(57)【要約】【課題】組立が容易な、多自由度（複数の軸）に駆動可能な超音波モータ駆動装置を提供すること。【解決手段】複数の圧電活性領域を有し、複数の圧電活性領域に交番信号を印加して縦振動および屈曲振動を励起する圧電素子１０７と、縦振動および屈曲振動とに共通の節付近と、圧電素子の長手方向略中心部の全周を覆い固定する圧電素子ホルダ１０８と、複数の開口部を有する振動子ホルダ１０３と、略球形状の被駆動体１０４と、被駆動体１０４に取り付けられ、被駆動体の出力を取出す出力軸１０６と、第３の方向に沿って被駆動体１０４に圧電素子を押圧接触させるための押圧部材１０２と、開口部１０５ａを有するキャップ１０５と、第３の方向に沿って一方を押圧部材１０２と接続され、他方を他の装置に接続可能な連結部材１０１と、圧電素子に交番信号を印加する制御部６００とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形形状であって第１の方向に複数の圧電活性領域と、第２の方向に複数の圧電活性領域を有し、複数の前記圧電活性領域に交番信号を印加して縦振動および屈曲振動を励起する圧電素子と、
前記圧電素子によって励起された縦振動および屈曲振動の共通の節および節近傍に固定する圧電素子ホルダと、
第３の方向軸に垂直な平面内に設けた複数の開口部を有する振動子ホルダと、
前記圧電素子の第３の方向端面に励起される縦振動と屈曲振動の合成により発生する楕円振動によって回転駆動する略球形状の被駆動体と、
前記被駆動体に取り付けられ、第３の方向に対して所定の範囲で稼動し前記被駆動体の出力を取出す出力軸と、
第３の方向に沿って前記被駆動体と前記圧電素子との間に押圧力を作用させて押圧接触させるための押圧部材と、
開口部を有し、第３の方向に沿って前記被駆動体を介して前記圧電素子、前記押圧部材の対向の位置に配置され、前記被駆動体をガイドしながら押圧力を受けるキャップと、
第３の方向に沿って一方を前記押圧部材と接続され、他方を他の装置に接続可能な連結部材と、
前記圧電素子に交番信号を印加する制御部と、
からなる超音波モータ駆動装置。
【請求項２】
圧電素子ホルダは、円筒形状かつ内側に前記圧電素子を係合するための略矩形形状の圧電素子挿入口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】
前記圧電素子ホルダは、前記振動子ホルダの複数の前記開口部により前記圧電素子を落としこめ、第３の方向軸上に誘導するための円の中心を通る中心線が円周と交差する２点に凸部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項４】
前記圧電素子ホルダは、樹脂材料またはエンジニアリングプラスチック材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項５】
前記振動子ホルダの複数の前記開口部は、第３の方向軸に垂直な平面内に設けた第１の開口部を含み、
前記第１の開口部に対して、前記圧電素子ホルダが固定された前記圧電素子を落としこむことで前記圧電素子の向きを既定し、前記圧電素子を前記振動子ホルダ内に導入することができる請求項１に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項６】
前記振動子ホルダの複数の前記開口部は、第３の方向および第１の方向に垂直で、かつ第３の方向軸に関して対称な位置に設けられた複数の第２の開口部を含み、
前記第２の開口部と前記圧電素子ホルダの複数の凸部とが係合することで、前記圧電素子は前記第１の開口部により前記振動子ホルダ内に落としこまれ、
前記第２の開口部により、案内された前記圧電素子の中心と前記振動子ホルダの中心を第３の方向に沿って合わせることができる請求項５に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項７】
前記振動子ホルダの複数の前記第２の開口部と前記圧電素子ホルダの複数の凸部とが係合した状態において、前記圧電素子の前記振動子ホルダ内における位置決めに加えて、第３の方向に沿って前記圧電素子が移動可能になり、
前記押圧部材による押圧力を調整する機構と、第３の方向軸周りに前記圧電素子が回転することを防止する回転防止機構を兼ねることを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ駆動装置。
【請求項８】
前記連結部材は、他の超音波モータ駆動装置の出力軸と接続できることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の超音波モータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータ駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは、超音波振動子を有する振動体に電圧を印加して振動させ、その振動により、これに接触している移動体（以後、適宜「被駆動体」と称する）を摩擦駆動する。超音波モータの被駆動体を球体にして、出力を取出すことにより、多自由度の駆動源としてロボットアームや多関節などの装置に組み込まれている。そして、さらなる応用が期待される。
【０００３】
例えば、特許文献１では、図７に示すような回転駆動装置が提案されている。この回転駆動装置は、振動体２０、振動体フレーム２３、振動体支持手段２４、リニアステージ２５、アーム部２２、略球体状の面を有するジルコニア球２１、環状部材２９などの部材で構成され、複数軸周りに駆動することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４３１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来例では、アーム部２２にリニアステージ２５と、押圧を与えるための機構であるボルト２７と、スプリング２８と、ジルコニア球２１と、環状部材２９と、がそれぞれ取り付けられる構造になっている。このため、各部品で組立自由度がある。
したがって、装置の中心軸Ｌと、組み付けられた上記各部材の軸とを揃えるためには、非常に手間が掛かるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単一の圧電素子で被駆動体を多自由度（複数の軸）に駆動可能な超音波モータ駆動装置であって、組立時の自由度を低減すことにより、組立が容易な、多自由度（複数の軸）に駆動可能な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、本発明によれば、矩形形状であって第１の方向に複数の圧電活性領域と、第２の方向に複数の圧電活性領域を有し、複数の前記圧電活性領域に交番信号を印加して縦振動および屈曲振動を励起する圧電素子と、
前記圧電素子によって励起された縦振動および屈曲振動の共通の節および節近傍に固定する圧電素子ホルダと、
第３の方向軸に垂直な平面内に設けた複数の開口部を有する振動子ホルダと、
前記圧電素子の第３の方向端面に励起される縦振動と屈曲振動の合成により発生する楕円振動によって回転駆動する略球形状の被駆動体と、
前記被駆動体に取り付けられ、第３の方向に対して所定の範囲で稼動し前記被駆動体の出力を取出す出力軸と、
第３の方向に沿って前記被駆動体と前記圧電素子との間に押圧力を作用させて押圧接触させるための押圧部材と、
開口部を有し、第３の方向に沿って前記被駆動体を介して前記圧電素子、前記押圧部材の対向の位置に配置され、前記被駆動体をガイドしながら押圧力を受けるキャップと、
第３の方向に沿って一方を前記押圧部材と接続され、他方を他の装置に接続可能な連結部材と、
前記圧電素子に交番信号を印加する制御部と、
からなる超音波モータ駆動装置を提供できる。
【０００８】
また、本発明の好ましい態様によれば、圧電素子ホルダは、円筒形状かつ内側に前記圧電素子を係合するための略矩形形状の圧電素子挿入口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、前記圧電素子ホルダは、前記振動子ホルダの複数の前記開口部により前記圧電素子を落としこめ、第３の方向軸上に誘導するための円の中心を通る中心線が円周と交差する２点に凸部を有することが望ましい。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記圧電素子ホルダは、樹脂材料またはエンジニアリングプラスチック材料で形成されていることが望ましい。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様によれば、複数の前記開口部は、第３の方向軸に垂直な平面内に設けた第１の開口部を含み、
前記第１の開口部に対して、前記圧電素子ホルダが固定された前記圧電素子を落としこむことで前記圧電素子の向きを既定し、前記圧電素子を前記振動子ホルダ内に導入することが望ましい。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様によれば、複数の前記開口部は、第３の方向および第１の方向に垂直で、かつ第３の方向軸に関して対称な位置に設けられた複数の第２の開口部を含み、
前記第１の開口部と前記圧電素子ホルダの複数の凸部とが係合することで、前記圧電素子は前記第１の開口部により前記振動子ホルダ内に落としこまれ、
前記第２の開口部により、案内された前記圧電素子の中心と前記振動子ホルダの中心を第３の方向に沿って合わせることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記振動子ホルダの複数の前記第２の開口部と前記圧電素子ホルダの複数の凸部とが係合した状態において、前記圧電素子の前記振動子ホルダ内における位置決めに加えて、第３の方向に沿って前記圧電素子が移動可能になり、
前記押圧部材による押圧力を調整する機構と、第３の方向軸周りに前記圧電素子が回転することを防止する回転防止機構を兼ねることが望ましい。
【００１４】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記被駆動体には、他の機器に駆動力を伝えるために出力軸が形成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、単一の圧電素子で被駆動体を多自由度（複数の軸）に駆動可能な超音波モータ駆動装置であって、組立時の自由度を低減すことにより、組立が容易な、多自由度（複数の軸）に駆動可能な超音波モータ駆動装置を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例に係る超音波モータ駆動装置の分解斜視構成を示す図である。
【図２】振動子ホルダの概略構成を示す図である。
【図３】圧電素子と圧電素子ホルダとの関係を示す断面構成図である。
【図４】圧電素子の概略構成を示す図である。
【図５】組み立て工程を示すフローチャートである。
【図６】制御部の機能ブロックを示す図である。
【図７】従来の超音波モータの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１は、本発明の実施例にかかる超音波モータ駆動装置１００の分解斜視構成を示している。まず、説明の便宜上、直交する３軸方向として、第１の方向、第２の方向、第３の方向を定義する。
【００１９】
圧電素子１０７は、縦振動および屈曲振動を励起する。圧電素子ホルダ１０８は、圧電素子１０７によって励起された縦振動および屈曲振動の共通の節および節近傍に固定する。また、振動子ホルダ１０３は、第３の方向軸に垂直な平面内に設けた複数の開口部を有する。複数の開口部は、第２の開口部１３０と第１の開口部１４０とから構成されている。
【００２０】
略球形状の被駆動体１０４は、圧電素子１０７の第３の方向端面に励起された縦振動と屈曲振動の合成により発生する楕円振動によって回転駆動する。また、被駆動体１０４には、第３の方向に対して所定の範囲で稼動し、被駆動体１０４の出力を取出す出力軸１０６が取り付けられている。
【００２１】
被駆動体１０４の材質は、セラミック系、金属系や磁石である。また、出力を取出す出力軸１０６は、被駆動体１０４に螺合か接着にて取り付けられている。出力軸１０６の先端は接続先の機器に合わせることができる。
【００２２】
押圧部材１０２は、第３の方向に沿って被駆動体１０４と圧電素子１０７との間に押圧力を作用させて、押圧接触させる。キャップ１０５は、開口部１０５ａを有し、第３の方向に沿ってキャップ１０５、被駆動体１０４、圧電素子１０７、押圧部材１０２が配されていることから、押圧部材１０２により押圧力を作用させることで、キャップ１０５に設けられた開口部１０５ａにて被駆動体１０４をガイドしながら、その押圧力を受ける。
【００２３】
連結部材１０１は、第３の方向に沿って一方を押圧部材１０２と接続され、他方を他の装置に接続可能な構成である。さらに、後述する構成の制御部は、圧電素子１０７に交番信号を印加する。
【００２４】
図１、図２を参照して、振動子ホルダ１０３について説明する。図１に示すように、振動子ホルダ１０３は、第３の方向軸に沿ってかつ第１の方向軸に沿って振動子ホルダ１０３を貫通する開口部１４０ａと、第３の方向軸に垂直かつ第１の方向軸に沿って振動子ホルダ１０３の中心部までで止まっている開口部１４０ｂとからなる第１の方向に設けた十字形の第１の開口部１４０と、第２の方向に開口を有し、第３の方向軸に対称な位置に設けられた第２の開口部１３０とを有している。図２に示すように、振動子ホルダ１０３の上端側には、キャップ１０５と螺合するための螺旋上のネジが形成されている。また、下端面の振動子ホルダ１０３の中心部に押圧部材１０２が接続するための孔が形成されている。
【００２５】
押圧部材１０２は、所定の押圧力が被駆動体１０４と圧電素子１０７に作用するように、コイルバネとねじとを合わせた構成、ボールプランジャを用いる構成などである。また、連結部材１０１は、一方を押圧部材１０２に接続し、他方を超音波モータ駆動装置などに接続できるように構成されている。
【００２６】
キャップ１０５には、被駆動体１０４を受けるための受け部である開口部１０５ａと、振動子ホルダ１０３と螺合するためのねじが設けてある。
【００２７】
圧電素子ホルダ１０８は、図３に示すように、円筒形状内に略矩形形状の圧電素子挿入口１２０と、円の中心を通る中心線と円周とが交わる２箇所に設けられた凸部１１０を有している。
【００２８】
図４は、圧電素子１０７の内部構成を示している。略矩形形状で第１の方向に２箇所１２１ａ、１２１ｂの圧電活性領域１２１と、第２の方向に２箇所１２３ａ、１２３ｂの圧電活性領域１２３と有している。そして、圧電素子１０７を圧電素子ホルダ１０８の圧電素子挿入口１２０より係合されている。これにより、圧電素子ホルダ１０８の中心と、圧電素子１０７の中心とを合わせることができる。
【００２９】
また、圧電素子ホルダ１０８は、圧電素子１０７の縦振動および屈曲振動の共通の節および節近傍に固定する。材質に関しては、樹脂材が望ましい。
【００３０】
次に、図５のフローチャートを参照して、超音波モータ駆動装置の組み立て工程について説明する。なお、組み立てを開始する前に、被駆動体１０４に対して、出力軸１０６を螺合または接着にて取り付けてあること、圧電素子ホルダ１０８と圧電素子１０７も係合されていること、とする。
【００３１】
組立作業の基本工程は、超音波モータ駆動装置１００の中心軸（図１では、第３の方向として示す軸と一致している）に沿って各部材の中心を合わせて順次組み付けていくことである。但し、図５のフローチャートの通りに組み立てることで各部材の中心を厳しく意識しなくても、換言すると厳密に中心どうしを一致させなくても良い。
【００３２】
ステップＳ５０１において、第３の方向と、キャップ１０５の中心とが一致するように配置する。
ステップＳ５０２において、第３の方向に沿って、出力軸１０６が付いた被駆動体１０４をキャップ１０５の中に落とし込む。ここで、出力軸１０６は、キャップ１０５の外側（図１ではキャップ１０５の左方）に突出するように落とし込む。落としこんだ状態でキャップ１０５の中心と、被駆動体１０４の中心とが揃うように形成されている。
【００３３】
ステップＳ５０３において、第３の方向に沿って被駆動体１０４が落とし込まれたキャップ１０５と、振動子ホルダ１０３とを螺合させることで固定する。このとき、振動子ホルダ１０３の上端側に設けたねじと、キャップ１０５側に設けたねじとを螺合する。
【００３４】
次に、ステップＳ５０４において、第１の方向から、振動子ホルダ１０３の第１の開口部１４０を用いて、圧電素子ホルダ１０８が係合された圧電素子１０７を振動子ホルダ１０３に落とし込む。
【００３５】
ステップＳ５０５において、第１の開口部１４０から落とし込んだ、圧電素子ホルダ１０８が係合された圧電素子１０７を、第２の開口部１３０と圧電素子ホルダ１０８の２つの凸部１１０が係合する位置まで第１の方向から押す。第２の開口部１３０と、圧電素子ホルダ１０８の２つの凸部１１０が係合する位置まで押し込んで案内すると、被駆動体１０４の中心と、圧電素子１０７の中心と、振動子ホルダ１０３の中心とが略一致する位置に位置決めされる。
【００３６】
第２の開口部１３０と、圧電素子ホルダ１０７の２つの凸部１１０が係合することにより、位置決めに加えて、第３の方向の軸周りに圧電素子１０７が回転することを防止する機構と、第３の方向に稼動可能になるガイド機構を構成することになる。
【００３７】
ステップＳ５０６において、第３の方向の振動子ホルダ１０３の下端面（図１では振動子ホルダの右側面）に形成されている押圧部材１０２を接続する孔から押圧部材１０２を螺合していく。圧電素子１０７の下端面の中心位置に対して押圧部材１０２が接触する。ステップＳ５０５で説明したガイド機構を用いて、押圧部材１０２がねじ込まれて圧電素子１０７が被駆動体１０４側に移動する。
【００３８】
さらに、押圧部材１０２をねじ込むことにより被駆動体１０４と、圧電素子１０７とは中心が略一致している状態で押圧接触する。押圧接触したあと、予め最適な値を測定しておき、ばね定数とねじピッチで所定の押圧力を調整する。
【００３９】
ステップＳ５０７において、押圧部材１０２に連結部材１０１を接続する。
以上のステップＳ５０１〜Ｓ５０６の順に部材を組み立てることにより、多自由度の超音波モータ駆動装置を簡便に組み立てることができる。
【００４０】
次に、本発明の作用について説明する。振動子ホルダ１０３の第１の開口部１４０、第２の開口部１３０、圧電素子ホルダ１０８の凸部１１０を設けたことや第３の方向に沿って組み立てることにより組み立て時の自由度を低減することができる。
このように、簡単な構成で複数の機能・機構（圧電素子の位置決め、押圧力の調整および圧電素子の回転防止機構）を兼ねることができる。この結果、組み立てが格段に容易になるという効果を奏する。また、本発明では、圧電素子１０３に対する押圧力の調整も容易である。
【００４１】
また、図６は、制御部６００の構成を示す機能ブロック図である。発信回路６０１とＣＰＵ６０２からの信号は、それぞれ信号生成回路６０３ａ、６０３ｂに入力される。信号生成回路６０３ａ、６０３ｂから信号は、それぞれ信号増幅回路６０４ａ、６０４ｂを介して、第１の方向の圧電活性層６０５ａ、第２の方向の圧電活性層６０５ｂに入力される。このように、制御部６００は、圧電素子１０７に交番信号を印加する。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上のように、本発明にかかる超音波モータ駆動装置は、組立が容易な、多自由度（複数の軸）に駆動可能な超音波モータ駆動装置に有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１００  超音波モータ駆動装置
１０１  連結部材
１０２  押圧部材
１０３  振動子ホルダ
１０４  被駆動体
１０５  キャップ
１０５ａ  開口部
１０６  出力軸
１０７  圧電素子
１０８  圧電素子ホルダ
１１０  凸部
１２０  圧電素子挿入口
１２１  活性領域
１２３  活性領域
１３０  第２の開口部
１４０  第１の開口部
１４０ａ  開口部
１４０ｂ  開口部
６００  制御部
【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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