JP2006093916A - 音響流アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 音響流現象を利用して、簡易な構成で液中において動作可能なアクチュエータを提供する。
【解決手段】 板状の圧電素子２と、該圧電素子２の両面２ａ，２ｂに設けられ圧電素子２に対して高周波電圧を加える外部電極３，４と、圧電素子２の両面２ａ，２ｂ側に発せられる音響波の強さを異ならせる音響波調整手段７とを備える音響流アクチュエータ１を提供する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、音響流を発生させる力の反作用力を用いた音響流アクチュエータに関するものである。

従来、液中で動作可能な小型のアクチュエータとしては、スクリューを回転させ、推進力を得る液中駆動アクチュエータがある。
一方、近年、液体中において発生する音響流現象が注目されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１によれば、圧電振動子により液体中に音響流を生じさせ、その容器内で液体を循環させることができる。
特開２００３−７１２７７号公報

しかしながら、従来の液中駆動アクチュエータにおいては、スクリューを回転させるためのモータが機構部を備えるために、スクリューとモータとを連結するシャフト部またはモータ自体に防水処理を施す必要がある。このため、アクチュエータが大型化するとともに、部品点数が多くなり構造が複雑になるという不都合があった。
また、本発明者は、音響流現象に着目し、液体を駆動する力を生じさせる圧電振動子に作用する反作用力を液中駆動アクチュエータに利用することを着想し、本発明を構成するに至った。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、音響流現象を利用して、簡易な構成で液中において動作可能な音響流アクチュエータを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、板状の圧電素子と、該圧電素子の両面に設けられ圧電素子に対して高周波電圧を加える外部電極と、前記圧電素子の両面側に形成される音響波の強さを異ならせる音響波調整手段とを備える音響流アクチュエータを提供する。

本発明に係る音響流アクチュエータを液中に配置し、圧電素子の両面に設けられた外部電極に高周波電圧を加えることにより、圧電素子の両面から音響波が相反する２方向に向かって発せられる。この場合において音響波調整手段の作動により、圧電素子の両面側に発せられる音響波の強さが異ならされるので、両面側において液中に形成される音響流の強さに差が与えられ、その差に相当する大きさの音響流に対する液体からの反作用による推進力が圧電素子に加えられることになる。その結果、圧電素子が液中において一方向に推進されることになる。

上記発明においては、前記音響波調整手段が、圧電素子の推進方向前方に配される表面に塗布された樹脂等の音響波減衰部材を備えることとしてもよい。
このように構成することで、音響波減衰部材の作動により、音響波減衰部材が設けられている側の圧電素子から発せられる音響波が減衰させられる。その結果、圧電素子の両面から発せられる音響波に差異が生ずることになり、その差異に応じて液中に発生する音響流の反作用によって、圧電素子が一方向に推進されることになる。音響波調整手段を音響波減衰部材により構成することにより、簡易に圧電素子の両面側における音響波に差を与えることができる。

また、上記発明においては、前記音響波調整手段が、圧電素子の推進方向後方に配される表面に形成された凹面を備えることとしてもよい。
このように構成することで、圧電素子の凹面から発せられる音響波を集中させることができる。したがって、凹面側に発生する音響流の強さを増大させることができる。これにより、圧電素子の両面側に生ずる音響波に差異を生じさせ、圧電素子の凹面が形成されている方向とは逆方向に向けて圧電素子を推進することができる。

さらに、上記発明においては、前記音響波調整手段が、推進方向とは逆側の表面に形成された凸面を備えることとしてもよい。
このようにすることで、圧電素子の凸面から発せられる音響波を拡散させることができる。したがって、凸面側に発生する音響流の強さを弱めることができる。これにより、圧電素子の両面側に生ずる音響流に差異を生じさせ、圧電素子の凸面が形成されている方向に向けて圧電素子を推進することができる。

また、上記発明においては、前記音響波調整手段が、圧電素子の推進方向前方に配される表面を覆い、内部に液体を充填した容器からなることとしてもよい。
このように構成すると、圧電素子の推進方向前方には、容器内に充填されている液体内に向けて、推進方向後方に向かうのと同等の音響波が発せられるが、推進方向前方に向かう音響波は、その表面を覆っている容器によって遮られ、それ以上進行しない。したがって、容器の外部においては、推進方向前方に発せられる音響波が減弱されるので、結果として圧電素子の両側に生ずる音響流に差異を生じさせることができ、圧電素子が推進方向前方に向けて推進されることになる。

また、上記発明においては、前記外部電極が、前記圧電素子の両面に、それぞれ複数設けられていることとしてもよい。
圧電素子の両面に設けられた複数の外部電極の内、一部の外部電極に高周波電圧を加えることにより、圧電素子の表面の内の一部から音響波を発生させて周囲に音響流を発生させることができる。この場合には、圧電素子に偏った推進力が与えられるので、圧電素子の推進方向を曲げることができる。

本発明によれば、液中において回転させられるスクリューやそれを回転させるモータを必要とせず、したがって、潤滑や大がかりな防水処理等を必要とせず、簡易な構成で推進力を得ることができる音響流アクチュエータを提供することができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る音響流アクチュエータ１について、図１および図２を参照して説明する。
本実施形態に係る音響流アクチュエータ１は、図１に示されるように、円板状の圧電素子２と、該圧電素子２の両側の表面に設けられた一対の外部電極３，４とを備えている。図１（ａ）は本実施形態に係る音響流アクチュエータ１の第１面２ａ（正面）、（ｂ）は側面、（ｃ）は第２面２ｂ（背面）をそれぞれ示している。外部電極３，４は、円形の円板端部３ａ，４ａと該円板端部３ａ，４ａに接続する帯状の帯板部３ｂ，４ｂとを備えている。

圧電素子２の第１面２ａ側に貼り付けられた外部電極３は、負極側外部電極であって、その円板端部３ａが圧電素子２の中央に配置されるとともに、帯板部３ｂは側面を回り込んで第２面２ｂ側にまで延びている。また、圧電素子２の前記第２面２ｂ側に貼り付けられた外部電極４は、正極側外部電極であって、円板端部４ａが圧電素子２の中央部に配置されている。これらの外部電極３，４には、外部に配される電源（図示略）に接続するためのリード線５が接続されている。
また、これらの圧電素子２およびその表面に貼り付けられた外部電極３，４は、絶縁コーティング６によって全面を被覆され、周囲に配されることとなる水等の導電性の液体に接触しないようになっている。

なお、圧電素子２の負極側外部電極と正極側外部電極との間には、予め高電圧が加えられることによって、圧電素子２が分極処理されている。したがって、圧電素子２が圧電性を有する領域は、負極側外部電極３および正極側外部電極４とが圧電素子２を挟んで対向する領域である。

本実施形態においては、負極側外部電極３の帯板部３ｂ端面および正極側外部電極４が配される圧電素子２の前記第２面２ｂ側には、圧電素子２が圧電性を発生する正極側外部電極４の円板端部４ａの領域を含み、圧電素子２の第２面２ｂ側のほぼ全面を覆うようにエポキシ樹脂からなる音響波減衰部材（音響波調整手段）７が設けられている。音響波減衰部材７は、例えば、約数１００μｍ〜１ｍｍ程度の厚さに塗布されている。

このように構成された本実施形態に係る音響流アクチュエータ１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る音響流アクチュエータ１を作動させるには、この音響アクチュエータ１を水Ｗ中に投入し、リード線５間に高周波電源を接続して、所定の周波数の電圧を加える。所定の周波数は、圧電素子２の厚み振動共振周波数である。

これにより、音響流アクチュエータ１の圧電素子２が厚さ方向に振動して表面から音響波が放射される。この場合において、本実施形態に係る音響流アクチュエータ１においては、第２面２ｂ側が音響波減衰部材７によって覆われているので、図２（ａ）に示されるように、圧電素子２から発生される音響波Ａは、主として、第１面２ａ側に放射され、第２面２ｂ側からは放射されない。その結果、図２（ｂ）に示されるように、第１面２ａ側に配される水Ｗ中に第１面２ａから離れる方向に向かう音響流Ｂが発生する。

そして、音響流アクチュエータ１は、その圧電素子２を振動させることにより発生させた音響流Ｂからの反作用により、音響流Ｂのベクトルとは逆の方向に向かって力を受ける。すなわち、音響流アクチュエータ１は、音響流Ｂを発生させることの反作用として、音響流Ｂの放射方向とは逆方向に向けて推力Ｆを発生させることができる。したがって、この音響流アクチュエータ１を被推進部材（後述）に取り付けておくことにより、該被推進部材を一方向に推進させることができる。

このように、本実施形態に係る音響流アクチュエータ１によれば、推進用のスクリュのような機械部品を用いないので、モータとスクリュとの間の大がかりな防水処理や、回転部分の潤滑等が不要であり、非常に小型で簡易に構成することができ、水Ｗ中において簡易に推力Ｆを得ることができるという利点がある。

次に、本発明の第２の実施形態に係る音響流アクチュエータ１０について、図３〜図５を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る音響流アクチュエータ１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る音響流アクチュエータ１０は、図３に示されるように、圧電素子１１の形態およびエポキシ樹脂からなる音響波減衰部材７が設けられていない点において第１の実施形態に係る音響流アクチュエータ１と相違している。
本実施形態に係る音響流アクチュエータ１０の圧電素子１１は、図３（ａ）および（ｃ）に示されるように、第１の実施形態に係る音響流アクチュエータ１と同様の円板状の輪郭形状を備えているが、本実施形態においては、図３（ｂ）に示されるように、第２面１１ｂ側に凸に湾曲している。すなわち、本実施形態における音響流アクチュエータ１０の圧電素子１１は、第１面１１ａ側に凹面、第２面１１ｂ側に凸面を有し、略一定の厚さを有する略球面板に形成されている。

このように構成された本実施形態に係る音響流アクチュエータ１０を水Ｗ中に投入し、リード線５間に高周波電源を接続して、圧電素子１１の厚み振動共振周波数の電圧を加えると、音響流アクチュエータ１０の圧電素子１１が厚さ方向に振動して表面から音響波Ａ_１，Ａ_２が放射される。
この場合において、圧電素子１１が凹面からなる第１面１１ａを有しているので、図４に示されるように、第１面１１ａから放射された音響波Ａ_１は、次第に収束して強度が強くなる。一方、圧電素子１１が凸面からなる第２面１１ｂを有しているので、第２面１１ｂから放射された音響波Ａ_２は、次第に拡散されて強度が弱くなる。したがって、図５に示されるように、第１面１１ａ側においては、大きな音響流Ｂを効率的に発生させることができる一方、第２面１１ｂ側においては音響流が弱められることになる。

その結果、圧電素子１１の凹面１１ａおよび凸面１１ｂが、それぞれ、両面側に発せられる音響波Ａの強さを異ならせる音響波調整手段を構成することになり、第１の実施形態のようなエポキシ樹脂からなる音響波減衰部材７を有していなくても、高周波電圧を供給することによって、凸面１１ｂを進行方向前方とする推力Ｆを得ることができる。したがって、さらに簡易な構成の音響流アクチュエータ１０を提供することができる。

なお、本実施形態においては、圧電素子１１の両面に凹面１１ａと凸面１１ｂとを設けることとしたが、凹面１１ａおよび凸面１１ｂの効果は別々に発揮することができるので、凹面１１ａのみまたは凸面１１ｂのみを有する圧電素子１１によっても、一方向に向かう推力Ｆを発生可能な音響流アクチュエータ１０を構成することができる。また、音響波Ａ_１，Ａ_２を効率よく収束させ、あるいは効率よく拡散させるためには、圧電素子１１が球面状に形成されていることが望ましいが、略円筒状に湾曲させることとしても、ある程度の効果を達成することができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る音響流アクチュエータ２０について、図６〜図８を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る音響流アクチュエータ１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る音響流アクチュエータ２０は、図６に示されるように、円板状の圧電素子２の表面に２対の外部電極２１，２２；２３，２４を備えている点において、第１の実施形態に係る音響流アクチュエータ１と相違している。
対となる各外部電極２１，２２；２３，２４は、圧電素子２の中心位置からずれた位置において、圧電素子２を挟んで対向するように、それぞれの円板端部２１ａ，２２ａ；２３ａ，２４ａを配置している。また、各円板端部２１ａ，２２ａ；２３ａ，２４ａの中心は、圧電素子２の中心から等距離の位置に配置され、かつ、各円板端部２１ａ，２２ａ；２３ａ，２４ａの中心を結ぶ直線上に、圧電素子２の中心が乗るように配置されている。

このように構成された本実施形態に係る音響流アクチュエータ２０によれば、２対の外部電極２１，２２；２３，２４間に同時に同位相の高周波電圧を供給すると、第２面２ｂ側に設けたエポキシ樹脂からなる音響波減衰部材７によって、第１の実施形態に係る音響流アクチュエータ１と同一の原理で、図７（ａ）に示されるように第１面２ａ側のみに音響波Ａが放射され、図７（ｂ）に示されるように音響流Ｂが形成される。この場合において、２対の外部電極２１，２２；２３，２４の円板端部２１ａ，２２ａ；２３ａ，２４ａは、圧電素子２の中心を挟んで対称の位置に配置されているので、第２面２ｂ側を進行方向前方として直進する推力Ｆを得ることができる。

一方、２対の外部電極の内、いずれか一対の外部電極２１，２２（２３，２４）間のみに高周波電圧を供給すると、
図８（ａ）に示されるように圧電素子２の第１面２ａ側の偏心した位置から音響波Ａが放射され、図８（ｂ）に示されるように偏心した位置に音響流Ｂが形成される。その結果、第２面２ｂ側を進行方向前方とする推力Ｆが圧電素子２の中心からずれた位置に発生し、圧電素子２は、図８（ｂ）に矢印で示されるように、一定の曲率をもって湾曲する軌跡Ｃに沿って移動するようになる。

また、２対の外部電極２１，２２；２３，２４の内、他方の対の外部電極２３，２４（２１，２２）間のみに高周波電圧を供給すると、上記とは逆方向に湾曲する軌跡（図示略）に沿って移動するようになる。
したがって、本実施形態に係る音響流アクチュエータ２０によれば、きわめて簡易な構造によって、直進移動のみならず、高周波電圧を供給する外部電極２１，２２；２３，２４の対を切り替えるだけで、２方向への方向転換も行うことができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、外部電極２１，２２；２３，２４を２対設けることとしたが、これに限定されるものではなく、３対以上設けることにしてもよい。このようにすることで、高周波電圧を供給する外部電極の組み合わせを変更して、より複雑な動きを達成することができる。

また、圧電素子２の第２面２ｂ側のみにエポキシ樹脂からなる音響波減衰部材７を設けたが、これに代えて、図９に示されるように、一方の外部電極２１，２２の対には、第２面２ｂ側に音響波減衰部材７を配置し、他方の外部電極２３，２４の対には、第１面２ａ側に音響波減衰部材７を配置することにしてもよい。このように構成することで、高周波電圧を供給する外部電極２１，２２；２３，２４の対を切り替えることによって、２方向に推力Ｆを得ることができるとともに、２対の外部電極２１，２２；２３，２４の対に同時に高周波電圧を供給することによって、それ自体が回転する音響流アクチュエータ２０′を得ることができる。

また、上記第１および第３の実施形態において音響波調整手段として、エポキシ樹脂からなる音響波減衰部材７を採用したが、これに代えて、図１０に示されるように、音響流アクチュエータ３０の推進方向前方を容器３１によって覆うことにしてもよい。容器３１内部は、気密状態に密封した空間としてもよいが、側壁に貫通孔３１ａを設けることで、外部の液体Ｗを充満させてもよい。
このようにすることで、進行方向前方においては、放射される音響波Ａが容器３１内に閉じこめられて音響流Ｂが発生しないので、推力Ｆが発生せず、進行方向後方に発生する音響流Ｂによって、一方向に推進されるようになる。

図１１および図１２に、上記各実施形態に係る音響流アクチュエータ１，１０，２０，２０′，３０の応用例について、説明する。
図１１に示されるように、第１〜第３の実施形態に係る音響流アクチュエータ１，１０，２０，２０′，３０を、ＣＣＤ３２を搭載した潜水式の移動体３３に固定することにより、水Ｗ中を移動しながら観察を行うことができる。なお、外部電源（図示略）に接続するための配線５は、移動体３３内に電源を配置できる場合は移動体３３外に引き出す必要はない。

また、図１２に示されるように、水面に浮かべる浮動体３４に第１〜第３の実施形態に係る音響流アクチュエータ１，１０，２０，２０′，３０を固定することにより、浮動体３４を水Ｗ面上で移動させることができる。特に、音響流アクチュエータ１，１０，２０，２０′，３０を異なる方向に向けて複数取り付け、これらの音響流アクチュエータ１，１０，２０，２０′，３０を切り替えて駆動することによって、水Ｗ面上において浮動体３４を種々の方向に移動させることができる。

浮動体３４には、電源を搭載して音響流アクチュエータ１，１０，２０，２０′，３０に電力供給したり、搬送物を搭載したりすることができる。
また、音響流アクチュエータ１，１０，２０，２０′，３０を投入する液体は水Ｗに限られず、他の任意の液体中において動作させることにしてもよい。

第１の実施形態に係る音響流アクチュエータ１の実施例について、以下に説明する。
本実施例における音響流アクチュエータ１は、直径１０ｍｍ、厚さ０．２８ｍｍの円板状の圧電素子（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）２の第１面２ａおよび第２面２ｂに、直径１ｍｍの円板端部３ａ，４ａを有する外部電極３，４を貼り付けて挟み、絶縁コーティング６によって被覆するとともに、第２面２ｂ側に、０．５ｍｍ程度にエポキシ樹脂からなる音響波減衰部材７を塗布した。このように構成した音響流アクチュエータ１の厚み振動共振周波数が７．９ＭＨｚとなった。

このように構成された音響流アクチュエータ１を水Ｗ中に投入し、高周波電源から、７．９ＭＨｚの高周波の駆動電圧を供給した。駆動電圧の振幅は３０Ｖ_Ｐ−Ｐである。その結果、音響流アクチュエータ１は、第１面２ａ側に音響流Ｂを発生させ、第２面２ｂ側を進行方向前方とするように推進された。このときの起動推力Ｆは約１０ｇｆであり、無負荷速度は２００ｍｍ／ｓであった。

本発明の第１の実施形態に係る音響流アクチュエータを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は背面図である。 図１の音響流アクチュエータの動作を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る音響流アクチュエータを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は背面図である。 図３の音響流アクチュエータにより放射される音響波を説明する図である。 図３の音響流アクチュエータにより生成される音響流を説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る音響流アクチュエータを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は背面図である。 図６の音響流アクチュエータの動作を説明する図であり、複数の外部電極対に同時に高周波電圧を供給した場合を示す図である。 複数の外部電極対の一部に高周波電圧を供給した場合の図７と同様の図である。 図６の音響流アクチュエータの変形例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は背面図である。 図１または図６の音響流アクチュエータの音響波調整手段の変形例を示す図である。 本発明の音響流アクチュエータの第１の応用例を示す図である。 本発明の音響流アクチュエータの第２の応用例を示す図である。

符号の説明

１，１０，２０，２０′，３０ 音響流アクチュエータ
２，１１ 圧電素子
２ａ 第１面
２ｂ 第２面
３，４；２１，２２；２３，２４ 外部電極
７ 音響波減衰部材（音響波調整手段）
１１ａ 凹面（音響波調整手段）
１１ｂ 凸面（音響波調整手段）
３１ 容器（音響波調整手段）
Ａ，Ａ_１，Ａ_２ 音響波
Ｂ 音響流

Claims (6)

1. 板状の圧電素子と、
   該圧電素子の両面に設けられ圧電素子に対して高周波電圧を加える外部電極と、
   前記圧電素子の両面側に発せられる音響波の強さを異ならせる音響波調整手段とを備える音響流アクチュエータ。
2. 前記音響波調整手段が、圧電素子の推進方向前方に配される表面に塗布された樹脂等の音響波減衰部材を備える請求項１に記載の音響流アクチュエータ。
3. 前記音響波調整手段が、圧電素子の推進方向後方に配される表面に形成された凹面を備える請求項１または請求項２に記載の音響流アクチュエータ。
4. 前記音響波調整手段が、圧電素子の推進方向前方に配される表面に形成された凸面を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の音響流アクチュエータ。
5. 前記音響波調整手段が、圧電素子の推進方向前方に配される表面を覆い、内部に液体を充填した容器からなる請求項１または請求項３に記載の音響流アクチュエータ。
6. 前記外部電極が、前記圧電素子の両面に、それぞれ複数設けられている請求項１から請求項５のいずれかに記載の音響流アクチュエータ。

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