JP4047129B2

JP4047129B2 - 複自由度駆動装置

Info

Publication number: JP4047129B2
Application number: JP2002304106A
Authority: JP
Inventors: 進橋本; 雅幸桑野
Original assignee: Asmo Co Ltd
Current assignee: Asmo Co Ltd
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP2004140939A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータを複数の軸中心に回動駆動させる複自由度駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ロータを複数の軸中心に回動駆動させる超音波モータを使った複自由度駆動装置が提案されている。この複自由度駆動装置のステータには、ロータとの接触部に複数種類の振動を発生可能となるように圧電素子が設けられている。ロータは、加圧部材により前記接触部に対して複数の軸中心に回動可能に押圧接触される。このようなロータとしては、前記接触部と当接される側が曲面とされる略半球形状のものがある（例えば、特許文献１の図１１、及び特許文献２の図１５参照）。しかし、略半球形状のロータでは、その回動状態の変化に対して加圧部材による押圧力を略一定とすることが困難である。これに対し、他のロータとして、直径が一定の略球形状とされたものがある（例えば、特許文献１の図６〜図８、及び特許文献２の図１４参照。）。このようなロータは、略球形状であるため、その回動状態の変化に対して加圧部材による押圧力を略一定に保つことが容易となる。そして、ロータは、ステータにて発生される振動の種類にそれぞれ基づいて複数の軸中心に回動する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２１９９８０号公報
【特許文献２】
特開平１２−１９７３７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、直径が一定の略球形状のロータでは、効率（トルク）を向上させるべく接触部との接触域を大きく保つためにその直径を大きくすると、ロータ全体が大型化してしまい、ひいては装置が大型化してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、効率の向上、及び小型化を図ることができる複自由度駆動装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、接触部を有し、その接触部に複数種類の振動を発生するステータと、略球面状の接触球面部を有しその接触球面部が前記接触部に押圧接触された状態で、前記ステータにて発生される振動の種類にそれぞれ基づいて複数の軸中心に回動するロータと、前記ステータに対して固定され前記接触球面部を前記接触部に押圧接触させるための加圧部材とを備えた複自由度駆動装置において、前記ロータは、その前記接触球面部が略半球形状とされ、前記接触球面部の反対側に該接触球面部と中心が同じで該接触球面部より小径の略半球形状の押圧球面部を有し、その押圧球面部が前記加圧部材に直接当接されて押圧されることで前記接触球面部が前記接触部に押圧接触される。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の複自由度駆動装置において、前記加圧部材は、複数のボールと該ボールを回転可能に保持するボール保持部とを有し、前記ボールが前記押圧球面部に直接当接される転がり軸受と、前記ステータに対して固定され、前記ボール保持部を前記接触部側に付勢する皿ばねとからなる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の複自由度駆動装置において、前記ボール保持部と前記皿ばねとは、前記ロータの回動中心と同じ中心で複数の軸中心に所定範囲で回動可能に当接される。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の複自由度駆動装置において、前記加圧部材は、前記ステータに対して固定され、前記押圧球面部と摺動可能に直接当接され前記接触部側に付勢する皿ばねからなる。
【００１０】
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、ロータは、その接触球面部が略半球形状とされ、接触球面部の反対側に該接触球面部と中心が同じで該接触球面部より小径の略半球形状の押圧球面部を有する。そして、ロータは押圧球面部が前記加圧部材に直接当接されて押圧されることで前記接触球面部が前記接触部に押圧接触される。このように、ステータの接触部と接触される側を大径の接触球面部とし、加圧部材に当接される側を小径の押圧球面部とすることで、回転中心から見たトルクで考えて、加圧部材に当接される側のロストルクが少なくなり、回転効率を向上させることができるとともにロータの小型化を図ることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、ロータの押圧球面部は転がり軸受のボールと当接されて押圧されるため、ロータと加圧部材との抵抗が小さくなる。
請求項３に記載の発明によれば、前記ボール保持部と前記皿ばねとは、前記ロータの回動中心と同じ中心で複数の軸中心に所定範囲で回動可能に当接される。よって、ボール保持部とロータとの相対回動が不能となった地点から更にボール保持部と皿ばねとが相対回動することで、ロータの回動範囲が所定範囲広くなる。
【００１２】
請求項４に記載の発明によれば、加圧部材は、ステータに対して固定され、押圧球面部と摺動可能に直接当接され前記接触部側に付勢する皿ばねからなるため、部品点数が少なく簡単な構成とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図３に従って説明する。本実施の形態の複自由度駆動装置１は、図示しない車両室内においてフロントウインド上方に配設され、バックミラー２（図３参照）の角度を調整するためのものである。
【００１４】
図１に示すように、複自由度駆動装置１は、第１及び第２ハウジング３，４と、ステータ５と、ロータ６と、加圧部材７とを備えている。第１ハウジング３は、略円筒形状に形成され、その一端側（図１中、上端側）には径方向外側に延びる第１固定部３ａが形成されている。又、第１ハウジング３の他端側（図１中、下端側）には、径方向に貫通するネジ孔３ｂが形成され、前記第１固定部３ａには軸方向に貫通する雌ねじ３ｃが形成されている。第２ハウジング４は、略円筒形状に形成され、その一端側（図１中、上端側）には径方向内側に延びるカバー部４ａが形成され、その他端側（図１中、下端側）には径方向外側に延びる第２固定部４ｂが形成されている。又、第２ハウジング４の第２固定部４ｂには、第１ハウジング３の雌ねじ３ｃと対応して軸方向に貫通するネジ孔４ｃが形成されている。更に、第２ハウジング４の内周面における軸方向中間部には、内径が小さくされて段差が形成されることで、皿ばね支持部４ｄが形成されている。そして、第１及び第２ハウジング３，４は、ネジ孔４ｃを貫通して雌ねじ３ｃに螺合されるネジＮ１により固定されている。又、第１ハウジング３の他端側（図１中、下側）には、ステータ５が固定されている。
【００１５】
詳述すると、ステータ５は、上段、中段及び下段ブロック８〜１０と、第１〜第３圧電素子１１〜１３と、ボルト部材１４とを備えている。
上段、中段及び下段ブロック８〜１０は、導電性金属よりなり、本実施形態ではアルミ合金にて形成されている。上段、中段及び下段ブロック８〜１０は略円柱体であって、その中心軸部には軸方向に貫通する貫通孔が形成されている。又、上段ブロック８の上部中央には凹部８ａが上方から凹設されている。そして、凹部８ａの開口部（上端部）には、上方に設けられる球面と環状の面で接触するように設定された曲面状の接触部８ｂが形成されている。又、上段ブロック８の貫通孔には雌ねじが形成されている。又、下段ブロック１０は、直径が前記第１ハウジング３の内径と同じに設定され、その外縁部には前記ネジ孔３ｂと対応して径方向内側に延びる雌ねじ１０ａが形成されている。
【００１６】
第１〜第３圧電素子１１〜１３は、図２に示すように、それぞれ円盤状に形成された２枚の圧電素子１１ａ，１１ｂ〜１３ａ，１３ｂが組み合わされてなり、その中心軸部には貫通孔が形成されている。
【００１７】
第１圧電素子１１を構成する一方の圧電素子１１ａの分極方向は、平面に対して垂直（厚み方向）で、かつ図２に破線で示すように、その平面の半分ずつで逆とされている。又、第１圧電素子１１を構成する他方の圧電素子１１ｂの分極方向は、一方の圧電素子１１ａの逆、即ち、前記合わせ面（組み合わせる面）に設けられる図示しない電極を中心として一方の圧電素子１１ａと対称とされている。
【００１８】
第２圧電素子１２を構成する一方の圧電素子１２ａの分極方向は、平面に対して垂直（厚み方向）で、かつ図２に破線で示すように、その平面の半分ずつで逆とされている。又、第２圧電素子１２を構成する他方の圧電素子１２ｂの分極方向は、一方の圧電素子１２ａの逆、即ち、前記合わせ面に設けられる図示しない電極を中心として一方の圧電素子１２ａと対称とされている。
【００１９】
第３圧電素子１３を構成する一方の圧電素子１３ａの分極方向は、平面に対して垂直な一方向とされている。又、第３圧電素子１３を構成する他方の圧電素子１３ｂの分極方向は、一方の圧電素子１３ａの逆、即ち、前記合わせ面に設けられる図示しない電極を中心として一方の圧電素子１３ａと対称とされている。尚、第１〜第３圧電素子１１〜１３の上面、及び下面には、図示しない電極がそれぞれ配設されている。
【００２０】
そして、図１に示すように、下段ブロック１０、第３圧電素子１３、中段ブロック９、第２圧電素子１２、第１圧電素子１１、上段ブロック８は、この順で積層され、下段ブロック１０から各貫通孔に挿通されるボルト部材１４が上段ブロック８に螺合されることにより締結されている。そして、このステータ５は、第１ハウジング３のネジ孔３ｂを貫通して下段ブロック１０の雌ねじ１０ａに螺合されるネジＮ２により、第１及び第２ハウジング３，４内部に収容されるように固定されている。
【００２１】
ここで、第１圧電素子１１と、第２圧電素子１２とは、図２に破線で示す分極の境界線が、９０°ずれるように（即ちお互い直角に分極されるように）配置されて締結される。即ち、第１圧電素子１１の分極変化方向（分極の境界線直交方向）と第２圧電素子１２の分極変化方向（分極の境界線直交方向）とが軸方向から見て互いに直角とされている。
【００２２】
前記ステータ５の接触部８ｂには、加圧部材７によりロータ６が押圧接触される。詳述すると、ロータ６は、ステンレス鋼等の剛体よりなる。ロータ６は、略半球形状の接触球面部６ａと、その接触球面部６ａと中心（円の中心）が同じで該接触球面部６ａより小径の略半球形状の押圧球面部６ｂと、押圧球面部６ｂから突設された出力軸６ｃとを有する。接触球面部６ａは、前記接触部８ｂと環状の面で接触するような径に設定されている。そして、ロータ６は、押圧球面部６ｂが前記第２ハウジング４に支持された加圧部材７に直接当接されて押圧（付勢）されることで接触球面部６ａが前記接触部８ｂに押圧接触される。尚、このとき、出力軸６ｃは、第２ハウジング４のカバー部４ａの中央孔から外部に突出する。そして、この出力軸６ｃの先端には、図３に示すようにバックミラー２が固定されることになる。
【００２３】
本実施の形態の加圧部材７は、転がり軸受２１と皿ばね２２とからなる。転がり軸受２１は、複数のボール２３とボール２３を回転可能に保持するボール保持部２４とを有する。ボール保持部２４は、前記出力軸６ｃを避けて前記押圧球面部６ｂと対向する環状に形成され、その押圧球面部６ｂとの対向面側にボール２３を周方向に複数（本実施の形態では６個であって、図１中、２つのみ図示する）保持している。又、ボール保持部２４において押圧球面部６ｂとの非対向面側は、曲面（接触球面部６ａと中心（円の中心）が同じ球形状の一部分形状）とされている。皿ばね２２は、略筒状でその一端（図１中、上端）が前記皿ばね支持部４ｄに支持される円筒部２２ａと、その円筒部２２ａの他端から径方向内側に延びる円盤部２２ｂと、その円盤部２２ｂの内縁から前記一端側斜め径方向内側に延びる弾性部２２ｃとからなる。そして、この弾性部２２ｃは、弾性を有し、前記ボール保持部２４における押圧球面部６ｂとの非対向面と対応した湾曲形状に形成されている。尚、この弾性部２２ｃは、皿ばね２２が配置された状態でボール保持部２４における押圧球面部６ｂとの非対向面と当接されて撓められた状態とされている。そして、弾性部２２ｃの弾性によりボール保持部２４における押圧球面部６ｂの非対向面が付勢され、ボール２３にて押圧球面部６ｂが付勢され、ロータ６（接触球面部６ａ）が接触部８ｂに押圧接触される。尚、この状態で、弾性部２２ｃ（皿ばね２２）とボール保持部２４とは、ロータ６（接触球面部６ａ）の回動中心と同じ中心で複数の軸中心に所定範囲で回動可能に当接（押圧接触支持）されている。
【００２４】
上記のように構成された複自由度駆動装置１の第１〜第３圧電素子１１〜１３（それらの電極）には、図示しない制御装置から高周波電圧が供給される。この制御装置は、例えば、車両室内に設けられるバックミラー操作スイッチの操作等に基づいて第１〜第３圧電素子１１〜１３の内の２つに高周波電圧を供給する。
【００２５】
尚、制御装置は、第１圧電素子１１の上面の電極と合わせ面の電極間、第１圧電素子１１の下面の電極と合わせ面の電極間に同じ高周波電圧を供給する。すると、第１圧電素子１１に合わせ面の電極を共通として上下に対称な高周波電圧が供給されることと一方の圧電素子１１ａと他方の圧電素子１１ｂの分極方向が合わせ面を中心として対称とされていることから、第１圧電素子１１で大きな（圧電素子１１ａ，１１ｂの振動を足算した）振動が発生される。この振動は、圧電素子１１ａ，１１ｂの分極方向がそれぞれ平面の半分ずつで逆であることから、その分割した一方（図２中、Ｘ軸方向の一方）が厚み方向に伸びるときには他方（Ｘ軸方向の他方）が厚み方向に縮み、逆に一方が縮むときには他方が伸びる振動となり、全体としてＸ軸方向の曲げ振動となる。
【００２６】
又、制御回路は、第２圧電素子１２の上面の電極と合わせ面の電極間、第２圧電素子１２の下面の電極と合わせ面の電極間に同じ高周波電圧を供給する。すると、第２圧電素子１２に合わせ面の電極を共通として上下に対称な高周波電圧が供給されることと一方の圧電素子１２ａと他方の圧電素子１２ｂの分極方向が合わせ面を中心として対称とされていることから、第２圧電素子１２で大きな（圧電素子１２ａ，１２ｂの振動を足算した）振動が発生される。この振動は、圧電素子１２ａ，１２ｂの分極方向がそれぞれ平面の半分ずつで逆であることから、その分割した一方（図２中、Ｙ軸方向の一方）が厚み方向に伸びるときには他方（Ｙ軸方向の他方）が厚み方向に縮み、逆に一方が縮むときには他方が伸びる振動となり、全体としてＹ軸方向の曲げ振動となる。
【００２７】
さらに、制御回路は、第３圧電素子１３の上面の電極と合わせ面の電極間、第３圧電素子１３の下面の電極と合わせ面の電極間に同じ高周波電圧を供給する。すると、第３圧電素子１３に合わせ面の電極を共通として上下に対称な高周波電圧が供給されることと一方の圧電素子１３ａと他方の圧電素子１３ｂの分極方向が合わせ面を中心として対称とされていることから、第３圧電素子１３で大きな（圧電素子１３ａ，１３ｂの振動を足算した）振動が発生される。この振動は、圧電素子１３ａ，１３ｂの分極方向がそれぞれ平面全体で一方向であることから、上面から下面までが一様に伸び縮みする縦振動となる。
【００２８】
よって、制御装置から高周波電圧が供給される第１〜第３圧電素子１１〜１３の組み合わせにより接触部８ｂにバックミラー操作スイッチの操作等に基づいた振動が発生し、ロータ６が所望の回動を行い、出力軸６ｃとともにバックミラー２が傾動される。
【００２９】
次に、上記実施の形態の特徴的な作用効果を以下に記載する。
（１）ロータ６は、ステータ５の接触部８ｂに押圧接触される接触球面部６ａが略半球形状とされ、接触球面部６ａの反対側に該接触球面部６ａと中心が同じで該接触球面部６ａより小径の略半球形状の押圧球面部６ｂを有する。このロータ６は押圧球面部６ｂが加圧部材７に直接当接されて押圧されることで接触球面部６ａが接触部８ｂに押圧接触される。このように、ステータ５の接触部８ｂと接触される側を大径の接触球面部６ａとし、加圧部材７に当接される側を小径の押圧球面部６ｂとすることで、接触球面部６ａと接触部８ｂとの接触域を大きくしながら、ロータ６の小型化を図ることができる。即ち、従来の直径が一定の略球形状のロータに比べ小さくなる。又、押圧球面部６ｂと加圧部材７との接触位置（範囲）が回転中心から見て小さくなり、ロストルク（摩擦抵抗）を小さくすることができる。これらのことから、効率（トルク）を向上させることができ、且つ装置の小型化を図ることができる。
【００３０】
（２）加圧部材７は、複数のボール２３と該ボール２３を回転可能に保持するボール保持部２４とを有しボール２３が押圧球面部６ｂに直接当接される転がり軸受２１と、第２ハウジング４（ステータ５）に対して固定されボール保持部２４を接触部８ｂ側に付勢する皿ばね２２とからなる。このようにすると、ロータ６の押圧球面部６ｂは転がり軸受２１のボール２３と当接されて押圧されるため、その抵抗（回動時の摩擦抵抗）が小さくなる。よって、効率（トルク）を更に向上させることができる。
【００３１】
（３）ボール保持部２４と皿ばね２２とは、ロータ６の回動中心と同じ中心で複数の軸中心に所定範囲で回動（摺動）可能に当接される。よって、ボール保持部２４とロータ６との相対回動が干渉により不能となった地点から更にボール保持部２４と皿ばね２２とが相対回動することで、ロータ６の回動範囲が所定範囲広くなる。
【００３２】
（４）ステータ５は、積層されて締結された第1及び第２圧電素子１１，１２を備え、第１及び第２圧電素子１１，１２の分極変化方向が互いに直角とされて、それぞれが独立して駆動されることで接触部８ｂに複数種類の振動を発生する。このようにすると、ロータ６を複数の軸中心に回動させるべく接触部８ｂに容易に複数種類の振動を発生させることができる。
【００３３】
上記実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、加圧部材７は、転がり軸受２１と皿ばね２２とからなるとしたが、ステータ５（第２ハウジング４）に対して固定され押圧球面部６ｂに当接して押圧し接触球面部６ａを接触部８ｂに押圧接触させることができれば、他の構成に変更してもよい。
【００３４】
例えば、図４に示すように、加圧部材を、ステータ５（第２ハウジング４）に対して固定（支持）され、押圧球面部６ｂと摺動可能に直接当接され接触部８ｂ側に付勢する皿ばね３１としてもよい。このようにしても、上記実施の形態の効果（１）、（４）と同様の効果を得ることができる。又、上記実施の形態に比べて、部品点数が少なく簡単な構成とすることができる。
【００３５】
・上記実施の形態では、ボール保持部２４と皿ばね２２とは、ロータ６の回動中心と同じ中心で複数の軸中心に所定範囲で回動可能に当接されるとしたが、ボール保持部と皿ばねとを回動不能に固定してもよい。このようにしても、上記実施の形態の効果（１）、（２）、（４）と同様の効果を得ることができる。又、このようにすると、加圧部材（ボール）は、ロータ６の回動角度に関わらず、ステータ５に対して不変の所定位置で押圧球面部６ｂと当接する。よって、接触球面部６ａが接触部８ｂに常に一定の押圧力で押圧接触される。これにより、ロータ６が常に安定して回動する。
【００３６】
・上記実施の形態のステータ５は、ロータ６（接触球面部６ａ）が接触される接触部を有し、その接触部にロータ６を複数の軸中心に回動させるべく複数種類の振動を発生することができれば、他の構成に変更してもよい。
【００３７】
・上記実施の形態では、複自由度駆動装置１をバックミラー２の角度を調整するためものとしたが、他の用途に用いられるものとしてもよい。
上記各実施の形態及び別例から把握できる技術的思想について、以下にその効果とともに記載する。
【００３８】
（イ）請求項１、２及び４のいずれか１項に記載の複自由度駆動装置において、前記加圧部材は、前記ロータの回動角度に関わらず、前記ステータに対して不変の所定位置で前記押圧球面部と当接することを特徴とする複自由度駆動装置。このようにすると、接触球面部が接触部に一定の押圧力で押圧接触される。よって、ロータが安定して回動する。
【００３９】
（ロ）請求項１乃至４、及び上記（イ）のいずれかに記載の複自由度駆動装置において、前記ステータは、積層されて締結された第1及び第２圧電素子を備え、前記第１及び第２圧電素子の分極変化方向が互いに直角とされて、それぞれが独立して駆動されることで前記接触部に複数種類の振動を発生することを特徴とする複自由度駆動装置。このようにすると、ロータを複数の軸中心に回動させるべく接触部に容易に複数種類の振動を発生させることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、効率の向上、及び小型化を図ることができる複自由度駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の複自由度駆動装置の模式図。
【図２】本実施の形態の第１〜第３圧電素子を説明するための説明図。
【図３】複自由度駆動装置とバックミラーの取付状態を示す模式図。
【図４】別例の複自由度駆動装置の模式図。
【符号の説明】
５…ステータ、６…ロータ、６ａ…接触球面部、６ｂ…押圧球面部、７…加圧部材、８ｂ…接触部、２１…加圧部材の一部を構成する転がり軸受、２２…加圧部材の一部を構成する皿ばね、２３…ボール、２４…ボール保持部、３１…加圧部材としての皿ばね。

Claims

接触部を有し、その接触部に複数種類の振動を発生するステータと、
略球面状の接触球面部を有しその接触球面部が前記接触部に押圧接触された状態で、前記ステータにて発生される振動の種類にそれぞれ基づいて複数の軸中心に回動するロータと、
前記ステータに対して固定され前記接触球面部を前記接触部に押圧接触させるための加圧部材と
を備えた複自由度駆動装置において、
前記ロータは、その前記接触球面部が略半球形状とされ、前記接触球面部の反対側に該接触球面部と中心が同じで該接触球面部より小径の略半球形状の押圧球面部を有し、その押圧球面部が前記加圧部材に直接当接されて押圧されることで前記接触球面部が前記接触部に押圧接触されることを特徴とする複自由度駆動装置。
請求項１に記載の複自由度駆動装置において、
前記加圧部材は、
複数のボールと該ボールを回転可能に保持するボール保持部とを有し、前記ボールが前記押圧球面部に直接当接される転がり軸受と、
前記ステータに対して固定され、前記ボール保持部を前記接触部側に付勢する皿ばねとからなることを特徴とする複自由度駆動装置。
請求項２に記載の複自由度駆動装置において、
前記ボール保持部と前記皿ばねとは、前記ロータの回動中心と同じ中心で複数の軸中心に所定範囲で回動可能に当接されたことを特徴とする複自由度駆動装置。
請求項１に記載の複自由度駆動装置において、
前記加圧部材は、
前記ステータに対して固定され、前記押圧球面部と摺動可能に直接当接され前記接触部側に付勢する皿ばねからなることを特徴とする複自由度駆動装置。