JP2014180123A - 拡大機構を利用したアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】
駆動源となる伸縮部材を小型化することなく回転機構部に対して素子の占めるスペースを縮小することが可能で、同サイズの従来型圧電モータと比較して回転機構部の大径化が容易なアクチュエータを提供する。
【解決手段】
伸縮部材の変位を環状配置で形成された連結梃子型の変位拡大機構によって拡大し、当該変位拡大機構端部に連結された枠状部材を環状に平行移動させていく構造を用いることで、回転機構部の出力トルク増加を可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、枠状部材又は中心部材のうち一方を伸縮部材で動かすことによって他方から回転運動を取り出すアクチュエータに関する。

現在、カメラのレンズ駆動、汎用ステージ、及びアシスト部材等に用いられるコイルとマグネットを用いた従来の電気モータについて、小型化に伴う駆動トルク及び位置決め精度の低下という構造上の課題が生じている。この様な課題に対して、駆動源をコイルとマグネットから圧電素子に変更した圧電モータが用いられており、基本的な構造として特開昭６０−１６０３８４（以下特許文献１として記載）及び特開平０３−２７３８７１（以下特許文献２として記載）が公開されている。特許文献１記載の圧電モータでは、枠状部材を中心として放射状に配置した圧電素子を駆動させることによって枠状部材内の外歯車を回転させる構造を用いている。この為、特許文献１記載の圧電モータは、枠状部材が少なくとも２つの方向に往復駆動される構造となり、特許文献１以前の圧電モータと比較して回転数の再現性向上及びトルク変動の減少といった利点を有している。

また、特許文献２に記載の圧電モータは、特許文献１に於いて圧電素子が直接駆動していた枠状部材を、変位拡大機構を介して駆動する構造としている。この為、圧電素子に対する枠状部材の移動量を増加すると共に、圧電素子の長さに対する枠状部材径を拡大することが可能となっている。

特開昭６０−１６０３８４号 特開平０３−２７３８７１号

上述した利点を有している一方で、特許文献１記載の圧電モータは、その構造上、素子変位方向と枠状部材変位方向が同じ為、回転する枠状部材の大きさに対して駆動源となる圧電素子の占めるスペースが大きくなってしまうという課題を有している。また、特許文献２に記載の圧電モータでは圧電素子と枠状部材との間に変位拡大機構を挟んだ構造としたことで平面形状の小型化が難しくなっており、変位の拡大率もまた、同構造から大きく設定することができないという課題を有している。加えて、特許文献２はその構造上、出力軸が素子の中心からずれる為、モータ系のデバイスとして汎用性に欠ける。また、特許文献１及び２に記載の圧電モータは駆動源−出力間の耐久性について、出力軸が受けた応力を逃がす構造を持たない。この為、他駆動源からの変位を出力軸が受けた際に出力軸が固定されてしまい、回転機構部を動作させることができないという課題も有している。更に、これら二つの構造では回転機構部に対して素子の占めるスペースが大きく、回転機構部の径寸法を拡大することが難しい。この為、搭載する圧電素子及び入力電圧に対して出力するトルクが低くなってしまう。

上記課題を解決するために本願記載の発明では、駆動源となる伸縮部材を小型化することなく回転機構部に対して素子の占めるスペースを縮小することが可能で、特許文献１及び２に代表される同サイズの従来型圧電モータと比較して信頼性の向上と回転機構部の大径化、及びそれに伴う出力軸の高トルク化が容易なアクチュエータの提供を目的としている。

上記目的のために本発明に於ける第１の態様では、環状配置した梃子型の変位拡大機構内周に、内歯車を有する枠状部材と外歯車を有する中心部材とからなる回転機構部を配置し、駆動源となる伸縮部材の変位を当該変位拡大機構が拡大し、当該枠状部材又は中心部材を駆動する構造をその技術的特徴としている。より具体的には駆動源となる伸縮部材の変位を、回転機構部を囲む梃子部によって拡大し、当該梃子部に枠状部材又は中心部材のうち一方を連結することで他方を回転させることを特徴としている。

また、本発明第２の態様では、本願第１の態様で述べた構造について、枠状部材又は中心部材に接続する変位拡大機構を同一平面上に複数設けたことを技術的特徴としている。より具体的には、前記回転機構部を中心として、環状の変位拡大機構を放射状に配置し、当該枠状部材又は中心部材のうち一方に対してそれぞれの梃子部を連結した構造を特徴としている。

また、本発明第３の態様では、前記変位拡大機構を前記中心部材の回転軸方向に重ねて前記枠状部材又は中心部材のうち一方に接続した構造を技術的特徴としている。より具体的には、回転機構部を軸方向に延長することによって同回転機構部を回転させる環状の変位拡大機構部を軸方向に複数設けたことを特徴としている。

上述した構造を用いたことで本発明第１の態様記載のアクチュエータは、駆動源となる伸縮部材の大きさを縮小する事無く、その平面形状を小型化することが可能となる。これは、本願記載の構造が、回転機構部の枠状部材を中心として環状配置された連結梃子型の変位拡大機構によって当該枠状部材又は中心部材を回転させる駆動機構を用いたことによる。即ち、連結梃子型の変位拡大機構を環状配置とすることで、駆動源となる伸縮部材が枠状部材の外周に沿って収納されることによる小型化と、枠状部材の外側全体を梃子として使用することによる拡大率の増加という効果とを得ることができる。

加えて、前記効果によって中心部材及び枠状部材の歯車に於ける歯の深さを大きく設定することができる。これは、拡大率の増加に伴う回転機構部の枠状部材移動量増加による効果で、当該効果によって回転機構部に於ける歯車の加工性向上、トルク増加に加えて回転スピードの向上が可能となる。また、上記各効果によって変位量及び伝達効率が向上する為、駆動源となる伸縮部材への入力電圧を減少することができる。

また、本発明の構造では変位拡大機構を介して枠状部材又は中心部材を駆動させている。この為、出力側から反力を加えられた状態でも回転機構部を動作させると共に、駆動源となる圧電素子の破損を防ぐことが可能となる。これは、前記環状配置によって連結梃子型の変位拡大機構に於ける梃子部が、弾性のみで逃げることができる構造となっており、前記出力軸からの反力を吸収する為で、当該梃子部を環状に配置したことによって反力を分散させ、駆動源となる伸縮部材だけでなく、変位拡大機構の破損をも防ぐ構造とすることができる。

更に、本発明記載のアクチュエータはその構成上、熱膨張による影響を低減した構造となっている。これは、変位拡大機構を環状配置したことに加えて、回転機構部内の歯車を介して駆動することによる。即ち、変位拡大機構を用いた構造では、変位拡大機構全体に対して熱膨張による伸縮が発生する。この為、変位拡大機構を用いたアクチュエータでは、駆動源の変位を拡大する変位拡大機構自体も熱膨張により変形し、結果として熱膨張の影響を拡大させてしまう。本願記載のアクチュエータでは、梃子部を環状配置で連結することによって回転機構部と変位拡大機構との連結位置に於ける熱膨張の影響を低減し、歯車を有する回転機構部を介することで一定のピッチによる安定した回転出力を得ることができる。尚、上述した伸縮部材としては、圧電素子、磁歪素子、電歪素子、形状記憶合金及び他の機械的手段といった部材を用いることが可能となっている。

また、本発明第２の態様記載の構造を用いることで、外形寸法の拡大を抑えつつ、回転機構部の駆動源を増やすことが可能となる。これは、本発明で用いる変位拡大機構を、環状配置の連結梃子型構造としている事による。より具体的には、駆動源となる伸縮部材の変位をアクチュエータ中心部に配置した回転機構部に伝達する際、中心部に空隙を有する環状配置の変位拡大機構を用いることによって、複数の変位拡大機構を相互にかみ合わせた構成で当該回転機構部を駆動させることができる。この為、本態様記載の構造を用いることで変位拡大機構の梃子部を縮小することなく、回転機構部に伝達するトルクを増加することができる。

また、本発明第３の態様記載の構造を用いることで、全体的な構造を簡素化しつつ、回転機構部のトルクを増加する事ができる。より具体的には、回転機構部の軸方向に変位拡大機構を重ねたことで、前記第２の態様と同様の平面形状及びトルクの増加に加え、構造の簡素化及びそれによる剛性の向上といった効果をも得ることができる。

以上述べたように、本願請求項記載の構造を用いることによって駆動源となる伸縮部材を小型化することなく回転機構部に対して伸縮部材の占めるスペースを縮小することが可能で、特許文献１及び２に代表される同サイズの従来型圧電モータと比較して回転機構部の大径化が容易な圧電モータを提供することができる。

本発明の実施形態に於いて用いるアクチュエータの全体斜視図 本発明の実施形態に於いて用いるアクチュエータの分解斜視図 本発明の実施形態に於いて用いるアクチュエータの駆動部平面図

以下に、図１、図２及び図３を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。

図１に本発明の実施形態に於けるアクチュエータの全体斜視図を、図２に分解斜視図を、そして図３に駆動部平面図をそれぞれ示す。

図１から解るように、本実施形態記載のアクチュエータは、外周にスペーサ２及び外歯車３を固定した中心部材１と、内周に内歯車部を設けた枠状部材６とからなる回転機構部を中心部に設けた構成となっており、前記内歯車部の歯数を外歯車３の歯数よりも少なく形成している。また、枠状部材６を駆動する駆動部について、圧電素子４を駆動源とし、フレーム５と一体に環状配置で形成された連結梃子型の変位拡大機構によって構成している。本実施形態では、１枚のフレーム内に変位拡大機構を２組形成し、同フレームを厚み方向に２枚重ねて共通の枠状部材６に接続しており、計４組の変位拡大機構によって、枠状部材６を動かし、外歯車３に固定された中心部材１を回転させる構造となっている。

上記部品構成に加えて、図３の駆動部平面図を用いて本実施形態に於けるアクチュエータの具体的な駆動構造を示す。図３から解るように、本実施形態記載のアクチュエータでは１枚のフレーム内に、対向配置した２つの圧電素子４をそれぞれ駆動源とし、環状配置で形成した連結梃子型の変位拡大機構を２組形成し、中心部に設けた回転機構部の枠状部材６に当該２つの変位拡大機構端部Ｃを連結した駆動構造となっている。本実施形態ではこれら対向配置された２つの圧電素子４が交互に伸縮することで中心部に配置された枠状部材６を環状に平行移動させていく。尚、枠状部材６内周に設けた内歯車の歯数は中心部材１の外周に設けた外歯車３の歯数よりも１枚少なく構成しており、枠状部材６が１周する毎に中心部材１を１歯分回転させる送り機構となっている。また、本実施形態では各圧電素子の制御について、正弦波の周期を用いて制御している。より具体的には、２つの圧電素子に対して、９０度ずらした正弦波信号を入力し、枠状部材６を平行移動している。この為、本実施形態のアクチュエータは入力を切った状態でも歯車間の接触による保持トルクを有し、所定の位置で中心部材を固定させることが可能となった。

この様な構造としたことで本実施形態記載のアクチュエータは、駆動源となる圧電素子４の大きさを縮小する事無く、全体的な平面形状を小型化すると共に、回転スピードの増加、入力電圧の減少といった効果をも得ている。これは、本実施形態に於いて、駆動源となる圧電素子４と出力となる回転機構部との間に環状配置で形成した連結梃子型の変位拡大機構を用いた事による効果となっている。即ち、本実施形態では、中心部に空隙を構成する環状配置とすることで回転機構部への動力伝達系に於ける損失を抑え、変位拡大機構に於ける梃子部Ｔの長さを最大限確保することを可能にしている。加えて、当該環状配置を用いた事で、中心部に設けた枠状部材６は変位拡大機構端部から斜め方向に応力Ｆを受ける構造となる。この為、限られた空間に於いて高いストロークでの枠状部材移動ができると共に、駆動構造の省スペース化に伴う回転機構部の大径化が可能となった。

また、本実施形態では変位拡大機構と回転機構部との連結を前記薄肉部で連結することにより、動力伝達と他からの動力の逃げる構造を両立している。より具体的には、枠状部材６の移動について、梃子部Ｔ−変位拡大機構端部Ｃ間の薄肉部で引っ張る構造と押す構造とを同時に使用している。この為、中心部材１が他の駆動源から応力を受けた際に生じる横方向の変位について、前記薄肉部の弾性のみで枠状部材を逃がす構造とすることが可能となった。加えて、一段あたりのフレームはワイヤーカットやエッチング、プレス積層などで製作可能となる為、量産性の向上という効果をも得ることができた。

上記基本構造の技術的特徴及びそれによって得られる効果に加えて、本実施形態では圧電モータとしての出力トルクを増加することができた。これは、前記駆動構造の省スペース化に伴う効果となっており、平面形状に占める回転機構部の大きさが拡大したことによって枠状部材６の径が相対的に増加した事に起因している。より具体的には、枠状部材６の径拡大によって回転機構部に設けた歯車の歯深さ拡大という効果を得ると共に、駆動時の駆動トルク増加という効果を得ることができた。

また、前記トルクの増加について、前記図２を用いた構造の説明で述べたように、本実施形態では２枚のフレームを厚み方向に２枚のフレームを重ねて互いに９０度向きを変えた状態で共通の枠状部材６に接続している。この為、回転機構部の駆動に際して、圧電モータ全体の平面形状を拡大することなくトルクを増加し、中心部材に加わる応力の偏りを解消することが可能となった。

上記述べた効果に加えて、本実施形態では環状配置した連結梃子型の変位拡大機構をフレーム内に一体成型した構造となっている。この為、熱膨張等の温度変化による影響に対して、回転機構部と変位拡大機構との連結位置である変位拡大機構端部Ｃに於ける熱膨張の影響を低減し、安定した回転出力を得ることができた。加えて、フレームを一体ものの低熱膨張材料（インバー、スーパーインバーなど）で製作可能となる為、熱膨張の影響について、更なる低減を図ることが可能となっている。

尚、制御について、各フレームに設けた圧電素子４は２個を一組として一方向の変位を発生する為、従来の放射状に圧電素子を配置した構造と比べて2倍のトルクで動作させることが可能となっている。また、組となっている素子には同じ駆動電圧が入力される為、リード線の本数は４本、入力波形は２種類となる。この為、制御系に於ける構造的及びドライバ的な負担を減少することが可能となった。また、本実施形態と同じ技術的見地から、枠状部材に連結するフレーム及び、フレーム内の変位拡大機構数を増加することによっても前記トルクの増加を図ることができる。

以上述べたように、本願実施形態記載の構造を用いることによって、拡大機構を使うことで厚み方向の寸法拡大を抑え、駆動源となる伸縮部材を小型化することなく、回転機構部に対して伸縮部材の占めるスペースを縮小することが可能で、特許文献１及び２に代表される同サイズの従来型圧電モータと比較して回転機構部の大径化が容易なアクチュエータを提供することができた。

１ 中心部材
２ スペーサ
３ 外歯車
４ 圧電素子
５ フレーム
６ 枠状部材
７ スペーサ
８ 軸受
９ ベース部
Ｃ 変位拡大機構端部
Ｆ 応力
Ｔ 梃子部

Claims (3)

1. 内歯車を有する枠状部材又は当該枠状部材内に設けた外歯車を有する中心部材の一方を伸縮部材で動かすことにより他方を回転させるアクチュエータであって、
   開口部を有する矩形部材内周に駆動源となる伸縮部材両端を固着して梃子型の変位拡大機構を構成し、
   当該変位拡大機構内周に前記枠状部材を配置し、
   前記枠状部材を挟んで前記伸縮部材と対向する位置で前記矩形部材の一端と前記枠状部材又は外歯車を接続したアクチュエータ。
   
2. 前記枠状部材又は中心部材に接続する変位拡大機構を同一平面上に複数設けた請求項１記載のアクチュエータ。
   
3. 前記変位拡大機構を前記中心部材の回転軸方向に複数重ねて前記枠状部材又は中心部材に接続した請求項１記載のアクチュエータ。

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