以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、参照する各図面において、構成をわかり易く示すため、各構成要素の寸法の比率、角度等が異なる場合がある。
(第1の実施形態)
<駆動装置>
図を参照して、第1の実施形態に係る駆動装置の概略構成を説明する。図1は、第1の実施形態に係る駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
図1に示すように、第1の実施形態に係る駆動装置100は、圧電モーター10と、圧電モーター10を駆動する駆動信号供給部30と、圧電モーター10の動作により移動する可動部60と、第1の検知部としての力センサー50と、第2の検知部としてのエンコーダー11と、スイッチ12(図5参照)と、を備えている。
また、第1の実施形態に係る駆動装置100は、その動作状態として、圧電モーター10を駆動して可動部60を移動させる第2の状態としての通常駆動モードと、圧電モーター10を駆動せず可動部60を手動で移動させる第1の状態としての教示モードと、を有している。なお、圧電モーター10を駆動している状態とは、後述する振動部1(図2(a)参照)に屈曲振動を発生させて被駆動部5(図2(a)参照)を駆動している状態をいう。
教示モードは、通常駆動モードで圧電モーター10を駆動して可動部60を所定の位置に移動させる作業を行う際に、例えば、駆動装置100を操作する操作者により、予め可動部60を手動で移動させて所定の位置に位置合わせする作業(以下では、この作業を教示作業という)等に用いられる。教示作業により位置合わせされた位置は、例えば、座標等の位置情報として駆動信号供給部30に記憶される。
<圧電モーター>
まず、第1の実施形態に係る圧電モーター10の構成を説明する。図2は、第1の実施形態に係る圧電モーターの構成及び動作を示す模式図である。詳しくは、図2(a)は圧電モーターの平面図であり、図2(b)は通常駆動モードにおける圧電モーターの振動部の振動挙動を説明する図であり、図2(c)は教示モードにおける圧電モーターの振動部の振動挙動を説明する図である。図3は、圧電モーターの駆動電圧と回転数及び保持力との関係を模式的に示す図である。
図2(a)に示すように、第1の実施形態に係る圧電モーター10は、振動部1と、被駆動部5と、保持部材8と、付勢バネ6と、基台7と、を備えている。振動部1、被駆動部5、保持部材8、及び付勢バネ6は、基台7に設置されている。なお、ここでは、被駆動部5が回転駆動されるローターである場合を例にとり説明する。
図2(a)に示す平面視で、振動部1は、短辺1aと長辺1bとを有する略矩形形状である。以下の説明では、短辺1aに沿った方向を短手方向と呼び、長辺1bに沿った方向を長手方向と呼ぶ。振動部1は、例えば、板状に形成された圧電素子で構成されるが、圧電素子と振動板とが積層された積層体であってもよい。
圧電素子は、電気機械変換作用を示す圧電材料からなり、例えば、一般式ABO3で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物を材料として形成されている。このような金属酸化物としては、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3:PZT)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)等があげられる。
振動部1の表面には、Ni,Au,Ag等の導電性金属からなる電極3が設けられている。電極3は、振動部1の短手方向の中央部、及び長手方向の中央部に形成された溝部によって、略4等分されている。これにより、電極3は、個別電極として互いに電気的に隔離された電極部3a,3b,3c,3dの4つの電極部に分割されている。また、振動部1の反対側の表面には、共通電極9(図5参照)が設けられている。
電極3の4つの電極部のうち、互いに対角となるように配置され対を成す電極部3a,3dは、第1屈曲振動用電極として機能する。また、電極部3a,3dと交差する対角となるように配置され対を成す電極部3b,3cは、第2屈曲振動用電極として機能する。電極部3a,3dが配置された領域、及び電極部3b,3cが配置された領域が、それぞれ振動部1の長手方向に対して屈曲する屈曲振動を励起する屈曲振動励起領域となる。
駆動信号供給部30(図1参照)から、共通電極9に対して共通信号が供給され、第1屈曲振動用電極である電極部3a,3dに対して駆動信号が供給されると、振動部1に第1屈曲振動が励振される。一方、駆動信号供給部30から、共通電極9に対して共通信号が供給され、第2屈曲振動用電極である電極部3b,3cに対して駆動信号が供給されると、振動部1に、第1屈曲振動とは異なる向きの第2屈曲振動が励振される。
振動部1は、被駆動部5側に突出するように延設され、被駆動部5の側面(円周面)に当接する先端部4を有している。また、振動部1は、短手方向両外側に向かって延設された一対の腕部1cを有している。腕部1cには厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられており、貫通孔を挿通させたネジを介して、腕部1cが保持部材8に固定されている。これにより、振動部1は、保持部材8に対して、腕部1cを基点として屈曲振動が可能な状態で保持される。
被駆動部5は、円盤形状を有しており、振動部1の先端部4が設けられた側に配置されている。被駆動部5は、基台7に立設された棒状の軸5aを回転中心として、回転自在に保持されている。
基台7は、振動部1の短手方向の両外側に、長手方向に沿って延在して配置された一対のスライド部7aを有している。保持部材8は、基台7に対して、スライド部7aに沿ってスライド移動可能に支持されている。
保持部材8の被駆動部5とは反対側と基台7との間には、付勢バネ6が設置されている。付勢バネ6は、保持部材8を介して振動部1を被駆動部5に向けて付勢し、この付勢力により、先端部4が被駆動部5に所定の力で当接する。付勢バネ6の付勢力は、被駆動部5と先端部4との間で適切な摩擦力が発生するように適宜設定されている。これにより、振動部1の振動が、先端部4を介して被駆動部5に効率良く伝達される。
次に、圧電モーター10の動作を説明する。まず、第2の状態としての通常駆動モードにおける動作を説明する。通常駆動モードでは、図2(b)に示すように、振動部1に第1屈曲振動又は第2屈曲振動のいずれか一方を励振させることにより屈曲振動を発生させて被駆動部5を駆動する。図2(b)において、第1屈曲振動が励振された場合の振動部1の振動状態を破線で示し、第2屈曲振動が励振された場合の振動部1の振動状態を2点鎖線で示す。
図2(b)に破線で示すように、振動部1に第1屈曲振動が励振されると、先端部4は、時計回りの楕円軌道R1を描くように動く。これにより、被駆動部5は、図2(a)に示す矢印の反時計回りに回転駆動される。また、図2(b)に2点鎖線で示すように、振動部1に第2屈曲振動が励振されると、先端部4は、反時計回りの楕円軌道R2を描くように動く。これにより、被駆動部5は、図2(a)に示す矢印とは反対の、時計回りに回転駆動される。
通常駆動モードでは、駆動信号供給部30から共通電極9と電極部3a,3b,3c,3dとの間に駆動信号を供給する際に、第1屈曲振動用電極(電極部3a,3d)、又は第2屈曲振動用電極(電極部3b,3c)のいずれかが選択される。第1屈曲振動用電極を選択する場合と第2屈曲振動用電極を選択する場合とを切り替えることにより、被駆動部5を反時計回り及び時計回りの双方向に回転させることが可能である。
ところで、駆動信号供給部30から供給される駆動信号の電圧(以下では、駆動電圧という)がゼロ(0)の状態、すなわち、振動部1に駆動信号が供給されない非駆動状態では、先端部4が被駆動部5に当接しているので、先端部4と被駆動部5との間に摩擦力が働いている。したがって、この摩擦力を越える力が被駆動部5に加えられなければ、被駆動部5は、位置を移動する(回転する)ことなく保持される。圧電モーター10は、このような保持力を有することにより、電磁モーターやパルスモーターのように、被駆動部5の位置を保持するためのブレーキ機構を必要としない。
図3において、駆動電圧の上昇に伴う被駆動部5の回転数の変化を実線で示す。非駆動状態から振動部1に屈曲振動を発生させ駆動電圧を上昇させていくと、屈曲振動が大きくなるに伴って先端部4の楕円軌道が大きくなり、先端部4により被駆動部5を駆動しようとする駆動力が大きくなる。しかしながら、図3に実線で示すように、駆動電圧が第1の電圧値としての電圧値V1よりも低い間は、被駆動部5は回転を開始しない。
電圧値V1は、先端部4による駆動力が摩擦力を上回って被駆動部5が回転を開始する電圧値であり、振動部1の振動特性や先端部4と被駆動部5との間の摩擦力等によって定まるものである。駆動電圧が電圧値V1に達すると被駆動部5が回転を開始し、駆動電圧の上昇に伴って被駆動部5の回転数も上昇する。この駆動電圧と回転数との関係は、例えばリニアな関係となり、第1屈曲振動による駆動状態、及び第2屈曲振動による駆動状態において同じである。
駆動装置100は、このように通常駆動モードで振動部1に屈曲振動を発生させ、電圧値V1以上の駆動電圧で被駆動部5を回転駆動することにより、可動部60を移動させることができる。なお、駆動装置100における駆動電圧と回転数との関係は、振動部1の振動特性や、先端部4と被駆動部5との間の摩擦力等によって異なり、図3のようにリニアな関係とはならない場合がある。
続いて、第1の状態としての教示モードにおける圧電モーター10の動作を説明する。教示モードでは、図2(c)に示すように、振動部1に縦振動を発生させる。図2(c)において、振動部1が縦振動を発生している状態を破線と2点鎖線とで示す。縦振動は、駆動信号供給部30から、共通電極9に対して共通信号が供給され、第1屈曲振動用電極(電極部3a,3d)及び第2屈曲振動用電極(電極部3b,3c)の双方に駆動信号が供給された場合に発生する。
第1屈曲振動用電極及び第2屈曲振動用電極の双方に駆動信号が供給されると、振動部1に、互いに向きが異なる第1屈曲振動と第2屈曲振動との2つの屈曲振動が励振される。そうすると、励振された第1屈曲振動と第2屈曲振動とが合成されて、振動部1に、長手方向に沿って伸縮する縦振動が発生する。振動部1に縦振動が発生すると、先端部4は、図2(c)に矢印で示すように、長手方向に沿って往復動する。なお、長軸が長手方向に沿った楕円軌道を描くように、先端部4が動く場合もある。
このように先端部4が長手方向に沿って往復動すると、先端部4と被駆動部5との接触は断続的になる。すなわち、先端部4が被駆動部5に接触した状態と、先端部4が被駆動部5から離れた状態とが繰り返され、先端部4が被駆動部5に接触したままの状態ではなくなる。これにより、非駆動状態に比べて保持力が低下する。この際、先端部4の往復動の方向が被駆動部5の回転中心に向かう方向であれば、駆動電圧を上昇させても被駆動部5は回転しない。
図3において、振動部1に縦振動を発生させ駆動電圧を上昇させたときの保持力の変化を破線で示す。保持力は、被駆動部5を外力で移動(回転)させようとした場合に、外力に抗して被駆動部5を保持しようとする力である。非駆動状態における保持力、すなわち保持力の最大値(Max)は、先端部4と被駆動部5との間の摩擦力によって決まる。
非駆動状態から振動部1に縦振動を発生させ駆動電圧を上昇させていくと、保持力は、電圧値V0までは変化しないが、振動部1の縦振動が大きくなって先端部4が往復動を開始する電圧値V0に達すると低下し始める。そして、駆動電圧の上昇に伴って先端部4の往復動のストロークが大きくなるので、保持力は、最小値(Min)に到達するまで、例えば駆動電圧の変化とリニアな関係で、低下を続ける。
なお、電圧値V0は、振動部1の振動特性や先端部4と被駆動部5との間の摩擦力等によって定まるものであり、電圧値V1よりも小さい。また、駆動電圧と保持力との関係は、振動部1の振動特性や、先端部4と被駆動部5との間の摩擦力等によって異なり、図3のようにリニアな関係とはならない場合がある。
駆動装置100では、このように教示モードにおいて振動部1が縦振動を発生することで保持力が低下するので、可動部60を容易に手動で移動させて位置合わせを行うことができる。また、駆動装置100では、教示モードにおける駆動電圧を、電圧値V0以上、かつ、電圧値V1未満の範囲で変化させることが可能であり、この範囲内であれば任意の電圧値に設定することができる。これにより、可動部60に加えられた外力の大きさや、外力による被駆動部5の回転速度(移動速度)に応じて、駆動電圧を調整して保持力を制御することができる。
なお、駆動装置100において、被駆動部5は、上述の回転駆動されるローターに限定されるものではない。被駆動部5は直線駆動されるリニア被駆動部であってもよく、被駆動部5の駆動方向は任意に構成できる。被駆動部5がリニア被駆動部である場合、第1屈曲振動用電極(電極部3a,3d)と第2屈曲振動用電極(電極部3b,3c)とを切り替えることにより、被駆動部5の直動方向を正方向と逆方向とで切り替えることができる。
また、駆動装置100が、回転駆動される被駆動部5の回転数を増加又は減少して伝達する増減速機構をさらに備えた構成とすることも可能である。増減速機構を備えていると、被駆動部5の回転数を増加又は減少して所望の回転数を容易に得ることができる。
図1に戻って、可動部60は、圧電モーター10の被駆動部5(図2(a)参照)が駆動されることにより移動する。可動部60は、直接被駆動部5に接続されていてもよいし、ギア輪列、ローラー、ベルトとプーリー等の増減速機構や伝達機構を介して被駆動部5に接続されていてもよい。
力センサー50は、可動部60に設けられている。力センサー50は、可動部60に加えられた外力を検知し、検知した結果に基づく信号を、後述する駆動信号供給部30の副制御部22にフィードバックする。力センサー50は、例えば、圧力センサーやひずみゲージ等で構成される。
エンコーダー11は、圧電モーター10の被駆動部5に近い位置に設けられている。エンコーダー11は、被駆動部5の位置を検知し、検知した結果に基づくエンコーダー信号を副制御部22にフィードバックする。エンコーダー11による被駆動部5の位置の検知に基づいて、被駆動部5の回転速度(移動速度)等の回転状態を検出することができる。エンコーダー11は、例えば、フォトリフレクター、フォトインタラプター、MRセンサー等の、光方式や磁気方式の回転エンコーダー等で構成される。
<駆動信号供給部>
続いて、図4及び図5を参照して、駆動信号供給部30の構成を説明する。図4は第1の実施形態に係る駆動信号供給部の概略構成を示すブロック図である。図5は、第1の実施形態に係る駆動信号供給部の要部を示すブロック図である。
図4に示すように、駆動信号供給部30は、制御部としての主制御部21及び副制御部22と、発振器31と、ゲインアンプ32と、PWM部33と、デジタルアンプ34と、整合回路40と、を備えている。
主制御部21は、CPU(Central Processing Unit)で構成される。主制御部21は、駆動装置100を含むシステム全体を制御する制御装置(図示省略)と、CAN(Controller Area Network)を介して接続されている。主制御部21は、例えば、駆動電圧の指令値を副制御部22に指示する等の、駆動装置100全体の制御を行う。
副制御部22は、ロジックICやFPGA(Field Programmable Gate Array)等で構成される。副制御部22は、主制御部21とSPI(Serial Peripheral Interface)を介して接続されている。副制御部22は、主制御部21の指示に基づいて、発振器31で生成する信号の周波数、ゲインアンプ32の出力(増幅率)、スイッチ12(図5参照)の切り替え等の制御を行う。
副制御部22は、力センサー50からフィードバックされた信号に基づいて、可動部60に外力が加えられたこと、及びその外力の大きさを検出する。また、副制御部22は、エンコーダー11からフィードバックされたエンコーダー信号に基づいて、被駆動部5の位置や回転速度(移動速度)等の回転状態を検出する。そして、副制御部22は、教示モードにおいて、被駆動部5に外力が伝達されたこと、すなわち被駆動部5が外力により回転(移動)したこと、及びその回転速度を検出する。
発振器31は、DDS(Direct Digital Synthesizer)等で構成される。発振器31は、圧電モーター10の振動部1に供給する駆動信号のもととなる信号を生成する。発振器31で生成された信号は、DAコンバーターによりアナログ信号に変換される。また、発振器31は、副制御部22の指示に基づいて、駆動信号の周波数を調整する。
ゲインアンプ32は、例えば、デジタルポテンショメーターとオペアンプとで構成される。ゲインアンプ32は、発振器31からのアナログ信号をデジタル制御により増幅する。ゲインアンプ32の出力レベルは、副制御部22の指示に基づいて制御(増加又は減少)される。ゲインアンプ32の出力レベルを増加又は減少させることにより、駆動信号の電圧(駆動電圧)が変化する。
PWM部33は、PWM(Pulse Width Modulation)回路で構成される。PWM部33は、ゲインアンプ32からの入力信号におけるパルスのデューティー比を変えることにより、等価的なアナログ制御を行なう。
図5に示すように、デジタルアンプ34は、MOSトランジスターのHブリッジ回路で構成され、PWM部33との併用により、デジタルアンプとして機能する。デジタルアンプ34は、PWM部33からの信号の電力を増幅してスイッチングを行う。なお、主制御部21からの「Sleep」指示(図4参照)があると、デジタルアンプ34における電力を増幅してスイッチングを行う機能はOFF状態となる。
整合回路40は、デジタルアンプ34と圧電モーター10との間に接続されている。整合回路40は、デジタルアンプ34のインピーダンスと圧電モーター10のインピーダンスとの整合(マッチング)をとるとともに、圧電モーター10への出力電圧を昇圧する役割を担う。整合回路40は、コイル等のインダクター41,42と、コンデンサー等のキャパシター43とで構成されるLC整合回路である。
デジタルアンプ34は、整合回路40を介して、圧電モーター10の第1屈曲振動用電極(電極部3a,3d)、第2屈曲振動用電極(電極部3b,3c)に駆動信号を出力し、共通電極9に共通信号を出力する。圧電モーター10の第1屈曲振動用電極及び第2屈曲振動用電極の前段にはスイッチ12が接続されている。
スイッチ12は、副制御部22(図4参照)の指示に基づいて動作し、第1屈曲振動用電極及び第2屈曲振動用電極とデジタルアンプ34とが整合回路40を介して電気的に接続した状態又は電気的に切断した状態に切り替える。スイッチ12は、電磁リレー等のメカニカルリレーやフォトモスリレー等の電子式リレーで構成される。なお、スイッチ12に手動のトグルスイッチを用いる構成としてもよい。
図5では、教示モードにおけるスイッチ12の状態を示している。教示モードでは、スイッチ12により、第1屈曲振動用電極及び第2屈曲振動用電極の双方をデジタルアンプ34と接続することで、振動部1が縦振動を発生する状態となる。また、通常駆動モードでは、スイッチ12により、第1屈曲振動用電極又は第2屈曲振動用電極のいずれかを選択してデジタルアンプ34と接続することで、振動部1が屈曲振動を発生する状態となる。そして、スイッチ12を切り替えることにより、被駆動部5の回転方向を反時計回りと時計回りとで切り替えることができる。
<圧電モーターの駆動方法>
続いて、図6を参照して、第1の実施形態に係る駆動装置100において教示作業を行う場合の圧電モーターの駆動方法を説明する。図6は、教示作業における圧電モーターの駆動方法を示すフローチャートである。上述の通り、教示作業を行う際は、圧電モーター10の振動部1に縦振動を発生させて教示モードとする。
教示作業をスタートする際は、副制御部22は、駆動信号供給部30からの駆動電圧をゼロ(0)に設定し、圧電モーター10を非駆動状態とする。駆動装置100では、可動部60に外力が加えられたことが検出されるまでは非駆動状態で待機する。非駆動状態では、保持力が最大値となっているので、例えば教示作業を行う操作者が可動部60を手動で移動させようとしても、被駆動部5の位置を保持する保持力が大きいため移動させることは困難である。しかしながら、可動部60を手動で移動させようとして可動部60に加えられた力は、力センサー50により検知される。
図6に示すように、非駆動状態において力センサー50が可動部60に加えられた外力を検知すると、副制御部22は、力センサー50からフィードバックされた信号に基づいて可動部60に外力が加えられたことを検出する(ステップS1)。
可動部60に外力が加えられたことが検出された場合(ステップS1:YES)、副制御部22は、スイッチ12を切り替えて、第1屈曲振動用電極及び第2屈曲振動用電極の双方をデジタルアンプ34と接続する。そして、副制御部22は、振動部1に供給される駆動電圧を、保持力が低下し始める電圧値V0以上の電圧値に設定する(ステップS2)。これにより、駆動装置100は、振動部1が縦振動を発生する教示モードに移行する。
ステップS2で、振動部1が縦振動を発生し、駆動電圧を電圧値V0以上の電圧値に設定することにより被駆動部5の保持力が低下するので、被駆動部5を外力で容易に移動(回転)させることが可能となる。すなわち、可動部60を手動で動かして位置合わせを行うことが可能となる。ステップS2の設定を行った後、処理をステップS3に進める。
ここで、本実施形態では、図3に示すように、教示モードにおける駆動電圧の電圧値を、図3に示すVrの範囲、すなわち、保持力が低下し始める電圧値V0以上で、かつ、通常駆動モードで被駆動部5が回転を開始する電圧値V1よりも低い電圧値としている。駆動電圧の電圧値を電圧値V1よりも低い電圧値とするのは、以下の理由による。
振動部1が縦振動する際、先端部4の往復動の方向が被駆動部5の回転中心に向かう方向であれば被駆動部5は回転しないが、先端部4の往復動の方向が被駆動部5の回転中心に向かう方向からずれている場合、被駆動部5が回転してしまうことがあり得る。このような場合でも、駆動電圧を電圧値V1よりも低い電圧値とすることで、被駆動部5が先端部4の往復動によって回転してしまうことを抑止できる。
次に、図6に示すステップS3では、駆動電圧の電圧値の設定が変更された後所定の時間以内に被駆動部5が外力により移動(回転)したか否かを検出する。ステップS2の設定を行った後に可動部60を手動で移動させると、加えられた力が可動部60を介して伝達されて被駆動部5が移動(回転)するので、エンコーダー11により被駆動部5の移動(回転)が検知される。そして、エンコーダー11からフィードバックされたエンコーダー信号に基づいて、副制御部22は、被駆動部5に外力が加えられた(可動部60に加えられた力が被駆動部5に伝達された)ことを検出する。
駆動電圧の電圧値の設定が変更された後所定の時間以内に、被駆動部5に外力が伝達されたことが検出された場合(ステップS3:YES)、副制御部22は、振動部1に縦振動をさせた状態で、駆動電圧を電圧値V0以上、電圧値V1未満の範囲内で変化させる(ステップS4)。
教示作業は、このステップS4の状態で行われる。ステップS4では、力センサー50により検出された外力の大きさ、及びエンコーダー11により検出された被駆動部5の回転状態に基づいて、駆動電圧を変化させることで、可動部60の位置合わせを行う際の圧電モーター10の保持力を調整する。
本実施形態では、力センサー50により検出された可動部60に加えられる力の大きさに応じて保持力を調整する場合と、エンコーダー11により検出された被駆動部5の回転状態に応じて保持力を調整する場合と、が選択できる。
例えば、力センサー50により検出された外力の大きさに応じて駆動電圧を変化させる場合、外力が大きいほど駆動電圧が高くなるようにすれば、操作者が可動部60を動かす力を強めると、保持力が小さくなって可動部60が移動し易くなる。そのため、可動部60を移動させる作業時間を短縮でき、位置合わせ作業を効率良く行うことができる。そして、操作者が力を緩めると、保持力が大きくなって可動部60が移動し難くなり位置合わせした位置からのずれが抑えられるので、可動部60の位置合わせをより確実に行うことができる。
また、上述とは逆に、外力が小さいほど駆動電圧が高くなる(保持力が小さくなる)ようにして、可動部60の位置合わせの際の微細な移動を行い易くしてもよい。例えば、位置合わせに高い精度が要求される場合にこのような設定にすれば、小さな力でも可動部60が移動し易くなるため、可動部60を少しずつ動かして位置を合わせることができる。そして、操作者が誤って力を入れ過ぎてしまっても、外力が大きいほど保持力が大きくなって可動部60が移動し難くなるため、可動部60の位置合わせを精度良く行うことができる。
このように、力センサー50により検出された可動部60に加えられる力の大きさに応じて保持力を調整することで、教示作業の内容や要求精度等に対応して、可動部60を移動させる動作の抵抗感(重さの度合い)を適宜調整して作業を行い易くすることができる。これにより、様々な教示作業において、可動部の位置合わせを効率良く、確実に、かつ、精度良く行うことができる。
一方、エンコーダー11により検出された被駆動部5の回転状態に応じて駆動電圧を変化させる場合、被駆動部5の回転速度(移動速度)が速いほど駆動電圧が高くなるようにすれば、操作者が可動部60を速く動かそうとすると保持力が小さくなって可動部60が移動し易くなるため、可動部60を速く移動させることができる。そのため、可動部60を移動させる作業の時間を短縮できるので、位置合わせ作業を効率良く行うことができる。また、操作者が可動部60を動かす動作をやめると保持力が大きくなって可動部60が移動し難くなるため、位置合わせした位置からのずれが抑えられるので、可動部60の位置合わせをより確実に行うことができる。
ここで、力センサー50として、例えば、複数の小さな圧力センサーがマトリックス状に配置されたセンサーを用いる場合、各圧力センサーで検知された力の総和が可動部60に加えられた力の大きさであるが、可動部60を動かす手段として、操作者の手で動かす場合と先端が細い治具等を用いて動かす場合とで、可動部60に加えられた力として検出される力の大きさは異なる。そのため、力センサー50により検出された力の大きさに応じて保持力を調整する場合、可動部60を動かす手段によって保持力が必ずしも同じにならない。一方、エンコーダー11により検出された被駆動部5の回転状態に応じて保持力を調整する場合、可動部60を動かす手段に関わらず、被駆動部5の回転速度(移動速度)によって同じ保持力を得ることができる。
ステップS4の設定を行った後、処理をステップS3に戻す。教示作業が継続している間は、ステップS3でエンコーダー11により被駆動部5に加えられた力が検出されるため、ステップS4の状態が維持される。
ステップS3において、駆動電圧の電圧値の設定が変更された後所定の時間以内に、被駆動部5に外力が伝達されたことが検出されなかった場合(ステップS3:NO)、処理をステップS5に移行して教示モードでの動作を終了する。ステップS5では、駆動電圧をゼロ(0)に設定し非駆動状態とする。これにより、保持力が最大値となるので、被駆動部5が位置合わせを行った位置で保持される。ステップS5の後、処理をステップS6に進める。
ステップS6では、教示作業が終了したか否かを判定する。教示作業が終了した場合は、操作者の指示に基づいて、主制御部21に教示作業が終了した旨の信号が入力される。教示作業が終了していない場合(ステップS6:NO)、処理をステップS1に戻す。教示作業が終了した場合(ステップS6:YES)は、全処理を終了する。
以上、教示作業における圧電モーターの駆動方法について説明したが、駆動装置が力センサー50又はエンコーダー11のいずれか一方のみを備えた構成とすることも可能である。
しかしながら、力センサー50及びエンコーダー11の双方を備え、ステップS1とステップS3との2段階で外力を検出することで、可動部60に何らかの外力が加えられた場合に教示モードに移行して可動部60を動かすことが可能な状態とし、被駆動部5に力が伝達された場合に外力が不用意な接触や誤操作等によるものでなく意図して加えられたものであると判断して、保持力を変化させる。これにより、誤操作を抑えて確実に教示作業を行うことができる。また、エンコーダー11のみを備える場合、予め教示モードに設定しておく必要があるが、力センサー50も備えていることで非駆動状態で待機できるので、教示モードに移行するまでの待機中の消費電力を抑えることができる。
以上述べたように、第1の実施形態に係る駆動装置100の構成、及びその駆動方法によれば、以下の効果が得られる。
(1)駆動装置100では、圧電モーター10の振動部1に縦振動を発生させる教示モードにおいて、振動部1に供給する駆動信号の電圧値を変化させることが可能である。教示モードでは、振動部1が縦振動することにより、振動部1と被駆動部5との接触が断続的となるため、非駆動状態に比べて被駆動部5の位置を保持する保持力が低下するので、可動部60を手動で動かして位置合わせを行うことが可能となる。また、このような教示モードにおいて駆動信号の電圧値を変化させることができるので、可動部60を手動で動かして位置合わせを行う際に、例えば、動かす力の大きさ等に応じて保持力を調整することができる。これにより、可動部60を移動させる動作の抵抗感(重さの度合い)を調整できるので、可動部60の位置合わせを効率良く行うことができる。
(2)駆動装置100では、教示モードにおいて駆動信号供給部30が振動部1に供給する駆動信号の電圧値を、振動部1に屈曲振動を発生させる通常駆動モードにおいて被駆動部5が回転を開始する電圧値V1よりも低い範囲で変化させる。そのため、教示モードにおいて駆動信号の電圧値を上昇させると被駆動部5が駆動され回転してしまう場合でも、駆動信号の電圧値を電圧値V1よりも低い範囲で変化させることで、被駆動部5が駆動されて回転することを抑止できる。これにより、可動部60の位置合わせを確実に行うことができる。
(3)駆動装置100では、非駆動状態において可動部60に外力が加えられたことを力センサー50が検知した場合に、教示モードに移行する。そのため、可動部60を動かそうとする力を加えることで、可動部60を手動で動かして位置合わせできる状態に切り替えることができる。また、可動部60に力を加えるまでは非駆動状態で待機するので、待機中の消費電力を抑えることができる。
(4)駆動装置100では、教示モードにおいて、力センサー50が検知した外力の大きさに基づいて駆動信号の電圧値を変化させるので、可動部60を手動で動かす力の大きさに応じて保持力を調整することができる。
(5)駆動装置100では、教示モードにおいて外力により被駆動部5に加えられたことをエンコーダー11が検知した場合に、検知した被駆動部5の回転速度(移動速度)に基づいて駆動信号の電圧値を変化させる。そのため、可動部60を手動で動かすことによる被駆動部の回転速度(移動速度)に応じて保持力を調整することができる。
(第2の実施形態)
<駆動装置>
次に、第2の実施形態に係る駆動装置の概略構成を説明する。第2の実施形態に係る駆動装置は、第1の実施形態に対して、圧電モーターの振動部の電極が5つの電極部に分割されている点が異なっているが、その他の構成はほぼ同じである。第1の実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付しその説明を省略する。
図7は、第2の実施形態に係る駆動装置の要部を示すブロック図である。図8は、第2の実施形態に係る圧電モーターの構成及び動作を示す模式図である。詳しくは、図8(a)は圧電モーターの平面図であり、図8(b)は通常駆動モードにおける圧電モーターの振動部の振動挙動を説明する図であり、図8(c)は教示モードにおける圧電モーターの振動部の振動挙動を説明する図である。
図7に示すように、第2の実施形態に係る駆動装置101は、圧電モーター10Aと、駆動信号供給部30と、スイッチ12Aと、図示を省略する可動部60と力センサー50とエンコーダー11と、を備えている。
<圧電モーター>
図8(a)に示すように、第2の実施形態に係る圧電モーター10Aは、振動部2と、被駆動部5と、保持部材8と、付勢バネ6と、基台7と、を備えている。
振動部2の電極3の表面は5分割されており、電極部3a,3b,3c,3dに加えて、電極部3eが設けられている。電極部3eは、電極部3a,3bと電極部3c,3dとの間の短手方向中央部に配置されており、電極部3a,3bを合わせた面積(電極部3c,3dを合わせた面積)とほぼ同じ面積を有している。電極部3eは、縦振動用電極として機能する。縦振動用電極である電極部3eに対して駆動信号が供給されることにより、振動部2に縦振動が励振される。
図7では、教示モードにおけるスイッチ12Aの状態を示している。図7に示すように、第2の実施形態に係る駆動装置101では、教示モードにおいて駆動信号供給部30から縦振動用電極(電極部3e)のみに対して駆動信号が供給される。また、通常駆動モードにおいては、駆動信号供給部30から、縦振動用電極(電極部3e)に駆動信号が供給されるとともに、スイッチ12Aの切り替えにより選択された第1屈曲振動用電極(電極部3a,3d)又は第2屈曲振動用電極(電極部3b,3c)のいずれか一方に駆動信号が供給される。
次に、圧電モーター10Aの動作を説明する。通常駆動モードでは、縦振動用電極と、第1屈曲振動用電極又は第2屈曲振動用電極のいずれか一方と、に駆動信号が供給されることにより、振動部2に縦振動と第1屈曲振動又は第2屈曲振動のいずれか一方の屈曲振動とが励振される。そうすると、振動部2は、縦振動と屈曲振動とが合成された屈曲振動を発生する。
図8(b)において、縦振動と第1屈曲振動とが励振された場合の振動部2の振動状態を破線で示し、縦振動と第2屈曲振動とが励振された場合の振動部2の振動状態を2点鎖線で示す。図8(b)に破線で示すように、振動部2に縦振動と第1屈曲振動とが励振されると、先端部4は、時計回りの楕円軌道R1を描くように動く。これにより、被駆動部5は、図8(a)に示す矢印の反時計回りに回転駆動される。
また、図8(b)に2点鎖線で示すように、振動部2に縦振動と第2屈曲振動とが励振されると、先端部4は、反時計回りの楕円軌道R2を描くように動く。これにより、被駆動部5は、図8(a)に示す矢印とは反対の、時計回りに回転駆動される。したがって、第2の実施形態に係る圧電モーター10Aにおいても、第1屈曲振動用電極を選択する場合と第2屈曲振動用電極を選択する場合とを切り替えることにより、被駆動部5を反時計回り及び時計回りの双方向に回転させることが可能である。
一方、教示モードでは、縦振動用電極のみに駆動信号が供給されることにより、振動部2に縦振動のみが励振されるので、図8(c)に破線と2点鎖線とで示すように、振動部2に縦振動が発生する。これにより、第2の実施形態に係る圧電モーター10Aにおいても、先端部4は、図8(c)に矢印で示すように、長手方向に沿って往復動する。したがって、被駆動部5は回転せず、駆動電圧を保持力が低下し始める電圧値V0よりも高く設定することで、保持力を低下させることができる。
このように、第2の実施形態に係る駆動装置101は、振動部2の電極が5分割され屈曲振動用の電極部3a,3b,3c,3dに加えて縦振動用の電極部3eを有する圧電モーター10Aを備えているが、第1の実施形態と同様に動作する。すなわち、駆動装置101の構成によれば、通常駆動モードでは圧電モーター10Aで駆動して可動部60を移動させ、教示モードでは手動で可動部60を移動させることができる。
また、教示モードでは、駆動電圧を変化させることにより、保持力を調整することで、可動部60を移動させる動作の抵抗感を適宜調整することができる。したがって、第1の実施形態に係る圧電モーターの駆動方法が適用できるので、第1の実施形態に係る駆動装置100と同様の効果が得られる。
なお、教示モードにおいて、縦振動用電極と第1屈曲振動用電極及び第2屈曲振動用電極の双方とに駆動信号を供給することで、振動部2に縦振動を発生させる構成とすることも可能である。
(第3の実施形態)
<電子部品搬送装置及び電子部品検査装置>
次に、第3の実施形態に係る電子部品搬送装置及び電子部品検査装置を説明する。第3の実施形態に係る電子部品搬送装置及び電子部品検査装置は、第1の実施形態又は第2の実施形態に係る駆動装置を備えている。以下では、第1の実施形態に係る駆動装置における構成要素の符号を付して説明し、第2の実施形態に係る駆動装置における構成要素の符号は省略する。
図9は、第3の実施形態に係る電子部品搬送装置及び電子部品検査装置の構成を示す概略斜視図である。図9に示す電子部品検査装置200は、電子部品搬送装置230と、検査部としての検査装置240とを備えている。電子部品搬送装置230は、電子部品70を所定の場所に搬送するとともに、電子部品70を所定の位置に位置決めする機能を有する。検査装置240は、電子部品70の電気的特性を検査する機能を有する。
なお、電子部品70は、例えば、基板に半導体チップが実装されたものであるが、半導体チップ、LCD等の表示デバイス、水晶デバイス、各種センサー、インクジェットヘッド等であってもよい。
図9に示すように、電子部品搬送装置230は、直方体状の基台206を備えている。基台206の長手方向をY方向とし、水平面においてY方向と直交する方向をX方向とする。そして、鉛直方向を−Z方向とする。
基台206上において図中左側には、給材装置207が設置されている。給材装置207の上面には、Y方向に延びる一対の案内レール208a,208bが給材装置207のY方向全幅にわたり凸設されている。一対の案内レール208a,208bの上側には、直動機構を備えたステージ209が取付けられている。
ステージ209の直動機構は、例えば、案内レール208a,208bに沿ってY方向に延びるリニアモーターを備えた直動機構である。この直動機構に所定のステップ数に相当する駆動信号がリニアモーターに入力されると、リニアモーターが前進又は後退して、ステージ209が同ステップ数に相当する分だけ、Y方向に沿って往動又は復動する。ステージ209のZ方向を向く面は載置面209aであり、載置面209aにはこれから検査される電子部品70が載置される。ステージ209には吸引式の基板チャック機構が設置されている。そして、基板チャック機構が電子部品70を載置面209aに固定するようになっている。
基台206において給材装置207のY方向側には、撮像部210が設置されている。撮像部210は、受光する光を電気信号に変換するCCD(Charge Coupled Devices)素子等を搭載した電気回路基板、ズーム機構を備えた対物レンズ、落射照明装置、自動焦点合わせ機構を備えている。これにより、撮像部210と対向する場所に電子部品70が位置するとき、撮像部210は電子部品70を撮影して位置決めをすることができる。撮像部210は、電子部品70に光を照射してピント合わせをした後撮影することにより、ピンボケの無い画像を撮影することができる。
基台206において撮像部210のY方向側には、検査装置240が備える検査台211が設置されている。検査台211は、電子部品70を検査するときに電気信号を送受信するための治具である。なお、検査装置240は、検査台211と、把持部225と、制御部(制御装置226に含む)とで構成される。検査台211及び把持部225には、電子部品70の電気的特性を計測するための複数のプローブが配置されている。
基台206上において検査台211のY方向側には、除材装置212が設置されている。除材装置212の上面には、Y方向に延びる一対の案内レール213a,213bが全幅にわたり凸設されている。一対の案内レール213a,213bの上側には、直動機構を備えたステージ214が取付けられている。ステージ214の直動機構は、給材装置207が備える直動機構と同様の機構を用いることができる。ステージ214は、案内レール213a,213bに沿って往動又は復動する。ステージ214のZ方向を向く面は載置面214aであり、載置面214aには検査が終了した電子部品70が載置される。
基台206の−X方向には、略直方体状の支持台215が設置されている。支持台215は、基台206に比べてZ方向に高い形状となっている。支持台215においてX方向を向く面には、Y方向に延びる一対のレール216a,216bが、支持台215のY方向全幅にわたり凸設されている。レール216a,216bのX方向側には、一対のレール216a,216bに沿って移動する直動機構を備えたYステージ217が取付けられている。
Yステージ217の直動機構は、第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101を用いて構成されている。レール216a,216bの少なくとも一方が、圧電モーター10の被駆動部5に相当する。ここでは、被駆動部5(レール216a,216b)は、直線駆動されるリニア被駆動部である。振動部1(図示省略)は、レール216a,216bの少なくとも一方に当接して、Yステージ217に備えられている。通常駆動状態で振動部1が振動することにより、固定されたレール216a,216bに対して、相対的にYステージ217がレール216a,216bに沿って往動又は復動する。
Yステージ217においてX方向を向く面には、X方向に延在する角柱状の腕部218が設置されている。腕部218において−Y方向を向く面には、X方向に延びる一対のレール219a,219bが腕部218のX方向全幅にわたり凸設されている。一対のレール219a,219bの−Y方向側には、レール219a,219bに沿って移動する直動機構を備えたXステージ220が取付けられている。
Xステージ220の直動機構は、Yステージ217の直動機構と同様に、第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101を用いて構成されている。通常駆動状態でXステージ220に備えられた振動部1が振動することにより、被駆動部5であるレール219a,219bに対して、相対的にXステージ220がレール219a,219bに沿って往動又は復動する。
Xステージ220には、撮像部221及びZ移動装置222が設置されている。撮像部221は、撮像部210と同様な構造と機能を備えている。
Z移動装置222は、内部に直動機構を備え、直動機構はZステージを昇降させる。Zステージには、回転装置223が接続されている。Z移動装置222は、回転装置223をZ方向に昇降させることができる。Z移動装置222の直動機構も、Yステージ217及びXステージ220の直動機構と同様に、第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101を用いて構成されている。
回転装置223は回転軸223aを備え、回転軸223aには把持部225が接続されている。把持部225には、検査対象となる電子部品70が把持される。回転装置223は、Z方向を軸にして、電子部品70を把持した状態で把持部225を回転させることができる。
回転装置223は、第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101を用いて構成され、回転軸223aを所定の角度に回動させる。ここでは、回転駆動される回転軸223aが、圧電モーター10の被駆動部5に相当する。
Yステージ217、Xステージ220、Z移動装置222、回転装置223等により可動部224が構成されている。なお、Yステージ217、Xステージ220、Z移動装置222、回転装置223のそれぞれには、第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101の力センサー50及びエンコーダー11が設けられている。
基台206のX方向側には、制御装置226が設置されている。制御装置226は、電子部品70を検査する検査装置240を含む電子部品検査装置200の動作を制御する機能を備えている。また、制御装置226には、第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101の駆動信号供給部30が含まれている。制御装置226は、入力装置226a及び出力装置226bを備えている。
入力装置226aは、キーボードや入力コネクター等であり、信号やデータの他に操作者の指示を入力する装置である。出力装置226bは、表示装置や外部装置に出力する出力コネクター等であり、信号やデータを他装置へ出力する。出力装置226bは、電子部品検査装置200の状況を操作者に伝達する装置でもある。
電子部品検査装置200では、検査対象となる電子部品70を把持部225に把持して、電子部品搬送装置230の可動部224によりステージ209から検査台211へ搬送して位置決めした後、検査装置240により電気特性の検査を行う。電気特性の検査が終了すると、電子部品搬送装置230の可動部224により電子部品70をステージ214まで搬送する。
第3の実施形態に係る電子部品検査装置200(電子部品搬送装置230)は、可動部224を構成するYステージ217、Xステージ220、Z移動装置222、回転装置223に、第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101を備えている。
したがって、駆動装置100,101を通常駆動モードで駆動してこれらの可動部224を所定の位置に移動させる作業を行う際に、予め可動部224を手動で移動させて所定の位置に位置合わせし、その位置情報(座標等)を制御装置226に記憶させておく教示作業を、教示モードで効率良く、確実に、かつ、精度良く行うことができる。
なお、電子部品検査装置200において、上述の電子部品搬送装置230の構成部分の一部を検査装置240側に備える構成としてもよい。
(第4の実施形態)
<ロボット>
次に、第4の実施形態に係るロボットを説明する。第4の実施形態に係るロボットは、ロボットハンドを有し、ロボット及びロボットハンドの指部及び腕部の駆動装置として、第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101を備えている。以下では、第1の実施形態に係る駆動装置における構成要素の符号を付して説明し、第2の実施形態に係る駆動装置における構成要素の符号は省略する。
図10は、第4の実施形態に係るロボットハンド及びロボットの構造を示す模式図である。詳しくは、図10(a)はロボットが備えるロボットハンドの構造を示す模式図であり、図10(b)はロボットの構造を示す模式図である。
図10(a)に示すように、ロボットハンド300は、ハンド本体部301と、可動部としての2つの指部302と、制御装置307と、を備えている。2つの指部302は、ハンド本体部301に設置されている。
2つの指部302は、3つの関節部304と3つの指部材303とが交互に接続されて構成されている。3つの関節部304には、それぞれ第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101の圧電モーター10が設けられている。
制御装置307には、駆動信号供給部30が配置されている。関節部304に設けられた圧電モーター10を駆動することにより、関節部304を回動させて指部302を人間の指のように所望の形態に変形(移動)させることが可能になっている。
図10(b)に示すように、ロボット310は、ロボット本体部311と、可動部としての2つの腕部312と、制御装置317と、を備えている。2つの腕部312は、ロボット本体部311に設置されている。
2つの腕部312は、3つの関節部314と2つの腕部材313とが交互に接続されて構成されている。3つの関節部314には、それぞれ第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101の圧電モーター10が設けられている。腕部312の一端はロボット本体部311に設置され、他端にはロボットハンド300が設置されている。ロボットハンド300は、図10(a)と同様の構成を有する。
制御装置317には、第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101の駆動信号供給部30が配置されている。関節部314に設けられた圧電モーター10を駆動することにより、関節部314を回動させて腕部312を人間の腕のように所望の形態に変形させることが可能になっている。
第4の実施形態に係るロボットハンド300及びロボット310は、関節部304及び関節部314を回動させて指部302及び腕部312を変形(移動)させる装置として、第1の実施形態に係る駆動装置100、又は第2の実施形態に係る駆動装置101を備えている。
したがって、駆動装置100,101を通常駆動モードで駆動してこれらの関節部304及び関節部314を回動させ、指部302や腕部312を所定の形態に変形させる作業を行う際に、予め指部302や腕部312を手動で移動させて所定の形態に変形させ、その位置情報(座標等)を制御装置307,317に記憶させておく教示作業を、教示モードで効率良く、確実に、かつ、精度良く行うことができる。
なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形及び応用が可能である。変形例を以下に述べる。
(変形例1)
上述した第1の実施形態及び第2の実施形態では、教示モードにおいて、力センサー50により検出された可動部60に加えられる力の大きさに応じて保持力を調整する場合と、エンコーダー11により検出された被駆動部5の回転速度(移動速度)に応じて保持力を調整する場合と、を選択する構成であったが、これに限定されるものではない。
例えば、可動部60に加えられる力の大きさに基づいて駆動信号の電圧値を変化させる場合と、被駆動部5の回転速度(移動速度)に基づいて駆動信号の電圧値を変化させる場合と、それらの双方に基づいて駆動信号の電圧値を変化させる場合と、それらの双方に関わらず駆動信号の電圧値を変化させない場合と、のいずれかに切り替える切り替え部を備えた構成としてもよい。
なお、駆動信号の電圧値を変化させない場合、例えば、所望の保持力が得られるように駆動信号の電圧値を図3に示すVrの範囲において調整し、加える力に関わらず保持力が一定に保たれるようにすることも可能である。このように、可動部の構成や、位置合わせ作業の目的、内容等に応じて切り替え部で適宜切り替えることにより、様々な状況における位置合わせ作業をより精度良く、より効率良く、より確実に行うことができる。
(変形例2)
また、上述した実施形態では、教示モードは駆動装置の教示作業を目的とするものであったが、これに限定されるものではない。例えば、教示モードを、操作者等の人が誤って装置に接触してしまった場合でも、その人に危害が与えられることを抑止する安全モードとして利用してもよい。
安全モードとする場合は、力センサー50及びエンコーダー11の代わりに、あるいは力センサー50及びエンコーダー11に加えて、赤外線、レーザー等のセンサーや体温を感知するセンサー等、人間の接近を検知できるセンサーを備えることが好ましい。これらのセンサーで人間の接近を検知した場合に圧電モーターの保持力を低下させるようにすれば、操作者等の人が誤って装置に接触してしまった場合でも可動部が移動してよけることが可能となるので、可動部との接触によりその人に危害が与えられることを抑止できる。
また、接触した際にその力の大きさに応じて駆動電圧を変化させ、例えば、接触した際の力が大きいほど保持力が小さくなって可動部が移動し易くなるようにすれば、接触に伴う衝撃が緩和されるとともに、力が小さくなると保持力が大きくなって可動部が移動し難くなるので、可動部の過度の位置ずれを抑えることができる。
(変形例3)
上述した実施形態では、駆動信号供給部30にデジタルアンプ34を用いていたが、これに限定されるものではなく、駆動信号供給部30にアナログアンプを用いた構成としてもよい。駆動信号供給部30にアナログアンプを用いる場合、PWM部33及び整合回路40は削除される。