JP2019161901A - Ultrasonic actuator - Google Patents
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Abstract
Description
以下の開示は、超音波アクチュエータに関する。 The following disclosure relates to ultrasonic actuators.
近年、ロボットの関節などの動きを実現するのに適しているという理由から、球状の被駆動体と、多自由度に被駆動体を駆動する圧電素子とを組み合わせた超音波アクチュエータの実用化が期待されている。従来、このような超音波アクチュエータでは、被駆動体を支持する部材の被駆動体に対する摺動抵抗を低減するために、進行波を生じるリング型超音波振動子を複数組み合わせて球体ロータを保持及び駆動している(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, ultrasonic actuators that combine a spherical driven body and a piezoelectric element that drives the driven body with multiple degrees of freedom have been put into practical use because it is suitable for realizing movements of robot joints and the like. Expected. Conventionally, in such an ultrasonic actuator, in order to reduce the sliding resistance of the member supporting the driven body with respect to the driven body, the spherical rotor is held by combining a plurality of ring type ultrasonic transducers that generate traveling waves. It is driven (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上述のような従来技術は、複数のリング型超音波振動子のそれぞれに生じる振動が、互いに球体ロータの回転に対する摩擦抵抗となるためアクチュエータの効率が下がるとともに、構成要素が多く質量が増加していた。そのため、超音波アクチュエータでは、質量に対する出力の比であるパワーウェイトレイシオ(Power-to-weight ratio)が低くなるという問題があった。 However, in the conventional technology as described above, the vibration generated in each of the plurality of ring-type ultrasonic transducers becomes a frictional resistance against the rotation of the spherical rotor, thereby reducing the efficiency of the actuator and increasing the number of components and increasing the mass. Was. Therefore, the ultrasonic actuator has a problem that the power-to-weight ratio, which is the ratio of output to mass, is low.
本開示の一態様は、パワーウェイトレイシオが高い超音波アクチュエータを実現することを目的とする。 An object of one embodiment of the present disclosure is to realize an ultrasonic actuator having a high power way ratio.
上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る超音波アクチュエータは、少なくとも一部に湾曲面を有するロータと、上記ロータの中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、上記ロータを挟んで配置された少なくとも1対の超音波振動子と、を備え、複数の上記超音波振動子のそれぞれは、その先端部が上記湾曲面に接触している構成である。 In order to solve the above-described problem, an ultrasonic actuator according to an aspect of the present disclosure includes a rotor having a curved surface at least in part and a position that is point-symmetric with respect to the center of the rotor. And at least one pair of ultrasonic transducers arranged with the rotor interposed therebetween, and each of the plurality of ultrasonic transducers has a configuration in which a tip portion thereof is in contact with the curved surface.
本開示の一態様によれば、パワーウェイトレイシオが高い超音波アクチュエータを実現することができる。 According to one aspect of the present disclosure, an ultrasonic actuator having a high power way ratio can be realized.
〔実施形態1〕
以下、実施形態1について、詳細に説明する。図1は、実施形態1に係る超音波アクチュエータ100の概略構成を示す図である。図1に示すように、超音波アクチュエータ100は、ロータ110と、1対の超音波振動子120(120A,120B)と、を含んでいる。また、超音波アクチュエータ100は、予圧機構130を備えている。但し予圧の付与は、構造体等、他の構成要素がこの機能を果たしてもよく、独立している構成要素が担当する必要はない。
Embodiment 1
Hereinafter, the first embodiment will be described in detail. FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an
ロータ110は、少なくとも一部に湾曲面を有する構成である。実施形態1では、ロータ110は、球体であり、当該球体の表面が、上記の湾曲面を構成している。ロータ110は、詳細については後述するが、少なくとも1対の超音波振動子120によって、自由に回転可能に保持されている。
The
対を成す2つの超音波振動子120は、球体であるロータ110の中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、ロータ110を挟んで配置されている。また、これらの複数の超音波振動子120のそれぞれは、その先端部124がロータ110の表面に接触している。
The two
予圧機構130は、超音波アクチュエータ100の不図示の筐体の一部として構成されている。予圧機構130は、1対の超音波振動子120間に、互いの距離が縮まる方向に予圧を加えるように構成されている。予圧機構130は、複数対の超音波振動子120を超音波アクチュエータ100が備える構成では、それぞれ対となる超音波振動子120間に互いの距離が縮まる方向に予圧を加えることができるように構成されているのが望ましい。
The
〔超音波振動子120の構成について〕
図2は、1対の超音波振動子120の分解斜視図である。図2に示すように、超音波振動子120は、振動体121を有している。振動体121は、ステンレス等の金属から形成され、グランド電位を有している。振動体121は、中空角柱形状の部材であり、振動体121の4つの側面のそれぞれには、圧電素子125〜128が設けられている。また、振動体121は、4つの側面全体が圧電素子125〜128によって覆われている。
[Configuration of the ultrasonic transducer 120]
FIG. 2 is an exploded perspective view of the pair of
圧電素子125〜128は、電圧を加えると応力変化を生ずる性質を有する板状の素子であり、振動体121の各側面に固定されている。圧電素子125〜128は、例えば、セラミックスや水晶等の材質から形成することができる。
The
超音波振動子120の、ロータ110に対向する先端部124は、振動体121とは別体に形成され、振動体121の先端に取り付けられている。先端部124は、例えば円錐台形状とすることができ、ロータ110に接触する側の面が、ロータ110の湾曲面に対応する凹面形状を有している。
A
超音波アクチュエータ100は、ロータ110の湾曲面に対応する凹面形状を有する先端部124を、ロータ110の湾曲面に接触させて、ロータ110を挟んで配置された少なくとも1対の超音波振動子120によってロータ110を保持している。これにより、球体のロータ110が、ロータ110を保持する超音波振動子120から外れにくい構造とすることができる。よって、ロータ110の中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、ロータ110を挟んで配置された1対の超音波振動子120によってロータ110を、自由に回転可能に、安定して保持することができる。
In the
振動体121の、先端側に相対する後端側には、保持ポスト123が、振動体121の中空部に挿入され、中空部に嵌め込まれた状態で設けられている。保持ポスト123は、棒状の部材であり、保持ポスト123に対して振動体121の回転を防止するための構造、例えばキー溝を備えている。保持ポスト123は、図示は省略するが、超音波アクチュエータ100の筐体に保持され、超音波振動子120に対する予圧機構130による予圧は、保持ポスト123を介して加えられる。
On the rear end side of the vibrating
実施形態1では、1対の超音波振動子120が、ロータ110の中心を対称点として、互いに点対称となる位置、つまり、ロータ110を挟んで鏡面対称の一直線上に配置されている。このため、予圧機構130は、一対の超音波振動子120の、それぞれの保持ポスト123を挟み込むように構成すればよく、構造を簡素化することが出来る。
In the first embodiment, the pair of
図3の(a)〜(d)はそれぞれ、超音波振動子120の駆動態様を示した図である。図3の(a)は、超音波振動子120の圧電素子125〜128の構成を示している。図3の(a)に示すように、圧電素子125〜128は、それぞれ板状の、上部電極125A〜128A及び下部電極125B〜128Bを有している。上部電極125A〜128Aは、圧電素子125〜128の上半分を覆うように、下部電極125B〜128Bは、圧電素子125〜128の下半分を覆うように設けられている。
FIGS. 3A to 3D are views showing driving modes of the
上部電極125A〜128A及び下部電極125B〜128Bは、振動体121を挟んで対角線上に位置するもの同士が結線されており、同一電位にある。また、各圧電素子125〜128において、上下に配置された上部電極125A〜128A及び下部電極125B〜128Bは、互いに導通しないよう構成されている。
The
超音波振動子120は、上部電極125A〜128A、または下部電極125B〜128Bに電圧を供給することで、圧電素子125〜128における該電極に対応する部分が伸縮する。これにより、振動体121は振動する。
The ultrasonic transducer |
圧電素子125〜128の上部電極125A〜128Aには、対向する圧電素子125〜128の下部電極と共通の駆動信号が供給される。例えば、圧電素子125の上部電極125Aおよび圧電素子127の下部電極127Bには共通の交代電圧Vaが供給される。圧電素子125の上部電極125Aに対応する部分は、印加される電圧Vaに応じて変形(伸縮)する。
Driving signals common to the lower electrodes of the opposing
また、圧電素子125の下部電極125Bおよび圧電素子127の上部電極127Aには共通の交代電圧Vbが供給される。圧電素子125の下部電極125Bに対応する部分は、印加される電圧Vbに応じて変形(伸縮)する。
A common alternating voltage Vb is supplied to the
図3の(b)は、交代電圧Va、Vbおよび超音波振動子120の時間変化を示す図である。図3の(b)の上側には、各期間I〜IVに対応する超音波振動子120の状態を示す。図3の(b)において、圧電素子125,127の中の(+)、(−)は、各極性の電圧が印加される電極に対応する部分を表す。超音波振動子120は、(i)伸縮振動モード(図3の(c)を参照)と、(ii)S字屈曲振動モード(図3の(d)を参照)との、2つの固有振動モードを有する。
FIG. 3B is a diagram illustrating temporal changes of the alternating voltages Va and Vb and the
図3の(b)に示すように、Va及びVbは位相が90°異なる交代電圧である。圧電素子125,127に正極性の電圧が印加されているとき(期間I)、圧電素子125,127は振動体121の長軸に沿った方向に伸長される。圧電素子125,127に負極性の電圧が印加されているとき(期間III)、圧電素子125,127は振動体121の長軸に沿った方向に圧縮される。圧電素子125,127は振動体121に貼り付けられているので、振動体121における圧電素子125,127に対応する部分(圧電素子が貼り付けられた部分)も、同様に伸長/圧縮される。
As shown in FIG. 3B, Va and Vb are alternating voltages whose phases differ by 90 °. When a positive voltage is applied to the
この結果、2つの交代電圧Va,Vbが同じ極性である期間I,IIIでは、図3の(c)に示した、振動体121の伸縮振動モードが励起される。また、2つの交代電圧Va,Vbが異なる極性である期間II,IVでは、図3の(d)に示した、振動体121のS字屈曲振動モードが励起される。四角柱である振動体121のアスペクト比(幅:高さ)が1:4であれば、伸縮振動モード及びS字屈曲振動モードの共振周波数が概ね一致する。
As a result, in the periods I and III in which the two alternating voltages Va and Vb have the same polarity, the stretching vibration mode of the vibrating
同じ周波数で伸縮振動モードとS字屈曲振動モードとが励起されることにより、1周期(期間I〜IV)の間に図3の(b)に示すように振動体121が変形する。各振動モードにおいて励起される振動は、振動体121の長軸の中央部の位置が変化しない定在波振動である。期間I〜IVにおける振動部121の振動の結果、超音波振動子120の先端部124が楕円振動を行う。
When the stretching vibration mode and the S-shaped bending vibration mode are excited at the same frequency, the vibrating
図4の(a)〜(d)はそれぞれ、超音波振動子120の振動によるロータの回転方向を示す図である。図4の(a)に示すように、超音波振動子120の先端部124は、予圧機構130による予圧を持ってロータ110の表面に接触しているため、先端部124の楕円振動によって、ロータ110が摩擦駆動されて回転する。
4A to 4D are diagrams showing the rotation direction of the rotor due to the vibration of the
超音波振動子120は、(i)第1の振動方向(図4の(b)のz方向)と、(ii)第1の振動方向に直交する第2の振動方向(図4の(c)のy方向)と、に振動する。なお、x方向は超音波振動子120の長軸に沿った方向であり、y方向及びz方向は、x方向に直交し、且つ、互いに直行する方向である。図4の(b)〜(d)では、第1の振動方向(z方向)は、図中の手前側(+z)及び奥側(−z)に向かう振動方向であり、第2の振動方向(y方向)は、図中の上側(+y)及び下側(−y)に向かう振動方向である。
The
実施形態1では、1対の超音波振動子120がロータ110の中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、ロータ110を挟んで配置されている。このため、一方の超音波振動子120Aを−z方向に向かってロータ110を摩擦駆動させるように振動させる。そして、他方の超音波振動子120Bを+z方向に向かってロータ110を摩擦駆動させるように振動さる。これにより、図4の(b)に示したように、ロータ110は、y軸を中心に回転する。
In the first embodiment, a pair of
また、一方の超音波振動子120Aを−y方向に向かってロータ110を摩擦駆動させるように振動させる。そして、他方の超音波振動子120Bを+y方向に向かってロータ110を摩擦駆動させるように振動させる。これにより、図4の(c)に示したように、ロータ110は、z軸を中心に回転する。
Also, one
このように、1対の上記超音波振動子120は、ロータ110の中心を対称点として、湾曲面の接点において、互いに点対称となる振動運動を行うように、上部電極125A〜128A、または下部電極125B〜128Bに電圧を加える。これにより、ロータ110への回転力の作用方向を一致さることができる。このように、1対の超音波振動子120が、互いの動きを阻害しない振動運動を行うため、超音波振動子120のそれぞれの振動が互いにロータ110の回転に対する摩擦抵抗となることなく、高いパワーウェイトレイシオを得ることができる。
In this way, the pair of
また、1対の超音波振動子120は、ロータ110に回転力を与えるだけではなく、ロータ110を保持する機能も有している。これにより、ロータ110を別の圧電素子を用いて保持する構成に比べて、ロータ110に加わる保持機構による摩擦抵抗を低減することができ、より高いパワーウェイトレイシオを得ることができる。
In addition, the pair of
また、一方の超音波振動子120Aを−y方向に向かってロータ110を摩擦駆動させるように振動させる。そして、他方の超音波振動子120Bを+z方向に向かってロータ110を摩擦駆動させるように振動させる。これにより、図4の(d)に示したように、ロータ110は、xy平面上の、y軸から45°傾いた回転軸を中心に回転する。
Also, one
このように、第1の振動方向と、第1の振動方向に直交する第2の振動方向と、に振動する超音波振動子120の振動方向を組み合わせることで、ロータ110の回転方向に多自由度を持たせることができる。
In this way, by combining the vibration direction of the
図5及び図6はそれぞれ、超音波振動子120の振動方向と、ロータ110の回転方向と、の別の例を示す図である。図5、図6に示したように、超音波振動子120は、公知の原理(例えば、日本ロボット学会誌、vol.16、no.8、pp.1115−1122,1998“縦振動と横振動の縮退に基づく多自由度超音波モータの開発”)に基づいて振動体121に、その長軸方向の回転運動を生じさせることも可能である。例えば、図3の(d)に示したS字屈曲運動を、図5の(i)〜(iv)に示したように、90°ずつ位相をずらして、振動体121の4つの側面に順に発生させる。これにより、振動体121の先端部124に楕円振動が生じ、図6に示したように、ロータ110が超音波振動子120の長軸を回転軸とする回転運動を行う。
5 and 6 are diagrams showing another example of the vibration direction of the
図7は、超音波アクチュエータ100の実用例を示す図である。上述の構成によれば、超音波アクチュエータ100の構造をシンプルにすることができ、質量の低減も図ることができる。また、ロータ110の回転方向に多自由度を持たせた超音波アクチュエータ100を実現することができる。このような高いパワーウェイトレイショを有する超音波アクチュエータ100は、例えば、図7に示したように、飛行ロボット50に採用することができる。飛行ロボット50は、一対の羽51と、カメラ52と、筐体53とを、備えている。2つの羽51は、2つの超音波アクチュエータ100によりそれぞれ駆動される。カメラ52は、飛行ロボット50の周囲を撮影可能な部材であり、例えばCMOSカメラである構成とすることができる。なお、飛行ロボット50は、1つのカメラ52に限らず、複数のカメラ52を備えている構成であってもよいし、スピーカ等の他の部材を備えている構成であってもよい。筐体52の内部には、超音波アクチュエータ100、バッテリー、駆動回路、制御回路、通信回路が収容されている。
FIG. 7 is a diagram illustrating a practical example of the
〔実施形態2〕
実施形態2について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態1にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
[Embodiment 2]
Embodiment 2 will be described below. For convenience of explanation, members having the same functions as those described in the first embodiment are given the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
図8は、実施形態2に係る超音波アクチュエータ200の概略構成を示す図である。図8に示すように、超音波アクチュエータ200は、ロータ110の中心を対称点として、互いに点対称となる位置にロータ110を挟んで配置されている一対の超音波振動子120の組を2組備えている。
FIG. 8 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
また、この2組の、一対の超音波振動子120からなる組は、互いに直交する位置に配置されている。つまり、ロータ110の周りには、4つの超音波振動子120が、ロータ110の中心を中心点として、互いに90°ずつずれた位置に配置されている。この構成によれば、1つのロータ110を4つの超音波振動子120で挟み込んで安定して保持及び駆動させることができ、超音波アクチュエータ200のパワーを向上させることができる。
In addition, the two sets of the pair of the
図9の(a)〜(c)はそれぞれ、超音波アクチュエータ200におけるロータ110の回転動作を示す図である。図9の(a)に示すように、z軸を回転軸とする回転動作をロータ110に行わせるためには、各超音波振動子120を、該当する方向にロータ110を回転させるように振動させることで、容易に実現することができる。図9の(a)に示した例では、ロータ110は、z軸を回転軸として、+z側から見て反時計まわりに回転する。
FIGS. 9A to 9C are diagrams showing the rotation operation of the
また、2組の、一対の超音波振動子120からなる組のうち、どちらか一方の組の超音波振動子120の長軸を回転軸として、ロータ110に回転動作を行わせることもできる。図9の(b)及び(c)はそれぞれ、ロータ110の上下に配置された一対の超音波振動子120C,120Dの長軸を回転軸として、ロータ110に回転動作を行わせる場合の各超音波振動子120の振動を示した図である。
In addition, the
超音波振動子120C,120Dの長軸を回転軸として、ロータ110に回転動作を行わせる場合、図9の(b)及び(c)に示すように、回転軸とならない側の1対の超音波振動子120A,120Bを、回転軸と直交する方向であって、互いに逆向きの方向にロータ110を摩擦駆動する。
When the
図9の(b)及び(c)に示した例では、図中左側の超音波振動子120Aは、−z方向に向かってロータ110を摩擦駆動し、図中右側の超音波振動子120Bは、+z方向に向かってロータ110を摩擦駆動する。
In the example shown in FIGS. 9B and 9C, the
図9の(b)に示したように、回転軸となる側の超音波振動子120C,120Dは、ロータ110に対する摩擦を低減させるために振動させることができる。例えば、超音波振動子120C,120Dには、振動体121に伸縮振動のみを励起する電圧を加えることで、ロータ110に対する摩擦を低減することができる。なお、クーロンの摩擦法則からは、予圧が一定である以上、伸縮振動による摩擦の平均値は変化しないと考えられる。しかしながら、回転軸となる側の超音波振動子120C,120Dの振動体121に伸縮振動を励起することで、スティックスリップ現象が起きなくなる。このため、回転軸とならない側の1対の超音波振動子120A,120Bのロータ110に対する、静止摩擦から動摩擦へ移行するため摩擦力は、低減すると考えられる。そして、本願の発明者らの実験でも明らかな摩擦力の低減が観察されている。
As shown in FIG. 9B, the
また、図9の(c)に示したように、回転軸となる側の超音波振動子120C,120Dは、振動体121の先端部124にロータ110の回転運動を励起するように振動させてもよい。超音波振動子120C,120Dは、実施形態1において図5及び図6を用いて説明したように、90°ずつ位相を異ならせたS字屈曲運動を各振動体121の各側面に励起することで、ロータ110の回転運動に寄与するように振動させることができる。これにより、超音波アクチュエータ200のパワーウェイトレイシオを高くすることができる。
Further, as shown in FIG. 9C, the
本開示の一態様は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 One aspect of the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and the technical means disclosed in different embodiments can be appropriately combined. Embodiments to be included are also included in the technical scope of the present disclosure. Furthermore, a new technical feature can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
100、200 超音波アクチュエータ
110 ロータ
120、120A、120B、120C、120D 超音波振動子
121 振動体
124 先端部
125〜128 圧電素子
130 予圧機構
100, 200
Claims (6)
上記ロータの中心を対称点として、互いに点対称となる位置に、上記ロータを挟んで配置された少なくとも1対の超音波振動子と、を備え、
複数の上記超音波振動子のそれぞれは、その先端部が上記湾曲面に接触している
ことを特徴とする超音波アクチュエータ。 A rotor having a curved surface at least in part;
And at least one pair of ultrasonic transducers arranged with the rotor in between, at a position that is point-symmetric with respect to the center of the rotor,
Each of the plurality of ultrasonic transducers has its tip portion in contact with the curved surface.
ことを特徴とする請求項1に記載の超音波アクチュエータ。 The ultrasonic actuator according to claim 1, wherein the distal end portion has a concave shape corresponding to the curved surface.
ことを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の超音波アクチュエータ。 The ultrasonic transducer vibrates in a first vibration direction and a second vibration direction orthogonal to the first vibration direction.
The ultrasonic actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein:
上記超音波振動子の2つの組は、互いに直交する位置に配置されている
ことを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の超音波アクチュエータ。 Two sets of the above-described ultrasonic transducers are provided,
The ultrasonic actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein the two sets of the ultrasonic transducers are arranged at positions orthogonal to each other.
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WO2021045145A1 (en) | 2019-09-05 | 2021-03-11 | 千代田化工建設株式会社 | Acetic acid production method |
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2018
- 2018-03-14 JP JP2018046964A patent/JP2019161901A/en active Pending
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