JP4078464B2 - 振動アクチュエータ駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気機械変換素子によって生じた振動により駆動する振動アクチュエータ駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−１５３５４３号は、進行性振動波を利用したモータの速度制御を安定して行うために、振動波モータの駆動特性を考慮して、そのモータの駆動用入力波形とセンサ出力波形の位相差を測定して、そのモータの高回転域における所定の回転数に相当する位相差により速度制限をすることによって、そのモータの共振周波数付近の回転数の低下を回避し、所定値以下の高回転域で安定な速度制御を行っていた。
【０００３】
また、特開平７−１６３１６０号は、電源電圧を駆動電圧に変換して駆動する振動波駆動装置において、電源電圧の値に応じて駆動電圧を制御する駆動電圧形成回路を有することによって、電源電圧が変動したとしても駆動電圧の安定供給を行うことにより駆動を安定させていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来の装置は、振動アクチュエータの消費電力の増加に伴う電源の安定性について十分ではなかった。例えば、停止又は低速から高速に急激な駆動制御を行ったときに、振動アクチュエータの消費電力も過渡的に応答して急激に増加するために、電源の内部抵抗や電源系駆動回路の抵抗成分による電圧降下が起こり、電源の供給能力を上回り、電源の出力が揺らいだり、出力が停止したり低下したりして、安定な駆動制御をすることが困難であるという問題があった。
特に、電池やバッテリ等の電源供給能力の低いものを電源として用いる機器については、上記問題が顕著に発生する可能性があった。
【０００５】
そこで、本発明は、消費電力の増加に伴う電源出力の変動による従来の不安定な駆動制御を解決して、より安定な駆動制御を行うことができる振動アクチュエータ駆動装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気機械変換素子の機械的振動を利用して駆動される振動アクチュエータ（１）と、電源（２）と、前記振動アクチュエータの電気機械変換素子へ印加する駆動信号を前記電源を用いて生成する駆動部（３，４）と、前記振動アクチュエータの駆動中に、前記電源の状態を検出する電源検出部（６）と、前記電気機械変換素子に入力される駆動信号が所定の制限値となった場合に、駆動制限信号を出力する駆動制限信号検出部と、前記電源検出部によって検出された電源の状態あるいは前記駆動制限信号検出部の検出信号に基づいて、前記振動アクチュエータの駆動信号を変更し、前記振動アクチュエータの消費電力を低下させる制御を行なう駆動制御部（５）とを含む振動アクチュエータ駆動装置である。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータ駆動装置において、前記駆動部は、前記電源からの出力が供給されるＤＣ／ＤＣコンバータを有し、前記電源検出部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのシャットダウン出力信号をモニタし、前記駆動制御部は、前記シャットダウン出力信号に基づいて、前記振動アクチュエータの駆動信号を変更し、前記振動アクチュエータの消費電力を低下させる制御を行なうことを特徴とする振動アクチュエータ駆動装置である。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータ駆動装置において、前記駆動制御部は、前記振動アクチュエータの速度又は加速度を含む指示値を変更することを特徴とする振動アクチュエータ駆動装置である。
請求項４の発明は、請求項２に記載の振動アクチュエータ駆動装置において、前記駆動制御部は、前記電源検出部での、前記電源の状態の検出結果による警告信号と、前記シャットダウン信号に基づいた警告信号とを入力し、前記警告信号の警告レベルを判別することを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置である。
請求項５の発明は、請求項４に記載の振動アクチュエータ駆動装置において、前記駆動制御部は、前記電源検出部での検出結果による警告信号を入力した際に、警告経験の有無を判別し、その判別結果に基づいて前記アクチュエータの消費電力を低下させる制御を変えることを特徴とする振動アクチュエータ駆動装置である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面などを参照して、本発明の実施の形態をあげて、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による振動アクチュエータ駆動装置の第１実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、振動アクチュエータとして、進行性振動波モータを用いた場合を例にして説明する。
振動波モータ１は、２相の入力部を備え、進行性の振動波によって駆動力を発生するモータである。
この振動波モータ１は、例えば、弾性体に圧電素子（電気機械変換素子）を貼付した振動体と、その振動体と加圧接触する移動体とを備え、圧電素子に位相の異なる２相の交番電圧を印加することにより、振動体の表面に楕円運動を発生させ、その楕円運動と摩擦により、移動体と振動体とが相対的に移動するものである。
【００１０】
この振動波モータ１は、振動体の運動エネルギーが高い状態、即ち共振周波数近傍において、振動体に発生する楕円運動の振幅が大きくなり、駆動速度が速くなる周波数から、その周波数よりも高く、楕円運動の振幅が減衰して移動体が停止する周波数の領域を用い、その領域で振動体に印加する交番電圧の周波数を変化させ、振動体と移動体とが所定の相対速度で駆動される。
【００１１】
図４は、本実施形態に係る振動アクチュエータ（振動波モータ）を一定電圧の駆動信号で駆動したときの駆動周波数−回転数特性と駆動周波数−消費電流特性を示した図である。図４は、横軸に駆動周波数ｆ、縦軸１に回転数Ｎを、縦軸２に電流値Ｉをとってある。
図４において、振動子の運動エネルギーが最大、即ち楕円運動が最大となる共振周波数ｆ０に近づくほど回転数は高くなり、且つ、消費電力も増加する。即ち、一定電圧駆動であるので、消費電流も増加するという駆動特性を持つ。
なお、この駆動特性は温度やモータの負荷により左右にシフトするなどの変化をする。
【００１２】
図１において、電源２は、振動波モータ１の駆動に必要な電源出力を供給する手段である。
モータドライバ（駆動部）３は、電源２を用いて、交番電圧を出力するための発振器と、９０度異なる位相を出力するための位相器とを含み、ＭＣＵ５からの指示値に従って９０度位相のずれた２相の交番電圧を出力する手段であり、その２相の信号の出力は、それぞれＡＭＰ４ａ，４ｂに接続されている。
ＡＭＰ（電力増幅器）４ａ、４ｂは、モータドライバ３からの電力を増幅する手段であり、その出力は、振動波モータ１の２相の入力部に印加される。
【００１３】
ＭＣＵ（駆動制御部）５は、その演算結果に基づいて、モータドライバ３に対して、振動波モータ１の回転方向、速度や移動量などの指示値を与える手段である。
電源モニタ６は、電源２の出力状態をモニタする手段であり、出力停止や異常等の不具合発生時には、電源異常信号をＭＣＵ５に出力する。
【００１４】
ＭＣＵ５は、電源モニタ６からの電源異常信号を受けた場合には、消費電力の増加を抑止する減速等の演算を行い、その指示値をモータドライバ３に出力することによって、駆動制御を行う。
【００１５】
図２は、図１の電源モニタ６を詳細に示した回路図である。
電源は、モータドライバ３内部のＤＣ／ＤＣコンバータ３２に供給され、２系統の電圧に昇圧される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の一方の出力により、トランジスタ３５をＯＮさせ、ダイオード３６を介して、トランジスタ３４をＯＮさせる。
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の一方の出力はレギュレータ３３に供給され、レギュレータ３３の出力は、抵抗器２７、２８、２９にて分圧され、コンパレータ３８、３９へそれぞれ基準電圧を供給する。
【００１６】
軽度警告信号は、トランジスタ３４をＯＮさせることで、電源電位をトランジスタ３４のエミッターコレクタ間電圧と抵抗器２５、２６とで分圧し、電源電位の状態としてコンパレータ３８の＋端子に入力し、コンパレータ３８の−端子の基準電圧と比較することで得られる。
重度警告信号は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のシャットダウン出力信号をモニタしてコンパレータ３９の−端子に入力し、コンパレータ３９の＋端子の基準電圧と比較することで得られる。
そして、これらの得られた信号は抵抗器３０、３１でプルアップされ、ＭＣＵ５へ出力される。
【００１７】
図３は、第１実施形態に係る振動アクチュエータ駆動装置の駆動制御時のＭＣＵ５の動作を示すフローチャートである。
ステップ３０１では、電源モニタ６によって電源異常警告信号を検出した場合には、ステップ３０２へ進み、電源モニタ６にて予め２段階に設定された警告レベルの判別を行い、それ以外はステップ３０６へ進む。
【００１８】
ステップ３０２では、電源モニタ６にて検出した電源異常警告信号を用いて警告レベルが軽度であるか否かを判別し、警告レベルが軽度である場合はステップ３０３へ進み、それ以外はステップ３０５へ進む。
ステップ３０３では、モータ駆動制御中に、電源モニタ６にて検出した電源異常警告信号を用いて警告レベルが重度であると判別された経験の有無を判別し、重度の警告レベルの警告経験が有りの場合はステップ３０５へ進み、それ以外はステップ３０４へ進む。
【００１９】
ステップ３０４では、ステップ３０２にて軽度の警告レベルであるという判別を受けて、振動波モータ１の消費電力を軽度の警告レベルに応じて低下させ、不安定動作を防止するために、速度や加速度などの指示値を変更し、ステップ３０６へ進む。
ステップ３０５では、重度の警告レベルであるという判別を受けて、振動波モータ１の消費電力を重度の警告レベルに応じて低下させ、不安定動作を防止するために、速度や加速度などの指示値を変更し、ステップ３０６へ進む。
【００２０】
ステップ３０６では、モータ駆動制御中に、電源異常警告信号による警告経験の判別を行い、警告経験がある場合はステップ３０７へ進み、警告経験がない場合はステップ３０８へ進む。
ステップ３０７では、モータ駆動制御中に警告レベルを回避することが出来たとしても、モータ駆動完了までは再発防止のために警告レベルに応じた指示値の保持を行い、ステップ３０８へ進む。
【００２１】
ステップ３０８では、モータ駆動における回転方向、速度、加速度及び移動量などを温度に応じて操作量を演算し、且つ、電源異常警告がある場合は、警告レベルに応じた指示値の変更を演算し、ステップ３０９へ進む。
ステップ３０９では、ステップ３０８での演算結果に基づき操作量をモータドライバ３に指示をし、ステップ３１０へ進む。
【００２２】
ステップ３１０では、モータ駆動制御の操作量に達したか否かを判別し、達しない場合にはステップ３０１へ戻り、達した場合にはモータドライバ３に対して、駆動停止指示を行い、振動波モータ１の駆動を停止し、制御を終了する。
【００２３】
第１実施形態によれば、ＭＣＵ５でステップ３０１から３１０までの処理を行うことにより、振動波モータ１の駆動時において、電源２の出力状態の変動に対して、消費電力の増加を抑え、より安定な駆動制御を実現することができる。
【００２４】
本発明においては、電源モニタ６を採用したので、振動波モータ１の消費電力の増加に起因する電源２の出力の変動が起こった場合にも、電源モニタ６によって、モータ駆動時の電源２の出力状態をモニタしており、ＭＣＵ５は、電源モニタ６の検出信号を受けて、駆動方向，速度，加速度及び移動量などの指示量を演算し、この指示量を用いてモータドライバ３を、振動波モータ１の消費電力の増加を防ぐように制御するので、電源２の出力状態に対応した安定な駆動制御を行うことが可能である。
【００２５】
（第２実施形態）
図５は、本発明による振動アクチュエータ駆動装置の第２実施形態を示すブロック図である。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、末尾に共通した符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
【００２６】
図５において、１１は振動波モータ、１２は電源、１３はモータドライバ、１４ａ，１４ｂはＡＭＰ、１５はＭＣＵ、１６は電源モニタである。
第２実施形態は、電源１２の出力の変動に起因する不安定な駆動制御を防止し、且つ、振動波モータ１１の共振周波数近傍における高速度領域での制御を確実に行うために、第１実施形態の構成に加えて、モニタ１７（駆動制限信号検出部）をさらに備えたものである。
モニタ１７は、振動波モータ１１の２相の入力部の片相からモニタした駆動信号と、所定の制限値とを比較することによって、駆動制限信号を検出する手段である。
【００２７】
図６は、第２実施形態に係る振動アクチュエータ駆動装置の駆動制御時のＭＣＵ１５の動作を示すフローチャートである。
ステップ６０１では、電源モニタ１６によって電源異常警告信号を検出した場合には、ステップ６０２へ進み、電源モニタ１６にて予め２段階に設定された警告レベルの判別を行い、それ以外はステップ６０６へ進む。
【００２８】
ステップ６０２では、電源モニタ１６にて検出した電源異常警告信号を用いて警告レベルが軽度であるか否かを判別し、警告レベルが軽度である場合はステップ６０３へ進み、それ以外はステップ６０５へ進む。
ステップ６０３では、モータ駆動制御中に、電源モニタ１６にて検出した電源異常警告信号を用いて警告レベルが重度であると判別された経験の有無を判別し、重度の警告レベルの警告経験が有りの場合はステップ６０５へ進み、それ以外はステップ６０４へ進む。
【００２９】
ステップ６０４では、ステップ６０２にて軽度の警告レベルであるという判別を受けて、振動波モータ１１の消費電力を軽度の警告レベルに応じて低下させ、不安定動作を防止するために、速度や加速度などの指示値を変更し、ステップ６０６へ進む。
ステップ６０５では、重度の警告レベルであるという判別を受けて、振動波モータ１１の消費電力を重度の警告レベルに応じて低下させ、不安定動作を防止するために、速度や加速度などの指示値を変更し、ステップ６０６へ進む。
【００３０】
ステップ６０６では、モニタ１７によって駆動制限信号を検出した場合には、モータ出力警告とし、不安定動作防止のためにステップ６０７へ進み、それ以外はステップ６０８へ進む。
ステップ６０７では、高速回転領域における不安定動作を防止するために、振動波モータ１１の消費電力を低下させ、速度や加速度などの指示値を変更し、ステップ６０８へ進む。
【００３１】
ステップ６０８では、モータ駆動制御中に、電源異常警告信号や駆動制限信号による警告経験の判別を行い、警告経験がある場合はステップ６０９へ進み、警告経験がない場合はステップ６１０へ進む。
ステップ６０９では、モータ駆動制御中に警告状態を回避することが出来たとしても、モータ駆動完了までは再発防止のために警告状態に応じた指示値の保持を行い、ステップ６１０へ進む。
【００３２】
ステップ６１０では、モータ駆動における回転方向、速度、加速度及び移動量などを温度に応じて操作量を演算し、且つ、電源異常警告信号や駆動制限信号がある場合は警告状態に応じた指示値の変更を演算し、ステップ６１１へ進む。
ステップ６１１では、ステップ６１０での演算結果に基づき操作量をモータドライバ１３に指示をし、ステップ６１２へ進む。
【００３３】
ステップ６１２では、モータ駆動制御の操作量に達したか否かを判別し、達しない場合にはステップ６０１へ戻り、達した場合にはモータドライバ１３に対して、駆動停止指示を行い、振動波モータ１１の駆動を停止し、制御を終了する。
【００３４】
第２実施形態によれば、振動波モータ１１の駆動時において、電源１２の出力状態の変動に加え、高速回転領域の前記変動を駆動制限信号により防止することによって、消費電力の増加を抑えて、より安定な駆動制御を実現することができる。
【００３５】
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。
例えば、図４に示した駆動特性は、他種類の振動アクチュエータにおいても、同様の特性があるので、他の種類の振動アクチュエータに本発明を適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、振動アクチュエータの駆動中の電源の状態を検出して、その信号に基づいて、帰還制御を行っているので、振動アクチュエータ駆動時において消費電力の増大による電源出力の変動に対しても、安定な駆動制御ができる、という効果が得られる。
また、駆動制限を設けることによって、高速駆動による消費電力の増大を防止して、より安定な駆動制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による振動アクチュエータ駆動装置の第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態で用いる電源検出部の構成例を示す回路図である。
【図３】第１実施形態におけるＭＣＵ５の動作を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態における振動波モータの駆動周波数−回転数特性と駆動周波数−消費電流特性を示す図である。
【図５】本発明による振動アクチュエータ駆動装置の第２実施形態を示すブロック図である。
【図６】第２実施形態ににおけるＭＣＵ１５の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、１１ 振動波モータ
２、１２ 電源
３、１３ モータドライバ
４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ 電力増幅器
５、１５ ＭＣＵ
６、１６ 電源モニタ
１７ モニタ
２１〜３１ 抵抗器
３２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３３ レギュレータ
３４、３５ トランジスタ
３６ ダイオード
３７ コンデンサ
３８、３９ コンパレータ

Claims (5)

1. 電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する電気機械変換素子の機械的振動を利用して駆動される振動アクチュエータと、
   電源と、
   前記振動アクチュエータの電気機械変換素子へ印加する駆動信号を前記電源を用いて生成する駆動部と、
   前記振動アクチュエータの駆動中に、前記電源の状態を検出する電源検出部と、
   前記電気機械変換素子に入力される駆動信号が所定の制限値となった場合に、駆動制限信号を出力する駆動制限信号検出部と、
   前記電源検出部によって検出された電源の状態あるいは前記駆動制限信号検出部の検出信号に基づいて、前記振動アクチュエータの駆動信号を変更し、前記振動アクチュエータの消費電力を低下させる制御を行なう駆動制御部と
   を含む振動アクチュエータ駆動装置。
2. 請求項１に記載の振動アクチュエータ駆動装置において、
   前記駆動部は、前記電源からの出力が供給されるＤＣ／ＤＣコンバータを有し、
   前記電源検出部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのシャットダウン出力信号をモニタし、
   前記駆動制御部は、前記シャットダウン出力信号に基づいて、前記振動アクチュエータの駆動信号を変更し、前記振動アクチュエータの消費電力を低下させる制御を行なう
   ことを特徴とする振動アクチュエータ駆動装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータ駆動装置において、
   前記駆動制御部は、前記振動アクチュエータの速度又は加速度を含む指示値を変更する
   ことを特徴とする振動アクチュエータ駆動装置。
4. 請求項２に記載の振動アクチュエータ駆動装置において、
   前記駆動制御部は、前記電源検出部での、前記電源の状態の検出結果による警告信号と、
   前記シャットダウン信号に基づいた警告信号とを入力し、前記警告信号の警告レベルを判別する
   ことを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
5. 請求項４に記載の振動アクチュエータ駆動装置において、
   前記駆動制御部は、前記電源検出部での検出結果による警告信号を入力した際に、警告経験の有無を判別し、その判別結果に基づいて前記アクチュエータの消費電力を低下させる制御を変えることを特徴とする振動アクチュエータ駆動装置。

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