JPH0467785A - 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】

本発明は、超音波振動により被駆動体に対して駆動力を
発生させる超音波アクチュエータに関する。

【従来の技術】

超音波アクチュエータは、圧電素子からなる超音波撮動
子の振動により駆動力を得る新しい原理に基づくアクチ
ュエータである。このアクチュエータは、電流と磁界の
相互作用に基づ〈従来の電磁型アクチュエータ（モータ
）に比べて、小型、軽量である上に、単位体積当りのト
ルクが大きく、更に、慣性質量が小さく応答性に優れ、
又、ロータの静的な保持力も大きいという長所があり、
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
（例えば特開昭５８−１４８６８２、特開昭５９−９６
８８１、特開昭６３−５９７７７号公報等）。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、従来公知の超音波アクチュエータは、進
行性の振動波を用いていたため、該撮動波をとぎれるこ
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
せざるを得ず、これに伴ってリード線も多数設置せざる
を得ず、未だアクチュエータの小型化、軽量化、簡素化
には不充分と言わざるを得ないものであった。 又、従来公知の超音波アクチュエータでは、原理的に縦
波振幅と横波振幅との門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、被駆動体の駆動力となる
べき縦波振幅と被駆動体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が
あった。 又、例えば特開昭６３−５９７７７号公報等に見られる
超音波アクチュエータは、２方向曲げ振動波を励起して
駆動力を得るものであるが、曲げ振動を利用するものは
軸方向振動を利用するものと比べて大きな変位を得るこ
とは簡単であるが、その反面において大きなトルクを得
ることが困難であり、このため、大トルクのアクチュエ
ータを得ることが難しいという問題もあった。 この形式のアクチュエ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、そのためには高電圧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、Ｈ
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。 このような問題点は、被駆動体を駆動するために曲げ振
動を利用していることにその根元があると考えられる。 このような点に鑑み、出願人は先に圧電素子の軸方向の
振動を利用していわゆる斜板の首振り揺動運動と等価な
運動を実現させ、以って小型で高出力、且つ構造が簡単
な超音波アクチュエータを提供したく特願平１−２６６
３０５　：未公知）。 これは、超音波振動子として、１個乃至複数の圧電素子
を設けると共に共振子に円錐状の凹所を設け、該共振子
の凹所の解放端面を被駆動体であるロータと接触させる
ようにしたものである。この構成で前記圧電素子に順次
電圧を付与することにより、ロータは、結局、圧電素子
の軸方向の撮動によって回転させられることになり、非
常に大きなトルクを得ることができる。 ところで、上述した特願平１−２６６３０５号にて提案
された構造では、圧電素子の運動モードに基づく大エネ
ルギの共振を共振子に起こさせるのが現実的には難しく
、従って共振子を介して被駆動体に円滑に圧電素子の伸
縮エネルギを伝達するのが難しいという不具合がある。 これを補うためには、圧電素子を多数積層する方法も考
えられるが、高価な圧電素子を多数使う必要があり、価
格対性能比の面で問題が多い。 本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであっ
て、圧電素子の軸方向の振動を利用して被駆動体に大き
な駆動力を供給する方式をとりながら、該圧電素子の運
動モードを良好に共振子に伝播させることができ、出力
の取出しをより容易に行えるように改良した超音波アク
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】

本発明は、超音波振動子と、該超音波振動子によって振
動させられる共振子と、該共振子と接触して運動する被
駆動体と、を備えた超音波アクチュエータにおいて、前
記超音波振動子が複数設けられると共に、前記共振子が
、該複数の超音波振動子のそれぞれに対応して独立して
設けられると共に軸方向に共振させられる複数のサブ共
振子からなる第１共振部と、この複数のサブ共振子のそ
れぞれを連結した第２共振部と、で構成されていること
により、上記目的を達成したものである。

【作用】

本発明においては、超音波撮動子によって共振子を軸方
向に振動させ、該共振子と接触している被駆動体を駆動
する。この際、超音波振動子を複数設け、且つ、共振子
を第１共振部工と第２共振部■とで構成する。第１図で
模型で示すように、第１共振部工は、複数設けた各超音
波振動子のそれぞれに対応して独立して設けられ、且つ
軸方向に共振させられる複数（図示の例では４個）のサ
ブ共振子■１〜■４からなっている。又、第２共撮部■
は、この複数のサブ共振子１１〜工４のそれぞれを連結
している。なお、この第１共振部■と第２共振部■とは
、別体のものを固着してもよいし、はじめから一体で構
成してもよい。 複数の振動子による振動は、まず第１共振部■のサブ共
振子１１〜■４によって受けられ、各振動子の振動をそ
のままのモードで共振・増幅させる。このようにして第
１共振部■で増幅された振動を基に、この第１共振部■
の各サブ共振チエ１〜工４を連結している第２共振部■
によって合成共振モードを作る。 前記未公知の出願人が提比した超音波アクチュエータに
おける共振子は、いわば第２共振部■のみの構造と言え
、圧電素子の直接振動を用いた状態では大きな合成共振
を得るのに限界があったが、本発明ではまず第１共振部
工で合成共振を得る基となる振動を共振・増幅させ、そ
の後に第２共振部■で合成するようにしているため、非
常に円滑且つ良好に合成共振モードを得ることができる
。

【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２図において、ロータ１は、回転軸２に固定されてお
り、該回転軸２はケーシング３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１の端
面１１には弾性材料からなる共振子４が部分的に接して
設けられている。この共振子４の構造については後に詳
述する。 回転軸２にはねじ２１が切られており、該ねじ２１には
ナツト９が螺合されている。スプリング１０によって離
反方向に付勢される２個のスペーサ１１が軸受Ｂとナツ
ト９とに接して設けられ、該ナツト９を回転させること
によりスプリング１０の付勢力を変更し、ロータ１の端
面１１と共振子４の解放端面１３との圧着力を可変とし
ている。 超音波振動子５には、第３図に示すように、４個の扇形
の圧電素子１４Ａ〜１４Ｄが円周上に分割して設けられ
、それらの間にボルト６が貫通する孔１５が形成されて
いる。 第２図に戻って、ロータ１の端面１１は、共振子４が変
形しながら接触するものであるため、該共振子４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４の解放端面１３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１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
。 共振子４は、大きく分けて第１共振部４１と第２共振部
４２とで構成される。 第１共振部４１は、４つのサブ共振子４１Ａ〜４１Ｄか
らなる。第２図ではそのうち４１Ａ及び４１Ｃのみが図
示されている。各々のサブ共振子４１Ａ〜４１［）は、
更にベース部分４１Ａｏ〜４１Ｄｏと、共振・増幅部分
４１Ａ＋〜４１Ｄ＋とに分割されており、この間に超音
波振動子５（４枚の圧電素子１４Ａ〜１４Ｄ）が装着さ
れている。 各サブ共振子４１Ａ〜４１Ｄのベース部分４１Ａｏ〜４
１Ｄｏは、必ずしも弾性材料によって構成する必要はな
く、剛性材料によって構成してもよい。これに対し、共
振・増幅部分４１Ａ１〜４１Ｄ＋は、弾性材料によって
構成されている。 この超音波振動子５を挟着した第１共振部４１は、ボル
ト６によってそのベース部分４１Ａｏ〜４１Ｄｏ〜共振
・増幅部分４１Ａｔ〜４１Ｄｚが一体的に固着されてい
る。 なお、各サブ共振子４１Ａ〜４１Ｄのベース部分４１Ａ
ｏ〜４１Ｄｏには、フランジ７が形成されており、ボル
ト８によって該フランジ７がケーシング３に固定されて
いる。 一方、第２共振部４２は、第１共振部４１の４つのサブ
共振子４１Ａ〜４１Ｄを連結するような形状とされ、同
じくボルト６によって各サブ共振子４１Ａ〜４１Ｄに固
着されている。この第２共振部４２には、円錐状の凹所
１２が形成されており、該第２共振部４２の解放端面１
３がロータ１の対面と接するようになっている。この解
放端面１３の断面形状は円弧形状とすることが望ましい
。 次に、この実施例の作用を説明する。 まず、第４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２１は丁度こまが斜めになって首振り揺動回転する
ように動作する。ここで、斜板２１はそれ自身回転する
ことなく単に傾斜角度θで首振り揺動するだけであるが
、斜板２１の円錐面２２上の１点がロータ２３と接した
状態で１周したとき、その１周距離の差だけロータ２３
を回転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）、その減速比は首振り揺動
回転の傾斜角度をθとすると１／ｓｉｎθとなる。 今、軸方向の変位量をΔ！、斜板２１の半径をｒとする
と、６℃は微小であるから　ｓｉｎθ＝θとす’）、結
局、減速比ハ１／ｓｉｎθ＝１／θ＝１／（Δβ／ｒ　
）　＝ｒ　／Δ℃となる。 さて、本実施例の超音波アクチュエータにおいて、圧電
素子１４Ａ〜１４Ｄに順次電圧を印加すると、該圧電素
子１４Ａ〜１４Ｄが順次伸長して振動状態となり、これ
が共振子４に縦弾性振動波（軸方向の振動）として伝播
され、その解放端面１３に斜板の首振り揺動運動時に生
ずる運動と等価な運動を生じせしめ、これによってロー
タ１が回転駆動される。 このとき、４枚の圧電素子１４Ａ〜１４Ｄは、まず第１
共振部４１の各サブ共振子４１Ａ〜４１Ｄを、それぞれ
各圧電素子１４Ａ〜１４Ｄと同のモードで共振・増幅さ
せる。 このようにして第１共振部４１で増幅された振動が、各
サブ共振子４１Ａ〜４１Ｄを連結するようにしてそれぞ
れのサブ振動子４１Ａ〜４１Ｄに固着されている第２共
振部４２に伝播され、ここで合成共振モードが作られる
。この各圧電素子１４Ａ〜１４Ｄのそれぞれに対応して
、独立した４つのサブ共振子４１Ａ〜４１Ｄが存在して
いるのが本発明の大きな特徴となっている。即ち、合成
共振を得る基となる圧電素子１４Ａ〜１４Ｄの伸縮をま
ず第１共娠部４１で共振・増幅させ、その増幅された振
動を基にして第２共振部４２で合成共振モードを得てい
るため、非常に大きな共振を極めて円滑に得ることがで
きているものである。 この実施例によれば、共振子４、特にその第２共振部４
２に円錐状の凹所１２が形成され、この凹所１２の解放
端面１３がロータ１と接触するようになっているため、
ロータ１との接触面積が小さく、その結果撮動振幅が大
きく、且つ接触位置がほぼ同一半径位置となるため振動
分布のばらつきが非常に小さくなっている。 なお、本発明では、上述したような斜板系機構によるも
のでなくとも、圧電素子の単一方向の伸縮運動を利用す
るものであれば、いかなる振動モードによる回転機構で
あっても同様に得ることができる。即ち、第１共振部で
単一方向く軸方向）の基本運動を増幅した後、第２共振
部で合成共振モードを得ればよいのである。これは、例
えばリニアアクチュエータの共振構造としても全く同様
に応用することができる。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、圧電素子による軸
方向の弾性振動波から駆動力を取出す構成とされている
ため、得られるトルクが大きく、小型で高出力の超音波
アクチュエータが得られるようになる。 又、共振子に工夫を施すようにしたため、軸方向の振動
を利用して被駆動体を駆動する構成であるにも拘わらず
、合成共振モードを非常に円滑に生じさせることができ
、より一層簡便に大出力化が図れるようになるという効
果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の詳細な説明するための共振子の基本
的な模型を示す斜視図、 第２図は、本発明が適用された超音波アクチュエータの
縦断面図、 第３図は、第２図の超音波振動子の平面図、第４図は、
本発明のアクチュエータの動作原理を説明するための斜
板の首撮り運動を示した線図である。 １・・・ロータ、 ２・・・回転軸、 ３・・・ケーシング、 Ｂ・・・軸受、 ４・・・共振子、 ４１・・・第１共振部、 ４１Ａ〜４１Ｄ・・・サブ共振子、 ４２・・・第２共振部、 ５・・・超音波振動子、 ２・・・凹所、 ３・・・解放端面、 １４Ａ〜１ ４Ｄ・・・圧電素子。 復代理人 牧 野 剛 博 松 高 山 矢 論 佑 第 履 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波振動子と、該超音波振動子によって振動さ
   せられる共振子と、該共振子と接触して運動する被駆動
   体と、を備えた超音波アクチュエータにおいて、 前記超音波振動子が複数設けられると共に、前記共振子
   が、該複数の超音波振動子のそれぞれに対応して独立し
   て設けられると共に軸方向に共振させられる複数のサブ
   共振子からなる第１共振部と、この複数のサブ共振子の
   それぞれを連結した第２共振部と、で構成されている ことを特徴とする超音波アクチュエータ。