆動源である。

尚、この超音波モータの動作原理は、例えば、特許文献１で説明されているので、ここでの説明は省略する。
特開平３−２８９３７５号公報

しかしながら、従来は、超音波モータの摩擦面が疲労したことを知る手段がなかったため、故障が生じてからモータを交換するか、所定の駆動時間に達したときにまだ使用できるにも関わらずモータを交換してしまうしかなかった。

また、特許文献１にあるように、印加する電圧、振動数をモニタしてモータの回転数の低下や振動センサ等との位相差の変化でモータの寿命を検知しようとする試みもある。しかしながら、一時的な負荷変動によって生じた回転数、位相差の変化と寿命による変動との区別がつかない場合があるため、有効でない。

本発明の目的は、事前に振動型モータ装置の適切な交換時期を知ることができる振動型モータ装置の駆動制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の振動型モータ装置の駆動制御装置は、振動体の電気−機械エネルギー変換素子部に駆動信号を印加して前記振動体に振動を励起し、前記振動体と該振動体に接触する接触体とを相対的に摩擦駆動する振動型モータ装置の駆動制御装置であって、前記振動体に設けられ、振動の大きさに応じた電気信号を出力する振動検出素子と、前記振動型モータ装置の予め定められた動作によって前記振動検出素子から出力された電気信号の振幅の前記駆動信号のサイクル毎のピークをサンプリングして得られた連続信号からなる信号波形を記憶する記憶手段と、前記振動型モータ装置の前記予め定められた動作によって前記振動検出素子から新たに出力された電気信号の振幅の前記駆動信号のサイクル毎のピークをサンプリングして得られた連続信号からなる信号波形を前記記憶手段に記憶された信号波形と比較し、前記記憶手段に記憶された信号波形に対する前記新たに出力された電気信号から得られた信号波形の変化が予め定められた条件を満たす場合に、前記振動型モータ装置の継続動作の否定判定を行う判定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の振動型モータ装置の駆動制御装置によれば、事前に振動型モータ装置の適切な交換時期を知ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明の第１実施の形態に係る駆動制御装置の説明の前に、駆動制御装置によって制御される超音波モータの構成について図１０を用いて説明する。ここで、超音波モータ１００は、弾性体に配置された電気−機械エネルギー変換素子部に駆動信号を印加して振動を励起し、弾性体と該弾性体に接触する接触体とを相対的に摩擦駆動するものである。

この図において、超音波モータ１００を構成する振動体１０１は、電気−機械エネルギー変換素子部である圧電素子もしくは電歪素子と弾性体との結合体からなる。

振動体１０１の電気−機械エネルギー変換素子部は、駆動用のＡ相圧電素子ａ１，ａ２、Ｂ相圧電素子ｂ１，ｂ２及び振動検出圧電素子（振動検出素子）ｓ１から構成されている。Ａ相圧電素子ａ１，ａ２に挟まれた金属板にＡ相印加電圧を加え、Ｂ相圧電素子ｂ１，ｂ２に挟まれた金属板Ｂに、Ａ相印加電圧に対して適当な位相差を有したＢ相印加電圧を加えることにより、この圧電素子が駆動され、振動体１０１に振動が励起される。尚、Ａ相圧電素子ａ１，ａ２及びＢ相圧電素子ｂ１，ｂ２の両外側はＧＮＤ電位になっている。

振動検出圧電素子ｓ１は、同様に一方（図１０のＢ相側）がＧＮＤ電位になっており、その反対側から信号を取り出すように構成されている。また、振動検出圧電素子ｓ１の信号取り出し面側は、金属ブロックと接しているが、そのブロックは絶縁シートによりＧＮＤ電位から絶縁されている。

このため、振動検出圧電素子ｓ１からその振動に応じた出力電圧がそのまま得られる（以下Ｓ相信号とする）。そして、このＳ相信号の大きさや駆動電圧との位相差により共振周波数等が求められる。振動体１０１にはロータ１０２が圧接している。このため、振動体１０１を振動させると、ロータ１０２が振動体１０１により摩擦駆動されて回転する。振動体１０１、ロータ１０２ｉよって超音波モータ１００は構成されている。

図１は、超音波モータ（振動型モータ装置）を制御する本発明の第１の実施の形態に係る駆動制御装置の、制御フロー部を含むブロック図である。

図１において、制御回路（後述の判定手段）１は駆動回路２を介して超音波モータ１００制御する。駆動回路（例えば、ＶＣＯ）２は交番電圧を発生する。フェーズシフタ３は、駆動回路２で作成された信号の位相をずらし、進行波を生じさせる。

スイッチング回路４，５は、駆動回路２及び駆動回路２からフェーズシフタ３を経由した交番電圧で電源電圧をスイッチングすることで、Ａ相駆動信号及びＢ相駆動信号を生成する。Ａ相駆動信号及びＢ相駆動信号は、それぞれ、図１０に示した駆動電極Ａ−ｄ，Ｂ−ｄを介してＡ相圧電素子ａ１，ａ２及びＢ相圧電素子ｂ１，ｂ２に印加される。

また、アンプ６はＳ相信号増幅する。エンコーダ７は、超音波モータ１００の速度を検出する。ＦＶコンバータ８は、エンコーダ７からの信号を速度信号に変換する。

また制御フロー部１１は、超音波モータ１００の異常検出動作の制御処理手順を示すものであって、制御回路１で該処理は実行される。

上記駆動制御装置における超音波モータ１００の異常検出動作の制御フローを説明する。

まず、超音波モータ１００に初期状態（ステップＳ２０で判定）において、図２のような起動停止を含む動作（以下台形駆動）をさせる。

このとき、台形駆動をさせる駆動パターン３０とその駆動パターンと同時刻及び同時間におけるＳ相波形ｆ（ｔ）を、制御回路１にステップＳ２１でＦ０として記憶させておく。この際、Ｓ相波形は、駆動回路２によりＡ相駆動信号及びＢ相駆動信号の駆動周波数での振動をしているが、そのＳ相信号の振幅のピークのみサンプリングし、連続信号として図３の駆動パターン３１のように制御回路１で記憶する。その後ステップＳ２６で運転を続行する。

再び、同じ駆動パターン３０の台形駆動の命令が制御回路１より出された場合、その駆動によって生じるＳ相波形ｆ（ｔ）を制御回路１にステップＳ２２でＦとして記憶する。その後ステップＳ２３でＦ０とＦとを比較する。このとき摩擦面の劣化が進んでいると、Ｓ相波形が、例えば、図４のように変化することが実験的に求められている（変化部３３）。

ステップＳ２３で、Ｆ０とＦを波形形状として比較後、前述のような波形の差があればモータの摩擦面の劣化が進んでおり、寿命が近いとステップＳ２４で判定し（判定手段）、ステップＳ２５でユーザーに通知する（通知手段）。この場合、通知は制御回路１内にあるＬＥＤを点灯することで行う。または通知手段としてはブザーでもよい。さらには、制御回路１がＬＡＮもしくはそれと同等なものに接続可能ならば、電子メールで通知可能である。

また、時間の経過とともに振動検出圧電素子の劣化でＳ相信号の出力が低下する場合もある（図３：駆動パターン３２）。また逆に、環境によって一時的に負荷が増える場合があり、Ｓ相信号の出力が増加する。

そのような場合は、制御回路１でサンプリングされたＳ相波形の最大速度での波形高さを揃えるように制御回路１内で演算し、ステップＳ２３で比較すればよい。その後ステップＳ２６にて運転を続行する命令を駆動回路２に出す。

また、定期的な寿命の検査のため、制御回路１で、ある一定時間経過するたびに台形駆動パターンで駆動させたのち、前述と同様な判定をさせてもよい。この場合より正確な摩耗面の劣化状態がわかる。

図５は、超音波モータ（振動型モータ装置）を制御する本発明の第２の実施の形態に係る駆動制御装置の、制御フロー部を含むブロック図である。

図５中、図１と同一番号のものは機能等すべて同じなので説明を省き、制御フロー部４０のみ説明する。

図１０の超音波モータ１００を台形駆動する際に、ある時点において台形駆動をさせたとき、そのときのＳ相波形をステップＳ４１で制御回路１に記憶させておく。その後、初めて記憶させたかの判定（ステップＳ４２）で可となり、運転続行する命令をステップＳ４６で出す。その後、次の判定のため、記憶された波形ＦをＦ１にステップＳ４７で代入する。

次に（２回目）、前回Ｓ相波形を記憶させたＦ１と同じ駆動パターンの命令を制御回路１が出した場合に、その駆動パターンによって動作した超音波モータ１００より得られたＳ相波形を、制御回路１にステップＳ４１でＦとして記憶する。その後、Ｆ１とＦとをステップＳ４３で比較する。このとき摩擦面の劣化が進んでいると、第１の実施の形態と同様に、Ｓ相信号波形が図３のように変化する。

Ｆ１とＦを４３で比較して差があれば、摩耗が進んでいるとステップＳ４４で判定され（判定手段）、ユーザー（外部）にステップＳ４５で通知される（通知手段）。この場合、通知方法は第１の実施の形態と同じである。その後、差がない場合も含めステップＳ４６で運転続行の命令を出し、次の判定のため、ステップＳ４７において、記憶された波形ＦをＦ１に代入する。３回目以降は２回目と同じである。

尚、瞬間的な負荷が増大する可能性のある駆動装置２の場合は、一時的なＳ相信号の出力の増大をモータ異常の判定から除く必要があり、その場合の制御フロー部５０を図６に示す。

図６は、超音波モータ（振動型モータ装置）を制御する本発明の第３の実施の形態に係る駆動制御装置の、制御フロー部を含むブロック図である。

図６において、図５と同一番号のものは機能等を含めすべて同じなので説明は省略し、制御フロー部５０のみ説明する。

Ｓ相波形を記憶させる場合、Ａ，Ｂ各相のうち少なくともどちらか一方、印加する駆動信号における電圧の最大値も併せて制御回路１にステップＳ５１でＡｍａｘとして記憶させておく。そして、次に電圧がある一定値α以上変化した場合は、ステップＳ５２で判定で以下の異常の判定をせず、電圧変化がない場合は、そのまま同じ異常の判定をすればよい。以下は図５と同じである。

図７は、超音波モータ（振動型モータ装置）を制御する本発明の第４の実施の形態に係る駆動制御装置の、制御フロー部を含むブロック図である。

図７において、図１と同一番号のものは機能等を含めすべて同じなので説明は省略し、制御フロー部６０のみ説明する。

図１に示す第１の実施の形態と同様に、図１０の超音波モータ１００を駆動する際、エンコーダ７から得られる超音波モータ１００の移動もしくは回転速度に同期したパルス信号をＦＶコンバータ８で電圧に変換し、時系列的に表したものを速度波形とする。

台形駆動させる駆動パターンに応じた速度波形ｅ（ｔ）を制御回路１にステップＳ６１でＥとして記憶する。そのときのＳ相波形ｆ（ｔ）を併せてＦとしてステップＳ６２で記憶する。

通常、速度が速い場合は振動体の振動も大きくなり、逆に遅い場合は小さい、その結果、Ｓ相波形の形状も速度大小に応じた波形形状になる。しかしながら、摩耗が進んでくると、速度の大小関係に一致していないＳ相波形が出てくることが実験的にわかっている。

図８はそのことを示しており、速度波形７０とそのときのＳ相信号の波形７１を示している。両グラフを参照すると２点鎖線部７２において速度の変曲点とＳ相波形の変曲点が一致していない。

フローとしては、それぞれ蓄えられた同時刻のＦとＥをステップＳ６３で除算し、その得られた商（ここではｊ）を求める。その商が一定でないとき、即ち、時系列的に見て速度の変曲点とＳ相波形の変曲点が一致していない場合は、摩耗が進んでいるとステップＳ６４で判定する（判定手段）。そして、第１の実施の形態と同じく、ステップＳ６５でユーザーに通知し（通知手段）、その後ステップＳ６６で運転を続行する。また、一定であるときは、そのままステップＳ６６で運転続行となる。

また、一定速度で動作している場合は、Ｓ相波形は、図９の波形７３に示すように一定になっているが、摩耗が進むと波形７４に示すように、その波形は凸凹になってくる。その凸凹の割合がある一定以上になるとと摩耗が進んだと判定する。

但し、第３の実施の形態の図６の説明で述べたように、瞬間的な負荷増大で、速度が揺らぐことがあり、結果Ｓ相波形の凸凹となる場合がある。しかし、これはモータ異常ではない。

そのために、Ｓ相波形を制御回路１にてサンプリングする場合、同サンプリング期間における速度波形もサンプリングしておき、Ｓ相波形にある一定以上の凸凹があっても、速度波形に凸凹がある場合は異常の判定をしない。速度変化がない場合かつ、Ｓ相波形に凸凹がある場合は、異常と判定する。

尚、この場合も図７で示した制御フローと同じである。

またこの制御方式は、一定速度で連続的に回転し、Ｓ相波形の取り込みのタイミングがないもしくは少ない（台形駆動する機会の少ない）、いわゆるエンドレス回転を行う超音波モータ１００に関して有効である。

上述した各実施の形態では、異常検出動作の際に、超音波モータに速度を徐々に増加させてから定速とし、それから徐々に現象させる台形駆動を行わせているが、これに限定されるわけではない。一連の異常検出動作における超音波モータの挙動に差異が無いのであれば、超音波モータの速度制御はどのようなものであっても構わない。勿論、超音波モータにどのような挙動をさせるかに応じて、Ｓ相波形ｆ（ｔ）も図３に示す波形とは異なる形状に変化する。

本発明の上記判定手段は、振動検出圧電素子（振動検出素子）ｓ１によって検出された電気−機械エネルギー変換素子部の振動状態と振動型モータ装置（超音波モータ１００）の動作状態に基づいて、振動型モータ装置の継続動作の否定判定を行う。ここで、振動検出素子は、電気−機械エネルギー変換素子部に設けられ、振動に大きさに応じて電気信号が出力される。

また、判定手段は、決められた起動、停止を含む一連の動作における振動検出圧電素子ｓ１から出力される信号の初期状態における形状を記憶しておき、初期状態の信号波形形状とその動作における振動検出圧電素子ｓ１から出力される信号波形形状とを比較する。そして、その初期状態からの変化がある一定量に達した場合、振動型モータ装置の継続動作の否定判定を行う。

また、判定手段は、決められた起動、停止を含む一連の動作における振動検出圧電素子ｓ１から出力される信号の形状を記憶しておき、その信号波形形状と前回の動作における振動検出圧電素子ｓ１から出力される信号波形形状とを比較する。そして、その変化がある一定量に達した場合、振動型モータ装置の継続動作の否定判定を行う。

また、判定手段は、振動検出圧電素子ｓ１から出力される信号の増減と振動型モータ装置の動作状態における速度の増減とを比較し、それぞれの増減が時系列的に一致していない場合、振動型モータ装置の継続動作の否定判定を行う。

超音波モータ（振動型モータ装置）を制御する本発明の第１の実施の形態に係る駆動制御装置の、制御フロー部を含むブロック図である。 図１における超音波モータの駆動波形図である。 図１における超音波モータ駆動時におけるＳ相波形図である。 摩擦面が劣化した図１における超音波モータ駆動時におけるＳ相波形図である。 超音波モータ（振動型モータ装置）を制御する本発明の第２の実施の形態に係る駆動制御装置の、制御フロー部を含むブロック図である。 超音波モータ（振動型モータ装置）を制御する本発明の第３の実施の形態に係る駆動制御装置の、制御フロー部を含むブロック図である。 超音波モータ（振動型モータ装置）を制御する本発明の第４の実施の形態に係る駆動制御装置の、制御フロー部を含むブロック図である。 摩擦面が劣化した図７の超音波モータにおける同時刻、同時間の速度波形とＳ相波形図である。 図７における超音波モータの摩耗面の劣化の違いによるＳ相波形図である。 超音波モータ側面図と電気−機械変換素子部詳細図及び配線図である。

符号の説明

１ 制御回路
２ 駆動回路
３ フェーズシフタ
４ スイッチング回路
５ スイッチング回路
６ アンプ
７ エンコーダ
８ ＦＶコンバータ
１００ 超音波モータ
ｓ１ 振動検出圧電素子

Claims (6)

1. 振動体の電気−機械エネルギー変換素子部に駆動信号を印加して前記振動体に振動を励起し、前記振動体と該振動体に接触する接触体とを相対的に摩擦駆動する振動型モータ装置の駆動制御装置であって、
   前記振動体に設けられ、振動の大きさに応じた電気信号を出力する振動検出素子と、
   前記振動型モータ装置の予め定められた動作によって前記振動検出素子から出力された電気信号の振幅の前記駆動信号のサイクル毎のピークをサンプリングして得られた連続信号からなる信号波形を記憶する記憶手段と、
   前記振動型モータ装置の前記予め定められた動作によって前記振動検出素子から新たに出力された電気信号の振幅の前記駆動信号のサイクル毎のピークをサンプリングして得られた連続信号からなる信号波形を前記記憶手段に記憶された信号波形と比較し、前記記憶手段に記憶された信号波形に対する前記新たに出力された電気信号から得られた信号波形の変化が予め定められた条件を満たす場合に、前記振動型モータ装置の継続動作の否定判定を行う判定手段と、
   を備えることを特徴とする振動型モータ装置の駆動制御装置。
2. 前記判定手段は、前記記憶された信号波形に対する前記新たに出力された電気信号から得られた信号波形の変化が一定量に達した場合に、前記振動型モータ装置の継続動作の否定判定を行うことを特徴とする請求項１記載の振動型モータ装置の駆動制御装置。
3. 前記振動型モータ装置の予め定められた動作は、前記振動型モータの起動及び停止を含む一連の動作であることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型モータ装置の駆動制御装置。
4. 前記記憶手段は、前記予め定められた動作において前記振動検出素子から出力された初期状態における信号波形を記憶することを特徴とする請求項１乃至３のいずか１項に記載の振動型モータ装置の駆動制御装置。
5. 振動体の電気−機械エネルギー変換素子部に駆動信号を印加して前記振動体に振動を励起し、前記振動体と該振動体に接触する接触体とを相対的に摩擦駆動する振動型モータ装置の駆動制御装置であって、
   前記振動体に設けられ、振動の大きさに応じた電気信号を出力する振動検出素子と、
   前記振動型モータ装置の速度を検出する速度検出手段と、
   前記振動検出素子から出力される電気信号の振幅の前記駆動信号のサイクル毎のピークをサンプリングして得られた信号波形の値を、同時刻における前記速度検出手段により検出された前記振動型モータ装置の速度の値で除算し、得られた商が一定でない場合に前記振動型モータ装置の継続動作の否定判定を行う判定手段と、
   を備えることを特徴とする振動型モータ装置の駆動制御装置。
6. 前記判定手段による前記振動型モータ装置の継続動作の否定判定を、外部に通知する通知手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動型モータ装置の駆動制御装置。

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