JP5486832B2 - 圧電アクチュエータの機械出力測定評価方法、制御方法及びこれらの方法を用いた装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械量のセンサーを用いずに、電気量の計測値のみから、圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、変位、機械エネルギー等の機械出力または対象物の剛性を測定評価する方法、圧電アクチュエータを制御する方法並びにこれらの方法を利用した装置に関する。

様々な機械運動を引き起こす装置であるアクチュエータは、各種産業機械、自動車、航空機、医療関連機器を始め、身の回りの電気製品に至るまで、様々な分野に用いられている。

その中でも、圧電効果或いは電歪効果を利用することにより電気エネルギーから機械エネルギーへの変換を行う圧電アクチュエータは幅広く利用されている。圧電アクチュエータの特徴は、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率が高く、小型で、微少変位の制御が容易で、また、或る発生変位の状態を保つ様に電圧を印加した場合に実質的に電流が流れないこと、つまりある印加電圧に達する間の電力消費はあるが、その後電圧を一定に保つ場合には更なる電力を消費しないことである。このような圧電アクチュエータの構成材料としては、水晶、セラミック材料、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の有機高分子物質、等が知られている。

図５は、クランプ機構の形に構成した圧電アクチュエータの一例を示す図である。積層圧電アクチュエータの発生変位は物を挟む機械運動に変換され、クランプ機構を構成している。図５（ａ）は積層圧電アクチュエータに電圧を印加していない状態、図５（ｂ）は積層圧電アクチュエータに電圧を印加することにより対象物を挟んだ状態を示している。

このような圧電アクチュエータを利用する場合には圧電アクチュエータ先端で発生している力の状態を検出することが必要になる。例えば、チップ部品搭載機用のクランプ機構を構成する場合には、チップ部品を移動させる場合の加速度によりチップ部品に加わる慣性力に打ち勝つ様な力で確実に摘まみ上げることが要求される。また、ワイングラスや卵等の割れ易い物を挟んで移動させる場合には、対象物が割れない力で、尚且つ、移動時にワイングラス或いは卵に加わる慣性力により脱落しない力の範囲内で適切な力を加える様に印加電圧を調節する必要がある。しかも、対象物の寸法には一般にばらつきがあるので、圧電アクチュエータの発生変位の大小に拘わらず、所定の力を出す様に構成する必要がある。

従来技術の範囲でこの様に適切な力を加えるためには、クランプ機構にクランプ機構先端で挟んだ対象物からの反力を検出する様な力センサーを用い、この力センサーの値が所要値になる様に圧電アクチュエータに加える印加電圧を調節することが必要である。しかし、一般に力センサーの様な機械量のセンサーは価格が高いし、また、外力を検出する力センサーをクランプ機構に組み込むためにはクランプ機構と対象物との間に力センサーを配置しなければならないため、その実行自体が難しい場合も多い。

上記の問題は、変位センサーや力センサーを組み込む代わりに、圧電アクチュエータの入力側での電圧及び電荷量の測定値から発生力及び発生変位の値を推定することにより代用ができれば解決が可能である。その様な目的で、変位量のセンシングとアクチュエーションとを同時に行うことを目的としたセルフセンシング・アクチュエーション（以降、ＳＳＡと記す）の研究が行われている（例えば、非特許文献１）。ＳＳＡは、アクチュエータに印加される電圧からその発生変位を推定しようとするものであり、変位センサーを用いずに電圧から変位量のセンシングをすることにより、制御系の小型軽量化、低廉化をめざしている。ＳＳＡでは、機械的な負荷が無い状態での発生変位を推定すること、また、ある機械的負荷を想定すれば発生している力を推定することは可能である。しかし、計測する量が電圧のみであるために、変位と力という２つの独立した機械系の量を計測することはできない。たとえば、ＳＳＡ技術に依る場合には、前記のクランプ機構の場合に、対象物の寸法ばらつきがあれば推定した発生力には誤差が出てしまう。

大嶋和彦，圧電素子のセルフセンシング・アクチュエーションとその応用，システム／制御／情報，第４４巻，第５号，ｐｐ．２８１−２８８，２０００

本発明は、斯かる実情に鑑み、外部センサーを用いなくても、等価回路技術を利用することによって、圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、変位、機械エネルギー及び対象物の剛性を簡単かつ同時に測定評価する方法を提供し、更に測定評価された値を用いて圧電アクチュエータを制御する方法及びこれらの方法を利用した装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、圧電効果或いは電歪効果を利用して、印加される電圧或いは電荷に対応して機械的に伸縮変形する圧電アクチュエータにおいて、圧電アクチュエータの持つ制動容量、剛性及び電気機械変換係数を含む等価回路定数を求める工程と、圧電アクチュエータに電圧を印加し、電圧の印加によって圧電アクチュエータに流入した電荷量を計測する工程、或いは、圧電アクチュエータに電荷を印加し、電荷の印加によって圧電アクチュエータに印加された電圧を計測する工程と、前記等価回路定数、前記印加電圧及び前記電荷量の値を用いて圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、変位、機械エネルギー又は対象物の剛性の値のいずれか１つ以上を測定評価する工程と、を有することを特徴とする圧電アクチュエータの機械出力測定評価方法を提供できる。

なお、圧電アクチュエータの持つ等価回路定数を求める工程において、等価回路定数が、圧電アクチュエータに印加される電圧がゼロの状態から印加電圧の上昇に伴って印加電圧の関数として定義され、或いは、圧電アクチュエータに印加される電圧が最大の電圧の状態から印加電圧の下降に伴って印加電圧の関数として定義されることによって、求められることにしても良い。

更に、圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、変位、機械エネルギー又は対象物の剛性の値のいずれか１つ以上を測定評価する工程は、前記力については次式
ｆ＝（Ｃ_d・ｋ／Ａ＋Ａ）・Ｖ−ｋ・Ｑ／Ａ
前記変位については次式
ξ＝（Ｑ−Ｃ_d・Ｖ）／Ａ
前記機械エネルギーについては次式
Ｅ＝１／２・（Ｑ−Ｃ_d・Ｖ）・｛（Ｃ_d・ｋ／Ａ²＋１）・Ｖ−ｋ・Ｑ／Ａ²｝
前記対象物の剛性については次式
Ｋ＝｛（Ｃ_d・ｋ＋Ａ²）・Ｖ−ｋ・Ｑ｝／（−Ｃ_d・Ｖ＋Ｑ）
（ｆ：圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、ξ：圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される変位、Ｅ：圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される機械エネルギー、Ｋ：対象物の剛性、Ｖ：印加電圧、Ｑ：圧電アクチュエータに流入した電荷量、Ｃ_d：制動容量、ｋ：圧電アクチュエータの剛性、Ａ：電気機械変換係数）、を用いる圧電アクチュエータの機械出力測定評価方法を提供できる。

更には、また、印加電圧又は電荷を変化させながら、圧電アクチュエータの機械出力測定評価方法によって、圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、変位、機械エネルギー又は対象物の剛性の値のいずれか１つ以上を逐一測定評価し、前記力、変位又は機械エネルギーが所望の値になるように印加電圧又は電荷量を制御する圧電アクチュエータの制御方法を提供できる。

更には、印加される電圧又は電荷に伴って、所定の力または変位を発生する様な条件の基で物を挟む動きをする様に構成されている圧電アクチュエータの制御方法を提供できる。

また、圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータに電圧を印加し、電圧の印加によって圧電アクチュエータに流入した電荷量を計測する装置、或いは、圧電アクチュエータに電荷を印加し、電荷の印加によって圧電アクチュエータに印加された電圧を計測する装置とを有し、前記制御方法を用いて、対象物を挟持するクランプ装置を提供できる。

更には、圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータに電圧を印加し、電圧の印加によって圧電アクチュエータに流入した電荷量を計測する装置、或いは、圧電アクチュエータに電荷を印加し、電荷の印加によって圧電アクチュエータに印加された電圧を計測する装置とを有し、圧電アクチュエータに電圧又は電荷を印加しつつ、対象物に対して圧電アクチュエータの一端を当接し、或いは、圧電アクチュエータが物を挟む動きをするときは対象物を挟持して、圧電アクチュエータの機械出力測定評価方法を用いて、対象物の剛性を測定評価する剛性モニタリング装置を提供できる。

本発明が対象とする圧電アクチュエータによれば、等価回路定数を決定することで、機械量を計測するセンサーを別途設けなくても、印加電圧と電荷量の値から圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、変位、機械エネルギー及び対象物の剛性全てを簡単かつ同時に測定評価することができるという優れた効果を奏し得る。また、これらの力、変位、機械エネルギー又は対象物の剛性を逐一測定評価しながら印加電圧を調節するだけで、簡単かつ同時に力等をセンシングしながら、所望の値に制御することができるという効果も奏し得る。更には、これらの機械的測定評価方法や制御方法を利用した、外部センサーが不要なクランプ装置や対象物の剛性を簡易に計測できる剛性モニタリング装置を提供することができるという効果も奏する。

本発明が対象とする圧電アクチュエータを等価回路で表現した図である。 等価回路を使って発生力、発生変位等を推定する構成を示す図である。 コンデンサを使った電荷量の計測装置の回路を示す図である。 等価回路を使って推定した発生力、発生変位等を制御する構成を示す図である。 クランプ機構の形に構成した圧電アクチュエータの一例を示す図であり、（ａ）は積層圧電アクチュエータに電圧を印加していない状態、（ｂ）は積層圧電アクチュエータに電圧を印加することにより対象物を挟んだ状態である。 バイモルフタイプの圧電アクチュエータを示す図である。 積層型の圧電アクチュエータを示す図である。 変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一例を示す図である。

先ず、本発明の基本となる技術の説明をする。電気系と機械系とは、微分方程式にすると全く同じ形になることから、電気量と機械量の間で適切な対応関係を想定すると、電気系で起こる現象と機械系で起こる現象とが互いに類推可能な関係になる。ここで想定する電気量と機械量との対応関係については、いくつかの種類があるが、本発明で対象とする圧電効果を利用する圧電アクチュエータの場合には、力−電圧、速度−電流、変位−電荷を各々対応させる力−電圧対応を用いることにより、電気機械変換が一つの理想変成器で表現できるので好都合である。

図１は、本発明が対象とする圧電アクチュエータを等価回路で表現した図であり、力−電圧対応を基としている。圧電アクチュエータは、電気回路デバイスとしての電気入力端子１−１’と、機械機能デバイスとしての機械出力端子２−２’とを有し、電気回路デバイスと機械機能デバイスの両方の特性を併せ持っているが、等価回路２０として表現することによりこれらが統一的に一つの回路で表現される。

図１において電気系の入力側に並列に入っているコンデンサ２１の容量Ｃ_dは制動容量と呼ばれる。制動容量と呼ばれる理由は、圧電アクチュエータが拘束された場合の容量値がこのＣ_dに一致するためである。制動容量の右側にあるトランスは巻き線比１：Ａを持つ理想変成器２４を表している。Ａは電気機械変換係数といわれ、電気系の量と機械系の量を相互変換するもので、Ｎ／Ｖ（Ｎ：ニュートン、Ｖ：ボルト）の次元を持つ係数である。この理想変成器２４を境に左側は電気系であり、電圧（Ｖ：ボルト）、電流（Ａ：アンペア）及び電荷（Ｑ：クーロン）の次元を持つ電気量で計測される世界、右側は機械系であり、変位（ｍ：メートル）、力（Ｎ：ニュートン）の次元を持つ機械量で計測される世界になっている。

また、機械系の側では、圧電アクチュエータの剛性ｋの逆数のコンプライアンス２２が直列に配列されている。剛性ｋの持つ次元はＮ／ｍ（Ｎ：ニュートン、ｍ：メートル）である。ｋの逆数のコンプライアンスが静電容量に対応しているため、ここではコンプライアンスの次元に合わせて１／ｋと表している。

図２は、等価回路を使って発生力、発生変位等を推定する構成を示す図である。以下に、実際の圧電アクチュエータの３つの等価回路定数を決定する方法、及びその圧電アクチュエータにある電圧或いは電荷が印加され、その結果圧電アクチュエータに電荷が流入し或いは電圧が発生した場合の発生変位、発生力及び発生エネルギーを、電圧、電荷量の値から計算する方法を説明する。

先ず、圧電アクチュエータ部分の等価回路の四端子定数を求める。この四端子定数は本発明の全ての基礎となる。図１において圧電アクチュエータの電気入力端子１−１’間の電圧をＶ₁、流入した電荷量をＱ₁と表す。一方、機械出力端子２−２’間の電圧は力−電圧対応に従って発生力を現しており、機械出力端子２−２’から流出する電荷量は、同じく対応関係により発生変位を表している。機械出力端子２−２’間の電圧に対応する発生力をｆ₂、機械出力端子２−２’から流出する電荷量に対応する発生変位をξ₂と表す。

圧電アクチュエータ部分の四端子定数は、制動容量Ｃ_dの区間と、電気機械変換係数の理想変成器区間と、機械的剛性を表す直列に配したコンプライアンス（静電容量１／ｋ）の区間の四端子定数の積として表される。これらの関係は式（１）で表され、３つの項の積を計算すると式（２）が得られる。

ここに、Ｖ₁及びＱ₁は、各々電気入力端子１−１’間の電圧及び電荷量を、またｆ₂、ξ₂は、各々圧電アクチュエータの機械出力部分での発生力と発生変位を表している。

式（２）を２つの式で表せば式（３）及び（４）が得られる。
Ｖ₁＝（１／Ａ）・ｆ₂＋（ｋ／Ａ）・ξ₂ （３）
Ｑ₁＝（Ｃ_d／Ａ）・ｆ₂＋（Ｃ_d・ｋ／Ａ＋Ａ）・ξ₂ （４）

上記の式（３）（４）を基にして、対象とする圧電アクチュエータに対する実際の計測結果に基づいて、その圧電アクチュエータの持つ等価回路定数を決定する式を導出する。ここで、等価回路定数はＣ_d、Ａ、ｋの３個であるから、基本的には、これら等価回路定数は３個の独立した計測データを用いれば決定することが可能である。

等価回路定数を決定する一つの方法例として、まず、印加電圧をＶ₁として、圧電アクチュエータが自由状態（負荷の力がゼロ）の時の発生変位ξ_f、圧電アクチュエータが固定状態（発生変位がゼロ）の時の発生力ｆ_c、及び圧電アクチュエータが固定状態（発生変位がゼロ）の時の流入電荷量Ｑ_cをそれぞれ計測する。そして、これらの値を式（３）、式（４）に代入し、等価回路定数Ｃ_d、Ａ、ｋを下記の通り計算する。なお、流入電荷量Ｑ_cの簡易な計測方法については、後述する。

圧電アクチュエータが自由状態の場合には、圧電アクチュエータ先端部での発生力がゼロ、つまり力−電圧対応では機械出力端子２−２’間の電圧ゼロに対応する。ｆ₂がゼロであることからして、式（３）にｆ₂＝０を代入することにより、圧電アクチュエータに印加される電圧をＶ₁、機械端子側の変位をξ_fとして、式（５）を得る。
Ｖ₁＝（ｋ／Ａ）・ξ_f （５）

次に、圧電アクチュエータが固定状態の場合には、圧電アクチュエータ先端部での発生変位がゼロ、つまり力−電圧対応では機械出力端子２−２’の電荷量ゼロに対応する。発生変位ξ₂がゼロの場合には、式（３）及び式（４）においてξ₂＝０とおくことにより、電圧をＶ₁、電荷量をＱ_c、機械端子側の発生力をｆ_cとして、各々式（６）、式（７）を得る。
Ｖ₁＝（１／Ａ）・ｆ_c （６）
Ｑ_c＝（Ｃ_d／Ａ）・ｆ_c （７）

ここで、式（５）と式（６）からＶ₁を消去すれば式（８）が得られる。つまり、圧電アクチュエータの剛性ｋは、圧電アクチュエータの固定状態の発生力ｆ_cと自由状態の発生変位ξ_fの比として求められる。
ｋ＝ｆ_c／ξ_f （８）

また、式（６）を変形すれば、式（９）が得られる。つまり、電気機械変換係数Ａは、圧電アクチュエータの固定状態の発生力ｆ_cと印加電圧Ｖ₁の比として求めることができる。
Ａ＝ｆ_c／Ｖ₁ （９）

更にまた、式（９）を式（７）に代入してＡを消去すれば、式（１０）が得られる。つまり、制動容量Ｃ_dは、圧電アクチュエータが固定された状態で流入する電荷量Ｑ_cと印加電圧Ｖ₁との比として求めることができる。
Ｃ_d＝Ｑ_c／Ｖ₁ （１０）

上記の手順により圧電アクチュエータの等価回路定数Ｃ_d、Ａ、ｋが確定できた場合に、その圧電アクチュエータに機械的負荷がかかった状態において印加される電圧と流入する電荷量を基にしてその圧電アクチュエータの発生変位と発生力を推定することができる。推定手順を以下に説明する。

圧電アクチュエータの発生変位と発生力を推定することは、式（２）の電気入力と機械出力の関係を逆転させた式を作ることに相当する。つまり、式（２）の逆行列を作ることと同義であり、逆行列を計算した結果は式（１１）及び式（１２）の様になる。

式（１２）を２つの式に書き下せば、式（１３）及び式（１４）が得られる。
ｆ₂＝（Ｃ_d・ｋ／Ａ＋Ａ）・Ｖ₁−（ｋ／Ａ）・Ｑ₁ （１３）
ξ₂＝−（Ｃ_d／Ａ）・Ｖ₁＋（１／Ａ）・Ｑ₁ （１４）

式（１３）及び式（１４）において、前記手順に従い等価回路定数であるＣ_d、Ａ、ｋの値は既に決定されているので、単に電圧Ｖ₁及びその時に流入した電荷量Ｑ₁を計測すれば、直ちにｆ₂及びξ₂を推定することができることが解る。また、対象物の剛性Ｋが計算式中に出て来ないことから、対象物の剛性Ｋに無関係に発生力ｆ₂及び発生変位ξ₂を推定できることが解る。

更に、以上の結果から、発生力と発生変位の積として対象物に付与される機械エネルギーを推定することが可能であり、計算式を式（１５）に示す。
Ｅ＝１／２・ｆ₂・ξ₂
＝１／２・（Ｑ₁−Ｃ_d・Ｖ₁）・｛（Ｃ_d・ｋ／Ａ²＋１）・Ｖ₁−ｋ・Ｑ₁／Ａ²｝（１５）

また、対象物の剛性Ｋを推定するには、式（１３）と式（１４）の比を取れば良い。このｆ₂、ξ₂、Ｋの関係（Ｋ＝ｆ₂／ξ₂）は、図１の機械出力端子２−２’の右側において、コンプライアンス２３（静電容量１／Ｋ）が直列に配されることから明らかである。よって、剛性Ｋの計算式は、式（１６）に示す通りである。
Ｋ＝｛（Ｃ_d・ｋ＋Ａ²）・Ｖ₁−ｋ・Ｑ₁｝／（−Ｃ_d・Ｖ₁＋Ｑ₁） （１６）

圧電アクチュエータに流入する電荷量を測定するには、電流値を計って積分する方法が一般的であるが、より簡易な計測方法の例を示す。図３は、コンデンサを使った電荷量の計測装置の回路を示す図である。構成としては、電源に接続した圧電アクチュエータに直列に、制動容量Ｃ_dよりも十分大きな容量値を持つコンデンサ（静電容量Ｃ）を配置し、コンデンサの端子電圧Ｖ’を計測する装置を設けている。このような回路で、計測した電圧Ｖ’と静電容量Ｃから電荷量Ｑ（＝Ｃ・Ｖ’）を求めることができる。なお、電荷量の計測方法は、このような装置に限定されるものではなく、これ以外の装置であっても、電荷量を計測できれば良い。

次に、圧電アクチュエータがヒステリシスを持つ場合の対処方法を説明する。圧電アクチュエータのヒステリシスとは、圧電アクチュエータに同じ電圧を印加したとしても、電圧上昇時と電圧下降時で発生変位が違ってしまう現象である。これは一定の電圧振幅の場合であるが、一般的な表現をすれば、過去に経験した印加電圧履歴に依存した発生変位になるということである。

この圧電アクチュエータのヒステリシス現象に対しては、一般的な場合に対処するのは難しいが、印加電圧がある一定の電圧幅の間を繰り返して利用される場合には、電圧ゼロから最大電圧まで上昇する時の等価回路定数を印加電圧の関数として予め測定して、等価回路定数が印加電圧の関数として保存される様にし、また、電圧が下降する場合にも最大電圧から電圧ゼロに向かって下降する時の等価回路定数を印加電圧の関数として予め測定して、等価回路定数が印加電圧の関数として保存される様にすることにより対処が可能である。

図４は、等価回路を使って推定した発生力、発生変位等を制御する構成を示す図である。このように、圧電アクチュエータに発生し対象物に付与された力又は変位を逐一測定評価しつつ印加電圧又は電荷量を調整すれば、対象物に対し目標とする力や変位を与えることが可能になる。すると、一定の振幅で繰り返し対象物を変形させたり、一定の力を与え続けたりすることもできる。つまり、印加電圧又は電荷量を変化させるだけで、対象物に付与される力や変位を定量的に制御することができることになる。更に、力と変位の両方の値を同時に測定評価することができるので、式（１６）から対象物の剛性を測定評価することもできる。そうすると、対象物が壊れていないかどうか、アクチュエータが対象物に正常に当接しているかどうかといった判定も容易に行うことができる。また、式（１５）から圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される機械エネルギーを測定評価することができるため、この機械エネルギーの値で制御することも可能である。

以上のような制御方法を用いた圧電アクチュエータの実施例の一つとして、図５には、クランプ機構の形に構成した圧電アクチュエータの一例を示す。この圧電アクチュエータは、圧電アクチュエータに電圧を印加し、電圧の印加によって圧電アクチュエータに流入した電荷量を計測する装置、或いは、圧電アクチュエータに電荷を印加し、電荷の印加によって圧電アクチュエータに印加された電圧を計測する装置とを有することで、機械量のセンサーを用いずに、所定の変位または力を発生する様な条件の基で物を挟む動きが実現できる。ここで図５（ａ）は、積層圧電アクチュエータに電圧を印加していない状態であり、図５（ｂ）は積層圧電アクチュエータに電圧を印加することにより対象物を挟んだ状態を示している。つまり、図５（ａ）の状態では、対象物を挟持していないが、図５（ｂ）では、電圧を印加することにより、圧電素子１０が伸張し、当接部材１３に圧がかかり、ヒンジ部１４，１５を介し、アーム１６が動き、挟持部１９，１９の間隔が狭くなる構成なので、対象物３０を挟持することができる。

ここで、本発明では、挟持される対象物３０の剛性が不明だったとしても、電荷量と印加電圧を計測し、逐一、発生力、発生変位又は機械エネルギーを測定評価しながら印加電圧を調整すれば、所望の力、変位又は機械エネルギーで対象物３０を挟持することができる。そうすると、過度な力や変位を与えることなく挟持できるので、対象物３０を破壊することを予防できる。また、仮に壊してしまったとしても、対象物３０の剛性を容易に測定評価できるので、壊れたことにすぐに気付くことができる。つまり、常にアクチュエータと対象物３０との関係が正常であるかどうかを簡単に把握することができる。

また、機械量のセンサーを設ける必要がないため、挟持部１９の構造はシンプルにでき、小型化や軽量化に有効である。更に、使用前に機器の動作確認をするときも、センサーを用いる従来の場合は、センサーとアクチュエータの両方について動作確認をする必要があるが、本発明では、センサーとアクチュエータが一つになっているので動作確認も比較的簡単に行うことができる。

以上に示した方法により圧電アクチュエータを制御する場合は、制御装置として、圧電アクチュエータと、電源に接続する回路と、図３に例示したような圧電アクチュエータに流入した電荷量を計測するための装置とを有するものが考えられる。

本発明の機械出力測定評価方法や制御方法は、圧電アクチュエータと対象物との関係を厳密に管理しなければならない場合や、構造をシンプルにしたい場合において、特に有効であるといえる。また、本発明は、対象物を挟持する圧電アクチュエータに限定されることなく、様々な構造の圧電アクチュエータに適用することができると考えられる。

本発明が適用可能な圧電アクチュエータとして、図６は、バイモルフタイプの圧電アクチュエータを示す図である。図６に示す様に２枚の圧電板４０を互いに逆の長さ方向の歪を発生させるようにして接着し、端子ａ，ｂ間に電圧を印加することで、バイメタルの原理で横方向変位を発生するように構成されている。このタイプの圧電アクチュエータは、発生力は少ないが比較的大きな変位を発生させることができる。

また、本発明が適用可能な他の圧電アクチュエータとして、図７は、積層型の圧電アクチュエータを示す図である。長さ方向に多数の内部電極を形成し、端子ａ，ｂ間に電圧を印加することで、軸方向に変位を発生させることができる。積層型の圧電アクチュエータの場合には、発生変位は数μｍから数十μｍと小さいが、発生力は極めて大きい。

更に、本発明が適用可能なもう一つの圧電アクチュエータとして、図８は、変位拡大機構を有する圧電アクチュエータの一例を示す図である。変位拡大機構の具体的な構造として、積層圧電素子１０は、長さ方向の一端部に当接する第１の当接部材１２と、他端部に当接する第２の当接部材１３の間に取り付けられている。そして、電気端子１１，１１間に電圧が印加されることにより、積層圧電素子１０に軸方向の変位が生じる。その発生変位がヒンジ部１４，１５を介してアーム１６に伝達され、さらにアーム１６の先端に取り付けられた板ばね１７を介し、対象物に当接するセンターピース１８に拡大した変位量を与えることができる。この圧電アクチュエータ１００の駆動源に用いられている積層圧電素子１０の発生変位は上記の通り小さいが、拡大機構を用いることにより、対象物に当接するセンターピース部分１８での変位量を積層圧電素子１０の発生変位の数十倍に拡大している。

また、本発明の適用によって簡易な剛性モニタリング装置の実現が可能になる。例えば、ゴムの硬度を計る硬度計、生体臓器の硬さ測定、或いは、歯周病に罹っている歯のグラグラ度を測定するということは、基本的には剛性値を測定することに他ならない。圧電アクチュエータが当接する対象物の剛性値は、前記の通り本発明により電圧及び電荷量の値のみから推定することが可能である。しかも、変位センサー、力センサー等の機械量のセンサーを必要としないので、簡易な剛性モニタリング装置の実現が可能である。そして、この剛性モニタリング装置は、圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータに電圧を印加し、電圧の印加によって圧電アクチュエータに流入した電荷量を計測する装置、或いは、圧電アクチュエータに電荷を印加し、電荷の印加によって圧電アクチュエータに印加された電圧を計測する装置とを有する。圧電アクチュエータ部分の形状としては、圧電アクチュエータの一端や、図８に示した変位拡大機構のセンターピース部分を対象物に当接させる構成であっても良いし、図５に示したクランプ機構で対象物を挟持する構成であっても良い。

１，１’ 電気入力端子
２，２’ 機械出力端子
２０ 等価回路
２１ コンデンサ
２２，２３ コンプライアンス
２４ 理想変成器
３０ 対象物
Ｖ，Ｖ₁ 印加電圧
Ｑ，Ｑ₁ 圧電アクチュエータに流入した電荷量
Ｃ_d 制動容量
Ａ 電気機械変換係数
ｋ 圧電アクチュエータの剛性
Ｋ 対象物の剛性
ｆ，ｆ₂ 対象物に付与される力（機械出力端子２−２’間の電圧に対応）
ξ，ξ₂ 対象物に付与される変位（機械出力端子２−２’間の電荷量に対応）
Ｅ 対象物に付与される機械エネルギー

Claims (7)

1. 圧電効果或いは電歪効果を利用して、印加される電圧或いは電荷に対応して機械的に伸縮変形する圧電アクチュエータにおいて、
   前記圧電アクチュエータの持つ制動容量、剛性及び電気機械変換係数を含む等価回路定数を求める工程と、
   前記圧電アクチュエータに電圧を計測しながら印加し、電圧の印加によって前記圧電アクチュエータに流入した電荷量を計測する工程、或いは、前記圧電アクチュエータに電荷を計測しながら印加し、電荷の印加によって前記圧電アクチュエータに印加された電圧を計測する工程と、
   前記等価回路定数、前記印加電圧及び前記電荷量の値を用いて前記圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、変位、機械エネルギー又は対象物の剛性の値のいずれか１つ以上を測定評価する工程と、
   を有することを特徴とする圧電アクチュエータの機械出力測定評価方法。
2. 前記圧電アクチュエータの持つ等価回路定数を求める工程において、前記等価回路定数が、前記圧電アクチュエータに印加される電圧がゼロの状態から印加電圧の上昇に伴って印加電圧の関数として定義され、或いは、前記圧電アクチュエータに印加される電圧が最大の電圧の状態から印加電圧の下降に伴って印加電圧の関数として定義されることによって、求められることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータの機械出力測定評価方法。
3. 前記圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、変位、機械エネルギー又は対象物の剛性の値のいずれか１つ以上を測定評価する工程は、
   前記力については次式
   ｆ＝（Ｃ_ｄ・ｋ／Ａ＋Ａ）・Ｖ−ｋ・Ｑ／Ａ
   前記変位については次式
   ξ＝（Ｑ−Ｃ_ｄ・Ｖ）／Ａ
   前記機械エネルギーについては次式
   Ｅ＝１／２・（Ｑ−Ｃ_ｄ・Ｖ）・｛（Ｃ_ｄ・ｋ／Ａ^２＋１）・Ｖ−ｋ・Ｑ／Ａ^２｝
   前記対象物の剛性については次式
   Ｋ＝｛（Ｃ_ｄ・ｋ＋Ａ^２）・Ｖ−ｋ・Ｑ｝／（−Ｃ_ｄ・Ｖ＋Ｑ）
   （ｆ：圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、ξ：圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される変位、Ｅ：圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される機械エネルギー、Ｋ：対象物の剛性、Ｖ：印加電圧、Ｑ：圧電アクチュエータに流入した電荷量、Ｃ_ｄ：制動容量、ｋ：圧電アクチュエータの剛性、Ａ：電気機械変換係数）、
   を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータの機械出力測定評価方法。
4. 印加電圧又は電荷を変化させながら、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの機械出力測定評価方法によって、圧電アクチュエータに発生し対象物に付与される力、変位、機械エネルギー又は対象物の剛性の値のいずれか１つ以上を逐一測定評価し、前記力、変位又は機械エネルギーが所望の値になるように印加電圧又は電荷量を制御することを特徴とする圧電アクチュエータの制御方法。
5. 前記圧電アクチュエータは、印加される電圧又は電荷に伴って物を挟む動きをする様に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータの制御方法。
6. 圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータに電圧を印加し、電圧の印加によって前記圧電アクチュエータに流入した電荷量を計測する装置、或いは、前記圧電アクチュエータに電荷を印加し、電荷の印加によって前記圧電アクチュエータに印加された電圧を計測する装置とを有し、請求項５に記載の制御方法を用いて、対象物を挟持することを特徴とするクランプ装置。
7. 圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータに電圧を印加し、電圧の印加によって前記圧電アクチュエータに流入した電荷量を計測する装置、或いは、前記圧電アクチュエータに電荷を印加し、電荷の印加によって前記圧電アクチュエータに印加された電圧を計測する装置とを有し、前記圧電アクチュエータに電圧又は電荷を印加しつつ、対象物に対して前記圧電アクチュエータの一端を当接し、或いは、前記圧電アクチュエータが物を挟む動きをするときは対象物を挟持して、
   請求項１から３のいずれかに記載の機械的測定評価方法を用いて、対象物の剛性を測定評価することを特徴とする剛性モニタリング装置。

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