JPH0888987A

JPH0888987A - 球面アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0888987A
Application number: JP6248711A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Toyama; 茂樹遠山; Yasutarou Miyatani; 保太朗宮谷
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1994-09-15
Publication date: 1996-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】ステータとロータとの圧接機構を簡単にし、
ステータとロータとの接触圧を一定に保つ。【構成】略球体状ないし略球殻状ロータ４を例えば鉄
などの磁力により引き寄せられる材質から作製し、ステ
ータ５、６、７を保持するステータ保持部１５に永久磁
石や電磁石などの磁場発生装置２６を設ける。ステータ
保持部１５を摺動可能に直孔部１６に納入し、中間部材
１７とステータ５、６、７とをケーシング１内に遊動自
在に納め、ステータ５、６、７を中間部材１７を介して
オルダム動作可能なようにステータ保持部１５に保持す
る。【効果】磁場発生装置から発生した磁場により、ステ
ータ支持部がロータに引き寄せられ、ステータをロータ
表面に圧接できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は球面アクチュエータに関
する。具体的に言えば、本発明は超音波モータを利用し
てロータをステータの軸心回りに回動駆動させるように
した球面アクチュエータに関する。

【０００２】

【技術背景とその問題点】略球体状若しくは略球殻状を
したロータをステータの軸心回りに回動駆動させるよう
にした球面アクチュエータにおいては、安定した駆動特
性（駆動トルク、回転数など）を得るためにも、ステー
タをロータの表面に均一に接触させ、一定した接触圧を
得る必要がある。

【０００３】図１に、球面アクチュエータＡの一部破断
した平面図を示す。この球面アクチュエータＡは出願人
らが特願平５−２５４８６５号として特許出願した中の
一実施例を示すものであって、略円形の窓２を開口され
たケーシング１の空洞３内に略球体状ないし略球殻状の
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個のステ
ータ５、６、７、８のみによって支持されている。すな
わち、ロータ４はステータ５、６、７、８の非駆動時に
はステータ５、６、７、８との間の摩擦によって回転で
きないが、ステータ５、６又は７、８を駆動してステー
タ５、６又は７、８表面にいわゆる超音波振動（圧電体
表面でのたわみ進行波）を発生させると、それによって
ロータ４が回転する。また、駆動するステータ５、６、
７、８を切り替えたり、ステータ５、６、７、８の振動
モードを変化させたりすると異なった方向にロータ５が
回転する。この結果、ロータ４はステータ５、６又は
７、８の軸心の回りに回転し、回転軸９を回動させるこ
とができる。

【０００４】５、６はロータ４をＸ軸と平行な軸心の回
りに回転させるためのステータ、７、８はロータ４をＹ
軸と平行な軸心の回りに回転させるためのステータであ
って、いずれの対のステータ５、６及び７、８もロータ
４の両側から挟むように配置されている。いずれも一方
のステータ６、８は、裏面中央部に突出している突部１
３をケーシング１のベース１４に固定されている。他方
のステータ５、７はオルダム動作、すなわち軸心の回り
に回転させることなくステータ保持部１５に対して滑ら
かに変位できるようになっており、軸心方向に摺動可能
なようにケーシング１の直孔部１６内に納められたステ
ータ保持部１５に中間部材１７（オルダム部）を介して
保持されている。また、ステータ保持部１５は軸心の回
りには回転できないように拘束されている。ステータ保
持部１５と直孔部１６を塞ぐ蓋部１８との間には押し付
けプレート１９が摺動自在に納められており、押し付け
プレート１９とステータ保持部１５との間には皿バネ２
０が挿入され、蓋部１８に螺合させたネジ２１の先端が
押し付けプレート１９に当接されている。したがって、
ネジ２１を回すことにより、ステータ５、６、７、８と
ロータ４との接触圧を調整することができる。

【０００５】中間部材１７の表裏面にはそれぞれコロ２
２、２３の半径よりも浅い断面円弧状の凹溝が凹設され
ており、両凹溝は互いに９０度ねじれた方向を向いてい
る。ステータ保持部１５にはコロ２３の半径よりも浅い
断面円弧状の凹溝が凹設されており、ステータ５、７の
背面の突部１３にはコロ２２の半径よりも浅い断面円弧
状の凹溝が凹設されている。しかして、中間部材１７と
ステータ５、７とは、両側から凹溝内にコロ２２を挟み
込むようにして連結されており、ステータ５、７は中間
部材１７に接触しない範囲でコロ２２の回りに回動でき
る。また、ステータ保持部１５と中間部材１７とは両側
から凹溝内にコロ２３を挟み込むようにして連結されて
おり、中間部材１７はステータ保持部１５に接触しない
範囲でコロ２３の回りに回動できる。したがって、球面
アクチュエータＡにおいて、ステータ保持部１５はその
軸心方向にのみ位置調整可能となっており、ステータ
５、７と中間部材１７とはケーシング１内に揺動自在に
納められているので、ステータ５、７の軸心がステータ
保持部１５の軸心に対して傾くようにステータ５、７の
角度が変化する（つまりステータが首を振る）ようにな
っている。

【０００６】しかして、ロータ４をＸ軸と平行な軸心の
回りに回転させる場合には、ステータ５、６を駆動して
表面に進行波を発生させ、ステータ５、６でロータ４を
回転させる。このとき、ステータ保持部１５の軸心がロ
ータ４の中心からずれていても、ステータ５、６が皿バ
ネ２０の弾性力等によってロータ４の表面に押し付けら
れると、ステータ５、６がロータ４表面のカーブに沿う
ように首を振り、ステータ５、６の軸心がロータ４の中
心と一致し、ステータ５、６とロータ４とがピッタリと
接触する。しかも、コロ２２、２３が４つの凹溝に嵌合
しているので、ステータ５、６はステータ保持部１６に
対して軸心の回りには回転しないように拘束されてい
る。これによってステータ５、６がロータ４に片当たり
するのが防止され、ロータ駆動特性が向上する。同様
に、ステータ７、８を駆動してロータ４をＹ軸と平行な
軸心の回りに回転させる場合にも、ステータ７、８を駆
動して表面に進行波を発生させ、ステータ７、８とロー
タ４とがピッタリと接触し、ステータ７、８がロータ４
に片当たりするのを防止することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに皿バネを使ってステータをロータに圧接させる構造
では、その構成が複雑となり、皿バネ以外にもネジや押
し付けプレート等が必要になって構成部品が多くなって
しまう。そのため、球面アクチュエータをある程度以上
には小型化することができなかった。

【０００８】また、皿バネの弾性力を利用してステータ
とロータとの接触圧を調整していたので、長期間の使用
により皿バネにへたりを生じると接触圧が変化し、球面
アクチュエータの駆動特性に変化を生じるという問題点
があった。

【０００９】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、ステータと
ロータとの圧接機構を簡単にし、ステータとロータとの
接触圧を一定に保つことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の球面アクチュエ
ータは、複数のステータを略球状のロータの表面に圧接
させ、ステータに発生させた微小振動をロータへ伝達さ
せて該ロータを回転駆動させるようにした球面アクチュ
エータにおいて、前記ロータ側と前記ロータ外部とに、
磁力によって互いに引き合う手段を備え、当該磁力によ
って前記ステータと前記ロータの表面とを圧接させたこ
とを特徴としている。

【００１１】例えば、前記ロータの外部に磁場を発生す
る手段を備えるとともに、前記ロータ又はロータ内部に
磁場により引き寄せられる手段を備え、両手段の間に働
く磁力によって前記ステータと前記ロータの表面とを圧
接させることとしてもよく、前記ロータを磁場により引
き寄せられる材料によって構成し、前記磁場を発生する
手段と前記ロータとの間に働く磁力によって前記ステー
タと前記ロータの表面とを圧接させることとしてもよ
い。

【００１２】また、前記ロータ又ロータ内部に磁場を発
生する手段を備えるとともに、前記ロータ外部に磁場に
より引き寄せられる手段を備えることとしてもよい。

【００１３】

【作用】本発明の球面アクチュエータによれば、磁力に
よってロータ表面とステータが圧接されているので、圧
接強度は磁力の大きさ（磁場の強さ）によって決められ
る。このため、一度組立てを行なえば長期間の使用によ
っても圧接強度が変化せず、常に一定した接触圧を得る
ことができる。したがって、駆動トルクやロータ回転数
など球面アクチュエータの駆動特性が変化しない。ま
た、面倒な圧接強度の調整をやり直す必要もない。

【００１４】また、ステータをロータ表面に圧接させる
機構が非常に簡単になり、部品点数の削減をすることが
でき、球面アクチュエータを小型化することができる。
特に、部品の使用材料を変えることによって磁力を発生
させることが可能であるので、ステータとロータを圧接
させるための構造に必要な部品点数の増加を最小にでき
る。

【００１５】

【実施例】図２（ａ）（ｂ）は本発明の一実施例である
球面アクチュエータＢの構成を示す一部破断した平面図
及び側面図である。球面アクチュエータＢは、球面アク
チュエータＡとほぼ同様の構造をしており、球面アクチ
ュエータＢは、略円形の窓２を開口されたケーシング１
の空洞３内に略球体状ないし略球殻状をした（つまり、
外表面が略球状をした）ロータ４が納められ、４つのス
テータ５、６、７、８のみにより支持されている。ロー
タ４は磁力によって引き付けられる材質、つまり、強磁
性を示す材料であれば特に限定されない。例えば図３
（ａ）に示すように鉄、ニッケル、コバルト合金などの
金属や金属粉などが混ぜられた樹脂やゴムなどから作製
することができる。また、図３（ｂ）に示すように鉄、
ニッケルなどの磁力によって引き付けられる材質から作
製された略球体状ないし略球殻状をした核体４ｂの表面
をゴムや樹脂等のライニング４ａで覆うことによって作
製することとしてもよい。このようにゴムや樹脂等のラ
イニング４ａで覆うことにすれば、ステータ５、６、
７、８とロータ４表面との摩擦を大きくできる点で好ま
しい。あるいは、図３（ｃ）に示すようにプラスチック
やアルミニウム、ステンレス等から作成された核体４ｂ
の表面を鉄粉等を含有させたゴムや樹脂などのライニン
グ４ａで覆うようにしてもよい。こうすれば、ステータ
５、６、７、８とロータ４表面との摩擦を大きくできる
だけでなく、ロータ４をさらに軽量化できる点でも好ま
しい。

【００１６】ステータ５、６、７、８には、例えば上記
球面アクチュエータＡに用いられているのと同様なステ
ータを用いることができる（特願平５−２５４８６５号
特許出願参照）。すなわち、各ステータ５、６、７、８
は図４（ａ）（ｂ）に示すような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１０は略皿状をしており、その外周部表面には
一定ピッチ毎に接触片１１が突設されて環状に配列して
おり、接触片１１と対応して弾性体１０の外周部裏面に
はＰＺＴ等の圧電素子１２が貼り付けられている。ステ
ータ５、６、７、８は、接触片１１をロータ４と接触さ
せるようにしてロータ４を支持するようになっており、
そのため接触片１１の上面にはロータ４の表面の曲率と
同一の曲率を有する凹状のアール面１１ａが施されてい
る。

【００１７】しかして、ステータ５、６、７、８は超音
波モータ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１２を振動させることによって弾性体１０
の接触片１１の表面にたわみ振動や伸縮振動等の表面波
振動を発生させるものである。しかして、この圧電素子
１２を所定の駆動モードで駆動すると、弾性体１０の表
面を円周方向に進む進行波（たわみ進行波）により接触
片１１の表面の粒子が楕円軌道を描いて運動し、ロータ
４の表面がステータ５、６、７、８の円周方向に沿って
移動する。この結果、ロータ４は駆動されているステー
タ５、６又は７、８の軸心の回りに回転する。

【００１８】ステータ８は弾性体１０の裏面中央部に突
出している突部１３をケーシング１のベース１４に固定
されている。ステータ８が固定されたベース１４には永
久磁石や電磁石などの磁場発生装置２５が固定されてい
る。残る３つのステータ５、６、７はそれぞれ上述した
ようなオルダム動作可能になっており、中間部材１７を
介してステータ支持部１５に支持されている。ステータ
支持部１５はケーシング１に角孔状に開口された直孔部
１６に納入され、軸心方向にのみ摺動可能となってい
る。中間部材１７とステータ５、６、７とはケーシング
１内に揺動自在に納められており、ステータ５、６、７
は軸心に対して小さな角度で首振り可能となっている。
ステータ支持部１５にも永久磁石や電磁石などの磁場発
生装置２６が固着されており、磁場発生装置２６は直孔
部１６内でステータ５、６、７の軸心方向に摺動可能に
なっている。しかして、４つの磁場発生装置２５、２６
からは一定の強さの磁場が発生されており、ロータ４は
固定された磁場発生装置２５に引き付けられて位置決め
され、ロータ４の表面がステータ８に圧接される。ま
た、ロータ４と磁場発生装置２６とが引き合う結果、ス
テータ保持部１５が直孔部１６内で軸心方向に移動す
る。この結果、ステータ８と対になるステータ７は位置
決めされたロータ４の方に引き付けられ、ステータ７が
ロータ４の表面に圧接される。また、ステータ５、６も
それぞれロータ４に引き付けられ、ステータ５、６はそ
れぞれロータ４の表面に圧接される。こうして、ステー
タ５、６を駆動するとＸ軸と平行な軸心の回りにロータ
４を回動させることができ、同様に、ステータ７、８を
駆動すると、Ｘ軸と平行な軸心の回りにロータ４を回動
させることができる。

【００１９】このように磁力によってステータ５、６、
７、８をロータ４の表面に圧接させることにより、圧接
機構を簡単にし球面アクチュエータＢの部品点数の削減
を図ることができる。また、球面アクチュエータＢにお
いては、磁力を利用しているため経時的な変化が少な
く、しかも磁場の強さによってロータ４が位置決めさ
れ、磁場発生装置２５、２６とロータ４表面との距離は
変化しない。このため、磁場の強度調整を一度行なって
おくだけで常に一定した接触圧を得ることができ、安定
した駆動特性（駆動トルク、回転数等）を得ることがで
きる。なお、本構成にあっては、磁力によってロータ４
とステータ５、６、７、８とを圧接させているので、ケ
ーシング１は磁力により引き付けられない性質を有する
材料で構成するのが望ましい。また、ステータ５、６、
７、８の首振りを確保するためにも、中間部材１７やコ
ロ２２、２３を磁力により引き付けられない性質を有す
る材料で構成しておくのが好ましい。

【００２０】球面アクチュエータＢにあっては、４つの
磁場発生手段２５、２６を設け、ロータ４とステータ
５、６、７、８とをそれぞれ圧接し、４つのステータ
５、６、７、８を駆動させることとしているが、本発明
にあっては少なくとも駆動するステータを磁場発生手段
によってロータに圧接させることにすればよい。例え
ば、上記実施例で言えばＹ軸方向の駆動を行なうため
に、ステータ８の代わりにボールベアリングなどでロー
タ４を回転自在に支持するようにしておけば、摺動可能
な磁場発生手段２６によりステータ７をロータ４の表面
に圧接させることができ（あるいは固定された磁場発生
手段２６によりロータ４を固定されたステータ７に圧接
させることができ）、ステータ７を駆動することによっ
て、Ｙ軸の回りにロータ４を回動させることができる。
また、ベース１４やステータ保持部１５に磁場発生装置
２５、２６を設けたが、ベース１４やステータ保持部１
５を永久磁石などの磁性材料で作製することとしてもよ
い。

【００２１】上記実施例においては磁場発生装置をロー
タ外部に設けた場合について説明したが、磁場発生装置
をロータ４に設けることとしてもよい。例えば、図５
（ａ）に示すようにロータ４にゴム磁石などの有機系強
磁性材料からなる成形品を用い、ステータ支持部１５の
全部あるいはその一部を磁力により引き寄せられる鉄、
ニッケル、コバルト合金等の強磁性材質で作製しても、
ステータ５、６、７、８をロータ４の表面に圧接するこ
とができる。また、図５（ｂ）に示すように、プラスチ
ックやアルミニウム等の核体４ｂの表面にゴム磁石等の
有機系強磁性材料のライニング４ａを施すことにしても
よい。

【００２２】図６（ａ）（ｂ）に示すものは、さらに別
な実施例である球面アクチュエータＣの概略構成図及び
ロータ４の断面図である。球面アクチュエータＣにあっ
ては、プラスチックやアルミニウム等からなる球殻状を
したロータ４の底部を平面で切断開放してあり、それぞ
れ磁場発生装置２５、２６と対向させて、鉄、ニッケル
などからなる４つの強磁性部材２８が支持部材２９によ
って支持され、ロータ４の空洞２７内に配置されてい
る。しかして、４つの磁場発生装置２５、２６と４つの
強磁性部材との間には一定の磁力が生じており、いずれ
か一つの磁場発生装置２５は固着されているので、摺動
自在に配置された残る３つの磁場発生装置２６は強磁性
部材２８に引き寄せられるようにしてステータ保持部１
５が移動する。この結果、４つのステータ５、６、７、
８はロータ４の表面に均一に圧接することができる。

【００２３】図７に示すものは、さらに本発明のさらに
別な実施例である球面アクチュエータＤの平面図であっ
て、この実施例にあっては永久磁石などの磁場発生装置
３０が支持部材２９によって支持されてロータ４の空洞
２７内に配置されており、ステータ保持部１５は鉄、ニ
ッケル、コバルト合金等の強磁性材質から作製されてい
る。このように、ロータ４の空洞２７内に磁場発生装置
３０を配置することによっても、ステータ５、６、７、
８はロータ４の表面に均一に圧接することもできる。ま
た、図８に示す球面アクチュエータＥに示すようにロー
タ４の空洞２７内に棒磁石のような磁場発生装置３１を
配置し、磁場発生装置３１と引き合うような極性を有す
る磁石３２をベース１４やステータ保持部１５等に固着
させてもよい。

【００２４】

【発明の効果】本発明の球面アクチュエータによれば、
磁力によってロータ表面にステータが圧接されているの
で、圧接強度は磁力の大きさ又は磁場の強さによって決
められる。このため、駆動トルクやロータ回転数など一
定した駆動特性とすることができ、面倒な圧接強度の調
整作業を不要にすることができる。

【００２５】また、ステータをロータ表面に圧接させる
機構が非常に簡単になり、部品点数の削減をすることが
でき、球面アクチュエータを小型化することができる。
特に、ステータとロータを圧接させるためのステータ個
々の構成を同一部材で構成することにより、部品点数を
大幅に削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】先行技術である球面アクチュエータを一部破断
した平面図である。

【図２】（ａ）は本発明による球面アクチュエータを一
部破断した平面図、（ｂ）はその側面図である。

【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ、同上の球面ア
クチュエータに用いるロータを示す一部破断した斜視図
である。

【図４】（ａ）（ｂ）はそれぞれ同上のステータを示す
正面図及び断面図である。

【図５】（ａ）（ｂ）はそれぞれ、本発明の別な実施例
である球面アクチュエータに用いるロータを示す一部破
断した斜視図である。

【図６】（ａ）は本発明のさらに別な実施例である球面
アクチュエータの平面図、（ｂ）はその球面アクチュエ
ータに用いるロータの断面図である。

【図７】本発明のさらに別な実施例である球面アクチュ
エータの平面図である。

【図８】本発明のさらに別な実施例である球面アクチュ
エータの平面図である。

【符号の説明】

４ロータ５、６、７、８ステータ１５ステータ支持部１７中間部材２２、２３コロ２５、２６磁場発生装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のステータを略球状のロータの表面
に圧接させ、ステータに発生させた微小振動をロータへ
伝達させて該ロータを回転駆動させるようにした球面ア
クチュエータにおいて、前記ロータ側と前記ロータ外部とに、磁力によって互い
に引き合う手段を備え、当該磁力によって前記ステータ
と前記ロータの表面とを圧接させたことを特徴とする球
面アクチュエータ。
【請求項２】複数のステータを略球状のロータの表面
に圧接させ、ステータに発生させた微小振動をロータへ
伝達させて該ロータを回転駆動させるようにした球面ア
クチュエータにおいて、前記ロータの外部に磁場を発生する手段を備えるととも
に、前記ロータ又はロータ内部に磁場により引き寄せら
れる手段を備え、両手段の間に働く磁力によって前記ス
テータと前記ロータの表面とを圧接させたことを特徴と
する球面アクチュエータ。
【請求項３】複数のステータを略球状のロータの表面
に圧接させ、ステータに発生させた微小振動をロータへ
伝達させて該ロータを回転駆動させるようにした球面ア
クチュエータにおいて、前記ロータの外部に磁場を発生する手段を備えるととも
に、前記ロータを磁場により引き寄せられる材料によっ
て構成し、前記磁場を発生する手段と前記ロータとの間
に働く磁力によって前記ステータと前記ロータの表面と
を圧接させたことを特徴とする球面アクチュエータ。
【請求項４】複数のステータを略球状のロータの表面
に圧接させ、ステータに発生させた微小振動をロータへ
伝達させて該ロータを回転駆動させるようにした球面ア
クチュエータにおいて、前記ロータ又はロータ内部に磁場を発生する手段を備え
るとともに、前記ロータ外部に磁場により引き寄せられ
る手段を備え、両手段の間に働く磁力によって前記ステ
ータと前記ロータの表面とを圧接させたことを特徴とす
る球面アクチュエータ。