JPH0787757A - 波動循環型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】駆動部外に帰還路を必要とせず、かつ 駆動効
率の高い波動循環型アクチュエータを提供する。 【構成】棒状振動体１０、圧電体２、移動体３からなる
波動循環型アクチュエータである。長手方向に振動する
波動を反射させる為に棒状振動体１０の両端に反射部を
設け、駆動効率を高くする為に棒状振動体１０に複数の
突起（１０ａ〜１０ｐ）を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は棒状振動体内を波動を循
環させ、この波動により移動体を移動させるアクチュエ
ータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の装置としては、例えば特開
昭５９−１２２３８５の様なものがあった。そこには、
図１２〜図１４の様な環状型、振動帰還型、エネルギー
帰還型等が開示されている。環状型超音波モータ（図１
２参照）は、弾性体８ｃ、圧電体２ｃ、移動体３０ａで
構成されている。弾性体８ｃはエンドレス構造の為、表
面波は循環することになる。移動体３０ａは、弾性体８
ｃに接着した圧電体２ｃが発生する屈曲振動を弾性体８
ｃが表面波に変換して駆動する。

【０００３】振動帰還型超音波モータ（図１３（ａ）参
照）は、弾性体８ａ、８ｂ、圧電体２ａ、結合子９ａ、
９ｂ、移動体３０ｂで構成されている。弾性体８ｂはそ
れに接着した圧電体２ａが発生する屈曲振動を表面波に
変換し、表面波は、結合子９ａ、弾性体８ａ、結合子９
ｂへと順に伝播し、弾性体８ｂへ帰還する。移動体３０
ｂは、弾性体８ａ上で発生した表面波で駆動する。

【０００４】振動帰還型超音波モータ（図１３（ｂ）参
照）は、弾性体８ａ、８ｂ、圧電体２ｂ、共振子１１
ａ、１１ｂ、移動体３０ｃで構成されている。弾性体８
ｂはそれに接着した圧電体２ｂが発生する屈曲振動を表
面波に変換し、表面波は、共振子１１ａ、弾性体８ａ、
共振子１１ｂへと順に伝播し、弾性体８ｂへ帰還する。
移動体３０ｃは、弾性体８ａ上に発生した表面波で駆動
する。

【０００５】エネルギ吸収型超音波モータ（図１４参
照）は、弾性体８ｄ、振動子１２ａ、１２ｂ、移動体３
０ｄで構成されている。第１の振動子が振動源、第２の
振動子がエネルギ吸収器となる。振動源が発生した振動
は弾性体８ｄを伝播し、エネルギ吸収器側の振動子１２
ｂで電気エネルギに変換され、その電気エネルギは振動
子１２ａへ帰還される。移動体３０ｄは弾性体８ｄ上に
発生した表面波で駆動する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、以上の様な従
来の装置においては、いずれも駆動部とは別のところに
帰還路を必要とする為、全体の寸法が大きくなるという
問題点があった。そこで本発明は、駆動部外に帰還路を
必要としなく、かつ駆動効率の高いアクチュエータを提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前項で記載した問題点を
解決するために本発明では、対向する２面からなる第１
面群と、該第１面群とは異なる対向する２面からなる第
２面群との、２つの面群を長手方向に有する棒状振動体
と、該棒状振動体の第１面群に設けられ、該第１面群の
長手方向に進行する波動を発生させる電気−機械変換素
子と、該棒状振動体の両端部に設けられ、該第１面群の
長手方向に進行する波動を反射して該第２面群に伝送す
る第１反射部と、該第２面群に伝送され長手方向に進行
する波動を反射して該第１面群に循環させる第２反射部
と、該棒状振動体に圧接され、該進行する波動により移
動する移動体とを有する波動循環型アクチュエータにお
いて、該棒状弾性体の第１面群もしくは第２面群の少な
くともいづれか一方に、複数の突起を設ける様に波動循
環型アクチュエータを構成した。

【０００８】

【作用】本発明においては、以上の様に棒状振動体の第
１面群もしくは第２面群の少なくともいづれか一方に、
複数の突起を設けたので、波動循環型アクチュエータの
駆動効率が向上する。ここで図４〜図１０を用いて、本
発明の波動循環型アクチュエータの原理を説明をする。

【０００９】図４は、波動循環型アクチュエータの斜視
図である。図５は、波動循環型アクチュエータの支持方
法の説明図である。図６は、図１の棒状振動体１を第３
角法で描いた詳細図である。図７は、棒状振動体１中を
進行する屈曲波の循環の様子を説明図である。図８は、
棒状振動体１中を進行する表面波の循環の様子を説明図
である。

【００１０】図９は、棒状振動体１の表面を展開して示
した図である。図１０は、電気−機械変換素子２の構成
と、電源の印加方法とを説明図である。超音波モータの
構成を説明する。波動循環型アクチュエータは、棒状弾
性体１、複数の板状の圧電体からなる電気−機械変換素
子２、移動体３、支持部材４、５から構成される。

【００１１】棒状振動体１は、長手方向にＡ〜Ｄの４面
を有し、Ａ面とＣ面は対向して第１面群を構成し、Ｂ面
とＤ面は対向して第２面群を構成している。また波動の
進行方向の説明を行う都合上、以後長手方向の左端を
『Ｎ端』、右端を『Ｓ端』と呼ぶことにする。形状の詳
細は図６で後述する。電気−機械変換素子２は、複数の
板状の圧電体により構成される。詳細は図１０で後述す
る。

【００１２】移動体３は、棒状弾性体１の長手方向右面
部（図４及び図１１中Ｂ面）を加圧接触するコの字型移
動体３ａと棒状弾性体１の長手方向左面部（図４及び図
１１中Ｄ面）を加圧接触するコの字型移動体３ｂとを有
する。移動体３ａ、３ｂは、棒状弾性体１を挟み込む様
に付勢部材３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ（３ｅ、３ｆは不図
示）で結合されている。

【００１３】支持部材４は、棒状振動体１のＮ端と結合
し、棒状振動体１の長手方向に伸びた細い棒形状で、棒
状振動体１を支持する。また、支持部材５も、棒状振動
体１のＳ端と結合し、棒状振動体１の長手方向に伸びた
細い棒形状で、棒状振動体１を支持する。これら２本の
支持部材は、どちらか一方に１本を設けるだけでもよ
い。

【００１４】超音波モータの動作の説明する。図５を用
いて支持方法の説明する。支持部材４、５は、それぞれ
棒状振動体１と固定部６、７との間に配置され、棒状振
動体１の振動を固定部６、７に伝播させない防振機能を
有する。棒状振動体１に発生する振動は長手方向と垂直
な方向に振動し、かつ表面波の為に長手方向の全長は時
刻に応じて変化しない。従って、細い棒形状の支持部材
で支持することは、長手方向には変位しにくく、それと
垂直方向には変位し易い。支持部材の反射効率（図５
（ｂ）参照）向上させる為には、棒状振動体１の断面の
長さＸと支持部材（４、５）の断面の長さＹとの比を大
きくすれば良い。上記により、支持損失を最少限に抑え
ることが可能となる。

【００１５】図６を用いて棒状振動体１の説明をする。
図６は図１の棒状振動体１の詳細図で、第３角法によっ
て描いてある。（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、
（ｃ）は左側面図、（ｄ）は右側面図である。長手方向
の４面には、Ａ〜Ｄの名称を付けてある。また、Ｎ端は
２個の３角形状面（図６（ｃ））から構成され、Ｅ、Ｆ
の名称を付けてある。Ｓ端も２個の３角形状面（図６
（ｄ））から構成され、Ｇ、Ｈの名称を付けてある。Ｅ
〜Ｈ面は長手方向に進行する波動を反射させる為に設け
た反射部で、Ｅ面・Ｆ面に対しＧ面・Ｈ面を９０゜捻っ
て配置してあるところが、駆動部外に帰還路を設けずに
波動を循環させる要点である。

【００１６】図７を用いて棒状振動体１上を進行する屈
曲波について説明する。Ａ面及びＣ面に垂直な方向に振
動する屈曲波は、棒状振動体１のＡ面に設けられた電気
−機械変換素子２に高周波電圧を印加することにより発
生した、図７（ａ）に示す様にＳ端からＮ端方向に進行
する。そしてＮ端のＥ面及びＦ面で反射されることによ
り、Ｂ面及びＤ面に垂直な方向に振動する屈曲波にな
り、Ｎ端からＳ端方向に進行する。

【００１７】さらにＳ端のＧ面及びＨ面で反射されるこ
とにより、再びＡ面及びＣ面に垂直な方向に振動する屈
曲波になり、棒状振動体１上を循環することになる。な
お、Ａ面及びＣ面に垂直な方向に振動する屈曲波と、Ｂ
面及びＤ面に垂直な方向に振動する屈曲波とは、互いに
垂直に偏る偏波の為、たとえ位相が一致していようとも
非干渉性である。

【００１８】図８を用いて棒状振動体１上を進行する表
面波について説明する。棒状振動体１のＡ面に設けられ
た電気−機械変換素子２に高周波電圧を印加することに
より発生した、Ａ面に垂直な方向に振動する表面波は、
図８（ａ）に示す様にＳ端からＮ端方向に進行する。そ
してＮ端のＥ面に達し、Ｅ面とＦ面の交線で反射され、
Ｂ面に達してＢ面に垂直な方向に振動する表面波にな
り、Ｎ端からＳ端方向に進行する。

【００１９】そしてＳ端のＧ面に達し、Ｇ面とＨ面の交
線で反射され、Ｃ面に達してＣ面に垂直な方向に振動す
る表面波になり、Ｓ端からＮ端方向に進行する。そして
Ｎ端のＦ面に達し、Ｆ面とＥ面の交線で反射され、Ｄ面
に達してＤ面に垂直な方向に振動する表面波になり、Ｎ
端からＳ端方向に進行する。そしてＳ端のＨ面に達し、
Ｈ面とＧ面の交線で反射され、再びＡ面に達して循環す
ることになる。

【００２０】図９を用いて棒状振動体１の表面での屈曲
波と表面波の関係を説明する。前述の図７では屈曲波の
循環について説明し、図８では表面波の循環について説
明したが、これら２種類の波動は、棒状振動体１の深部
の減衰が小さい場合や電気−機械変換素子２による振動
振幅が大きい場合には屈曲波が支配的になる。また逆
に、棒状振動体１の深部の減衰が大きい場合や電気−機
械変換素子２による振動振幅が小さい場合には表面波が
支配的になる。

【００２１】図９はこの両波動を同一図面上に描いたも
のである。この図でわかる重要なことは、屈曲波と表面
波との両波動が、長手方向のＡ〜Ｄ面においては共に同
一方向に進行するということである。これにより、屈曲
波と表面波が互いに打ち消し合う様なことが発生しない
ことが確認される。図１０を用いて電気−機械変換素子
２の構成と、電源の印加方法とを説明する。

【００２２】電気−機械変換素子２は、８個の駆動用圧
電素子２ａ〜２ｈと、振動検出用圧電素子２ｉとから構
成される。駆動用圧電素子２ａ〜２ｈは、図の様に２個
１組で分極方向が交互に逆になる様に配置されている。
図中『＋』は分極方向が紙面表側から裏側へ、『−』は
分極方向が紙面裏側から表側へ向いていることを表す。

【００２３】そして、駆動用圧電素子２ａ、２ｃ、２
ｅ、２ｇと１個おきに表面電極に高周波電圧Ｖ1 が印加
され、残りの駆動用圧電素子２ｂ、２ｄ、２ｆ、２ｈに
は表面電極に高周波電圧Ｖ2 が印加される。高周波電圧
Ｖ2 は、高周波電圧Ｖ1 と同じ周波数で、π／２の時間
的位相差を有している。駆動用圧電素子２ａ〜２ｈの裏
面は、棒状振動体１のＡ面に電気的導通をとりながら接
着されている。従って、棒状振動体１が共通電極『ＧＮ
Ｄ』になっている。

【００２４】高周波電圧Ｖ1 とＶ2 との印加により駆動
用圧電素子２ａ〜２ｈが伸縮し、棒状振動体１に進行性
の波動が発生する。波動の発生に関する更に詳しい模様
は、本出願人による特開昭６０−２４５４８２号公報に
記載してあるので、ここでは説明を省略する。振動検出
用圧電素子２ｉは、棒状振動体１に発生した振動を電圧
に変換する為のもので、発生する電圧の大きさや位相差
をモニターしながら入力を制御することが可能になる。
詳細は、本出願人による特開昭５９−２０４４７７号公
報や特開昭６１−２５１４９０号公報等に記載してある
ので、ここでは説明を省略する。

【００２５】

【実施例】（第１実施例）図１〜図３を用いて、本発明
の第１実施例である波動循環型アクチュエータの説明を
する。図１は、波動循環型アクチュエータの斜視図であ
る。

【００２６】図２は、波動循環型アクチュエータの断面
図である。図３は、棒状振動体１の断面図である。第１
実施例は、原理説明で用いた波動循環型アクチュエータ
の一部を変更したものである。原理図と同様な構成のも
の（棒状振動体は除く）は同符号を付し、説明は省略す
る。

【００２７】第１実施例は、図４の棒状振動体１のＢ
面、Ｄ面に複数の突起を設け駆動効率を高くしたもので
ある。図１では、棒状弾性体１０のＢ面、Ｄ面に複数の
突起１０ａ〜１０ｈ及び１０ｉ〜１０ｐが設けられてい
る。Ａ面に設けられた電気−機械変換素子２によって発
生した表面波は、図４と同様にＮ端やＳ端で反射され、
複数の突起が設けられているＢ面やＤ面に進行し、Ｂ面
とＤ面を挟む様に圧接している移動体３（図２参照）
を、棒状振動体１０の長手方向に駆動する。

【００２８】棒状弾性体１０のＢ面とＤ面に、複数の突
起１０ａ〜１０ｈ及び１０ｉ〜１０ｐを設けることによ
り、表面波の振幅が増大して効率が向上する。棒状弾性
体１０の、突起１０ａ〜１０ｈおよび１０ｉ〜１０ｐ以
外の部分（図３中の斜線部）の寸法は、突起が設けられ
ていない部分の寸法ａに対し、突起が設けられている部
分の寸法ｂの方が、厚く設計されている。突起が設けら
れている部分の振動は、突起部が付加質量になって共振
周波数が下がってしまう。そこでｂ寸法をａ寸法に対し
て厚くすることによって、突起が設けられている部分の
振動の共振周波数と、突起が設けられていない部分の振
動の共振周波数とを、同一にしている。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、棒状振動
体の第１面群もしくは第２面群の少なくともいづれか一
方に、複数の突起を設けたので、駆動効率の高い波動循
環型アクチュエータが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による波動循環型アクチュエー
タの斜視図である。

【図２】図２は図１の断面図である。

【図３】図３は図１の棒状振動体１の断面図である。

【図４】図４は、波動循環型アクチュエータの原理を説
明する為の斜視図である。

【図５】図５は図４の支持方法に関する説明図である。

【図６】図６は図４の棒状振動体１の詳細図である。

【図７】図７は屈曲波の循環の様子の説明図である。

【図８】図８は表面波の循環の様子の説明図である。

【図９】図９は棒状振動体１の表面を展開して示した説
明図である。

【図１０】図１０は電気−機械変換素子２の構成と、電
源の印加方法とを説明する図である。

【図１１】図１１は、図４の棒状振動体１と電気−機械
変換素子２と移動体３との関係を説明する断面図であ
る。

【図１２】図１２は、従来のリニア型超音波モータの説
明図である。

【図１３】図１３は、従来のリニア型超音波モータの説
明図である。

【図１４】図１４は、従来のリニア型超音波モータの説
明図である。

【符号の説明】

１、１０ 棒状振動体 ２、２ａ、２ｂ、２ｃ 電気−機械変換素子、圧電体 ３ 移動体 ４、５ 支持部材 ６、７ 固定部 ８、８ａ、８ｂ、８ｃ 弾性体 ９ａ、９ｂ 結合子 １１ａ、１１ｂ 共振子 １２ａ、１２ｂ 振動子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向する２面からなる第１面群と、該第１
   面群とは異なり、対向する２面からなる第２面群との、
   ２つの面群を長手方向に有する棒状振動体と、 該棒状振動体の第１面群に設けられ、該第１面群の長手
   方向に進行する波動を発生させる電気−機械変換素子
   と、 該棒状振動体の両端部に設けられ、該第１面群の長手方
   向に進行する波動を反射して該第２面群に伝送する第１
   反射部と、該第２面群に伝送され長手方向に進行する波
   動を反射して該第１面群に循環させる第２反射部と、 該棒状振動体に圧接され、該進行する波動により移動す
   る移動体と、 を有する波動循環型アクチュエータにおいて、 該棒状弾性体の第１面群もしくは第２面群の少なくとも
   いづれか一方に、複数の突起を設けたことを特徴とす
   る。
2. 【請求項２】請求項１記載の波動循環型アクチュエータ
   において、 該電気−機械変換素子を該棒状振動体の第１面群に設
   け、該複数の突起を第２面群に設けたことを特徴とす
   る。