(57)【要約】【課題】トルクの算出精度を向上させることができる振動型アクチュエータの制御装置を提供することを課題とする。【解決手段】振動型アクチュエータの制御装置は、振動体との間の摩擦力により移動体が移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、交流電圧の周波数を指令する周波数指令部（２）と、電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧であって、周波数指令部により指令された周波数の交流電圧を生成する交流電圧生成部（４，５）と、移動体の速度を検出する速度検出部と、振動体の機械振幅を取得する振動体振幅取得部（９，１０）と、周波数指令部により指令された周波数と、速度検出部により検出された速度と、振動体振幅取得部により取得された機械振幅とを基に、移動体のトルクを算出するトルク算出部（７）とを有し、周波数指令部は、トルク算出部により算出されたトルクとトルク指令値との差分に応じて、周波数を指令する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加することにより振動体が振動し、前記振動体との間の摩擦力により移動体が移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、
前記交流電圧の周波数を指令する周波数指令部と、
前記電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧であって、前記周波数指令部により指令された周波数の交流電圧を生成する交流電圧生成部と、
前記移動体の速度を検出する速度検出部と、
前記振動体の機械振幅を取得する振動体振幅取得部と、
前記周波数指令部により指令された周波数と、前記速度検出部により検出された速度と、前記振動体振幅取得部により取得された機械振幅とを基に、前記移動体のトルクを算出するトルク算出部とを有し、
前記周波数指令部は、前記トルク算出部により算出されたトルクとトルク指令値との差分に応じて、周波数を指令することを特徴とする振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項２】
前記トルク算出部は、
前記振動体と前記移動体との間の摩擦力を算出する摩擦力算出部と、
前記摩擦力算出部により算出された摩擦力を基に前記移動体のトルクを算出し、前記移動体のトルクの値を出力するトルク値出力部とを有することを特徴とする請求項１記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項３】
前記トルク算出部は、前記振動体と前記移動体の接触部において、前記振動体と前記移動体の速度が異なるすべり領域と、前記振動体と前記移動体の速度が同じである固着領域とを検出するすべり領域固着領域検出部を有し、
前記摩擦力算出部は、前記すべり領域での摩擦力及び前記固着領域での摩擦力を加算することにより、前記振動体と前記移動体との間の摩擦力を算出することを特徴とする請求項２記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項４】
前記トルク算出部は、前記振動体振幅取得部により取得された機械振幅を基に、前記振動体と前記移動体の接触部の境界の位置及び前記境界での前記振動体の機械振幅を算出する境界算出部を有し、
前記すべり領域固着領域検出部は、前記境界の位置及び前記境界での前記振動体の機械振幅を基に、前記すべり領域を検出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制御装置。
【請求項５】
前記トルク算出部は、前記周波数指令部により指令された周波数と、前記速度検出部により検出された速度と、前記振動体振幅取得部により取得された機械振幅とを基に、前記固着領域での前記振動体の機械振幅の基準値を算出する固着振幅算出部を有し、
前記すべり領域固着領域検出部は、前記固着領域での前記振動体の機械振幅の基準値を基に、前記固着領域を検出することを特徴とする請求項３又は４記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項６】
前記摩擦力算出部は、前記移動体の回転の接線方向に働く摩擦力を算出し、
前記トルク値出力部は、前記移動体の回転の接線方向に働く摩擦力に対して、前記振動体と前記移動体の接触部の半径を乗算することにより、前記移動体のトルクを算出することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの制御装置。
【請求項７】
電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加することにより振動体が振動し、前記振動体との間の摩擦力により移動体が移動する振動型アクチュエータの制御方法であって、
周波数指令部により、前記交流電圧の周波数を指令する周波数指令ステップと、
交流電圧生成部により、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧であって、前記周波数指令ステップで指令された周波数の交流電圧を生成する交流電圧生成ステップと、
速度検出部により、前記移動体の速度を検出する速度検出ステップと、
振動体振幅取得部により、前記振動体の機械振幅を取得する振動体振幅取得ステップと、
トルク算出部により、前記周波数指令ステップで指令された周波数と、前記速度検出ステップで検出された速度と、前記振動体振幅取得ステップで取得された機械振幅とを基に、前記移動体のトルクを算出するトルク算出ステップとを有し、
前記周波数指令ステップでは、前記トルク算出ステップで算出されたトルクとトルク指令値との差分に応じて、周波数を指令することを特徴とする振動型アクチュエータの制御方法。
【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制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動型アクチュエータのトルクは、振動体と移動体であるロータ表面との間に生じる摩擦力によって変化する。また、発生する摩擦力は、振動体に励起される振動波の振幅の大きさに応じて変化する。そのため、振動体に設けられた電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧の振幅や周波数を変化させることにより、トルクを制御することが可能である。
【０００３】
発生しているトルクを算出するには、圧電体と機械振動体からなる電気的等価回路を用い、回路に流れる機械腕電流を振動体振幅の大きさの代用特性としてトルクを求める方法が知られている。このような方法の一つとして、特許文献１では以下の技術が開示されている。まず、機械腕電流を検出し、その電流値における無負荷時回転数を算出する。そして、現在の回転数と無負荷時回転数から出力トルクを算出し、設定した出力トルクに一致させる周波数制御器が設けられ、要求するトルクと実際の出力トルクが等しくなるように制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−１０１９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１の方法では、振動型アクチュエータのトルク制御において、振動体とロータの間に発生する摩擦力を算出する手段を有していないため、トルク算出精度に課題を有している。また、振動体の機械振動の検出を代用特性である機械腕電流としているため、精度に課題を有している。
【０００６】
本発明の目的は、トルクの算出精度を向上させることにより、高精度でトルクを制御することができる振動型アクチュエータの制御装置及び制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の振動型アクチュエータの制御装置は、電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加することにより振動体が振動し、前記振動体との間の摩擦力により移動体が移動する振動型アクチュエータの制御装置であって、前記交流電圧の周波数を指令する周波数指令部と、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加する交流電圧であって、前記周波数指令部により指令された周波数の交流電圧を生成する交流電圧生成部と、前記移動体の速度を検出する速度検出部と、前記振動体の機械振幅を取得する振動体振幅取得部と、前記周波数指令部により指令された周波数と、前記速度検出部により検出された速度と、前記振動体振幅取得部により取得された機械振幅とを基に、前記移動体のトルクを算出するトルク算出部とを有し、前記周波数指令部は、前記トルク算出部により算出されたトルクとトルク指令値との差分に応じて、周波数を指令することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、移動体のトルクを高精度で算出し、移動体のトルクを高精度で制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】振動型アクチュエータの構成例を示す図である。
【図２】振動型アクチュエータの制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】トルク算出部の構成例を示すブロック図である。
【図４】ロータ速度を説明するための図である。
【図５】振動体とロータの摩擦接触状態を表す離散ばねモデルを示す図である。
【図６】振動体振幅とロータの沈み込み高さと位置の関係を示す図である。
【図７】固着領域及びすべり領域を示す図である。
【図８】振動体とロータが接触している任意点に加わる力の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１（ａ）は、本発明の実施形態による振動型アクチュエータの構成例を示す図である。振動形アクチュエータは、圧電素子２１、振動体２２、フレキシブル基板２３及びロータ２６を有する。２個の振動体２２は、圧電素子２１を挟持している。フレキシブル基板２３は、圧電素子２１に接続され、圧電素子２１に対して給電及び電圧検出を行う。ロータ２６は、振動体２２の上面に配置される移動体である。
【００１１】
図１（ｂ）〜（ｅ）は、振動型アクチュエータの振動体２２の振動の時間的変化を示す図である。振動体２２には、直交する２つの方向の曲げ振動の固有振動モードがある。この２つの固有振動モードの振動を時間的に９０°異なる位相により発生させると、図１（ｂ）〜（ｅ）のように、振動体２２の上部構造がくびれ部分を支点として振れ回るように回転振動する。この振動の力は、不図示の加圧手段によって振動体２２の上部に押し付けられたロータ２６に摩擦力を介して伝達され、ロータ２６の回転トルクとして取り出される。ロータ２６は、移動体であり、回転移動する。
【００１２】
図１（ｈ）は、積層構造で形成される圧電素子２１のうちの一層２７を示す図である。一層２７は、給電用の４つの電極ａ＋、ａ−、ｂ＋、ｂ−を有する。一層２７の４つの電極には、フレキシブル基板２３を介して、Ａ相及びＢ相の交流電圧が供給される。Ａ相及びＢ相の交流電圧は、９０°異なる位相である。夫々の電極ａ＋、ａ−、ｂ＋、ｂ−の符号が分極方向を示しており、対向する電極はそれぞれ逆方向の極性を持つよう分極されている。対向する電極に同じ駆動電圧を印加することによって、逆方向の加振力が発生し、Ａ相及びＢ相に対応して夫々一つの固有振動モードの振動が励振される。圧電素子２１は、電気−機械エネルギー変換素子である。これにより、図１（ｂ）〜（ｅ）のように、振動体２２の上部構造が回転振動する。
【００１３】
図１（ｉ）は、積層構造の圧電素子２１を示す図である。圧電素子２１の積層構造の複数層のうちの一層のみがセンサ層２８である。センサ層２８は、振動体２２の機械振幅を電圧として検出するためのセンサｓを有する。Ａ相の電極ａ＋に印加する電圧とセンサｓからの出力との位相差によって、周波数に対する速度の相関関係を得ることができる。この相関関係を得ることで、共振周波数の変化を取得し、速度制御における急激な速度低下を防止し、安定した動作ができる。本実施形態では、ロータ２６のトルク算出のために、振動体２２の振幅を検出するためにセンサｓを使用する。センサｓから出力される電圧は、フレキシブル基板２３を介して、図２の機械振幅電圧変換部１０へ出力される。
【００１４】
以上のように、振動型アクチュエータは、圧電素子２１に交流電圧を印加して振動体２２に振動を励起し、振動体２２に対し相対移動可能とされているロータ２６との間に摩擦力を発生させ、ロータ２６を振動体２２に対して相対移動させる。
【００１５】
図２は、本実施形態による振動型アクチュエータの制御装置の構成例を示す図である。振動型アクチュエータの制御装置は、振動型アクチュエータ６のトルク制御装置である。振動型アクチュエータの制御装置は、トルク制御部１、周波数指令部２、パルス生成部４、ドライバ５、振動型アクチュエータ６、トルク算出部７、速度センサ８、アナログ／デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）９、及び機械振幅電圧変換部１０を有する。振動型アクチュエータ６は、図１（ａ）の振動型アクチュエータである。以下、振動型アクチュエータの制御方法を説明する。
【００１６】
周波数指令部２は、交流電圧の周波数を指令するために、周波数指令値３をパルス生成部４及びトルク算出部７に出力する。パルス生成部４は、周波数指令値３が示す周波数のパルス信号を生成し、そのパルス信号をドライバ５に出力する。ドライバ５は、上記のパルス信号により、内部のスイッチング素子がオンし、図１（ａ）の圧電素子２１に交流電圧を印加する。以上のように、パルス生成部４及びドライバ５は、圧電素子２１に印加する交流電圧であって、周波数指令値３が示す周波数の交流電圧を生成する交流電圧生成部である。これにより、図１（ａ）において、振動体２２が振動し、ロータ２６が回転する。図１（ｇ）のセンサｓは、振動体２２の機械振幅を検出し、振動体２２の機械振幅を示す電圧を機械振幅電圧変換部１０に出力する。センサｓは、振動体２２の機械振幅を電圧に変換する機械振幅−電圧変換素子である。
【００１７】
速度センサ８は、ロータ２６の回転速度を検出し、ロータ２６の回転速度をトルク算出部７に出力する速度検出部である。機械振幅電圧変換部１０は、センサｓから振動体２２の機械振幅の大きさを示す電圧信号を入力し、その電圧信号を波形整形し、Ａ／Ｄ変換器９の入力範囲に適した電圧値に変換する。Ａ／Ｄ変換部９は、機械振幅電圧変換部１０により変換された電圧信号をアナログからデジタルに変換し、デジタルの電圧信号をトルク算出部７に出力する。以上のように、機械振幅電圧変換部１０及びＡ／Ｄ変換器９は、振動体２２の機械振幅を取得し、その機械振幅をトルク算出部７に出力する振動体振幅取得部である。
【００１８】
トルク算出部７は、周波数指令部２が出力する周波数指令値３と、速度センサ８により検出された速度と、Ａ／Ｄ変換器９が出力する電圧信号とを基に、振動型アクチュエータ６内のロータ２６の回転によるトルクを算出する。トルク制御部１は、トルク算出部７により算出されたトルクを基に、振動型アクチュエータ６のトルクがトルク指令値（要求トルク）になるように、周波数指令部２を制御信号を出力する。具体的には、トルク制御部１は、トルク算出部７により算出されたトルクとトルク指令値との差分を算出し、その差分に制御ゲインを乗じることにより制御信号を生成し、その制御信号を周波数指令部２に出力する。周波数指令部２は、その制御信号に応じて、周波数指令値３を出力する。これにより、振動型アクチュエータ６内のロータ２６のトルクは、トルク指令値に制御される。
【００１９】
トルク算出部７は、トルクを算出するために、振動体２２とロータ２６との間に発生している摩擦力を求める必要がある。振動型アクチュエータ６は、振動体２２とロータ２６の接触領域では、固着とすべりを繰り返しながらロータ２６を駆動している。すなわち、振動体２２とロータ２６の接触部では、振動体２２とロータ２６が沈み込んで接触している部分に固着（stick）領域とすべり（slip）領域が存在している。固着領域では、振動体２２の表面とロータ２６の表面がグリップしている状態となり、振動体２２とロータ２６の速度が同じである。一方、すべり領域では、振動体２２の表面とロータ２６の表面の間にすべりが生じており、振動体２２とロータ２６の速度が異なる。すべり領域でロータ２６が受ける摩擦力は、固着領域でロータ２６が受ける摩擦力とは異なる。したがって、トルク算出部７は、摩擦力を求めるためには、沈み込み接触部における固着領域とすべり領域の夫々の摩擦力を算出する必要がある。
【００２０】
図３は、図２のトルク算出部７の構成例を示すブロック図である。トルク算出部７は、周波数入力部１１、速度入力部１２、振幅値入力部１３、固着高さ算出部１４、沈み込み領域算出部１５、すべり領域固着領域算出部１６、摩擦力算出部１７及びトルク値出力部１８を有する。
【００２１】
周波数入力部１１は、図２の周波数指令部２が出力する周波数指令値３を、固着高さ算出部１４で使用する周波数に変換し、その変換された周波数を固着高さ算出部１４に出力する。速度入力部１２は、図２の速度センサ８により検出された速度を固着高さ算出部１４に出力する。振幅値入力部１３は、図２のＡ／Ｄ変換部９が出力する電圧を振動体２２の機械振幅に変換し、振動体２２の機械振幅を固着高さ算出部１４及び沈み込み領域算出部１５に出力する。
【００２２】
固着高さ算出部１４は、周波数入力部１１が出力する周波数と、速度入力部１２が出力する速度と、振幅値入力部１３が出力する機械振幅とを基に、後述する図４（ａ）に示す固着高さ１９を算出する。そして、固着高さ算出部１４は、固着高さ１９をすべり領域固着領域算出部１６に出力する。
【００２３】
沈み込み領域算出部１５は、振幅値入力部１３が出力する機械振幅と、振動体２２及びロータ２６の機械特性パラメータとを基に、後述する図６の沈み込み高さ４１とその位置３３とを算出する。そして、沈み込み領域算出部１５は、沈み込み高さ４１とその位置３３とをすべり領域固着領域算出部１６に出力する。
【００２４】
すべり領域固着領域算出部１６は、固着高さ算出部１４が出力する固着高さ１９と、沈み込み領域算出部１５が出力する沈み込み高さ４１及びその位置３３を基に、振動体２２及びロータ２６の接触部におけるすべり領域と固着領域を算出する。すなわち、すべり領域固着領域算出部１６は、移動体２２とロータ２６の接触部において、振動体２２とロータ２６の速度が異なるすべり領域と、移動体２２とロータ２６の速度が同じである固着領域とを検出するすべり領域固着領域検出部である。ここで、すべり領域固着領域算出部１６は、振動体２２及びロータ２６の機械特性パラメータを参照して、上記のすべり領域と固着領域を算出する。
【００２５】
摩擦力算出部１７は、すべり領域固着領域算出部１６により算出されたすべり領域及び固着領域を基に、すべり領域での摩擦力及び固着領域での摩擦力を算出する。そして、摩擦力算出部１７は、すべり領域での摩擦力及び固着領域での摩擦力を加算することにより、振動体２２とローラ２６との間の全体の摩擦力をロータ２６の回転の接線方向に働く摩擦力として算出する。トルク値出力部１８は、摩擦力算出部１７により算出されたロータ２６の回転の接線方向に働く摩擦力に対して、振動体２２とロータ２６の接触部の半径（ロータ２６の半径）を乗算することによりロータ２６のトルクを算出する。そして、トルク値出力部１８は、そのロータ２６のトルクの値を図２のトルク制御部１に出力する。
【００２６】
図１（ｈ）は、振動体２２とロータ２６が摩擦接触部２４において接触している様子を示す図である。図１（ｉ）は、図１（ｈ）の摩擦接触部２４の拡大図である。振動体２２の表面とロータ２６が接触している。振動体２２とロータ２６が変形接触し、摩擦力が生じている状態を表している。本実施形態では、弾性体として比較的摩耗の少ない金属を、ロータ２６として使用している。そのため、ロータ２６に加わる摩擦力の大きさは、金属固有の弾性係数に変位量を乗じて算出することができる。本実施形態では、金属がばねの集合体で構成されているとみなし、離散ばねモデルを用いて、接触状態におけるロータ２６の変位に関する値を算出する。以下、その詳細を説明する。
【００２７】
図５は、離散ばねモデルを示す図である。図３の沈み込み領域算出部１５が算出する沈み込み高さ４１とその位置３３の算出方法について、図５の離散ばねモデルを用いて説明する。ロータベース３４は、線形ばね３５を固定するためのロータ２６のベースを示しており、荷重となる与圧をかけている。ロータ表面３１は、ロータ２６の表面である。振動体表面３０は、振動体２２の表面である。振動体表面３０は、線形ばね３５で構成されたロータ２６によって、押し付けられている。振動体２２が励振され、振動体表面３０に進行波が発生するにつれ、振動体２２の機械振幅が大きくなり、線形ばね３５が変形する。
【００２８】
振動体２２及びロータ２６の接触部では、線形ばね３５の変形量に応じた摩擦力が発生し、ロータ２６が進行波の進行方向と逆向きに回転する。ロータベース３４にかかる与圧は一定のため、線形ばね３５の変位量は振動体２２の機械振幅の大きさに応じて決定される。線形ばね３５にかかる力は、変位量にばね定数を乗じたものであるから、接触領域における法線方向の力の総和Ｐsumは、ばね定数をｋ、変位量をｘとして、次式（１）で表される。
【００２９】
【数１】
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【００３０】
振動体２２の機械振幅が小さいときは、ロータ２６に対して、振動体２２の振動が全部沈み込んだ状態である。これに対し、振動体２２の振幅が大きくなり、式（２）で示す力の総和Ｐsumがロータベース３４にかかる与圧より大きくなるに従い、ロータ表面３１が浮いた状態となる。
【００３１】
図６は、ロータ表面３１が浮いた状態での振動体振幅３２とロータ表面３１及び沈み込み高さ４１を示す図である。沈み込み高さ４１は、振動体２２の振動の下側からロータ表面３１までの距離である。位置３３は、沈み込み高さ４１における振動体２２とロータ２６の接触している位置を示しており、例えばθ３である。ここで、振動体２２は、余弦波状に変位し、ロータベース３４に加わる圧力は一定としている。図６の縦軸は、振動体２２の振幅を表す。図６の横軸は、位置を表しており、振動体２２の振動中心をゼロとして、−πから＋πまでの２πラジアンで表している。θ３からゼロの区間では、振動体２２とロータ２６は、沈み込み高さ４１から振動体２２の振幅３２の区間で接触しており、θ３から−πの区間で非接触である。位置３３（θ３）は、振動体２２とロータ２６の接触部の境界の位置である。沈み込み高さ４１は、振動体２２とロータ２６の接触部の境界での振動体２２の機械振幅を示す。
【００３２】
沈み込み領域算出部１５は、振動体振幅３２を入力し、ロータベース３４にかかる与圧と法線方向の力の総和Ｐsumとばね定数を基に、沈み込み高さ４１と沈み込み高さ４１における位置３３を算出する境界算出部である。その際、沈み込み領域算出部１５は、計算精度及び計算負荷の理由から変換テーブル用いて算出してもよいし、計算式により算出してもよい。接触領域は、沈み込み高さ４１から振動体２２の振幅３２までの領域である。
【００３３】
次に、固着高さ算出部１４が算出する固着高さ１９を求める方法について説明する。前述したように、固着領域では、振動体２２の表面とロータ２６の表面がグリップしている状態であり、振動体２２とロータ２６の速度が等しくなる。したがって、固着高さ算出部１４は、速度入力部１２からロータ２６の速度を入力し、基準となる固着位置高さと駆動条件との比を求めることにより、固着高さ１９を算出することができる。
【００３４】
図４（ａ）は、振動体２２の振動周波数に対する振動体の機械振幅及び固着高さ１９の関係を示す図である。ここで、Ｆｒは振動体２２の共振周波数を示しており、Ｆｒより高い領域から共振周波数Ｆｒに近づくにしたがって、振動体２２の機械振幅が大きくなることを表している。また、振動体２２の機械振幅の増大に伴い、固着高さ１９も比例的に高くなる。
【００３５】
図４（ｂ）に示すように、振動体２２の振動振幅とロータ２６の速度には比例関係がある。また、図４（ｃ）に示すように、振動体２２の振動周波数とロータ２６の速度には反比例の関係がある。つまり、ロータ２６の速度は、振動体２２の機械振幅に比例し、かつ振動体２２の振動周波数の逆数に比例する。また、固着高さ１９は、振動体２２の機械振幅の増大に伴って増大し、振動体２２の振動周波数の逆数に比例する。固着高さ算出部１４は、これらの比例関係を考慮して、周波数入力部１１が出力する周波数と、速度入力部１２が出力する速度と、振幅値入力部１３が出力する機械振幅と、係数αを基に、固着高さ１９を算出する。係数αは、基準周波数における機械振幅、速度、固着高さから求められる係数である。
【００３６】
次に、すべり領域固着領域算出部１６が算出するすべり領域と固着領域を算出する方法につて説明する。振動型アクチュエータ６において、振動体２２とロータ２６の接触領域で固着とすべりを繰り返しながら、ロータ２６を駆動することは既に述べた。
【００３７】
図７は、固着領域３６とすべり領域４２を示す図である。固着領域３６は、固着高さ１９の正側と負側方向の夫々に、固着領域３６からすべり領域４２に転じる位置３７及び３８が存在する。この位置３７及び３８をすべり開始位置と呼ぶ。すべり開始位置３７（θ１）からゼロ方向の区間は、すべり領域４２である。同様に、すべり開始位置３８（θ２）から位置３３（θ３）までの区間もすべり領域４２である。また、すべり開始位置３７（θ１）からすべり開始位置３８（θ２）までの区間は、固着領域３６である。位置３３（θ３）は、振動体２２とロータ２６の接触部の境界の位置である。沈み込み高さ４１は、振動体２２とロータ２６の接触部の境界での振動体２２の機械振幅を示す。沈み込み領域算出部１５は、沈み込み高さ４１及び位置３３を算出する境界算出部である。すべり領域固着領域算出部１６は、沈み込み高さ４１及び位置３３を基に、すべり領域４２を検出することができる。
【００３８】
固着高さ１９は、固着領域３６での振動体２２の機械振幅の基準値である。固着高さ算出部１４は、固着高さ１９を算出する固着振幅算出部である。すべり領域固着領域算出部１６は、固着高さ１９を基に、固着領域３６を検出することができる。
【００３９】
ここで、すべり開始位置３７及び３８について説明する。振動体２２が励振され、振動体２２の表面に進行波が発生すると、前述のように、接触部に法線方向に摩擦力が発生する。励起された進行波は、接線方向に進行するため、接線方向への力も同時に生じる。
【００４０】
図８は、振動体２２とロータ２６が接触している状態の任意点に加わる力を示す図である。力４０は、法線方向に加わる力であり、摩擦力を示す。力３９は、接線方向に加わる力である。接線方向に働く力３９が法線方向に働く力４０より大きくなると、すべりが生じると考えられるため、すべり領域固着領域算出部１６は、両方向の力３９及び４０が均衡する位置を算出し、固着領域３６及びすべり領域４２を算出する。具体的には、すべり領域固着領域算出部１６は、固着高さ１８と、沈み込み高さ４１及びその位置３３と、振動体振幅３２と、ロータ２６の剛性パラメータである弾性係数と、接触パラメータである摩擦係数を基に、すべり開始位置３７及び３８を算出する。なお、振動体２２及びロータ２６としてステンレスを使用するため、材料固有の縦弾性係数と横弾性係数を剛性パラメータとして使用する。また、摩擦係数においても、金属同士の摩擦における代表的な摩擦係数を使用する。そして、すべり領域固着領域算出部１６は、すべり開始位置３７（θ１）とすべり開始位置３８（θ２）との間の区間を固着領域３６として検出する。また、すべり領域固着領域算出部１６は、すべり開始位置３８（θ２）と位置３３（θ３）との間の区間をすべり領域４２として検出し、すべり開始位置３７（θ１）から＋π方向の区間をすべり領域４２として検出する。
【００４１】
図３の摩擦力算出部１７は、すべり領域４２に生じる力と固着領域３６に生じる力を加算し、接触部全体の摩擦力をロータ２６の接線方向に働く摩擦力としてトルク値出力部１８に出力する。
【００４２】
以上のように、トルク算出部７は、振動体２２とロータ２６の接触部における固着高さ１９と、沈み込み高さ４１とその位置３３を基に、すべり領域４２及び固着領域３６を特定し、すべり領域４２及び固着領域３６における摩擦力を加算し、トルクを算出する。
【００４３】
トルク値出力部１８は、ロータ２６の半径とロータ接線方向に働く摩擦力とを乗算することによりトルクを算出し、トルクをトルク制御部１に出力する。トルク制御部１は、算出されたトルクがトルク指令値になるように、周波数指令部２を制御する。本実施形態によれば、振動型アクチュエータ６に発生する摩擦力を算出することにより、ロータ２６のトルクを高精度で算出し、ロータ２６のトルクを高精度で制御することができる。
【００４４】
例えば、振動型アクチュエータ６によりロボットハンドが物体を把持する際の制御においては、まず振動周波数を共振周波数Ｆｒからはなれた領域で使用し、速度センサ８と不図示の位置検出手段との併用により、物体とロボットハンドが接触したことを検知する。その後、トルク算出部７により把持力を算出することが可能となる。また、剛性の高い重量物を把持する場合は、共振周波数Ｆｒ付近においてトルク制御を行い、剛性の低い柔軟物を把持する場合は、共振周波数Ｆｒ付近から離れた領域でトルク制御を行うことにより、様々な物体の把持力制御が可能となる。
【００４５】
振動型アクチュエータ６をロボットハンド等に適用する場合、ロボットハンドが物体を把持する作業を行う際に、把持接触力を検出する接触センサを用いずに、トルク算出部７がトルクを算出することで、把持力制御を実現することができる。また、振動型アクチュエータ６は、電磁モータに比べて小型軽量高トルクである。振動型アクチュエータ６は、安定したトルク制御が可能となり、電磁モータとの置き換えが可能となり、ロボットハンドの小型軽量化のみならず、さらにはロボットアームの小型軽量化を実現できる。
【００４６】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  トルク制御部、２  周波数指令部、４  パルス生成部、５  ドライバ、６  振動型アクチュエータ、７  トルク算出部、８  速度センサ、９  Ａ／Ｄ変換部、１０  機械振幅−電圧変換部、２１  圧電素子、２２  振動体、２６  ロータ
【図１】
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【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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