JP2008236986A - 振動アクチュエータ及びその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】駆動回路16のX軸周波数設定部161にはY軸方向の共振周波数fyとZ軸方向の共振周波数fzの中間値f1が、Y軸周波数設定部162にはX軸方向の共振周波数fxとZ軸方向の共振周波数fzの中間値f2が、Z軸周波数設定部163にはX軸方向の共振周波数fxとY軸方向の共振周波数fyの中間値f3が駆動周波数として設定される。回転子をX軸回りに回転させる際にはX軸駆動部164から第1及び第2の圧電素子部31及び32に駆動周波数f1の交流電圧を印加し、Y軸回りに回転させる際にはY軸駆動部165から第2及び第3の圧電素子部32及び33に駆動周波数f2の交流電圧を印加し、Z軸回りに回転させる際にはZ軸駆動部166から第1及び第3の圧電素子部31及び33に駆動周波数f3の交流電圧を印加する。
【選択図】図5
Description
例えば、特許文献1には、振動体で固定子にX、Y、Zの3方向の振動を励起させることによって固定子に接触する回転子を3方向に移動させる振動アクチュエータが開示されている。振動体は、Z方向の縦振動を励起する第1の圧電素子と、X−Z平面におけるたわみ振動を励起する第2の圧電素子と、Y−Z平面におけるたわみ振動を励起する第3の圧電素子とを有しており、これら第1〜第3の圧電素子に振動体の共振周波数に近い単一の周波数の交流電圧を印加してそれぞれの振動を励起している。
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、回転軸にずれを生じることなく回転子を正確に移動制御することができる振動アクチュエータ及びその駆動方法を提供することを目的とする。
さらに、駆動回路は、回転軸の回りの回転に必要な方向のそれぞれの共振周波数の中間値をその回転軸に対する駆動周波数とすることもできる。
振動子は、回転子に接触する固定子と、固定子に連結される複数の圧電素子板とを有する構成にしてもよい。回転子を、3つの回転軸の回りに回転させるように構成してもよい。この場合、振動子は、回転子に接触する固定子と、固定子に連結され且つ互いに異なる3方向の振動を生じる3対の圧電素子板とから構成することができる。
好ましくは、駆動回路は、各回転軸に対して回転子を回転させるのに必要な方向のそれぞれの振動が組み合わされて楕円振動または円振動を発生するようにそれら必要な方向の振動の振幅及び位相を制御する。
回転子に接触する、ただ一つの固定子を有することが好ましい。
また、各回転軸に対して回転子を回転させるのに必要な方向のそれぞれの共振周波数を測定する測定手段を備え、駆動回路が、測定手段で測定された共振周波数に基づいて駆動周波数を更新するように構成してもよい。
この振動アクチュエータをロボットハンドに用いることもできる。
また、各回転軸に対して回転子を回転させるのに必要な方向のそれぞれの共振周波数を測定し、測定された共振周波数に基づいて駆動周波数を更新することもできる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
まず、振動アクチュエータを動作させる前に、振動子4のX軸方向、Y軸方向、Z軸方向における共振周波数をそれぞれ測定する。
例えば、第3の圧電素子部33のX軸方向に2分割された一対の圧電素子板33b及び33dに一定電圧の交流を印加し、印加電圧の周波数を所定の測定範囲内で掃引し、このときの電流値を監視して電流値が最大になった周波数がX軸方向における振動子4の共振周波数fxとなる。
同様に、第1の圧電素子部31のY軸方向に2分割された一対の圧電素子板31b及び31dに一定電圧の交流を印加し、印加電圧の周波数を所定の測定範囲内で掃引し、このときの電流値を監視して電流値が最大になった周波数がY軸方向における振動子4の共振周波数fyとなる。
さらに、第2の圧電素子部32の一対の圧電素子板32b及び32dに一定電圧の交流を印加し、印加電圧の周波数を所定の測定範囲内で掃引し、このときの電流値を監視して電流値が最大になった周波数がZ軸方向における振動子4の共振周波数fzとなる。
同様に、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それぞれ印加すると、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し、摩擦力を介して回転子6がほぼX軸回りに回転する。
さらに、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それぞれ印加すると、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し、摩擦力を介して回転子6がほぼZ軸回りに回転する。
そして、回転子6をX軸回りに回転させる際には、駆動回路16のX軸駆動部164から第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度シフトさせた駆動周波数f1の交流電圧をそれぞれ印加する。これにより、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し、軸ずれを生じることなく回転子6がX軸の回りに回転する。
また、回転子6をY軸回りに回転させる際には、駆動回路16のY軸駆動部165から第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度シフトさせた駆動周波数f2の交流電圧をそれぞれ印加する。これにより、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し、軸ずれを生じることなく回転子6がY軸の回りに回転する。
さらに、回転子6をZ軸回りに回転させる際には、駆動回路16のZ軸駆動部166から第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度シフトさせた駆動周波数f3の交流電圧をそれぞれ印加する。これにより、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し、軸ずれを生じることなく回転子6がZ軸の回りに回転する。
図7に実施の形態2に係る振動アクチュエータの電気系統を示す。この実施の形態2は、上述した実施の形態1の振動アクチュエータにおいて、振動体3の第1〜第3の圧電素子部31〜33に共振周波数測定回路17を接続し、この共振周波数測定回路17に駆動回路16のX軸周波数設定部161、Y軸周波数設定部162、Z軸周波数設定部163をそれぞれ接続したものである。
そこで、共振周波数測定回路17によりX軸方向、Y軸方向、Z軸方向における振動子4の共振周波数fx、fy、fzをそれぞれ測定して駆動回路16のX軸周波数設定部161、Y軸周波数設定部162、Z軸周波数設定部163に設定されている値を更新すれば、振動子4の共振周波数が変化しても、その変化をほぼリアルタイムで把握し、正確な共振周波数fx、fy、fzを用いて第1〜第3の圧電素子部31〜33を駆動することができる。したがって、より正確に回転子を移動制御することが可能となる。
また、実施の形態1及び2では、略球体状の回転子6の頂点付近から予圧を付与していたが、この発明は予圧力のかけ方には何ら限定されるものではない。
この発明の振動アクチュエータは、例えばロボットハンドに用いることができる。
Claims (14)
- 回転子を振動子に対し加圧した状態で前記振動子に振動を発生させることにより前記回転子を少なくとも1つの回転軸の回りに回転させる振動アクチュエータにおいて、
各回転軸に対し、前記回転子を回転させるのに必要な少なくとも2方向のそれぞれの共振周波数に基づいて設定された周波数を前記回転軸に対する駆動周波数として、前記振動子を駆動する駆動回路を備えたことを特徴とする振動アクチュエータ。 - 前記駆動回路は、全方向の共振周波数の最小値から最大値までの間であって互いに異なる周波数を各回転軸の駆動周波数とする請求項1に記載の振動アクチュエータ。
- 前記駆動回路は、前記回転軸の回りの回転に必要な方向のそれぞれの共振周波数の間の値を前記回転軸に対する前記駆動周波数とする請求項1または2に記載の振動アクチュエータ。
- 前記駆動回路は、前記回転軸の回りの回転に必要な方向のそれぞれの共振周波数の中間値を前記回転軸に対する前記駆動周波数とする請求項1に記載の振動アクチュエータ。
- 前記振動子は、前記回転子に接触する固定子と、前記固定子に連結される複数の圧電素子板とを有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
- 前記回転子は、3つの回転軸の回りに回転する請求項1〜5のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
- 前記振動子は、前記回転子に接触する固定子と、前記固定子に連結され且つ互いに異なる3方向の振動を生じる3対の圧電素子板とを有する請求項6に記載の振動アクチュエータ。
- 前記回転子に接触する前記固定子は1つである請求項5または7に記載の振動アクチュエータ。
- 前記駆動回路は、各回転軸に対して前記回転子を回転させるのに必要な方向のそれぞれの振動が組み合わされて楕円振動または円振動を発生するように前記必要な方向の振動の振幅及び位相を制御する請求項1〜8のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
- 各回転軸に対して前記回転子を回転させるのに必要な方向のそれぞれの共振周波数を測定する測定手段を備え、
前記駆動回路は、前記測定手段で測定された共振周波数に基づいて前記駆動周波数を更新する請求項1〜9のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。 - ロボットハンドに用いられる請求項1〜10のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
- 回転子を振動子に対し加圧した状態で前記振動子に振動を発生させることにより前記回転子を少なくとも1つの回転軸の回りに回転させる振動アクチュエータの駆動方法において、
各回転軸に対し、前記回転子を回転させるのに必要な少なくとも2方向のそれぞれの共振周波数に基づいて設定された周波数を前記回転軸に対する駆動周波数として、前記振動子を駆動することを特徴とする振動アクチュエータの駆動方法。 - 前記回転軸の回りの回転に必要な方向のそれぞれの共振周波数の中間値を前記回転軸に対する前記駆動周波数とする請求項12に記載の振動アクチュエータの駆動方法。
- 各回転軸に対して前記回転子を回転させるのに必要な方向のそれぞれの共振周波数を測定し、
測定された共振周波数に基づいて前記駆動周波数を更新する請求項12または13に記載の振動アクチュエータの駆動方法。
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