JP2021145532A - アクチュエータ、駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトなアクチュエータを提供すること。【解決手段】ステータ２と、前記ステータ２に接触し、前記ステータ２に対して相対運動するロータ３とを備え、ステータ２は、環状体であり、該環状体は、周回方向に沿う第１面と、前記周回方向に沿い、かつ、前記第１面に直交する第２面とを有し、前記第１面、前記第２面の各々に、通電により前記各面に楕円振動を発生させる振動発生部材２３が設けられており、ロータ３は、前記ステータ２に対して前記接触する部分において湾曲軌跡を描くように、前記楕円振動により生成される駆動力により前記相対運動する、アクチュエータ１である。【選択図】図１

Description

本発明は、多自由度方向に動作可能なアクチュエータ、及び、当該アクチュエータを構成するための駆動装置に関するものである。

球面等の多自由度方向に動作可能なアクチュエータとして、例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載のアクチュエータは、軸方向を適宜の方向に選んで回転部材を回転させることができるアクチュエータを提供することを課題とし、この課題を解決する手段として、球面体（または部分球面体）からなる回転部材と、中心軸と同一方向に柱状の穴を有する多角柱部材と、前記多角柱部材の側面に設けられた振動発生部材（圧電素子）とを備える。そして、前記回転部材の球面部分が、前記柱状の穴を覆うように前記多角柱部材の端部に設けられ、前記振動発生部材が所定域の周波数で駆動されることにより、前記回転部材は、回転軸が任意の方向の軸まわりのトルクを前記多角柱部材の端部から受けるものとされている。

ところで、この特許文献１に記載のアクチュエータでは、多角柱部材の各側面に振動発生部材が設けられており、これらの振動発生部材（圧電素子）のうち、少なくとも１つの素子を所定域の周波数で駆動させることで、回転部材が所定方向の軸を中心に回転する。例えば、特許文献１における図１（Ａ）の圧電素子（当該図面の符号「１３２」）の場合、Ｘ軸及びＺ軸それぞれの方向に沿って伸縮する。この圧電素子の伸縮動作により、回転部材を所定方向に回転する駆動力を生成する。このため、回転部材に十分にトルクを与えるためには、多角柱部材の側面の面積（すなわち、幅方向と高さ方向双方の寸法）を確保する必要があった。よって、特に多角柱部材の高さ方向寸法を短縮することが難しいので、アクチュエータのコンパクト化が困難であった。

特開２００９−３３８７７号公報

そこで本発明は、コンパクトなアクチュエータ及び駆動装置を提供することを課題とする。

本発明は、固定部と、前記固定部に接触し、前記固定部に対して相対運動する可動部とを備え、前記固定部、前記可動部のうち一方は、環状体であり、該環状体は、周回方向に沿う第１面と、前記周回方向に沿い、かつ、前記第１面に直交する第２面とを有し、前記第１面、前記第２面の各々に、通電により前記各面に楕円振動を発生させる振動発生部材が設けられており、前記固定部、前記可動部のうち他方は、前記一方に対して前記接触する部分において湾曲軌跡を描くように、前記楕円振動により生成される駆動力により前記相対運動する、アクチュエータである。

ここで、「楕円振動により生成される駆動力」とは、固定部と可動部が直接的に接触する際に生じる摩擦力や、固定部と可動部との間に、例えばグリス層などを介在させ、粘性力を利用して間接的に与えられる駆動力も含まれる。

この構成によれば、固定部、可動部のうち一方が環状体であって、第１面、第２面の各々に、通電により前記各面に楕円振動を発生させる振動発生部材が設けられる。これにより、前記一方をコンパクトに形成できる。

また、前記固定部、前記可動部のうち前記他方における、前記一方に前記接触する部分は球面とされていて、前記一方の前記環状体における内縁に対して前記接触するものとできる。

この構成によれば、環状体における内縁から楕円振動が伝達され、可動部が球面に沿って運動する。このため、可動部を運動させるための構成を簡単にできる。

また本発明は、周回方向に沿う第１面と、前記周回方向に沿い、かつ、前記第１面に直交する第２面とを有する環状体と、前記第１面、前記第２面の各々に、通電により前記各面に楕円振動を発生させる振動発生部材と、を有し、前記楕円振動による摩擦力により、接触した可動部を運動させる、駆動装置である。

この構成によれば、駆動装置をコンパクトに形成できる。

本発明は、固定部、可動部のうち、環状体である一方をコンパクトに形成できる。よって、コンパクトなアクチュエータ及び駆動装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係るアクチュエータの構成を簡略的に示した斜視図である。 前記アクチュエータのうちステータの構成を簡略的に示し、（ａ）は平面側を上方に示した斜視図、（ｂ）は底面側を上方に示した斜視図である。 前記アクチュエータの構成を簡略的に示した正面図である。 前記アクチュエータの構成を簡略的に示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視の断面図、（ｃ）は底面図である。 前記アクチュエータのうちステータの振動モードのうち、水平たわみモードにおける、ステータの変形を強調して示すシミュレーション図である。 前記アクチュエータのうちステータの振動モードのうち、（ａ）は垂直たわみモード（第１モード）、（ｂ）は垂直たわみモード（第２モード）における、ステータの変形を強調して示すシミュレーション図である。 前記アクチュエータのうちステータの振動モードのうち、（ａ）は高次水平モード（第１モード）、（ｂ）は高次水平モード（第２モード）における、ステータの変形を強調して示すシミュレーション図である。

本発明に係るアクチュエータ１につき、一実施形態を取り上げて、構成を簡略的に示した図面とともに以下説明を行う。なお、上下方向及び水平方向の表現は、図１の状態における方向である。

本実施形態のアクチュエータ１は、図１に示すように、固定部としてのステータ２と可動部としてのロータ３とを備える。なお、最終的には適合するロータ３と組み合わされてアクチュエータ１を構成することになるが、ステータ２を駆動装置として単体で製造及び流通させることもできる。図示のように、ステータ２の上方にロータ３が載せられている。

ステータ２は、本実施形態のアクチュエータ１において、一定位置から移動しないよう不動（ただし、後述の楕円振動を発生させるための、一定位置内でのステータ２の移動、また、ばねやダンパー等の支持部に支持されたことによる支持部の変位に伴う移動は除く）とされている。図示していないが、ステータ２は前記支持部により周囲から支持されている。ステータ２は、図２に示すように、平面視における中央に上下に貫通した開口部を有する環状体である。ステータ２は、金属等の単一素材により、一体に形成されている。なお、ステータ２は、複数の部材を連結してひと固まりに形成することもできる。しかし、固有振動数の設定を容易にする観点では、一体に形成することが好ましい。

本実施形態のステータ２は、図２に示すように、平面視形状で正方形状枠体とされている。詳しくは、当該枠体の平面視における外縁形状が角のある正方形、内縁形状が角の取れた（アールのある）正方形とされている。正方形状の枠体の各枠部分の横断面形状は、図４（ｂ）に示すように、水平方向寸法に比べて上下方向寸法が小さい、横長長方形とされている。つまりステータ２は全体として、水平方向寸法に比べて上下方向寸法が小さい扁平な形状である。ステータ２は、枠体における周回方向に沿う第１面２１と、周回方向に沿い、かつ、前記第１面２１に直交する第２面２２とを有する。ステータ２を水平設置した場合、第１面２１は水平面となり、第２面２２は垂直面となる。第１面２１はステータ２における上下各面２１Ｕ，２１Ｄであり、第２面２２はステータ２における内外各側面である。ステータ２の内縁のうち上側の角がロータ３に対する接触縁２４である。図４（ｂ）に示すように、接触縁２４の長手方向中央の接触点２４Ｐにロータ３（球状であるロータ本体３１の表面）が接触する。本実施形態でのステータ２とロータ３との接触はほぼ点接触となっており、正方形状の各辺の中央にて４か所で接触している。

第１面２１、第２面２２の各々に、通電により各面に楕円振動を発生させる振動発生部材が設けられている。振動発生部材は、通電により伸縮または湾曲するように変形するものであって、本実施形態では圧電素子２３が用いられている。本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、第１面２１のうち下面２１Ｄの、長手方向中央かつ外縁寄りの領域に、前記下面２１Ｄの長手方向に沿うように底面圧電素子２３ＶＡ〜ＶＤが貼付されている。また図２（ａ）（ｂ）に示すように、第２面２２のうち外面の、長手方向中央の領域に、前記外面の、長手方向に沿うように側面圧電素子２３ＨＡ〜ＨＤが貼付されている。図示していないが、各圧電素子２３は、アンプ及び位相調整部に対して電気的に接続されており、位相の調整された状態で通電がなされる。

ここで、図５〜図７と共に、ステータ２の振動モードにつき説明する。なお、図５〜図７には図示の都合で符号は付していないが、ステータ２を示している。図中の実線は、ステータ２が変形していない状態を示している。以下の各振動モードにおける、正方形状枠体の各枠には水平または垂直方向への変形が繰り返される定在波が生じる。

図５は水平たわみ振動モードを示す。これは、ステータ２の対向する二辺を有する領域が、水平方向（ステータ２の面方向／外方向、内方向）で互いに逆方向にたわむような振動である。図５に矢印で示したように、対向する二辺の一方の組が内側に変形している場合、同時に、対向する二辺の他方の組が外側に変形する。この変形が、隣り合う二辺で繰り返される。

図６は垂直たわみ振動モードを示す。これは、ステータ２の対向する二辺を有する領域が、上下方向（ステータ２の厚み方向／上方向、下方向）で互いに逆方向にたわむような振動である。垂直たわみ振動モードには、図６（ａ）に示すように、対向する二辺を有する一組の領域が振動する第１モードと、図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）の一組とは隣り合う関係にある、対向する二辺を有する一組の領域が振動する第２モードとがある。

ここで、本実施形態のステータ２は、側面圧電素子２３ＨＡ〜ＨＤの動作による水平たわみ振動モードと、底面圧電素子２３ＶＡ〜ＶＤの動作による垂直たわみ振動モードとが、略等しい固有振動数を持つような形状とされている。このようにステータ２の形状を設定することで、側面圧電素子２３ＨＡ〜ＨＤと底面圧電素子２３ＶＡ〜ＶＤとで特別な動作をさせたり、振動に関連する特別な構成を付加したりすることなく、各振動モードを実現できる。ステータ２の形状の設定に関し、具体的に、ステータ２の大きさは基本的にロータ３の大きさによって決まる。一方、ステータ２の厚さ（上下寸法）と固有振動数とは相関関係があるので、ステータ２の大きさを変化させない場合、厚さを適宜設定することにより、水平たわみ振動モードと垂直たわみ振動モードとが略等しい固有振動数を持つようにできる。

更に、図７は高次水平たわみ振動モードを示す。これは、ステータ２の対向する二辺を有する領域が、水平方向（ステータ２の面方向／外方向、内方向）で互いに同方向にたわむような振動である。この振動は、ステータ２の対向する二辺を有する領域の、長手方向中央部（各図で正方形状枠体の各枠の幅方向に矢印を付した部分）が腹となり、それと隣り合う関係にある、対向する二辺を有する領域の、長手方向中央部（各図で正方形状枠体の各枠の長手方向に矢印を付した部分）が節となるような振動である。高次水平たわみ振動モードには、図７（ａ）に示すように、対向する二辺を有する一組の領域に腹がある第１モードと、図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）の一組とは隣り合う関係にある、対向する二辺を有する一組の領域に腹がある第２モードとがある。

前述した３種の振動モード各々につき、固有振動数付近の周波数で、各圧電素子２３に交流電圧を印加する。水平たわみ振動モードでは、側面Ａ圧電素子２３ＨＡと側面Ｃ圧電素子２３ＨＣとを正相で駆動させ、側面Ｂ圧電素子２３ＨＢと側面Ｄ圧電素子２３ＨＤとを逆相で駆動させる。

垂直たわみ振動モードのうち第１モードでは、底面Ａ圧電素子２３ＶＡを正相で駆動させ、底面Ｃ圧電素子２３ＶＣを逆相で駆動させる。第２モードでは、底面Ｂ圧電素子２３ＶＢを逆相で駆動させ、底面Ｄ圧電素子２３ＶＤを正相で駆動させる。

高次水平たわみ振動モードのうち第１モードでは、側面Ｂ圧電素子２３ＨＢを正相で駆動させ、側面Ｄ圧電素子２３ＨＤを逆相で駆動させる。第２モードでは、側面Ａ圧電素子２３ＨＡを逆相で駆動させ、側面Ｃ圧電素子２３ＨＣを正相で駆動させる。

前記各振動モードを、位相差または振幅差をもって組み合わせることにより、ロータ３を任意の軸まわりに回転させることができる。これについては後述する。

ロータ３は、ステータ２に接触し、ステータ２に対して相対運動する部分である。本実施形態のロータ３は球状（真球状）であって、中実体または中空体であるロータ本体３１と、ロータ本体３１から突出した突出部３２とを備える。ロータ本体３１はステータ２に対して運動する部分であり、突出部３２はロータ本体３１の動力を取り出す等できる部分である。このため、突出部３２に対して動力が伝達される種々の部材を接続することができる。

ロータ３はステータ２に対して、両者が接触する部分において湾曲軌跡を描くように運動する。ロータ本体３１は、ステータ２に対して、ステータ２に、前記楕円振動により生成される駆動力が伝達されるように接触している。本実施形態ではロータ３にかかる重力により、ロータ３がステータ２に接触している。なお、重力に加え、積極的に外力を加えることで、接触状態を安定させることもできる。ロータ本体３１における、ステータ２に接触する部分は、一定曲率の球面とされている。そして、ステータ２の環状体における内縁に対して接触する。本実施形態では、ロータ本体３１が球状（真球状）であることから、運動軌跡は一定曲率の軌跡となる。

次に、ステータ２の前記各振動モードとロータ３の回転運動との関係について説明する。前記各振動モードを、位相差または振幅差をもって組み合わせることにより、ロータ３を任意の軸まわりに回転させることができる。例えば、Ｘ軸まわりにロータ３を回転させるには、図５に示す水平たわみ振動モードと、図６（ａ）に示す垂直たわみ振動モード（第１モード）とを位相差９０°で組み合わせて励起する。これにより，ステータ２における図示左下部分及び図示右上部分の内縁がＸ軸まわりの楕円軌跡を描いて振動する。

また例えば、Ｙ軸まわりにロータ３を回転させるには、図５に示す水平たわみ振動モードと，図６（ｂ）に示す垂直たわみ振動モード（第２モード）とを位相差９０°で組み合わせて励起する。これにより、ステータ２における図示右下部分及び図示左上部分の内縁がＹ軸まわりの楕円軌跡を描いて振動する。

また、例えばＺ軸まわりにロータ３を回転させるには、図７（ａ）に示す高次水平たわみ振動モードの第１モードと、図７（ｂ）に示す第２モードとを位相差９０°で組み合わせて励起する。これにより、水平面内のたわみ変形による進行波がステータ２の周回方向に生成され，ステータ２の内縁がＺ軸まわりの楕円軌跡を描いて振動する。

このように前記各振動モードで振動するステータ２は、ロータ３との接触部分（接触点２４Ｐ）で、Ｘ軸まわり、Ｙ軸まわりに関しては図４（ｂ）に輪状に描いた矢印２Ｒ１で示したような楕円振動が発生する。Ｚ軸まわりに関して図４（ｃ）に輪状に描いた矢印２Ｒ２で示したような楕円振動が発生する。矢印２Ｒ１，２Ｒ２の方向は接触点２４Ｐの経時的な変位方向である。ステータ２に対してロータ３は摩擦をもって接触しているので、摩擦力がロータ３にかかって、図４（ａ）（ｂ）に矢印３Ｒ１で示し、また、図４（ａ）（ｃ）に矢印３Ｒ２で示すようにロータ３が回転する。このように、ステータ２の楕円振動が、摩擦力（言い換えると、ステータ２の楕円振動により生成される駆動力）によりロータ３に伝達されてロータ３が運動（回転運動）するので、ロータ３を運動させるための構成を簡単にできる。

前記各振動モードの組み合わせ方により、前述のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に限らず、例えば斜め方向に延びる軸等、中間的な方向に延びる軸まわりでロータ３を回転させることも可能である。また、ロータ３の回転速度に関しては、各圧電素子２３の動作に係る振幅（つまり、各圧電素子２３にかける電圧）を変更すること、また、位相差の変更により楕円振動の軌跡（楕円形状の扁平率）を変更することで調整できる。なお、ロータ３の回転トルクに関しては、前述のように、ロータ３がステータ２に接触する際に重力に加えて積極的に外力を加える場合、この外力の大小により調整できる。

以上、本実施形態のアクチュエータ１では、１個のステータ２と１個のロータ３との組み合わせで構成できるため、従来の多自由度方向に動作可能なアクチュエータ１に比べて構造を単純化できる。また、本実施形態のステータ２は扁平な形状であるためコンパクトである。そして、このステータ２をロータ３と組み合わせても格別突出する部分が発生しない。よって、全体としてコンパクトなアクチュエータ１とできる。よって、各種装置への組み込む際の、小型化の要求に十分応じられる。また、コンパクトで構成部品点数も少ないので、軽量化できる。また、ステータ２に対してロータ３は楕円振動を受ける部分で接触するだけのため、ロータ３の動作範囲が限定されにくく、全周または全周に近い動作範囲を実現できる。また、ステータ２とロータ３との間での摩擦力でロータ３が動作するので、空気中、真空中、液中を問わず使用が可能である。

以上、本発明につき一実施形態を取り上げて説明してきたが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、前記実施形態では、固定部であるステータ２に対して可動部であるロータ３が運動するよう構成されていた。しかし、前記運動は相対運動であればよい。このため、前記実施形態のロータ３と同一形状のものを固定部とし、前記実施形態のステータ２と同一形状のものを可動部とすることもできる。

また、ステータ２の形状は、前記実施形態では製造上の容易性により正方形枠状であったが、これに限られず、例えば円環状や多角形（三角形または五角形以上）環状であってもよい。また、外縁形状と内縁形状（開口部の形状）とが異なっていてもよい。

また、振動発生部材は前記実施形態では圧電素子２３であった。しかしこれに限定されず、振動を発生させる種々の素子を用いることができる。また、ステータ２における振動発生部材の設置数も限定されない。

また、ステータ２において振動発生部材が設けられる面は、前記実施形態では第１面２１のうち下面２１Ｄ、及び、第２面２２のうち外面であった。しかしこれ以外に、第１面２１のうち上面２１Ｕであってもよい。また、第２面２２のうち内面であってもよい。内面であっても、ステータ２に接触するロータ３と干渉しないように振動発生部材を貼付すれば問題ない。

また、前記実施形態では、ステータ２の内縁がロータ３に接触していた。しかし、ステータ２におけるロータ３の接触箇所は、ステータ２の外縁やステータ２における枠体の内外方向での中間部であってもよい。このような場合であっても、例えばステータ２からブラケットを突出させることで、ブラケットにロータ３を接触させることができる。

また、前記実施形態では、ロータ３におけるロータ本体３１は球状（真球状）であった。しかし、これに限定されず、半球状等、部分的な球状であってもよい。また、ステータ２に対する接触部分が球面のような面に限らず、線（例えばワイヤー等で形成される）であってもよく、ロータ３にステータ２に対して接触するラインが実在すればよい。また、前記実施形態と同様にロータ本体３１を球状（真球状）とする場合であっても、ロータ本体３１を網状体で構成された球体とすることもできる。

また、前記実施形態でのステータ２とロータ３との接触は点接触であったが、線接触や面接触であってもよい。

また、ステータ２とロータ３との上下関係も限定されない。また、前記実施形態では、ステータ２に対してロータ３の大部分は上方に位置していた。しかしこれに限定されず、ロータ３の略半分だけが上方に位置していてもよい。

また、ロータ３に突出部３２を複数設けてもよい。また、突出部３２を設けなくてもよい。この場合、例えばロータ本体３１にカメラ等の撮像素子やセンサを直接組み込むこともできる。

また、ロータ３は、ステータ２と同様に金属製であってもよい。しかし、これに限定されず、プラスチック製やその他の素材から作製されていてもよい。

１ アクチュエータ
２ 固定部、駆動装置、ステータ
２１ 第１面
２１Ｄ 第１面（下面）
２１Ｕ 第１面（上面）
２２ 第２面
２３ 振動発生部材、圧電素子
２３ＨＡ〜ＨＤ 側面圧電素子
２３ＶＡ〜ＶＤ 底面圧電素子
２４ 接触縁
２４Ｐ 接触点
３ 可動部、ロータ
３１ ロータ本体
３２ 突出部
２Ｒ１，２Ｒ２ 楕円振動の方向
３Ｒ１，３Ｒ２ ロータの回転方向

Claims (3)

1. 固定部と、前記固定部に接触し、前記固定部に対して相対運動する可動部とを備え、
   前記固定部、前記可動部のうち一方は、環状体であり、該環状体は、周回方向に沿う第１面と、前記周回方向に沿い、かつ、前記第１面に直交する第２面とを有し、
   前記第１面、前記第２面の各々に、通電により前記各面に楕円振動を発生させる振動発生部材が設けられており、
   前記固定部、前記可動部のうち他方は、前記一方に対して前記接触する部分において湾曲軌跡を描くように、前記楕円振動により生成される駆動力により前記相対運動する、アクチュエータ。
2. 前記固定部、前記可動部のうち前記他方における、前記一方に前記接触する部分は球面とされていて、前記一方の前記環状体における内縁に対して前記接触する、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 周回方向に沿う第１面と、前記周回方向に沿い、かつ、前記第１面に直交する第２面とを有する環状体と、
   前記第１面、前記第２面の各々に、通電により前記各面に楕円振動を発生させる振動発生部材と、を有し、
   前記楕円振動による摩擦力により、接触した可動部を運動させる、駆動装置。

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