(57)【要約】【課題】  大きなトルクを発生させることが可能な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１０は、ステータ１３と、ステータ１３により接触支持されるロータ３０と、ロータ３０を回転可能に支持するシャフト３４と、ステータ１３に連結されるとともにステータ１３とロータ３０との接触部分に超音波振動を付与してロータを回転させる振動部としての圧電素子１７と、シャフト３４に接続されてシャフト３４をステータ１３に向かって付勢することによりロータ３０とステータ１３とを接触させる付勢部としての連結ロッド４５、ばね受体および皿ばね５０と、ロータ３０の両側でシャフト３４を回転可能に支持する軸受けとを備え、ロータ３０と軸受けとの間のシャフト３４の少なくとも一箇所に凹部３４ａが設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
前記ステータにより接触支持されるロータと、
前記ロータに一体回転可能に連結されたシャフトと、
前記ステータに連結されるとともに前記ステータと前記ロータとの接触部分に超音波振動を付与して前記ロータを回転させる振動部と、
前記ロータの両側で前記シャフトを回転可能に支持する軸受けと、
前記軸受けを介して前記シャフトに連結されるとともに前記シャフトを前記ステータに向かって付勢することにより前記ロータと前記ステータとを加圧接触させる与圧部とを備え、
前記シャフトは、ロータ取りつけ部と軸受け取りつけ部との間の部分における少なくとも一箇所に凹部が設けられている、振動アクチュエータ。
【請求項２】
前記シャフトにおける前記ロータ取りつけ部の両側に前記凹部が設けられている、請求項１に記載の振動アクチュエータ。
【請求項３】
前記凹部は、前記シャフトの周方向に沿って形成された環状溝である、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】
ステータと、
前記ステータにより接触支持されるロータと、
前記ロータに一体回転可能に連結されたシャフトと、
前記ステータに連結されるとともに前記ステータと前記ロータとの接触部分に超音波振動を付与して前記ロータを回転させる振動部と、
前記ロータの両側で前記シャフトを回転可能に支持する軸受けと、
前記軸受けを介して前記シャフトに連結されるとともに前記シャフトを前記ステータに向かって付勢することにより前記ロータと前記ステータとを加圧接触させる与圧部とを備え、
前記シャフトは、その少なくとも一部に軸方向に延在する空洞が設けられた筒状部を備える、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、より特定的には、大きなトルクを発生させることが可能な振動アクチュエータを提供することを目的とするものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の振動アクチュエータは、たとえば特開２０１３−１４３８２７号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１の振動アクチュエータは、ステータと、ステータに接触支持されるロータと、ロータと一体回転可能に設けられたシャフトと、ステータとロータの接触部分に超音波振動を発生させてロータを回転させる振動手段と、軸受けを介してシャフトに連結されるとともにシャフトをステータ側に付勢することでロータとステータとを圧接させる予圧手段とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１４３８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の振動アクチュエータはシャフトを介してロータの回転力を外部に出力として取り出す構成であるため、アクチュエータの耐久性を向上させるためには、シャフトを支持する軸受けとして大型のベアリングを用いる必要がある。しかしながら、大型のベアリングを用いるために振動アクチュエータのシャフトの径を大きくすると、以下の理由により、振動アクチュエータのトルクが低下してしまうという問題があった。
【０００５】
（１）  振動アクチュエータの駆動周波数付近にシャフトの固有振動モードが発生する。
【０００６】
（２）  ロータをステータに圧接するための与圧手段の荷重による軸の変位量（たわみ量）が変わる。
【０００７】
そこでこの発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、シャフトの軸受けに大型のものを用いたとしてもトルクの低下を抑制することが可能な振動アクチュエータを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の一つの局面に従った振動アクチュエータは、ステータと、ステータにより接触支持されるロータと、ロータに一体回転可能に連結されたシャフトと、ステータに連結されるとともにステータとロータとの接触部分に超音波振動を付与してロータを回転させる振動部と、ロータの両側でシャフトを回転可能に支持する軸受けと、軸受けを介してシャフトに連結されるとともにシャフトをステータに向かって付勢することによりロータとステータとを加圧接触させる与圧部とを備え、シャフトは、ロータ取りつけ部と軸受け取りつけ部との間の部分における少なくとも一箇所に凹部が設けられている。
【０００９】
このように構成された振動アクチュエータにおいては、シャフトにおけるロータ取りつけ部と軸受け取りつけ部との間に凹部を設けたので、シャフトの固有振動モードの周波数を振動アクチュエータの駆動周波数からずらすことができる。その結果、大型の軸受けを使用した場合であってもトルクの低下を抑制することが可能な振動アクチュエータを提供することができる。
【００１０】
さらに、ロータ取付け部と軸受け取付け部との間のシャフトに凹部を設けるため、大きな荷重が加わる部分に凹部が設けられる。その結果、効果的に固有振動数を変化させることができる。
【００１１】
好ましくは、シャフトにおけるロータ取りつけ部の両側に凹部が設けられている。
好ましくは、凹部は、シャフトの周方向に沿って形成された環状溝である。
【００１２】
この発明の別の局面に従った振動アクチュエータは、ステータと、ステータにより接触支持されるロータと、ロータに一体回転可能に連結されたシャフトと、ステータに連結されるとともにステータとロータとの接触部分に超音波振動を付与してロータを回転させる振動部と、ロータの両側でシャフトを回転可能に支持する軸受けと、軸受けを介してシャフトに連結されるとともにシャフトをステータに向かって付勢することによりロータとステータとを加圧接触させる与圧部とを備え、シャフトは、その少なくとも一部に軸方向に延在する空洞が設けられた筒状部を備える。
【００１３】
このように構成された振動アクチュエータにおいては、シャフトには軸方向に延在する空洞が設けられているため、振動アクチュエータの駆動周波数と、ロータおよびシャフトの固有振動モードの周波数をずらすことができる。その結果、大きなトルクを発生させることが可能な振動アクチュエータを提供することができる。
【００１４】
空洞をシャフトに設けるため、シャフトの表面に凹部を設ける場合と比較して、シャフトの質量を大幅に減少させてもシャフトの強度への影響は小さい。その結果、シャフトの質量を大きく減少させることができ、効果的に固有振動数を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１に従った振動アクチュエータの分解斜視図である。
【図２】実施の形態１に従った振動アクチュエータで用いられるロータとシャフトの断面図である。
【図３】実施の形態１の別の局面に従った振動アクチュエータの斜視図である。
【図４】実施の形態１の別の局面に従った振動アクチュエータで用いられるシャフトとロータの正面図である。
【図５】ロータとシャフトとの接続部分を示す正面図である。
【図６】ロータとシャフトとの接続部分を示す正面図である。
【図７】実施の形態２に従った振動アクチュエータで用いられるシャフトの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰り返さない。各実施の形態を組み合わせることも可能である。
【００１７】
（実施の形態１）
以下、実施形態１に係る振動アクチュエータについて図面を参照して説明する。
【００１８】
図１に示す振動アクチュエータ１０は、超音波振動を利用して回転体を回転させる超音波アクチュエータである。図１に示すように、振動アクチュエータ１０は、円筒状の基部１１と、ステータ１３と、圧電素子１７と、シャフト３４が一体回転可能に連結された回転体としてのロータ３０と、シャフト３４と連結される連結部材３７と、付勢部材としての皿ばね５０を備えている。
【００１９】
基部１１は円筒状であって基部１１の中心にはねじ孔１２が形成されており、基部１１はステータ１３と連結されている。ステータ１３は、ねじ孔１２に螺入可能な軸部１４と、軸部１４の基端側に形成された円柱状のステータ本体部１５を備えている。
軸部１４の先端寄りにはねじ孔１２に対応する雄ねじが形成されている。
【００２０】
基部１１とステータ本体部１５との間には、振動手段としての圧電素子１７が設けられている。圧電素子１７は略円柱状の形態を呈しており中心に通孔１８を有する。圧電素子１７の通孔１８にステータ１３の軸部１４が挿入されることにより、圧電素子１７はステータ１３と基部１１の間に保持される。圧電素子１７は、駆動回路（図示せず）に電気的に接続される有孔円盤状の圧電素子板（図示せず）を積層した構造を有している。そして、圧電素子１７を構成する複数の圧電素子板は、駆動回路から交流電圧を印加されることにより超音波振動を発生する。
【００２１】
軸部１４の基端側にはロータ３０を接触支持する円柱状のステータ本体部１５が備えられている。ステータ本体部１５のロータ３０側の端部には、径方向に横断する溝部１９が形成されている。溝部１９は、シャフト３４と連結される連結部材３７の一部が収容される空間部を形成する。ステータ本体部１５における溝部１９の両側には、ロータ３０の外周面３１と接触する接触面２１を有する接触部２０が形成されている。接触面２１はロータ３０との接触部分に相当する。なお、ステータ１３は、軸部１４およびステータ本体部１５の中心を貫通する貫通孔２２を有している。
【００２２】
ロータ３０は外周面３１と一対のロータ端面３２を備え、ロータ３０の中心には軸孔３３が形成されている。ロータ３０の軸孔３３にはシャフト３４が貫通しており、シャフト３４はロータ３０と固定されている。このように、シャフト３４がロータ３０を貫通することにより、シャフト３４はロータを回転可能に支持している。シャフト３４は止めねじやキー等または接着剤等による接着によってロータ３０に固定される。ロータ３０の外周面３１は、ステータ１３における接触部２０の接触面２１の曲率と同じ曲率の面に形成されている。本実施形態では、シャフト３４の両端部は、振動アクチュエータ１０の出力端であり、シャフト３４の回転力を出力として用いる。
【００２３】
シャフト３４は、ロータ端面３２の両側において軸受３６を介して連結部材３７と連結されている。連結部材３７は正面視略Ｕ字状であり、一対の連結部３８および一対の連結部３８を接続する接続部３９を備えている。連結部３８には通孔４０が形成されており、シャフト３４が通孔４０に挿通され、シャフト３４は軸受３６を介して連結部３８に支持されている。接続部３９および連結部３８の接続部３９寄りの部位は、ステータ１３の溝部１９にほぼ隙間無く挿入される溝挿入部であり、溝挿入部は溝部１９の幅に対応する寸法に設定されている。因みに、本実施形態では、回転軸心Ｐの方向に対応する連結部材３７の寸法が、ステータ本体部１５の溝部１９の溝長さとほぼ対応しており、溝部１９に挿入された連結部材３７は僅かに溝部１９からはみ出る程度で済む。
【００２４】
本実施形態では、ロータ３０の外周面３１と連結部材３７の接続部３９との間に隙間が形成されており、この隙間に潤滑剤としての潤滑油を含ませた供給体４１が収容されている。供給体４１は潤滑部材に相当し、潤滑油をロータ３０の外周面３１に供給するためのものである。供給体４１は連結部３８間における接続部３９の表面に載置され、連結部材３７に固定されない。連結部３８間における接続部３９の表面は、ロータ３０との外周面３１と対向する対向面に相当する。連結部材３７がステータ１３の溝部１９に挿入されている状態では、供給体４１の周囲は、ステータ１３、ロータ３０および連結部材３７により覆われており、供給体４１は空間部から脱落しない。
【００２５】
連結部材３７は連結ロッド４５と連結されている。連結部材３７の接続部３９の中央にはねじ孔４２が形成されている。連結ロッド４５の一方の端部には、ねじ孔４２に対応するねじ軸部４６が形成されている。連結ロッド４５のねじ軸部４６がねじ孔４２に螺入されることにより、連結ロッド４５と連結部材３７は互いに連結される。連結ロッド４５はステータ１３の貫通孔２２に挿通されており、連結ロッド４５の他方の端部はステータ１３の軸部１４から突出している。従って、連結ロッド４５はステータ１３および圧電素子１７の内部を貫通している。連結ロッド４５の軸部１４から突出する突出端には、ホルダを介して円板状のばね受体が取り付けられている。ばね受体と基部１１との間には、付勢部材としての皿ばね５０が介在されている。
【００２６】
皿ばね５０は、皿ばね５０の外径縁と内径縁が接近する方向に作用する力に対抗するばね力を有し、ばね力はシャフト３４をステータ１３へ近づける付勢力として連結ロッド４５に付与される。皿ばね５０の付勢力によりシャフト３４が連結部材３７を介してステータ１３へ向かって付勢されることから、ロータ３０がステータ１３に対して加圧される。本実施形態では、連結ロッド４５、ばね受体４９および皿ばね５０が予圧手段を構成する要素である。ここで、説明の便宜上、連結ロッド４５の軸心方向をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向に向かうＸ軸とし、Ｚ軸およびＸ軸に対して垂直なＹ軸が設定されているものとする。シャフト３４には、溝形状の凹部３４ａが設けられている。
【００２７】
次に、本実施形態に係る振動アクチュエータ１０の作動について説明する。
駆動回路により交流電圧が圧電素子１７の各圧電素子板に印加されると、各圧電素子板が振動方向の異なる超音波振動を発生する。圧電素子１７に対して異なる位相の交流電圧を印加することにより、圧電素子１７にＹ軸方向のたわみ振動（横振動）とＺ軸方向の縦振動とを組み合わせた複合振動を発生させる。超音波振動の複合振動がステータ１３に伝達され、ステータ１３における一対の接触面２１には、Ｙ軸−Ｚ軸平面におけるＸ軸周りの楕円運動（又は円運動）が発生する。ロータ３０が接触面２１を通じて楕円運動（又は円運動）を受けることにより、ロータ３０はシャフト３４を中心にして回転される。ロータ３０の回転により、ロータ３０に固定されたシャフト３４の端部では出力として回転力が得られる。ロータ３０の回転方向、回転速度およびトルクの制御は、印加する交流電圧や周波数等を制御することにより行うことが可能である。
【００２８】
連結部材３７は、皿ばね５０の付勢力を受ける連結ロッド４５により、シャフト３４をステータ１３へ近づく方向に付勢されるため、ロータ３０はステータ１３に圧接される。ロータ３０は予圧手段によるシャフト３４のステータ１３側への付勢によりステータ１３に圧接された状態にあることから、ステータ１３の接触面２１においてロータ３０の加圧接触による荷重がそれぞれ均等に作用し、ロータ３０は高トルクで回転される。ロータ３０とステータ１３が互いに圧接されることから、連結部材３７は振動するステータ１３や圧電素子１７に対して振動を妨げることはない。このため、連結部材３７に設置先との固定用の固定部を設定し、固定部を介して振動アクチュエータ１０を設置先に固定すれば、固定された振動アクチュエータ１０はステータ１３や圧電素子１７の振動が妨げられることなく作動する。本実施形態では、連結部材３７の連結部３８の一部を固定部とすることが好ましい。
【００２９】
ロータ３０の回転時において、供給体４１の潤滑油がロータ３０の外周面３１に塗布され、潤滑油によりロータ３０の外周面３１とステータ１３の接触面２１との圧接状態は、ロータ３０が高トルクの回転力を得ることができるかつ高い耐久性を両立した状態となる。つまり、潤滑油はロータ３０の外周面３１とステータ１３の接触面２１との適切な圧接状態を維持する。
【００３０】
図２を参照して、ロータ３０はシャフト３４に固定されており、シャフト３４とともに回転する。シャフト３４には、ロータ３０の両側に凹部３４ａ，３４ｂが設けられている。なお、凹部３４ａ，３４ｂは、この例では２つ設けられているが、必ずしも２つの凹部が設けられる必要はなく、１つ以上の凹部が設けられていればよい。
【００３１】
なお、この実施の形態では凹部３４ａ，３４ｂは環状に設けられているが、環状ではなくＣ字形状に凹部３４ａ，３４ｂが設けられていてもよい。
【００３２】
図３を参照して、シャフト３４に回転部材１１０が取り付けられていてもよい。回転部材１１０は、ギヤ、プーリ、指部材などであり、シャフト３４が回転すると、回転部材１１０もシャフト３４とともに回転する。なお、図３の振動アクチュエータ１０は、図１に記載のものとは連結部材の形状が異なっている以外は、図１の構成と同じである。
【００３３】
ロータ３０を貫通するようにシャフト３４が設けられており、シャフト３４は、ニードルベアリング１０１により回転可能に支持されている。なお、ニードルベアリング１０１でなく、ボールベアリング、流体ベアリングによりシャフト３４が回転可能に保持されていてもよい。
【００３４】
図１では振動アクチュエータ１０の各部材が分解された図が示されており、図３では振動アクチュエータ１０の各部材が組みつけられた図が示されている。シャフト３４はニードルベアリング１０１を介して皿ばね５０のばね力により下方向に引っ張られる。これによりシャフト３４に接続されたロータ３０も下方向に付勢される。その結果、ロータ３０は供給体４１側へ押し付けられる。
【００３５】
図４を参照して、ニードルベアリング１０１の転動体と接触する転動領域３４ｃ，３４ｄは、加工することができない。その結果、転動領域３４ｃ，３４ｄと、ロータ３０との間に凹部が設けられる。なお、ロータ３０の外径Ｄ２はシャフト３４の外径Ｄ１よりも大きく、シャフト３４の幅Ｗ１はロータ３０の幅Ｗ２よりも大きい。シャフト３４の幅Ｗ１は、組み付け相手部材の都合で変更することができない。シャフト３４の外径Ｄ１は、ベアリングの内径により決定される。
【００３６】
図５および図６を参照して、ロータ３０およびシャフト３４の固有振動数を調整するためには、一般に（寸法）を変更する、材料を変更する、の２通りの方法がある。しかしながら、材料変更に関しては、シャフト３４に係る荷重および耐久性の観点から困難である。よって、固有振動数を調整するためには寸法（形状）を変更する必要がある。しかしながら、図４で示すように形状を変更できない領域が存在する。ロータ３０とシャフト３４とは接着されているため、接着強度を得るためにロータ３０の幅Ｗ２と外径Ｄ２が設計されている。幅Ｗ２と外径Ｄ２とを大きくすることは可能であるが、ロータ３０を変更する必要があるため好ましくない。図５で示す寸法変化Ａと図６で示す寸法変化Ｂとを比較すると、図６で示す寸法変化Ｂは、図５で示す寸法変化Ａよりも大きい。そのため、図６で示す構造では、図５で示す構造よりも大きく固有振動数が変化する。
【００３７】
凹部は、ロータ３０の片側にのみ形成された場合でも、ロータ３０およびシャフト３４の固有振動数を変化させることができる。しかしながら、その場合にはロータ３０のシャフト３４の強度が異なるため、ロータが振動子に均一に接触しない可能性がある。
【００３８】
すなわち、超音波モータとしての振動アクチュエータ１０は、ステータ１３と、ステータ１３により接触支持されるロータ３０と、ロータ３０を回転可能に支持するシャフト３４と、ステータ１３に連結されるとともにステータ１３とロータ３０との接触部分に超音波振動を付与してロータを回転させる振動部としての圧電素子１７と、シャフト３４に接続されてシャフト３４をステータ１３に向かって付勢することによりロータ３０とステータ１３とを接触させる付勢部としての連結ロッド４５、ばね受体４９および皿ばね５０と、ロータ３０の両側でシャフト３４を回転可能に支持するニードルベアリング１０１とを備え、ロータ３０とニードルベアリング１０１との間のシャフト３４の少なくとも一箇所に凹部３４ａ，３４ｂが設けられている。凹部は溝であり、ロータ３０の両側に凹部３４ａ，３４ｂが設けられている。
【００３９】
このような構成を採用することで、シャフト３４の外径が大きくなっても凹部によりシャフトの強度を低下させることができる。その結果、シャフト３４を大きく撓ませることが可能となる。すなわち、小径のシャフト３４を用いた場合と同等のたわみ量とすることができる。
【００４０】
さらに、シャフト３４およびロータ３０の固有振動数を振動アクチュエータの振動数とずらすことができるため、不要な振動を抑制することができる。その結果、耐久性が高く、かつ大きなトルクを発生させることが可能な振動アクチュエータを提供することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図７を参照して、シャフト３４の一部分が空洞３４ｅとなっている。シャフト３４が筒状の中空形状であれば、シャフト３４が中実の場合と比較して、シャフト３４の強度を低下させることができる。その結果、シャフトを大きく撓ませることができる。これにより、シャフト３４およびロータ３０の固有振動数を振動アクチュエータの振動数とずらすことができるため、不要な振動を抑制することができる。その結果、耐久性が高く、かつ大きなトルクを発生させることが可能な振動アクチュエータを提供することができる。
【００４２】
中空形状である空洞３４ｅはシャフト３４を軸方向に貫通するように設けられていてもよく、貫通しないように設けられていてもよい。
【００４３】
超音波モータとしての振動アクチュエータ１０は、ステータ１３と、ステータ１３により接触支持されるロータ３０と、ロータ３０を回転可能に支持するシャフト３４と、ステータ１３に連結されるとともにステータ１３とロータ３０との接触部分に超音波振動を付与してロータを回転させる振動部としての圧電素子１７と、シャフト３４に接続されてシャフト３４をステータ１３に向かって付勢することによりロータ３０とステータ１３とを接触させる付勢部としての皿ばね５０と、ロータ３０の両側でシャフト３４を回転可能に支持するニードルベアリング１０１とを備え、シャフト３４には軸方向に延在する空洞３４ｅが設けられており、シャフト３４の少なくとも一部分は筒状である。
【００４４】
このように構成された振動アクチュエータにおいては、シャフトには軸方向に延在する空洞３４ｅが設けられているため、振動アクチュエータの駆動周波数と、ロータおよびシャフトの固有振動モードの周波数をずらすことができる。その結果、大きなトルクを発生させることが可能な振動アクチュエータを提供することができる。
【００４５】
本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
この発明は、振動アクチュエータの分野において用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０  振動アクチュエータ、１１  基部、１２，４２  ねじ孔、１３  ステータ、１４  軸部、１５  ステータ本体部、１７  圧電素子、１８，４０  通孔、１９  溝部、２０  接触部、２１  接触面、２２  貫通孔、３０  ロータ、３１  外周面、３２  ロータ端面、３３  軸孔、３４  シャフト、３４ａ，３４ｂ  凹部、３４ｃ，３４ｄ  転動領域、３４ｅ  空洞、３４ｙ  溝、３６  軸受、３７  連結部材、３８  連結部、３９  接続部、４１  供給体、４５  連結ロッド、４６  ねじ軸部、４９  ばね受体、５０  皿ばね、１０１  ニードルベアリング、１１０  回転部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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