WO2008044396A1

WO2008044396A1 - Actionneur de vibration

Info

Publication number: WO2008044396A1
Application number: PCT/JP2007/066905
Authority: WO
Inventors: Kodai Suzuki
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2008-04-17
Also published as: TW200830686A; US7973452B2; US20100084944A1; KR20090057437A; EP2073369A1; JP5211463B2; EP2073369A4; JP2008099487A

Description

明細書

振動ァクチユエータ

技術分野

[0001] この発明は、振動ァクチユエータに係り、特に固定子に超音波振動を発生させて球体状の回転子を回転させる振動ァクチユエータに関する。

背景技術

[0002] 近年、超音波振動を利用して回転子を回転させる振動ァクチユエータが提案され、実用化されている。この振動ァクチユエータは、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移動させるものである。

例えば、特許文献 1には、ベアリングを介して複数の弾性体で球体状の回転子に予圧をかけることにより回転子を固定子に加圧接触させ、この状態で互いに重ね合わされた複数の圧電素子板に駆動電圧を印加して固定子に超音波振動を発生させることで回転子を回転させるァクチユエータが開示されている。ここで予圧とは、少なくとも圧電素子に通電しない状態で回転子を固定子に押しつける圧力のことをいう。

[0003] 特許文献 1 :特開 2004— 312810号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] しかしながら、特許文献 1のァクチユエータは、回転子の出力軸である回転シャフトをベアリングでその軸回りに回転可能に支持し、回転シャフトの先端に取り付けられた重量物を回転させるものであり、回転シャフトが倒傾斜したときにはその倒傾斜角の範囲内で回転子が移動されるものの、回転子の可動範囲は極めて狭いものであつた。

例えば、環状の予圧部を回転子に当接して予圧をかけ、回転子の出力軸を予圧部の環の内側を通して外部に延出させることもできる力この場合にも環状の予圧部によって制約を受け、回転子の可動範囲を大きくとることは難し力た。さらに、可動範囲を広げるために予圧部の環を大きく設定すると、予圧力に応じて環状の予圧部が球体状の回転子に嵌り込むおそれがあった。

また、予圧部を固定子とは別機構にして構成すると、回転子の可動範囲を大きくとること力 Sできる力全体の寸法が大きくなると!/、う課題を生じてしまう。

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、予圧機構部による大型化を抑え、回転子への予圧部の嵌り込みを生ずることなぐ広い可動範囲を確保することができる振動ァクチユエータを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0005] この発明に係る振動ァクチユエータは、固定子と、固定子の上に載置された略球体状の回転子と、回転子を固定子に圧接させる予圧手段と、固定子に超音波振動を発生させることにより回転子を回転させて回転子の出力軸を移動させる振動手段とを備え、回転子は機能部品を有し、予圧手段が回転子の頂点部分に当接して予圧力を付与する予圧部を有し、回転子の機能部品が予圧部と固定子との間を可動範囲として移動するものである。

予圧手段の予圧部が回転子の頂点部分に当接することによって回転子に予圧力が付与され、予圧部と固定子との間を可動範囲として回転子の出力軸が移動される。ここで、回転子の頂点部分とは、回転子が固定子から受ける垂直抗力の作用線上で固定子とは反対側の表面部位、すなわち固定子と当接する部分から最も遠い回転子の部位を含む所定範囲の部分を!/、うものとする。

発明の効果

[0006] この発明によれば、予圧機構部による大型化を抑制しながらも、回転子への予圧部の嵌り込みを生ずることなぐ広い可動範囲を確保することが可能となる。

図面の簡単な説明

[0007] [図 1]この発明の実施の形態 1に係る振動ァクチユエータを示す斜視図である。

[図 2]実施の形態 1に係る振動ァクチユエータを示す断面図である。

[図 3]実施の形態 1で用いられた振動子の構成を示す部分断面図である。

[図 4]実施の形態 1で用いられた振動子の 3対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。

[図 5]実施の形態 2に係る振動ァクチユエータを示す斜視図である。 [図 6]実施の形態 3に係る振動ァクチユエータを示す斜視図である。

[図 7]実施の形態 3に係る振動ァクチユエータを示す断面図である。

[図 8]実施の形態 3における予圧部の予圧面と回転子との関係を示す断面図である。

[図 9]実施の形態 3における予圧部の予圧面と回転子との関係を示す断面図である。

[図 10]実施の形態 4に係る振動ァクチユエータを示す斜視図である。

[図 11]実施の形態 5に係る振動ァクチユエータを示す断面図である。

[図 12]実施の形態 5の変形例に係る振動ァクチユエータを示す断面図である。

[図 13]実施の形態 6に係る振動ァクチユエータを示す断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0008] 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に係る振動ァクチユエータを示す。基部ブロック 1 と固定子 2との間に振動手段を構成する振動子 3が挟持されており、これらによりほぼ円柱状の外形を有する本体部 4が形成されている。固定子 2には、振動子 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のほぼ下半部が収容されている。

固定子 2の上部には、支持部材 7が配置されている。この支持部材 7は、固定子 2の上面の上に固定される環状部 8と、環状部 8から上方に延びる逆 L字形のアングル部 (片持ち部） 9を有し、アングル部 9の先端に予圧部 10が支持されている。予圧部 10 は、多軸の回りに回転可能な球状部材 11を有しており、この球状部材 11が回転子 6 の頂点部分に当接するように配置されている。また、回転子 6には、機能部品として、予圧部 10と固定子 2との間を可動範囲とする出力軸 12が連結固定されている。

[0009] ここで、説明の便宜上、基部ブロック 1から固定子 2に向かう本体部 4の中心軸を Z 軸と規定し、 Z軸に対して垂直方向に X軸力 Z軸及び X軸に対して垂直に Y軸がそれぞれ延びて!/ヽるものとする。

予圧部 10の球状部材 11は、回転子 6の + Z軸方向の最高点である頂点部分に接触している。支持部材 7のアングル部 9は弹性を有し、これにより球状部材 11が回転子 6に圧接され、回転子 6に Z軸方向の予圧を付与している。なお、正確に回転子 6の頂点でなくても、回転子 6の頂点を含む所定の範囲内で球状部材 11が回転子 6 の表面に接触し、予圧を付与すればよい。

[0010] 図 2に示されるように、基部ブロック 1と固定子 2とが振動子 3内に通された連結ボルト 13を介して互いに連結されて!/、る。

固定子 2の凹部 5は、回転子 6の直径より小さな内径を有する小径部 14と、回転子 6の直径より大きな内径を有する大径部 15とからなり、これら小径部 14及び大径部 1 5との境界部に XY平面上に位置する環状の段差 16が形成されている。回転子 6はこの凹部 5内の段差 16に当接した状態で回転可能に支持されている。

なお、基部ブロック 1および固定子 2はそれぞれ例えばジェラルミンから形成され、回転子 6としては鋼球が用いられる。

[0011] 振動子 3は、固定子 2に超音波振動を発生させて回転子 6を X、 Y、 Ζの 3軸の回りにそれぞれ回転させるためのものであり、それぞれ ΧΥ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 3；!〜 33を有している。これら第 1 〜第 3の圧電素子部 31〜33がそれぞれ駆動回路 17に電気的に接続されている。具体的には、図 3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及び基部ブロック 1から、また互いに絶縁された状態で配置されている。

[0012] 図 4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!/、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。

[0013] 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 3 lb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 17に電気的に接続されている。

[0014] 次に、この実施の形態 1に係る振動ァクチユエータの動作について説明する。

まず、振動子 3に対して、第 1の圧電素子部 31の電極板 31cに固定子 2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。

[0015] そこで、例えば、駆動回路 17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の段差 16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。このとき、予圧部 10の球状部材 11も回転子 6の回転運動に従動して Υ軸の回りに回転する。

同様に、駆動回路 17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 3 2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の段差 16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。このとき、予圧部 10の球状部材 11も回転子 6の回転運動に従動して X軸の回りに回転する。

さらに、駆動回路 17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の段差 16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。このとき、予圧部 10の球状部材 11も回転子 6の回転運動に従動して Z軸の回りに回転する。

[0016] このようにして振動子 3を駆動することにより、回転子 6が X、 Y、 Ζの 3軸の回りにそれぞれ回転し、これに伴って出力軸 12が移動する力 S、回転子 6の頂点部分を予圧部 10で予圧しているため、出力軸 12は予圧部 10と支持部材 7の環状部 8との間を可動範囲として自由に移動すること力 Sできる。

また、予圧部 10の球状部材 11を介して回転子 6の頂点部分に予圧力を与えているため、予圧力を大きく設定しても、予圧部 10が回転子 6に嵌り込むことはない。このため、予圧力を大きくして、高トルクの回転を実現することができる。

[0017] 予圧部 10の球状部材 11は、多軸の回りに回転可能に配設されているため、回転子 6の回転に伴う摩擦損失が低減されている力振動子 3の駆動により、固定子 2と同様に支持部材 7を介して予圧部 10の球状部材 11にも楕円振動が発生するように構成すれば、予圧のために必要な摩擦損失をさらに低減することができる。

また、予圧部 10の球状部材 11を固定子 2と同一の振動モードで振動させることにより、球状部材 11に固定子 2と同一の方向の駆動力を発生させれば、固定子 2と予圧部 10の双方から回転子 6に回転力が伝達され、高トルクで回転させることが可能とな [0018] 実施の形態 2

図 5に、この発明の実施の形態 2に係る振動ァクチユエータを示す。実施の形態 2 は、図 1に示した実施の形態 1の振動ァクチユエータにおいて、支持部材 7で予圧部 10を支持する代わりに支持部材 18により 3つの予圧部 10a、 10b及び 10cを支持するように構成したものである。支持部材 18は、固定子 2の上面の上に固定される環状部 19と、回転子 6を跨ぐように環状部 19に一体に形成されたアーチ部 20を有し、ァーチ部 20のほぼ中央に 3つの予圧部 10a、 10b及び 10cが支持されている。これらの予圧部 10a、 10b及び 10cは、それぞれ回転子 6の頂点部分に当接し且つ多軸の回りに回転可能な球状部材 l la、 l ib及び 11cを有している。支持部材 18のアーチ部 20は弾性を有し、これにより球状部材 l la、 l ib及び 11cがそれぞれ回転子 6に圧接され、回転子 6に Z軸方向の予圧を付与している。

このような構成としても、実施の形態 1と同様に、回転子 6の出力軸 12を予圧部 10a 、 10b及び 10cと支持部材 18の環状部 19との間を可動範囲として自由に移動させること力 Sでさる。

[0019] 実施の形態 3

図 6に、この発明の実施の形態 3に係る振動ァクチユエータを示す。実施の形態 3 は、図 1に示した実施の形態 1の振動ァクチユエータにおいて、支持部材 7で予圧部 10を支持する代わりに支持部材 21により予圧部 22を支持するように構成したものである。支持部材 21は、固定子 2の上面の上に固定される環状部 23と、環状部 23から上方に延びる逆 L字形のアングル部 24を有し、アングル部 24の先端に予圧部 22が支持されている。予圧部 22は、図 7に示されるように、凹状円錐面形状の予圧面 25 を有しており、この予圧面 25が回転子 6の頂点部分に接触している。

[0020] 支持部材 21のアングル部 24は弾性を有し、これにより予圧部 22の予圧面 25が回転子 6に圧接され、回転子 6に Z軸方向の予圧を付与している。

このような凹状円錐面形状の予圧面 25を用いることにより、略球体状の回転子 6の頂点部分に接触しやすくなる。

[0021] このとき、図 8に示されるように、凹状円錐面形状の予圧面 25が中心線に対して 45 度より小さい角度 Θを有する場合には、予圧面 25により予圧力 Fで回転子 6が押圧されると、回転子 6と予圧部 22が共に変形し (斜線部分）、これらの変形が均等であるものとみなすと、その接触断面は円形となり、予圧部 22が回転子 6に及ぼす力 F1及び F2が発生する。これらの力 F1及び F2は、変形がある程度保持される間は存在し続ける。力 F1及び F2は、接触面と反対側の面に対して回転子 6を押しつける力となる。例えば、力 F1に伴って、回転子 6が反対側の面に力 F1で押しつけられる。この力 F1 の垂直分力 Flvに対応して、回転子 6と予圧面 25との間に摩擦力 Flvfが作用する。また、力 F1の円錐面 Aに沿った水平分力 Flhが、回転子 6を予圧面 25から抜き出そうとする力となる。さらに、回転子 6と予圧部 22の変形に関わらず、予圧力 Fに起因して、回転子 6と予圧面 25との間に摩擦力 Ffが作用している。

[0022] そこで、抜き出そうとする力 Flh力これらの摩擦力（Flvf + Ff)より小さいときには、回転子 6は予圧面 25から抜け出ることができずに嵌り込んだ状態となってしまう。

[0023] 一方、凹状円錐面形状の予圧面 25が中心線に対して 45度の角度 Θを有する場合には、図 9に示されるように、予圧部 22から回転子 6に及ぼされる力 F1は、接触面と反対側の面に沿う方向を有するため、その垂直分力が 0となり、上述したような変形に伴う摩擦力 Flvfが発生しない。同様に、凹状円錐面形状の予圧面 25の中心線に対する角度 Θが 45度を超える場合にも、摩擦力 Flvfは発生しない。したがって、回転子 6と予圧部 22の変形に起因した回転子 6の嵌り込みが生じることはない。

すなわち、予圧部 22の凹状円錐面形状の予圧面 25は、その中心線に対して 45度以上の角度 Θを有することが好ましい。

[0024] 実施の形態 4

図 10に、この発明の実施の形態 4に係る振動ァクチユエータを示す。実施の形態 4 は、図 6に示した実施の形態 3の振動ァクチユエータにおいて、支持部材 21の代わりに支持部材 26によって予圧部 22を支持するように構成したものである。支持部材 26 は、固定子 2の上面の上に固定される環状部 27と、環状部 27に一体に形成されたァーチ部 28を有し、アーチ部 28に予圧部 22が支持されている。

このような構成としても、実施の形態 3と同様に、回転子 6の出力軸 12を予圧部 22 と支持部材 26の環状部 27との間を可動範囲として自由に移動させること力 Sできる。 [0025] 実施の形態 5

図 11に、この発明の実施の形態 5に係る振動ァクチユエータを示す。実施の形態 5 は、図 1に示した実施の形態 1の振動ァクチユエータにおいて、基部ブロック 1、固定子 2及び振動子 3を円筒状のケーシング 29内に収容し、ケーシング 29に上方に延びる逆 L字形のアングル部（片持ち部） 30を一体に形成し、アングル部 30の先端に予圧部 10を支持したものである。

すなわち、この実施の形態 5は、基部ブロック 1と固定子 2と振動子 3からなる振動系力も独立したケーシング 29に対して予圧部 10を支持したものである。

このような構成としても、回転子 6の出力軸 12を予圧部 10と固定子 2との間を可動範囲として自由に移動させること力 Sできる。

[0026] 同様に、図 12に示されるように、基部ブロック 1、固定子 2及び振動子 3を収容する円筒状のケーシング 29に、回転子 6を跨ぐようなアーチ部 40を一体に形成し、ァーチ部 40のほぼ中央に予圧部 10を配置することもできる。

さらに、この実施の形態 5を実施の形態 2〜4にそれぞれ適用し、振動系から独立したケーシング 29に対して予圧部 10a、 10b及び 10cあるいは 22を支持するように構成してもよい。

[0027] 実施の形態 6

図 13に、この発明の実施の形態 6に係る振動ァクチユエータを示す。実施の形態 6 は、図 1に示した実施の形態 1の振動ァクチユエータにおいて、出力軸 12の代わりに機能部品として回転子 6に内蔵カメラ 42を装備したものである。回転子 6の移動により内蔵カメラ 42のレンズ部を予圧部 10と固定子 2との間で自由に移動させ、撮影すること力 Sでさる。

同様に、この実施の形態 6を実施の形態 2〜5にそれぞれ適用して内蔵カメラ 42を移動させるように構成することあでさる。

さらに、出力軸 12、内蔵カメラ 42の他、各種の機能部品を回転子 6に備えることができる。

[0028] なお、上記の実施の形態;!〜 6において、回転子 6の頂点部分に接触する予圧部 1 0の球状部材 11、予圧部 10a、 10b及び 10cの球状部材 l la、 l lb¾O«l lc,予圧部 22の予圧面 25をそれぞれテフロン (登録商標）等の低摩擦材で構成すれば、予圧のために必要な摩擦損失を低減することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 固定子と、

前記固定子の上に載置された略球体状の回転子と、

前記回転子を前記固定子に圧接させる予圧手段と、

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回転させる振動手段と

を備え、前記回転子は機能部品を有し、前記予圧手段は前記回転子の頂点部分に当接して予圧力を付与する予圧部を有し、前記回転子の前記機能部品は前記予圧部と前記固定子との間を可動範囲として移動することを特徴とする振動ァクチユエータ。

[2] 前記予圧部は、多軸の回りに回転可能で且つ前記回転子の表面に接触する少なくとも一つの球状部材を有する請求項 1に記載の振動ァクチユエータ。

[3] 前記予圧部は、複数の前記球状部材を有する請求項 2に記載の振動ァクチユエ一タ。

[4] 前記予圧部は、前記回転子の表面に接触する凹状円錐面形状の予圧面を有する請求項 1に記載の振動ァクチユエータ。

[5] 前記予圧手段は、前記固定子に対して前記予圧部を支持する支持部材を含む請求項 1に記載の振動ァクチユエータ。

[6] 前記振動手段は、前記予圧部にも超音波振動を発生させる請求項 5に記載の振動ァクチユエータ。

[7] 前記支持部材は、片持ち部を有し、この片持ち部の先端に前記予圧部が配置された請求項 5に記載の振動ァクチユエータ。

[8] 前記支持部材は、前記回転子を跨ぐようなアーチ部を有し、このアーチ部のほぼ中央に前記予圧部が配置された請求項 5に記載の振動ァクチユエータ。

[9] 前記予圧手段は、前記固定子から独立して前記予圧部を支持する支持部材を含む請求項 1に記載の振動ァクチユエータ。

[10] 前記支持部材は、片持ち部を有し、この片持ち部の先端に前記予圧部が配置された請求項 9に記載の振動ァクチユエータ。

[11] 前記支持部材は、前記回転子を跨ぐようなアーチ部を有し、このアーチ部のほぼ中央に前記予圧部が配置された請求項 9に記載の振動ァクチユエータ。

[12] 前記機能部品は、前記回転子に固定された出力軸である請求項 1に記載の振動ァクチユエータ。

[13] 前記機能部品は、前記回転子に内蔵されたカメラである請求項 1に記載の振動ァクチユエータ。