JP6356461B2 - Control system and control method - Google Patents

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

本発明は、制御システム及び制御方法に係り、特に圧電素子を制御するのに適した制御システム及び制御方法に関する。   The present invention relates to a control system and a control method, and more particularly, to a control system and a control method suitable for controlling a piezoelectric element.

容量性アクチュエータは、ロボットに適用した場合にエネルギ損失を低減できる可能性がある。特にロボットの肢の場合、アクチュエータは重力荷重を支える必要がある。運動時のみに発生する運動学的な荷重に比べ、重力加重は定常条件下であっても運動にかかわらず長時間の間連続的に作用する。   Capacitive actuators may reduce energy loss when applied to robots. Especially in the case of robot limbs, the actuator needs to support gravity loads. Compared to kinematic loads that occur only during exercise, gravity load works continuously for a long time regardless of movement, even under steady-state conditions.

電磁力などの誘導性アクチュエータは、電流が力に対応するのでエネルギを力の関数として消費する。この観点から、電磁力モータは、エネルギ効率からするとロボットの肢への適用には適していない。このような荷重条件とアクチュエータ特性との不整合が、ロボットの肢における不十分なエネルギ利用効率の原因となる。エネルギ効率は、様々な分野への適用が増加している移動型ロボットには重要である。   Inductive actuators such as electromagnetic force consume energy as a function of force because the current corresponds to the force. From this point of view, the electromagnetic force motor is not suitable for application to the limb of the robot in terms of energy efficiency. Such mismatch between the load condition and the actuator characteristics causes insufficient energy utilization efficiency in the limb of the robot. Energy efficiency is important for mobile robots that are increasingly being applied in various fields.

油圧または空気アクチュエータ及び圧電アクチュエータは、圧力や電圧などの作用状態値に応じて力またはトルクを生成する容量性アクチュエータとして捉えることができる。多くの場合、エネルギ散逸は、流体の流量や流れなどの流動状態値により生じる。これは、容量性アクチュエータにおけるエネルギ散逸が、出力される力に密接に対応しないことを意味する。このため、容量性アクチュエータは、例えばロボットの肢において効率的に荷重を支えることができる。   Hydraulic or pneumatic actuators and piezoelectric actuators can be viewed as capacitive actuators that generate force or torque according to action state values such as pressure and voltage. In many cases, energy dissipation is caused by flow state values such as fluid flow and flow. This means that the energy dissipation in the capacitive actuator does not closely correspond to the output force. For this reason, the capacitive actuator can efficiently support the load, for example, on the limb of the robot.

しかし、油圧または空気アクチュエータを駆動するのに必要なポンプのエネルギ散逸は、一般的には非常に大きい。また、空気のコンプライアンス的性質のため、油圧及び空気アクチュエータは、いずれも例えば50Hzのような高速で応答して運動することは難しい。   However, the energy dissipation of the pump required to drive a hydraulic or pneumatic actuator is generally very large. Also, because of the compliance nature of air, it is difficult for both hydraulic and pneumatic actuators to respond and move at high speeds, such as 50 Hz.

圧電素子に基づく超音波モータを含む圧電モータは、電源により効率良く駆動でき、高い力及び出力密度を有する。しかし、圧電モータの制御性は必ずしも満足のいくものではない。   Piezoelectric motors including ultrasonic motors based on piezoelectric elements can be efficiently driven by a power source and have high force and power density. However, the controllability of the piezoelectric motor is not always satisfactory.

特開2007−120749号公報JP 2007-12049 A 特開2008−271667号公報JP 2008-271667 A

従来は、圧電モータの推力を考慮していないので、圧電モータの制御性は必ずしも満足のいくものではない。   Conventionally, the controllability of the piezoelectric motor is not always satisfactory because the thrust of the piezoelectric motor is not taken into consideration.

そこで、本発明は、圧電モータの推力を考慮することで、圧電モータの制御性を向上できる制御システム及び制御方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a control system and a control method that can improve the controllability of a piezoelectric motor by considering the thrust of the piezoelectric motor.

本発明の一観点によれば、複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の出力をモータ出力に変換するギアを備えたモータを制御する制御システムであって、目標とする前記モータの推力を表す情報に基づいて電圧を切り替える第1の位相を算出する第1の算出部と、前記ギアの位相角度に基づいて前記複数の圧電素子毎のギアに対する第2の位相を算出する第2の算出部と、前記第1の位相と前記第2の位相を比較する比較部と、前記比較部で前記第1及び第2の位相を比較した結果に基づいて、前記複数の圧電素子への入力を前記複数の圧電素子毎に制御する制御部を備えた制御システムが提供される。   According to one aspect of the present invention, there is provided a control system that controls a motor including a plurality of piezoelectric elements and a gear that converts the outputs of the plurality of piezoelectric elements into motor outputs, the target thrust of the motor being A first calculation unit that calculates a first phase for switching a voltage based on information to be expressed; and a second calculation that calculates a second phase for the gear for each of the plurality of piezoelectric elements based on a phase angle of the gear. A comparison unit comparing the first phase with the second phase, and a comparison result between the first phase and the second phase by the comparison unit. A control system including a control unit for controlling each of the plurality of piezoelectric elements is provided.

本発明の他の観点によれば、複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の出力をモータ出力に変換するギアを備えたモータを制御する制御方法であって、前記ギアの位相角度を検出する工程と、目標とする前記モータの推力を表す情報に基づいて電圧を切り替える第1の位相を算出する第1の算出工程と、前記ギアの位相角度に基づいて前記複数の圧電素子毎のギアに対する第2の位相を算出する第2の算出工程と、前記第1の位相と前記第2の位相を比較する工程と、前記比較する工程で比較した結果に基づいて、前記複数の圧電素子への入力を前記複数の圧電素子毎に制御する制御工程を含む制御方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a control method for controlling a motor including a plurality of piezoelectric elements and a gear for converting outputs of the plurality of piezoelectric elements into motor outputs, and detecting a phase angle of the gears. A first calculation step of calculating a first phase for switching a voltage based on information representing the target thrust of the motor, and a gear for each of the plurality of piezoelectric elements based on a phase angle of the gear To the plurality of piezoelectric elements based on the result of comparison in the second calculation step of calculating the second phase with respect to the first phase, the step of comparing the first phase with the second phase, and the step of comparing. A control method including a control step of controlling the input of each of the plurality of piezoelectric elements is provided.

一実施例によれば、圧電モータの推力を考慮することで、圧電モータの制御性を向上でできる。   According to one embodiment, the controllability of the piezoelectric motor can be improved by considering the thrust of the piezoelectric motor.

圧電モータの一例の正面図、Front view of an example of a piezoelectric motor, 図1Aの一点鎖線A−Aに沿った圧電モータの一部を示す断面図、Sectional drawing which shows a part of piezoelectric motor along the dashed-dotted line AA of FIG. 1A. 図1Bのギア及び入力チップを拡大して示す断面図、Sectional drawing which expands and shows the gear and input chip of FIG. 1B, ギアの形状を説明する図、A diagram explaining the shape of the gear, 圧電モータの駆動システムの一例を示す図、The figure which shows an example of the drive system of a piezoelectric motor, 圧電素子の等価回路図、Equivalent circuit diagram of piezoelectric element, 駆動回路の動作を説明する模式図、Schematic diagram explaining the operation of the drive circuit, 駆動システムの一部の一例を示す回路図、A circuit diagram showing an example of a part of a drive system, 三(3)個の対抗ユニットの制御方式の一例を説明する図、The figure explaining an example of the control system of three (3) counter units, 偶数個の圧電素子群を駆動する駆動回路の一例を説明する模式図、A schematic diagram for explaining an example of a drive circuit for driving an even number of piezoelectric element groups, 図8の駆動回路の動作を説明する図、The figure explaining operation | movement of the drive circuit of FIG. 奇数個の圧電素子群を駆動する駆動回路の一例を説明する模式図、A schematic diagram for explaining an example of a drive circuit for driving an odd number of piezoelectric element groups, 図10の駆動回路の動作を説明する図、The figure explaining operation | movement of the drive circuit of FIG. 電圧制御を用いる駆動回路の一例を説明する模式図、Schematic diagram illustrating an example of a drive circuit using voltage control, 図12の駆動回路の切り替え方式を説明する図、The figure explaining the switching method of the drive circuit of FIG. 図12の駆動回路の切り替え状態を説明する図、The figure explaining the switching state of the drive circuit of FIG. 本発明の一実施例における駆動方法の一例を説明する図、The figure explaining an example of the drive method in one Example of this invention, 圧電モータにおける流れとエネルギの伝達の概略を示すブロック図、Block diagram showing the outline of flow and energy transmission in a piezoelectric motor, 機械的領域における仕事サイクルの一例を示す図、A diagram showing an example of a work cycle in the mechanical area, 電気的領域における仕事サイクルの一例を示す図、A diagram showing an example of a work cycle in the electrical domain, 座屈型アクチュエータの低次機械モデルの一例を示す図、A diagram showing an example of a low-order machine model of a buckling actuator, 計算される座屈型アクチュエータの出力特性の一例を示す図、The figure which shows an example of the output characteristic of the buckling type actuator calculated, 対抗接続の一例を示す模式図、A schematic diagram showing an example of a counter connection, 対抗接続の一例を示す模式図、A schematic diagram showing an example of a counter connection, 対抗接続の一例を示す模式図、A schematic diagram showing an example of a counter connection, 対抗ユニットの出力する力と変位特性の一例を示す図、The figure which shows an example of the force and displacement characteristic which a counter unit outputs, ギアに単極性駆動ギアを用いた場合に1つの座屈型アクチュエータにより生成されるモータ力特性を説明する図、The figure explaining the motor force characteristic produced | generated by one buckling type actuator when a unipolar drive gear is used for a gear, 各種位相切り替えモードにおいて単一の座屈型アクチュエータにより得られるギア力を示す図、The figure which shows the gear force obtained by the single buckling type actuator in various phase change modes, 各種位相切り替えモードにおいて六(6)個の座屈型アクチュエータにより得られるギア力を示す図、The figure which shows the gear force obtained by six (6) buckling type actuators in various phase switching modes, 圧電モータの速度制御システムの一例を示すブロック図、A block diagram showing an example of a speed control system of a piezoelectric motor, 本発明の一実施例における制御方法の一例を説明するフローチャート、The flowchart explaining an example of the control method in one Example of this invention, ギアが慣性負荷のみを駆動する場合の閉ループ速度制御システムのシミュレーション結果を説明する図、The figure explaining the simulation result of a closed loop speed control system when a gear drives only an inertia load, ギアが慣性負荷のみを駆動する場合の閉ループ速度制御システムのシミュレーション結果を説明する図、The figure explaining the simulation result of a closed loop speed control system when a gear drives only an inertia load, ギアが慣性負荷のみを駆動する場合の閉ループ速度制御システムのシミュレーション結果を説明する図、The figure explaining the simulation result of a closed loop speed control system when a gear drives only an inertia load, ギアが慣性負荷及び一定負荷を駆動する場合の閉ループ速度制御システムのシミュレーション結果を説明する図、The figure explaining the simulation result of a closed loop speed control system in case a gear drives inertial load and constant load, ギアが慣性負荷及び一定負荷を駆動する場合の閉ループ速度制御システムのシミュレーション結果を説明する図、The figure explaining the simulation result of a closed loop speed control system in case a gear drives inertial load and constant load, ギアが慣性負荷及び一定負荷を駆動する場合の閉ループ速度制御システムのシミュレーション結果を説明する図、The figure explaining the simulation result of a closed loop speed control system in case a gear drives inertial load and constant load, 線形圧電モータの第1の例を示す図、The figure which shows the 1st example of a linear piezoelectric motor, 線形圧電モータの第2の例を示す図、The figure which shows the 2nd example of a linear piezoelectric motor, 線形圧電モータの第2の例における座屈型アクチュエータを一部断面で示す図である。It is a figure which shows the buckling type actuator in the 2nd example of a linear piezoelectric motor in a partial cross section.

以下に、本発明の各実施例における駆動回路及び駆動方法を図面と共に説明する。   Hereinafter, a driving circuit and a driving method in each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1A、図1B及び図1Cは、本発明の一実施例における圧電モータの一例を説明する図である。図1Aは圧電モータの一例の正面図、図1Bは図1Aの一点鎖線A−Aに沿った圧電モータの一部を示す断面図、図1Cは図1Bのギア及び入力チップを拡大して示す断面図である。   1A, 1B and 1C are diagrams for explaining an example of a piezoelectric motor in one embodiment of the present invention. FIG. 1A is a front view of an example of a piezoelectric motor, FIG. 1B is a cross-sectional view showing a part of the piezoelectric motor along the one-dot chain line AA of FIG. 1A, and FIG. 1C is an enlarged view of the gear and input chip of FIG. It is sectional drawing.

圧電モータは10は、図1Aに示すように、回転伝達ギア11と、ギア11の回転軸を中心として120度の角度間隔で配置された三(3)対の座屈型アクチュエータ12を含む。図1Bに示すように、各座屈型アクチュエータ12は、一対の圧電素子121を含む。例えば、各圧電素子121はPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)圧電素子で形成されていても良い。各圧電素子121の基端は弾性ジョイント14−1を介してベース13に接続され、各圧電素子121の先端は弾性ジョイント14−2を介して可動リンク15に接続されている。可動リンク15は、ギア11に対して摺動することでギア11と係合する入力チップ(または、フォロワ)15Aを有する。対抗ユニットを構成する一対の座屈型アクチュエータ12の可動リンク15の入力チップ15Aは、対抗接続部16と接続しており、入力チップ15Aの動きは圧電素子121の動きに応じて一(1)並進運動の自由度に制限される。具体的には、入力チップ15Aの動きは、図1B及び図1Cにおいて縦方向の運動に制限される。   As shown in FIG. 1A, the piezoelectric motor 10 includes a rotation transmission gear 11 and three (3) pairs of buckling actuators 12 arranged at an angular interval of 120 degrees around the rotation axis of the gear 11. As shown in FIG. 1B, each buckling actuator 12 includes a pair of piezoelectric elements 121. For example, each piezoelectric element 121 may be formed of a PZT (lead zirconate titanate) piezoelectric element. The base end of each piezoelectric element 121 is connected to the base 13 via an elastic joint 14-1, and the tip end of each piezoelectric element 121 is connected to the movable link 15 via an elastic joint 14-2. The movable link 15 has an input chip (or follower) 15 </ b> A that engages with the gear 11 by sliding with respect to the gear 11. The input chip 15A of the movable link 15 of the pair of buckling actuators 12 constituting the counter unit is connected to the counter connector 16, and the movement of the input chip 15A is one (1) according to the movement of the piezoelectric element 121. Limited to the degree of freedom of translation. Specifically, the movement of the input chip 15A is limited to the vertical movement in FIGS. 1B and 1C.

後述するように、駆動システム(図示せず)は、ギア11のギア位相を考慮した上で三(3)対の座屈型アクチュエータ12の圧電素子121を駆動する。このため、三(3)対の座屈型アクチュエータ12の各々における入力チップ15Aの動きは、ギア11をその回転軸に沿って回転させる。   As will be described later, the drive system (not shown) drives the piezoelectric elements 121 of the three (3) pairs of buckling actuators 12 in consideration of the gear phase of the gear 11. For this reason, the movement of the input chip 15A in each of the three (3) pairs of buckling actuators 12 causes the gear 11 to rotate along its rotation axis.

図1Cは、ギア11と入力チップ15Aとの間の接触状態を示す。一対の座屈型アクチュエータ12の入力チップ15Aは、対抗接続部16を介して互いに強固に接続されている。入力チップ15Aは、一対の座屈型アクチュエータ12からの出力エネルギが2つの入力チップ15Aを介して伝達され、その結果一対の座屈型アクチュエータ12がプッシュ・プル動作を行うように、対抗接続部16に固定されても良い。この動作は、圧電素子121がオン及びオフの電圧条件でエネルギを伝達可能であるため、圧電素子121からギア11へのエネルギ伝達能力を高める。従って、ギア11は圧電素子121の出力を圧電モータ10のモータ出力に変換する。   FIG. 1C shows a contact state between the gear 11 and the input chip 15A. The input chips 15 </ b> A of the pair of buckling actuators 12 are firmly connected to each other via the counter connection portion 16. The input chip 15A receives the output energy from the pair of buckling actuators 12 via the two input chips 15A, so that the pair of buckling actuators 12 perform a push-pull operation. 16 may be fixed. This operation enhances the energy transmission capability from the piezoelectric element 121 to the gear 11 because the piezoelectric element 121 can transmit energy under on and off voltage conditions. Therefore, the gear 11 converts the output of the piezoelectric element 121 into the motor output of the piezoelectric motor 10.

ギア11の設計と一対の座屈型アクチュエータ12の配置設計を組み合わせることで、三(3)対の座屈型アクチュエータ12はギア11の波形に対して等しい位相距離に配置できる。三(3)対の座屈型アクチュエータ12は、ギア位相角度の60度の倍数で180度の倍数を除く等間隔で離間された配置を有する。座屈型アクチュエータ12の各対は、隣り合う座屈型アクチュエータ12の対と位相が180度ずれており、対抗ユニットを形成しても良い。   By combining the design of the gear 11 and the arrangement design of the pair of buckling actuators 12, the three (3) pairs of buckling actuators 12 can be arranged at the same phase distance with respect to the waveform of the gear 11. The three (3) pairs of buckling actuators 12 are arranged at equal intervals except for a multiple of 60 degrees and a multiple of 180 degrees of the gear phase angle. Each pair of buckling actuators 12 may be 180 degrees out of phase with the adjacent pair of buckling actuators 12 to form a counter unit.

また、座屈型アクチュエータ12の対の並列な配置と入力チップ15A間の強固な接続により、入力チップ15Aの動きは一(1)並進運動の自由度に制限される。この機構は、並列な弾性直動ガイドと類似している。従って、この例では、圧電モータ10は、入力チップ15A用の外部直動ガイドを省略でき、その分だけ重量と大きさを減少させることができる。   Further, due to the parallel arrangement of the pair of buckling actuators 12 and the strong connection between the input chips 15A, the movement of the input chips 15A is limited to one (1) degree of freedom of translational movement. This mechanism is similar to a parallel elastic linear guide. Therefore, in this example, the piezoelectric motor 10 can omit the external linear motion guide for the input chip 15A, and can reduce the weight and size accordingly.

例えば直径が2.5mmの球体または円柱を、一対の座屈型アクチュエータ12の出力エネルギをギア11に伝達する入力チップ15Aとして用いることができる。ギア形状は、入力チップ15Aを形成する球体または円柱の中心軌跡が正弦波形状となり、ギア11による力の伝達と入力チップ15Aの動きの両方が円滑となるように設計される。入力チップ15Aを形成する球体または円柱の中心軌跡は、圧電素子と係合する形状を有するギア11の係合部の運動軌跡の一例であり、ギア11に対して正弦波成分を有する。軌跡の高さは、一対の座屈型アクチュエータ12の最大自由変位量ymaxと等しく設定される。波長は、ギア形状の上で連続した形状を維持できるように設計される。これを実現するため、正弦波形状の中心軌跡の最小曲率半径RCminは、入力チップ15Aの半径より大きく設定される。この正弦波形状の中心軌跡は、座屈運動が単極性であると仮定すると、次式(1)で表すことができる。また、正弦波形状の中心軌跡の曲率半径RCは、次式(2)で表すことができ、最小曲率半径RCminで正弦波形状の軌跡の上部と下部の各々から外れるので、最小曲率半径RCminは次式(3)で表すことができる。 For example, a sphere or cylinder having a diameter of 2.5 mm can be used as the input chip 15 </ b> A that transmits the output energy of the pair of buckling actuators 12 to the gear 11. The gear shape is designed so that the center locus of the sphere or cylinder forming the input chip 15A has a sine wave shape, and both the transmission of force by the gear 11 and the movement of the input chip 15A are smooth. The center locus of the sphere or cylinder forming the input chip 15A is an example of the movement locus of the engaging portion of the gear 11 having a shape that engages with the piezoelectric element, and has a sine wave component with respect to the gear 11. The height of the locus is set equal to the maximum free displacement amount y max of the pair of buckling actuators 12. The wavelength is designed to maintain a continuous shape on the gear shape. In order to realize this, the minimum radius of curvature R Cmin of the center locus of the sine wave shape is set larger than the radius of the input chip 15A. This sinusoidal center locus can be expressed by the following equation (1) assuming that the buckling motion is unipolar. Further, the radius of curvature R C of the sinusoidal center locus can be expressed by the following equation (2), and the minimum radius of curvature is deviated from each of the upper and lower portions of the sinusoidal locus with the minimum radius of curvature R Cmin. R Cmin can be expressed by the following equation (3).

上記の式(1)乃至(3)中、yは座屈型アクチュエータ12の出力変位量、xはギア11のギア位置、λは正弦波形状の中心軌跡の波長、hgearは一般的に座屈型アクチュエータ12の最大自由変位量ymaxと同様に設定されるギア11のギア高さを示す。 In the above formulas (1) to (3), y is the output displacement amount of the buckling actuator 12, x is the gear position of the gear 11, λ is the wavelength of the center locus of the sine wave shape, and h gear is generally seated. The gear height of the gear 11 set similarly to the maximum free displacement amount y max of the bent actuator 12 is shown.

また、図1A乃至図1Cに示す座屈型アクチュエータ12の正三角形の配置の場合、波形のピーク数は三(3)の倍数にはできない。   In the case of the equilateral triangle arrangement of the buckling actuator 12 shown in FIGS. 1A to 1C, the number of peaks of the waveform cannot be a multiple of three (3).

図2は、ギア11のギア形状を説明する図である。図2において、実線はギア形状を示し、一点鎖線は入力チップ15Aの正弦波形状の中心軌跡を示す。   FIG. 2 is a diagram illustrating the gear shape of the gear 11. In FIG. 2, the solid line indicates the gear shape, and the alternate long and short dash line indicates the center locus of the sine wave shape of the input chip 15A.

図3は、圧電モータ10の駆動システムの一例を示す図である。図3において、駆動システム20は、制御部21、駆動装置22、及びインダクタLを含む。駆動装置22は、電源電圧を供給する電源30により電荷が供給される複数の駆動回路22−1乃至22−N(Nは1より大きな自然数)を含む。各駆動回路22−i(i=1,...,N)は、対応する座屈型アクチュエータ12を駆動する。駆動システム20は、各圧電素子121のオン及びオフ状態を制御する電圧を切り替える電圧切り替え機能を採用する。駆動システム20は、エネルギ効率のためエネルギを再利用する荷電回復機能も採用する。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a drive system of the piezoelectric motor 10. In FIG. 3, the drive system 20 includes a control unit 21, a drive device 22, and an inductor L. The drive device 22 includes a plurality of drive circuits 22-1 to 22-N (N is a natural number greater than 1) to which charges are supplied by a power supply 30 that supplies a power supply voltage. Each drive circuit 22-i (i = 1,..., N) drives the corresponding buckling actuator 12. The drive system 20 employs a voltage switching function for switching a voltage for controlling the on and off states of each piezoelectric element 121. The drive system 20 also employs a charge recovery function that reuses energy for energy efficiency.

図4は、圧電素子121の等価回路図である。上記の如く、圧電素子121は、基本的な機械電気特性を図4の等価回路で表すことのできる容量性アクチュエータの一種である。図4に示す上半分の成分は、容量C1で表される電気的領域の性質を示す。この容量的性質は、電圧及び機械的負荷の両方に関する高次の性質を省略することで簡略化することができる。図4に示す下半分の成分は、インダクタンスL1、容量C1及び抵抗R1を含む機械的領域の性質を示す。インダクタンスL1は質量的性質を示し、容量C2はコンプライアンス的性質を示す。容量C2及びインダクタンスL1の両者によって共振特性を表す。抵抗R1は、エネルギ散逸特性を表す。図4には示されていないが、圧電素子121は、一般的には圧電素子121の外部とで交換される電荷に応じたヒステリシス特性を有するので、準静的な状態遷移においてもエネルギ損失を生じる。ヒステリシス特性は、電圧と機械的負荷の両方に関連して変化する。   FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the piezoelectric element 121. As described above, the piezoelectric element 121 is a type of capacitive actuator that can represent basic mechanical and electrical characteristics by the equivalent circuit of FIG. The upper half component shown in FIG. 4 indicates the nature of the electrical region represented by the capacitance C1. This capacitive property can be simplified by omitting higher order properties for both voltage and mechanical load. The lower half component shown in FIG. 4 shows the properties of the mechanical region including the inductance L1, the capacitance C1, and the resistance R1. The inductance L1 indicates a mass property, and the capacitance C2 indicates a compliance property. Resonance characteristics are represented by both the capacitance C2 and the inductance L1. Resistor R1 represents energy dissipation characteristics. Although not shown in FIG. 4, the piezoelectric element 121 generally has a hysteresis characteristic corresponding to the electric charge exchanged with the outside of the piezoelectric element 121, so that energy loss is also caused in a quasi-static state transition. Arise. Hysteresis characteristics vary in relation to both voltage and mechanical load.

圧電素子121の端子間には電圧が印加されて圧電素子121を活性化する。この電圧により、エネルギは圧電素子121の電気的領域と機械的領域の両方に蓄えられる。機械的領域に蓄えられたエネルギは、外部仕事に使用できる。しかし、電気的領域に蓄えられるエネルギは、外部仕事を達成しない。これは、圧電素子121に印加される電圧がオン状態からオフ状態に切り替わると、電気的エネルギが使用されることなく破棄されることを意味する。多くのPZT圧電素子などでは、電気的エネルギの容量が機械的エネルギの容量より大きいので、電気的エネルギの破棄により全体としてのエネルギ効率が大幅に減少する。   A voltage is applied between the terminals of the piezoelectric element 121 to activate the piezoelectric element 121. With this voltage, energy is stored in both the electrical region and the mechanical region of the piezoelectric element 121. The energy stored in the mechanical area can be used for external work. However, the energy stored in the electrical domain does not accomplish external work. This means that when the voltage applied to the piezoelectric element 121 is switched from the on state to the off state, the electrical energy is discarded without being used. In many PZT piezoelectric elements and the like, the capacity of electrical energy is greater than the capacity of mechanical energy, so the overall energy efficiency is greatly reduced by discarding the electrical energy.

駆動回路22−iは、圧電素子121に蓄えられた電気的エネルギをキャパシタに転送すると共に、キャパシタからのエネルギを圧電素子121に転送する構成を有する。オンからオフへの切り替えとオフからオンへの切り替えを2つの圧電素子に対して並行して行う必要がある場合には、圧電素子を交互にキャパシタとして使用することで、エネルギを一方の圧電素子から他方の圧電素子へ直接転送することができる。このような駆動方法により、エネルギ散逸を大幅に減少させることができる。また、このような電荷転送機能を採用する駆動方法は、図3において圧電素子121と電源30との間の充電回路で生じるエネルギ損失を低減することができる。   The drive circuit 22-i has a configuration in which the electrical energy stored in the piezoelectric element 121 is transferred to the capacitor and the energy from the capacitor is transferred to the piezoelectric element 121. When it is necessary to perform switching from on to off and switching from off to on in parallel for two piezoelectric elements, the piezoelectric elements are alternately used as capacitors, so that energy is supplied to one piezoelectric element. Directly to the other piezoelectric element. With such a driving method, energy dissipation can be greatly reduced. In addition, the driving method employing such a charge transfer function can reduce energy loss that occurs in the charging circuit between the piezoelectric element 121 and the power supply 30 in FIG.

図5は、2つの圧電素子121に対する駆動回路22−iの動作を説明する模式図である。図5において、駆動回路22−iは、スイッチS1H,S1L,S2H,S2L,S12,S21及びダイオードD12,D21を含む。キャパシタC1P,C2Pは、2つの圧電素子121の容量的性質に対応し、Lは図3に示すインダクタLに対応する。Vは、図3に示す電源30から供給される電源電圧を示す。 FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the operation of the drive circuit 22-i for the two piezoelectric elements 121. In FIG. 5, the drive circuit 22-i includes switches S 1H , S 1L , S 2H , S 2L , S 12 , S 21 and diodes D 12 , D 21 . The capacitors C 1P and C 2P correspond to the capacitive properties of the two piezoelectric elements 121, and L corresponds to the inductor L shown in FIG. V S indicates a power supply voltage supplied from the power supply 30 shown in FIG.

ステップST1では、破線の矢印で示すようにキャパシタC1Pが電源電圧Vsにより充電され、キャパシタC2Pに蓄えられた電荷がグランドに排出されるように、スイッチS1H,S2Lが閉成(オン)にされ、残りのスイッチS1L,S2H,S2L,S12,S21は開成(オフ)にされる。ステップST2では、一点鎖線の矢印で示すようにキャパシタC1Pに蓄えられた電荷がスイッチS12、ダイオードD12及びインダクタLを介して転送されるように、スイッチS12が閉成(オン)にされ、残りのスイッチS1H,S1L,S2H,S2L,S21が開成(オフ)にされる。ステップST3では、二点鎖線の矢印で示すようにキャパシタC1Pに残留している電荷がグランドに排出され、電源電圧VがキャパシタC2Pに供給されてキャパシタC1Pから転送される電荷に加えてキャパシタC2Pをさらに充電するのに必要な量の電荷が補充されるように、スイッチS1L,S2Hが閉成(オン)にされ、残りのスイッチS1H,S2L,S12,S21は開成(オフ)にされる。言うまでもなく、キャパシタC2Pに蓄えられた電荷は、キャパシタC1Pの場合と同様に、インダクタL、ダイオードD21及びスイッチS21を介して転送されても良い。 In step ST1, the capacitors C 1P are charged by the power supply voltage Vs as indicated by the broken line arrows, and the switches S 1H and S 2L are closed (ON) so that the electric charge stored in the capacitors C 2P is discharged to the ground. The remaining switches S 1L , S 2H , S 2L , S 12 and S 21 are opened (off). At step ST2, the as charge stored in the capacitor C 1P as shown by dashed-line arrow is transferred via a switch S 12, the diode D 12 and the inductor L, the switch S 12 is in a closed (ON) Then, the remaining switches S 1H , S 1L , S 2H , S 2L , S 21 are opened (off). In step ST3, as indicated by the two-dot chain line arrow, the charge remaining in the capacitor C 1P is discharged to the ground, and the power supply voltage V S is supplied to the capacitor C 2P and added to the charge transferred from the capacitor C 1P. Thus, the switches S 1L and S 2H are closed (turned on) so that the charge necessary for further charging the capacitor C 2P is replenished, and the remaining switches S 1H , S 2L , S 12 , S 21 is opened (off). Needless to say, the charge stored in the capacitor C 2P may be transferred through the inductor L, the diode D 21 and the switch S 21 as in the case of the capacitor C 1P .

キャパシタC1PからキャパシタC2Pまでのパスは、インダクタLを介してキャパシタC1P,C2Pを接続する転送パスの一例である。スイッチS1H,S1L,S2H,S2L,S12,S21は、キャパシタC1P,C2P間で電荷を転送するか転送しないかを切り替える切り替え手段の一例である。ダイオードD12,D21は、キャパシタC1P,C2P間の電荷の転送方向を決定する転送方向決定手段の一例である。切り替え手段と転送方向決定手段は、電荷の転送の要否と電荷の転送方向を柔軟に決定可能である。 The path from the capacitor C 1P to the capacitor C 2P is an example of a transfer path that connects the capacitors C 1P and C 2P via the inductor L. The switches S 1H , S 1L , S 2H , S 2L , S 12 , and S 21 are an example of a switching unit that switches whether charges are transferred or not transferred between the capacitors C 1P and C 2P . The diodes D 12 and D 21 are an example of transfer direction determining means for determining the transfer direction of charges between the capacitors C 1P and C 2P . The switching means and the transfer direction determining means can flexibly determine the necessity of charge transfer and the charge transfer direction.

電源30とキャパシタC1Pとの間でスイッチS1Hを含むパスと、電源30とキャパシタC2Pとの間でスイッチS2Hを含むパスとは、夫々電源30からの電荷をキャパシタC1P,C2Pに供給する供給パスの一例である。供給パスは、キャパシタを確実に充電可能とする。キャパシタC1Pとグランドの間でスイッチS1Lを含むパスと、キャパシタC2Pとグランドの間でスイッチS21を含むパスとは、夫々電荷の転送後に残留している電荷をキャパシタC1P,C2Pからグランドへ排出する排出パスの一例である。排出パスは、キャパシタを確実に放電可能とする。 The path including the switch S 1H between the power source 30 and the capacitor C 1P and the path including the switch S 2H between the power source 30 and the capacitor C 2P respectively store charges from the power source 30 in the capacitors C 1P and C 2P. FIG. The supply path ensures that the capacitor can be charged. The path including the switch S 1L between the capacitor C 1P and the ground, and the path including the switch S 21 between the capacitor C 2P and the ground, respectively, charge remaining after the transfer of the charges to the capacitors C 1P and C 2P. It is an example of the discharge path which discharges from the ground to the ground. The discharge path ensures that the capacitor can be discharged.

図6は、駆動システム20の一部の一例を示す回路図である。図6において、駆動回路22−2乃至22−Nの構成は駆動回路22−1の構成と同じであるため、参照符号は駆動回路22−1についてのみ示す。   FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of a part of the drive system 20. In FIG. 6, the configuration of the drive circuits 22-2 to 22-N is the same as the configuration of the drive circuit 22-1, and therefore, reference numerals are only shown for the drive circuit 22-1.

図6において、駆動回路22−1は、圧電モータ10を形成する座屈型アクチュエータ12のうちの1つを形成する一対(PZT11)の圧電素子121に対して設けられた回路部221−1と、圧電モータ10を形成する座屈型アクチュエータ12のうちの他の1つを形成する一対(PZT21)の圧電素子121に対して設けられた回路部221−2とを含む、回路部分23は、駆動回路22−1乃至22−Nで共有される。この回路部分23は、駆動回路22−1内に含まれていても、或いは、駆動回路22−1の外部に設けられていても良い。   In FIG. 6, the drive circuit 22-1 includes a circuit unit 221-1 provided for a pair of (PZT11) piezoelectric elements 121 forming one of the buckling actuators 12 forming the piezoelectric motor 10. A circuit portion 23 including a pair (PZT 21) of piezoelectric elements 121 that form another one of the buckled actuators 12 that form the piezoelectric motor 10. The driving circuits 22-1 to 22-N are shared. The circuit portion 23 may be included in the drive circuit 22-1, or may be provided outside the drive circuit 22-1.

回路部221−1は、一対の圧電素子PZT11に対して、図6に示す如く接続されたドライバDrvh11, Drvl11, Drvf11, Drvb11、スイッチQh11,
Ql11, Qtf11, Qtb11及びダイオードDtf11, Drb11を含む。一方、回路部221−2は、一対の圧電素子PZT21に対して、図6に示す如く接続されたドライバDrvh21, Drvl21, Drvf21, Drvb21、スイッチQh21,
Ql21, Qtf21, Qtb21及びダイオードDtf21, Drb21を含む。回路部分23は、図6に示す如く接続されたドライバDrv1a, Drv1b, Drv2a, Drv2b、スイッチQ1a, Q1b,
Q2a, Q2b及びインダクタLを含む。
The circuit unit 221-1 includes drivers Drvh11, Drvl11, Drvf11, Drvb11, and switches Qh11, connected to the pair of piezoelectric elements PZT11 as shown in FIG.
Includes Ql11, Qtf11, Qtb11 and diodes Dtf11, Drb11. On the other hand, the circuit unit 221-2 includes drivers Drvh21, Drvl21, Drvf21, Drvb21, switches Qh21, connected to the pair of piezoelectric elements PZT21 as shown in FIG.
Includes Ql21, Qtf21, Qtb21 and diodes Dtf21, Drb21. The circuit portion 23 includes drivers Drv1a, Drv1b, Drv2a, Drv2b, switches Q1a, Q1b, connected as shown in FIG.
Includes Q2a, Q2b and inductor L.

ドライバDrvh11,
Drvl11, Drvf11, Drvb11, Drvh21, Drvl21, Drvf21, Drvb21, Drv1a, Drv1b, Drv2a,
Drv2bは、図3に示すコントローラ21からの信号により制御されて駆動されても良い。スイッチQh11,
Ql11, Qtf11, Qtb11, Qh21, Ql21, Qtf21, Qtb21, Q1a, Q1b, Q2a, Q2bは、高効率化のためにIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)またはMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect Transistor)で形成されても良い。
Driver Drvh11,
Drvl11, Drvf11, Drvb11, Drvh21, Drvl21, Drvf21, Drvb21, Drv1a, Drv1b, Drv2a,
Drv2b may be driven by being controlled by a signal from the controller 21 shown in FIG. Switch Qh11,
Ql11, Qtf11, Qtb11, Qh21, Ql21, Qtf21, Qtb21, Q1a, Q1b, Q2a, Q2b are IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor) for high efficiency
(Field-Effect Transistor).

この例では、2対の圧電素子212(PZT21及びPZT22)間で蓄えられた電荷を転送するのに1つのインダクタLしか使用しないのは、以下の理由(a1)乃至(a6)による。   In this example, only one inductor L is used to transfer the electric charge stored between the two pairs of piezoelectric elements 212 (PZT21 and PZT22) for the following reasons (a1) to (a6).

(a1)インダクタLの抵抗的性質が低い程、エネルギ転送特性が高い。   (A1) The lower the resistive properties of the inductor L, the higher the energy transfer characteristics.

(a2)インダクタLの抵抗的性質が低い程、一般的にインダクタLが大型化する。   (A2) In general, the inductor L is larger as the resistance property of the inductor L is lower.

(a3)切り替えパターンは、圧電素子121の各対に接続されたインダクタLにより制約を受ける。   (A3) The switching pattern is restricted by the inductor L connected to each pair of piezoelectric elements 121.

(a4)圧電モータ10において、一般的に切り替えは一対の座屈型アクチュエータ12間で必要となる。   (A4) In the piezoelectric motor 10, switching is generally required between the pair of buckling actuators 12.

(a5)全ての座屈型アクチュエータ12に対して1つのインダクタLを時分割で使用できる。   (A5) One inductor L can be used for all buckling actuators 12 in a time-sharing manner.

(a6)1つのインダクタLを使用することで、駆動システム20を小型化し、低い抵抗のインダクタを使用可能とする。   (A6) By using one inductor L, the drive system 20 can be miniaturized and an inductor having a low resistance can be used.

例えば、インダクタLは直列接続された558μHのインダクタンスと19.7mΩの抵抗を有する。転送状況に影響を及ぼす容量は、例えば約14μFであり、一対の圧電素子121に起因する。一対の圧電素子121は座屈型アクチュエータ12において並列に接続されており、2対の圧電素子121がインダクタLを介して直列に接続されている。転送パスにおける抵抗は、インダクタLを含めて例えば約86mΩである。LCR特性を考慮すると、対抗ユニットにおける座屈型アクチュエータ12間の電荷の転送は、計算により例えば約280μsecで行われることがわかる。   For example, the inductor L has an inductance of 558 μH and a resistance of 19.7 mΩ connected in series. The capacity that affects the transfer status is, for example, about 14 μF, and is attributed to the pair of piezoelectric elements 121. The pair of piezoelectric elements 121 are connected in parallel in the buckling actuator 12, and the two pairs of piezoelectric elements 121 are connected in series via the inductor L. The resistance in the transfer path is about 86 mΩ including the inductor L, for example. Considering the LCR characteristics, it can be seen that the charge transfer between the buckling type actuators 12 in the counter unit is performed at, for example, about 280 μsec.

上記の如く、この例では、圧電モータ10は、ギア11の歯の位相を単位として等間隔に配置された三(3)個の対抗ユニットを形成する六(6)個の座屈型アクチュエータ12を含み、駆動システム20は電荷転送機能を有する駆動装置22を含む。圧電モータ10及び駆動システム20の特徴を考慮すると、図7に示す制御方式を採用しても良い。   As described above, in this example, the piezoelectric motor 10 has six (6) buckling actuators 12 forming three (3) opposing units arranged at equal intervals with the tooth phase of the gear 11 as a unit. The driving system 20 includes a driving device 22 having a charge transfer function. In consideration of the characteristics of the piezoelectric motor 10 and the drive system 20, the control method shown in FIG. 7 may be adopted.

図7は、三(3)個の対抗ユニットA1,A2,A3の制御方式、即ち、3相切り替え駆動の一例を説明する図である。   FIG. 7 is a diagram for explaining an example of a control method of three (3) counter units A1, A2, and A3, that is, a three-phase switching drive.

図7の制御方式に示すように、電圧の切り替えは、各対抗ユニットA1,A2,A3の対をなす座屈型アクチュエータ12間で行われる。各正弦波形の線Sn1乃至Sn6は、ギア遷移を示す。縦の小さな矢印は各ギア位相における各対抗ユニットA1,A2,A3の出力(または、駆動)方向を示す。この制御方式によれば、三(3)個の対抗ユニットA1乃至A3は、全ギア位相中に動作不能点を生じることなく、図1Aにおいてギア11を時計方向と反時計方向の両方向に駆動できる。   As shown in the control method of FIG. 7, the voltage is switched between the buckling actuators 12 forming a pair of the opposing units A1, A2, and A3. Each sinusoidal line Sn1 to Sn6 represents a gear transition. A small vertical arrow indicates the output (or drive) direction of each counter unit A1, A2, A3 in each gear phase. According to this control method, the three (3) opposing units A1 to A3 can drive the gear 11 in both the clockwise and counterclockwise directions in FIG. 1A without causing inoperable points during all gear phases. .

この場合、圧電素子121の最大動作周波数及び座屈型アクチュエータ12の推定共振周波数を考慮することで、電圧の切り替えの最大周波数を設定することができる。電圧切り替えシーケンスは、各対抗ユニットA1,A2,A3について切り替えサイクル中に六(6)回発生し、三(3)個の対抗ユニットA1乃至A3の各々が二(2)つの電圧切り替えシーケンスを要するので、電圧切り替えシーケンスは、最大電圧切り替え周波数に基づき最大電圧切り替え周波数の1/6の周波数以下で行うことができる。インダクタLの時分割使用により、別々の対抗ユニット間で電圧切り替えシーケンスが重なることを防止できる。電圧切り替えシーケンスは、例えばFPGA(Field Programmable Gate Array)に実装可能である。   In this case, the maximum frequency of voltage switching can be set by considering the maximum operating frequency of the piezoelectric element 121 and the estimated resonance frequency of the buckling actuator 12. The voltage switching sequence occurs six (6) times during the switching cycle for each opposing unit A1, A2, A3, and each of the three (3) opposing units A1 to A3 requires two (2) voltage switching sequences. Therefore, the voltage switching sequence can be performed at a frequency equal to or lower than 1/6 of the maximum voltage switching frequency based on the maximum voltage switching frequency. By using the inductor L in a time-sharing manner, it is possible to prevent voltage switching sequences from overlapping between different opposing units. The voltage switching sequence can be implemented in, for example, an FPGA (Field Programmable Gate Array).

次に、180度の位相差で駆動される偶数個の圧電素子121の多相駆動について、図8及び図9と共に説明する。図8は、偶数個の圧電素子群を駆動する駆動回路の一例を説明する模式図であり、図9は、図8の駆動回路の動作を説明する図である。各圧電素子は、座屈型アクチュエータ12を形成する一対の圧電素子と等価の特性を表すことができる。   Next, multiphase driving of an even number of piezoelectric elements 121 driven with a phase difference of 180 degrees will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a schematic diagram for explaining an example of a drive circuit for driving an even number of piezoelectric element groups, and FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the drive circuit of FIG. Each piezoelectric element can exhibit characteristics equivalent to a pair of piezoelectric elements forming the buckling actuator 12.

図8は、四(4)個の圧電素子121A,121B,121C,121Dが同じ構成を有する四(4)個の駆動回路22A,22B,22C,22Dにより駆動される場合を示す。例えば、駆動回路22AはスイッチS,S,S12,S21及びダイオードD12,D21を含む。パス201は、各駆動回路22A乃至22DのダイオードD12の出力をインダクタLの一端に接続する。パス202は、インダクタLの他端を各駆動回路22A乃至22DのダイオードD21の入力に接続する。パス201,202は、圧電素子121A乃至121DをスイッチS12,S21を介して接続する第1及び第2のパスの一例であり、パス201,202はインダクタLを介して接続されている。第1及び第2のパスは、電荷を交換するべき圧電素子121を柔軟に決定可能とする。 FIG. 8 shows a case where four (4) piezoelectric elements 121A, 121B, 121C, 121D are driven by four (4) drive circuits 22A, 22B, 22C, 22D having the same configuration. For example, the drive circuit 22A includes switches S H , S L , S 12 , S 21 and diodes D 12 , D 21 . Path 201 connects the output of the diode D 12 of the drive circuits 22A to 22D to one end of the inductor L. Path 202 connects the other end of the inductor L to the input of the diode D 21 of the respective drive circuits 22A through 22D. The paths 201 and 202 are examples of first and second paths that connect the piezoelectric elements 121A to 121D via the switches S 12 and S 21 , and the paths 201 and 202 are connected via the inductor L. The first and second passes make it possible to flexibly determine the piezoelectric element 121 whose charge is to be exchanged.

各駆動回路22A乃至22DのスイッチS,S,S12,S21は、駆動回路22A,22Cにより駆動される圧電素子121A,121C間で電荷を交換し、駆動回路22B,22Dにより駆動される圧電素子121B,121D間で電荷を交換するように、上記において図5と共に説明したのと同様に制御される。図9において、「V」は圧電素子121が電源電圧Vを供給する電源30と接続されて圧電素子121が充電された状態を示し、「G]は圧電素子121が接地された接地状態を示す。また、「121A」、「121B」、「121C」、「121D」は、駆動回路22A,22B,22C,22Dにより夫々駆動される圧電素子121A,121B,121C,121Dの状態を示す。状態c1及びc5は同じである。従って、状態c1から状態c4へ昇順で繰り返し遷移することで、圧電素子121によりモータを連続的に一方向へ駆動することができる。これとは逆に、状態c4から状態c1へ降順で繰り返し遷移することで、圧電素子121によりモータを連続的に逆方向に駆動することができる。 The switches S H , S L , S 12 , and S 21 of the drive circuits 22A to 22D exchange electric charges between the piezoelectric elements 121A and 121C driven by the drive circuits 22A and 22C, and are driven by the drive circuits 22B and 22D. Control is performed in the same manner as described above with reference to FIG. 5 so as to exchange charges between the piezoelectric elements 121B and 121D. 9, "V" indicates a state in which the piezoelectric element 121 is connected to a power supply 30 for supplying the piezoelectric element 121 is a power supply voltage V S is charged, "G] is the ground state of the piezoelectric element 121 is grounded In addition, “121A”, “121B”, “121C”, and “121D” indicate states of the piezoelectric elements 121A, 121B, 121C, and 121D that are driven by the drive circuits 22A, 22B, 22C, and 22D, respectively. States c1 and c5 are the same. Therefore, the motor can be continuously driven in one direction by the piezoelectric element 121 by repeatedly transitioning from the state c1 to the state c4 in ascending order. On the contrary, the motor can be continuously driven in the reverse direction by the piezoelectric element 121 by repeatedly transitioning from the state c4 to the state c1 in descending order.

図9に示す電圧供給シーケンス(または、パターン)の状態c1では、圧電素子121A,121Bは電源30に接続され、圧電素子121C,121Dは接地される。状態c2では、状態c1から圧電素子121Aの電荷を圧電素子121Cに転送する処理の結果、圧電素子121B,121Cは電源30に接続され、圧電素子121A,121Dは接地される。状態c3では、状態c2から圧電素子121Bの電荷を圧電素子121Dに転送する処理の結果、圧電素子121C,121Dは電源30に接続され、圧電素子121A,121Bは接地される。状態c4では、状態c3から圧電素子121Cの電荷を圧電素子121Aに転送する処理の結果、圧電素子121A,121Dが電源30に接続され、圧電素子121B,121Cが接地される。状態c5では、状態c4から圧電素子121Dの電荷を圧電素子121Bに転送する処理の結果、圧電素子121A,121Bは電源30に接続され、圧電素子121C,121Dは接地される。1つの圧電素子から他の圧電処理への電荷の転送は、以下同様に行われる。   In the state c1 of the voltage supply sequence (or pattern) shown in FIG. 9, the piezoelectric elements 121A and 121B are connected to the power supply 30, and the piezoelectric elements 121C and 121D are grounded. In the state c2, as a result of the process of transferring the charge of the piezoelectric element 121A from the state c1 to the piezoelectric element 121C, the piezoelectric elements 121B and 121C are connected to the power source 30, and the piezoelectric elements 121A and 121D are grounded. In the state c3, as a result of the process of transferring the charge of the piezoelectric element 121B from the state c2 to the piezoelectric element 121D, the piezoelectric elements 121C and 121D are connected to the power supply 30, and the piezoelectric elements 121A and 121B are grounded. In the state c4, as a result of the process of transferring the charge of the piezoelectric element 121C from the state c3 to the piezoelectric element 121A, the piezoelectric elements 121A and 121D are connected to the power source 30, and the piezoelectric elements 121B and 121C are grounded. In the state c5, as a result of the process of transferring the charge of the piezoelectric element 121D from the state c4 to the piezoelectric element 121B, the piezoelectric elements 121A and 121B are connected to the power supply 30, and the piezoelectric elements 121C and 121D are grounded. The transfer of charges from one piezoelectric element to another piezoelectric process is performed in the same manner.

次に、180度以外の位相差で駆動される奇数個の圧電素子121の多相駆動について、図10及び図11と共に説明する。図10は、奇数個の圧電素子群を駆動する駆動回路の一例を説明する模式図であり、図11は、図10の駆動回路の動作を説明する図である。各圧電素子は、座屈型アクチュエータ12を形成する一対の圧電素子と等価の特性を表すことができる。   Next, multi-phase driving of an odd number of piezoelectric elements 121 driven with a phase difference other than 180 degrees will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a schematic diagram for explaining an example of a drive circuit for driving an odd number of piezoelectric element groups, and FIG. 11 is a diagram for explaining the operation of the drive circuit of FIG. Each piezoelectric element can exhibit characteristics equivalent to a pair of piezoelectric elements forming the buckling actuator 12.

図10は、三(3)個の圧電素子121A,121B,121C及びキャパシタ231が同じ構成を有する四(4)個の駆動回路22A,22B,22C,22Dにより駆動される場合を示す。図10中、図8と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図10において、電源電圧Vを供給する電源30と圧電素子121(121A,121B,121Cのいずれか)との間でスイッチSを含むパスと、電源30とキャパシタ231との間でスイッチSを含むパスは、夫々電源30からの電荷を圧電素子121及びキャパシタ231に供給する供給パスの一例である。キャパシタ231は、電荷を蓄える蓄電手段の一例である。蓄電手段は、圧電素子121と同様の容量的性質を有する。蓄電手段は、180度以外の位相差で奇数個の圧電素子121を駆動可能とする。 FIG. 10 shows a case where three (3) piezoelectric elements 121A, 121B, 121C and a capacitor 231 are driven by four (4) drive circuits 22A, 22B, 22C, 22D having the same configuration. 10, parts that are the same as the parts shown in FIG. 8 are given the same reference numerals, and explanation thereof is omitted. 10, the power supply voltage V S to supply the power source 30 and the piezoelectric element 121 switches S between a path including a switch S H between (121A, 121B, one of 121C), a power supply 30 and capacitor 231 The path including H is an example of a supply path that supplies the electric charge from the power supply 30 to the piezoelectric element 121 and the capacitor 231. The capacitor 231 is an example of a power storage unit that stores electric charges. The power storage means has a capacitive property similar to that of the piezoelectric element 121. The power storage means can drive an odd number of piezoelectric elements 121 with a phase difference other than 180 degrees.

各駆動回路22A乃至22DのスイッチS,S,S12,S21は、上記において図5と共に説明したのと同様に制御されるが、1つの圧電素子から他の圧電素子への電荷の転送は、キャパシタ231を介して行われる。例えば、圧電素子121Aから圧電素子121Bへの電荷の転送は、先ず電荷を駆動回路22Aにより駆動される圧電素子121Aから駆動回路22Dにより制御されるキャパシタ231に転送し、次に電荷をキャパシタ231から駆動回路22Bにより駆動される圧電素子121Bに転送する。図11において、「V」は圧電素子121またはキャパシタ231が電源電圧Vを供給する電源30と接続されて圧電素子121またはキャパシタ231が充電された状態を示し、「G]は圧電素子121またはキャパシタ231が接地された接地状態を示す。また、「121A」、「121B」、「121C」、「231」は、駆動回路22A,22B,22Cにより夫々駆動される圧電素子121A,121B,121Cの状態と駆動回路22Dにより制御されるキャパシタ231の状態を示す。状態c1及びc7は同じである。従って、状態c1から状態c6へ昇順で繰り返し遷移することで、圧電素子121によりモータを連続的に一方向へ駆動することができる。これとは逆に、状態c6から状態c1へ降順で繰り返し遷移することで、圧電素子121によりモータを連続的に逆方向に駆動することができる。 The switches S H , S L , S 12 , and S 21 of each of the drive circuits 22A to 22D are controlled in the same manner as described above with reference to FIG. 5, except that charges from one piezoelectric element to another piezoelectric element are controlled. The transfer is performed via the capacitor 231. For example, the charge is transferred from the piezoelectric element 121A to the piezoelectric element 121B by first transferring the charge from the piezoelectric element 121A driven by the drive circuit 22A to the capacitor 231 controlled by the drive circuit 22D, and then transferring the charge from the capacitor 231. Transfer is made to the piezoelectric element 121B driven by the drive circuit 22B. 11, "V" indicates a state in which the piezoelectric element 121 or the capacitor 231 is connected to the piezoelectric element 121 or the capacitor 231 power 30 supplies a power supply voltage V S is charged, "G] the piezoelectric element 121 or This indicates a grounded state in which the capacitor 231 is grounded, and “121A”, “121B”, “121C”, and “231” indicate the piezoelectric elements 121A, 121B, and 121C driven by the drive circuits 22A, 22B, and 22C, respectively. The state and the state of the capacitor 231 controlled by the drive circuit 22D are shown. States c1 and c7 are the same. Therefore, the motor can be continuously driven in one direction by the piezoelectric element 121 by repeatedly transitioning from the state c1 to the state c6 in ascending order. On the contrary, the motor can be continuously driven in the reverse direction by the piezoelectric element 121 by repeatedly transitioning from the state c6 to the state c1 in descending order.

図11に示す電圧供給シーケンス(または、パターン)の状態c1では、圧電素子121A及びキャパシタ231は電源30に接続され、圧電素子121C,121Dは接地される。   In the state c1 of the voltage supply sequence (or pattern) shown in FIG. 11, the piezoelectric element 121A and the capacitor 231 are connected to the power supply 30, and the piezoelectric elements 121C and 121D are grounded.

状態c2では、状態c1からキャパシタ231の電荷を圧電素子121Bに転送する処理の結果、圧電素子121A,121Bは電源30に接続され、圧電素子121C及びキャパシタ231は接地される。   In the state c2, as a result of the process of transferring the charge of the capacitor 231 from the state c1 to the piezoelectric element 121B, the piezoelectric elements 121A and 121B are connected to the power source 30, and the piezoelectric element 121C and the capacitor 231 are grounded.

状態c3では、状態c2から圧電素子121Aの電荷をキャパシタ231に転送する処理の結果、圧電素子121B及びキャパシタ231は電源30に接続され、圧電素子121A,121Cは接地される。   In the state c3, as a result of the process of transferring the electric charge of the piezoelectric element 121A to the capacitor 231 from the state c2, the piezoelectric element 121B and the capacitor 231 are connected to the power source 30, and the piezoelectric elements 121A and 121C are grounded.

状態c4では、状態c3からキャパシタ231の電荷を圧電素子121Cに転送する処理の結果、圧電素子121B,121Cが電源30に接続され、圧電素子121A及びキャパシタ231が接地される。   In the state c4, as a result of the process of transferring the charge of the capacitor 231 from the state c3 to the piezoelectric element 121C, the piezoelectric elements 121B and 121C are connected to the power source 30, and the piezoelectric element 121A and the capacitor 231 are grounded.

状態c5では、状態c4から圧電素子121Bの電荷をキャパシタ231に転送する処理の結果、圧電素子121C及びキャパシタ231は電源30に接続され、圧電素子121A,121Bは接地される。   In the state c5, as a result of the process of transferring the electric charge of the piezoelectric element 121B from the state c4 to the capacitor 231, the piezoelectric element 121C and the capacitor 231 are connected to the power source 30, and the piezoelectric elements 121A and 121B are grounded.

状態c6では、状態c5からキャパシタ231の電荷を圧電素子121Aに転送する処理の結果、圧電素子121A,121Cは電源30に接続され、圧電素子121B及びキャパシタ231は接地される。   In the state c6, as a result of the process of transferring the charge of the capacitor 231 from the state c5 to the piezoelectric element 121A, the piezoelectric elements 121A and 121C are connected to the power source 30, and the piezoelectric element 121B and the capacitor 231 are grounded.

状態c7では、状態c6から圧電素子121Cの電荷をキャパシタ231に転送する処理の結果、圧電素子121A及びキャパシタ231は電源30に接続され、圧電素子121B,121Cは接地される。   In the state c7, as a result of the process of transferring the charge of the piezoelectric element 121C from the state c6 to the capacitor 231, the piezoelectric element 121A and the capacitor 231 are connected to the power source 30, and the piezoelectric elements 121B and 121C are grounded.

1つの圧電素子から他の圧電処理へのキャパシタを介した電荷の転送は、以下同様に行われる。   The transfer of charge through a capacitor from one piezoelectric element to another piezoelectric process is performed in the same manner.

次に、制御部21の切り替え制御シーケンスを、図12、図13及び図14と共に説明する。図12は、電圧制御を用いる駆動回路の一例を説明する模式図であり、図13は、図12の駆動回路の切り替え方式を説明する図であり、図14は、図12の駆動回路の切り替え状態を説明する図である。   Next, the switching control sequence of the control unit 21 will be described with reference to FIGS. 12 is a schematic diagram for explaining an example of a drive circuit using voltage control, FIG. 13 is a diagram for explaining a switching method of the drive circuit of FIG. 12, and FIG. 14 is a diagram of switching of the drive circuit of FIG. It is a figure explaining a state.

図12中、図5と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。図12に示すスイッチS1O,S1IとスイッチS2O,S2Iは、夫々図5に示すスイッチS12とスイッチS21に対応する。 In FIG. 12, the same parts as those in FIG. The switches S 1O and S 1I and the switches S 2O and S 2I shown in FIG. 12 correspond to the switches S 12 and S 21 shown in FIG. 5, respectively.

制御部21は、蓄えられた電荷を圧電素子121(PZT1),121(PZT2)間で転送するために、図13に示すように、状態sw1乃至sw9について各駆動回路22−1,22−2のスイッチのオン及びオフ状態を制御する制御信号を発生する。   In order to transfer the stored charges between the piezoelectric elements 121 (PZT1) and 121 (PZT2), the control unit 21 performs driving circuits 22-1 and 22-2 for the states sw1 to sw9 as shown in FIG. A control signal for controlling the on and off states of the switches is generated.

図14に示すように、状態sw1,sw9では、圧電素子PZT1が電源30(V)に接続され、圧電素子PZT2がグランドGNDに接続される。また、状態sw7からの遷移後には、圧電素子PZT1にある量の電荷を補充し、圧電素子PZT2からは残留している電荷を排出する。 As shown in FIG. 14, in the states sw1 and sw9, the piezoelectric element PZT1 is connected to the power supply 30 (V S ), and the piezoelectric element PZT2 is connected to the ground GND. Further, after the transition from the state sw7, a certain amount of electric charge is supplemented to the piezoelectric element PZT1, and the remaining electric charge is discharged from the piezoelectric element PZT2.

また、状態sw2,sw4,sw6,sw8では、両方の圧電素子PZT1,PZT2が絶縁状態にある。状態sw3では、圧電素子PZT1に蓄えられた電荷は圧電素子PZT2に転送可能である。状態sw5では、圧電素子PZT1はグランドGNDに接続され、圧電素子PZT2は電源30(V)に接続され、状態sw3からの遷移後には、圧電素子PZT2にある量の電荷を補充し、圧電素子PZT1からは残留している電荷を排出する。さらに、状態sw7では、圧電素子PZT2に蓄えられた電荷は圧電素子PZT1に転送可能である。 In the states sw2, sw4, sw6, and sw8, both the piezoelectric elements PZT1 and PZT2 are in an insulated state. In the state sw3, the electric charge stored in the piezoelectric element PZT1 can be transferred to the piezoelectric element PZT2. In the state sw5, the piezoelectric element PZT1 is connected to the ground GND, the piezoelectric element PZT2 is connected to the power supply 30 (V S ), and after the transition from the state sw3, the piezoelectric element PZT2 is supplemented with a certain amount of charge. The remaining charge is discharged from PZT1. Furthermore, in the state sw7, the electric charge stored in the piezoelectric element PZT2 can be transferred to the piezoelectric element PZT1.

従って、第1の圧電素子PZT1に蓄えられた電荷が第2の圧電素子PZT2に転送された後には、図25と共に後述する制御システム50により制御可能なタイミングで、第2の圧電素子PZT2を少なくとも所定の電位まで追加充電するためにある量の電荷を第2の圧電素子PZT2に補充する。一方、第2の圧電素子PZT2に蓄えられた電荷が第1の圧電素子PZT1に転送された後には、図25と共に後述する制御システム50により制御可能なタイミングで、第1の圧電素子PZT2を少なくとも所定の電位まで追加充電するためにある量の電荷を第1の圧電素子PZT2に補充する。第1及び第2の圧電素子PZT1,PZT2に加えて図10に示すキャパシタ231が設けられている場合には、第1及び第2の圧電素子PZT1,PZT2間の電荷の転送はキャパシタ231を介して行える。   Therefore, after the electric charge stored in the first piezoelectric element PZT1 is transferred to the second piezoelectric element PZT2, at least the second piezoelectric element PZT2 is controlled at a timing that can be controlled by the control system 50 described later with reference to FIG. A certain amount of charge is replenished to the second piezoelectric element PZT2 for additional charging to a predetermined potential. On the other hand, after the electric charge stored in the second piezoelectric element PZT2 is transferred to the first piezoelectric element PZT1, at least the first piezoelectric element PZT2 is moved at a timing that can be controlled by the control system 50 described later with reference to FIG. A certain amount of charge is replenished to the first piezoelectric element PZT2 for additional charging to a predetermined potential. When the capacitor 231 shown in FIG. 10 is provided in addition to the first and second piezoelectric elements PZT 1 and PZT 2, charge transfer between the first and second piezoelectric elements PZT 1 and PZT 2 is performed via the capacitor 231. Can be done.

圧電素子PZT1,PZT2間で電荷を転送する際、スイッチの状態を維持する最小時間はLC時定数に応じて決定できる。一方、圧電素子PZT1,PZT2の一方に電荷を補充する際、スイッチの状態を維持する最小時間はRC時定数に応じて決定できる。従って、これらの最小時間は、圧電モータ10の駆動性能などを考慮して設定すれば良い。   When transferring charges between the piezoelectric elements PZT1 and PZT2, the minimum time for maintaining the switch state can be determined according to the LC time constant. On the other hand, when charging one of the piezoelectric elements PZT1 and PZT2, the minimum time for maintaining the switch state can be determined according to the RC time constant. Therefore, these minimum times may be set in consideration of the drive performance of the piezoelectric motor 10 and the like.

圧電素子121の多相駆動において、ある位相を形成する圧電素子間で電荷が転送される状態では、電荷が他の位相を形成する圧電素子間で転送される状態を除く制御シーケンスを任意の時点で行うことができる。例えば、圧電素子の多相駆動において、ある位相の状態sw3,sw7では、他の位相の状態sw3,sw7を除く制御シーケンスを任意の時点で行うことができる。   In the multi-phase driving of the piezoelectric element 121, in a state where charges are transferred between piezoelectric elements forming a certain phase, a control sequence excluding a state where charges are transferred between piezoelectric elements forming another phase is set at an arbitrary time point. Can be done. For example, in the multi-phase driving of the piezoelectric element, in a certain phase state sw3, sw7, a control sequence excluding the other phase states sw3, sw7 can be performed at an arbitrary time point.

多相駆動の場合、図13に示す切り替えシーケンスにおいて圧電素子121が絶縁状態である状態sw2,sw4,sw6,sw8を省略しても良い。   In the case of multiphase driving, the states sw2, sw4, sw6, and sw8 in which the piezoelectric element 121 is in the insulated state may be omitted in the switching sequence shown in FIG.

図15は、本発明の一実施例における駆動方法の一例を説明する図である。複数の圧電素子を駆動する図15に示す駆動処理は、制御部21の制御下で駆動装置22により行うことができる。   FIG. 15 is a diagram for explaining an example of a driving method in one embodiment of the present invention. The driving process shown in FIG. 15 for driving a plurality of piezoelectric elements can be performed by the driving device 22 under the control of the control unit 21.

ステップS1において、駆動装置22は制御部21の制御下で第1の電荷転送処理を行い、一方の圧電素子PZT1に蓄えられた電荷を他方の圧電素子PZT2に転送する。ステップS2において、駆動装置22は制御部21の制御下で第2の電荷転送装置を行い、他方の圧電素子PZT2に蓄えられた電荷を一方の圧電素子PZT1に転送する。   In step S1, the driving device 22 performs a first charge transfer process under the control of the control unit 21, and transfers the charge stored in one piezoelectric element PZT1 to the other piezoelectric element PZT2. In step S2, the driving device 22 performs the second charge transfer device under the control of the control unit 21, and transfers the charge stored in the other piezoelectric element PZT2 to the one piezoelectric element PZT1.

言うまでもなく、ステップS1において、一方の圧電素子121Aに蓄えられている電荷を図10のキャパシタ231を介して他方の圧電素子121Bに転送しても良い。この場合、ステップS2において、他方の圧電素子121Bに蓄えられている電荷を図10のキャパシタ231を介してこの他方の圧電素子121B以外の圧電素子121A(または、121C)に転送しても良い。   Needless to say, in step S1, the charge stored in one piezoelectric element 121A may be transferred to the other piezoelectric element 121B via the capacitor 231 in FIG. In this case, in step S2, the charge stored in the other piezoelectric element 121B may be transferred to the piezoelectric element 121A (or 121C) other than the other piezoelectric element 121B via the capacitor 231 in FIG.

上記において図15と共に説明した駆動処理によれば、複数の圧電素子212間でエネルギを再利用することができる。   According to the driving process described above with reference to FIG. 15, energy can be reused between the plurality of piezoelectric elements 212.

次に、圧電モータ10に関連した駆動機構について、図16及び図17と共に説明する。   Next, a driving mechanism related to the piezoelectric motor 10 will be described with reference to FIGS. 16 and 17.

図16は、圧電モータ10におけるエネルギの流れと変換の概略を示すブロック図である。図16において、電源30、駆動装置22及び圧電素子121の一部は電気的領域に設けられている。一方、圧電素子121の一部、座屈型機構41、ギア11及び負荷45は、機械的領域に設けられている。座屈型機構41は、三(3)対の座屈型アクチュエータ12を含む。例えば、負荷45は圧電モータ10のギア11により駆動される駆動対象である。   FIG. 16 is a block diagram showing an outline of energy flow and conversion in the piezoelectric motor 10. In FIG. 16, a part of the power source 30, the driving device 22, and the piezoelectric element 121 is provided in the electrical region. On the other hand, a part of the piezoelectric element 121, the buckling mechanism 41, the gear 11 and the load 45 are provided in the mechanical region. The buckling mechanism 41 includes three (3) pairs of buckling actuators 12. For example, the load 45 is a driving target driven by the gear 11 of the piezoelectric motor 10.

図17A及び図17Bは、夫々機械的領域と電気的領域における仕事サイクルの一例を示す図である。図17Aにおいて、縦軸は力Fを任意単位で示し、横軸は位置xを任意単位で示す。図17Bにおいて、縦軸は電圧Vを任意単位で示し、横軸は電荷Qを任意単位で示す。例えば、座屈型アクチュエータの各圧電素子に圧電素子のブロック力を超える予荷重を印加するなどして十分な許容引張応力を得ることで、機械的サイクル及び電気的サイクルにおけるエネルギ特性が夫々図17A及び図17Bに示すようになる。   FIG. 17A and FIG. 17B are diagrams showing examples of work cycles in the mechanical region and the electrical region, respectively. In FIG. 17A, the vertical axis indicates the force F in arbitrary units, and the horizontal axis indicates the position x in arbitrary units. In FIG. 17B, the vertical axis indicates the voltage V in arbitrary units, and the horizontal axis indicates the charge Q in arbitrary units. For example, by obtaining a sufficient allowable tensile stress by applying a preload exceeding the blocking force of the piezoelectric element to each piezoelectric element of the buckling actuator, the energy characteristics in the mechanical cycle and the electrical cycle are shown in FIG. And as shown in FIG. 17B.

上記の式(1)に基づき、圧電素子121の電気機械状態値間の静的関係を次式(4)で表すことができる。ここで、dは座屈型アクチュエータ12の圧電係数及び寸法から得られる値であり、cは機械的コンプライアンスを示し、cは圧電素子121の容量を示す。 Based on the above equation (1), the static relationship between the electromechanical state values of the piezoelectric element 121 can be expressed by the following equation (4). Here, d is a value obtained from the piezoelectric coefficient and dimensions of the buckling actuator 12, c M indicates mechanical compliance, and c E indicates the capacitance of the piezoelectric element 121.

予荷重を含めた上記式(4)に基づき、座屈型アクチュエータ12の機械的領域と電気的領域における仕事サイクルは、夫々図17A及び図17Bのように表すことができる。機械的及び電気的領域において、○印で囲まれた数字は機械的状態と電気的状態の整合を示す。機械的な仕事サイクルは、圧電素子のブロック力Fblockと同じ予荷重を含むものとする。図17Aの機械的領域においてパス“1”<−>“2”及びパス“3”<−>“4”がゼロ変位過程であるとすると、図17Bにおいてパス“2”<−>“3”及びパス“1”<−>“4”は一定電圧過程である。機械的な仕事サイクルと電気的な仕事サイクルの各サイクルの仕事は等しい。圧電モータ10の出力密度は、座屈型アクチュエータ12の最大仕事サイクルを適用することで最大化することができる。 Based on the above formula (4) including the preload, the work cycles in the mechanical region and the electrical region of the buckling actuator 12 can be expressed as shown in FIGS. 17A and 17B, respectively. In the mechanical and electrical areas, the numbers surrounded by circles indicate the matching between the mechanical state and the electrical state. The mechanical work cycle shall include the same preload as the block force F block of the piezoelectric element. Assuming that the paths “1” <−> “2” and the paths “3” <−> “4” are zero displacement processes in the mechanical region of FIG. 17A, the paths “2” <−> “3” in FIG. The paths “1” <−> “4” are constant voltage processes. The work of each mechanical work cycle and electrical work cycle is equal. The power density of the piezoelectric motor 10 can be maximized by applying the maximum work cycle of the buckling actuator 12.

次に、座屈型アクチュエータ12とそれにより形成される対抗ユニットについて説明する。座屈型アクチュエータ12の基本機構に着目すると、簡略化された機械モデルは図18のように表すことができる。図18は、座屈型アクチュエータ12の低次機械モデルの一例を示す図である。図18において、Lは回転ジョイントの中心間の距離を示し、L+zは駆動時の圧電素子212の長さの変化を考慮した回転ジョイントの中心間の距離を示す。図18に示す座屈型アクチュエータ12のモデルは、次式(5)で表すことができる。ここで、kθは基体フレームに接続された圧電素子212のジョイントの統合回転スチフネス、kは長手方向に沿った基体フレームのスチフネスkとジョイントのスチフネスkを合成した圧電素子212の長手方向に沿った合成スチフネス、kは圧電素子212の長手方向に沿ったスチフネス、zは基体フレームとジョイントの合成変位量、zは圧電素子212の変位量を示す。 Next, the buckling actuator 12 and the counter unit formed thereby will be described. Focusing on the basic mechanism of the buckling actuator 12, a simplified machine model can be expressed as shown in FIG. FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a low-order machine model of the buckling actuator 12. In FIG. 18, L indicates the distance between the centers of the rotary joints, and L + z indicates the distance between the centers of the rotary joints in consideration of the change in the length of the piezoelectric element 212 during driving. The model of the buckling actuator 12 shown in FIG. 18 can be expressed by the following equation (5). Here, k θ is the joint rotation stiffness of the joint of the piezoelectric element 212 connected to the base frame, and k S is the longitudinal length of the piezoelectric element 212 obtained by synthesizing the base frame stiffness k B and the joint stiffness k J along the longitudinal direction. The combined stiffness along the direction, k P indicates the stiffness along the longitudinal direction of the piezoelectric element 212, z S indicates the combined displacement amount of the base frame and the joint, and z P indicates the displacement amount of the piezoelectric element 212.

上記の式(5)をまとめると、座屈型アクチュエータ12が出力する力Fは、座屈出力変位量yと圧電素子212の潜在力Fから次式(6)のように表すことができる。 To summarize the above equation (5), the force F y outputting seat屈型actuator 12 may be expressed from the potential F P of the seat屈出force displacement y and the piezoelectric element 212 by the following equation (6) it can.

座屈型アクチュエータ12の最大自由変位量ymaxは、次式(7)で表すことができ、座屈型アクチュエータ12が外部からの作用を受けることなく圧電素子121の駆動のみで発生可能な最大変位量を示す。 The maximum free displacement y max of the buckling actuator 12 can be expressed by the following equation (7), and the maximum that can be generated only by driving the piezoelectric element 121 without the buckling actuator 12 receiving an external action. Indicates the amount of displacement.

θ<0.1であると仮定すると、次式(8)で表される近似を用いて上記の式(6)を上記の式(5)から求めることができる。 Assuming that θ <0.1, the above equation (6) can be obtained from the above equation (5) using the approximation expressed by the following equation (8).

上記の式と圧電モータ10に使用される機械的パラメータを用いることで、力変位特性及び変位出力特性を含む座屈型アクチュエータ12の出力特性を求めることができる。 By using the above equation and the mechanical parameters used for the piezoelectric motor 10, the output characteristics of the buckling actuator 12 including the force displacement characteristics and the displacement output characteristics can be obtained.

図19は、計算される座屈型アクチュエータ12の出力特性の一例を示す図である。図19において、縦軸は座屈型アクチュエータ12が出力する力F、横軸は座屈出力変位量yを示す。 FIG. 19 is a diagram illustrating an example of the output characteristics of the buckled actuator 12 to be calculated. In FIG. 19, the vertical axis represents the force F y output from the buckling actuator 12, and the horizontal axis represents the buckling output displacement amount y.

対抗ユニットは、図20A、図20B及び図20Cに示すように座屈型アクチュエータ12を用いて形成される。図20A、図20B及び図20Cは、対抗接続の一例を示す模式図である。図20A乃至図20Cにおいて、両端の円は基体構造に強固に固定されたサイドブロックを示す。中心の円は、入力チップ15Aを示す。棒状部分は、圧電素子121を示す。中心の円(入力チップ15A)間の矩形部分は、入力チップ15Aを強固に接続する対抗接続部16を示す。   The counter unit is formed using a buckled actuator 12 as shown in FIGS. 20A, 20B and 20C. 20A, 20B, and 20C are schematic diagrams illustrating an example of a counter connection. 20A to 20C, the circles at both ends indicate the side blocks firmly fixed to the base structure. The center circle indicates the input chip 15A. The bar-shaped portion shows the piezoelectric element 121. A rectangular portion between the center circles (input chip 15A) indicates a counter connection portion 16 that firmly connects the input chip 15A.

図20Aは、上側の圧電素子121がオンであり、下側の圧電素子121がオフであり、外部負荷が無い場合を示す。図20Cは、上側の圧電素子121がオフであり、下側の圧電素子121がオンであり、外部負荷が無い場合を示す。図20Bは、上側及び下側の圧電素子121が共にオフであり、外部負荷が無い場合を示す。上記の如き圧電素子の条件下での図20A及び図20Cに示す入力チップ位置では、対抗接続部16の長さは入力チップ15A間の相互作用力を相殺するように設定される。このような設定により、対抗ユニットが出力する力と変位特性は、図21に示すように観測される。   FIG. 20A shows a case where the upper piezoelectric element 121 is on, the lower piezoelectric element 121 is off, and there is no external load. FIG. 20C shows a case where the upper piezoelectric element 121 is off, the lower piezoelectric element 121 is on, and there is no external load. FIG. 20B shows a case where the upper and lower piezoelectric elements 121 are both off and there is no external load. In the input chip position shown in FIGS. 20A and 20C under the piezoelectric element conditions as described above, the length of the opposing connection portion 16 is set so as to cancel the interaction force between the input chips 15A. With this setting, the force and displacement characteristics output from the opposing unit are observed as shown in FIG.

図21は、対抗ユニットの出力する力と変位特性の一例を示す図である。図21において、縦軸は座屈型アクチュエータが出力する力F、横軸は座屈出力変位量yを示す。 FIG. 21 is a diagram illustrating an example of the force and displacement characteristics output from the opposing unit. In FIG. 21, the vertical axis represents the force F y output from the buckling actuator, and the horizontal axis represents the buckling output displacement amount y.

対抗ユニットが出力する力は、最大座屈出力変位量と同じ距離における各座屈力を加算することで計算できる。図21中、細い実線「Fy1 ON」及び「Fy1 OFF」は上側座屈型アクチュエータ12が出力する力の特性を示し、細い破線「Fy2 ON」及び「Fy2 OFF」は下側座屈型アクチュエータ12が出力する力の特性を示す。対抗ユニットを形成する座屈型アクチュエータ12は双極性運動を実現できるので、これは、座屈型アクチュエータ12が負側の最大変位から正側の最大変位まで変位できることを意味する。しかし、対抗ユニットの変位は単極性の範囲に制約されるので、これは、接続された入力チップ15Aが図21中太い実線「+Fy」及び「-Fy」で示すようにゼロから座屈型アクチュエータ12の正側の最大変位まで変位することを意味する。   The force output by the counter unit can be calculated by adding the buckling forces at the same distance as the maximum buckling output displacement. In FIG. 21, thin solid lines “Fy1 ON” and “Fy1 OFF” indicate the characteristics of the force output by the upper buckling actuator 12, and thin broken lines “Fy2 ON” and “Fy2 OFF” indicate the lower buckling actuator 12. Shows the characteristics of the force output by. This means that the buckling actuator 12 that forms the counter unit can realize a bipolar motion, so that the buckling actuator 12 can be displaced from the maximum displacement on the negative side to the maximum displacement on the positive side. However, since the displacement of the opposing unit is constrained to a unipolar range, this means that the connected input chip 15A is buckled from zero as indicated by the thick solid lines “+ Fy” and “−Fy” in FIG. This means that the actuator 12 is displaced to the maximum displacement on the positive side.

次に、圧電モータ10の閉ループ制御について説明する。開ループ制御は、電圧の切り替え周波数を駆動システム20への入力として用いることができる。このようなシステム構成は、速度入力モータとみなすことができるが、このようなシステム構成の制御性は低いことが知られている。モータの制御性をさらに向上するためには、入力ルールは以下に説明する擬似トルク制御を用いることができる。   Next, closed loop control of the piezoelectric motor 10 will be described. Open loop control can use the voltage switching frequency as an input to the drive system 20. Such a system configuration can be regarded as a speed input motor, but it is known that the controllability of such a system configuration is low. In order to further improve the controllability of the motor, pseudo torque control described below can be used as the input rule.

先ず、圧電モータ10のトルク及び力特性を考慮する。図22は、ギア11に単極性駆動ギアを用いた場合に1つの座屈型アクチュエータ12により生成されるモータ力特性を説明する図である。図22中、右下部分のプロットは、座屈型アクチュエータ12の力変位特性を1極性について示し、破線は座屈型アクチュエータ12の圧電素子212(PZT)がオン(最大電圧印加)の場合を示し、実線は座屈型アクチュエータ12の圧電素子212(PZT)がオフ(電圧印加無しまたはゼロ電圧印加)の場合を示す。   First, the torque and force characteristics of the piezoelectric motor 10 are considered. FIG. 22 is a diagram illustrating motor force characteristics generated by one buckling actuator 12 when a unipolar drive gear is used as the gear 11. In FIG. 22, the lower right plot shows the force displacement characteristics of the buckling actuator 12 for one polarity, and the broken line shows the case where the piezoelectric element 212 (PZT) of the buckling actuator 12 is on (maximum voltage application). A solid line indicates a case where the piezoelectric element 212 (PZT) of the buckling actuator 12 is off (no voltage application or zero voltage application).

図22中、左上部分に示すようにギア11に対して入力チップ15Aの正弦波形状の中心軌跡を用いることで、座屈型アクチュエータが出力する力Fを図22中の左下部分のプロットに示すギア力Fに変換する。ギア面の接線角度が各接点における変換比を決定するので、ギア11の歯も図22中左下部分のプロットにおいてxで示すギア位相に関する変換特性において正弦波形状のパターンを有する。座屈型アクチュエータ12の圧電素子212がオンである状態では、座屈型アクチュエータ12は上方向への力Fを出力する。この座屈型アクチュエータが出力する上方向への力Fは図22中左上部分に示すようにギア11の歯の1番目の傾斜で左方向へのギア力Fに変換される。ギア歯の1番目の傾斜に続く2番目の傾斜では、上方向への力Fは右方向への力Fに変換される。ギア歯の他の傾斜における力の変換は、1番目の傾斜と2番目の傾斜における変換と同様である。上記の如き座屈型アクチュエータが出力する力Fのギア力Fへの変換は、座屈型アクチュエータ12の圧電素子212が連続的にオンであり座屈型アクチュエータ12とギア11に外部作用が無いと、入力チップ15Aはギア歯の上部で安定することを示す。一方、座屈型アクチュエータ12の圧電素子212がオフである状態では、座屈型アクチュエータ12が出力する下方向への力Fはギア歯の1番目の傾斜で右方向へのギア力Fに変換され、2番目の傾斜では下方向への力Fは左方向への力Fに変換される。この結果、上記の如き座屈型アクチュエータが出力する力Fのギア力Fへの変換は、座屈型アクチュエータ12の圧電素子212が連続的にオフであり座屈型アクチュエータ12とギア11に外部作用が無いと、入力チップ15Aはギア歯の下部で安定する。 In FIG. 22, the force F y output from the buckling actuator is plotted in the lower left portion of FIG. 22 by using the center locus of the sine wave shape of the input chip 15A with respect to the gear 11 as shown in the upper left portion. converting the gear force F x shown. Since the tangential angle of the gear surface determines the conversion ratio at each contact point, the teeth of the gear 11 also have a sinusoidal pattern in the conversion characteristics related to the gear phase indicated by x in the plot in the lower left part of FIG. In the state the piezoelectric element 212 of the seat屈型actuator 12 is turned on, the seat屈型actuator 12 outputs a force F y in the upward direction. The upward force F y output from the buckling actuator is converted into a leftward gear force F x at the first inclination of the teeth of the gear 11 as shown in the upper left part of FIG. In the second inclination following the first inclination of the gear teeth, the upward force F y is converted into a right force F x . The force conversion at the other inclination of the gear teeth is similar to the conversion at the first inclination and the second inclination. The conversion of the force F y output from the buckling actuator as described above into the gear force F x is such that the piezoelectric element 212 of the buckling actuator 12 is continuously turned on and an external action is applied to the buckling actuator 12 and the gear 11. If there is no, it indicates that the input chip 15A is stable at the upper part of the gear teeth. On the other hand, in a state where the piezoelectric element 212 of the buckling actuator 12 is off, the downward force F y output by the buckling actuator 12 is the gear force F x to the right at the first inclination of the gear teeth. In the second inclination, the downward force F y is converted to the left force F x . As a result, the conversion of the force F y output from the buckling actuator as described above into the gear force F x is such that the piezoelectric element 212 of the buckling actuator 12 is continuously off and the buckling actuator 12 and the gear 11 are turned off. If there is no external action, the input tip 15A is stabilized at the lower part of the gear teeth.

従って、ギア歯の上部(または、山)で圧電素子212がオン状態からオフ状態に切り替えられた時と、ギア歯の下部(または、谷)で圧電素子212がオフ状態からオン状態に切り替えられた時には、連続的な左方向へのギア力Fが得られる。同様に、ギア歯の上部で圧電素子212がオフ状態からオン状態に切り替えられた時と、ギア歯の下部で圧電素子212がオン状態からオフ状態に切り替えられた時には、連続的な右方向へのギア力Fが得られる。 Accordingly, when the piezoelectric element 212 is switched from the on state to the off state at the upper part (or crest) of the gear tooth, and at the lower part (or valley) of the gear tooth, the piezoelectric element 212 is switched from the off state to the on state. In the event of a failure, a continuous leftward gear force Fx is obtained. Similarly, when the piezoelectric element 212 is switched from the off state to the on state at the upper part of the gear tooth, and when the piezoelectric element 212 is switched from the on state to the off state at the lower part of the gear tooth, the direction is continuously to the right. The gear force Fx is obtained.

図23は、各種位相切り替えモードにおいて単一の座屈型アクチュエータにより得られるギア力を示す図である。図23の上端部は、図22の左上部分を拡大したものに相当する。   FIG. 23 is a diagram illustrating a gear force obtained by a single buckling actuator in various phase switching modes. The upper end portion of FIG. 23 corresponds to an enlargement of the upper left portion of FIG.

図23に示す第1(最上部)乃至第7(最下部)の曲線は、連続する左方向または右方向へのギア力特性を表す。第4(中央部)の曲線は、各ギア歯の中点で電圧が切り替わる場合のギア力特性を表す。この第4の曲線から、左方向への力と右方向への力が相殺され、各位相長における平均ギア力がゼロになることがわかる。第4の曲線から第1の曲線では、平均ギア力は左方向に向かって切り替え位相の変化に応じて増加する。一方、第4の曲線から第7の曲線では、平均ギア力は右方向に向かって切り替え位相の変化に応じて増加する。切り替え間隔は常にギアピッチの1/2に保持される。   The first (uppermost) to seventh (lowermost) curves shown in FIG. 23 represent continuous left or right gear force characteristics. The fourth (center portion) curve represents the gear force characteristic when the voltage is switched at the midpoint of each gear tooth. From this fourth curve, it can be seen that the force in the left direction and the force in the right direction cancel each other, and the average gear force in each phase length becomes zero. From the fourth curve to the first curve, the average gear force increases in the left direction according to the change of the switching phase. On the other hand, in the fourth to seventh curves, the average gear force increases in the right direction according to the change of the switching phase. The switching interval is always held at ½ of the gear pitch.

図24は、各種位相切り替えモードにおいて六(6)個の座屈型アクチュエータ12により得られるギア力を示す図である。図24の上端部は、図22の左上部分を拡大したものに相当する。   FIG. 24 is a diagram illustrating gear forces obtained by the six (6) buckling actuators 12 in various phase switching modes. The upper end portion of FIG. 24 corresponds to an enlargement of the upper left portion of FIG.

六(6)個の座屈型アクチュエータ12は、座屈型アクチュエータ数と同じ数の倍数以外のギア周期の倍数の間隔において、等しい位相間隔を有するものとする。図24は、六(6)個の座屈型アクチュエータ12により結果として生成されるギア力Fの特性を示す。図24に示すように、各座屈型アクチュエータ12の切り替えは、各座屈型アクチュエータ12のギア位相のみを考慮して行われる。この結果、ギア位相に対して、各座屈型アクチュエータ12の位置に対するギア位置をシフトするだけで、各座屈型アクチュエータ12から同じギア力特性を生成可能である。図24中、細い実線は、各座屈型アクチュエータ12のギア力を示す。図24中、太い実線で示す曲線は、結果として生成されるギア力Fの特性を定義する各ギア位相位置における六(6)個の座屈型アクチュエータ12により生成される平均ギア力を示す。 The six (6) buckling actuators 12 have equal phase intervals at intervals of multiples of the gear period other than the same multiple as the number of buckling actuators. FIG. 24 shows the characteristics of the resulting gear force F x by six (6) buckling actuators 12. As shown in FIG. 24, the switching of each buckling actuator 12 is performed considering only the gear phase of each buckling actuator 12. As a result, the same gear force characteristic can be generated from each buckling actuator 12 simply by shifting the gear position relative to the position of each buckling actuator 12 with respect to the gear phase. In FIG. 24, a thin solid line indicates the gear force of each buckling actuator 12. In Figure 24, a curved line indicated by a thick solid line shows the average gear force generated by the six (6) pieces of the seat屈型actuators 12 at each gear phase position which defines the characteristics of the gear force F x generated as a result .

圧電素子212がギア歯の上部及び下部でのみ切り替えられる場合に相当する図24に示す第1(最上部)の曲線及び第7(最下部)の曲線については、平均ギア力は左方向または右方向に向かって略一定となる。圧電素子212がギア歯の中点でのみ切り替えられる場合に相当する図24に示す第4(中央部)の曲線については、平均ギア力はある程度の力のリップルを含むが、ギアピッチにかかわらず平均の力がゼロである。他の切り替えモードでは、結果として生成される平均の力は、上記において図23と共に説明した単一の座屈型アクチュエータ12の場合と同様に切り替え位相の変化に応じて増加する。   For the first (uppermost) curve and the seventh (lowermost) curve shown in FIG. 24 corresponding to the case where the piezoelectric element 212 is switched only at the upper and lower portions of the gear teeth, the average gear force is leftward or rightward. It becomes substantially constant toward the direction. For the fourth (center) curve shown in FIG. 24, which corresponds to the case where the piezoelectric element 212 is switched only at the middle point of the gear teeth, the average gear force includes a certain amount of force ripple, but the average regardless of the gear pitch. The power of is zero. In other switching modes, the resulting average force increases with changes in switching phase as in the case of the single buckling actuator 12 described above with FIG.

上記の式(1)が入力チップ15Aの中心軌跡を表すとすると、ギア11と入力チップ15Aの接触傾斜dy/dxは次式(9)で表すことができる。   If the above equation (1) represents the center locus of the input chip 15A, the contact inclination dy / dx between the gear 11 and the input chip 15A can be represented by the following equation (9).

上記の式(1)で表される軌跡を上記の式(6)に代入することで、ギア位置に対して座屈型アクチュエータが出力する力をFyxとして定義すると、N個を単位とする座屈型アクチュエータ12からギア11に伝達される有効エネルギEは、次式(10)で表すことができる。ここで、−1/2≦p<1/2である。 By substituting the locus represented by the above equation (1) into the above equation (6), if the force output by the buckling actuator with respect to the gear position is defined as F yx , N b valid is transmitted from the seat屈型actuator 12 to the gear 11 energy E G can be expressed by the following equation (10). Here, −1 / 2 ≦ p <1/2.

上記の式(10)において、2πpは1つのグループの圧電素子212がオンの状態からこの1つのグループの圧電素子212がオフの状態までのギアピッチλの切り替え位相であり、オン・オフの切り替えとオフ・オンの切り替えの間の位相距離がギアピッチの1/2、即ち、λ/2に設定される。FPmaxは、圧電素子212の潜在力Fの最大値を示す。有効エネルギEを用いることで、切り替え位相に応じた平均ギア力FGmeanを次式(11)で表すことができる。式(11)において、λはギア11のギアピッチを示し、hgearはギア11のギア高さを示し、Lは回転ジョイントの中心間の距離を示し、kは長手方向に沿った基体フレームのスチフネスkとジョイントのスチフネスkを合成した圧電素子212の長手方向に沿った合成スチフネスを示し、kは圧電素子212の長手方向に沿ったスチフネスを示す。平均ギア力FGmeanは、圧電モータ10が目標とする推力の一例である。 In the above formula (10), 2πp is a switching phase of the gear pitch λ from the state where one group of piezoelectric elements 212 is turned on to the state where one group of piezoelectric elements 212 is turned off. The phase distance between switching off and on is set to 1/2 the gear pitch, ie λ / 2. F Pmax indicates a maximum value of potential F P of the piezoelectric element 212. By using the effective energy E G, it is possible to represent the average gear force F Gmean in accordance with the switching phase in equation (11). In equation (11), λ represents the gear pitch of the gear 11, h gear represents the gear height of the gear 11, L represents the distance between the centers of the rotary joints, and k S represents the length of the base frame along the longitudinal direction. The synthesized stiffness along the longitudinal direction of the piezoelectric element 212 obtained by synthesizing the stiffness k B and the joint stiffness k J is shown, and k P shows the stiffness along the longitudinal direction of the piezoelectric element 212. The average gear force F Gmean is an example of a target thrust of the piezoelectric motor 10.

上記の式(11)は、切り替え駆動により駆動されるギア11の準静的力特性を表し、−1/4≦p<1/4の範囲内での単調増加特性のため開ループ力制御の可能性をも表す。また、上記の式(11)は、ギア力特性の直感的な理解をもたらす。式(11)の2つ目の等号「=」の後の分数で表される1番目の項は幾何学的性質を表し、2つ目の等号「=」の後の分数で表される2番目の項はコンプライアンス的性質を表す。この結果、座屈型アクチュエータ12の曲げスチフネスkθと最大自由変位量ymaxは、共に準静的平均ギア力に直接的な影響を及ぼさないことが確認された。 The above equation (11) represents the quasi-static force characteristic of the gear 11 driven by the switching drive, and because of the monotonically increasing characteristic within the range of −1 / 4 ≦ p <¼, It also represents the possibility. Moreover, said Formula (11) brings about intuitive understanding of a gear force characteristic. The first term represented by the fraction after the second equal sign “=” in equation (11) represents the geometric property and is represented by the fraction after the second equal sign “=”. The second term represents the compliance property. As a result, stiffness k theta and maximum free displacement y max bending of the seat屈型actuator 12, it was confirmed that both do not have a direct impact on the quasi-static average gear force.

次に、閉ループ制御の圧電モータ10への実装について説明する。図25は、圧電モータ10の速度制御システムの一例を示すブロック図である。図25に示す閉ループ速度制御システム50は、速度制御部(PI)51、スイッチ制御部52及び制御部53を含む。例えば、速度制御部51、スイッチ制御部52及び制御部53のうち少なくとも1つが図3に示す制御部21に含まれていても良い。スイッチ制御部52は、第1の算出部521、第2の算出部522及び位相比較部523を含む。第1及び第2の算出部522,523は、例えば単一の算出部により形成されていても良い。制御部53は、図3に示す駆動装置22を含んでも良く、さらに電圧増幅機能を含んでも良い。各対抗ユニットA1,A2,A3は、一対の座屈型アクチュエータ12を含む。   Next, mounting the closed-loop control on the piezoelectric motor 10 will be described. FIG. 25 is a block diagram illustrating an example of a speed control system of the piezoelectric motor 10. A closed loop speed control system 50 shown in FIG. 25 includes a speed control unit (PI) 51, a switch control unit 52, and a control unit 53. For example, at least one of the speed controller 51, the switch controller 52, and the controller 53 may be included in the controller 21 shown in FIG. The switch control unit 52 includes a first calculation unit 521, a second calculation unit 522, and a phase comparison unit 523. The first and second calculation units 522 and 523 may be formed by a single calculation unit, for example. The control unit 53 may include the driving device 22 illustrated in FIG. 3 and may further include a voltage amplification function. Each counter unit A1, A2, A3 includes a pair of buckling actuators 12.

閉ループ速度制御システム50は、上記の力位相特性に基づくものである。速度制御部51は、圧電モータ10の速度及び圧電モータ10の目標速度から圧電モータ10の推力を算出することで、圧電モータ10の目標推力を示す情報を出力する。圧電モータ10の速度は、ギア11の速度を公知の手段で検出する速度センサ(または、検出器)802から得られる。速度センサ802の構成は、特定の種類に限定されるものではなく、速度センサ802の出力からギア11の速度、そして圧電モータ10の速度を検出可能であれば良い。圧電モータ10の速度は、エンコーダやリゾルバなどの位置センサの一種が測定する位置信号から算出することもできる。速度制御部51は、式(11)中のギア位相pも出力し、目標推力を示す情報とギア位相pは速度制御部51から出力される位相コマンドに含まれていても良い。位相コマンドは、第1及び第2の算出部521,523の各々に出力される。   The closed loop speed control system 50 is based on the above force phase characteristics. The speed control unit 51 outputs information indicating the target thrust of the piezoelectric motor 10 by calculating the thrust of the piezoelectric motor 10 from the speed of the piezoelectric motor 10 and the target speed of the piezoelectric motor 10. The speed of the piezoelectric motor 10 is obtained from a speed sensor (or detector) 802 that detects the speed of the gear 11 by a known means. The configuration of the speed sensor 802 is not limited to a specific type, as long as the speed of the gear 11 and the speed of the piezoelectric motor 10 can be detected from the output of the speed sensor 802. The speed of the piezoelectric motor 10 can also be calculated from a position signal measured by a kind of position sensor such as an encoder or a resolver. The speed control unit 51 also outputs the gear phase p in the equation (11), and the information indicating the target thrust and the gear phase p may be included in the phase command output from the speed control unit 51. The phase command is output to each of the first and second calculation units 521 and 523.

第1の算出部521は、位相コマンドに含まれる目標推力を示す情報、即ち、この例では平均ギア力FGmeanに基づき、座屈型アクチュエータ12の各圧電素子212のオン及びオフ状態を制御する電圧を切り替える第1の位相の一例である切り替え位相2πpを算出する。 The first calculation unit 521 controls the on and off states of each piezoelectric element 212 of the buckling actuator 12 based on information indicating the target thrust included in the phase command, that is, in this example, the average gear force F Gmean. A switching phase 2πp, which is an example of a first phase for switching the voltage, is calculated.

第2の算出部522は、位相コマンドに含まれるギア位相pとギア11の位相角度に基づき、各圧電素子212についてギア11に対する第2の位相を算出する。ギア11の位相角度は、周知の手段でギア11の位相角度を検出する位相センサ(または、検出器)801から得られる。位相センサ801の構成は、特定の種類に限定されるものではなく、位相センサ801の出力からギア11の位相角度を検出可能であれば良い。   The second calculation unit 522 calculates the second phase with respect to the gear 11 for each piezoelectric element 212 based on the gear phase p and the phase angle of the gear 11 included in the phase command. The phase angle of the gear 11 is obtained from a phase sensor (or detector) 801 that detects the phase angle of the gear 11 by a known means. The configuration of the phase sensor 801 is not limited to a specific type, as long as the phase angle of the gear 11 can be detected from the output of the phase sensor 801.

位相比較部523は、第1の算出部521から出力される第1の位相と第2の算出部522から出力される第2の位相を比較し、第1及び第2の位相の比較結果を示す、全ての座屈型アクチュエータ12の切り替え条件(または、切り替えモード)を出力する。切り替え条件は、圧電素子212(及び該当する場合はキャパシタ231)の電荷の蓄え及び排出に関連した電圧切り替え、即ち、各スイッチ(例えば、図8及び図10に示す例のスイッチS,S,S12,S21)のオン及びオフ状態のタイミングを示す。 The phase comparison unit 523 compares the first phase output from the first calculation unit 521 and the second phase output from the second calculation unit 522, and obtains a comparison result between the first and second phases. The switching conditions (or switching modes) of all the buckling actuators 12 shown are output. Switching condition, the voltage switching associated with stored and discharge of electric charge of the piezoelectric element 212 (and if applicable the capacitor 231), that is, each switch (e.g., switch S H of the embodiment shown in FIGS. 8 and 10, S L , S 12 , S 21 ) shows the timing of the on and off states.

制御部53は、位相比較部523から出力される切り替え条件に基づいて、座屈型アクチュエータ12の圧電素子212への入力を、各圧電素子212について制御する。制御部53による電圧切り替えにより、各座屈型アクチュエータ12は力を出力するように駆動され、各座屈力はその後ギア11の各ギア位相の傾斜に応じて変換される。座屈型アクチュエータ12の合成力は、ギア11そして負荷45を駆動し、各座屈型アクチュエータ12について適用する位相位置を変化させる。   The control unit 53 controls the input to the piezoelectric element 212 of the buckling actuator 12 for each piezoelectric element 212 based on the switching condition output from the phase comparison unit 523. Each buckling actuator 12 is driven to output a force by voltage switching by the control unit 53, and each buckling force is then converted according to the inclination of each gear phase of the gear 11. The combined force of the buckling actuator 12 drives the gear 11 and the load 45, and changes the phase position applied to each buckling actuator 12.

図26は、本発明の一実施例における制御方法の一例を説明するフローチャートである。図26に示す、複数の圧電素子と複数の圧電素子の出力をモータ出力に変換するギアを有する圧電モータを制御する制御処理は、閉ループ速度制御システム50により実行しても良い。   FIG. 26 is a flowchart illustrating an example of a control method according to an embodiment of the present invention. The control process for controlling a piezoelectric motor having a plurality of piezoelectric elements and a gear for converting the outputs of the plurality of piezoelectric elements into motor outputs shown in FIG. 26 may be executed by the closed loop speed control system 50.

ステップS101において、位相センサ801は、ギア11の位相角度を検出する検出処理を行う。ステップS102において、第1の算出部521は、圧電モータ10の目標推力を示す情報に基づいて、圧電素子212のオン及びオフ状態を制御する電圧を切り替える第1の位相を算出する第1の算出処理を実行する。ステップS103において、第2の算出部522は、ギア11の位相角度に基づいて、各圧電素子212についてギア11に対する第2の位相を算出する第2の算出処理を実行する。ステップS104において、位相比較部523は、第1の位相及び第2の位相を比較する比較処理を実行する。ステップS105において、制御部53は、比較処理の結果に基づいて、複数の圧電素子212に対する入力を制御する処理を、各圧電素子212について実行する。   In step S <b> 101, the phase sensor 801 performs a detection process for detecting the phase angle of the gear 11. In step S <b> 102, the first calculation unit 521 calculates a first phase for switching a voltage for controlling the on / off state of the piezoelectric element 212 based on information indicating the target thrust of the piezoelectric motor 10. Execute the process. In step S <b> 103, the second calculation unit 522 executes a second calculation process for calculating the second phase with respect to the gear 11 for each piezoelectric element 212 based on the phase angle of the gear 11. In step S <b> 104, the phase comparison unit 523 executes comparison processing for comparing the first phase and the second phase. In step S <b> 105, the control unit 53 executes a process for controlling inputs to the plurality of piezoelectric elements 212 for each piezoelectric element 212 based on the result of the comparison process.

図26と共に説明した制御処理によれば、圧電モータ10の推力を制御することができる。さらに、圧電モータ10の推力を制御することにより、圧電モータ10の制御性が向上する。   According to the control processing described with FIG. 26, the thrust of the piezoelectric motor 10 can be controlled. Furthermore, the controllability of the piezoelectric motor 10 is improved by controlling the thrust of the piezoelectric motor 10.

図27A乃至図27C及び図28A乃至図28Cは、図25に示す閉ループ速度制御システム50のシミュレーション結果を説明する図である。図27A乃至図27C及び図28A乃至図28Cにおいて、破線は生データを示し、実線はフィルタされたデータを示す。シミュレーションは、座屈型アクチュエータ12の入力チップ15Aのコンプライアンス的性質及び重量と、座屈型アクチュエータ12とギア11との間のインタフェース機構のコンプライアンスと、ギア11の伝達特性及び質量を考慮した。シミュレーションは、各コンプライアンス的性質に粘性摩擦を並行に挿入し、クーロン摩擦をギア11と入力チップ15Aの間に挿入した。   FIGS. 27A to 27C and FIGS. 28A to 28C are diagrams for explaining the simulation results of the closed-loop speed control system 50 shown in FIG. In FIGS. 27A to 27C and FIGS. 28A to 28C, broken lines indicate raw data, and solid lines indicate filtered data. The simulation considered the compliance property and weight of the input chip 15A of the buckling actuator 12, the compliance of the interface mechanism between the buckling actuator 12 and the gear 11, and the transmission characteristics and mass of the gear 11. In the simulation, viscous friction was inserted in parallel to each compliance property, and Coulomb friction was inserted between the gear 11 and the input chip 15A.

図27A、図27B及び図27Cは、ギア11が慣性負荷のみを駆動し、ギア11から実質的にギア力が出力されない場合のシミュレーション結果を示す。図27Aは、速度対時間特性を示し、図27Bは位相コマンド対時間特性を示し、図27Cはギア力対時間特性を示す。   FIG. 27A, FIG. 27B, and FIG. 27C show simulation results when the gear 11 drives only an inertial load and substantially no gear force is output from the gear 11. FIG. 27A shows speed vs. time characteristics, FIG. 27B shows phase command vs. time characteristics, and FIG. 27C shows gear force vs. time characteristics.

図27Bの位相コマンド(1/リードか波長)の位相は、図27Aの速度と共に増加し、摩擦特性において発生するエネルギ損失を克服する。両極性について最大平均ギア力条件の近傍で発生する非線形特性は、ゼロ平均力条件に比べて速度応答を遅くする。図27Cのギア力のリップルは、速度と共に増加するが、これは入力チップの質量により発生する慣性力に依存すると推定される。   The phase of the phase command (1 / lead or wavelength) of FIG. 27B increases with the speed of FIG. 27A to overcome the energy loss that occurs in the friction properties. Non-linear characteristics that occur near the maximum average gear force condition for both polarities slow the speed response compared to the zero average force condition. The gear force ripple in FIG. 27C increases with speed, which is presumed to depend on the inertial force generated by the mass of the input chip.

図28A、図28B及び図28Cは、ギア11が慣性負荷を50Nの一定の強制負荷で駆動し、ギア11からはギア力が出力されて負荷45を駆動する場合のシミュレーション結果を示す。図28Aは、速度対時間特性を示し、図28Bは位相コマンド対時間特性を示し、図28Cはギア力対時間特性を示す。   28A, 28B and 28C show simulation results when the gear 11 drives an inertial load with a constant forced load of 50 N, and a gear force is output from the gear 11 to drive the load 45. FIG. FIG. 28A shows speed versus time characteristics, FIG. 28B shows phase command versus time characteristics, and FIG. 28C shows gear force versus time characteristics.

図28Cのギア力と図28Bの位相コマンドの位相には、共にオフセットが発生する。正速度運動については、図28Aの速度は、速度及び強制負荷の両方のため略飽和する。一方、負速度運動については、再生運動の可能性が観測された。   An offset occurs in both the gear force in FIG. 28C and the phase of the phase command in FIG. 28B. For positive speed motion, the speed of FIG. 28A is nearly saturated due to both speed and forced loading. On the other hand, the possibility of regenerative motion was observed for negative velocity motion.

上記の実施例では、回転型圧電モータが駆動回路により駆動される。しかし、上記の駆動回路及び駆動方法と、上記の制御システムと制御方法は、上記と同様にして例えば線形型圧電モータ(または、アクチュエータ)駆動して制御しても良い。線形型圧電モータの一例は、以下に図29乃至図31と共に説明するものを含んでも良い。   In the above embodiment, the rotary piezoelectric motor is driven by the drive circuit. However, the above drive circuit and drive method, and the above control system and control method may be controlled by driving, for example, a linear piezoelectric motor (or actuator) in the same manner as described above. An example of a linear piezoelectric motor may include what is described below in conjunction with FIGS.

図29は、線形圧電モータの第1の例を示す図である。線形圧電モータは、図29に示すように、改良された正弦波形状のギアを有する線形ギア出力ロッド520に接続された複数の座屈型アクチュエータ500乃至500を含み、座屈型アクチュエータ500乃至500の位相を有する双極性アクチュエータにより駆動される。 FIG. 29 is a diagram illustrating a first example of a linear piezoelectric motor. The linear piezoelectric motor includes a plurality of buckling actuators 500 1 to 500 N connected to a linear gear output rod 520 having an improved sinusoidal gear, as shown in FIG. 1 is driven by a bipolar actuator having a phase of 500 N.

座屈型アクチュエータ500を形成する複数の圧電素子の力に基づく出力ノード514の往復運動は、フォロワ522を介してギア出力ロッド520の波状溝に垂直な力Fyiを印加する。座屈型アクチュエータ500乃至500とギア出力ロッド520の組み合わせにより、動作時に高いモータ出力効率を得ることができ、その容量的性質により静的保持時のエネルギ消費を低くすることもできる。座屈型アクチュエータ500からギア出力ロッド520に伝達される力Fxiに含まれる力のリップルまたは非線形性は、他の座屈型アクチュエータの位相制御により相殺可能である。つまり、ゼロの力を伝達するノードと、出力される力が変化する領域とを、強める干渉または弱める干渉を用いる方法により組み合わせることで、有効出力の力を円滑なものとすることができる。また、複数の座屈型アクチュエータ500乃至500を並行して動作させることで、出力される力を増大させると共に、圧電素子、座屈型アクチュエータ500または力伝達部品の一部が故障した場合に、冗長性と故障許容力を提供できる。 The reciprocating motion of the output node 514 based on the force of the plurality of piezoelectric elements forming the buckling actuator 500 i applies a force F yi perpendicular to the wavy groove of the gear output rod 520 via the follower 522 i . By combining the buckling actuators 500 1 to 500 N and the gear output rod 520, high motor output efficiency can be obtained during operation, and energy consumption during static holding can be reduced due to its capacitive properties. The ripple or non-linearity of the force included in the force F xi transmitted from the buckling actuator 500 i to the gear output rod 520 can be canceled out by phase control of other buckling actuators. In other words, the effective output force can be made smooth by combining the node transmitting zero force and the region where the output force changes by a method using the interference that increases or decreases. In addition, when a plurality of buckling actuators 500 1 to 500 N are operated in parallel to increase the output force, a part of the piezoelectric element, the buckling actuator 500, or the force transmission component fails. In addition, redundancy and fault tolerance can be provided.

図29中、φ(i=2についてのみ示す)は、i番目の座屈型アクチュエータ500のレイアウト位置を示し、隣接する座屈型アクチュエータ間の距離はφと同じであり、xは圧電モータのギア位置を示し、yは座屈型アクチュエータ500の出力変位量を示し、Ψは圧電モータの出力位置を示し、λはフォロワ522の中心軌跡の1サイクルの長さを示し、Fはギア力を示す。 In FIG. 29, φ i (shown only for i = 2) indicates the layout position of the i-th buckling actuator 500 i , the distance between adjacent buckling actuators is the same as φ i , and x is Indicates the gear position of the piezoelectric motor, y indicates the output displacement amount of the buckling actuator 500 i , Ψ indicates the output position of the piezoelectric motor, λ indicates the length of one cycle of the central locus of the follower 522 i , F x represents the gear force.

図30は、線形圧電モータの第2の例を示す図である。線形圧電モータは、図30に示すように、正弦波形状から変形して得るギアを有する線形ギア出力ロッド520に接続された複数の座屈型アクチュエータ500を含み、複数の座屈型アクチュエータ500の位相を有する双極性アクチュエータにより駆動される。   FIG. 30 is a diagram illustrating a second example of the linear piezoelectric motor. The linear piezoelectric motor includes a plurality of buckling actuators 500 connected to a linear gear output rod 520 having a gear obtained by deforming from a sinusoidal shape, as shown in FIG. Driven by a bipolar actuator with phase.

座屈型アクチュエータを形成する複数の圧電素子の力に基づく出力ノードの方向D1に沿った往復運動は、フォロワを介してギア出力ロッド520の波状溝に垂直な力を印加する。これにより、線形圧電モータまたはギア出力ロッド520が線形ガイド521に案内されて出力方向D3に移動し、モータの変位がセンサ523を用いた周知の手段により検出される。   The reciprocating motion along the direction D1 of the output node based on the force of the plurality of piezoelectric elements forming the buckling actuator applies a force perpendicular to the wavy groove of the gear output rod 520 via the follower. Thereby, the linear piezoelectric motor or the gear output rod 520 is guided by the linear guide 521 and moves in the output direction D3, and the displacement of the motor is detected by a known means using the sensor 523.

図31は、線形圧電モータの第2の例における座屈型アクチュエータを一部断面で示す図である。線形圧電モータは、座屈型アクチュエータ500を含む。座屈型アクチュエータ500は、フレーム524と、圧電素子510R,510Lを含む。圧電素子510Rは、第1及び第2の回転ジョイントを介して、フレーム524上のサイドブロック512Rと出力部514との間に接続される。第1の回転ジョイントは、サイドブロック512R上の支持部511により支持された回動可能な部材510Reを含み、第2の回転ジョイントは、出力部514により支持された回転可能な部材510Rcを含む。同様に、圧電素子510Lは、第3及び第4の回転ジョイントを介して、フレーム524上のサイドブロック512Lと出力部514との間に接続される。第3の回転ジョイントは、サイドブロック512L上の支持部511により支持された回動可能な部材510Leを含み、第4の回転ジョイントは、出力部514により支持された回転可能な部材510Lcを含む。図31中、CP1,CP2は圧電素子510Lの接触位置を示し、CP3,CP4は圧電素子510Rの接触位置を示す。   FIG. 31 is a partial cross-sectional view of the buckling actuator in the second example of the linear piezoelectric motor. The linear piezoelectric motor includes a buckling actuator 500. The buckling actuator 500 includes a frame 524 and piezoelectric elements 510R and 510L. The piezoelectric element 510R is connected between the side block 512R on the frame 524 and the output unit 514 via the first and second rotary joints. The first rotary joint includes a rotatable member 510Re supported by the support portion 511 on the side block 512R, and the second rotary joint includes a rotatable member 510Rc supported by the output portion 514. Similarly, the piezoelectric element 510L is connected between the side block 512L on the frame 524 and the output unit 514 via the third and fourth rotary joints. The third rotation joint includes a rotatable member 510Le supported by the support portion 511 on the side block 512L, and the fourth rotation joint includes a rotatable member 510Lc supported by the output portion 514. In FIG. 31, CP1 and CP2 indicate contact positions of the piezoelectric element 510L, and CP3 and CP4 indicate contact positions of the piezoelectric element 510R.

出力部514は、一対の円柱フォロワ522が設けられる開口部を有するフレーム526を含む。六角形状を有するPCS(Preload Compensation Spring)518は、フレーム526の両側に設けられている。各PCSは、支持部(図示ぜず)などに固定されても良い。線形ギア出力ロッド(図示せず)は、出力部514のフレーム526に設けられた開口部を貫通、フォロワ522と係合する。座屈型アクチュエータ500を形成する圧電素子510R,510Lの力に基づく出力部514の方向D1に沿った往復運動は、フォロワ522を介してギア出力ロッドの波状溝に垂直な力を印加する。これにより、線形圧電モータまたはギア出力ロッドが出力方向D3に移動する。   The output unit 514 includes a frame 526 having an opening in which a pair of cylindrical followers 522 are provided. PCS (Preload Compensation Spring) 518 having a hexagonal shape is provided on both sides of the frame 526. Each PCS may be fixed to a support portion (not shown) or the like. A linear gear output rod (not shown) passes through an opening provided in the frame 526 of the output portion 514 and engages with the follower 522. The reciprocating motion along the direction D1 of the output portion 514 based on the force of the piezoelectric elements 510R and 510L forming the buckling actuator 500 applies a force perpendicular to the wave-like groove of the gear output rod via the follower 522. As a result, the linear piezoelectric motor or the gear output rod moves in the output direction D3.

以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。   While the present invention has been described with reference to the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made within the scope of the present invention.

10 圧電素子
11 ギア
12 座屈型アクチュエータ
15A 入力チップ
20 駆動システム
21 制御部
22 駆動装置
22−1〜22−N 駆動回路
50 制御システム
51 速度制御部
52 スイッチ制御部
53 制御部
121 圧電素子
521 第1の算出部
522 第2の算出部
523 比較部
601 位相センサ
602 速度センサ
L インダクタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric element 11 Gear 12 Buckling-type actuator 15A Input chip 20 Drive system 21 Control part 22 Drive apparatus 22-1 to 22-N Drive circuit 50 Control system 51 Speed control part 52 Switch control part 53 Control part 121 Piezoelectric element 521 1st 1 calculation unit 522 second calculation unit 523 comparison unit 601 phase sensor 602 speed sensor L inductor

Claims (4)

複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の出力をモータ出力に変換するギアを備えたモータを制御する制御システムであって、
目標とする前記モータの推力を表す情報に基づいて電圧を切り替える第1の位相を算出する第1の算出部と、
前記ギアの位相角度に基づいて前記複数の圧電素子毎のギアに対する第2の位相を算出する第2の算出部と、
前記第1の位相と前記第2の位相を比較する比較部と、
前記比較部で前記第1及び第2の位相を比較した比較結果に基づいて、前記複数の圧電素子への入力を前記複数の圧電素子毎に制御する制御部を備え
前記制御部は、前記比較結果に基づいて、前記複数の圧電素子のうちの第1の圧電素子のキャパシタに蓄えられた電荷を前記複数の圧電素子のうちの第2の圧電素子のキャパシタに転送するためのスイッチのオン/オフのタイミング調整を行うことを特徴とする、制御システム。
A control system for controlling a motor comprising a plurality of piezoelectric elements and a gear for converting the outputs of the plurality of piezoelectric elements into motor outputs,
A first calculation unit for calculating a first phase for switching a voltage based on information representing the target thrust of the motor;
A second calculation unit for calculating a second phase for the gear for each of the plurality of piezoelectric elements based on the phase angle of the gear;
A comparator for comparing the first phase and the second phase;
A control unit that controls input to the plurality of piezoelectric elements for each of the plurality of piezoelectric elements based on a comparison result obtained by comparing the first and second phases in the comparison unit ;
The controller transfers the electric charge stored in the capacitor of the first piezoelectric element of the plurality of piezoelectric elements to the capacitor of the second piezoelectric element of the plurality of piezoelectric elements based on the comparison result. A control system for adjusting on / off timing of a switch for performing
前記モータの速度と目標とする前記モータの速度から前記モータの推力を算出して前記情報を前記第1の算出部に出力する速度制御部がさらに設けられることを特徴とする、請求項1記載の制御システム。 Wherein the speed control unit for outputting the information by calculating the thrust of the motor and a speed of the motor to speed and the target of the motor to the first calculation unit is further provided, according to claim 1 The described control system. 前記第1の算出部は、前記複数の圧電素子の各々の、前記ギアの形状と係合する係合部の運動軌跡が前記ギアに対して正弦波成分を有する場合、次式に基づいて前記第1の位相である2πpを算出し、
はN個を単位とする前記複数の圧電素子から前記ギアに伝達される有効エネルギを示し、λは前記ギアのギアピッチを示し、hgearは前記ギアのギア高さを示し、Lは回転ジョイントの中心間の距離を示し、は長手方向に沿った基体フレームのスチフネスとジョイントのスチフネスを合成した各圧電素子の長手方向に沿った合成スチフネスを示し、kは各圧電素子の長手方向に沿ったスチフネスを示し、2πpは1つのグループの複数の圧電素子がオンの状態から当該1つのグループの複数の圧電素子がオフの状態までのギアピッチλの切り替え位相を示し、FPmaxは各圧電素子の潜在力Fの最大値を示し、オン・オフの切り替えとオフ・オンの切り替えの間の位相距離がλ/2に設定されることを特徴とする、請求項1または2記載の制御システム。
Wherein the first calculation unit, when each of the plurality of piezoelectric elements, movement locus of the engagement portion of the shape and engagement of the gear has a sine wave component with respect to the gear, on the basis of the following equation Calculate 2πp, which is the first phase ,
E G represents an effective energy transmitted from the plurality of piezoelectric elements to N b number of units in the gear, lambda indicates the gear pitch of said gear, h gear indicates the gear height of the gear, L is K S is the distance between the centers of the rotary joints, k S is the combined stiffness along the longitudinal direction of each piezoelectric element that combines the stiffness of the base frame along the longitudinal direction and the stiffness of the joint, and k P is the combined stiffness of each piezoelectric element shows the stiffness in the longitudinal direction, 2Paipi the plurality of piezoelectric elements of the one group a plurality of piezoelectric elements of one group from the on state indicates a switching phase of the gear pitch λ to off, F Pmax is the maximum value of potential F P of the piezoelectric element, wherein the phase distance between the switching of the switching and off-on on or off is set to lambda / 2 Claim 1 or 2 control system according.
複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子の出力をモータ出力に変換するギアを備えたモータを制御する制御方法であって、
前記ギアの位相角度を検出する工程と、
目標とする前記モータの推力を表す情報に基づいて電圧を切り替える第1の位相を算出する第1の算出工程と、
前記ギアの位相角度に基づいて前記複数の圧電素子毎のギアに対する第2の位相を算出する第2の算出工程と、
前記第1の位相と前記第2の位相を比較する工程と、
前記比較する工程で比較した比較結果に基づいて、前記複数の圧電素子への入力を前記複数の圧電素子毎に制御する制御工程を含み、制御部が、前記比較結果に基づいて、前記複数の圧電素子のうちの第1のキャパシタに蓄えられた電荷を前記複数の圧電素子のうちの第2の圧電素子のキャパシタに転送するためのスイッチのオン/オフのタイミング調整を行うことを特徴とする、制御方法。
A control method for controlling a motor comprising a plurality of piezoelectric elements and a gear for converting the outputs of the plurality of piezoelectric elements into motor outputs,
Detecting a phase angle of the gear;
A first calculation step of calculating a first phase for switching a voltage based on information representing a target thrust of the motor;
A second calculation step of calculating a second phase for the gear for each of the plurality of piezoelectric elements based on the phase angle of the gear;
Comparing the first phase and the second phase;
Based on the result of comparison in the step of the comparison, viewed including a control step for controlling input to said plurality of piezoelectric elements for each of the plurality of piezoelectric elements, the control unit, based on the comparison result, said plurality Adjusting the on / off timing of a switch for transferring the charge stored in the first capacitor of the plurality of piezoelectric elements to the capacitor of the second piezoelectric element of the plurality of piezoelectric elements. Control method.
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