振動波駆動装置の制御装置、及び、振動波駆動装置の制御方法
【課題】被駆動体を移動させる振動波駆動装置に対して位相差制御或いは電圧制御を行っている最中に、固定した振動子駆動周波数よりも振動子の共振周波数が高周波側にシフトする現象を抑制することを実現する。
【解決手段】制御装置は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子を備えた振動型アクチュエータに対して駆動信号を与え、この駆動信号の位相差及び電圧の少なくとも一方を変更して、振動型アクチュエータを駆動制御する。その際、駆動信号の位相差及び電圧の少なくとも一方を変更するときには、変更しないときに比較して、前記駆動信号の周波数を高周波側の所定の周波数に設定する。
【解決手段】制御装置は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子を備えた振動型アクチュエータに対して駆動信号を与え、この駆動信号の位相差及び電圧の少なくとも一方を変更して、振動型アクチュエータを駆動制御する。その際、駆動信号の位相差及び電圧の少なくとも一方を変更するときには、変更しないときに比較して、前記駆動信号の周波数を高周波側の所定の周波数に設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型アクチュエータ等の振動波駆動装置の制御装置、及び、制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、所定の質点に楕円運動を生じさせ、被駆動体を駆動するタイプの振動型アクチュエータに関する様々な提案（例えば、特許文献１など）がなされており、例えば図１５に示すような構成が知られている。
【０００３】
図１５は、従来の振動型アクチュエータの基本的な構成を示す一例を示す外観斜視図である。
【０００４】
図１５に示すように、この振動型アクチュエータの振動子は、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体４を備え、弾性体４の裏面には圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子）５が接合されている。弾性体４の上面の所定位置には、複数の突起部６が設けられている。
【０００５】
この構成によれば、圧電素子５に交流電圧を印加することにより、弾性体４の長辺方向における２次の屈曲振動と、弾性体４の短辺方向における１次の屈曲振動とが同時に発生し、突起部６に楕円運動が励起される。そして、突起部６に被駆動体７を加圧接触させることにより、被駆動体７を突起部６の楕円運動によって直線的に駆動することができるようになっている。つまり、突起部６がこの振動子の駆動部として作用する。
【０００６】
図１６は、図１５に示した振動型アクチュエータにおける圧電素子５の分極領域の一例を示す模式図である。また、図１７（ａ），（ｂ）は、弾性体４の振動モードを示す斜視図であり、図１８は、弾性体４の突起部６に励起する楕円運動を説明するための説明図である。
【０００７】
上記圧電素子５は、図１６に示すように、分極処理されて２つの電極Ａ１、Ａ２を備えている。上記２つの電極Ａ１、Ａ２に同相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することにより、上記矩形の弾性体４において長辺方向と平行な方向に延びた２本の節を有する１次の屈曲振動を励振する。これが図１７（ａ）に示す第１の振動モードとなる。
【０００８】
また、２つの電極Ａ１、Ａ２に逆相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することにより、矩形の弾性体４の短辺方向と平行な方向に延びた３本の節を有する２次の屈曲振動を励振する。これが図１７（ｂ）に示す第２の振動モードとなる。
【０００９】
そして、上記第１の振動モードと第２の振動モードの組み合わせにより突起部６に楕円運動を励振し、このとき、突起部６に被駆動体を加圧接触させると、被駆動体を直線的に駆動することができるようになっている。
【００１０】
ここで、図１７（ａ）に示す第１の振動モードによって、突起部６には、被駆動体７との加圧接触する接触面と垂直な方向に振動の振幅（以下、Ｚ軸振幅という）が変化する振動が励起される。また、図１７（ｂ）に示す第２の振動モードによって、突起部６には、被駆動体の駆動方向と平行な方向に振動の振幅（以下、Ｘ軸振幅という）が変化する振動が励起される。
【００１１】
上記第１の振動モードと第２の振動モードの２つの振動モードを組み合わせることにより、突起部６に図１８に示すように楕円運動が励起することができ、Ｚ軸振幅とＸ軸振幅の大きさの比が、楕円運動の楕円比を表す。
【００１２】
図１９は、２相の電圧Ｖ１，Ｖ２の位相差を−１８０度〜１８０度で変化させたときの第１の振動モード及び第２の振動モードにおける突起部６の振動の振幅の変化を説明するためのグラフである。
【００１３】
分極された圧電素子５における２つの電極Ａ１、Ａ２に印加する２相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差を−１８０度〜１８０度に変化させたときの、第１の振動モードと第２の振動モードでの突起部６の振動の振幅の変化は、それぞれ図１９の曲線Ｐ１とＰ２に示すようになる。同図の横軸が位相差を示し、縦軸が第１の振動モードと第２の振動モードでの振動の振幅を示している。
【００１４】
第１の振動モードと第２の振動モードの組み合わせにより突起部６に楕円運動が励起し、印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差を変更することにより、突起部６の励起する楕円運動の楕円比を調整することができる。図１９の下部に、横軸の位相差に応じた楕円形状を示す。
【００１５】
そして、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差をその正負の符号を切り替えるように変化させることにより、被駆動体７を直線的に駆動する振動型アクチュエータによる被駆動体７の駆動方向を切り替えることができる。さらに、位相差を任意の値から正負の符号を含めて連続的に切り替える（例えば、位相差を正負の符号を含めて９０度から−９０度まで連続的に変更する）ことにより、駆動方向と速度を連続的に変化させることが可能になる。
【００１６】
また、圧電素子に印加する交流電圧の周波数を振動子の共振周波数に近づけることにより、駆動速度を速くすることができ、印加する交流電圧の周波数を振動子の共振周波数から遠ざけることにより、駆動速度を遅くすることができることが一般的に知られている。
【００１７】
例えば、上記の図１５に示した振動型アクチュエータの基本的構成において、駆動周波数と駆動速度の関係は、図２０に示すような関係になる。即ち、振動子の共振周波数を駆動速度のピークとし、共振周波数よりも高周波側ではなだらかに駆動速度が減少し、且つ低周波側では急激に駆動速度が減少するようなアクチュエータ特性となる。
【００１８】
このように、図１６に示すように分極処理された圧電素子５を備えた振動型アクチュエータは、圧電素子５に印加する２つの交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数を変化させることによって速度制御を行う（周波数制御）ことが可能である。また、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相を変化させることによって速度制御を行う（位相差制御）ことが可能である。
【００１９】
次に、図１５に示した振動型アクチュエータの圧電素子５の分極領域の別の一例について説明する。
【００２０】
図２１は、図１５の振動型アクチュエータにおける圧電素子５の分極領域の別の一例を示す模式図である。
【００２１】
本例の圧電素子５は、図２１に示すように、分極処理されて電極Ａ１、Ａ２を備え、さらに電極Ａ１は、「＋（プラス）」に分極処理された圧電領域と、「−（マイナス）」に分極処理された圧電領域を備えている。
【００２２】
図２１に示す圧電領域に配置された電極Ａ２に交流電圧Ｖ２を印加すると、１次の屈曲振動を励振する。これが図１７（ａ）に示す第１の振動モードとなる。また、図２１に示す圧電領域に配置された電極Ａ１に交流電圧Ｖ１を印加すると、２次の屈曲振動を励振する。これが図１７（ｂ）に示す第２の振動モードとなる。
【００２３】
ここで、交流電圧Ｖ１とＶ２を位相の９０°ずれた同一周波数とすることにより、突起部６に楕円運動が発生する。よって、突起部６に被駆動体７を加圧接触させることにより、被駆動体７を直線的に駆動することができるようになっている。
【００２４】
そして、電極Ａ２に印加する交流電圧Ｖ２の電圧振幅を調整することにより、図１７（ａ）に示すＺ軸振幅の大小を調整することができ、電極Ａ１に印加する交流電圧Ｖ１の振幅を調整することにより、図１７（ｂ）に示すＸ軸振幅の大小を調整することができる。なお、デジタル回路またはロジック回路を用いて、電極Ａ１、Ａ２に印加する交流電圧Ｖ１とＶ２のデューティー比を調整することにより、Ｘ軸振幅、Ｚ軸振幅の大小を調整することも可能である。
【００２５】
また、図１８に示すように、突起部６に励起する楕円運動のＸ軸振幅を大きくすることにより、被駆動体の移動速度を速くすることができ、Ｘ軸振幅を小さくすることにより、被駆動体の移動速度を遅くすることができる。このように、電極Ａ１に印加する電圧Ｖ１の振幅を可変にすることにより、図２２（ａ），（ｂ）に示すように、楕円運動のＸ軸振幅を可変させて速度制御を行うことができる。
【００２６】
このように、図２１に示すように分極処理された圧電素子５を備えた振動型アクチュエータは、圧電素子５に印加する２つの交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数或いは電圧振幅の大小を変化させることによって速度制御を行う（周波数制御または電圧制御）ことが可能である。
【００２７】
したがって、上述した周波数制御、位相差制御、及び電圧制御を組み合わせて振動型アクチュエータの位置制御を行うことができる。
【００２８】
従来、振動型アクチュエータの駆動において、位置制御における位置決め精度とダイナミックレンジを両立するために、周波数制御と位相差制御、或いは、周波数制御と電圧制御を組み合わせることが提案されている。周波数制御は、位置決め精度は高くないがダイナミックレンジに優れており、位相差制御及び電圧制御は、ダイナミックレンジは広くないが位置決め精度に優れている。そのため、周波数制御で素早くおおまかな位置制御を行ってから、位相差制御、或いは、電圧制御に切り替えて精度の高い位置決めを行うという提案である。
【特許文献１】特開平１０−２１０７７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
しかしながら、本願出願人は、楕円運動の被駆動体の進行方向における振幅が小さくなることにより、共振周波数が大きくなるということを見出した。これは、振動子の弾性体の剛性が非線形性を持ち、振幅変位に基づいて剛性が変化し、振動子の共振周波数が変更するためである。つまり、駆動周波数を変更せずとも、駆動信号の位相差や電圧を変更することによって、駆動周波数が共振周波数より低周波側となってしまい、急激に駆動速度が減少する現象（以下、急減速現象と記す）が生じてしまう。即ち、位置決め精度の高い位相差制御や電圧制御であっても不感帯が生じてしまうということである。
【００３０】
図２３は、圧電素子に印加する２相の電圧の位相差と駆動周波数と駆動速度との関係（すなわち、位相差と振動子の共振周波数との関係）を示すグラフである。例えば、図２３に示すように、図１６に示す圧電素子５の電極Ａ１に印加する電圧Ｖ１と電極Ａ２に印加する電圧Ｖ２の位相差が９０度から遠ざかるほど、第２の振動モードでの振動の振幅が小さくなり、第２の振動モードでの振動子の共振周波数が高くなる。位相差を９０度に設定した状態で、駆動周波数を位相差６０度のときの共振周波数に設定した場合、このときの駆動周波数は位相差９０度のときの共振周波数よりも高周波側にあるので急減速現象は生じない。ところが、駆動周波数を位相差６０度のときの共振周波数に固定したまま、位相差を６０度よりも小さくシフトさせると、駆動周波数が、６０度未満の位相差での共振周波数より低周波側になって、突然急減速現象が発生することになる。
【００３１】
別の例を説明する。図２４は、圧電素子に印加する交流電圧のデューティー比と振動子の共振周波数の関係を示すグラフである。図２４に示すように、図２１に示す圧電素子５の電極Ａ１に印加する電圧Ｖ１の振幅（デューティー比）を小さくするほど、第２の振動モードでの振動の振幅（駆動速度）が小さくなり、第２の振動モードでの振動子の共振周波数が高くなる。デューティー比を５０％に設定した状態で、駆動周波数をデューティー比３０％での共振周波数に設定した場合、このときの駆動周波数はデューティー比５０％での共振周波数よりも高周波側にあるので急減速現象は生じない。ところが、駆動周波数をデューティー比５０％のときの共振周波数に固定したまま、デューティー比を３０％よりも小さくシフトさせると、３０％未満のデューティー比での共振周波数が、固定した駆動周波数より高周波側にシフトして、急減速現象が発生することになる。
【００３２】
このように、位置精度の高い位相差制御或いは電圧制御を行っている最中であっても、固定した駆動周波数よりも共振周波数が高周波側にシフトし、駆動速度が急減する急減速現象が発生し、振動波駆動装置による制御に不感帯が生ずる可能性があった。
【００３３】
本発明は上記従来の問題点に鑑み、次のような振動波駆動装置の制御装置及び振動波駆動装置の制御方法、並びにプログラムを提供することを目的とする。即ち、被駆動体を移動させる振動波駆動装置に対して位相差制御或いは電圧制御を行っている最中に、固定した駆動周波数よりも共振周波数が高周波側にシフトする現象を抑制することを実現する。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は上記目的を達成するため、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御装置において、前記振動子の操作量を決定する操作量決定手段と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定手段と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の位相差を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定手段とを有し、前記周波数決定手段は、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする。
【００３５】
また、本発明は、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御装置において、前記振動子の操作量を決定する操作量決定手段と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定手段と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の電圧を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定手段とを有し、前記周波数決定手段は、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする。
【００３６】
また、本発明は、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御方法であって、前記振動子の操作量を決定する操作量決定工程と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定工程と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の位相差を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定工程とを有し、前記周波数決定工程は、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の位相差を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の位相差を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする。
【００３７】
また、本発明は、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御方法であって、前記振動子の操作量を決定する操作量決定工程と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定工程と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の電圧を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定工程とを有し、前記周波数決定工程は、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の電圧を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の電圧を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、被駆動体を移動させる振動波駆動装置に対して位相差制御或いは電圧制御を行っている最中に、固定した駆動周波数よりも共振周波数が高周波側にシフトする現象を抑制することができる。これにより、被駆動体に対する高精度な駆動制御が可能であり、しかも幅広いダイナミックレンジを保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態では、周波数制御と位相差制御を組み合わせて、振動型アクチュエータ（振動波駆動装置）を制御する制御装置について説明する。
【００４１】
＜第１の実施の形態における制御装置の構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動型アクチュエータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【００４２】
この制御装置は、被駆動体の停止位置の目標値を生成する位置指令生成部１７を有し、その出力側には、比較部１８を介して操作量決定部２２が接続されている。比較部１８は、位置指令生成部１７から出力された目標値と、位置検出部１６から出力された被駆動体の現在位置とを比較する。操作量決定部２２は、比較部１８の比較結果から、振動型アクチュエータ１５の残りの操作量ｅを演算する。位置検出部１６は、振動型アクチュエータ１５の被駆動体の位置を検出するものであり、例えば、リニアスケールやエンコーダにて構成される。振動型アクチュエータ１５は、前述の図１５に示した構成の振動型アクチュエータであり、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体４の裏面に圧電素子５が接合され、弾性体４の表面に駆動部としての複数の突起部６が設けられた振動子を備えている。
【００４３】
また、操作量決定部２２の出力側には、楕円比決定部１９と駆動周波数決定部２０が接続され、さらに、楕円比決定部１９及び駆動周波数決定部２０の出力側が駆動信号生成部２１に接続されている。駆動信号生成部２１は、楕円比決定部１９と駆動周波数決定部２０の出力を受けて、実際に振動型アクチュエータ１５の圧電素子５に印加する交流電圧を生成する。楕円比決定部１９は、操作量決定部２２の出力から、振動型アクチュエータ１５の突起部６に生成する楕円運動のＸ軸振幅とＺ軸振幅の比率を決定する。駆動周波数決定部２０は操作量決定部２２の出力から、振動型アクチュエータ１５に印加する交流電圧の駆動周波数を決定する。そして、駆動信号生成部２１は、楕円比決定部１９と駆動周波数決定部２０の出力を受けて、実際に振動型アクチュエータ１５の圧電素子５に印加する交流電圧を生成する。
【００４４】
本実施形態では、上述した楕円比決定部１９、駆動周波数決定部２０、及び駆動信号生成部２１はＣＰＵ上でソフトウェアとして実現しており、駆動信号生成部２１は関数発生器で構成される。ここで関数発生器はカウンタ主体で構成されるロジック回路から構成されている。操作量決定部２２はＰＩ制御器またはＰＩＤ制御器で構成される。
【００４５】
また、駆動周波数決定部２０の出力は、駆動信号生成部２１のロジック回路により、駆動周波数の基準となる第１の周期信号を生成する。さらにロジック回路は、楕円比決定部１９の出力に従って、第１の周期信号に対して位相差を持たせて、第１の周期信号と同一周波数の第２の周期信号を生成する。
【００４６】
駆動信号生成部２１により生成された第１、第２の周期信号は電力増幅器により増幅され、駆動信号として振動型アクチュエータ１５の圧電素子５に入力される。また前記第１と第２の周期信号を増幅するための電力増幅器はスイッチング素子または昇圧回路により構成されてもよい。
【００４７】
本実施形態においては、振動型アクチュエータ１５における弾性体４の裏面に接合された圧電素子５（図１６参照）に印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差を制御することで、突起部６に生成する楕円運動の楕円比を変化させる。
【００４８】
即ち、図１６に示すように２つの電極Ａ１、Ａ２が分極配置された圧電素子５を有する振動型アクチュエータ１５において、第１と第２の振動モードの組み合わせで突起部６に楕円運動を生じさせて被駆動体の駆動を行う場合、次のようになる。
【００４９】
２つの電極Ａ１、Ａ２に印加する２相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２の振幅と周波数を同一とし、且つ互いの位相差を１８０度とした場合、ある瞬間では電極Ａ１の圧電領域が伸びるとともに、電極Ａ２の圧電領域が縮むため、第２の振動モードが励起されることになる。
【００５０】
逆に、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の互いの位相差を０度とした場合、ある瞬間において電極Ａ１と電極Ａ２の圧電領域が同時に伸縮するため、第１の振動モードが励起されることになる。
【００５１】
そして、交流電圧Ｖ１とＶ２の位相差を０度、１８０度、或いは−１８０度のいずれか以外とすることにより、第１の振動モードと第２の振動モードが同時に起こる。このときの、第１の振動モードでの振動子の突起部６の振動の振幅（Ａ）と、第２の振動モードでの振動子の突起部６の振動の振幅（Ｂ）と、それぞれ電極Ａ１、Ａ２に印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差との関係が次式で示される。
【００５２】
Ａ＝｜２×ｃｏｓ（（π−θ）／２）｜ ・・・（１）
Ｂ＝｜２×ｃｏｓ（θ／２）｜ ・・・（２）
図１９に、上記の式（１），（２）の位相差を−１８０度〜１８０度に変化させたときの、第１の振動モード（Ｐ１）と第２の振動モード（Ｐ２）での振動の振幅を示す。前述したように、図１９の下部に、横軸の位相差に応じた楕円形状を示す。このように、印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差θを変更することにより、突起部６の励起する楕円運動の楕円比を調整することができる。
【００５３】
＜楕円比決定部１９及び駆動周波数決定部２０の機能＞
次に、楕円比決定部１９及び駆動周波数決定部２０の詳細な機能について、図２を参照して説明する。
【００５４】
図２は、第１の実施の形態に係る楕円比決定部１９及び駆動周波数決定部２０の機能を説明するための説明図である。
【００５５】
図２中のグラフにおいて、横軸が操作量ｅであり、縦軸がそれぞれ位相差θ、駆動周波数ｆｒを表わしている。操作量決定部２２から出力された操作量ｅを楕円比決定部１９の入力値とする。そして、この入力値により、楕円比決定部１９が不図示のメモリに記憶された値を読み出して楕円比を決定し、この楕円比に応じて駆動周波数決定部２０が駆動周波数ｆｒを演算する。
【００５６】
楕円比決定部１９によって決定される出力値は、圧電素子５に印加する交流電圧Ｖ１とＶ２の位相差θである。図２に示すように、楕円比決定部１９における振幅比、即ち位相差θは、上限の閾値として９０度に設定されており、被駆動体の駆動方向が逆であれば下限の閾値として−９０度に設定されている。
【００５７】
振動型アクチュエータ１５の突起部６に生じる楕円運動は、位相差が上限の閾値、或いは下限の閾値に近いほど、被駆動体の移動方向における振幅が大きくなり、被駆動体の移動速度が速くなる。
【００５８】
本実施形態では、操作量決定部２２より入力された操作量ｅに応じてメモリから読み出した値が、図２に示すように、位相差θの上限の閾値或いは下限の閾値に達しない場合には、駆動周波数ｆｒを周波数上限値とし、前記読み出した値で位相差θを設定する。逆に、操作量決定部２２より入力された操作量ｅに応じてメモリから読み出した値が、図２に示すように、位相差θの上限の閾値或いは下限の閾値に達している場合には、位相差θを上限の閾値或いは下限の閾値とし、不足分を周波数指令値として出力する。
【００５９】
なお、ここで周波数上限値とは、振動型アクチュエータの駆動に用いる周波数帯域のうち、最も高周波となる値、或いはその近傍の値に設定される。また、事前に駆動周波数ｆｒをこの周波数上限値に設定した状態で、位相差を９０度から−９０度の間に設定したときの計測結果から、楕円比決定部１９が設定すべき値を求めて、不図示のメモリに記憶させておく。
【００６０】
このように、位相差制御を行う場合には、駆動周波数を、アクチュエータの駆動に用いる周波数帯域の最も高い周波数に固定する。言い換えれば、周波数制御を行うときに設定される駆動周波数は、位相差制御を行うときに設定される駆動周波数よりも、必ず低い周波数に設定される。これにより、位相差制御によって第２の振動モードでの振動子の共振周波数が高周波側にシフトした場合であっても、急減速現象を防止することができる。
【００６１】
＜第１の実施の形態に係る制御動作＞
次に、第１の実施の形態に係る制御動作について、図３を参照して説明する。
【００６２】
図３は、第１の実施の形態に係る、振動型アクチュエータ１５の位置制御を行う際のＣＰＵ上の制御動作を示すフローチャートである。
【００６３】
外部信号またはＣＰＵ内部で振動型アクチュエータ１５を起動する命令が下されると、まずはＳＴＥＰ１において制御開始関数が呼び出される。関数は割り込み処理により呼び出されてもよい、またループ関数内に構成されてもよい。
【００６４】
次のＳＴＥＰ２においては、位置指令生成部１７から振動型アクチュエータの被駆動体の目標位置を読み込み、比較部１８がこの目標位置と位置検出部１６から出力された被駆動体の現状の位置を比較し、その差分を操作量決定部２２に出力する。操作量決定部２２は、比較部１８の出力値に基づいて制御演算を行い、操作量ｅを出力する。
【００６５】
続くＳＴＥＰ３においては、ＳＴＥＰ２で生成された操作量ｅに対して、楕円比決定部１９が不図示のメモリから読み出した値が９０度或いは−９０度に達しているか否かを判断し、達している場合にはＳＴＥＰ５に進む。逆に、楕円比決定部１９が読み出した位相差の値が９０度或いは−９０度に達しない、即ち閾値未満である場合にはＳＴＥＰ４に進む。
【００６６】
ＳＴＥＰ４においては、駆動周波数決定部２０が駆動周波数を図２に示す周波数上限値に固定し、楕円比決定部１９が操作量ｅに応じた位相差を読み出して設定する。
【００６７】
ＳＴＥＰ５においては、楕円比決定部１９が被駆動体の移動方向に応じて、位相差θを上限の閾値と下限の閾値のいずれかに固定する。そして、楕円比決定部１９が位相差θを図２に示す位相差上限値に固定し、駆動周波数決定部２０が操作量ｅに応じた駆動周波数ｆｒを読み出して設定する。駆動周波数決定部２０は、操作量ｅが位相差上限の閾値以上である場合には、式（３）のように操作量ｅと位相差上限との差に比例定数ａを乗じた値を前記周波数上限値から減じた値に駆動周波数ｆｒを変更する。比例定数ａは位相差変更に対する速度変化量を周波数変更に対する速度変化量相当に変換するための定数である。
【００６８】
駆動周波数［Ｈｚ］＝周波数上限値［Ｈｚ］−ａ・（位相差上限値［°］−操作量［°］）…（３）
その後のＳＴＥＰ６においては、駆動信号生成部２１が、楕円比決定部１９と駆動周波数決定部２０で設定された位相差θと駆動周波数ｆｒに基づいて、交流電圧から成る２相の周波数信号を生成する。
【００６９】
そして、ＳＴＥＰ７において、制御を終了する。ここで割り込み処理で制御開始関数の呼び出しを行った場合は次の割り込み処理を待つ。またループ関数内に配置された制御開始関数の場合はＳＴＥＰ１が呼び出される。
【００７０】
＜第１の実施の形態に係る利点＞
以上のように、本実施形態では、制御装置は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子５を備えた振動型アクチュエータ１５に対して駆動信号を与え、この駆動信号の位相差θを変更して、振動型アクチュエータ１５を駆動制御する。その際、駆動信号の位相差θを変更するときには、変更しないときに比較して、駆動信号の周波数（駆動周波数ｆｒ）を高い周波数に固定する。これにより、位相差制御の最中に、位相差制御によって振動子の共振周波数が駆動周波数ｆｒよりも高周波側にシフトすることを抑制することができる。
【００７１】
［第２の実施の形態］
上述した第１の実施形態では、周波数制御と位相差制御を組み合わせて振動型アクチュエータを駆動する構成を例にあげて説明を行った。第２の実施形態では、周波数制御と電圧制御を組み合わせて振動型アクチュエータを駆動する構成について説明を行う。
【００７２】
＜第２の実施の形態に係る構成＞
本実施形態の制御装置の構成は、第１の実施形態と同様に図１で表わすことができる。また、振動型アクチュエータの構成は、図１５に示した構造において弾性体４の裏面に接合された圧電素子５の分極構成が図２１に示すものとなっている。
【００７３】
そして、本実施の形態における、振動型アクチュエータに対する駆動制御は、圧電素子５に印加する交流電圧Ｖ１，Ｖ２の電圧比を制御することで、突起部６に励起する楕円運動の楕円比を変化させるものである。
【００７４】
前述したように、図２１に示す電極Ａ２に交流電圧Ｖ２を印加すると、図１７（ａ）に示す第１の振動モードとなる。また、電極Ａ１に交流電圧Ｖ１を印加すると、図１７（ｂ）に示す第２の振動モードとなる。上記第１の振動モードと第２の振動モードの２つのモードを組み合わせることにより、突起部６に図１８に示すように楕円運動を励起することができる。
【００７５】
図４は、圧電素子５に印加する交流電圧Ｖ１，Ｖ２の波形図である。図２１に示す電極Ａ１に、図４に示すデューティー比の交流電圧Ｖ１を入力することにより、上記楕円運動の振幅比を調整することができる。
【００７６】
＜楕円比決定部１９の機能＞
次に、本実施の形態に係る楕円比決定部１９の機能について説明する。
【００７７】
図５は、第２の実施形態の楕円比決定部１９の機能を説明するための説明図である。
【００７８】
本実施形態は、楕円比決定部１９の構成が第１の実施形態とは異なる。以下、この点について詳細に説明する。
【００７９】
図５のグラフにおいて、横軸が操作量決定部２２にて演算された操作量ｅであり、縦軸が上から順に、位相差θ、デューティー比ｅｋｖ、駆動周波数ｆｒを表わしている。操作量決定部２２から出力された操作量ｅを楕円比決定部１９の入力値とする。そして、その入力値により、楕円比決定部１９が不図示のメモリに記憶された値を読み出して楕円比を決定し、この楕円比に応じて駆動周波数決定部２０が駆動周波数ｆｒを演算する。
【００８０】
楕円比決定部１９において決定される出力値は、圧電素子５に印加する交流電圧Ｖ１とＶ２の位相差θと、交流電圧Ｖ１、Ｖ２のデューティー比ｅｋｖである。図５中に記載された、楕円比決定部１９における駆動方向決定値とは、入力値の正負の符号に基づく任意の値であり、２つの電極Ａ１，Ａ２に印加する電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差θである。即ち、被駆動体を移動させる方向に応じて、電圧Ｖ１とＶ２の位相差θは、９０度及び−９０度のいずれかが選択される。
【００８１】
図５に示すように、楕円比決定部１９における振幅比、即ちデューティー比ｅｋｖは、上限の閾値として５０％に設定されている。デューティー比が上限の閾値に近いほど、振動型アクチュエータの突起部６に生じる楕円運動は、被駆動体の移動方向における振幅が大きくなり、被駆動体の移動速度が速くなる。
【００８２】
本実施形態では、操作量決定部２２から入力された操作量ｅに応じて不図示のメモリから読み出した値が、図５におけるデューティー比ｅｋｖの上限の閾値に達しない場合には、駆動周波数ｆｒを周波数上限値とし、読み出したデューティー比を設定する。逆に、操作量決定部２２から入力された操作量ｅに応じてメモリから読み出した値が、図５におけるデューティー比の上限の閾値に達している場合には、位相差を上限の閾値である５０％に固定し、不足分を周波数指令値として出力する。
【００８３】
このように、電圧制御を行う場合には、駆動周波数ｆｒを、アクチュエータの駆動に用いる周波数帯域の最も高い周波数に固定する。言い換えれば、周波数制御を行うときに設定される駆動周波数ｆｒは、電圧制御を行うときに設定される駆動周波数よりも、必ず低い周波数に設定される。これにより、電圧制御によって第２の振動モードでの振動子の共振周波数が高周波側にシフトした場合であっても、急減速現象を防止することができる。
【００８４】
＜第２の実施の形態に係る制御動作＞
次に、第２の実施の形態に係る制御動作について、図６を参照して説明する。
【００８５】
図６は、第２の実施の形態に係る、振動型アクチュエータ１５の位置制御を行う際のＣＰＵ上の制御動作を示すフローチャートである。
【００８６】
本フローにおけるＳＴＥＰ１１及びＳＴＥＰ１２の各処理は、前述した図３のフローにおけるＳＴＥＰ１及びＳＴＥＰ２の各処理とそれぞれ同じである。
【００８７】
次のＳＴＥＰ１３において、ＳＴＥＰ１２で生成された操作量ｅに対して、楕円比決定部１９が不図示のメモリから読み出したデューティー比ｅｋｖの値が上限の閾値に達していると判別された場合にはＳＴＥＰ１５に進む。逆に、楕円比決定部１９が読み出したデューティー比ｅｋｖの値が上限の閾値に達しない、即ち閾値未満である場合にはＳＴＥＰ１４に進む。
【００８８】
ＳＴＥＰ１４において、駆動周波数決定部２０が駆動周波数ｆｒを図５に示す周波数上限値に固定し、楕円比決定部１９が被駆動体の移動方向に応じた位相差θを設定するとともに、操作量ｅに応じたデューティー比ｅｋｖを読み出して設定する。
【００８９】
ＳＴＥＰ１５において、楕円比決定部１９が被駆動体の移動方向に応じた位相差θを設定し、且つデューティー比ｅｋｖを上限の閾値に固定する。楕円比決定部１９がデューティー比を図５に示すデューティー比の上限値に固定し、駆動周波数決定部２０が操作量ｅに応じた駆動周波数ｆｒを読み出して設定する。
【００９０】
駆動周波数決定部２０は、操作量ｅがデューティー比上限の閾値以上である場合には、式（４）のように、操作量ｅとデューティー比上限の差に比例定数ａを乗じた値を前記周波数上限値から減じた値に駆動周波数ｆｒを変更する。
【００９１】
ここで、比例定数ａは、デューティー比ｅｋｖの変更に対する速度変化量を周波数変更に対する速度変化量相当に変換するための定数である。
【００９２】
駆動周波数［Ｈｚ］＝周波数上限値［Ｈｚ］−ａ・（デューティー比上限値［°］−操作量［°］）…（４）
その後のＳＴＥＰ１６においては、駆動信号生成部２１が、楕円比決定部１９と駆動周波数決定部２０において設定された位相差θ、デューティー比ｅｋｖ及び駆動周波数ｆｒに基づいて、交流電圧からなる２相の周波数信号を生成する。
【００９３】
そして、ＳＴＥＰ１７において、制御を終了する。ここで割り込み処理で制御開始関数の呼び出しを行った場合は次の割り込み処理を待つ。またループ関数内に配置された制御開始関数の場合はＳＴＥＰ１１が呼び出される。
【００９４】
＜第２の実施の形態に係る利点＞
以上のように、本実施形態では、制御装置は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子５を備えた振動型アクチュエータ１５に対して駆動信号を与え、この駆動信号の電圧を変更して、振動型アクチュエータ１５を駆動制御する。その際、駆動信号の電圧を変更するときには、変更しないときに比較して、駆動信号の周波数（駆動周波数ｆｒ）を高い周波数に固定する。これにより、電圧制御の最中に、電圧制御によって振動子の共振周波数が駆動周波数ｆｒよりも高周波側にシフトすることを抑制することができる。
【００９５】
［第３の実施形態］
上述した第１の実施形態では、周波数制御と位相差制御を組み合わせて振動型アクチュエータを駆動する構成を例にあげて説明を行った。
【００９６】
第３の実施形態では、周波数制御と位相差制御に加え、振動型アクチュエータの個体差のばらつきと、環境温度の変化による特性変動を考慮して、振動型アクチュエータを駆動する構成について説明を行う。
【００９７】
＜第３の実施形態における制御装置の構成＞
図７は、本発明の第３の実施形態に係る振動型アクチュエータの制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の振動型アクチュエータの制御装置は、図１に示す構成に対して、パラメータ設定部２３を追加したものであり、パラメータ設定部２３以外の構成は図１に示すものと同様である。
【００９８】
このパラメータ設定部２３には、位置検出部１６から出力された被駆動体の現在位置と、操作量決定部２２から出力された操作量ｅが入力される。そしてパラメータ設定部２３は周波数上限値を駆動周波数決定部２０に出力し、駆動周波数決定部２０はこの周波数上限値を、位相差制御を行う際の周波数上限値として設定する。
【００９９】
＜パラメータ設定部２３の機能＞
次に、本実施の形態に係るパラメータ設定部２３の機能について説明する。
図１０は、第３の実施形態のパラメータ設定部２３の機能を説明するための説明図である。
【０１００】
図１０において、パラメータ設定部２３は内部メモリ２４、微分部２５、および、比較部２６を備えている。内部メモリ２４は、操作量決定部２２から出力された操作量ｅに応じて複数用意された参照速度を予め記憶している。この参照速度は、操作量ｅを与えたときの実際の振動型アクチュエータの駆動速度を実験的に求めたものでも良いし、操作量ｅを与えたときの振動型アクチュエータの駆動速度の理想値を求めたものでも良い。
【０１０１】
微分部２５は位置検出部１６から出力された被駆動体の現在位置を微分することで、被駆動体の実際の駆動速度を演算する。
【０１０２】
比較部２６は、内部メモリ２４から出力される参照速度と、微分部２５から出力された被駆動体の実際の駆動速度を比較し、この比較結果から求めた周波数上限値を駆動周波数決定部２０に出力する。
【０１０３】
ここで、図８は、２相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差θを９０度、デューティー比ｅｋｖを５０％に設定したときの、振動型アクチュエータの圧電素子の環境温度と振動子の共振周波数の関係を示すグラフである。図８から、圧電素子の環境温度が高いほど、振動子の共振周波数が低くなることがわかる。これは、図２３に示すように、２相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差θを１０度に設定した場合であっても、圧電素子の環境温度が６０℃のときは、環境温度が２５℃のときに比較して振動子の共振周波数が低くなる。
【０１０４】
別の例を説明する。図９は、２相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差を９０度、デューティー比を５０％に設定したときの、３個の振動子（個体１、個体２および個体３）の共振周波数の関係を示すグラフである。図９から、製造誤差などに起因して、個々の振動子の共振周波数にはばらつきが生じることがわかる。例えば、図９に示す振動子の個体１の共振周波数は、個体３、個体２よりも低くなってしまっている。これは、図２３に示すように、２相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差θを１０度に設定した場合であっても、個体１は、個体３および個体２に比較して共振周波数が低くなる。
【０１０５】
このように圧電素子の環境温度の変化や、振動子の個体差に起因して、振動子の共振周波数が高周波側に推移してしまっている場合には、急減速現象を防止するためにも、周波数上限値を高周波側にシフトさせる必要が生じる。
【０１０６】
しかしながら、不用意に周波数上限値を高周波側にシフトさせてしまうと、駆動周波数ｆｒが周波数上限値の近傍にあるときにおいて、駆動周波数の変化量に対する振動型アクチュエータの駆動力の変化量が小さくなってしまう。そのため、ダイナミックレンジに優れるという周波数制御の特性を活かすことができなくなる。
【０１０７】
そこで、比較部２６が、操作量ｅに応じて読み出された被駆動体の参照速度と、被駆動体の実際の駆動速度を比較し、パラメータ設定部２３が、その差分に応じて位相差制御を行う際の駆動周波数決定部２０の周波数上限値を設定している。
【０１０８】
すなわち、実際の駆動速度が参照速度よりも遅ければ、図８および図９からわかるように、共振周波数が低周波数側にずれていると推定できるため、その差分に応じて周波数上限値を低く設定する。反対に実際の駆動速度が参照速度よりも早いのであれば、その差分に応じて周波数上限値を高く設定する。
【０１０９】
なお、パラメータ設定部２３は、内部メモリ２４に代えて、図１１に示すように近似部２７を備える構成としてもよい。近似部２７は、操作量決定部２２から出力された操作量ｅを予め記憶した近似式に適用することにより、参照速度を演算するものである。
【０１１０】
あるいは、パラメータ設定部２３は、内部メモリ２４に代えて、図１２に示すように制御モデル部２８を備える構成としてもよい。制御モデル部２８は、予め周波数応答、または、ステップ応答により測定された被駆動体の駆動速度を伝達関数、または、状態方程式で示したものである。この制御モデル部２８は、操作量決定部２２から出力された操作量ｅを予め記憶した伝達関数、または、状態方程式に適用することにより、参照速度（推定速度）を演算するものである。
【０１１１】
本実施形態では、上述したパラメータ設定部２３、楕円比決定部１９、駆動周波数決定部２０、及び駆動信号生成部２１はＣＰＵ上でソフトウェアとして実現しており、駆動信号生成部２１は関数発生器で構成される。ここで関数発生器はカウンタ主体で構成されるロジック回路から構成されている。操作量決定部２２はＰＩ制御器またはＰＩＤ制御器で構成される。
【０１１２】
なお、被駆動体の駆動速度が安定しない振動型アクチュエータの起動直後には、パラメータ設定部２３による周波数上限値の設定変更を行わない構成としてもよい。参照速度と実際の駆動速度の差分が変動する駆動初期時に、比較部２６の比較結果に応じて周波数上限値を設定すると、周波数上限値が不安定になってしまうためである。
【０１１３】
＜第３の実施の形態に係る利点＞
以上のように、本実施形態では、制御装置は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子５を備えた振動型アクチュエータ１５に対して駆動信号を与え、この駆動信号の電圧を変更して、振動型アクチュエータ１５を駆動制御する。その際、駆動信号の位相差θを変更するときには、操作量ｅに応じて読み出された被駆動体の参照速度と被駆動体の実際の駆動速度との比較結果に応じて設定された周波数上限値に駆動周波数ｆｒが固定される。
【０１１４】
これにより、振動子の個体差や、圧電素子の環境温度の変化による特性変動によって生じる共振周波数のばらつきを補償することができる。
【０１１５】
なお、本実施形態では、周波数制御と位相差制御を組みわせて振動型アクチュエータを駆動する構成を例にあげて説明を行った。しかしながらこれに限定されるものではなく、第２の実施形態で示すように、周波数制御と電圧制御を組み合わせて振動型アクチュエータを駆動する構成に本実施形態の構成を適用することも可能である。
【０１１６】
［変形例］
本発明は、上記第１ないし第３の実施の形態に限定されず種々の変形が可能である。例えばその変形例としては次のようなものがある。
【０１１７】
（１）図５において操作量ｅに応じてメモリから位相差θ、デューティー比ｅｋｖ及び駆動周波数ｆｒを読み出す方法を示したが、ＣＰＵを用いて演算を行った場合にも同様の結果が得られる。また、ＣＰＵの代わりにロジック回路やＤＳＰ等を用いても同様な効果が得られるのはいうまでもない。
【０１１８】
（２）上述した第１、第２および第３の実施形態では、被駆動体をリニア駆動する振動型アクチュエータを例にあげて説明を行ったが、振動型アクチュエータの形態はこれに限定されるものではない。例えば図１３に示すようなものも適用可能である。
【０１１９】
図１３は、本発明の実施の形態に適用する振動型アクチュエータ（振動波駆動装置）の変形例を示す構造図である。
【０１２０】
この振動型アクチュエータは、円柱状の弾性体と、その軸方向に振動変位する圧電素子３０と、円周方向に回転変位する圧電素子２９とを有している。電気−機械エネルギー変換素子として機能する圧電素子２９、３０に交流電圧を印加することにより、弾性体にねじり共振振動と、軸方向共振振動（縦振動）を同時に発生させ、円柱状の弾性体の上端面（摩擦面）に楕円運動を生じさせるものがある。
【０１２１】
即ち、図１３に示すように、圧電素子２９は周方向に分極されており、交流電圧を印加することにより、周方向にねじり振動を励起する。圧電素子３０は円柱状の弾性体の厚み方向（軸方向）に分極処理されており、交流電圧を印加することにより軸方向に縦振動を励起する。２相の交流電圧を印加することにより、円柱状の弾性体の摩擦面に楕円運動が励起されるようになっている。
【０１２２】
この摩擦面と不図示の被駆動体は加圧接触されており、摩擦面と被駆動体はクラッチ的役割をしており、２相の圧電素子に交流電圧を印加することにより、摩擦面と被駆動体を相対的に駆動することができる。
【０１２３】
この構成では、摩擦面に加圧接触させることにより、被駆動体を楕円運動によって駆動することができるようになっている。
【０１２４】
軸方向の振動を第１の振動モード、ねじり方向の振動を第２の振動モードとすると２つの振動モードの組み合わせで摩擦面に楕円運動を励起でき、第１と第２の振動モードでの振動振幅の相対比率を変更することにより楕円比を決定できる。
【０１２５】
このように、ねじり振動と軸方向の振動を組み合わせることでロータを回転させる形式の振動型アクチュエータも存在する。このような振動型アクチュエータにおいても、ねじり方向の振動を励起するための交流電圧のデューティー比を変更する場合に、圧電素子に印加する交流電圧の駆動周波数（円柱状の弾性体の振動周波数）を上述した周波数上限値に固定すればよい。この場合も、電圧制御によってねじり振動の共振周波数が高周波側にシフトした場合であっても、急減速現象を防止することができる。
【０１２６】
（３）図１４（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に適用する振動型アクチュエータの他の変形例を示す構造図である。
【０１２７】
図１４（ａ），（ｂ）に示すように、この振動型アクチュエータは、円環状の弾性体３２の所定周方向位置に複数の突起部３１が設けられ、円環状の弾性体３２の円周方向に進行波を励起する。弾性体３２の裏面に配置された２群の電気−機械エネルギー変換素子として機能する圧電素子３３に交流電圧を印加することにより、突起部３１に楕円運動を生じさせるものである。
【０１２８】
図１４（ａ）では、説明を容易にするため、円環状の弾性体３２を直線状に展開したものを図示している。
【０１２９】
弾性体３２に接合した２群の圧電素子３３に２相の交流電圧を印加することにより、弾性体３２に形成された突起部３１に楕円運動が励起されるようになっている。突起部３１と被駆動体３４は加圧接触されており、２群の圧電素子３３に交流電圧を印加することにより、弾性体３２と被駆動体３４を相対的に駆動することができる。
【０１３０】
そして、この構成では、２群の圧電素子３３に印加する交流電圧の位相差を変更することにより、突起部３１に励起する楕円運動の楕円比を操作することができる。楕円比を操作するために一方の定在波に対する他方の定在波の位相を変更する場合に、圧電素子３３に印加する交流電圧の駆動周波数を上述した周波数上限値に固定すればよい。この場合も、位相差制御によって一方の定在波の共振周波数が高周波側にシフトした場合であっても、急減速現象を防止することができる。
【０１３１】
なお、本発明の目的は、以下の処理を実行することによっても達成される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す処理である。
【０１３２】
この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施の形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード及び該プログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
【０１３３】
また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、次のものを用いることができる。例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等である。または、プログラムコードをネットワークを介してダウンロードしてもよい。
【０１３４】
また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施の形態の機能が実現される場合も本発明に含まれる。加えて、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。
【０１３５】
更に、前述した実施形態の機能が以下の処理によって実現される場合も本発明に含まれる。即ち、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。その後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行う場合である。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】第１の実施形態に係る振動型アクチュエータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態に係る楕円比決定部及び駆動周波数決定部の機能を説明するための説明図である。
【図３】第１の実施の形態に係る制御動作を示すフローチャートである。
【図４】圧電素子に印加する交流電圧の波形図である。
【図５】第２の実施形態における楕円比決定部の機能を説明するための説明図である。
【図６】第２の実施の形態に係る制御動作を示すフローチャートである。
【図７】第３の実施形態に係る振動型アクチュエータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】２相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差を９０度、デューティー比を５０％に設定したときの、振動型アクチュエータの振動子の駆動周波数と駆動速度との関係を２つの環境温度のそれぞれについて示すグラフである。
【図９】相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差を９０度、デューティー比を５０％に設定したときの、３つの圧電素子の各々について駆動周波数と駆動速度との関係を示すグラフである。
【図１０】第３の実施形態のパラメータ設定部２３の機能を説明するための説明図である。
【図１１】第３の実施形態のパラメータ設定部２３の機能を説明するための別の説明図である。
【図１２】第３の実施形態のパラメータ設定部２３の機能を説明するための別の説明図である。
【図１３】実施の形態に適用する振動型アクチュエータの変形例を示す斜視図である。
【図１４】実施の形態に適用する振動型アクチュエータの他の変形例を示す構造図である。
【図１５】従来の振動型アクチュエータの基本的な構成を示す一例を示す外観斜視図である。
【図１６】図１５に示した振動型アクチュエータにおける圧電素子の分極領域の一例を示す模式図である。
【図１７】弾性体の振動モードを示す斜視図である。
【図１８】弾性体の突起部に励起する楕円運動を説明するための説明図である。
【図１９】第１の振動モード及び第２の振動モードでの振動の振幅を説明するためのグラフである。
【図２０】振動型アクチュエータの周波数と速度の関係を示すグラフである。
【図２１】図１５の振動型アクチュエータにおける圧電素子の分極領域の別の一例を示す模式図である。
【図２２】弾性体の突起部に励起する楕円運動を説明するための説明図である。
【図２３】圧電素子に印加する２相の電圧の位相差と駆動周波数と駆動速度との関係を示すグラフである。
【図２４】圧電素子に印加する交流電圧のデューティー比と駆動周波数と駆動速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１３７】
４ 弾性体
５ 圧電素子
６ 突起部
７ 被駆動体
１５ 振動型アクチュエータ
１６ 位置検出部
１７ 位置指令生成部
１８、２６ 比較部
１９ 楕円比決定部
２０ 駆動周波数決定部
２１ 駆動信号生成部
２２ 操作量決定部
２３ パラメータ設定部
２４ 内部メモリ
２５ 微分部
２７ 近似部
２８ 制御モデル部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型アクチュエータ等の振動波駆動装置の制御装置、及び、制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、所定の質点に楕円運動を生じさせ、被駆動体を駆動するタイプの振動型アクチュエータに関する様々な提案（例えば、特許文献１など）がなされており、例えば図１５に示すような構成が知られている。
【０００３】
図１５は、従来の振動型アクチュエータの基本的な構成を示す一例を示す外観斜視図である。
【０００４】
図１５に示すように、この振動型アクチュエータの振動子は、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体４を備え、弾性体４の裏面には圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子）５が接合されている。弾性体４の上面の所定位置には、複数の突起部６が設けられている。
【０００５】
この構成によれば、圧電素子５に交流電圧を印加することにより、弾性体４の長辺方向における２次の屈曲振動と、弾性体４の短辺方向における１次の屈曲振動とが同時に発生し、突起部６に楕円運動が励起される。そして、突起部６に被駆動体７を加圧接触させることにより、被駆動体７を突起部６の楕円運動によって直線的に駆動することができるようになっている。つまり、突起部６がこの振動子の駆動部として作用する。
【０００６】
図１６は、図１５に示した振動型アクチュエータにおける圧電素子５の分極領域の一例を示す模式図である。また、図１７（ａ），（ｂ）は、弾性体４の振動モードを示す斜視図であり、図１８は、弾性体４の突起部６に励起する楕円運動を説明するための説明図である。
【０００７】
上記圧電素子５は、図１６に示すように、分極処理されて２つの電極Ａ１、Ａ２を備えている。上記２つの電極Ａ１、Ａ２に同相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することにより、上記矩形の弾性体４において長辺方向と平行な方向に延びた２本の節を有する１次の屈曲振動を励振する。これが図１７（ａ）に示す第１の振動モードとなる。
【０００８】
また、２つの電極Ａ１、Ａ２に逆相の交流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することにより、矩形の弾性体４の短辺方向と平行な方向に延びた３本の節を有する２次の屈曲振動を励振する。これが図１７（ｂ）に示す第２の振動モードとなる。
【０００９】
そして、上記第１の振動モードと第２の振動モードの組み合わせにより突起部６に楕円運動を励振し、このとき、突起部６に被駆動体を加圧接触させると、被駆動体を直線的に駆動することができるようになっている。
【００１０】
ここで、図１７（ａ）に示す第１の振動モードによって、突起部６には、被駆動体７との加圧接触する接触面と垂直な方向に振動の振幅（以下、Ｚ軸振幅という）が変化する振動が励起される。また、図１７（ｂ）に示す第２の振動モードによって、突起部６には、被駆動体の駆動方向と平行な方向に振動の振幅（以下、Ｘ軸振幅という）が変化する振動が励起される。
【００１１】
上記第１の振動モードと第２の振動モードの２つの振動モードを組み合わせることにより、突起部６に図１８に示すように楕円運動が励起することができ、Ｚ軸振幅とＸ軸振幅の大きさの比が、楕円運動の楕円比を表す。
【００１２】
図１９は、２相の電圧Ｖ１，Ｖ２の位相差を−１８０度〜１８０度で変化させたときの第１の振動モード及び第２の振動モードにおける突起部６の振動の振幅の変化を説明するためのグラフである。
【００１３】
分極された圧電素子５における２つの電極Ａ１、Ａ２に印加する２相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差を−１８０度〜１８０度に変化させたときの、第１の振動モードと第２の振動モードでの突起部６の振動の振幅の変化は、それぞれ図１９の曲線Ｐ１とＰ２に示すようになる。同図の横軸が位相差を示し、縦軸が第１の振動モードと第２の振動モードでの振動の振幅を示している。
【００１４】
第１の振動モードと第２の振動モードの組み合わせにより突起部６に楕円運動が励起し、印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差を変更することにより、突起部６の励起する楕円運動の楕円比を調整することができる。図１９の下部に、横軸の位相差に応じた楕円形状を示す。
【００１５】
そして、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差をその正負の符号を切り替えるように変化させることにより、被駆動体７を直線的に駆動する振動型アクチュエータによる被駆動体７の駆動方向を切り替えることができる。さらに、位相差を任意の値から正負の符号を含めて連続的に切り替える（例えば、位相差を正負の符号を含めて９０度から−９０度まで連続的に変更する）ことにより、駆動方向と速度を連続的に変化させることが可能になる。
【００１６】
また、圧電素子に印加する交流電圧の周波数を振動子の共振周波数に近づけることにより、駆動速度を速くすることができ、印加する交流電圧の周波数を振動子の共振周波数から遠ざけることにより、駆動速度を遅くすることができることが一般的に知られている。
【００１７】
例えば、上記の図１５に示した振動型アクチュエータの基本的構成において、駆動周波数と駆動速度の関係は、図２０に示すような関係になる。即ち、振動子の共振周波数を駆動速度のピークとし、共振周波数よりも高周波側ではなだらかに駆動速度が減少し、且つ低周波側では急激に駆動速度が減少するようなアクチュエータ特性となる。
【００１８】
このように、図１６に示すように分極処理された圧電素子５を備えた振動型アクチュエータは、圧電素子５に印加する２つの交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数を変化させることによって速度制御を行う（周波数制御）ことが可能である。また、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相を変化させることによって速度制御を行う（位相差制御）ことが可能である。
【００１９】
次に、図１５に示した振動型アクチュエータの圧電素子５の分極領域の別の一例について説明する。
【００２０】
図２１は、図１５の振動型アクチュエータにおける圧電素子５の分極領域の別の一例を示す模式図である。
【００２１】
本例の圧電素子５は、図２１に示すように、分極処理されて電極Ａ１、Ａ２を備え、さらに電極Ａ１は、「＋（プラス）」に分極処理された圧電領域と、「−（マイナス）」に分極処理された圧電領域を備えている。
【００２２】
図２１に示す圧電領域に配置された電極Ａ２に交流電圧Ｖ２を印加すると、１次の屈曲振動を励振する。これが図１７（ａ）に示す第１の振動モードとなる。また、図２１に示す圧電領域に配置された電極Ａ１に交流電圧Ｖ１を印加すると、２次の屈曲振動を励振する。これが図１７（ｂ）に示す第２の振動モードとなる。
【００２３】
ここで、交流電圧Ｖ１とＶ２を位相の９０°ずれた同一周波数とすることにより、突起部６に楕円運動が発生する。よって、突起部６に被駆動体７を加圧接触させることにより、被駆動体７を直線的に駆動することができるようになっている。
【００２４】
そして、電極Ａ２に印加する交流電圧Ｖ２の電圧振幅を調整することにより、図１７（ａ）に示すＺ軸振幅の大小を調整することができ、電極Ａ１に印加する交流電圧Ｖ１の振幅を調整することにより、図１７（ｂ）に示すＸ軸振幅の大小を調整することができる。なお、デジタル回路またはロジック回路を用いて、電極Ａ１、Ａ２に印加する交流電圧Ｖ１とＶ２のデューティー比を調整することにより、Ｘ軸振幅、Ｚ軸振幅の大小を調整することも可能である。
【００２５】
また、図１８に示すように、突起部６に励起する楕円運動のＸ軸振幅を大きくすることにより、被駆動体の移動速度を速くすることができ、Ｘ軸振幅を小さくすることにより、被駆動体の移動速度を遅くすることができる。このように、電極Ａ１に印加する電圧Ｖ１の振幅を可変にすることにより、図２２（ａ），（ｂ）に示すように、楕円運動のＸ軸振幅を可変させて速度制御を行うことができる。
【００２６】
このように、図２１に示すように分極処理された圧電素子５を備えた振動型アクチュエータは、圧電素子５に印加する２つの交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数或いは電圧振幅の大小を変化させることによって速度制御を行う（周波数制御または電圧制御）ことが可能である。
【００２７】
したがって、上述した周波数制御、位相差制御、及び電圧制御を組み合わせて振動型アクチュエータの位置制御を行うことができる。
【００２８】
従来、振動型アクチュエータの駆動において、位置制御における位置決め精度とダイナミックレンジを両立するために、周波数制御と位相差制御、或いは、周波数制御と電圧制御を組み合わせることが提案されている。周波数制御は、位置決め精度は高くないがダイナミックレンジに優れており、位相差制御及び電圧制御は、ダイナミックレンジは広くないが位置決め精度に優れている。そのため、周波数制御で素早くおおまかな位置制御を行ってから、位相差制御、或いは、電圧制御に切り替えて精度の高い位置決めを行うという提案である。
【特許文献１】特開平１０−２１０７７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
しかしながら、本願出願人は、楕円運動の被駆動体の進行方向における振幅が小さくなることにより、共振周波数が大きくなるということを見出した。これは、振動子の弾性体の剛性が非線形性を持ち、振幅変位に基づいて剛性が変化し、振動子の共振周波数が変更するためである。つまり、駆動周波数を変更せずとも、駆動信号の位相差や電圧を変更することによって、駆動周波数が共振周波数より低周波側となってしまい、急激に駆動速度が減少する現象（以下、急減速現象と記す）が生じてしまう。即ち、位置決め精度の高い位相差制御や電圧制御であっても不感帯が生じてしまうということである。
【００３０】
図２３は、圧電素子に印加する２相の電圧の位相差と駆動周波数と駆動速度との関係（すなわち、位相差と振動子の共振周波数との関係）を示すグラフである。例えば、図２３に示すように、図１６に示す圧電素子５の電極Ａ１に印加する電圧Ｖ１と電極Ａ２に印加する電圧Ｖ２の位相差が９０度から遠ざかるほど、第２の振動モードでの振動の振幅が小さくなり、第２の振動モードでの振動子の共振周波数が高くなる。位相差を９０度に設定した状態で、駆動周波数を位相差６０度のときの共振周波数に設定した場合、このときの駆動周波数は位相差９０度のときの共振周波数よりも高周波側にあるので急減速現象は生じない。ところが、駆動周波数を位相差６０度のときの共振周波数に固定したまま、位相差を６０度よりも小さくシフトさせると、駆動周波数が、６０度未満の位相差での共振周波数より低周波側になって、突然急減速現象が発生することになる。
【００３１】
別の例を説明する。図２４は、圧電素子に印加する交流電圧のデューティー比と振動子の共振周波数の関係を示すグラフである。図２４に示すように、図２１に示す圧電素子５の電極Ａ１に印加する電圧Ｖ１の振幅（デューティー比）を小さくするほど、第２の振動モードでの振動の振幅（駆動速度）が小さくなり、第２の振動モードでの振動子の共振周波数が高くなる。デューティー比を５０％に設定した状態で、駆動周波数をデューティー比３０％での共振周波数に設定した場合、このときの駆動周波数はデューティー比５０％での共振周波数よりも高周波側にあるので急減速現象は生じない。ところが、駆動周波数をデューティー比５０％のときの共振周波数に固定したまま、デューティー比を３０％よりも小さくシフトさせると、３０％未満のデューティー比での共振周波数が、固定した駆動周波数より高周波側にシフトして、急減速現象が発生することになる。
【００３２】
このように、位置精度の高い位相差制御或いは電圧制御を行っている最中であっても、固定した駆動周波数よりも共振周波数が高周波側にシフトし、駆動速度が急減する急減速現象が発生し、振動波駆動装置による制御に不感帯が生ずる可能性があった。
【００３３】
本発明は上記従来の問題点に鑑み、次のような振動波駆動装置の制御装置及び振動波駆動装置の制御方法、並びにプログラムを提供することを目的とする。即ち、被駆動体を移動させる振動波駆動装置に対して位相差制御或いは電圧制御を行っている最中に、固定した駆動周波数よりも共振周波数が高周波側にシフトする現象を抑制することを実現する。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は上記目的を達成するため、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御装置において、前記振動子の操作量を決定する操作量決定手段と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定手段と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の位相差を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定手段とを有し、前記周波数決定手段は、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする。
【００３５】
また、本発明は、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御装置において、前記振動子の操作量を決定する操作量決定手段と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定手段と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の電圧を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定手段とを有し、前記周波数決定手段は、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする。
【００３６】
また、本発明は、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御方法であって、前記振動子の操作量を決定する操作量決定工程と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定工程と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の位相差を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定工程とを有し、前記周波数決定工程は、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の位相差を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の位相差を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする。
【００３７】
また、本発明は、電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御方法であって、前記振動子の操作量を決定する操作量決定工程と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定工程と、前記操作量に基づいて前記駆動信号の電圧を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定工程とを有し、前記周波数決定工程は、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の電圧を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の電圧を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、被駆動体を移動させる振動波駆動装置に対して位相差制御或いは電圧制御を行っている最中に、固定した駆動周波数よりも共振周波数が高周波側にシフトする現象を抑制することができる。これにより、被駆動体に対する高精度な駆動制御が可能であり、しかも幅広いダイナミックレンジを保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態では、周波数制御と位相差制御を組み合わせて、振動型アクチュエータ（振動波駆動装置）を制御する制御装置について説明する。
【００４１】
＜第１の実施の形態における制御装置の構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動型アクチュエータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【００４２】
この制御装置は、被駆動体の停止位置の目標値を生成する位置指令生成部１７を有し、その出力側には、比較部１８を介して操作量決定部２２が接続されている。比較部１８は、位置指令生成部１７から出力された目標値と、位置検出部１６から出力された被駆動体の現在位置とを比較する。操作量決定部２２は、比較部１８の比較結果から、振動型アクチュエータ１５の残りの操作量ｅを演算する。位置検出部１６は、振動型アクチュエータ１５の被駆動体の位置を検出するものであり、例えば、リニアスケールやエンコーダにて構成される。振動型アクチュエータ１５は、前述の図１５に示した構成の振動型アクチュエータであり、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体４の裏面に圧電素子５が接合され、弾性体４の表面に駆動部としての複数の突起部６が設けられた振動子を備えている。
【００４３】
また、操作量決定部２２の出力側には、楕円比決定部１９と駆動周波数決定部２０が接続され、さらに、楕円比決定部１９及び駆動周波数決定部２０の出力側が駆動信号生成部２１に接続されている。駆動信号生成部２１は、楕円比決定部１９と駆動周波数決定部２０の出力を受けて、実際に振動型アクチュエータ１５の圧電素子５に印加する交流電圧を生成する。楕円比決定部１９は、操作量決定部２２の出力から、振動型アクチュエータ１５の突起部６に生成する楕円運動のＸ軸振幅とＺ軸振幅の比率を決定する。駆動周波数決定部２０は操作量決定部２２の出力から、振動型アクチュエータ１５に印加する交流電圧の駆動周波数を決定する。そして、駆動信号生成部２１は、楕円比決定部１９と駆動周波数決定部２０の出力を受けて、実際に振動型アクチュエータ１５の圧電素子５に印加する交流電圧を生成する。
【００４４】
本実施形態では、上述した楕円比決定部１９、駆動周波数決定部２０、及び駆動信号生成部２１はＣＰＵ上でソフトウェアとして実現しており、駆動信号生成部２１は関数発生器で構成される。ここで関数発生器はカウンタ主体で構成されるロジック回路から構成されている。操作量決定部２２はＰＩ制御器またはＰＩＤ制御器で構成される。
【００４５】
また、駆動周波数決定部２０の出力は、駆動信号生成部２１のロジック回路により、駆動周波数の基準となる第１の周期信号を生成する。さらにロジック回路は、楕円比決定部１９の出力に従って、第１の周期信号に対して位相差を持たせて、第１の周期信号と同一周波数の第２の周期信号を生成する。
【００４６】
駆動信号生成部２１により生成された第１、第２の周期信号は電力増幅器により増幅され、駆動信号として振動型アクチュエータ１５の圧電素子５に入力される。また前記第１と第２の周期信号を増幅するための電力増幅器はスイッチング素子または昇圧回路により構成されてもよい。
【００４７】
本実施形態においては、振動型アクチュエータ１５における弾性体４の裏面に接合された圧電素子５（図１６参照）に印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差を制御することで、突起部６に生成する楕円運動の楕円比を変化させる。
【００４８】
即ち、図１６に示すように２つの電極Ａ１、Ａ２が分極配置された圧電素子５を有する振動型アクチュエータ１５において、第１と第２の振動モードの組み合わせで突起部６に楕円運動を生じさせて被駆動体の駆動を行う場合、次のようになる。
【００４９】
２つの電極Ａ１、Ａ２に印加する２相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２の振幅と周波数を同一とし、且つ互いの位相差を１８０度とした場合、ある瞬間では電極Ａ１の圧電領域が伸びるとともに、電極Ａ２の圧電領域が縮むため、第２の振動モードが励起されることになる。
【００５０】
逆に、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の互いの位相差を０度とした場合、ある瞬間において電極Ａ１と電極Ａ２の圧電領域が同時に伸縮するため、第１の振動モードが励起されることになる。
【００５１】
そして、交流電圧Ｖ１とＶ２の位相差を０度、１８０度、或いは−１８０度のいずれか以外とすることにより、第１の振動モードと第２の振動モードが同時に起こる。このときの、第１の振動モードでの振動子の突起部６の振動の振幅（Ａ）と、第２の振動モードでの振動子の突起部６の振動の振幅（Ｂ）と、それぞれ電極Ａ１、Ａ２に印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差との関係が次式で示される。
【００５２】
Ａ＝｜２×ｃｏｓ（（π−θ）／２）｜ ・・・（１）
Ｂ＝｜２×ｃｏｓ（θ／２）｜ ・・・（２）
図１９に、上記の式（１），（２）の位相差を−１８０度〜１８０度に変化させたときの、第１の振動モード（Ｐ１）と第２の振動モード（Ｐ２）での振動の振幅を示す。前述したように、図１９の下部に、横軸の位相差に応じた楕円形状を示す。このように、印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差θを変更することにより、突起部６の励起する楕円運動の楕円比を調整することができる。
【００５３】
＜楕円比決定部１９及び駆動周波数決定部２０の機能＞
次に、楕円比決定部１９及び駆動周波数決定部２０の詳細な機能について、図２を参照して説明する。
【００５４】
図２は、第１の実施の形態に係る楕円比決定部１９及び駆動周波数決定部２０の機能を説明するための説明図である。
【００５５】
図２中のグラフにおいて、横軸が操作量ｅであり、縦軸がそれぞれ位相差θ、駆動周波数ｆｒを表わしている。操作量決定部２２から出力された操作量ｅを楕円比決定部１９の入力値とする。そして、この入力値により、楕円比決定部１９が不図示のメモリに記憶された値を読み出して楕円比を決定し、この楕円比に応じて駆動周波数決定部２０が駆動周波数ｆｒを演算する。
【００５６】
楕円比決定部１９によって決定される出力値は、圧電素子５に印加する交流電圧Ｖ１とＶ２の位相差θである。図２に示すように、楕円比決定部１９における振幅比、即ち位相差θは、上限の閾値として９０度に設定されており、被駆動体の駆動方向が逆であれば下限の閾値として−９０度に設定されている。
【００５７】
振動型アクチュエータ１５の突起部６に生じる楕円運動は、位相差が上限の閾値、或いは下限の閾値に近いほど、被駆動体の移動方向における振幅が大きくなり、被駆動体の移動速度が速くなる。
【００５８】
本実施形態では、操作量決定部２２より入力された操作量ｅに応じてメモリから読み出した値が、図２に示すように、位相差θの上限の閾値或いは下限の閾値に達しない場合には、駆動周波数ｆｒを周波数上限値とし、前記読み出した値で位相差θを設定する。逆に、操作量決定部２２より入力された操作量ｅに応じてメモリから読み出した値が、図２に示すように、位相差θの上限の閾値或いは下限の閾値に達している場合には、位相差θを上限の閾値或いは下限の閾値とし、不足分を周波数指令値として出力する。
【００５９】
なお、ここで周波数上限値とは、振動型アクチュエータの駆動に用いる周波数帯域のうち、最も高周波となる値、或いはその近傍の値に設定される。また、事前に駆動周波数ｆｒをこの周波数上限値に設定した状態で、位相差を９０度から−９０度の間に設定したときの計測結果から、楕円比決定部１９が設定すべき値を求めて、不図示のメモリに記憶させておく。
【００６０】
このように、位相差制御を行う場合には、駆動周波数を、アクチュエータの駆動に用いる周波数帯域の最も高い周波数に固定する。言い換えれば、周波数制御を行うときに設定される駆動周波数は、位相差制御を行うときに設定される駆動周波数よりも、必ず低い周波数に設定される。これにより、位相差制御によって第２の振動モードでの振動子の共振周波数が高周波側にシフトした場合であっても、急減速現象を防止することができる。
【００６１】
＜第１の実施の形態に係る制御動作＞
次に、第１の実施の形態に係る制御動作について、図３を参照して説明する。
【００６２】
図３は、第１の実施の形態に係る、振動型アクチュエータ１５の位置制御を行う際のＣＰＵ上の制御動作を示すフローチャートである。
【００６３】
外部信号またはＣＰＵ内部で振動型アクチュエータ１５を起動する命令が下されると、まずはＳＴＥＰ１において制御開始関数が呼び出される。関数は割り込み処理により呼び出されてもよい、またループ関数内に構成されてもよい。
【００６４】
次のＳＴＥＰ２においては、位置指令生成部１７から振動型アクチュエータの被駆動体の目標位置を読み込み、比較部１８がこの目標位置と位置検出部１６から出力された被駆動体の現状の位置を比較し、その差分を操作量決定部２２に出力する。操作量決定部２２は、比較部１８の出力値に基づいて制御演算を行い、操作量ｅを出力する。
【００６５】
続くＳＴＥＰ３においては、ＳＴＥＰ２で生成された操作量ｅに対して、楕円比決定部１９が不図示のメモリから読み出した値が９０度或いは−９０度に達しているか否かを判断し、達している場合にはＳＴＥＰ５に進む。逆に、楕円比決定部１９が読み出した位相差の値が９０度或いは−９０度に達しない、即ち閾値未満である場合にはＳＴＥＰ４に進む。
【００６６】
ＳＴＥＰ４においては、駆動周波数決定部２０が駆動周波数を図２に示す周波数上限値に固定し、楕円比決定部１９が操作量ｅに応じた位相差を読み出して設定する。
【００６７】
ＳＴＥＰ５においては、楕円比決定部１９が被駆動体の移動方向に応じて、位相差θを上限の閾値と下限の閾値のいずれかに固定する。そして、楕円比決定部１９が位相差θを図２に示す位相差上限値に固定し、駆動周波数決定部２０が操作量ｅに応じた駆動周波数ｆｒを読み出して設定する。駆動周波数決定部２０は、操作量ｅが位相差上限の閾値以上である場合には、式（３）のように操作量ｅと位相差上限との差に比例定数ａを乗じた値を前記周波数上限値から減じた値に駆動周波数ｆｒを変更する。比例定数ａは位相差変更に対する速度変化量を周波数変更に対する速度変化量相当に変換するための定数である。
【００６８】
駆動周波数［Ｈｚ］＝周波数上限値［Ｈｚ］−ａ・（位相差上限値［°］−操作量［°］）…（３）
その後のＳＴＥＰ６においては、駆動信号生成部２１が、楕円比決定部１９と駆動周波数決定部２０で設定された位相差θと駆動周波数ｆｒに基づいて、交流電圧から成る２相の周波数信号を生成する。
【００６９】
そして、ＳＴＥＰ７において、制御を終了する。ここで割り込み処理で制御開始関数の呼び出しを行った場合は次の割り込み処理を待つ。またループ関数内に配置された制御開始関数の場合はＳＴＥＰ１が呼び出される。
【００７０】
＜第１の実施の形態に係る利点＞
以上のように、本実施形態では、制御装置は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子５を備えた振動型アクチュエータ１５に対して駆動信号を与え、この駆動信号の位相差θを変更して、振動型アクチュエータ１５を駆動制御する。その際、駆動信号の位相差θを変更するときには、変更しないときに比較して、駆動信号の周波数（駆動周波数ｆｒ）を高い周波数に固定する。これにより、位相差制御の最中に、位相差制御によって振動子の共振周波数が駆動周波数ｆｒよりも高周波側にシフトすることを抑制することができる。
【００７１】
［第２の実施の形態］
上述した第１の実施形態では、周波数制御と位相差制御を組み合わせて振動型アクチュエータを駆動する構成を例にあげて説明を行った。第２の実施形態では、周波数制御と電圧制御を組み合わせて振動型アクチュエータを駆動する構成について説明を行う。
【００７２】
＜第２の実施の形態に係る構成＞
本実施形態の制御装置の構成は、第１の実施形態と同様に図１で表わすことができる。また、振動型アクチュエータの構成は、図１５に示した構造において弾性体４の裏面に接合された圧電素子５の分極構成が図２１に示すものとなっている。
【００７３】
そして、本実施の形態における、振動型アクチュエータに対する駆動制御は、圧電素子５に印加する交流電圧Ｖ１，Ｖ２の電圧比を制御することで、突起部６に励起する楕円運動の楕円比を変化させるものである。
【００７４】
前述したように、図２１に示す電極Ａ２に交流電圧Ｖ２を印加すると、図１７（ａ）に示す第１の振動モードとなる。また、電極Ａ１に交流電圧Ｖ１を印加すると、図１７（ｂ）に示す第２の振動モードとなる。上記第１の振動モードと第２の振動モードの２つのモードを組み合わせることにより、突起部６に図１８に示すように楕円運動を励起することができる。
【００７５】
図４は、圧電素子５に印加する交流電圧Ｖ１，Ｖ２の波形図である。図２１に示す電極Ａ１に、図４に示すデューティー比の交流電圧Ｖ１を入力することにより、上記楕円運動の振幅比を調整することができる。
【００７６】
＜楕円比決定部１９の機能＞
次に、本実施の形態に係る楕円比決定部１９の機能について説明する。
【００７７】
図５は、第２の実施形態の楕円比決定部１９の機能を説明するための説明図である。
【００７８】
本実施形態は、楕円比決定部１９の構成が第１の実施形態とは異なる。以下、この点について詳細に説明する。
【００７９】
図５のグラフにおいて、横軸が操作量決定部２２にて演算された操作量ｅであり、縦軸が上から順に、位相差θ、デューティー比ｅｋｖ、駆動周波数ｆｒを表わしている。操作量決定部２２から出力された操作量ｅを楕円比決定部１９の入力値とする。そして、その入力値により、楕円比決定部１９が不図示のメモリに記憶された値を読み出して楕円比を決定し、この楕円比に応じて駆動周波数決定部２０が駆動周波数ｆｒを演算する。
【００８０】
楕円比決定部１９において決定される出力値は、圧電素子５に印加する交流電圧Ｖ１とＶ２の位相差θと、交流電圧Ｖ１、Ｖ２のデューティー比ｅｋｖである。図５中に記載された、楕円比決定部１９における駆動方向決定値とは、入力値の正負の符号に基づく任意の値であり、２つの電極Ａ１，Ａ２に印加する電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差θである。即ち、被駆動体を移動させる方向に応じて、電圧Ｖ１とＶ２の位相差θは、９０度及び−９０度のいずれかが選択される。
【００８１】
図５に示すように、楕円比決定部１９における振幅比、即ちデューティー比ｅｋｖは、上限の閾値として５０％に設定されている。デューティー比が上限の閾値に近いほど、振動型アクチュエータの突起部６に生じる楕円運動は、被駆動体の移動方向における振幅が大きくなり、被駆動体の移動速度が速くなる。
【００８２】
本実施形態では、操作量決定部２２から入力された操作量ｅに応じて不図示のメモリから読み出した値が、図５におけるデューティー比ｅｋｖの上限の閾値に達しない場合には、駆動周波数ｆｒを周波数上限値とし、読み出したデューティー比を設定する。逆に、操作量決定部２２から入力された操作量ｅに応じてメモリから読み出した値が、図５におけるデューティー比の上限の閾値に達している場合には、位相差を上限の閾値である５０％に固定し、不足分を周波数指令値として出力する。
【００８３】
このように、電圧制御を行う場合には、駆動周波数ｆｒを、アクチュエータの駆動に用いる周波数帯域の最も高い周波数に固定する。言い換えれば、周波数制御を行うときに設定される駆動周波数ｆｒは、電圧制御を行うときに設定される駆動周波数よりも、必ず低い周波数に設定される。これにより、電圧制御によって第２の振動モードでの振動子の共振周波数が高周波側にシフトした場合であっても、急減速現象を防止することができる。
【００８４】
＜第２の実施の形態に係る制御動作＞
次に、第２の実施の形態に係る制御動作について、図６を参照して説明する。
【００８５】
図６は、第２の実施の形態に係る、振動型アクチュエータ１５の位置制御を行う際のＣＰＵ上の制御動作を示すフローチャートである。
【００８６】
本フローにおけるＳＴＥＰ１１及びＳＴＥＰ１２の各処理は、前述した図３のフローにおけるＳＴＥＰ１及びＳＴＥＰ２の各処理とそれぞれ同じである。
【００８７】
次のＳＴＥＰ１３において、ＳＴＥＰ１２で生成された操作量ｅに対して、楕円比決定部１９が不図示のメモリから読み出したデューティー比ｅｋｖの値が上限の閾値に達していると判別された場合にはＳＴＥＰ１５に進む。逆に、楕円比決定部１９が読み出したデューティー比ｅｋｖの値が上限の閾値に達しない、即ち閾値未満である場合にはＳＴＥＰ１４に進む。
【００８８】
ＳＴＥＰ１４において、駆動周波数決定部２０が駆動周波数ｆｒを図５に示す周波数上限値に固定し、楕円比決定部１９が被駆動体の移動方向に応じた位相差θを設定するとともに、操作量ｅに応じたデューティー比ｅｋｖを読み出して設定する。
【００８９】
ＳＴＥＰ１５において、楕円比決定部１９が被駆動体の移動方向に応じた位相差θを設定し、且つデューティー比ｅｋｖを上限の閾値に固定する。楕円比決定部１９がデューティー比を図５に示すデューティー比の上限値に固定し、駆動周波数決定部２０が操作量ｅに応じた駆動周波数ｆｒを読み出して設定する。
【００９０】
駆動周波数決定部２０は、操作量ｅがデューティー比上限の閾値以上である場合には、式（４）のように、操作量ｅとデューティー比上限の差に比例定数ａを乗じた値を前記周波数上限値から減じた値に駆動周波数ｆｒを変更する。
【００９１】
ここで、比例定数ａは、デューティー比ｅｋｖの変更に対する速度変化量を周波数変更に対する速度変化量相当に変換するための定数である。
【００９２】
駆動周波数［Ｈｚ］＝周波数上限値［Ｈｚ］−ａ・（デューティー比上限値［°］−操作量［°］）…（４）
その後のＳＴＥＰ１６においては、駆動信号生成部２１が、楕円比決定部１９と駆動周波数決定部２０において設定された位相差θ、デューティー比ｅｋｖ及び駆動周波数ｆｒに基づいて、交流電圧からなる２相の周波数信号を生成する。
【００９３】
そして、ＳＴＥＰ１７において、制御を終了する。ここで割り込み処理で制御開始関数の呼び出しを行った場合は次の割り込み処理を待つ。またループ関数内に配置された制御開始関数の場合はＳＴＥＰ１１が呼び出される。
【００９４】
＜第２の実施の形態に係る利点＞
以上のように、本実施形態では、制御装置は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子５を備えた振動型アクチュエータ１５に対して駆動信号を与え、この駆動信号の電圧を変更して、振動型アクチュエータ１５を駆動制御する。その際、駆動信号の電圧を変更するときには、変更しないときに比較して、駆動信号の周波数（駆動周波数ｆｒ）を高い周波数に固定する。これにより、電圧制御の最中に、電圧制御によって振動子の共振周波数が駆動周波数ｆｒよりも高周波側にシフトすることを抑制することができる。
【００９５】
［第３の実施形態］
上述した第１の実施形態では、周波数制御と位相差制御を組み合わせて振動型アクチュエータを駆動する構成を例にあげて説明を行った。
【００９６】
第３の実施形態では、周波数制御と位相差制御に加え、振動型アクチュエータの個体差のばらつきと、環境温度の変化による特性変動を考慮して、振動型アクチュエータを駆動する構成について説明を行う。
【００９７】
＜第３の実施形態における制御装置の構成＞
図７は、本発明の第３の実施形態に係る振動型アクチュエータの制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の振動型アクチュエータの制御装置は、図１に示す構成に対して、パラメータ設定部２３を追加したものであり、パラメータ設定部２３以外の構成は図１に示すものと同様である。
【００９８】
このパラメータ設定部２３には、位置検出部１６から出力された被駆動体の現在位置と、操作量決定部２２から出力された操作量ｅが入力される。そしてパラメータ設定部２３は周波数上限値を駆動周波数決定部２０に出力し、駆動周波数決定部２０はこの周波数上限値を、位相差制御を行う際の周波数上限値として設定する。
【００９９】
＜パラメータ設定部２３の機能＞
次に、本実施の形態に係るパラメータ設定部２３の機能について説明する。
図１０は、第３の実施形態のパラメータ設定部２３の機能を説明するための説明図である。
【０１００】
図１０において、パラメータ設定部２３は内部メモリ２４、微分部２５、および、比較部２６を備えている。内部メモリ２４は、操作量決定部２２から出力された操作量ｅに応じて複数用意された参照速度を予め記憶している。この参照速度は、操作量ｅを与えたときの実際の振動型アクチュエータの駆動速度を実験的に求めたものでも良いし、操作量ｅを与えたときの振動型アクチュエータの駆動速度の理想値を求めたものでも良い。
【０１０１】
微分部２５は位置検出部１６から出力された被駆動体の現在位置を微分することで、被駆動体の実際の駆動速度を演算する。
【０１０２】
比較部２６は、内部メモリ２４から出力される参照速度と、微分部２５から出力された被駆動体の実際の駆動速度を比較し、この比較結果から求めた周波数上限値を駆動周波数決定部２０に出力する。
【０１０３】
ここで、図８は、２相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差θを９０度、デューティー比ｅｋｖを５０％に設定したときの、振動型アクチュエータの圧電素子の環境温度と振動子の共振周波数の関係を示すグラフである。図８から、圧電素子の環境温度が高いほど、振動子の共振周波数が低くなることがわかる。これは、図２３に示すように、２相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差θを１０度に設定した場合であっても、圧電素子の環境温度が６０℃のときは、環境温度が２５℃のときに比較して振動子の共振周波数が低くなる。
【０１０４】
別の例を説明する。図９は、２相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差を９０度、デューティー比を５０％に設定したときの、３個の振動子（個体１、個体２および個体３）の共振周波数の関係を示すグラフである。図９から、製造誤差などに起因して、個々の振動子の共振周波数にはばらつきが生じることがわかる。例えば、図９に示す振動子の個体１の共振周波数は、個体３、個体２よりも低くなってしまっている。これは、図２３に示すように、２相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差θを１０度に設定した場合であっても、個体１は、個体３および個体２に比較して共振周波数が低くなる。
【０１０５】
このように圧電素子の環境温度の変化や、振動子の個体差に起因して、振動子の共振周波数が高周波側に推移してしまっている場合には、急減速現象を防止するためにも、周波数上限値を高周波側にシフトさせる必要が生じる。
【０１０６】
しかしながら、不用意に周波数上限値を高周波側にシフトさせてしまうと、駆動周波数ｆｒが周波数上限値の近傍にあるときにおいて、駆動周波数の変化量に対する振動型アクチュエータの駆動力の変化量が小さくなってしまう。そのため、ダイナミックレンジに優れるという周波数制御の特性を活かすことができなくなる。
【０１０７】
そこで、比較部２６が、操作量ｅに応じて読み出された被駆動体の参照速度と、被駆動体の実際の駆動速度を比較し、パラメータ設定部２３が、その差分に応じて位相差制御を行う際の駆動周波数決定部２０の周波数上限値を設定している。
【０１０８】
すなわち、実際の駆動速度が参照速度よりも遅ければ、図８および図９からわかるように、共振周波数が低周波数側にずれていると推定できるため、その差分に応じて周波数上限値を低く設定する。反対に実際の駆動速度が参照速度よりも早いのであれば、その差分に応じて周波数上限値を高く設定する。
【０１０９】
なお、パラメータ設定部２３は、内部メモリ２４に代えて、図１１に示すように近似部２７を備える構成としてもよい。近似部２７は、操作量決定部２２から出力された操作量ｅを予め記憶した近似式に適用することにより、参照速度を演算するものである。
【０１１０】
あるいは、パラメータ設定部２３は、内部メモリ２４に代えて、図１２に示すように制御モデル部２８を備える構成としてもよい。制御モデル部２８は、予め周波数応答、または、ステップ応答により測定された被駆動体の駆動速度を伝達関数、または、状態方程式で示したものである。この制御モデル部２８は、操作量決定部２２から出力された操作量ｅを予め記憶した伝達関数、または、状態方程式に適用することにより、参照速度（推定速度）を演算するものである。
【０１１１】
本実施形態では、上述したパラメータ設定部２３、楕円比決定部１９、駆動周波数決定部２０、及び駆動信号生成部２１はＣＰＵ上でソフトウェアとして実現しており、駆動信号生成部２１は関数発生器で構成される。ここで関数発生器はカウンタ主体で構成されるロジック回路から構成されている。操作量決定部２２はＰＩ制御器またはＰＩＤ制御器で構成される。
【０１１２】
なお、被駆動体の駆動速度が安定しない振動型アクチュエータの起動直後には、パラメータ設定部２３による周波数上限値の設定変更を行わない構成としてもよい。参照速度と実際の駆動速度の差分が変動する駆動初期時に、比較部２６の比較結果に応じて周波数上限値を設定すると、周波数上限値が不安定になってしまうためである。
【０１１３】
＜第３の実施の形態に係る利点＞
以上のように、本実施形態では、制御装置は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子５を備えた振動型アクチュエータ１５に対して駆動信号を与え、この駆動信号の電圧を変更して、振動型アクチュエータ１５を駆動制御する。その際、駆動信号の位相差θを変更するときには、操作量ｅに応じて読み出された被駆動体の参照速度と被駆動体の実際の駆動速度との比較結果に応じて設定された周波数上限値に駆動周波数ｆｒが固定される。
【０１１４】
これにより、振動子の個体差や、圧電素子の環境温度の変化による特性変動によって生じる共振周波数のばらつきを補償することができる。
【０１１５】
なお、本実施形態では、周波数制御と位相差制御を組みわせて振動型アクチュエータを駆動する構成を例にあげて説明を行った。しかしながらこれに限定されるものではなく、第２の実施形態で示すように、周波数制御と電圧制御を組み合わせて振動型アクチュエータを駆動する構成に本実施形態の構成を適用することも可能である。
【０１１６】
［変形例］
本発明は、上記第１ないし第３の実施の形態に限定されず種々の変形が可能である。例えばその変形例としては次のようなものがある。
【０１１７】
（１）図５において操作量ｅに応じてメモリから位相差θ、デューティー比ｅｋｖ及び駆動周波数ｆｒを読み出す方法を示したが、ＣＰＵを用いて演算を行った場合にも同様の結果が得られる。また、ＣＰＵの代わりにロジック回路やＤＳＰ等を用いても同様な効果が得られるのはいうまでもない。
【０１１８】
（２）上述した第１、第２および第３の実施形態では、被駆動体をリニア駆動する振動型アクチュエータを例にあげて説明を行ったが、振動型アクチュエータの形態はこれに限定されるものではない。例えば図１３に示すようなものも適用可能である。
【０１１９】
図１３は、本発明の実施の形態に適用する振動型アクチュエータ（振動波駆動装置）の変形例を示す構造図である。
【０１２０】
この振動型アクチュエータは、円柱状の弾性体と、その軸方向に振動変位する圧電素子３０と、円周方向に回転変位する圧電素子２９とを有している。電気−機械エネルギー変換素子として機能する圧電素子２９、３０に交流電圧を印加することにより、弾性体にねじり共振振動と、軸方向共振振動（縦振動）を同時に発生させ、円柱状の弾性体の上端面（摩擦面）に楕円運動を生じさせるものがある。
【０１２１】
即ち、図１３に示すように、圧電素子２９は周方向に分極されており、交流電圧を印加することにより、周方向にねじり振動を励起する。圧電素子３０は円柱状の弾性体の厚み方向（軸方向）に分極処理されており、交流電圧を印加することにより軸方向に縦振動を励起する。２相の交流電圧を印加することにより、円柱状の弾性体の摩擦面に楕円運動が励起されるようになっている。
【０１２２】
この摩擦面と不図示の被駆動体は加圧接触されており、摩擦面と被駆動体はクラッチ的役割をしており、２相の圧電素子に交流電圧を印加することにより、摩擦面と被駆動体を相対的に駆動することができる。
【０１２３】
この構成では、摩擦面に加圧接触させることにより、被駆動体を楕円運動によって駆動することができるようになっている。
【０１２４】
軸方向の振動を第１の振動モード、ねじり方向の振動を第２の振動モードとすると２つの振動モードの組み合わせで摩擦面に楕円運動を励起でき、第１と第２の振動モードでの振動振幅の相対比率を変更することにより楕円比を決定できる。
【０１２５】
このように、ねじり振動と軸方向の振動を組み合わせることでロータを回転させる形式の振動型アクチュエータも存在する。このような振動型アクチュエータにおいても、ねじり方向の振動を励起するための交流電圧のデューティー比を変更する場合に、圧電素子に印加する交流電圧の駆動周波数（円柱状の弾性体の振動周波数）を上述した周波数上限値に固定すればよい。この場合も、電圧制御によってねじり振動の共振周波数が高周波側にシフトした場合であっても、急減速現象を防止することができる。
【０１２６】
（３）図１４（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に適用する振動型アクチュエータの他の変形例を示す構造図である。
【０１２７】
図１４（ａ），（ｂ）に示すように、この振動型アクチュエータは、円環状の弾性体３２の所定周方向位置に複数の突起部３１が設けられ、円環状の弾性体３２の円周方向に進行波を励起する。弾性体３２の裏面に配置された２群の電気−機械エネルギー変換素子として機能する圧電素子３３に交流電圧を印加することにより、突起部３１に楕円運動を生じさせるものである。
【０１２８】
図１４（ａ）では、説明を容易にするため、円環状の弾性体３２を直線状に展開したものを図示している。
【０１２９】
弾性体３２に接合した２群の圧電素子３３に２相の交流電圧を印加することにより、弾性体３２に形成された突起部３１に楕円運動が励起されるようになっている。突起部３１と被駆動体３４は加圧接触されており、２群の圧電素子３３に交流電圧を印加することにより、弾性体３２と被駆動体３４を相対的に駆動することができる。
【０１３０】
そして、この構成では、２群の圧電素子３３に印加する交流電圧の位相差を変更することにより、突起部３１に励起する楕円運動の楕円比を操作することができる。楕円比を操作するために一方の定在波に対する他方の定在波の位相を変更する場合に、圧電素子３３に印加する交流電圧の駆動周波数を上述した周波数上限値に固定すればよい。この場合も、位相差制御によって一方の定在波の共振周波数が高周波側にシフトした場合であっても、急減速現象を防止することができる。
【０１３１】
なお、本発明の目的は、以下の処理を実行することによっても達成される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す処理である。
【０１３２】
この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施の形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード及び該プログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
【０１３３】
また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、次のものを用いることができる。例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等である。または、プログラムコードをネットワークを介してダウンロードしてもよい。
【０１３４】
また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施の形態の機能が実現される場合も本発明に含まれる。加えて、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。
【０１３５】
更に、前述した実施形態の機能が以下の処理によって実現される場合も本発明に含まれる。即ち、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。その後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行う場合である。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】第１の実施形態に係る振動型アクチュエータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態に係る楕円比決定部及び駆動周波数決定部の機能を説明するための説明図である。
【図３】第１の実施の形態に係る制御動作を示すフローチャートである。
【図４】圧電素子に印加する交流電圧の波形図である。
【図５】第２の実施形態における楕円比決定部の機能を説明するための説明図である。
【図６】第２の実施の形態に係る制御動作を示すフローチャートである。
【図７】第３の実施形態に係る振動型アクチュエータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】２相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差を９０度、デューティー比を５０％に設定したときの、振動型アクチュエータの振動子の駆動周波数と駆動速度との関係を２つの環境温度のそれぞれについて示すグラフである。
【図９】相の電圧Ｖ１とＶ２の位相差を９０度、デューティー比を５０％に設定したときの、３つの圧電素子の各々について駆動周波数と駆動速度との関係を示すグラフである。
【図１０】第３の実施形態のパラメータ設定部２３の機能を説明するための説明図である。
【図１１】第３の実施形態のパラメータ設定部２３の機能を説明するための別の説明図である。
【図１２】第３の実施形態のパラメータ設定部２３の機能を説明するための別の説明図である。
【図１３】実施の形態に適用する振動型アクチュエータの変形例を示す斜視図である。
【図１４】実施の形態に適用する振動型アクチュエータの他の変形例を示す構造図である。
【図１５】従来の振動型アクチュエータの基本的な構成を示す一例を示す外観斜視図である。
【図１６】図１５に示した振動型アクチュエータにおける圧電素子の分極領域の一例を示す模式図である。
【図１７】弾性体の振動モードを示す斜視図である。
【図１８】弾性体の突起部に励起する楕円運動を説明するための説明図である。
【図１９】第１の振動モード及び第２の振動モードでの振動の振幅を説明するためのグラフである。
【図２０】振動型アクチュエータの周波数と速度の関係を示すグラフである。
【図２１】図１５の振動型アクチュエータにおける圧電素子の分極領域の別の一例を示す模式図である。
【図２２】弾性体の突起部に励起する楕円運動を説明するための説明図である。
【図２３】圧電素子に印加する２相の電圧の位相差と駆動周波数と駆動速度との関係を示すグラフである。
【図２４】圧電素子に印加する交流電圧のデューティー比と駆動周波数と駆動速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１３７】
４ 弾性体
５ 圧電素子
６ 突起部
７ 被駆動体
１５ 振動型アクチュエータ
１６ 位置検出部
１７ 位置指令生成部
１８、２６ 比較部
１９ 楕円比決定部
２０ 駆動周波数決定部
２１ 駆動信号生成部
２２ 操作量決定部
２３ パラメータ設定部
２４ 内部メモリ
２５ 微分部
２７ 近似部
２８ 制御モデル部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御装置において、
前記振動子の操作量を決定する操作量決定手段と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定手段と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の位相差を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定手段とを有し、
前記周波数決定手段は、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする振動波駆動装置の制御装置。
【請求項２】
前記操作量が閾値未満である場合には、前記周波数決定手段が前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値に固定した状態で、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を変更し、
前記操作量が前記閾値以上である場合には、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を固定した状態で、前記周波数決定手段が前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数帯域で変更することを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項３】
前記楕円比決定手段は、
前記駆動信号の位相差を変更することによって、前記被駆動体の移動方向における前記楕円運動の振幅を変化させるように前記楕円運動における楕円の比率を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項４】
前記被駆動体の駆動速度を検出する検出手段と、
前記操作量に応じて前記被駆動体の参照速度を求める手段と、
前記駆動速度と、前記参照速度の比較結果に応じて、前記周波数上限値を変更する変更手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項５】
電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御装置において、
前記振動子の操作量を決定する操作量決定手段と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定手段と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の電圧を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定手段とを有し、
前記周波数決定手段は、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする振動波駆動装置の制御装置。
【請求項６】
前記操作量が閾値未満である場合には、前記周波数決定手段が前記駆動信号を前記周波数上限値に固定した状態で、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を変更し、
前記操作量が前記閾値以上である場合には、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を固定した状態で、前記周波数決定手段が前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数帯域で変更することを特徴とする請求項５に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項７】
前記楕円比決定手段は、
前記駆動信号の電圧を変更することによって、前記被駆動体の移動方向における前記楕円運動の振幅を変化させるように前記楕円運動における楕円の比率を変更することを特徴とする請求項５または６に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項８】
前記被駆動体の駆動速度を検出する検出手段と、
前記操作量に応じて前記被駆動体の参照速度を求める手段と、
前記駆動速度と、前記参照速度の比較結果に応じて、前記周波数上限値を変更する変更手段を有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項９】
電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御方法であって、
前記振動子の操作量を決定する操作量決定工程と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定工程と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の位相差を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定工程とを有し、
前記周波数決定工程は、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の位相差を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の位相差を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする振動波駆動装置の制御方法。
【請求項１０】
電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御方法であって、
前記振動子の操作量を決定する操作量決定工程と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定工程と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の電圧を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定工程とを有し、
前記周波数決定工程は、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の電圧を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の電圧を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする振動波駆動装置の制御方法。
【請求項１】
電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御装置において、
前記振動子の操作量を決定する操作量決定手段と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定手段と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の位相差を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定手段とを有し、
前記周波数決定手段は、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする振動波駆動装置の制御装置。
【請求項２】
前記操作量が閾値未満である場合には、前記周波数決定手段が前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値に固定した状態で、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を変更し、
前記操作量が前記閾値以上である場合には、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の位相差を固定した状態で、前記周波数決定手段が前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数帯域で変更することを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項３】
前記楕円比決定手段は、
前記駆動信号の位相差を変更することによって、前記被駆動体の移動方向における前記楕円運動の振幅を変化させるように前記楕円運動における楕円の比率を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項４】
前記被駆動体の駆動速度を検出する検出手段と、
前記操作量に応じて前記被駆動体の参照速度を求める手段と、
前記駆動速度と、前記参照速度の比較結果に応じて、前記周波数上限値を変更する変更手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項５】
電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御装置において、
前記振動子の操作量を決定する操作量決定手段と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定手段と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の電圧を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定手段とを有し、
前記周波数決定手段は、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする振動波駆動装置の制御装置。
【請求項６】
前記操作量が閾値未満である場合には、前記周波数決定手段が前記駆動信号を前記周波数上限値に固定した状態で、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を変更し、
前記操作量が前記閾値以上である場合には、前記楕円比決定手段が前記駆動信号の電圧を固定した状態で、前記周波数決定手段が前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数帯域で変更することを特徴とする請求項５に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項７】
前記楕円比決定手段は、
前記駆動信号の電圧を変更することによって、前記被駆動体の移動方向における前記楕円運動の振幅を変化させるように前記楕円運動における楕円の比率を変更することを特徴とする請求項５または６に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項８】
前記被駆動体の駆動速度を検出する検出手段と、
前記操作量に応じて前記被駆動体の参照速度を求める手段と、
前記駆動速度と、前記参照速度の比較結果に応じて、前記周波数上限値を変更する変更手段を有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の振動波駆動装置の制御装置。
【請求項９】
電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御方法であって、
前記振動子の操作量を決定する操作量決定工程と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定工程と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の位相差を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定工程とを有し、
前記周波数決定工程は、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の位相差を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の位相差を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする振動波駆動装置の制御方法。
【請求項１０】
電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動子に駆動信号を与えることで前記振動子の駆動部に楕円運動を生じさせ、該楕円運動によって、前記振動子の駆動部に接触する被駆動体を移動させる振動波駆動装置の制御方法であって、
前記振動子の操作量を決定する操作量決定工程と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の周波数を決定する周波数決定工程と、
前記操作量に基づいて前記駆動信号の電圧を変更することで前記楕円運動における楕円の比率を決定する楕円比決定工程とを有し、
前記周波数決定工程は、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の電圧を変更するときには、前記駆動信号の周波数を周波数上限値に設定し、前記楕円比決定工程が前記駆動信号の電圧を変更しないときには、前記駆動信号の周波数を前記周波数上限値よりも低い周波数に設定することを特徴とする振動波駆動装置の制御方法。
【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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００９−８９５８６（Ｐ２００９−８９５８６Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０６９８５（Ｐ２００８−２０６９８５）
【出願日】平成２０年８月１１日（２００８．８．１１）
【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２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１１日（２００８．８．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]