(57)【要約】【課題】温度変化や経年変化により共振周波数が変化してもロータの回転速度を適切に制御する。【解決手段】振動アクチュエータ１は、ロータ３０と、ロータ３０と接触し、ロータ３０との接触面にロータ３０を回転させるための超音波振動を交流電圧が印加されることにより発生する圧電素子１７を含む振動体１０と、圧電素子１７の駆動周波数が、予め定められた使用温度範囲の下限値における、振動アクチュエータ１の共振周波数よりも高い予め定められた周波数になるように圧電素子に交流電圧を印加する駆動制御装置１００を備える。予め定められた周波数は、ロータ３０と振動体１０との接触部分の摩耗により増加する共振周波数よりも高い周波数である。【選択図】図１
2016063643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、前記ロータと接触し、前記ロータとの接触面に前記ロータを回転させるための超音波振動を交流電圧が印加されることにより発生する圧電素子を含む振動体とを備える振動アクチュエータであって、
前記圧電素子の駆動周波数が、予め定められた使用温度範囲の下限値における、前記振動アクチュエータの共振周波数よりも高い予め定められた周波数になるように前記圧電素子に前記交流電圧を印加する制御装置を備え、
前記予め定められた周波数は、前記ロータと前記振動体との接触部分の摩耗により変化する前記共振周波数よりも高い周波数である、振動アクチュエータ。
【請求項２】
前記振動アクチュエータは、前記ロータの回転速度および回転角度のうちの少なくともいずれかを検出する検出装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記ロータを起動する場合に、予め定められた時間が経過するまで前記予め定められた使用温度範囲の下限値において前記ロータの起動が可能な交流電圧を前記圧電素子に印加し、前記予め定められた時間が経過した後に、前記ロータの回転速度が目標速度となるように前記圧電素子に印加する前記交流電圧を制御する、請求項１に記載の振動アクチュエータ。
【請求項３】
前記振動アクチュエータは、前記振動アクチュエータの温度および前記振動アクチュエータの周囲の温度のうちの少なくともいずれかの温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記ロータを回転させる場合に、前記温度センサによって検出された温度と前記予め定められた使用温度範囲の下限値との温度差に応じた値だけ前記圧電素子に印加する前記交流電圧を低下させる、請求項１または２に記載の振動アクチュエータ。
【請求項４】
前記制御装置には、前記振動アクチュエータの温度および前記振動アクチュエータの周囲の温度のうちの少なくともいずれかの温度と前記圧電素子に印加する前記交流電圧との予め定められた関係を記憶する記憶装置が設けられ、
前記制御装置は、前記ロータを回転させる場合に、前記温度センサによって検出された温度と、前記記憶装置から読み出される前記予め定められた関係とに基づいて前記圧電素子に印加する前記交流電圧を決定する、請求項３に記載の振動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータと圧電素子を含む振動体とを備えた振動アクチュエータに関し、特に、圧電素子の駆動周波数の設定に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータと圧電素子を含む振動体とを備えた振動アクチュエータについて、たとえば、特許文献１には、使用温度範囲の最低温度における共振周波数での回転数よりも低い上限回転数と、使用温度範囲の最高温度における共振周波数以上の下限周波数を設定し、超音波モータを駆動する際に超音波モータの回転数が上限回転数よりも低い回転数となり、かつ下限周波数よりも高い駆動周波数で超音波モータの駆動を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−００７９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の方法は、振動アクチュエータの温度変化に応じて駆動周波数を常に変更することになるため、周波数の調整に多くの時間が必要となるとともにその制御が非常に複雑になってしまうという問題がある。また、メモリに記憶された下限周波数近傍の周波数で駆動する振動アクチュエータの温度が低くなった場合には、一時的に駆動周波数が共振周波数と等しくなる、または、共振周波数よりも低周波側となる可能性があり、その場合には圧電素子に大電流が流れたり振動アクチュエータが制御不能になったりするなどの問題が生じる。さらに、振動アクチュエータのロータと振動子との接触部分に摩耗等の経年劣化が生じた場合には、共振周波数が高周波側にシフトすることがあり、この場合にもメモリに記憶されていた下限周波数が共振周波数よりも低周波側となってしまう可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、温度変化や経年変化により共振周波数が変化してもロータの回転速度を適切に制御できる振動アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明のある局面に係る振動アクチュエータは、ロータと、ロータと接触し、ロータとの接触面にロータを回転させるための超音波振動を交流電圧が印加されることにより発生する圧電素子を含む振動体とを備える振動アクチュエータである。この振動アクチュエータは、圧電素子の駆動周波数が、予め定められた使用温度範囲の下限値における、振動アクチュエータの共振周波数よりも高い予め定められた周波数になるように圧電素子に交流電圧を印加する制御装置を備える。予め定められた周波数は、ロータと振動体との接触部分の摩耗により変化する共振周波数よりも高い周波数である。
【０００７】
このようにすると、振動アクチュエータの温度が低温であることにより振動アクチュエータの共振周波数が高周波側にシフトしても使用温度範囲の下限値における共振周波数よりも高い周波数を駆動周波数として圧電素子に交流電圧が印加される。そのため、温度変化により共振周波数が高周波側にシフトすることに起因した振動アクチュエータの制御性の悪化を交流電圧の制御のみで抑制することができる。さらに、予め定められた周波数は、ロータと振動体との接触部分の摩耗によりシフトする共振周波数よりも高い周波数であるため、ロータと振動体との接触部分に摩耗が生じても、共振周波数よりも高い周波数を駆動周波数として圧電素子に交流電圧が印加されるため、摩耗により共振周波数がシフトすることに起因した振動アクチュエータの制御性の悪化を交流電圧の制御のみで抑制することができる。
【０００８】
好ましくは、振動アクチュエータは、ロータの回転速度および回転角度のうちの少なくともいずれかを検出する検出装置をさらに備える。制御装置は、ロータを起動する場合に、予め定められた時間が経過するまで予め定められた使用温度範囲の下限値においてロータの起動が可能な交流電圧を圧電素子に印加し、予め定められた時間が経過した後に、ロータの回転速度が目標速度となるように圧電素子に印加する交流電圧を制御する。
【０００９】
このようにすると、ロータを起動する場合、または、ロータの回転速度が目標速度となるように交流電圧を制御する場合に、使用温度範囲の下限値における共振周波数よりも高い周波数を駆動周波数として圧電素子に交流電圧が印加される。そのため、温度変化により共振周波数が高周波側にシフトすることに起因した振動アクチュエータの制御性の悪化を抑制することができる。
【００１０】
さらに好ましくは、振動アクチュエータは、振動アクチュエータの温度および振動アクチュエータの周囲の温度のうちの少なくともいずれかの温度を検出する温度センサをさらに備える。制御装置は、ロータを回転させる場合に、温度センサによって検出された温度と予め定められた使用温度範囲の下限値との温度差に応じた値だけ圧電素子に印加する交流電圧を低下させる。
【００１１】
このようにすると、圧電素子に印加する電圧の大きさをロータの回転速度に合わせて制御することになるため温度変化や摩耗による共振周波数のシフトが生じた場合においても、目標速度になるように電圧を制御することができる。
【００１２】
さらに好ましくは、制御装置には、振動アクチュエータの温度および振動アクチュエータの周囲の温度のうちの少なくともいずれかの温度と圧電素子に印加する交流電圧との予め定められた関係を記憶する記憶装置が設けられる。制御装置は、ロータを回転させる場合に、温度センサによって検出された温度と、記憶装置から読み出される予め定められた関係とに基づいて圧電素子に印加する交流電圧を決定する。
【００１３】
このようにすると、ロータの起動時や目標速度となるようにロータを回転させる場合に、温度に応じて圧電素子に印加する交流電圧が決定されるので、温度が大きく変化した場合に、ロータの回転速度が大きく変動することを抑制することができるので位置精度が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によると、振動アクチュエータの温度が低温であることにより振動アクチュエータの共振周波数がシフトしても使用温度範囲の下限値における共振周波数よりも高い周波数を駆動周波数として圧電素子に交流電圧が印加される。そのため、温度変化による共振周波数がシフトすることに起因した振動アクチュエータの制御性の悪化を交流電圧の制御のみで抑制することができる。さらに、予め定められた周波数は、ロータと振動体との接触部分に摩耗によりシフトする共振周波数よりも高い周波数であるため、ロータと振動体との接触部分に摩耗が生じても、共振周波数よりも高い周波数を駆動周波数として圧電素子に交流電圧が印加されるため、摩耗により共振周波数がシフトすることに起因した振動アクチュエータの制御性の悪化を交流電圧の制御のみで抑制することができる。したがって、温度変化や経年変化により共振周波数が変化してもロータの回転速度を適切に制御できる振動アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】振動アクチュエータの斜視図である。
【図２】振動アクチュエータの側面透視図である。
【図３】温度変化に応じた周波数と振幅との関係の変化を示す図である。
【図４】電圧変化に応じた周波数と振幅との関係の変化を示す図である。
【図５】駆動制御装置の機能ブロック図である。
【図６】ロータの回転速度に応じて圧電素子に印加する交流電圧を決定する制御処理を示すフローチャートである。
【図７】ロータの回転角度の変化を示すタイミングチャート（その１）である。
【図８】温度に応じて起動電圧を決定する処理を含む制御処理を示すフローチャートである。
【図９】温度と起動電圧との関係を説明するための図である。
【図１０】ロータの回転角度の変化を示すタイミングチャート（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返されない。
【００１７】
図１は、本実施の形態による振動アクチュエータ１の斜視図である。図２は、図１のＸ方向の振動アクチュエータ１の側面透視図である。なお、図１および図２においては、連結ロッド４５（図２参照）の軸心方向をＺ軸と規定し、Ｚ軸に直交する軸をＸ軸と規定し、Ｚ軸およびＸ軸に直交する軸をＹ軸と規定している。
【００１８】
図１および図２を参照して、本実施の形態による振動アクチュエータ１について説明する。この振動アクチュエータ１は、いわゆる超音波モータとして機能するように構成される。また、この振動アクチュエータ１は、ロボットハンドの指部を回動させる可動部に設けられる。
【００１９】
振動アクチュエータ１は、回転軸３４を備えたロータ３０と、ロータ３０と接触し、ロータ３０を回転させるための振動を発生する振動体１０と、回転軸３４を回転可能に支持する軸受部材３７と、軸受部材３７に固定されたカバー６０と、回転軸３４の回転位置（回転角度）を検出する角度センサ１１２とを含んで構成される。カバー６０は、振動体１０の周囲に設けられた、振動体１０を覆う筒状の筐体である。なお、本実施の形態ではカバー６０を筒状の筐体としているが、これに限定されるものではなく、所定間隔で並べられた複数の支柱でカバー６０を構成するようにしてもよい。
【００２０】
振動体１０は、ロータ３０の外周面３１に接触するステータ１３と、ステータ１３よりもロータ３０から離れた位置に配置される基部１１と、ステータ１３と基部１１とに挟まれた圧電素子１７とを備える。
【００２１】
基部１１の中心には、ねじ孔１２が形成されている。ステータ１３は、ねじ孔１２に螺入可能な軸部１４と、軸部１４の基端側に形成された円柱状のステータ本体部１５とを備えている。軸部１４の先端寄りには、ねじ孔１２に対応する雄ねじ１６が形成されている。なお、ステータ１３は、軸部１４およびステータ本体部１５の中心を貫通する貫通孔２２を有している。
【００２２】
基部１１とステータ本体部１５との間には、圧電素子１７が設けられている。圧電素子１７は略円柱状の形態を呈しており中心に通孔１８を有する。圧電素子１７の通孔１８にステータ１３の軸部１４が挿入され、基部１１との間に挟まれることにより、圧電素子１７は振動体１０に保持される。
【００２３】
圧電素子１７は、駆動制御装置１００に電気的に接続される。圧電素子１７は、駆動制御装置１００から交流電圧が印加されることにより、ステータ１３のロータ３０との接触面２１にロータ３０を回転させるための超音波振動（楕円運動）を発生する。
【００２４】
ステータ本体部１５のロータ３０側の端部には、ロータ３０の外周面３１と接触する２つの接触部２０が形成されている。各接触部２０は、ロータ３０の外周面３１と接触面２１で接触する。２つの接触部２０の間には、径方向に横断する溝部１９が形成されている。溝部１９は、回転軸３４を支持する軸受部材３７の一部が収容される空間部を形成する。
【００２５】
ロータ３０は、外周面３１と一対のロータ端面３２とを備える。ロータ３０の中心には回転軸３４が固定される。回転軸３４の軸心はロータ３０の回転軸心Ｐとなる。回転軸３４の両端部は、振動アクチュエータ１の出力端であり、回転軸３４の回転力を出力として用いる。
【００２６】
軸受部材３７は、ロータ端面３２の両側に設けられた一対の軸受部３８と、一対の軸受部３８を接続する接続部３９とを備えている。軸受部３８には通孔４０が形成されており、回転軸３４が通孔４０に挿通され、回転軸３４は軸受（ベアリング）３６を介して軸受部３８に回転可能に支持されている。
【００２７】
軸受部３８には、回転軸３４の回転角度を検出する角度センサ１１２が設けられる。角度センサ１１２は、たとえば、エンコーダである。角度センサ１１２は、検出された回転軸２４の回転角度を示す信号（回転角度検出信号）を駆動制御装置１００に送信する。
【００２８】
図２に示すように、軸受部材３７の接続部３９は、連結ロッド４５の一方の端部と連結されている。連結ロッド４５はステータ１３の貫通孔２２に挿通されており、連結ロッド４５の他方の端部はステータ１３の軸部１４から突出している。従って、連結ロッド４５はステータ１３および圧電素子１７の内部を貫通している。連結ロッド４５の突出端４７には、ホルダ４８を介して円板状のばね受体４９が取り付けられている。ばね受体４９と基部１１との間には、皿ばね５０が介在されている。なお、本実施の形態においては、突出端４７、ホルダ４８、ばね受体４９、および皿ばね５０は、基部１１に設けられた薄板円筒状の筒部１１Ａの内部に収容される。
【００２９】
皿ばね５０は、振動体１０の基部１１をロータ３０に向けて押しつける。これにより、ロータ３０が振動体１０のステータ１３に対して加圧接触される。すなわち、本実施の形態では、連結ロッド４５、ばね受体４９および皿ばね５０が、ロータ３０をステータ１３に加圧接触させる予圧部を構成する要素である。
【００３０】
本実施の形態においては、圧電素子１７の逆圧電効果（電圧を印加すると変形する現象）を利用して超音波振動を発生させて回転軸３４を回転させることによって振動アクチュエータ１を超音波モータとして作動させる。具体的には、駆動回路から圧電素子１７に対して交流電圧を印加することにより、圧電素子１７は超音波振動（より詳しくはＹ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とを組み合わせた複合振動）を発生する。この超音波振動がステータ１３に伝達され、ステータ１３における一対の接触面２１には、Ｙ軸−Ｚ軸平面におけるＸ軸周りの楕円運動（または円運動）が発生する。ロータ３０が接触面２１を通じて楕円運動（または円運動）を受けることにより、ロータ３０は回転軸３４を中心にして回転される。ロータ３０の回転により、回転軸３４の回転力が得られる。
【００３１】
本実施の形態においては、振動アクチュエータ１の動作は、駆動制御装置１００によって制御される。たとえば、振動アクチュエータ１がロボットハンドの指部を回動させる可動部に用いられる場合には、駆動制御装置１００は、指部の回動させる駆動指令を受けると、ロータ３０を起動する起動処理を実行した後に、その後、ロータ３０の回転速度をロータ３０の回転速度の目標値（以下、目標速度と記載する）になるように振動アクチュエータ１を制御する速度制御処理を実行しつつ、ロータ３０の回転角度をロータ３０の回転角度の目標値（以下、目標角度）になるように振動アクチュエータ１を制御する位置制御処理を実行する。
【００３２】
駆動制御装置１００は、上述した一連の制御処理の実行によってロータ３０を回転させる場合には、振動体１０において超音波振動が発生するように予め定められた周波数（以下、駆動周波数とも記載する）の交流電圧を圧電素子１７に印加する。
【００３３】
このように制御される振動アクチュエータ１において、たとえば、駆動周波数として共振周波数が選択される場合には、他の周波数が選択される場合よりもロータ３０の回転速度を最大とすることができる。
【００３４】
しかしながら、振動アクチュエータ１の温度が低い場合やロータ３０と基部１１との接触部分における摩耗等の経年変化が生じる場合によって共振周波数が高周波側にシフトする場合がある。そのため、駆動周波数がシフトして共振周波数よりも低い周波数となる場合がある。一方、共振周波数よりも低い周波数を駆動周波数とする場合には、共振周波数よりも高い周波数を駆動周波数とする場合よりもモータの回転速度が低くなるため（最悪の場合では駆動不能に至る）、駆動周波数が共振周波数よりも低い周波数であることによって所望の回転速度を得ることができない場合がある。
【００３５】
たとえば、図３に、温度変化に対する周波数と振幅との関係の変化を示す。図３の縦軸は振動体１０の振幅を示す。振幅は、ロータ３０の回転速度の大きさに比例する。図３の横軸は、駆動周波数を示す。なお、図３においては、摩耗等の経年変化がない場合を想定する。
【００３６】
図３に示すように、振動アクチュエータ１の温度が０℃である場合（図３の一点鎖線）の共振周波数をＦａとし、振幅のピーク値をＡａとする。振動アクチュエータ１の温度が２０℃である場合（図３の破線）の共振周波数をＦｂとし、振幅のピーク値をＡｂとする。振動アクチュエータ１の温度が４０℃である場合（図３の実線）の共振周波数をＦｃとし、振幅のピーク値をＡｃとする。この場合、Ａａ＜Ａｂ＜Ａｃの関係が成立するとともに、Ｆｃ＜Ｆｂ＜Ｆａの関係が成立する。すなわち、温度が低下するほど共振周波数は高周波側にシフトするとともに、共振周波数における振幅のピーク値は、低下していく。また、温度がいずれである場合にも共振周波数よりも低い周波数帯においては、共振周波数よりも高い周波数帯よりも得られる振幅（すなわちモータの回転速度）が大きく減少する。そのため、共振周波数よりも高い周波数を駆動周波数として振動アクチュエータ１を動作させることが望ましい。
【００３７】
そこで、本実施の形態においては、圧電素子１７の駆動周波数が、予め定められた使用温度範囲の下限値における、振動アクチュエータ１の共振周波数よりも高い予め定められた周波数Ｆ（０）になるように駆動制御装置１００が圧電素子１７に交流電圧を印加する点を特徴とする。
【００３８】
なお、予め定められた周波数Ｆ（０）は、ロータと振動体１０との接触部分の摩耗により増加することが想定される共振周波数の上限値よりも高い周波数である。本実施の形態において振動アクチュエータ１の使用温度範囲をたとえば、０℃から４０℃とする。そのため、本実施の形態においては、振動アクチュエータ１の温度が下限値（０℃）である場合の共振周波数Ｆａに予め定められた値ΔＦを加算した周波数を予め定められた周波数Ｆ（０）とする。
【００３９】
このようにすると、温度変化や経年変化が生じても駆動周波数が共振周波数を下回ることを抑制することができる。そのため、ロータ３０の回転速度の制御性の悪化を抑制することができるため、ロータ３０の回転速度を適切に制御することができる。
【００４０】
また、本実施の形態において、駆動制御装置１００は、角度センサを用いて検出された回転角度に基づいてロータ３０の回転速度を算出し、算出されたロータ３０の回転速度に基づいて圧電素子１７に印加する交流電圧値を決定する。駆動制御装置１００は、たとえば、回転角度の予め定められた時間当たりの変化量からロータ３０の回転速度を算出する。
【００４１】
図４に、交流電圧の大きさを変化させた場合における周波数と振幅との関係の変化を示す。図４の縦軸は、振幅を示し、図４の横軸は、周波数を示す。たとえば、振動アクチュエータ１の温度が０℃である場合を想定する。この場合、電圧の変化に対して共振周波数Ｆａは大きくは変化しない。また、図４に示すように、圧電素子１７に印加する交流電圧がＶ（０）である場合（図４の一点鎖線）の共振周波数Ｆａにおける振幅をＡａ（０）とする。また、圧電素子１７に印加する交流電圧がＶ（０）よりも大きいＶ（１）である場合（図４の破線）の共振周波数Ｆａにおける振幅をＡａ（１）とする。また、圧電素子１７に印加する交流電圧がＶ（１）よりも大きいＶ（２）である場合（図４の実線）の共振周波数Ｆａにおける振幅をＡａ（２）とする。この場合、Ａａ（０）＜Ａａ（１）＜Ａａ（２）の関係が成立する。すなわち、圧電素子１７に印加する交流電圧が高くなるほど共振周波数Ｆａにおける振幅は増加する傾向を示す。そのため、回転速度に応じて電圧を変化させることにより、温度変化による振幅の変化を抑制することができ一定速度の回転速度に制御することができる。
【００４２】
図５に、本実施の形態に係る振動アクチュエータ１の駆動制御装置１００の機能ブロック図を示す。駆動制御装置１００は、制御部１０１と、駆動部１０６とを含む。
【００４３】
駆動制御装置１００は、角度センサ１１２から回転角度検出信号を受信するとともに、温度センサ１１０からの温度検出信号を受信する。本実施の形態において、温度センサ１１０は、振動アクチュエータ１の温度を検出するものとして説明するが、振動アクチュエータ１の温度および振動アクチュエータ１の周囲の温度のうちの少なくともいずれかを検出するようにしてもよい。温度センサ１１０としては、たとえば、サーミスタ等が用いられる。制御部１０１と駆動部１０６とは、プログラム等のソフトウェアにより実現されてもよいし、ハードウェアにより実現されてもよい。
【００４４】
制御部１０１は、駆動指令判定部１０２と、電圧決定部１０４とを含む。駆動指令判定部１０２は、振動アクチュエータ１に対して駆動指令があるか否かを判定する。駆動指令は、所定の動作モードに従って駆動制御装置１００内で自動的に生成されるようにしてもよいし、作業者等が操作部材を操作することによる駆動制御装置１００の外部からの操作信号に基づいて駆動制御装置１００内で生成されるものであってもよい。なお、駆動指令判定部１０２は、たとえば、振動アクチュエータ１に対して駆動指令があると判定される場合に、駆動指令判定フラグをオン状態にしてもよい。なお、駆動指令には、ロータ３０の目標角度が含まれるものとするが、後述する目標速度も含まれるようにしてもよい。
【００４５】
電圧決定部１０４は、駆動指令判定部１０２によって振動アクチュエータ１の駆動指令があると判定される場合に、予め定められた時間が経過するまでロータ３０の起動処理を実行する。電圧決定部１０４は、予め定められた時間が経過した場合に、角度センサ１１２の検出結果から算出されるロータ３０の回転速度に基づいて圧電素子１７に印加する交流電圧を決定する。
【００４６】
電圧決定部１０４は、起動処理の実行時においては、ロータ３０の回転速度が最大となる場合の予め定められた電圧を圧電素子１７に印加する交流電圧として決定する。
【００４７】
電圧決定部１０４は、予め定められた時間が経過するまで起動処理を実行した後に、ロータ３０の回転速度が目標速度になるように角度センサ１１２の検出結果から算出されるロータ３０の回転速度に応じて圧電素子１７に印加する交流電圧を決定する。目標速度は、温度が０℃である場合において、予め定められた周波数Ｆ（０）を駆動周波数とし、交流電圧を上限値としたときの振幅の大きさである。
【００４８】
電圧決定部１０４は、角度センサ１１２の検出結果から算出されるロータ３０の回転速度において、予め定められた周波数Ｆ（０）を駆動周波数とした場合に、振幅の大きさが予め定められた値となる交流電圧を決定する。電圧決定部１０４は、たとえば、角度センサ１１２の検出結果から算出される回転速度および目標速度の速度差と交流電圧との関係を示す予め定められたマップ、数式あるいは関数等を用いて交流電圧を決定してもよい。
【００４９】
角度センサ１１２の検出結果から算出される回転速度および目標速度の速度差と交流電圧との関係は、たとえば、角度センサ１１２の検出結果から算出される回転速度が目標速度よりも速くなるほど交流電圧が低下され、角度センサ１１２の検出結果から算出される回転速度が目標速度よりも遅くなるほど交流電圧が上昇される関係となる。また、電圧決定部１０４は、ロータ３０の回転角度が目標角度になる場合には、ロータ３０が停止するように交流電圧を決定する。
【００５０】
駆動部１０６は、予め定められた周波数Ｆ（０）を駆動周波数とし、電圧決定部１０４によって決定された電圧に基づく交流電圧を生成し、生成した交流電圧を振動アクチュエータ１の圧電素子１７に印加する駆動制御を実行する。
【００５１】
図６を参照して、本実施の形態に係る駆動制御装置１００で実行される制御処理について説明する。
【００５２】
ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、駆動制御装置１００は、駆動指令があるか否かを判定する。駆動指令があると判定される場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ１０２に移される。もしそうでない場合（Ｓ１００にてＮＯ）、この処理は終了する。
【００５３】
Ｓ１０２にて、駆動制御装置１００は、予め定められた時間が経過するまでロータ３０の起動処理を実行する。Ｓ１０４にて、駆動制御装置１００は、角度センサ１１２の検出結果に基づいてロータ３０の回転速度を算出する。
【００５４】
Ｓ１０６にて、駆動制御装置１００は、算出されたロータ３０の回転速度に基づいて圧電素子１７に印加する交流電圧を決定する。Ｓ１０８にて、駆動制御装置１００は、駆動制御を実行する。Ｓ１１０にて、駆動制御装置１００は、ロータ３０の回転角度が目標角度に到達するか否かを判定する。ロータ３０の回転角度が目標角度に到達すると判定される場合（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、この処理を終了する。もしそうでない場合（Ｓ１１０にてＮＯ）、処理はＳ１０４に移される。
【００５５】
以上のような構造およびフローチャートに基づく本実施の形態に係る振動アクチュエータ１の動作について図７を参照しつつ説明する。
【００５６】
図７に、振動アクチュエータ１の温度が０℃である場合のロータ３０の回転角度の時間変化（図７の二点鎖線）と、振動アクチュエータ１の温度が２０℃である場合のロータ３０の回転角度の時間変化（図７の一点鎖線）と、振動アクチュエータ１の温度が４０℃である場合のロータ３０の回転角度の時間変化（図７の長破線）とを示す。
【００５７】
駆動指令があると判定された場合には（Ｓ１００にてＹＥＳ）、予め定められた時間が経過する時間Ｔ（０）になるまでロータ３０の起動処理が実行される（Ｓ１０２）。一方、振動アクチュエータ１の温度が高くなるほど、図３で示したように同じ駆動周波数（予め定められた周波数Ｆ（０）であって、かつ、同じ交流電圧が圧電素子１７に印加される場合であっても、ロータ３０の回転速度が高くなる。そのため、振動アクチュエータ１の温度が高くなるほどロータ３０の起動処理の実行時における回転角度の変化量が大きくなる。
【００５８】
時間Ｔ（０）にて、起動処理が完了すると、ロータ３０の回転速度が算出され（Ｓ１０４）、算出されたロータ３０の回転速度に基づいて圧電素子１７に印加される交流電圧が決定される（Ｓ１０６）。決定された交流電圧に基づいて駆動制御が実行される（Ｓ１０８）。
【００５９】
起動処理の完了後においては、ロータ３０の回転速度は、目標速度になるように制御されるため、振動アクチュエータ１の温度に関わらず、ロータ３０は目標速度で回転を継続する。振動アクチュエータ１の温度が４０℃である場合、起動処理の完了時点におけるロータ３０の回転角度は、他の温度の場合よりもロータ３０の目標角度との差が小さいため、他の温度の場合よりも早い時点の時間Ｔ（１）においてロータ３０の回転角度が目標角度に到達し（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、ロータ３０の回転が停止される。
【００６０】
一方、振動アクチュエータ１の温度が０℃である場合、起動処理の完了時点におけるロータ３０の回転角度は、他の温度の場合よりもロータ３０の目標角度との差が大きいため、他の温度の場合よりも遅い時点の時間Ｔ（３）においてロータ３０の回転角度が目標角度に到達し（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、ロータ３０の回転が停止される。
【００６１】
振動アクチュエータ１の温度が２０℃である場合、時間Ｔ（１）と時間Ｔ（３）との間の時間Ｔ（２）においてロータ３０の回転角度が目標角度に到達しロータ３０の回転が停止される。
【００６２】
このように、振動アクチュエータ１の温度によってロータ３０の回転角度が目標角度に到達するまでの時間に変動はあるものの、振動アクチュエータ１の使用温度範囲の下限値（０℃）における共振周波数Ｆａよりも高く、かつ、ロータ３０と振動体１０との接触部分の摩耗により共振周波数が高周波側にシフトした後の共振周波数よりも高い予め定められた周波数Ｆ（０）を駆動周波数として振動アクチュエータ１が制御されるため、振動アクチュエータ１の制御性の悪化が抑制される。
【００６３】
以上のようにして、本実施の形態に係る振動アクチュエータによると、振動アクチュエータ１の温度が低温であることにより振動アクチュエータ１の共振周波数が高周波側にシフトしても使用温度範囲の下限値（０℃）における共振周波数Ｆａよりも高い周波数を駆動周波数として圧電素子１７に交流電圧が印加される。そのため、温度変化による共振周波数が高周波側にシフトすることに起因した振動アクチュエータ１の制御性の悪化を抑制することができる。さらに、予め定められた周波数Ｆ（０）は、ロータ３０と振動体１０との接触部分の摩耗により高周波側にシフトする共振周波数よりも高い周波数であるため、ロータ３０と振動体１０との接触部分に摩耗が生じても、共振周波数よりも高い周波数を駆動周波数として圧電素子１７に交流電圧が印加される。そのため、摩耗により共振周波数が高周波側にシフトすることに起因した振動アクチュエータ１の制御性の悪化を抑制することができる。したがって、温度変化や経年変化による共振周波数が変化してもロータの回転速度を適切に制御できる振動アクチュエータを提供することができる。
【００６４】
さらに、起動処理の完了後には、ロータ３０の回転速度が目標速度で維持されるように、ロータ３０の回転速度に応じて圧電素子１７に印加する交流電圧が決定されるので、温度変化に関わらずロータ３０の回転速度が変動することを抑制することができる。
【００６５】
本実施の形態においては、駆動制御装置１００は、振動アクチュエータ１の温度に関係なくロータ３０の起動処理を実行する動作を一例として説明したが、たとえば、温度センサ１１０の検出結果を考慮してロータ３０の起動処理を実行してもよい。
【００６６】
より具体的には、駆動制御装置１００は、温度センサ１１０によって検出される振動アクチュエータ１の温度に基づいてロータ３０の起動処理の実行時に圧電素子１７に印加される交流電圧を決定してもよい。
【００６７】
図３に示したように、圧電素子１７に印加する電圧の大きさが同じであって、かつ、駆動周波数が同じである場合においては、温度が上昇するほどロータ３０の回転速度が上昇する傾向がある。一方、図４で示したように、振動アクチュエータ１の温度が同じであって、かつ、駆動周波数が同じである場合には、圧電素子１７に印加する交流電圧が低くなるほどロータ３０の回転速度が低下する傾向がある。そのため、駆動制御装置１００は、ロータ３０の起動処理の実行時において、温度センサ１１０によって検出された温度と予め定められた使用温度範囲の下限値との温度差が大きくなるほど圧電素子１７に印加する交流電圧を低下させるようにしてもよい。
【００６８】
このようにすると、温度が大きく変化した場合にも、ロータ３０の起動処理の実行時にロータ３０の回転速度が大きく変動することを抑制することができる。
【００６９】
図８を参照して、温度センサ１１０の検出結果を考慮したロータ３０の起動処理を含む、駆動制御装置１００が実行する制御処理について説明する。
【００７０】
なお、図８のフローチャートに記載のＳ１００〜Ｓ１１０の処理は図６のフローチャートのＳ５００〜Ｓ１１０の処理と同じ処理である。そのため、その詳細な説明は繰り返さない。
【００７１】
Ｓ１００にて駆動指令があると判定される場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）、Ｓ２００にて、駆動制御装置１００は、温度センサ１１０によって検出される振動アクチュエータ１の温度を取得する。
【００７２】
Ｓ２０２にて、駆動制御装置１００は、取得された振動アクチュエータ１の温度に基づいてロータ３０の起動処理の実行時に圧電素子１７に印加される交流電圧（以下、起動電圧と記載する。）を決定する。
【００７３】
具体的には、駆動制御装置１００は、たとえば、温度センサ１１０によって検出された温度と起動電圧との関係を示す予め定められたマップ、数式あるいは関数等を用いて起動電圧を決定する。たとえば、予め定められた速度（たとえば、振動アクチュエータ１の温度が０℃であって、起動電圧を上限値とした場合のロータ３０の回転速度）をロータ３０の起動処理の実行時のロータ３０の回転速度として設定されるものとする。駆動制御装置１００は、温度センサ１１０によって検出された温度に基づいて予め定められた速度でロータ３０が回転する起動電圧を決定する。温度と起動電圧との関係は、たとえば、０℃との温度が大きくなるほど（温度が高くなるほど）、起動電圧は低下する関係となる。この場合、図４に示したように、交流電圧とロータ３０の速度との関係を利用して温度と起動電圧との関係を規定する。
【００７４】
たとえば、振動アクチュエータ１の温度が２０℃であって、かつ、起動電圧を上限値とした場合には、図９の実線に示すように、予め定められた周波数Ｆ（０）における振幅は、Ａ（０）となる。振幅Ａ（０）は、図９の一点鎖線に示すように、振動アクチュエータ１の温度が０℃であって、かつ、起動電圧を上限値とした場合のロータ３０の回転速度に対応する振幅Ａ（１）よりも大きい値となる。そのため、振動アクチュエータ１の温度が２０℃である場合には、図９の破線に示すような予め定められた周波数Ｆ（０）における振幅がＡ（１）になるような起動電圧が設定されるように、温度と起動電圧との関係が規定される。
【００７５】
以上のようなフローチャートに基づく振動アクチュエータ１の動作について図１０を参照しつつ説明する。
【００７６】
駆動指令があると判定された場合には（Ｓ１００にてＹＥＳ）、振動アクチュエータ１の温度が取得され（Ｓ２００）、取得された温度に基づいてロータ３０の起動処理の実行時における起動電圧が決定される（Ｓ２０２）。決定された起動電圧に基づいて予め定められた時間が経過する時間Ｔ（０）になるまでロータ３０の起動処理が実行される（Ｓ１０２）。
【００７７】
起動処理が実行される場合における振動アクチュエータ１の温度が高くなるほど、起動電圧は低下される。そのため、予め定められた周波数Ｆ（０）を駆動周波数とした場合に、ロータ３０の回転速度は、図１０に示すように、振動アクチュエータ１の温度に関わらず予め定められた速度となる。
【００７８】
時間Ｔ（０）にて、起動処理が完了すると、ロータ３０の回転速度が算出され（Ｓ１０４）、算出されたロータ３０の回転速度に基づいて圧電素子１７に印加される交流電圧が決定される（Ｓ１０６）。決定された交流電圧に基づいて駆動制御が実行される（Ｓ１０８）。
【００７９】
起動処理の完了後においては、ロータ３０の回転速度は、目標速度（＜予め定められた速度）になるように制御されるため、振動アクチュエータ１の温度に関わらずロータ３０は目標速度で回転を継続する。時間Ｔ（３）にいおてロータ３０の回転角度が目標角度に到達すると（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、ロータ４０の回転が停止される。
【００８０】
このように、振動アクチュエータ１の使用温度範囲の下限値（０℃）における共振周波数Ｆａよりも高く、かつ、ロータ３０と振動体１０との接触部分の摩耗により共振周波数が高周波側にシフトした後の共振周波数よりも高い予め定められた周波数Ｆ（０）を駆動周波数として振動アクチュエータ１が制御されるため、振動アクチュエータ１の制御性の悪化が抑制される。
【００８１】
また、ロータ３０の起動処理の実行時の起動電圧を予め定められた値（たとえば、上限値）に設定すると、温度が高い場合には、ロータ３０の回転速度が速まり、ロータ３０の起動処理が完了するまでに目標角度を超えてロータ３０が回転する場合があるのに対して、温度が高くなるほど起動電圧を低下させることによってロータ３０の起動処理の実行時のロータ３０の回転速度の上昇を抑制することができる。その結果、温度によって目標角度を超えてロータ３０が回転することを抑制することができる。
【００８２】
上述の例においては、ロータ３０の起動処理において振動アクチュエータ１の温度に応じて起動電圧を決定するものとして説明したが、たとえば、起動処理の完了後の速度制御処理および位置制御処理において振動アクチュエータ１の温度を考慮してもよい。たとえば、回転速度に基づいて決定される交流電圧に対して振動アクチュエータ１の温度に応じた係数を乗じた値を最終的な交流電圧として決定してもよい。係数は、たとえば、振動アクチュエータ１の温度が使用温度範囲の下限値（０℃）である場合を１とし、温度が高くなるほど低下するようしてもよい。このようにすると、回転速度を目標速度になるように振動アクチュエータ１を制御する場合に、特に温度が高いときの回転速度の変動を抑制することができる。なお、係数は、振動アクチュエータ１の温度が使用温度範囲の下限値である場合を基準とすることに特に限定されるものではない。
【００８３】
本実施の形態においては、角度センサ１１２を用いてロータ３０の回転速度を算出するものとして説明したが、たとえば、ロータ３０の回転速度を検出する速度センサによってロータ３０の回転速度を検出してもよい。
【００８４】
また、本実施の形態において、使用温度範囲は、０℃から４０℃の範囲を一例として説明したが、特にこの範囲に限定されるものではない。
【００８５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８６】
１  振動アクチュエータ、１０  振動体、１１  基部、１１Ａ  筒部、１２  ねじ孔、１３  ステータ、１４  軸部、１５  ステータ本体部、１６  雄ねじ、１７  圧電素子、１８，４０  通孔、１９  溝部、２０  接触部、２１  接触面、２２  貫通孔、３０  ロータ、３１  外周面、３２  ロータ端面、３４  回転軸、３７  軸受部材、３８  軸受部、３９  接続部、４５  連結ロッド、４７  突出端、４８  ホルダ、４９  ばね受体、５０  皿ばね、６０  カバー、１００  駆動制御装置、１０１  制御部、１０２  駆動指令判定部、１０４  電圧決定部、１０６  駆動部、１１０  温度センサ、１１２  角度センサ。
【図１】
2016063643.tif 000003
【図２】
2016063643.tif 000004
【図３】
2016063643.tif 000005
【図４】
2016063643.tif 000006
【図５】
2016063643.tif 000007
【図６】
2016063643.tif 000008
【図７】
2016063643.tif 000009
【図８】
2016063643.tif 000010
【図９】
2016063643.tif 000011
【図１０】
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