JP7363563B2 - 異常検出方法、圧電モーターおよびロボット - Google Patents

Description

本発明は、異常検出方法、圧電モーターおよびロボットに関する。

特許文献１に記載されている超音波モーターの異常検出方法では、超音波モーターの振動に基づいて出力されるモニター電圧を検出し、検出したモニター電圧が所定範囲にあるか否かを判定し、所定範囲外であれば異常信号を出力する。

特開平１－１９０２６９号公報

しかしながら、特許文献１の異常検出方法では、モニター電圧が所定範囲外である原因を判定することができない。具体的には、超音波モーター自体が損傷して振動不能となっていることが原因でモニター電圧が所定範囲外となっているのか、或いは、超音波モーター自体は正常に振動しているにも関わらず、モニター電圧を出力する電極や配線が損傷していることが原因でモニター電圧が所定範囲外となっているのか、を判定することができない。

本発明の異常検出方法は、駆動用圧電素子および検出用圧電素子を備え、駆動信号を印加して前記駆動用圧電素子を伸縮させることにより振動し、前記振動に基づいた検出信号が前記検出用圧電素子から出力される振動体と、前記振動体によって駆動される被駆動体と、を有する圧電モーターの異常を検出する異常検出方法であって、
前記検出信号に基づいて前記圧電モーターの異常を検出した場合に、
前記被駆動体の位置に基づいた値が所定範囲外の場合は、前記振動体を含む駆動系に異常がある駆動系異常状態であると判定し、
前記位置に基づいた値が前記所定範囲内の場合は、前記検出用圧電素子を含む検出系に異常がある検出系異常状態であると判定する。

本発明の圧電モーターは、駆動用圧電素子および検出用圧電素子を備え、駆動信号を印加して前記駆動用圧電素子を伸縮させることにより振動し、前記振動に基づいた検出信号が前記検出用圧電素子から出力される振動体と、
前記振動体によって駆動される被駆動体と、
前記振動体の駆動を制御すると共に、前記振動体の異常を検出する制御装置と、
前記被駆動体の位置を検出する位置検出装置と、を有し、
前記制御装置は、
前記検出信号に基づいて前記振動体の異常を検出した場合に、
前記被駆動体の位置に基づいた値が所定範囲外の場合は、前記振動体を含む駆動系に異常がある駆動系異常状態であると判定し、
前記位置に基づいた値が前記所定範囲内の場合は、前記検出用圧電素子を含む検出系に異常がある検出系異常状態であると判定する。

本発明のロボットは、第１部材と、
前記第１部材に対して回動する第２部材と、
前記第１部材に対して前記第２部材を回動させる圧電モーターと、を有し、
前記圧電モーターは、
駆動用圧電素子および検出用圧電素子を備え、駆動信号を印加して前記駆動用圧電素子を伸縮させることにより振動し、前記振動に基づいた検出信号が前記検出用圧電素子から出力される振動体と、
前記振動体によって駆動される被駆動体と、
前記振動体の駆動を制御すると共に、前記圧電モーターの異常を検出する制御装置と、
前記被駆動体の位置を検出する位置検出装置と、を有し、
前記制御装置は、
前記検出信号に基づいて前記圧電モーターの異常を検出した場合に、
前記被駆動体の位置に基づいた値が所定範囲外の場合は、前記振動体を含む駆動系に異常がある駆動系異常状態であると判定し、
前記位置に基づいた値が前記所定範囲内の場合は、前記検出用圧電素子を含む検出系に異常がある検出系異常状態であると判定する。

本発明の第１実施形態に係る圧電モーターを示す平面図である。 圧電アクチュエーターを示す平面図である。 図２中のＡ－Ａ線断面図である。 図２中のＢ－Ｂ線断面図である。 図２中のＣ－Ｃ線断面図である。 図２中のＤ－Ｄ線断面図である。 駆動信号および検出信号を示す図である。 圧電モーターの駆動状態を示す平面図である。 圧電モーターの駆動状態を示す平面図である。 制御装置を示すブロック図である。 駆動信号の周波数と検出信号の電圧値との関係を示すグラフである。 異常検出方法を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態に係る圧電モーターが有する制御装置を示すブロック図である。 異常検出方法を説明するためのフローチャートである。 第３実施形態に係る圧電モーターが有する制御装置を示すブロック図である。 異常検出方法を説明するためのフローチャートである。 第４実施形態に係る圧電モーターの構成を示すブロック図である。 図１７に示す構成の変形例を示すブロック図である。 第５実施形態に係るロボットを示す斜視図である。

以下、本発明の異常検出方法、圧電モーターおよびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電モーターを示す平面図である。図２は、圧電アクチュエーターを示す平面図である。図３は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。図４は、図２中のＢ－Ｂ線断面図である。図５は、図２中のＣ－Ｃ線断面図である。図６は、図２中のＤ－Ｄ線断面図である。図７は、駆動信号および検出信号を示す図である。図８および図９は、それぞれ、圧電モーターの駆動状態を示す平面図である。図１０は、制御装置を示すブロック図である。図１１は、駆動信号の周波数と検出信号の電圧値との関係を示すグラフである。図１２は、異常検出方法を説明するためのフローチャートである。

なお、以下では、説明の便宜上、図１～図６、図８、図９の各図において、互いに直交する３軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示する。また、以下では、Ｘ軸に沿う方向をＸ軸方向、Ｙ軸に沿う方向をＹ軸方向、Ｚ軸に沿う方向をＺ軸方向とも言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｘ軸方向プラス側を「上」または「上側」とも言い、Ｘ軸方向マイナス側を「下」または「下側」とも言う。

図１に示す圧電モーター１は、円盤状をなしその中心軸Ｏまわりに回転可能な被駆動体としてのローター２と、ローター２の外周面２１に当接し、ローター２を中心軸Ｏまわりに回転させる駆動部３と、ローター２の位置を検出する位置検出装置としてのエンコーダー９と、を有する。また、駆動部３は、圧電アクチュエーター４と、圧電アクチュエーター４をローター２に向けて付勢する付勢部材５と、圧電アクチュエーター４の駆動を制御する制御装置７と、を有する。このような圧電モーター１では、圧電アクチュエーター４が屈曲振動すると、その振動がローター２に伝わり、ローター２が中心軸Ｏまわりに回転する。

なお、圧電モーター１の構成としては、図１の構成に限定されない。例えば、後述する第２実施形態でも説明するように、ローター２の周方向に沿って複数の圧電アクチュエーター４を配置し、複数の圧電アクチュエーター４の駆動によってローター２を回転させてもよい。また、駆動部３は、ローター２の外周面２１ではなく、ローター２の主面２２に当接していてもよい。また、被駆動体は、ローター２のような回転体に限定されず、例えば、直線移動するスライダーであってもよい。

また、ローター２にはエンコーダー９が設けられており、エンコーダー９によって、ローター２の挙動、特に、回転量および駆動速度（角速度）を検出することができる。エンコーダー９としては、特に限定されず、例えば、ローター２の回転時にその回転量を検出するインクリメンタル型のエンコーダーであってもよいし、ローター２の回転の有無に関わらず、ローター２の原点からの絶対位置を検出するアブソリュート型のエンコーダーであってもよい。

本実施形態のエンコーダー９は、ローター２の上面に固定されたスケール９１と、スケール９１の上側に設けられた光学素子９２と、を有する。また、スケール９１は、円板状をなし、その上面に図示しないパターンが設けられている。一方、光学素子９２は、スケール９１のパターンに向けて光を照射する発光素子９２１と、スケール９１のパターンを撮像する撮像素子９２２と、を有する。このような構成のエンコーダー９では、撮像素子９２２により取得されるパターンの画像をテンプレートマッチングすることにより、ローター２の回転量、駆動速度、絶対位置等を検出することができる。ただし、エンコーダー９の構成としては、上記の構成に限定されない。例えば、撮像素子９２２に代えて、スケール９１からの反射光または透過光を受光する受光素子を備えた構成であってもよい。

図２に示すように、圧電アクチュエーター４は、振動体４１と、振動体４１を支持している支持部４２と、振動体４１と支持部４２とを接続している接続部４３と、振動体４１に接続され、振動体４１の振動をローター２に伝達する凸部４４と、を有する。

振動体４１は、Ｘ軸方向を厚さ方向とし、Ｙ軸およびＺ軸を含むＹ－Ｚ平面に広がる板状をなし、Ｙ軸方向に伸縮しながらＺ軸方向に屈曲することによりＳ字状に屈曲振動する。また、振動体４１は、Ｘ軸方向からの平面視で、伸縮方向であるＹ軸方向を長手とする長手形状となっている。ただし、振動体４１の形状としては、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。

また、図２に示すように、振動体４１は、振動体４１を屈曲振動させるための駆動用の圧電素子６Ａ～６Ｅと、振動体４１の振動を検出するための検出用の圧電素子６Ｆ、６Ｇと、を有する。

圧電素子６Ｃは、振動体４１の中央部において、振動体４１の長手方向であるＹ軸方向に沿って配置されている。この圧電素子６Ｃに対して振動体４１のＺ軸方向プラス側には圧電素子６Ａ、６Ｂが振動体４１の長手方向に並んで配置され、Ｚ軸方向マイナス側には圧電素子６Ｄ、６Ｅが振動体４１の長手方向に並んで配置されている。また、これら圧電素子６Ａ～６Ｅは、それぞれ、通電によって振動体４１の長手方向であるＹ軸方向に伸縮する。また、圧電素子６Ａ、６Ｅが互いに電気的に接続されており、圧電素子６Ｂ、６Ｄが互いに電気的に接続されている。

後述するように、圧電素子６Ｃと、圧電素子６Ａ、６Ｅと、圧電素子６Ｂ、６Ｄと、にそれぞれ位相の異なる同周波数の駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を印加し、これらの伸縮タイミングをずらすことにより、振動体４１をその面内においてＳ字状に屈曲振動させることができる。

圧電素子６Ｆは、圧電素子６ＣのＹ軸方向プラス側に位置し、圧電素子６Ｇは、圧電素子６ＣのＹ軸方向マイナス側に位置している。また、圧電素子６Ｆ、６Ｇは、互いに電気的に接続されている。これら圧電素子６Ｆ、６Ｇは、圧電素子６Ａ～６Ｅの駆動に伴う振動体４１の振動に応じた外力を受け、受けた外力に応じた信号を出力する。そのため、圧電素子６Ｆ、６Ｇから出力される信号に基づいて、振動体４１の振動状態を検知することができる。

また、接続部４３は、振動体４１の屈曲振動の節となる部分、具体的にはＹ軸方向の中央部と支持部４２とを接続している。また、接続部４３は、振動体４１に対してＺ軸方向マイナス側に位置する第１接続部４３１と、Ｚ軸方向プラス側に位置する第２接続部４３２と、を有する。ただし、接続部４３の構成は、特に限定されない。

以上のような振動体４１、支持部４２および接続部４３は、図３から図６に示すように、２つの圧電素子ユニット６０を互いに向かい合わせて貼り合せた構成となっている。各圧電素子ユニット６０は、基板６１と、基板６１上に配置された駆動用の圧電素子６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、６０Ｅおよび検出用の圧電素子６０Ｆ、６０Ｇと、各圧電素子６０Ａ～６０Ｇを覆う保護層６３と、を有する。

圧電素子６０Ａ～６０Ｇは、それぞれ、基板６１上に配置された第１電極６０１と、第１電極６０１上に配置された圧電体６０２と、圧電体６０２上に配置された第２電極６０３と、を有する。第１電極６０１は、圧電素子６０Ａ～６０Ｇに共通して設けられている。一方、圧電体６０２および第２電極６０３は、それぞれ、圧電素子６０Ａ～６０Ｇに個別に設けられている。

２つの圧電素子ユニット６０は、圧電素子６０Ａ～６０Ｇが配置されている側の面を対向させた状態で接着剤６９を介して接合されている。また、各圧電素子ユニット６０の第１電極６０１同士が図示しない配線等を介して電気的に接続されている。また、各圧電素子ユニット６０の圧電素子６０Ａが有する第２電極６０３同士が図示しない配線等を介して電気的に接続されており、これら２つの圧電素子６０Ａから圧電素子６Ａが構成されている。他の圧電素子６０Ｂ～６０Ｇについても同様であり、２つの圧電素子６０Ｂから圧電素子６Ｂが構成され、２つの圧電素子６０Ｃから圧電素子６Ｃが構成され、２つの圧電素子６０Ｄから圧電素子６Ｄが構成され、２つの圧電素子６０Ｅから圧電素子６Ｅが構成され、２つの圧電素子６０Ｆから圧電素子６Ｆが構成され、２つの圧電素子６０Ｇから圧電素子６Ｇが構成されている。

圧電体６０２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）、メタニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の圧電セラミックスを用いることができる。また、圧電体６０２としては、上述した圧電セラミックスの他にも、ポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いてもよい。

また、圧電体６０２の形成方法としては、特に限定されず、バルク材料から形成してもよいし、ゾル－ゲル法やスパッタリング法を用いて形成してもよい。本実施形態では、圧電体６０２をゾル－ゲル法を用いて形成している。これにより、例えば、バルク材料から形成する場合と比べて薄い圧電体６０２が得られ、駆動部３の薄型化を図ることができる。

凸部４４は、振動体４１の先端部に設けられ、振動体４１からＹ軸方向プラス側へ突出している。そして、凸部４４の先端部は、ローター２の外周面２１と接触している。そのため、振動体４１の振動は、凸部４４を介してローター２に伝達される。

例えば、図７に示す駆動信号Ｖ１を圧電素子６Ａ、６Ｅに印加し、駆動信号Ｖ２を圧電素子６Ｃに印加し、駆動信号Ｖ３を圧電素子６Ｂ、６Ｄに印加すると、図８に示すように、振動体４１がＹ軸方向に伸縮振動しつつＺ軸方向にＳ字状に屈曲振動し、これらの振動が合成されて、凸部４４の先端が矢印Ａ１で示すように反時計回りに楕円軌道を描く楕円運動（回転運動）する。このような凸部４４の楕円運動によってローター２が送り出され、ローター２が矢印Ｂ１で示すように時計回りに回転する。また、このような振動体４１の振動に対応して、圧電素子６Ｆ、６Ｇから検出信号Ｖｐｕが出力される。

また、駆動信号Ｖ１、Ｖ３を切り換えると、すなわち駆動信号Ｖ１を圧電素子６Ｂ、６Ｄに印加し、駆動信号Ｖ２を圧電素子６Ｃに印加し、駆動信号Ｖ３を圧電素子６Ａ、６Ｅに印加すると、図９に示すように、振動体４１がＹ軸方向に伸縮振動しつつＺ軸方向にＳ字状に屈曲振動し、これらの振動が合成されて、凸部４４が矢印Ａ２で示すように時計回りに楕円運動する。このような凸部４４の楕円運動によってローター２が送り出され、ローター２が矢印Ｂ２で示すように反時計回りに回転する。また、このような振動体４１の振動に対応して、圧電素子６Ｆ、６Ｇから検出信号Ｖｐｕが出力される。

上述のように、圧電素子６Ａ、６Ｂ、６Ｄ、６Ｅの伸縮によって凸部４４がＺ軸方向に屈曲振動し、ローター２を矢印Ｂ１または矢印Ｂ２の方向に送り出す。そのため、圧電素子６Ａ、６Ｂ、６Ｄ、６Ｅに印加する駆動信号Ｖ１、Ｖ３の振幅を制御し、凸部４４のＺ軸方向への振幅を制御することによりローター２の駆動速度を制御することができる。具体的には、駆動信号Ｖ１、Ｖ３の振幅を大きくすれば、凸部４４のＺ軸方向の振幅が大きくなってローター２の駆動速度が増加し、反対に、駆動信号Ｖ１、Ｖ３の振幅を小さくすれば、凸部４４のＺ軸方向の振幅が小さくなってローター２の駆動速度が減少する。

なお、本発明では、ローター２を少なくとも一方向に回転させることができれば、圧電素子６Ａ～６Ｅに印加する駆動信号のパターンは、特に限定されない。また、圧電素子６Ａ～６Ｅに印加する電圧は、交流電圧の連続信号ではなく、例えば、交流電圧の間欠信号でもよい。

制御装置７は、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を生成し、生成した駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を圧電素子６Ａ～６Ｅに印加することにより、圧電モーター１の駆動を制御する。制御装置７は、図１０に示すように、速度指令Ｍａに基づいてＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部７１と、ＰＷＭ信号生成部７１で生成されたＰＷＭ信号に基づいて駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を生成する駆動信号生成部７２と、圧電素子６Ｆ、６Ｇから出力された検出信号Ｖｐｕをデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバーター７３と、検出信号Ｖｐｕの電圧値が目標値に維持されるように駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数を制御する周波数追尾制御部７４と、駆動信号Ｖ２および検出信号Ｖｐｕをそれぞれ２値化（Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ）するコンパレーター７５と、２値化された駆動信号Ｖ２および検出信号Ｖｐｕから、これらの位相差θを検出する位相差演算部７６と、エンコーダー９の出力信号Ｓｅに基づいてローター２の位置Ｉを検出する位置検出部７７と、圧電モーター１の正常／異常さらには異常の原因を判定する判定部７９と、判定部７９が異常と判定した場合にその旨をユーザー等に報知する報知部７０と、を有する。なお、上記「ＰＷＭ」は、「Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」の略である。

なお、例えば、前記正常とは、圧電モーター１の駆動が制御装置７の指令通りに行われる状態を言い、前記異常とは、圧電モーター１の駆動が制御装置７の指令通りに行われない状態を言う。

このような制御装置７では、ローター２が各時刻において目標位置となるように、ローター２の駆動速度を制御する。前述したように、ローター２の駆動速度は、駆動信号Ｖ１、Ｖ３の電圧値（振幅）に依存し、駆動信号Ｖ２の電圧値（振幅）には実質的に依存しない。すなわち、駆動信号Ｖ２は、駆動信号Ｖ１、Ｖ３よりも依存の傾向が小さい。そこで、制御装置７は、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数と、駆動信号Ｖ１、Ｖ３の電圧値と、を制御することによりローター２の駆動速度を制御する。なお、駆動信号Ｖ２の電圧値は、一定に保たれる。ただし、これに限定されず、駆動信号Ｖ１、Ｖ３と共に駆動信号Ｖ２の電圧値を変化させてもよい。この場合、駆動信号Ｖ２の電圧値を、駆動信号Ｖ１、Ｖ３の電圧値とは独立して変更できることが好ましい。

速度指令Ｍａは、例えば、所定時刻でのローター２の目標位置を示す位置指令Ｍに基づいて生成され、所定時刻においてローター２を目標位置とするために必要なローター２の目標駆動速度を示した指令である。なお、位置指令Ｍは、例えば、図示しないホストコンピューターから出力される。

ＰＷＭ信号生成部７１は、速度指令Ｍａに応じたＤｕｔｙを有し、かつ、周波数追尾制御部７４で生成された周波数指令Ｍｇに基づく周波数となるパルス信号を生成する。ＰＷＭ信号生成部７１は、パルス信号として、駆動信号Ｖ１用のパルス信号Ｐｄ１と、駆動信号Ｖ２用のパルス信号Ｐｄ２と、駆動信号Ｖ３用のパルス信号Ｐｄ３と、をそれぞれ生成する。ＰＷＭ信号生成部７１で生成されたパルス信号Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３は、それぞれ、駆動信号生成部７２に入力される。

駆動信号生成部７２は、ＰＷＭ信号生成部７１から入力されたパルス信号Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３から略正弦波である駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を生成する。そして、駆動信号生成部７２で生成された駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、それぞれ、対応する圧電素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅに印加される。これにより、圧電アクチュエーター４が上述のように振動し、ローター２が駆動する。

なお、パルス信号のＤｕｔｙとは、パルス幅のＬｏｗとＨｉｇｈの比であり、０％～５０％の範囲で変更することができる。パルス信号Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３のＤｕｔｙが０％に近い程、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧値が小さくなり、反対に、パルス信号Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３のＤｕｔｙが５０％に近い程、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧値が大きくなる。したがって、パルス信号Ｐｄ１、Ｐｄ３のＤｕｔｙを０％に近づける程、ローター２の駆動速度ａが遅くなり、反対に、パルス信号Ｐｄ１、Ｐｄ３のＤｕｔｙを５０％に近づける程、ローター２の駆動速度ａが速くなる。なお、パルス信号Ｐｄ２については、電圧値を一定に保つために、例えば、Ｄｕｔｙを５０％に固定する。

圧電素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅに駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を印加して圧電アクチュエーター４が振動すると、その振動に応じた略正弦波の検出信号Ｖｐｕが圧電素子６Ｆ、６Ｇから出力される。圧電素子６Ｆ、６Ｇから出力された検出信号Ｖｐｕは、図示しないアンプによって増幅された後、Ａ／Ｄコンバーター７３に入力される。Ａ／Ｄコンバーター７３は、入力された検出信号Ｖｐｕをデジタル信号に変換し、検出デジタル信号Ｖｐｕｄを生成する。Ａ／Ｄコンバーター７３で生成された検出デジタル信号Ｖｐｕｄは、周波数追尾制御部７４に入力される。

また、周波数追尾制御部７４は、Ａ／Ｄコンバーター７３から入力された検出デジタル信号Ｖｐｕｄに基づいて検出信号Ｖｐｕの電圧値を検出し、検出信号Ｖｐｕの電圧値が目標値となるように、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆを制御するための周波数指令Ｍｇを生成する。そして、周波数追尾制御部７４で生成された周波数指令Ｍｇは、ＰＷＭ信号生成部７１に入力される。ＰＷＭ信号生成部７１は、駆動信号生成部７２で生成される駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が周波数指令Ｍｇに応じた周波数ｆとなるようなパルス信号Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３を生成する。

このように、制御装置７は、検出信号Ｖｐｕをフィードバックして、検出信号Ｖｐｕの電圧値が目標値を維持するように駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆを制御する。検出信号Ｖｐｕの電圧値を目標値に維持することにより、振動体４１をＹ軸方向に安定して伸縮させることができるため、圧電モーター１の安定した駆動が可能となる。

ここで、図１１に基づいて、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆと検出信号Ｖｐｕの電圧値との関係について説明する。なお、検出信号Ｖｐｕの電圧値は、ローター２の駆動速度と比例するため、検出信号Ｖｐｕを駆動速度ａと言い換えることもできる。同図に示すように、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆを圧電アクチュエーター４の共振周波数ｆ０に近づけることにより、駆動速度ａを早くすることができ、共振周波数ｆ０から遠ざけることにより、駆動速度ａを遅くすることができる。また、共振周波数ｆ０をピークとして、共振周波数ｆ０よりも高周波数側では、なだらかに駆動速度ａが減少し、反対に、共振周波数ｆ０よりも低周波数側では、急激に駆動速度ａが減少する。そのため、周波数ｆは、共振周波数ｆ０よりも高く設定される。これにより、周波数ｆが共振周波数ｆ０よりも低い場合と比較して、周波数ｆの変化に対する駆動速度ａの変化割合が小さくなり、駆動速度ａをより精度よく制御することができる。ただし、周波数ｆは、共振周波数ｆ０より低くてもよい。

また、例えば、圧電アクチュエーター４の使用に伴って凸部４４やローター２の外周面２１が摩耗すると、鎖線で示すように、周波数ｆと検出信号Ｖｐｕとの関係がシフトする場合もある。そこで、検出信号Ｖｐｕが目標値となるように、共振周波数ｆ０よりも高い範囲において周波数ｆを変化させる必要があり、これを実現するための指令が周波数指令Ｍｇである。

制御装置７の説明に戻って、図１０に示すように、駆動信号生成部７２で生成された駆動信号Ｖ２は、圧電素子６Ｃに入力されると共にコンパレーター７５にも入力される。また、圧電素子６Ｆ、６Ｇから出力された検出信号Ｖｐｕは、Ａ／Ｄコンバーター７３に入力されると共にコンパレーター７５にも入力される。すなわち、コンパレーター７５には、駆動信号Ｖ２と検出信号Ｖｐｕとが入力される。コンパレーター７５は、駆動信号Ｖ２を２値化して２値化駆動信号Ｖ２’を生成し、検出信号Ｖｐｕを２値化して２値化検出信号Ｖｐｕ’を生成する。そして、コンパレーター７５で生成された２値化駆動信号Ｖ２’および２値化検出信号Ｖｐｕ’は、それぞれ、位相差演算部７６に入力される。また、２値化検出信号Ｖｐｕ’は、判定部７９にも入力される。

なお、２値化の方法は、特に限定されない。前述したように、検出信号Ｖｐｕの電圧値は、目標値に維持される。そのため、例えば、目標値の半値に閾値ＳＨ１を設定し、閾値ＳＨ１以上でＨｉｇｈとし、閾値ＳＨ１未満でＬｏｗとすることにより、検出信号Ｖｐｕを２値化することができる。駆動信号Ｖ２の２値化についても同様である。

位相差演算部７６は、コンパレーター７５から入力された２値化駆動信号Ｖ２’と２値化検出信号Ｖｐｕ’との位相差θを求める。位相差θの求め方としては、特に限定されないが、本実施形態では、２値化駆動信号Ｖ２’および２値化検出信号Ｖｐｕ’の立ち上がり同士の時間差から位相差θを求めている。ただし、これに限定されず、２値化駆動信号Ｖ２’および２値化検出信号Ｖｐｕ’の立ち下がり同士の時間差に基づいて位相差θを演算してもよい。位相差演算部７６で求められた位相差θは、判定部７９に入力される。

なお、位相差θとしては、特に限定されず、駆動信号Ｖ１と検出信号Ｖｐｕとの位相差であってもよいし、駆動信号Ｖ３と検出信号Ｖｐｕとの位相差であってもよい。また、例えば、圧電素子６Ｆ、６Ｇの異常によって検出信号Ｖｐｕが閾値ＳＨ１を上回らないほどに微弱となっている場合には、２値化検出信号Ｖｐｕ’は、Ｌｏｗを維持する信号となる。この場合、位相差演算部７６は、位相差θを求めることができない。

また、エンコーダー９は、ローター２の回転量（位置）を示す出力信号Ｓｅを周期的に出力する。エンコーダー９から周期的に出力される出力信号Ｓｅは、位置検出部７７に入力される。位置検出部７７は、出力信号Ｓｅに基づいてローター２の位置Ｉを検出し、検出した位置Ｉを位置指令Ｍにより設定されている目標位置と比較し、これらの位置ずれ量ΔＩを求める。すなわち、位置ずれ量ΔＩは、位置Ｉに基づいて求められる。そして、位置検出部７７は、位置ずれ量ΔＩが所定範囲内であるか否かを判断し、その結果を位置信号Ｖｉとして出力する。そして、位置検出部７７から出力された位置信号Ｖｉは、判定部７９に入力される。位置ずれ量ΔＩの所定範囲は、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の基となる位置指令Ｍに基づいて定められる。「所定範囲」としては、例えば、位置ずれ量ΔＩの所定範囲は位置指令Ｍにより設定されている目標位置の±３０％の範囲内である。

判定部７９は、コンパレーター７５からの２値化検出信号Ｖｐｕ’と、位相差演算部７６からの位相差θと、位置検出部７７からの位置信号Ｖｉと、に基づいて、圧電モーター１の駆動状態が正常であるか異常であるかを判定し、さらには、異常である場合には、その原因を判定する。例えば、圧電アクチュエーター４の損傷、各部配線の劣化、断線等によって圧電モーター１の正常な駆動が困難となると、それが２値化検出信号Ｖｐｕ’、位相差θおよび位置信号Ｖｉの変化として現れる。また、異常の原因によって、２値化検出信号Ｖｐｕ’、位相差θおよび位置信号Ｖｉの変化の度合いや状態も違ってくる。そこで、判定部７９は、２値化検出信号Ｖｐｕ’、位相差θおよび位置信号Ｖｉに基づいて圧電モーター１の駆動状態が正常であるか異常であるかを判定し、さらには、異常の場合にはその原因についても判定する。このように、正常／異常の判定に留まらず、異常の原因または異常の箇所をも判定することができ、異常発生時において取り得る対策の幅が増える。

圧電モーター１の異常には、主に、駆動系３Ｄの異常と、検出系３Ｓの異常と、が存在する。そのため、本実施形態では、判定部７９は、圧電モーター１の駆動状態が異常であると判定した場合には、その原因が駆動系３Ｄにあるのか、あるいは、検出系３Ｓにあるのかを判定する。言い換えると、異常の箇所が、駆動系３Ｄにあるのか、あるいは検出系３Ｓにあるのかを判定する。

駆動系３Ｄは、振動体４１、ＰＷＭ信号生成部７１、駆動信号生成部７２およびこれらを電気的に接続している各配線を含んでいる。これらが損傷して駆動系３Ｄに異常が生じると、振動体４１が正常に振動しなくなり、ローター２を速度指令Ｍａで支持された目標速度で駆動させることができなくなる。一方、検出系３Ｓは、検出用の圧電素子６Ｆ、６Ｇ、コンパレーター７５、位相差演算部７６およびこれらを電気的に接続している各配線を含んでいる。これらが損傷して検出系３Ｓに異常が生じても検出信号Ｖｐｕが正常に検出されないだけで、駆動系３Ｄが正常である限り圧電モーター１の駆動をそのまま継続することができる。

そのため、制御装置７は、判定部７９によって異常の原因が駆動系３Ｄにあると判定された場合は、速やかに圧電モーター１の駆動を停止し、異常の原因が検出系３Ｓにあると判定された場合には、圧電モーター１の駆動をそのまま継続する。なお、駆動系３Ｄに異常が生じている状態を以下では「駆動系異常状態」とも言い、検出系３Ｓに異常が生じている状態を以下では「検出系異常状態」とも言う。

以下、判定部７９の判定方法について、図１２に示すフローチャートに基づいて説明する。判定部７９は、ステップＳ１１として、コンパレーター７５から入力される２値化検出信号Ｖｐｕ’にエッジが含まれているか否かを検出する。なお、エッジが含まれているとは、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆと同じ周期で、ＬｏｗとＨｉｇｈとが切り替わっていることを意味する。つまり、周波数ｆの周期よりも十分に長い期間内において、２値化検出信号Ｖｐｕ’の値が変化しない場合には、２値化検出信号Ｖｐｕ’にエッジが含まれていないと判断することができる。

２値化検出信号Ｖｐｕ’にエッジが含まれていることは、検出信号Ｖｐｕが正常に出力および処理されていることを意味する。そのため、判定部７９は、少なくとも圧電モーター１が検出系異常状態ではないことを判定することができる。反対に、２値化検出信号Ｖｐｕ’にエッジが含まれていないことは、検出信号Ｖｐｕが正常に出力および処理されていないことを意味する。そのため、判定部７９は、少なくとも圧電モーター１が検出系異常状態であることを判定することができる。このように、２値化検出信号Ｖｐｕ’に基づくことにより、圧電モーター１の異常を容易に検出することができる。

判定部７９は、２値化検出信号Ｖｐｕ’にエッジが含まれている場合には、ステップＳ１２として、位相差演算部７６から入力される位相差θをその目標値と比較し、これらの差Δθが所定範囲内であるか否かを判断する。なお、特に限定されないが、位相差θの目標値として、例えば、３０°とすることができ、前記「所定範囲」として、位相差θの目標値±１０°とすることができる。差Δθが所定範囲内である場合、判定部７９は、圧電モーター１が正常な状態であると判定する。この場合は、再びステップＳ１１に戻り、圧電モーター１の駆動をそのまま継続する。これは、圧電モーター１が正常に駆動している以上、圧電モーター１の駆動を停止する必要がないためである。

反対に、差Δθが所定範囲外である場合、判定部７９は、ステップＳ１３として、圧電モーター１が駆動系異常状態であると判定する。駆動系異常状態では、振動体４１が正常に振動しておらず、ローター２が速度指令Ｍａに対応する速度で駆動していないと推察することができる。そのため、この場合、制御装置７は、圧電モーター１の駆動を速やかに停止する。これにより、圧電モーター１の更なる損傷や、信頼性のない状態での駆動を抑制することができる。

ステップＳ１１において、２値化検出信号Ｖｐｕ’にエッジが含まれていない場合には、判定部７９は、ステップＳ１４として、位置信号Ｖｉに基づいて、位置ずれ量ΔＩが所定範囲内にあるか否かを判断する。位置ずれ量ΔＩが所定範囲内である場合は、位置指令Ｍと実際のローター２の位置Ｉとがほぼ等しい。そのため、ローター２が指令通りに駆動している、すなわち、駆動系３Ｄが正常に駆動していると推察できる。したがって、この場合、判定部７９は、ステップＳ１５として、圧電モーター１が検出系異常状態であると判定する。この場合は、検出系３Ｓに異常が生じているだけで、駆動系３Ｄについては正常に駆動していると推察される。つまり、検出信号Ｖｐｕが正常に出力および処理されないだけで、ローター２を目標の駆動速度で回転させること自体は可能である。したがって、制御装置７は、判定部７９によって検出系異常状態であると判定された後も、圧電モーター１の駆動をそのまま継続する。

ただし、制御装置７は、判定部７９によって検出系異常状態であると判定された後においては駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆを変化させずに一定とする。つまり、周波数指令Ｍｇを異常が検出される直前の値に固定する。検出系異常状態で、検出信号Ｖｐｕが目標値となるように周波数ｆを変化させてしまうと、例えば、周波数ｆが共振周波数ｆ０よりも低くなってしまったり、調整許容範囲から外れてしまったりし、圧電モーター１の駆動が不安定となるおそれがある。そこで、検出系異常状態であると判定された後は、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆを一定とすることにより、圧電モーター１の安定した駆動を維持することができる。

反対に、位置ずれ量ΔＩが所定範囲外である場合は、位置指令Ｍと実際のローター２の位置Ｉとが乖離している。そのため、ローター２が指令通りに駆動しておらず、駆動系３Ｄが正常に駆動していないと推察できる。したがって、この場合、判定部７９は、ステップＳ１６として、圧電モーター１が駆動系異常状態であると判定する。駆動系異常状態では、振動体４１が正常に振動しておらず、ローター２が速度指令Ｍａに対応する速度で駆動していないと推察されるため、この場合、制御装置７は、圧電モーター１の駆動を速やかに停止する。これにより、圧電モーター１の更なる損傷や、信頼性のない状態での駆動を抑制することができる。

以上のように、圧電モーター１の正常／異常の判定に留まらず、異常の原因または異常の箇所をも判定することができる。これにより、異常発生時において取り得る対策の幅が増え、圧電モーター１に異常が生じていても、その異常の原因次第では、そのまま圧電モーター１の駆動を継続することもできる。そのため、異常が生じた場合には画一的に圧電モーター１の駆動を停止する従来構成と比較して、圧電モーター１を緊急停止する確率が減り、その分、圧電モーター１の安定した駆動が可能となる。さらには、異常の原因を明らかにすることにより、異常原因の解析に要する時間が短縮され、その分、圧電モーター１のメンテナンス性が向上する。

報知部７０は、判定部７９による判定結果、つまり、圧電モーター１が正常な状態であるか異常な状態であるか、さらには、異常な状態である場合には、検出系異常状態であるのか駆動系異常状態であるのかをユーザー等に報知する。これにより、ユーザーに圧電モーター１の状態を簡単かつ容易に知らせることができ、その情報を圧電モーター１の駆動やメンテナンスに利用することができる。報知部７０は、例えば、表示画面、ライト、スピーカー等を有し、画像、音、光等によって判定部７９による上記判定結果をユーザー等に報知する。ただし、報知部７０の構成は、その目的を達成できる限り、特に限定されない。また、報知部７０は、省略してもよい。

以上、圧電モーター１について説明した。このような圧電モーター１は、前述したように、駆動用圧電素子としての圧電素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅおよび検出用圧電素子としての圧電素子６Ｆ、６Ｇを備え、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を印加して圧電素子６Ａ～６Ｅを伸縮させることにより振動し、この振動に基づいた検出信号Ｖｐｕが圧電素子６Ｆ、６Ｇから出力される振動体４１と、振動体４１によって駆動される被駆動体としてのローター２と、振動体４１の駆動を制御すると共に、振動体４１の異常を検出する制御装置７と、ローター２の位置を検出する位置検出装置としてのエンコーダー９と、を有する。また、制御装置７は、検出信号Ｖｐｕに基づいて振動体４１の異常を検出した場合に、ローター２の位置Ｉを検出し、位置Ｉに基づいた値が所定範囲外の場合は、振動体４１を含む駆動系３Ｄに異常がある駆動系異常状態であると判定し、位置Ｉに基づいた値が所定範囲内の場合は、圧電素子６Ｆ、６Ｇを含む検出系３Ｓに異常がある検出系異常状態であると判定する。

このように、正常／異常の判定に留まらず、異常の原因をも判定することができる。これにより、異常発生時において取り得る対策の幅が増え、圧電モーター１に異常が生じていても、その異常の原因次第では、そのまま圧電モーター１の駆動を継続することもできる。そのため、異常が生じた場合には画一的に圧電モーター１の駆動を停止する従来構成と比較して、圧電モーター１を緊急停止する確率が減り、その分、圧電モーター１の安定した駆動が可能となる。さらには、異常の原因を明らかにすることにより、異常原因の解析に要する時間が短縮され、その分、圧電モーター１のメンテナンス性が向上する。

また、前述したように、圧電素子６Ａ～６Ｅおよび圧電素子６Ｆ、６Ｇを備え、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を印加して圧電素子６Ａ～６Ｅを伸縮させることにより振動し、この振動に基づいた検出信号Ｖｐｕが圧電素子６Ｆ、６Ｇから出力される振動体４１と、振動体４１によって駆動されるローター２と、を有する圧電モーター１の異常を検出する異常検出方法では、検出信号Ｖｐｕに基づいて圧電モーター１の異常を検出した場合に、ローター２の位置Ｉを検出し、位置Ｉに基づいた値が所定範囲外の場合は、振動体４１を含む駆動系３Ｄに異常がある駆動系異常状態であると判定し、位置Ｉに基づいた値が所定範囲内の場合は、圧電素子６Ｆ、６Ｇを含む検出系３Ｓに異常がある検出系異常状態であると判定する。

このように、正常／異常の判定に留まらず、異常の原因をも判定することができる。これにより、異常発生時において取り得る対策の幅が増え、圧電モーター１に異常が生じていても、その異常の原因次第では、そのまま圧電モーター１の駆動を継続することもできる。そのため、異常が生じた場合には画一的に圧電モーター１の駆動を停止する従来構成と比較して、圧電モーター１を緊急停止する確率が減り、その分、圧電モーター１の安定した駆動が可能となる。さらには、異常の原因を明らかにすることにより、異常原因の解析に要する時間が短縮され、その分、圧電モーター１のメンテナンス性が向上する。

また、前述したように、異常検出方法では、位置Ｉの所定範囲は、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の基となる位置指令Ｍに基づいて定められる。これにより、目標位置に対する位置Ｉの位置ずれ量ΔＩを駆動系異常状態／検出系異常状態の判定に用いることができる。そのため、駆動系異常状態／検出系異常状態の判定をより精度よく行うことができる。

また、前述したように、異常検出方法では、検出信号Ｖｐｕを２値化し、所定期間内に値の変化を検出できないときに圧電モーター１の異常を検出する。具体的には、２値化検出信号Ｖｐｕ’にエッジが含まれているか否かを検出し、エッジが含まれていない場合には、少なくとも検出系異常状態であると判定する。このように、２値化検出信号Ｖｐｕ’に基づけば、圧電モーター１の異常を容易に検出することができる。

また、前述したように、異常検出方法では、駆動信号Ｖ２と検出信号Ｖｐｕとの位相差θが所定範囲外であるときに圧電モーター１の異常を検出する。具体的には、位相差θをその目標値と比較し、これらの差Δθが所定範囲内であるか否かを判断し、差Δθが所定範囲外のときに異常を検出する。このように、位相差θに基づけば、圧電モーター１の異常を容易に検出することができる。

また、前述したように、異常検出方法では、駆動系異常状態であると判定した場合、駆動系異常状態であることを報知し、検出系異常状態であると判定した場合、検出系異常状態であることを報知する。これにより、ユーザーに圧電モーター１の状態を簡単かつ容易に知らせることができ、その情報を圧電モーター１の駆動やメンテナンスに利用することができる。

また、前述したように、異常検出方法では、検出系異常状態と判定した場合には、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆを一定にする。これにより、圧電モーター１の安定した駆動を維持することができる。

＜第２実施形態＞
図１３は、第２実施形態に係る圧電モーターが有する制御装置を示すブロック図である。図１４は、異常検出方法を説明するためのフローチャートである。

本実施形態は、制御装置７の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１３および図１４において、前述した第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

図１３に示すように、本実施形態の制御装置７は、位置検出部７７に替えて駆動速度検出部７８を有する。駆動速度検出部７８は、周期的に入力されるエンコーダー９の出力信号Ｓｅに基づいてローター２の駆動速度ａ（角速度）を求める。駆動速度ａは、例えば、ｎ回目に入力された出力信号Ｓｅに基づいてローター２の位置Ｉを検出し、ｎ＋１回目に入力された出力信号Ｓｅに基づいてローター２の位置Ｉを検出し、ｎ回目の位置Ｉとｎ＋１回目の位置Ｉとの差と、出力信号Ｓｅの周期と、に基づいて求めることができる。つまり、駆動速度ａは、位置Ｉに基づく値である。そして、駆動速度検出部７８は、求めた駆動速度ａを速度指令Ｍａにより設定されている目標速度と比較し、これらの差Δａを求める。すなわち、差Δａは、位置Ｉに基づいて求められる。そして、駆動速度検出部７８は、差Δａが所定範囲内であるか否かを判断し、その結果を速度信号Ｖａとして判定部７９へ出力する。なお、「所定範囲」としては、特に限定されないが、例えば、速度指令Ｍａにより設定されている目標速度の±３０％の範囲内とすることができる。

以下、判定部７９の判定方法について、図１４に示すフローチャートに基づいて説明する。判定部７９は、ステップＳ２１として、コンパレーター７５から入力される２値化検出信号Ｖｐｕ’にエッジが含まれているか否かを検出する。

判定部７９は、２値化検出信号Ｖｐｕ’にエッジが含まれている場合には、ステップＳ２２として、位相差演算部７６から入力される位相差θをその目標値と比較し、これらの差Δθが所定範囲内であるか否かを判断する。差Δθが所定範囲内である場合、判定部７９は、圧電モーター１が正常な状態であると判定する。この場合は、再びステップＳ２１に戻り、圧電モーター１の駆動をそのまま継続する。反対に、差Δθが所定範囲外である場合、判定部７９は、ステップＳ２３として、圧電モーター１が駆動系異常状態であると判定する。この場合、制御装置７は、圧電モーター１の駆動を速やかに停止する。これにより、圧電モーター１の更なる損傷や、信頼性のない状態での駆動を抑制することができる。

ステップＳ２１において、２値化検出信号Ｖｐｕ’にエッジが含まれていない場合には、判定部７９は、ステップＳ２４として、速度信号Ｖａに基づいて、差Δａが所定範囲内であるか否かを判断する。差Δａが所定範囲内である場合は、速度指令Ｍａと実際のローター２の駆動速度ａとがほぼ等しい。そのため、ローター２が指令通りに駆動している、すなわち、駆動系３Ｄが正常に駆動していると推察できる。したがって、この場合、判定部７９は、ステップＳ２５として、圧電モーター１が検出系異常状態であると判定する。この場合は、検出系３Ｓに異常が生じているだけで、駆動系３Ｄについては正常に駆動していると推察される。したがって、制御装置７は、判定部７９によって検出系異常状態であると判定された後も、圧電モーター１の駆動をそのまま継続する。

ただし、制御装置７は、判定部７９によって検出系異常状態であると判定された後においては駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆを変化させずに一定とする。つまり、周波数指令Ｍｇを異常が検出される直前の値に固定する。検出系異常状態で、検出信号Ｖｐｕが目標値となるように周波数ｆを変化させてしまうと、例えば、周波数ｆが共振周波数ｆ０よりも低くなってしまったり、調整許容範囲から外れてしまったりし、圧電モーター１の駆動が不安定となるおそれがある。そこで、検出系異常状態であると判定された後は、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆを一定とすることにより、圧電モーター１の安定した駆動を維持することができる。

反対に、差Δａが所定範囲外である場合は、速度指令Ｍａと実際のローター２の駆動速度ａとが乖離している。そのため、ローター２が指令通りに駆動しておらず、駆動系３Ｄが正常に駆動していないと推察できる。したがって、この場合、判定部７９は、ステップＳ２６として、圧電モーター１が駆動系異常状態であると判定する。駆動系異常状態では、振動体４１が正常に振動しておらず、ローター２が速度指令Ｍａに対応する速度で駆動していないと推察されるため、この場合、制御装置７は、圧電モーター１の駆動を速やかに停止する。これにより、圧電モーター１の更なる損傷や、信頼性のない状態での駆動を抑制することができる。

以上のように、圧電モーター１の正常／異常の判定に留まらず、異常の原因をも判定することができる。これにより、異常発生時において取り得る対策の幅が増え、圧電モーター１に異常が生じていても、その異常の原因次第では、そのまま圧電モーター１の駆動を継続することもできる。そのため、異常が生じた場合には画一的に圧電モーター１の駆動を停止する従来構成と比較して、圧電モーター１を緊急停止する確率が減り、その分、圧電モーター１の安定した駆動が可能となる。さらには、異常の原因を明らかにすることにより、異常原因の解析に要する時間が短縮され、その分、圧電モーター１のメンテナンス性が向上する。

このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第３実施形態＞
図１５は、第３実施形態に係る圧電モーターが有する制御装置を示すブロック図である。図１６は、異常検出方法を説明するためのフローチャートである。

本実施形態は、制御装置７の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１５および図１６において、前述した第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

図１５に示すように、本実施形態の制御装置７は、前述した第１実施形態の構成から位相差演算部７６および位置検出部７７が省略された構成となっている。そして、このような制御装置７は、Ａ／Ｄコンバーター７３で生成された検出デジタル信号Ｖｐｕｄに基づいて、圧電モーター１の正常／異常、さらに、異常の場合にはその原因を判定する。

なお、本実施形態においても、駆動信号Ｖ２および検出信号Ｖｐｕがコンパレーター７５に入力され、コンパレーター７５で２値化駆動信号Ｖ２’および２値化検出信号Ｖｐｕ’が生成されている。しかしながら、前述した第１実施形態とは異なって、２値化駆動信号Ｖ２’および２値化検出信号Ｖｐｕ’は、正常／異常を判定する用には供されず、その他、必要な制御に用いられる。

以下、判定部７９の判定方法について、図１６に示すフローチャートに基づいて説明する。判定部７９は、ステップＳ３１として、Ａ／Ｄコンバーター７３から入力される検出デジタル信号Ｖｐｕｄに基づいて検出信号Ｖｐｕの電圧値を検出し、検出した電圧値を目標値と比較し、これらの差ΔＶｐｕが所定範囲内であるか否かを判断する。なお、「所定範囲」としては、特に限定されないが、例えば、目標値の７０％以上の範囲とすることができる。

差ΔＶｐｕが所定範囲内である場合、判定部７９は、圧電モーター１が正常な状態であると判定する。この場合は、ステップＳ３１を繰り返し、圧電モーター１の駆動をそのまま継続する。反対に、差ΔＶｐｕが所定範囲外である場合、判定部７９は、ステップＳ３２として、位置信号Ｖｉに基づいて、位置ずれ量ΔＩが所定範囲内にあるか否かを判断する。位置ずれ量ΔＩが所定範囲内である場合、判定部７９は、ステップＳ３３として、圧電モーター１が検出系異常状態であると判定する。この場合は、検出系３Ｓに異常が生じているだけで、駆動系３Ｄについては正常に駆動していると推察される。つまり、検出信号Ｖｐｕが正常に出力および処理されないだけで、ローター２を目標の駆動速度で回転させること自体は可能である。したがって、制御装置７は、判定部７９によって検出系異常状態であると判定された後も、圧電モーター１の駆動をそのまま継続する。

ただし、制御装置７は、判定部７９によって検出系異常状態であると判定された後においては駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆを変化さずに一定とする。つまり、周波数指令Ｍｇを異常が検出される直前の値に固定する。検出系異常状態で、検出信号Ｖｐｕが目標値となるように周波数ｆを変化させてしまうと、例えば、周波数ｆが共振周波数ｆ０よりも低くなってしまったり、調整許容範囲から外れてしまったりし、圧電モーター１の駆動が不安定となるおそれがある。そこで、検出系異常状態であると判定された後は、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の周波数ｆを一定とすることにより、圧電モーター１の安定した駆動を維持することができる。

反対に、位置ずれ量ΔＩが所定範囲外である場合は、位置指令Ｍと実際のローター２の位置Ｉとが乖離している。そのため、ローター２が指令通りに駆動しておらず、駆動系３Ｄが正常に駆動していないと推察できる。したがって、この場合、判定部７９は、ステップＳ３４として、圧電モーター１が駆動系異常状態であると判定する。駆動系異常状態では、振動体４１が正常に振動しておらず、ローター２が速度指令Ｍａに対応する速度で駆動していないと推察されるため、この場合、制御装置７は、圧電モーター１の駆動を速やかに停止する。これにより、圧電モーター１の更なる損傷や、信頼性のない状態での駆動を抑制することができる。

このように、圧電モーター１の正常／異常の判定に留まらず、異常の原因をも判定することができる。これにより、異常発生時において取り得る対策の幅が増え、圧電モーター１に異常が生じていても、その異常の原因次第では、そのまま圧電モーター１の駆動を継続することもできる。そのため、異常が生じた場合には画一的に圧電モーター１の駆動を停止する従来構成と比較して、圧電モーター１を緊急停止する確率が減り、その分、圧電モーター１の安定した駆動が可能となる。さらには、異常の原因を明らかにすることにより、異常原因の解析に要する時間が短縮され、その分、圧電モーター１のメンテナンス性が向上する。

以上のように、本実施形態の異常検出方法では、検出信号Ｖｐｕの電圧値が所定範囲外であるときに圧電モーター１の異常を検出する。具体的には、検出信号Ｖｐｕの電圧値をその目標値と比較し、これらの差ΔＶｐｕが所定範囲内であるか否かを判断し、差ΔＶｐｕが所定範囲外のときに異常を検出する。このように、検出信号Ｖｐｕの電圧値に基づけば、圧電モーター１の異常を容易に検出することができる。

このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第４実施形態＞
図１７は、第４実施形態に係る圧電モーターの構成を示すブロック図である。図１８は、図１７に示す構成の変形例を示すブロック図である。

本実施形態は、圧電アクチュエーター４を複数有すること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１７および図１８において、前述した第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

図１７に示すように、本実施形態の圧電モーター１は、３つ圧電アクチュエーター４を有している。以下では、これらを圧電アクチュエーター４Ａ、４Ｂ、４Ｃとも言う。ただし、圧電アクチュエーター４の数としては、特に限定されず、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

また、これら圧電アクチュエーター４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、それぞれ、同じ制御装置７に接続されている。つまり、本実施形態では、全ての圧電アクチュエーター４Ａ、４Ｂ、４Ｃの駆動が共通の制御装置７によって制御される。また、制御装置７は、スイッチ素子ＳＷを介して圧電アクチュエーター４Ａ、４Ｂ、４Ｃの圧電素子６Ｆ、６Ｇと接続されており、スイッチ素子ＳＷの駆動によって、圧電アクチュエーター４Ａ、４Ｂ、４Ｃから任意に選択された１つの圧電アクチュエーター４から検出信号Ｖｐｕを受け取ることができる構成となっている。このような構成によれば、１つの制御装置７で全ての圧電アクチュエーター４Ａ、４Ｂ、４Ｃの駆動を制御できるため、圧電モーター１の装置構成が簡単なものとなる。

なお、本実施形態では、全ての圧電アクチュエーター４Ａ、４Ｂ、４Ｃの駆動が１つの制御装置７によって制御されているが、これに限定されない。例えば、図１８に示すように、圧電アクチュエーター４Ａ、４Ｂ、４Ｃがそれぞれ異なる制御装置７に接続されていてもよい。このような構成によれば、各圧電アクチュエーター４Ａ、４Ｂ、４Ｃの駆動をそれぞれ独立して制御することができる。そのため、圧電モーター１の駆動をより緻密に制御することができる。

このような第４実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第５実施形態＞
図１９は、第５実施形態に係るロボットを示す斜視図である。

図１９に示すロボット１０００は、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。ロボット１０００は、６軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース１０１０と、ベース１０１０に回動自在に連結されたアーム１０２０と、アーム１０２０に回動自在に連結されたアーム１０３０と、アーム１０３０に回動自在に連結されたアーム１０４０と、アーム１０４０に回動自在に連結されたアーム１０５０と、アーム１０５０に回動自在に連結されたアーム１０６０と、アーム１０６０に回動自在に連結されたアーム１０７０と、これらアーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０の駆動を制御するロボット制御装置１０８０と、を有する。

なお、ベース１０１０およびアーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０のうちのいずれか１つを本実施形態の「第１部材」とすることができ、残りのいずれか１つを本実施形態の「第２部材」とすることができる。以下では、説明の便宜上、ベース１０１０を第１部材とし、アーム１０２０を第２部材として説明する。

また、アーム１０７０にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット１０００に実行させる作業に応じたエンドエフェクター１０９０が装着される。また、各関節部のうちの全部または一部には圧電モーター１が搭載されており、この圧電モーター１の駆動によって各アーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０が回動する。なお、圧電モーター１は、エンドエフェクター１０９０に搭載され、エンドエフェクター１０９０の駆動に用いられてもよい。

ロボット制御装置１０８０は、コンピューターで構成され、例えば、プロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ、Ｉ／Ｆ（インターフェース）等を有する。そして、プロセッサが、メモリに格納されている所定のプログラム（コード列）を実行することで、ロボット１０００の各部の駆動を制御する。なお、前記プログラムは、Ｉ／Ｆを介して外部のサーバーからダウンロードしてもよい。また、ロボット制御装置１０８０の構成の全部または一部は、ロボット１０００の外部に設けられ、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）等の通信網を介して接続された構成となっていてもよい。

このようなロボット１０００は、前述したように、ロボット１０００は、第１部材としてのベース１０１０と、ベース１０１０に対して回動する第２部材としてのアーム１０２０と、ベース１０１０に対してアーム１０２０を回動させる圧電モーター１と、を有する。また、圧電モーター１は、前述した第１実施形態と同様の構成であり、駆動用圧電素子としての圧電素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅおよび検出用圧電素子としての圧電素子６Ｆ、６Ｇを備え、駆動信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を印加して圧電素子６Ａ～６Ｅを伸縮させることにより振動し、この振動に基づいた検出信号Ｖｐｕが圧電素子６Ｆ、６Ｇから出力される振動体４１と、振動体４１によって駆動される被駆動体としてのローター２と、振動体４１の駆動を制御すると共に、振動体４１の異常を検出する制御装置７と、ローター２の位置を検出する位置検出装置としてのエンコーダー９と、を有する。また、制御装置７は、検出信号Ｖｐｕに基づいて圧電モーター１の異常を検出した場合に、ローター２の位置Ｉを検出し、位置Ｉに基づいた値が所定範囲外の場合は、振動体４１を含む駆動系３Ｄに異常がある駆動系異常状態であると判定し、位置Ｉに基づいた値が所定範囲内の場合は、圧電素子６Ｆ、６Ｇを含む検出系３Ｓに異常がある検出系異常状態であると判定する。

このように、正常／異常の判定に留まらず、異常の原因をも判定することができる。これにより、異常発生時において取り得る対策の幅が増え、圧電モーター１に異常が生じていても、その異常の原因次第では、そのまま圧電モーター１の駆動を継続することもできる。そのため、異常が生じた場合には画一的に圧電モーター１の駆動を停止する従来構成と比較して、圧電モーター１を緊急停止する確率が減り、その分、圧電モーター１の安定した駆動が可能となる。さらには、異常の原因を明らかにすることにより、異常原因の解析に要する時間が短縮され、その分、圧電モーター１のメンテナンス性が向上する。

以上、本発明の異常検出方法、圧電モーターおよびロボットを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１…圧電モーター、２…ローター、２１…外周面、２２…主面、３…駆動部、３Ｄ…駆動系、３Ｓ…検出系、４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ…圧電アクチュエーター、４１…振動体、４２…支持部、４３…接続部、４３１…第１接続部、４３２…第２接続部、４４…凸部、５…付勢部材、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ…圧電素子、６０…圧電素子ユニット、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、６０Ｅ、６０Ｆ、６０Ｇ…圧電素子、６０１…第１電極、６０２…圧電体、６０３…第２電極、６１…基板、６３…保護層、６９…接着剤、７…制御装置、７０…報知部、７１…ＰＷＭ信号生成部、７２…駆動信号生成部、７３…Ａ／Ｄコンバーター、７４…周波数追尾制御部、７５…コンパレーター、７６…位相差演算部、７７…位置検出部、７８…駆動速度検出部、７９…判定部、９…エンコーダー、９１…スケール、９２…光学素子、９２１…発光素子、９２２…撮像素子、１０００…ロボット、１０１０…ベース、１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０…アーム、１０８０…ロボット制御装置、１０９０…エンドエフェクター、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２…矢印、Ｍ…位置指令、Ｍａ…速度指令、Ｍｇ…周波数指令、Ｏ…中心軸、Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３…パルス信号、Ｓ１１～Ｓ１６、Ｓ２１～Ｓ２６、Ｓ３１～Ｓ３４…ステップ、ＳＷ…スイッチ素子、Ｓｅ…出力信号、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３…駆動信号、Ｖ２’…２値化駆動信号、Ｖａ…速度信号、Ｖｉ…位置信号、Ｖｐｕ…検出信号、Ｖｐｕ’…２値化検出信号、Ｖｐｕｄ…検出デジタル信号、ｆ…周波数、ｆ０…共振周波数、ΔＩ…位置ずれ量、θ…位相差

Claims (9)

1. 駆動用圧電素子および検出用圧電素子を備え、駆動信号を印加して前記駆動用圧電素子を伸縮させることにより振動し、前記振動に基づいた検出信号が前記検出用圧電素子から出力される振動体と、前記振動体によって駆動される被駆動体と、を有する圧電モーターの異常を検出する異常検出方法であって、
   前記検出信号に基づいて前記圧電モーターの異常を検出した場合に、
   前記被駆動体の位置に基づいた値が所定範囲外の場合は、前記振動体を含む駆動系に異常がある駆動系異常状態であると判定し、
   前記位置に基づいた値が前記所定範囲内の場合は、前記検出用圧電素子を含む検出系に異常がある検出系異常状態であると判定することを特徴とする異常検出方法。
2. 前記所定範囲は、前記駆動信号の基となる位置指令に基づいて定められる請求項１に記載の異常検出方法。
3. 前記検出信号を２値化し、所定期間内に値の変化を検出できないときに、前記圧電モーターの異常を検出する請求項１または２に記載の異常検出方法。
4. 前記駆動信号と前記検出信号との位相差が所定範囲外であるときに、前記圧電モーターの異常を検出する請求項１または２に記載の異常検出方法。
5. 前記検出信号の電圧値が所定範囲外であるときに、前記圧電モーターの異常を検出する請求項１または２に記載の異常検出方法。
6. 前記駆動系異常状態であると判定した場合、前記駆動系異常状態であることを報知し、
   前記検出系異常状態であると判定した場合、前記検出系異常状態であることを報知する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の異常検出方法。
7. 前記検出系異常状態と判定した場合には、前記駆動信号の周波数を一定にする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の異常検出方法。
8. 駆動用圧電素子および検出用圧電素子を備え、駆動信号を印加して前記駆動用圧電素子を伸縮させることにより振動し、前記振動に基づいた検出信号が前記検出用圧電素子から出力される振動体と、
   前記振動体によって駆動される被駆動体と、
   前記振動体の駆動を制御すると共に、前記振動体の異常を検出する制御装置と、
   前記被駆動体の位置を検出する位置検出装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記検出信号に基づいて前記振動体の異常を検出した場合に、
   前記被駆動体の位置に基づいた値が所定範囲外の場合は、前記振動体を含む駆動系に異常がある駆動系異常状態であると判定し、
   前記位置に基づいた値が前記所定範囲内の場合は、前記検出用圧電素子を含む検出系に異常がある検出系異常状態であると判定することを特徴とする圧電モーター。
9. 第１部材と、
   前記第１部材に対して回動する第２部材と、
   前記第１部材に対して前記第２部材を回動させる圧電モーターと、を有し、
   前記圧電モーターは、
   駆動用圧電素子および検出用圧電素子を備え、駆動信号を印加して前記駆動用圧電素子を伸縮させることにより振動し、前記振動に基づいた検出信号が前記検出用圧電素子から出力される振動体と、
   前記振動体によって駆動される被駆動体と、
   前記振動体の駆動を制御すると共に、前記圧電モーターの異常を検出する制御装置と、
   前記被駆動体の位置を検出する位置検出装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記検出信号に基づいて前記圧電モーターの異常を検出した場合に、
   前記被駆動体の位置に基づいた値が所定範囲外の場合は、前記振動体を含む駆動系に異常がある駆動系異常状態であると判定し、
   前記位置に基づいた値が前記所定範囲内の場合は、前記検出用圧電素子を含む検出系に異常がある検出系異常状態であると判定することを特徴とするロボット。

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