JP2639845B2

JP2639845B2 - 超音波アクチュエータ

Info

Publication number: JP2639845B2
Application number: JP1266305A
Authority: JP
Inventors: 雅俊近藤
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-10-16
Filing date: 1989-10-16
Publication date: 1997-08-13
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JPH03135380A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、圧電素子からなる超音波振動子の変形を回
転力に変換して取り出すようにした超音波アクチュエー
タに関し、更に詳しくは該超音波振動子の軸方向の変形
をいわゆる斜板の首振り揺動回転と等価な運動に変換
し、これを回転出力として取り出すようにした超音波ア
クチュエータに関する。

（従来の技術）圧電素子からなる超音波振動子の伸縮を利用してこれ
を回転力として取り出すようにした超音波アクチュエー
タは、小形、軽量、高トルクな上、慣性力も小さいので
種々の制御装置の駆動源として有効なものとして期待さ
れている。（特開昭58−148682号公報、特開昭63−5977
7号公報参照）（発明が解決しようとする課題）ところが、前記特開昭58−148682号公報に見られるよ
うな超音波アクチュエータでは、進行性の振動波を用い
るので、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ず、これに伴な
ってリード線も多数設置せざるを得ず、未だアクチュエ
ータの小形化、軽量化、簡素化には不十分と言わざるを
得ない。

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間に常に一定の比例関係が保た
れているため、本来移動体の駆動力となるべき縦波振幅
と移動体の支持力となるべき横波振幅を自由に制御する
ことが困難であり、要求される負荷や速度の変化に対応
して制御することが困難であった。

他方、特開昭63−59777号公報に見られる超音波アク
チュエータは、２方向に曲げ振動波を励起して駆動力を
得るものであろうが、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変位を得ることは簡単で
あるが、その反面において大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
が困難なものであった。

又、この形式のアクチュエータで大トルクを得んとす
れば、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、駆動回路が大形化するばかりではなく、装置のコ
ストが大巾にアップしてしまう。このような問題点は曲
げ振動を利用することに根源がある。

そこで、本発明の目的は、圧電素子の軸方向振動を利
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、以て小形で高出力、かつ構造が簡単な超音波ア
クチュエータを得んとするところにある。

（課題を解決するための手段）本発明の特徴とするところは、ロータと、該ロータの
開放端面と接触する弾性材料からなる共振子と、該共振
子の端面を軸方向に振動させる１枚以上の超音波振動子
とからなり、共振子とロータとの接触面に斜板の首振り
運動と等価な運動を生ぜしめてなるアクチュエータにお
いて、前記超音波振動子として一個ないし複数の圧電素
子が設けられており、前記共振子に円錐状の凹所が設け
られ、該共振子の凹所の開放端面が前記ロータと接して
なり、前記圧電素子に順次電圧を付与してなることろに
ある。

更に、本発明の特徴とするところは、前記ロータが２
個設けられ、該２個のロータの間に前記共振子が２個
挟着されてなり、該２個の共振子に１個以上の超音波振
動子が挟着されてなり、前記超音波振動子として一個な
いし複数の圧電素子が設けられてなり、前記２個の共振
子が円錐状の凹所を有してなり、それぞれの共振子の凹
所の開放端面が前記各ロータと接してなり、前記圧電素
子に順次電圧を付与してラータを回転させてなるところ
にある。

本発明の上記構成によってロータの端面に斜板の首振
り運動と等価な運動を生ぜしめてなれるものである。

（実施例）以下に、本発明の一実施例を第１図及び第２図を参照
して説明する。

図を参照して、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
移動可能か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。この実施例では共振子４は第１の共振子
4₁と第２の共振子4₂とに分割されており、該第１の共振
子4₁と第２の共振子4₂との間に２枚の超音波振動子５が
挟着されている。尚、超音波振動子５は１枚以上であれ
ば良い。又、第２の共振子4₂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良
い。超音波共振子５を挟着した共振子４はボルト６によ
って一体に固着されている。第２共振子4₂にはフランジ
７が形成されており、止めボルト８によって該フランジ
７をケーシング３に固定している。回転軸２にはねじ2₁
が切られており、該ねじ2₁にはナット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４とナット９とに接して設けられ、該
ナット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の後述の開放端
面13との圧着力を可変としている。

第１の共振子4₁には円錐状の凹所12が形成されてお
り、該第１の共振子4₁の開放端面13がロータ１の端面1₁
と接するようになっている。この開放端面13の断面形状
を円弧状とすることが望ましい。

超音波振動子５には第２図に示すように、４個の扇形
の圧電素子14A、14B、14C、14Dが円周状に分割して設け
られ、それらの間に前記ボルト６が貫通する孔15が形成
されている。

前記構成において、ロータ１の端面1₁は共振子４の変
形を設けて接触するものであるから、僅かに傾斜する円
錐面となっており、共振子４の開放端面13には摩耗防止
のための表面硬化処理、たとえば熱処理、アルマイト処
理、硬質クロムメッキ処理等が為されている。尚、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
ても良い。

以上のように構成された本発明の超音波アクチュエー
タの作用を説明する。

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21はちょうどコマ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上の一点でロータ23と接した状態
で一周した時、その一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ムズは斜板歯
車を用いた減速機構として公知であり（特開昭60−1254
43号公報参照）、その減速比は以下のとおりである。

即ち、首振り揺動回転の傾斜角度をθとすると、減速
比は 1/Sinθ となる。

今、軸方向の変位量をΔＬ、斜板の半径をＲとする
と、ΔＬは微少であるからSinθ＝θとなり、結局減速
比は 1/Sinθ＝1/θ＝1/（ΔL/R）＝R/ΔＬとなる。

さて、本発明の超音波アクチュエータにおいて、圧電
素子14A、14B、14C、14Dに順次電圧を印加すると、該圧
電素子14A、14B、14C、14Dが順次伸張して振動状態とな
り、この振動が共振子４を縦弾性振動波として伝播して
その開放端面13に斜板の首振り揺動運動時に生ずる運動
と等価な運動を生ぜしめ、これによってロータ１が回転
駆動されるものである。

以上は本発明の一実施例であって、本発明は次のよう
な実施例とすることもできる。

第４図は本発明の他の実施例を示す断面図である。

この実施例は１本の回転軸31に２個のロータ32₁、32₂
を設け、２個の共振子33₁、33₂によってそれぞれのロー
タ32₁、32₂を同方向に回転駆動させるようにしたもので
ある。

即ち、一方のロータ32₁には回転軸31が固定され、該
回転軸31は他方のロータ32₂を貫通して該ロータ32₂を軸
方向移動可能に支持している。２個のロータ32₁、32₂の
間には２個の共振子33₁、33₂が挟着され、該２個の共振
子33₁、33₂の間には超音波振動子34が挟着されている。
それぞれの共振子33₁、33₂にはフランジ35が形成されて
おり、該両フランジ35にボルト36によって締め付けるこ
とによって両方の共振子33₁、33₂を一体化すると同時に
超音波振動子34を挟着するものとなっている。尚、この
実施例では、フランジ35あるいはボルト36によって共振
子部分を外部の固定枠に固定する。

２個のロータ32₁、32₂は車両のホイールとして使用さ
れるようにその外径は共振子、33₁、33₂及び超音波振動
子34の外径よりも大きくなっている。

回転軸31の端部にはねじが切られており、該ねじにナ
ット37を螺合し、該ナット37とロータ32₂との間に２個
のスペーサ38を設け、該スペーサ38を離反方向に付勢す
るスプリング39を設けてロータ32₁、32₂と共振子33₁、3
3₂の圧着力を調整可能とする点は前記第１図及び第２図
に示す実施例と同様である。

上記実施例によると、ホイールの駆動装置としても使
用可能であり、特に超音波モータは大トルクを発生する
上、慣性が小さいので、精密に制限される走行体の駆動
装置として良好なものとなる。

（発明の効果）以上に説明した本発明の効果を上げると以下のとおり
である。

扇形の圧電素子による軸方向の弾性振動波か回転力を
取り出すものとなっているので、得られるトルクが大き
く、小形で高出力の超音波アクチュエータが得られるも
のとなると同時に、小形かつコンパクトとなる。

共振子の円錐状の凹所の開放端ロータと接触するの
で、ロータとの接触面積が小さくなるので振動振幅が大
きく、かつ接触位置がほぼ同一半径位置となるので、振
動分布にバラツキが生じない。

又、２個のロータを設けたものでは、該ロータをホイ
ールとして使用することにより大トルクかつ起動特性及
び停止特性の良好なホイール駆動装置が得られる。

本発明の構成によると、超音波振動子を２枚あるいは
それ以上重ね合わせることが簡単に可能となっているの
で、一層小形、高出力の超音波アクチュエータが得られ
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す超音波アクチュエータ
の断面図、第２図は第１図の超音波振動子の平面図、第
３図は本発明の動作である斜板の首振り運動説明するた
めの図、第４図は本発明の他の実施例を示す断面図であ
る。 1:ロータ、2:回転軸、3:ケーシング、B:軸受、4:共振
子、5:超音波振動子、12:凹所、13:開放端面

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータと、該ロータの開放端面と接触する
弾性材料からなる共振子と、該共振子の端面を軸方向に
振動させる１枚以上の超音波振動子とからなり、共振子
とロータとの接触面に斜板の首振り運動と等価な運動を
生ぜしめてなるアクチュエータにおいて、前記超音波振動子として一個ないし複数の圧電素子が設
けられてなり、前記共振子に円錐状の凹所が設けられ、
該共振子の凹所の開放端面が前記ロータと接してなり、
前記圧電素子に順次電圧を付与してなることを特徴とす
る超音波アクチュエータ。
【請求項２】ロータと、該ロータの開放端面と接触する
弾性材料からなる共振子と、該共振子の端面を軸方向に
振動させる１枚以上の超音波振動子とからなり、共振子
とロータとの接触面に斜板の首振り運動と等価な運動を
生ぜしめてなるアクチュエータにおいて、前記ロータが２個設けられ、該２個のロータの間に前記
共振子が２個挟着されてなり、該２個の共振子に１個以
上の超音波振動子が挟着されてなり、前記超音波振動子
として一個ないし複数の圧電素子が設けられてなり、前
記２個の共振子が円錐状の凹所を有してなり、それぞれ
の共振子の凹所の開放端面が前記各ロータと接してな
り、前記圧電素子に順次電圧を付与してロータを回転さ
せてなることを特徴とする超音波アクチュエータ。