JP5799596B2 - 圧電アクチュエーター、ロボットハンド、及びロボット - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエーター、ロボットハンド、及びロボットに関する。

圧電素子を含む振動体の共振を利用する圧電アクチュエーターが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような圧電アクチュエーターでは、制御部が、振動体に供給する駆動信号の周波数を共振周波数に近付けるとともに、駆動信号と振動体の振動状態から得られる検出信号との位相差が駆動に適した値でほぼ一定になるように制御することで、被駆動体が安定して回転する安定駆動状態が維持される。

特許文献１に記載の圧電アクチュエーター（超音波モーター）は、駆動回路のスイッチング手段及びトランスの温度を検出する温度センサー（サーミスター）を備えており、スイッチング手段やトランスの温度が一定温度以上に上昇した場合、出力を停止させるか低下させることにより温度上昇を防止して、信頼性の向上を図っている。

特開２０００−０９２８６９号公報

ところで、振動体の共振周波数は、周囲の温度や負荷等の変化によって変動し、温度が高くなると低くなる。共振周波数が低くなると、振動体の振幅が小さくなり、被駆動体の回転速度が低下する。そこで、回転速度を維持するために駆動信号の電力を上昇させると、振動体が発熱してさらに温度が高くなってしまい、共振周波数がさらに低くなることが繰り返されるという負の制御連鎖に陥り振動体が損傷してしまう場合がある。

これに対して、特許文献１に記載の圧電アクチュエーターでは、振動体の温度を検出する温度センサーは備えていないので、振動体の温度上昇を検出することはできないという課題がある。また、振動体の温度を検出する温度センサーを備えた構成にするとしても、温度センサーを備えていない場合に比べて、制御部の回路構成が複雑になり、圧電アクチュエーターの小型化や軽量化が困難になるとともに、コストの上昇を招いてしまうという課題がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る圧電アクチュエーターは、圧電素子を含む長方形の振動体と、前記圧電素子に駆動信号を供給する駆動部と、前記駆動信号と、前記振動体の振動に基づいて検出される検出信号と、の位相差を検出する位相差検出部と、前記駆動信号の周波数及び電力を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記周波数を変化させて前記位相差が所定の範囲内となった場合に、前記周波数の値を第１の周波数記憶値として記憶し、前記電力を所定の値に設定し、前記周波数を調整して前記位相差を前記所定の範囲内に保つ制御を行い、前記周波数が、前記第１の周波数記憶値から、前記振動体の共振周波数の温度特性に基づいて予め定められた第１の値を超えて変化した場合に、前記電力を前記所定の値よりも小さい値に設定することを特徴とする。

この構成によれば、駆動信号の周波数を変化させるスイープ制御により位相差が所定の範囲内となった場合に駆動信号の電力を所定の値に設定し、周波数が第１の周波数記憶値から第１の値を超えて変化した場合に電力を所定の値よりも小さい値に設定する。このため、圧電アクチュエーターが安定動作する所定の位相差範囲に達した場合の周波数の値と、圧電アクチュエーターが安定動作できる上限温度に対応する周波数の値との差異量を予め第１の値と定めておくことで、振動体の共振周波数の温度特性に基づいて、周波数が、所定の位相差範囲に達した場合の値である第１の周波数記憶値から第１の値を超えて変化した場合に、圧電アクチュエーターの温度が安定動作できる温度範囲の上限に達している可能性が高いことが推測できる。このような場合に、電力を所定の値よりも小さい値に設定するので、圧電アクチュエーターの温度上昇を抑えることができる。これにより、圧電アクチュエーターを安定動作させることができる。また、周波数の変化量から温度上昇を推測できるため、温度センサーを不要にできるので、圧電アクチュエーターの小型化や軽量化を容易に実現できる。

［適用例２］上記適用例に係る圧電アクチュエーターであって、前記制御部は、前記周波数が前記第１の周波数記憶値から前記第１の値を超えて変化した場合に、前記周波数の値を第２の周波数記憶値として記憶し、前記周波数が、前記第２の周波数記憶値から、前記温度特性に基づいて予め定められた第２の値を超えて変化した場合に、前記電力をゼロに設定することが好ましい。

この構成によれば、圧電アクチュエーターが安定動作できる上限温度に対応する周波数の値と、圧電アクチュエーターが正常動作できる上限温度に対応する周波数の値との差異量を予め第２の値と定めておくことで、振動体の共振周波数の温度特性に基づいて、周波数が、安定動作できる上限温度に達した場合の値である第２の周波数記憶値から第２の値を超えて変化した場合に、圧電アクチュエーターの温度が正常動作できる温度範囲の上限に達している可能性が高いことが推測できる。このような場合に、電力をゼロに設定するので、圧電アクチュエーターのさらなる温度上昇を抑えることができ、圧電アクチュエーターの異常動作や破壊等の発生を抑えることができる。

［適用例３］上記適用例に係る圧電アクチュエーターであって、前記制御部は、前記振動体の長辺方向に沿って伸縮する縦振動の前記共振周波数及び短辺方向に沿って伸縮する屈曲振動の前記共振周波数のうち、インピーダンスが高い前記共振周波数側からインピーダンスが低い前記共振周波数側に前記周波数を変化させることが好ましい。

この構成によれば、インピーダンスが高い共振周波数側から低い共振周波数側に周波数を変化させるので、スイープ制御において、インピーダンスが低い共振周波数を通過する可能性を小さくできる。これにより、圧電アクチュエーターの電流の過度の増加と、電流の増加に伴う温度上昇を避けることができる。

［適用例４］本適用例に係るロボットハンドは、上述の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、動作を安定した状態で行う小型軽量の圧電アクチュエーターを備えているので、部材を把持する指の回動動作を安定した状態で行う小型軽量のロボットハンドを提供できる。

［適用例５］本適用例に係るロボットは、上述のロボットハンドを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、部材を把持する指の回動動作を安定した状態で行う小型軽量のロボットを提供できる。

第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの構成を示す模式図。 第１の実施形態に係る振動体の振動挙動を説明する図。 第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの駆動制御装置の構成を示すブロック図。 第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの状態遷移を示す図。 第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの駆動周波数を説明する図。 第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの駆動制御の例を説明する図。 第２の実施形態に係るロボットハンドの構成を示す模式図。 第３の実施形態に係るロボットの構成を示す模式図。

以下に、本発明の一実施形態である圧電アクチュエーターについて図面を参照して説明する。なお、参照する各図面において、構成をわかり易く示すため、各構成要素の寸法の比率、角度等が異なる場合がある。

（第１の実施形態）
＜圧電アクチュエーター＞
まず、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの概略構成を説明する。図１は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの構成を示す模式図である。詳しくは、図１（ａ）は圧電アクチュエーターの平面図であり、図１（ｂ）は圧電アクチュエーターの側面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、圧電アクチュエーター１００は、振動体１と、ローター２と、保持部材３と、付勢バネ４と、基台１８と、駆動制御装置３０（図３参照）とを備えている。圧電アクチュエーター１００は、被駆動体として回転するローター２を備える圧電モーターである。振動体１、ローター２、保持部材３、及び付勢バネ４は、基台１８に設置されている。

図１（ａ）に示す平面視で、振動体１は、短辺１ａと長辺１ｂとを有する略長方形状である。以下の説明では、短辺１ａに沿った方向を短手方向と呼び、長辺１ｂに沿った方向を長手方向と呼ぶ。図１（ｂ）に示すように、振動体１は、振動板１０と、振動板１０の表裏両面にそれぞれ配置された１対の圧電素子１１と、が積層された積層体である。

振動板１０は、金属や樹脂等の剛性のある材料で形成された板状部材からなり、例えば、導電性を有するステンレス鋼で形成されている。１対の圧電素子１１は、接着剤や合金ろう材等の固着手段によって、振動板１０に固着されている。圧電素子１１は、圧電体層１３と、第１電極１２と、第２電極１４と、で構成される。

圧電体層１３は、板状に形成されている。圧電体層１３は、電気機械変換作用を示す圧電材料からなり、例えば、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物を材料として形成されている。このような金属酸化物としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等があげられる。

第１電極１２は、圧電体層１３の振動板１０側に設けられており、圧電体層１３の略全面に亘って形成されている。第１電極１２は、圧電素子１１における共通電極となっている。１対の圧電素子１１の第１電極１２同士は、振動板１０を介して電気的に接続されている。第１電極１２及び第２電極１４は、Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ等の導電性金属を材料として、蒸着、スッパッタリング等により形成されている。

第２電極１４は、圧電体層１３の第１電極１２とは反対側に設けられており、溝部によって面内方向で複数に分割されている。図１（ａ）に示すように、この溝部は、第２電極１４を圧電素子１１の短手方向において略３等分し、その３つに分割された電極のうち短手方向両外側の２つの電極を、長手方向においてさらに略２等分するように形成されている。これにより、第２電極１４は、電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅの５つの電極部に分割されている。電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅは、個別電極として互いに電気的に隔離されている。

第２電極１４の５つの電極部のうち、短手方向中央部に配置された電極部１４ａは、縦振動用電極として機能する。電極部１４ａの短手方向両外側に、電極部１４ａを挟んで対角となるように配置され対を成す電極部１４ｂ及び電極部１４ｅは、第１屈曲振動用電極として機能する。また、電極部１４ａを挟んで電極部１４ｂ，１４ｅと交差する対角となるように配置され対を成す電極部１４ｃ及び電極部１４ｄは、第２屈曲振動用電極として機能する。

圧電素子１１において、電極部１４ａが配置された領域が、圧電素子１１の長手方向に縦振動を励起する縦振動励起領域となっている。これに対して、縦振動励起領域の短手方向両側の電極部１４ｂ，１４ｅが配置された領域、及び電極部１４ｃ，１４ｄが配置された領域が、それぞれ圧電素子１１の短手方向に屈曲振動を励起する屈曲振動励起領域となっている。

なお、第１電極１２及び第２電極１４（電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ）は、図示しない電極配線等を介して、駆動制御装置３０に電気的に接続されている。駆動制御装置３０は、圧電素子１１を制御する駆動信号を供給するとともに、圧電アクチュエーター１００を高効率かつ安定した状態で駆動するため、駆動信号の周波数及び電力を制御する。

振動板１０は、長手方向の一端側に、圧電素子１１よりもローター２側に突出するように、延設された摺動部１５を有している。摺動部１５は、ローター２の側面（円周面）に当接している。

また、振動板１０は、長手方向中央部に、短手方向両外側に向かって延設された一対の腕部１６を有している。腕部１６には厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられており、貫通孔を挿通させたネジを介して、腕部１６が保持部材３に固定されている。これにより、振動体１は、保持部材３に対して、腕部１６を基点として縦振動及び屈曲振動が可能な状態で保持される。

ローター２は、円盤形状を有しており、振動体１の摺動部１５が設けられた側に配置されている。ローター２は、基台１８に立設された棒状の軸２ａを回転中心として、回転自在に保持されている。ローター２の回転速度は、ローター２に近い位置に設置された光方式や磁気方式の回転センサー（図示省略）により、検出することができる。

基台１８は、一対のスライド部１８ａを有している。一対のスライド部１８ａは、振動体１に対して、短手方向の両外側に、長手方向に沿って延在して配置されている。保持部材３は、基台１８に対して、スライド部１８ａに沿ってスライド移動可能に支持されている。

保持部材３のローター２とは反対側と基台１８との間には、付勢バネ４が設置されている。付勢バネ４は、保持部材３を介して振動体１をローター２に向けて付勢し、この付勢力により、摺動部１５がローター２に所定の力で当接する。付勢バネ４の付勢力は、ローター２と摺動部１５との間で適切な摩擦力が発生するように適宜設定されている。これにより、振動体１の振動が、摺動部１５を介してローター２に効率よく伝達される。

なお、圧電アクチュエーター１００は、ローター２の回転を増速又は減速して伝達する増減速機構をさらに備えていてもよい。増減速機構を備えていると、ローター２の回転速度を増速又は減速して所望の回転速度を容易に得ることができる。

続いて、圧電アクチュエーター１００の動作を説明する。図２は、第１の実施形態に係る振動体の振動挙動を説明する図である。詳しくは、図２（ａ）は、第１電極１２（図１（ｂ）参照）と第２電極１４の電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｅとの間に駆動信号を供給した場合の、振動体１の振動状態を示す図である。また、図２（ｂ）は、第１電極１２と第２電極１４の電極部１４ａ，１４ｃ，１４ｄとの間に駆動信号を供給した場合の、振動体１の振動状態を示す図である。

図２（ａ）に示す振動状態では、縦振動用電極である電極部１４ａに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、長手方向に沿って伸縮する縦振動が励振されるとともに、第１屈曲振動用電極である電極部１４ｂ，１４ｅに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、短手方向に沿って屈曲する屈曲振動が励振される。このような縦振動と屈曲振動とが合成されて、２点鎖線で示す振動が振動体１に励振されることにより、摺動部１５は、時計回りの楕円軌道Ｒ１を描くように摺動する。これにより、ローター２が、図１（ａ）に矢印で示すように、反時計回りに回転する。

このとき、振動体１（圧電素子１１）は、駆動信号が供給されない第２屈曲振動用電極（電極部１４ｃ，１４ｄ）の領域においても振動する。この振動により、圧電素子１１が第２屈曲振動用電極の領域において電気を発生し、電極部１４ｃ，１４ｄから振動に応じた検出信号（交流電流）が出力される。

図２（ｂ）に示す振動状態では、縦振動用電極である電極部１４ａに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、長手方向に沿って伸縮する縦振動が励振されるとともに、第２屈曲振動用電極である電極部１４ｃ，１４ｄに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、短手方向に沿って屈曲する屈曲振動が励振される。このような縦振動と屈曲振動とが合成されて、２点鎖線で示す振動が振動体１に励振されることにより、摺動部１５は、楕円軌道Ｒ１とは線対称に傾斜し反時計回りの楕円軌道Ｒ２を描くように摺動する。これにより、ローター２が、図１（ａ）に示す矢印とは反対の、時計回りに回転する。

このとき、振動体１が振動することにより、圧電素子１１は、駆動信号が供給されない第１屈曲振動用電極（電極部１４ｂ，１４ｅ）の領域において電気を発生する。これにより、電極部１４ｂ，１４ｅから、振動体１の振動に応じた検出信号（交流電流）が出力される。

このように、本実施形態の圧電アクチュエーター１００では、第１電極１２と第２電極１４との間に駆動信号を供給する際に、第２電極１４のうち縦振動用電極（電極部１４ａ）の他に、第１屈曲振動用電極（電極部１４ｂ，１４ｅ）を選択する場合と、第２屈曲振動用電極（電極部１４ｃ，１４ｄ）を選択する場合とを切り替えることにより、ローター２を反時計回り及び時計回りの双方向に回転させることが可能である。

また、圧電アクチュエーター１００では、摺動部１５が楕円軌道Ｒ１又は楕円軌道Ｒ２を正常に描くように摺動している状態において、ローター２が安定して回転し、回転速度及びトルクがほぼ最大となる。本実施形態では、このような駆動状態を、最適楕円駆動状態という。

＜駆動制御装置＞
次に、圧電アクチュエーター１００の駆動制御装置の構成について、図３を参照して説明する。図３は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの駆動制御装置の構成を示すブロック図である。図３に示すように、駆動制御装置３０は、制御部としての周波数制御器２０と、駆動電圧制御器２４と、発振器２５と、駆動部としての駆動回路２６と、位相差検出部としての位相差検出回路２７と、振幅検出回路２８と、セレクター２９とを備えている。

位相差検出回路２７は、駆動信号と振動体１の振動に基づいて検出される検出信号との位相差を検出し、検出した位相差に相当する信号を周波数制御器２０（位相差比較器２１）に出力する。振幅検出回路２８は、振動体１の振動に基づいて検出される検出信号の振幅を検出し、検出した振幅に相当する信号を周波数制御器２０（振幅比較器２２）に出力する。

周波数制御器２０は、位相差比較器２１と、振幅比較器２２と、状態遷移制御器２３とを備えている。位相差比較器２１は、位相差検出回路２７により出力される位相差を、所定の基準値である目標位相差値と比較する。振幅比較器２２は、振幅検出回路２８により出力される振幅を、目標振幅値と比較する。目標位相差値及び目標振幅値は、予め設定された値であり、周波数制御器２０が有する記憶部（図示しない）に記憶されている。なお、記憶部は、周波数制御器２０とは別に設けられたメモリー等であってもよい。

状態遷移制御器２３は、位相差比較器２１による位相差の比較結果と、振幅比較器２２による振幅の比較結果とに基づいて、所定時間当たりの電圧値と周波数値とを、駆動電圧制御器２４と発振器２５とにそれぞれ出力する。また、状態遷移制御器２３は、５つの異なる状態を有し、位相差比較器２１による位相差の比較結果と、振幅比較器２２による振幅の比較結果とに基づいて状態を遷移するとともに、各状態における所定時間当たりの電圧値と周波数値とを制御する。

発振器２５は、振動体１（圧電素子１１）に供給する駆動信号を生成する。発振器２５は、ＤＤＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザー）等で構成され、状態遷移制御器２３から出力された所定時間当たりの周波数値に基づいて、駆動信号の周波数（以下では、駆動周波数という）を調整する。

駆動電圧制御器２４は、状態遷移制御器２３から出力された所定時間当たりの電圧値に基づいて、駆動回路２６に駆動信号の電圧を増加又は減少させる指示を出力する。駆動回路２６は、駆動電圧制御器２４の指示に基づいて駆動信号の電圧を増減し、振動体１（圧電素子１１）に駆動信号を出力する。これにより、振動体１に供給される駆動信号の電力として、電圧値が制御される。

セレクター２９は、圧電素子１１の電極のうち、駆動信号を供給する電極と検出信号を出力する電極とを切り替える。セレクター２９の切り替えにより、第１屈曲振動用電極及び第２屈曲振動用電極のいずれかが選択され、上述の図２（ａ）に示す振動状態と図２（ｂ）に示す振動状態とが切り替えられるので、ローター２（図１（ａ）参照）を時計回り及び反時計回りの双方向に回転させることができる。

続いて、圧電アクチュエーター１００の駆動制御方法について、図４を参照して説明する。図４は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの状態遷移を示す図である。図４に示すように、圧電アクチュエーター１００は、Ｓ０１の初期化状態、Ｓ０２の高速スイープ状態、Ｓ０３の低速スイープ状態、Ｓ０４の第１位相差制御状態、及びＳ０５の第２位相差制御状態の５つの異なる制御状態を有しており、状態遷移制御器２３によってこれらの異なる状態間の遷移と各状態における制御とが行われる。

圧電アクチュエーター１００は、Ｓ０１の初期化状態では駆動信号が供給されない状態で停止しており、起動信号が入力されると、Ｓ０２の高速スイープ状態及びＳ０３の低速スイープ状態を経て、Ｓ０４の第１位相差制御状態に遷移し、さらには、Ｓ０５の第２位相差制御状態に遷移する。

Ｓ０１の初期化状態では、状態遷移制御器２３は、圧電アクチュエーター１００を駆動する周波数範囲と下限電圧値とを指定する。周波数範囲として、スイープ制御を行う際の周波数の上限値（上限周波数値）と下限値（下限周波数値）とが指定される。下限電圧値は、圧電素子１１が振動して位相差の検出ができる程度の電圧であり、かつ、ローター２を回転させない程度の電圧であることが望ましい。

また、Ｓ０１の初期化状態では、状態遷移制御器２３は、起動の際に発振器２５に出力する周波数値を上限周波数値に設定する。すなわち、起動後のＳ０２の高速スイープ状態及びＳ０３の低速スイープ状態においては、高い周波数側から低い周波数側に向かって周波数のスイープ制御が行われる。Ｓ０１の初期化状態は、起動信号が入力されるまで維持される。

Ｓ０１の初期化状態において、圧電アクチュエーター１００の周囲の温度Ｔ₀を、温度計等により測定しておく。Ｓ０１の初期化状態における圧電アクチュエーター１００（振動体１）の温度は、周囲の温度Ｔ₀とほぼ等しいとみなすことができる。

Ｓ０１の初期化状態において起動信号が入力されると、セレクター２９により駆動信号を供給する電極と検出信号を出力する電極とが設定され、ローター２の回転方向が決定される。そして、駆動回路２６により駆動信号が振動体１（圧電素子１１）に供給されて、圧電アクチュエーター１００はＳ０２の高速スイープ状態に遷移する。

Ｓ０２の高速スイープ状態では、状態遷移制御器２３は、駆動電圧制御器２４に出力する電圧値を駆動電圧値に設定する。そして、状態遷移制御器２３は、発振器２５に出力する周波数値を、上限周波数値から一定の変化率、例えば、−１０Ｈｚ／０．１ｍｓｅｃで変化させる。

Ｓ０２の高速スイープ状態において、状態遷移制御器２３は、振幅検出回路２８から出力される振幅が目標振幅値よりも大きくなったことが振幅比較器２２により検出されると、Ｓ０３の低速スイープ状態に遷移する。また、Ｓ０２の高速スイープ状態において、発振器２５に出力する周波数値が下限周波数値よりも低くなった場合、又は、停止信号が入力された場合は、Ｓ０１の初期化状態に遷移する。

Ｓ０３の低速スイープ状態では、状態遷移制御器２３は、駆動電圧制御器２４に出力する電圧値が駆動電圧値に設定された状態を維持する。そして、状態遷移制御器２３は、発振器２５に出力する周波数値を、Ｓ０２の高速スイープ状態における変化率よりも小さい変化率、例えば、−６Ｈｚ／０．１ｍｓｅｃで変化させる。

Ｓ０３の低速スイープ状態において、状態遷移制御器２３は、位相差検出回路２７から出力される位相差が、所定の範囲内、例えば、目標位相差値−２０°と目標位相差値＋３°との範囲内になったことが位相差比較器２１により検出されると、Ｓ０４の第１位相差制御状態に遷移する。また、Ｓ０３の低速スイープ状態において、発振器２５に出力する周波数値が下限周波数値よりも低くなった場合、又は、停止信号が入力された場合は、Ｓ０１の初期化状態に遷移する。

本実施形態の圧電アクチュエーター１００は、Ｓ０２の高速スイープ状態では高速で周波数をスイープすることにより起動速度を上げるとともに、Ｓ０３の低速スイープ状態に切り替えて低速で周波数をスイープすることによりＳ０４の第１位相差制御状態に確実に移行することができる。

Ｓ０４の第１位相差制御状態に遷移する際に、状態遷移制御器２３は、このときの周波数値を第１の周波数記憶値として記憶部に記憶する。この第１の周波数記憶値に基づいて、Ｓ０４の第１位相差制御状態に遷移した後の周波数の変化を監視することで、振動体１の温度上昇を検出することができる。圧電アクチュエーター１００は、位相差が所定の範囲内となるＳ０４の第１位相差制御状態に遷移すると、高効率で安定して駆動する。

Ｓ０４の第１位相差制御状態では、状態遷移制御器２３は、位相差検出回路２７から出力される位相差を目標位相差値に近付ける制御を行う。すなわち、位相差検出回路２７から出力される位相差が目標位相差値よりも小さい場合、発振器２５に出力する周波数値を一定の変化率、例えば、＋６Ｈｚ／０．１ｍｓｅｃで変化させ、位相差検出回路２７から出力される位相差が目標位相差値よりも大きい場合、発振器２５に出力する周波数値を一定の変化率、例えば、−６Ｈｚ／０．１ｍｓｅｃで変化させる。

このような制御により、位相差検出回路２７から出力される位相差が目標位相差値に近付くとともに、発振器２５に出力する周波数値が後述する最適駆動周波数にほぼ収束する。これにより、圧電アクチュエーター１００は、所定の回転速度及びトルクを得ることができ、最適楕円駆動が可能となる。

Ｓ０４の第１位相差制御状態において、状態遷移制御器２３は、発振器２５に出力する周波数値が、第１の周波数記憶値から、振動体１の共振周波数の温度特性に基づいて予め定められた第１の値を超えて変化した場合、すなわち、駆動周波数が第１の周波数記憶値から第１の値だけ変化した値よりも小さくなった場合に、Ｓ０５の第２位相差制御状態に遷移する。この第１の値は、振動体１の温度が、後述する圧電アクチュエーター１００が安定動作できる上限温度に到達したことを検出するために設定される値である。したがって、状態遷移制御器２３は、振動体１の温度が圧電アクチュエーター１００が安定動作できる上限温度に到達したことが検出された場合に、Ｓ０４の第１位相差制御状態からＳ０５の第２位相差制御状態に遷移する。

また、Ｓ０４の第１位相差制御状態において、状態遷移制御器２３は、発振器２５に出力する周波数値が上限周波数値よりも高くなった場合、下限周波数値よりも低くなった場合、振幅検出回路２８から出力される振幅が目標振幅値よりも小さくなった場合、又は、停止信号が入力された場合は、Ｓ０１の初期化状態に遷移する。

Ｓ０５の第２位相差制御状態に遷移する際に、状態遷移制御器２３は、このときの周波数値を第２の周波数記憶値として記憶部に記憶する。この第２の周波数記憶値に基づいて、Ｓ０５の第２位相差制御状態に遷移した後の周波数の変化を監視することで、振動体１の温度上昇を検出することができる。

Ｓ０５の第２位相差制御状態では、状態遷移制御器２３は、駆動電圧制御器２４に出力する電圧値を下限電圧値に設定する。そして、Ｓ０４の第１位相差制御状態と同様に、位相差検出回路２７から出力される位相差が目標位相差値よりも小さい場合、発振器２５に出力する周波数値を一定の変化率（＋６Ｈｚ／０．１ｍｓｅｃ）で変化させ、位相差検出回路２７から出力される位相差が目標位相差値よりも大きい場合、発振器２５に出力する周波数値を一定の変化率（−６Ｈｚ／０．１ｍｓｅｃ）で変化させる。

Ｓ０５の第２位相差制御状態において、状態遷移制御器２３は、発振器２５に出力する周波数値が、第２の周波数記憶値から、振動体１の共振周波数の温度特性に基づいて予め定められた第２の値を超えて変化した場合、すなわち、駆動周波数が第２の周波数記憶値から第２の値だけ変化した値よりも小さくなった場合に、Ｓ０１の初期化状態に遷移する。この第２の値は、振動体１の温度が、後述する圧電アクチュエーター１００が正常動作できる上限温度に到達したことを検出するために設定される値である。したがって、状態遷移制御器２３は、振動体１の温度が圧電アクチュエーター１００が正常動作できる上限温度に到達したことが検出された場合に、Ｓ０５の第２位相差制御状態からＳ０１の初期化状態に遷移し、駆動電圧制御器２４に出力する電圧値をゼロに設定して駆動信号の供給を停止する。

また、Ｓ０５の第２位相差制御状態において、状態遷移制御器２３は、発振器２５に出力する周波数値が上限周波数値よりも高くなった場合、下限周波数値よりも低くなった場合、振幅検出回路２８から出力される振幅が目標振幅値よりも小さくなった場合、又は、停止信号が入力された場合、Ｓ０１の初期化状態に遷移する。

ここで、最適駆動周波数について、図５を参照して説明する。図５は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの駆動周波数を説明する図である。詳しくは、図５（ａ）は駆動周波数とインピーダンスとの関係を示す図であり、図５（ｂ）は駆動周波数と縦振動の振幅及び屈曲振動の振幅との関係を示す図であり、図５（ｃ）は駆動周波数と温度との関係を示す図である。

図５（ａ）に実線３１で示すように、駆動周波数に対してインピーダンスが極小となる共振点が二点現れる。これらのうち周波数の低い方（ｆｒ１）が縦振動の共振点であり、周波数の高い方（ｆｒ２）が屈曲振動の共振点である。図５（ｂ）に実線４１で示すように、縦共振周波数ｆｒ１で縦振動の振幅は極大となり、実線４２で示すように、屈曲共振周波数ｆｒ２で屈曲振動の振幅は極大となる。

縦振動の縦共振周波数ｆｒ１と屈曲振動の屈曲共振周波数ｆｒ２との間の周波数を、最適駆動周波数という。最適駆動周波数で振動体１を駆動すると、縦振動及び屈曲振動の双方の振幅が確保されるので、最適楕円駆動が可能となり、圧電アクチュエーター１００は高効率で駆動する。また、縦共振周波数ｆｒ１と屈曲共振周波数ｆｒ２とを互いに近付けることで、最適駆動周波数における縦振動及び屈曲振動の振幅をより大きくすることができる。圧電アクチュエーター１００における上限周波数値及び下限周波数値は、振動体１の縦共振周波数ｆｒ１及び屈曲共振周波数ｆｒ２等を考慮して決められる。

また、振動体１のインピーダンス特性は、温度によって変化する。図５（ａ）において、実線３１は温度が２５℃、破線３２は温度が０℃、２点鎖線３３は温度が７０℃、１点鎖線３４は温度が１００℃のそれぞれの場合のインピーダンス特性を示している。縦振動及び屈曲振動の各共振点は、温度が低くなると周波数が高い側に移動し、温度が高くなると周波数が低い側に移動する。したがって、周囲の温度や振動体１自身の振動に伴う発熱やローター２との摩擦力等によって振動体１の温度が変化すると、共振周波数も変化する。

このように、温度や負荷の変化に伴って共振周波数が変化するため、圧電アクチュエーター１００を起動する際は、Ｓ０２及びＳ０３において周波数をスイープすることにより、駆動周波数を共振周波数に近付けて、早く確実にＳ０４の第１位相差制御状態に到達するように制御が行われる。これにより、温度変化が激しい場所等で使用する場合に、起動時に共振周波数が変化しても、早く最適楕円駆動状態とすることができる。

一旦最適楕円駆動状態に到達しても、温度の変化に伴って共振周波数が変化するため、Ｓ０４の第１位相差制御状態及びＳ０５の第２位相差制御状態において、目標位相差値に対する位相差の差異に基づいて駆動周波数を調整する制御が行われる。これにより、位相差を目標位相差値に近付けるように駆動周波数を調整して、圧電アクチュエーター１００の安定駆動状態の維持を図っている。

ところで、図５（ａ）に２点鎖線３３で示すように、温度が７０℃になると、温度が２５℃の場合に比べて、縦振動及び屈曲振動の各共振点が低い周波数側に移動するため、縦振動及び屈曲振動の双方の振幅を確保できる周波数域からずれてしまうこととなる。本実施形態では、７０℃を、圧電アクチュエーター１００が安定動作できる上限温度とする。温度が７０℃を超えると、最適楕円駆動が困難となり、圧電アクチュエーター１００の駆動効率は著しく低下する。

図５（ａ）に１点鎖線３４で示すように、温度が１００℃になると、縦振動及び屈曲振動の各共振点はさらに低い周波数側に移動するため、縦振動及び屈曲振動の双方の振幅を確保できる周波数域から外れてしまうこととなる。本実施形態では、１００℃を、圧電アクチュエーター１００が正常動作できる上限温度とする。温度が１００℃を超えると、正常な楕円駆動が困難となり、振動体１の固着部が剥れる等の損傷や破壊が発生する場合がある。

このように、温度が上昇して振動体１の共振周波数が低くなると、振動体１の振幅が小さくなりローター２の回転速度が低下して、圧電アクチュエーター１００の駆動効率が低下する。このような場合、従来の駆動制御方法では、駆動効率を維持するために、駆動信号の電圧を大きくする制御を行う。しかしながら、駆動信号の電圧を大きくすると、振動体１が発熱してさらに温度が高くなってしまい、共振周波数がさらに低くなることが繰り返されるという負の制御連鎖に陥ってしまう。そうすると、圧電アクチュエーター１００の正常動作が困難となり、さらには、振動体１の損傷や破壊の発生を招いてしまう。

ここで、図５（ｃ）に示すように、振動体１の周波数の変化と温度の変化とは、ほぼリニアな関係にある。したがって、Ｓ０４の第１位相差制御状態やＳ０５の第２位相差制御状態のように位相差が所定の範囲内に保たれた状態において、周波数の初期値からの変化量Δｆｒを検出することにより、温度が変化したことを検知することができ、温度の初期値からの変化量Δｔを推測することができる。

また、振動体１の温度は、振動体１自身が振動することにより上昇する。Ｓ０１の初期化状態における温度Ｔ₀から、Ｓ０２の高速スイープ状態及びＳ０３の低速スイープ状態を経てＳ０４の第１位相差制御状態に至るまでに、自身の振動により温度上昇する。

本実施形態では、実験データに基づいて、共振周波数の変化量（Δｆｒ）と温度の変化量（Δｔ）との間には、Δｔが１℃当たりでΔｆｒ＝（２６９．８−２７９．７）／７０＝−０．１４（ＫＨｚ）となる関係があることが分かっている。また、Ｓ０１の初期化状態から起動してＳ０４の第１位相差制御状態に遷移するまでの温度の変化量Δｔ₁は、２℃程度であることが分かっている。すなわち、Ｓ０４の第１位相差制御状態に遷移したときの振動体１の温度Ｔ₁は、Ｓ０１の初期化状態における温度Ｔ₀に対して、Ｔ₁＝Ｔ₀＋２（℃）となる。

これらより、上述の第１の値、すなわち、Ｓ０４の第１位相差制御状態に遷移してから振動体１の温度が上昇して７０℃になるまでの周波数の変化量Δｆｒ₁は、Δｆｒ₁＝−０．１４×（７０−Ｔ₀−２）（ＫＨｚ）となる。したがって、Ｓ０４の第１位相差制御状態において、振動体１の駆動周波数が第１の周波数記憶値からΔｆｒ₁だけ変化した値よりも小さくなった場合に、圧電アクチュエーター１００が安定動作できる上限温度に到達したと推測することができる。なお、温度Ｔ₀は、Ｓ０１の初期化状態における周囲の温度として測定された値である。

また、上述の共振周波数の変化量（Δｆｒ）と温度の変化量（Δｔ）との関係に基づけば、上述の第２の値、すなわち、Ｓ０５の第２位相差制御状態に遷移してから振動体１の温度が上昇して１００℃になるまでの周波数の変化量Δｆｒ₂は、Δｆｒ₂＝−０．１４×（１００−７０）（ＫＨｚ）で、−５（ＫＨｚ）程度となる。これにより、Ｓ０５の第２位相差制御状態において、振動体１の駆動周波数が第２の周波数記憶値からΔｆｒ₂だけ変化した値よりも小さくなった場合に、圧電アクチュエーター１００が正常動作できる上限温度に到達したと推測することができる。

そこで、本実施形態では、Ｓ０４の第１位相差制御状態に遷移したときの周波数の初期値として第１の周波数記憶値を記憶し、第１の周波数記憶値に対して周波数が第１の値を越えて変化した場合、圧電アクチュエーター１００が安定動作できる上限温度に到達したと判断して、電圧を下限電圧値に設定する。そして、Ｓ０５の第２位相差制御状態に遷移したときの周波数の初期値として第２の周波数記憶値を記憶し、第２の周波数記憶値に対して周波数が第２の値を越えて変化した場合、圧電アクチュエーター１００が正常動作できる上限温度に到達したと判断して、電圧をゼロに設定する。

次に、圧電アクチュエーター１００の駆動制御の例を、図６を参照して説明する。図６は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの駆動制御の例を説明する図である。図６において、図の中心から右に向かう横軸は駆動周波数の変化を示しており、右に行くほど周波数が高くなる。図の中心から左に向かう横軸は駆動電圧の変化を示しており、左に行くほど電圧が高くなる。図の中心から上に向かう縦軸は圧電アクチュエーター１００の位相差、振幅、回転速度の変化を示しており、上に行くほど各値が大きくなる。また、図の中心から下に向かう縦軸は、時間の経過を示している。

Ｓ０１の初期化状態から圧電アクチュエーター１００を起動すると、Ｓ０２の高速スイープ状態で駆動周波数が上限周波数値から低い側へ変化する。そうすると、ローター２が回転し始め、振動体１の振幅が上昇するとともに、ローター２の回転速度も上昇する。

このとき、位相差検出回路２７から出力される位相差は、最適楕円駆動状態を実現できる目標位相差値よりも大きな値となっている。本実施形態では、Ｓ０２の高速スイープ状態で駆動周波数を早く変化させることで、最適楕円駆動状態が得られない周波数域をより早く通過するようにしている。

また、駆動周波数を、周波数の高い側、すなわち、振動体１のインピーダンスが高い側から低い側へ向かう方向に変化させるので、スイープ状態においてインピーダンスが低い共振周波数を通過する可能性を小さくできる。これにより、圧電アクチュエーターの電流の過度の増加と、電流の増加に伴う温度上昇を避けることができる。

Ｓ０２の高速スイープ状態において、振幅検出回路２８から出力される振幅が目標振幅値よりも大きくなると、Ｓ０３の低速スイープ状態に遷移して、駆動周波数の変化率を小さくする。周波数の変化率をＳ０２の高速スイープ状態よりも小さくすることで、位相差が目標位相差値を通り越して外れてしまうことが抑えられる。

駆動周波数の低い側への変化に伴って、振動体１の振幅及びローター２の回転速度がさらに上昇し、位相差は小さくなる。そして、位相差が目標位相差値に近づくと、振動体１の振幅及びローター２の回転速度がともにほぼ極大となる。すなわち、位相差が目標位相差値に近い値として設定した所定の範囲内の値となるように制御することで、最適楕円駆動状態を実現できる。

位相差が所定の範囲内となったところで、Ｓ０４の第１位相差制御状態に遷移する。Ｓ０４の第１位相差制御状態では、最適楕円駆動状態が得られるので、駆動信号の電圧を上限電圧値に設定して、振動体１の振幅及びローター２の回転速度を大きくする。また、駆動周波数を、共振周波数の変動に追従するように調整することにより、高効率で安定した駆動を維持することができる。

Ｓ０４の第１位相差制御状態において、周囲の温度や負荷等の変化によって圧電アクチュエーター１００（振動体１）の温度が上昇すると、共振周波数が低くなり振幅及び回転速度は低下する。振動体１の駆動周波数が第１の周波数記憶値に対して第１の値を超えて変化した場合に、圧電アクチュエーター１００が安定動作できる上限温度に到達したと判断して、Ｓ０５の第２位相差制御状態に遷移する。

これにより、振動体１（圧電素子１１）に供給される駆動信号の電圧が下限電圧値に設定されるので、圧電アクチュエーター１００の温度上昇を抑えることができ、圧電アクチュエーター１００を安定動作させることができる。

Ｓ０５の第２位相差制御状態において、周囲の温度や負荷等の変化によって圧電アクチュエーター１００（振動体１）の温度がさらに上昇すると共振周波数がさらに低くなり、振幅及び回転速度は著しく低下する。振動体１の駆動周波数が第２の周波数記憶値に対して第２の値を超えて変化した場合に、圧電アクチュエーター１００が正常動作できる上限温度に到達したと判断して、Ｓ０１の初期化状態に遷移する。これにより、振動体１（圧電素子１１）に供給される駆動信号の電圧がゼロに設定されるので、圧電アクチュエーター１００のさらなる温度上昇を抑えることができ、圧電アクチュエーター１００（振動体１）の異常動作や損傷、破壊等の発生を抑えることができる。

また、本実施形態では、周波数の変化量から温度上昇を推測できるため、温度センサーを備えていなくても、周波数及び温度を制御できる。そのため、温度センサーを追加する場合に生じる、制御部の回路構成の複雑化、圧電アクチュエーターの大型化や、コストの上昇が避けられる。これにより、圧電アクチュエーター１００の小型化や軽量化を容易に実現できる。

なお、共振周波数の変化量（Δｆｒ）と温度の変化量（Δｔ）との関係、及びＳ０１の初期化状態から起動してＳ０４の第１位相差制御状態に遷移するまでの温度の変化量Δｔ₁の値は、振動体１の構成によって異なる場合があり、上記に限定されるものではない。

（第２の実施形態）
＜ロボットハンド＞
次に、第２の実施形態に係るロボットハンドの概略構成を説明する。図７は、第２の実施形態に係るロボットハンドの構成を示す模式図である。詳しくは、図７（ａ）は関節部が１段のロボットハンドを示す図であり、図７（ｂ）は関節部が２段のロボットハンドを示す図である。

図７（ａ）に示すロボットハンド２０１ａは、基部２２５と、一対の指２１１とを備えている。基部２２５の延在方向両側には、一対の関節部２０２が設置されている。一対の指２１１は、関節部２０２により、それぞれ一端側が基部２２５に接続されている。一対の関節部２０２には、上述の圧電アクチュエーター１００が配置されており、圧電アクチュエーターの駆動により、一対の指２１１が関節部２０２を回動軸として互いに異なる向きに回動する。これにより、一対の指２１１の他端側で部材２３３を把持することができる。

図７（ｂ）に示すロボットハンド２０１ｂは、ロボットハンド２０１ａの構成に対して、一対の指２１２をさらに備えており、指２１１と指２１２とで指部２１０が構成されている。一対の指２１１の他端側にはそれぞれ関節部２０３が配置されており、関節部２０３により、指２１２の一端側が指２１１に接続されている。一対の関節部２０３には、上述の圧電アクチュエーター１００が配置されており、圧電アクチュエーターの駆動により、一対の指２１２が関節部２０３を回動軸として回動する。これにより、一対の指部２１０を屈曲させて、指２１２の他端側で部材２３４を把持することができる。ロボットハンド２０１ｂの構成によれば、一対の指部２１０（指２１１，２１２）が関節部２０２，２０３の２段の関節で接続されているので、部材２３３よりも小さい部材２３４を把持する場合に好適である。

第２の実施形態に係るロボットハンド２０１ａ及びロボットハンド２０１ｂは、関節部２０２，２０３に、安定動作し小型軽量の圧電アクチュエーター１００を備えている。これにより、部材２３３，２３４を把持する指２１１，２１２の動作を安定した状態で行う小型軽量のロボットハンド２０１ａ，２０１ｂを提供できる。

（第３の実施形態）
＜ロボット＞
次に、第３の実施形態に係るロボットの概略構成を説明する。図８は、第３の実施形態に係るロボットの構成を示す模式図である。図８に示すように、ロボット２００は、一対のアーム２４０と、一対のアーム２５０と、一対のロボットハンド２０１ａ（又はロボットハンド２０１ｂ）とを備えている。アーム２４０とアーム２５０とは、関節部２０４により、互いに接続されている。一対の関節部２０４には、上述の圧電アクチュエーター１００が配置されており、圧電アクチュエーターの駆動により、アーム２４０がアーム２５０に対して回動する。

第３の実施形態に係るロボット２００は、関節部２０４に、安定した状態で起動し安定駆動状態を維持する圧電アクチュエーター１００を備えており、かつ、上述のロボットハンド２０１ａ（又はロボットハンド２０１ｂ）を備えている。これにより、部材の把持及びアーム２４０の動作を安定した状態で行う小型軽量のロボット２００を提供できる。

なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形及び応用が可能である。変形例を以下に述べる。

（変形例１）
例えば、上述した実施形態では、駆動信号の電力として電圧を制御する構成であったが、これに限定されるものではない。駆動制御装置３０が駆動電圧制御器２４の代わりに駆動電流制御器を備えており、駆動信号の電力として電流を制御する構成としてもよい。駆動信号の電流を制御することで、振動体１のインピーダンスが変動する場合でも、電力をほぼ一定に保つことができ、振動体１の温度上昇を抑えることができる。

（変形例２）
また、上述した実施形態では、駆動信号と振動体１から検出される検出信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて圧電アクチュエーター１００の駆動を制御する構成であったが、これに限定されるものではない。振動体１から縦振動及び屈曲振動の各検出信号を検出し、駆動信号とそれらの検出信号の位相差に基づいて圧電アクチュエーター１００の駆動を制御する構成としてもよい。

（変形例３）
また、上述した実施形態では、駆動信号と検出信号との位相差や、各検出信号間の位相差に基づいて駆動周波数を制御する構成であったが、これに限定されるものではない。圧電アクチュエーター１００を駆動する駆動回路２６に抵抗を設け、圧電アクチュエーター１００を流れる電流値の変化を、電圧値として検出すること等で、圧電アクチュエーター１００を流れる電流値に基づいて駆動周波数を制御する構成としてもよい。

（変形例４）
また、上述した実施形態では、セレクター２９にて圧電素子１１に設けられた第１屈曲振動用電極及び第２屈曲振動用電極を切り替えることにより、ローター２を双方向に回転駆動する構成であったが、これに限定されるものではない。縦振動用電極と第１屈曲振動用電極との駆動位相、又は縦振動用電極と第２屈曲振動用電極との駆動位相は必ずしも一致しなくてもよい。

さらに、縦振動及び屈曲振動の共振周波数を一致、又は接近させて、縦振動用電極と第１屈曲振動用電極とは縦振動用電極の遅れ位相とし、第２屈曲振動用電極は第１屈曲振動用電極の反転として３相駆動とする。そして、逆転時は縦振動用電極、第２屈曲振動用電極は縦振動用電極の遅れ位相とし、第１屈曲振動用電極は第２屈曲振動用電極の反転として実現し、検出信号は上記実施形態又は変形例の形態で別途設け、圧電アクチュエーター１００の駆動を制御する構成としてもよい。

１…振動体、２…ローター、１１…圧電素子、２０…制御部としての周波数制御器、２６…駆動部としての駆動回路、２７…位相差検出部としての位相差検出回路、１００…圧電アクチュエーター、２００…ロボット、２０１ａ…ロボットハンド、２０１ｂ…ロボットハンド。

Claims (4)

1. 圧電素子を含む振動体と、
   前記圧電素子に駆動信号を供給する駆動部と、
   前記駆動信号と、前記振動体の振動に基づいて検出される検出信号と、の位相差を検出する位相差検出部と、
   前記駆動信号の周波数及び電力を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記周波数を変化させて前記位相差が所定の範囲内となった場合に、前記周波数の値を第１の周波数記憶値として記憶し、前記電力を所定の値に設定し、前記周波数を調整して前記位相差を前記所定の範囲内に保ち、
   前記周波数が、前記第１の周波数記憶値から、前記振動体の共振周波数の温度特性に基づいて予め定められた第１の値を超えた場合に、前記周波数の値を第２の周波数記憶値として記憶し、前記温度特性に基づいて予め定められた第２の値を超えた場合に、前記電力をゼロにすることを特徴とする圧電アクチュエーター。
2. 請求項１に記載の圧電アクチュエーターであって、
   前記制御部は、
   前記振動体は、長方形であり、
   前記振動体の長辺方向に伸縮する縦振動の前記共振周波数及び短辺方向に沿って伸縮する屈曲振動の前記共振周波数のうち、インピーダンスが高い前記共振周波数からインピーダンスが低い前記共振周波数に前記周波数を変化させることを特徴とする圧電アクチュエーター。
3. 請求項１または２に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とするロボットハンド。
4. 請求項１または２に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とするロボット。

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