JP2017017969A - Piezoelectric driving device, robot, and driving method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電駆動装置、ロボット及びその駆動方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric driving device, a robot, and a driving method thereof.
圧電素子によって振動体を振動させて被駆動体(被駆動部材)を駆動する圧電アクチュエーター(圧電駆動装置)は、各種の装置の種々の動作制御に利用されている。例えば、特許文献1では、振動波モーター(圧電アクチュエーター)の減速時に設定された速度カーブに基づき、駆動周波数を増減して制御しつつ、設定された減速開始位置と目標位置までの減速区間を複数の領域に分割し、目標位置に向かって領域ごとにパルス幅を初期の幅から段階的に減少させ最小パルス幅に到達させ、その状態を保持し、目標位置に停止させる、ことが開示されている。
Piezoelectric actuators (piezoelectric driving devices) that drive a driven body (driven member) by vibrating a vibrating body with piezoelectric elements are used for various operation controls of various devices. For example, in
従来、被駆動体の移動位置が予め定めた位置(回転位置(角度)、直線位置(変位)等)の軌跡を辿るように圧電アクチュエーターを動作させる際には、周期毎に軌跡内の目標位置を順次指定して、圧電アクチュエーターを動作させ、目標位置に到達した時点で圧電アクチュエーターの動作を停止させる制御を繰り返す制御(位置制御)が行われていた。なお、この際の圧電アクチュエーターの動作速度は既定速度(通常、最大動作速度)とされる。 Conventionally, when the piezoelectric actuator is operated so that the position of movement of the driven body follows a locus of a predetermined position (rotation position (angle), linear position (displacement), etc.), the target position in the locus for each period Are sequentially specified, the piezoelectric actuator is operated, and when the target position is reached, the control for stopping the operation of the piezoelectric actuator is repeated (position control). In this case, the operation speed of the piezoelectric actuator is a predetermined speed (usually the maximum operation speed).
しかし、上記位置制御の場合、例えば、各目標位置への移動が完了した時点で、圧電アクチュエーターの動作が停止することになるため、各周期において動作と停止が繰り返すことになり、滑らかな動作制御が行われないという問題があった。また、急激な停止動作に起因して停止音が発生するという問題もあった。なお、上記特許文献1,2のいずれにも、上記問題に関する何らの記載も示唆もない。
However, in the case of the above position control, for example, when the movement to each target position is completed, the operation of the piezoelectric actuator is stopped. Therefore, the operation and the stop are repeated in each cycle, and smooth operation control is performed. There was a problem that was not done. There is also a problem that a stop sound is generated due to a sudden stop operation. None of the above-mentioned
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
(1)本発明の一形態によれば、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、被駆動部材を駆動する圧電駆動部と、前記圧電駆動部を駆動する駆動回路と、を備える。前記駆動回路は、前記圧電駆動部を速度制御により動作させる。
この形態によれば、位置制御ではなく速度制御により圧電駆動部を動作させるので、位置制御を行なう場合と比較して、圧電駆動部の動作と停止が繰り返されることが抑制され、被駆動部材の位置を滑らかに移動させることができる。
(1) According to one aspect of the present invention, a piezoelectric driving device is provided. The piezoelectric drive device includes a piezoelectric drive unit that drives a driven member, and a drive circuit that drives the piezoelectric drive unit. The drive circuit operates the piezoelectric drive unit by speed control.
According to this aspect, since the piezoelectric drive unit is operated not by position control but by speed control, it is possible to suppress the operation and stop of the piezoelectric drive unit from being repeated as compared with the case of performing position control. The position can be moved smoothly.
(2)上記形態の圧電駆動装置において、前記駆動回路は、一定の周期ごとに指示される前記被駆動部材の目標位置に基づいた移動軌跡に従って、前記被駆動部材の位置を第1の位置から第2の位置まで移動させる際に、第1の周期タイミングで前記第1の周期タイミングから一周期後の第2の周期タイミングにおける目標位置が指示された場合に、前記目標位置及び前記第1の周期タイミングにおける前記被駆動部材の現在位置に基づいて、前記目標位置への移動速度を決定し、前記第1の周期タイミングから前記第2の周期タイミングまでの間、決定した前記移動速度で前記圧電駆動部を動作させる速度制御を実行する、としてもよい。
この形態によれば、第1の周期タイミングで目標位置が指示された場合に、第1の周期タイミングから第2の周期タイミングまでの間、決定した移動速度で圧電駆動部を動作させるので、各目標位置への移動が完了した時点で圧電駆動部の動作が停止して各周期において圧電駆動部の動作と停止が繰り返されることが抑制され、被駆動部材の位置を滑らかに移動させることができる。また、目標位置と現在位置に基づいて移動速度を決定するので、現在位置の軌跡が目標位置の軌跡に近づくように圧電駆動部を動作させることができる。
(2) In the piezoelectric drive device according to the above aspect, the drive circuit moves the position of the driven member from the first position according to a movement trajectory based on a target position of the driven member that is instructed at regular intervals. When moving to the second position, when the target position at the second cycle timing one cycle after the first cycle timing is instructed at the first cycle timing, the target position and the first position A moving speed to the target position is determined based on a current position of the driven member at a cycle timing, and the piezoelectric is moved at the determined moving speed from the first cycle timing to the second cycle timing. Speed control for operating the drive unit may be executed.
According to this aspect, when the target position is instructed at the first cycle timing, the piezoelectric drive unit is operated at the determined moving speed from the first cycle timing to the second cycle timing. When the movement to the target position is completed, the operation of the piezoelectric drive unit is stopped and the operation and stop of the piezoelectric drive unit are suppressed in each cycle, and the position of the driven member can be moved smoothly. . Further, since the moving speed is determined based on the target position and the current position, the piezoelectric drive unit can be operated so that the locus of the current position approaches the locus of the target position.
(3)上記形態の圧電駆動装置において、前記駆動部は、前記第1の周期タイミングよりも一周期前の前周期タイミングにおいて指示された前周期目標位置と前記目標位置とに基づいて求められる予定移動速度を、前記前周期目標位置と前記現在位置とに基づいて補正することによって、前記目標位置への前記移動速度を決定する、としてもよい。
この形態によれば、移動速度を補正することによって、現在位置の軌跡が目標位置の軌跡に近づくように圧電駆動部を動作させることができる。
(3) In the piezoelectric drive device of the above aspect, the drive unit is to be obtained based on the previous cycle target position and the target position that are instructed at the previous cycle timing one cycle before the first cycle timing. The movement speed to the target position may be determined by correcting the movement speed based on the previous cycle target position and the current position.
According to this aspect, by correcting the moving speed, the piezoelectric drive unit can be operated so that the locus of the current position approaches the locus of the target position.
(4)上記形態の圧電駆動装置において、前記駆動回路は、前記目標位置が前記第2の位置の場合には、前記被駆動部材の位置が前記第2の位置となった時点で前記圧電駆動部を停止させる位置制御を実行する、としてもよい。
この形態によれば、第2の位置で精度良く圧電駆動部の動作を停止することができる。
(4) In the piezoelectric driving device according to the aspect described above, when the target position is the second position, the driving circuit performs the piezoelectric driving when the position of the driven member becomes the second position. Position control for stopping the unit may be executed.
According to this aspect, the operation of the piezoelectric driving unit can be stopped with high accuracy at the second position.
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、圧電駆動装置の他、圧電駆動装置の駆動方法、圧電駆動装置を搭載するロボット、圧電駆動装置を搭載するロボットの駆動方法、電子部品搬送装置、送液ポンプ、投薬ポンプ等、様々な形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms. For example, in addition to the piezoelectric driving device, the driving method of the piezoelectric driving device, the robot equipped with the piezoelectric driving device, the driving method of the robot equipped with the piezoelectric driving device, It can be realized in various forms such as an electronic component conveying device, a liquid feeding pump, and a medication pump.
A.第1実施形態:
A1.圧電駆動装置の構成:
図1は、第1実施形態としての圧電駆動装置1000の概略構成を示すブロック図である。圧電駆動装置1000は、被駆動部材(「被駆動体」とも呼ぶ)50を駆動する圧電駆動部10と、圧電駆動部10を駆動する駆動回路30と、被駆動部材50の位置を検出するエンコーダー(位置検出部)40と、を備えている。なお、本例では、被駆動部材50をローターとする。この場合、被駆動部材50の位置は回転の位置、すなわち、角度であり、エンコーダー40は回転の角度を検出するもの、例えば、ロータリーエンコーダー等の回転の角度を検出するエンコーダーを利用することができる。但し、被駆動部材50としては、ローターに限定されるものではなく、リニア動作する被駆動部材であってもよい。この場合、エンコーダー40としては、直線変位の位置を検出するエンコーダーが利用される。
A. First embodiment:
A1. Piezoelectric drive configuration:
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a
図2(A)は圧電駆動部10の概略平面図であり、図2(B)はそのB−B断面図である。圧電駆動部10は、振動板200と、振動板200の両面(第1面211と第2面212)にそれぞれ配置された2つの圧電振動体100とを備える。圧電振動体100は、基板120と、基板120の上に形成された第1電極130と、第1電極130の上に形成された圧電体140と、圧電体140の上に形成された第2電極150と、を備えている。第1電極130と第2電極150は、圧電体140を挟持している。2つの圧電振動体100は、振動板200を中心として対称に配置されている。2つの圧電振動体100は同じ構成を有しているので、以下では特に断らない限り、振動板200の上側にある圧電振動体100の構成を説明する。
2A is a schematic plan view of the
圧電振動体100の基板120は、第1電極130と圧電体140と第2電極150を成膜プロセスで形成するための基板として使用される。また、基板120は機械的な振動を行う振動板としての機能も有する。基板120は、例えば、Si,Al2O3,ZrO2などで形成することができる。Si製の基板120として、例えば半導体製造用のSiウェハーを利用することが可能である。この実施形態において、基板120の平面形状は長方形である。基板120の厚みは、例えば10μm以上100μm以下の範囲とすることが好ましい。基板120の厚みを10μm以上とすれば、基板120上の成膜処理の際に基板120を比較的容易に取扱うことができる。また、基板120の厚みを100μm以下とすれば、薄膜で形成された圧電体140の伸縮に応じて、基板120を容易に振動させることができる。
The
第1電極130は、基板120上に形成された1つの連続的な導電体層として形成されている。一方、第2電極150は、図2(A)に示すように、5つの導電体層150a〜150e(「第2電極150a〜150e」とも呼ぶ)に区分されている。中央にある第2電極150eは、基板120の幅方向の中央において、基板120の長手方向のほぼ全体に亘る長方形形状に形成されている。他の4つの第2電極150a,150b,150c,150dは、同一の平面形状を有しており、基板120の四隅の位置に形成されている。図2の例では、第1電極130と第2電極150は、いずれも長方形の平面形状を有している。第1電極130や第2電極150は、例えばスパッタリングによって形成される薄膜である。第1電極130や第2電極150の材料としては、例えばAl(アルミニウム)や、Ni(ニッケル)、Au(金)、Pt(白金)、Ir(イリジウム)などの導電性の高い任意の材料を利用可能である。なお、第1電極130を1つの連続的な導電体層とする代わりに、第2電極150a〜150eと実質的に同じ平面形状を有する5つの導電体層に区分してもよい。なお、第2電極150a〜150eの間の電気的接続のための配線(又は配線層及び絶縁層)と、第1電極130及び第2電極150a〜150eと駆動回路との間の電気的接続のための配線(又は配線層及び絶縁層)とは、図2では図示が省略されている。
The
圧電体140は、第2電極150a〜150eと実質的に同じ平面形状を有する5つの圧電体層として形成されている。この代わりに、圧電体140を、第1電極130と実質的に同じ平面形状を有する1つの連続的な圧電体層として形成してもよい。第1電極130と圧電体140と第2電極150a〜150eとの積層構造によって、5つの圧電素子110a〜110e(図2(A))が構成される。
The
5つの圧電素子110a〜110eのうちの4つの圧電素子110a〜110dは、第1の対角にある一対の圧電素子110a,110dと、第2の対角にある一対の圧電素子110b,110cとに区分され、これらは、圧電振動体100の長手方向に沿った中央線CXに対して、左右対称の位置関係にある。残りの圧電素子110eは、一対の圧電素子110a,110dと他の一対の圧電素子110b,110cに挟まれたて、中央線CXに沿って圧電振動体100の幅方向の中央位置にある。なお、以下では、一対の圧電素子110a,110dを「第1の圧電素子110a,110d」とも呼び、他の一対の圧電素子110b,110cを「第2の圧電素子110b,110c」とも呼ぶ。また、中央の圧電素子110eを「第3の圧電素子110e」とも呼ぶ。
Of the five
圧電体140は、例えばゾル−ゲル法やスパッタリング法によって形成される薄膜である。圧電体140の材料としては、ABO3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。ABO3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の厚みは、例えば50nm(0.05μm)以上20μm以下の範囲とすることが好ましい。この範囲の厚みを有する圧電体140の薄膜は、成膜プロセスを利用して容易に形成することができる。圧電体140の厚みを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の厚みを20μm以下とすれば、圧電振動体100(圧電駆動部10)を十分に小型化することができる。
The
図3は、振動板200の平面図である。振動板200は、長方形形状の振動体部210と、振動体部210の左右の長辺からそれぞれ3本ずつ延びる接続部220とを有しており、また、左右の3本の接続部220にそれぞれ接続された2つの取付部230を有している。なお、図2では、図示の便宜上、振動体部210にハッチングを付している。取付部230は、ネジ240によって他の部材に圧電駆動部10を取り付けるために用いられる。振動板200は、例えば、シリコン、シリコン化合物、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、鉄−ニッケル合金などの金属、金属酸化物、またはダイヤモンド等の材料で形成することが可能である。
FIG. 3 is a plan view of the
振動体部210の上面(第1面)及び下面(第2面)には、圧電振動体100(図2)がそれぞれ接着剤を用いて接着される。振動体部210の長さLと幅Wの比は、L:W=約7:2とすることが好ましい。この比は、振動体部210がその平面に沿って左右に屈曲する超音波振動(後述)を行うために好ましい値である。振動体部210の長さLは、例えば0.1mm以上30mm以下の範囲とすることができ、幅Wは、例えば0.05mm以上8mm以下の範囲とすることができる。なお、振動体部210が超音波振動を行うために、長さLは50mm以下とすることが好ましい。振動体部210の厚み(振動板200の厚み)は、例えば20μm以上700μm以下の範囲とすることができる。振動体部210の厚みを20μm以上とすれば、圧電振動体100を支持するために十分な剛性を有するものとなる。また、振動体部210の厚みを700μm以下とすれば、圧電振動体100の変形に応じて十分に大きな変形を発生することができる。
The piezoelectric vibrating body 100 (FIG. 2) is bonded to the upper surface (first surface) and the lower surface (second surface) of the vibrating
振動板200の一方の短辺には、接触部材20(「突起部」又は「作用部」とも呼ぶ)が設けられている。接触部材20は、被駆動体と接触して、被駆動体に力を与えるための部材である。接触部材20は、セラミックス(例えばSi,SiC,Al2O3,Zr02)などの耐久性がある材料で形成することが好ましい。
A contact member 20 (also referred to as a “projection portion” or an “action portion”) is provided on one short side of the
図4は、圧電駆動部10と駆動回路30の電気的接続状態を示す説明図である。駆動回路30は、駆動制御部32と、速度制御部34と、位置制御部36と、駆動電圧生成部38と、を含んでいる。速度制御部34と位置制御部36と駆動電圧生成部38とは、駆動制御部32から供給されるそれぞれ向けの制御信号Cdv,Cv,Cpに従って制御動作を実行する。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an electrical connection state between the
駆動制御部32は、被駆動部材(ローター)50の位置(回転位置)の移動軌跡として、開始位置(第1の位置)から最終位置(第2の位置)までの目標位置の移動軌跡を構成する複数の目標位置を、予めあるいは順次、圧電駆動装置1000を利用する装置(例えばロボット)の制御部(不図示)から受け取って保持することができる。駆動制御部32は、被駆動部材50の位置を目標位置の移動軌跡に従って移動させる際に、後述するように、速度制御部34の速度制御及び位置制御部36の位置制御に基づいて、駆動電圧生成部38によって駆動される圧電駆動部10の動作を制御し、被駆動部材50の位置の移動が目標位置の移動軌跡に従うように動作させる。
The
速度制御部34は、所定の周期Tsのタイミング信号Stsの各周期タイミングに同期して駆動制御部32から供給(指示)される被駆動部材50の目標位置Ptと、エンコーダー40から供給される被駆動部材50の位置(「現在位置」とも呼ぶ)Prと、に基づいて、指示された目標位置Ptへの移動速度Vtを決定し、求めた移動速度Vtを駆動電圧生成部38に供給する。駆動電圧生成部38は、受け取った移動速度Vtに従って圧電駆動部10を駆動する。これにより、速度制御部34は、目標位置Ptと被駆動部材50の現在位置Prとに基づいて求められる移動速度Vtに従った速度制御を実行し、これにより圧電駆動部10を動作させて、被駆動部材50の位置の移動を制御する。なお、速度制御部34の構成及び動作についてはさらに後述する。
The
位置制御部36は、駆動制御部32から供給(指示)される被駆動部材50の目標位置Ptが移動軌跡の最終位置(第2の位置)である場合に、位置制御を実行する。位置制御部36における位置制御を概略的に説明すると、エンコーダー40で検出される被駆動部材50の現在位置Prを監視し、この現在位置Prが最終位置に到達した時点で駆動電圧生成部38に停止信号stpを供給して駆動電圧生成部38による圧電駆動部10の駆動動作を停止することにより、被駆動部材50の位置を最終位置とする制御である。なお、位置制御部36の構成及び動作についてはさらに後述する。
The
駆動電圧生成部38は、交流成分を含む駆動電圧を発生する。交流成分を含む駆動電圧としては、接地電位に対してプラス側とマイナス側に変動する交流成分のみからなる交流駆動電圧と、交流成分とDCオフセット(直流成分)とを含むオフセット付駆動電圧と、のうちの少なくとも一方を発生できるように構成されていることが好ましい。この駆動電圧の交流成分は、圧電駆動部10の機械的な共振周波数に近い周波数、理想的には共振周波数の電気信号であることが好ましい。なお、交流成分の波形は、典型的には正弦波であるが、正弦波以外の波形を有していてもよい。直流成分は、厳密に一定である必要はなく、多少変動しても良い。例えば、直流成分は、その平均値の±10%以内で変動しても良い。駆動電圧生成部38と圧電駆動部10の電極130,150とは以下のように接続されている。
The
圧電駆動部10の5つの第2電極150a〜150eのうちで、第1の対角にある一対の第1の圧電素子110a,110dの第2電極150a,150dが配線151を介して互いに電気的に接続され、他の第2の対角の一対の第2の圧電素子110b,110cの第2電極150b,150cも配線152を介して互いに電気的に接続されている。これらの配線151,152は成膜処理によって形成しても良く、或いは、ワイヤ状の配線によって実現してもよい。図4の右側にある3つの第2電極150b,150e,150dと、第1電極130(図2)は、配線310,312,314,320を介して駆動回路30に電気的に接続されている。なお、図3の例では、配線320は接地されている。また、第1の圧電素子110a,110dと第2の圧電素子110b,110cと第3の圧電素子110eとは、接地配線320と他の配線310,312,314との間に、駆動電圧生成部38と並列に接続されている。
Among the five
駆動電圧生成部38は、一対の第1の圧電素子110a,110dの第2電極150a,150dと第1電極130との間に交流成分を含む駆動電圧を印加することにより、圧電駆動部10を超音波振動させ、接触部材20に接触する被駆動部材(ローター)50を所定の回転方向に回転させることが可能である。また、一対の第2の圧電素子110b,110cの第2電極150b,150cと第1電極130との間に交流成分を含む駆動電圧を印加することにより、接触部材20に接触する被駆動部材50を逆方向に回転させることが可能である。このような電圧の印加は、振動板200の両面に設けられた2つの圧電振動体100に同時に行われる。なお、図4に示した配線151,152,310,312,314,320を構成する配線(又は配線層及び絶縁層)は、図2では図示が省略されている。
The drive
図5は、圧電駆動部10の動作の例を示す説明図である。圧電駆動部10の接触部材20は、ローターで構成された被駆動部材50の外周に接触している。図5に示す例では、駆動回路30の駆動電圧生成部38(図4)は、一対の第1の圧電素子110a,110dの第2電極150a,150dと第1電極130との間に駆動電圧を印加しており、一対の第1の圧電素子110a,110dは図5の矢印xの方向に伸縮する。これに応じて、圧電駆動部10の振動体部210が振動体部210の平面内で屈曲して蛇行形状(S字形状)に変形し、接触部材20の先端が矢印yの向きに往復運動するか、又は、楕円運動する。その結果、被駆動部材50は、その中心51の周りに所定の方向z(図5では時計回り方向)に回転する。すなわち、一対の第1の圧電素子110a,110dは、協調して振動板200を屈曲させる。図3で説明した振動板200の3つの接続部220は、このような振動体部210の振動の節(ふし)の位置に設けられている。なお、駆動回路30の駆動電圧生成部38が、他の一対の第2の圧電素子110b,110cの第2電極150b,150c(図4)と第1電極130との間に駆動電圧を印加する場合には、被駆動部材50は逆方向に回転する。この場合には、一対の第2の圧電素子110b,110cが協調して振動板200を屈曲させる。なお、中央の第3の圧電素子110eの第2電極150eに、一対の第2電極150a,150d(又は他の一対の第2電極150b,150c)と同じ電圧を印加すれば、圧電駆動部10が長手方向に伸縮するので、接触部材20から被駆動部材50に与える力をより大きくすることが可能である。なお、圧電駆動部10(又は圧電振動体100)のこのような動作については、先行技術文献1(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。
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of the operation of the
A2.速度制御部及び位置制御部の構成および動作:
図6は、速度制御部34及び位置制御部36の構成を示す説明図である。速度制御部34は、遅延部342とサンプルホールド部(以下、「S/H部」と略す)344と移動速度算出部346と、を備えている。速度制御部34は、駆動制御部32(図4)が目標位置の移動軌跡に従った被駆動部材50の位置(回転位置)の移動の制御を開始し、駆動制御部32から制御信号Cvが供給されると、各ブロックの動作を開始する。なお、目標位置の移動軌跡は、上述したように、開始位置(第1の位置)から最終位置(第2の位置)までの複数の目標位置で構成され、駆動制御部32に保持されているものとする。
A2. Configuration and operation of speed controller and position controller:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing configurations of the
遅延部342は、周期Tsのタイミング信号Stsの各周期タイミングで駆動制御部32から供給(指示)される被駆動部材50の目標位置Ptを一周期(周期Ts)の間、遅延させる遅延回路である。S/H部344は、入力される信号(データ)を各周期タイミングでサンプリング(記憶)するとともに、次の周期タイミングまでホールド(保持)するブロックである。例えば、n番目(nは0以上の整数)の周期Tsの周期タイミング(「第1の周期タイミング」とも呼ぶ)で、駆動制御部32からn番目の目標位置Pt(n)(「第1の周期タイミングから一周期後の第2の周期タイミングにおける目標位置」とも呼ぶ)が供給(指示)されたとする。この場合、S/H部344には、n番目の目標位置Pt(n)のデータとともに、第1の周期タイミングよりも一周期前の前周期タイミングで駆動制御部32から供給(指示)された(n−1)番目の目標位置(以下、「前周期目標位置」とも呼ぶ)Pt(n−1)のデータが入力され、エンコーダー40から供給される現在位置Prのデータが入力される。そして、S/H部344では、第1の周期タイミングで、第2の周期タイミングにおける目標位置Pt(n)と、前周期目標位置Pt(n−1)と、前周期目標位置Pt(nー1)に対応する現在位置Pr(n−1)と、がサンプリングされてホールドされる。
The
速度制御部34の移動速度算出部346は、周期Tsの間に被駆動部材50の現在位置Prを目標位置Pt(n)へ移動させるための移動速度Vt(n)を、下式(1)〜(3)に基づいて算出し、算出により決定した移動速度Vt(n)を駆動電圧生成部38へ供給する。
Vt(n)=Vtr(n)+Vtc(n) …(1)
Vtr(n)=[Pt(n)−Pt(n−1)]/Ts …(2)
Vtc(n)=k・[Pt(n−1)−Pr(n−1)]/Ts …(3)
ここで、Vtr(n)は、被駆動部材50を、前周期目標位置Pt(n−1)から目標位置Pt(n)へ移動させるための予定移動速度である。Vtc(n)は、前周期目標位置Pt(n−1)と現在位置Pr(n−1)との差分に応じた速度補正分である。kは補正係数、Tsは一周期の長さである。補正係数kは、被駆動部材50の位置Prの移動軌跡が、前周期目標位置Pt(n−1)とこれに対応する現在位置Pr(n−1)との差を抑制して、目標位置Ptの移動軌跡に近付くように、例えば、0.8以上1.2以下の範囲内で、実際の装置においてあらかじめ調整される。
The movement
Vt (n) = Vtr (n) + Vtc (n) (1)
Vtr (n) = [Pt (n) −Pt (n−1)] / Ts (2)
Vtc (n) = k · [Pt (n−1) −Pr (n−1)] / Ts (3)
Here, Vtr (n) is a planned movement speed for moving the driven
なお、上式により求められた目標位置Pt(n)への移動速度Vt(n)が過度に大きい場合、及び、移動速度Vt(n)と前周期目標位置Pt(n−1)への移動速度Vt(n−1)との差が過度に大きい場合、被駆動部材50の位置Prの変化が急激となり、滑らかな動作の点で好ましくない場合がある。そこで、移動速度Vt(n)を、下式(4),(5)を満足する範囲に限定することが好ましい。
|Vt(n)|<Vmax …(4)
|Vt(n)−Vt(n−1)|<ΔVmax …(5)
ここで、Vmaxは設定可能な移動速度の最大値(上限許容速度)であり、ΔVmaxは設定可能な移動速度の差の最大値(上限許容速度差)である。Vmax及びΔVmaxは滑らかな動作として許容できる値に調整される。
In addition, when the moving speed Vt (n) to the target position Pt (n) obtained by the above formula is excessively large, and the moving speed Vt (n) and the movement to the previous cycle target position Pt (n−1). If the difference from the speed Vt (n−1) is excessively large, the change in the position Pr of the driven
| Vt (n) | <Vmax (4)
| Vt (n) −Vt (n−1) | <ΔVmax (5)
Here, Vmax is the maximum settable moving speed (upper limit allowable speed), and ΔVmax is the maximum settable moving speed difference (upper limit allowable speed difference). Vmax and ΔVmax are adjusted to values acceptable as a smooth operation.
移動速度Vt(n)が上記(4)式を満たさない場合には、移動速度Vt(n)は|Vt(n)|=Vmaxとなるように設定される。また、移動速度Vt(n)が上記(5)式を満たさない場合には、移動速度Vt(n)は|Vt(n)−Vt(n−1)|=ΔVmaxとなるように設定される。これにより、急激な変動を抑制して滑らかな動作制御を行なうことができる。但し、これらの制限は実行しなくても良い。 When the moving speed Vt (n) does not satisfy the above expression (4), the moving speed Vt (n) is set to satisfy | Vt (n) | = Vmax. When the moving speed Vt (n) does not satisfy the above equation (5), the moving speed Vt (n) is set so that | Vt (n) −Vt (n−1) | = ΔVmax. . As a result, it is possible to perform smooth operation control while suppressing rapid fluctuations. However, these restrictions do not have to be executed.
速度制御部34から移動速度Vt(n)を受け取った駆動電圧生成部38(図4)は、予め用意されている移動速度と駆動電圧との関係を示す関係式やテーブルデータ(不図示)等に基づいて、移動速度Vt(n)に対応する駆動電圧を生成し、圧電駆動部10の圧電素子110の第2電極150と第1電極130との間に印加する。これにより、上述したように、駆動回路30は、圧電駆動部10を超音波振動させて被駆動部材50を駆動し、被駆動部材50の位置Prを移動させることができる。
The drive voltage generation unit 38 (FIG. 4) that has received the movement speed Vt (n) from the
以上説明したように、速度制御部34は、駆動制御部32から供給(指示)される目標位置Ptと、エンコーダー40から供給される被駆動部材50の位置(現在位置)Prとに基づいて移動速度Vtを求めている。そして、駆動電圧生成部38は、速度制御部34で求めた移動速度Vtに応じた駆動電圧を生成して圧電駆動部10を動作させている。従って、速度制御部34は、圧電駆動部10を速度制御により動作させている。
As described above, the
一方、位置制御部36は、S/H部364と位置比較部366と、を備えている。位置制御部36は、駆動制御部32から最終位置(第2の位置)が目標位置Ptとして供給(指示)される場合に、制御信号Cpが供給されると、各ブロックの動作を開始する。
On the other hand, the
S/H部364は、速度制御部34のS/H部344と同様のブロックであり、駆動制御部32から目標位置Ptとして供給(指示)された最終位置Peをサンプリングしホールドする。例えば、駆動制御部32から目標位置Pt(n)として最終位置Peが供給された場合、S/H部364には、目標位置Pt(n)として最終位置Peがサンプリングされてホールドされる。なお、位置制御部36の動作に平行して、速度制御部34も上述したように動作して最終位置Peへの移動速度Vt(n)が求められて、求められた移動速度Vt(n)で圧電駆動部10を動作させている。
The S /
位置比較部366は、移動速度Vtで圧電駆動部10が動作するのに応じて移動する被駆動部材50の現在位置Prを、エンコーダー40(図4)から受け取る。この時の現在位置Prの検出周期は、速度制御の周期Tsよりも十分に短い(例えば1/60〜1/20)ことが好ましい。位置比較部366は、受け取った現在位置Prを最終位置Peと比較し、現在位置Prが最終位置Peに一致した場合には、停止信号stpを駆動電圧生成部38、移動速度算出部346及び駆動制御部32に出力し、圧電駆動部10の動作を直ちに停止させ、被駆動部材50の現在位置Prの移動を最終位置Peで停止させる。
The
以上説明したように、位置制御部36は、駆動制御部32から供給(指示)される目標位置Ptが最終位置Peの場合に、エンコーダー40から供給される被駆動部材50の位置(現在位置)Prを最終位置Peと比較することにより、被駆動部材50の位置Prを監視している。そして、位置制御部36は、被駆動部材50の現在位置Prが最終位置Peに到達した場合には、直ちに圧電駆動部10の動作を停止させて、被駆動部材50の現在位置Prを最終位置Peに一致させて停止させている。従って、位置制御部36は、目標位置Pt(n)が最終位置Peの場合において、被駆動部材50の現在位置Prが最終位置Peとなるように、圧電駆動部10を位置制御により動作させている。
As described above, the
図7は、速度制御部34の速度制御及び位置制御部36の位置制御による被駆動部材50の位置Prの移動動作の例を示す説明図である。図7は、目標位置の移動軌跡(「目標軌跡」とも呼ぶ)の例として、開始位置Psとしての0番目の目標位置Pt(0)が位置P0で、1番目の目標位置Pt(1)が位置P1で、2番目の目標位置Pt(2)が位置P2で、最終位置Peとしての3番目の目標位置Pt(3)が位置P3で構成された例を示している。
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of the movement operation of the position Pr of the driven
一周期目の時刻(周期タイミング)t0において1番目の目標位置Pt(1)が指示された場合、速度制御部34は、上記(1)式〜(3)式から、1番目の目標位置Pt(1)と被駆動部材50の現在位置Pr(0)とに基づいて1番目の移動速度Vt(1)を求める。このとき、上記(3)式で与えられる速度補正分Vtc(1)はゼロである。求められた移動速度Vt(1)は駆動電圧生成部38に供給される。駆動電圧生成部38においては、移動速度Vt(1)に対応する駆動電圧が生成され、圧電駆動部10に供給される。これにより、一周期目の周期タイミングt0から二周期目の周期タイミングt1までの周期Tsでは、1番目の移動速度Vt(1)に対応する駆動電圧で圧電駆動部10が駆動され、目標位置の移動軌跡(実線で示す)に従うように被駆動部材50の位置Prの移動が実行される。
When the first target position Pt (1) is instructed at the time (period timing) t0 in the first cycle, the
そして、二周期目の周期タイミングt1において2番目の目標位置Pt(2)が指示されると、一周期目と同様に、2番目の移動速度Vt(2)が求められ、求められた2番目の移動速度Vt(2)に対応する駆動電圧で圧電駆動部10が駆動される。但し、2番目の移動速度Vt(2)は、上記(1)式に示すように、上記(2)式の予定移動速度Vtr(n)に従った予定移動速度Vtr(2)(=[Pt(2)−Pt(1)]/Ts)と、上記(3)式の速度補正分Vtc(n)に従った速度補正分Vtc(2)(=k・[=[Pt(1)−Pr(1)]/Ts]と、の和で表される。
Then, when the second target position Pt (2) is instructed at the cycle timing t1 of the second cycle, the second moving speed Vt (2) is obtained in the same manner as in the first cycle. The
ここで、被駆動部材50の位置Prの実際の移動軌跡(一点鎖線で示す)は、目標軌跡(実線で示す)に対して誤差が発生する場合がある。図7の例では、被駆動部材50の位置Prの実際の移動速度が、設定した移動速度Vt(1)に比べて遅くなり、二周期目の周期タイミングt1における被駆動部材50の現在位置Pr(1)が目標位置Pt(1)まで到達しない状態となっている。このような位置の誤差が発生する場合に、各周期における移動速度Vt(n)を、仮に、上記(1)式ではなく上記(2)式で表される予定移動速度Vtr(n)のみとした場合には、各周期において位置の誤差が発生し、発生した位置の誤差が順に蓄積されて大きくなるので、その動作軌跡は目標軌跡から大きくずれてしまう。そこで、本実施形態では、移動速度Vt(n)を、上記(1)式で示したように、上記(2)式で表される予定移動速度Vtr(n)と、上記(3)式で表される速度補正分Vtc(n)と、の和で表すものとしている。これにより、発生した位置の誤差を抑制するように移動速度Vt(n)が設定されるので、被駆動部材50の位置Prの移動軌跡を、図7に一点鎖線で示すように目標軌跡に近付けることができる。
Here, the actual movement locus (indicated by the alternate long and short dash line) of the position Pr of the driven
そして、三周期目の周期タイミングt2において3番目の目標位置Pt(3)が指示されると、二周期目と同様に、3番目の移動速度Vt(3)が求められ、求められた3番目の移動速度Vt(3)に対応する駆動電圧で圧電駆動部10が駆動される。但し、3番目の目標位置Pt(3)は最終位置Peであるので、位置制御部36では、被駆動部材50の現在位置Prが最終位置Peに到達するか否か監視され、被駆動部材50の現在位置Prが最終位置Peに到達するまで、3番目の移動速度Vt(3)に対応する駆動電圧での圧電駆動部10の駆動が継続される。そして、被駆動部材50の現在位置Prが最終位置Peに到達した時点で、位置制御部36から駆動電圧生成部38に動作の停止が指示されて圧電駆動部10の駆動が停止され、被駆動部材50の現在位置Prが最終位置Peで停止される。
Then, when the third target position Pt (3) is instructed at the cycle timing t2 of the third cycle, the third moving speed Vt (3) is obtained as in the second cycle, and the obtained third The
以上説明したように、第1実施形態では、速度制御によって圧電駆動部10を動作させるので、従来の位置制御を行なう場合と比較して、圧電駆動部の動作と停止が繰り返されることが抑制され、被駆動部材50の位置を滑らかに移動させることができる。また、第1実施形態では、第1の周期タイミングで移動速度が設定された後、一周期後の第2の周期タイミングで次の移動速度が設定されるまでの間、被駆動部材50の位置に関係なく、設定された移動速度での圧電駆動部10の動作が維持される。これにより、従来の位置制御のように、各周期において圧電駆動部の動作と停止が繰り返されて、滑らかな動作制御が行われないという問題を解決することができ、繰り返し発生する急激な停止動作に基因する停止音の発生の問題を解決することができる。
As described above, in the first embodiment, since the
また、目標位置が最終位置の場合には、位置制御を実行するので、被駆動部材50の位置を最終位置で精度良く停止させることができる。さらにまた、位置制御が実行されるのは、目標位置が最終位置の場合のみであるので、被駆動部材50の現在位置を監視する制御ループの回数が少なくなり、駆動回路の消費電力を抑制することができ、省電力化を図ることができる。
Further, since the position control is executed when the target position is the final position, the position of the driven
B.第2実施形態:
図8は、第2実施形態における速度制御部34A及び位置制御部36の構成を示す説明図である。速度制御部34Aは、第1実施形態の速度制御部34(図6)の遅延部342を省略し、S/H部344及び移動速度算出部346と同様のS/H部344A及び移動速度算出部346Aを備えている。位置制御部36の構成は、第1実施形態の位置制御部36(図6)と同じである。なお、他の構成については、第1実施形態と同様であるので、図示及び説明を省略する。
B. Second embodiment:
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the configuration of the
速度制御部34AのS/H部344Aは、入力される目標位置Pt及び被駆動部材50の現在位置Prのデータを、周期Tsの間隔でタイミング信号Stsに発生する周期タイミングでサンプリング(記憶)しホールドする。例えば、n番目の周期Tsの周期タイミング(第1の周期タイミング)において、駆動制御部32からn番目の目標位置(第1の周期タイミングから一周期後の第2の周期タイミングにおける目標位置)Pt(n)が供給(指示)された場合、S/H部344Aには、n番目の目標位置Pt(n)のデータと、エンコーダー40から供給される現在位置Prのデータと、が入力される。そして、S/H部344Aでは、第1の周期タイミングで、第2の周期タイミングにおける目標位置Pt(n)と、第1の周期タイミングよりも一周期前の前周期タイミングにおける前周期目標位置Pt(nー1)に対応する現在位置Pr(n−1)と、がサンプリングされてホールドされる。
The S /
速度制御部34の移動速度算出部346Aは、周期Tsの間に被駆動部材50の現在位置Prを目標位置Pt(n)へ移動させるための移動速度Vt(n)を、下式(6)に基づいて算出し、算出により決定した移動速度Vt(n)を駆動電圧生成部38へ供給する。
Vt(n)=r・[Pt(n)−Pr(n−1)]/Ts …(6)
ここで、rは補正係数である。補正係数rは、上記(3)式の補正係数kと同様に、前周期目標位置Pt(n−1)に対する現在位置Pr(n−1)の誤差を抑制して、被駆動部材50の位置Prの移動軌跡が、目標位置Ptの移動軌跡に近付くように、例えば、0.8以上1.2以下の範囲内で、実際の装置においてあらかじめ調整される。
The moving
Vt (n) = r · [Pt (n) −Pr (n−1)] / Ts (6)
Here, r is a correction coefficient. The correction coefficient r suppresses the error of the current position Pr (n−1) with respect to the previous cycle target position Pt (n−1), similarly to the correction coefficient k of the above equation (3), and the position of the driven
なお、上記(4),(5)式で示した移動速度Vt(n)の制限は、本実施形態においても同様に適用されることが好ましい。 In addition, it is preferable that the restriction | limiting of the moving speed Vt (n) shown by said Formula (4) and (5) is applied similarly in this embodiment.
第2実施形態においても、速度制御することによって圧電駆動部10を動作させるので、従来の位置制御を行なう場合と比較して、圧電駆動部の動作と停止が繰り返されることが抑制され、被駆動部材50の位置を滑らかに移動させることができる。また、第2実施形態においても、第1の周期タイミングで移動速度が設定された後、一周期後の第2の周期タイミングで次の移動速度が設定されるまでの間、被駆動部材50の位置に関係なく、設定された移動速度での圧電駆動部10の動作が維持される。これにより、従来の位置制御のように、各周期において圧電駆動部の動作と停止が繰り返されて、滑らかな動作制御が行われないという問題を解決することができ、繰り返し発生する急激な停止動作に基因する停止音の発生の問題を解決することができる。
Also in the second embodiment, since the
また、目標位置が最終位置の場合には、位置制御を実行するので、被駆動部材50の位置を最終位置で精度良く停止させることができる。さらにまた、位置制御が実行されるのは、目標位置が最終位置の場合のみであるので、被駆動部材50の現在位置を監視する制御ループの回数が少なくなり、駆動回路の消費電力を抑制することができ、省電力化を図ることができる。
Further, since the position control is executed when the target position is the final position, the position of the driven
なお、上記(6)式の補正係数rを1とした場合、移動速度Vt(n)は下式(7)で表される。
Vt(n)=[Pt(n)−Pr(n−1)]Ts …(7)
ここで、上記(1)〜(3)式で表された第1実施形態における移動速度Vt(n)において、補正係数kを1とした場合、上記(2)式及び(3)式中のPt(n−1)が消去されるので、上記(1)式の移動速度Vt(n)は、上記(7)式と同じとなる。
When the correction coefficient r in the above equation (6) is 1, the moving speed Vt (n) is expressed by the following equation (7).
Vt (n) = [Pt (n) −Pr (n−1)] Ts (7)
Here, in the moving speed Vt (n) in the first embodiment expressed by the above equations (1) to (3), when the correction coefficient k is 1, the above equations (2) and (3) Since Pt (n-1) is erased, the moving speed Vt (n) in the above equation (1) is the same as that in the above equation (7).
C.圧電駆動部の他の実施形態:
図9は、本発明の他の実施形態としての圧電駆動部10aの断面図であり、第1実施形態の図2(B)に対応する図である。この圧電駆動部10aでは、圧電振動体100が、図2(B)とは上下を逆にした状態で振動板200に配置されている。すなわち、ここでは、第2電極150が振動板200に近く、基板120が振動板200から最も遠くなるように配置されている。なお、図9においても、図2(B)と同様に、第2電極150a〜150eの間の電気的接続のための配線(又は配線層及び絶縁層)と、第1電極130及び第2電極150a〜150eと駆動回路との間の電気的接続のための配線(又は配線層及び絶縁層)とは、図示が省略されている。この圧電駆動部10aも、第1実施形態と同様な効果を達成することができる。
C. Other embodiments of the piezoelectric drive:
FIG. 9 is a cross-sectional view of a
図10(A)は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動部10bの平面図であり、上記実施形態の図2(A)に対応する図である。図10(A)〜(C)では、図示の便宜上、振動板200の接続部220や取付部230は図示が省略されている。図8(A)の圧電駆動部10bでは、一対の第2電極150b,150cが省略されている。この圧電駆動部10bも、図5に示すような1つの方向zに被駆動部材(ローター)50を回転させることが可能である。なお、図10(A)の3つの第2電極150a,150e,150dには同じ電圧が印加されるので、これらの3つの第2電極150a,150e,150dを、連続する1つの電極層として形成してもよい。
FIG. 10A is a plan view of a
図10(B)は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動部10cの平面図である。この圧電駆動部10cでは、図2(A)の中央の第2電極150eが省略されており、他の4つの第2電極150a,150b,150c,150dが図2(A)よりも大きな面積に形成されている。この圧電駆動部10cも、第1実施形態とほぼ同様な効果を達成することができる。
FIG. 10B is a plan view of a
図10(C)は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動部10dの平面図である。この圧電駆動部10dでは、図2(A)の4つの第2電極150a,150b,150c,150dが省略されており、1つの第2電極150eが大きな面積で形成されている。この圧電駆動部10dは、長手方向に伸縮するだけであるが、接触部材20から被駆動部材(図示省略)に対して大きな力を与えることが可能である。
FIG. 10C is a plan view of a
図2及び図10(A)〜(C)から理解できるように、圧電振動体100の第2電極150としては、少なくとも1つの電極層を設けることができる。但し、図2及び図10(A),(B)に示す実施形態のように、長方形の圧電振動体100の対角の位置に第2電極150を設けるようにすれば、圧電振動体100及び振動板200を、その平面内で屈曲する蛇行形状に変形させることが可能である点で好ましい。
As can be understood from FIG. 2 and FIGS. 10A to 10C, at least one electrode layer can be provided as the
D.圧電駆動装置を用いた装置の実施形態:
上述した圧電駆動装置は、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。圧電駆動装置は、例えば、ロボット、電子部品搬送装置(ICハンドラー)、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。ただし、ヘッドに利用される圧電駆動装置では、振動板を共振させないので、ヘッドには適用不可である。)等の各種の機器における駆動装置として用いることが出来る。以下、代表的な実施の形態について説明する。
D. Embodiments of a device using a piezoelectric drive:
The piezoelectric drive device described above can apply a large force to the driven member by utilizing resonance, and can be applied to various devices. Piezoelectric driving devices include, for example, robots, electronic component conveying devices (IC handlers), medication pumps, clock calendar feeding devices, printing devices (for example, paper feeding mechanisms. However, in piezoelectric driving devices used for heads, diaphragms Therefore, it can be used as a driving device in various devices. Hereinafter, representative embodiments will be described.
図11は、上述の圧電駆動装置1000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、上述した圧電駆動装置1000のうちの圧電駆動部10が内蔵されており、圧電駆動部10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。アーム2010の先端には、ロボットハンド2000が接続されている。ロボットハンド2000は、一対の把持部2003を備えている。ロボットハンド2000にも圧電駆動部10が内蔵されており、圧電駆動部10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、ロボットハンド2000とアーム2010との間にも圧電駆動部10が設けられており、圧電駆動部10を用いてロボットハンド2000をアーム2010に対して回転させることも可能である。なお、各圧電駆動部10を制御する駆動回路30は不図示の制御回路に含まれている。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of a
図12は、図11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、圧電駆動部10を備えており、圧電駆動部10は、手首のリンク部2012及びロボットハンド2000を中心軸O周りに回動させる。ロボットハンド2000には、複数の把持部2003が立設されている。把持部2003の基端部はロボットハンド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駆動部10が搭載されている。このため、圧電駆動部10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。また、圧電駆動部10をフリーモードで動作させることにより、アーム2010や手首を手動で動作させること(いわゆる「ティーチング」)ができ、ロボット2050に実行させる動作を記憶させることができる。
FIG. 12 is an explanatory diagram of the wrist portion of the
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圧電駆動部10を適用可能である。ここで、手首の関節部2020やロボットハンド2000の内部には、圧電駆動部10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やロボットハンド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圧電駆動部10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)やロボットハンド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。
The robot is not limited to a single-arm robot, and the
図13は、上述の圧電駆動装置1000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、圧電駆動部10と、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。なお、駆動回路30は不図示である。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。圧電駆動部10の接触部材20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、圧電駆動部10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圧電駆動装置1000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。
FIG. 13 is an explanatory diagram showing an example of a
E.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
E. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
(1)上記実施形態では、基板120の上に第1電極130と圧電体140と第2電極150とが形成されていたが、基板120を省略して、振動板200の上に第1電極130と圧電体140と第2電極150とを形成するようにしてもよい。
(1) In the above embodiment, the
(2)上記実施形態では、振動板200の両面にそれぞれ1つの圧電振動体100を設けていたが、圧電振動体100の一方を省略することも可能である。但し、振動板200の両面にそれぞれ圧電振動体100を設けるようにすれば、振動板200をその平面内で屈曲した蛇行形状に変形させることがより容易である点で好ましい。
(2) In the above embodiment, one
(3)上記各実施形態では、圧電素子として、成膜プロセスにより形成した圧電体を用いるものを例に取り説明したが、圧電体は、バルクの圧電体であってもよい。 (3) In each of the above embodiments, the piezoelectric element that uses a piezoelectric body formed by a film forming process has been described as an example. However, the piezoelectric body may be a bulk piezoelectric body.
(4)上記実施形態では、振動体部210の左右の長辺からそれぞれ3本ずつ延びる接続部220によって振動体部210を振動可能に支持する構成を例に説明したが、接続部220の配置位置や数は、これに限定されるものではなく、種々の配置位置や数を採用することができる。例えば、長手方向に沿った片側のみに接続部を設けて、振動体部210を片持ち状態で支持する構造としても良い。また、振動体部210の接触部材20とは反対側の短辺に接続部を設けて、振動体部210を片持ち状態で支持する構造としても良い。
(4) In the above-described embodiment, the configuration in which the
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、或いは、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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above-described effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
10,10a,10b,10c,10d…圧電駆動部
12…チューブ
20…接触部材
30…駆動回路
32…駆動制御部
34,34A…速度制御部
36,36A…位置制御部
38…駆動電圧生成部
40…エンコーダー
50…被駆動部材(ローター)
51…被駆動部材の中心
100…圧電振動体
110a,110b,110c,110d,110e…圧電素子
120…基板
125…絶縁層
130…第1電極
140…圧電体
150,150a,150b,150c,150d,150e…第2電極
151,152…配線
200…振動板
201…振動体部(振動板)の中心
202…中央線
210…振動体部
220…接続部
230…取付部
240…ネジ
310,312,314,320…配線
342…遅延部
344,344A…サンプルホールド部(S/H部)
346,346A…移動速度算出部
364…サンプルホールド部(S/H部)
366…位置比較部
1000…圧電駆動装置
2000…ロボットハンド
2003…把持部
2010…アーム
2012…リンク部
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…フィンガー
2222…ローター
2223…減速伝達機構
2230…ケース
DESCRIPTION OF
51 ... Center of driven
346, 346A ... Movement
366 ...
Claims (6)
前記圧電駆動部を駆動する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記圧電駆動部を速度制御により動作させる、圧電駆動装置。 A piezoelectric drive for driving the driven member;
A drive circuit for driving the piezoelectric drive unit;
With
The drive circuit is a piezoelectric drive device that operates the piezoelectric drive unit by speed control.
前記駆動回路は、
一定の周期ごとに指示される前記被駆動部材の目標位置に基づいた移動軌跡に従って、前記被駆動部材の位置を第1の位置から第2の位置まで移動させる際に、
第1の周期タイミングで前記第1の周期タイミングから一周期後の第2の周期タイミングにおける目標位置が指示された場合に、前記目標位置及び前記第1の周期タイミングにおける前記被駆動部材の現在位置に基づいて、前記目標位置への移動速度を決定し、前記第1の周期タイミングから前記第2の周期タイミングまでの間、決定した前記移動速度で前記圧電駆動部を動作させる速度制御を実行する、圧電駆動装置。 The piezoelectric drive device according to claim 1,
The drive circuit is
When moving the position of the driven member from the first position to the second position in accordance with a movement trajectory based on the target position of the driven member that is instructed at regular intervals,
When the target position at the second cycle timing one cycle after the first cycle timing is instructed at the first cycle timing, the target position and the current position of the driven member at the first cycle timing And determining a moving speed to the target position, and executing speed control for operating the piezoelectric driving unit at the determined moving speed from the first cycle timing to the second cycle timing. Piezoelectric drive device.
前記駆動回路は、前記第1の周期タイミングよりも一周期前の前周期タイミングにおいて指示された前周期目標位置と前記目標位置とに基づいて求められる予定移動速度を、前記前周期目標位置と前記現在位置とに基づいて補正することによって、前記目標位置への前記移動速度を決定する、圧電駆動装置。 The piezoelectric drive device according to claim 2,
The drive circuit calculates a planned moving speed obtained based on the previous cycle target position and the target position, which are instructed at the previous cycle timing one cycle before the first cycle timing, from the previous cycle target position and the target cycle. A piezoelectric driving device that determines the moving speed to the target position by correcting based on a current position.
前記駆動回路は、前記目標位置が前記第2の位置の場合には、前記被駆動部材の位置が前記第2の位置となった時点で前記圧電駆動部を停止させる位置制御を実行する、圧電駆動装置。 The piezoelectric drive device according to claim 2 or 3, wherein
When the target position is the second position, the drive circuit performs position control to stop the piezoelectric drive unit when the position of the driven member reaches the second position. Drive device.
前記複数のリンク部を接続する関節部と、
前記被駆動部材を用いて前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
を備えるロボット。 A plurality of link parts;
A joint part connecting the plurality of link parts;
The piezoelectric driving device according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of link portions are rotated by the joint portion using the driven member.
Robot equipped with.
前記圧電駆動部を速度制御により動作させる、圧電駆動装置の駆動方法。 A driving method of a piezoelectric driving device having a piezoelectric driving unit for driving a driven member,
A driving method of a piezoelectric driving device, wherein the piezoelectric driving unit is operated by speed control.
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JP2015135775A JP2017017969A (en) | 2015-07-07 | 2015-07-07 | Piezoelectric driving device, robot, and driving method for the same |
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