JP5854630B2 - 駆動制御方法、および駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動波モータの駆動制御装置に関し、特に複数の振動波モータからなり産業用機器、医療用旋回台などに係る連成駆動装置において、このような複数個の振動波モータの異常振動検知による駆動周波数の制御に関するものである。

振動波モータ（超音波モータ）についての技術、また振動波モータ駆動回路の原理については、多くの文献（例えば特許文献１）において知られている。
また、複数の振動波モータの回転軸に設けられたピニオンギアを一つの出力ギアに連結し、複数の振動波モータによる駆動力を合成して被駆動部材を駆動する連成駆動による振動波モータも知られている。
図３に、このような振動波モータに印加する駆動周波数を変化させたときの回転速度の変化（以下、ｆ−Ｎ特性という）を示す。
上記振動波モータのｆ−Ｎ特性は、高周波側ｆ_hiから低周波側ｆ_lowに周波数を下げていくにつれて回転数とその上昇量が増加し、共振周波数点ｆ_rにおいて回転速度が最高点Ｎ_maxに達するグラフ形状となる。
上記共振周波数点よりも低周波側に周波数を下げていくと、駆動周波数とは異なる振動（叩き振動）が発生し振動波モータの回転が停止（崖落ち３０１）してしまうため、該共振周波数点よりも高周波側を駆動領域３０２として使用する。
上記振動波モータのｆ−Ｎ特性グラフは各振動波モータによって不定である。図５（ａ）に、上記連成駆動による振動波駆動装置として、モータＡ、モータＢ、モータＣの三台の振動波モータで構成した場合における、それぞれのｆ−Ｎ特性が異なる例をグラフに示す。

このようなｆ−Ｎ特性のグラフを周波数軸方向にオフセットさせる技術は、例えば特許文献２に開示されている。
そして、連成駆動を行う上記した複数個振動波モータにおいても、ｆ−Ｎ特性は凡そにおいて一致させることが可能である。
図５（ｂ）に、図５（ａ）で示した三台の振動波モータを用いた場合の不定であるｆ−Ｎ特性を周波数軸方向にシフトさせ、上記ｆ−Ｎ特性を該振動波モータの駆動領域の位置（図３に示す駆動領域３０２）で凡そにおいて一致させる例をグラフに示す。

特開２００５−８０４４１号公報 特開平０７−３３７０４３号公報

しかしながら、連成駆動を行う上記複数個振動波モータのｆ−Ｎ特性のグラフを凡そにおいて一致させても、通常は個々の振動波モータによって共振周波数点が異なる。
そのため、共振周波数点が低周波側（図５に示す駆動領域５０１）に存在する振動波モータでは正常に駆動できる駆動周波数であっても、共振周波数点が該駆動周波数よりも高い（図５に示す駆動領域５０２）振動波モータが存在するとその振動波モータは崖落ち状態になり回転しなくなってしまうこととなる。ここで「崖落ち状態」とは、振動と周波数特性との関係から、駆動周波数が特定の周波数帯域内の周波数になった場合に、急激に振動波モータの回転が低下（停止）することを意味する。

図６に、連成駆動装置内振動波モータ（モータＤとモータＥ）の印加駆動周波数に対する駆動パターンによる連成駆動装置の駆動モードの差異を示す。
まず、印加駆動周波数に対する回転速度が連成駆動装置内全振動波モータにおいて一定であるのが理想である。
つまり、図６（ａ）において、モータＤのステータ６０５とモータＥのステータ６０７に同様の振動が励起される。これにより、ロータとステータの接触点６０３に同様の質点運動が生まれ、モータＤのロータ６０４とモータＥのロータ６０６それぞれが同速度で駆動することができる。
その結果、連成駆動する際の出力ギヤ６０２を介してモータＤとモータＥの合計トルク特性を、該連成駆動における出力軸６０１から得ることができる。

ただし、上記振動波モータの特性は不定であることから連成駆動装置内の全振動波モータに全く同等の振動を励起させることは不可能であり、図６（ｂ）に示すように、該振動波モータ各々の回転速度には多少ばらつきが生じる。
しかし、滑りが無い質点運動では回転速度に見合った振幅になるため連成駆動は可能である。
しかしながら、図６（ｃ）に示すように、共振周波数点が駆動周波数よりも高周波側にあり崖落ちによる叩き振動を生じる振動波モータが一台でも存在した場合、上記連成駆動装置の出力ギヤを介して他の正常に駆動している振動波モータの回転を妨げてしまう。
その結果、振動波モータのピニオンギヤと出力ギヤとの間で歯とびや歯かけの発生や、ロータとステータとの間で滑りが発生し叩き振動が発生することでロータとステータの接触面の精度が落ちてしまう危険性が生じる。
そして、正常な動作が不可能となり振動波モータの故障の原因ともなり得る。また、振動波モータの鳴きなど不快な音を発することとなる。

本発明は、上記課題に鑑み、複数の振動波モータによる駆動力を合成して駆動するに当たり、
これらの複数の振動波モータの中で最も高い共振周波数点を有する振動波モータの共振周波数点を超えないように制限することができ、安定した駆動が可能となる振動波モータの駆動制御装置の提供を目的とする。

本発明の駆動制御方法は、電気−機械エネルギ変換素子へ周波信号を印加することにより駆動する振動波モータと前記振動波モータによって回転されるギアを複数備え、前記複数のギアを噛合わせた一つの出力ギアによって被駆動部材を駆動させるための前記振動波モータを制御する駆動制御方法であって、前記複数の振動波モータに、高周波の周波信号から低周波の周波信号へシフトさせた周波信号を印加し、前記複数のモータのいずれかに異常振動が起こった時の周波信号ｆ１を求め、前記複数のモータに印加する周波信号は、いずれも前記周波信号ｆ１より所定の値Δｆだけ高い周波信号ｆ１＋Δｆよりも高い周波信号を用いることを特徴とする。
また、本発明の駆動制御装置は、電気−機械エネルギ変換素子への周波信号の印加により駆動する振動波モータと前記振動波モータによって回転されるギアを複数備え、前記複数のギアを噛合わせた一つの出力ギアによって被駆動部材を駆動させる駆動制御装置であって、前記複数の振動波モータのそれぞれに印加される周波信号は、前記複数の振動波モータの中で最も共振周波数が高い振動波モータの共振周波数よりも高い周波数であることを特徴とする。

本発明によれば、複数の振動波モータによる駆動力を合成して駆動するに当たり、
これらの複数の振動波モータの中で最も高い共振周波数点を有する振動波モータの共振周波数点を超えないように制限することができ、安定した駆動が可能となる振動波モータの駆動制御装置及び駆動制御方法を実現することができる。

本発明の実施例における振動波モータの駆動制御装置の構成例を説明する概略図である。 本発明の実施例における振動検出部におけるセンサ電圧のモニタリングを示す図である。 一般的な振動波モータのｆ−Ｎ特性を示すグラフである。 本発明の実施例における振動波モータの駆動制御装置の回路構成を説明する図である。 振動波モータのｆ−Ｎ特性に関するグラフである。（ａ）は振動波モータによりｆ−Ｎ特性にばらつきがあることを示すグラフ、（ｂ）はｆ−Ｎ特性のばらつきをおおよそ一致させたことを示すグラフである。 振動波モータの駆動パターンによる連成駆動装置動作の差異を示す図である。（ａ）はモータＤとモータＥの振幅が等しいときの連成駆動装置駆動パターン、（ｂ）はモータＤとモータＥの振幅が異なるときの連成駆動装置駆動パターン、（ｃ）はモータＥが崖落ちしたときの連成駆動装置駆動パターンである。 本発明の実施例における印加駆動周波数による制御ステップを説明するフローチャートである。

本発明の実施形態においては、電気−機械エネルギ変換素子への電気信号の印加により振動波による駆動力を生成する振動波モータを複数備え、
該複数の振動波モータによる上記駆動力を合成して被駆動部材を駆動する振動波モータの駆動制御装置を、つぎのように構成することで、振動波モータの崖落ちによる叩き振動を回避することができる。
すなわち、振動波モータの駆動周波数を制限する駆動周波数制限手段として、
上記複数の振動波モータの中でモータの回転速度を決める駆動周波数が最も高い共振周波数点を持つ振動波モータの共振周波数点を超えないように前記駆動周波数を制限する手段を構成する。
これにより、連成駆動における複数の振動波モータの個々が持つ共振周波数点よりも低周波側の周波数を駆動周波数として印加することが無くなり、該振動波モータの崖落ちによる叩き振動を回避できる。
また、崖落ちにより回転が停止してしまうことで、連成しようとする他の振動波モータに出力ギヤを介して駆動の障害となることを回避できる。
その結果、前記各振動波モータに印加した駆動周波数とは異なる駆動モードを外部から強制され、摩擦力で駆動する該振動波モータのロータ―ステータ間における異常摩耗の発生による故障を回避することができ、連成駆動における故障の抑制が可能となる。
また、本発明の実施形態においては、上記駆動周波数制限手段として、上記複数の振動波モータのそれぞれに振動検出部を設けるようにした構成を採ることができる。
そして、振動検出部から検出される出力信号によって、前記複数の振動波モータの中でモータの回転速度を決める駆動周波数が最も高い共振周波数点を検知することが可能に構成する。
これにより、振動波モータが駆動するたびに該駆動モードの振動を出力信号として自動的に更新して、管理を容易にすることができる。
また、前期振動波モータの発熱やロータ−ステータ間の磨耗による共振周波数点の変化にも対応でき、自動機への活用も可能となる。
また、本発明の実施形態においては、前記振動検出部を、上記振動波モータにおける電気−機械エネルギ変換素子によって構成し、該振動検出部により出力電圧の変動量を検出する構成を採ることができる。
これにより、振動検出部が前記振動波モータを構成する部品の一部に内蔵されるようにすることができ、新たに振動検出用の部品を足す必要が無く、振動波モータ及び連成駆動を構成するための装置の小型化が可能となる。また省スペース化だけではなく低コスト化も可能となる。
また、本発明の実施形態においては、上記振動波モータの駆動周波数を制限するための制限値を設定する制御手段を有する構成を採ることができる。
そして、この制御手段によって、前記振動検出部で検出された前記複数の振動波モータの中でモータの回転速度を決める駆動周波数が最も高い共振周波数点に基づいて、
前記最も高い共振周波数点の側に駆動周波数を所定の量だけ変化させ、前記駆動周波数の制限値を設定するように構成する。
これにより、連成駆動を構成するための装置内の振動波モータの中で最も高い共振周波数点を持つ振動波モータの共振周波数より高周波側に余裕を持たせることができ、崖落ち寸前の駆動周波数での駆動を回避することが可能となる。

本発明の実施例として、以下に複数の振動波モータによる駆動力を合成して被駆動部材を駆動する振動波モータの駆動制御装置の構成例について説明する。
図１は本実施例の振動波モータの駆動制御装置の構成例を説明する図である。
図１において、センサ相（振動検出部）１０１は１枚以上の電気−機械エネルギ変換素子からなるＰＺＴ１０２の中に、振動を検出する検出相として含まれている。
ＰＺＴ１０２は、振動波モータを構成するユニットの一部であるロータ−ステータ組１０３に含まれ、ＰＺＴ１０２に駆動周波数を印加することで一体となっている振動体（ステータ）１０５に振動（進行波）を励起する。
そして、振動体１０５とこれに接触する接触体（ロータ）１０６とを相対駆動し、接触体（ロータ）１０６と一体となったモータ軸１０４へと駆動トルクが出力される。

ロータ−ステータ組１０３を含む振動波モータ１０７を連成駆動装置外筒１１１に複数個取付け、振動波モータ１０７のモータ軸１０４に接着したピニオンギヤ１０８が複数個の振動波モータ各々で、連成駆動装置１１３の出力ギヤ１０９と噛み合うようにされている。
連成駆動装置外筒１１１と一体となった軸受け１１２を支えとし、出力ギヤ１０９と一体となった連成駆動装置出力軸１１０に複数個の振動波モータ１０７の各々が持つ出力トルクの合計を出力する構成となっている。
振動波モータ１０７を構成する部品の一つである電気−機械エネルギ変換素子は２枚以上の層構造となっており、その中に振動状態を検出する手段として、電気−機械エネルギ変換素子１枚をセンサ相（振動検出部）として設けている。
センサ相１０１に銀・銅・金などの材料をシルク印刷などでパターニングしたモニタ電極から得られる振動信号と駆動信号との位相差が一定となるように駆動信号の周波数を制御する方式は、従来において知られている。
そして、時間的位相が９０度異なる駆動用入力信号Ａ相信号とＢ相信号とが、それぞれ位置的位相が波長の１／４の位相差で配置されていることで、振動の質点が円運動をする。

図２に示すように、モニタ電極から発生するセンサ電圧をモニタリングすることができる。
ロータ−ステータ間で滑りが発生すると駆動周波数とは異なる振動（叩き振動）が発生する為、進行波により発生する正弦波と異なった信号が重畳されて出てくる。
このとき、滑りによりロータが跳ねる為に部分的に変化量の大きな電圧が発生し、この信号が任意の出力値より大きくなった場合を叩き振動と判断することができる。

図４は、本実施例における振動波モータを駆動制御する駆動制御装置の回路構成を説明する図である。
４０１は前記振動波モータを制御するためのＩＣ（制御手段）である。
４０２はＤ／Ａコンバータであり前記振動波モータ制御ＩＣ４０１のデジタル出力信号をアナログ出力電圧に変換し、連成駆動に用いる複数個の振動波モータ各々に対応したゲイン−オフセット調整部４０３へと出力する。
４０３はゲイン−オフセット調整部であり、全てに共通した指令値電圧を個々の振動波モータに対応した電圧制御発振器（以下、ＶＣＯという）４０４へ分圧調整した電圧を送る構成としている。
前記ゲイン−オフセット調整部を外部から調整することで各振動波モータのｆ−Ｎ特性をシフトさせ、おおよそ一致させることができる。

４０４はＶＣＯでありゲイン−オフセット調整部４０３によって分圧調整したＤ／Ａコンバータ４０２からのアナログ出力電圧に応じた周波電圧を出力する。４０５は４相生成ブロックであり、ＶＣＯ４０４からの周波電圧を分周して、π／２位相差の矩形波を出力する。
４０６はドライブ段であり、４相生成ブロック４０５からの周波電圧を、前記振動波モータを駆動できる電圧と電流値に増幅する。さらにコイルを用いて、増幅させた矩形波の周波信号をなまらせることでサイン波に近い周波信号を振動波モータ４０７へと供給する。
以上連成駆動に用いる複数個の振動波モータ各々に対応した周波信号を送信することで連成駆動を行う。

図７は本実施例における印加駆動周波数による制御ステップを説明するフローチャートである。
ステップ７０１では、連成駆動装置内の全振動波モータに印加する任意の駆動周波数ｆ₀を設定する。
ステップ７０２では、駆動周波数を高周波側ｆ_hiから低周波側ｆ_lowへとシフトさせていき、ステップ７０１で設定した任意の駆動周波数ｆ₀まで印加することで前記複数個の振動波モータの回転速度を上げていく。
ステップ７０３では、連成駆動装置に用いる全振動波モータ内の振動検出部において振動の検出を行う。
ステップ７０４では、ステップ７０３で検出した振動の変化量を判断して崖落ちによる異常振動がないかを判断しその時の印加駆動周波数ｆ₁を検出する。
ステップ７０４において異常振動ありと判断された場合、ステップ７０５において異常振動時の駆動周波数ｆ₁を高周波側に任意の量シフトさせた周波数ｆ₁＋Δｆを低周波側の制限値として設定し、ステップ７０２へと戻る。

ステップ７０４において異常振動なしと判断された場合、その時の印加駆動周波数ｆ₁が連成駆動装置内の全振動波モータの中で、モータの回転速度を決める駆動周波数が最も高い共振周波数点の側にある振動波モータの共振周波数となる。
そして、ステップ７０６において連成駆動装置内の全振動波モータが崖落ちしない周波数領域の中で最高回転速度を示す印加駆動周波数‘ｆ₀を制限値として設定する。
ステップ７０７では、ステップ７０６で設定した駆動周波数‘ｆ₀を制限値として連成駆動装置内の全振動波モータに駆動周波数を印加する。
ステップ７０８では、連成駆動装置に用いる全振動波モータ内で最も共振周波数点が高周波側にある振動波モータの振動検出部において振動の検出を行う。
ステップ７０９では、ステップ７０８で検出した振動の変化量を判断して連成駆動装置に用いる全振動波モータ内で最も共振周波数点が高周波側にある振動波モータにおいて崖落ちによる異常振動がないかを判断しその時の印加駆動周波数‘ｆ₁を検出する。

ステップ７０９において異常振動ありと判断された場合、ステップ７１０において異常振動時の駆動周波数ｆ₁を高周波側に任意の量シフトさせた周波数ｆ₁＋Δｆを低周波側の制限値として設定し、ステップ７０７へと戻る。
ステップ７０９において異常振動なしと判断された場合、ステップ７０６へと戻り、常時崖落ちによる異常振動の検出をループして行う。

以上に説明したように、連成駆動装置内の全振動波モータの中で最も共振周波数が高い振動波モータとその共振周波数を検出し、該共振周波数を高周波側に任意の量変化させた制限値を設ける。
これにより、該連成駆動装置内の全振動波モータにおいて崖落ちによる異常振動を防止し、安定した駆動が可能となる振動波モータの駆動制御装置及び駆動制御方法を実現することができる。

１０１：振動検出センサ相
１０２：ＰＺＴ
１０３：ロータ−ステータ組
１０４：モータ軸
１０５：振動体（ステータ）
１０６：接触体（ロータ）
１０７：振動波モータ
１０８：ピニオンギヤ
１０９：出力ギヤ
１１０：出力軸
１１１：連成駆動装置外筒
１１２：軸受け
１１３：連成駆動装置

Claims (4)

1. 電気−機械エネルギ変換素子へ周波信号を印加することにより駆動する振動波モータと前記振動波モータによって回転されるギアを複数備え、前記複数のギアを噛合わせた一つの出力ギアによって被駆動部材を駆動させるための前記振動波モータを制御する駆動制御方法であって、
   前記複数の振動波モータに、高周波の周波信号から低周波の周波信号へシフトさせた周波信号を印加し、前記複数のモータのいずれかに異常振動が起こった時の周波信号ｆ１を求め、
   前記複数のモータに印加する周波信号は、いずれも前記周波信号ｆ１より所定の値Δｆだけ高い周波信号ｆ１＋Δｆよりも高い周波信号を用いることを特徴とする駆動制御方法。
2. 前記複数の振動波モータのそれぞれは、２枚以上の前記電気−機械エネルギ変換素子を含み、前記２枚以上の電気−機械エネルギ変換素子の１枚は、センサ相であり、前記センサ相からの出力により前記異常振動を検知することを特徴とする請求項１記載の駆動制御方法。
3. 電気−機械エネルギ変換素子への周波信号の印加により駆動する振動波モータと前記振動波モータによって回転されるギアを複数備え、前記複数のギアを噛合わせた一つの出力ギアによって被駆動部材を駆動させる駆動制御装置であって、
   前記複数の振動波モータのそれぞれに印加される周波信号は、
   前記複数の振動波モータの中で最も共振周波数が高い振動波モータの共振周波数よりも高い周波数であることを特徴とする駆動制御装置。
4. 前記複数の振動波モータのそれぞれは、２枚以上の前記電気−機械エネルギ変換素子を含み、前記２枚以上の電気−機械エネルギ変換素子の１枚は、センサ相であることを特徴とする請求項３記載の駆動制御装置。

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