(57)【要約】【課題】組立を容易にしながらも組立精度を向上させることを可能にする振動アクチュエータを提供する。【解決手段】振動アクチュエータ１００は、ステータ１２と、ステータ１２に接触配置されるロータ２０と、ロータ２０の回転シャフト２２を回転可能に支持すると共にロータ２０を挿通可能である軸受穴２４ａ１を有する枠部材２４と、ステータ１２に接触配置されて超音波振動を発生し且つステータ１２におけるロータ２０との接触面１２ａ１にロータ２０を回転させる振動を生成する圧電素子１３と、枠部材２４に連結されて枠部材２４をステータ１２に向かって付勢することによってロータ２０をステータ１２の接触面１２ａ１に押圧する連結ロッド３１及び皿ばね３４とを備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
前記ステータに接触配置されるロータと、
前記ロータの回転軸を回転可能に支持すると共に前記ロータを挿通可能な軸受穴を有する枠部材と、
前記ステータに接触配置されて超音波振動を発生し、前記ステータにおける前記ロータとの接触部分に前記ロータを回転させる振動を生成する振動手段と、
前記枠部材に連結されて前記枠部材を前記ステータに向かって付勢することによって前記ロータを前記ステータの前記接触部分に押圧する予圧手段と
を備える振動アクチュエータ。
【請求項２】
前記ロータの前記回転軸は、前記枠部材の前記軸受穴に配置される軸受を介して回転可能に支持される請求項１に記載の振動アクチュエータ。
【請求項３】
前記予圧手段は、
前記枠部材に連結され、前記ステータ及び前記振動手段を貫通する連結ロッドと、
前記連結ロッドに連結され、前記枠部材を前記ステータに向かって引き付けるように付勢する付勢部材と
を有する請求項１または２に記載の振動アクチュエータ。
【請求項４】
前記振動手段と前記付勢部材との間に介在して設けられ、前記ステータと共に前記振動手段を挟持するベース部材をさらに備える請求項３に記載の振動アクチュエータ。
【請求項５】
前記ベース部材は、前記連結ロッドの延在方向に垂直な断面が部分的に減少したくびれ部を有する請求項４に記載の振動アクチュエータ。
【請求項６】
前記ベース部材は、前記付勢部材を収容する空間を有する請求項４または５に記載の振動アクチュエータ。
【請求項７】
前記枠部材は、前記ロータの両側に配置され且つ前記軸受穴が形成された板状部と、前記板状部を互いに連結する連結部とを有し、
前記ステータは、前記板状部同士の間に突出し且つ前記ステータの前記接触部分を含む２つの係合突出部を有し、
前記連結部は、前記係合突出部同士の間に延在し且つ前記連結ロッドに連結される請求項３〜６のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
【請求項８】
前記板状部は、前記軸受穴が形成された面と異なる面に固定用ねじ穴を有する請求項７に記載の振動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動アクチュエータに関し、特に、超音波振動を用いて回転体を回転させる振動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、超音波振動を利用して回転体を回転させる振動アクチュエータが開示されている。
特許文献１に開示された振動アクチュエータでは、ベース部材とステータとの間に振動手段が配置されると共に、ステータの振動手段と反対側に複数のローラよりなるロータが接触配置されている。振動手段は、積層された圧電素子板で構成され、交流電圧が印加されることにより縦振動又はたわみ振動を発生する。ロータを構成する複数のローラは、その中心軸を通る連結ピンによって互いに連結されて、一体に回転するように構成されている。また、ステータ、振動手段及びベース部材の内部にはロッドが挿通されており、ロッドの一端部に設けられた板状部が複数のローラの中央部で連結ピンに連結されている。ロッドの他端部は、ベース部材の内部でばね受け部材に固定されており、ばね受け部材がベース部材の内部に配置されたばねの付勢力を受けることで、ロッド及び連結ピンを介してロータがステータに対して加圧接触される。
【０００３】
さらに、この振動アクチュエータでは、振動手段の圧電素子板に交流電圧を印加して縦振動とたわみ振動を組み合わせた複合振動を発生させることで、ステータのロータ接触部位に楕円振動を発生させ、ロータを回転駆動している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１９９７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ステータとロータの摩擦接触を利用して駆動力を得る振動アクチュエータでは、長時間の使用によりロータが擦り減った場合、ロータを交換することで性能を維持している。しかしながら、特許文献１に開示された振動アクチュエータでは、ロータをステータに組み付ける際に、複数のローラ及びロッドの板状部に連結ピンを挿入しつつ、ロッドの板状部が複数のローラの中央部に位置するように調整すると共に、複数のローラが偏心することなく回転するように調整する必要があり、その組み付けが非常に困難である。さらに、事前に、複数のローラと連結ピンからなる組立体が偏心することなく回転することができるか否かを検査することが望ましいが、複数のローラと連結ピンとの組み付け時には中央部にロッドが連結されるため、上記検査の実施が困難である。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、組立を容易にしながらも組立精度を向上させることを可能にする振動アクチュエータ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】
上記の課題を解決するために、本発明に係る振動アクチュエータは、ステータと、ステータに接触配置されるロータと、ロータの回転軸を回転可能に支持すると共にロータを挿通可能な軸受穴を有する枠部材と、ステータに接触配置されて超音波振動を発生し、ステータにおけるロータとの接触部分にロータを回転させる振動を生成する振動手段と、枠部材に連結されて枠部材をステータに向かって付勢することによってロータをステータの接触部分に押圧する予圧手段とを備える。
【０００８】
ロータの回転軸は、枠部材の軸受穴に配置される軸受を介して回転可能に支持されてもよい。
予圧手段は、枠部材に連結され、ステータ及び振動手段を貫通する連結ロッドと、連結ロッドに連結され、枠部材をステータに向かって引き付けるように付勢する付勢部材とを有してもよい。
上記振動アクチュエータは、振動手段と付勢部材との間に介在して設けられ、ステータと共に振動手段を挟持するベース部材をさらに備えてもよい。
ベース部材は、連結ロッドの延在方向に垂直な断面が部分的に減少したくびれ部を有してもよい。
ベース部材は、付勢部材を収容する空間を有してもよい。
枠部材は、ロータの両側に配置され且つ軸受穴が形成された板状部と、板状部を互いに連結する連結部とを有し、ステータは、板状部同士の間に突出し且つステータの接触部分を含む２つの係合突出部を有し、連結部は、係合突出部同士の間に延在し且つ連結ロッドに連結されてもよい。
板状部は、軸受穴が形成された面と異なる面に固定用ねじ穴を有してもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る振動アクチュエータによれば、組立を容易にしながらも組立精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態に係る振動アクチュエータの斜視図である。
【図２】図１の振動アクチュエータの側面図である。
【図３】図１の振動アクチュエータの別の向きから見た側面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】図１の振動アクチュエータの組立分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態
以下、この発明の実施の形態に係る振動アクチュエータ１００について図面を参照して説明する。
図１を参照すると、振動アクチュエータ１００が示されており、この振動アクチュエータ１００は、超音波振動を利用して回転体であるロータ２０を回転させる超音波アクチュエータである。
【００１２】
振動アクチュエータ１００は、円筒状のベース部材１１と、ステータ１２と、ベース部材１１及びステータ１２の間に配置された２つの圧電素子１３と、円筒状のローラ２１及び回転シャフト２２を一体に有するロータ２０と、回転シャフト２２を回転自在に支持するボールベアリング２３と、ボールベアリング２３を支持する枠部材２４とを有している。なお、ロータ２０において、ローラ２１は、その円筒の内周面を回転シャフト２２の外周面に嵌合させるようにして、回転シャフト２２の周りに組み付けられており、ロータ２０の詳細な構成は後述する。ここで、圧電素子１３は振動手段を構成し、ロータ２０の回転シャフト２２は回転軸を構成し、ボールベアリング２３は軸受を構成している。
ここで、説明の便宜上、回転シャフト２２の中心軸をｘ軸と規定し、ベース部材１１から圧電素子１３を経てステータ１２に向かい且つｘ軸に対して垂直である方向にｚ軸が延び、ｘ軸及びｚ軸に対して垂直にｙ軸が延びているものとする。
【００１３】
図１の振動アクチュエータ１００をｙ軸方向から見た側面図を示す図２と、ｘ軸方向から見た側面図を示す図３とをあわせて参照すると、ベース部材１１は、圧電素子１３と接触してこれを支持する円筒状の支持部１１ａと、支持部１１ａと同軸に位置する円筒状の基部１１ｃと、支持部１１ａ及び基部１１ｃの間にこれらと同軸に位置する円筒状のくびれ部１１ｂとを一体に有している。基部１１ｃは、支持部１１ａよりも大径の断面形状を有しており、くびれ部１１ｂは、支持部１１ａ及び基部１１ｃよりも小径の断面形状を有している。
【００１４】
さらに、図４をあわせて参照すると、ベース部材１１の基部１１ｃにおいて、支持部１１ａと反対側に位置する底面１１ｃ１からくびれ部１１ｂに向かって窪んだ円筒状の凹部１１ｄが形成されている。さらに、ベース部材１１には、支持部１１ａから基部１１ｃを貫通して凹部１１ｄの底部１１ｄ１に開口する係合穴１１ｅが形成されている。係合穴１１ｅの内周面には、雌ねじが形成されている。なお、凹部１１ｄは、くびれ部１１ｂまで達しておらず、凹部１１ｄの底部１１ｄ１は、凹部１１ｄにおけるくびれ部１１ｂ側の部位である。
上述のようなベース部材１１は、例えばアルミニウム合金などの金属から作製され、金属の円柱を切削することによって一体ものとして形成することができる。
【００１５】
さらに、図６をあわせて参照すると、ステータ１２は、円筒状の本体部１２ｂと、本体部１２ｂの一方の端面１２ｂ１から垂直に突出する２つの柱状の係合突出部１２ａと、本体部１２ｂの他方の端面１２ｂ２の中心から垂直に突出する連結軸部１２ｃとを一体に有している。
２つの係合突出部１２ａは、互いの間に溝部１２ｄを形成するように対向して配置されている。さらに、各係合突出部１２ａでは、溝部１２ｄ側であり且つ本体部１２ｂと反対側である角部が隅切りされており、この隅切り部分には、先端に向かって溝部１２ｄの幅を拡げるように傾斜した接触面１２ａ１が形成されている。そして、接触面１２ａ１は、ロータ２０のローラ２１の円筒状の外周面２１ａが接触するように構成されており、外周面２１ａと同等の曲率を有する曲面で形成されている。さらに、接触面１２ａ１及び係合突出部１２ａは、ローラ２１と同等の幅で形成されている。ここで、接触面１２ａ１は、ステータ１２の接触部分を構成している。
【００１６】
また、ステータ１２には、溝部１２ｄから、本体部１２ｂ及び連結軸部１２ｃを軸方向に沿って貫通する挿入穴１２ｅが形成されている。さらに、連結軸部１２ｃの外周面先端付近には、雄ねじ１２ｃ１が形成されており、雄ねじ１２ｃ１は、ベース部材１１の係合穴１１ｅの雌ねじに螺合することができる。
上述のようなステータ１２は、例えばアルミニウム合金などの金属から作製され、金属の円柱を切削することによって一体ものとして形成することができる。
【００１７】
そして、連結軸部１２ｃを螺合させてベース部材１１に連結されたステータ１２とベース部材１１との間には、２つの円環板状の圧電素子１３が設けられている。各圧電素子１３は、中心に貫通穴１３ａを有している。２つの圧電素子１３は、その貫通穴１３ａにステータ１２の連結軸部１２ｃを通して、連結軸部１２ｃの軸方向に重ねて配置されている。そして、ベース部材１１の係合穴１１ｅに対して連結軸部１２ｃの雄ねじ１２ｃ１を締め込むことで、圧電素子１３がベース部材１１及びステータ１２によって挟持されている。各圧電素子１３は、図示しない駆動回路に電気的に接続され、駆動回路から交流電圧が印加されると超音波振動を発生する。
【００１８】
また、図１〜図３、図５及び図６をあわせて参照すると、枠部材２４は、互いに対向する矩形板状の軸支持部２４ａと、軸支持部２４ａ同士を連結する帯状の連結部２４ｂ及び２４ｃとを有している。
２つの軸支持部２４ａは、互いに同形状をしており、これらの間でステータ１２の２つの係合突出部１２ａをｘ軸方向の両側から挟むことができるような間隔をあけて配置されている。さらに、各軸支持部２４ａには、これを貫通する軸受穴２４ａ１が形成されている。２つの軸受穴２４ａ１は、同形状をしており、互いに対向する位置に形成されている。
【００１９】
第一連結部２４ｂは、ステータ１２と反対側となる軸支持部２４ａの端部で、２つの軸支持部２４ａを連結している。第二連結部２４ｃは、ステータ１２側となる軸支持部２４ａの端部で、２つの軸支持部２４ａを連結している。さらに、第一連結部２４ｂ及び第二連結部２４ｃは、互いに対向するように配置されている。また、第二連結部２４ｃは、ステータ１２の溝部１２ｄ内に収まるような幅で形成されている。そして、枠部材２４は、２つの軸支持部２４ａで２つのステータ１２の係合突出部１２ａを外側から挟み且つ第二連結部２４ｃを溝部１２ｄ内に通すようにして、ステータ１２に対して配置される。
【００２０】
また、各軸支持部２４ａでは、第一連結部２４ｂが設けられた端部の両端に、角部を斜めにカットしたような隅切り部２４ａ２が形成されている。さらに、各軸支持部２４ａにおいて、軸受穴２４ａ１が形成されていないｙ軸方向の両側部には、複数の固定用ねじ穴２４ａ３が形成されている。固定用ねじ穴２４ａ３は、内周面に雌ねじが形成されており、軸支持部２４ａを設置対象に固定するために用いることができる。
【００２１】
さらに、第二連結部２４ｃでは、第一連結部２４ｂと反対側の底面２４ｃ１の中心に、雌ねじを有する連結ねじ穴２４ｃ２が形成されている。連結ねじ穴２４ｃ２には、連結ロッド３１が、その一方の端部３１ａに形成された雄ねじを螺合させて連結されるように構成されている。連結ロッド３１が連結される第二連結部２４ｃは、剛性及び強度を有するように、第一連結部２４ｂよりも連結ロッド３１の軸方向であるｚ軸方向に大きい厚さを有している。
上述のような枠部材２４は、例えば鉄やアルミニウム合金などの金属から作製され、金属塊を切削することによって一体ものとして形成することができる。
【００２２】
なお、枠部材２４の第二連結部２４ｃに一方の端部３１ａが連結された連結ロッド３１は、ステータ１２の挿入穴１２ｅに通すとベース部材１１の係合穴１１ｅを貫通して他方の端部３１ｂを凹部１１ｄ内に突出させる。そして、連結ロッド３１は、例えば鉄などの金属から作製されている。
凹部１１ｄ内に突出する連結ロッド３１の端部３１ｂには、円筒状のホルダ３２を介して円環板状のばね受体３３が取り付けられている。連結ロッド３１の端部３１ｂには、雄ねじが形成されており、端部３１ｂの雄ねじは、ホルダ３２の内周面に形成された雌ねじと螺合している。なお、ばね受体３３は、ホルダ３２に対して回転自在である。
さらに、凹部１１ｄ内において、ばね受体３３と凹部１１ｄの底部１１ｄ１との間には、これらに接触するようにして、付勢部材としての皿ばね３４が設けられている。皿ばね３４は、ホルダ３２の外周を囲むように配置されており、ホルダ３２は、皿ばね３４に対して回転自在となっている。
【００２３】
皿ばね３４は、皿ばね３４の外径縁と内径縁とを接近させる方向に作用する力に対抗する方向のばね力を有している。このため、皿ばね３４のばね力は、ばね受体３３を凹部１１ｄの底部１１ｄ１から引き離す、つまり枠部材２４の第二連結部２４ｃをステータ１２へ近づける付勢力として連結ロッド３１に付与される。
ここで、連結ロッド３１及び皿ばね３４は、予圧手段を構成している。
【００２４】
また、ロータ２０において、回転シャフト２２は、円柱状のシャフト本体２２ａと、シャフト本体２２ａの両端から同軸に且つ一体に突出する円柱状の軸部２２ｂとによって構成されている。軸部２２ｂは、シャフト本体２２ａよりも小径の円柱として形成されている。回転体の回転軸を構成する回転シャフト２２は、例えば鉄などの金属から作製されている。
【００２５】
ロータ２０において、ローラ２１は、回転シャフト２２のシャフト本体２２ａよりも軸方向に短い円筒状の形状を有している。さらに、ローラ２１の外周は、シャフト本体２２ａよりも大径であり且つ枠部材２４の軸受穴２４ａ１に通すことができる大きさを有している。さらにまた、ローラ２１は、シャフト本体２２ａの外周面２２ａ１に整合する円筒状の内周面２１ｂを有している。そして、ローラ２１は、その内周面２１ｂをシャフト本体２２ａの外周面２２ａ１に嵌合させることによって、シャフト本体２２ａに一体に取り付けられ、互いに一体に組み付けられたローラ２１及び回転シャフト２２が１つのロータ２０を形成している。例えば、ローラ２１及びシャフト本体２２ａは、止めねじ係合やキー係合等を用いて互いに嵌合させることができる。なお、ローラ２１は、ステータ１２よりも硬度が高い、例えばアルミナのような無機材料などで作製されている。
【００２６】
さらに、シャフト本体２２ａの外周面２２ａ１上には、ローラ２１の両側に隣接してボールベアリング２３が一体に取り付けられている。各ボールベアリング２３は、円筒状をした内側リング２３ａ及び外側リング２３ｂと、内側リング２３ａ及び外側リング２３ｂの間に介在する複数のボール２３ｃとを有している。各ボールベアリング２３は、内側リング２３ａでシャフト本体２２ａの外周面２２ａ１を囲むようにして配置されると共に止めねじ係合やキー係合等を用いて内側リング２３ａを外周面２２ａ１に嵌合させている。これにより、回転シャフト２２及びローラ２１は、ボールベアリング２３の外側リング２３ｂに対して回転自在である。
【００２７】
さらに、ボールベアリング２３の外側リング２３ｂは、枠部材２４の軸受穴２４ａ１に整合する外周を有している。さらに、外側リング２３ｂは、止めねじ係合やキー係合等を用いて軸受穴２４ａ１に嵌合することができるように構成されている。そして、回転シャフト２２のシャフト本体２２ａに取り付けられた各ボールベアリング２３の外側リング２３ｂを枠部材２４の各軸支持部２４ａに嵌合させると、回転シャフト２２及びローラ２１からなるロータ２０は、枠部材２４に対して自在に回転することができる。
【００２８】
よって、図４をあわせて参照すると、回転シャフト２２にボールベアリング２３が取り付けられたロータ２０は、枠部材２４の２つの軸受穴２４ａ１に挿入することによって、枠部材２４に取り付けられることができる。そして、枠部材２４に取り付けられたロータ２０のローラ２１は、皿ばね３４の付勢力によって、連結ロッド３１、枠部材２４及びボールベアリング２３を介して、ステータ１２の係合突出部１２ａの接触面１２ａ１に押し付けられ、その外周面２１ａを接触面１２ａ１に接触させる。つまり、皿ばね３４は、ロータ２０に対して、ステータ１２の接触面１２ａ１に押し付ける予圧力を付与する。
【００２９】
また、ローラ２１と枠部材２４の第二連結部２４ｃとの間には、潤滑部材２５が設けられている。潤滑部材２５は、第二連結部２４ｃに取り付けられ、ローラ２１の外周面２１ａに接触している。なお、潤滑部材２５は、スポンジ等の可撓性及び／又は弾性を有する多孔質性の樹脂部材に、オイルやグリスなどの流体状の潤滑剤を含浸させたものである。
【００３０】
ここで、振動アクチュエータ１００の組立方法について説明する。
図１、図４、図５及び図６をあわせて参照すると、ステータ１２の連結軸部１２ｃを２つの圧電素子１３の貫通穴１３ａ内に通し、連結軸部１２ｃの雄ねじ１２ｃ１をベース部材１１の係合穴１１ｅに挿入して雌ねじに螺合させる。そして、ステータ１２と共に連結軸部１２ｃをねじ回転させてステータ１２の本体部１２ｂ及びベース部材１１の支持部１１ａで２つの圧電素子１３を挟み込む。さらに、連結ロッド３１の端部３１ｂにホルダ３２を螺合させて取り付け、円環板状のばね受体３３の穴に端部３１ａ側から連結ロッド３１を通してばね受体３３をホルダ３２にセットする。そして、皿ばね３４の穴に端部３１ａ側から連結ロッド３１及びホルダ３２を通して、皿ばね３４をばね受体３３上に配置する。
【００３１】
皿ばね３４を配置した連結ロッド３１を、ベース部材１１の凹部１１ｄから、ベース部材１１の係合穴１１ｅ及びステータ１２の挿入穴１２ｅに順次通し、連結ロッド３１の端部３１ａをステータ１２の本体部１２ｂから突出させる。さらに、枠部材２４の第二連結部２４ｃをステータ１２の係合突出部１２ａ間の溝部１２ｄ内にはめ込み、第二連結部２４ｃの連結ねじ穴２４ｃ２に、連結ロッド３１の端部３１ａの雄ねじを螺合させる。これにより、枠部材２４、連結ロッド３１及び皿ばね３４が一体となってステータ１２にセットされる。さらにまた、枠部材２４の第二連結部２４ｃにおける連結ロッド３１と反対側の表面上に潤滑部材２５を貼り付ける。
【００３２】
また、上記組立作業に並行して、ロータ２０の組立作業の実施が可能である。
ロータ２０の組立作業では、回転シャフト２２のシャフト本体２２ａをローラ２１の内周面２１ｂの内側に挿入し、シャフト本体２２ａの外周面２２ａ１をローラ２１の内周面２１ｂに嵌合させる。これにより、ローラ２１及び回転シャフト２２はロータ２０を形成し一体に回転することができる。
【００３３】
さらに、組み立てられたロータ２０に対して、ローラ２１及び回転シャフト２２の同軸度の検査を実施する。具体的には、回転シャフト２２のシャフト本体２２ａの外周面２２ａ１を軸受支持してロータ２０を回転させたときの回転シャフト２２の軸部２２ｂの回転中心に対する偏心度、回転シャフト２２のシャフト本体２２ａの回転中心に対する偏心度、及びローラ２１の回転中心に対する偏心度等が、所定の許容範囲以内に収まっているかを測定する。
そして、各偏心度が所定の許容範囲以内に収まるロータ２０を、枠部材２４にセットする。このとき、ロータ２０に対して、回転シャフト２２のシャフト本体２２ａの両端をそれぞれ、２つのボールベアリング２３それぞれの内側リング２３ａの内側に通して、シャフト本体２２ａの外周面２２ａ１を内側リング２３ａに嵌合させる。これにより、シャフト本体２２ａ上においてローラ２１の両側にボールベアリング２３が配置され、ローラ２１及びボールベアリング２３は、１つの円柱状の形状をなす。そして、内側リング２３ａ及びロータ２０は一体に回転することができる。
【００３４】
さらに、ボールベアリング２３を取り付けたロータ２０を、枠部材２４の２つの軸支持部２４ａの軸受穴２４ａ１に挿入する。このとき、軸受穴２４ａ１に整合する形状を有する各ボールベアリング２３の外側リング２３ｂは、各軸支持部２４ａの軸受穴２４ａ１に嵌合すると共に軸受穴２４ａ１によって外周面全体が支持される。各ボールベアリング２３が各軸支持部２４ａにセットされたとき、ローラ２１は、ステータ１２の２つの係合突出部１２ａの上に位置する。
【００３５】
ここで、連結ロッド３１上のホルダ３２は、連結ロッド３１に対してねじ回転させると、連結ロッド３１に対して軸方向に進退することができる。このため、ホルダ３２を枠部材２４に向かって近づけるようにねじ回転させることで、皿ばね３４の付勢力を増加させ、それにより、連結ロッド３１を介して枠部材２４及びロータ２０をステータ１２に近づけるように移動させ、ローラ２１の外周面２１ａをステータ１２の係合突出部１２ａの接触面１２ａ１及び潤滑部材２５に押し付ける。これにより、振動アクチュエータ１００の組立が完了する。
なお、振動アクチュエータ１００の組立が完了した状態では、潤滑部材２５は、ステータ１２の２つの係合突出部１２ａ、枠部材２４の２つの軸支持部２４ａ及び第二連結部２４ｃ、並びにローラ２１の外周面２１ａによって周囲が囲まれるため、貼り付けていなくとも第二連結部２４ｃから脱落しない。
【００３６】
次に、本実施形態に係る振動アクチュエータ１００の動作について説明する。
図１、図４及び図５をあわせて参照すると、図示しない駆動回路によって交流電圧を各圧電素子１３に印加すると、ステータ１２には縦振動とたわみ振動の組み合わせによる複合振動が発生し、ステータ１２における一対の係合突出部１２ａの接触面１２ａ１は、楕円運動（又は円運動）を行う。すなわち、一方の圧電素子１３は、ステータ１２及びベース部材１１を含む振動体をｙｚ平面において縦振動させ、また、他方の圧電素子１３は、振動体をｙｚ平面においてたわみ振動させる。これらの２つの圧電素子１３に印加する交流電圧の位相差を調整することで、ステータ１２の２つの接触面１２ａ１を楕円軌跡（又は円軌跡）を描くように運動させる。
【００３７】
ロータ２０のローラ２１が接触面１２ａ１を通じて楕円運動（又は円運動）を受けることによって、ローラ２１は、外周面２１ａの周方向に沿って、回転シャフト２２の軸部２２ｂの中心軸を中心にして回転される。
ローラ２１が回転することによって、回転シャフト２２の軸部２２ｂでは出力として回転駆動力が得られる。
ローラ２１の回転方向、回転速度及びトルクの制御は、印加する交流電圧や周波数等を制御することによって行うことが可能である。
【００３８】
なお、枠部材２４が、皿ばね３４の付勢力を受ける連結ロッド３１によって、ステータ１２へ近づく方向に付勢されているため、ローラ２１はステータ１２の係合突出部１２ａに押圧されている。ローラ２１は、その両側にある枠部材２４の２つの軸支持部２４ａによってステータ１２に引き付けられているため、ステータ１２の各接触面１２ａ１では、加圧接触するローラ２１による荷重がそれぞれ均等に作用し、ローラ２１つまりロータ２０は高トルクで回転される。
そして、ローラ２１とステータ１２とが互いに押圧された状態で接触することから、枠部材２４は、振動するステータ１２や圧電素子１３に対して振動を妨げることはない。
このため、固定用ねじ穴２４ａ３を用いて枠部材２４の軸支持部２４ａを設置対象に固定した場合、固定された振動アクチュエータ１００は、ステータ１２や圧電素子１３の振動が妨げられることなくロータ２０を回転駆動する。
【００３９】
また、ロータ２０の回転時、潤滑部材２５の潤滑剤がローラ２１の外周面２１ａに付着し、ローラ２１の外周面２１ａとステータ１２の接触面１２ａ１との間に侵入する。この侵入した潤滑剤の粘性及び粘着力が、ステータ１２の接触面１２ａ１とローラ２１の外周面２１ａとの間の摩擦力を増大させ、ローラ２１を高トルクで回転させることを可能にする。つまり、潤滑剤はローラ２１の外周面２１ａとステータ１２の接触面１２ａ１との適切な接触状態を維持する。
【００４０】
また、ベース部材１１において、支持部１１ａ及び基部１１ｃの間に径が小さくなったくびれ部１１ｂが形成されて連結ロッド３１の延在方向に垂直な方向の剛性が部分的に低くなっているため、振動アクチュエータ１００は、連結ロッド３１の延在方向に垂直な方向へたわみ振動しやすくなっている。さらに、支持部１１ａよりも基部１１ｃの方が大径で形成されているため、振動アクチュエータ１００は、連結ロッド３１の延在方向に垂直な方向へさらにたわみ振動しやすくなっている。よって、２つの圧電素子１３から伝達してステータ１２で発生する複合振動は、ベース部材１１の上述のたわみ振動と共振することで、２つの圧電素子１３のみで生成する複合振動に対して、共振周波数を変化させると共に連結ロッド３１及び係合突出部１２ａの延在方向に垂直な方向の振幅を増大させ、係合突出部１２ａを介して高い回転トルクでロータ２０を回転させることができる。
【００４１】
また、ベース部材１１において、基部１１ｃに凹部１１ｄが形成され、凹部１１ｄの底部１１ｄ１における基部１１ｃの部材厚が薄くなっている。このとき、ベース部材１１は、基部１１ｃにおける底部１１ｄ１の部位でたわみを生じやすくなると共に、凹部１１ｄを囲む筒状の部位で連結ロッド３１の延在方向に垂直な方向にたわみを生じやすくなる。このため、振動アクチュエータ１００は、連結ロッド３１の延在方向に垂直な方向へたわみ振動しやすくなる。よって、２つの圧電素子１３から伝達してステータ１２で発生する複合振動は、ベース部材１１の上述のたわみ振動と共振することで、２つの圧電素子１３のみで生成する複合振動に対して、共振周波数を変化させると共に係合突出部１２ａの延在方向に垂直な方向の振幅を増大させ、係合突出部１２ａを介して高い回転トルクでロータ２０を回転させることができる。
【００４２】
このように、この発明の実施の形態に係る振動アクチュエータ１００は、ステータ１２と、ステータ１２に接触配置されるロータ２０と、ロータ２０の回転シャフト２２を回転可能に支持すると共にロータ２０の回転シャフト２２及びローラ２１を挿通可能である軸受穴２４ａ１を有する枠部材２４と、ステータ１２に接触配置されて超音波振動を発生し且つステータ１２におけるロータ２０との接触面１２ａ１にロータ２０を回転させる振動を生成する圧電素子１３と、枠部材２４に連結されて枠部材２４をステータ１２に向かって付勢することによってロータ２０のローラ２１をステータ１２の接触面１２ａ１に押圧する予圧手段としての連結ロッド３１及び皿ばね３４とを備える。
【００４３】
このとき、枠部材２４の軸受穴２４ａ１がロータ２０のローラ２１及び回転シャフト２２を通すことができる大きさを有するため、ローラ２１を回転シャフト２２に組み付けた状態で、ロータ２０を枠部材２４に組み付けることができる。このため、ロータ２０におけるローラ２１及び回転シャフト２２の同軸度等の検査を、枠部材２４に組み付ける前に実施することができる。さらに、ロータ２０の枠部材２４への組み付けは、回転シャフト２２を枠部材２４の軸受穴２４ａ１に連結するだけでよいため、容易である。また、ロータ２０をステータ１２の接触面１２ａ１に押圧する予圧力の調節は、各部品を組み付けてロータ２０を枠部材２４に組み付けた状態で皿ばね３４の付勢力を調節することによって、実施することができる。従って、振動アクチュエータ１００は、組立を容易にしながらも高い組立精度の実現を可能にする。
【００４４】
また、振動アクチュエータ１００は、ロータ２０の回転シャフト２２と枠部材２４の軸受穴２４ａ１との間に、回転シャフト２２を回転可能に支持するボールベアリング２３を備える。このとき、ロータ２０の枠部材２４への組み付けは、回転シャフト２２及びボールベアリング２３を枠部材２４の軸受穴２４ａ１に組み付けるだけで実施することができる。よって、振動アクチュエータ１００の高い組立精度を維持しつつ組立を容易にすることができる。
【００４５】
また、振動アクチュエータ１００は、予圧手段として、枠部材２４に連結され且つステータ１２及び圧電素子１３を貫通する連結ロッド３１と、連結ロッド３１に連結され且つ枠部材２４をステータ１２に向かって引き付けるように付勢する皿ばね３４とを有する。このとき、連結ロッド３１に皿ばね３４を取り付けた後、連結ロッド３１をステータ１２及び圧電素子１３に通して枠部材２４に連結することによって、予圧手段を組み付けることができる。或いは、連結ロッド３１を枠部材２４に連結してステータ１２及び圧電素子１３に通した後、連結ロッド３１に皿ばね３４を取り付けることによって、予圧手段を組み付けることができる。よって、予圧手段の組立を容易にすることができる。
【００４６】
また、振動アクチュエータ１００は、圧電素子１３と皿ばね３４との間に介在して設けられ且つステータ１２と共に圧電素子１３を挟持するベース部材１１を備え、ベース部材１１は、連結ロッド３１の延在方向に垂直な断面が部分的に減少したくびれ部１１ｂを有する。このとき、ベース部材１１では、連結ロッド３１の延在方向に垂直な方向の剛性が部分的に低くなるため、圧電素子１３が超音波振動を発生したとき、ベース部材１１自体もたわみ振動を発生する。そして、圧電素子１３の超音波振動とベース部材１１のたわみ振動とが共振し、共振した振動がステータ１２を通じて接触面１２ａ１に発生させる振動は、ロータ２０に対して高い回転トルクや高い回転速度等を与えることができる。つまり、ベース部材１１にくびれ部１１ｂを設けることによって、ロータ２０に与える回転トルク及び回転速度を調節することができる。
【００４７】
また、振動アクチュエータ１００において、ベース部材１１は、皿ばね３４を収容する空間として凹部１１ｄを有する。このとき、ベース部材１１は、皿ばね３４と圧電素子１３との間の部材厚を低減した有底筒状の形状を有することができる。これにより、ベース部材１１は、皿ばね３４を保護するカバーとしての機能を有しつつ、連結ロッド３１の延在方向に垂直な方向の剛性を低下させて圧電素子１３の超音波振動と共振しやすくなる。
【００４８】
また、振動アクチュエータ１００において、枠部材２４は、ロータ２０の回転シャフト２２の両側に配置され且つ軸受穴２４ａ１が形成された板状の軸支持部２４ａと、軸支持部２４ａを互いに連結する第二連結部２４ｃとを有し、ステータ１２は、軸支持部２４ａ同士の間に突出し且つステータ１２の接触面１２ａ１を含む２つの係合突出部１２ａを有し、第二連結部２４ｃは、係合突出部１２ａ同士の間に延在し且つ連結ロッド３１に連結される。このとき、枠部材２４は、軸支持部２４ａ同士の間に係合突出部１２ａを位置させると共に第二連結部２４ｃを係合突出部１２ａ同士の間の溝部１２ｄ内に位置させることで、ステータ１２に対して位置決めすることができる。よって、枠部材２４のステータ１２への組み付けが容易になる。
【００４９】
また、振動アクチュエータ１００において、枠部材２４の軸支持部２４ａは、軸受穴２４ａ１が形成された面と異なる面に固定用ねじ穴２４ａ３を有する。固定用ねじ穴２４ａ３を介して設置対象に固定された枠部材２４は、ステータ１２や圧電素子１３の振動を妨げることがなく、振動アクチュエータ１００は高い回転トルクを安定して得ることができる。
【００５０】
また、振動アクチュエータ１００において、枠部材２４の軸支持部２４ａは、ステータ１２と反対側の端部の両端に隅切り部２４ａ２を有している。例えば、ロボットハンドのフィンガを構成する場合のように、端部を枠部材２４の軸支持部２４ａにおける隅切り部２４ａ２のある側部に隣接させ且つ２つの軸支持部２４ａを跨ぐようにして回転シャフト２２の２つの軸部２２ｂに１つの柱状部材が連結されるとき、この柱状部材は、振動アクチュエータ１００が動作してロータ２０を回転させると、ロータ２０と共にローラ２１の外周面２１ａに沿う方向に回動する。軸支持部２４ａに隅切り部２４ａ２を形成することによって、柱状部材の端部は、軸支持部２４ａの角部に接触することなく、広い角度範囲にわたって回動することができる。なお、平坦面で形成されている隅切り部２４ａ２は、ローラ２１の外周面２１ａに沿う弧状面で形成されていてもよい。或いは、軸支持部２４ａは、隅切り部２４ａ２が形成されていた端部全体がローラ２１の外周面２１ａに沿う半円形面又は楕円形面等の弧状面で形成されていてもよい。
【００５１】
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００のロータ２０において、１つのローラ２１が、その両側において回転シャフト２２を介して枠部材２４によって支持される構成であったが、これに限定されるものでない。回転シャフトによって複数のローラが同軸で直列に連結され、連結されたローラにおける最も外側の２つのローラから突出する回転シャフトを枠部材が支持する構成であってもよく、連結されたローラ間でローラ同士を連結する回転シャフトを枠部材が支持する構成であってもよい。
【００５２】
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００のロータ２０において、ローラ２１及び回転シャフト２２は、別部材から形成されていたが、これに限定されるものでなく、一体化された単一の部材で形成されていてもよい。また、ローラ２１及び回転シャフト２２の間に、減速機を設けてもよいし、或いは、これらの間に振動アクチュエータの出力を取り出すための出力リンク等の出力部材を設けた構成でもよい。
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００のロータ２０において、回転シャフト２２は、ローラ２１の内側に挿入する構成であったが、これに限定されるものでなく、ローラ２１の両端部に取り付ける構成であってもよい。
【００５３】
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００において、枠部材２４は、ロータ２０のローラ２１の両端部を覆うロ字状の断面を有する形状であったが、これに限定されるものでなく、第一連結部２４ｂのないＵ字状の断面形状、又はローラ２１の両端部及び外周面２１ａを覆う箱型の形状であってもよい。枠部材２４は、ロータ２０を通すことができる軸受穴２４ａ１を有してこれを軸受穴２４ａ１で支持し、連結ロッド３１及び皿ばね３４等の予圧手段により付勢されてロータ２０の回転を実現することができる形状であればとくに限定されない。
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００において、ステータ１２に連結軸部１２ｃを設けて連結軸部１２ｃとベース部材１１とが連結される構成としていたが、ステータ１２に連結軸部を設けず、代わりにベース部材１１に連結軸部を設けてベース部材１１の連結軸部とステータ１２とを連結する構成としてもよい。
【００５４】
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００において、付勢部材として皿ばね３４を用いたが、これに限定されるものでない。付勢部材は、枠部材２４をステータ１２に向かって付勢する付勢力を発生することができる要素であればよく、例えば、弾性樹脂やコイルばねでもよい。あるいは、連結ロッド３１を弾性体とし、連結ロッド３１を付勢部材として機能させてもよい。
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００において、回転シャフト２２の回転力をそのまま出力とする構成としていたが、例えば、回転シャフト２２及び枠部材２４の軸受穴２４ａ１にギヤ歯を設けて、減速機構を構成するようにしてもよい。この場合、枠部材２４を減速機構を構成する要素として兼用させることができる。また、減速機構が備えられることにより、高い回転トルクを得ることができる。
【００５５】
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００において、枠部材２４を設置対象に固定することで回転シャフト２２の軸部２２ｂを出力端としていたがこれに限定されるものでない。例えば、軸部２２ｂを設置対象に固定することによって、ロータ２０以外の要素を出力側としてもよい。この場合も上述の実施形態と同様に枠部材２４はステータ１２や圧電素子１３の振動を妨げることはない。
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００において、枠部材２４の軸支持部２４ａには、軸受穴２４ａ１が形成されていないｙ軸方向の両側部（図１参照）に固定用ねじ穴２４ａ３が形成されていたが、ｚ軸方向の側部に形成されていてもよい。
【００５６】
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００において、ベース部材１１には、１つのくびれ部１１ｂが形成されていたが、これに限定されるものでなく、くびれ部は２つ以上あってもよい。さらに、くびれ部は、ベース部材１１において凹部１１ｄを有する基部１１ｃと支持部１１ａとの間に形成されていたが、基部１１ｃにおける凹部１１ｄを囲む筒状の壁部に設けられてもよい。
また、実施の形態の振動アクチュエータ１００において、ベース部材１１に凹部１１ｄが形成されていたが、これに限定されるものでなく、ベース部材１１は、凹部１１ｄの代わりに凹部１１ｄの開口端を閉鎖した空間を有し、この空間内に皿ばね３４等を収容してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１１  ベース部材、１１ｂ  くびれ部、１１ｄ  凹部（付勢部材を収容する空間）、１２  ステータ、１２ａ  係合突出部、１２ａ１  接触面（接触部分）、１３  圧電素子（振動手段）、２０  ロータ、２１  ローラ、２２  回転シャフト（回転軸）、２３  ボールベアリング（軸受）、２４  枠部材、２４ａ  軸支持部（板状部）、２４ａ１  軸受穴、２４ａ３  固定用ねじ穴、２４ｃ  第二連結部（連結部）、３１  連結ロッド（予圧手段）、３４  皿ばね（予圧手段、付勢部材）、１００  振動アクチュエータ。
【図１】
2014193019.tif 000003
【図２】
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【図３】
2014193019.tif 000005
【図４】
2014193019.tif 000006
【図５】
2014193019.tif 000007
【図６】
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