JP2021035213A - 圧電駆動装置およびロボット - Google Patents

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雄大 岡前
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友寿 岩▲崎▼
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Abstract

【課題】ローターの軽量化と振動の抑制とを両立する。【解決手段】圧電駆動装置は、回転力を出力する出力部と、出力部の外周に配置された伝達部とを有し、回転軸を中心に回転するローターと、圧電素子を有し、圧電素子の変形によってローターを回転させる振動部と、を備える。伝達部は、出力部から伝達部に向かう径方向における位置が異なる第1部分と第2部分とを有し、第1部分は、出力部に接続され、第2部分のヤング率は、第1部分のヤング率よりも大きく、第2部分の単位体積当たりの質量は、第1部分の単位体積当たりの質量よりも大きく、振動部は、回転軸の軸方向からの平面視において、第2部分に重なる位置で伝達部に接触する。【選択図】図1

Description

本開示は、圧電駆動装置およびロボットに関する。
特許文献1には、圧電素子の変形を用いて楕円運動する振動体と、振動体との接触によって駆動される被駆動体とを備える装置が記載されている。この装置では、被駆動体は、主にステンレス鋼によって形成されている。
特開2016−063712号公報
上述した装置では、消費電力の低減等の観点から、被駆動体の軽量化が望まれる。しかし、被駆動体を軽量化した場合、被駆動体が振動しやすくなって、振動体から被駆動体に対して駆動力を効率良く伝達できなくなる可能性がある。
本開示の一形態によれば、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、回転力を出力する出力部と、前記出力部の外周に配置された伝達部とを有し、回転軸を中心に回転するローターと、圧電素子を有し、前記圧電素子の変形によって前記ローターを回転させる振動部と、を備える。前記伝達部は、前記出力部から前記伝達部へ向かう径方向における位置が異なる第1部分と第2部分とを有し、前記第1部分は、前記出力部に接続され、前記第2部分のヤング率は、前記第1部分のヤング率よりも大きく、前記第2部分の単位体積当たりの質量は、前記第1部分の単位体積当たりの質量よりも大きく、前記振動部は、前記回転軸の軸方向からの平面視において、前記第2部分に重なる位置で前記伝達部に接触する。
第1実施形態の圧電モーターの概略構成を示す第1の説明図。 第1実施形態の圧電モーターの概略構成を示す第2の説明図。 第1実施形態の圧電アクチュエーターの構成を示す斜視図。 第1実施形態の圧電アクチュエーターの構成を示す平面図。 第1平行ばね部と第2平行ばね部とが変形する様子を示す説明図。 第1実施形態の圧電アクチュエーターのVI−VI線断面図。 第1実施形態の振動部の構成を示す説明図。 第1実施形態の振動部の動作を示す説明図。 第2実施形態の圧電モーターの概略構成を示す第1の説明図。 第3実施形態のロボットの概略構成を示す説明図。 第4実施形態のプリンターの概略構成を示す説明図。
A.第1実施形態:
図1は、第1実施形態における圧電モーター10の概略構成を示す第1の説明図である。図2は、第1実施形態における圧電モーター10の概略構成を示す第2の説明図である。本実施形態における圧電モーター10は、圧電モーター10の外形を区画するケース20と、ケース20の内部に収容された圧電アクチュエーター30と、圧電アクチュエーター30によって駆動されるローター40と、ローター40を回転可能に支持するベアリング50とを備えている。圧電アクチュエーター30は、圧電素子32を備えており、圧電素子32の二次元的な変形を用いてローター40を回転させる。ローター40の回転は、出力部41を介して圧電モーター10の外部に伝達される。圧電モーター10は、ケース20に対するローター40の回転方向や、回転角や、回転速度を検出するエンコーダーを備えてもよい。エンコーダーは、光学式であっても、磁気式であってもよい。尚、圧電モーター10のことを圧電駆動装置や、超音波モーターと呼ぶことがある。ローター40のことを被駆動部と呼ぶことがある。
ケース20は、下ケース29と蓋部23とによって構成されている。下ケース29は、底面部21と、底面部21の外周縁から蓋部23に向かって立設された側面部22とを備えている。底面部21の中央には、出力部41が貫通する開口部26が設けられている。底面部21の、開口部26の外周には、ベアリング50の外輪が接続される突起部24が設けられている。底面部21の外周縁の内側には、圧電アクチュエーター30が接続される段差部25が設けられている。ベアリング50や圧電アクチュエーター30の接続については後述する。蓋部23は、ベアリング50とローター40と圧電アクチュエーター30とが下ケース29に接続された後に、ねじによって下ケース29の側面部22の上端部分に接続される。蓋部23には、配線等が通る貫通孔27が設けられている。
圧電アクチュエーター30は、固定部材36を介してケース20の段差部25に固定されている。圧電アクチュエーター30は、上述した圧電素子32と、ローター40の被接触面49に対向する先端部33とを備えている。圧電素子32に交流電流が供給されることによって、圧電素子32が変形して、先端部33が楕円軌道を描くように振動する。先端部33は、この振動によってローター40の被接触面49に繰り返し接触して、ローター40に駆動力を付与する。本実施形態では、圧電アクチュエーター30は、ねじによって固定部材36に固定されている。固定部材36は、ねじと接着剤とのうちの少なくともいずれか一方によって段差部25に固定されている。尚、圧電アクチュエーター30の具体的な構成および動作については後述する。
図2には、蓋部23から底面部21に向かって視た圧電アクチュエーター30とローター40との位置関係が表されている。本実施形態における圧電モーター10には、4つの圧電アクチュエーター30が設けられている。4つの圧電アクチュエーター30は、等間隔に配置されている。尚、圧電モーター10に設けられる圧電アクチュエーター30の数は、4つに限られず、1つから3つでもよいし、5つ以上でもよい。圧電アクチュエーター30は、等間隔に配置されなくてもよい。
ローター40は、上述した出力部41と、出力部41の外周に配置され、出力部41に接続された伝達部45とを有している。本実施形態では、ローター40は、回転軸RXを中心に回転する。ローター40は、中空の出力部41を有している。尚、ローター40は、中実の出力部41を有してもよい。ローター40の出力部41の回転軸RXに沿って下ケース29から蓋部23に向かう方向のことを軸方向ADと呼び、出力部41の回転軸RXに直交し、回転軸RXから外側に向かう方向のことを径方向RDと呼ぶ。また、ローター40の回転方向のことを周方向CDと呼ぶ。これらの方向AD,RD,CDは、各図において適宜図示した。
伝達部45は、圧電アクチュエーター30の先端部33から駆動力を受け、この駆動力を出力部41に伝達する。伝達部45は、出力部41から径方向RDの外側に向かって順に連接された、第1部分46と第2部分47とを有している。本実施形態では、第1部分46は、回転軸RXを中心とする円環状の部分と、回転軸RXを中心とする円筒状の部分とが組み合わされた形状を有している。第1部分46の円環状の部分は、出力部41の外周側面に接続されている。第1部分46の円環状の部分は、出力部41の外周側面における蓋部23側の端部から径方向RDにおける外側に向かって延びている。第1部分46の円筒状の部分は、第1部分46の円環状の部分からケース20の底面部21に向かって延びている。第1部分46の円筒状の部分の外径は、第1部分46の円環状の部分の外径と同じである。第1部分46は、軸方向ADにおいて、ベアリング50に重なる領域R1と、径方向RDにおいて、ベアリング50に重なる領域R2を有している。第2部分47は、第1部分46の円筒状の部分の外周側面に接続されている。第2部分47は、第1部分46の外周側面における底面部21側の端部から、径方向RDにおける外側に向かって延びている。第2部分47は、回転軸RXを中心とする円環形状を有している。第2部分47は、軸方向ADにおいて第1部分46に重なっていない。そのため、本実施形態では、第2部分47と出力部41との間の距離は、第1部分46と出力部41との間の距離よりも長い。尚、軸方向ADにおいて重なるとは、軸方向ADに沿って視たときに重なっていることを意味する。径方向RDにおいて重なるとは、径方向RDに沿って視たときに重なっていることを意味する。例えば、第1部分46の領域R1は、第1部分46とベアリング50とを軸方向ADに沿って視たときに、ベアリング50に重なっている第1部分46の領域のことを意味する。
本実施形態では、出力部41と第1部分46とは、一体に形成されている。図1および図2には、出力部41と第1部分46との境界線が二点鎖線で表されている。尚、出力部41と第1部分46とは、別体として形成されてもよい。この場合、別体として形成された出力部41と第1部分46とは、ねじや溶接や接着等によって互いに固定される。図1および図2に示した出力部41と第1部分46との境界線は、説明上、便宜的に付したものであり、各部の機能に鑑みて適宜設定されてもよい。
第1部分46と第2部分47とは、別体として形成されている。本実施形態では、第1部分46と第2部分47とは、ねじによって互いに固定されている。尚、第1部分46に雄ねじ部が設けられ、第2部分47に雌ねじ部が設けられ、雄ねじ部と雌ねじ部とが嵌め合わされることによって、第1部分46と第2部分47とが互いに固定されてもよい。第1部分46と第2部分47とは、溶接や接着等によって接続されてもよい。
第1部分46と第2部分47とは、異なる材料によって形成されている。第2部分47のヤング率は、第1部分46のヤング率よりも大きい。第2部分47の単位体積当たりの質量は、第1部分46の単位体積当たりの質量よりも大きい。本実施形態では、第1部分46との材料は、アルミニウム合金であり、第2部分47の材料は、ステンレス鋼である。尚、第1部分46の材料がアルミニウム合金で、かつ、第2部分47の材料がチタン合金であってもよい。第1部分46の材料が樹脂材料で、かつ、第2部分47の材料がステンレス鋼であってもよい。第1部分46の材料が樹脂材料で、かつ、第2部分47の材料がチタン合金であってもよい。樹脂材料には、例えば、ポリアセタール(POM)、ポリアミド(PA)、ポリカーボネート(PC)、変性ポリフェニレンエーテル(m−PPE)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)等のエンジニアリングプラスチックや、非晶ポリアリレート(PAR)、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルスルホン(PSE)、ポリフェニレンスルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のスーパーエンジニアリングプラスチックを用いることができる。尚、本実施形態では、出力部41の材料は、第1部分46の材料と同じである。
本実施形態では、伝達部45は、高硬度部48を有している。高硬度部48は、軸方向ADにおいて、圧電アクチュエーター30の先端部33と第2部分47との間に配置されている。高硬度部48は、回転軸RXを中心とする円環形状を有している。高硬度部48の外径は、第2部分47の外径と同じである。高硬度部48の内径は、第1部分46の外径よりも大きい。軸方向ADにおいて、高硬度部48の全域が第2部分47に重なっている。つまり、高硬度部48は、径方向RDに沿って第2部分47から突き出した部分を有しない。第2部分47の一部は、径方向RDにおける第1部分46と高硬度部48との間に配置されており、第1部分46と高硬度部48とに接している。高硬度部48は、軸方向ADに交差する第2部分47の面と、径方向RDに交差する第2部分47の面とに絶縁性の接着剤によって接着されている。高硬度部48には、圧電アクチュエーター30の先端部33が接触する被接触面49が設けられている。被接触面49は、軸方向ADにおいて、第2部分47に重なっている。高硬度部48の硬度は、第2部分47の硬度よりも大きい。高硬度部48の硬度と第2部分47の硬度とは、ビッカース硬さ試験(JIS Z 2244)によって測定された硬度のことを意味する。ビッカース硬さ試験には、組み立てられた状態の圧電モーター10から採取された試験片が用いられて、高硬度部48の硬度と第2部分47の硬度とが測定される。本実施形態では、高硬度部48は、セラミック材料によって形成されている。より具体的には、高硬度部48は、アルミナ(酸化アルミニウム)によって形成されている。尚、高硬度部48を形成するセラミック材料として、アルミナの他に、例えば、ジルコニアや、チタン酸バリウムを用いることができる。高硬度部48は、金属材料によって形成されてもよい。高硬度部48を形成する金属材料として、例えば、超硬合金、高速度鋼、合金工具鋼等を用いることができる。高硬度部48は、ねじや拡散接合等によって第2部分47に固定されてもよい。第2部分47に溝が形成され、この溝に高硬度部48が嵌め込まれてもよい。
ベアリング50は、ローター40の出力部41と、ケース20の突起部24との間に設けられている。ベアリング50は、ケース20に対して回転可能にローター40を支持している。本実施形態では、ベアリング50として、回転軸RXを中心とする円環形状を有するローラーベアリングが用いられている。ベアリング50は、ローラーベアリングではなく、例えば、ボールベアリングであってもよい。ローター40がベアリング50に支持されることによって、ローター40は、回転軸RXを中心にして円滑に回転できる。
ベアリング50の外輪は、第1支持部材56とケース20の底面部21とによって挟持されている。第1支持部材56は、回転軸RXを中心とする円環形状を有している。周方向CDに垂直な第1支持部材56の断面は、L字形状を有している。本実施形態では、第1支持部材56の外内周側面とケース20の突起部24の内周側面とのそれぞれに、ねじ部が設けられており、ねじ部同士が嵌め合わされることによって、第1支持部材56が突起部24に固定されている。
ベアリング50の内輪は、第2支持部材57とローター40の出力部41とによって挟持されている。第2支持部材57は、回転軸RXを中心とする円環形状を有している。周方向CDに垂直な第2支持部材57の断面は、第1支持部材56の断面を180度回転させたL字形状を有している。本実施形態では、ローター40の出力部41の外周側面と第2支持部材57の内周側面とのそれぞれに、ねじ部が設けられており、ねじ部同士が嵌め合わされることによって、第2支持部材57がローター40に固定されている。
図1に示すように、ベアリング50と第1支持部材56と第2支持部材57とを用いて、下ケース29に対して、ローター40が回転可能に接続された後、図2に示すように、圧電アクチュエーター30が予め接続された固定部材36が、下ケース29に接続される。
図3は、圧電アクチュエーター30の構成を示す斜視図である。図3には、互いに直交するX,Y,Z方向に沿った矢印が表されている。X方向は、図1および図2に示した軸方向ADと平行な方向であり、Z方向は、図1および図2に示した径方向RDと平行な方向である。これらの方向X,Y,Zは、各図において適宜図示した。圧電アクチュエーター30は、圧電素子32を有する本体部39と、本体部39に接続された先端部33と、ローター40に向かって本体部39を付勢する第1平行ばね部60と、第1平行ばね部60とともに、ローター40に向かって本体部39を付勢する第2平行ばね部70とを備えている。
本体部39は、第1平行ばね部60と第2平行ばね部70との間に配置されている。本体部39は、圧電素子32と、第1振動板81と、第2振動板82と、第1層間部材85とによって構成されている。圧電素子32は、第1振動板81と、第2振動板82との間に設けられている。第1層間部材85は、第1振動板81と第2振動板82との間の隙間を埋めるように設けられている。
圧電素子32は、両面に電極が設けられた圧電体によって構成されている。本実施形態では、圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛によって形成されている。圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛ではなく、例えば、チタン酸バリウムや水晶によって形成されてもよい。電極は、図示しない配線によって、スイッチング素子を介して電源に接続されている。
第1振動板81と第2振動板82とは、同じ形状を有している。第1振動板81と第2振動板82とは、シリコンによって形成されている。圧電素子32と第1振動板81との間、および、圧電素子32と第2振動板82との間は、絶縁性の接着剤によって接着されている。第1層間部材85は、シリコンによって形成されている。第1層間部材85と第1振動板81との間、および、第1層間部材85と第2振動板82との間は、絶縁性の接着剤によって接着されている。
先端部33は、絶縁性の接着剤によって本体部39に接着されている。先端部33は、耐摩耗性に優れる材料によって形成されることが好ましい。本実施形態では、先端部33は、アルミナによって形成されている。
第1平行ばね部60は、第1非ばね部61と、第2非ばね部62と、第1非ばね部61と第2非ばね部62との間を接続する複数の第1板ばね部63とを有している。本実施形態では、第1非ばね部61と第2非ばね部62との間は、6つの第1板ばね部63によって接続されている。第1非ばね部61と第2非ばね部62とは、第1平行ばね部60において、X方向に沿って変形しにくい部分である。第1板ばね部63は、第1平行ばね部60において、X方向に沿って変形しやすい部分である。それぞれの第1板ばね部63は、Y方向に向かって互いに平行に延びている。それぞれの第1板ばね部63は、Z方向において本体部39に対向して配置されている。
第2平行ばね部70は、第3非ばね部71と、第4非ばね部72と、第3非ばね部71と第4非ばね部72との間を接続する複数の第2板ばね部73とを有している。第3非ばね部71と第4非ばね部72とは、第2平行ばね部70において、X方向に沿って変形しにくい部分である。第2板ばね部73は、第2平行ばね部70において、X方向に沿って変形しやすい部分である。それぞれの第2板ばね部73は、Y方向に向かって互いに平行に延びている。それぞれの第2板ばね部73は、Z方向において本体部39に対向して配置されている。本実施形態では、第2平行ばね部70は、本体部39を挟んで第1平行ばね部60と対称形状を有している。
第1平行ばね部60と第2平行ばね部70とは、それぞれ、シリコンによって形成されている。第1平行ばね部60における第1非ばね部61と第2非ばね部62と第1板ばね部63とは、板状のシリコンにドライエッチングを用いて形成できる。第2平行ばね部70における第3非ばね部71と第4非ばね部72と第2板ばね部73とは、板状のシリコンにドライエッチングを用いて形成できる。
第1平行ばね部60の第2非ばね部62と第2平行ばね部70の第4非ばね部72との間には、第2非ばね部62から第4非ばね部72に向かって、第3振動板83と、第2層間部材86と、第4振動板84とがこの順に設けられている。第3振動板83と第4振動板84とは、同じ形状を有している。第3振動板83と第4振動板84とは、シリコンによって形成されている。第3振動板83のZ方向に沿った厚みは、第1振動板81のZ方向に沿った厚みと同じである。第4振動板84のZ方向に沿った厚みは、第2振動板82のZ方向に沿った厚みと同じである。第2層間部材86は、シリコンによって形成されている。第2層間部材86のZ方向に沿った厚みは、第1層間部材85のZ方向に沿った厚みと同じである。
第2非ばね部62と第4非ばね部72とには、圧電アクチュエーター30を固定部材36に固定するためのねじが挿入される取付穴38が2つ設けられている。取付穴38は、第1平行ばね部60と、第3振動板83と、第2層間部材86と、第4振動板84と、第2平行ばね部70とを貫通して設けられている。
図4は、圧電アクチュエーター30の構成を示す平面図である。本体部39は、振動部31と、支持部34と、腕部35とを有している。振動部31は、圧電素子32を有する部分である。第1平行ばね部60から第2平行ばね部70に向かって視た振動部31の形状は、X方向に沿った長手方向を有する長方形である。振動部31の一方の短辺の中央には、先端部33が接続されている。腕部35は、振動部31の他方の短辺と振動部31の両方の長辺とに対向する部分である。支持部34は、振動部31の両方の長辺の中央と腕部35との間を接続する部分である。
第1平行ばね部60の第1非ばね部61は、第1厚肉部65と、第1薄肉部66とを有している。第1薄肉部66のZ方向に沿った厚みは、第1厚肉部65のZ方向に沿った厚みよりも小さい。第1厚肉部65は、第1非ばね部61における腕部35に対向する領域に設けられている。図4には、第1厚肉部65が設けられた領域にハッチングが施されている。第1薄肉部66は、第1非ばね部61における振動部31と支持部34とに対向する領域に設けられている。第1厚肉部65は、絶縁性の接着剤によって腕部35に接着されている。第1薄肉部66は、振動部31と支持部34との間に所定の間隔を有している。
第2平行ばね部70の第3非ばね部71は、第2厚肉部75と、第2薄肉部76とを有している。第2薄肉部76のZ方向に沿った厚みは、第2厚肉部75のZ方向に沿った厚みよりも小さい。第2厚肉部75は、第3非ばね部71における腕部35に対向する領域に設けられている。図4には、第2厚肉部75が設けられた領域にハッチングが施されている。第2薄肉部76は、第3非ばね部71における振動部31と支持部34とに対向する領域に設けられている。第2厚肉部75は、絶縁性の接着剤によって腕部35に接着されている。第2薄肉部76は、振動部31と支持部34との間に所定の間隔を有している。
図5は、第1平行ばね部60と第2平行ばね部70とが変形する様子を示す説明図である。第1平行ばね部60は、X方向に沿った荷重に対して、平行ばね機構として機能する。第2平行ばね部70は、第1平行ばね部60と同様に、X方向に沿った荷重に対して、平行ばね機構として機能する。例えば、図5に示すように、先端部33が−X方向に向かって荷重Fxを受けた場合、第1非ばね部61と第3非ばね部71とは、本体部39を介して、−X方向に向かって押される。第1非ばね部61と第3非ばね部71とが−X方向に向かって押されることによって、それぞれの第1板ばね部63は、互いに平行な状態を保ちつつ、−X方向に向かって撓み、それぞれの第2板ばね部73は、互いに平行な状態を保ちつつ、−X方向に向かって撓む。第1非ばね部61は、第2非ばね部62に対して回転せずに、第1板ばね部63の−X方向への撓み量に応じて−X方向に向かって並進移動するとともに、第1板ばね部63の撓みに伴う第1板ばね部63と第1非ばね部61との接続部の+Y方向への移動量に応じて+Y方向に向かって並進移動する。第3非ばね部71は、第4非ばね部72に対して回転せずに、第2板ばね部73の−X方向への撓み量に応じて−X方向に向かって並進移動するとともに、第2板ばね部73の撓みに伴う第2板ばね部73と第3非ばね部71との接続部の+Y方向への移動量に応じて+Y方向に向かって並進移動する。尚、図5には、移動前の第1平行ばね部60と第2平行ばね部70との位置が二点鎖線で表されている。第1非ばね部61と第2非ばね部62と第3非ばね部71と第4非ばね部72とは、ほとんど変形しない。第2非ばね部62と第4非ばね部72とは、固定部材36に固定されているため、固定部材36に対して移動しない。
図6は、図4における圧電アクチュエーター30のVI−VI線断面図である。本実施形態では、第1板ばね部63の断面形状と、第2板ばね部73の断面形状とは、長方形の断面形状を有している。
図7は、振動部31の構成を示す説明図である。本実施形態では、振動部31は、第1圧電素子32Aと、第2圧電素子32Bと、第3圧電素子32Cと、第4圧電素子32Dと、第5圧電素子32Eとを有している。各圧電素子32A〜32Eは、振動部31の長手方向に沿って配置されている。図7において、第1圧電素子32Aは、振動部31の中央に配置されている。第2圧電素子32Bと第3圧電素子32Cとは、第1圧電素子32Aの左側に配置されている。第2圧電素子32Bは、支持部34よりも下方に配置されている。第3圧電素子32Cは、支持部34よりも上方に配置されている。第4圧電素子32Dと第5圧電素子32Eとは、第1圧電素子32Aの右側に配置されている。第4圧電素子32Dは、支持部34よりも下方に配置されている。第5圧電素子32Eは、支持部34よりも上方に配置されている。
図8は、振動部31の動作を示す説明図である。第2圧電素子32Bと第5圧電素子32Eとに供給される交流電流の位相と、第3圧電素子32Cと第4圧電素子32Dとに供給される交流電流の位相とを180度異ならせ、かつ、第1圧電素子32Aに供給される交流電流の位相と、第2圧電素子32Bと第5圧電素子32Eとに供給される交流電流の位相とを異ならせることによって、振動部31を二次元的に変形させて、先端部33を楕円運動させることができる。この際に、振動部31は、支持部34との接続部分を節にして変形する。先端部33が楕円運動を繰り返すことによって、先端部33とローター40の被接触面49とが繰り返し接触する。先端部33と被接触面49とが接触する際に、先端部33は、周方向CDに沿った駆動力をローター40に伝達する。そのため、先端部33が楕円運動を繰り返す間、ローター40は、回転軸RXを中心にして回転する。本実施形態では、先端部33と被接触面49とが接触する際に、先端部33は、被接触面49に向かって付勢されるので、先端部33は、周方向CDに沿った駆動力を効率良くローター40に伝達できる。尚、上述した各圧電素子32A〜32Eに供給される交流電流を180度反転させることによって、ローター40を逆向きに回転させることができる。
以上、説明した本実施形態の圧電モーター10によれば、単位体積当たりの質量の小さな第1部分46がローター40に設けられることによって、ローター40を軽量化でき、かつ、ヤング率および単位体積当たりの質量の大きな第2部分47がローター40に設けられることによって、ローター40の剛性を確保できるので、ローター40の振動を抑制できる。そのため、ローター40の軽量化と、圧電アクチュエーター30からローター40に対して駆動力を効率良く伝達することとを両立できる。特に、本実施形態では、出力部41と第1部分46とが同じ材料で一体に形成されているので、ローター40を効果的に軽量化できる。
また、本実施形態では、単位体積当たりの質量の大きな第2部分47が、径方向RDにおいて出力部41から遠い位置に設けられている。そのため、ローター40の振動を効果的に抑制できる。
また、本実施形態では、ローター40の高硬度部48に設けられた被接触面49に、圧電アクチュエーター30の先端部33が接触する。そのため、先端部33との接触によるローター40の摩耗を抑制できる。
また、本実施形態では、軸方向ADにおける先端部33と第2部分47との間に高硬度部48が配置されているので、径方向RDにおいて圧電モーター10を小型化できる。
また、本実施形態では、高硬度部48は、第1部分46に直接接続されずに、第2部分47を介して第1部分46に接続されている。そのため、高硬度部48から第1部分46に対して圧電アクチュエーター30からの駆動力が直接伝わることを抑制できる。そのため、第1部分46が振動することを抑制できるので、圧電アクチュエーター30からローター40の出力部41に対して駆動力をより効率良く伝達することができる。
また、本実施形態では、被接触面49は、軸方向ADにおいてローター40の両端の間に設けられているので、圧電アクチュエーター30とローター40とを径方向RDにおいて重なるように配置できる。そのため、軸方向ADにおいて圧電モーター10を小型化できる。
B.第2実施形態:
図9は、第2実施形態における圧電モーター10bの構成を示す断面図である。第2実施形態の圧電モーター10bでは、ローター40bの伝達部45bの構成と、圧電アクチュエーター30の配置とが第1実施形態と異なる。その他の構成は、特に説明しない限り、図1から図8までに示した第1実施形態と同じである。
本実施形態では、伝達部45bの第1部分46bは、出力部41から径方向RDにおける外側に向かって延びている。第1部分46bは、回転軸RXを中心とする円環形状を有している。伝達部45bの第2部分47bは、第1部分46bからケース20の底面部21に向かって延びている。第2部分47bは、回転軸RXを中心とする円筒形状を有している。第2部分47bの外径は、第1部分46bの外径と同じである。第2部分47bの外周側面には、高硬度部48bが設けられている。高硬度部48bは、回転軸RXを中心とする円筒形状を有している。高硬度部48bの外周側面には、圧電アクチュエーター30の先端部33が接触する被接触面49bが設けられている。高硬度部48bは、径方向RDにおいて、第2部分47bに重なっており、第2部分47bに接着されている。尚、高硬度部48bは、径方向RDにおいて、第1部分46bと第2部分47bとに重なって、第1部分46bと第2部分47bとに接着されてもよい。
本実施形態では、圧電アクチュエーター30は、振動部31から先端部33に向かう方向が径方向RDに沿い、かつ、第1平行ばね部60から第2平行ばね部70に向かう方向が軸方向ADに沿うようにケース20b内に配置されている。図9では、固定部材36の図示が省略されているが、圧電アクチュエーター30は、固定部材36を介して、下ケース29bの段差部25bに固定されている。尚、本実施形態では、軸方向ADに沿った段差部25bの高さは、第1実施形態の段差部25の高さよりも低い。軸方向ADに沿った側面部22bの高さは、第1実施形態の側面部22の高さよりも低い。
以上、説明した本実施形態の圧電モーター10bによれば、第1実施形態の圧電モーター10に比べて、軸方向ADにおいて圧電モーター10bをさらに小型化できる。
C.第3実施形態:
図10は、第3実施形態におけるロボット100の概略構成を示す斜視図である。本実施形態におけるロボット100は、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。ロボット100は、6軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース101と、ベース101に対して回転可能に連結された第1アーム102と、第1アーム102に対して回転可能に連結された第2アーム103と、第2アーム103に対して回転可能に連結された第3アーム104と、第3アーム104に対して回転可能に連結された第4アーム105と、第4アーム105に対して回転可能に連結された第5アーム106と、第5アーム106に対して回転可能に連結された第6アーム107と、各アーム102,103,104,105,106,107の駆動を制御するロボット制御部108とを備えている。第6アーム107にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット100に実行させる作業に応じたエンドエフェクター109が装着される。各関節部のうちの全部または一部には、第1実施形態で説明した圧電モーター10が搭載されており、この圧電モーター10の駆動によって、各アーム102,103,104,105,106,107が回転する。各圧電モーター10の駆動は、ロボット制御部108によって制御される。
ロボット制御部108は、1以上のプロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースとを備えるコンピューターによって構成されている。本実施形態では、ロボット制御部108は、主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令をプロセッサーが実行することによって、ロボット100の動作を制御する。尚、ロボット制御部108は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。
以上、説明した本実施形態のロボット100によれば、関節部に第1実施形態で説明した圧電モーター10が用いられているため、軽量な圧電モーター10によって、各アーム102,103,104,105,106,107を駆動させる駆動力を効率良く供給できる。尚、ロボット100は、第2実施形態で説明した圧電モーター10bを備えてもよい。
D.第4実施形態:
図11は、プリンター200を示す説明図である。本実施形態におけるプリンター200は、装置本体210と、装置本体210の内部に設けられている印刷機構220、給紙機構230および制御部240とを備えている。
装置本体210には、記録用紙Pを設置するトレイ211と、記録用紙Pを排出する排紙口212と、液晶ディスプレイ等の操作パネル213とが設けられている。
印刷機構220は、ヘッドユニット221と、キャリッジモーター222と、キャリッジモーター222の駆動力によりヘッドユニット221を往復動させる往復動機構223とを備えている。
ヘッドユニット221は、インクジェット式記録ヘッドであるヘッド224と、ヘッド224にインクを供給するインクカートリッジ225と、ヘッド224およびインクカートリッジ225を搭載したキャリッジ226とを有している。
往復動機構223は、キャリッジ226を往復移動可能に支持しているキャリッジガイド軸227と、キャリッジモーター222の駆動力によりキャリッジ226をキャリッジガイド軸227上で移動させるタイミングベルト228とを有している。
給紙機構230は、互いに圧接している従動ローラー231および駆動ローラー232と、第1実施形態で説明した圧電モーター10と、を有している。圧電モーター10は、駆動ローラー232を駆動させる給紙モーターとして用いられる。尚、上述したキャリッジモーター222に、圧電モーター10が用いられてもよい。
制御部240は、例えばパーソナルコンピュータ等のホストコンピュータから入力された印刷データに基づいて、印刷機構220や給紙機構230等を制御する。
プリンター200は、給紙機構230が記録用紙Pを一枚ずつヘッドユニット221の下部近傍へ間欠送りする。このとき、ヘッドユニット221が記録用紙Pの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動して、記録用紙Pへの印刷が行なわれる。
以上、説明した本実施形態のプリンター200によれば、駆動ローラー232を駆動させる給紙モーターとして第1実施形態で説明した圧電モーター10が用いられているため、軽量な圧電モーター10によって、駆動ローラー232を駆動させる駆動力を効率良く供給できる。尚、プリンター200は、第2実施形態で説明した圧電モーター10bを備えてもよい。
E.他の実施形態:
(E1)上述した各実施形態における圧電モーター10,10bでは、伝達部45,45bの第2部分47,47bと出力部41との間の距離は、第1部分46,46bと出力部41との間の距離よりも長い。これに対して、第2部分47,47bと出力部41との間の距離は、第1部分46,46bと出力部41との間の距離以下であってもよい。例えば、伝達部45,45bは、出力部41から径方向RDの外側に向かって順に、ヤング率と単位体積当たりの質量とが大きな第2部分と、ヤング率と単位体積当たりの質量とが小さな第1部分とが連接された形態であってもよい。この場合、径方向RDにおいて出力部41から遠いローター40,40bの一部を軽量化できるので、ローター40,40bの慣性モーメントを小さくできる。そのため、ローター40,40bの回転の開始と停止との応答性を高めることができる。
(E2)上述した各実施形態における圧電モーター10,10bでは、伝達部45,45bは、高硬度部48,48bを有しており、圧電アクチュエーター30の先端部33は、高硬度部48,48bに設けられた被接触面49,49bに接触する。これに対して、伝達部45,45bは、高硬度部48,48bを有しなくてもよい。この場合、被接触面49,49bは、第2部分47,47bに設けられる。
(E3)上述した第1実施形態における圧電モーター10では、高硬度部48は、第1部分46に直接接続されずに、第2部分47を介して第1部分46に接続されている。これに対して、高硬度部48は、第1部分と第2部分との両方に直接接続されてもよい。例えば、高硬度部48の内径と第1部分46の外径とが同じになるように、高硬度部48が設けられてもよい。この場合、高硬度部48は、第1部分46と第2部分47との両方に接し、高硬度部48と第2部分47とは、ねじや接着や拡散接合等によって互いに固定される。尚、高硬度部48と第1部分46とは、互いに固定されずに接してもよいし、ねじや接着や拡散接合等によって互いに固定されて接してもよい。
(E4)上述した各実施形態における圧電モーター10,10bでは、第1部分46,46bは、軸方向ADにおいてベアリング50に重なる領域R1と、径方向RDにおいてベアリング50に重なる領域R2とを有している。これに対して、第1部分46,46bは、軸方向ADにおいてベアリング50に重なる領域R1と、径方向RDにおいてベアリング50に重なる領域R2とのうちの少なくともいずれか一方を有しなくてもよい。
(E5)上述した各実施形態における圧電モーター10,10bでは、第2部分47,47bは、第1部分46,46bに接続されている。これに対して、第1部分46,46bと第2部分47,47bとの間に、第1部分46,46bや第2部分47,47bとは、ヤング率や単位体積当たりの質量の異なる第3部分が配置され、第2部分47,47bは、第3部分を介して第1部分46,46bに接続されてもよい。例えば、出力部41から径方向RDの外側に向かって順に、第1部分46,46bと、第3部分と、第2部分47,47bとが連接されてもよい。第3部分のヤング率は、第1部分46,46bのヤング率よりも大きく、かつ、第2部分47,47bのヤング率よりも小さくてもよい。第3部分の単位体積当たりの質量は、第1部分46,46bの単位体積当たりの質量よりも大きく、かつ、第2部分47,47bの単位体積当たりの質量よりも小さくてもよい。この場合、ローター40,40bの重量と剛性とをより細かく調節できる。
(E6)上述した第1実施形態における圧電モーター10では、高硬度部48は、圧電アクチュエーター30の先端部33とローター40の第2部分47との間に配置されている。これに対して、高硬度部48は、圧電アクチュエーター30の先端部33とローター40の第2部分47との間に配置されていなくてもよい。例えば、高硬度部48は、第1部分46の外周側面に沿った円筒形状を有し、高硬度部48の外周側面に被接触面49が設けられて、圧電アクチュエーター30は、図9に示した第2実施形態と同じ向きに配置されてもよい。
F.他の形態:
本開示は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
(1)本開示の第1の形態によれば、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、回転力を出力する出力部と、前記出力部の外周に配置された伝達部とを有し、回転軸を中心に回転するローターと、圧電素子を有し、前記圧電素子の変形によって前記ローターを回転させる振動部と、を備える。前記伝達部は、前記出力部から前記伝達部へ向かう径方向における位置が異なる第1部分と第2部分とを有し、前記第1部分は、前記出力部に接続され、前記第2部分のヤング率は、前記第1部分のヤング率よりも大きく、前記第2部分の単位体積当たりの質量は、前記第1部分の単位体積当たりの質量よりも大きく、前記振動部は、前記回転軸の軸方向からの平面視において、前記第2部分に重なる位置で前記伝達部に接触する。
この形態の圧電駆動装置によれば、第1部分が設けられることによって、ローターを軽量化できるとともに、第2部分が設けられることによって、ローターの剛性を確保できるので、ローターの振動を抑制できる。そのため、ローターの軽量化と、振動部からローターの出力部に対して駆動力を効率良く伝達することとを両立できる。
(2)上記形態の圧電駆動装置において、前記第2部分と前記出力部との間の前記径方向に沿った距離は、前記第1部分と前記出力部との間の前記径方向に沿った距離よりも長くてもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、第2部分が出力部から遠い位置に設けられることによって、ローターの振動を効果的に抑制できる。
(3)上記形態の圧電駆動装置において、前記ローターは、ベアリングに支持されており、前記第1部分は、前記軸方向からの平面視において前記ベアリングに重なる領域と、前記径方向からの平面視において前記ベアリングに重なる領域とを有してもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、軸方向において圧電駆動装置を小型化できる。
(4)上記形態の圧電駆動装置において、前記伝達部は、前記第2部分に固定され、前記第2部分よりも硬度の大きな高硬度部を有し、前記振動部は、前記高硬度部に接触してもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、振動部との接触によるローターの摩耗を抑制できる。
(5)上記形態の圧電駆動装置において、前記高硬度部は、前記軸方向における前記振動部と前記第2部分との間に配置されてもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、径方向において圧電駆動装置を小型化できる。
(6)上記形態の圧電駆動装置において、前記第2部分の一部は、前記第1部分と前記高硬度部との間に配置され、前記第1部分と前記高硬度部に接してもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、高硬度部から第1部分に対して振動部からの駆動力が直接伝わることを抑制できるので、第1部分が振動することを抑制できる。そのため、振動部からローターの出力部に対して駆動力をより効率良く伝達することができる。
(7)上記形態の圧電駆動装置において、前記高硬度部の材料は、セラミック材料であってもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、振動部との接触によるローターの摩耗をより確実に抑制できる。
(8)上記形態の圧電駆動装置において、前記第1部分の材料は、アルミニウム合金または樹脂材料であり、前記第2部分の材料は、ステンレス鋼またはチタン合金であってもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、ローターの軽量化と、振動部からローターの出力部に対して駆動力を効率良く伝達することとをより確実に両立できる。
(9)本開示の第2の形態によれば、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、回転力を出力する出力部と、前記出力部の外周に配置された伝達部とを有し、回転軸を中心に回転するローターと、圧電素子を有し、前記圧電素子の変形によって前記ローターを回転させる振動部と、を備える。前記伝達部は、前記回転軸の軸方向における位置が異なる第1部分と第2部分とを有し、前記第1部分は、前記出力部に接続され、前記第2部分のヤング率は、前記第1部分のヤング率よりも大きく、前記第2部分の単位体積当たりの質量は、前記第1部分の単位体積当たりの質量よりも大きく、前記振動部は、前記出力部から前記伝達部に向かう径方向からの平面視において、前記第2部分に重なる位置で前記伝達部に接触する。
この形態の圧電駆動装置によれば、ローターの軽量化と、振動部からローターの出力部に対して駆動力を効率良く伝達することとを両立できる。
(10)上記形態の圧電駆動装置において、前記伝達部は、前記第2部分に固定され、前記第2部分よりも硬度の大きな高硬度部を有し、前記振動部は、前記高硬度部に接触してもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、振動部との接触によるローターの摩耗を抑制できる。
(11)上記形態の圧電駆動装置において、前記高硬度部の材料は、セラミック材料であってもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、振動部との接触によるローターの摩耗をより確実に抑制できる。
(12)上記形態の圧電駆動装置において、前記第1部分の材料は、アルミニウム合金または樹脂材料であり、前記第2部分の材料は、ステンレス鋼またはチタン合金であってもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、ローターの軽量化と、振動部からローターの出力部に対して駆動力を効率良く伝達することとをより確実に両立できる。
本開示は、圧電駆動装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、ロボット、プリンター等の形態で実現することができる。
10…圧電モーター、20…ケース、21…底面部、22…側面部、23…蓋部、24…突起部、25…段差部、26…開口部、27…貫通孔、29…下ケース、30…圧電アクチュエーター、31…振動部、32…圧電素子、33…先端部、34…支持部、35…腕部、36…固定部材、38…取付穴、39…本体部、40…ローター、41…出力部、45…伝達部、46…第1部分、47…第2部分、48…高硬度部、49…被接触面、50…ベアリング、56…第1支持部材、57…第2支持部材、60…第1平行ばね部、61…第1非ばね部、62…第2非ばね部、63…第1板ばね部、65…第1厚肉部、66…第1薄肉部、70…第2平行ばね部、71…第3非ばね部、72…第4非ばね部、73…第2板ばね部、75…第2厚肉部、76…第2薄肉部、81…第1振動板、82…第2振動板、83…第3振動板、84…第4振動板、85…第1層間部材、86…第2層間部材、100…ロボット、101…ベース、102…第1アーム、103…第2アーム、104…第3アーム、105…第4アーム、106…第5アーム、107…第6アーム、108…ロボット制御部、109…エンドエフェクター、200…プリンター、210…装置本体、211…トレイ、212…排紙口、213…操作パネル、220…印刷機構、221…ヘッドユニット、222…キャリッジモーター、223…往復動機構、224…ヘッド、225…インクカートリッジ、226…キャリッジ、227…キャリッジガイド軸、228…タイミングベルト、230…給紙機構、231…従動ローラー、232…駆動ローラー、240…制御部

Claims (13)

  1. 回転力を出力する出力部と、前記出力部の外周に配置された伝達部とを有し、回転軸を中心に回転するローターと、
    圧電素子を有し、前記圧電素子の変形によって前記ローターを回転させる振動部と、
    を備え、
    前記伝達部は、前記出力部から前記伝達部へ向かう径方向における位置が異なる第1部分と第2部分とを有し、
    前記第1部分は、前記出力部に接続され、
    前記第2部分のヤング率は、前記第1部分のヤング率よりも大きく、
    前記第2部分の単位体積当たりの質量は、前記第1部分の単位体積当たりの質量よりも大きく、
    前記振動部は、前記回転軸の軸方向からの平面視において、前記第2部分に重なる位置で前記伝達部に接触する、
    圧電駆動装置。
  2. 請求項1に記載の圧電駆動装置であって、
    前記第2部分と前記出力部との間の前記径方向に沿った距離は、前記第1部分と前記出力部との間の前記径方向に沿った距離よりも長い、圧電駆動装置。
  3. 請求項2に記載の圧電駆動装置であって、
    前記ローターは、ベアリングに支持されており、
    前記第1部分は、前記軸方向からの平面視において前記ベアリングに重なる領域と、前記径方向からの平面視において前記ベアリングに重なる領域とを有する、圧電駆動装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって、
    前記伝達部は、前記第2部分に固定され、前記第2部分よりも硬度の大きな高硬度部を有し、
    前記振動部は、前記高硬度部に接触する、圧電駆動装置。
  5. 請求項4に記載の圧電駆動装置であって、
    前記高硬度部は、前記軸方向における前記振動部と前記第2部分との間に配置されている、圧電駆動装置。
  6. 請求項4または請求項5に記載の圧電駆動装置であって、
    前記第2部分の一部は、前記第1部分と前記高硬度部との間に配置され、前記第1部分と前記高硬度部に接する、圧電駆動装置。
  7. 請求項4から請求項6のいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって、
    前記高硬度部の材料は、セラミック材料である、圧電駆動装置。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって、
    前記第1部分の材料は、アルミニウム合金または樹脂材料であり、
    前記第2部分の材料は、ステンレス鋼またはチタン合金である、圧電駆動装置。
  9. 回転力を出力する出力部と、前記出力部の外周に配置された伝達部とを有し、回転軸を中心に回転するローターと、
    圧電素子を有し、前記圧電素子の変形によって前記ローターを回転させる振動部と、
    を備え、
    前記伝達部は、前記回転軸の軸方向における位置が異なる第1部分と第2部分とを有し、
    前記第1部分は、前記出力部に接続され、
    前記第2部分のヤング率は、前記第1部分のヤング率よりも大きく、
    前記第2部分の単位体積当たりの質量は、前記第1部分の単位体積当たりの質量よりも大きく、
    前記振動部は、前記出力部から前記伝達部に向かう径方向からの平面視において、前記第2部分に重なる位置で前記伝達部に接触する、圧電駆動装置。
  10. 請求項9に記載の圧電駆動装置であって、
    前記伝達部は、前記第2部分に固定され、前記第2部分よりも硬度の大きな高硬度部を有し、
    前記振動部は、前記高硬度部に接触する、圧電駆動装置。
  11. 請求項10に記載の圧電駆動装置であって、
    前記高硬度部の材料は、セラミック材料である、圧電駆動装置。
  12. 請求項9から請求項11のいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって、
    前記第1部分の材料は、アルミニウム合金または樹脂材料であり、
    前記第2部分の材料は、ステンレス鋼またはチタン合金である、圧電駆動装置。
  13. 第1アームと、
    前記第1アームに対して回転する第2アームと、
    前記第2アームを駆動する請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
    を備えるロボット。
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