JP2009005549A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型であり且つ単純な構成を有しながらロータをステータに加圧することができ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の表面に突出形成された２対の挟持部６によりロータ７の両端部がそれぞれ挟持され、支持ボルト８及びナット９の締結により、ロータ７のそれぞれの端部７ａと挟持部６とが互いに加圧されると共にロータ７が支持ボルト８の回りに回転自在に支持される。振動手段３によりステータ２の挟持部６にＸＺ面内の楕円振動を発生させることにより、ロータ７の端部７ａと挟持部６との摩擦力を介してロータ７がＹ軸回りに回転される。支持ボルト８をナット９に締結するだけでロータ７の端部７ａとステータ２の挟持部６とを互いに加圧することができるため、小型で単純な構成を有しながらロータ７をステータ２に加圧することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、振動アクチュエータに係り、特に圧電素子に所定の方向の膨張・収縮を行わせることによりステータに振動を与える振動アクチュエータに関する。

例えば、特許文献１に、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開示されている。この振動アクチュエータは、それぞれその表面に対して垂直な方向に分極され且つ互いに重ね合わされた複数の圧電素子板を有し、複数の圧電素子板の積層方向の一端部に配設されたステータにロータが接触支持されている。また、ベアリング及びバネ等を含む加圧手段の一端部はロータに連結されると共に、加圧手段の他端部は振動アクチュエータの基部が固定された容器に連結され、ステータに対してロータが圧電素子板の表面に垂直な方向に加圧されている。複数の圧電素子板に駆動電圧を印加して圧電素子の表面に垂直な方向に膨張・収縮させることでステータに超音波振動を発生させることによりロータが回転駆動される。

特開平２００４−３１２８０９号公報

ところで、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では、上述の特許文献１のように、加圧手段の一端部がロータに連結されると共に他端部が振動アクチュエータの基部またはステータ等に連結され、ステータに対してロータが圧電素子板の表面に対して垂直な方向に加圧されることが一般的であるが、加圧手段がロータ及びステータの側方または内部に配設されることにより振動アクチュエータの大型化及び複雑化を招くおそれがあった。
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、小型であり且つ単純な構成を有しながらロータをステータに加圧することができる振動アクチュエータを提供することを目的とする。

この発明に係る振動アクチュエータは、圧電素子に所定の方向の膨張・収縮を行わせることによりステータに振動を与える振動アクチュエータにおいて、圧電素子に膨張・収縮を行わせる上記所定の方向に対して平行な面内で移動自在にステータに支持される少なくとも１つの移動体と、ステータに対して移動体を移動体が移動自在な面に垂直な方向に加圧する加圧手段とを備え、圧電素子で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対して移動体を移動させるものである。

ステータと移動体とは互いに平面同士で接触されることが好ましい。
また、移動体をステータに回転自在に支持し、圧電素子で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対して移動体を回転させることもできる。この場合に、圧電素子に膨張・収縮を行わせる上記所定の方向に対して垂直な方向に延在する回転軸部材を移動体に対応して設け、この回転軸部材の回りに移動体を回転自在にステータに支持することが好ましい。
また、加圧手段は、ステータに対して移動体を回転自在に支持すると共に回転軸部材として兼用される支持ボルトを有し、支持ボルトの締結力を変更することで移動体に対する加圧力が変更されるように構成することもできる。

圧電素子は、それぞれ上記所定の方向を含み且つ互いに直交される２つの平面内に楕円振若しくは円振動を発生させるものであり、アーチ形状を有すると共に少なくとも一端部が加圧手段により加圧された状態でステータに支持され、２つの平面のうち一方に直交する第１の回転軸の回りに回転可能な第１の移動体と、アーチ形状を有すると共に、少なくとも一端部が加圧手段により加圧された状態でステータに支持され、２つの平面のうち他方に直交する第２の回転軸の回りに回転可能な第２の移動体と、第１の移動体及び第２の移動体のそれぞれに沿って移動可能であるように、第１の移動体及び第２の移動体の双方に遊嵌される出力軸とを備え、圧電素子でステータに超音波振動を発生させてステータに対して第１の移動体及び第２の移動体を回転させることにより出力軸が互いに直交する第１の回転軸及び第２の回転軸の回りに回転されるように構成することもできる。

ステータは、その表面に突出形成される少なくとも一対の挟持部を有し、移動体の端部を一対の挟持部により挟持することで移動体をステータに移動自在に支持することもできる。
また、ステータは、その表面に形成される少なくとも１つの溝を有し、移動体の端部を溝内に挿入することで移動体をステータに移動自在に支持することもできる。

圧電素子により発生される超音波振動に基づいて出力軸を第１の回転軸及び第２の回転軸の双方に直交する第３の回転軸の回りに回転させる回転機構を有することもできる。
例えば、回転機構は、圧電素子の前記ステータとは反対側に配置される第２のステータと、この第２のステータに対して移動自在に加圧接触される第２のロータとを有し、第２のステータ及び第２のロータの一方がステータに一体に形成され、圧電素子により第２のステータに超音波振動を発生させて第２のステータと第２のロータとを相対的に回転させることにより、出力軸を第３の回転軸の回りに回転させるように構成することができる。

なお、圧電素子は、互いに上記所定の方向に積層された複数の圧電素子板を有することができる。

この発明によれば、加圧手段により、ステータに対して移動体は圧電素子に膨張・収縮を行わせる所定の方向に垂直な方向に加圧されるため、小型であり且つ単純な構成を有しながらロータをステータに加圧することができる振動アクチュエータを実現することが可能である。

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の圧電素子部３１及び第２の圧電素子部３２を有している。これら第１及び第２の圧電素子部３１及び３２がそれぞれ駆動回路５に電気的に接続されている。

ステータ２には、振動手段３に接する面とは反対側の面に、２対の挟持部６がステータ２の表面に対して垂直な方向すなわちＺ軸方向に突出形成されている。２対の挟持部６はステータ２の表面上で互いに間隔をあけて配置されており、これらの挟持部６により、移動体としてのアーチ状のロータ７が回転自在に支持されている。

ここで、ステータ２のそれぞれの挟持部６の表面は、平板形状を有してＸＺ平面上に位置しており、対になった挟持部６同士が互いに近接して対向するように配置されている。ロータ７は、長板がアーチ状に湾曲されたような形状を有すると共に、ロータ７の長さ方向の両端部７ａはそれぞれ平板形状を有している。このロータ７のそれぞれの端部７ａはこの端部７ａに対応する一対の挟持部６の間に挿入されて挟持されている。
また、ロータ７のそれぞれの端部７ａ及びステータ２のそれぞれの挟持部６には、それらをＹ軸方向に貫通する貫通孔が形成されており、それらの貫通孔に回転軸部材としての支持ボルト８が通されてナット９に締結されている。これにより、ロータ７の両端部７ａが対応する２対の挟持部６にそれぞれ連結されると共に、ロータ７のそれぞれの端部７ａは挟持部６に対して支持ボルト８の回りすなわちＹ軸回りに回転自在に支持されている。

また、これら支持ボルト８及びナット９の締結力により、ロータ７のそれぞれの端部７ａとこの端部７ａに対応するステータ２の挟持部６とが互いにＹ軸方向に、すなわち各圧電素子部３１及び３２の表面に対して平行な方向に加圧されている。また、ロータ７のアーチ形状の部分に出力軸１０が固定されている。
なお、支持ボルト８及びナット９により、この発明の加圧手段が構成されている。

図２に示されるように、振動手段３における第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ている。これら第１の圧電素子部３１及び第２圧電素子部３２が絶縁シート３３〜３５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。

図３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、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、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３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
すなわち、第１の圧電素子部３１及び第２の圧電素子部３２の各圧電素子板３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂにそれらの積層方向に一致するＺ軸方向の膨張・収縮を行わせることにより、積層方向の一端部に配置されているステータ２に振動を与えるように構成されている。なお、各圧電素子板３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは、ステータ２に振動を与えるためにＺ軸方向に膨張・収縮した際に、Ｚ軸方向に対して垂直な方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）にも収縮・膨張することとなるが、これらＸ軸方向及びＹ軸方向にはステータ２が存在せずに開放された空間となっているため、そのＸ軸方向及びＹ軸方向の収縮・膨張はステータ２の振動に影響を与えるものではない。

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とがそれぞれ駆動回路５に電気的に接続されている。

次に、この実施の形態１に係る振動アクチュエータの動作について説明する。
振動手段３に対して、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃに振動アクチュエータ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。また、第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃに振動アクチュエータの固有振動数に近い周波数の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ＸＺ面内でＸ軸方向に振れるたわみ振動を発生する。

そこで、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、Ｚ軸方向の縦振動と、Ｘ軸方向に振れるたわみ振動とが組み合わされて、ロータ７のそれぞれの端部７ａに接触するステータ２の挟持部６にＸＺ面内の楕円振動が発生し、これらロータ７の端部７ａと挟持部６との摩擦力を介して、ロータ７が図４に示されるようにＹ軸回りに回転される。このロータ７の回転に伴って出力軸１０もＹ軸回りに回転される。

支持ボルト８をナット９に締結するだけで、ロータ７のそれぞれの端部７ａとこの端部７ａに対応するステータ２の挟持部６とを互いに、第１及び第２の圧電素子部３１及び３２に膨張・収縮を行わせるＺ軸方向に対し垂直なＹ軸方向に加圧することができる、すなわち、第１及び第２の圧電素子部３１及び３２の表面に対して平行な方向に加圧することができるため、小型で単純な構成を有しながらロータ７をステータ２に対して加圧することができる振動アクチュエータを実現することが可能である。
また、支持ボルト８とナット９の締結力を変更することにより、ロータ７のそれぞれの端部７ａとこれに対応する挟持部６との間に付与される加圧力の大きさを容易に調整することができる。

また、ステータ２の各挟持部６がＸＺ面内に位置する平板形状を有すると共に、ロータ７のそれぞれの端部７ａも平板形状を有し、それらが互いに平面同士で接触されるため、振動手段３の駆動時にロータ７のそれぞれの端部７ａをこの端部７ａに対応するステータの挟持部６に沿ってＸＺ面内で安定して回転させることができる。
さらに、ロータ７のそれぞれの端部７ａ及びこれに対応するステータ２の挟持部６に支持ボルト８が挿通され、ロータ７の両端部７ａはそれぞれ支持ボルト８の回りに回転されるため、これによりロータ７をＹ軸回りに確実に回転させることができる。
このように、ロータ７を固定された１つの回転軸の回りに回転させることができるため、ロータ７の回転を容易に制御することができ、出力軸１０を高精度に動作させることが可能であると共に、位置検出等のセンシングも容易に行うことができる。

実施の形態２．
次に図５及び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、実施の形態１における振動アクチュエータにおいて、Ｙ軸回りに回転自在に配置されるロータ７に加えて、Ｘ軸回りに回転自在に且つロータ７に直交するように配置されるもう１つのロータ１１を備えるものである。このロータ１１は、ロータ７と同一形状を有すると共に、ロータ１１の長さ方向の両端部１１ａは、このロータ１１に対応してステータ２の表面に突出形成された２対の挟持部１２によりそれぞれ挟持されている。

ロータ１１のそれぞれの端部１１ａ及びステータ２のそれぞれの挟持部１２にＸ軸方向に形成された貫通孔に支持ボルト１３が挿通されてナット１４に締結されることにより、ロータ１１の両端部１１ａがそれぞれ対応する挟持部１２に対してＸ軸回りに回転自在に連結されると共に、ロータ１１のそれぞれの端部１１ａと挟持部１２とが互いにＸ軸方向に加圧されている。
また、各ロータ７及び１１のアーチ状に湾曲した部分にはそれぞれ、その長さ方向に沿って延在するようにスライド溝１５及び１６が形成されている。これら２つのロータ７及び１１の交点には、ロータ７のスライド溝１５及びロータ１１のスライド溝１６の双方に対してスライド自在であるように１つの出力軸１７が取り付けられており、この出力軸１７を互いに直交する２軸の回りに回転可能に支持するジンバル機構が構成されている。

また、この実施の形態２における振動手段３は、Ｚ軸方向の縦振動を生じる第１の圧電素子部３１及びＸＺ面内でＸ軸方向に振れるたわみ振動を生じる第２の圧電素子部３２に加えて、ＹＺ面内でＹ軸方向に振れるたわみ振動を生じる第３の圧電素子部４１を有しており、この第３の圧電素子部４１も、第１及び第２の圧電素子部３１及び３２と同様に、駆動回路５に電気的に接続されている。

図７に示されるように、第３の圧電素子部４１は、第１及び第２の圧電素子部３１及び３２と同様に、電極板４１ａ、圧電素子板４１ｂ、電極板４１ｃ、圧電素子板４１ｄ及び電極板４１ｅが順次重ね合わされた構造を有し、絶縁シート３３及び４２を介して第１の圧電素子部３１及びステータ２からそれぞれ絶縁されるように配置されている。
図８に示されるように、第３の圧電素子部４１の一対の圧電素子板４１ｂ及び４１ｄ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４１ｂと圧電素子板４１ｄは互いに裏返しに配置されている。
なお、第３の圧電素子部４１の電極板４１ａ及び電極板４１ｅはそれぞれ電気的に接地され、電極板４１ｃは駆動回路５に電気的に接続されている。

以上のような構成を有する振動アクチュエータの動作について説明する。振動手段３に対して、第３の圧電素子部４１の電極板４１ｃに振動アクチュエータの固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部４１の一対の圧電素子板４１ｂ及び４１ｄ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ＹＺ面内でＹ軸方向に振れるたわみ振動を発生する。

そこで、駆動回路５から第３の圧電素子部４１の電極板４１ｃと第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃ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軸方向に振れるたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて、Ｘ軸回りに回転自在のロータ１１のそれぞれの端部１１ａに接触するステータ２の挟持部１２にＹＺ面内の楕円振動が発生し、これらロータ１１の端部１１ａと挟持部１２との摩擦力を介して、ロータ１１がＸ軸回りに回転される。このとき、Ｙ軸回りに回転自在のロータ７は回転することなく、挟持部６によりステータ２に対する回転位置が保持されたままとなる。したがって、ロータ１１の回転に伴って出力軸１７はもう一方のロータ７のスライド溝１５に沿ってＸ軸回りに回転される。

また、ここで、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、Ｚ軸方向の縦振動と、Ｘ軸方向に振れるたわみ振動とが組み合わされて、Ｙ軸回りに回転自在のロータ７のそれぞれの端部７ａに接触するステータ２の挟持部６にＸＺ面内の楕円振動が発生し、ロータ７がＹ軸回りに回転される。このとき、Ｘ軸回りに回転自在のロータ１１は回転することなく、挟持部１２によりステータ２に対する位置が保持されたままとなる。したがって、ロータ７の回転に伴って出力軸１７はもう一方のロータ１１のスライド溝１６に沿ってＹ軸回りに回転される。
このように、振動手段３を駆動してステータ２に超音波振動を発生させることにより、１つの出力軸１７をＸ軸またはＹ軸回りにそれぞれ回転させることができる。

ロータ１１についても、ロータ７と同様に、支持ボルト１３をナット１４に締結するだけで、ロータ１１のそれぞれの端部１１ａとこの端部１１ａに対応するステータ２の挟持部１２とを互いに、各圧電素子部３１，３２，４１に膨張・収縮を行わせるＺ軸方向に垂直なＸ軸方向に加圧することができる、すなわち、各圧電素子部３１，３２，４１の表面に対して平行な方向に加圧することができる。したがって、小型で単純な構成を有しながらロータ７及び１１をステータ２に対して加圧することができる。
また、ロータ１１も、ロータ７と同様に、固定された１つの回転軸の回りに回転させることができるため、ロータ１１の回転を容易に制御することができる。

また、出力軸１７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、ロータ７のＹ軸回りの所定角度の回転運動と、ロータ１１のＸ軸回りの所定角度の回転運動とをそれぞれ独立して順次行わせ、それらの組み合わせにより出力軸１７の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。
なお、振動手段３の第１の圧電素子部３１、第２の圧電素子部３２、第３の圧電素子部４１のうち２つを選択して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。

実施の形態３．
次に図９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、実施の形態２における振動アクチュエータにおいて、出力軸１７をＺ軸回りにも回転させる機構を有するものである。この実施の形態３では、振動手段３がステータ２と第２のステータ５１との間に挟持されている。第２のステータ５１は、基部ブロック５２に形成された凹部５３内に収容されると共に、この第２のステータ５１の振動手段３に接する面とは反対側の面は、第２のロータ５４及び皿バネ５５を介して、基部ブロック５２の凹部５３の底面に突出形成された突起部５６により支持されている。

また、ステータ２の下部から、振動手段３、第２のステータ５１、第２のロータ５４、皿バネ５５を貫通して基部ブロック５２にまでＺ軸方向に中空シャフト５７が配置され、さらにステータ２とこの中空シャフト５７と基部ブロック５２とを貫通するようにボルト５８が挿入されてナット５９に締結されることにより、これらステータ２、振動手段３、第２のステータ５１、第２のロータ５４、皿バネ５５及び基部ブロック５２が互いに連結されている。皿バネ５５により、第２のロータ５４は第２のステータ５１に対して加圧されている。

なお、中空シャフト５７は基部ブロック５２と第２のロータ５４に固定されており、これら基部ブロック５２、中空シャフト５７及び第２のロータ５４により固定体Ａが構成されている。固定体Ａは、図示しないロボットアーム等に固定されて回転しないように保持されている。

また、第２のステータ５１は、その周縁部に配置されたボールベアリング６０を介して基部ブロック５２の凹部５３の側壁に対して回転自在に連結されている。また、ステータ２と第２のステータ５１はそれぞれボールベアリング６１及び６２を介して中空シャフト５７に対して回転自在に連結されている。さらに、ナット５９と基部ブロック５２との当接面は低摩擦材からなり、大きな摩擦力を生じることなく互いにスライドさせることが可能である。
ここで、ステータ２、振動手段３、第２のステータ５１、ボルト５８及びナット５９により回転体Ｂが構成されており、回転体Ｂは固定体Ａに対して回転自在に設けられている。回転体Ｂは、互いに別体である複数の部材から形成されているが、それらの部材は相互間に生じる摩擦力により一体的に回転されるように構成されている。

このような構成を有する振動アクチュエータにおいて、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４１の電極板４１ｃ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軸方向に振れるたわみ振動とＹ軸方向に振れるたわみ振動とが組み合わされて、第２のロータ５４に接触する第２のステータ５１の表面にＸＹ面内の楕円振動が発生し、第２のステータ５１に対して第２のロータ５４をＺ軸回りに回転させようとする駆動力が発生する。第２のロータ５４は固定体Ａの一部であるため、その駆動力により第２のロータ５４に対して第２のステータ５１がＺ軸回りに回転される、すなわち固定体Ａに対して回転体ＢがＺ軸回りに回転されることとなる。この回転体Ｂの回転に伴って、ステータ２に支持されている２つのロータ７及び１１も回転し、これにより出力軸１７がＺ軸回りに回転される。

なお、この振動アクチュエータにおいても、上述の実施の形態２と同様に、駆動回路５から振動手段３の第１の圧電素子部３１及び第２の圧電素子部３２あるいは第１の圧電素子部３１及び第３の圧電素子部４１に対して駆動電圧を印加してロータ７または１１をステータ２に対しＹ軸またはＸ軸の回りに回転させることにより、出力軸１７をＹ軸またはＸ軸の回りに回転させることができる。

以上のように、振動手段３を駆動することにより、出力軸１７を互いに直交する３つの回転軸の回りにそれぞれ回転させることができる。

実施の形態４．
次に図１０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、実施の形態３における振動アクチュエータにおいて、第２のステータ５１を基部ブロック５２に対して回転自在に配置する代わりに、第２のステータ５１を基部ブロック５２に一体に固定したものである。すなわち、第２のステータ５１はその周縁部で基部ブロック５２の凹部５３の側壁に固定されており、ここでは、これら第２のステータ５１及び基部ブロック５２により固定体Ｃが構成されている。

また、この実施の形態４では、振動手段３がステータ２と円筒形状の支持部材６３との間に挟持されており、支持部材６３の振動手段３に接する面とは反対側の面は、円筒形状のローラベアリング６４を介して第２のステータ５１に対して回転自在に連結されている。また、中空シャフト５７は、ステータ２の下部から、振動手段３、支持部材６３、ローラベアリング６４、第２のステータ５１、第２のロータ５４、皿バネ５５を貫通して基部ブロック５２にまでＺ軸方向に配置されると共に、ステータ２及び第２のロータ５４に対して固定されている。

また、中空シャフト５７は、ボールベアリング６５及び６６を介してそれぞれ第２のステータ５１及び基部ブロック５２に対して回転自在に支持されている。
ここでは、ステータ２、振動手段３、支持部材６３、中空シャフト５７、第２のロータ５４、ボルト５８及びナット５９により回転体Ｄが構成されており、回転体Ｄは固定体Ｃに対して回転自在に設けられている。

このような構成を有する振動アクチュエータにおいて、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４１の電極板４１ｃ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軸方向に振れるたわみ振動とＹ軸方向に振れるたわみ振動とが組み合わされた複合振動が支持部材６３に発生する。この振動が、ローラベアリング６４を介し第２のステータ５１に伝達されて、第２のロータ５４に接触する第２のステータ５１の表面にＸＹ面内の楕円振動が発生し、第２のステータ５１に対して第２のロータ５４がＺ軸回りに回転される。これにより、回転体Ｄが固定体Ｃに対してＺ軸回りに回転され、この回転体Ｄの回転に伴って、ステータ２に支持されている２つのロータ７及び１１も回転し、出力軸１７がＺ軸回りに回転される。

なお、この場合も、駆動回路５から振動手段３の第１の圧電素子部３１及び第２の圧電素子部３２あるいは第１の圧電素子部３１及び第３の圧電素子部４１に対して駆動電圧を印加してロータ７または１１をステータ２に対しＹ軸またはＸ軸の回りに回転させることにより、出力軸１７をＹ軸またはＸ軸の回りに回転させることができる。

以上のように、振動手段３を駆動することにより、出力軸１７を互いに直交する３つの回転軸の回りにそれぞれ回転させることができる。

なお、ローラベアリング６４の代わりに、滑りベアリング等を支持部材６３と第２のステータ５１の間に配置して第２のステータ５１に対して支持部材６３を回転自在に支持することもできる。また、ベアリングを用いずに、支持部材６３と第２のステータ５１とを直接に接触させてもよく、この場合に、支持部材６３と第２のステータ５１の当接面を低摩擦材から形成する、または、それらの当接面の間に潤滑剤を塗布することが好ましい。

実施の形態５．
上述の実施の形態３及び４のように、第２のロータ５４と第２のステータ５１とを互いに面接触させる代わりに、それらを互いに線接触または点接触させるように構成することもできる。例えば、実施の形態４の振動アクチュエータにおいて、図１１に示されるように、第２のステータ５１に凹部６７を形成すると共に、第２のロータ６８の円弧状の断面形状を有する面を第２のステータ５１の凹部６７の開口端周縁部に当接させることにより、これら第２のロータ６８と第２のステータ５１を互いに線接触させてもよい。

実施の形態６．
上述の実施の形態３〜５における回転機構の代わりに、その他各種の回転機構を用いることもできる。例えば、実施の形態４の振動アクチュエータにおいて、図１２に示されるように、可撓性を有するフレキシブルチューブ６９をステータ２、振動手段３及び第２のステータ５１内に通して出力軸１７と第２のロータ５４とを互いに連結することもできる。

すなわち、振動手段３をステータ２と第２のステータ５１との間に挟持すると共に、ステータ２と第２のステータ５１とを振動手段３内に通された中空状の連結ボルト７０を介して連結し、この連結ボルト７０内に挿通されたフレキシブルチューブ６９を介して第２のロータ５４と出力軸１７とを連結する。また、第２のロータ５４に固定されたシャフト部材７１がボールベアリング６６を介して基部ブロック５２の突起部５６に回転自在に支持されており、振動手段３を駆動して第２のロータ５４を第２のステータ５１に対してＺ軸周りに回転させることにより、フレキシブルチューブ６９を介して出力軸１７をそれ自身の軸回りに回転させることができる。

なお、ここで、フレキシブルチューブ６９の代わりに、ユニバーサルジョイント等を用いてもよい。
また、上述の実施の形態３〜６において、皿バネ５５の代わりに、その他各種の弾性体を用いて第２のロータ５４及び６８を第２のステータ５１に対して加圧することができる。

なお、上述の実施の形態１〜６では、ロータ７及び１１のそれぞれの端部７ａ及び１１ａに対応する一対の挟持部６及び１２はそれぞれ平板形状を有していたが、これに限定されるものではなく、ロータ７及び１１の各端部７ａ及び１１ａに接触する一対の挟持部６及び１２の接触面のうち少なくとも一方を平面とし、挟持部６及び１２とロータ７及び１１の端部７ａ及び１１ａとが互いに平面同士で接触するように構成すれば、ロータ７及び１１をそれぞれＸＺ面内及びＹＺ面内で安定して回転させることができる。

また、ロータ７及び１１のそれぞれの端部７ａ及び１１ａはこの端部７ａ及び１１ａに対応する一対の挟持部６及び１２の間に挟持されていたが、その代わりに、ロータ７及び１１の端部７ａ及び１１ａを１つの挟持部６及び１２に対して支持ボルト８及び１３とナット９及び１４により連結して加圧することもできる。
また、ロータ７及び１１の両端部７ａ及び１１ａをそれぞれ挟持部６及び１２で支持する代わりに、ロータ７及び１１の一方の端部７ａ及び１１ａのみを挟持部６及び１２で支持する、すなわち、ロータ７及び１１を片持ち状態で支持するように構成することもできる。

実施の形態７．
上述の実施の形態１〜６において、ロータ７のそれぞれの端部７ａは、この端部７ａに対応してステータ２の表面に突出形成された一対の挟持部６により挟持されていたが、その代わりに、例えば図１３に示されるように、ロータ７のそれぞれの端部７ａをこの端部７ａに対応してステータ２の表面に形成された溝７２に挿入して挟持することもできる。このとき、ステータ２の側部から支持ボルト８を挿入してロータ７の端部７ａの貫通孔に挿通し、ステータ２内に形成されたネジ孔に締結することにより、ロータ７のそれぞれの端部７を溝７２の内壁面に対して各圧電素子部３１，３２の表面に対して平行な方向に加圧することができる。
また、実施の形態２〜６におけるロータ１１についても同様に、ロータ１１のそれぞれの端部１１ａをステータ２の表面に形成された溝に挿入して挟持し、支持ボルト１３をステータ２内のネジ孔に締結して加圧することができる。

なお、上述の各実施の形態１〜７では、支持ボルト８及び１３とナット９及び１４またはネジ孔との締結力により、ロータ７及び１１のそれぞれの端部７ａ及び１１ａがステータ２に対して加圧されていたが、支持ボルト８及び１３をスプリングワッシャ等に通してナット９及び１４またはネジ孔に締結すれば、加圧力の大きさを広い範囲で容易に変更することが可能となる。

また、支持ボルト８及び１３とナット９及び１４またはネジ孔との組み合わせではなく、その他各種の構造によりロータ７及び１１のそれぞれの端部７ａ及び１１ａをステータ２の挟持部６及び１２または溝７２の内壁面に対して連結して加圧することもできる。
この場合も、各圧電素子部３１，３２の表面に対して平行に配置され且つロータ７及び１１のそれぞれの端部７ａ及び１１ａを回転自在にステータ２に支持する回転軸部材を設ければ、ロータ７及び１１を固定された１つの回転軸の回りに回転することができるため好ましい。

また、例えば、ロータ７及び１１の端部７ａ及び１１ａが対応する一対の挟持部６及び１２の間または溝７２に圧入されることによりこの端部７ａ及び１１ａが挟持部６及び１２または溝７２の内壁面に対して加圧されるように構成することもできる。この場合に、支持ボルト８及び１３とナット９及び１４またはネジ孔は、ロータ７及び１１の端部７ａ及び１１ａが対応する一対の挟持部６及び１２の間または溝７２から抜け出すことを防止する手段として用いることができる。

実施の形態８．
上述の実施の形態１〜７では、振動手段３として、平板状の第１の圧電素子部３１と第２の圧電素子部３２との積層体、あるいは、平板状の第１の圧電素子部３１と第２の圧電素子部３２と第３の圧電素子部４１との積層体を用いたが、これに限るものではなく、例えば図１４に示されるように、円筒形状の圧電素子板８１の内周面に円筒状の共通の内側電極８２が貼付されると共に圧電素子板８１の外周面に周方向に４分割された４つの外側電極８３〜８６が貼付された振動体を使用することもできる。

この振動体は、図１５に示されるように、円筒形状の圧電素子板８１の中心軸がＺ軸方向を向くように配置され、圧電素子板８１の上端部にステータ２が連結された状態で使用される。また、外側電極８３及び８５が互いにＸ軸方向に対向し、外側電極８４及び８６が互いにＹ軸方向に対向するものとする。
圧電素子板８１は、内側電極８２と任意の外側電極８３〜８６との間に電圧を印加することによりこれらの電極間に位置する部分が円筒の軸方向、すなわちＺ軸方向に膨張あるいは収縮するように分極されている。

内側電極８２とすべての外側電極８３〜８６との間にそれぞれ振動アクチュエータの固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、円筒形状の圧電素子板８１の全体が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。また、内側電極８２と外側電極８３及び８５との間にそれぞれ振動アクチュエータの固有振動数に近い周波数の交流電圧を互いに位相を反転させて印加すると、互いにＸ軸方向に対向する圧電素子板８１の部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＸＺ面内でＸ軸方向に振れるたわみ振動を発生する。同様に、内側電極８２と外側電極８４及び８６との間にそれぞれ振動アクチュエータの固有振動数に近い周波数の交流電圧を互いに位相を反転させて印加すると、互いにＹ軸方向に対向する圧電素子板８１の部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＹＺ面内でＹ軸方向に振れるたわみ振動を発生する。
このため、上述の実施の形態１〜７と同様に、ロータ７またはロータ７及び１１を回転させることができると共に、第２のステータ５１と第２のロータ５４及び６８とを相対的に回転させることが可能である。

また、図１６及び１７に示されるように、円柱状のステータ２の外周部に周方向に４分割された４つの圧電素子部９１〜９４を配置した振動体を使用することもできる。
各圧電素子部９１〜９４は、ステータ２の外周部に沿って湾曲した圧電素子板の内面と外面にそれぞれ図示しない電極が貼付された構造を有しており、圧電素子板は、これらの電極間に電圧を印加することによりのステータ２の軸方向、すなわちＺ軸方向に膨張あるいは収縮するように分極されている。なお、ステータ２の外周部と各圧電素子部９１〜９４とは、絶縁シート等によって互いに電気的に絶縁されているものとする。
このような振動体を用いても、図１４及び１５に示した振動体と同様に、ロータ７あるいはロータ７及び１１を回転させることが可能であると共に、第２のステータ５１と第２のロータ５４及び６８とを相対的に回転させることができる。

また、上述の各実施の形態において、ロータ７及び１１はステータ２に対して回転自在に支持されていたが、これに限定されるものではなく、その代わりに、ステータ２に対して移動体を直線的に移動自在に支持し、振動手段３を駆動してステータ２に超音波振動を発生させることにより、ステータ２に対して移動体を直進させることもできる。

また、上記実施の形態１〜８では、ステータ２とロータ７及び１１との接触部分、及び第２のステータ５１と第２のロータ５４及び６８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。

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。 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。 実施の形態１で用いられた振動手段の２対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。 Ｙ軸方向から視た、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側面図である。 実施の形態２に係る振動アクチュエータを示す斜視図である。 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。 実施の形態２で用いられた振動手段の構成を示す部分断面図である。 実施の形態２で用いられた振動手段の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。 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。 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。 実施の形態５に係る振動アクチュエータを示す断面図である。 実施の形態６に係る振動アクチュエータを示す断面図である。 実施の形態７におけるロータの端部近傍の構造を示す部分断面図である。 実施の形態８における振動体の構成を示す平面図である。 実施の形態８における振動体の構成を示す斜視図である。 実施の形態８の変形例における振動体を示す分解斜視図である。 実施の形態８の変形例における振動体を示す斜視図である。

符号の説明

１，５２ 基部ブロック、２ ステータ、３ 振動手段、４，７０ 連結ボルト、５ 駆動回路、６，１２ 挟持部、７，１１ ロータ、７ａ，１１ａ 端部、８，１３ 支持ボルト、９，１４，５９ ナット、１０，１７ 出力軸、１５，１６ スライド溝、３１ 第１の圧電素子部、３２ 第２の圧電素子部、４１ 第３の圧電素子部、３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３２ａ，３２ｃ，３２ｅ，４１ａ，４１ｃ，４１ｅ 電極板、３１ｂ，３１ｄ，３２ｂ，３２ｄ，４１ｂ，４１ｄ 圧電素子板、３３〜３５，４２ 絶縁シート、５１ 第２のステータ、５３，６７ 凹部、５４，６８ 第２のロータ、５５ 皿バネ、５６ 突起部、５７ 中空シャフト、５８ ボルト、６０，６１，６２，６５，６６ ボールベアリング、６３ 支持部材、６４ ローラベアリング、６９ フレキシブルチューブ、７１ シャフト部材、７２ 溝、Ａ，Ｃ 固定体、Ｂ，Ｄ 回転体。

Claims (11)

1. 圧電素子に所定の方向の膨張・収縮を行わせることによりステータに振動を与える振動アクチュエータにおいて、
   前記圧電素子に膨張・収縮を行わせる前記所定の方向に対して平行な面内で移動自在に前記ステータに支持される少なくとも１つの移動体と、
   前記ステータに対して前記移動体を前記移動体が移動自在な面に垂直な方向に加圧する加圧手段と
   を備え、前記圧電素子で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ステータに対して前記移動体を移動させることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 前記ステータと前記移動体とは互いに平面同士で接触されている請求項１に記載の振動アクチュエータ。
3. 前記移動体は、前記ステータに回転自在に支持され、前記圧電素子で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ステータに対して前記移動体が回転される請求項１または２に記載の振動アクチュエータ。
4. 前記移動体に対応して設けられると共に前記圧電素子に膨張・収縮を行わせる前記所定の方向に対して垂直な方向に延在する前記回転軸部材をさらに備え、前記移動体は前記回転軸部材の回りに回転自在に前記ステータに支持される請求項３に記載の振動アクチュエータ。
5. 前記加圧手段は、前記ステータに対して前記移動体を回転自在に支持すると共に前記回転軸部材として兼用される支持ボルトを有し、前記支持ボルトの締結力を変更することで前記移動体に対する加圧力が変更される請求項４に記載の振動アクチュエータ。
6. 前記圧電素子は、それぞれ前記所定の方向を含み且つ互いに直交される２つの平面内に楕円振若しくは円振動を発生させるものであり、
   アーチ形状を有すると共に、少なくとも一端部が前記加圧手段により加圧された状態で前記ステータに支持され、前記２つの平面のうち一方に直交する第１の回転軸の回りに回転可能な第１の移動体と、
   アーチ形状を有すると共に、少なくとも一端部が前記加圧手段により加圧された状態で前記ステータに支持され、前記２つの平面のうち他方に直交する第２の回転軸の回りに回転可能な第２の移動体と、
   前記第１の移動体及び前記第２の移動体のそれぞれに沿って移動可能であるように、前記第１の移動体及び前記第２の移動体の双方に遊嵌される出力軸と
   を備え、前記圧電素子で前記ステータに超音波振動を発生させて前記ステータに対して前記第１の移動体及び前記第２の移動体を回転させることにより前記出力軸が互いに直交する前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸の回りに回転される請求項３〜５のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
7. 前記ステータは、その表面に突出形成される少なくとも一対の挟持部を有し、前記移動体の端部が前記一対の挟持部により挟持されることで前記移動体が前記ステータに移動自在に支持される請求項１〜６のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
8. 前記ステータは、その表面に形成される少なくとも１つの溝を有し、前記移動体の端部が前記溝内に挿入されることで前記移動体が前記ステータに移動自在に支持される請求項１〜６のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
9. 前記圧電素子により発生される超音波振動に基づいて前記出力軸を前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸の双方に直交する第３の回転軸の回りに回転させる回転機構を有する請求項６に記載の振動アクチュエータ。
10. 前記回転機構は、前記圧電素子の前記ステータとは反対側に配置される第２のステータと、この第２のステータに対して移動自在に加圧接触される第２のロータとを有し、前記第２のステータ及び前記第２のロータの一方が前記ステータに一体に形成され、前記圧電素子により前記第２のステータに超音波振動を発生させて前記第２のステータと前記第２のロータとを相対的に回転させることにより、前記出力軸を前記第３の回転軸の回りに回転させる請求項９に記載の振動アクチュエータ。
11. 前記圧電素子は、互いに前記所定の方向に積層された複数の圧電素子板を有する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。

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