JP2975072B2 - 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

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

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。

【従来の技術】

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く
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59−96881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
ったステータ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を回転させるものである。 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ず、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、一般的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63−291819において、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と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ΔＬ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、ロータを
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】

本発明は、ローラに斜板を接触させ、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、且つ夫々の接触点に
おいて前記斜板の首振り揺動に相当する変位を弾性体と
ロータとの間に与えながら、該接触点が順次周方向に夫
々移動する変形となるように、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31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で首振り揺動運動するだけで
あるが、この斜板31の円錘面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、該円錘面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1/sinθとなる。 今、圧電素子の変位量をΔＬ、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 ＝1/（ΔL/R） ＝R/ΔＬ ……（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の円錘面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の端部には調整ナット７が螺
入され、該調整ナット７と軸受６の間にスプリング８が
設けられている。この調整ナット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5aが伸び、5Cと5c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5
D、5d収縮、更に圧電素子5C、5c伸長、圧電素子5A、5a
収縮、続いて圧電素子5D、5d伸長、圧電素子5B、5b収縮
とし、再度圧電素子5A、5a伸長、5C、5c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とが一方でしか接せ
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の回転中心を挟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。即ち、要は、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、且つ夫々の接触点において前記斜板の首
振り揺動に相当する変位を弾性体とロータとの間に与え
ながら、該接触点が順次周方向に夫々移動する変形とな
るように、前記複数の圧電素子を駆動するようにすれ
ば、本発明の所定の作用・効果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４図において、ロータ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共振子104a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の振動を受けて
「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には円錘状の凹
部112が設けられており、剛性がより小さくなるように
工夫してある。即ち、この実施例ではこの第１共振子10
4a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104aと同
一、又はこれにより剛性の高い材料で構成されている。
この第２共振子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共振子104aの部分のみが激しく振動
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104b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共振子104a、104bに剛性の差
を持たせたことにより、第２共振子104bの部分をほとん
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には円錘状
の凹部112が形成されており、該第１共振子104a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パ形状等であってもよい。 ロータ101の端面101aは、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錘面とされており、
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
にはナット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とナット109とに接して設けられ、該ナット109を回転
させることによりスプリング110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115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
によって挟持し、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ための線図、 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、 104……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。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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っ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、且つ夫々の接触点において
   前記斜板の首振り揺動に相当する変位を弾性体とロータ
   との間に与えながら、該接触点が順次周方向に夫々移動
   する変形となるように、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. 【請求項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。