回転駆動装置
【課題】小形軽量で大きな出力トルクが得られるとともに耐久性に優れ、出力回転速度の制御性が良好で、出力トルクの設計が簡易な回転駆動装置を提供する。
【解決手段】表面の一部に第１対向面（円筒内周面３１）を有しかつ回転軸線回りに回転可能な第１部材（ロータ３）と、第１対向面３１に離隔して対向する第2対向面（円筒外周面２１）を有する第2部材（ステータ２）と、第１対向面３１および第２対向面２１の中の一方面に立設され、第１部材３の回転方向に対し同方向に傾斜して第１対向面お３１よび第２対向面２１の中の他方面に圧接し、かつ弾性を有する複数の圧接弾性部材（板ばね４）と、第１部材３を回転軸線ＡＸ回りに回転可能に支承し、第2部材２の回転を規制して支持する基台５と、第２部材２と基台５との間に配置され、第２部材２を加振して第１対向面３１と第2対向面２１との離隔距離Ｗを繰り返して微小変動させる加振手段６と、を備えた。
【解決手段】表面の一部に第１対向面（円筒内周面３１）を有しかつ回転軸線回りに回転可能な第１部材（ロータ３）と、第１対向面３１に離隔して対向する第2対向面（円筒外周面２１）を有する第2部材（ステータ２）と、第１対向面３１および第２対向面２１の中の一方面に立設され、第１部材３の回転方向に対し同方向に傾斜して第１対向面お３１よび第２対向面２１の中の他方面に圧接し、かつ弾性を有する複数の圧接弾性部材（板ばね４）と、第１部材３を回転軸線ＡＸ回りに回転可能に支承し、第2部材２の回転を規制して支持する基台５と、第２部材２と基台５との間に配置され、第２部材２を加振して第１対向面３１と第2対向面２１との離隔距離Ｗを繰り返して微小変動させる加振手段６と、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトルクを出力する回転駆動装置に関し、より詳細には、圧電体などの加振手段が発生する振動を利用した回転駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力を機械的動力に変換して出力する駆動装置として電磁力を利用するモータが一般的に用いられるが、電子機器や精密機械などに内蔵する駆動装置には特に小形化や位置制御の高精度化が必要とされる。このような小形化、高精度化への要求に応えて、電磁力によらず、超音波振動などを利用した別の駆動方式の駆動装置が実用化されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示される超音波モータは、圧電体によって励振されて表面に進行波を発生する固定子と、固定子に当接されて相対的に可動する回転子とを有し、固定子および回転子の少なくとも一方を弾性変形する薄板円板で支持している。そして、圧電体に高周波電圧を印加すると固定子には屈曲振動によって進行波が発生し、加圧接触している回転子が回転するようになっている。
【０００４】
また、特許文献２に開示される超音波リニアモータは、胴部から延びる少なくとも２本の脚部を有する振動体と、振動体に設けられて胴部および脚部の少なくとも一方に交差する方向に向けられた振動素子とを備え、振動素子として圧電素子が例示されている。そして、圧電素子に電圧を印加することにより、脚部の先端が楕円状に回転して振動体がレール上を移動するようになっている。これにより、エネルギー変換効率が高く、高速動作をさせることができ、しかも極めてコンパクトに構成することができる、とされている。
【０００５】
さらに、特許文献３の超音波リードスクリューモータを含む機構には、ねじ付きシャフトおよびねじ付きナットを含み、ねじ付きナットを超音波振動に供し、それによってねじ付きシャフトを回転させながら軸方向に移動させる光学アセンブリが開示されている。また、超音波振動を発生させる手段として圧電管が開示されている。この発明の目的は、従来技術よりも実質的に高い効率を有し、かつ高い精度、大きな力および速度を提供することとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−７７０６８号公報
【特許文献２】特開平２−２６６８８１号公報
【特許文献３】特開２００８−５１０４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の３つの特許文献に開示された技術は、駆動力・推進力に制約が生じる点、および、摩擦面の摩耗による耐久性の低下の点で問題点があった。特許文献１では、固定子と回転子とが対向する面で加圧接触しているが、加圧方向における圧電体の変形力は小さく、したがって小さな駆動力しか得られない。また、加圧接触している面が荒れると、性能が低下してしまう。特許文献２でも同様であり、振動体の脚部先端をレールに押し当てながら駆動するので、面接触による摩擦分だけの推進力しか得られず、脚部先端やレールの摩耗も懸念される。特許文献３では、ねじ付きシャフトおよびねじ付きナットが螺合面で擦れ合い摩擦力によりシャフトが回転するので、摩擦力以上の推進力は得られない。
【０００８】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、小形軽量で大きな出力トルクが得られるとともに耐久性に優れ、出力回転速度の制御性が良好で、出力トルクの設計が簡易な回転駆動装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する請求項１に係る回転駆動装置の発明は、表面の一部に第１対向面を有しかつ回転軸線回りに回転可能な第１部材と、前記第１対向面に離隔して対向する第2対向面を有する第2部材と、前記第１対向面および前記第２対向面の中の一方面に立設され、前記第１部材の回転方向に対し同方向に傾斜して前記第１対向面および前記第２対向面の中の他方面に圧接し、かつ弾性を有する複数の圧接弾性部材と、前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能に支承し、前記第2部材の回転を規制して支持する基台と、前記第１部材と前記基台との間または前記第２部材と前記基台との間に配置され、前記第１部材または前記第２部材を加振して前記第１対向面と前記第2対向面との離隔距離を繰り返して微小変動させる加振手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記第１部材の前記第１対向面および前記第２部材の前記第２対向面の一方は円筒内周面で、他方は円筒外周面であり、前記円筒内周面および前記円筒外周面の中の一方面に立設された前記複数の圧接弾性部材は、前記第１部材の回転方向に対し周方向に同方向に傾斜して前記円筒内周面および前記円筒外周面の中の他方面に圧接し、前記基台は、前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能に支承し、前記第２部材を前記回転軸線と直角な方向に振動可能に回転を規制して支持し、前記加振手段は、前記第２部材と前記基台との間に配置されて前記第２部材を前記回転軸線と直角な方向に加振する、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１において、前記第１部材の前記第１対向面および前記第２部材の前記第２対向面は、前記回転軸線に直交配置される円形平面または環形平面であり、前記一方面に立設された前記複数の圧接弾性部材は、前記第１部材の回転方向に対し前記回転軸線方向に同方向に傾斜して前記他方面に圧接し、前記基台は、前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能にかつ回転軸線方向に振動可能に支承し、前記第2部材の回転を規制して支持し、前記加振手段は、前記基台と前記第１部材の間に配置されて前記第１部材を前記軸線方向に加振する、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記加振手段は圧電体であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記圧接弾性部材は、前記第１部材の前記回転軸線方向または半径方向に幅を有する板ばねであることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る発明は、前記圧接弾性部材は、弾性を有する細線からなる線状ばねであることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか一項において、前記圧接弾性部材が前記他方面に圧接する傾斜角度は、前記他方面上の圧接位置における接線に対して４５°であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る回転駆動装置の発明では、第１対向面を有する第１部材は回転可能に支承され、第２対向面を有する第2部材は回転を規制して支持される。また、複数の圧接弾性部材は、対向する第１および第２対向面の中の一方面に立設され、第１部材の回転方向に対し同方向に傾斜して他方面に対し圧接し、かつ弾性を有している。このため、加振手段が第１部材または第２部材を加振すると、第１対向面と第2対向面との離隔距離が繰り返して微小変動し、複数の圧接弾性部材も繰り返して微小弾性変形し、他方面を傾斜角度の方向に押圧する駆動力が発生する。この駆動力は、複数の圧接弾性部材で同じ回転方向に揃っているので、第１部材は回転駆動されてトルクを出力する。
【００１７】
本発明は、特許文献１〜３に例示される駆動側と従動側とが面同士で摩擦接触する従来の駆動方式とは異なり、複数の圧接弾性部材の微小弾性変形の繰り返しによりトルクを得る駆動方式を用いている。したがって、圧接弾性部材の数量や弾性強度を増加させることにより、小形軽量であっても大きな出力トルクを得ることができる。また、装置構成が簡単であること、常時摩擦接触する面がなく荒れなどの影響を受けにくいこと、などから耐久性に優れている。さらに、加振手段の加振周波数の制御により出力回転速度を自在に調整できて制御性が良好である。また、圧接弾性部材の数量や弾性強度を増減することによりトルクの大きさを調整でき、出力トルクの設計が簡易である。加えて、加振手段を駆動する駆動電気信号に複雑な進行波を使用しないので、駆動電源部の小形化、低コスト化が可能となる。
【００１８】
請求項２に係る発明では、第１部材の第１対向面および第２部材の第２対向面の一方は円筒内周面で、他方は円筒外周面とされ、円筒内周面および円筒外周面の中の一方面に立設された圧接弾性部材が周方向に傾斜して他方面に圧接している。これにより、駆動側および従動側を同軸の内側および外側に配置した回転駆動装置を構成でき、回転軸線方向の寸法が小さな薄形の装置を実現できる。
【００１９】
請求項３に係る発明では、第１部材の第１対向面および第２部材の第２対向面は、回転軸線に直交配置される円形平面または環形平面とされ、一方面に立設された圧接弾性部材は回転軸線方向に傾斜して他方面に圧接している、これにより、駆動側および従動側を回転軸線方向に並べて配置した回転駆動装置を構成できる。
【００２０】
請求項４に係る発明では、加振手段を圧電体としている。圧電体では、比較的周波数の低い領域から高い超音波領域までの振動を発生でき、出力回転速度の制御範囲が広い。
【００２１】
請求項５に係る発明では、圧接弾性部材を板ばねとしている。また、請求項６に係る発明では、圧接弾性部材を線状ばねとしている。板ばねや線状ばねを用いることで数量や弾性強度の設計変更が容易となって出力トルクの大きさを自在に調整でき、また、一般的な汎用の部材であるためコストも低廉になる。
【００２２】
請求項７に係る発明では、圧接弾性部材が他方面に圧接する傾斜角度を４５°としている。４５°とすることにより、圧接弾性部材が加振の力・変位を回転方向に変換する効率か良くなり、大きな出力トルクが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態の回転駆動装置を模式的に説明する正面図である。
【図２】第１実施形態のロータおよび板ばねの形状を説明する図であり、（１）はロータ、（２）は板ばね、（３）は別の板ばねの各斜視図である。
【図３】第２実施形態のロータおよび板ばねの構造を説明する正面図である。
【図４】第３実施形態の回転駆動装置を模式的に説明する正面図である。
【図５】第４実施形態の回転駆動装置を模式的に説明する側面図である。
【図６】図５中のロータを説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の第１実施形態の回転駆動装置について、図１および図２を参考にして説明する。図１は、本発明の第１実施形態の回転駆動装置１を模式的に説明する正面図である。図示されるように、回転駆動装置１は、ステータ２、ロータ３、板ばね４、基台５、および加振装置６などにより構成されている。
【００２５】
ステータ２は、第２部材に相当する外周側の部材であり、かつ回転駆動装置１の外枠になっている。ステータ２には、第２対向面に相当する内径Ｄ１の円筒内周面２１が水平方向に形成されている。円筒内周面２１の表面は粗面とされ、板ばね４が圧接するときの摩擦が大きくなり、滑らないで押圧力が発生するようになっている。ステータ２の円筒内周面２１内に離隔して配置されているロータ３は、第１部材に相当する内周側の部材であり、第１対向面に相当する外径Ｄ２の円筒外周面３１が水平方向に形成されている。ロータ３の中心部には軸孔が形成され、軸孔には出力軸３５が嵌合している。ロータ３と一体に回転する出力軸３５には、図略の負荷を結合できる。
【００２６】
ステータ２およびロータ３は、水平方向の回転軸線ＡＸを共有して同軸外内に配置されている。したがって、ステータ２の円筒内周面２１とロータ３の円筒外周面３１との間に円筒状の空間Ｓが形成され、空間Ｓの半径方向の幅Ｗすなわち離隔距離Ｗは両周面２１、３１の径差の半分になっている（Ｗ＝（Ｄ１−Ｄ２）÷２）。
【００２７】
複数の板ばね４は、上記の空間Ｓに配置され、ロータ３の円筒外周面３１から半径方向外向きに立設され、ステータ２の円筒内周面２１に周方向に同方向に傾斜して圧接し、かつ弾性を有しており、圧接弾性部材に相当する。詳述すると、複数の板ばね４は、回転軸線ＡＸ方向（図１の紙面表裏方向）に幅を有し、円筒外周面３１から半径方向外向きに垂直に立設されている。板ばね４は、半径方向外向きの途中で図中時計回りの方向に揃って屈折している。この屈折により、板ばね４の先端４Ｘは、円筒内周面２１の圧接位置における接線に対して傾斜角度Ａ＝４５°で圧接している。板ばね４は、弾性を有する金属や樹脂で形成できる。なお、板ばね４は、図１では周方向に等間隔に２８個配置されており、個数や弾性強度は適宜変更できる。
【００２８】
基台５は、ステータ２を振動可能にかつ回転を規制して支持し、ロータ３を回転軸線ＡＸ回りに回転可能に支承している。詳述すると、基台５は、板状の剛体で構成され、その上面に緩衝材５１を介してステータ２を支持している。緩衝材５１は、例えば合成ゴムなどで形成して、ステータ２の回転軸線ＡＸと直角な上下方向の振動を許容し回転を規制する。また、基台５には、図略の軸受が設けられており、軸受は出力軸３５を回転自在に支承し、出力軸３５と一体のロータ３をも支承している。
【００２９】
加振装置６は、ステータ２と基台５との間に、緩衝材５１と並列に配置されている。加振装置６は駆動源として圧電体を用いた装置であり、圧電体に電圧を印加することによって変形し、ステータ２を上下方向に加振するようになっている。
【００３０】
次に、ロータ３に板ばね４を立設する構造について説明する。図２は、ロータ３および板ばね４の形状を説明する図であり、（１）はロータ３、（２）は板ばね４１、（３）は別の板ばね４２の各斜視図である。図２（１）に示されるように、ロータ３の円筒外周面３１には、周方向に等間隔で半径方向内向きかつ回転軸線ＡＸ方向の厚さＴにわたり延在するスリット３２が２８箇所形成されている。また、図２（２）に示されるように、板ばね４１は、ロータ３の厚さＴに相当する幅の弾性金属体の途中が屈折加工して形成されている。板ばね４１の根元部４１Ｙをロータ３のスリット３２に差し込み接着固定することで、立設することができる。
【００３１】
図２（１）には、立設した板ばね４１を１個のみ破線で示してあり、全スリット３２に板ばね４１を立設する。このとき、全ての板ばね４１の各先端４１Ｘを結ぶ包絡円筒面の直径Ｄ３は、ステータ２の円筒内周面２１の内径Ｄ１よりもわずかに大きくなっている。したがって、ステータ２にロータ３を組み付けるときには、ロータ３を図１の反時計回りに回転させながら板ばね４１を撓ませて挿入する。これにより、板ばね４１の各先端４１Ｘが円筒内周面２１に傾斜角度Ａ＝４５°で圧接した状態で組み付けられる。なお、板ばね４１は、図２（３）に示される別の板ばね４２としてもよい。別の板ばね４２は、弾性金属体の途中が屈折ではなく曲げ加工して形成されているものである。
【００３２】
さらに、図３に示される第２実施形態のロータ３０および板ばね４３を用いることもできる。第２実施形態において、ステータ２、基台５、および加振装置６の構成は第１実施形態と同一であり、ロータ３０および板ばね４３が異なる。図３は、第２実施形態のロータ３０および板ばね４３の構造を説明する正面図である。図示されるように、第２実施形態では、ロータ３０の円筒外周面３３には、半径方向内向きに傾斜してスリット３４が形成されている。また、板ばね４３には、ロータ３０の厚さに相当する幅を有して平らな弾性金属体が用いられている。平らな板ばね４３を傾斜したスリット３４に差し込み接着固定することで、立設することができる。このとき、板ばね４３の各先端４３Ｘを結ぶ包絡円筒面の直径Ｄ４が、ステータ２の円筒内周面２１の内径Ｄ１よりもわずかに大きくなっている点は、第１実施形態と同様である。また、ロータ３０を回転させながら板ばね４３を撓ませてステータ２に挿入する点、および、板ばね４３の各先端４３Ｘが円筒内周面２１に傾斜角度Ａ＝４５°で圧接する点も同様である。
【００３３】
次に、第１実施形態の回転駆動装置１の動作および作用について説明し、第２実施形態については概ね同様の動作、作用となるので説明は省略する。図１の第１実施形態において、加振装置６の圧電体に交流電圧を印加することにより加振装置６は繰り返して変形し、ステータ２を上下方向に加振する。すると、ステータ２とロータ３との離隔距離Ｗが繰り返して微小変動し、板ばね４にも微小振動が伝搬する。板ばね４は伸縮して、その先端４Ｘは瞬間的に円筒内周面２１から跳ね上がり、再度円筒内周面２１に圧接する。この跳ね上がりと圧接の際に、円筒内周面２１を傾斜方向に押圧する駆動力Ｆ（図１に１箇所示す）が発生する。この駆動力Ｆは、すべての板ばね４で同じ回転方向に揃っているので、その反力によりロータ３は図１の反時計回りに回転駆動される。これにより、ロータ３と一体の出力軸３５が回転して負荷にトルクを出力する。
【００３４】
ここで、板ばね４が円筒内周面２１に圧接する傾斜角度Ａ＝４５°であるので、大きな駆動力Ｆが得られ、効率的にトルクを出力できる。圧電体に印加する電圧を大きくすれば加振装置６の変形量も大きくなり、ステータ２や板ばね４の振動も大きくなってロータ３の出力回転速度や出力トルクが大きくなる。また、電圧の周波数を大きくすれば加振装置６の変形回数が増加し、ステータ２や板ばね４、４１、４２の振動回数も増加して、ロータ３の出力回転速度が大きくなる。
【００３５】
第１および第２実施形態では、駆動側と従動側とが面同士で摩擦接触する従来の駆動方式とは異なり、板ばね４、４１、４２、４３の微小弾性変形の繰り返しによりトルクを得る駆動方式を用いている。したがって、板ばね４、４１、４２、４３の数量や弾性強度を増加させることにより、小形軽量であっても大きな出力トルクを得ることができる。特に、ロータ３の厚さＴを小さくした薄形の装置を実現できる。また、装置構成が簡単であること、常時摩擦接触する面がなく荒れなどの影響を受けにくいこと、などから耐久性に優れている。
【００３６】
さらに、加振装置６の圧電体に印加する電圧周波数の制御により回転速度を自在に調整できるので、出力回転速度の制御性が良好である。また、板ばね４の数量や弾性強度を増減することによりトルクの大きさを調整でき、出力トルクの設計が簡易である。また、圧電体では、比較的周波数の低い領域から高い超音波領域までの振動を発生でき、出力回転速度の制御範囲が広い。さらに、、板ばね４、４１、４２、４３は一般的な汎用の部材であるためコストも低廉になる。加えて、加振装置６を駆動する交流電圧は一般的な矩形波や正弦波などでよく複雑な進行波を使用しないので、駆動電源部の小形化、低コスト化が可能となる。
【００３７】
なお、第１および第２実施形態において、圧接弾性部材である板ばね４、４１、４２、４３は内周側のロータ３、３０に立設されているが、これに限定されない。すなわち、外周側のステータ２の円筒内周面２１から半径方向内向きに立設され、ロータ３の円筒外周面３１に周方向に同方向に傾斜して圧接し、かつ弾性を有する板ばねとすることができる。また、板ばね４、４１、４２、４３は、弾性を有する細線からなる金属製や樹脂製などの線状ばねに置き換えることもできる。いずれの態様においても、動作および作用は第１実施形態と同様になる。
【００３８】
また、外周側の第２部材と内周側の第１部材とは、ロータおよびステータの役割を交換することができる。つまり、第１および第２実施形態とは逆に、外周側に第１部材をロータとして回転可能に支承し、内周側に第２部材をステータとして振動可能に回転を規制して支持し、内周側の第２部材を加振して外周側の第１部材からトルクを出力するように構成できる。
【００３９】
次に、ステータの構造が異なる第３実施形態の回転駆動装置１０について、図４を参考にして説明する。図４は、第３実施形態の回転駆動装置１０を模式的に説明する正面図である。図示されるように、第３実施形態では、ステータ２０は断面円弧状の上部内周面２２および下部内周面２３をロータ３の上下に配置して構成されており、他の構成は第1実施形態と同じである。このように第2対向面が円筒内周面の一部となっている構成でも、ステータ２０の上下動により板ばね４が接離するので、第1実施形態と同様の効果が生じる。
【００４０】
次に、第４実施形態の回転駆動装置１１について、図５および図６を参考にして説明する。図５は、第４実施形態の回転駆動装置１１を模式的に説明する側面図である。図示されるように、回転駆動装置１１は、ロータ７、板ばね４５、ケース８、および加振装置６０などにより構成されている。また、図６は、図４中のロータ７を説明する斜視図である。
【００４１】
ロータ７は、第１部材に相当する部材であり、図６に示されるように円板状の部材で形成されている。ロータ７の中心部には回転軸線ＡＹ方向に軸孔７１が形成され、軸孔７１には一体に回転する出力軸７９が嵌合される。ロータ７の表面のうち回転軸線ＡＹと直交する一方の環形平面７２は第１対向面に相当し、この環形平面７２に複数（図６の例では１２枚）の板ばね４５が立設されている。複数の板ばね４５は、ロータ７の環形平面７２の半径方向に幅を有して立設され、回転軸線ＡＹ方向に同方向に傾斜角度Ｂ＝４５°で傾斜している。複数の板ばね４５は弾性を有しており、圧接弾性部材に相当する。板ばね４５は、例えばステンレス鋼で形成でき、その個数や弾性強度は適宜変更できる。
【００４２】
ケース８は基台に相当し、回転駆動装置１１の外枠である。図5に示されるように、ケース８の内側の天井面８１の略中央には固定座８２が設けられ、固定座８２の下方に緩衝ばね８３が下向きに固定されている。さらに、緩衝ばね８３の下端に加振装置６０が固定されている。加振装置６０は、円板状の上板６１および下板６２と、上板６１および下板６２の間に配設された積層圧電体６３とにより形成されている。上板６１は前記の緩衝ばね８３に固定され、下板６２はロータ７に接する。加振装置６０の積層圧電体６３は、電圧を印加することによって厚さが変化し、上板６１と下板６２の間の距離Ｄ５が増減変化するようになっている。
【００４３】
ケース８の底面８４の略中央には出力孔８５が穿設されている。ケース８の底面８４と加振装置６０との間に、板ばね４５を下方に向けたロータ７が配設される。ロータ７の出力軸７９は、出力孔８５からケース８の外側に突出し、図略の負荷を結合できるようになっている。一方、ロータ７の板ばね４５が立設されていない他方の環形平面７３は上側を向き、加振装置６０の下板６２に接している。ロータ７の他方の環形平面７３と加振装置６０の下板６２との間にはベアリング部材７４が環状に配設され、ロータ７は回転自在となっている。つまり、ロータ７は、ケース７により回転軸線ＡＹ回りに回転可能に支承されている。なお、前述の緩衝ばね８３は、加振装置６０を介してロータ７を上下方向の振動を許容しつつ下方に付勢しており、板ばね４５がケース８の底面８４に確実に圧接するようになっている。
【００４４】
図５に示されるように、ロータ７の板ばね４５は、ケース８の底面８４に対し傾斜角度Ｃ＝４５°で傾斜して圧接している。ケース８の底面８４は、回転を規制して支持される第２部材の第２対向面として作用する。
【００４５】
次に、第４実施形態の回転駆動装置１１の動作および作用について説明する。図５において、加振装置６０の積層圧電体６３に交流電圧を印加することにより加振装置６０の上板６１と下板６２の間の距離Ｄ５が増減変化して、ロータ７を上下方向に加振する。すると、ロータ７の一方の環形平面７２（第１対向面）とケース８の底面８３（第２対向面）との離隔距離Ｗ２が繰り返して微小変動し、板ばね４５にも微小振動が伝搬する。板ばね４５は伸縮して、その先端４５Ｘは瞬間的に底面８４から跳ね上がり、再度底面８４に圧接する。この跳ね上がりと圧接の際に、底面８４を傾斜方向に押圧する駆動力Ｆ２（図４に１箇所示す）が発生する。この駆動力Ｆ２は、すべての板ばね４５で同じ回転方向に揃っているので、その反力によりロータ７は回転駆動される。これにより、ロータ７と一体の出力軸７９が回転して負荷にトルクを出力する。
【００４６】
ここで、板ばね４５が底面８４に圧接する傾斜角度Ｃ＝４５°であるので、大きな駆動力Ｆ２が得られ、効率的にトルクを出力できる。積層圧電体６２に印加する電圧を大きくすれば加振装置６０の変形量も大きくなり、ロータ７の上下振動も大きくなって出力回転速度や出力トルクが大きくなる。また、電圧の周波数を大きくすれば加振装置６０の変形回数が増加し、ロータ７の振動回数も増加して出力回転速度が大きくなる。さらに、積層圧電体６２は多数の圧電素子を直列に積層しているので、大きな変形量を得るのが容易である。
【００４７】
したがって、第１〜第３実施形態と同様、小形軽量であっても大きな出力トルクを得ることができる。また、装置構成が簡単であること、常時摩擦接触する面がなく荒れなどの影響を受けにくいこと、などから耐久性に優れている。さらに、出力回転速度の制御性が良好である点、出力トルクの設計が簡易である点、コストが低廉である点も同様である。
【００４８】
なお、第１および第２対向面の形状は、第１〜第４実施形態の形状に限定されず、例えば円錐状の面にすることも可能である。また、加振装置６、６０の駆動源として圧電体の他に、電流を流すことで歪みが生じる磁歪体や、電圧を印加すると内部電子が移動して歪みが発生する高分子樹脂などを用いることができる。本発明は、その他様々な応用が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１、１０、１１：回転駆動装置
２、２０：ステータ（第２部材） ２１：円筒内周面（第２対向面）
２２：上部内周面 ２３：下部内周面
３、３０：ロータ（第１部材） ３１、３３：円筒外周面（第１対向面）
３２、３４：スリット ３５：出力軸
４、４１、４２、４３、４５：板ばね（圧接弾性部材）
４Ｘ、４１Ｘ、４３Ｘ，４５Ｘ：先端
４１Ｙ：根元部
５：基台 ５１：緩衝材
６、６０：加振装置（加振手段） ６１：上板 ６２：下板 ６３：積層圧電体
７：ロータ（第１部材） ７１：軸孔 ７２：一方の環形平面（第１対向面）
７３：他方の環形平面 ７４：ベアリング部材 ７９：出力軸
８：ケース（基台） ８１：天井面 ８２：固定座 ８３：緩衝ばね
８４：底面（第２部材の第２対向面） ８５：出力孔
ＡＸ、ＡＹ：回転軸線 Ａ、Ｂ、Ｃ：傾斜角度 Ｆ、Ｆ２：駆動力
Ｗ、Ｗ２：離隔距離
【技術分野】
【０００１】
本発明はトルクを出力する回転駆動装置に関し、より詳細には、圧電体などの加振手段が発生する振動を利用した回転駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力を機械的動力に変換して出力する駆動装置として電磁力を利用するモータが一般的に用いられるが、電子機器や精密機械などに内蔵する駆動装置には特に小形化や位置制御の高精度化が必要とされる。このような小形化、高精度化への要求に応えて、電磁力によらず、超音波振動などを利用した別の駆動方式の駆動装置が実用化されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示される超音波モータは、圧電体によって励振されて表面に進行波を発生する固定子と、固定子に当接されて相対的に可動する回転子とを有し、固定子および回転子の少なくとも一方を弾性変形する薄板円板で支持している。そして、圧電体に高周波電圧を印加すると固定子には屈曲振動によって進行波が発生し、加圧接触している回転子が回転するようになっている。
【０００４】
また、特許文献２に開示される超音波リニアモータは、胴部から延びる少なくとも２本の脚部を有する振動体と、振動体に設けられて胴部および脚部の少なくとも一方に交差する方向に向けられた振動素子とを備え、振動素子として圧電素子が例示されている。そして、圧電素子に電圧を印加することにより、脚部の先端が楕円状に回転して振動体がレール上を移動するようになっている。これにより、エネルギー変換効率が高く、高速動作をさせることができ、しかも極めてコンパクトに構成することができる、とされている。
【０００５】
さらに、特許文献３の超音波リードスクリューモータを含む機構には、ねじ付きシャフトおよびねじ付きナットを含み、ねじ付きナットを超音波振動に供し、それによってねじ付きシャフトを回転させながら軸方向に移動させる光学アセンブリが開示されている。また、超音波振動を発生させる手段として圧電管が開示されている。この発明の目的は、従来技術よりも実質的に高い効率を有し、かつ高い精度、大きな力および速度を提供することとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−７７０６８号公報
【特許文献２】特開平２−２６６８８１号公報
【特許文献３】特開２００８−５１０４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の３つの特許文献に開示された技術は、駆動力・推進力に制約が生じる点、および、摩擦面の摩耗による耐久性の低下の点で問題点があった。特許文献１では、固定子と回転子とが対向する面で加圧接触しているが、加圧方向における圧電体の変形力は小さく、したがって小さな駆動力しか得られない。また、加圧接触している面が荒れると、性能が低下してしまう。特許文献２でも同様であり、振動体の脚部先端をレールに押し当てながら駆動するので、面接触による摩擦分だけの推進力しか得られず、脚部先端やレールの摩耗も懸念される。特許文献３では、ねじ付きシャフトおよびねじ付きナットが螺合面で擦れ合い摩擦力によりシャフトが回転するので、摩擦力以上の推進力は得られない。
【０００８】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたもので、小形軽量で大きな出力トルクが得られるとともに耐久性に優れ、出力回転速度の制御性が良好で、出力トルクの設計が簡易な回転駆動装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する請求項１に係る回転駆動装置の発明は、表面の一部に第１対向面を有しかつ回転軸線回りに回転可能な第１部材と、前記第１対向面に離隔して対向する第2対向面を有する第2部材と、前記第１対向面および前記第２対向面の中の一方面に立設され、前記第１部材の回転方向に対し同方向に傾斜して前記第１対向面および前記第２対向面の中の他方面に圧接し、かつ弾性を有する複数の圧接弾性部材と、前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能に支承し、前記第2部材の回転を規制して支持する基台と、前記第１部材と前記基台との間または前記第２部材と前記基台との間に配置され、前記第１部材または前記第２部材を加振して前記第１対向面と前記第2対向面との離隔距離を繰り返して微小変動させる加振手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記第１部材の前記第１対向面および前記第２部材の前記第２対向面の一方は円筒内周面で、他方は円筒外周面であり、前記円筒内周面および前記円筒外周面の中の一方面に立設された前記複数の圧接弾性部材は、前記第１部材の回転方向に対し周方向に同方向に傾斜して前記円筒内周面および前記円筒外周面の中の他方面に圧接し、前記基台は、前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能に支承し、前記第２部材を前記回転軸線と直角な方向に振動可能に回転を規制して支持し、前記加振手段は、前記第２部材と前記基台との間に配置されて前記第２部材を前記回転軸線と直角な方向に加振する、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１において、前記第１部材の前記第１対向面および前記第２部材の前記第２対向面は、前記回転軸線に直交配置される円形平面または環形平面であり、前記一方面に立設された前記複数の圧接弾性部材は、前記第１部材の回転方向に対し前記回転軸線方向に同方向に傾斜して前記他方面に圧接し、前記基台は、前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能にかつ回転軸線方向に振動可能に支承し、前記第2部材の回転を規制して支持し、前記加振手段は、前記基台と前記第１部材の間に配置されて前記第１部材を前記軸線方向に加振する、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記加振手段は圧電体であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記圧接弾性部材は、前記第１部材の前記回転軸線方向または半径方向に幅を有する板ばねであることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る発明は、前記圧接弾性部材は、弾性を有する細線からなる線状ばねであることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか一項において、前記圧接弾性部材が前記他方面に圧接する傾斜角度は、前記他方面上の圧接位置における接線に対して４５°であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る回転駆動装置の発明では、第１対向面を有する第１部材は回転可能に支承され、第２対向面を有する第2部材は回転を規制して支持される。また、複数の圧接弾性部材は、対向する第１および第２対向面の中の一方面に立設され、第１部材の回転方向に対し同方向に傾斜して他方面に対し圧接し、かつ弾性を有している。このため、加振手段が第１部材または第２部材を加振すると、第１対向面と第2対向面との離隔距離が繰り返して微小変動し、複数の圧接弾性部材も繰り返して微小弾性変形し、他方面を傾斜角度の方向に押圧する駆動力が発生する。この駆動力は、複数の圧接弾性部材で同じ回転方向に揃っているので、第１部材は回転駆動されてトルクを出力する。
【００１７】
本発明は、特許文献１〜３に例示される駆動側と従動側とが面同士で摩擦接触する従来の駆動方式とは異なり、複数の圧接弾性部材の微小弾性変形の繰り返しによりトルクを得る駆動方式を用いている。したがって、圧接弾性部材の数量や弾性強度を増加させることにより、小形軽量であっても大きな出力トルクを得ることができる。また、装置構成が簡単であること、常時摩擦接触する面がなく荒れなどの影響を受けにくいこと、などから耐久性に優れている。さらに、加振手段の加振周波数の制御により出力回転速度を自在に調整できて制御性が良好である。また、圧接弾性部材の数量や弾性強度を増減することによりトルクの大きさを調整でき、出力トルクの設計が簡易である。加えて、加振手段を駆動する駆動電気信号に複雑な進行波を使用しないので、駆動電源部の小形化、低コスト化が可能となる。
【００１８】
請求項２に係る発明では、第１部材の第１対向面および第２部材の第２対向面の一方は円筒内周面で、他方は円筒外周面とされ、円筒内周面および円筒外周面の中の一方面に立設された圧接弾性部材が周方向に傾斜して他方面に圧接している。これにより、駆動側および従動側を同軸の内側および外側に配置した回転駆動装置を構成でき、回転軸線方向の寸法が小さな薄形の装置を実現できる。
【００１９】
請求項３に係る発明では、第１部材の第１対向面および第２部材の第２対向面は、回転軸線に直交配置される円形平面または環形平面とされ、一方面に立設された圧接弾性部材は回転軸線方向に傾斜して他方面に圧接している、これにより、駆動側および従動側を回転軸線方向に並べて配置した回転駆動装置を構成できる。
【００２０】
請求項４に係る発明では、加振手段を圧電体としている。圧電体では、比較的周波数の低い領域から高い超音波領域までの振動を発生でき、出力回転速度の制御範囲が広い。
【００２１】
請求項５に係る発明では、圧接弾性部材を板ばねとしている。また、請求項６に係る発明では、圧接弾性部材を線状ばねとしている。板ばねや線状ばねを用いることで数量や弾性強度の設計変更が容易となって出力トルクの大きさを自在に調整でき、また、一般的な汎用の部材であるためコストも低廉になる。
【００２２】
請求項７に係る発明では、圧接弾性部材が他方面に圧接する傾斜角度を４５°としている。４５°とすることにより、圧接弾性部材が加振の力・変位を回転方向に変換する効率か良くなり、大きな出力トルクが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態の回転駆動装置を模式的に説明する正面図である。
【図２】第１実施形態のロータおよび板ばねの形状を説明する図であり、（１）はロータ、（２）は板ばね、（３）は別の板ばねの各斜視図である。
【図３】第２実施形態のロータおよび板ばねの構造を説明する正面図である。
【図４】第３実施形態の回転駆動装置を模式的に説明する正面図である。
【図５】第４実施形態の回転駆動装置を模式的に説明する側面図である。
【図６】図５中のロータを説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の第１実施形態の回転駆動装置について、図１および図２を参考にして説明する。図１は、本発明の第１実施形態の回転駆動装置１を模式的に説明する正面図である。図示されるように、回転駆動装置１は、ステータ２、ロータ３、板ばね４、基台５、および加振装置６などにより構成されている。
【００２５】
ステータ２は、第２部材に相当する外周側の部材であり、かつ回転駆動装置１の外枠になっている。ステータ２には、第２対向面に相当する内径Ｄ１の円筒内周面２１が水平方向に形成されている。円筒内周面２１の表面は粗面とされ、板ばね４が圧接するときの摩擦が大きくなり、滑らないで押圧力が発生するようになっている。ステータ２の円筒内周面２１内に離隔して配置されているロータ３は、第１部材に相当する内周側の部材であり、第１対向面に相当する外径Ｄ２の円筒外周面３１が水平方向に形成されている。ロータ３の中心部には軸孔が形成され、軸孔には出力軸３５が嵌合している。ロータ３と一体に回転する出力軸３５には、図略の負荷を結合できる。
【００２６】
ステータ２およびロータ３は、水平方向の回転軸線ＡＸを共有して同軸外内に配置されている。したがって、ステータ２の円筒内周面２１とロータ３の円筒外周面３１との間に円筒状の空間Ｓが形成され、空間Ｓの半径方向の幅Ｗすなわち離隔距離Ｗは両周面２１、３１の径差の半分になっている（Ｗ＝（Ｄ１−Ｄ２）÷２）。
【００２７】
複数の板ばね４は、上記の空間Ｓに配置され、ロータ３の円筒外周面３１から半径方向外向きに立設され、ステータ２の円筒内周面２１に周方向に同方向に傾斜して圧接し、かつ弾性を有しており、圧接弾性部材に相当する。詳述すると、複数の板ばね４は、回転軸線ＡＸ方向（図１の紙面表裏方向）に幅を有し、円筒外周面３１から半径方向外向きに垂直に立設されている。板ばね４は、半径方向外向きの途中で図中時計回りの方向に揃って屈折している。この屈折により、板ばね４の先端４Ｘは、円筒内周面２１の圧接位置における接線に対して傾斜角度Ａ＝４５°で圧接している。板ばね４は、弾性を有する金属や樹脂で形成できる。なお、板ばね４は、図１では周方向に等間隔に２８個配置されており、個数や弾性強度は適宜変更できる。
【００２８】
基台５は、ステータ２を振動可能にかつ回転を規制して支持し、ロータ３を回転軸線ＡＸ回りに回転可能に支承している。詳述すると、基台５は、板状の剛体で構成され、その上面に緩衝材５１を介してステータ２を支持している。緩衝材５１は、例えば合成ゴムなどで形成して、ステータ２の回転軸線ＡＸと直角な上下方向の振動を許容し回転を規制する。また、基台５には、図略の軸受が設けられており、軸受は出力軸３５を回転自在に支承し、出力軸３５と一体のロータ３をも支承している。
【００２９】
加振装置６は、ステータ２と基台５との間に、緩衝材５１と並列に配置されている。加振装置６は駆動源として圧電体を用いた装置であり、圧電体に電圧を印加することによって変形し、ステータ２を上下方向に加振するようになっている。
【００３０】
次に、ロータ３に板ばね４を立設する構造について説明する。図２は、ロータ３および板ばね４の形状を説明する図であり、（１）はロータ３、（２）は板ばね４１、（３）は別の板ばね４２の各斜視図である。図２（１）に示されるように、ロータ３の円筒外周面３１には、周方向に等間隔で半径方向内向きかつ回転軸線ＡＸ方向の厚さＴにわたり延在するスリット３２が２８箇所形成されている。また、図２（２）に示されるように、板ばね４１は、ロータ３の厚さＴに相当する幅の弾性金属体の途中が屈折加工して形成されている。板ばね４１の根元部４１Ｙをロータ３のスリット３２に差し込み接着固定することで、立設することができる。
【００３１】
図２（１）には、立設した板ばね４１を１個のみ破線で示してあり、全スリット３２に板ばね４１を立設する。このとき、全ての板ばね４１の各先端４１Ｘを結ぶ包絡円筒面の直径Ｄ３は、ステータ２の円筒内周面２１の内径Ｄ１よりもわずかに大きくなっている。したがって、ステータ２にロータ３を組み付けるときには、ロータ３を図１の反時計回りに回転させながら板ばね４１を撓ませて挿入する。これにより、板ばね４１の各先端４１Ｘが円筒内周面２１に傾斜角度Ａ＝４５°で圧接した状態で組み付けられる。なお、板ばね４１は、図２（３）に示される別の板ばね４２としてもよい。別の板ばね４２は、弾性金属体の途中が屈折ではなく曲げ加工して形成されているものである。
【００３２】
さらに、図３に示される第２実施形態のロータ３０および板ばね４３を用いることもできる。第２実施形態において、ステータ２、基台５、および加振装置６の構成は第１実施形態と同一であり、ロータ３０および板ばね４３が異なる。図３は、第２実施形態のロータ３０および板ばね４３の構造を説明する正面図である。図示されるように、第２実施形態では、ロータ３０の円筒外周面３３には、半径方向内向きに傾斜してスリット３４が形成されている。また、板ばね４３には、ロータ３０の厚さに相当する幅を有して平らな弾性金属体が用いられている。平らな板ばね４３を傾斜したスリット３４に差し込み接着固定することで、立設することができる。このとき、板ばね４３の各先端４３Ｘを結ぶ包絡円筒面の直径Ｄ４が、ステータ２の円筒内周面２１の内径Ｄ１よりもわずかに大きくなっている点は、第１実施形態と同様である。また、ロータ３０を回転させながら板ばね４３を撓ませてステータ２に挿入する点、および、板ばね４３の各先端４３Ｘが円筒内周面２１に傾斜角度Ａ＝４５°で圧接する点も同様である。
【００３３】
次に、第１実施形態の回転駆動装置１の動作および作用について説明し、第２実施形態については概ね同様の動作、作用となるので説明は省略する。図１の第１実施形態において、加振装置６の圧電体に交流電圧を印加することにより加振装置６は繰り返して変形し、ステータ２を上下方向に加振する。すると、ステータ２とロータ３との離隔距離Ｗが繰り返して微小変動し、板ばね４にも微小振動が伝搬する。板ばね４は伸縮して、その先端４Ｘは瞬間的に円筒内周面２１から跳ね上がり、再度円筒内周面２１に圧接する。この跳ね上がりと圧接の際に、円筒内周面２１を傾斜方向に押圧する駆動力Ｆ（図１に１箇所示す）が発生する。この駆動力Ｆは、すべての板ばね４で同じ回転方向に揃っているので、その反力によりロータ３は図１の反時計回りに回転駆動される。これにより、ロータ３と一体の出力軸３５が回転して負荷にトルクを出力する。
【００３４】
ここで、板ばね４が円筒内周面２１に圧接する傾斜角度Ａ＝４５°であるので、大きな駆動力Ｆが得られ、効率的にトルクを出力できる。圧電体に印加する電圧を大きくすれば加振装置６の変形量も大きくなり、ステータ２や板ばね４の振動も大きくなってロータ３の出力回転速度や出力トルクが大きくなる。また、電圧の周波数を大きくすれば加振装置６の変形回数が増加し、ステータ２や板ばね４、４１、４２の振動回数も増加して、ロータ３の出力回転速度が大きくなる。
【００３５】
第１および第２実施形態では、駆動側と従動側とが面同士で摩擦接触する従来の駆動方式とは異なり、板ばね４、４１、４２、４３の微小弾性変形の繰り返しによりトルクを得る駆動方式を用いている。したがって、板ばね４、４１、４２、４３の数量や弾性強度を増加させることにより、小形軽量であっても大きな出力トルクを得ることができる。特に、ロータ３の厚さＴを小さくした薄形の装置を実現できる。また、装置構成が簡単であること、常時摩擦接触する面がなく荒れなどの影響を受けにくいこと、などから耐久性に優れている。
【００３６】
さらに、加振装置６の圧電体に印加する電圧周波数の制御により回転速度を自在に調整できるので、出力回転速度の制御性が良好である。また、板ばね４の数量や弾性強度を増減することによりトルクの大きさを調整でき、出力トルクの設計が簡易である。また、圧電体では、比較的周波数の低い領域から高い超音波領域までの振動を発生でき、出力回転速度の制御範囲が広い。さらに、、板ばね４、４１、４２、４３は一般的な汎用の部材であるためコストも低廉になる。加えて、加振装置６を駆動する交流電圧は一般的な矩形波や正弦波などでよく複雑な進行波を使用しないので、駆動電源部の小形化、低コスト化が可能となる。
【００３７】
なお、第１および第２実施形態において、圧接弾性部材である板ばね４、４１、４２、４３は内周側のロータ３、３０に立設されているが、これに限定されない。すなわち、外周側のステータ２の円筒内周面２１から半径方向内向きに立設され、ロータ３の円筒外周面３１に周方向に同方向に傾斜して圧接し、かつ弾性を有する板ばねとすることができる。また、板ばね４、４１、４２、４３は、弾性を有する細線からなる金属製や樹脂製などの線状ばねに置き換えることもできる。いずれの態様においても、動作および作用は第１実施形態と同様になる。
【００３８】
また、外周側の第２部材と内周側の第１部材とは、ロータおよびステータの役割を交換することができる。つまり、第１および第２実施形態とは逆に、外周側に第１部材をロータとして回転可能に支承し、内周側に第２部材をステータとして振動可能に回転を規制して支持し、内周側の第２部材を加振して外周側の第１部材からトルクを出力するように構成できる。
【００３９】
次に、ステータの構造が異なる第３実施形態の回転駆動装置１０について、図４を参考にして説明する。図４は、第３実施形態の回転駆動装置１０を模式的に説明する正面図である。図示されるように、第３実施形態では、ステータ２０は断面円弧状の上部内周面２２および下部内周面２３をロータ３の上下に配置して構成されており、他の構成は第1実施形態と同じである。このように第2対向面が円筒内周面の一部となっている構成でも、ステータ２０の上下動により板ばね４が接離するので、第1実施形態と同様の効果が生じる。
【００４０】
次に、第４実施形態の回転駆動装置１１について、図５および図６を参考にして説明する。図５は、第４実施形態の回転駆動装置１１を模式的に説明する側面図である。図示されるように、回転駆動装置１１は、ロータ７、板ばね４５、ケース８、および加振装置６０などにより構成されている。また、図６は、図４中のロータ７を説明する斜視図である。
【００４１】
ロータ７は、第１部材に相当する部材であり、図６に示されるように円板状の部材で形成されている。ロータ７の中心部には回転軸線ＡＹ方向に軸孔７１が形成され、軸孔７１には一体に回転する出力軸７９が嵌合される。ロータ７の表面のうち回転軸線ＡＹと直交する一方の環形平面７２は第１対向面に相当し、この環形平面７２に複数（図６の例では１２枚）の板ばね４５が立設されている。複数の板ばね４５は、ロータ７の環形平面７２の半径方向に幅を有して立設され、回転軸線ＡＹ方向に同方向に傾斜角度Ｂ＝４５°で傾斜している。複数の板ばね４５は弾性を有しており、圧接弾性部材に相当する。板ばね４５は、例えばステンレス鋼で形成でき、その個数や弾性強度は適宜変更できる。
【００４２】
ケース８は基台に相当し、回転駆動装置１１の外枠である。図5に示されるように、ケース８の内側の天井面８１の略中央には固定座８２が設けられ、固定座８２の下方に緩衝ばね８３が下向きに固定されている。さらに、緩衝ばね８３の下端に加振装置６０が固定されている。加振装置６０は、円板状の上板６１および下板６２と、上板６１および下板６２の間に配設された積層圧電体６３とにより形成されている。上板６１は前記の緩衝ばね８３に固定され、下板６２はロータ７に接する。加振装置６０の積層圧電体６３は、電圧を印加することによって厚さが変化し、上板６１と下板６２の間の距離Ｄ５が増減変化するようになっている。
【００４３】
ケース８の底面８４の略中央には出力孔８５が穿設されている。ケース８の底面８４と加振装置６０との間に、板ばね４５を下方に向けたロータ７が配設される。ロータ７の出力軸７９は、出力孔８５からケース８の外側に突出し、図略の負荷を結合できるようになっている。一方、ロータ７の板ばね４５が立設されていない他方の環形平面７３は上側を向き、加振装置６０の下板６２に接している。ロータ７の他方の環形平面７３と加振装置６０の下板６２との間にはベアリング部材７４が環状に配設され、ロータ７は回転自在となっている。つまり、ロータ７は、ケース７により回転軸線ＡＹ回りに回転可能に支承されている。なお、前述の緩衝ばね８３は、加振装置６０を介してロータ７を上下方向の振動を許容しつつ下方に付勢しており、板ばね４５がケース８の底面８４に確実に圧接するようになっている。
【００４４】
図５に示されるように、ロータ７の板ばね４５は、ケース８の底面８４に対し傾斜角度Ｃ＝４５°で傾斜して圧接している。ケース８の底面８４は、回転を規制して支持される第２部材の第２対向面として作用する。
【００４５】
次に、第４実施形態の回転駆動装置１１の動作および作用について説明する。図５において、加振装置６０の積層圧電体６３に交流電圧を印加することにより加振装置６０の上板６１と下板６２の間の距離Ｄ５が増減変化して、ロータ７を上下方向に加振する。すると、ロータ７の一方の環形平面７２（第１対向面）とケース８の底面８３（第２対向面）との離隔距離Ｗ２が繰り返して微小変動し、板ばね４５にも微小振動が伝搬する。板ばね４５は伸縮して、その先端４５Ｘは瞬間的に底面８４から跳ね上がり、再度底面８４に圧接する。この跳ね上がりと圧接の際に、底面８４を傾斜方向に押圧する駆動力Ｆ２（図４に１箇所示す）が発生する。この駆動力Ｆ２は、すべての板ばね４５で同じ回転方向に揃っているので、その反力によりロータ７は回転駆動される。これにより、ロータ７と一体の出力軸７９が回転して負荷にトルクを出力する。
【００４６】
ここで、板ばね４５が底面８４に圧接する傾斜角度Ｃ＝４５°であるので、大きな駆動力Ｆ２が得られ、効率的にトルクを出力できる。積層圧電体６２に印加する電圧を大きくすれば加振装置６０の変形量も大きくなり、ロータ７の上下振動も大きくなって出力回転速度や出力トルクが大きくなる。また、電圧の周波数を大きくすれば加振装置６０の変形回数が増加し、ロータ７の振動回数も増加して出力回転速度が大きくなる。さらに、積層圧電体６２は多数の圧電素子を直列に積層しているので、大きな変形量を得るのが容易である。
【００４７】
したがって、第１〜第３実施形態と同様、小形軽量であっても大きな出力トルクを得ることができる。また、装置構成が簡単であること、常時摩擦接触する面がなく荒れなどの影響を受けにくいこと、などから耐久性に優れている。さらに、出力回転速度の制御性が良好である点、出力トルクの設計が簡易である点、コストが低廉である点も同様である。
【００４８】
なお、第１および第２対向面の形状は、第１〜第４実施形態の形状に限定されず、例えば円錐状の面にすることも可能である。また、加振装置６、６０の駆動源として圧電体の他に、電流を流すことで歪みが生じる磁歪体や、電圧を印加すると内部電子が移動して歪みが発生する高分子樹脂などを用いることができる。本発明は、その他様々な応用が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１、１０、１１：回転駆動装置
２、２０：ステータ（第２部材） ２１：円筒内周面（第２対向面）
２２：上部内周面 ２３：下部内周面
３、３０：ロータ（第１部材） ３１、３３：円筒外周面（第１対向面）
３２、３４：スリット ３５：出力軸
４、４１、４２、４３、４５：板ばね（圧接弾性部材）
４Ｘ、４１Ｘ、４３Ｘ，４５Ｘ：先端
４１Ｙ：根元部
５：基台 ５１：緩衝材
６、６０：加振装置（加振手段） ６１：上板 ６２：下板 ６３：積層圧電体
７：ロータ（第１部材） ７１：軸孔 ７２：一方の環形平面（第１対向面）
７３：他方の環形平面 ７４：ベアリング部材 ７９：出力軸
８：ケース（基台） ８１：天井面 ８２：固定座 ８３：緩衝ばね
８４：底面（第２部材の第２対向面） ８５：出力孔
ＡＸ、ＡＹ：回転軸線 Ａ、Ｂ、Ｃ：傾斜角度 Ｆ、Ｆ２：駆動力
Ｗ、Ｗ２：離隔距離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の一部に第１対向面を有しかつ回転軸線回りに回転可能な第１部材と、
前記第１対向面に離隔して対向する第2対向面を有する第2部材と、
前記第１対向面および前記第２対向面の中の一方面に立設され、前記第１部材の回転方向に対し同方向に傾斜して前記第１対向面および前記第２対向面の中の他方面に圧接し、かつ弾性を有する複数の圧接弾性部材と、
前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能に支承し、前記第2部材の回転を規制して支持する基台と、
前記第１部材と前記基台との間または前記第２部材と前記基台との間に配置され、前記第１部材または前記第２部材を加振して前記第１対向面と前記第2対向面との離隔距離を繰り返して微小変動させる加振手段と、
を備えたことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第１部材の前記第１対向面および前記第２部材の前記第２対向面の一方は円筒内周面で、他方は円筒外周面であり、
前記円筒内周面および前記円筒外周面の中の一方面に立設された前記複数の圧接弾性部材は、前記第１部材の回転方向に対し周方向に同方向に傾斜して前記円筒内周面および前記円筒外周面の中の他方面に圧接し、
前記基台は、前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能に支承し、前記第２部材を前記回転軸線と直角な方向に振動可能に回転を規制して支持し、
前記加振手段は、前記第２部材と前記基台との間に配置されて前記第２部材を前記回転軸線と直角な方向に加振する、
ことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項３】
請求項１において、前記第１部材の前記第１対向面および前記第２部材の前記第２対向面は、前記回転軸線に直交配置される円形平面または環形平面であり、
前記一方面に立設された前記複数の圧接弾性部材は、前記第１部材の回転方向に対し前記回転軸線方向に同方向に傾斜して前記他方面に圧接し、
前記基台は、前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能にかつ回転軸線方向に振動可能に支承し、前記第2部材の回転を規制して支持し、
前記加振手段は、前記基台と前記第１部材の間に配置されて前記第１部材を前記軸線方向に加振する、
ことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、前記加振手段は圧電体であることを特徴とする回転駆動装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において、前記圧接弾性部材は、前記第１部材の前記回転軸線方向または半径方向に幅を有する板ばねであることを特徴とする回転駆動装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項において、前記圧接弾性部材は、弾性を有する細線からなる線状ばねであることを特徴とする回転駆動装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項において、前記圧接弾性部材が前記他方面に圧接する傾斜角度は、前記他方面上の圧接位置における接線に対して４５°であることを特徴とする回転駆動装置。
【請求項１】
表面の一部に第１対向面を有しかつ回転軸線回りに回転可能な第１部材と、
前記第１対向面に離隔して対向する第2対向面を有する第2部材と、
前記第１対向面および前記第２対向面の中の一方面に立設され、前記第１部材の回転方向に対し同方向に傾斜して前記第１対向面および前記第２対向面の中の他方面に圧接し、かつ弾性を有する複数の圧接弾性部材と、
前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能に支承し、前記第2部材の回転を規制して支持する基台と、
前記第１部材と前記基台との間または前記第２部材と前記基台との間に配置され、前記第１部材または前記第２部材を加振して前記第１対向面と前記第2対向面との離隔距離を繰り返して微小変動させる加振手段と、
を備えたことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第１部材の前記第１対向面および前記第２部材の前記第２対向面の一方は円筒内周面で、他方は円筒外周面であり、
前記円筒内周面および前記円筒外周面の中の一方面に立設された前記複数の圧接弾性部材は、前記第１部材の回転方向に対し周方向に同方向に傾斜して前記円筒内周面および前記円筒外周面の中の他方面に圧接し、
前記基台は、前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能に支承し、前記第２部材を前記回転軸線と直角な方向に振動可能に回転を規制して支持し、
前記加振手段は、前記第２部材と前記基台との間に配置されて前記第２部材を前記回転軸線と直角な方向に加振する、
ことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項３】
請求項１において、前記第１部材の前記第１対向面および前記第２部材の前記第２対向面は、前記回転軸線に直交配置される円形平面または環形平面であり、
前記一方面に立設された前記複数の圧接弾性部材は、前記第１部材の回転方向に対し前記回転軸線方向に同方向に傾斜して前記他方面に圧接し、
前記基台は、前記第１部材を前記回転軸線回りに回転可能にかつ回転軸線方向に振動可能に支承し、前記第2部材の回転を規制して支持し、
前記加振手段は、前記基台と前記第１部材の間に配置されて前記第１部材を前記軸線方向に加振する、
ことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、前記加振手段は圧電体であることを特徴とする回転駆動装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において、前記圧接弾性部材は、前記第１部材の前記回転軸線方向または半径方向に幅を有する板ばねであることを特徴とする回転駆動装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項において、前記圧接弾性部材は、弾性を有する細線からなる線状ばねであることを特徴とする回転駆動装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項において、前記圧接弾性部材が前記他方面に圧接する傾斜角度は、前記他方面上の圧接位置における接線に対して４５°であることを特徴とする回転駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１８２６２５（Ｐ２０１１−１８２６２５Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０９１７４（Ｐ２０１０−２０９１７４）
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]