JP6838926B2 - Drive circuit, vibration type actuator and device having this - Google Patents
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Description
本発明は、駆動回路、これを有する振動型アクチュエータ及び装置に関する。 The present invention relates to a drive circuit, a vibrating actuator and a device having the drive circuit.
振動型アクチュエータは、圧電素子又は電歪素子等の電気−機械エネルギー変換手段に交番電圧を印加することによって、電気−機械エネルギー変換手段に高周波振動を発生させ、その振動エネルギーを連続的な機械運動として取り出すものである。振動型アクチュエータは、軽量化のためにコントローラと離して置かれて使用することがある。この場合、振動型アクチュエータとコントローラとは、屈曲する長いケーブルで接続されるため、ケーブルが断線する恐れがあり、振動型アクチュエータの状況のモニタ及び適切な処置を行う技術が必要となる。 The vibration type actuator generates high-frequency vibration in the electric-mechanical energy conversion means by applying an alternating voltage to the electric-mechanical energy conversion means such as a piezoelectric element or an electrostrictive element, and the vibration energy is continuously mechanically moved. It is taken out as. The vibrating actuator may be used separately from the controller for weight reduction. In this case, since the vibrating actuator and the controller are connected by a long bending cable, the cable may be broken, and a technique for monitoring the status of the vibrating actuator and taking appropriate measures is required.
ケーブルの断線を検出する方法としては、電流の大きさを検出する技術がある。この方法では、振動型アクチュエータの駆動中に、負荷に流入する電流を計測し、電流の大きさが所定の範囲内かどうか確認することによって、配線経路の断線やショート等の故障の有無を検出している。電流を検出する方法としては、振動型アクチュエータと直列に抵抗を接続し、その端子電圧から計測する方法や公知のカレントトランスを用いる方法がある。 As a method of detecting a broken cable, there is a technique of detecting the magnitude of an electric current. In this method, the current flowing into the load is measured while the vibrating actuator is being driven, and the presence or absence of a failure such as a disconnection or short circuit of the wiring path is detected by checking whether the magnitude of the current is within a predetermined range. doing. As a method of detecting the current, there are a method of connecting a resistor in series with the vibration type actuator and measuring from the terminal voltage thereof, and a method of using a known current transformer.
特許文献1には、電流計測用の抵抗を電力増幅回路と圧電体との間に圧電体と直列に接続し、常に圧電体に流入する電流を計測して、振動型アクチュエータの異常な振動による異常な電流を計測する技術が開示されている。
In
しかしながら、特許文献1の方法では、振動型アクチュエータの駆動電流を抵抗で計測しているので、駆動中に常に電流計測用抵抗による電力消費がある。そのため、電力の使用効率が低下し、全体の消費電力が増加する。また、全ての駆動用電線の断線やショート等の故障を検出するには、全電流が合成されて流れる経路に抵抗を直列に挿入するか全ての駆動用電線に抵抗を挿入する必要があり、さらに消費電力が増加してしまう。
However, in the method of
本発明は上記課題を鑑みてなされたもので、振動型アクチュエータと接続している駆動用電線の断線等の故障を検出可能な駆動回路において、消費電力を従来よりも低減することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to reduce power consumption in a drive circuit capable of detecting a failure such as a disconnection of a drive wire connected to a vibrating actuator as compared with the conventional case. ..
本発明の一側面としての駆動回路は、振動体の第1の電気−機械エネルギー変換素子及び第2の電気−機械エネルギー変換素子に位相の異なる交流電圧を印加する駆動回路であって、交流信号を生成する波形生成手段と、前記波形生成手段から生成された第1の交流信号に基づく第2の交流信号が入力する一次側巻線、第1の二次側巻線及び第2の二次側巻線を有し、前記第1の二次側巻線の一端と前記第2の二次側巻線の一端とがセンタータップで接続しているトランスと、前記第1の電気−機械エネルギー変換素子の一端及び前記第2の電気−機械エネルギー変換素子の一端のそれぞれと一端が接続しており、前記センタータップに他端が接続している電流計測手段と、前記第1の二次側巻線の他端と前記第1の電気−機械エネルギー変換素子の他端とを接続している第1のケーブルと、前記第2の二次側巻線の他端と前記第2の電気−機械エネルギー変換素子の他端とを接続している第2のケーブルと、を有することを特徴とする。 The drive circuit as one aspect of the present invention is a drive circuit that applies AC voltages having different phases to the first electric-mechanical energy conversion element and the second electric-mechanical energy conversion element of the vibrating body, and is an AC signal. And a primary winding, a first secondary winding, and a second secondary to which a second AC signal based on the first AC signal generated from the waveform generating means is input. A transformer having a side winding, one end of the first secondary winding and one end of the second secondary winding being connected by a center tap, and the first electric-mechanical energy. A current measuring means in which one end of the conversion element and one end of the second electro-mechanical energy conversion element are connected to one end and the other end is connected to the center tap, and the first secondary side. The first cable connecting the other end of the winding and the other end of the first electric-mechanical energy conversion element, the other end of the second secondary winding, and the second electric- a second cable connecting the other end of the mechanical energy conversion element, a Rukoto that having a characterized.
本発明の一側面としての駆動回路によれば、振動型アクチュエータと接続している駆動用電線の断線等の故障を検出可能な駆動回路において、消費電力を従来よりも低減することができる。 According to the drive circuit as one aspect of the present invention, the power consumption can be reduced as compared with the conventional case in the drive circuit capable of detecting a failure such as a disconnection of the drive wire connected to the vibrating actuator.
(第1の実施形態)
本実施形態の駆動回路100について説明する。駆動回路100は、180°位相の異なる2相の交流電圧を振動体20の電気−機械エネルギー変換手段1に印加して、振動体20を駆動する駆動回路である。
(First Embodiment)
The
[振動型アクチュエータの構成]
本実施形態の振動型アクチュエータ150は、加振用の電気−機械エネルギー変換手段1を有する振動体20と、駆動回路100とを有する。
[Vibration actuator configuration]
The vibrating
[振動体の構成]
まず、振動型アクチュエータ150の振動体20の構成について、図2を参照して説明する。図2は、振動体20付近の構成を説明する模式図である。振動体20は、電気−機械エネルギー変換手段1と弾性体201と摩擦材202とを有する。
[Structure of vibrating body]
First, the configuration of the vibrating
電気−機械エネルギー変換手段1は、圧電素子又は電歪素子、磁歪素子等の種々の加振デバイスを利用することが可能である。本実施形態では、電気−機械エネルギー変換手段1として、一般的に多く利用される圧電素子を用いる。そのため、以降の説明では、圧電素子を「圧電素子1」と記載することがある。
The electric-mechanical energy conversion means 1 can utilize various vibration devices such as a piezoelectric element, an electrostrictive element, and a magnetostrictive element. In the present embodiment, a commonly used piezoelectric element is used as the electric-mechanical energy conversion means 1. Therefore, in the following description, the piezoelectric element may be referred to as "
圧電素子1は、金属又はセラミック製の弾性体201に接着されており、圧電素子1に交流電圧を印加することで弾性体201に振動が励起される。振動体20は、ロータ203との接触部に摩擦材202が配置されており、摩擦材202を介してロータ203に不図示の加圧手段で一定の圧力で押圧されている。
The
ロータ203は、外部に回転力を取り出すための回転軸204が中心に固定されている被駆動体である。ロータ203を相対駆動する際には、弾性体201にはロータ203を駆動する方向と逆方向に波頭が移動する曲げ振動(進行波)が形成され、摩擦材202とロータ203との接触部には楕円振動が形成される。
The
圧電素子1は、複数の電気−機械エネルギー変換素子1−a、1−b、1−c、1−dを有する。圧電素子1の構成について、図3を参照して説明する。図3は、圧電素子1の電極構成と、駆動回路100で生成される交流駆動電圧A1、B1、A2、B2との接続関係を説明する模式図である。圧電素子1は、1枚の中空の円環状の板であり、一方の面は24個の電極区画に等分割され、他方の面は全面が一枚の電極として構成されている。なお、以降の説明では、圧電素子1のうち、24個の電極区画を有する面を表面、表面と対向する面を裏面と呼ぶ。
The
24個の電極区画と裏面との間はあらかじめ分極されており、表面と裏面との電極間に電圧を印加することで圧電素子に歪が発生するように構成されている。また、表面の電極は周上に3つおきに電気的に接続され、電極群1−a、1−b、1−c、1−dを構成している。この電極群1−a、1−b、1−c、1−dは、回路上の説明では電気−機械エネルギー変換素子1−a、1−b、1−c、1−dとして示される。すなわち、圧電素子1は、複数の電気−機械エネルギー変換素子1−a、1−b、1−c、1−dを有する。なお、以降の説明では、電気−機械エネルギー変換素子1−a、1−b、1−c、1−dを、圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dと記載する。
The space between the 24 electrode compartments and the back surface is pre-polarized, and the piezoelectric element is configured to be distorted by applying a voltage between the electrodes on the front surface and the back surface. Further, the electrodes on the surface are electrically connected every three on the circumference to form electrode groups 1-a, 1-b, 1-c, and 1-d. The electrode groups 1-a, 1-b, 1-c, 1-d are represented as electro-mechanical energy conversion elements 1-a, 1-b, 1-c, 1-d in the description on the circuit. That is, the
圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dは通常、電極上に接着される不図示のフレキシブルケーブルによって電極間が接続されている。各圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dには、図4に示した互いに位相の異なる4相の交流電圧A1、B1、A2、B2が印加される。圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dの全ての電極に交流電圧が印加されると円環状の振動体20にほぼ等間隔に円環面に垂直の方向に6つの波からなる曲げ振動が形成される。駆動電圧としての交流電圧A1、B1、A2、B2の各波形は、90°ずつ位相のずれた正弦波となっている。このような位相のずれた交流電圧を加えると、振動体20上には6波の曲げ振動が波形を保ちつつ円環の円周に沿って移動する進行性の振動波が形成される。この際、振動体20に設けられた周上に分布する突起上の摩擦材202とロータ203との接触部には、進行性の振動波の移動方向とは逆方向に接線力を発生する楕円振動が形成され、摩擦材202とロータ203との間に相対的な駆動力が発生する。また、駆動電圧B1とB2を入れ替えると進行性の振動波の進行方向が反転し、逆方向の駆動力を発生する。
Piezoelectric elements 1-a, 1-b, 1-c, 1-d are usually connected between electrodes by a flexible cable (not shown) bonded onto the electrodes. Four-phase AC voltages A1, B1, A2, and B2 having different phases as shown in FIG. 4 are applied to the piezoelectric elements 1-a, 1-b, 1-c, and 1-d. When an AC voltage is applied to all the electrodes of the piezoelectric elements 1-a, 1-b, 1-c, and 1-d, six elements are applied to the annular
弾性体201には、材質や形状で決まる固有の振動モードがあり、6波の曲げ振動を形成する振動モードには振動しやすい固有の振動数がある。そのため、圧電素子1に印加する交流電圧の周波数をこの固有の振動数(共振周波数)に近付けることで、この振動を効率良く励振することができる。
The
[駆動回路100の構成]
本実施形態の駆動回路100について、図1を参照して説明する。図1は、本実施形態の駆動回路100の構成を説明するブロック図である。
[Structure of drive circuit 100]
The
駆動回路100は、180°位相の異なる2相の交流電圧を発生する回路であり、振動型アクチュエータ150の振動体20に交流電圧を印加する。駆動回路100は、ケーブル2、発振手段(波形生成手段)3、トランス4、電力増幅手段5、CPU(制御手段)6、電線7、電流計測手段11、及び故障検知手段(判定手段)10を有する。
The
発振手段3は、所望の周波数及び電圧振幅の正弦波信号を出力する。発振手段3からの出力信号(第1の交流信号)である正弦波信号は、電力増幅手段5で増幅され、トランス4に入力する。
The oscillating means 3 outputs a sinusoidal signal having a desired frequency and voltage amplitude. The sine wave signal, which is an output signal (first AC signal) from the oscillating means 3, is amplified by the power amplification means 5 and input to the
トランス4は、一次側巻線401、第1の二次側巻線402、第2の二次側巻線403、及び第1の二次側巻線402の一端と第2の二次側巻線403の一端とが接続しているセンタータップ、を有する。電力増幅手段5の出力信号(第2の交流信号)が一次側巻線401に入力すると、センタータップの両側の端子、すなわち第1の二次側巻線402と第2の二次側巻線403から180°位相の異なる2相の交流駆動電圧A1、A2を出力する。
The
トランス4からの出力信号は、ケーブル2(第1のケーブル及び第2のケーブル)を介して、トランス4の二次側巻線402、403と並列に接続している第1の圧電素子1−a及び第2の圧電素子1−cに送られる。ケーブル2は、ツイストペアケーブルとなっており、ペアとなる電線には互いに同じ大きさの逆位相の電流が流れ、互いの磁気放射をキャンセルする構成となっていることが好ましい。
The output signal from the
トランス4のセンタータップと第1及び第2の圧電素子1−a、1−cの不図示の裏面電極(圧電素子1の裏面の電極)とが、電線7を介して電流計測手段11の抵抗8と接続されている。
The center tap of the
CPU6は、公知のCPUを用いることができ、不図示の指令手段からの動作指令に応じて発振手段3の出力する正弦波信号の電圧振幅と周波数を設定する制御手段である。
The
電流計測手段11は、センタータップを流れる電流、すなわち、電線7に流れる電流を計測する手段で、一端が、第1の圧電素子1−aの一端及び第2の圧電素子1−cの一端との間に接続しており、他端が、トランス4のセンタータップと接続している。
Current measuring means 11, the current flowing through the center tap, i.e., by a means for measuring the current flowing through the
電流計測手段11は、抵抗8と、差動増幅器9とを有し、差動増幅器9で抵抗8の両端の電位差を計測する。抵抗8は、安価で小さく使い勝手がよいが、電流を計測する手法は、公知のカレントトランスを使う等の他の方法でもよい。カレントトランスは、抵抗と比較してサイズが大きく、またコストが高い恐れがある。しかし、本実施形態の駆動回路100では、電流計測手段11を1つ設ければ複数のケーブルの故障を検知できるため、従来よりも回路の小型化及び低コスト化できると期待できる。
The current measuring means 11 has a
差動増幅器9の計測結果である出力電圧は、故障検知手段10に入力される。故障検知手段10は、差動増幅器9の計測結果が所定の範囲を超えたかどうかで故障を判定する判定手段で、故障と判定した場合には、発振手段3の出力をOFFにする。また、故障検知手段10は、故障の部位や故障の種類に関わる故障情報をCPU6に入力する。
The output voltage, which is the measurement result of the
なお、駆動回路100は、第1及び第2の圧電素子1−a、1−cへの交流電圧の生成回路として用いているが、同様の駆動回路をもう1セット用意することで、圧電素子1−b、1−dへの交流電圧を生成することができる。その際には、発振手段3に相当する発振手段は出力する正弦波の位相を発振手段3の出力する正弦波に対して90°位相差を持つよう設定する。
The
[故障検出]
次に、故障が発生している場合の、電線7に流れる電流の振る舞いについて説明する。駆動回路100では、トランス4のセンタータップを流れる電流、すなわち電線7を流れる電流を計測することにより、故障の検知を行う。電流7を流れる電流の振る舞いについて、正常な場合、第1の二次側巻線402の他端から第1の圧電素子1−aの他端へのケーブル(第1のケーブル)が断線した場合、第1の圧電素子1−aがショートした場合、電線7が断線した場合のそれぞれについて説明する。
[Failure detection]
Next, the behavior of the current flowing through the
・正常な場合
まず、トランス4の2つの二次側巻線402、403が理想的に完全に対称に製造されており、第1及び第2の圧電素子1−a、1−cも完全に同じ特性であると仮定する。また、トランス4と第1及び第2の圧電素子1−a、1−cのそれぞれとを接続するケーブル2の各電線及び不図示のコネクタの各接続ピンの接触抵抗等も同じ特性とする。その場合、第1の圧電素子1−aに流れる電流と第2の圧電素子1−cに流れる電流とは、同じ大きさで逆相となる。したがって、正常な場合は、理想的な状態では電線7には電流が流れない。
-Normal case First, the two
しかし、実際には第1及び第2の圧電素子1−a、1−c及びトランス4には、その厚さや電極面積には製造誤差があり、電流7には一定のオフセット的な交流電流が流れる。また、振動型アクチュエータ150の駆動中にはロータ203と振動体20間の面圧のムラに応じてロータ203の回転と共に第1及び第2の圧電素子1−a、1−cのそれぞれの機械的インピーダンスが動的に変化するため、流入電流の大きさも動的に変化する。したがって、差動増幅器9によってわずかではあるが電流が検出される。
However, in reality, the first and second piezoelectric elements 1-a, 1-c and the
・第1の二次側巻線402の他端から第1の圧電素子1−aの他端へのケーブル(第1のケーブル)が断線した場合
第1の圧電素子1−aとトランス4間のケーブル(第1のケーブル)が断線すると、第2の圧電素子1−cに流れていた電流は行き場が無くなり電線7に流れるようになる。その電流は、正常な状態で流れるわずかな電流と比較して大きい。その結果、抵抗8の両端には大きな電位差が発生し、差動増幅器9の出力電圧は正常な場合の電圧より大きな値となる。
- the first cable from the other end of the secondary winding 402 to the other end of the first piezoelectric element 1-a (first cable) is between the first piezoelectric element 1-a and
・第1の圧電素子1−aがショートした場合
第1の圧電素子1−aがショートすると、第1の圧電素子1−aのインピーダンスが0になり、ショートした部分にはそれまで流れていた電流より大きな電流が流れる。すると第2の圧電素子1−cに流れていた電流よりショートした部分に流れる電流の方が大きくなり、行き場を失った電流が電線7に流れる。その結果、抵抗8の両端にはケーブルが断線した場合より更に大きな電位差が発生し、差動増幅器9の出力電圧もケーブルが断線した場合より大きな値となる。
-When the first piezoelectric element 1-a is short-circuited When the first piezoelectric element 1-a is short-circuited, the impedance of the first piezoelectric element 1-a becomes 0, and the shorted portion has been flowing until then. A current larger than the current flows. Then, the current flowing in the short-circuited portion becomes larger than the current flowing in the second piezoelectric element 1-c, and the current that has lost its place flows in the
・電線7が断線した場合
電線7が断線すると、抵抗8にほとんど電流が流れなくなる。電線7が断線していても、ケーブル2と電線7との静電結合による電流が抵抗8に若干流れるが、通常は上述の駆動回路が正常な場合の電流より少ない電流であり、差動増幅器9の出力電圧は正常時より小さな値となる。
-When the
このように、電流7を流れる電流の大きさは駆動回路の状態によって異なり、(電線7の断線)<(正常時)<(ケーブル2の断線(1本))<(圧電素子のショート)の順になる。そのため、閾値を適切に定めることで故障を検出することができる。なお、ケーブル2の電線が2本とも断線した場合には電線7の断線と同じ減少が検出される。
In this way, the magnitude of the current flowing through the current 7 differs depending on the state of the drive circuit, and (breakage of the electric wire 7) <(normal time) <(breakage of the cable 2 (1)) <(short circuit of the piezoelectric element). It becomes in order. Therefore, the failure can be detected by appropriately setting the threshold value. If both wires of the
このような判定手法は、駆動回路の故障時に供給電力を停止する等のハード的な安全手段の構築に適しており、故障検知手段10は公知のコンパレータ等によって電流値の範囲を判定し発振手段3の動作を制御している。 Such a determination method is suitable for constructing a hardware safety means such as stopping the supply power when the drive circuit fails, and the failure detection means 10 determines the range of the current value by a known comparator or the like and oscillates means. The operation of 3 is controlled.
図5は、故障検知手段10の回路例を示す図である。故障検知手段10は、振幅検出手段15、コンパレータ16、17、18、及び論理OR素子19を有する。振幅検出手段15は、差動増幅器9の出力する電流信号Cinを入力して振幅を出力する。
FIG. 5 is a diagram showing a circuit example of the
コンパレータ16、17、18のそれぞれは、公知のコンパレータで、振幅検出手段15の出力電圧と抵抗分圧によって設定された所定の値とを比較する。コンパレータ16は、断線した時の電流より大きな電流であることを検出しており、信号S1が論理値1の場合はショートしたことを示す。コンパレータ17は、正常時の電流より大きな電流であることを検出しており、信号S2が論理値1の場合は断線又はショートしたことを示す。コンパレータ18は、正常時の電流より小さな電流であることを検出しており、信号S3が論理値1の場合は電線7が断線したことを示す。論理OR素子19は、公知の3入力の論理OR素子を用いることができ、信号S1、S2、S3の少なくとも1つが論理値1の場合に論理値1のSTOP信号を出力し、発振手段3をOFFするよう動作する。また信号S1、S2、S3はCPU6に入力され、故障の位置等の故障情報がCPU6に送られる。
Each of the
このように、本実施形態の駆動回路は、駆動回路の故障の有無を評価することができる。駆動回路の故障の有無の評価は、振動型アクチュエータの駆動中に断線やショートが発生した場合に、それを検出する手段として用いることができる。それに限らず、振動型アクチュエータを駆動する前に、駆動回路100によってケーブルや圧電素子に故障の有無を評価してから、振動型アクチュエータを駆動してもよい。
As described above, the drive circuit of the present embodiment can evaluate the presence or absence of failure of the drive circuit. The evaluation of the presence or absence of a failure of the drive circuit can be used as a means for detecting when a disconnection or a short circuit occurs while driving the vibrating actuator. Not limited to this, before driving the vibrating actuator, the
例えば、CPU6は、振動型アクチュエータのロータ203を回転させない程度の電圧振幅を発振手段3に指令し(第1のステップ)、信号S1、S2、S3から故障の有無を確認する(第2のステップ)。続いて、CPU6は、故障が無い場合には通常駆動を行い、故障が有る場合には駆動を停止する(第3のステップ)。このような方法を用いれば、ショート時に流れる電流を少なくできるため、回路への負担が少ない。
For example, the
その他の例としては、通常の電圧振幅を発振手段3に指令すると共に、振動体1の固有モードの共振周波数から十分離れた周波数を発振手段3に指令する方法もある。
As another example, there is also a method of instructing the oscillating means 3 to have a normal voltage amplitude and instructing the oscillating means 3 to have a frequency sufficiently distant from the resonance frequency of the natural mode of the vibrating
CPU6は、信号S1、S2、S3を受けて、不図示の指令手段や操作者に対して故障の有無や故障の位置等の情報を知らせることができる。例えば信号S1、S2、S3の論理値をそのまま不図示の指令手段に送信したり、信号S1、S2、S3の状態を公知のLED等の表示デバイスで操作者に知らせることもできる。
In response to the signals S1, S2, and S3, the
このように、本実施形態の駆動回路100は、トランス4と第1及び第2の電気−機械エネルギー変換素子1−a、1−cとの間に接続されている電流計測手段11を有する。この電流計測手段11を用いて、トランス4の2つの二次側巻線402、403のそれぞれの一端を接続したセンタータップを流れる電流を計測する、すなわち、電線7を流れる電流を計測する。そして、電流計測手段11の計測結果を用いて故障の有無を判定することにより、正常時には電線7を流れる電流を従来よりも小さくすることができる。その結果、駆動回路100によれば、振動型アクチュエータと接続している駆動用電線の断線及び圧電素子のショート等の振動型アクチュエータの故障を検知可能な駆動回路において、消費電力を従来よりも低減することができる。
As described above, the
また、電流計測手段11を1つ設ければ複数のケーブルの故障を検知できるため、回路規模の小型化及び低コスト化に貢献できる。 Further, if one current measuring means 11 is provided, it is possible to detect the failure of a plurality of cables, which can contribute to the miniaturization of the circuit scale and the cost reduction.
さらに、断線やショートによる故障の際には、正常時よりも大きな電流が流れるため、容易に故障の判定を行うことができる。 Further, in the case of a failure due to a disconnection or a short circuit, a larger current flows than in the normal state, so that the failure can be easily determined.
駆動回路100によれば、故障の原因に応じて電流計測手段11で検知される値が異なるため、駆動回路100における計測結果から、CPU6等で故障の位置等を取得することができる。CPU6は、駆動回路100での計測結果を用いて、ユーザに故障の有無及び故障の位置等の情報を知らせたり、振動型アクチュエータの動作を停止したり等の処置を行うことができる。
According to the
[第2の実施形態]
本実施形態の駆動回路600について、図6を参照して説明する。図6は本実施形態の駆動回路600の構成を説明するブロック図である。なお、第1の実施形態と同じ構成については、図6において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。
[Second Embodiment]
The
[駆動回路600の構成]
第1の実施形態の駆動回路100は、第1及び第2の圧電素子1−a、1−cに交流電圧を印加する回路であった。それに対し、本実施形態の駆動回路600は、振動型アクチュエータの圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dのそれぞれと接続しており、振動型アクチュエータを4相の交流駆動電圧で駆動する。
[Configuration of drive circuit 600]
The
駆動回路600は、第1の実施形態の駆動回路100と同様、第1の発振手段3、第1の増幅手段5、第1のトランス4、ケーブル2(第1のケーブル及び第2のケーブル)、電線7、電流計測手段11、故障検知手段10及びCPU6を有する。さらに駆動回路600は、第2の発振手段23、第2の増幅手段25、第2のトランス24、及びケーブル22(第3のケーブル及び第4のケーブル)を有する。
Driving
駆動回路600は、センタータップを有する2つのトランス4、24で4相の交流駆動電圧を出力する構成となっている。駆動回路600は、振動型アクチュエータの圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dに90°ずつ位相のずれた4相の交流駆動電圧A1、B1、A2、B2をそれぞれに印加する。CPU6は、不図示の指令手段からの駆動指令に基づいて、第1及び第2の発振手段3、23の電圧振幅、周波数、4相信号間の位相差を設定する。
The
第1及び第2の発振手段3、23には、CPU6によるパラメータ設定以外に、緊急時に出力をOFFするための入力が設けられている。このような構成にすることにより、トランス4、24のそれぞれのセンタータップに流れる電流の値、すなわち電線7を流れる電流の値から故障の有無を判定し、故障時に強制的に発振手段3の出力をOFFすることができる。電流が所定の範囲を超えたことを判定できればよいため、CPU6を用いずに、比較的容易な構成で故障を判定することができる。
In addition to the parameter setting by the
次に、図6の各部の機能について説明する。 Next, the functions of each part of FIG. 6 will be described.
圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dは、図3に示す円環状の電極構造で裏面が不図示の共通電極となっている。このような構成の電気−機械エネルギー変換手段1を回路図上で表すと、1点で結合された裏面の共通電極を中心として4つの圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dが放射状に接続された構成で示される。 The piezoelectric elements 1-a, 1-b, 1-c, and 1-d have an annular electrode structure shown in FIG. 3, and the back surface is a common electrode (not shown). When the electric-mechanical energy conversion means 1 having such a configuration is represented on the circuit diagram, four piezoelectric elements 1-a, 1-b, 1-c, 1 are centered on a common electrode on the back surface connected at one point. -D is shown in a radially connected configuration.
第2の発振手段23は、交流信号を出力し、その交流信号は第2の増幅手段25で増幅される。増幅された交流信号は、第2のトランス24の一次側巻線に入力する。第2のトランス24は、第1のトランス4と同様に、一次側巻線241と、第3の二次側巻線242と、第4の二次側巻線243と、を有し、第3の二次側巻線242と第4の二次側巻線243とはセンタータップ(第2のセンタータップ)で接続されている。第3の二次側巻線242は第3の圧電素子1−bと並列に接続しており、第4の二次側巻線243は第4の圧電素子1−dと並列に接続している。
The second oscillating means 23 outputs an AC signal, and the AC signal is amplified by the second amplifying means 25. The amplified AC signal is input to the primary winding of the
電流計測手段11は、第1及び第2のトランス4、24のそれぞれの二次側のセンタータップ及び第1〜第4の圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dのそれぞれと、電線7を介して接続している。
The current measuring means 11 is a center tap on the secondary side of each of the first and
すなわち、各圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dには、ケーブル2、22及び電線7が接続されている。ケーブル2、22及び電線7は、二次側にセンタータップを持つ第1及び第2のトランス4、24の二次側巻線と接続している。通常、ケーブル2、22のそれぞれはツイストペアケーブルとなっており、ペアとなる電線には互いに同じ大きさの逆位相の電流が流れ、互いの磁気放射をキャンセルする構成となっている。
That is,
トランス4、24の出力する交流電圧A1、A2、B1、B2は、振動型アクチュエータの通常駆動時には図4に示すように90°ずつ位相の異なる同じ振幅の正弦波である。CPU6は、交流電圧A1、A2と交流電圧B1、B2との間の位相差90°を発振手段3−bに設定している。第1及び第2の発振手段3、23の出力する交流信号は第1及び第2の増幅手段5、25によって電力増幅され、それぞれ第1及び第2のトランス4、24の一次側巻線401、241に入力される。
The AC voltages A1, A2, B1 and B2 output by the
次に、第1及び第2のトランス4、24のそれぞれのセンタータップに流れる電流の計測に関わる部分について説明する。電流計測手段11の構成は、第1の実施形態とほぼ同じ構成であり、抵抗8は電線7に流れる電流を計測し、差動増幅器9で抵抗8の両端の電位差を計測している。抵抗8は安価で小さく使い勝手がよいが、電流計測手法は公知のカレントトランスを使う等の他の方法でもよい。
Next, a part related to the measurement of the current flowing through the center taps of the first and
故障検知手段10は、差動増幅器9の出力電圧が所定の範囲を超えたかどうかで故障を判定しており、故障した場合に発振手段3、23の出力をOFFするように構成されている。また、故障検知手段10は故障の部位や故障の種類に関わる情報をCPU6に伝えている。
The failure detecting means 10 determines a failure based on whether or not the output voltage of the
[故障検出]
次に、故障の検出方法について説明する。駆動回路600では、第1のトランス4のセンタータップ(第1のセンタータップ)及び第2のトランス24のセンタータップ(第2のセンタータップ)を流れる電流、すなわち電線7を流れる電流を計測することにより、故障の検知を行う。電流7を流れる電流の振る舞いについて、故障は一度に1箇所と仮定し、正常な場合、電線7が断線した場合、第1の二次側巻線402の他端から圧電素子1−aの他端へのケーブル(第1のケーブル)が断線した場合、及び圧電素子1−aがショートした場合のそれぞれについて順に説明する。
[Failure detection]
Next, a failure detection method will be described. In the
・正常な場合及び電線7が断線した場合
まず第1及び第2のトランス4、24の二次側巻線402、403、242、243が理想的に完全に対称に製造されており、圧電素子1−a、1−b、1−c、1−dも完全に同じ特性であると仮定する。またトランスと圧電素子を接続するケーブル2、22の各電線及び不図示のコネクタの各接続ピンの接触抵抗等も同じ特性とする。すると圧電素子1−aと圧電素子1−cに流れる電流は同じ大きさで逆相の電流が流れ、圧電素子1−bと圧電素子1−dにも同じ大きさで逆相の電流が流れる。従って理想的な状態では電線7には電流が流れない。上述したように、理想的な状態になることは実際には稀であり、電線7には正常時に若干の電流が流れる。しかし、一時的に理想的な状態になる可能性はゼロではなく、その場合は、電線7が断線した状態と正常な状態との区別が難しくなる。
-Normal case and when the
そこで本実施形態では、図3に示す様に第4の圧電素子1−dの電極数を他の圧電素子の電極数より少なくして電極面積を小さくすることにより、圧電素子1−dの等価静電容量を他より小さい値に設定する。このような構成にすることによって、正常な状態でも若干の電流が電線7に流れるため、差動増幅器9の出力する交流電圧の振幅は0より若干大きな値となり、電線7が断線した場合と区別できるようになる。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the number of electrodes of the fourth piezoelectric element 1-d is made smaller than the number of electrodes of the other piezoelectric elements to reduce the electrode area, thereby making the piezoelectric element 1-d equivalent. Set the capacitance to a value smaller than the others. With such a configuration, since a small amount of current flows through the
正常な状態で電線7に電流が流れるようにする方法としては、上述のように電極面積によって圧電素子の等価静電容量を変える方法に限らず、他の方法を用いてもよい。例えば、図7に示すように、トランス4、24の2つの二次側巻線のバランスを変更する方法を用いることができる。図7は、トランスの巻線の断面模式図である。
The method of allowing the current to flow through the
トランスは、巻線を巻く為のボビン70、一次側巻線71、第1の二次側巻線72及び第2の二次側巻線73を有する。ボビン70の一番内側には一次側巻線71が巻かれており、その上に不図示の絶縁用の層間テープを巻いてから第1の二次側巻線72が巻かれている。さらに、第1の二次側巻線72の上に層間テープが巻かれ、第2の二次側巻線73が巻かれている。この様な構成のトランスは、一次側巻線71と第1の二次側巻線72との位置関係と、一次側巻線71と第2の二次側巻線73との位置関係と、が異なる。そのため、2つの二次側巻線72、73のそれぞれの抵抗、インダクタンス及び一次側巻線71との結合係数が異なる値となる。よって、第1の二次側巻線72を流れる電流と第2の二次側巻線73を流れる電流との間に差が生じて、正常な状態でも電線7に電流が流れるようになる。
The transformer has a
また、第1の二次側巻線72の巻線数と第2の二次側巻線73の巻線数とが異なるようにして、2つの二次側巻線72、73のそれぞれと一次側巻線との巻線数の比が異なる値とすることにより、バランスを変更してもよい。
Further, the number of windings of the first secondary winding 72 and the number of windings of the second secondary winding 73 are different from each other, so that each of the two
・第1の二次側巻線402の他端から第1の圧電素子1−aの他端へのケーブル(第1のケーブル)が断線した場合
第1の圧電素子1−aとトランス4間のケーブル(第1のケーブル)が断線すると、第2の圧電素子1−cに流れていた電流の行き場が無くなるため、この電流がこれまでほとんど流れていなかった電線7に流れるようになる。この電流は第4の圧電素子1−dの静電容量と他の圧電素子の静電容量との差によって流れるわずかな電流と比較して格段に大きくなる。その結果、抵抗8の両端には大きな電位差が発生し、差動増幅器9の出力電圧は正常な場合の電圧より大きな値となる。
- the first cable from the other end of the secondary winding 402 to the other end of the first piezoelectric element 1-a (first cable) is between the first piezoelectric element 1-a and
・第1の圧電素子1−aがショートした場合
第1の圧電素子1−aがショートした場合、第1の圧電素子1−aのインピーダンスが0になり、ショートした部分にはそれまで流れていた電流より大きな電流が流れる。すると第2の圧電素子1−cに流れていた電流よりショートした部分に流れる電流の方が大きくなり、行き場を失った電流が電線7に流れる。その結果、抵抗8の両端にはケーブルが断線した場合より更に大きな電位差が発生し、差動増幅器9の出力電圧もケーブルが断線した場合より大きな値となる。
-When the first piezoelectric element 1-a is short-circuited When the first piezoelectric element 1-a is short-circuited, the impedance of the first piezoelectric element 1-a becomes 0, and the shorted portion is flowing until then. A current larger than the current flows. Then, the current flowing in the short-circuited portion becomes larger than the current flowing in the second piezoelectric element 1-c, and the current that has lost its place flows in the
従って、電線7に流れる電流の大きさは、(電線7の断線)<(正常時)<(ケーブル2又はケーブル22の断線(1本))<(圧電素子のショート)となるので、閾値を適切に定めることで故障検知手段10で故障を検出することができる。なお、ケーブル2、22の電線が4本とも断線した場合には、電線7の断線と同じ減少が検出される。しかし、ケーブル2(第1のケーブル及び第2のケーブル)又はケーブル22(第3のケーブル及び第4のケーブル)のいずれかの電線が2本とも断線した場合には正常時の電流と比較して差が少ないので検出誤差が発生する恐れがある。
Therefore, the magnitude of the current flowing through the
このような検出誤差を低減するためには、第2の圧電素子1−c及び第4の圧電素子1−dの等価静電容量を、第1の圧電素子1−a及び第3の圧電素子1−bの等価静電容量より小さい値とすることが好ましい。つまり、正常な状態では、第1及び第3の圧電素子1−a、1−bの等価静電容量と、第2及び第4の圧電素子1−c、1−dの等価静電容量とが異なる。したがって、電線7には第1の圧電素子1−aに流れる電流と第2の圧電素子1−cに流れる電流との差である差電流Iと、第3の圧電素子1−bに流れる電流と第4の圧電素子1−dに流れる電流との差である差電流IIと、が合成された電流が流れる。
In order to reduce such a detection error, the equivalent capacitances of the second piezoelectric element 1-c and the fourth piezoelectric element 1-d are set to the first piezoelectric element 1-a and the third piezoelectric element. It is preferable that the value is smaller than the equivalent capacitance of 1-b. That is, in a normal state, the equivalent capacitances of the first and third piezoelectric elements 1-a and 1-b and the equivalent capacitances of the second and fourth piezoelectric elements 1-c and 1-d. Is different. Therefore, in the
ケーブル2の2本の電線が断線した場合は電線7には差電流IIだけが流れ、ケーブル22の2本の電線が断線した場合は電線7に差電流Iだけが流れる。そのため、正常時の差電流Iと差電流IIの和と比較して少ない電流値となる。よって、電線7を流れる電流の大きさは(電線7の断線又はケーブル2、22の電線の断線(4本))<(ケーブル2、22のいずれかの電線の断線(2本)<(正常時)<(ケーブル2、22のいずれかの電線の断線(1本))<(圧電素子のショート)となる。そのため、閾値を適切に定めることで故障を検出することができる。
When the two wires of the
なお、上述の説明では、振動型アクチュエータを駆動中に断線やショートが発生した場合を想定して説明したが、通常の駆動の際には、振動型アクチュエータを駆動する前に、ケーブルや圧電素子に故障が無いか評価する動作を行ってもよい。例えば、CPU6は、第1及び第2の発振手段3、23からの交流信号の電圧振幅及び周波数を、通常の起動時の値に設定する。その際、CPU6は、ロータ203を回転させないために位相差を0°を第2の発振手段23に指令する(第1のステップ)。そして、信号S1、S2、S3を入力して故障の有無を確認し(第2のステップ)、続いて、故障が無い場合には位相差90°を発振手段3−bに設定して通常の起動動作を行い、故障が有る場合には駆動を停止する(第3のステップ)。また、上述の説明では電圧振幅及び周波数を通常の起動時の値としたが、電圧振幅を通常より小さくしたり、周波数を異なる値としてもよい。
In the above description, it is assumed that a disconnection or a short circuit occurs while driving the vibrating actuator, but in normal driving, a cable or a piezoelectric element is used before driving the vibrating actuator. The operation of evaluating whether or not there is a failure may be performed. For example, the
このように、本実施形態の駆動回路600は、電流計測手段11の計測結果を用いて故障の有無を判定することにより、正常時に電線7を流れる電流を従来よりも小さくすることができる。その結果、駆動回路600によれば、振動型アクチュエータと接続している駆動用電線の断線及び圧電素子のショート等の振動型アクチュエータの故障を検知可能な駆動回路において、消費電力を従来よりも低減することができる。
As described above, the
また、電流計測手段11を1つ設ければ複数のケーブルの故障を検知できるため、回路規模の小型化及び低コスト化に貢献できる。 Further, if one current measuring means 11 is provided, it is possible to detect the failure of a plurality of cables, which can contribute to the miniaturization of the circuit scale and the cost reduction.
さらに、断線やショートによる故障の際には、正常時よりも大きな電流が流れるため、容易に故障の判定を行うことができる。 Further, in the case of a failure due to a disconnection or a short circuit, a larger current flows than in the normal state, so that the failure can be easily determined.
駆動回路600によれば、故障の原因に応じて電流計測手段11で検知される値が異なるため、駆動回路600における計測結果から、CPU6等で故障の位置等を取得することができる。CPU6は、駆動回路600での計測結果を用いて、ユーザに故障の有無及び故障の位置等の情報を知らせたり、振動型アクチュエータの動作を停止したり等の処置を行うことができる。
According to the
(第3の実施形態)
本実施形態の駆動回路800について、図8を参照して説明する。図8は、駆動回路800の構成を説明する模式図である。
(Third Embodiment)
The
駆動回路800は、正常な状態で電線7に電流が流れるようにする方法として、トランスのセンタータップを挟んだ2つの二次側巻線に接続される負荷のバランスを非対称とする方法を用いる。具体的には、駆動回路800では、トランス4の二次側巻線のそれぞれに2つの受動素子81、82を並列に接続している。受動素子81、82は負荷インピーダンスとなる受動素子で、負荷インピーダンスが互いに異なる値の素子を接続することで負荷のバランスを変更することができる。このような構成にすることにより、トランス4の出力電圧のバランスを僅かに変更することができ、正常状態で電線7に電流が流れる構成にすることができる。なお、本実施形態では、トランス4と並列に受動素子81、82を接続したが、並列又は直列に接続していればよい。
The
また、駆動回路800の変形例として、図8(b)に示したような駆動回路801を用いることもできる。図8(b)は、駆動回路901の構成の一例を説明するブロック図である。
Further, as a modification of the
駆動回路800では、受動素子81、82を用いて負荷インピーダンスを構成し、その値を変えることにより負荷のバランスを非対称にした。それに対し、駆動回路801では、受動素子としてインダクタ素子83、84を用いて負荷インピーダンスを構成するとともに、スイッチ85を用いて負荷のバランスが同じである状態と異なる状態とを切り換える。その他の構成は図8(a)に示した駆動回路800と同じ構成なので、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
In the
図8(b)において、インダクタ素子83、84は、駆動回路800の受動素子81、82に相当するインダクタ素子である。ただし、インダクタ素子83、84は、上述の受動素子81、82と異なり、インダクタ値が同じである。
In FIG. 8B, the
また、駆動回路801はスイッチ85を有する。スイッチ85は、CPU6によって制御されており、ON/OFFを切り換えることができる。スイッチ85は、インダクタ素子83、84とトランス4の二次側巻線とが、並列に接続している状態と接続していない状態とを切り替えることができる。これにより、負荷インピーダンスのバランスが同じである状態と異なる状態とを切り換えることができる。なお、故障検知手段10が故障の判定に用いる閾値は、スイッチ85での切り換えに連動して変更することが好ましい。
Further, the
次に、CPU6の動作について説明する。CPU6は、振動型アクチュエータの起動時のみ短時間スイッチ85をOFFにするように制御し、電線7の断線を検知する。電線7が断線していなければ、CPU6は、スイッチ85をONに切り替え、負荷インピーダンスのバランスを同じにしてから振動型アクチュエータを通常駆動する。このような構成にすることにより、負荷インピーダンスのバランスが常に非対称な状態にならず、振動型アクチュエータへの駆動電圧振幅のバランスを常に崩しておかなくてもよい。
Next, the operation of the
なお、上述の駆動回路801では、スイッチ85を振動型アクチュエータの起動時に一定時間OFFにしていたが、駆動回路801の駆動方法は、上述の方法に限定されない。例えば、振動型アクチュエータの通常駆動中に、定期的に短時間だけスイッチ85をOFFにするよう動作させてもよい。
In the above-mentioned
このように、本実施形態の駆動回路800、801は、電流計測手段11の計測結果を用いて故障の有無を判定することにより、正常時には電線7を流れる電流を従来よりも小さくすることができる。その結果、駆動回路800、801によれば、振動型アクチュエータと接続している駆動用電線の断線及び圧電素子のショート等の振動型アクチュエータの故障を検知可能な駆動回路において、消費電力を従来よりも低減することができる。
As described above, the
また、断線やショートによる故障の際には、正常時よりも大きな電流が流れるため、容易に故障の判定を行うことができる。 Further, in the case of a failure due to a disconnection or a short circuit, a larger current flows than in the normal state, so that the failure can be easily determined.
さらに、駆動回路800、801によれば、故障の原因に応じて電流計測手段11で検知される値が異なるため、駆動回路における計測結果から、CPU6等で故障の位置等を取得することができる。CPU6は、駆動回路での計測結果を用いて、ユーザに故障を知らせたり、振動型アクチュエータの動作を停止したり等の処置を行うことができる。
Further, according to the
本実施形態の駆動回路800、801では、正常動作時に電線7を僅かな電流が流れるように構成することにより、振動型アクチュエータの電線7が断線した状態と正常時とを。より容易に判定することができる。また、駆動回路801では、スイッチを設けることによりインピーダンスのバランスを任意のタイミングで変更することができる。そのため、振動型アクチュエータと接続している電線及び駆動回路の故障の有無を判定する場合に、正常時で電線7に電流が流れるようにすることができる。
In the
(第4の実施形態)
本実施形態の駆動回路900について、図9(a)を参照して説明する。図9(a)は、駆動回路900の構成を示すブロック図である。本実施形態では、振動型アクチュエータの駆動回路に、電流計測手段11の抵抗8を保護する構成を追加するものである。また、負荷インピーダンスのバランスを調整するために、インダクタ値が異なるインダクタ素子91、92をトランス4の二次側巻線に直列に接続している。
(Fourth Embodiment)
The
駆動回路900はダイオード93、94を有する。ダイオード93、94は、抵抗8と並列に接続している。このダイオード93、94を設けることにより、断線やショートが発生して抵抗8に電流が流れる場合に、抵抗8が焼損しないように保護することができる。
The
抵抗8を保護する構成はこれに限らず、図9(b)に示した駆動回路901のように、正の温度特性を有する抵抗素子95を、抵抗8に直列に接続してもよい。この結果、圧電素子がショートした際に抵抗8に流れる電流値を低くすることができる。抵抗素子95としては、例えば公知のPTCサーミスタやポリスイッチ等を利用することができる。
The configuration for protecting the
このように、本実施形態の駆動回路900、901は、電流計測手段11の計測結果を用いて故障の有無を判定することにより、正常時には電線7を流れる電流を従来よりも小さくすることができる。その結果、駆動回路800、801によれば、振動型アクチュエータと接続している駆動用電線の断線及び圧電素子のショート等の振動型アクチュエータの故障を検知可能な駆動回路において、消費電力を従来よりも低減することができる。
As described above, the
また、断線やショートによる故障の際には、正常時よりも大きな電流が流れるため、容易に故障の判定を行うことができる。さらに、電流計測手段11を保護することができる。 Further, in the case of a failure due to a disconnection or a short circuit, a larger current flows than in the normal state, so that the failure can be easily determined. Further, the current measuring means 11 can be protected.
(第5の実施形態)
本実施形態では、振動型アクチュエータを組み込んだ装置であるロボットアーム54について、図11を参照して説明する。図11は、ロボットアーム54を有するシステムの構成を説明する模式図である。
(Fifth Embodiment)
In the present embodiment, the
本実施形態のロボットアーム54を有するシステムは、コントローラ50と、ロボットアーム54と、旋回ベース59と、ケーブル(電線)60、61とを有する。ロボットアーム54は、振動型アクチュエータの振動体51、52、53と、ハンドユニット55を有する。振動体51はロボットアーム54の関節部に組み込まれており、振動体52、53はハンドユニット55の把持部に組み込まれている。振動体51、52、53に交流電圧が印加されて振動が励起されることにより、ロボットアーム54の関節部及び把持部が駆動される。
The system having the
振動体51、52、53のそれぞれは、ケーブル60、61でコントローラ50と接続されており、コントローラ50によって制御されている。振動体51、52、53のそれぞれの駆動回路は、コントローラ50に含まれることが好ましい。旋回ベース59は、ロボットアーム54の向きを変更する。ハンドユニット56は、ロボットハンドユニット55と交換するためのユニットで、用途によって把持機構57、58を交換することができる。その際、電気的にはコネクタ62によってコントローラ50と接続される。
Each of the vibrating
本実施形態のロボットアームにおける振動型アクチュエータの駆動回路は、電流計測手段の計測結果を用いて故障の有無を判定するもので、消費電力を従来よりも低減することができる。 The drive circuit of the vibrating actuator in the robot arm of the present embodiment determines the presence or absence of a failure by using the measurement result of the current measuring means, and the power consumption can be reduced as compared with the conventional case.
上述のようにロボットハンド56の振動体51、52、53は、ケーブル60、61を介してコントローラ50と接続しており、コントロータ50と離れて配置されている。そのため、ケーブル60、61に繰り返し屈曲やねじれが加えられるため、電線の疲労が進みやすく、断線やショートのリスクが高まる。本実施形態の駆動回路を用いれば、断線やショート等の故障を検出することができ、また、消費電力を従来よりも低減することができる。また、CPU等の制御装置6や操作者に故障又は故障とその位置等の情報を知らせたり、緊急の場合には不図示の安全機構を動作させたりすることができ、故障を検出した際にその状況に応じた適切な処置を行うことができる。
As described above, the vibrating
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.
例えば、上述の実施形態では、振動型アクチュエータとして、4相の交流電圧で駆動する円環状の振動型アクチュエータを用いていた。振動型アクチュエータの構成はこれに限定されず、180°の位相を持つ交流電圧で駆動する振動型アクチュエータであればよい。 For example, in the above-described embodiment, an annular vibrating actuator driven by a four-phase AC voltage is used as the vibrating actuator. The configuration of the vibrating actuator is not limited to this, and any vibrating actuator that is driven by an AC voltage having a phase of 180 ° may be used.
振動型アクチュエータの一例を図10(a)に示す。図10(a)に示した振動型アクチュエータは、電気−機械エネルギー変換手段41を有する振動体40、及び基板42を有する。
An example of the vibration type actuator is shown in FIG. 10 (a). The vibrating actuator shown in FIG. 10A has a vibrating
振動体40は、電気−機械エネルギー変換手段41によって加振される。電気−機械エネルギー変換手段41は、例えば、2つの振動体40に挟持されている積層の圧電素子を用いることができる。振動体40が電気−機械エネルギー変換手段41によって加振されると、振動体40の上面に楕円振動が形成される。ロータ43は、振動体40の上面に形成される楕円振動との間に生ずる摩擦力によって回転する被駆動体である。基板42は、電気−機械エネルギー変換手段41に給電するためのフレキシブル基板である。
The vibrating
図10(a)に示した振動型アクチュエータがどのような振動を発生するかを、図10(b)及び図10(c)を参照して説明する。図10(c)は電気−機械エネルギー変換手段41に形成された給電用の電極パターンの模式図である。電気−機械エネルギー変換手段41に形成された給電用の電極は、4つの区画(41−a、41−b、41−c、41−d)に区切られている。すなわち、本実施形態の電気−機械エネルギー変換手段41は、4つの電気−機械エネルギー変換素子(41−a、41−b、41−c、41−d)を有する。 What kind of vibration is generated by the vibration type actuator shown in FIG. 10 (a) will be described with reference to FIGS. 10 (b) and 10 (c). FIG. 10 (c) is a schematic diagram of an electrode pattern for power supply formed in the electric-mechanical energy conversion means 41. The feeding electrode formed in the electric-mechanical energy conversion means 41 is divided into four compartments (41-a, 41-b, 41-c, 41-d). That is, the electric-mechanical energy conversion means 41 of the present embodiment has four electric-mechanical energy conversion elements (41-a, 41-b, 41-c, 41-d).
それぞれの区画には、図4に示した90°ずつ位相が異なる4相の交流駆動電圧A1、B1、A2、B2が印加される。電気−機械エネルギー変換手段41に、交流駆動電圧を印加すると、棒状の振動型アクチュエータに直交する2つの曲げ振動が形成される。2つの曲げ振動に90°の位相ずれを与えることで、図10(b)に示すようにくびれを持つ振動体40の上部が振れ回るように回転振動する。これによって振動体40の上部に楕円振動が形成され、加圧接触されるロータ43に駆動力を伝達する。
Four-phase AC drive voltages A1, B1, A2, and B2 shown in FIG. 4 having different phases by 90 ° are applied to each section. When an AC drive voltage is applied to the electric-mechanical energy conversion means 41, two bending vibrations orthogonal to the rod-shaped vibrating actuator are formed. By giving a phase shift of 90 ° to the two bending vibrations, as shown in FIG. 10B, the upper portion of the vibrating
上述の実施形態では、発振手段(波形生成手段)3、23として、正弦波を出力する発振手段を用いたが、パルス信号を出力するパルス生成手段でもよい。その場合でも、トランス4、24の漏れインダクタンスと圧電素子の制動容量で構成されるローパスフィルタの性質によって、トランス4、24の出力する交流電圧の波形は疑似的に正弦波に近い波形を得ることができる。
In the above-described embodiment, the oscillating means for outputting a sine wave is used as the oscillating means (waveform generating means) 3 and 23, but the pulse generating means for outputting a pulse signal may also be used. Even in that case, due to the nature of the low-pass filter composed of the leakage inductance of the
また、上述の実施形態では、振動体20として、弾性体に圧電素子を貼り付けたものを用いていたが、振動体20は、この構成に限らず、圧電素子のみ、すなわち電気−機械エネルギー変換手段1のみで構成されていてもよい。
Further, in the above-described embodiment, as the vibrating
さらに、第3の実施形態の受動素子、及び第4の実施形態の電流計測手段11の抵抗8を保護する構成等は、必要に応じて第2の実施形態の駆動回路にも適用できる。
Further, the passive element of the third embodiment, the configuration for protecting the
1−a 第1の電気−機械エネルギー変換素子
1−c 第2の電気−機械エネルギー変換素子
3 波形生成手段
4 トランス
11 電流計測手段
401 一次側巻線
402 第1の二次側巻線
403 第2の二次側巻線
1-a 1st electric-mechanical energy conversion element 1-c 2nd electric-mechanical
Claims (20)
交流信号を生成する波形生成手段と、
前記波形生成手段から生成された第1の交流信号に基づく第2の交流信号が入力する一次側巻線、第1の二次側巻線及び第2の二次側巻線を有し、前記第1の二次側巻線の一端と前記第2の二次側巻線の一端とがセンタータップで接続しているトランスと、
前記第1の電気−機械エネルギー変換素子の一端及び前記第2の電気−機械エネルギー変換素子の一端のそれぞれと一端が接続しており、前記センタータップに他端が接続している電流計測手段と、
前記第1の二次側巻線の他端と前記第1の電気−機械エネルギー変換素子の他端とを接続している第1のケーブルと、
前記第2の二次側巻線の他端と前記第2の電気−機械エネルギー変換素子の他端とを接続している第2のケーブルと、を有し、
前記電流計測手段によって計測される電流が、正常時よりも、前記第1のケーブル及び前記第2のケーブルのいずれかが断線した場合の方が大きい
ことを特徴とする駆動回路。 A drive circuit that applies AC voltages with different phases to the first electric-mechanical energy conversion element and the second electric-mechanical energy conversion element of the vibrating body.
Waveform generation means to generate AC signals and
It has a primary winding, a first secondary winding and a second secondary winding to which a second AC signal based on the first AC signal generated from the waveform generating means is input. A transformer in which one end of the first secondary winding and one end of the second secondary winding are connected by a center tap.
A current measuring means in which one end of the first electric-mechanical energy conversion element and one end of the second electric-mechanical energy conversion element are connected to each other, and the other end is connected to the center tap. ,
A first cable connecting the other end of the first secondary winding and the other end of the first electro-mechanical energy conversion element, and
It has a second cable connecting the other end of the second secondary winding and the other end of the second electro-mechanical energy conversion element .
A drive circuit characterized in that the current measured by the current measuring means is larger when either the first cable or the second cable is broken than when it is normal.
ことを特徴とする請求項1に記載の駆動回路。 Said current measuring means, said first electric - to claim 1, wherein the Ru connect one end between one end of the mechanical energy conversion element Tei - end and the second electrical energy conversion element The drive circuit described.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の駆動回路。 The current measuring means is characterized in that it measures a current flowing through an electric wire connecting each of the first electric-mechanical energy conversion element and the second electric-mechanical energy conversion element and the current measuring means. The drive circuit according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の駆動回路。 Wherein the other end of the first secondary winding first electrical - and between said second secondary winding and the other end to the second electric the other end of the mechanical energy conversion element - machinery driving circuit according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises a passive element that is connected in parallel or in series in at least one way between the other end of the energy conversion element.
ことを特徴とする請求項4に記載の駆動回路。 The drive circuit according to claim 4, further comprising a switch for switching the connection with the passive element.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の駆動回路。 Driving before Symbol according to any one of claims 1 to 3, a first secondary winding turns number and of a winding number of the second secondary winding are different from each other circuit.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の駆動回路。 A claim characterized in that the coupling coefficient between the first secondary winding and the primary winding and the coupling coefficient between the second secondary winding and the primary winding are different. The drive circuit according to any one of items 1 to 3.
ことを特徴とする請求項7に記載の駆動回路。 A claim characterized in that the positional relationship between the first secondary winding and the primary winding and the positional relationship between the second secondary winding and the primary winding are different. Item 7. The drive circuit according to item 7.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の駆動回路。 The drive circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein the impedance of the first electric-mechanical energy conversion element and the impedance of the second electric-mechanical energy conversion element are different. ..
前記振動体は、第3の電気−機械エネルギー変換素子と第4の電気−機械エネルギー変換素子とを有し、
交流信号を生成する第2の波形生成手段と、
前記第2の波形生成手段から生成された第3の交流信号に基づく第4の交流信号が入力する第2の一次側巻線と、第3の二次側巻線、及び第4の二次側巻線を有し、前記第3の二次側巻線の一端と前記第4の二次側巻線の一端とが第2のセンタータップで接続しているトランスと、
前記第3の電気−機械エネルギー変換素子の一端及び前記第4の電気−機械エネルギー変換素子の一端のそれぞれと一端が接続しており、前記第2のセンタータップに他端が接続している電流計測手段と、
前記第3の二次側巻線の他端と前記第3の電気−機械エネルギー変換素子の他端とを接続している第3のケーブルと、
前記第4の二次側巻線の他端と前記第4の電気−機械エネルギー変換素子の他端とを接続している第4のケーブルと、を有し、
前記第1のトランスの前記センタータップと前記第2のトランスの前記センタータップとが接続している
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の駆動回路。 Assuming that the waveform generating means is the first waveform generating means, the primary winding is the first primary winding, the transformer is the first transformer , and the center tap is the first center tap .
The vibrating body has a third electric-mechanical energy conversion element and a fourth electric-mechanical energy conversion element.
A second waveform generating means for generating an AC signal,
A second primary winding of a fourth AC signal based on the third alternating current signal generated from said second waveform generating means is input, a third secondary winding, and a fourth two- A transformer having a secondary winding and one end of the third secondary winding and one end of the fourth secondary winding connected by a second center tap.
A current in which one end of the third electric-mechanical energy conversion element and one end of the fourth electric-mechanical energy conversion element are connected to each other, and the other end is connected to the second center tap. Measuring means and
A third cable connecting the other end of the third secondary winding and the other end of the third electro-mechanical energy conversion element, and
It has a fourth cable connecting the other end of the fourth secondary winding and the other end of the fourth electro-mechanical energy conversion element .
Driving circuit according to any one of claims 1 to 9, and the center tap of the second transformer and the center tap of the first transformer is characterized in that it connects.
ことを特徴とする請求項10に記載の駆動回路。 Wherein the third end of the secondary winding third electrical - between the other end of the mechanical energy conversion element and the fourth secondary winding the other end and the fourth electrical - mechanical The drive circuit according to claim 10, further comprising a passive element connected in parallel or in series to at least one of the energy conversion elements.
ことを特徴とする請求項10に記載の駆動回路。 The drive circuit according to claim 10, wherein the number of windings of the third secondary winding and the number of windings of the fourth secondary winding are different.
ことを特徴とする請求項10に記載の駆動回路。 A claim characterized in that the coupling coefficient between the third secondary winding and the primary winding and the coupling coefficient between the fourth secondary winding and the primary winding are different. Item 10. The drive circuit according to item 10.
前記第1の電気−機械エネルギー変換素子の一端及び前記第2の電気−機械エネルギー変換素子の一端の間と、前記抵抗と、の間に直列に接続している抵抗素子を有し、
前記抵抗素子は、正の温度特性を有する
ことを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載の駆動回路。 The current measuring means includes a resistor and a measuring means for measuring the terminal voltage of the resistor.
The first electrical - end and said second electrical energy conversion element - has a between one end of the mechanical energy conversion element, wherein a resistor, a resistance element connected in series between,
The drive circuit according to any one of claims 1 to 13, wherein the resistance element has a positive temperature characteristic.
ことを特徴とする請求項1から14のいずれか一項に記載の駆動回路。 The drive circuit according to any one of claims 1 to 14, further comprising a determination means for determining a state of the drive circuit based on a measurement result of the current measuring means.
ことを特徴とする請求項15に記載の駆動回路。 The drive circuit according to claim 15, wherein when the determination means determines that the drive circuit or the vibrating body is out of order, the output of the waveform generation means is stopped.
ことを特徴とする請求項15に記載の駆動回路。 The drive circuit according to claim 15, further comprising an output means for outputting failure information when the determination means determines that the drive circuit or the vibrating body has failed.
ことを特徴とする請求項1から17のいずれか一項に記載の駆動回路。 The invention according to any one of claims 1 to 17, wherein an AC voltage having a 180 ° phase difference is applied to the first electric-mechanical energy conversion element and the second electric-mechanical energy conversion element. Drive circuit.
前記振動体の前記第1の電気−機械エネルギー変換素子と前記第2の電気−機械エネルギー変換素子とに位相の異なる交流電圧を印加する請求項1から18のいずれか一項に記載の駆動回路と、を有する
ことを特徴とする振動型アクチュエータ。 With the vibrating body
The drive circuit according to any one of claims 1 to 18, wherein AC voltages having different phases are applied to the first electric-mechanical energy conversion element and the second electric-mechanical energy conversion element of the vibrating body. A vibrating actuator characterized by having and.
前記振動型アクチュエータの前記振動体に励起された振動波により駆動する被駆動体と、を有する
ことを特徴とする装置。 The vibrating actuator according to claim 19,
A device comprising: a driven body driven by a vibration wave excited by the vibrating body of the vibrating actuator.
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