JP2019161901A - Ultrasonic actuator - Google Patents

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Abstract

To realize an ultrasonic actuator with high power weight ratio.SOLUTION: An ultrasonic actuator (100) includes: a rotor (110) having a curved surface at least partially; and at least a pair of ultrasonic transducers (120) disposed with the rotor (110) interposed therebetween at positions of mutually symmetric points with a center of the rotor (110) as a symmetry point. Each of the plurality of ultrasonic transducers (120) has a tip portion in contact with the curved surface.SELECTED DRAWING: Figure 1

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).

特開2010−166722号公報(2010年7月29日公開)JP 2010-166722 A (released July 29, 2010)

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に係る超音波アクチュエータの概略構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an ultrasonic actuator according to Embodiment 1. FIG. 超音波振動子の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of an ultrasonic transducer | vibrator. (a)〜(d)はそれぞれ、超音波振動子の駆動態様を示した図である。(A)-(d) is the figure which showed the drive aspect of the ultrasonic transducer | vibrator, respectively. (a)〜(d)はそれぞれ、超音波振動子の振動によるロータの回転方向を示す図である。(A)-(d) is a figure which shows the rotation direction of the rotor by the vibration of an ultrasonic transducer | vibrator, respectively. 超音波振動子の振動方向と、ロータの回転方向と、の別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the vibration direction of an ultrasonic transducer | vibrator, and the rotation direction of a rotor. 超音波振動子の振動方向と、ロータの回転方向と、の別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the vibration direction of an ultrasonic transducer | vibrator, and the rotation direction of a rotor. 超音波アクチュエータの実用例を示す図である。It is a figure which shows the practical example of an ultrasonic actuator. 実施形態2に係る超音波アクチュエータの概略構成を示す図である。6 is a diagram illustrating a schematic configuration of an ultrasonic actuator according to a second embodiment. FIG. (a)〜(c)はそれぞれ、ロータの回転動作を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows the rotational operation of a rotor, respectively.

〔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 ultrasonic actuator 100 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the ultrasonic actuator 100 includes a rotor 110 and a pair of ultrasonic transducers 120 (120A, 120B). The ultrasonic actuator 100 includes a preload mechanism 130. However, the application of the preload may be performed by another component such as a structure or the like, and does not need to be handled by an independent component.

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 rotor 110 is configured to have a curved surface at least partially. In the first embodiment, the rotor 110 is a sphere, and the surface of the sphere forms the curved surface. Although details will be described later, the rotor 110 is held freely rotatable by at least one pair of ultrasonic transducers 120.

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 ultrasonic transducers 120 forming a pair are arranged with the rotor 110 interposed therebetween at positions that are symmetric with respect to the center of the rotor 110 that is a sphere. In addition, each of the plurality of ultrasonic transducers 120 has a tip portion 124 in contact with the surface of the rotor 110.

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 preload mechanism 130 is configured as a part of a housing (not shown) of the ultrasonic actuator 100. The preload mechanism 130 is configured to apply preload between the pair of ultrasonic transducers 120 in a direction in which the mutual distance decreases. In the configuration in which the ultrasonic actuator 100 includes a plurality of pairs of ultrasonic transducers 120, the preload mechanism 130 is configured so that preload can be applied in a direction in which the mutual distance between the ultrasonic transducers 120 is reduced. It is desirable that

〔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 ultrasonic transducers 120. As shown in FIG. 2, the ultrasonic transducer 120 has a vibrating body 121. The vibrating body 121 is made of a metal such as stainless steel and has a ground potential. The vibrating body 121 is a hollow prism-shaped member, and piezoelectric elements 125 to 128 are provided on each of the four side surfaces of the vibrating body 121. In addition, the vibrating body 121 is covered with piezoelectric elements 125 to 128 on all four side surfaces.

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 piezoelectric elements 125 to 128 are plate-like elements having a property of causing a stress change when a voltage is applied, and are fixed to each side surface of the vibrating body 121. The piezoelectric elements 125 to 128 can be formed of a material such as ceramics or quartz, for example.

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 tip portion 124 of the ultrasonic transducer 120 facing the rotor 110 is formed separately from the vibrating body 121 and is attached to the tip of the vibrating body 121. The front end portion 124 can be formed in, for example, a truncated cone shape, and the surface on the side in contact with the rotor 110 has a concave shape corresponding to the curved surface of the rotor 110.

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 ultrasonic actuator 100, at least one pair of ultrasonic transducers 120 disposed with the rotor 110 sandwiched between the tip portion 124 having a concave shape corresponding to the curved surface of the rotor 110 in contact with the curved surface of the rotor 110. Thus, the rotor 110 is held. Thereby, it can be set as the structure where the spherical rotor 110 is hard to remove | deviate from the ultrasonic transducer | vibrator 120 holding the rotor 110. FIG. Therefore, the rotor 110 can be freely rotated and stably held by a pair of ultrasonic transducers 120 arranged with the rotor 110 in between, with the center of the rotor 110 as a symmetric point, with the rotor 110 interposed therebetween. can do.

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 body 121 opposite to the front end side, a holding post 123 is provided in a state of being inserted into the hollow portion of the vibrating body 121 and fitted into the hollow portion. The holding post 123 is a rod-like member, and includes a structure for preventing the vibrating body 121 from rotating with respect to the holding post 123, for example, a key groove. Although not shown, the holding post 123 is held by the casing of the ultrasonic actuator 100, and preload by the preload mechanism 130 to the ultrasonic transducer 120 is applied via the holding post 123.

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 ultrasonic transducers 120 are arranged in a point-symmetrical position with respect to the center of the rotor 110, that is, on a straight line that is mirror-symmetric with respect to the rotor 110. For this reason, the preload mechanism 130 may be configured to sandwich the holding posts 123 of the pair of ultrasonic transducers 120, and the structure can be simplified.

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 ultrasonic transducer 120, respectively. FIG. 3A shows the configuration of the piezoelectric elements 125 to 128 of the ultrasonic transducer 120. As shown to (a) of FIG. 3, the piezoelectric elements 125-128 have plate-shaped upper electrode 125A-128A and lower electrode 125B-128B, respectively. The upper electrodes 125A to 128A are provided to cover the upper half of the piezoelectric elements 125 to 128, and the lower electrodes 125B to 128B are provided to cover the lower half of the piezoelectric elements 125 to 128.

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 upper electrodes 125 </ b> A to 128 </ b> A and the lower electrodes 125 </ b> B to 128 </ b> B are connected to each other diagonally across the vibrating body 121 and are at the same potential. Further, in each of the piezoelectric elements 125 to 128, the upper electrodes 125A to 128A and the lower electrodes 125B to 128B arranged vertically are configured not to be electrically connected to each other.

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 | vibrator 120 expands-contracts the part corresponding to this electrode in the piezoelectric elements 125-128 by supplying a voltage to the upper electrodes 125A-128A or the lower electrodes 125B-128B. Thereby, the vibrating body 121 vibrates.

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 piezoelectric elements 125 to 128 are supplied to the upper electrodes 125A to 128A of the piezoelectric elements 125 to 128. For example, the common alternating voltage Va is supplied to the upper electrode 125A of the piezoelectric element 125 and the lower electrode 127B of the piezoelectric element 127. A portion corresponding to the upper electrode 125A of the piezoelectric element 125 is deformed (stretched) according to the applied voltage Va.

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 lower electrode 125B of the piezoelectric element 125 and the upper electrode 127A of the piezoelectric element 127. A portion corresponding to the lower electrode 125B of the piezoelectric element 125 is deformed (expanded) according to the applied voltage Vb.

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 ultrasonic transducer 120. The upper side of FIG. 3B shows the state of the ultrasonic transducer 120 corresponding to each of the periods I to IV. In FIG. 3B, (+) and (−) in the piezoelectric elements 125 and 127 represent portions corresponding to electrodes to which voltages of each polarity are applied. The ultrasonic vibrator 120 has two natural vibrations: (i) a stretching vibration mode (see (c) of FIG. 3) and (ii) an S-shaped bending vibration mode (see (d) of FIG. 3). Has a mode.

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 piezoelectric elements 125 and 127 (period I), the piezoelectric elements 125 and 127 are extended in the direction along the long axis of the vibrating body 121. When a negative voltage is applied to the piezoelectric elements 125 and 127 (period III), the piezoelectric elements 125 and 127 are compressed in a direction along the long axis of the vibrating body 121. Since the piezoelectric elements 125 and 127 are attached to the vibrating body 121, portions corresponding to the piezoelectric elements 125 and 127 in the vibrating body 121 (portions to which the piezoelectric elements are attached) are similarly expanded / compressed.

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 body 121 shown in FIG. 3C is excited. Further, in periods II and IV in which the two alternating voltages Va and Vb have different polarities, the S-shaped bending vibration mode of the vibrating body 121 shown in FIG. 3D is excited. If the aspect ratio (width: height) of the vibrating body 121 that is a quadrangular column is 1: 4, the resonance frequencies of the stretching vibration mode and the S-shaped bending vibration mode substantially coincide.

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 body 121 is deformed as shown in FIG. 3B during one period (periods I to IV). The vibration excited in each vibration mode is standing wave vibration in which the position of the central portion of the long axis of the vibrating body 121 does not change. As a result of the vibration of the vibration part 121 in the periods I to IV, the tip part 124 of the ultrasonic vibrator 120 performs elliptical vibration.

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 ultrasonic transducer 120, respectively. As shown in FIG. 4A, the tip portion 124 of the ultrasonic transducer 120 is in contact with the surface of the rotor 110 with a preload by the preload mechanism 130. 110 is driven by friction and rotates.

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 ultrasonic transducer 120 includes (i) a first vibration direction (z direction in (b) of FIG. 4) and (ii) a second vibration direction ((c) of FIG. 4 orthogonal to the first vibration direction. ) In the y direction). The x direction is a direction along the major axis of the ultrasonic transducer 120, and the y direction and the z direction are directions orthogonal to the x direction and orthogonal to each other. In (b) to (d) of FIG. 4, the first vibration direction (z direction) is the vibration direction toward the near side (+ z) and the back side (−z) in the figure, and the second vibration direction. (Y direction) is a vibration direction toward the upper side (+ y) and the lower side (−y) in the figure.

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 ultrasonic transducers 120 are arranged with the rotor 110 interposed therebetween at positions that are point-symmetric with respect to the center of the rotor 110. For this reason, one ultrasonic transducer | vibrator 120A is vibrated so that the rotor 110 may be friction-driven toward -z direction. Then, the other ultrasonic transducer 120B is vibrated so as to frictionally drive the rotor 110 in the + z direction. As a result, as shown in FIG. 4B, the rotor 110 rotates around the y-axis.

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 ultrasonic transducer 120A is vibrated so as to frictionally drive the rotor 110 in the -y direction. Then, the other ultrasonic transducer 120B is vibrated so as to frictionally drive the rotor 110 in the + y direction. Thereby, as shown in FIG. 4C, the rotor 110 rotates around the z-axis.

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 ultrasonic transducers 120 is arranged such that the upper electrodes 125A to 128A or the lower electrodes are oscillated in a point-symmetric manner at the contact point of the curved surface with the center of the rotor 110 as the symmetric point. A voltage is applied to the electrodes 125B to 128B. Thereby, the direction of action of the rotational force on the rotor 110 can be matched. In this way, since the pair of ultrasonic transducers 120 performs vibrational movements that do not inhibit each other's movement, each vibration of the ultrasonic transducers 120 is high without causing frictional resistance against the rotation of the rotor 110. Powerway ratio can be obtained.

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 ultrasonic transducers 120 has a function of holding the rotor 110 as well as giving a rotational force to the rotor 110. Thereby, compared with the structure which hold | maintains the rotor 110 using another piezoelectric element, the frictional resistance by the holding mechanism added to the rotor 110 can be reduced, and a higher power way ratio can be obtained.

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 ultrasonic transducer 120A is vibrated so as to frictionally drive the rotor 110 in the -y direction. Then, the other ultrasonic transducer 120B is vibrated so as to frictionally drive the rotor 110 in the + z direction. As a result, as shown in FIG. 4D, the rotor 110 rotates about a rotation axis inclined 45 ° from the y axis on the xy plane.

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 ultrasonic vibrator 120 that vibrates in the first vibration direction and the second vibration direction orthogonal to the first vibration direction, a lot of freedom is provided in the rotation direction of the rotor 110. Can have a degree.

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 ultrasonic transducer 120 and the rotation direction of the rotor 110, respectively. As shown in FIGS. 5 and 6, the ultrasonic transducer 120 has a known principle (for example, Journal of the Robotics Society of Japan, vol. 16, no. 8, pp. 1115-1122, 1998 “longitudinal vibration and transverse vibration. Based on the development of a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor based on the degeneration of “), it is possible to cause the vibrator 121 to rotate in the major axis direction. For example, the S-shaped bending motion shown in (d) of FIG. 3 is shifted in phase by 90 degrees as shown in (i) to (iv) of FIG. generate. As a result, elliptical vibration is generated at the distal end portion 124 of the vibrating body 121, and the rotor 110 performs a rotational motion with the major axis of the ultrasonic transducer 120 as the rotation axis, as shown in FIG.

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 ultrasonic actuator 100. According to the above-described configuration, the structure of the ultrasonic actuator 100 can be simplified, and the mass can be reduced. Further, the ultrasonic actuator 100 having multiple degrees of freedom in the rotation direction of the rotor 110 can be realized. The ultrasonic actuator 100 having such a high power way tray can be employed in the flying robot 50 as shown in FIG. 7, for example. The flying robot 50 includes a pair of wings 51, a camera 52, and a housing 53. The two wings 51 are driven by two ultrasonic actuators 100, respectively. The camera 52 is a member capable of photographing the periphery of the flying robot 50, and can be configured to be a CMOS camera, for example. Note that the flying robot 50 is not limited to one camera 52, and may have a configuration including a plurality of cameras 52 or a configuration including other members such as speakers. An ultrasonic actuator 100, a battery, a drive circuit, a control circuit, and a communication circuit are accommodated in the housing 52.

〔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 ultrasonic actuator 200 according to the second embodiment. As shown in FIG. 8, the ultrasonic actuator 200 includes two sets of a pair of ultrasonic transducers 120 arranged with the rotor 110 sandwiched at positions that are symmetric with respect to the center of the rotor 110. I have.

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 ultrasonic transducers 120 are arranged at positions orthogonal to each other. That is, around the rotor 110, the four ultrasonic transducers 120 are arranged at positions shifted from each other by 90 ° with the center of the rotor 110 as the center point. According to this configuration, one rotor 110 can be sandwiched between the four ultrasonic transducers 120 and stably held and driven, and the power of the ultrasonic actuator 200 can be improved.

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 rotor 110 in the ultrasonic actuator 200, respectively. As shown in FIG. 9A, in order to cause the rotor 110 to perform a rotation operation with the z axis as the rotation axis, each ultrasonic vibrator 120 is vibrated so as to rotate the rotor 110 in the corresponding direction. This can be easily realized. In the example shown in FIG. 9A, the rotor 110 rotates counterclockwise when viewed from the + z side with the z axis as the rotation axis.

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 rotor 110 can be rotated by using the long axis of one of the two sets of the ultrasonic transducers 120 as a rotation axis. FIGS. 9B and 9C respectively show the respective cases in which the rotor 110 rotates with the long axis of the pair of ultrasonic transducers 120C and 120D disposed above and below the rotor 110 as the rotation axis. FIG. 5 is a diagram showing vibration of a sound wave vibrator 120.

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 rotor 110 is rotated about the long axis of the ultrasonic transducers 120C and 120D as shown in FIGS. 9 (b) and 9 (c), a pair of super The acoustic transducers 120A and 120B frictionally drive the rotor 110 in a direction orthogonal to the rotation axis and in opposite directions.

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 ultrasonic transducer 120A on the left side in the drawing frictionally drives the rotor 110 in the −z direction, and the ultrasonic transducer 120B on the right side in the drawing is The rotor 110 is frictionally driven in the + z direction.

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 ultrasonic transducers 120 </ b> C and 120 </ b> D on the rotation axis side can be vibrated to reduce friction with the rotor 110. For example, the friction with respect to the rotor 110 can be reduced by applying to the ultrasonic vibrators 120 </ b> C and 120 </ b> D a voltage that excites only the stretching vibration to the vibrating body 121. From the Coulomb friction law, it is considered that the average value of friction due to stretching vibration does not change as long as the preload is constant. However, the stick-slip phenomenon does not occur by exciting the stretching vibration to the vibrating body 121 of the ultrasonic vibrators 120C and 120D on the rotation axis side. For this reason, it is considered that the frictional force is reduced because the transition from the static friction to the dynamic friction with respect to the rotor 110 of the pair of ultrasonic vibrators 120A and 120B on the side not serving as the rotation axis is performed. Further, a clear reduction in frictional force has been observed in the experiments of the inventors of the present application.

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 ultrasonic transducers 120C and 120D on the rotation axis side are vibrated to excite the rotational motion of the rotor 110 at the tip portion 124 of the vibrating body 121. Also good. As described in the first embodiment with reference to FIGS. 5 and 6, the ultrasonic transducers 120 </ b> C and 120 </ b> D excite S-shaped bending motions whose phases are different from each other by 90 ° on each side surface of each vibrating body 121. Thus, it can be vibrated so as to contribute to the rotational motion of the rotor 110. Thereby, the power way ratio of the ultrasonic actuator 200 can be increased.

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 Ultrasonic actuator 110 Rotor 120, 120A, 120B, 120C, 120D Ultrasonic vibrator 121 Vibrating body 124 Tip portion 125-128 Piezoelectric element 130 Preload mechanism

Claims (6)

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
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.
上記先端部は、上記湾曲面に対応する凹面形状を有している
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.
1対の上記超音波振動子は、上記中心を対称点として、上記湾曲面の接点において、互いに点対称となる運動を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の超音波アクチュエータ。   3. The ultrasonic actuator according to claim 1, wherein the pair of ultrasonic transducers perform a point-symmetrical movement at a contact point of the curved surface with the center as a symmetric point. 4. 上記超音波振動子は、第1の振動方向と、上記第1の振動方向に直交する第2の振動方向とに振動するものである、
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:
1対の上記超音波振動子間に、互いの距離が縮まる方向に予圧を加える予圧機構を備えていることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の超音波アクチュエータ。   The ultrasonic actuator according to any one of claims 1 to 4, further comprising a preload mechanism that applies a preload between the pair of ultrasonic transducers in a direction in which a mutual distance is reduced. 1対の上記超音波振動子を2組備え、
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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