(57)【要約】【課題】  進行性振動波の高調波歪を低減し、低ノイズ駆動が可能な振動型アクチュエータの駆動装置を提供する。【解決手段】  電気機械エネルギー変換素子と、  前記電気機械エネルギー変換素子に接合され、前記電気機械エネルギー変換素子に印加される駆動電圧に応じて機械振動を発生する弾性部材と、  前記弾性部材に圧接され、前記機械振動によって相対移動する移動体とからなる振動型アクチュエータの駆動装置であって、  前記圧接により生じる前記機械振動の波形の歪を補正する補正手段を有することを特徴とする。【選択図】  図４
2014003732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械エネルギー変換素子と、
前記電気機械エネルギー変換素子に接合され、前記電気機械エネルギー変換素子に印加される駆動電圧に応じて機械振動を発生する弾性部材と、
前記弾性部材に圧接され、前記機械振動によって相対移動する移動体とからなる振動型アクチュエータの駆動装置であって、
前記圧接により生じる前記機械振動の波形の歪を補正する補正手段を有することを特徴とする振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項２】
前記機械振動の波形の歪は、正弦波で表わされる前記機械振動に係る変位の時間変化が、前記正弦波の波頭部がクリップされた波形となっていることである請求項１記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項３】
前記駆動電圧を生成するための正弦波信号を出力する正弦波信号生成手段と、
前記移動体が所定の速度で相対移動するように正弦波信号生成手段を制御する制御手段とを有し、
前記補正手段は、前記機械振動の波形の歪を補正するための強制変位信号を出力する強制変位信号生成手段である請求項１又は２記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記強制変位信号と前記正弦波信号とが、互いの位相を調整して重畳されるように、前記正弦波信号生成手段と前記強制変位信号生成手段とを制御することを特徴とする請求項３記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項５】
前記強制変位信号は、前記正弦波のクリップされた波頭部と相似形の波形で表わされる信号である請求項３又は４記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項６】
前記電気機械エネルギー変換素子を、第１の電気機械エネルギー変換素子とし、
前記第１の電気機械エネルギー変換素子と前記弾性部材の間に、第２の電気機械エネルギー変換素子が配置され、
前記正弦波信号に基く第１の駆動電圧は、前記第１の電気機械エネルギー変換素子に印加され、
前記強制変位信号に基く第２の駆動電圧は、前記第２の電気機械エネルギー変換素子に印加されることを特徴とする請求項３記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項７】
前記第１の電気機械エネルギー変換素子は、第１の面側に、等ピッチで配置されたｎ個の電極が形成され、前記第１の面側に対向する第２の面側に、第１のＧＮＤ電極が形成され、
前記第２の電気機械エネルギー変換素子は、第３の面側に、等ピッチで配置されたｍ個の電極が形成され、前記第１の面側に対向する第４の面側に、第２のＧＮＤ電極が形成され、
前記第１のＧＮＤ電極と前記ｍ個の電極の間には絶縁層が配置され、
前記ｎは、前記ｍの整数倍である請求項６記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
但し、（ｎ、ｍは正の整数）
【請求項８】
前記正弦波信号が、Ｌ相の交流信号であって、
前記ｎは、前記ｍのＬ倍である請求項７記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
但し、（Ｌは正の整数）
【請求項９】
前記電気機械エネルギー変換素子は、リング状の形状を有した圧電素子であり、前記弾性部材が接合されている面側には、一様な形状のＧＮＤ電極が形成され、前記弾性部材が接合されている面側と対向する面側には、ｐ個の電極が等ピッチで配置され、
各電極に対応する前記圧電素子内部の分極方向は同一であり、
前記正弦波信号は、異なる位相のｑ相交流信号であって、
前記正弦波信号に基く駆動電圧が前記ｐ個の電極に印加され、
ｐはｑの整数倍である請求項３記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
但し、（ｐ、ｑは正の整数）
【請求項１０】
電気機械エネルギー変換素子と、
前記電気機械エネルギー変換素子に接合され、前記電気機械エネルギー変換素子に印加される駆動電圧に応じて機械振動を発生する弾性部材と、
前記弾性部材に圧接され、前記機械振動によって相対移動する移動体とからなる振動型アクチュエータの駆動方法であって、
前記圧接により生じる前記機械振動の波形の歪を補正することを特徴とする振動型アクチュエータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型アクチュエータの機械振動における高調波成分の発生を抑制した振動型アクチュエータの駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴画像（ＭＲＩ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）装置は、被検者の測定部位に静磁場及び特定の高周波磁場を与え、これによって測定部位内部で発生する核磁気共鳴現象を応用して、測定部位内部を画像化するものである。
【０００３】
特許文献１には、機能的ＭＲＩと呼ばれる特定の機能を持たせたＭＲＩを用いて脳機能測定するための視覚刺激提示装置であって、ＭＲＩ装置のボア内で動作するアクチュエータを備えた視覚刺激提示装置が開示されている。
【０００４】
また、非特許文献１には、ＭＲＩ装置を利用した穿刺手術法と穿刺装置システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２４５２０２
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＭＲ画像誘導機能を有する小型穿刺マニピュレータシステム．日本コンピュータ外科学会誌９（２）：９１−１０１，２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のＭＲＩ適合装置に用いている振動型アクチュエータの駆動装置では、以下のような理由から、ＭＲＩ画像に対する影響を充分に低減できない場合があった。
【０００８】
振動型アクチュエータの進行性振動波は、一般的には正弦波形状をしている。しかしながら、弾性部材（ステータ）と移動体（ロータ）との間に働く加圧力の影響で、実際には図９に示すように、正弦波の波頭部がクリップされた波形となる。この波形は、正弦波に高調波成分が付与された波形に相当する。ステータが金属の場合、高調波成分を含んだ波形で機械的に振動すると、ＭＲＩ装置の静磁場中では、自由電子の振動により電流が発生する。この電流は、電磁波を誘起し、電磁波はＲＦノイズとしてＭＲＩ装置に作用する。ＭＲＩ画像は、ＲＦノイズの影響を受け、結果的にＭＲＩ画像のＳ／Ｎ比低下に繋がる場合があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決し、低ノイズ駆動が可能な振動型アクチュエータの駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の振動型アクチュエータの駆動装置は、
電気機械エネルギー変換素子と、
前記電気機械エネルギー変換素子に接合され、前記電気機械エネルギー変換素子に印加される駆動電圧に応じて機械振動を発生する弾性部材と、
前記弾性部材に圧接され、前記機械振動によって相対移動する移動体とからなる振動型アクチュエータの駆動装置であって、
前記圧接により生じる前記機械振動の波形の歪を補正する補正手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、振動型アクチュエータの進行性振動波の高調波歪を抑制することで、機械振動に起因する高調波ノイズを低減させることができる。本発明の振動型アクチュエータをＭＲＩ装置に適用した場合には、ＭＲＩ画像に対する影響が抑制されるので、より正確なＭＲＩ画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る振動型アクチュエータの構造を模式的に示す模式図
【図２】本発明に係る振動型アクチュエータの弾性部材及び圧電素子を示す模式図
【図３】第１の実施形態に係る圧電素子を模式的に示す平面図
【図４】第１の実施形態に係る振動型アクチュエータの駆動装置の構成を示すブロック図
【図５】第１の実施形態に係る各動作波形を模式的に示すプロット図及び比較表
【図６】第２の実施形態に係る振動型アクチュエータの駆動装置の構成を示すブロック図
【図７】第２の実施形態に係る弾性部材と圧電素子の構成を示す模式図
【図８】第２の実施形態に係る弾性部材と圧電素子の他の構成を示す模式図
【図９】振動型アクチュエータの振動波形を説明するための説明図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また実施形態で説明されている特長の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須のものとは限らない。振動型アクチュエータの代表的な例として、円環型超音波モータ（以下、円環型ＵＳＭ）を用いた、本発明の実施形態を以下に説明する。尚、電気機械エネルギー変換素子としては圧電素子を用いた。
【００１４】
（第１の実施形態）
まず、円環型ＵＳＭの一般的な構造及び回転原理について説明する。
【００１５】
図１は、円環型ＵＳＭの概略構成を示す断面図である。圧電素子１は、弾性部材２に接合されており、印加された電気信号によって機械振動を励起する。弾性部材２は圧電素子１が発生した振動を増幅し、弾性部材２の、圧電素子１が接合された面側と対向する面側に圧接された回転体（移動体）３へ伝える。回転体３と弾性部材２の間には加圧バネ４による圧力が印加されており、弾性部材２の振動が摩擦力によって回転体３に伝えられ、回転運動となる。回転体３とトルク伝達部材５は加圧バネ４によって連結されており、回転体３の回転は即ち出力軸６の回転となる。出力軸６は軸受７によって筐体８に対し回転自在に構成されている。一方、弾性部材２は、支持部９によって筐体に対し固定されている。加圧バネ４は、軸方向に圧力を加えるが、回転方向には変形しない構成とされ、一般的には皿バネ等が用いられる。
【００１６】
図２は、（ａ）が円環型ＵＳＭにおける弾性部材２を示した斜視図、（ｂ）が円環型ＵＳＭにおける一般的な圧電素子１を模式的に示した平面図である。弾性部材２の上面１１は櫛歯形状を有するリング状の弾性体となっており、下面１２には、圧電素子１が接着される。圧電素子１はリング状の電極を有しており、電極は複数の区画に分割されている。各電極は電気的に独立しており、１０ａ、１０ｂ、１０ａ−、１０ｂ−の４相分（それぞれＡ相、Ｂ相、／Ａ相、／Ｂ相に対応する）が８組並んだ全３２個の電極がリング状に配置されている。各電極に対応する圧電素子内部の分極方向は、全て同一方向である。上記８組ある４相分の電極のそれぞれに９０度ずつ位相のずれた正弦波状の４相正弦波信号を印加することによってサインモード及びコサインモードの２つの固有振動が励起され、これらが合成されてリング周上に沿って進行する進行性振動波（機械振動の波形）が形成される。進行性振動波は理想的には正弦波状であるが、前述した上面１１に対する回転体３からの加圧力により、図９（機械振動に係る変位の時間変化）に示すとおり波頭部がクリップされた波形、即ち機械的な高調波歪が重畳された波形となる。
【００１７】
次に、本実施形態における円環型ＵＳＭの駆動装置の構成及び動作について説明する。
【００１８】
図３は、圧電素子１０の上面（弾性部材２が接合される面）に対向する下面を模式的に示した平面図である。図２（ｂ）で説明した圧電素子１の１相分の区画が更に４つの区画に細分化されており、４相分１組で１６区画を形成し、さらにそれを８組形成するので、全部で１２８個の電極が配置されている。上面側には、一様なリング形状のＧＮＤ電極が配置され、ＧＮＤ電極は接地電位に保持される。上面側にＧＮＤ電極を挟んで弾性部材２を接着して、円環型ＵＳＭとする。一般化すると、ｐ個の電極が等ピッチで配置され、正弦波信号は、異なる位相のｑ相交流信号であって、正弦波信号に基く駆動電圧がｐ個の電極に印加される場合、ｐはｑの整数倍となる。但し、ｐ、ｑは、ともに正の整数である。
【００１９】
図４は、円環型ＵＳＭの駆動装置の構成を示すブロック図である。駆動装置は、不図示の指令手段からの速度指令に応じて、円環型ＵＳＭの回転速度を制御するシステムを備える。速度検出部２０で検出された回転体３の回転速度と指令手段からの速度指令との差分が、減算器２１から出力される。制御部２２は、この差分を小さくするように、圧電素子１０の電極に印加される交流電圧の周波数を変化させるフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を行う。交流電圧の周波数は、１０〜１００ＫＨｚである。正弦波信号生成部２３は、制御部２２より出力される周波数指令に応じて、４相正弦波信号を生成する。即ち、制御部２２は、回転体３が所定の回転速度で相対移動するように正弦波信号生成部２３を制御する。４相正弦波信号は、互いに９０度ずつ位相のずれた４つの正弦波として時間変化する交流信号である。正弦波信号生成部２３より出力された４相正弦波信号は、加算器２６を介して駆動信号生成部２７へ入力される。駆動信号生成部２７は、正弦波信号を、正弦波信号の振幅に応じてパルス幅変調（ＰＷＭ）されたゲートパルス信号に変換する。多相ドライバ２８は、圧電素子１０に、ゲートパルス信号に応じた駆動電圧を、不図示のインダクタンスを介して印加する。インダクタンスと圧電素子１０の容量成分とを合わせたフィルタ効果によってＰＷＭキャリア周波数以上の成分が除去される。なお、多相ドライバは１６チャンネル構成で、圧電素子１０の４相分１組である１６区画に対して個別の駆動電圧を印加でき、８組をパラレルに接続することで全１２８個の電極に並列的に駆動電圧が印加される。即ち、圧電素子１０の全１２８区画が並列的に駆動される。また、正弦波信号発生部２３の出力は、４相をそれぞれ４パラレル出力することで、多相ドライバの１６チャンネルに対応する。このように４相駆動を行うことにより、図９に示した波形の進行性振動波が形成される。
【００２０】
進行性振動波の波形の歪を補正する方法について説明する。進行性振動波を正弦波に近づけるための補正は、クリップされた波頭部分に相当する変位を弾性部材２に付与することにより行われる。進行性振動波は、サインモードとコサインモードとの２つの固有振動の合成によって励起される。２つの固有振動を励起する駆動電圧波形は、空間的に固定され、且つ時間的にその振幅が変化する波形、即ち特定の位置に節と腹のある２つの定在波である。これに対して、進行性振動波は、２つの定在波の合成波形により励起され、変位が常に進行性振動波の波頭と一緒にリング周上を空間的に進行し、且つ、波形そのものは時間的に変化しない進行波である。そのため、固有振動を利用することなく、強制的に変位を生ずる電圧を印加する必要がある。本実施形態における円環型ＵＳＭでは、強制変位と電圧波形の関係を予め測定により求め、所望の強制変位を生じさせる電圧波形を、変位データとして変位データ格納手段２４に格納する。この変位データを、周波数指令に基づいて強制変位信号生成部（補正手段）２５が随時読み出し、強制変位を生ずる電圧波形を強制変位信号として出力する。強制変位信号生成部２５は、固有振動を利用した進行性振動波と、その波頭歪を補正する強制変位の位相を一致させるため、正弦波信号生成部２３と同期して動作する。加算器２６は、正弦波信号生成部２３の出力である４相交流電圧信号に、強制変位信号生成部２５の出力である強制変位信号を重畳する。
【００２１】
次いで、強制変位信号の波形について説明する。正弦波の波頭が切り取られた形状の波形を正弦波に近づけることが、強制変位信号を出力する目的であるため、切り取られた波頭の相似形を、圧電素子１０のうち３つの区画を用いて生成する。波形の対象性より、その振幅は区画順に小大小、即ち中央にピークを持つ凸形状となる。本実施形態では、正弦波状の進行性振動波が弾性部材のリング周上に８波存在するため、波長に相当する１６区画を一周期として、上記３つの区画で生成された強制変位信号を進行性振動波と同位相で周回させる。
【００２２】
このようにして円環型ＵＳＭを駆動したときの各部動作波形を模式的にプロットしたものを図５（ａ）〜（ｃ）に、加えて従来の動作と本発明の動作において、円環型ＵＳＭへの印加電圧と振動波形の状態を比較した表を（ｄ）に示す。ただし、（ａ）〜（ｃ）における各プロットのｙ軸は固定されたものではなく、形状の概略を模式的に示したものである。従来の動作では、（ａ）の正弦波状電圧を４相分印加すると、（ｂ）の形状をした進行性振動波を生じる。本実施形態では、印加電圧として（ａ）の電圧に対して（ｃ）に示す形状の強制変位信号を重畳することで、進行性振動波と強制変位を加えた全機械振動の波形は（ａ）に示す正弦波状に近しいものが得られる。即ち、強制変位信号は、正弦波のクリップされた波頭部と相似形の波形で表わされる信号である。制御部２２は、強制変位信号と正弦波信号とが、互いの位相を調整して重畳されるように、正弦波信号生成部２３と強制変位信号生成部２５とを連携制御する。
【００２３】
他のシステム構成としては、マルチプレクサを利用してシーケンスを組み、多相ドライバのチャンネル数を低減する構成としても良い。また、圧電素子の区画数を増やして強制変位波形をより滑らかな形状としても一向に構わない。
【００２４】
以上説明したように、固有振動を利用した進行性振動波を励起する電圧信号に、そのクリップした波頭を補う強制変位信号を電気的に重畳することで、機械振動波形を正弦波に近づけることができ、機械振動に起因する高調波ノイズを抑制することが可能となる。
【００２５】
（第２の実施形態）
本実施形態において、固有振動を利用した進行性振動波へ強制変位を機械的に重畳すること以外の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００２６】
図６は、本実施形態に係る円環型ＵＳＭの駆動装置の構成を示すブロック図である。図４との違いは、正弦波信号生成部２３と強制変位信号生成部２５との出力信号が電気的に重畳されず、それぞれ独立した駆動信号生成部２７に出力されることである。さらに、その後段にある４相ドライバ２８、２９と圧電素子１０１、１０２も、それぞれ２つずつ配置されていることである。正弦波信号生成部２３の出力であるＡ相、Ｂ相、／Ａ相、／Ｂ相の４相正弦波信号は、駆動信号生成部２７で、パルス幅変調されたゲートパルス信号となり、４相ドライバ２９に入力される。４相ドライバ２９は圧電素子１０１に対して、ゲートパルス信号に応じた駆動電圧（第１の駆動電圧）を、圧電素子１０１の容量成分と合わせたフィルタ効果によってＰＷＭキャリア周波数以上の成分が除去されるような不図示のインダクタを介して印加する。なお、圧電素子（第２の電気機械エネルギー変換素子）１０１は、図２（ｂ）と同様の構成で、上面側（第３の面側）に全３２個の電極を有する。４相ドライバは、圧電素子１０１のうち４相分１組である４区画に対して個別の電圧を印加でき、８組をパラレルに接続することで全３２個の電極を駆動する。一方、強制変位信号生成部２５の出力である強制変位信号は、正弦波信号生成部２３に接続されるのとは別の駆動信号生成器２７で、パルス幅変調されたゲートパルス信号となる。多相ドライバ２８は圧電素子１０２に対して、ゲートパルス信号に応じた駆動電圧（第２の駆動電圧）を、圧電素子１０２の容量成分と合わせたフィルタ効果によってＰＷＭキャリア周波数以上の成分が除去されるような不図示のインダクタを介して印加する。なお、圧電素子（第１の電気機械エネルギー変換素子）１０２は、第１の面側に、第１の実施形態と同じ１２８個の電極数を有する。
【００２７】
図７は、弾性部材２及び圧電素子１０１、１０２の構成を模式的かつ部分的に示した側面図である。圧電素子１０１の、弾性部材２が接合される下面側（第４の面側）に不図示のＧＮＤ電極（第２のＧＮＤ電極）が配置されている。圧電素子１０１を構成する圧電体（素子本体）１０３の下面には、圧電体１０３に電圧を印加する電極１０４（斜線部）が接着される。複数ある電極１０４は、前述の区画に相当する。圧電素子１０１の下面には、圧電素子１０２が、上から順に不図示の絶縁層およびＧＮＤ電極を介して接着される。圧電素子１０２も圧電素子１０１と同様の層構造をしているが、下面側（第１の面側）に配置される電極数は１２８個であり、３２個である圧電素子１０１の４倍であるところが異なる。圧電素子１０２の上面側（第２の面側）には、ＧＮＤ電極（第１のＧＮＤ電極）が配置される。一般化すると、圧電素子１０２の電極数ｎ（個）と圧電素子１０１の電極数ｍ（個）とは、以下の関係を有する。駆動電圧を生成する正弦波信号が、Ｌ相の交流信号である場合、ｎは、ｍのＬ倍となる。但し、ｎ、ｍ、Ｌは、何れも正の整数である。
【００２８】
圧電素子１０１の電極と圧電素子１０２の電極は、空間的に同位相となるよう配置されている。このように圧電素子１０１と圧電素子１０２とが積層構造を形成していることで、それぞれ独立して進行性振動波及び強制変位を弾性部材２に付与し、これらを機械的に重畳させることができる。以上により弾性部材２における全機械振動の波形は、正弦波状に近いものとなる。
【００２９】
図８は、別の形態における、弾性部材２及び圧電素子１０１、１０２の構成を模式的かつ部分的に示した側面図である。図７と異なるのは、圧電素子１０２が更に４つの圧電素子１０２ａ、１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄから成る階層構造をしている点である。４つの圧電素子１０２ａ、１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの間は、不図示の絶縁層を介して接合されている。それぞれの圧電素子に配置された電極数は、全て圧電素子１０１と同じ３２極であるが、図８（ｂ）に示すとおり、圧電素子１０２の４層の電極配置が、それぞれ円周方向に一定の空間位相ずつずれた空間的位相関係となるように積層される。ここで、図８（ａ）の例では、圧電素子１０１の電極と圧電素子１０２ｄの電極は、空間的に同位相となるよう配置される。圧電素子１０２ａを基準としたときの圧電素子１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄのそれぞれの位相差１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄは、１０５ｃが１０５ｂの２倍、１０５ｄが１０５ｂの３倍であり、４層積層させることで等価的に円周上を１２８分割している。図７に比べて円周あたりの区画数が等価であり、電極の面積が４倍であるため、効率が改善される。
【００３０】
さらに、圧電素子１０２の層数を増やすと共に前述の位相差を少なくすることで、強制変位波形をより滑らかな形状とすることもできる。
【００３１】
以上説明したように、固有振動を利用した進行性振動波による機械振動に強制変位を機械的に重畳することで、機械振動波形を正弦波に近づけることができ、機械振動に起因する高調波ノイズを抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００３２】
１、１０１、１０２、１０３  圧電素子（電気機械エネルギー変換素子）
２  弾性部材
３  回転体（移動体）
２５  強制変位信号生成部
【図１】
2014003732.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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