JP2650122B2 - 振動子型アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、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
ミックス圧電体と、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ｌ、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_ｌは 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_ｒは、 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。

ζJ₀（ζ）−（１−δ）J₁（ζ）＝０ （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^６（１−３μ^２−２μ^３） −ω^４（１−μ^２）（ω_a ²＋ω_b ²＋ω_c ²） ＋ω^２（ω_a ²ω_b ²＋ω_b ²ω_c ² ＋ω_c ²ω_a ²）−ω_a ²ω_b ²ω_c ² ＝０ （４） 円柱の３次元結合振動の基本式は（４）式において ω_ａ＝ω_l,ω_ｂ＝ω_r, ω_ｃ＝ω_ｒ （５） とおいて得られる。

（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_l ²＋ω_r ²） ＋ω_l ²ω_r ²＝０ （７） となり、見かけ上係合係数がηであるようなω_ｌとω_ｒ
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 なる振動は観測されない。

（７）式を用いて、同一材料でｌ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f₁、第二共振
角周波数f₂を算出した結果が第４図である。本図からわ
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の比較的よく
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10mmで、長さｌが10mmの円柱型セラミック圧電体（TD
K製91C材）1a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f₁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、1c
はある程度の厚みに描いてあるが、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＝10mm、ｌ＝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21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＝10mm、ｌ＝5mm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Ｄと長さｌ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坦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坦面にす
ると、その平坦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筺体に保
持するには、振動子の円柱状側面に平坦面を形成し、そ
の平坦面を筺体接触させればよい。

第８図には平坦面が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箇所に平坦面が形成された振動子
でも同様に変位が観測される。

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に固定するナット15,16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１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
ら等距離に配置してある。これら振動子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、ナット15,16を緩めて軸体４を上又は下に動かし、
ナット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
238g及び627gの力で振動子1,2に押し付け、振動子1,2に
は132.4KHZの交流を印加したときの特性が示してある。
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
け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1.3Kg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・cm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T₂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T₁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が筺体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
する構造では、軸体４は軸受を介して筺体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に押し付けてあるが、このスプリング５は必須
ではない。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に代えて、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。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てある電極が電気的に互いに
分離された電極1b_Aと1b_Bとからなっている。このように
一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18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_Aに交流電圧を加える場合と、端
子Ｑから電極1b_Bに交流電圧を加える場合とでは振動子1
1における変位の向きが逆になる。ロータ14は、振動子1
1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。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。また低電
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……ナット、18……
スイッチ。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   れたセラミックス圧電体と、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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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坦面をなしてお
   り、該平坦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. 【請求項７】前記平坦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。