JP2017175696A - 圧電駆動装置の制御回路、圧電駆動装置、超音波モーター、ロボット、ハンド、及びポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】並列に接続される複数の圧電素子の状態を検出する。【解決手段】発明の圧電駆動装置の制御回路３３０は、並列に接続されている複数の圧電素子に、状態検査信号を入力する信号発生部３６０と、状態検査信号に応じて複数の圧電素子から発生する状態検出信号に基づいて、複数の圧電素子の状態を検出する状態検出部３８０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電駆動装置の制御回路、圧電駆動装置、超音波モーター、ロボット、ハンド、及びポンプに関する。

特許文献１では、圧電素子に接続された検出抵抗の両端の電位差を測定する電位差検出手段と、電位差検出手段が測定した電位差に基づいて圧電素子の状態を判定する状態判定手段と、によって、圧電素子の状態を判定することが行われている。

特開２００８−１９９７７４号公報

しかし、複数の圧電素子を有する場合に、複数の圧電素子の状態を検出するためには、複数の電位差検出手段及び状態判定手段を要するため、構成が複雑になり、小型化が難しい、という問題がある。

本発明は、上述の課題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、圧電駆動装置の制御回路が提供される。この制御回路は、並列に接続されている複数の圧電素子に、状態検査信号を入力する信号発生部と；前記状態検査信号に応じて前記複数の圧電素子から発生する状態検出信号に基づいて、前記複数の圧電素子の状態を検出する状態検出部と；を備える。
この形態によれば、並列に接続されている複数の圧電素子から発生する状態検出信号に基づいて、複数の圧電素子の状態を検出することができる。また、装置構成の簡略化及び小型化を図ることが可能である。

（２）上記形態の制御回路において、前記状態検出信号は、前記状態検査信号に応じて前記複数の圧電素子に流れる電流であり、前記状態検出部は、前記複数の圧電素子に流れる電流を検出する電流検出部を有し、ステップ状の前記状態検出信号が入力されてから前記電流検出部が検出する電流を積分した積分電流の一定時間の経過時における積分電流値を状態検出値として取得し、前記状態検出値に基づいて前記複数の圧電素子の状態を検出する、としてもよい。
この形態によれば、状態検出値として取得する積分電流値は、複数の圧電素子の状態に応じて異なった値を示すので、状態検出値に基づいて複数の圧電素子の状態を検出することができる。

（３）上記形態の制御回路において、前記状態検出部は、前記状態検出値を、前記複数の圧電素子のステップ応答特性を示す時定数に基づく前記積分電流の立ち上がりの状態を示す判定値と比較することにより、前記複数の圧電素子の状態を検出する、としてもよい。
この形態によれば、積分電流の立ち上がりの状態を示す状態検出値は、複数の圧電素子の状態に応じて異なった値を示すので、複数の圧電素子のステップ応答特性を示す時定数に基づく積分電流の立ち上がりの状態を示す判定値と比較することにより、複数の圧電素子の状態を検出することができる。

（４）上記形態の制御回路において、前記状態検出部は、前記状態検出値と前記判定値との関係を記憶する記憶部を有する、としてもよい。
この形態によれば、記憶部に記憶した判定値を利用して複数の圧電素子の状態を検出することができる。

（５）上記形態の制御回路において、前記状態検出信号は、前記状態検査信号に応じて前記複数の圧電素子に流れる電流であり、前記状態検出部は、前記複数の圧電素子に流れる電流を検出する電流検出部を有し、前記複数の圧電素子に正弦波状の前記状態検出信号が入力された際に、前記電流検出部が検出する電流の実効電流値を状態検出値として取得し、前記状態検出値に基づいて前記複数の圧電素子の状態を検出する、としてもよい。
この形態によれば、状態検出値として取得する実効電流値は、複数の圧電素子の状態に応じて異なった値を示すので、状態検出値に基づいて複数の圧電素子の状態を検出することができる。

（６）上記形態の制御回路において、前記状態検出部は、前記状態検出値に基づいて、前記複数の圧電素子の状態が正常状態、短絡異常状態、および断線異常状態のいずれの状態であるかを検出する、としてもよい。
この形態によれば、状態検出値は複数の圧電素子の状態の状態が正常状態と短絡異常状態と断線異常状態のいずれの状態であるかに応じて異なった値を示すので、状態検出値に基づいて、複数の圧電素子の状態が正常状態と短絡状態と断線状態のいずれの状態であるかを検出することができる。

（７）上記形態の制御回路において、前記状態検出部は、前記複数の圧電素子のうち断線異常状態の圧電素子の数を検出する、としてもよい。
この形態によれば、状態検出値は複数の圧電素子の断線異常状態の数に応じて異なった値を示すので、状態検出値に基づいて、断線異常状態の圧電素子の数を検出することができる。

（８）本発明の他の形態によれば、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、並列に接続されている複数の圧電素子と、上記いずれかの形態の制御回路と、を備える。
この形態によれば、圧電駆動装置に含まれる複数の圧電素子の状態を検出することが可能な圧電駆動装置を提供することができる。

（９）上記形態の圧電駆動装置は、前記複数の圧電素子を含む圧電アクチュエーターを有しており、前記複数の圧電素子は、前記圧電素子が形成される平面に交わる方向に積層配置されている、としてもよい。
この形態によれば、圧電素子が積層されているので、振動力を大きくできる。

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、圧電駆動装置の制御回路や圧電駆動装置の他、超音波モーター、超音波モーターを備えるロボット、超音波モーターを備えるハンド、超音波モーターを備えるポンプ等様々な形態で実現することができる。

第１実施形態の超音波モーターを示す説明図である。 圧電アクチュエーターの概略構成を示す説明図である。 圧電アクチュエーターの断面図である。 圧電アクチュエーターの動作の例を示す説明図である。 状態検出部の内部構成を示す説明図である。 検出処理部における複数の圧電素子の状態検出について示す説明図である。 変形例の状態検出部について示す説明図である。 第２実施形態における状態検査信号及び状態検出信号としての電流について示す説明図である。 超音波モーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。 超音波モーターを利用したロボットのハンドの説明図である。 超音波モーターを利用した指アシスト装置を示す説明図である。 超音波モーターを利用した送液ポンプの一例を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態の超音波モーター３００を示す説明図である。超音波モーター３００は、被駆動体としての回転体３１０と、圧電駆動装置としての複数の圧電アクチュエーター１００及び制御回路３３０と、を備えている。各圧電アクチュエーター１００は、回転体３１０に接触して超音波振動することにより回転体３１０に回転の駆動力を与える。制御回路３３０は、圧電アクチュエーター１００を超音波振動させて駆動する。なお、図１では、１０個の圧電アクチュエーター１００が、回転体３１０の中心軸ＲＸに垂直な円形面３１１の外周縁に沿って配置された例を示している。また、図１では、複数の圧電アクチュエーター１００を駆動する複数の制御回路３３０のうち、１つの圧電アクチュエーター１００に対応する１つの制御回路３３０のみを示し、他は省略している。なお、各圧電アクチュエーター１００と対応する制御回路３３０との関係はいずれも同じである。

制御回路３３０は、制御部３４０と信号発生部３６０と状態検出部３８０とを備えている。制御部３４０は、上位の制御装置（不図示）からの指示に従って、信号発生部３６０及の動作を制御する。例えば、通常の駆動時においては、上位の制御装置からの指示に従って信号発生部３６０を制御して、圧電アクチュエーター１００を駆動することにより回転体３１０を回転させる。また、後述する検査時においては、上位の制御装置からの検査の指示ＳＤＩに従って信号発生部３６０及び状態検出部３８０を制御して、圧電アクチュエーター１００の状態を検査し、検査結果ＳＤＲを上位の制御装置へ出力する。

図２は、圧電アクチュエーター１００の概略構成を示す説明図である。圧電アクチュエーター１００は、振動子としての圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅと、振動板としての基板２００と、突起部１０３と、を備える。基板２００は、振動部２１０と、支持部２２０とを有する。振動部２１０は略長方形形状を有しており、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを配置している。圧電素子１１０ｅは、略長方形形状に構成されており、振動部２１０の短手方向（「短辺方向」あるいは「幅方向」とも呼ぶ）の中央において、振動部２１０の長手方向（中心線ＣＸに沿った方向）に沿って配置されている。圧電素子１１０ａ〜１１０ｄは、振動部２１０の四隅の位置に配置されている。

支持部２２０は、振動部２１０の約半分を囲うように配置されており、支持部２２０の端部は、振動部２１０の長辺の中央で振動部２１０と接続されている。支持部２２０のうちの振動部２１０と接続されている端部を「第１接続部２２２」、「第２接続部２２３」と呼び、第１接続部２２２、第２接続部２２３以外の部分を「固定部２２１」と呼ぶ。振動部２１０と支持部２２０との間には、隙間２０５が配置されている。圧電素子１１０ａ〜１１０ｅに電圧を印加すると圧電素子１１０ａ〜１１０ｅが伸縮し、振動部２１０が振動するが、隙間２０５は、この振動によっても振動部２１０が支持部２２０の固定部２２１と接触しない大きさに構成されている。振動部２１０の支持部２２０に囲われていない側の短辺を含む側面２１４の中央位置（平面視における中心線ＣＸ上の位置）の凹部２１６には、突起部１０３が設けられている。突起部１０３は、セラミックス（例えばＡｌ_２Ｏ_３）などの耐久性がある材料で構成することが好ましい。

図３は、図２の圧電アクチュエーター１００の３−３断面図である。なお、図３では、図示の便宜上、上下方向（厚さ方向）の寸法を誇張して描いている。また、図３では、振動部２１０に対応する断面のみを示している。なお、固定部２２１に対応する断面も、振動部２１０と同様の構造を有している。

図３に示すように、圧電アクチュエーター１００は、積層された２つの圧電振動体ユニット１０１を備える。圧電振動体ユニット１０１は、積層された２つの圧電振動体１０２を備える。２つの圧電振動体１０２は、それぞれ、基板２００と、基板２００上に配置された５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅ（図２）を備える。なお、図３は、図２の３−３断面図のため、５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅのうち２つの圧電素子１１０ｃ，１１０ｄが図示され、他の３つの圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｅは図示されていない。圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、それぞれ、第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０とを備える。圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、平面視（図２参照）で２枚の基板２００が重なっている領域（振動部２１０の領域）において、２枚の基板２００が互いに向かい合う側の平面（主面）上にそれぞれ配置されている。また、同一の符号を付した２つの圧電素子、例えば、２つの圧電素子１１０ａは、２枚の基板２００の平面視で、互いに重なって見える位置にある。他の圧電素子１１０ｂ〜１１０ｅについても同様である。

２つの圧電振動体１０２は、基板２００を外側にして、それぞれの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを２枚の基板２００で挟むようにして配置されている。すなわち、圧電振動体ユニット１０１は、２つの圧電振動体１０２が、基板２００上に圧電素子１１０ａ〜１１０ｅが配置される方向に沿って配置(積層）されている。圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、保護層２６０により覆われている。ここで「保護層２６０」を「被覆部２６０」とも呼ぶ。２つの圧電振動体１０２の被覆部２６０同士が、接着層２７０により接着されることにより、圧電振動体ユニット１０１が構成される。突起部１０３は、図２，図３に示すように、略直方体形状をしており、２つの基板２００に跨って取り付けられている。但し、突起部１０３を略円柱形状、球体形状、楕円体形状としてもよく、また、各基板２００のそれぞれに設けるようにしてもよい。なお、圧電振動体１０２が一つの「振動体」に相当する。

圧電振動体１０２は、基板２００の上に絶縁層２０１、第１電極１３０、圧電体１４０、第２電極１５０、絶縁層２４０、配線層２５０、保護層２６０（被覆部２６０）の順に各部材が配置されている。絶縁層２０１は、基板２００を他の電極（第１電極１３０と第２電極１５０と配線層２５０）から絶縁する。第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを構成する。絶縁層２４０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを覆い絶縁する。但し、絶縁層２４０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの第１電極１３０と第２電極１５０を、配線層２５０に接触させるためのコンタクトホールを備える。配線層２５０は、第１電極１３０と第２電極１５０に通電するための配線を配置する。保護層２６０は、上述したように、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを保護する。

圧電振動体１０２は、例えば、成膜プロセスを利用して作製可能である。概略すると、以下の通りである。基板２００としてのＳｉウェハー上に、絶縁層２０１、第１電極１３０、圧電体１４０、第２電極１５０、絶縁層２４０、配線層２５０、保護層（被覆部）２６０を順に形成する。そして、エッチングにより、個々の基板２００の形状を形成すると同時に、振動部２１０と、支持部２２０との間の隙間２０５を形成し、突起部１０３を取り付けるための凹部２１６（図２）を形成する。これにより、１枚のＳｉウェハー上に、複数の圧電振動体１０２を形成することができる。そして、２つの圧電振動体１０２を、互いに基板２００が外側、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅが内側を向き、同一符号の部材が面対称となるように配置し、接着層２７０を用いて２つの圧電振動体１０２の被覆部２６０同士を接着し、２つの基板２００の凹部２１６に跨って突起部１０３を接着剤で接着する。これにより、圧電振動体ユニット１０１を作製することができる。そして、複数(本例では２つ）の圧電振動体ユニット１０１を積層することにより圧電アクチュエーター１００を作製することができる。なお、複数の圧電振動体ユニット１０１の積層は、例えば、不図示の接着剤で接着することによって実行可能である。また、不図示の筐体に複数の圧電振動体ユニット１０１を積層することも可能である。

なお、絶縁層２０１，２４０としては、例えば、基板２００の表面を熱酸化して形成されるＳｉＯ_２層を利用することができる。また、絶縁層２０１としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、アクリルやポリイミドなどの有機材料を用いることもできる。基板２００が絶縁体である場合には、絶縁層２０１を形成する工程は省略可能である。

また、電極１３０，１５０の材料としては、Ａｌ（アルミニウム）や、Ｎｉ（ニッケル），Ａｕ（金），Ｐｔ（白金），Ｉｒ（イリジウム），Ｃｕ（銅）などの導電性の高い任意の材料を利用可能である。電極１３０，１５０は、例えば、スパッタリングにより形成でき、パターニングは、例えば、エッチングにより行うことができる。

また、圧電体１４０の材料としては、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を採るセラミックスなど、圧電効果を示す任意の材料を利用可能である。ＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を採るセラミックスとしては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸バリウム，チタン酸鉛，ニオブ酸カリウム，ニオブ酸リチウム，タンタル酸リチウム，タングステン酸ナトリウム，酸化亜鉛，チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ），タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ），メタニオブ酸鉛，亜鉛ニオブ酸鉛，スカンジウムニオブ酸鉛等を用いることが可能である。またセラミック以外の圧電効果を示す材料、例えばポリフッ化ビニリデン，水晶等を用いることも可能である。

圧電体１４０の形成は、バルク材から行ってもよく、または例えばゾル−ゲル法を用いて行うってもよい。すなわち、圧電体材料のゾルゲル溶液を基板２００（第１電極１３０）の上に滴下し、基板２００を高速回転させることにより、第１電極１３０の上にゾルゲル溶液の薄膜を形成する。その後、２００℃〜３００℃の温度で仮焼きして第１電極１３０の上に圧電体材料の第１層を形成する。その後、ゾルゲル溶液の滴下、高速回転、仮焼き、のサイクルを複数回繰り返すことによって、第１電極１３０の上に所望の厚さまで圧電体層を形成する。なお、１サイクルで形成される圧電体の一層の厚みは、ゾルゲル溶液の粘度や、基板２００の回転速度にも依存するが、約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの厚さとなる。所望の厚さまで圧電体層を形成した後、６００℃〜１０００℃の温度で焼結することにより、圧電体１４０を形成する。焼結後の圧電体１４０の厚さを、５０ｎｍ（０．０５μｍ）以上２０μｍ以下とすれば、小型の圧電アクチュエーター１００を実現できる。なお、圧電体１４０の厚さを０．０５μｍ以上とすれば、圧電体１４０の伸縮に応じて十分に大きな力を発生することができる。また、圧電体１４０の厚さを２０μｍ以下とすれば、圧電体１４０に印加する電圧を６００Ｖ以下としても十分に大きな力を発生することができる。その結果、圧電アクチュエーター１００を駆動するための駆動回路（図示せず）を安価な素子で構成できる。なお、圧電体の厚さを４００ｎｍ以上としてもよく、この場合、圧電素子で発生する力を大きくできる。なお、仮焼きや焼結の温度、時間は、一例であり、圧電体材料により、適宜選択される。なお、圧電体１４０の厚さを２０μｍ以上としてもよい。

圧電体１４０のパターニングは、アルゴンイオンビームを用いたイオンミリングにより行うことができる、なお、イオンミリングを用いてパターニングを行う代わりに、他の任意のパターニング方法（例えば、塩素系のガスを用いたドライエッチング）によりパターニングを行っても良い。

配線層２５０は、銅または真鍮を用いて形成することができる。配線層２５０は、例えば、スパッタリングにより形成でき、配線層２５０には、パターニングにより配線を形成することができる。配線のパターニングは、例えば、エッチングにより行うことができる。

圧電アクチュエーター１００は４つの圧電振動体１０２を有している（図３）。それぞれの圧電振動体１０２の圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、３つのグループに分けられる。第１グループは、２つの圧電素子１１０ａ，１１０ｄを有する。第２グループは、２つの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃを有する。第３グループは、１つの圧電素子１１０ｅのみを有する。４つの圧電振動体１０２のそれぞれの第１グループの圧電素子１１０ａ，１１０ｄは、圧電振動体内において互いに並列に接続されるとともに、各圧電振動体間において互いに並列に接続され、信号発生部３６０に接続される。４つの圧電振動体１０２のそれぞれの第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃも、圧電振動体内において互いに並列に接続されるとともに、各圧電振動体間において互いに並列に接続され、信号発生部３６０に接続される。また、４つの圧電振動体１０２のそれぞれの第３グループの圧電素子１１０ｅは、各圧電振動体間において互いに並列に接続され、信号発生部３６０に接続される。

圧電アクチュエーター１００は、信号発生部３６０（図１）から、各圧電振動体１０２の所定の圧電素子、例えば並列に接続された複数の第１グループの圧電素子１１０ａ，１１０ｄの第１電極１３０と第２電極１５０との間に周期的に変化する交流電圧又は脈流電圧（「駆動電圧」とも呼ぶ）の駆動信号を印加することにより、圧電アクチュエーター１００を超音波振動させて、突起部１０３に接触する回転体３１０を所定の方向に回転させることが可能である。ここで、「脈流電圧」とは、交流電圧にＤＣオフセットを付加した電圧を意味し、脈流電圧の電圧（電界）の向きは、一方の電極から他方の電極に向かう一方向である。電流の向きは、第１電極１３０から第２電極１５０に向かうよりも第２電極１５０から第１電極１３０に向かう方が好ましい。また、並列に接続された複数の第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃの第１電極１３０と第２電極１５０との間に駆動電圧を印加することにより、突起部１０３に接触する回転体３１０を逆方向に回転させることが可能である。

図４は、圧電アクチュエーター１００の動作の例を示す説明図である。図４は、第１グループの圧電素子１１０ａ，１１０ｄに駆動電圧を印加した状態を示しており、第１グループの圧電素子１１０ａ，１１０ｄは矢印ｘの方向に伸縮する。この振動が、基板２００の振動部２１０に伝えられ、振動部２１０が振動部２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形するように振動（屈曲振動）する。そして、突起部１０３が圧電振動体１０２の平面内で矢印ｙの向き（振動部２１０の幅方向）に往復運動、又は、楕円運動をする。その結果、回転体３１０は、その中心軸ＲＸの周りの所定の方向に回転する。なお、第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃ（図２）に駆動電圧を印加する場合には、回転体３１０は逆方向に回転する。なお、中央の第３グループの圧電素子１１０ｅに、駆動電圧を印加すれば、圧電アクチュエーター１００が長手方向に伸縮するので、突起部１０３から回転体３１０に与える力をより大きくすることが可能である。なお、圧電アクチュエーター１００のこのような動作については、特開２００４−３２０９７９号公報（又は、対応する米国特許第７２２４１０２号）に記載されており、その開示内容は参照により組み込まれる。

なお、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅに印加する駆動電圧の周波数（「駆動周波数」とも呼ぶ）は、圧電振動体１０２の振動を効率良く利用して、圧電アクチュエーター１００としての出力特性を高めるために、あらかじめ、圧電アクチュエーター１００の共振周波数あるいはその近傍の周波数に設定される。

なお、以下の説明では、圧電アクチュエーター１００の４つの圧電振動体１０２の並列に接続された複数の第１グループの圧電素子１１０ａ，１１０ｄ、第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃ、第３グループの圧電素子１１０ｅについて、特に区別せず、同じグループの並列に接続された複数の圧電素子を「圧電素子１１０」として説明する。

図５は、状態検出部３８０（図１）の内部構成を示す説明図である。状態検出部３８０は、電流検出部３８２と、検出処理部３８４と、記憶部３８６と、を備える。電流検出部３８２は、オペアンプ３８３のマイナス入力端子と出力端子を電流検出抵抗Ｒｄで接続するとともに、プラス入力端子を接地したＩ−Ｖ変換器で構成されている。Ｉ−Ｖ変換器は、入力される電流によって発生する電流検出抵抗Ｒｄ間の電圧差を、入力される電流に相当する電圧として出力するものである。電流検出部３８２は、圧電アクチュエーター１００の複数の圧電素子１１０に入力された状態検査信号ＴＳから、複数の圧電素子１１０に流れる電流を検出し、検出した電流Ｉｐｔを状態検出信号として出力する。検出処理部３８４は、状態検出信号としての電流Ｉｐｔに基づいて、以下で説明するように、複数の圧電素子１１０の状態を検出する。なお、記憶部３８６には、複数の圧電素子１１０の状態を検出するために用いられる判定値が記憶されている。

図６は、検出処理部３８４における複数の圧電素子１１０の状態検出について示す説明図である。信号発生部３６０（図５）は、状態検査信号ＴＳとして、ステップ状の電圧信号を並列に接続された複数の圧電素子１１０に入力する。検出処理部３８４（図５）は、電流検出部３８２で検出される状態検出信号としての電流Ｉｐｔを積分した積分電流ΣＩｐｔを求め、状態検査信号ＴＳの開始時刻ｔｓから一定時間Ｔが経過した時刻ｔｍにおける積分電流ΣＩｐｔの電流値を状態検出値Ｉｄとして取得する。そして、検出処理部３８４は、状態検出値Ｉｄに基づいて複数の圧電素子の状態を検出する。具体的には、全ての圧電素子１１０が正常状態であるか、少なくとも１つの圧電素子１１０が短絡異常状態であるか、少なくとも１つの圧電素子が断線異常状態であるか、を検出する。

正常状態と短絡異常状態と断線異常状態の判定条件は、下記の通りである。
〔正常状態〕
断線判定値Ｉｏｔｈ≦状態検出値Ｉｄ≦短絡判定値Ｉｓｔｈ
〔短絡異常状態〕
状態検出値Ｉｄ＞短絡判定値Ｉｓｔｈ
〔断線異常状態〕
状態検出値Ｉｄ＜断線判定値Ｉｏｔｈ

また、断線異常の場合、電流検出部３８２で検出される検出状態信号としての電流Ｉｐｔは、断線異常の数に比例して減少するので、状態検出値Ｉｄに基づいて断線異常の数を検出することができる。

本例のように４つの圧電素子１１０の場合、例えば、以下の判定条件に従って断線異常の数を検出することができる。
〔断線異常数：１〕
第１断線判定値Ｉｏｔｈ１＞状態検出値Ｉｄ≧第２断線判定値Ｉｏｔｈ２
ここで、第１断線判定値Ｉｏｔｈ１＝断線判定値Ｉｏｔｈである。
〔断線異常数：２〕
第２断線判定値Ｉｏｔｈ２＞状態検出値Ｉｄ≧第３断線判定値Ｉｏｔｈ３
〔断線異常数：３〕
第３断線判定値Ｉｏｔｈ３＞状態検出値Ｉｄ≧第４断線判定値Ｉｏｔｈ４
〔断線異常数：４〕
第４断線判定値Ｉｏｔｈ４＞状態検出値Ｉｄ≧０

ここで、ステップ状の状態検査信号ＴＳに応じて圧電素子１１０に流れる電流は、圧電素子１１０のステップ応答特性を示す時定数τ（例えば、圧電素子１１０の等価回路の容量成分Ｃとインピーダンス成分Ｒの積ＲＣで表される）に従った応答特性を有しており、積分電流ΣＩｐｔも同様である。そこで、一定時間Ｔを時定数τに基づいた予め決定された応答待ち時間（例えば３τ）とした場合において、この一定時間Ｔが経過した時刻ｔｍにおける積分電流ΣＩｐｔの標準の積分電流値を基準とし、これに対して少なくとも１つの圧電素子１１０が短絡異常状態となった場合に想定される電流値にマージンを考慮した値を短絡判定値Ｉｓｔｈに設定すればよい。また、一つの圧電素子１１０が断線異常状態となった場合に想定される積分電流値にマージンを考慮した値を断線判定値Ｉｏｔｈに設定すればよい。断線判定値Ｉｏｔｈから短絡判定値Ｉｓｔｈの範囲は、例えば、基準の積分電流値に対する比で０．８７５〜１．１２５に設定することができる。これらの判定値は予め求めて記憶部３８６に設定しておけばよい。

また、第２〜第４の断線判定値Ｉｏｔｈ２〜Ｉｏｔｈ４は、一つの圧電素子１１０が断線異常状態となった場合に想定される積分電流値にマージンを考慮した値に基づいて、それぞれ設定すればよい。これらの判定値も予め求めて記憶部３８６に設定しておけばよい。

上記説明は、複数の圧電アクチュエーター１００のうちの１つの圧電アクチュエーター１００と対応する制御回路３３０について説明したが、他の圧電アクチュエーター１００と対応する制御回路３３０の動作も、それぞれ、同様である。

以上のように、第１実施形態においては、圧電アクチュエーター１００の並列に接続されている複数の圧電素子１１０の状態を、入力したステップ状の状態検査信号に応じて複数の圧電素子１１０に流れる電流を、複数の圧電素子１１０の状態を示す状態検出信号として検出し、検出した状態検出信号に基づいて複数の圧電素子１１０の状態、具体的には、正常状態であるか、少なくとも１つが短絡異常状態であるか、少なくとも１つが断線異常状態であるか、を検出することができる。また、断線異常状態の数を検出することができる。

なお、複数の圧電アクチュエーター１００にそれぞれ対応する複数の制御回路３３０を備えるのではなく、複数の圧電アクチュエーター１００に共通する１つの制御回路３３０を備える構成としてよい。この場合には、複数の圧電アクチュエーター１００に備えており、並列に接続されている複数の圧電素子１１０の状態を検出することができる。また、１つの圧電アクチュエーター１００と制御回路３３０を備える構成としてもよい。

図７は、変形例の状態検出部３８０Ａについて示す説明図である。上記状態検出部３８０（図５）の電流検出部３８２に代えて電流検出部３８２Ａを用いるようにしてもよい。

この電流検出部３８２Ａは、信号発生部３６０と圧電アクチュエーター１００の並列に接続されている複数の圧電素子１１０との間に電流検出抵抗Ｒｄを設けて、複数の圧電素子１１０に流れる電流によって発生する電流検出抵抗Ｒｄ間の電圧差を差動アンプ３８３Ａで検出し、複数の圧電素子１１０に流れる電流に相当する電圧として出力するものである。すなわち、電流検出部３８２Ａも、電流検出部３８２と同様に、圧電アクチュエーター１００の複数の圧電素子１１０に入力された状態検査信号ＴＳから、複数の圧電素子１１０に流れる電流を検出し、検出した電流Ｉｐｔを状態検出信号として出力することができる。

従って、第１実施形態の状態検出部３８０を変形例の状態検出部３８０Ａとしても、同様に、圧電アクチュエーター１００の並列に接続されている複数の圧電素子１１０の状態を、入力したステップ状の状態検信号に応じて複数の圧電素子１１０に流れる電流を、複数の圧電素子１１０の状態を示す状態検出信号として検出し、検出した状態検出信号に基づいて複数の圧電素子１１０の状態、具体的には、正常状態であるか、少なくとも１つが短絡異常状態であるか、少なくとも１つが断線異常状態であるか、を検出することができる。また、断線異常状態の数を検出することができる。

上記の圧電アクチュエーター１００は、積層された２つの圧電振動体ユニット１０１を備える構成を例に説明した。しかしながら、これに限定されるものではなく、１つ以上の圧電振動体１０２を備える構成としてもよい。また、圧電振動体１０２は、第１グループの圧電素子１１０ａ,１１０ｄと第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃと第３グループの圧電素子１１０ｅとを備える構成を例に示した。しかしながら、これに限定されるものではなく、第１グループの圧電素子１１０ａ,１１０ｄと第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃと第３グループの圧電素子１１０ｅのうちのいずれかの圧電素子を備える構成や、いずれか二つの圧電素子の組み合わせを備える構成としてもよい。但し、１つの圧電アクチュエーター１００の場合には、圧電アクチュエーター１００には、並列に接続されている複数の圧電素子１１０を備える構成であることを要する。

なお、これらの種々の変形例は、以下の実施形態においても同様に適用可能である。

また、上述したように、ステップ状の状態検査信号ＴＳに応じて圧電素子１１０に流れる積分電流ΣＩｐｔは、圧電素子１１０のステップ応答特性を示す時定数τに従って立ち上がる応答特性を有しているので、状態検出値Ｉｄは、状態検査信号ＴＳの開始時刻ｔｓから一定時間Ｔが経過した時刻ｔｍにおける複数の圧電素子１１０に流れる積分電流ΣＩｐｔの立ち上がりの状態を示す、と言える。従って、状態検査信号ＴＳの開始時刻ｔｓから一定時間Ｔが経過した時刻ｔｍにおける複数の圧電素子１１０の時定数τから決まる積分電流ΣＩｐｔの基準値と状態検出値Ｉｄとを比較することにより、複数の圧電素子１１０の状態を検出することも可能である。この場合、記憶部３８６に記憶される短絡判定値Ｉｓｔｈ、断線判定値Ｉｏｔｈ（第１断線判定値Ｉｏｔｈ１）、第２断線判定値Ｉｏｔｈ２、第３断線判定値Ｉｏｔｈ３、及び、第４断線判定値Ｉｏｔｈ４を、それぞれ、状態検査信号ＴＳの開始時刻ｔｓから一定時間Ｔが経過した時刻ｔｍにおける、複数の圧電素子１１０の状態と積分電流ΣＩｐｔの立ち上がりの状態との関係を示す値に設定すればよい。

Ｂ．第２実施形態：
図８は、第２実施形態における状態検査信号ＴＳ及び状態検出信号としての電流Ｉｐｔについて示す説明図である。第２実施形態においては、信号発生部３６０（図５）は、複数の圧電素子１１０に入力する状態検査信号ＴＳとして、正弦波状の電圧信号を出力する。この場合、電流検出部３８２（図５）によって検出される状態検出信号としての電流Ｉｐｔも、正弦波状の電流信号となる。

そこで、検出処理部３８４（図５）は、電流Ｉｐｔから実効電流値Ｉｐｔｅ（＝Ｉｍ／√２）を求めて状態検出値Ｉｄとして取得する。Ｉｍは、正弦波状の電流Ｉｐｔの振幅である。そして、検出処理部３８４は、第１実施形態と同様に、状態検出値Ｉｄに基づいて複数の圧電素子１１０の状態を検出する。但し、第２実施形態における、短絡判定値Ｉｓｔｈ、断線判定値Ｉｏｔｈ（第１断線判定値Ｉｏｔｈ１）、第２断線判定値Ｉｏｔｈ２、第３断線判定値Ｉｏｔｈ３、及び、第４断線判定値Ｉｏｔｈ４は、標準の実効電流値を基準として、それぞれの場合に想定される実効電流値にマージンを考慮した値に設定すればよい。

第２実施形態においても、圧電アクチュエーター１００の並列に接続されている複数の圧電素子１１０の状態を、入力した正弦波状の状態検信号に応じて複数の圧電素子１１０に流れる電流を、複数の圧電素子１１０の状態を示す状態検出信号として検出し、検出した状態検出信号に基づいて複数の圧電素子１１０の状態、具体的には、正常状態であるか、少なくとも１つが短絡異常状態であるか、少なくとも１つが断線異常状態であるか、を検出することができる。また、断線異常状態の数を検出することができる。

Ｃ．超音波モーターを用いた装置の実施形態：
上述した超音波モーターは、共振を利用することで被駆動部材に対して大きな力を与えることができるものであり、各種の装置に適用可能である。超音波モーターは、例えば、ロボット（電子部品搬送装置（ＩＣハンドラー）も含む）、ハンド（指アシスト装置を含む）、投薬用ポンプ、時計のカレンダー送り装置、印刷装置（例えば紙送り機構。）等の各種の機器における駆動装置として用いることができる。以下、代表的な実施の形態について説明する。

図９は、上述の超音波モーターを利用したロボット２０５０の一例を示す説明図である。ロボット２０５０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とを備えたアーム２０１０（「腕部」とも呼ぶ）を有している。それぞれの関節部２０２０には、上述した超音波モーターが内蔵されており、超音波モーターを用いて関節部２０２０を任意の角度だけ回動又は屈曲させることが可能である。なお、図９には、超音波モーターに備えられる圧電アクチュエーター１００が図示されている。アーム２０１０の先端には、ハンド２０００が接続されている。ハンド２０００は、一対の把持部２００３を備えている。なお、ハンド２０００には圧電アクチュエーター１００が内蔵されており、圧電アクチュエーター１００を用いて把持部２００３を開閉して物を把持することが可能である。また、ハンド２０００とアーム２０１０との間にも超音波モーター３００が設けられており、超音波モーター３００を用いてハンド２０００をアーム２０１０に対して回転させることも可能である。

ロボット２０５０に利用した超音波モーターは、圧電アクチュエーター１００に備える複数の圧電素子１１０の状態を検出することができるので、超音波モーターの状態を容易に検出することができる。

図１０は、図９に示したロボット２０５０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の中心軸Ｏ周りに回動可能に取り付けられている。手首回動部２０２２は、超音波モーターを備えており、超音波モーターは、圧電アクチュエーター１００によってローター２０１３を回動させることにより、ローター２０１３が固定された手首のリンク部２０１２およびハンド２０００を中心軸Ｏ周りに回動させる。ハンド２０００には、複数の把持部２００３が立設されている。把持部２００３の基端部はハンド２０００内で移動可能となっており、この把持部２００３の根元の部分に圧電アクチュエーター１００が搭載されている。このため、圧電アクチュエーター１００を動作させることで、把持部２００３を移動させて対象物を把持することができる。

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超音波モーターを適用可能である。ここで、手首の関節部２０２０やハンド２０００の内部には、超音波モーターの他に、力覚センサーやジャイロセンサー等の各種装置に電力を供給する電力線や、信号を伝達する信号線等が含まれ、非常に多くの配線が必要になる。従って、関節部２０２０やハンド２０００の内部に配線を配置することは非常に困難だった。しかしながら、上述した実施形態の超音波モーターは、通常の電動モーターや、従来の圧電駆動装置よりも駆動電流を小さくできるので、関節部２０２０（特に、アーム２０１０の先端の関節部）やハンド２０００のような小さな空間でも配線を配置することが可能になる。

上記説明では、ハンド２０００を備えるロボット２０５０を例にとって説明したが、ハンド２０００は、ロボット２０５０の部品としてのみならず、単独の製品として構成されていても良い。

図１１は、上述の超音波モーターを利用した指アシスト装置１０００を示す説明図である。指アシスト装置１０００は、第１の指アシスト部１００１と、第２の指アシスト部１００２と、ベース部材１００３と、を備え、指７００に装着される。第１の指アシスト部１００１は、超音波モーターの圧電アクチュエーター１００と、超音波モーターの被駆動体に対応するローターを含む減速機５０１と、指支持部７０１と、を備える。第２の指アシスト部１００２は、超音波モーターの圧電アクチュエーター１００と、超音波モーターの被駆動体に対応するローターを含む減速機５０２と、指支持部７０２と、バンド７０３と、を備える。バンド７０３を除き、第１の指アシスト部１００１と第２の指アシスト部１００２とは、ほぼ同じ構成である。バンド７０３は、指７００の腹側から第２の指アシスト部１００２を固定する。なお、バンド７０３は、第１の指アシスト部１００１にも、設けられるが、図１１では省略されている。指アシスト装置１０００は、超音波モーターにより、指７００の屈伸をアシストする。なお、本実施形態では、指アシスト装置１０００は、指７００の屈伸をアシストするものとして説明したが、指７００の代わりにロボットのハンドを用い、ハンドと指アシスト装置１０００とを一体化してもよい。この場合、ハンドが、超音波モーターにより駆動され、屈伸する。

指アシスト装置１０００に利用した超音波モーターは、圧電アクチュエーター１００に備える複数の圧電素子１１０の状態を検出することができるので、超音波モーターの状態を容易に検出することができる。

図１２は、上述の超音波モーターを利用した送液ポンプ２２００の一例を示す説明図である。送液ポンプ２２００は、ケース２２３０内に、リザーバー２２１１と、チューブ２２１２と、超音波モーターの圧電アクチュエーター１００と、超音波モーターの被駆動体に対応するローター２２２２と、減速伝達機構２２２３と、カム２２０２と、複数のフィンガー２２１３、２２１４、２２１５、２２１６、２２１７、２２１８、２２１９と、が設けられている。リザーバー２２１１は、輸送対象である液体を収容するための収容部である。チューブ２２１２は、リザーバー２２１１から送り出される液体を輸送するための管である。圧電アクチュエーター１００の突起部１０３は、ローター２２２２の側面に押し付けた状態で設けられており、圧電アクチュエーター１００がローター２２２２を回転駆動する。ローター２２２２の回転力は減速伝達機構２２２３を介してカム２２０２に伝達される。フィンガー２２１３から２２１９はチューブ２２１２を閉塞させるための部材である。カム２２０２が回転すると、カム２２０２の突起部２２０２Ａによってフィンガー２２１３から２２１９が順番に放射方向外側に押される。フィンガー２２１３から２２１９は、輸送方向上流側（リザーバー２２１１側）から順にチューブ２２１２を閉塞する。これにより、チューブ２２１２内の液体が順に下流側に輸送される。こうすれば、極く僅かな量を精度良く送液可能で、しかも小型な送液ポンプ２２００を実現することができる。なお、各部材の配置は図示されたものには限られない。また、フィンガーなどの部材を備えず、ローター２２２２に設けられたボールなどがチューブ２２１２を閉塞する構成であってもよい。上記のような送液ポンプ２２００は、インシュリンなどの薬液を人体に投与する投薬装置などに活用できる。ここで、上述した実施形態の超音波モーターを用いることにより、従来の圧電駆動装置よりも駆動電流が小さくなるので、投薬装置の消費電力を抑制することができる。従って、投薬装置を電池駆動する場合は、特に有効である。

送液ポンプ２２００に利用した超音波モーターは、圧電アクチュエーター１００に備える複数の圧電素子１１０の状態を検出することができるので、超音波モーターの状態を容易に検出することができる。

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。

１００…圧電アクチュエーター、１０１…圧電振動体ユニット、１０２…圧電振動体、１０３…突起部、１１０，１１０ａ〜１１０ｅ…圧電素子、１３０…第１電極、１４０…圧電体、１５０…第２電極、２００…基板、２０１…絶縁層、２０５…隙間、２１０…振動部、２１４…側面、２１６…凹部、２２０…支持部、２２１…固定部、２２２…接続部（第１接続部）、２２３…接続部（第２接続部）、２４０…絶縁層、２５０…配線層、２６０…被覆部（保護層）、２７０…接着層、３００…超音波モーター、３１０…回転体、３１１…円形面、３３０…制御回路、３４０…制御部、３６０…信号発生部、３８０，３８０Ａ…状態検出部、３８２，３８２Ａ…電流検出部、３８３…オペアンプ、３８３Ａ…差動アンプ、３８４…検出処理部、３８６…記憶部、５０１，５０２…減速機、７００…指、７０１，７０２…指支持部、７０３…バンド、１０００…指アシスト装置、１００１，１００２…指アシスト部、１００３…ベース部材、２０００…ハンド、２００３…把持部、２０１０…アーム、２０１２…リンク部、２０１３…ローター、２０２０…関節部、２０２２…手首回動部、２０５０…ロボット、２２００…送液ポンプ、２２０２…カム、２２０２Ａ…突起部、２２１１…リザーバー、２２１２…チューブ、２２１３〜２２１９…フィンガー、２２２２…ローター、２２２３…減速伝達機構、２２３０…ケース、ＣＸ…中心線、ＲＸ…中心軸、Ｏ…中心軸、Ｒｄ…電流検出抵抗

Claims (14)

1. 並列に接続されている複数の圧電素子に、状態検査信号を入力する信号発生部と、
   前記状態検査信号に応じて前記複数の圧電素子から発生する状態検出信号に基づいて、前記複数の圧電素子の状態を検出する状態検出部と、
   を備える、圧電駆動装置の制御回路。
2. 前記状態検出信号は、前記状態検査信号に応じて前記複数の圧電素子に流れる電流であり、
   前記状態検出部は、
   前記複数の圧電素子に流れる電流を検出する電流検出部を有し、
   ステップ状の前記状態検出信号が入力されてから前記電流検出部が検出する電流を積分した積分電流の一定時間の経過時における積分電流値を状態検出値として取得し、前記状態検出値に基づいて前記複数の圧電素子の状態を検出する、請求項１に記載の制御回路。
3. 前記状態検出部は、前記状態検出値を、前記複数の圧電素子のステップ応答特性を示す時定数に基づく前記積分電流の立ち上がりの状態を示す判定値と比較することにより、前記複数の圧電素子の状態を検出する、請求項２に記載の制御回路。
4. 前記状態検出部は、前記状態検出値と前記判定値との関係を記憶する記憶部を有する、請求項３に記載の制御回路。
5. 前記状態検出信号は、前記状態検査信号に応じて前記複数の圧電素子に流れる電流であり、
   前記状態検出部は、
   前記複数の圧電素子に流れる電流を検出する電流検出部を有し、
   前記複数の圧電素子に正弦波状の前記状態検出信号が入力された際に、前記電流検出部が検出する電流の実効電流値を状態検出値として取得し、前記状態検出値に基づいて前記複数の圧電素子の状態を検出する、請求項１に記載の制御回路。
6. 前記状態検出部は、前記状態検出値に基づいて、前記複数の圧電素子の状態が正常状態、短絡異常状態、および断線異常状態のいずれの状態であるかを検出する、請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の制御回路。
7. 前記状態検出部は、前記状態検出値に基づいて、前記複数の圧電素子のうち断線異常状態の圧電素子の数を検出する、請求項６に記載の制御回路。
8. 並列に接続されている複数の圧電素子と、
   請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の制御回路と、
   を備える、圧電駆動装置。
9. 前記圧電駆動装置は、前記複数の圧電素子を含む圧電アクチュエーターを有しており、
   前記複数の圧電素子は、前記圧電素子が形成される平面に交わる方向に積層配置されている、請求項８に記載の圧電駆動装置。
10. 複数の前記圧電アクチュエーターを有する請求項９に記載の圧電駆動装置。
11. 被駆動体と、
    請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
    を備える、超音波モーター。
12. 請求項１１に記載の超音波モーターを備えるロボット。
13. 請求項１１に記載の超音波モーターを備えるハンド。
14. 請求項１１に記載の超音波モーターを備えるポンプ。

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