JP2008072803A - 多自由度アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転子を安定して移動させることができる多自由度アクチュエータを提供する。
【解決手段】それぞれＹ軸の回りにのみ回転可能なローラ１３を有する第１の予圧部７および８と、それぞれＸ軸の回りにのみ回転可能なローラ１３を有する第２の予圧部９および１０とにより、回転子６に固定子２に対する予圧が付与されている。振動子３により固定子２に超音波振動を発生させて回転子６をＹ軸回りに回転させると、回転子６の表面に圧接されている第１の予圧部７および８のローラ１３が回転子６の回転運動に従動してそれぞれ軸部材１１の回りを回転する。このため、回転子６の予圧が不均一であっても、回転子６の回転方向にずれが生じにくく、回転子６は第１の予圧部７および８のローラ１３によりＹ軸回りに安定して回転する。
【選択図】図１

Description

この発明は、多自由度アクチュエータに係り、特に球体状の回転子を複数の軸回りに安定して回転させるアクチュエータに関する。

近年、超音波振動を利用して回転子を回転させる超音波アクチュエータが提案され、実用化されている。この超音波アクチュエータは、圧電素子を用いて固定子の表面に楕円運動または進行波を発生させ、固定子に回転子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回転子を移動させるものである。
例えば、特許文献１には、ベアリングを介して複数の弾性体で回転子に予圧をかけることにより回転子を固定子に加圧接触させ、こ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固定子に超音波振動を発生させることで回転子を回転させるアクチュエータが開示されている。ここで予圧とは、少なくとも圧電素子に通電しない状態で回転子を固定子に押しつける圧力のことをいう。

特開２００４−３１２８１０号公報

しかしながら、回転子と固定子の接触部位の公差等に起因して回転子に加えられる予圧が不均一になると、固定子に所望の超音波振動を発生させても、固定子から回転子に伝達される回転力に誤差を生じ、回転子が安定して移動することができなくなるという問題点があった。
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、回転子を安定して移動させることができる多自由度アクチュエータを提供することを目的とする。

この発明に係る多自由度アクチュエータは、予圧手段により略球体状の回転子を固定子に圧接した状態で前記固定子に超音波振動を発生させることにより前記回転子を少なくとも２軸の回りにそれぞれ回転させる多自由度アクチュエータにおいて、予圧手段が回転子の表面に対して互いに異なる位置に配置された３つ以上の予圧部を備え、これら３つ以上の予圧部のうち少なくとも２つの予圧部はそれぞれ回転子の表面に接触し且つ所定の一軸の回りにのみ回転可能なローラを有し、前記少なくとも２つの予圧部における所定の軸は互いに異なる方向を向いたものである。

この多自由度アクチュエータにおいては、少なくとも２つの予圧部に配設されたローラがそれぞれ回転子の表面に接触し、回転子の動きに従動してそれぞれ所定の軸の回りに回転する。このローラの回転により、回転子の回転方向が規制される。すなわち、回転子を、一つの予圧部のローラの回転軸と平行な軸の回りに回転させたときに、予圧が不均一なために回転子の回転方向にずれが生じようとしても、回転子の回転に伴って当該予圧部のローラが所定の軸によって決定される回転方向に回転するため、このローラが接触する回転子もローラの回転軸と平行な軸の回りに回転することとなる。なお、このとき、他の予圧部においては、回転子の回転方向がその予圧部の所定の軸により決定されるローラの回転方向と異なるため、ローラと回転子の表面との間でスリップが生じている。

なお、少なくとも２つの予圧部は、所定の第１軸の回りにのみ回転可能なローラを有する第１の予圧部と、第１軸に直交する所定の第２軸の回りにのみ回転可能なローラを有する第２の予圧部とを含むことができる。具体的には、予圧手段が、回転子に対して互いに対称の位置に配置された一対の第１の予圧部と、回転子に対して第１の予圧部とは直交する位置で且つ回転子に対して互いに対称の位置に配置された一対の第２の予圧部とを備えるように構成することができる。あるいは、予圧手段が、少なくとも第１軸および第２軸を含む多軸の回りに回転可能で且つ回転子の表面に接触する球状部材を有する第３の予圧部をさらに備えるように構成してもよい。
回転子に、第１軸と平行な軸の回りの回転運動と第２軸と平行な軸の回りの回転運動とをそれぞれ独立して行わせることによって、回転子の回転制御を行うことができる。

予圧手段が、各予圧部をそれぞれ固定子に対して支持するための支持部材を有していてもよい。あるいは、固定子を収容するケーシングをさらに備え、予圧手段が、各予圧部をそれぞれケーシングに対して支持するための支持部材を有していてもよい。ここで、支持部材は、回転子を固定子に対して押圧する方向に弾性を有することが好ましい。
また、ローラとして、所定の軸の回りに回転可能な一または複数の回転部材を有するものを用いることができる。さらに、回転部材が、その外周面上に互いに平行に軸方向に延びる複数のスリットを有していてもよい。また、回転部材は、少なくとも外周部が弾性体から形成することができる。

この発明によれば、回転子を安定して移動させることが可能となる。

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に係る多自由度アクチュエータを示す。基部ブロック１と固定子２との間に振動子３が挟持されており、これらによりほぼ円柱状の外形を有する本体部４が形成されている。固定子２には、振動子３に接する面とは反対側に凹部５が形成されており、この凹部５内に略球体状の回転子６のほぼ下半部が収容されている。
固定子２の上方には、回転子６に対して互いに対称の位置に配置された一対の第１の予圧部７および８と、同様に、回転子６に対して互いに対称の位置に配置された一対の第２の予圧部９および１０とが配置されている。第１の予圧部７および８を結ぶ方向と第２の予圧部９および１０を結ぶ方向が直交するように、第１の予圧部７および８と第２の予圧部９および１０は配置されている。

各予圧部７〜１０は、固定子２の上端面と平行に延びる軸部材１１と、この軸部材１１の両端をそれぞれ固定子２に支持する一対の棒状の支持部材１２と、軸部材１１の回りに回転可能に取り付けられたローラ１３とを有している。ローラ１３は、２つの円筒状の回転部材からなり、これら双方の回転部材がそれぞれ回転子６の表面に接触している。
ここで、説明の便宜上、一対の第１の予圧部７および８を結ぶ方向をＸ軸と規定し、一対の第２の予圧部９および１０を結ぶ方向をＹ軸と規定し、基部ブロック１から固定子２へと向かう円柱状の本体部４の中心軸をＺ軸と規定するものとする。
すなわち、第１の予圧部７および８のローラ１３はそれぞれＹ軸（第１軸）の回りにのみ回転可能であり、第２の予圧部９および１０のローラ１３はそれぞれＸ軸（第２軸）の回りにのみ回転可能である。

図２に示されるように、基部ブロック１と固定子２とが振動子３内に通された連結ボルト１４を介して互いに連結されている。
固定子２の凹部５は、回転子６の直径より小さな内径を有する小径部１５と、回転子６の直径より大きな内径を有する大径部１６とからなり、これら小径部１５及び大径部１６との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差１７が形成されている。回転子６はこの凹部５内の段差１７に当接した状態で回転可能に支持されている。
各予圧部７〜１０において軸部材１１を支持する支持部材１２は弾性を有しており、これによりローラ１３が回転子６に力Ｆで圧接され、この力ＦのＺ軸方向の成分により回転子６に固定子２に対する予圧が付与されている。
なお、基部ブロック１および固定子２はそれぞれ例えばジェラルミンから形成され、回転子６としては鋼球が用いられる。

振動子３は、固定子２に超音波振動を発生させて回転子６をＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転させるためのものであり、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１８に電気的に接続されている。
具体的には、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を介して固定子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。

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。

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１８に電気的に接続されている。

次に、この実施の形態１に係る多自由度アクチュエータの動作について説明する。
まず、振動子３に対して、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃに固定子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、固定子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、固定子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、固定子２にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。

そこで、例えば、駆動回路１８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回転子６と接触する固定子２の段差１７にＸＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＹ軸回りに回転する。

このとき、図２に示されるように、回転子６が予圧部７から予圧部８に向かう方向Ａに回転するものとすると、回転子６の表面に圧接されているこれら第１の予圧部７および８の円筒状のローラ１３は、回転子６の回転運動に従動してそれぞれ軸部材１１の回りを矢印Ｂの方向に回転する。これら第１の予圧部７および８のローラ１３は、それぞれＹ軸方向を向いた軸部材１１の回りにのみ回転可能であり、軸部材１１によってその回転軸が強制的に規制されている。このため、回転子６の球状表面および固定子２の環状の段差１７の公差、あるいは各予圧部７〜１０の支持部材１２の弾性力の不均一等に起因して固定子２の段差１７に対する回転子６の予圧が不均一であっても、回転子６の回転方向にずれが生じにくく、回転子６は第１の予圧部７および８のローラ１３によりＹ軸回りに安定して回転することとなる。
なお、第２の予圧部９および１０のローラはＸ軸の回りに回転できるものの、Ｙ軸の回りには回転できないため、上述のように回転子６がＹ軸回りに回転する場合には、第２の予圧部９および１０のローラと回転子６の表面との間でスリップが生じている。

一方、駆動回路１８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回転子６と接触する固定子２の段差１７にＹＺ面内の楕円振動が発生し、図５に示されるように摩擦力を介して回転子６がＸ軸回りに回転する。

この場合、回転子６の表面に圧接されている第２の予圧部９および１０の円筒状のローラ１３が、図５の矢印で示すように回転子６の回転運動に従動してそれぞれ軸部材１１の回りを回転する。これら第２の予圧部９および１０のローラ１３は、それぞれＸ軸方向を向いた軸部材１１の回りにのみ回転可能であり、軸部材１１によってその回転軸が強制的に規制されている。このため、固定子２の段差１７に対する回転子６の予圧が不均一であったり、回転子６の駆動方向にずれがあっても、回転子６の回転方向にずれが生じにくく、回転子６は第２の予圧部９および１０のローラ１３によりＸ軸回りに安定して回転することとなる。
なお、このとき、第１の予圧部７および８のローラ１３はＸ軸の回りには回転できないため、第１の予圧部７および８のローラ１３と回転子６の表面との間でスリップが生じることとなる。

以上のように、Ｙ軸（第１軸）の回りにのみ回転可能な第１の予圧部７および８のローラ１３とＸ軸（第２軸）の回りにのみ回転可能な第２の予圧部９および１０のローラ１３を回転子６の表面に圧接して予圧をかけることにより、回転子６をＹ軸回りおよびＸ軸回りにそれぞれ安定して回転させることが可能となる。
そこで、図６に示されるように、回転子６をＸ軸方向およびＹ軸方向に対して斜め方向に回転させたい場合には、Ｙ軸回りの回転運動Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３・・・とＸ軸回りの回転運動Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３・・・とをそれぞれ独立して順次行わせ、これらＹ軸回りとＸ軸回りの回転運動の組み合わせにより斜め方向への回転を実現する。このようにすれば、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対して斜め方向にも安定した回転が可能となる。

実施の形態２
図７に、この発明の実施の形態２に係る多自由度アクチュエータの回転子の平面図を示す。Ｙ軸（第１軸）の回りにのみ回転可能なローラ１３を有する第１の予圧部７と、Ｘ軸（第２軸）の回りにのみ回転可能なローラ１３を有する第２の予圧部９と、第３の予圧部１９とが回転子６の表面上に配置されている。すなわち、この実施の形態２は、実施の形態１に係る多自由度アクチュエータにおいて、第１の予圧部８と第２の予圧部１０の代わりに第３の予圧部１９を用いたものであり、その他の構成は実施の形態１と同様である。

図８に示されるように、第３の予圧部１９は、少なくともＹ軸（第１軸）およびＸ軸（第２軸）を含む多軸の回りに回転可能な球状部材２０を有しており、この球状部材２０が回転子６の表面に接触するように配置されている。図示していないが、第３の予圧部１９は、第１の予圧部７および第２の予圧部９と同様に、弾性を有する支持部材によって固定子２に支持されており、これにより球状部材２０が回転子６に圧接され、第１の予圧部７および第２の予圧部９と共に回転子６に固定子２に対する予圧を付与している。

回転子６がＹ軸の回りに回転する際には、第１の予圧部７のローラ１３が回転子６の回転運動に従動して軸部材１１の回りを回転すると共に、第３の予圧部１９の球状部材２０も回転子６の回転運動に従動してＹ軸の回りに回転する。このとき、回転子６の予圧が不均一であっても、回転軸が強制的に規制された第１の予圧部７のローラ１３により回転子６はＹ軸回りに安定して回転する。
一方、回転子６がＸ軸の回りに回転する際には、第２の予圧部９のローラ１３が回転子６の回転運動に従動して軸部材１１の回りを回転すると共に、第３の予圧部１９の球状部材２０も回転子６の回転運動に従動してＸ軸の回りに回転する。このとき、回転子６の予圧が不均一であっても、回転軸が強制的に規制された第２の予圧部９のローラ１３により回転子６はＸ軸回りに安定して回転する。
このように、多軸の回りに回転可能な球状部材２０を有する第３の予圧部１９を用いれば、３つの予圧部７、９および１９により実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３
図９に、この発明の実施の形態３に係る多自由度アクチュエータの構成を示す。基部ブロック２１と固定子２２との間に振動子２３が挟持され、基部ブロック２１と固定子２２とが振動子２３内に通された連結ボルト１４を介して互いに連結されている。これら基部ブロック２１、固定子２２および振動子２３が円筒状のケーシング２４内に収容され、ケーシング２４の上部にそれぞれ支持部材１２を介して予圧部７〜１０が支持されている。固定子２２は、振動子３に接する面とは反対側に回転子６の直径より小さな内径を有する凹部２５を有し、この凹部２５の周縁部に形成された環状の段差２６に回転子６が当接して回転可能に支持されている。

すなわち、この実施の形態３は、基部ブロック２１と固定子２２と振動子２３からなる振動系から独立したケーシング２４に対して各予圧部７〜１０を支持したものである。
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。
なお、この実施の形態３を実施の形態２に適用し、振動系から独立したケーシング２４に対して第１の予圧部８と第２の予圧部１０と第３の予圧部１９とを支持するように構成してもよい。

実施の形態４
実施の形態１では、各予圧部７〜１０のローラ１３が軸部材１１の回りに回転可能に取り付けられた２つの円筒状の回転部材からなっていたが、図１０（ａ）に示されるように、一つの円筒状の回転部材４１を軸部材１１の回りに回転可能に取り付けてローラを構成し、この回転部材４１を回転子６の表面に圧接させてもよい。
また、図１０（ｂ）に示されるように、３つ以上の回転部材、例えば４つの回転部材４２〜４５を軸部材１１の回りに回転可能に取り付けてローラを構成し、これら回転部材４２〜４５をそれぞれ回転子６の表面に圧接させてもよい。回転部材４２〜４５の外周面を、それぞれ回転子６の曲率半径Ｒに適合する形状にすることができる。

なお、回転部材として、図１１（ａ）に示されるように、外周面上に互いに平行に軸方向に延びる複数のスリットが形成された回転部材４６を用いることができる。回転子６の回転方向によっては、回転部材４６と回転子６の表面との間で軸方向にスリップが生じるため、回転部材４６の外周面に軸方向のスリットを形成すれば、スリップしやすくなり、回転子６の回転がより安定したものとなる。
また、図１１（ｂ）に示されるように、回転子６の表面に沿うように凹状の外周面を有する回転部材４７、あるいは図１１（ｃ）に示されるように、球状の外周面を有する回転部材４８を用いることもできる。
これらの回転部材は、少なくとも外周部が、ゴム、ウレタン等の弾性体から形成されることが好ましい。

この発明の実施の形態１に係る多自由度アクチュエータを示す斜視図である。 実施の形態１に係る多自由度アクチュエータを示す断面図である。 実施の形態１で用いられた振動子の構成を示す部分断面図である。 実施の形態１で用いられた振動子の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。 実施の形態１において回転子をＸ軸回りに回転させる場合の多自由度アクチュエータの部分拡大平面図である。 実施の形態１において回転子をＸ軸およびＹ軸に対して斜め方向に回転させる場合の多自由度アクチュエータの部分拡大平面図である。 実施の形態２に係る多自由度アクチュエータの部分拡大平面図である。 実施の形態２で用いられる第３の予圧部を示す斜視図である。 実施の形態３に係る多自由度アクチュエータを示す断面図である。 実施の形態４で用いられるローラを示す正面図である。 実施の形態４で用いられるローラの回転部材を示す斜視図である。

符号の説明

１，２１ 基部ブロック、２，２２ 固定子、３，２３ 振動子、４ 本体部、５，２５ 凹部、６ 回転子、７，８ 第１の予圧部、９，１０ 第２の予圧部、１１ 軸部材、１２ 支持部材、１３ ローラ、１４ 連結ボルト、１５ 小径部、１６ 大径部、１７，２６ 段差、１８ 駆動回路、１９ 第３の予圧部、２０ 球状部材、２４ ケーシング、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、４１〜４８ 回転部材。

Claims (11)

1. 予圧手段により略球体状の回転子を固定子に圧接した状態で前記固定子に超音波振動を発生させることにより前記回転子を少なくとも２軸の回りにそれぞれ回転させる多自由度アクチュエータにおいて、
   前記予圧手段は、前記回転子の表面に対して互いに異なる位置に配置された３つ以上の予圧部を備え、
   前記３つ以上の予圧部のうち少なくとも２つの予圧部は、それぞれ前記回転子の表面に接触し且つ所定の一軸の回りにのみ回転可能なローラを有し、前記少なくとも２つの予圧部における前記所定の軸は互いに異なる方向を向いていることを特徴とする多自由度アクチュエータ。
2. 前記少なくとも２つの予圧部は、所定の第１軸の回りにのみ回転可能なローラを有する第１の予圧部と、前記第１軸に直交する所定の第２軸の回りにのみ回転可能なローラを有する第２の予圧部とを含む請求項１に記載の多自由度アクチュエータ。
3. 前記予圧手段は、前記回転子に対して互いに対称の位置に配置された一対の前記第１の予圧部と、前記回転子に対して前記第１の予圧部とは直交する位置で且つ前記回転子に対して互いに対称の位置に配置された一対の前記第２の予圧部とを備えている請求項２に記載の多自由度アクチュエータ。
4. 前記予圧手段は、少なくとも前記第１軸および前記第２軸を含む多軸の回りに回転可能で且つ前記回転子の表面に接触する球状部材を有する第３の予圧部をさらに備えた請求項２に記載の多自由度アクチュエータ。
5. 前記回転子は、前記第１軸と平行な軸の回りの回転運動と前記第２軸と平行な軸の回りの回転運動とをそれぞれ独立して行わせることにより回転制御される請求項２〜４のいずれか一項に記載の多自由度アクチュエータ。
6. 前記予圧手段は、各予圧部をそれぞれ前記固定子に対して支持するための支持部材を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の多自由度アクチュエータ。
7. 前記固定子を収容するケーシングをさらに備え、
   前記予圧手段は、各予圧部をそれぞれ前記ケーシングに対して支持するための支持部材を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の多自由度アクチュエータ。
8. 前記支持部材は、前記回転子を前記固定子に対して押圧する方向に弾性を有する請求項６または７に記載の多自由度アクチュエータ。
9. 前記ローラは、前記所定の軸の回りに回転可能な一または複数の回転部材を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の多自由度アクチュエータ。
10. 前記回転部材は、その外周面上に互いに平行に軸方向に延びる複数のスリットを有する請求項９に記載の多自由度アクチュエータ。
11. 前記回転部材は、少なくとも外周部が弾性体から形成されている請求項９または１０に記載の多自由度アクチュエータ。

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