説明

超音波モータ駆動装置

【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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2006−238644号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【発明の効果】
【0011】
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。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】(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。
【図2】(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。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】(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
【図7】従来のアクチュエータの断面構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
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。
【実施例1】
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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)
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
(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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【実施例2】
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【産業上の利用可能性】
【0046】
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。
【符号の説明】
【0047】
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

【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2010−166720(P2010−166720A)
【公開日】平成22年7月29日(2010.7.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−7446(P2009−7446)
【出願日】平成21年1月16日(2009.1.16)
【出願人】(000000376)オリンパス株式会社 (11,466)
【Fターム(参考)】