JP5553565B2 - 振動型モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動型モータ制御装置に係り、特に速度制御方法に関するものである。

振動型モータとして、金属等の環状に形成された振動弾性体に電気―機械エネルギー変換素子である圧電素子（電歪素子）を接合した振動子と、振動子表面に加圧接触する接触体で構成したものがある。振動型モータは、圧電素子へ位相の異なる２相の周波電圧を印加することにより振動弾性体の表面に面外振動モードによる振動波（進行性振動波）を形成し、表面に加圧接触する接触体と振動子とを相対的に移動させるものである。

この振動型モータの速度制御方法として圧電素子に印加する２つの周波電圧の位相差（駆動信号位相差）を変化させる方法（位相差制御）がある。この位相差制御は、駆動信号位相差を変化させることによって、移動方向の振動振幅と、移動方向と垂直方向の振動振幅との振幅比変化により振動弾性体の表面の質点の軌跡となる楕円形状が変化することにより速度を制御するものである。

また、振動型モータの別の速度制御方法の一つとして圧電素子に印加する周波電圧の周波数を変化させる方法（周波数制御）がある。この周波数制御は、モータを駆動する駆動周波数を変化させることによって、振動弾性体の表面の質点が描く楕円軌道の直径が変化することにより速度を制御するものである。周波数と速度の関係は駆動周波数が共振周波数となるときに最速となり、駆動周波数が共振周波数から離れる程速度は低下していく。これは駆動周波数が共振周波数に近づくほど振動弾性体の表面の質点が描く楕円軌道の直径が増大するためである。この周波数−速度特性は、共振周波数より高周波数側の方が低周波数側に対し速度変化が緩やかで安定した特性となる性質があり、制御の容易さから共振周波数より高周波数側の周波数領域を用いて制御が行われている。また、共振周波数より高周波数側の周波数領域において周波数を高くしていくと速度が下がっていくが、所定の周波数ｆｍで弾性体と接触体の接触圧に抑制されて駆動力を失い停止する。

更に、振動型モータの特性は、共振周波数よりも低い駆動周波数では、速度が急激に変化してしまい制御性が極めて悪い。そのため、振動型モータを安定して駆動するためには、駆動周波数を共振周波数よりも高く保つ必要がある。しかしながら、振動型モータの特性は温度等の環境条件及び負荷条件により変動し、さらには製造ばらつきがあるため、これらに伴って共振周波数も個々のモータ毎に及びモータの置かれた状況によって異なる。

このような振動型モータの特性を踏まえ、共振周波数よりも高い駆動周波数で安定して制御するための方法が提案されている。特許文献１には、共振周波数よりも低い駆動周波数にならないように、振動型モータの振動状態を検出し、共振周波数よりも高い駆動周波数で駆動するように制御する旨が開示されている。特許文献１では、共振状態と相関性のある、一方の駆動用周波信号と振動検知用電極の出力信号との位相差（振動位相差）を検出することにより振動状態が共振状態に近づいたかを判断している。

特公平７−１０１８９号公報

しかしながら、特許文献１には、振動型モータの駆動速度を周波数により制御する構成において共振周波数を超えないようにすることしか記載されていない。振動型モータの駆動速度を駆動信号位相差によって制御する構成においても、共振周波数の変動やモータ毎の共振周波数のばらつきがあるため、駆動周波数が共振周波数を大幅に下回り、大きな駆動速度の変化をもたらすことがある。

そこで本発明は、駆動速度を駆動信号位相差によって制御する振動型モータの制御装置において、共振周波数の変動やばらつきによって起こり得る大きな速度変動を抑える制御をより簡単に行うための振動型モータの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、圧電体に対して位相の異なる２つの駆動信号が印加されることによって前記圧電体が振動して駆動力が発生する振動型モータの制御装置であって、前記２つの駆動信号の位相差を制御する位相差制御手段と、前記圧電体に発生する振動を検知する電極から出力される信号と前記２つの駆動信号の一方の駆動信号との位相差を検出する検出手段と、を有し、前記位相差制御手段は、前記振動型モータの駆動速度を変化させる場合に、第１の方向に駆動する場合には０度以上９０度以下の範囲を、第１の方向とは反対の第２の方向に駆動する場合には１８０度以上２７０度以下の範囲を、前記２つの駆動信号の位相差を変化させる範囲とする、または前記第１の方向に駆動する場合には９０度以上１８０度以下の範囲を、前記第２の方向に駆動する場合には２７０度以上３６０度以下の範囲を、前記２つの駆動信号の位相差を変化させる範囲とし、前記位相差制御手段は、前記検出手段で検出された位相差が所定値を越えないように、前記２つの駆動信号の位相差を制御することを特徴とする。
さらに、本発明は、圧電体に対して位相の異なる２つの駆動信号が印加されることによって前記圧電体が振動して駆動力が発生する振動型モータの制御方法であって、前記２つの駆動信号の位相差の制御によって、前記振動型モータの駆動速度の制御を行い、前記位相差の制御は、第１の方向に駆動する場合には０度以上９０度以下の範囲を、第１の方向とは反対の第２の方向に駆動する場合には１８０度以上２７０度以下の範囲を、前記２つの駆動信号の位相差を変化させる範囲とする、または前記第１の方向に駆動する場合には９０度以上１８０度以下の範囲を、前記第２の方向に駆動する場合には２７０度以上３６０度以下の範囲を、前記２つの駆動信号の位相差を変化させる範囲とし、前記圧電体に発生する振動を検知する電極から出力される信号と前記２つの駆動信号の一方の駆動信号との位相差が所定値を越えないように、前記２つの駆動信号の位相差を制御することを特徴とする。

本発明の制御装置は、駆動速度を制御する振動型モータにおいても、駆動周波数によって駆動速度を制御する場合と同様に一定の振動位相差の値を用いて大きな速度変動の可能性を判断することができる。そのため、共振周波数の変動やばらつきによって起こり得る大きな速度駆動を抑える制御をより簡単に行うことができる。

本発明に係る振動型モータ制御装置を示す回路模式図 振動位相差検出の概念図 振動型モータに設けられる圧電素子を示す平面模式図 振動型モータの特性図 振動型モータの特性図 制御例１に係る振動型モータの初期処理を示すフローチャート図 制御例１に係る振動型モータの駆動処理を示すフローチャート図 制御例１に係る振動型モータの速度制御を示すフローチャート図 制御例１に係る振動型モータの加速制御を示すフローチャート図 制御例１に係る振動型モータの減速制御を示すフローチャート図 制御例２に係る振動型モータの初期処理を示すフローチャート図 制御例２に係る振動型モータの駆動処理を示すフローチャート図 制御例２に係る振動型モータの速度制御を示すフローチャート図 制御例２に係る振動型モータの加速制御を示すフローチャート図 制御例２に係る振動型モータの減速制御を示すフローチャート図

以下、図面に基づいて本発明に係る振動型モータ及びその制御装置を説明する。図１は本発明に係る振動型モータ制御装置を示す回路模式図である。

１は振動型モータの制御を司るマイコン、２は電源（バッテリー）、３はレギュレータである。そして、本発明においては、マイコン１が後述する駆動信号位相差を制御する位相差制御手段、駆動周波数を制御する周波数制御手段、及び振動位相差を検出する検出手段に相当する。また、レギュレータ３は、この出力電圧をマイコン１に供給すると同時に後述の位相検出の基準電源としても使用される。

４は振動型モータに印加する電源回路である昇圧型ＤＣＤＣコンバータである。ＤＣＤＣコンバータ４はマイコン１によって動作／非動作をコントロールできるように構成されている。

５は電圧制御発振器（ＶＣＯ）で、マイコン１から入力される周波数データ信号（ＦＲＥＱ）を基に電圧を生成しその電圧に応じた周波電圧を発生する。本実施形態においては周波数データ信号（ＦＲＥＱ）を８ビットデータとし、ＦＲＥＱ＝Ｈ００のとき駆動周波数ｆは最大となり、ＦＲＥＱ＝ＨＦＦのとき駆動周波数ｆは最小となるものとする。またＦＲＥＱ＝Ｈ００のときの駆動周波数ｆは振動型モータの共振周波数ｆｒに対し十分大きな値であるものとする。

６は分周・位相器で、ＶＣＯ５の周波電圧と所定のクロック信号とマイコン１から入力される位相差データ信号（ＰＤＡＴＡ）が入力され、位相差データ信号に応じた位相差の２つの矩形波信号（Ａ相、Ｂ相）を出力する。この２つの矩形波信号（Ａ相、Ｂ相）の位相差のことを駆動信号位相差θｋと称し後述する振動状態を検知するための位相差と区別することとする。なお、本実施形態においては駆動信号位相差θｋを設定する際にはＡ相を基準としてＢ相を変化させている。また、本実施形態においては位相差データ信号（ＰＤＡＴＡ）を８ビットデータとし、ＰＤＡＴＡ＝Ｈ００のとき駆動信号位相差θｋは０度（同位相）となり、ＰＤＡＴＡ＝Ｈ８０のとき駆動信号位相差θｋは１８０度（逆位相）となるものとする。また分周・位相器６はマイコン１から入力される出力許可信号（ＯＵＴ−ＥＮ）により２つの矩形波信号（Ａ相、Ｂ相）の出力が許可／禁止される。

７はＡ相側のインバータ、８はＢ相側のインバータである。９はＡ相側の電源を供給するためのＮＰＮトランジスタ、１０はＢ相側の電源を供給するためのＮＰＮトランジスタ、１１はＡ相側のＮＰＮトランジスタ、１２はＢ相側のＮＰＮトランジスタである。分周・位相器６のＡ相信号がＡ相側のインバータ７とＡ相側のＮＰＮトランジスタ１１に入力され、インバータ７の出力がＮＰＮトランジスタ９のベースに接続され振動型モータのＡ相側に電力がシンク／ソースされる構成となっている。同様に分周・位相器６のＢ相信号がＢ相側のインバータ８とＢ相側のＮＰＮトランジスタ１２に入力され、インバータ８の出力がＮＰＮトランジスタ１０のベースに接続され振動型モータのＢ相側に電力がシンク／ソースされる構成となっている。

１３はＡ相側コイル、１４はＢ相側コイル、１５はＡ相側コンデンサ、１６はＢ相側コンデンサである。Ａ相側コイル１３とＡ相側コンデンサ１５を電源に対し直列接続することによって印加される周波数に応じた昇圧電圧が振動型モータのＡ相に印加される。同様にＢ相側コイル１４とＢ相側コンデンサ１６を電源に対し直列接続することによって印加される周波数に応じた昇圧電圧が振動型モータのＢ相に印加される。そしてこれら２つの駆動信号が印加されることによって圧電体が振動し、圧電体の振動によって振動体（ステータ）が励振され、振動体の振動によって移動体（ロータ）が動き、駆動力が発生する。

１７は振動型モータのＡ相側電極、１８は振動型モータのＢ相側電極、１９は振動型モータのＳ相側電極、２０は圧電素子（圧電体）、２１はＧＮＤ電極である。

２２はレギュレータ３の出力電圧を１／２にするための分圧回路であり、コンパレータのスレッショルド電圧を形成している。

２３と２４はＢ相電圧のレベルシフト用の抵抗、２５と２６はＢ相電圧用のハイパスフィルター、２７と２８はＳ相電圧のレベルシフト用の抵抗、２９と３０はＳ相電圧用のハイパスフィルターをそれぞれ構成している。

３１はＢ相用のコンパレータであり、レギュレータ３の電圧にレベルシフトすると同時にＢ相電圧の波形整形を行っている。３２はＳ相用のコンパレータであり、レギュレータ３の電圧にレベルシフトすると同時にＳ相電圧の波形整形を行っている。

図２は振動位相差検出の概念を示す図であり、Ｂ相側電極１８の電圧波形Ｂ、Ｓ相側電極１９の電圧波形Ｓ、及び各々の信号をコンパレータ３１、３２によってディジタル信号Ｃｂ、Ｃｓに変換した波形を示している。各コンパレータ出力信号Ｃｂ、Ｃｓをマイコン１に入力し、ＣｂがＨになってからＣｓがＨになるまでの期間をマイコン内蔵のタイマー機能により計測することにより２つの信号の位相差を取得することができる。このＢ相側電極１８への駆動電圧とＳ相側電極１９からの出力電圧との位相差を振動位相差θｓと称し、前述の駆動信号位相差θｋと区別するものとする。

３３は振動型モータの回転量と駆動速度（回転速度）を検出するエンコーダである。エンコーダ３３は、例えば振動型モータの回転に同期して回転する放射方向に複数のスリットがあいているパルス回転板とフォトインタラプタにより構成した公知の光学式エンコーダである。光学式エンコーダは、フォトインタラプタのＬＥＤから投光された光が受光素子に到達するか遮光されるかに応じて信号が変化するものである。３４はエンコーダ３３の検出回路でありフォトインタラプタの微弱な出力信号を増幅し波形生成しパルス信号としてマイコン１に入力する。このパルス信号の変化をマイコン１内蔵のカウント機能によりカウントすることにより回転量を検出し、パルス信号のパルス幅をマイコン１内蔵のタイマー機能により時間計測することにより速度を検出する。

次に振動型モータについて図３を用いて説明する。本発明の振動型モータは圧電体と、それに接触している振動体（ステータ）と、振動体に接触している移動体（ロータ）と、から構成される。図３は振動型モータの振動体の面上に配される圧電体（電歪素子）等の電気―機械エネルギー変換素子の配設状態を示す平面模式図である。

図３に示すＡ１及びＢ１はそれぞれ図示の位相及び分極関係に振動体上に配される第１と第２の電歪素子群である。またＳ１は第１の電歪素子群Ｂ１に対して４５度位相がずれた位置に配されるセンサー用の圧電体（電歪素子）である。これらの電気―機械エネルギー変換素子としての各電歪素子はそれぞれ単独のものを振動体に付しても良いし、一体的に分極処理しても良い。

図１に示すＡ相側電極１７、Ｂ相側電極１８、Ｓ相側電極１９は、それぞれ第１の電歪素子群Ａ１、第２の電歪素子群Ｂ１、及びセンサー用電歪素子Ｓ１に対応する電極である。Ａ相側電極１７とＢ相側電極１８に位相の異なる周波電圧が印加されることによりステータの表面に進行性の振動波が形成される。振動体に上記振動波が形成されると、この振動波の状態に応じてセンサー用電歪素子Ｓ１が周波電圧を出力しＳ相側電極１９にてこれが検出される。

図４（ａ）はこの振動型モータの正転時の周波数−振動位相差特性と周波数−回転速度特性を示した図であり、横軸に駆動周波数ｆ、縦軸に振動位相差θｓ及び回転速度Ｎを示している。同図において、周波数ｆは右方が高く、振動位相差θｓは下方が小さく、回転速度Ｎは上方が高くなるものとしている。

図４（ａ）に示す周波数−回転速度特性は、駆動信号位相差θｋを９０度とした場合の特性であり、振動型モータは駆動周波数ｆを高い方から低い方に走査していくことによりある周波数ｆｍ（起動周波数）で動き始める。そして、さらに駆動周波数ｆを低い方に走査していくことにより回転速度が上がる。共振周波数ｆｒで最高速となり、それより低い周波数では回転速度Ｎが急激に変化する特性となっている。従って、制御では駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒを下回らないように、振動位相差θｓを監視し、θｓがある値（ここでは４５度）以上となるようにしている。

また周波数−回転速度特性は、振動位相差θｓは周波数を低い方に走査していくことにより小さくなる特性となる。この特性は温度等の環境条件及び負荷条件により変化し、さらには振動型モータ毎にばらつきがある。

また図４（ｂ）は駆動信号位相差−回転速度特性と駆動信号位相差−振動位相差特性であり、横軸に駆動信号位相差θｋを、縦軸に振動位相差θｓ及び回転速度Ｎを示している。同図において、駆動信号位相差θｋは右方が０に近く、振動位相差θｓは下方が小さく、回転速度Ｎは上方が高くなるものとしている。

図４（ｂ）に示す駆動信号位相差−回転速度特性は、駆動周波数を図４（ａ）に示す共振周波数ｆｒよりも十分高周波側でかつｆｍよりも低い周波数ｆ０とした場合の特性である。駆動信号位相差θｋを９０度とした時に回転速度Ｎは最大Ｎ０となり、駆動信号位相差θｋを９０度から小さくすると回転速度Ｎは低下し所定の駆動信号位相差で停止する。この停止時の回転速度Ｎθｍｉｎは図４（ａ）に示す周波数ｆｍでの回転速度Ｎｆｍｉｎに対し低い回転速度となる。

続いて、駆動信号位相差−振動位相差特性は、駆動信号位相差θｋが大きくなるにしたがって、振動位相差θｓは小さくなり、駆動信号位相差θｋが９０度となった時点で振動位相差θｓはθｓ０となる特性を示す。駆動信号位相差θｋが０度〜９０度の間は回転速度Ｎの上昇に伴い、振動位相差θｓが減少するという、図４（ａ）の周波数がｆｍからｆｒまでの特性と同様の特性を示している。

ここで、振動型モータは、駆動周波数が共振周波数となる状態（共振状態）では、Ａ相側電極１７及びＢ相側電極１８の出力信号とＳ相側電極１９の出力信号との関係は、所定の特性を示す。この特性は、振動位相差をＡ相とＢ相のどちらの信号とＳ相信号との位相差にするか、また駆動信号位相差θｋを変化させる際のＡ相信号の位相とＢ相信号の位相の変化のさせ方によって異なる。

本実施形態では、振動位相差θｓはＢ相とＳ相との位相差であり、駆動信号位相差θｋを変更する際にＡ相の位相を基準としてＢ相の位相を変化させている。そのため、振動位相差θｓは駆動信号位相差θｋの増加に伴って単調減少する特性を示す。一方、本実施形態とは異なり、例えば、駆動信号位相差θｋを変更する際にＡ相の位相を基準としつつ、振動位相差θｓをＡ相とＳ相との位相差とした場合には、θｓがθｋの増加に伴って単調増加する特性を示す。また、θｋ変更の基準をＢ相にした場合にはこれらの関係が逆転するし、θｋ変更の際にＡ相とＢ相のいずれの位相も変化させる場合には、変化のさせ方によって異なる特性を示す。

図５は駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒの場合の、駆動信号位相差θｋと回転速度Ｎの関係と、駆動信号位相差θｋと共振状態となる場合の振動位相差（θｓｒとする）の関係を示す図である。θｋ−Ｎの関係からθｋが０度〜１８０度までと、１８０度〜３６０度までとで駆動方向が異なることが分かる。また、９０度、２７０度でそれぞれの方向での最高速となる。θｋ−θｓｒの特性は、θｋが大きくなるに従ってθｓが小さくなる特性を示している。ここで、θｓｒとＮの関係に注目すると、Ｎの増加に伴って、θｓｒが単調減少する領域と、反対に単調増加する領域があることがわかる。本実施形態では、θｋが０度〜９０度までと１８０度〜２７０度までの領域が回転速度Ｎの増加に伴ってθｓが単調減少する領域である。また、θｋが９０度〜１８０度までと２７０度〜３６０度までの領域が回転速度Ｎの増加に伴ってθｓも単調増加する領域である。

周波数制御では、駆動信号位相差θｋが一定であるので、駆動周波数に応じて変化する振動位相差θｓがθｓｒ以上を保つように制御することによって駆動周波数を共振周波数以上の値に保つことができる。一方、位相差制御においては、図５に示すように、駆動信号位相差θｋに応じて共振状態となるときの振動位相差θｓの値が変化する。そのため、それぞれの駆動信号位相差θｋにおいて厳密に共振状態を検知するためには駆動信号位相差θｋに応じて検知の基準となる振動位相差θｓの値を異ならせる必要がある。しかしながら、これを行うためには周波数制御を行う場合の回路構成や制御に比べて非常に複雑な回路構成や制御が必要である。

そこで本発明では、位相差制御を行う上でも、駆動信号位相差θｋの値によらずに一定の振動位相差θｓの値（限界振動位相差θｓｌとする）を大きな速度変動の可能性のある状態の判断の基準として用いることができるようにした。より具体的には、Ｂ相とＳ相との位置的位相差が４５度となる構成においては、駆動信号位相差θｋが０度以上９０度以下の範囲を第１の方向（正転方向）への駆動に用い、１８０度以上２７０度以下の範囲を第２の方向（逆転方向）への駆動に用いるようにした。

仮に第１の方向への駆動に駆動信号位相差θｋが９０度以上１８０度以下となる範囲を用いたとすると、θｋ＝９０度のときを基準に限界振動位相差θｓｌ（例えば４０度）を設定する必要がある。なぜなら、θｋ＝９０度のときが、θｓがθｓｌを越えたときの速度変動が最も大きいためである。しかしながら、このように設定した場合、例えばθｋ＝１５０度では共振状態となるときの振動位相差θｓｒは１５°であるため、大きな速度変動が起こる可能性が低い状態を、該可能性が高い状態と判断することになる。そのため、１つの基準で大きな速度変動が起こる可能性を判断することが困難である。

一方、本発明のように第１の方向への駆動に駆動信号位相差θｋが０度以上９０度以下となる範囲を用いたとすると、１つの限界振動位相差θｓｌの値を用いて大きな速度変動が起こる可能性が高い状態を判断することができる。なぜなら、例えばθｋ＝６０度においては限界振動位相差θｓｌ＝４５度となった場合には既に共振周波数を下回った駆動周波数で駆動することになるが、下回ったとしてもθｋ＝６０度の場合には、周波数−回転速度特性における共振周波数付近の速度変化は緩やかであるため、θｋ＝９０度の時ほど大きな速度変化が起きないためである。また、このことは第２の方向への駆動の際にも適用できるため、１８０度以上２７０度以下の範囲を位相差制御に用いる方が好ましい。

従って、本実施形態ではθｋが０度以上９０度以下と、１８０度以上２７０度以下の範囲を選択して使用している。

なお、本発明で使用する駆動信号位相差θｋの範囲は、例えば０度以上９０度以下の範囲を使用するといった場合、この範囲全てを使用しなくてもよく、例えば３０度以上９０度以下の範囲を使用するものも含むものとする。

また、本実施形態における振動型モータでは、図５に示すように駆動信号位相差θｋの増加に伴って振動位相差θｓが単調減少する特性を示しているが、駆動信号位相差θｋの増加に伴って振動位相差θｓも単調増加する特性を示す場合もある。この場合には、第１の方向と、第２の方向に駆動する場合とで、それぞれ駆動信号位相差θｋが９０度以上１８０度以下と、２７０度以上３６０度以下の範囲を使用するようにすればよい。つまり、θｋに対してθｓが変化する特性に応じて０度以上９０度以下及び１８０度以上２７０度以下を駆動信号位相差θｋの設定範囲とするか、または９０度以上１８０度以下及び２７０度以上３６０度以下をθｋの設定範囲とするかを選択すればよい。

次に本発明の振動型モータのより具体的な制御方法の例を説明する。振動型モータの制御は、まず目標速度となるよう加速し、残り駆動量が所定量以下となったら目標速度を徐々に小さくすることにより減速し目標位置となったところで振動型モータの駆動を停止する。本実施形態においては、Ｂ相側電極１８への駆動電圧とＳ相側電極１９〜の出力電圧との振動位相差θｓを検出することにより振動状態を検知し、検知した結果を基に制御手段を選択するものであり以下に詳細を説明する。

振動型モータを駆動するにあたり、目標速度（Ｔ−ＳＰＤ）と駆動量（ＦＯＰＣ）がマイコン内部もしくは外部から指示され、マイコン１はこの指示をトリガに振動型モータの制御を開始する。目標速度（Ｔ−ＳＰＤ）とは、振動型モータを所定の回転速度で制御するための情報であり、前述のパルス信号のパルス幅に対応した情報である。また駆動量（ＦＯＰＣ）は、前述のパルス信号のカウント値に対応した情報である。

（制御例１）
本制御例は、駆動開始から駆動終了までの回転速度を、駆動周波数を一定にしつつ、駆動信号位相差を変化させることによる制御、つまり位相差制御のみによって行う例である。本制御例について、図６から図１０を用いて説明する。

＜初期処理＞
図６を用いて、振動型モータの初期処理のフローを説明する。
［ＳＴＥＰ００１］
マイコン１はＤＣＤＣコンバータ４を動作させ振動型モータを駆動するのに必要な電圧を生成する。
［ＳＴＥＰ００２］
振動型モータの駆動方向を判別し、ＣＷ方向（第１の方向）なら［ＳＴＥＰ００３］へ、ＣＣＷ方向（第２の方向）なら［ＳＴＥＰ００４］へ進む。
［ＳＴＥＰ００３］
駆動方向がＣＷ方向と判断されたので、駆動信号位相差θｋを０度に設定する。
［ＳＴＥＰ００４］
駆動方向がＣＣＷ方向と判断されたので、駆動信号位相差θｋを１８０度に設定する。
［ＳＴＥＰ００５］
周波数データ（ＦＲＥＱ）を設定することにより駆動周波数ｆを共振周波数ｆｒよりもΔｆ高い値に設定し、出力許可信号（ＯＵＴ−ＥＮ）をＨとすることで２つの矩形波信号（Ａ相、Ｂ相）の出力を許可し振動型モータの駆動を開始する。
［ＳＴＥＰ００６］
初期処理を終了する。

＜駆動開始＞
図７を用いて、振動型モータの駆動開始のフローを説明する。
［ＳＴＥＰ１０１］
マイコン１内で振動型モータ以外の不図示の通常処理を行う。
［ＳＴＥＰ１０２］
エンコーダ３３からの出力を監視して、３パルス以上動いたか否かの判断を行う。動いていれば［ＳＴＥＰ１０３］へ、まだ動いていなければ［ＳＴＥＰ１０５］へ進む。
［ＳＴＥＰ１０３］
［ＳＴＥＰ１０２］で３パルス以上動いていると判断されたので、起動は完了し駆動されている状態と判断し、以下の処理を行う。ここでは、振動位相差θｓの取得を行い、結果を保存する。
［ＳＴＥＰ１０４］
［ＳＴＥＰ１０３］で取得したθｓの値と、θ１の値（第１の値）を比較する。ここで、θ１は、θ１よりもθｓが小さくなると、共振周波数の変動に伴って大きな回転速度の変動の可能性があることを示す限界振動位相差θｓｌのこと。比較の結果θｓがθ１よりも小さい場合は［ＳＴＥＰ１０７］へ、大きい場合は［ＳＴＥＰ１０６］へ進む。

［ＳＴＥＰ１０５］
［ＳＴＥＰ１０２］で、３パルス分動いていないと判断されたので、まだ駆動できていないと判断し、駆動信号位相差θｋをΔｐｈだけ位相差が大きくなる方へ変更する。３パルス分駆動するまでは、所定時間ごとに駆動信号位相差θｋをΔｐｈずつ位相差が大きくなるように変更していく。３パルス分駆動され、完全に駆動が始まったことが確認されるまで、この制御を続ける。

［ＳＴＥＰ１０６］
［ＳＴＥＰ１０４］で、現在の駆動周波数が、共振周波数の変動に伴う大きな速度変動の可能性が低いと判断されたので、速度制御（位相差）を行う。

［ＳＴＥＰ１０７］
［ＳＴＥＰ１０４］で、現在の駆動周波数が、共振周波数の変動に伴う大きな速度変動の可能性が高いと判断されたので、駆動周波数ｆをΔｆだけ高い値へ変更する。このようにθｓの値がθ１の値を超えないように制御することによって、共振周波数の変動に伴う大きな速度変動の可能性を低い状態にする。

［ＳＴＥＰ１０８］
振動型モータの駆動中の速度制御に関する処理を終了する。以上の処理を振動型モータが駆動している間に周期的に行うことで、安定した速度制御を実現している。

＜速度制御＞
図８を用いて、速度制御（位相差）処理のフローを説明する。
［ＳＴＥＰ２０１］
［ＳＴＥＰ１０６］で行う速度制御（位相差）処理の詳細を開始する。
［ＳＴＥＰ２０２］
目標とする速度を演算する。本制御例では、目標とする速度のデータをエンコーダ３３の出力信号が切り替わるまでの時間幅のデータとしている。時間幅のデータが小さければ速く、大きければ遅い目標値となる。
［ＳＴＥＰ２０３］
現在の速度を演算する。本制御例ではエンコーダ３３の出力信号の切り替わる時間をマイコン１で計測し、現在の速度として保存する。
［ＳＴＥＰ２０４］
ここでは、駆動信号位相差θｋの操作量Δｐｈを計算する。目標速度と現在速度の差から、Δｐｈの値を決定している。差が大きければΔｐｈも大きく、小さければΔｐｈも小さな値となるようにしている。
［ＳＴＥＰ２０５］
［ＳＴＥＰ２０２］で演算した目標速度と［ＳＴＥＰ２０３］で演算した現在速度を比較して、現在速度が目標速度よりも遅いと判断された場合は［ＳＴＥＰ２０６］へそれ以外は［ＳＴＥＰ２０７］へ進む。
［ＳＴＥＰ２０６］
目標よりも遅いと判断されたので加速制御を行う。
［ＳＴＥＰ２０７］
目標よりも速いと判断されたので減速制御を行う。
［ＳＴＥＰ２０８］
速度制御の処理を終了する。

＜加速制御＞
図９を用いて、加速制御のフローを説明する。
［ＳＴＥＰ３０１］
加速制御を開始する。
［ＳＴＥＰ３０２］
駆動信号位相差θｋにΔｐｈを加算する。図５で示したように、θｋが０度〜９０度までの範囲と、１８０度〜２７０度までの範囲は、θｋを大きくすることで速度も上昇する。
［ＳＴＥＰ３０３］
駆動方向を判定する。ＣＷ方向なら［ＳＴＥＰ３０５］へ、ＣＣＷ方向なら［ＳＴＥＰ３０４］へ進む。
［ＳＴＥＰ３０４］
駆動信号位相差θｋが２７０度に達したかどうかを判断する。２７０度より大きければ［ＳＴＥＰ０６］へ、２７０より小さければ［ＳＴＥＰ３０８］へ進む。
［ＳＴＥＰ３０５］
駆動信号位相差θｋが９０度に達したかどうかを判断する。９０度より大きければ［ＳＴＥＰ３０７］へ、９０度以下であれば［ＳＴＥＰ３０８］へ進む。
［ＳＴＥＰ３０６］
駆動信号位相差θｋが２７０度より大きくなってしまったので、駆動信号位相差θｋを２７０度とする。これは、図５に示したように駆動信号位相差が２７０より大きくなると、回転速度Ｎが遅くなる特性となっているためである。
［ＳＴＥＰ３０７］
駆動信号位相差θｋが９０度より大きくなってしまったので、駆動信号位相差θｋを９０度とする。これは、図５に示したように駆動信号位相差θｋが９０より大きくなると、回転速度Ｎが遅くなる特性となっているためである。
［ＳＴＥＰ３０８］
本制御例の加速制御を終了する。

＜減速制御＞
図１０を用いて、減速制御のフローを説明する。
［ＳＴＥＰ４０１］
減速制御を開始する。
［ＳＴＥＰ４０２］
駆動信号位相差θｋをΔｐｈだけ小さくする。
［ＳＴＥＰ４０３］
駆動方向を判定する。ＣＷ方向なら［ＳＴＥＰ４０５］へ、ＣＣＷ方向なら［ＳＴＥＰ４０４］へ進む。
［ＳＴＥＰ４０４］
駆動信号位相差θｋが１８０度より小さいかどうかを判断する。１８０度より小さくなっていれば［ＳＴＥＰ４０６］へ、１８０度以上ならば［ＳＴＥＰ４０８］へ進む。
［ＳＴＥＰ４０５］
駆動信号位相差θｋが２７０度〜３６０度の範囲にあるか否かを判断する。０度より小さいということを判断することは不可能なので、ここでは２７０度〜３６０度の範囲にあるか否かを判断する。２７０度〜３６０度の範囲内、つまり、０度より小さくなっていれば［ＳＴＥＰ４０７］へ、０度以上ならば［ＳＴＥＰ４０８］へ進む。
［ＳＴＥＰ４０６］
駆動信号位相差θｋが１８０度より小さくなってしまったので、駆動信号位相差θｋを１８０度とする。これは、図５に示したように駆動信号位相差θｋが１８０度より小さくなると、反対方向へ動き出す特性となっているためである。
［ＳＴＥＰ４０７］
駆動信号位相差θｋが０度より小さくなってしまったので、駆動信号位相差θｋを０度とする。これは、図５に示したように駆動信号位相差θｋが０度より小さくなると、反対方向へ動き出す特性となっているためである。
［ＳＴＥＰ４０８］
減速制御を終了する。

以上説明してきたように、本制御例では駆動信号位相差θｋを、ＣＷ方向に駆動する場合には０度以上９０度以下の範囲を使用し、ＣＣＷ方向に駆動する場合には１８０度以上２７０度以下を使用する設定としている。

図５に示すように、これら２つの範囲においては、速度が高くなるに従って、駆動周波数が共振周波数となるときの振動位相差θｓは小さくなる方へ変化するので、それぞれ１つの限界振動位相差θｓｌを用いて大きな速度変動の可能性を判断することができる。つまり、本発明のように駆動方向によって駆動信号位相差θｋの使用範囲を適切に設定することにより、大きな速度変動の可能性の判断をより簡単な制御で行うことがで、回路構成もより簡略化できる。

（制御例２）
本制御例は、駆動開始から駆動終了までを駆動信号位相差の操作と駆動周波数の操作を両方使った制御、つまり位相差制御と周波数制御を併用する例である。本制御例について、図１１から図１５を用いて説明する。なお、本制御例は、制御例１に記載の処理とほぼ同様の処理を行うため、それらの説明は省略し、異なる点のみを説明する。

＜初期処理＞
図１１を用いて、振動型モータの初期処理のフローを説明する。
［ＳＴＥＰ５０１］、［ＳＴＥＰ５０２］、［ＳＴＥＰ５０５］については、前述の［ＳＴＥＰ００１］、［ＳＴＥＰ００２］、［ＳＴＥＰ００５］と同様の処理を行う。
［ＳＴＥＰ５０３］
駆動方向がＣＷ方向と判断されたので、駆動信号位相差θｋを３０度に設定する。本制御例では、駆動周波数を制御することによって駆動を開始するため、３０度となる。
［ＳＴＥＰ５０４］
駆動方向がＣＣＷ方向と判断されたので、駆動信号位相差θｋを２１０度に設定する。同様に、本制御例では、駆動周波数を制御することによって駆動を開始するため、３０度となる。

＜駆動開始＞
図１２を用いて、振動型モータの駆動開始のフローを説明する。
［ＳＴＥＰ６０５］以外のステップは、図７に記載の［ＳＴＥＰ１０５］以外のステップと同様である。
［ＳＴＥＰ６０５］
［ＳＴＥＰ６０２］で、３パルス分動いていないと判断されたので、まだ駆動を開始できていないと判断し、駆動周波数ｆをΔｆだけ低い方へ変更する。３パルス分駆動するまでは、所定時間ごとに駆動周波数ｆをΔｆずつ低い周波数へ変更していく。３パルス分駆動され、完全に駆動が始まったことが確認されるまで、この制御を続ける。

＜速度制御＞
図１３を用いて、速度制御処理のフローを説明する。
［ＳＴＥＰ７０４］以外のステップは、図８に記載の［ＳＴＥＰ２０４］以外のステップと同様である。
［ＳＴＥＰ７０４］
ここでは、周波数制御と位相差制御のいずれも行うため、駆動周波数ｆの操作量Δｆと駆動信号位相差θｋの操作量Δｐｈを計算する。目標速度と現在速度の差から、Δｆ及びΔｐｈの値を決定している。差が大きければΔｆ及びΔｐｈも大きく、小さければΔｆ及びΔｐｈも小さな値となるようにしている。

＜加速制御＞
図１４を用いて、加速制御のフローについて説明する。
［ＳＴＥＰ８０１］
加速制御を開始する。
［ＳＴＥＰ８０２］
［ＳＴＥＰ６０３］で取得したθｓの値と、θ２の値（第２の値）を比較する。ここで、θ２はθ１よりも、駆動信号位相差θｋを変化させて回転速度Ｎが最大でかつ駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒとなるときの振動位相差θｓの値から離れた値である。比較の結果θｓがθ２よりも小さい場合はこれ以降の加速制御をしないで［ＳＴＥＰ８１４］へ、θ２以上の場合は［ＳＴＥＰ８０３］へ進む。
［ＳＴＥＰ８０３］
ＭＯＤＥ００で制御中か否かを判断する。ここでＭＯＤＥ００は駆動開始から、駆動信号位相差θｋを一定にして、駆動周波数ｆのみを操作して速度を制御している状態である。ＭＯＤＥ００ならば［ＳＴＥＰ８０４］へ、それ以外の状態なら［ＳＴＥＰ８０７］へ進む。
［ＳＴＥＰ８０４］
［ＳＴＥＰ６０３］で取得したθｓの値と、θ４の値を比較する。ここで、θ４は、振動型モータの消費電力がある所定の値を超えない振動位相差θｓの値である。θ４は、θ２よりも駆動信号位相差θｋを変化させて回転速度Ｎが最大でかつ駆動周波数ｆが共振周波数ｆｒとなるときの振動位相差θｓの値から離れている。θ４よりもθｓが小さくなると、振動型モータの消費電力が大きくなり、効率の悪い状態と判断される。比較の結果θｓがθ４よりも小さい場合は［ＳＴＥＰ８０５］へ、θ４以上の場合は［ＳＴＥＰ８０６］へ進む。
［ＳＴＥＰ８０５］
［ＳＴＥＰ８０４］でθ４よりもθｓが小さいと判断されたので、ＭＯＤＥ００からＭＯＤＥ０１へ移行する。ＭＯＤＥ０１は、駆動周波数ｆを固定して、駆動信号位相差θｋのみを操作して速度を制御する状態であり、ＭＯＤＥ００によって速度が上昇した後に速度制御を行う状態である。ＣＷ方向へ駆動時はＭＯＤＥ０１では駆動信号位相差θｋを３０度〜９０度までの範囲で操作し、ＣＣＷ方向駆動時には２１０度〜２７０度までの範囲で操作する。
［ＳＴＥＰ８０６］
［ＳＴＥＰ８０４］で、θｓがθ４以上であると判断されたので、駆動周波数ｆをΔｆだけ小さくなる値に変更し、消費電力を抑えるようにする。
［ＳＴＥＰ８０７］
ＭＯＤＥ０１で制御中か否かを判断する。ＭＯＤＥ０１の場合は［ＳＴＥＰ８０７］へ、それ以外はＭＯＤＥ０２である［ＳＴＥＰ８１３］へ進む。ＭＯＤＥ０２は、位相差駆動信号位相差θｋを一定にして、駆動周波数ｆのみを操作して速度を制御している状態であり、ＭＯＤＥ００及びＭＯＤＥ０１によって速度が上昇した後に速度制御を行う状態である。
［ＳＴＥＰ８０８］〜［ＳＴＥＰ８０９］
［ＳＴＥＰ３０２］〜［ＳＴＥＰ３０３］と同様である。
［ＳＴＥＰ８１０］
駆動信号位相差θｋが２７０度に達したかどうかを判断する。２７０度になっていれば［ＳＴＥＰ８１２］へ達していなければ［ＳＴＥＰ８１４］へ進む。
［ＳＴＥＰ８１１］
駆動信号位相差θｋが９０度に達したかどうかを判断する。９０度になっていれば［ＳＴＥＰ８１２］へ達していなければ［ＳＴＥＰ８１４］へ進む。
［ＳＴＥＰ８１２］
ＭＯＤＥ０１からＭＯＤＥ０２へ移行する。ＭＯＤＥ０１で、回転速度Ｎが最高となる駆動信号位相差θｋまで位相差を変更したので、ＭＯＤＥ０２では駆動信号位相差θｋを固定して駆動周波数ｆを操作して速度制御を行う。
［ＳＴＥＰ８１３］
［ＳＴＥＰ８０３］でＭＯＤＥ００でないと判断され、［ＳＴＥＰ８０７］ではＭＯＤＥ０１でないと判断されたので、ここではＭＯＤＥ０２での制御となる。駆動周波数をΔｆだけ低い値へ変更する。
［ＳＴＥＰ８１４］
本制御例の加速制御を終了する。

＜減速制御＞
図１５を用いて、減速制御のフローを説明する。
［ＳＴＥＰ９０１］
減速制御を開始する。
［ＳＴＥＰ９０２］
ＭＯＤＥ０２で制御中か否かを判断する。ＭＯＤＥ０２ならば［ＳＴＥＰ９０４］へ、それ以外の状態なら［ＳＴＥＰ９０３］へ進む。
［ＳＴＥＰ９０３］
ＭＯＤＥ０１で制御中か否かを判断する。ＭＯＤＥ０１ならば［ＳＴＥＰ９０６］へ、それ以外の状態なら［ＳＴＥＰ９０７］へ進む。
［ＳＴＥＰ９０４］
ＭＯＤＥ０２で制御中と判断されたので、駆動周波数をΔｆだけ高い値へ変更する。
［ＳＴＥＰ９０５］
現在の駆動周波数ｆとＦ４を比較する。周波数Ｆ４はその周波数で駆動信号位相差θｋを起動時の３０度、または２１０度とした場合にも、所定の電力量を超えない周波数である。
［ＳＴＥＰ９０６］
［ＳＴＥＰ３０２］と同様である。
［ＳＴＥＰ９０７］
［ＳＴＥＰ９０２］でＭＯＤＥ０２でないと判断され、［ＳＴＥＰ９０３］ではＭＯＤＥ０１でないと判断されたので、ここではＭＯＤＥ００での制御となる。駆動周波数ｆをΔｆだけ高い値へ変更する。
［ＳＴＥＰ９０８］
ＭＯＤＥ０２からＭＯＤＥ０１へ移行する。ＭＯＤＥ０２で、Ｆ４まで周波数を上げたので、ＭＯＤＥ０１では周波数を固定して、駆動信号位相差θｋを操作して速度を落としていく。
［ＳＴＥＰ９０９］
［ＳＴＥＰ３０３］と同様である。
［ＳＴＥＰ９１０］
駆動信号位相差θｋが３０度に達したかどうかを判断する。３０度になっていれば［ＳＴＥＰ９１２］へ、達していなければ［ＳＴＥＰ９１３］へ進む。
［ＳＴＥＰ９１１］
駆動信号位相差θｋが２１０度に達したかどうかを判断する。２１０度になっていれば［ＳＴＥＰ９１２］へ、達していなければ［ＳＴＥＰ９１３］へ進む。
［ＳＴＥＰ９１２］
ＭＯＤＥ００へ移行する。駆動信号位相差θｋを操作してＣＷ方向なら３０度、ＣＣＷ方向なら２１０度に達したので、駆動信号位相差θｋを固定して、駆動周波数ｆを操作して速度を制御する状態へ移行する。
［ＳＴＥＰ９１３］
減速制御を終了する。

以上説明してきたように、本制御例では駆動信号位相差θｋを、ＣＷ方向に駆動する場合には３０度以上９０度以下の範囲を使用し、ＣＣＷ方向に駆動する場合には２１０度以上２７０度以下を使用する設定としている。

図５に示すように、これら２つの範囲においては、速度が高くなるに従って、駆動周波数が共振周波数となるときの振動位相差θｓは小さくなる方へ変化するので、それぞれ１つの限界振動位相差θｓｌを用いて大きな速度変動の可能性を判断することができる。つまり、本発明のように駆動方向によって駆動信号位相差θｋの使用範囲を適切に設定することにより、大きな速度変動の可能性の判断をより簡単な制御で行うことができる。

また、本制御例では、ＭＯＤＥ００、ＭＯＤＥ０２のように周波数制御を行う場合と、ＭＯＤＥ０１にように位相差制御を行う場合のいずれにおいても、共通の値（θ１、θ２）を用いて、大きな速度変動の可能性がある状態を判断することができる。そのため、より簡単な制御で判断することができ、回路構成も簡略化できる。

以上本発明に係る振動型モータ及びその制御装置を説明したが、本発明は上述の実施形態に記載の構成に限られるものではない。例えば、実施形態では回転型のモータを例に説明してきたが、本発明はリニア型のモータにも適用できる。

１ マイコン
５ ＶＣＯ
６ 分周・位相器
３１ Ｂ相信号用コンパレータ
３２ Ｓ相信号用コンパレータ
３３ エンコーダ
３４ 検出回路

Claims (5)

1. 圧電体に対して位相の異なる２つの駆動信号が印加されることによって前記圧電体が振動して駆動力が発生する振動型モータの制御装置であって、
   前記２つの駆動信号の位相差を制御する位相差制御手段と、
   前記圧電体に発生する振動を検知する電極から出力される信号と前記２つの駆動信号の一方の駆動信号との位相差を検出する検出手段と、を有し、
   前記位相差制御手段は、前記振動型モータの駆動速度を変化させる場合に、第１の方向に駆動する場合には０度以上９０度以下の範囲を、第１の方向とは反対の第２の方向に駆動する場合には１８０度以上２７０度以下の範囲を、前記２つの駆動信号の位相差を変化させる範囲とする、または前記第１の方向に駆動する場合には９０度以上１８０度以下の範囲を、前記第２の方向に駆動する場合には２７０度以上３６０度以下の範囲を、前記２つの駆動信号の位相差を変化させる範囲とし、
   前記位相差制御手段は、前記検出手段で検出された位相差が所定値を越えないように、前記２つの駆動信号の位相差を制御することを特徴とする振動型モータの制御装置。
2. 前記２つの駆動信号の周波数を制御する周波数制御手段をさらに有し、
   前記周波数制御手段による、前記２つの駆動信号の位相差を一定にしつつ、前記周波数を変化させることによって前記振動型モータの駆動速度を変化させる制御と
   前記位相差制御手段による、前記周波数を一定にしつつ、前記２つの駆動信号の位相差を変化させることによって前記振動型モータの駆動速度を変化させる制御を組み合わせることにより、前記振動型モータの駆動速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の振動型モータの制御装置。
3. 前記周波数制御手段は、前記検出手段で検出された前記位相差が所定値を越えた場合に、前記振動型モータの加速を行わないことを特徴とする請求項２に記載の振動型モータの制御装置。
4. 前記２つの駆動信号がそれぞれ印加される圧電体と、前記圧電体に発生する振動を検知する電極と、前記圧電体に接触している振動体と、前記振動体に接触している移動体と、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置と、を有することを特徴とする振動型モータ。
5. 圧電体に対して位相の異なる２つの駆動信号が印加されることによって前記圧電体が振動して駆動力が発生する振動型モータの制御方法であって、
   前記２つの駆動信号の位相差の制御によって、前記振動型モータの駆動速度の制御を行い、
   前記位相差の制御は、第１の方向に駆動する場合には０度以上９０度以下の範囲を、第１の方向とは反対の第２の方向に駆動する場合には１８０度以上２７０度以下の範囲を、前記２つの駆動信号の位相差を変化させる範囲とする、または前記第１の方向に駆動する場合には９０度以上１８０度以下の範囲を、前記第２の方向に駆動する場合には２７０度以上３６０度以下の範囲を、前記２つの駆動信号の位相差を変化させる範囲とし、前記圧電体に発生する振動を検知する電極から出力される信号と前記２つの駆動信号の一方の駆動信号との位相差が所定値を越えないように、前記２つの駆動信号の位相差を制御することを特徴とする振動型モータの制御方法。

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