(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構成の回路を付加することにより超音波モータの入力−出力特性が線形であるのと同様なものと扱えるようにする。【解決手段】超音波モータ制御回路部（１１）における位相差制御部（１３）を、入力信号を変換する線形変換回路（１３ａ）と、それからの信号を受けて超音波モータ（ＵＳＭ）への制御信号を生成する位相差制御回路（１３ｂ）とからなるものとし、線形変換回路（１３ａ）は位相差制御部（１３）への入力信号に対する超音波モータ（ＵＳＭ）の出力の関係が線形になるような変換特性を有するものとする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号に応じて超音波モータに供給する電力の位相差を制御する位相差制御部を少なくとも有する超音波モータ制御部を備え、前記位相差制御部は入力信号を変換する線形変換回路と該線形変換回路で変換された信号を受けて超音波モータへの制御信号を生成する位相差制御回路とからなり、前記線形変換回路は前記位相差制御部への入力信号に対する超音波モータの出力の関係が線形になるようにしたものであることを特徴とする超音波モータ制御装置。
【請求項２】
前記線形変換回路がプログラム可能なロジックデバイスで形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータはロボット、精密工作機械、自動車電装品、カメラオートフォーカス用レンズ駆動、コンピュータ関連機器等の幅広い分野に利用されているが、電磁波をほとんど発生しないことから、医療、福祉関係で利用されることが考えられている。
【０００３】
医療用機器についてみると、例えばＭＲＩ装置におけるアクチュエータとしては、構成として非磁性体のものであること、電磁ノイズを発生しないことが求められ、そのようなものとして、空気圧式、水圧式、油圧式等の方式がある。しかしながら、このような圧力式の場合、比較的トルクが大きいということで有利ではあるが、制御のためには電磁弁や電磁アクチュエータが用いられており、これらをＭＲＩ室の外部に設置し、そのために長い配管を必要とし、また応答性に問題が生じるというようなことがある。また、シリンダに生じるスティックスリップ現象は、精密位置制御に対して大きな問題となる。このようなことから、圧力方式はＭＲＩのアクチュエータとして利用し難いものになっている。ＭＲＩ装置に適用する場合のように、非磁性体で構成され電磁ノイズを発生しないというアクチュエータへの要請に対して超音波モータが適合する。
【０００４】
超音波モータには、定在波型と進行波型があり、現在では耐久性等の面から、進行波型が主流となっている。構成要素としては、圧電振動子、弾性体、動体の３つがあり、圧電振動子から発生する超音波振動で弾性体を励振すると、弾性体は固有の振動数で振動し、その振動波が弾性体中で連続的に進行する。このとき弾性体表面上の質点は楕円運動となり、ちょうど波が物体を運ぶように動体は推力を受け移動するという形で進む。
【０００５】
図１は超音波モータの構造について示しており、超音波モータ１は円環状のスライダ（ロータ）２と、超音波振動を発生させる円環状の圧電振動子３とその上面に接着された円環状の弾性振動体４とからなるステータとで構成されている。上面に櫛歯のような溝が形成されたステータの弾性振動子４上にスライダ２を重ねて構成されている。６はスライダ２に取り付けられたシャフト５を回転可能に支持するベアリングであり、ベアリング６はシャフト５が貫通する孔を有するケース７に取り付けられている。
【０００６】
図２は圧電振動子３の部分を示しており、圧電振動体３は周方向に領域Ａ、Ｂに二分割されており、各領域Ａ、Ｂは波長λの２分の１の間隔で隣り合う区間ごとに交互に厚さ方向に分極処理され、領域Ａと領域Ｂとの間は４分の３波長だけ位相をずらせるように間隔をおいてある。
【０００７】
領域Ａと領域Ｂとにφだけ位相が異なる高周波電圧を印加して圧電振動子３を励振させると、ステータの領域Ａ、Ｂに対応する弾性振動体４の部分に生じる定在波が相互に干渉し合成されて、励振が圧電振動子３に接着されている弾性振動体４に伝わって一方向に進む進行波が作り出される。スライダ２をステータの弾性振動子４に一定の圧力で圧接すると、これによってスライダ２とステータとの間に摩擦力が発生し、スライダ２はこの摩擦力によりステータの進行波の進行方向と逆のへ方向に移動し、その結果として、超音波モータ１が駆動される。そして、シャフト５を介してこの超音波モータ１の駆動力が負荷の回転力へと変換される。
【０００８】
超音波モータは電磁モータと比較して、磁界を発生せずに、さらに外部磁界の影響を受けない電磁両立性に優れており、電磁モータのようにコイルや磁石を必要としないため、小型軽量にでき、応答性に優れ、静止時に外部から電力を供給することなく大きな保持トルクを得ることができ、さらに動作音がきわめて小さい、というような長所があるが、一方で、回転を制御するパラメータが３つあり、それぞれ異なった非線形入力特性を有することのほか、駆動条件（負荷、温度等）により、動特性が大きく変化する、制御回路が複雑である、動作原理に摩擦駆動を用いているために寿命が短い、というような短所がある。
【０００９】
寿命が短いということから、超音波モータは、連続的駆動でなく被駆動体を所定距離だけ移動させ目標位置に停止させるというような用途に用いることが主になる。また、超音波モータの回転を制御するパラメータとして、入力の周波数、電圧、位相差の３つがあり、それぞれのパラメータについて、出力として回転速度の特性は図３の（ａ）周波数−回転速度、（ｂ）電圧−回転速度、（ｃ）位相差−回転速度に示すようになり、それぞれのパラメータについて非線形の特性を有し、さらに、負荷、温度等の条件によってこれらの特性が変化する。３つのパラメータのうち、位相差と回転速度との関係は比較的線形に近いので、超音波モータの速度制御には位相差を変化させるのが効果的であるが、やはり非線形の特性であり、正確な制御のためには、この非線形性が支障になる。このような超音波モータの制御における入力−出力の非線形の特性を補償することについてはこれまで有効な対策がとられていない。
【００１０】
超音波モータの制御について、次のような文献に開示されている。
【００１１】
特許文献１には、超音波モータ制御装置の駆動制御手段に電源供給手段の出力周波数を切り替える周波数切替手段と、電源供給手段の出力電圧の位相差を切り替える位相差切替手段を設け、被操作部の位置検出手段により検出された駆動位置と目標位置との偏差に基づいて、減速制御手段により周波数切替手段及び位相差切替手段の作動を選択的に制御して、超音波モータの安定した動作状態を維持しながら、停止位置を精度よく制御することが記載されている。
【００１２】
特許文献２には、入力−出力の関係に冗長性・非線形性を有する３種類以上の多自由度の振動モードを有する振動型アクチュエータにおいて、移動体が目標位置まで到達するための回転軸決定手段と逆モデルを用いて、決定された回転軸を中心して移動体を回転させるための周波信号についてのパラメータ決定手段により決定された位相、振幅を有する周波信号を供給することが記載されている。
【特許文献１】特開平４−７５４７９号公報
【特許文献２】特開２００４−１２９４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に記載されるような従来の超音波モータの制御において、超音波モータを制御する際のパラメータについての非線形性を補償し、入力−出力の関係を線形になるようにして正確な制御を行うようにすることについては特に考慮されていなかった。また、特許文献２に記載のものにおいては、多自由度回転型のような複雑な系においてニューラルネットワークでの学習により冗長性・非線形性を補償することが考慮されているが、通常の１方向回転型のものでこのような制御を行うことは、回路構成として煩雑になり、現実的ではなかった。そのため、簡易な構成により超音波モータの有する非線形特性を補償して正確な制御を行うことが求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は前述した課題を解決すべくなしたものであり、本発明による超音波モータ制御装置は、入力信号に応じて超音波モータに供給する電力の位相差を制御する位相差制御部を少なくとも有する超音波モータ制御部を備え、前記位相差制御部は入力信号を変換する線形変換回路と該線形変換回路で変換された信号を受けて超音波モータへの制御信号を生成する位相差制御回路とからなり、前記線形変換回路は前記位相差制御部への入力信号に対する超音波モータの出力の関係が線形になるようにしたものである。
【００１５】
前記線形変換回路がプログラム可能なロジックデバイスで形成されたものとしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、超音波モータの制御回路における位相差制御部への入力信号に対して線形変換回路を付設することにより、簡易な構成の制御回路で超音波モータの入力−出力特性が線形であるのと同様なものとすることができる。この線形変換回路は変換テーブル型のものとして簡易な回路構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
超音波モータの回転速度は、圧電振動子に印加する電力の周波数、電圧及び位相差の３つのパラメータに依存しており、これらの３つの要素を変化させることにより回転速度が変化する。これらの３つのパラメータ入力に対して出力としての回転速度の特性はそれぞれ非線形性を有する。周波数、電圧、位相差の３つのパラメータのうちで、位相差が回転速度と線形に近い関係にあるので、本発明においては、位相差のパラメータについて、超音波モータの入力−出力特性が線形と同様な使用形態とすることを考える。
【００１８】
図４（ａ）は、本発明による超音波モータ制御装置の構成を概略的に示すものである。超音波モータ制御装置の主要部分となる制御回路部１１は、周波数制御部１２、位相差制御部１３、電圧制御部１４を備えており、それぞれ超音波モータに供給する電力の周波数、位相差、電圧の制御を行う調整した上でＦＥＴからなる増幅部１５、昇圧トランス１６を介して超音波モータＵＳＭに電力が供給される。図４（ｂ）は（ａ）における位相差制御部の構成を示している。
【００１９】
周波数制御部１２、電圧制御部１４による制御特性は図３（ａ）、（ｂ）のような非線形性を有している。一般的に用いられる位相差制御部の構成では、入力に対する超音波モータの回転速度の特性として図３（ｃ）のような非線形性を有することになるが、本発明においては、図４（ｂ）に示すように、位相差制御部１３として、本来の位相差制御回路１３ｂへの入力信号を変換する線形変換回路１３ａを備えたものとする。入力信号が直接位相差制御回路１３ｂに入力された場合の超音波モータの出力特性は非線形の特性を有するものになるが、線形変換回路１３ａにより入力信号を変換した上で位相差制御回路１３ｂに供給し、線形変換回路１３ａへの入力信号に対して超音波モータの出力特性が線形になるような線形変換回路１３ａであるようにする。
【００２０】
図５は位相差制御回路と超音波モータとをユニットとしてみて、これに対する入力−出力の関係を考えるモデルを示す。この場合、位相差制御回路としては入力信号ｒ（ｋ）を受けて制御信号を生成し、増幅回路、昇圧トランス介して超音波モータに供給する。超音波モータの出力ｙ（ｋ）としては回転速度を考える。一般的な位相差制御回路による入力ｒ（ｋ）−出力ｙ（ｋ）の関係は図６（ａ）のような非線形特性になるが、本発明による図４（ｂ）のような線形変換回路１３ａを有する位相差制御回路では図６（ｂ）のように線形の特性を有するものになる。
【００２１】
このような位相差制御回路の特性を線形化するための線形変換回路１３ａはｒ（ｋ）−ｙ（ｋ）の関係を図６（ａ）の形から図６（ｂ）の形に変換するものであるから、例えば図７のように考えることにより構成できる。図７（ａ）は図５の位相差制御回路を図４（ｂ）のように線形変換回路を備える形として描いたものであり、入力ｒ（ｋ）を線形変換回路１３ａで変換してｓ（ｋ）として位相差制御回路１３ｂに入力すると考えたものである。図７（ｂ）は図６の（ａ）と（ｂ）を重ね合わせたものであり、曲線をａ、直線をｂで示している。ここで、ある同じＮの値に対し、直線ｂではφｐが対応し、曲線ａではφｑが対応しているとする。
【００２２】
線形変換回路１３ａの機能として必要なのは、ｒ（ｋ）が直接位相差制御回路に入力した場合に特性が曲線ａのようになるものを直線ｂのように入力ｒ（ｋ）を変換するということである。このためには、入力ｒ（ｋ）による位相差φｐをφｑに変換すればよい。入力ｒ（ｋ）で位相差がφｐとなる時に、これをφｑに変換してｓ（ｋ）と位相差制御回路に入力すると、位相差制御回路の特性としては曲線ａの形であるので、出力特性のＮの値としては変化しない。すなわち、線形変換回路でφｐ→φｑの変換により、ｒ（ｋ）−ｙ（ｋ）の関係としては線形の特性になったことに相当する。
【００２３】
このような線形変換回路としては、入力信号をディジタル量として扱う回路の場合、入力−出力の関係をテーブル化した変換テーブルを備え、入力信号に対しこの変換テーブルを参照して変換した出力を生成するという形で構成することができる。また、このような線形変換回路、あるいはそれを含む制御回路部をプログラム可能なロジックデバイス（ＣＰＬＤ）により簡易に構成することができる。
【００２４】
本発明においては、超音波モータ制御装置において、位相差制御部に入力する信号の線形変換回路を備えるという簡易な構成により、超音波モータの制御回路の特性が線形であるものと同等に扱うことができ、超音波モータの制御を精度よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】超音波モータの構造を示す部分的に破断して示した図である。
【図２】超音波モータの圧電振動子の部分を示す図である。
【図３】超音波モータの制御パラメータと出力との関係を示す図であり、（ａ）周波数−回転速度、（ｂ）電圧−回転速度、（ｃ）位相差−回転速度の関係を示す。
【図４】（ａ）本発明による超音波モータ制御装置の概略的構成を示し、（ｂ）位相差制御部の部分の構成を示す図である。
【図５】位相差制御回路と超音波モータとをユニットとしてみて入力−出力の関係をモデル的に示す図である。
【図６】図５のモデルに対しての入力−出力の関係を示し、それぞれ（ａ）線形変換回路を有していない場合、（ｂ）線形変換回路を有する場合について示すものである。
【図７】（ａ）図５における位相差制御部が線形変換回路を備える場合について示す図であり、（ｂ）線形変換回路を形成する例として図６の（ａ），（ｂ）を重ねて示したものに相当する図である。
【符号の説明】
【００２６】
１      超音波モータ
２      スライダ（ロータ）
３      圧電振動子
４      弾性振動体
５      シャフト
６      ベアリング
７      ケース
１１    超音波モータ制御回路部
１２    周波数制御部
１３    位相差制御部
１３ａ  線形変換回路
１３ｂ  位相差制御回路
１４    電圧制御部
１５    増幅部
１６    昇圧トランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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