振動型アクチュエータの制御装置
【課題】摩擦力の変化、環境変動、個体差による周波数応答特性の変化に追随して、印加電圧の周波数を高精度に制御することができる振動型アクチュエータの制御装置を提供する。
【解決手段】振動型アクチュエータの制御装置は、振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを設定可能な交流電圧生成手段８と、振動体の振動に起因するいくつかの物理量を計測する計測手段９と、交流電圧における少なくとも一つのパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段と、変動に応じた第１の信号と、計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数による周波数応答特性を求める周波数応答特性計測手段１０と、周波数応答特性に応じて交流電圧の周波数を制御する周波数制御手段と、を有する。
【解決手段】振動型アクチュエータの制御装置は、振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを設定可能な交流電圧生成手段８と、振動体の振動に起因するいくつかの物理量を計測する計測手段９と、交流電圧における少なくとも一つのパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段と、変動に応じた第１の信号と、計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数による周波数応答特性を求める周波数応答特性計測手段１０と、周波数応答特性に応じて交流電圧の周波数を制御する周波数制御手段と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加することによって振動体に振動波を発生させ、その振動波によって移動体を摩擦駆動する振動型アクチュエータの制御装置に関する。特に、振動型アクチュエータにおける伝達特性を安定化させる制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動型アクチュエータの速度は振動体に励起される振動波の振幅に応じて変化する。そのため、振動型アクチュエータの制御は、振動体に設けられた電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧の振幅や周波数を変化させることで制御する。
そして、このような振動型アクチュエータの制御においては、温度による振動体の共振周波数の変動や振動体の共振周波数の個体差の影響を少なくするために、交流電圧の周波数で制御する方式が多く用いられている。
このような制御方式において、温度の変化によって振動体の共振周波数や内部損失が変化すると速度が一定となるように、電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧の周波数を制御しても、交流電圧の周波数と振動体の共振周波数との周波数差が変化する。そのため、回路効率の変化や周波数応答特性の変動等が発生する。
【０００３】
このようなことから、特許文献１では、つぎのような振動型アクチュエータの制御装置が提案されている。
この装置では、振動検出センサにより振動体の振動状態を検出し、振動体の共振周波数の変化に追随するように印加電圧の周波数を制御しつつ、振動型アクチュエータの速度が所望の速度になるように印加電圧の振幅に相当するパルス幅を制御している。
また、特許文献２では、振動型アクチュエータの印加電圧振幅に対する回転速度の周波数応答特性の内、直流ゲインの変化を印加電圧振幅に対する速度の比から逐次同定し、これを安定化するように印加電圧の周波数を制御する装置が提案されている。
これによって速度制御ループの一巡伝達ゲインの変動を抑え、温度の変化による環境変化や個体差に追従できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１１１２６７号公報
【特許文献２】特開平７−３３７０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の方法では、振動型アクチュエータの個体差や環境変化による振動体の周波数応答特性の変化をある程度において抑制することが可能である。しかし、振動体と移動体間の接触状態の変化による摩擦力の変化や、移動体に直接又は間接的に接続される機構の個体差や環境変動による周波数応答特性の変化に対して、高精度に抑制することは出来なかった。
また、共振周波数で駆動する場合、駆動周波数が共振周波数から離れている場合と比較して制御帯域が狭くなるため、広帯域の制御を必要とする用途では十分な性能が得られなかった。
また、振動体に設けた振動検出センサと印加電圧の間の位相差により共振状態を検出する方法は、振動体の振幅が小さいと振動体と移動体の加圧接触状態の変化によって位相差にオフセットが重畳されることがあり不安定であった。
【０００６】
また、上記特許文献２の方法では、印加電圧の周波数と振動体の共振周波数の差をコントロールすることで一巡伝達特性の直流ゲインを安定化しているが、位相特性を安定化する上で、必ずしも満足の得られるものではない。
そのため、速度補償器の特性を位相特性の変化を予め予想して十分余裕を取った設計等が必要となる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、摩擦力の変化、環境変動、個体差による周波数応答特性の変化に追随して、印加電圧の周波数を高精度に制御することができ、
また、このような周波数応答特性の変化に追随する制御の向上が、振動体の振幅が小さい低速作動時においても図ることが可能となる振動型アクチュエータの制御装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の振動型アクチュエータの制御装置は、振動体に励起される振動波を用い、該振動体に接触又は間接的に接続される移動体が該振動波によって発生する摩擦力によって相対移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、
前記振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを設定可能な交流電圧生成手段と、
前記振動体の振動に応じて変化する、振動体または振動体に接続する機構の振動、振動体を囲む媒体中に伝播する音、移動体の速度、位置、出力する力のうちの少なくとも一つの物理量を計測する計測手段と、
前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段と、
前記変動付与手段によって与えられた変動に応じた第１の信号と、前記計測手段によって計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数による周波数応答特性を求める周波数応答特性計測手段と、
前記周波数応答特性計測手段によって求められた周波数応答特性に応じて前記交流電圧の周波数を制御する周波数制御手段と、を有することを特徴とする。
また、本発明の振動型アクチュエータの制御装置は、振動体に励起される振動波を用い、該振動体に接触または間接的に接続される移動体が該振動波によって発生する摩擦力によって相対移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、
前記振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータが設定可能な交流電圧生成手段と、
前記振動体の振動に応じて変化する、振動体の振動振幅、移動体の速度、位置、移動体が出力する力のうちの少なくとも一つの物理量を計測する計測手段と、 前記計測手段で計測された物理量に応じた値と目標とする値との比較結果に応じて、所定の制御演算を行う制御演算手段と、
前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段と、
前記変動付与手段で与えられた変動に応じた第１の信号と、制御演算手段の出力または前記計測手段で計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数での周波数応答特性である位相特性を求める周波数応答特性計測手段と、
前記位相特性に応じて、前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを設定する第１の調整手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、摩擦力の変化、環境変動、個体差による周波数応答特性の変化に追随して、印加電圧の周波数を高精度に制御することができ、
また、このような周波数応答特性の変化に追随する制御の向上が、振動体の振幅が小さい低速作動時においても図ることが可能となる振動型アクチュエータの制御装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１における振動型アクチュエータの制御装置の第１の構成例を説明するブロック図。
【図２】本発明の実施例１における振動型アクチュエータを説明する図であり、（ａ）は振動型アクチュエータの例を示す構成図、（ｂ）は振動型アクチュエータの振動の様子を示す図。
【図３】本発明の実施例１における圧電素子に設けられた給電用電極パターンを示す図。
【図４】本発明の実施例１における振動体の振動周波数と振動体の振動振幅の関係を示す図。
【図５】（ａ）は本発明の実施例１における圧電素子に印加される交流電圧の周波数に対する振動体の振動振幅の周波数応答特性を示すボード線図。（ｂ）は圧電素子に印加される交流電圧の振幅に対する振動体の振動振幅の周波数応答特性を示すボード線図。
【図６】本発明の実施例１における振動型アクチュエータの制御装置の第２の構成例を説明するブロック図。
【図７】本発明の実施例２における振動型アクチュエータの制御装置の構成例を説明するブロック図。
【図８】本発明の実施例２における圧電素子に印加される交流電圧の周波数に対するロータの速度の周波数応答特性を示すボード線図。
【図９】本発明の実施例３における振動型アクチュエータの制御装置の構成例を説明するブロック図。
【図１０】本発明の実施例３における振動体の振動周波数とロータの回転速度の関係を示す図。
【図１１】本発明の実施例４における振動型アクチュエータの制御装置の構成例を説明するブロック図。
【図１２】本発明の実施例４における圧電素子に印加する交流電圧の周波数に対する振動体の振動振幅の周波数応答特性の安定化の効果を説明するボード線図。
【図１３】本発明の実施例５における振動型アクチュエータの制御装置の構成例を説明するブロック図。
【図１４】本発明の実施例５における一巡伝達特性の例を示すボード線図。
【図１５】本発明の実施例５における速度指令に応じて比例積分演算を切り替える必要性を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。
【実施例】
【００１２】
［実施例１］
実施例１として、発明を適用した振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明する。
振動型アクチュエータは、金属やセラミック製の弾性体をその固有振動モードの共振現象を利用して振動させ、弾性体に接触または間接的に接続される移動体を相対的に移動させるアクチュエータであって、今日では様々な原理のアクチュエータが提案されている。
励振するための加振力の発生源としては主に圧電素子が用いられるが原理的にはどのような加振手段を用いても実現可能である。例えば磁歪素子、電歪素子、ボイスコイル、静電アクチュエータ等様々なアクチュエータを用いて励振することができる。
これらのアクチュエータは加振周波数と同じ周波数の交流電圧又は交流電流を入力することで加振力を発生させることができ、圧電素子の場合は印加する交流電圧、ボイスコイルなら交流電流が加振力に相当する。以下は圧電素子を例に説明する。
【００１３】
図２（ａ）は振動型アクチュエータの例を示す構成図、図２（ｂ）は振動型アクチュエータの振動の様子を示す図である。
これらの図において、１は圧電素子、２−ａ、２−ｂは弾性体で圧電素子１を挟持している。
圧電素子１と弾性体２−ａ、２−ｂは一体となって振動体２を構成している。３は圧電素子１に給電するためのフレキシブル基板、４は振動体２の上面に形成される楕円振動との間に生ずる摩擦力によって回転するロータである。
振動体２には直交する２つの方向の曲げ振動の固有振動モードがある。この２つの固有振動モードの振動を時間的に位相を９０°ずらして発生させると、図２（ｂ）に示すように振動体２の上部構造がくびれ部分を支点として振れ回るように回転振動する。
この振動の力を不図示の加圧手段によって振動体２の上部に押し付けられたロータ４に摩擦力を介して伝達し、回転出力を取り出している。
【００１４】
図３は、圧電素子１上に形成された給電用の電極パターンを示している。
電極は４つの区画に分割されており、各電極にはφＡ又はφＢの交流電圧がフレキシブル基板３を介して供給されている。
圧電素子１の電極１−ａ（＋）、１−ａ（−）、 １−ｂ（＋）、１−ｂ（−）の符号は圧電素子１の分極方向を示しており、対向する電極は極性が逆方向に分極されている。
そして、対向する電極には同じ駆動電圧を印加することによって逆方向の加振力を発生し、φＡ、及びφＢに対応して夫々一つの固有振動モードの振動が励振される。
【００１５】
図４は、上記振動型アクチュエータの振動体２に励起された振動の周波数と振動体２の振動振幅との関係を示す図である。
Ｆｒは振動体２の共振周波数を示しており、共振周波数Ｆｒでは振動体２の振動振幅はＶｍａｘとなっている。また周波数が共振周波数Ｆｒより高い領域から共振周波数Ｆｒに近付くと序々に振動体２の振動振幅は増加してＶｍａｘに近付いてゆく。そして共振周波数Ｆｒより低い周波数になると振動振幅が急に減少する非対称な特性となっている。また共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数では振動体２の振動振幅はＶ１となり、４００Ｈｚ高い周波数では振動体２の振動振幅はＶ０となる。この各周波数における周波数変化に対する振動体２の振動振幅変化の割合を比較すると共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数の場合の方が４００Ｈｚ高い周波数の場合より高い変化率を示している。
【００１６】
図５（ａ）は、上記振動型アクチュエータの振動体２を加振する交流電圧の周波数の変化に対する振動体２の振動振幅変化の周波数応答特性を示すボード線図である。
実線の特性は図４で示した共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数を中心に交流電圧の周波数を変化させた場合の特性で、一点鎖線の特性は共振周波数Ｆｒより４００Ｈｚ高い周波数を中心に交流電圧の周波数を変化させた場合の特性を示している。
また、破線の特性は共振周波数Ｆｒの近傍を中心に交流電圧の周波数を変化させた場合の特性を示している。
共振特性を利用する振動型アクチュエータの周波数応答特性は共振周波数Ｆｒ近傍では、概ね振動体のＱ値に依存して折点周波数が変化する。
また、共振周波数Ｆｒから離れた周波数領域では、共振周波数Ｆｒと振動体２を加振する交流電圧の中心周波数との差に依存して折点周波数が変化する。
実線は共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数を中心として交流電圧の周波数を変化させた場合の特性なので、ほぼ２００Ｈｚを折点周波数としてゲイン特性が減衰する特性となっている。
一点鎖線の特性は共振周波数Ｆｒより４００Ｈｚ高い周波数を中心として交流電圧の周波数を変化させた場合の特性なので、ほぼ４００Ｈｚを折点周波数としてゲイン特性が減衰する特性となっている。
また、位相特性を見ると各折点周波数でほぼ−９０°となっており、周波数が高くなると−１８０°近傍に収束していることがわかる。
破線の特性は交流電圧の周波数が共振周波数Ｆｒ近傍での特性である。
交流電圧の周波数と共振周波数Ｆｒの周波数差が０に近いが折点周波数は６０Ｈｚとなっている。
この折点周波数は振動体２の振動性能を表すＱ値に依存して決まる周波数で、交流電圧の周波数と共振周波数Ｆｒの周波数差が小さくなると折点周波数は下限周波数（本例では６０Ｈｚ）に収束する。
【００１７】
つぎに、低周波域でのゲインの大きさについて説明する。
図４に示したように交流電圧の周波数変化に対する振動体２の振動振幅変化は、交流電圧の周波数が共振周波数Ｆｒに近付くと振動体２の振動振幅の変化率が増加している。
従って交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数Ｆｒに近いほどゲインが大きくなる。図５（ａ）の１０Ｈｚ以下の周波数領域でも交流電圧の周波数が共振周波数Ｆｒに近付くほどゲインが大きくなり、図４と同様の特性となっている。
また、図５（ａ）は交流電圧の周波数の変化に対する振動体２の振動振幅変化の特性を示したボード線図であったが、交流電圧の振幅や位相の変化に対する振動体２の振動振幅変化の特性についても同様の特性を示す。
共振周波数Ｆｒと交流電圧の周波数との差と上記折点周波数の関係は、周波数、振幅、位相のどの操作量についても周波数差が大きい領域では周波数差は折点周波数に近い値となり、周波数差が０に近い場合にはこのずれが大きくなっている。
【００１８】
図５（ｂ）は交流電圧の振幅の変化に対する振動体の振幅変化の特性を示したボード線図である。
図５（ａ）に対して位相の変化が全体に少ない事と位相の変化のピーク値が交流電圧の周波数によって変化している点が異なっている。
実線、破線、一点鎖線の特性の違いは図５（ａ）と同じなので説明を省略する。また交流電圧の周波数の違いによるゲインの差が図５（ａ）と比較して大きいこと等がわかる。
この様なボード線図の位相特性に現れる折点周波数と交流電圧の周波数との関係は図２に示した振動型アクチュエータのみの性質ではない。
図２（ａ）には弾性体２−ａ、２−ｂと圧電素子１によって振動体２を構成したが、圧電素子のみ又は他の加振手段で振動体２を構成しても良い。また図２（ａ）は棒状の振動体であったが、円環状、円板状、矩形板状等の他、様々な形状の弾性体と圧電素子を組み合わせた振動型アクチュエータがある。
これらの振動型アクチュエータの多くは弾性体と圧電素子からなる振動体の共振特性を利用しており、振動体の固有振動モードに依存する振動形状で振動体に振動波を形成することで振動体に接する被移動体を相対移動する。
このような共振現象を利用する性質の振動型アクチュエータであれば図５（ａ）、図５（ｂ）で示すような周波数応答特性を持つため、共振現象を利用する振動型アクチュエータであれば本提案は有効である。
【００１９】
図１は、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の第１の構成例を説明するブロック図である。
圧電素子１−ａ、１−ｂ及び不図示の弾性体２−ａ、２−ｂからなる不図示の振動体２の振動周波数を共振周波数Ｆｒから一定周波数離れた周波数に追従するように周波数を制御する装置の構成例を示した。
５は圧電素子１−ａ及び１−ｂに印加する交流電圧の振幅を指令する電圧振幅指令手段である。
６はホワイトノイズを発生するホワイトノイズ生成手段、７は電圧振幅指令手段５の出力する振幅指令にホワイトノイズ生成手段６の出力するホワイトノイズを加算して新たな振幅指令を生成する加算手段である。
このホワイトノイズ生成手段６と加算手段７とによって、振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つ以上のパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段が構成される。
本実施例では、この変動付与手段によって、上記ホワイトノイズだけではなく、正弦波信号、擬似乱数信号、等のうちのいずれかを付与する構成を採ることができる。
８は加算手段７の出力するホワイトノイズが加算された振幅指令及び後述する周波数指令に応じた２相の交流電圧を生成する交流電圧生成手段で、圧電素子１−ａ、１−ｂに位相差が９０°の交流電圧φＡ、φＢを印加している。
９は物理量計測手段であり不図示の指令手段の指示に応じて不図示の振動体２の振動に起因するいくつかの物理量が計測可能となっている。
例えば、振動体２又は振動体２を固定する不図示の筐体の振動や振動体２の周囲の音圧、あるいは振動体２に加圧接触しているロータ４の回転速度やロータ４の出力する力等様々な物理量が検出可能となっている。
本実施例では、振動体の振動に応じて変化する、振動体または振動体に接続する機構の振動、振動体を囲む媒体中に伝播する音、移動体の速度、位置、出力する力のうちの少なくとも一つの物理量が計測可能に構成されている。
１０は周波数応答特性計測手段であり、加算手段７の出力するホワイトノイズが加算された振幅指令の変化に対する物理量計測手段９の出力する物理量の変化の周波数応答特性を計測している。
周波数応答特性とは図５（ａ）、図５（ｂ）で示したボード線図で表すことの出来る特性のことで、本実施例ではゲイン及び位相の特性の内、所定の周波数における位相に対応する位相信号を出力している。
１１は不図示の指令手段からの位相差指令と周波数応答特性計測手段１０の出力する所定の周波数における位相信号との差を求める位相比較手段である。
１２は位相比較手段１１の出力する比較結果に応じて圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数を制御する制御演算手段である。
本実施例では、位相差比較手段１１と制御演算手段１２とによって、周波数応答特性計測手段によって求められた周波数応答特性に応じて交流電圧の周波数を制御する周波数制御手段が構成される。そして、この周波数制御手段は、周波数応答特性計測手段によって求められた位相特性に応じて、交流電圧の周波数を制御する。その際、位相特性が所定の目標位相となるように交流電圧の周波数を制御する。
【００２０】
以下に、これらの制御における具体的な動作を、図５（ｂ）の特性を用いて説明する。
ここで、振動型アクチュエータの振動周波数を不図示の振動体の共振周波数Ｆｒから２００Ｈｚ高い周波数で駆動する場合を考える。
振動型アクチュエータは駆動中に不図示の振動体の温度が上昇し、その共振周波数Ｆｒは変化する。
そのため、圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数を固定しておくと交流電圧の周波数と共振周波数Ｆｒの差は温度変化に応じて変化する。
従って、常に圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数を振動体２の共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数に追従させるには振動体２の共振周波数Ｆｒの変化をなんらかの方法で検出する必要がある。
従来はその方法として、不図示の振動体に振動検出用センサを設け、共振周波数Ｆｒの変化によって振動体の振動振幅の変化、圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧と振動体の振動の時間的な位相差の変化等を検出する方法が多く用いられている。
しかし、これらの方法は振動検出センサを設ける位置や感度誤差等の影響により特に不図示の振動体の振動振幅が小さい領域では周波数変化の検出精度が低かった。
そこで、本実施例では振動体２の共振周波数Ｆｒと圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数の周波数差に応じて振動型アクチュエータの各種周波数応答特性が変化することに着目した。そして、これを安定化することで振動体２の共振周波数Ｆｒの変化に上記交流電圧の周波数を一定の周波数差で追従するよう構成した。
【００２１】
以下に、本実施例における上記した振動体２の共振周波数Ｆｒの変化に上記交流電圧の周波数を一定の周波数差で追従させる方法について説明する。
本実施例では、周波数応答特性計測手段によって、
ホワイトノイズ生成手段と加算手段７とによる変動付与手段で与えられた変動に応じた第１の信号と、
物理量を計測する計測手段によって計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数による周波数応答特性を求める。
具体的には、周波数応答特性計測手段１０はホワイトノイズが加算された振幅指令の変化に対する物理量計測手段９の出力する物理量の変化の所定周波数での位相特性を逐次計測する。
ここで、図５（ｂ）の実線の状態を目標とする周波数応答特性とし、１４０Ｈｚの位相特性を計測するものとする。
１４０Ｈｚにおける位相特性は圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数Ｆｒに近いほど位相遅れが大きくなっている。
また、圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数から２００Ｈｚ高い周波数では１４０Ｈｚの位相特性がＰ０となっている。従って、１４０Ｈｚの位相特性が不図示の指令手段からの位相差指令Ｐ０より大きい場合には、圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数を振動体２の共振周波数Ｆｒに近付けて行く。これにより、位相特性がＰ０より小さい場合には、共振周波数Ｆｒから遠ざけることで位相特性を安定化することができる。そこで、不図示の指令手段からの位相差指令Ｐ０と周波数応答特性計測手段１０の出力する１４０Ｈｚでの位相特性を示す位相信号とを位相差比較手段１１で比較する。
そして、その差を制御演算手段１２で積分演算し、周波数応答特性計測手段１０の出力する位相信号が位相差指令Ｐ０と一致するように交流電圧生成手段８に周波数指令を設定している。
このように構成して動作させることで、１４０Ｈｚの位相特性は常に位相差指令Ｐ０になるように振動体２の振動周波数は振動体２の共振周波数Ｆｒの変化に追従して逐次制御され、共振周波数Ｆｒと振動周波数の差は２００Ｈｚ近傍に制御される。
なお、上記周波数応答特性を求める際の所定周波数は、交流電圧の周波数と振動体の共振周波数の差の周波数以下の周波数で、且つ上記差の周波数の１０分の１以上の周波数であることが望ましい。
【００２２】
また、上記説明では物理量計測手段９で振動体２の振動振幅を検出する例について説明したが、振動体２の振動振幅に応じて変化する物理量であればこれに限るものではない。
図５（ｂ）の特性は振動体２の振動振幅の周波数応答特性であるが、振動体２の振動振幅に応じて変化する物理量であれば基本特性として振動体２の振動振幅の周波数特性が含まれるからである。
通常振動体２の振動振幅の周波数応答特性変化に対して他の物理量の特性変化は少ないので他の物理量を計測した場合の多くは周波数応答特性計測手段１０の出力する位相信号が図５（ｂ）の特性に対して一定量オフセットする特性となる。従って他の物理量を検出して周波数応答特性を安定化した場合でも概ね同様の効果が期待できる。
この効果によって、振動体２の周波数応答特性が安定化され小振幅から大振幅まで個体差の少ない振動制御が可能となる。
また、上記実施例では２つの固有振動モードを用いた振動型アクチュエータの例を用いて説明したが、固有振動モードの共振特性を利用するものであれば数によらず同様の効果があることは当然である。
また、目的に応じて物理量計測手段９で不図示の指令手段からの指令によって計測する物理量を切り替えても良い。
また、目的に応じて計測する周波数を切り換えたり、複数の周波数を定期的に切り換えて位相特性を計測し、それを平均して用いても良い。
【００２３】
つぎに、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の第２の構成例を、図６に示すブロック図を用いて説明する。
図１の第１の構成例に対し、ホワイトノイズ生成手段６が公知のＭ系列乱数生成手段１３に、圧電素子を用いた振動検出センサ１−ｃを不図示の振動体２に設け、物理量計測手段９の代わりに振動振幅計測手段１４とした。
また、周波数応答特性計測手段１０の具体的構成も示した。
加算手段７の出力する振幅指令にはＭ系列乱数発生のサンプリング周波数に応じた周波数帯域で広い周波数範囲の均質な周波数特性を有する変動が重畳されている。
交流電圧生成手段８は出力する交流電圧の１周期毎にこのＭ系列乱数の重畳された振幅指令をサンプリングし、交流電圧１周期分の振幅を決定する。
実際に交流電圧の振幅として設定される電圧振幅及び設定のタイミングは実際に交流電圧波形を出力したタイミングであるので、そのタイミングで電圧振幅信号を出力している。
【００２４】
以下に、周波数応答特性計測手段の構成について説明する。
本実施例では、周波数応答特性計測手段は交流電圧生成手段８の出力する電圧振幅信号と振動振幅計測手段１４の出力する振動振幅信号との間の１４０Ｈｚにおける位相特性を計測する。
原理的には波形生成部で１４０Ｈｚの正弦波と余弦波を生成し、電圧振幅信号及び振動振幅信号の夫々にこれらの波形を乗算後に平滑し、夫々の位相を求め、電圧振幅信号の位相から振動振幅信号の位相を減算することで位相特性を求めている。
つぎに、各ブロックについて説明する。
１５及び１６は交流電圧発生手段８の出力する交流電圧の周波数より低く１４０Ｈｚの１０倍程度の同じカットオフ周波数を有するローパスフィルタである。
１７は１４０Ｈｚの正弦波を発生するＳＩＮ波生成手段、１８は１４０Ｈｚの余弦波を発生するＣＯＳ波生成手段である。
１９、２０、２１、２２は乗算手段（乗算演算部）であり、フィルタ演算を行うローパスフィルタ１５、１６の出力する帯域制限された電圧振幅信号と振動振幅信号に対し夫々正弦波、余弦波を乗算して出力している。
乗算手段１９、２０、２１、２２の各出力信号はオフセット値を有すると共に１４０Ｈｚの倍の周波数で変調された波形となっている。
これを次段の１Ｈｚのカットオフ周波数を有するローパスフィルタ２３、２４、２５、２６で平滑して２７、２８の逆正接演算手段を用いて電圧振幅信号及び振動振幅信号の位相を求め位相差検出手段２９で夫々の位相の差を求めている。
【００２５】
ここでは、逆正接演算手段２７、２８の出力を位相差検出手段２９に入力しているが、再度ローパスフィルタを介してから入力しても良い。
ここで説明した２段乃至３段の直列に接続された各段のローパスフィルタは同じ段であればカットオフ周波数を同じにする必要がある。
また、各段のローパスフィルタのカットオフ周波数はここに示した以外でも良いことは当然である。
また、ローパスフィルタとして公知のデシメーションフィルタであるＳＩＮＣフィルタを用いても良い。
ＳＩＮＣフィルタを用いるとサンプリングレートを低くすることが出来、計算量を減らすことが可能となる。
【００２６】
［実施例２］
実施例２における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明する。
図７は、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明するブロック図である。
以下では、本実施例と実施例１との違いについて説明する。
上記実施例１ではホワイトノイズ生成手段で交流電圧生成手段８に対する振幅指令を変化させていたのに対し、本実施例では周波数指令に対して後述するＳＩＮ波生成手段３０によって変動を重畳している。
図８は、圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数変化に対するロータ４の回転速度変化の周波数応答特性である。
図８の破線の特性は交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数Ｆｒ近傍の特性、実線は交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数の特性、一点鎖線は４００Ｈｚ高い周波数の特性である。
【００２７】
つぎに、本実施例の動作について図８の周波数応答特性を用いて説明する。
３０はＳＩＮ波発生手段で、３１は加算手段である。加算手段３１は後述する制御演算手段１２の出力する周波数指令にＳＩＮ波発生手段３０の出力する所定の周波数の正弦波を加算し正弦波波形で変化する周波数指令を交流電圧生成手段に出力している。
交流電圧生成手段８は電圧振幅指令手段５の振幅指令に応じた振幅で且つ加算手段３１の出力する正弦波変動が重畳された周波数指令に応じた周波数の２相の交流電圧を発生している。
３２は不図示のロータ４の回転速度を検出する光学式ロータリエンコーダ等の速度計測手段である。
ロータ４の回転速度は振動体２の振動振幅に概ね比例して変化するため低周波領域では振動振幅の周波数応答特性と同様の特性を有している。
高周波領域ではロータリエンコーダと不図示のロータ４との間のねじり剛性とロータリエンコーダのスケールの慣性モーメントによる共振系の影響やロータ４に接続されるギアや他の慣性負荷、連結の為のカップリングの剛性等により若干異なる特性となっている。
しかし、ねじり剛性や慣性モーメントは個体差や環境変化による変動が少ないため周波数応答特性の変化は主に不図示の振動体２の振動振幅特性変化に依存している。
【００２８】
図８の周波数応答特性の内、８０Ｈｚ近傍のゲイン特性の急峻な落ち込み及び位相特性のやや不連続な特性や４００Ｈｚより高い周波数にあるピーク特性に係わる特性は主に振動体２の振動振幅以外の機械的な共振系の影響である。
３３は公知の高速フーリエ演算を行うＦＦＴ演算手段である。
ここでは加算手段３１の出力する正弦波変動が重畳された周波数指令に対する速度検出手段の出力する速度の変化の位相特性を求め、ＳＩＮ波生成手段３０の出力する正弦波の周波数の位相特性を示す位相信号を出力している。
位相比較手段１１は、不図示の指令手段からの位相差指令Ｐ０と位相信号を比較する。そして、制御演算手段１２はその比較結果に応じて位相差指令と位相信号が一致するように交流電圧生成手段の出力する交流電圧の周波数を設定するための周波数指令を比例積分演算により求めている。
【００２９】
つぎに、位相指令と位相信号を一致させる動作について説明する。
ＳＩＮ波発生手段３０は１００Ｈｚの正弦波を発生しているものとする。実施例１と同様に振動体２の共振周波数Ｆｒと交流電圧の周波数との差が２００Ｈｚの場合の特性を目標とする周波数応答特性とする。
図８より目標とする周波数応答特性は実線の特性なので１００Ｈｚの位相特性はＰ０となる。
そこで、不図示の指令手段からの位相差指令をＰ０として動作を説明する。１００Ｈｚにおける位相特性は、振動体２の共振周波数Ｆｒと交流電圧の周波数との差が小さいほど位相遅れが大きくなっている。
これは、交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数Ｆｒ近傍である破線の特性から確認できる。
従って位相特性の遅れが小さい時には交流電圧の周波数は目標の周波数より高い周波数となっており、逆に遅れが大きい時には目標の周波数より振動体２の共振周波数Ｆｒに近い周波数となっている。
この特性を利用して１００Ｈｚの位相特性をＰ０となるように周波数指令を制御すれば実施例１と同様に位相特性を安定化可能である。
また、ロータ４の速度検出の結果を用いて周波数応答特性を検出したが実施例１に示した物理量検出手段でも同様の効果を得ることが可能である。
また、本実施例では、ＳＩＮ波生成手段３０を用いて周波数指令に変動を与えたがホワイトノイズ生成手段やＭ系列乱数生成手段及び他の変動付与手段による変動に対し周波数応答を計測しても良い。
本実施例のＦＦＴ演算手段は周波数応答特性を計測する手段の一つであり、他の手法でも良いことは当然である。
【００３０】
［実施例３］
実施例３における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明する。
図９は、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明するブロック図である。
大まかな構成は実施例１で説明した図６の構成とほぼ同じ構成であるが、不図示の指令手段からの速度指令に追従して不図示のロータ４の回転速度を制御している点が異なっている。
つぎに、上記実施例で説明した周波数応答計測を行う部分の説明を省略して動作を説明する。
図９において、３４は不図示の指令手段からの速度指令Ｖ１と速度計測手段３２からの不図示のロータ４の回転速度とを比較する速度比較手段である。
３５は比例積分演算を行う制御演算手段で速度比較手段３４の出力が０になるように周波数指令を生成し交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を制御している。
この周波数指令には加算手段３１でＭ系列乱数生成手段１３の出力する乱数を加算して数１０Ｈｚ以下の振幅の周波数変動を重畳した周波数指令を交流電圧生成手段８に入力している。
この変動は、交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数の設定可能な周波数分解能の数倍程度を上限とする変動幅を有している。
この周波数変動の付与によって、交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数が確率的に変動し周波数分解能を擬似的に高める効果も得ている。
交流電圧生成手段８は加算手段３１の出力するＭ系列乱数の重畳された周波数指令に基き、出力する交流電圧の１周期毎に周波数指令をサンプリングして交流電圧の周波数を設定している。
また、このサンプリングされた周波数は周波数信号として周波数応答特性計測手段を構成するローパスフィルタ１５に出力している。
【００３１】
図１０は不図示の振動体２の振動周波数と不図示のロータ４の回転速度との関係を示す図である。
振動体２の共振周波数Ｆｒ、Ｆｒ１、Ｆｒ２で最大の回転速度で回転する特性を示している。
破線、実線、一点鎖線の特性の違いは交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の振幅の違いによる特性の差を表しており、大きな振幅ほど回転速度が速くなっている。Ｆｒ、Ｆｒ１、Ｆｒ２は各電圧振幅における振動体２の共振周波数を示しており、交流電圧の振幅が大きいほど共振周波数が低い周波数になっている。本実施例では周波数を共振周波数Ｆｒに近付けるほど不図示のロータ４の回転速度が増加することを利用してロータ４の回転速度を制御している。
３２は速度計測手段であり検出した速度を速度信号として速度比較手段３４及び周波数応答特性計測手段を構成するローパスフィルタ１６にもこの速度信号を出力している。
【００３２】
つぎに、周波数応答特性の安定化について動作を説明する。
周波数応答特性計測手段はローパスフィルタ１５、１６から位相差検出手段２９までの構成からなっており、内容については実施例１に説明したので詳細説明は省略する。
位相差検出手段２９の出力は１００Ｈｚの位相特性を出力している。図８がこの位相特性を示している。
ここで、目標の位相特性は実線の位相特性とし、交流電圧の周波数を不図示の振動体２の共振周波数Ｆｒに対し２００Ｈｚ高い周波数に追従するよう制御することを目標とする。
【００３３】
図８より１００Ｈｚでの実線の位相特性はＰ０なので不図示の指令手段から位相差指令をＰ０と指令している。
位相差比較手段１１は位相差検出手段２９からの出力と位相差指令Ｐ０の比較結果を出力している。
３６は位相差比較手段１１の出力が０になるように交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の振幅を指令する振幅指令を生成する制御演算手段である。
上記実施例では交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を制御することにより周波数応答特性の安定化をしていたが、本実施例では交流電圧の振幅を制御することで行っている。この動作について図８及び図１０の特性を用いて説明する。
また、本実施例では、交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を制御することで不図示のロータ４の回転速度を制御している。
図１０の各曲線の特性を用いて不図示の指令手段からの速度指令Ｖ１に応じてこの交流電圧の周波数を制御した場合、同じ周波数でも交流電圧の振幅によって回転速度が異なるため交流電圧の周波数は異なる周波数に制御される。
また、交流電圧の振幅によって不図示の振動体２の共振周波数が変化するため同じ回転速度で回転していても、交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差は変化することになる。
従って、同じ回転速度となるように交流電圧の周波数を制御しつつ交流電圧の振幅を変化させる事で交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数との差を変化させる事が可能である事がわかる。
【００３４】
一方、交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差が２００Ｈｚで不図示のロータ４の回転速度がＶ１となるのは図１０の実線の特性であり、その際の周波数応答特性は図８の実線の特性である。
そこで、図８の位相特性において１００Ｈｚの位相特性が位相差指令Ｐ０より大きくなった場合を考える。
１００Ｈｚの位相特性が位相差指令Ｐ０より大きい状態とは交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差が２００Ｈｚより大きくなった場合である。
図１０において、ロータ４の回転速度がＶ１の時に上記交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差が２００Ｈｚより大きいのは一点鎖線の状態である。
図１０において、一点鎖線の状態とは実線の状態に対して交流電圧の振幅が大きい状態であるから、一点鎖線の状態を実線の状態に近付けて行くには交流電圧の振幅を小さくすれば良い。
つまり、１００Ｈｚの位相特性が位相差指令Ｐ０より大きくなった場合には制御演算手段３６の出力する振幅指令を小さくするよう動作すれば良い。
同様に、１００Ｈｚの位相特性が位相差指令Ｐ０より小さくなった場合には逆に振幅指令を大きくすれば良い。
【００３５】
本実施例では、位相特性を安定化させるのに上記交流電圧の周波数を変化させて振動体２の共振周波数Ｆｒとの周波数差を一定に保つよう制御したが、このような構成に限定されるものではない。
例えば、交流電圧の周波数を別の物理量を制御する為に用いている場合には、交流電圧の他の操作量によって位相特性を安定化させるようにすることもできる。本実施例では、この他の操作量として上記交流電圧の振幅を操作したがφＡ、φＢの２相の交流電圧で駆動する振動型アクチュエータの場合には２相間の時間的位相差を操作しても同様の効果が得られる。
上記振動型アクチュエータは２相の交流電圧間の位相差を通常９０°として駆動するが、位相差を９０°からずらして行くとロータ４の回転速度が変化する。
２相間の時間的位相差を操作する事でロータ４の回転速度が変化し結果的に交流電圧の周波数を変化させるからである。
【００３６】
［実施例４］
実施例４における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明する。
図１１は、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明するブロック図である。
不図示の指令手段からの速度指令に応じて交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を制御することで不図示のロータ４の回転速度を所定の速度に制御する。それと共に、この交流電圧の振幅を制御する事で周波数応答特性の位相特性を安定化させている点は実施例３と同じである。
本実施例は、周波数応答特性のゲイン特性を安定化する制御系を加えた点で上記実施例と異なっている。
つぎに、図９との相違点を中心に本実施例の構成を説明する。
図９では制御演算手段３５の出力に加算手段３１を用いてＭ系列乱数生成手段１３の出力する変動を付与していたが、本実施例では制御演算手段３５の前段に加算手段３１を配置している。
制御演算手段３５の前段、後段の配置によらずＭ系列乱数生成手段１３による変動付与は交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を変化させるので、周波数応答特性を計測することが出来る。
３８はゲイン特性を外部から操作可能なゲイン変更手段である。
【００３７】
また、図９では交流電圧生成手段８が設定した交流電圧の周波数に対するロータ４の回転速度の周波数応答特性を計測しているのに対し、本実施例ではゲイン変更手段３８の周波数応答特性を含めた複合系の周波数応答特性を計測している。
そのため、振動型アクチュエータの特性だけでなくゲイン変更手段３８に外部から設定されたゲイン特性を含んだ周波数応答特性が計測される。
また、図９では位相特性のみ計測する為逆正接演算手段２７、２８を用いて位相特性を求めていたが、本実施例では公知の三角関数演算手法であるＣＯＲＤＩＣ演算手法を用いて位相特性と同時にゲイン特性を検出している。
３９、４０がＣＯＲＤＩＣ演算手法を用いて三角関数演算を行うＣＯＲＤＩＣ演算手段である。
ＣＯＲＤＩＣ演算手段３９は、ゲイン変更手段３８の入力信号に含まれる所定の周波数の振幅Ａ１及び位相Ｐ１を求めている。
また、ＣＯＲＤＩＣ演算手段４０は速度計測手段３２の出力する不図示のロータ４の回転速度に応じた速度信号に含まれる所定の周波数の振幅Ａ２及び位相Ｐ２を求めている。
この振幅Ａ１と振幅Ａ２の比がゲイン特性であり４１はＡ２／Ａ１の除算を行いゲイン特性を求める除算手段である。２９は位相Ｐ１に対する位相Ｐ２の遅れである位相特性を求める位相差検出手段である。
位相差検出手段２９の出力と不図示の指令手段からの位相差指令Ｐ０とを位相差比較手段１１で比較し、比較結果に応じて制御演算手段３６で比例積分演算等を行い交流電圧生成手段８へ振幅指令を出力する動作は実施例３と同様の動作である。
４２はゲイン比較手段で、ゲイン指令Ｇ０と除算手段４１の出力であるＡ２／Ａ１とを比較している。
ゲイン比較手段４２の出力は制御演算手段３７でゲイン比較手段４２の出力が０となるようにゲイン変更手段３８のゲインを調整している。
【００３８】
図１２は交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数に対する不図示のロータ４の周波数応答特性を示す図である。
図１２（ａ）は周波数応答特性のバラツキを示す図で、図１２（ｂ）は位相特性を安定化した場合の周波数応答特性、図１２（ｃ）は更にゲイン特性を安定化した場合の周波数応答特性を示している。
不図示の振動体２の共振周波数と交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数との差は概ね図１２の位相特性が−９０°あたりの周波数であるので、周波数差はおよそ４５０Ｈｚ近傍となる。
そこで、これより小さい周波数である２５０Ｈｚを選択し位相差を−４５°に制御した。
図１２（ｂ）は２５０Ｈｚの位相特性を−４５°になるように制御した場合の特性である。
【００３９】
このように、交流電圧生成手段の出力する交流電圧つまり圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数との差の周波数より低い周波数の位相特性を安定化すると、それ以下の周波数の位相特性が安定化される。
また、周波数差をこの交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差より大きな周波数の位相特性を安定化すると、その周波数差近傍の位相特性を安定化することが出来るが低周波側ではあまり安定化されないことがわかっている。
また、位相特性を安定化してもゲイン特性が安定化していないことがわかる。
このことは、直流を含む低周波領域でのゲイン特性の変動を安定化するように交流電圧の周波数や振幅を制御した場合、ゲイン特性を安定化することは出来ても位相特性を安定化することは出来ないことを示している。
図１２（ｃ）は、図１２（ｂ）のゲイン特性の２５０Ｈｚでのゲイン特性を−２０ｄＢに制御した場合の周波数応答特性を示している。２５０Ｈｚ以下の周波数特性がゲイン特性及び位相特性共に安定していることがわかる。
【００４０】
このように、交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の振幅を制御して振動型アクチュエータの低周波域の位相特性を安定化し、更にゲインを調整することで周波数応答特性を安定化した。
これによって振動型アクチュエータの個体差や環境変動、摩擦部の耐久劣化等により変化する周波数応答特性が安定化され、速度変動特性や高速応答性能等の振動型アクチュエータの周波数応答特性の変化に敏感な制御特性の信頼性が向上する。
また、図１２（ａ）の特性は振動型アクチュエータの個体差や環境変動、耐久劣化による特性変化の他に駆動回路に用いられる周波数特性マッチング用の不図示のインダクタや昇圧用トランス等の個体差も考慮したものである。
このように、振動型アクチュエータ以外の要因による特性変動であっても振動型アクチュエータの周波数応答特性が変化する性質を利用すれば安定化することが可能である。
【００４１】
［実施例５］
実施例５における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明する。
図１３は、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明するブロック図である。
実施例４ではゲイン変更手段３８の周波数応答特性と交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数に対する不図示のロータ４の回転速度の周波数応答特性を直列に接続した系の周波数応答特性を安定化した。
それに対し、本実施例では不図示の指令手段からの速度指令に応じて交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を制御することによってロータ４の回転速度を制御する制御ループの一巡伝達特性を安定化するように構成した。
この制御ループ構成要素は、速度比較手段３４、後述する制御演算手段４５、ゲイン変更手段３８、加算手段３１、交流電圧生成手段８、振動体２、ロータ４、速度計測手段３２からなっている。ここで、一巡伝達特性とはこれらの構成要素を直列に接続した系の周波数応答特性のことである。
【００４２】
本実施例ではこの一巡伝達特性を計測する方法として、加算手段３１の２つの入力信号間の周波数応答特性を計測して得た特性から演算によって求めている。４３はＭ系列乱数生成手段１３の出力に対するゲイン変更手段３８の出力である閉ループの周波数応答特性を計測し、開ループ化演算をする一巡伝達特性計測手段である。
一巡伝達特性計測手段４３は複数の周波数におけるゲイン特性と位相特性を計測する機能を有する。
４４は周波数選択手段で不図示の指令手段からの周波数選択指令によって上記複数の周波数から所望の周波数のゲイン特性と位相特性を選択している。
周波数選択手段４４で選択されたゲイン特性はゲイン比較手段４２に出力され不図示の指令手段からのゲイン指令Ｇ０と比較される。
ゲインの比較結果に応じて制御演算手段（第２の調整手段）３７はゲイン変更手段３８のゲインを調整し、一巡伝達特性の所定の周波数におけるゲイン特性を安定化する。
【００４３】
周波数選択手段４４で選択された位相特性は位相差比較手段１１に出力され不図示の指令手段からの位相差指令Ｐ０と比較される。
位相の比較結果に応じて制御演算手段（第１の調整手段）３６は交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の振幅を制御し、一巡伝達特性の所定の周波数における位相特性を安定化する。
また、４５は不図示の指令手段からの演算切り替え指令によって比例積分演算の各係数を切り替える事の可能な制御演算手段で、不図示の指令手段からの速度指令に応じて比例積分演算の係数を切り替える。これにより、速度指令毎に上記一巡伝達特性が最適な設定となるようにしている。
【００４４】
図１４は、本実施例の一巡伝達特性の例を示す図である。
１００Ｈｚ以下の直線的な傾斜特性を持つ積分特性と８０ＨｚとＦ２０近傍にある不図示のロータ４と速度計測手段３２との間にある機械的な共振系によるピークが顕著な特性として表れている。
実線が目標とする速度指令に対応する一巡伝達特性で、この特性は交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数と不図示の振動体２の共振周波数との差の周波数が所定の周波数となった時に実現される特性である。
破線は所定の周波数より低い周波数の場合、一点鎖線は所定の周波数より高い周波数の場合の一巡伝達特性を示している。
つぎに、図１４の特性を用いて一巡伝達特性の安定化について説明する。
まず、不図示の指令手段からの速度指令に対応して図１４の実線の特性を一巡伝達特性の目標とする。
それに応じて周波数選択手段４４への周波数選択指令は周波数Ｆ１０が指令され、ゲイン指令Ｇ０は０ｄＢ、位相差指令Ｐ０は−９０°が設定される。
また、制御演算手段４５へも速度指令に応じた比例積分係数が指定される。すると実施例４と同様の動作によって交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数及び振幅が制御され一巡伝達特性の位相及びゲインが位相差指令Ｐ０及びゲイン指令Ｇ０に制御される。
ここで、一巡伝達特性を計測することで得られる位相余裕、ゲイン余裕の値は制御系の安定度合いを知る上で重要である。
位相余裕、ゲイン余裕が所定の条件を満たせないと制御系の安定が得られないからである。
図１４の実線の一巡伝達特性を見ると周波数Ｆ１０でゲイン特性が０ｄＢをよぎっており、その際の位相特性は−９０°で位相余裕は９０°である。
位相特性が−１８０°をよぎる周波数Ｆ２０のゲイン特性は−１０ｄＢでゲイン余裕は１０ｄＢである。
これは概ね安定の条件を満たしており、実線の一巡伝達特性は安定である。位相余裕、ゲイン余裕の最適値は必要な制御性能によって異なる為これが良いとは言えないが最低でも位相余裕は２０°以上、ゲイン余裕は３ｄＢ以上あることが望ましい。
【００４５】
図１５は、他の速度指令での一巡伝達特性を示している。
図１５（ａ）は図１４の実線の速度指令より高速な速度指令での特性である。位相余裕は周波数Ｆ１１の位相特性で−１３０°であるから５０°の位相余裕がある。ゲイン余裕はＦ２１のゲイン特性より３０ｄＢとなっている。これは十分安定な特性である。
図１５（ｂ）は図１４の実線の速度指令より低速の速度指令での特性で、図１４の一点鎖線の特性と、それを改善した二点鎖線の特性を示している。
一点鎖線の特性の位相余裕は周波数Ｆ１２の位相特性より６０°である。ゲイン余裕は周波数Ｆ２２のゲイン特性より−１５ｄＢとなり余裕が無い。一点鎖線の特性は、位相余裕は十分であるがゲイン余裕は安定条件を満たしていない事を示している。
この条件では制御系を安定に動作させる事が出来ない。そこで制御演算手段４５に速度指令に応じた比例積分係数を指令し、一巡伝達特性を安定化する。
図１５（ｂ）の二点鎖線の特性は比例積分係数を修正して改善した特性である。改善された結果、位相余裕は周波数Ｆ１３での位相特性より１４０°、ゲイン余裕は周波数Ｆ２３のゲイン特性から２０ｄＢとなっている。
これは十分安定な特性である。この様に速度指令に応じて演算切り替え指令によって制御演算手段４５の比例積分係数を設定することで、広い速度領域でゲイン余裕及び位相余裕を十分余裕のある値にしつつ、一巡伝達特性の安定化を実現する事が出来る。
【００４６】
また、本実施例の上記説明では周波数Ｆ１０のゲイン特性、位相特性を安定化するとしたが他の周波数でも良い。
例えば、図１４の実線の特性の場合には周波数Ｆ１０、図１５（ａ）の特性では周波数Ｆ１１、図１５（ｂ）の特性では周波数Ｆ１３のゲイン特性を０ｄＢにする。それと共に、位相特性を−１６０°以上の値になるようにゲイン指令、位相差指令を設定することで位相余裕を安定化する。
また、ゲイン余裕を安定化するには、図１４の実線の特性の場合には周波数Ｆ２０、図１５（ａ）の特性の場合には周波数Ｆ２１、図１５（ｂ）の特性の場合には周波数Ｆ２３、のそれぞれの位相特性をつぎのように設定する等が考えられる。
すなわち、上記それぞれの位相特性を、−１８０°に、目標ゲインをゲイン特性０．７以下の値になるようにゲイン指令、位相差指令を設定する等が考えられる。
また、位相余裕、ゲイン余裕を大きく取る事は安定化には寄与するが、制御性能との間にトレードオフの関係があるため、目標に応じて安定化と制御性能のバランスを取る事が必要な事は一般に知られている事である。
【００４７】
このように、不図示の指令手段からの速度指令に応じて周波数選択指令を切り替えることで、速度指令に合った周波数特性の安定化が選択可能である。
また、一巡伝達特性をリアルタイムに制御する場合、一巡伝達特性計測手段４３の入力に混入するノイズが多少あっても急にゲイン特性や位相特性を変更しないようにフィルタ処理することが必要である。
また、当然の事であるが設定可能なゲインの範囲には上下限が設定されている。また、起動初期には一巡伝達特性のばらつきを十分考慮し安定な初期ゲインを選択すると共に、制御系が安定するまでの時間を待ってからゲイン変更を有効にする等の対策も必要である。
また、制御演算手段３６の出力する振幅指令やゲイン変更手段３８の出力する周波数指令にもあらかじめ決められた上下限が設けられており、起動初期にはあらかじめ決められた初期振幅及び初期周波数、が設定される。
また、本実施例では制御演算手段３６の出力は振幅指令であったが交流電圧生成手段８の出力する２相の交流電圧φＡとφＢ間の時間的位相差を指令しても同様の効果が得られる。
つまり、振幅指令を大きくすると不図示のロータ４の速度が増加し、振幅指令を小さくすると速度が減少するのと同じように、φＡとφＢ間の位相差を９０°に近付けると速度が増加し、位相差を０°に近付けると速度が減少するからである。
【符号の説明】
【００４８】
１：圧電素子
２：振動体
３：フレキシブル基板
４：ロータ
５：電圧振幅指令手段
６：ホワイトノイズ生成手段
７：加算手段
８：交流電圧生成手段
９：物理量計測手段
１０：周波数応答特性計測手段
１１：位相差比較手段
１２：制御演算手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加することによって振動体に振動波を発生させ、その振動波によって移動体を摩擦駆動する振動型アクチュエータの制御装置に関する。特に、振動型アクチュエータにおける伝達特性を安定化させる制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動型アクチュエータの速度は振動体に励起される振動波の振幅に応じて変化する。そのため、振動型アクチュエータの制御は、振動体に設けられた電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧の振幅や周波数を変化させることで制御する。
そして、このような振動型アクチュエータの制御においては、温度による振動体の共振周波数の変動や振動体の共振周波数の個体差の影響を少なくするために、交流電圧の周波数で制御する方式が多く用いられている。
このような制御方式において、温度の変化によって振動体の共振周波数や内部損失が変化すると速度が一定となるように、電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧の周波数を制御しても、交流電圧の周波数と振動体の共振周波数との周波数差が変化する。そのため、回路効率の変化や周波数応答特性の変動等が発生する。
【０００３】
このようなことから、特許文献１では、つぎのような振動型アクチュエータの制御装置が提案されている。
この装置では、振動検出センサにより振動体の振動状態を検出し、振動体の共振周波数の変化に追随するように印加電圧の周波数を制御しつつ、振動型アクチュエータの速度が所望の速度になるように印加電圧の振幅に相当するパルス幅を制御している。
また、特許文献２では、振動型アクチュエータの印加電圧振幅に対する回転速度の周波数応答特性の内、直流ゲインの変化を印加電圧振幅に対する速度の比から逐次同定し、これを安定化するように印加電圧の周波数を制御する装置が提案されている。
これによって速度制御ループの一巡伝達ゲインの変動を抑え、温度の変化による環境変化や個体差に追従できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１１１２６７号公報
【特許文献２】特開平７−３３７０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の方法では、振動型アクチュエータの個体差や環境変化による振動体の周波数応答特性の変化をある程度において抑制することが可能である。しかし、振動体と移動体間の接触状態の変化による摩擦力の変化や、移動体に直接又は間接的に接続される機構の個体差や環境変動による周波数応答特性の変化に対して、高精度に抑制することは出来なかった。
また、共振周波数で駆動する場合、駆動周波数が共振周波数から離れている場合と比較して制御帯域が狭くなるため、広帯域の制御を必要とする用途では十分な性能が得られなかった。
また、振動体に設けた振動検出センサと印加電圧の間の位相差により共振状態を検出する方法は、振動体の振幅が小さいと振動体と移動体の加圧接触状態の変化によって位相差にオフセットが重畳されることがあり不安定であった。
【０００６】
また、上記特許文献２の方法では、印加電圧の周波数と振動体の共振周波数の差をコントロールすることで一巡伝達特性の直流ゲインを安定化しているが、位相特性を安定化する上で、必ずしも満足の得られるものではない。
そのため、速度補償器の特性を位相特性の変化を予め予想して十分余裕を取った設計等が必要となる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、摩擦力の変化、環境変動、個体差による周波数応答特性の変化に追随して、印加電圧の周波数を高精度に制御することができ、
また、このような周波数応答特性の変化に追随する制御の向上が、振動体の振幅が小さい低速作動時においても図ることが可能となる振動型アクチュエータの制御装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の振動型アクチュエータの制御装置は、振動体に励起される振動波を用い、該振動体に接触又は間接的に接続される移動体が該振動波によって発生する摩擦力によって相対移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、
前記振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを設定可能な交流電圧生成手段と、
前記振動体の振動に応じて変化する、振動体または振動体に接続する機構の振動、振動体を囲む媒体中に伝播する音、移動体の速度、位置、出力する力のうちの少なくとも一つの物理量を計測する計測手段と、
前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段と、
前記変動付与手段によって与えられた変動に応じた第１の信号と、前記計測手段によって計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数による周波数応答特性を求める周波数応答特性計測手段と、
前記周波数応答特性計測手段によって求められた周波数応答特性に応じて前記交流電圧の周波数を制御する周波数制御手段と、を有することを特徴とする。
また、本発明の振動型アクチュエータの制御装置は、振動体に励起される振動波を用い、該振動体に接触または間接的に接続される移動体が該振動波によって発生する摩擦力によって相対移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、
前記振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータが設定可能な交流電圧生成手段と、
前記振動体の振動に応じて変化する、振動体の振動振幅、移動体の速度、位置、移動体が出力する力のうちの少なくとも一つの物理量を計測する計測手段と、 前記計測手段で計測された物理量に応じた値と目標とする値との比較結果に応じて、所定の制御演算を行う制御演算手段と、
前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段と、
前記変動付与手段で与えられた変動に応じた第１の信号と、制御演算手段の出力または前記計測手段で計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数での周波数応答特性である位相特性を求める周波数応答特性計測手段と、
前記位相特性に応じて、前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを設定する第１の調整手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、摩擦力の変化、環境変動、個体差による周波数応答特性の変化に追随して、印加電圧の周波数を高精度に制御することができ、
また、このような周波数応答特性の変化に追随する制御の向上が、振動体の振幅が小さい低速作動時においても図ることが可能となる振動型アクチュエータの制御装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１における振動型アクチュエータの制御装置の第１の構成例を説明するブロック図。
【図２】本発明の実施例１における振動型アクチュエータを説明する図であり、（ａ）は振動型アクチュエータの例を示す構成図、（ｂ）は振動型アクチュエータの振動の様子を示す図。
【図３】本発明の実施例１における圧電素子に設けられた給電用電極パターンを示す図。
【図４】本発明の実施例１における振動体の振動周波数と振動体の振動振幅の関係を示す図。
【図５】（ａ）は本発明の実施例１における圧電素子に印加される交流電圧の周波数に対する振動体の振動振幅の周波数応答特性を示すボード線図。（ｂ）は圧電素子に印加される交流電圧の振幅に対する振動体の振動振幅の周波数応答特性を示すボード線図。
【図６】本発明の実施例１における振動型アクチュエータの制御装置の第２の構成例を説明するブロック図。
【図７】本発明の実施例２における振動型アクチュエータの制御装置の構成例を説明するブロック図。
【図８】本発明の実施例２における圧電素子に印加される交流電圧の周波数に対するロータの速度の周波数応答特性を示すボード線図。
【図９】本発明の実施例３における振動型アクチュエータの制御装置の構成例を説明するブロック図。
【図１０】本発明の実施例３における振動体の振動周波数とロータの回転速度の関係を示す図。
【図１１】本発明の実施例４における振動型アクチュエータの制御装置の構成例を説明するブロック図。
【図１２】本発明の実施例４における圧電素子に印加する交流電圧の周波数に対する振動体の振動振幅の周波数応答特性の安定化の効果を説明するボード線図。
【図１３】本発明の実施例５における振動型アクチュエータの制御装置の構成例を説明するブロック図。
【図１４】本発明の実施例５における一巡伝達特性の例を示すボード線図。
【図１５】本発明の実施例５における速度指令に応じて比例積分演算を切り替える必要性を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。
【実施例】
【００１２】
［実施例１］
実施例１として、発明を適用した振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明する。
振動型アクチュエータは、金属やセラミック製の弾性体をその固有振動モードの共振現象を利用して振動させ、弾性体に接触または間接的に接続される移動体を相対的に移動させるアクチュエータであって、今日では様々な原理のアクチュエータが提案されている。
励振するための加振力の発生源としては主に圧電素子が用いられるが原理的にはどのような加振手段を用いても実現可能である。例えば磁歪素子、電歪素子、ボイスコイル、静電アクチュエータ等様々なアクチュエータを用いて励振することができる。
これらのアクチュエータは加振周波数と同じ周波数の交流電圧又は交流電流を入力することで加振力を発生させることができ、圧電素子の場合は印加する交流電圧、ボイスコイルなら交流電流が加振力に相当する。以下は圧電素子を例に説明する。
【００１３】
図２（ａ）は振動型アクチュエータの例を示す構成図、図２（ｂ）は振動型アクチュエータの振動の様子を示す図である。
これらの図において、１は圧電素子、２−ａ、２−ｂは弾性体で圧電素子１を挟持している。
圧電素子１と弾性体２−ａ、２−ｂは一体となって振動体２を構成している。３は圧電素子１に給電するためのフレキシブル基板、４は振動体２の上面に形成される楕円振動との間に生ずる摩擦力によって回転するロータである。
振動体２には直交する２つの方向の曲げ振動の固有振動モードがある。この２つの固有振動モードの振動を時間的に位相を９０°ずらして発生させると、図２（ｂ）に示すように振動体２の上部構造がくびれ部分を支点として振れ回るように回転振動する。
この振動の力を不図示の加圧手段によって振動体２の上部に押し付けられたロータ４に摩擦力を介して伝達し、回転出力を取り出している。
【００１４】
図３は、圧電素子１上に形成された給電用の電極パターンを示している。
電極は４つの区画に分割されており、各電極にはφＡ又はφＢの交流電圧がフレキシブル基板３を介して供給されている。
圧電素子１の電極１−ａ（＋）、１−ａ（−）、 １−ｂ（＋）、１−ｂ（−）の符号は圧電素子１の分極方向を示しており、対向する電極は極性が逆方向に分極されている。
そして、対向する電極には同じ駆動電圧を印加することによって逆方向の加振力を発生し、φＡ、及びφＢに対応して夫々一つの固有振動モードの振動が励振される。
【００１５】
図４は、上記振動型アクチュエータの振動体２に励起された振動の周波数と振動体２の振動振幅との関係を示す図である。
Ｆｒは振動体２の共振周波数を示しており、共振周波数Ｆｒでは振動体２の振動振幅はＶｍａｘとなっている。また周波数が共振周波数Ｆｒより高い領域から共振周波数Ｆｒに近付くと序々に振動体２の振動振幅は増加してＶｍａｘに近付いてゆく。そして共振周波数Ｆｒより低い周波数になると振動振幅が急に減少する非対称な特性となっている。また共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数では振動体２の振動振幅はＶ１となり、４００Ｈｚ高い周波数では振動体２の振動振幅はＶ０となる。この各周波数における周波数変化に対する振動体２の振動振幅変化の割合を比較すると共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数の場合の方が４００Ｈｚ高い周波数の場合より高い変化率を示している。
【００１６】
図５（ａ）は、上記振動型アクチュエータの振動体２を加振する交流電圧の周波数の変化に対する振動体２の振動振幅変化の周波数応答特性を示すボード線図である。
実線の特性は図４で示した共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数を中心に交流電圧の周波数を変化させた場合の特性で、一点鎖線の特性は共振周波数Ｆｒより４００Ｈｚ高い周波数を中心に交流電圧の周波数を変化させた場合の特性を示している。
また、破線の特性は共振周波数Ｆｒの近傍を中心に交流電圧の周波数を変化させた場合の特性を示している。
共振特性を利用する振動型アクチュエータの周波数応答特性は共振周波数Ｆｒ近傍では、概ね振動体のＱ値に依存して折点周波数が変化する。
また、共振周波数Ｆｒから離れた周波数領域では、共振周波数Ｆｒと振動体２を加振する交流電圧の中心周波数との差に依存して折点周波数が変化する。
実線は共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数を中心として交流電圧の周波数を変化させた場合の特性なので、ほぼ２００Ｈｚを折点周波数としてゲイン特性が減衰する特性となっている。
一点鎖線の特性は共振周波数Ｆｒより４００Ｈｚ高い周波数を中心として交流電圧の周波数を変化させた場合の特性なので、ほぼ４００Ｈｚを折点周波数としてゲイン特性が減衰する特性となっている。
また、位相特性を見ると各折点周波数でほぼ−９０°となっており、周波数が高くなると−１８０°近傍に収束していることがわかる。
破線の特性は交流電圧の周波数が共振周波数Ｆｒ近傍での特性である。
交流電圧の周波数と共振周波数Ｆｒの周波数差が０に近いが折点周波数は６０Ｈｚとなっている。
この折点周波数は振動体２の振動性能を表すＱ値に依存して決まる周波数で、交流電圧の周波数と共振周波数Ｆｒの周波数差が小さくなると折点周波数は下限周波数（本例では６０Ｈｚ）に収束する。
【００１７】
つぎに、低周波域でのゲインの大きさについて説明する。
図４に示したように交流電圧の周波数変化に対する振動体２の振動振幅変化は、交流電圧の周波数が共振周波数Ｆｒに近付くと振動体２の振動振幅の変化率が増加している。
従って交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数Ｆｒに近いほどゲインが大きくなる。図５（ａ）の１０Ｈｚ以下の周波数領域でも交流電圧の周波数が共振周波数Ｆｒに近付くほどゲインが大きくなり、図４と同様の特性となっている。
また、図５（ａ）は交流電圧の周波数の変化に対する振動体２の振動振幅変化の特性を示したボード線図であったが、交流電圧の振幅や位相の変化に対する振動体２の振動振幅変化の特性についても同様の特性を示す。
共振周波数Ｆｒと交流電圧の周波数との差と上記折点周波数の関係は、周波数、振幅、位相のどの操作量についても周波数差が大きい領域では周波数差は折点周波数に近い値となり、周波数差が０に近い場合にはこのずれが大きくなっている。
【００１８】
図５（ｂ）は交流電圧の振幅の変化に対する振動体の振幅変化の特性を示したボード線図である。
図５（ａ）に対して位相の変化が全体に少ない事と位相の変化のピーク値が交流電圧の周波数によって変化している点が異なっている。
実線、破線、一点鎖線の特性の違いは図５（ａ）と同じなので説明を省略する。また交流電圧の周波数の違いによるゲインの差が図５（ａ）と比較して大きいこと等がわかる。
この様なボード線図の位相特性に現れる折点周波数と交流電圧の周波数との関係は図２に示した振動型アクチュエータのみの性質ではない。
図２（ａ）には弾性体２−ａ、２−ｂと圧電素子１によって振動体２を構成したが、圧電素子のみ又は他の加振手段で振動体２を構成しても良い。また図２（ａ）は棒状の振動体であったが、円環状、円板状、矩形板状等の他、様々な形状の弾性体と圧電素子を組み合わせた振動型アクチュエータがある。
これらの振動型アクチュエータの多くは弾性体と圧電素子からなる振動体の共振特性を利用しており、振動体の固有振動モードに依存する振動形状で振動体に振動波を形成することで振動体に接する被移動体を相対移動する。
このような共振現象を利用する性質の振動型アクチュエータであれば図５（ａ）、図５（ｂ）で示すような周波数応答特性を持つため、共振現象を利用する振動型アクチュエータであれば本提案は有効である。
【００１９】
図１は、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の第１の構成例を説明するブロック図である。
圧電素子１−ａ、１−ｂ及び不図示の弾性体２−ａ、２−ｂからなる不図示の振動体２の振動周波数を共振周波数Ｆｒから一定周波数離れた周波数に追従するように周波数を制御する装置の構成例を示した。
５は圧電素子１−ａ及び１−ｂに印加する交流電圧の振幅を指令する電圧振幅指令手段である。
６はホワイトノイズを発生するホワイトノイズ生成手段、７は電圧振幅指令手段５の出力する振幅指令にホワイトノイズ生成手段６の出力するホワイトノイズを加算して新たな振幅指令を生成する加算手段である。
このホワイトノイズ生成手段６と加算手段７とによって、振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つ以上のパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段が構成される。
本実施例では、この変動付与手段によって、上記ホワイトノイズだけではなく、正弦波信号、擬似乱数信号、等のうちのいずれかを付与する構成を採ることができる。
８は加算手段７の出力するホワイトノイズが加算された振幅指令及び後述する周波数指令に応じた２相の交流電圧を生成する交流電圧生成手段で、圧電素子１−ａ、１−ｂに位相差が９０°の交流電圧φＡ、φＢを印加している。
９は物理量計測手段であり不図示の指令手段の指示に応じて不図示の振動体２の振動に起因するいくつかの物理量が計測可能となっている。
例えば、振動体２又は振動体２を固定する不図示の筐体の振動や振動体２の周囲の音圧、あるいは振動体２に加圧接触しているロータ４の回転速度やロータ４の出力する力等様々な物理量が検出可能となっている。
本実施例では、振動体の振動に応じて変化する、振動体または振動体に接続する機構の振動、振動体を囲む媒体中に伝播する音、移動体の速度、位置、出力する力のうちの少なくとも一つの物理量が計測可能に構成されている。
１０は周波数応答特性計測手段であり、加算手段７の出力するホワイトノイズが加算された振幅指令の変化に対する物理量計測手段９の出力する物理量の変化の周波数応答特性を計測している。
周波数応答特性とは図５（ａ）、図５（ｂ）で示したボード線図で表すことの出来る特性のことで、本実施例ではゲイン及び位相の特性の内、所定の周波数における位相に対応する位相信号を出力している。
１１は不図示の指令手段からの位相差指令と周波数応答特性計測手段１０の出力する所定の周波数における位相信号との差を求める位相比較手段である。
１２は位相比較手段１１の出力する比較結果に応じて圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数を制御する制御演算手段である。
本実施例では、位相差比較手段１１と制御演算手段１２とによって、周波数応答特性計測手段によって求められた周波数応答特性に応じて交流電圧の周波数を制御する周波数制御手段が構成される。そして、この周波数制御手段は、周波数応答特性計測手段によって求められた位相特性に応じて、交流電圧の周波数を制御する。その際、位相特性が所定の目標位相となるように交流電圧の周波数を制御する。
【００２０】
以下に、これらの制御における具体的な動作を、図５（ｂ）の特性を用いて説明する。
ここで、振動型アクチュエータの振動周波数を不図示の振動体の共振周波数Ｆｒから２００Ｈｚ高い周波数で駆動する場合を考える。
振動型アクチュエータは駆動中に不図示の振動体の温度が上昇し、その共振周波数Ｆｒは変化する。
そのため、圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数を固定しておくと交流電圧の周波数と共振周波数Ｆｒの差は温度変化に応じて変化する。
従って、常に圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数を振動体２の共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数に追従させるには振動体２の共振周波数Ｆｒの変化をなんらかの方法で検出する必要がある。
従来はその方法として、不図示の振動体に振動検出用センサを設け、共振周波数Ｆｒの変化によって振動体の振動振幅の変化、圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧と振動体の振動の時間的な位相差の変化等を検出する方法が多く用いられている。
しかし、これらの方法は振動検出センサを設ける位置や感度誤差等の影響により特に不図示の振動体の振動振幅が小さい領域では周波数変化の検出精度が低かった。
そこで、本実施例では振動体２の共振周波数Ｆｒと圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数の周波数差に応じて振動型アクチュエータの各種周波数応答特性が変化することに着目した。そして、これを安定化することで振動体２の共振周波数Ｆｒの変化に上記交流電圧の周波数を一定の周波数差で追従するよう構成した。
【００２１】
以下に、本実施例における上記した振動体２の共振周波数Ｆｒの変化に上記交流電圧の周波数を一定の周波数差で追従させる方法について説明する。
本実施例では、周波数応答特性計測手段によって、
ホワイトノイズ生成手段と加算手段７とによる変動付与手段で与えられた変動に応じた第１の信号と、
物理量を計測する計測手段によって計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数による周波数応答特性を求める。
具体的には、周波数応答特性計測手段１０はホワイトノイズが加算された振幅指令の変化に対する物理量計測手段９の出力する物理量の変化の所定周波数での位相特性を逐次計測する。
ここで、図５（ｂ）の実線の状態を目標とする周波数応答特性とし、１４０Ｈｚの位相特性を計測するものとする。
１４０Ｈｚにおける位相特性は圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数Ｆｒに近いほど位相遅れが大きくなっている。
また、圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数から２００Ｈｚ高い周波数では１４０Ｈｚの位相特性がＰ０となっている。従って、１４０Ｈｚの位相特性が不図示の指令手段からの位相差指令Ｐ０より大きい場合には、圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数を振動体２の共振周波数Ｆｒに近付けて行く。これにより、位相特性がＰ０より小さい場合には、共振周波数Ｆｒから遠ざけることで位相特性を安定化することができる。そこで、不図示の指令手段からの位相差指令Ｐ０と周波数応答特性計測手段１０の出力する１４０Ｈｚでの位相特性を示す位相信号とを位相差比較手段１１で比較する。
そして、その差を制御演算手段１２で積分演算し、周波数応答特性計測手段１０の出力する位相信号が位相差指令Ｐ０と一致するように交流電圧生成手段８に周波数指令を設定している。
このように構成して動作させることで、１４０Ｈｚの位相特性は常に位相差指令Ｐ０になるように振動体２の振動周波数は振動体２の共振周波数Ｆｒの変化に追従して逐次制御され、共振周波数Ｆｒと振動周波数の差は２００Ｈｚ近傍に制御される。
なお、上記周波数応答特性を求める際の所定周波数は、交流電圧の周波数と振動体の共振周波数の差の周波数以下の周波数で、且つ上記差の周波数の１０分の１以上の周波数であることが望ましい。
【００２２】
また、上記説明では物理量計測手段９で振動体２の振動振幅を検出する例について説明したが、振動体２の振動振幅に応じて変化する物理量であればこれに限るものではない。
図５（ｂ）の特性は振動体２の振動振幅の周波数応答特性であるが、振動体２の振動振幅に応じて変化する物理量であれば基本特性として振動体２の振動振幅の周波数特性が含まれるからである。
通常振動体２の振動振幅の周波数応答特性変化に対して他の物理量の特性変化は少ないので他の物理量を計測した場合の多くは周波数応答特性計測手段１０の出力する位相信号が図５（ｂ）の特性に対して一定量オフセットする特性となる。従って他の物理量を検出して周波数応答特性を安定化した場合でも概ね同様の効果が期待できる。
この効果によって、振動体２の周波数応答特性が安定化され小振幅から大振幅まで個体差の少ない振動制御が可能となる。
また、上記実施例では２つの固有振動モードを用いた振動型アクチュエータの例を用いて説明したが、固有振動モードの共振特性を利用するものであれば数によらず同様の効果があることは当然である。
また、目的に応じて物理量計測手段９で不図示の指令手段からの指令によって計測する物理量を切り替えても良い。
また、目的に応じて計測する周波数を切り換えたり、複数の周波数を定期的に切り換えて位相特性を計測し、それを平均して用いても良い。
【００２３】
つぎに、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の第２の構成例を、図６に示すブロック図を用いて説明する。
図１の第１の構成例に対し、ホワイトノイズ生成手段６が公知のＭ系列乱数生成手段１３に、圧電素子を用いた振動検出センサ１−ｃを不図示の振動体２に設け、物理量計測手段９の代わりに振動振幅計測手段１４とした。
また、周波数応答特性計測手段１０の具体的構成も示した。
加算手段７の出力する振幅指令にはＭ系列乱数発生のサンプリング周波数に応じた周波数帯域で広い周波数範囲の均質な周波数特性を有する変動が重畳されている。
交流電圧生成手段８は出力する交流電圧の１周期毎にこのＭ系列乱数の重畳された振幅指令をサンプリングし、交流電圧１周期分の振幅を決定する。
実際に交流電圧の振幅として設定される電圧振幅及び設定のタイミングは実際に交流電圧波形を出力したタイミングであるので、そのタイミングで電圧振幅信号を出力している。
【００２４】
以下に、周波数応答特性計測手段の構成について説明する。
本実施例では、周波数応答特性計測手段は交流電圧生成手段８の出力する電圧振幅信号と振動振幅計測手段１４の出力する振動振幅信号との間の１４０Ｈｚにおける位相特性を計測する。
原理的には波形生成部で１４０Ｈｚの正弦波と余弦波を生成し、電圧振幅信号及び振動振幅信号の夫々にこれらの波形を乗算後に平滑し、夫々の位相を求め、電圧振幅信号の位相から振動振幅信号の位相を減算することで位相特性を求めている。
つぎに、各ブロックについて説明する。
１５及び１６は交流電圧発生手段８の出力する交流電圧の周波数より低く１４０Ｈｚの１０倍程度の同じカットオフ周波数を有するローパスフィルタである。
１７は１４０Ｈｚの正弦波を発生するＳＩＮ波生成手段、１８は１４０Ｈｚの余弦波を発生するＣＯＳ波生成手段である。
１９、２０、２１、２２は乗算手段（乗算演算部）であり、フィルタ演算を行うローパスフィルタ１５、１６の出力する帯域制限された電圧振幅信号と振動振幅信号に対し夫々正弦波、余弦波を乗算して出力している。
乗算手段１９、２０、２１、２２の各出力信号はオフセット値を有すると共に１４０Ｈｚの倍の周波数で変調された波形となっている。
これを次段の１Ｈｚのカットオフ周波数を有するローパスフィルタ２３、２４、２５、２６で平滑して２７、２８の逆正接演算手段を用いて電圧振幅信号及び振動振幅信号の位相を求め位相差検出手段２９で夫々の位相の差を求めている。
【００２５】
ここでは、逆正接演算手段２７、２８の出力を位相差検出手段２９に入力しているが、再度ローパスフィルタを介してから入力しても良い。
ここで説明した２段乃至３段の直列に接続された各段のローパスフィルタは同じ段であればカットオフ周波数を同じにする必要がある。
また、各段のローパスフィルタのカットオフ周波数はここに示した以外でも良いことは当然である。
また、ローパスフィルタとして公知のデシメーションフィルタであるＳＩＮＣフィルタを用いても良い。
ＳＩＮＣフィルタを用いるとサンプリングレートを低くすることが出来、計算量を減らすことが可能となる。
【００２６】
［実施例２］
実施例２における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明する。
図７は、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明するブロック図である。
以下では、本実施例と実施例１との違いについて説明する。
上記実施例１ではホワイトノイズ生成手段で交流電圧生成手段８に対する振幅指令を変化させていたのに対し、本実施例では周波数指令に対して後述するＳＩＮ波生成手段３０によって変動を重畳している。
図８は、圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数変化に対するロータ４の回転速度変化の周波数応答特性である。
図８の破線の特性は交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数Ｆｒ近傍の特性、実線は交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数Ｆｒより２００Ｈｚ高い周波数の特性、一点鎖線は４００Ｈｚ高い周波数の特性である。
【００２７】
つぎに、本実施例の動作について図８の周波数応答特性を用いて説明する。
３０はＳＩＮ波発生手段で、３１は加算手段である。加算手段３１は後述する制御演算手段１２の出力する周波数指令にＳＩＮ波発生手段３０の出力する所定の周波数の正弦波を加算し正弦波波形で変化する周波数指令を交流電圧生成手段に出力している。
交流電圧生成手段８は電圧振幅指令手段５の振幅指令に応じた振幅で且つ加算手段３１の出力する正弦波変動が重畳された周波数指令に応じた周波数の２相の交流電圧を発生している。
３２は不図示のロータ４の回転速度を検出する光学式ロータリエンコーダ等の速度計測手段である。
ロータ４の回転速度は振動体２の振動振幅に概ね比例して変化するため低周波領域では振動振幅の周波数応答特性と同様の特性を有している。
高周波領域ではロータリエンコーダと不図示のロータ４との間のねじり剛性とロータリエンコーダのスケールの慣性モーメントによる共振系の影響やロータ４に接続されるギアや他の慣性負荷、連結の為のカップリングの剛性等により若干異なる特性となっている。
しかし、ねじり剛性や慣性モーメントは個体差や環境変化による変動が少ないため周波数応答特性の変化は主に不図示の振動体２の振動振幅特性変化に依存している。
【００２８】
図８の周波数応答特性の内、８０Ｈｚ近傍のゲイン特性の急峻な落ち込み及び位相特性のやや不連続な特性や４００Ｈｚより高い周波数にあるピーク特性に係わる特性は主に振動体２の振動振幅以外の機械的な共振系の影響である。
３３は公知の高速フーリエ演算を行うＦＦＴ演算手段である。
ここでは加算手段３１の出力する正弦波変動が重畳された周波数指令に対する速度検出手段の出力する速度の変化の位相特性を求め、ＳＩＮ波生成手段３０の出力する正弦波の周波数の位相特性を示す位相信号を出力している。
位相比較手段１１は、不図示の指令手段からの位相差指令Ｐ０と位相信号を比較する。そして、制御演算手段１２はその比較結果に応じて位相差指令と位相信号が一致するように交流電圧生成手段の出力する交流電圧の周波数を設定するための周波数指令を比例積分演算により求めている。
【００２９】
つぎに、位相指令と位相信号を一致させる動作について説明する。
ＳＩＮ波発生手段３０は１００Ｈｚの正弦波を発生しているものとする。実施例１と同様に振動体２の共振周波数Ｆｒと交流電圧の周波数との差が２００Ｈｚの場合の特性を目標とする周波数応答特性とする。
図８より目標とする周波数応答特性は実線の特性なので１００Ｈｚの位相特性はＰ０となる。
そこで、不図示の指令手段からの位相差指令をＰ０として動作を説明する。１００Ｈｚにおける位相特性は、振動体２の共振周波数Ｆｒと交流電圧の周波数との差が小さいほど位相遅れが大きくなっている。
これは、交流電圧の周波数が振動体２の共振周波数Ｆｒ近傍である破線の特性から確認できる。
従って位相特性の遅れが小さい時には交流電圧の周波数は目標の周波数より高い周波数となっており、逆に遅れが大きい時には目標の周波数より振動体２の共振周波数Ｆｒに近い周波数となっている。
この特性を利用して１００Ｈｚの位相特性をＰ０となるように周波数指令を制御すれば実施例１と同様に位相特性を安定化可能である。
また、ロータ４の速度検出の結果を用いて周波数応答特性を検出したが実施例１に示した物理量検出手段でも同様の効果を得ることが可能である。
また、本実施例では、ＳＩＮ波生成手段３０を用いて周波数指令に変動を与えたがホワイトノイズ生成手段やＭ系列乱数生成手段及び他の変動付与手段による変動に対し周波数応答を計測しても良い。
本実施例のＦＦＴ演算手段は周波数応答特性を計測する手段の一つであり、他の手法でも良いことは当然である。
【００３０】
［実施例３］
実施例３における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明する。
図９は、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明するブロック図である。
大まかな構成は実施例１で説明した図６の構成とほぼ同じ構成であるが、不図示の指令手段からの速度指令に追従して不図示のロータ４の回転速度を制御している点が異なっている。
つぎに、上記実施例で説明した周波数応答計測を行う部分の説明を省略して動作を説明する。
図９において、３４は不図示の指令手段からの速度指令Ｖ１と速度計測手段３２からの不図示のロータ４の回転速度とを比較する速度比較手段である。
３５は比例積分演算を行う制御演算手段で速度比較手段３４の出力が０になるように周波数指令を生成し交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を制御している。
この周波数指令には加算手段３１でＭ系列乱数生成手段１３の出力する乱数を加算して数１０Ｈｚ以下の振幅の周波数変動を重畳した周波数指令を交流電圧生成手段８に入力している。
この変動は、交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数の設定可能な周波数分解能の数倍程度を上限とする変動幅を有している。
この周波数変動の付与によって、交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数が確率的に変動し周波数分解能を擬似的に高める効果も得ている。
交流電圧生成手段８は加算手段３１の出力するＭ系列乱数の重畳された周波数指令に基き、出力する交流電圧の１周期毎に周波数指令をサンプリングして交流電圧の周波数を設定している。
また、このサンプリングされた周波数は周波数信号として周波数応答特性計測手段を構成するローパスフィルタ１５に出力している。
【００３１】
図１０は不図示の振動体２の振動周波数と不図示のロータ４の回転速度との関係を示す図である。
振動体２の共振周波数Ｆｒ、Ｆｒ１、Ｆｒ２で最大の回転速度で回転する特性を示している。
破線、実線、一点鎖線の特性の違いは交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の振幅の違いによる特性の差を表しており、大きな振幅ほど回転速度が速くなっている。Ｆｒ、Ｆｒ１、Ｆｒ２は各電圧振幅における振動体２の共振周波数を示しており、交流電圧の振幅が大きいほど共振周波数が低い周波数になっている。本実施例では周波数を共振周波数Ｆｒに近付けるほど不図示のロータ４の回転速度が増加することを利用してロータ４の回転速度を制御している。
３２は速度計測手段であり検出した速度を速度信号として速度比較手段３４及び周波数応答特性計測手段を構成するローパスフィルタ１６にもこの速度信号を出力している。
【００３２】
つぎに、周波数応答特性の安定化について動作を説明する。
周波数応答特性計測手段はローパスフィルタ１５、１６から位相差検出手段２９までの構成からなっており、内容については実施例１に説明したので詳細説明は省略する。
位相差検出手段２９の出力は１００Ｈｚの位相特性を出力している。図８がこの位相特性を示している。
ここで、目標の位相特性は実線の位相特性とし、交流電圧の周波数を不図示の振動体２の共振周波数Ｆｒに対し２００Ｈｚ高い周波数に追従するよう制御することを目標とする。
【００３３】
図８より１００Ｈｚでの実線の位相特性はＰ０なので不図示の指令手段から位相差指令をＰ０と指令している。
位相差比較手段１１は位相差検出手段２９からの出力と位相差指令Ｐ０の比較結果を出力している。
３６は位相差比較手段１１の出力が０になるように交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の振幅を指令する振幅指令を生成する制御演算手段である。
上記実施例では交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を制御することにより周波数応答特性の安定化をしていたが、本実施例では交流電圧の振幅を制御することで行っている。この動作について図８及び図１０の特性を用いて説明する。
また、本実施例では、交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を制御することで不図示のロータ４の回転速度を制御している。
図１０の各曲線の特性を用いて不図示の指令手段からの速度指令Ｖ１に応じてこの交流電圧の周波数を制御した場合、同じ周波数でも交流電圧の振幅によって回転速度が異なるため交流電圧の周波数は異なる周波数に制御される。
また、交流電圧の振幅によって不図示の振動体２の共振周波数が変化するため同じ回転速度で回転していても、交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差は変化することになる。
従って、同じ回転速度となるように交流電圧の周波数を制御しつつ交流電圧の振幅を変化させる事で交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数との差を変化させる事が可能である事がわかる。
【００３４】
一方、交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差が２００Ｈｚで不図示のロータ４の回転速度がＶ１となるのは図１０の実線の特性であり、その際の周波数応答特性は図８の実線の特性である。
そこで、図８の位相特性において１００Ｈｚの位相特性が位相差指令Ｐ０より大きくなった場合を考える。
１００Ｈｚの位相特性が位相差指令Ｐ０より大きい状態とは交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差が２００Ｈｚより大きくなった場合である。
図１０において、ロータ４の回転速度がＶ１の時に上記交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差が２００Ｈｚより大きいのは一点鎖線の状態である。
図１０において、一点鎖線の状態とは実線の状態に対して交流電圧の振幅が大きい状態であるから、一点鎖線の状態を実線の状態に近付けて行くには交流電圧の振幅を小さくすれば良い。
つまり、１００Ｈｚの位相特性が位相差指令Ｐ０より大きくなった場合には制御演算手段３６の出力する振幅指令を小さくするよう動作すれば良い。
同様に、１００Ｈｚの位相特性が位相差指令Ｐ０より小さくなった場合には逆に振幅指令を大きくすれば良い。
【００３５】
本実施例では、位相特性を安定化させるのに上記交流電圧の周波数を変化させて振動体２の共振周波数Ｆｒとの周波数差を一定に保つよう制御したが、このような構成に限定されるものではない。
例えば、交流電圧の周波数を別の物理量を制御する為に用いている場合には、交流電圧の他の操作量によって位相特性を安定化させるようにすることもできる。本実施例では、この他の操作量として上記交流電圧の振幅を操作したがφＡ、φＢの２相の交流電圧で駆動する振動型アクチュエータの場合には２相間の時間的位相差を操作しても同様の効果が得られる。
上記振動型アクチュエータは２相の交流電圧間の位相差を通常９０°として駆動するが、位相差を９０°からずらして行くとロータ４の回転速度が変化する。
２相間の時間的位相差を操作する事でロータ４の回転速度が変化し結果的に交流電圧の周波数を変化させるからである。
【００３６】
［実施例４］
実施例４における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明する。
図１１は、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明するブロック図である。
不図示の指令手段からの速度指令に応じて交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を制御することで不図示のロータ４の回転速度を所定の速度に制御する。それと共に、この交流電圧の振幅を制御する事で周波数応答特性の位相特性を安定化させている点は実施例３と同じである。
本実施例は、周波数応答特性のゲイン特性を安定化する制御系を加えた点で上記実施例と異なっている。
つぎに、図９との相違点を中心に本実施例の構成を説明する。
図９では制御演算手段３５の出力に加算手段３１を用いてＭ系列乱数生成手段１３の出力する変動を付与していたが、本実施例では制御演算手段３５の前段に加算手段３１を配置している。
制御演算手段３５の前段、後段の配置によらずＭ系列乱数生成手段１３による変動付与は交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を変化させるので、周波数応答特性を計測することが出来る。
３８はゲイン特性を外部から操作可能なゲイン変更手段である。
【００３７】
また、図９では交流電圧生成手段８が設定した交流電圧の周波数に対するロータ４の回転速度の周波数応答特性を計測しているのに対し、本実施例ではゲイン変更手段３８の周波数応答特性を含めた複合系の周波数応答特性を計測している。
そのため、振動型アクチュエータの特性だけでなくゲイン変更手段３８に外部から設定されたゲイン特性を含んだ周波数応答特性が計測される。
また、図９では位相特性のみ計測する為逆正接演算手段２７、２８を用いて位相特性を求めていたが、本実施例では公知の三角関数演算手法であるＣＯＲＤＩＣ演算手法を用いて位相特性と同時にゲイン特性を検出している。
３９、４０がＣＯＲＤＩＣ演算手法を用いて三角関数演算を行うＣＯＲＤＩＣ演算手段である。
ＣＯＲＤＩＣ演算手段３９は、ゲイン変更手段３８の入力信号に含まれる所定の周波数の振幅Ａ１及び位相Ｐ１を求めている。
また、ＣＯＲＤＩＣ演算手段４０は速度計測手段３２の出力する不図示のロータ４の回転速度に応じた速度信号に含まれる所定の周波数の振幅Ａ２及び位相Ｐ２を求めている。
この振幅Ａ１と振幅Ａ２の比がゲイン特性であり４１はＡ２／Ａ１の除算を行いゲイン特性を求める除算手段である。２９は位相Ｐ１に対する位相Ｐ２の遅れである位相特性を求める位相差検出手段である。
位相差検出手段２９の出力と不図示の指令手段からの位相差指令Ｐ０とを位相差比較手段１１で比較し、比較結果に応じて制御演算手段３６で比例積分演算等を行い交流電圧生成手段８へ振幅指令を出力する動作は実施例３と同様の動作である。
４２はゲイン比較手段で、ゲイン指令Ｇ０と除算手段４１の出力であるＡ２／Ａ１とを比較している。
ゲイン比較手段４２の出力は制御演算手段３７でゲイン比較手段４２の出力が０となるようにゲイン変更手段３８のゲインを調整している。
【００３８】
図１２は交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数に対する不図示のロータ４の周波数応答特性を示す図である。
図１２（ａ）は周波数応答特性のバラツキを示す図で、図１２（ｂ）は位相特性を安定化した場合の周波数応答特性、図１２（ｃ）は更にゲイン特性を安定化した場合の周波数応答特性を示している。
不図示の振動体２の共振周波数と交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数との差は概ね図１２の位相特性が−９０°あたりの周波数であるので、周波数差はおよそ４５０Ｈｚ近傍となる。
そこで、これより小さい周波数である２５０Ｈｚを選択し位相差を−４５°に制御した。
図１２（ｂ）は２５０Ｈｚの位相特性を−４５°になるように制御した場合の特性である。
【００３９】
このように、交流電圧生成手段の出力する交流電圧つまり圧電素子１−ａ、１−ｂに印加する交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数との差の周波数より低い周波数の位相特性を安定化すると、それ以下の周波数の位相特性が安定化される。
また、周波数差をこの交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差より大きな周波数の位相特性を安定化すると、その周波数差近傍の位相特性を安定化することが出来るが低周波側ではあまり安定化されないことがわかっている。
また、位相特性を安定化してもゲイン特性が安定化していないことがわかる。
このことは、直流を含む低周波領域でのゲイン特性の変動を安定化するように交流電圧の周波数や振幅を制御した場合、ゲイン特性を安定化することは出来ても位相特性を安定化することは出来ないことを示している。
図１２（ｃ）は、図１２（ｂ）のゲイン特性の２５０Ｈｚでのゲイン特性を−２０ｄＢに制御した場合の周波数応答特性を示している。２５０Ｈｚ以下の周波数特性がゲイン特性及び位相特性共に安定していることがわかる。
【００４０】
このように、交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の振幅を制御して振動型アクチュエータの低周波域の位相特性を安定化し、更にゲインを調整することで周波数応答特性を安定化した。
これによって振動型アクチュエータの個体差や環境変動、摩擦部の耐久劣化等により変化する周波数応答特性が安定化され、速度変動特性や高速応答性能等の振動型アクチュエータの周波数応答特性の変化に敏感な制御特性の信頼性が向上する。
また、図１２（ａ）の特性は振動型アクチュエータの個体差や環境変動、耐久劣化による特性変化の他に駆動回路に用いられる周波数特性マッチング用の不図示のインダクタや昇圧用トランス等の個体差も考慮したものである。
このように、振動型アクチュエータ以外の要因による特性変動であっても振動型アクチュエータの周波数応答特性が変化する性質を利用すれば安定化することが可能である。
【００４１】
［実施例５］
実施例５における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明する。
図１３は、本実施例における振動型アクチュエータの制御装置の構成例について説明するブロック図である。
実施例４ではゲイン変更手段３８の周波数応答特性と交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数に対する不図示のロータ４の回転速度の周波数応答特性を直列に接続した系の周波数応答特性を安定化した。
それに対し、本実施例では不図示の指令手段からの速度指令に応じて交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数を制御することによってロータ４の回転速度を制御する制御ループの一巡伝達特性を安定化するように構成した。
この制御ループ構成要素は、速度比較手段３４、後述する制御演算手段４５、ゲイン変更手段３８、加算手段３１、交流電圧生成手段８、振動体２、ロータ４、速度計測手段３２からなっている。ここで、一巡伝達特性とはこれらの構成要素を直列に接続した系の周波数応答特性のことである。
【００４２】
本実施例ではこの一巡伝達特性を計測する方法として、加算手段３１の２つの入力信号間の周波数応答特性を計測して得た特性から演算によって求めている。４３はＭ系列乱数生成手段１３の出力に対するゲイン変更手段３８の出力である閉ループの周波数応答特性を計測し、開ループ化演算をする一巡伝達特性計測手段である。
一巡伝達特性計測手段４３は複数の周波数におけるゲイン特性と位相特性を計測する機能を有する。
４４は周波数選択手段で不図示の指令手段からの周波数選択指令によって上記複数の周波数から所望の周波数のゲイン特性と位相特性を選択している。
周波数選択手段４４で選択されたゲイン特性はゲイン比較手段４２に出力され不図示の指令手段からのゲイン指令Ｇ０と比較される。
ゲインの比較結果に応じて制御演算手段（第２の調整手段）３７はゲイン変更手段３８のゲインを調整し、一巡伝達特性の所定の周波数におけるゲイン特性を安定化する。
【００４３】
周波数選択手段４４で選択された位相特性は位相差比較手段１１に出力され不図示の指令手段からの位相差指令Ｐ０と比較される。
位相の比較結果に応じて制御演算手段（第１の調整手段）３６は交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の振幅を制御し、一巡伝達特性の所定の周波数における位相特性を安定化する。
また、４５は不図示の指令手段からの演算切り替え指令によって比例積分演算の各係数を切り替える事の可能な制御演算手段で、不図示の指令手段からの速度指令に応じて比例積分演算の係数を切り替える。これにより、速度指令毎に上記一巡伝達特性が最適な設定となるようにしている。
【００４４】
図１４は、本実施例の一巡伝達特性の例を示す図である。
１００Ｈｚ以下の直線的な傾斜特性を持つ積分特性と８０ＨｚとＦ２０近傍にある不図示のロータ４と速度計測手段３２との間にある機械的な共振系によるピークが顕著な特性として表れている。
実線が目標とする速度指令に対応する一巡伝達特性で、この特性は交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数と不図示の振動体２の共振周波数との差の周波数が所定の周波数となった時に実現される特性である。
破線は所定の周波数より低い周波数の場合、一点鎖線は所定の周波数より高い周波数の場合の一巡伝達特性を示している。
つぎに、図１４の特性を用いて一巡伝達特性の安定化について説明する。
まず、不図示の指令手段からの速度指令に対応して図１４の実線の特性を一巡伝達特性の目標とする。
それに応じて周波数選択手段４４への周波数選択指令は周波数Ｆ１０が指令され、ゲイン指令Ｇ０は０ｄＢ、位相差指令Ｐ０は−９０°が設定される。
また、制御演算手段４５へも速度指令に応じた比例積分係数が指定される。すると実施例４と同様の動作によって交流電圧生成手段８の出力する交流電圧の周波数及び振幅が制御され一巡伝達特性の位相及びゲインが位相差指令Ｐ０及びゲイン指令Ｇ０に制御される。
ここで、一巡伝達特性を計測することで得られる位相余裕、ゲイン余裕の値は制御系の安定度合いを知る上で重要である。
位相余裕、ゲイン余裕が所定の条件を満たせないと制御系の安定が得られないからである。
図１４の実線の一巡伝達特性を見ると周波数Ｆ１０でゲイン特性が０ｄＢをよぎっており、その際の位相特性は−９０°で位相余裕は９０°である。
位相特性が−１８０°をよぎる周波数Ｆ２０のゲイン特性は−１０ｄＢでゲイン余裕は１０ｄＢである。
これは概ね安定の条件を満たしており、実線の一巡伝達特性は安定である。位相余裕、ゲイン余裕の最適値は必要な制御性能によって異なる為これが良いとは言えないが最低でも位相余裕は２０°以上、ゲイン余裕は３ｄＢ以上あることが望ましい。
【００４５】
図１５は、他の速度指令での一巡伝達特性を示している。
図１５（ａ）は図１４の実線の速度指令より高速な速度指令での特性である。位相余裕は周波数Ｆ１１の位相特性で−１３０°であるから５０°の位相余裕がある。ゲイン余裕はＦ２１のゲイン特性より３０ｄＢとなっている。これは十分安定な特性である。
図１５（ｂ）は図１４の実線の速度指令より低速の速度指令での特性で、図１４の一点鎖線の特性と、それを改善した二点鎖線の特性を示している。
一点鎖線の特性の位相余裕は周波数Ｆ１２の位相特性より６０°である。ゲイン余裕は周波数Ｆ２２のゲイン特性より−１５ｄＢとなり余裕が無い。一点鎖線の特性は、位相余裕は十分であるがゲイン余裕は安定条件を満たしていない事を示している。
この条件では制御系を安定に動作させる事が出来ない。そこで制御演算手段４５に速度指令に応じた比例積分係数を指令し、一巡伝達特性を安定化する。
図１５（ｂ）の二点鎖線の特性は比例積分係数を修正して改善した特性である。改善された結果、位相余裕は周波数Ｆ１３での位相特性より１４０°、ゲイン余裕は周波数Ｆ２３のゲイン特性から２０ｄＢとなっている。
これは十分安定な特性である。この様に速度指令に応じて演算切り替え指令によって制御演算手段４５の比例積分係数を設定することで、広い速度領域でゲイン余裕及び位相余裕を十分余裕のある値にしつつ、一巡伝達特性の安定化を実現する事が出来る。
【００４６】
また、本実施例の上記説明では周波数Ｆ１０のゲイン特性、位相特性を安定化するとしたが他の周波数でも良い。
例えば、図１４の実線の特性の場合には周波数Ｆ１０、図１５（ａ）の特性では周波数Ｆ１１、図１５（ｂ）の特性では周波数Ｆ１３のゲイン特性を０ｄＢにする。それと共に、位相特性を−１６０°以上の値になるようにゲイン指令、位相差指令を設定することで位相余裕を安定化する。
また、ゲイン余裕を安定化するには、図１４の実線の特性の場合には周波数Ｆ２０、図１５（ａ）の特性の場合には周波数Ｆ２１、図１５（ｂ）の特性の場合には周波数Ｆ２３、のそれぞれの位相特性をつぎのように設定する等が考えられる。
すなわち、上記それぞれの位相特性を、−１８０°に、目標ゲインをゲイン特性０．７以下の値になるようにゲイン指令、位相差指令を設定する等が考えられる。
また、位相余裕、ゲイン余裕を大きく取る事は安定化には寄与するが、制御性能との間にトレードオフの関係があるため、目標に応じて安定化と制御性能のバランスを取る事が必要な事は一般に知られている事である。
【００４７】
このように、不図示の指令手段からの速度指令に応じて周波数選択指令を切り替えることで、速度指令に合った周波数特性の安定化が選択可能である。
また、一巡伝達特性をリアルタイムに制御する場合、一巡伝達特性計測手段４３の入力に混入するノイズが多少あっても急にゲイン特性や位相特性を変更しないようにフィルタ処理することが必要である。
また、当然の事であるが設定可能なゲインの範囲には上下限が設定されている。また、起動初期には一巡伝達特性のばらつきを十分考慮し安定な初期ゲインを選択すると共に、制御系が安定するまでの時間を待ってからゲイン変更を有効にする等の対策も必要である。
また、制御演算手段３６の出力する振幅指令やゲイン変更手段３８の出力する周波数指令にもあらかじめ決められた上下限が設けられており、起動初期にはあらかじめ決められた初期振幅及び初期周波数、が設定される。
また、本実施例では制御演算手段３６の出力は振幅指令であったが交流電圧生成手段８の出力する２相の交流電圧φＡとφＢ間の時間的位相差を指令しても同様の効果が得られる。
つまり、振幅指令を大きくすると不図示のロータ４の速度が増加し、振幅指令を小さくすると速度が減少するのと同じように、φＡとφＢ間の位相差を９０°に近付けると速度が増加し、位相差を０°に近付けると速度が減少するからである。
【符号の説明】
【００４８】
１：圧電素子
２：振動体
３：フレキシブル基板
４：ロータ
５：電圧振幅指令手段
６：ホワイトノイズ生成手段
７：加算手段
８：交流電圧生成手段
９：物理量計測手段
１０：周波数応答特性計測手段
１１：位相差比較手段
１２：制御演算手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体に励起される振動波を用い、該振動体に接触または間接的に接続される移動体が該振動波によって発生する摩擦力によって相対移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、
前記振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータが設定可能な交流電圧生成手段と、
前記振動体の振動に応じて変化する、該振動体または該振動体に接続する機構の振動、該振動体を囲む媒体中に伝播する音、移動体の速度、位置、出力する力のうちの少なくとも一つの物理量を計測する計測手段と、
前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段と、
前記変動付与手段で与えられた変動に応じた第１の信号と、前記計測手段で計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数での周波数応答特性を求める周波数応答特性計測手段と、
前記周波数応答特性計測手段によって求められた周波数応答特性に応じて前記交流電圧の周波数を制御する周波数制御手段と、
を有することを特徴とする振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項２】
前記周波数制御手段は、前記周波数応答特性計測手段によって前記周波数応答特性として求められた位相特性に応じて、前記交流電圧の周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項３】
前記周波数制御手段は、前記位相特性が所定の目標位相となるように前記交流電圧の周波数を制御することを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項４】
前記周波数応答特性を求める際の所定周波数は、前記交流電圧の周波数と前記振動体の共振周波数の差の周波数以下の周波数で、且つ該差の周波数の１０分の１以上の周波数であることを特徴とする請求項３に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項５】
振動体に励起される振動波を用い、該振動体に接触または間接的に接続される移動体が該振動波によって発生する摩擦力によって相対移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、
前記振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータが設定可能な交流電圧生成手段と、
前記振動体の振動に応じて変化する、振動体の振動振幅、移動体の速度、位置、移動体が出力する力のうちの少なくとも一つの物理量を計測する計測手段と、
前記計測手段で計測された物理量に応じた値と目標とする値との比較結果に応じて、所定の制御演算を行う制御演算手段と、
前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段と、
前記変動付与手段で与えられた変動に応じた第１の信号と、制御演算手段の出力または前記計測手段で計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数での周波数応答特性である位相特性を求める周波数応答特性計測手段と、
前記位相特性に応じて、前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを設定する第１の調整手段と、
を有することを特徴とする振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項６】
前記周波数応答特性計測手段は、前記少なくとも一つの所定周波数におけるゲイン特性を求める機能を有すると共に、
前記ゲイン特性に応じて前記制御演算手段のゲイン特性を調整する第２の調整手段を有することを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項７】
前記第１の調整手段は、
前記周波数応答特性計測手段が出力する所定周波数の位相特性を所定の目標位相となるように、前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを設定することを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項８】
前記周波数応答特性を求める際の所定周波数は、前記交流電圧の周波数と前記振動体の共振周波数の差の周波数以下の周波数で、且つ該差の周波数の１０分の１以上の周波数であることを特徴とする請求項７に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項９】
前記第２の調整手段は、前記周波数応答特性計測手段が出力する所定周波数のゲイン特性を所定の目標ゲインとなるように、前記制御演算手段のゲイン特性を調整することを特徴とする請求項６に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１０】
前記周波数応答特性計測手段は、一巡伝達特性を計測する周波数応答特性計測手段であることを特徴とする請求項５から９のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１１】
前記所定周波数における前記目標ゲインを０．７以下とすると共に、前記目標位相を−１８０°としたことを特徴とする請求項１０に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１２】
前記所定周波数における前記目標ゲインを１とすると共に、前記目標位相を−１６０°以上としたことを特徴とする請求項１０に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１３】
前記移動体の速度または前記振動体の振動振幅の目標とする値に応じて、前記所定周波数、目標位相、目標ゲインを設定することを特徴とする請求項５から１２のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１４】
前記変動付与手段は、正弦波信号、ホワイトノイズ、擬似乱数信号のうちのいずれかを付与することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１５】
上記周波数応答特性計測手段は、
前記少なくとも一つの所定周波数における正弦波及び余弦波を生成する波形生成部と、
前記波形生成部の出力する正弦波及び余弦波それぞれと、前記第１の信号及び前記第２の信号のそれぞれと、を乗算する乗算演算部と、
前記乗算演算部の出力信号にフィルタ演算を行うローパスフィルタ手段と、
を備え、
前記ローパスフィルタ手段によって演算された所定周波数ごとに演算された結果を用いて、前記第１の信号と前記第２の信号との間の周波数応答特性を計測することを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１】
振動体に励起される振動波を用い、該振動体に接触または間接的に接続される移動体が該振動波によって発生する摩擦力によって相対移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、
前記振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータが設定可能な交流電圧生成手段と、
前記振動体の振動に応じて変化する、該振動体または該振動体に接続する機構の振動、該振動体を囲む媒体中に伝播する音、移動体の速度、位置、出力する力のうちの少なくとも一つの物理量を計測する計測手段と、
前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段と、
前記変動付与手段で与えられた変動に応じた第１の信号と、前記計測手段で計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数での周波数応答特性を求める周波数応答特性計測手段と、
前記周波数応答特性計測手段によって求められた周波数応答特性に応じて前記交流電圧の周波数を制御する周波数制御手段と、
を有することを特徴とする振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項２】
前記周波数制御手段は、前記周波数応答特性計測手段によって前記周波数応答特性として求められた位相特性に応じて、前記交流電圧の周波数を制御することを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項３】
前記周波数制御手段は、前記位相特性が所定の目標位相となるように前記交流電圧の周波数を制御することを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項４】
前記周波数応答特性を求める際の所定周波数は、前記交流電圧の周波数と前記振動体の共振周波数の差の周波数以下の周波数で、且つ該差の周波数の１０分の１以上の周波数であることを特徴とする請求項３に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項５】
振動体に励起される振動波を用い、該振動体に接触または間接的に接続される移動体が該振動波によって発生する摩擦力によって相対移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、
前記振動体に加振力を印加するための交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータが設定可能な交流電圧生成手段と、
前記振動体の振動に応じて変化する、振動体の振動振幅、移動体の速度、位置、移動体が出力する力のうちの少なくとも一つの物理量を計測する計測手段と、
前記計測手段で計測された物理量に応じた値と目標とする値との比較結果に応じて、所定の制御演算を行う制御演算手段と、
前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータに、所定の変動を与える変動付与手段と、
前記変動付与手段で与えられた変動に応じた第１の信号と、制御演算手段の出力または前記計測手段で計測された物理量に応じた第２の信号と、の間における少なくとも一つの所定周波数での周波数応答特性である位相特性を求める周波数応答特性計測手段と、
前記位相特性に応じて、前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを設定する第１の調整手段と、
を有することを特徴とする振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項６】
前記周波数応答特性計測手段は、前記少なくとも一つの所定周波数におけるゲイン特性を求める機能を有すると共に、
前記ゲイン特性に応じて前記制御演算手段のゲイン特性を調整する第２の調整手段を有することを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項７】
前記第１の調整手段は、
前記周波数応答特性計測手段が出力する所定周波数の位相特性を所定の目標位相となるように、前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの少なくとも一つのパラメータを設定することを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項８】
前記周波数応答特性を求める際の所定周波数は、前記交流電圧の周波数と前記振動体の共振周波数の差の周波数以下の周波数で、且つ該差の周波数の１０分の１以上の周波数であることを特徴とする請求項７に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項９】
前記第２の調整手段は、前記周波数応答特性計測手段が出力する所定周波数のゲイン特性を所定の目標ゲインとなるように、前記制御演算手段のゲイン特性を調整することを特徴とする請求項６に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１０】
前記周波数応答特性計測手段は、一巡伝達特性を計測する周波数応答特性計測手段であることを特徴とする請求項５から９のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１１】
前記所定周波数における前記目標ゲインを０．７以下とすると共に、前記目標位相を−１８０°としたことを特徴とする請求項１０に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１２】
前記所定周波数における前記目標ゲインを１とすると共に、前記目標位相を−１６０°以上としたことを特徴とする請求項１０に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１３】
前記移動体の速度または前記振動体の振動振幅の目標とする値に応じて、前記所定周波数、目標位相、目標ゲインを設定することを特徴とする請求項５から１２のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１４】
前記変動付与手段は、正弦波信号、ホワイトノイズ、擬似乱数信号のうちのいずれかを付与することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項１５】
上記周波数応答特性計測手段は、
前記少なくとも一つの所定周波数における正弦波及び余弦波を生成する波形生成部と、
前記波形生成部の出力する正弦波及び余弦波それぞれと、前記第１の信号及び前記第２の信号のそれぞれと、を乗算する乗算演算部と、
前記乗算演算部の出力信号にフィルタ演算を行うローパスフィルタ手段と、
を備え、
前記ローパスフィルタ手段によって演算された所定周波数ごとに演算された結果を用いて、前記第１の信号と前記第２の信号との間の周波数応答特性を計測することを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１３０１９１（Ｐ２０１２−１３０１９１Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８０７１４（Ｐ２０１０−２８０７１４）
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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