JPH0332376A - 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、圧電素子からなる超音波振動子の変形を回啄
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
いわゆる斜板の許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６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６３−５９
７７７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に：ｆ公報に
見られるようなＩｆｉ１Ｏ１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、ｍ素化には
不−１分と諜わざるを得ない。

又、従来公知の超音波アクチエ−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ター
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方向萌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’ｆｌ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、圧電素子に幻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一 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。

一方、超音波振動子が環状の円板からなる圧電素子から
なり、該圧電素子が半円同士に＋、−となる上うに分極
処理されており、該圧電素子の一方側には１個の接地電
極が設けられ、他方側には９０度扇形となった４個の電
極板が１１り記＋半円部分に２個と−半円部分に２個配
置されてなり、前記４個の電極板の内、対向する電極板
同士が短絡されてなり、隣接する２個の電極板に位相を
９０度ずらせて交流電圧を印加するようにし、このよう
な環状の圧電素子を２枚、前記４個の電極板の極性が一
致するように重わ合わせ、該圧電素子に接する１枚の分
配電極を設けた超音波モータに関しでは本願発明者の中
の一人が発明し、既Ｉこ公知である。（ｌ開昭６３−２
０９４７９号公報参照） 上記公知の圧電素子からなる超音波振動子を電歪公転子
と命名されている。

この公知の超音波モータでは、該超音波振動子の半径方
向変形を利用してロータの回転を得るようになっている
。

そこで、本発明の目的は、前記特開昭６３−２０９４７
９号に示される上うな電歪公転子を用いて、該圧電素子
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、該ロータの端
面と部分的に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、超
音波振動子が環状の円板からなる圧電素子からなり、該
圧電素子が半円同士に＋、−となるように分極処１！１
３れてなり、該圧電素ｒの一方側には１個の接地電極が
、設けられ、他方側には９０度扇形どなった４個の電極
板が１ｊｆｊ記−１−４１’、内部分に２個と−半円部
分に２個配置されてなり、前記４個の電極板の内、則向
する電極板同士が短絡されてなり、隣接する２個の電極
板に位相を９０度ずらせた交流電圧を印加し、共振子と
ロータの接触面に斜板の首振り運動と等価な運動を生ぜ
しめてなると：ろにある３、 （実施例） 以１Ｎ′に、本発明の一実施例を第１図ないし第４図を
参照して説明する。

図を参照して、ベース１にはねじ２を有する軸３が突設
されている。該ベース１には′Ｍｉ音波振動子４を挟ん
で弾性材料からなる共振子５が固着されている。共振子
５には軸３のねじ２が螺入されるｈじ溝６が設けられ、
軸３のｈじ２が該わじ溝６に螺入されて固着している。

軸３は共振Ｔ−５を貫通しており、該軸３の先端にはポ
ル）・８によってロータ７が回転自在に設けられている
。ボルト８は紬３の端部に形成されたねじ穴９に螺入さ
れてｊＥす、ロータ７はボルト８を回虹紬として回転自
在に取り付けられている。ロータ７にはボルト８が貫通
する孔１０と四部１１が設けられている。四部１１には
軸受１２及び冊ばね１３が設けられ、該軸受１２及び皿
ばｆ２１３をボルト８が挿通している。ボルト８の締め
具合によって皿ばｉｗ　１．３による圧着強さが変わり
、これによってロータ７と共振子５との圧着力を調節可
能としている。

ロータ７のディスク面は共振子５の変形を受けて接触す
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５の接触面１４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
ツキ処理等が為されている。尚、ロータ７の傾斜が必ず
しも必要な構成ではなく、ロータ７が軸方向に移動可能
な構成であれば平面であっても良い。

共振子５は放射状の４本のスリット１５（特に第４図を
参照のこと）によって９０度の扇形に区画されている。

尚、９０度の扇形に完全に分割する構造とすることもで
きる。

超音波振動子４は、前記特開昭６３−２０９４７９号公
報に示されている電歪公転子と同様に、圧電素子１６を
１′・円に士、−に分極処理してなり、これに９０度間
隔に扇形に４個の電極板を設けてなり、これを２枚重り
合わたものと該圧電素子１６（こ接する１枚の分配電極
１７とからなっている。

圧電素子１６を更に詳しく説明４−ると、第３図（イ）
、（ロ）に群細に図示されている↓うに、−刀剣の面に
接地電極１８が施され、他側面には９０度間隔に扇形の
電極板１９．２０．２１．２２が施され、電極１９．２
０に＋の直流電圧を印加し、電極２１．２２には−の直
流電圧を印加して、図示の＋、−で示す」：うに才円ず
っ十、−に残留分極されている。そして、この実施例で
は、前述のように処理された２枚の圧電素子１６を４個
の電極板１９．２ｏ、２１．２２が極性が一致する（＋
の極性同士及び−の極性同士が重なり合う）ようにして
重ね合わされている。

又、分配電極１７は前記２枚の圧電素子１６の間に挾ま
れて配ａＣれており、第３図（ハ）に示されているよう
に、電極１９．２ｏ、２１．２２にそれぞれ接する電極
板１９Ａ、２ＯＡ。

２１、Ａ、２２Ａを有しておｉ）、電極板１９Ａと電極
板２］Ａとを短絡し、電極板２０Ａと電極板２２Ａとを
短絡し、それぞれに２本のリードａ２３．２４を接続し
ている。超音波振動子４には圧電素子１Ｇの接地電極１
８と接続するりｔ’線２５が設けられている。

前記扇形の電極１９．２０．２１．２２は、スリット１
５によって区画された共振子５の扇形に月応している。

］？Ｊ、−Ｌのように構成された本発明の超ｆ波アクチ
ュエータの作用を説明４″る。

まず、第５図を参照していわゆる斜板の首振ｌ）揺動運
動について説明する。

斜板３１はちょうどコマが斜めになって肖″振り揺動回
転する。にうに動作する。ここで、剥板３１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ｊるだけ
であるが、斜板３１の円錐面３２上の一点はロータ３３
と接した時（こ所定の周速（接線方向速度）で変位する
ので、該円錐面３２がその周速でロータ３３を摩擦駆動
することとなる。この場合の同板メカニズムは斜板歯１
１１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／　Ｓ　ｉｎθ となる。

今、圧電素子の変位量をΔＬ、斜板の半径をＲとすると
、ΔＬ　ｆ、を微少であるからＳｉｎθ＝θとなり、結
局減速比は １　／　Ｓ　ｉｎθ＝１／θ＝１／（ΔＬ／Ｒ）＝Ｒ／
ΔＬ となる。

１１ さて、本発明の超音波アクチュエータにおいて、リード
線２３．２４に同一周波数の交流電圧を９０度だけ位相
をずらせて印加すると、電極板１９Ａ、２ＯＡ、２１Ａ
、２２Ａを介して電極１９．２０．２１．２２のように
分極された圧電素子１６が順次（交互に）伸縮し、この
振動が共振子５を縦弾性振動波として伝播してその接触
面１４に斜板のイ振り揺動運動時に生ずる運動と等価な
運動を生ザしぬ、これに上ってロータ７が回転駆動され
るものである。

以上は本発明の−・実施例であって、本発明は上記実施
例に限定されるものではない。

例えば、軸方向振動を起こさせる圧電素子の構造は前記
実施例に限定されるものではなく、実質的に９０度扇形
の圧電素子を４個設ける構造であれ（！足りるものであ
り、例えば１枚の環状の円板を分極処理するのではなく
、４個の圧電素子を円周上に配置する構造とすることも
できる。

又、上記実施例では、圧電素子を２枚設置し２− ているが、本発明の圧電素子は２枚に限定されるもので
はなく、１枚でも良いことは勿論のことであるし、又、
３枚以上とすることも可能である。

又、前記実施例では、圧電素子の分極された部分が互い
に向かい合うように重わあわされて分配電極板を１枚で
済むようにしているが、圧電素子の接地電極部分を重わ
合わせ、分配電極板を２枚接地する構造とすることもで
きる。

（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。

４つの扇形の圧電素子による軸方向の弾性振動波から回
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。

本発明の構成によると、圧電素子を２枚あるいはそれ以
上重わ今わせることが簡単に可能となっているので、−
層重形、高出力の超音波アクチュエータが得られるもの
である。

本発明によると、基本的には３本のリード線を設置する
だけで良いので、配線が簡略化できるものとなる。

【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
の正面図、第２図は第１図の超音波アクチュエータの分
解図、第３図（イ）は圧電素子を一方側から見た平面図
、第３図（ロ）は圧電素子を他方側から見た平面図、第
３図（ハ）は分配電極板を示す正面図、第４図は共振子
の平面図、第５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である。 ２：ｈじ　３：紬　４：超音波振動子 ６：ｆａじ溝　７：ロータ　８：ボルトコ０：孔　１１
：凹所　１２：軸受 １４：接触面　１５ニスリツト １７二分配電極 １９．２０．２１．２２：電極 １：ベース ５：共振子 ９：ｆ２じ穴 １３：皿ばｈ １６：圧電素子 １８：接地電極 １ ９Ａ。 ０Ａ１ ２　１、、　Ａ、 ２２Ａ：電極板 ２３． ２４． ２５：リード線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロータと、該ロータの端面と部分的に接触する弾
   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、 超音波振動子が環状の円板からなる圧電素子からなり、
   該圧電素子が半円同士に＋、−となるように厚さ方向に
   分極処理されてなり、該圧電素子の一方側には１個の接
   地電極が設けられ、他方側には９０度扇形となった４個
   の電極板が前記＋半円部分に２個と−半円部分に２個配
   置されてなり、前記４個の電極板の内、対向する電極板
   同士が短絡されてなり、隣接する２個の電極板に位相を
   ９０度ずらせて交流電圧を印加することを特徴とする超
   音波アクチュエータ。
2. （２）共振子に放射状の４本のスリットを形成し、該共
   振子が電極板と同じ９０度の扇形に区画されてなること
   を特徴とする請求項第１項記載の超音波アクチュエータ
   。
3. （３）共振子を放射状に４つに分割し、該共振子が電極
   板と同じ９０度の扇形に配置してなることを特徴とする
   請求項第１項記載の超音波アクチュエータ。
4. （４）共振子の接触面に表面硬化処理を施してなること
   を特徴とする請求項第１項ないし第３項のいずれか１項
   記載の超音波アクチュエータ。
5. （５）ロータと共振子とを弾性体を介して挟着固定し、
   ロータと共振子とを相対的に接近、離反する手段を設け
   て互いの圧着力を可変としたことを特徴とする請求項第
   １項ないし第４項のいずれか１項記載の超音波アクチュ
   エータ。