(57)【要約】【課題】小型であり且つ単純な構成を有する振動アクチュエータを提供することを課題とする。【解決手段】ステータ２の角部７に、半球殻形状のロータ８が回転自在に接触配置されると共に、支持部材１１によりステータ２上に予圧部１２が垂下支持されている。予圧部１２は、ロータ８の内部に挿入されてその先端部材１３でロータ８の内面９に当接している。予圧部１２内に収容されたバネＳにより先端部材１３がロータ８の内面に圧接されることにより、ロータ８がステータ２に対し加圧されている。振動手段３を駆動することによりロータ８を多軸の回りにそれぞれ回転させることができる。【選択図】図１
2008199696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
殻形状を有すると共にその外面で前記ステータに接触配置されるロータと、
前記ロータを前記ステータに対し加圧する予圧手段と、
前記ステータに超音波振動を発生させることにより前記ロータを回転させる振動手段と
を備え、前記予圧手段は、前記ロータの回転にかかわらず前記ステータに対して所定の作用線上で前記ロータの内面に当接して前記作用線に沿って前記ロータを前記ステータに対し加圧する予圧部を有することを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】
前記ロータは、その内面及び外面に球面を有する球殻形状に形成されている請求項１に記載の振動アクチュエータ。
【請求項３】
前記予圧部は、多軸の回りに回転可能で且つ前記ロータの内面に接触する球状部材を有する請求項１または２に記載の振動アクチュエータ。
【請求項４】
前記予圧手段は、前記予圧部近傍に配置されて前記ロータの内面に接触すると共に前記ロータの回転に伴って回転することにより前記ロータの回転位置を検出する回転位置センサを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
【請求項５】
前記振動手段は、前記予圧部にも超音波振動を発生させる請求項１〜４のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
【請求項６】
前記ロータは、均一の厚さを有する請求項１〜５のいずれか一項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係り、特にステータに超音波振動を発生させることによりステータに接触されたロータを回転駆動する振動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超音波振動を利用してロータを回転させる振動アクチュエータが提案され、実用化されている。この振動アクチュエータは、圧電素子を用いてステータの表面に楕円運動または進行波を発生させ、ステータにロータを加圧接触させることによりこれら両者間の摩擦力を介してロータを移動させるものである。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ステータ及び半球状のロータの外部に一対のバネが配設されており、これら一対のバネによりロータをステータに対して加圧接触させ、その状態で互いに重ね合わされた複数の圧電素子板に駆動電圧を印加してステータに超音波振動を発生させることでロータを回転させる振動アクチュエータが開示されている。
ロータから外方へ一対の連結板がそれぞれ引き出されると共に、ステータの土台部材から外方へ一対の固定板がそれぞれ引き出されており、これら一対の連結板と一対の固定板との間にそれぞれ一対のバネを配設して一対の連結板を一対の固定板に対し引っ張ることにより、ロータをステータに対して加圧している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５７３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の振動アクチュエータでは、ロータをステータに対し加圧するための一対のバネがロータ及びステータの外部に配設されているため、振動アクチュエータ全体が大型化するという問題があった。
また、一対のバネの一端部とロータとの間を連結するための一対の連結板、及び、一対のバネの他端部とステータの土台部材とを連結するための一対の固定板が必要であり、複雑な構成になってしまう。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、小型であり且つ単純な構成を有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】
【０００６】
この発明に係る振動アクチュエータは、ステータと、殻形状を有すると共にその外面でステータに接触配置されるロータと、ロータをステータに対し加圧する予圧手段と、ステータに超音波振動を発生させることによりロータを回転させる振動手段とを備え、予圧手段は、ロータの回転にかかわらずステータに対して所定の作用線上でロータの内面に当接してこの作用線に沿ってロータをステータに対し加圧する予圧部を有するものである。
【０００７】
好適には、ロータはその内面及び外面に球面を有する球殻形状に形成されている。
また、予圧部は、多軸の回りに回転可能で且つロータの内面に接触する球状部材を有することが好ましい。
【０００８】
予圧手段は、予圧部近傍に配置されてロータの内面に接触すると共にロータの回転に伴って回転することによりロータの回転位置を検出する回転位置センサを有するように構成することもできる。
また、振動手段により、予圧部にも超音波振動を発生させるように構成してもよい。
さらに、ロータは、均一の厚さを有するように形成することもできる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、小型であり且つ単純な構成を有する振動アクチュエータを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータを示す。この振動アクチュエータは、超音波振動を利用して回転体を回転する超音波アクチュエータである。基部ブロック１とステータ２との間に円筒状の振動手段３が挟持されると共に、基部ブロック１とステータ２とが振動手段３内に通された連結ボルト４を介して互いに連結されており、振動アクチュエータ全体としてほぼ円柱状の外形を有している。ここで、説明の便宜上、基部ブロック１からステータ２へと向かう円柱状の外形の中心軸をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
振動手段３は、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有している。これら第１〜第３の圧電素子部３１〜３３がそれぞれ駆動回路５に電気的に接続されている。
【００１１】
ステータ２の上面、すなわちステータ２の振動手段３に接する面とは反対側の面に、凹部６が形成されている。この凹部６の開口端周縁部にはＸＹ平面上に位置する環状の角部７が形成されており、この角部７に、回転体としてのロータ８が回転自在に接触配置されている。ロータ８は、図２に示される半球殻形状を有しており、内面９に凹状の球面を有し且つ外面１０に凸状の球面を有している。ロータ８は、ステータ２の凹部６の内径よりも大きい直径を有し、その外面１０でステータ２の角部７に接するように配置されている。
【００１２】
ステータ２の上部には、ロータ８の上方にアーチ状に架け渡される支持部材１１が配設されている。支持部材１１は、その下端部でステータ２の上面に固定されている。この支持部材１１のほぼ中央には、ロータ８の半径よりも大きい長さを有する予圧部１２が垂下支持されており、予圧部１２は、ロータ８の内部に挿入されると共にその先端に設けられた先端部材１３がロータ８の内面９に当接している。ここで、予圧部１２は、ステータ２に対して所定の作用線Ｌ上に位置しており、先端部材１３はこの作用線Ｌ上でロータ８の内面に当接している。ここで、作用線ＬはＺ軸に平行であることが好ましい。予圧部１２の内部にはバネＳが収容されており、このバネＳにより先端部材１３がロータ８の内面９に圧接され、ロータ８に−Ｚ軸方向の加圧力を付与している。したがって、予圧部１２は、作用線Ｌに沿ってロータ８をステータ２に対し加圧している。
【００１３】
なお、ロータ８は、均一の厚さを有するように形成されている。また、作用線Ｌは、基部ブロック１からステータ２へと向かう円柱状の外形の中心軸と一致するように位置すると共に、予圧部１２の先端部材１３は、ステータ２の凹部６のほぼ中央部に対向するように配置されている。ロータ８が回転しても、予圧部１２の先端部材１３は、ステータ２に対して変わらない一定位置でロータ８の内面９に当接してロータ８をステータ２に対し加圧するように構成されている。
また、予圧部１２と支持部材１１により、この発明の予圧手段が構成されている。
【００１４】
図３に示されるように、第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介してステータ２及び基部ブロック１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。
【００１５】
図４に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。
【００１６】
第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃと、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃと、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃがそれぞれ駆動回路５に電気的に接続されている。
【００１７】
次に、この実施の形態１に係る振動アクチュエータの動作について説明する。
まず、振動手段３に対して、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃにステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。同様に、第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃに交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、ステータ２にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃに交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。
【００１８】
そこで、例えば、駆動回路５から第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｙ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて、ロータ８と接触するステータ２の角部７にＹＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ８がＸ軸回りに回転する。
同様に、駆動回路５から第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて、ロータ８と接触するステータ２の角部７にＸＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ８がＹ軸回りに回転する。
さらに、駆動回路５から第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされて、ロータ８と接触するステータ２の角部７にＸＹ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ８がＺ軸回りに回転する。
【００１９】
このようにして振動手段３を駆動することにより、ロータ８をＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転させることができる。
この振動アクチュエータでは、バネＳを内蔵した予圧部１２を支持部材１１によりステータ２上に支持すると共に、この予圧部１２を半球殻形状のロータ８内に挿入してその先端部材１３でロータ８の内面９を直接に押圧することにより、ロータ８をステータ２に対し加圧しているため、従来の振動アクチュエータのように、ロータ及びステータの外部に配設された一対のバネによりロータをステータに加圧する場合に比べて、小型であり且つ単純な構成を有する振動アクチュエータを実現することができる。
【００２０】
また、予圧部１２の先端部材１３はロータ８の回転にかかわらずステータ２に対して所定の作用線Ｌ上に位置してロータ８の内面９を押圧すると共に、ロータ８は均一な厚さを有するため、図５に示されるようにロータ８が回転しても、予圧部１２の長尺方向における先端部材１３の高さが変化することなく先端部材１３によりロータ８がステータ２に向かって加圧されることとなる。したがって、予圧部１２は、ロータ８の回転にかかわらず常に均一な力でロータ８をステータ２に対し加圧することができる。
【００２１】
また、半球殻形状を有するロータ８を用いるため、球体状のロータを用いる場合に比べて、ロータの軽量化が達成されると共に、予圧部１２によりこのロータ８の内面９を押圧するため、ロータ８をステータ２に対し安定して加圧することができる。
また、加圧力を大きく設定しても、予圧部１２とロータ８との間で嵌り込みが生じることはないので、加圧力を大きくして、高トルクの回転を実現することができる。
【００２２】
なお、振動手段３の駆動により、ステータ２と同様に支持部材１１を介して予圧部１２の先端部材１３にも楕円振動が発生するように構成すれば、ロータ８をステータ２に対し加圧するために必要な摩擦損失を低減することができる。
さらに、予圧部１２の先端部材１３をステータ２と同一の振動モードで振動させることにより、先端部材１３にステータ２と同一の方向の駆動力を発生させれば、ステータ２と予圧部１２の双方からロータ８に回転力が伝達され、高トルクで回転させることが可能となる。
【００２３】
実施の形態２．
次に図６を参照して、この発明の実施の形態２に係る振動アクチュエータを説明する。この実施の形態２は、図１に示した実施の形態１の振動アクチュエータにおいて、予圧部１２の代わりに、多軸の回りに回転可能な球状部材２１をその先端に有する予圧部２２を用いるものである。この予圧部２２は、支持部材１１のほぼ中央に垂下支持されており、球状部材２１がロータ８の内面９に当接するように配置されている。また、予圧部２２の内部に収容されたバネＳにより球状部材２１がロータ８の内面９に圧接されて、ロータ８がステータ２に対し加圧されている。
【００２４】
このように構成しても、実施の形態１と同様に、小型であり且つ単純な構成を有する振動アクチュエータを実現することができる。
加えて、この実施の形態２では、ロータ８の回転運動に従動して予圧部２２の球状部材２１が回転することにより、ロータ８の回転に伴う摩擦損失を低減することが可能である。
【００２５】
実施の形態３．
次に図７を参照して、この発明の実施の形態３に係る振動アクチュエータを説明する。この実施の形態３は、図１に示した実施の形態１の振動アクチュエータにおいて、予圧部１２の近傍に、エンコーダ等からなり且つロータ８の回転位置を検出する回転位置センサ２３を設けたものである。この回転位置センサ２３は、予圧部１２の長尺方向の中間部に連結されると共にロータ８の内面９に接触してロータ８と共に回転する回転部材２４を有している。なお、ここでは、回転部材２４はＸ軸回りに回転自在に配設されている。
【００２６】
このように構成すれば、ロータ８がＸ軸回りに回転する際に、このロータ８の回転に従動して回転部材２４が回転することにより、回転位置センサ２３によってロータ８のＸ軸回りの回転位置を検出することができる。
【００２７】
同様に、回転部材がＹ軸回りに回転自在に配設されたもう１つの回転位置センサを設ければ、ロータ８のＸ軸及びＹ軸回りの回転位置を検出することができる。
また、半球殻形状のロータ８の赤道部分に位置する端部にマーキングを施し、このロータ８の端部をカメラで撮影して画像処理することによりロータ８の回転位置を検知することもできる。
【００２８】
なお、実施の形態２においても、このような回転位置センサ２３を設けることによりロータ８の回転位置を検出することができる。
【００２９】
実施の形態４．
次に図８を参照して、この発明の実施の形態４に係る振動アクチュエータを説明する。この実施の形態４は、図１に示した実施の形態１の振動アクチュエータにおいて、均一な厚さを有するロータ８の代わりに、不均一な厚さ分布を有するロータ２５を用いるものである。ロータ２５は、その中心部から端部に近づくほど大きい厚さを有するように形成されている。
【００３０】
図９に示されるように、ロータ２５が回転すると、予圧部１２はステータ２に対する所定の作用線Ｌ上に位置したままであるが、ロータ２５の厚さの変化に応じて、予圧部１２の長尺方向における先端部材１３の高さが変化することにより、予圧部１２内に収容されているバネＳが先端部材１３をロータ２５の内面２６に押し付ける力も変化し、ロータ２５の回転に応じてロータ２５のステータ２に対する加圧力を変化させることができる。
ここで、ロータ２５は端部ほど大きい厚さを有するため、予圧部１２の先端部材１３とロータ２５の内面２６とが当接する位置がロータ２５の回転に伴ってロータ２５の端部側に移動するほど、予圧部１２がロータ２５をステータ２に対し加圧する力が大きくなり、これにより高トルクの回転を実現することができると共に、静止時の保持トルクを増大させることができる。
【００３１】
なお、上述のロータ２５の代わりに、その中心部から端部に近づくほど小さい厚さを有するように形成されたロータを用いることもできる。
また、上述の実施の形態２及び３においても、ロータ８の代わりに、不均一な厚さ分布を有するロータ２５を用いることができる。
【００３２】
実施の形態５．
上述の実施の形態１の振動アクチュエータにおいて、複数の予圧部１２を用いることもできる。例えば図１０に示されるように、３つの予圧部１２を用いることができ、これら３つの予圧部１２は、支持部材１１のほぼ中央に垂下支持されると共に、それぞれがロータ８に当接してロータ８をステータ２に対し加圧している。このような構成としても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００３３】
なお、実施の形態３及び４においても、複数の予圧部１２を用いてロータ８及び２５をステータ２に対し加圧することができる。
また、予圧部１２を用いる代わりに、実施の形態２で示されたような、多軸の回りに回転可能な球状部材をその先端に有する予圧部を複数用いることもできる。
【００３４】
実施の形態６．
上述の実施の形態１の振動アクチュエータにおいて、半球殻形状のロータ８の代わりに、図１１に示されるように、円筒の一部からなる殻形状を有するロータ２７を用いることもできる。ロータ２７は、予圧部１２によりステータ２に対し加圧されると共に、１つの軸の回りに回転させることが可能である。
【００３５】
同様に、上述の実施の形態２〜５に対しても、円筒の一部からなる殻形状を有するロータを適用することができる。
【００３６】
上記の各実施の形態１〜６において、基部ブロック１とステータ２と振動手段３からなる振動系から独立した部材に対して予圧部１２及び２２を支持するように構成してもよい。
【００３７】
なお、上記各実施の形態において、バネＳの代わりに、その他各種の弾性体を用いることもできる。
【００３８】
なお、予圧部１２の先端部材１３及び予圧部２２の球状部材２１をそれぞれ、テフロン（登録商標）等の低摩擦材で構成すれば、ロータ８，２５，２７をステータ２に対し加圧するために必要な摩擦損失を低減することができる。
また、ロータ８，２５，２７の外面に当接するステータ２の角部７も、そのような低摩擦材で構成すれば、摩擦損失をさらに低減することができる。
【００３９】
なお、上記実施の形態１〜６において、駆動回路５から各圧電素子部に印加する交流電圧の位相は９０度シフトさせていたが、９０度に限らず変化させても良い。また、印加する交流電圧の電圧値を変化させてもよい。交流電圧を様々に制御することでステ―タ２に発生する楕円振動を制御することができる。
また、ステ―タ２とロータ８，２５，２７との接触は角部７であったが、この構成に限らない。楕円運動が伝達できれば平面で接触するようにしても曲面で接触しても良いし、環状でなくてもよい。
【００４０】
また、上記の実施の形態において、Ｚ軸方向の縦振動、Ｙ軸方向またはＸ軸方向のたわみ振動の代わりに、互いに直交しない複数の振動を組み合わせた複合振動を発生させてロータ８，２５，２７を回転させることもできる。
また、上記の実施の形態では、Ｘ軸方向のたわみ振動、Ｙ軸方向のたわみ振動、Ｚ軸方向の縦振動をそれぞれ別の圧電素子部で発生させ、振動を合成させて複合振動を発生させていたが、一つの圧電素子部を複数に分極し、各分極電極に印加する電圧を個別にコントロールしても良い。すなわち位相、振幅などの異なる交流電圧を合成した電圧を各分極電極に印加して単一の圧電素子部で複合振動を発生させても良い。
また、上記各実施の形態では、ステータ２とロータ８，２５，２７との接触部分に楕円運動を発生させていたが、各軸方向の振幅を制御することで円運動を発生させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータを示す断面図である。
【図２】実施の形態１におけるロータを示す斜視図である。
【図３】実施の形態１で用いられた振動手段の構成を示す部分断面図である。
【図４】実施の形態１で用いられた圧電素子手段の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。
【図５】実施の形態１に係る振動アクチュエータの動作状態を示す断面図である。
【図６】実施の形態２に係る振動アクチュエータを示す断面図である。
【図７】実施の形態３に係る振動アクチュエータを示す断面図である。
【図８】実施の形態４に係る振動アクチュエータを示す断面図である。
【図９】実施の形態４に係る振動アクチュエータの動作状態を示す断面図である。
【図１０】実施の形態５における予圧部及びロータを示す斜視図である。
【図１１】実施の形態６における予圧部及びロータを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  基部ブロック、２  ステータ、３  振動手段、４  連結ボルト、５  駆動回路、６  凹部、７  角部、８，２５，２７  ロータ、９，２６  内面、１０  外面、１１  支持部材、１２、２２  予圧部、１３  先端部材、２１  球状部材、２３  回転位置センサ、２４  回転部材、３１  第１の圧電素子部、３２  第２の圧電素子部、３３  第３の圧電素子部、３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３２ａ，３２ｃ，３２ｅ，３３ａ，３３ｃ，３３ｅ  電極板、３１ｂ，３１ｄ，３２ｂ，３２ｄ，３３ｂ，３３ｄ  圧電素子板、Ｌ  作用線、Ｓ  バネ。
【図１】
2008199696.tif 000003
【図２】
2008199696.tif 000004
【図３】
2008199696.tif 000005
【図４】
2008199696.tif 000006
【図５】
2008199696.tif 000007
【図６】
2008199696.tif 000008
【図７】
2008199696.tif 000009
【図８】
2008199696.tif 000010
【図９】
2008199696.tif 000011
【図１０】
2008199696.tif 000012
【図１１】
2008199696.tif 000013