JP5176530B2 - 振動アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、振動アクチュエータに係り、特に予圧部により回転子を固定子に加圧した状態で固定子に超音波振動を発生させることで回転子を駆動する振動アクチュエータに関する。

近年、超音波振動を利用して回転子を駆動する振動アクチュエータが提案され、実用化されている。この振動アクチュエータは、圧電素子を用いて固定子の表面に楕円運動または進行波を発生させ、固定子に回転子を加圧接触させることによりこれら両者間の摩擦力を介して回転子を駆動させるものである。
例えば、特許文献１には、略球体状の回転子を一対の固定子で挟持し、互いに積層された第１〜第３の圧電素子部からなる振動体により双方の固定子に互いに同一の方向の超音波振動を発生させて、回転子を多自由度に回転駆動させるアクチュエータが、本出願人により開示されている。このアクチュエータにおいては、一対の固定子によって回転子を挟み込む方向の予圧力が回転子に与えられ、これにより回転子が一対の固定子にそれぞれ加圧接触されている。

特開２００７−１３５３１２号公報

このような振動アクチュエータにおいては、固定子と回転子との間の摩擦力を介して回転子を駆動させるので、高トルクを得るためには、固定子に対して回転子を押圧する予圧力を高める必要がある。しかしながら、予圧力を高めると、回転子の接触部における摩耗が加速されるため、アクチュエータとしての寿命が短縮化するおそれがある。
特に、予圧部を回転子に接触させて回転子を固定子に加圧した状態で固定子に超音波振動を発生させることにより回転子を駆動する振動アクチュエータにおいては、予圧力を高めると、回転子と予圧部との間に発生する摩擦力に起因して、摩耗が進むだけでなく、摩擦損失によりトルクが低下するおそれを生じてしまう。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、高トルクを実現しながらも耐久性に優れた振動アクチュエータを提供することを目的とする。

この発明に係る振動アクチュエータは、予圧部により回転子を固定子に加圧した状態で固定子に超音波振動を発生させることにより回転子を駆動させる振動アクチュエータにおいて、回転子の外表面は、前記予圧部に接触する曲面状の予圧部接触面と前記固定子に接触する曲面状の固定子接触面とを有し、固定子接触面の摩擦係数が予圧部接触面の摩擦係数よりも大きくなるように、固定子接触面には粗面化処理又は溝が形成される。
なお、固定子接触面と予圧部接触面とは不連続に形成されてもよい。

この発明によれば、回転子の外表面にうち予圧部に接触する予圧部接触面の摩擦係数が固定子に接触する固定子接触面の摩擦係数よりも小さいので、高トルクを実現しながらも耐久性に優れた振動アクチュエータが実現される。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に、この発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータの構成を示す。基部１と固定子２との間に振動体３が挟持され、基部１と固定子２とが振動体３内に通された連結ボルト４を介して互いに連結されている。固定子２には、振動体３に接する面とは反対側に凹部５が形成されており、この凹部５内に略球体状の回転子６の下部が収容されている。振動体３は、固定子２に超音波振動を発生させて回転子６を回転させるもので、振動体３に駆動回路７が電気的に接続されている。

ここで、説明の便宜上、基部１から回転子６に向かってＺ軸が延び、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
固定子２の凹部５の開口端縁には、ＸＹ平面上に位置する接触部８が形成されている。回転子６はこの凹部５の接触部８に当接した状態で回転可能に支持されている。
固定子２の上部には、支持部材９が配置されている。この支持部材９は、固定子２の上面の上に固定される環状部１０と、環状部１０から上方に延びるアーチ部１１を有し、アーチ部１１のほぼ中央部に予圧部１２が垂下されている。この予圧部１２の下面が回転子６に当接し、これにより回転子６が固定子２の接触部８に対して加圧接触されている。

回転子６の略球面状の外表面は、固定子２に面する下半部の固定子接触面６ａと、予圧部１２に面する上半部の予圧部接触面６ｂとを有しており、予圧部接触面６ｂの摩擦係数が固定子接触面６ａの摩擦係数よりも小さく設定されている。なお、回転子６は振動アクチュエータの駆動により回転（自転）するが、回転子６の可動範囲は、固定子接触面６ａが固定子２の接触部８に接触すると共に予圧部接触面６ｂが予圧部１２に接触する範囲内に限られるものとする。

振動体３は、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有しており、固定子２に超音波振動を発生させることにより回転子６をＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転させる。
具体的には、図２に示されるように、第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介して固定子２及び基部１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。

図３に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。

第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃと、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃと、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃがそれぞれ駆動回路７に電気的に接続されている。

次に、この実施の形態１に係る振動アクチュエータの動作について説明する。
まず、振動体３に対して、第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃに振動アクチュエータの固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子２にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。同様に、第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃに交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、固定子２にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃに交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、固定子２にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。

そこで、例えば、駆動回路７から第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子２の接触部８にＸＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＹ軸回りに回転する。
同様に、駆動回路７から第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第２の圧電素子部３２の電極板３２ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｙ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子２の接触部８にＹＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＸ軸回りに回転する。
さらに、駆動回路７から第１の圧電素子部３１の電極板３１ｃと第３の圧電素子部３３の電極板３３ｃとの双方に位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされて回転子６と接触する固定子２の接触部８にＸＹ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介して回転子６がＺ軸回りに回転する。
このようにして振動体３を駆動することにより、回転子６がＸ、Ｙ、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転する。

上述したように、回転子６の略球面状の外表面のうち、予圧部１２に接触する予圧部接触面６ｂの摩擦係数は固定子２の接触部８に接触する固定子接触面６ａの摩擦係数よりも小さく設定されている。このため、回転子６と予圧部１２との間に作用する摩擦力を小さくすることができ、摩耗の進行が抑制されると共に、摩擦損失によるトルクの低下が防止される。
また、回転子６の固定子接触面６ａの摩擦係数をより大きくすることにより、トルクの増大を達成することができる。あるいは、固定子接触面６ａの摩擦係数を大きくすることで、所定のトルクを得るのに必要な予圧力が小さくなるので、予圧部１２及び固定子２と回転子６との間の面圧を小さくして摩耗を低減することが可能となる。

なお、回転子６の固定子接触面６ａと予圧部接触面６ｂの摩擦係数の違いは、双方の接触面の材質、硬さ、表面粗さ及び表面形状のうち少なくとも１つを異ならせることにより実現することができる。
材質の違いを利用する例としては、固定子接触面６ａを、クロム、窒化チタン等の金属の被膜から形成して摩擦係数を比較的大きくする一方、予圧部接触面６ｂを、テフロン（登録商標）、二硫化モリブデン、グラファイト等の被膜から形成して摩擦係数を比較的小さくすることができる。

また、固定子接触面６ａと予圧部接触面６ｂのうち一方のみにショットブラスト等の粗面化処理を施す、あるいは、双方に施す粗面化処理の条件を変えることにより、固定子接触面６ａと予圧部接触面６ｂの表面粗さを変化させても、予圧部接触面６ｂの摩擦係数を固定子接触面６ａよりも小さくすることが可能である。さらに、粗面化処理を施した後に、各種材質の被膜を形成することもできる。

表面形状を変化させても、予圧部接触面６ｂの摩擦係数を固定子接触面６ａの摩擦係数より小さくすることができる。例えば、固定子接触面６ａに溝を形成することにより、摩擦係数が大きくなる。

さらに、メッキ、コーティング等により回転子６の略球面状の全面上に同一材質の被膜を形成すると共に、固定子接触面６ａと予圧部接触面６ｂとで被膜の結晶密度を変化させて双方の硬さに違いを設けてもよい。硬さを変えることにより、予圧部接触面６ｂの摩擦係数を固定子接触面６ａより小さくすることができる。結晶密度は、例えばメッキ処理時の電流密度に応じて変化させることが可能となる。このように、結晶密度を変化させる方法によれば、固定子接触面６ａと予圧部接触面６ｂとで同一材質の被膜を用いることができるので、電触等の不具合が未然に回避される。

実施の形態２
上記の実施の形態１においては、略球体状の回転子６の外表面を摩擦係数の大きな固定子接触面６ａと摩擦係数の小さな予圧部接触面６ｂとに二分したが、回転子の形状は略球体状に限るものではない。
図４に、この発明の実施の形態２に係る振動アクチュエータで用いられる回転子１６を示す。この回転子１６は、径の大きな半球１７の上に径の小さな半球１８を貼り合わせた形状を有し、互いの中心位置を一致させて回転中心Ｃとしたものである。半球１７の外表面により固定子接触面１６ａが、半球１８の外表面により予圧部接触面１６ｂがそれぞれ形成されている。そして、予圧部接触面１６ｂの摩擦係数が固定子接触面１６ａの摩擦係数よりも小さく設定されている。
実施の形態１と同様に、回転子１６の可動範囲は、固定子接触面１６ａが固定子に接触すると共に予圧部接触面１６ｂが予圧部に接触する範囲内に限られる。このため、図４に示されるように、固定子接触面１６ａと予圧部接触面１６ｂとを不連続に形成することができ、予圧部接触面１６ｂの径を固定子接触面１６ａの径より小さくした回転子１６を用いることで小型の振動アクチュエータが実現される。

また、図５に示されるように、円柱形状の回転子２６を用いて１自由度の振動アクチュエータを構成することもできる。回転子２６の外表面を周方向に二分してそれぞれ円筒面状の固定子接触面２６ａと予圧部接触面２６ｂを形成し、予圧部接触面２６ｂの摩擦係数を固定子接触面２６ａの摩擦係数よりも小さく設定する。そして、固定子接触面２６ａを振動アクチュエータの固定子に接触させると共に予圧部接触面２６ｂに予圧部を接触させた状態で、固定子に楕円振動を発生させることにより、摩擦力を介して回転子２６がその中心軸の周りに回転する。１自由度であるが、円柱形状の回転子２６を用いることにより安定した駆動をさせることができる。
なお、このような円柱形状の回転子においても、図６に示されるように、予圧部接触面３６ｂの径を固定子接触面３６ａの径より小さくして、予圧部接触面３６ｂの摩擦係数を固定子接触面３６ａの摩擦係数よりも小さく設定してもよい。この回転子３６を用いることにより、小型の振動アクチュエータを構成することができる。

この発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータの構成を示す断面図である。 実施の形態１で用いられた振動体の構成を示す部分断面図である。 実施の形態１で用いられた振動体の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。 実施の形態２に係る振動アクチュエータで用いられる回転子を示す斜視図である。 実施の形態２の変形例に係る振動アクチュエータで用いられる回転子を示す斜視図である。 実施の形態２の他の変形例に係る振動アクチュエータで用いられる回転子を示す斜視図である。

符号の説明

１ 基部、２ 固定子、３ 振動体、４ 連結ボルト、５ 凹部、６，１６，２６，３６ 回転子、７ 駆動回路、８ 接触面、９ 支持部材、１０ 環状部、１１ アーチ部、１２ 予圧部、６ａ，１６ａ，２６ａ，３６ａ 固定子接触面、６ｂ，１６ｂ，２６ｂ，３６ｂ 予圧部接触面、１７，１８ 半球。

Claims (2)

1. 予圧部により回転子を固定子に加圧した状態で前記固定子に超音波振動を発生させることにより前記回転子を駆動させる振動アクチュエータにおいて、
   前記回転子の外表面は、前記予圧部に接触する曲面状の予圧部接触面と前記固定子に接触する曲面状の固定子接触面とを有し、
   前記固定子接触面の摩擦係数が前記予圧部接触面の摩擦係数よりも大きくなるように、前記固定子接触面には粗面化処理又は溝が形成されることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 前記固定子接触面と前記予圧部接触面とは不連続に形成される請求項１に記載の振動アクチュエータ。

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