JP2016010253A - 振動型アクチュエータ、ロボット及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの出力軸に駆動力を伝達する複数の被駆動体を備える振動型アクチュエータにおいて、耐久性を向上させると共に高出力化を図る。
【解決手段】振動型アクチュエータ１Ａは、振動体２と、振動体２と加圧接触する第１の被駆動体２１及び第２の被駆動体２２と、第１及び第２の被駆動体２１，２２の駆動力が伝達される出力軸５とを備え、第１の被駆動体２１の駆動力は出力軸５に直接伝達されるように第１の被駆動体２１は出力軸５に接続され、第２の被駆動体２２は出力軸５に設けられたラジアル軸受７に接続されて、出力軸５に対しては空転するが、第２の被駆動体２２の駆動力は、空転状態と噛合状態とが切り替え可能なクラッチ機構８が噛合状態にあるときに、クラッチ機構８と第１の被駆動体２１とを介して出力軸５へ伝達される構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動型アクチュエータ、ロボット及び画像形成装置に関し、例えば、振動型アクチュエータの耐久性を向上させる技術に関する。

一般的に、振動型アクチュエータは、駆動振動が形成される振動体と、振動体に加圧接触する被駆動体とを有し、振動体と被駆動体とを駆動振動により相対的に移動させる。図１０（ａ）は、従来の振動型アクチュエータの一例である、所謂、円環型の超音波モータ７０の概略構造を示す断面図である。超音波モータ７０は、振動体７１、ベース部材７２、被駆動体７３、加圧ばね７４、ディスク７５及び出力軸７６を備える。

振動体７１は、ベース部材７２に固定されている。被駆動体７３は、加圧ばね７４によって振動体７１に加圧接触され、これにより被駆動体７３と振動体７１との接触面に摩擦力が生じている。振動体７１に所定の振動を生じさせると被駆動体７３が摩擦駆動され、被駆動体７３の回転トルクは、加圧ばね７４及びディスク７５を介して出力軸７６に伝えられる。

図１０（ｂ）は、振動体７１の構造を示す斜視図である。振動体７１は、被駆動体７３と対向する面側に、複数の凸部８１ａ（隣接する凸部８１ａ間は凹部となる）が円周方向に略等間隔に形成された円環状の弾性体８１を有する。そして、振動体７１において、弾性体８１において被駆動体７３と対向する面（凸部８１ａが形成されている面）の反対側の面に、圧電素子８２が固着されている。また、弾性体８１の凸部８１ａの表面には、摩擦部材８３が設けられている。圧電素子８２には不図示の電極パターンが設けられており、不図示の給電手段から圧電素子８２に設けられた電極パターンに交流電圧を印加することにより、振動体７１に面外方向の曲げ振動を発生させる。これにより、振動体７１側の摩擦摺動面に高周波の微小送り運動が形成されることで、振動体７１と被駆動体７３とを相対的に移動させることができる。

振動型アクチュエータを構成する被駆動体については、種々の構造のものが提案されている（特許文献１参照）。図１１（ａ）は、従来の円環型の振動型アクチュエータが備える円環状の被駆動体９０の概略構造を示す部分断面図である。被駆動体９０は、弾性部材で形成された円環状の本体部９１と、本体部９１の内径側に突出した断面略Ｌ字型の支持部９２と、支持部９２の端部から外径側に延出し、振動体に接触する接触部９３とを有する。

支持部９２及び接触部９３は、被駆動体９０の回転軸方向（被駆動体９０の厚さ方向）にそれぞれ弾性変形することができるため、接触部９３への局所的な面圧集中を抑制することができ、これにより、摩耗の増大を抑制することができる。よって、振動体と被駆動体９０とは、振動型アクチュエータの組み立て後の初期の駆動段階から長期の使用期間にわたって、滑らかな接触状態を維持することができる。

図１１（ｂ）は、被駆動体９０を高耐久化させた被駆動体９０Ａの概略構造を示す断面図である。被駆動体９０Ａは、複数（ここでは２つ）の被駆動体９０を同心円状に配置した構造とすることにより、振動体との摩擦摺動面の面積を増大させて接触面圧を低減させることにより、耐久性の向上を図っている。

特開２０１０−２６３７６９号公報

しかしながら、図１０の超音波モータ７０に、被駆動体７３に代えて図１１（ｂ）の被駆動体９０Ａを適用した場合には、次のような問題が生じる。即ち、例えば、２つの被駆動体９０からなる被駆動体９０Ａと１本の出力軸７６とを有する構成では、２つの被駆動体９０はそれぞれ、共通の出力軸７６と一体的に回転するように係合される。そのため、２つの被駆動体９０の間に角速度差が生じると、一方の被駆動体９０が他方の被駆動体９０に牽引されてしまう。なお、ここでの角速度差とは、振動体７１が励振状態にあるときに、２つの被駆動体９０が互いに干渉しない構成であると仮定したときの、２つの被駆動体９０の間の角速度差である。

こうして２つの被駆動体９０の間に角速度差が生じると、２つの被駆動体９０のそれぞれの接触部９３の摺動面と振動体７１の摺動面との相対的な滑り量が、１つの被駆動体を駆動する構成よりも増大して、接触部９３の摩耗量が増大してしまう。これにより、期待した耐久性が得られなくなるおそれがある。また、被駆動体９０側の摺動面と振動体７１の摺動面との相対的な滑り量が増大すると、接触状態が不安定になって制御性が低下してしまう。

本発明は、１つの出力軸に駆動力を伝達する複数の被駆動体を備える振動型アクチュエータにおいて、耐久性の向上と高出力化を可能にする技術を提供することを目的とする。

本発明に係る振動型アクチュエータは、電気−機械エネルギ変換素子、および、前記電気−機械エネルギ変換素子が接合された弾性体を有する振動体と、前記振動体と加圧接触する第１の被駆動体と、前記振動体と加圧接触する第２の被駆動体と、前記第１の被駆動体および前記第２の被駆動体のそれぞれの駆動力を伝達可能に設けられた出力手段と、を備える振動型アクチュエータであって、前記第１の被駆動体の駆動力が前記出力手段に直接伝達されるように前記第１の被駆動体を前記出力手段に接続する接続手段と、前記第２の被駆動体を前記出力手段に対して空転させる空転手段と、前記第２の被駆動体の駆動力を前記第１の被駆動体に対して伝達可能に構成された伝達手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、１つの出力手段に駆動力を伝達する複数の被駆動体を備える振動型アクチュエータにおいて、被駆動体と振動体との相対的な滑り量の増大を抑制することができるため、耐久性の向上と高出力化が可能になる。

本発明の第１実施形態に係る振動型アクチュエータの概略構成を示す部分断面図である。 図１の振動型アクチュエータの出力特性を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る振動型アクチュエータの概略構成を示す部分断面図である。 本発明の第３実施形態に係る振動型アクチュエータの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータを搭載したロボットの概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータを搭載したカラー画像形成装置の内部構成を示す側断面図である。 図６のカラー画像形成装置を構成する感光体ドラム駆動用モータとして振動型アクチュエータを搭載するときの概略構成を示す斜視図である。 図６のカラー画像形成装置を構成する搬送ベルト駆動用モータとして振動型アクチュエータを搭載するときの概略構成を示す斜視図である。 図１の振動型アクチュエータの変形例の構造を示す部分断面図である。 従来の振動型アクチュエータの一例である、円環型の超音波モータの概略構造を示す断面図と、振動型アクチュエータを構成する振動体の構造を示す斜視図である。 従来の円環型の振動型アクチュエータが備える円環状の被駆動体の概略構造を示す部分断面図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る振動型アクチュエータ１Ａの概略構造を示す断面図である。振動型アクチュエータ１Ａは、振動体２、第１の被駆動体２１、第２の被駆動体２２、第１の加圧部３１、第２の加圧部３２、第１のディスク４１、第２のディスク４２、出力軸５、ベース部材６、ラジアル軸受７、クラッチ機構８及びセットカラー９を備える。

振動体２は、円環状の形状を有する弾性体２ａと、弾性体２ａに接合された電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子２ｂとを有し、基台となるベース部材６に固定されている。弾性体２ａの構造は、例えば、図１０（ｂ）に示した弾性体８１を用いることができる。また、圧電素子２ｂは、図１０（ｂ）を参照して説明した圧電素子８２を用いることができる。よって、弾性体２ａ及び圧電素子２ｂについての説明は省略する。なお、振動体２は、弾性体２ａの上面（第１の被駆動体２１及び第２の被駆動体２２と対向する面）に、図１０（ｂ）に示した摩擦部材８３を備えていてもよい。

第１のディスク４１は、第１の加圧部３１を固定し、第２のディスク４２は、第２の加圧部３２を固定する。なお、第１実施形態では、第１の加圧部３１及び第２の加圧部３２として、皿ばねを用いている。第１のディスク４１は、外部への出力伝達手段である出力軸５の所定位置にセットピン等により固定されている。第２のディスク４２の内周面は、ラジアル軸受７の外周面に接着されて固定されている。第１の被駆動体２１と第１の加圧部３１と第１のディスク４１とで第１の回転部が構成される。同様に、第２の被駆動体２２と第２の加圧部３２と第２のディスク４２により、第２の回転部が構成される。

第１の被駆動体２１は、第１の本体部２１ａ、第１の本体受部２１ｂ及び第１の加圧受部２１ｃにより構成されている。同様に、第２の被駆動体２２は、第２の本体部２２ａ、第２の本体受部２２ｂ及び第２の加圧受部２２ｃにより構成されている。第１の本体受部２１ｂ及び第２の本体受部２２ｂはそれぞれ、ゴム等の弾性部材からなる。第１の本体部２１ａ及び第２の本体部２２ａのそれぞれにおいて振動体２と当接する部分は、例えば、図１１を参照して説明した断面略Ｌ字型の支持部９２と、支持部９２の端部から外径側に延出し、振動体に接触する接触部９３と同じ構造（接触ばね構造）とすることができる。

なお、第１の被駆動体２１及び第２の被駆動体２２はそれぞれ、本実施形態のように、必ずしも３つの部品で構成されなくてもよい。本実施形態では、加圧部（例えば、第１の加圧部３１）により押圧されて回転される構成要素群（例えば、第１の本体部２１ａ，第１の本体受部２１ｂ及び第１の加圧受部２１ｃ）を被駆動体（例えば、第１の被駆動体２１）と定義する。

第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２は共に、全体的に円環状の形状を有しており、同心円状に配置されている。第１の被駆動体２１は第１の加圧部３１により振動体２に対して押圧されて、第１の本体部２１ａが振動体２に加圧接触している。同様に、第２の被駆動体２２は第２の加圧部３２により振動体２に対して押圧されて、第２の本体部２２ａが振動体２に加圧接触している。第１の回転部と第２の回転部は、振動体２に励起される駆動振動によって摩擦駆動され、出力軸５を中心軸として同一方向に回転する。出力軸５は、不図示の軸受により、第１の回転部及び第２の回転部と同軸に支持されており、軸方向（出力軸の長さ方向）での位置が定められている。

次に、第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２とをそれぞれ振動体２に対して加圧する方法について説明する。以下の説明では、出力軸５側である内周側に位置する第１の回転部を「内回転部」と称呼し、外周側に位置する第２の回転部を「外回転部」と称呼することとする。

内回転部では、出力軸５の軸方向に力を加えながら第１のディスク４１を出力軸５に沿って滑らせ、第１の加圧部３１である皿ばねを所定の撓み量まで変形させたところで、セットビスにより第１のディスク４１を出力軸５に対して位置決めし、固定している。一方、外回転部では、セットカラー９が、ラジアル軸受７の上面に当接している。そのため、出力軸５の軸方向に力を加えながらセットカラー９を出力軸５に沿って滑らせると、ラジアル軸受７と第２のディスク４２を介して、第２の加圧部３２である皿ばねを撓ませる。そこで、第２の加圧部３２が所定の撓み量まで変形したところで、セットビスによりセットカラー９を出力軸５に対して位置決めし、固定している。

ラジアル軸受７とセットカラー９は、第２の加圧部３２を介して、第２の被駆動体２２を振動体２に対して付勢する機能と、出力軸５を回転軸として外回転部を自由に回転可能とする機能を有する。このような機能は、他の種類の軸受を採用することで実現してもよく、例えば、スラスト軸受やアンギュラ軸受、滑り軸受等を用いてもよい。また、第２のディスク４２については、採用した軸受の仕様に応じた設置方法を選択すればよい。更に、本実施形態では、第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２の回転を出力軸５に伝達する構造としているが、中空構造とすることもできる。つまり、管状の出力手段の内部に振動体２を配置し、第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２とを円環状に構成して、その外周が管状の出力手段の内周面に取り付けられる構造とすることもできる。

振動型アクチュエータ１Ａにおいて、内回転部については、摩擦摺動部（振動体２と第１の被駆動体２１との摩擦摺動面）から第１の被駆動体２１、第１の加圧部３１、第１のディスク４１を順次経由して、出力軸５へ回転駆動力（以下「トルク」という）が伝達される。つまり、内回転部で発生するトルクは、出力軸５へ直接伝達される構造となっている。一方、外回転部については、ラジアル軸受７が設置されているため、内回転部と同様の経路でのトルクの伝達は起こらない。

ここで、外回転部から出力軸５へのトルク伝達の形態について説明する。振動型アクチュエータ１Ａには、内回転部（第１の回転部）の第１の加圧受部２１ｃと外回転部（第２の回転部）の第２の加圧受部２２ｃとの間に、クラッチ機構８が設置されている。クラッチ機構８は、噛合状態と空転状態とを切り替える機能を有しており、噛合状態では、外回転部の第２の加圧受部２２ｃから内回転部の第１の加圧受部２１ｃへ外回転部での発生トルクを伝達することができる。つまり、外回転部については、摩擦摺動部（振動体２と第２の被駆動体２２との摩擦摺動面）から第２の被駆動体２２、噛合状態にあるクラッチ機構８、第１の被駆動体２１、第１の加圧部３１、第１のディスク４１を経由して、出力軸５へトルクが伝達される。一方、クラッチ機構８が空転状態にあるときには、外回転部から内回転部へのトルクの伝達が遮断され、外回転部は空転する。このように、振動型アクチュエータ１Ａは、外回転部を選択的に空転させることができる構成となっている。

クラッチ機構８は、内回転部の角速度が外回転部の角速度よりも大きく、相対的に内回転部が回転方向に向かって先に進む関係（相対的な角速度差がプラス）にあるときに空転状態となる。反対に、内回転部の角速度が外回転部よりも小さく、相対的に内回転部が回転方向と反対の方向に相対的に回転し、回転方向に遅れる関係にある（相対的な角速度差がマイナス）ときに噛合状態となる。このようなクラッチ機構８を備える振動型アクチュエータ１Ａの性能について、図２を参照して説明する。

図２（ａ）は、第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２とをそれぞれ、図１１に示した従来の１つの振動体が１つの被駆動体を駆動する振動型アクチュエータの構成として測定した出力特性（ＴＮ（トルク−回転数）特性）を示すグラフである。つまり、図２のＴＮ特性は、被駆動体として第１の被駆動体２１のみを備える振動型アクチュエータと、被駆動体として第２の被駆動体２２のみを備える振動型アクチュエータとをそれぞれ、同一の駆動周波数ｆ０、同一の入力電圧Ｖ０で駆動したときの特性を示している。なお、回転数は、単位時間あたりの回転回数であり、例えば、ｒｐｍ（回転／分）の単位で示されるものである。

図２（ａ），（ｂ）に示す２つのグラフＳ１，Ｓ２のうち、回転数Ｎの大きいグラフＳ１は、内回転部を構成する第１の被駆動体２１のＴＮ特性を示しており、回転数Ｎの小さいグラフＳ２は、外回転部を構成する第２の被駆動体２２のＴＮ特性を示している。振動型アクチュエータのＴＮ特性は、一般的な測定方法によれば、横軸のトルクが増加すると、回転数Ｎが低下する関係にある。

図２（ｂ）は、振動型アクチュエータ１ＡのＴＮ特性を、図２（ａ）のＴＮ特性と比較して示す図である。グラフＳ１，Ｓ２のＴＮ特性を有する第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２とを組み合わせた振動型アクチュエータ１Ａを駆動周波数ｆ０で振動体２を励振させると、内回転部は回転数Ｎ１で、外回転部は回転数Ｎ２でそれぞれ駆動される。これは、駆動周波数ｆ０における回転数はＮ１＞Ｎ２の関係（上述の、相対的に内回転部が回転方向に向かって先に進む、相対的な角速度差がプラスの状態）にあるため、クラッチ機構８は空転状態にあって、外回転部が独立して自由に回転するからである。

出力軸５に負荷が掛かると、出力軸５の回転数は低下する。トルクがＴ０になって、回転数がＮ１≒Ｎ２となると（つまり、第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２の角速度が略一致すると）、クラッチ機構８は噛み合いを開始し、外回転部から内回転部へとトルク伝達が行われる状態へと遷移する。こうして、第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２の両方で発生するトルクが出力軸５に伝達されるようになると、トルクの増加に対する回転数の低下は緩やかになる。したがって、振動型アクチュエータ１ＡのＴＮ特性は、グラフＳ３で示される。グラフＳ３に示されるように、振動型アクチュエータ１Ａの最大トルクはＴ１＋Ｔ２となり、このことは、第１の被駆動体２１及び第２の被駆動体２２と振動体２との相対的な滑り量の増大による摺動損失の増加が生じていないことを意味している。

以上の説明の通り、第１実施形態に係る振動型アクチュエータ１Ａは、同一の駆動周波数で駆動したときに異なる角速度が生じる２つの被駆動体（第１の被駆動体２１、第２の被駆動体２２）を組み合せた構造を有する。そして、出力軸５に掛かるトルク負荷が変化する過程で、２つの被駆動体の角速度が略一致した状態で出力トルクを発生する仕組みになっている。そのため、２つの被駆動体の振動体２との摩擦摺動部では、振動体２の摩擦摺動面と２つの被駆動体のそれぞれの摩擦摺動面の相対滑り量が、図２（ａ）のＴＮ特性のように、１つの被駆動体で出力軸を駆動するときの構成と変わらない。このとき、２つの被駆動体を備えることによって摺動面積が増大しているため、耐久性を向上させることができる。

換言すれば、１つの出力手段に対して複数の被駆動体を設けたときの複数の被駆動体の角速度差に基づいて、所定の被駆動体が空転する空転状態と所定の被駆動体間でトルク伝達を行う噛合状態を切り替えるクラッチ機構を備える構成としている。これにより、振動型アクチュエータの高耐久化を実現している。但し、複数の被駆動体のうち、より大きい角速度で回転する被駆動体を、常時、出力手段に対してトルク伝達する構成とすることを前提とする。

なお、被駆動体の角速度は、被駆動体の接触ばね構造（図１１に示した支持部９２と接触部９３と同様の接触ばね構造）のばね性、振動体側の摩擦摺動面に発生する高周波微小送り運動の送り速度と接触径、摩擦接触のための加圧力等により一意に決まる。そのため、図２に示した内回転部の回転数Ｎ１と外回転部の回転数Ｎ２との関係が逆転する場合もある。その場合でも、角速度の大きい被駆動体を出力軸に常時トルク伝達させ、負荷が加わると他方の被駆動体からも出力軸５にトルク伝達される構成とすればよい。

なお、第１実施形態では、２つの被駆動体を備える振動型アクチュエータ１Ａについて説明したが、本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータは、図９に示す振動型アクチュエータ１Ａ´のように、３つの被駆動体を備えるものであってもよい。

図９は、振動型アクチュエータ１Ａ´の概略構造を示す部分断面図である。振動型アクチュエータ１Ａ´は、振動型アクチュエータ１Ａが備える構成要素に加えて、第２の被駆動体２２の外周側に設けられた第３の被駆動体２３と、第３の被駆動体２３を振動体２に加圧接触させる第３の加圧部３３とを有する。第３の加圧部３３を出力軸５に連結する部分の構造は、第２の加圧部３２を出力軸５に連結する部分の構造と同じである。つまり、第３の加圧部３３は第３のディスク４３の外周面に接着され、第３のディスク４３の内周面は、第２のディスク４２が固定されているラジアル軸受７とセットカラー９との間に配置された別のラジアル軸受７に固定されている。

第２の被駆動体２２と第３の被駆動体２３との間には、第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２との間に設置されたクラッチ機構８と同様の別のクラッチ機構８が設置されている。したがって、別のクラッチ機構８は、第２の被駆動体２２の角速度が第３の被駆動体２３の角速度よりも大きい場合に空転状態となり、第２の被駆動体２２の角速度が第３の被駆動体２３の角速度よりも小さい場合に噛合状態となる。そして、別のクラッチ機構８が噛合状態にあるとき、第３の被駆動体２３から第２の被駆動体２２へ発生トルクを伝達することができる。

よって、振動型アクチュエータ１Ａ´では、３つの隣り合う第１の被駆動体２１〜第３の被駆動体２３のそれぞれの間にクラッチ機構８が設置され、最も大きい角速度で回転する被駆動体からの出力トルクを、常時、出力軸に伝達する構成となっている。このとき、望ましくは、２つのクラッチ機構８は、より角速度の大きい被駆動体から、順次、出力軸にトルク伝達するように空転状態と噛合状態が切り替わる構成とする。これにより、２つの被駆動体を備える構成よりも、更に、高耐久化を図ることができる。なお、振動型アクチュエータ１Ａを振動型アクチュエータ１Ａ´へと変形した手法と同様の手法で、より多くの被駆動体を備える構成へと変形してもよい。

ところで、振動型アクチュエータ１Ａにおいて、クラッチ機構８として、例えば、ワンウェイクラッチを採用した場合、駆動周波数ｆ０で出力軸５の回転方向を反転させると、内回転部は回転数“−Ｎ１”で、外回転部は回転数“−Ｎ２”でそれぞれ駆動される。したがって、回転数は、−Ｎ１＜−Ｎ２、つまり、相対的な角速度差がマイナスとなる関係にあるため、クラッチ機構８は、常時、噛合状態となる。したがって、ワンウェイクラッチを使用する場合には、反転時に摩耗しやすい状態となるため、摩耗を回避するために、反転時の発生トルクが小さい用途での使用が好ましい。

具体的には、振動型アクチュエータ１Ａをロボットハンドの把持動作用のモータとして用いる場合、把持方向の回転では高トルクが求められるが、把持解放時は必要トルクは微小であるため、ワンウェイクラッチは好適である。また、振動型アクチュエータ１Ａを複写機の感光体ドラムの駆動用のモータとして用いる場合、基本的に感光体ドラムの回転は一方向駆動であるため、利用する回転方向の耐久性を向上させることができるように設置するとよい。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る振動型アクチュエータ１Ｂの概略構造を示す断面図である。図３では、振動型アクチュエータ１Ｂの構成部品のうち、第１実施形態に係る振動型アクチュエータ１Ａの構成部品と同じものについては、同じ符号を付している。

振動型アクチュエータ１Ｂが備える振動体２、第１の回転部、第２の回転部のそれぞれの構成要素は、第１実施形態で説明した振動型アクチュエータ１Ａが備える振動体２、第１の回転部、第２の回転部のそれぞれの構成要素と同じである。よって、これらの構成要素についての説明は省略する。また、振動型アクチュエータ１Ｂにおいて、第１の被駆動体２１を振動体２に対して付勢する構成を含めて、内回転部（第１の回転部）の構成も、第１実施形態で説明した振動型アクチュエータ１Ａの構成と同じであるため、ここでの説明を省略する。

一方、振動型アクチュエータ１Ｂの外回転部は、第２のディスク４２と、出力軸５に取り付けられたセットカラー９との間にスラスト軸受７ａが配置された構造を有する。セットカラー９は、第２の加圧部３２である皿ばねが所定の撓み量となって、第２の被駆動体２２を振動体２に対して所定の力で押圧力を作用させている位置で、セットビスにより出力軸５に固定されている。

振動型アクチュエータ１Ｂでは、クラッチ機構８ａは、第２のディスク４２と出力軸５との間に設置されている。クラッチ機構８ａは、噛合状態と空転状態とを切り替える機能を有する。クラッチ機構８ａが噛合状態にあるときには、外回転部での発生トルクを、第２のディスク４２から出力軸５へ伝達することができる。即ち、外回転部については、摩擦摺動部、第２の被駆動体２２、第２の加圧部３２、第２のディスク４２、噛合状態にあるクラッチ機構８ａを順次経由して、出力軸５へトルクが伝達される。一方、クラッチ機構８ａが空転状態にあるときには、外回転部の摩擦摺動部から出力軸５へはトルクが伝達されない。

なお、振動型アクチュエータ１Ｂにラジアル荷重が加わると、クラッチ機構８ａの空転時のトルクである空転トルクが大きくなることがある。このような空転トルクの上昇を回避するために、スラスト軸受７ａの代わりに、ラジアル荷重をも受けることが可能なアンギュラスラスト軸受等を用いてもよい。

振動型アクチュエータ１Ｂにおいて、内回転部の構成は、第１実施形態に係る振動型アクチュエータ１Ａの内回転部の構成と同じである。そのため、クラッチ機構８ａの噛合状態と空転状態とが切り替わるタイミングや、クラッチ機構８ａにより得られる振動型アクチュエータ１ＢのＴＮ特性等の駆動性能は、振動型アクチュエータ１Ａの場合と同じであるので、ここでの説明を省略する。また、振動型アクチュエータ１Ｂが、振動型アクチュエータ１Ａと同様の効果を奏することは、言うまでもない。

次に、クラッチ機構８ａの設置位置について説明する。なお、クラッチ機構８ａの設置位置についての説明は、第１実施形態に係る振動型アクチュエータ１Ａが備えるクラッチ機構８にも適用される。

振動型アクチュエータ１Ａでは、第１の被駆動体２１の第１の加圧受部２１ｃと第２の被駆動体２２の第２の加圧受部２２ｃとの間にクラッチ機構８を設置した。これに対して、振動型アクチュエータ１Ｂでは、第２のディスク４２と出力軸５との間にクラッチ機構８ａを設置している。いずれの場合も、クラッチ機構８，８ａは、振動部以外の部位に設置されている。これは、振動型アクチュエータ１Ａ，１Ｂにおいて、高周波振動がクラッチ機構８，８ａに伝搬すると、フレッティング摩耗がクラッチ機構８，８ａに生じやすくなり、クラッチ機構８，８ａの耐久性を低下させることになるからである。つまり、振動部以外の部位にクラッチ機構８，８ａを設置することにより、クラッチ機構８，８ａの劣化を抑制することができる。

振動型アクチュエータ１Ａ，１Ｂは、振動体２に励起させた高周波の微小送り運動によって第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２を駆動するため、高周波振動は、第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２へと伝搬する。ここで、第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２は、それぞれ、図１１に示した支持部９２と接触部９３と同様の支持部と接触部とからなる接触ばね構造を有しており、この接触ばね構造部が高周波数で振動する。しかし、この高周波振動は、曲げ剛性の小さい接触ばね構造部からより曲げ剛性の大きい本体部へと伝搬する際に、その一部が反射されて振動エネルギが減衰すると共に、振動振幅が１／５以下に減衰される。したがって、クラッチ機構８，８ａを、第１の被駆動体２１の第１の本体部２１ａ及び第２の被駆動体２２の第２の本体部２２ａよりも出力軸５側の、振動振幅が減衰された位置に設置すればよい。クラッチ機構８，８ａが配置される前述の「振動部以外の部位」とは、このような振動振幅が低減された位置を指す。

可能であれば、振動型アクチュエータ１Ａのクラッチ機構８のように、減衰性に優れた第１の本体受部２１ｂ及び第２の本体受部２２ｂよりも出力軸５側をクラッチ機構の設置位置とすることが好ましい。また、振動型アクチュエータ１Ｂのクラッチ機構８ａのように、より多く複数の部品間の接触面や第２の加圧部３２を経た位置をクラッチ機構の設置位置とすることが更に好ましい。これは、振動型アクチュエータ１Ｂでは、高周波振動は、クラッチ機構８ａに到達するまでに、一般的な振動計で観測できないレベルまで減衰し、ほぼ消滅していると考えることができるからである。

＜第３実施形態＞
図４は、本発明の第３実施形態に係る振動型アクチュエータ１Ｃの概略構造を示す断面図である。図４では、振動型アクチュエータ１Ｃの構成部品のうち、第１実施形態に係る振動型アクチュエータ１Ａの構成部品と同じ機能を有するものについては、同じ符号を付している。

第１の被駆動体２１及び第２の被駆動体２２を摩擦駆動する振動体は、２つの弾性体６１と、圧電素子６２と、２つの弾性体６１のそれぞれに設けられた摩擦部材６３とで構成されている。振動体は、ベース部材６４に支持されると同時に、第１の加圧部３１と第２の加圧部３２とによって第１の被駆動体２１と第２の被駆動体２２とに挟持されており、ここでは、第１の加圧部３１及び第２の加圧部３２としてコイルばねを用た構造を用いている。よって、第１の被駆動体２１及び第２の被駆動体２２はそれぞれ、振動体と加圧接触しており、振動体との間に摩擦力が生じている。そして、この摩擦力が駆動力となって、第１の被駆動体２１及び第２の被駆動体２２が同じ回転方向に駆動される原理は、上述した第１及び第２実施形態と同じであるので、ここでの説明を省略する。

振動型アクチュエータ１Ｃは、軸受７ｂ，７ｃ、クラッチ機構８ｂ、２つの回転止め１０，１１、２本の出力軸５１，５２及びケース１２を備える。２つの軸受７ｃはそれぞれ、弾性体６１を支持する。回転止め１０は、出力軸５１と第１の被駆動体２１とを連結する部材であり、回転止め１１は、出力軸５２と第２の被駆動体２２とを連結する部材である。回転止め１０，１１はそれぞれ、出力軸５１，５２に対する軸方向位置を決める機能を有しており、第１の加圧部３１と第２の加圧部３２であるそれぞれのコイルばねを所定の撓み量まで変形させた状態で固定される。これにより、第１の被駆動体２１及び第２の被駆動体２２がそれぞれ、所定の加圧力で振動体へ押し付けられている。出力軸５１，５２はそれぞれ、軸受７ｂによりケース１２に対する軸方向位置が決められている。

以上より、振動型アクチュエータ１Ｃでは、第１の被駆動体２１、第１の加圧部３１及び回転止め１０により第１の回転部が構成され、第２の被駆動体２２、第２の加圧部３２及び回転止め１１により第２の回転部が構成されている。このような構造を有する振動型アクチュエータ１Ｃもまた、圧電素子６２によって振動する１つの振動体と、振動体と加圧接触される２つの被駆動体（第１の被駆動体２１、第２の被駆動体２２）を有する構成となっている。そのため、振動型アクチュエータ１Ｃもまた、従来技術として図１１を参照して説明した、同心円状に複数の被駆動体を配置した円環型の従来の振動型アクチュエータと同じ課題を有している。

しかし、振動型アクチュエータ１Ｃでは、図１１の従来の振動型アクチュエータとは異なり、クラッチ機構８ｂを外部への出力伝達手段である出力軸５１，５２の間に設置している。そして、クラッチ機構８ｂは、第１実施形態で説明したクラッチ機構８と同様に、噛合状態と空転状態とを切り替える機能を有している。そのため、クラッチ機構８ｂは、第１の回転部と第２の回転部の相対的な角速度差に応じて、第１実施形態と同じ仕組みで駆動することができる。よって、第１の被駆動体２１及び第２の被駆動体２２と振動体との相対的な滑り量の増大による摺動損失の増加は生じずに、耐久性を向上させることができる。つまり、振動型アクチュエータ１Ｃは、第１及び第２実施形態で説明した振動型アクチュエータ１Ａ，１Ｂと同じ効果を奏し、従来技術として図１１を参照して説明した振動型アクチュエータが有する課題が解決された構造となっている。

＜第４実施形態＞
一般に、ロボットのアーム関節部の曲げやハンド部の把持動作に用いられるモータには、低回転数で高トルクのＴＮ特性を有するものが求められるため、上述した本発明の実施形態に係る各種の振動型アクチュエータが好適である。そこで、第４実施形態では、上述した本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータを備える装置（機械）の一例としての産業用ロボットの構成について、図５を参照して説明する。

図５は、振動型アクチュエータを搭載したロボット１００の概略構造を示す斜視図であり、ここでは、産業用ロボットの一種である水平多関節ロボットを例示している。振動型アクチュエータは、図７において、アーム関節部１１１やハンド部１１２に内蔵される。アーム関節部１１１は、２本のアーム１２０が交差する角度を変えることができるように、２本のアームを接続する。ハンド部１１２は、アーム１２０と、アーム１２０の一端に取り付けられる把持部１２１と、アーム１２０と把持部１２１とを接続するハンド関節部１２２とを有する。振動型アクチュエータは、アーム１２０同士の角度を変化させるアーム関節部１１１や、把持部１２１を、所定角度、回転させるハンド関節部１２２に用いられる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態では、上述した本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータを備える装置の一例としての画像形成装置の構成について、図６乃至図８を参照して説明する。図６は、振動型アクチュエータを搭載したカラー画像形成装置２００の内部構成を示す側断面図である。カラー画像形成装置２００は、４つの画像形成手段Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄを備えるが、画像形成手段の数は４つに限定されるものではない。

画像形成手段Ｐａ〜Ｐｄはそれぞれ、実質的に同一の構成を有しており、回転駆動される像担持体である感光体ドラム２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄを有する。感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄのそれぞれの周辺には、感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄをそれぞれ一様に帯電させる帯電器２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄが設けられている。また、感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄのそれぞれの周辺には、感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄのそれぞれのドラム表面に形成された静電潜像を現像する現像器２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄ、現像された顕画像を転写材２３０へ転写する転写用の帯電器２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄ、感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄ上に残存するトナーを除去するクリーニング器２０５，２０５ｂ，２０５ｃ，２０５ｄが、感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄの回転方向に順次配設されている。更に、感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄのそれぞれの上方には、露光装置２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃ，２０６ｄが配置されている。

搬送ベルト２２５は、給送手段２１０を通じて送給される転写材２３０を担持し、駆動ローラ２２３によって図８に示す矢印Ａ方向に駆動される。搬送ベルト２２５と駆動ローラ２２３は、転写材２３０を、順次、画像形成手段Ｐａ〜Ｐｄへ搬送する搬送手段を構成している。本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータは、感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄを回転させるための駆動モータとして、また、搬送ベルト２２５を駆動するための駆動ローラ２２３を回転させるための駆動モータとして、用いられる。

図７は、感光体ドラム駆動用モータとして振動型アクチュエータを搭載するときの概略構成を示す斜視図である。感光体ドラム２５０（感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄに対応する）の駆動軸２５５に、例えば、振動型アクチュエータ１Ａ（１Ｂ，１Ｃ）を直接接続することができる。これにより、従来は必要であったギア等の減速手段を用いなくても済むため、色ずれを低減させて、印刷品位を向上させることができる。

図８は、搬送ベルト駆動用モータとして振動型アクチュエータを搭載するときの概略構成を示す斜視図である。図８において、搬送ベルト２６５（搬送ベルト２２５に対応する）の駆動ローラ２６０（駆動ローラ２２３に対応する）の駆動軸２５５に、例えば、振動型アクチュエータ１Ａ（１Ｂ，１Ｃ）を直接接続することができる。こうして搬送ベルト２６５を駆動することにより、感光体ドラムを振動型アクチュエータで駆動したときに得られる前述の効果と同じ効果を得ることができる。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。さらに、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

１Ａ、１Ｂ，１Ｃ 振動型アクチュエータ
２ 振動体
２ａ 弾性体
２ｂ 圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）
５ 出力軸
６ ベース部材
７ ラジアル軸受
８，８ａ，８ｂ クラッチ機構
９ セットカラー
２１ 第１の被駆動体
２２ 第２の被駆動体
３１ 第１の加圧部
３２ 第２の加圧部
４１ 第１のディスク
４２ 第２のディスク

Claims (10)

1. 電気−機械エネルギ変換素子、および、前記電気−機械エネルギ変換素子が接合された弾性体を有する振動体と、
   前記振動体と加圧接触する第１の被駆動体と、
   前記振動体と加圧接触する第２の被駆動体と、
   前記第１の被駆動体および前記第２の被駆動体のそれぞれの駆動力を伝達可能に設けられた出力手段と、を備える振動型アクチュエータであって、
   前記第１の被駆動体の駆動力が前記出力手段に直接伝達されるように前記第１の被駆動体を前記出力手段に接続する接続手段と、
   前記第２の被駆動体を前記出力手段に対して空転させる空転手段と、
   前記第２の被駆動体の駆動力を前記第１の被駆動体に対して伝達可能に構成された伝達手段と、を備えることを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記振動体は、円環状の形状を有し、
   前記第１の被駆動体および前記第２の被駆動体は、同心円状に配置されて前記振動体に加圧接触し、
   前記伝達手段は、前記第１の被駆動体と前記第２の被駆動体のそれぞれの角速度の差に基づいて、駆動力の伝達を遮断する空転状態と駆動力を伝達する噛合状態とが切り替わるクラッチ機構であることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記第１の被駆動体は、前記第２の被駆動体よりも内周側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記クラッチ機構は、前記第１の被駆動体の角速度が前記第２の被駆動体の角速度よりも大きい場合に前記空転状態となり、前記第１の被駆動体の角速度が前記第２の被駆動体の角速度よりも小さい場合に前記噛合状態となることを特徴とする請求項２又は３に記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記クラッチ機構は、前記第２の被駆動体と前記出力手段との間であって、前記振動体による摩擦駆動を受けることによって前記第１の被駆動体および前記第２の被駆動体のそれぞれに生じる振動の振幅が低減された位置に設置されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
6. 前記空転手段は、軸受であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
7. 少なくとも２本のアームと、
   前記２本のアームを接続する関節部と、を備えるロボットであって、
   前記関節部は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータを有し、前記振動型アクチュエータの回転によって前記２本のアームが交差する角度を変えることを特徴とするロボット。
8. アームと、
   前記アームの一端に設けられる把持部と、
   前記アームと前記把持部とを接続する関節部と、を備えるロボットであって、
   前記関節部は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータを有し、前記振動型アクチュエータの回転によって前記把持部を、所定角度、回転させることを特徴とするロボット。
9. 像担持体と、
   前記像担持体に対向して設けられた搬送ベルトと、
   前記像担持体を回転駆動する請求項１乃至６のいずれか１項に振動型アクチュエータと、を備えることを特徴とする画像形成装置。
10. 像担持体と、
    前記像担持体に対向して設けられた搬送ベルトと、
    前記搬送ベルトを駆動する請求項１乃至６のいずれか１項に振動型アクチュエータと、を備えることを特徴とする画像形成装置。