JPH04165968A - 振動アクチュエータのための制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はいわゆる超音波モータ等の振動式アクチュエ
ータの速度を制御するための速度制御装置に関するもの
である。

［従来の技術］ 最近、圧電素子や電歪素子を利用した、いわゆる超音波
モータ等の振動アクチュエータか実用化されている。こ
の振動アクチュエータは、交流電源によって振動させら
れる振動体と、該振動体の表面に圧接されつつ該振動体
の振動によｐて移動する移動体と、から成っている。こ
の振動アクチュエータの速度制御（すなわち、該移動体
の速度制御）は、該移動体に機械的に連結されたエンコ
ータ等の検出器によって該移動体の位置変化を検出し、
このエンコーダの出力をマイクロコンピュータにてン寅
算することによって該移動体の速度を検出し、その検出
速度に応じて該振動体の振動を制御することにより行わ
れていた。

［発明か解決しようとする課題］ 前述した従来の速度制御方法では、該移動体の瞬時位置
の変化をエンコータにより検出しているが、該移動体は
該振動体に接触しているのて移動するはかりてなく振動
もしているため、該移動体の移動量を検出しているエン
コーダは、実際は該移動体の移動と該移動体の振動とが
重畳した動きを検出していることになり、従って該エン
コータの出力の信頼性には問題があった。上述した従来
の速度制御方法においては、該移動体の速度が高い場合
には該振動体の振動による影響は相対的に小さくなるた
め制御性能が著るしく低くなることは避けられるが、該
Ｓ動体の１多動法度か非常に低速である場合には該エン
コーダの出力に該移動体の振動による影響か非常に大き
く現れてくるため、該エンコーダの出力の精度及び信頼
性は著るしく低下してしまう。従って、上述の如き従来
の速度制御方法は低速の振動式アクチュエータの速度制
御もしくは低速時の振動式アクチュエータの速度制御に
は適用できなかった。

それ故、本発明の目的は、移動体の速度か低い振動式ア
クチュエータの速度制御もしくは低速時の速度制御を高
精度に行うことができる速度制御装置を提供することで
ある。

［課題を解決するための手段］ 本発明では、８肋体の移動速度を検出する牙多動体速度
検出器の出力から該振動体もしくは該移動体の振動に起
因する出力成分を除去するための出力補正手段を設け、
該出力補正手段によって補正された移動体速度検出値を
速度指令信号（目標速度）と比較して該検出値が該目標
速度と一致するように該移動体の速度を直接もしくは間
接的に制御するようにした。該出力補正手段としては、
該振動体もしくは該移動体の振動の周期に同期して該移
動体速度検出器の出力をサンプリングするサンプリング
手段や、該振動体もしくは該移動体の振動の周波数成分
を該移動体速度検出器の出力から除去するフィルタ、な
どが用いられる。

［作　　　用］ 本発明の速度制御装置によれば、該移動体速度検出器の
出力から振動体もしくは移動体の振動に起因する出力成
分が除去されるのて振動アクチュエータの低速域におけ
る速度制御を高精度に行うことかでき、また、本発明に
よれは低速型の振動アクチュエータの速度制御を高精度
に行うことのできる振動アクチュエータ用速度制御装置
が提供される。

し実　施　例］ 以下に図面を参照して本発明の実施例について説明する
。なお、以下に説明する実姉例は、リング形振動体及び
リング形移動体から成る回転型のいわゆる超音波モータ
としての振動アクチュエータに本発明を適用したもので
あるが、本発明か適用される振動アクチュエータはこれ
に限るものではなく、往復動型、揺動型などてあっても
よいことは明らかである。

第１図は本発明の速度制御装置の第１実施例を示した概
略図である。同図において、１は不図示の支持部材に固
定されたリング形の振動体、２は振動体１の表面に進行
波振動を生じさせるために該振動体１に固着されている
圧電素子群、３は振動体１の表面に圧接された状態で振
動体１の円周方向に沿って駆動するロータ（すなわち移
動体）、４はロータ３に固定された軸、５は軸４の一端
に固定されたカップリング、６はカップリング５の一端
に取付けられたロータリーエンコーダ、７は軸４の他端
に取付けられた負荷（たとえばロール等の被駆動回転体
）、８は圧電素子群２に互いに９０”たり位相の異った
２種の交流駆動電圧Ａ及びＢを印加するとともに圧電素
子群２の中に設けられている振動検出電極から生しる振
動検出信号Ｓを取込む振動振幅制御回路、９はロータリ
ーエンコーダ６の出力パルスをカウントするカウンタ、
１０はカウンタ９の出力をサンプリングするサンプリン
グ回路、１１は所定電圧値と該振動検出電極の出力とを
比較するコンパレータ、１２はコンパレータ１１の基準
電圧を設定する電池、１３はＯＲ回路、１４は速度指令
に基いて振動振幅制御回路８を制御する振幅指令（すな
わち、速度制御信号）を発するＣＰＵ、である。

なお、第１図において、コンパレータ１１、ＯＲ回路１
３、サンプリング回路１ｏ、コンパレータ１１及びＯ’
Ｒ回路１３に関連するＣＰＵ１４の内部回路、等で構成
される部分はロータリーエンコーダ６の出力補正手段を
構成している。

第２図はＣＰＵ１４内で実行されるプログラムのフロー
チャートである。以下に動作を説明する。ＣＰＵ１４は
最初に振動振幅指令（Ｓ）をゼロとし、ＯＲ回路１３を
通してサンプリング回路１０にサンプリングを指令して
から現在位置を人力する。そして不図示の速度指令装置
からゼロ以外の速度指令が人力されると、振動振幅指令
（Ｓ）を最大値（ＳｍａＸ）にしてから速度制御ループ
を形成する速度制御ルーチンに入り、速度指令かゼロに
なるまて速度か制御される。速度制御ルーチンては、コ
ンパレータ１１の出力パルスを人力し、パルスの立ち上
かりエツジを所定のＮ　（Ｎ−１，２，３・・・）回転
検出すると、サンプリングされたカウント値を読み込み
前カウント値との差から現在速度を算出する。次に指令
速度と現在速度を比較して、例えは指令速度よりも遅け
れは、振動振幅指令（Ｓ）を所定量減少させ速度を減速
する様に構成されている。又、更に高精度な速度制御を
するならば、第１６図に示すブロック図の様な公知の制
御理論による演算によフて制御すれは良い。

第３図に振動アクチュエータかエンコーダ６の出力に与
える影響と、サンプリング回路１゜の効果の説明図を示
す。第３図（ａ）は正弦波出力のロータリーエンコータ
の正常時の出力信号で、（ｂ）　、　（ｔｌ）の実線は
振動アクチュエータの振動の影響を受けた場合のロータ
リーエンコーダの出力信号て、（ｂ）　、　（ｄ）の点
線は、（ａ）と同じ波形を書いたものである。（Ｃ）は
振動アクチュエータの振動に同期したパルス信号で、第
１図のコンパレータ１１の出力信号である。（ｅ）は任
意のクロック信号である。（ｂ）　、　（ｌ　の−点鎖
線はそれぞれ（ｃ）、（ｅ）のパルス信号の立ち上がり
エツジで位置を検出した場合の検出位置をっないたもの
で、振動アクチュエータの振動に同期して検出した（ｂ
）の方は位相のずれた正弦波になフており、時間遅れか
あるが、正確に速度を検出しているのかわかる。一方、
任意のクロックに同期した（ｄ）の−点鎖線は歪んた波
形になっており、速度か正確に検出できないことがわか
る。なお、説明の都合で正弦波出力のエンコーダを用い
て説明したが、同様の理由てパルス出力のエンコータや
アブソリュート出力のエンコーダを用いた場合ても効果
は同じである。本実施例では振動検出信号であるＳ相の
信号に同期して位置を検出したが、振動アクチュエータ
駆動用信号であるＡ相やＢ相あるいは振動振幅制御回路
８内のＡ相、Ｂ相を発生させるための基準信号等から作
られたＡ相、Ｂ相と同一周波数のパルスに同期して位置
を検出するように構成してもよいことは当然である。Ａ
相に同期する場合の例を第４図に示す。本実施例はＡ相
とＢ相の電圧の振幅あるいは周波数を変化させることて
振動体１の振動振幅を変化させて速度制御を行っている
が、Ａ相とＢ相間の位相差を変化させることによって速
度制御を行ってもよい。また、振動アクチュエータの回
転軸に外部からブレーキをかけて速度をコントロールす
るようにしてもよい。

第５図は！ｌ１ｌＩ１４に取付けた制動装置３ｏて制動
力を変化させることによって速度制御を行う場合を示し
たものである。

以上に示した実施例では、振動振幅制御回路８や制動装
置３０がアクチュエータの速度を調整するための速度調
整手段（もしくは速度変更操作部）を構成していること
になる。

第６図乃至第８図に示す実施例では、アクチュエータの
駆動体と負荷とか兼用になっており、振動アクチュエー
タのロータとしてのローラ１６か負荷としての被駆動ロ
ーラになっている。該ローラ１６の外周面には第７図に
示す棒状振動体１５−ａ〜１５−ｃの複数組か圧接され
ており、該振動体がたわみ振動することによりローラ１
６が回転駆動されるようになっている。

以下に本実施例のアクチュエータの動作原理について第
６図と第７図を用いて以下に説明す１す る。棒状振動体１５は、Ｘ軸方向の振動用に用いる電気
−機械エネルギー変換素子１５−ａ、Ｘ軸方向の振動用
に用いる電気−機械エネルギー変換素子１５−ｂと金属
性の角棒１５−ｃとからなっている。ここて、電気−機
械エネルギー変換素子１５−ａに角棒１５の３次の固有
モートの周波数の交流電圧を印加すると、第７図（ｂ）
のようにＸ軸方向に振動し、さらに電気−機械エネルギ
ー変換素子１５−ｂに該３次の固有モードの周波数で且
つ電気−機械工ネルキー変換素子１５−ａに印加する交
流電圧と時間的に９０°位相をずらした交流電圧を印加
すると、棒状振動体１５は第７図（ｂ）の矢印の様に円
運動をする。そこで第６図の様に棒状振動体１５を、ロ
ーラ１６に加圧接触させれば、摩擦力によって、図中の
矢印の様に、棒状振動体の振動の回転方向と反対方向に
ローラ１６は回転する。

第８図は本アクチュエータの回転速度を制御する制御装
置のブロック図である。１７は棒状振動体１５の３次の
固有モードの周波数の交流信号を発生する発振器、１８
は該交流信号の位相を９０°ずらすための９０’移相器
、１９及び２０は後述するＤ／Ａ変換器からの信号によ
って人力信号の振幅を変化させて出力する公知の電圧制
御増幅器（Ｖ、Ｃ，Ａ）、２１はＣＰＵ１４からのディ
ジタル信号である印加電圧振幅指令をアナログ信号に変
換するＤ／Ａ変換器、である。ここでもし、速度が速度
指令より低ければ、振幅指令が振幅の増加を指令し、電
圧制御増幅器１９．２０によって棒状振動体１５の電気
−機械エネルギー変換素子１５−ａ。

１５−ｂに印加される交流電圧の振幅が増大し、これに
より棒状振動体１５の振動振幅が増大するためローラ１
６の回転速度が速くなってゆき、その結果速度指令て示
される回転速度に制御される。この様なアクチュエータ
に於いても印加電圧に同期して速度を検出することで、
第１実施例と同様に振動に影響されずに速度を検出出来
、高精度な速度制御が可能となる。木実施例は印加電圧
に同期してエンコーダ出力をサンプリングするように構
成したが、発振器１７の出力信号に同期してサンプリン
グするように構成してもよい。

第９図は第８図に示した実施例の変形実施例を示したも
のである。本実施例は第８図の実施例と同しように棒状
振動体１５の振動を制御するとともに、軸４に取付けた
制動装置３０を制御した釉４の回転速度を直接に制御す
るように構成されている。

第１０図は第１図に示した実施例の速度制御装置を更に
高精度化した実施例である。なお、第１実施例には次の
ような問題点が内在していた。

すなわち、第１実施例に於いて印加電圧の周波数を変化
させて速度を制御したり、振動体１の固有振動数の変化
に自動的に周波数を追従させるように振動振幅制御回路
回路８を構成した場合、位置データのサンプリング周期
が変化するため、検出された速度か数％〜１０％程度変
動してしまう危険性があった。

第１０図に示した実施例は上述のような危険性を完全に
排除したものであり、第１図の実施例と異るところは周
波数カウンタ２２を設けたことである。

第１１図は第１０図の構成において、ＣＰＵ１４の動作
のフローチャートを示している。なお、本実施例におけ
るＣＰＵ１４の動作はほぼ第１実施例と同様であるので
速度データの検出部についてのみ説明する。速度は単位
時間あたりの駆動量であるから、変位量を変位にかかっ
た時間で割ってやればよい。すなわち、Ｎ（Ｎ−１，２
，３・・・）回振動パルスの立ち上がりエツジを検出す
る間に駆動した量を、その間の１パルスごとの周期を積
算した値で割ってやれは正確な平均速度が検出出来る。

第１２図は第１０図に示した実施例の変形実施例であり
、本実施例ては軸４に取付けた制動装置３０の制動力を
制御することによって直接に負荷７の速度制御を行う。

第１３図は、速度検出手段としてタコメータジェネレー
タ２３等のアナログ式速度センサを用い、出力補正手段
としてローパスフィルタ（ＬＰＦ）２４を用いた実施例
である。このローパスフィルタ２４は振動体１の振動周
波数成分を除去できるように濾波帯域か設計されたもの
である。２５は公知のＡ／Ｄ変換器であり、アナログ信
号をディジタル信号に変換してＣＰＵ１４に人力する。

ＣＰＵ１４はＡ／Ｄ変換器２５からの入力データを速度
指令と比較しつつ振動振幅制御回路８を制御するための
速度制御信号（振幅指令）を発生し、振動体１は該振幅
指令に基いて振動する。

第１４図は第１３図に示した速度制御装置においてＣＰ
Ｕ１４か実行する制御動作のフローチャートである。

第１５図は第１３図に示した実施例の変形実施例であり
、本実施例では軸４に取付けた制動装置３０により軸４
の回転速度を直接に制御するようになっている。

なお、第１３図の変形実施例として、タコメータジェネ
レータ２３の代りにロータリーエンコータを、ローパス
フィルタ２４の代りにディジタルフィルタを、それぞれ
代替させてもよいことは明らかてあろう。その場合は、
Ａ／Ｄ変換器２５が不要となり、第１３図の構成よりも
構成か単純化される。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明の速度制御装置には、振
動アクチュエータの移動体（もしくはロータ）の移動速
度検出手段の出力から振動による影響を除去する出力補
正手段か設けられているのて正確な速度検出を行うこと
かでき、従って、従来の速度制御装置よりも高精度の速
度制御か可能となる。また、本発明によれは、駆動体速
度か低速である場合の速度制御を高精度に行うことかて
き、特に低速型の振動アクチュエータの速度制御を高精
度に行うことかてきる速度制御装置か提供される。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による速度制御装置の第１実施例の概略
図、第２図は第１図に示した装置に含まれているマイク
ロコンピュータにて実行される制御動作のフローチャー
ト、第３図（ａ）は第１図に示した装置において速度検
出手段のアナログ出力に雑音か重畳されていない状態を
示した図、第３図（、ｂ）は該速度検出手段のアナログ
出力に雑音か重畳されている状態を示した図、第３図（
Ｃ）は第３図（ｂ）に示した雑音重畳出力信号をサンプ
リングするサンプリングパルス信号であって第１図のコ
ンパレータ１１の出力を示した図、第３図（ｄ）は第３
図（ｂ）と同し雑音重畳信号（ロータリーエンコーダの
出力）を示した図、第３図（ｅ）は第３図（ｄ）の雑音
重畳信号をサンプリングするだめの任意のクロック信号
を示した図、第４図は第１図の実施例の変形実施例を示
した図、第５図も第１図の実施例の別の変形実施例を示
した図、第６図は棒状振動体を有する振動アクチュエー
タの要部拡大斜視図、第７図（ａ）　、　（ｂ）は棒状
振動体の拡大斜視図、第８図は第６図に示した振動アク
チュエータに適用される本発明の実施例を示した図、第
９図は第８図の実力恒例の変形実施例を示した図、第１
０図は本発明の別の実施例を示した図、第１１図は第１
０図の装置に含まれるマイクロコンピュータが実行する
制御動作のフローチャート、第１２図は第１０図の実施
例の変形実施例を示した図、第１３図は本発明の他の実
施例を示した図、第１４図は第１３図の装置に含まれる
マイクロコンピュータの制御動作を示したフローチャー
ト、第１５図は第１３図の装置の変形実施例を示した図
、１６図は速度制御部の例を示すブロック図である。 １・・・振動体　　　　　　　２・・・圧電素子３・・
・ロータ（移動体）　　４・・・軸５・・・カップリン
グ ６・・・ロータリーエンコーダ ７・・・負荷　　　　　　　　１１・・・コンパレータ
３０・・・制動装置　　　　　　１５・・・棒状振動体
第１０ カウンタ 「−一一一’　　　　、３４ 七柵５±

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　交流駆動電圧により励振されて振動する振動体と、
   該振動体に圧接されるとともに該振動体の面に沿って運
   動する移動体と、を有した振動アクチュエータを速度制
   御するための速度制御装置であって、 該移動体の速度に応じた出力を発生する移動体速度検出
   器と、該移動体速度検出器の出力から該振動体の振動に
   起因する成分を除去する出力補正手段と、該出力補正手
   段の出力と速度指令信号との比較に基いて該移動体の速
   度を該速度指令信号の速度と一致させるように速度制御
   信号を発生する速度制御信号発生手段と、該速度制御信
   号に従って該移動体の速度を直接的もしくは間接的に調
   整する速度調整手段と、を有することを特徴とする振動
   アクチュエータ用速度制御装置。 ２　交流駆動電圧により励振されて振動する振動体と、
   該振動体に圧接されるとともに該振動体の面に沿って運
   動する移動体と、を有した振動アクチュエータを速度制
   御するための速度制御装置であって、 該移動体の速度に応じた出力を発生する移動体速度検出
   器と、該振動体に印加される交流駆動電圧の周期の整数
   倍の周期に同期して該移動体速度検出器の出力をサンプ
   リングするサンプリング手段と、該サンプリング手段に
   よりサンプリングされた該移動体速度検出器出力と速度
   指令信号との比較に基いて該移動体の速度を該速度指令
   信号の速度に一致させるように速度制御信号を発生する
   速度制御信号発生手段と、該速度制御信号に従って該移
   動体の速度を直接的もしくは間接的に調整する速度調整
   手段と、を有することを特徴とする振動アクチュエータ
   用速度制御装置。 ３　該出力補正手段がアナログフィルタであることを特
   徴とする請求項１記載の速度制御装置。 ４　該出力補正手段がディジタルフィルタであることを
   特徴とする請求項１記載の速度制御装置 ５　該速度調整手段が、該振動体に印加する交流駆動電
   圧を制御するための振動振幅制御回路であることを特徴
   とする、請求項１及び２記載の速度制御装置。 ６　該速度調整手段が、該移動体に対する制動力を調整
   するための制動力調整手段であることを特徴とする、請
   求項１乃至４記載の速度制御装置。