JP2008199696A - Vibration actuator - Google Patents

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Kodai Suzuki
航大 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small vibration actuator having a simple configuration. <P>SOLUTION: A hemispherical shell-like rotor 8 is rotatably disposed so as to contact on a corner portion 7 of a stator 2, and a pre-pressuring portion 12 is supported so as to be hung down on the stator 2 by a supporting member 11. The pre-pressurizing portion 12 is inserted into the inside of the rotor 8, and abuts on an internal surface 9 of the rotor 8 by its tip member 13. The tip member 13 press-fits on the internal surface of the rotor 8 by a spring S housed in the pre-pressurizing portion 12, thereby pressurizing the rotor 8 onto the stator 2. A vibration means 3 is driven, thereby enabling the rotor 8 to rotate around each of multiple shafts. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a vibration actuator, and more particularly to a vibration actuator that rotationally drives a rotor in contact with a stator by generating ultrasonic vibration in the stator.

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。   In recent years, vibration actuators for rotating a rotor using ultrasonic vibration have been proposed and put into practical use. In this vibration actuator, an elliptical motion or traveling wave is generated on the surface of the stator using a piezoelectric element, and the rotor is moved in a frictional force between the two by bringing the rotor into pressure contact with the stator.

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。
For example, in Patent Document 1, a pair of springs are disposed outside the stator and the hemispherical rotor, and the rotor is pressed against the stator by the pair of springs and overlapped with each other in that state. A vibration actuator is disclosed that rotates a rotor by applying a driving voltage to a plurality of piezoelectric element plates to generate ultrasonic vibrations in a stator.
A pair of connecting plates are drawn outward from the rotor, respectively, and a pair of fixing plates are drawn outward from the base member of the stator, and a pair of connecting plates are respectively provided between the pair of connecting plates and the pair of fixing plates. The rotor is pressurized against the stator by arranging the springs and pulling the pair of connecting plates against the pair of fixed plates.

特開2004−357395号公報JP 2004-357395 A

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。
However, the vibration actuator of Patent Document 1 has a problem in that the entire vibration actuator is increased in size because a pair of springs for pressing the rotor against the stator are disposed outside the rotor and the stator.
In addition, a pair of connecting plates for connecting between one end of the pair of springs and the rotor, and a pair of fixing plates for connecting the other end of the pair of springs and the base member of the stator are required. There is a complicated configuration.
The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a vibration actuator that is small in size and has a simple configuration.

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。   The vibration actuator according to the present invention includes a stator, a rotor having a shell shape and arranged in contact with the stator on the outer surface thereof, preload means for pressurizing the rotor against the stator, and generating ultrasonic vibration in the stator. And a preload means for abutting the inner surface of the rotor on a predetermined line of action with respect to the stator regardless of the rotation of the rotor and pressurizing the rotor against the stator along the line of action. It is what has.

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。
Preferably, the rotor is formed in a spherical shell shape having spherical surfaces on its inner and outer surfaces.
Moreover, it is preferable that a preload part has a spherical member which can rotate around a multi-axis and contacts the inner surface of a rotor.

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。
The preloading means may be configured to have a rotational position sensor that is disposed in the vicinity of the preloading portion and that contacts the inner surface of the rotor and detects the rotational position of the rotor by rotating as the rotor rotates.
Moreover, you may comprise so that an ultrasonic vibration may be generated also in a preload part by a vibration means.
Further, the rotor can be formed to have a uniform thickness.

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。   According to the present invention, a vibration actuator having a small size and a simple configuration can be realized.

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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows a vibration actuator according to Embodiment 1 of the present invention. This vibration actuator is an ultrasonic actuator that rotates a rotating body using ultrasonic vibration. A cylindrical vibration means 3 is sandwiched between the base block 1 and the stator 2, and the base block 1 and the stator 2 are connected to each other via a connecting bolt 4 passed through the vibration means 3. The vibration actuator as a whole has a substantially cylindrical outer shape. Here, for convenience of explanation, the central axis of the cylindrical outer shape from the base block 1 to the stator 2 is defined as the Z axis, and the X axis is perpendicular to the Z axis and the Z axis and the X axis are Assume that the Y-axis extends vertically.
The vibration means 3 includes flat plate-like first to third piezoelectric element portions 31 to 33 that are positioned on the XY plane and overlap each other. These first to third piezoelectric element portions 31 to 33 are electrically connected to the drive circuit 5 respectively.

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。   A recess 6 is formed on the upper surface of the stator 2, that is, on the surface opposite to the surface in contact with the vibration means 3 of the stator 2. An annular corner 7 positioned on the XY plane is formed at the peripheral edge of the opening end of the recess 6, and a rotor 8 as a rotating body is rotatably contacted with the corner 7. The rotor 8 has a hemispherical shell shape shown in FIG. 2, and has a concave spherical surface on the inner surface 9 and a convex spherical surface on the outer surface 10. The rotor 8 has a diameter larger than the inner diameter of the concave portion 6 of the stator 2, and is disposed so as to be in contact with the corner portion 7 of the stator 2 at its outer surface 10.

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。   On the top of the stator 2, a support member 11 is disposed above the rotor 8 in an arch shape. The support member 11 is fixed to the upper surface of the stator 2 at its lower end. A preloading portion 12 having a length larger than the radius of the rotor 8 is suspended and supported substantially at the center of the support member 11, and the preloading portion 12 is inserted into the rotor 8 and provided at the tip thereof. The tip member 13 is in contact with the inner surface 9 of the rotor 8. Here, the preload portion 12 is located on a predetermined line of action L with respect to the stator 2, and the tip member 13 is in contact with the inner surface of the rotor 8 on the line of action L. Here, the action line L is preferably parallel to the Z axis. A spring S is accommodated in the preloading portion 12, and the tip member 13 is pressed against the inner surface 9 of the rotor 8 by the spring S, thereby applying a pressure force in the −Z-axis direction to the rotor 8. Therefore, the preload portion 12 pressurizes the rotor 8 against the stator 2 along the action line L.

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。
The rotor 8 is formed so as to have a uniform thickness. Further, the action line L is positioned so as to coincide with the central axis of the cylindrical outer shape extending from the base block 1 toward the stator 2, and the tip member 13 of the preload portion 12 is substantially at the center of the concave portion 6 of the stator 2. It arrange | positions so that it may oppose. Even if the rotor 8 rotates, the tip member 13 of the preload portion 12 is configured to abut against the inner surface 9 of the rotor 8 at a fixed position that does not change with respect to the stator 2 and pressurize the rotor 8 against the stator 2. Yes.
Further, the preload portion 12 and the support member 11 constitute the preload means of the present invention.

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。   As shown in FIG. 3, the first piezoelectric element section 31 has a structure in which an electrode plate 31a, a piezoelectric element plate 31b, an electrode plate 31c, a piezoelectric element plate 31d, and an electrode plate 31e each having a disk shape are sequentially stacked. have. Similarly, the second piezoelectric element portion 32 has a structure in which an electrode plate 32a, a piezoelectric element plate 32b, an electrode plate 32c, a piezoelectric element plate 32d, and an electrode plate 32e each having a disk shape are sequentially stacked. 3 has a structure in which an electrode plate 33a, a piezoelectric element plate 33b, an electrode plate 33c, a piezoelectric element plate 33d, and an electrode plate 33e each having a disk shape are sequentially stacked. These piezoelectric element portions 31 to 33 are arranged in a state of being insulated from the stator 2 and the base block 1 through insulating sheets 34 to 37 and from each other.

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。
As shown in FIG. 4, the pair of piezoelectric element plates 31 b and 31 d of the first piezoelectric element portion 31 has portions that are divided into two in the Y-axis direction and have opposite polarities, and each has a Z-axis direction (thickness direction The piezoelectric element plate 31b and the piezoelectric element plate 31d are disposed so as to be reversed with respect to each other.
The pair of piezoelectric element plates 32b and 32d of the second piezoelectric element portion 32 are polarized so as to be expanded or contracted in the Z-axis direction (thickness direction) as a whole without being divided into two. The element plate 32b and the piezoelectric element plate 32d are arranged inside out.
In the pair of piezoelectric element plates 33b and 33d of the third piezoelectric element portion 33, the portions divided into two in the X-axis direction have opposite polarities, and are opposite to expansion and contraction in the Z-axis direction (thickness direction), respectively. The piezoelectric element plate 33b and the piezoelectric element plate 33d are disposed so as to be reversed with respect to each other.

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。   An electrode plate 31a and an electrode plate 31e disposed on both surface portions of the first piezoelectric element portion 31, an electrode plate 32a and an electrode plate 32e disposed on both surface portions of the second piezoelectric element portion 32, and a third The electrode plate 33a and the electrode plate 33e disposed on both surface portions of the piezoelectric element portion 33 are electrically grounded. Further, the electrode plate 31 c disposed between the pair of piezoelectric element plates 31 b and 31 d of the first piezoelectric element portion 31 and the pair of piezoelectric element plates 32 b and 32 d of the second piezoelectric element portion 32 are disposed. The electrode plate 32 c disposed between the pair of piezoelectric element plates 33 b and 33 d of the third piezoelectric element portion 33 is electrically connected to the drive circuit 5.

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。
Next, the operation of the vibration actuator according to the first embodiment will be described.
First, when an alternating voltage having a frequency close to the natural frequency of the stator 2 is applied to the vibration means 3 to the electrode plate 31 c of the first piezoelectric element portion 31, a pair of piezoelectric element plates of the first piezoelectric element portion 31. The two divided portions 31b and 31d alternately expand and contract in the Z-axis direction, and generate flexural vibration in the Y-axis direction in the stator 2. Similarly, when an AC voltage is applied to the electrode plate 32c of the second piezoelectric element portion 32, the pair of piezoelectric element plates 32b and 32d of the second piezoelectric element portion 32 repeats expansion and contraction in the Z-axis direction, and the stator 2 In the Z axis direction. Further, when an AC voltage is applied to the electrode plate 33c of the third piezoelectric element portion 33, the two divided portions of the pair of piezoelectric element plates 33b and 33d of the third piezoelectric element portion 33 expand and contract in the Z-axis direction. Are alternately repeated to generate a flexural vibration in the X-axis direction in the stator 2.

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。
Therefore, for example, when an AC voltage having a phase shifted by 90 degrees is applied from the drive circuit 5 to both the electrode plate 31c of the first piezoelectric element section 31 and the electrode plate 32c of the second piezoelectric element section 32, Y The axial flexural vibration and the vertical vibration in the Z-axis direction are combined to generate elliptical vibration in the YZ plane at the corner 7 of the stator 2 that is in contact with the rotor 8. Rotate around.
Similarly, when an AC voltage whose phase is shifted by 90 degrees is applied from the drive circuit 5 to both the electrode plate 32c of the second piezoelectric element portion 32 and the electrode plate 33c of the third piezoelectric element portion 33, the X axis Direction vibration and Z-axis longitudinal vibration are combined to generate elliptical vibration in the XZ plane at the corner 7 of the stator 2 that is in contact with the rotor 8, and the rotor 8 rotates about the Y-axis via frictional force. Rotate to.
Further, when an AC voltage having a phase shifted by 90 degrees is applied from the drive circuit 5 to both the electrode plate 31c of the first piezoelectric element portion 31 and the electrode plate 33c of the third piezoelectric element portion 33, the X-axis direction The flexural vibration in the Y-axis direction and the flexural vibration in the Y-axis direction combine to generate elliptical vibration in the XY plane at the corner 7 of the stator 2 that contacts the rotor 8, and the rotor 8 moves about the Z-axis through frictional force. Rotate.

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。
By driving the vibration means 3 in this way, the rotor 8 can be rotated around the three axes of X, Y, and Z, respectively.
In this vibration actuator, the preload portion 12 incorporating the spring S is supported on the stator 2 by the support member 11, and the preload portion 12 is inserted into the hemispherical rotor 8 and the tip member 13 of the rotor 8 Since the rotor 8 is pressed against the stator 2 by directly pressing the inner surface 9, the rotor is added to the stator by a pair of springs arranged outside the rotor and the stator, as in a conventional vibration actuator. As compared with the case of pressing, a vibration actuator having a small size and a simple configuration can be realized.

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。   The tip member 13 of the preload portion 12 is positioned on a predetermined line of action L against the stator 2 regardless of the rotation of the rotor 8 and presses the inner surface 9 of the rotor 8, and the rotor 8 has a uniform thickness. Therefore, even if the rotor 8 rotates as shown in FIG. 5, the tip member 13 adds the rotor 8 toward the stator 2 without changing the height of the tip member 13 in the longitudinal direction of the preload portion 12. It will be pressed. Therefore, the preloading portion 12 can always press the rotor 8 against the stator 2 with a uniform force regardless of the rotation of the rotor 8.

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。
Further, since the rotor 8 having a hemispherical shell shape is used, the rotor can be reduced in weight as compared with the case where a spherical rotor is used, and the inner surface 9 of the rotor 8 is pressed by the preload portion 12. 8 can be stably pressed against the stator 2.
Further, even if the pressing force is set to be large, there is no fitting between the preloading portion 12 and the rotor 8, so that the pressing force can be increased and high torque rotation can be realized.

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。
Note that if the vibration means 3 is driven so that elliptical vibration is also generated in the tip member 13 of the preload portion 12 via the support member 11 in the same manner as the stator 2, the rotor 8 is pressurized against the stator 2. It is possible to reduce the friction loss necessary for the process.
Further, if the tip member 13 of the preload portion 12 is vibrated in the same vibration mode as that of the stator 2 and the tip member 13 generates a driving force in the same direction as the stator 2, both the stator 2 and the preload portion 12. Thus, the rotational force is transmitted to the rotor 8 and can be rotated with high torque.

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。
Embodiment 2. FIG.
Next, a vibration actuator according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, in the vibration actuator according to the first embodiment shown in FIG. 1, a preload portion 22 having a spherical member 21 that can rotate around multiple axes is used instead of the preload portion 12. It is. The preload portion 22 is supported in a drooping manner substantially at the center of the support member 11, and the spherical member 21 is disposed so as to contact the inner surface 9 of the rotor 8. In addition, the spherical member 21 is pressed against the inner surface 9 of the rotor 8 by the spring S accommodated in the preload portion 22, and the rotor 8 is pressed against the stator 2.

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。
Even with this configuration, a vibration actuator having a small size and a simple configuration can be realized as in the first embodiment.
In addition, in the second embodiment, the spherical member 21 of the preload portion 22 is rotated following the rotational movement of the rotor 8, so that it is possible to reduce the friction loss accompanying the rotation of the rotor 8.

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。
Embodiment 3 FIG.
Next, a vibration actuator according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, the vibration actuator of the first embodiment shown in FIG. 1 is provided with a rotational position sensor 23 that is composed of an encoder or the like and detects the rotational position of the rotor 8 in the vicinity of the preload portion 12. is there. The rotational position sensor 23 includes a rotating member 24 that is connected to an intermediate portion in the longitudinal direction of the preload portion 12 and rotates with the rotor 8 while contacting the inner surface 9 of the rotor 8. Here, the rotating member 24 is disposed so as to be rotatable around the X axis.

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。   With this configuration, when the rotor 8 rotates about the X axis, the rotation member 24 rotates following the rotation of the rotor 8, so that the rotation position sensor 23 rotates the rotor 8 about the X axis. The position can be detected.

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。
Similarly, if another rotating position sensor is provided in which the rotating member is rotatably arranged around the Y axis, the rotating position of the rotor 8 around the X axis and the Y axis can be detected.
It is also possible to detect the rotational position of the rotor 8 by marking the end portion of the hemispherical rotor-shaped rotor 8 located at the equator portion, photographing the end portion of the rotor 8 with a camera, and performing image processing.

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。   In the second embodiment as well, the rotational position of the rotor 8 can be detected by providing such a rotational position sensor 23.

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。
Embodiment 4 FIG.
Next, a vibration actuator according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, the rotor 25 having a non-uniform thickness distribution is used in place of the rotor 8 having a uniform thickness in the vibration actuator of the first embodiment shown in FIG. The rotor 25 is formed to have a thickness that increases from the center to the end.

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。
As shown in FIG. 9, when the rotor 25 rotates, the preloading portion 12 remains positioned on the predetermined line of action L with respect to the stator 2, but according to the change in the thickness of the rotor 25, By changing the height of the tip member 13 in the longitudinal direction, the force with which the spring S accommodated in the preload portion 12 presses the tip member 13 against the inner surface 26 of the rotor 25 also changes, and according to the rotation of the rotor 25. The pressure applied to the stator 2 by the rotor 25 can be changed.
Here, since the rotor 25 has a larger thickness at the end portion, the position where the tip member 13 of the preload portion 12 contacts the inner surface 26 of the rotor 25 moves to the end portion side of the rotor 25 as the rotor 25 rotates. As the force increases, the force by which the preloading portion 12 presses the rotor 25 against the stator 2 is increased, so that high-torque rotation can be realized and the holding torque at rest can be increased.

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。
Instead of the rotor 25 described above, a rotor formed so as to have a thickness that decreases as it approaches the end from the center thereof can be used.
In the second and third embodiments described above, the rotor 25 having a non-uniform thickness distribution can be used instead of the rotor 8.

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。
Embodiment 5. FIG.
In the vibration actuator of the first embodiment described above, a plurality of preload portions 12 can be used. For example, as shown in FIG. 10, three preloading portions 12 can be used, and these three preloading portions 12 are supported by hanging substantially at the center of the support member 11, and each abuts the rotor 8 to contact the rotor. 8 is pressed against the stator 2. Even with this configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

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。
In the third and fourth embodiments as well, the rotors 8 and 25 can be pressed against the stator 2 using the plurality of preloading portions 12.
Further, instead of using the preloading portion 12, a plurality of preloading portions having a spherical member that can be rotated around multiple axes at the tip thereof as shown in the second embodiment can be used.

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。
Embodiment 6 FIG.
In the vibration actuator according to the first embodiment described above, instead of the hemispherical shell-shaped rotor 8, as shown in FIG. 11, a rotor 27 having a shell shape formed of a part of a cylinder may be used. The rotor 27 is pressurized against the stator 2 by the preload portion 12 and can be rotated around one axis.

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。   Similarly, a rotor having a shell shape formed of a part of a cylinder can be applied to the above-described second to fifth embodiments.

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。   In each of the first to sixth embodiments, the preload portions 12 and 22 may be supported by members independent from the vibration system including the base block 1, the stator 2, and the vibration means 3.

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。   In addition, in each said embodiment, instead of the spring S, various other elastic bodies can also be used.

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。
If the tip member 13 of the preloading portion 12 and the spherical member 21 of the preloading portion 22 are each made of a low friction material such as Teflon (registered trademark), the rotors 8, 25, 27 are pressed against the stator 2. Necessary friction loss can be reduced.
Further, if the corner portion 7 of the stator 2 that is in contact with the outer surfaces of the rotors 8, 25, 27 is also made of such a low friction material, the friction loss can be further reduced.

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。
In the first to sixth embodiments, the phase of the AC voltage applied from the drive circuit 5 to each piezoelectric element portion is shifted by 90 degrees. However, the phase is not limited to 90 degrees and may be changed. Moreover, you may change the voltage value of the alternating voltage to apply. The elliptical vibration generated in the stator 2 can be controlled by variously controlling the AC voltage.
Further, the contact between the stator 2 and the rotors 8, 25, 27 is the corner portion 7, but it is not limited to this configuration. If the elliptical motion can be transmitted, the contact may be made on a flat surface, the contact may be made on a curved surface, or may not be annular.

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。
Further, in the above embodiment, instead of the longitudinal vibration in the Z-axis direction and the flexural vibration in the Y-axis direction or the X-axis direction, a composite vibration combining a plurality of vibrations that are not orthogonal to each other is generated to generate the rotors 8, 25, 27 can also be rotated.
Further, in the above-described embodiment, the flexural vibration in the X-axis direction, the flexural vibration in the Y-axis direction, and the vertical vibration in the Z-axis direction are generated in separate piezoelectric element units, and the combined vibration is generated by combining the vibrations. However, a single piezoelectric element portion may be polarized into a plurality of pieces, and the voltage applied to each polarization electrode may be individually controlled. That is, a composite vibration may be generated by a single piezoelectric element portion by applying a voltage obtained by synthesizing alternating voltages having different phases and amplitudes to each polarization electrode.
In each of the above embodiments, the elliptical motion is generated at the contact portion between the stator 2 and the rotors 8, 25, 27. However, the circular motion may be generated by controlling the amplitude in each axial direction. .

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。It is sectional drawing which shows the vibration actuator which concerns on Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1におけるロータを示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a rotor in the first embodiment. 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。2 is a partial cross-sectional view showing a configuration of a vibration unit used in Embodiment 1. FIG. 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。3 is a perspective view showing the polarization directions of three pairs of piezoelectric element plates of the piezoelectric element means used in Embodiment 1. FIG. 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。FIG. 3 is a cross-sectional view showing an operation state of the vibration actuator according to the first embodiment. 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。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a vibration actuator according to a second embodiment. 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。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a vibration actuator according to a third embodiment. 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。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a vibration actuator according to a fourth embodiment. 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。FIG. 10 is a cross-sectional view showing an operating state of the vibration actuator according to the fourth embodiment. 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。It is a perspective view which shows the preload part and rotor in Embodiment 5. FIG. 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。It is a perspective view which shows the preload part and rotor in Embodiment 6. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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。   1 base block, 2 stator, 3 vibration means, 4 connecting bolt, 5 drive circuit, 6 recess, 7 corner, 8, 25, 27 rotor, 9, 26 inner surface, 10 outer surface, 11 support member, 12, 22 preloading portion , 13 Tip member, 21 Spherical member, 23 Rotation position sensor, 24 Rotation member, 31 First piezoelectric element part, 32 Second piezoelectric element part, 33 Third piezoelectric element part, 31a, 31c, 31e, 32a, 32c, 32e, 33a, 33c, 33e Electrode plate, 31b, 31d, 32b, 32d, 33b, 33d Piezoelectric element plate, L action line, S spring.

Claims (6)

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。
A stator,
A rotor having a shell shape and arranged in contact with the stator on the outer surface thereof;
Preloading means for pressurizing the rotor against the stator;
Vibration means for rotating the rotor by generating ultrasonic vibrations in the stator, and the preload means is applied to the inner surface of the rotor on a predetermined line of action with respect to the stator regardless of the rotation of the rotor. A vibration actuator comprising a preload portion that contacts and pressurizes the rotor against the stator along the line of action.
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。   The vibration actuator according to claim 1, wherein the rotor is formed in a spherical shell shape having spherical surfaces on an inner surface and an outer surface thereof. 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。   3. The vibration actuator according to claim 1, wherein the preload portion includes a spherical member that is rotatable about multiple axes and that contacts the inner surface of the rotor. 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。   The said preload means has a rotation position sensor which detects the rotation position of the said rotor by arrange | positioning in the vicinity of the said preload part, contacting the inner surface of the said rotor, and rotating with the rotation of the said rotor. The vibration actuator according to any one of the above. 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。   The vibration actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the vibration means generates ultrasonic vibration also in the preload portion. 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。   The vibration actuator according to claim 1, wherein the rotor has a uniform thickness.
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