(57)【要約】【課題】圧電素子を用いることなく、音波による直接駆動が可能な音波駆動式回転アクチュエータを提供すること。【解決手段】異なる又は同一の共振周波数を有する２枚の円板（１０）、（２０）の、それぞれの中心にシャフト（１４）、（２４）が垂設されており、それらのシャフトが一直線上に位置するように、２枚の円板を対峙させ、その２枚の円板の向かい合う表面のそれぞれに、双方が重ならないように、中心から所定の距離に所定の幅で鞭毛（１２）、（２２）を植毛し、しかも、その鞭毛を、根本から毛頭に向けて、同一の円周方向に傾倒させておき、このように構成された２枚の円板の少なくとも片側から、円板の共振周波数と同じ周波数の音波を当てることができるような構造としている。【選択図】    図２
2004350423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる又は同一の共振周波数を有する２枚の円板を有し、
前記円板のそれぞれの中心にシャフトが垂設されており、
前記シャフトが一直線上に位置するように、前記２枚の円板が対峙しており、
前記２枚の円板の向かい合う表面のそれぞれに、
双方が重ならないように、中心から所定の距離に所定の幅で鞭毛が植毛されており、
前記鞭毛は、根本から毛頭に向けて、同一の円周方向に傾倒しており、
前記２枚の円板の少なくとも片側から、前記共振周波数と同じ周波数の音波を当てることができることを特徴とした音波駆動式回転型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音波を駆動力とする新規な原理に基づく音波駆動式回転型アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密機械や小型機器に使用される回転型アクチュエータとして、超音波振動を駆動力として用いる超音波モータが知られている。この超音波モータは、圧電素子の電歪現象を利用して微小振動を起こし、弾性体である金属製のステータに進行波を発生させ、それによって起こるステータ表面上の波の先端での楕円運動とロータの接触による摩擦力を利用して駆動力を得るアクチュエータである。このような、超音波モータは、従来の電磁式モータとは駆動原理が根本的に異なる構造を持っており、（１）小型軽量、（２）低速で高トルク、（３）磁気作用がない、（４）供給電圧を絶った後でも保持力を有す、（５）回転子の慣性が小さく応答性に優れている、といった優れた性能と特徴を備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１７２７８９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の超音波モータでは、ステータに進行波を発生させるための圧電素子が必ず必要とされるため、圧電素子への電源供給ができない場合には、駆動することができなかった。また、圧電素子は加圧されながら摩擦駆動するために、摩擦による摩耗や駆動に体する耐久性が問題となっていた。また、圧電素子は、弾性体に常に一定の加圧力で接触されているため、長期間駆動せずに放置すると圧電素子が温度や湿度等の環境条件により弾性体に固着し、駆動できなくなる恐れがあった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、圧電素子を用いることなく、音波による直接駆動が可能な音波駆動式回転アクチュエータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の音波駆動式回転アクチュエータは、異なる又は同一の共振周波数を有する２枚の円板の、それぞれの中心にシャフトが垂設されており、それらのシャフトが一直線上に位置するように、２枚の円板を対峙させ、その２枚の円板の向かい合う表面のそれぞれに、双方が重ならないように、中心から所定の距離に所定の幅で鞭毛を植毛し、しかも、その鞭毛を、根本から毛頭に向けて、同一の円周方向に傾倒させておき、このように構成された２枚の円板の少なくとも片側から、円板の共振周波数と同じ周波数の音波を当てることができるような構造としている。
【０００７】
【作用】
本発明の音波駆動式回転アクチュエータは、上述のような構造をしているため、次のような本発明に特有の作用を示す。
（１）円板に植毛された鞭毛が対峙する他方の円板をさするように作用し、その結果として回転運動が創出される。
（２）円板に印加する音波によって、アクチュエータの回転運動を直接制御できるため、アクチュエータの遠隔制御が可能になる。
ここで、２枚の円板としては、特に材質について限定されるものではないが、鉄やアルミ、銅などの金属が好適に用いられる。また、鞭毛の材質としては、植物繊維、ナイロン、シリコンなどが用いられる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１及び図２により本発明の一実施の形態を説明する。図１は、本発明の音波駆動式回転アクチュエータに使用する２枚の円板の概略を示す斜視図である。２枚の円板（１０），（２０）は、同じ直径を有しており、アルミや銅などを主成分とする金属からできている。この例では、一方の円板（１０）は、直径が５ｍｍで、厚みが２００μｍのアルミを主成分とする金属板を使用している。他方の円板（２０）は、直径が５ｍｍで厚みが２００μｍの銅を主成分とする金属板を使用している。これらの円板（１０），（２０）は、材質、厚さに応じて固有の共振周波数を有している。この共振周波数は、通常の圧電セラミックス素子の共振周波数の算出と同様の算出式を用いて算出することが可能であるが、実際には、設置条件等により大きく変化するため、共振周波数計を使用して試行錯誤で共振周波数を調整する必要がある。本実施例では、添加成分を調整することによって、それぞれの円板（１０），（２０）の共振周波数を２００Ｈｚと４００Ｈｚとした。
【０００９】
そして、一方の円板（１０）には、中心から１〜１．５ｍｍの距離に直径１０μｍ、長さが１ｍｍのナイロン製の鞭毛（１２）を植毛する。他方の円板（２０）には、中心から１．８〜２．３ｍｍの距離に直径１０μｍ、長さが１ｍｍのナイロン製の鞭毛（２２）を植毛する。この際、植毛角度を規制することにより、それぞれの円板に植毛した鞭毛を、根本から毛頭に向けて、同一の円周方向に傾倒させている。この例では、双方の円板とも鞭毛を時計回りに傾倒させている。さらに、それぞれの円板（１０），（２０）の中心に直径１ｍｍのシャフト（１４），（２４）を垂直に設けた。これらのシャフト（１４），（２４）は、円板（１０），（２０）を対峙させた際に、互いに係合するように、図２に示したように、シャフト（１４）の先端は凸面状に、シャフト（２４）の先端は凹面状に形成している。
【００１０】
さらに、一方のシャフト（２４）は、回転力を外部に取り出すために、円板を貫通し、鞭毛（２２）が植毛されていない側に垂直に延びている。このような構造を持つ２枚の円板は、鞭毛が植毛された面が対峙するように、且つ、シャフト（２４）によって、円板（２０）が回転自在に軸支されるようにハウジング（３０）内に組み付けられている。円板（１０）は、円周上の一個所に設けた溝部（１６）をハウジング（３０）の内壁面上に設けた凸部とを係合させることによって、回転が制止されている。
【００１１】
ハウジング（３０）には、シャフト（２４）が貫通した面と反対側の面に音波を伝達する可撓性チューブ（４０）を接続するためのフランジ（３２）が形成されている。そして、可撓性チューブ（４０）の他端に、円板（１０），（２０）の共振周波数（即ち、２００Ｈｚと４００Ｈｚ）と同じ周波数の音波を発生する音源が接続されている。
【００１２】
次に、上記のような構造を有する音波駆動式回転アクチュエータの駆動原理について説明する。まず、２００Ｈｚの音波を可撓性チューブ（４０）の他端から印加する。すると、円板（１０）は、共振振動を起こし、鞭毛（１２）が、垂直位置と傾倒位置の間で振動を繰り返す。この鞭毛（１２）の振動（鞭毛運動）により、円板（１０）に対峙して設けられた円板（２０）の表面が、鞭毛（１２）によりたぐるようにさすられる。その結果、円板（２０）に回転力が生じ、円板（２０）は、反時計回りに回転する。
【００１３】
次に、４００Ｈｚの音波を可撓性チューブ（４０）の他端から印加する。すると、円板（１０）は、共振しないため、静止した状態を保っている。一方、円板（２０）は、共振振動を起こし、鞭毛（２２）が、垂直位置と傾倒位置の間で振動を繰り返す。この鞭毛（２２）の振動（鞭毛運動）により、円板（２０）に対峙して設けられた円板（１０）の表面が、鞭毛（２２）によりたぐるようにさすられる。それによって、円板（１０）に回転力が生まれ、円板（１０）が、反時計回りに回転しようとする。しかしながら、円板（１０）は、上述のようにハウジング（３０）に対して回転が制止されているため、円板（１０）は、回転することができず、その反作用として、円板（２０）が、反時計回りに回転する。ここで、上述の例では、円板（１０）と円板（２０）の共振周波数が異なるように設定しているが、同一の共振周波数を持つように設定することにより、円板（１０）が円板（２０）に与える回転推進力と、円板（２０）が円板（１０）に与える回転推進力の双方を、同時に作用させることができ、円板（２０）を反時計回りに回転させるトルクを増大させることができる。
【００１４】
さらに、上述の例では、円板（２０）に植毛した鞭毛（２２）は、円板（１０）に植毛した鞭毛と同じ方向、即ち、時計回りに傾倒させているが、円板（２０）に植毛した鞭毛（２２）を、円板（１０）に植毛した鞭毛と逆の方向、即ち、反時計回りに傾倒させることにより、２００Ｈｚの音波を加えたときには、反時計回り、４００Ｈｚの音波を加えたときには、時計回りというように、音波の周波数を変えることによって回転方向を変えることも可能になる。また、各共振周波数の高調波によっても円板は共振するため、加える音波の周波数を連続的に変化させることによって、回転と停止を交互に出現させることも可能である。
【００１５】
このような構造からなる音波駆動式回転アクチュエータの用途としては、カーステレオや音響機器の近傍に取り付けて、それらの機器が発する音波によってマスコットや模様などを回転させる装飾品としての利用や、騒音を音源とすることによって騒音の計測を行う計測器としての利用や、内視鏡の先端に取り付けて、腫瘍の切除の動力とする医療機器としての利用が考えられる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の音波駆動式回転アクチュエータは、異なる又は同一の共振周波数を有する２枚の円板の、それぞれの中心にシャフトが垂設されており、それらのシャフトが一直線上に位置するように、２枚の円板を対峙させ、その２枚の円板の向かい合う表面のそれぞれに、双方が重ならないように、中心から所定の距離に所定の幅で鞭毛を植毛し、しかも、その鞭毛を、根本から毛頭に向けて、同一の円周方向に傾倒させておき、このように構成された２枚の円板の少なくとも片側から、円板の共振周波数と同じ周波数の音波を当てることができるような構造としているため、磁石やコイルを必要とせず、機構的にきわめてシンプルで、超小型軽量のアクチュエータを構築することが可能になる。また、特殊な材料を一切使わないため、安価である。さらに、鞭毛と円板表面の間には、大きな負荷が掛からないため、低騒音であり長寿命である。しかも、音波の強さや周波数の制御で、回転方向や回転トルクの調整が可能であるため制御がきわめて容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の音波駆動式回転アクチュエータに使用される２つの円板の概念を示す斜視図。
【図２】本発明の音波駆動式回転アクチュエータの一例を示す断面図。
【符号の説明】
１０，２０    ・・・  円板
１２，２２    ・・・  鞭毛
１４，２４    ・・・  シャフト
１６          ・・・  溝部
３０          ・・・  ハウジング
３２          ・・・  フランジ
４０          ・・・  可撓性チューブ
【図１】
2004350423.tif 000003
【図２】
2004350423.tif 000004