JP3662736B2

JP3662736B2 - 振動波アクチュエータの駆動方法

Info

Publication number: JP3662736B2
Application number: JP07311398A
Authority: JP
Inventors: 保太朗宮谷
Original assignee: 遠山茂樹
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: JPH11262279A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータに発生した振動波によってロータを駆動する多自由度の振動波アクチュエータの駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（振動波アクチュエータの構成）
従来の振動波アクチュエータの基本的な構造を図１に示す。振動波アクチュエータ１にあっては、４個のステータ２，２，３，３を略球面状をしたロータ４の最大外周円に沿って配置し、これらのステータ２，２，３，３によって合成樹脂製のロータ４を支持している。各ステータ２，２，３，３は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、金属等の弾性材料によって形成された皿状のステータ本体５の裏面にＰＺＴ等の圧電素子７を接合したものである。ステータ本体５の外周部には、円環状をした弾性部材１０が設けられており、弾性部材１０の表面には多数の接触子６が一定ピッチ毎に突設され、各接触子６間はスリット９によって分離されている。圧電素子７は弾性部材１０の裏面に接合されている。ステータ２，２，３，３は、接触子６をロータ４と接触させるようにしてロータ４を支持しており、そのため接触子６の表面（接触駆動面８）にはロータ４の半径と同一の曲率半径を有する凹状のアールが施されている。
【０００３】
このような構造のステータ２，２，３，３は超音波モータの原理によってロータ４に回転駆動力を及ぼすものであって、圧電素子７を振動させることによって弾性部材１０の接触子６の接触駆動面８にたわみ振動や伸縮振動等の表面波振動を発生させる。各ステータ２，２，３，３は、ばね（図示せず）の弾性力によってロータ４に圧接しているので、ステータ２，２，３，３が駆動されていない場合には、ロータ４は回転できない。しかし、圧電素子７を所定の駆動モードで駆動すると、接触駆動面８で円周方向に進む進行波（たわみ進行波）により接触子６の表面の分子が楕円軌道を描いて運動し、ロータ４の表面がステータ２，２，３，３の円周方向に沿って移動する。この結果、ロータ４は駆動されているステータ２，２，又は３，３の軸心の回りに回転駆動される。
【０００４】
（従来の駆動方法）
このような振動波アクチュエータ１では、ステータ２，２の駆動軸Ｘとステータ３，３の駆動軸Ｙを含む平面内に含まれる任意の回転軸の回りにロータを回転させることができる。例えば、図３においてベクトルωの回りに角速度ωでロータ４を回転させようとする場合には、角速度のベクトルωをステータ２，２の駆動軸Ｘの方向とステータ３，３の駆動軸Ｙの方向とに分解して各成分ベクトルをωｘ＝ω・cosθ、ωｙ＝ω・sinθを求める。そして、駆動軸Ｘの回りに角速度ωｘでロータ４を回転させるためにステータ２，２からロータ４にそれぞれＴｘの駆動トルクを及ぼし、同時に、駆動軸Ｙの回りに角速度ωｙでロータ４を回転させるためにステータ３，３からロータ４にそれぞれＴｙの駆動トルクを及ぼすと、各ステータ２，２，３，３からロータに駆動トルクが働き、ロータ４は合成された駆動トルクの方向の回りに角速度ωで回転する。
【０００５】
一方、図４に示すように、ステータ２，２の駆動軸Ｘの回りに角速度ωｘでロータ４を回転させようとすれば、角速度ωｘのベクトルはステータ３，３の駆動軸Ｙの方向に成分を持たないから、ステータ２，２だけを駆動して進行波を発生させてロータ４を回転させればよい。しかし、ステータ３，３を駆動しないと、ステータ３，３とロータ４との摩擦抵抗によってロータ４が回転しないので、従来においては、このような場合には、ステータ３，３には定在波を励起させ、ロータ４との摩擦抵抗を軽減させていた。すなわち、ステータ３，３に定在波を励起させることにより、見かけ上ロータ４がステータ３，３の表面で浮いている状態にしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４のように、ステータ２，２によりロータ４を駆動軸Ｘの回りに回転駆動させる場合においては、上記のようにステータ３，３に定在波を発生させることによってステータ３，３とロータ４との摩擦抵抗を低減させることができるが、それでも定在波の励起されているステータ３，３とロータ４との間にはかなりの摩擦トルクが存在しており、ロータ４を駆動軸Ｘの回りに回転させるために各ステータ２，２からロータ４に及ぼす駆動トルクをＴｘとすれば、駆動軸Ｘの回りにロータ４を駆動したときの出力トルクは、理想的な出力トルク２Ｔｘからかなりの低下が見られた。
【０００７】
本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来、定在波を発生させることによって移動子との摩擦抵抗を低減されていた非駆動のステータと移動子との摩擦抵抗をより低減し、出力トルクの増大を図ることができる振動波アクチュエータの駆動方法を提供することにある。
【０００８】
【発明の開示】
請求項１に記載の振動波アクチュエータの駆動方法は、複数のステータにより複数の駆動軸の回りに移動子を回転させるようにした振動波アクチュエータにおいて、移動子を回転させようとする方向の回転ベクトルが、その駆動軸の方向に分力を持たないステータが存在する場合には、当該ステータによる移動子の平均の回転量が零となるように当該ステータから移動子に正負の駆動トルクを交互に印加するようにしたことを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の振動波アクチュエータの駆動方法は、複数のステータにより複数の駆動方向に移動子を移動させるようにした振動波アクチュエータにおいて、移動子を移動させようとする方向の移動ベクトルが、その駆動方向に分力を持たないステータが存在する場合には、当該ステータによる移動子の平均の移動量が零となるように当該ステータから移動子に正負の駆動力を交互に印加するようにしたことを特徴としている。
【００１０】
請求項１に記載した振動波アクチュエータの駆動方法は、移動子が回転するタイプであり、請求項２に記載した振動波アクチュエータの駆動方法は、移動子が線状又は面状に移動するタイプである。発明の駆動方法によれば、移動子の回転又は移動ベクトルが、あるステータの駆動方向に成分を持たない場合でも、そのステータに、ある大きさを持った駆動トルクを励起させ、しかもその駆動トルクの方向を交互に反転させているので、移動子は、このステータによる駆動方向には平均すれば移動しない。しかし、実際には移動子は、このステータによって駆動されているので、従来、抵抗摩擦成分となっていたステータが、駆動摩擦成分になり、振動波アクチュエータの出力トルクが増大する。
【００１１】
請求項３に記載の実施態様は、請求項１又は２に記載の振動波アクチュエータの駆動方法において、上記ステータから移動子に及ぼす駆動トルクを正弦波状に変化させることを特徴としている。
【００１２】
請求項４に記載の実施態様は、請求項１又は２に記載の振動波アクチュエータの駆動方法において、上記ステータから移動子に及ぼす駆動トルクを多段ステップ状に変化させることを特徴としている。
【００１３】
請求項３又は４に記載のように駆動トルクを正弦波状に変化させたり、多段ステップ状に変化させたりすれば、移動子への出力の方向が三角波状になりにくく、スムーズな出力が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を実施形態により説明する。振動波アクチュエータは、球面状のロータの最大外周円に沿って４個のステータを配置したものであって、図１及び図２に示したものと同じ構造を有しているので、構造の説明は省略し、図１及び図２に用いた符号を引用して、本発明による振動波アクチュエータの駆動方法について説明する。
【００１５】
まず、ロータ４をステータ２，２の各駆動軸Ｘ及びステータ３，３の駆動軸Ｙと異なる方向を向いた回転軸の回りに回転させる場合には、従来例の場合と同様、両ステータ２，２，３，３を同時に駆動すればよい（図３参照）。
【００１６】
つぎに、ステータ２，２の駆動軸Ｘの回りにロータ４を回転させる場合を説明する。この場合には、ステータ２，２には、図５（ａ）（ｂ）に示すように、一定の駆動トルクを連続的に発生させる。ただし、図５（ａ）〜（ｄ）では、各ステータ２，２，３，３に発生する左回りの駆動トルクは正の値で示し、右回りに発生する駆動トルクは負の値で示している。従って、一方のステータ２に正の駆動トルクをＴを発生させ、他方のステータ２に負の駆動トルク−Ｔを発生させると、両ステータ２，２からロータ４には同じ向きの駆動トルクが伝えられ、ロータは２Ｔの駆動トルクを受けることになる。また、他方のステータ３，３には、図５（ｃ）（ｄ）に示すように、ステータ３，３の圧電素子７に印加する２相の電気信号の位相差を短い時間間隔Δｔで交互に反転させ、駆動軸Ｙの回りにおけるロータ４の回転角が平均すると零になるようにステータ３，３によるロータ４の回転方向を短い間隔Δｔで反転させる。
【００１７】
この結果ロータ４は、図６に示すように、ジグザグに回転するが、平均すると駆動軸Ｘの回りに回転することになる。特に、回転方向の切替周期Δｔを短くすることにより駆動軸Ｙの回りでの回転角（回転振幅）をごく小さくすると、駆動軸Ｘの回りに滑らかに回転して見える。しかも、このようにしてロータ４を駆動軸Ｘの回りに回転させるようにすれば、駆動軸Ｘ回りの回転には寄与しないステータ３，３にも進行波を発生させることができるので、ステータ３，３に定在波を発生させる方法と比較すると、摩擦抵抗成分となっていたステータ３，３からの押し付け力を摩擦駆動成分とすることができ、振動波アクチュエータ１の出力トルクを増大させることができる。
【００１８】
同様に、ロータ４を駆動軸Ｙの回りに回転させる場合も、ステータ３，３によってロータ４を駆動軸Ｙの回りに回転させると同時に、ステータ２，２に進行波を励起してロータ４を駆動軸Ｘの回りに交互に反転させるように駆動すればよい。
【００１９】
なお、ロータを回転駆動するステータ（以下、駆動側のステータという）では、圧電素子に印加する２相の信号電圧の時間的位相差は０〜９０度の範囲で決定できる。また、ロータを交互に反転させるステータ（以下、非駆動側のステータという）でも、２相の信号電圧の時間的位相差は０〜９０度の範囲で選択できる。ただし、駆動側のステータの時間的位相差と非駆動側のステータの時間的位相差とを同程度にすると、ロータの表面の移動する軌跡が三角波形状になりやすいから、駆動側のステータの時間的位相差は９０度とし、非駆動側のステータの時間的位相差は９０度よりも小さいことが望ましい。また、駆動軸Ｘの回りに回転させる場合も、駆動軸Ｙの回りに回転させる場合も、ステータ２，２による駆動トルクＴｘとステータ３，３による駆動トルクＴｙとは等しくしてもよいが、ロータ４の回転方向を反転させる周期Δｔは０.５秒以下が好ましい。それより周期Δｔが長くなると、ロータ４の軌跡のジグザグが目立ち易くなる。
【００２０】
（理論的説明）
上記のようにして振動波アクチュエータ１を駆動することにより、従来よりも摩擦抵抗を低減して出力トルクを大きくできることを計算により示す。なお、各ステータの接触駆動面８とロータとの接触面は、面積を持たない円形線で、各ステータの駆動軸（中心軸）は同一平面上にあると仮定して、振動波アクチュエータ１の出力トルクを計算する。
【００２１】
（従来例の駆動方法の場合）
はじめに、ステータ２，２を駆動側とし、ステータ３，３を非駆動側として定在波を発生させ、従来の駆動方法によってロータ４を駆動軸Ｘの回りに回転させる場合について考える。従来の駆動方法の様子を図７（ａ）（ｂ）に示す。
【００２２】
駆動側のステータ２，２による駆動トルクを求める。駆動側のステータ２，２の接触駆動面８に発生する駆動力Ｆ_tは、つぎの（１）式で表される。
Ｆ_t＝μ_tＰ_t …（１）
ただし、μ_tは、駆動側のステータの接触駆動面８とロータの間の動摩擦係数であり、Ｐ_tは、接触駆動面８とロータの間の単位長さ当たりの押し付け圧（垂直抗力）である。よって、各ステータ２，２の接触駆動面８に発生する駆動トルクをＴ_tとすれば、これはステータ２，２の接触駆動面８の半径（以下、ステータ半径という）と駆動力Ｆ_tの積を接触駆動面８の一周について積分したものであるから、次の（２）式が得られる。
【００２３】
【数１】

【００２４】
駆動側のステータ２，２は２枚あるから、駆動側のステータ２，２からロータに加わる全駆動トルクＴ_twは、つぎの（３）式となる。
Ｔ_tw＝４πｒμ_tＰ_t …（３）
【００２５】
つぎに、非駆動側のステータ３，３による摩擦トルク（負荷トルク）を求める。この場合も、各ステータ３，３の接触駆動面８に発生する摩擦力Ｆ_fは、次の（４）式で表される。
Ｆ_f＝μ_fＰ_f …（４）
ただし、μ_fは、ステータ３，３の接触駆動面８とロータ４の間の動摩擦係数であり、Ｐ_fは、ステータ３，３とロータ４の間の単位長さ当たりの押し付け圧（垂直抗力）である。ここで、摩擦トルクの計算式を導くため、非駆動側のステータ３，３のトルク腕長さＬを求める。
【００２６】
トルク腕長さＬの概念図を図８に示す。トルク腕長さＬとは、駆動側のステータ２，２の駆動軸Ｘと非駆動側のステータ３，３の接触駆動面８の各部分領域までの距離である。よって、ステータ半径をｒ、ロータ半径をＲ、ステータ３，３の接触駆動面８の部分領域の駆動軸Ｙ回りの角度をθとすると、図８から求められるように、トルク腕長さＬは、次の（５）式で表される。
【００２７】
【数２】

【００２８】
上記（５）式において、√（Ｒ₂−ｒ₂）は、腕長さ最短時の長さを示しており、駆動軸Ｘ及びＹを含む平面上における腕長さである。
【００２９】
ステータ３，３による摩擦トルクＴ_fは、摩擦力Ｆ_fと腕長さＬの積をステータ３，３の接触駆動面８の一周について積分したものである。すなわち、上記（４）式及び（５）式を用いると、つぎの（６）式が得られる。
【００３０】
【数３】

【００３１】
非駆動側のステータ３，３も２枚あるから、非駆動側のステータ３，３からロータに加わる全摩擦トルクＴ_fwは、つぎの（７）式となる。
【００３２】
【数４】

【００３３】
この（７）式は、（３）式を用いれば、次の（８）式のように表すことができる。
【００３４】
【数５】

【００３５】
従来例の振動波アクチュエータ１においては、実際に取り出すことができる出力トルクＴは、（駆動トルク）−（摩擦トルク）であり、
Ｔ＝Ｔ_tw−Ｔ_fw …（９）
で表すことができる。よって、上記（８）式によれば、出力トルクＴは、次の（１０）式となる。
【００３６】
【数６】

【００３７】
ここで、ロータの半径Ｒとステータ半径ｒの比が、
Ｒ／ｒ＝１.５
［例えば、ロータの半径Ｒが１５ｍｍ、ステータ半径ｒが１０ｍｍ］であるとすると、上記（１０）式より、振動波アクチュエータ１の駆動軸Ｘ方向への出力トルクは次の（１１）式のようになる。
【００３８】
【数７】

【００３９】
さらに、Ｔ_tw＝２Ｔ_tを用いると、次の（１２）式が得られる。
【００４０】
【数８】

【００４１】
（本発明による駆動方法の場合）
次に、本発明の駆動方法の場合を考える。本発明の駆動方法では、非駆動側のステータ３，３は交互に駆動方向を反転させているが、ステータ３，３の駆動方向の反転と反転の中間の期間Δｔの間では、図９に示すように、ロータは駆動軸Ｘと駆動軸Ｙの中間の斜め４５度方向に駆動されているとする。
【００４２】
斜め方向に駆動する場合には、すべてのステータ２，２，３，３が実際には駆動されており、従来の駆動方法の場合のように負荷として働くステータは存在しない。そのため、この場合には、駆動側ステータ２，２による駆動トルクと非駆動側ステータ３，３による駆動トルクのみを考慮すればよい。斜め方向に駆動するときには、各ステータ２，２，３，３の発生する駆動トルクのペクトルと実際に駆動（回転）する方向とは４５度の角度を持っている。そのため、各ステータ２，２，３，３の発生する駆動トルクＴ_tのベクトルを４５度方向へ分解した成分がロータの出力トルクとして働くと考えられる。よって、この場合の出力トルクＴは、４つのステータ２，２，３，３による駆動トルクＴ_tの４５度方向成分の和となり、次の（１３）式で表される。
Ｔ＝４×Ｔ_t・cos４５゜
＝２（√２）Ｔ_t …（１３）
【００４３】
（従来例と本発明との比較）
しかして、従来の駆動方法では、出力トルクＴは、Ｒ／ｒ＝１.５とすると、前記（１２）式のように、
Ｔ＝２｛１−１.３１６（μ_fＰ_f／μ_tＰ_t）｝Ｔ_t …（１２）
となる。さらに、（μ_fＰ_f）／（μ_tＰ_t）≒０.２３とすると、（１２）式の出力トルクは、Ｔ≒１.４Ｔ_tとなるが、本発明の駆動方法では、Ｔ≒２．８Ｔｔとなり、出力トルクがほぼ倍となる。
【００４４】
（第２の実施形態）
図１０は、本発明の別な実施形態における非駆動側のステータの駆動方法を示している。この実施形態では、非駆動側のステータの駆動トルクを正弦波状に変化させている。このようにロータを駆動することによって出力の方向が三角波状になりにくく、スムーズな出力が得られる。
【００４５】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明のさらに別な実施形態における非駆動側のステータの駆動方法を示している。この実施形態では、非駆動側のステータの駆動トルクを多段のステップ状に変化させている。このようにロータを駆動することによって出力の方向が三角波状になりにくく、スムーズな出力が得られる。
【００４６】
（第４の実施形態）
ステータの数が３個又は５個以上の場合も、同様に制御することが可能である。例えば、図１２は３個のステータ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃをロータ４の最大外周円に沿って配置し、３個のステータ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃでロータ４を保持及び駆動するようにした振動波アクチュエータ２１を示している。このような振動波アクチュエータ２１にあっても、ステータ２２Ａの駆動軸Ｑと垂直な方向の駆動トルクＴをロータ４に及ぼしてその回りにロータ４を回転させる場合には、駆動側の２つのステータ２２Ｂ，２２Ｃからロータ４に駆動トルクＴ_B，Ｔ_Cを働かせ、その合力としてロータ４に駆動トルク４を発生させる。同時に、非駆動側のステータ２２Ａには回転角度が平均すれば零となるようにして、正方向及び負方向に交互に回転トルクΔＴを及ぼして回転振動させるようにする。この結果、このステータ２２Ａからもロータ４に駆動トルクΔＴを及ぼすことができ、摩擦トルクが働かなくなるので、振動波アクチュエータ２１の出力トルクを大きくできる。なお、２３はケースである。
【００４７】
（第５の実施形態）
図１４は本発明のさらに別な実施形態による振動波アクチュエータ３１の構造を示す平面図である。この実施形態では、Ｘ軸方向の進行波を発生させてＸ軸方向にスライダー３４を移動させるステータの接触子３２と、Ｙ軸方向の進行波を発生させてＹ軸方向にスライダー３４を移動させるステータの接触子３３とを碁盤目状に交互に配列させ、その上にスライダー３４を重ねた構造を有している。このような２次元リニア駆動型の振動波アクチュエータ３１においても、例えばＸ軸方向に移動させる場合には、駆動側の接触子３２にはＸ軸方向の進行波を発生させ、非駆動側の接触子３３には正負交互の進行波を発生させてスライダー３４を細かくジグザグにＸ軸方向へ走行させれば、出力を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動波アクチュエータの構造を示す一部破断した正面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は同上のステータの正面図及び断面図である。
【図３】振動波アクチュエータの駆動方法を説明する図である。
【図４】振動波アクチュエータの従来の駆動方法を説明する図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は駆動側のステータの駆動状態を示す波形図、（ｃ）（ｄ）は非駆動側のステータの駆動状態を示す波形図である。
【図６】同上の駆動方法により駆動されたロータの回転する様子を示す図である。
【図７】従来の駆動方法による出力トルクの計算に用いた図である。
【図８】トルク腕長さの計算に用いた図である。
【図９】本発明の駆動方法による出力トルクの計算に用いた図である。
【図１０】本発明による振動波アクチュエータの別な駆動方法を説明する図である。
【図１１】本発明による振動波アクチュエータのさらに別な駆動方法を説明する図である。
【図１２】振動波アクチュエータの別な実施形態を示す斜視図である。
【図１３】同上の振動波アクチュエータの駆動方法を説明する図である。
【図１４】振動波アクチュエータのさらに別な実施形態を示す平面図である。
【符号の説明】
２，３，２２Ａ〜２２Ｃステータ
４ロータ
３２，３３接触子
３４スライダー

Claims

複数のステータにより複数の駆動軸の回りに移動子を回転させるようにした振動波アクチュエータにおいて、
移動子を回転させようとする方向の回転ベクトルが、その駆動軸の方向に分力を持たないステータが存在する場合には、当該ステータによる移動子の平均の回転量が零となるように当該ステータから移動子に正負の駆動トルクを交互に印加するようにしたことを特徴とする振動波アクチュエータの駆動方法。
複数のステータにより複数の駆動方向に移動子を移動させるようにした振動波アクチュエータにおいて、
移動子を移動させようとする方向の移動ベクトルが、その駆動方向に分力を持たないステータが存在する場合には、当該ステータによる移動子の平均の移動量が零となるように当該ステータから移動子に正負の駆動力を交互に印加するようにしたことを特徴とする振動波アクチュエータの駆動方法。
上記ステータから移動子に及ぼす駆動トルクを正弦波状に変化させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の振動波アクチュエータの駆動方法。
上記ステータから移動子に及ぼす駆動トルクを多段ステップ状に変化させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の振動波アクチュエータの駆動方法。