JP2020078157A

JP2020078157A - 圧電慣性回転機構およびそれに用いる駆動部

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Publication number: JP2020078157A
Application number: JP2018209616A
Authority: JP
Inventors: 世傑徐; Seiketsu Jo; 矢野　健; Takeshi Yano; 健矢野; 昭雄矢野; Akio Yano
Original assignee: Mechano Transformer Corp
Current assignee: Mechano Transformer Corp
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-05-21
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: JP7173540B2

Abstract

【課題】圧電慣性回転を簡単な回路構成で実現することができる圧電慣性回転機構を提供する。【解決手段】回転軸を中心として回転可能な回転子４と、所定の圧力で回転子を挟持し、互いの相対移動により、回転子の回転を可能とする一対の接触子１，３と、一対の接触子に相対移動を生じさせる圧電素子２と、圧電素子２に、立ち上がりの傾斜と立下りの傾斜が異なる電圧波形を印加して、傾斜の緩やかなほうにより、一対の接触子によって回転子を回転させ、急峻なほうにより回転子と一対の接触子との間のすべりを生じさせる駆動部１０とを備える。駆動部は、直流電源と、圧電素子に対して電流のチャージおよびディスチャージを行い、チャージ電流およびディスチャージ電流を制限するスイッチング回路とを有し、スイッチング回路は、圧電素子に対するチャージ電流とディスチャージ電流の電流値を異ならせる。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電慣性駆動により回転子を回転させる圧電慣性回転機構およびそれに用いる駆動部に関する。

例えば光学エレメントに関する位置決めシャフトのような回転子を回転させる回転機構として、圧電（ピエゾ）慣性駆動を用いた圧電慣性回転機構が知られている（例えば特許文献１、２）。

圧電慣性回転機構は、回転子に２つの接触子を所定の圧力で接触させ、一方の接触子を圧電素子の固定端に取り付け、他方の接触子を圧電素子の移動端に取り付ける。そして、圧電素子を伸長または縮退させることにより、一方の接触子が他方の接触子に対し相対的に移動し、その際の加速度による発生力が、回転子と２つの接触子との間の静摩擦力以下である場合には、回転子に回転運動を生じ、静摩擦力より大きい場合には、これらの間にすべりが生じる。このような回転機構は、これを利用して回転子を回転させる。

このときの駆動電圧波形が特許文献２に示されている。回転子を回転させる際の駆動電圧波形は、いわゆる鋸状波に類似した、電圧立ち上がりの傾斜と電圧立下りの傾斜とが異なる非対称な波形となる。すなわち、緩やかな電圧変化によって、静摩擦力により回転子を回転させ、急峻な電圧変化によって、回転子と接触子との間にすべりが生じる。これを利用し、このような波形を繰り返し与えることにより、回転子を継続して回転させることができる。

特表２０１７−５１４４３９号公報米国特許第５３９４０４９号明細書

しかし、上記特許文献２では、回転子を回転させるために圧電素子に印加する鋸状波に類似した被対称の電圧波形を、複雑な回路で生成する必要がある。また、上記特許文献１および２の技術では、確実にすべりを生じさせて回転を維持することは困難である。

したがって、本発明は、圧電慣性回転を簡単な回路構成で実現することができる圧電慣性回転機構およびそれに用いる駆動部を提供することを目的とする。また、確実にすべりを生じさせて回転を維持することができる圧電慣性回転機構を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（７）を提供する。

（１）回転軸を中心として回転可能な回転子と、
所定の圧力で前記回転子を挟持し、互いの相対移動により、前記回転子の回転を可能とする一対の接触子と、
前記一対の接触子に相対移動を生じさせる、圧電素子を含む移動部と、
前記圧電素子に、立ち上がりの傾斜と立下りの傾斜が異なる電圧波形を印加して、前記電圧波形の前記立ち上がりの傾斜および前記立下りの傾斜のうち、緩やかなほうにより、前記一対の接触子によって前記回転子を回転させ、急峻なほうにより前記回転子と前記一対の接触子との間のすべりを生じさせる駆動部と、
を備え、
前記駆動部は、
直流電源と、
前記圧電素子に対して電流のチャージおよびディスチャージを行い、チャージ電流およびディスチャージ電流を制限するスイッチング回路と、
を有し、
前記スイッチング回路は、前記圧電素子に対する前記チャージ電流と前記ディスチャージ電流の電流値を異ならせることにより、前記圧電素子に前記電圧波形を印加することを特徴とする圧電慣性回転機構。

（２）前記スイッチング回路は、
前記直流電源に接続され、前記圧電素子に電流をチャージするとともに、前記チャージ電流を制限するチャージ電流制限回路と、
前記圧電素子から電流をディスチャージするとともに、前記ディスチャージ電流を制限するディスチャージ電流制限回路と、
を有し、
前記チャージ電流制限回路には、制御入力として、前記直流電源から前記圧電素子への電流チャージ動作を指令するチャージ動作指令信号と、前記圧電素子に流入する電流の制限値を指定するチャージ電流制限値指令電圧とが入力され、
前記ディスチャージ電流制限回路には、制御入力として、前記圧電素子からの電流ディスチャージ動作を指令するディスチャージ動作指令信号と、前記圧電素子から流出する電流の制限値を指定するディスチャージ電流制限値指令電圧とが入力されることを特徴とする（１）に記載の圧電慣性回転機構。

（３）前記チャージ動作指令信号は、前記圧電素子に印加される電圧値が前記電源の電圧までに至るまでの任意の電圧に達した際に停止されることを特徴とする（２）に記載の圧電慣性回転機構。

（４）前記回転子に対し同軸的に固定され、前記回転子に対して慣性モーメントを与える慣性モーメント部材をさらに備えることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の圧電慣性回転機構。

（５）回転軸を中心として回転可能な回転子と、
所定の圧力で前記回転子を挟持し、互いの相対移動により、前記回転子の回転を可能とする一対の接触子と、
前記回転子に対し同軸的に固定され、前記回転子に対して慣性モーメントを与える慣性モーメント部材と、
前記一対の接触子に相対移動を生じさせる、圧電素子を含む移動部と、
前記圧電素子に、立ち上がりの傾斜と立下りの傾斜が異なる電圧波形を印加して、前記電圧波形の前記立ち上がりの傾斜および前記立下りの傾斜のうち、緩やかなほうにより、前記一対の接触子によって前記回転子を回転させ、急峻なほうにより前記回転子と前記一対の接触子との間のすべりを生じさせる駆動部と、
を備えることを特徴とする圧電慣性回転機構。

（６）前記一対の接触子の相対移動の加速度により前記慣性モーメント部材に生じる回転運動の加速度による発生力が、前記回転子と前記一対の接触子との間の静摩擦力以下の場合に、前記回転子は回転運動し、
前記一対の接触子の相対移動の加速度により前記慣性モーメント部材に生じる回転運動の加速度による発生力が、前記回転子と前記一対の接触子との間の静摩擦力より大きい場合に、前記回転子と前記一対の接触子との間にすべりが生じることを特徴とする（４）または（５）に記載の圧電慣性回転機構。

（７）回転軸を中心として回転可能な回転子と、所定の圧力で前記回転子を挟持し、互いの相対移動により、前記回転子の回転を可能とする一対の接触子と、を有し、前記圧電素子に、立ち上がりの傾斜と立下りの傾斜が異なる電圧波形を印加して、前記電圧波形の前記立ち上がりの傾斜および前記立下りの傾斜のうち、緩やかなほうにより、前記一対の接触子によって前記回転子を回転させ、急峻なほうにより前記回転子と前記一対の接触子との間のすべりを生じさせる圧電慣性回転機構に用いる駆動部であって、
直流電源と、
前記圧電素子に対して電流のチャージおよびディスチャージを行い、チャージ電流およびディスチャージ電流を制限するスイッチング回路と、
を有し、
前記スイッチング回路は、前記圧電素子に対する前記チャージ電流と前記ディスチャージ電流の電流値を異ならせることにより、前記圧電素子に、前記電圧波形を印加することを特徴とする圧電慣性回転機構に用いる駆動部。

（８）前記スイッチング回路は、
前記直流電源に接続され、前記圧電素子に電流をチャージするとともに、前記チャージ電流を制限するチャージ電流制限回路と、
前記圧電素子から電流をディスチャージするとともに、前記ディスチャージ電流を制限するディスチャージ電流制限回路と、
を有し、
前記チャージ電流制限回路には、制御入力として、前記直流電源から前記圧電素子への電流チャージ動作を指令するチャージ動作指令信号と、前記圧電素子に流入する電流の制限値を指定するチャージ電流制限値指令電圧とが入力され、
前記ディスチャージ電流制限回路には、制御入力として、前記圧電素子からの電流ディスチャージ動作を指令するディスチャージ動作指令信号と、前記圧電素子から流出する電流の制限値を指定するディスチャージ電流制限値指令電圧とが入力されることを特徴とする（７）に記載の圧電慣性回転機構に用いる駆動部。

（９）前記チャージ動作指令信号は、前記圧電素子に印加される電圧値が前記電源の電圧までに至るまでの任意の電圧に達した際に停止されることを特徴とする（８）に記載の駆動部。

本発明によれば、圧電慣性回転を簡単な回路構成で実現することができる圧電慣性回転機構およびそれに用いる駆動部を提供することができる。また、本発明によれば、確実にすべりを生じさせて回転を維持することができる圧電慣性回転機構を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る回転機構を示す概略構成図である。図１の回転機構により回転体を回転させている状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る回転機構に用いられる駆動部を示す回路図である。本発明の一実施形態に係る回転機構において、回転子を時計回りに回転させるときの駆動部の駆動動作を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る回転機構において、回転子を反時計回りに回転させるときの駆動部の駆動動作を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る回転機構において、回転子を時計回りに回転させるときの駆動部の駆動動作を説明するための図であり、チャージ動作指令信号の停止時点を調整する場合を示すものである。本発明の一実施形態に係る回転機構において、回転子を反時計回りに回転させるときの駆動部の駆動動作を説明するための図であり、チャージ動作指令信号の停止時点を調整する場合を示すものである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は発明の一実施形態に係る圧電慣性回転機構を示す概略構成図、図２は図１の回転機構により回転体を回転させている状態を示す図である。

図１および図２において、１は固定側接触子、２は圧電素子、３は移動側接触子、４は回転子、５は慣性モーメント部材、１０は駆動部である。

固定側接触子１は、クランク状をなし、その短辺部が移動部である圧電素子２の固定端に取り付けられている。また、移動側接触子３は、クランク状をなし、その短辺部が圧電素子２の移動端に取り付けられている。これらの接触子１および３は、例えば、ステンレス鋼で構成されている。

回転子４は、円板状（または円柱状）をなし、回転軸を中心として回転可能となっており、その周面が固定側接触子１の長辺部および移動側接触子３の長辺部に挟持されている。回転子４と固定側接触子１および移動側接触子３との間には、所要の静摩擦力をもたせるような圧力が印加されている。回転子４は、例えば、ステンレス鋼で構成されている。

安定な静摩擦力を得るため、回転子４に雄ねじを切り、固定側接触子１および移動側接触子３には対応する雌ねじを切ることも可能である。

圧電素子２としては、板状の圧電体が電極を挟んで複数積層されて構成された積層タイプのものを用いることができる。圧電体を構成する圧電材料としては、圧電効果を有するセラミック材料が用いられ、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３；ＰＺＴ）を用いることができる。圧電素子２の形状は、直方体、三角柱、六角柱、円柱等の種々の形状とすることができる。

慣性モーメント部材５は、回転子４に対し同軸的に固定して設けられ、回転子４よりも大径をなし、回転子４に対して慣性モーメントを与えるものである。慣性モーメント部材５は、例えば、黄銅、ステンレス鋼等で構成されている。

圧電素子２に駆動部１０から所定の電圧が与えられると、圧電素子２が伸縮し、固定側接触子１と移動側接触子３との間に相対的な移動を生じさせることができる。このとき、固定側接触子１と移動側接触子３の相対的移動の加速度により慣性モーメント部材５に生じる回転運動の加速度による発生力が、回転子４と固定側接触子１および移動側接触子３の間の静摩擦力未満である場合には、回転子４は回転運動し、静摩擦力より大きい場合には、回転子４と固定側接触子１および移動側接触子３との間にはすべりを生じる。

このため、圧電素子２に緩やかな電圧変化を与えることによって、移動側接触子３が緩やかに移動し、静摩擦力により回転子４を回転させることができ、また、急峻な電圧変化を与えることによって、移動側接触子３が急激に移動して静摩擦力が小さくなるとともに、慣性モーメント部材５が作用し、回転子４と固定側接触子１および移動側接触子３との間にすべりが生じて、固定側接触子１と移動側接触子３のみを移動させることができる。したがって、立ち上がりの傾斜と立下りの傾斜とが異なる、いわゆる鋸状波に類似した電圧波形を与えることにより回転子４の回転運動を所定期間継続させることができる。

図３は駆動部１０を示す回路図である。駆動部１０は、直流電源（ＤＣ電源）１１と、チャージ電流制限回路１２と、ディスチャージ電流制限回路１３とを有している。

チャージ電流制限回路１２は、ＤＣ電源１１に接続され、圧電素子２に電流をチャージするものであるが、その時に流入するチャージ電流値はチャージ電流制限値指定電圧に従って制限される。また、ディスチャージ電流制限回路１３は、圧電素子２から電流をディスチャージするものであるが、その時に流出する電流値はディスチャージ電流制限値指定電圧に従って制限される。チャージ電流制限回路１２およびディスチャージ制限回路１３はスイッチング回路を構成する。

チャージ電流制限回路１２には、制御部（図示せず）から２つの制御入力が付与される。その一つは、ＤＣ電源１１から圧電素子２への電流チャージ動作を指令するチャージ動作指令信号であり、チャージ動作指令信号がＯＮの間はＤＣ電源１１と負荷である圧電素子２との間を接続する。他の一つはチャージ電流制限値指定電圧である。チャージ電流制限値指定電圧は、ＤＣ電源１１と負荷である圧電素子２との間を接続した時に圧電素子２に流入する電流の制限値（最大値）を指定するもので、流入する電流の最大値に比例して設定される。電流を生じさせる源はＤＣ電源１１であるから、圧電素子２の両端電圧が直流電源１１の電圧と等しくなった時点で、圧電素子２に流入する電流は自動的に停止する。

ディスチャージ電流制限回路１３には制御部から２つの制御入力が付与される。その一つは、圧電素子２からの電流ディスチャージ動作を指令するディスチャージ動作指令信号であり、ディスチャージ動作指令信号がＯＮの間は負荷である圧電素子２とアース間を接続する。他の一つはディスチャージ電流制限値指定電圧である。ディスチャージ電流制限値指定電圧は、負荷である圧電素子２とアース間を接続した時に圧電素子２から流出する電流の制限値（最大値）を指定するもので、流出する電流の最大値に比例して指定される。圧電素子２の両端電圧がアース電位に等しくなった時点で圧電素子２から流出する電流は自動的に停止する。

次に、このように構成される圧電慣性駆動回転機構の動作の一例について説明する。

最初に回転子４に時計回りの回転運動を与える例について説明する。
図４は本実施形態の圧電慣性駆動回転機構において回転子４に時計回りの回転運動を与えるための各部の電圧、電流の変化を表す図である。

本例では、チャージ電流制限回路１２およびディスチャージ制限回路１３において、チャージ電流制限値指定電圧およびディスチャージ電流制限値指定電圧は、チャージ動作指令信号およびディスチャージ動作指令信号がＯＮになる時点の前で予め印加されている。図４に示すように、チャージ電流最大値指定電圧（チャージ電流値制限指令電圧）は比較的低い値に設定され、ディスチャージ電流最大値指定電圧（ディスチャージ電流制限値指令電圧）は比較的高い値に設定されている。

図４に示す通り、チャージ動作指令信号がＯＮになるとＤＣ電源１１と負荷である圧電素子２との間は接続されるが、チャージ電流最大値指定電圧値が比較的低いため、圧電素子２に流入する電流値（圧電素子駆動電流波形）は低く、圧電素子２の両端電圧は比較的緩い傾斜で上昇する。

つまり、圧電素子はコンデンサと類似の電気的性質を持っているから、以下に説明するように、コンデンサと同様、電流値が低い場合は電圧傾斜が緩くなるのである。

コンデンサに一定電流源から電流を供給すると、コンデンサの両端電圧は時間に比例するような電圧となる。仮にコンデンサの静電容量をＣ、電流源からの供給電流をＩとすれば、コンデンサ両端電圧Ｖおよび電圧の時間傾斜は各々（１）式および（２）式のようになる。
Ｖ＝Ｉ／Ｃ・ｔ（１）
ｄＶ／ｄｔ＝Ｉ／Ｃ（２）
電流値Ｉが低い場合は（２）式に示すようにｄＶ／ｄｔは低く、電圧傾斜は緩くなる。

そして、電圧がＤＣ電源電圧に達すると流入する電流は自動的に停止する。圧電素子２はコンデンサの機能を持つので、流入する電流が停止した後も両端電圧は維持される。この際にチャージ動作指令信号はＯＦＦになる。

続いて、ディスチャージ動作指令信号がＯＮになると、アースと負荷の間は接続されるが、ディスチャージ電流最大値指定電圧値が高いため、圧電素子２に流入する電流値（圧電素子駆動電流波形）は高く、上述したチャージ時点とは逆に、圧電素子２の両端電圧は急な傾斜で下降する。そして、電圧がアース電位に達すると流出する電流は自動的に停止する。このとき、圧電素子両端電圧はゼロに維持される。この際にディスチャージ動作指令信号はＯＦＦになる。

図４に示すような電圧素子駆動波形により、チャージ電流によって慣性モーメント部材５に対して生じる加速度により発生する力は、回転子４と固定側接触子１および移動側接触子３との間の静摩擦力を超えず、一方、ディスチャージ電流によって慣性モーメントに対して生じる加速度により発生する力は、回転子４と固定側接触子１および移動側接触子３との間の静摩擦力を超えるように構成される。

すなわち、図４の場合には、チャージ電流によって生じる緩やかな電圧上昇による圧電素子２の伸長により、移動側接触子３が図２のように進出して、回転子４が時計回り方向に回転する。次いで、ディスチャージ電流によって生じる急峻な電圧下降による圧電素子２の縮退（元に戻る）により、固定側接触子１および移動側接触子３との間に滑りが生じ、回転子４が回転した状態のまま、移動側接触子３の位置が元に戻る。これを繰り返すことにより、回転子４の時計回り方向の回転運動が継続する。

次に回転子４に反時計回りの回転運動を与える例について説明する。
図５は本実施形態の圧電慣性駆動回転機構において回転子４に反時計回りの回転運動を与えるための各部の電圧、電流の変化を表す図である。

本例においても、チャージ電流制限回路１２およびディスチャージ制限回路１３において、チャージ最大値指定電圧およびディスチャージ電流最大値指定電圧は、チャージ動作指令信号およびディスチャージ動作指令信号がＯＮになる時点の前で予め印加されている。図５に示すように、チャージ電流最大値指定電圧（チャージ電流値制限指令電圧）は比較的高い値に設定され、ディスチャージ電流最大値指定電圧（ディスチャージ電流制限値指令電圧）は比較的低い値に設定されている。

図５に示す通り、チャージ動作指令信号がＯＮになるとＤＣ電源１１と負荷である圧電素子２との間は接続されるが、チャージ電流最大値指定電圧値が高いため、圧電素子２に流入する電流値（圧電素子駆動電流波形）は高く、圧電素子２の両端電圧は急な傾斜で上昇し、ＤＣ電源電圧に達すると流入する電流は自動的に停止する。この際に、チャージ動作指令信号がＯＦＦになる。

続いて、ディスチャージ動作指令信号がＯＮになると、アースと負荷の間は接続されるが、ディスチャージ電流最大値指定電圧値が比較的低いため、圧電素子２に流入する電流値（圧電素子駆動電流波形）は低く、圧電素子両端電圧は緩い傾斜で下降し、アース電位達すると流出する電流は自動的に停止する。この際に、ディスチャージ動作指令信号がＯＦＦになる。

図５に示すような電圧素子駆動波形により、チャージ電流によって慣性モーメントに対して生じる加速度により発生する力は回転子と固定側接触子および回転子と移動側接触子間の静摩擦力を超え、一方、ディスチャージ電流によって慣性モーメントに対して生じる加速度により発生する力は回転子と固定側接触子および回転子と移動側接触子間の静摩擦力を超えないように構成される。

すなわち、図５の場合には、チャージ電流によって生じる急峻な電圧上昇による圧電素子２の伸長により、回転子４と固定側接触子１および移動側接触子３との間に滑りが生じる。次いで、ディスチャージ電流によって生じる緩やかな電圧下降による圧電素子２の縮退（もとに戻る）により、移動側接触子３が元にもどるように移動して、回転子４が反時計回り方向に回転する。これを繰り返すことにより、回転子４の反時計回り方向の回転運動が継続する。

本実施形態によれば、回転子４に慣性モーメント部材５が同軸的に固定して設けられ、回転子４に慣性モーメントを与えるようにしたので、急峻に変化する電圧を与えた場合の回転子４と接触子１および３との間に確実にすべりを生じさせることができる。すなわち、圧電慣性回転機構では、圧電素子に緩やかな電圧変化を与えることで静摩擦力により接触子を介して回転子を回転させ、圧電素子に急峻な電圧変化を与えることで回転子と接触子との間にすべりを生じさせて接触子を元の位置に戻すが、回転子の慣性のみでは十分なすべりが生じ難い。これに対して、慣性モーメント部材５を設けたことにより、回転子４の軸に慣性モーメントが与えられ、すべりを生じやすくすることができる。

また、本実施形態では、回転駆動を行う駆動部１０に、電流制御による駆動回路を用いたので、回路構成を簡単にすることができる。

上述したように、圧電慣性回転機構に回転動作を与えるためには、圧電素子に印加する電圧として電圧立ち上がりの傾斜と電圧立下りの傾斜の異なる、いわゆる鋸状波に類似した電圧を発生させる必要がある。このような鋸状波に類似した電圧波形を発生させるために、従来、特許文献２に示すように、所要の電圧時間変化を電圧の制御により発生させて圧電素子に加えるような方式が用いられており、複雑な回路が必要であった。

これに対して、本発明者らは、電流制御型の回路であれば、圧電素子を駆動する電気回路方式として回路構成が最も単純なスィッチング回路で鋸状波に類似した電圧波形を発生させることが可能であることに気付き、本発明を完成させた。

すなわち、上述したように、圧電素子はコンデンサと類似の電気的性質を持っているが、コンデンサに一定電流源から電流を供給すると、コンデンサの両端電圧は時間に比例するような電圧となり、コンデンサ両端電圧Ｖおよび電圧の時間傾斜は、上述したように各々以下の（１）式および（２）式のようになる。
Ｖ＝Ｉ／Ｃ・ｔ（１）
ｄＶ／ｄｔ＝Ｉ／Ｃ（２）

したがって、コンデンサに類似した電気的性質を持つ圧電素子に電圧をチャージする時点の電流値（チャージ電流の電流値）とディスチャージ時点の電流値（ディスチャージ電流の電流値）を異ならせることで、圧電素子の両端に鋸状波の電圧波形を発生させることができる。

また、本実施形態のような駆動回路（駆動部１０）を用いることにより、圧電素子２を駆動する時点および圧電素子２を駆動していない待機時点において直流電源１１から供給される電力が従来方式よりも少ないという利点も得られる。

スイッチング回路においては、スイッチがＯＮになれば、直流電源から供給された電流は全て圧電素子に加えられ、無駄がないといえる。またスイッチがＯＦＦになった時点では本体回路に流れ込む電流は略ゼロに等しく、スイッチ素子の周辺の回路が僅かに電流を消費するのみである。

圧電慣性回転機構は必要に応じて回転動作を行うが、実際の使われ方としては、待機している時間の方が長い。したがって、待機時点で消費電力が少ないことは本大きな利点である。

また、本実施形態においては定電流の駆動を用いることにより、回転のむらが少ないという利点も得られる。これは、定電流の場合、一定の速度で回転子４を動作させた後、加速度がほぼゼロの状態で、惰性で動くことになるためである。その結果、比較的静かな回転機構を実現することができる。

さらに、本実施形態によれば、チャージ動作指令信号の停止時点を調整することで、回転子４の回転角を指定することができるという大きな利点を有する。

以下、この点について説明する。
図６は、回転子４に時計回りの回転運動を与えるための各部の電圧、電流の変化を表す図であり、チャージ動作指令信号の停止時点を調整する場合を示すものである。上述した図４の例では、チャージ動作指令信号の持続時間は、圧電素子駆動電圧がＤＣ電源電圧に達する時間よりも長く設定していたが、本例では、チャージ動作指令信号を、圧電素子駆動電圧がＤＣ電源電圧に達する時点よりも前の時点で終了する。

チャージ動作指令信号をこのように圧電素子駆動電圧がＤＣ電源電圧に達する時点よりも前の時点で強制的に終了させてしまうと、当然チャージ電流は切断されてしまう。しかし、圧電素子は容量性のインピーダンスを持つため、圧電素子駆動電圧はその時点の電圧にそのまま保持される。引き続き、ディスチャージ動作指令信号が出されると、圧電素子駆動電圧は、維持されていた電圧からディスチャージ電流制限値指定電圧で指定された電流値で決まる電圧傾斜に沿って、ゼロ電圧に向かって低下する。ディスチャージ動作指令信号については、圧電素子駆動電圧がゼロになる時間よりも長く設定される。

図７は、回転子４に反時計回りの回転運動を与えるための各部の電圧、電流の変化を表す図であり、同様にチャージ動作指令信号の停止時点を調整する場合を示すものであるが、この場合についても、チャージ動作指令信号を、圧電素子駆動電圧がＤＣ電源電圧に達する時点よりも前の時点で終了する。同様に、圧電素子駆動電圧はその時点の電圧にそのまま保持され、引き続き、ディスチャージ動作指令信号が出されると、同様に圧電素子駆動電圧は、維持されていた電圧からディスチャージ電流制限値指定電圧で指定された電流値で決まる電圧傾斜に沿って、ゼロ電圧に向かって低下する。

チャージ動作指令信号を圧電素子駆動電圧がＤＣ電源電圧に達する時点よりも前に強制的に終了させることにより、ＤＣ電源電圧そのものを変えることなく、圧電素子への印加電圧を、チャージ動作指令信号だけでＤＣ電源電圧より低い任意の電圧値とすることが可能になるという大きな利点が得られる。このように、ＤＣ電源電圧より低い任意の電圧値とすることにより、１回の回転動作にともなう回転子４の回転角を小さくすることが可能となり、それにより精度の高い角度設定が可能となる。すなわち、回転角度の分解能を高めることができる。このため、回転角度の分解能を高くしたい場合は、チャージ動作指令信号を早期に停止して印加電圧を小さくし、回転角度の分解能が低くてよい場合は、チャージ動作指令信号を圧電素子駆動電圧がＤＣ電源電圧に達してから停止して印加電圧をＤＣ電源電圧にする等、分解能を調整して駆動することができる。

例えば、圧電慣性回転機構をＡ点からＢ点への駆動に適用する際に、重要でない場合は、駆動電圧を高くして分解能を低くし、直進度を速くする一方、位置決めしたい箇所のみ、駆動電圧を低くして分解能を高く直進速度を小さくし、位置決め精度を高くすること（正確に止めたい位置に止めること）ができる。

さらにまた、本実施形態に係る圧電慣性駆動回転機構では、チャージとディスチャージとの間に休止時間があり、その間は消費電力がゼロであるため、省エネルギーにつながる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、本発明の主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

例えば、上記実施形態では、圧電素子の伸縮動を直接接触子に伝達した例について示したが、変位拡大機構で拡大した変位を接触子に伝達してもよい。

１；固定側接触子
２；圧電素子（移動部）
３；移動側接触子
４；回転子
５；慣性モーメント部材
１０；駆動部
１１；直流電源（ＤＣ電源）
１２；チャージ電流制限回路
１３；ディスチャージ電流制限回路

Claims

回転軸を中心として回転可能な回転子と、
所定の圧力で前記回転子を挟持し、互いの相対移動により、前記回転子の回転を可能とする一対の接触子と、
前記一対の接触子に相対移動を生じさせる、圧電素子を含む移動部と、
前記圧電素子に、立ち上がりの傾斜と立下りの傾斜が異なる電圧波形を印加して、前記電圧波形の前記立ち上がりの傾斜および前記立下りの傾斜のうち、緩やかなほうにより、前記一対の接触子によって前記回転子を回転させ、急峻なほうにより前記回転子と前記一対の接触子との間のすべりを生じさせる駆動部と、
を備え、
前記駆動部は、
直流電源と、
前記圧電素子に対して電流のチャージおよびディスチャージを行い、チャージ電流およびディスチャージ電流を制限するスイッチング回路と、
を有し、
前記スイッチング回路は、前記圧電素子に対する前記チャージ電流と前記ディスチャージ電流の電流値を異ならせることにより、前記圧電素子に前記電圧波形を印加することを特徴とする圧電慣性回転機構。
前記スイッチング回路は、
前記直流電源に接続され、前記圧電素子に電流をチャージするとともに、前記チャージ電流を制限するチャージ電流制限回路と、
前記圧電素子から電流をディスチャージするとともに、前記ディスチャージ電流を制限するディスチャージ電流制限回路と、
を有し、
前記チャージ電流制限回路には、制御入力として、前記直流電源から前記圧電素子への電流チャージ動作を指令するチャージ動作指令信号と、前記圧電素子に流入する電流の制限値を指定するチャージ電流制限値指令電圧とが入力され、
前記ディスチャージ電流制限回路には、制御入力として、前記圧電素子からの電流ディスチャージ動作を指令するディスチャージ動作指令信号と、前記圧電素子から流出する電流の制限値を指定するディスチャージ電流制限値指令電圧とが入力されることを特徴とする請求項１に記載の圧電慣性回転機構。
前記チャージ動作指令信号は、前記圧電素子に印加される電圧値が前記電源の電圧までに至るまでの任意の電圧に達した際に停止されることを特徴とする請求項２に記載の圧電慣性回転機構。
前記回転子に対し同軸的に固定され、前記回転子に対して慣性モーメントを与える慣性モーメント部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電慣性回転機構。
回転軸を中心として回転可能な回転子と、
所定の圧力で前記回転子を挟持し、互いの相対移動により、前記回転子の回転を可能とする一対の接触子と、
前記回転子に対し同軸的に固定され、前記回転子に対して慣性モーメントを与える慣性モーメント部材と、
前記一対の接触子に相対移動を生じさせる、圧電素子を含む移動部と、
前記圧電素子に、立ち上がりの傾斜と立下りの傾斜が異なる電圧波形を印加して、前記電圧波形の前記立ち上がりの傾斜および前記立下りの傾斜のうち、緩やかなほうにより、前記一対の接触子によって前記回転子を回転させ、急峻なほうにより前記回転子と前記一対の接触子との間のすべりを生じさせる駆動部と、
を備えることを特徴とする圧電慣性回転機構。
前記一対の接触子の相対移動の加速度により前記慣性モーメント部材に生じる回転運動の加速度による発生力が、前記回転子と前記一対の接触子との間の静摩擦力以下の場合に、前記回転子は回転運動し、
前記一対の接触子の相対移動の加速度により前記慣性モーメント部材に生じる回転運動の加速度による発生力が、前記回転子と前記一対の接触子との間の静摩擦力より大きい場合に、前記回転子と前記一対の接触子との間にすべりが生じることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の圧電慣性回転機構。
回転軸を中心として回転可能な回転子と、所定の圧力で前記回転子を挟持し、互いの相対移動により、前記回転子の回転を可能とする一対の接触子と、を有し、前記圧電素子に、立ち上がりの傾斜と立下りの傾斜が異なる電圧波形を印加して、前記電圧波形の前記立ち上がりの傾斜および前記立下りの傾斜のうち、緩やかなほうにより、前記一対の接触子によって前記回転子を回転させ、急峻なほうにより前記回転子と前記一対の接触子との間のすべりを生じさせる圧電慣性回転機構に用いる駆動部であって、
直流電源と、
前記圧電素子に対して電流のチャージおよびディスチャージを行い、チャージ電流およびディスチャージ電流を制限するスイッチング回路と、
を有し、
前記スイッチング回路は、前記圧電素子に対する前記チャージ電流と前記ディスチャージ電流の電流値を異ならせることにより、前記圧電素子に、前記電圧波形を印加することを特徴とする圧電慣性回転機構に用いる駆動部。
前記スイッチング回路は、
前記直流電源に接続され、前記圧電素子に電流をチャージするとともに、前記チャージ電流を制限するチャージ電流制限回路と、
前記圧電素子から電流をディスチャージするとともに、前記ディスチャージ電流を制限するディスチャージ電流制限回路と、
を有し、
前記チャージ電流制限回路には、制御入力として、前記直流電源から前記圧電素子への電流チャージ動作を指令するチャージ動作指令信号と、前記圧電素子に流入する電流の制限値を指定するチャージ電流制限値指令電圧とが入力され、
前記ディスチャージ電流制限回路には、制御入力として、前記圧電素子からの電流ディスチャージ動作を指令するディスチャージ動作指令信号と、前記圧電素子から流出する電流の制限値を指定するディスチャージ電流制限値指令電圧とが入力されることを特徴とする請求項７に記載の圧電慣性回転機構に用いる駆動部。
前記チャージ動作指令信号は、前記圧電素子に印加される電圧値が前記電源の電圧までに至るまでの任意の電圧に達した際に停止されることを特徴とする請求項８に記載の圧電慣性回転機構に用いる駆動部。