JP4957722B2 - 駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、駆動装置に関する。
特許文献1には、電気機械変換素子の伸縮によって駆動軸を軸方向に往復移動し、駆動軸に摩擦係合する移動体を駆動軸上で滑り移動させる駆動装置において、移動体の位置決めの他に、駆動軸のクリーニングを目的として、移動体を駆動軸の全長に渡って移動させるセルフメンテナンスを行うことが開示されている。
このような駆動装置では、駆動軸の汚れによる駆動力の低下だけでなく、使用しない状態が続くと、移動体の駆動軸に対する摩擦力が一時的に増大して移動体を移動させにくくなったり、移動できなくなったりする。つまり、移動体が駆動軸に固着する現象が発生する場合がある。
特開2004−15864号公報 特開2004−104919号公報
そこで、本発明は、不使用による移動体の固着を解消できる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置は、電気機械変換素子の伸縮によって軸方向に往復移動する駆動軸と、前記駆動軸に摩擦係合する移動体と、前記電気機械変換素子に駆動電圧を入力する駆動回路とを有し、前記駆動回路は、前記電気機械変換素子の共振周波数(fr)より小さく、且つ、前記移動体の移動速度が最大となる周波数(fd1)より小さい周波数(fd1’)の駆動動作パターン電圧と、前記駆動動作パターン電圧の周波数(fd1’)より小さく、且つ、前記移動体に作用する推力が最大となる周波数(fd2)の近傍の周波数の固着解消パターン電圧とを出力するものとする。
この構成によれば、移動体の移動速度が最大となる周波数(fd1)が電気機械変換素子の共振周波数(fr)より小さく、移動体に作用する推力が最大となる周波数(fd2)が移動体の移動速度が最大となる周波数(fd1)より小さい。よって、移動体移動速度が速い周波数(fd1)近傍の周波数の駆動動作パターン電圧によって、電気機械変換素子への入力量に比例して効率よく移動体を移動させることができ、さらに、移動体に作用する推力が最大となる周波数(fd2)の近傍の周波数の固着解消パターン電圧によって、移動体の駆動軸に対する固着を解消することができる。
また、本発明の駆動装置において、前記駆動動作パターン電圧の周波数(fd1’)は、前記電気機械変換素子の共振周波数(fr)の0.75倍以上、0.85倍以下であってもよい。
この構成によれば、駆動動作パターン電圧の周波数を、移動体の移動速度が最大となる周波数に近く、且つ、共振周波数frに近すぎないようにすることで、十分に高い駆動速度を得ながら、個体差による駆動速度のバラツキを小さくすることができる。
また、本発明の駆動装置において、前記固着解消パターン電圧の出力継続時間は、1000msec以下であってもよい。
移動体が固着した場合、通常の駆動動作パターン電圧でも1000msec連続して印加すると固着を略解消できる。よって、固着解消パターン電圧の継続時間を1000msecを超えて印加することは無駄である。
また、本発明の駆動装置において、前記固着解消パターン電圧は、前記電気機械変換素子を緩慢に伸長して急峻に収縮させる波形と、前記電気機械変換素子を急峻に伸長して緩慢に収縮させる波形とを所定の単位時間ずつ交互に繰り返してもよい。
この構成によれば、移動体に対して両方向に推力を加えることができ、推力が集中的に作用する位置を移動させられるので移動体の固着を解消しやすい。また、移動体が機械的ストロークの端部にあるときでも、移動可能な方向にも推力が作用して固着を解消できる。
また、本発明の駆動装置において、前記単位時間は100msec以下であってもよい。
移動体に対して両方向にバランスよく推力を加えることができ、固着を短時間で解消することができる。
また、本発明の駆動装置において、前記単位時間は、前記移動体の固有振動周期の1/2であってもよい。
この構成によれば、移動体の固有振動数に合わせて推力を加えることで共振によって、移動体の移動を促し、固着を容易に解消できる。
また、本発明の駆動装置において、前記固着解消パターン電圧は、前記駆動動作パターン電圧と波形が異なってもよい。
この構成によれば、駆動動作パターン電圧よりも推力が高くなるような波形の固着解消パターン電圧を印加することで、効率的に移動体の固着を解消できる。
また、本発明の駆動装置において、前記前記固着解消パターン電圧は、周波数が前記移動体に作用する推力が最大となる周波数(fd2)を中心として±3%の範囲でスイープされてもよい。
この構成によれば、温度などの使用環境によって、電気機械変換素子の周波数特性が変化しても、固着解消パターン電圧を所定の範囲で変化させるので、移動体に最大推力を作用させることができ、効率的に固着を解消できる。
また、本発明の駆動装置において、前記駆動動作パターン電圧と前記固着解消パターン電圧とは、共に矩形波であって、前記固着解消パターン電圧は、前記駆動動作パターン電圧とデューティ比が異なってもよい。
矩形波で駆動するタイプの駆動装置では、移動体の速度を最大にするデューティ比と、移動体の推力を最大にするデューティ比とが異なるため、駆動動作電圧パターンのデューティ比を移動体の速度が高くなるようにし、固着解消パターン電圧のデューティ比を推力が高くなるようにすることで、駆動効率を最適化しながら、確実に固着を解消できる。
また、本発明の駆動装置において、前記固着解消パターン電圧のデューティ比は、0.3近傍または0.7近傍であってもよい。
移動体に作用する推力は、駆動方向により、デューティ比が約0.3約または0.7のときに最大となるので、固着解消パターン電圧のデューティ比をこの値の近傍に設定することで固着を解消しやすくなる。
また、本発明の駆動装置において、前記駆動動作パターン電圧の周波数(fd1’)と、前記移動体に作用する推力が最大となる周波数(fd2)との差が、前記移動体に作用する推力が最大となる周波数(fd2)の3%以上であってもよい。
この構成によれば、固着解消パターン電圧により移動体に作用する推力を、駆動動作パターン電圧により移動体に作用する推力より有意に大きく設定することができ、移動体の固着を解消しやすい。
また、本発明の駆動装置において、前記固着解消パターン電圧は、前記移動体を前記駆動軸の先端方向に移動させる波形と、前記移動体を前記駆動軸の根元方向に移動させる波形とを交互に繰り返してもよい。
この構成によれば、移動体に対して両方向に推力を加えることができ、推力が集中的に作用する位置を移動させられるので移動体の固着を解消しやすい。また、移動体が機械的ストロークの端部にあるときでも、移動可能な方向にも推力が作用して固着を解消できる。
また、本発明の駆動装置において、前記固着解消パターン電圧は、電源投入時、リセット動作時、および、一定時間前記駆動動作パターン電圧が出力されなかったときの少なくともいずれかのときに出力されてもよい。
この構成によれば、移動体が移動しない状態が継続したときに、固着解消パターン電圧を印加するので、駆動動作パターン電圧の入力量と、移動体の移動量に差が出ることを防止できる。
本発明によれば、固着解消パターン電圧を印加して、移動体の駆動軸に対する固着を解消するので、駆動動作パターン電圧の入力量に比例して移動体が移動するようにできる。
本発明の駆動装置の概略図。 図1の駆動装置の駆動動作パターン電圧および電気機械変換素子の変位の波形を示すグラフ。 図1の駆動装置の固着解消パターン電圧の一覧表。 図1の駆動装置の移動体速度と移動体推力の駆動電圧の周波数に対する特性を示すグラフ。 図1の駆動装置の移動体速度と移動体推力の駆動電圧のデューティ比に対する特性を示すグラフ。
符号の説明
1 駆動装置
3 電気機械変換素子
4 駆動軸
5 移動体
6 駆動回路
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、本発明に係る駆動装置1の構成を示す。駆動装置1は、錘2と、錘2に一端が固定された電気機械変換素子(例えば圧電素子)3と、電気機械変換素子3の他端に一端が固定された棒状の駆動軸4と、駆動軸4に摩擦係合する移動体5と、電気機械変換素子3に駆動電圧を印加する駆動回路6とからなり、移動体5は、被駆動体7を支持している。
駆動装置1において、電気機械変換素子3は、印加された電圧に応じて矢印A,B方向に伸縮する。駆動軸4は、電気機械変換素子3の伸縮によって軸方向(矢印A,B方向)に往復移動する。移動体5は、駆動軸4が緩慢に移動するときは、駆動軸4と共に移動するが、駆動軸4が急峻に移動するときは、自身の慣性力によってその場に留まろうとして駆動軸4に対して滑り移動する。
駆動回路6は、電気機械変換素子3に対し、移動体5を位置決めするための駆動動作パターン電圧の他に、移動体5の駆動軸4に対する固着を解消するための固着解消パターン電圧を出力するようになっている。
図2に、駆動回路6が出力する駆動動作パターン電圧の波形と、駆動動作パターン電圧に対応する電気機械変換素子3の長さの変化、すなわち、駆動軸4の軸方向の位置を示す。本実施形態は、電気機械変換素子3に矩形波を入力して駆動軸4の鋸歯状の変位を得るものであり、駆動軸4が固定された状態における電気機械変換素子3の駆動電圧に対する変位の伝達特性(周波数による利得と位相の変化)を利用するものである。図2(A)は、移動体5を矢印A方向に移動させる場合を示し、図2(B)は、移動体5を矢印B方向に移動させる場合を示す。
図1の構成では、通常、移動体5の移動速度が最大となる周波数fd1と、移動体5に作用する推力が最大となる周波数fd2とが略一致するが、本実施形態の駆動装置1は、特許文献2(特開2004−104919号公報)に開示された、共振周波数の選択により、つまり、錘2、電気機械変換素子3および駆動軸4のそれぞれの長さ、外径および重量の選択による共振周波数の設定によって、移動体5の移動速度が最大となる周波数fd1を移動体5に作用する推力が最大となる周波数fd2と異ならせている。
具体的には、錘2は、タングステン材料を直径2mm、長さ1mmの円柱状に形成してなり、電気機械変換素子3は、PZT粒子材料を直径1.2mm、長さ3.3mmの円柱状に形成してなり、駆動軸4は、カーボン材料を直径1mm、長さ9.8mmの円柱状に形成してなる。
この構成において、電気機械変換素子3の共振周波数frは、168kHzであり、移動体5の移動速度が最大となる周波数fd1は、143kHzであり、移動体5に作用する推力が最大となる周波数fd2は、118kHzである。
電気機械変換素子3の伸長速度と収縮速度との間に差をつけて移動体5を滑り移動させるために、理想的な駆動動作パターン電圧の駆動周波数fd1は、電気機械変換素子3の共振周波数frの0.8〜0.9倍である。しかし、共振周波数frに近いほど個体差によるバラツキが大きくなるため、駆動装置1では、{平均値−3σ(標準偏差)}の値が最大となるように、共振周波数frの0.75〜0.8倍の駆動動作周波数fd1’(例えば126kHz)で駆動する。また、駆動動作パターン電圧のデューティ比Du1は、移動体5をA方向に滑り移動させるときは0.34、移動体5をB方向に滑り移動させるときは0.66に設定される。
図3に、駆動装置1の固着解消パターン電圧の一覧を例示する。駆動装置1において、電気機械変換素子3に長時間駆動電圧が印加されず、移動体5が駆動軸4の同じ位置に係合したまま時間が経過すると、移動体5の駆動軸4に対する摩擦力が一時的に増大し、移動体5が駆動軸4に固着する場合があるが、固着解消パターン電圧は、このような移動体5の固着を解消するために出力されるものである。
固着解消パターン電圧は、駆動動作パターン電圧と同じ電圧(振幅)の矩形波電圧であるが、図示するように、周波数およびデューティ比が異なる14種類の電圧を続けて出力するものである。また、駆動動作パターン電圧の出力パルス数は、移動体5を移動すべき距離に比例した数だけ出力されるが、固着解消パターン電圧の出力パルス数は、図3に示すように予め定められた数だけ出力される。
駆動動作パターン電圧の各ステップの駆動電圧を出力するために要する単位時間は、全て約30msecであり、一定である。また、この単位時間は、図1において、矢印Cで示すような、被移駆動体7を含めた移動体5の駆動軸4上での振動の固有振動周期の1/2に略一致している。また、全14ステップを出力するために要する継続時間は、420msecである。
固着解消パターン電圧において、各奇数ステップは、デューティ比が0.30であり、電気機械変換素子3を緩慢に伸長させてから急峻に収縮させることにより移動体5を矢印A方向に滑り移動させる波形である。一方、各偶数ステップは、デューティ比が0.70であり、電気機械変換素子3を急峻に伸長させてから緩慢に収縮させることにより移動体5を矢印B方向に滑り移動させる波形である。
固着解消パターン電圧の周波数である固着解消周波数fd2の変化は、ステップ7,8の118.0kHzを基準に、±3%の範囲で1%ずつ変化させるようにスイープするようになっている。
また、駆動装置1において、駆動回路6は、電源投入時、リセット動作時、および、一定時間駆動動作パターン電圧を出力しなかったとき、自動的に固着解消パターン電圧を出力するようになっており、駆動回路6が固着解消パターン電圧を出力したら、駆動装置1は、続けて原点復帰動作を行うようになっている。
続いて、固着解消パターン電圧を印加することによる作用効果を説明する。
図4(A)に、移動体5の移動速度と印加する矩形波駆動電圧の周波数との関係を示し、図4(B)に、移動体5に作用する推力と印加する矩形波駆動電圧の周波数との関係を示す。ただし、図は、環境温度20℃で測定したものである。
移動体5の移動速度は、駆動動作パターン電圧を連続して印加した際の、移動体5の位置の変化を、0.5秒間隔で、レーザ測長器によってサブミクロン単位で測定して算出した。
また、移動体5に作用する推力は、圧縮型ロードセルを用いて測定した。
前述のように、駆動動作周波数fd1’は、移動体5の移動速度が最大になる周波数fd1よりやや低い周波数が選択され、固着解消周波数fd2は、駆動動作周波数fd1’よりもさらに低い周波数が選択されている。このため、固着解消パターン電圧による移動体5の移動速度は、駆動動作パターン電圧による移動速度よりも遅いものとなる。
一方、移動体5を駆動軸4に対して滑り移動させるように作用する推力は、一般に、移動体5の移動量を最大にする周波数fd1および駆動動作周波数fd1’よりも低い周波数において最大となる。よって、本実施形態では、移動体5に作用する推力が最大となる周波数fd2(118kHz)を固着解消周波数としている。
このため、駆動動作パターン電圧を印加しても移動体5が滑り移動しないような固着状態であっても、電気機械変換素子3に固着解消パターン電圧を印加すると駆動動作パターン電圧を印加するときより大きな推力が移動体5に作用するので移動体5を駆動軸4に対して滑り移動させることができる。固着状態にあった移動体5も、一度滑り移動すると、通常の推力で滑り移動する状態に復帰する。このように、駆動動作周波数fd1’よりも低い固着解消周波数fd2の固着解消パターン電圧を印加することによって移動体5の固着状態を解消できる可能性が高い。
本実施形態では、固着解消周波数を移動体5に作用する推力が最大となる周波数fd2に合致させているが、固着解消周波数は、移動体5に作用する推力が最大となる周波数fd2の近傍の周波数であってもよい。
また、本実施形態において、駆動動作周波数fd1’と移動体5に作用する推力が最大となる周波数fd2との差は、移動体5に作用する推力が最大となる周波数fd2を基準にして、約6.8%である。これは、固着解消周波数において移動体5に作用する推力が、駆動動作周波数fd1’において移動体5に作用する推力よりも十分に大きくなることを意味する。駆動動作周波数fd1’と移動体5に作用する推力が最大となる周波数fd2との差が3%以上であれば、固着解消パターン電圧の作用を、駆動動作パターン電圧と比較して有意なものとすることができる。
また、図5(A)に、移動体5の移動速度と印加する矩形波駆動電圧のデューティ比との関係を示し、図5(B)に、移動体5に作用する推力と印加する矩形波駆動電圧のデューティ比との関係を(A方向に作用する範囲のみ)示す。移動体5の速度と推力は、デューティ比に対しても異なるピークを有しており、駆動動作パターン電圧のデューティ比Du1は、移動体5の移動速度をできるだけ高くできるような値(Du1=0.34)に設定され、固着解消パターン電圧のデューティ比は、移動体5に作用する推力をできるだけ高くできるような値(Du2=0.30)に設定されている。
このデューティ比の変化によっても、駆動動作パターン電圧では容易に移動しないように固着した移動体5を固着解消パターン電圧によって移動させやすくすることができる。
また、駆動装置1において、固着解消パターン電圧の各ステップをA方向とB方向とに、それぞれ移動体5の固有振動周波数の1/2に略一致する単位時間ずつ、交互に繰り返すようにしているため、移動体5を共振させて、小さな推力でも移動体が滑り移動し易いようにしている。
さらに、固着解消パターン電圧は、固着解消周波数fd2がスイープされるようになっているが、これは、図4に示すようなグラフの移動体5の速度および推力の周波数に対する特性が、環境温度の変化によってシフト(横軸方向に移動)するので、環境温度にかかわらず少なくともいずれかのステップで推力が略ピークになるようにするためである。環境温度が基準となる20℃から±40℃の範囲で変化すると、移動体5の推力がピークとなる周波数は±3%程度シフトすることから、本実施形態では、固着解消周波数fd2を±3%の範囲でスイープしている。
以上のように、本実施形態の駆動装置1は、移動体5の駆動軸4に対する固着を解消するために周波数、デューティ比、単位時間などのパラメータを最適化した固着解消パターン電圧を電気機械変換素子3に印加するが、本発明は、必ずしも、全てのパラメータを最適化することを要求するものではない。
例えば、固着解消パターン電圧によって移動体5に作用する推力がA,Bいずれか一方向だけとなるものであってもよい。ただし、移動体5と駆動軸4との接触面の特定の部位にだけ推力が集中して作用しないように、A,B両方向に推力を作用させることで固着を解消し易くなる。特に、移動体5が機械的なストロークのいずれか一端にあるときに、全く機能しないおそれがあるので、A,B両方向に交互に作用するようにしておくことが好ましい。
また、単位時間は、移動体5の固有振動周波数に無関係に決めてもよいが、推力をバランスよく作用させて早く固着を解消するためには、単位時間を100msec以下にすることが好ましい。
また、駆動動作パターン電圧と同じ波形の電圧を連続して印加しても、移動体5の固着は解消可能であり、その場合、大抵の固着は1000msec程度で解消される。よって、通常の条件では、固着解消パターン電圧の継続時間を1000msecを超えて長く設定すると、起動時間が必要以上に長くなったりエネルギー損失が増加するだけなので好ましくない。
また、本実施形態では、固着解消周波数fd2をスイープするので、単位時間を厳密に揃えるために出力パルス数を変化させているが、仮に、パルス数を変化させなくても、単位時間のバラツキは±3%程度であり、各ステップの単位時間はおよそ一定であると理解しなければならない。
また、本実施形態は、矩形波電圧駆動による駆動装置1であるが、鋸歯状電圧駆動においても、移動体速度のピークは移動体推力のピークより高くなる。よって、鋸歯状電圧駆動による駆動装置にも本発明を適用することができる。

Claims (18)

  1. 電気機械変換素子の伸縮によって軸方向に往復移動する駆動軸と、前記駆動軸に摩擦係合する移動体と、前記電気機械変換素子に駆動電圧を入力する駆動回路とを有し、
    前記駆動回路は、前記電気機械変換素子の共振周波数(fr)より小さく、且つ、前記移動体の移動速度が最大となる周波数(fd1)より小さい周波数(fd1’)の駆動動作パターン電圧と、
    前記駆動動作パターン電圧の周波数(fd1’)より小さく、且つ、前記移動体に作用する推力が最大となる周波数(fd2)の近傍の周波数の固着解消パターン電圧とを出力することを特徴とする駆動装置。
  2. 前記駆動動作パターン電圧の周波数(fd1’)は、前記電気機械変換素子の共振周波数(fr)の0.75倍以上、0.85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。
  3. 前記固着解消パターン電圧の出力継続時間は、1000msec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。
  4. 前記固着解消パターン電圧は、前記電気機械変換素子を緩慢に伸長して急峻に収縮させる波形と、前記電気機械変換素子を急峻に伸長して緩慢に収縮させる波形とを所定の単位時間ずつ交互に繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
  5. 前記単位時間は、100msec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。
  6. 前記単位時間は、前記移動体の固有振動周期の1/2であることを特徴とする請求項4に記載の駆動装置。
  7. 前記固着解消パターン電圧は、前記駆動動作パターン電圧と波形が異なることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
  8. 前記固着解消パターン電圧は、周波数が前記移動体に作用する推力が最大となる周波数(fd2)を中心として±3%の範囲でスイープされることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
  9. 前記駆動動作パターン電圧と前記固着解消パターン電圧とは、共に矩形波であって、
    前記固着解消パターン電圧は、前記駆動動作パターン電圧とデューティ比が異なることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
  10. 前記固着解消パターン電圧のデューティ比は、0.3近傍または0.7近傍であることを特徴とする請求項9に記載の駆動装置。
  11. 前記駆動動作パターン電圧と前記固着解消パターン電圧とは、ともに矩形波であって、前記駆動動作パターン電圧の周波数(fd1’)は、前記電気機械変換素子の共振周波数(fr)の0.75倍以上、0.85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。
  12. 前記固着解消パターン電圧は、前記駆動動作パターン電圧とデューティ比が異なることを特徴とする請求項11に記載の駆動装置。
  13. 前記駆動動作パターン電圧の周波数(fd1’)と、前記移動体に作用する推力が最大となる周波数(fd2)との差が、前記移動体に作用する推力が最大となる周波数(fd2)の3%以上であることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
  14. 前記駆動動作パターン電圧の周波数(fd1’)は、前記電気機械変換素子の共振周波数(fr)の0.75倍以上、0.85倍以下であることを特徴とする請求項13に記載の駆動装置。
  15. 前記固着解消パターン電圧は、前記移動体を前記駆動軸の先端方向に移動させる波形と、前記移動体を前記駆動軸の根元方向に移動させる波形とを交互に繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
  16. 前記固着解消パターン電圧は、前記移動体を前記駆動軸の先端方向に移動させる波形と、前記移動体を前記駆動軸の根元方向に移動させる波形とを、それぞれ、前記移動体の固有振動周波数の1/2に略一致する単位時間ずつ交互に繰り返すことを特徴とする請求項15に記載の駆動装置。
  17. 前記固着解消パターン電圧は、矩形波であって、デューティ比が0.3近傍または0.7近傍であることを特徴とする請求項15に記載の駆動装置。
  18. 前記固着解消パターン電圧は、電源投入時、リセット動作時、および、一定時間前記駆動動作パターン電圧が出力されなかったときの少なくともいずれかのときに出力されることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
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