JP2022121928A - 圧電モーターの制御方法およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】優れたエネルギー効率で被駆動体を回転させることができる圧電モーターの制御方法およびロボットを提供する。【解決手段】圧電モーターの制御方法は、回転軸まわりに回転する被駆動体と、前記被駆動体に駆動力を伝達することにより前記被駆動体を回転させる複数の圧電振動子と、を有し、前記複数の圧電振動子には、第１圧電振動子と、前記回転軸からの距離が前記第１圧電振動子よりも大きい第２圧電振動子と、が含まれ、前記被駆動体を加速させる際、前記被駆動体の回転速度が第１速度未満の場合は、前記第２圧電振動子の駆動力により前記被駆動体を回転させ、前記被駆動体の回転速度が前記第１速度以上の場合は、前記第１圧電振動子の駆動力により前記被駆動体を回転させる。【選択図】図７

Description

本発明は、圧電モーターの制御方法およびロボットに関する。

例えば、特許文献１には、同一円周上に等間隔配置された３つの振動子と、これら３つの振動子の駆動により回転するリング形状の被駆動体と、を有する振動型アクチュエーターが開示されている。

特開２０１８－０６８１１２号公報

しかしながら、特許文献１の振動型アクチュエーターでは、３つの振動子部が同一円周上に位置している。そのため、被駆動体の径が大きければ高トルク／低速度に向いた振動型アクチュエーターとなり、反対に、被駆動体の径が小さければ、低トルク／高速度に向いた振動型アクチュエーターとなる。したがって、広い速度領域の全域にわたって優れたエネルギー効率で駆動させることが困難である。

本発明の圧電モーターの制御方法は、回転軸まわりに回転する被駆動体と、
前記被駆動体に駆動力を伝達することにより前記被駆動体を回転させる複数の圧電振動子と、を有し、
前記複数の圧電振動子には、第１圧電振動子と、前記回転軸からの距離が前記第１圧電振動子よりも大きい第２圧電振動子と、が含まれ、
前記被駆動体を加速させる際、
前記被駆動体の回転速度が第１速度未満の場合は、前記第２圧電振動子の駆動力により前記被駆動体を回転させ、
前記被駆動体の回転速度が前記第１速度以上の場合は、前記第１圧電振動子の駆動力により前記被駆動体を回転させる。

本発明のロボットは、相互連結されている第１部材および第２部材と、
上述の制御方法により駆動が制御され、前記第１部材に対して前記第２部材を変位させる圧電モーターと、を有する。

本発明の第１実施形態に係る圧電モーターを示す断面図である。 圧電モーターが有する圧電駆動装置を示す正面図である。 圧電駆動装置が有する圧電振動子を示す正面図である。 圧電駆動装置を回転軸に沿う方向から見た平面図である。 圧電振動子に印加する駆動信号を示す図である。 圧電振動子の駆動状態を示す正面図である。 圧電モーターの制御方法を示す図である。 圧電モーターの制御方法を示す図である。 第２実施形態に係る圧電モーターの制御方法を示す図である。 第３実施形態に係る圧電モーターの制御方法を示す図である。 本発明の第４実施形態に係るロボットを示す斜視図である。 第１アームと第２アームとの関節部分を示す断面図である。

以下、本発明の圧電モーターの制御方法およびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電モーターを示す断面図である。図２は、圧電モーターが有する圧電駆動装置を示す正面図である。図３は、圧電駆動装置が有する圧電振動子を示す正面図である。図４は、圧電駆動装置を回転軸に沿う方向から見た平面図である。図５は、圧電振動子に印加する駆動信号を示す図である。図６は、圧電振動子の駆動状態を示す正面図である。図７および図８は、それぞれ、圧電モーターの制御方法を示す図である。

なお、以下では、説明の便宜上、圧電振動子のローター側を「先端側」とも言い、ローターと反対側を「基端側」とも言う。また、圧電振動子固有の座標軸として、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とし、Ｘ軸に沿う方向をＸ軸方向、Ｙ軸に沿う方向をＹ軸方向、Ｚ軸に沿う方向をＺ軸方向とも言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」とも言い、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。また、本明細書では、未満／以上と以下／超は同義である。

図１に示す圧電モーター１００は、ベース２００と、ベース２００に対して回転軸Ｏまわりに回転可能な被駆動体としてのローター３００と、ローター３００を回転軸Ｏまわりに回転させる圧電駆動装置４００と、ローター３００の回転量を検出する図示しないエンコーダーと、圧電駆動装置４００の駆動を制御する制御装置６００と、を有する。このような圧電モーター１００では、制御装置６００による制御により圧電駆動装置４００が駆動し、圧電駆動装置４００で生じる駆動力がローター３００に伝わることにより、ローター３００が回転軸Ｏまわりに回転する。

ローター３００は、ベアリングＢを介してベース２００に軸受けされ、ベース２００に対して回転軸Ｏまわりに回転可能となっている。また、ローター３００は、回転軸Ｏを中心とする円環状をなしており、内周３１０および外周３２０を有する。また、ベース２００は、その上面に配置された２つの当接部３３０、３４０を有する。当接部３３０は、回転軸Ｏを中心とする円環状をなし、内周３１０に沿って配置されている。また、当接部３４０は、回転軸Ｏを中心とする円環状をなし、外周３２０に沿って配置されている。これら２つの当接部３３０、３４０には、圧電駆動装置４００が当接している。

圧電駆動装置４００は、複数の圧電振動子４１０と、各圧電振動子４１０をローター３００に向けて付勢する付勢部材４９０と、を有する。図２に示すように、各圧電振動子４１０は、振動部４１１と、振動部４１１を支持する支持部４１２と、振動部４１１と支持部４１２とを接続する接続部４１３と、振動部４１１の振動をローター３００に伝達する凸状の伝達部４１４と、を有する。

図３に示すように、振動部４１１は、Ｚ軸方向を厚さ方向とし、Ｘ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面に広がる板状である。また、振動部４１１は、平面視で、Ｙ軸方向を長手とする長手形状、特に本実施形態では長方形である。ただし、振動部４１１の形状は、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。また、振動部４１１は、駆動用の圧電素子４２０Ａ～４２０Ｆと、振動部４１１の振動を検出する検出用の圧電素子４２０Ｇと、を有する。振動部４１１の中央部には、圧電素子４２０Ｃ、４２０ＤがＹ軸方向に並んで配置されている。また、圧電素子４２０Ｃ、４２０ＤのＸ軸方向プラス側には圧電素子４２０Ａ、４２０ＢがＹ軸方向に並んで配置され、Ｘ軸方向マイナス側には圧電素子４２０Ｅ、４２０ＦがＹ軸方向に並んで配置されている。これら圧電素子４２０Ａ～４２０Ｆは、それぞれ、通電によってＹ軸方向に伸縮する。ただし、駆動用の圧電素子の数や配置は、振動部４１１に所望の振動を励振することができれば特に限定されない。

検出用の圧電素子４２０Ｇは、圧電素子４２０Ｃ、４２０Ｄの間に配置されている。圧電素子４２０Ｇは、振動部４１１の振動に応じた外力を受け、受けた外力に応じた検出信号を出力する。そのため、圧電素子４２０Ｇから出力される検出信号に基づいて、振動部４１１の振動状態を検知することができる。なお、検出用の圧電素子の数や配置は、振動部４１１の振動を検出することができれば特に限定されない。また、検出用の圧電素子は、省略してもよい。

これら圧電素子４２０Ａ～４２０Ｆは、例えば、圧電体を一対の電極で挟み込んだ構成である。圧電体の構成材料は、特に限定されず、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、スカンジウムニオブ酸鉛等の圧電セラミックスを用いることができる。また、圧電体としては、上述した圧電セラミックスの他にも、ポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いてもよい。また、圧電体の形成方法としては、特に限定されず、バルク材料から形成してもよいし、ゾル－ゲル法やスパッタリング法を用いて形成してもよい。

伝達部４１４は、振動部４１１の先端部に設けられ、振動部４１１からＹ軸方向マイナス側へ突出している。そして、伝達部４１４がローター３００の当接部３３０、３４０と接触している。そのため、振動部４１１の振動は、伝達部４１４を介してローター３００に伝達される。

以上、圧電振動子４１０の構成について説明した。図１および図４に示すように、これら複数の圧電振動子４１０には、第１圧電振動子４１０Ａと、第２圧電振動子４１０Ｂと、が含まれている。第１圧電振動子４１０Ａは、当接部３３０と対向して配置され、その伝達部４１４が当接部３３０と接触している。一方、第２圧電振動子４１０Ｂは、当接部３４０と対向して配置され、その伝達部４１４が当接部３４０と接触している。そのため、第２圧電振動子４１０Ｂと回転軸Ｏとの離間距離Ｄｂは、第１圧電振動子４１０Ａと回転軸Ｏとの離間距離Ｄａよりも大きい。つまり、Ｄｂ＞Ｄａである。

また、図４に示すように、第１圧電振動子４１０Ａは、当接部３３０に沿って回転軸Ｏまわりに等間隔に複数配置されている。同様に、第２圧電振動子４１０Ｂは、当接部３４０に沿って回転軸Ｏまわりに等間隔に複数配置されている。このように、第１圧電振動子４１０Ａおよび第２圧電振動子４１０Ｂを複数配置することにより、より大きな駆動力を発生させることができる。なお、第１圧電振動子４１０Ａおよび第２圧電振動子４１０Ｂの数としては、それぞれ、特に限定されず、１つであってもよい。また、第１圧電振動子４１０Ａと第２圧電振動子４１０Ｂの数は、同じであっても異なっていてもよい。内周３１０は、外周３２０よりも短くなるため、本実施形態では、第１圧電振動子４１０Ａの数（１０個）は、第２圧電振動子４１０Ｂの数（２０個）よりも少ない。

図２に示すように、付勢部材４９０は、圧電振動子４１０毎に配置されている。付勢部材４９０は、圧電振動子４１０をローター３００に向けて付勢し、伝達部４１４を当接部３３０、３４０に押し当てる。付勢部材４９０は、圧電振動子４１０の支持部４１２を保持する保持部４９１と、圧電振動子４１０をベース２００に固定する基台４９２と、保持部４９１と基台４９２とを接続する一対のばね群４９３、４９４と、を有する。付勢部材４９０は、ばね群４９３、４９４を撓ませた状態でベース２００に固定されており、ばね群４９３、４９４の復元力を利用して圧電振動子４１０を当接部３３０、３４０に向けて付勢する。ただし、付勢部材４９０の構成は、特に限定されない。

制御装置６００は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理するプロセッサーと、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有する。また、メモリーにはプロセッサーにより実行可能なプログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶されたプログラムを読み込んで実行する。このような制御装置６００は、図示しないホストコンピューターからの指令を受け、この指令に基づいて各圧電振動子４１０を駆動する。なお、本実施形態では、全ての第１圧電振動子４１０Ａを一括制御し、全ての第２圧電振動子４１０Ｂを一括制御する。これにより、装置構成が簡単となる。ただし、これに限定されず、例えば、全ての圧電振動子４１０を独立して制御してもよい。また、例えば、第１圧電振動子４１０Ａを複数のグループに分け、グループごとに独立して制御してもよい。同様に、第２圧電振動子４１０Ｂを複数のグループに分け、グループごとに独立して制御してもよい。

例えば、図５に示す駆動信号Ｖ１を圧電素子４２０Ａ、４２０Ｆに印加し、駆動信号Ｖ２を圧電素子４２０Ｃ、４２０Ｄに印加し、駆動信号Ｖ３を圧電素子４２０Ｂ、４２０Ｅに印加すると、図６に示すように、振動部４１１がＹ軸方向に伸縮振動しつつＺ軸方向に屈曲振動し、これらの振動が合成されて伝達部４１４の先端が矢印Ａ１で示すように反時計回りに楕円軌道を描く楕円運動する。そして、伝達部４１４の楕円運動により、ローター３００が送り出され、ローター３００が矢印Ｂ１で示すように順回転する。駆動信号Ｖ１、Ｖ３の波形を切り換えると、ローター３００が逆回転する。なお、「楕円運動」とは、軌跡が楕円と一致する運動の他にも、例えば、軌跡が円、長円等、楕円から若干ずれた運動も含む意味である。

以下では、説明の便宜上、振動部４１１のＹ軸方向への伸縮振動を「往復振動」とも言い、Ｘ軸方向への屈曲振動を「屈曲振動」とも言う。往復振動は、圧電素子４２０Ｃ、４２０Ｄへの駆動信号Ｖ２の印加により励振され、屈曲振動は、圧電素子４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｅ、４２０Ｆへの駆動信号Ｖ１、Ｖ３の印加により励振される。そのため、往復振動は、駆動信号Ｖ２によって制御され、屈曲振動は、駆動信号Ｖ１、Ｖ３によって制御される。

次に、制御装置６００による圧電モーター１００の駆動制御方法について、図７に示すように、ローター３００を回転位置θ０から回転位置θ１まで回転移動させる例について代表して説明する。回転位置θ０から回転位置θ１までの回転移動中には、ローター３００を停止状態から目標最高速度Ｖｍまで加速させる加速領域Ｑ１と、ローター３００を目標最高速度Ｖｍに維持する等速領域Ｑ２と、ローター３００を目標最高速度Ｖｍから停止状態まで減速させる減速領域Ｑ３と、を有する。

ここで、前述したように、第２圧電振動子４１０Ｂと回転軸Ｏとの離間距離Ｄｂは、第１圧電振動子４１０Ａと回転軸Ｏとの離間距離Ｄａよりも大きい。そのため、消費電力が同じであれば（つまり、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の振幅が同じであれば）、第２圧電振動子４１０Ｂの方が第１圧電振動子４１０Ａよりもローター３００を大きいトルクで回転させることができ、反対に、第１圧電振動子４１０Ａの方が第２圧電振動子４１０Ｂよりもローター３００を高速に回転させることができる。そのため、例えば、自動車の変速機のように、必要な回転速度、必要なトルクに応じて駆動させる圧電振動子４１０を第１圧電振動子４１０Ａ、第２圧電振動子４１０Ｂから選択することにより、最適な駆動状態を選択することができ、優れた駆動効率を発揮することができる。

［加速領域Ｑ１］
まず、制御装置６００は、第２圧電振動子４１０Ｂを楕円振動させる。これにより、大きなトルクでローター３００を回転させることができ、停止状態のローター３００をスムーズに加速させることができる。また、第１圧電振動子４１０Ａの楕円振動を用いた場合と比べて高いエネルギー効率でローター３００を回転させることができ、圧電モーター１００の省電力駆動が可能となる。

なお、各圧電振動子４１０は、付勢部材４９０によって当接部３３０、３４０に押し付けられている。そのため、第１圧電振動子４１０Ａが停止したままだと、第１圧電振動子４１０Ａがブレーキとして作用してローター３００の加速が阻害されるおそれがある。そこで、制御装置６００は、第１圧電振動子４１０Ａを往復振動させる。これにより、第１圧電振動子４１０Ａの伝達部４１４が当接部３３０と当接・離間を繰り返し、実質的にブレーキが解除された状態となる。そのため、第２圧電振動子４１０Ｂの楕円振動によってローター３００をスムーズに加速させることができ、エネルギーロスが小さくなる。

ローター３００の回転速度つまり角速度が予め設定されている第１速度Ｖｒ１以上となったら、制御装置６００は、ローター３００の駆動を担う圧電振動子４１０を第２圧電振動子４１０Ｂから第１圧電振動子４１０Ａに切り替える。つまり、ローター３００の回転速度が第１速度Ｖｒ１以上となったら、第１圧電振動子４１０Ａの振動を往復振動から楕円振動に移行させ、第２圧電振動子４１０Ｂの振動を楕円振動から往復振動に移行させる。なお、ローター３００の回転速度は、図示しないエンコーダーの出力を用いて検出することができる。これにより、より高い速度でローター３００を回転させることができ、ローター３００をスムーズに加速させることができる。また、第２圧電振動子４１０Ｂの楕円振動を用いてそのまま加速させた場合と比べて高いエネルギー効率でローター３００を回転させることができ、圧電モーター１００の省電力駆動が可能となる。

第２圧電振動子４１０Ｂの振動を楕円振動から往復振動に移行させるのは、前述した理由と同様であり、第２圧電振動子４１０Ｂがブレーキになることを抑制するためである。

第１速度Ｖｒ１としては、特に限定されず、離間距離Ｄａ、Ｄｂの値に基づいてエネルギー効率がよりよくなるように適宜設定することができる。また、第１速度Ｖｒ１は、一定であってもよいし、例えば、指定された加速度に応じて変化してもよい。例えば、制御装置６００は、指定された加速度が大きい程、第１速度Ｖｒ１を高めてもよい。これにより、より高速域まで第２圧電振動子４１０Ｂを用いることができるため、より高速まで急峻に加速させることができる。

本実施形態では、ローター３００の駆動を担う圧電振動子４１０を第２圧電振動子４１０Ｂから第１圧電振動子４１０Ａに切り替える際、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂが共に楕円振動する時間帯Ｔ１が設けられている。つまり、ローター３００の回転速度が第１速度Ｖｒ１以上となっても、そこから所定時間あるいはローター３００の回転速度が所定値以上となるまでは、第１圧電振動子４１０Ａを楕円振動させた後も第２圧電振動子４１０Ｂの楕円振動を継続する。このような時間帯Ｔ１を設けることにより、動力を途切れさせることなく、第２圧電振動子４１０Ｂから第１圧電振動子４１０Ａに切り替えることができる。そのため、動力のスムーズな切り替えが可能となる。

ローター３００の駆動を担う圧電振動子４１０を第１圧電振動子４１０Ａに切り替えた後は、第１圧電振動子４１０Ａの楕円振動によってローター３００を目標最高速度Ｖｍまで加速させる。

［等速領域Ｑ２］
等速領域Ｑ２では、制御装置６００は、ローター３００の回転速度を目標最高速度Ｖｍに維持する。

［減速領域Ｑ３］
減速領域Ｑ３では、前述した加速領域Ｑ１とは逆の手順によってローター３００を減速させる。まず、制御装置６００は、第１圧電振動子４１０Ａの楕円振動の振幅を徐々に小さくし、ローター３００を減速させる。そして、ローター３００の回転速度が第２速度Ｖｒ２以下となったら、ローター３００の駆動を担う圧電振動子４１０を第１圧電振動子４１０Ａから第２圧電振動子４１０Ｂに切り替える。つまり、ローター３００の回転速度が第２速度Ｖｒ２以下となったら、第２圧電振動子４１０Ｂの振動を往復振動から楕円振動に移行させ、第１圧電振動子４１０Ａの振動を楕円振動から往復振動させる。これにより、大きなトルクでローター３００を回転させることができ、ローター３００をスムーズに減速させることができる。また、第１圧電振動子４１０Ａの楕円振動を用いてそのまま減速させた場合と比べて高いエネルギー効率でローター３００を減速させることができ、圧電モーター１００の省電力駆動が可能となる。

第１圧電振動子４１０Ａの振動を楕円振動から往復振動に移行させるのは、前述した理由と同様であり、第１圧電振動子４１０Ａがブレーキになって減速が不安定となることを抑制するためである。

ここで、本実施形態では、ローター３００の駆動を担う圧電振動子４１０を第１圧電振動子４１０Ａから第２圧電振動子４１０Ｂに切り替える際、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂが共に楕円振動する時間帯Ｔ２が設けられている。つまり、ローター３００の回転速度が第２速度Ｖｒ２以下となっても、そこから所定時間あるいはローター３００の回転速度が所定値以下となるまでは、第２圧電振動子４１０Ｂを楕円振動させた後も第１圧電振動子４１０Ａの楕円振動を継続する。このような時間帯Ｔ２を設けることにより、動力を途切れさせることなく、第１圧電振動子４１０Ａから第２圧電振動子４１０Ｂに切り替えることができる。そのため、動力のスムーズな切り替えが可能となる。

なお、第２速度Ｖｒ２としては、特に限定されず、離間距離Ｄａ、Ｄｂの値に基づいてエネルギー効率がよりよくなるように適宜設定することができる。また、第２速度Ｖｒ２は、一定であってもよいし、例えば、指定された加速度に応じて変化してもよい。例えば、制御装置６００は、指定された減速度が大きい程、第２速度Ｖｒ２を高めてもよい。これにより、より高速域から第２圧電振動子４１０Ｂを用いることができるため、より高速域から急峻に減速させることができる。

また、本実施形態では、加速時に第２圧電振動子４１０Ｂから第１圧電振動子４１０Ａに切り替える第１速度Ｖｒ１と、減速時に第１圧電振動子４１０Ａから第２圧電振動子４１０Ｂに切り替える第２速度Ｖｒ２とが同じであるが、これに限定されず、異なっていてもよい。

ローター３００の駆動を担う圧電振動子４１０を第２圧電振動子４１０Ｂに切り替えた後は、第２圧電振動子４１０Ｂの楕円振動の振幅を徐々に小さくし、ローター３００が回転位置θ１に到達したときに第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂの駆動を共に停止する。第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂの駆動を停止した状態では、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂがブレーキとして機能するため、ベース２００に対するローター３００の回転が阻止され、ローター３００の位置が回転位置θ１に維持される。つまり、圧電モーター１００によれば、圧電振動子４１０がローター３００を回転させる駆動源としても、ローター３００の回転を阻止するブレーキとしても機能するため、駆動源の他にブレーキを別途設ける必要がない。そのため、圧電モーター１００の小型化を図ることができる。

以上、制御装置６００による圧電モーター１００の駆動制御方法について説明した。ただし、制御装置６００による圧電モーター１００の駆動制御方法は、上記の方法に限定されない。例えば、加速時、減速時または等速時に関わらず、より大きなトルクでローター３００を回転させたい場合には、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂを共に楕円振動させればよい。これにより、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂの協働によって、より大きなトルクでローター３００を回転させることができる。例えば、図８に示す例では、加速領域Ｑ１の全域と減速領域Ｑ３の全域とでは第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂを共に楕円振動させ、等速領域Ｑ２では第１圧電振動子４１０Ａを楕円振動させ、第２圧電振動子４１０Ｂを往復振動させている。

なお、Ｄｂ＞Ｄａであるため、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂを同じ振幅で楕円振動させてしまうと、ローター３００の内周側に加わる角速度が外周側に加わる角速度よりも大きくなってしまうため、内側に位置する第１圧電振動子４１０Ａがブレーキのように作用し、外側に位置する第２圧電振動子４１０Ｂがローター３００に引きずられるような形となる。そのため、ローター３００のスムーズな回転が阻害され、ローター３００や伝達部４１４の摩耗が過度に進行したり、駆動効率が悪化したりするおそれがある。

そこで、ローター３００の内周側と外周側とで生じる角速度が等しくなるように、第１圧電振動子４１０Ａの駆動力を第２圧電振動子４１０Ｂの駆動力よりも小さくすることが好ましい。駆動力を小さくする方法としては、例えば、第２圧電振動子４１０Ｂに印加する駆動信号Ｖ１、Ｖ３の電圧に対して、第１圧電振動子４１０Ａに印加する駆動信号Ｖ１、Ｖ３の電圧を小さくする方法が挙げられる。これにより、第１圧電振動子４１０Ａの楕円振動の振幅が第２圧電振動子４１０Ｂの楕円振動の振幅よりも小さくなり、第１圧電振動子４１０Ａの駆動力が第２圧電振動子４１０Ｂの駆動力よりも小さくなる。したがって、上述した問題の発生が抑制され、ローター３００をスムーズに回転させることができる。

なお、角速度は、概ね駆動信号Ｖ１、Ｖ３の電圧比に比例するため、例えば、Ｄｂ、Ｄａの比に基づいて第１圧電振動子４１０Ａに印加する駆動信号Ｖ１、Ｖ３の大きさを決定してもよい。つまり、第１圧電振動子４１０Ａに印加する駆動信号Ｖ１、Ｖ３の大きさを、第２圧電振動子４１０Ｂに印加する駆動信号Ｖ１、Ｖ３の大きさのＤａ／Ｄｂ程度としてもよい。これにより、ローター３００の内周側と外周側とで生じる角速度がほぼ等しくなり、ローター３００のスムーズな回転が可能となる。また、そのため、ローター３００や伝達部４１４の摩耗を抑制することができると共に、高いエネルギー効率でローター３００を回転させることができる。

以上のような圧電モーターの制御方法は、前述したように、回転軸Ｏまわりに回転する被駆動体としてのローター３００と、ローター３００に駆動力を伝達することによりローター３００を回転させる複数の圧電振動子４１０と、を有し、複数の圧電振動子４１０には、第１圧電振動子４１０Ａと、回転軸Ｏからの距離が第１圧電振動子４１０Ａよりも大きい第２圧電振動子４１０Ｂと、が含まれ、ローター３００を加速させる際、ローター３００の回転速度が第１速度Ｖｒ未満の場合は、第２圧電振動子４１０Ｂの駆動力をローター３００に伝達することによりローター３００を回転させ、ローター３００の回転速度が第１速度Ｖｒ以上の場合は、第１圧電振動子４１０Ａの駆動力をローター３００に伝達することによりローター３００を回転させる。このように、ローター３００の回転速度に応じてローター３００を駆動させる圧電振動子４１０を選択することにより、優れたエネルギー効率でローター３００を回転させることができる。

また、前述したように、圧電振動子４１０は、圧電素子４２０Ａ～４２０Ｆへの通電により振動する振動部４１１と、ローター３００に当接し、振動部４１１の振動をローター３００に伝達する伝達部４１４と、を有する。そして、駆動力をローター３００に伝達するときは、伝達部４１４を楕円振動させ、駆動力をローター３００に伝達しないときは、伝達部４１４をローター３００に接近および離間する方向に往復振動させる。これにより、駆動力を伝達しない側の圧電振動子４１０がブレーキとなって、駆動効率が低下するのを抑制することができる。

また、前述したように、ローター３００の加速時は、ローター３００の回転速度が第１速度Ｖｒ以上になったら第１圧電振動子４１０Ａの振動を往復振動から楕円振動とし、第２圧電振動子４１０Ｂの振動を楕円振動から往復振動とする。これにより、優れたエネルギー効率でローター３００を加速させることができる。

また、前述したように、第１圧電振動子４１０Ａおよび第２圧電振動子４１０Ｂが共に楕円振動する状態を経て、第１圧電振動子４１０Ａが楕円振動し、第２圧電振動子４１０Ｂが往復振動する状態となる。これにより、動力を途切れさせることなく、第２圧電振動子４１０Ｂから第１圧電振動子４１０Ａに切り替えることができる。そのため、動力のスムーズな切り替えが可能となる。

また、前述したように、第１圧電振動子４１０Ａおよび第２圧電振動子４１０Ｂが共に楕円振動する状態では、第１圧電振動子４１０Ａの駆動力を第２圧電振動子４１０Ｂの駆動力よりも小さくする。これにより、ローター３００の内周側と外周側とで生じる角速度の差が小さく、好ましくはゼロとなり、ローター３００を高いエネルギー効率でスムーズに回転させることができる。

また、前述したように、ローター３００の減速時は、ローター３００の回転速度が第２速度Ｖｒ２以下になったら第１圧電振動子４１０Ａの振動を楕円振動から往復振動とし、第２圧電振動子４１０Ｂの振動を往復振動から楕円振動とする。これにより、優れたエネルギー効率でローター３００を減速させることができる。

＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態に係る圧電モーターの制御方法を示す図である。

本実施形態の圧電モーターの制御方法は、減速領域Ｑ３での制御方法が異なること以外は、前述した第１実施形態の圧電モーターの制御方法と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関しては、その説明を省略する。また、図９において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

［減速領域Ｑ３］
図９に示すように、本実施形態の減速領域Ｑ３では、まず、制御装置６００は、第１圧電振動子４１０Ａの楕円振動の振幅を徐々に小さくし、ローター３００を減速させる。そして、ローター３００の回転速度が第２速度Ｖｒ２以下となったら、ローター３００の駆動を担う圧電振動子４１０に第２圧電振動子４１０Ｂを追加する。つまり、ローター３００の回転速度が第２速度Ｖｒ２以下となったら、第１圧電振動子４１０Ａの振動を楕円振動に維持したまま、第２圧電振動子４１０Ｂの振動を往復振動から楕円振動に移行させ、第１、第２圧電振動子４１０Ｂの協働によりローター３００を回転させる。これにより、より大きなトルクでローター３００を回転させることができ、かつ、静止摩擦力によりローター３００を減速させることができるため、ローター３００をスムーズにかつ高い減速度で減速させることができる。

なお、第２速度Ｖｒ２以下では、ローター３００の内周側と外周側とで生じる角速度が等しくなるように、第１圧電振動子４１０Ａの駆動力を第２圧電振動子４１０Ｂの駆動力よりも小さくする。これにより、第１圧電振動子４１０Ａの楕円振動の振幅が第２圧電振動子４１０Ｂの楕円振動の振幅よりも小さくなり、第１圧電振動子４１０Ａの駆動力が第２圧電振動子４１０Ｂの駆動力よりも小さくなる。したがって、前述した第１実施形態で述べたような問題の発生が抑制され、ローター３００をスムーズに回転させることができる。

ローター３００の駆動を担う圧電振動子４１０を第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂに切り替えた後は、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂの楕円振動の振幅を徐々に小さくし、ローター３００が回転位置θ１に到達したときに第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂの駆動を共に停止する。

以上のように、本実施形態の圧電モーターの制御方法では、ローター３００の減速時は、第１圧電振動子４１０Ａおよび第２圧電振動子４１０Ｂの振動を共に楕円振動とする。これにより、より大きなトルクでローター３００を回転させることができ、ローター３００をスムーズにかつ高い減速度で減速させることができる。

このような第２実施形態によっても前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。なお、第２実施形態としては、これに限定されず、例えば、減速領域Ｑ３の全域において、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂを共に楕円振動させることによりローター３００を回転、減速させてもよい。

＜第３実施形態＞
図１０は、第３実施形態に係る圧電モーターの制御方法を示す図である。

本実施形態の圧電モーターの制御方法は、減速領域Ｑ３での制御方法が異なること以外は、前述した第１実施形態の圧電モーターの制御方法と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関しては、その説明を省略する。また、図１０において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

［減速領域Ｑ３］
図１０に示すように、本実施形態の減速領域Ｑ３では、まず、制御装置６００は、第１圧電振動子４１０Ａの楕円振動の振幅を徐々に小さくし、ローター３００を減速させる。そして、ローター３００の回転速度が第２速度Ｖｒ２以下となったら、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂの駆動を共に停止する。これにより、ローター３００にブレーキがかかり、ローター３００を減速させることができる。このような方法によれば、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂへの通電が不要となるため、圧電モーター１００の省電力駆動が可能となる。

以上のように、本実施形態の圧電モーターの制御方法では、ローター３００の減速時は、第１圧電振動子４１０Ａおよび第２圧電振動子４１０Ｂの駆動を停止する。これにより、ローター３００にブレーキがかかり、ローター３００を減速させることができる。また、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂへの通電が不要となるため、圧電モーター１００の省電力駆動が可能となる。

このような第３実施形態によっても前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。なお、第３実施形態としては、これに限定されず、例えば、減速領域Ｑ３の全域において、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂの駆動を共に停止してもよい。

＜第４実施形態＞
図１１は、本発明の第４実施形態に係るロボットを示す斜視図である。図１２は、第１アームと第２アームとの関節部分を示す断面図である。

図１１に示すロボット１０００は、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。このようなロボット１０００は、６軸多関節ロボットであり、床や天井に固定されるベース１１００と、ベース１１００に支持されたマニピュレーター１２００と、を有する。

マニピュレーター１２００は、複数の相互連結されたアームを有することにより複数自由度で運動するロボティックアームであり、ベース１１００に回動自在に連結された第１アーム１２１０と、第１アーム１２１０に回動自在に連結された第２アーム１２２０と、第２アーム１２２０に回動自在に連結された第３アーム１２３０と、第３アーム１２３０に回動自在に連結された第４アーム１２４０と、第４アーム１２４０に回動自在に連結された第５アーム１２５０と、第５アーム１２５０に回動自在に連結された第６アーム１２６０と、第６アーム１２６０に装着されたエンドエフェクター１２７０と、を有する。

なお、これら第１～第６アーム１２１０～１２６０およびエンドエフェクター１２７０のうちから任意に選択したものを第１部材とし、この第１部材を除いた中から任意に選択したものを第２部材とすることができる。また、例えば、エンドエフェクター１２７０内に、相対的に移動可能な複数の部材、例えば、ワークを把持するための一対の爪が存在する場合には、一方の爪を第１部材とし、他方の爪を第２部材とすることができる。図示の構成では、第１アーム１２１０を第１部材Ｒ１とし、第２アーム１２２０を第２部材Ｒ２としている。

また、ロボット１０００は、ベース１１００と第１アーム１２１０との関節に配置され、ベース１１００に対して第１アーム１２１０を回動させる第１アーム回動機構１３１０と、第１アーム１２１０と第２アーム１２２０との関節に配置され、第１アーム１２１０に対して第２アーム１２２０を回動させる第２アーム回動機構１３２０と、第２アーム１２２０と第３アーム１２３０との関節に配置され、第２アーム１２２０に対して第３アーム１２３０を回動させる第３アーム回動機構１３３０と、第３アーム１２３０と第４アーム１２４０との関節に配置され、第３アーム１２３０に対して第４アーム１２４０を回動させる第４アーム回動機構１３４０と、第４アーム１２４０と第５アーム１２５０との関節に配置され、第４アーム１２４０に対して第５アーム１２５０を回動させる第５アーム回動機構１３５０と、第５アーム１２５０と第６アーム１２６０との関節に配置され、第５アーム１２５０に対して第６アーム１２６０を回動させる第６アーム回動機構１３６０と、エンドエフェクター１２７０を駆動するエンドエフェクター駆動機構１３７０と、を有する。また、ロボット１０００は、これら第１～第６アーム回動機構１３１０～１３６０およびエンドエフェクター駆動機構１３７０の駆動を制御するロボット制御部１４００を有する。

第１～第６アーム回動機構１３１０～１３６０およびエンドエフェクター駆動機構１３７０の一部または全部には、その動力源として圧電モーター１００が搭載されており、圧電モーター１００の駆動によって対象の第１～第６アーム１２１０～１２６０およびエンドエフェクター１２７０が駆動する。また、圧電モーター１００の制御には、例えば、上述した第１～第３実施形態で述べた圧電モーター１００の制御方法が適用されている。したがって、ロボット１０００は、上述した圧電モーター１００の制御方法による効果を享受することができ、優れたエネルギー効率で駆動することができる。

ここで、前述したように、圧電モーター１００は、圧電振動子４１０として、第１圧電振動子４１０Ａおよび第２圧電振動子４１０Ｂを有する。そのため、圧電モーター１００は、第１圧電振動子４１０Ａと第２圧電振動子４１０Ｂとを切り替えることにより、減速機としても機能する。つまり、圧電モーター１００は、減速機を兼ねる。したがって、図１２に示すように、第１アーム回動機構１３１０では、ベース２００が第１アーム１２１０に固定され、ローター３００が第２アーム１２２０に固定され、ローター３００と第２アーム１２２０との間にローター３００の回転を減速する減速機が設けられていない。そのため、第１アーム回動機構１３１０の小型化を図ることができる。第２～第６アーム回動機構１３２０～１３６０およびエンドエフェクター駆動機構１３７０についても同様である。

また、前述したように、圧電モーター１００では、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂがその駆動を停止することにより、ローター３００の回転を阻止し、連結するアーム同士の相対的位置を維持するブレーキとしても機能する。つまり、第１、第２圧電振動子４１０Ａ、４１０Ｂがローター３００の回転を阻止するブレーキを兼ねる。したがって、図１２に示すように、第１アーム回動機構１３１０には、圧電モーター１００とは別に、ローター３００の回転を阻止するブレーキが設けられていない。そのため、第１アーム回動機構１３１０の小型化を図ることができる。第２～第６アーム回動機構１３２０～１３６０およびエンドエフェクター駆動機構１３７０についても同様である。

以上のように、ロボット１０００は、相互連結されている第１部材Ｒ１としての第１アーム１２１０および第２部材Ｒ２としての第２アーム１２２０と、第１アーム１２１０に対して第２アーム１２２０を変位させる圧電モーター１００と、を有する。そのため、ロボット１０００は、圧電モーター１００の効果を享受でき、優れたエネルギー効率での駆動が可能となる。

また、前述したように、圧電モーター１００は、減速機を兼ねる。そのため、圧電モーター１００とは別に減速機を設ける必要がないため、ロボット１０００の小型化を図ることができる。

また、前述したように、圧電モーター１００は、圧電振動子４１０がローター３００の回転を阻止するブレーキを兼ねる。そのため、圧電モーター１００とは別にブレーキを設ける必要がないため、ロボット１０００の小型化を図ることができる。

このような第４実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

以上、本発明の圧電モーターの制御方法およびロボットを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。また、前述した実施形態では、圧電モーターの制御方法をロボットに適用した構成について説明したが、圧電モーターの制御方法は、ロボット以外の、駆動力を必要とする各種電子デバイス、例えば、プリンター、プロジェクター等に適用することもできる。

１００…圧電モーター、２００…ベース、３００…ローター、３１０…内周、３２０…外周、３３０…当接部、３４０…当接部、４００…圧電駆動装置、４１０…圧電振動子、４１０Ａ…第１圧電振動子、４１０Ｂ…第２圧電振動子、４１１…振動部、４１２…支持部、４１３…接続部、４１４…伝達部、４２０Ａ…圧電素子、４２０Ｂ…圧電素子、４２０Ｃ…圧電素子、４２０Ｄ…圧電素子、４２０Ｅ…圧電素子、４２０Ｆ…圧電素子、４２０Ｇ…圧電素子、４９０…付勢部材、４９１…保持部、４９２…基台、４９３…ばね群、４９４…ばね群、６００…制御装置、１０００…ロボット、１１００…ベース、１２００…マニピュレーター、１２１０…第１アーム、１２２０…第２アーム、１２３０…第３アーム、１２４０…第４アーム、１２５０…第５アーム、１２６０…第６アーム、１２７０…エンドエフェクター、１３１０…第１アーム回動機構、１３２０…第２アーム回動機構、１３３０…第３アーム回動機構、１３４０…第４アーム回動機構、１３５０…第５アーム回動機構、１３６０…第６アーム回動機構、１３７０…エンドエフェクター駆動機構、１４００…ロボット制御部、Ａ１…矢印、Ｂ…ベアリング、Ｂ１…矢印、Ｄａ…離間距離、Ｄｂ…離間距離、Ｏ…回転軸、Ｑ１…加速領域、Ｑ２…等速領域、Ｑ３…減速領域、Ｒ１…第１部材、Ｒ２…第２部材、Ｔ１…時間帯、Ｔ２…時間帯、Ｖ１…駆動信号、Ｖ２…駆動信号、Ｖ３…駆動信号、Ｖｍ…目標最高速度、Ｖｒ１…第１速度、Vｒ２…第２速度、θ０…回転位置、θ１…回転位置

Claims (9)

1. 回転軸まわりに回転する被駆動体と、
   前記被駆動体に駆動力を伝達することにより前記被駆動体を回転させる複数の圧電振動子と、を有し、
   前記複数の圧電振動子には、第１圧電振動子と、前記回転軸からの距離が前記第１圧電振動子よりも大きい第２圧電振動子と、が含まれ、
   前記被駆動体を加速させる際、
   前記被駆動体の回転速度が第１速度未満の場合は、前記第２圧電振動子の駆動力により前記被駆動体を回転させ、
   前記被駆動体の回転速度が前記第１速度以上の場合は、前記第１圧電振動子の駆動力により前記被駆動体を回転させることを特徴とする圧電モーターの制御方法。
2. 前記圧電振動子は、圧電素子への通電により振動する振動部と、前記被駆動体に当接し、前記振動部の振動を前記被駆動体に伝達する伝達部と、を有し、
   駆動力を前記被駆動体に伝達するときは、前記伝達部を楕円振動させ、
   駆動力を前記被駆動体に伝達しないときは、前記伝達部を前記被駆動体に接近および離間する方向に往復振動させる請求項１に記載の圧電モーターの制御方法。
3. 前記被駆動体の加速時は、前記被駆動体の回転速度が前記第１速度以上になったら前記第１圧電振動子の振動を前記往復振動から前記楕円振動とし、前記第２圧電振動子の振動を前記楕円振動から前記往復振動とする請求項２に記載の圧電モーターの制御方法。
4. 前記第１圧電振動子および前記第２圧電振動子が共に前記楕円振動する状態を経て、前記第１圧電振動子が前記楕円振動し、前記第２圧電振動子が前記往復振動する状態となる請求項３に記載の圧電モーターの制御方法。
5. 前記第１圧電振動子および前記第２圧電振動子が共に前記楕円振動する状態では、
   前記第１圧電振動子の駆動力を前記第２圧電振動子の駆動力よりも小さくする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の圧電モーターの制御方法。
6. 前記被駆動体の減速時は、前記被駆動体の回転速度が第２速度以下になったら前記第１圧電振動子の振動を前記楕円振動から前記往復振動とし、前記第２圧電振動子の振動を前記往復振動から前記楕円振動とする請求項２に記載の圧電モーターの制御方法。
7. 前記被駆動体の減速時は、前記第１圧電振動子および前記第２圧電振動子の振動を共に前記楕円振動とする請求項２に記載の圧電モーターの制御方法。
8. 前記被駆動体の減速時は、前記第１圧電振動子および前記第２圧電振動子の駆動を停止する請求項２に記載の圧電モーターの制御方法。
9. 相互連結されている第１部材および第２部材と、
   請求項１ないし８のいずれか１項に記載の圧電モーターの制御方法により駆動が制御され、前記第１部材に対して前記第２部材を変位させる圧電モーターと、を有することを特徴とするロボット。

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