JP4130031B2 - 球面アクチュエータ用ステータ及びそれを用いた球面アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面波型の超音波振動を利用した３方向の自由度を有する球面アクチュエータに関し、特に該アクチュエータの出力特性を向上させることのできるステータ及びそれを用いた球面アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は従来の多自由度アクチュエータの一例を示す（特開平５−２５２２７３号公報）。この多自由度アクチュエータにおいては、等間隔で配置された４個のステータ６、７、８、９により略球体状ないしは略球殻状をしたロータ４が把持されている。このステータ６、７、８、９は図２に示すような構造の回転型表面波振動子からなる。
【０００３】
すなわち、金属等の弾性材料によって形成された、固定部１１から伸びる薄い円錐殻状をなす支持体１０外周の円環状平坦部（以下、「円環状部分」という。）の表面には、一定間隔で突設された接触片１２が環状に配列されており、円環状部分の裏面には接触片１２に対応してＰＺＴ等の圧電素子１３が貼り付けられている。ステータは図３に示すように接触片１２をロータ４と接触させてロータ４を支持するようになっており、そのため接触片１２の上面にはロータ４の表面曲率と同一の曲率を有する凹状のアール面１２ａが施されている。
【０００４】
このステータ６、７、８、９は通常超音波モータとして使用されているものと同様の原理によってロータ４を駆動するものであって、円環状部分裏面に貼り付けた圧電素子１３に超音波領域に相当する２相の高周波交流電圧を印加することにより、圧電素子は印加された交流電圧の周波数に等しい周期で振動する。このように圧電素子を振動させることにより接触片１２を共振させ、接触片１２にたわみ振動や伸縮振動等を発生させるのである。
【０００５】
この共振現象のうち、駆動力を取り出すことができる振動モードを「駆動モード」と呼ぶ。円環状部分を所定の駆動モードで励振すると、接触片１２の列の特定の位置に振動の腹と節が生じ、圧電素子に印加する２相交流電圧を調節することによって、節の位置が次々に移動し接触片１２の列中を円周方向に進む進行波（接触片１２のたわみ振動）となる。この進行波により接触片１２表面の粒子が周方向と縦方向を軸とする楕円軌道を描いて運動し、ロータ４の表面がステータの円周方向へ駆動される。ステータ６、７、８、９相互の駆動方向を整合させれば、ロータ４は各ステータの軸心のまわりに回転する。この場合、ロータ４に伝達される駆動力及び回転速度は、接触片１２の表面粒子が描く楕円軌道の大きさと形に影響される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
超音波モータにおいては、圧電素子の振動によって生じる運動エネルギーを取り出すために接触片１２を設けなければならない。この接触片１２、支持体１０及び円環状部分を含む弾性体の全体形状は、これを駆動モードで励振したとき良好な共振性を示し、共振による振動増幅率が高い形状であることが求められる。
【０００７】
しかしこのステータ６、７、８、９を球面アクチュエータに適用するには、図３に示すように、略球体状ないしは略球殻状のロータ４に接触させなければならない。そのため、環状に配列されている接触片１２のアール面１２ａはロータの表面の曲率と同一の曲率を有する凹状のアール面となり、外周に向かって高さが高くなる。接触片１２の高さが高くなると質量及び剛性が増加し、これらが振動モードに悪い影響を与えて所望する駆動モードを得られないことや、所望の共振状態にならないことがある。
【０００８】
図９に、従来形状の接触片１２を備えたステータを球面アクチュエータに適用し、円環状部分に６箇所の節を持つ駆動モードを発生させた状態を示す。これは有限要素法及びモーダル解析法により計算したものである。これによれば、駆動モードが影響を受け、接触片１２のアール面１２ａにおけるたわみ振動や伸縮振動が不安定になっていることが分かる。接触片１２の形状が大きいことが邪魔をしていると考えられる。このように接触片１２の高さが高く、また半径方向に長い場合には、駆動モードの生成状態が不安定になり、この状態で接触片１２がロータ４に接触しても、ロータ表面がステータの円周方向へ円滑に駆動されない。
【０００９】
また従来形状の接触片１２とロータ４との接触圧力が大きいと、この接触片１２が変形してしまい、十分に振動を伝達することができない。また振動を増幅する作用を持たないこの部分の質量が増大すると、慣性モーメントの作用によって振動は低く抑えられてしまう。このため、圧電素子１３が発生した振動の増幅率が低くなり、球面アクチュエータのエネルギー効率が悪くなるという問題があった。
【００１０】
また、円環状部分を支持している支持体１０に関しては、ステータの振動に影響を与えないこと、外部に振動が漏れないこと、支持体１０自身の振動が低いことが必要である。このため、支持体１０の厚みを他の部分より薄くして剛性を低下させ、変形しやすくすることでこれらの条件を満たしている。しかし接触片１２とロータ４との接触圧力が大きいと、支持体１０の剛性が低いために変形してアール面１２ａがステータの半径方向に広がってしまう。そのため、ロータ４に均一に接触できなくなり、駆動力を十分に伝達できないという問題があった。
【００１１】
本発明は上述した従来例における問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、常に所望の駆動モードを安定して発生させ、接触片先端表面が行う楕円運動を安定させ、またその運動を増大させると共に、ロータとの接触状態を安定させることにより、滑り等の損失を低減しうるステータ、及び該ステータを球状ロータと組み合わせてなる球面アクチュエータを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
即ち本発明は、圧電素子により駆動されて微小振動を発生する接触片を円環状に配置した複数のステータを、略球状のロータ表面に接触させてロータを回転駆動する球面アクチュエータ用のステータにおいて、該ステータが、ステータ中心部を形成する固定部（３１）、該固定部から斜め外側上方に延びる支持体（３０）、該支持体の端部からほぼ水平方向外側に設けられた平坦部からなる円環状部分（３４）、該円環状部分の少なくとも表側平坦部の中心よりに設けられ、接触面（３２ａ）として、前記円環状部分がなす面に略平行な面を有する前記接触片（３２）、及び、該接触片より外側の前記円環状部分の表面平坦部及び / 又は裏面平坦部に設けられた前記圧電素子（３３）からなることを特徴とする、球面アクチュエータ用ステータ、及び、該ステータと球状ロータを組み合わせてなる球面アクチュエータである。
【００１３】
本発明の上記ステータでは、円環状部分の裏面に接触片と同様な形状を持った突起を配置してもよい。これにより、接触片が表面にのみ存在することによる振動の不均一を解消することができ、また、前記突起が接触片と同様に楕円状の振動軌跡を生じて振動するので、裏面からも振動によるエネルギーを取り出すことができる。
【００１４】
本発明のステータにおいては、接触片３２が円環状部分３４の平坦部における円環中心寄りに設けられるので、ロータとの接触部をロータの底部により近づけることができ、これによって、従来のステータより接触片の高さを低減し、ステータのロータとの接触面３２ a を、前記円環状部分３４がなす面と略平行にすることができる。また、接触片３２より外側の円環状部分３４の平坦部に空きが生じるので、この空きに圧電素子（３３）を配することもできる。
【００１５】
すなわち本発明のステータにおいては、環状に配列される接触片３２を円環状部分３４の平坦部の中心寄りに配置するので、接触片の高さをこれまでよりも低く、またその質量を少なくすることができる。これにより接触片の形状がこれまでよりも全体的に小さくなり、駆動のためにロータに押し付けられた際の変形もし難くなる。
【００１６】
特に、接触片の形状がこれまでよりも小さくなることで、駆動モードの生成がが安定し、また振動の増幅率が向上する。従って、接触片表面に発生する楕円状振動軌跡の大きさを増大させることができるので、ロータを円滑に回転させることができ、ロータ駆動特性を向上することができる。
【００１７】
また、接触片３２をステータの中心寄りに移動させたことにより、圧電素子３３を、その振幅が最も大きくなるステータの円環状部分３４における平坦部の最外周部に、しかも裏側だけでなく表側にも配置することが可能になる。これにより、両面から圧電素子３３の振動が入力されるので、ステータの円環状部分３４をより大きく駆動モードに励振することができる。その結果、接触片３２の接触面３２ aにおける楕円振動の軌跡を大きくすることができるので、ステータを大型化することなく駆動力を増大させることができる。
【００１８】
さらに、接触片の先端が、接触片が配列される円環の面に対して略平行な面となっているので、この面を接触面として、ステータの半径と比較して極端に半径が大きい球状ロータに対しても、駆動力を伝達することが可能になる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を幾つか挙げ、添付図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
（実施例１）図４は、本発明の実施例１として例示した球面アクチュエータのステータの構造を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。各ステータ２６、２７、２８、２９は図４に示すような構造の回転型表面波振動子からなる。すなわち、金属等の弾性材料によって形成された弾性体であり、その外周部に位置する円環状部分３４の表面には一定のピッチで接触片３２が環状に突設されており、円環状部分３４の裏面には接触片３２を振動させるＰＺＴ等の圧電素子３３が貼り付けられている。ステータ２６、２７、２８、２９は接触片３２をロータ４と接触させるようになっており、そのため、接触片３２の上面にはロータ表面に安定して接触する、円環状部分がなす面と略平行な接触面３２ａがある。
【００２１】
ステータ２６、２７、２８、２９は通常の超音波モータとして使用されるものと同様の原理によってロータ４を駆動するものであって、圧電素子３３を振動させることによって弾性体上の接触片３２の表面３２ａにたわみ振動や伸縮振動等を発生させるものである。そして、この圧電素子３３を所定の駆動モードで駆動すると、円環状部分３４の表面を円周方向に進む進行波（接触片３２のたわみ振動）により、接触片３２の表面の粒子が周方向及び縦方向を軸とする楕円軌道を描いて運動し、ロータ４はこの運動によって駆動されて回転する。
【００２２】
図５は、上記のステータ２６、２７、２８、２９を組み込んだ、本発明の球面アクチュエータを示す一部破断平面図である。本発明の球面アクチュエータにおいては、円形ないしは多角形の窓２を有するケーシング１の空洞３内に略球体状ないしは略球殻状をしたロータ４が納められている。ロータ４は空洞３の内壁面に接することなく、同一円周上に配置された４個ないしは３個のステータ２６、２７、２８（２９）のみによって支持される。
【００２３】
図６は、上記のステータ２６、２７、２８、２９がロータ４に接触する状態を説明する概念図である。ステータ２６、２７、２８、２９では、図４に示すように、接触片３２は平板状をなす円環状部分３４の中心寄りに突設配列されているから、それらの先端は、図６に示すような状態でロータ４に接触することが可能であると共に、接触片３２の高さを相対的に低くし、形状を小さくすることができる。
【００２４】
図１０は実施例１のステータにおいて、円環状部分の円周方向上に５個の腹が存在する駆動モードを示す状態図である。ここに見られるように、駆動モードは安定し、接触片の表面粒子は安定にたわみ振動や伸縮振動をしている。この状態で接触片の表面がロータと接触すると、ロータ表面はステータの円周方向へ円滑に駆動される。
【００２５】
（実施例２）
図７は、本発明の実施例２としての球面アクチュエータのステータの構造を説明する平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図７に示すステータ２６、２７、２８、２９では、円環状部分３４の裏面に、接触片３２と同様の形状をした突起３５が配置されている。ロータ４と接触片３２との接触圧力が過大で接触片３２の振動が抑制され駆動力を取り出せなくなった状態でも、突起３５は振動を持続し、これが持つ慣性力が円環状部分３４に作用し、接触片３２の励振を助けてその振動を誘起する。この作用により、ロータ４と接触片３２との接触圧力を従来より増大させても、ロータに対して支障なく駆動力を働かせることが可能になる。
【００２６】
（実施例３）
図８は、本発明の実施例３としての球面アクチュエータのステータ２６、２７、２８、２９の構造を説明する平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図８に示すステータ２６、２７、２８、２９では、円環状部分３４の背面だけでなく、接触片３２を円環状部分３４の中心寄りに移したことにより生じる円環状部分３４表面の空間にも、圧電素子３３が配置されている。これにより、振動を発生する圧電素子３３の面積を増加することができ、しかも円環状部分３４の両面から振動を入力することができる。その結果、接触片３２表面における楕円振動軌跡を大きくすることができるので、ステータを大型化することなく駆動力を増大させることができる。
【００２７】
（比較例）
本明細書冒頭及び図１〜図３に記載した従来型の多自由度アクチュエータを実施例１〜３に対する比較例とする。この多自由度アクチュエータの出力特性の一例は、日本ロボット学会誌 Vol.13 No.2, pp.235〜241, 1995に掲載されている。
【００２８】
表１は、実施例１〜３のステータを上記日本ロボット学会誌論文に記載されている多自由度アクチュエータに適用し、同論文と同条件下で測定した出力特性を比較例と対比したものである。表の各項目の単位は、印加電圧が［Vp-p］、ロータ回転数が［rpm］、駆動トルクが［g・cm］である。なお、各実施例における印加電圧は、圧電素子が破壊に到らない範囲に留めた。
【表１】

【００２９】
表１から、実施例１〜３の出力特性は、比較例に対してロータ回転数、駆動トルクとも大幅に向上していることが分かる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、球面超音波モータに用いられるステータに配置する接触片を円環状部分の中心寄りに配置し、接触片の高さを低くすると共にロータとの接触面を円環面にほぼ並行にして接触片の大きさを小さくしているので、これにより、駆動モード時の振動の損失を減少させ、振動の効率を向上させることができる。
【００３１】
接触片の大きさが小さくなったことで、ロータと接触片との接触圧力を大きくした場合にも接触片が変形することがなく、円環状部分に励起される振動を接触片の接触面に十分に伝達することができ、しかも接触圧力に比例して増大する摩擦力が駆動トルクに反映されるので、駆動トルクを有効に増大させることができる。
【００３２】
本発明に従って、接触片と同様の形状を有する突起を円環状部分の裏面に環状に配置するならば、ロータと接触片との接触圧力が過大なため接触片の振動が抑制される場合においても、円環状部分の裏面に配した突起はその運動を阻害されることなく振動を続け、この振動が円環状部分に逆伝播して接触片の励振を助け、接触片の振動を誘起する。そのためロータと接触片との接触圧力をさらに増大させることができるので、より大きい駆動力を取り出すことが可能となり、エネルギー変換効率を向上できる。
【００３３】
また本発明に従って、接触片が円環状部分の中心寄りに移動することで生じる空間に圧電素子を増設するならば、振動源としての圧電素子の面積を増加することができるので、ステータの体積もしくは大きさを増加することなく、接触片の表面粒子が描く楕円軌道を大きくして、駆動トルク及びロータ回転速度を増大することができる。
【００３４】
また、接触片先端に円環面と略平行な面を持たせれば、この面を接触面として、極端に半径が大きいロータや、平板状のロータに対して駆動力を伝達することができる。
【００３５】
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例としての多自由度アクチュエータを示す一部破断平面図である。
【図２】図１のアクチュエータ中のステータを示す正面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図３】図２と同じ従来のステータがロータに接触する様子を示す概念図である。
【図４】本発明の一実施例としての球面アクチュエータのステータを示す正面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図５】図４と同じ実施例のステータを用いた球面アクチュエータを示す一部破断平面図である。
【図６】図４と同じ実施例のステータがロータに接触する様子を示す概念図である。
【図７】本発明の他の実施例としてのステータを示す正面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図８】本発明のさらに他の実施例としてのステータを示す正面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図９】従来のステータにおいて、接触片が大きいことによって駆動モードに影響を及ぼした場合の状態を示す図である。
【図１０】本発明の一実施例によるステータにおいて、駆動モードが安定して発生している状態を示す図である。
【符号の説明】
１…ケーシング
２…ケーシングの窓
３…空洞
４…ロータ
５…アーム
６、７、８、９…従来のステータ
２３…圧電素子駆動電源
２６、２７、２８、２９…本発明によるステータ
１０、３０…支持体
１１、３１…固定部
１２、３２…接触片
１２ａ、３２ａ…アール面（接触面）
１３、３３…圧電素子
３４…円環状部分
３５…突起

Claims (4)

1. 圧電素子により駆動されて微小振動を発生する接触片を円環状に配置した複数のステータを、略球状のロータ表面に接触させてロータを回転駆動する球面アクチュエータ用のステータにおいて、該ステータが、ステータ中心部を形成する固定部（３１）、該固定部から斜め外側上方に延びる支持体（３０）、該支持体の端部からほぼ水平方向外側に設けられた平坦部からなる円環状部分（３４）、該円環状部分の少なくとも表側平坦部の中心よりに設けられ、接触面（３２ａ）として、前記円環状部分がなす面に略平行な面を有する前記接触片（３２）、及び、該接触片より外側の前記円環状部分の表面平坦部及び / 又は裏面平坦部に設けられた前記圧電素子（３３）からなることを特徴とする、球面アクチュエータ用ステータ。
2. 前記接触片（３２）を、円環状部分（３４）の表裏に設けたことを特徴とする請求項１に記載されたステータ。
3. 前記圧電素子（３３）を、円環状部分（３４）の表裏に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載されたステータ。
4. 請求項１〜３の何れかに記載されたステータを、略球状のロータと組み合わせて使用することを特徴とする球面アクチュエータ。

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