JP2010130861A - 超音波モータ及びそれを用いた駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波モータにおける駆動部の一部を、駆動部としての剛性を確保した上で容易に交換可能に構成することにより、超音波モータの長時間の使用を可能にする。
【解決手段】超音波モータは、振動を励起する圧電素子１０と、弾性部材１１を介して圧電素子１０と一体化された超音波モータ本体１２と、圧電素子１０と一体化された駆動部１３とを備える。駆動部１３は、受け座１４と駆動子１５とを有する。駆動子１５は、受け座１４に対して挿脱可能であって、駆動子１５が受け座１４に挿入されることによって、少なくとも二次元方向の駆動子１５の位置決めが行われる。駆動子１５が受け座１４に挿入され固定されているときの駆動部１３が、少なくとも圧電素子１０の振動周波数以上の固有振動数を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波モータ及びそれを用いた駆動装置に関する。

超音波モータは、２０ＫＨｚ以上の超音波領域の振動を利用したモータであり、駆動特性の精度が良く、またコンパクトに構成できるので、駆動アクチュエータとして利用されている。超音波モータは、高い周波数の振動を利用しているので、駆動効率を確保するためには、超音波モータにおける駆動部の固有振動数を、少なくとも、その超音波モータが利用する振動の周波数以上にする必要がある。従って、超音波モータを構成するとき、特に駆動部の剛性を高くし、駆動部の固有振動数を高くすることが重要である。

一方、超音波モータを用いた駆動装置では、通常、超音波モータにおける駆動部を、駆動装置における可動部と当接させ、その駆動部と可動部との間、すなわち駆動摺動部に生じた接触力によって、可動部を駆動できるようになっている。従って、超音波モータによる駆動性能は、超音波モータにおける駆動部と駆動装置における可動部との接触状態に大きく影響される。しかしながら、その駆動部と可動部は互いに磨耗しあうため、駆動装置として使用していくと、少なくとも一方の表面状態が変化し、その駆動部と可動部との接触状態が変化してしまう可能性がある。その接触状態が変化してしまうと、駆動性能が劣化し、それに起因して可動部を駆動できなくなる可能性がある。

超音波モータを用いた駆動装置の性能を維持するための技術は、例えば特許文献１に提案されている。特許文献１に提案されている超音波モータ駆動装置では、摩擦部材と駆動力伝達部材との摩擦駆動により発生した磨耗粉が駆動力伝達部材に付着するのを防止するため、多数の繊維状体を備えた掻き取り部を設けるようにしている。この掻き取り部は、駆動力伝達部材に接触し、磨耗粉の帯電状態と異なる極性に帯電しているので、駆動力伝達部材に付着した磨耗粉を除去できるようになっている。これにより、超音波モータ駆動装置の性能を長く維持できるようになっている。
特開２００４−２３６３８９号公報

しかしながら、特許文献１に提案されている超音波モータ駆動装置では、磨耗粉の除去はできるものの、摩擦駆動による部材間の磨耗が進み、その磨耗によって摩擦部材と駆動力伝達部材との間の接触状態が変化して駆動特性が変化した場合に、対応する手段が設けられていない。

本発明は、上記実情に鑑み、超音波モータにおける駆動部の一部を、駆動部としての剛性を確保した上で容易に交換可能に構成することにより、長時間の使用を可能にする超音波モータと、超音波モータにおける駆動部の一部又は超音波モータ自体を、剛性を確保した上で容易に交換可能に構成することにより、長時間の使用を可能にする、超音波モータを用いた駆動装置と、を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る超音波モータは、振動を励起する圧電素子と、弾性部材を介して前記圧電素子と一体化された超音波モータ本体と、前記圧電素子と一体化された駆動部と、を備え、前記駆動部は受け座と駆動子とを有し、前記駆動子は前記受け座に対して挿脱可能であって、前記駆動子が前記受け座に挿入されること
によって少なくとも二次元方向の前記駆動子の位置決めが行われ、前記駆動子が前記受け座に挿入され固定されているときの前記駆動部が、少なくとも前記圧電素子の振動周波数以上の固有振動数を有する、ことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様に係る超音波モータは、前記第１の態様において、前記駆動子は、アリ型の形状を有する、ことを特徴とする。
また、本発明の第３の態様に係る超音波モータは、前記第１の態様において、前記駆動子は、円柱型又は多角柱型の形状を有し、前記駆動子の被駆動体との接触位置を変更可能である、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様に係る、超音波モータを用いた駆動装置は、ベース部と、前記ベース部に対して平行移動可能に配置されるテーブルと、前記ベース部と前記テーブルとの間に配置される案内部材と、前記ベース部に配置される、請求項１乃至３の何れか一項に記載の超音波モータと、前記テーブルに配置されるスケールと前記ベース部に固定されるセンサとを有する位置検出手段と、前記超音波モータに電圧を印加し、前記位置検出手段から出力される検出信号に基づいて前記テーブルの位置を制御する制御手段と、表示手段と、を備え、前記制御手段は、更に、前記検出信号に基づいて前記超音波モータの駆動特性の劣化を自動的に検出し、前記表示手段は、前記超音波モータの駆動特性が劣化した旨を通知する、ことを特徴とする。

また、本発明の第５の態様に係る、超音波モータを用いた駆動装置は、前記第４の態様において、前記超音波モータは前記ベース部に対してスライドアリ締結により挿脱可能に配置され、前記超音波モータが前記ベース部に挿入されることによって前記テーブルに対する平行度が保たれる、ことを特徴とする。

また、本発明の第６の態様に係る、超音波モータを用いた駆動装置は、前記第４又は５の態様において、前記表示手段は、更に、前記超音波モータ又は前記超音波モータの駆動子が交換時期である旨を通知する、ことを特徴とする。

本発明によれば、超音波モータにおいて、駆動部の一部を、駆動部としての剛性を確保した上で容易に交換可能に構成したことにより、長時間の使用を可能にする超音波モータを提供することができる。また、超音波モータを用いた駆動装置において、超音波モータにおける駆動部の一部又は超音波モータ自体を、剛性を確保した上で容易に交換可能に構成したことにより、長時間の使用を可能にする、超音波モータを用いた駆動装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態は、超音波モータに関する。

図１は、本実施形態に係る超音波モータの構成例を示す上面図である。なお、同図は、説明の便宜上、一部に透視図（同図の斜線部）を含んでいる。
同図に示した超音波モータおいて、振動を励起する圧電素子１０は、その固定側面１０ａの長手方向の両端部分で弾性部材１１を介して超音波モータ本体１２（以下単に「本体１２」という）と一体化されて構成されている。また、その固定側面１０ａの反対側面１０ｂには、圧電素子１０の長手方向に沿って駆動部１３が２つ設けられ、駆動部１３とも一体化されて構成されている。

駆動部１３は、受け座１４と駆動子１５を有して構成されており、これらはスライドアリ締結により結合されている。この駆動部１３は、圧電素子１０が振動することによって楕円軌跡運動を行うようになっている。

駆動部１３において、受け座１４は、メスアリ部を有しており、例えば鉄のようなヤング率の大きい材料で構成されている。この受け座１４は、接着により圧電素子１０と一体化されて構成されている。受け座１４の内部には、駆動子１５を受け座１４に固定するための固定ねじ１６が設けられている。

一方、駆動子１５は、受け座１４のメスアリ部に対応するオスアリ部を有しており、例えば繊維入りの樹脂材料やセラミックのような磨耗性の良い材料で構成されている。この駆動子１５の駆動面１５ａは、受け座１４よりも僅かに突出するようになっている。駆動子１５の上面には、受け座１４に対して駆動子１５をアリのスライド方向に沿って挿脱する際に使用されるねじ穴１５ｂが設けられている。

このような駆動部１３の構成において、駆動子１５の交換は、次のようにして行うことができる。はじめに、受け座１４の側面から図示しない第１の工具を挿入して固定ねじ１６を緩めた後、図示しないねじ部を有する第２の工具を駆動子１５のねじ穴１５ｂにねじ込み、これにより駆動子１５と一体化された第２の工具をアリのスライド方向に沿って引き上げる。これにより、受け座１４から駆動子１５を取り外すことが可能になる。一方、受け座１４への新しい駆動子１５の取り付けは、これとは逆の手順で行われる。すなわち、まず、新しい駆動子１５をアリのスライド方向に沿って受け座１４に挿入する。この挿入は、第２の工具を用いて行うこともできるし、手で行うこともできる。そして、第１の工具を用いて固定ねじ１６を締め付ける。これにより、新しい駆動子１５を受け座１４に固定することが可能になる。

このような駆動部１３の構成によれば、受け座１４と駆動子１５とがスライドアリ締結により結合されるので、受け座１４に対して駆動子１５を容易に挿脱することができると共に、受け座１４に対して駆動子１５を容易に位置決めすることもできる。特に、受け座１４に駆動子１５を挿入するだけで、同図ＸＹ方向の駆動子１５の位置決めを行うことができる。また、受け座１４がヤング率の大きな材料で構成されると共に、受け座１４からの駆動子１５の駆動面１５ａの突出量を小さくしているので、剛性の高い駆動部１３を構成することができ、駆動部１３の固有振動数を少なくとも圧電素子１０の振動周波数以上の高いものにすることができる。例えば、駆動部１３の３方向（ＸＹＺ方向）の大きさを数ｍｍとした場合、有限要素法を用いた解析では、駆動部１３の一次固有振動数が１００ｋＨｚ以上になるとの解析結果が得られている。

以上、本実施形態に係る超音波モータによれば、駆動部１３が高い剛性で構成されるので、駆動部１３の固有振動数が高くなり、超音波モータとしての駆動効率を確保できるようになる。その上、駆動部１３において受け座１４と駆動子１５がスライドアリ締結により結合されるので、受け座１４に対して駆動子１５を容易に挿脱することができると共に容易に位置決めすることもできる。よって、駆動子１５の駆動面１５ａが磨耗した場合に、ユーザが駆動子１５を所定の位置に簡単に交換することができ、超音波モータの性能を長期間に亘り維持することができる。

なお、本実施形態において、駆動子１５は、前述のアリ型の形状を有するものに限られるものではなく、例えば、円柱型や多角柱型の形状に構成することもできる。
図２(a),(b) は、駆動子１５を円柱型の形状に構成したときの駆動部１３の構成例を示す断面図である。同図(a) は垂直（ＹＺ）断面図であり、同図(b) は水平（ＸＹ）断面図である。なお、同図(b) は同図(a) のＡ−Ａ´断面図でもある。

同図(a),(b) に示したように、本構成例の場合、駆動子１５が円柱型であることに対応して、受け座１４は、その円柱型の駆動子１５が挿入される凹部を有している。そして、円柱型の駆動子１５は、本実施形態に係る超音波モータによって駆動される図示しない被駆動体側より、受け座１４の対応する凹部に当てつくまで挿入されることにより同図ＹＺ方向の位置決めがされ、固定ねじ１６により固定される。また、このようにして固定されることにより、前述のアリ型の形状を有する駆動子１５と同様に、駆動子１５の一部が受け座１４よりも僅かに図示しない被駆動体側へ突出するようになっている。

本構成例によれば、前述のアリ型の形状を有する駆動子１５の構成により得られる効果に加えて、更に、円柱型の駆動子１５における図示しない被駆動体との接触部分が磨耗した場合に、その円柱型の駆動子１５を回転させることによって、その駆動子１５における図示しない被駆動体との接触部分を変更することが可能になるので、１つの駆動子１５を長期間に亘り使用することができる。

図３(a),(b) は、駆動子１５を六角柱の多角柱型に構成したときの駆動部１３の構成例を示す断面図である。同図(a) は垂直（ＹＺ）断面図であり、同図(b) は水平（ＸＹ）断面図である。なお、同図(b) は同図(a) のＢ−Ｂ´断面図でもある。

同図(a),(b) に示したように、本構成例の場合も、駆動子１５が多角柱型であることに対応して、受け座１４は、その多角柱型の駆動子１５が挿入される凹部を有している。そして、多角柱型の駆動子１５は、図示しない被駆動体側より、受け座１４の対応する凹部に当てつくまで挿入されることにより同図ＹＺ方向の位置決めがされ、固定ねじ１６により固定される。また、このようにして固定されることにより、前述のアリ型の形状を有する駆動子１５と同様に、駆動子１５の駆動面１５ａが受け座１４よりも僅かに図示しない被駆動体側へ突出するようになっている。

本構成例によっても、前述のアリ型の形状を有する駆動子１５の構成により得られる効果に加えて、更に、多角柱型の駆動子１５の駆動面１５ａが磨耗した場合に、多角柱型の駆動子１５を回転させることによって、その駆動面１５ａを変更することが可能になるので、１つの駆動子１５を長期間に亘り使用することができる。
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態は、超音波モータを用いた駆動装置に関する。

図４は、本実施形態に係る駆動装置の構成例を示す上面図である。図５は、図４に示した駆動装置のＣ−Ｃ´断面を示す図である。図６は、図４に示した駆動装置の右側面図である。なお、図４及び図６は、説明の便宜上、一部に透視図を含んでいる。また、図５には、制御ユニットも併せて示している。

図４乃至６において、ベース部２０とテーブル２１との間には、例えばリニアガイドのような案内部材２２ａ、２２ｂが配置されている。案内部材２２ａ、２２ｂは、いずれも、片方がベース部２０に固定され、もう一方がテーブル２１に固定されている。これによって、ベース部２０に対してテーブル２１が平行移動できるようになっている。また、テーブル２１の側面にはスケール２３が固定され、ベース部２０の上面にはスケール２３と対面するようにセンサ２４が固定されており、スケール２３とセンサ２４によってテーブル２１の位置を検出できるようになっている。

超音波モータ２５は、ベース部２０に配置されている。超音波モータ２５は、超音波モータ本体２６（以下単に「本体２６」という）、圧電素子２７、弾性部材２８、及び駆動部２９を有して構成されている。圧電素子２７は、弾性部材２８を介して、本体２６と一
体化されて構成されている。駆動部２９は、接着により圧電素子２７に固定され、これも圧電素子２７と一体化されて構成されている。なお、この駆動部２９は、第１の実施形態に係る超音波モータの駆動部１３と同様の構成を有するものであり、図面上は簡略化して示している。そして、駆動部２９における駆動子の駆動面がテーブル２１と当接しており、圧電素子２７の振動によって駆動子が楕円軌跡運動を行い、そのときの駆動子とテーブル２１との間で発生した接触力によってテーブル２１が駆動（移動）されるようになっている。また、本体２６はオスアリ部２６ａを有し、ベース部２０はそれに対応するメスアリ部を有し、これらはスライドアリ締結により結合できるようになっている。さらに、ベース部２０には、位置決めピン３０と固定部材３１が配置されており、位置決めピン３０で同図Ｙ方向の超音波モータ２５の位置決めをした後、固定部材３１にねじ３２をねじ込むことで超音波モータ２５をベース部２０に固定できるようになっている。

制御ユニット３３は、超音波モータ２５（の圧電素子２７）及びセンサ２４と電気的に接続されており、圧電素子２７に駆動信号としての電圧を印加すると共に、センサ２４からの信号（検出信号）をもとにテーブル２１の位置を制御する。また、制御ユニット３３は、超音波モータ２５の駆動特性を自動的に検査する機能も有している。例えば、周期的な駆動信号でテーブル２１を駆動するようにした場合、ある信号周期でのテーブル２１の移動量を超音波モータ２５の駆動性能の閾値として制御ユニット３３に記録させておいて処理を行う検査方法を利用することができる。この検査方法では、ソフトウエアによって、制御系ユニット３３に電源を入れた後、又はある一定の使用期間で、ある信号周期でのテーブル移動量をセンサ２４を介して自動的に測定し、その測定値を、記録させておいた閾値と比較するようにしておけば、テーブル移動量が閾値以下になったことを検出することができる。従って、超音波モータの駆動特性が劣化したときのテーブル移動量を閾値として記録しておくことで、測定値が閾値以下となったときに、超音波モータの駆動特性の劣化を自動的に検出できるようになる。

また、制御ユニット３３は表示部３４を有し、テーブル移動量が閾値以下になったことを検出したときに、超音波モータ２５の駆動性能が劣化したこと（単に、テーブル移動量が閾値以下になったことでもよい）を表示部３４を介してユーザに通知できるようになっている。なお、このときに、超音波モータ２５、又は超音波モータ２５の駆動部２９における駆動子が交換時期である旨を併せて通知するようにすることも可能である。表示部３４としては、ＬＣＤ等を適用することができるが、例えばＬＥＤランプを適用することもできる。ＬＥＤランプを表示部３４として適用した場合には、テーブル移動量が閾値以下になったことが検出されたときに、ＬＥＤランプを点灯させることによって、超音波モータ２５の駆動性能が劣化したことをユーザに通知するように構成することもできる。

このような駆動装置の構成によれば、制御ユニット３３によって駆動信号のある信号周期でのテーブル移動量を自動的に検査することができるので、駆動部２９における駆動子とテーブル２１との間の摩擦または磨耗により超音波モータ２５の駆動性能が劣化した場合に、その性能劣化を自動的に検出することができる。そして表示部３４によって超音波モータ２５の駆動性能の劣化をユーザに通知することができる。その上、超音波モータ２５は、スライドアリ締結によりベース部２０に配置されているので、例えば、駆動性能の劣化のために超音波モータ２５を交換する場合に、超音波モータ２５の位置及び駆動部２９における駆動子のテーブル２１に対する平行度を保ちながら、超音波モータ２５を容易にベース部２０に配置することができる。なお、超音波モータ２５を交換する代わりに、第１の実施形態の説明で述べたように、駆動部２９における駆動子のみを交換するようにすることも可能である。この場合も、駆動子の位置及び駆動子のテーブル２１に対する平行度を保ちながら、駆動子を容易に受け座に配置することができる。

以上、本実施形態に係る、超音波モータを用いた駆動装置によれば、超音波モータ２５
の駆動性能の劣化を自動的に検出、表示できるので、超音波モータ２５又は駆動部２９における駆動子の交換タイミングをユーザに知らせることができる。また、超音波モータ２５がスライドアリ締結によりベース部２０に配置されるので、超音波モータ２５の交換が容易になると共に超音波モータ２５の取り付け精度を確保することができる。さらに、第１の実施形態の説明で述べたとおり、駆動部２９における駆動子の交換も容易になると共に駆動子の取り付け精度を確保することもできる。よって、超音波モータ２５の駆動性能が劣化した場合に、ユーザが超音波モータ２５又は駆動部２９における駆動子を所定の位置に簡単に交換することができ、駆動特性の良い超音波モータを常に備えることができ、超音波モータを用いた駆動装置を長期間に亘って使用することができる。

なお、本実施形態に係る駆動装置において、スライドアリ締結により超音波モータ２５をベース部２１に取り付ける代わりに、他の方法により取り付けることも可能である。
図７は、超音波モータ２５の他の取り付け例を示す図である。

同図に示した例では、本体２６とベース部２０にそれぞれ取り付け面２６ａ、２０ａを設け、ベース部２０の取り付け面２０ａに本体２６の取り付け面２６ａが当てつくように超音波モータ２５を取り付ければ、超音波モータ２５の取り付け精度を確保することができる。なお、この場合、本体２６は、例えば第１の実施形態に係る超音波モータの本体１２のような形状を有し、それに対応して、ベース部２０は、その本体２６の一部が挿入される凹部が設けられる。また、ベース部２０への超音波モータ２５の固定は、例えば、本体２６の上面よりねじ込み可能な図示しないねじにより行うことができる。

また、本実施形態に係る駆動装置において、超音波モータ２５の駆動性能の劣化を検出する方法として、前述の方法の代わりに、例えば、超音波モータ２５の弾性部材２８の変形量を測定して処理を行う方法を使用することも可能である。この方法では、摩擦により駆動部２９における駆動子とテーブル２１との摺動面が磨耗した場合に、弾性部材２８が初期状態よりも大きく変形することを利用して、例えば、弾性部材２８に歪みゲージを貼付しておけば、弾性部材２８の変形量の変化を検出することができる。従って、摩擦や磨耗で駆動性能が劣化した場合の弾性部材２８の変形量を予め調査しておき、その変形量を検出値が超えた場合に、表示部３４を介して駆動性能が劣化した旨をユーザに通知するようにしておけば、前述の方法と同様に、駆動性能の劣化の検出と通知を自動的に行うことができる。

また、本実施形態に係る駆動装置において、駆動部２９の構成を駆動子のみの構成とし、超音波モータのみの交換が可能な構成とすることも可能である。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。

第１の実施形態に係る超音波モータの構成例を示す上面図である。 (a),(b) は駆動子を円柱型に構成したときの駆動部の構成例を示す断面図である。 (a),(b) は駆動子を多角柱型に構成したときの駆動部の構成例を示す断面図である。 第２の実施形態に係る、超音波モータを用いた駆動装置の構成例を示す上面図である。 図４に示した駆動装置のＣ−Ｃ´断面を示す図である。 図４に示した駆動装置の右側面図である。 超音波モータの他の取り付け例を示す図である。

符号の説明

１０ 圧電素子
１１ 弾性部材
１２ 超音波モータ本体
１３ 駆動部
１４ 受け座
１５ 駆動子
１６ 固定ねじ
２０ ベース部
２１ テーブル
２２ 案内部材
２３ スケール
２４ センサ
２５ 超音波モータ
２６ 超音波モータ本体
２７ 圧電素子
２８ 弾性部材
２９ 駆動体
３０ 位置決めピン
３１ 固定部材
３２ ねじ
３３ 制御ユニット
３４ 表示部

Claims (6)

1. 振動を励起する圧電素子と、
   弾性部材を介して前記圧電素子と一体化された超音波モータ本体と、
   前記圧電素子と一体化された駆動部と、
   を備え、
   前記駆動部は受け座と駆動子とを有し、
   前記駆動子は前記受け座に対して挿脱可能であって、前記駆動子が前記受け座に挿入されることによって少なくとも二次元方向の前記駆動子の位置決めが行われ、
   前記駆動子が前記受け座に挿入され固定されているときの前記駆動部が、少なくとも前記圧電素子の振動周波数以上の固有振動数を有する、
   ことを特徴とする超音波モータ。
2. 前記駆動子は、アリ型の形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
3. 前記駆動子は、円柱型又は多角柱型の形状を有し、
   前記駆動子の被駆動体との接触位置を変更可能である、
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
4. ベース部と、
   前記ベース部に対して平行移動可能に配置されるテーブルと、
   前記ベース部と前記テーブルとの間に配置される案内部材と、
   前記ベース部に配置される、請求項１乃至３の何れか一項に記載の超音波モータと、
   前記テーブルに配置されるスケールと前記ベース部に固定されるセンサとを有する位置検出手段と、
   前記超音波モータに電圧を印加し、前記位置検出手段から出力される検出信号に基づいて前記テーブルの位置を制御する制御手段と、
   表示手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、更に、前記検出信号に基づいて前記超音波モータの駆動特性の劣化を自動的に検出し、前記表示手段は、前記超音波モータの駆動特性が劣化した旨を通知する、
   ことを特徴とする超音波モータを用いた駆動装置。
5. 前記超音波モータは前記ベース部に対してスライドアリ締結により挿脱可能に配置され、前記超音波モータが前記ベース部に挿入されることによって前記テーブルに対する平行度が保たれる、
   ことを特徴とする請求項４記載の超音波モータを用いた駆動装置。
6. 前記表示手段は、更に、前記超音波モータ又は前記超音波モータの駆動子が交換時期である旨を通知する、
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の超音波モータを用いた駆動装置。
   

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