JP2009261069A - 振動アクチュエータ及びその制御方法ならびにロボットハンド - Google Patents

Abstract

【課題】多自由度の振動アクチュエータにおいて、可動子の蛇行を抑制するように駆動条件を設定することができる振動アクチュエータ及びその制御方法ならびにロボットハンドを提供する。
【解決手段】振動アクチュエータは、所定の試験時間中に、駆動用の交流電圧である第１駆動電圧Ｖｄ１、第２駆動電圧Ｖｄ２、および第３駆動電圧Ｖｄ３の周波数を変化させつつ、回転子６の意図した方向への移動量に関連する移動表示値と、意図しない方向への蛇行量に関連する蛇行表示値とを測定する。Ｘ軸周りの回転の場合、移動表示値は、第１電流測定値Ｉｍ１および第２電流測定値Ｉｍ２であり、蛇行表示値は第３電圧測定値Ｖｍ３である。そして、測定された移動表示値および蛇行表示値に基づいて交流電圧の運転用の周波数を決定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、振動アクチュエータに係り、特に振動子に超音波の振動を発生させて回転子を回転させる振動アクチュエータおよびその制御方法ならびにロボットハンドに関する。

近年、超音波振動を利用して可動子を運動させる振動アクチュエータが提案され、実用化されている。この振動アクチュエータは、圧電素子に交流電圧を印加して固定子の表面に楕円運動または進行波を発生させ、固定子に可動子を加圧接触させることによりこれら両者間の摩擦力を介して可動子を運動させるものである。このような構成の振動アクチュエータの例は、特許文献１に示される。特許文献１の振動アクチュエータは、可動子として球形の回転子を用い、固定子がこの回転子を回転運動させるよう構成されている。
また、このような振動アクチュエータは、たとえばロボットハンドにおいて指部を駆動するために用いられる。

このような振動アクチュエータは、同じ構成を有するものであってもその動作特性には個体差があり、可動子の運動にずれが発生する場合がある。この個体差の影響を抑えるために、個体の特性に応じて駆動条件を変更し、より良い駆動条件で振動アクチュエータを作動させようとする技術が知られている。
このような技術の例は、特許文献２に示される。特許文献２の振動アクチュエータは、電源投入時に周波数掃引を行って各周波数に対する消費電流を検出し、振動体の駆動特性を得る。そして、得られた駆動特性に応じて駆動条件を設定し、駆動効率を向上させようとするものである。

特開２００４−３１２８０９号公報 特開２００６−３０４４９０号公報

しかしながら、従来の振動アクチュエータでは、可動子の駆動効率を向上させるように駆動条件を設定するものはあっても、可動子の蛇行を抑制するように駆動条件を設定するものは存在しなかった。このため、可動子の蛇行を抑制することが困難であるという問題があった。
ここで、可動子の蛇行とは、本来意図しない方向への可動子の運動のことである。このような可動子の蛇行は、とくに複数の方向に可動子を運動させる多自由度アクチュエータにおいて問題となる。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、可動子の蛇行を抑制するように駆動条件を設定することができる振動アクチュエータ及びその制御方法ならびにロボットハンドを提供することを目的とする。

この発明に係る振動アクチュエータは、可動子を固定子に対し加圧した状態で固定子に振動を発生させ、可動子の運動を制御する振動アクチュエータであって、少なくとも２つの運動方向に可動子を運動可能で運動方向に応じた振動を固定子に発生させる振動手段と、振動手段に交流電圧を印加して駆動する駆動手段と、交流電圧のパラメータを制御する制御手段とを備え、制御手段は、所定の試験時間中に、交流電圧のパラメータを変化させつつ、運動方向の一方向における可動子の移動量に関連する移動表示値と、運動方向の他方向における可動子の移動量に関連する蛇行表示値とを取得し、試験時間中または試験時間後に、取得した移動表示値および蛇行表示値に基づいて、交流電圧の運転用のパラメータを決定し、運転用のパラメータに基づいて交流電圧を制御する。
ここで、交流電圧のパラメータとは、交流電圧の態様を表す数値を意味する。交流電圧のパラメータは、交流電圧の電圧値、交流電圧の位相差、交流電圧の周波数を含む。
また、運転用のパラメータとは、振動アクチュエータが実際の作業を行う際に用いる交流電圧のパラメータを意味する。すなわち、振動アクチュエータは、試験時間中には移動表示値および蛇行表示値を取得するためにパラメータを変化させるが、運転用のパラメータを決定した後、次の試験時間が開始されるまでは、決定された運転用のパラメータのみを用いて可動子の運動を制御する。
この振動アクチュエータは、駆動電圧のパラメータを変化させつつ、意図した方向への可動子の移動量と、意図しない方向への可動子の蛇行量とを取得する。そして、取得された移動量および蛇行量に基づいて、運転用として望ましい駆動電圧のパラメータを決定する。

交流電圧の運転用のパラメータは、移動表示値が所定の値以上となる条件のもとで、蛇行表示値が最小となるパラメータであってもよい。このようにすると、可動子に十分な移動量を与えつつ、蛇行量を最小限に抑えることができる。
可動子は球形の回転子であり、可動子の運動は回転運動であってもよい。
振動手段は少なくとも３つの振動素子部を含み、駆動手段は、振動素子部のうち少なくとも２つを組として駆動することによって、組に応じた運動方向に可動子を運動させ、制御手段は、組のうち少なくとも１つの組について運転用のパラメータを決定してもよい。

制御手段は、試験時間中において、交流電圧を可動子が運動しない大きさの電圧としてもよい。このようにすると、使用者が意図しない動作をすることがない。
振動素子部は圧電素子部を含み、振動アクチュエータは、圧電素子部に流れる電流を測定する電流測定手段と、圧電素子部に発生する電圧を測定する電圧測定手段とを含み、移動表示値は、駆動されている振動素子部に流れる電流の値であり、蛇行表示値は、駆動されていない振動素子部に発生する電圧の値であってもよい。

振動アクチュエータは、可動子の位置を検出する位置検出手段を含み、制御手段は、位置検出手段から位置を取得するとともに、取得した位置に基づいて可動子の移動量を算出し、移動表示値は、運動方向の一方向における可動子の移動量であり、蛇行表示値は、運動方向の他方向における可動子の移動量であってもよい。

交流電圧のパラメータは交流電圧の電圧値を含んでもよい。このようにすると、運転用として望ましい駆動電圧の電圧値を決定することができる。
交流電圧のパラメータは、異なる振動素子部に印加される交流電圧の位相差を含んでもよい。このようにすると、運転用として望ましい駆動電圧の位相差を決定することができる。
制御手段は、試験時間中において交流電圧の位相差を変化させる範囲を、最後に決定された運転用の位相差を基準として、その前後各１０度の範囲としてもよい。
交流電圧のパラメータは交流電圧の周波数を含んでもよい。このようにすると、運転用として望ましい駆動電圧の周波数を決定することができる。
制御手段は、試験時間中において交流電圧の周波数を変化させる範囲を、最後に決定された運転用の周波数を基準として、その前後各５ｋＨｚの範囲としてもよい。
試験時間は、電源投入直後に開始されるか、または、最後の試験時間終了からの周囲温度の変化が、所定の温度変化基準値を超えた場合に開始されるか、または、定期的に開始されてもよい。

また、この発明に係るロボットハンドは、上述の振動アクチュエータのいずれかによって駆動される複数の指部を有することを特徴とする。

また、この発明に係る振動アクチュエータの制御方法は、可動子を固定子に対し加圧した状態で固定子に振動を発生させ、可動子の運動を制御する振動アクチュエータの制御方法であって、所定の試験時間中に、固定子に振動を発生させる振動手段に印加する交流電圧のパラメータを変化させつつ、運動方向の一方向における可動子の移動量に関連する移動表示値と、運動方向の他方向における可動子の移動量に関連する蛇行表示値とを取得し、取得した移動表示値および蛇行表示値に基づいて、交流電圧の運転用のパラメータを決定し、運転用のパラメータに基づいて交流電圧を制御する。
この振動アクチュエータの制御方法は、駆動電圧のパラメータを変化させつつ、意図した方向への可動子の移動量と、意図しない方向への可動子の蛇行量とを取得する。そして、取得された移動量および蛇行量に基づいて、運転用として望ましい駆動電圧のパラメータを決定する。

この発明によれば、振動アクチュエータは、所定の試験時間を設け、この試験時間中に、駆動用の交流電圧のパラメータを変化させつつ、可動子の意図した方向への移動量に関連する移動表示値と、意図しない方向への蛇行量に関連する蛇行表示値とを取得する。そして、取得された移動表示値および蛇行表示値に基づいて交流電圧の運転用のパラメータを決定するので、可動子の蛇行を抑制するように駆動条件を設定することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、この発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータを示す。基部ブロック１と固定子２との間に、振動手段としての振動体３が挟持されており、これらによりほぼ円柱状の外形を有する振動子４が形成されている。固定子２には、振動体３に接する面とは反対側に凹部５が形成されており、この凹部５内に略球体状の回転子６のほぼ下半部が収容されている。この回転子６が、実施の形態１における可動子である。
固定子２の上部には、支持部材７が配置されている。この支持部材７は、固定子２の上面の上に固定される環状部８と、環状部８から上方に延びる逆Ｌ字形のアングル部９を有し、アングル部９の先端に予圧部１０が支持されている。

ここで、説明の便宜上、基部ブロック１から固定子２に向かう振動子４の中心軸をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
予圧部１０は、回転子６の＋Ｚ軸方向の最高点である頂点付近に接触している。支持部材７のアングル部９は弾性を有し、これにより予圧部１０が回転子６に加圧され、回転子６に−Ｚ軸方向の予圧を付与している。

図２に示されるように、予圧部１０は、凹状円錐面形状の予圧面１１を有しており、この予圧面１１が回転子６の頂点付近に接触している。
また、基部ブロック１と固定子２とが振動体３内に通された連結ボルト１２を介して互いに連結されている。
固定子２の凹部５は、回転子６の直径より小さな内径を有する小径部１３と、回転子６の直径より大きな内径を有する大径部１４とからなり、これら小径部１３及び大径部１４との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差１５が形成されている。回転子６はこの凹部５内の段差１５に当接した状態で回転可能に支持されている。
なお、基部ブロック１および固定子２はそれぞれ例えばジェラルミンから形成され、回転子６としては鋼球が用いられる。

振動体３は、固定子２に超音波の振動を発生させて回転子６をＸ、Ｙ、Ｚの３軸の周りにそれぞれ回転させるためのものであり、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有している。これら第１〜第３の圧電素子部３１〜３３がそれぞれ制御装置１６に電気的に接続されている。
具体的には、図３に示されるように、第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介して固定子２及び基部ブロック１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。

図４に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。

第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃと、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃと、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃがそれぞれ制御装置１６に電気的に接続されている。

図５に、実施の形態１に係る制御装置１６の構成を示す。制御装置１６は、第１駆動部１６１と、第２駆動部１６２と、第３駆動部１６３とを備える。第１駆動部１６１は、第１の圧電素子部３１に、第１駆動電圧Ｖｄ１として交流電圧を印加し、これを駆動する。第２駆動部１６２は、第２の圧電素子部３２に、第２駆動電圧Ｖｄ２として交流電圧を印加し、これを駆動する。第３駆動部１６３は、第３の圧電素子部３３に、第３駆動電圧Ｖｄ３として交流電圧を印加し、これを駆動する。
図示しないが、第１駆動部１６１、第２駆動部１６２および第３駆動部１６３は、それぞれ電源としてハーフブリッジ回路を含む。
この第１駆動部１６１、第２駆動部１６２、および第３駆動部１６３が、本実施の形態における駆動手段を構成する。

また、制御装置１６は、第１駆動部１６１、第２駆動部１６２、および第３駆動部１６３を制御する、制御手段としての制御部１６０を備える。制御部１６０は、第１駆動部１６１、第２駆動部１６２、および第３駆動部１６３に指示を与えることによって、第１駆動電圧Ｖｄ１、第２駆動電圧Ｖｄ２、および第３駆動電圧Ｖｄ３のパラメータを制御する。ここで、駆動電圧のパラメータとは、駆動電圧の周波数および電圧値を含む。また、この駆動電圧のパラメータは、異なる圧電素子部に印加される駆動電圧の位相差を含む。すなわち、たとえば第１駆動部１６１が発生する駆動電圧と、第２駆動部１６２が発生する駆動電圧との間の位相差である。
図示しないが、制御部１６０は、第１駆動部１６１、第２駆動部１６２および第３駆動部１６３が出力する矩形波の制御を行う矩形波位相差可変出力回路と、この矩形波位相差可変出力回路の制御内容を外部からの入力に基づいて計算する演算回路とを備える。

また、制御装置１６は、第１測定部１６４と、第２測定部１６５と、第３測定部１６６とを備え、制御部１６０はこれらから出力される信号を受信する。第１測定部１６４は、第１の圧電素子部３１に流れる電流の値である第１電流測定値Ｉｍ１と、第１の圧電素子部３１に発生する電圧の値である第１電圧測定値Ｖｍ１とを測定する。第２測定部１６５は、第２の圧電素子部３２に流れる電流の値である第２電流測定値Ｉｍ２と、第２の圧電素子部３２に発生する電圧の値である第２電圧測定値Ｖｍ２とを測定する。第３測定部１６６は、第３の圧電素子部３３に流れる電流の値である第３電流測定値Ｉｍ３と、第３の圧電素子部３３に発生する電圧の値である第３電圧測定値Ｖｍ３とを測定する。
この第１測定部１６４、第２測定部１６５、および第３測定部１６６が、本実施の形態における測定手段を構成する。

次に、この実施の形態１に係る振動アクチュエータの動作について説明する。
制御装置１６の第１駆動部１６１が、振動体３に対して、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃに振動アクチュエータの固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子２にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。同様に、制御装置１６の第２駆動部１６２が、第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃに交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、固定子２にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、制御装置１６の第３駆動部１６３が、第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃに交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子２にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。

そこで、例えば、制御部１６０の制御に従って、第２駆動部１６２および第３駆動部１６３がそれぞれ、第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧を印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子２の段差１５にＸＺ面内の楕円振動が発生する。この楕円振動によって、摩擦力を介して回転子６をＹ軸周りに回転させるトルクが発生し、回転子６が回転する。
同様に、制御部１６０の制御に従って、第１駆動部１６１および第２駆動部１６２がそれぞれ、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧を印加すると、Ｙ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子２の段差１５にＹＺ面内の楕円振動が発生する。この楕円振動によって、摩擦力を介して回転子６をＸ軸周りに回転させるトルクが発生し、回転子６が回転する。
さらに、制御部１６０の制御に従って、第１駆動部１６１および第３駆動部１６３がそれぞれ、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧を印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子２の段差１５にＸＹ面内の楕円振動が発生する。この楕円振動によって、摩擦力を介して回転子６をＺ軸周りに回転させるトルクが発生し、回転子６が回転する。
このようにして、振動体３の第１の圧電素子部３１、第２の圧電素子部３２、および第３の圧電素子部３３のうち２つを組として駆動することによって、その組に応じた運動方向、すなわちＸ、Ｙ、Ｚの３軸の周りにそれぞれ回転子６を回転する。

この振動アクチュエータは、作業を行うための運転を開始する前に、駆動条件の設定を行うための期間、すなわち試験時間を設ける。この試験時間は、たとえば電源投入直後に開始される。
この試験時間中、制御部１６０は、第１駆動部１６１、第２駆動部１６２、および第３駆動部１６３を制御して、第１駆動電圧Ｖｄ１、第２駆動電圧Ｖｄ２、および第３駆動電圧Ｖｄ３のパラメータを時間とともに変化させつつ、第１測定部１６４、第２測定部１６５、および第３測定部１６６から、第１電流測定値Ｉｍ１、第１電圧測定値Ｖｍ１、第２電流測定値Ｉｍ２、第２電圧測定値Ｖｍ２、第３電流測定値Ｉｍ３、および第３電圧測定値Ｖｍ３を取得する。なお、駆動電圧のパラメータとして、実施の形態１では駆動電圧の周波数を例にとって説明する。

以下、試験時間における制御を具体的に説明する。
試験時間において、まず制御部１６０は、Ｘ軸周りの回転に対する測定を行う。
図６は、Ｘ軸周りの回転に対する測定における振動アクチュエータの動作を表す。この測定では、Ｘ軸周りの回転に関連する駆動部、すなわち第１駆動部１６１および第２駆動部１６２が、それぞれ第１駆動電圧Ｖｄ１および第２駆動電圧Ｖｄ２を印加して、第１の圧電素子部３１および第２の圧電素子部３２を駆動する。ただし、第３駆動部１６３は電圧を発生せず、第３の圧電素子部３３を駆動しない。
また、この際、第１駆動電圧Ｖｄ１および第２駆動電圧Ｖｄ２は、回転子６が回転しない大きさの電圧とする。すなわち、固定子２が振動することで回転子６に及ぼす力が、予圧部１０が回転子６に対して加圧する力よりも常に小さくなるような電圧である。

このＸ軸周りの回転に対する測定では、制御部１６０は、駆動されている圧電素子部、すなわち第１の圧電素子部３１および第２の圧電素子部３２に流れる電流値として、第１電流測定値Ｉｍ１および第２電流測定値Ｉｍ２を取得する。ここで、第１電流測定値Ｉｍ１は第１の圧電素子部３１の振動の振幅に対応する値であり、第２電流測定値Ｉｍ２は第２の圧電素子部３２の振動の振幅に対応する値であるので、これらは回転子６の意図した方向への移動、すなわちＸ軸周りの回転移動量を示す移動表示値となる。
また、第１の圧電素子部３１および第２の圧電素子部３２が駆動されて振動することによって、第３の圧電素子部３３も受動的に振動するので、この振動に対応する電圧が第３の圧電素子部３３に発生する。この振動は回転子６のＸ軸周りの回転には関与せず、Ｙ軸周りまたはＺ軸周りの回転を起こすものなので、回転子６を蛇行させる原因となる。
このようにして、駆動されていない圧電素子部、すなわち第３の圧電素子部３３に発生する電圧値として、制御部１６０は第３電圧測定値Ｖｍ３を取得する。上述のように第３電圧測定値Ｖｍ３は第３の圧電素子部３３の振動の振幅に対応する値であり、回転子６のＸ軸周りとは異なる方向、すなわち意図しない方向への回転移動量を示す蛇行表示値となる。

Ｘ軸周りの回転に対する測定において、制御部１６０は、第１駆動電圧Ｖｄ１および第２駆動電圧Ｖｄ２のパラメータを変化させつつ上述の測定を行う。変化させるパラメータがたとえば周波数である場合には、まず第１駆動電圧Ｖｄ１および第２駆動電圧Ｖｄ２の周波数をいずれも２０ｋＨｚとして測定を行い、次にいずれも２１ｋＨｚとして測定を行い、以下同様にして、１ｋＨｚおきに１００ｋＨｚまで測定を行う。この際、一回の測定にかける時間は、所望の試験時間の長さに応じて決定されればよいが、たとえば全測定が１０秒間で終了するように決定される。

以上の説明はＸ軸周りの回転に対する測定についてのものであるが、これと同様にしてＹ軸周りの回転およびＺ軸周りの回転に対しても測定が行われる。
すなわち、Ｙ軸周りの回転に対する測定では、駆動される第２の圧電素子部３２および第３の圧電素子部３３圧電素子部に流れる電流値として、第２電流測定値Ｉｍ２および第３電流測定値Ｉｍ３を取得し、これが回転子６のＹ軸周りの回転移動量を示す移動表示値となる。また、駆動されない第１の圧電素子部３１に発生する電圧値として、第１電圧測定値Ｖｍ１を取得し、これが回転子６のＹ軸周りとは異なる方向の回転移動量を示す蛇行表示値となる。
さらに、Ｚ軸周りの回転に対する測定では、駆動される第１の圧電素子部３１および第３の圧電素子部３３圧電素子部に流れる電流値として、第１電流測定値Ｉｍ１および第３電流測定値Ｉｍ３を取得し、これが回転子６のＺ軸周りの回転移動量を示す移動表示値となる。また、駆動されない第２の圧電素子部３２に発生する電圧値として、第２電圧測定値Ｖｍ２を取得し、これが回転子６のＺ軸周りとは異なる方向の回転移動量を示す蛇行表示値となる。

このようにして制御部１６０は、回転子６のすべての回転軸、すなわち移動方向について測定を行う。その後、取得した移動表示値および蛇行表示値に基づいて、第１駆動電圧Ｖｄ１、第２駆動電圧Ｖｄ２、および第３駆動電圧Ｖｄ３の運転用のパラメータ、すなわち運転用の周波数を決定する。
図７は、Ｘ軸周りの回転における運転用の周波数を決定する方法を説明するグラフである。横軸は、Ｘ軸周りの回転に対する駆動電圧、すなわち第１駆動電圧Ｖｄ１および第２駆動電圧Ｖｄ２の周波数を表す。縦軸は、移動表示値の一つである第１電流測定値Ｉｍ１および蛇行表示値である第３電圧測定値Ｖｍ３の値を表す。

制御部１６０は、第１電流測定値Ｉｍ１が所定の値以上となる条件のもとで、第３電圧測定値Ｖｍ３が最小となる周波数を求める。図７の例において、第１電流測定値Ｉｍ１が電流閾値Ｉｔｈ以上となる領域は、第１駆動電圧Ｖｄ１および第２駆動電圧Ｖｄ２の周波数がｆ１以上ｆ２以下となる領域である。この領域中で第３電圧測定値Ｖｍ３が最小値Ｖｍｉｎとなるのは周波数ｆ１であるので、制御部１６０はこの周波数を運転用の周波数ｆｄ１として決定する。
第１駆動電圧Ｖｄ１および第２駆動電圧Ｖｄ２の周波数を運転用の周波数ｆｄ１とすると、移動表示値である第１電流測定値Ｉｍ１が所定の電流閾値Ｉｔｈ以上であるので、第１の圧電素子部３１は十分大きな振幅をもって振動し、回転子６に十分な回転移動量を与えることができる。同時に、蛇行表示値である第３電圧測定値Ｖｍ３がその範囲で最小値となるので、第３の圧電素子部３３の振幅は最小となり、回転子６の移動量に対する蛇行量を最小限に抑えることができる。このように、実施の形態１によれば、運転用の駆動電圧として望ましいパラメータを決定するので、回転子６の蛇行を抑制するように駆動条件を設定することができる。

なお、図７の例では移動表示値として第１電流測定値Ｉｍ１が用いられるが、これは第２電流測定値Ｉｍ２であってもよく、これらの和または平均であってもよく、これらに基づいて決定される関数であってもよい。
このようにして、制御部１６０はＸ軸周りの回転に対して、すなわち第１の圧電素子部３１および第２の圧電素子部３２の組について、運転用の周波数を決定する。同様にして、Ｙ軸周りの回転に対しては第２の圧電素子部３２および第３の圧電素子部３３の組について運転用の周波数を決定し、Ｚ軸周りの回転に対しては第１の圧電素子部３１および第３の圧電素子部３３の組について運転用の周波数を決定する。

こうして回転子６のすべての回転軸、すなわち移動方向について運転用の周波数を決定した後、振動アクチュエータの試験時間が終了する。試験時間の終了後、制御部１６０は通常の運転動作として、外部からの指示またはあらかじめ設定されたパターンに応じて回転子６を回転させる。この際、上述の試験時間において決定された運転用の周波数の駆動電圧を用いてそれぞれの圧電素子部を駆動し、これによって回転子６の蛇行を抑制する。

なお、実施の形態１では、回転子６が回転しない大きさの電圧を用いて、すなわち振動アクチュエータが非駆動の状態で測定を行う。このため、試験時間中であっても使用者が意図しない動作をすることがない。また、非駆動なので、振動アクチュエータへのストレスの印加を避けることができ、アクチュエータ寿命を悪化させずに頻繁に測定を行うことが可能である。また、測定前と測定後で回転子６の位置が変化しないので、回転子６の位置を調整しなおしたり、座標データを更新したりする必要がなく、構成および制御内容を簡素なものとすることができる。さらに、電源投入直後に振動アクチュエータが停止している間、すなわち振動アクチュエータが作業のための運転を開始する前に測定を行うので、アクチュエータとしての動作を妨げることがない。

図８および図９に、実施の形態１の測定方法に従って実際に測定されたデータの例を示す。図８は、測定を行った周波数と、それぞれの周波数において測定された、移動表示値としての第１電流測定値Ｉｍ１および蛇行表示値としての第３電圧測定値Ｖｍ３の値とを対応させて示す表である。周波数は４０ｋＨｚ〜５５ｋＨｚの範囲で測定されている。図９は、図８の表を折れ線グラフとして表したものである。図９において、電流閾値Ｉｔｈ＝１．５（Ａ）とすると、第１電流測定値Ｉｍ１のグラフがこの値以上となる領域は４８．１＜ｆ＜５０．９（ｋＨｚ）となる。この領域において第３電圧測定値Ｖｍ３のグラフが最小となるのはｆ≒５０．９のときであり、こうして運転用の周波数ｆｄ１＝５０．９と決定することができる。なお、このとき電圧最小値Ｖｍｉｎ≒０．０５８（Ｖ）である。

なお、この例では各測定データの間を直線で補間して計算しているが、他の方法による補間が用いられてもよい。また、補間なしで測定データがそのまま用いられてもよい。たとえば、第１電流測定値Ｉｍ１が１．５Ａ以上となる測定値は４９ｋＨｚおよび５０ｋＨｚのみであるが、このうち第３電圧測定値Ｖｍ３がより小さくなる５０ｋＨｚを運転用の周波数ｆｄ１として決定してもよい。

上述の実施の形態１において、試験時間は電源投入直後に開始される。変形例として、これ以外のタイミングで試験時間が開始されてもよい。
たとえば、振動アクチュエータは周囲温度を検出するサーミスタを備え、サーミスタから出力される信号に基づいて制御部１６０が周囲温度を監視し、最後の試験時間終了からの周囲温度の変化が温度変化基準値を超えた場合に開始されてもよい。温度変化基準値は、たとえば１０℃であってもよい。また、試験時間は負荷の変動に応じて開始されてもよい。このようにすると、様々に変化する駆動環境に応じて常に最適な条件で振動アクチュエータが作動するため、駆動環境の変動に関わらず蛇行を抑制することができる。
また、試験時間は定期的に開始されてもよい。たとえば２４時間おきに開始されてもよい。このようにすると、摩耗等の経時変化によって駆動環境が変化した場合でも、自動的に駆動条件が更新されるので、駆動条件を常に最適に保つことができる。

また、実施の形態１では、駆動電圧の運転用のパラメータとして、駆動電圧の周波数を決定した。変形例として、駆動電圧の位相差を決定してもよい。この場合、Ｘ軸周りの回転に対する測定では、第１駆動電圧Ｖｄ１と第２駆動電圧Ｖｄ２との位相差を、たとえば０度から１８０度まで１度単位で変化させつつ測定を行う。そして、第１電流測定値Ｉｍ１が所定の値以上となる条件のもとで、第３電圧測定値Ｖｍ３が最小となる位相差を求め、この位相差を運転用の位相差として決定する。また、周波数の決定と位相差の決定を組み合わせてもよく、一回の試験時間に両方を決定してもよい。このようにすると、駆動条件をさらに好ましいものとすることができる。

また、実施の形態１では、制御部１６０は試験時間中に運転用のパラメータを決定した。変形例として、制御部１６０は、すべての移動方向について測定が完了した時点で、運転用のパラメータを決定することなく試験時間を終了してもよい。この場合、運転用のパラメータは、試験時間終了後であればいつ決定されてもよく、たとえば運転開始直前に決定されてもよい。

また、実施の形態１では、制御部１６０は、第１の圧電素子部３１および第２の圧電素子部３２からなる組を駆動して回転子６をＸ軸周りに回転させ、第２の圧電素子部３２および第３の圧電素子部３３からなる組を駆動して回転子６をＹ軸周りに回転させ、第３の圧電素子部３３および第１の圧電素子部３１からなる組を駆動して回転子６をＺ軸周りに回転させる。このため、制御部１６０は、これらの組すべてについて運転用のパラメータを決定する。
変形例として、これらの組のうち実際には駆動されない組が存在する場合には、駆動されない組については運転用のパラメータを決定しないものであってもよい。たとえば、回転子６がＸ軸周りには回転しない構成、すなわち第１の圧電素子部３１および第２の圧電素子部３２からなる組が駆動されない構成においては、制御部１６０はこの組について運転用のパラメータを決定しないものであってもよい。

また、実施の形態１では、運転用のパラメータすなわち周波数の測定範囲を２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚとした。また、図８に示すデータでは、周波数の測定範囲を４０ｋＨｚ〜５５ｋＨｚとした。変形例として、測定範囲はこれ以外のものであってもよい。また、測定範囲は動的に変更されてもよい。たとえば、１秒につき１００回の測定を行うものとし、許容される試験時間の長さに応じて、全測定の回数を決定してもよい。また、たとえば、試験時間中において交流電圧の周波数を変化させる範囲を、最後に決定された運転用の周波数（すなわち、前回の試験時間の測定に基づいて決定された運転用の周波数）を基準として、その前後所定幅（たとえば前後各５ｋＨｚ）の範囲としてもよい。このようにすると、最適条件の探索を限られた範囲に絞って行うことができ、短時間で精度よく最適条件を決定することができる。
同様に、試験時間中において交流電圧の位相差を変化させる範囲を、最後に決定された運転用の位相差を基準として、その前後各１０度の範囲としてもよい。

また、実施の形態１では、球形の回転子６が可動子となって回転運動を行うが、多自由度の振動アクチュエータであれば他の形状の可動子が用いられてもよく、また回転運動以外の運動を行ってもよい。
たとえば、円筒形の可動子または円筒状の外表面を有する可動子を用い、軸周りの回転運動と、軸方向の平行移動運動とを行う振動アクチュエータであってもよい。また、平板状の可動子または平面状の外表面を有する可動子を用い、Ｘ軸方向の平行移動運動と、Ｙ軸方向の平行移動運動とを行う振動アクチュエータであってもよい。

また、実施の形態１では、運転用の周波数ｆｄ１を、移動表示値（第１電流測定値Ｉｍ１）が所定の値以上となる条件のもとで、蛇行表示値（第３電圧測定値Ｖｍ３）が最小となる周波数として求めた。変形例として、移動表示値および蛇行表示値に基づくものであれば他の決定方法が用いられてもよく、たとえば蛇行表示値が所定の値以下となる条件のもとで、移動表示値が最大となる周波数として決定されてもよい。また、移動表示値および蛇行表示値に基づいて運転用の周波数を決定する関数があらかじめ定義されていてもよい。

なお、実施の形態１において、振動アクチュエータは表示装置やスピーカ等の出力装置を備え、測定の結果が所定の基準を満たさなかった場合に出力装置からアラームを出力してもよい。基準の例として、移動表示値の最大値が所定の値に達していること等の条件を用いることができる。このようにすると、振動アクチュエータのメンテナンス時期をアナウンスすることができ、性能基準値を満たさない状態での運転を回避することができる。

また、上述の振動アクチュエータによって駆動される複数の指部を有するロボットハンドを構成してもよい。

実施の形態２
実施の形態２は、実施の形態１において、試験時間中の測定の内容を変更し、振動アクチュエータが実際に作動するレベルの電圧を用いて測定を行うものである。以下、実施の形態１からの変更点を説明する。
図１０に、実施の形態２に係る制御装置１７の構成を示す。制御装置１７は、実施の形態１と同様の、第１駆動部１６１と、第２駆動部１６２と、第３駆動部１６３とを備え、さらに、これらを制御する、制御手段としての制御部１７０を備える。なお、試験時間中に第１の圧電素子部３１、第２の圧電素子部３２、および第３の圧電素子部３３を駆動する交流電圧は、回転子６が回転する大きさの電圧とする。すなわち、固定子２が振動することによって回転子６に及ぼす力が、予圧部１０が回転子６に対して加圧する力に打ち勝って、回転子６が回転駆動されることになる。

また、制御装置１７は測定部１７１を備える。測定部１７１は回転子６の回転位置情報Ｐを検出する位置検出手段としての位置センサである。制御部１７０は、測定部１７０から出力される回転位置情報Ｐを取得するとともに、これに基づいて回転子６の回転移動量を決定する。この回転移動量のうち、駆動方向に対応する方向への移動量が移動表示値であり、これ以外の方向への移動量が蛇行表示値である。たとえば、Ｘ軸周りの回転に対する測定を行う場合には、Ｘ軸周りの回転移動量が移動表示値となり、Ｙ軸周りの回転移動量およびＺ軸周りの回転移動量が蛇行表示値となる。

図１１は、Ｘ軸周りの回転における運転用の周波数を決定する方法を説明するグラフである。横軸は、Ｘ軸周りの回転に対する駆動電圧の周波数を表す。縦軸は、移動表示値であるＸ軸周りの回転移動量Ｐｘと、蛇行表示値の一つであるＹ軸周りの回転移動量Ｐｙとの値を表す。

制御部１７０は、Ｘ軸周りの回転移動量Ｐｘが所定の値以上となる条件のもとで、Ｙ軸周りの回転移動量Ｐｙが最小となる周波数を求める。図１１の例において、Ｘ軸周りの回転移動量Ｐｘが移動量閾値Ｐｘｔｈ以上となる領域は、駆動電圧の周波数がｆ３以上ｆ４以下となる領域である。この領域中でＹ軸周りの回転移動量Ｐｙが最小値Ｐｙｍｉｎとなるのは周波数ｆ３であるので、制御部１７０はこの周波数を運転用の周波数ｆｄ２として決定する。
以上の説明はＸ軸周りの回転に対する測定についてのものであるが、これと同様にしてＹ軸周りの回転およびＺ軸周りの回転に対しても測定および決定が行われる。

駆動電圧の周波数を運転用の周波数ｆｄ２とすると、移動表示値であるＸ軸周りの回転移動量Ｐｘが所定の移動量閾値Ｐｘｔｈ以上であるので、回転子６に十分な回転移動量を与えることができる。同時に、蛇行表示値であるＹ軸周りの回転移動量Ｐｙがその範囲で最小値となるので、回転子６の蛇行量を最小限に抑えることができる。このように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、回転子６の蛇行を抑制するように駆動条件を設定することができる。

なお、図１１の例では蛇行表示値としてＹ軸周りの回転移動量Ｐｙが用いられるが、これはＺ軸周りの回転移動量Ｐｚが用いられてもよく、これらの和または平均であってもよく、これらに基づいて決定される関数であってもよい。

実施の形態２において、上述の実施の形態１と同様の変形を施すことができる。
また、実施の形態２においては、駆動電圧のパラメータをその電圧値としてもよい。すなわち、制御部１７０は、駆動電圧の電圧値を変化させつつＸ軸周りの回転移動量ＰｘおよびＹ軸周りの回転移動量Ｐｙを測定し、測定結果に基づいて運転用の電圧値を決定し、運転用の電圧値を用いて通常の運転動作を行ってもよい。

この発明の実施の形態１および２に係る振動アクチュエータを示す斜視図である。 図１の振動アクチュエータを示す断面図である。 図１の振動アクチュエータの振動体の構成を示す部分断面図である。 図３の振動体の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。 実施の形態１に係る駆動回路の内部構成を示すブロック図である。 実施の形態１における、試験時間中の振動アクチュエータの動作を表す図である。 実施の形態１における、運転用の周波数を決定する方法を説明するグラフである。 実施の形態１の測定方法に従って実際に測定されたデータの例を示す表である。 図８のデータの例を示すグラフである。 実施の形態２に係る駆動回路の内部構成を示すブロック図である。 実施の形態２における、運転用の周波数を決定する方法を説明するグラフである。

符号の説明

３ 振動体（振動手段）、
６ 回転子（可動子）、
１６および１７ 制御装置、
３１ 第１の圧電素子部（振動素子部）、
３２ 第２の圧電素子部（振動素子部）、
３３ 第３の圧電素子部（振動素子部）、
１６０および１７０ 制御部（制御手段）、
１６１ 第１駆動部（駆動手段）、
１６２ 第２駆動部（駆動手段）、
１６３ 第３駆動部（駆動手段）、
１６４ 第１測定部（電流測定手段および電圧測定手段）、
１６５ 第２測定部（電流測定手段および電圧測定手段）、
１６６ 第３測定部（電流測定手段および電圧測定手段）、
１７１ 測定部（位置検出手段）、
ｆｄ１およびｆｄ２ 運転用の周波数（運転用のパラメータ）、
Ｉｍ１ 第１電流測定値（移動表示値）、
Ｉｍ２ 第２電流測定値（移動表示値）、
Ｉｍ３ 第３電流測定値（移動表示値）、
Ｐｘ 回転移動量（移動表示値および蛇行表示値）、
Ｐｙ 回転移動量（移動表示値および蛇行表示値）、
Ｐｚ 回転移動量（移動表示値および蛇行表示値）、
Ｖｄ１ 第１駆動電圧（交流電圧）、
Ｖｄ２ 第２駆動電圧（交流電圧）、
Ｖｄ３ 第３駆動電圧（交流電圧）、
Ｖｍ１ 第１電圧測定値（蛇行表示値）、
Ｖｍ２ 第２電圧測定値（蛇行表示値）、
Ｖｍ３ 第３電圧測定値（蛇行表示値）。

Claims (15)

1. 可動子を固定子に対し加圧した状態で前記固定子に振動を発生させ、前記可動子の運動を制御する振動アクチュエータであって、
   少なくとも２つの運動方向に前記可動子を運動可能で前記運動方向に応じた振動を前記固定子に発生させる振動手段と、
   前記振動手段に交流電圧を印加して駆動する駆動手段と、
   前記交流電圧のパラメータを制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   所定の試験時間中に、前記交流電圧のパラメータを変化させつつ、前記運動方向の一方向における前記可動子の移動量に関連する移動表示値と、前記運動方向の他方向における前記可動子の移動量に関連する蛇行表示値とを取得し、
   前記試験時間中または前記試験時間後に、取得した前記移動表示値および前記蛇行表示値に基づいて、前記交流電圧の運転用のパラメータを決定し、
   前記運転用の前記パラメータに基づいて前記交流電圧を制御する
   振動アクチュエータ。
2. 前記交流電圧の運転用の前記パラメータは、前記移動表示値が所定の値以上となる条件のもとで、前記蛇行表示値が最小となるパラメータである、請求項１に記載の振動アクチュエータ。
3. 前記可動子は球形の回転子であり、前記可動子の運動は回転運動である、請求項１または２に記載の振動アクチュエータ。
4. 前記振動手段は少なくとも３つの振動素子部を含み、
   前記駆動手段は、前記振動素子部のうち少なくとも２つを組として駆動することによって、前記組に応じた前記運動方向に前記可動子を運動させ、
   前記制御手段は、前記組のうち少なくとも１つの組について前記運転用の前記パラメータを決定する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
5. 前記制御手段は、前記試験時間中において、前記交流電圧を前記可動子が運動しない大きさの電圧とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
6. 前記振動素子部は圧電素子部を含み、
   前記振動アクチュエータは、前記圧電素子部に流れる電流を測定する電流測定手段と、前記圧電素子部に発生する電圧を測定する電圧測定手段とを含み、
   前記移動表示値は、駆動されている前記振動素子部に流れる電流の値であり、
   前記蛇行表示値は、駆動されていない前記振動素子部に発生する電圧の値である
   請求項４に記載の振動アクチュエータ。
7. 前記振動アクチュエータは、前記可動子の位置を検出する位置検出手段を含み、
   前記制御手段は、前記位置検出手段から前記位置を取得するとともに、取得した前記位置に基づいて前記可動子の移動量を算出し、
   前記移動表示値は、前記運動方向の前記一方向における前記可動子の移動量であり、
   前記蛇行表示値は、前記運動方向の前記他方向における前記可動子の移動量である
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
8. 前記交流電圧のパラメータは前記交流電圧の電圧値を含む、請求項１〜４および７のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
9. 前記交流電圧のパラメータは、異なる前記振動素子部に印加される前記交流電圧の位相差を含む、請求項４に記載の振動アクチュエータ。
10. 前記制御手段は、前記試験時間中において前記交流電圧の前記位相差を変化させる範囲を、最後に決定された前記運転用の前記位相差を基準として、その前後各１０度の範囲とする、請求項９に記載の振動アクチュエータ。
11. 前記交流電圧のパラメータは前記交流電圧の周波数を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
12. 前記制御手段は、前記試験時間中において前記交流電圧の前記周波数を変化させる範囲を、最後に決定された前記運転用の前記周波数を基準として、その前後各５ｋＨｚの範囲とする、請求項１１に記載の振動アクチュエータ。
13. 前記試験時間は、
    電源投入直後に開始されるか、または、
    最後の試験時間終了からの周囲温度の変化が、所定の温度変化基準値を超えた場合に開始されるか、または、
    定期的に開始される
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
14. それぞれ請求項１〜１３のいずれか一項に記載の振動アクチュエータによって駆動される複数の指部を有する、ロボットハンド。
15. 可動子を固定子に対し加圧した状態で前記固定子に振動を発生させ、前記可動子の運動を制御する振動アクチュエータの制御方法であって、
    所定の試験時間中に、前記固定子に振動を発生させる振動手段に印加する交流電圧のパラメータを変化させつつ、前記運動方向の一方向における前記可動子の移動量に関連する移動表示値と、前記運動方向の他方向における前記可動子の移動量に関連する蛇行表示値とを取得し、
    取得した前記移動表示値および前記蛇行表示値に基づいて、前記交流電圧の運転用のパラメータを決定し、
    前記運転用の前記パラメータに基づいて前記交流電圧を制御する
    振動アクチュエータの制御方法。

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