JP4941075B2 - 振動アクチュエータ - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、球体状の回転子の表面に四方からそれぞれ固定子を加圧接触させ、各固定子に振動を発生させることにより回転子を回転させる振動アクチュエータが開示されている。この振動アクチュエータは、回転子に小型カメラを埋設することでインテリジェントアイとしての利用に供される。小型カメラで撮影された映像は、小型カメラに接続された配線ケーブルを介して振動アクチュエータ外部に配置されたカメラ制御ユニットに送られる。
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、配線ケーブルを用いることなく固定子側と回転子側との間で送電または/および通信を行うことができる振動アクチュエータを提供することを目的とする。
ここで、固定子側とは、固定子だけでなく、固定子に対して固定される他の部材をも含むものとする。また、回転子側とは、回転子だけでなく、回転子に固定されて回転子と共に移動する他の部材をも含むものとする。
振動により回転子を回転させる振動アクチュエータの駆動と固定子側伝達手段及び回転子側伝達手段間の電気的エネルギーの伝達とは相互に干渉しにくいものであるため、振動アクチュエータの駆動と送電とを相互に影響を及ぼすことなく独立して行うことができる。
実施の形態1
図1に、この発明の実施の形態1に係る振動アクチュエータを示す。基部1と固定子2との間に振動体3が挟持され、基部1と固定子2とが振動体3内に通された連結ボルト4を介して互いに連結されている。固定子2には、振動体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。回転子6に可動部7が固定されており、可動部7と固定子2とが可撓性の保持部材8で互いに移動自在に連結されている。なお、固定子2及び回転子6はそれぞれ磁性材料から形成されている。
ここで、説明の便宜上、基部1から回転子6に向かってZ軸が延び、Z軸に対して垂直方向にX軸が、Z軸及びX軸に対して垂直にY軸がそれぞれ延びているものとする。
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。
振動体3に対して、第1の圧電素子部31の電極板31cに振動アクチュエータ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。
同様に、駆動回路16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32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11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。
さらに、駆動回路16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11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。
このようにして振動体3を駆動することにより、回転子6がX、Y、Zの3軸の回りにそれぞれ回転し、これに伴って可動部7が移動する。
実施の形態1では、回転子側伝達手段として回転子6内に1つのコイル14が埋設されていたが、回転子6内の回転中心付近にそれぞれ異なる方向を向いた複数のコイルを埋設して、これら複数のコイルを互いに接続することもできる。例えば、図5に示されるように、X軸方向を向いたコイル14xと、Y軸方向を向いたコイル14yと、Z軸方向を向いたコイル14zとをそれぞれ回転子6内に埋設して互いに直列に接続したものを回転子側伝達手段として用いることができる。これらコイル14x、コイル14y、コイル14zは、それぞれ一部が回転子6内の回転中心付近を通るような位置に配置されている。
図6に、実施の形態3に係る振動アクチュエータを示す。この実施の形態3は、図1に示した実施の形態1の振動アクチュエータにおいて、回転子6内の回転中心付近にコイル14を埋設する代わりに、回転子6の外周部のわずかに内側に直径の大きなコイル17を埋設し、これを回転子側伝達手段としたものである。コイル17は、略球体状の回転子6の一直径を含む切断面上で且つ回転子6の直径よりわずかに小さい直径を有しており、コイル17の中心が回転子6の回転中心とほぼ一致するように配置されている。
なお、直径の大きな複数のコイル17を互いに異なる方向を向けて回転子6内に埋設することもできる。
図7に、実施の形態4に係る振動アクチュエータを示す。この実施の形態4は、図1に示した実施の形態1の振動アクチュエータにおいて、固定子2の凹部5の直下にコイル12を埋設する代わりに、相対向する凹部5の両側方に位置する固定子2の内部にコイル12a及び12bをそれぞれ埋設し、これらのコイル12a及び12bを互いに接続して固定子側伝達手段としたものである。
このように、複数のコイルを固定子側伝達手段として用いれば、磁力線Mを所望の位置に形成することが容易となり、より安定した送電が可能となる。
なお、3つ以上のコイルを固定子2内に埋設し、これらのコイルを互いに接続して固定子側伝達手段としてもよい。また、固定子2内に埋設した複数のコイルの接続を切り替え可能とし、これら複数のコイルから回転子6内のコイル14との間で感度よく電気的エネルギーの伝達を行うことができるコイルを1つ以上選択して固定子側伝達手段として使用することもできる。
図8に、実施の形態5に係る振動アクチュエータを示す。この実施の形態5は、図1に示した実施の形態1の振動アクチュエータにおいて、磁性材料から形成された固定子2の代わりに電気伝導体である金属から形成された固定子18を用いると共に、コイル12の代わりにアンテナ23を固定子側伝達手段として用い、コイル14の代わりにアンテナ24を回転子側伝達手段として用いたものである。
固定子18の凹部19内で且つ回転子6の下方にアンテナ23が配置され、このアンテナ23に電力供給回路13が電気的に接続されている。また、回転子6の回転中心付近にアンテナ24が埋設され、このアンテナ24に電力利用回路15が電気的に接続されている。
図8に示されるように、双方のアンテナ23及び24の間は、金属から形成された固定子18によってほぼ囲まれているため、固定子18が電波の送受信に対してシールド効果を発揮し、アンテナ23及び24の間で外乱の影響を低減して安定した電波の送受信を行うことができる。
また、アンテナ24は、回転子6の回転中心付近に埋設されているので、振動アクチュエータの駆動に伴って回転子6が回転しても、固定子18に対するアンテナ24の位置はほとんど変わることがなく、このため回転子6の回転に関わらずに安定した電力を供給することが可能となる。
固定子18は、金属から形成されたが、硬質樹脂の表面にメッキ等で導電性材料をコーティングしたものを用いても電波の送受信に対してシールド効果を得ることができる。
図9に、実施の形態6に係る振動アクチュエータを示す。この実施の形態6は、図8に示した実施の形態5の振動アクチュエータにおいて、回転子6及び可動部7の代わりに、共に金属から形成された回転子25及び可動部26を用い、アンテナ24を可動部26の内部に配置したものである。
なお、それぞれ金属から形成された固定子18、回転子25及び可動部26がシールド効果を発揮するため、外乱の影響が低減され、アンテナ23及び24の間で安定した電波の送受信を行うことができる。
また、振動アクチュエータの駆動に伴って回転子25が回転しても、アンテナ23及び24の相互間の距離はほとんど変わらないため、回転子25の回転に関わらずに安定した電力を供給することが可能となる。
回転子25及び可動部26は、金属から形成されたが、硬質樹脂の表面にメッキ等で導電性材料をコーティングしたものを用いても電波の送受信に対してシールド効果を得ることができる。
図10に、実施の形態7に係る振動アクチュエータを示す。この実施の形態7は、図1に示した実施の形態1の振動アクチュエータにおいて、固定子2側のコイル12に電力供給回路13を接続すると共に回転子6側のコイル14に電力利用回路15を接続する代わりに、逆に、固定子2側のコイル12に電力利用回路15を、回転子6側のコイル14に電力供給回路13をそれぞれ接続したものである。
実施の形態1と同様に、コイル12及び14間で電気的エネルギーの伝達を行うことにより、可動部7を含む回転子6側から固定子2側への送電が可能となる。
同様にして、実施の形態2〜6においても、電力供給回路13と電力利用回路15とを相互に入れ替えることで、回転子6側から固定子2側へ電力を供給することができる。
図11に、実施の形態8に係る振動アクチュエータを示す。この実施の形態8は、図1に示した実施の形態1の振動アクチュエータにおいて、固定子2側のコイル12に電力供給回路13を接続すると共に回転子6側のコイル14に電力利用回路15を接続する代わりに、これらコイル12及び14に通信回路41及び42をそれぞれ接続して、固定子2側と回転子6側との間で通信を行うようにしたものである。
なお、固定子2側のコイル12と回転子6側のコイル14の一方に通信回路と電力供給回路の双方を接続すると共に、他方に通信回路と電力利用回路の双方を接続して、通信と送電とを共に行うように構成することもできる。通信と送電とで、使用周波数を互いに異なるものにすれば、通信と送電を同時に行うことも可能となる。
同様にして、実施の形態2〜6においても、固定子2側と回転子6側との間で通信を行うことができ、さらに通信と送電とを共に行うようにすることも可能となる。
可動部7と第2節43は図示しない連結機構を介して互いに連結され、第2節43と第3節44も図示しない連結機構を介して互いに連結されており、回転子6の回転に応じて可動部7、第2節43及び第3節44がそれぞれ所定の動きをするように構成されている。
同様にして、実施の形態2〜8の振動アクチュエータを用いてロボットハンドを構成することもできる。
Claims (3)
- 回転子を固定子に対し加圧した状態で前記固定子に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アクチュエータにおいて、
前記固定子側と前記回転子側とにそれぞれ配置され且つ互いに非接触で電気的エネルギーの伝達を行う固定子側伝達手段及び回転子側伝達手段を備え、
前記固定子側伝達手段は、少なくとも一つのコイルを含み、
前記回転子側伝達手段は、互いに異なる方向に向けられた複数のコイルを含み、
前記回転子側伝達手段に含まれる前記複数コイルは、その一部が前記回転子の回転中心付近を通るように配置され、
前記固定子側伝達手段及び前記回転子側伝達手段が電磁誘導によって電気的エネルギーの伝達を行うことにより、前記固定子側と前記回転子側との間で送電が行われることを特徴とする振動アクチュエータ。 - 前記固定子及び前記回転子は、磁性材料から形成される請求項1に記載の振動アクチュエータ。
- ロボットハンドに用いられる請求項1または2に記載の振動アクチュエータ。
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