JP2021182816A - 圧電駆動装置の制御方法、圧電駆動装置、及び、ロボット - Google Patents
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Abstract
Description
***圧電モーターの概要***
図1は、本実施形態に係る圧電駆動装置の概要を示す平面図である。
図1に示すように、圧電モーター80aは、円板状の被駆動体としてのローター160を、駆動体20の突起部95によって押圧することにより、回転方向R1、または、回転方向R2に回動させる圧電駆動型のモーターである。なお、図1は、基本構成の説明図であるため、1つの圧電モーター80aを図示しているが、実際に用いる際には、図4に示すように、複数の圧電モーターを連ねて駆動力を高める多連構成とすることが多い。図4では、3つの圧電モーター80a,80b,80cにより多連駆動を行う圧電駆動装置100を示している。
圧電モーター80aは、圧電アクチュエーター22、付勢体90などから構成される。
圧電アクチュエーター22は、振動源となる圧電素子を有する駆動体20や、駆動体20を支える基材10などから構成される。圧電モーター80aには、制御部70から駆動信号が供給される。なお、圧電アクチュエーター22、制御部70の詳細は後述する。
付勢体90は、複数本の板バネ85を備えており、ローター160に対して突起部95を押し付ける方向に圧電アクチュエーター22を付勢する。付勢体90は、圧電モーター80aを取付ける台座などに、2本のネジで固定されている。
このような構成の圧電モーター80aは、図1に示すように、複数本の板バネ85の復元力により、突起部95がローター160の外周面160aを押圧した状態で、駆動体20の屈曲運動による回転力を印加する。
このような構成のエンコーダー161では、撮像素子92bにより取得されるパターンの画像をテンプレートマッチングすることにより、ローター160の回転量、駆動速度、絶対位置等を検出することができる。なお、撮像素子92bに代えて、スケール162からの反射光、または透過光を受光する受光素子を備えることでも良い。
図2は、圧電アクチュエーターの平面図である。
圧電アクチュエーター22の基材10は、好適例として、矩形状をなしたシリコン基板を用いている。
駆動体20は、基材10内で略長方形に区画された部位であり、表層側には、駆動用の圧電素子である圧電素子1〜6が配置されている。詳しくは、駆動体20は、略矩形をなした基材10に設けられた3つの切欠き部24〜26により、略長方形に区画されている。そして、長方形の長辺の略中央に残された一対の支持部21a,21bにより、基材10本体と接続している。なお、駆動体20の長辺に沿った方向をX方向、X方向と交差する短辺に沿った方向をY方向、基材10の厚さ方向をZ方向とする。また、支持部21a,21bを通り、Y方向に延在する線分を中心線28とする。
駆動体20において、圧電素子7と突起部95との間には、X方向に延在する3つの長方形状の圧電素子1,5,3が設けられている。圧電素子1,5,3の形状は、略同一である。また、駆動体20のXプラス方向にも、X方向に延在する3つの長方形状の圧電素子2,6,4が設けられている。圧電素子2,6,4は、中心線28を対象軸として、圧電素子1,5,3の線対称となっている。
なお、圧電素子1〜7の下層側には、共通の共通配線が設けられている。共通配線は、好適例において、グランド電位に接続している。
図3は、駆動信号の波形図である。図4は、圧電モーターの駆動態様を示す模式図であり、図1の圧電モーターにおける駆動体20の駆動態様を模式図として示した図である。
図3では、3つの圧電モーター80a,80b,80cを備えた圧電駆動装置100による駆動態様を示しているが、3つの圧電モーター80a,80b,80cは、同一の構成であり、かつ、供給される駆動信号も同じなので、以下、圧電モーター80aを代表として説明する。
なお、駆動信号Vs,Vz,Viは、駆動状態に応じて逐次、最適な駆動信号となるように制御されている。具体的には、制御部70により、検出用の圧電素子7からの検出信号に基づいて、駆動信号の周波数の帰還制御を含む追尾制御が施されている。この制御方法について、次に説明する。
図5は、制御部の回路ブロック構成を示す図である。
制御部70は、位置速度制御部31、S駆動信号生成部61、Z駆動信号生成部62、I駆動信号生成部63、周波数制御部64、SW制御部35などから構成されている。なお、図示は省略しているが、制御部70が記憶部を備えていても良い。
S駆動電圧制御部32sは、位置速度制御部31からの電圧指令と、S駆動回路34sの出力から帰還される駆動信号Vsとの偏差に対して比例ゲインを調整する比例制御と、積分ゲインを調整する積分制御とを含むPI制御を実施し、電圧指令に基づく電圧(振幅)となる目標Dutyを規定したDuty指令を生成し、PWM波形生成部33sに送信する。
S駆動回路34sは、PWM波形生成部33sからのパルス信号に応じた交番電圧を生成し、駆動信号Vsとして各圧電モーターの圧電素子1,4に供給する。なお、上記「PWM」は、「Pulse Width Modulation」の略である。
Z駆動電圧制御部32zは、位置速度制御部31からの電圧指令と、Z駆動回路34zの出力から帰還される駆動信号Vzとの偏差に対して比例ゲインを調整する比例制御と、積分ゲインを調整する積分制御とを含むPI制御を実施し、電圧指令に基づく電圧(振幅)となる目標Dutyを規定したDuty指令を生成し、PWM波形生成部33zに送信する。
Z駆動回路34zは、PWM波形生成部33zからのパルス信号に応じた交番電圧を生成し、駆動信号Vzとして各圧電モーターの圧電素子2,3に供給する。
I駆動電圧制御部32iは、図示しないホストコンピューターからの電圧指令と、I駆動回路34iの出力から帰還される駆動信号Viとの偏差に対して比例ゲインを調整する比例制御と、積分ゲインを調整する積分制御とを含むPI制御を実施し、電圧指令に基づく電圧(振幅)となる目標Dutyを規定したDuty指令を生成し、PWM波形生成部33iに送信する。
I駆動回路34iは、PWM波形生成部33iからのパルス信号に応じた交番電圧を生成し、駆動信号Viとして各圧電モーターの圧電素子5,6に供給する。
平均化回路36には、3つの圧電モーター80a,80b,80cの検出用の圧電素子7a,7b,7cからの検出信号Pa,Pb,Pcが入力可能に設けられている。
圧電モーター80aの圧電素子7aからの検出信号Paの出力線には、スイッチSWaが設けられており、検出信号Paの平均化回路36への入力を開閉(オンオフ)可能となっている。同様に、圧電モーター80b,80cの圧電素子7b,7cからの検出信号の出力線には、スイッチSWa,SWbが設けられている。
SW制御部35は、図示しないホストコンピューターからの開閉指示に従って、スイッチSWa,SWb,SWcの開閉を制御する。なお、ホストコンピューターには、後述する複数の異常検出方法に準じた制御プログラムがインストールされており、当該制御プログラムの実行に伴ってスイッチSWa,SWb,SWcのオンオフが行われる。
平均化回路36では、入力される検出信号の平均化処理が行われる。平均化処理は、検出信号の周波数、及び/又は、振幅電圧について行われる。検出信号は、図示しないA/D変換回路でデジタル信号化され、当該信号により平均化処理が行われる。
駆動周波数制御部38は、図示しないホストコンピューターに駆動周波数判定部37からの比較情報を送信し、ホストコンピューターから周波数調整指令を受信し、当該周波数調整指令に基づく周波数指令を生成し、PWM波形生成部33s,33z,33iに送信する。なお、ホストコンピューターでは、後述する異常検出方法に準じた制御プログラムに従って処理が実行され、SW制御部35への開閉指示、及び、駆動周波数制御部38への周波数指令を送信する。
図6は、本実施形態における圧電駆動装置の異常検出方法を示すフローチャートである。図7は、異常モジュールの検出方法を示すフローチャートである。
ここでは、本実施形態における圧電駆動装置100の異常検出方法について、図6を主体に、適宜、図4、図5を交えて説明する。これらの検出方法は、図示しないホストコンピューターの記憶部に記憶された制御プログラムを実行することにより、図5の制御部70の各部により実行処理される。なお、ホストコンピューターを用いることに限定するものではなく、制御プログラムを記憶した記憶部、CPU(Central Processing Unit)を備えた制御装置であれば良く、例えば、圧電駆動装置100を備えたロボットの制御装置にも適用することができる。
ステップS21aからステップS21bの間では、複数の圧電モーターのうち、1つの圧電モーターの検出信号を順次選択することを、全ての圧電モーターについて行う。なお、圧電モーターのことをモジュールともいう。
よって、初期周波数f0と、駆動時における駆動信号により駆動した際の検出信号の平均の周波数faとの差分から、駆動時における駆動信号の異常を検出することができる。
さらに、閾値Aより大きい場合は、サブルーチンにおいて、複数の圧電モーターのうち、1つの圧電モーターの検出信号を順次選択し、選択された検出信号に基づき追尾制御が施された駆動信号により駆動した際の検出信号の周波数fbと、初期周波数f0との差分が、閾値Bより大きいか否か確認し、閾値Bより大きい場合は、選択された圧電モーターを異常と判定する。
従って、多連構成の圧電駆動装置100において、異常がある圧電モーターを検出する方法を提供することができる。
従って、異常モジュールが含まれている場合であっても、安定した駆動を行うことが可能な圧電駆動装置100を提供することができる。
***圧電駆動装置の駆動方法−2***
図8は、異常モジュールの検出方法を示すフローチャートであり、図7に対応している。図8の処理フローは、図7の処理フローの一部を変更したものである。図8の検出方法は、図6のメインルーチンにおけるステップS17のサブルーチンに相当する。以下、図7での説明と重複する内容は省略して説明する。
メインルーチンにて閾値Aより大きい場合は、この異常検出サブルーチンにおいて、複数の圧電モーターのうち、1つの圧電モーターの検出信号を順次選択し、選択された圧電モーターの検出信号を除く、複数の圧電モーターによる検出信号の平均値に基づき追尾制御が施された駆動信号により駆動した際の検出信号の周波数fcと、初期周波数f0との差分が、閾値Cより大きいか否か確認し、閾値C以下の場合は、選択された圧電モーターを異常と判定する。従って、多連構成の圧電駆動装置100において、異常がある圧電モーターを検出する方法を提供することができる。
***圧電駆動装置の駆動方法−3***
図9は、本実施形態における圧電駆動装置の異常検出方法を示すフローチャートであり、図6に対応している。図10は、異常モジュールの検出方法を示すフローチャートであり、図7に対応している。
図9、図10の処理フローは、図6、図7の処理フローの一部を変更したものである。主な変更点は、異常モジュールの検出に、検出信号の電圧振幅を用いる点である。以下、図6、図7での説明と重複する内容は省略して説明する。
メインルーチンにおいて、追尾制御が施された初期の駆動信号により駆動した際の検出信号の平均の周波数を初期周波数f0として記憶し、初期周波数における検出信号の電圧振幅を初期検出信号Pu0として記憶し、初期周波数f0と、初期に続く駆動時における駆動信号により駆動した際の検出信号の周波数faとの差分が、閾値Aより大きいか否か確認し、閾値A以下の場合は、駆動信号による駆動を継続し、閾値Aより大きい場合は、駆動信号が異常であると判断する。
よって、初期周波数f0と、初期に続く駆動時における駆動信号により駆動した際の検出信号の周波数faとの差分から、駆動時における駆動信号の異常を検出することができる。
従って、多連構成の圧電駆動装置100において、異常がある圧電モーターを検出する方法を提供することができる。
よって、異常がある圧電モーターの検出信号を除いた、正常な圧電モーターからの検出信号に基づいて追尾制御された所期の駆動信号を得ることができる。よって、所期の駆動出力を得ることができる。
***圧電駆動装置の駆動方法−4***
図11は、本実施形態における圧電駆動装置の異常検出方法を示すフローチャートであり、図6に対応している。
図11の処理フローは、図6の処理フローの一部を変更したものである。主な変更点は、異常モジュールの検出に、検出信号の周波数の変化率を用いる点である。以下、図6での説明と重複する内容は省略して説明する。
メインルーチンにおいて、追尾制御が施された初期の駆動信号により駆動した際の検出信号の平均の周波数を初期周波数f0として記憶し、時刻Yにおける駆動信号により駆動した際の検出信号の周波数の変化率と、時刻Yよりも前の時刻Xにおける駆動信号により駆動した際の検出信号の周波数の変化率との比率が、閾値Eより大きいか否か確認し、閾値E以下の場合は、駆動信号による駆動を継続し、閾値Eより大きい場合は、駆動信号が異常であると判断する。
よって、時刻Yにおける検出信号の周波数の変化率と、時刻Yよりも前の時刻Xにおける検出信号の周波数の変化率との比率から、駆動時における駆動信号の異常を検出することができる。従って、多連構成の圧電駆動装置100において、異常がある圧電モーターを検出する方法を提供することができる。
***リニアアクチュエーター、多連駆動***
図12、図13は、圧電駆動装置の異なる態様を示す図である。
上記各実施形態では、圧電駆動装置100を用いて円板状のローター160(図1)を回転駆動する態様について説明したが、この構成に限定するものではなく、例えば、リニアアクチュエーターに適用しても良い。
***ロボット***
図14は、アームを備えたロボットの概要図である。図15は、ハンドの拡大図である。図14に示すロボット500は、6軸の垂直多関節ロボットであり、精密機器や、これを構成する部品(対象物)の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。
第1アーム210は、基台190に接続されている。第6アーム260の先端には、例えば、各種部品等を把持するハンド400が着脱可能に取り付けられている。ハンド400は、エンドエフェクターであり、2本の指410を備えている。ハンド400は、2本の指410により、例えば各種部品等を把持することができる。
Claims (9)
- 駆動用の圧電素子、及び検出用の圧電素子を有する圧電モーターを複数個連結した圧電駆動装置の制御方法であって、
複数の前記圧電モーターは、同一の駆動信号により駆動されており、
前記駆動信号は、前記検出用の圧電素子からの検出信号に基づく、前記駆動信号の周波数の帰還制御を含む追尾制御が施され、
前記追尾制御が施された初期の前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の平均の周波数を初期周波数として記憶し、
前記初期周波数と、前記初期に続く駆動時における前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の平均の周波数との差分が、第1の閾値より大きいか否か確認し、
前記第1の閾値以下の場合は、前記駆動信号による駆動を継続し、
前記第1の閾値より大きい場合は、前記駆動信号が異常であると判断する、
圧電駆動装置の制御方法。 - 駆動用の圧電素子、及び検出用の圧電素子を有する圧電モーターを複数個連結した圧電駆動装置の制御方法であって、
複数の前記圧電モーターは、同一の駆動信号により駆動されており、
前記駆動信号は、前記検出用の圧電素子からの検出信号に基づく、前記駆動信号の周波数の帰還制御を含む追尾制御が施され、
前記追尾制御が施された初期の前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の平均の周波数を初期周波数として記憶し、
第1の時刻における前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の周波数の変化率と、第1の時刻よりも前の第2の時刻における前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の周波数の変化率との比率が、第2の閾値より大きいか否か確認し、
前記第2の閾値以下の場合は、前記駆動信号による駆動を継続し、
前記第2の閾値より大きい場合は、前記駆動信号が異常であると判断する、
圧電駆動装置の制御方法。 - 前記第1の閾値、又は、前記第2の閾値より大きい場合は、
複数の前記圧電モーターのうち、1つの前記圧電モーターの前記検出信号を順次選択し、
選択された前記検出信号に基づき前記追尾制御が施された前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の周波数と、前記初期周波数との差分が、第3の閾値より大きいか否か確認し、
前記第3の閾値より大きい場合は、選択された前記圧電モーターを異常と判定し、選択された前記圧電モーターの前記検出信号の入力を切断する、
請求項1または2に記載の圧電駆動装置の制御方法。 - 前記第1の閾値、又は、前記第2の閾値より大きい場合は、
複数の前記圧電モーターのうち、1つの前記圧電モーターの前記検出信号を順次選択し、
選択された前記圧電モーターの前記検出信号を除く、複数の前記圧電モーターによる前記検出信号の平均値に基づき前記追尾制御が施された前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の周波数と、前記初期周波数との差分が、第4の閾値より大きいか否か確認し、
前記第4の閾値以下の場合は、選択された前記圧電モーターを異常と判定し、選択された前記圧電モーターの前記検出信号の入力を切断する、
請求項1または2に記載の圧電駆動装置の制御方法。 - 駆動用の圧電素子、及び検出用の圧電素子を有する圧電モーターを複数個連結した圧電駆動装置の制御方法であって、
複数の前記圧電モーターは、同一の駆動信号により駆動されており、
前記駆動信号は、前記検出用の圧電素子からの検出信号に基づく、前記駆動信号の周波数の帰還制御を含む追尾制御が施され、
前記追尾制御が施された初期の前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の平均の周波数を初期周波数として記憶し、前記初期周波数における前記検出信号の電圧振幅を初期検出信号として記憶し、
前記初期周波数と、前記初期に続く駆動時における前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の周波数との差分が、第1の閾値より大きいか否か確認し、
前記第1の閾値以下の場合は、前記駆動信号による駆動を継続し、
前記第1の閾値より大きい場合は、前記駆動信号が異常であると判断する、
圧電駆動装置の制御方法。 - 前記第1の閾値より大きい場合は、
前記駆動信号の周波数を固定し、
複数の前記圧電モーターのうち、1つの前記圧電モーターの前記検出信号を順次選択し、
選択された前記圧電モーターにおける前記検出信号の振幅電圧である選択検出信号と、前記初期検出信号との差分が、第5の閾値より大きいか否か確認し、
前記第5の閾値より大きい場合は、選択された前記圧電モーターを異常と判定し、選択された前記圧電モーターの前記検出信号の入力を切断し、
前記駆動信号の周波数の固定を解除し、前記追尾制御に戻す、
請求項5に記載の圧電駆動装置の制御方法。 - 駆動用の圧電素子、及び検出用の圧電素子を有する複数の圧電モーターと、
複数の前記圧電モーターに、同一の駆動信号を供給する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記検出用の圧電素子からの検出信号に基づき、前記駆動信号の周波数の帰還制御を含む追尾制御を施した前記駆動信号を生成し、
前記追尾制御が施された初期の前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の平均の周波数を初期周波数として記憶し、
前記初期周波数と、前記初期に続く駆動時における前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の平均の周波数との差分が、第1の閾値より大きいか否か確認し、
前記第1の閾値以下の場合は、前記駆動信号による駆動を継続し、
前記第1の閾値より大きい場合は、前記駆動信号が異常であると判断する、
圧電駆動装置。 - 前記制御部は、
前記差分が、前記第1の閾値より大きい場合、
複数の前記圧電モーターのうち、1つの前記圧電モーターの前記検出信号を順次選択し、
選択された前記検出信号に基づき前記追尾制御が施された前記駆動信号により駆動した際の前記検出信号の周波数と、前記初期周波数との差分が、第3の閾値より大きいか否か確認し、
前記第3の閾値より大きい場合は、選択された前記圧電モーターを異常と判定し、選択された前記圧電モーターの前記検出信号の入力を切断する、
請求項7に記載の圧電駆動装置。 - 請求項7または8に記載の圧電駆動装置と、
複数のアームと
前記複数のアームを接続する関節部と、を備え、
前記圧電駆動装置は、関節部に配置される、
ロボット。
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