振动致动器的制作方法

专利名称：振动致动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过振动机构的振动，使辊旋转的振动致动器。
背景技术：
作为如机器人的手或臂的关节等那样，被要求多自由度且高扭矩的驱动的部位所 使用的致动器，提出了一种通过产生超音波振动而进行驱动的振动致动器。例如，在专利文献1中，示出了具备夹持球状的转子的2个定子，并且具备贯穿转 子和2个定子的1条钢丝(wire)的振动致动器。2个定子分别具备层叠的压电体。而且， 利用该钢丝的张力在各个转子和定子之间施加预紧力，该预紧力是指相对于转子向定子方 向按压的力。因此，当施加交流电压使压电体产生振动时，具备振动的压电体的定子产生振 动，并通过该振动使转子旋转。由此，该振动致动器按下述的方式进行驱动，即，通过2个定子使1个转子旋转，使 一方的定子相对另一方的定子能够多自由度地弯曲。专利文献1 日本特开2006-51568号公报然而，在专利文献1的振动致动器中，通过定子使球体状的转子旋转，因此在使转 子向规定方向旋转的情况下，存在该旋转方向偏向不希望的方向的问题。并且，存在随着转 子的旋转，钢丝在转子的贯穿孔内弯曲并移动，转子能够旋转的范围被该钢丝在贯穿孔内 的移动范围所制约，而使转子的可动范围变小的问题。

发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，目的在于提供一种能够使转子向规定方向 旋转，并且使转子能够在大的可动范围内动作的振动致动器。本发明涉及的振动致动器具备一体地包含具有相互不同的旋转中心的第一辊和 第二辊的转子；与第一辊接触配置的第一定子；与第二辊接触配置的第二定子；通过使第 一定子振动，而使第一辊旋转的第一振动机构；以及通过使第二定子振动而使第二辊旋转 的第二振动机构。而且，本发明涉及的振动致动器具备第一振动致动器部和第二振动致动器部，该 第一振动致动器部具有具有旋转中心轴的第一辊、与第一辊接触配置的第一定子、和通过 使第一定子振动而使第一辊旋转的第一振动机构；该第二振动致动器部具有具有旋转中 心的第二辊、与第二辊接触配置的第二定子、和通过使第二定子振动而使第二辊旋转的第 二振动机构。第一振动致动器部的第一辊与第二振动致动器部的第二辊被一体化，被一体 化的第一辊的旋转中心轴与第二辊的旋转中心轴不同。根据本发明，振动致动器可以使转子向规定的方向旋转，并且可以使转子在大的 可动范围内动作。


图1是表示本发明的实施方式1涉及的振动致动器的构成的立体图。图2是表示图1的辊主体的立体图。图3是表示沿图1的III-III线的截面的示意图。图4是表示图3的压电元件涉及的构成的局部剖视图。图5是表示包含在图3的压电元件中的压电元件板的分极方向的立体图。图6是表示本发明的实施方式2涉及的振动致动器的构成的立体图。图7是表示沿图6的VII-VII线的截面的示意图。图8是表示包含在图7的压电元件中的压电元件板的分极方向的立体图。图9表示本发明的实施方式3涉及的振动致动器的辊主体的构成的立体图。图10表示本发明的实施方式4涉及的振动致动器的构成的立体图。图11表示沿图10的XI-XI线的截面的示意图。图12表示包含在图11的压电元件中的压电元件板的分极方向的立体图。
具体实施例方式下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。实施方式1首先，使用图1 5，表示本发明的实施方式1涉及的振动致动器101的构成。参照图1，振动致动器101具备半圆筒状的一对辊部Ia和辊部lb。辊部Ia和Ib 被相对设置，呈相同形状的镜像关系。辊部Ia和Ib通过作为旋转中心轴的第一辊轴10连 接，辊部Ia和Ib的圆筒的轴心与第一辊轴10的轴心相同。其中，辊部Ia和Ib作为一体 动作的一个辊构成了第一辊1，对此将在后面进行说明。另外，设置了近似圆筒状的第一定子3，该第一定子3被配置成与辊部Ia和Ib各 自的圆筒面Iaa以及Iba接触。在第一定子3上，与辊部Ia和Ib同侧的端面上，形成有通 过该第一定子3的中心的沟部3c，而且，沟部3c的上部的角部3al和3bl被倒角。由此， 在第一定子3的辊部Ia和Ib侧的端部上，隔着沟部3c形成了具有近似梯形五角形状的截 面的带状凸部3a和北。并且，第一定子3在该凸部3a的倒角部3al以及凸部北的倒角 部3bl处分别与辊部Ia的圆筒面Iaa和辊部Ib的圆筒面Iba接触，并由凸部3a和北的 两方分别支承辊部Ia和lb。其中，凸部3a的倒角部3al和凸部北的倒角部3b 1具有与辊 部Ia和Ib的圆筒面Iaa和Iba匹配的形状(参照图3)。在第一定子3的与辊部Ia和Ib相反侧的端面上，以接触其一方的端面的方式配 置有圆筒状的第一压电元件5，第一压电元件5构成了第一振动机构。并且，在第一压电元 件5的与第一定子3呈相反侧的另一端面，顺次设置有圆筒形状的第一基部块7以及第三 基部块9。其中，第一基部块7被固定在第三基部块9上。并且，第一定子3、第一压电元件 5、和第一基部块7形成一个圆柱状的外形，并构成了第一致动器主体101a。其中，第三基部 块9被固定在具备振动致动器101的未图示的机器人的手或臂等机械上。并且，在第一辊轴10上设置了相对于第一辊轴10能够旋转自如的第一支承部件 12，第一支承部件12相对于第一定子3将第一辊1固定并支承。第一支承部件12通过一个 板状的连接部12c将被第一辊轴10贯穿的两个板状的安装部12a以及12b连接，并且具有在连接部12c上连接了作为棒状的第一轴部的轴部12d的形状。轴部12d贯穿第一定子3、 第一压电元件5、以及第一基部块7，并向第三基部块9的内部延伸。并且，轴部12d在其端 部具有圆板12e，在圆板1 与第一基部块7之间具有作为弹性部件的弹簧12f。弹簧12f 按缠绕轴部12d的方式配置，轴部12d受弹簧12f向方向A的牵引力。因此，通过作用于第 一支承部件12的牵引力，第一辊1被第一定子3按压。即，对第一定子3施加加压第一辊 的预紧力，弹簧12f构成了第一施压机构。这里，为了方便说明，将从第三基部块9朝向第一辊轴10的第一支承部件12的轴 部12d的轴心规则为ζ轴，垂直于ζ轴的第一辊轴10的轴心方向为χ轴，垂直于χ轴和ζ 轴的方向为y轴，且各自延伸。另外，参照图2，在第一定子3的侧面的凸部3a和北之间的沟部3c上，设置了-字状的第一传感器支承部16，该第一传感器向ζ轴正方向突出。并且，在第一传感器支承 部16上安装有第一角度传感器18，并且，第一角度传感器18与第一辊轴10连接。其中，第 一角度传感器18用于检测相对所述第一辊1的初始设定位置的旋转角度，并与电连接于所 述第一致动器主体IOla来控制驱动的驱动电路56(参照图幻电连接。由第一角度传感器 18检测出的旋转角度信息被发送到驱动电路56 (参照图3)，驱动电路56 (参照图3)基于该 旋转角度信息对第一致动器主体IOla的驱动进行控制，从而使第一辊1仅旋转规定的角度。 其中，通过第一致动器主体IOla的驱动使第一转子1旋转的动作的详细内容将在后面叙述。其次，参照图3，第一压电元件5分别位于xy平面上，且具有相互重合的近似圆环 板状的第一压电元件部51以及第二压电元件部52。第一压电元件部51和第二压电元件 部52隔着绝缘片53和55与第一定子3及第一基部块7绝缘，被配置成隔着绝缘片M相 互绝缘的状态。并且，设置了驱动电路56，其通过对第一压电元件部51以及第二压电元件 部52施加驱动电压，对第一压电元件部51以及第二压电元件部52分别进行驱动。并且驱 动电路56分别与第一压电元件部51以及第二压电元件部52电连接。并且，参照图4，第一压电元件5的第一压电元件部51具有将分别具有近似圆 环板形状的电极板51a、压电元件板51b、电极板51c、压电元件板51d以及电极板51e依次 重合的层叠结构。同样地，第二压电元件部52具有将分别具有近似圆环板形状的电极板 52a、压电元件板52b、电极板52c、压电元件板52d以及电极板5 依次重合的层叠结构。配置在第一压电元件部51的两端面部分的电极板51a及电极板51e、和配置在第 二压电元件部52的两端面部分的电极板5 及电极板5 被分别电气地接地。而且，配置 在第一压电元件部51的一对压电元件板5 Ib与51 d之间的电极板51 c、和配置在第二压电 元件部52的一对压电元件52b与52d之间的电极板52c分别与驱动电路56电连接。并且，如图5所示那样，第一压电元件部51的一对压电元件51b和5Id分别在y轴 方向被分割成分离的形状的2部分，其每个部分具有互逆极性，以分别在ζ轴方向(厚度方 向)上进行膨胀和收缩的相反的变形动作的方式被分极。即，压电元件板51b与压电元件 板5Id配置成彼此表里相反，以便在对配置在压电元件板51b和51d之间的电极板51c (参 照图4)施加交流电压时，通过压电元件板的相互协作而使第一定子3的凸部3a及北(参 照图幻绕χ轴(yz平面内)振动。另一方面，第二压电元件部52的一对压电元件板52b 与52d分别被分极为整体在ζ轴方向(厚度方向)进行膨胀或者收缩的变形动作。即，压 电元件板52b与压电元件板52d被配置成相互表里相反，以便在对配置在压电元件板52b和52d之间的电极板52c施加交流电压时，通过压电元件板相互协作而使第一定子3的凸 部3a及北(参照图幻绕χ轴(yz平面内)振动。然后，返回图1，在第一辊1的辊部Ia和Ib中结合了被配置成连接辊部Ia和Ib 的一对辊部加和2b。由此，辊部Ia和Ib以及辊部加和2b相互结合成为一体，构成了作 为1个转子的辊主体100。而且，辊部加和2b隔着第一辊轴10被相对设置，且具有相同形状的半圆筒状，呈 镜像关系。并且，辊部加和2b按将其各自的圆筒面2aa和2 配置在与辊部Ia和Ib相 反侧的方式被设置。另外，辊部加和2b的各自的旋转中心轴相同，并且辊部加和2b的各 自的旋转中心轴与作为辊部Ia和Ib的旋转中心轴的第一辊轴10的轴心呈相互垂直并且 在同一平面内的关系。由此，辊部加和2b构成1个第二辊2且进行一体同向旋转动作，并且，第一辊1 的辊部Ia和Ib也进行一体同向旋转动作。另外，设置有近似圆筒状的第二定子4，其被配置成与辊部加和2b各自的圆筒面 2aa和2 接触。第二定子4具有与第一定子3相同的形状，并且在带状凸部如和4b处与 辊部加和2b的圆筒面2aa和2 分别接触。在第二定子4的与辊部加和2b相反侧的端面上，配置有圆筒状的第二压电元件 6，其被配置成一方的端面与第二定子4的与辊部加和2b相反侧的端面接触，第二压电元 件6构成了第二振动机构。其中，第二压电元件6具有与第一压电元件5相同的构成，并且 与驱动电路56(参照图3)电连接。并且，在第二压电元件6的与第二定子4相反一侧的端面上，设置有圆筒状的第二 基部块8。第二定子4、第二压电元件6以及第二基部块8形成1个圆柱状的外形，构成了 第二致动器主体101b。另外，在第二致动器主体IOlb的内部，设置了具有与第一支承部件12相同形状的 第二支承部件13，第二支承部件13贯穿第二定子4以及第二压电元件6并延伸到第二基部 座8。第二支承部件13的安装部13a通过作为旋转中心轴的第二辊轴Ila与辊部加连接， 安装部1 通过未图示的作为旋转中心轴的第三辊轴lib与辊部2b连接。由此，第一辊轴 10、第二辊轴Ila以及第三辊轴lib的各自的轴心在同一平面上，并且，在第二辊轴Ila和 第三辊轴lib之间，第一辊轴10按相对于它们垂直延伸的方式被配置。另外，作为第二支 承部件13的第二轴部的轴部13d具有与第一支承部件12的轴部12d相同的构成，并且受 到由弹簧13f引起的向方向B的牵引力。因此，通过作用在第二支承部13的牵引力，第二 辊2被按压到第二定子4。S卩，向第二定子4施加了对第2辊2加压的预紧力，弹簧13f构 成了第二施压机构。并且，参照图2，在第二定子4中设置有与第3定子同样的二字形状的第二传感器 支承部17，并且在第二传感器支承部17上安装了第二角度传感器19。其中，第二角度传感 器19与未图示的第三辊轴lib连接，并且与驱动电路56 (参照图3)电连接。因此，振动致动器101形成将第一辊1和第二辊2作为一体且具有不同的中心轴 方向的2个圆筒面的辊主体100，并且具有在第一辊1和第二辊2的各自圆筒面分别接触地 配置了第一致动器主体IOla以及第二致动器主体IOlb的构成。另一方面，由第一辊1和第一致动器主体IOla构成第一振动致动器部110a，由第二辊2以及第二致动器主体IOlb构成第二振动致动器部110b。此时，可以看成振动致动器 101是将第一致动器部IlOa和第二振动部IlOb在其各自的第一辊1以及第二辊2处按各 自的旋转中心轴的方向不同的方式结合成一体的致动器。接着，利用图1至图5，示出本发明的实施方式1所涉及的振动致动器101的动作。首先，对第一辊1和第一致动器主体IOla的动作进行说明。参照图5，若驱动电路56(参照图3)对第一压电元件部51的电极板51c(参照图 4)施加了接近于第一致动器主体101a(参照图3)的固有振动数的频率的交流电压，则第 一压电元件部51的一对压电元件板51b和51d的被分割成两部分的部分在ζ轴方向上交 替地反复膨胀和收缩，从而产生使第一定子3的凸部3a和3b (参照图幻绕yz平面上的χ 轴摇动的挠曲振动(超音波振动)。同样地，若驱动电路56 (参照图幻对第二压电元件部 52的电极板52c (参照图4)施加交流电压，则第二压电元件部52的一对压电元件板52b以 及52d在ζ轴方向上反复膨胀和收缩，使第一定子3的凸部3a和北(参照图幻产生ζ轴 方向的纵向振动(超音波振动)。因此，参照图3，若通过驱动电路56的控制，对第一压电元件部51的电极板 51c(参照图4)和第二压电元件部52的电极板52c (参照图4)的两方施加了使相位偏移 90度的交流电压，则绕χ轴摇动的挠曲振动和在ζ轴方向的纵向振动被组合，从而使第一 定子3的凸部3a和北产生在yz平面的椭圆振动。即，第一定子3的凸部3a和北产生绕 X轴的椭圆振动。其中，通过使对第二压电元件部52的电极板52c施加的交流电压的相位 相对于对第一电压元件部51的电极板51c施加的交流电压的相位(参照图4)超前或滞后 90度，可以选择PlO和QlO中的任一个为椭圆振动的旋转方向。因此，由于在第一致动器主体IOla中通过第一支承部件12对第一辊1施加预紧 力，所以使向成为绕X轴的方向PlO或QlO椭圆振动的第一定子3的凸部3a和北带动第 一辊1并使其绕χ轴旋转。即，第一辊1绕第一辊轴10向方向Pl或者Ql旋转。其中，当 第一定子3的凸部3a和北向方向PlO进行椭圆振动时，第一辊1向方向Pl旋转，当第一 定子3的凸部3a和北向方向QlO进行椭圆振动时，第一辊1向方向Ql旋转。另外，由于第三基部块9被固定于具备振动致动器101的未图示的机器人的手或 臂等设备，所以第一定子3相对于方向Pl和Ql的旋转方向被固定。因此，通过对第一压电 元件5施加交流电压，第一致动器主体IOla相对于第一定子3，使第一辊1以及比第一辊1 靠近方向B侧的部位向以第一辊轴10为中心的方向Pl或Ql旋转。(参照图1)并且，第一辊1的旋转角度由第一角度传感器18(参照图2)检测出并被发送到驱 动电路56，驱动电路56基于该旋转角度信息，对第一致动器主体IOla (第一压电元件5)的 驱动进行控制，使第一辊1向规定的方向、角度旋转。另一方面，返回图1，若与第一致动器主体IOla同样地通过驱动电路56 (参照图 3)的控制，对第二致动器主体IOlb的第二压电元件6施加交流电压，则第二定子4的凸部 4a和4b进行椭圆振动，由此，第二辊2相对于第二定子4，绕第二辊轴Ila和第三辊轴lib 向方向P2或Q2旋转。另外，隔着第三基部块9，辊主体100即第二辊2相对于向方向P2以及Q2的旋转 方向被固定。因此，通过对第二压电元件6施加交流电压，第二致动器主体IOlb相对于第 二辊2，使第二定子4以及比第二定子4靠近方向B侧的部位向以第二辊轴Ila和第三辊轴lib为中心的方向P2或Q2旋转。并且，第二辊2相对于第二定子4的旋转角度由第二角度传感器19 (参照图2)检 测出并被发送到驱动电路56(参照图3)，驱动电路56(参照图3)基于该旋转角度信息，对 第二致动器主体IOlb (第二压电元件6)的驱动进行控制，使第二辊2即第二定子4向规定 的方向、角度旋转。根据上面说明，通过对第一压电元件5和第二压电元件6施加交流电压，振动致动 器主体101使第二定子4相对于第一定子3，即使第二致动器主体IOlb相对于第一致动器 主体IOla以辊主体100为支点，进行将旋转中心轴不同的2个旋转组合成多自由度的动作 的多自由度挠曲动作。这样，实施方式1涉及的振动致动器101具备一体包含彼此旋转中心轴不同的具 有第一辊轴10的第一辊1、和具有第二辊轴Ila以及第三辊轴lib的第二辊2的辊主体 100。并且具备与第一辊1接触配置的第一定子3、与第二辊2接触配置的第二定子4、和通 过使第一定子3振动而使第一辊1旋转的第一电压元件5、以及通过使第二定子4振动而使 第二辊2旋转的第二压电元件6。由此，通过第一电压元件5而振动的第一定子3使第一辊1绕第一辊轴10旋转。 并且，通过第二压电元件6而振动的第二定子4使第二辊2绕第二辊轴Ila和第三辊轴lib 旋转。因此，第二定子4可以将一体包含第一辊1和第二辊2的辊主体100作为支点，相对 于第一定子3进行组合了旋转中心轴不同的2个旋转的动作。即，第二定子4能够相对于 第一定子3按将辊主体100作为支点、多自由度地挠曲的方式进行动作。另外，第一辊1和 第二辊2的旋转方向通过第一辊轴10、以及第二辊轴Ila和第三辊轴lib分别被限制成一 个方向。因此，在使第一辊1和第二辊2相对于第一定子3和第二定子4旋转的情况下，该 旋转方向不会向不希望的方向偏离。另外，第一辊1和第二辊2的可动范围根据与第一定 子3和第二定子4的接触面即圆筒面Iaa和lba、以及圆筒面2aa和2 被限定。因此，通 过分别调节第一定子3和第二定子4与第一辊1和第二辊2的接触面，可以扩大第一辊1 和第二辊2的旋转范围。另外，使电压元件板51b、51d、52b以及52d层叠而形成的第一压电元件5、和同样 地使压电元件板层叠而形成的第二压电元件6能够实现其构造的小型化，并且，驱动第一 压电元件5和第二压电元件6的动力源可以为一个，从而能够实现振动致动器101的小型 化。而且，当对第一支承部件12和第二支承部件13各自的轴部12d和13d施加来自 弹簧12f和13f的牵引力时，第一辊1的第一辊轴10、以及第二辊2的第二辊轴Ila和第三 辊轴lib被牵引，第一辊1和第二辊2分别被按压到第一定子3和第二定子4。S卩，通过第 一支承部件12和第二支承部件13分别对第一辊1的第一辊轴10、以及第二辊2的第二辊 轴Ila和第三辊轴lib施加了预紧力。由此，在第一辊1和第二辊2的旋转动作中，可以分 别降低通过第一支承部件12和第二支承部件13施加的预紧力而旋转的阻力。而且，由于 通过这些预紧力而将第一辊1和第二辊2分别固定在第一定子3和第二定子4，所以不需要 用于动作保持的电力等。由于第一辊1在圆筒面Iaa和Iba上与第一定子3接触，第二辊2在圆筒面2aa 和2 上与第二定子4接触，所以在这些接触部之间产生的摩擦力相等。因此，能够分别使第一辊1和第二辊2相对于第一定子3和第二定子4的旋转动作顺畅。而且，由于第一辊1的第一辊轴10的方向，以及第二辊2的第二辊轴Ila和第三 辊轴lib的方向相互垂直，所以能够使第二定子4相对于第一定子3的定位变得容易。另外，第一辊1的旋转中心被固定于第一辊轴10，第二辊2的旋转中心被固定于第 二辊轴Ila和第三辊轴lib。因此，利用第一辊轴10，以及第二辊轴Ila或第三辊轴11b，能 够容易设置第一辊1和第二辊2的位置，即，能够容易设置用于检测旋转角度的第一角度传 感器18和第二角度传感器19。实施方式2本发明的实施方式2涉及的振动致动器102是将实施方式1的振动致动器101中 的第一压电元件5的构成变更后，进一步将第一基部块7作为第三定子，并相对第三基部块 9不固定且可以滑动的致动器。并且，在下面的实施方式中，与之前所示的图中的参照符号相同的符号是同一或 者同样的构成要素，因此省略其详细说明。首先，使用图6 图8示出本发明的实施方式2涉及的振动致动器102的构成。参照图6，与实施方式1相同，在振动致动器102中设置有第一辊1和第一定子3， 在第一定子3的与第一辊1相反一侧的端面配置有圆筒状的第一压电元件50，该第一压电 元件50的一个端面与上述第一定子3的与第一辊1相反一侧的端面接触。并且，在第一压 电元件50的与第一定子3相反另一侧的端面以与大致圆筒状的第三定子20接触的方式配 置有第三定子20。而且，在第三定子20的与第一压电元件50相反一侧的端面配置有第三 基部块9，该第三基部块9的一个端面与第三定子20的与第一压电元件50相反一侧的端面 接触。并且，第三定子20在第三基部块9侧具有多个凸部20a。而且，在连接第一辊1的辊部Ia和Ib的第一辊轴10上设置了第一支承部件122。 第一支承部件122在其轴部122d的端部具有圆板12 ，并且，在第三基部块9的内部，在圆 板12 和第三基部块9之间具有弹簧122f。弹簧122f按缠绕轴部122d的方式被设置，并 且赋予第一定子3相对于第一辊1的预紧力、以及赋予第三定子20相对于第三基部块9的 预紧力。接着，参照图7，第一压电元件50除了具有设置于实施方式1中的第一压电元件5 的、产生绕yz平面上的χ轴摇动的挠曲振动的第一压电元件部51、以及产生ζ轴方向的纵 向振动的第二压电元件部52以外，还具有产生绕xz平面上的y轴摇动的挠曲振动的第三 压电元件部503。第三压电元件部503如图8所示那样，具有一对压电元件板50 和503d。压电元 件50 和503d分别按在χ轴方向被分割成分离的形状的2部分，其每个部分具有互逆极 性，分别在ζ轴方向(厚度方向)上进行膨胀和收缩的相反的变形动作的方式被分极。并 且，压电元件板50 和压电元件板503d配置为相互表里相反。第三压电元件部503除一对压电元件板50 和503d以外具有与第一压电元件部 51和第二压电元件部52相同构成，并且与这些第一压电元件部51和第二压电元件部52 —
起重叠。参照图7，配置在第三压电元件部503的两端面部分的一对电极板被分别电气的 接地，并且配置在一对压电元件板50 和503d (参照图8)之间的电极板与驱动电路56电连接。并且，第一压电元件部51和第三压电元件部503隔着绝缘片53和506与第一定 子3和第三定子20绝缘，第一压电元件部51、第二压电元件部52、和第三压电元件部503 隔着绝缘片讨和阳配置成相互绝缘的状态。而且，当从驱动电路56向第三压电元件部503的电极板施加交流电压来驱动第三 压电元件部503时，第三压电元件部503的一对压电元件板50 和503d(参照图8)的被 分割成为两部分的部分在ζ轴方向交替地反复膨胀和收缩，相对于第一定子3的凸部3a、3b 以及第三定子20产生xz平面上的绕y轴摇动的挠曲振动。另外，由于本发明的实施方式2涉及的振动致动器102的其他构成与实施方式1 相同，故省略说明。接着，使用图6 8，表示本发明的实施方式2涉及的振动致动器102的动作。参照图8，当驱动电路56(参照图7)对第一压电元件部51施加交流电压时，第一 压电元件部51相对于第一定子3的凸部3a、!3b和第三定子20 (参照图7)产生yz平面上 的绕χ轴摇动的挠曲振动。同样地，当驱动电路56 (参照图7)对第二压电元件部52施加 交流电压时，第二压电元件部52相对于第一定子3的凸部3a、!3b和第三定子20 (参照图7) 产生ζ轴方向的纵向振动。并且，当对第三压电元件部503施加交流电压时，则第三压电元 件部503相对于第一定子3的凸部3a、!3b和第三定子20 (参照图7)产生xz平面上的绕y 轴摇动的挠曲振动。因此，参照图7，若通过驱动电路56的控制，对第一压电元件部51和第二压电元 件部52两方施加相位偏移了 90度的交流电压，则在第一定子3的凸部3a、!3b和第三定子 20 (参照图7)产生yz平面内的椭圆振动。因此，由于第一定子3的凸部3a和北进行绕χ 轴的椭圆振动，所以第一辊1向成为绕χ轴方向的Pl或者Ql旋转。另一方面，通过第三定 子20在yz面内的椭圆振动，在第三定子20和第三基部块9之间不产生相对运动。而且，通过基于驱动电路56的控制而对第一压电元件部51、第二压电元件部52以 及第三压电元件部503施加偏移了相位的交流电压，在第一定子3的凸部3a、!3b和第三定 子20上产生了组合了第一压电元件部51绕χ轴摇动的挠曲振动、第二压电元件部52在ζ 轴方向的纵向振动以及第三压电元件部503绕y轴摇动的挠曲振动的复合振动。利用该复合振动，第三定子20通过其凸部20a带动第三基部块9的表面，而使第 三定子20相对于第三基部块9向方向P3或Q3旋转。这时，由于第三基部块9被固定在具 备振动致动器102的未图示的机器人的手或臂等设备，所以由第一定子3、第一压电元件50 以及第三定子20构成的第一振动致动器主体10 向方向P3或者Q3旋转。(参照图6)其中，利用在第一定子3的凸部3a、!3b发生的复合振动，第一辊1也根据复合振动 的方向向方向Pl或Ql旋转。另外，由于本发明的实施方式2涉及的振动致动器102的其他动作与实施方式1 相同，所以省略说明。这样，在实施方式2涉及的振动致动器102中，可以获得与上述实施方式1的振动 致动器101相同的效果。并且，通过在第一压电元件50上接触配置第三定子20，可以使与第三定子20接触 配置的第三基部块9旋转。即，由于第三基部块9被固定，所以第一振动致动器主体10 可以相对于基部块9以第一支承部件122为中心旋转。并且，该旋转动作由于旋转中心轴 被固定在第一支承部件122，所以可以防止旋转轴的偏移的发生。实施方式3本发明的实施方式3涉及的振动致动器103可以改变在实施方式1的振动致动器 101中被设置在同一平面上的第一辊1的第一辊轴10、第二辊2的第二辊轴Ila以及第三 辊轴lib的位置关系。参照图9，第一辊31的辊部31a和31b通过第一辊轴310连接，第二辊32的辊部 3 和3 通过第二辊轴311连接。与实施方式1相同，辊部31a和31b以及辊部3 和 32b相互结合成为一体，此时，第一辊轴310和第二辊轴311的各自方向为相互垂直，但在相 互不相交的上下方向上分离配置。因此，第一辊31的辊部31a和31b以及第二辊32的辊 部3 和32b与实施方式1相比，具有与圆筒更近似的形状。因此，可动的第一辊31相对 于第一定子3的旋转角度范围以及可动的第二辊32相对于第二定子4的旋转角度范围比 实施方式1的范围大。并且，在第一辊轴310上设置了具有近似三角形状的安装部123a以及轴部123d 的第一支承部件123，在第二辊轴311上设置了与第一支承部件123相同形状的第二支承部 件 133。由于本发明的实施方式3涉及的振动致动器103的其他构成以及动作与实施方式 1的相同，故省略说明。这样，在实施方式3涉及的振动致动器103中，可以取得与上述实施方式1的振动 致动器101相同的效果。而且，通过增大第一辊轴310和第二辊轴311的背离距离，可以增大第一辊31和 第二辊32的相对于第一定子3和第二定子4的可动的各自的旋转角度范围。因此，能够增 大第二定子4相对于第一定子3即第二致动器主体10 相对于第一致动器主体103a的动 作的自由度。另外，在实施方式3中，辊主体300的第一辊31的辊部31a和31b以及第二辊32 的辊部3 和32b均形成为圆筒的一部分的形状，但是这些还可以是完全的圆筒形状。例 如，在圆筒形状的第一辊31的辊部31a和31b之间配置圆筒形状的第二辊32的辊部3 和32b，辊3 和32b的一部分向辊部31a和32b的圆筒面外侧突出而形成辊主体300。实施方式4本发明的实施方式4涉及的振动致动器104是将实施方式1的振动致动器101中 的第二辊2和第二定子4的构成进行变更而得到的。即，按使第二辊轴2以第二支承部件 13的轴部13d为中心进行旋转的方式而形成的该振动致动器。首先，使用图10 12，表示本发明的实施方式4涉及的振动致动器104的构成。参照图10，与实施方式1同样地在振动致动器104中，设置了由半圆筒状的一对辊 部Ia和辊部Ib构成的第一辊1以及第一定子3。并且，在第一定子3的与第一辊1相反一 侧的端面依次设置有第一压电元件5、第一基部块7以及第三基部块9。其中，第一压电元 件5与实施方式1的振动致动器101中的第一压电元件5具有相同的构成。另外，在第一辊1的第一辊轴10上设置了可以旋转的第一支承部件12，设置于第 一支承部件12的弹簧12f对第三定子3施加了向第一辊1的预紧力。
其次，在第一辊1的辊部Ia和Ib上以连接它们的方式结合有矩形的板部件42。 其中，板部件42与半圆筒状的辊部Ia和Ib的平坦的外周面Iab和11Λ结合。板部件42构成了第二辊，辊部Ia和Ib以及板部件42相互结合为一体，构成了作 为一个转子的辊主体400。其中，板部件42的形状不限于矩形，还可以是圆形、椭圆形或多 边形等形状。并且，在板部件42的与第一辊1相反侧的端面4 上按接触配置的方式设置有近 似圆筒状的第二定子44。第二定子44是将彼此直径不同的第一圆筒部4 和第二圆筒部44b按它们的轴 心成为一个的方式连接而成的。而且，第一圆筒部4 具有与实施方式2的振动致动器102 中的第三定子20相同的形状。第一圆筒部4 按使端面44aa上沿其外周形成的多个凸部 44ab与板部件42的端面4 接触、并且凸部44ab被收容在板部件42的端面42a内的方式 形成。并且，在第二定子44的与板部件42相反一侧的第二圆筒部44b的端面上，配置了 圆筒状的第二压电元件64，该构成的详细内容将在后面进行说明。并且，在第二压电元件64的与第二定子44相反侧的端面上设置有第二基部块8。另外，结合地参照图11，在板部件42的端面4 上，第二支承部件134的棒状的轴 部134d与板部件42的端面4 垂直结合，并且轴部134d与板部件42成为一体。此时，第 二支承部件134的轴部134d相对于第一辊1的第一辊轴10的轴心方向沿垂直方向延伸。并且，第二支承部件134的轴部134d贯穿第二定子44和第二压电元件64向第二 基部块8延伸，并且在轴部134d的端部具有圆板13如。第二支承部件134在第二基部块8 的内部的圆板1 与第二基部块8之间具有绕轴部134d的弹簧134f。弹簧134f对第二定 子44施加向板部件42的预紧力。此时，板部件42和第二定子44相对彼此能够以第二支承部件134的轴部134d为 中心旋转。因此，第二支承部件134的轴部134d构成了作为第二辊的板部件42的辊轴，即， 构成了实施方式1中的第二辊轴以及第三辊轴。这里，为了方便说明，将第一支承部件12的轴部12d的轴心方向作为ζ轴，将第一 辊轴10的轴心方向作为X轴，并规定相对于X轴和Z轴垂直的y轴。并且，将与X轴垂直 且从板部件42朝向第二基部块8的第二支承部件134的轴部134d的轴心方向规则为z4 轴，y4轴相对于χ轴和z4轴垂直延伸。因此，由xyz轴构成的坐标系，适用于第一辊1、第一定子3、第一压电元件5以及 第一基部块7，由xHz4轴构成的坐标系适用于板部件42、第二定子44、第二压电元件64以 及第二基部块8，将在下面进行说明。参照图11，在第二定子44的凸部44ab的前端埋有永磁铁174，并且，在板部件42 的端面42a中与永磁铁174相对的位置埋有孔传感器194。孔传感器194用于根据通过永 磁铁174的位置变化而变化的永磁铁174的磁通量，来检测永磁铁174的相对位置。另外， 虽未图示，但孔传感器194与驱动电路56电连接，由孔传感器194检测出的永磁铁174的 相对位置信息被发送到驱动电路56。由此，驱动电路56根据孔传感器194和永磁铁174的 相对位置信息，计算出第二定子44相对于板部件42的相对位置，即，计算出以第二支承部 件134的轴部134d为中心的旋转角度。
其次，第二压电元件64作为第一压电元件部51具有设置在实施方式2的第一压 电元件50的第一压电元件部51，作为第二压电元件部504具有设置在相同的第一压电元件 50的第三压电元件部503。因此，在本实施方式中，第一压电元件部51产生在y4z4平面上 绕y4轴摇动的挠曲振动，第二压电元件部504产生在xz4平面上绕y4轴摇动的挠曲振动 (参照图12)。并且，第一压电元件部51和第二压电元件部504隔着绝缘片53和506与第二基 部块8和第二定子44绝缘，第一压电元件部51和第二压电元件部504隔着绝缘片M以彼 此绝缘的状态配置。接着，使用图10 12，表示本发明的实施方式4涉及的振动致动器104的动作。首先，第一辊1、第一定子3、第一压电元件5以及第一基部块7的动作与实施方式 1的振动致动器101相同，故省略其说明。因此，对于作为第二辊的板部件42、第二定子44、第二压电元件64以及第二基部 块8的动作，将在下面进行说明。参照图11和12，当驱动电路56对第二压电元件64的第一压电元件部51施加交 流电压时，第一压电元件部51产生使第二定子44的凸部44ab在y4z4平面上绕χ轴摇动 的挠曲振动。同样地，当驱动电路56对第二压电元件部504施加交流电压时，第二压电元 件部504产生使第二定子44的凸部44ab在xz4平面上绕y4轴摇动的挠曲振动。因此，参照图11，当通过驱动电路56的控制，对第一压电元件部51和第二压电元 件部504的两方施加使相位偏移90度的交流电压时，组合了第一压电元件部51的绕χ轴 摇动的挠曲振动、和第二压电元件部504的绕y4轴摇动的挠曲振动的复合振动即xy4面内 的椭圆振动产生在第二定子44的凸部44ab。通过该yz4面内的椭圆振动，第二定子44通过其凸部44ab带动板部件42的端面 42a,使板部件42向成为绕z4轴的方向P4或者Q4旋转。此时，由第一定子3的凸部3a和 3b产生的绕ζ轴的旋转限制第一辊1，而且，第一定子3、第一压电元件5、第一基部块7以 及第三基部块9相互被固定。因此，由于板部件42对绕z4轴的旋转进行限制，所以第二定 子44与固定在第二定子44的第二压电元件64以及第二基部块8—起相对于板部件42向 方向Q4或者P4旋转(参照图10)。其中，驱动电路56根据由孔传感器194检测出的第二定子44相对于板部件42的 相对位置信息，计算出第二定子44的旋转角度，并且驱动电路56基于该计算出的旋转角度 对第二压电元件64的驱动进行控制，使第二定子44向规定方向、角度旋转。另外，本发明的实施方式4涉及的振动致动器104的其他动作由于与实施方式1 相同，所以省略其说明。这样地，在实施方式4涉及的振动致动器104中，能够得到与上述实施方式1的振 动致动器101相同的效果。而且，实施方式2涉及的振动致动器102具有绕χ轴旋转的第一辊1以及绕ζ轴 旋转的第三定子20。另一方面，本实施方式涉及的振动致动器104具有绕χ轴旋转的第一 轴1、和绕ζ4轴旋转的作为第二轴的板部件42。并且，振动致动器102中的第一辊1和第三 定子20彼此分离配置，而振动致动器104中的第一辊1和板部件42彼此接近地配置。因 此，振动致动器104与振动致动器102相比，能够接近绕χ轴的旋转部位和绕ζ4轴的旋转部位，可进行复合了两种类的旋转动作的动作。因此，例如，振动致动器102虽可以适用于 用来再现人类的手指的动作的机器人手的手指部分，而振动致动器104可以适用于用来再 现人类的肩关节或者大腿关节的，相当于机器人的肩膀或者大腿的部位。因此，通过振动致 动器104，能够扩大本发明涉及的振动致动器的适用对象。另外，在实施方式1 4中，第一辊1、31以及第二辊2、32为圆筒状，但并不限定 于此，还可为球状。并且，第一辊1、31的一对辊部Ia和lb、3Ia和3b、以及第二辊2、32的一对辊部加 和2b、3h和32b全部是构成圆筒的一部分的形状，但是还可是构成锥台的一部分的形状。 例如，当实施方式1的振动致动器101中的第一辊1的一对辊部Ia和Ib是锥台形状时，还 可在第一定子3的凸部3a和北上形成与形成辊部Ia和Ib的锥台的辊面匹配的形状的凹 槽，并使辊部Ia和Ib与该凹槽嵌合。由此，可以防止辊部Ia和Ib向第一辊10方向，即向 旋转中心轴方向移动。而且，在实施方式1 4中，对第一辊1、31以及第二辊2、32、42而言，其旋转中心 轴的方向呈直角关系，但并不限定于此，只要旋转中心轴方向不同就可以。例如，第一辊1、 31的旋转中心轴和第二辊2、32、42的旋转中心轴可以平行。此时，若以实施方式1的振动 致动器101为例，则由于第一辊1和第二辊2并列配置，所以相对于第一致动器101a，第二 致动器主体IOlb可以将辊主体100作为支点进行近似360°的旋转动作。而且，实施方式2的第三定子20具有多个凸部20a，实施方式4的第二定子44也 具有多个凸部44ab，但并不限定于此。多个凸部20a和44ab也可以由一个凸部形成，该一 个凸部可以是连接了相邻的凸部彼此的轮状。并且，凸部20a和44ab被配置为环状，但还 可以配置成多边形状。另外，在实施方式2中，在第一定子3的凸部3a、3b以及第三定子20上产生了组 合了第一电压元件部51的绕χ轴摇动的挠曲振动、第二压电元件部52的ζ周方向的纵向 振动、以及第三压电元件部503的绕y轴摇动的挠曲振动的复合振动。并且，通过该复合振 动，第三定子20相对于第三基部块9向方向P3或Q3旋转。然而，实施方式4相同地，仅通 过使第一压电元件部51和第三压电元件部503振动的复合振动，也可以使第三定子20相 对于第三基部块9向方向P3或Q3旋转(参照图6)。
权利要求
1.一种振动致动器，其特征在于，具备转子，其一体地包含具有相互不同的旋转中心轴的第一辊和第二辊； 第一定子，其与所述第一辊接触配置； 第二定子，其与所述第二辊接触配置；第一振动机构，其通过使所述第一定子振动，而使所述第一辊旋转；以及 第二振动机构，其通过使所述第二定子振动，而使所述第二辊旋转。
2.一种振动致动器，其特征在于，具备 第一振动致动器部和第二振动致动器部， 所述第一振动致动器部具有具有旋转中心轴的第一辊；与所述第一辊接触配置的第一定子；以及通过使所述第一定子振动，而使所述第一辊旋转的第一振动机构；所述第二振动致动器部具有具有旋转中心轴的第二辊；与所述第二辊接触配置的第二定子；通过使所述第二定子振动，而使所述第二辊旋转的第二振动机构； 其中，所述第一振动致动器部的所述第一辊与所述第二振动致动器部的所述第二辊被 一体化，被一体化的所述第一辊的所述旋转中心轴与所述第二辊的所述旋转中心轴不同。
3.根据权利要求1或2所述的振动致动器，其中，所述第一振动机构和所述第二振动机构由相互层叠、并且被施加电压而产生超声波振 动的多个压电元件板构成，在所述第一振动机构中的所述压电元件板的层叠方向的端部配置所述第一定子， 在所述第二振动机构中的所述压电元件板的层叠方向的端部配置所述第二定子。
4.根据权利要求1或2所述的振动致动器，其特征在于，还具备围绕所述第一辊的所述旋转中心轴将所述第一辊支承为旋转自如，并具有贯穿所述第 一定子和所述第一振动机构的第一轴部的第一支承部件；通过所述第一支承部件并相对于所述第一定子来加压所述第一辊的第一施压机构； 围绕所述第二辊的旋转中心轴将所述第二辊支承为旋转自如，并具有贯通所述第二定 子和所述第二振动机构的第二轴部的第二支承部件；以及通过所述第二支承部件并相对于所述第二定子来加压所述第二辊的第二施压机构。
5.根据权利要求4所述的振动致动器，其中，还具有与所述第一振动机构接触配置的第三定子，所述第三定子在通过所述第一振动机构的振动而振动时，以所述第一支承部件为中 心，使与所述第三定子接触配置的对象物旋转。
6.根据权利要求1或2所述的振动致动器，其中，所述第一辊和所述第一定子的接触面是圆筒面的一部分， 所述第二辊和所述第二定子的接触面是圆筒面的一部分。
7.根据权利要求1或2所述的振动致动器，其中，所述第一辊的所述旋转中心轴和所述第二辊的所述旋转中心轴的方向相互为直角的关系。
8.根据权利要求1或2所述的振动致动器，其中，所述第一辊中的与所述第一定子的接触面是圆筒面的一部分， 所述第二辊中的与所述第二定子的接触面是平面，所述第一辊能够以作为与所述第一定子的接触面的所述圆筒面的中心轴为中心旋转， 所述第二辊能够以与和所述第二定子接触的接触面垂直的轴为中心旋转。
9.根据权利要求8所述的振动致动器，其特征在于，还具备围绕所述第一辊的所述旋转中心轴将所述第一辊支承为旋转自如，并具有贯穿所述第 一定子和所述第一振动机构的第一轴部的第一支承部件；通过所述第一支承部件并相对于所述第一定子来加压所述第一辊的第一施压机构； 所述第二辊中的与所述第二定子的接触面结合，并支承所述第二辊，并且具有贯穿所 述第二定子和所述第二振动机构的第二轴部的第二支承部件；以及通过第二支承部件并相对于所述第二定子来加压所述第二辊的第二施压机构。
全文摘要
一种振动致动器，其可以使转子向规定方向旋转，并且能够在大的可动范围内动作。振动致动器(101)具备将具有相互旋转中心轴不同的第一辊轴(10)的第一辊、和具有第二辊轴(11a)和第三辊轴(11b)的第二辊(2)一体包含的辊主体(100)。并且，具备与第一辊(1)接触配置的第一定子(3)、与第二辊(2)接触配置的第二定子(4)、和通过使第一定子(3)振动而使第一辊(1)绕旋转中心旋转的第一压电元件(5)、以及通过使第二定子(4)振动而使第二辊(2)绕旋转中心旋转的第二压电元件(6)。
文档编号B25J19/00GK102067435SQ20098012231
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月2日 优先权日2008年7月17日
发明者岩田来, 铃木昭宏 申请人:株式会社丰田自动织机