CN103222180B

CN103222180B - 振动型执行器的控制设备

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Publication number: CN103222180B
Application number: CN201180055873.7A
Authority: CN
Inventors: 住冈润
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: WO2012070365A1; JP5679781B2; US20160173005A1; US20130249445A1; CN103222180A; US9800180B2; JP2012115102A

Abstract

通过利用在与振动部件的多个突起的数量对应的频率处、在从振动型执行器的振动检测电极检测的S相信号中产生的振幅的变化，来检测关于旋转速度的信息。

Description

振动型执行器的控制设备

技术领域

本发明涉及振动型执行器（actuator）的控制设备。

背景技术

振动型执行器根据产生的振动的类型可以被分成驻波执行器和行波执行器。图5示出相关技术中的行波振动型执行器的控制设备。由速度检测器107（诸如编码器）获得的速度信号和来自未示出的控制器的目标速度被输入到速度偏差检测器101，并且速度偏差信号被输出。速度偏差信号被输入到比例-积分-微分（proportional-integral-derivative，PID）补偿器102并且作为控制信号被输出。

从PID补偿器102输出的控制信号被输入到驱动频率脉冲发生器103。从驱动频率脉冲发生器103输出的驱动频率脉冲信号被输入到驱动电路104，并且输出其相位彼此相差90°的两相交替电压。交替电压是其相位彼此相差90°的两相交替的信号。从驱动电路104输出的交替电压被输入到振动型执行器105的机电能量转换元件，并且振动型执行器105的移动部件以恒定速度旋转。以使得被旋转的方式驱动与振动型执行器105的移动部件连接的被驱动部件106（齿轮、标尺（scale）、轴等）。由速度检测器107检测被驱动部件106的旋转速度，并且执行反馈控制以使得旋转速度总是变得接近于目标速度。

如上所述，在相关技术中检测被驱动部件的旋转速度（与移动部件的旋转速度相同）时，必须使用光学编码器等，并且因此成本不可避免地变高，这是因为使用标尺和光检测器。另外，由于需要安装空间，因此难以减小尺寸。因此，在PTL1和PTL2中公开了在没有使用诸如编码器之类的光学元件的情况下检测速度的方法。

在PTL1中，描述了通过利用从包括在压电元件内的振动检测电极输出的信号（在下文中称为“S相信号”）检测驱动量的方法，该方法通过以一定方式使作为移动部件的转子成形来实现。由于振动部件的与转子接触的部分处的压力因转子的偏心而变化，因此这个方法利用根据转子的旋转而产生的振动检测电极的振幅（amplitude）的变化。S相信号的压力的变化（每旋转一圈为一个周期）经受使用低通滤波器的信号处理，并且随后为了检测驱动量而对已使其波形成形的矩形信号的脉冲的数量进行计数。作为实施例，描述了其外周表面不均匀的转子、偏心转子、设置有凹槽的转子、具有其摩擦系数不同的部分的转子等。

在PTL2中，在转子的径向上设置不均匀的部分。通过将由这些不均匀的部分强调（emphasize）的到压电元件的驱动电流的高度值的包络转换成连续或脉冲信号，来检测转子的旋转量。根据PTL2，为了产生与高度值的包络中的转子的不均匀的部分的数量对应的调制分量，必须在最佳条件中结合行波的数量和振动部件的突起的数量。

引文列表

专利文献

PTL1美国专利No.7,439,650

PTL2日本专利No.03060081

发明内容

技术问题

在上述的两个文献二者中，转子被设置有周期性的突起或凹槽，并且通过检测叠加在作为来自振动检测电极的检测信号的S相信号的振幅上的调制信号来获得关于转子的旋转速度的信息和转子的位置信息。

然而，在上述的方法中，必须对通常使用的转子进行处理。

本发明在不改变移动部件的形状的情况下并且在不使用诸如编码器之类的光学元件的情况下检测振动部件和移动部件的相对移动速度的信息以及位置信息。

根据本发明一个方面的一种振动型执行器的控制设备通过向包括机电能量转换元件的振动部件的机电能量转换元件施加交替电压并且通过在振动部件的多个突起中产生椭圆运动而使与振动部件的多个突起接触的移动部件相对于振动部件旋转。关于移动部件的旋转速度的信息是通过使用关于与多个突起的数量对应的频率的信息而获得的，关于频率的信息被包括在来自振动部件中设置的用于检测振动的机电能量转换元件的检测信号中。

本发明的有利效果

根据本发明，可以在不改变移动部件的形状的情况下并且在不使用诸如编码器之类的光学元件的情况下获得移动部件的相对移动速度的信息以及位置信息。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施例的振动型执行器的控制设备的框图。

图2A、图2B和图2C是示出振动型执行器的示例的示意图。

图3是示出布置在振动部件的背表面上的压电元件的极化状态的示意图。

图4A和图4B分别示出测量的S相信号的振幅随时间的变化以及频率分析的结果。

图5是示出相关技术中的行波振动型执行器的控制设备的框图。

图6A是示出4阶有限脉冲响应（FIR）滤波器的示例的框图，并且图6B是示出由36阶FIR滤波器配置的带通滤波器的振幅响应的曲线图。

图7A到7E是示出信号处理电路的配置的框图以及示出用于根据S相信号检测旋转速度信息的信号处理方法的示图（chart）。

图8A到8D是示出用于通过反正弦计算来检测周期的信号处理电路的框图以及示出用于通过反正弦计算来检测周期的方法的示图。

图9是示出根据本发明的第二实施例的振动型执行器的控制设备的框图。

图10是示出根据本发明第二实施例的重复控制器（repetitivecontroller）的配置的框图。

图11是示出根据本发明第三实施例的振动型执行器的控制设备的框图。

图12A和图12B示出振动型执行器的旋转速度以及驱动频率的表数据的示例。

图13A和图13B分别是示出根据本发明第四实施例的振动型执行器的控制设备的框图以及示出已经经受傅里叶变换的S相信号的振幅的频率特性的曲线图。

图14是示出根据本发明第五实施例的振动型执行器的控制设备的框图。

图15是示出根据本发明第六实施例的振动型执行器的控制设备的框图。

图16A到16D是示出所检测到的驱动电压信号与S相信号的相位差信号以及用于执行信号处理的方法的示图。

图17是示出根据本发明第七实施例的振动型执行器的控制设备的框图。

图18是示出根据本发明第七实施例的控制设备的驱动序列的流程图。

图19是示出在频率扫描（sweep）期间从重复控制器输出的S相信号的振幅的变化的曲线图。

图20是示出根据第八实施例的通过结合两个振动型执行器获得的配置的示意图。

图21是示出根据本发明第八实施例的振动型执行器的控制设备的框图。

图22A到22C是示出根据本发明第八实施例的用于检测关于绝对位置的信息的方法的示图。

图23A到23D是示出可以被应用于本发明的设置有其中不存在突起的区域的振动部件的配置的示意图。

图24是棒状的振动型执行器的分解透视图。

图25A和图25B是其弹性体被设置有放射状的凹槽的振动部件的透视图。

具体实施方式

将参考附图描述本发明中的振动型执行器的控制设备。本发明中的振动型执行器的控制设备被应用于以下振动型执行器。也就是说，要由本发明中的控制设备控制的振动型执行器具有振动部件和移动部件，并且振动部件在交替电压被施加到振动部件的机电能量转换元件时振动。振动使得振动部件的多个突起以椭圆运动方式移动并且使得与振动部件的该多个突起接触的移动部件通过摩擦驱动而相对于振动部件移动。

发明人已经通过实验确认了作为用于检测振动的信号的S相信号包括“与振动部件的多个突起的数量对应的频率分量”。在本发明中，该频率分量被用作关于移动部件的相对速度的信息。首先，将描述包括在S相信号中并且与振动部件的多个突起的数量对应的频率的信号分量。

图2A是振动型执行器105的一部分的透视图。振动型执行器105具有包括机电能量转换元件201（诸如压电元件）和弹性部件202的振动部件203、以及移动部件204。每个部件在图2A中示出的θ方向上具有圆形。在两相交替电压被施加到机电能量转换元件201时，在振动部件203中产生行波，并且通过摩擦驱动使与振动部件203接触的移动部件204相对于振动部件203旋转。

图2B是弹性部件202的透视图。如图2B中所示出的，多个突起301和凹槽302被交替地设置在弹性部件202的与移动部件204接触的一侧。在图2B中示出的示例中，在一圈中设置了三十二个突起301和三十二个凹槽302。通过设置这种突起301，可以增大与移动部件204接触的部分（突起301的顶部）中的行波的振幅，由此获得足够的旋转驱动力。本发明中的“突起”在下文中将指的是与移动部件204接触的部分以及像突起301一样的相对于凹槽302突出的部分。

图2C是在驱动期间的移动部件204和振动部件203的示意性截面图。在振动部件203中，沿图2C中示出的右边方向产生行波，并且移动部件204沿与行波的行进方向相反的方向移动。如果将其中行波和移动部件204彼此接触的部分放大，则如图2C的下部中所示出的，突起301的顶部和移动部件204的表面彼此接触。

在驱动期间，接触部分处的接触压力理想地在任何时候都是相同的，但是，实际上，由于彼此接触的移动部件204和突起301两者的表面是不均匀的，因此接触压力根据旋转位置而不同。也就是说，接触压力在移动部件204的一圈旋转期间根据突起301的数量而变化。因此，与移动部件204的旋转同步地根据周向上的突起301的接触区的空间分布产生振动部件203的机械共振频率的变化。机械共振频率的变化被认为变成振动部件203中产生的、并且与移动部件204的旋转同步地根据接触区的分布（即突起301的数量）作为振幅的周期性变化而产生的振动振幅的变化。也就是说，突起301的数量可以被认为与由编码器检测到的脉冲的数量对应。因此，如果可以检测到振动的振幅的变化，则可以获得关于移动部件204的旋转速度的信息。

图3是示出作为布置在振动部件203的背表面上的机电能量转换元件201的压电元件的布置状态（压电元件的布置位置和极化状态）的示例的示意图。图3中示出的A相和B相是具有图3中示出的极化状态和相位的布置在弹性部件202上的第一和第二压电元件组。另外，Sa相和Sb相分别是布置在与A相和B相偏离1/4波长的位置处的用于检测振动的压电元件。用作A相、B相、Sa相和Sb相的这些压电元件可以被单独地设置在振动部件203中，或者可以通过极化处理来共同形成。

在A相和B相中，形成要向其施加驱动电压的电极（在下文中称为“A相电极”和“B相电极”）。由于要被施加到A相和B相的驱动电压的相位彼此相差90°，因此在振动部件203的表面上形成行波。在Sa相和Sb相中也形成电极（在下文中称为“振动检测电极”），并且当在振动部件203的表面上产生振动时，根据振动的状态从振动检测电极输出电压来作为检测信号。

振动型执行器具有如下的特性，即施加到A相电极的驱动电压与作为来自每个振动检测电极的输出电压的检测信号（在下文中称为“S相信号”）之间的相位关系在共振状况下变成特定的关系。也就是说，振动型执行器具有如下的特性，即，由A相和Sa相之间的位置关系确定相位关系，在施加到A相的驱动信号和从Sa相输出的S相信号的相位彼此相差90°时建立共振状况，并且随着更大程度地偏离共振状况，相位差变得更大。

发明人已经检测到S相信号并且确认实际上根据振动部件203的突起301的数量产生振幅的周期性变化。在下文中将描述结果。

图4A示出测量的S相信号的振幅随时间的变化。横轴表示时间并且纵轴表示S相信号的振幅。在这个测量中，使用图5中示出的相关技术中的振动型执行器的控制电路。另外，执行速度控制使得速度变为130rpm。通过使用未示出的外部电路执行电阻分压来减小S相信号的电压，并且随后执行均方根（rootmeansquare）-直流（RMS-DC）转换处理并且使用未示出的测量装置获得波形数据。RMS-DC转换处理是其中对交流（AC）信号的有效值进行转换的处理。在实验中，通用的集成电路（IC）被用于该转换。因此，作为S相信号的AC分量的驱动频率分量被去除并且S相信号的振幅的有效值的直流（DC）变化被输出。在实验中，振动部件203的突起301的数量为四十六。图4A示出Sa相和Sb相的振幅的变化。振幅在与振动部件203的突起301的数量（即四十六）对应的频率处被调制。

图4B示出通过对已经经受RMS-DC转换处理的S相信号执行傅里叶变换并且通过执行振幅的频率分析而获得的结果。横轴表示频率并且纵轴表示变化的振幅。如可以从图4B看到的，在100Hz的频率的位置处产生峰值。如表达式（1）表示的，峰值指示与振动部件203的突起301的数量（即四十六）对应的频率。如由表达式（1）表示的，“与突起301的数量对应的频率”是根据突起301的数量和旋转速度的乘积计算的频率。

46×130(rpm)/60=100(Hz)…表达式(1)

也就是说，根据移动部件204的旋转速度检测与突起301的数量（即四十六）对应的频率。发明人还已经执行了其它条件下的测量，诸如其中突起301的数量已经改变的情况和其中旋转速度已经改变的情况，并且已经确认在任何条件下由表达式（1）计算的频率处的变化作为峰值而被产生。

换句话说，这意味着可以通过在驱动期间根据需要检测振幅到达其峰值的周期或者频率来反向计算旋转速度。如果振幅到达其峰值的周期由T(s)表示，则旋转速度由以下表达式（2）表示：

旋转速度(rpm)=(1/T)×60/46…表达式(2)

如果这个表达式被转换为用于表示旋转速度的周期的表达式，则旋转速度的周期由以下表达式（3）表示：

旋转速度的周期（s）=T×46…表达式(3)

因此，通过检测包括在S相信号中的与突起301的数量对应的信号分量的周期或者频率，可以检测关于移动部件204的旋转速度的信息。在本发明中，关于速度（诸如旋转速度或者旋转速度的周期）的信息被表示为“旋转速度信息”。另外，与突起301的数量对应的周期和频率被表示为“频率信息”。当通过计算获得旋转速度信息时，与突起301的数量对应的频率可以被使用或者与突起301的数量对应的周期可以被使用。

通过使用这种用于检测旋转速度信息的方法，可以在不处理移动部件204以获得不均匀的部分（诸如周期性的突起）的情况下检测移动部件204的相对速度。另外，由于不在移动部件204上设置不均匀的部分，因此不产生由不均匀的部分引起的不必要的振动，由此抑制旋转速度的变化。

将在下文中描述本发明的具体的实施例。

第一实施例

图1是示出根据本发明的第一实施例的振动型执行器的控制设备的框图。根据本实施例的控制设备包括RMS-DC转换器702、模数（A/D）转换器703、滤波器704、信号处理电路705、速度偏差检测器101、PID补偿器102、驱动频率脉冲发生器103和驱动电路104。

速度偏差检测器101接收获得的旋转速度信息以及关于目标速度信息的信息（诸如来自未示出的控制器的速度的指令值），并且输出速度偏差信号。速度偏差信号被输入到PID补偿器102并且作为控制信号输出。PID补偿器102是通过将分别具有比例(P)、积分(I)和微分(D)的功能的补偿器的输出相加而获得的组件，并且通常用来通过补偿控制目标的相位延迟或者增益来构造稳定且高精度的控制设备。

从PID补偿器102输出的控制信号被输入到驱动频率脉冲发生器103。驱动频率脉冲发生器103根据输入的控制信号产生具有驱动频率的脉冲信号，并且可以是数字分频器（divider）电路、压控振荡器（VCO）等。另外，可以产生其脉冲宽度通过脉宽调制（PWM）控制根据控制信号而变化的脉冲信号。从驱动频率脉冲发生器103输出的具有驱动频率的脉冲信号被输入到驱动电路104，并且输出其相位彼此相差90°的两相交替电压。交替电压是其相位彼此相差90°的两相交替的信号。驱动电路104可以是例如具有切换功能的LC升压电路或者变压器耦合型升压电路等。

从驱动电路104输出的交替电压被输入到振动型执行器105的机电能量转换元件，并且振动型执行器105的移动部件相对地旋转。与振动型执行器105连接的被驱动部件106与移动部件一起经受旋转驱动。

接下来，将描述作为本发明的特性的用于根据所检测到的S相信号来检测旋转速度信息的部分。

首先，从包括在振动型执行器105中的振动检测电极701检测S相信号。虽然图3中示出了其中检测来自Sa相和Sb相的输出的示例，但是通常检测任一输出就足够了。通过RMS-DC转换器702从S相信号中去除驱动频率分量，并且检测振幅的有效DC变化分量。然后通过A/D转换器703将S相信号从模拟信号转换成数字信号。滤波器704从已经被转换为数字信号的S相信号中提取其频率与振动部件的突起的数量对应的信号分量。滤波器704由一般的数字滤波器（即FIR滤波器或者无限脉冲响应（IIR）滤波器）配置。例如，通过设定滤波器系数以便限制带宽以使得FIR滤波器的特性变为带通滤波器的特性，来从S相信号中提取与振动部件的突起的数量对应的频率信号。

图6A是示出4阶FIR滤波器的示例的框图。FIR滤波器是其脉冲响应由有限持续时间表示的滤波器，其用作滤波器系数。输入信号被顺序地存储在寄存器801中，并且每个寄存器801产生一个采样周期的延迟。已经被延迟一个采样周期的信号分别乘以h₀到h₄滤波器系数802，并且随后所有信号被相加并且输出。符号“h₀到h₄”指示确定滤波器的脉冲响应（即，滤波器704的频率特性）的滤波器系数802。通过调整滤波器系数802，可以配置具有在期望的频带中的通带宽度的带通滤波器。通过较低频率侧的截止频率f1与较高频率侧的截止频率f2之间的差来确定通带宽度。

图6B是示出由36阶FIR滤波器配置的带通滤波器的振幅响应的曲线图。横轴表示频率（Hz）并且纵轴表示振幅响应（dB）。带通滤波器被设计为使得较低频率侧的截止频率f1为50Hz并且较高频率侧的截止频率f2是150Hz。通带宽度为100Hz。如图4B中所示出的，由于与振动部件的突起的数量对应的频率为100Hz，因此通过使用这个频率作为中心频率来设计带通滤波器，使得各从中心频率延伸达50Hz的带变为通带。通过使用这种带通滤波器，可以去除包括在S相信号中的低频DC变化和高频噪声，由此改进检测旋转速度信息的精度，即，信噪（S/N）比。

通过信号处理电路705将其不必要的分量已经由滤波器704去除的S相信号转换为旋转速度信息。图7A是示出信号处理电路705的配置的框图。已经通过带通滤波器的S相信号初始被输入到数字比较器1001并且作为脉冲信号被输出。图7B中示出了S相信号的输入波形，并且图7C中示出了输出脉冲信号。数字比较器1001由一般的数字比较器配置，并且将输入信号和基准值的幅度进行比较以便输出H或者L电平。接下来，脉冲信号被输入到边缘检测器1002并且其上升沿通过检测时钟信号来检测。边缘检测器1002包括通过接收图7E中示出的检测时钟信号而操作的触发电路以及逻辑门。图7D中示出了由边缘检测器1002输出的上升沿信号。上升沿信号的一个周期是与振动部件的突起的数量对应的周期。

接下来，由计数器电路1003检测上升沿信号的周期。通过接收检测时钟信号而操作的计数器电路1003每当输入上升沿信号时就向上计数，并且输出该信号的周期。接下来，为了将所计数的信号的周期转换成移动部件的旋转速度的周期，将信号的周期输入到乘法器1004。乘法器1004在上升沿信号的定时处执行算术处理。也就是说，乘法器1004将所计数的信号的周期乘以振动部件的突起的数量（即四十六），并且输出该乘积作为关于移动部件的旋转速度的周期的信息。虽然这里将移动部件的一圈旋转的周期输出作为旋转速度信息，但是可以输出与振动部件的一个突起对应的周期。在该情况下，速度的目标周期可以被设定为1/46并且可以获得速度的周期的偏差。

另外，为了增大信号的周期的检测能力，可以使用以下方法。图8A示出用于通过反正弦计算来检测周期的方法。S相信号被输入到通过接收检测时钟信号而操作的反正弦计算单元1201。在检测时钟的定时处读取图8B中示出的具有正弦波形的信号的值，并且执行反正弦计算。计算的结果被检测作为图8C中示出的范围从0°到360°的相位信息，并且一个周期可以被增大到检测时钟的分辨能力。然而，由于反正弦计算单元1201对于具有一定的振幅值的反正弦计算的结果可以具有两个相位（θ和180-θ），因此执行逻辑操作以使得总是选择比当前时钟之前的一个检测时钟处检测的相位的值大的值。计算的输出结果被输入到计数器电路1003并且转换为信号的周期的计数器值。以类似的方式，所计数的信号的周期被输入到乘法器1004并且转换为移动部件的旋转速度的周期。

接下来，从信号处理电路705输出的旋转速度的周期被输入到速度偏差检测器101，并且检测相对于目标速度的速度偏差。基于这个速度偏差，振动型执行器经受反馈控制。要注意，虽然在本实施例中已经描述了其中将速度偏差检测为由检测时钟计数的周期的示例，但是不必说，速度偏差可以被检测为频率。另外，虽然已经描述了其中由驱动频率控制振动型执行器的示例，但是可以使用另一个方法，即，例如，用于利用驱动电压控制振动型执行器的方法。

第二实施例

在本实施例中，将描述用于通过在检测S相信号的变化时大幅地增大振幅变化的分量的S/N比来更精确地检测旋转速度信息的方法。更具体地，将描述其中重复控制器被用来检测S相信号的振幅的变化的实施例。与图1中示出的组件相同的组件与第一实施例中的相同，并且因此省略其描述。

图9是示出根据本发明的第二实施例的在使用重复控制时的振动型执行器的控制设备的框图。已经由A/D转换器703转换为数字信号的S相信号被输入到重复控制器1401，并且与振动部件的突起的数量对应的频率信号的S/N比被大幅地增大。

图10是示出可以向其应用本发明的重复控制器1401的配置的框图。由采样器1501以一定的离散时间对输入到重复控制器1401的S相信号进行采样。来自采样器1501的输出信号通过经过滤波器1502和延迟单元1503而被延迟一个重复周期，并且通过相加器1504与来自采样器1501的输出信号相加。滤波器1502可以是例如图6A中示出的低通滤波器。另外，可以通过串联连接寄存器并且调整寄存器的数量来改变延迟单元1503的延迟量。

这里，重复周期被设定为在目标速度被设定为旋转速度时的与振动部件的突起的数量对应的频率的一个周期或者半个周期。也就是说，重复周期被设定为由突起的数量和目标速度的乘积表示的频率的一个周期或者半个周期。例如，如果振动部件的突起的数量是四十六并且目标速度是130rpm，则由以下表达式（4）表示S相信号的其中振幅被调制的分量的信号频率：

46×130(rpm)/60=100(Hz)…表达式(4)

因此，重复周期可以被设定为调制分量的信号频率的倒数，如由表达式（5）表示的，或者可以被设定为调制分量的频率的倒数的一半。

重复周期=1/100=0.01(s)…表达式(5)

更具体地，图9中示出的重复周期调整器1402产生重复周期时钟，该重复周期时钟然后被输入作为采样器1501的时钟。也就是说，基于目标速度和振动部件的突起的数量来设定重复周期时钟。在重复周期之上已经被相加的输出信号经受由增益1505执行的相乘处理并且随后输出。因此，因为重复周期被累加（accumulate），所以重复控制器1401仅仅对与振动部件的突起的数量对应的频率信号进行积分，由此使得可以大幅地增大S/N比。

其S/N比已经被重复控制器1401增大的S相信号被输入到信号处理电路705，并且如第一实施例中那样地检测旋转速度信息。因此，可以更精确地检测旋转速度信息。

第三实施例

本实施例的特征在于，其用于基于振动型执行器的速度特性和驱动频率来设定带通滤波器的中心频率的方法。图11是示出根据本发明第三实施例的振动型执行器的控制设备的框图。基本配置与第一实施例中的相同，并且省略与图1中示出的控制设备的组件相同的组件的描述。

将在下文中描述用于基于振动型执行器的驱动频率-速度特性（在下文中称为“F-V特性”）来设定带通滤波器的中心频率的方法。

滤波器704被配置为带通滤波器并且可以是例如图6A和图6B中示出的FIR数字滤波器。带通滤波器的通带宽度由较低频率侧的截止频率f1和较高频率侧的截止频率f2确定，并且可以通过改变滤波器系数来调整。虽然通带宽度的中心频率在图6B中被设定为100Hz，但是移动部件在起动时的速度低于目标速度并且与振动部件的突起的数量对应的频率约为50Hz。也就是说，在起动时的速度正上升到目标速度的同时，带通滤波器的中心频率根据速度被适当地调整。这样做时，可以更有效地去除噪声。

由改变滤波器系数的滤波器常数调整器1601来调整带通滤波器的中心频率。滤波器常数调整器1601基于估计的移动部件的旋转速度（估计的速度）来计算中心频率，并且确定滤波器系数。这里，如果振动部件的突起的数量被假设为四十六，则中心频率由表达式（6）表示：

46×估计的速度/60=中心频率(Hz)…表达式(6)

由于难以在驱动期间计算滤波器系数，因此例如可以预先将与中心频率对应的滤波器系数的值作为一个表存储在存储器中并且可以在驱动期间被读取。

基于F-V特性的表来获得输入到滤波器常数调整器1601的估计的速度。F-V表1602是其中保存已经被预先测量的关于振动型执行器的旋转速度和驱动频率的数据的表。要注意可以将驱动频率和旋转速度之间的关系表达式，而不是表，保存在存储器中。

图12A示出所测量的驱动频率和旋转速度的数据。图12B是示出基于所测量数据的设定的频率和估计的速度的离散数据的表。为了执行平滑的起动，初始驱动频率被设定为例如50kHz。因此，在设定的频率为50kHz时的估计的速度是20rpm。因此，从驱动频率脉冲发生器103输入关于驱动频率的数据，并且基于关于驱动频率的数据从表数据中读取估计的速度。结果，即使与振动部件的突起的数量对应的信号的频率在驱动期间变化，也可以适当地调整带通滤波器的中心频率，由此使得可以精确地检测旋转速度信息。

第四实施例

本实施例的特征在于，S相信号在驱动期间经受频率分析，并且在其处振幅最大（峰值）的频率被设定为带通滤波器的中心频率。图13A是示出根据本发明的第四实施例的振动型执行器的控制设备的框图。基本配置与第一实施例中的相同，并且省略与图1中示出的控制设备的组件相同的组件的描述。

在本实施例中，从A/D转换器703输出的S相信号被输入到带通滤波器以及傅里叶变换器1801。傅里叶变换器1801执行多个频率的离散的乘法，以便获得图13B中示出的振幅的频率特性。在其处振幅到达振幅的峰值的频率被检测并且输出作为峰值频率。峰值频率的值被输入到滤波器常数调整器1601，并且滤波器常数被调整为使得带通滤波器的中心频率匹配峰值频率。结果，即使与振动部件的突起的数量对应的信号的频率在驱动期间变化，也适当地调整带通滤波器的中心频率，由此使得可以精确地检测旋转速度信息。

第五实施例

本实施例的特征在于，S相信号在驱动期间经受频率分析，并且基于在其处振幅到达振幅的峰值的频率来设定重复控制器1401的重复周期。图14是示出根据本发明第五实施例的振动型执行器的控制设备的框图。基本配置与第二实施例中的相同，并且省略与采用图9中示出的重复控制器1401的控制设备的组件相同的组件的描述。

在本实施例中，从A/D转换器703输出的S相信号被输入到重复控制器1401以及傅里叶变换器1801。傅里叶变换器1801执行多个频率的离散的乘法，以便获得图13B中示出的振幅的频率特性。在其处振幅到达振幅的峰值的频率被检测并且输出作为峰值频率。峰值频率的倒数、即峰值频率的周期被输入到重复周期调整器1402，并且产生用于重复控制的采样时钟。结果，即使与振动部件的突起的数量对应的信号的频率在驱动期间变化，也适当地调整重复控制器1401的重复周期，由此使得可以精确地检测旋转速度信息。要注意，即使重复控制器1401的重复周期被设定为峰值频率的倒数的一半，也可以产生相同的效果。

第六实施例

本实施例的特征在于，检测输入到振动型执行器的驱动电压信号与S相信号之间的相位差，并且检测与振动部件的突起的数量对应的频率信号。图15是示出根据本发明第六实施例的振动型执行器的控制设备的框图。

如上所述，机械共振频率根据振动部件的突起的数量而变化。因此，类似的频率调制被认为在其中驱动电压信号与S相信号之间的相位差变化的分量中被产生。鉴于此，在本实施例中，检测输入到振动型执行器的驱动电压信号与S相信号之间的相位差，并且检测与振动部件的突起的数量对应的频率信号。

一般，在施加到振动部件的驱动电极的驱动电压信号与S相信号之间的相位差具有如下的特性，即该相位差根据驱动频率与机械共振频率之间的差而变化。要使用的压电元件是使得要输出的S相信号与要施加的驱动电压信号的相位相同的压电元件。例如，检测在施加到A相的驱动电压信号与从Sa相输出的振动检测信号（S相信号）之间的相位差。每个信号由电压比较器2101转换为脉冲信号，并且随后被输入到相位差检测器2102并且被检测作为相位差信号。在图16A中示出了所检测到的相位差信号的波形。相位差根据与振动部件的突起的数量对应的频率而变化。

也就是说，在其处相位差变化的频率的周期等同于已经在第一实施例中描述的在其处S相信号的振幅变化的频率的周期，并且可以通过使用与第一实施例中相同的滤波器704和信号处理电路705来获得旋转速度信息。如第一实施例中那样，已经通过滤波器704的图16A中示出的相位差信号如图7A中所示出地被初始输入到数字比较器1001并且作为脉冲信号被输出。图16B中示出了将输出的脉冲信号。然后脉冲信号被输入到边缘检测器1002并且该脉冲信号的上升沿通过检测时钟来检测。图16D中示出了检测时钟信号，并且图16C中示出了由边缘检测器1002输出的上升沿信号。上升沿信号的一个周期是与振动部件的突起的数量对应的周期。直到获得旋转速度为止执行的后续处理与第一实施例中描述的处理相同，并且因此省略其描述。

第七实施例

本实施例的特征在于，在执行速度控制之前对驱动频率进行扫描，并且在扫描期间存储在其处从重复控制器1401输出的S相信号的振幅到达振幅的峰值的驱动频率之后，开始速度控制。图17是示出根据本发明第七实施例的振动型执行器的控制设备的框图。基本配置与第二实施例中的相同，并且省略与采用图9中示出的重复控制器1401的控制设备的组件相同的组件的描述。

图18是示出根据本实施例的控制设备的驱动序列的流程图。首先，将驱动开始命令从未示出的指令设备输入到控制设备（S1）。接下来，通过开关2302从图17中示出的驱动频率扫描器2301来选择具有可驱动的范围内的频率的信号，并且将该信号输入到驱动频率脉冲发生器103。驱动频率扫描器2301以恒定速度从例如50kHz到46kHz扫描频率，如图12B中示出的F-V表中一样（S2）。

在频率扫描的同时，通过振幅检测器2303检测从重复控制器1401输出的S相信号，并且监视与驱动频率的变化对应的振幅的值。图19中示出了此操作。图19中的横轴表示驱动频率，在左边的纵轴表示重复控制之后的S相振幅，并且在右边的纵轴表示移动部件的速度。由于重复控制器1401的重复周期被固定到根据振动部件的突起的数量和目标速度计算的值，因此只有当移动部件的旋转速度与目标速度相同时才增大S相信号的振幅。因此，在频率扫描期间移动部件的旋转速度越过目标速度时，可以获得在其处振幅到达振幅的峰值的峰值频率。所检测到的峰值频率被存储在频率数据寄存器2304中（S3）。

接下来，所存储的峰值频率的值被输入到驱动频率脉冲发生器103。峰值频率被设定为驱动频率并且开始速度控制（S4）。

结果，由于可以从控制开始起以接近于目标速度的驱动频率执行驱动，因此可以通过重复控制器1401充分地增大与振动部件的突起的数量对应的频率信号的S/N比，由此使得可以精确地检测旋转速度信息。

第八实施例

在本实施例中，不仅可以检测移动部件的旋转速度，而且可以检测关于移动部件的绝对位置的信息。本实施例的特征在于，通过使用关于与振动部件的多个突起对应的频率的信息来获得移动部件的绝对位置。在本发明中的“绝对位置”指的是相对于一定的原点位置的位置。

首先，说明同时驱动两个振动型执行器时检测两个移动部件的绝对位置的模式。由于两个移动部件以相同的速度旋转，因此两个移动部件的旋转位置相同。

图20是示出通过结合两个振动型执行器获得的配置的截面的示意图。两个振动型执行器1051和1052被安装在共用的外壳2601上，并且通过单个输出轴2602分别连接到上下对象。每个振动型执行器的基本配置与在图2A、图2B和图2C中示出的基本配置相同，并且因此在下文中将仅仅描述本实施例的特征配置。

通过在切换A相和B相的同时将从相同的驱动电路输出的交替电压施加到两个振动型执行器1501和1502的驱动电极，以使得沿相同的方向旋转的方式驱动移动部件204。通过单个输出轴2602旋转被驱动体（未示出）。

当使用两个振动型执行器时，两个振动型执行器的配置通常是相同的。然而，在本实施例中，为了检测移动部件204的绝对位置，振动部件被配置为具有不同数量的突起。在本实施例中，例如，将描述其中振动型执行器1051的振动部件的突起的数量是四十七并且振动型执行器1502的振动部件的突起的数量是四十六的示例。

图21是示出根据本发明第八实施例的振动型执行器1501和1502的控制设备的框图。控制设备的特征在于，为了检测绝对位置，从为两个振动型执行器1051和1502设置的振动检测电极701检测两个S相信号，并且检测两个S相信号之间的相位差。

从两个振动型执行器1051和1052检测的S相信号经受RMS-DC转换，并且随后经受A/D转换和滤波处理。图22A中示出了在从滤波器704输出S相信号之后的每个S相信号的波形。在振动型执行器1501的S相信号波形1中，根据突起的数量在移动部件204的一圈旋转周期期间产生四十七个正弦波。另一方面，在振动型执行器1502的S相信号波形2中，在移动部件204的一个旋转周期期间产生四十六正弦波。在图22A中，为了简化描述，分别将S相信号波形1和2中的正弦波表示为七个波和六个波。

两个S相信号波形1和2被输入到绝对位置检测器2701。将描述用于通过使用绝对位置检测器2701执行信号处理的方法。图22B示出通过检测两个S相信号波形1和2的上升沿而获得的脉冲信号。通过比较边缘检测信号1和2的脉冲之间的相位差，可以看出相位在原点位置处是相同的并且逐渐地彼此偏离，并且随后当相位差变为360°时在一个旋转周期之后相位被复位到原点位置。

也就是说，在一个旋转周期期间偏离与突起数量的差（即一个突起）对应的相位。图22C中示出的相位差信号是通过在边缘检测信号2的脉冲变为“H”时检测相对于边缘检测信号1的相位差并且通过执行线性插值而获得的信号。通过基于相位差信号将相位转换成位置，可以检测关于相对于原点位置的绝对位置的信息。另外，本实施例可以被应用于其中通过两个振动部件来旋转一个移动部件的情况。

接下来，将描述其中以简化方式由单个振动型执行器检测原点位置以便获得关于绝对位置的信息的模式。

图23A是示出具有其中不存在突起的区域的振动部件的配置的示意图，而在其它区域中周期性地设置突起。要注意，由于只要存在其中突起不与移动部件接触的区域就是足够的，因此其中例如一些突起的高度相对较小的配置也可以是可能的。图23B是示出在驱动采用图23A中示出的振动部件的振动型执行器时的S相信号的波形的曲线图。由于存在其中突起不与振动部件接触的区域，因此在每个旋转周期中在相同的位置中产生其中不产生一个正弦波的部分。图23C示出边缘检测信号。在本实施例中，可以通过检测其中不输出脉冲的部分来识别原点位置。也就是说，通过使用关于与突起的数量对应的频率的信息，可以识别原点位置。一旦可以检测原点位置，就可以通过对边缘检测信号的脉冲的数量进行计数来获得关于绝对位置的信息。

第九实施例

在本发明中的振动型执行器的控制电路可以被应用于除第一实施例中描述的振动型执行器以外的振动型执行器。在本实施例中，将描述与图2中示出的根据第一实施例的通过在振动部件上形成行波来使移动部件相对地移动的圆形振动型执行器不同的振动型执行器。

图24是要用于照相机镜头的自动聚焦驱动等的棒状的振动型执行器的分解透视图。振动型执行器具有振动部件3001和移动部件3002。在振动部件3001中，设置还用作摩擦材料的第一弹性部件3003、用于向作为机电能量转换元件的压电元件3004供应电力的柔性印刷板3005、以及第二弹性部件3006。这些部件被轴3007的端部凸缘（flange）3007a和安装在位于轴3007下端的螺纹部分3007b上的下螺母3008夹持，并且以加压方式被固定。

第一弹性部件3003例如为主要由氧化铝（alumina）组成的烧结陶瓷。第一弹性部件3003的上下表面已经经受双盘研磨（double-diskgrinding），并且随后作为摩擦表面的上表面已经经受最后的抛光。在移动部件3002中，接触弹簧3009被附着并且固定到转子3010。因此，通过由凸缘3011的轴承可旋转地支撑的输出齿轮3012和加压弹簧3013以加压方式使移动部件3002接触振动部件3001的摩擦表面3014。

以使得具有圆筒形的形状的方式形成移动部件3002的接触弹簧3009，所述圆筒形的形状具有通过不锈的材料的拉拔（drawing）获得的小的曲柄（crank）形截面。接触表面3009的下表面接触作为移动部件3002的摩擦表面的振动部件3001的第一弹性部件3003的摩擦表面3014。通过柔性印刷板3005将交替的信号从未示出的电源施加到压电元件3004。这样做时，在第一弹性部件3003的摩擦表面3014上激发具有彼此正交的两个方向的1阶弯曲振动。通过以时间相位π/2来交迭方向，在摩擦表面3014中产生回转椭圆状的（spheroidal）运动。因此，以加压方式接触摩擦表面3014的接触弹簧3009相对于振动部件3001移动。

图25A和图25B是其弹性体被设置有放射状的凹槽的振动部件的透视图。在图25A中示出的振动部件3001中，在接近于固定表面的部分中分别在第一弹性部件3003的上下表面中设置放射状的凹槽（在本实施例中为两个）3101和3102。另外，在图25B中示出的振动部件3001中，在第一弹性部件3003的上表面中设置八个放射状的凹槽3101。通过设置这种放射状的凹槽3101，可以防止转矩（torque）由于大气中的湿气而减小。

在基于包括多个放射状的凹槽3101的摩擦表面3014（在本发明中与突起对应）和移动部件3002的接触区的分布的S相信号的振幅的变化中，在图25A中示出的示例中，在与振动部件3001中的凹槽3101的数量（即两个）（突起的数量也是两个）对应的频率处产生峰值。另外，在图25B中示出的示例中，在与振动部件3001的凹槽3101的数量（即八个）（突起的数量也是八个）对应的频率处产生峰值。

即使使用这种振动部件，也可以如第一到第七实施例中那样通过使用关于与突起的数量对应的频率的信息来获得旋转速度信息。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围将被给予最宽的解释从而包括所有这样的修改、以及等同的结构与功能。

本申请要求2010年11月26日提交的日本专利申请No.2010-264218的权益，该日本专利申请的整体通过参考被并入于此。

Claims

1.一种振动型执行器的控制设备，通过向包括机电能量转换元件的振动部件的机电能量转换元件施加交替电压并且通过在振动部件的多个突起中产生椭圆运动而使与振动部件的所述多个突起接触的移动部件相对于振动部件旋转，

其中，所述交替电压是相位彼此不同的两相交替的信号，

其中，关于移动部件的旋转速度的信息是通过将检测信号的振幅调制分量的周期的倒数与所述多个突起的数量的倒数相乘而获得的，关于与所述多个突起的数量对应的频率的信息被包括在来自设置在振动部件中的用于检测振动的机电能量转换元件的检测信号中。

2.根据权利要求1所述的振动型执行器的控制设备，还包括：

重复控制器，对检测信号执行重复控制以便检测关于与所述多个突起的数量对应的频率的信息，

其中重复控制器的重复周期被设定为由所述多个突起的数量和目标速度的乘积表示的频率的倒数或者该倒数的一半。

3.根据权利要求2所述的振动型执行器的控制设备，

其中重复控制器的重复周期被设定为由所述多个突起的数量和目标速度的乘积表示的频率的倒数或者该倒数的一半，

振动型执行器的控制设备还包括：

振幅检测器，在对交替电压的频率进行扫描时检测重复控制器的输出信号的振幅；以及

脉冲发生器，将以下这样的频率设定为交替电压的频率：在该频率处振幅最大。

4.根据权利要求1所述的振动型执行器的控制设备，还包括：

重复控制器，检测关于与所述多个突起的数量对应的频率的信息并且对检测信号执行重复控制；以及

傅里叶变换器，对检测信号执行频率分析，

其中，重复控制器的重复周期被设定为以下这样的频率的倒数或者该倒数的一半：在该频率处，通过频率分析检测到的振幅最大。

5.一种振动型执行器的控制设备，通过向包括机电能量转换元件的振动部件的机电能量转换元件施加交替电压并且通过在振动部件的多个突起中产生椭圆运动而使与振动部件的所述多个突起接触的移动部件相对于振动部件旋转，

其中，所述交替电压是相位彼此不同的两相交替的信号，

其中，关于移动部件的旋转速度的信息是通过去除其频率与和所述多个突起的数量对应的频率不同的信号而获得的，关于所述频率的信息被包括在来自设置在振动部件中的用于检测振动的机电能量转换元件的检测信号中。

6.根据权利要求5所述的振动型执行器的控制设备，还包括：

带通滤波器，检测关于与所述多个突起的数量对应的频率的信息并且限制检测信号的带宽；以及

调整器，根据检测信号来改变带通滤波器的频率通带。

7.根据权利要求5所述的振动型执行器的控制设备，还包括：

调整器，根据交替电压的频率来改变带通滤波器的频率通带。

8.根据权利要求5所述的振动型执行器的控制设备，还包括：

存储器，存储表示移动部件的旋转速度和交替电压的频率之间的关系的关系表达式或者表，

其中，所述旋转速度是预先已被测量的，以及

其中，带通滤波器的频率通带的中心频率被设定为通过使用根据关系表达式或者表获得的关于旋转速度的信息以及关于与所述多个突起的数量对应的频率的信息而计算的值。

9.根据权利要求8所述的振动型执行器的控制设备，还包括：

傅里叶变换器，对检测信号执行频率分析，

其中带通滤波器的频率通带的中心频率被设定为以下这样的频率：在该频率处，通过频率分析检测到的振幅最大。

10.一种振动型执行器的控制设备，通过向具有其中不存在周期性地设置的多个突起的区域的振动部件的机电能量转换元件施加交替电压并且通过在所述多个突起中产生椭圆运动而使与振动部件的所述多个突起接触的移动部件相对于振动部件旋转，

其中，所述交替电压是相位彼此不同的两相交替的信号，

其中关于移动部件的绝对位置的信息是通过将检测信号的振幅调制分量的周期的倒数与所述多个突起的数量的倒数相乘而获得的，关于与所述多个突起的数量对应的频率的信息被包括在来自设置在振动部件中的用于检测振动的机电能量转换元件的检测信号中。

11.一种振动型执行器的控制设备，通过向具有其中不存在周期性地设置的多个突起的区域的振动部件的机电能量转换元件施加交替电压并且通过在所述多个突起中产生椭圆运动而使与振动部件的所述多个突起接触的移动部件相对于振动部件旋转，

其中，所述交替电压是相位彼此不同的两相交替的信号，

其中关于移动部件的绝对位置的信息是通过去除其频率与和所述多个突起的数量对应的频率不同的信号而获得的，关于所述频率的信息被包括在来自设置在振动部件中的用于检测振动的机电能量转换元件的检测信号中。

12.根据权利要求1、5、10和11中的任何一项所述的振动型执行器的控制设备，包括：

速度偏差检测器，接收关于移动部件的旋转速度的信息并且输出速度偏差信号；

驱动频率脉冲发生器，基于速度偏差信号来产生具有驱动频率的脉冲信号；以及

驱动电路，接收所述脉冲信号。

13.根据权利要求12所述的振动型执行器的控制设备，还包括PID补偿器，所述PID补偿器接收速度偏差信号并且将控制信号输入到驱动频率脉冲发生器，其中所述控制信号是基于速度偏差信号而产生的。

14.根据权利要求12所述的振动型执行器的控制设备，其中驱动电路基于所述脉冲信号来输出交替电压。