圧電アクチュエーター、ロボットハンド、及びロボット
【課題】ローターの回転速度の変動を抑えて安定した回転を得ることができる圧電アクチュエーターを実現する。
【解決手段】圧電アクチュエーター１００は、圧電素子１１を含む振動体１と、円盤形状を有するローター２と、振動体１の一端から突出しローター２に当接する摺動部１５と、圧電素子１１に駆動信号を供給する駆動制御部５とを備え、駆動制御部５は、予め取得した駆動開始からの時間経過に伴うローター２の回転速度の目標値に対する差異の変化に基づいて、駆動信号の周波数を変化させて回転速度を制御する。
【解決手段】圧電アクチュエーター１００は、圧電素子１１を含む振動体１と、円盤形状を有するローター２と、振動体１の一端から突出しローター２に当接する摺動部１５と、圧電素子１１に駆動信号を供給する駆動制御部５とを備え、駆動制御部５は、予め取得した駆動開始からの時間経過に伴うローター２の回転速度の目標値に対する差異の変化に基づいて、駆動信号の周波数を変化させて回転速度を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエーター、ロボットハンド、及びロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエーターは、高周波の交流電圧等の駆動電圧を機械的振動に変換する圧電素子と、圧電素子によって駆動される被駆動部材とを有する駆動装置である。圧電アクチュエーターの一つの形態として、回転体を被駆動部材とする圧電モーターが知られている（例えば、特許文献１参照）。圧電モーターは、圧電素子の屈曲振動を、圧電素子を含む振動体から突出する摺動部を介して伝達し、回転体を所定の方向に回転させるものである。
【０００３】
このような圧電モーターの用途として、近年、ロボットハンド（ロボット）の駆動手段としての用途が注目されている。ロボットハンドは、精密かつ正確な動作を必要とするため、ロボットハンドの駆動手段として用いられる圧電モーターでは、回転体の回転速度が安定していることが求められる。
【０００４】
特許文献１に記載の圧電モーター（振動波モーター）では、エンコーダーからパルス情報として出力される回転速度と、ＣＰＵから出力される目標速度との差を速度差検出回路で比較し、その速度差情報に基づいて、速度制御回路が振動波モーターを駆動する駆動パルスの周波数を決定して出力する。これにより、振動波モーターの回転速度が目標速度となるように調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２０９８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のような圧電モーターでは、駆動中に回転速度をモニターし、回転速度が目標速度から外れたことを検出した場合、その都度回転速度の調整を行う構成となっている。そのため、回転速度のずれが発生した時点から、回転速度を調整してずれが抑えられる時点までに遅延が生じるので、回転速度の安定性を確保することが困難であるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］本適用例に係る圧電アクチュエーターは、圧電素子を含む振動体と、円盤形状を有する回転体と、前記振動体の一端から突出し前記回転体に当接する摺動部と、前記圧電素子に駆動信号を供給して前記圧電素子の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部は、予め取得した前記回転体の回転速度の変動特性に基づいて、前記回転速度を制御することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、例えば、回転体と摺動部との摩擦力の変動等に起因して、回転体の回転速度に周期的な変動が発生する場合に、予め取得した回転速度の変動特性に基づいて、このような変動の発生を抑えるように制御することができる。これにより、回転速度の変動の発生を検出して都度制御を行う場合に比べて、回転速度の変動に対する制御の遅れが抑えられるので、回転速度をより安定させることができる。
【００１０】
［適用例２］上記適用例に係る圧電アクチュエーターであって、前記駆動制御部は、前記変動特性として取得した駆動開始からの時間経過に伴う前記回転速度の目標値に対する差異の変化に基づいて、前記駆動信号の周波数を変化させて前記回転速度を制御することが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、駆動開始からの時間経過に伴う回転速度の目標値に対する差異を相殺するように、圧電素子に供給する駆動信号の周波数を変化させて、振動体（摺動部）の振動数を調整することができる。これにより、回転体の回転速度の変動の発生を抑える制御を行うことができる。
【００１２】
［適用例３］上記適用例に係る圧電アクチュエーターであって、前記回転体の回転を増速又は減速して伝達する増減速機構をさらに備え、前記増減速機構における最前段から最後段までの各段の回転数の比は整数比であることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、増減速機構を備えているので、回転体の回転速度を所望の速度に増速又は減速できるが、増減速機構の回転に伴う負荷変動によって、回転体の回転速度に周期的な変動が起こり得る。しかしながら、増減速機構における最前段から最後段までの各段の回転数の比が整数比であるため、回転数の比が整数比でない場合に比べて、増減速機構の負荷変動に起因する回転体の回転速度の変動周期を短くできるので、回転速度の変動をより容易に制御することができる。
【００１４】
［適用例４］上記適用例に係る圧電アクチュエーターであって、前記振動体は、前記圧電素子に積層された振動板をさらに有していることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、振動体が振動板で補強されるので、より安定した振動が得られる。これにより、回転体の回転速度をより安定させることができる。
【００１６】
［適用例５］本適用例に係るロボットハンドは、上述の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、回転速度が安定した圧電アクチュエーターを備えているので、ワークを把持する指の回動動作を精密かつ正確に行うロボットハンドを提供できる。
【００１８】
［適用例６］本適用例に係るロボットは、上述のロボットハンドを備えたことを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、ワークを把持する指の回動動作を精密かつ正確に行うロボットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの構成を示す模式図。
【図２】第１の実施形態に係る振動体の振動挙動を説明する図。
【図３】第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの駆動制御部を示すブロック図。
【図４】第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの回転速度の変動特性と制御プロファイルを模式的に示す図。
【図５】第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの回転速度の制御方法を説明する図。
【図６】第２の実施形態に係る圧電アクチュエーターの構成を示す模式図。
【図７】第２の実施形態に係る圧電アクチュエーターの回転速度の制御方法を説明する図。
【図８】第３の実施形態に係るロボットハンドの構成を示す模式図。
【図９】第４の実施形態に係るロボットの構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の一実施形態である圧電アクチュエーターについて図面を参照して説明する。なお、参照する各図面において、構成をわかり易く示すため、各構成要素の寸法の比率、角度等が異なる場合がある。
【００２２】
（第１の実施形態）
＜圧電アクチュエーター＞
まず、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの概略構成を説明する。図１は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの構成を示す模式図である。詳しくは、図１（ａ）は圧電アクチュエーターの平面図であり、図１（ｂ）は圧電アクチュエーターの側面図である。
【００２３】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、圧電アクチュエーター１００は、振動体１と、回転体としてのローター２と、保持部材３と、付勢バネ４と、基台１８と、を備えている。圧電アクチュエーター１００は、被駆動部材として回転するローター２を備える圧電モーターである。振動体１、ローター２、保持部材３、及び付勢バネ４は、基台１８に設置されている。
【００２４】
図１（ａ）に示す平面視で、振動体１は、短辺１ａと長辺１ｂとを有する略矩形形状である。以下の説明では、短辺１ａに沿った方向を短手方向と呼び、長辺１ｂに沿った方向を長手方向と呼ぶ。図１（ｂ）に示すように、振動体１は、振動板１０と、振動板１０の表裏両面にそれぞれ配置された１対の圧電素子１１と、が積層された積層体である。
【００２５】
振動板１０は、金属や樹脂等の剛性のある材料で形成された板状部材からなり、例えば、導電性を有するステンレス鋼で形成されている。１対の圧電素子１１は、接着剤や合金ろう材等の固着手段によって、振動板１０に固着されている。圧電素子１１は、圧電体層１３と、第１電極１２と、第２電極１４と、で構成される。
【００２６】
圧電体層１３は、板状に形成されている。圧電体層１３は、電気機械変換作用を示す圧電材料からなり、例えば、一般式ＡＢＯ3で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物を材料として形成されている。このような金属酸化物としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）等があげられる。
【００２７】
第１電極１２は、圧電体層１３の振動板１０側に設けられており、圧電体層１３の略全面に亘って形成されている。第１電極１２は、圧電素子１１における共通電極となっている。１対の圧電素子１１の第１電極１２同士は、振動板１０を介して電気的に接続されている。第１電極１２及び第２電極１４は、Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ等の導電性金属を材料として、蒸着、スッパッタリング等により形成されている。
【００２８】
第２電極１４は、圧電体層１３の第１電極１２とは反対側に設けられており、溝部によって面内方向で複数に分割されている。図１（ａ）に示すように、この溝部は、第２電極１４を圧電素子１１の短手方向において略３等分し、その３つに分割された電極のうち短手方向両外側の２つの電極を、長手方向においてさらに略２等分するように形成されている。これにより、第２電極１４は、電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅの５つの電極部に分割されている。電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅは、個別電極として互いに電気的に隔離されている。
【００２９】
第２電極１４の５つの電極部のうち、短手方向中央部に配置された電極部１４ａは、縦振動用電極として機能する。電極部１４ａの短手方向両側に、電極部１４ａを挟んで対角となるように配置され対を成す電極部１４ｂ及び電極部１４ｅは、第１屈曲振動用電極として機能する。また、電極部１４ａを挟んで電極部１４ｂ，１４ｅと交差する対角となるように配置され対を成す電極部１４ｃ及び電極部１４ｄは、第２屈曲振動用電極として機能する。
【００３０】
圧電素子１１において、電極部１４ａが配置された領域が、圧電素子１１の長手方向に縦振動を励起する縦振動励起領域となっている。これに対して、縦振動励起領域の短手方向両側の電極部１４ｂ，１４ｅが配置された領域、及び電極部１４ｃ，１４ｄが配置された領域が、それぞれ圧電素子１１の短手方向に屈曲振動を励起する屈曲振動励起領域となっている。
【００３１】
なお、第１電極１２及び第２電極１４（電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ）は、図示しない電極配線等を介して、駆動制御部５（図３参照）に電気的に接続されている。駆動制御部５は、圧電素子１１を制御する駆動信号を供給する。
【００３２】
振動板１０は、長手方向の一端側に、圧電素子１１よりもローター２側に突出するように、延設された摺動部１５を有している。摺動部１５は、ローター２の側面（円周面）に当接している。
【００３３】
また、振動板１０は、長手方向中央部に、短手方向両外側に向かって延設された一対の腕部１６を有している。腕部１６には厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられており、貫通孔を挿通させたネジを介して、腕部１６が保持部材３に固定されている。これにより、振動体１は、保持部材３に対して、腕部１６を基点として縦振動及び屈曲振動が可能な状態で保持される。
【００３４】
ローター２は、円盤形状を有しており、振動体１の摺動部１５が設けられた側に配置されている。ローター２は、基台１８に立設された棒状の軸２ａを回転中心として、回転自在に保持されている。
【００３５】
基台１８は、一対のスライド部１８ａを有している。一対のスライド部１８ａは、振動体１に対して、短手方向の両外側に、長手方向に沿って延在して配置されている。保持部材３は、基台１８に対して、スライド部１８ａに沿ってスライド移動可能に支持されている。
【００３６】
保持部材３のローター２とは反対側には、付勢バネ４が設置されている。付勢バネ４は、保持部材３を介して振動体１をローター２に向けて付勢し、この付勢力により、摺動部１５がローター２に所定の力で当接する。付勢バネ４の付勢力は、ローター２と摺動部１５との間で適切な摩擦力が発生するように適宜設定されている。これにより、振動体１の振動が、摺動部１５を介してローター２に効率よく伝達される。
【００３７】
次に、圧電アクチュエーター１００の動作を説明する。図２は、第１の実施形態に係る振動体の振動挙動を説明する図である。詳しくは、図２（ａ）は、第１電極１２（図１（ｂ）参照）と第２電極１４の電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｅとの間に駆動信号を供給した場合の、振動体１の振動状態を示す図である。また、図２（ｂ）は、第１電極１２と第２電極１４の電極部１４ａ，１４ｃ，１４ｄとの間に駆動信号を供給した場合の、振動体１の振動状態を示す図である。
【００３８】
図２（ａ）に示す振動状態では、縦振動用電極である電極部１４ａに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、長手方向に沿って伸縮する縦振動が励振される。また、第１屈曲振動用電極である電極部１４ｂ，１４ｅに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、短手方向に沿って屈曲する屈曲振動が励振される。このような縦振動と屈曲振動とが合成されて、２点鎖線で示す振動が振動体１に励振されることにより、摺動部１５は、時計回りの楕円軌道Ｒ1を描くように摺動する。これにより、ローター２が、図１（ａ）に矢印で示すように、反時計回りに回転する。
【００３９】
図２（ｂ）に示す振動状態では、縦振動用電極である電極部１４ａに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、長手方向に沿って伸縮する縦振動が励振される。また、第２屈曲振動用電極である電極部１４ｃ，１４ｄに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、短手方向に沿って屈曲する屈曲振動が励振される。このような縦振動と屈曲振動とが合成されて、２点鎖線で示す振動が振動体１に励振されることにより、摺動部１５は、反時計回りの楕円軌道Ｒ2を描くように摺動する。これにより、ローター２が、図１（ａ）に示す矢印とは反対の、時計回りに回転する。
【００４０】
このように、本実施形態の圧電アクチュエーター１００では、第１電極１２と第２電極１４との間に駆動信号を供給する際に、第２電極１４のうち縦振動用電極（電極部１４ａ）の他に、第１屈曲振動用電極（電極部１４ｂ，１４ｅ）を選択する場合と、第２屈曲振動用電極（電極部１４ｃ，１４ｄ）を選択する場合とを切り替えることにより、ローター２を反時計回り及び時計回りの双方向に回転させることが可能である。なお、ローター２の回転速度は、振動体１の振動周波数によって調整することができる。
【００４１】
＜駆動制御部＞
次に、圧電アクチュエーター１００の駆動制御部について、図３を参照して説明する。図３は、圧電アクチュエーターの駆動制御部を示すブロック図である。ここでは、駆動制御部５が、圧電素子１１の第２電極１４のうち、図３に斜線で示す縦振動用電極（電極部１４ａ）と第１屈曲振動用電極（電極部１４ｂ，１４ｅ）とに駆動信号を供給して、振動体１を振動させる場合を例に取り説明する。
【００４２】
図３に示すように、駆動制御部５は、振動検出部６と、駆動信号発生部７と、ドライバー８とを備えている。また、圧電アクチュエーター１００は、駆動制御部５の他に、ローター２の回転速度を検出する回転検出部９を備えている。
【００４３】
図３に示す圧電アクチュエーター１００では、縦振動用電極（電極部１４ａ）と第１屈曲振動用電極（電極部１４ｂ，１４ｅ）とに駆動信号が供給されることで、振動体１（圧電素子１１）は、駆動信号が供給されない第２屈曲振動用電極（電極部１４ｃ，１４ｄ）の領域においても振動する。この振動により、圧電素子１１が第２屈曲振動用電極の領域において電気を発生し、電極部１４ｃ，１４ｄから振動に応じた振動検出信号（交流電流）が振動検出部６に出力される。振動検出部６は、振動体１から入力された振動検出信号を駆動信号発生部７に出力する。
【００４４】
駆動信号発生部７は、所定の周波数の駆動信号を生成して、ドライバー８に出力する。駆動信号発生部７は、振動検出部６から入力された振動検出信号と、ドライバー８に出力している駆動信号との位相差を演算して、位相差が最適となるように駆動信号の周波数を決定する。ドライバー８は、駆動信号発生部７で生成された駆動信号に基いて、振動体１（圧電素子１１）を駆動する電力を供給する。
【００４５】
回転検出部９は、ローター２に近い位置に設置されている。回転検出部９は、ローター２の回転速度に応じた信号（例えば、パルス信号）を駆動信号発生部７に出力する。回転検出部９としては、例えば、フォトリフレクター、フォトインタラプター、ＭＲセンサー等の、光方式や磁気方式の回転エンコーダーを用いることができる。
【００４６】
通常の駆動状態において、駆動信号発生部７は、振動検出部６から入力された振動検出信号と、ドライバー８に出力している駆動信号との位相差が最適となるように駆動信号の周波数を決定して、ドライバー８にフィードバックする。これにより、圧電素子１１に、位相差が最適となる周波数の駆動信号が供給されるので、摺動部１５が所定の楕円軌道を描いて摺動し、ローター２の回転速度が所定の速度に保たれる。
【００４７】
ところで、圧電アクチュエーター１００のように、振動体１の振動を摺動部１５を介して伝達してローター２を回転させる構成の圧電モーターでは、個々の圧電モーター固有の要因により、ローター２の回転速度が変動する場合がある。例えば、ローター２の側面（摺動部１５が当接する円周面）の表面の粗さが円周に亘って均一でない場合や、ローター２の回転中心が偏心している場合、ローター２の回転に伴ってローター２と摺動部１５との摩擦力が変動する。このような摩擦力の変動は、周期的に繰り返し発生するため、ローター２の回転速度が周期的に変動することとなり、安定した回転が得られなくなってしまう。そこで、本実施形態に係る圧電アクチュエーター１００では、駆動制御部５が、このようなローター２の回転速度の変動を抑える制御を行う。
【００４８】
以下に、本実施形態におけるローター２の回転速度の変動を抑える制御方法を説明する。図４は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの回転速度の変動特性と制御プロファイルを模式的に示す図である。図４において、横軸は駆動開始からの時間の経過を示し、縦軸は時間の経過に伴う回転速度の変化を示している。
【００４９】
図４において、波形２０はローター２の目標回転速度（一定速度）を示し、波形２１は駆動制御部５により回転速度の変動を抑える制御を行わないときのローター２の回転速度の変動特性を示している。駆動制御部５により回転速度の変動を抑える制御を行わない場合、時間の経過とともに、波形２１で示すローター２の回転速度が変動し、波形２０で示す目標回転速度との差異が変化する。このような回転速度の変動は、時間の経過に伴って周期的に繰り返される。
【００５０】
そこで、時間の経過とともに変化するローター２の回転速度と目標回転速度との差異を相殺するように、波形２５で示すような制御プロファイルを設定する。この制御プロファイルに基づいて、圧電素子１１に供給する駆動信号の周波数を変化させることにより、振動体１（摺動部１５）の振動を変化させて、ローター２の回転速度の変動を打ち消すように制御する。制御プロファイルによる制御周期は、回転速度の変動周期に対応するものである。これにより、ローター２の回転速度の変動の発生を抑えるので、目標回転速度に近い安定した回転を得ることができる。
【００５１】
この波形２５で示す制御プロファイルを設定する方法を説明する。予め、圧電アクチュエーター１００の固体毎に、回転速度の変動を抑える制御を行わない状態で、所定の基準周波数の駆動信号を供給し、回転検出部９（図３参照）から出力される回転速度信号に基づいて、ローター２の回転速度の変動特性（波形２１）を取得する。
【００５２】
続いて、駆動信号の周波数を変化させて、同様に、ローター２の回転速度の変動特性を取得する。これにより、周波数をどの位変化させると回転速度がどのように変化するかが分かるので、ローター２の回転速度の変動特性に基づいて、目標回転速度に対する回転速度の変動を抑える制御プロファイル（波形２５）を設定することができる。駆動信号発生部７（図３参照）が、この制御プロファイルに基づいて駆動信号を出力することにより、回転速度の変動を抑える制御が行われる。
【００５３】
次に、本実施形態の回転速度の制御による効果を説明する。図５は、回転速度の制御による効果を説明する図である。詳しくは、図５（ａ）は本実施形態の制御方法による回転速度の変化を模式的に示す図であり、図５（ｂ）は従来の制御方法の例による回転速度の変化を模式的に示す図である。図５（ａ），（ｂ）において、横軸は駆動開始からの時間の経過を示し、縦軸は時間の経過に伴う回転速度の変化を示している。また、図５（ａ），（ｂ）において、波形２１は回転速度の変動を抑える制御を行わないときの回転速度の変化を示し、波形３０は回転速度の変動を抑える制御を行ったときの回転速度の変化を示し、波形４０は回転検出部９から出力される回転速度信号を示している。
【００５４】
図５（ｂ）に示す従来の制御方法の例では、時間Ｔ１が経過した時点で回転速度が波形２１のように変化すると、回転検出部から出力される回転速度信号が波形４０のように変化する。従来の駆動制御部は、この回転速度信号の変化を検出した場合にローターの回転速度を調整する制御を行うため、時間Ｔ２がさらに経過した時点で回転速度が修正される。従って、回転速度の変動の発生に対して時間Ｔ２だけ制御に遅延が生じてしまう。この結果、回転速度の安定性を確保することが困難であるという課題があった。
【００５５】
これに対して、図５（ａ）に示すように、本実施形態の回転速度の制御方法によれば、駆動制御部５の制御プロファイルに基づく制御により回転速度の変動の発生が抑えられるので、時間Ｔ１が経過した時点でも回転速度が波形２１のように変化することなく、波形３０のように目標回転速度（波形２０）に近い安定した回転速度を得ることができる。したがって、回転検出部９から出力される回転速度信号の波形４０も安定したものとなる。
【００５６】
（第２の実施形態）
＜圧電アクチュエーター＞
次に、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーターの概略構成を説明する。図６は、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーターの構成を示す模式図である。
【００５７】
第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター１０１は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーター１００に対して、ローター２の回転を増速又は減速して伝達する増減速機構をさらに備えている点が異なっているが、その他の構成はほぼ同じである。したがって、第１の実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付しその説明を省略する。
【００５８】
図６に示すように、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター１０１は、振動体１と、ローター２と、保持部材３と、付勢バネ４と、基台１８と、増減速機構としてのギア輪列５０とを備えている。
【００５９】
ギア輪列５０は、ギア５１と、ギア５２と、ギア５３と、ギア５４とで構成される。ギア５１は、ローター２と同軸に配置されており、ローター２と一体的に回転する。ギア５２はギア５１と螺合しており、ギア５２の歯数はギア５１の歯数の整数倍となっている。ギア５３は、ギア５２と同軸に配置されており、ギア５２と一体的に回転する。ギア５３の歯数は、ギア５２の歯数の整数分の１となっている。ギア５４はギア５３と螺合しており、ギア５４の歯数はギア５３の歯数の整数倍となっている。
【００６０】
したがって、ローター２の回転数は最前段のギア５１から、中段のギア５２（ギア５３）、最後段のギア５４までの各段で順次整数分の１に減速して伝達されるので、ギア輪列５０における最前段のギア５１から最後段のギア５４までの各段の回転数の比は整数比となる。このように、圧電アクチュエーター１０１では、ギア輪列５０を備えることにより、ローター２の回転速度が必要とする回転速度よりも速い場合に、ローター２の回転速度を減速して所望の回転速度を得ることができる。
【００６１】
ところで、ギア輪列５０では、各ギアの歯の形状やピッチのばらつき、回転中心の偏心、面方向における歪み等により、回転中に回転トルクが変動する場合がある。ギア輪列５０の回転トルクが変動すると、圧電アクチュエーター１０１の負荷が変動するため、ローター２の回転速度の変動を招く。最後段のギア５４が１回転するとき他のギアはその整数倍回転するので、ギア輪列５０による負荷変動は、ギア５４の回転周期で繰り返し発生することとなる。
【００６２】
このため、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター１０１では、ローター２の回転速度の周期的な変動を招く要因として、ローター２と摺動部１５との摩擦力の変動と、ギア輪列５０による負荷変動との２つの要因が存在する。
【００６３】
次に、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター１０１における、回転速度の変動を抑える制御方法を説明する。図７は、回転速度の変動特性と制御プロファイルを模式的に示す図である。詳しくは、図７（ａ）は回転速度の変動特性を示す図であり、図７（ｂ）は制御プロファイルを示す図である。
【００６４】
図７（ａ）において、波形２１は、第１の実施形態と同様に、回転速度の変動を抑える制御を行わないときの、ローター２と摺動部１５との摩擦力の変動に起因するローター２の回転速度の変動特性を示している。波形２２は、回転速度の変動を抑える制御を行わないときの、ギア輪列５０による負荷変動に起因するローター２の回転速度の変動特性を示している。
【００６５】
波形２３は、波形２１の変動特性と波形２２の変動特性とを合成したものであり、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター１０１のローター２の回転速度の変動特性を示すものである。第２の実施形態における変動特性の周期は、波形２１のローター２と摺動部１５との摩擦力の変動に起因する回転速度の変動周期と、波形２２のギア輪列５０による負荷変動に起因する回転速度の変動周期との最小公倍数となる。
【００６６】
図７（ｂ）に示すように、第２の実施形態では、波形２３で示すローター２の回転速度の変動特性に対して、波形２０で示す目標回転速度との差異を相殺するように、波形２６で示すような制御プロファイルを設定する。この波形２６で示す制御プロファイルに基づく制御により、圧電素子１１に供給する駆動信号の周波数を変化させて、ローター２の回転速度を制御する。これにより、第１の実施形態に対してギア輪列５０による負荷変動に起因する回転速度の変動が加わった場合でも、ローター２の回転速度の変動を抑えて、目標回転速度に近い安定した回転を得ることができる。
【００６７】
ここで、ギア輪列５０における最前段から最後段までの各段の回転数の比が整数比であるため、回転数の比が整数比でない場合に比べて、ギア輪列５０の負荷変動に起因するローター２の回転速度の変動周期が短くなり、第２の実施形態における制御プロファイルに基づく制御周期を短くできるので、回転速度の変動をより容易に制御することができる。
【００６８】
なお、上述のギア輪列５０は、ローター２の回転を減速して伝達する減速機構であったが、ローター２の回転を増速して伝達する増速機構であってもよい。また、ギア輪列５０のギアの段数は、上述の形態に限定されるものではなく、上述の段数よりも少ない構成であってもよいし多い構成であってもよい。さらに、圧電アクチュエーター１０１が備える増減速機構は、ギア輪列に限定されるものではなく、ゴム等からなるローラーや、ベルトとプーリー等で構成される機構であってもよい。
【００６９】
（第３の実施形態）
＜ロボットハンド＞
次に、第３の実施形態に係るロボットハンドの概略構成を説明する。図８は、第３の実施形態に係るロボットハンドの構成を示す模式図である。詳しくは、図８（ａ）は関節部が１段のロボットハンドを示す図であり、図８（ｂ）は関節部が２段のロボットハンドを示す図である。
【００７０】
図８（ａ）に示すロボットハンド２０１ａは、基部２２５と、一対の指２１１とを備えている。基部２２５の延在方向両側には、一対の関節部２０２が設置されている。一対の指２１１は、関節部２０２により、それぞれ一端側が基部２２５に接続されている。一対の関節部２０２には、上述の圧電アクチュエーター１００（又は圧電アクチュエーター１０１）が配置されており、圧電アクチュエーターの駆動により、一対の指２１１が関節部２０２を軸として互いに異なる向きに回動する。これにより、一対の指２１１の他端側でワーク２３３を把持することができる。
【００７１】
図８（ｂ）に示すロボットハンド２０１ｂは、ロボットハンド２０１ａの構成に対して、一対の指２１２をさらに備えており、指２１１と指２１２とで指部２１０が構成されている。一対の指２１１の他端側にはそれぞれ関節部２０３が配置されており、関節部２０３により、指２１２の一端側が指２１１に接続されている。一対の関節部２０３には、上述の圧電アクチュエーター１００（又は圧電アクチュエーター１０１）が配置されており、圧電アクチュエーターの駆動により、一対の指２１２が関節部２０３を軸として回動する。これにより、一対の指部２１０を屈曲させて、指２１２の他端側でワーク２３４を把持することができる。ロボットハンド２０１ｂの構成によれば、一対の指部２１０（指２１１，２１２）が関節部２０２，２０３の２段の関節で接続されているので、ワーク２３３よりも小さいワーク２３４を把持する場合に好適である。
【００７２】
第３の実施形態に係るロボットハンド２０１ａ及びロボットハンド２０１ｂは、関節部２０２，２０３に、回転速度の変動が少なく安定した回転が得られる圧電アクチュエーター１００又は圧電アクチュエーター１０１を備えている。これにより、ワーク２３３，２３４を把持する指２１１，２１２の回動動作を精密かつ正確に行うロボットハンド２０１ａ，２０１ｂを提供できる。
【００７３】
（第４の実施形態）
＜ロボット＞
次に、第４の実施形態に係るロボットの概略構成を説明する。図９は、第４の実施形態に係るロボットの構成を示す模式図である。図９に示すように、ロボット２００は、一対のアーム２４０と、一対のアーム２５０と、一対のロボットハンド２０１ａ（又はロボットハンド２０１ｂ）とを備えている。アーム２４０とアーム２５０とは、関節部２０４により、互いに接続されている。一対の関節部２０４には、上述の圧電アクチュエーター１００（又は圧電アクチュエーター１０１）が配置されており、圧電アクチュエーターの駆動により、アーム２４０がアーム２５０に対して回動する。
【００７４】
第４の実施形態に係るロボット２００は、関節部２０４に回転速度の変動が少なく安定した回転が得られる圧電アクチュエーター１００又は圧電アクチュエーター１０１を備えており、かつ、上述のロボットハンド２０１ａ（又はロボットハンド２０１ｂ）を備えている。これにより、ワークの把持及びアーム２４０の動作を精密かつ正確に行うロボット２００を提供できる。
【００７５】
なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形及び応用が可能である。変形例を以下に述べる。
【００７６】
（変形例）
例えば、上述した実施形態では、回転速度の変動が生じる要因として、ローター２と摺動部１５との摩擦力の変動、及びギア輪列５０による負荷変動をあげ、これらに対して駆動制御部５による回転速度の変動制御を行う構成であったが、回転速度の変動が生じる要因はこれらに限定されるものではない。これら以外の要因によって回転速度の変動が生じる場合であっても、周期的に発生する回転速度の変動であれば、上述した実施形態のようにその変動特性に基づいて制御プロファイルを設定することにより、回転速度を制御することが可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１…振動体、２…回転体としてのローター、５…駆動制御部、１０…振動板、１１…圧電素子、１５…摺動部、５０…増減速機構としてのギア輪列、１００…圧電アクチュエーター、２００…ロボット、２０１ａ…ロボットハンド、２０１ｂ…ロボットハンド。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエーター、ロボットハンド、及びロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエーターは、高周波の交流電圧等の駆動電圧を機械的振動に変換する圧電素子と、圧電素子によって駆動される被駆動部材とを有する駆動装置である。圧電アクチュエーターの一つの形態として、回転体を被駆動部材とする圧電モーターが知られている（例えば、特許文献１参照）。圧電モーターは、圧電素子の屈曲振動を、圧電素子を含む振動体から突出する摺動部を介して伝達し、回転体を所定の方向に回転させるものである。
【０００３】
このような圧電モーターの用途として、近年、ロボットハンド（ロボット）の駆動手段としての用途が注目されている。ロボットハンドは、精密かつ正確な動作を必要とするため、ロボットハンドの駆動手段として用いられる圧電モーターでは、回転体の回転速度が安定していることが求められる。
【０００４】
特許文献１に記載の圧電モーター（振動波モーター）では、エンコーダーからパルス情報として出力される回転速度と、ＣＰＵから出力される目標速度との差を速度差検出回路で比較し、その速度差情報に基づいて、速度制御回路が振動波モーターを駆動する駆動パルスの周波数を決定して出力する。これにより、振動波モーターの回転速度が目標速度となるように調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２０９８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のような圧電モーターでは、駆動中に回転速度をモニターし、回転速度が目標速度から外れたことを検出した場合、その都度回転速度の調整を行う構成となっている。そのため、回転速度のずれが発生した時点から、回転速度を調整してずれが抑えられる時点までに遅延が生じるので、回転速度の安定性を確保することが困難であるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］本適用例に係る圧電アクチュエーターは、圧電素子を含む振動体と、円盤形状を有する回転体と、前記振動体の一端から突出し前記回転体に当接する摺動部と、前記圧電素子に駆動信号を供給して前記圧電素子の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部は、予め取得した前記回転体の回転速度の変動特性に基づいて、前記回転速度を制御することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、例えば、回転体と摺動部との摩擦力の変動等に起因して、回転体の回転速度に周期的な変動が発生する場合に、予め取得した回転速度の変動特性に基づいて、このような変動の発生を抑えるように制御することができる。これにより、回転速度の変動の発生を検出して都度制御を行う場合に比べて、回転速度の変動に対する制御の遅れが抑えられるので、回転速度をより安定させることができる。
【００１０】
［適用例２］上記適用例に係る圧電アクチュエーターであって、前記駆動制御部は、前記変動特性として取得した駆動開始からの時間経過に伴う前記回転速度の目標値に対する差異の変化に基づいて、前記駆動信号の周波数を変化させて前記回転速度を制御することが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、駆動開始からの時間経過に伴う回転速度の目標値に対する差異を相殺するように、圧電素子に供給する駆動信号の周波数を変化させて、振動体（摺動部）の振動数を調整することができる。これにより、回転体の回転速度の変動の発生を抑える制御を行うことができる。
【００１２】
［適用例３］上記適用例に係る圧電アクチュエーターであって、前記回転体の回転を増速又は減速して伝達する増減速機構をさらに備え、前記増減速機構における最前段から最後段までの各段の回転数の比は整数比であることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、増減速機構を備えているので、回転体の回転速度を所望の速度に増速又は減速できるが、増減速機構の回転に伴う負荷変動によって、回転体の回転速度に周期的な変動が起こり得る。しかしながら、増減速機構における最前段から最後段までの各段の回転数の比が整数比であるため、回転数の比が整数比でない場合に比べて、増減速機構の負荷変動に起因する回転体の回転速度の変動周期を短くできるので、回転速度の変動をより容易に制御することができる。
【００１４】
［適用例４］上記適用例に係る圧電アクチュエーターであって、前記振動体は、前記圧電素子に積層された振動板をさらに有していることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、振動体が振動板で補強されるので、より安定した振動が得られる。これにより、回転体の回転速度をより安定させることができる。
【００１６】
［適用例５］本適用例に係るロボットハンドは、上述の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、回転速度が安定した圧電アクチュエーターを備えているので、ワークを把持する指の回動動作を精密かつ正確に行うロボットハンドを提供できる。
【００１８】
［適用例６］本適用例に係るロボットは、上述のロボットハンドを備えたことを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、ワークを把持する指の回動動作を精密かつ正確に行うロボットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの構成を示す模式図。
【図２】第１の実施形態に係る振動体の振動挙動を説明する図。
【図３】第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの駆動制御部を示すブロック図。
【図４】第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの回転速度の変動特性と制御プロファイルを模式的に示す図。
【図５】第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの回転速度の制御方法を説明する図。
【図６】第２の実施形態に係る圧電アクチュエーターの構成を示す模式図。
【図７】第２の実施形態に係る圧電アクチュエーターの回転速度の制御方法を説明する図。
【図８】第３の実施形態に係るロボットハンドの構成を示す模式図。
【図９】第４の実施形態に係るロボットの構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の一実施形態である圧電アクチュエーターについて図面を参照して説明する。なお、参照する各図面において、構成をわかり易く示すため、各構成要素の寸法の比率、角度等が異なる場合がある。
【００２２】
（第１の実施形態）
＜圧電アクチュエーター＞
まず、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの概略構成を説明する。図１は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの構成を示す模式図である。詳しくは、図１（ａ）は圧電アクチュエーターの平面図であり、図１（ｂ）は圧電アクチュエーターの側面図である。
【００２３】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、圧電アクチュエーター１００は、振動体１と、回転体としてのローター２と、保持部材３と、付勢バネ４と、基台１８と、を備えている。圧電アクチュエーター１００は、被駆動部材として回転するローター２を備える圧電モーターである。振動体１、ローター２、保持部材３、及び付勢バネ４は、基台１８に設置されている。
【００２４】
図１（ａ）に示す平面視で、振動体１は、短辺１ａと長辺１ｂとを有する略矩形形状である。以下の説明では、短辺１ａに沿った方向を短手方向と呼び、長辺１ｂに沿った方向を長手方向と呼ぶ。図１（ｂ）に示すように、振動体１は、振動板１０と、振動板１０の表裏両面にそれぞれ配置された１対の圧電素子１１と、が積層された積層体である。
【００２５】
振動板１０は、金属や樹脂等の剛性のある材料で形成された板状部材からなり、例えば、導電性を有するステンレス鋼で形成されている。１対の圧電素子１１は、接着剤や合金ろう材等の固着手段によって、振動板１０に固着されている。圧電素子１１は、圧電体層１３と、第１電極１２と、第２電極１４と、で構成される。
【００２６】
圧電体層１３は、板状に形成されている。圧電体層１３は、電気機械変換作用を示す圧電材料からなり、例えば、一般式ＡＢＯ3で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物を材料として形成されている。このような金属酸化物としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）等があげられる。
【００２７】
第１電極１２は、圧電体層１３の振動板１０側に設けられており、圧電体層１３の略全面に亘って形成されている。第１電極１２は、圧電素子１１における共通電極となっている。１対の圧電素子１１の第１電極１２同士は、振動板１０を介して電気的に接続されている。第１電極１２及び第２電極１４は、Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ等の導電性金属を材料として、蒸着、スッパッタリング等により形成されている。
【００２８】
第２電極１４は、圧電体層１３の第１電極１２とは反対側に設けられており、溝部によって面内方向で複数に分割されている。図１（ａ）に示すように、この溝部は、第２電極１４を圧電素子１１の短手方向において略３等分し、その３つに分割された電極のうち短手方向両外側の２つの電極を、長手方向においてさらに略２等分するように形成されている。これにより、第２電極１４は、電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅの５つの電極部に分割されている。電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅは、個別電極として互いに電気的に隔離されている。
【００２９】
第２電極１４の５つの電極部のうち、短手方向中央部に配置された電極部１４ａは、縦振動用電極として機能する。電極部１４ａの短手方向両側に、電極部１４ａを挟んで対角となるように配置され対を成す電極部１４ｂ及び電極部１４ｅは、第１屈曲振動用電極として機能する。また、電極部１４ａを挟んで電極部１４ｂ，１４ｅと交差する対角となるように配置され対を成す電極部１４ｃ及び電極部１４ｄは、第２屈曲振動用電極として機能する。
【００３０】
圧電素子１１において、電極部１４ａが配置された領域が、圧電素子１１の長手方向に縦振動を励起する縦振動励起領域となっている。これに対して、縦振動励起領域の短手方向両側の電極部１４ｂ，１４ｅが配置された領域、及び電極部１４ｃ，１４ｄが配置された領域が、それぞれ圧電素子１１の短手方向に屈曲振動を励起する屈曲振動励起領域となっている。
【００３１】
なお、第１電極１２及び第２電極１４（電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ）は、図示しない電極配線等を介して、駆動制御部５（図３参照）に電気的に接続されている。駆動制御部５は、圧電素子１１を制御する駆動信号を供給する。
【００３２】
振動板１０は、長手方向の一端側に、圧電素子１１よりもローター２側に突出するように、延設された摺動部１５を有している。摺動部１５は、ローター２の側面（円周面）に当接している。
【００３３】
また、振動板１０は、長手方向中央部に、短手方向両外側に向かって延設された一対の腕部１６を有している。腕部１６には厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられており、貫通孔を挿通させたネジを介して、腕部１６が保持部材３に固定されている。これにより、振動体１は、保持部材３に対して、腕部１６を基点として縦振動及び屈曲振動が可能な状態で保持される。
【００３４】
ローター２は、円盤形状を有しており、振動体１の摺動部１５が設けられた側に配置されている。ローター２は、基台１８に立設された棒状の軸２ａを回転中心として、回転自在に保持されている。
【００３５】
基台１８は、一対のスライド部１８ａを有している。一対のスライド部１８ａは、振動体１に対して、短手方向の両外側に、長手方向に沿って延在して配置されている。保持部材３は、基台１８に対して、スライド部１８ａに沿ってスライド移動可能に支持されている。
【００３６】
保持部材３のローター２とは反対側には、付勢バネ４が設置されている。付勢バネ４は、保持部材３を介して振動体１をローター２に向けて付勢し、この付勢力により、摺動部１５がローター２に所定の力で当接する。付勢バネ４の付勢力は、ローター２と摺動部１５との間で適切な摩擦力が発生するように適宜設定されている。これにより、振動体１の振動が、摺動部１５を介してローター２に効率よく伝達される。
【００３７】
次に、圧電アクチュエーター１００の動作を説明する。図２は、第１の実施形態に係る振動体の振動挙動を説明する図である。詳しくは、図２（ａ）は、第１電極１２（図１（ｂ）参照）と第２電極１４の電極部１４ａ，１４ｂ，１４ｅとの間に駆動信号を供給した場合の、振動体１の振動状態を示す図である。また、図２（ｂ）は、第１電極１２と第２電極１４の電極部１４ａ，１４ｃ，１４ｄとの間に駆動信号を供給した場合の、振動体１の振動状態を示す図である。
【００３８】
図２（ａ）に示す振動状態では、縦振動用電極である電極部１４ａに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、長手方向に沿って伸縮する縦振動が励振される。また、第１屈曲振動用電極である電極部１４ｂ，１４ｅに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、短手方向に沿って屈曲する屈曲振動が励振される。このような縦振動と屈曲振動とが合成されて、２点鎖線で示す振動が振動体１に励振されることにより、摺動部１５は、時計回りの楕円軌道Ｒ1を描くように摺動する。これにより、ローター２が、図１（ａ）に矢印で示すように、反時計回りに回転する。
【００３９】
図２（ｂ）に示す振動状態では、縦振動用電極である電極部１４ａに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、長手方向に沿って伸縮する縦振動が励振される。また、第２屈曲振動用電極である電極部１４ｃ，１４ｄに対して駆動信号が供給されることにより、振動体１に、短手方向に沿って屈曲する屈曲振動が励振される。このような縦振動と屈曲振動とが合成されて、２点鎖線で示す振動が振動体１に励振されることにより、摺動部１５は、反時計回りの楕円軌道Ｒ2を描くように摺動する。これにより、ローター２が、図１（ａ）に示す矢印とは反対の、時計回りに回転する。
【００４０】
このように、本実施形態の圧電アクチュエーター１００では、第１電極１２と第２電極１４との間に駆動信号を供給する際に、第２電極１４のうち縦振動用電極（電極部１４ａ）の他に、第１屈曲振動用電極（電極部１４ｂ，１４ｅ）を選択する場合と、第２屈曲振動用電極（電極部１４ｃ，１４ｄ）を選択する場合とを切り替えることにより、ローター２を反時計回り及び時計回りの双方向に回転させることが可能である。なお、ローター２の回転速度は、振動体１の振動周波数によって調整することができる。
【００４１】
＜駆動制御部＞
次に、圧電アクチュエーター１００の駆動制御部について、図３を参照して説明する。図３は、圧電アクチュエーターの駆動制御部を示すブロック図である。ここでは、駆動制御部５が、圧電素子１１の第２電極１４のうち、図３に斜線で示す縦振動用電極（電極部１４ａ）と第１屈曲振動用電極（電極部１４ｂ，１４ｅ）とに駆動信号を供給して、振動体１を振動させる場合を例に取り説明する。
【００４２】
図３に示すように、駆動制御部５は、振動検出部６と、駆動信号発生部７と、ドライバー８とを備えている。また、圧電アクチュエーター１００は、駆動制御部５の他に、ローター２の回転速度を検出する回転検出部９を備えている。
【００４３】
図３に示す圧電アクチュエーター１００では、縦振動用電極（電極部１４ａ）と第１屈曲振動用電極（電極部１４ｂ，１４ｅ）とに駆動信号が供給されることで、振動体１（圧電素子１１）は、駆動信号が供給されない第２屈曲振動用電極（電極部１４ｃ，１４ｄ）の領域においても振動する。この振動により、圧電素子１１が第２屈曲振動用電極の領域において電気を発生し、電極部１４ｃ，１４ｄから振動に応じた振動検出信号（交流電流）が振動検出部６に出力される。振動検出部６は、振動体１から入力された振動検出信号を駆動信号発生部７に出力する。
【００４４】
駆動信号発生部７は、所定の周波数の駆動信号を生成して、ドライバー８に出力する。駆動信号発生部７は、振動検出部６から入力された振動検出信号と、ドライバー８に出力している駆動信号との位相差を演算して、位相差が最適となるように駆動信号の周波数を決定する。ドライバー８は、駆動信号発生部７で生成された駆動信号に基いて、振動体１（圧電素子１１）を駆動する電力を供給する。
【００４５】
回転検出部９は、ローター２に近い位置に設置されている。回転検出部９は、ローター２の回転速度に応じた信号（例えば、パルス信号）を駆動信号発生部７に出力する。回転検出部９としては、例えば、フォトリフレクター、フォトインタラプター、ＭＲセンサー等の、光方式や磁気方式の回転エンコーダーを用いることができる。
【００４６】
通常の駆動状態において、駆動信号発生部７は、振動検出部６から入力された振動検出信号と、ドライバー８に出力している駆動信号との位相差が最適となるように駆動信号の周波数を決定して、ドライバー８にフィードバックする。これにより、圧電素子１１に、位相差が最適となる周波数の駆動信号が供給されるので、摺動部１５が所定の楕円軌道を描いて摺動し、ローター２の回転速度が所定の速度に保たれる。
【００４７】
ところで、圧電アクチュエーター１００のように、振動体１の振動を摺動部１５を介して伝達してローター２を回転させる構成の圧電モーターでは、個々の圧電モーター固有の要因により、ローター２の回転速度が変動する場合がある。例えば、ローター２の側面（摺動部１５が当接する円周面）の表面の粗さが円周に亘って均一でない場合や、ローター２の回転中心が偏心している場合、ローター２の回転に伴ってローター２と摺動部１５との摩擦力が変動する。このような摩擦力の変動は、周期的に繰り返し発生するため、ローター２の回転速度が周期的に変動することとなり、安定した回転が得られなくなってしまう。そこで、本実施形態に係る圧電アクチュエーター１００では、駆動制御部５が、このようなローター２の回転速度の変動を抑える制御を行う。
【００４８】
以下に、本実施形態におけるローター２の回転速度の変動を抑える制御方法を説明する。図４は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーターの回転速度の変動特性と制御プロファイルを模式的に示す図である。図４において、横軸は駆動開始からの時間の経過を示し、縦軸は時間の経過に伴う回転速度の変化を示している。
【００４９】
図４において、波形２０はローター２の目標回転速度（一定速度）を示し、波形２１は駆動制御部５により回転速度の変動を抑える制御を行わないときのローター２の回転速度の変動特性を示している。駆動制御部５により回転速度の変動を抑える制御を行わない場合、時間の経過とともに、波形２１で示すローター２の回転速度が変動し、波形２０で示す目標回転速度との差異が変化する。このような回転速度の変動は、時間の経過に伴って周期的に繰り返される。
【００５０】
そこで、時間の経過とともに変化するローター２の回転速度と目標回転速度との差異を相殺するように、波形２５で示すような制御プロファイルを設定する。この制御プロファイルに基づいて、圧電素子１１に供給する駆動信号の周波数を変化させることにより、振動体１（摺動部１５）の振動を変化させて、ローター２の回転速度の変動を打ち消すように制御する。制御プロファイルによる制御周期は、回転速度の変動周期に対応するものである。これにより、ローター２の回転速度の変動の発生を抑えるので、目標回転速度に近い安定した回転を得ることができる。
【００５１】
この波形２５で示す制御プロファイルを設定する方法を説明する。予め、圧電アクチュエーター１００の固体毎に、回転速度の変動を抑える制御を行わない状態で、所定の基準周波数の駆動信号を供給し、回転検出部９（図３参照）から出力される回転速度信号に基づいて、ローター２の回転速度の変動特性（波形２１）を取得する。
【００５２】
続いて、駆動信号の周波数を変化させて、同様に、ローター２の回転速度の変動特性を取得する。これにより、周波数をどの位変化させると回転速度がどのように変化するかが分かるので、ローター２の回転速度の変動特性に基づいて、目標回転速度に対する回転速度の変動を抑える制御プロファイル（波形２５）を設定することができる。駆動信号発生部７（図３参照）が、この制御プロファイルに基づいて駆動信号を出力することにより、回転速度の変動を抑える制御が行われる。
【００５３】
次に、本実施形態の回転速度の制御による効果を説明する。図５は、回転速度の制御による効果を説明する図である。詳しくは、図５（ａ）は本実施形態の制御方法による回転速度の変化を模式的に示す図であり、図５（ｂ）は従来の制御方法の例による回転速度の変化を模式的に示す図である。図５（ａ），（ｂ）において、横軸は駆動開始からの時間の経過を示し、縦軸は時間の経過に伴う回転速度の変化を示している。また、図５（ａ），（ｂ）において、波形２１は回転速度の変動を抑える制御を行わないときの回転速度の変化を示し、波形３０は回転速度の変動を抑える制御を行ったときの回転速度の変化を示し、波形４０は回転検出部９から出力される回転速度信号を示している。
【００５４】
図５（ｂ）に示す従来の制御方法の例では、時間Ｔ１が経過した時点で回転速度が波形２１のように変化すると、回転検出部から出力される回転速度信号が波形４０のように変化する。従来の駆動制御部は、この回転速度信号の変化を検出した場合にローターの回転速度を調整する制御を行うため、時間Ｔ２がさらに経過した時点で回転速度が修正される。従って、回転速度の変動の発生に対して時間Ｔ２だけ制御に遅延が生じてしまう。この結果、回転速度の安定性を確保することが困難であるという課題があった。
【００５５】
これに対して、図５（ａ）に示すように、本実施形態の回転速度の制御方法によれば、駆動制御部５の制御プロファイルに基づく制御により回転速度の変動の発生が抑えられるので、時間Ｔ１が経過した時点でも回転速度が波形２１のように変化することなく、波形３０のように目標回転速度（波形２０）に近い安定した回転速度を得ることができる。したがって、回転検出部９から出力される回転速度信号の波形４０も安定したものとなる。
【００５６】
（第２の実施形態）
＜圧電アクチュエーター＞
次に、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーターの概略構成を説明する。図６は、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーターの構成を示す模式図である。
【００５７】
第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター１０１は、第１の実施形態に係る圧電アクチュエーター１００に対して、ローター２の回転を増速又は減速して伝達する増減速機構をさらに備えている点が異なっているが、その他の構成はほぼ同じである。したがって、第１の実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付しその説明を省略する。
【００５８】
図６に示すように、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター１０１は、振動体１と、ローター２と、保持部材３と、付勢バネ４と、基台１８と、増減速機構としてのギア輪列５０とを備えている。
【００５９】
ギア輪列５０は、ギア５１と、ギア５２と、ギア５３と、ギア５４とで構成される。ギア５１は、ローター２と同軸に配置されており、ローター２と一体的に回転する。ギア５２はギア５１と螺合しており、ギア５２の歯数はギア５１の歯数の整数倍となっている。ギア５３は、ギア５２と同軸に配置されており、ギア５２と一体的に回転する。ギア５３の歯数は、ギア５２の歯数の整数分の１となっている。ギア５４はギア５３と螺合しており、ギア５４の歯数はギア５３の歯数の整数倍となっている。
【００６０】
したがって、ローター２の回転数は最前段のギア５１から、中段のギア５２（ギア５３）、最後段のギア５４までの各段で順次整数分の１に減速して伝達されるので、ギア輪列５０における最前段のギア５１から最後段のギア５４までの各段の回転数の比は整数比となる。このように、圧電アクチュエーター１０１では、ギア輪列５０を備えることにより、ローター２の回転速度が必要とする回転速度よりも速い場合に、ローター２の回転速度を減速して所望の回転速度を得ることができる。
【００６１】
ところで、ギア輪列５０では、各ギアの歯の形状やピッチのばらつき、回転中心の偏心、面方向における歪み等により、回転中に回転トルクが変動する場合がある。ギア輪列５０の回転トルクが変動すると、圧電アクチュエーター１０１の負荷が変動するため、ローター２の回転速度の変動を招く。最後段のギア５４が１回転するとき他のギアはその整数倍回転するので、ギア輪列５０による負荷変動は、ギア５４の回転周期で繰り返し発生することとなる。
【００６２】
このため、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター１０１では、ローター２の回転速度の周期的な変動を招く要因として、ローター２と摺動部１５との摩擦力の変動と、ギア輪列５０による負荷変動との２つの要因が存在する。
【００６３】
次に、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター１０１における、回転速度の変動を抑える制御方法を説明する。図７は、回転速度の変動特性と制御プロファイルを模式的に示す図である。詳しくは、図７（ａ）は回転速度の変動特性を示す図であり、図７（ｂ）は制御プロファイルを示す図である。
【００６４】
図７（ａ）において、波形２１は、第１の実施形態と同様に、回転速度の変動を抑える制御を行わないときの、ローター２と摺動部１５との摩擦力の変動に起因するローター２の回転速度の変動特性を示している。波形２２は、回転速度の変動を抑える制御を行わないときの、ギア輪列５０による負荷変動に起因するローター２の回転速度の変動特性を示している。
【００６５】
波形２３は、波形２１の変動特性と波形２２の変動特性とを合成したものであり、第２の実施形態に係る圧電アクチュエーター１０１のローター２の回転速度の変動特性を示すものである。第２の実施形態における変動特性の周期は、波形２１のローター２と摺動部１５との摩擦力の変動に起因する回転速度の変動周期と、波形２２のギア輪列５０による負荷変動に起因する回転速度の変動周期との最小公倍数となる。
【００６６】
図７（ｂ）に示すように、第２の実施形態では、波形２３で示すローター２の回転速度の変動特性に対して、波形２０で示す目標回転速度との差異を相殺するように、波形２６で示すような制御プロファイルを設定する。この波形２６で示す制御プロファイルに基づく制御により、圧電素子１１に供給する駆動信号の周波数を変化させて、ローター２の回転速度を制御する。これにより、第１の実施形態に対してギア輪列５０による負荷変動に起因する回転速度の変動が加わった場合でも、ローター２の回転速度の変動を抑えて、目標回転速度に近い安定した回転を得ることができる。
【００６７】
ここで、ギア輪列５０における最前段から最後段までの各段の回転数の比が整数比であるため、回転数の比が整数比でない場合に比べて、ギア輪列５０の負荷変動に起因するローター２の回転速度の変動周期が短くなり、第２の実施形態における制御プロファイルに基づく制御周期を短くできるので、回転速度の変動をより容易に制御することができる。
【００６８】
なお、上述のギア輪列５０は、ローター２の回転を減速して伝達する減速機構であったが、ローター２の回転を増速して伝達する増速機構であってもよい。また、ギア輪列５０のギアの段数は、上述の形態に限定されるものではなく、上述の段数よりも少ない構成であってもよいし多い構成であってもよい。さらに、圧電アクチュエーター１０１が備える増減速機構は、ギア輪列に限定されるものではなく、ゴム等からなるローラーや、ベルトとプーリー等で構成される機構であってもよい。
【００６９】
（第３の実施形態）
＜ロボットハンド＞
次に、第３の実施形態に係るロボットハンドの概略構成を説明する。図８は、第３の実施形態に係るロボットハンドの構成を示す模式図である。詳しくは、図８（ａ）は関節部が１段のロボットハンドを示す図であり、図８（ｂ）は関節部が２段のロボットハンドを示す図である。
【００７０】
図８（ａ）に示すロボットハンド２０１ａは、基部２２５と、一対の指２１１とを備えている。基部２２５の延在方向両側には、一対の関節部２０２が設置されている。一対の指２１１は、関節部２０２により、それぞれ一端側が基部２２５に接続されている。一対の関節部２０２には、上述の圧電アクチュエーター１００（又は圧電アクチュエーター１０１）が配置されており、圧電アクチュエーターの駆動により、一対の指２１１が関節部２０２を軸として互いに異なる向きに回動する。これにより、一対の指２１１の他端側でワーク２３３を把持することができる。
【００７１】
図８（ｂ）に示すロボットハンド２０１ｂは、ロボットハンド２０１ａの構成に対して、一対の指２１２をさらに備えており、指２１１と指２１２とで指部２１０が構成されている。一対の指２１１の他端側にはそれぞれ関節部２０３が配置されており、関節部２０３により、指２１２の一端側が指２１１に接続されている。一対の関節部２０３には、上述の圧電アクチュエーター１００（又は圧電アクチュエーター１０１）が配置されており、圧電アクチュエーターの駆動により、一対の指２１２が関節部２０３を軸として回動する。これにより、一対の指部２１０を屈曲させて、指２１２の他端側でワーク２３４を把持することができる。ロボットハンド２０１ｂの構成によれば、一対の指部２１０（指２１１，２１２）が関節部２０２，２０３の２段の関節で接続されているので、ワーク２３３よりも小さいワーク２３４を把持する場合に好適である。
【００７２】
第３の実施形態に係るロボットハンド２０１ａ及びロボットハンド２０１ｂは、関節部２０２，２０３に、回転速度の変動が少なく安定した回転が得られる圧電アクチュエーター１００又は圧電アクチュエーター１０１を備えている。これにより、ワーク２３３，２３４を把持する指２１１，２１２の回動動作を精密かつ正確に行うロボットハンド２０１ａ，２０１ｂを提供できる。
【００７３】
（第４の実施形態）
＜ロボット＞
次に、第４の実施形態に係るロボットの概略構成を説明する。図９は、第４の実施形態に係るロボットの構成を示す模式図である。図９に示すように、ロボット２００は、一対のアーム２４０と、一対のアーム２５０と、一対のロボットハンド２０１ａ（又はロボットハンド２０１ｂ）とを備えている。アーム２４０とアーム２５０とは、関節部２０４により、互いに接続されている。一対の関節部２０４には、上述の圧電アクチュエーター１００（又は圧電アクチュエーター１０１）が配置されており、圧電アクチュエーターの駆動により、アーム２４０がアーム２５０に対して回動する。
【００７４】
第４の実施形態に係るロボット２００は、関節部２０４に回転速度の変動が少なく安定した回転が得られる圧電アクチュエーター１００又は圧電アクチュエーター１０１を備えており、かつ、上述のロボットハンド２０１ａ（又はロボットハンド２０１ｂ）を備えている。これにより、ワークの把持及びアーム２４０の動作を精密かつ正確に行うロボット２００を提供できる。
【００７５】
なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形及び応用が可能である。変形例を以下に述べる。
【００７６】
（変形例）
例えば、上述した実施形態では、回転速度の変動が生じる要因として、ローター２と摺動部１５との摩擦力の変動、及びギア輪列５０による負荷変動をあげ、これらに対して駆動制御部５による回転速度の変動制御を行う構成であったが、回転速度の変動が生じる要因はこれらに限定されるものではない。これら以外の要因によって回転速度の変動が生じる場合であっても、周期的に発生する回転速度の変動であれば、上述した実施形態のようにその変動特性に基づいて制御プロファイルを設定することにより、回転速度を制御することが可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１…振動体、２…回転体としてのローター、５…駆動制御部、１０…振動板、１１…圧電素子、１５…摺動部、５０…増減速機構としてのギア輪列、１００…圧電アクチュエーター、２００…ロボット、２０１ａ…ロボットハンド、２０１ｂ…ロボットハンド。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を含む振動体と、
円盤形状を有する回転体と、
前記振動体の一端から突出し前記回転体に当接する摺動部と、
前記圧電素子に駆動信号を供給して前記圧電素子の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、
前記駆動制御部は、予め取得した前記回転体の回転速度の変動特性に基づいて、前記回転速度を制御することを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記駆動制御部は、前記変動特性として取得した駆動開始からの時間経過に伴う前記回転速度の目標値に対する差異の変化に基づいて、前記駆動信号の周波数を変化させて前記回転速度を制御することを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記回転体の回転を増速又は減速して伝達する増減速機構をさらに備え、
前記増減速機構における最前段から最後段までの各段の回転数の比は整数比であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記振動体は、前記圧電素子に積層された振動板をさらに有していることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とするロボットハンド。
【請求項６】
請求項５に記載のロボットハンドを備えたことを特徴とするロボット。
【請求項１】
圧電素子を含む振動体と、
円盤形状を有する回転体と、
前記振動体の一端から突出し前記回転体に当接する摺動部と、
前記圧電素子に駆動信号を供給して前記圧電素子の駆動を制御する駆動制御部と、を備え、
前記駆動制御部は、予め取得した前記回転体の回転速度の変動特性に基づいて、前記回転速度を制御することを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記駆動制御部は、前記変動特性として取得した駆動開始からの時間経過に伴う前記回転速度の目標値に対する差異の変化に基づいて、前記駆動信号の周波数を変化させて前記回転速度を制御することを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記回転体の回転を増速又は減速して伝達する増減速機構をさらに備え、
前記増減速機構における最前段から最後段までの各段の回転数の比は整数比であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記振動体は、前記圧電素子に積層された振動板をさらに有していることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とするロボットハンド。
【請求項６】
請求項５に記載のロボットハンドを備えたことを特徴とするロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２５３９９０（Ｐ２０１２−２５３９９０Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２７０２５（Ｐ２０１１−１２７０２５）
【出願日】平成２３年６月７日（２０１１．６．７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月７日（２０１１．６．７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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