JP2009189204A

JP2009189204A - 駆動装置

Info

Publication number: JP2009189204A
Application number: JP2008028991A
Authority: JP
Inventors: Satoyuki Yuasa; 智行湯浅
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc; コニカミノルタオプト株式会社
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】駆動効率が高く、外力に強い駆動装置を提供する。
【解決手段】駆動装置１は、電圧が印加されると伸縮する第１電気機械変換素子３と、第１電気機械変換素子３に一端が固定された振動部材４と、振動部材４の他端に固定され、電圧が印加されると伸縮する第２電気機械変換素子５と、振動部材４にスライド移動可能に摩擦係合する摩擦係合部材６とを有し、第２電気機械変換素子５にのみ電圧を印加したときの振動部材４の振動の共振点が、第１電気機械変換素子３にのみ電圧を印加したときの振動部材４の振動の共振点の約２倍の周波数となるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は駆動装置に関する。

電気機械変換素子の伸縮によって軸状の振動部材を前後非対称に振動させることにより、振動部材に摩擦係合する摩擦係合部材を振動部材に対してすべり移動させる振動型の駆動装置が公知である。振動型の駆動装置では、電気機械変換素子に鋸歯波を入力して振動部材を非対称に振動させる場合と、周波数の高い矩形波状の電圧を入力して、電気機械変換素子の周波数特性によって、振動部材の非対称な鋸歯波に近い波形の振動を得る場合とがある。

鋸歯波ｆ（ｔ）をフーリエ展開すると、ｆ（ｔ）＝２ｓｉｎ（ｔ）−ｓｉｎ（２ｔ）＋２／３ｓｉｎ（３ｔ）＋・・・と表すことができる。これより、振動部材を鋸歯状に振動させるためには、電気機械変換素子の伸縮の周波数特性が、基本周波数および２次高調波（倍調波）においてゲインが高く、２次高調波の応答の位相が基本周波数の応答の位相に比べて１８０°遅れるとよいことが分かる。

このような周波数特性を実現するために、特許文献１では、２つの電気機械変換素子を錘を挟んで接合することで、周波数比が略１：２となるような２つの共振点を形成している。しかしながら、このような構成は、部品点数が多くなるという問題点がある。

また、錘により慣性モーメントが大きくなった電気機械変換素子に片持ちに支持された振動部材に対して、例えば、摩擦係合部材を介して、軸方向に直角方向の外力が作用したとき、電気機械変換素子と振動部材との接合部には大きな曲げモーメントが加わり、接合部が破損する危険性があるという問題もある。
特開２００５−３１８７２０号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、駆動効率が高く、外力に強い駆動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による駆動装の第１の態様は、電圧が印加されると伸縮する第１電気機械変換素子と、前記第１電気機械変換素子に一端が固定された振動部材と、前記振動部材の他端に固定され、電圧が印加されると伸縮する第２電気機械変換素子と、前記振動部材にスライド移動可能に摩擦係合する摩擦係合部材とを有し、前記第１電気機械変換素子および前記第２電気機械変換素子に印加する電圧の周波数に対する前記振動部材の振幅が、１次共振点および前記１次共振点の約２倍の２次共振点を有するものとする。

この構成によれば、振動部材の両端に質量のある電気機械変換素子を固定したことで、振動部材に外力が作用したとき、両方の電気機械変換素子に対して力が分散して作用するため、接合部が破損しにくい。また、振動部材の両端にそれぞれ電気機械変換素子を設けたことで駆動電圧に対する振動部材の振動が２つの共振点を有するようにし、２次共振点が１次共振点の約２倍となるようにしたので、１次共振点を基本周波数とし、２次高調波を含む駆動電圧により、効率よく振動部材を鋸歯状に振動させて摩擦係合部材をすべり移動させられる。

また、本発明の第１の態様の駆動装置は、前記２次共振点が、前記１次共振点の１．８倍以上、２．２倍以下であることが好ましく、前記第１電気機械変換素子および前記第２電気機械変換素子に、前記１次共振点の０．８倍以上、１．２倍以下の周波数の駆動電圧を印加する駆動回路を有してもよい。

この構成によれば、駆動電圧の基本波および２次高調波によって振動部材の大きな変位が得られ、摩擦係合部材を効率よくすべり移動させられる。

また、本発明による駆動装の第２の態様は、電圧が印加されると伸縮する第１電気機械変換素子と、前記第１電気機械変換素子に一端が固定された振動部材と、前記振動部材の他端に固定され、電圧が印加されると伸縮する第２電気機械変換素子と、前記振動部材にスライド移動可能に摩擦係合する摩擦係合部材とを有し、前記第２電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの前記振動部材の振動の共振点は、前記第１電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの前記振動部材の振動の共振点の約２倍周波数であるものとする。

本発明の駆動装置では、いずれか一方の電気機械変換素子に電圧を印加したときの共振点は、２つの電気機械変換素子に電圧を印加したときの周波数応答における共振点と合致する。このため、第２電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの共振点を第１電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの共振点の２倍の周波数にすることで、１次共振点の２倍の共振周波数を有する共振点を設けることができ、基本波と２次高調波とを含む駆動電圧によって効率的な駆動ができる。

また、本発明の第２の態様の駆動装置は、前記第２電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの前記振動部材の振動の共振点が、前記第１電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの前記振動部材の振動の共振点の１．８倍以上、２．２倍以下であることが好ましく、さらに、前記第１電気機械変換素子および前記第２電気機械変換素子に、前記第１電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの前記振動部材の振動の共振点の０．８倍以上、１．２倍以下の周波数の駆動電圧を印加する駆動回路を有してもよい。

また、本発明の駆動装置において、前記駆動電圧は、略矩形波であってもよい。

この構成によれば、駆動回路が簡単に構成できる。

また、本発明の駆動装置において、前記第１電気機械変換素子または前記第２電気機械変換素子の前記振動部材の反対側に錘が固定されてもよい。

この構成によれば、錘を振動部材の振動の原点にすることで、効率的な摩擦係合部材の駆動ができる。

また、本発明の駆動装置は、電圧が印加されると伸縮し、質量がａ、単体において正弦波電圧に対する伸縮の振幅が極大となる共振周波数がｆ_ｐ１である第１電気機械変換素子と、一端が前記第１電気機械変換素子の伸縮方向片側に固定され、質量がｂである振動部材と、電圧が印加されると伸縮し、質量がｃ、単体において正弦波電圧に対する伸縮の振幅が極大となる共振周波数がｆ_ｐ２であり、前記振動部材の他端に伸縮方向片側が固定された第２電気機械変換素子と、前記第１電気機械変換素子の伸縮方向反対側に固定された質量ｄの錘と、前記振動部材に摺動可能に摩擦係合する摩擦係合部材とを有し、次の式を略満足するものとする。

この構成によれば、振動部材の振幅が極大となる電圧の共振周波数が２つでき、その周波数の比が略１：２になる。このため、矩形波状の駆動電圧によって、振動部材を鋸歯状に変位させることができ、摩擦係合部材を効率よくすべり移動させることができる。

本発明によれば、振動部材の両端に電気機械変換素子を設けたことで、電圧入力に対して振動部材の振幅が２つの極大点を有し、振動部材を鋸歯状に振動させて摩擦係合部材を効率よくすべり移動させることができる。また、振動部材の両端に電気機械変換素子を設けたことで、摩擦係合部材や振動部材に作用した外力が第１電気機械変換素子と第２電気機械変換素子とに分散して作用するため、振動部材と電気機械変換素子との接合部が破損しにくい。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の１つの実施形態である駆動装置１の概略を示す。駆動装置１は、錘２と、電圧が印加されると伸縮し、その伸縮方向片側が錘２に固定された第１電気機械変換素子３と、第１電気機械変換素子４の伸縮方向反対側に一端が固定された軸状の振動部材４と、電圧が印加されると伸縮し、その伸縮方向片側が振動部材４の他端に固定された第２電気機械変換素子５と、振動部材４に摩擦力によって係合し、振動部材４上ですべり変位可能な摩擦係合部材６と、第１電気機械変換素子３および第２電気機械変換素子５に所定波形の駆動電圧を印加可能な駆動回路７とを有する。

錘２は、直径２ｍｍ、高さ２．５ｍｍのタングステン合金からなり、質量ｃが１４１．１ｍｇである。第１電気機械変換素子３は、□１ｍｍ、高さ３ｍｍのＰＺＴからなる圧電素子であり、質量ａが２４ｍｇ、単体（両端をフリーにした状態）で伸縮の振幅が最も大きくなる正弦波電圧の周波数（共振周波数）ｆ_ｐ１が３４８ｋＨｚである。振動部材４は、直径１ｍｍ、高さ９．５ｍｍのＣＦＲＰからなり、質量ｂが１１．６ｍｇである。第２電気機械変換素子５は、□１ｍｍ、高さ２ｍｍのＰＺＴからなる圧電素子であり、質量ｄが２０ｍｇ、単体（両端をフリーにした状態）での共振周波数ｆ_ｐ２が２９０ｋＨｚである。摩擦係合部材６は、亜鉛からなり、不図示のばね部材により振動部材４に摩擦係合している。

図２に、駆動回路７の構成を示す。駆動回路７は、実配線して構成された布線回路部８と、マイコンからなる制御部９とからなる。布線回路部８は、トランジスタ１０，１１，１２，１３を有し、並列に接続された第１電気機械変換素子３と第２電気機械変換素子５との一方の電極に、電源Ｖｐ（Ｖ）を接続し、第１電気機械変換素子３と第２電気機械変換素子５との他方の電極を接地することで、第１電気機械変換素子３および第２電気機械変換素子５に±Ｖｐ（Ｖ）、波高２Ｖｐ（Ｖ）の矩形波電圧を印加可能なフルブリッジ回路である。

制御部９は、トランジスタ１０，１２をオンし、トランジスタ１１，１３をオフ、或いは、トランジスタ１０，１２をオフし、トランジスタ１１，１３をオンするような制御信号を出力することで、先に説明したように、布線回路部８に第１電気機械変換素子３および第２電気機械変換素子５に±Ｖｐ（Ｖ）を印加させるようプログラムされている。

図３に、駆動回路７を切り離して、第１電気機械変換素子３にのみ可変周波数正弦波電源を接続し、正弦波電圧を印加したときの振動部材４の振幅と、振動の正弦波電圧に対する位相との周波数特性を示す。図示するように、第１電気機械変換素子３のみに正弦波電圧を印加した場合、振動部材４は約９０ｋＨｚで共振し、その振幅が極大となる。

この共振周波数ｆ_１は、第１電気機械変換素子３の単体時の共振周波数ｆ_ｐ１を用いて、次の式で表すことができる。

図４に、第２電気機械変換素子５にのみ可変周波数正弦波電源を接続し、正弦波電圧を印加したときの振動部材４の振幅と、振動の正弦波電圧に対する位相との周波数特性を示す。図示するように、第２電気機械変換素子５のみに正弦波電圧を印加した場合、振動部材４は約１８０ｋＨｚで共振し、その振幅が極大となる。

この共振周波数ｆ_２は、第２電気機械変換素子５の単体時の共振周波数ｆ_ｐ２を用いて、次の式で表すことができる。

さらに、図５に、駆動装置１の駆動回路７に代えて、第１電気機械変換素子３および第２電気機械変換素子に並列に可変周波数正弦波電源を接続し、正弦波電圧を印加したときの振動部材４の振幅と、振動の正弦波電圧に対する位相との周波数特性を示す。図示するように、この場合の周波数応答は、第１電気機械変換素子３にのみに正弦波電圧を印加したときのグラフ（図３）と第２電気機械変換素子５にのみに正弦波電圧を印加したときのグラフ（図４）とを重ね合わせたような特性となる。つまり、駆動装置１の周波数特性は、第１電気機械変換素子３にのみに正弦波電圧を印加したときの共振点ｆ_１で１次共振し、第２電気機械変換素子５にのみに正弦波電圧を印加したときの共振点ｆ_２で２次共振する。また、２次共振点ｆ_２における振動部材４の位相は、１次共振点ｆ_１における振動部材４の位相に比べて、９０°以上遅れている。

第１電気機械変換素子３にのみに正弦波電圧を印加したときの共振周波数、つまり、駆動装置１の１次共振点ｆ_１と、第２電気機械変換素子５にのみに正弦波電圧を印加したときの共振周波数、つまり、駆動装置１の１次共振周波数ｆ_１と２次共振周波数ｆ_２との比が略１：２であるので、駆動装置１の振動部材４は、１次共振周波数ｆ_１の成分を基本波とし、２次高調波成分を含む波形に対して、その利得が大きくなる。

このように、２次共振点ｆ_２を１次共振点ｆ_１の２倍にするには、数２および数３より導かれる、次の関係式を満たすようにすればよい。

図６に、駆動回路７の出力を、周波数９０ｋＨｚ、デューティ比０．３３の矩形波電圧としたときの振動部材４の振動波形を示す。駆動装置１の周波数特性は、概略、基本波と位相が遅れた２次高調波とを重ねた波形になる。すなわち、振動部材４の振動波形は、図示するように、伸縮方向によって速度が非対称な、急峻に伸長してから緩慢に収縮する鋸歯状ものとなる。

このように振動部材４が振動する場合、摩擦係合部材６は、振動部材４が伸長するときには、自身の慣性力によってその場に留まろうとして、振動部材４上ですべり移動し、振動部材４が収縮するときには、振動部材４に摩擦係合したまま振動部材４と共に絶対位置を移動する。

また、図７に、駆動回路７の出力のデューティ比を、０．３３の補数である０．６７に変更したときの振動部材４の振動波形を示す。この場合、図示するように、振動部材４の振動波形は、デューティ比が０．３３の場合の波形の伸長方向と収縮方向と逆にした対称な波形になっている。これにより、駆動装置１は、摩擦係合部材６を、デューティ比が０．３３の場合と反対方向に、デューティ比が０．３３の場合と同じ速度ですべり変位させることができる。

本実施形態の駆動装置１は、振動部材４の変位が極大となる周波数で駆動されるので、ゲインが大きく、摩擦係合部材６を効率よく移動させることができる。

図８に、駆動装置１の１次共振周波数ｆ_１と２次共振周波数ｆ_２との比（ｆ_２／ｆ_１）と、摩擦係合部材６の移動速度との関係を示す。図示するように、２次共振点ｆ_２が１次共振点ｆ_１の１．８倍以上、２．２倍以下であれば、１次共振周波数ｆ_１を基本周波数とする矩形波によって摩擦係合部材６をすべり変位させることができるが、この範囲を外れると、摩擦係合部材６をすべり変位させることができなくなる。この摩擦係合部材６をすべり変位させることができる周波数の範囲は、数２および数３で予測される共振点と実際の共振点との各構成要素の加工誤差やそれらを固定する接着剤の影響による誤差をカバーすることができる十分な許容範囲を有する。

図９に、駆動装置１の駆動電圧の周波数ｆｄを、駆動装置１の１次共振周波数ｆ_１からずらした場合の摩擦係合部材６の移動速度を示す。図示するように、駆動装置１は、駆動電圧の周波数ｆｄが、駆動装置１の１次共振点ｆ_１の０．８倍以上、１．２倍以上であれば、摩擦係合部材６を駆動できる。

さらに、本実施形態の駆動装置１は、摩擦係合部材６に外力が作用した場合、その外力が振動部材４を介して、第１電気機械変換素子３と第２電気機械変換素子５との接合部にモーメントを作用させる。つまり、摩擦係合部材６に作用した外力は、第１電気機械変換素子３と第２電気機械変換素子５とに分散して受け止められるので、振動部材４との接合部に過大な応力が作用しにくく、破損の危険性が低い。

本発明の実施形態の駆動装置の概略図。図１の駆動装置１の駆動回路の回路図。図１の駆動装置の第１電気機械変換素子のみへの電圧入力に対する振動部材の変位の周波数特性を示すグラフ。図１の駆動装置の第２電気機械変換素子のみへの電圧入力に対する振動部材の変位の周波数特性を示すグラフ。図１の駆動装置の電圧入力に対する振動部材の変位の周波数特性を示すグラフ。図１の駆動装置の駆動電圧のデューティ比を０．３３としたときの振動部材の振動波形を示すグラフ。図１の駆動装置の駆動電圧のデューティ比を０．６７としたときの振動部材の振動波形を示すグラフ。図１の駆動装置において２次共振点をずらした場合の振動部材の振幅変化を示すグラフ。図１の駆動装置において駆動周波数をずらした場合の振動部材の振幅変化を示すグラフ。

符号の説明

１…駆動装置
２…錘
３…第１圧電素子
４…振動部材
５…第２圧電素子
６…摩擦係合部材
７…駆動回路

Claims

電圧が印加されると伸縮する第１電気機械変換素子と、
前記第１電気機械変換素子に一端が固定された振動部材と、
前記振動部材の他端に固定され、電圧が印加されると伸縮する第２電気機械変換素子と、
前記振動部材にスライド移動可能に摩擦係合する摩擦係合部材とを有し、
前記第１電気機械変換素子および前記第２電気機械変換素子に印加する電圧の周波数に対する前記振動部材の振幅が、１次共振点および前記１次共振点の約２倍の２次共振点を有することを特徴とする駆動装置。
前記２次共振点は、前記１次共振点の１．８倍以上、２．２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記第１電気機械変換素子および前記第２電気機械変換素子に、前記１次共振点の０．８倍以上、１．２倍以下の周波数の駆動電圧を印加する駆動回路を有することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
電圧が印加されると伸縮する第１電気機械変換素子と、
前記第１電気機械変換素子に一端が固定された振動部材と、
前記振動部材の他端に固定され、電圧が印加されると伸縮する第２電気機械変換素子と、
前記振動部材にスライド移動可能に摩擦係合する摩擦係合部材とを有し、
前記第２電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの前記振動部材の振動の共振点は、前記第１電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの前記振動部材の振動の共振点の約２倍の周波数であることを特徴とする駆動装置。
前記第２電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの前記振動部材の振動の共振点は、前記第１電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの前記振動部材の振動の共振点の１．８倍以上、２．２倍以下であることを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
前記第１電気機械変換素子および前記第２電気機械変換素子に、前記第１電気機械変換素子にのみ電圧を印加したときの前記振動部材の振動の共振点の０．８倍以上、１．２倍以下の周波数の駆動電圧を印加する駆動回路を有することを特徴とする請求項４または５に記載の駆動装置。
前記駆動電圧は、略矩形波であることを特徴とする請求項３または６に記載の駆動装置。
前記第１電気機械変換素子または前記第２電気機械変換素子の前記振動部材の反対側に錘が固定されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の駆動装置。
電圧が印加されると伸縮し、質量がａ、単体において正弦波電圧に対する伸縮の振幅が極大となる共振周波数がｆ_ｐ１である第１電気機械変換素子と、
前記第１電気機械変換素子の伸縮方向片側に一端が固定され、質量がｂである振動部材と、
電圧が印加されると伸縮し、質量がｃ、単体において正弦波電圧に対する伸縮の振幅が極大となる共振周波数がｆ_ｐ２であり、前記振動部材の他端に伸縮方向片側が固定された第２電気機械変換素子と、
前記第１電気機械変換素子の伸縮方向反対側に固定された質量ｄの錘と、
前記振動部材に摺動可能に摩擦係合する摩擦係合部材とを有し、
次の式を略満足することを特徴とする駆動装置。