JPH01298964A - 振動子型アクチュエータ - 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、自動焦点カメラ等の精密機械装置に用いて好
適なアクチュエータに関し、特に電気機械変換素子とし
て圧電振動子を用いる振動子型アクチュエータに関する
。

（従来の技術とその課題） 電気エネルギを機械エネルギに変換する電気機械変換手
段として圧電振動子を用いる振動子型アクチュエータと
しては超音波モータが実用化されている。

超音波モータには大きく分けて３種類の方式がある。第
１の方式は進行波型またはモード回転型と呼ばれるもの
であり、第２の方式は定在波を利用する定在波型であり
、第３の方式が複合共振型と呼ばれるものである。

ところが、従来から知られている超音波モータは、圧電
振動子等の機械構造や圧電振動子を駆動する回路が複雑
であり、従って小型化が難しく、また高価であった。

そこで、本発明の目的は、圧電振動子等の機械構造が単
純で、圧電振動子を駆動する回路も簡単になる振動子型
アクチュエータの提供にある。

（課題を解決するための手段） 前述の課題を解決するために本発明が提供する手段は、
圧動振動子により電気エネルギを機械エネルギーに変換
して移動子に変位を与える振動子型アクチュエータであ
って、前記圧電振動子が、円柱状に成形されたセラミッ
ク圧電体と、この圧電体の長手軸に垂直な両端面に固着
されている一対の電極とからなり、前記移動子は前記圧
電振動子の円柱状側面に接触していることを特徴とする
。

（作用） 本発明の振動子型アクチュエータは、前に述べた３つの
方式のうちの複合共振型に属し、このアクチュエータで
用いる圧電振動子は円柱型のセラミック製である。

円柱型振動子の振動は、長さ方向の振動と断面の拡がり
振動の二次元結合と考えてよいことが既に報告されてい
る。円柱型振動子の長さをρ、密度をＰ、ヤング率をＥ
とすると、その方向の縦振動の共振角周波数ω、は −πＥ ωｊ−ρｐ（１） 円柱型振動子の半径をｒ、ポアソン比をδとすると、径
方向の共振角周波数ω、は、 ω、−−７侍トｔワ＋　　（２） で与えられる。ただしζは次のベッセル関数Ｊの根であ
る。

ζＪ、（ζ）−（１−δ）Ｊｌ　（ζ）　−〇　（３）
一般に等方性の振動体の場合における共振角周波数を与
える式は次式で与えられる。

ω’　　（１−３μ２−２μ３　） −ω　４　　（１−μ　２　　）　　（ω　、　′　　
−ト　ω　、　′　　十　ω　　　２）＋ω２　（ω、
２　ωｂ　２　＋ω、２　ωｅ２十ωＣ′ω、′）−ω
　２ωｂ２６）ｅ２＝　Ｏ（４） 円柱の３次元結合振動の基本式は（４）式において ωａ：ωＪ１　　ωｂ：ωｒｌ ω・−ω・　　　　　　　　　　　　　　　（５）とお
いて得られる。

（ω２−」二」Ｌω、２） １＋σ 一ω２　（ωＪ２＋ω、２）土ω、２ωｒ２）＝　Ｏ（
６） （６）式において第二項は、 なる関係式を用いると、 ω　４　　（１−η　２　　）　　−ω　２　　（ω　
オ　　２　　＋　ω　・　　２　　）十ω、′ω、’＝
Ｏ（７） となり、見かけ上結合係数がηであるようなω。

とω、の２次元結合の式と一致する。長さ方向に分極し
た圧電磁器を駆動する時には第一項から得られる ω１＝−ヒ（ａ１％　　　　　　　　　（ａ）１−σ なる振動は観測されない。

（７）式を用いて、同一材料でρを変えた場合、および
定数の違う材料を用いて第一共振周波数ｆｌ、第二共振
角周波数ｆ２を算出した結果が第４図である０本図から
れかるように、円柱型振動子の結合共振角周波数につい
ては実験値と理論値が、多少の誤差を含むのめ比較的よ
く一致する。

長さ方向に分極された円柱型振動子に上述の結合共振角
周波数の交流電圧を印加すると、その振動子の円柱状側
面に振動変位が生ずる。第５図は、直径Ｄ（Ｄ＝２ｒ＞
が１０１１で、長さｇが１０１１１の円柱型セラミック
圧電体（ＴＤＫ製９１Ｃ材）ｌａに電極１ｂ、１ｃを取
り付けてなる円柱型圧電振動子１と、この振動子に第一
共振周波数ｆｌの交流電圧を印加したときに該振動子１
の円柱状側面で観測される変位の状況を示す図である。

（但し、図では電極１ｂ、ＩＣはある程度の厚みに描い
であるが、実際には電極は圧電体の長さに比べて無視し
得る程に薄い。他の図においても同様である。）　第５
図（ａ）は円柱型振動子１の側面図、第５図（ｂ）はそ
の振動子１の斜視図、第５図（Ｃ）は同図（ａ）の矢印
Ａの方向から振動子１を見た時における変位を示す図、
第５図（ｄ）は同図（ａ）の矢印Ｂの方向から振動子１
を見たときにおける変位を示す図である。

これら図において圧電体１ａの表面またはその近傍に記
された矢印の方向は第４図の周波数ｆ１で励振されたと
きの変位の方向を示し、矢印の長さはそのときの変位の
強さを示す（第６図、第７図、第８図においても同様で
ある。） 第６図（ａ）はＤ　＝　１０＋ｍ、ρ＝７．３１ｍｍの
円柱型圧電体２１ａに電極２１ｂ、２１ｃを付けた円柱
型圧電振動子２１の側面図、同図（ｂ）はその振動子２
１の斜視図、同図（Ｃ）はその振動子２１の円柱状側面
における変位を示す図である。また、第７図（ａ）はＤ
　＝　１０＋ｍ、ρ＝５關の円柱型圧電体２２ａに電極
２２ｂ、２２ｃを付けてなる円柱型振動子２２の側面図
、同図（ｂ）はその振動子２２の斜視図、同図（Ｃ）は
その振動子２２の円柱状側面における変位を示す図であ
る。第６図、第７図の圧電体２１ａ、２２ａの材料は第
５図の１ａと同じである。

第５図から分かるように、直径りと長さρが等しい振動
子では強い一方向変位が生じている。また、長さ方向の
変位が大きい部分では周方向の変位が小さく、逆に長さ
方向の変位が小さい部分では周方向の変位が大きい。

本発明では、円柱型圧電振動子において長さ方向（軸方
向）の変位が大きい円柱状側面を移動子に接触させ、長
さ方向の変位が小さい円柱状側面を固定部で支持するこ
とにより、効率のよいアクチュエータを実現している。

第８図（ａ）は、円柱状側面の一部が長手軸に平行な平
面で切り取られて平担面をなしている円柱型振動子２３
を示す側面図、同図（ｂ）はその振動子２３の斜視図で
ある。また、第８図（ｃ）　、　（ｄ）及び（ｅ）は同
図（ａ）における矢印Ａ、Ｂ及びＣの方向から見た振動
子２３の変位を示す図である。

振動子２３は、第５図の振動子１の円柱状側面の一部を
切り欠いたものであり、その他の寸法および材料は第５
図の振動子１と同じである。第８図（ｅ）から明らかな
ように、円柱型振動子の円柱状側面の一部を平担面にす
ると、その平担図では長手方向の変位は小さい、そこで
、振動子型アクチュエータにおいて振動子を筐体に保持
するには、振動子の円柱状側面に平担面を形成し、その
平担面を筐体接触させればよい。

第８図には平担面が１箇所に形成された振動子を示した
が長手軸に対称に２箇所に平担面が形成された振動子で
も同様な変位が観測される。

なお、第５図から第８図に示した振動子の分極方向は各
振動子の長さ方向に一致している。

（実施例） 次に実施例を挙げ本発明を一層詳しく説明する。

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例を示す断面図、同
図（ｂ）はその平面図である。この実施例の振動子型ア
クチュエータは超音波モータであり、ステータとして作
用する振動子１．２．ロータ３゜ロータ３を回転自在に
支える円柱状の軸体４．ロータ３を振動子１および２に
所定圧力で押し付けるスプリング５．スポンジ状ゴム板
８を介して振動子１及び２をそれぞれ保持する振動子保
持枠６及び７．筺体２０（前述の固定部材に相当）、振
動子保持枠６及び７を筺体２０にネジ止めする雄ネジ９
及び１０．軸体４を筺体２０に固定するナツト１５゜１
６からなっている。ロータ３は、前述の移動子に相当し
、振動子１．２に駆動されて軸体４の回りを回転する。

振動子１は第５図に示した円柱型セラミック圧電振動子
であり、振動子２も振動子ｌと同じものである。振動子
１及び２はロータ３の回転中心、即ち軸体４の軸心から
等距離に配置しである。

これらＦＡ動子１，２は、交流電圧を印加したときに長
さ方向の変位が最も大きい部分の円柱状側面でロータ３
に接触し、長さ方向の変位が最も小さい部分でゴム板８
に接触している そして、振動子１．２におけるロータ３に接する面の変
位の向きが第１図（ｂ）に示す如くになるように、振動
子１．２をロータ３に接触させる。

例えば、第５図に矢印Ａで示す振動子１の側面をロータ
３に接触させた場合には、振動子２では第５図（ａ）に
矢印Ａ又はＣで示す面をロータ３に接触させ、第１図（
ｂ）に示す如くに振動子１．２の変位方向を揃える。ス
プリング５は軸体４の頭部４ａを支点としてロータ３を
振動子２に押し付けている。そのスプリング５による押
し付ける力（圧接力）は、ナツト１５．１６を緩めて軸
体４を上又は下に動かし、ナツト１５．１６を再び締め
付けることにより任意に調節できる。

第９図は第１図実施例における入力電圧とロータ回転速
度の関係を示す特性図である。本図では、ロータ３を２
３８ｇ及び６２７ｇの力で振動子１．２に押し付け、振
動子１．２には１３２．４にＨ２の交流を印加したとき
の特性が示しである０本図から明らかなように、第１図
実施例ではロータ３は滑らかに高速に回転する。

第１０図は、第１図実施例について、ロータ３の押し付
は力をパラメータとして、入力電圧と停動トルクとの関
係を示す特性図である。ロータ３を振動子１．２に１．
３にＱで押し付けておき、入力電圧を３５Ｖ　ｐ−ｐに
すると、停動トルクは３００ｇ−■であり、比較的多き
な値となる。

第１図実施例において、振動子１．２に周波数ｆの交流
電圧を連続して加えればロータ３は連続的に回転する。

これに対し、その周波数ｆの交流電圧が第１１図で示す
ように、時間Ｔ１だけバースト的に加えられ、次の時間
１゛２には電圧０になればロータ３はバーストの都度ス
テップ状に回転する。即ち、第１図実施例はステッピン
グモータとしても作動さ・せることができる、１バース
ト当りにロータ３が回転する角度は、１バースト内にお
ける交流電圧の波数に比例し、従って１バーストの時間
ＴＩに比例する。バースト当りの波数と回転角度は正確
に比例することが実験的に確認され゛た。

なお、第１図実施例では、ロータ３は軸体４に回転自在
に支持されているが、ロータ３が軸体４に固着されてい
て、軸体４が筐体２０に回転自在に支持される構造でも
この発明は実施できる。軸体４がロータ３と一体に回転
する！Ｒ造では、軸体４は軸受を介して筐体２０に支持
されるのが好ましい。

また、第１図実施例ではロータ３はスプリング５で振動
子１．２に押し付けであるが、このスプリング５は必須
ではない０本発明では振動子の円柱状側面と移動子（ロ
ータ３）とが互いに圧接してあれば、振動子の長さ方向
の変位で移動子を動かすことができるのであるから、ス
プリング５に代えで、ロータ３の上に同心の円板状重り
を乗せてもよいし、振動子１．２の下側に別のスプリン
グを設けて該スプリングで振動子１，２を下から上に向
けて圧してロータ３と振動子１．２とを圧接させてもよ
い。

第２図（ａ）、　（ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ本発明の
第２の実施例の平面図、正面図および側面図である。

この実施例の振動子型アクチュエータは、第１図実施例
と同じ振動子１及び２で移動子１３を挟持してなる。本
図の振動子型アクチュエータでは移動子１３は同図（ｂ
）に矢印を付して示すように上下に並行に移動する。振
動子１，２を移動子１３に押し付けるには、第１図の実
施例のようにスプリング等の弾性体を用いればよい。

第３図は本発明の第３の実施例を示す概念図である。こ
の実施例の振動子型アクチュエータは超音波モータであ
る０本図の実施例に用いている振動子１１では、柱状圧
電体１ａの片方の端面に固着しである電極が電気的に互
いに分離された電極１ｂＡと１ｂ、とからなっている、
このように−対の電極のうちの片方の電極が２つに分割
されていること以外の点では、振動子１１は第５図の振
動子１と同じ構造である。第３図実施例にはスイッチ１
８が備えてあり、交流電源１２の出力電圧を端子Ｐ又は
Ｑに切り替える。端子Ｐから電極１ｂ＾にに交流電圧を
加える場合と、端子Ｑから電極ｌｂｅに交流電圧を加え
る場合とでは振動子１１における変位の向きが逆になる
。ロータ１４は、振動子１１の円柱状側面に圧接されて
おり、振動子１１との接触面における振動子１１の変位
の向きに回転する。したがって、ロータ１４の回転方向
はスイッチ１８の切替えにより任意に選択できる。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように、本発明によれば、圧電振動
子等の機械構造が簡単であり、また圧電振動子に加える
交流電圧も単相でよく、従って圧電振動子の駆動回路も
簡単な振動子型アクチュエータを提供できる。また、円
柱型圧電振動子の一対の電極のうちの片方だけを２つに
分割して、分割されている２つの電極のうちのいずれか
一方に任意に交流電圧を切替えて印加することにより、
移動子の移動方向を任意に選ぶことができる０本発明の
振動子型アクチュエータは、構造が単純であるから、信
頼性に優れ、安価に容易に製作できる。′：＆た低電力
で高速に高トルクで作動させることができることも本発
明のアクチュエータの利点である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例を示す断面図、第
１図（ｂ）はその第１の実施例の平面図、第２図（ａ）
　、　（ｂ）及び（Ｃ）は本発明の第２の実施例を示す
平面図、正面図および側面図、第３図は本発明の第３の
実施例を示す概念図、第４図は円柱型振動子の結合共振
周波数を示す図、第５図〜第８図は円柱型振動子の例と
これら円柱型振動子の円柱状側面における変位の状況を
示す図、第９図は第１図実施例における入力電圧とロー
タ回転速度との関係を示す特性図、第１０図は第１図実
施例における入力電圧と停動トルクとの関係を示す特性
図、第１１図はバースト交流電圧の例を示す波形図であ
る。 １　、２　、１１．２１．２２．２３・・・円柱型圧電
振動子、３．１４．・・・ロータ、４・・・軸体、５・
・・スプリング、６．７・・・振動子保持枠、８・・・
スポンジ状ゴム板、９．１０・・・雄ネジ、１２・・・
交流電源、１３・・・移動子、１５、１６・・・ナツト
、１８・・・スイッチ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．圧動振動子により電気エネルギを機械エネルギーに
   変換して移動子に変位を与える 振動子型アクチュエータにおいて、前記圧電振動子が、
   円柱状に成形されたセラミック圧電体と、この圧電体の
   長手軸に垂直な両端面に固着されている一対の電極とか
   らなり、前記移動子は前記圧電振動子の円柱状側面に接
   触していることを特徴とする振動子型アクチュエータ。
2. ２．前記圧電振動子の円柱状側面と前記移動子とを互い
   に圧接する手段が備えてあることを特徴とする請求項１
   記載の振動子型アクチュエータ。
3. ３．前記移動子が円板状をなし、該円板状移動子には同
   軸に軸体が固着してあり、この軸体は軸受により回転自
   在に固定部材に支持されていることを特徴とする請求項
   １又は２記載の振動子型アクチュエータ。
4. ４．前記一対の電極のうちの一方が電気的に互いに分離
   された電極Ａ及び電極Ｂからなり、前記電気エネルギを
   前記電極Ａ又は電極Ｂのうちのいずれか一方に切替えて
   供給するスイッチが備えてあることを特徴とする請求項
   １，２又は３記載の振動子型アクチュエータ。
5. ５．前記圧電振動子が複数箇備えてあることを特徴とす
   る請求項１，２，３又は４記載の振動子型アクチュエー
   タ
6. ６．前記圧電振動子の円柱状側面の一部が前記長手軸に
   平行な平面で切り取られて平担面をなしており、該平担
   面が固定部材に接触することにより前記圧電振動子は該
   固定部材に支持されており、前記長手軸に関して周方向
   に約９０度の位置において前記圧電振動子は前記移動子
   に接触していることを特徴とする振動子型アクチュエー
   タ。
7. ７．前記平担面が前記長手軸に関して対称な２箇所に設
   けられていることを特徴とする請求項６記載の振動子型
   アクチュエータ。