JP2013153629A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転子と振動子との接触部を潤滑するための潤滑油を回転子の内部に保持する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１０１は、ローラ１と、ローラ１と接触する振動子２と、振動子２を振動させる圧電素子３と、ローラ１と振動子２とを加圧接触させる予圧部材８とを備え、ローラ１は多数の空孔を有する多孔質部材により成形されると共に空孔に潤滑剤を保持し、ローラ１の側面１ａｂ及び１ｂｂ並びに内周面１ａｄ及び１ｂｄにはコーティングが施される。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動アクチュエータに係り、特に、振動アクチュエータの回転子と振動子との接触部を潤滑可能な振動アクチュエータに関する。

多自由度であり、且つ高トルクな駆動を要求される部位に使用されるアクチュエータとして、超音波振動を発生して駆動する振動アクチュエータが使用されている。
振動アクチュエータには、超音波振動を発生する圧電素子等の振動手段と、振動手段に接触させて固定された振動子と、振動子に接触させて配置された回転子とが設けられている。振動子は、振動手段が発生する超音波振動からなる複合振動によって回転子との接触部に振動を発生させ、回転子は、この振動する接触部との間に発生する摩擦力によって、回転移動される。このような振動アクチュエータでは、回転子が振動子と接触した状態で回転されるため、これらの接触部分に摩耗が発生する。そこで、回転子と振動子との間の接触部分の摩耗を低減する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、球体の回転子（ロータ）を回転移動させる振動アクチュエータが記載されている。この振動アクチュエータでは、振動手段及び振動子（ステータ）が互いに連結されて円柱状の外形を形成し、振動子における振動手段との接触面と反対側の面に円筒状の凹部が形成され、この凹部の環状をした角部に回転子が接触配置されている。また、回転子には、凹部と反対側から、予圧部によって振動子に押し付けられる方向に予圧がかけられている。さらに、予圧部には、回転子に向かって開いた凹部が形成されており、この凹部の中には、グリス等の潤滑剤が収容されている。また、振動子の凹部にも、グリス等の潤滑剤が収容されている。そして、予圧部及び振動子のそれぞれには、予圧部の凹部及び振動子の凹部に連通する潤滑剤供給経路が形成されており、各凹部には、予圧部及び振動子の外部から潤滑剤を補給することができる。よって、特許文献１の振動アクチュエータでは、予圧部の凹部から予圧部と回転子との間に潤滑剤が供給されて潤滑され、振動子の凹部から回転子と振動子との間に潤滑剤が供給されて潤滑される。

特開２００８−２０６２５１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、予圧部及び振動子に潤滑剤を収容する凹部及び各凹部へ潤滑剤を供給する経路を形成しているため、その構造が複雑になり、製作工数も増大するため、コストが増大するという問題がある。さらに、回転子が球体でなくローラ等であり、予圧を回転子の外部からではなく内部からかける場合には、潤滑剤を収容する凹部の構造がさらに複雑になり、コストが増大するという問題がある。

また、振動アクチュエータ自体に潤滑剤を含浸させた潤滑部材を設け、回転子又は振動子に潤滑部材から潤滑油を供給することもできる。しかし、回転子と潤滑部材とが接触することで、不要な摩擦力が発生し、振動アクチュエータのトルクが減少したり、回転子の回転速度が減少したりする可能性があった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、不要な摩擦力を発生させずに、回転子と振動子との接触部に潤滑剤を供給する構造の簡易化を図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、回転子と、回転子と接触する振動子と、振動子を振動させる振動手段と、回転子と振動子とを加圧接触させる予圧手段とを備える振動アクチュエータであって、回転子は多数の空孔を有する多孔質部材により成形されると共に空孔に潤滑剤を保持し、回転子は振動子と接触する接触面と、振動子と接触しない非接触面とを有し、非接触面の少なくとも一部には潤滑油漏出防止処理が施される。
多孔質の回転子が内部に潤滑油を保持することにより、摩耗の発生をより簡易な構造によって効率よく防止することができる。また、潤滑部材の存在が不要であるため、不要な摩擦力が発生するおそれもない。
また、回転子の非接触面に潤滑油漏出防止処理が施されることにより、潤滑が不要な箇所における潤滑油の漏出を防ぐことができる。

また、この発明に係る振動アクチュエータにおいて、潤滑油漏出防止処理は樹脂コーティングとすることができる。
さらに、振動子は多孔質部材により成形されると共に内部の空孔に潤滑油を保持してもよい。

この発明によれば、不要な摩擦力を発生させずに、振動アクチュエータの回転子と振動子との接触部に潤滑剤を供給する構造の簡易化を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータの構成を示す斜視図である。 図１に示した振動アクチュエータにおける回転子の形状を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る振動アクチュエータの構成を示す斜視図である。 図３に示した振動アクチュエータにおける回転子の、振動子との接触面の形状を示す斜視図である。

以下に、この発明の実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
まず、図１及び２を用いて、この発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータ１０１の構成を示す。

図１を参照すると、振動アクチュエータ１０１は、一対の同形状の第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂを備えている。
ここで、図２を参照して、第一ローラ部１ａについて説明する。第一ローラ部１ａは中心が同心円状に刳り貫かれた円筒形状をしている。第一ローラ部１ａの中心の刳り貫き部分は軸嵌め部１ａＳである。第一ローラ部１ａは、円筒の外周面である円筒面１ａａと、円筒面１ａａに隣接しリング形状の平面である左右一対の側面１ａｂと、軸嵌め部１ａＳにおける内周面１ａｄとを有する。第二ローラ部１ｂにおける軸嵌め部１ｂＳ、円筒面１ｂａ、側面１ｂｂ及び内周面１ｂｄについても同様の構成とする。

第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂは、対向して設けられている。また、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂは、軸嵌め部１ａＳ及び１ｂＳに貫通して固定されるローラ軸１ｃによって連結されて、ローラ軸１ｃを中心に一体に回転動作することができる。従って、第一ローラ部１ａ、第二ローラ部１ｂ及びローラ軸１ｃは、１つのローラ１を形成している。ここで、ローラ１は回転子を構成している。
さらに、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂには、それぞれの円筒面１ａａ及び１ｂａにおいて、柱状のアーム部材６が連結されている。よって、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂがローラ軸１ｃを中心に紙面上で時計回りの方向Ｐ又は反時計回りの方向Ｑに回転すると、アーム部材６が、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂと共に、方向Ｐ又は方向Ｑに回転移動する。
ここで、ローラ１において、円筒面１ａａ及び１ｂａは接触面を構成し、側面１ａｂ及び１ｂｂ並びに内周面１ａｄ及び１ｂｄは非接触面を構成する。接触面とは、ローラ１が方向Ｐ又は方向Ｑに回転移動した際に振動子２と接触し得る面をいい、非接触面とはローラ１が方向Ｐ又は方向Ｑに回転移動しても振動子２と接触しない面をいう。

第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂは、全体が多孔質の焼結金属で成形されると共に内部の空孔に潤滑剤としての潤滑油を保持する。具体的には、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂ全体を潤滑油の中に所定の時間浸け、空孔の内部に潤滑油を含浸させることで、潤滑油が第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂの内部に保持される。潤滑油には、例えば、フッ素系、グリコール系、合成炭化水素系、又はエステル系のオイルやグリスを使用することができる。

側面１ａｂ及び１ｂｂ並びに内周面１ａｄ及び１ｂｄには潤滑油漏出防止処理として樹脂コーティングが施されている。樹脂コーティングには、例えば、ウレタン樹脂、ナイロン樹脂、ポリエチレン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂等を使用することができるが、これに限定されず、潤滑油の漏出を防止することができるものであればよい。一方、円筒面１ａａ及び１ｂａには樹脂コーティングは施されず、多孔質面が露出するようになっている。また、円筒面１ａａ及び１ｂａは、振動子２と接触する時に振動子２を傷つけないよう、研磨加工して凸部をなくしている。

また、図１及び２に示すように、振動アクチュエータ１０１は、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂそれぞれの円筒面１ａａ及び１ｂａに接触するようにして配置された略円筒状の振動子２を有している。振動子２には、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂ側となる端面２ｃにおいて、帯状に突出する第一突出爪部２ａ及び第二突出爪部２ｂが平行に形成されている。そして、第一突出爪部２ａ及び第二突出爪部２ｂは、これらの間に溝部２ａｂを形成している。また、第一突出爪部２ａ及び第二突出爪部２ｂはそれぞれ溝部２ａｂ側の角部が、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂの円筒面１ａａ及び１ｂａに沿って当接するような曲面状に面取りされている。この面取りされた部分が第一当接面２ａ１及び第二当接面２ｂ１を形成している。よって、振動子２は、第一突出爪部２ａの第一当接面２ａ１及び第二突出爪部２ｂの第二当接面２ｂ１において、第一ローラ部１ａの円筒面１ａａ及び第二ローラ部１ｂの円筒面１ｂａと接触する。

また、振動アクチュエータ１０１は、振動子２における第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂと反対側の端面に、円筒状の圧電素子３を有しており、振動子２と圧電素子３とは互いに連結・固定されている。圧電素子３は、図示しない駆動回路に電気的に接続される複数の圧電素子板を積層した構造を有している。そして、圧電素子３の複数の圧電素子板は、交流電圧を印加されることによって超音波振動を発生する。ここで、圧電素子３は、振動手段を構成している。
さらに、圧電素子３における振動子２と反対側の端面には、円筒状をした第一基部ブロック４及び第二基部ブロック５が順次設けられ、これらは互いに固定されている。

また、ローラ軸１ｃには、予圧部材８が回転自在に設けられている。予圧部材８は、ローラ軸１ｃに対してその周りを取り囲むようにして回転自在に取り付けられた取付部８ａと、取付部８ａに連結されて振動子２、圧電素子３及び第一基部ブロック４を貫通する棒状の軸部８ｂと、第二基部ブロック５に設けられて取付部８ａと反対側で軸部８ｂに連結された付勢部８ｃとを有している。付勢部８ｃは、軸部８ｂに対して取付部８ａと反対側の方向Ｆに引張する力を加える。よって、予圧部材８の付勢部８ｃの引張力によって、軸部８ｂは方向Ｆに引き付けられ、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂが、振動子２に押し付けられている。すなわち、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂは、振動子２に対して加圧する予圧力が付与されて、振動子２に対して固定されている。なお、予圧部材８は、予圧手段を構成している。

次に、図１を用いて、この発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータ１０１の動作を示す。
図１を参照すると、圧電素子３は、その内部の各圧電素子板に図示しない駆動回路によって交流電圧が印加されると、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。さらに、これらの超音波振動の複合振動が振動子２に伝達され、振動子２の第一突出爪部２ａ及び第二突出爪部２ｂの先端には楕円振動が発生する。第一突出爪部２ａ及び第二突出爪部２ｂのそれぞれは、その先端の第一当接面２ａ１及び第二当接面２ｂ１においてｘ軸回りの超音波楕円振動を行うことによって進行波を発生させて、第一ローラ部１ａの円筒面１ａａ及び第二ローラ部１ｂの円筒面１ｂａを引っ掻くようにして、これらを方向Ｐ又は方向Ｑに回転させる。これにより、振動アクチュエータ１０１では、アーム部材６が、ローラ１を中心として、振動子２、圧電素子３、第一基部ブロック４及び第二基部ブロック５に対して、屈折するように動作する。なお、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂの回転方向は、圧電素子３に印加する交流電圧を制御することによって、制御される。
また、圧電素子３の発生する超音波振動は、圧電素子３から振動子２に伝達された超音波振動において、その振幅が最も大きくなる振動の腹又は振動の腹の近傍が、振動子２の第一突出爪部２ａの第一当接面２ａ１及び第二突出爪部２ｂの第二当接面２ｂ１の位置となる、すなわち、第一当接面２ａ１及び第二当接面２ｂ１に含まれるように、圧電素子３に印加する交流電圧を制御することによって振動の位相が制御されている。このため、振動の腹の位置又はその近傍となる第一当接面２ａ１及び第二当接面２ｂ１では、超音波振動の振幅が大きくなっている、すなわち、振動が大きくなっている。

第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂの内部の空孔に保持される潤滑油は、振動子２を介して伝達される超音波振動によって円筒面１ａａ及び１ｂａに滲み出てくる。また、超音波振動の腹である最も振動している箇所の近傍で、超音波振動の腹に集まる特性を有している。これは、液体が超音波振動する部材の表面で、振動の大きい腹部に集まる現象を利用している。このため、円筒面１ａａ及び１ｂａに滲み出た潤滑油は、円筒面１ａａ及び１ｂａにおいて、振動の腹である振動子２の第一当接面２ａ１及び第二当接面２ｂ１との接触部に集まる。そのため、潤滑油は円筒面１ａａ及び１ｂａと第一当接面２ａ１及び第二当接面２ｂ１との間の接触箇所全体に浸透し油膜を形成する。この接触箇所への潤滑油の供給は、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂに超音波振動が与えられていれば各ローラ部１ａ，１ｂが回転しなくとも行われる。

よって、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂと振動子２との間における接触箇所は、潤滑油で潤滑される。従って、予圧部材８によって振動子２に押し付けられつつ回転する第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂと、振動子２との間における摩耗の発生が抑制される。
特に、予圧により油膜が切れやすい起動時において、超音波振動で潤滑油が瞬時に供給されるため、起動時の摩耗が抑制される。つまり、振動アクチュエータの起動がスムーズになる。
また、潤滑油が円筒面１ａａ及び１ｂａから外部へ飛散した場合であっても、毛細管現象により空孔内部の潤滑油が途切れることなく継続的に円筒面１ａａ及び１ｂａに滲み出て、供給され続ける。

さらに、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂ全体に存在する空孔に潤滑油を含浸させることにより、長期間の使用にも対応することができる量の潤滑油を保持することができる。そのため、振動アクチュエータ１０１に潤滑油を供給するための潤滑部材を設ける必要がない。従って、ローラ１が潤滑部材と摺動して摩耗を発生させるおそれがない。

また、振動子２と接触しない側面１ａｂ及び１ｂｂや内周面１ａｄ及び１ｂｄに樹脂コーティングを施すことにより、潤滑が不要な部分に潤滑剤が漏れ出して無駄になることを防止する。従って、潤滑剤は潤滑の必要な部分（摩耗の発生するおそれがある部分）にのみ、無駄なく提供することができる。

なお、本実施の形態において、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂのみならず、振動子２も多孔質部材により形成されると共に、振動子２の内部の空孔に潤滑油が含浸され、保持されていてもよい。この場合、圧電素子３から振動子２に伝達される超音波振動により、振動子２の表面に潤滑油が放出され、第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂと振動子２との間における接触箇所は、潤滑油で潤滑される。また、ローラ１のみならず振動子２自体にも潤滑油を含浸させることで、より多量の潤滑油を保持することが可能となる。

実施の形態２．
図３及び４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２０１について説明する。振動アクチュエータ２０１は、回転子（ローラ１）が垂直方向に回転移動する振動アクチュエータ１０１とは異なって、回転子（水平ロータ２１）が水平方向に回転移動するものである。振動アクチュエータ２０１は水平ロータ２１に接触する略円筒状の振動子２２を有し、振動子２２が水平ロータ２１と接触するのとは反対の端部において、圧電素子２３と基部２７とを有する。

図３及び４を参照すると、振動アクチュエータ２０１は、円筒形状の水平ロータ２１を備え、水平ロータ２１には中心軸方向に円柱状の孔２５が刳り貫かれている。また、水平ロータ２１は、円筒形状における外周面２１ｂと、孔２５に面する内周面２１ｄと、外周面２１ｂ及び内周面２１ｄと隣接する平面である第一端面２１ｃと第二端面２１ａとを有する。
なお、水平ロータ２１は回転子を構成する。また、外周面２１ｂ、内周面２１ｄ及び第一端面２１は非接触面を構成し、第二端面２１ａは接触面を構成する。

水平ロータ２１は、実施の形態１の第一ローラ部１ａ及び第二ローラ部１ｂと同様に、全体が多孔質の焼結金属で成形されると共に内部の空孔に潤滑油を保持する。潤滑油を水平ロータ２１に含浸させる方法及び潤滑油の種類は実施の形態１と同様なので省略する。

水平ロータ２１の外周面２１ｂ、内周面２１ｄ及び第一端面２１ｃにはコーティングが施されている。コーティングの材料については実施の形態１と同様なので省略する。一方、第二端面２１ａにはコーティングは施されず、多孔質面が露出するようになっている（図４参照）。また、第二端面２１ａの多孔質面については、振動子２２と接触した際に振動子２２を傷つけないように研磨加工して凸部をなくしている。

図３及び４に示すように、振動アクチュエータ２０１は、水平ロータ２１の第二端面２１ａに接触する略円筒状の振動子２２を有しており、水平ロータ２１と振動子２２とは図示しない予圧手段により、互いに加圧接触している。また、振動アクチュエータ２０１は、振動子２２における水平ロータ２１と反対側の端面に、略円筒状の圧電素子２３を有しており、振動子２２と圧電素子２３とは互いに連結・固定されている。振動子２２及び圧電素子２３にはそれぞれ、水平ロータ２１と同様に中心軸方向に円柱状の孔が刳り貫かれ、中空部分をなしている。また、圧電素子２３は、図示しない駆動回路に電気的に接続される複数の圧電素子板を積層した構造を有している。そして、圧電素子２３の複数の圧電素子板は、交流電圧を印加されることによって超音波振動を発生する。ここで、圧電素子２３は、振動手段を構成している。

さらに圧電素子２３における振動子２２と反対側の端面には、円筒形状をした基部２７が設けられる。基部２７の円形の端面の中心には、基部２７の端面に対して垂直方向に延びる円柱状の軸部２７ａが設けられる。軸部２７ａは、圧電素子２３及び振動子２２の中心の中空部分を貫通し、圧電素子２３と振動子２２との中心位置がずれないように位置決めする。また、軸部２７ａは振動子２２の摺動面２２ａから上端が突き出しており、軸部２７ａの上端に水平ロータ２１が孔２５を介して回転可能に嵌合される。この際、軸２７ａには水平ロータ２１の内周面２１ｄが接している。

次に、図３及び４を用いて、この発明の実施の形態２に係る振動アクチュエータ２０１の動作を示す。
圧電素子２３は、その内部の各圧電素子板に図示しない駆動回路によって交流電圧が印加されると、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。さらに、これらの超音波振動の複合振動が振動子２に伝達され、振動子２の上部が首振り運動を起こす。振動子２の首振り運動は進行波を発生させて、水平ロータ２１が摩擦力により軸部２７ａを中心に方向Ｐ’又は方向Ｑ’に回転する。なお、水平ロータ２１の回転方向は、圧電素子２３に印加する交流電圧を制御することによって、制御される。

水平ロータ２１の内部の空孔に保持される潤滑油は、振動子２２を介して伝達される超音波振動によって第二端面２１ａに滲み出てくる。このため、第二端面２１ａに滲み出た潤滑油は、水平ロータ２１の第二端面２１ａと振動子２２の摺接面２２ａとの間の接触箇所全体に浸透し油膜を形成する。

以上より、水平ロータ２１と振動子２２との間における接触箇所は、摩擦力を発生させつつ潤滑油で潤滑される。従って、水平ロータ２１と振動子２２との間における摩耗の発生が抑制される。
特に、起動時に予圧により油膜が切れやすい状態に対して、超音波振動のより水平ロータ２１内部の空孔から第二端面２１ａへ潤滑油が瞬時に供給されるため、起動時の摩耗が抑制される。つまり、振動アクチュエータの起動がスムーズになる。
また、水平ロータ２１の第二端面２１ａと振動子２２の摺接面２２ａとの間の接触箇所において潤滑油の量が少なくなった場合であっても、毛細管現象により水平ロータ２１内部の空孔の潤滑油が途切れることなく継続的に円筒面１ａａ及び１ｂａに滲み出て、供給され続ける。

さらに、水平ロータ２１全体に存在する空孔に潤滑油を含浸させることにより、長期間の使用にも対応することができる量の潤滑油を保持することができる。

また、振動子２と接触しない面（外周面２１ｂ、内周面２１ｄ、第一端面２１ｃ）に樹脂コーティングを施すことにより、潤滑が不要な部分に潤滑剤が漏れ出して無駄になることを防止する。従って、潤滑油は潤滑の必要な部分（摩耗の発生するおそれがある部分）にのみ、無駄なく提供することができ、潤滑油の減る速度が遅くなる。

なお、本実施の形態において、水平ロータ２１のみならず、振動子２２も多孔質部材により形成されると共に、振動子２２の内部の空孔に潤滑油が含浸され、保持されていてもよい。圧電素子２３から振動子２２に伝達される超音波振動により、振動子２２の表面に潤滑油が放出され、水平ロータ２１と振動子２２との間における接触箇所は、潤滑油で潤滑される。また、水平ロータ２１のみならず振動子２２自体にも潤滑油を含浸させることで、さらに多量の潤滑油を保持することが可能となる。

また、実施の形態１又は２において、ローラ１又は水平ロータ２１の材料は焼結金属に限られず、多孔質部材であれば成長鋳鉄等、他の材料でも良い。

１ ローラ（回転子）、１ａ 第一ローラ部（回転子）、１ｂ 第二ローラ部（回転子）、１ｃ ローラ軸（回転子）、２１ 水平ロータ（回転子）、１ａａ，１ｂａ 円筒面（接触面）、１ａｂ，１ｂｂ 側面（非接触面）、１ａｄ，１ｂｄ 内周面（非接触面）、２１ａ 第二端面（接触面）、２１ｂ 外周面（非接触面）、２１ｃ 第一端面（非接触面）、２１ｄ 内周面（非接触面）、２，２２ 振動子、４，２３ 圧電素子（振動手段）、８ 予圧部材（予圧手段）、１０１，１０２ 振動アクチュエータ。

Claims (3)

1. 回転子と、該回転子と接触する振動子と、該振動子を振動させる振動手段と、前記回転子と前記振動子とを加圧接触させる予圧手段とを備える振動アクチュエータであって、
   前記回転子は多数の空孔を有する多孔質部材により成形されると共に前記空孔に潤滑剤を保持し、
   前記回転子は前記振動子と接触する接触面と、前記振動子と接触しない非接触面とを有し、
   該非接触面の少なくとも一部には潤滑油漏出防止処理が施されることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 前記潤滑油漏出防止処理は、樹脂コーティングである請求項１に記載の振動アクチュエータ。
3. 前記振動子は多孔質部材により成形されると共に内部の空孔に潤滑油を保持する請求項１又は２に記載の振動アクチュエータ。

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