JP7099106B2 - アクチュエータ駆動装置、アクチュエータ駆動方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ駆動装置、アクチュエータ駆動方法およびプログラムに関する。

トラス型アクチュエータは、ベース振動体に直交させた２本の圧電素子と駆動部材を組み合わせたトラス型構造となっている。２本の圧電素子間に位相差を設けた駆動電圧信号を加えることで、駆動部材に楕円運動を励起させ、よって駆動部材に当接している伝送部を駆動することができる。

圧電素子に生じる起電流を検知するには、例えばシャント抵抗を設けてその両端電圧を測定する方法がある。特許文献１の要約書には、「接地された圧電体５ａ，５ｂに電力増幅回路３ａ，３ｂから電力を供給することにより、該圧電体５ａ，５ｂを伸縮動作させてステータに進行波を発生させ、この進行波によりロータを回転させる超音波モータの駆動制御回路において、前記電力増幅回路３ａ，３ｂと圧電体５ａ，５ｂとの間には、異常電流を検出するシャント抵抗６を備えた。」と記載されている。

以下、比較例に基づいて、トラス型アクチュエータの構造と、２相位相差駆動方式および単相位相差駆動方式の動作について説明する。
図１１Ａは、比較例のアクチュエータ３とその駆動回路４Ａの構成と、片方の圧電素子３１Ａを駆動させた際の動作例とを示す図である。

駆動回路４Ａは、トラス型のアクチュエータ３の圧電素子３１Ａに接続されており、駆動波形制御部２によって制御される。駆動波形制御部２は、駆動回路４Ａにより、このアクチュエータ３を回転駆動させる。このアクチュエータ３は、不図示の付勢部と、ベース振動体３３と、圧電素子３１Ａ，３１Ｂと、圧電素子３１Ａ，３１Ｂに結合された駆動部材３２と、ロータ３４を含んで構成される。ベース振動体３３には、圧電素子３１Ａ，３１Ｂの先端が直交するように、これら圧電素子３１Ａ，３１Ｂの基端が接着により固定されている。圧電素子３１Ａは、駆動回路４Ａによって所定の変位を発生させる。なお、圧電素子３１Ｂは、駆動波形制御部２と不図示の駆動回路４Ｂによって所定の変位を発生させるが、ここでは単純化のため、駆動回路４Ｂの記載を省略している。

駆動部材３２は、圧電素子３１Ａ，３１Ｂの先端の直交部分に接着される。ロータ３４は、駆動部材３２が当接して駆動される伝送部である。これらベース振動体３３と、圧電素子３１Ａ，３１Ｂと、駆動部材３２とは、トラス構造体を構成する。

不図示の付勢部は、ベース振動体３３と圧電素子３１Ａ，３１Ｂと駆動部材３２とを含むトラス構造体をロータ３４の方向に付勢し、よって駆動部材３２をロータ３４に接触させる。圧電素子３１Ａ，３１Ｂには、圧電効果により電圧信号を変位に変換する積層型の圧電素子が用いられている。駆動部材３２には、安定して高い摩擦係数が得られ、摩耗しにくいタングステンなどの金属材料が用いられる。ベース振動体３３には、製造し易く強度が得られるステンレスなどの金属材料が用いられる。また、これらの接着には接着力や強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤が用いられる。不図示の付勢部は、コイルばねなどの弾性体で構成され、ベース振動体３３を伝送部である円板状のロータ３４の中心方向に付勢する。ロータ３４は、鉄、アルミニウムなどの金属で作製され、駆動部材３２との接触による摩耗を防ぐため、その側面にはタフトライド処理、アルマイト処理などの表面処理が施されている。

駆動部材３２に楕円運動を励起させるため、駆動波形制御部２は、圧電素子３１Ａ，３１Ｂ間に位相差を設けた駆動電圧を加える場合がある。これを、２相位相差駆動方式という。この方式では消費電力が大きいため、片側の圧電素子３１Ａのみに信号を与える単相位相差駆動方式が有効である。

単相位相差駆動方式とは、駆動波形制御部２が、ベース振動体３３、圧電素子３１Ａ，３１Ｂおよび、駆動部材３２で構成されるトラス構造体の各圧電素子３１Ａ、３１Ｂに起因する近接した２つの共振周波数のうち、圧電素子３１Ａに起因する共振周波数付近の周波数の電圧信号を、駆動側の圧電素子３１Ａのみに印加する方式である。これにより、非駆動側の圧電素子３１Ｂも位相ずれした共振運動をする。これにより、駆動部材３２には、ロータ３４との接触面に対してθ／２だけ長軸が傾いた楕円運動が励起される。この楕円の長径と短径の比は、圧電素子３１Ａに流れる電流Ｉａと圧電素子３１ｂに流れる電流Ｉｂとの比である。楕円運動が励起された駆動部材３２により、この駆動部材３２が押しつけられた伝送部（ロータ３４等）に時計回り方向のトルクＮが発生し、この伝送部を駆動させることができる。

図１１Ｂは、アクチュエータ３の片方の圧電素子３１Ａを駆動させた際の圧電素子３１Ａ，３１Ｂにそれぞれ流れる電流Ｉａ，Ｉｂを示すタイムチャートである。
圧電素子３１Ａには、正弦波状の電流Ｉａが流れる。これにより、非駆動側の圧電素子３１Ｂは位相ずれした共振運動を行い、θだけ位相ずれした起電流が生じる。これが電流Ｉｂである。ここでは、電流Ｉａの振幅と電流Ｉｂの振幅とは略同一である。また、一般的には、Ｉａ≧Ｉｂである。

特開平６－３０３７８３号公報

トラス型アクチュエータを単相位相差駆動方式で駆動させた場合、駆動部材３２とロータ３４との間に異物などが入りこんで共振周波数が変化したならば、非駆動側の圧電素子は正常な振動ができなくなる。これにより、駆動部材３２の正しい楕円運動を励起させることができなくなると、伝送部の駆動力（駆動トルク）が低下したり、更には伝送部の駆動ができなくなる現象が生じる。

図１２Ａは、アクチュエータ３に異物５が混入した際の動作例を示す図である。図１２Ｂは、アクチュエータ３に異物５が混入した際の両圧電素子に流れる電流を示すタイムチャートである。

図１２Ａに示すように、アクチュエータ３のロータ３４と駆動部材３２との間には、異物５が入り込んでいる。これにより、トラス構造体の共振周波数が変化して、非駆動側の圧電素子３１Ｂは正常な振動ができなくなり、駆動部材３２の正しい楕円運動を励起させることができなくなる。このとき、図１２Ｂに示すように、電流Ｉｂの振幅が低下する。楕円運動の軌跡の長径と短径の比は、圧電素子３１Ａに流れる電流Ｉａと圧電素子３１ｂに流れる電流Ｉｂとの比であり、図１１Ａと比べて短径が潰れた形となる。これは、圧電素子３１Ｂが充分に振動しておらず、よって充分な起電流が生じていないことを示している。

そこで、本発明は、アクチュエータ駆動装置、アクチュエータ駆動方法およびプログラムについて、異物による駆動低下や駆動停止を低減させ、安定的に駆動を継続させることを課題とする。

本発明は、上記目的を達成するため、
所定の変位を発生させる第１の変位素子および第２の変位素子と、
前記第１の変位素子および前記第２の変位素子と結合され、前記第１の変位素子および前記第２の変位素子の変位により駆動される駆動部材と、
前記駆動部材が当接することによって駆動される伝送部と、
を備えるアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動装置であって、
前記第１の変位素子に駆動電圧信号を印加する第１駆動回路と、
前記第２の変位素子に駆動電圧信号を印加する第２駆動回路と、
前記第２の変位素子に生じる起電流を検出する電流検出部と、
前記第１駆動回路を駆動させ、かつ前記第２駆動回路を駆動させずに前記アクチュエータを起動し、前記電流検出部が検出した起電流の振幅が閾値以下であることを検知した後には、前記第１駆動回路に加えて前記第２駆動回路も駆動させる制御部、
を備えることを特徴とするアクチュエータ駆動装置である。

本発明によれば、アクチュエータ駆動装置、アクチュエータ駆動方法およびプログラムについて、異物による駆動低下や駆動停止を低減させ、安定的に駆動を継続させることが可能となる。

本実施形態における駆動装置の概略を示す構成図である。 アクチュエータに異物が混入した際の動作例を示す図である。 アクチュエータに異物が混入した際の両圧電素子に流れる電流を示すタイムチャートである。 アクチュエータの両圧電素子を駆動させた際の動作例を示す図である。 アクチュエータの両圧電素子を駆動させた際の両圧電素子に流れる電流を示すタイムチャートである。 駆動装置の制御部の処理を示すフローチャートである。 圧電素子とその駆動回路を示す構成図である。 駆動波形発生器と正弦波変換器と電流検出器を示す回路図である。 圧電素子に印加する２つの電圧と、その電気－機械変換効率を示すグラフである。 駆動波形発生器の入出力波形を示す図である。 圧電素子に印加する２つの電圧と、その電気－機械変換効率を模式的に示すグラフである。 圧電素子の電圧制御処理を示すフローチャートである。 比較例のアクチュエータのうち片方の圧電素子を駆動させた際の動作例を示す図である。 アクチュエータの両圧電素子を駆動させた際の両圧電素子に流れる電流を示すタイムチャートである。 アクチュエータに異物が混入した際の動作例を示す図である。 アクチュエータに異物が混入した際の両圧電素子に流れる電流を示すタイムチャートである。

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
本発明は、非駆動側の圧電素子に生じる起電流を観測することにより、非駆動側の圧電素子が正常振動できているかを監視する。正しい楕円運動を励起させることができなくなったと判断した場合に非駆動側の圧電素子を駆動側に変更して駆動のアシストを行い、駆動部材の正しい楕円運動を励起させ伝送部を正常駆動させる発明である。これにより、単相位相差駆動方式のトラス型アクチュエータにおいて、異物による駆動低下や駆動停止を低減させ、安定的に駆動を継続させることができる。これを、後記する図１から図４を用いて説明する。

図１は、本実施形態における駆動装置１の概略を示す構成図である。
駆動装置１は、駆動波形制御部２と、駆動回路４Ａ，４Ｂと、電圧検出部２４Ａ，２４Ｂと、電流検出部２６Ａ，２６Ｂとを備える。駆動波形制御部２は、ＣＰＵ２１と、メモリ２９と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変換部２２Ａ，２３Ａ，２２Ｂ，２３Ｂと、Ａ／Ｄ変換器２５Ａ，２５Ｂと、Ａ／Ｄ変換器２７Ａ，２７Ｂとを備える。
メモリ２９には、ＰＷＭコントロールプログラム２９１と出力コントロールプログラム２９２が格納されている。圧電素子３１Ａ，３１Ｂは、後記する図２に示すアクチュエータ３を構成する素子である。駆動装置１は、圧電素子３１Ａ，３１Ｂに流れる電流を制御することで、後記する図２に示すアクチュエータ３を駆動させる機能を有する。

所定の変位を発生させる圧電素子３１Ａ（第１の変位素子）側の各部について説明する。ＰＷＭ変換部２２Ａ，２３Ａは、それぞれ正と０の２値からなるＰＷＭ信号を駆動回路４Ａに出力して正弦波電圧信号（駆動電圧信号）を生成し、この正弦波電圧信号を圧電素子３１Ａと電圧検出部２４Ａに印加する。これにより圧電素子３１Ａには、所定の変位が発生する。これらＰＷＭ変換部２２Ａ，２３Ａと駆動回路４Ａとは、第１駆動回路として機能する。駆動回路４Ａの構成と動作は、後記する図５と図６で説明する。

電圧検出部２４Ａは、この正弦波電圧の振幅を検出する。Ａ／Ｄ変換器２５Ａは、電圧検出部２４Ａが検出したアナログの電圧値をデジタル値に変換する。

圧電素子３１Ａには更に、電流検出部２６Ａが接続されている。この電流検出部２６Ａは、例えばシャント抵抗であり、圧電素子３１Ａに生じる起電流を検出する。Ａ／Ｄ変換器２７Ａは、電流検出部２６Ａが検出したアナログの電流値を、デジタル値に変換する。
所定の変位を発生させる圧電素子３１Ｂ（第２の変位素子）側の各部は、圧電素子３１Ａ側と同様に構成されており、同様に動作する。ＰＷＭ変換部２３Ｂと正弦波変換器とは、圧電素子３１Ｂに駆動電圧信号を印加する第２駆動回路として機能する。

ＰＷＭコントロールプログラム２９１は、ＣＰＵ２１がＰＷＭ変換部２３Ａ，２３Ｂを制御して電気－機械変換効率を向上させるためのプログラムである。ＰＷＭコントロールプログラム２９１の処理は、後記する図１０で説明する。

出力コントロールプログラム２９２は、ＣＰＵ２１がアクチュエータ３の状態に応じて、圧電素子３１Ａまたは／および圧電素子３１Ｂを駆動するためのプログラムである。出力コントロールプログラム２９２の処理は、後記する図４で説明する。ＣＰＵ２１は、最初、圧電素子３１Ａを駆動させてアクチュエータ３を起動する。その後、ＣＰＵ２１は、圧電素子３１Ｂに生じる起電流の振幅が閾値以下であったならば、圧電素子３１Ａに加えて、圧電素子３１Ｂも駆動させる。

図２Ａは、アクチュエータ３およびその駆動部の構成と、アクチュエータ３に異物が混入した際の動作例を示す図である。
トラス型のアクチュエータ３は、ベース振動体３３に２本の圧電素子３１Ａ，３１Ｂと駆動部材３２を組み合わせたトラス型構造である。このアクチュエータ３は、ベース振動体３３がロータ３４の方向に付勢されており、駆動部材３２を伝送部であるロータ３４に押しつけた構成である。ベース振動体３３は、圧電素子３１Ａ，３１Ｂの先端が直交するように、これら圧電素子３１Ａ，３１Ｂの基端が接着により固定されている。

駆動部材３２は、圧電素子３１Ａ，３１Ｂの先端の直交部分に接着される。ロータ３４は、駆動部材３２が当接して駆動される伝送部である。

不図示の付勢部は、ベース振動体３３と圧電素子３１Ａ，３１Ｂと駆動部材３２とを含むトラス構造体をロータ３４の方向に付勢し、よって駆動部材３２をロータ３４に接触させる。圧電素子３１Ａ，３１Ｂには、圧電効果により電気信号を変位に変換する積層型の圧電素子が用いられている。駆動部材３２には、安定して高い摩擦係数が得られ、摩耗しにくいタングステンなどの金属材料が用いられる。ベース振動体３３には、製造し易く強度が得られるステンレスなどの金属材料が用いられる。また、これらの接着には接着力や強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤が用いられる。不図示の付勢部は、コイルばねなどの弾性体で構成され、ベース振動体３３を伝送部である円板状のロータ３４の中心方向に付勢する。ロータ３４は、鉄、アルミニウムなどの金属で作製され、駆動部材３２との接触による摩耗を防ぐため、その側面にはタフトライド処理、アルマイト処理などの表面処理が施されている。

このトラス型のアクチュエータ３は、一方の圧電素子３１Ａに電圧信号を与えることにより、駆動部材３２を介して他方の圧電素子３１Ｂにも振動が伝わり共振発振を起こすように設計されている。このとき、駆動側の圧電素子３１Ａと非駆動側の圧電素子３１Ｂとが共振振動し、駆動部材３２に楕円運動を励起させて摩擦力によってロータ３４を駆動させる。そのため、２本の圧電素子３１Ａ，３１Ｂを同時に駆動する場合と比較して、約半分の電力でアクチュエータ３を駆動することが可能である。

駆動装置１は、駆動波形制御部２と、駆動回路４Ａ，４Ｂと、スイッチ２８Ｂと、電流検出部２６Ｂを備える。駆動回路４Ａは、トラス型のアクチュエータ３の圧電素子３１Ａに接続されており、駆動波形制御部２によって制御される。圧電素子３１Ａは、駆動回路４Ａによって所定の変位を発生させる。圧電素子３１Ｂは、駆動回路４Ｂによって所定の変位を発生させるが、ここでは非駆動側なので、スイッチ２８Ｂによって駆動回路４Ｂをバイパスしている。

駆動回路４Ｂは、スイッチ２８Ｂを介して圧電素子３１Ｂに接続されており、駆動波形制御部２によって制御される。スイッチ２８Ｂは、圧電素子３１Ｂを駆動回路４Ｂに接続するか否かを切り替える。ここで圧電素子３１Ｂ側は非駆動側なので、圧電素子３１Ｂは駆動回路４Ｂに接続されていない。電流検出部２６Ｂは、圧電素子３１Ｂに流れる電流を検出して、駆動波形制御部２に出力する。
なお、圧電素子３１Ａの側にも、圧電素子３１Ｂの側と同様な電流検出部とスイッチが接続されているが、ここでは図示を省略している。以下、圧電素子３１Ａ，３１Ｂを区別しないときには、単に圧電素子３１と記載する。駆動回路４Ａ，４Ｂを区別しないときには、単に駆動回路４と記載する。

駆動波形制御部２は、ベース振動体３３、圧電素子３１Ａ，３１Ｂおよび、駆動部材３２で構成されるトラス構造体の各圧電素子３１Ａ、３１Ｂに起因する近接した２つの共振周波数のうち、圧電素子３１Ａに起因する共振周波数付近の周波数の信号を、駆動側の圧電素子３１Ａのみに与えている。しかし、図２Ａに示した例では、アクチュエータ３に異物５が入り込んでいるので、トラス構造体の共振周波数が変化して、非駆動側の圧電素子３１Ｂの共振運動の振幅が極めて小さくなる。駆動部材３２には、ロータ３４との接触面に対してθ／２だけ長軸が傾いた楕円運動が励起される。駆動部材３２に励起された楕円運動の軌跡の長径と短径の比は、圧電素子３１Ａに流れる電流Ｉａと圧電素子３１ｂに流れる電流Ｉｂとの比である。この楕円運動は、短径が潰れた形となる。この駆動部材３２が押しつけられたロータ３４のトルクＮは、異物５が混入しない場合のトルクよりも小さくなる。

図２Ｂは、アクチュエータ３に異物が混入した際の両圧電素子に流れる電流を示すタイムチャートである。
圧電素子３１Ａには、正弦波状の電流Ｉａが流れる。これにより、非駆動側の圧電素子３１Ｂは位相ずれした共振運動を行い、電流Ｉｂが発生する。異物５によって共振周波数がずれているので、異物５がない場合よりも圧電素子３１Ｂの振動は小さくなる。よって、圧電素子３１Ｂの起電流の振幅も小さくなる。

ロータ３４に駆動力を与えているのは、駆動側の圧電素子３１Ａであり、非駆動側の圧電素子３１Ｂはそれに追従した形で共振しているにすぎない。駆動部材３２とロータ３４に異物５などが入り込むと非駆動側の圧電素子３１Ｂは、正常に共振振動を生じることができなくなる。駆動部材３２は正しい楕円運動をしなくなり、ロータ３４の駆動力が低下し、またはロータ３４を駆動できなくなる。

図３Ａは、アクチュエータ３の両圧電素子を駆動させた際の動作例を示す図である。
ここで圧電素子３１Ｂを駆動させるため、スイッチ２８Ｂは、駆動回路４Ｂと圧電素子３１Ｂとを接続している。更に駆動波形制御部２は、駆動回路４ＢにＰＷＭ信号を出力して、この駆動回路４Ｂに正弦波電圧信号を出力させる。これにより、図３Ｂに示すように、圧電素子３１Ｂに流れる電流Ｉｂの振幅は、圧電素子３１Ａに流れる電流Ｉａの振幅と同様となる。これにより、駆動部材３２には、ロータ３４との接触面に対してθ／２だけ長軸が傾いた楕円運動が励起される。図３Ａに示したように駆動部材３２Ａに励起される楕円運動の長径と短径の比は１：１に近づき、略円形となるため、ロータ３４に所定の駆動力が生じるようになる。

図３Ｂは、アクチュエータ３の圧電素子３１Ａ，３１Ｂを両方とも駆動させた際の圧電素子３１Ａ，３１Ｂにそれぞれ流れる電流Ｉａ，Ｉｂを示すタイムチャートである。
圧電素子３１Ａには、正弦波状の電流Ｉａが流れる。圧電素子３１Ｂには、θだけ位相ずれした正弦波状の電流Ｉｂが流れる。ここでは、電流Ｉａの振幅と電流Ｉｂの振幅とは略同一である。

図４は、駆動波形制御部２の処理を示すフローチャートである。
単相位相差駆動方式のトラス型アクチュエータにおいて、駆動波形制御部２は以下のように動作する。なお、以下のフローチャートでは、駆動側の駆動回路４Ａのことを「駆動回路Ａ」と記載し、圧電素子３１Ａのことを「圧電素子Ａ」と記載する。非駆動側の駆動回路４Ｂのことを「駆動回路Ｂ」と記載し、圧電素子３１Ｂのことを「圧電素子Ｂ」と記載する。

駆動波形制御部２は先ず、スイッチ２８Ｂを切り替えて、駆動回路４Ｂをバイパスさせる（Ｓ１０）。
駆動波形制御部２は、駆動回路４Ａを駆動制御しながら（Ｓ１１）、圧電素子３１Ｂの起電流である電流Ｉｂを絶えず監視し（Ｓ１２）、この電流Ｉｂの振幅が閾値未満であるか否かを判定する（Ｓ１３）。これにより、駆動波形制御部２は、非駆動側の圧電素子３１Ｂの共振振動量を判定する。

ステップＳ１３において、駆動波形制御部２は、起電流の振幅（振動量）が閾値未満ならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５に進む。駆動波形制御部２は、起電流の振幅（振動量）が閾値以上ならば（Ｎｏ）、不図示の上位装置からモータ停止要求が入力されたか否かを判定する（Ｓ１４）。

ステップＳ１４において、駆動波形制御部２は、モータ停止要求が入力されると（Ｙｅｓ）、図４の処理を終了し、モータ停止要求が入力されなかったならば（Ｎｏ）、ステップＳ１１の処理に戻る。

ステップＳ１５において、駆動波形制御部２は、駆動回路４Ｂの側にスイッチ２８Ｂを切り替える（Ｓ１５）。これにより、非駆動側の圧電素子３１Ｂを、駆動側に変更して駆動アシストを行うので、駆動部材３２の正しい楕円運動を励起させ、ロータ３４を正常駆動させることができる。

その後、駆動波形制御部２は、駆動回路４Ａ，４Ｂを駆動制御しつつ（Ｓ１６）、所定時間が経過したか否かを判定する（Ｓ１７）。駆動波形制御部２は、所定時間が経過したならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０に戻って駆動アシストを終了し、所定時間が経過していないならば（Ｎｏ）、ステップＳ１８の処理に進む。

駆動波形制御部２は、不図示の上位装置からモータ停止要求が入力されたか否かを判定する（Ｓ１８）。ステップＳ１８において、駆動波形制御部２は、モータ停止要求が入力されると（Ｙｅｓ）、図４の処理を終了する。駆動波形制御部２は、モータ停止要求が入力されなかったならば（Ｎｏ）、ステップＳ１６の処理に戻り、駆動アシストを継続する。

これらの処理によって、異物によるトラス型アクチュエータの駆動低下や駆動停止を低減させ、安定的に駆動を継続させることができる。なお、ロータ３４を逆方向に回転させる場合には、上記フローチャートの駆動回路４Ａと駆動回路４Ｂを入れ替えて制御すればよい。

《正弦波電圧信号の制御》
トラス型圧電アクチュエータの最大機械出力特性は、使用する圧電素子の素材特性およびアクチュエータの構造に依存する。また最大機械出力時に電気－機械変換効率も最大となる。使用用途により必要とされる機械出力は様々であり、用途毎に効率の良いアクチュエータを設計することは困難である。

本発明では、トラス型圧電アクチュエータにおいて、圧電素子に供給する電圧を制御することにより、動作させたい機械出力での電気－機械変換効率を最大としている。これを、後記する図５から図１０を用いて説明する。なお、ここでは圧電素子３１Ａとその駆動回路４Ａで説明しているが、圧電素子３１Ｂとその駆動回路４Ｂも同様に構成されており、同様に動作する。

図５は、圧電素子３１Ａとその駆動回路４Ａを示す構成図である。
駆動回路４Ａは、駆動波形発生器４１と、この駆動波形発生器４１のＰＷＭ信号を正弦波信号に変換する正弦波変換器４２とを備える。駆動回路４の出力電圧は、正弦波信号であり、圧電素子３１に印加される。電圧検出部２４は、駆動回路４が出力する正弦波信号の振幅を検出する

駆動波形制御部２から正と０の２値からなる２つのＰＷＭ信号が、駆動波形発生器４１に出力される。駆動波形発生器４１より、後記する図８の第５グラフに示すような正と負と０の三値からなるＰＷＭ信号が生成される。このＰＷＭ信号は、正弦波変換器４２に入力される。正弦波変換器４２は、入力されたＰＷＭ信号を正弦波電圧信号に変換する。この正弦波電圧信号は、圧電素子３１Ａに印加される。

このとき、正弦波変換器４２から出力される正弦波電圧信号の振幅は、正弦波変換器４２に入力されたＰＷＭ信号のオン時間（Ｖｏｎ）に合わせて変化する。つまり、ＰＷＭ信号のオン時間を短くすることで、正弦波電圧信号の振幅を小さくすることができる。ＰＷＭ信号のオン時間を長くすることで、正弦波電圧信号の振幅を大きくすることができる。

正弦波変換器４２より出力された正弦波電圧信号により、圧電素子３１Ａに駆動電圧が印加される。また、駆動波形制御部２は、電圧検出部２４Ａにより圧電素子３１Ａに印加されている正弦波電圧信号の振幅を検出し、駆動波形発生器４１で生成するＰＷＭ波形のＯＮ時間（Ｖｏｎ）をフィードバック制御することにより、検出値と目標値の差を補正する。

図６は、駆動波形発生器４１と正弦波変換器４２と電圧検出部２４Ａを示す回路図である。
駆動波形発生器４１は、フルブリッジ接続されたスイッチング素子Ｓ１～Ｓ４で構成されている。駆動波形発生器４１は、直流電源６から供給された電圧と、駆動波形制御部２から入力された正と０の２値からなる２つのＰＷＭ信号に基づき、正と負と０の三値からなるＰＷＭ信号を生成する。

正弦波変換器４２は、コイルＬ１，Ｌ２とコンデンサＣで構成されたＬＣ発振回路である。この正弦波変換器４２は、入力されたＰＷＭ信号を正弦波電圧信号に変換して、圧電素子３１Ａに印加する。電圧検出部２４Ａは、圧電素子３１Ａと並列に接続されて、この圧電素子３１Ａの両端電圧を検出する。これにより駆動波形制御部２は、圧電素子３１Ａを駆動する正弦波電圧信号の振幅を検出し、検出値と目標値との差を補正することができる。

図７は、圧電素子３１Ａに印加する２つの電圧と、その電気－機械変換効率を示すグラフである。
圧電素子３１Ａを４．１６Ｖ振幅の正弦波電圧信号で駆動した場合、機械出力の最大は略２．０（ｍＷ）である。また、圧電素子３１を５．６Ｖ振幅の正弦波電圧信号で駆動した場合、機械出力の最大は略４．５（ｍＷ）である。しかし、機械出力２．０（ｍＷ）以下の全領域において、４．１６Ｖ振幅の正弦波駆動の変換効率は、５．６Ｖ振幅の正弦波駆動の変換効率よりも良い。

このグラフは、トラス型圧電アクチュエータの駆動圧電素子に加える正弦波電圧信号の振幅を小さくすることで、任意の機械出力での電気－機械変換効率が上がることを示している。つまり、トラス型圧電アクチュエータの機械出力の値に応じて正弦波電圧信号の振幅が切り替わるように駆動波形発生器を制御することで、このアクチュエータの電気－機械変換効率を向上させることができる。

図８は、駆動波形発生器４１の入出力波形を示すグラフである。
第１グラフは、スイッチング素子Ｓ１のゲートに印加される制御信号を示している。第２グラフは、スイッチング素子Ｓ２のゲートに印加される制御信号を示している。第３グラフは、スイッチング素子Ｓ３のゲートに印加される制御信号を示している。第４グラフは、スイッチング素子Ｓ４のゲートに印加される制御信号を示している。第５グラフは、正弦波変換器４２に出力されるＰＷＭ信号を示している。図１に示したＰＷＭ変換部２２Ａは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のゲートに印加される制御信号を出力する。図１に示したＰＷＭ変換部２３Ａは、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のゲートに印加される制御信号を出力する。

時刻ｔ１において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のゲートがＨレベルになり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がターンオンする。これにより、正弦波変換器４２のコイルＬ１の左側端子に対して直流電源６の電圧が印加される。第５グラフでは、これを電圧Ｖｍ（Ｖ）として示している。

時刻ｔ２において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のゲートがＬレベルになり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がターンオフする。これにより、正弦波変換器４２には電圧が印加されなくなる。第５グラフでは、これを電圧０（Ｖ）で示している。

時刻ｔ３において、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のゲートがＨレベルになり、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がターンオンする。これにより、正弦波変換器４２のコイルＬ２の左側端子に対して直流電源６の電圧Ｖｍが印加される。第５グラフでは、これを電圧－Ｖｍ（Ｖ）として示している。

時刻ｔ４において、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のゲートがＬレベルになり、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がターンオフする。これにより、正弦波変換器４２のコイルＬ２の左側端子に対して直流電源６の電圧Ｖｍが印加される。第５グラフでは、これを電圧０（Ｖ）として示している。

以下、時刻ｔ５～ｔ８と、時刻ｔ９～ｔ１２においても同様な動作が繰り返される。つまり、図１に示すＰＷＭ変換部２２Ａは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のゲートに対して、デューティ５０％未満のＰＷＭ信号を印加する。更に図１に示すＰＷＭ変換部２３Ａが、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のゲートのＰＷＭ信号がオフ状態のときにスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のゲートをオンするようなデューティ５０％未満のＰＷＭ信号を印加することで、図８の第５グラフに示す信号を生成することができる。なお、このＰＷＭ信号のオン期間を拡げることで、正弦波電圧の振幅を高めることができる。このＰＷＭ信号のオン期間を狭めることで、正弦波電圧の振幅を低くすることができる。

図９は、圧電素子３１Ａに印加する２つの電圧と、その電気－機械変換効率を模式的に示すグラフである。
圧電素子３１Ａを振幅Ｅ２の正弦波電圧信号で駆動した場合、機械出力の最大は略ＨＰである。また、圧電素子３１Ａを、振幅Ｅ２よりも大きい振幅Ｅ１の正弦波電圧信号で駆動した場合、機械出力の最大はＨＰの２倍近くになる。しかし、機械出力ＨＰ以下の全領域において、振幅Ｅ２の正弦波駆動の変換効率は、振幅Ｅ１の正弦波駆動の変換効率よりも良い。よって、アクチュエータの機械出力の値に応じて正弦波電圧信号の振幅を選択することにより、電気－機械変換効率を上げることができる。

このグラフは、トラス型圧電アクチュエータの圧電素子３１Ａに加える正弦波電圧信号の振幅を小さくすることで、任意の機械出力での電気－機械変換効率が上がることを示している。

図１０は、圧電素子の電圧制御処理を示すフローチャートである。
図９に示すグラフに基づき、圧電素子に印加する正弦波電圧信号を制御する電圧制御処理を説明する。この電圧制御処理は、アクチュエータの駆動を開始する際に起動される。

駆動波形制御部２は、不図示の速度検出器でアクチュエータ３の現在の回転速度を検出し（Ｓ２０）、このアクチュエータの回転速度から機械出力の値を算出する（Ｓ２１）。駆動波形制御部２は、この機械出力の値がＨＰ未満であるか否かを判定する（Ｓ２２）。駆動波形制御部２は、アクチュエータ３の機械出力の値がＨＰ未満ならば（Ｙｅｓ）、正弦波電圧信号の振幅の目標値をＥ２として（Ｓ２３）、ステップＳ２５の処理に進む。駆動波形制御部２は、アクチュエータ３の機械出力の値がＨＰ以上ならば（Ｎｏ）、正弦波電圧信号の振幅の目標値をＥ１として（Ｓ２４）、ステップＳ２５の処理に進む。

ステップＳ２５～Ｓ２７は、正弦波電圧信号の振幅が目標値となるようにフィードバックする制御である。駆動波形制御部２は、電圧検出部２４により、圧電素子３１に印加される正弦波電圧信号の振幅を測定し（Ｓ２５）、正弦波電圧信号の振幅の目標値と測定値との差を計算する（Ｓ２６）。更に駆動波形制御部２は、標値と測定値との差に基づくＰＩ（比例積分）制御を行い、ＰＷＭ信号のデューティを算出して（Ｓ２７）、ステップＳ２０の処理に戻る。ステップＳ２７におけるＰＩ制御のゲインを適切に選択することにより、所定時間後に正弦波電圧の振幅は収束する。よって、電源電圧の変動によらず、目標値振幅の正弦波電圧を圧電素子３１に印加することができる。

図１０の電圧制御処理により、アクチュエータの現在の機械出力の値に応じた、変換効率の良い動作が行える。更に、駆動波形発生器４１へ供給される電源電圧の変動を考慮した安定した動作が行える。

《実施形態の要点》
本実施形態の駆動波形制御部２は、単相位相差駆動方式のトラス型アクチュエータにおいて、異物等によって非駆動側の圧電素子の共振振動量が低下した場合、非駆動側の圧電素子の起電流の振幅低下から、アクチュエータの駆動低下や駆動停止が発生することを検出する。駆動波形制御部２は更に、本来は非駆動側である圧電素子を駆動側に変更し、駆動部材の楕円運動を強制アシストする。これにより、トラス型アクチュエータを継続して安定動作させることができる。

本実施形態の制御方法は、単相位相差駆動方式のトラス型アクチュエータにおける駆動問題に対する一つの解決方法であり、低電力駆動をベースに異物による駆動低下や駆動停止を低減させ安定的に駆動継続運動を得ることが可能である。駆動アシストの際には駆動電力が約２倍となるが、異物が取れた場合や、安定駆動に支障がない場合は、駆動アシストを停止して単相位相差駆動方式に戻すことで、消費電力の増加を抑制することが可能である。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能であり、例えば、次の（ａ）～（ｄ）のようなものがある。

（ａ） アクチュエータの機械出力は２分割に限定されず、３以上に分割して、各分割区間の機械出力に応じた振幅の正弦波電圧信号を印加してもよい。
（ｂ） 駆動装置が駆動アシストを停止する条件は、所定時間の経過に限定されず、例えば所定の回転量に応じて停止してもよい。
（ｃ） 圧電素子に印加する正弦波電圧信号の振幅のフィードバック制御は、図１０に示したＰＩ制御に限定されず、ＰＩＤ（比例積分微分）制御や現代制御など、任意の制御方式であってもよい。
（ｄ） アクチュエータの機械出力の値を算出する元となる計測値、このアクチュエータの速度に限られず、アクチュエータのトルクに基づいて算出してもよい。

以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。

〔付記〕
《請求項１》
所定の変位を発生させる第１の変位素子および第２の変位素子と、
前記第１の変位素子および前記第２の変位素子と結合され、前記第１の変位素子および前記第２の変位素子の変位により駆動される駆動部材と、
前記駆動部材が当接することによって駆動される伝送部と、
を備えるアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動装置であって、
前記第１の変位素子に駆動電圧信号を印加する第１駆動回路と、
前記第２の変位素子に駆動電圧信号を印加する第２駆動回路と、
前記第２の変位素子に生じる起電流を検出する電流検出部と、
前記第１駆動回路を駆動させ、かつ前記第２駆動回路を駆動させずに前記アクチュエータを起動し、前記電流検出部が検出した起電流の振幅が閾値以下であることを検知した後には、前記第１駆動回路に加えて前記第２駆動回路も駆動させる制御部、
を備えることを特徴とするアクチュエータ駆動装置。
《請求項２》
前記第１駆動回路および前記第２駆動回路は、それぞれ駆動波形発生器と、前記駆動波形発生器のＰＷＭ信号を正弦波電圧信号に変換する正弦波変換器と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ駆動装置。
《請求項３》
前記制御部は、前記アクチュエータの機械出力の値に応じて、前記正弦波の電圧が切り替わるように、前記駆動波形発生器を制御する、
ことを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ駆動装置。
《請求項４》
前記駆動波形発生器は、フルブリッジ回路である、
ことを特徴とする請求項２または３に記載のアクチュエータ駆動装置。
《請求項５》
所定の変位を発生させる第１の変位素子および第２の変位素子と、
前記第１の変位素子および前記第２の変位素子と結合され、前記第１の変位素子および前記第２の変位素子の変位により駆動される駆動部材と、
前記駆動部材が当接することによって駆動される伝送部と、
を備えるアクチュエータの駆動方法であって、
前記第１の変位素子に駆動信号を印加する第１駆動回路を駆動させ、かつ前記第２の変位素子に駆動信号を印加する第２駆動回路を駆動させずに前記アクチュエータを起動するステップと、
前記第２の変位素子に生じる起電流の振幅を検知するステップと、
前記起電流の振幅が閾値以下であることを検知した後には、前記第１駆動回路に加えて前記第２駆動回路も駆動させるステップと、
を実行することを特徴とするアクチュエータ駆動方法。
《請求項６》
所定の変位を発生させる第１の変位素子および第２の変位素子と、
前記第１の変位素子および前記第２の変位素子と結合され、前記第１の変位素子および前記第２の変位素子の変位により駆動される駆動部材と、
前記駆動部材が当接することによって駆動される伝送部と、
を備えるアクチュエータをコンピュータに駆動させるプログラムであって、
前記第１の変位素子に駆動電圧信号を印加する第１駆動回路を駆動させ、かつ前記第２の変位素子に駆動電圧信号を印加する第２駆動回路を駆動させずに前記アクチュエータを起動する手順、
前記第２の変位素子に生じる起電流の振幅を検知する手順、
前記起電流の振幅が閾値以下であることを検知した後には、前記第１駆動回路に加えて前記第２駆動回路も駆動させる手順、
をコンピュータに実行させるためのプログラム。

１ 駆動装置 （アクチュエータ駆動装置）
２ 駆動波形制御部
２１ ＣＰＵ （制御部）
２９ メモリ
２９１ ＰＷＭコントロールプログラム
２９２ 出力コントロールプログラム
２２Ａ，２３Ａ，２２Ｂ，２３Ｂ ＰＷＭ変換部
２４，２４Ａ，２４Ｂ 電圧検出部
２５Ａ，２５Ｂ Ａ／Ｄ変換器
２６Ａ，２６Ｂ 電流検出部
２７Ａ，２７Ｂ Ａ／Ｄ変換器
２８Ｂ スイッチ
３ アクチュエータ
３１ 圧電素子
３１Ａ 圧電素子 （第１の変位素子）
３１Ｂ 圧電素子 （第２の変位素子）
３２ 駆動部材
３３ ベース振動体
３４ ロータ （伝送部）
４ 駆動回路
４Ａ 駆動回路 （第１の駆動回路）
４Ｂ 駆動回路 （第２の駆動回路）
４１ 駆動波形発生器 （駆動回路の一部）
４２ 正弦波変換器 （駆動回路の一部）
５ 異物

Claims (6)

1. 所定の変位を発生させる第１の変位素子および第２の変位素子と、
   前記第１の変位素子および前記第２の変位素子と結合され、前記第１の変位素子および前記第２の変位素子の変位により駆動される駆動部材と、
   前記駆動部材が当接することによって駆動される伝送部と、
   を備えるアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動装置であって、
   前記第１の変位素子に駆動電圧信号を印加する第１駆動回路と、
   前記第２の変位素子に駆動電圧信号を印加する第２駆動回路と、
   前記第２の変位素子に生じる起電流を検出する電流検出部と、
   前記第１駆動回路を駆動させ、かつ前記第２駆動回路を駆動させずに前記アクチュエータを起動し、前記電流検出部が検出した起電流の振幅が閾値以下であることを検知した後には、前記第１駆動回路に加えて前記第２駆動回路も駆動させる制御部、
   を備えることを特徴とするアクチュエータ駆動装置。
2. 前記第１駆動回路および前記第２駆動回路は、それぞれ駆動波形発生器と、前記駆動波形発生器のＰＷＭ信号を正弦波電圧信号に変換する正弦波変換器と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ駆動装置。
3. 前記制御部は、前記アクチュエータの機械出力の値に応じて、前記正弦波の電圧が切り替わるように、前記駆動波形発生器を制御する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ駆動装置。
4. 前記駆動波形発生器は、フルブリッジ回路である、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載のアクチュエータ駆動装置。
5. 所定の変位を発生させる第１の変位素子および第２の変位素子と、
   前記第１の変位素子および前記第２の変位素子と結合され、前記第１の変位素子および前記第２の変位素子の変位により駆動される駆動部材と、
   前記駆動部材が当接することによって駆動される伝送部と、
   を備えるアクチュエータの駆動方法であって、
   前記第１の変位素子に駆動信号を印加する第１駆動回路を駆動させ、かつ前記第２の変位素子に駆動信号を印加する第２駆動回路を駆動させずに前記アクチュエータを起動するステップと、
   前記第２の変位素子に生じる起電流の振幅を検知するステップと、
   前記起電流の振幅が閾値以下であることを検知した後には、前記第１駆動回路に加えて前記第２駆動回路も駆動させるステップと、
   を実行することを特徴とするアクチュエータ駆動方法。
6. 所定の変位を発生させる第１の変位素子および第２の変位素子と、
   前記第１の変位素子および前記第２の変位素子と結合され、前記第１の変位素子および前記第２の変位素子の変位により駆動される駆動部材と、
   前記駆動部材が当接することによって駆動される伝送部と、
   を備えるアクチュエータをコンピュータに駆動させるプログラムであって、
   前記第１の変位素子に駆動電圧信号を印加する第１駆動回路を駆動させ、かつ前記第２の変位素子に駆動電圧信号を印加する第２駆動回路を駆動させずに前記アクチュエータを起動する手順、
   前記第２の変位素子に生じる起電流の振幅を検知する手順、
   前記起電流の振幅が閾値以下であることを検知した後には、前記第１駆動回路に加えて前記第２駆動回路も駆動させる手順、
   をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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