(57)【要約】【課題】大きなトルクが得られるとともに摩擦面の摩耗のおそれがなく、回転速度や回転方向の制御性および負荷変動に対する応答性が良好な回転駆動装置を提供する。【解決手段】基台２と、回転自在に支承され半径方向に延在するクランクシャフト３１および一端（連結孔３５１）が連結されたコネクティングロッド３５からなるクランク機構３と、コネクティングロッド３５の他端（加振孔３５２）を往復駆動する往復駆動源（往復駆動装置４）と、クランクシャフト３１に半径方向に変位可能にかつ回転可能に支承されたプラネタリギヤ５と、基台２に固定されかつプラネタリギヤ５が噛合可能なリングギヤ５８と、基台２に回転可能に軸承された出力軸６と、出力軸６に固定されたサンギヤ（従動スプロケット部６２）と、プラネタリギヤ５の回転をサンギヤ（従動スプロケット部６２）に伝達する回転伝達手段（環状ベルト６５）と、を備える。【選択図】図１
2011163521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、
前記基台により回転軸線上に回転自在に支承され半径方向に延在するクランクシャフト、および該クランクシャフトの前記回転軸線から外れた連結位置に一端が連結されたコネクティングロッドからなるクランク機構と、
前記コネクティングロッドの他端を往復駆動する往復駆動源と、
前記クランクシャフトに半径方向に変位可能にかつ前記回転軸線と平行な軸線回りに回転可能に支承されたプラネタリギヤと、
前記基台に前記回転軸線を共有して固定されかつ前記プラネタリギヤが噛合可能なリングギヤと、
前記基台に前記回転軸線を共有して回転可能に軸承された出力軸と、
前記出力軸に前記回転軸線を共有して固定されたサンギヤと、
前記プラネタリギヤの回転を前記サンギヤに伝達する回転伝達手段と、
を備えることを特徴とする回転駆動装置。
【請求項２】
基台と、
前記基台により回転軸線上に回転自在に支承され半径方向に延在するクランクシャフト、および該クランクシャフトの前記回転軸線から外れた連結位置に一端が連結されたコネクティングロッドからなるクランク機構と、
前記コネクティングロッドの他端を往復駆動する往復駆動源と、
前記クランクシャフトに半径方向に変位可能に設けられた押圧部材と、
前記基台に前記回転軸線を共有して設けられるとともに前記クランクシャフトの回転時の遠心力の増加により半径方向外向きに変位する前記押圧部材によって可撓性外歯歯車が剛性内歯歯車に噛合される波動歯車装置と、
前記基台に前記回転軸線を共有して回転可能に軸承された出力軸と、を備え、
前記可撓性外歯歯車および前記剛性内歯歯車の一方が前記基台に保持され、他方が前記出力軸に連結されていることを特徴とする回転駆動装置。
【請求項３】
基台と、
前記基台により回転軸線上に回転自在に支承され半径方向に延在するクランクシャフト、および該クランクシャフトの前記回転軸線から外れた連結位置に一端が連結されたコネクティングロッドからなるクランク機構と、
前記コネクティングロッドの他端を往復駆動する往復駆動源と、
前記クランクシャフトに半径方向に変位可能に設けられた嵌合部材と、
前記基台に前記回転軸線を共有して回転可能に支承されかつ前記嵌合部材が嵌合可能な内歯を有するリングギヤと、
前記リングギヤと一体に回転する出力軸と、
を備えることを特徴とする回転駆動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、前記往復駆動源は圧電体であることを特徴とする回転駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトルクを出力する回転駆動装置に関し、より詳細には、圧電体などの往復駆動源が発生する往復運動を利用した回転駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力を機械的動力に変換して出力する駆動装置として電磁力を利用するモータが一般的に用いられるが、電子機器や精密機械などに内蔵する駆動装置には特に小形化や位置制御の高精度化が必要とされる。このような小形化、高精度化への要求に応えて、電磁力によらず、超音波振動などを利用した別の駆動方式の駆動装置が実用化されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示される超音波モータは、圧電体によって励振されて表面に進行波を発生する固定子と、固定子に当接されて相対的に可動する回転子とを有し、固定子および回転子の少なくとも一方を弾性変形する薄板円板で支持している。そして、圧電体に高周波電圧を印加すると固定子には屈曲振動によって進行波が発生し、加圧接触している回転子が回転するようになっている。
【０００４】
また、特許文献２に開示される超音波リニアモータは、胴部から延びる少なくとも２本の脚部を有する振動体と、振動体に設けられて胴部および脚部の少なくとも一方に交差する方向に向けられた振動素子とを備え、振動素子として圧電素子が例示されている。そして、圧電素子に電圧を印加することにより、脚部の先端が楕円状に回転して振動体がレール上を移動するようになっている。これにより、エネルギー変換効率が高く、高速動作をさせることができ、しかも極めてコンパクトに構成することができる、とされている。
【０００５】
さらに、特許文献３の超音波リードスクリューモータを含む機構には、ねじ付きシャフトおよびねじ付きナットを含み、ねじ付きナットを超音波振動に供し、それによってねじ付きシャフト回転させながら軸方向に移動させる光学アセンブリが開示されている。また、超音波振動を発生させる手段として圧電管が開示されている。この発明の目的は、従来技術よりも実質的に高い効率を有し、かつ高い精度、大きな力および速度を提供することとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−７７０６８号公報
【特許文献２】特開平２−２６６８８１号公報
【特許文献３】特開２００８−５１０４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の３つの特許文献に開示された技術は、駆動力・推進力に制約が生じる点、および、摩擦面の摩耗による耐久性の低下の点で問題点があった。特許文献１では、固定子と回転子とが対向する面で加圧接触しているが、加圧方向における圧電体の変形力は小さく、したがって小さな駆動力しか得られない。また、加圧接触している面が荒れると、性能が低下してしまう。特許文献２でも同様であり、振動体の脚部先端をレールに押し当てながら駆動するので、面接触による摩擦分だけの推進力しか得られず、脚部先端やレールの摩耗も懸念される。特許文献３では、ねじ付きシャフトおよびねじ付きナットが螺合面で擦れ合い摩擦力によりシャフトが回転するので、摩擦力以上の推進力は得られない。
【０００８】
また、これらの技術では、回転速度や移動速度の調整制御、回転方向の切り替え制御が容易とは言えなかった。さらに、負荷変動時に圧電体などの振動発生手段に印加する電圧の周波数または大きさを制御するが、必ずしも良好な応答性が得られなかった。
【０００９】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、大きなトルクが得られるとともに摩擦面の摩耗のおそれがなく、回転速度や回転方向の制御性および負荷変動に対する応答性が良好な回転駆動装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する請求項１に係る回転駆動装置の発明は、基台と、前記基台により回転軸線上に回転自在に支承され半径方向に延在するクランクシャフト、および該クランクシャフトの前記回転軸線から外れた連結位置に一端が連結されたコネクティングロッドからなるクランク機構と、前記コネクティングロッドの他端を往復駆動する往復駆動源と、  前記クランクシャフトに半径方向に変位可能にかつ前記回転軸線と平行な軸線回りに回転可能に支承されたプラネタリギヤと、前記基台に前記回転軸線を共有して固定されかつ前記プラネタリギヤが噛合可能なリングギヤと、前記基台に前記回転軸線を共有して回転可能に軸承された出力軸と、前記出力軸に前記回転軸線を共有して固定されたサンギヤと、  前記プラネタリギヤの回転を前記サンギヤに伝達する回転伝達手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、基台と、前記基台により回転軸線上に回転自在に支承され半径方向に延在するクランクシャフト、および該クランクシャフトの前記回転軸線から外れた連結位置に一端が連結されたコネクティングロッドからなるクランク機構と、前記コネクティングロッドの他端を往復駆動する往復駆動源と、前記クランクシャフトに半径方向に変位可能に設けられた押圧部材と、前記基台に前記回転軸線を共有して設けられるとともに前記クランクシャフトの回転時の遠心力の増加により半径方向外向きに変位する前記押圧部材によって可撓性外歯歯車が剛性内歯歯車に噛合される波動歯車装置と、前記基台に前記回転軸線上に回転可能に軸承された出力軸と、を備え、前記可撓性外歯歯車および前記剛性内歯歯車の一方が前記基台に保持され、他方が前記出力軸に連結されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、基台と、前記基台により回転軸線上に回転自在に支承され半径方向に延在するクランクシャフト、および該クランクシャフトの前記回転軸線から外れた連結位置に一端が連結されたコネクティングロッドからなるクランク機構と、前記コネクティングロッドの他端を往復駆動する往復駆動源と、前記クランクシャフトに半径方向に変位可能に設けられた嵌合部材と、前記基台に前記回転軸線を共有して回転可能に支承されかつ前記嵌合部材が嵌合可能な内歯を有するリングギヤと、前記リングギヤと一体に回転する出力軸と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記往復駆動源は圧電体であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る回転駆動装置の発明では、クランクシャフトおよびコネクティングロッドからなるクランク機構と、往復駆動源と、クランクシャフトに半径方向に変位可能にかつ回転可能に支承されたプラネタリギヤ、リングギヤ、サンギヤ、および回転伝達手段からなるプラネタリ変速機構と、出力軸と、を備える。そして、往復駆動源がコネクティングロッドの他端を往復駆動すると、クランク機構は往復運動を回転運動に変換し、クランクシャフトの回転時の遠心力の増加によりプラネタリギヤは半径方向外向きに変位してリングギヤに噛合する。これにより、プラネタリギヤは回転軸線を中心として公転しつつ自転し、回転伝達手段によりプラネタリギヤの自転がサンギヤに伝達され、サンギヤと一体に回転する出力軸はトルクを出力する。
【００１５】
ここで、往復駆動の振動数が小さくクランクシャフトが低速回転して遠心力が小さい間、プラネタリギヤは半径方向外向きに変位せずリングギヤに噛合しない。このため、クランクシャフトおよびプラネタリギヤは、フライホイールに類似した機能で回転の慣性エネルギを蓄積する。往復駆動の振動数およびクランクシャフトの遠心力が増加すると、プラネタリギヤは半径方向外向きに変位してリングギヤに噛合するので、大きな慣性エネルギを含んだ大きなトルクがプラネタリ変速機構に入力され、出力軸は大きなトルクを出力する。
【００１６】
また、駆動側と従動側とが面同士で摩擦接触する従来の駆動方式とは異なり、クランク機構およびプラネタリ変速機構を組み合わせた駆動方式を用いているので、常時摩擦接触する箇所がなく摩擦面の摩耗のおそれがない。さらに、往復駆動源の振動数の制御により出力回転速度を自在に調整でき、クランクシャフトの回転方向を正逆切り替えて出力回転方向を制御できるので、制御性が良好である。また、負荷変動に対し、クランクシャフトおよびプラネタリギヤが慣性エネルギを放出および蓄積して補償する作用を有するので、応答性は従来よりも良好である。
【００１７】
請求項２に係る発明では、クランクシャフトおよびコネクティングロッドからなるクランク機構と、往復駆動源と、クランクシャフトに半径方向に変位可能に設けられた押圧部材と、半径方向外向きに変位する押圧部材によって可撓性外歯歯車が剛性内歯歯車に噛合される波動歯車装置と、出力軸と、を備え、可撓性外歯歯車および剛性内歯歯車の一方が基台に保持され、他方が出力軸に連結されている。そして、往復駆動源がコネクティングロッドの他端を往復駆動すると、クランク機構は往復運動を回転運動に変換し、クランクシャフトの回転時の遠心力の増加により押圧部材は半径方向外向きに変位して波動発生器の機能を果たし波動歯車装置を駆動する。これにより、可撓性外歯歯車および剛性内歯歯車の他方に連結された出力軸はトルクを出力する。
【００１８】
ここで、往復駆動の振動数が小さくクランクシャフトが低速回転して遠心力が小さい間、押圧部材は半径方向外向きに変位せず波動歯車装置を駆動しない。このため、クランクシャフトおよび押圧部材は、フライホイールに類似した機能で回転の慣性エネルギを蓄積する。往復駆動の振動数およびクランクシャフトの遠心力が増加すると、押圧部材は半径方向外向きに変位して波動歯車装置を駆動するので、大きな慣性エネルギを含んだ大きなトルクが波動歯車装置に入力される。さらに、波動歯車装置では減速によるトルク増大作用が生じるので、出力軸は大きなトルクを出力する。
【００１９】
また、駆動側と従動側とが面同士で摩擦接触する従来の駆動方式とは異なり、クランク機構および波動歯車装置を組み合わせた駆動方式を用いているので、常時摩擦接触する箇所がなく摩擦面の摩耗のおそれがない。さらに、往復駆動源の振動数の制御により出力回転速度を自在に調整でき、クランクシャフトの回転方向を正逆切り替えて出力回転方向を制御できるので、制御性が良好である。また、負荷変動に対し、クランクシャフトおよび押圧部材が慣性エネルギを放出および蓄積して補償する作用を有するので、応答性は従来よりも良好である。
【００２０】
請求項３に係る発明では、クランクシャフトおよびコネクティングロッドからなるクランク機構と、往復駆動源と、クランクシャフトに半径方向に変位可能に設けられた嵌合部材と、嵌合部材が嵌合可能な内歯を有するリングギヤと、リングギヤと一体に回転する出力軸と、を備えている。そして、往復駆動源がコネクティングロッドの他端を往復駆動すると、クランク機構は往復運動を回転運動に変換し、クランクシャフトの回転時の遠心力の増加により嵌合部材は半径方向外向きに変位してリングギヤに嵌合する。これにより、リングギヤが回転駆動され、出力軸はトルクを出力する。
【００２１】
ここで、往復駆動の振動数が小さくクランクシャフトが低速回転して遠心力が小さい間、嵌合部材は半径方向外向きに変位せずリングギヤに嵌合しない。このため、クランクシャフトおよび嵌合部材は、フライホイールに類似した機能で回転の慣性エネルギを蓄積する。往復駆動の振動数およびクランクシャフトの遠心力が増加すると、嵌合部材は半径方向外向きに変位してリングギヤに嵌合し駆動するので、出力軸は大きな慣性エネルギを含んだ大きなトルクを出力する。
【００２２】
また、駆動側と従動側とが面同士で摩擦接触する従来の駆動方式とは異なり、クランク機構を用いた駆動方式を用いているので、常時摩擦接触する箇所がなく摩擦面の摩耗のおそれがない。さらに、往復駆動源の振動数の制御により出力回転速度を自在に調整でき、クランクシャフトの回転方向を正逆切り替えて出力回転方向を制御できるので、制御性が良好である。また、負荷変動に対し、クランクシャフトおよび嵌合部材が慣性エネルギを放出および蓄積して補償する作用を有するので、応答性は従来よりも良好である。
【００２３】
請求項４に係る発明では、往復駆動源を圧電体としている。圧電体では、比較的広い振動数範囲にわたって往復振動を発生でき、回転速度の制御範囲が広い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態の回転駆動装置を模式的に説明する図であり、（１）は正面図、（２）は側面図である。
【図２】本発明の第２実施形態の回転駆動装置を模式的に説明する図であり、（１）は平面図、（２）は側面断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態の回転駆動装置を模式的に説明する図であり、（１）は平面図、（２）は側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の第１実施形態の回転駆動装置について、図１を参考にして説明する。図１は、本発明の第１実施形態の回転駆動装置１を模式的に説明する図であり、（１）は正面図、（２）は側面図である。図示されるように、回転駆動装置１は、基台２、クランクシャフト３１およびコネクティングロッド３５からなるクランク機構３、往復駆動装置４、プラネタリギヤ５、リングギヤ５８、出力軸６、従動スプロケット部６２、環状ベルト６５、などで構成されている。図１（１）においてリングギヤ５８はＸ−Ｘ断面が示され、基台２に固定されている。図１（２）において基台２は省略されている。
【００２６】
クランク機構３は、クランクシャフト３１およびコネクティングロッド３５で構成されている。クランクシャフト３１は、軸芯部３２および、軸芯部３２と一体で半径方向に延在するアーム部３３により形成されている。軸芯部３２は、後述する出力軸６の周りに軸受３２１を介して回転軸線ＡＸ上に回転自在に支承されている。出力軸６は基台２に軸承されているので、クランクシャフト３１の軸芯部３２は間接的に基台２に回転可能に支承されることになる。また、アーム部３３の回転軸線ＡＸから外れた途中の連結位置には連結ピン３３１が立設されている。アーム部３３の先端付近には、半径方向に延びる長孔３３２が形成されている。一方、図１（２）に示されるようにコネクティングロッド３５の図中左側の一端付近には連結孔３５１が形成されている。連結孔３５１には、アーム部３３に立設された連結ピン３３１が相対回転自在に係入している。コネクティングロッド３５の図中右側の他端付近には加振孔３５２が形成されている。
【００２７】
往復駆動装置４は往復駆動源に相当し、図１（２）に示されるように、固定部４１および圧電式振動子４２などで構成されている。固定部４１は図略の基台２に固定されており、往復駆動装置４は全体として基台２に保持されている。圧電式振動子４２は、電圧の印加により変形する圧電体を応用したものである。圧電式振動子４２には加振ピン４３が立設され、加振ピン４３はコネクティングロッド３５の他端付近の加振孔３５２に係入している。
【００２８】
プラネタリギヤ５は、図１（１）に示されるように、副軸５１、軸端係合部５２、ギヤ部５３、駆動スプロケット部５６で構成されている。副軸５１は、回転軸線ＡＸと平行な軸線ＡＸ２上に配置されて回転する軸体である。副軸５１の図１（１）中の右端にはフランジ状に拡がる軸端係合部５２が形成されており、副軸５１はアーム部３３の長孔３３２に係入して抜け落ちないようになっている。副軸５１は長孔３３２の中で半径方向に変位可能であり、軸線ＡＸ２は回転軸線ＡＸと平行を保ちつつ半径方向に変位するように構成されている。さらに、副軸５１は長孔３３２の中で回転可能に支承されている。副軸５１には、ギヤ部５３および駆動スプロケット部５６が一体に回転するように固設されている。ギヤ部５３は、図１（２）に示されるように、その外周に凹状曲面の外歯５４を有し、図の例では歯数は５個である。駆動スプロケット部５６は、その外周に細かい凹凸のある半径Ｒ１のベルト係合面５７を有している。
【００２９】
なお、プラネタリギヤ５およびクランクシャフト３１は、回転の慣性エネルギを蓄積する機能を効果的とするために、過大にならない範囲で質量を大きくすることが好ましい。このため、プラネタリギヤ５およびクランクシャフト３１は、比重の大きな金属で形成する。あるいは、副軸５１の回りなどに適宜錘を付加するようにしてもよい。
【００３０】
リングギヤ５８は環状の部材であり、基台２に回転軸線ＡＸを共有して固定されている。リングギヤ５８はその内周側に、プラネタリギヤ５のギヤ部５３の外歯５４に対向して凸状曲面の内歯５９を有し、図の例では歯数Ｚ１＝２４個である。リングギヤ５８の内歯５９は、プラネタリギヤ５が半径方向外向きに変位したときに、プラネタリギヤ５の外歯５４と噛合するようになっている。
【００３１】
出力軸６は、基台２に回転軸線ＡＸを共有して回転可能に軸承されている。図１（１）に示されるように、出力軸６の図中右側の一端は右方に延びて軸支部６１となっており、クランクシャフト３１の軸芯部３２を回転自在に支承している。出力軸６の図中左側の他端には、負荷Ｌが結合されている。出力軸６の長さ方向の中間位置には、従動スプロケット部６２が一体に回転するように固設されている。従動スプロケット部６２はサンギヤに相当し、その外周に細かい凹凸のある半径Ｒ２のベルト係合面６３を有している。従動スプロケット部６２は、プラネタリギヤ５の駆動スプロケット部５６に対向して配置されている。
【００３２】
環状ベルト６５は、プラネタリギヤ５の回転をサンギヤすなわち従動スプロケット部６２に伝達する回転伝達手段に相当する。環状ベルト６５は、プラネタリギヤ５の駆動スプロケット部５６のベルト係合面５７、および、出力軸６の従動スプロケット部６２のベルト係合面６３を囲んで張設されている。環状ベルト６の長さおよび張力は、プラネタリギヤ５が半径方向外向きに変位したときに、確実に回転を伝達するように調整されている。したがって、従動スプロケット部６２は、プラネタリギヤ５に噛合して回転軸心ＡＸで自転するサンギヤと同等に機能する。また、従動スプロケット部６２をサンギヤとしたときの等価な歯数Ｚ２は、駆動スプロケット部５６の半径Ｒ１および従動スプロケット部６２の半径Ｒ２により定まり、一例として歯数Ｚ２＝１８である。
【００３３】
上述したように、リングギヤ５８、プラネタリギヤ５のギヤ部５３と駆動スプロケット部５６、従動スプロケット部６２、および環状ベルト６５によりプラネタリ変速機構が構成されている。すなわち、リングギヤ５８が該プラネタリ変速機構のリングギヤを構成し、プラネタリギヤ５を回転可能に支承するクランクシャフト３１がプラネタリギヤを支承するキャリアを構成し、プラネタリギヤ５の駆動スプロケット部５６に環状ベルト６を介して回転連結された従動スプロケット部６２がサンギヤを構成する。クランクシャフト３１の回転に対する従動スプロケット部５６の回転の変速比Ｒａは、リングギヤ５８の歯数Ｚ１および従動スプロケット部５６の等価な歯数Ｚ２から、次式で求めることができる。
【００３４】
変速比Ｒａ＝（Ｚ２−Ｚ１）／Ｚ２
上式にＺ２＝１８、Ｚ１＝２４を代入して、変速比Ｒａ＝−０．３３が求められる。つまり、出力軸６の回転速度はクランクシャフト３１の回転の０．３３倍に減速され、負号は回転方向が逆回転となることを示している。例えば、図１（２）において、クランクシャフト３１が時計回りに回転すると、出力軸６が固定されたサンギヤに相当する従動スプロケット部５６は減速比０．３３で反時計回りに回転する。
【００３５】
変速比Ｒａは、歯数Ｚ１、Ｚ２、および半径Ｒ１、Ｒ２を適宜選択することで、所望する減速比または増速比とすることができ、所望するトルクを得ることができる。
【００３６】
次に、上述のように構成された第１実施形態の回転駆動装置１の動作、作用について説明する。往復駆動装置４の圧電式振動子４２に所定の周波数の電圧を印加すると、圧電式振動子４２は圧電効果により変形し、コネクティングロッド３５の他端を図中矢印Ｖで示されるように左右に往復駆動し、振動数は電圧の周波数に一致する。周知のように、この往復駆動は、クランク機構３のクランクシャフト３１を回転駆動する。電圧の周波数を増加させると、クランクシャフト３１の回転速度が増加する。このため、クランクシャフト３１の遠心力が増加し、プラネタリギヤ５は軸線ＡＸ２が回転軸線ＡＸと平行を保った状態で半径方向外向きに変位し、ギヤ部５３の外歯５４がリングギヤ５８の内歯５９に噛合する。これにより、プラネタリギヤ５は回転軸線ＡＸを中心として公転しつつ軸線ＡＸ２の回りを自転する。さらに、プラネタリギヤ５の駆動スプロケット部５６の回転は、環状ベルト６５により従動スプロケット部６２に伝達され、従動スプロケット部６２と一体に回転する出力軸６は、負荷Ｌにトルクを出力する。
【００３７】
ここで、圧電式振動子４２による往復駆動の振動数が小さくクランクシャフト３１の回転速度および遠心力が小さい間、プラネタリギヤ５は半径方向外向きに変位せずリングギヤ５８に噛合しない。このため、クランクシャフト３１およびプラネタリギヤ５は、フライホイールに類似した機能で回転の慣性エネルギを蓄積する。周知のように、慣性エネルギは、質量に比例し、速度の二乗に比例する。また、回転運動における速度は回転半径と回転速度の積で与えられる。したがって、本実施形態において、慣性エネルギは往復駆動の振動数の二乗に比例して増加する。また、遠心力も質量に比例し、速度の二乗に比例する。
【００３８】
往復駆動の振動数が増加してクランクシャフト３１の回転速度および遠心力が増加すると、プラネタリギヤ５は半径方向外向きに変位してリングギヤ５８に噛合するので、大きな慣性エネルギを含んだ大きなトルクがプラネタリ変速機構に入力される。さらに、プラネタリ変速機構では減速によるトルク増大作用が生じる。これにより、出力軸６は大きなトルクを出力する。
【００３９】
また、駆動側と従動側とが面同士で摩擦接触する従来の駆動方式とは異なり、クランク機構３およびプラネタリ変速機構を組み合わせた駆動方式を用いているので、常時摩擦接触する箇所がなく摩擦面の摩耗のおそれがない。さらに、圧電式振動子４２による往復駆動源の振動数の制御により出力回転速度を自在に調整でき、クランクシャフト３１の回転方向を正逆切り替えて出力回転方向を制御できるので、制御性が良好である。また、負荷変動に対し、クランクシャフト３１およびプラネタリギヤ５が慣性エネルギを放出および蓄積して補償する作用を有するので、応答性は従来よりも良好である。
【００４０】
次に、クランク機構および波動歯車装置を組み合わせた本発明の第２実施形態の回転駆動装置について、図２を参考にして、第１実施形態と異なる点を主に説明する。図２は、本発明の第２実施形態の回転駆動装置１０を模式的に説明する図であり、（１）は平面図、（２）は側面断面図である。図示されるように、回転駆動装置１０は、基台２０、クランクシャフト３７およびコネクティングロッド３８からなるクランク機構３０、往復駆動装置４０、押圧部材７、波動歯車装置８、図略の出力軸、などで構成されている。図２（１）において基台２０は省略されており、Ｘ１−ＡＸ−Ｙ１断面が（２）に示されている。
【００４１】
クランク機構３０は、クランクシャフト３７およびコネクティングロッド３８で構成されている。クランクシャフト３７は、棒状の部材で形成されており、中央に軸孔３７１が穿設されている。軸孔３７１は、基台２０上に立設された固定軸２１により、回転軸線ＡＸ上に回転自在に支承されている。また、クランクシャフト３７の回転軸線ＡＸから外れた途中の連結位置には連結ピン３７２が立設されている。クランクシャフト３７の両方の先端付近には、半径方向に延びる一対の長孔３７３、３７４が形成されている。一方、図２（１）に示されるようにコネクティングロッド３８の図中左側の一端付近には連結孔３８１が形成されている。連結孔３８１には、クランクシャフト３７に立設された連結ピン３７２が相対回転自在に係入している。コネクティングロッド３８の図中右側の他端付近には一対の加振突起３８２、３８３が設けられている。
【００４２】
往復駆動装置４０は往復駆動源に相当し、図２（２）に示されるように、圧電式振動子４４などで構成されている。往復駆動装置４０は図略の取り付け具により基台２０に固定されている。圧電式振動子４４の振動する先端４５は、コネクティングロッド３５の一対の加振突起３８２、３８３の間に係入している。
【００４３】
押圧部材７は、図２（２）に示されるように、押圧円板部７１および、押圧円板部７１の中心を貫通して一体に回転する軸部７２で形成されている。押圧部材７は、クランクシャフト３７の一対の長孔３７３、３７４に一対配置され、軸部７２が長孔３７３、３７４に係入して抜け落ちないようになっている。軸部７２は、長孔３７３、３７４の中で半径方向に変位可能であり、また回転可能に支承されている。
【００４４】
なお、押圧部材７およびクランクシャフト３７は、回転の慣性エネルギを蓄積する機能を効果的とするために、過大にならない範囲で質量を大きくすることが好ましい。このため、押圧部材７およびクランクシャフト３７は、比重の大きな金属で形成する。あるいは、適宜錘を付加するようにしてもよい。
【００４５】
波動歯車装置８は、回転軸線ＡＸを共有する内側の可撓性外歯歯車８１、および外側の剛性内歯歯車８５で構成されている。可撓性外歯歯車８１は可撓性樹脂で形成され、その外周側に凹状曲面の外歯８２を有し、図の例では歯数Ｚ３＝２２個である。剛性内歯歯車８５は剛性樹脂で形成され、その内周側に凸状曲面の内歯８６を有し、図の例では歯数Ｚ４＝２４個である。可撓性外歯歯車８１の内側には、一対の押圧部材７、７が配置されている。また、可撓性外歯歯車８１および外側の剛性内歯歯車８５の一方を基台２０に保持し、他方を図略の出力軸に連結できる。ここでは、剛性内歯歯車８５を基台２０に保持し、可撓性外歯歯車８１を図略の出力軸に連結したものとする。出力軸には負荷が結合されている。
【００４６】
上述の波動歯車装置８において、一対の押圧部材７、７は半径方向外向きに変位したとき、波動発生器として作用する。すなわち、半径方向外向きに変位した押圧部材７、７は、可撓性外歯歯車８１を押圧して楕円状に撓めながら剛性内歯歯車８５に噛合させる。したがって、減速比Ｒｄを次式により求めることができる。
【００４７】
減速比Ｒｄ＝（Ｚ３−Ｚ４）／Ｚ３
一例として、上式にＺ３＝２２、Ｚ４＝２４を代入して、減速比Ｒｄ≒−０．０９が求められる。つまり、可撓性外歯歯車８１および出力軸の回転速度はクランクシャフト３７の０．０９倍に減速され、負号は回転方向が逆回転となることを示している。例えば、図２（２）において、クランクシャフト３７が時計回りに回転すると、可撓性外歯歯車８１および出力軸は反時計回りに回転する。
【００４８】
次に、上述のように構成された第２実施形態の回転駆動装置１０の動作、作用について説明する。往復駆動装置４０の圧電式振動子４４に所定の周波数の電圧を印加すると、圧電式振動子４４は圧電効果により変形し、コネクティングロッド３８の他端を図中矢印Ｖ１で示されるように左右に往復駆動し、振動数は電圧の周波数に一致する。周知のように、この往復駆動は、クランク機構３０のクランクシャフト３７を回転駆動する。そして、電圧の周波数を増加させると、クランクシャフト３７の回転速度が増加する。このため、クランクシャフト３７の遠心力が増加し、一対の押圧部材７、７は半径方向外向きに変位し、波動歯車装置８を駆動する。これにより、可撓性外歯歯車８１と一体に回転する出力軸は、負荷にトルクを出力する。
【００４９】
ここで、圧電式振動子４４による往復駆動の振動数が小さくクランクシャフト３７の回転速度および遠心力が小さい間、押圧部材７、７は半径方向外向きに変位せず波動歯車装置８を駆動しない。このため、クランクシャフト３７および押圧部材７、７は、フライホイールに類似した機能で回転の慣性エネルギを蓄積する。周知のように、慣性エネルギは、質量に比例し、速度の二乗に比例する。また、回転運動における速度は回転半径と回転速度の積で与えられる。したがって、本実施形態において、慣性エネルギは往復駆動の振動数の二乗に比例して増加する。また、遠心力も質量に比例し、速度の二乗に比例する。
【００５０】
往復駆動の振動数が増加してクランクシャフト３７の回転速度および遠心力が増加すると、押圧部材７、７は半径方向外向きに変位して波動歯車装置８を駆動するので、大きな慣性エネルギを含んだ大きなトルクが波動歯車装置８を駆動に入力される。さらに、波動歯車装置８では減速によるトルク増大作用が生じるので、出力軸は大きなトルクを出力する。
【００５１】
また、駆動側と従動側とが面同士で摩擦接触する従来の駆動方式とは異なり、クランク機構３０および波動歯車装置８を組み合わせた駆動方式を用いているので、常時摩擦接触する箇所がなく摩擦面の摩耗のおそれがない。さらに、圧電式振動子４３による往復駆動源の振動数の制御により出力回転速度を自在に調整でき、クランクシャフト３７の回転方向を正逆切り替えて出力回転方向を制御できるので、制御性が良好である。また、負荷変動に対し、クランクシャフト３７および押圧部材７、７が慣性エネルギを放出および蓄積して補償する作用を有するので、応答性は従来よりも良好である。
【００５２】
次に、増速や減速を行わないシンプルな構成の第３実施形態の回転駆動装置について、図３を参考にして、第１および第２実施形態と異なる点を主に説明する。図３は、本発明の第３実施形態の回転駆動装置１１を模式的に説明する図であり、（１）は平面図、（２）は側面断面図である。図示されるように、回転駆動装置１１は、基台２０、クランクシャフト３９およびコネクティングロッド３８からなるクランク機構３００、往復駆動装置４０、嵌合部材９１、リングギヤ９５、図略の出力軸、などで構成されている。図３（１）において基台２０は省略されており、Ｘ２−ＡＸ−Ｙ２断面が（２）に示されている。
【００５３】
クランク機構３００は、クランクシャフト３９およびコネクティングロッド３８で構成されている。クランクシャフト３９は、棒状の部材で形成されており、中央側の一端に軸孔３９１が穿設されている。軸孔３９１は、基台２０上に立設された固定軸２１により、回転軸線ＡＸ上に回転自在に支承されている。また、クランクシャフト３９の回転軸線ＡＸから外れた途中の連結位置には連結ピン３９２が立設されている。クランクシャフト３９の先端付近には、半径方向に延びる長孔３９３が形成されている。一方、図３（１）に示されるようにコネクティングロッド３８の図中左側の一端付近には連結孔３８１が形成されている。連結孔３８１には、クランクシャフト３９に立設された連結ピン３９２が相対回転自在に係入している。コネクティングロッド３８の図中右側の他端付近には一対の加振突起３８２、３８３が設けられている。
【００５４】
往復駆動装置４０は、第２実施形態と同様の構成で往復駆動源に相当し、図３（２）に示されるように、圧電式振動子４３などで構成されている。往復駆動装置４０は図略の取り付け具により基台２００に固定されている。圧電式振動子４４の振動する先端４５は、コネクティングロッド３８の一対の加振突起３８２、３８３の間に嵌入している。所定の電圧を印加すると、圧電式振動子４３は圧電効果により変形し、コネクティングロッド３８の他端を図中矢印Ｖ２で示されるように往復駆動する。
【００５５】
嵌合部材９１は、図３（２）に示されるように、嵌合歯部９２および、嵌合歯部９２を貫通する軸部９３で形成されている。嵌合部材９１は、クランクシャフト３９の長孔３９３に配置され、軸部９３が長孔３９３に係入して抜け落ちないようになっている。嵌合歯部９２は、半径方向外向きに凹状曲面の嵌合歯９４を有している。軸部９３は長孔３９３中で半径方向に変位可能であり、また回転を規制されている。
【００５６】
なお、嵌合部材９１およびクランクシャフト３９は、回転の慣性エネルギを蓄積する機能を効果的とするために、過大にならない範囲で質量を大きくすることが好ましい。このため、嵌合部材９１およびクランクシャフト３９は、比重の大きな金属で形成する。あるいは、適宜錘を付加するようにしてもよい。
【００５７】
リングギヤ９５は環状の部材であり、基台２００に回転軸線ＡＸを共有して回転可能に支承されている。リングギヤ９５は、その内周側に、嵌合部材９１の嵌合歯９４が嵌合可能な凸状曲面の内歯９６を有している。リングギヤ９５には一体に回転する図略の出力軸が連結され、出力軸には負荷が結合されている。なお、別体の出力軸を設けずに、リングギヤ９５自身を出力軸に兼用することもできる。例えば、リングギヤ９５の外周側に出力用の外歯を形成して負荷を駆動できる。
【００５８】
次に、上述のように構成された第３実施形態の回転駆動装置１１の動作、作用について説明する。往復駆動装置４０の圧電式振動子４４に所定の周波数の電圧を印加すると、圧電式振動子４４は圧電効果により変形し、コネクティングロッド３８の他端を図中矢印Ｖ２で示されるように左右に往復駆動し、振動数は電圧の周波数に一致する。周知のように、この往復駆動は、クランク機構３００のクランクシャフト３９を回転駆動する。電圧の周波数を増加させると、クランクシャフト３９の回転速度が増加する。このため、クランクシャフト３９の遠心力が増加し、嵌合部材９１は半径方向外向きに変位し、嵌合部材９１の嵌合歯９４がリングギヤ９５の内歯９６に嵌合する。これにより、リングギヤ９５が駆動され、リングギヤ９５と一体に回転する出力軸は負荷にトルクを出力する。
【００５９】
ここで、圧電式振動子４３による往復駆動の振動数が小さくクランクシャフト３９の回転速度および遠心力が小さい間、嵌合部材９１は半径方向外向きに変位せずリングギヤ９５を駆動しない。このため、クランクシャフト３９および嵌合部材９１は、フライホイールに類似した機能で回転の慣性エネルギを蓄積する。周知のように、慣性エネルギは、質量に比例し、速度の二乗に比例する。また、回転運動における速度は回転半径と回転速度の積で与えられる。したがって、本実施形態において、慣性エネルギは往復駆動の振動数の二乗に比例して増加する。また、遠心力も質量に比例し、速度の二乗に比例する。
【００６０】
往復駆動の振動数が増加してクランクシャフト３９の回転速度および遠心力が増加すると、嵌合部材９１は半径方向外向きに変位してリングギヤ９５を駆動するので、出力軸は大きな慣性エネルギを含んだ大きなトルクを出力する。
【００６１】
また、駆動側と従動側とが面同士で摩擦接触する従来の駆動方式とは異なり、クランク機構３００および嵌合部材９１とリングギヤ９５との嵌合作用を組み合わせた駆動方式を用いているので、常時摩擦接触する箇所がなく摩擦面の摩耗のおそれがない。さらに、圧電式振動子４３による往復駆動源の振動数の制御により出力回転速度を自在に調整でき、クランクシャフト３９の回転方向を正逆切り替えて出力回転方向を制御できるので、制御性が良好である。また、負荷変動に対し、クランクシャフト３９および嵌合部材９１が慣性エネルギを放出および蓄積して補償する作用を有するので、応答性は従来よりも良好である。
【００６２】
なお、各実施形態において往復駆動装置４、４０を始動するときに出力軸６および負荷Ｌは係合されておらず、円滑な始動および加速が行える。また、各実施形態において、往復駆動装置４、４０の駆動源として圧電体の他に、電流を流すことで歪みが生じる磁歪体や、電圧を印加すると内部電子が移動して歪みが発生する高分子樹脂、通電加熱による温度変化で可逆的に変形する形状記憶合金などを用いることができる。
【００６３】
さらに、第１実施形態のプラネタリギヤ５、第２実施形態の押圧部材７、および第３実施形態の嵌合部材９１の各部材の半径方向への変位を円滑にするために、各種の動作制御機構を付設するようにしてもよい。例えば、遠心力が所定値未満のときに半径方向への変位を禁止し、遠心力が所定値以上になると半径方向外向きの変位を許容する引き外し機構を付設するようにしてもよい。本発明は、その他様々な応用が可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１、１０、１１：回転駆動装置
２、２０：基台    ２１：固定軸
３、３０、３００：クランク機構
３１、３７、３９：クランクシャフト    ３２：軸芯部    ３３：アーム部
３５、３８：コネクティングロッド
４、４０：往復駆動装置（往復駆動源）  ４１：固定部    ４２、４４：圧電式振動子
５：プラネタリギヤ
５１：副軸    ５２：軸端係合部    ５３：ギヤ部    ５４：外歯
５６：駆動スプロケット部    ５７：ベルト係合面
５８：リングギヤ    ５９：内歯
６：出力軸    
６１：軸支部    ６２：従動スプロケット部（サンギヤ）  ６３：ベルト係合面
６５：環状ベルト（回転伝達手段）
７：押圧部材    ７１：押圧円板部    ７２：軸部
８：波動歯車装置
８１：可撓性外歯歯車    ８２：外歯
８５：剛性内歯歯車      ８６：内歯
９１：嵌合部材    ９２：嵌合歯部    ９３：軸部    ９４：嵌合歯
９５：リングギヤ    ９６：内歯
ＡＸ：回転軸線    ＡＸ２：軸線    Ｌ：負荷
【図１】
2011163521.tif 000003
【図２】
2011163521.tif 000004
【図３】
2011163521.tif 000005