JP2017169416A - 超音波モーター、ロボット、ハンド、及びポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】周期的な外乱に応じて発生する振動の変化を低減し、回転を安定に制御する。【解決手段】発明の超音波モーターは、回転体と、回転体に接触して回転の駆動力を与えるとともに、振動に応じた振動対応信号を出力する振動体と、振動対応信号を入力して振動対応信号に平滑処理を施した振動状態信号を出力する信号処理部と、振動状態信号に基づいて振動体の振動を制御する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波モーター及び超音波モーターを用いた各種の装置に関する。

特許文献１では、超音波モーターの駆動回路において、ピックアップ信号を検出して駆動信号にフィードバックするフィードバック制御が行われている。これにより、超音波モーターが温度変化等の外乱による影響を受けて、駆動周波数が変化したとしても容易に追従可能としている。

特開昭６３−２０２２７８号公報

しかし、ピックアップ信号に回転体に起因した外乱が重畳した場合、この外乱による影響を検出するための回路構成が複雑となる可能性があり、フィードバック制御が困難である、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、超音波モーターが提供される。この超音波モーターは、回転体と、前記回転体に接触して回転の駆動力を与えるとともに、振動に応じた振動対応信号を出力する振動体と、前記振動対応信号を入力して前記振動対応信号に平滑処理を施した振動状態信号を出力する信号処理部と、前記振動状態信号に基づいて前記振動体の振動を制御する制御部と、を備える。
この形態の超音波モーターは、振動体の振動の状態を示す振動状態信号に基づいて振動体の振動を制御することができるので、簡単な構成で、周期的な外乱に応じて発生する振動の変化を低減し、回転を安定に制御することができる。

（２）上記形態の超音波モーターにおいて、前記回転体の回転周期に応じて前記平滑処理を実行するようにしてもよい。
この形態によれば、振動信号に重畳される外乱のうち、不要な外乱を除去するとともに、回転周期に応じて発生する周期的な外乱に応じた変動を維持した振動状態信号を出力することができる。

（３）上記形態の超音波モーターにおいて、前記平滑処理は、前記回転体の回転周期に含まれる複数の振動周期の振動信号について、前記振動周期ごとの複数の位相点について、それぞれ、あらかじめ定めた移動平均周期数の単位で移動平均をとる、としてもよい。
この形態によれば、振動信号に重畳される外乱のうち、回転周期に応じて発生する周期的な外乱に応じた変動を維持しつつ、不要な外乱を除去する平滑処理を容易に実行することができる。

（４）上記形態の超音波モーターにおいて、前記制御部は、前記振動状態信号に含まれる振動の振幅のエンベロープ値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、記憶したエンベロープ値に基づいて振動体の制御を実行することができる。

（５）上記形態の超音波モーターにおいて、前記制御部は、Ｎ回転目（Ｎは１以上の整数）の回転周期における前記エンベロープ値に基づいて、Ｎ＋１回転目の回転周期における前記振動体の駆動電圧を調整するとしてもよい。
この形態によれば、前（Ｎ回転目）の回転周期で発生した周期的な外乱に応じた振動の変動を利用して、今回（Ｎ＋１回転目）の回転周期においても発生が想定される周期的な外乱に応じた振動の変動を低減するように振動を滑らかに制御することができる。

（６）上記形態の超音波モーターにおいて、前記制御部は、前記エンベロープ値の閾値を記憶する閾値記憶部を有し、前記エンベロープ値が前記閾値以下となったとき、前記振動体の駆動電圧を増加させるとしてもよい。
この形態によれば、振動体の振動が回転体に回転の駆動力を与えることができないほど小さくなって、回転が停止してしまわないように制御するこができる。

（７）上記形態の超音波モーターにおいて、前記振動体は、振動板と、前記振動板を振動させる圧電素子と、前記圧電素子による前記振動板の振動に応じて、前記振動対応信号として、前記振動に応じて変動する電圧を出力するピックアップ部と、を有しているとしてもよい。
この形態によれば、ピックアップ部が出力する電圧によって振動体の振動を容易に検出することができる。

（８）上記形態の超音波モーターにおいて、前記振動体は、振動板と、前記振動板を振動させる圧電素子と、を有し、前記振動対応信号として、前記振動に応じて変動する前記圧電素子に流れる電流を出力するとしてもよい。
この形態によっても、圧電素子に流れる電流によって振動体の振動を容易に検出することができる。

（９）上記形態の超音波モーターにおいて、積層された複数の前記振動体を備えるようにしてもよい。この形態によれば、振動体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、超音波モーターの他、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。 図２の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。 信号処理部の振動検出部の内部構成の一例を示す説明図である。 信号処理部の検出信号処理部の内部構成を示す説明図である。 平滑処理部における平滑処理の内容を示す説明図である。 振動状態検出部によって平滑振動信号から検出される振動状態信号の一例を示す説明図である。 制御部による制御動作について示す説明図である。 第１実施形態において発生する可能性のある制御現象について示す説明図である。 第２実施形態において図１０の現象に対応するための制御部による制御動作について示す説明図である。 第３実施形態におけ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。 第３実施形態における振動検出部の内部構成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、回転体３１０と、回転体３１０の回転位置を検出するエンコーダー３２０と、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複数の圧電アクチュエーター１００と、圧電アクチュエーター１００を超音波振動させて駆動する駆動装置３３０と、を備えている。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を駆動する複数の駆動装置３３０のうち、１つの圧電アクチュエーター１００に対応する１つの駆動装置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と対応する駆動装置３３０との関係はいずれも同じである。

エンコーダー３２０は、回転体３１０の回転位置（「角度位置」あるいは「位相位置」とも呼ばれる）を検出して、そのデータ―を位置信号Ｒｐとして出力する。エンコーダー３２０としては、回転位置を検出可能であれば、特に限定はなく、ロータリーエンコーダー、磁気式エンコーダー等の種々の一般的なエンコーダーを用いることができる。

駆動装置３３０は、制御部３４０と駆動部３５０と信号処理部３６０とを備えている。制御部３４０は、エンコーダー３２０からの位置信号Ｒｐ及び信号処理部３６０からの振動状態信号ＤＰｅに基づいて駆動部３５０の動作を制御する。駆動部３５０は、制御部３４０の制御に従った駆動周波数及び駆動電圧を有する駆動信号ＤＳを出力し、圧電アクチュエーター１００を超音波振動させる。すなわち、制御部３４０は、エンコーダー３２０からの位置信号Ｒｐ及び信号処理部３６０からの振動状態信号ＤＰｅに基づいて圧電アクチュエーター１００の振動を制御する。

信号処理部３６０は、振動検出部３７０と検出信号処理部３８０とを備えている。振動検出部３７０は、圧電アクチュエーター１００のピックアップ部（不図示）から出力される振動に応じて変化する振動対応信号Ｓｐを受けて、振動を表す振動信号Ｓｐｔを検出して出力する。検出信号処理部３８０は、制御部３４０から供給されるタイミング信号Ｔｐに基づいて、振動信号Ｓｐｔに平滑処理を実行するとともに、平滑後の振動信号に基づいて圧電アクチュエーター１００の振動の状態を示す振動状態信号ＤＰｅを出力する。なお、信号処理部３６０及び制御部３４０の動作についてはさらに後述する。

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，１１０ｆと、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〜１１０ｆ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１１０ｆは、略矩形形状に構成されており、振動部２１０の幅方向の中央において、圧電素子１１０ｅよりも突起部１０３側に配置されている。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。なお、基板２００、より具体的には、振動部２１０が「振動板」に相当する。

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６つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｆ（図２）を備える。なお、図３は、図２の３−３断面図のため、６つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｆのうち２つの圧電素子１１０ｃ，１１０ｄが図示され、他の４つの圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｅ，１１０ｆは図示されていない。圧電素子１１０ａ〜１１０ｆ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〜１１０ｆ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〜１１０ｆ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〜１１０ｆ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〜１１０ｆ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〜１１０ｆ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〜１１０ｆを構成する。絶縁層２４０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｆを覆い絶縁する。但し、絶縁層２４０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｆ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〜１１０ｆ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〜１１０ｆ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、バルク材料から形成されてもよいし、例えばゾル−ゲル法を用いて行うことも可能である。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、駆動部３５０（図１）から、駆動用の５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅ（図２）のうちの所定の圧電素子、例えば第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、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、駆動用の第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、駆動用の第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、駆動用の圧電素子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。

６つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｆ（図２）のうち、圧電素子１１０ｆは、以下で説明するように、圧電アクチュエーター１００の振動をピックアップするピックアップ部として利用される。なお、以下の説明では、駆動用の圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを特に区別することなく単に「圧電素子１１０」とも呼び、ピックアップ部として用いられる圧電素子１１０ｆを「ピックアップ部１１０ｆ」とも呼ぶ。

図５は、信号処理部３６０（図１）の振動検出部３７０の内部構成の一例を示す説明図である。圧電アクチュエーター１００を構成する４つの圧電振動体１０２（図２）の圧電素子１１０ａ〜１１０ｅに、駆動周波数で変化する駆動信号ＤＳ(図５ではサイン波）を印加すると、各圧電振動体１０２が同時に振動して圧電アクチュエーター１００としての振動が発生する。各圧電振動体１０２のピックアップ部１１０ｆは、圧電振動体１０２に発生する振動に応じた逆起電力の変化を振動対応信号Ｓｐとして出力する。振動検出部３７０は、ボルテージフォロア回路で構成されており、振動対応信号Ｓｐから、振動に応じて電圧が変化する振動信号Ｓｐｔを検出して出力する。

図６は、信号処理部３６０（図１）の検出信号処理部３８０の内部構成を示す説明図である。検出信号処理部３８０は、ＡＤコンバーター３８２と、平滑処理部３８４と、振動状態検出部３８６と、タイミングコントロール部３８８と、を備えている。ＡＤコンバーター３８２は、振動検出部３７０（図５）から出力される振動信号Ｓｐｔを、各振動の周期中の各位相点のタイミングでデジタル化し、振動信号ＤＰｒとして出力する。平滑処理部３８４は、ＡＤコンバーター３８２から供給される振動信号ＤＰｒの振幅値を処理用記憶部３８５に記憶し、後述する平滑処理によって振動信号ＤＰｒに重畳されている不要な外乱を除去し、平滑振動信号ＤＰｓを出力する。振動状態検出部３８６は、平滑振動信号ＤＰｓに含まれる振幅値を検出用記憶部３８７に記憶し、後述する振動状態検出処理によって振動状態信号ＤＰｅを出力する。タイミングコントロール部３８８は、制御部３４０から供給される、回転周期のタイミングや、回転位置、駆動周期タイミング、各駆動周期の各位相点のタイミング、を含むタイミング信号Ｔｐに基づいて、ＡＤコンバーター３８２の動作タイミング、平滑処理部３８４の動作タイミング、振動状態検出部３８６の動作タイミングを制御する。

制御部３４０は、振動状態信号ＤＰｅに含まれる振動の状態を示す振幅のエンベロープ値を振動状態記憶部３４２に記憶し、後述するように、駆動信号ＤＳの電圧を制御する。

図７は、平滑処理部３８４における平滑処理の内容を示す説明図である。図７の最上段に示すように、回転体３１０（図１）の１回転分の回転周期Ｔｎ中には、ｑ周期（ｑは複数）分の振動信号ＤＰｒが発生する。振動信号の１周期Ｔｓ（「振動周期Ｔｓ」と呼ぶ）は駆動周期Ｔｄに等しい。図７の上から２段目の振動信号ＤＰｒ（２→ｑ＋１）は、１段目の振動信号ＤＰｒ（１→ｑ）を１振動周期Ｔｓだけ左側にシフトした信号に相当し、３段目の振動信号ＤＰｒ（ｐ→ｐ＋ｑ−１）は、（ｐ−１）振動周期Ｔｓだけ左側にシフトした信号に相当する。平滑処理では、各周期の複数の位相点（図中○で示す）について、それぞれ、ｐ周期分の平均をとることにより、平滑振幅値（図中●で示す）を含む平滑振動信号ＤＰｓを得る。換言すれば、平滑処理では、振動周期Ｔｓごとの複数の位相点について、それぞれ、あらかじめ定めた移動平均周期数ｐの単位で移動平均をとる処理である。なお、移動平均周期数ｐは、重畳されている外乱のうち、回転体３１０の偏心（数μｍ程度の偏心）に応じた周期的な外乱や、圧電アクチュエーター１００との接触面である円形面３１１の凹凸に応じた周期的な外乱（以下、「周期的な外乱」と呼ぶ）を維持しつつ、それ以外の不要な外乱を除去するように、設定されることが好ましい。例えば、移動平均周期数ｐは、回転周期Ｔｎ中に含まれる振動信号の振動周期数ｑに対して、ｑ／１０〜ｑ／２０程度に設定されることが好ましい。

図８は、振動状態検出部３８６によって平滑振動信号ＤＰｓから検出される振動状態信号ＤＰｅの一例を示す説明図である。振動状態検出部３８６は、平滑振動信号ＤＰｓから、各振動周期の振幅（電圧）のピーク値、すなわち、エンベロープ値（包絡線）を抽出する。時系列に並ぶエンベロープ値は、上記した周期的な外乱に応じて発生するアクチュエーター１００の振動の強弱等の振動の状態の変動を示している。振動状態検出部３８６は、この時系列に並ぶエンベロープ値を振動状態信号ＤＰｅとして出力する。なお、エンベロープ値の抽出は、各振動周期の振幅のピーク値を検出するピーク検出回路等の種々の一般的なエンベロープ検出回路を用いて実行することができる。

図９は、制御部３４０による制御動作について示す説明図である。制御部３４０は、図９の上段に示すように、Ｎ回転目（Ｎは１以上の整数）の回転周期Ｔｎ（Ｎ）において、一定の駆動電圧Ａｄを振幅のピーク値とする駆動信号ＤＳを圧電アクチュエーター１００の圧電素子１１０（図５）に印加するものとする。なお、以下では、一定電圧の振幅のピーク値を単に「振幅」とも呼ぶ。また、図９の上段では、駆動信号ＤＳの振幅のピーク値であるエンベロープを分かりやすくするため、太実線で示している。

駆動信号ＤＳが一定の振幅Ａｄの場合、理想的には、図９の下段に破線で示すように、平滑振動信号ＤＰｓも一定の振幅Ａｖとなり、そのエンベロープを示す振動状態信号ＤＰｅも破線で示すように一定となるはずである。しかしながら、実際の振動状態信号ＤＰｅ（Ｎ）は、太実線で示すように、上記した周期的な外乱による影響を受けて回転位置（位相位置）に応じて変動する信号となる場合がある。

そして、Ｎ回転目において周期的な外乱による影響を受けて振動状態信号ＤＰｅ（Ｎ）に変動が発生した場合、一定の振幅Ａｄの駆動信号ＤＳのままでは、Ｎ＋１回転目の回転周期Ｔｎ（Ｎ＋１）における振動状態信号ＤＰｅ（Ｎ＋１）も、太破線で示すように、Ｎ回転目と同様の変動となることが予想される。

そこで、制御部３４０は、Ｎ＋１回転目の振動状態信号ＤＰｅ（Ｎ＋１）が一定値に近付くように、駆動信号ＤＳの振幅を、Ｎ回転目の振動状態信号ＤＰｅ（Ｎ）の一定の振幅Ａｖに対する変動に応じて調整する。具体的には、振動状態信号ＤＰｅ（Ｎ）が一定の振幅Ａｖに対して大きい位置では、その変動分に応じて駆動信号ＤＳの振幅を小さくし、一定の振幅Ａｖに対して小さい位置では、その変動分に応じて駆動信号ＤＳの振幅を小さくする。

これにより、制御部３４０は、Ｎ回転目の振動状態信号ＤＰｅに基づいてＮ＋１回転目の駆動信号ＤＳを調整することによって、周期的な外乱による変動を低減するように圧電アクチュエーター１００の動作を滑らかに制御することができる。

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と対応する駆動装置３３０の動作について説明したが、他の圧電アクチュエーターと対応する駆動装置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の振動の状態の変動に応じて、周期的な外乱による変動を低減するように超音波モーター３００の振動を滑らかに制御することができる。また、圧電アクチュエーター１００の振動の状態の変動によって、超音波モーター３００の動作が停止してしまわないように制御することができる。

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駆動装置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つの駆動装置３３０を備えて、１つの駆動装置３３０で複数の圧電アクチュエーター１００の動作を制御するようにしてもよい。また、１つの圧電アクチュエーター１００と駆動装置３３０を備える構成としてもよい。

また、振動状態検出部３８６は、信号処理部３６０の検出信号処理部３８０ではなく、制御部３４０に備える構成としてもよい。この場合、検出信号処理部３８０は、平滑振動信号ＤＰｓを振動状態信号として制御部３４０へ出力すればよい。

また、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示した。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、駆動用の圧電素子として第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。

なお、以上説明した種々の変形例は、以下の実施形態においても同様に適用可能である。

Ｂ．第２実施形態：
図１０は、上述した第１実施形態において発生する可能性のある制御現象について示す説明図である。図１１は、図１０の現象に対応するための制御部３４０による制御動作について示す説明図である。図１０の上段に示すように、平滑振動信号ＤＰｓの変動に応じて振動状態信号ＤＰｅが変動し、所定の閾値Ａｔｈ以下となった場合に、圧電アクチュエーター１００が回転体３１０に駆動力を与えることができず、図１０の下段に示すように、回転速度Ｎｒが遅くなって停止してしまう可能性がある。これに対して、制御部３４０は、図１１の上段に示すように、振動状態信号ＤＰｅが閾値記憶部３４４に記憶されている閾値Ａｔｈ以下となった場合に、振動状態信号ＤＰｅが閾値Ａｔｈよりも大きな平滑振動信号ＤＰｓとなるように、図１１の下段に示す駆動信号ＤＳの振幅（駆動電圧）を増大させることが好ましい。このようにすれば、回転体３１０の回転が停止してしまわないように制御することができる。なお、この制御は省略してもよい。

Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態は、以下で説明するように、圧電アクチュエーターの構成、圧電アクチュエーターが出力する振動対応信号、及び、振動対応信号を検出する振動検出部の構成が、第１実施形態の構成（図１，図２，図５）と異なっている。

図１２は、第２実施形態における圧電アクチュエーター１００Ａの概略構成を示す説明図である。圧電アクチュエーター１００Ａは、第１実施形態における圧電アクチュエーター１００のピックアップ部としての圧電素子１００ｆを省略したものである。

図１３は、第２実施形態における振動検出部３７０Ａの内部構成を示す説明図である。振動検出部３７０Ａは、Ｉ−Ｖ変換器３７４と積算器３７６とを備えている。圧電アクチュエーター１００Ａを構成する４つの圧電振動体１０２Ａの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの一方の端子に駆動信号ＤＳを印加すると、各圧電振動体１０２Ａが振動して圧電アクチュエーター１００Ａとしての振動が発生する。このとき、発生した振動に応じて変化する電流が圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの他方の端子からＩ−Ｖ変換器３７４に出力される。Ｉ−Ｖ変換器３７４は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅから出力される電流を電圧に変換する。Ｉ−Ｖ変換器３７４は電流を電圧として検出する電流検出回路に相当する。Ｉ−Ｖ変換器３７４としては、オペアンプで構成されるＩ−Ｖ変換回路を用いることができる。但し、これに限定されるものではなく、種々の一般的なＩ−Ｖ変換回路を利用することができる。積算器３７６は、圧電アクチュエーター１００Ａの振動に対応する電流に相当する電圧と駆動信号ＤＳとを積算した電力信号を、圧電アクチュエーター１００の振動に対応する振動信号Ｓｐｔとして出力する。振動信号Ｓｐｔとして用いられる電力信号も、圧電アクチュエーター１００Ａの振動の状態に応じて変動する信号である。従って、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、圧電アクチュエーター１００Ａの振動の状態の変動に応じて、周期的な外乱による変動を低減するように超音波モーターの振動を滑らかに制御することができる。また、圧電アクチュエーター１００Ａの振動の状態の変動によって、超音波モーターの動作が停止してしまわないように制御することができる。

なお、上記の振動検出部３７０Ａでは、電力信号を振動信号Ｓｐｔとする場合を例に説明したが、積算器３７６を省略して、Ｉ−Ｖ変換器３７４から出力される電流に相当する電圧を振動信号Ｓｐｔとして利用することも可能である。

Ｄ．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１４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１４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が設けられており、超音波モーターを用いてハンド２０００をアーム２０１０に対して回転させることも可能である。

図１５は、図１４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１６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、超音波モーターの回転体を含む減速機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、超音波モーターの回転体を含む減速機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１５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。

図１７は、上述の超音波モーター３００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、超音波モーターの回転体（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。

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。

１００，１００Ａ…圧電アクチュエーター、１０１…圧電振動体ユニット、１０２，１０２Ａ…圧電振動体、１０３…突起部、１１０，１１０ａ〜１１０ｅ…圧電素子、１１０ｆ…圧電素子（ピックアップ部）、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、３２０…エンコーダー、３３０…駆動装置、３４０…制御部、３４２…振動状態記憶部、３４４…閾値記憶部、３５０…駆動部、３６０…信号処理部、３７０，３７０Ａ…振動検出部、３７４…Ｉ−Ｖ変換器、３７６…積算器、３８０…検出信号処理部、３８２…ＡＤコンバーター、３８４…平滑処理部、３８５…処理用記憶部、３８６…振動状態検出部、３８７…検出用記憶部、３８８…タイミングコントロール部、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

Claims (12)

1. 回転体と、
   前記回転体に接触して回転の駆動力を与えるとともに、振動に応じた振動対応信号を出力する振動体と、
   前記振動対応信号を入力して前記振動対応信号に平滑処理を施した振動状態信号を出力する信号処理部と、
   前記振動状態信号に基づいて前記振動体の振動を制御する制御部と、
   を備える、超音波モーター。
2. 前記信号処理部は、前記回転体の回転周期に応じて前記平滑処理を実行する、請求項１に記載の超音波モーター。
3. 前記平滑処理は、前記回転体の回転周期に含まれる複数の振動周期の振動信号について、前記振動周期ごとの複数の位相点について、それぞれ、あらかじめ定めた移動平均周期数の単位で移動平均をとる、請求項２に記載の超音波モーター。
4. 前記制御部は、前記振動状態信号に含まれる振動の振幅のエンベロープ値を記憶する記憶部を有する請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の超音波モーター。
5. 前記制御部は、Ｎ回転目（Ｎは１以上の整数）の回転周期における前記エンベロープ値に基づいて、Ｎ＋１回転目の回転周期における前記振動体の駆動電圧を調整する、請求項４に記載の超音波モーター。
6. 前記制御部は、前記エンベロープ値の閾値を記憶する閾値記憶部を有し、前記エンベロープ値が前記閾値以下となったとき、前記振動体の駆動電圧を増大させる、請求項４または請求項５に記載の超音波モーター。
7. 前記振動体は、振動板と、前記振動板を振動させる圧電素子と、前記圧電素子による前記振動板の振動に応じて、前記振動対応信号として、前記振動に応じて変動する電圧を出力するピックアップ部と、を有している、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の超音波モーター。
8. 前記振動体は、振動板と、前記振動板を振動させる圧電素子と、を有し、前記振動対応信号として、前記振動に応じて変動する前記圧電素子に流れる電流を出力する、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の超音波モーター。
9. 積層された複数の前記振動体を備える請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の超音波モーター。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の超音波モーターを備えるロボット。
11. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の超音波モーターを備えるハンド。
12. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の超音波モーターを備えるポンプ。

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