(57)【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、少なくとも周波数を指令する指令手段と、
前記指令手段の指令に基づき、前記振動体に加振力を印加するための交流電圧を生成する交流電圧生成手段と、
前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの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と、
一つ以上の所定周波数において、前記変動付与手段が出力する変動と振動体の振動に応じて変化する物理量との関係を示す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から、前記振動体の共振周波数を推定する共振周波数推定手段と、
前記共振周波数推定手段から出力された共振周波数の推定値に応じて、前記交流電圧生成手段が出力する交流電圧の周波数範囲を決定する周波数範囲制限手段と、
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】
前記振動体の振動に応じて変化する物理量が、
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一つ以上の物理量であ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】
前記指令手段は、前記一つ以上の物理量と、該物理量の目標とする値の差に応じて周波数を指令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変動付与手段であることを特徴とする請求項１から３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５】
前記周波数範囲制限手段は、前記周波数応答特性計測手段から出力される周波数応答特性と、交流電圧生成手段から出力される交流電圧の周波数とにおける一定時間内の平均値に基づき、
前記周波数範囲を決定することを特徴とする請求項１から４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６】
前記周波数範囲制限手段は、前記周波数範囲を記憶する記憶手段を有すると共に、該記憶手段は前記周波数応答特性計測手段の出力する位相特性に対応した周波数範囲情報を予め記憶可能に構成され、
前記周波数応答特性計測手段の出力する位相特性に応じて、前記記憶手段に記憶された周波数範囲情報に基づき周波数範囲を制限することを特徴とする請求項１から５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７】
前記周波数応答特性計測手段は、前記周波数応答特性として、前記変動が付与された前記少なくとも１つのパラメータの変化に対する、前記物理量の変化の前記１つの周波数における位相特性を計測することを特徴とする請求項１乃至４に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【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、振動体を加振する加振力の周波数を振動体の共振周波数より高い周波数領域で制御することにより振動型アクチュエータの速度制御を行う際に、加振力の周波数が振動体の共振周波数より低い周波数領域に達し急停止する現象を防ぐ制御技術に関する。
【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、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等の影響を少なくするために、交流電圧の周波数を変化させて速度を制御する方式が多く用いられている。
しかし、目標速度が高すぎる場合や負荷トルク又は推力が想定以上にかかった場合、上記交流電圧の周波数が振動体の共振周波数に達しても目標速度に到達しない場合がある。
そのため、振動型アクチュエータは急減速又は急停止し、異音の発生や場合によっては振動体や移動体の摩擦面に損傷を与えてしまい、耐久性能を低下させる等の問題があった。
従来においては、これらの現象に対処するために、予め負荷条件や目標速度に十分な余裕を設ける方法や、共振周波数を計測し、予め最低周波数を決めておく方法等が提案されている。
また、上記交流電圧の周波数と振動体の共振周波数の差に応じて変化する物理現象を計測し、上記交流電圧の周波数が振動体の共振周波数を超えないように制御する方法等が提案されている。
【０００３】
このような方法の一つとして、特許文献１ではつぎのような方法が提案されている。
この特許文献１による方法では、振動体の振動を計測するセンサを設け、電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧に対する振動の位相遅れ量又は振動振幅を検出する。
そして、これに基いて該交流電圧の下限周波数を決定し記憶手段に下限周波数を記憶しておく。
また、上記交流電圧の周波数を制御する際には、この下限周波数を超えて低い周波数領域に入らないように該交流電圧の周波数を制御する。
また、特許文献２ではつぎのような方法が提案されている。この特許文献２による方法では、振動型アクチュエータの電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧に圧電素子の制動容量計測用の交流電圧を重畳して制動容量を計測する。
そして、圧電素子に流れる交流電流から制動容量に流入する交流電流分を引いた直列共振回路電流を求めている。
この直列共振回路電流は振動体の振動速度に比例して流れるため、圧電素子に印加される交流電圧とこの直列共振回路電流との時間的位相差を求め、この位相差を所定の位相（例えば０°）となるように上記交流電圧の周波数を制御している。
そうすることで、上記交流電圧の周波数を直列共振回路の共振周波数の変化に追従させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３４０５２２号明細書
【特許文献２】特許第３２８６６０６号明細書
【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。そのため、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るという課題を有している。
また、予め共振状態を検出する工程で下限周波数を記憶しておく方法は温度変化による振動体の共振周波数変化に対応することが難しい。
また、上記特許文献２の方法では、直列共振回路電流を計測することで振動体の振動を検出し印加電圧と振動との位相差により共振状態を検出しているが、共振周波数から離れた周波数で振動体の振幅が小さい時において位相差の検出精度に課題を有している。
また、現在の共振状態を振動センサで検出する方法では急な負荷変動等により印加電圧の周波数を高速に掃引すると、振動検出センサによる位相検出の遅れにより印加電圧の周波数が振動体の共振周波数を超えてしまう場合が生じる。
また、上記特許文献１、２どちらのものにおいても、共振状態を検出するために振動検出センサを必要とする。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、振動体の振幅を検出することなく、急激な負荷変動に対しても印加電圧の周波数が振動体の共振周波数を超えないように制御し、安定した駆動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】
【０００７】
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、少なくとも周波数を指令する指令手段と、
前記指令手段の指令に基づき、前記振動体に加振力を印加するための交流電圧を生成する交流電圧生成手段と、
前記交流電圧における周波数、振幅、位相のうちの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と、
一つ以上の所定周波数において、前記変動付与手段が出力する変動と振動体の振動に応じて変化する物理量との関係を示す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から、前記振動体の共振周波数を推定する共振周波数推定手段と、
前記共振周波数推定手段から出力された共振周波数の推定値に応じて、前記交流電圧生成手段が出力する交流電圧の周波数範囲を決定する周波数範囲制限手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、振動体の振幅を検出することなく、急激な負荷変動に対しても印加電圧の周波数が振動体の共振周波数を超えないように制御し、安定した駆動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】
【０００９】
【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７】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と振動体の共振周波数との周波数差に対する周波数応答特性のゲイン及び位相の変化を示す図。
【図８】本発明の実施例１における制御演算手段の構成例を示すブロック図。
【図９】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１０】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振幅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１１】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と振動体の共振周波数との周波数差に対する周波数応答特性のゲイン及び位相の変化を示す図。
【図１２】本発明の実施例２における周波数制限動作を説明する図。
【図１３】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１４】本発明の実施例３におけるＣＰＵの動作を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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】
【００１１】
［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。
【００１２】
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）のように振動体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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
従って、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。
【００１６】
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。
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。
【００１７】
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（ａ）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。
共振現象を利用して共振周波数近傍の周波数で振動体を振動させるこの様なタイプ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。
【００１８】
図１は振動型アクチュエータの制御装置における実施例１を示すブロック図であり、不図示のロータ４の回転速度を、不図示の指令手段からの速度指令に応じて制御するシステムを構成している。
５は後述する加算手段１０の出力する変動が加算された周波数指令に応じて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。
６は不図示のロータ４の回転速度を検出するロータリエンコーダ等の速度計測手段、７は不図示の指令手段からの速度指令と速度計測手段６の出力する速度信号を比較する速度比較手段である。
上記指令手段は、一つ以上の物理量と、該物理量の目標値の差に応じて周波数を指令するように構成することができる。
８は速度比較手段７の比較結果を比例積分演算して交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数を制御する制御演算手段である。
制御演算手段８は速度指令より速度信号の値が小さい場合には不図示のロータ４の回転速度を加速する為に交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数を低い周波数に変更して周波数を振動体２の共振周波数に近付けて行く。
そして、速度指令より速度信号が大きい場合には逆に高い周波数に変更するよう動作する。
【００１９】
９は制御演算手段８の出力する信号が示す周波数に対して周波数範囲を制限するための周波数範囲制限手段である。
周波数範囲制限手段９は、後述する共振周波数推定手段の出力する不図示の振動体の共振周波数の推定値に応じて、交流電圧生成手段５が出力する交流電圧の周波数範囲を決定する。そして、制御演算手段８の出力する信号が示す周波数に制限を与えた周波数指令を出力している。
１０はこの周波数指令に後述するＭ系列乱数生成手段１１の出力する乱数信号を加算して周波数指令に変動を付与する加算手段である。
１１は公知のＭ系列信号を使った乱数生成手段であり、ホワイトノイズに近い擬似的な乱数信号を発生することが可能である。
この加算手段１０とＭ系列乱数生成手段１１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、上記擬似乱数信号だけではなく、正弦波信号、ホワイトノイズ、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。
１２は上記変動付与手段が出力する変動あるいは振動体の振動に応じて変化する物理量に対する、一つ以上の所定周波数での不図示のロータ４の周波数応答特性を求める周波数応答特性計測手段である。
周波数応答特性計測手段１２は所定の変動周波数に対するゲイン特性と位相特性を出力している。
１３は周波数応答特性計測手段１２の出力する所定の変動周波数でのゲイン特性及び位相特性から不図示の振動体２の共振周波数を推定する共振周波数推定手段である。これにより交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数との周波数差を出力している。
周波数範囲制限手段９はこの周波数差を基に現在の周波数指令と周波数差を加算した周波数に対し予め決められた周波数だけ高い周波数を下限周波数とし、更に所定周波数高い周波数を上限周波数としている。
【００２０】
つぎに、どのように共振周波数推定手段９が振動体２の共振周波数を推定するかについて説明する。
図６は交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数変化に対する不図示のロータ４の回転速度の変化の周波数応答特性を示すボード線図である。
実線は交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差が２００Ｈｚの場合を示している。
また、破線は１０Ｈｚ、一点鎖線は４００Ｈｚの特性をそれぞれ示している。横軸の周波数はこの交流電圧の周波数に付与される変動の周波数を示しており、周波数応答特性計測手段１２は変動周波数が２００Ｈｚのゲイン及び位相を計測して出力している。
Ｇ１０、Ｇ２００、Ｇ４００はそれぞれ交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数との差が１０Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚの時における変動周波数が２００Ｈｚでのゲインを示している。同様にＰ１０、Ｐ２００、Ｐ４００はそれぞれの位相を示している。
このことから、変動周波数が２００Ｈｚにおけるゲイン及び位相特性は、交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差に応じて変化していることがわかる。
【００２１】
図７は交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数との周波数差に対する変動周波数が２００Ｈｚでのゲイン及び位相の特性を示している。
上記ゲイン及び位相と周波数差の関係を予め求めておくことで、ゲイン及び位相特性から駆動中の周波数差を逆算して求めている。
また、複数の変動周波数のゲイン及び位相から個々に求めて平均する方法、これら複数の値から最小二乗近似で求める方法も効果的である。
また、制御演算手段８で比例積分演算を行う場合、周波数範囲制限手段９で周波数指令に制限がかかると制御演算手段８の積分演算で不必要な積分がなされ正常な状態に復帰するまでの時間が長くなる問題が発生する場合がある。そこで、これを改善した例を以下に示す。
【００２２】
図８は図１の制御演算手段８と周波数範囲制限手段９の直列接続構成に対策を施した構成を示すブロック図である。
制御演算手段８は速度比較手段７の出力する速度指令と速度信号の比較結果を入力して比例する値を出力する比例演算手段３４と積分した値を出力する積分演算手段３５及びこれらの出力結果を加算する加算手段３６で構成されている。
そして、更に積分演算手段３５には周波数制限された値を差し引くことで飽和を防ぐ機能が追加されている。
それは周波数範囲制限手段９の前後の信号の差を減算手段３７で求め、この結果を減算手段３８を用いて積分演算手段３５の積分値から差し引くようにフィードバックすることで不必要な積分を防ぐ構成となっている。
このように構成することで、急な負荷変動によって周波数制限がかかっても負荷が元に戻ればすぐに制限が解除され速度制御が正常動作に戻るようになる。
また、周波数範囲制限手段は、前記周波数範囲を記憶する記憶手段を有すると共に、この記憶手段は前記周波数応答特性計測手段の出力する位相特性に対応した周波数範囲情報を予め記憶可能に構成することができる。
そして、周波数応答特性計測手段の出力する位相特性に応じて、該記憶手段に記憶された周波数範囲情報に基づき周波数範囲を制限するように構成することができる。
【００２３】
また、推定に用いる物理量は振動体２の振動振幅に依存して変化する値であればロータ４の速度や振動体２の振動振幅に限るものではない。
例えば、振動体２の振動振幅の変化に応じて変化するものとしては、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一つ以上の物理量によるものであってもよい。
また、ロータ４の回転によって発生する速度、回転角、トルク等の他圧電素子に流入する電流も、同様に上記した振動体２の振動振幅の変化に応じて変化する物理量に含まれる。
従って、これらの物理量は全て基本特性として図５（ａ）、図５（ｂ）に示した周波数応答特性を含んでおり、上記した実施例と同様に振動体２の共振周波数を推定するための物理量として利用可能である。
【００２４】
本実施例の上記構成によれば、上記変動付与手段に与える変動に対し、付与した変動に応じて変化する上記振動体又は振動体に接続する機構の振動に起因して変化する物理量を計測する。
そして、付与した変動に対する計測した物理量までの周波数応答特性から、前記振動体の共振周波数と振動体の振動周波数の差を検知することで、オフセット的な誤差の影響を受けずに計測することができる。
それと共に、様々な物理量センサを用いて電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧の周波数の設定範囲を制限することが可能となることである。
また、常に周波数応答特性を計測することが可能であることから、動作中の温度変化等による振動体の共振周波数変化にも対応可能となる。
【００２５】
［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。
上記実施例１では周波数指令を変動させていたのに対し、本実施例では交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の振幅に変調を与える構成となっている。
以下、図１の説明と重複する部分を省いて構成を説明する。
図９において、加算手段１０は不図示の指令手段からの振幅指令にＭ系列乱数生成手段１１の出力する変動を加算して出力している。
この変動を付加された振幅指令に応じて交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の振幅が設定される。
図１０は交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の振幅の変動に対する速度計測手段６の出力する不図示のロータ４の回転速度の変動の周波数応答特性を示している。
図６と同様に実線は交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差が２００Ｈｚの場合を示している。
また、破線は１０Ｈｚ、一点鎖線は４００Ｈｚの特性をそれぞれ示している。横軸の周波数はこの交流電圧の振幅に付与される変動の周波数を示しており、周波数応答特性計測手段１２は変動周波数が６０Ｈｚ及び１００Ｈｚのゲイン及び位相を計測して出力している。
Ｇ１０、Ｇ２００、Ｇ４００はそれぞれ交流電圧生成手段５の出力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が１０Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚの時の変動周波数が６０Ｈｚでのゲインを示している。同様にＰ１０、Ｐ２００、Ｐ４００は変動周波数が１００Ｈｚでの位相を示している。
図１１は交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数との周波数差に対して変動周波数が６０Ｈｚでのゲイン及び１００Ｈｚでの位相の特性を示している。
実施例１では２００Ｈｚの周波数変動に対するゲイン及び位相特性を用いて共振周波数を推定したが、本実施例ではゲイン特性と位相特性は異なる変動周波数の値を用いて推定している。
それは図１０より変動周波数が１００Ｈｚのゲイン変化がほとんど無いため、ゲイン特性からは共振周波数の推定が出来ないからである。
このように、図１１の特性を予め求めておけばゲイン及び位相特性から振動体２の共振周波数と交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数との周波数差を検出することが出来実施例１と同様に周波数範囲を制限する事が可能となる。
【００２６】
ここで、共振周波数推定手段１３は例えばゲイン特性がＧ２００、位相特性がＰ２００の近傍であれば交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数の差を２００Ｈｚと推定する。
しかし、共振周波数の推定には時間がかかるので、推定値は推定にかかった一定時間内の平均値及び推定に用いたデータ量に応じた過去の平均値である。
そのため、推定された２００Ｈｚを現在の交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数に加算しても正しい共振周波数を推定出来ない場合がある。
そこで、周波数応答特性計測手段１２及び共振周波数推定手段１３での遅れと同等の特性を有するローパスフィルタ１４で周波数指令を遅延及び平均化し、共振周波数推定手段１３の出力する２００Ｈｚと加算することで推定値の精度を高めている。
【００２７】
図１２は周波数制限動作の様子を示す図である。
時刻Ｔ０、Ｔ１において不図示のロータの負荷がステップ的に重くなった際の交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数（実線）、ローパスフィルタ１４の出力（点線）、下限周波数（一点鎖線）、不図示の振動体２の共振周波数（破線）の変化を示している。
負荷が重くなるとロータ４の回転速度が低下するので交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の周波数（実線）は共振周波数（破線）の方向に変化する。
ローパスフィルタ１４の出力（点線）は交流電圧の周波数（実線）が大きく変化してもわずかな変動しかしていない。
共振周波数推定手段１３の出力する推定値は共振周波数（破線）とローパスフィルタ１４の出力（点線）の差に応じた値を推定値として出力している。
次に、この推定値とローパスフィルタ１４の出力（点線）の値を加算手段１５で加算し概ね共振周波数（破線）に近い値が周波数範囲制限手段９へ入力される。周波数範囲制限手段９ではこの共振周波数（破線）近傍の値に若干の余裕を加えて下限周波数（一点鎖線）を設定している。
なお、ここには示さないが上限周波数を下限周波数に一定周波数加算した値とするなどして設定しても良い。
【００２８】
また、本実施例では交流電圧の振幅に対して変動を与えたが交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の位相差に変動を与えても良い。
交流電圧φＡ及びφＢには通常９０°の位相差を持たせて駆動するが、位相差を変化させると交流電圧の振幅と同様にロータ４の回転速度を変化させることが可能である。
また、周波数応答特性も同様に交流電圧の周波数と振動体２の共振周波数との周波数差によって変化するため、周波数応答特性のゲイン特性や位相特性によって振動体２の共振周波数を推定することが出来る。
また、上記実施例ではＭ系列乱数によって変動を付与したが、ホワイトノイズや他の疑似乱数、正弦波等を変動源としても良い。
また、どちらかと言えば、ゲイン特性より位相特性の方が安定して振動体２の共振周波数を推定することが可能であるが、位相特性、ゲイン特性のどちらか一方のみでも推定は可能である。
【００２９】
［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。
上記の実施例では不図示のロータ４の速度の変動までの周波数応答特性を計測したが、本実施例では振動体２の振動振幅までの周波数応答特性を用いて不図示の振動体２の共振周波数を推定している。
図１３において、１６は公知のホワイトノイズ生成手段で上記実施例ではＭ系列乱数生成手段１１で発生させた周波数指令の変動を本実施例ではホワイトノイズ生成手段で行っている。
また、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に設け振動振幅計測手段１７で振動体２の振動振幅を計測している。
加算手段１０の出力する周波数指令にホワイトノイズ生成手段１６の出力を重畳し変動を与えられた信号には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５は出力する交流電圧の１周期毎に変動の重畳された周波数指令をサンプリングし、交流電圧１周期分の周波数を決定する。
実際に交流電圧の周波数として設定される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、そのタイミングで周波数信号を出力している。
【００３０】
つぎに、周波数応答計測手段の構成について説明する。
本実施例では、周波数応答計測手段は交流電圧生成手段５の出力する周波数信号と振動振幅計測手段１７の出力する振動振幅信号との間の２００Ｈｚにおける位相特性を計測する。
原理的には２００Ｈｚの正弦波と余弦波を生成し周波数信号及び振動振幅信号夫々にこれらの波形を乗算後に平滑し、夫々の位相を逆正接演算で求め、周波数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。
【００３１】
つぎに、各ブロックについて説明する。
１８及び１９は交流電圧発生手段５の出力する交流電圧の周波数より低く２００Ｈｚ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。
２０は２００Ｈｚの正弦波を発生するＳＩＮ波発生手段、２１は２００Ｈｚの余弦波を発生するＣＯＳ波発生手段である。
２２、２３、２４、２５は乗算手段でローパスフィルタ１８、１９の出力する帯域制限された周波数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２２、２３、２４、２５の各出力はオフセット値を有すると共に２００Ｈｚ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２６、２７、２８、２９で平滑して逆正接演算手段３０、３１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３２で夫々の位相の差を求めている。
【００３２】
ここでは、逆正接演算手段３０、３１の出力を位相差検出手段３２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各段毎に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。
３３は公知のＣＰＵであり交流電圧生成手段５の出力する交流電圧の振幅である振幅指令Ｖｏｕｔを出力すると共にロータ速度Ｓｒを検出し不図示の指令手段からの速度指令Ｓｓとロータ速度Ｓｒが一致するように周波数指令Ｆｓを出力している。
また、位相差検出手段３２の出力する２００Ｈｚの位相特性Ｐ０を入力して振動体２の共振周波数を推定し、共振周波数の推定値に応じて周波数指令Ｆｓに対して設定範囲を制限している。
【００３３】
図１４はＣＰＵ３３の動作を示すフローチャートである。
これを用いてＣＰＵ３３の動作を説明する。
まず、初期設定として周波数指令Ｆｓを起動周波数Ｆ０に、振幅指令Ｖｏｕｔを０に設定する。
次に、不図示の指令手段からの速度指令Ｓｓが０の場合には振幅指令Ｖｏｕｔを０として速度指令Ｓｓが０でなくなるまで待機する。
速度指令Ｓｓが０でなくなると振幅指令Ｖｏｕｔを所定の電圧であるＶ０に設定する。これにより、不図示のロータ４が回転を始めロータ速度Ｓｒが０より大きくなる。次に速度指令Ｓｓとロータ速度Ｓｒを比較し速度指令Ｓｓが速い場合には加速するために周波数指令Ｆｓを不図示の振動体２の共振周波数に近付けるために所定周波数Ｆｄだけ周波数指令Ｆｓから減算して周波数変数Ｆｓ０に代入する。
逆に、速度指令Ｓｓがロータ速度Ｓｒより遅い場合には周波数指令Ｆｓに所定周波数Ｆｄだけ加算して周波数変数Ｆｓ０に代入する。
【００３４】
ここで、速度指令Ｓｓが０でなくなってから所定時間が経過したかどうかを計測し所定時間以内であれば周波数制限値として初期値を用いる。
その場合下限周波数Ｆｍｉｎを下限周波数の初期値Ｆｍｉｎ０とし、上限周波数Ｆｍａｘを上限周波数の初期値Ｆｍａｘ０とする。
これは所定時間が経過しないと周波数応答特性が計算出来ないため振動体２の共振周波数の推定が出来ないからである。
所定時間が経過した場合には位相差検出手段３２からの位相特性Ｐ０を入力しルックアップテーブルを用いて下限周波数Ｆｍｉｎを求める。
次に、下限周波数Ｆｍｉｎに予め決められた周波数範囲Ｆｄｌｔを加算して上限周波数Ｆｍａｘを求める。
次に、ここで求めた下限周波数Ｆｍｉｎ及び上限周波数Ｆｍａｘを用いて周波数指令Ｆｓを求める。
周波数変数Ｆｓ０が下限周波数Ｆｍｉｎ又は上限周波数Ｆｍａｘを超える場合には周波数指令Ｆｓに下限周波数Ｆｍｉｎ又は上限周波数Ｆｍａｘを代入し、超えない場合には周波数指令Ｆｓに周波数変数Ｆｓ０を代入する。
そして、これらを速度指令Ｓｓが０になるまで繰り返す。
【符号の説明】
【００３５】
１：圧電素子
２：振動体
３：フレキシブル基板
４：ロータ
５：交流電圧生成手段
６：速度計測手段
７：速度比較手段
８：制御演算手段
９：周波数範囲制限手段
１０：加算手段
１１：Ｍ系列乱数生成手段
１２：周波数応答特性計測手段
１３：共振周波数推定手段
【図１】
0005796955.tif 000002
【図２】
0005796955.tif 000003
【図３】
0005796955.tif 000004
【図４】
0005796955.tif 000005
【図５】
0005796955.tif 000006
【図６】
0005796955.tif 000007
【図７】
0005796955.tif 000008
【図８】
0005796955.tif 000009
【図９】
0005796955.tif 000010
【図１０】
0005796955.tif 000011
【図１１】
0005796955.tif 000012
【図１２】
0005796955.tif 000013
【図１３】
0005796955.tif 000014
【図１４】
0005796955.tif 000015