JP5737195B2 - 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関し、特に、超音波振動を用いて回転体を回転させる振動アクチュエータに関する。

振動アクチュエータの従来技術としては、例えば、特許文献１に開示された超音波モータを挙げることができる。
特許文献１に開示された超音波モータは、圧電振動子と、圧電振動子の底面に設けた振動拡大部材と、圧電振動子の上面に設けた低弾性率部材を備えている。
圧電振動子の周囲には案内ケースが配置され、この案内ケースの上面に加圧部材が設けられ、案内ケースの側部を嵌め合わせた案内板が備えられている。
そして、超音波モータでは、振動拡大突起の先端は移動体に圧接させている。

この超音波モータによれば、案内ケースは、圧電振動子の屈曲振動及び伸縮振動に対しても、圧電振動子を加圧方向と垂直な方向へ移動させずに、加圧方向のみに案内する。
したがって、圧電振動子の移動体との圧接部位は滑らないので、圧電振動子の圧接部位 に設けた振動拡大部材と移動体との間に大きな加圧力が加わり、大きなトルクを発生させるとともに、トルクを安定させるとしている。

特開２００７−１８９８９９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された超音波モータは、大きなトルクを発生させるとともに、トルクを安定させるとしているものの、案内ケースが圧電振動子の周囲に配置される構造であるため、超音波モータの体格が大きくなるという問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、体格が小さくても大きなトルクを安定して得ることができる振動アクチュエータの提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、ステータと、前記ステータにより接触支持されるローラと、前記ローラを回転可能に支持する回転軸と、前記ステータに連結されると共に前記ステータと前記ローラの接触部分に超音波振動を発生させて前記ローラを回転させる振動手段と、前記回転軸に連結されて前記回転軸を前記ステータに向かって付勢することにより前記ローラを前記ステータに対して加圧する予圧手段とを備える振動アクチュエータにおいて、前記予圧手段は、前記ローラの両側において前記回転軸と連結される一対の連結部を有する連結部材と、を備え、前記ステータは、前記連結部材を収容する空間部を備え、前記連結部材は、前記ローラの外周面と対向する対向面を備え、潤滑剤を含む潤滑部材が前記対向面に設置されていることを特徴とする。

本発明によれば、予圧手段の一部を構成する連結部材はステータの内部の空間部に収容され、振動アクチュエータの体格を小さくすることができる。
また、連結部材は振動手段の振動を妨げることないことから、体格が小さくても大きなトルクを安定して得ることができる。
また、潤滑部材を連結部材の対向面に設置することによりローラとステータとの潤滑を促進する潤滑剤をローラに供給することができる。
また、潤滑部材はローラ、ステータおよび連結部材に囲まれるため脱落することはなく、潤滑部材を連結部材に固定するための手段が不要となる。

また、上記の振動アクチュエータにおいて、前記予圧手段は、前記ステータおよび前記振動手段の内部を貫通し、前記連結部材と連結される連結ロッドと、前記ロッドに連結され、前記回転軸を前記ステータに向かって付勢する付勢部材と、を備えた構成としてもよい。
この場合、連結ロッドが振動手段の内部を貫通することから、ロッドを振動手段の外部に設ける必要がなく、振動アクチュエータの体格をさらに小さくすることができる。

また、上記の振動アクチュエータにおいて、前記ローラは単一である構成としてもよい。
この場合、ローラを単一にすることで加工精度が上がり、またローラを複数個組み付ける際に発生する組付精度のばらつきも無い。したがって、振動アクチュエータはより安定したトルクを得ることができる。

また、上記の振動アクチュエータにおいて、前記ステータと接続されるケース部材が設けられ、前記ケース部材は、前記付勢部材を収容する空間を備えている構成としてもよい。
この場合、付勢部材をケース部材の空間部に収容することができ、付勢部材を外部に設ける必要がない。
このため、振動アクチュエータの体格をさらに小さくすることができる。

また、上記の振動アクチュエータにおいて、前記連結部材は、固定用の固定部を有する構成としてもよい。
この場合、固定部を介して振動アクチュエータを固定先に固定することができる。
振動アクチュエータが固定された状態であっても、固定される連結部材は振動手段の振動を妨げることなく、体格が小さくても大きなトルクを安定して得ることができる。

本発明によれば、体格が小さくても大きなトルクを安定して得ることができる振動アクチュエータを提供することができる。

第１の実施形態に係る振動アクチュエータの斜視図である。 第１の実施形態に係る振動アクチュエータの側面図である。 図２のＡ−Ａ線の矢視図である。 第１の実施形態に係る振動アクチュエータの要部の分解斜視図である。 第２の実施形態に係る振動アクチュエータの側面図である。 図５のＢ−Ｂ線の矢視図である。 変形例に係る振動アクチュエータの側面図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る振動アクチュエータについて図面を参照して説明する。
図１に示す振動アクチュエータ１０は、超音波振動を利用して回転体を回転させる超音波アクチュエータである。
図１に示すように、振動アクチュエータ１０は、円筒状の基部１１と、ステータ１３と、圧電素子１７と、回転軸３４を備えたローラ３０と、回転軸３４と連結される連結部材３７と、付勢部材としての皿ばね５０を備えている。
図１に示すように、ローラ３０は単一の部材で構成されている。

図２に示すように、基部１１は円筒状であって基部１１の中心にはねじ孔１２が形成されており、基部１１はステータ１３と連結されている。
ステータ１３は、ねじ孔１２に螺入可能な軸部１４と、軸部１４の基端側に形成された円柱状のステータ本体部１５を備えている。
軸部１４の先端寄りにはねじ孔１２に対応する雄ねじ１６が形成されている。

基部１１とステータ本体部１５との間には、振動手段としての圧電素子１７が設けられている。
圧電素子１７は略円柱状の形態を呈しており中心に通孔１８を有する。
圧電素子１７の通孔１８にステータ１３の軸部１４が挿入されることにより、圧電素子１７はステータ１３に保持される。
圧電素子１７は、駆動回路（図示せず）に電気的に接続される有孔円盤状の圧電素子板（図示せず）を積層した構造を有している。
そして、圧電素子１７を構成する複数の圧電素子板は、駆動回路から交流電圧を印加されることにより超音波振動を発生する。

軸部１４の基端側にはローラ３０を接触支持する円柱状のステータ本体部１５が備えられている。
ステータ本体部１５のローラ３０側の端部には、径方向に横断する溝部１９が形成されている。
溝部１９は、回転軸３４と連結される連結部材３７の一部が収容される空間部を形成する。
ステータ本体部１５における溝部１９の両側には、ローラ３０の外周面３１と接触する接触面２１を有する接触部２０が形成されている。
接触面２１はローラ３０との接触部分に相当する。
なお、ステータ１３は、軸部１４およびステータ本体部１５の中心を貫通する貫通孔２２を有している。

図３に示すように、ローラ３０は外周面３１と一対のローラ端面３２を備え、ローラ３０の中心には軸孔３３が形成されている。
ローラ３０の軸孔３３には回転軸３４が貫通しており、回転軸３４はローラ３０と固定されている。
このように、回転軸３４がローラ３０を貫通することにより、回転軸３４はローラを回転可能に支持している。
図示はしないが、回転軸３４は止めねじやキー等を用いてローラ３０に固定される。
回転軸３４の軸心はローラ３０の回転軸心Ｐとなる。
ローラ３０の外周面３１は、ステータ１３における接触部２０の接触面２１の曲率と同じ曲率の面に形成されている。
本実施形態では、回転軸３４の両端部は、振動アクチュエータ１０の出力端であり、回転軸３４の回転力を出力として用いる。

回転軸３４は、ローラ端面３２の両側において軸受３６を介して連結部材３７と連結されている。
図３に示すように、連結部材３７は正面視略Ｕ字状であり、一対の連結部３８および一対の連結部３８を接続する接続部３９を備えている。
連結部３８には通孔４０が形成されており、回転軸３４が通孔４０に挿通され、回転軸３４は軸受３６を介して連結部３８に支持されている。
接続部３９および連結部３８の接続部３９寄りの部位は、ステータ１３の溝部１９にほぼ隙間無く挿入される溝挿入部であり、溝挿入部は溝部１９の幅に対応する寸法に設定されている。
因みに、本実施形態では、回転軸心Ｐの方向に対応する連結部材３７の寸法が、ステータ本体部１５の溝部１９の溝長さとほぼ対応しており、溝部１９に挿入された連結部材３７は僅かに溝部１９からはみ出る程度で済む。

本実施形態では、ローラ３０の外周面３１と連結部材３７の接続部３９との間に隙間が形成されており、この隙間に潤滑剤としての潤滑油を含ませたスポンジ体４１が収容されている。
スポンジ体４１は潤滑部材に相当し、潤滑油をローラ３０の外周面３１に供給するためのものである。
スポンジ体４１は連結部３８間における接続部３９の表面に載置され、連結部材３７に固定されない。
連結部３８間における接続部３９の表面は、ローラ３０の外周面３１と対向する対向面に相当する。
連結部材３７がステータ１３の溝部１９に挿入されている状態では、スポンジ体４１の周囲は、ステータ１３、ローラ３０および連結部材３７により覆われており、スポンジ体４１は空間部から脱落しない。

連結部材３７は連結ロッド４５と連結されている。
連結部材３７の接続部３９の中央にはねじ孔４２が形成されている。
連結ロッド４５の一方の端部には、ねじ孔４２に対応するねじ軸部４６が形成されている。
連結ロッド４５のねじ軸部４６がねじ孔４２に螺入されることにより、連結ロッド４５と連結部材３７は互いに連結される。
連結ロッド４５はステータ１３の貫通孔２２に挿通されており、連結ロッド４５の他方の端部はステータ１３の軸部１４から突出している。
従って、連結ロッド４５はステータ１３および圧電素子１７の内部を貫通している。
連結ロッド４５の軸部１４から突出する突出端４７には、ホルダ４８を介して円板状のばね受体４９が取り付けられている。
ばね受体４９と基部１１との間には、付勢部材としての皿ばね５０が介在されている。

皿ばね５０は、皿ばね５０の外径縁と内径縁が接近する方向に作用する力に対抗するばね力を有し、ばね力は回転軸３４をステータ１３へ近づける付勢力として連結ロッド４５に付与される。
皿ばね５０の付勢力により回転軸３４が連結部材３７を介してステータ１３へ向かって付勢されることから、ローラ３０がステータ１３に対して加圧される。
本実施形態では、連結ロッド４５、ばね受体４９および皿ばね５０が予圧手段を構成する要素である。
ここで、説明の便宜上、連結ロッド４５の軸心方向をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向に向かうＸ軸とし、Ｚ軸およびＸ軸に対して垂直なＹ軸が設定されているものとする。

図４は振動アクチュエータ１０の分解斜視図であり、基部１１、ステータ１３、圧電素子１７、ローラ３０、連結部材３７、皿ばね５０を分解して図示している。
図４では、連結ロッド４５は連結部材３７と連結された状態であり、突出端４７、ホルダ４８およびばね受体４９の図示を省略している。

次に、本実施形態に係る振動アクチュエータ１０の作動について説明する。
駆動回路により交流電圧が圧電素子１７の各圧電素子板に印加されると、各圧電素子板が振動方向の異なる超音波振動を発生する。
圧電素子１７に対して位相を９０度シフトした交流電圧を印加することにより、圧電素子１７にＹ軸のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とを組み合わせた複合運動を発生させる。
超音波振動の複合振動がステータ１３に伝達され、ステータ１３における一対の接触面２１には、Ｙ軸−Ｚ軸平面におけるＸ軸周りの楕円運動（又は円運動）が発生する。
ローラ３０が接触面２１を通じて楕円運動（又は円運動）を受けることにより、ローラ３０は回転軸３４を中心にして回転される。
ローラ３０の回転により、ローラ３０に固定された回転軸３４の端部では出力として回転力が得られる。
ローラ３０の回転方向、回転速度およびトルクの制御は、印加する交流電圧や周波数等を制御することにより行うことが可能である。

連結部材３７は、皿ばね５０の付勢力を受ける連結ロッド４５により、回転軸３４をステータ１３へ近づく方向に付勢されるため、ローラ３０はステータ１３に圧接される。
ローラ３０は予圧手段による回転軸３４のステータ１３側への付勢によりステータ１３に圧接された状態にあることから、ステータ１３の接触面２１においてローラ３０の加圧接触による荷重がそれぞれ均等に作用し、ローラ３０は高トルクで回転される。
ローラ３０とステータ１３が互いに圧接されることから、連結部材３７は振動するステータ１３や圧電素子１７に対して振動を妨げることはない。
このため、連結部材３７に設置先との固定用の固定部を設定し、固定部を介して振動アクチュエータ１０を設置先に固定すれば、固定された振動アクチュエータ１０はステータ１３や圧電素子１７の振動が妨げられることなく作動する。
本実施形態では、連結部材３７の連結部３８の一部を固定部とすることが好ましい。

ローラ３０の回転時において、スポンジ体４１の潤滑油がローラ３０の外周面３１に塗布され、潤滑油によりローラ３０の外周面３１とステータ１３の接触面２１との圧接状態は、ローラ３０が高トルクの回転力を得ることができる状態となる。
つまり、潤滑油はローラ３０の外周面３１とステータ１３の接触面２１との適切な圧接状態を維持する。

本実施形態の振動アクチュエータ１０は、以下の作用効果を奏する。
（１）予圧手段の一部を構成する連結部材３７の溝挿入部はステータ１３の溝部１９の空間部に収容されるから、振動アクチュエータ１０の体格を小さくすることができる。特に、連結部材３７がステータ１３の径方向においてステータ１３から大きくはみ出すことはなく、振動アクチュエータ１０の体格をより小さくすることができる。
（２）連結部材３７はステータ１３や圧電素子１７の振動を妨げることないことから、体格が小さくても回転するローラ３０は大きなトルクを安定して得ることができる。
（３）連結部材３７はローラ３０の両側において回転軸３４と連結され、付勢力を受ける連結ロッド４５により付勢されるから、ステータ１３の一対の接触面２１においてローラ３０の加圧接触による荷重をそれぞれ均等に作用させることができる。
（４）連結ロッド４５がステータ１３および圧電素子１７の内部を貫通することから、連結ロッドをステータ１３および圧電素子１７の外部に設ける必要がなく、振動アクチュエータ１０の体格をさらに小さくすることができる。
（５）ローラ３０を単一の部材にすることで加工精度が上がり、また、ローラを複数個組み付ける際に発生する組付精度のばらつきも無い。したがって、振動アクチュエータ１０はより安定したトルクを得ることができる。
（６）連結部材３７に設置先との固定用の固定部を設定し、固定部を介して振動アクチュエータ１０を設置先に固定することができる。この場合、振動アクチュエータ１０が固定された状態であっても、固定される連結部材３７はステータや圧電素子１７の振動を妨げることはなく、振動アクチュエータ１０は体格が小さくても大きなトルクを安定して得ることができる。
（７）潤滑油を含ませたスポンジ体４１を連結部材３７に設置することにより、ローラ３０とステータ１３の接触面２１との潤滑を促進する潤滑油がローラ３０に供給される。潤滑油はローラ３０、ステータ１３および連結部材３７に囲まれるため設置先から脱落することはなく、潤滑油を連結部材３７に固定するための手段が不要となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る振動アクチュエータについて説明する。
本実施形態では、連結部材が第１の実施形態の連結部材と異なる。
連結部材を除く共通の構成については、第１の実施形態の説明を援用して説明を省略し、共通の符号を用いる。

図５は、本実施形態に係る振動アクチュエータの側面図であり、図６は図５のＢ−Ｂ線矢視図である。
図５および図６に示す振動アクチュエータ６０は連結部材６１を備えている。
図６に示すように、連結部材６１は断面ロ字状の形態を呈しており、一対の連結部６２と、第１接続部６３および第２接続部６４を備えている。
一対の連結部６２には通孔６５が形成されており、連結部６２は軸受３６を介して回転軸３４を支持する。
第１接続部６３は一対の連結部６２をステータ１３側において接続する部位であり、第１の実施形態の連結部材３７における接続部３９に相当する。
第１接続部６３の中央には連結ロッド４５を連結するためのねじ孔６６が形成されている。
第２接続部６４は一対の連結部６２をステータ１３側の反対側において接続する部位である。

本実施形態の振動アクチュエータ６０は、第１の実施形態の作用効果と同等の作用効果を奏する。
また、本実施形態の振動アクチュエータ６０では、断面ロ字状の連結部材６１を備えることから、第１の実施形態と比較して連結部材６１の剛性が向上しており、振動アクチュエータ６０の構造をより堅牢とすることができる。
また、連結部材６１において第２接続部６４が形成されていることから、第２接続部６４を固定部とすることができる。
本実施形態では、固定部として利用できる部位が連結部材６１において増加し、固定先に対する自由度を高くなるほか、固定先との固定力を向上させることができる。

なお、上記の実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。

○ 上記の実施形態では、ローラ３０は単一の部材である構成としたが、ローラ３０を例えば２つの部材となるように２分割する構成や、あるいは、個別に製作された２つの部材を重ねてローラ３０としてもよい。また、２分割した部材又は２つの部材の間に減速機を設けてもよいし、あるいは、部材間に振動アクチュエータの出力を取出すための出力リンク等の出力部材を設けた構成でもよい。
○ 上記の実施形態では、回転軸３４がローラ３０の軸孔３３を貫通する構成としたが、例えば、ローラ３０の軸孔３３の両側から複数の軸を挿入してローラ３０とそれぞれ固定し、複数の軸により構成される回転軸としてもよい。このように、回転軸はローラ３０を回転可能に支持する構成であれば特に限定されない。
○ 上記の実施形態では、略Ｕ字状の連結部材又は断面ロ字状の連結部材としたが、連結部材はローラの両側において回転軸と連結され、予圧手段により付勢されてローラの回転を実現することができる形状であればとくに限定されない。
○ 上記の実施形態では、ステータの径方向に横断する溝部により連結部材を収容する空間部を形成したが、横断しない溝、すなわち長方形の有底孔であってもよい。また、ステータに軸部を設けて軸部と基部が連結されるとしたが、ステータに軸部を設けず、代わりに基部に軸部を設けて基部の軸部とステータを連結する構成としてもよい。
○ 上記の実施形態では、付勢部材として皿ばねを用いたが、付勢部材は皿ばねに限定されない。付勢部材は、回転軸をステータに向かって付勢する付勢力を発生することができる要素であればよく、例えば、弾性樹脂やコイルばねでもよい。あるいは、連結ロッドを弾性体とし、連結ロッドを付勢部材として機能させてもよい。
○ 上記の実施形態では、回転軸の回転力をそのまま出力とするとしたが、例えば、回転軸および連結部材にギヤを設けて、減速機構を構成するようにしてもよい。この場合、連結部材を減速機構を構成する要素として兼用させることができる。また、減速機構が備えられることにより、コンパクトであってもさらに高トルクの回転力を得ることができる。
○ 上記の実施形態では、連結部材を固定先に固定することで回転軸の端部を出力端としたがこれに限らない。例えば、回転軸を固定先に固定することにより、回転軸およびローラ以外の要素を出力側としてもよい。この場合も上記の実施形態と同様に連結部材はステータや圧電素子の振動を妨げることはない。
○ 上記の実施形態では、付勢部材である皿ばね５０が基部１１の端部に設けられる構成としたが、図７の変形例に示すように、皿ばね５０を収容可能な筒部７２を基部７１に形成し、筒部７２を備えた基部７１をケース部材としてもよい。この場合、筒部７２内に皿ばね５０を収容する。また、皿ばね以外の付勢部材とする場合でもケース部材の内部に収容するようにしてもよい。付勢部材をケース部材の内部に収容することにより、外部に付勢部材を設ける必要がなく、付勢部材を保護することができる。また、振動アクチュエータの体格をより小さくすることも可能となる。

１０、６０ 振動アクチュエータ
１１ 基部
１３ ステータ
１５ ステータ本体部
１７ 圧電素子
１９ 溝部
２１ 接触面
３０ ローラ
３１ 外周面
３４ 回転軸
３７、６１ 連結部材
３８、６２ 連結部
３９ 接続部
４１ スポンジ体
４５ ロッド
４９ ばね受体
５０ 皿ばね
６３ 第１接続部
６４ 第２接続部
Ｐ 回転軸心

Claims (5)

1. ステータと、
   前記ステータにより接触支持されるローラと、
   前記ローラを回転可能に支持する回転軸と、
   前記ステータに連結されると共に前記ステータと前記ローラの接触部分に超音波振動を発生させて前記ローラを回転させる振動手段と、
   前記回転軸に連結されて前記回転軸を前記ステータに向かって付勢することにより前記ローラを前記ステータに対して加圧する予圧手段とを備える振動アクチュエータにおいて、
   前記予圧手段は、前記ローラの両側において前記回転軸と連結される一対の連結部を有する連結部材と、を備え、
   前記ステータは、前記連結部材を収容する空間部を備え、
   前記連結部材は、前記ローラの外周面と対向する対向面を備え、
   潤滑剤を含む潤滑部材が前記対向面に設置されていることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 前記予圧手段は、前記ステータおよび前記振動手段の内部を貫通し、前記連結部材と連結される連結ロッドと、
   前記ロッドに連結され、前記回転軸を前記ステータに向かって付勢する付勢部材と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の振動アクチュエータ。
3. 前記ローラは単一であることを特徴とする請求項１又は２記載の振動アクチュエータ。
4. 前記ステータと接続されるケース部材が設けられ、
   前記ケース部材は、前記付勢部材を収容する空間を備えていることを特徴とする請求項２記載の振動アクチュエータ。
5. 前記連結部材は、固定用の固定部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の振動アクチュエータ。

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