JPH10150784A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の振動アクチュエータでは、駆動力を取
り出すプーリー１３ａ〜１３ｄをベルト１４ａ，１４ｂ
により同期させようとするため、プーリー１３ａ〜１３
ｄの回転数に差が生じてしまい、駆動効率が低下する。 【解決手段】 長手方向への伸縮振動及び屈曲振動を発
生する矩形平板状の振動子４と、屈曲振動の二つの節位
置において振動子４の平面に加圧接触するように回転自
在に支持される駆動力取出用歯車１５ａ，１５ｂとを備
える振動アクチュエータ２０であって、駆動力取出用歯
車１５ａ，１５ｂの間には、互いに連続して噛み合った
状態で回転自在に支持される３枚の歯車１６ａ〜１６ｃ
が、駆動力取出用歯車１５ａ，１５ｂそれぞれに噛み合
った状態で配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、長手方向への伸縮
振動及び屈曲振動を発生する矩形平板状の振動子を備え
る振動アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、従来のこの種の振動アクチュエ
ータの構成を示す説明図であって、図３（ａ）は正面
図，図３（ｂ）は底面図，図３（ｃ）は振動子４に発生
する４次の屈曲振動（Ｂ４モード）の振動波形例を示す
グラフ，図３（ｄ）は振動子４に発生する１次の伸縮振
動（Ｌ１モード）の振動波形例を示すグラフである。

【０００３】図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、
この振動アクチュエータ１は、金属材料又はプラスチッ
ク材料等の弾性材料から構成される矩形平板状の弾性体
２と、弾性体２の一方の平面２ａに、例えば接着により
装着される電気機械変換素子である圧電体３ａ，３ｂ
（圧電セラミックス）とにより構成される振動子４を備
える。

【０００４】この振動アクチュエータ１は、圧電体３
ａ，３ｂに９０°位相が異なる駆動電圧（交流電圧）を
印加することにより、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示す
ように、弾性体２に４次の屈曲振動と１次の伸縮振動と
を有する定在波を発生する。

【０００５】ここで、弾性体２及び圧電体３ａ，３ｂの
寸法を適宜設定することにより、これら二つの振動の共
振周波数を一致又は接近させるとともに、駆動電圧の周
波数をこの共振周波数に一致又は接近させることによ
り、弾性体２の他方の平面２ｂに形成される駆動力取出
部５ａ，５ｂに加圧接触する相対運動部材との間で相対
運動を発生する。これにより、駆動力を発生する。

【０００６】この駆動力取出部５ａ，５ｂは、図３
（ｃ）に示すように、弾性体２に発生する４次の屈曲振
動の二つの腹位置６ａ，６ｂに設けられる。また、４次
の屈曲振動及び１次の伸縮振動それぞれの節位置である
弾性体長手方向中央部６ｃには、弾性体幅方向への突設
部２ｃ，２ｄが設けられる。突設部２ｃ，２ｄには貫通
孔２ｅ，２ｆが設けられており、振動子４は、突設部２
ｃ，２ｄを介して、図示しない加圧部材によって相対運
動部材に向けて支持・加圧される。

【０００７】図４は、この振動アクチュエータ１を組み
込んだ自走式装置の構成を示す説明図であって、図４
（ａ）は正面図，図４（ｂ）は底面図である。図４
（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、弾性体２に形成さ
れた突設部２ｃ，２ｄの貫通孔２ｅ，２ｆに対して隙間
を有して貫通する支持ピン７ａ，７ｂが、弾性体２の下
方に離れて配置される枠体８に固定される。

【０００８】枠体８は、図４（ｂ）に示すようなＨ型の
平面形状を呈する。枠体８に形成された２つの凹部に
は、車輪状の相対運動部材であるロータ９ａ，９ｂが、
枠体８の幅方向に設けられた回転軸により、軸支され
る。

【０００９】支持ピン７ａ，７ｂの上端部側には、上ワ
ッシャ１０ａ，１０ｂが固定されており、また下端部側
には、下ワッシャ１１ａ，１１ｂが隙間を有した状態で
装着される。上ワッシャ１０ａ，１０ｂと下ワッシャ１
１ａ，１１ｂとの間には、加圧部材であるコイルスプリ
ング１２ａ，１２ｂが装着される。このような構成によ
り、スプリング１２ａ，１２ｂのばね力により、下ワッ
シャ１１ａ，１１ｂが弾性体２を下方に向けて付勢し、
弾性体２は下方側に向けて付勢される。このようにし
て、弾性体２の他方の平面２ｂに、ロータ９ａ，９ｂが
適宜加圧力で加圧接触される。ロータ９ａ，９ｂは、４
次の屈曲振動の二つの腹位置６ａ，６ｂにおいて、弾性
体２の平面２ｂに接触する。

【００１０】枠体８に設けられた２本の回転軸の両端部
側には、プーリー１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが設
けられており、プーリー１３ａ，１３ｂにはベルト１４
ａが、プーリー１３ｃ，１３ｄにはベルト１４ｂがそれ
ぞれ掛けられている。

【００１１】このような自走式装置において、振動アク
チュエータ１を駆動すると、ロータ９ａ，９ｂは同一方
向に回転駆動される。これにより、回転軸を介してロー
タ９ａ，９ｂに接続されたプーリー１３ａ，１３ｃとプ
ーリー１３ｂ，１３ｄとは回転駆動されるが、プーリー
１３ａとプーリー１３ｂとはベルト１４ａにより、プー
リー１３ｃとプーリー１３ｄとはベルト１４ｂにより、
それぞれ接続されるために同期し、同一の回転数によっ
て駆動される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の自走式装置では、各プーリー１３ａ〜１３ｄの回転
数が一致しない。

【００１３】すなわち、各プーリー１３ａ〜１３ｄとベ
ルト１４ａ，１４ｂとの間には不可避的に滑りが存在す
る。また、ベルト１４ａ，１４ｂに負荷させる張力を一
定にするためには、複雑な張力調整機構を設ける必要が
あるとともに、このような張力調整機構を用いても張力
の一定化は極めて難しい。

【００１４】そのため、各プーリー１３ａ〜１３ｄの回
転数に差が生じてしまい、駆動効率の低下を余儀なくさ
れていた。本発明の目的は、駆動効率の低下をできるだ
け抑制することが可能な振動アクチュエータを提供する
ことである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、長手
方向への伸縮振動及び屈曲振動を発生する矩形平板状の
振動子と、屈曲振動の二つの腹位置において振動子の平
面に加圧接触して回転駆動される二つの相対運動部材
と、二つの相対運動部材それぞれに同軸上に接続される
とともに回転自在に支持される二つの駆動力取出用歯車
とを備える振動アクチュエータであって、二つの駆動力
取出用歯車の間には、互いに連続して噛み合った状態で
回転自在に支持される奇数枚の歯車が、二つの駆動力取
出用歯車それぞれに噛み合った状態で配置されることを
特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明の実施形態を添付図面を
参照しながら詳細に説明する。なお、以降の各実施形態
の説明は、振動アクチュエータとして超音波の振動域を
利用する超音波アクチュエータを例にとって、行う。

【００１７】図１は、本実施形態にかかる超音波アクチ
ュエータ２０の構成を示す正面図である。本実施形態の
超音波アクチュエータ２０を構成する振動子４は、前述
した図３に示す振動子４と同一のものである。そこで、
本実施形態の説明では、同一の図中符号を付すことによ
り、振動子４に関して重複する説明を適宜省略する。

【００１８】本実施形態では、図４（ａ）及び図４
（ｂ）におけるプーリー１３ａ〜１３ｄに替えて、駆動
力取出用歯車１５ａ〜１５ｄを配置する。枠体８の駆動
力取出用歯車１５ａ，１５ｂの装着側には、互いに連続
して噛み合った状態で３枚の歯車１６ａ，１６ｂ及び１
６ｃが、枠体８の側面に、回転自在に支持される。ま
た、駆動力取出用歯車１５ａには歯車１６ａが、駆動力
取出用歯車１５ｂには歯車１６ｃがそれぞれ噛み合う。

【００１９】一方、枠体８の駆動力取出用歯車１５ｃ，
１５ｄの装着側には、互いに連続して噛み合った状態で
３枚の歯車１７ａ，１７ｂ及び１７ｃが、枠体８の側面
に、回転自在に支持される。駆動力取出用歯車１５ｃに
は歯車１７ａが、駆動力取出用歯車１５ｄには歯車１７
ｃがそれぞれ噛み合う。

【００２０】本実施形態では、駆動力取出用歯車１５
ａ，１５ｂと歯車１６ａ〜１６ｃとは、同一軸ｍ上に配
置される。また、駆動力取出用歯車１５ｃ，１５ｄと歯
車１７ａ〜１７ｃとは、同一軸ｎ上に配置される。

【００２１】本実施形態の超音波アクチュエータ２０
は、以上のように構成される。この超音波アクチュエー
タ２０に、駆動信号を入力すると、駆動力取出用歯車１
５ａ〜１５ｂ，駆動力取出用歯車１５ｃ，１５ｄにそれ
ぞれ回転力が生じ、生じた回転力によって、互いに噛み
合う歯車１６ａ〜１６ｃと歯車１７ａ〜１７ｃとが回転
駆動される。

【００２２】このような本実施形態の超音波アクチュエ
ータ２０によれば、駆動力取出用歯車１５ａと駆動力取
出用歯車１５ｂとの間の回転数差、駆動力取出用歯車１
５ｃと駆動力取出用歯車１５ｄとの間の回転数差がとも
に大幅に抑制される。これにより、走行時の直進性が改
善され、走行時の安定性が増加する。

【００２３】また、本実施形態によれば、歯車１６ａ〜
１６ｃ，歯車１７ａ〜１７ｃそれぞれの回転軸を出力軸
として用いることにより、駆動力取出用歯車１５ａ〜１
５ｄの形成位置以外の位置、換言すれば弾性体２に発生
する屈曲振動の腹位置以外からも出力を取り出すことが
できる。そのため、超音波アクチュエータ２０を実装す
る際の設計上の自由度が増加し、超音波アクチュエータ
２０の適用性が改善される。

【００２４】さらに、本実施形態によれば、ベルトを用
いないため、超音波アクチュエータ２０の経時的な性能
変化を最小限とすることができ、耐久性を向上すること
が可能となる。

【００２５】（第２実施形態）図２は、第２実施形態に
かかる超音波アクチュエータ２０−１を示す正面図であ
る。本実施形態は、第１実施形態の超音波アクチュエー
タ２０の構成の一部を変形したものである。そのため、
本実施形態の説明は第１実施形態と相違する部分につい
てだけ行うこととし、共通する部分については同一の図
中符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

【００２６】本実施形態の超音波アクチュエータ２０−
１では、第１実施形態の超音波アクチュエータ２０にお
いて、径を拡大した歯車１６ｂ−１，１７ｂ−１を用い
たものである。歯車１６ｂ−１，１７ｂ−１を回転自在
に支持するために、枠体８−１の外形も変更している。

【００２７】本実施形態の超音波アクチュエータ２０−
１によれば、歯車１６ｂ−１，１７ｂ−１の外径が拡大
されているため、歯車１６ｂ−１，１７ｂ−１から外部
に出力を取り出すことにより、低速かつ高トルクの駆動
力を得ることができる。

【００２８】（変形形態）本発明は、以上説明した第１
実施形態及び第２実施形態に限定されるものではなく、
種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範
囲に含まれる。

【００２９】例えば、各実施形態の説明では、振動アク
チュエータとして超音波の振動域を利用する超音波アク
チュエータを例にとったが、本発明にかかる振動アクチ
ュエータはこのような態様に限定されるものではなく、
他の振動域を利用する振動アクチュエータについても等
しく適用される。

【００３０】また、各実施形態の説明では、電気機械変
換素子として圧電体を用いたが、本発明にかかる振動ア
クチュエータはこのような態様に限定されるものではな
く、他の電気エネルギーを機械的変位に変換することが
できるものであれば、等しく用いることができる。例え
ば、電歪素子を例示することができる。

【００３１】また、前述した駆動力取出用歯車１５ａ〜
１５ｄは同一歯数であることから、同一回転数により回
転駆動される。しかし、必要に応じて歯数を変更するこ
とにより、異なる回転数により回転駆動させることも可
能である。このように構成することにより、各駆動力取
出用歯車１５ａ〜１５ｄから取り出される回転速度やト
ルクを自由に設定することができる。

【００３２】また、各実施形態では、駆動力取出用歯車
１５ａ，１５ｂ間と、駆動力取出用歯車１５ｃ，１５ｄ
間に、それぞれ、３枚の歯車１６ａ〜１６ｃ、歯車１７
ａ〜１７ｃを配置したが、本発明にかかる振動アクチュ
エータはこのような態様に限定されるものではなく、駆
動力取出用歯車の間に配置される歯車の数は奇数であれ
ばよい。

【００３３】また、各実施形態では、弾性体の幅方向に
突設部を形成し、この突設部を介して振動子の支持を行
うものであるが、本発明にかかる振動アクチュエータは
このような態様に限定されるものではなく、例えば、弾
性体に突設部を設けずに支持用孔や支持用溝を直接設け
ることにより、振動子の支持を行うように構成してもよ
い。

【００３４】さらに、各実施形態では、自走式の振動ア
クチュエータを例にとったが、本発明にかかる振動アク
チュエータはこのような態様に限定されるものではな
く、振動子を固定することにより加圧接触する相対運動
部材を移動させる他走式としてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す正面図である。

【図２】第２実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す正面図である。

【図３】従来の振動アクチュエータの構成を示す説明図
であり、図３（ａ）は側面図，図３（ｂ）は底面図，図
３（ｃ）は振動子に発生する４次の屈曲振動（Ｂ４モー
ド）の振動波形例を示すグラフ，図３（ｄ）は振動子に
発生する１次の伸縮振動（Ｌ１モード）の振動波形例を
示すグラフである。

【図４】図３に示す振動アクチュエータを組み込んだ自
走式装置の構成を示す説明図であって、図４（ａ）は正
面図，図４（ｂ）は底面図である。

【符号の説明】

４ 振動子 １５ａ，１５ｂ 駆動力取出用歯車 １６ａ〜１６ｃ 歯車 ２０ 振動アクチュエータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長手方向への伸縮振動及び屈曲振動を発
   生する矩形平板状の振動子と、前記屈曲振動の二つの腹
   位置において前記振動子の平面に加圧接触して回転駆動
   される二つの相対運動部材と、二つの前記相対運動部材
   それぞれに同軸上に接続されるとともに回転自在に支持
   される二つの駆動力取出用歯車とを備える振動アクチュ
   エータであって、 二つの前記駆動力取出用歯車の間には、互いに連続して
   噛み合った状態で回転自在に支持される奇数枚の歯車
   が、二つの前記駆動力取出用歯車それぞれに噛み合った
   状態で配置されることを特徴とする振動アクチュエー
   タ。