JP5606282B2 - 振動型アクチュエータの制御回路 - Google Patents
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Description
前記制御回路は、前記移動体と前記振動体との相対速度と指令速度との偏差、又は、前記移動体と前記振動体との相対位置と指令位置との偏差、に基づき、前記アクチュエータをフィードバック制御するように構成されていると共に、
繰返し補償器を備え、
前記繰り返し補償器の繰返し周期は、T/(fsの整数倍)
{T:前記回転の周期、fs:前記突起と前記移動体との接触領域分布に基づく速度偏差の空間周波数}に設定されていることを特徴とする。
図8は、繰返し補償器に用いるサンプラ701の機能を示す図である。図8(a)は、サンプラ701に入力される信号をSin波形として、2周期分の振幅の時間変化を示している。サンプラ701にはクロック信号が入力され、入力信号はクロック信号がHigh、つまりイネーブルの時にサンプリングされる。図のCLKはクロック信号を示しており、Sin波形の1周期で10クロック動作している。図8(b)は、クロック信号のタイミングで図8(a)の信号をサンプリングして出力した信号を示している。つまり、サンプラ701は入力信号を任意のサンプリング周波数でレート変換して出力する機能を有する。また、前記クロック信号のサンプリング周波数に基づき、繰返し補償器601の加算器706とフィルタ702、遅延器703、ゲイン704の演算処理が行なわれる。従って、繰返し補償器601の繰返し周期は、繰返し補償器601が動作するサンプリング周波数に基づいて決定される。
ここでNは突起301の数である。なお、設定される繰返し周期は、本発明の効果を大きく損なわない範囲で、具体的には、上記値に対して±10%の範囲内での変動を許容する。そして、上記「T/(fsの整数倍)、或いは、T/(Nの整数倍)に設定する」という表現には、その許容された変動が含まれるものとする。
本発明の制御回路を振動型アクチュエータに実際に適用した第1の実施形態を説明する。測定に用いた振動型アクチュエータ105は、弾性体202に突起301が46個設けられた進行波型のものである。
図12は、第2の実施形態に用いた負帰還型の繰返し補償器の構成を示す。第1の実施形態に用いた繰返し補償器601と異なる点は、繰返し補償器の出力を正帰還ではなく、負帰還で入力に戻していることである。図12(a)は、サンプラ701の出力信号を示し、繰返し補償器の演算に用いるサンプリング周波数でサンプリングされている。負帰還の場合、繰返し周期は正帰還の半分となり、図の説明では、5サンプリング周期で表している。図12(a)の信号は経路705を通り、フィルタ702と遅延器703によって5サンプリング周期遅延される。遅延された信号は減算器1301に反転されて入力される。図12(b)は、繰返し周期1回分遅延した信号の反転信号を示している。負帰還では、繰返し周期を半分にすることで、同じ位相の信号波形を繰返すことができる。同様に、繰返し周期を2回遅延した反転信号を図12(c)、繰返し周期を3回遅延した反転信号を図12(d)として示した。減算器1301の出力信号は、ゲイン704にて乗算処理される。図12(e)は、図12(a)の信号に図12(b)、図12(c)、図12(d)を加算した信号であり、正帰還と同様に、繰返し周期を重ねる毎に信号振幅が増大していく様子がわかる。正帰還と負帰還のどちらを用いても良いが、負帰還の場合は半周期の繰返し特性に基づいているため、繰返し周期が小さいのでレジスタ数を抑えることができる。さらには繰返し周期近傍以外の位相変化が少ないので他の制御系と併用する場合に扱いやすい特性を有している。
図13は、本発明の繰返し補償器において、CIC(Cascaded Integrator Comb)フィルタ1401を用いた構成を示す。実施形態では、前述の負帰還型の繰返し補償器とした。CICフィルタは、いわゆるノッチ特性を有するComb(櫛型)フィルタと積分器を接続したフィルタであり、FIRフィルタより乗算器を減らすことができ、より簡単な構成でローパスフィルタを構成できる。但し、低次のCICフィルタは減衰特性が緩やかなため、繰返し周期の高次成分を減衰させるように構成すると、繰返し周期の周波数におけるゲインが十分に得られないので、繰返しゲイン1402を設けてゲインを調整する。繰返しゲイン1402は、減算器1301での入出力信号の開ループ特性が繰返し周期の周波数で、ゲインが0dBより小さい範囲で出来るだけ大きなゲインになるよう調整すると、十分なゲインを得ることができる。
本発明のCICフィルタを用いた繰返し補償器を、例えば第1の実施形態で用いた振動型アクチュエータに適用することにより、低コストで、振動体の突起に起因した周期的な速度変動を低減することが可能となる。
図16は、本発明の繰返し補償器において、並列に2つの繰返し補償器を設けた構成を示す。実施形態では、前述の負帰還型でCICフィルタを用いた繰返し補償器を用いて、第1の実施形態で用いた振動型アクチュエータに適用した。負帰還型は、開ループ特性のゲインのピークが繰返し周波数の奇数次のみに生じるので、1つの繰返し補償器では速度変動の2次高調波成分は低減できない。従って、空間周波数46の2次高調波成分である、空間周波数92の成分も低減するために、異なる繰返し周期を有する2つの繰返し補償器601を用いている。サンプラ701の出力信号は、空間周波数46の速度変動を抑制する繰返し補償器1701と、空間周波数92の速度変動を抑制する繰返し補償器1702とに入力される。ここで、指令速度は232.5rpm(回転周期T=258ms)、繰返し補償器のサンプリング周波数を10.695kHzと設定した。この場合、繰返し補償器1701の繰返し周期は、先述のT/(fs×整数倍)より2.8ms(258ms/(46×2))となる。整数倍は、負帰還であるので2倍とした。従って、繰返し補償器1701のCICフィルタ1401aと遅延器703aを30サンプリング周期(=2.8ms×10.695kHz)分遅延するように構成すれば良い。そこで、2段型のCICフィルタ1401aを用いて、微分器のレジスタ901数を20個、積分器のレジスタ901数を1個として19サンプリング周期遅延させ、遅延器703aのレジスタ901数を11個設けて、繰返し補償器1701を構成した。また、繰返し補償器1702の繰返し周期は、1.4ms(258ms/(92×2))となるので、半分の15サンプリング周期分遅延するように構成すれば良い。そこで、2段型のCICフィルタ1401bを用いて、微分器のレジスタ901数を10個、積分器のレジスタ901数を1個として9サンプリング周期遅延させ、遅延器703aのレジスタ901数を6個設けて、繰返し補償器1702を構成した。繰返しゲイン1402aと1402bは、負帰還ループでの入出力信号の開ループ特性が、繰返し周期の周波数でゲイン0dBになるよう調整した。また、繰返し補償器1701と繰返し補償器1702の出力を加算し、乗算処理するゲイン704は、PID補償器102のゲインとのバランスを調整することができる。PID補償器102は、振動体の突起に起因した周期的な速度変動以外の速度変動を、全般的に低減することができる。本発明では、PID補償器102のゲインに対して1:1になるよう、ゲイン704を設定した。
本発明の振動型アクチュエータの制御回路は、弾性体に設けられた突起と溝のピッチが周内の領域で異なる振動型アクチュエータ105にも適用することが可能である。以下、これを不等ピッチ型と呼ぶ。
本発明の振動型アクチュエータの制御回路は、その他の振動型アクチュエータにも適用することが可能である。図20は、カメラレンズのオートフォーカス駆動などに用いられる、棒状の振動型アクチュエータの分解斜視図である。振動型アクチュエータは、振動体2101と、移動体2102とにより構成されている。振動体2101には、摩擦材料を兼ねた第1の弾性体2103、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子2104、圧電素子2104への給電用のフレキシブルプリント基板2105、第2の弾性体2106が設けられている。これら部材は、シャフト2107の突き当てフランジ部2107aとシャフト2107下部のネジ部2107bに嵌る下ナット2108で挟み、加圧締結されている。第1の弾性体2103は、例えばアルミナを主成分とする焼結セラミックであり、上下両面を両刀研削した後に上面の摩擦面側を仕上げポリッシュしている。移動体2102は、接触ばね2109をロータ2110に接着固定されている。これにより、移動体2102は、フランジ2111の軸受部によって回転自在に支持された出力ギア2112と加圧ばね2113によって振動体2101の摩擦面2114に加圧接触されている。
図24は、繰返し補償器の前段にリミッタを設けた場合の構成例を示す図である。繰返し補償器601の前段にリミッタ2401を設けることで、負荷変動による外部からの突発的な外乱などによる制御性への悪影響を除去することができる。これは、前記外乱に含まれる繰返し周期成分の信号まで増幅してしまい、外乱信号が無くなっても不要な制御信号として残ってしまう為である。この対策として、前記リミッタを振動体の突起に起因した周期的な速度変動の最大と最小値を含む範囲に設定すれば、リミッタを超える外乱信号の影響を除去することができる。図24(a)は、外乱としてステップ信号を入力した場合における、リミッタ2401の前段の信号波形を示したものである。横軸は時間、縦軸は速度変動である。外乱は振幅1のステップ信号を1s後に与えた。振動型アクチュエータの伝達特性によって、ステップ信号の応答信号は図のような大きな変動を伴った信号波形となって生じる。図24(b)は、リミッタ2401の後段の信号波形を示したものである。リミッタを通過することで、リミッタの上限と下限を超える範囲の大きな変動は除去される。ここで、リミッタの上限と下限は、±0.1に設定した。つまり、外乱による負荷変動と比較すれば、振動体の突起に起因した速度変動は小さく、リミッタの設定値もPID制御系の入力範囲に対してかなり小さく設定することができる。
102 PID補償器
103 駆動周波数パルス発生器
104 駆動回路
105 振動型アクチュエータ
106 被駆動体
107 速度検出器
601 繰返し補償器
2401 リミッタ
Claims (9)
- 電気−機械エネルギー変換素子を備えた振動体の前記変換素子に交番電圧を与えて前記振動体に振動波を発生させ、前記振動体の複数の突起に接触する移動体を相対的に回転させる振動型アクチュエータの制御回路であって、
前記制御回路は、前記移動体と前記振動体との相対速度と指令速度との偏差、又は、前記移動体と前記振動体との相対位置と指令位置との偏差、に基づき、前記アクチュエータをフィードバック制御するように構成されていると共に、
繰返し補償器を備え、
前記繰り返し補償器の繰返し周期は、T/(fsの整数倍)
{T:前記回転の周期、fs:前記突起と前記移動体との接触領域分布に基づく速度偏差の空間周波数}
に設定されていることを特徴とする振動型アクチュエータの制御回路。 - 前記fsは、前記複数の突起の数に等しいことを特徴とする請求項1記載の振動型アクチュエータの制御回路。
- 前記繰返し補償器は、フィルタと遅延器を備えることを特徴とする請求項1記載の振動型アクチュエータの制御回路。
- 前記繰返し補償器は、前記繰返し補償器の出力を負帰還で前記繰返し補償器の入力にフィードバックする構成であることを特徴とする請求項1記載の振動型アクチュエータの制御回路。
- 前記フィルタは、微分器と積分器とからなるCICフィルタであることを特徴とする請求項3記載の振動型アクチュエータの制御回路。
- 前記繰返し補償器の入力にフィードバックされる経路において、ゲインを乗算する乗算器が設けられ、前記乗算器のゲインは、前記繰返し補償器の開ループ特性が前記繰返し周期の周波数で0dB未満になるように設定されていることを特徴とする請求項4記載の振動型アクチュエータの制御回路。
- 前記繰返し補償器は、繰返し周期が異なる複数の繰返し補償器から構成されていることを特徴とする請求項1記載の振動型アクチュエータの制御回路。
- 前記複数の繰返し補償器は、並列に接続されていることを特徴とする請求項7記載の振動型アクチュエータの制御回路。
- 前記繰り返し補償器の前段に、リミッタを備え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回路。
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