JP2009044932A - 超音波モータの駆動方法及び超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】長時間駆動時等に生じる磨耗粉に起因する駆動特性の劣化を大きく緩和する超音波モータの駆動方法及び超音波モータを提供すること。
【解決手段】被駆動部材4に当接する駆動子2bを備える圧電積層体2aに所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の交番電圧を印加することにより、前記圧電積層体2aに縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動により駆動力を得て前記駆動子2bで被駆動部材4を駆動する超音波モータの駆動方法であって、
前記被駆動部材4を通常往復駆動範囲L1で繰り返し往復駆動する通常往復駆動を行う際に、前記被駆動部材4を前記所定の駆動範囲よりも広い磨耗粉除去駆動範囲L2で往復駆動する磨耗粉除去駆動を、一定の頻度で割り込み処理によって行う。
【選択図】図１Ｃ

Description

本発明は、超音波モータの駆動方法及び超音波モータに関する。

現在、電磁モータに比べて小型、高トルク、長ストローク、且つ高分解能の超音波モータが多く使用されてきている。

ところで、超音波モータにおいては超音波振動子を、摩擦部材である駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付けることで、前記駆動子と前記被駆動部材との間に摩擦力を発生させ、この摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。

このような摩擦駆動を行うことに起因して、超音波モータにおいては、例えば被駆動部材を長時間往復駆動させる場合等には、当該摩擦駆動をさせている部分（駆動子と被駆動部材との接触部分）における磨耗によって磨耗粉が発生する。そして、この磨耗粉は、被駆動部材の往復運動における駆動範囲の折り返し地点に蓄積されてしまう。

そして、このようにして蓄積された磨耗粉は、当然ながら前記駆動子と前記被駆動部材との間に巻き込まれてしまうことが多い。このように磨耗粉が、前記駆動子と前記被駆動部材との間に巻き込まれてしまった場合、前記被駆動部材の駆動速度の低下を引き起こし、更には当該磨耗粉の上に前記駆動子が乗り上げてしまい、前記被駆動部材が駆動停止してしまうことさえある。

つまり、超音波モータにおいては、摩擦駆動に係る部分（駆動子と被駆動部材との接触部分）において生じる磨耗粉に起因して、長時間駆動後の特性が、初期特性から大きく劣化してしまうことが多い。

このような事情に鑑みて、長時間効率良く安定した超音波モータの駆動を可能にする為に、例えば特許文献１に次のような技術が開示されている。

すなわち、特許文献１には、振動子と、前記振動子に加圧接触してその振動子との間で相対運動を行う被駆動部材を含む振動アクチュエータにおいて、前記振動子と前記被駆動部材の接触面の双方又は一方の所定位置に、その接触面に付着した付着物を除去する付着物除去領域を形成した振動アクチュエータが開示されている。

この特許文献１に開示された技術では、前記付着物除去領域の表面粗さを、その他の駆動領域のそれよりも粗く形成することによって、前記接触面に接触した磨耗粉を、当該付着物除去領域において除去する。
特開平１０−１９１６５８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された振動アクチュエータでは、通常の駆動時において常に、前記付着物除去領域を含む領域を、駆動子（特許文献１に開示された振動アクチュエータにおいては駆動力取出部）の駆動範囲としている。

従って、たとえ前記付着物除去領域において駆動子に付着した磨耗粉が除去されたとしても、当該磨耗粉は、その他の駆動範囲すなわち通常の往復駆動範囲に引き込まれてしまう。

つまり、特許文献１に開示された技術は、上述した問題すなわち磨耗粉が前記駆動子と前記被駆動部材との間に巻き込まれ、前記被駆動部材の駆動速度の低下を引き起こし、更には当該磨耗粉の上に前記駆動子が乗り上げてしまい、前記被駆動部材が駆動停止してしまうこと、を完全に解決するには至っていない。

本発明は、前記の事情に鑑みてなされたもので、長時間駆動時等に生じる磨耗粉に起因する駆動特性の劣化を大きく緩和する超音波モータの駆動方法及び超音波モータを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による超音波モータの駆動方法は、被駆動部材に当接する駆動子を備える圧電素子に、所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の交番電圧を印加することにより、前記圧電素子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記駆動子によって前記被駆動部材を駆動する超音波モータの駆動方法であって、前記被駆動部材を前記駆動子によって所定の駆動範囲で繰り返し往復駆動する通常往復駆動を行う際に、前記被駆動部材を前記駆動子によって前記所定の駆動範囲よりも広い駆動範囲で往復駆動する磨耗粉除去駆動を、一定の頻度で割り込み処理によって行うことを特徴とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様による超音波モータは、被駆動部材に当接する駆動子を備える圧電素子に所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の交番電圧を印加することにより、前記圧電素子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記駆動子によって被駆動部材を駆動する超音波モータであって、前記被駆動部材を前記駆動子によって所定の駆動範囲で繰り返し往復駆動する通常往復駆動モードと、前記被駆動部材を前記駆動子によって前記所定の駆動範囲よりも広い駆動範囲で往復駆動する磨耗粉除去駆動モードと、に切り換える制御を行う制御回路を具備し、前記制御回路は、前記通常往復駆動モードによる駆動時に、一定の頻度で前記磨耗粉除去駆動モードに切り換えることを特徴とする。

本発明によれば、長時間駆動時等に生じる磨耗粉に起因する駆動特性の劣化を大きく緩和する超音波モータの駆動方法及び超音波モータを提供することができる。

以下、本発明の実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータについて、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１Ａは、本発明の第１実施形態に係る超音波モータの構成を示す断面概略図である。同図に示すように、本第１実施形態に係る超音波モータ１は、超音波振動子２と、該超音波振動子２を保持する保持部材３と、前記超音波振動子２に接触させられて前記超音波振動子２に対して相対的に駆動される被駆動部材４と、該被駆動部材４と筐体６との間に配置される転動部材５と、前記超音波振動子２を前記被駆動部材４に押し付ける押圧部材８とを具備する。

前記超音波振動子２は、矩形板状の圧電セラミックスシートの片側面にシート状の内部電極を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体２ａと、該圧電積層体２ａの一側面に接着され且つ前記被駆動部材４に密着させられる２個の摩擦接触子（以下、駆動子と称する）２ｂとを有する。

前記圧電積層体２ａは、内部電極に所定のパターンの交番電圧が加えられることで、図２に示す縦振動及び図３に示す２次の屈曲振動が励起される。より詳細には、前記圧電積層体２ａの長手方向における一端に形成された２つの外部電極（不図示）をＡ相（Ａ＋，Ａ−）、他端に形成された２つの外部電極（不図示）をＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）とし、これらＡ相及びＢ相に同位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図２に示すような１次の縦振動が、前記圧電積層体２ａに励起される。他方、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図３に示すような２次の屈曲振動が、前記圧電積層体２ａに励起される。

ここで、２次の屈曲振動は、図３に示すように前記圧電積層体２ａの長手方向に間隔をあけて、３箇所に振動の定在波の節α１，α２、α３を備える。そして、節α１と節α２との間には当該振動の定在波の腹β１が形成され、節α２と節α３との間には当該振動の定在波の腹β２が形成される。

ここで、前記圧電積層体２ａは、前記の縦振動及び屈曲振動の定在波の節α２に対応する位置において、前記保持部材３に接着剤等により固着されている。また、前記駆動子２ｂは、直方体のブロック状に形成されており、前記超音波振動子２における２次の屈曲振動の腹β１，β２に対応する位置に、接着剤等で固定されている。

前記転動部材５は、球体形状に形成されており、前記被駆動部材４のうち前記筐体６に対向する面に設けられた溝等に埋嵌されて挟持されている。ここで、前記被駆動部材４の移動方向の配置位置は、例えばリテーナ（不図示）等により規制されている。このような構成を採ることにより、前記被駆動部材４を、前記超音波振動子２及び前記筐体６に対して相対的に駆動させる（図１Ａに両矢印Ａで示す方向へ往復運動させる）ことが可能となる。

なお、前記筐体６に、前記転動部材５を案内する為の部材（例えば溝やレール等）を、設けても勿論よい。また、前記押圧部材８は、図１に示すようなバネ状の部材であり、例えば当該超音波モータの筐体に螺子等によって固定されている。なお、前記押圧部材８は、超音波振動子２を被駆動部材４に押し付けられるような部材であれば、バネ状の部材に限らない。

以下、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータにおける前記駆動子２ｂの駆動範囲について、図１Ａ乃至図１Ｄを参照して説明する。

図１Ｂは、本発明の第１実施形態に係る超音波モータの上面図（説明の便宜上、前記超音波振動子２及び前記被駆動部材４のみを示している）であり、前記駆動子２ｂの駆動範囲を示す図である。

図１Ｃは、前記駆動子２ｂの駆動範囲が満たすべき条件に係る各値、及び前記圧電積層体２ａに設けられた内部電極（不図示）に所定のパターンの交番電圧を印加して当該超音波モータの駆動制御を行う制御回路１１を示す駆動概念図である。

本第１実施形態に係る超音波モータは、通常の駆動を行う為の通常駆動モードと、摩擦駆動に係る部分（前記駆動子２ｂと被駆動部材４との接触部分）において生じる磨耗粉を除去する為の駆動を行う磨耗粉除去モードと、を有する。そして、通常駆動モードと磨耗粉除去モードとの切り換えは、前記制御回路１１によって行われる。

ここで、
Ｌ１；通常駆動モード時における前記駆動子２ｂの駆動範囲（通常往復駆動範囲と称する）
Ｌ２；磨耗粉除去モード時における前記駆動子２ｂの駆動範囲（磨耗粉除去駆動範囲と称する）
Ｍ；前記駆動子２ｂの駆動方向の幅
Ｎ；被駆動部材４の駆動方向（両矢印Ａで示す方向；以降同様）における中心ｃから前記駆動子２ｂの駆動方向（両矢印Ａで示す方向；以降同様）における中心ｃ１までの距離
とすると、前記駆動子２ｂの通常往復駆動範囲Ｌ１及び磨耗粉除去駆動範囲Ｌ２は、下式を満たすものとする。

Ｌ２＞Ｌ１
Ｎ＞Ｌ２／２
Ｎ＞Ｍ
Ｌ２＞Ｍ
ところで、通常駆動モードによる駆動回数（以降、通常駆動回数と称する）と、磨耗粉除去モードによる駆動回数（以降、磨耗粉除去駆動回数と称する）との比率は、例えば、
通常駆動回数：磨耗粉除去駆動回数＝１０：３
とする。なお、この比率よりも、磨耗粉除去駆動回数の比率をより高くしても良い。

以上説明したように、本第１実施形態によれば、長時間駆動時等に生じる磨耗粉に起因する駆動特性の劣化を大きく緩和する超音波モータの駆動方法及び超音波モータを提供することができる。

すなわち、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータによれば、通常駆動モードによる駆動時に、磨耗粉除去モードによる駆動を間欠的に（一定の頻度で）割り込ませる。

このように一定の頻度で、通常往復駆動範囲Ｌ１よりも大きな駆動範囲である磨耗粉除去駆動範囲Ｌ２に前記駆動子２ｂを駆動させることで、通常の駆動に起因して発生する磨耗粉を、駆動特性に悪影響を与えない位置へ移動させる。

これにより、通常往復駆動時の駆動折り返し地点に蓄積された磨耗粉が、通常往復駆動範囲外の地点に移動され、通常駆動時において駆動子２ｂが磨耗粉を巻き込んでしまうことが激減する。従って、当該超音波モータの初期特性からの特性劣化が生じにくくなり、使用開始後の早い時期に駆動停止となることもなく、耐久性が向上する。

より具体的には、図４に示すように、従来の超音波モータの駆動方法や超音波モータのように通常の往復駆動のみしか行わない場合の“繰り返し耐久駆動回数（磨耗粉に起因する駆動速度の低下又は駆動停止が発生するまでの駆動回数）”が１００００回〜２００００回程度であるのに対して、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータのように、通常の往復駆動に加えて上述した磨耗粉除去駆動を行う場合には、“繰り返し耐久駆動回数”は７００００回程度となる。

つまり、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータによれば、繰り返し耐久駆動回数は、従来の超音波モータの駆動方法や超音波モータに比べて３．５倍乃至７倍程度の値となる。

なお、通常往復駆動範囲Ｌ１に関しては、Ｌ２>Ｌ１の関係を満たしていればよく、例えば図１Ｄに示すＬ１´、Ｌ１´´、Ｌ１´´´のように、図１Ａ乃至図１Ｃに示すＬ１よりも小さい範囲としても勿論よい。

ところで、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータによれば、前記被駆動部材４の表面粗さを、全面において均一な表面粗さとしてよいので、例えば特許文献１に示す技術のように被駆動部材（相対運動部材）の一部の表面粗さを変更することによる余計な製造コストアップを生じない。

[第２実施形態]
以下、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータを説明する。なお、本第２実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータの特徴部に焦点を当てる為に、上述した第１実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータとの相違点のみを説明する。

本第２実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータにおいては、通常駆動モード時の駆動速度よりも、磨耗粉除去モード時の駆動速度をより速い速度とする。具体的には、通常駆動モード時の駆動速度を約４０ｍｍ/ｓｅｃとし、磨耗粉除去モード時の駆動速度を約８０ｍｍ/ｓｅｃとする。

このように磨耗粉除去モード時においては、通常駆動モード時よりも速い駆動速度（より強いエネルギー）で、前記被駆動部材４を駆動させることで、前記被駆動部材４の前記駆動子２ｂとの接触面にこびりついた磨耗粉を除去することができる。さらに、仮に磨耗粉の上に前記駆動子２ｂが乗り上げてしまった場合であっても、その駆動速度が早い為、駆動停止することなく当該磨耗粉を乗り越えることができる。

ところで、磨耗粉除去モードへモード変更する際に駆動速度を速める為には、具体的には例えば次の三種類の方法を挙げることができる。

（方法１）上述した圧電積層体２ａに形成された外部電極のＡ相とＢ相とに印加する交番電圧の周波数を共振周波数に近付ける。

（方法２）上述した圧電積層体２ａに形成された外部電極のＡ相とＢ相とに印加する交番電圧の位相差を９０°近傍にする。

（方法３）上述した圧電積層体２ａに形成された外部電極のＡ相とＢ相とに印加する交番電圧をより高電圧にする。

以上説明したように、本第２実施形態によれば、長時間駆動時等に生じる磨耗粉に起因する駆動特性の劣化を大きく緩和する超音波モータの駆動方法及び超音波モータを提供することができる。

より具体的には、図５に示すように、第１実施形態に係る超音波モータの駆動方法又は超音波モータのように通常駆動モード時と磨耗粉除去モード時とで同一の駆動速度を採用する場合の“繰り返し耐久駆動回数”が７００００回程度であるのに対して、本第２実施形態に係る超音波モータのように、通常駆動モード時の駆動速度よりも磨耗粉除去モード時の駆動速度をより速い速度とした場合には、“繰り返し耐久駆動回数”は１５００００回程度となる。

つまり、本第２実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータによれば、繰り返し耐久駆動回数は、前記第１実施形態に係る超音波モータの駆動方法又は超音波モータのそれに比べて２倍程度の値となる。

以上、第１実施形態及び第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。

例えば、第１実施形態及び第２実施形態に係る超音波モータの駆動方法又は超音波モータにおいては、説明の便宜上、前記被駆動部材４の往復駆動としてリニアな軌道の往復駆動を想定したが、その他の軌道の往復駆動としても勿論よい。

さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

本発明の第１実施形態に係る超音波モータの構成を示す断面概略図。 本発明の第１実施形態に係る超音波モータの上面図。 駆動子の駆動範囲が満たすべき条件に係る各値、及び前記圧電積層体に設けられた内部電極に所定のパターンの交番電圧を印加して当該超音波モータの駆動制御を行う制御回路を示す駆動概念図。 通常往復駆動範囲Ｌ１の例を示す図。 圧電積層体の縦振動を示す図。 圧電積層体の屈曲振動を示す図。 本発明の第１実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータによる効果を示す図。 本発明の第２実施形態に係る超音波モータの駆動方法及び超音波モータによる効果を示す図。

符号の説明

２…超音波振動子、 ２ａ…圧電積層体、 ３…保持部材、 ４…被駆動部材、 ５…転動部材、 ６…筐体、 ８…押圧部材、 １１…制御回路、 Ｌ１…通常往復駆動範囲、 Ｌ２…磨耗粉除去駆動範囲。

Claims (14)

1. 被駆動部材に当接する駆動子を備える圧電素子に、所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の交番電圧を印加することにより、前記圧電素子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記駆動子によって前記被駆動部材を駆動する超音波モータの駆動方法であって、
   前記被駆動部材を前記駆動子によって所定の駆動範囲で繰り返し往復駆動する通常往復駆動を行う際に、前記被駆動部材を前記駆動子によって前記所定の駆動範囲よりも広い駆動範囲で往復駆動する磨耗粉除去駆動を、一定の頻度で割り込み処理によって行うことを特徴とする超音波モータの駆動方法。
2. 前記往復駆動は、リニアな軌道の往復駆動であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの駆動方法。
3. 前記通常往復駆動時における前記駆動子の駆動範囲をＬ１、前記磨耗粉除去駆動時における前記駆動子の駆動範囲をＬ２、前記駆動子の駆動方向における幅をＭ、前記被駆動部材の駆動方向における中心から前記駆動子の駆動方向における中心までの距離をＮとすると、前記Ｌ１，Ｌ２，Ｍ及びＮは、
   Ｌ２>Ｌ１
   Ｎ>Ｌ２／２
   Ｎ>Ｍ
   Ｌ２>Ｍ
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの駆動方法。
4. 前記磨耗粉除去駆動時の駆動速度を、前記通常往復駆動時の駆動速度よりも速い速度にすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち何れか一つに記載の超音波モータの駆動方法。
5. 前記２相の交番電圧の周波数を共振周波数に近付けることで、前記磨耗粉除去駆動時の駆動速度を、前記通常往復駆動時の駆動速度よりも速い速度にすることを特徴とする請求項４に記載の超音波モータの駆動方法。
6. 前記２相の交番電圧の位相差を９０°近傍に近付けることで、前記磨耗粉除去駆動時の駆動速度を、前記通常往復駆動時の駆動速度よりも速い速度にすることを特徴とする請求項４に記載の超音波モータの駆動方法。
7. 前記２相の交番電圧をより高電圧とすることで、前記磨耗粉除去駆動時の駆動速度を、前記通常往復駆動時の駆動速度よりも速い速度にすることを特徴とする請求項４に記載の超音波モータの駆動方法。
8. 被駆動部材に当接する駆動子を備える圧電素子に所定の位相差及び所定の駆動周波数の２相の交番電圧を印加することにより、前記圧電素子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させることで楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記駆動子によって被駆動部材を駆動する超音波モータであって、
   前記被駆動部材を前記駆動子によって所定の駆動範囲で繰り返し往復駆動する通常往復駆動モードと、前記被駆動部材を前記駆動子によって前記所定の駆動範囲よりも広い駆動範囲で往復駆動する磨耗粉除去駆動モードと、に切り換える制御を行う制御回路を具備し、
   前記制御回路は、前記通常往復駆動モードによる駆動時に、一定の頻度で前記磨耗粉除去駆動モードに切り換えることを特徴とする超音波モータ。
9. 前記往復駆動は、リニアな軌道の往復駆動であることを特徴とする請求項８に記載の超音波モータ。
10. 前記通常往復駆動時における前記駆動子の駆動範囲をＬ１、前記磨耗粉除去駆動時における前記駆動子の駆動範囲をＬ２、前記駆動子の駆動方向における幅をＭ、前記被駆動部材の駆動方向における中心から前記駆動子の駆動方向における中心までの距離をＮとすると、前記Ｌ１，Ｌ２，Ｍ及びＮは、
    Ｌ２>Ｌ１
    Ｎ>Ｌ２／２
    Ｎ>Ｍ
    Ｌ２>Ｍ
    を満たすことを特徴とする請求項８に記載の超音波モータ。
11. 前記制御回路は、前記磨耗粉除去駆動時の駆動速度を、前記通常往復駆動時の駆動速度よりも速い速度にすることを特徴とする請求項８乃至請求項１０のうち何れか一つに記載の超音波モータ。
12. 前記制御回路は、前記２相の交番電圧の周波数を共振周波数に近付けることで、前記磨耗粉除去駆動時の駆動速度を、前記通常往復駆動時の駆動速度よりも速い速度にすることを特徴とする請求項１１に記載の超音波モータ。
13. 前記制御回路は、前記２相の交番電圧の位相差を９０°近傍に近付けることで、前記磨耗粉除去駆動時の駆動速度を、前記通常往復駆動時の駆動速度よりも速い速度にすることを特徴とする請求項１１に記載の超音波モータ。
14. 前記制御回路は、前記２相の交番電圧をより高電圧とすることで、前記磨耗粉除去駆動時の駆動速度を、前記通常往復駆動時の駆動速度よりも速い速度にすることを特徴とする請求項１１に記載の超音波モータ。

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