JPH06197565A - 超音波アクチュエータの駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波アクチュエータに対する従来の速度制
御方法では、速度検出値にもとずいて該アクチュエータ
の駆動信号の周波数を決定しているが、該アクチュエー
タの速度と該駆動信号の周波数との関係は非直線的であ
るため精度のよい速度制御ができないという問題点があ
った。本発明の目的は、該問題点を解決した制御方法を
提供することである。 【構成】 本発明では、該アクチュエータの最低安定速
度に対応する駆動信号の周波数ｆ_h と該アクチュエータ
の共振状態での駆動信号の周波数ｆ_r との間では、速度
の逆数と駆動信号の周波数との関係が一次比例関係にな
ることに着目し、速度検出用エンコーダ３の出力パルス
の周期をパルス周期計測回路１２で計測し、速度の逆数
を入力変数として駆動信号の周波数を変化されるように
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波アクチュエータ
（もしくは振動波アクチュエータ）の駆動制御方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から共振を利用した超音波アクチュ
エータで相対駆動速度を制御する際には、速度検出手段
から得られる速度情報をもとに、超音波振動子の振動振
幅を変化させることにより速度制御を行っていた。超音
波振動子の振動振幅を変化させるには、 Ａ．印加交流波の周波数を変化させる Ｂ．印加交流波の振幅を変化させる Ｃ．印加交流波の周波数と振幅の両方を変化させる という３つがおもな方法である。Ａの方法で駆動するに
は、印加交流波の振幅は駆動に充分な電圧に固定する。
Ｂの方法で駆動する場合は、印加交流波の周波数は超音
波振動子の共振周波数付近になるように常に制御する必
要がある。上記の３つの方法のうちＢとＣは印加電圧の
振幅を可変にする手段や、周波数を共振状態にしておく
ために共振状態を検出する手段が必要であり、駆動回路
が大型かつ複雑になるので、大きさが限られた装置の駆
動回路としてはＡの方法が最適である。以下Ａの方法に
ついて説明する。

【０００３】図１０は超音波モータの速度制御方法を表
したブロック図である。図１０において、超音波モータ
１の出力軸と速度検出手段であるエンコーダ３の軸はカ
ップリング２により接続されている。エンコーダからは
速度に応じたパルスが出力されこれをＦ／Ｖ変換器４に
より速度に応じたアナログ電圧に変換される。これをＡ
／Ｄ変換器５によりデジタル信号に変換し演算装置であ
るＣＰＵ６に取り込む。ＣＰＵ６では超音波モータ１の
速度が一定になるように周波数を決定し、Ｄ／Ａ変換器
７に出力する。ＶＣＯ（電圧制御発振器）８はＤ／Ａ変
換器７から入力されるアナログ電圧に応じた周波数のパ
ルスを発生する。４ビットリングカウンタ９は図１２の
タイムチャートに示す動作をし、ＶＣＯ８から出力され
る周波数の１／４の周波数でデューティー２５％のパル
スを発生し、スイッチングトランジスタ１０_a 〜１０_b
をＯＮ，ＯＦＦする。トランス１１_a ，１１_b によっ
て、位相差が９０度の昇圧された交流電圧を超音波モー
タ１に印加している。

【０００４】図１１は超音波モータの印加交流波の周波
数と回転速度の関係を表したものである。図１１におい
て、ｆ_r は超音波モータの共振周波数であり、このとき
の回転速度が最大となる。共振周波数よりも周波数が小
さくなると回転速度は急激に下がるので制御する際は共
振周波数よりも高い周波数で制御する。共振周波数より
も高い周波数領域では、周波数が大きくなると回転速度
が小さくなり、周波数が小さくなると回転速度が大きく
なる。

【０００５】図１３はＣＰＵが回転速度が一定となるよ
うに印加交流波の周波数を決定する際のアルゴリズムを
示したフローチャートである。

【０００６】図１３において、ＳＴＥＰ１ではＲＯＭも
しくはＣＰＵへの入力手段からＣＰＵに目標とする速度
Ｖ_p を読み込んでいる。ＳＴＥＰ２では超音波モータの
共振周波数（ｆ_r ）よりも高い周波数ｆ_i により超音波
モータを駆動している。ｆ_iを共振周波数よりも大きい
値にしている理由は、超音波モータの速度特性が共振周
波数を境に逆の関係になっているために、このアルゴリ
ズムで制御した場合に、ｆ_i が共振周波数よりも低いと
速度が収束しなくなるからである。次にＳＴＥＰ３でエ
ンコーダの信号がＦ／Ｖ変換器によって速度信号に変換
された値をＡ／Ｄ変換器を介して現在の速度信号Ｖ_c と
してＣＰＵに読み込んでいる。ＳＴＥＰ４ではＶ_p とＶ
_c を比較して現在の速度Ｖ_c が速ければ周波数を上げ
（ＳＴＥＰ５），逆に現在の速度Ｖ_c が遅ければ周波数
を下げ（ＳＴＥＰ６），現在の速度Ｖ_c が目標速度Ｖ_p
に一致していればそのままの周波数で駆動している。Ｓ
ＴＥＰ７では停止の命令がでているかどうかにより次の
制御に進むかどうかを判断している。なお、ＳＴＥＰ６
およびＳＴＥＰ７においてのΔｆは周波数の変更量であ
る。この値が大きいと速度の立ち上がりは速くなるが、
駆動周波数が共振周波数よりも低くなりモータが動かな
くなったり、速度が収束せずに発散する恐れがある。図
１１に示すように駆動周波数と回転速度の関係がリニア
でないため従来の方法では試行錯誤的にΔｆを決定して
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例では超音波
モータの周波数−速度特性が曲線的になっており、リニ
アリティーがないので周波数の変更のみで速度制御を行
なう場合には目標速度と実際の速度の差に応じた適確な
制御が実現しにくいという問題点があった。また、速度
検出のためには、Ｆ／Ｖ変換器やＡ／Ｄ変換器といった
高価な部品を使う必要があった。

【０００８】本発明の目的は、このような従来の問題を
解決し、制御回路の小型化、ローコスト化のために周波
数のみを変更することにより速度制御を行なう場合で
も、目的速度と実際の速度の差に応じた適確な制御を行
い、超音波モータの速度の安定化や速度の立ち上がり時
間を短縮化できるような制御方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記問題点を解
決するために、該アクチュエータの弾性体（振動体）と
移動体（もしくは被駆動物体）との相対速度（回転型超
音波アクチュエータの場合はロータの回転速度）の逆数
と該駆動交流電圧の周波数との関係が共振時の周波数ｆ
_r 以上の周波数領域においては直線的な一次比例関係に
なることに着目し、検出した速度の逆数に基ずいて該駆
動交流電圧の周波数制御を行なうことによって該アクチ
ュエータの駆動制御（速度制御）を行なうようにしたこ
とを特徴とする。

【００１０】本発明の制御方法によれば、従来方法より
も安定した速度制御が可能となり、また、速度の立ち上
がり時間を短縮することができる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の制御方法を実施するための制
御装置の第１実施例を示すブロック図である。超音波モ
ータ１の出力軸と速度検出手段であるエンコーダ３の軸
はカップリング２により接続されている。エンコーダ３
から出力されるパルスの周期はパルス周期計測回路１２
によって計測される。これを演算装置であるＣＰＵ６に
取り込む。ＣＰＵ６では超音波モータ１のエンコーダパ
ルスの周期が一定に（つまり速度が一定に）なるように
周波数を決定し、Ｄ／Ａ変換器７に出力する。ＶＣＯ８
はＤ／Ａ変換器７から入力されるアナログ電圧に応じた
周波数のパルスを発生する。４ビットリングカウンタ９
は図１２のタイムチャートに示す動作をし、ＶＣＯ８か
ら出力される周波数の１／４の周波数でデューティー２
５％のパルスを発生し、スイッチングトランジスタ１０
_a 〜１０_b をＯＮ，ＯＦＦする。トランス１１_a ，１１
_b によって、位相差が９０度の昇圧された交流電圧を超
音波モータ１に印加している。

【００１２】パルス周期計測回路１２の実際の回路構成
を図２に示す。図２の回路はエンコーダ１周期当りの時
間をエンコーダパルスよりも充分高い周波数のクロック
でカウントし超音波モータの回転速度の逆数に比例する
値を計測するものである。以下にその動作を説明する。
Ｄフリップフロップ１３のクロック端子に発振器１４か
ら発生するパルスを入力する。発振器１４のパルスの周
波数は超音波モータが通常回転しているときのエンコー
ダのパルスの周波数の数百倍から数千倍となるようにす
る。Ｄフリップフロップ１３の出力／Ｑとエンコーダパ
ルスとをアンドゲート３０に入力させると、アンドゲー
ト３０の出力はエンコーダパルスが立ち上がったときに
発振器１４の１パルス分の時間だけ正となる信号にな
る。その信号をＤフリップフロップ１５のＤ端子に入力
するとＤフリップフロップ１５の出力ＱからはＤ端子に
入力した信号が発振器１４の１周期分遅れて出力され
る。１６は１２ビットのカウンタで、発振器１４の信号
をカウントする。カウンタ１６のＣＬＲ端子に正の信号
を入力するとカウンタの内容がゼロになる。カウンタ１
６の値をゼロにするタイミングはエンコーダパルスが立
ち下がってから発振器１４の１周期分の時間が経過して
からとなる。１７はカウンタの値を保持するラッチであ
り、エンコーダ信号の立ち上がりに同期して内容が更新
される。図２の回路全体の動作としては、まずエンコー
ダのパルスの立ち上がりでラッチ１７の内容を更新し、
そのあとカウンタ１６の値をクリアしている。ゆえにエ
ンコーダ１パルス当りの時間での発振器１４のパルスの
数はラッチ１７の値に１を加えた数になる。この校正は
ＣＰＵで行なう。

【００１３】図３は本実施例において図１中のＣＰＵ６
が速度制御を行なう際に周波数を決定するアルゴリズム
を示したフローチャートである。以下に図３を用いて周
波数の決定手法を説明する。

【００１４】ＳＴＥＰ１でまず目標パルス周期Ｔ_p つま
り目標速度に対応したエンコーダの１パルス周期の間に
図１の発振器１４のパルスで何回カウントできるかを入
力する。目標速度をＶ_p ，発振器１４の周波数をｆ_o ，
とすると目標パルス周期Ｔ_pは、 Ｔ_p ＝１／（Ｖ_p ×ｆ_o ） で求めることができる。つぎにＳＴＥＰ２において超音
波モータを初期周波数ｆ_i で駆動する。ＳＴＥＰ４で、
パルス周期計測回路１２から現在の超音波モータの駆動
速度の逆数に比例したパルス周期を読み込む。ＳＴＥＰ
５で現在の状態に応じた次の印加周波数を決定する。図
４は駆動周波数と超音波モータの速度の逆数の関係を表
わしたグラフである。図４においてｆ_r は共振周波数、
ｆ_h は超音波モータを駆動するときの最低速度を安定し
て実現する周波数である。よって印加する周波数はｆ_r
とｆ_h の間の周波数である。この範囲においての特性を
見ても明らかなように駆動周波数と速度の逆数の関係は
直線的（リニア）になっており、現在の速度情報から容
易に次に印加すべき周波数が決定できる。駆動周波数と
周波数の決定は次式によって行なわれる。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここでＧ_p ，Ｇ_i は比例積分制御における
比例ゲイン、積分ゲインであり、図４の特性をもとに決
定される。すなわち比例ゲインＧ_p は図４の直線の傾き
に近い値になるようにし、積分ゲインＧ_i は超音波モー
タが温度や負荷の変動により特性が変わった時に所望の
速度に追従するような値とする。ＳＴＥＰ７では停止命
令がでているかどうか判断し、制御を続けるかどうかを
決定している。

【００１７】図５は本発明の制御方法で制御されるリニ
ア駆動式超音波アクチュエータの構成の一例を示す図で
ある。同図において、２５はレール状固定子である。１
８は移動体を兼ねる弾性体（振動子）であり、レール状
固定子２５と接触している。図７のように弾性体１８の
レール状固定子２５と接している面と反対側の面には接
着剤等により圧電素子１９が固着されている。２６はリ
ニアガイドであり、弾性体１８の移動方向をレール状固
定子２５に沿った方向に規制している。圧電素子１９に
互いに位相の異なる二つの交流電圧を印加し、弾性体１
８に進行波振動を形成することにより、弾性体に固定さ
れているキャリッジ２８をレール状固定子２５に対して
超音波振動による摩擦で相対的に移動させている。２４
はリニアスケールであり、等間隔に溝が切ってあり、リ
ニアエンコーダ２７でキャリッジ２８の移動速度に応じ
た信号を得ることができる。第１の実施例は回転型のア
クチュエータであったが、図５の様なリニア方式の超音
波アクチュエータにおいても駆動信号の周波数と速度の
逆数との関係は図４の特性となるため、図３の様なアル
ゴリズムにより駆動信号の周波数を決定すると従来より
も安定した速度制御を実現することができる。

【００１８】図６は本発明の制御方法で制御される超音
波アクチュエータを具備したシート送り装置の概略構造
を示す図である。図６において、２つの超音波アクチュ
エータ１８Ａ，１８Ｂはそれぞれ図７のような形状をし
ている。

【００１９】図７の超音波アクチュエータは１対の円弧
部と直線部を有しており、回転型の超音波アクチュエー
タと同様に圧電素子１９ａ，１９ｂが接着されており弾
性体１８ａ，１８ｂ上に回転する進行波が発生する。そ
して、図６のように２つの超音波アクチュエータ１８
Ａ，１８Ｂを対向させて配置したときに片方の直線部が
接触し、残りの片方が接触しないように図７の１点鎖線
から矢印Ａ方向の半分の弾性体を少し削って薄くしてい
る。図６の１対の超音波アクチュエータ１８Ａ，１８Ｂ
には図９のようにそれぞれの進行波の凸部分が一致し、
シート２０に対して同一方向に力がかかるように（上下
の楕円運動の回転方向が逆になる）信号が印加される。
シートの移送速度情報は紙を挟持している２つのローラ
２２，２３が回転することにより検出され、ローラ２２
の軸に設けられたエンコーダ２１から発生するパルスが
周期計測回路１２に取込まれる。

【００２０】このような構成をしたシート送り装置にお
いて、超音波アクチュエータに印加する駆動信号の周波
数とシートの移送速度の逆数との関係は図４と同じ特性
を示すので、図３の様なアルゴリズムにより駆動信号の
周波数を決定すると従来よりも安定した速度制御を実現
することができる。

【００２１】図８は本発明の制御方法で制御される超音
波アクチュエータでプリンタのヘッドを駆動し、同じ制
御方法で制御される別の超音波アクチュエータで紙を送
るように構成したプリンタである。図８において、キャ
リッジ２８に取り付けられた印字ヘッド２９が図５で説
明した超音波アクチュエータにより直線的に駆動され
る。また、シート（紙）２０は図６及び図７で説明した
シート送り用の一対の超音波アクチュエータ１８Ａ，１
８Ｂ（１８Ｂは図では見えない）により移送される。

【００２２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明は超音波
アクチュエータの駆動速度の逆数と該アクチュエータに
印加する駆動信号の周波数との関係が該アクチュエータ
の最低安定速度における駆動信号の周波数ｆ_h と該アク
チュエータの共振状態における駆動信号の周波数ｆ_r と
の間において一次比例関係になることに着目し、本発明
の制御方法では、該アクチュエータの速度に対応する信
号をパルス周期計測回路で速度の逆数としてＣＰＵに取
込み、ＣＰＵでは検出した速度の逆数にもとずいて該ア
クチュエータの駆動信号の周波数を変化させるように制
御を行なうようにしたので、従来の制御方法にくらべて
正確で適切な制御を行なうことができ、超音波アクチュ
エータが共振状態を著るしく逸脱して停止してしまった
り或いは目標位置で確実に停止しなかったりする現象を
起させずに精度の高い速度制御を行なうことができる。
また、速度の逆数に対応する値の検出部分を、ディジタ
ル回路とすることにより、容易にＩＣ化が可能となり、
回路にかかるコストを下げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御方法を実施するための超音波アク
チュエータ制御系の構成を示した図。

【図２】図１の構成に含まれるパルス周期計測回路１２
の具体例を示した図。

【図３】図１に示した構成においてＣＰＵ６内で行われ
る制御動作のフローチャート。

【図４】超音波アクチュエータの駆動信号の周波数と該
アクチュエータの駆動速度の逆数との関係を示した図。

【図５】本発明の制御方法で制御されるリニア駆動式超
音波アクチュエータの構成の一例を示した図。

【図６】本発明の制御方法で制御される超音波アクチュ
エータを具備したシート送り装置の構成を示した図。

【図７】本発明の制御方法で制御される超音波アクチュ
エータの一例を示す斜視図。

【図８】本発明の制御方法で制御される超音波アクチュ
エータを装備しているプリンタの要部概略斜視図。

【図９】図６のシート送り装置において超音波アクチュ
エータによるシート送り動作を説明するための図。

【図１０】従来の超音波アクチュエータの制御系の構成
を示した図。

【図１１】超音波アクチュエータに対する駆動信号の周
波数と超音波アクチュエータの回転速度との相対関係を
示した図。

【図１２】図１及び図１０に示されたカウンタ９の入力
クロック信号及び出力信号を示したタイムチャート。

【図１３】図１０に示した従来の超音波アクチュエータ
の制御系においてＣＰＵ６内で行われる制御動作のフロ
ーチャート。

【符号の説明】

１…超音波モータ ２…カップリン
グ ３…エンコーダ ４…Ｆ／Ｖ変換
器 ５…Ａ／Ｄ変換器 ６…ＣＰＵ ７…Ｄ／Ａ変換器 ８…ＶＣＯ（電
圧制御発振器） ９…リングカウンタ １０_a 〜１０_d …スイッチングトランジスタ １１_a 〜１１_d …センタータップ式トランス １２…パルス周期計測回路 １３，１５…Ｄ
フリップフロップ １４…発振器 １６…１２ビッ
トカウンタ １７…１２ビットラッチ １８…弾性体 １８Ａ，１８Ｂ…超音波アクチュエータ １９，１９ａ，１９ｂ…圧電素子 ２０…シート ２１…エンコーダ ２２，２３…ロ
ーラ ２４…リニアスケール ２５…リニアガ
イド ２６…レール状固定子 ２７…リニアエ
ンコーダ ２８…キャリッジ ２９…印字ヘッ
ド

フロントページの続き (72)発明者 木村篤史 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 田中秀樹 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 岡村美隆 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 原田俊明 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体と、該弾性体に固着されている電
   気−機械エネルギー変換素子と、を有して成り、該電気
   −機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加することに
   より該弾性体の表面に振動を生じさせ、該弾性体の表面
   に圧接されている物体と該弾性体との間に相対移動を生
   じさせるように構成されている超音波アクチュエータの
   ための駆動制御方法であって、 該弾性体と該物体との相対速度の逆数に比例した値を検
   出し、該相対速度の逆数と該交流電圧の周波数との間の
   相対関係に基ずいて該交流電圧の周波数を制御すること
   により該超音波アクチュエータの速度制御を行なうこと
   を特徴とする超音波アクチュエータの駆動制御方法。