JP6562785B2 - 駆動装置、その制御方法、および制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置、その制御方法、および制御プログラムに関し、特に、圧電素子を用いた駆動装置に関する。

一般に、駆動装置において、電圧を印加すると伸縮変位が発生する圧電素子を用いて、当該伸縮変異を繰り返し行うことによって所定の方向に振動する振動部を備えるものがある。この駆動装置では、振動部の振動方向において駆動部には駆動軸の一端が固定され、駆動軸に被駆動部を押圧接触させる。そして、圧電素子に緩やかな立ち上がり部分と急速な立下り部分とを有する駆動パルスの電圧を印加する。これによって、緩やかな立ち上がり部分において、駆動軸と押圧接触した被駆動部は駆動軸とともに軸方向の一方に駆動される。一方、急速な立下り部分において、駆動軸は急速に変位するため、駆動軸は被駆動部に対してすべり駆動となる。この結果、被駆動部は停止し、駆動軸のみ軸方向の他方に駆動される。そして、このような駆動を繰り返すことによって、被駆動部を一方向に駆動することができる。

さらに、被駆動部の移動量を検出する移動量検出部を備え、移動量検出部で検出された移動量に応じて、圧電素子に入力する駆動パルスの数を変更するようにした駆動装置がある（特許文献１参照）。つまり、特許文献１においては、移動量検出部によるフィードバック制御によって被駆動部を制御するようにしている。このような移動量検出部を備えることによって、目標位置まで駆動制御するとともに被駆動部を速度制御することができる。

特開平１１−３５６０７０号公報

ところが、特許文献１に記載の駆動装置には、駆動軸の振動部からの距離に応じて振動特性が変化してしまう。このため、フィードバック制御を行うため、頻繁に移動量の検出を行う必要があり、移動量の検出によって消費電力が増加するばかりでなく、演算負荷が増大してしまう。

さらに、高速に駆動した場合には、フィードバック制御が間に合わなくなって、駆動目標位置に対する駆動位置がオーバーすることがある。駆動位置がオーバーすれば、駆動軸を逆方向に駆動しなければならず、安定して駆動制御を行うことができない。一方、駆動位置のオーバーを防止するため、頻繁に移動量の検出を行うとなると、駆動に要する時間が増加して、高速駆動ができなくなってしまう。

従って、本発明の目的は、安定的にかつ高速に被駆動部の駆動制御を行うことのできる駆動装置、その制御方法、および制御プログラムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明による駆動装置は、圧電素子の伸縮変位に応じて所定の方向に振動する振動部と、一端が前記振動部に固定され、前記振動部の振動によって振動する駆動軸と、前記駆動軸の表面に押圧接触され、前記駆動軸の振動によって前記駆動軸に沿って移動する被駆動部と、前記駆動軸における前記被駆動部の位置を検出する検出手段と、前記圧電素子を駆動するための駆動パラメータを、前記検出手段で検出された前記被駆動部の位置に応じて変更して前記駆動パラメータに基づいて前記圧電素子を駆動制御する駆動制御手段と、を有し、前記振動部は、弾性部材と、該弾性部材を挟んで対向して配置された第１の圧電素子および第２の圧電素子とを有し、前記駆動制御手段は、前記駆動パラメータとして、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に印加するパルス状電圧、当該パルス状電圧が負となる時間と正となる時間の比率、および前記パルス状電圧の周波数のうち少なくとも１つを変更することを特徴とする。

本発明による制御方法は、弾性部材と該弾性部材を挟んで対向して配置された第１の圧電素子および第２の圧電素子とを有し該第１及び第２の圧電素子の伸縮変位に応じて所定の方向に振動する振動部と、一端が前記振動部に固定され、前記振動部の振動によって振動する駆動軸と、前記駆動軸の表面に押圧接触され、前記駆動軸の振動によって前記駆動軸に沿って移動する被駆動部とを有する駆動装置の制御方法であって、前記駆動軸における前記被駆動部の位置を検出する検出ステップと、前記第１及び第２の圧電素子を駆動するための駆動パラメータとして、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に印加するパルス状電圧、当該パルス状電圧が負となる時間と正となる時間の比率、および前記パルス状電圧の周波数のうち少なくとも１つを、前記検出ステップで検出された前記被駆動部の位置に応じて変更して前記駆動パラメータに基づいて前記第１及び第２の圧電素子を駆動制御する駆動制御ステップと、を有することを特徴とする。

本発明による制御プログラムは、弾性部材と該弾性部材を挟んで対向して配置された第１の圧電素子および第２の圧電素子とを有し該第１及び第２の圧電素子の伸縮変位に応じて所定の方向に振動する振動部と、一端が前記振動部に固定され、前記振動部の振動によって振動する駆動軸と、前記駆動軸の表面に押圧接触され、前記駆動軸の振動によって前記駆動軸に沿って移動する被駆動部とを有する駆動装置で用いられる制御プログラムであって、前記駆動装置が備えるコンピュータに、前記駆動軸における前記被駆動部の位置を検出する検出ステップと、前記第１及び第２の圧電素子を駆動するための駆動パラメータとして、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に印加するパルス状電圧、当該パルス状電圧が負となる時間と正となる時間の比率、および前記パルス状電圧の周波数のうち少なくとも１つを、前記検出ステップで検出された前記被駆動部の位置に応じて変更して前記駆動パラメータに基づいて前記第１及び第２の圧電素子を駆動制御する駆動制御ステップと、を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、駆動パラメータを被駆動部の位置に応じて変更するようにしたので、安定的にかつ高速に被駆動部の駆動制御を行うことができる。

本発明の実施の形態による駆動装置の一例についてその構成を示すブロック図である。 図１に示す駆動装置における被駆動部の押圧接触状態を説明するための図であり、（Ａ）および（Ｂ）は、図１に示す振動部、駆動軸、および被駆動部を駆動軸の方向から見た側面図である。 図１に示す駆動制御部によって圧電素子に印加されるパルス状電圧よる駆動軸の変位を説明するための図であり、（Ａ）はパルス状電圧の一例を示す図、（Ｂ）はパルス状電圧の他の例を示す図、（Ｃ）は駆動軸の軸方向の変位を示す図である。 図１に示す駆動装置による駆動制御を説明するためのフローチャートである。

以下に、本発明の実施の形態による駆動装置について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態による駆動装置の一例についてその構成を示すブロック図である。

図示の駆動装置は薄板状の圧電素子１０１ａおよび１０１ｂを備えており、弾性部材１０１ｃを挟んで対向して互いに配置されている。図示の圧電素子１０１ａおよび１０１ｂと弾性部材１０１ｃとによる積層構造によって振動部１０１が構成される。振動部１０１において圧電素子１０１ａ側には円柱状の駆動軸１０３の一端が固定され、駆動軸１０３の表面（外周面）には被駆動部１０４が押圧接触された状態で保持されている。

２つの圧電素子１０１ａおよび１０１ｂに電圧を印加すると、振動部１０１は面（表面）方向に伸縮駆動する。そして、この伸縮駆動を繰り返して行うことによって被駆動部１０４を駆動軸１０３上で駆動することができる。

駆動軸１０３は、例えば、カーボングラファイトなどの耐摩耗性および自己潤滑性を有する材料によって円柱形状に形成される。そして、駆動軸１０３はその一端面で圧電素子１０１ａは接着剤などによって固定される。

被駆動部１０４に対向して位置検出部１０５が配置されており、位置検出部１０５は、駆動軸１０３上における被駆動部１０４の位置を検出して位置情報を出力する。図示の位置検出部１０５は、振動部１０１と被駆動部１０４との相対的な位置を検出する必要があるので、被駆動部１０４の絶対位置を検出可能な構成を有している。

位置検出部１０５として、例えば、スリット板と投受光素子を備える光学位置検出部が用いられる。さらには、位置検出部１０５として、例えば、磁気部材と磁気センサを備える磁気位置検出部が用いられる。

なお、相対的な位置のみを検出する構成の場合には、駆動軸１０３上に駆動端を設けて、電源投入の際にリセット動作として被駆動部１０４をその駆動端に突き当てた後、位置検出部１０５による位置検出が行われる。そして、駆動端からの駆動量をインクリメントして継続的に検出を行えば、絶対位置を検出することができる。

駆動制御部１０６は、圧電素子１０１ａおよび１０１ｂに電圧を印加して、被駆動部１０４を駆動する。この際、駆動制御部１０６は駆動パラメータと位置検出部１０５で得られた位置情報に基づいて被駆動部１０４を駆動制御する。なお、駆動制御部１０５は記憶部１０７を有しており、この記憶部１０７に駆動パラメータが予め記録されている。

図２は、図１に示す駆動装置における被駆動部の押圧接触状態を説明するための図である。そして、図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、図１に示す振動部、駆動軸、および被駆動部を駆動軸の方向から見た側面図である。

図２（Ａ）において、被駆動部１０４は、駆動軸１０３を係合させるＶ溝部を有する上側のＶ溝部材１０４ａと駆動軸１０３をＶ溝部材１０４ａに押圧する押圧部材１０４ｂとを備えている。また、被駆動部１０４は、Ｖ溝部材１０４ａと押圧部材１０４ｂとを回転可能に保持するヒンジ軸１０４ｃおよびＶ溝部材１０４ａと押圧部材１０４ｂとに加圧力を印加するバネ部材１０４ｄを有している。

これによって、被駆動部１０４は、駆動軸１０３に対してＶ溝部材１０４ａの２点と押圧部材１０４ｂの１点との計３点が接触した状態で押圧接触する。なお、被駆動部１０４は、図２（Ａ）において紙面の奥行方向に広がりがある形状であるので、実際には３点接触ではなく３線で接触した状態で押圧接触する。

図２（Ｂ）には、被駆動部１０４を駆動軸１０３に取り付ける過程が示されている。被駆動部１０４を駆動軸１０３に取り付ける際には、Ｖ溝部材１０４ａに対して、ヒンジ軸１０４ｃによって回転可能に構成された押圧部材１０４ｂを開いた状態で取り付ける。その後、押圧部材１０４ｂを時計回りに回転させて、バネ部材１０４ｄを介して挟み込むことによって、図２（Ａ）に示すように被駆動部１０４を押圧接触状態とすることができる。

図３は、図１に示す駆動制御部によって圧電素子に印加されるパルス状電圧よる駆動軸の変位を説明するための図である。そして、図３（Ａ）はパルス状電圧の一例を示す図であり、図３（Ｂ）はパルス状電圧の他の例を示す図である。また、図３（Ｃ）は駆動軸の軸方向の変位を示す図である。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）において、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。駆動制御部１０６は、図３（Ａ）に示すパルス状電圧（以下パルス波という）２０１ａを圧電素子１０１ａに印加する。パルス波２０１ａは第１の電圧時間Ｔ１と第２の電圧時間Ｔ２が繰り返される波形を有している。パルス波２０１ａは第１の電圧時間Ｔ１で負の電圧となり、第２の電圧時間Ｔ２で正の電圧となる。そして、第１の電圧時間Ｔ１と第２の電圧時間Ｔ２とは異なっている。ここでは、Ｔ１＜Ｔ２である。圧電素子１０１ａは負の電圧が印加されると短縮（収縮）し、正の電圧が印加されると伸長する。

一方、駆動制御部１０６は、図３（Ｂ）に示すパルス波２０１ｂを圧電素子１０１ｂに印加する。パルス波２０１ｂは、パルス波２０１ａと比べて電圧の正負が逆の波形を有している。つまり、パルス波２０１ａは第１の電圧時間Ｔ１で正の電圧となり、第２の電圧時間Ｔ２で負の電圧となる。

駆動制御部１０６はパルス波２０１ａおよび２０１ｂを、数十ＫＨｚの超音波領域の周波数で圧電素子１０１ａおよび１０１ｂに印加して振動部１０１を振動させる。振動部１０１が振動すると、駆動軸１０３は振動部１０１に固定されているので、振動部１０１の振動に合わせて振動する。

図３（Ｃ）において、横軸は時間を示し、縦軸は駆動軸１０３の軸方向における変位を示す。図示のように、駆動軸１０３の変位はノコギリ歯状の形状で変化する。いま、変位が増加方向に変化する第１の変位時間をＴ３とし、減少方向に変化する第２の時間をＴ４とする。第１の変位時間Ｔ３と第２の変位時間Ｔ４とは異なり、Ｔ３＜Ｔ４となる。

第１の変位時間Ｔ３においては、駆動軸１０３が急速に変位するので、駆動軸１０３は被駆動部１０４に対してすべり駆動となって、被駆動部１０４は停止し、駆動軸１０３のみが軸方向に移動する。一方、第２の変位時間Ｔ４においては、駆動軸１０３がゆるやかに変位するので、駆動軸１０３は駆動部１０４に対して摩擦駆動となって、駆動軸１０３と被駆動部１０４とは一体的に駆動軸の方向に移動する。そして、上述のような変位が繰り返し行われると被駆動部１０４が駆動されることになる。

ところで、圧電素子１０１ａおよび１０１ｂに印加する電圧値、第１の電圧時間Ｔ１と第２の電圧時間Ｔ２との比率、そして、パルス波２０１ａおよび２０１ｂの周波数が主な複数の駆動パラメータである。そして、これらの駆動パラメータを変化させることによって、被駆動部１０４の速度および移動量の制御を行うことができる。

なお、駆動パラメータは上記の３つに限定されることはなく、その他の駆動パラメータを用いるようにしてもよい。例えば、多相駆動可能な圧電素子を用いた場合には、相間の位相を変えることによって、被駆動部１０４の制御を行うことができる。

図４は、図１に示す駆動装置による駆動制御を説明するためのフローチャートである。

駆動制御部１０６は、まず、ユーザーによる駆動指示があったか否かを判定する（ステップＳ３０１）。なお、駆動指示においては、目標位置および目標位置に駆動するための駆動量が設定される。

駆動指示がないと（ステップＳ３０１において、ＮＯ）、駆動制御部１０６は待機する。一方、駆動指示があると（ステップＳ３０１において、ＹＥＳ）、駆動制御部１０６は位置検出部１０５によって振動部１０１に対する被駆動部１０４の相対的な位置を検出して位置情報を得る（ステップＳ３０２）。

続いて、駆動制御部１０６は位置情報とステップＳ３０１で設定された駆動量とに基づいて駆動パラメータを決定する（ステップＳ３０３）。なお、振動部１０１に対する被駆動部１０４の相対位置に対応する駆動パラメータが予め記憶部１０７に格納されている。駆動パラメータは、駆動装置に拘わらず同一としてもよく、また、生産工程などにおける実駆動に基づいて駆動装置個体毎に決定するようにしてもよい。

続いて、駆動制御部１０６は、ステップＳ３０３で決定した駆動パラメータとステップＳ３０１で設定された駆動量とに基づいて、現在位置から目標位置まで被駆動部１０４を駆動するために必要な圧電素子１０１ａおよび１０１ｂに印加するパルス波２０１ａおよび２０１ｂを求める（ステップＳ３０４）。そして、駆動制御部１０６は、ステップＳ３０４で求めたパルス波２０１ａおよび２０１ｂを駆動部１０１に印加して被駆動部１０４を駆動する（ステップＳ３０５）。

次に、駆動制御部１０６は、位置検出部１０５によって現在の被駆動部１０４の位置情報を得る（ステップＳ３０６）。ここの現在の位置情報は、駆動前の被駆動部１０４の位置に対する現在の相対的な位置を示している。そして、駆動制御部１０６は、ステップＳ３０１で設定された駆動量に応じた目標位置と現在の位置情報が示す被駆動部１０４の位置との差が所定の閾値以下であるか否かを判定する。つまり、駆動制御部１０６は被駆動部１０４が目標位置に達したか否かを判定する（ステップＳ３０７）。

被駆動部１０４が目標位置に達しないと（ステップＳ３０７において、ＮＯ）、駆動制御部１０６はステップＳ３０３の処理に戻って、新たに駆動パラメータを決定する。一方、被駆動部１０４が目標位置に達すると（ステップＳ３０７において、ＹＥＳ）、駆動制御部１０６は駆動制御を終了する。

このように、本発明の実施の形態では、被駆動部１０４の位置に応じて駆動パラメータを決定して、当該駆動パラメータによって圧電素子を制御するようにしたので、安定して被駆動部の高速駆動制御することができる。つまり、被駆動部の位置に応じて駆動パラメータを変化させないと、１回の駆動量を小さくしなければならず、しかも頻繁に位置検出を行いつつ目標位置に駆動する必要がある。そのため、目標位置に高速駆動することが困難であるが、被駆動部の位置に応じて駆動パラメータを決定すれば、安定して高速駆動制御を行うことができる。

以上、本発明について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。

例えば、上記の実施の形態の機能を制御方法として、この制御方法を駆動装置に実行させるようにすればよい。また、上述の実施の形態の機能を有するプログラムを制御プログラムとして、当該制御プログラムを駆動装置が備えるコンピュータに実行させるようにしてもよい。なお、制御プログラムは、例えば、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録される。

［その他の実施形態］
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１０１ 振動部
１０１ａ，１０１ｂ 圧電素子
１０３ 駆動軸
１０４ 被駆動部
１０５ 位置検出部
１０６ 駆動制御部
１０７ 記憶部

Claims (5)

1. 圧電素子の伸縮変位に応じて所定の方向に振動する振動部と、
   一端が前記振動部に固定され、前記振動部の振動によって振動する駆動軸と、
   前記駆動軸の表面に押圧接触され、前記駆動軸の振動によって前記駆動軸に沿って移動する被駆動部と、
   前記駆動軸における前記被駆動部の位置を検出する検出手段と、
   前記圧電素子を駆動するための駆動パラメータを、前記検出手段で検出された前記被駆動部の位置に応じて変更して前記駆動パラメータに基づいて前記圧電素子を駆動制御する駆動制御手段と、を有し、
   前記振動部は、弾性部材と、該弾性部材を挟んで対向して配置された第１の圧電素子および第２の圧電素子とを有し、
   前記駆動制御手段は、前記駆動パラメータとして、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に印加するパルス状電圧、当該パルス状電圧が負となる時間と正となる時間の比率、および前記パルス状電圧の周波数のうち少なくとも１つを変更することを特徴とする駆動装置。
2. 前記駆動パラメータは前記被駆動部の位置に応じて設定され、前記駆動制御手段は、前記検出手段で検出された前記被駆動部の位置に対応する駆動パラメータに基づいて前記圧電素子を駆動制御することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記検出手段は、前記振動部と前記被駆動部との相対的な位置を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置。
4. 弾性部材と該弾性部材を挟んで対向して配置された第１の圧電素子および第２の圧電素子とを有し該第１及び第２の圧電素子の伸縮変位に応じて所定の方向に振動する振動部と、一端が前記振動部に固定され、前記振動部の振動によって振動する駆動軸と、前記駆動軸の表面に押圧接触され、前記駆動軸の振動によって前記駆動軸に沿って移動する被駆動部とを有する駆動装置の制御方法であって、
   前記駆動軸における前記被駆動部の位置を検出する検出ステップと、
   前記第１及び第２の圧電素子を駆動するための駆動パラメータとして、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に印加するパルス状電圧、当該パルス状電圧が負となる時間と正となる時間の比率、および前記パルス状電圧の周波数のうち少なくとも１つを、前記検出ステップで検出された前記被駆動部の位置に応じて変更して前記駆動パラメータに基づいて前記第１及び第２の圧電素子を駆動制御する駆動制御ステップと、
   を有することを特徴とする制御方法。
5. 弾性部材と該弾性部材を挟んで対向して配置された第１の圧電素子および第２の圧電素子とを有し該第１及び第２の圧電素子の伸縮変位に応じて所定の方向に振動する振動部と、一端が前記振動部に固定され、前記振動部の振動によって振動する駆動軸と、前記駆動軸の表面に押圧接触され、前記駆動軸の振動によって前記駆動軸に沿って移動する被駆動部とを有する駆動装置で用いられる制御プログラムであって、
   前記駆動装置が備えるコンピュータに、
   前記駆動軸における前記被駆動部の位置を検出する検出ステップと、
   前記第１及び第２の圧電素子を駆動するための駆動パラメータとして、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に印加するパルス状電圧、当該パルス状電圧が負となる時間と正となる時間の比率、および前記パルス状電圧の周波数のうち少なくとも１つを、前記検出ステップで検出された前記被駆動部の位置に応じて変更して前記駆動パラメータに基づいて前記第１及び第２の圧電素子を駆動制御する駆動制御ステップと、
   を実行させることを特徴とする制御プログラム。

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