JP2017085739A - 駆動装置、ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】駆動部と被駆動部との相対位置を検出する手段を有する駆動装置を小型化する。
【解決手段】駆動装置１０は、圧電アクチュエーター２２を有する駆動部２０と、駆動部からの駆動力により駆動部に対して相対的に移動可能な被駆動部３０と、駆動部または被駆動部に配置され、圧電アクチュエーターから発信される超音波信号を受信する超音波受信部４０と、超音波受信部からの出力信号を用いて駆動部と被駆動部との相対位置を検出する位置検出部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動装置、ロボットに関する。

特許文献１では、移動体（ローター）を駆動する超音波モーターに、移動体の移動量を検出するための移動量検出手段（エンコーダー）が組み込まれた超音波モーターが提案されている。移動量検出手段には、反射型光学式エンコーダーが用いられている。

特開２０１６−１８０５８９号公報

しかし、上記超音波モーターの場合、駆動手段である超音波モーターに加えて、移動量検出手段であるエンコーダーが別途設けられた構成であるため、装置の小型化が困難である、という課題がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、駆動装置が提供される。この駆動装置は、圧電アクチュエーターを有する駆動部と；前記駆動部からの駆動力により前記駆動部に対して相対的に移動可能な被駆動部と；前記駆動部または前記被駆動部に配置され、前記圧電アクチュエーターから発信される超音波信号を受信する超音波受信部と；前記超音波受信部からの出力信号を用いて前記駆動部と前記被駆動部との相対位置を検出する位置検出部と；を備える。
この駆動装置によれば、圧電アクチュエーターを位置検出に用いる超音波の送波器として利用することができるので、駆動部と被駆動部との相対位置を検出する手段を有する駆動装置を小型化することが可能である。

（２）上記形態の駆動装置において、前記超音波受信部は前記被駆動部に配置されているとしてもよい。このようにすれば、駆動部に対する被駆動部の相対的な移動に応じて変化する超音波信号を容易に受信することができる。

（３）上記形態の駆動装置において、前記超音波受信部は前記駆動部に配置され、前記超音波信号を反射する反射部が前記被駆動部に配置されているとしてもよい。このようにしても、駆動部に対する被駆動部の相対的な移動に応じて変化する超音波信号を容易に受信することができる。

（４）上記形態の駆動装置において、前記駆動部に対する前記被駆動部の相対移動は直線移動であるとしてもよい。このようにすれば、駆動部に対する被駆動部の直線的な相対移動における駆動部と被駆動部との相対位置を検出することができる。

（５）上記形態の駆動装置において、前記駆動部に対する前記被駆動部の相対移動は回転移動であるとしてもよい。このようにすれば、駆動部に対する被駆動部の相対的な回転移動における駆動部と被駆動部との相対位置を検出することができる。

（６）上記形態の駆動装置において、前記位置検出部は、前記超音波受信部で受信される前記超音波信号の強度の変化に応じて変化する前記出力信号の強度の変化に基づいて前記相対位置を検出するとしてもよい。
このようにすれば、超音波受信部で受信される超音波信号の強度は、駆動部に対する被駆動部の中心軸回りにおける圧電アクチュエーターと超音波受信部との相対的な位置関係に応じて変化するので、これに基づいて駆動部と被駆動部との中心軸回りの方向における相対位置を検出することができる。

（７）上記形態の駆動装置において、前記駆動部は前記駆動部の中心軸回りに配置されている複数の圧電アクチュエーターを有しており、前記超音波受信部は、前記複数の圧電アクチュエーターから発信される複数の超音波信号を受信し、前記複数の超音波信号が重畳された信号を前記出力信号として出力し、前記位置検出部は、前記複数の超音波信号のそれぞれの強度の変化に応じて変化する前記出力信号の強度の変化に対応する前記相対位置を検出するとしてもよい。
このようにすれば、超音波受信部で受信される超音波信号の強度は、中心軸回りに配置されている複数の圧電アクチュエーターと超音波受信部との相対的な位置関係に応じて変化するので、これに基づいて駆動部と被駆動部との中止軸回りの方向における相対位置を検出することができる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、駆動装置の他、駆動装置を備えるロボット、電子部品搬送装置、等の様々な形態で実現することができる。

第１実施形態の駆動装置を示す説明図である。 圧電アクチュエーターの一例を示す概略平面図である。 圧電アクチュエーターの一例を示す概略平面図である。 圧電アクチュエーターの動作を示す説明図である。 圧電アクチュエーターの動作を示す説明図である。 第２実施形態の駆動装置を示す説明図である。 第３実施形態の駆動装置の位置検出部を示す説明図である。 第４実施形態の駆動装置を示す説明図である。 第１の超音波受信部で受信される第１の超音波信号を示す説明図である。 第５実施形態の駆動装置の一部を示す説明図である。 第１の超音波受信部で受信される第１の超音波信号を示す説明図である。 面外方向を向く振動による超音波信号を発生可能な圧電アクチュエーターの一例を示す概略平面図である。 面外方向を向く振動による超音波信号を発生可能な圧電アクチュエーターの一例を示す概略平面図である。 圧電アクチュエーターの面外方向の振動動作を示す説明図である。 駆動装置を用いたロボットの一実施形態としてロボットアームを有するロボットを示す説明図である。 エンドエフェクターが取り付けられたロボットアームの手首部分を拡大して示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態の駆動装置１０を示す説明図である。駆動装置１０は、駆動部２０と、被駆動部３０と、超音波受信部４０と、位置検出部５０と、を備えている。駆動部２０と被駆動部３０との配置関係を示すため、図１の紙面の左右方向をＸ方向、紙面の上下方向をＹ方向、紙面に垂直方向をＺ方向とする。これらの方向は、他の図でも同様である。被駆動部３０は、Ｘ方向に沿って延びるリニアガイド３２に取り付けられて直線状の移動方向Ｄｍ（Ｘ方向）に沿って移動可能である。駆動部２０は被駆動部３０を移動させる駆動力を発生する圧電アクチュエーター２２を有している。超音波受信部４０は、被駆動部３０の基準位置、すなわち本例では、移動方向Ｄｍの左側の端部にあり、駆動部２０の方向を向くように取り付けられている。

図２Ａ及び図２Ｂは、圧電アクチュエーター２２の一例を示す概略平面図である。図２Ａは圧電アクチュエーター２２の一方の平面（図１の紙面手前側の平面）を示しており、図２Ｂは図２Ａの一方の平面側から透視した状態で他方の平面を示している。

圧電アクチュエーター２２は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、矩形状の振動板Ｐｄの両面にそれぞれ面対称に設けられた５つの圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬを備えている。５つの圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬは、それぞれ、圧電体と、圧電体を挟持する２つの電極と、で構成されている。５つの圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬのうち、振動板Ｐｄの短手（幅）方向（Ｘ方向）の中央にある第１の圧電素子ＰＬは、振動板Ｐｄの長手方向（Ｙ方向）のほぼ全体に亘る長方形の平面形状を有している。他の４つの圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２は、第１の圧電素子ＰＬを挟んで振動板Ｐｄの四隅の位置に配置され、同一の長方形の平面形状を有している。４つの圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２のうち、第１の対角にある一対の第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２は圧電体を挟む電極同士が電気的に接続されて一体の圧電素子として機能する。第２の対角にある一対の第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２も同様である。

図３Ａ及び図３Ｂは、圧電アクチュエーター２２の動作を示す説明図である。図３Ａに示すように、第１の圧電素子ＰＬは、駆動回路から供給される高周波（超音波）の駆動信号に従って振動板Ｐｄの長手方向（Ｙ方向）に沿った縦振動を発生する。図３Ｂに示すように、第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２は、供給される高周波（超音波）の駆動信号に従って振動板Ｐｄの短手方向（Ｘ方向）に屈曲する屈曲振動を発生する。第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２も同様である。従って、圧電アクチュエーター２２は、第１の圧電素子ＰＬ、第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２、第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２によって、ＸＹ平面に沿った面内方向での超音波振動を発生する。なお、以下の説明において、第１の圧電素子ＰＬ、第２の圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２、第３の圧電素子ＰＢｂ１，ＰＢｂ２、及び、振動板Ｐｄを、「振動体」とも呼ぶ。

圧電アクチュエーター２２には、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、振動板Ｐｄの両側２つの長辺の中央部に、それぞれ固定部Ｆｃが設けられている。圧電アクチュエーター２２は、固定部Ｆｃをネジ等によって不図示の固定枠に固定することによって駆動部２０内に固定される。

また、圧電アクチュエーター２２には、振動板Ｐｄの一方の短辺の中央部に突起部ＰＳが設けられている。圧電アクチュエーター２２は、図１に示すように、突起部ＰＳが被駆動部３０に接触可能な向きで配置されている。

圧電アクチュエーター２２は、上記した縦振動と屈曲振動との組み合わせにより、突起部ＰＳを圧電アクチュエーター２２のＸＹ平面に沿った面内方向において楕円の軌道で運動させて被駆動部３０を摺動し、これにより発生する駆動力によって被駆動部３０を直線状の移動方向Ｄｍ（Ｘ方向）に移動させる。なお、被駆動部３０を駆動する際に圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬに供給される駆動信号の周波数は、振動体の共振周波数あるいはその近傍周波数（以下、単に「共振周波数」と呼ぶ）に設定される。

超音波受信部４０は、圧電アクチュエーター２２の振動によって圧電アクチュエーター２２から発信されて空中を伝播する超音波信号Ｓｕを受信する。超音波受信部４０には、圧電アクチュエーター２２から発信される共振周波数の超音波信号Ｓｕを受信可能な受波器が用いられる。

位置検出部５０は、制御回路５２と、駆動回路５４と、超音波検出回路５６と、位置演算回路５８と、を備えている。制御回路５２は駆動回路５４の動作を制御する。

駆動回路５４は、制御回路５２の制御に従って通常の駆動動作のための駆動信号Ｓｄｖと、位置検出動作のための位置検出信号Ｓｐｄを出力可能に構成されている。通常の駆動動作において、駆動回路５４は、圧電アクチュエーター２２が上記の駆動動作によって被駆動部３０を移動させるように高い電圧で大きな振幅の信号を駆動信号Ｓｄｖとして出力する。これに対して、位置検出動作においては、駆動信号Ｓｄｖの出力を一旦停止して被駆動部３０の移動を停止させた状態で、被駆動部３０を移動させるまでには至らない程度の低い電圧で小さな振幅の信号を一定の期間においてのみ位置検出信号Ｓｐｄとして出力する。

超音波検出回路５６は、超音波受信部４０で受信した超音波信号Ｓｕを表す超音波検出信号Ｓｒを検出する。位置演算回路５８は、超音波検出回路５６から出力される超音波検出信号Ｓｒ及び駆動回路５４から出力される位置基準信号Ｓｓに基づいて、駆動部２０の圧電アクチュエーター２２と超音波受信部４０との相対距離Ｌｒ［ｍ］を求める。この位置基準信号Ｓｓは、位置検出信号Ｓｐｄと等価な信号である。相対距離Ｌｒは下式（１）で表される。
Ｌｒ＝Ｃ・Δｔ ・・・（１）
ここで、Ｃ［ｍ／ｓ］は音速である。Δｔ［ｓ］は圧電アクチュエーター２２から発信された超音波信号Ｓｕを超音波受信部４０が受信するまでに要した伝播時間である。

位置演算回路５８は、圧電アクチュエーター２２が超音波信号Ｓｕの発信を開始した時間として、位置基準信号Ｓｓの変化開始時間ｔｓを検出するとともに、超音波受信部４０が超音波信号Ｓｕの受信を開始した時間として、超音波検出信号Ｓｒの変化開始時間ｔｒを検出し、その差分（ｔｒ−ｔｓ）を伝播時間Δｔとして求める。そして、求めた伝播時間Δｔを用いて上記（１）式から相対距離Ｌｒを求める。なお、音速Ｃは、厳密には、音を伝える媒体、温度、湿度によって変化するので、不図示の温度センサーで検出された温度に応じて補正することが好ましい。

制御回路５２は、位置演算回路５８で求めた相対距離Ｌｒから駆動部２０と被駆動部３０との相対位置を求めることができる。そして、制御回路５２は、求めた相対的な位置関係に応じて駆動部２０の圧電アクチュエーター２２を動作させて被駆動部３０を移動方向Ｄｍに移動させることにより、駆動部２０と被駆動部３０との相対位置を制御することができる。

以上説明したように、第１実施形態の駆動装置１０では、被駆動部３０を駆動する駆動力を出力する駆動源としての圧電アクチュエーター２２を超音波信号の送波器として利用することにより、圧電アクチュエーター２２と超音波受信部４０との間の相対距離Ｌｒを求めることができる。これにより、圧電アクチュエーター２２を有する駆動部２０と超音波受信部４０が取り付けられた被駆動部３０との相対位置を求めることができる。すなわち、第１実施形態の駆動装置１０は、被駆動部３０を駆動する駆動源としての圧電アクチュエーター２２を超音波信号の送波器として利用することにより、駆動装置の小型化を図ることが可能である。

なお、第１実施形態の駆動装置１０では、１つの圧電アクチュエーター２２と１つの超音波受信部４０を備える構成を例に説明したが、複数の圧電アクチュエーター２２で被駆動部３０を駆動する構成とし、複数の圧電アクチュエーター２２から発信される超音波信号を１つの超音波受信部４０で受信する構成としてもよい。また、複数の圧電アクチュエーター２２にそれぞれ対応する複数の超音波受信部４０を備える構成とし、各圧電アクチュエーター２２から発信される超音波信号を、各圧電アクチュエーター２２に対応する各超音波受信部４０でそれぞれ受信する構成としてもよい。この場合は、それぞれの圧電アクチュエーター２２と対応する超音波受信部４０の組み合わせ毎に伝播時間Δｔを求めて、それぞれにおいて相対距離Ｌｒを求め、求められた複数の相対距離Ｌｒから、相対距離Ｌｒを決定するようにしてもよい。例えば、求められた複数の相対距離Ｌｒの平均値を相対距離Ｌｒとするようにしてもよい。

また、第１実施形態の駆動装置１０では、固定された駆動部２０に対して被駆動部３０が移動方向Ｄｍに沿って移動する構成を例に説明したが、被駆動部３０が固定され、駆動部２０が被駆動部３０に対して移動方向Ｄｍに沿って移動する構成としてもよく、以下の第２及び第３実施形態においても同様である。

また、上記した圧電アクチュエーター２２（図２Ａ，図２Ｂ）の構造に限定されるものではなく、圧電素子を用いた種々の圧電アクチュエーターを利用することができ、以下の実施形態においても同様である。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態の駆動装置１０Ｂを示す説明図である。駆動装置１０Ｂは、第１実施形態の駆動装置１０（図１）の被駆動部３０に取り付けられていた超音波受信部４０の位置に反射部４２を設けて、駆動部２０に超音波受信部４０を設けた点、及び、位置演算回路５８を有する位置検出部５０を、位置演算回路５８Ｂを有する位置検出部５０Ｂに変更した点、が第１実施形態の駆動装置１０と異なっている。駆動装置１０Ｂは、圧電アクチュエーター２２から発信され、反射部４２で反射された超音波信号Ｓｕを駆動部２０に設けられた超音波受信部４０で受信し、反射部４２と圧電アクチュエーター２２との間の相対距離Ｌｒ［ｍ］を求める。この場合の相対距離Ｌｒは下式（２）で表される。
Ｌｒ＝（Ｃ・Δｔ−Ｌｃ）／２ ・・・（２）
ここで、Ｃ［ｍ／ｓ］は音速である。Δｔ［ｓ］は圧電アクチュエーター２２から発信され反射部４２で反射された超音波信号Ｓｕを超音波受信部４０が受信するまでに要した伝播時間である。Ｌｃ［ｍ］は駆動部２０に配置された圧電アクチュエーター２２の位置に対する超音波受信部４０の位置の被駆動部３０の移動方向Ｄｍ（Ｘ方向）でのズレ量である。

位置演算回路５８は、第１実施形態では、求めた伝播時間Δｔを用いて上記(１)式から相対距離Ｌｒを求めるのに対して、第２実施形態では、上記（２）式から相対距離Ｌｒを求めることができる。なお、反射部４２で反射する超音波信号の反射角に応じて、上記（２）式から求められる相対距離Ｌｒに誤差が発生する場合がある。この反射角は、伝播時間Δｔに応じてほぼ一意に決まる値となる。この誤差を無視できない場合には、あらかじめ伝播時間Δｔ（及びこれに対応する反射角）に応じた補正値を求めておいて、補正するようにしてもよい。

以上説明したように、第２実施形態の駆動装置１０Ｂにおいても、被駆動部３０を駆動する駆動力を出力する駆動源としての圧電アクチュエーター２２を超音波信号の送波器として利用することにより、圧電アクチュエーター２２と反射部４２との間の相対距離Ｌｒを求めることができる。これにより、圧電アクチュエーター２２を有する駆動部２０と反射部４２が取り付けられた被駆動部３０との相対位置を求めることができる。すなわち、第２実施形態の駆動装置１０Ｂでも、被駆動部３０を駆動する駆動源としての圧電アクチュエーター２２を超音波信号の送波器として利用することにより、駆動装置の小型化を図ることが可能である。

なお、第２実施形態の駆動装置１０Ｂは、１つの圧電アクチュエーター２２と１つの反射部４２と１つの超音波受信部４０とを備える構成を例に説明したが、複数の圧電アクチュエーター２２で被駆動部３０を駆動する構成とし、複数の圧電アクチュエーター２２から発信される超音波信号をそれぞれに対応して被駆動部３０に設けられた複数の反射部４２でそれぞれ反射し、それぞれの圧電アクチュエーター２２に対応して設けられた複数の超音波受信部４０でそれぞれ受信する構成としてもよい。この場合は、それぞれの圧電アクチュエーター２２と対応する反射部４２と超音波受信部４０の組み合わせ毎に伝播時間Δｔを求めて、それぞれにおいて相対距離Ｌｒを求め、求められた複数の相対距離Ｌｒから、最終的な相対距離Ｌｒを決定するようにしてもよい。例えば、求められた複数の相対距離Ｌｒの平均値を最終的な相対距離Ｌｒを決定するようにしてもよい。

Ｃ．第３実施形態：
図５は、第３実施形態の駆動装置１０Ｃの位置検出部５０Ｃを示す説明図である。駆動装置１０Ｃは、第１実施形態の駆動装置１０（図１）の位置検出部５０を位置検出部５０Ｃに変更した点が、第１実施形態の駆動装置１０と異なっている。位置検出部５０Ｃは、位置検出部５０の駆動回路５４が駆動回路５４Ｃに、及び位置演算回路５８が位置演算回路５８Ｃに変更されている。

第１実施形態の駆動装置１０は、駆動部２０の圧電アクチュエーター２２による被駆動部３０の移動を停止させた状態で、駆動部２０の圧電アクチュエーター２２と被駆動部３０の超音波受信部４０との間の相対距離Ｌｒを求める構成であった。これに対して、第３実施形態の駆動装置１０Ｃは、駆動部２０の圧電アクチュエーター２２による被駆動部３０の移動を継続させている状態で、以下で説明するように、駆動部２０の圧電アクチュエーター２２と被駆動部３０の超音波受信部４０との間の相対距離Ｌｒを求める構成である。

駆動回路５４Ｃは、通常の駆動動作のための駆動信号Ｓｄｖに、短いパルス状の検出波形Ｓｓｐを重畳した駆動信号Ｓｄｗを出力する。この際、圧電アクチュエーター２２は、供給された駆動信号Ｓｄｗに応じて振動して、被駆動部３０を移動させる。この時、圧電アクチュエーター２２から駆動信号Ｓｄｗに応じて発信され、超音波受信部４０で受信された超音波信号Ｓｕを表す超音波検出信号Ｓｒが超音波検出回路５６で検出される。駆動回路５４Ｃは、位置演算回路５８Ｃに対して、駆動信号Ｓｄｗと等価な位置基準信号Ｓｓを供給する。

位置演算回路５８Ｃは、駆動回路５４Ｃから出力される位置基準信号Ｓｓに重畳されている検出波形Ｓｓｐが検出される時間ｔｓから、超音波検出回路５６から出力される超音波検出信号Ｓｒに重畳されている検出波形Ｓｓｐが検出される時間ｔｒまでの差分（ｔｒ−ｔｓ）を伝播時間Δｔとして求める。そして、求めた伝播時間Δｔを用いて上記（１）式から相対距離Ｌｒを求めることができる。

以上説明したように、第３実施形態の駆動装置１０Ｃにおいても、被駆動部３０を駆動する駆動力を出力する駆動源としての圧電アクチュエーター２２を超音波信号の送波器として利用することにより、圧電アクチュエーター２２と超音波受信部４０との間の相対距離Ｌｒを求めることができる。これにより、圧電アクチュエーター２２を有する駆動部２０と超音波受信部４０が取り付けられた被駆動部３０との相対位置を求めることができる。第３実施形態の駆動装置１０Ｃでも、被駆動部３０を駆動する駆動源としての圧電アクチュエーター２２を超音波信号の送波器として利用することにより、駆動装置の小型化を図ることが可能である。

第３実施形態の駆動装置１０Ｃは、第１実施形態の駆動装置１０の位置検出部５０を位置検出部５０Ｃに変更して、駆動部２０による被駆動部３０の移動動作中において駆動部２０と被駆動部３０との間の相対位置を求める場合を例に説明したが、第２実施形態の駆動装置１０Ｂの位置検出部５０Ｂを位置検出部５０Ｃと同様に変更してもよい。

また、第３実施形態では、駆動信号Ｓｄｖに短いパルス状の検出波形Ｓｓｐを重畳する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１実施形態で説明した位置検出信号Ｓｐｄを共振周波数とは異なる共振しない周波数の信号とし、駆動信号Ｓｄｖに重畳するようにしてもよい。この場合には、位置検出信号Ｓｐｄの周波数は共振周波数ではないので、圧電アクチュエーター２２による被駆動部３０の駆動には影響を与えない。この位置検出信号Ｓｐｄに応じて発信される超音波信号を超音波受信部４０で受信することにより伝播時間Δｔを求め、求めた伝播時間Δｔを用いて上記（１）式あるいは（２）式から相対距離Ｌｒを求めることができる。

なお、第３実施形態では、超音波信号の伝播時間Δｔから相対距離Ｌｒを求める構成を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、超音波受信部４０で受信する超音波信号の振幅（音量）の大きさに基づいて相対距離Ｌｒを求めることも可能である。また、ドップラー効果を利用して相対的な移動速度を求めることも可能である。

Ｄ．第４実施形態：
図６は、第４実施形態の駆動装置１０Ｄを示す説明図である。駆動装置１０Ｄは、駆動部２０と、被駆動部３０Ｄと、２つの超音波受信部４０ａ，４０ｂと、位置検出部５０Ｄと、を備えている。被駆動部３０Ｄは、仮想の中心軸ＣＸを中心として回転する回転体（ローター）である。駆動部２０の圧電アクチュエーター２２は、被駆動部３０Ｄの回転面３３上に配置されており、回転面３３を摺動することにより発生する駆動力（回転力）によって被駆動部３０Ｄを中心軸ＣＸの回りに回転移動させる。なお、図６には、駆動部２０のうち圧電アクチュエーター２２のみが示されている。

２つの超音波受信部４０ａ，４０ｂは、被駆動部３０Ｄの外周端部に中心軸ＣＸの方向を向くように取り付けられている。第２の超音波受信部４０ｂは、中心軸ＣＸを中心として第１の超音波受信部４０ａに対して位相φｄ［ｒａｄ］だけずれた位置に配置されている。２つの超音波受信部４０ａ，４０ｂは、それぞれ、圧電アクチュエーター２２から発信される超音波信号を受信する。

位置検出部５０Ｄは、制御回路５２と、駆動回路５４Ｄと、超音波検出回路５６Ｄと、回転位置演算回路５８Ｄと、を備えている。制御回路５２は駆動回路５４Ｄ及び回転位置演算回路５８Ｄの動作を制御する。駆動回路５４Ｄは、駆動回路５４，５４Ｃ（図１，図５）と同様に、制御回路５２からの制御に従って駆動動作に応じた駆動信号を出力する。

超音波検出回路５６Ｄは、第１の超音波受信部４０ａから出力される第１の超音波検出信号Ｓｒａ及び第２の超音波受信部４０ｂから出力される第２の超音波検出信号Ｓｒｂを検出する。回転位置演算回路５８Ｄは、超音波検出回路５６Ｄから出力される超音波検出信号Ｓｒａ，Ｓｒｂに基づいて、被駆動部３０Ｄの回転の角度θｐ［ｒａｄ］を求める。なお、駆動部２０の角度θｐは、中心軸ＣＸを中心とする第１の超音波受信部４０ａの配置方向が、中心軸ＣＸを中心とする圧電アクチュエーター２２の配置方向に対してなす角度を示すものとする。また、角度θｐは時計回りの回転方向を正方向として説明する。

図７は、第１の超音波受信部４０ａから出力される第１の超音波検出信号Ｓｒａを示す説明図である。図７に示すように、角度θｐに応じて第１の超音波検出信号Ｓｒａの振幅の第１のエンベロープＳｅａが変化する。第１のエンベロープＳｅａは第１の超音波検出信号Ｓｒａの強度、すなわち、音量の変化を示している。角度θｐが０ｒａｄ、すなわち、第１の超音波受信部４０ａの方向が圧電アクチュエーター２２の方向と一致する状態で受信する音量が最も大きい。そして、角度θｐが０ｒａｄからπｒａｄへ変化するのに応じて受信する音量は小さくなり、角度θｐがπｒａｄ、すなわち、第１の超音波受信部４０ａの方向が圧電アクチュエーター２２の方向と逆向きの状態で、受信する音量が最も小さくなる。さらに、角度θｐがπｒａｄから２πｒａｄ（＝０ｒａｄ）へ変化するのに応じて受信量は大きくなり、角度θｐが２πｒａｄで再び受信量は最も大きくなる。第２の超音波受信部４０ｂで受信される第２の超音波検出信号Ｓｒｂの第２のエンベロープＳｅｂも同様である。但し、第２の超音波受信部４０ｂは第１の超音波受信部４０ａに対して位相φｄだけずれた位置に配置されているので、位相φｄだけずれた信号の変化となる。なお、位相φｄは、第２のエンベロープＳｅｂ（図示せず）が第１のエンベロープＳｅａに対して逆位相とならないように設定される。位相φｄは、通常、（ｍ＋１）・π／２［ｒａｄ］（ｍは０以上の整数）に設定され、本例では、π／２［ｒａｄ］に設定されている。

回転位置演算回路５８Ｄは、被駆動部３０Ｄの角度θｐに応じて変化する第１の超音波検出信号Ｓｒａの第１のエンベロープＳｅａの大きさ及び第２の超音波検出信号Ｓｒｂの第２のエンベロープＳｅｂの大きさから、対応する角度θｐ及び回転方向を求めることができる。例えば、あらかじめ、角度θｐとエンベロープＳｅａ，Ｓｅｂの大きさの関係を求めておき、この関係に基づいて、検出したエンベロープＳｅａ，Ｓｅｂの大きさに対応する角度θｐ及び回転方向を求めることができる。なお、エンベロープＳｅａ，Ｓｅｂは、超音波検出信号Ｓｒａ，Ｓｒｂをローパスフィルターでフィルタリングすることによって得ることができる。

制御回路５２は、回転位置演算回路５８Ｄから得られる回転の角度θｐから被駆動部３０の回転位置Ｐ（θｐ）を求めることができる。また、回転の角度θｐの変化から回転方向及び回転速度を求めることができる。

なお、第４実施形態の駆動装置１０Ｄでは、被駆動部３０Ｄが駆動部２０の圧電アクチュエーター２２に対して中心軸ＣＸ回りに回転移動する構成を例に説明したが、被駆動部３０Ｄに対して、駆動部２０の圧電アクチュエーター２２が中心軸ＣＸ回りに回転移動する構成とてもよい。この場合には、駆動部２０の圧電アクチュエーター２２と被駆動部３０の超音波受信部４０ａとの間の相対的な回転の角度θｐを求め、相対的な回転位置Ｐ（θｐ）を求めることができる。

被駆動部３０Ｄには、超音波を通しにくい遮蔽部と、超音波を通し易い放音部と設け、受音部が被駆動部３０Ｄの回転面３３を挟んで圧電アクチュエーター２２と反対側に配置されていてもよい。また放音部は離散的ではなく超音波の音量が連続的に変化する形状であってもよい。さらに、放音部の数量や大きさにより、計測される角度の分解能を向上させることが可能である。

回転面３３の中心部に反射部があってよい。反射部の反射面は回転面３３に対して傾斜していたり、または離散的に凹凸があってもよい。

以上説明したように、第４実施形態の駆動装置１０Ｄでは、被駆動部３０Ｄを駆動する駆動力を出力する駆動源としての圧電アクチュエーター２２を超音波信号の送波器として利用することにより、圧電アクチュエーター２２を有する駆動部２０と超音波受信部４０ａ，４０ｂを有する被駆動部３０Ｄとの間の相対的な回転の角度θｐを求めることができる。これにより、圧電アクチュエーター２２を有する駆動部２０と超音波受信部４０ａ，４０ｂを有する被駆動部３０Ｄとの相対的な回転位置Ｐ（θｐ）を求めることができる。すなわち、第４実施形態の駆動装置１０Ｄは、被駆動部３０Ｄを駆動する駆動源としての圧電アクチュエーター２２を超音波信号の送波器として利用することにより、駆動装置の小型化を図ることが可能である。

Ｅ．第５実施形態：
図８は、第５実施形態の駆動装置１０Ｅの一部を示す説明図である。駆動装置１０Ｅは、第４実施形態の駆動装置１０Ｄ（図６）に対して、駆動部２０Ｅの複数の圧電アクチュエーター２２ａ〜２２ｊを、被駆動部３０Ｄの回転面３３上に周方向に沿って中心軸ＣＸ回りに一定の配置角度φｐで配置したものである。この例ではφｐ＝（π／５）ｒａｄである。駆動装置１０Ｅの位置検出部は、第４実施形態の駆動装置１０Ｄと同様であり、図示を省略している。駆動装置１０Ｅは、複数の圧電アクチュエーター２２ａ〜２２ｊが同時に動作することにより、大きな駆動力で被駆動部３０Ｄを回転移動させる。

図９は、第１の超音波受信部４０ａから出力される第１の超音波検出信号Ｓｒａを示す説明図である。図９に示すように、角度θｐに応じて第１の超音波検出信号Ｓｒａの第１のエンベロープＳｅａが変化する。但し、本実施形態の場合には、上記したように、１０個の圧電アクチュエーター２２ａ〜２２ｊが一定の配置角度φｐ（＝π／５ｒａｄ）で配置されているので、第４実施形態の場合（図６）とは異なり、１０個の圧電アクチュエーター２２ａ〜２２ｊの超音波信号が重畳される。このため、第１の超音波検出信号Ｓｒａの大きさ（音量）の変化を示す第１のエンベロープＳｅａは、角度θｐが配置角度φｐ変化する周期で最大と最小を繰り返す。第２の超音波検出信号Ｓｒｂの第２のエンベロープＳｅｂも同様である。但し、本例では、第２の超音波受信部４０ｂの第１の超音波受信部４０ａに対する配置の位相φｄは、２つの超音波受信部４０ａ，４０ｂの緩衝を緩和するため、（φｐ＋φｐ／４）［ｒａｄ］に設定されている。

第５実施形態においても、回転位置演算回路５８Ｄ（図６）は、被駆動部３０Ｄの角度θｐに応じて変化する第１の超音波検出信号Ｓｒａの第１のエンベロープＳｅａの大きさ及び第２の超音波検出信号Ｓｒｂの第２のエンベロープＳｅｂの大きさから、角度θｐ及び回転方向を求めることができる。

ただし、第１のエンベロープＳｅａは、角度θｐが０ｒａｄ〜２πｒａｄに変化するまでの間に配置角度φｐ（＝π／５ｒａｄ）の単位で周期変化を繰り返すので、いずれの周期の最大値が、角度θｐが０ｒａｄである回転位置Ｐ（θｐ）＝Ｐ（０）に対応するのか特定することはできない。そこで、図８に示すように、第１の圧電アクチュエーター２２ａの位置を破線の位置よりも外周方向にずらして、他の圧電アクチュエーター２２ｂ〜２２ｊに比べて超音波受信部４０ａ，４０ｂに近くなるように配置している。これにより、図９に示すように、超音波受信部４０ａ，４０ｂが第１の圧電アクチュエーター２２ａに近付く場合に受信する超音波信号の強度（音量）は、他の圧電アクチュエーター２２ｂ〜２２ｊに近付く場合に比べて大きくなり、第１のエンベロープＳｅａ及び第２のエンベロープＳｅｂは大きくなる。従って、他の圧電アクチュエーター２２ｂ〜２２ｊにより発生するエンベロープ（音量）のピークよりも大きくなったピーク値を検出することにより、角度θｐが０ｒａｄ、すなわち、第１の圧電アクチュエーター２２ａが配置された方向に一致する特定位置を検出することができる。

第５実施形態においても、被駆動部３０Ｄに対して、駆動部２０Ｅの複数の圧電アクチュエーター２２ａ〜２２ｊが中心軸ＣＸ回りに回転移動する構成とてもよい。この場合には、駆動部２０Ｅの第１の圧電アクチュエーター２２ａと被駆動部３０Ｄの超音波受信部４０ａとの間の相対的な回転の角度θｐを求め、相対的な回転位置Ｐ（θｐ）を求めることができる。

以上説明したように、第５実施形態の駆動装置１０Ｅも、被駆動部３０Ｄを駆動する駆動力を出力する駆動源としての複数の圧電アクチュエーター２２ａ〜２２ｊを超音波信号の送波器として利用することにより、駆動部２０Ｅの第１の圧電アクチュエーター２２ａと超音波受信部４０ａを有する被駆動部３０Ｄとの間の相対的な回転の角度θｐを求めることができる。これにより、複数の圧電アクチュエーター２２ａ〜２２ｊを有する駆動部２０Ｅと超音波受信部４０ａ，４０ｂを有する被駆動部３０Ｄとの相対的な回転位置Ｐ（θｐ）を求めることができる。すなわち、第５実施形態の駆動装置１０Ｅは、被駆動部３０Ｄを駆動する駆動源としての複数の圧電アクチュエーター２２ａ〜２２ｊを超音波信号の送波器として利用することにより、駆動装置の小型化を図ることが可能である。

なお、第５実施形態では、１０個の圧電アクチュエーター２２ａ〜２２ｊを用いた場合を例に説明しているが、圧電アクチュエーター２２の個数に限定はなく、複数の圧電アクチュエーター２２を用いた駆動装置とすることができる。

Ｆ．圧電アクチュエーターの他の実施形態：
第４実施形態及び第５実施形態では、圧電アクチュエーター２２が被駆動部３０Ｄを回転移動させている際に圧電アクチュエーター２２から発信される超音波信号を超音波受信部４０ａ，４０ｂで受信している。すなわち、圧電アクチュエーター２２は図３Ａ，図３Ｂを用いて説明したように、圧電アクチュエーター２２の面内方向での縦振動及び屈曲振動により発生する超音波信号である。圧電アクチュエーター２２と超音波受信部４０ａ，４０ｂは、図６，図８に示すように、中心軸ＣＸに対して圧電アクチュエーター２２よりも外周側に配置されている。従って、圧電アクチュエーター２２の面内方向での振動による超音波信号よりも、これに交わる面外方向を向く振動による超音波信号のほうが受信感度の点で好ましい。そこで、以下に示すような面外方向を向く振動を発生させることができる圧電アクチュエーターを用いるようにしてもよい。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、面外方向を向く振動による超音波信号を発生可能な圧電アクチュエーター２２Ｖの一例を示す概略平面図である。図１０Ｃは、圧電アクチュエーター２２Ｖの面外方向の振動動作を示す説明図である。

図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、圧電アクチュエーター２２Ｖは、圧電アクチュエーター２２（図２Ａ，図２Ｂ）と同様の、矩形状の振動板Ｐｄの両面にそれぞれ面対称に設けられた５つの圧電素子ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬに加えて、一方の面にのみ、第１の圧電素子ＰＬの長手方向（Ｙ方向）の端部に、面外振動用の圧電素子Ｐｖを備えている。

図１０Ｃに示すように、面外振動用の圧電素子Ｐｖは、供給される高周波（超音波）の信号に従って第１の圧電素子ＰＬと同様に振動板Ｐｄの長手方向（Ｙ方向）に沿って縦振動を発生する。この際、面外振動用の圧電素子Ｐｖは一方の面（図１０Ａ）にしか設けられていないので、反対側の面（図１０Ｂ）では縦振動が発生しない。これにより、圧電アクチュエーター２２Ｖは、面外振動用の圧電素子Ｐｖの縦振動に従って面外方向（Ｚ方向）の振動を発生させることができる。なお、面外振動用の圧電素子Ｐｖに供給する信号は、共振周波数とは異なる共振しない周波数の信号とすることが好ましい。この場合、共振周波数ではないので、圧電アクチュエーター２２Ｖによる被駆動部３０Ｄの駆動には影響を与えずに、面外方向の振動を発生させることができる。ただし、駆動信号と同じ周波数としてもよいが、その場合には、被駆動部３０Ｄを移動させるまでには至らない程度の大きさの振動に対応する低い電圧で小さな振幅の信号とすることが好ましい。

なお、面外方向の振動を発生する手段として、面外振動用の圧電素子Ｐｖが設けられた圧電アクチュエーター２２Ｖについて説明したが、図２Ａ及び図２Ｂに示した圧電アクチュエーター２２においても面外方向の振動を発生させることができる。例えば、圧電アクチュエーター２２の両側の面に設けられた圧電素子には、通常同じ駆動信号を供給するが、一方の面と他方の面で異なった大きさの駆動信号を供給すればよい。この場合、それぞれの面の振動の大きさに偏りが生ずることになり、この結果、面外方向の振動を発生させることができる。

Ｇ．駆動装置を用いたロボットの実施形態：
図１１は、上述の駆動装置１０を利用したロボット２０００の一例を示す説明図である。ロボット２０００は、アーム２１００と、アーム２１００の先端に取り付けられるエンドエフェクターとしてのロボットハンド３０００と、を備えている。

アーム２１００（「腕部」とも呼ぶ）は、複数本のリンク部２０１２（「リンク部材」とも呼ぶ）と、それらリンク部２０１２の間を回動又は屈曲可能な状態で接続する複数の関節部２０２０と、基台２０１０と、を有している。それぞれの関節部２０２０には、各回動軸Ｘ１〜Ｘ６についてそれぞれ駆動装置が設けられており、関節部２０２０を各回動軸Ｘ１〜Ｘ６の周りに任意の角度さけ回動又は屈曲させることが可能である。なお、図１１には、回動軸Ｘ５に対して上述した駆動装置１０Ｅ（図８）が設けられている例が示されている。アーム２１００の先端には、ロボットハンド３０００が接続されている。ロボットハンド３０００は、一対の把持部３００３を備えている。ロボットハンド３０００にも駆動装置１０（不図示）が内蔵されており、駆動装置１０を用いて把持部３００３を開閉して物を把持することが可能である。

図１２は、図１１に示したロボット２０００の手首部分の説明図である。手首の関節部２０２０は、手首回動部２０２２を挟持しており、手首回動部２０２２に手首のリンク部２０１２が、手首回動部２０２２の回動軸Ｘ６周りに回動可能に取り付けられている。手首回動部２０２２は、上述した駆動装置１０Ｅ（図８）の駆動部２０Ｅの複数の圧電アクチュエーター２２を備えており、手首のリンク部２０１２には駆動装置１０Ｅの被駆動部３０Ｄを備えている。駆動装置１０Ｅは、手首のリンク部２０１２及びロボットハンド３０００を回動軸Ｘ６周りに回動させる。ロボットハンド３０００には、複数本の把持部３００３が立設されている。把持部３００３の基端部はロボットハンド３０００内で移動可能となっており、この把持部３００３の根元の部分に駆動装置１０（図１）の駆動部２０の圧電アクチュエーター２２が搭載されている。把持部３００３の基端部が駆動装置１０の被駆動部３０に相当する。駆動装置１０を動作させることで、把持部３００３を移動させて対象物を把持することができる。

以上説明したように、本実施形態のロボット２０００は、上記実施形態の駆動装置１０や駆動装置１０Ｅを用いて、装置の小型化や軽量化を図ることができる。なお、ロボットとしては、単腕のロボットに限らず、腕の数が２以上の多腕ロボットにも上述した実施形態の駆動装置を適用可能である。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

ＣＸ…中心軸、Ｆｃ…固定部、ＰＢａ１，ＰＢａ２，ＰＢｂ１，ＰＢｂ２，ＰＬ，Ｐｖ…圧電素子、ＰＳ…突起部、Ｐｄ…振動板、Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５，Ｘ６…回動軸、１０，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ…駆動装置、２０，２０Ｅ…駆動部、２２，２２ａ〜２２ｊ，２２Ｖ…圧電アクチュエーター、３０，３０Ｄ…被駆動部、３２…リニアガイド、３３…回転面、４０，４０ａ，４０ｂ超音波受信部、４２…反射部、５０，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ…位置検出部、５２…制御回路、５４，５４Ｃ，５４Ｄ…駆動回路、５６，５６Ｄ…超音波検出回路、５８，５８Ｂ，５８Ｃ…位置演算回路、５８Ｄ…回転位置演算回路、２０００…ロボット、２０１０…基台、２０１２…リンク部、２０２０…関節部、２０２２…手首回動部、２１００…アーム、３０００…ロボットハンド、３００３…把持部

Claims (8)

1. 圧電アクチュエーターを有する駆動部と、
   前記駆動部からの駆動力により前記駆動部に対して相対的に移動可能な被駆動部と、
   前記駆動部または前記被駆動部に配置され、前記圧電アクチュエーターから発信される超音波信号を受信する超音波受信部と、
   前記超音波受信部からの出力信号を用いて前記駆動部と前記被駆動部との相対位置を検出する位置検出部と、
   を備える、駆動装置。
2. 前記超音波受信部は前記被駆動部に配置されている、請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記超音波受信部は前記駆動部に配置され、前記超音波信号を反射する反射部が前記被駆動部に配置されている、請求項１に記載の駆動装置。
4. 前記駆動部に対する前記被駆動部の相対移動は直線移動である、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の駆動装置。
5. 前記駆動部に対する前記被駆動部の相対移動は回転移動である、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の駆動装置。
6. 前記位置検出部は、前記超音波受信部で受信される前記超音波信号の強度の変化に応じて変化する前記出力信号の強度の変化に基づいて前記相対位置を検出する、請求項５に記載の駆動装置。
7. 前記駆動部は前記駆動部の中心軸回りに配置されている複数の圧電アクチュエーターを有しており、
   前記超音波受信部は、前記複数の圧電アクチュエーターから発信される複数の超音波信号を受信し、前記複数の超音波信号が重畳された信号を前記出力信号として出力し、
   前記位置検出部は、前記複数の超音波信号のそれぞれの強度の変化に応じて変化する前記出力信号の強度の変化に対応する前記相対位置を検出する、請求項６に記載の駆動装置。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の駆動装置を備えるロボット。

Images