JPH04133676A - アクチュエータの駆動方法及びこの駆動方法を実現した超音波アクチュエータ - 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１ 本発明は、アクチュエータの駆動方法及びこの駆動方法
を実現した超音波アクチュエータに関し、更に詳しくは
、圧電素子の変形を斜板の首振り揺動回転に変換し、こ
れを出力回転として取出すようにしたアクチュエータの
駆動方法及びこの駆動方法を実現した超音波アクチュエ
ータに関する。

【従来の技＃ｉ］ 超音波モータは、圧電素子からなる超音波振動子の振動
により回転力を得る新しい原理に基づくモータである。 この超音波モータは、電流と磁界の相互作用に基づ〈従
来の電磁型モータに比べて、小型、軽量である上に低速
で、且つ単位体積当たりのトルクが大きく、又ロータの
静的な保持力も大きいという特徴がある。従って、低速
で使用する場合、ギヤレス化、ブレーキレス化が可能で
あり、又慣性質量が小さいことから応答性にも優れるた
め、種々の制御装置の駆動源として近年注目されてきて
いる。 これまで種々の超音波モータが提案されているが、例え
ば回転方向の切換えを容易に行うことのできる進行波型
超音波モータが特開昭５８−１４８６８２、同５９−９
６８８１号公報等に開示されている。 進行波型超音波モータは、第７図（Ａ）、（Ｂ）に示さ
れるように、円板弾性体Ａに圧電セラミック板Ｂを貼っ
たステ〜りＣの円周における撓み振動を利用するもので
、ステータＣに時間と共に移動する進行波を２相あるい
は多相の駆動法によって励振し、対面圧接したロータＤ
を回転さぜるものである。 しかしながら、これら従来の進行波型超音波モータは、
いずれも屈曲進行波を用いるものであったため、ロータ
から見たステータのコンプライアンスが大きく、そのた
め中程度の駆動力は比較的容易に得られる反面、高い駆
動力を得ることが難しいという問題があった。 又、進行性の振動波を用いていたため、該振動波をとぎ
れることなく進行させるために多数の圧電素子を循環し
て設置せざるを得す、これに伴ってリード線を多数設置
せざるを得ないという問題もあった。 更には、従来の進行性の振動波を用いた超音波モータで
は、原理的に縦波振幅と横波振幅との間に常に一定の比
例関係が保たれている必要があるため、本来、ロータの
駆動力となるべき縦波振幅とロータの支持力となるべき
横波振幅とを自由に制御することが困難であり、要求さ
れる負荷や速度の変化に対応して制御するのが難しいと
いう問題もあった。 この型式の超音波モータで大トルクを得ようとした場合
、−船釣には圧電素子に対する印加電圧を大きくするこ
とになるが、そのためには高圧電源や高耐圧圧電素子が
必要となり、駆動回路が大型化するばかりでなく装置の
コストが大幅に増大してしまうことになるため実用上問
題が多い。 このような従来の超音波モータの欠点を原理的に解決す
るため、発明者は特願昭６３−２９’１８１９１、：お
いて、第８図に示されるような斜板の首振り揺動運動を
利用したアクチュエータを提供した。このアクチュエー
タは、ケーシング３と該ケーシング３に対向して配設さ
れたロータ２と、前記ケーシング３とロータ２どの間に
配設された剛体の斜板４と、一端が斜板４に固定され、
他端がケーシング３に固着されると共にその軸方向の変
形が順次周方向に移動するように圧電印加される複数の
圧電素子とを備えてなり、圧電素子への電圧印加によっ
て斜板４を角度θ、軸方向移動距離△Ｌの首振り揺動運
動をさせ、その結果、斜板４とロータ２との間に相対的
な変位を生じせしめ、ケーシング３かロータ２かのいず
れか一方を回転不能とし、他方を回転可能として該回転
可能な側から出力回転を取出すものである。 このアクチュエータによれば、前述した従来の超音波ア
クチュエータの問題点を改善することができる。即ち、
圧電素子の軸方向の伸縮動作を用いているため高い駆動
力を得ることができ、構造が簡単で耐久性に優れ、且つ
回転速度の選定等の自由度が大きいという利点が得られ
るものである。 【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、このような従来のアクチュエータの構造
は、ロータ２と斜板４とがロータ２の回転中心から離れ
た１個所でしか接触しないため、ロータ２に曲げモーメ
ントが作用することになり、ロータ２の支持が不安定に
なり易いという問題があった。 本発明は、このような従来の欠点を改善し、ａ−夕をよ
り安定した状態で支持することができるようにすると共
に、より簡単な構成でより大トルクを得ることのできる
アクチュエータの駆動方法を提供することを目的とする
。 又、この駆動方法を実現した超音波アクチュエータを提
供することを目的とする。

【課題を解決するための手段１ 本発明は、〇−夕に斜板を接触させ、該斜板を首振り揺
動させることによって斜板とロータとの間に相対的な変
位を生せしめ、この変位を出力として取出すアクチュエ
ータの駆動方法において、前記斜板に相当する部材を、
略円筒形状の可撓性のある弾性体で構成すると共に、該
弾性体の円周方向に圧電素子を複数接触・配置して、そ
れぞれの部位において弾性体を軸方向に変形可能とし、
該弾性体の軸方向の変形が、該弾性体とロータとが同時
に２点以上において接触して等価的に２個以上の斜板の
首振り揺動が結合された態様を形成しながら順次周方向
に移動するように、前記複数の圧電素子を駆動すること
により、上記目的を達成したものである。 又、前記圧電素子を超音波励振することにより、上記駆
動方法を超音波アクチュエータにおいて実現したもので
ある。 【作用］ 説明の便宜上、まず、第３図を参照していわゆる斜板の
首振り揺動運動について説明する。 斜板３ゴは丁度こまが斜めになって首振り揺動運動する
ように動作する。ここで斜板３１はそれ自身は回転する
ことなくただ単に傾斜角度θて首振り揺動運動するだけ
であるが、この斜板３１の円錐面３２上の１点はロータ
３３と接触したときに所定の周速（接線方向速度）で変
位するため、該円錐面３２がその周速でロータ３３を摩
擦駆動することとなる。この場合の回転メカニズムは斜
板歯車を用いた減速機構として公知であり（特開昭６０
−１２５４４３号公報参照）、その減速比は首振り揺動
回転の傾斜角度をθとすると’ｌ／Ｓｎθとなる。 今、圧電素子の変位量をΔし、斜板３１の半径をＲとす
ると、ΔＬは微小であるため、ｓｉｎθ＝θとなり、結
局減速比は、 １／ｓｉｎθ＝１／θ 一１／（八Ｌ／Ｒ） ＝Ｒ／△Ｌ　　　・・・・・・・・・（１）となる。前
述の特願昭６３−１９１８１９で提供されたアクチュエ
ータ（第８図）は、この原理を利用したものであるが、
この構造では前述したように曲げモーメントが発生し、
ロータの支持が不安定になる等の問題が生じる。 そこで、本発明では、斜板を可撓性のある弾性体で構成
し、以下のような構成によりこの問題を解決した。第１
図はその基本的な例を示す断面図である。 まず第１図の構成から簡単に説明すると、回転軸１には
ロータ２が一体に設けられている。このロータ２と固定
ケーシング３との間には斜板に相当する機能を果す弾性
体４が配置されている。この弾性体４は可撓な基材でで
きている。弾性体４と固定ケーシング３との間には圧電
素子５が該弾性体４の円周方向に複数配置されている。 圧電素子５は一端が弾性体４に固着され、他端は固定ケ
ーシング３に固着されている。第２図から明らかなよう
に、圧電素子５は円周方向に複数個、この例では５Ａ〜
５Ｄ、５ａ〜５ｄの８個が設置されている。第１図に戻
って、弾性体４の円錐面４ａはロータ２と接触している
。回転軸１は固定ケーシング３を貫通し軸受６によって
回転自在に支持されている。軸受６は回転軸１上を軸方
向に摺動自在である。回転軸１の端部には調整ナツト７
が螺入され、該調整ナツト７と軸受６の間にスプリング
８が設けられている。この調整ナツト７を回転させるこ
とにより弾性体４のロータ２に対する接触圧力を調節可
能となっている。 ここで、第２図の圧電素子５Ａと５８が伸び、５Ｃと５
Ｇが縮んだ状態を形成する。その結果、第１図に示され
るような状態となる。この状態から順次円周方向に電圧
印加をずらせていく。即ち、圧電素子５Ｂ、５ｂ伸長、
圧電素子５Ｄ、５ｄ収縮、更に圧電素子５Ｃ１５ｃ伸長
、圧゛型素子５Ａ、５ａ収縮、続いて圧電素子５Ｄ、５
ｄ伸長、圧電素子５Ｂ、５ｂ収縮とし、再度圧電素子５
Ａ、５ａ伸長、５Ｃ１５Ｃ収縮に戻らせるようにする。 このようにして印加電圧が１周すると、弾性体４は第３
図に示されるように、丁度頂点を同じくして対角の位置
にある２個のこまが斜めになって首振り揺動回転するよ
うな動作を１個のこまで実現することになる。これは、
第８図に示すような首振りモードにおいては、（剛体の
）弾性体４とロータ２とが１方でしか接せず、他方では
浮いているため、この浮いている部分を巧みに使って多
数点接触を実現させたことを意味している。 このような構成にすると、ロータ２と斜板４との接触個
所はロータ２の回転中心を挾んで対象の所に位置するこ
とになるため、互いに発生する曲げモーメントをキャン
セルできる。そのためロータの支持が安定化する。又、
接触点が多数あることからロータと斜板との摩擦力によ
って伝達し得るトルクも増大できる。 なお、以上の説明では２個のこまが結合したような形に
可撓な弾性体４を変形させるようにしていたが、３個以
上のこまが結合したような対応とすることもできる。 更に、上記の例では圧電素子５に順次電圧を印加するこ
とにより弾性体４の変形を起こさせていたが、後述する
実施例のように、超音波振動の励振により複数個のこま
が結合したような振動モードを合成し出力回転を取出す
ようにすることもできる。 【実施例〕 以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する
。 第４図において、Ｄ−タ１０１は、回転軸１０２に固定
されており、該回転軸１０２はケーシング１０３に軸受
Ｂを介して軸方向移動可能且つ回転自在に設けられてい
る。ロータ１０１の端面１０１ａには共振子１０４が部
分的に接して設けられている。 この実施例では共振子１０４は第１共振子１０４ａと第
２共振子１０４ｂとに分割されており、該第１共娠子１
０４ａと第２共振子１０４ｂとの間に２層の超音波振動
子（振動板）１０５が挟着されている。 第１共振子１０４ａは、超音波振動子１０５の撮動を受
けて「斜板の首振り揺動を複数結合した運動と等価な運
動」を発生するべく弾性材料（剛性の低い材料）によっ
て構成されている。又、この第１共振子１０４ａには円
錐状の凹部１１２が設けられており、剛性がより小さく
なるように工夫しである。即ち、この実施例ではこの第
１共振子１０４ａが可撓な斜板に相当することになる。 これに対し、第２共振子１０４ｂは、第１共振子１０４
ａと同一、又はこれより剛性の高い材料で構成されてい
る。この第２共娠子１０４ｂは、最低限の加工しか行わ
れておらず、フランジ１０７が形成されていることと相
まって第１共振子１０４ａに比べ高剛性となるように設
計されている。 このような設計を行うと、低剛性の第１共振子１０４ａ
の部分の固有振動数と高剛性の第２共振子１０４ｂの部
分の固有振動数の値が異なってくるため、加振する周波
数によっては低剛性の第１共撮子１０４ａの部分のみが
激しく撮動するモードを励振させることができる（無論
高剛性の第２共振子１０４ムの部分のみが振動するモー
ドや共振子１０４全体が振動するモードも存在する）。 このように、第１、第２共撮子１０４ａ、１０４ｂに剛
性の差を持たせたことにより、第２共振子１０４１）の
部分をほとんど振動しないようにすることかでき、従っ
て、この第２共振子１０４ｂに設けたフランジ１０７を
介してケーシング１０３に固定することにより該ケーシ
ング１０３に振動がほとんど伝達されない超音波モータ
を得ることができる。 ところで、前述したように第１共振子１０４ａには円錐
状の凹部１１２が形成されており、該第１共振子１０４
．　ａの解放端面１１３がロータ１０１の端面１０１ａ
と接するようになっている。解放端面１１３の断面形状
はこの実施例では円弧形状となっているがテーバ形状等
であってもよい。 ロータ１０１の端面１０１　ａ　Ｌｔ、共振子１０４が
変形しながら接触するものであるため、該共振子１０４
の振動変位を有効に取出すために僅かに傾斜する円錐面
とされており、共振子１０４の解放端面１１３には摩耗
防止のための表面硬化処理、例えば熱処理、アルマイト
処理、硬質クロムめっき処理等がなされている。なお、
ロータ１０１の傾斜は必ずしも必要な構成ではなく、平
面であってもよい。 回転軸１０２にはねじ１０２ａが切られており、該ねじ
１０２ａにはナツト１０９が螺合されている。又、スプ
リング１１０によって離反方向に付勢される２個のスペ
ーサ１１１が軸受Ｂとナツト１０９とに接して設けられ
、該ナツト１０９を回転させることによりスプリング１
１０の付勢力を変更し、ロータ１０１の端面１０１ａと
共振子１０４の解放端面１１３との圧着力を可変として
いる。 超音波振動子１０５には、第５図に示すように、８個の
扇形の圧電素子１０５ａ〜１０５ｈが円周上に分割して
設けられ、同図に示されるように配線されている。又、
各圧電素子１０５ａ〜１０５ｈの中央にボルト１０６が
貫通する孔ゴ１５が形成されている。 なお、超音波振動子１０５は、扇形に分離した圧電素子
を円周方向に複数（図示の例で８個）並べてもよく、又
、１枚の圧電素子の分極方向を扇形に区分するようにし
てもよい。 次に、この実施例の作用を説明する。 この実施例では超音波振動子１０５の構成が第５図のよ
うになっているため、該超音波振動子１０５によって第
１共振子１０４ａに発生される振動モードには斜板の伸
縮が表われる方向が互いに４５°ずれた２つの振動モー
ドが存在することになる。この場合、両者の共振周波数
は同一である。 この２つの振動モードのうち一方のモードのみを励振し
ていても回転力は発生しないが、２つのモードを位相差
を設けて同時に励振することにより、第６図に示される
ようにあたかも斜板の首振り揺動運動の原理に基づくこ
まが２個結合して回転しているかのような現象を発生さ
せることができ、これからロータ１０１に回転力を取出
すことができる。そのため第１共振子１０４ａは常に２
点以上においてロータ１０１と接触することになり、第
１共振子１０４ａやロータ１０１にモーメントが作用す
ることがなくなり、静粛で安定性のある駆動を実現でき
るようになる。 更に、この実施例によれば、このように振動源の構造と
して超音波振動板１０５を第１、第２共振子１０４ａ　
、１０４ｂによって挾持し、ボルト１０６で強く締め付
けられた構造を採用しているため、構造が簡単で低コス
ト、高効率、長寿命で、且つ単位体積当たり、あるいは
単位重量当たりの出力を極めて大きく確保することがで
きる。即ち、このような構造で軸方向の振動によって駆
動力を得ているため、従来の進行波型の超音波モータに
比べて非常に高い駆動力を得ることができる。 又、第１共振子１０４ａ及び第２共振子１０４ｂの剛性
を変えることにより、第２共振子１０４ｂの方をほとん
ど振動しないようにすることができ、従ってこの第２共
振子１０４ｂの側にフランジ７を形成し、このフランジ
１０７を介してケーシング１０３に固定しているため、
振動子によって発生する振動をケーシング１０３にまで
伝搬させないようにすることができ、非常に静粛な超音
波モータを得ることができる。 【発明の効果】 以上説明した通り、本発明によれば、簡易な構成で従来
より大きなトルクを容易に得ることができ、しかも回転
軸にモーメントの作用しない静粛な、且つ、安定性のあ
るアクチュエータ、あるいは超音波アクチュエータを得
ることができるようになるという優れた効果が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の駆動方法が採用されたアクチュエー
タ（モータ）の基本的構成を示す縦断面図、 第２図は、上記アクチュエータの圧電素子の構成を示す
平面図、 第３図は、上記アクチュエータの駆動原理を説明するた
めの線図、 第４図は、本発明の実施例に係る超音波アクチュエータ
の構成を示す縦断面図、 第５図は、上記実施例の超音波振動子の構成を示す平面
図、 第６図は、上記超音波アクチュエータの第１共振子（斜
板）によって合成される振動モードを説明だめの線図、 第７図（Ａ）、（Ｂ）は、従来の進行波型超音波モータ
の原理を説明するための斜視図、第８図は、斜板を利用
したアクチュエータの従来例を示す断面図である。 １０１・・・ロータ、　　　　　１０２・・・回転軸、
１０３・・・ケーシング、　　　　Ｂ・・・軸受、１０
４・・・共振子、 １０４ａ・・・第１共振子（弾性体：斜板）、１０４ｂ
・・・第２共振子、 １０５・・・超音波振動子、 １０５ａ　〜１０５ｈ　−圧電素子、 １１２・・・凹部、　　　　　１１３・・・解放端面。 復代理人　　　牧　　野　　剛　　博 松　　山　　圭　　佑 高　　矢　　　　論 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 （Ａ） （Ｂン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ロータに斜板を接触させ、該斜板を首振り揺動
   させることによつて斜板とロータとの間に相対的な変位
   を生ぜしめ、この変位を出力として取出すアクチュエー
   タの駆動方法において、 前記斜板に相当する部材を、略円筒形状の可撓性のある
   弾性体で構成すると共に、 該弾性体の円周方向に圧電素子を複数接触・配置して、
   それぞれの部位において弾性体を軸方向に変形可能とし
   、 該弾性体の軸方向の変形が、該弾性体とロータとが同時
   に２点以上において接触して等価的に２個以上の斜板の
   首振り揺動が結合された態様を形成しながら順次周方向
   に移動するように、前記複数の圧電素子を駆動する ことを特徴とするアクチュエータの駆動方法。
2. （２）　前記圧電素子を超音波励振することにより、請
   求項１に記載の駆動方法を実現した超音波アクチュエー
   タ。