专利名称：振动型激励器的控制装置、控制方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及与利用至少3种不同振动方式，多自由度地驱动移动体的振动型激励器有关的振动型激励器的控制装置、振动型激励器系统、振动型激励器的控制方法。
背景技术：
至今为止，大量有关超声波马达等的振动型激励器被提出。其中，也存在有关组合3种以上的振动，多自由度地驱动移动体方式的超声波马达的提案。
例如，对振动体进行1个纵向振动与2个横向振动的励振，通过有选择地组合上述3种振动中的2个振动，在规定的平面内形成椭圆运动，使得与振动体接触的移动体被多自由度地驱动(例如，参照日本专利申请H11-164576号公报，第3～4页，第1图)。
另外，也有通过调整向与上述相同结构的超声波马达施加的交流电压的相位差，来调整移动体的旋转轴的构成(例如，参照日本专利申请H11-220891号公报，第4～5页，第1图)。
还有，也有通过调整施加的交流电压的相位差及振幅，来调整移动体的旋转轴的构成(例如，参照日本专利申请公开H11-220892号公报，第5～13页，第1图)。
然而，在上述现有的技术中，存在以下所示的问题点。
作为控制振动型激励器的振动的参数，虽然有施加交流电压的驱动频率、电压振幅、相位差等，但在施加3相以上的交流电压类型的多自由度振动型激励器中，输入和输出的关系具有冗余性·非线性，定式化是困难的。其结果，存在不能决定使所期望的运动有效地进行的参数的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种即使在使3种以上的振动激励而具有冗余性·非线性的情况下，也可以使所期望的运动有效地进行的振动型激励器的控制装置、振动型激励器系统、振动型激励器的控制方法。
根据本发明技术方案之一的振动型激励器的控制装置，对于具备可以旋转的移动体、与该移动体接触的弹性体和借助至少3相的频率信号的供给能对上述弹性体进行至少3种不同的振动的励振的电能-机械能转换元件的振动型激励器，供给用来使上述移动体旋转至目标位置的上述频率信号，其特征在于，该装置具备决定用于使上述移动体旋转至上述目标位置的旋转轴的旋转轴决定单元；通过利用逆模型，来决定用于使上述移动体以已由上述旋转轴决定单元决定的旋转轴为中心进行旋转的上述频率信号的相位及振幅的参数决定单元；将具有已由上述参数决定单元决定的相位及振幅的上述频率信号向上述电能-机械能转换元件供给的控制电路。
根据本发明另一技术方案的振动型激励器的控制方法，对于具备可以旋转的移动体、与该移动体接触的弹性体、和借助至少3相的频率信号的供给对上述弹性体进行至少3种不同的振动的励振的电能-机械能转换元件的振动型激励器，供给用来使上述移动体旋转至目标位置的上述频率信号，其特征在于，该方法具有决定用于使上述移动体旋转至上述目标位置的旋转轴的第1步骤；通过利用逆模型，来决定使上述移动体以上述第1步骤中所决定的旋转轴为中心进行旋转的上述频率信号的相位及振幅的第2步骤；和将具有在上述第2步骤中已被决定的相位及振幅的上述频率信号向上述电能-机械能转换元件供给的第3步骤。
根据本发明另一技术方案的振动型激励器系统，其特征在于，该系统具有上述的振动型激励器的控制装置；和由从上述控制装置供给的频率信号驱动控制的振动型激励器。
本发明的振动型激励器的控制装置、振动型激励器系统及振动型激励器的控制方法的特征，将在参照附图对具体实施方式
的说明过程中加以阐明。
图1是表示本发明的第1实施方式中使用的控制装置的构成的机构框图。
图2是用来说明本实施方式的振动型激励器(棒状多自由度超声波马达)的透视图。
图3是为了构筑本实施方式的逆模型而使用的神经元网络的示意图。
图4是表示本实施方式的神经元网络的学习方法的图。
图5是表示前馈的控制电路的构成的机构框图。
图6是从初始位置Pini到目标位置Pgoal的输出轴6前端的移动轨迹的三维示意图。
图7是图6中所示的移动轨迹向各平面的投影图。
图8是表示本发明的实施方式2的控制电路的构成的机构框图。
图9是表示本发明的实施方式3的控制电路的构成的机构框图。
图10是表示旋转轴的象限与相位差的关系的表。
图11是表示旋转轴矢量的条件与相位及振幅比的关系的表。
图12是表示旋转轴矢量的条件与相位及振幅比的关系的表。
图13是选择器23中振幅比rAmp及相位φ的决定方法的流程图。
图14是本发明的实施方式4中所使用的振动型激励器(平板状振动型激励器)的透视图。
图15是本实施方式的振动型激励器的振动体B的透视图。
图16是用来说明激励振动体B的固有振动方式的示意图。
图17是表示以固有振动方式激励振动体用的压电元件的构成的图。
具体实施例方式
(实施方式1)以下，对本发明的实施方式1的振动型激励器的控制装置、振动型激励器系统、振动型激励器的控制方法进行详细地说明。
图2是本实施方式的多自由度振动型激励器的透视图。该振动型激励器能使与弹性体3接触的移动体4上的输出轴6的前端部分沿任意方向移动(即，可以使移动体4沿任意的旋转方向旋转运动)。
这种振动型激励器，例如可以用于通过在移动体4的输出轴6上安装照相机来实现被多自由度驱动的监视照相机、作为义肢或机器人的关节、以及机器人的眼睛使用等。
以下，对这种振动型激励器的运转原理进行说明。
在图2中，1是作为纵向振动用的电能-机械能转换元件的压电元件。该压电元件1通过接受来自图中未示出的驱动电路所施加(供给)的交流电压，使弹性体3产生图中z轴方向的纵向振动。2虽然也是压电元件，但该压电元件2被分为两组，该两组中的一组用于使得弹性体3产生图中x轴方向的横向振动，余下的一组用于产生图中y轴方向的横向振动。即，这种压电元件借助被固定在弹性体3上的构成，可以使弹性体3上产生z轴方向的纵向振动、x轴方向及y轴方向的横向振动。
由压电元件1及2和弹性体3构成的振动体S的纵向的1次共振频率和横向的2次共振频率大致相同。驱动时，通过在压电元件1组与由2组构成的压电元件2上以各自相同的共振频率左右的频率，施加相位不同的3相交流电压，可以使椭圆运动在弹性体3上产生。该椭圆运动的方向可以通过调整交流电压的相位差及振幅而使其变化。其结果，可以使移动体4以任意的旋转轴为中心旋转运动。
7及8是电位计，被用来检测控制振动型激励器时的移动体4的位置。电位计7被用来检测图中x轴方向的旋转量，电位计8被用来检测图中y轴方向的旋转量。5是用来将移动体4的旋转量向电位计7及8传递的拱桥状传导器。
图1是表示本实施方式中所使用的控制装置的构成的机构框图。在本实施方式中，目的在于，使图2中表示的振动型激励器的输出轴6前端的点的位置向目标位置移动。
作为该控制装置的大概的构成，根据检测位置(目前位置)信息P(矢量)与表示目标位置的目标位置信息Pd(矢量)，通过用于决定将移动体4驱动至目标位置的旋转轴的旋转轴决定器12，移动体4的旋转轴Axisd(矢量)被决定。该检测位置信息P，是由坐标变换器11变换取自检测电路10的信息而得的。检测电路10与作为控制对象9的振动型激励器相连接。已被决定的旋转轴信息Axisd被输入控制对象的逆模型(参数决定单元)13内，确定用于使移动体4以所决定的旋转轴为中心旋转的3相交流电压的相位差φ(矢量)与振幅比rAmp。
另一方面，以检测位置信息P与目标位置信息Pd为基础，通过振幅系数决定器(放大率决定单元)14确定3相交流电压的振幅系数(振幅的放大率)A(标量)。通过将从逆模型13得到的振幅比rAmp与振幅系数A相乘，施加在控制对象9上的3相交流电压的各振幅Amp通过振幅决定器15被决定。
通过在频率调整器17中检测控制对象9的振动状态ys，进行调整使驱动频率f(标量)处于上述振动体S的共振频率左右。以在驱动电路(控制电路)16中被输入的频率信息f、相位差φ、振幅Amp为基础，产生3相的交流电压，向控制对象(具体地是压电元件1、2)9供给。
以上是控制装置整体的概略构成。以下，说明各部分的详细构成。
在图1的作为控制对象9的振动型激励器中，安装有用来检测移动体4(图2)的位置的检测电路10。检测电路10包含图2中所说明的电位计7及8，输出移动体4的x轴方向的旋转量与y轴方向的旋转量的2个值。
在本实施方式的振动型激励器的控制中，用直角坐标系空间坐标。因此，在坐标变换器11中，以从检测电路10中被输出的x轴方向的旋转量与y轴方向的旋转量为基础，将移动体4的输出轴6前端的点的空间坐标变换为直角坐标系，输出作为用x成分、y成分、z成分表示的矢量的检测位置信息P。由于输出轴6的前端的点的旋转半径不变化，故在该变化中，可以使用定半径情况下的极坐标系变换为直角坐标系的手法。
在旋转轴决定器12中，以输出轴6的前端的检测位置信息P与目标位置信息Pd为基础，求出用来实现输出轴6的前端从检测位置(P)朝向目标位置(Pd)的最短轨道的旋转轴矢量Axisd。旋转轴矢量Axisd由下述的数式1求出。
数式1 Axisd＝P×Pd/|P×Pd|上述计算式的分子是2个矢量P与Pd的外积。因此，外积所得的矢量成为相对两个矢量P及Pd垂直的矢量。另外，外积的方向是使P沿角度较小的方向旋转，直至与Pd重合时的右螺纹的前进方向。还有，为了使矢量的大小为1，将外积的大小作为分母。
这样，被决定了的旋转轴矢量Axisd被输入逆模型13内。本实施方式的振动型激励器的施加电压条件与旋转轴的关系具有冗余性及非线性。由此，不但该施加电压条件与旋转轴的关系的定式化是困难的，而且，即使驱动时的旋转轴已被决定，所需的相位差或振幅的条件也存在多个。另外，对于多个所得到的条件即同样能实现旋转轴的相位差或振幅，每个条件的效率也不同。
因此，最好能决定交流电压的相位差与振幅，使得以所期望的旋转轴来驱动移动体4。在本实施方式中，为了实现这些，采用使用振动型激励器的逆模型13，来决定最佳的交流电压的相位差与振幅的构成。以下，对该逆模型13进行详细说明。
在本实施方式中，为了构筑具有上述功能的逆模型13，使用公知的神经元网络。在本实施方式中使用的神经元网络为如图3所示的具有输入层、中间层、输出层的3层结构。在神经元网络的输入层中，由旋转轴决定器12求得的旋转轴矢量Axisd的x轴方向成分Axisd-x、y轴方向成分Axisd-y、z轴方向成分Axisd-z被输入。
来自该输入层的信号通过中间层与输出层连接，从输出层输出2个相位差信息和3个振幅信息。相位差φ-xy是在使x轴方向的振动产生的压电元件和使y轴方向的振动产生的压电元件上施加的交流电压的相位差。另外，相位差φ-xz是在使x轴方向的振动产生的压电元件和使z轴方向的振动产生的压电元件上施加的交流电压的相位差。还有，振幅比rAmp-x、rAmp-y、rAmp-z分别是在使x轴方向、y轴方向、z轴方向的振动产生的压电元件上施加的交流电压的振幅比。
上述神经元网络是利用公知的误差逆传播法(back propagation法)事先进行输入层与中间层之间及中间层与输出层之间的结合系数的最佳化(学习)。图4是表示该学习的流程的示意图。
在本实施方式中，为了神经元网络的学习，构筑属于振动型激励器的顺模型的驱动推定模拟装置18。该装置是计算出以任意的振幅及相位组和出振动型激励器所利用的3个正交方式时的移动体4的旋转轴、转数及转矩的模型。在模型构筑中，首先通过有限个节点和连接该有限个节点的离散线性弹簧，将与振动体S的与移动体4的接触部模型化。
接着，根据利用有限要素法计算出的振动体S的模式形状，计算出经过1个周期的各模式的各节点的移位。此时，若移动体4的位置固定，各节点由线性弹簧收缩，计算从该收缩量决定的摩擦力。计算出各节点的1个周期内的摩擦力，由此从产生的转矩的平均值可以推定移动体4的旋转轴。另外，已被决定的旋转轴方向的转数与转矩的关系也可以从摩擦力、振动体S与移动体4之间的相对速度来计算。由此，转数与滑动效率的关系也可以计算出。
学习的时候是向驱动推定模拟装置18输入施加交流电压的频率、振幅、相位差。其结果是，旋转轴与效率从驱动推定模拟装置18被输出。旋转轴被输入到神经元网络19，振幅比及相位差从神经元网络19被输出。进行神经元网络19的学习，以使由输入到驱动推定模拟装置18的振幅而求得的振幅比与相位差和从神经元网络19被输出的振幅比与相位差达到一致。
如上所述，由于本实施方式中所使用的振动型激励器的输入与输出的关系中具有冗余性，故在学习时将从驱动推定模拟装置18输出的效率也作为学习时的材料。由此，变成也考虑振动型激励器驱动时的效率(即，决定能使移动体以尽可能少的驱动量到达目标位置的旋转轴)的神经元网络19被构筑。
根据至此所说明的处理，虽然施加在振动型激励器上的相位差及振幅比被决定，但为了在短时间内将输出轴6正确地定位在目标位置上，通常的定位控制那样的对应目标位置与检测位置的距离，调整速度来驱动也是必须。以下对该方法进行阐述。
图1的14是振幅系数决定器。在该振幅系数决定器14中，决定向振动型激励器施加的交流电压的振幅系数A。该振幅系数A是和上述检测位置信息P与目标位置信息Pd的偏差相对应的系数。这些例如是根据比例控制法则，由下述的数式2那样决定的。
数式2 A＝Kp·cos-1(P·Pd)/(|P‖Pd|)而且，Kp是比例增益。
在振幅决定器(振幅决定单元)15中，利用下述的数式3的演算进行振幅系数(振幅的放大率)A与从逆模型13得到的振幅比rAmp的乘积运算。
数式3 Amp＝A·rAmp由此，施加在振动型激励器上的交流电压的最终的振幅Amp被决定。
根据在驱动电路16中被输入的相位差φ、振幅Amp、频率f，产生驱动振动型激励器用的交流电压。虽然图中未示出，但很显然在驱动电路16中还包含振荡电路、相位变换电路、升压电路。
在本实施方式中，相当于控制对象9的振动型激励器的驱动频率，通常被控制为振动体S的共振频率左右(比共振频率稍高的频率)。为了实现这些，在控制对象9上安装有使用了检测振动用的压电元件的传感器。通过用频率调整器17调整驱动频率，以使上述振动检测用传感器的输出和施加在控制对象9上的3相交流电压中的1相的相位差保持恒定的值，由此将作为控制对象9的振动型激励器的驱动频率保持在振动体S的共振频率左右成为可能。
如以上所说明的那样，在本实施方式中，在具有冗余性及非线性的振动型激励器中，通过使用利用了神经元网络的逆模型，可以最佳地决定对振动型激励器的施加电压条件。另外，可以在短时间内(即有效地)正确地将振动型激励器定位在目标位置上。
在本实施方式中，实际地构成图1所示的控制电路的情况下，坐标变换器11、旋转轴决定器12、逆模型13、振幅系数决定器14、振幅决定器15及频率调整器17，可以利用记述作为CPU或DSP等的程序的软件来实现，也可以利用门阵列等的数字电路或模拟电路来实现。另外，也可以利用这些的组合来实现。
而且，在本实施方式中，决定振幅系数时，虽然对应检测装置与目标装置的偏差，使用比例控制法则来决定振幅系数，但并不限定于这些，也可以利用积分控制法则或微分控制法则来进行控制。
再有，在本发明中，虽然通过进行与移动体4的检测位置相对应的反馈控制来驱动，但本发明并不限定于这些，利用前馈来驱动移动体4也可以。即，在图5所示的控制模块中，利用手动控制器等输入装置向逆模型13内输入所期望的旋转轴信息Axisd，根据由逆模型13决定的相位差φ与振幅比Amp来驱动移动体4也可以。而且，在图5中，对与在图1中已说明的框相同的框付与相同的标注。
图6是从初始位置Pini到目标位置Pgoal的输出轴6前端的点的移动轨迹的三维图。另外，在图7中，(a)是图6中所表示的移动轨迹向xy平面的投影图，(b)是图6中所表示的移动轨迹向yz平面的投影图，(c)是图6中所表示的移动轨迹向zx平面的投影图。在这些图中，圆形符号表示的是利用本实施方式中所示的逆模型13的控制方法所得到的输出轴6前端的点的移动轨迹，方形符号表示的是传统的控制方法所得到的输出轴6前端的点的移动轨迹，曲线表示的是从初始位置Pini到目标位置Pgoal的最短轨道。
从这些图中也可以明白，若利用使用在本实施方式中说明的逆模型来进行驱动控制的振动型激励器，与利用传统的控制方法来进行驱动控制情况下的驱动轨迹相比，在从初始位置Pini到目标位置Pgoal的最短轨道上可以实现忠实的驱动轨迹上的(即，高精度且有效的)驱动控制。
(实施方式2)在上述的实施方式1中，利用使用了1个神经元网络的逆模型，从振动型激励器的旋转轴求得3相的交流电压的相位差及振幅。在实施方式1中所用的组合纵向振动与横向振动的种类不同的振动方式来驱动的激励器的情况下，根据旋转轴的矢量的方向不同，作为激励器的特性发生变化。本实施方式是对应于这一情况的上述实施方式1的应用例。图8是本实施方式的控制装置的机构框图。
在图8中，由于除逆20及选择器21以外，与上述实施方式1中的构成相同，故对于相同的部分付与相同的标号并省略其相应的说明。另外，相当于控制对象9的振动型激励器也是与上述实施方式1中图2所示的振动型激励器相同的装置。
在逆模型组20中，存在8个与振动型激励器的旋转轴矢量Axisd的方向(旋转轴的状态)相对应的逆模型(多个逆模型)。在这里，根据旋转轴矢量Axisd存在于直角坐标系的哪个象限来分开使用这8个逆模型。即，根据旋转轴矢量Axisd的各方向成分的符号(旋转轴的状态)的不同来选择任意1个逆模型，分开使用。这8个逆模型与实施方式1相同，是由神经元网络构成的。
该逆模型组20内的各神经元网络的学习，以和上述实施方式1中图4所示的相同的流程来进行。此时，根据旋转轴矢量Axisd的每个存在象限来切换学习的神经元网络。其结果，对于旋转轴矢量Axisd的存在象限，可以构筑最佳的神经元网络。
接下来，对振动型激励器的驱动时的动作进行说明。在由旋转轴决定器12所决定的旋转轴矢量被输入逆模型组20内部的全部神经元网络中。由每个神经元网络决定的相位差φ1～φ8及振幅比rAmp1～rAmp8从逆模型组20被输入选择器21内。
在选择器21中，判断被输入的旋转轴矢量Axisd存在于直角坐标系中的哪个象限内，将被输入的相位差φ1～φ8中适当的相位差作为相位差φ输出。即，通过利用上述那样选择了的逆模型，来决定向控制对象9供给的各交流电压的相位及振幅比。振幅比也经过同样的处理，将rAmp1～rAmp8中适当的振幅作为rAmp被输出。在驱动电路16中，与实施方式1相同，产生驱动交流电压，作为控制对象9的振动型激励器被驱动。而且，也可以根据选择器21将驱动状态分类后，从逆模型组20中选择适当的逆模型，仅向上述被选择的逆模型输入旋转轴矢量Axisd，输入与驱动状态相对应的相位φ及振幅比rAmp。
如以上所说明的那样，构筑与旋转轴矢量的方向对应的神经元网络，驱动时通过分开使用对应于其旋转轴矢量方向而使用的神经元网络，即使是对于随旋转轴矢量的方向的不同而特性变化的控制对象，也可以进行准确的驱动控制。
再有，在本实施方式中，虽然旋转轴矢量的方向根据直角坐标系中的8个象限而进行分类，但并不限于此，即使对于根据控制对象的特性变化的各种情况而进行的各种划分，也可以进行控制是理所当然的。
(实施方式3)在上述的实施方式2中，对应于旋转轴矢量的方向准备多个使用的逆模型，选择这些中的其中一个进行使用。在本实施方式中，虽然使用的是与上述各实施方式中的振动型激励器相同的构成的装置，即输入输出关系具有冗余性及非线性的装置，但也存在在这种振动型激励器中根据旋转轴矢量的方向的不同，无冗余性且线性的驱动控制是可能的情况。
另外，并不只是对应旋转轴矢量的存在象限的变化，应当明确即使在相同象限内，也存在由旋转轴的矢量成分中哪个成分是最大而导致的特性的变化。因此，在本实施方式中，形成以下的构成。
图9是本发明的实施方式3的控制装置的工作原理框图。除了这里所示的工作原理框图的逆模型组22与选择器23的内部结构以外，由于形成和上述实施方式2中图8所说明的机构框图相同的构成，故在本实施方式中只对和上述实施方式2不同的方面进行说明。
如上所述，在本实施方式中所使用的激励器是和上述各实施方式相同的图2所示的构成的振动型激励器。
如上所述，在组合z轴方向的纵向振动、x轴方向及y轴方向的横向振动类型的振动型激励器中，存在根据旋转轴矢量的方向的不同，仅使用3个振动方式中的2个振动方式，可以驱动控制的情况。并且如从图2中表明的那样，这里的z轴通过弹性体3及移动体4的中央部周围，x轴及y轴大致互相垂直，同时与该z轴也大致垂直。即所谓的直角坐标系。
例如，在使旋转轴矢量与z轴一致，驱动移动体4的情况下，优选y轴方向的横向振动与z轴方向的纵向振动以π/2的相位差驱动。另外，在使旋转轴矢量与y轴一致，驱动移动体4的情况下，优选x轴方向的横向振动与z轴方向的纵向振动以π/2的相位差驱动。再有，在使旋转轴矢量与z轴一致，驱动移动体4的情况下，优选x轴方向及y轴方向的2个横向振动以π/2的相位差驱动。而且，对于该相位差，根据旋转轴矢量的方向朝向轴(x轴、y轴、z轴)的正方向及负方向的哪个方向来进行正负的选择。
由于在上述的3个状态下，即旋转轴矢量与x轴方向一致时、与y轴方向一致时及与z轴方向一致时，相位差也如上述那样被决定，以相同的振幅进行驱动是可能的，所以，不使用神经元网络那样非线性的逆模型(非线性模型，即相当于非线性变换器)，就可以决定驱动条件。
另外，旋转轴处于xy平面的状态下，即在旋转轴矢量的z轴方向上的成分为零的状态下驱动的情况，可以根据旋转轴包含在xy平面上的哪个象限来决定相位差。图10中表示旋转轴矢量的象限与相位差的关系。此时的各振动方式的振动振幅，根据下述的数式4求得。
数式4 Amp_x＝Axisd_y/|Axisd|Amp_y＝Axisd_x/|Axisd|Amp_z＝1这样，在旋转轴存在于xy平面上的情况下，不使用至今仍使用的神经元网络等非线性的逆模型，也可以决定驱动条件。
而且，虽然旋转轴在处于上述以外的状态的情况下有使用与非线性类对应的逆模型的必要，但此时利用图11所示的表格来分情况进行。以下，在图11中，利用与上述实施方式2相同的方法，将根据旋转轴矢量Axisd的存在象限被分成的8个状态称为类，比较旋转轴矢量Axisd的各成分的大小的绝对值，将最大的根据是x轴成分，是y轴成分，还是z轴成分被分成的3个状态称为子类。
这样，由于总共分成24种状态，相位差及振幅比的设定优选在图11的φ及Amp所示的范围内被决定。换而言之，在上述第1及第2实施方式中，虽然将3相的交流电压的全部参数作为变化值来进行处理，但通过用本实施方式的手法进行分类，可以减少变化的参数，神经元网络的构造可以简单，同时学习的最佳化可以容易地进行。
再有，至此为止的相位相关的表现，虽然利用2相的交流电压问的相位差来表示，但在本实施方式的图11中作为相位表示。作为相位差表示的情况下，由于是通过计算各相的相位的差而求得的，故实质上表现的是相同的概念。
如上所述，在本实施方式中，根据振动型激励器的旋转轴矢量的方向，将驱动时的相位及振幅分类为由线性变换所得的逆模型(即相当于线性变换器)求得的状态和由非线性变换所得的逆模型(非线性模型)求得的状态。还有，使用非线性变换所得的逆模型时，根据旋转轴矢量的方向与大小分类为24种状态。因此，结果是，被分类为图12所示的共计28种状态。
在图9所示的逆模型组22中，包含与上述的28种状态对应的28种逆模型组。向选择器23输入作为各逆模型的输出的振幅比rAmp1～rAmp28及相位φ1～φ28。在该选择器23中，根据上述的分类，决定驱动控制中所使用的振幅比rAmp及相位φ。图13表示的是选择器23中振幅比rAmp及相位φ的决定方法的流程图。
在图13中，若旋转轴矢量被决定，就开始该旋转轴矢量的状态的分类(步骤(用图13中的S表示)101)。首先，判断旋转轴矢量的z轴方向成分是否为零，若为零则进入步骤103(步骤102)。在步骤103中，判断旋转轴矢量的y轴方向成分是否为零。接下来，y轴方向成分为零的情况下进入步骤104(步骤103)。由于此时的旋转轴矢量与x轴一致，所以选择状态号码25(图12)(步骤104)。
在步骤103中，y轴成分不为零的情况下，判断x轴成分是否为零(步骤105)。其结果是，由于x轴为零的情况下旋转轴矢量与y轴一致，所以选择状态号码26(步骤106)。
在步骤105中，x轴成分不为零的情况下，由于旋转轴矢量存在于xy平面上，故选择状态号码28(步骤107)。
另一方面，在步骤102中，z轴方向成分不为零的情况下，进入步骤108。在步骤108中，判断x轴方向成分及y轴方向成分是否都为零。两成分都为零的情况下，由于旋转轴矢量与z轴一致，故在步骤109中状态号码27被选择。
在步骤108中，x轴方向及y轴方向的成分都不为零的情况下，成为具有x、y、z全部方向的成分。这种情况下，进入步骤110，根据旋转轴矢量的方向及哪个轴方向的成分的绝对值最大来决定类及子类(步骤110)。根据被决定的类及子类，状态号码被选择为从1到24中的其中一个(步骤111)。
而且，若根据以上方法选择其中一个状态号码，通过使用与该被选择的状态号码对应的逆模型，在选择器23中，输入振幅决定器15的振幅比rAmp及输入驱动电路16的相位φ被决定(步骤112)。
如上所述，在本实施方式中，着眼于振动型激励器利用z轴方向的纵向振动和x轴方向及y轴方向的横向振动来进行驱动的情况，分类为以线性的变换可以求得驱动电压的条件(相位及振幅)的旋转轴矢量的状态；和具有以非线性的变换求得驱动电压的条件(相位及振幅)的必要的旋转轴矢量的状态。因此，可以减轻进行振动型激励器的驱动控制的基础上的处理负担的同时，可以进行高精度的驱动控制。
再有，在进行上述非线性的变换的状态下，与上述实施方式1、2相比，由于进行了更细的分类，所以可以减少变化的参数，神经元网络的构成变得更简单，而且学习也可以容易地进行。还有，由于使用由神经元网络构筑的逆模型(非线性模型)，故可以决定有效地进行所期望的运动用的最佳的参数，可以实现高精度的驱动控制。
(实施方式4)图14是本发明的实施方式4中所使用的振动型激励器的透视图。在到此为止的实施方式中，虽然使用了圆筒形状的棒状振动体S，但在本实施方式中，如图14所示，使用的是在弹性体202上贴附有压电元件203的平板状的振动体B。在球状的移动体102上安装有照相机103，使照相机的方向可以多自由度地自由驱动。以下，说明驱动原理。
图15是振动体B的透视图。该振动体B是由磷青铜等的金属成型的弹性体202和连接固定在该弹性体202上的压电元件203形成的。
如图15所示，该弹性体202具有相对于在X-Y平面上延伸的大致呈正方形的板状部202B沿Z轴方向延伸的接触凸起部PC201～PC204，这些接触凸起部在其端面(与X-Y平面大致平行的端面)上具有与移动体102接触来传递驱动力用的驱动点C201～C204。
在这些驱动点C201～C204上，利用粘着等方式一体地形成有施行了表面氧化处理的SUS等的具有耐磨性的部件。当然，并不限定于粘着具有耐磨性的部件的方案，也可以对接触凸起部PC201～PC204的端面直接施行使耐磨性提高的表面处理。
另外，在弹性体202的大致中央部上形成有具备与X-Y平面大致平行的端面的凸起部PG，该凸起部PG的端面在高度方向(Z轴方向)上低于接触凸起部PC201～PC204的端面。
而且，在弹性体202的X-Y平面上的4个角落部分上，形成有同样具备与X-Y平面大致平行的端面的凸起部PE201～PE204。
这些凸起部PE201～PE204及凸起部PG使后述的固有振动模式的固有振动数一致，同时具有扩大接触凸起部PC201～PC204的驱动点C201～C204的变位的作用。
弹性体202的中央部(即凸起部PG的中央部)上配置有吸引加压移动体102用的加压磁铁205。在上述振动型激励器的构成中，通过对压电元件203的施加交流电压而对振动体B进行励振，移动体102和实施方式1中的移动体4一样，以任意的旋转轴为中心，可以旋转。
图16表示的是对振动体B进行励振的固有振动模式的示意图。用图中的箭头、圆标记中的点或×表示的记号表示的是各固有模式的相对的变位。而且，用圆标记中的点表示的记号和用圆标记中的×表示的记号分别表示的是不同方向的变位。这里所表示的Mode-α、Mode-βx、Mode-βy都是产生振动体的XY面外的变形的固有振动模式。还有，Mode-βx和Mode-βy是互相大致正交的重根模式。
图17表示的是被配置在弹性体202的内面的以固有振动模式对振动体B进行励振用的压电元件203-1～203-8的构成。在该图中所示的+、-表示各压电元件203的偏振方向的正负。端子A、B、C及连接这些端子与各压电元件的线，示意性地表示驱动信号的施加端着与连接状态。与弹性体202连接的G为公用电位。
在这种构成中，若向接线柱A施加交变信号(例如交流电压)，振动体B以Mode-α被励振。而且，通过向端子B与端子C施加相同相位的交变信号，以Mode-βx被激励。进而，由于向端子B与端子C施加互为相反相位的交变信号，则以Mode-βy被激励。组合这些对振动体B进行的励振的固有振动模式，可以使得绕3个大致垂直的轴方向旋转的驱动力及这些的任意的组合而成的驱动力产生。另外，也可以使2个大致垂直的并进方向的驱动力和绕1个轴方向的旋转驱动力及这些的任意组合的驱动力产生。
当然，即使对于本实施方式中所述构成的振动型激励器，通过适用上述各实施方式中的控制装置及控制方法，也可以产生与上述各实施方式所示的构成的效果相同的效果。
另外，振动型激励器并不限定于上述各实施方式中所示的构成。只要是通过在构成振动体的弹性体中使3种不同的振动激励，而可以使振动体的表面在互相垂直的3方向的任意一方向上变位的振动型激励器，就可以适用上述各实施方式的控制装置及控制方法。
再有，在上述各实施方式中，虽然列举了向振动型激励器供给的频率信号为交流电压的范例，但并不限于此，也可以是脉冲信号。这种情况下，频率信号的相位意味着脉冲之间的相位，振幅意味着脉冲信号的强度(振幅)。
还有，对于构成具备上述各实施方式的振动型激励器的控制装置和由从这些振动型激励器的控制装置被供给的频率信号驱动控制的振动型激励器的振动型激励器系统，也可以得到和上述各实施方式中的效果相同的效果。
如上所述，根据本申请的各发明，可以提供一种即使在使3种以上的振动激励而具有冗余性·非线性的情况下，也可以有效地进行所期望的运动的振动型激励器的控制装置、振动型激励器系统、振动型激励器的控制方法。
权利要求
1.一种振动型激励器的控制装置，对于具备可以旋转的移动体、与该移动体接触的弹性体和借助至少3相的频率信号的供给能对上述弹性体进行至少3种不同的振动的励振的电能-机械能转换元件的振动型激励器，供给用来使上述移动体旋转至目标位置的上述频率信号，其特征在于，该装置具备决定用于使上述移动体旋转至上述目标位置的旋转轴的旋转轴决定单元；通过利用逆模型，来决定用于使上述移动体以已由上述旋转轴决定单元决定的旋转轴为中心进行旋转的上述频率信号的相位及振幅的参数决定单元；将具有已由上述参数决定单元决定的相位及振幅的上述频率信号向上述电能-机械能转换元件供给的控制电路。
2.如权利要求1中所述的振动型激励器的控制装置，其特征在于，上述旋转轴决定单元决定以最小的驱动量将上述移动体旋转到上述目标位置所需的旋转轴。
3.如权利要求1中所述的振动型激励器的控制装置，其特征在于，还具备检测上述移动体的目前位置的位置检测单元，这里，上述旋转轴决定单元根据上述位置检测单元检测出的目前位置和上述目标位置来决定上述旋转轴。
4.如权利要求1中所述的振动型激励器的控制装置，其特征在于，上述参数决定单元具有分别与上述旋转轴的每个状态对应的多个逆模型，对应由上述旋转轴决定单元决定的旋转轴的状态，选择上述多个逆模型中的其中一个，利用该已选择的逆模型来决定上述频率信号的相位及振幅。
5.如权利要求4中所述的振动型激励器的控制装置，其特征在于，上述多个逆模型中的至少1个是使用进行非线性变换的非线性变换器的非线性模型。
6.如权利要求5中所述的振动型激励器的控制装置，其特征在于，上述多个逆模型中的至少1个是使用进行线性变换的线性变换器的线性模型。
7.如权利要求1中所述的振动型激励器的控制装置，其特征在于，上述逆模型是使用进行非线性变换的非线性变换器的非线性模型。
8.如权利要求5中所述的振动型激励器的控制装置，其特征在于，上述非线性变换器是由神经元网络构筑而成的。
9.如权利要求6中所述的振动型激励器的控制装置，其特征在于，上述至少3种不同的振动在包含通过上述弹性体及上述弹性体的中央部附近的z轴方向的纵向振动和与该z轴方向都大致垂直的且互相大致垂直的x轴方向及y轴方向的横向振动且由上述旋转轴决定单元决定的旋转轴的矢量与z轴大致一致或存在于xy平面内的情况下，选择上述多个逆模型中的线性模型，而在其他情况下选择非线性模型。
10.如权利要求1中所述的振动型激励器的控制装置，其特征在于，还具备根据上述移动体的目前位置与目标位置，决定向上述振动型激励器供给的频率信号振幅的振幅放大率的放大率决定单元；和使由上述参数决定单元决定的振幅乘以上述振幅放大率得出的值作为上述频率信号振幅的振幅决定单元。
11.一种振动型激励器系统，其特征在于，该系统具有权利要求1～10中所述的振动型激励器的控制装置；和由从上述控制装置供给的频率信号驱动控制的振动型激励器。
12.一种振动型激励器的控制方法，对于具备可以旋转的移动体、与该移动体接触的弹性体、和借助至少3相的频率信号的供给对上述弹性体进行至少3种不同的振动的励振的电能-机械能转换元件的振动型激励器，供给用来使上述移动体旋转至目标位置的上述频率信号，其特征在于，该方法具有决定用于使上述移动体旋转至上述目标位置的旋转轴的第1步骤；通过利用逆模型，来决定使上述移动体以上述第1步骤中所决定的旋转轴为中心进行旋转的上述频率信号的相位及振幅的第2步骤；知将具有在上述第2步骤中已被决定的相位及振幅的上述频率信号向上述电能-机械能转换元件供给的第3步骤。
13.如权利要求12中所述的振动型激励器的控制方法，其特征在于，在上述第1步骤中，决定能以最小的驱动量将上述移动体旋转到上述目标位置的旋转轴。
14.如权利要求12中所述的振动型激励器的控制方法，其特征在于，在上述第2步骤中，对应在上述第1步骤中已被决定的旋转轴的状态，选择分别与上述旋转轴的每个状态对应的多个逆模型中的其中一个，利用该已选择的逆模型来决定上述频率信号的相位及振幅。
15.如权利要求14中所述的振动型激励器的控制方法，其特征在于，上述的多个逆模型中的至少1个中使用利用由神经元网络构成且进行非线性变换的非线性变换器的非线性模型。
全文摘要
一种振动型激励器的控制装置，该振动型激励器能进行3种以上的励振，并可以使所期望的运动有效地进行。振动型激励器包含可以旋转的移动体；与该移动体接触的弹性体；和借助至少3相的频率信号的供给对上述弹性体进行至少3种不同的励振的电能－机械能转换元件。控制装置包含旋转轴决定单元、参数决定单元和控制电路。旋转轴决定单元决定使移动体旋转用的旋转轴。参数决定单元通过利用逆模型来决定频率信号的相位及振幅。
文档编号H02N2/00GK1497831SQ200310100050
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月8日 优先权日2003年10月8日
发明者竹村研治郎, 山本新治, 小岛信行, 前野隆司, 司, 治, 行 申请人:佳能株式会社