JPH08186990A - ねじり振動変換アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はねじり振動変換アクチュエータに係
り、高い加工精度を要求することなく安定した駆動力を
伝達すると共に、装置のコストダウンを図ることを可能
としたねじり振動変換アクチュエータを提供することを
目的とする。 【構成】 ねじり振動子２が矢印ω’方向にねじれを生
じるタイミングで制御電極１２に電圧を印加し、回転子
４と共振子５ａ間に静電吸着力を生じさせ、共振子５ａ
の矢印ω’方向のねじれ力を滑りを生じることなく確実
に回転子４に伝達し、シャフト１０を介して安定した回
転駆動力を伝達するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ねじり振動を回転駆動
力に変換するねじり振動変換アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の振動には様々な形式のものがあ
り、例えば、縦振動、横振動、ねじり振動、等である。
ここで、円柱の場合の例を挙げると、ねじり振動とは長
軸に直交し、重心点を含む基準平面に対し、対象な円周
運動の振動をいう。図７はこの場合の例を示す図であ
り、電気信号によりねじり振動を誘起するねじり振動子
を用いた圧電体の例である。すなわち、基準平面の位置
に電気−機械変換機能を有する圧電素子４０が配置さ
れ、その上面及び下面に振動子全体の共振周波数を設定
する為の共振体４１ａ、４１ｂが設けられている。尚、
圧電素子４０への電圧の印加は、同図に示す様に、圧電
素子４０の上下の周面に形成された電極４２ａ、４２ｂ
を介して供給される。ここで、電極４２ａ、４２ｂに所
定の電圧を印加すると、圧電体の本体は強誘電体であっ
て、その分極処理方向は円周方向であり、また印加する
電圧による電界が分極方向と直交する様に電極４２ａ、
４２ｂを設けることにより、同図に矢印ω、ω’で示す
方向にねじり変位を発生する。

【０００３】従来、上述の様なねじり振動を動力源（動
力源振動子）として利用する提案がなされている。例え
ば、上述の図７に示す共振体４１ａの上面４１ａ’に上
下方向に振動する不図示の振動子（クラッチ用振動子）
を配設し、更にその上面に不図示の回転体を配設する。
そして、上下方向に振動する振動子により共振体４１ａ
と回転体の接続／非接続を繰り返し、共振体４１ａに発
生する矢印ω、又はω’方向へのねじり振動の一方を取
り出し、回転体の回転駆動力の発生に利用するものであ
る。例えば、共振体４１ａが矢印ω方向に振動するタイ
ミングでクラッチ用振動子を上下方向に伸ばし（歪ま
せ）、共振体４１ａとクラッチ用振動子間の摩擦力、及
びクラッチ用振動子と回転体間の摩擦力に基づき、動力
源振動子の駆動力を回転体に出力する構成である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
様なねじり振動変換アクチュエータでは以下の様な問題
がある。

【０００５】すなわち、（イ）回転体と共振体４１ａ
（動力源振動子）との間の動力伝達に、上述の如く摩擦
力を用いているが、動力伝達力は振動子の発生する応力
による為、上述の共振体４１ａとクラッチ用振動子間等
の間隔は極めて小さく、両者間の対面密着度を高める
為、極めて高精度の加工が要求される。したがって、こ
の精度が低ければ、すべりは避けられず、回転駆動力は
不安定なものとなる。

【０００６】（ロ）また、従来のねじり振動変換アクチ
ュエータは、上述の様に、動力源振動子とクラッチ用振
動子の２個の振動子を用いており、これらの振動子は高
価であることから装置のコストアップの原因となってい
る。

【０００７】本発明は、高い加工精度を要求することな
く、安定した駆動力を伝達すると共に、装置のコストダ
ウンを図ることを可能としたねじり振動変換アクチュエ
ータを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、被固定部に対
し電気信号により一端がねじり振動を行うねじり振動子
と、該ねじり振動子の前記一端と係合すべく設けられた
回転可能なロータと、前記一端における振動エネルギー
のうち所定のねじれ方向のエネルギーのみを前記ロータ
に伝達すべく制御するエネルギー変換伝達制御手段とを
有する振動変換アクチュエータに適用され、前記エネル
ギー変換伝達制御手段は、前記ねじり振動子の振動に対
応して電位制御に基づいて前記ロータとの連結力を作用
させる連結力制御手段を備え、前記一端と前記ロータと
の連結力により前記ねじり振動子の所定のねじれ方向の
エネルギーを伝達すべく構成することにより達成され
る。

【０００９】また、前記連結力制御手段は、例えば静電
気を作用させる手段で構成する。また、前記連結力は例
えば前記一端と前記ロータとの静電吸着力によるもので
ある。

【００１０】また、前記ねじり振動変換アクチュエータ
は、例えば該アクチュエータ本体に対して固定され、前
記ロータと係合可能な固定子を備え、前記連結力は前記
ロータと前記固定子との静電反発力による構成である。

【００１１】また、前記連結力制御手段は、例えば前記
一端と前記ロータとの静電吸着力を作用させるべく制御
する構成であり、また、前記連結力制御手段は、前記一
端と前記ロータとの静電反発力を作用させるのと同時
に、前記ロータと前記固定子との静電吸着力を作用させ
るべく制御する構成である。

【００１２】また、前記連結力制御手段は、例えば流体
摩擦力を作用させる手段で構成され、前記連結力は前記
一端と前記ロータとの間に高粘性流体摩擦力を作用させ
る構成である。

【００１３】また、前記連結力制御手段は、前記一端と
前記ロータとの間に高粘性流体摩擦力を作用させるのと
同時に、前記ロータと前記固定子との間に低粘性流体摩
擦力を作用させるべく制御する構成である。

【００１４】さらに、前記連結力制御手段は、前記一端
と前記ロータとの間に低粘性流体摩擦力を作用させるの
と同時に、前記ロータと前記固定子との間に高粘性流体
摩擦力を作用させるべく制御する構成である。

【００１５】

【作用】本発明のねじり振動変換アクチュエータは、従
来のクラッチ用振動子に代えて、前記連結力制御手段に
より回転体と動力源振動子との接離を行い、回転体と動
力源振動子とを確実に接合するものである。

【００１６】例えば、前記連結力制御手段として静電気
の作用を使用し、動力源振動子が所定方向にねじりを生
じるタイミングで静電吸着力を作用させ、滑りを生じる
ことなく確実に回転力を回転体に伝達する。また、前記
連結力制御手段として流体摩擦力の作用を使用し、動力
源振動子が所定方向にねじりを生じるタイミングで流体
摩擦力を高粘性の状態とし、滑りを生じることなく確実
に回転力を回転体に伝達する。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を適用した一実施例について、
図面を参照しながら説明する。図１は一実施例のねじり
振動変換アクチュエータの全体構成図であり、図２はそ
の分解図である。両図において、本実施例のアクチュエ
ータ１は、ねじり振動子２、固定子３、回転子４で構成
されている。ねじり振動子２は共振子５ａ、５ｂと、共
振子５ａ、５ｂ間に配設された圧電素子６で構成されて
いる。また、圧電素子６の両側には電極７ａ、７ｂが形
成され、圧電素子６に電圧を印加している。電極７ｂに
は所定周波数の信号（電圧信号）が印加され、電極７ａ
は接地されている。ねじり振動子２は圧電素子６に電極
７ａ、７ｂを介して所定周波数の信号が印加されると、
共振子５ａ、５ｂに対してねじり振動を発生させ、例え
ば共振子５ａは、図１、図２に示す矢印ω、ω’方向に
交互にねじり振動を繰り返す。また、その振動周波数
は、電極７ｂに印加する信号の周波数と同じである。

【００１８】尚、ねじり振動子２の一端（回転子４と当
接する側の一端）には電極９が配設されている。この電
極９は接地されている。回転子４はシャフト１０に取り
付けられ、回転子４の一端（ねじり振動子２と当接する
側の端面）には絶縁膜１１ａが形成され、回転子４の他
端（固定子３が当接する側の端面）には絶縁膜１１ｂが
形成されている。また、回転子４の周面には制御電極１
２が当接し、この制御電極１２にも電極７ｂに印加する
信号と同じ周期の制御信号が印加される。

【００１９】固定子３は、本実施例のねじり振動変換ア
クチュエータ１の框体１３に固設されており、一定電圧
＋ＶD が印加されている。尚、回転子４に取り付けられ
たシャフト１０は、框体１３に固設された軸受け１４に
より回転自在に保持されている。

【００２０】以上の構成のアクチュエータ１において、
以下にその動作を説明する。ここで、図３（ａ）、
（ｂ）は、アクチュエータ１の動作を説明する図であ
る。尚、同図（ａ）、（ｂ）に示す制御回路１６は、前
述の回転子４に制御信号を供給する回路であり、直流電
源１７とスイッチ１８で構成されている。尚、スイッチ
１８はトランジスタ等の無接点スイッチで構成されてい
る。

【００２１】先ず、ねじり振動子２の電極７ｂに所定周
波数の信号を印加し、ねじり振動子２に所定周期の“ね
じれ”を発生させる。この“ねじれ”は、例えば上述の
図２に示す矢印ω、ω’方向への“ねじれ”である。ね
じり振動子２に所定周期の“ねじれ”が発生した状態に
おいて、上述のスイッチ１８を上述の“ねじれ”の周期
に合わせて駆動する。以下、上述の図３（ａ）、（ｂ）
を用いて具体的な動作を説明する。

【００２２】先ず、同図（ａ）は、ねじり振動子２の共
振子５ａ、５ｂが矢印方向（同図（ａ）に示す矢印ω、
ω’方向）に“ねじれ”た場合を示すものであり、この
時スイッチ１８には電極７ｂに供給される制御信号に対
応する信号が供給される。そして、スイッチ１８のコモ
ン端子Ｃを接点Ｓ１側に接続し、電極９と制御電極１２
（ 回転子４）を電気的に接続する（接地する）と共
に、固定子３に電圧ＶDを印加する。この為、固定子３
と回転子４間に電圧ＶD が印加され、固定子３と回転子
４は静電気力により絶縁膜１１ｂを介して吸着し、固定
子３と共振子５ａ間には隙間が形成される。したがって
この場合、共振子５ａの矢印ω方向へのねじれ力は回転
子４に伝達されない。

【００２３】一方、同図（ｂ）は共振子５ａが逆方向、
すなわち、矢印ω’方向（負方向）に“ねじれ”た場合
を示す状態であり、この時スイッチ１８には電極７ｂに
印加される信号に対応する制御信号が印加される。すな
わち、この時には、スイッチ１８のコモン端子Ｃが接点
Ｓ２側に接続し、固定子３と制御電極１２（回転子４）
を同電位にすると共に、制御電極１２（回転子４）に電
圧ＶD を印加する。この為、回転子４と電極９間には電
圧ＶD が印加され、回転子４と電極９（共振子５ａ（ね
じり振動子２））は静電気力により絶縁膜１１ａを介し
て吸着する。したがって、共振子５ａの矢印ω’方向の
ねじれ力は回転子４に伝達され、回転子４を矢印ω’方
向に回転する。

【００２４】したがって、共振子５ａが矢印ω’方向に
回転するタイミングでスイッチ１８を接点Ｓ２に切り換
えることにより、共振子５ａの矢印ω’方向への回転力
のみ回転子４に伝達され、シャフト１０を介してこの回
転力は他の装置に伝達される。しかも、本実施例のねじ
り振動変換アクチュエータ１は、回転子４と共振子５ａ
が静電吸着力で接合しているので、確実に結合し、回転
に滑りを生じることがない。したがって、確実な回転力
の伝達を行うことができる。

【００２５】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。図４は他の実施例のアクチュエータの全体構成図で
あり、図５はその分解図である。両図において、他の実
施例のアクチュエータ２１は、ねじり振動子２２、固定
子２３、回転子２４、及びＥＲＦ（電気粘性流体、Elec
tro Rheological Fluiｄ）３４ａ、３４ｂで構成されて
いる。ねじり振動子２２は、前述の実施例と同様、共振
子２５ａ、２５ｂと、共振子２５ａ、２５ｂ間に配設さ
れた圧電素子２６で構成されている。また、圧電素子２
６の両側には電極２７ａ、２７ｂが形成され、電極２７
ｂには所定周波数の信号（電圧信号）が印加され、電極
２７ａは接地されている。また、ねじり振動子２２の一
端（回転子２４と当接する側の一端）には電極２９が配
設されている。

【００２６】回転子２４はシャフト２４’に取り付けら
れ、回転子４の両面には絶縁膜３１ａ、３１ｂが形成さ
れ、回転子２４の周面には制御電極３２が当接して形成
されている。また、固定子２３は、本実施例のアクチュ
エータ２１の框体３３に固設されており、所定のタイミ
ングで電源電圧＋ＶD が印加される。

【００２７】一方、本実施例が前述の実施例と異なる構
成は、ＥＲＦ３４ａがねじり振動子２２と回転子２４間
に配設され、ＥＲＦ３４ｂが固定子２３と回転子２４間
に配設されていることである。ＥＲＦ３４ａ、３４ｂ
は、所定電圧の印加、非印加により粘性が変化する材料
であり、所定電圧を印加しない状態では粘性の低い状態
であるが、所定電圧を印加するとＥＲＦ内の微粒子が凝
固し柱状（クラスタ）構造となり、高粘性の電気粘性流
体となる。

【００２８】したがって、ＥＲＦ３４ａ、３４ｂに電圧
を印加するか、又はしないかにより、ＥＲＦ３４ａ、３
４ｂの状態を低粘性状態と高粘性状態に可変することが
できる構成である。

【００２９】以上の構成のアクチュエータ２１におい
て、以下にその動作を説明する。図６（ａ）、（ｂ）
は、アクチュエータ２１の動作を説明する図であり、制
御回路３９は直流電源３７とスイッチ３８で構成されて
いる。また、スイッチ３８はトランジスタ等の無接点ス
イッチで構成されていることは前述の実施例と同じであ
る。

【００３０】先ず、前述の実施例と同様、電極２７ｂに
所定周波数の信号を印加し、ねじり振動子２２に所定周
期の“ねじれ”を発生させる。この“ねじれ”は、前述
の実施例と同様、矢印ω方向、矢印ω’方向への交互の
ねじれである。

【００３１】同図（ａ）は、ねじり振動子２２の共振子
２５ａ、２５ｂが同図（ａ）に示す方向（矢印ω方向）
に“ねじれ”た時を示し、この時スイッチ３８には電極
２７ｂに印加される信号に対応する制御信号が印加さ
れ、スイッチ３８を接点Ｓ１側に接続し、電極２９と制
御電極３２（回転子２４）を電気的に接続する（接地す
る）と共に、固定子２３に電圧ＶD を印加する。この
為、固定子２３と回転子２４間のＥＲＦ３４ｂは高粘性
流体摩擦力を有することとなり、一方、回転子２４と電
極２９（共振子２５ａ）間のＥＲＦ３４ａは低粘性の流
体摩擦力を有することとなる。したがって、共振子２５
ａの矢印ω方向へのねじれ力は回転子２４に伝達されな
い。

【００３２】一方、同図（ｂ）は共振子２５ａが逆方
向、すなわち、矢印ω’方向（負方向）に“ねじれ”た
場合を示すものであり、この時スイッチ３８には電極２
７ｂに印加される信号に対応する制御信号が印加され
る。すなわち、この時には、スイッチ３８のコモン端子
Ｃが接点Ｓ２側に接続し、固定子２３と制御電極３２
（回転子２４）を同電位にすると共に、制御電極３２に
電圧ＶD を印加する。この為、回転子２４と電極２９間
には電圧ＶD が印加され、ＥＲＦ３４ａは高粘性流体摩
擦力を有する状態となり、回転子２４と共振子２５ａ
（ねじり振動子２２）間には大きな摩擦力が働く。した
がって、共振子２５ａの矢印ω’方向のねじれ力は回転
子２４に伝達され、回転子２４を矢印ω’方向に回転す
る。

【００３３】したがって、共振子２５ａが矢印ω’方向
に回転するタイミングでスイッチ３８を接点Ｓ２に切り
換えることにより、共振子２５ａの矢印ω’方向への回
転力のみ回転子２４に伝達され、シャフト２４’を介し
てこの回転力は他の装置に伝達される。

【００３４】本実施例のねじり振動変換アクチュエータ
２１は、回転子２４と共振子２５ａがＥＲＦ３４ａの高
粘性流体摩擦力により確実に結合し、回転に滑りを生じ
ることがなく、確実な回転力の伝達を行うことができ
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、ねじり振動子のねじり
振動を静電吸着力、又はＥＲＦの流体摩擦力により回転
子に伝達するので、回転駆動力の確実な伝達を行うこと
ができる。

【００３６】また、複数の振動子を使用する必要がない
ので、装置のコストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例のねじり振動変換アクチュエータの全
体構成図である。

【図２】一実施例のねじり振動変換アクチュエータの分
解図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）は、一実施例のねじり振動変換
アクチュエータの動作を説明する図である。

【図４】他の実施例のねじり振動変換アクチュエータの
全体構成図である。

【図５】他の実施例のねじり振動変換アクチュエータの
分解図である。

【図６】（ａ）、（ｂ）は、他の実施例のねじり振動変
換アクチュエータの動作を説明する図である。

【図７】ねじり振動変換アクチュエータの原理を説明す
る図である。

【符号の説明】

１、２１ ねじり振動変換アクチュエータ ２、２２ ねじり振動子 ３、２３ 固定子 ４、２４ 回転子 ５ａ、５ｂ、２５ａ、２５ｂ 共振子 ６、２６ 圧電素子 ７ａ、７ｂ、２７ａ、２７ｂ 電極 ９、２９ 電極 １０、３０ シャフト １１ａ、１１ｂ、３１ａ、３１ｂ 絶縁膜 １２、３２ 制御電極 １３、３３ 框体 １６、３６ 制御回路 １７、３７ 直流電源 １８、３８ スイッチ ３４ａ、３４ｂ ＥＲＦ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被固定部に対し電気信号により一端がね
   じり振動を行うねじり振動子と、該ねじり振動子の前記
   一端と係合すべく設けられた回転可能なロータと、前記
   一端における振動エネルギーのうち所定のねじれ方向の
   エネルギーのみを前記ロータに伝達すべく制御するエネ
   ルギー変換伝達制御手段とを有する振動変換アクチュエ
   ータにおいて、 前記エネルギー変換伝達制御手段は、前記ねじり振動子
   の振動に対応して電位制御に基づいて前記ロータとの連
   結力を作用させる連結力制御手段を備え、 前記一端と前記ロータとの連結力により前記ねじり振動
   子の所定のねじれ方向のエネルギーを伝達すべく構成し
   たことを特徴とするねじり振動変換アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記連結力制御手段は、静電気を作用さ
   せる手段である請求項１記載のねじり振動変換アクチュ
   エータ。
3. 【請求項３】 前記連結力は前記一端と前記ロータとの
   静電吸着力による請求項２記載のねじり振動変換アクチ
   ュエータ。
4. 【請求項４】 前記アクチュエータの本体に対して固定
   され、前記ロータと係合可能な固定子を備え、前記連結
   力は前記ロータと前記固定子との静電反発力による請求
   項２記載のねじり振動変換アクチュエータ。
5. 【請求項５】 前記連結力制御手段は、前記一端と前記
   ロータとの間に静電吸着力を作用させるのと同時に、前
   記ロータと前記固定子との静電反発力を作用させるべく
   制御する請求項４記載のねじり振動変換アクチュエー
   タ。
6. 【請求項６】 前記連結力制御手段は、前記一端と前記
   ロータとの静電反発力を作用させるのと同時に、前記ロ
   ータと前記固定子との静電吸着力を作用させるべく制御
   する請求項４記載のねじり振動変換アクチュエータ。
7. 【請求項７】 前記連結力制御手段は、流体摩擦力を作
   用させる手段である請求項１記載のねじり振動変換アク
   チュエータ。
8. 【請求項８】 前記連結力は前記一端と前記ロータとの
   間の高粘性流体摩擦力による請求項７記載のねじり振動
   変換アクチュエータ。
9. 【請求項９】 前記連結力制御手段は、前記一端と前記
   ロータとの間に高粘性流体摩擦力を作用させるのと同時
   に、前記ロータと前記固定子との間に低粘性流体摩擦力
   を作用させるべく制御する請求項７記載のねじり振動変
   換アクチュエータ。
10. 【請求項１０】 前記連結力制御手段は、前記一端と前
    記ロータとの間に低粘性流体摩擦力を作用させるのと同
    時に、前記ロータと前記固定子との間に高粘性流体摩擦
    力を作用させるべく制御する請求項７記載のねじり振動
    変換アクチュエータ。