JP4998244B2 - 振動アクチュエータ及びその制御方法ならびにロボットハンド - Google Patents

Description

この発明は、振動アクチュエータに係り、特に振動子に超音波の振動を発生させて回転子を回転させる振動アクチュエータおよびその制御方法ならびにロボットハンドに関する。

近年、超音波振動を利用して回転子を回転させる振動アクチュエータが提案され、実用化されている。この振動アクチュエータは、圧電素子を用いて固定子の表面に楕円運動または進行波を発生させ、固定子に回転子を加圧接触させることによりこれら両者間の摩擦力を介して回転子を回転させるものである。このような振動アクチュエータは、たとえばロボットハンドにおいて指部を駆動するために用いられる。
特許文献１には、ステータによって回転子を支持するとともに、振動体でＸ、Ｙ、Ｚの３方向のうち２方向の振動を同時にステータに励起させ、回転子を任意の方向に回転させる振動アクチュエータが開示されている。この振動アクチュエータは、２方向の振動を同時に励起することによって回転子を回転させるとともに、これらの振動を同時に停止することによって回転子を停止させるものである。

特開２００７−１３５３１２号公報

しかしながら、従来の振動アクチュエータでは、回転子が停止すると同時に予圧力により回転子の動きが拘束されるため、停止位置の誤差等に起因して回転子に応力が発生すると、この応力を緩和することができないという問題があった。例として、振動アクチュエータが停止したロボットハンドの指部が対象物を把持したままとなる場合などが挙げられる。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、回転子が停止する際に外部から回転子に及ぼされる応力を緩和することができる振動アクチュエータ及びその制御方法ならびにロボットハンドを提供することを目的とする。

この発明に係る振動アクチュエータは、回転子を固定子に対し加圧した状態で、振動手段により固定子に振動を発生させ、回転子の回転を制御する振動アクチュエータにおいて、振動手段は、加圧の方向と垂直な第１方向のたわみ振動を固定子に発生させる、第１の圧電素子と、加圧の方向および第１方向と垂直な第２方向のたわみ振動を固定子に発生させる、第２の圧電素子と、加圧の方向の直線振動を固定子に発生させる、第３の圧電素子とを備え、振動手段は、固定子に楕円振動または円振動を発生させることにより、回転子を回転させるトルクを発生し、振動手段は、回転している回転子を停止させる際に、楕円振動または円振動を直線振動としてトルクの発生を停止し、直線振動を間欠的に発生させた後に、固定子の振動を停止することを特徴とする。

回転子が停止する際に、固定子の振動は楕円振動から直線振動となるので、回転子を強制的に回転させるトルクは発生しなくなるとともに、回転子が外部からのモーメントに応じて自由に回転可能な状態となる。回転子が自由に回転することによって外部から回転子に及ぼされる応力が緩和され、その後で直線振動が停止して回転子が拘束される。

上述の振動アクチュエータにおいて、直線振動の方向および加圧の方向は同一であることを特徴としてもよい。
この構成によれば、回転子に対する加圧と同一の方向の振動がより後まで残るので、回転子が停止する際により自由な状態となる。

振動手段は、回転している回転子を停止させる際に、直線振動を間欠的に発生させることを特徴としてもよい。
この構成によれば、自由な回転の量が過度に大きくならないよう適度に抑えつつ、回転子を全体的にみてより長時間自由に回転させることができる。

振動手段は、固定子に振動を発生させる振動体と、振動体に交流の電圧を印加して駆動する駆動回路とを含み、駆動回路は、回転している回転子を停止させる際に、振動体に印加する電圧を徐々に低下させることを特徴としてもよい。

回転子の回転位置を検出する検出手段を備え、振動手段は、検出された回転位置に基づいて固定子に発生させる振動を制御することを特徴としてもよい。

また、この発明に係るロボットハンドは、上述の振動アクチュエータのいずれかによって駆動される複数の指部を有することを特徴とする。

また、この発明に係る振動アクチュエータの制御方法は、回転子を固定子に対し加圧した状態で、固定子に振動を発生させ、回転子の回転を制御する振動アクチュエータの制御方法であって、振動アクチュエータは、加圧の方向と垂直な第１方向のたわみ振動と、加圧の方向および第１方向と垂直な第２方向のたわみ振動と、加圧の方向の直線振動とを固定子に発生させることができるものであり、固定子に楕円振動または円振動を発生させることにより、回転子を回転させるトルクを発生し、回転している回転子を停止させる際に、楕円振動または円振動を直線振動としてトルクの発生を停止し、直線振動を間欠的に発生させた後に、固定子の振動を停止することを特徴とする。

この発明によれば、回転子が停止する際に固定子が直線的に振動するので、回転子の強制的な回転を停止しつつ外部のモーメントに応じて回転子を自由に回転させることができ、外部からの応力を緩和することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、この発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータを示す。基部ブロック１と固定子２との間に振動体３が挟持されており、これらによりほぼ円柱状の外形を有する振動子４が形成されている。固定子２には、振動体３に接する面とは反対側に凹部５が形成されており、この凹部５内に略球体状の回転子６のほぼ下半部が収容されている。
固定子２の上部には、支持部材７が配置されている。この支持部材７は、固定子２の上面の上に固定される環状部８と、環状部８から上方に延びる逆Ｌ字形のアングル部９を有し、アングル部９の先端に予圧部１０が支持されている。

ここで、説明の便宜上、基部ブロック１から固定子２に向かう振動子４の中心軸をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
予圧部１０は、回転子６の＋Ｚ軸方向の最高点である頂点付近に接触している。支持部材７のアングル部９は弾性を有し、これにより予圧部１０が回転子６に加圧され、回転子６に−Ｚ軸方向の予圧を付与している。

図２に示されるように、予圧部１０は、凹状円錐面形状の予圧面１１を有しており、この予圧面１１が回転子６の頂点付近に接触している。
また、基部ブロック１と固定子２とが振動体３内に通された連結ボルト１２を介して互いに連結されている。
固定子２の凹部５は、回転子６の直径より小さな内径を有する小径部１３と、回転子６の直径より大きな内径を有する大径部１４とからなり、これら小径部１３及び大径部１４との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差１５が形成されている。回転子６はこの凹部５内の段差１５に当接した状態で回転可能に支持されている。
なお、基部ブロック１および固定子２はそれぞれ例えばジェラルミンから形成され、回転子６としては鋼球が用いられる。

振動体３は、固定子２に超音波の振動を発生させて回転子６をＸ、Ｙ、Ｚの３軸の周りにそれぞれ回転させるためのものであり、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有している。これら第１〜第３の圧電素子部３１〜３３がそれぞれ駆動回路１６に電気的に接続されている。
具体的には、図３に示されるように、第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介して固定子２及び基部ブロック１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。

図４に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。

第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃと、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃと、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃがそれぞれ駆動回路１６に電気的に接続されている。

図５に、駆動回路１６の構成を示す。駆動回路１６は、第１の圧電素子部３１に交流電圧を印加する第１駆動部１６１と、第２の圧電素子部３２に交流電圧を印加する第２駆動部１６２と、第３の圧電素子部３３に交流電圧を印加する第３駆動部１６３と、これらを制御する制御部１６０とを備える。図示しないが、制御部１６０は、第１駆動部１６１、第２駆動部１６２および第３駆動部１６３が出力する矩形波の制御を行う矩形波位相差可変出力回路と、この矩形波位相差可変出力回路の制御内容を外部からの入力に基づいて計算する演算回路とを備える。また、第１駆動部１６１、第２駆動部１６２および第３駆動部１６３は、それぞれ電源としてハーフブリッジ回路を含む。
この駆動回路１６と、上述の振動体３とが、本発明における振動手段を構成する。

次に、この実施の形態１に係る振動アクチュエータの動作について説明する。
駆動回路１６の第１駆動部１６１が、振動体３に対して、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃに振動アクチュエータの固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子２にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。同様に、駆動回路１６の第２駆動部１６２が、第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃに交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、固定子２にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、駆動回路１６の第３駆動部１６３が、第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃに交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子２にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。

そこで、例えば、制御部１６０の制御に従って、第２駆動部１６２および第３駆動部１６３がそれぞれ、第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧を印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子２の段差１５にＸＺ面内の楕円振動が発生する。この楕円振動によって、摩擦力を介して回転子６をＹ軸周りに回転させるトルクが発生し、回転子６が回転する。
同様に、制御部１６０の制御に従って、第１駆動部１６１および第２駆動部１６２がそれぞれ、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧を印加すると、Ｙ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子２の段差１５にＹＺ面内の楕円振動が発生する。この楕円振動によって、摩擦力を介して回転子６をＸ軸周りに回転させるトルクが発生し、回転子６が回転する。
さらに、制御部１６０の制御に従って、第１駆動部１６１および第３駆動部１６３がそれぞれ、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧を印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子２の段差１５にＸＹ面内の楕円振動が発生する。この楕円振動によって、摩擦力を介して回転子６をＺ軸周りに回転させるトルクが発生し、回転子６が回転する。
このようにして振動体３を駆動することにより、回転子６がＸ、Ｙ、Ｚの３軸の周りにそれぞれ回転する。

ここで、Ｘ軸周りに回転している回転子６を例にとって、この回転子６を停止させる際の制御および動作を説明する。
以下の例において、図６（ａ）は第２駆動部１６２によって電極板３２ｃに印加される実効電圧、すなわちＺ軸方向の縦振動を発生させる電圧を表し、図６（ｂ）は第１駆動部１６１によって電極板３１ｃに印加される実効電圧、すなわちＹ軸方向のたわみ振動を発生させる電圧を表すとする。ここで、実際の回路では電圧制御に応答遅れが発生するが、この応答遅れを図中の一点鎖線で示す。

時刻ｔ１において、駆動回路１６は、回転子６を強制的にＸ軸の周囲に回転させるための駆動を行っている。以下ではこのような駆動を「回転駆動」と呼ぶ。第２駆動部１６２および第１駆動部１６１によって、電極板３２ｃおよび３１ｃにはそれぞれ電圧ｖ０が印加されており、これによって固定子２の段差１５にＹＺ面内の楕円振動が発生し、回転子６がＸ軸周りに回転する。

時刻ｔ２において、駆動回路１６は回転駆動を終了し、回転子６の強制的な回転を停止するとともに、予圧部１０による予圧に起因した回転子６の拘束を解除するための駆動を開始する。以下ではこのような駆動を「調整駆動」と呼ぶ。
調整駆動の開始時点、すなわち時刻ｔ２において、第２駆動部１６２は図６（ａ）に示すように電圧を変化させず、第１駆動部１６１は図６（ｂ）に示すように電圧を０とする。これによってその後、第２の圧電素子部３２のみが振動を発生するので、固定子２はＺ軸方向にのみ直線的に振動することになる。この直線振動では回転子６にトルクが発生せず、回転子６の強制的な回転が停止される。ただし、この直線振動によって、回転子６は予圧部１０による予圧に起因した拘束から解除され、自由な状態となる。したがって、この状態で回転子６に外部から何らかのモーメントが作用すると、回転子６はそのモーメントに応じて回転する。このような回転によって、停止位置の誤差等に起因して回転子６に発生する応力を緩和することができる。また、回転子６が大きな慣性をもって回転していた場合に、急停止によって回転子６等に発生する衝撃を緩和することができる。

その後、時刻ｔ３において第２駆動部１６２による印加電圧も０とすることで調整駆動が終了する。電圧の応答遅れに相当する時間の経過後、第１の圧電素子部３１および第２の圧電素子部３２のいずれからも振動は発生せず、回転子６は予圧部１０による予圧を受けて拘束され、外部からモーメントが作用しても回転しない状態となる。

複数の指部を有するロボットハンドに、この実施の形態１に係る振動アクチュエータを適用し、各指部を対応する振動アクチュエータの回転子６に固定して駆動するように構成することができる。各振動アクチュエータの回転子６を回転させることで、たとえば複数の指部で対象物を把持することが可能となる。このような構成では、アクチュエータが停止する際に、調整駆動において対象物から指部を介して回転子６に伝わるモーメントに従って回転子６が自由に回転するので、指部が対象物を把持したままとなる状態が回避される。このため、対象物の損傷を防ぐことができる。

上述の実施の形態１では、固定子２は楕円振動によって回転子６を回転させるが、これは円振動によるものであってもよい。
また、実施の形態１では、まずＹ軸方向の振動を起こす第１駆動部１６１が電圧の印加を停止とし、続いてＺ軸方向の振動を起こす第２駆動部１６２が電圧の印加を停止した。この順序の制御によれば、Ｚ軸方向すなわち予圧部１０による予圧と同一の方向の振動がより後まで残るので、調整駆動において回転子６がより自由な状態となり、好適である。ただし、逆に、Ｚ軸方向の縦振動を停止させた後にＹ軸方向のたわみ振動を停止させてもよい。
また、実施の形態１では回転子６がＸ軸の周囲に回転している場合を例にとったが、回転子６がＹ軸またはＺ軸の周囲に回転している場合も同様にして停止させることができる。

また、回転子６の回転駆動に関わる振動の方向と、調整駆動に関わる振動の方向とは異なっていてもよい。たとえば、第１駆動部１６１によるＹ軸方向のたわみ振動と、第３駆動部１６３によるＸ軸方向のたわみ振動とによって、回転子６がＺ軸の周りに回転している場合、時刻ｔ２においてＸおよびＹ軸方向のたわみ振動を双方とも停止させるとともに、第２駆動部１６２によるＺ軸方向の縦振動を開始してもよい。

さらに、調整駆動中の直線振動を発生させる電圧、すなわち図６（ａ）に示す第２駆動部１６２の時刻ｔ２〜時刻ｔ３における電圧は、実施の形態１では常にｖ０であるが、これは適宜変更されてもよい。たとえば図７に示すように、時刻ｔ２において電圧を所定の値ｖ１（ただしｖ１＜ｖ０）まで落とし、その後徐々に、たとえば線形に減少させ、調整駆動の終了時点（時刻ｔ３）において０とするものであってもよい。このようにすると、時刻ｔ２〜時刻ｔ３において、固定子２はその振幅を徐々に減少させつつＺ軸方向にのみ振動することになる。
また、図示しないが、時刻ｔ２では電圧をｖ０のままとし、その後徐々に、たとえば線形に減少させ、調整駆動の終了時点（時刻ｔ３）において０とするものであってもよい。

実施の形態１では、調整駆動中は図６（ｂ）に示すとおり第１駆動部１６１の電圧が常に０であるが、これは適宜変更されてもよい。たとえば、ｔ２においてはｖ０であり、これが線形に減少して時刻ｔ３において０となってもよい。このようにすると、固定子２の振動は、時刻ｔ２では比較的円振動に近い楕円振動であるが、その後徐々に直線振動に近づき、これにつれて回転子６に発生するトルクは減少する。さらに、時刻ｔ３の直前ではほぼ直線振動となり、回転子６に発生するトルクはほぼ０となる。
あるいは、第１駆動部１６１の電圧は、時刻ｔ２においてはｖ０より小さい所定の値ｖ１であり、これが線形に減少して時刻ｔ３において０となってもよい。このようにすると、まず時刻ｔ２においてトルクが減少し、その後さらに徐々にトルクが減少することになる。

また、第２駆動部１６２および第１駆動部１６１の電圧は、それぞれ図８の（ａ）および（ｂ）に示すように制御されてもよい。
まず、図８（ｂ）に示すように、時刻ｔ２においてＹ軸方向のたわみ振動を発生させる第１駆動部１６１の電圧が減少をはじめる。これによって固定子２の振動は徐々に直線振動に近づき、これにつれて回転子６に発生するトルクは減少する。その後、この電圧は線形に減少して時刻ｔ２’において０となる（ただしｔ２＜ｔ２’＜ｔ３である）。ここで固定子２の振動は直線振動となり、回転子６に発生するトルクはほぼ０となる。
図８（ａ）に示すように、この時刻ｔ２’においてＺ軸方向の縦振動を発生させる第２駆動部１６２の電圧が減少をはじめる。すなわち、図８（ｂ）に示す第１駆動部１６１の電圧の減少と、図８（ａ）に示す第２駆動部１６２の電圧の減少とは、互いに時間的なずれをもって発生する。これによって、時刻ｔ２’以降、固定子２の直線振動の振幅は徐々に減少する。その後、この電圧は線形に減少して時刻ｔ３において０となり、ここで固定子２の振動が停止する。
なお、図８の例では、第１駆動部１６１の電圧が０となる時刻と第２駆動部１６２の電圧が減少し始める時刻とが同一の時刻ｔ２’であるが、これは異なる時刻であってもよい。

実施の形態１の振動アクチュエータに、回転子６の回転位置を検出する検出手段を設け、駆動回路１６はこの回転位置に基づいて固定子２に発生させる振動を制御してもよい。すなわち、検出手段からの信号が制御部１６０の演算回路にフィードバックとして入力され、制御部１６０はこれに基づいて実施の形態１のような制御を実行してもよい。
この検出手段は、たとえば、回転子６の表面の所定の位置に付されたマーキングと、このマーキングを撮影するための固定されたカメラとの組合せとすることができる。カメラが撮影した画像データを演算回路に送信し、演算回路がこの画像データに基づいてマーキングの位置を算出する。マーキングの位置は回転子６の回転位置に対応する。
さらに、制御部１６０は、算出されたマーキングの位置すなわち回転子６の回転位置に基づいて、図６等に示す調整駆動を行うかどうかを決定する。このような制御により、必要な場合のみ調整駆動を行うことができる。

また、検出手段は、回転子６に接触して配置され、回転子６の回転に応じて回転する、１つまたは複数の回転体であってもよい。たとえば、回転子６のＸ軸周り、Ｙ軸周り、およびＺ軸周りの回転に応じて回転しつつそれぞれの回転位置を検出する、Ｘ軸周りローラー、Ｙ軸周りローラー、およびＺ軸周りローラーとすることができる。制御部１６０は、それぞれのローラーによって検出された回転位置に基づいて回転子６の回転位置を算出し、この回転位置に基づいて固定子２に発生させる振動を制御する。

さらに、検出手段は、ロボットハンドの指部に取り付けられ、指部に加えられる加速度を計測する加速度センサであってもよい。この場合、制御部１６０は、加速度センサの出力を２回積分することによって、指部の位置を算出する。指部は回転子６に固定されているので、指部の位置は回転子６の回転位置に対応する。制御部１６０はこの回転位置に基づいて固定子２に発生させる振動を制御する。
この場合、制御部１６０は、回転子６の回転位置に基づいて、回転子６が停止する際に指部が壁等の障害物に接触するおそれがあるかどうかを判定してもよい。そして、接触するおそれがあると判定された場合には、図６等に示すように調整駆動を行った後に回転子６を停止させ、接触するおそれがないと判定された場合には、調整駆動を行わずに回転子６を停止させてもよい。

実施の形態２
実施の形態２は、上述の実施の形態１において、調整駆動における制御内容を変更し、回転子６に与えられる一方向のみの振動を間欠的なものとするものである。以下、実施の形態１との相違点のみ説明する。
図９を用いて、実施の形態２に係る振動アクチュエータの停止時の制御および動作を説明する。以下の例では、実施の形態１と同様に、図９（ａ）が第２駆動部１６２によって電極板３２ｃに印加される実効電圧、すなわちＺ軸方向の縦振動を発生させる電圧を表し、図９（ｂ）は第１駆動部１６１によって電極板３１ｃに印加される実効電圧、すなわちＹ軸方向のたわみ振動を発生させる電圧を表すとする。なお、図６と同様に、電圧制御の応答遅れを一点鎖線で示す。

時刻ｔ１において、駆動回路１６は、回転子６をＸ軸の周囲に回転させるための回転駆動を行っている。第２駆動部１６２および第１駆動部１６１によって、電極板３２ｃおよび３１ｃにはそれぞれ電圧ｖ０が印加されており、これによって固定子２の段差１５にＹＺ面内の楕円振動が発生し、回転子６がＸ軸周りに回転する。
時刻ｔ２において、駆動回路１６は回転駆動を終了し、調整駆動を開始する。実施の形態２における調整駆動では、図９（ｂ）に示すようにＹ軸方向のたわみ振動を発生させる第１駆動部１６１の電圧を常に０とし、図９（ａ）に示すようにＺ軸方向の縦振動を発生させる第２駆動部１６２の電圧をパルス状に印加する。すなわち、時刻ｔ２の後、所定の時間Ｔａだけ電圧を０とし、その後所定の時間Ｔｂだけ電圧をｖ０とし、これを周期的に繰り返す。この繰り返しを所定回数行った時点で調整駆動が終了する。

ここで、１パルスの電圧印加時間、すなわち図９（ａ）の時間Ｔｂが示す期間中は、第２駆動部１６２からの電圧によってＺ軸方向の振動のみが発生するので、固定子２はＺ軸方向にのみ直線的に振動することになる。これによって、実施の形態１と同様に、外部からのモーメントに応じて回転子６が回転し、停止位置の誤差等に起因して回転子６に発生する応力を緩和することができる。また、回転子６が大きな慣性をもって回転していた場合に、急停止によって回転子６等に発生する衝撃を緩和することができる
また、パルスの休止期間中、すなわち図９（ａ）の時間Ｔａが示す期間中は、第１駆動部１６１および第２駆動部１６２ともに電圧を発生させないので、固定子２は振動せず、回転子６は予圧部１０による予圧を受けて拘束され、外部からモーメントが作用しても回転しない状態となる。この休止期間を挿入することによって、調整駆動の時間が全体的に延長されるので、弾性や慣性が高く完全な静止までに比較的長時間を要する対象物であっても、より確実に損傷を回避することができる。また、第２駆動部１６２が発生する電圧をパルス状とすることによって、固定子２にＺ軸方向のみの振動が発生するトータルの時間を短くし、回転子６の自由な回転の量が過度に大きくならないよう適度に抑えることができる。

ここで、時間Ｔａは電圧の応答遅れと同程度またはこれよりも長い時間であり、たとえば１ｍｓであるが、数ｍｓ程度であってもよい。また、時間Ｔｂは、たとえば第２駆動部１６２によって発生する電圧の周期に応じて決定され、一例として１０周期である。すなわち、電圧のパルスが発生してから消滅するまでの間に、回転子６は固定子２からの摩擦力を介する駆動を１０回受けることになる。この場合、第２駆動部１６２によって発生する電圧が４０ｋＨｚの周波数（すなわち０．０２５ｍｓの周期）を有するものとすると、時間Ｔｂは０．２５ｍｓとなる。

上述の実施の形態２では、固定子２は楕円振動によって回転子６を回転させるが、これは円振動によるものであってもよい。
また、実施の形態２では、第２駆動部１６２が発生する電圧パルスの繰り返し回数が２となっているが、この数は適宜増減されてもよい。

また、実施の形態２では、Ｚ軸方向の振動を起こす第２駆動部１６２がパルス状の電圧を発生した。予圧部１０による予圧はＺ軸方向に沿っているので、このようにすると調整駆動において回転子６がより自由に漂動でき、好適である。ただし、パルス状の電圧を発生するのは第１駆動部１６１であってもよい。
また、実施の形態２では回転子６がＸ軸の周囲に回転している場合を例にとったが、回転子６がＹ軸またはＺ軸の周囲に回転している場合も同様にして停止させることができる。

実施の形態３
実施の形態３は、上述の実施の形態１において、調整駆動における制御内容を変更し、２方向の振動の位相を揃える制御とするものである。以下、実施の形態１との相違点のみ説明する。

図１０を用いて、実施の形態３に係る振動アクチュエータの停止時の制御および動作を説明する。以下の例では、図１０（ａ）が第２駆動部１６２によって電極板３２ｃに印加される実効電圧、すなわちＺ軸方向の縦振動を発生させる電圧を表し、図１０（ｂ）が第１駆動部１６１によって電極板３１ｃに印加される実効電圧、すなわちＹ軸方向のたわみ振動を発生させる電圧を表し、図１０（ｃ）がこれら２方向の振動に対応する電圧の間の位相差を示す。なお、図６と同様に、電圧制御の応答遅れを一点鎖線で示す。

時刻ｔ１において、駆動回路１６は、回転子６をＸ軸の周囲に回転させるための回転駆動を行っている。第２駆動部１６２および第１駆動部１６１によって、電極板３２ｃおよび３１ｃにはそれぞれ電圧ｖ０が印加されている。これらの電圧の間の位相差は９０°であり、このため固定子２の段差１５にＹＺ面内の楕円振動が発生し、回転子６がＸ軸周りに回転する。

時刻ｔ２において、駆動回路１６は回転駆動を終了し、調整駆動を開始する。実施の形態３では、調整駆動の開始時点、すなわち時刻ｔ２において、第２駆動部１６２が発生させＺ軸方向の縦振動を起こす電圧と、第１駆動部１６１が発生させＹ軸方向のたわみ振動を起こす電圧との位相差を０とする。これによってその後、Ｚ軸方向の縦振動と、Ｙ軸方向のたわみ振動とが同位相となるので、固定子２はＹＺ面内で一方向にのみ直線的に振動することになる。

この直線振動では回転子６にトルクが発生せず、回転子６の強制的な回転が停止される。ただし、この直線振動によって、回転子６は予圧部１０による予圧に起因した拘束から解除され、自由な状態となる。したがって、この状態で回転子６に外部から何らかのモーメントが作用すると、回転子６はそのモーメントに応じて回転する。このため、実施の形態１と同様に、停止位置の誤差等に起因して回転子６に発生する応力を緩和することができる。また、回転子６が大きな慣性をもって回転していた場合に、急停止によって回転子６等に発生する衝撃を緩和することができる。

その後、時刻ｔ３において第１駆動部１６１および第２駆動部１６２は電圧を０とし、ここで調整駆動が終了する。電圧の応答遅れに相当する時間の経過後、第１の圧電素子部３１および第２の圧電素子部３２のいずれも振動しておらず、このため回転子６も停止している。

上述の実施の形態３では、固定子２は楕円振動によって回転子６を回転させるが、これは円振動によるものであってもよい。
また、実施の形態３では回転子６がＸ軸の周囲に回転している場合を例にとったが、回転子６がＹ軸またはＺ軸の周囲に回転している場合も同様にして停止させることができる。
また、実施の形態３において、ｔ２において位相差を０とする制御は、たとえば第１駆動部１６１の電圧波形の位相を変化させることによって実現されるものであるが、これは第２駆動部１６２の電圧波形の位相を変化させることによって実現されてもよい。また、位相差を０でなく１８０°とする制御であってもよい。

また、実施の形態３において、図１０（ｃ）に示される調整駆動中の位相差は常に０であるが、これは適宜変更されてもよい。たとえば図１１に示すように、時刻ｔ２において位相差を９０°から減少させはじめて、その後徐々に、たとえば線形に減少させ、調整駆動の終了時点（時刻ｔ３）において０とするものであってもよい。
このようにすると、固定子２の振動は、時刻ｔ２では比較的円振動に近いが、その後徐々に直線振動に近づき、これにつれて回転子６に発生するトルクは減少する。さらに、時刻ｔ３の直前ではほぼ直線振動となり、回転子６に発生するトルクはほぼ０となる。

さらに、実施の形態３において、図１０（ａ）（ｂ）に示される調整駆動中の電圧は常にｖ０で一定であるが、これは他の値であってもよく、また変化するものであってもよい。たとえば、第１駆動部１６１の電圧と第２駆動部１６２の電圧との位相差を０とした後、それぞれの電圧を図７に示すように変化させてもよく、またそれぞれの電圧を図９（ａ）に示すようにパルス状に印加してもよい。

この発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータを示す斜視図である。 実施の形態１に係る振動アクチュエータを示す断面図である。 実施の形態１で用いられた振動体の構成を示す部分断面図である。 実施の形態１で用いられた振動体の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。 実施の形態１で用いられた駆動回路の内部構成を示すブロック図である。 実施の形態１において、回転子を停止させる際の制御を説明する図である。 実施の形態１の変形例において、回転子を停止させる際の制御を説明する図である。 実施の形態１の変形例において、回転子を停止させる際の制御を説明する図である。 実施の形態２において、回転子を停止させる際の制御を説明する図である。 実施の形態３において、回転子を停止させる際の制御を説明する図である。 実施の形態３の変形例において、回転子を停止させる際の制御を説明する図である。

符号の説明

２ 固定子、６ 回転子、３ 振動体（振動手段）、１６ 駆動回路（振動手段）。

Claims (5)

1. 回転子を固定子に対し加圧した状態で、振動手段により前記固定子に振動を発生させ、前記回転子の回転を制御する振動アクチュエータにおいて、
   前記振動手段は、
   前記加圧の方向と垂直な第１方向のたわみ振動を前記固定子に発生させる、第１の圧電素子と、
   前記加圧の方向および前記第１方向と垂直な第２方向のたわみ振動を前記固定子に発生させる、第２の圧電素子と、
   前記加圧の方向の直線振動を前記固定子に発生させる、第３の圧電素子と
   を備え、
   前記振動手段は、前記固定子に楕円振動または円振動を発生させることにより、前記回転子を回転させるトルクを発生し、
   前記振動手段は、回転している前記回転子を停止させる際に、前記楕円振動または前記円振動を前記直線振動として前記トルクの発生を停止し、前記直線振動を間欠的に発生させた後に、前記固定子の振動を停止することを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 前記振動手段は、固定子に振動を発生させる振動体と、前記振動体に交流の電圧を印加して駆動する駆動回路とを含み、
   前記駆動回路は、回転している前記回転子を停止させる際に、前記振動体に印加する前記電圧を徐々に低下させる
   ことを特徴とする、請求項１に記載の振動アクチュエータ。
3. 前記回転子の回転位置を検出する検出手段を備え、
   前記振動手段は、検出された前記回転位置に基づいて前記固定子に発生させる振動を制御する
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の振動アクチュエータ。
4. それぞれ請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動アクチュエータによって駆動される複数の指部を有することを特徴とする、ロボットハンド。
5. 回転子を固定子に対し加圧した状態で、前記固定子に振動を発生させ、前記回転子の回転を制御する振動アクチュエータの制御方法であって、前記振動アクチュエータは、前記加圧の方向と垂直な第１方向のたわみ振動と、前記加圧の方向および前記第１方向と垂直な第２方向のたわみ振動と、前記加圧の方向の直線振動とを前記固定子に発生させることができるものであり、
   前記固定子に楕円振動または円振動を発生させることにより、前記回転子を回転させるトルクを発生し、
   回転している前記回転子を停止させる際に、前記楕円振動または前記円振動を前記直線振動として前記トルクの発生を停止し、前記直線振動を間欠的に発生させた後に、前記固定子の振動を停止する
   ことを特徴とする振動アクチュエータの制御方法。

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