JPH05284764A - 圧電トランスを利用した超音波アクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型で高出力な超音波アクチュエータを得
る。 【構成】 高周波電圧発生回路１２は、ステータ１８の
機械的な共振周波数に近い高周波電圧を発生する。圧電
トランスの１次側１３ａに高周波電圧を印加して、２次
側１３ｂに１次側１３ａより高電圧の高周波電圧が発生
する。圧電素子１５には、２次側１３ｂより発生された
高周波電圧を印加する。圧電素子１５は振動体１６に接
合されており、伸縮運動によりステータ１８は超音波振
動する。移動体１７は、振動体１６に加圧接触し、振動
体１６に発生する超音波振動により摩擦駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子の伸縮運動を
利用した超音波振動により、移動体を摩擦駆動させる超
音波アクチュエータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来の超音波アクチュエータ装
置のブロック図である。高周波電圧発生回路１２は、電
源１１により、圧電素子１５及び振動体１６からなるス
テータ１８の機械的な共振周波数に近い高周波電圧を発
生する。巻線トランス５３の１次側５３ａに高周波電圧
発生回路１２の高周波電圧を印加する。巻線トランス５
３の２次側５３ｂには、１次側及び２次側の巻線数の比
に応じた高電圧の高周波電圧が発生する。圧電素子１５
には、巻線トランス５３の２次側５３ｂの高周波電圧を
印加する。

【０００３】圧電素子１５は振動体１６に接着されてい
る。振動体１６は、圧電素子の伸縮運動により超音波振
動する。移動体１７は、振動体１６に所定の圧力で接触
している。移動体１７は、振動体１６に発生する定在波
もしくは進行波からなる超音波振動により摩擦駆動され
る。例えば特開昭６０−１７６４７１号公報にこのよう
な構造が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の超音波アクチュ
エータは、その駆動電圧が高く、通常使用されている電
池では電圧が不足する。また、電力が一定の場合には電
圧を高めた方が駆動効率が良いことが知られている。そ
のために、昇圧回路が必要とされ、巻線トランスによる
昇圧が行われている。

【０００５】しかし、従来の巻線トランスを用いた超音
波アクチュエータ装置では、巻線トランスの構造が複雑
で大きいという課題を有する。また、超音波アクチュエ
ータが小型になっても巻線トランス部の大きさによって
装置全体が大きくなるという課題を有していた。さらに
昇圧比も数倍程度が限界であり、昇圧比を大きくすると
電源効率が低下するという課題も有していた。

【０００６】そこで、本発明の目的は、従来のこのよう
な課題を解決するため、圧電トランスを用いることによ
り小型で高出力な超音波アクチュエータを得ることにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、電源と、高周波電圧発生回路と、１次側に
高周波電圧発生回路から発生された高周波電圧を印加す
ることによって、２次側に１次側より高電圧の高周波電
圧を発生するような圧電性を有する圧電トランスと、圧
電トランスの２次側より発生された高周波電圧によって
励振される圧電素子を有する振動体と、振動体に加圧接
触されるとともに、振動体に発生する振動により摩擦駆
動されるような移動体とから構成され、圧電トランスを
用いることによって、小型簡易で高出力な超音波アクチ
ュエータ装置を実現した。

【０００８】

【作用】上記のように構成された超音波アクチュエータ
装置においては、電源により、高周波電圧発生回路は、
圧電素子及び振動体からなるステータの機械的な共振周
波数に近い高周波電圧を発生する。圧電トランスの１次
側に高周波電圧発生回路から発生された高周波電圧を印
加することによって、２次側に１次側より高電圧の高周
波電圧が発生する。圧電素子には、圧電トランスの２次
側より発生された高周波電圧を印加する。圧電素子は振
動体に接合されており、圧電素子の伸縮運動によりステ
ータは超音波振動する。また、圧電トランスの共振周波
数は超音波アクチュエータの駆動周波数と概略一致する
ように設定されている。移動体は振動体に加圧接触され
ており、振動体に発生する定在波もしくは進行波からな
る超音波振動により摩擦駆動される。

【０００９】このように、ステータの共振周波数とほぼ
等しい共振周波数の圧電トランスを用いて超音波アクチ
ュエータを昇圧駆動することによって、小型簡易で高出
力な超音波アクチュエータ装置が得られる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を、図面に基づいて
説明する。図１は、本発明の超音波アクチュエータ装置
のブロック図である。従来は昇圧手段として巻線トラン
スを有していたが、本発明では圧電効果を利用した圧電
トランス１３を有している。

【００１１】電源１１により、高周波電圧発生回路１２
は、圧電素子１５及び振動体１６からなるステータ１８
の機械的な共振周波数に近い高周波電圧を発生する。圧
電トランスの１次側１３ａに高周波電圧発生回路１２か
ら発生された高周波電圧を印加することによって、圧電
トランス２次側１３ｂに圧電トランス１次側１３ａより
高電圧の高周波電圧が発生する。圧電素子１５には、圧
電トランスの２次側１３ｂより発生された高周波電圧を
印加する。圧電素子１５は振動体１６に接合されてお
り、圧電素子１５の伸縮運動によりステータ１８は超音
波振動する。また、圧電トランス１３の共振周波数は超
音波アクチュエータ１４の駆動周波数と概略一致するよ
うに設定されている。移動体１７は振動体１６に加圧接
触し、振動体１６に発生する定在波もしくは進行波から
なる超音波振動により摩擦駆動される。移動体１７と振
動体１６の加圧には、加圧ばね（図示しない）などを用
いる。

【００１２】図２〜図５は本発明に使用される圧電トラ
ンスの斜視図である。図２に示した圧電トランス１３は
長方形形状の圧電体である。圧電トランス１３は、例え
ば、チタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴなどからなる材料で構
成されている。厚み方向Ｔに対して分極処理された電極
パターン１３ｃを圧電トランスの１次側とし、高周波電
圧Ｖ１を印加する。次に、長手方向Ｌに対してして分極
処理された電極パターン１３ｄを圧電トランスの２次側
とすれば高周波電圧Ｖ２が出力される。この際、昇圧さ
れる電圧の比は圧電トランス１次側と圧電トランス２次
側の長さの比、即ち、ＴとＬの比に比例する。また、圧
電トランス１次側と圧電トランス２次側の電流の比は電
極パターン１３ｃの面積及び電極パターン１３ｄの面積
比に比例する。

【００１３】図３に示した圧電トランス１３も長方形形
状の圧電体で構成されている。本実施例は電極パターン
１３ｃを長手方向Ｌに対して中間部分に設けるようにし
た点で先の図２に示した実施例とは異なる。厚み方向Ｔ
に対して分極処理された電極パターン１３ｃを圧電トラ
ンスの１次側とし、高周波電圧Ｖ１を印加する。次に、
長手方向Ｌに対して分極処理された電極パターン１３ｄ
を圧電トランスの２次側とすればＬ／Ｔに応じた昇圧比
の高周波電圧Ｖ２が出力される。

【００１４】図４に示した圧電トランス１３は円板形状
の圧電体で構成されている。本実施例は圧電トランス１
３の外径よりも小さい電極パターン１３ｃを有し、円板
の厚み方向に分極処理されている。ここで、電極パター
ン１３ｃを圧電トランスの１次側とし、高周波電圧Ｖ１
を印加する。次に、外周側面部に設けられた電極パター
ン１３ｄを圧電トランスの２次側とすれば高周波電圧Ｖ
２が出力される。

【００１５】図５に示した圧電トランス１３は円環形状
の圧電体で構成されている。本実施例は、圧電トランス
１３の内側側面全体に電極パターン１３ｃを有し、外周
方向に分極処理されている。ここで、電極パターン１３
ｃを圧電トランスの１次側とし、高周波電圧Ｖ１を印加
する。次に、外周側面部の一部に電極パターン１３ｄを
設けるとともに、他の外周側面部に共通の電極パターン
１３ｅを設ければ、電極パターン１３ｄが圧電トランス
の２次側となり高周波電圧Ｖ２が出力される。

【００１６】図６は、本発明の超音波アクチュエータ装
置の断面図である。固定台１９に固定された中心軸２０
に、振動体１６を固定する。振動体１６の下面には圧電
素子１５が接着されている。圧電素子１５は一定の形状
に分極され、圧電素子１５の電極パターンからは圧電ト
ランス１３の圧電トランスの２次側に配線されている。
また、圧電トランスの１次側からは高周波電圧発生回路
１２へ配線されている。この際、圧電トランス１３は振
動体１６と固定台１９の間に配置されている。圧電トラ
ンスが振動体１６の外径よりも小さくしかも薄くなるよ
うに構成しているため超音波アクチュエータ装置全体の
小型化が実現できる。

【００１７】なお、先にも述べたように、圧電トランス
１３は共振状態で使用されるのが望ましい。圧電トラン
スの共振周波数は、振動体１６及び圧電素子１５からな
るステータ１８の駆動周波数と概略一致させるのが得策
である。振動体１６の突起部１６ａには移動体１７が接
触する。移動体１７は中心軸２０に組み込まれ軸受２３
により回転可能に支持する。さらに、移動体１７は、加
圧ばね２２により、振動体１６に加圧接触されている。

【００１８】なお、本実施例では圧電トランス１３を振
動体１６と固定台１９の間に配置したが、本発明は圧電
トランスを用いることにより超音波アクチュエータ装置
全体の小型化をはかることを目的としている。圧電トラ
ンスは、これ以外の部分に配置しても構わない。図７は
本発明の超音波アクチュエータ装置の回路図である。電
池などの電源１１による直流電圧は、発振回路１２ａの
出力に応じてスイッチングトランジスタ１２ｂを圧電ト
ランス１３及び超音波アクチュエータ１４の共振周波数
に近い周波数でＯＮ／ＯＦＦされる。これによって発生
される高周波電圧は、圧電トランスの１次側１３ａに印
加され、圧電、電歪効果によって圧電トランス２次側１
３ｂの電極パターン１３ｄに圧電トランスの１次側１３
ａより高電圧の高周波電圧が発生する。圧電素子１５に
は、圧電トランスの２次側１３ｂより発生された高周波
電圧を印加する。圧電素子１５は振動体１６に接合され
ており、圧電素子１５の伸縮運動によりステータ１８は
超音波振動し、移動体１７を摩擦駆動する。なお、本実
施例では圧電トランス１３の共通電極パターン１３ｅ
は、圧電素子１５と振動体１６との接合面と同電位に設
定されている。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、電源と、高周波電圧発生回路
と、１次側に高周波電圧発生回路から発生された高周波
電圧を印加することによって、２次側に１次側より高電
圧の高周波電圧を発生するような圧電性を有する圧電ト
ランスと、圧電トランスの２次側より発生された高周波
電圧によって励振される圧電素子を有する振動体と、振
動体に加圧接触されるとともに、振動体に発生する振動
により摩擦駆動されるような移動体とから構成したこと
により、次の効果を有する。

【００２０】圧電トランスの共振周波数と圧電素子及び
振動体からなるステータとの共振周波数を等しくするこ
とにより、簡易な回路構造で高出力な超音波アクチュエ
ータが実現できる。昇圧手段として圧電トランスを利用
することにより、超音波アクチュエータ装置全体の小型
化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波アクチュエータ装置のブロック
図である。

【図２】本発明に使用される圧電トランスの斜視図その
１である。

【図３】本発明に使用される圧電トランスの斜視図その
２である。

【図４】本発明に使用される圧電トランスの斜視図その
３である。

【図５】本発明に使用される圧電トランスの斜視図その
４である。

【図６】本発明の超音波アクチュエータ装置の断面図で
ある。

【図７】本発明の超音波アクチュエータ装置の回路図で
ある。

【図８】従来の超音波アクチュエータ装置のブロック図
である。

【符号の説明】

１１ 電源 １２ 高周波電圧発生回路 １２ａ 発振回路 １２ｂ スイッチングトランジスタ １３ 圧電トランス １３ａ 圧電トランス１次側 １３ｂ 圧電トランス２次側 １３ｃ 電極パターン（１） １３ｄ 電極パターン（２） １３ｅ 電極パターン（３） １４ 超音波アクチュエータ １５ 圧電素子 １６ 振動体 １７ 移動体 １８ ステータ １９ 固定台 ２０ 中心軸 ２２ 加圧ばね ５３ 巻線トランス ５３ａ 巻線トランス１次側 ５３ｂ 巻線トランス２次側

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子の伸縮運動を利用した超音波振
   動により、移動体を摩擦駆動させる超音波アクチュエー
   タ装置において、 電源と、前記電源により動作して、所定の高周波電圧を
   発生する高周波電圧発生回路と、前記高周波電圧発生回
   路から発生された高周波電圧を１次側に印加することに
   よって、２次側に１次側より高電圧の高周波電圧を発生
   するような圧電性を有する圧電トランスと、前記圧電ト
   ランスの２次側より発生された高周波電圧によって励振
   される圧電素子を有する振動体と、前記振動体に加圧接
   触されるとともに、前記振動体に発生する振動により摩
   擦駆動されるような移動体と、 を有することを特徴とする超音波アクチュエータ装置。
2. 【請求項２】 前記圧電トランスの駆動周波数と、前記
   振動体及び前記圧電素子からなるステータの駆動周波数
   が等しいことを特徴とする請求項１記載の超音波アクチ
   ュエータ装置。