JP2010166722A - 超音波モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動効率が高い多自由度の超音波モータ駆動装置を提供する。
【解決手段】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上部活性領域と、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、複数の軸周りに回転可能に被駆動体を支持するキャップと、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、圧電素子の被駆動体が接触する接触部を被駆動体に加圧接触させる押圧力を発生する押圧部材と、被駆動体に対して第１の圧電素子と対向する側に配置され前切被駆動体を支持する摺動抵抗低減手段と、を備え、摺動抵抗低減手段は、押圧力を発生する方向に対向する方向の変位成分を有し共振する事を特徴とする超音波モータ駆動装置。
【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、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６を参照しつつ説明する。図６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ることで、多自由度に被駆動体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、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、圧電素子３００の駆動力を被駆動体３０２に伝えるための押圧力は、被駆動体３０２を保持する球３０６で受ける。このため、被駆動体３０２の球３０６に対する転がり抵抗が大きいと、圧電素子３０２から被駆動体３０２への駆動力の伝達に大きなロスが生ずること、被駆動体３０２にキズを発生させること、被駆動体３０２と球３０６との間でかじりが生ずることがある。また、転がり抵抗を削減するために、球３０６にグリスを塗布した場合、圧電素子３００から被駆動体３０２への駆動力の伝達が、グリスにより妨げられ、被駆動体３０２が停止する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、駆動力を被駆動体に伝えるための押圧力を受け、被駆動体を支持する部材の被駆動体に対する摺動抵抗を低減でき、駆動効率が高い多自由度の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、
前記被駆動体に対して前記第１の圧電素子と対向する側に配置され、前記被駆動体を押さえて支持する摺動抵抗低減手段とを備え、
前記摺動抵抗低減手段は、前記押圧力を発生する方向に対向する方向の変位成分を有するような共振をする事を特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記摺動抵抗軽減手段は、第２の圧電素子を有する事が望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記摺動抵抗軽減手段の前記被駆動体が接触する接触部は、耐摩耗性のある材料から構成されている事が望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記摺動抵抗軽減手段の前記被駆動体が接触する接触部は、潤滑性のある材料から構成されている事が望ましい。

本発明にかかる超音波モータ駆動装置は、被駆動体の転がり抵抗を低減でき、駆動効率が高い多自由度の超音波モータ駆動装置が実現できる。

（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、第１の圧電素子の斜視構成を模式的に示す図であり、（ｂ）は、第１の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。 第１の圧電素子の挙動を示す図であり、（ａ）は第１の圧電素子が縦一次振動している状態、（ｂ）は第１の圧電素子が屈曲二次振動している状態、（ｃ）は第１の圧電素子が停止した状態である。 図１（ｂ）のＩＶ部の拡大構成を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、形状の異なる摺動抵抗低減手段の拡大構成を図４と同様に拡大構成で示す図である。 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、第１の圧電素子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、第１の圧電素子１の挙動を示す図であり、図３（ａ）は第１の圧電素子１が縦一次振動している状態、図３（ｂ）は第１の圧電素子１が屈曲二次振動している状態、（ｃ）は第１の圧電素子１が停止した状態である。図４は、図１（ｂ）のＩＶ部の拡大構成を示す図である。

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、摺動抵抗低減手段を構成する第２の圧電素子３ａと、外部に駆動力を伝達する出力軸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亘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、筐体８に設けられ圧電素子ホルダ６を位置決めするための第１及び第２の突起部８ａ、８ｅ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、径方向内方に突出し周方向に亘り延在する第１の突起部８ａが設けられている。第１の突起部８ａには、バネ７の一端部が固定されている。各バネ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。バネ７の弾性力により、圧電素子ホルダ６が突起部８ａの方向に付勢されている。

また、第１の突起部８ａと同様の構成である第２の突起部８ｅが、筐体８の側壁８ｃの内面に、径方向内方に突出し周方向に亘り延在する。第１の突起部８ａと第２の突起部８ｅは、筐体８の長手方向（図１（ｂ）の上下方向）において互いに離間している。第２の突起部８ｅは、圧電素子ホルダ６すなわち第１の圧電素子１の、筐体８の長手方向下方への移動を規制する。

次に、図２乃至図３を参照しつつ第１の圧電素子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、第１の圧電素子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に第１の圧電素子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。

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、第１の圧電素子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、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。

なお、図３（ｃ）は、第１の圧電素子１の上部活性領域２１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、第１の圧電素子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、本実施例の第１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、図４に示す、摺動抵抗低減手段について説明する。摺動抵抗低減手段を構成する第２の圧電素子３ａ（２５、２７、２９）は、被駆動体２に対して第１の圧電素子１と対向する位置に配置されている。そして、第２の圧電素子３ａが被駆動体２に接する点における法線方向Ｈに振動し、矢印Ｔで示す方向に共振する。ここで、被駆動体２を安定して保持または支持するために、３個の第２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。

また、第２の圧電素子３ａは、キャップ５の開口５ａの周囲には周方向で（第３の方向の軸周り（図２（ｂ）の矢印ｚ方向）に）等間隔に、少なくとも３個配置する。これにより、被駆動体２を安定して保持すなわち支持できる。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の接続部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。
なお、第２の圧電素子３ａは、球体の被駆動体２を円周状に押さえても良い。

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、保持ホルダ８に保持される第１の圧電素子１が被駆動体２を押圧する。これにより、第１の圧電素子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に連結される部材に回転力を伝達する。

第２の圧電素子３ａを共振させた状態で、第１の圧電素子１を押圧部材７によって被駆動体２に加圧接触させると、被駆動体２と、第２の圧電素子３ａと、の間の摺動抵抗を軽減できる。このため、被駆動体２の回転は安定し、超音波モータ駆動装置１０１の駆動効率も向上する。また、被駆動体２と摺動抵抗軽減手段である第２の圧電素子３ａとの間に固着、焼き付き、かじり等といった回転を阻害する現象も発生しにくくなる。なお、摺動抵抗低減手段は、積層構造の圧電体でも、単板構造の圧電体でも良い。

上述した実施例１の構成により、被駆動体２の転がり抵抗を低減でき、高効率な多自由度の超音波モータ駆動装置１０１が実現できる。

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５を参照しつつ説明する。図５（ａ）〜（ｅ）は、形状の異なる摺動抵抗低減手段を図４と同様に拡大構成で示す図である。本実施例は、摺動抵抗低減手段の構成が実施例１と異なる。従って、実施例２に関し明記しない事項は、実施例１の構成及び動作と同じであり、同一部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

摺動抵抗低減手段は、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）のように、第２の圧電素子３ａと、第２の圧電素子３ａの被駆動体２との接触部３ｂと、から構成される。接触部３ｂは、耐摩耗性のある樹脂材料、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等から形成される。ここで、樹脂材料から形成される接触部３ｂは、図４（ａ）乃至（ｅ）に示すように、側面視で矩形状、半球形状、台形形状、凸形状、曲面形状等とすることができる。

上述した実施例２の構成により、被駆動体２の転がり抵抗を低減し、且つ長期の使用にも耐える事ができる、高効率な多自由度の超音波モータ駆動装置が実現できる。

本発明に係る実施例３の超音波モータ駆動装置について説明する。なお、本実施例は、摺動抵抗低減手段構成する接触部３ｂの材料が実施例２と異なる。従って、実施例３に関し明記しない事項は、実施例２の構成及び動作と同じである。

摺動抵抗低減手段を構成する接触部３ｂ（図５（ａ）〜（ｅ）参照。）は、テフロン（登録商標）樹脂、フッ素樹脂など潤滑性のある樹脂材料から形成される。潤滑性のある樹脂材料を利用する事により、摺動抵抗を低減する効果が高まる。なお、接触部３ｂ（図４参照）は、実施例２と同様に図５（ａ）乃至（ｅ）に示すように側面視で矩形状、半球形状、台形形状、凸形状、曲面形状等とすることができる。

上述した実施例３の構成により、実施例１よりも更に転がり抵抗を低減した、高効率な多自由度の超音波モータ駆動装置が実現できる。

なお、上記実施例１乃至３においては、被駆動体をキャップの三か所に設けた第２の圧電素子３ａにより支持しているが、圧電素子の位置及び数は適宜変更できることは言うまでもない。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、摺動抵抗低減手段として、圧電素子を用いたが、本発明はこの構成に限定されず、被駆動体に対し共振し摺動抵抗を低減できる手段であればよい。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、実施例１乃至３を通じて、被駆動体の法線方向にのみ共振する摺動抵抗低減手段を用いたが、本発明はこの構成に限定されず、摺動抵抗低減手段は、押圧部材が押圧力Ｐを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機構であればよい。さらに、図４（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摺動抵抗低減手段として用いることができる。

本発明は、駆動効率が高い多自由度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 接触部
２ 被駆動体
３ａ、２５、２７、２９ 第２の圧電素子（摺動抵抗低減手段）
３ｂ 接触部
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、８ｅ 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
１０１ 超音波モータ駆動装置１０１

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、
   前記被駆動体に対して前記第１の圧電素子と対向する側に配置され、前記被駆動体を押さえて支持する摺動抵抗低減手段とを備え、
   前記摺動抵抗低減手段は、前記押圧力を発生する方向に対向する方向の変位成分を有するような共振をする事を特徴とする超音波モータ駆動装置。
2. 前記摺動抵抗軽減手段は、第２の圧電素子を有する事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. 前記摺動抵抗軽減手段の前記被駆動体が接触する接触部は、耐摩耗性のある材料から構成されている事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波モータ駆動装置。
4. 前記摺動抵抗軽減手段の前記被駆動体が接触する接触部は、潤滑性のある材料から構成されている事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波モータ駆動装置。

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