JPH0295182A - 振動子アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は超音波モータ等の振動子アクチュエータに関
する。

〈従来の技術〉 近年電歪又は磁歪振動子を用いたアクチュエータが実用
化されつつあり、その典型例として圧電素子を用いた圧
電モータが知られている。

このような振動子アクチュエータには定在波駆動方式と
進行波駆動方式の２つの方式が知られている。

定在波駆動方式は振動子の厚み方向の定在波により被駆
動体を駆動する方式のものである。

進行波駆動方式は圧電素子などの振動子を２層に位相を
ずらせて形成し、この２層の振動子に位相のずれた交流
を与えて２層の振動子に位相のずれた定在波を発生させ
、その合成成分として進行波を得る方式である。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかし、上記した定在波方式の場合は厚さを薄くするの
が難しい欠点がある。一方進行波方式のものは厚さを薄
くしやすいが、振動子を２層に構成し、この２Ｎの振動
子に位相の異なる電圧を与える必要があり、二相の電源
を必要とし回路構成も複雑になる欠点があった。

〈発明の概要〉 本発明は上記した従来の構成の欠点を改善するためにな
されたもので、厚さを薄くでき、二相の電源を必要とし
ない振動子アクチュエータ？提供することを目的とする
ものである。

上記目的のために本発明の振動子アクチュエータは、定
在波を発生する振動子と、該振動子の振動方向に直交す
る方向の成分の動きが同一となる位置に設けられた突起
と、該突起に接触して移動する移動子とを有することを
基本的な特徴とするものである。

く作用〉 定在波を発生する振動子には該振動方向に直交する方向
の成分の動きがあり、この部分に突起を形成し、この突
起と移動子とを接触させ、移動子を移動させる。

〈実施例〉 以下本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図により本発明の詳細な説明する。

極性を交互に反転させて配設した圧電素子等の円環状振
動子１に電圧を与えると、振動子１は各素子毎に収縮、
伸張し図示するように厚さ方向に振動する。

この定在波の縦方向（Ｘ方向）の振動の式は次の様に表
される。

λ ここで、ξは縦方向の変位、λは波長、ωは固有振動数
である。

また円環の厚さがＴのとき、横方向（Ｘ方向）の変位で
は ２　　／’Ｘ で表される。

この様な振動を行う振動子１の素子の右半分において移
動子２が接触している状態を想定し、その接触点をＡと
する。この点Ａの挙動をみると、図示するように点Ａ１
と点Ａ２の間を移動する際に、鉛直方向（振動方向）か
ら所定の角度傾いた直線運動を行うことが分かる。そし
て、Ａ１からＡ２に移動する際に充分に振動周波数が高
ければ、移動子２に作用する慣性力のために振動子１と
移動子２は離れ、移動子２にはＡ点の力は働かない。

一方Ａ２からＡ１に移動する際には振動子１と移動子２
は当接し、移動子２はＡ点の力を受けて、図面上右上方
に移動する。この右上方の動きは当然に右方向（Ｘ軸方
向）の成分を有しているから、移動子２を右方向に移動
させることになる。

一方振動子１の素子の左半分にあるＢ点はＡ点とは逆に
Ｘ軸方向左向きの成分を有する斜めの運動を行うことが
明かであり、同様にこのＢ点に接触する移動子２、は左
方向に移動する。

このようにＸ軸方向の出力の向きは定在波の節と腹を境
に逆向きになることが分かる。同一の出力方向は定在波
の半波長毎に存在するから、この位置に機械的な突起を
設けることにより、一方向の運動を取り出すことが可能
になる。

即ち、振動子１の各素子の対応する各Ａ点或はＢ点に突
起を形成し、この突起においてのみ移動子２と接触する
ように構成すれば、移動子２は振動子１の定在波により
右方向或は左方向に移動する。

第２図に本発明を圧電モータに適用した一実施例を示す
。この実施例では振動子１として圧電体１０と弾性体か
らなるステータ１１を組み合わせたものを用いている。

圧電体１０は第３図に示すように円環状の形状をなして
おり、これを２ｎ個（ｎは整数）に分割し、各素子を交
互に異なる方向に分極させである。この構成により所定
の電圧を与えることにより圧電体１０は振動して定在波
を発生する。この圧電体１０の上には弾性体からなるス
テータ１１が貼着されている。ステータ１１は第２＠に
示すように圧電体１０より幅広の円環形状をなしており
、その表面に複数の突起３が形成されている。この突起
３は放射状に配置された平面長方形の凸条をなしており
、円周方向に等間隔に２ｎ個形成されている。そして、
各突起３は圧電体１０の各素子の半分の一方の側に位置
するように構成されている。即ち、この実施例では突起
３の中立軸ｍ３と圧電体１０の中立軸ｍ圧電体１０とが
その周期の１／４だけずれるように配置されている。

このように構成された突起３の上にロータ２０が所定の
圧力により当接している。このロータ２０は当然に突起
３だけに当接している。

以上の構成において、圧電体１０にステータ１１の共振
周波数に設定した交流の電圧を印加すると、圧電体１０
の各素子の分極方向が異なるため、各素子は交互に収縮
、伸張する。その結果定在波を発生し、第４図に示すよ
うな波をステータ１１上にｎ個生ずる。その結果、突起
３はＸ軸方向右方向の成分を含む運動を行い。この突起
３にのみ接触するロータ２０は右方向の運動を行う。そ
の結果ロータ２０は回転する。

以上説明したように上記実施例では、従来の定在波駆動
方式に比較して全体を薄形にすることができ、また圧電
体１０は一層でよいため構造が簡単で、しかも印加する
電圧も一相のみでよく、駆動回路を簡単化することが可
能である。

次に他の実施例を説明する。

上記実施例のように突起３を設けた場合、その高さを高
くとると、第５図に示すように振動の節の位置が圧電体
１ｏの分極域の境界からステータ１１の厚みの薄い向き
へとずれる欠点がある。その結果、所望の振動と実際の
振動との間に位置的な位相のずれが生じ突起３の先端で
の出力の向きが位置によって異なって来る。そのため、
全体としての出力が低下する。このような位相のずれは
突起３の幅（Ｘ軸方向の長さ）を短くすることにより小
さくすることが出来るが、この場合は高さ方向（Ｙ軸方
向）の力に対して弱くなる欠点がある。また、突起３の
高さを低くすることにより、位相のずれを小さくするこ
とも可能であるが、この場合は前述の式（１）、（２）
からも明らかなように、振動の振幅が小さくなり、大き
な出力を取り出せなくなる問題がある。

一 このような欠点を改善するために、第６図に他の実施例
を示す。この実施例では、圧電体１０の各素子に対応し
て、高い突起３ａと低い突起３ｂを交互に設けている。

即ち、１７４波長毎に高い突起３ａと低い突起３ｂを交
互に設けた構成としている。突起３ａと突起３ｂの高さ
の相違は振動の振幅より若干大きくとるだけで良く、突
起３を含んだステータ１１の厚みに比較して無視できる
ほど小さくて良い。

突起３ａ、ｂは同一の幅（Ｘ軸方向長さ）を有しており
、その間には同一の幅の谷ｇを設けである。この谷ｇの
中央に圧電体１０の分極域の境界が来るようにすれば、
該谷ｇの位置が常に振動の節になり、位相のずれが生ず
ることがない。

なお、第６図から明らかなように、谷ｇと圧電体１０の
分極域の境界の位置関係によって、振動はモードＡとモ
ードＢの異なる位相の定在波を生ずる。即ち、圧電体１
０の分極域の境界の位置を谷ｇ−つ分ずらすことにより
、定在波は１／４周期ずれることになる。その結果、突
起３ａの定在波に対する相対的な位置が変化し、モード
ＡとモードＢでは突起３ａでの出力の向きが反対になる
。

この原理を利用した実施例を第７図に示す。この実施例
ではステータ１１に圧電体１０ａと圧電体１０ｂを２層
に貼着した構成としている。そして、圧電体１０ａと圧
電体１０ｂでは分極域の境界を谷ｇ−つ分ずらせである
。そして、圧電体１０ａか圧電体１０ｂに選択的に電圧
を印加することにより、移動子の移動方向を正逆変換す
ることが可能になる。

次に、圧電体１０を２Ｍ用いずに１層のみで移動方向を
変換可能な実施例を示す。

上記では圧電体１０とステータ１１の位置関係を問題に
したが、実際はステータ１１と定在波の関係がモードＡ
やモードＢの様になれば良い。そして、ステータ１１に
波を生じさせる時はステータ１１の共振現象を利用する
ため、ステータ１１に接着する圧電体１０の分極は圧電
体１０全体にある必要はなく、その一部にあれば良い。

従って、ｑ 圧電体１０の一部をモードＡの波が立つように分極し、
残りの一部をモードＢの波が立つように分極することに
より１層の圧電体１０により移動方向を変換することが
可能になる。

第８図に圧電体１０′の分極の構成を示す。この例では
ブロックＡとブロックＢの２つのブロックに分割し、そ
れぞれのブロックにおいて交互に異なる向きに分極を施
しである。いま、圧電体１０′上に立てようとする波の
数をｎとすると、各分極の間隔は２π／２ｎ（ｒａｄ）
とする。そして、中央を通るｓ−ｓ’線に線対称になる
ように分極しである。一方ステータ１１は第９図に示す
ように２ｎ個の高い突起３ａと低い突起３ｂを交互に配
設してあり、このステータ１１と圧電体１０′とを第１
０図に示すようにｓ、−ｓ′線と突起３の中立軸が一致
するように接看しである。第１０図において、ハツチン
グしたものが高い突起３ａであり、ハツチングしていな
いも′、のが低い突起３ｂである。また、圧電体１０′
の分極の状態を外周に示しである。このような構成によ
ればブロックＡにおいては突起３ａ、ｂと圧電体１０’
の分極域の境界線の関係は第６図のモードＡの関係と同
一となる。従って圧電体１０’　のブロックＡにのみ交
流電圧を印加す九ばモードＡの波が生じ。

ステータ１１上に当接するロータ２０（図示せず）は第
１０図において反時計回りに回転する。

一方ブロックＢにのみ交流電圧を印加すれば、モードＢ
の波が生じ、ロータ２０は時計回りに回転する。

以上のように第８図乃至第１０図に示す実施例では、移
動方向を簡単に変換でき、しかも１相の交流電圧を必要
とするだけであるから、周辺の回路も簡単化することが
可能になる。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明の振動子アクチュエータは、
定在波を発生する振動子と、該振動子の振動方向に直交
する方向の成分の動きが同一となる位置に設けられた突
起と、該突起に接触して移動する移動子とを有するため
、厚さを薄くでき、２相の電圧を印加する必要がない等
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明図、第２図（Ａ）は振動子
の一実施例の構成を示す平面図、（Ｂ）はその正面図、
第３図は圧電体の平面図、第４図は動作説明図、第５図
は位相ずれの説明図、第６図は他の実施例の原理説明図
、第７図は振動子の他の実施例の正面図、第８図は更に
他の実施例における圧電体の平面図、第９図はそのステ
ータの構成を示すもので（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面
図、第１０図は組み立てた状態を示すもので（Ａ）は平
面図、（Ｂ）は正面図である。 １：振動子、２：移動子、３：突起、１０：圧電体、１
１：ステータ、２０：ロータ。 特許出願人　　　クラリオン株式会社 代理人　　　　　弁理士　高　橋　清　外１名昧 区 ばつ 法 田 ■ 法

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　定在波を発生する振動子と、 該振動子の振動方向に直交する方向の成分の動きが同一
   となる位置に設けられた突起と、 該突起に接触して移動する移動子と、 を有することを特徴とする振動子アクチュエータ。 ２）　定在波を発生する振動子と、 定在波の１／４波長毎に交互に設けられた低い突起と高
   い突起と、 該高い突起に接触して移動する移動子と、 を有することを特徴とする振動子アクチュエータ。