JP2022551079A - 回転作動装置およびそのような回転作動装置を動作させるための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、基部（２）、ロータ（３）、および少なくとも２つの駆動ユニット（４）を各グループが含む、少なくとも２つのグループ（４０、４２）の駆動ユニットを含む回転作動装置（１）に関する。駆動ユニット（４）は、基部（２）上に周方向に、かつ基部とロータ（３）との間に配置され、各駆動ユニット（４）は、２つの変形可能なアクチュエータ（５）を含み、アクチュエータは、互いに相対的にＶ字形に配置され、摩擦要素（６）は、両方のアクチュエータに接続されており、ロータ（３）および摩擦要素（６）は、アクチュエータ（５）が変形していない場合、全ての摩擦要素（６）がロータ（３）と接触し、かつ接触面（Ｋ）に共に広がるように、駆動ユニット（４）の間に配置されたバネ装置（３０）によって、一方向に向かって押圧され、ロータ（３）の連続的な運動は、異なるグループ（４０、４２）の駆動ユニット（４）のアクチュエータ（５）の位相オフセット制御によって実施される。本発明はさらに、回転作動装置（１）を動作させるための方法に関する。

Description

本発明は、請求項１に記載の回転作動装置に関する。また、本発明は、請求項９に記載のそのような回転作動装置を動作させるための方法に関する。

本出願人の特許文献１には、その文献の図７において、駆動装置２を有する圧電走行駆動装置１を使用した回転作動装置が記載されており、この文献の図２を参照すると、４つの圧電アクチュエータ２１３、２１４、２２３、２２４がフレーム２０内にＶ字形の配置となるように対で挿入されている。互いに相対的にＶ字形に配置されたアクチュエータの各対は、関連する駆動部２１、２２と、駆動部とフレーム２０の基部２０１との間に配置された弾性バネ部２１１、２２１とによって、基部２０１のソリッドステートジョイント２１２、２２２に押圧され、その結果、特に、アクチュエータに加わるプレストレス力が設定される。

駆動装置２を基部フレーム４上に弾性変形可能な部分（特許文献１の図７には図示せず）によりソリッドステートジョイントの形態で配置することによって、駆動部は、円形ディスク状のロータ３に押圧され、他方、フレームの弾性特性によって、協働アクチュエータ対が制御されて、それに結合された駆動部の対応する動作が行われると、他の相互作用するアクチュエータ対の駆動部が、専ら受動的に（即ち、電気的作動なしに、かつ機械的配置または状況のみに起因して）ロータを離昇させるか、または付加的に能動的に（即ち、この駆動部のロータからの離昇を支援または改善する個々のアクチュエータ対の適切な電気的作動によって）にロータを離昇させることが可能となる。

特許文献１の図７により開示された回転作動装置の欠点は、特に、ロータの外周に配置された複数の駆動装置２が使用される場合、その比較的大きな空間要件である。
前述の問題を解決するために、発明の主題ではない本出願の図５によれば、例えば、環状ディスクとして設計されたロータの内周上に特許文献１による３つの駆動装置を配置することが可能であり、ここで、この点に関して、１つのみの駆動装置、または２つまたは３つを超える駆動装置の使用も可能である。駆動装置または複数の駆動装置のこの種の配置に基づいて、駆動装置の非駆動アクチュエータ対の駆動部の受動的な離昇をさらに有利にし、小さな調整面を備えた比較的小さな回転作動装置を実現することができる。しかしながら、これは、高精度で駆動するために、非常に高精度で低公差を維持しつつ製造する必要があるため、ロータの製造または内周面の機械加工が比較的複雑であるという点で不利である。さらに、そのような解決策では、ロータまたはその回転軸の配向に関して多くの手間をかける必要がある。

特許文献２は、その図３および４において、互いに相対的にＶ字形に配置された２つの圧電アクチュエータ１および２を各駆動ユニットが含む３つの駆動ユニットを含む回転作動装置を開示しており、２つの圧電アクチュエータ１および２の一方の端部が共通のベース１７に支持され、反対側の端部が運動機構１８を介して結合されており、ここで、運動機構１８は、ベース１７に連結されたネジによって運動機構１８に押し付けられる駆動要素１０を備え、圧縮力またはプレストレス力が、運動機構を介してアクチュエータ１および２に加えられる。

３つの駆動ユニットは、環状ディスクとして実施される被駆動要素１１の円周に均一に配置されており、３つの駆動要素１０は、互いに相対的に約１２０°の円周角度距離を有する。これらはベースと被駆動要素との間に配置されているので、回転作動装置の外形寸法は、固定壁２０またはハウジング２８によって実質的に規定される。

動作中、駆動ユニットのアクチュエータは、アクチュエータに結合された駆動要素１０が楕円の運動軌跡で高周波振動を発生するように電気的に制御され、特許文献２の第９欄第１３行の記載によれば、これらの振動の周波数は、２０ｋＨｚ、つまり超音波範囲内である。３つの駆動ユニットは全て、同期して動作するように同じ高周波電圧信号によって作用される。

３つの駆動ユニットの同期制御は、３つの駆動ユニットのいずれも被駆動要素１１と接触しない時間的な位相が生じ、その結果、これらの位相において駆動の中断が生じる。駆動の中断の時間的な位相は、駆動ユニットのアクチュエータの高い制御周波数、即ち、被駆動要素の高い回転速度においては、非常に短く、この速度領域では許容可能である。しかしながら、制御周波数が低いほど、または回転速度が低いほど、駆動の中断がより顕著になり、従って、特許文献２で既知の回転作動装置は、特定の用途からは除外される。

国際公開第２０１７／１５８０１７号 米国特許第４６１３７８２号明細書

このような背景に基づいて、本発明の目的は、コンパクトな寸法で非常に高精度で中断のない調整動作を可能にする回転作動装置を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の回転作動装置によって達成される。回転作動装置は、基部とロータとの間に基部上に周方向に配置された少なくとも４つの駆動ユニットを含む。駆動ユニットは、第１および第２のグループに割り当てることができ、２つのグループの各々は、少なくとも２つの駆動ユニットを含む。各グループが２つ以上の駆動ユニットを含み、好ましくは、各グループが３つの駆動ユニットを含むことは、本発明の主旨の範囲内である。

駆動ユニットの各々は、互いに相対的にＶ字形に配置された２つのアクチュエータを含み、このように形成されたＶ字の先端部の領域は、２つのアクチュエータを互いに接続または連結する摩擦要素によって実現される。Ｖ字形の先端部、従って摩擦要素は、回転作動装置のロータに面している。

Ｖ字形の配置により、駆動ユニットの２つのアクチュエータが間に囲む角度は、広い範囲内で変化させることができる。１０°～１６０°の間の角度が可能である。しかしながら、５５°～１２５°の間の角度範囲が好ましく、８５°～９５°の角度範囲が特に好ましい。

駆動ユニットの摩擦要素およびロータは、アクチュエータの非作動または非変形状態において、全ての摩擦要素がロータと接触するように、駆動ユニット間に中央に配置されたバネ装置によって、一方向に向かって押圧される。この場合、対応する接触点または接触表面は、接触面Ｋに共に広がる。バネ装置の中央配置では、駆動ユニットがバネ装置を周方向に取り囲んでいるため、回転調整装置の特にコンパクトな構造が可能となる。

バネ装置がロータと一体に形成されることが有利であり得る。バネ装置のロータとの一体化または一体型設計の結果として、向上した組み立て性を備えた回転作動装置のより簡単な構造が達成される。この場合、バネ装置がスリット状の凹部を含み、それによってバネ装置のバネ作用が達成されることは、特に、有利となり得る。

さらに、アクチュエータは、基部上で支持され、各場合において、ジョイントまたはジョイント部を介して基部に接続された支持部上に支持されることが有利であり得る。支持部およびジョイントまたはジョイント部は、好ましくは、一体に形成されるか、または基部と一体的に形成される。関節式に配置された支持部の支持により、横方向の力によるアクチュエータの負荷を相殺することができる。さらに、この手段により、製造または組み立てに起因する機械的公差を補償することができる。

さらに、アクチュエータが電気機械材料を含み、好ましくは、電気機械材料からなることが有利であり得る。電気機械材料は、電圧が印加され、対応する電界が生じると機械的変形を実行し、前記機械的変形は、作動動作または駆動動作のために使用可能である。電気機械材料で作製されたアクチュエータは、機械部品を有しておらず、電気エネルギーを非常に効率的に、かつ非常に高いダイナミクスで機械的な変形または運動に変換することができる。アクチュエータは、電歪特性を有する材料を含むか、または電歪特性を有する材料からなることも想定される。

アクチュエータは、好ましくは、圧電材料からなり、特に好ましくは、圧電セラミック材料からなる。圧電材料または圧電セラミック材料は容易に入手可能であり、かつ非常に明確な方法で動作させることができる。アクチュエータが電歪特性を有する材料を含むことも想定される。

また、本発明は、上記の回転作動装置を動作させるための方法に関し、その方法では、異なるグループの駆動ユニットが互いに相対的に位相シフトの態様で制御される。例えば、２つのグループの駆動ユニットを含む回転作動装置の場合、第１のグループの駆動ユニットは、対応する第２のグループの駆動ユニットに対して位相シフトの態様で制御される。

この場合、個々のグループの駆動ユニットの制御が、これらの駆動ユニットに割り当てられた摩擦要素の規定の運動軌跡が生じるように行われることが有利であり得、運動軌跡は、接触面Ｋに対して実質的に垂直に配置された垂直運動成分と、接触面Ｋに対して実質的に平行に配置された水平運動成分とを含み、その結果、バネ装置の力に抗して作用する垂直運動成分により、個々の他のグループの駆動ユニットのアクチュエータの摩擦要素のロータとの接触が解除され、水平運動成分により、駆動方向におけるロータの規定の駆動ステップが生じる。

以下は、本発明による回転作動装置の実施形態について、対応する図を用いて説明するが、同じ参照記号は、異なる図の同一の構成要素に関する。

本発明による回転作動装置の斜視図である。 別の図での図１による回転調整装置の斜視図である。 図１または図２による回転作動装置に関する平面図および断面図である。 本発明による回転作動装置の駆動ユニットのグループに関する概略図である。 本発明に属さない回転作動装置の斜視図である。

図１は、本発明による回転調整装置１を斜視図で示している。ソケット２００に接続されたステンレス鋼製の実質的にリング状の基部２上には、合計４つの駆動ユニット４が対で互いに対極的に位置し、かつ互いに重なり合うように、周方向に互いに相対的に約９０°で配置されている。

各駆動ユニット４は、共に実質的にＶ字形を形成するように互いに相対的に配置される２つの細長い圧電アクチュエータ５によって形成され、基部２から離れる方向を向く駆動ユニット４の２つのアクチュエータ５の端部は、実質的に三角形の摩擦要素６を介して互いに接続または結合されている。基部２と対向する駆動ユニット４の各アクチュエータ５の個々の他端は、ソリッドステートジョイントを介して基部２に接続されている支持部２０によって支持されている。支持部２０およびソリッドステートジョイントは、一体に形成されるか、または基部２と一体に形成される。

駆動ユニット４に割り当てられ、互いに相対的にＶ字形に配置された２つのアクチュエータ５の中心面は、駆動ユニット中心面Ａを規定する面にまたがっており、ここで、対で互いに対極的に位置するように配置された駆動ユニット４の駆動ユニット中心面Ａは、互いに実質的に平行に配置され、かつ隣接する駆動ユニット４の駆動ユニット中心面Ａは、互いに実質的に垂直に配置されている。

柱状の圧電アクチュエータは、圧電セラミック材料で構成されている。同じものがそれぞれ、関連するジョイント２０および関連する摩擦要素６の両方に、材料接合、特に接着結合によって接続されている。駆動ユニット４に関連する２つのアクチュエータ５は、それらの間に約９０°の角度を有する。

４つの駆動ユニット４のうちのいずれのアクチュエータも電気的に作動されないか、または電圧が印加されていない、図１に示される回転作動装置の静止状態では、４つの摩擦要素６の全ては、ロータ３に材料接合で接続された環状の摩擦ディスク６０に接触している。

摩擦ディスク６０は、基部２に実質的に平行に配置され、かつ基部２から離間して配置されており、駆動ユニット４は、基部２と摩擦ディスク６０との間に配置されている。摩擦要素６と摩擦ディスク６０との接触点または接触表面は、実質的に接触面Ｋ（図３Ｂを参照）に存在し、駆動ユニット中心面Ａは、接触面Ｋに対して実質的に垂直に配置されている。

ソケット２００は、駆動ユニット４のアクチュエータ５に至るケーブルを収容するように機能し、それによって、アクチュエータ５の電圧供給が確保される。これらの内部ケーブルは、供給ライン２２０に接続されている。ソケット２００はまた、回転作動装置を上位ユニットに取り付けるために使用される。回転作動装置１を制御するための電子部品、例えば、センサ、受信機、コントローラ、ドライバなどをソケット２００内に内蔵することが想定される。さらに、回転作動装置の独立したエネルギー供給のために、ソケット２００内に電池またはアキュムレータを設けることが想定される。

ロータ３は、固定基部２に対して回転可能に取り付けられている。バネ装置３０が、ロータと一体的に形成されるか、またはロータの内周に一体形成されており、バネ装置３０は、駆動ユニット４がバネ装置３０を周方向に取り囲むか、または枠を形成するように、駆動ユニット４間に中心的に配置されている。バネ装置３０の弾性作用は、ロータ３の周方向を向き、かつロータ３の軸方向に間隔を置いて配置されたスリット状の凹部３２によって実現される。ロータ３のバネ装置３０は、ロータ３または摩擦ディスク６０を、駆動ユニット４の全ての摩擦要素６に対して弾性的に押圧させる。

図２は、図１による回転設定装置１を別の図で示しており、ここで、図１では隠れていた裏側を確認できるので、裏側に配置されて図１では確認できない駆動ユニット４を確認することができる。図２には、図１では確認できない他の特徴はないため、ここでは、図２のより詳細な説明は省略する。

図３Ａは、図１または図２による本発明による回転作動装置を平面図（基部２またはロータ３に垂直な方向から見た）で示し、図３Ｂは、図３Ａでマークされた断面に関する。図３Ｂによる断面図では、駆動ユニットのアクチュエータの電気的制御がない、図３Ｂに示される静止状態において、２つの認識可能な摩擦要素６が摩擦ディスク６０に接触しており、これは、図３Ｂでは認識できない２つのさらなる摩擦要素６にも当てはまることが明確に分かる。結果として生じる摩擦要素６と摩擦ディスク６０との間の４つの接触点または接触表面は、実質的に平面内に存在し、この平面が接触面Ｋを形成する。駆動ユニット中心面Ａは、接触面Ｋに実質的に垂直に配置されており、対極的に位置する駆動ユニット４の駆動ユニット中心面Ａは、互いに実質的に平行に配置されている。

さらに、図３Ｂから分かるように、シャフト３４が、ロータ３と一体に形成され、基部２およびソケット２００の両方を貫通して突出し、かつソケット２００の表面に対して突出しているため、回転調整装置１によって位置決めされるべき要素を、シャフト３４の突出部分に取り付けるか、または連結することができる。

ロータ３または摩擦ディスク６０が駆動ユニット４の摩擦要素６に対して弾性的に押圧されるバネ力を調整するために、クランプナット７が、シャフト３４の対応するネジ部に係合し、かつベアリング８によって支持されている。クランプナット７をシャフト３４のネジ部上で回転させることによって、シャフト３４、従ってロータ３がクランプナット７の方向に移動して（図３Ｂにおいて左方向に引っ張られる）、その結果、ロータ３に接続された摩擦ディスク６０が、ロータ３を介して駆動ユニット４の摩擦要素６に対して弾性的に押圧される。

ベアリング８は、シャフト３４のネジ部分に螺合されたクランプナット７によってプレストレスが付与されたアンギュラボールベアリングである。第２のアンギュラボールベアリング８’は、スナップリングによって第１のアンギュラボールベアリング８から分離されており、かつロータ３と第２のアンギュラボールベアリング８’との間に設けられた皿バネ９によってプレストレスが付与されている。

図４Ａおよび図４Ｂは、駆動ユニット４に関して２つの可能な配置の変形例を概略的に示す。ここで、図４Ａは、図１～図３による本発明による回転作動装置の例示的な実施形態による駆動ユニット４の配置に対応し、４つの駆動ユニット４は、互いに実質的に９０°の個々の角度距離を有して円周に沿って配置されている。このようにして、２つの駆動ユニットが互いに対極的に位置するように配置され、ここで、対応する一対の駆動ユニット４を１つのグループに割り当てることができる。図４Ａにおいて、非充填枠によって特徴付けられる駆動ユニット４の対は、第１のグループ４０の駆動ユニット４を形成し、一方、充填枠によって特徴付けられる駆動ユニット４の他方の対は、第２のグループ４２の駆動ユニット４を形成する。

図１～図３による対応する回転作動装置を動作させるための本発明による方法では、２つのグループ４０および４２の駆動ユニット４またはそのアクチュエータ５は、位相シフト方式で、好ましくは、１８０°の位相オフセットによって電気的に制御される。個々の駆動ユニット４において、制御信号は、好ましくは、駆動ユニット４に割り当てられた摩擦要素６の楕円の運動軌跡をもたらし、ここで、グループ４０、４２に割り当てられた駆動ユニット４の摩擦要素６は、同時の運動軌跡を実行する。このようにして、例えば、グループ４０の駆動ユニットは、最初に、ロータ３の規定の回転前進運動または調整運動ステップを実行し、その直後に、即ち、グループ４０の駆動ユニット４が前進ステップを完了した後、グループ４２の駆動ユニット４は、そのような前進運動または調整運動ステップを実行する。従って、グループ４０、４２の駆動ユニット４は、規定の前進ステップを交互に実行し、この場合、１つのグループの駆動ユニットが次の前進ステップを既に開始しており、他のグループの駆動ユニットがまだその前進ステップを完全に完了していないという駆動運動における一定の重複も可能である。

好ましくは楕円形であり、従って接触面Ｋに実質的に平行な水平運動成分と接触面Ｋに実質的に垂直で、駆動ユニット中心面Ａに実質的に平行な垂直運動成分の両方からなる、駆動ユニット４の摩擦要素６の運動軌跡の形状により、グループ４０、４２の駆動ユニット４の駆動運動、即ち、個々の摩擦要素６の垂直運動成分が、ロータ３のバネ装置３０に力を及ぼし、これは、バネ装置によって及ぼされるバネ力を相殺し、バネ力は、摩擦要素６の方向へのロータ３または摩擦ディスク６０の移動を保証し、それによって、その効果は、純粋に機械的または受動的に、推進に使用されていない、個々の他のグループの駆動ユニット４の摩擦要素６の離昇、または接触の解除を生じさせる。従って、１つのグループの駆動ユニット４によって、またはそれらに割り当てられた摩擦要素の運動軌跡の水平成分によって実施される前進ステップの間に、個々の他のグループの駆動ユニット４の摩擦要素が、ロータ３の摩擦ディスク６０との接触によってこの前進ステップを妨害することがないことが保証される。

１つのグループの駆動ユニットの摩擦要素の機械的に離昇する前述のプロセスは、このグループの駆動ユニットのアクチュエータの対応する電気的作動によってサポートされ、その際、アクチュエータが一定の長さだけ収縮することが有利となり得る。

図４Ｂによれば、１つのグループ４０、４２の駆動ユニットは、３つの駆動ユニット４を含み、合計６つの駆動ユニットが円の円周に沿って配置され、隣接する駆動ユニット間に約６０°の角度距離が存在することが想定される。この場合、一つのグループの駆動ユニットは、常に他のグループの２つの駆動ユニットの間に配置されるため、一つのグループの駆動ユニットは、互いに相対的に約１２０°の角度距離をとるようにする。各３つの駆動ユニットに対して２つのグループの駆動ユニットを使用する場合の特定の利点は、他のグループの駆動ユニットによって引き起こされる前進ステップの間に、前進のための推進に使用されない駆動ユニットの摩擦要素の機械的に引き起こされる離昇が改善されることにある。

図４Ａおよび図４Ｂに示される駆動ユニットの２つの配置に加えて、２つのグループの駆動ユニットの各グループが３つを超える駆動ユニットからなるさらなる構成が可能である。３つ以上のグループの駆動ユニットを設けることも考えられ、この場合、個々のグループの駆動ユニットが互いに相対的に位相シフトされる。例えば、図４Ｂによる構成の６つの駆動ユニットを、３つのグループの対極的に位置する駆動ユニットに割り当てて、３つのグループの駆動ユニットを周方向に順次制御することができる。

１…回転作動装置
２…基部
３…ロータ
４…駆動ユニット
５…（駆動ユニット４の）アクチュエータ
６…摩擦要素（駆動ユニット４）
７…クランプナット
８、８’…アンギュラボールベアリング
９…皿バネ
２０…支持部
３０…バネ装置
３２…（バネ装置３０の）スリット状の凹部
３４…（ロータ３の）シャフト
４０…第１のグループの駆動ユニット４
４２…第２のグループの駆動ユニット４
６０…摩擦ディスク
２００…ソケット
２２０…電力供給ライン
Ａ…駆動ユニット中心面
Ｋ…接触面

Claims (10)

1. 回転作動装置（１）であって、
   基部（２）と、
   ロータ（３）と、
   少なくとも２つの駆動ユニット（４）を各グループが含む、少なくとも２つのグループ（４０、４２）の駆動ユニット（４）と、を備え、
   前記駆動ユニット（４）は、前記基部（２）上に周方向に、かつ前記基部（２）と前記ロータ（３）との間に配置され、各駆動ユニット（４）は、互いに相対的にＶ字形に配置された２つの変形可能なアクチュエータ（５）と、両方のアクチュエータに接続された摩擦要素（６）とを含んでおり、
   前記ロータ（３）および前記摩擦要素（６）は、前記アクチュエータ（５）が変形していない場合、全ての摩擦要素（６）が前記ロータ（３）と接触し、かつ接触面（Ｋ）に共に広がるように、前記駆動ユニット（４）の間に配置されたバネ装置（３０）によって、一方向に向かって押圧され、
   前記ロータ（３）の連続的な運動は、異なるグループ（４０、４２）の駆動ユニット（４）の前記アクチュエータ（５）の位相オフセット作動によって実施される、回転作動装置（１）。
2. 前記バネ装置（３０）が前記ロータ（３）と一体に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の回転作動装置（１）。
3. 前記バネ装置（３０）は、スリット状の凹部（３２）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の回転作動装置（１）。
4. 前記アクチュエータ（５）がそれぞれ、ジョイントを介して前記基部（２）に接続された支持部（２０）を介して前記基部（２）上で支持されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転作動装置（１）。
5. 前記ロータ（３）は、前記摩擦要素（６）との接触のために設けられた摩擦ディスク（３４）を備えることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転作動装置（１）。
6. シャフト（３４）が前記ロータ（３）と一体に形成され、かつ前記基部（２）を貫通して突出し、前記シャフト（３４）は、回転調整装置（１）により位置決めされるべき要素を取り付けるために設けられていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転作動装置（１）。
7. 前記アクチュエータ（５）が電気機械材料を含み、好ましくは、電気機械材料からなることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転作動装置（１）。
8. 前記アクチュエータ（５）が圧電材料、好ましくは、圧電セラミック材料からなることを特徴とする、請求項７に記載の回転作動装置（１）。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転作動装置（１）を動作させるための方法であって、異なるグループ（４０、４２）の駆動ユニット（４）が互いに相対的に位相オフセットの態様で作動される、方法。
10. 個々のグループ（４０、４２）の駆動ユニット（４）の作動が、前記接触面（Ｋ）に実質的に垂直に配置された垂直運動成分と、前記接触面（Ｋ）に実質的に平行に配置された水平運動成分とを含む、前記摩擦要素（６）の規定の運動軌跡に影響を与え、前記バネ装置（３０）の力に抗して作用する前記垂直運動成分により、個々の他のグループの駆動ユニット（４）の前記アクチュエータ（５）の前記摩擦要素（６）の前記ロータ（３）との接触が解除され、前記水平運動成分により、前記ロータ（３）の駆動方向への規定の駆動ステップの生成が生じることを特徴とする、請求項９に記載の回転作動装置（１）を動作させる方法。

Images