JP2009044815A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】出力軸を機械的に設定された複数の回転軸の回りに回転させることができる小型で且つ軽量の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、第１挟持部４及び第２挟持部５によりそれぞれ第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７が回転自在に支持され、第１及び第２のアーチ状部材７のスライド溝８及び９のそれぞれに沿ってスライド自在であるように出力軸１０が取り付けられている。振動子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、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７がそれぞれの端部を貫通する支持ボルトを回転軸としてＹ軸及びＸ軸回りに回転され、これにより出力軸１０をＹ軸及びＸ軸の２つの回転軸の回りにそれぞれ回転させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、振動アクチュエータに係り、特に超音波振動を利用して回転体を回転させる振動アクチュエータに関する。

近年、圧電素子を有する振動子によりステータに超音波振動を発生させて回転体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。
例えば、特許文献１に開示された振動アクチュエータでは、振動子に駆動電圧を印加してその両端部に配置されたステータに超音波振動を発生させることにより、各ステータに接触支持された円筒状のロータがその中心軸の回りに回転される。
また、例えば特許文献２に開示された振動アクチュエータでは、振動子によりステータに超音波振動を発生させることで、ステータに接触支持された球体状のロータが３つの回転軸の回りに回転される。
さらに、例えば特許文献３に開示された振動アクチュエータでは、球体状のロータが機械的に設定された２つの回転軸の回りに回転自在に支持されており、このロータには２つのステータがそれぞれ接触配置されると共に、これら２つのステータをそれぞれ振動させるための２つの振動子が設けられている。各振動子により対応する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２つの回転軸の回りに回転される。

特開２０００−３２４８６２号公報 特開２００３−５２１８４号公報 特開２００３−３２４９８０号公報

しかしながら、特許文献１の振動アクチュエータでは、ロータはその中心軸の回りにしか回転されないため１つの自由度に限定されてしまう。
また、特許文献２の振動アクチュエータでは、ロータを３つの回転軸の回りに回転することができるが機械的な回転軸を設定することはできないため、ロータを所定の回転軸の回りに回転させるために複雑な制御が必要となる。
さらに、特許文献３の振動アクチュエータでは、機械的に設定された２つの回転軸を有するが、ロータを２つの回転軸の回りにそれぞれ回転させるための２つのステータと２つの振動子が設けられているため、振動アクチュエータが大型化すると共に重量が増大するという問題がある。

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、出力軸を機械的に設定された複数の回転軸の回りに回転させることができる小型で且つ軽量の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、振動子と、振動子に連結されて振動子により振動されるステータと、第１の回転軸の回りに回転自在にステータに支持され、少なくとも一端部がステータに対して加圧された第１のアーチ状部材と、第１のアーチ状部材の第１の回転軸に対してねじれの関係にある又は交差している第２の回転軸の回りに回転自在にステータに支持され、少なくとも一端部がステータに対して加圧された第２のアーチ状部材と、第１のアーチ状部材及び第２のアーチ状部材のそれぞれに沿って移動可能であるように第１のアーチ状部材及び第２のアーチ状部材の双方に支持される出力軸とを備え、振動子により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のアーチ状部材及び第２のアーチ状部材を回転させることにより、出力軸が第１の回転軸及び第２の回転軸の双方の回りに回転されるものである。

第１の回転軸及び第２の回転軸は、互いに直交するように配置されることが好ましい。
また、振動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さらに有することもできる。例えば、回転機構は、振動子の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回転自在に加圧接触されるロータとを有し、第２のステータ及びロータの一方がステータに一体に形成され、振動子により第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。

この発明によれば、出力軸を機械的に設定された複数の回転軸の回りに回転させることができる小型で且つ軽量の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。基部ブロック１とステータ２との間に振動子３が配置されており、振動子３は、互いに重ね合わされた第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有する。ここで、説明の便宜上、基部ブロック１からステータ２へと向かうほぼ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。

ステータ２の表面に、２対の第１挟持部４がＹ軸方向に互いに間隔をあけて配設されると共に、２対の第２挟持部５がＸ軸方向に互いに間隔をあけて配設されている。第１のアーチ状部材６が２対の第１挟持部４により、一点鎖線で示す第１の回転軸Ｃ１として用いられるＹ軸の回りに回転自在に支持されている。また、第２のアーチ状部材７が２対の第２挟持部５により、一点鎖線で示す第２の回転軸Ｃ２として用いられるＸ軸の回りに回転自在に支持されている。これら第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７は、それぞれ長板をほぼ円弧状に湾曲させた形状を有すると共に、互いに直交するように配置されている。また、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７にはそれぞれの長さ方向に沿ってスライド溝８及び９が形成されおり、これら第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７の交点には、第１のアーチ状部材６のスライド溝８及び第２のアーチ状部材７のスライド溝９のそれぞれに沿ってスライド自在であるように１つの出力軸１０がスライド溝８及び９の双方に遊嵌されて支持されている。これにより、出力軸１０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。

図２に示されるように、基部ブロック１とステータ２との間に円筒状の振動子３が挟持されると共に、基部ブロック１とステータ２とが振動子３内に通された連結ボルト１１を介して互いに連結されている。振動子３の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３は、それぞれ平板形状を有し且つＸＹ平面上に位置するように互いに重ね合わされている。これら第１〜第３の圧電素子部３１〜３３がそれぞれ駆動回路１２に電気的に接続されている。

また、ステータ２の振動子３に接する面とは反対側の面に、第１挟持部４及び第２挟持部５がそれぞれステータ２の表面に対して垂直な方向すなわちＺ軸方向に突出するように形成されている。
Ｙ軸方向に互いに間隔をあけて配置された２対の第１挟持部４により、第１のアーチ状部材６の長さ方向の両端部６ａがそれぞれ支持されている。それぞれの第１挟持部４の表面は、平坦であり且つＸＺ平面上に位置しており、対になった第１挟持部４同士が互いに近接して対向している。また、第１のアーチ状部材６の両端部６ａはそれぞれ平板形状に形成されており、それぞれの端部６ａがこれに対応する一対の第１挟持部４の間に挿入されて挟持されている。

それぞれの第１挟持部４及び第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａ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としての支持ボルト１３が通されてナット１４に締結されている。これにより、第１のアーチ状部材６の両端部６ａが対応する２対の第１挟持部４にそれぞれ連結されると共に、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａは第１挟持部４に対して支持ボルト１３の回りすなわちＹ軸回りに回転自在に支持されている。支持ボルト１３及びナット１４の締結力により、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａとこれに対応するステータ２の第１挟持部４とが互いにＹ軸方向に加圧されている。

２対の第１挟持部４による第１のアーチ状部材６の支持構造と同様に、Ｘ軸方向に間隔をあけて配置された２対の第２挟持部５により、第２のアーチ状部材７の長さ方向の両端部７ａがそれぞれ支持されている。各第２挟持部５の表面は、平坦であり且つＹＺ平面上に位置し、対になった第２挟持部５同士が互いに近接して対向している。第２のアーチ状部材７のそれぞれ平板状の端部７ａがこれに対応する一対の第２挟持部５の間に挿入されて挟持されている。

また、第２挟持部５及び第２のアーチ状部材７の端部７ａにそれぞれ形成された貫通孔に、回転軸としての支持ボルト１５が通されてナット１６に締結されている。これにより、第２のアーチ状部材７の両端部７ａが対応する２対の第２挟持部５にそれぞれ連結されると共に、第２のアーチ状部材７のそれぞれの端部７ａは第２挟持部５に対して支持ボルト１５の回りすなわちＸ軸回りに回転自在に支持されている。支持ボルト１５及びナット１６の締結力により、第２のアーチ状部材７のそれぞれの端部７ａとこれに対応するステータ２の第２挟持部５とが互いにＸ軸方向に加圧されている。

次に図３に示されるように、振動子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、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。
これら第１〜第３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。

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。

すなわち、第１〜３の圧電素子部３１〜３３の各圧電素子板３１ｂ，３１ｄ，３２ｂ，３２ｄ，３３ｂ，３３ｄ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３１ｂ，３１ｄ，３２ｂ，３２ｄ，３３ｂ，３３ｄ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、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１２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。
振動子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。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１２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、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、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａに接触するステータ２の第１挟持部４にＸＺ面内の楕円振動が発生し、これら第１のアーチ状部材６の端部６ａと第１挟持部４との摩擦力を介して、第１のアーチ状部材６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第２のアーチ状部材７は回転することなく、第２挟持部５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、第１のアーチ状部材６の回転に伴って出力軸１０は第２のアーチ状部材７のスライド溝９に沿ってＹ軸回りに回転される。

一方、駆動回路１２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、第２のアーチ状部材７のそれぞれの端部７ａに接触するステータ２の第２挟持部５にＹＺ面内の楕円振動が発生し、これら第２のアーチ状部材７の端部７ａと第２挟持部５との摩擦力を介して、第２のアーチ状部材７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第１のアーチ状部材６は回転することなく、第１挟持部４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、第２のアーチ状部材７の回転に伴って出力軸１０は第１のアーチ状部材６のスライド溝８に沿ってＸ軸回りに回転される。
このように、振動子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、出力軸１０をＸ軸及びＹ軸の２つの回転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、１つの振動子３と１つのステータ２を用いて出力軸１０を２つの回転軸の回りに回転することができるため、２つの振動子と２つのステータを有する従来の振動アクチュエータに比べて、小型化及び軽量化を達成することができる。
また、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７は、それぞれを貫通する支持ボルト１３及び１５の回りに回転自在に配置されているため、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７をそれぞれ機械的に設定された回転軸の回りに回転することができ、これにより、第１及び第２のアーチ状部材６及び７のスライド溝８及び９に沿ってスライド自在に支持された出力軸１０も、機械的に設定された２つの回転軸の回りにそれぞれ回転することとなる。したがって、出力軸１０の回転を容易に制御することができると共に出力軸１０を２つの回転軸の回りに高精度に回転させることができ、位置検出等のセンシングも容易に且つ精度良く行うことが可能である。

また、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７がそれぞれステータ２上面の第１挟持部４及び第２挟持部５に支持され、互いに独立して駆動制御されるため、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７の位置制御の精度を向上させることができる。

また、支持ボルト１３及び１５をそれぞれ対応するナット１４及び１６に締結することで、第１のアーチ状部材６の端部６ａと第１挟持部４とを互いにＹ軸方向に加圧することができると共に、第２のアーチ状部材７の端部７ａと第２挟持部５とを互いにＸ軸方向に加圧することができるため、単純な加圧機構が実現される。
また、支持ボルト１３及び１５とナット１４及び１６の締結力を変更することで、第１のアーチ状部材６の端部６ａと第１挟持部４、及び第２のアーチ状部材７の端部７ａと第２挟持部５との間にそれぞれ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、第１のアーチ状部材６の端部６ａと第１挟持部４、及び第２のアーチ状部材７の端部７ａと第２挟持部５とは平面同士で接触されるため、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７をそれぞれ対応する第１挟持部４及び第２挟持部５に沿って安定して回転させることができる。

なお、出力軸１０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、第１のアーチ状部材６のＹ軸回りの所定角度の回転運動と、第２のアーチ状部材７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１０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。

実施の形態２．
次に図５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、出力軸１０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２では、振動子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の振動子３に接する面とは反対側の面は、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、振動子３、第２のステータ５１、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、振動子３、第２のステータ５１、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、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、振動子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１２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、Ｙ軸方向に振れるたわみ振動と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。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の第１挟持部４及び第２挟持部５に支持されている第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７も回転し、これにより出力軸１０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、実施の形態１と同様に、駆動回路１２から振動子３の第２の圧電素子部３２及び第３の圧電素子部３３または第１の圧電素子部３１及び第２の圧電素子部３２に対して駆動電圧を印加して、ステータ２に対し第１のアーチ状部材６または第２のアーチ状部材７をＹ軸またはＸ軸の回りに回転させることにより、出力軸１０をＹ軸またはＸ軸の回りにそれぞれ回転させることができる。

以上のように、振動子３を駆動してステータ２及び第２のステータ５１に超音波振動を発生させることにより、出力軸１０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。
また、回転体Ｂは回転時に、中空シャフト５７及びボルト５８を中心軸としてＺ軸回りに回転されることにより、機械的に設定された回転軸の回りに回転されることとなる。したがって、出力軸１０の回転を容易に制御することができると共に、出力軸１０をＸ軸回り及びＹ軸回りだけでなくＺ軸回りにも高精度に回転させることができる。

実施の形態３．
次に図６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、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３では、振動子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の振動子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、振動子３、支持部材６３、ローラベアリング６４、第２のステータ５１、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、振動子３、支持部材６３、中空シャフト５７、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１２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、Ｙ軸方向に振れるたわみ振動とＸ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、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の第１挟持部４及び第２挟持部５に支持されている第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７も回転し、これにより出力軸１０がＺ軸回りに回転される。

なお、この場合も、駆動回路１２から振動子３の第２の圧電素子部３２及び第３の圧電素子部３３または第１の圧電素子部３１及び第２の圧電素子部３２に対して駆動電圧を印加して、ステータ２に対し第１のアーチ状部材６または第２のアーチ状部材７をＹ軸またはＸ軸の回りに回転させることにより、出力軸１０をＹ軸またはＸ軸の回りにそれぞれ回転させることができる。

以上のように、振動子３を駆動することにより、出力軸１０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。
また、回転体Ｄは回転時に、中空シャフト５７及びボルト５８を回転軸としてＺ軸回りに回転されることにより、機械的に設定された回転軸の回りに回転されることとなる。したがって、出力軸１０の回転を容易に制御することができると共に、出力軸１０をＸ軸回り及びＹ軸回りだけでなくＺ軸回りにも高精度に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。

なお、上述の実施の形態１〜３において、振動子３の第１の圧電素子部３１、第２の圧電素子部３２及び第３の圧電素子部３３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ータ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４．
上述の実施の形態２及び３のように、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３の振動アクチュエータにおいて、図７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、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５．
上述の実施の形態２〜４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３の振動アクチュエータにおいて、図８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、振動子３及び第２のステータ５１内に通して出力軸１０とロータ５４とを互いに連結することもできる。

すなわち、振動子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とを振動子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を介してロータ５４と出力軸１０とを連結する。また、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、振動子３を駆動してロータ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１０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２〜５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１〜５では、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａに対応する一対の第１挟持部４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、第１のアーチ状部材６の各端部６ａに対応して接触する一対の第１挟持部４の接触面のうち少なくとも一方を平面とし、第１挟持部４と第１のアーチ状部材６の端部６ａとが平面同士で接触するように構成すれば、第１のアーチ状部材６をＸＺ面内で安定して回転させることができる。
同様に、第２のアーチ状部材７の各端部７ａに対応して接触する一対の第２挟持部５の接触面のうち少なくとも一方を平面とし、第２挟持部５と第２のアーチ状部材７の端部７ａとが平面同士で接触するように構成すれば、第２のアーチ状部材７をＹＺ面内で安定して回転させることができる。

また、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａをこれに対応する一対の第１挟持部４の間に挟持する代わりに、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａを１つの第１挟持部４に対して支持ボルト１３及びナット１４により連結して加圧することもできる。
同様に、第２のアーチ状部材７のそれぞれの端部７ａも、一対の第２挟持部５の間に挟持する代わりに、１つの第２挟持部５に対して支持ボルト１５及びナット１６により連結して加圧することもできる。

実施の形態６．
上述の実施の形態１〜５において、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａは、この端部６ａに対応してステータ２の表面に突出形成された一対の第１挟持部４により挟持されていたが、その代わりに、例えば図９に示されるように、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａをこの端部６ａ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１３を挿入して第１のアーチ状部材６の端部６ａ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、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａを溝７２の内壁面に対して加圧することができる。
また、このとき、実施の形態１〜５における第２のアーチ状部材７についても同様に、第２のアーチ状部材７のそれぞれの端部７ａ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１５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、上述の実施の形態１〜６では、支持ボルト１３及び１５とナット１４及び１６またはネジ孔との締結力により、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７のそれぞれの端部６ａ及び７ａがステータ２に対して加圧されていたが、支持ボルト１３及び１５をスプリングワッシャ等に通してナット１４及び１６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。

実施の形態７．
上述の実施の形態１〜５において、支持ボルト１３及び１５とナット１４及び１６を用いずに、例えば図１０に示されるように、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａをこの端部６ａに対応する一対の第１挟持部４の間に圧入してこれら一対の第１挟持部４により強固に挟持することで、第１のアーチ状部材６の端部６ａを第１挟持部４に対し加圧することもできる。

このとき、第１のアーチ状部材６の端部６ａに固定されたピン７３を、この端部６ａに対応する一対の第１挟持部４の貫通孔に遊嵌することで、第１のアーチ状部材６の端部６ａが対応する一対の第１挟持部４の間から抜け出ることを防止することができる。
また、ピン７３は第１のアーチ状部材６の端部６ａと共に第１挟持部４に対して回転するため、第１挟持部４あるいはステータ２にロータリーエンコーダ等の回転検出器７４を固定し、この回転検出器７４によりピン７３の回転を検出することで、第１のアーチ状部材６の回転位置、すなわち出力軸１０のＹ軸回りの回転位置を検出することができる。

同様に、第２のアーチ状部材７の端部７ａを対応する一対の第２挟持部５の間に圧入してこれら一対の第２挟持部５により強固に挟持することで、第２のアーチ状部材７の端部７ａを第２挟持部５に対し加圧することもできる。この場合も、第２のアーチ状部材７の端部７ａに固定されたピンを対応する一対の第２挟持部５の貫通孔に遊嵌することで、第２のアーチ状部材７の端部７ａが抜け出ることを防止できると共に、ピンの回転を回転検出器７５により検出することで、第２のアーチ状部材７の回転位置、すなわち出力軸１０のＸ軸回りの回転位置を検出することができる。

また、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７は、それぞれに固定されているピンを回転軸として回転される、すなわち、機械的に設定された回転軸の回りに回転されるため、回転検出器７４及び７５を用いて出力軸１０のＸ軸回り及びＹ軸回りの回転位置をそれぞれ高精度に検出することが可能である。

なお、実施の形態６のように、第１のアーチ状部材６の端部６ａ及び第２のアーチ状部材７の端部７ａをステータ２の表面に形成された溝に挿入して支持する場合においても、溝に圧入させて強固に挟持することで加圧することもできる。この場合も、第１のアーチ状部材６の端部６ａ及び第２のアーチ状部材７の端部７ａに固定されたピンを対応する第１挟持部４及び第２の挟持部５の貫通孔に遊嵌し、ピンの回転を回転検出器により検出することで、出力軸１０のＸ軸回り及びＹ軸回りの回転位置を精度よく検出することができる。

実施の形態８．
上述の実施の形態１〜７において、第１のアーチ状部材６の端部６ａ及び第２のアーチ状部材７の端部７ａは対応する第１挟持部４及び第２挟持部５に対してそれぞれＹ軸方向及びＸ軸方向に加圧接触されていたが、その代わりに、例えば図１１及び図１２に示されるように、第１のアーチ状部材６のそれぞれの端部６ａの最下端に形成された円弧状の縁部Ｍをステータ２の表面に対してＺ軸方向に加圧接触させてもよい。

ここで、互いに対になった第１挟持部４同士は第１のアーチ状部材６の端部６ａの厚さよりも大きい距離だけ離間して対向するように配置されており、これらの第１挟持部４の間に第１のアーチ状部材６の端部６ａが配置されている。また、第１のアーチ状部材６の端部６ａの貫通孔に通されたピン７６が、第１のアーチ状部材６の端部６ａの両側に位置する第１挟持部４の貫通孔に挿通されることにより、第１のアーチ状部材６が第１挟持部４により回転自在に支持されると共に、第１のアーチ状部材６の端部６ａの最下端に形成された縁部Ｍがステータ２の表面に加圧接触されている。ここで、第１のアーチ状部材６の縁部Ｍは、ピン７６を中心に円弧状に形成されている。
なお、図示しないが、第２のアーチ状部材７の端部７ａも、第１のアーチ状部材６の端部６ａと同様に、第２挟持部５により回転自在に支持されると共に、第２のアーチ状部材７の端部７ａの最下端に形成された円弧状の縁部がステータ２の表面に加圧接触されている。

この場合も、振動子３の第２の圧電素子部３２及び第３の圧電素子部３３に対して駆動電圧を印加してステータ２に超音波振動を発生させることにより、第１のアーチ状部材６の端部６ａの縁部Ｍに接触するステータ２の表面に楕円振動が発生し、これら第１のアーチ状部材６の端部６ａとステータ２の表面との摩擦力を介して、図１２に示されるように、第１のアーチ状部材６がＹ軸回りに回転される。
また、振動子３の第１の圧電素子部３１と第２の圧電素子部３２に対して駆動電圧を印加してステータ２に超音波振動を発生させることにより、第２のアーチ状部材７の端部７ａの縁部に接触するステータ２の表面に楕円振動が発生し、これら第２のアーチ状部材７の端部７ａとステータ２の表面との摩擦力を介して、第２のアーチ状部材７がＸ軸回りに回転される。

このような第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７のＹ軸回り及びＸ軸回りの回転に伴って、出力軸１０をＹ軸回り及びＸ軸回りに回転させることができる。
また、この場合も、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７はそれぞれ対応するピンを回転軸として回転される、すなわち、機械的に設定された回転軸の回りに回転されるため、出力軸１０の回転を容易に且つ高精度に制御することができる。

なお、上述の実施の形態１〜８では、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７の両端部６ａ及び７ａがステータ２に支持されていたが、その代わりに、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７の一方の端部６ａ及び７ａのみがステータ２に支持される、すなわち、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７がステータ２に片持ち状態で支持されるように構成することもできる。

また、実施の形態１〜８のように、第１のアーチ状部材６の回転軸（Ｙ軸）と第２のアーチ状部材７の回転軸（Ｘ軸）は、互いに直交するように配置されることが好ましいが、必ずしもその必要はなく、第１のアーチ状部材６の回転軸と第２のアーチ状部材７の回転軸が互いに交差するように配置されてもよい。あるいは、第１のアーチ状部材６の回転軸と第２のアーチ状部材７の回転軸とがねじれの関係にあるように配置することもできる。
いずれの場合も、出力軸１０は、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７のそれぞれに沿って移動可能であるように第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７の双方に支持されることが好ましい。

また、実施の形態１〜８における第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７は、円弧状のものに限定されるものではなく、互いに衝突しない形状であればよい。例えば、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材として、楕円等の曲線状に湾曲されたもの、または直線を組み合わせた形状のもの、または、直線及び曲線を組み合わせた形状のものを用いることができる。

実施の形態９．
上述の実施の形態１〜８では、振動子３として、平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３の積層体を用いたが、これに限るものではなく、例えば図１３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１４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１〜８と同様に、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７をそれぞれ回転させることができ、また、第２のステータ５１とロータ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１５及び１６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１３及び１４に示した振動体と同様に、第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７をそれぞれ回転させることができ、また、第２のステータ５１とロータ５４及び６８とを相対的に回転させることが可能である。

なお、上記実施の形態１〜９では、ステータ２と第１のアーチ状部材６及び第２のアーチ状部材７との接触部分、及び第２のステータ５１とロータ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斜視図である。 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における第１のアーチ状部材の端部近傍の構造を示す部分断面図である。 実施の形態７における第１のアーチ状部材及び第２のアーチ状部材近傍の構造を示す部分断面図である。 実施の形態８における第１のアーチ状部材の端部近傍の構造を示す部分断面図である。 Ｙ軸方向から視た、実施の形態８における第１のアーチ状部材の端部近傍の構造を示す部分断面図である。 実施の形態９における振動体の構成を示す平面図である。 実施の形態９における振動体の構成を示す斜視図である。 実施の形態９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９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 振動子、４ 第１挟持部、５ 第２挟持部、６ 第１のアーチ状部材、６ａ，７ａ 端部、７ 第２のアーチ状部材、８，９ スライド溝、１０ 出力軸、１１，７０ 連結ボルト、１２ 駆動回路、１３，１５ ボルト、１４，１６ ナット、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，８１ 圧電素子板、３４〜３７ 絶縁シート、５１ 第２のステータ、５３，６７ 凹部、５４，６８ 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、７３，７６ ピン、７４，７５ 回転検出器、８２ 内側電極、８３〜８６ 外側電極、９１〜９４ 圧電素子部、Ａ，Ｃ 固定体、Ｂ，Ｄ 回転体、Ｍ 縁部、Ｃ１ 第１の回転軸、Ｃ２ 第２の回転軸。

Claims (4)

1. 振動子と、
   前記振動子に連結されて前記振動子により振動されるステータと、
   第１の回転軸の回りに回転自在に前記ステータに支持され、少なくとも一端部が前記ステータに対して加圧された第１のアーチ状部材と、
   前記第１のアーチ状部材の前記第１の回転軸に対してねじれの関係にある又は交差している第２の回転軸の回りに回転自在に前記ステータに支持され、少なくとも一端部が前記ステータに対して加圧された第２のアーチ状部材と、
   前記第１のアーチ状部材及び前記第２のアーチ状部材のそれぞれに沿って移動可能であるように前記第１のアーチ状部材及び前記第２のアーチ状部材の双方に支持される出力軸と
   を備え、前記振動子により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のアーチ状部材及び前記第２のアーチ状部材を回転させることにより、前記出力軸が前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸の双方の回りに回転されることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸は互いに直交している請求項１に記載の振動アクチュエータ。
3. 前記振動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１または２に記載の振動アクチュエータ。
4. 前記回転機構は、前記振動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回転自在に加圧接触されるロータとを有し、前記第２のステータ及び前記ロータの一方が前記ステータに一体に形成され、前記振動子により前記第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３に記載の振動アクチュエータ。

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