JP2684418B2 - 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、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方向曲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。

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＋、−となるように分
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
ように重ね合わせ、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ては本願発明者の中の一人
が発明し、既に公知である。（特開昭63−209479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63−209479号に
示されるよ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
端面を部分的に接触する弾性材料からなる全体形状が円
形に形成された共振子と、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、前記超音波振動子が
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個の共通接地電極が設
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により前記共振子と前記ロー
タとの接触面に斜板の首振り運動と等価な揺動回転を生
ぜしめてなるところにあり、又共振子に放射状の４本の
スリットを形成して該共振子が電極板と同じ90度の扇形
に区画されてなるところにあり、更には前記共振子を放
射状に４つに分割したところにある。

（実施例） 以下に、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には超音波振動子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が螺入されるねじ溝６が設けられ、軸
３のねじ２が該ねじ溝６に螺入されて固着している。軸
３は共振子５を貫通しており、該軸３の先端にはボルト
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は軸３の端部に形成されたねじ穴９に螺入されてお
り、ロータ７はボルト８を回転軸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
と凹部11が設けられている。凹部11には軸受12及び皿ば
ね13が設けられ、該軸受12及び皿ばね13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ね13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のデイスク面は共振子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
ッ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は全体形状が円形に形成されている。ここで
円形というのは、図示の実施例に見られるような、軸が
貫通する孔を中心部分に有する円柱状のほかに、円筒形
を含むものである。又、この実施例では、スリット15の
構造は共振子５とロータ７とが接触する接触面に開放す
る構造となっているが、このスリット構造に限定される
ものではない。又、スリットに換えて共振子５を放射状
に４つに分割し、４つの90度の扇形とすることもでき
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を半円に
＋、−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枚重ね合わたものと
該圧電素子16に接する１枚の分配電極17とからなってい
る。

圧電素子16を更に詳しく説明すると、第３図（イ）、
（ロ）に詳細に図示されているように、一方側の面に接
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、20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＋、−で示すように半円ずつ＋、−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、20、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の間に挟まれ
て配置されており、第３図（ハ）に示されているよう
に、電極19、20、21、22にそれぞれ接する電極板19A、2
0A、21A、22Aを有しており、電極板19Aと電極板21A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本のリード線23、24を接続している。超音波振動子４
には圧電素子16の接地電極18と接続するリード線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15によっ
て区画された共振子５の扇形に対応している。

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５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で首振り揺動するだけである
が、斜板31の円錐面32上の一点はロータ33と接した時に
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、圧電素子の変位量を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、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、20A、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７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ば足りるものであ
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ね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
ね合わせ、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。

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。 1:ベース、2:ねじ、3:軸、4:超音波振動子、5:共振子、
6:ねじ溝、7:ロータ、8:ボルト、9:ねじ穴、10:孔、11:
凹所、12:軸受、13:皿ばね、14:接触面、15:スリット、
16:圧電素子、17:分配電極 18:接地電極、19、20、21、22:電極 19A、20A、21A、22A:電極板 23、24、25:リード線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−209479（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−110980（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−140679（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−1482（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−70297（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータと、該ロータの端面を部分的に接触
   する弾性材料からなる全体形状が円形に形成された共振
   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、 前記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により前記共振
   子と前記ロータとの接触面に斜板の首振り運動と等価な
   揺動回転を生ぜしめてなることを特徴とする超音波アク
   チュエータ。
2. 【請求項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. 【請求項３】前記共振子に形成されたスリットが、前記
   ロータとが接触する接触面に開放してなることを特徴と
   する請求項第２項記載の超音波アクチュエータ。
4. 【請求項４】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。