JP2010166720A - 超音波モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動体の姿勢により被駆動体を回転させようとするモーメントが変化しても、被駆動体を安定して駆動できる超音波モータ駆動装置を提供する。
【解決手段】筐体と、上部活性領域と、下部活性領域とを第３の方向に積み重ねた構造で筐体内に配置される第１の圧電素子と、球形部を有する被駆動体と、第１の圧電素子を筐体の中で位置決めする圧電素子ホルダと、第１の圧電素子に押圧力を与えて被駆動体に加圧接触させる押圧部材と、被駆動体を複数の軸周りに回転可能に支持するための開口部を有するキャップと、被駆動体が駆動力を受ける接触部に対して、第１の圧電素子を付勢する位置と、被駆動体を付勢する位置との少なくとも一方の位置に、第１の圧電素子と被駆動体とを加圧接触させる押圧力を調整する押圧力調整手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、多自由度で駆動可能な超音波モータ駆動装置に関するものである。

従来より、付加価値の高い超音波モータ駆動装置の一つとして、多自由度に駆動可能な圧電素子を用いた超音波モータ駆動装置の開発が行われている。
例えば、特許文献１は、単一の圧電体で多自由度に駆動可能なアクチュエータを実現するために、複数の活性領域を有する柱状振動子すなわち圧電素子を用いるアクチュエータを提案している。

以下に、従来のアクチュエータ３０１について図７を参照しながら説明する。図７は、従来のアクチュエータ３０１の断面構成を示す図である。アクチュエータ３０１は、圧電素子３００の第一の方向２００の変位の加速度もしくは速度と、圧電素子３００の第二の方向２０１の変位の加速度もしくは速度とを異ならせる。これにより、球状の被駆動体３０２に第一の方向２００もしくは第二の方向２０１の駆動力を与えている。さらに第三もしくは第四の方向にも同様に駆動力を与えている。これにより、多自由度に球状の被駆動体３０２を駆動する。また、被駆動体３０２は、出力軸３０２ａを介して質量負荷部３０３に取り付けられている。そして、被駆動体３０２の移動に伴い、質量負荷部３０３が動作する。

特開２００６−２３８６４４号公報

しかし、特許文献１のアクチュエータ３０１では、質量負荷部３０３が装着可能な被駆動体３０２を動かす事によって生じる姿勢差によって、被駆動体３０２を回転させようとするモーメントが変動する。このため、被駆動体３０２の移動速度が変動したり、被駆動体３０２が停止したりする可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被駆動体の姿勢により被駆動体を回転させようとするモーメントが変化しても、被駆動体を安定して駆動できる超音波モータ駆動装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の超音波モータ駆動装置は、
筐体と、
第１の方向に２分割された少なくとも２領域の圧電活性領域を有する活性領域と、
第２の方向に２分割された少なくとも２領域の圧電活性領域を有する活性領域と、を第３の方向に積み重ねた構造で前記筐体内に配置される第１の圧電素子と、
球形部を有する被駆動体と、
前記第１の圧電素子を前記筐体の中で位置決めする圧電素子ホルダと、
前記第１の圧電素子に押圧力を与えて前記被駆動体に加圧接触させる押圧部材と、
前記被駆動体を複数の軸周りに回転可能に支持するための開口部を有するキャップと、
前記被駆動体が駆動力を受ける接触部に対して、前記第１の圧電素子を付勢する位置と、前記被駆動体を付勢する位置との少なくとも一方の位置に、前記第１の圧電素子と前記被駆動体とを加圧接触させる押圧力を調整する押圧力調整手段を備えることを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記押圧力調整手段は、前記押圧力を発生する方向の変位成分を含んで伸縮可能な第２の圧電素子を有することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記押圧力調整手段は、前記被駆動体に接して、且つ、前記接触部と対向する位置に、少なくとも３個配置されていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記押圧力調整手段部は、転がり抵抗を軽減する部材を有することが望ましい。

本発明にかかる超音波モータ駆動装置は、前記接触部を前記被駆動体に加圧接触させる押圧力を調整できる押圧力調整手段を備える。従って、押圧力調整手段を作動させることで、圧電素子と被駆動体の間の押圧力を調整し、圧電素子の出力を変化させて、被駆動体に対する負荷が変化しても、安定した動作を実現できるという効果を奏する。

（ａ）は、実施例１に係る超音波モータ駆動装置の上面構成を示す図であり、（ｂ）は、図１（ａ）の線Ｉｂ−Ｉｂに沿った断面構成を示す図である。 （ａ）は、圧電素子の斜視構成を模式的に示す図であり、（ｂ）は、圧電素子による被駆動体の動作のメカニズムを示す斜視図である。 圧電素子の挙動を示す図であり、（ａ）は圧電素子が縦一次振動している状態、（ｂ）は圧電素子が屈曲二次振動している状態、（ｃ）は圧電素子が停止した状態である。 被駆動体に関するモーメントを説明するための図である。 実施例１の変形例に係る超音波モータ駆動装置を図１（ｂ）と同様に断面構成で示す図である。 （ａ）は、実施例２の超音波モータ駆動装置１０１を図１（ａ）と同様に断面構成で示す図であり、（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩ部の拡大構成を示す図であり、図６（ｃ）は、実施例２の押圧力調整手段の第１の変形例の拡大構成を示す図であり、図６（ｄ）は、実施例２の押圧調整手段の第２の変形例の拡大構成を示す図である 従来のアクチュエータの断面構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる超音波モータ駆動装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る実施例１の超音波モータ駆動装置１０１について図１乃至図４を参照しつつ説明する。図１（ａ）は、実施例１に係る超音波モータ駆動装置１０１の上面構成を示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の線Ｉｂ−Ｉｂに沿った断面構成を示す図である。また、図２（ａ）は、第１の圧電素子１の斜視構成を模式的に示す図であり、図２（ｂ）は、圧電素子１による被駆動体２の動作のメカニズムを示す斜視図である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、圧電素子の挙動を示す図であり、図３（ａ）は圧電素子が縦一次振動している状態、図３（ｂ）は圧電素子１が屈曲二次振動している状態、（ｃ）は圧電素子１が停止した状態である。図４は、被駆動体２に関するモーメントを説明するための図である。

図１乃至図４において、超音波モータ駆動装置１０１は、ジルコン酸チタン酸鉛等から形成される第１の圧電素子１と、ジルコニア、アルミナ等のセラミックス系材料や、ＤＬＣ等の表面処理、焼入れを施した金属材料から形成される球形の被駆動体２と、押圧力調整手段である第２の圧電素子３ａ、３ｂと、質量負荷部３１が装着される出力軸４と、ピーク材等、強度の高い樹脂や金属によるキャップ５と、樹脂系材料や金属材料から形成され、第１の圧電素子１の長手方向中央部の全周に渡って固定される円環状の圧電素子ホルダ６と、バネやゴム材等の弾性部材から構成される押圧部材７と、ピーク材等の強度の高い樹脂や金属による筐体８とから構成される。

また、筐体８は、一端部に底部８ｂと他端部に開口部８ｄとを有する円筒状部材である。筐体８の側壁８ｃの内面には、径方向内方に突出する突起部８ａが周方向に亘り延在している。突起部８ａには、各バネ７の一端部が固定されている。バネ７は図１（ａ）中の下方に延在し、各バネ７の他端部は、圧電素子ホルダ６に固定されている。従って、圧電素子ホルダ６が、バネ７の弾性力により、突起部８ａの方向に付勢された状態である。

さらに、圧電素子ホルダ６は、筐体８の底部８ｂに一端部が固定され、図１（ａ）中の上下方向に延在する押圧力調整手段、すなわち第２の圧電素子３ｂの他端部に支持されている。従って、第２の圧電素子３ｂを作動させると、上下方向に圧電素子ホルダ６を移動させることができる。このように、圧電素子ホルダ６は、筐体８内において上下方向に移動させることができる構成である。

圧電素子ホルダ６に固定されている第１の圧電素子１は、筐体８内において底部８ｂから離れた状態で保持されており、圧電素子ホルダ６の上下方向への移動に伴い移動可能な構成である。第１の圧電素子１の上側端部は、被駆動体２を支持する接触部１ａを構成する。

また、キャップ５には、開口５ａが設けられ、開口５ａの周囲には周方向で等間隔に３つの押圧力調整手段、すなわち第２の圧電素子３ａが設けられている。さらに、キャップ５は筐体８の開口部８ｄの外周面にねじ留め等により固定できる構成である。従って、筐体８にキャップ５を固定すると、キャップ５の第２の圧電素子３ａと第１の圧電素子１の接触部１ａとにより、筐体８内で被駆動体２が複数の軸周りに回転可能に支持される。

このように、キャップ５が筐体８に装着されると、被駆動体２は、第１の圧電素子１とキャップ５の第２の圧電素子３ａにより挟持される。この挟持状態では、バネ７の復元力により、圧電素子ホルダ６に保持される第１の圧電素子１が被駆動体２に押圧され、圧電素子１の駆動力Ｆが被駆動体２に伝達される。さらに、被駆動体２に固定された出力軸４は、キャップ５の開口５ａを介して筐体８の外部に延在し、出力軸４に連結されている質量負荷部３１（図４参照）に回転力を伝達する。

次に、図２乃至図３を参照しつつ圧電素子１の詳細を説明する。なお、図２（ａ）に示すように、第１〜第３の方向を３軸直交座標系として定義する。第１の圧電素子１は、一体焼成された積層圧電素子であり、上部活性領域２１と、下部活性領域２３とを第３の方向に積み重ねた構造である。

上部活性領域２１は、第１の方向に２分割された少なくとも２領域の圧電活性領域２１ａ、２１ｂを有する。下部活性領域２３は、第２の方向に２分割された少なくとも２領域の圧電活性領域２３ａ、２３ｂを有する。

図２（ｂ）に示すように、上記構成の第１の圧電素子１の上部活性領域２１の２分割された圧電活性領域２１ａ、２１ｂに位相差を有する交流信号（ＡＣ）を入力すると、圧電素子１は、図３（ａ）に示す第３の方向へ振動する縦一次振動と、図３（ｂ）に示す第一の方向へ振動する屈曲二次振動とを組み合わせた複合振動を発生する。

このような複合振動を発生する共振状態の第１の圧電素子１の上部端面１ｃは楕円軌跡を描くように振動する。従って、押圧部材７の押圧力によって、多自由度に、すなわちｘ方向、ｙ方向、ｚ方向のいずれにも、回転可能な球形の被駆動体２に圧電素子１の上部端面１ｃの接触部１ａを加圧接触させると、第２の方向の軸周り（矢印ｙ方向）に回転する。
なお、本実施の形態では活性領域を上部、下部としたが、これに限る事はなく、上述した複合信号が端面にて取り出せるよう圧電素子内部の活性領域を形成する。

図示は省略するが、上部活性領域２１と同様に下部活性領域２３に交流信号を入力した場合も、圧電素子１は共振振動し、上部端面１ｃに接する被駆動体２は第１の方向の軸周り（矢印ｘ方向）の回転運動を行い、さらに、前述の第２の方向の軸周り（矢印ｙ方向）の回転動作を組み合わせる事で第３の方向の軸周り（矢印ｚ方向）の回転運動を生じる。

なお、図３（ｃ）は、圧電素子１に交流信号を付与していない停止した状態を示している。
ここで、圧電素子１の積層方向は、第１、第２、第３の方向又はその組み合わせ、何れの方向でも構わない。また、本実施例の圧電素子１は一体焼成された積層圧電素子でも、複数の単板圧電素子を一体に組み合わせた構造でも、凹部を有する金属に複数の圧電素子を組み込んで一体とした構造でも構わない。

次に、超音波モータ駆動装置１０１の動作について説明する。図４のように、超音波モータ駆動装置１０１を動作させ、出力軸４が鉛直方向（図中上下方向）に対して傾斜し、出力軸４に取り付けられた質量負荷部３１に姿勢差が生じた場合、質量負荷部３１が被駆動体２を回転させようとするモーメントは、質量負荷部３１の傾斜角θに応じて連続的に変動する。このモーメントの変動に対して、圧電素子１の出力（駆動力）Ｆによって被駆動体２に与えられるモーメントが追従できないと、被駆動体２の速度の変動、出力不足による被駆動体２の停止といった不具合が発生する恐れがある。

さらに、被駆動体２の回転中心Ｏの周りのモーメントの関係について説明する。質量負荷部３１によるモーメントＭは、次式で表すことができる。
Ｍ＝ｍｇ・ｓｉｎθ・（ｒ＋ｌ）
ここで、
ｍは、質量負荷部３１の質量、
ｇは、重力加速度、
θは、被駆動体２の回転中心Ｏを通る鉛直線と、質量負荷部３１の重心Ｓと回転中心Ｏとを通る直線（出力軸４の中心線）との間の傾斜角度、
ｒは、被駆動体２の半径、
ｌは、被駆動体２の外周面から質量負荷部３１の重心Ｓまでの距離、である。

他方、振動素子１の出力Ｆによるモーメントは、Ｆ・ｒとなる。従って、以下の式（１）を満足しないと、質量負荷部３１を持ち上げる（図４における矢印Ｒ方向へ回転させる）ことができない。
Ｆ・ｒ−ｍｇ・ｓｉｎθ・（ｒ＋ｌ）＞０ ・・・（１）

また、式（１）の左辺の値が一定に保てないと、被駆動体２の回転速度にムラが起きる。すなわち、傾斜角度θは、質量負荷部３１の姿勢（位置）により変化するので、回転速度を一定に保つには超音波モータ駆動装置１０１の出力Ｆの大きさを追従（変化）させ、左辺の値を一定に維持する必要がある。

そこで、押圧力調整手段を用いて、式（１）の左辺を値が一定になるように制御している。押圧力調整手段を図１（ａ）、（ｂ）を参照しつつ説明する。一般に超音波モータ駆動装置１０１の出力Ｆは押圧力Ｐと正の相関がある。なお、押圧力Ｐは、被駆動体２と圧電素子１の接触部１ａとの間の圧力である。

そこで、例えば図４に示すように、質量負荷部３１が取り付けられた出力軸４が鉛直方向に対して傾斜した時は、押圧力調整手段である第２の圧電素子３ａ、３ｂの少なくとも一方を伸張させて、より大きな押圧力Ｐを接続部１ｂにかけた（与えられた）状態にして、超音波モータ駆動装置１０１の出力Ｆを大きくする。このように出力軸４の傾斜角度θに応じて押圧力調整手段である第２の圧電素子３ａ、３ｂを伸縮させる事で、負荷質量部３１に姿勢差が生じても安定して多自由度で被駆動部２を駆動する超音波モータ駆動装置１０１を実現できる。

ここで、本実施例の押圧力調整手段について説明する。本実施例の押圧力調整手段は、球形の被駆動体２と第１の圧電素子１の接触部１ｂとに対する押圧力Ｐを変化させる事ができる位置に配置されている第２の圧電素子３ａ、３ｂである。

第２の圧電素子３ａは、被駆動体２に接して、且つ、被駆動体２が駆動力Ｆを受ける接触部１ａと対向する位置に、少なくとも３個の圧電素子２５、２７、２９を配置することで、球形の被駆動体２を安定して保持する。すなわち、各圧電素子２５、２７、２９は、第１の圧電素子１が押圧する方向と対向する方向に伸縮するように配置されている。また、被駆動体２を安定して保持するために、３個の圧電素子２５、２７、２９は、被駆動体２に対して均等に付勢することが好ましい。

本実施例１に係る超音波モータ駆動装置１０１は、第１の圧電素子１を作動させて、出力軸４の回転動作や、所定方向への動作を行うことができる。出力軸４の姿勢もしくは傾斜角度θの変化に伴い、所定速度で出力軸４を動作させるためには、押圧力Ｐを増減させる必要が生じる。そのときには、第２の圧電素子３ａ、３ｂを伸縮させ、第１の圧電素子１の被駆動部２に対する押圧力Ｐを増減させる。結果として、圧電素子１から出力軸４へ伝達される出力を増加させることができ、出力軸４を所定の速度で移動させることが可能である。

なお、第２の圧電素子３ａ、３ｂは何れも伸張することで押圧力Ｐを増大させ、収縮することで押圧力Ｐを減らす事ができる。第２の圧電素子３ａ、３ｂはいずれか一方を設ける事で本発明の効果は得られる。
また、第２の圧電素子３ａ、３ｂは、被駆動体２が駆動力を受ける接触部１ａに押圧力Ｐを与えることができる位置ならば、適宜変更できる。

（実施例１の変形例）
図５は、実施例１の変形例に係る超音波モータ駆動装置１０１を図１（ｂ）と同様に断面構成で示す図である。図５に示すように、筐体８の側壁８ｃの一部を押圧力調整手段で構成し、押圧方向Ｐに縮めることで押圧力Ｐを増大させる構成としてもよい。すなわち、筐体８の側壁８ｃは２つの側壁構成部材５１、５３により構成され、２つの側壁構成部分が、第２の圧電素子３ｃを介して連結されている。

さらに、本変形例の超音波モータ駆動装置１０１は、実施例１で用いた第２の圧電素子３ａの代わりに、被駆動体２は鋼球９等で支持される構成とした。
なお、押圧力調整手段を構成する第２の圧電素子３ｂ、３ｃは、積層構造の圧電体でも、単板構造の圧電体でも良い。なお、超音波モータ駆動装置は、第２の圧電素子３ａ乃至３ｃをそれぞれ単独で用いる構成でも、いくつかを組み合わせた構成としても本発明の目的は達成できる。

本実施例１及びその変形例の超音波モータ駆動装置１０１は、出力軸４に接続された質量負荷部３１（図４参照）の姿勢が変化し、被駆動体２に働くモーメントが変動しても、安定して被駆動体２の動作が実現できる。また、超音波モータ駆動装置１０１の出力Ｆに影響する被駆動体２に対する圧電素子１の押圧力Ｐも、動かす質量負荷部３１の荷重に応じて増減させることが出来る。

本発明に係る実施例２の超音波モータ駆動装置について図６を参照しつつ説明する。図６（ａ）は、実施例２の超音波モータ駆動装置１０１を図１（ｂ）と同様に断面構成で示す図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩ部の拡大構成を示す図であり、図６（ｃ）は、実施例２の押圧力調整手段の第１の変形例の拡大構成を示す図であり、図６（ｄ）は、実施例２の押圧調整手段の第２の変形例の拡大構成を示す図である。

図６（ｂ）に示すように、押圧力調整手段は、第２の圧電素子３ａと、被駆動体２に接触し、第２の圧電素子３ａに接合される接触部３５と、から構成されている。また、接触部３５に潤滑性を付与するため、接触部３５は、樹脂材（例えば、ＰＰＳにチタン酸カリウムウィスカを含有させた材料、テフロン（登録商標）樹脂、フッ素樹脂等）から形成されている。この構成により、被駆動体２の第２の圧電素子３ａに対する転がり抵抗を削減できる（図６（ｂ）参照）。接触部３５の接触面３５ａは、被駆動体２の外周面と相補的な形状とすることが好ましい。実施例２の超音波モータ駆動装置は、押圧調整部材の接触部３５を除き、実施例１と同じであるので、構成の詳細は割愛する。

なお、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、押圧力調整手段を構成し、第２の圧電素子３ａに接合される接合部１３５、２３５は、凸状の半球形状、若しくは被駆動体２の外周面の形状に相補的な曲面形状等としても良い。

実施例２は、球形の被駆動体２の転がり抵抗を軽減する構成とする事で、超音波モータ駆動装置１０１の回転効率を向上させることができる。結果として、出力軸４に接続された質量負荷部３１（図４参照）の姿勢が変化し、被駆動体２に働くモーメントが変動しても、安定して動作可能な超音波モータ駆動装置１０１が実現できる。

なお、上記実施例１、２では、被駆動体がキャップの三か所に配置された圧電素子若しくは樹脂材により支持されているが、その位置及び数は適宜変更できる。また、環形状の部材により被駆動体の外周面に沿って支持する構成としてもよい。
さらに、押圧力調整手段に、圧電素子を用いる構成としたが、本発明はこの構成に限定されない。被駆動体の姿勢差による負荷変動に応じて、被駆動体と第１の圧電素子との間の押圧力を調整できる構成であればよい。例えば、空気、磁気、及び静電アクチュエータ等を用いることができる。

また、押圧力調整手段は、押圧力Ｐを発生する方向（若しくは発生する方向に対向する方向）の変位成分を有し伸縮可能な部材であれば、第１の圧電素子の接触部１ａに対する押圧力の調整が可能である。よって、押圧力調整手段は、押圧力Ｐを発生する方向（若しくは発生する方向に対向する方向）にのみ移動可能な部材に限定されないことは言うまでもない。さらに、図３（ｂ）に示した屈曲二次振動する圧電素子であっても、押圧力Ｐを発生する方向（若しくは発生する方向に対向する方向）の変位成分を生じるように配置することで押圧力調整手段として用いることができる。

本発明は、被駆動体を安定して駆動するための超音波モータ駆動装置に有用である。

１ 第１の圧電素子、
１ａ 接続部
２ 被駆動体
３ａ、２５、２７、２９ 第２の圧電素子（押圧力調整手段）
３ｂ 第２の圧電素子（押圧力調整手段）
３ｃ 第２の圧電素子（押圧力調整手段）
４ 出力軸
５ キャップ
５ａ 開口
６ 圧電素子ホルダ
７ バネ（押圧部材）
８ 筐体
８ａ 突起部
８ｂ 底部
８ｄ 開口部
２１ 上部活性領域
２３ 下部活性領域
２１ａ、２１ｂ、２３ａ、２３ｂ 圧電活性領域
３１ 質量負荷部
３５、１３５、２３５ 接触部
３５ａ 接触面
１０１ 超音波モータ駆動装置

Claims (4)

1. 筐体と、
   第１の方向に２分割された少なくとも２領域の圧電活性領域を有する活性領域と、
   第２の方向に２分割された少なくとも２領域の圧電活性領域を有する活性領域と、を第３の方向に積み重ねた構造で前記筐体内に配置される第１の圧電素子と、
   球形部を有する被駆動体と、
   前記第１の圧電素子を前記筐体の中で位置決めする圧電素子ホルダと、
   前記第１の圧電素子に押圧力を与えて前記被駆動体に加圧接触させる押圧部材と、
   前記被駆動体を複数の軸周りに回転可能に支持するための開口部を有するキャップと、
   前記被駆動体が駆動力を受ける接触部に対して、前記第１の圧電素子を付勢する位置と、前記被駆動体を付勢する位置との少なくとも一方の位置に、前記第１の圧電素子と前記被駆動体とを加圧接触させる押圧力を調整する押圧力調整手段を備えることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
2. 前記押圧力調整手段は、前記押圧力を発生する方向の変位成分を含んで伸縮可能な第２の圧電素子を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ駆動装置。
3. 前記押圧力調整手段は、前記被駆動体に接して、且つ、前記接触部と対向する位置に、少なくとも３個配置されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ駆動装置。
4. 前記押圧力調整手段部は、転がり抵抗を軽減する部材を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波モータ駆動装置。

Images