JP2019161901A - 超音波アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】パワーウェイトレイシオが高い超音波アクチュエータを実現する。【解決手段】超音波アクチュエータ（１００）は、少なくとも一部に湾曲面を有するロータ（１１０）と、ロータ（１１０）の中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、ロータ（１１０）を挟んで配置された少なくとも１対の超音波振動子（１２０）と、を備える。複数の超音波振動子（１２０）のそれぞれは、その先端部が湾曲面に接触している。【選択図】図１

Description

以下の開示は、超音波アクチュエータに関する。

近年、ロボットの関節などの動きを実現するのに適しているという理由から、球状の被駆動体と、多自由度に被駆動体を駆動する圧電素子とを組み合わせた超音波アクチュエータの実用化が期待されている。従来、このような超音波アクチュエータでは、被駆動体を支持する部材の被駆動体に対する摺動抵抗を低減するために、進行波を生じるリング型超音波振動子を複数組み合わせて球体ロータを保持及び駆動している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１６６７２２号公報（２０１０年７月２９日公開）

しかしながら、上述のような従来技術は、複数のリング型超音波振動子のそれぞれに生じる振動が、互いに球体ロータの回転に対する摩擦抵抗となるためアクチュエータの効率が下がるとともに、構成要素が多く質量が増加していた。そのため、超音波アクチュエータでは、質量に対する出力の比であるパワーウェイトレイシオ（Power-to-weight ratio）が低くなるという問題があった。

本開示の一態様は、パワーウェイトレイシオが高い超音波アクチュエータを実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る超音波アクチュエータは、少なくとも一部に湾曲面を有するロータと、上記ロータの中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、上記ロータを挟んで配置された少なくとも１対の超音波振動子と、を備え、複数の上記超音波振動子のそれぞれは、その先端部が上記湾曲面に接触している構成である。

本開示の一態様によれば、パワーウェイトレイシオが高い超音波アクチュエータを実現することができる。

実施形態１に係る超音波アクチュエータの概略構成を示す図である。 超音波振動子の分解斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、超音波振動子の駆動態様を示した図である。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、超音波振動子の振動によるロータの回転方向を示す図である。 超音波振動子の振動方向と、ロータの回転方向と、の別の例を示す図である。 超音波振動子の振動方向と、ロータの回転方向と、の別の例を示す図である。 超音波アクチュエータの実用例を示す図である。 実施形態２に係る超音波アクチュエータの概略構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、ロータの回転動作を示す図である。

〔実施形態１〕
以下、実施形態１について、詳細に説明する。図１は、実施形態１に係る超音波アクチュエータ１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、超音波アクチュエータ１００は、ロータ１１０と、１対の超音波振動子１２０（１２０Ａ，１２０Ｂ）と、を含んでいる。また、超音波アクチュエータ１００は、予圧機構１３０を備えている。但し予圧の付与は、構造体等、他の構成要素がこの機能を果たしてもよく、独立している構成要素が担当する必要はない。

ロータ１１０は、少なくとも一部に湾曲面を有する構成である。実施形態１では、ロータ１１０は、球体であり、当該球体の表面が、上記の湾曲面を構成している。ロータ１１０は、詳細については後述するが、少なくとも１対の超音波振動子１２０によって、自由に回転可能に保持されている。

対を成す２つの超音波振動子１２０は、球体であるロータ１１０の中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、ロータ１１０を挟んで配置されている。また、これらの複数の超音波振動子１２０のそれぞれは、その先端部１２４がロータ１１０の表面に接触している。

予圧機構１３０は、超音波アクチュエータ１００の不図示の筐体の一部として構成されている。予圧機構１３０は、１対の超音波振動子１２０間に、互いの距離が縮まる方向に予圧を加えるように構成されている。予圧機構１３０は、複数対の超音波振動子１２０を超音波アクチュエータ１００が備える構成では、それぞれ対となる超音波振動子１２０間に互いの距離が縮まる方向に予圧を加えることができるように構成されているのが望ましい。

〔超音波振動子１２０の構成について〕
図２は、１対の超音波振動子１２０の分解斜視図である。図２に示すように、超音波振動子１２０は、振動体１２１を有している。振動体１２１は、ステンレス等の金属から形成され、グランド電位を有している。振動体１２１は、中空角柱形状の部材であり、振動体１２１の４つの側面のそれぞれには、圧電素子１２５〜１２８が設けられている。また、振動体１２１は、４つの側面全体が圧電素子１２５〜１２８によって覆われている。

圧電素子１２５〜１２８は、電圧を加えると応力変化を生ずる性質を有する板状の素子であり、振動体１２１の各側面に固定されている。圧電素子１２５〜１２８は、例えば、セラミックスや水晶等の材質から形成することができる。

超音波振動子１２０の、ロータ１１０に対向する先端部１２４は、振動体１２１とは別体に形成され、振動体１２１の先端に取り付けられている。先端部１２４は、例えば円錐台形状とすることができ、ロータ１１０に接触する側の面が、ロータ１１０の湾曲面に対応する凹面形状を有している。

超音波アクチュエータ１００は、ロータ１１０の湾曲面に対応する凹面形状を有する先端部１２４を、ロータ１１０の湾曲面に接触させて、ロータ１１０を挟んで配置された少なくとも１対の超音波振動子１２０によってロータ１１０を保持している。これにより、球体のロータ１１０が、ロータ１１０を保持する超音波振動子１２０から外れにくい構造とすることができる。よって、ロータ１１０の中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、ロータ１１０を挟んで配置された１対の超音波振動子１２０によってロータ１１０を、自由に回転可能に、安定して保持することができる。

振動体１２１の、先端側に相対する後端側には、保持ポスト１２３が、振動体１２１の中空部に挿入され、中空部に嵌め込まれた状態で設けられている。保持ポスト１２３は、棒状の部材であり、保持ポスト１２３に対して振動体１２１の回転を防止するための構造、例えばキー溝を備えている。保持ポスト１２３は、図示は省略するが、超音波アクチュエータ１００の筐体に保持され、超音波振動子１２０に対する予圧機構１３０による予圧は、保持ポスト１２３を介して加えられる。

実施形態１では、１対の超音波振動子１２０が、ロータ１１０の中心を対称点として、互いに点対称となる位置、つまり、ロータ１１０を挟んで鏡面対称の一直線上に配置されている。このため、予圧機構１３０は、一対の超音波振動子１２０の、それぞれの保持ポスト１２３を挟み込むように構成すればよく、構造を簡素化することが出来る。

図３の（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、超音波振動子１２０の駆動態様を示した図である。図３の（ａ）は、超音波振動子１２０の圧電素子１２５〜１２８の構成を示している。図３の（ａ）に示すように、圧電素子１２５〜１２８は、それぞれ板状の、上部電極１２５Ａ〜１２８Ａ及び下部電極１２５Ｂ〜１２８Ｂを有している。上部電極１２５Ａ〜１２８Ａは、圧電素子１２５〜１２８の上半分を覆うように、下部電極１２５Ｂ〜１２８Ｂは、圧電素子１２５〜１２８の下半分を覆うように設けられている。

上部電極１２５Ａ〜１２８Ａ及び下部電極１２５Ｂ〜１２８Ｂは、振動体１２１を挟んで対角線上に位置するもの同士が結線されており、同一電位にある。また、各圧電素子１２５〜１２８において、上下に配置された上部電極１２５Ａ〜１２８Ａ及び下部電極１２５Ｂ〜１２８Ｂは、互いに導通しないよう構成されている。

超音波振動子１２０は、上部電極１２５Ａ〜１２８Ａ、または下部電極１２５Ｂ〜１２８Ｂに電圧を供給することで、圧電素子１２５〜１２８における該電極に対応する部分が伸縮する。これにより、振動体１２１は振動する。

圧電素子１２５〜１２８の上部電極１２５Ａ〜１２８Ａには、対向する圧電素子１２５〜１２８の下部電極と共通の駆動信号が供給される。例えば、圧電素子１２５の上部電極１２５Ａおよび圧電素子１２７の下部電極１２７Ｂには共通の交代電圧Ｖａが供給される。圧電素子１２５の上部電極１２５Ａに対応する部分は、印加される電圧Ｖａに応じて変形（伸縮）する。

また、圧電素子１２５の下部電極１２５Ｂおよび圧電素子１２７の上部電極１２７Ａには共通の交代電圧Ｖｂが供給される。圧電素子１２５の下部電極１２５Ｂに対応する部分は、印加される電圧Ｖｂに応じて変形（伸縮）する。

図３の（ｂ）は、交代電圧Ｖａ、Ｖｂおよび超音波振動子１２０の時間変化を示す図である。図３の（ｂ）の上側には、各期間Ｉ〜ＩＶに対応する超音波振動子１２０の状態を示す。図３の（ｂ）において、圧電素子１２５，１２７の中の（＋）、（−）は、各極性の電圧が印加される電極に対応する部分を表す。超音波振動子１２０は、（ｉ）伸縮振動モード（図３の（ｃ）を参照）と、（ｉｉ）Ｓ字屈曲振動モード（図３の（ｄ）を参照）との、２つの固有振動モードを有する。

図３の（ｂ）に示すように、Ｖａ及びＶｂは位相が９０°異なる交代電圧である。圧電素子１２５，１２７に正極性の電圧が印加されているとき（期間Ｉ）、圧電素子１２５，１２７は振動体１２１の長軸に沿った方向に伸長される。圧電素子１２５，１２７に負極性の電圧が印加されているとき（期間ＩＩＩ）、圧電素子１２５，１２７は振動体１２１の長軸に沿った方向に圧縮される。圧電素子１２５，１２７は振動体１２１に貼り付けられているので、振動体１２１における圧電素子１２５，１２７に対応する部分（圧電素子が貼り付けられた部分）も、同様に伸長／圧縮される。

この結果、２つの交代電圧Ｖａ，Ｖｂが同じ極性である期間Ｉ，ＩＩＩでは、図３の（ｃ）に示した、振動体１２１の伸縮振動モードが励起される。また、２つの交代電圧Ｖａ，Ｖｂが異なる極性である期間ＩＩ，ＩＶでは、図３の（ｄ）に示した、振動体１２１のＳ字屈曲振動モードが励起される。四角柱である振動体１２１のアスペクト比（幅：高さ）が１：４であれば、伸縮振動モード及びＳ字屈曲振動モードの共振周波数が概ね一致する。

同じ周波数で伸縮振動モードとＳ字屈曲振動モードとが励起されることにより、１周期（期間Ｉ〜ＩＶ）の間に図３の（ｂ）に示すように振動体１２１が変形する。各振動モードにおいて励起される振動は、振動体１２１の長軸の中央部の位置が変化しない定在波振動である。期間Ｉ〜ＩＶにおける振動部１２１の振動の結果、超音波振動子１２０の先端部１２４が楕円振動を行う。

図４の（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、超音波振動子１２０の振動によるロータの回転方向を示す図である。図４の（ａ）に示すように、超音波振動子１２０の先端部１２４は、予圧機構１３０による予圧を持ってロータ１１０の表面に接触しているため、先端部１２４の楕円振動によって、ロータ１１０が摩擦駆動されて回転する。

超音波振動子１２０は、（ｉ）第１の振動方向（図４の（ｂ）のｚ方向）と、（ｉｉ）第１の振動方向に直交する第２の振動方向（図４の（ｃ）のｙ方向）と、に振動する。なお、ｘ方向は超音波振動子１２０の長軸に沿った方向であり、ｙ方向及びｚ方向は、ｘ方向に直交し、且つ、互いに直行する方向である。図４の（ｂ）〜（ｄ）では、第１の振動方向（ｚ方向）は、図中の手前側（＋ｚ）及び奥側（−ｚ）に向かう振動方向であり、第２の振動方向（ｙ方向）は、図中の上側（＋ｙ）及び下側（−ｙ）に向かう振動方向である。

実施形態１では、１対の超音波振動子１２０がロータ１１０の中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、ロータ１１０を挟んで配置されている。このため、一方の超音波振動子１２０Ａを−ｚ方向に向かってロータ１１０を摩擦駆動させるように振動させる。そして、他方の超音波振動子１２０Ｂを＋ｚ方向に向かってロータ１１０を摩擦駆動させるように振動さる。これにより、図４の（ｂ）に示したように、ロータ１１０は、ｙ軸を中心に回転する。

また、一方の超音波振動子１２０Ａを−ｙ方向に向かってロータ１１０を摩擦駆動させるように振動させる。そして、他方の超音波振動子１２０Ｂを＋ｙ方向に向かってロータ１１０を摩擦駆動させるように振動させる。これにより、図４の（ｃ）に示したように、ロータ１１０は、ｚ軸を中心に回転する。

このように、１対の上記超音波振動子１２０は、ロータ１１０の中心を対称点として、湾曲面の接点において、互いに点対称となる振動運動を行うように、上部電極１２５Ａ〜１２８Ａ、または下部電極１２５Ｂ〜１２８Ｂに電圧を加える。これにより、ロータ１１０への回転力の作用方向を一致さることができる。このように、１対の超音波振動子１２０が、互いの動きを阻害しない振動運動を行うため、超音波振動子１２０のそれぞれの振動が互いにロータ１１０の回転に対する摩擦抵抗となることなく、高いパワーウェイトレイシオを得ることができる。

また、１対の超音波振動子１２０は、ロータ１１０に回転力を与えるだけではなく、ロータ１１０を保持する機能も有している。これにより、ロータ１１０を別の圧電素子を用いて保持する構成に比べて、ロータ１１０に加わる保持機構による摩擦抵抗を低減することができ、より高いパワーウェイトレイシオを得ることができる。

また、一方の超音波振動子１２０Ａを−ｙ方向に向かってロータ１１０を摩擦駆動させるように振動させる。そして、他方の超音波振動子１２０Ｂを＋ｚ方向に向かってロータ１１０を摩擦駆動させるように振動させる。これにより、図４の（ｄ）に示したように、ロータ１１０は、ｘｙ平面上の、ｙ軸から４５°傾いた回転軸を中心に回転する。

このように、第１の振動方向と、第１の振動方向に直交する第２の振動方向と、に振動する超音波振動子１２０の振動方向を組み合わせることで、ロータ１１０の回転方向に多自由度を持たせることができる。

図５及び図６はそれぞれ、超音波振動子１２０の振動方向と、ロータ１１０の回転方向と、の別の例を示す図である。図５、図６に示したように、超音波振動子１２０は、公知の原理（例えば、日本ロボット学会誌、ｖｏｌ．１６、ｎｏ．８、ｐｐ．１１１５−１１２２，１９９８“縦振動と横振動の縮退に基づく多自由度超音波モータの開発”）に基づいて振動体１２１に、その長軸方向の回転運動を生じさせることも可能である。例えば、図３の（ｄ）に示したＳ字屈曲運動を、図５の（ｉ）〜（ｉｖ）に示したように、９０°ずつ位相をずらして、振動体１２１の４つの側面に順に発生させる。これにより、振動体１２１の先端部１２４に楕円振動が生じ、図６に示したように、ロータ１１０が超音波振動子１２０の長軸を回転軸とする回転運動を行う。

図７は、超音波アクチュエータ１００の実用例を示す図である。上述の構成によれば、超音波アクチュエータ１００の構造をシンプルにすることができ、質量の低減も図ることができる。また、ロータ１１０の回転方向に多自由度を持たせた超音波アクチュエータ１００を実現することができる。このような高いパワーウェイトレイショを有する超音波アクチュエータ１００は、例えば、図７に示したように、飛行ロボット５０に採用することができる。飛行ロボット５０は、一対の羽５１と、カメラ５２と、筐体５３とを、備えている。２つの羽５１は、２つの超音波アクチュエータ１００によりそれぞれ駆動される。カメラ５２は、飛行ロボット５０の周囲を撮影可能な部材であり、例えばＣＭＯＳカメラである構成とすることができる。なお、飛行ロボット５０は、１つのカメラ５２に限らず、複数のカメラ５２を備えている構成であってもよいし、スピーカ等の他の部材を備えている構成であってもよい。筐体５２の内部には、超音波アクチュエータ１００、バッテリー、駆動回路、制御回路、通信回路が収容されている。

〔実施形態２〕
実施形態２について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図８は、実施形態２に係る超音波アクチュエータ２００の概略構成を示す図である。図８に示すように、超音波アクチュエータ２００は、ロータ１１０の中心を対称点として、互いに点対称となる位置にロータ１１０を挟んで配置されている一対の超音波振動子１２０の組を２組備えている。

また、この２組の、一対の超音波振動子１２０からなる組は、互いに直交する位置に配置されている。つまり、ロータ１１０の周りには、４つの超音波振動子１２０が、ロータ１１０の中心を中心点として、互いに９０°ずつずれた位置に配置されている。この構成によれば、１つのロータ１１０を４つの超音波振動子１２０で挟み込んで安定して保持及び駆動させることができ、超音波アクチュエータ２００のパワーを向上させることができる。

図９の（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、超音波アクチュエータ２００におけるロータ１１０の回転動作を示す図である。図９の（ａ）に示すように、ｚ軸を回転軸とする回転動作をロータ１１０に行わせるためには、各超音波振動子１２０を、該当する方向にロータ１１０を回転させるように振動させることで、容易に実現することができる。図９の（ａ）に示した例では、ロータ１１０は、ｚ軸を回転軸として、＋ｚ側から見て反時計まわりに回転する。

また、２組の、一対の超音波振動子１２０からなる組のうち、どちらか一方の組の超音波振動子１２０の長軸を回転軸として、ロータ１１０に回転動作を行わせることもできる。図９の（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、ロータ１１０の上下に配置された一対の超音波振動子１２０Ｃ，１２０Ｄの長軸を回転軸として、ロータ１１０に回転動作を行わせる場合の各超音波振動子１２０の振動を示した図である。

超音波振動子１２０Ｃ，１２０Ｄの長軸を回転軸として、ロータ１１０に回転動作を行わせる場合、図９の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、回転軸とならない側の１対の超音波振動子１２０Ａ，１２０Ｂを、回転軸と直交する方向であって、互いに逆向きの方向にロータ１１０を摩擦駆動する。

図９の（ｂ）及び（ｃ）に示した例では、図中左側の超音波振動子１２０Ａは、−ｚ方向に向かってロータ１１０を摩擦駆動し、図中右側の超音波振動子１２０Ｂは、＋ｚ方向に向かってロータ１１０を摩擦駆動する。

図９の（ｂ）に示したように、回転軸となる側の超音波振動子１２０Ｃ，１２０Ｄは、ロータ１１０に対する摩擦を低減させるために振動させることができる。例えば、超音波振動子１２０Ｃ，１２０Ｄには、振動体１２１に伸縮振動のみを励起する電圧を加えることで、ロータ１１０に対する摩擦を低減することができる。なお、クーロンの摩擦法則からは、予圧が一定である以上、伸縮振動による摩擦の平均値は変化しないと考えられる。しかしながら、回転軸となる側の超音波振動子１２０Ｃ，１２０Ｄの振動体１２１に伸縮振動を励起することで、スティックスリップ現象が起きなくなる。このため、回転軸とならない側の１対の超音波振動子１２０Ａ，１２０Ｂのロータ１１０に対する、静止摩擦から動摩擦へ移行するため摩擦力は、低減すると考えられる。そして、本願の発明者らの実験でも明らかな摩擦力の低減が観察されている。

また、図９の（ｃ）に示したように、回転軸となる側の超音波振動子１２０Ｃ，１２０Ｄは、振動体１２１の先端部１２４にロータ１１０の回転運動を励起するように振動させてもよい。超音波振動子１２０Ｃ，１２０Ｄは、実施形態１において図５及び図６を用いて説明したように、９０°ずつ位相を異ならせたＳ字屈曲運動を各振動体１２１の各側面に励起することで、ロータ１１０の回転運動に寄与するように振動させることができる。これにより、超音波アクチュエータ２００のパワーウェイトレイシオを高くすることができる。

本開示の一態様は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１００、２００ 超音波アクチュエータ
１１０ ロータ
１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ 超音波振動子
１２１ 振動体
１２４ 先端部
１２５〜１２８ 圧電素子
１３０ 予圧機構

Claims (6)

1. 少なくとも一部に湾曲面を有するロータと、
   上記ロータの中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、上記ロータを挟んで配置された少なくとも１対の超音波振動子と、を備え、
   複数の上記超音波振動子のそれぞれは、その先端部が上記湾曲面に接触している
   ことを特徴とする超音波アクチュエータ。
2. 上記先端部は、上記湾曲面に対応する凹面形状を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
3. １対の上記超音波振動子は、上記中心を対称点として、上記湾曲面の接点において、互いに点対称となる運動を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波アクチュエータ。
4. 上記超音波振動子は、第１の振動方向と、上記第１の振動方向に直交する第２の振動方向とに振動するものである、
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の超音波アクチュエータ。
5. １対の上記超音波振動子間に、互いの距離が縮まる方向に予圧を加える予圧機構を備えていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の超音波アクチュエータ。
6. １対の上記超音波振動子を２組備え、
   上記超音波振動子の２つの組は、互いに直交する位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の超音波アクチュエータ。

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