(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を備え、該圧電素子の伸縮によって振動する振動板と、
前記振動板の一部が駆動対象と当接するように前記振動板を支持する支持部材とを備え、
前記振動板が振動することによる前記振動板の一部の変位に伴って、前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータを備える制御装置であって、
前記振動板を振動子として自励発振させる発振回路と、
前記発振回路から発振される振動波形をクロック信号とし、該クロック信号に基づいて時間を計時し、計時した時間に基づいて制御対象への制御を実行する制御回路と
を具備することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記発振回路の発振周波数が、前記振動板の共振周波数とほぼ一致するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記発振回路の発振周波数を変化させることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項４】
前記振動板は、長手方向を有する板状の圧電素子と補強板とが積層され、該圧電素子の伸縮によって振動することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項５】
圧電素子を備え、該圧電素子の伸縮によって振動する振動板と、
回転可能に支持される回転体と、
前記振動板の一部が前記回転体と当接するように前記振動板を支持する支持部材とを備え、
前記振動板が振動することによる前記振動板の一部の変位に伴って、前記回転体を回転駆動する圧電アクチュエータを備える制御装置であって、
前記振動板を振動子として自励発振させる発振回路と、
前記発振回路から発振される振動波形をクロック信号とし、該クロック信号に基づいて時間を計時し、計時した時間に基づいて制御対象への制御を実行する制御回路と
を具備することを特徴とする制御装置。
【請求項６】
前記発振回路の発振周波数が、前記振動板の共振周波数とほぼ一致するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
【請求項７】
前記制御回路は、前記発振回路の発振周波数を変化させることを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
【請求項８】
前記振動板は、長手方向を有する板状の圧電素子と補強板とが積層され、該圧電素子の伸縮によって振動し、
前記回転体は、支持体に回転可能に支持されていること
を特徴とする請求項５に記載の制御装置。
【請求項９】
入力される信号に従って前記発振回路の発振周波数を、前記振動板の共振周波数とほぼ一致する第１周波数と、前記第１周波数とは異なる第２周波数とのうちのいずれかの周波数に切換える周波数切替え手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項５に記載の制御装置。
【請求項１０】
無線信号を受信する無線信号受信手段を備え、前記無線信号受信手段にて受信した無線信号に従って前記周波数切替え手段を制御し、前記発振回路の発振周波数を、前記第１周波数と、前記第２周波数とのうちのいずれかの周波数に切換えることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
【請求項１１】
請求項５ないし８のいずれかに記載の制御装置と、前記制御装置の前記回転体の回転に伴って回転するプロペラとを具備し、前記プロペラの回転によって推進力を発生させることを特徴とするプロペラ装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプロペラ装置を備え、前記プロペラ装置が発生する推進力によって飛行することを特徴とする飛行体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を有する振動板を備えた圧電アクチュエータを搭載する制御装置、この制御装置を備えるプロペラ装置、およびこのプロペラ装置を備えた飛行体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電素子の圧電効果を利用した各種の圧電アクチュエータが用いられており、このような圧電アクチュエータを組み込んだ様々な装置が開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような圧電アクチュエータを組み込んだ装置内において、時間的な制御等を行う場合、別に発振回路を設け、この発振回路から出力されるクロック信号に基づいて、制御回路が制御を行うことになる。つまり、比較的ラフな時間的制御を行う場合であっても、発振回路を設ける必要があり、コストの増加や、軽量化を要求される装置にあっては、重量が増加してしまうといった問題がある。
【０００４】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、駆動対象を駆動する小型化が容易な圧電アクチュエータを備えるとともに、制御対象に対してクロック信号を必要とする制御を発振回路を別に設けることなく行える制御装置、これを備えたプロペラ装置、およびこのプロペラ装置を備えた飛行体を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、圧電素子を備え、該圧電素子の伸縮によって振動する振動板と、前記振動板の一部が駆動対象と当接するように前記振動板を支持する支持部材とを備え、前記振動板が振動することによる前記振動板の一部の変位に伴って、前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータを備える制御装置であって、前記振動板を振動子として自励発振させる発振回路と、前記発振回路から発振される振動波形をクロック信号とし、該クロック信号に基づいて時間を計時し、計時した時間に基づいて制御対象への制御を実行する制御回路とを具備することを特徴とする制御装置を提供する。
【０００６】
本発明において、前記発振回路の発振周波数が、前記振動板の共振周波数とほぼ一致する構成としてもよい。
【０００７】
また本発明において、前記制御回路は、前記発振回路の発振周波数を変化させる構成としてもよい。
また本発明において、前記振動板は、長手方向を有する板状の圧電素子と補強板とが積層され、該圧電素子の伸縮によって振動する構成としてもよい。
【０００８】
また本発明は、圧電素子を備え、該圧電素子の伸縮によって振動する振動板と、回転可能に支持される回転体と、前記振動板の一部が前記回転体と当接するように前記振動板を支持する支持部材とを備え、前記振動板が振動することによる前記振動板の一部の変位に伴って、前記回転体を回転駆動する圧電アクチュエータを備える制御装置であって、前記振動板を振動子として自励発振させる発振回路と、前記発振回路から発振される振動波形をクロック信号とし、該クロック信号に基づいて時間を計時し、計時した時間に基づいて制御対象への制御を実行する制御回路とを具備することを特徴とする制御装置を提供する。
【０００９】
本発明において、前記発振回路の発振周波数が、前記振動板の共振周波数とほぼ一致する構成としてもよい。
【００１０】
また本発明において、前記制御回路は、前記発振回路の発振周波数を変化させる構成としてもよい。
また本発明において、前記振動板は、長手方向を有する板状の圧電素子と補強板とが積層され、該圧電素子の伸縮によって振動し、前記回転体は、支持体に回転可能に支持される構成としてもよい。
また本発明において、入力される信号に従って前記発振回路の発振周波数を、前記振動板の共振周波数とほぼ一致する第１周波数と、前記第１周波数とは異なる第２周波数とのうちのいずれかの周波数に切換える周波数切替え手段を備える構成としてもよい。
また本発明において、無線信号を受信する無線信号受信手段を備え、前記無線信号受信手段にて受信した無線信号に従って前記周波数切替え手段を制御し、前記発振回路の発振周波数を、前記第１周波数と、前記第２周波数とのうちのいずれかの周波数に切換える構成としてもよい。
【００１１】
また本発明は、前記制御装置と、前記制御装置の前記回転体の回転に伴って回転するプロペラとを具備し、前記プロペラの回転によって推進力を発生させることを特徴とするプロペラ装置を提供する。
【００１２】
また本発明は、前記プロペラ装置を備え、前記プロペラ装置が発生する推進力によって飛行することを特徴とする飛行体を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
Ａ．模型飛行機の全体構成
まず、図１は本発明の一実施形態に係る模型飛行機（飛行体）１１０の外観を示す斜視図である。同図に示すように、この模型飛行機１１０は、プロペラ装置１００を備え、このプロペラ装置１００が推進力を発生し、この推進力によって飛行するようになっている。また、模型飛行機１１０は、機体本体１１４から左右に伸びる主翼１１１と、機体本体１１４の後部に設けられる尾翼１１２とを備えている。尾翼１１２には、方向舵１１３が設けられており、方向舵１１３を駆動することにより、模型飛行機１１０の進行方向を調整することができるようになっている。
【００１４】
Ｂ．プロペラ装置
次に、プロペラ装置１００の詳細について説明する。図２に示すように、このプロペラ装置１００は、機体本体（支持体）１１４に回転可能に支持される回転軸２３を有しており、回転軸２３の先端には円盤状のローター部（回転体）２１が固定されている。ローター部２１の外周部には、放射状に伸びる複数枚の羽根２０（図示は２つ）が取り付けられている。そして、ローター部２１が圧電アクチュエータＡによって回転駆動されると、この回転に伴って回転する羽根２０によって図中矢印に示す方向への推進力が発生し、模型飛行機１１０が飛行するようになっている。
【００１５】
ここで、図３は、図２のIII−III線に沿って視た図である。図２および図３に示すように、圧電アクチュエータＡは、その長手方向に沿って振動する振動板１０と、この振動板１０を機体本体１１４（図２参照）に支持する支持部材１１とを備えている。なお、図３においては、圧電アクチュエータＡの構成をより明確にするために、羽根２０や機体本体１１４を省略している。
【００１６】
振動板１０は、２つの長方形板状の圧電素子３０，３１の間に、これらの圧電素子とほぼ同形状であり、かつ圧電素子３０，３１よりも肉厚の小さいステンレス鋼などの補強板３２とを配置した積層構造となっている。このように圧電素子３０，３１の間に補強板３２を配置することにより、振動板１０の過振幅や外力に起因する振動板１０の損傷を低減することができる。また、補強板３２としては、圧電素子３０，３１よりも肉厚の小さいものを用いることにより、圧電素子３０，３１の振動を極力妨げないようにしている。
【００１７】
上下に配置された圧電素子３０，３１の面上には、それぞれ図示せぬ電極が配置されている。この電極を介して圧電素子３０，３１に、駆動電圧が供給されるようになっている。圧電素子３０，３１に電圧が供給されると、圧電素子３０，３１が伸縮することによって、振動板１０が振動するようになっている。その際、振動板１０がその長手方向に振動する縦振動するようになっている。ここで、圧電素子３０，３１としては、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ（商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛（（Pb(Zn1/3-Nb2/3)03 1-x-Pb Ti 03 x)xは組成により異なる。x=0.09程度）、スカンジウムニオブ酸鉛（（Pb((Sc1/2Nb1/2)1-x Tix)) 03)xは組成により異なる。x=0.09程度）等の各種のものを用いることができる。
【００１８】
図２および図３に示すように、振動板１０の長手方向の一端部３５には、突起部３６がプロペラ装置１００側に向けて突設されており、この突起部３６がローター部２１の平面に接触している。図２に示すように、振動板１０は、ローター部２１の平面に対して傾斜するように配置されており、突起部３６もローター部２１の平面に傾斜して当接させられている。
【００１９】
図３に示すように、振動板１０には支持部材１１の一端３７が取り付けられており、支持部材１１の他端３８は、ねじ３９によって機体本体１１４（図２参照）に固定されている。ここで、支持部材１１は、ねじれることによって振動板１０の図２中矢印Ｘで示す方向（一端３７を中心とした振動板１０の厚さ方向）への回動を許容しており、そのねじり弾性力によって突起部３６がローター部２１の平面に当接するように振動板１０を図２中時計方向に付勢した状態で支持している。これにより、突起部３６とローター部２１の平面との間の摩擦が大きくなり、両者が滑りにくくなっている。
【００２０】
この構成の下、上述したたよう長手方向に振動板１０が振動すると、図３に示すように、突起部３６がローター部２１と接触した状態、つまり両者の間の摩擦により突起部３６とローター部２１が一体となってその先端側に移動することにより、ローター部２１が図中矢印で示す方向に回転駆動されるようになっている。そして、上述したようにローター部２１の回転に伴って羽根２０が回転させられ、これによりプロペラ装置１００が推進力を発生するようになっている。
【００２１】
Ｃ．制御装置
次に、この模型飛行機１１０の各部を制御する制御装置について説明する。図４に示すように、この制御装置４０は、発振回路４１と、波形整形回路４２と、制御回路４３とを備えている。
【００２２】
発振回路４１は、上述した圧電アクチュエータＡの振動板１０を振動子として自励発振させる発振回路であり、例えば図５に示すようなコルピッツ型のものを用いることができる。ここで、発振回路４１の発振周波数が振動板１０の共振周波数とほぼ同じになるように回路を構成すれば、振動板１０の振幅が大きくなり、上述した圧電アクチュエータＡによるプロペラ装置１００のローター部２１の回転速度や回転トルクを向上させることができる。つまり、プロペラ装置１００がより大きな推進力を発生させることができる。
【００２３】
波形整形回路４２は、発振回路４１から発振される振動波形に分周や波形整形などの処理を施して、図６に示すようなクロック信号fclを生成し、制御回路４３に出力する。制御回路４３は、波形整形回路４２から入力されるクロック信号fclを基準にして、方向舵１１３の駆動を制御する。例えば、予め設定された時間毎に方向舵１１３をいずれかの方向に駆動する制御を行う場合には、制御回路４３は、波形整形回路４２からのクロック信号fclに基づいて、設定された所定時間をカウントし、設定された時間になった時点で方向舵１１３の方向を切り換えるための制御信号ｃを方向舵１１３に送出する。また、この模型飛行機１１０がランプ等の発光装置や、他の制御対象を有している場合には、制御回路４３が波形整形回路４２からのクロック信号fclに基づいて、この発光装置の発光時間制御や、他の制御対象の制御などを行うようにしてもよい。
【００２４】
このように、制御装置４０においては、振動板１０を振動子として自励発振させる発振回路４１の出力する振動波形をクロック信号として、制御回路４３が方向舵１１３などの装置各部を制御しているので、方向舵１１３等の制御を行うために新たに別の発振回路を設ける必要がない。従って、コストを削減することができる。また、本実施形態のように、模型飛行機１１０の制御装置として、制御装置４０を適用した場合、部品数の削減による軽量化が可能となり、飛行能力を向上させることができる。もちろん、軽量化によって消費電力を低下させることもできる。また、プロペラ装置１００を駆動する圧電アクチュエータＡ自体も、コイルを有する電動モータと比較して簡易な構成であるため、小型・軽量化が容易であり、小型・軽量化が要求される模型飛行機１１０に搭載する駆動源とし好適である。
【００２５】
Ｄ．変形例
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のような種々の変形が可能である。
【００２６】
（１）上述した実施形態においては、１つの振動板１０が振動してローター部２１を回転駆動するようになっていたが、ローター部２１を駆動する振動板１０を２つ以上設けるようにしてもよい。
【００２７】
（２）また、上述した実施形態における制御装置４０に代えて、図７に示すような制御装置７０を用いるようにしてもよい。同図に示すように、この制御装置７０では、制御回路４３がスイッチ７２をオン／オフ制御することにより、発振回路７１のインバータのゲート側の付加コンデンサＣ１、ドレイン側の付加コンデンサＣ２、または両者の容量を変更することができるようになっている。このようにコンデンサＣ１やコンデンサＣ２の容量を変更することにより、発振回路７１の発振周波数を変化させることができる。
【００２８】
例えば、スイッチ７２がオンの時の発振回路７１の発振周波数が、図８に示す振動板１０のインピーダンスの極小値となる周波数、つまり共振周波数とほぼ一致するような場合、スイッチ７２をオフにすると、発振回路７１の発振周波数が小さくなり、振動板１０の共振周波数と離れてしまうことになる。このように発振周波数と振動板１０の共振周波数が離れると、振動板１０の振幅が減少することになり、回転速度や回転トルクが減少させることができるとともに、インピーダンスの増加により投入電力が減少するので、低消費電力での動作が可能となる。一方、スイッチ７２がオンの時には、上述したように振動板１０の共振周波数と発振回路７１の発振周波数がほぼ一致しているので、振動板１０の振幅が大きくなり、ローター部２１の高速度・高トルク駆動が可能となる。
【００２９】
従って、制御回路４３がスイッチ７２をオン／オフ制御することにより、振動板１０を備えた圧電アクチュエータＡの動作を高速度・トルクモードと、低消費電力モードとに切り換えることができる。また、スイッチ７２の切り換えタイミングを所定タイミングで行うような場合には、制御回路４３は、発振回路７１から波形整形回路４２を介して入力されるクロック信号fclに基づいて所定タイミングをカウントすればよい。この際、図９に示すように、スイッチ７２のオン／オフによってクロック信号fclの周波数が変化することになるが、同じ時間Ｔ毎の切り換え制御（スイッチ７２の切り換え制御に限らず、上述した方向舵１１３等の制御も含む）を行う場合には、その時間Ｔを計測するためのスイッチ７２のオン／オフそれぞれの場合におけるクロックパルスのカウント数（図示の例では、オフの場合６パルス、オンの場合３パルス）を設定しておけばよい。なお、この制御装置４０に無線通信回路を設け、上述したスイッチ７２の切り換えをリモートコントロールするようにしてもよい。
【００３０】
（３）また、上述したプロペラ装置１００に代えて、図１０に示すような構成のプロペラ装置２００を用いるようにしてもよい。このプロペラ装置２００では、ローター部２１が回転軸２３の機体本体１１４側に設けられており、ローター部２１の羽根２０側（図の左側）の平面に振動板１０の突起部３６が当接させられている。ここで、回転軸２３には凸部２４が設けられており、回転軸２３が図示の位置よりも右側へ移動することを規制している。これにより、突起部３６とローター部２１との接触状態を維持することができる。また、ローター部２１が停止時には、回転軸２３を回転可能に軸支する軸受１５０とローター部２１の平面との間に若干の隙間ｄが設けられており、回転軸２３はこの隙間ｄの長さだけその軸方向に沿って羽根２０側に移動することができるようになっている。
【００３１】
この構成の下、振動板１０が振動することにより、ローター部２１が回転させられ、これに伴って羽根２０が回転させられると、図中矢印で示す方向の推進力が発生する。これにより、回転軸２３が機体本体１１４の先端側に移動させられ、これに伴ってローター部２１も機体本体１１４の先端側に移動させられる。このため、振動板１０の突起部３６がローター部２１の平面を押圧する力が増加し、両者の間に生じる摩擦が大きくなる。従って、プロペラ装置２００が作動しているときには、停止時よりも振動板１０から大きな駆動力をローター部２１に伝達することができる。つまり、圧電アクチュエータの発生する最大トルクを大きくすることができる。
【００３２】
（４）また、上述した実施形態においては、振動板１０が長方形状であったが、振動板１０の形状はこれに限らず、長手方向を有する形状であれば、テーパー状であってもよいし、任意である。
【００３３】
（５）また、上述した実施形態においては、振動板１０の突起部３６がローター部２１の平面に当接するようになっていたが、これに限らず、図１１および図１２に示すように、振動板１０の突起部３６をローター部２１の外周面に当接させて、ローター部２１を回転駆動するようにしてもよい。
【００３４】
（６）また、上述した実施形態では、圧電アクチュエータＡで羽根２０を駆動するプロペラ装置を模型飛行機に適用した場合について説明したが、これに限らず、ヘリコプター型の飛行体のプロペラ装置として適用することもできる。
【００３５】
（７）また、上述した実施形態では、圧電アクチュエータＡで羽根２０を駆動するプロペラ装置の制御装置として、本発明に係る制御装置４０（図４参照）や制御装置７０（図７参照）を用いるようにしていたが、本発明に係る制御装置をプロペラ装置以外の装置に適用することもできる。例えば、模型船のスクリュー装置を駆動するアクチュエータとして振動板１０を使用し、この模型船の他の制御対象、例えば発光装置や方向舵などを上述した振動板１０を振動子とする発振回路からの振動波形をクロック信号として制御するようにしてもよい。
【００３６】
（８）また、振動板１０が当接して駆動する駆動対象は、上述したローター部２１のような回転体に限らず、略直方体状の部材をその長手方向に直線駆動するようにしてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、駆動対象を駆動するための小型の圧電アクチュエータを備えるとともに、別に発振回路を設けることなく、制御対象に対してクロック信号を必要とする制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る模型飛行機の外観を示す斜視図である。
【図２】  前記模型飛行機の構成要素であるプロペラ装置付近を示す断面図である。
【図３】  図２のIII−III線に沿って視た図である。
【図４】  前記模型飛行機に搭載される制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】  前記制御装置の発振回路の一例を示す回路図である。
【図６】  前記制御装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】  前記制御装置の変形例を示すブロック図である。
【図８】  前記制御装置の変形例の構成要素である振動板のインピーダンスと振動周波数の関係を示すグラフである。
【図９】  前記制御装置の変形例の動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】  前記プロペラ装置の変形例を示す断面図である。
【図１１】  前記プロペラ装置の他の変形例を示す断面図である。
【図１２】  図１１のXII−XII線に沿って視た図である。
【符号の説明】
１０……振動板、１１……支持部材、２０……羽根、２１……ローター部（回転体）、２３……回転軸、３０，３１……圧電素子、３６……突起部、４０……制御装置、４１……発振回路、４２……波形整形回路、４３……制御回路、７０……制御装置、７１……発振回路、１００……プロペラ装置、１１０……模型飛行機、１１１……主翼、１１２……尾翼、１１３……方向舵、１１４……機体本体（支持体）
【図１】
0003820818.tif 000002
【図２】
0003820818.tif 000003
【図３】
0003820818.tif 000004
【図４】
0003820818.tif 000005
【図５】
0003820818.tif 000006
【図６】
0003820818.tif 000007
【図７】
0003820818.tif 000008
【図８】
0003820818.tif 000009
【図９】
0003820818.tif 000010
【図１０】
0003820818.tif 000011
【図１１】
0003820818.tif 000012
【図１２】
0003820818.tif 000013