JP5870913B2 - 振動子および移動子を備える振動アクチュエータの駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動子および移動子を備える振動アクチュエータの駆動装置に関する。

振動子及び回転子を備える超音波モータ等の振動アクチュエータにおいて、効率的な駆動のためには、振動子または振動子を含む振動系全体の共振周波数を知る必要がある。超音波モータの周波数特性の例を図６に示す。振動子の駆動周波数が共振周波数ｆｒより高い範囲では、駆動周波数を上げるに従って回転子の回転速度は徐々に低下する。一方、駆動周波数が共振周波数ｆｒよりも低い範囲では、駆動周波数を下げると回転子の回転速度は急激に低下する。このような回転子の回転速度の急激な低下は超音波モータの安定駆動を阻害するため、一般的に、超音波モータを使用する際の駆動周波数は共振周波数ｆｒよりも高周波側に設定される。

ところが、共振周波数ｆｒは、超音波モータの個体差、負荷、温度、等の様々な要因によって変化するので、事前に測定した値を固定して用いるのは必ずしも適切ではない。そこで、変化する共振周波数ｆｒを測定する方法として様々な構成が提案されている。たとえば特許文献１では、超音波モータを駆動させる度に、その駆動周波数を事前に測定した共振周波数より十分に高い高周波側より低い側にスイープさせ、超音波モータの回転停止があった場合は整流増幅の基準電圧を変更して再度スイープ駆動することでＶＣＯの出力周波数を決定する方法が記載されている。

特開平３−２４３１８３号公報

しかしながら、従来の技術では、動作中に駆動周波数を制御するのが困難であるという問題があった。たとえば、特許文献１の技術では、整流増幅の基準電圧を変更しながら何度も駆動周波数のスイープを繰り返す必要があるため、超音波モータの動作中に共振周波数が変化した場合には、直ぐに共振周波数を得ることができず、不適である。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、振動アクチュエータの動作中に、振動子の駆動周波数を適切に制御できる方法および振動アクチュエータの制御装置を提供することを目的とする。

上述の問題を解決するため、この発明に係る振動子および移動子を備える振動アクチュエータの駆動装置は、振動子へ印加する交流電圧の駆動周波数を制御する周波数制御手段と、振動アクチュエータのハンチング状態を検知するハンチング検知手段と、を備え、周波数制御手段は、ハンチング状態が検知された場合に、振動子へ印加する交流電圧の駆動周波数を高周波側にシフトさせることを特徴とする。

このような構成によれば、振動アクチュエータの動作中に、ハンチングの検知に応じて振動子の駆動周波数が制御される。

ハンチング検知手段は、移動子の停止時間を測定するとともに、移動子が停止した回数を計測することを特徴としてもよい。
ハンチング検知手段は、
移動子の停止判定時間以上の停止がハンチング判定期間中に所定回数以上検出された場合にハンチング状態を検知することを特徴としてもよい。
移動子の移動速度を検出する速度検出手段と、検出された移動速度及び目標速度に基づいて交流電圧の電圧値を制御する駆動電圧制御手段とをさらに備えてもよい。
振動アクチュエータは、定在波・複合振動方式の超音波モータであってもよい。

また、この発明に係る振動アクチュエータの制御装置は上述の方法を実行する。

本発明の振動子の駆動周波数を制御する方法および振動アクチュエータの制御装置によれば、ハンチングの検知に応じて振動子の駆動周波数を制御するので、振動アクチュエータの動作中に適切な制御を実行することができる。

実施の形態１および２に係る超音波モータに関連する構成の例を示す図である。 実施の形態１および２に係る超音波モータの特性の例を示す図である。 ハンチング現象の具体例を示す図である。 実施の形態１におけるＥＣＵの処理の流れの例を示すフローチャートである。 実施の形態２におけるＥＣＵの処理の流れの例を示すフローチャートである。 超音波モータの周波数特性の例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
実施の形態１では、振動アクチュエータの例として超音波モータを想定する。
図１に、本実施形態に係る超音波モータ１０に関連する構成の例を示す。超音波モータ１０は、たとえば定在波・複合振動方式の超音波モータであり、振動子１１と、振動子１１の振動に伴って回転する回転子１２と、回転子１２の回転角度を検出するエンコーダ１３とを備える。回転子１２は、表面の少なくとも一部が円筒面または球面を構成する形状であり、所定の軸または中心の周りに回転可能に配置される。なお、エンコーダ１３に代えてポテンショメータを用いてもよい。

振動子１１には、振動子駆動手段としてドライバ２０が接続され、振動子１１の振動を制御する。また、ドライバ２０には、制御装置としてＥＣＵ３０が接続される。ＥＣＵ３０は、たとえばプロセッサ等の演算手段および半導体メモリ等の記憶手段を備えるマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、エンコーダ１３からの回転角度情報を受信し、これに基づいてドライバ２０の動作を制御する。

たとえば、ＥＣＵ３０は、ドライバ２０に対し、振動子１１に発生する振動の周波数（駆動周波数）に対応する交流電圧の周波数、位相差、および電圧それぞれの指令値を表す情報を送信する。また、ドライバ２０は、これらの指令値に基づいて決定される周波数、位相差、および電圧の出力値を、振動子１１に印加する。振動子１１はたとえばＶＣＯを備えており、ドライバ２０から出力される周波数、位相差、および電圧の出力値に応じて定まる周波数で振動する。このように、超音波モータ１０、ドライバ２０およびＥＣＵ３０が、超音波モータ構造を構成する。
ＥＣＵ３０は、振動アクチュエータの駆動装置であると解釈することができる。または、ＥＣＵ３０およびドライバ２０が振動アクチュエータの駆動装置であると解釈してもよい。

このような構成において、ＥＣＵ３０は、超音波モータ１０を制御するために本明細書に記載される方法を実行する。超音波モータ１０の制御は、より具体的には、ドライバ２０の出力を制御し、結果として振動子１１の駆動周波数を制御することにより実現される。たとえば、ＥＣＵ３０は、振動子１１へ印加する交流電圧の駆動周波数を制御する周波数制御手段として機能する。また、たとえば、振動子１１に印加される交流電圧について、周波数および位相差は所定の設計値で固定されていてもよく、電圧の指令値および出力値のみを変更することによって振動子１１の駆動周波数を変更してもよい。

超音波モータ１０の動作は、ＥＣＵ３０により速度フィードバックを用いて制御される。速度フィードバックは、たとえば、回転子１２が回転している場合に、エンコーダ１３からの回転角度情報に基づいて回転子１２の回転速度を検出する工程と、検出された回転速度に基づいて振動子１１の駆動電圧を制御する工程とを備える。たとえば、ＥＣＵ３０は、検出された回転速度と予め記憶される目標回転速度とを比較し、検出された回転速度が目標回転速度よりも小さければ電圧指令値を増加させて回転速度を大きくし、検出された回転速度が目標回転速度よりも大きければ電圧指令値を低下させて回転速度を小さくする。このように、ＥＣＵ３０は、回転子１２の移動速度を検出する速度検出手段として機能する。また、ＥＣＵ３０は、検出された移動速度及び目標速度に基づいて交流電圧の電圧値を制御する駆動電圧制御手段としても機能する。

このような制御に基づいて動作する超音波モータ１０に、ハンチング現象が発生する場合がある。
図２に、本実施形態に係る超音波モータ１０の周波数特性を示す。本願発明者は、速度フィードバックにより動作が制御される超音波モータ１０において、共振周波数ｆｒの近傍の周波数帯、たとえばｆ１≦（駆動周波数）≦ｆ２の周波数帯で駆動した場合に、ハンチング現象が発生することを発見した。

図３に、ハンチング現象の一例を示す。ハンチング現象とは、振動子１１の振動またはその変動状況に応じて、回転子１２が回転したり止まったりを小刻みに繰り返す動作を示す。図３の例では、目標速度ｖ０に対して、時刻ｔ１に回転速度がｖ１（ただしｖ１＞ｖ０）となった場合を示している。このように目標回転速度と実際の回転速度が乖離している場合は、速度フィードバックによって、その回転速度が目標回転速度に近づくように制御される。そして、時刻ｔ２において回転子１２が停止し、時刻ｔ３において再び回転子１２が回転する。その後、所定の周期で回転と停止が繰り返される。

回転子１２が停止している時間（たとえばＴ１＝ｔ３−ｔ２）は、たとえば１０ｍｓ〜２０ｍｓ程度の極短時間である。なお、ＥＣＵ３０の制御インターバルは、ハンチングの平均的な繰り返し単位時間より短く、たとえば１ｍｓである。

以上のように構成および制御される超音波モータ１０において、ＥＣＵ３０が振動子１１の駆動周波数を制御する方法を以下に説明する。
図４は、実施の形態１におけるＥＣＵ３０の処理の流れの例を示すフローチャートである。この処理は、たとえばＥＣＵ３０からドライバ２０へのモータ回転指令として実行される。
まずＥＣＵ３０は超音波モータ１０を動作させる（ステップＳ１）。たとえば、所定の電圧指令値をドライバ２０に送信することにより、回転子１２が回転するよう制御する。なお、ステップＳ１の前に、目標位置（たとえば制御の目標とする回転子１２の回転角度）を決定して記憶してもよい。

次に、ＥＣＵ３０は、回転子１２の回転角度を検出する（ステップＳ２）。ここで、回転角度とは、たとえば前回の制御インターバルから今回の制御インターバルまでの間に回転子１２が回転した角度をいう。回転角度は、たとえばエンコーダ１３から受信する情報に基づいて検出することができる。また、ＥＣＵ３０は、検出した回転角度を記憶手段に記憶する。

次に、ＥＣＵ３０は、ハンチングを検知したか否かを判定する（ステップＳ３）。
このステップＳ３は、回転子１２が停止していた時間を測定する工程と、所定の判定期間内において回転子１２が停止した回数を計測する工程とを備え、判定期間内に回転子１２が所定回数以上停止していればハンチングが検知されたと判定される。このように、ＥＣＵ３０は、超音波モータ１０のハンチング状態を検知するハンチング検知手段として機能し、回転子１２の停止判定時間以上の停止がハンチング判定期間中に所定回数以上検出された場合にハンチング状態を検知する。

ステップＳ３において、回転子１２が停止していた時間は、記憶されている制御インターバル毎の回転角度に基づいて測定することができる。たとえば、ゼロ（または検出限界未満）である回転角度が連続している場合に、その連続する回数を計測することによって測定することができる。

また、ステップＳ３において、回転子１２が停止した回数の数え方は当業者が適宜決定可能であるが、たとえば、上記のようなゼロ（または検出限界未満）である回転角度の連続が何箇所出現するかに基づいて計測することができる。たとえば、図３において、判定期間がＴである場合、回転子１２は判定期間内において３回停止しており、それぞれの停止時間はＴ１、Ｔ２およびＴ３である。

判定期間の長さ、停止時間の基準となる値（停止判定時間）および停止回数の基準となる値は、それぞれ適宜設計可能であるが、たとえば判定期間は２５０ｍｓとすることができ、停止時間判定時間は１０ｍｓとすることができ、停止回数の基準は３回とすることができる。この場合、回転子１２が１０ｍｓ以上停止していた期間が、２５０ｍｓの判定期間中に３回以上検出された場合には、ハンチングが検知されたことになり、そうでなければ、ハンチングが検知されないことになる。

ステップＳ３においてハンチングが検知された場合、ＥＣＵ３０は振動子１１へ印加する交流電圧の駆動周波数を高周波側へシフトする（ステップＳ４）。シフトする量は当業者が適宜設計可能であるが、たとえば１ｋＨｚだけシフトさせることができる。すなわち、ステップＳ４は、ハンチングが検知された場合に、振動子１１の駆動周波数をより高くする工程である。この制御が１回または複数回実行されることにより、振動子１１の駆動周波数は図２に示す周波数ｆ２より大きい値となり、ハンチングが発生しない周波数に維持される。なお、周波数ｆ２は図２に示すように共振周波数ｆｒより高いので、結果として駆動周波数は共振周波数ｆｒより高い範囲に維持される。
一方、ステップＳ３においてハンチングが検知されなかった場合にはステップＳ４は実行されない。

次に、ＥＣＵ３０は超音波モータ１０を動作させる（ステップＳ５）。たとえば、ステップＳ１と同様に、所定の電圧指令値をドライバ２０に送信することにより、回転子１２が回転するよう制御する。なお、このステップＳ５は省略してもよい（その場合でもステップＳ１によって超音波モータ１０は動作可能である）。

次に、ＥＣＵ３０は、回転子１２が目標位置に到達したか否かを判定する（ステップＳ６）。目標位置に到達した場合、ＥＣＵ３０は超音波モータ１０を停止させる（ステップＳ７）。この制御は、たとえば振動子１１の振動を停止させる処理や、振動子１１の駆動周波数を不感帯に変更する処理によって実現される。その後、ＥＣＵ３０は新たなモータ回転指令を待つ。
一方、目標位置に到達していない場合、処理はステップＳ１に戻り、回転子１２の回転動作が継続される。

なお、図４には示さないが、ＥＣＵ３０は、上述の速度フィードバックに関する制御も実行する。すなわち、回転子１２の回転速度に基づいて振動子１１の駆動電圧を制御する。この速度フィードバック制御は、図４の処理とは独立して実行されてもよく、図４の処理と並列的に実行されてもよく、図４の処理と組み合わせて実行されてもよい。

以上説明するように、実施の形態１に係る超音波モータ１０およびＥＣＵ３０によれば、ハンチングの検知に応じて振動子１１の駆動周波数を制御するので、超音波モータの動作を継続しながら振動子１１の駆動周波数を適切な範囲に維持することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１において、駆動周波数を制御するタイミングを変更したものである。
図５は、実施の形態２におけるＥＣＵ３０の処理の流れの例を示すフローチャートである。この処理は、たとえばＥＣＵ３０からドライバ２０へのモータ回転指令に応じて実行される。

まずＥＣＵ３０は超音波モータ１０を動作させ（ステップＳ１１）、回転子１２の回転角度を検出する（ステップＳ１２）。これらの処理は実施の形態１（図４）のステップＳ１およびＳ２と同様である。

次に、ＥＣＵ３０は、回転子１２が目標位置に到達したか否かを判定し（ステップＳ１３）、目標位置に到達していれば超音波モータ１０を停止させる（ステップＳ１４）。目標位置に到達していない場合、処理はステップＳ１１に戻り、回転子１２の回転動作が継続される。これらの処理は実施の形態１（図４）のステップＳ６およびＳ７と同様である。

ステップＳ１４の後、ＥＣＵ３０は、ハンチングを検知したか否かを判定する（ステップＳ１５）。判定の具体的処理は図４のステップＳ３と同様である。このように、実施の形態２では、超音波モータ１０の停止後にハンチングの検知を行う点において実施の形態１と異なる。

ステップＳ１５においてハンチングが検知された場合、ＥＣＵ３０は振動子１１の駆動周波数を高周波側へシフトし（ステップＳ１６）、その後、新たなモータ回転指令を待つ。ステップＳ１６の処理は図４のステップＳ４と同様である。一方、ステップＳ１５においてハンチングが検知されなかった場合にはステップＳ１６は実行されない。

上述の実施の形態１および２において、以下の変形を施すことができる。
超音波モータ１０は、定在波方式のものに限らず、進行波方式であってもよい。また、複合振動方式に限らず、単一の振動によるものであってもよい。
また、超音波モータに限らず、他の振動アクチュエータにも応用可能である。すなわち、振動は超音波域の周波数でなくともよく、また、回転運動を行うモータでなく直線運動を行うスライダまたはその他の運動を行う構成であってもよい。回転子１２は、より一般的には、円筒面や球面を含まない移動子であってもよく、エンコーダ１３は、より一般的には移動子の位置検出手段であってもよい。

実施の形態１および２では、超音波モータ１０の制御に速度フィードバックを用いるが、速度フィードバックを用いない方式としてもよい。制御方式に関わらず、ハンチングが発生する構成であれば本発明を適用することができる。

１０ 超音波モータ（振動アクチュエータ）、１１ 振動子、１２ 回転子（移動子）、１３ エンコーダ、２０ ドライバ、３０ ＥＣＵ（制御装置）。

Claims (5)

1. 振動子および移動子を備える振動アクチュエータの駆動装置において、
   前記振動子へ印加する交流電圧の駆動周波数を制御する周波数制御手段と、
   前記振動アクチュエータのハンチング状態を検知するハンチング検知手段と、
   を備え、
   前記周波数制御手段は、ハンチング状態が検知された場合に、前記振動子へ印加する交流電圧の駆動周波数を高周波側にシフトさせることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
2. 前記ハンチング検知手段は、
   前記移動子の停止時間を測定するとともに、
   前記移動子が停止した回数を計測することを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータの駆動装置。
3. 前記ハンチング検知手段は、
   前記移動子の停止判定時間以上の停止がハンチング判定期間中に所定回数以上検出された場合にハンチング状態を検知することを特徴とする請求項２に記載の振動アクチュエータの駆動装置。
4. 前記移動子の移動速度を検出する速度検出手段と、
   検出された移動速度及び目標速度に基づいて前記交流電圧の電圧値を制御する駆動電圧制御手段と
   をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動アクチュエータの駆動装置。
5. 前記振動アクチュエータは、定在波・複合振動方式の超音波モータである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の振動アクチュエータの駆動装置。

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