JP4137589B2

JP4137589B2 - 複自由度駆動装置

Info

Publication number: JP4137589B2
Application number: JP2002304107A
Authority: JP
Inventors: 進橋本
Original assignee: Asmo Co Ltd
Current assignee: Asmo Co Ltd
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: JP2004140940A

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（例えば、特許文献１の図１５参照）や、直径が一定の略球形状とされたもの（例えば、特許文献１の図１４参照。）がある。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、上記のような略半球形状や略球形状のロータは、ステータの接触部に接触される箇所（接触球面部）の曲率の中心がステータの反対側（ステータより離間した側）に設定されるため、接触部との接触域がステータの径方向内側となる（径方向外側に設定することが困難となる）。そして、略円柱形状でその一端に接触部が形成されるステータは、その径方向外側の方が振動の変位が大きいため、上記のようなロータでは、容易に（簡単な形状で）効率（トルク）を大きくすることが困難となってしまう。尚、略円柱形状のステータにおける一端の外周縁に円筒形状に延びる突出部を立設し、その先端部に接触部を形成することで、前記ロータと接触部との接触域を極力ステータの径方向外側にすることも可能であるが、突出部の強度確保等の問題があり困難である。
【０００５】
本発明の目的は、容易に効率を向上させ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、略円柱形状に形成され、その一端側に接触部を有し、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、前記接触部は前記ステータの前記一端側における径方向外側に形成され、前記ロータは、厚さが略一定の湾曲板形状とされ、その前記接触球面部の曲率の中心が前記ステータ側に設定されており、前記加圧部材は、前記ロータにおける前記ステータの前記接触部に押圧接触される前記接触球面部の厚さ方向の反対側にボールを保持し、該ボールにて前記ステータの前記接触部に対応する前記ロータにおける前記厚さ方向の反対側を押圧する。
【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、前記ロータは、前記加圧部材側の面が該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。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２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ロータと当接する。
【０００９】
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、接触球面部は、曲率の中心が前記ステータ側に設定されるため、接触部との接触域を容易にステータの径方向外側として大きくすることができ、ひいては、容易に効率（トルク）を大きくすることができる。
【００１０】
また、ロータは、厚さが略一定の湾曲板形状とされるため、装置の小型化を図ることができる。
請求項３に記載の発明によれば、加圧部材は、ロータの回動角度に関わらず、ステータに対して不変の所定位置でロータと当接するため、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。
【００１１】
【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。
【００１２】
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）には軸方向に貫通する雌ねじ３ａが形成され、その他端側（図１中、下端側）には、径方向に貫通するネジ孔３ｂが形成されている。第２ハウジング４は、第1ハウジング３より径の小さい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固定部４ｂが形成されている。又、第２ハウジング４の固定部４ｂには、第１ハウジング３の雌ねじ３ａ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。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３ａ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。
【００１３】
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、上段ブロック８（ステータ５）の一端部（上端部）には、接触部８ｂが形成されている。接触部８ｂは、上段ブロック８（ステータ５）の径方向外側に形成されている。詳しくは、本実施の形態の接触部８ｂは、上段ブロック８（ステータ５）における凹部８ａを除く環状の一端部（上端部）において、径方向幅の中央部（１／２）から外縁まで形成されている。この接触部８ｂは、上方に設けられその曲率の中心が下側（ステータ５側）に設定される球面と環状の面で接触するような曲面状に設定されている。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、接触部８ｂに押圧接触される略球面状の接触球面部（面）６ａを有する。この接触球面部６ａは、曲率の中心がステータ５側（図1中、下側）に設定されている。そして、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曲率（即ち、接触部８ｂと同じ曲率）に設定されている。ロータ６全体は、厚さが略一定の湾曲板形状に形成され、その内側が前記接触球面部６ａとされている。このロータは、その外側の面が加圧部材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。又、ロータの外側の面の中央には出力軸６ｂが突設されている。尚、出力軸６ｂ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６ｂ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。
【００２１】
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６ｂを避けて前記湾曲板形状のロータ６の外側（接触球面部６ａの反対側）と対向する環状に形成され、そのロータ６の外側にボール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。皿ばね２２は、一端側に向かうほど拡径する環状に形成され、その一端が前記第２ハウジング４のカバー部４ａに支持され、その他端が前記ボール保持部２４の前記ロータ６との非対向面に固定されている。この皿ばね２２は、配置された状態でカバー部４ａとボール保持部２４との間で撓められた（圧縮された）状態とされている。そして、皿ばね２２の弾性によりボール保持部２４におけるロータ６との非対向面が付勢され、ボール２３にてロータ６が付勢され、その接触球面部６ａが接触部８ｂに押圧接触される。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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６ｂとともにバックミラー２が傾動される。
【００２７】
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において、ステータ５の接触部８ｂに押圧接触される接触球面部６ａは、曲率の中心がステータ５側に設定されるため、接触部８ｂとの接触域を容易にステータ５の径方向外側として大きくすることができる。そして、略円柱形状でその一端に接触部８ｂが形成されるステータ５は、その径方向外側の方が振動の変位（振幅）が大きいため、上記ロータ６を用いた複自由度駆動装置１では、容易に（簡単な形状で）効率（トルク）を大きくすることができる。
【００２８】
（２）ロータ６は、厚さが略一定の湾曲板形状とされるため、例えば、従来の略球形状のロータに比べて、装置の小型化を図ることができる。又、強度が各部で略一定となり、必要以上にロータ６の材料費が高くなることがない（最低限とすることができる）。
【００２９】
（３）加圧部材７（ボール２３）は、ロータ６の回動角度に関わらず（回動してもロータ６に対しスライドして）、ステータ５に対して不変の所定位置でロータ６と当接するため、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。よって、ロータ６が安定して回動する。
【００３０】
（４）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がロータ６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）に対して支持されボール保持部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】
（５）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。
【００３２】
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、ロータ６を、厚さが略一定の湾曲板形状としたが、ステータ５の接触部８ｂに押圧接触される接触球面部の曲率の中心がステータ５側に設定されていれば、他の形状に変更してもよい。例えば、接触球面部の反対側の面が、平面や反対側に湾曲した面（曲率の中心がステータより離間した側にあるもの）とされたロータとしてもよい。尚、これらの場合、加圧部材７を適宜変更する必要がある。このようにしても、上記実施の形態の効果（１）、（５）と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
・上記実施の形態では、加圧部材７（ボール２３）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ロータ６と当接するとしたが、接触球面部６ａを接触部８ｂに略一定の押圧力で押圧接触させることができれば、他の加圧部材に変更してもよい。
【００３４】
・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、ロータ６に対し摺接可能に設けられ該ロータ６（接触球面部６ａ）を接触部８ｂ側に付勢する皿ばねのみに変更してもよい。このようにすると、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。
【００３６】
・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。
【００３７】
（イ）前記接触部は、前記ステータの一端側における径方向外側に形成されたことを特徴とする。このようにすると、接触球面部は、曲率の中心が前記ステータ側に設定され、前記接触部がステータの一端側における径方向外側に形成されることから、その接触域が大きくなり、効率（トルク）が大きくなる。
【００３８】
（ロ）請求項１乃至３、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、前記ボールが前記ロータ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。このようにすると、ロータ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。よって、効率（トルク）を更に向上させることができる。
【００３９】
（ハ）請求項１乃至３、及び上記（イ）、（ロ）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、容易に効率を向上させ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。
【符号の説明】
５…ステータ、６…ロータ、６ａ…接触球面部、７…加圧部材、８ｂ…接触部。

Claims

略円柱形状に形成され、その一端側に接触部を有し、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、
前記接触部は前記ステータの前記一端側における径方向外側に形成され、前記ロータは、厚さが略一定の湾曲板形状とされ、その前記接触球面部の曲率の中心が前記ステータ側に設定されており、
前記加圧部材は、前記ロータにおける前記ステータの前記接触部に押圧接触される前記接触球面部の厚さ方向の反対側にボールを保持し、該ボールにて前記ステータの前記接触部に対応する前記ロータにおける前記厚さ方向の反対側を押圧す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、
前記ロータは、前記加圧部材側の面が該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又は２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ロータと当接することを特徴とする複自由度駆動装置。