JP2018078769A - 振動型アクチュエータの制御方法、振動型駆動装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】振動型アクチュエータに生じた故障や振動型アクチュエータとこれを駆動する駆動回路との間の接続経路に生じた故障を検知する。【解決手段】圧電素子１を備える振動体に振動を励起してロータ９を駆動する振動型アクチュエータ１２０の駆動回路１１０は、振動型アクチュエータ１２０が起動する第１の周波数帯域よりも高周波側の第２の周波数帯域の範囲内の周波数の駆動電圧を発振部３、増幅部４を通して圧電素子１に印加し、駆動電圧の電圧振幅を計測し、振動体の固有振動モードの共振周波数ではないピークを検出し、検出したピークの周波数とＱ値の少なくとも一方の値を推定し、推定した値が所定の範囲内にない場合に、増幅部４、振動型アクチュエータ１２０、増幅部４と圧電素子１とを接続するケーブル２のいずれかに故障が発生したと判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、振動型アクチュエータの制御方法、振動型駆動装置及び電子機器に関する。

振動型アクチュエータの駆動には、概ね、電圧振幅が数１０Ｖ〜３００Ｖ、周波数が２０ｋＨｚ以上の交流の駆動電圧が必要となるため、振動型アクチュエータの駆動回路には、一般的に、トランスやコイルを用いた電力増幅回路が含まれている。電力増幅回路は、スイッチング素子によるブリッジ回路や高出力のオペアンプ等の波形生成部と、トランスやコイルによる昇圧部とで構成されている。そして、通常、トランスやコイルによる誘導性の出力インピーダンスと振動型アクチュエータの容量性の入力インピーダンスは、振動型アクチュエータの通常動作の駆動周波数で整合するように、インピーダンス調整がなされている。例えば、特許文献１には、波形生成部、コイル及びＬＣフィルタを用いて、波形歪の少ない正弦波を生成して振動型アクチュエータに供給する回路構成が記載されている。

ところで、振動型アクチュエータは、構成が簡単で小型化と軽量化が容易でありながら、出力トルクが大きいという特徴を備えているため、このような特徴を生かして、小型のロボットハンド等に応用されている。振動型アクチュエータをロボットに適用する場合には、ロボットの軽量化の観点から、振動型アクチュエータの駆動回路はロボット内に設けられずに屈曲可能な長いケーブルで振動型アクチュエータと接続されるため、ケーブルに断線が生じるリスクが高くなる。また、多目的の用途に使用するために振動型アクチュエータが組み込まれたユニットを交換して使用する用途では、コネクタの挿抜によって接続部に故障や劣化が生じるリスクが高くなる。よって、振動型アクチュエータとその駆動装置とを接続するケーブル等の状態をモニタし、適切な処置を行う技術が必要とされる。

前述の特許文献１には、振動型アクチュエータに印加される駆動電圧をハイパスフィルタに通して計測することでＰＷＭ変調搬送波の周波数成分を駆動電圧の周波数から分離して計測し、その振幅の大小でケーブルの断線の有無を検出する技術が提案されている。すなわち、ＰＷＭ変調搬送波は、正常時にはＬＣフィルタのローパスフィルタ効果によって減衰されるために振幅は非常に小さくなるが、断線時にはＬＣフィルタの効果が衰えるために振幅が大きくなることを利用して、断線の有無を判定することができる。

特許第５７１６６２４号公報

上記特許文献１に記載された技術では、ハイパスフィルタを通して振動型アクチュエータに印加される駆動電圧のＰＷＭ変調搬送波の振幅を検出するために、駆動電圧の基本周波数成分をカットしている。したがって、駆動電圧全体の振幅を検出することはできない。そのため、例えば、圧電素子がショートして駆動電圧が０Ｖになっても、振動型アクチュエータやコイルの故障によって駆動電圧の振幅が所定値より大きくなっても、それらのことを検出することができない。また、上記特許文献１に記載された技術では、コネクタ等の接触抵抗の増加や圧電素子の分極の劣化等の微妙な変化を検出することができない。

本発明は、振動型アクチュエータに生じた故障や振動型アクチュエータとこれを駆動する駆動回路との間の接続経路に生じた故障を検知することを可能にする振動型駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係る振動型駆動装置は、電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを備え、前記電気−機械エネルギ変換素子に交流駆動電圧を印加して前記振動体に振動を励起することにより前記被駆動体を摩擦駆動して前記振動体と前記被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータと、前記振動型アクチュエータの駆動を制御する駆動手段と、を備える振動型駆動装置であって、前記駆動手段は、所定の電圧振幅と周波数を有する交流波形信号を生成する生成手段と、前記交流波形信号を増幅して前記電気−機械エネルギ変換素子に印加する交流駆動電圧を出力する増幅手段と、前記増幅手段と前記振動型アクチュエータとを接続する接続手段と、前記電気−機械エネルギ変換素子に印加される交流駆動電圧の電圧振幅を計測する計測手段と、前記振動型アクチュエータが駆動する第１の周波数帯域よりも高周波側の第２の周波数帯域の範囲内において前記計測手段により計測された電圧振幅に基づいて前記振動体の固有振動モードの共振周波数ではないピークを検出する検出手段と、前記検出手段が検出したピークの周波数とＱ値の少なくとも一方の値を推定する推定手段と、前記推定手段が推定した値が所定の範囲内にない場合に、前記接続手段、前記増幅手段または前記振動型アクチュエータに故障が発生したと判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、振動型アクチュエータに生じた故障や振動型アクチュエータとこれを駆動する駆動装置との間の接続経路に生じた故障を検知することができる。

第１実施形態に係る振動型駆動装置の概略構成を説明する図である。 振動型アクチュエータの圧電素子の構成と駆動電圧を説明する図である。 振動型アクチュエータ駆動時のＣＰＵの動作を示すフローチャートである。 ステップＳ１の故障検査ルーチンの詳細を示すフローチャートである。 駆動回路のトランスからの出力電圧振幅の特性を示すグラフである。 駆動回路のトランスからの出力電圧振幅の特性を振動型アクチュエータの機械的共振特性を考慮して示すグラフである。 共振ピークの周波数とＱ値を求める処理のフローチャートである。 図１の振動型駆動装置の変形例の概略構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る振動型駆動装置の概略構成を説明する図である。 第３実施形態に係る振動型駆動装置の概略構成を説明する図である。 図１０の振動型駆動装置で共振ピークの周波数とＱ値を計測する処理のフローチャートである。 第４実施形態に係る振動型駆動装置の概略構成を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る振動型駆動装置１００の概略構成を示すブロック図である。振動型駆動装置１００は、振動型アクチュエータ１２０と、振動型アクチュエータ１２０の駆動と制御を司る駆動回路１１０を備える。

図１（ｂ）は、振動型駆動装置１００を構成する振動型アクチュエータ１２０の概略構成を示す側面図である。図２（ａ）は、振動型アクチュエータ１２０が有する圧電素子１の電極構造を説明する平面図であり、図２（ｂ）は、圧電素子１に印加される駆動電圧の波形を示す図である。ここでは、まず、図１（ｂ）と図２を参照して振動型アクチュエータ１２０の構成と駆動原理について説明する。

振動型アクチュエータ１２０は、圧電素子１、弾性体７、摩擦材８、ロータ９及び回転軸１０を有する。電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子１は、例えば、薄板状で円環状の圧電セラミックスの表裏面に後述の通りに電極が形成された構造を有する。弾性体７は、円環状の形状を有し、金属又はセラミックからなる。圧電素子１は弾性体７に形成された平滑面に接着剤を用いて接合されており、圧電素子１と弾性体７により振動体が構成される。弾性体７において圧電素子１が接合されている面の反対側の面には、振動体に励起される振動を拡大するための凹凸部が周方向に交互に形成されている。弾性体７の凹凸部の先端部には、耐摩耗性を高めるための摩擦材８が設けられている。

弾性体７は、摩擦材８を介してロータ９に不図示の加圧手段により一定の圧力で押圧されると共に不図示の保持手段によって所定位置に保持されている。被駆動体であるロータ９は不図示の保持手段に回転自在に保持されており、ロータ９の中心には外部に回転駆動力を取り出すための回転軸１０が固定されている。圧電素子１に交流の駆動電圧を印加することにより、振動体に振動が励起される。

圧電素子１は、圧電セラミックスの表面（一方の面）に、図２（ａ）に示すように、円周に沿って２４個の電極が設けられた構造を有する。また、圧電セラミックスの不図示の裏面（他方の面）には、裏面全体に１つの共通電極（全面電極）が形成されており、圧電セラミックスは厚さ方向に分極されている。圧電セラミックスの表面に設けられた２４個のうち２３個の電極は、周方向において３つおきに不図示のフレキシブルケーブル等を用いて接続されることで、４つの電極群１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分かれている。残る１個の電極１ｅは、振動検出用の電極であり、圧電素子１に振動が励起されたときに圧電効果によって発生する電圧の検出に用いられる。

電極群１ａ〜１ｄと共通電極との間にはそれぞれ、駆動回路１１０によって、図２（ｂ）に示すような位相が９０度ずつずれた４相の正弦波の駆動電圧Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２が印加される。これにより圧電素子１に変形が生じることで、弾性体７の凹凸部の先端には、周方向に略等間隔に波数が６つの曲げ振動が励起され、進行性の振動波（以下「進行波」という）が発生する。このとき、ロータ９は、弾性体７の凹凸部の先端に設けられた摩擦材８に加圧接触しているため、振動体に励起された進行波によって摩擦駆動されることによって回転軸１０を中心として回転する。ロータ９の回転運動に伴って回転軸１０も回転するため、ロータ９の回転駆動力を回転軸１０を介して外部に出力することができる。よって、回転軸１０に不図示の駆動対象物を取り付けることにより、駆動対象物を駆動することができる。駆動対象物は、回転軸１０に直接的に取り付けられていてもよいし、ギア等を介して間接的に取り付けられていてもよく、また、回転軸１０の回転に伴って回転するものであってもよいし、ギア等を介して直進運動を行うものであってもよい。

なお、駆動電圧Ｂ１，Ｂ２を入れ替えると、進行波の進行方向が反転させて、ロータ９を逆方向に回転させることができる。また、弾性体７には材質や形状によって決まる固有振動モードがあり、圧電素子１に印加する駆動電圧の周波数を固有振動モードの共振周波数に近付けることにより、進行波を効率よく励起することができる。

なお、振動型駆動装置１００は、不図示であるが、駆動対象物を駆動して所定の位置に位置決めするために、駆動対象物の位置を検出する位置検出手段を備えており、位置検出手段からの位置情報に基づいて振動型アクチュエータ１２０の駆動制御が行われる。駆動対象物の位置情報を振動型アクチュエータ１２０の駆動制御に用いる技術には、周知の技術を用いることができ、また、本発明とは直接の関係がないため、説明を省略する。

次に、図１（ａ）を参照して、駆動回路１１０の構成と機能について詳細に説明する。図１（ａ）には、駆動回路１１０のうち電極群１ａに駆動電圧Ａ１を供給する部分のみを示している。電極群１ｂ，１ｃ，１ｄのそれぞれに対して駆動電圧Ｂ１，Ａ２，Ｂ２を供給する各部の構成は、電極群１ａに駆動電圧Ａ１を供給する部分と同じであるため、図示を省略し、説明も省略する。

駆動回路１１０は、ケーブル２、発振部３、増幅部４、電圧計測部５及びＣＰＵ６を有する。ケーブル２は、圧電素子１の電極群１ａに駆動電圧Ａ１を供給する。発振部３は、所定の周波数と電圧振幅を有する交流波形信号を生成する。以下、発振部３からは、所定の周波数と電圧振幅を有する正弦波信号が出力されるものとして説明する。

増幅部４は、アンプ４ａとトランス４ｂを有し、発振部３から出力される正弦波信号を所定の電圧振幅へ昇圧する。トランス４ｂの出力はケーブル２を介して電極群１ａに接続されている。電圧計測部５は、トランス４ｂの出力電圧、つまり、トランス４ｂが出力する駆動電圧Ａ１の電圧振幅を計測している。ＣＰＵ６は、内臓された不図示のＡ／Ｄ変換器によって電圧計測部５から出力される電圧信号を取り込み、不図示の指令手段からの動作指令と電圧計測部５からの入力に応じて発振部３から出力する正弦波信号の電圧振幅と周波数を設定している。ＣＰＵ６は、ここでは、各種の演算処理を行うプロセッサ（ＣＰＵ）だけでなく、プロセッサが実行するプログラムを格納したＲＯＭ、ＲＯＭから読み出したプログラムを展開するＲＡＭを有するものとする。

図３は、振動型アクチュエータ１２０を駆動する際のＣＰＵ６の動作を示すフローチャートである。図３のフローチャートの各処理は、ＣＰＵ６のプロセッサが自身のＲＯＭに格納されたプログラムを自身のＲＡＭに展開して、振動型駆動装置１００を構成する各部の動作を制御することにより実現される。

ステップＳ１においてＣＰＵ６は、故障検査ルーチンを実行する。故障検査ルーチンの詳細については後述する。ステップＳ２においてＣＰＵ６は、ステップＳ１での故障検査ルーチンの結果に基づいて、トランス４ｂ、ケーブル２及び振動型アクチュエータ１２０（振動体）に故障が発生しているか否かを判定する。ＣＰＵ６は、故障が発生していると判定した場合（Ｓ２でＹＥＳ）、処理をステップＳ３へ進め、故障が発生していないと判定した場合（Ｓ２でＮＯ）、処理をステップＳ４へ進める。ステップＳ３においてＣＰＵ６は、エラー情報を外部へ出力する。エラー情報の出力は、例えば、駆動回路１１０に設けられた不図示の表示部へのエラー情報の表示や音声等による警報（ユーザへの通知）によって行うことができ、後述するステップＳ１１でのエラー情報の出力もこれと同様に行うことができる。ステップＳ３の終了により、本処理は終了となる。

ステップＳ４においてＣＰＵ６は、発振部３に対して、正弦波信号の周波数Ｆｒｅｑに所定の周波数Ｆｓを設定すると共に、正弦波信号の電圧振幅Ｖｏに電圧振幅Ｖ０を設定する。これにより、発振部３から出力される正弦波信号は増幅部４で増幅されて圧電素子１の電極群１ａに印加される。ステップＳ５においてＣＰＵ６は、電極群１ａに印加された印加電圧振幅Ｖｄを電圧計測部５により所定時間ごとに計測する。ステップＳ６においてＣＰＵ６は、印加電圧振幅Ｖｄが最大電圧Ｖｍａｘより大きいか否かを判定する。ＣＰＵ６は、Ｖｄ＞Ｖｍａｘであると判定した場合（Ｓ６でＹＥＳ）、処理をステップＳ７へ進め、Ｖｄ≦Ｖｍａｘであると判定した場合（Ｓ６でＮＯ）、処理をステップＳ８へ進める。

ステップＳ７においてＣＰＵ６は、電圧振幅Ｖｏから所定の電圧ｄＶを減算し、その後、処理をステップＳ５へ戻す。ステップＳ８においてＣＰＵ６は、印加電圧振幅Ｖｄが所定の電圧振幅Ｖｓｔｄより小さいか否かを判定する。ＣＰＵ６は、Ｖｄ＜Ｖｓｔｄであると判定した場合（Ｓ８でＹＥＳ）、処理をステップＳ９へ進め、Ｖｄ≧Ｖｓｔｄであると判定した場合（Ｓ８でＮＯ）、処理をステップＳ１２へ進める。ステップＳ９においてＣＰＵ６は、正弦波信号の電圧振幅Ｖｏが予め定められた最大電圧Ｖｏｍａｘより小さいか否かを判定する。ＣＰＵ６は、Ｖｏ＜Ｖｏｍａｘであると判定した場合（Ｓ９でＹＥＳ）、処理をステップＳ１０へ進め、Ｖｏ≧Ｖｏｍａｘであると判定した場合（Ｓ９でＮＯ）、処理をステップＳ１１へ進める。

ステップＳ１０においてＣＰＵ６は、電圧振幅Ｖｏに所定の電圧ｄＶを加算し、その後、処理をステップＳ５へ戻す。ステップＳ６〜Ｓ１０の処理では、印加電圧振幅Ｖｄが所定の電圧振幅Ｖｓｔｄに到達したかを評価し、正弦波信号の電圧振幅Ｖｏを電圧ｄＶずつ増減する動作を繰り返すことで、印加電圧振幅Ｖｄを所定の電圧振幅Ｖｓｔｄに近付け、その状態を維持している。また、ステップＳ６〜Ｓ１０の処理では、印加電圧振幅Ｖｄができる限り最大電圧Ｖｍａｘを超えないように正弦波信号の電圧振幅Ｖｏの制御が行われている。ステップＳ１１においてＣＰＵ６は、振動型駆動装置１００に故障が発生したと判定し、ステップＳ３と同様にエラー情報を出力し、続いて処理をステップＳ１３へ進める。つまり、所定の電圧振幅Ｖｓｔｄは、振動型アクチュエータ１２０の駆動を正常に行うことができない何らかの故障が発生したと判定するための閾値である。

ステップＳ１２においてＣＰＵ６は、不図示の指令手段からの停止指令が入力されたか否かを判定する。ＣＰＵ６は、停止指令が入力されたと判定した場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、処理をステップＳ１３へ進め、停止指令は入力されていないと判定した場合（Ｓ１２でＮＯ）、処理をステップＳ５へ戻す。ステップＳ１３においてＣＰＵ６は、正弦波信号の電圧振幅Ｖｏを（ゼロ）に設定する。これにより、振動型アクチュエータ１２０の駆動は停止され、本処理は終了となる。

図４は、ステップＳ１の故障検知ルーチンのフローチャートである。例えば、トランス４ｂとケーブル２とがコネクタで接続されている場合とケーブル２と圧電素子１とがコネクタで接続されている場合には、各コネクタにおける接触不良によって抵抗が増加し、ケーブル２に断線が生じることで抵抗が増加する。そこで、故障検知ルーチンでは、ケーブル２を含むトランス４ｂから圧電素子１の電極群１ａまでの部分に断線や接触不良による抵抗増加を検知することで、トランス４ｂ、ケーブル２及び振動型アクチュエータ１２０の故障をとして、最初に、ステップＳ３１においてＣＰＵ６は、発振部３に対して、正弦波信号の周波数Ｆｒｅｑに故障検出のための所定の周波数Ｆｄｅｔを設定すると共に、正弦波信号の電圧振幅Ｖｏに電圧振幅Ｖ０を設定する。これにより、発振部３から出力される正弦波信号は増幅部４で増幅されて圧電素子１の電極群１ａに印加される。なお、周波数Ｆｄｅｔの決定方法については後述する。

故障検出のための電圧振幅Ｖｏの制御方法は、ステップＳ５〜Ｓ１３とほぼ同等である。すなわち、ステップＳ３２においてＣＰＵ６は、電極群１ａに対する印加電圧振幅Ｖｄを電圧計測部５により所定時間ごとに計測する。ステップＳ３３においてＣＰＵ６は、印加電圧振幅Ｖｄが最大電圧Ｖｍａｘより大きいか否かを判定する。ＣＰＵ６は、Ｖｄ＞Ｖｍａｘであると判定した場合（Ｓ３３でＹＥＳ）、処理をステップＳ３４へ進め、Ｖｄ≦Ｖｍａｘであると判定した場合（Ｓ３３でＮＯ）、処理をステップＳ３５へ進める。

ステップＳ３４においてＣＰＵ６は、電圧振幅Ｖｏから所定の電圧ｄＶを減算し、その後、処理をステップＳ３２へ戻す。ステップＳ３５においてＣＰＵ６は、印加電圧振幅Ｖｄが所定の電圧振幅Ｖｄｅｔより小さいか否かを判定する。ＣＰＵ６は、Ｖｄ＜Ｖｄｅｔであると判定した場合（Ｓ３５でＹＥＳ）、処理をステップＳ３６へ進め、Ｖｄ≧Ｖｄｅｔであると判定した場合（Ｓ３５でＮＯ）、処理をステップＳ３８へ進める。ステップＳ３６においてＣＰＵ６は、正弦波信号の電圧振幅Ｖｏが予め定められた最大電圧Ｖｏｍａｘより小さいか否かを判定する。ＣＰＵ６は、Ｖｏ＜Ｖｏｍａｘであると判定した場合（Ｓ３６でＹＥＳ）、処理をステップＳ３７へ進め、Ｖｏ≧Ｖｏｍａｘであると判定した場合（Ｓ３６でＮＯ）、処理をステップＳ４０へ進める。

ステップＳ３７においてＣＰＵ６は、電圧振幅Ｖｏに所定の電圧ｄＶを加算し、その後、処理をステップＳ３２へ戻す。ステップＳ３８においてＣＰＵ６は、Ｖｏが所定の範囲内か否かを判定する。ＣＰＵ６は、電圧振幅Ｖｏが所定の範囲内であると判定した場合（Ｓ３８でＹＥＳ）、処理をステップＳ３９へ進め、電圧振幅Ｖｏが所定の範囲内にないと判定した場合（Ｓ３８でＮＯ）、処理をステップＳ４０へ進める。ステップＳ３９においてＣＰＵ６は、ケーブル２を含むトランス４ｂから圧電素子１の電極群１ａまでの部分は正常である（故障は発生していない）と判定する。一方、ステップＳ４０においてＣＰＵ６は、ケーブル２を含むトランス４ｂから圧電素子１の電極群１ａまでの部分に故障が発生していると判定する。

このように本実施形態では、印加電圧振幅Ｖｄが故障検出用の電圧振幅Ｖｄｅｔに達するのを待って、正弦波信号の電圧振幅Ｖｏの大きさに基づいて故障判定を行う。正弦波信号の電圧振幅Ｖｏが予め決定された上限値より大きい場合には、増幅部４のゲインが想定されるゲインより小さくなっており、逆に電圧振幅Ｖｏが予め決定された下限値より小さい場合には、増幅部４のゲインが大きくなったことを示している。よって、正弦波信号の電圧振幅Ｖｏが、所定範囲（下限値以上、上限値以下の範囲）から外れた場合には故障が発生したと判定し、所定範囲内であれば正常であると判定することとしている。

ステップＳ３９，Ｓ４０の終了後、処理はステップＳ４１へ進められ、ステップＳ４１においてＣＰＵ６は、正弦波信号の電圧振幅Ｖｏを（ゼロ）に設定する。これにより、故障検査ルーチンは終了となる。

図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、トランス４ｂへの入力電圧振幅を一定とした場合の周波数とトランス４ｂ（増幅部４）の出力電圧振幅の関係を示すグラフであり、横軸には周波数が取られており、縦軸には出力電圧振幅が取られている。また、図５（ａ）〜（ｃ）において、実線のグラフは、ケーブル２を含む増幅部４から圧電素子１までの部分が正常な状態にあるときの特性を模式的に示しており、よって、実線のグラフは図５（ａ）〜（ｃ）において共通している。図５（ａ）〜（ｃ）において、破線はケーブル２を含む増幅部４から圧電素子１までの部分に故障が発生したときの特性を模式的に示している。

図５（ａ）は、ケーブル２に断線が発生した場合のトランス４ｂの出力電圧振幅の変化を説明するグラフである。図５（ｂ）は、ケーブル２を含むトランス４ｂから圧電素子１の電極群１ａまでの接続に接触不良等による抵抗増加が発生した場合の出力電圧振幅の変化を説明するグラフである。図５（ｃ）は、ケーブル２に断線が発生し、且つ、ケーブル２を含むトランス４ｂから圧電素子１の電極群１ａまでの接続不良とが複合的に発生した場合の出力電圧振幅の変化を説明するグラフである。

振動型アクチュエータ１２０は、周波数Ｆ０から周波数Ｆ１までの第１の周波数帯域で駆動され、振動型アクチュエータ１２０の弾性体７（振動体）に上述した進行波を励起させるための振動モードの共振周波数は、第１の周波数帯域に含まれる。通常、第１の周波数帯域は、振動型アクチュエータ１２０の駆動に必要な振動モードの共振周波数のみを含むように設定され、本実形態でも、上述した進行波を発生させる振動モード以外の振動モードを含まない範囲に設定されている。周波数Ｆ１より高周波側の周波数帯域は、振動型アクチュエータ１２０の駆動に用いない周波数帯域である。そして、この周波数帯域の中に、共振特性によるピーク特性を含み、第１の周波数帯域の電圧振幅Ｖ１より電圧振幅が大きくなる周波数Ｆ２から周波数Ｆ３までの第２の周波数帯域がある。第２の周波数帯域に現れる共振特性は、トランス４ｂの２次側漏れインダクタンスに起因しており、主に２次側漏れインダクタンスと圧電素子１の等価容量との共振によって生じている。２次側漏れインダクタンスは、等価的にはトランス４ｂの２次側と圧電素子１の電極群１ａの間に直列に挿入され、電極群１ａの等価容量と直列共振系を構成している。本実施形態では、第２の周波数帯域のピーク特性の変化を検出することにより、ケーブル２を含むトランス４ｂから圧電素子１の電極群１ａまでの接続部の故障を検出している。具体的には、第２の周波数帯域の範囲内の１つ以上の周波数で発振部３から出力される正弦波信号と増幅部４から出力される駆動電圧Ａ１の間のゲイン（トランス４ｂの入出力間のゲイン）を計測する。そして、計測されたゲインの値が所定範囲から外れる場合に故障が発生したと判定している。

ケーブル２が断線した場合のトランス４ｂの出力電圧振幅の変化について、図５（ａ）を参照して説明する。ケーブル２が断線すると、圧電素子１の電極群１ａとトランス４ｂとの接続が切断されるため、トランス４ｂの２次側に並列に接続されていた静電容量は電極群１ａの等価容量とケーブル２の電線間容量の合成容量からケーブル２の電線間容量だけに減少する。こうして静電容量が減った分だけ、図５（ａ）中の破線で示されるように、ケーブル２が正常な状態で第２の周波数帯域に現れるはずの共振ピーク（以下単に「共振ピーク」という）の周波数が高周波側にシフトする。図５（ａ）に示す共振ピークの高周波側へのシフトは、ケーブル２の断線が原因である場合に限定されない。例えば、共振ピークの同様のシフトは、圧電素子１の電極群１ａの一部の電極が破損して電極面積が小さくなった場合や、電極群１ａに接着される給電用の不図示のフレキシブルケーブルの一部が断線した場合にも同様に現れる。

トランス４ｂの２次側にコンデンサを予め並列に接続することで、共振ピークのシフト量を調整することができる。これにより、ケーブル２がトランス４ｂに近いところで断線した場合でも、トランスの２次側の共振特性を保つことができるため、共振ピークが高周波側にシフトする。なお、トランス４ｂの２次側にコンデンサを並列に接続することは、トランス４ｂの２次側のインダクタンスと圧電素子１の静電容量及びケーブル２の電線間容量の周波数マッチングを得るために一般的に行われている。これは、異なる振動型アクチュエータを駆動する際やケーブル長が異なる場合の回路効率を改善することができるからである。一方で、トランス４ｂの２次側にコンデンサを予め並列に接続しなかった場合には、ケーブル２の断線箇所によってはトランス４ｂの２次側の共振現象が殆ど観測されない場合がある。この場合には、共振ピークが第２の周波数帯域に現れないため、共振ピークは非常に高い周波数にシフトしたと判定することで故障を検知することができる。

ケーブル２を含むトランス４ｂから圧電素子１の電極群１ａまでの接続に接触不良等による抵抗増加が発生した場合の出力電圧振幅の変化について、図５（ｂ）を参照して説明する。ケーブル２の折り曲げや不図示のコネクタの挿抜を繰り返すと、ケーブル２を構成する銅線が徐々に切断され、切れずに残っている電線が少なくなることで電気抵抗が大きくなる。また、コネクタの挿抜を繰り返すと、コネクタの接触面に傷が付いたり不純物が挟まったりすることで、接続部での電気抵抗が大きくなる。

コネクタには、トランス４ｂとケーブル２との接続部に設けられるものと、ケーブル２と振動型アクチュエータ１２０との接続部に設けられるものとがある。トランス４ｂと接続される圧電素子１の電極群１ａやケーブル２の静電容量の変化が小さくても、共振ピークの高さが図５（ｂ）に示す破線のように低くなってゆく。ケーブル２とその接続部での電気抵抗が大きくなると、電気抵抗が大きくなった部分で発熱が生じて更に劣化が進むため、ケーブル２とその接続部での電気抵抗の増大を早期に検知することは、安全性の向上に寄与する。

図５（ａ），（ｂ）について、共振周波数の変化と減衰特性の変化とを分けて説明したが、実際には共振周波数の変化と連動して減衰特性も変化する。例えば、ケーブル２が断線すると、断線後に共振系を構成する静電容量が小さくなると共に減衰特性が相対的に大きくなることで、ゲインのピークが低くなる場合もある。この場合、１つの周波数のゲインだけを計測しても、共振周波数のシフトを検出することはできない。図５（ｃ）の破線はこのような例を示しており、共振ピークが高周波側にシフトすると共に、共振ピークの高さが低くなっている。このような共振ピークの周波数の変化と減衰特性の変化とを分離して推定するためには、少なくとも第２の周波数帯域における２つ以上の周波数で増幅部４の特性を計測する必要がある。

図４を参照して説明した故障検出ルーチンでは、１つの周波数で増幅部４から出力される駆動電圧Ａ１と発振部３から出力される正弦波信号の振幅比（ゲイン）が変化したことを検出することで故障を検出している。この場合、共振ピークの周波数がシフトしたのか或いは減衰特性の変化で共振ピークの高さが変化したのかを区別することができない。しかし、共振ピークの周波数よりも低い周波数Ｆｄｅｔでゲインを計測することにより、ケーブル２が断線した場合と減衰が増えて共振ピークが低くなった場合の両方を同じ方向の変化として検出することができるため、故障検出は可能である。また、共振ピークの周波数の変化と共振ピークの高さの変化を独立して検出するためには、図５（ｃ）についての説明で述べたように、複数の周波数でゲインを計測する必要がある。例えば、周波数Ｆｄｅｔから高周波側に周波数を連続的又は離散的に掃引しながら、電圧計測部５で印加電圧振幅Ｖｄを計測する。そして、ピーク周波数を探索しながら、共振ピーク又は共振ピークより高い所定の周波数までの電圧振幅特性から、共振特性のＱ値や共振周波数を推定することができる。周波数の設定は、低周波側から高周波側への掃引に限らず、高周波側から低周波側への掃引を用いて行ってもよく、第２の周波数帯域の範囲内でランダムに抽出する方法を用いてもよい。

図５を参照して故障検出の原理について説明したが、実際にはトランス４ｂからの出力電圧振幅に振動型アクチュエータ１２０の機械的共振特性に起因する特性が重畳されるため、その特性に影響されずに共振ピークやＱ値を検出する対策を講じる必要がある。以下、この対策について説明する。図６は、振動型アクチュエータ１２０の機械的共振特性の影響を考慮してトランス４ｂの入力電圧振幅を一定とした場合の周波数とトランス４ｂの出力電圧振幅の関係を示すグラフである。図６中、実線はケーブル２を含む増幅部４から圧電素子１までの部分が正常な状態にあるときの特性を示しており、破線はケーブル２を含む増幅部４から圧電素子１までの部分に故障が発生したときの特性を示している。

周波数Ｆｒ５，Ｆｒ６，Ｆｒ７，Ｆｒ８，Ｆｒ９はそれぞれ、振動型アクチュエータ１２０の弾性体７（振動体）に形成される曲げ振動の波数に応じた機械的共振周波数であり、数字は波数に対応している。周波数Ｆｒ６は、周波数Ｆ０〜Ｆ１の範囲のほぼ下限にあり、第１の周波数帯域に含まれている。振動型アクチュエータ１２０の駆動時には、圧電素子１の電極群１ａに印加される駆動電圧の周波数Ｆｓは周波数Ｆｒ６に近く、且つ、周波数Ｆｒ６より高い周波数に設定される。周波数Ｆｓの駆動電圧が電極群１ａに印加されると、弾性体７（振動体）に波数が６つの曲げ振動が励起される。図６に示す実線及び破線の各グラフには、第１の周波数帯域の範囲内の周波数Ｆｒ６近傍において振動型アクチュエータ１２０の機械的共振の影響による小さなピークが現れている。周波数Ｆ２〜Ｆ３の範囲は第２の周波数帯域であり、第２の周波数帯域には波数が８つの機械的共振周波数である周波数Ｆｒ８が含まれている。そのため、第２の周波数帯域に現れる共振ピークは、図５では１つの滑らかな山となっているが、図６では周波数Ｆｒ８の近傍に振動型アクチュエータ１２０の機械的共振の影響による小さなピークが現れている。

このように振動型アクチュエータ１２０の機械的共振がトランス４ｂからの出力電圧振幅に影響を与える場合、共振ピークの周波数ＦｐやＱ値の推定誤差が大きくなるため、機械的共振特性の近傍を避けてこれらを推定する必要がある。振動型アクチュエータ１２０において弾性体７が破損する等の大きな故障が発生しない限りは、図６に示されるように、機械的共振周波数は殆ど変化しない。したがって、予め周波数Ｆｒ８を中心として振動型アクチュエータ１２０の機械的共振の影響が及ぶ周波数範囲を求めておき、周波数Ｆｒ８近傍の周波数を避けて、トランス４ｂからの出力電圧振幅を計測する。これにより、振動型アクチュエータ１２０の機械的共振の影響を避けて、共振ピークの周波数ＦｐやＱ値を推定することができる。

なお、図６には、振動型アクチュエータ１２０の機械的共振に起因する小さなピークを、曲げ振動の波数が５つから９つまでの範囲で示した。しかし、図２（ａ）に示したような円環の周方向に等間隔で形成された２４個の電極が４群の電極群１ａ〜１ｄに分けられた圧電素子１を駆動した場合、６の整数倍以外の波数の機械的振動は励起されることは殆どない。その結果、図６中の周波数Ｆｒ６以外の共振周波数では、振動型アクチュエータ１２０の機械的共振に起因する小さなピークは理想的には殆ど発生しない。しかし、圧電素子１の各電極の分極のばらつき等の影響で、周波数Ｆｒ６以外の共振周波数の小さなピークが発生することもある。そのため、各波数の共振周波数近傍の周波数を避けて印加電圧振幅を計測することは、故障判定の信頼性を高める観点から重要となる。そこで次に、共振ピークの周波数とＱ値を求める方法について説明する。

上述した図４のフローチャートにしたがう処理では、共振ピークの周波数やＱ値の変化は、増幅部４の入力に対する出力のゲインの特性から検出することができる。これに対して、ここでは、増幅部４の出力電圧振幅と周波数の関係から共振ピークの周波数とＱ値を求める。図７は、電圧計測部５で計測した印加電圧振幅の周波数−電圧振幅特性から共振ピークの周波数とＱ値を求める処理のフローチャートである。ステップＳ５１においてＣＰＵ６は、初期値の設定を行う。具体的には、変数Ｆを設け、変数Ｆに初期値の１を設定する。なお、本実施形態では、変数Ｆは１からＦｅｎｄまでの自然数の値を取るものとする。また、正弦波信号の電圧振幅Ｖｏに電圧振幅Ｖｄｅｔを、正弦波信号の周波数Ｆｒｅｑに初期値の周波数Ｆｄｅｔ［Ｆ］（＝Ｆｄｅｔ［１］）を、最大電圧Ｖｍａｘに０（ゼロ）をそれぞれ設定する。また、弾性体７（振動体）に形成される曲げ振動の波数Ｆｒに初期値としてのＦ（＝１）を設定する。

ステップＳ５２においてＣＰＵ６は、印加電圧振幅Ｖｄを電圧計測部５により計測する。ステップＳ５３においてＣＰＵ６は、印加電圧振幅Ｖｄが最大電圧Ｖｍａｘより大きいか否かを判定する。ＣＰＵ６は、Ｖｄ＞Ｖｍａｘであると判定した場合（Ｓ５３でＹＥＳ）、処理をステップＳ５４へ進め、Ｖｄ≦Ｖｍａｘであると判定した場合（Ｓ５３でＮＯ）、処理をステップＳ５５へ進める。ステップＳ５４においてＣＰＵ６は、最大電圧Ｖｍａｘに印加電圧振幅Ｖｄを設定すると共に波数Ｆｒに変数Ｆを設定し、その後、処理をステップＳ５５へ進める。ステップＳ５５においてＣＰＵ６は、電圧配列Ｖ［Ｆ］に印加電圧振幅Ｖｄを設定すると共に、変数Ｆに１を加算して更新する（１だけインクリメントする）。

続くステップＳ５６においてＣＰＵ６は、周波数Ｆｒｅｑに周波数Ｆｄｅｔ［Ｆ］を設定する。ここで、周波数Ｆｄｅｔ［Ｆ］は、例えば、第２の周波数帯域の範囲内で予め設定されている弾性体７の機械的共振周波数の近傍を避けた周波数テーブルに格納されており、ステップＳ５５での変数Ｆのインクリメントに応じて、周波数テーブルから引き出される。その後、ステップＳ５７においてＣＰＵ６は、変数ＦがＦｅｎｄより大きいか否かを判定する。ＣＰＵ６は、変数ＦがＦｅｎｄより大きいと判定した場合（Ｓ５７でＹＥＳ）、処理をステップＳ５８へ進め、変数ＦがＦｅｎｄより大きくないと判定した場合（Ｓ５７でＮＯ）、処理をステップＳ５２へ戻す。このように、ステップＳ５２〜Ｓ５７では、正弦波信号の周波数Ｆｒｅｑの周波数を変えながら印加電圧振幅Ｖｄを計測して電圧配列Ｖに順次入力し、これと並行して、印加電圧振幅Ｖｄが最大となる周波数とその際のピーク値を求めている。

ステップＳ５８においてＣＰＵ６は、Ｑ値を算出し、これにより本処理は終了となる。Ｑ値の算出は、例えば、Ｑ＝Ｆｐ／（Ｆｈ−Ｆｌ）、により算出することができる。ここで、周波数Ｆｌ，Ｆｈは、得られた電圧配列Ｖ［Ｆ］の中の最大電圧値の１／２^１／２となる周波数であり、Ｆｈ＞Ｆｌの関係があるものとする。共振ピークの周波数Ｆｐは、得られた電圧配列Ｖ［Ｆ］の中の最大電圧値に対応する周波数である。つまり、共振ピークの周波数Ｆｐを挟んで上下にある２つの周波数Ｆｈ，ＦｌからＱ値を算出している。

なお、図２（ａ）に示した圧電素子１の電極構造は一例であり、他の電極パターンの場合には、図６に示したように振動型アクチュエータ１２０の機械的共振特性が表れやすい場合もある。例えば、圧電素子１に設けられた２４個の電極のうち隣接する４つの電極にのみそれぞれ駆動電圧Ａ１，Ｂ１Ａ２，Ｂ２を印加し、他の電極には駆動電圧を印加しなくとも、ロータ９の回転駆動は可能である。しかし、その場合には、図６に示したように、振動型アクチュエータの機械的共振特性の影響により、すべての波数の小さなピークが現れる。また、本実施形態では円環状の弾性体７と圧電素子１からなる振動体を用いてロータ９を回転させる振動型アクチュエータ１２０を取り上げているが、本発明の適用対象となる振動型アクチュエータの構成はこの限りではない。例えば、振動体と被駆動体とが直線的に相対移動するリニア駆動するものや、曲げ振動以外のねじり振動、伸縮振動或いは滑り振動等を利用するものであってもよい。図６に示した振動型アクチュエータの機械的共振特性の影響は、すべての振動型アクチュエータに共通して現れる特性である。よって、図７を参照して説明した共振ピークの周波数とＱ値を求める方法は、他の構造の振動型アクチュエータを備える振動型駆動装置についても同様に適用することができる。

次に、増幅部４の変形例について説明する。図８は、振動型駆動装置１００の変形例の一例である振動型駆動装置１００Ａの概略構成を示すブロック図である。振動型駆動装置１００Ａの構成のうち、図１（ａ）に示した振動型駆動装置１００の構成と同じ部分については同じ符号を付して、説明を省略する。振動型駆動装置１００Ａは増幅部１１を有し、増幅部１１はアンプ１１ａとトランス１１ｂを有する。アンプ１１ａは、増幅部４のアンプ４ａと同じである。増幅部４のトランス４ｂでは２次側の巻線は１であるが、増幅部１１のトランス１１ｂでは、２次側の巻線は２つである。また、トランス１１ｂは、センタータップを有する。トランス１１ｂの２次側（出力側）には、トランス４ｂの漏れインダクタンスに相当するインダクタ素子１１ｃ，１１ｄが接続されている。

圧電素子１の電極群１ａ，１ｃがそれぞれがインダクタ素子１１ｃ，１１ｄとケーブル２を介して接続されており、駆動電圧Ａ１が圧電素子１の電極群１ａに、駆動電圧Ａ２が電極群１ｃに印加されている。また、トランス１１ｂの２次側のセンタータップと圧電素子１の共通電極とはケーブル１２で接続されている。このような構成では、ケーブル２の一方の電線が断線すると、トランス１１ｂの２次側巻線は互いに磁気結合しているので、切れていない他方の電線にかかる電圧が変化する。また、ケーブル２の２つの電線のどちらが断線しても、共振ピークの周波数はどちらの電線にかかる駆動電圧についても同様に変化する。したがって、電圧計測部５でトランス１１ｂの２つの出力電圧のうち一方の電圧のみ計測する構成であっても、断線の検出は可能である。

なお、振動型駆動装置１００Ａの構成ではケーブル１２の断線を検出することはできない。ケーブル１２が断線したために即座に振動型アクチュエータ１２０が停止するということはないが、長期的にみれば、性能劣化につながる可能性がある。ケーブル１２の断線を検出する方法としては、トランス１１ｂのセンタータップに流れる電流を計測する等の他の検出方法を組み合わせればよい。

次に、本発明の第２実施形態に係る振動型駆動装置について説明する。図９（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る振動型駆動装置１００Ｂの概略構成を示すブロック図である。振動型駆動装置１００Ｂは、振動型アクチュエータ１２０と、振動型アクチュエータ１２０の駆動と制御を司る駆動回路１１０ｂを備える。駆動回路１１０ｂは、ケーブル２、パルス生成部１３、増幅部１４、電圧計測部５及びＣＰＵ６を有する。振動型駆動装置１００Ｂの構成のうち、図１（ａ）に示した振動型駆動装置１００の構成と同じ部分については同じ符号を付して、説明を省略する。

振動型駆動装置１００Ｂは、第１実施形態に係る振動型駆動装置１００の発振部３と増幅部４をそれぞれ、パルス生成部１３とコイル及びハーフブリッジによる増幅部１４に変更したものである。パルス生成部１３は、ＣＰＵ６からのパルス幅と周波数の指令にしたがって後段のハーフブリッジを成すＭＯＳＦＥＴ１４ａ，１４ｂのゲートに印加されるパルス信号を生成する。増幅部１４は、ＭＯＳＦＥＴ１４ａ，１４ｂ及びインダクタ素子１４ｃによって構成されており、インダクタ素子１４ｃはＭＯＳＦＥＴ１４ａ，１４ｂで構成されたハーフブリッジの出力に接続されている。増幅部１４は、圧電素子１の電極群１ａとケーブル２で接続されている。増幅部１４は、インダクタ素子１４ｃと電極群１ａ及びケーブル２の等価静電容量との間の共振特性とローパスフィルタ特性によって電圧振幅を増幅すると共に、駆動電圧Ａ１を滑らかな波形として電極群１ａに印加している。

図９（ｂ）は、振動型アクチュエータ１２０の機械的共振特性の影響を考慮して描いたインダクタ素子１４ｃの入力電圧の周波数とインダクタ素子１４ｃの出力電圧振幅（ゲイン）との関係を示すグラフである。図９（ｂ）中、実線はケーブル２を含む増幅部１４から圧電素子１までの部分が正常な状態にあるときの特性を示しており、破線はケーブル２を含む増幅部１４から圧電素子１までの部分に故障が発生したときの特性を示している。

波数が６つの機械的共振周波数である周波数Ｆｒ６は、周波数Ｆ０からＦ１までの第１の周波数帯域の範囲内に含まれており、周波数Ｆｒ６の近傍には振動型アクチュエータ１２０の機械的共振の影響による小さなピークが現れている。振動型アクチュエータ１２０の駆動方法は、第１実施形態と同じであり、圧電素子１の電極群１ａに印加される駆動電圧の周波数Ｆｓは周波数Ｆｒ６に近く、且つ、周波数Ｆｒ６より高い周波数に設定される。周波数Ｆｓの駆動電圧が電極群１ａに印加されると、弾性体７（振動体）に波数が６つの曲げ振動が励起される。ここで、周波数Ｆ２から周波数Ｆ３までの第２の周波数帯域には、弾性体７に励起される波数が７つの曲げ振動の機械的共振周波数である周波数Ｆｒ７が含まれている。そして、共振ピークの山の周波数Ｆｒ７の近傍に、振動型アクチュエータ１２０の機械的共振の影響による小さなピークが現れている。

図９（ｂ）のグラフを図６のグラフと比較すると、第２の周波数帯域が第１の周波数帯域に近いが、ケーブル２の断線による共振ピークの移動や減衰の増加に起因するＱ値の低下は第１実施形態と同様に発生している。よって、共振ピークの周波数ＦｐやＱ値の求め方は、第１実施形態と同様に行うことができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る振動型駆動装置について説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係る振動型駆動装置１００Ｃの概略構成を示すブロック図である。振動型駆動装置１００Ｃは、振動型アクチュエータ１２０と、振動型アクチュエータ１２０の駆動と制御を司る駆動回路１１０ｃを備える。駆動回路１１０ｃは、ケーブル２ａ，２ｂ、発振部３ａ，３ｂ、ＣＰＵ６、増幅部１５，１６，電圧計測部１７，１８、抵抗素子１９、差動増幅器２０及び故障検知部２１を有する。増幅部１５は、アンプ１５ａとトランス１５ｂを有する。増幅部１６は、アンプ１６ａとトランス１６ｂを有する。電圧計測部１７，１８は第１実施形態で説明した駆動回路１１０が有する電圧計測部５と同じであり、アンプ１５ａ，１６ａは駆動回路１１０が有する増幅部４のアンプ４ａと同じである。振動型駆動装置１００Ｃの構成のうち、図１（ａ）に示した振動型駆動装置１００の構成と同じ部分については同じ符号を付して、説明を省略する。

振動型アクチュエータ１２０の圧電素子１の電極群１ａ〜１ｄは、回路図上では、１点で結合された裏面の共通電極を中心として４つ電極群１ａ〜１ｄが放射状に接続された態様で示すことができる。電極群１ａ，１ｃはケーブル２ａと接続され、電極群１ｂ，１ｄはケーブル２ｂと接続され、第２実施形態と同様に共通電極にはケーブル１２が接続されている。ケーブル２ａ，２ｂはそれぞれ、ツイストペア電線となっており、ペアとなる電線には互いに同じ大きさの逆位相の電流が流れ、互いの磁気放射をキャンセルする構成となっている。

ケーブル２ａ，２ｂ及びケーブル１２は、増幅部１５，１６の２次側にセンタータップを持つトランス１５ｂ，１６ｂの２次側に接続されている。トランス１５ｂ，１６ｂから出力される駆動電圧Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２は、図２（ｂ）を参照して説明したように、振動型アクチュエータ１２０の通常駆動時には、同じ電圧振幅で、９０度ずつ位相がずれた正弦波である。駆動電圧Ａ１，Ａ２は電圧計測部１７により独立して計測されると共に駆動電圧Ｂ１，Ｂ２は電圧計測部１８により独立して計測されて、それぞれ不図示のＡ／Ｄ変換器を介してＣＰＵ６に入力されている。ＣＰＵ６は、発振部３に対して電圧振幅、周波数及び位相差を設定しており、位相差については駆動電圧Ａ１，Ａ２と駆動電圧Ｂ１，Ｂ２との間の位相差を設定している。発振部３ａ，３ｂが出力する正弦波信号はそれぞれ増幅部１５，１６のアンプ１５ａ，１６ａに入力されて増幅され、トランス１５ｂ，１６ｂの１次側に入力されている。

抵抗素子１９は、ケーブル１２に流れる電流を計測するために設けられており、差動増幅器２０で抵抗素子１９の両端の電位差を計測している。抵抗素子１９は安価で小さく使い勝手がよいが、ケーブル１２に流れる電流の計測手法はこれに限定されるものではなく、例えば、公知のカレントトランスを使う方法であってもよい。故障検知部２１は、差動増幅器２０の出力電圧が所定の範囲を超えた場合に故障が発生したと判定し、その場合に発振部３ａ，３ｂの出力をオフする。また、故障検知部２１は、故障部位や故障の種類に関する情報をＣＰＵ６に伝達している。なお、ここでの故障の発生とは、ケーブル２ａ，２ｂを含むトランス１５ｂ，１６ｂから圧電素子１までの部分における断線や接触不良等による抵抗増加を指すことは、第１実施形態と同様である。

このように駆動回路１１０ｃでは、トランス１５ｂ，１６ｂのセンタータップに流れる電流を計測しながら、トランス１５ｂ，１６ｂから９０度ずつ位相のずれた４相の駆動電圧Ａ１，Ｂ１，Ａ２，Ｂ２を出力して、振動型アクチュエータ１２０を駆動している。ＣＰＵ６は、電圧計測部１７，１８から入力された４相の駆動電圧の振幅データからトランス１５ｂ，１６ｂの２次側の共振周波数とＱ値の変化を計測する。また、ＣＰＵ６は、共振周波数とＱ値の計測結果と不図示の指令手段からの駆動指令に基づいて、発振部３ａ，３ｂの電圧振幅、周波数及び位相差を設定する。一方、発振部３ａ，３ｂは、ＣＰＵ６からの指令の入力以外に、緊急時に出力をオフするための指令を故障検知部２１から受け付ける。これは、トランス１５ｂ，１６ｂのセンタータップに流れる電流の値から故障の有無を判定し、故障時に強制的に発振部３の出力をオフするためである。故障検知部２１は、電流が所定の範囲を超えたことを判定するだけの単純な機能を有していればよいので、ＣＰＵ６を用いずに安価に故障を判定することができる。

次にトランス１５ｂ，１６ｂの２次側漏れインダクタンスと圧電素子１及びケーブル２ａ，２ｂ等の並列等価静電容量との共振ピークの周波数とＱ値の計測に関する動作について説明する。上述した第１実施形態では、共振ピークの存在する第２の周波数帯域に現れる振動型アクチュエータ１２０の機械的共振特性について説明した。その中で、理想的には圧電素子１の４つの電極群１ａ〜１ｄを周方向に等間隔に均等に設けることで、圧電素子１に駆動電圧を印加しても波数が６つの整数倍以外の波数の振動は励起されないことを説明した。

しかし、圧電素子１の製造上のばらつき等の影響により、実際には圧電素子１の電極群１ａ〜１ｄごとに分極特性にばらつきが生じる可能性がある。また、弾性体７の固定状態によって振動特性に変化が生じるため、振動体（弾性体７）に予期しない共振周波数の振動が発生する可能性もある。特に、駆動電圧の周波数が振動体の機械的共振周波数に近い場合に、このような可能性は大きくなる。したがって、何の配慮もせずに第２の周波数帯域の範囲内の周波数の駆動電圧を圧電素子１に印加した場合、不要な振動を抑えることができずに振動型アクチュエータ１２０が動き或いは異音を発生する場合がある。一方、機械的共振周波数は振動状態や環境によって変化するため、予め変動の幅を見込んでおく必要がある。そこで、本実施形態では、駆動電圧の周波数を機械的共振周波数から離すと共に、弾性体７に進行波を励起させない位相差及び電圧振幅を設定して圧電素子１に駆動電圧を印加することにより、共振ピークの周波数とＱ値を計測する。

図１１（ａ）は、振動型駆動装置１００Ｃにおいて共振ピークの周波数とＱ値を計測する第１の処理のフローチャートである。ここでは、駆動電圧を２相ずつ圧電素子１に印加して共振ピークの周波数とＱ値を計測する方法を示している。これにより、加振力を減らすと共に、駆動電圧の位相差を０度又は１８０度とすることで、弾性体７に楕円振動を励起させない（ロータ９を回転させない）ようにしている。

ステップＳ７１においてＣＰＵ６は、正弦波信号の電圧振幅Ｖ３ａに電圧振幅Ｖｄｅｔを設定し、正弦波信号の電圧振幅Ｖ３ｂに０（ゼロ）を設定する。ステップＳ７２においてＣＰＵ６は、駆動電圧Ａ１，Ａ２の電圧振幅を計測し、共振周波数とＱ値を算出する。なお、ステップＳ７２の処理は、図７のフローチャートにしたがう。但し、図７のフローチャートは１相の駆動電圧Ａ１についての処理であるのに対して、計測対象が２相の駆動電圧Ａ１，Ａ２となっている。続くステップＳ７３においてＣＰＵ６は、正弦波信号の電圧振幅Ｖ３ａに０（ゼロ）を設定し、正弦波信号の電圧振幅Ｖ３ｂに電圧振幅Ｖｄｅｔを設定する。ステップＳ７４においてＣＰＵ６は、駆動電圧Ｂ１，Ｂ２の電圧振幅を計測し、共振周波数とＱ値を算出する。ステップＳ７４の処理は、ステップＳ７２の処理と同様に行われる。ステップＳ７５においてＣＰＵ６は、正弦波信号の電圧振幅Ｖ３ａ，Ｖ３ｂに０（ゼロ）を設定し、これにより本処理は終了となる。

図１１（ｂ）は、振動型駆動装置１００Ｃにおいて共振ピークの周波数とＱ値を計測する第２の処理のフローチャートである。ここでは、正弦波信号の位相差を０度に設定して駆動電圧を４相同時に圧電素子１に印加して共振ピークの周波数とＱ値を計測する方法を示している。なお、弾性体７に楕円振動を励起させなければよいため、正弦波信号の位相差は１８０度に設定してもよい。ステップＳ９１においてＣＰＵ６は、正弦波信号の電圧振幅Ｖ３ａ，Ｖ３ｂのそれぞれに電圧振幅Ｖｄｅｔを設定すると共に、位相差に０（ゼロ）を設定する。ステップＳ９２においてＣＰＵ６は、駆動電圧Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２の電圧振幅を計測し、共振周波数とＱ値を算出する。なお、ステップＳ９２の処理は、図７のフローチャートにしたがう。但し、ここでは、計測対象が４相の駆動電圧Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２となっている。ステップＳ９２の終了により、本処理は終了となる。

次に、振動型駆動装置１００においてケーブル１２に流れる電流の振る舞いについて故障の種類ごとに説明する。なお、説明の便宜上、故障は一度に１箇所で発生したものと仮定する。また、トランス１５ｂ，１６ｂの２次側の２つの巻線は理想的に対称となっており、圧電素子１の電極群１ａ〜１ｄも理想的な同じ特性であると仮定する。更に、ケーブル２ａ，２ｂの各電線とこれらに接続される不図示のコネクタの各接続ピンの接触抵抗等も同じ特性であると仮定する。

ケーブル１２が正常な場合及び断線した場合において、圧電素子１の電極群１ａと電極群１ｃに流れる電流は同じ大きさで逆相の電流が流れ、電極群１ｂと電極群１ｄにも同じ大きさで逆相の電流が流れる。よって、理想的な状態ではケーブル１２には電流が流れないことになる。但し、これは、電極群１ａ〜１ｄのそれぞれの電極数（総電極面積）が同じ場合である。一方、ケーブル１２が断線しても、ケーブル１２には電流は流れない。よって、このままでは、ケーブル１２が正常な場合と断線した場合のいずれの場合も差動増幅器２０の出力電圧は０Ｖとなり、これらを区別することはできない。

これに対して本実施形態では、図２（ａ）に示したように、電極群１ａ〜１ｃのそれぞれの電極数が６つであるのに対して、電極群１ｄの電極数を他よりも１つ少ない５つとして、電極群１ｄの等価静電容量を他の電極群１ａ〜１ｃより小さい値に設定している。これにより、ケーブル１２が正常な場合には若干の電流がケーブル１２に流れ、差動増幅器２０の出力電圧は０Ｖより若干大きな値となる。よって、ケーブル１２が正常な状態にある場合とケーブル１２が断線した場合（差動増幅器２０の出力電圧が０Ｖとなる場合）とを区別することができるようになる。

続いて、圧電素子１の電極群１ａと接続されたケーブル２ａの一方の電線が断線した場合について説明する。この場合、電極群１ｃに流れていた電流が電極群１ａを介してトランス１５ｂに戻っていたのが、電極群１ａとトランス１５ｂ間の電線が断線することで、その行き場がなくなる。すると、電極群１ｃに流れていた電流はこれまで殆ど流れていなかったケーブル１２に流れるようになる。この電流の変化は電極群１ｄと他の電極群の静電容量との差によって流れる僅かな電流と比較して格段に大きいため、容易に区別することができる。その結果、抵抗素子１９の両端に大きな電位差が発生し、差動増幅器２０の出力電圧が正常な場合の出力電圧より大きな値となる。

次いで、圧電素子１の電極群１ａがショートした場合について説明する。この場合、電極群１ａのインピーダンスが０（ゼロ）になり、ショートした部分にはそれまで流れていた電流よりも大きな電流が流れる。すると、電極群１ｃに流れていた電流よりもショートした部分に流れる電流の方が格段に大きな電流となり、行き場を失った電流がケーブル１２に流れるようになる。その結果、抵抗素子１９の両端にはケーブル２ａの一方の電線が断線した場合よりも更に大きな電位差が発生し、差動増幅器２０の出力電圧もケーブル２ａの一方の電線が断線した場合より大きな値となる。

このように、駆動回路１１０ｃでは、正常時にケーブル１２に流れる電流がほぼ０Ａであることを利用して、ケーブル１２の断線を検出することができる。また、正常時の電流値の範囲より大きな電流がケーブル１２に流れたことを検出してケーブル２ａ，２ｂに断線又はショートが発生したことを検出することができる。このような判定手法は、故障時に供給電力を停止する等のハード的な安全手段の構築に適しており、故障検知部２１は、公知のコンパレータ等によってケーブル１２を流れる電流値の範囲を判定し、発振部３の動作を制御している。

次に、本発明の第４実施形態に係る振動型駆動装置について説明する。上述した第１実施形態では、ケーブル２を含むトランス４ｂから圧電素子１の電極群１ａまでの部分に故障が発生しているか否かを判定した後に、振動型アクチュエータ１２０を起動する（図３のフローチャート）こととした。これに対して、本実施形態では、振動型アクチュエータ１２０の通常の駆動と並行して故障とその前兆を検出する構成について説明する。

図１２は、本発明の第４実施形態に係る振動型駆動装置１００Ｄの概略構成を示すブロック図である。振動型駆動装置１００Ｄは、図８に示した振動型駆動装置１００Ａの駆動回路に通常動作中に故障を検知するための手段を追加したものである。よって、振動型駆動装置１００Ｄにおいて、振動型駆動装置１００Ａと共通する部分については、同じ符号を付して説明を省略する。振動型駆動装置１００Ｄの駆動回路は、ＣＰＵ６から不図示のＤ／Ａ変換器を介して出力される任意の交流信号を発振部３が出力する正弦波信号に重畳して出力する加算部２２を備える。

振動型駆動装置１００Ａでは、電圧計測部５が駆動電圧Ａ１の電圧振幅を計測しているが、振動型駆動装置１００Ｄは、駆動電圧Ａ１を交流信号のまま計測して、不図示のＡ／Ｄ変換器を介してＣＰＵ６に入力する電圧計測部２３を備える。ＣＰＵ６は、Ｄ／Ａ変換器から第２の周波数帯域の範囲内で且つ振動型アクチュエータ１２０の振動体の機械的共振周波数の近傍を含まない領域の任意の交流信号を出力する。任意の交流信号を増幅部１１での増幅した後の波形を不図示のＡ／Ｄ変換部から入力し、増幅部１１の伝達特性の少なくともゲイン特性を求める。そして、ＣＰＵ６は、求めたゲイン特性から共振ピークの周波数の変化やＱ値の変化を求める。なお、任意の交流信号は、複数の周波数の異なる正弦波を合成した信号やＭ系列等の疑似乱数発生器を用いて生成した疑似乱数信号であってもよい。また、任意の交流信号は、フィルタ処理を予め行い、機械的な共振系の共振周波数成分をカットした波形を記憶装置に記憶させておき、ここから波形データを逐次引き出して出力したものであってもよい。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

例えば、上記実施形態では、１つのＣＰＵ６が各部の動作を制御する構成について説明したが、複数のＣＰＵが処理を分担することによって同様の制御が実現される構成であっても構わない。また、ＣＰＵ６の機能は、例えば、各部の処理の全部又は一部を論理回路により実現するＡＳＩＣ等の専用プロセッサと、専用プロセッサにより動作が制御される電気回路によって構成されていてもよい。駆動回路１１０を構成する各部は、ソフトウェア（プログラム）による実装、ハードウェアによる実装及びソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによる実装のいずれの態様であってもよい。本発明は、上述した実施形態の１以上の機能を実現するプログラムをネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

また、例えば、振動型アクチュエータを構成する振動体には、圧電素子に代えて電歪素子を用いてもよい。また、振動体は、弾性体と圧電素子を接合したものに限らず、圧電素子のみで構成されていてもよい。上述した振動型駆動装置１００等の用途は、特に限定されるものではない。例えば、本発明は、多関節ロボットアームの回転駆動手段、デジタルカメラ等の撮像装置のレンズ駆動手段やミラー駆動手段、複写機等の感光ドラム等の駆動手段等、位置決めが必要な部材を備える各種の電子機器に広く用いることができる。

１ 圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）
２ ケーブル
３ 発振部
４ 増幅部
４ｂ トランス
５ 電圧計測部
６ ＣＰＵ
７ 弾性体
１００ 振動型駆動装置
１１０ 駆動回路
１２０ 振動型アクチュエータ

Claims (12)

1. 電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを備え、前記電気−機械エネルギ変換素子に交流の駆動電圧を印加して前記振動体に振動を励起することにより前記被駆動体を摩擦駆動して前記振動体と前記被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータと、
   前記振動型アクチュエータの駆動を制御する駆動手段と、を備える振動型駆動装置であって、
   前記駆動手段は、
   所定の電圧振幅と周波数を有する交流波形信号を生成する生成手段と、
   前記交流波形信号を増幅して前記電気−機械エネルギ変換素子に印加する駆動電圧を出力する増幅手段と、
   前記増幅手段と前記振動型アクチュエータとを接続する接続手段と、
   前記電気−機械エネルギ変換素子に印加される駆動電圧の電圧振幅を計測する計測手段と、
   前記振動型アクチュエータが駆動する第１の周波数帯域よりも高周波側の第２の周波数帯域の範囲内において前記計測手段により計測された電圧振幅に基づいて前記振動体の固有振動モードの共振周波数ではないピークを検出する検出手段と、
   前記検出手段が検出したピークの周波数とＱ値の少なくとも一方の値を推定する推定手段と、
   前記推定手段が推定した値が所定の範囲内にない場合に、前記接続手段、前記増幅手段または前記振動型アクチュエータに故障が発生したと判定する判定手段と、を備えることを特徴とする振動型駆動装置。
2. 電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを備え、前記電気−機械エネルギ変換素子に交流の駆動電圧を印加して前記振動体に振動を励起することにより前記被駆動体を摩擦駆動して前記振動体と前記被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータと、
   前記振動型アクチュエータの駆動を制御する駆動手段と、を備える振動型駆動装置であって、
   前記駆動手段は、
   所定の電圧振幅と周波数を有する交流波形信号を生成する生成手段と、
   前記交流波形信号を増幅して前記電気−機械エネルギ変換素子に印加する駆動電圧を出力する増幅手段と、
   前記増幅手段と前記振動型アクチュエータとを接続する接続手段と、
   前記増幅手段の入出力間のゲインを計測する計測手段と、
   前記振動型アクチュエータの駆動を行う駆動電圧の第１の周波数帯域よりも高周波側の第２の周波数帯域の範囲内で前記計測手段により計測されたゲインから前記振動体の固有振動モードの共振周波数ではないピークを検出する検出手段と、
   前記検出手段が検出したピークの周波数とＱ値の少なくとも一方の値を推定する推定手段と、
   前記推定手段が推定した値が所定の範囲内にない場合に、前記接続手段、前記増幅手段または前記振動型アクチュエータに故障が発生したと判定する判定手段と、を備えることを特徴とする振動型駆動装置。
3. 前記検出手段は、前記増幅手段の出力側の漏れインダクタンスと前記電気−機械エネルギ変換素子の等価容量との共振によって前記第２の周波数帯域に現れるピークを検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型駆動装置。
4. 前記生成手段は、前記第１の周波数帯域の範囲内で前記交流波形信号を生成する際に、前記電気−機械エネルギ変換素子に印加される駆動電圧の電圧振幅が所定の電圧振幅を超えないように、生成する信号の電圧振幅を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
5. 前記判定手段は、前記振動体と前記被駆動体とが相対的に移動ない電圧が前記電気−機械エネルギ変換素子に印加されている状態で前記故障が発生したか否かの判定を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
6. 前記生成手段は、前記故障が発生したと前記判定手段が判定した場合に、前記交流波形信号の電圧振幅をゼロとすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に振動型駆動装置。
7. 前記故障が発生したと前記判定手段が判定した場合に前記故障の発生を外部に出力する警報手段を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
8. 前記第２の周波数帯域の範囲内で前記振動体の機械的な共振周波数の近傍を含まない周波数の任意の交流信号を前記交流波形信号に重畳する加算手段を備え、
   前記生成手段は、前記交流波形信号を前記第１の周波数帯域の範囲内で生成し、
   前記交流波形信号と前記任意の交流信号を前記増幅手段で増幅させて前記電気−機械エネルギ変換素子に印加することにより、前記判定手段による故障の判定を前記振動型アクチュエータの駆動と並行して行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
9. 前記加算手段は、疑似乱数信号であることを特徴とする請求項８に記載の振動型駆動装置。
10. 電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを備え、前記電気−機械エネルギ変換素子に交流の駆動電圧を印加して前記振動体に振動を励起することにより前記被駆動体を摩擦駆動して前記振動体と前記被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータの制御方法であって、
    前記振動型アクチュエータを起動する前に故障を検知する故障検知ステップを有し、
    前記故障検知ステップは、
    前記振動型アクチュエータが駆動する第１の周波数帯域よりも高周波側の第２の周波数帯域の範囲内の周波数と所定の振幅を有する交流波形信号を生成する生成ステップと、
    前記交流波形信号を増幅手段によって所定の振幅に増幅させた駆動電圧を前記電気−機械エネルギ変換素子に印加する印加ステップと、
    前記電気−機械エネルギ変換素子に印加される駆動電圧の電圧振幅または前記増幅手段の入出力間のゲインを計測する計測ステップと、
    前記計測ステップで計測された電圧振幅またはゲインに基づいて前記振動体の固有振動モードの共振周波数ではないピークを検出し、検出したピークの周波数とＱ値の少なくとも一方の値を推定する推定ステップと、
    前記推定ステップで推定した値が所定の範囲内にない場合に、前記増幅手段、前記振動型アクチュエータ、前記増幅手段と前記電気−機械エネルギ変換素子を接続する接続手段のいずれかに故障が発生したと判定する判定ステップと、を有することを特徴とする振動型アクチュエータの制御方法。
11. 電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを備え、前記電気−機械エネルギ変換素子に交流の駆動電圧を印加して前記振動体に振動を励起することにより前記被駆動体を摩擦駆動して前記振動体と前記被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータの制御方法であって、
    前記振動型アクチュエータが駆動する第１の周波数帯域の範囲内の周波数と所定の振幅を有する交流波形信号を生成し、前記第１の周波数帯域よりも高周波側の第２の周波数帯域の範囲内で前記振動体の機械的共振周波数の近傍を含まない周波数の任意の交流信号を生成し、前記任意の交流信号を前記交流波形信号に重畳させる重畳ステップと、
    前記重畳ステップで生成した信号を増幅手段によって増幅させて前記電気−機械エネルギ変換素子に印加することにより前記振動型アクチュエータを駆動する駆動ステップと、
    前記任意の交流信号が前記増幅手段によって増幅されることにより前記電気−機械エネルギ変換素子に印加される電圧の電圧振幅と前記任意の交流信号の電圧振幅とから前記任意の交流信号のゲイン特性を計測する計測ステップと、
    前記計測ステップで計測されたゲイン特性に基づいて前記振動体の固有振動モードの共振周波数ではないピークを検出し、検出したピークの周波数とＱ値の少なくとも一方の値を推定する推定ステップと、
    前記推定ステップで推定した値が所定の範囲内にない場合に、前記増幅手段、前記振動型アクチュエータ、前記増幅手段と前記電気−機械エネルギ変換素子を接続する接続手段のいずれかに故障が発生したと判定する判定ステップと、を有することを特徴とする振動型アクチュエータの制御方法。
12. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動型駆動装置と、
    前記振動型駆動装置が備える前記振動型アクチュエータにより位置決めされる部材と、を備えることを特徴とする電子機器。

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