JP5211463B2 - 振動アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、振動アクチュエータに係り、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アクチュエータに関する。

近年、超音波振動を利用して回転子を回転させる振動アクチュエータが提案され、実用化されている。この振動アクチュエータは、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アクチュ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。

特開２００４−３１２８１０号公報

しかしながら、特許文献１のアクチュエータは、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った。
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が、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かった。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ができるが、全体の寸法が大きくなるとい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く、広い可動範囲を確保する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。

この発明に係る振動アクチュエータは、固定子と、固定子の上に載置され、機能部品を有する略球体状の回転子と、固定子の上部に配置される支持部材と、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機能部品を移動させる振動手段とを備え、支持部材は、上方に延びかつ弾性を有するアングル部を有し、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アングル部に有し、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機能部品が移動される。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いうものとする。

なお、予圧部は、多軸の回りに回転可能で且つ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ことができる。この場合、予圧部は、複数の球状部材を有していてもよい。あるいは、予圧部が、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ように構成することもできる。
また、予圧手段は、固定子に対して予圧部を支持する支持部材を含んでもよい。この場合、振動手段は、固定子と同様に予圧部にも超音波振動を発生させることができる。

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く、広い可動範囲を確保することが可能となる。

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に係る振動アクチュエータを示す。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。

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。
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は弾性を有し、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。

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いる。
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１５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。

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、Ｚ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ＸＹ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３１〜３３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。

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いる。
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。

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３１ｂ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。

次に、この実施の形態１に係る振動アクチュ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。

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Ｙ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。

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、Ｚの３軸の回りにそれぞれ回転し、これに伴って出力軸１２が移動するが、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ができる。
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。

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が、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る。

実施の形態２
図５に、この発明の実施の形態２に係る振動アクチュエータを示す。実施の形態２は、図１に示した実施の形態１の振動アクチュエータにおいて、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、環状部１９に一体に形成されたアーチ部２０を有し、アーチ部２０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１１ａ、１１ｂ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１１ａ、１１ｂ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ができる。

実施の形態３
図６に、この発明の実施の形態３に係る振動アクチュエータを示す。実施の形態３は、図１に示した実施の形態１の振動アクチュエータにおいて、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。

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。

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Ｆ１ｖに対応して、回転子６と予圧面２５との間に摩擦力Ｆ１ｖｆが作用する。また、力Ｆ１の円錐面Ａに沿った水平分力Ｆ１ｈ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。

そこで、抜き出そうとする力Ｆ１ｈが、これらの摩擦力（Ｆ１ｖｆ＋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。

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Ｆ１ｖｆ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Ｆ１ｖｆ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。

実施の形態４
図１０に、この発明の実施の形態４に係る振動アクチュエータを示す。実施の形態４は、図６に示した実施の形態３の振動アクチュエータにおいて、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アーチ部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ができる。

参考形態
図１１に、参考形態に係る振動アクチュエータを示す。参考形態は、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、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、この参考形態は、基部ブロック１と固定子２と振動子３からなる振動系から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ができる。
なお、この参考形態を実施の形態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。

実施の形態５
図１２に、この発明の実施の形態５に係る振動アクチュエータを示す。実施の形態５は、図１に示した実施の形態１の振動アクチュエータにおいて、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、撮影することができる。
同様に、この実施の形態５を実施の形態２〜４および参考形態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もできる。
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。

なお、上記の実施の形態１〜５および参考形態において、回転子６の頂点部分に接触する予圧部１０の球状部材１１、予圧部１０ａ、１０ｂ及び１０ｃの球状部材１１ａ、１１ｂ及び１１ｃ、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。

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斜視図である。 実施の形態１に係る振動アクチュエータを示す断面図である。 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。 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。 実施の形態２に係る振動アクチュエータを示す斜視図である。 実施の形態３に係る振動アクチュエータを示す斜視図である。 実施の形態３に係る振動アクチュエータを示す断面図である。 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。 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。 実施の形態４に係る振動アクチュエータを示す斜視図である。 参考形態に係る振動アクチュエータを示す断面図である。 実施の形態５に係る振動アクチュエータを示す断面図である。

符号の説明

１ 基部ブロック、２ 固定子、３ 振動子、４ 本体部、５ 凹部、６ 回転子、７，１８，２１，２６ 支持部材、８，１９，２３，２７ 環状部、９，２４，３０ アングル部、１０，１０ａ、１０ｂ，１０ｃ，２２ 予圧部、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 球状部材、１２ 出力軸、１３ 連結ボルト、１４ 小径部、１５ 大径部、１６ 段差、１７ 駆動回路、２０，２８ アーチ部、２５ 予圧面、２９ ケーシング、３１ 第１の圧電素子部、３２ 第２の圧電素子部、３３ 第３の圧電素子部、４２ 内蔵カメラ。

Claims (6)

1. 固定子と、
   前記固定子の上に載置され、機能部品を有する略球体状の回転子と、
   前記固定子の上部に配置される支持部材と、
   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て前記回転子の前記機能部品を移動させる振動手段と
   を備え、
   前記支持部材は、上方に延びかつ弾性を有するアングル部を有し、
   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前記アングル部に有し、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アクチュエータ。
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に記載の振動アクチュエータ。
3. 前記予圧部は、複数の前記球状部材を有する請求項２に記載の振動アクチュエータ。
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に記載の振動アクチュエータ。
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１〜４のいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
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に記載の振動アクチュエータ。

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