JP7363615B2 - 圧電駆動装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、圧電駆動装置及びその制御方法に関する。

特許文献１には、超音波モーター（ピエゾモーター）の位置制御技術が開示されている。超音波アクチュエーターの駆動装置は、移動部材の現在位置を検出する部材センサーと、移動部材の制御目標位置を演算する演算手段と、超音波アクチュエーターを所定の共振状態で駆動するように駆動電圧を生成する駆動回路と、移動部材が制御目標位置に追随するように、現在位置と制御目標位置との差に応じて駆動電圧を特定する物理量のうちの１つを操作物理量として調整することにより移動部材の運動状態を制御する制御回路とを備えている。

特開２００４－５６８７８号公報

しかし、特許文献１では、移動部材の慣性については考慮されておらず、移動部材の慣性が大きい場合に、移動部材の慣性が小さい場合と同じ制御をすると、目標位置で停止するまでに時間がかかるなどの問題があった。

本開示の一形態によれば、被駆動部を駆動する圧電駆動装置の制御方法が提供される。この制御方法は、前記圧電駆動装置が前記被駆動部に与える最大減速度αと前記被駆動部の現在の位置から目標位置までの距離Ｌｎと、を用いて前記被駆動部の基準速度ｖｔｈを算出し、前記被駆動部の現在の速度ｖｎが前記基準速度ｖｔｈよりも小さい場合には、前記圧電駆動装置から前記被駆動部へ、駆動力を与え、前記現在の速度ｖｎが前記基準速度ｖｔｈ以上の場合には、前記圧電駆動装置から前記被駆動部へ、制動力を与える制御を行う。

圧電駆動装置を示す説明図である。 圧電駆動装置の制御回路の概略構成を示す説明図である。 圧電駆動装置の駆動時の前半の振動周期の動作を示す説明図である。 圧電駆動装置の駆動時の後半の振動周期の動作を示す説明図である。 圧電駆動装置の制動時の前半の振動周期の動作を示す説明図である。 圧電駆動装置の制動時の後半の振動周期の動作を示す説明図である。 制御部の構成を示す説明図である。 制御部が繰り返し行う駆動制御フローチャートである。 制御部が実行する質量ｍを算出するフローチャートである。 高負荷の場合の被駆動部の目標位置と実際の位置を示す説明図である。 高負荷の場合の被駆動部の位置、速度、被駆動部に掛かる力を示す説明図である。 図９の領域Ｑ２の拡大図である。 中負荷の場合の被駆動部の目標位置と実際の位置を示す説明図である。 中負荷の場合の被駆動部の位置、速度、被駆動部に掛かる力を示す説明図である。 図１２の領域Ｑ３の拡大図である。 中間目標位置を定めない場合の被駆動部の位置と速度と基準速度を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、圧電駆動装置１０を示す説明図である。圧電駆動装置１０は、物体５０を運搬するために用いられる。圧電駆動装置１０は、圧電駆動装置本体３０と、被駆動部４０と、位置センサー６０と、制御部７０と、を備える。圧電駆動装置本体３０は、振動板２００と、６個の圧電素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｆと、突起部２０とを備える。振動板２００は、略長方形をしている。６個の圧電素子１１０ａ～１１０ｆは、振動板２００に、マトリックス状、具体的には、長辺２０３に沿って、すなわち、図１のＡ方向に２個、短辺２０４に沿って、図１のＢ方向に３個並んで配置されている。振動板２００のＡ方向に並ぶ２つの圧電素子の間、具体的には、圧電素子１１０ａと１１０ｄとの間、及び圧電素子１１０ｃと１１０ｆの間に対応する位置の外方には、支持部２１０が設けられている。圧電素子１１０ａ～１１０ｆに適切なタイミングで電圧を印加すると、振動板２００は、支持部２１０を節として、屈曲運動する。

振動板２００は、短辺２０４の略中央に凹部２４０を有し、凹部２４０には、突起部２０が設けられている。突起部２０は、振動板２００が屈曲運動をすると、被駆動部４０に接触・押圧し、被駆動部４０をＢ方向に駆動する。被駆動部４０は質量がｍ１の平板形状を有している。被駆動部４０には、質量ｍ２の物体５０が積載され、被駆動部４０の移動に伴って運搬される。位置センサー６０は、被駆動部４０の位置を取得する。

図２は、圧電駆動装置１０の制御回路の概略構成を示す説明図である。本実施形態の圧電駆動装置１０では、圧電素子１１０ａと１１０ｆとが並列に接続され、圧電素子１１０ｂと１１０ｅとが並列に接続され、圧電素子１１０ｃと１１０ｄとが並列に接続されて３つのペアを構成している。本実施形態では、各ペアの圧電素子を並列に接続しているが、直列に接続しても良い。３つのペアは、それぞれ、制御部７０に接続されている。なお、圧電素子１１０ａ～１１０ｆのグランド側は、接続され、共通となっている。これにより、配線の本数を減らすことができる。なお、各ペアのグランド側を独立してもよい。制御部７０には、位置センサー６０及び上位制御部９０が接続されている。制御部７０は、位置センサー６０から被駆動部４０の現在位置Ｐｎを取得し、上位制御部９０から最終目標位置Ｐｔを取得し、圧電素子１１０ａ～１１０ｆの駆動を制御する。

図３Ａは、圧電駆動装置１０の駆動時の前半の振動周期の動作を示す説明図である。前半の振動周期では、振動板２００の対角にある２つの圧電素子、例えば、圧電素子１１０ａと圧電素子１１０ｆに電圧を印加する。圧電素子１１０ａと圧電素子１１０ｆが矢印ｘ１に示すように伸長し、振動板２００は、屈曲する。突起部２０は、振動板２００の屈曲により、矢印ｙ１に示すように、動く。このとき、短辺方向において中央の２つの圧電素子１１０ｂと、圧電素子１１０ｅにも電圧を印加すると、圧電素子１１０ｂと、圧電素子１１０ｅも、矢印ｘ１に示すように伸長する。突起部２０は、被駆動部４０に接触し、力Ｆ１（駆動力Ｆ１）で被駆動部４０をＢ方向に押圧する。その結果、被駆動部４０は、Ｂ方向に駆動される。なお、圧電素子１１０ｂと、圧電素子１１０ｅへの電圧の印加は必ずしも必要ではない。突起部２０を被駆動部４０とが接した状態で配置されている場合は、電圧を印加せずとも突起部２０が被駆動部４０に接触している。

駆動力Ｆ１を加える前の被駆動部４０の位置をＰ０、１回の振動における振動周期の終了時の中間目標位置をＰｃ０とする。中間目標位置Ｐｃ０までの距離Ｌ０は、Ｐｃ０－Ｐ０である。前半の振動周期が終了すると、被駆動部４０は、位置Ｐ１まで達する。位置Ｐ１は、中間目標位置Ｐｃ０よりも手前の位置である。被駆動部４０のＢ方向の速度は、ｖ０からｖ１に速くなる。

図３Ｂは、圧電駆動装置１０の駆動時の後半の振動周期の動作を示す説明図である。後半の振動周期では、振動板２００の対角にある別の２つの圧電素子、圧電素子１１０ｃと圧電素子１１０ｄに電圧を印加し、他の圧電素子１１０ａと、圧電素子１１０ｂと、圧電素子１１０ｅと、圧電素子１１０ｆへの電圧の印加をしないようにする。圧電素子１１０ｃと圧電素子１１０ｄが矢印ｘ２に示すように伸長し、振動板２００は、逆向きに屈曲し、突起部２０は、矢印ｙ２に示すように、動く。しかし、短手方向の中央の２つの圧電素子１１０ｂと、圧電素子１１０ｅには電圧が印加されていないので、突起部２０は、被駆動部４０から離間し、被駆動部４０を押圧しない。その結果、突起部２０が矢印ｙ２に示すように動いても、被駆動部４０には、力がかからない。しかし、被駆動部４０は慣性により速度ｖ１で移動するので、後半の振動周期の終了時点では、中間目標位置Ｐｃ０に達する。なお、圧電素子１１０ｂと、圧電素子１１０ｅに電圧を印加し、それらを圧縮させることで、突起部２０を被駆動部４０から離間させてもよい。

ここで、被駆動部４０と物体５０との質量が小さいとき、すなわち慣性が小さいときには、被駆動部４０は、前半の振動周期の終了時に位置Ｐ１に達し、後半の振動周期の終了時には、中間目標位置Ｐｃ０に達する。しかし、被駆動部４０と物体５０との質量が大きいとき、すなわち慣性が大きいときには、被駆動部４０は、前半の振動周期の終了時に位置Ｐ１に達せず、後半の振動周期の終了時には、中間目標位置Ｐｃ０に達しない。

次の振動周期では、被駆動部４０の次の中間目標位置ＰＣ２が設定され、同様に駆動される。なお、最初の振動周期で被駆動部４０の位置がＰｃ０まで達していれば、中間目標位置Ｐｃ２までの距離Ｌ２は、Ｐｃ２－Ｐｃ０である。一方、被駆動部４０の位置がＰｃ０まで達していなければ、中間目標位置Ｐｃ２までの距離Ｌ２は、Ｐｃ２－Ｐｃ０よりも大きくなる。

図４Ａは、圧電駆動装置１０の制動時の前半の振動周期の動作を示す説明図である。前半の振動周期では、振動板２００短手方向の中央にある２つの圧電素子、具体的には、圧電素子１１０ｂと圧電素子１１０ｅに電圧を印加する。圧電素子１１０ｂと圧電素子１１０ｅが矢印ｘ３に示すように長手方向に伸長し、振動板２００も長手方向に伸長する。これにより、突起部２０が被駆動部４０に接触する。突起部２０と被駆動部４０との摩擦力Ｆ２により、制動される。摩擦力Ｆ２を「制動力Ｆ２」とも呼ぶ。

摩擦力Ｆ２を加える前の被駆動部４０の位置をＰ３、１回の振動における振動周期の終了時の中間目標位置をＰｃ３とする。目標位置Ｐｃ３までの距離Ｌ３は、Ｐｃ３－Ｐ３である。前半の振動周期が終了すると、被駆動部４０は、位置Ｐ４まで達する。位置Ｐ４は、目標位置Ｐｃ３よりも手前の位置である。被駆動部４０のＢ方向の速度は、ｖ３からｖ４に遅くなる。

図４Ｂは、圧電駆動装置１０の制動時の後半の振動周期の動作を示す説明図である。後半の振動周期では、圧電素子１１０ｂと圧電素子１１０ｅへの電圧の印加を停止する。圧電素子１１０ｂと圧電素子１１０ｅが矢印ｘ４に示すように長手方向に短くなり、振動板２００も長手方向に短くなる。これにより、突起部２０が被駆動部４０に接触しなくなり、被駆動部４０に制動力Ｆ２を与えない。しかし、被駆動部４０は慣性により速度ｖ４で移動するので、後半の振動周期の終了時点では、中間目標位置Ｐｃ３に達する。なお、突起部２０を被駆動部４０とが接した状態で配置されている場合は、圧電素子１１０ｂと、圧電素子１１０ｅに電圧を印加し、それらを矢印ｘ４に示す長手方向に圧縮させることで、突起部２０を被駆動部４０から離間させてもよい。

ここで、被駆動部４０と物体５０との質量が小さいとき、すなわち、慣性が小さいときには、被駆動部４０は、前半の振動周期の終了時に位置Ｐ４に達し、後半の振動周期の終了時には、中間目標位置Ｐｃ３に達する。しかし、被駆動部４０と物体５０との質量が大きいとき、すなわち、慣性が大きいときには、被駆動部４０は、前半の振動周期の終了時に位置Ｐ４を超え、後半の振動周期の終了時には、中間目標位置Ｐｃ３を超えてしまう。なお、本開示は、被駆動部４０の慣性が大きいときであっても、最終目標位置Ｐｔに停止できる制御を提供するものである。したがって、最終目標位置Ｐｔまでの中途で、被駆動部４０が中間目標位置を超えていても、最終目標位置Ｐｔで被駆動部４０が停止できれば良い。

図５は、制御部７０の構成を示す説明図である。制御部７０は、中間目標位置算出部７１と、残距離算出部７２と、最大減速度算出部７４と、速度算出部７６と、基準速度算出部７８と、電圧設定部８０と、速度判定部８２と、スイッチ８４と、駆動部８６と、を備える。

本明細書では、１回の位置制御に要する時間を１サイクルと呼称する。中間目標位置算出部７１は上位制御部９０から取得した最終目標位置Ｐｔと、位置センサー６０から取得した現在位置Ｐｎとを用いて、１サイクル後の中間目標位置Ｐｃｎを算出する。残距離算出部７２は、１サイクル後の中間目標位置Ｐｃｎと、現在位置Ｐｎとの差である中間目標までの距離Ｌｎを算出する。すなわち、
Ｌｎ＝Ｐｃｎ－Ｐｎ …（１）
である。

最大減速度算出部７４は、質量ｍと、最大摩擦力Ｆ２ｍａｘとを用いて、以下の式により、被駆動部４０の最大減速度αを算出する。最大摩擦力Ｆ２ｍａｘは「最大制動力Ｆ２ｍａｘ」とも呼ぶ。
α＝Ｆ２ｍａｘ／ｍ …（２）
ここで、質量ｍは、被駆動部４０の質量ｍ１と物体５０の質量ｍ２の和である。被駆動部４０の質量ｍ１は既知である。被駆動部４０により運ばれる物体５０の質量ｍ２は、既知ではないが、後述するように、容易に算出できる。最大摩擦力Ｆ２ｍａｘは、突起部２０と被駆動部４０との間の摩擦力であり、実験により測定可能であり、既知である。

速度算出部７６は、現在位置Ｐｎの時間変化から被駆動部４０の速度ｖｎを算出する。

基準速度算出部７８は、目標までの距離Ｌｎと最大減速度αとを用いて、基準速度ｖｔｈを以下の式により算出する。
ｖｔｈ＝（２・α・Ｌｎ）^１／２ …（３）
被駆動部４０の速度ｖｎが、基準速度ｖｔｈであれば、突起部２０から被駆動部４０に最大摩擦力Ｆ２ｍａｘを与えることで、被駆動部４０を減速度αで減速し、最終目標位置Ｐｔに停止させることができる。

電圧設定部８０は、中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎと、被駆動部４０の現在の速度ｖｎとを用いて、圧電素子１１０ａ～１１０ｆを駆動する駆動信号の電圧Ｖを算出する。この電圧Ｖは、駆動力Ｆ１、制動力Ｆ２と対応している。電圧設定部８０は、中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎが大きいほど電圧を大きくし、被駆動部４０の現在の速度ｖｎが速いほど、電圧を小さくする。ただし、電圧Ｖが、突起部２０と被駆動部４０との間の摩擦力が最大摩擦力Ｆ１ｍａｘまたはＦ２ｍａｘを生じさせる電圧Ｖｌｉｍを超える場合には、電圧Ｖｌｉｍに制限する。突起部２０と被駆動部４０との間の滑りを抑制することができる。なお、最大摩擦力Ｆ１ｍａｘおよびＦ２ｍａｘは、予め定められた既知の値である。

速度判定部８２は、被駆動部４０の現在の速度ｖｎと、基準速度ｖｔｈとを比較し、ｖｎ＜ｖｔｈであれば、後述するスイッチ８４をオンにし、ｖｎ≧ｖｔｈであれば、後述するスイッチ８４をオフにする。

スイッチ８４は、ｖｎ＜ｖｔｈであれば、駆動部８６に屈曲振動を実行させる駆動信号をオンし、ｖｎ≧ｖｔｈであれば、駆動部８６に屈曲振動を実行させる駆動信号をオフする。駆動部８６に縦振動を実行させる駆動信号は、被駆動部４０の現在の速度ｖｎと、基準速度ｖｔｈの大小関係によっては、オフにされない。

駆動部８６は、屈曲振動駆動部８７と、縦振動駆動部８８とを備える。屈曲振動駆動部８７は、圧電素子１１０ａ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｆを駆動し、縦振動駆動部８８は、圧電素子１１０ｂ、１１０ｅを駆動する。圧電素子１１０ａ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｆは、振動板２００を屈曲振動させ、圧電素子１１０ｂ、１１０ｅは、振動板２００を縦振動させる。

質量算出部８９は、質量ｍを算出する。質量算出部８９は、被駆動部４０に駆動力Ｆ１を与える前の位置Ｐ０と、与えた後の位置Ｐ１と、を用いて、質量ｍを算出する。具体的には、駆動力Ｆ１を加えている時間をｔｓｔ、加速度をβ、位置Ｐ０と位置Ｐ１との間隔をＬｓｔとする。
Ｌｓｔ＝β・（ｔｓｔ）^２／２であるので、質量算出部８９は、加速度βを
β＝２・Ｌｓｔ／（ｔｓｔ）^２ …（４）
で算出する。また、力Ｆ１と加速度βと質量ｍとの関係は、
Ｆ１＝β・ｍ …（５）
であるので、質量算出部８９は、質量ｍを、
ｍ＝Ｆ１／β …（６）
で算出する。

図６は、制御部７０が繰り返し行う駆動制御フローチャートである。ステップＳ１００では、制御部７０の最大減速度算出部７４は、質量ｍと、最大摩擦力Ｆ２ｍａｘとを用いて、被駆動部４０の最大減速度αを算出する。なお、このステップＳ１００は、最初の１回目だけ行えば良い。質量ｍが変わらなければ、最大減速度αは変わらないからである。

ステップＳ１０５では、制御部７０は、上位制御部９０から被駆動部４０の最終目標位置Ｐｔを取得する。ステップＳ１１０では、制御部７０は、位置センサー６０から被駆動部４０の現在の位置Ｐｎを取得する。

ステップＳ１２０では、制御部７０は、被駆動部４０の最終目標位置Ｐｔと被駆動部４０の現在の位置Ｐｎとの差｜Ｐｔ－Ｐｎ｜が閾値Ｌｔｈ以下か否かを判断する。｜Ｐｔ－Ｐｎ｜が閾値Ｌｔｈ以下の場合には、被駆動部４０の位置が最終目標位置Ｐｔに対して誤差範囲内であるので、制御部７０は、このフローチャートの処理を終了する。｜Ｐｔ－Ｐｎ｜が閾値Ｌｔｈを超える場合には、制御部７０は、処理をステップＳ１３０に移行する。

ステップＳ１３０では、制御部７０の速度算出部７６は、前サイクルにおける被駆動部４０の位置Ｐ（ｎ－１）と現サイクルにおける被駆動部４０の位置Ｐｎとを用いて被駆動部４０の速度ｖｎを算出する。

ステップＳ１４０では、制御部７０の中間目標位置算出部７１は上位制御部９０から取得した被駆動部４０の最終目標位置Ｐｔと、位置センサー６０から取得した被駆動部４０の位置Ｐｎとを用いて、１サイクル後の被駆動部４０の中間目標位置Ｐｃｎを算出する。

ステップＳ１５０では、制御部７０の残距離算出部７２は、被駆動部４０の現在の位置Ｐｎから中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎを算出する。

ステップＳ１６０では、制御部７０の電圧設定部８０は、中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎと、被駆動部４０の現在の速度ｖｎとを用いて、圧電素子１１０ａ～１１０ｆを駆動する電圧Ｖを算出する。この電圧Ｖは、駆動力Ｆ１、制動力Ｆ２と対応している。なお、電圧設定部８０は、算出した電圧Ｖが突起部２０と被駆動部４０との間の摩擦力が最大摩擦力（最大駆動力Ｆ１ｍａｘまたは最大制動力Ｆ２ｍａｘ）を生じさせる電圧Ｖｌｉｍを超える場合には、圧電素子１１０ａ～１１０ｆを駆動する電圧Ｖを、電圧Ｖｌｉｍに制限する。なお、電圧Ｖｌｉｍは、実験等により予め定められた既知の値である。

ステップＳ１７０では、制御部７０の基準速度算出部７８は、中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎと最大限速度αとを用いて、基準速度ｖｔｈを算出する。

ステップＳ１８０では、制御部７０の速度判定部８２は、被駆動部４０の現在の速度ｖｎと、基準速度ｖｔｈとを比較し、ｖｎ＜ｖｔｈであれば、処理をステップＳ１９０に移行し、ｖｎ≧ｖｔｈであれば、処理をステップＳ１９５に移行する。

ステップＳ１９０では、制御部７０は、駆動部８６の屈曲振動駆動部８７と、縦振動駆動部８８との両方を駆動する。これにより、被駆動部４０に駆動力Ｆ１が掛かる。ステップＳ１９５では、制御部７０は、駆動部８６の縦振動駆動部８８のみを駆動する。これにより、被駆動部４０に制動力Ｆ２が掛かる。

図７は、制御部７０が実行する質量ｍを算出するフローチャートである。質量ｍは、上述したように、被駆動部４０の質量ｍ１と、物体５０の質量ｍ２の和である。ステップＳ２００では、制御部７０は、被駆動部４０に駆動力を与える前の位置Ｐ０を取得する。なお、被駆動部４０に駆動力を与える前では、被駆動部４０の速度はゼロである。質量ｍが変化する場合、すなわち、被駆動部４０が物体５０をつかんだり、放したりして質量ｍが変化する場合、被駆動部４０の速度はゼロだからである。

ステップＳ２１０では、制御部７０は、駆動力Ｆ１で被駆動部４０を駆動する。ステップＳ２２０では、制御部７０は、駆動後の被駆動部４０の位置Ｐ１を取得する。ステップＳ２３０では、制御部７０は、位置Ｐ０と位置Ｐ１との間の距離Ｌｓｔを取得する。

ステップＳ２４０では、制御部７０は、被駆動部４０の加速度βを算出する。駆動力Ｆ１による力を加えている時間をｔ、加速度をβとすると、式（４）を用いて加速度βを算出できる。

ステップＳ２５０では、制御部７０は、質量ｍを算出する。駆動力Ｆ１と加速度βと質量ｍとの関係から、式（６）を用いて質量ｍを算出する。制御部７０は、算出した質量ｍを図６のステップＳ１００で用いる。なお、物体５０の質量ｍ２が既知の場合には、上位制御部９０から与えてもよく、物体５０の質量ｍ２が被駆動部４０の質量ｍ１よりも極めて小さい場合、例えば１／１０００以下の場合には、質量ｍとして、被駆動部４０の質量ｍ１を用いても良い。

図８は、高負荷の場合の被駆動部４０の目標位置Ｐｃｎと実際の位置Ｐｎを示す説明図である。高負荷とは、質量ｍが大きい場合、すなわち、慣性が大きい場合である。この場合、突起部２０と被駆動部４０との間の摩擦力を最大駆動力Ｆ１として駆動しても、被駆動部４０を十分に加速できない。そのため、図８に示すように、被駆動部４０の現在の位置Ｐｎから目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎは、だんだんと長くなっていく。また、制動時にも、被駆動部４０を十分に減速できない。そのため、被駆動部４０を最終目標位置Ｐｔで停止させるために、制御部７０は、被駆動部４０が最終目標位置Ｐｔに達する前の時刻ｔ２から制動を開始する。

図９は、高負荷の場合の被駆動部４０の位置、速度、被駆動部４０に掛かる力を示す説明図であり、図１０は、図９の領域Ｑ２の拡大図である。高負荷の場合、時刻ｔ０における駆動力Ｆ１は、中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎと、被駆動部４０の現在の速度ｖｎとから算出され、最大駆動力Ｆ１ｍａｘよりも小さい駆動力である。

以降のサイクルでは、被駆動部４０は、中間目標位置Ｐｃｎに達しないので、被駆動部４０の現在の位置Ｐｎから中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎが大きくなっている。そのため、高負荷の場合、駆動力Ｆ１は、だんだんと大きくなっていく。そして、中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎと、被駆動部４０の現在の速度ｖｎとを用いて算出する駆動力が、最大駆動力Ｆ１ｍａｘ以上となると、制御部７０は、最大駆動力Ｆ１ｍａｘで被駆動部４０を駆動する。なお、時刻ｔ１以降は、中間目標位置Ｐｃｎは、最終目標位置Ｐｔに一致する。したがって、距離Ｌｎは、時刻ｔ１まで増加し、その後減少する。

被駆動部４０は、最大駆動力Ｆ１ｍａｘで駆動されるので、被駆動部４０の速度ｖｎは、線形に増加する。一方、式（３）からわかるように、基準速度ｖｔｈは、距離Ｌｎの平方根に比例する。その結果、時刻ｔ２で被駆動部４０の速度ｖｎが基準速度ｖｔｈを超える。なお、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、距離Ｌｎは小さくなっていくが、基準速度ｖｔｈは、被駆動部４０の速度ｖｎよりも大きい。

時刻ｔ２で被駆動部４０の速度ｖｎが基準速度ｖｔｈを超えると、図６のステップＳ１８０、Ｓ１９５の処理により、以降のサイクルでは、単振動による制動力Ｆ２ｍａｘにより制動される。ここで、基準速度ｖｔｈは、最大摩擦力Ｆ２ｍａｘにより被駆動部４０を減速したときに、被駆動部４０が最終目標位置Ｐｔに達したときに被駆動部４０の速度ｖｎがゼロとなる値であるため、被駆動部４０の速度ｖｎは、被駆動部４０が最終目標位置Ｐｔに達する時刻ｔ３までが基準速度ｖｔｈ未満となることはない。

高負荷では、時刻ｔ２までは、最大駆動力Ｆ１ｍａｘで駆動され、時刻ｔ２からｔ３までは、制動力Ｆ２ｍａｘで制動される。時刻ｔ３では、被駆動部４０は、最終目標位置Ｐｔに達し、被駆動部４０の速度ｖｎはゼロとなる。

図１１は、中負荷の場合の被駆動部４０の目標位置と実際の位置を示す説明図である。図１２は、中負荷の場合の被駆動部４０の位置、速度、被駆動部４０に掛かる力を示す説明図であり、図１３は、図１２の領域Ｑ３の拡大図である。

中負荷の場合、時刻ｔ０から時刻ｔ４における駆動力Ｆ１は、中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎと、被駆動部４０の現在の速度ｖｎとから算出され、最大駆動力Ｆ１ｍａｘよりも小さい駆動力である。ただし、各サイクルにおいて、被駆動部４０は、中間目標位置Ｐｃｎに達しないので、中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎが大きくなっていく。従って、駆動力Ｆ１も大きくなっていく。時刻ｔ４で、駆動力Ｆ１は、最大駆動力Ｆ１ｍａｘとなる。

時刻ｔ４から時刻ｔ５における駆動力Ｆ１は、最大駆動力Ｆ１ｍａｘである。この間、高負荷の場合と同様に、被駆動部４０は、最大駆動力Ｆ１ｍａｘで駆動されるので、被駆動部４０の速度ｖｎは、線形に増加する。一方、式（３）からわかるように、基準速度ｖｔｈは、距離Ｌｎの平方根に比例する。その結果、時刻ｔ５で被駆動部４０の速度ｖｎが基準速度ｖｔｈとほぼ一致する。

時刻ｔ５から時刻ｔ６までは、速度ｖｎと基準速度ｖｔｈとの比較結果により、被駆動部４０は、最大駆動力Ｆ１ｍａｘで駆動され、あるいは、最大摩擦力Ｆ２ｍａｘで制動される。この期間は、距離Ｌｎはほぼ一定であり、基準速度ｖｔｈもほぼ一定である。被駆動部４０の速度ｖｎが基準速度ｖｔｈに満たなければ、最大駆動力Ｆ１ｍａｘで駆動され、被駆動部４０の速度ｖｎが増加した基準速度ｖｔｈを超えていれば、最大摩擦力Ｆ２ｍａｘで制動される。

時刻ｔ６以降は、中間目標位置Ｐｃｎは、最終目標位置Ｐｔと一致するため、距離Ｌｎが徐々に小さくなり、基準速度ｖｔｈも徐々に小さくなる。時刻ｔ６以降は、被駆動部４０は、最大摩擦力Ｆ２ｍａｘで制動される。時刻ｔ７では、被駆動部４０は、最終目標位置Ｐｔに達し、被駆動部４０の速度ｖｎはゼロとなる。

以上、本実施形態によれば、制御部７０は、最大摩擦力で制動したときに被駆動部４０を最終目標位置Ｐｔで停止できる被駆動部４０の基準速度ｖｔｈを算出し、被駆動部４０の現在の速度ｖｎを取得し、被駆動部４０の現在の速度ｖｎが基準速度ｖｔｈよりも小さい場合には、圧電駆動装置本体３０から被駆動部４０へ、距離Ｌｎと速度ｖｎとから算出した駆動力Ｆ１と、圧電駆動装置と被駆動部４０との間の最大駆動力Ｆ１ｍａｘとのうち大きくない方の力で駆動力を与え、被駆動部の現在の速度ｖｎが基準速度ｖｔｈ以上の場合には、圧電駆動装置本体３０から被駆動部４０へ、制動力を与えるので、被駆動部４０を目標位置Ｐｔで停止できる。すなわち、被駆動部４０の慣性の大きさにかかわらず精度良い位置制御を行うことができる。

上記、実施形態において、距離Ｌｎと速度ｖｎとから算出した駆動力Ｆ１と、圧電駆動装置と被駆動部４０との間の最大駆動力Ｆ１ｍａｘとのうち大きくない方の力で駆動力を与えているが、最大駆動力Ｆ１ｍａｘを与えても良い。距離Ｌｎと速度ｖｎとから駆動力Ｆ１を算出する必要がない。一方、距離Ｌｎと速度ｖｎとから算出した駆動力Ｆ１を与える場合には、無駄な加速を抑制できる。

本実施形態において、被駆動部４０を制動する場合には、図４Ａ、図４Ｂで説明したように、圧電素子１１０ｂ、１１０ｅに電圧を印加し、その後電圧の印加をしないことで、振動板２００を縦振動させたが、圧電素子１１０ｂ、１１０ｅに電圧し続けて圧電素子１１０ｂ、１１０ｅを伸長させた状態としても良い。後半サイクルも制動できる。

本実施形態において、被駆動部４０を制動する場合には、すべての圧電素子１１０ａから１１０ｆの電圧を印加してもよく、圧電素子１１０ａ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｆに電圧を印加しても良い。この場合、Ａ方向に対して互いに対称位置にある圧電素子が同時に駆動されるので、縦振動はするが、屈曲振動をしない。

本実施形態では、最大駆動力Ｆ１ｍａｘと、最大摩擦力Ｆ２ｍａｘが等しいとしてグラフを作成しているが、最大駆動力Ｆ１ｍａｘと最大摩擦力Ｆ２ｍａｘは、異なっていても良い。高負荷の場合、駆動から制動に切り替わるときの被駆動部４０の位置や速度ｖｎ、時刻が変わるが、制御は変わらない。駆動力Ｆ１と、摩擦力Ｆ２についても同様である。例えば、図１２、１３に示す中負荷の場合、時刻ｔ５からｔ６の間、駆動力Ｆ１と摩擦力Ｆ２とを交互に掛けているが、Ｆ１＝２・Ｆ２の場合、制御部７０は、１サイクル駆動し、その後２サイクル制動すれば、３サイクル後に被駆動部４０の速度ｖｎをゼロにできる。２・Ｆ１＝３・Ｆ２の場合、制御部７０は、駆動、制動、制動、駆動、制動すれば、５サイクル後に被駆動部４０の速度ｖｎをゼロにできる。Ｆ１とＦ２の比がｎ：ｍの場合には、同様に、ｎ＋ｍサイクル後に被駆動部４０の速度ｖｎをゼロにできる。

上記説明では、被駆動部４０の移動方向については言及していないが、運動方向により、ｍ・ｇ・ｓｉｎθの力がプラスマイナスされる。なお、水平方向がθ＝０であり、鉛直方向はθ＝９０°である。この場合、被駆動部４０の移動方向により、式（５）は、以下の式（７）（８）となる。
Ｆ１＋ｍ・ｇ・ｓｉｎθ＝β１・ｍ …（７）
Ｆ１－ｍ・ｇ・ｓｉｎθ＝β２・ｍ …（８）
未知数がｍとθであり、式が２つあるので、質量ｍとθの両方を求めることができる。以下、制御においては、被駆動部４０の移動方向に応じて、駆動力Ｆ１をＦ１＋ｍ・ｇ・ｓｉｎθあるいは、Ｆ１－ｍ・ｇ・ｓｉｎθとすればよい。制動力Ｆ２についても同様である。

・第２実施形態：
第１実施形態では、中間目標位置Ｐｃｎを設定し、現在の位置Ｐｎから中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎを用いて、被駆動部４０の位置や速度を制御したが、第２実施形態では、中間目標位置Ｐｃｎを設定せず、現在の位置Ｐｎから最終目標位置Ｐｔでの距離を用いて、被駆動部４０の位置や速度を制御する。第２実施形態の制御フローチャートは、図６に示したものとほぼ同じであるが、ステップＳ１４０を実行せず、ステップＳ１５０では、最終目標位置Ｐｔまでの距離Ｌｎを算出する。

図１４は、中間目標位置Ｐｃｎを定めない場合の被駆動部４０の位置Ｐｎと速度ｖｎと基準速度ｖｔｈを示す説明図である。時刻が経過するにつれて被駆動部４０が最終目標位置に近づくので、距離Ｌｎが小さくなる。その結果、基準速度ｖｔｈは、単調に小さくなる。一方、被駆動部４０は、距離Ｌｎに応じて駆動力Ｆ１を受けるので、単調に速くなる。この駆動力Ｆ１は、例えば、最大駆動力Ｆ１ｍａｘである。時刻ｔ８で、被駆動部４０の速度ｖｎは、基準速度ｖｔｈを超えるので、時刻ｔ８以降は、摩擦力Ｆ２により制動される。その結果、時刻ｔ９で、被駆動部４０は、最終目標位置Ｐｔに到達し、速度ｖｎはゼロとなる。

第１実施形態の中間目標位置Ｐｃｎを定める場合の高負荷の動作と、中間目標位置Ｐｃｎを定めない場合の動作とを比較すると、以下の２点を除き、同じである。
（ａ）高負荷の場合、時刻ｔ０における駆動力Ｆ１は、中間目標位置Ｐｃｎまでの距離Ｌｎと、被駆動部４０の現在の速度ｖｎとから算出され、最大駆動力Ｆ１ｍａｘよりも小さい駆動力であるが、中間目標位置Ｐｃｎを定めない場合では、最大駆動力Ｆ１ｍａｘである。
（ｂ）高負荷の場合、基準速度ｖｔｈは、中間（時刻ｔ２）までは増加し、その後減少するが、中間目標位置Ｐｃｎを定めない場合では、基準速度ｖｔｈは、ｔ０で最も大きく、単調に減少する。

以上説明したように、中間目標位置Ｐｃｎを定めてもよく、定めなくても、同様に制御できることがわかる。中間目標位置Ｐｃｎを定める場合には、質量ｍが軽いときには、駆動力Ｆ１を小さくできるので、被駆動部４０の停止位置のオーバーシュートを抑制しやすい。中間目標位置Ｐｃｎを定めない場合には、中間目標位置算出部７１が不要となる。

本開示は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、本開示の一形態によれば、被駆動部を駆動する圧電駆動装置の制御方法が提供される。この制御方法は、前記圧電駆動装置が前記被駆動部に与える最大減速度αと前記被駆動部の現在の位置から目標位置までの距離Ｌｎと、を用いて前記被駆動部の基準速度ｖｔｈを算出し、前記被駆動部の現在の速度ｖｎが前記基準速度ｖｔｈよりも小さい場合には、前記圧電駆動装置から前記被駆動部へ、駆動力を与え、前記現在の速度ｖｎが前記基準速度ｖｔｈ以上の場合には、前記圧電駆動装置から前記被駆動部へ、制動力を与える制御を行う。この形態によれば、圧電駆動装置は、最大摩擦力で制動したときに被駆動部を最終目標位置で停止できる被駆動部の基準速度を算出し、被駆動部の現在の速度を取得し、被駆動部の現在の速度が基準速度よりも小さい場合には、圧電駆動装置から被駆動部へ、駆動力を与え、被駆動部の現在の速度が基準速度以上の場合には、圧電駆動装置から被駆動部へ、制動力を与えるので、被駆動部を目標位置で停止できる。すなわち、被駆動部の慣性の大きさにかかわらず精度良い位置制御を行うことができる。

（２）上記形態において、前記圧電駆動装置は、前記圧電駆動装置に屈曲振動をさせ駆動力を与える第１の圧電素子と、前記圧電駆動装置に縦振動をさせ制動力を与える第２の圧電素子を備え、前記制動力を与えるときには、前記第１の圧電素子に屈曲振動をさせず、前記第２の圧電素子に縦振動をさせてもよい。この形態によれば、第２の圧電素子に縦振動により、制動力を与えることができる。

（３）上記形態において、前記被駆動部の質量ｍと、前記圧電駆動装置と前記被駆動部との間の最大摩擦力Ｆ２ｍａｘと、を用いて、最大減速度αを求めてもよい。この形態によれば、質量ｍが変わっても、最大減速度αを求めることができる。

（４）上記形態において、前記被駆動部を駆動する前の前記被駆動部の位置と、前記被駆動部を駆動した後の駆動した後の前記被駆動部の位置と、前記被駆動部を駆動する駆動力と、前記駆動部を駆動した時間と、を用いて、前記被駆動部の質量ｍを算出してもよい。この形態によれば、被駆動部の質量ｍを容易に算出できる。

（５）上記形態において、前記距離Ｌｎと、前記基準速度ｖｔｈと、を定期的に求めてもよい。この形態によれば、被駆動部を精度良く制御できる。

本開示は、圧電駆動装置の制御方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、圧電駆動装置や、圧電駆動装置を備えるモーター、ロボット等の形態で実現することができる。

１０…圧電駆動装置、２０…突起部、３０…圧電駆動装置本体、４０…被駆動部、５０…物体、６０…位置センサー、７０…制御部、７１…中間目標位置算出部、７２…残距離算出部、７４…最大減速度算出部、７６…速度算出部、７８…基準速度算出部、８０…電圧設定部、８２…速度判定部、８４…スイッチ、８６…駆動部、８７…屈曲振動駆動部、８８…縦振動駆動部、８９…質量算出部、９０…上位制御部、１１０ａ～１１０ｆ…圧電素子、２００…振動板、２０３…長辺、２０４…短辺、２１０…支持部、２４０…凹部

Claims (6)

1. 被駆動部を駆動する圧電駆動装置の制御方法であって、
   前記圧電駆動装置が前記被駆動部に与える最大減速度αと、前記被駆動部の現在の位置から目標位置までの距離Ｌｎと、を用いて前記被駆動部の基準速度ｖｔｈを算出し、
   前記被駆動部の現在の速度ｖｎが前記基準速度ｖｔｈよりも小さい場合には、前記圧電駆動装置から前記被駆動部へ駆動力を与え、前記現在の速度ｖｎが前記基準速度ｖｔｈ以上の場合には、前記圧電駆動装置から前記被駆動部へ、制動力を与える制御を行う、圧電駆動装置の制御方法。
2. 請求項１に記載の制御方法であって、
   前記圧電駆動装置は、
   前記圧電駆動装置に屈曲振動をさせ駆動力を与える第１の圧電素子と、
   前記圧電駆動装置に縦振動をさせ制動力を与える第２の圧電素子を備え、
   前記制動力を与えるときには、前記第１の圧電素子に屈曲振動をさせず、前記第２の圧電素子に縦振動をさせる、制御方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の制御方法であって、
   前記被駆動部の質量ｍと、前記圧電駆動装置と前記被駆動部との間の最大摩擦力Ｆ２ｍａｘと、を用いて、最大減速度αを求める、制御方法。
4. 請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の制御方法であって、
   前記被駆動部を駆動する前の前記被駆動部の位置と、前記被駆動部を駆動した後の駆動した後の前記被駆動部の位置と、前記被駆動部を駆動する駆動力と、前記被駆動部を駆動した時間と、を用いて、前記被駆動部の質量ｍを算出する、制御方法。
5. 請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載の制御方法であって、
   前記距離Ｌｎと、前記基準速度ｖｔｈと、を定期的に求める、制御方法。
6. 被駆動部を駆動する圧電駆動装置であって、
   複数の圧電素子が設けられた振動板と、
   前記振動板に設けられた突起部と、
   前記突起部と接触可能な被駆動部と、
   前記圧電素子に印加する電圧を制御することにより前記圧電駆動装置の動作を制御する制御部と、
   前記被駆動部の現在の位置を検出する位置センサーと、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記圧電駆動装置と前記被駆動部との間の摩擦力Ｆ２ｍａｘと、前記被駆動部の質量ｍと、を用いて、前記圧電駆動装置が前記被駆動部に与える最大減速度αを算出し、
   前記位置センサーで検出した前記被駆動部の現在の位置から、目標位置までの距離Ｌｎを算出し、
   最大減速度αと前記被駆動部の現在位置から目標位置までの距離Ｌｎとを用いて前記被駆動部の基準速度ｖｔｈを算出し、
   前記位置センサーで検出した前記被駆動部の現在の位置の時間変化から前記被駆動部の現在の速度ｖｎを算出し、
   前記現在の速度ｖｎが前記基準速度ｖｔｈよりも小さい場合には、前記圧電駆動装置から前記被駆動部へ、駆動力を与え、前記現在の速度ｖｎが前記基準速度ｖｔｈ以上の場合には、前記圧電駆動装置から前記被駆動部へ、制動力を与える制御を行う、圧電駆動装置。

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