JP3551420B2 - Ultrasonic actuator - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、圧電振動子と振動板と振動棒と可動体とから成り、圧電振動子に弾性振動を励振することにより振動棒の表面に振動変位を発生させ、その振動変位によって可動体を動かす超音波アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波モータの基本原理は、振動子によって発生させた弾性振動を摩擦力を介して可動体に伝達し該可動体に一方向の駆動力を与えるというものであった。このとき、前記振動子表面での変位は一般に楕円起動を描く。進行波型超音波モータでは、進行波が弾性体に励振されその表面の質点は楕円起動を描くので、可動体に一方向の駆動力が生じるのである。進行波型超音波モータはカメラのオートフォーカス機構などに実用化されているが、直線運動に応用する場合、振動系の規模が大きくなることから効率が低下するという問題点を有する。定在波を利用するタイプの超音波リニアモータの代表的なものとして、矩形平板状圧電振動子を利用するものがある。一方向性の駆動力は、振動子に接着された直線状金属平板の端部の楕円運動から得られ、この部分にローラを加圧接触させることによって回転動力を得ている。この方式は小型化が可能であり、紙送りデバイス等への応用が期待できるが、２相式の高周波電源が必要であるという問題点を有する。このようにして、従来の超音波モータでは、振動系の規模が大きくなることから効率が低下するという問題や、小型化が可能であっても比較的複雑な回路構成を必要とする等の問題点を有していた。そして何よりも、振動子と可動体との距離に制限があるという欠点を有していた。すなわち、振動子から離れた場所にある可動体にその振動のエネルギーを伝搬することが困難であった。従って、応用領域も限られたものでしかなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は圧電振動子から離れた場所にある複数の可動体を同時に動かすことができ、構造が簡単で、小型軽量で、回路構成が簡単で、低電圧で低消費電力駆動が可能な超音波アクチュエータを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の超音波アクチュエータは、圧電振動子と、該圧電振動子に固着された振動板と、該振動板に固着された少なくとも１つの振動棒と、前記振動棒の先端若しくは側面に直接接触されるかまたは前記先端若しくは前記側面を覆う被覆に接触される可動体とから成る超音波アクチュエータであって、前記振動棒は、細長い形状を成し、末端が固着部分として前記振動板の一方の板面に固着されるか、または前記側面の一部が固着部分として前記振動板の両板面を貫く貫通孔に固着されており、前記振動棒は、少なくとも前記固着部分においては、前記振動棒の長さ方向が前記振動板の板面に対して垂直になるような構造を有し、前記圧電振動子は矩形状の板または矩形状の角柱で成る圧電磁器、電極ＤおよびＧから成り、前記電極ＤおよびＧは前記圧電磁器の分極軸の方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されており、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出し、前記電極ＤおよびＧにはそれぞれ端子ＴDおよびＴGが設けられ、前記端子ＴDとＴGとの間に前記圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより、前記圧電振動子に弾性振動が励振され、前記圧電振動子の前記共振周波数は、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しく、前記弾性振動が前記振動板に伝搬され、前記振動板に伝搬された弾性振動によって前記振動棒の表面に振動変位が発生し、該振動変位が前記可動体を動かすことを特徴とする。
【０００５】
請求項２に記載の超音波アクチュエータは、圧電振動子と、該圧電振動子に固着された振動板と、該振動板に固着された少なくとも１つの振動棒と、前記振動棒の先端若しくは側面に直接接触されるかまたは前記先端若しくは前記側面を覆う被覆に接触される可動体とから成る超音波アクチュエータであって、前記振動棒は、細長い形状を成し、末端が固着部分として前記振動板の一方の板面に固着されるか、または前記側面の一部が固着部分として前記振動板の両板面を貫く貫通孔に固着されており、前記振動棒は、少なくとも前記固着部分においては、前記振動棒の長さ方向が前記振動板の板面に対して垂直になるような構造を有し、前記圧電振動子は矩形状の板または矩形状の角柱で成る圧電磁器、電極ＰおよびＧから成り、前記電極ＰおよびＧは前記圧電磁器の分極軸の方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されており、前記電極ＰおよびＧのうちで少なくとも電極Ｐは互いに絶縁された２つの電極ＤおよびＦから成り、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出し、前記電極Ｄ，ＦおよびＧにはそれぞれ端子ＴD，ＴFおよびＴGが設けられており、前記端子ＴDとＴGとの間に前記圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより、前記圧電振動子に弾性振動が励振され、前記圧電振動子の前記共振周波数は、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しく、前記弾性振動は前記振動板に伝搬されるとともに、前記端子ＴFとＴGとの間で電気信号に変換されて出力され、前記振動板に伝搬された弾性振動によって前記振動棒の表面に振動変位が発生し、該振動変位が前記可動体を動かすことを特徴とする。
【０００６】
請求項３に記載の超音波アクチュエータは、前記圧電磁器の一方の端面上における前記電極Ｄの面積が前記電極Ｆの面積のほぼ３倍から４倍であることを特徴とする。
【０００７】
請求項４に記載の超音波アクチュエータは、トランジスタを増幅素子とし、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る前記複合体を共振素子とする発振回路を備え、前記発振回路は直流電源Ｖdcと前記端子ＴDとの間に接続された昇圧用のコイルを含み、前記トランジスタは、前記トランジスタの出力端子を前記端子ＴDに接続し、前記トランジスタの入力端子を前記端子ＴFに接続することにより、前記端子ＴFに現われる圧電気を帰還電圧として受けることを特徴とする。
【０００８】
請求項５に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒が直線状、湾曲状またはそれらの組合せで成る構造を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項６に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒が少なくとも２つに分岐していることを特徴とする。
【００１０】
請求項７に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒の分岐した部分が少なくとも２つに分岐していることを特徴とする。
【００１１】
請求項８に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒の長さ方向に垂直な断面の形状が角縁状または円環状を成すことを特徴とする。
【００１２】
請求項９に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒の前記先端または前記先端を覆う前記被覆に接触される前記可動体が、前記振動棒の長さ方向を軸とした回転運動をすることを特徴とする。
【００１３】
請求項１０に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒の前記側面または前記側面を覆う前記被覆に接触される前記可動体が、前記振動棒の長さ方向に沿って移動または反復運動することを特徴とする。
【００１４】
請求項１１に記載の超音波アクチュエータは、前記圧電振動子が長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱であって、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出していることを特徴とする。
【００１５】
請求項１２に記載の超音波アクチュエータは、前記圧電振動子が長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱であって、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面上における前記圧電振動子の幅方向に沿った部分に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出しており、前記端子ＴDおよびＴFは前記圧電振動子の前記電極ＤおよびＦを有する端面上における前記圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明の超音波アクチュエータは、圧電振動子と振動板と少なくとも１つの振動棒と可動体とから成る簡単な構造を有する。振動板は、圧電振動子に固着され、振動棒は振動板に固着されている。振動棒は、２つの端部のそれぞれを先端および末端とすると、末端を固定端として振動板の一方の板面に固着させるか、または側面の一部分を振動板の両板面を貫く貫通孔に固着させている。このとき、振動棒と振動板との固着部分においては振動棒の長さ方向と振動板の板面の方向とが垂直になるように振動棒が振動板に固着されている。振動棒は細長い形状をしたものであれば、折れ曲がっていようといまいと長さが長くても短くてもよいが、少なくとも振動棒と振動板との固着部分においては振動棒の長さ方向が振動板の板面に対して垂直になるような構造が採用されている。圧電振動子は柱状の圧電磁器、電極ＤおよびＧから成り、電極ＤおよびＧは圧電磁器の厚さ方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されている。電極ＤおよびＧにはそれぞれ端子ＴDおよびＴGが設けられ、端子ＴDとＴGとの間に圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより圧電振動子に弾性振動が励振される。この際、圧電振動子の共振周波数は、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しい。圧電振動子における弾性振動は振動板を振動させ、振動板の振動は振動棒に伝搬される。このようにして、振動棒の表面に振動変位が生じる。振動棒の先端若しくは側面に可動体を直接接触させるか、または振動棒の先端若しくは側面を覆う被覆に可動体を接触させると、その可動体は振動棒における振動変位によって動く。このとき、振動棒の先端または先端を覆う被覆に接触される可動体は、皿回しのような、振動棒の長さ方向を軸とした回転運動をする。また、振動棒の側面または側面を覆う被覆に接触される可動体は振動棒の長さ方向に沿って移動、回転または反復運動をする。たとえば平面を有する物体を可動体として、その物体の平面を振動棒の側面に押しつければ物体が振動棒の長さ方向に沿って移動し、ベアリングを押しつければベアリングが回転し、Ｖ字形の針金を水平な振動棒の上に乗せれば反復運動をする。この移動、回転または反復運動の運動方向は、振動棒と可動体との接触箇所を変化させることにより制御することが可能となる。振動棒の表面を覆う被覆としては、摩擦力を生じる材質が用いられる。このようにして、本発明の超音波アクチュエータによれば効率よく可動体を動かすことができる。
【００１７】
本発明の超音波アクチュエータでは、圧電振動子に含まれる電極として電極ＰおよびＧを採用することができる。電極ＰおよびＧは圧電磁器の厚さ方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されている。このとき、電極ＰおよびＧのうちで少なくとも電極Ｐが互いに絶縁された２つの電極ＤおよびＦから成り、電極ＤおよびＦにはそれぞれ端子ＴDおよびＴFが設けられている。電極Ｇには端子ＴGが設けられている。このような超音波アクチュエータの駆動時、端子ＴDとＴGとの間に圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより圧電振動子に弾性振動が励振される。この際、圧電振動子の共振周波数は、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しい。圧電振動子における弾性振動は振動板を振動させ、振動板の振動は振動棒に伝搬される。このようにして、振動棒の表面に振動変位が生じる。振動棒の先端若しくは側面に可動体を直接接触させるか、または振動棒の先端若しくは側面を覆う被覆に可動体を接触させると、その可動体は振動棒における振動変位によって動く。圧電振動子における弾性振動の大部分は振動板を経由して振動棒に伝搬され、可動体を動かすために消費される。また、圧電振動子における弾性振動は電気信号として端子ＴFとＴGとの間から出力することが可能である。しかも、この端子ＴFとＴGとの間から出力される電気信号を再び端子ＴDとＴGとの間に入力することが可能である。このような超音波アクチュエータは、効率よく可動体を運動させることが可能であるばかりでなく、小型軽量で、自励式駆動が可能で電池での駆動も容易なことから発熱に伴う温度上昇などの環境変化に対応しうる形での駆動が可能となる。
【００１８】
本発明の超音波アクチュエータでは、効率のよい自励式駆動を実現するために、自励発振回路を採用している。この自励発振回路はトランジスタを増幅素子とし、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体を共振素子とした回路である。また、直流電源Ｖdcと端子ＴDとの間に昇圧用のコイルを接続している。トランジスタはその出力端子が端子ＴDに接続され入力端子が端子ＴFに接続されており、このトランジスタは端子ＴFに現われる圧電気を帰還電圧として受けるためのものである。このようにして、この自励発振回路には、圧電振動子の共振周波数に周波数を自動的に追尾できるような機能が備えられている。そのうえ、コイルの逆起電圧を利用した回路を備えることにより、直流電源電圧より高い電圧で圧電振動子を駆動することが可能となる。この逆起電圧回路はコイルの特性を利用することで高電圧を発生させるもので、トランスの使用と比較して価格、重量および容積の点で有利である。さらに、回路構成が簡単で小型であり、電源効率及び周波数特性が良い等の特徴をもたらすことができる。また、圧電磁器の一方の端面上における電極Ｄの面積が電極Ｆの面積のほぼ３倍から４倍になるような構造を採用することにより、圧電振動子自身の励振によって発生し端子ＴFに現れる圧電気を帰還電圧として再び端子ＴDに供給し利用するときの効率を向上させることが可能となる。従って、効率のよい自励式駆動が可能となり、低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。
【００１９】
本発明の超音波アクチュエータでは、振動棒として直線棒状、湾曲棒状またはそれらの組合せで成る構造を採用することができる。また、コイル状の構造を採用することもできる。つまり、振動棒は直線状である必要はなく屈曲していてもよい。しかも、振動棒は振動板の上下を貫いていてもいなくてもよい。さらに、振動棒として少なくとも２つに枝別れした構造を採用することもでき、その枝別れした部分がさらに少なくとも２つに枝別れした構造を採用することも可能である。すなわち、超音波のエネルギーはその枝別れした先端部分にも十分に伝搬される。振動棒の長さ方向に垂直な断面の形状が環状を成す構造、たとえば、その断面の形状が角縁状または円環状を成す構造、すなわち、振動棒として管状の構造を採用することにより、超音波のエネルギーはさらに振動棒のすみずみにまで伝搬されやすくなる。本発明の超音波アクチュエータでは、振動棒の先端または先端を覆う被覆に接触される可動体は振動棒の長さ方向を軸とした回転運動をする。すなわち、振動棒の先端には皿回しを可能にするようなエネルギーが発生している。振動棒の側面または側面を覆う被覆に接触される可動体は振動棒の長さ方向に沿った移動、回転または反復運動をする。たとえば平面を有する物体を可動体として、その平面を振動棒に押しつければ物体が振動棒の長さ方向に沿って移動し、ベアリングを押しつければベアリングが回転し、Ｖ字形やＵ字形の針金を水平な振動棒の上に乗せれば反復運動をする。この移動、回転または反復運動の運動方向は、可動体を接触させる振動棒の側面の位置を変化させることによって逆転させることが可能となる。
【００２０】
本発明の超音波アクチュエータでは、圧電振動子として長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱を採用することができる。従って、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の結合振動が増強されるので、振動棒のすみずみにまで超音波のエネルギーが伝搬されやすくなる。また、振動板は圧電振動子の電極を有する端面上に一体的に連なって固着され、しかも、圧電振動子の外方に向けて圧電振動子の端面にほぼ平行に突出する形で固着されている。従って、振動板は圧電振動子と振動板との接合部を固定端とする形で振動するので、この振動のエネルギーを振動棒に効率よく伝搬することができる。
【００２１】
本発明の超音波アクチュエータでは、振動板が圧電振動子の電極Ｇを有する端面上における圧電振動子の幅方向に沿った部分に一体的に連なって固着され、端子ＴDおよびＴFが圧電振動子の電極ＤおよびＦを有する端面上における圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられた構造を採用することができる。つまり、振動板が圧電振動子の幅方向に沿った部分に固着されるとともに、端子ＴDおよびＴFもまた圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられた構造であって、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子の長さ方向と平行になるような構造である。このような構造を採用することにより、効率のよい自励式駆動が可能となり、低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。
【００２２】
【実施例】
図１は本発明の超音波アクチュエータの一実施例を示す側面図である。本実施例は圧電振動子１、振動板２、振動棒３、可動体４および自励発振駆動回路５から成る。但し、図１では自励発振駆動回路５が省いて描かれている。振動板２は圧電振動子１の一方の端面に圧電振動子１と一体的に連なって固着されている。振動棒３は振動板２の両板面を貫く貫通孔の内面に固着されている。圧電振動子１は圧電磁器６、電極Ｄ，ＦおよびＧから成る。電極Ｄ，ＦおよびＧにはそれぞれ端子ＴD，ＴFおよびＴGが設けられている。圧電磁器６は矩形板状のＴＤＫ７２Ａ材（製品名）で成り、その長さは１７ｍｍ、幅は２０ｍｍ、厚さは１ｍｍである。圧電磁器６の分極軸の方向は厚さ方向に一致しており、この厚さ方向に垂直な一方の端面に電極ＤおよびＦが形成され、もう一方の端面には電極Ｇが形成されている。各電極はアルミニウム薄膜で成る。振動板２はステンレス製で、長さ２０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍである。振動板２は一方の板面の端部において長さ２ｍｍ、幅２０ｍｍの接合領域を有し、該接合領域は電極Ｇを介して圧電振動子１に固着されている。つまり、圧電振動子１と振動板２との接合領域を除く振動板２の張り出し部分の長さは１８ｍｍである。振動棒３は長さ４６ｍｍの真鍮製のパイプで成り、その長さ方向に垂直な断面の外経は０．６ｍｍ、内経は０．２ｍｍである。振動棒３の側面には可動体４が接触している。可動体４はボールベアリングで成る。
【００２３】
図２は可動体４のもう一つの実施例を示す斜視図である。図２の可動体７は直径２０ｍｍの皿で成り、振動棒３の先端に乗せられている。
【００２４】
図３は可動体４のさらにもう一つの実施例を示す斜視図である。図３の可動体８はＶ字形の針金で成り、振動棒３の側面に接触している。このとき、振動棒３が折曲げられるか、または振動棒３がほぼ水平になるように装置が設置されることにより振動棒３に水平部分が設けられ、その水平部分に可動体８が乗せられている。
【００２５】
図４は図１の超音波アクチュエータにおける圧電振動子１、振動板２および振動棒３から成る複合体を示す斜視図である。振動板２は圧電振動子１の電極Ｇを有する端面上の幅方向に沿った部分に固着されている。また、振動板２は圧電振動子１の外方に向けて圧電振動子１の端面にほぼ平行に突出している。本実施例では振動棒３は振動板２を貫通しているが、貫通せずに振動板２の板面上に固定された構造も可能である。本実施例の圧電振動子１では、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上に電極ＤおよびＦが設けられているが、電極ＤおよびＦの代わりに唯一つの電極が設けられた構造を採用することも可能である。
【００２６】
図１の超音波アクチュエータの駆動時、図４の複合体の共振周波数にほぼ等しい周波数を有する電気信号を端子ＴDおよびＴGを介して圧電振動子１に入力すると、圧電振動子１に圧電的に振動が励振される。振動板２を圧電振動子１の一方の端面上に一体的に連なって固着させる構造を採用していることから、圧電振動子１の振動に伴って振動板２は圧電振動子１との接合領域を固定端とする形で振動される。この振動は振動棒３を振動させ、振動棒３の表面に振動変位が生じる。この振動変位が可動体４，７または８を動かす。振動棒３の長さが最高でほぼ１ｍのものが可動体４，７または８の運動を可能にした。
【００２７】
図５は自励発振駆動回路５の一実施例を示す構成図である。端子ＴDおよびＴGを介して圧電振動子１に電圧を引加することにより圧電振動子１に励振された振動は、その大部分が振動板２に伝搬されるとともに、圧電振動子１の振動に応じて圧電振動子１に引加された電圧とは逆相の電圧として端子ＴFおよびＴGから出力される。この動作の繰り返しによって正帰還の自励発振が生じる。つまり、複合体の共振周波数にほぼ等しい周波数を有する電気信号が雰囲気温度の変化に追随して安定して圧電振動子１に供給される。このようにして、常に自らの最適の発振状態を維持することを可能にしている。従って、他励駆動の際に問題となる発熱等により複合体の共振周波数が偏移して発振条件が悪くなるという問題点が解決される。また、１つのコイルＬ1、１つのトランジスタＴr、２つの抵抗Ｒ1およびＲ2、および１つのダイオードＤ1という極く少ない部品で回路を構成することが可能である。しかも、部品点数が少ないにもかかわらず、直流電源Ｖdcを利用することができ電力効率もよいことから、電源の小型化対応を可能にしている。
【００２８】
図６は圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図である。但し、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比が１対１の場合を示す。また、点線は圧電振動子１単体の場合を、実線は複合体の場合を示す。
【００２９】
図７は圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図である。但し、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比が３対１の場合を示す。また、点線は圧電振動子１単体の場合を、実線は複合体の場合を示す。
【００３０】
図８は圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図である。但し、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合を示す。また、点線は圧電振動子１単体の場合を、実線は複合体の場合を示す。
【００３１】
図９は圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図である。但し、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比が５対１の場合を示す。また、点線は圧電振動子１単体の場合を、実線は複合体の場合を示す。図６，７，８および９によれば、電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合にアドミタンスの振幅が最大になることが分かる。また、圧電振動子１と振動板２との接合領域を除く振動板２の張り出し部分の長さが２４．５ｍｍの場合よりも１８ｍｍの場合の方がアドミタンスの振幅が大きく、しかも圧電振動子１単体と複合体との周波数差が小さいことが確認されている。
【００３２】
図１０は圧電振動子１単体および図４の複合体におけるアドミタンスサークルを示す特性図である。但し、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合で、しかも、圧電振動子１と振動板２との接合領域を除く振動板２の張り出し部分の長さが１８ｍｍの場合と２４．５ｍｍの場合を示す。図１０において、「０ｍｍ」は圧電振動子１単体の場合を示す。圧電振動子１と振動板２との接合領域を除く振動板２の張り出し部分の長さが１８ｍｍの場合にアドミタンスサークルが最大で、その上、形も整っていることが分かる。
【００３３】
図１１は電極Ｆの面積を１とした場合の電極Ｄの面積比と、直流電源Ｖdcにおける消費電力との関係を示す特性図である。但し、消費電力は直流電源電圧を９Ｖとしたときの値である。電極ＤとＦとの面積比が４対１のときに０．５８Ｗを示し、最も低消費電力であることがわかる。また、直流電源電圧が９Ｖの場合、電極ＤとＦとの面積比が４対１のときに電極Ｄに最大の電圧が印加されることが確認された。このとき、電極Ｄに印加される電圧の最大値は６９Ｖを示した。つまり、電極Ｄに所定の大きさの電圧を供給する場合、電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合に最も小さな直流電源電圧により電極Ｄに所定の大きさの電圧を供給することが可能となる。
【００３４】
図１２は電極Ｆの面積を１とした場合の電極Ｄの面積比と、ボールベアリングで成る可動体４が振動棒３の側面と接触して回転する１分あたりの回転数（Ｒ．Ｐ．Ｍ）との関係を示す特性図である。電極ＤとＦとの面積比が３対１のときに回転数は最大値を示す。但し、図１１の消費電力効率などを考慮に入れると、電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合が最も低電圧で低消費電力駆動が可能であることが分かる。つまり、電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合に回転効率が最も高いことが分かる。
【００３５】
図１３は図４の複合体のもう一つの実施例を示す斜視図である。本実施例は圧電振動子９、振動板１０および振動棒１１から成る。振動板１０は圧電振動子９の一方の端面に圧電振動子９と一体的に固着されている。振動棒１１は振動板１０の一方の板面に固着されている。圧電振動子９は圧電磁器１２、電極Ｄ，ＦおよびＧから成る。電極Ｄ，ＦおよびＧにはそれぞれ端子ＴD，ＴFおよびＴGが設けられている。圧電磁器１２は矩形角柱状のＴＤＫ７２Ａ材（製品名）で成り、その長さは１０ｍｍ、幅は５ｍｍ、厚さは６ｍｍである。圧電磁器１２の分極軸の方向は厚さ方向に一致しており、この厚さ方向に垂直な一方の端面に電極ＤおよびＦが互いに絶縁される形で形成され、もう一方の端面には電極Ｇが形成されている。端子ＴDおよびＴFは圧電振動子９の長さ方向に沿った部分に設けられている。つまり、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子９の幅方向と平行である。各電極はアルミニウム薄膜で成る。振動板１０はステンレス製で、長さ１２ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍである。振動板１０は一方の板面の端部において長さ１．５ｍｍ、幅５ｍｍの接合領域を有し、圧電振動子９の電極Ｇを有する端面上の幅方向に沿った部分に固着されている。また、振動板１０は圧電振動子９の外方に向けて圧電振動子９の端面にほぼ平行に突出している。振動棒１１は長さ４５ｍｍの真鍮製の棒で成り、その長さ方向に垂直な断面の形は１辺が０．６ｍｍの正方形で成る。振動棒１１は自由に折り曲げたりすることが可能である。図１３に示す複合体を用いた場合にも図４を用いたときと同様な効果を示すことが確認された。
【００３６】
さらに、図１３に示す複合体とは電極ＤおよびＦの配置が異なった複合体が提供される。この複合体は端子ＴDおよびＴFが圧電振動子９の幅方向に沿った部分に設けられてたものである。つまり、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子９の長さ方向と平行な複合体であり、このような複合体を用いた場合にも図４を用いたときと同様な効果を示すことが確認された。
【００３７】
図１４は図１３の複合体における共振周波数付近でのサセプタンスとコンダクタンスとの関係を示す特性図、すなわち共振周波数付近でのアドミタンスサークルを示す特性図である。但し、圧電磁器１２の一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比がそれぞれ、１対１，１．５対１，３対１，および４対１の４つの場合を示す。電極ＤとＦとの面積比が３対１、続いて４対１の場合がアドミタンスサークルが最も大きく、形も整っていることが分かる。このことは、電極ＤとＦとの面積比がほぼ３対１から４対１の場合に、効率よく複合体を駆動できることを意味する。
【００３８】
図１５は図４の複合体のさらにもう一つの実施例を示す斜視図である。本実施例は図４の複合体の電極ＤおよびＦの配置が異なったものである。図４および１５の複合体ではどちらも振動板２が圧電振動子１の幅方向に沿った部分に固着されているが、図４の複合体では端子ＴDおよびＴFは圧電振動子１の長さ方向に沿った部分に設けられている。つまり、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子１の幅方向と平行である。これに対し、図１５の複合体では端子ＴDおよびＴFは圧電振動子１の幅方向に沿った部分に設けられている。つまり、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子１の長さ方向と平行である。図１５の複合体を用いた場合にも図４を用いたときと同様な効果を示すことが確認された。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の超音波アクチュエータは、圧電振動子と、圧電振動子に固着された振動板と、振動板に固着された少なくとも１つの振動棒と、振動棒に固着された可動体とを備える。圧電振動子は柱状の圧電磁器と、その圧電磁器の厚さ方向に垂直な両端面のそれぞれに形成された電極ＤおよびＧから成る。電極ＤおよびＧにはそれぞれ端子ＴDおよびＴGが設けられ、端子ＴDとＴGとの間に圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより圧電振動子に弾性振動が効率よく励振される。この際、圧電振動子の共振周波数は、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しい。このような簡単な構造の圧電振動子の採用により、超音波アクチュエータの小型化が可能となる。圧電振動子における弾性振動は振動板を振動させ、振動板の振動は振動棒に伝搬され、振動棒の表面に振動変位が生じる。振動棒の表面に可動体を直接接触させるか、または振動棒の表面を覆う被覆に可動体を接触させると、その可動体は振動棒における振動変位によって動く。振動棒の表面を覆う被覆としては、摩擦力を生じる材質が用いられる。このようにして、本発明の超音波アクチュエータによれば効率よく可動体を動かすことができる。
【００４０】
本発明の超音波アクチュエータでは、圧電磁器の厚さ方向に垂直な両端面のそれぞれに形成された電極のうちの一方が互いに絶縁された２つの電極で成る構造を採用することができる。たとえば、圧電磁器の厚さ方向に垂直な一方の端面に電極Ｇが設けられ、もう一方の端面に互いに絶縁された２つの電極ＤおよびＦが設けられた構造が用いられる。電極Ｄ，ＦおよびＧにはそれぞれ端子ＴD，ＴFおよびＴGが設けられている。このような超音波アクチュエータの駆動時、端子ＴDとＴGとの間に圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより圧電振動子に弾性振動が励振される。この際、圧電振動子の共振周波数は、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しい。圧電振動子における弾性振動は振動板を振動させ、振動板の振動は振動棒に伝搬され、振動棒の表面に振動変位が生じる。圧電振動子における弾性振動の大部分は、振動板を経由して振動棒に伝搬され可動体を動かすために消費されるとともに、電気信号として端子ＴFとＴGとの間から出力される。この端子ＴFとＴGとの間から出力される電気信号を再び端子ＴDとＴGとの間に入力することができる。このような超音波アクチュエータは、回路構成も簡単で、小型軽量で、自励式駆動が可能なことから、発熱に伴う温度上昇などの環境変化に対応しうる形での駆動が可能となる。
【００４１】
本発明の超音波アクチュエータでは、トランジスタを増幅素子とし、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体を共振素子とした効率のよい自励発振駆動回路を採用している。また、直流電源Ｖdcと端子ＴDとの間に昇圧用のコイルを接続している。トランジスタはその出力端子が端子ＴDに接続され入力端子が端子ＴFに接続されており、このトランジスタは端子ＴFに現われる圧電気を帰還電圧として受けるためのものである。このようにして、この自励発振駆動回路には、圧電振動子の共振周波数に周波数を自動的に追尾できるような機能が備えられている。そのうえ、コイルの逆起電圧を利用した回路を備えることにより、直流電源電圧より高い電圧で圧電振動子を駆動することが可能となる。この逆起電圧回路はコイルの特性を利用することで高電圧を発生させるもので、トランスの使用と比較して価格、重量および容積の点で有利である。さらに、回路構成が簡単で小型であり、電源効率及び周波数特性が良い等の特徴をもたらすことができる。また、圧電磁器の一方の端面上における電極Ｄの面積が電極Ｆの面積のほぼ３倍から４倍になるような構造を採用することにより、圧電振動子自身の励振によって発生し端子ＴFに現れる圧電気を帰還電圧として再び端子ＴDに供給し利用するときの効率を向上させることが可能となる。従って、効率のよい自励式駆動が可能となり、低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。
【００４２】
本発明の超音波アクチュエータでは、振動棒として直線棒状、湾曲棒状またはそれらの組合せで成る構造を採用することができる。つまり、振動棒は直線状である必要はなく屈曲していてもよい。さらに、振動棒として枝別れした構造を採用することもできる。超音波のエネルギーはその枝別れした先端部分にも十分に伝搬される。振動棒の長さ方向に垂直な断面の形状が、たとえば角縁状または円環状を成す構造、すなわち、振動棒として管状の構造を採用することにより、超音波のエネルギーはさらに振動棒の先端にまで伝搬されやすくなる。本発明の超音波アクチュエータでは、振動棒の先端または先端を覆う被覆に接触される可動体は振動棒の長さ方向を軸とした回転運動をする。すなわち、振動棒の先端には皿回しを可能にするようなエネルギーが発生している。振動棒の側面または側面を覆う被覆に接触される可動体は振動棒の長さ方向に沿った移動、回転または反復運動をする。たとえば平面を有する物体を可動体として、その平面を振動棒に押しつければ物体が振動棒の長さ方向に沿って移動し、ベアリングを押しつければベアリングが回転し、Ｖ字形やＵ字形の針金を水平な振動棒の上に乗せれば反復運動をする。この移動、回転または反復運動の運動方向は、可動体を接触させる振動棒の側面の位置を変化させることによって逆転させることが可能となる。
【００４３】
本発明の超音波アクチュエータでは、圧電振動子として長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱を採用することができる。従って、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の結合振動が増強されるので、振動棒のすみずみにまで超音波のエネルギーが伝搬されやすくなる。また、振動板は圧電振動子の電極を有する端面上に一体的に連なって固着され、しかも、圧電振動子の外方に向けて圧電振動子の端面にほぼ平行に突出する形で固着されている。従って、振動板は圧電振動子と振動板との接合部を固定端とする形で振動するので、この振動のエネルギーを振動棒に効率よく伝搬することができる。
【００４４】
本発明の超音波アクチュエータでは、振動板が圧電振動子の電極Ｇを有する端面上における圧電振動子の幅方向に沿った部分に一体的に連なって固着され、端子ＴDおよびＴFが圧電振動子の電極ＤおよびＦを有する端面上における圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられた構造を採用することができる。つまり、振動板が圧電振動子の幅方向に沿った部分に固着されるとともに、端子ＴDおよびＴFもまた圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられた構造であって、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子の長さ方向と平行になるような構造である。このような構造を採用することにより、効率のよい自励式駆動が可能となり、低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波アクチュエータの一実施例を示す側面図。
【図２】可動体４のもう一つの実施例を示す斜視図。
【図３】可動体４のさらにもう一つの実施例を示す斜視図。
【図４】図１の超音波アクチュエータにおける圧電振動子１、振動板２および振動棒３から成る複合体を示す斜視図。
【図５】自励発振駆動回路５の一実施例を示す構成図。
【図６】圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図。
【図７】圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図。
【図８】圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図。
【図９】圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図。
【図１０】圧電振動子１単体および図４の複合体におけるアドミタンスサークルを示す特性図。
【図１１】電極Ｆの面積を１とした場合の電極Ｄの面積比と、直流電源Ｖdcにおける消費電力との関係を示す特性図。
【図１２】電極Ｆの面積を１とした場合の電極Ｄの面積比と、可動体４が振動棒３の側面と接触して回転する１分あたりの回転数との関係を示す特性図。
【図１３】図４の複合体のもう一つの実施例を示す斜視図。
【図１４】図１３の複合体における共振周波数付近でのアドミタンスサークルを示す特性図。
【図１５】図４の複合体のさらにもう一つの実施例を示す斜視図。
【符号の説明】
１ 圧電振動子
２ 振動板
３ 振動棒
４ 可動体
５ 自励発振駆動回路
６ 圧電磁器
７ 可動体
８ 可動体
９ 圧電振動子
１０ 振動板
１１ 振動棒
１２ 圧電磁器
Ｄ，Ｆ，Ｇ 電極
ＴD，ＴF，ＴG 端子
Ｖdc 直流電源
Ｌ1 コイル
Ｔr トランジスタ
Ｒ1，Ｒ2 抵抗
Ｄ1 ダイオード[0001]
[Industrial applications]
The present invention includes a piezoelectric vibrator, a vibrating plate, a vibrating rod, and a movable body, and generates a vibration displacement on the surface of the vibrating rod by exciting elastic vibration to the piezoelectric vibrator, and moves the movable body by the vibration displacement. It relates to an ultrasonic actuator.
[0002]
[Prior art]
The basic principle of a conventional ultrasonic motor is that elastic vibration generated by a vibrator is transmitted to a movable body via a frictional force to give a one-way driving force to the movable body. At this time, the displacement on the vibrator surface generally draws an elliptical activation. In the traveling wave type ultrasonic motor, the traveling wave is excited by the elastic body, and the surface of the elastic body draws an elliptical motion, so that a one-way driving force is generated in the movable body. The traveling wave type ultrasonic motor has been put to practical use as an autofocus mechanism of a camera, but when applied to linear motion, there is a problem that the efficiency is reduced due to an increase in the scale of a vibration system. As a typical ultrasonic linear motor of a type using a standing wave, there is a type using a rectangular plate-shaped piezoelectric vibrator. The unidirectional driving force is obtained from the elliptical motion of the end of the linear metal plate bonded to the vibrator, and the roller is brought into pressure contact with this portion to obtain rotational power. This method can be reduced in size and can be expected to be applied to a paper feeding device or the like, but has a problem that a two-phase high-frequency power source is required. As described above, in the conventional ultrasonic motor, there is a problem that the efficiency is reduced due to an increase in the scale of the vibration system, and a problem that a relatively complicated circuit configuration is required even if the size can be reduced. Had a point. Above all, there is a disadvantage that the distance between the vibrator and the movable body is limited. That is, it has been difficult to propagate the energy of the vibration to the movable body at a location away from the vibrator. Therefore, the application area was limited.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
It is an object of the present invention to be able to simultaneously move a plurality of movable bodies at locations away from a piezoelectric vibrator, to have a simple structure, small size and light weight, a simple circuit configuration, low voltage and low power consumption driving. An object of the present invention is to provide an ultrasonic actuator.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The ultrasonic actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator, a vibration plate fixed to the piezoelectric vibrator, and at least one vibration rod fixed to the vibration plate, Directly on the tip or side of the vibrating rod Contacted or The tip or the side A movable body that is brought into contact with a coating covering the ultrasonic actuator, wherein the vibrating rod is Has an elongated shape, End As a fixed part Fixed to one plate surface of the diaphragm, or Said Some of the sides As a fixed part It is fixed to a through hole penetrating both plate surfaces of the diaphragm, The vibrating rod has a structure in which a length direction of the vibrating rod is perpendicular to a plate surface of the diaphragm, at least in the fixed portion, The piezoelectric vibrator is Consists of a rectangular plate or rectangular prism A piezoelectric ceramic, comprising electrodes D and G, wherein said electrodes D and G are Polarization axis It is formed on each of both end faces perpendicular to the direction, The vibrating plate has an end portion of one of the two plate surfaces of the vibrating plate integrally fixedly connected to a part of an end surface having the electrode G of the piezoelectric vibrator as a bonding region, Projecting substantially parallel to the end face of the piezoelectric vibrator having the electrode G toward the outside of the piezoelectric vibrator; The electrodes D and G have terminals T respectively. D And T G And the terminal T D And T G When a voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is applied between the piezoelectric vibrator and the piezoelectric vibrator, elastic vibration is excited, and the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is different from that of the piezoelectric vibrator. The elastic vibration is substantially equal to a resonance frequency of a composite body including the vibration plate and the vibration bar, the elastic vibration is propagated to the vibration plate, and a vibration displacement is generated on the surface of the vibration bar by the elastic vibration propagated to the vibration plate. The vibration displacement moves the movable body.
[0005]
The ultrasonic actuator according to claim 2, wherein the piezoelectric vibrator, a vibration plate fixed to the piezoelectric vibrator, and at least one vibration rod fixed to the vibration plate, Directly on the tip or side of the vibrating rod Contacted or The tip or the side A movable body that is brought into contact with a coating covering the ultrasonic actuator, wherein the vibrating rod is Has an elongated shape, End As a fixed part Fixed to one plate surface of the diaphragm, or Said Some of the sides As a fixed part It is fixed to a through hole penetrating both plate surfaces of the diaphragm, The vibrating rod has a structure in which a length direction of the vibrating rod is perpendicular to a plate surface of the diaphragm, at least in the fixed portion, The piezoelectric vibrator is Consists of a rectangular plate or rectangular prism A piezoelectric ceramic comprising electrodes P and G, wherein said electrodes P and G are Polarization axis Formed at each of both end surfaces perpendicular to the direction, at least the electrode P among the electrodes P and G comprises two electrodes D and F insulated from each other, The vibrating plate has an end portion of one of the two plate surfaces of the vibrating plate integrally fixedly connected to a part of an end surface having the electrode G of the piezoelectric vibrator as a bonding region, Projecting substantially parallel to the end face of the piezoelectric vibrator having the electrode G toward the outside of the piezoelectric vibrator; The electrodes D, F and G have terminals T respectively. D , T F And T G Is provided, and the terminal T D And T G When a voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is applied between the piezoelectric vibrator and the piezoelectric vibrator, elastic vibration is excited, and the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is different from that of the piezoelectric vibrator. The resonance frequency is substantially equal to the resonance frequency of the composite body including the diaphragm and the vibrating rod, the elastic vibration is propagated to the diaphragm, and the terminal T F And T G A vibration displacement occurs on the surface of the vibrating rod due to the elastic vibration transmitted to the diaphragm and converted into an electric signal, and the vibration displacement moves the movable body.
[0006]
An ultrasonic actuator according to a third aspect is characterized in that the area of the electrode D on one end face of the piezoelectric ceramic is substantially three to four times the area of the electrode F.
[0007]
The ultrasonic actuator according to claim 4, further comprising: an oscillation circuit using a transistor as an amplifying element, and using the complex including the piezoelectric vibrator, the diaphragm, and the vibrating rod as a resonance element, wherein the oscillation circuit is a direct current. Power supply Vdc and terminal T D And a step-up coil connected between the output terminal of the transistor and the terminal T. D And the input terminal of the transistor is connected to the terminal T. F To the terminal T F Is received as a feedback voltage.
[0008]
An ultrasonic actuator according to a fifth aspect is characterized in that the vibrating rod has a structure that is linear, curved, or a combination thereof.
[0009]
An ultrasonic actuator according to a sixth aspect is characterized in that the vibrating rod is branched into at least two.
[0010]
An ultrasonic actuator according to a seventh aspect is characterized in that the branched portion of the vibrating rod is branched into at least two.
[0011]
The ultrasonic actuator according to claim 8 is characterized in that the cross section perpendicular to the length direction of the vibrating rod has a square edge or an annular shape.
[0012]
The ultrasonic actuator according to claim 9, wherein: Said Tip or Said Cover the tip Said The movable body that comes into contact with the coating makes a rotational motion about the longitudinal direction of the vibrating rod as an axis.
[0013]
The ultrasonic actuator according to claim 10, wherein Said Side or Said Cover the side Said The movable body contacting the coating may move or repeat along the length direction of the vibrating rod.
[0014]
12. The ultrasonic actuator according to claim 11, wherein the piezoelectric vibrator has a rectangular plate having a length-to-width dimension ratio close to 1 and not equal to 1, or any two of a length-width-thickness ratio. A rectangular prism having a dimensional ratio close to 1 and not equal to 1; An end of one of the two plate surfaces of the diaphragm is a joining region. Of the piezoelectric vibrator The electrode G End face with Part of The piezoelectric vibrator is fixed to the piezoelectric vibrator toward the outside of the piezoelectric vibrator. The electrode G And projecting substantially in parallel with the end face having the following.
[0015]
13. The ultrasonic actuator according to claim 12, wherein the piezoelectric vibrator is a rectangular plate having a length-to-width dimension ratio close to 1 and not equal to 1, or any two of length-width-thickness. A rectangular prism having a dimensional ratio close to 1 and not equal to 1; The end of one plate surface of both plate surfaces of the diaphragm is used as a joining region. The piezoelectric vibrator is integrally and continuously fixed to a portion along the width direction of the piezoelectric vibrator on an end face having the electrode G of the piezoelectric vibrator, and the electrode of the piezoelectric vibrator is directed outward of the piezoelectric vibrator. G and projecting substantially parallel to the end face having the terminal T D And T F Is provided at a portion along the width direction of the piezoelectric vibrator on an end face having the electrodes D and F of the piezoelectric vibrator.
[0016]
[Action]
The ultrasonic actuator according to the present invention has a simple structure including a piezoelectric vibrator, a vibrating plate, at least one vibrating rod, and a movable body. The diaphragm is fixed to the piezoelectric vibrator, and the vibrating rod is fixed to the diaphragm. When the vibrating rod has two ends as a tip and a terminal, respectively, the terminal is fixed to one surface of the diaphragm as a fixed end, or a part of a side surface is formed in a through hole penetrating both plate surfaces of the diaphragm. It is fixed. At this time, the vibrating rod is fixed to the vibrating plate such that the length direction of the vibrating rod and the direction of the plate surface of the vibrating plate are perpendicular to each other at the fixed portion between the vibrating rod and the vibrating plate. As long as the vibrating rod has an elongated shape, it may be long or short, whether it is bent or not. A structure that is perpendicular to the plate surface of the plate is employed. The piezoelectric vibrator includes a columnar piezoelectric ceramic, electrodes D and G, and the electrodes D and G are formed on both end faces perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic. Terminals T are applied to electrodes D and G, respectively. D And T G Is provided, and a terminal T D And T G When a voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is applied to the piezoelectric vibrator, elastic vibration is excited in the piezoelectric vibrator. At this time, the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is substantially equal to the resonance frequency of the composite including the piezoelectric vibrator, the vibration plate, and the vibration bar. The elastic vibration in the piezoelectric vibrator causes the vibration plate to vibrate, and the vibration of the vibration plate is propagated to the vibration bar. Thus, a vibration displacement occurs on the surface of the vibration bar. When the movable body is brought into direct contact with the tip or side surface of the vibrating rod, or when the movable body is brought into contact with a coating covering the tip or side surface of the vibrating rod, the movable body moves due to vibration displacement of the vibrating rod. At this time, the movable body that comes into contact with the tip of the vibrating rod or the coating covering the distal end makes a rotary motion, such as a countersunk, around the longitudinal direction of the vibrating rod. In addition, the movable body that is in contact with the side surface of the vibrating rod or the coating that covers the side surface moves, rotates, or repeats along the length direction of the vibrating rod. For example, if an object having a plane is a movable body, pressing the plane of the object against the side surface of the vibrating rod moves the object along the length direction of the vibrating rod, and pressing the bearing rotates the bearing. If the wire is placed on a horizontal vibrating rod, it will make repetitive movements. The direction of movement of the movement, rotation or repetition can be controlled by changing the contact point between the vibrating rod and the movable body. A material that generates a frictional force is used as the coating that covers the surface of the vibrating rod. Thus, according to the ultrasonic actuator of the present invention, the movable body can be moved efficiently.
[0017]
In the ultrasonic actuator of the present invention, the electrodes P and G can be adopted as the electrodes included in the piezoelectric vibrator. The electrodes P and G are formed on both end faces perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic. At this time, of the electrodes P and G, at least the electrode P is composed of two electrodes D and F insulated from each other. D And T F Is provided. The electrode T has a terminal T G Is provided. When such an ultrasonic actuator is driven, the terminal T D And T G When a voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is applied to the piezoelectric vibrator, elastic vibration is excited in the piezoelectric vibrator. At this time, the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is substantially equal to the resonance frequency of the composite including the piezoelectric vibrator, the vibration plate, and the vibration bar. The elastic vibration in the piezoelectric vibrator causes the vibration plate to vibrate, and the vibration of the vibration plate is propagated to the vibration bar. Thus, a vibration displacement occurs on the surface of the vibration bar. When the movable body is brought into direct contact with the tip or side surface of the vibrating rod, or when the movable body is brought into contact with a coating covering the tip or side surface of the vibrating rod, the movable body moves due to vibration displacement of the vibrating rod. Most of the elastic vibration in the piezoelectric vibrator is propagated to the vibrating rod via the vibrating plate and consumed for moving the movable body. The elastic vibration of the piezoelectric vibrator is converted into an electric signal by the terminal T. F And T G It is possible to output from between. Moreover, this terminal T F And T G And the electric signal output from the D And T G It is possible to enter between. Such an ultrasonic actuator can not only efficiently move the movable body, but also is small and lightweight, can be driven by self-excitation, and can be easily driven by a battery. Driving in a form that can respond to environmental changes becomes possible.
[0018]
The ultrasonic actuator of the present invention employs a self-excited oscillation circuit in order to realize efficient self-excited drive. This self-excited oscillation circuit is a circuit in which a transistor is used as an amplifying element, and a complex including a piezoelectric vibrator, a diaphragm and a vibrating rod is used as a resonance element. In addition, DC power supply Vdc and terminal T D And a step-up coil. The transistor has an output terminal T D And the input terminal is terminal T F This transistor is connected to terminal T F In order to receive the piezoelectricity appearing in the feedback as a feedback voltage. Thus, the self-excited oscillation circuit has a function of automatically tracking the frequency to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator. In addition, by providing a circuit using the back electromotive voltage of the coil, it becomes possible to drive the piezoelectric vibrator at a voltage higher than the DC power supply voltage. This back electromotive voltage circuit generates a high voltage by utilizing the characteristics of the coil, and is advantageous in terms of price, weight and volume as compared with the use of a transformer. In addition, features such as a simple circuit configuration and small size, and good power supply efficiency and frequency characteristics can be provided. Further, by adopting a structure in which the area of the electrode D on one end face of the piezoelectric ceramic becomes approximately three to four times the area of the electrode F, the terminal T is generated by the excitation of the piezoelectric vibrator itself. F The piezoelectricity appearing at the terminal T is used as a feedback voltage again at the terminal T. D It is possible to improve the efficiency when supplying and using the fuel cell. Therefore, efficient self-excited driving becomes possible, and driving with low voltage and low power consumption becomes possible.
[0019]
In the ultrasonic actuator of the present invention, a structure having a linear rod shape, a curved rod shape, or a combination thereof can be adopted as the vibrating rod. Further, a coil-shaped structure can be adopted. That is, the vibrating bar does not need to be linear, but may be bent. In addition, the vibrating rod may or may not extend above and below the diaphragm. Further, it is also possible to adopt a structure in which the vibrating rod is branched into at least two, and a structure in which the branched portion is further branched into at least two. That is, the energy of the ultrasonic wave is sufficiently transmitted to the branched tip portion. By adopting a structure in which the cross-sectional shape perpendicular to the length direction of the vibrating rod forms an annular shape, for example, a structure in which the cross-sectional shape forms a square edge or an annular shape, that is, by adopting a tubular structure as the vibrating rod, The energy of the sound wave is more likely to be propagated to every corner of the vibrating rod. In the ultrasonic actuator according to the present invention, the movable body that is in contact with the tip of the vibrating rod or the coating covering the distal end makes a rotational motion about the longitudinal direction of the vibrating rod. That is, energy is generated at the tip of the vibrating rod so as to enable the dish to be turned. The movable body contacting the side surface of the vibrating rod or the coating covering the side surface moves, rotates or repeats along the length direction of the vibrating rod. For example, if an object having a plane is a movable body and the plane is pressed against the vibrating rod, the object moves along the length direction of the vibrating rod. Put on a horizontal vibrating rod to make repetitive motion. The direction of movement of this movement, rotation, or repetition can be reversed by changing the position of the side surface of the vibrating rod that contacts the movable body.
[0020]
In the ultrasonic actuator according to the present invention, as the piezoelectric vibrator, a rectangular plate having a length to width dimension ratio close to 1 and not equal to 1 or any two of the length to width to thickness dimension ratio is 1 A rectangular prism close to and not equal to 1 can be employed. Accordingly, the combined vibration of the composite including the piezoelectric vibrator, the diaphragm, and the vibrating rod is enhanced, so that the energy of the ultrasonic wave is easily transmitted to every corner of the vibrating rod. Further, the vibration plate is integrally fixed on an end face having electrodes of the piezoelectric vibrator, and furthermore, is fixed so as to protrude outward from the piezoelectric vibrator almost parallel to the end face of the piezoelectric vibrator. I have. Accordingly, the vibration plate vibrates with the joint between the piezoelectric vibrator and the vibration plate as a fixed end, so that the energy of the vibration can be efficiently transmitted to the vibration rod.
[0021]
In the ultrasonic actuator of the present invention, the vibration plate is integrally and continuously fixed to a portion along the width direction of the piezoelectric vibrator on the end face having the electrode G of the piezoelectric vibrator, and the terminal T D And T F Can be adopted on the end face of the piezoelectric vibrator having the electrodes D and F at a portion along the width direction of the piezoelectric vibrator. That is, the vibration plate is fixed to a portion of the piezoelectric vibrator along the width direction, and the terminal T D And T F This is also a structure provided at a portion along the width direction of the piezoelectric vibrator, in which a straight line dividing the electrodes D and F is parallel to the length direction of the piezoelectric vibrator. By employing such a structure, efficient self-excited driving becomes possible, and driving with low voltage and low power consumption becomes possible.
[0022]
【Example】
FIG. 1 is a side view showing one embodiment of the ultrasonic actuator of the present invention. This embodiment includes a piezoelectric vibrator 1, a vibration plate 2, a vibration bar 3, a movable body 4, and a self-excited oscillation drive circuit 5. However, in FIG. 1, the self-excited oscillation drive circuit 5 is omitted. The vibration plate 2 is fixed to one end face of the piezoelectric vibrator 1 so as to be integrally connected to the piezoelectric vibrator 1. The vibrating rod 3 is fixed to an inner surface of a through hole penetrating both plate surfaces of the vibrating plate 2. The piezoelectric vibrator 1 includes a piezoelectric ceramic 6 and electrodes D, F and G. Terminals T are applied to the electrodes D, F and G, respectively. D , T F And T G Is provided. The piezoelectric ceramic 6 is made of a rectangular plate-shaped TDK72A material (product name), its length is 17 mm, its width is 20 mm, and its thickness is 1 mm. The direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic 6 coincides with the thickness direction, and electrodes D and F are formed on one end face perpendicular to the thickness direction, and an electrode G is formed on the other end face. . Each electrode is made of an aluminum thin film. The diaphragm 2 is made of stainless steel, and has a length of 20 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 0.05 mm. The vibration plate 2 has a joining area of 2 mm in length and 20 mm in width at an end of one plate surface, and the joining area is fixed to the piezoelectric vibrator 1 via an electrode G. That is, the length of the protruding portion of the vibration plate 2 excluding the joining region between the piezoelectric vibrator 1 and the vibration plate 2 is 18 mm. The vibrating rod 3 is made of a brass pipe having a length of 46 mm. The outer diameter of the cross section perpendicular to the length direction is 0.6 mm, and the inner diameter is 0.2 mm. The movable body 4 is in contact with the side surface of the vibrating rod 3. The movable body 4 is formed of a ball bearing.
[0023]
FIG. 2 is a perspective view showing another embodiment of the movable body 4. The movable body 7 shown in FIG. 2 is formed of a plate having a diameter of 20 mm, and is mounted on the tip of the vibrating rod 3.
[0024]
FIG. 3 is a perspective view showing still another embodiment of the movable body 4. The movable body 8 in FIG. 3 is made of a V-shaped wire, and is in contact with the side surface of the vibrating rod 3. At this time, the vibrating rod 3 is bent or the apparatus is installed so that the vibrating rod 3 is substantially horizontal, so that the vibrating rod 3 is provided with a horizontal portion, and the movable body 8 is placed on the horizontal portion. ing.
[0025]
FIG. 4 is a perspective view showing a composite including the piezoelectric vibrator 1, the vibration plate 2 and the vibration rod 3 in the ultrasonic actuator of FIG. The vibration plate 2 is fixed to a portion along the width direction on the end face having the electrode G of the piezoelectric vibrator 1. The vibration plate 2 protrudes outward from the piezoelectric vibrator 1 substantially in parallel with the end face of the piezoelectric vibrator 1. In the present embodiment, the vibrating rod 3 penetrates through the diaphragm 2, but a structure in which the vibrating rod 3 is fixed on the plate surface of the diaphragm 2 without penetrating it is also possible. In the piezoelectric vibrator 1 of the present embodiment, the electrodes D and F are provided on one end face perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic 6, but only one electrode is provided instead of the electrodes D and F. It is also possible to adopt a structure.
[0026]
When the ultrasonic actuator of FIG. 1 is driven, an electric signal having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the composite of FIG. D And T G When the vibration is input to the piezoelectric vibrator 1 via the piezoelectric vibrator, the piezoelectric vibrator 1 is piezoelectrically excited. Since the vibration plate 2 has a structure in which the vibration plate 2 is integrally connected and fixed to one end face of the piezoelectric vibrator 1, the vibration plate 2 is joined to the piezoelectric vibrator 1 with the vibration of the piezoelectric vibrator 1. Vibration is performed with the area as a fixed end. This vibration causes the vibrating rod 3 to vibrate, and a vibration displacement occurs on the surface of the vibrating rod 3. This vibration displacement moves the movable body 4, 7, or 8. A vibrating rod 3 having a maximum length of approximately 1 m allowed the movable body 4, 7 or 8 to move.
[0027]
FIG. 5 is a configuration diagram showing one embodiment of the self-excited oscillation drive circuit 5. Terminal T D And T G Most of the vibration excited by the piezoelectric vibrator 1 by applying a voltage to the piezoelectric vibrator 1 through the piezoelectric vibrator 1 is propagated to the vibration plate 2 and the piezoelectric vibrator 1 responds to the vibration of the piezoelectric vibrator 1. Terminal T as a voltage opposite in phase to the voltage applied to F And T G Output from By repeating this operation, positive feedback self-excited oscillation occurs. That is, an electric signal having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the composite is supplied to the piezoelectric vibrator 1 stably following changes in the ambient temperature. In this way, it is possible to always maintain its own optimum oscillation state. Accordingly, the problem that the resonance frequency of the composite shifts due to heat generation or the like which becomes a problem in the separately-excited driving and the oscillation condition is deteriorated is solved. Further, it is possible to configure a circuit with extremely few components such as one coil L1, one transistor Tr, two resistors R1 and R2, and one diode D1. In addition, despite the small number of components, the DC power supply Vdc can be used and the power efficiency is good, so that the power supply can be reduced in size.
[0028]
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the frequency and the amplitude and phase of admittance between the electrodes D and G in the piezoelectric vibrator 1 alone and in the composite of FIG. However, the case where the area ratio between the electrodes D and F on one end face perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic 6 is 1: 1 is shown. The dotted line shows the case of the piezoelectric vibrator 1 alone, and the solid line shows the case of the composite.
[0029]
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the frequency and the amplitude and phase of admittance between the electrodes D and G in the piezoelectric vibrator 1 alone and in the composite of FIG. However, the case where the area ratio between the electrodes D and F on one end face perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic 6 is 3: 1 is shown. The dotted line shows the case of the piezoelectric vibrator 1 alone, and the solid line shows the case of the composite.
[0030]
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the frequency and the amplitude and phase of admittance between the electrodes D and G in the piezoelectric vibrator 1 alone and in the composite of FIG. However, the case where the area ratio between the electrodes D and F on one end face perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic 6 is 4: 1 is shown. The dotted line shows the case of the piezoelectric vibrator 1 alone, and the solid line shows the case of the composite.
[0031]
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the frequency and the amplitude and phase of admittance between the electrodes D and G in the piezoelectric vibrator 1 alone and in the composite of FIG. However, the case where the area ratio between the electrodes D and F on one end face perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic 6 is 5: 1 is shown. The dotted line shows the case of the piezoelectric vibrator 1 alone, and the solid line shows the case of the composite. According to FIGS. 6, 7, 8 and 9, it can be seen that the admittance amplitude becomes maximum when the area ratio between the electrodes D and F is 4: 1. The admittance amplitude is larger when the length of the protruding portion of the vibration plate 2 excluding the joining region between the piezoelectric vibrator 1 and the vibration plate 2 is 18 mm than when it is 24.5 mm. It has been confirmed that the frequency difference between the simple substance and the composite is small.
[0032]
FIG. 10 is a characteristic diagram showing admittance circles of the piezoelectric vibrator 1 alone and the composite of FIG. However, when the area ratio between the electrodes D and F on one end face perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic 6 is 4 to 1, and vibration other than the joining area between the piezoelectric vibrator 1 and the vibration plate 2 is obtained. The case where the length of the overhang portion of the plate 2 is 18 mm and the case where it is 24.5 mm are shown. In FIG. 10, “0 mm” indicates the case of the piezoelectric vibrator 1 alone. It can be seen that the admittance circle is maximal when the length of the protruding portion of the vibration plate 2 excluding the joining region between the piezoelectric vibrator 1 and the vibration plate 2 is 18 mm, and furthermore, the shape is well-formed.
[0033]
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the area ratio of the electrode D when the area of the electrode F is 1, and the power consumption of the DC power supply Vdc. However, the power consumption is a value when the DC power supply voltage is 9 V. When the area ratio between the electrodes D and F is 4: 1, the power consumption is 0.58 W, which means that the power consumption is the lowest. Further, it was confirmed that when the DC power supply voltage was 9 V, the maximum voltage was applied to the electrode D when the area ratio between the electrodes D and F was 4: 1. At this time, the maximum value of the voltage applied to the electrode D was 69V. That is, when a voltage of a predetermined magnitude is supplied to the electrode D, a voltage of a predetermined magnitude is supplied to the electrode D with the smallest DC power supply voltage when the area ratio between the electrodes D and F is 4: 1. Becomes possible.
[0034]
FIG. 12 shows the area ratio of the electrode D when the area of the electrode F is set to 1, and the number of rotations per minute (RP. FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship with M). When the area ratio between the electrodes D and F is 3: 1, the number of rotations shows the maximum value. However, in consideration of the power consumption efficiency and the like in FIG. 11, it can be seen that the driving with the lowest voltage and the low power consumption is possible when the area ratio between the electrodes D and F is 4: 1. That is, it is understood that the rotation efficiency is highest when the area ratio between the electrodes D and F is 4: 1.
[0035]
FIG. 13 is a perspective view showing another embodiment of the composite of FIG. This embodiment comprises a piezoelectric vibrator 9, a vibrating plate 10 and a vibrating rod 11. The vibration plate 10 is fixed to one end face of the piezoelectric vibrator 9 integrally with the piezoelectric vibrator 9. The vibration bar 11 is fixed to one plate surface of the vibration plate 10. The piezoelectric vibrator 9 includes a piezoelectric ceramic 12 and electrodes D, F and G. Terminals T are applied to the electrodes D, F and G, respectively. D , T F And T G Is provided. The piezoelectric ceramic 12 is made of a TDK72A material (product name) having a rectangular prism shape, and has a length of 10 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 6 mm. The direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic 12 coincides with the thickness direction, and electrodes D and F are formed on one end face perpendicular to the thickness direction so as to be insulated from each other. G is formed. Terminal T D And T F Is provided at a portion along the length direction of the piezoelectric vibrator 9. That is, the straight line separating the electrodes D and F is parallel to the width direction of the piezoelectric vibrator 9. Each electrode is made of an aluminum thin film. The diaphragm 10 is made of stainless steel and has a length of 12 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.05 mm. The vibration plate 10 has a joining area of 1.5 mm in length and 5 mm in width at one end of one plate surface, and is fixed to a portion along the width direction on the end surface of the piezoelectric vibrator 9 having the electrode G. . The vibration plate 10 projects outwardly of the piezoelectric vibrator 9 so as to be substantially parallel to the end face of the piezoelectric vibrator 9. The vibrating rod 11 is made of a brass rod having a length of 45 mm, and its cross section perpendicular to the longitudinal direction is a square having a side of 0.6 mm. The vibration bar 11 can be freely bent. It was confirmed that the same effect as that obtained when FIG. 4 was used was obtained also when the composite shown in FIG. 13 was used.
[0036]
Further, a composite is provided in which the arrangement of the electrodes D and F is different from the composite shown in FIG. This composite has a terminal T D And T F Are provided at portions along the width direction of the piezoelectric vibrator 9. In other words, the straight line separating the electrodes D and F is a composite parallel to the length direction of the piezoelectric vibrator 9, and the use of such a composite exhibits the same effect as that of FIG. Was confirmed.
[0037]
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the relationship between susceptance and conductance near the resonance frequency in the composite of FIG. 13, that is, a characteristic diagram showing the admittance circle near the resonance frequency. Here, four cases are shown in which the area ratio between the electrodes D and F on one end face of the piezoelectric ceramic 12 is 1: 1, 1.5: 1, 3: 1, and 4: 1. It can be seen that when the area ratio between the electrodes D and F is 3: 1 and subsequently 4: 1, the admittance circle is the largest and the shape is well-ordered. This means that the composite can be efficiently driven when the area ratio between the electrodes D and F is approximately 3: 1 to 4: 1.
[0038]
FIG. 15 is a perspective view showing still another embodiment of the composite of FIG. This embodiment is different from the composite shown in FIG. 4 in the arrangement of the electrodes D and F. In each of the composites of FIGS. 4 and 15, the vibration plate 2 is fixed to a portion of the piezoelectric vibrator 1 along the width direction, but in the composite of FIG. D And T F Is provided at a portion along the length direction of the piezoelectric vibrator 1. That is, the straight line dividing the electrodes D and F is parallel to the width direction of the piezoelectric vibrator 1. In contrast, in the composite of FIG. D And T F Is provided at a portion along the width direction of the piezoelectric vibrator 1. That is, the straight line dividing the electrodes D and F is parallel to the length direction of the piezoelectric vibrator 1. It was confirmed that the same effect as in the case of using FIG. 4 was obtained when the composite of FIG. 15 was used.
[0039]
【The invention's effect】
An ultrasonic actuator according to the present invention includes a piezoelectric vibrator, a vibrating plate fixed to the piezoelectric vibrator, at least one vibrating rod fixed to the vibrating plate, and a movable body fixed to the vibrating rod. The piezoelectric vibrator includes a columnar piezoelectric ceramic and electrodes D and G formed on both end faces perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic. Terminals T are applied to electrodes D and G, respectively. D And T G Is provided, and a terminal T D And T G When a voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is applied between the piezoelectric vibrator and the piezoelectric vibrator, elastic vibration is efficiently excited in the piezoelectric vibrator. At this time, the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is substantially equal to the resonance frequency of the composite including the piezoelectric vibrator, the vibration plate, and the vibration bar. By employing the piezoelectric vibrator having such a simple structure, the size of the ultrasonic actuator can be reduced. The elastic vibration of the piezoelectric vibrator causes the vibrating plate to vibrate, and the vibration of the vibrating plate is propagated to the vibrating rod, causing a vibration displacement on the surface of the vibrating rod. When the movable body is brought into direct contact with the surface of the vibrating rod, or when the movable body is brought into contact with a coating covering the surface of the vibrating rod, the movable body moves by vibrating displacement of the vibrating rod. A material that generates a frictional force is used as the coating that covers the surface of the vibrating rod. Thus, according to the ultrasonic actuator of the present invention, the movable body can be moved efficiently.
[0040]
In the ultrasonic actuator of the present invention, it is possible to adopt a structure in which one of the electrodes formed on each of both end faces perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic is composed of two electrodes insulated from each other. For example, a structure in which an electrode G is provided on one end face perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric ceramic and two electrodes D and F insulated from each other are provided on the other end face is used. Terminals T are applied to the electrodes D, F and G, respectively. D , T F And T G Is provided. When such an ultrasonic actuator is driven, the terminal T D And T G When a voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is applied to the piezoelectric vibrator, elastic vibration is excited in the piezoelectric vibrator. At this time, the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is substantially equal to the resonance frequency of the composite including the piezoelectric vibrator, the vibration plate, and the vibration bar. The elastic vibration of the piezoelectric vibrator causes the vibrating plate to vibrate, and the vibration of the vibrating plate is propagated to the vibrating rod, causing a vibration displacement on the surface of the vibrating rod. Most of the elastic vibration in the piezoelectric vibrator is propagated to the vibrating rod via the vibrating plate and consumed for moving the movable body, and the terminal T is used as an electric signal. F And T G Is output between This terminal T F And T G And the electric signal output from the D And T G Can be entered between Such an ultrasonic actuator has a simple circuit configuration, is small in size and light in weight, and can be driven by self-excitation. Therefore, it can be driven in a form that can cope with environmental changes such as temperature rise due to heat generation.
[0041]
The ultrasonic actuator according to the present invention employs an efficient self-excited oscillation drive circuit using a transistor as an amplifying element and a complex including a piezoelectric vibrator, a vibrating plate and a vibrating rod as a resonant element. In addition, DC power supply Vdc and terminal T D And a step-up coil. The transistor has an output terminal T D And the input terminal is terminal T F This transistor is connected to terminal T F In order to receive the piezoelectricity appearing in the feedback as a feedback voltage. Thus, the self-excited oscillation drive circuit has a function of automatically tracking the frequency to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator. In addition, by providing a circuit using the back electromotive voltage of the coil, it becomes possible to drive the piezoelectric vibrator at a voltage higher than the DC power supply voltage. This back electromotive voltage circuit generates a high voltage by utilizing the characteristics of the coil, and is advantageous in terms of price, weight and volume as compared with the use of a transformer. In addition, features such as a simple circuit configuration and small size, and good power supply efficiency and frequency characteristics can be provided. Further, by adopting a structure in which the area of the electrode D on one end face of the piezoelectric ceramic becomes approximately three to four times the area of the electrode F, the terminal T is generated by the excitation of the piezoelectric vibrator itself. F The piezoelectricity appearing at the terminal T is used as a feedback voltage again at the terminal T. D It is possible to improve the efficiency when supplying and using the fuel cell. Therefore, efficient self-excited driving becomes possible, and driving with low voltage and low power consumption becomes possible.
[0042]
In the ultrasonic actuator of the present invention, a structure having a linear rod shape, a curved rod shape, or a combination thereof can be adopted as the vibrating rod. That is, the vibrating bar does not need to be linear, but may be bent. Further, a branched structure may be adopted as the vibrating rod. The energy of the ultrasonic wave is sufficiently transmitted to the branched tip portion. By adopting a structure in which the cross section perpendicular to the length direction of the vibrating rod has, for example, a rectangular or annular shape, that is, a tubular structure as the vibrating rod, the energy of the ultrasonic wave is further applied to the tip of the vibrating rod To be easily propagated. In the ultrasonic actuator according to the present invention, the movable body that is in contact with the tip of the vibrating rod or the coating covering the distal end makes a rotational motion about the longitudinal direction of the vibrating rod. That is, energy is generated at the tip of the vibrating rod so as to enable the dish to be turned. The movable body contacting the side surface of the vibrating rod or the coating covering the side surface moves, rotates or repeats along the length direction of the vibrating rod. For example, if an object having a plane is a movable body and the plane is pressed against the vibrating rod, the object moves along the length direction of the vibrating rod. Put on a horizontal vibrating rod to make repetitive motion. The direction of movement of this movement, rotation, or repetition can be reversed by changing the position of the side surface of the vibrating rod that contacts the movable body.
[0043]
In the ultrasonic actuator according to the present invention, as the piezoelectric vibrator, a rectangular plate having a length to width dimension ratio close to 1 and not equal to 1 or any two of the length to width to thickness dimension ratio is 1 A rectangular prism close to and not equal to 1 can be employed. Accordingly, the combined vibration of the composite including the piezoelectric vibrator, the diaphragm, and the vibrating rod is enhanced, so that the energy of the ultrasonic wave is easily transmitted to every corner of the vibrating rod. Further, the vibration plate is integrally fixed on an end face having electrodes of the piezoelectric vibrator, and furthermore, is fixed so as to protrude outward from the piezoelectric vibrator almost parallel to the end face of the piezoelectric vibrator. I have. Accordingly, the vibration plate vibrates with the joint between the piezoelectric vibrator and the vibration plate as a fixed end, so that the energy of the vibration can be efficiently transmitted to the vibration rod.
[0044]
In the ultrasonic actuator of the present invention, the vibration plate is integrally and continuously fixed to a portion along the width direction of the piezoelectric vibrator on the end face having the electrode G of the piezoelectric vibrator, and the terminal T D And T F Can be adopted on the end face of the piezoelectric vibrator having the electrodes D and F at a portion along the width direction of the piezoelectric vibrator. That is, the vibration plate is fixed to a portion of the piezoelectric vibrator along the width direction, and the terminal T D And T F This is also a structure provided at a portion along the width direction of the piezoelectric vibrator, in which a straight line dividing the electrodes D and F is parallel to the length direction of the piezoelectric vibrator. By employing such a structure, efficient self-excited driving becomes possible, and driving with low voltage and low power consumption becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing an embodiment of an ultrasonic actuator according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing another embodiment of the movable body 4.
FIG. 3 is a perspective view showing still another embodiment of the movable body 4.
FIG. 4 is a perspective view showing a composite including a piezoelectric vibrator 1, a vibrating plate 2, and a vibrating rod 3 in the ultrasonic actuator of FIG.
FIG. 5 is a configuration diagram showing an embodiment of a self-excited oscillation drive circuit 5.
6 is a characteristic diagram showing the relationship between the frequency and the amplitude and phase of admittance between electrodes D and G in the piezoelectric vibrator 1 alone and in the composite of FIG.
7 is a characteristic diagram showing the relationship between the frequency and the amplitude and phase of admittance between electrodes D and G in the piezoelectric vibrator 1 alone and in the composite of FIG.
8 is a characteristic diagram showing the relationship between the frequency and the amplitude and phase of admittance between electrodes D and G in the piezoelectric vibrator 1 alone and in the composite of FIG.
9 is a characteristic diagram showing the relationship between the frequency and the amplitude and phase of admittance between electrodes D and G in the piezoelectric vibrator 1 alone and in the composite of FIG.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing admittance circles of the piezoelectric vibrator 1 alone and the composite of FIG.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing a relationship between the area ratio of the electrode D and the power consumption of the DC power supply Vdc when the area of the electrode F is 1;
FIG. 12 is a characteristic diagram showing the relationship between the area ratio of the electrode D when the area of the electrode F is 1, and the number of rotations per minute when the movable body 4 rotates in contact with the side surface of the vibrating rod 3;
FIG. 13 is a perspective view showing another embodiment of the composite of FIG. 4;
FIG. 14 is a characteristic diagram showing an admittance circle near a resonance frequency in the composite of FIG.
FIG. 15 is a perspective view showing still another embodiment of the composite of FIG. 4;
[Explanation of symbols]
1 Piezoelectric vibrator
2 diaphragm
3 vibrating rod
4 movable body
5 Self-excited oscillation drive circuit
6 Piezoelectric ceramic
7 movable body
8 movable body
9 Piezoelectric vibrator
10 diaphragm
11 vibrating bar
12 Piezoelectric ceramic
D, F, G electrode
T D , T F , T G Terminal
Vdc DC power supply
L1 coil
Tr transistor
R1, R2 resistance
D1 diode

Claims (12)

圧電振動子と、該圧電振動子に固着された振動板と、該振動板に固着された少なくとも１つの振動棒と、前記振動棒の先端若しくは側面に直接接触されるかまたは前記先端若しくは前記側面を覆う被覆に接触される可動体とから成る超音波アクチュエータであって、前記振動棒は、細長い形状を成し、末端が固着部分として前記振動板の一方の板面に固着されるか、または前記側面の一部が固着部分として前記振動板の両板面を貫く貫通孔に固着されており、前記振動棒は、少なくとも前記固着部分においては、前記振動棒の長さ方向が前記振動板の板面に対して垂直になるような構造を有し、前記圧電振動子は矩形状の板または矩形状の角柱で成る圧電磁器、電極ＤおよびＧから成り、前記電極ＤおよびＧは前記圧電磁器の分極軸の方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されており、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出し、前記電極ＤおよびＧにはそれぞれ端子ＴDおよびＴGが設けられ、前記端子ＴDとＴGとの間に前記圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより、前記圧電振動子に弾性振動が励振され、前記圧電振動子の前記共振周波数は、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しく、前記弾性振動が前記振動板に伝搬され、前記振動板に伝搬された弾性振動によって前記振動棒の表面に振動変位が発生し、該振動変位が前記可動体を動かすことを特徴とする超音波アクチュエータ。A piezoelectric vibrator, a vibrating plate fixed to the piezoelectric vibrator, at least one vibrating rod fixed to the vibrating plate, and directly contacting with the tip or side surface of the vibrating rod or the tip or side surface An ultrasonic actuator comprising: a movable body that is brought into contact with a coating covering the vibration rod, wherein the vibrating rod has an elongated shape, and a distal end is fixed to one plate surface of the diaphragm as a fixed portion , or said and part is fixed to the through-hole penetrating both plate surfaces of the diaphragm as a fixing portion of the side surface, said vibrating rod, at least in the anchoring portion, the length direction of the vibrating rod of the diaphragm The piezoelectric vibrator has a structure which is perpendicular to a plate surface, and the piezoelectric vibrator is composed of a piezoelectric ceramic comprising a rectangular plate or a rectangular prism , electrodes D and G, and the electrodes D and G are the piezoelectric ceramics. in the direction of the polarization axis Are formed in each of the straight both end faces, wherein the diaphragm, the end surfaces of the end portion of the one plate surface of both plate surfaces of the vibrating plate having the electrode G of the piezoelectric vibrator as the bonding region part is fixed continuous to integrally substantially parallel to protrude to the end face having the electrode G of the piezoelectric vibrator toward the outside of the piezoelectric vibrator, the electrodes D and the respective terminals T D to G and T G are provided, by substantially equal frequency voltage between the resonance frequency of the piezoelectric vibrator between the terminals T D and T G is applied, the elastic vibration is excited in the piezoelectric vibrator, wherein The resonance frequency of the piezoelectric vibrator is substantially equal to the resonance frequency of the complex including the piezoelectric vibrator, the vibration plate, and the vibration bar, and the elastic vibration is propagated to the vibration plate and propagated to the vibration plate. Of the vibrating rod An ultrasonic actuator, wherein a vibration displacement occurs on a surface, and the vibration displacement moves the movable body. 圧電振動子と、該圧電振動子に固着された振動板と、該振動板に固着された少なくとも１つの振動棒と、前記振動棒の先端若しくは側面に直接接触されるかまたは前記先端若しくは前記側面を覆う被覆に接触される可動体とから成る超音波アクチュエータであって、前記振動棒は、細長い形状を成し、末端が固着部分として前記振動板の一方の板面に固着されるか、または前記側面の一部が固着部分として前記振動板の両板面を貫く貫通孔に固着されており、前記振動棒は、少なくとも前記固着部分においては、前記振動棒の長さ方向が前記振動板の板面に対して垂直になるような構造を有し、前記圧電振動子は矩形状の板または矩形状の角柱で成る圧電磁器、電極ＰおよびＧから成り、前記電極ＰおよびＧは前記圧電磁器の分極軸の方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されており、前記電極ＰおよびＧのうちで少なくとも電極Ｐは互いに絶縁された２つの電極ＤおよびＦから成り、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出し、前記電極Ｄ，ＦおよびＧにはそれぞれ端子ＴD，ＴFおよびＴGが設けられており、前記端子ＴDとＴGとの間に前記圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより、前記圧電振動子に弾性振動が励振され、前記圧電振動子の前記共振周波数は、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しく、前記弾性振動は前記振動板に伝搬されるとともに、前記端子ＴFとＴGとの間で電気信号に変換されて出力され、前記振動板に伝搬された弾性振動によって前記振動棒の表面に振動変位が発生し、該振動変位が前記可動体を動かすことを特徴とする超音波アクチュエータ。A piezoelectric vibrator, a vibrating plate fixed to the piezoelectric vibrator, at least one vibrating rod fixed to the vibrating plate, and directly contacting with the tip or side surface of the vibrating rod or the tip or side surface An ultrasonic actuator comprising: a movable body that is brought into contact with a coating covering the vibration rod, wherein the vibrating rod has an elongated shape, and a distal end is fixed to one plate surface of the diaphragm as a fixed portion , or said and part is fixed to the through-hole penetrating both plate surfaces of the diaphragm as a fixing portion of the side surface, said vibrating rod, at least in the anchoring portion, the length direction of the vibrating rod of the diaphragm The piezoelectric vibrator has a structure perpendicular to a plate surface, and the piezoelectric vibrator is composed of a piezoelectric ceramic comprising a rectangular plate or a rectangular prism , electrodes P and G, and the electrodes P and G are the piezoelectric ceramics. in the direction of the polarization axis Are formed in each of the straight both end faces, at least the electrode P among the electrodes P and G consists of two electrodes D and F, which are insulated from one another, said diaphragm of both plate surfaces of the vibrating plate An end of one of the plate faces is integrally joined and fixed to a part of an end face having the electrode G of the piezoelectric vibrator as a bonding area, and the piezoelectric vibrator is directed outward from the piezoelectric vibrator. substantially parallel to protrude to the end face having the electrode G, the electrode D, F and each terminal T D to G, and T F and T G are provided between the terminals T D and T G When a voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is applied, elastic vibration is excited in the piezoelectric vibrator, and the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is the same as the piezoelectric vibrator and the vibration plate. Resonance of a complex composed of the vibrating rod The elastic vibration is substantially equal to the frequency, and the elastic vibration is propagated to the diaphragm, converted into an electric signal between the terminals TF and TG and output, and the vibration is propagated by the elastic vibration propagated to the diaphragm. An ultrasonic actuator, wherein a vibration displacement occurs on a surface of a rod, and the vibration displacement moves the movable body. 前記圧電磁器の一方の端面上における前記電極Ｄの面積は前記電極Ｆの面積のほぼ３倍から４倍であることを特徴とする請求項２に記載の超音波アクチュエータ。The ultrasonic actuator according to claim 2, wherein an area of the electrode D on one end surface of the piezoelectric ceramic is approximately three to four times an area of the electrode F. トランジスタを増幅素子とし、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る前記複合体を共振素子とする発振回路を備え、前記発振回路は直流電源Ｖdcと前記端子ＴDとの間に接続された昇圧用のコイルを含み、前記トランジスタは、前記トランジスタの出力端子を前記端子ＴDに接続し、前記トランジスタの入力端子を前記端子ＴFに接続することにより、前記端子ＴFに現われる圧電気を帰還電圧として受けることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波アクチュエータ。And amplifying element transistor comprises an oscillation circuit in which the the complex resonator element composed of the piezoelectric vibrator and the vibrating plate and the vibrating rod, the oscillation circuit between the terminals T D and the DC power source Vdc It includes a coil connected step-up, the transistor connects the output terminal of said transistor to said terminal T D, by connecting the input terminal of said transistor to said terminal T F, appearing at the terminal T F 4. The ultrasonic actuator according to claim 2, wherein the piezoelectric actuator receives piezoelectricity as a feedback voltage. 前記振動棒が直線状、湾曲状またはそれらの組合せで成る構造を有することを特徴とする請求項１，２，３または４に記載の超音波アクチュエータ。The ultrasonic actuator according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein the vibrating rod has a structure that is linear, curved, or a combination thereof. 前記振動棒が少なくとも２つに分岐していることを特徴とする請求項５に記載の超音波アクチュエータ。The ultrasonic actuator according to claim 5, wherein the vibrating rod is branched into at least two. 前記振動棒の分岐した部分が少なくとも２つに分岐していることを特徴とする請求項６に記載の超音波アクチュエータ。The ultrasonic actuator according to claim 6, wherein a branched portion of the vibrating rod is branched into at least two. 前記振動棒の長さ方向に垂直な断面の形状が角縁状または円環状を成すことを特徴とする請求項５，６または７に記載の超音波アクチュエータ。8. The ultrasonic actuator according to claim 5, wherein a shape of a cross section perpendicular to a length direction of the vibrating rod forms a square edge or an annular shape. 9. 前記振動棒の前記先端または前記先端を覆う前記被覆に接触される前記可動体は、前記振動棒の長さ方向を軸とした回転運動をすることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７または８に記載の超音波アクチュエータ。Wherein the tip or the movable body which is in contact with the coating covering the tip of the vibrating rod, claim, characterized in that the rotational movement of the longitudinal direction of the vibrating rod with the axis 1, 2, The ultrasonic actuator according to 4, 5, 6, 7 or 8. 前記振動棒の前記側面または前記側面を覆う前記被覆に接触される前記可動体は、前記振動棒の長さ方向に沿って移動または反復運動することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７または８に記載の超音波アクチュエータ。Wherein said movable member to be contacted with the coating covering said side or the side of the vibrating rod is claim 1, 2, 3, characterized in that the movement or repetitive motion along the length of the vibrating rod, The ultrasonic actuator according to 4, 5, 6, 7 or 8. 前記圧電振動子は長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱であって、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出していることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９または１０に記載の超音波アクチュエータ。The piezoelectric vibrator is a rectangular plate having a length to width dimension ratio close to 1 and not equal to 1, or a dimension ratio of any two of length to width to thickness is close to 1 and not equal to 1. A rectangular prism, wherein the vibrating plate is integrated with a part of an end surface having the electrode G of the piezoelectric vibrator, with an end of one of the two plate surfaces of the vibrating plate serving as a bonding region. 5. The piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein said piezoelectric vibrator projects outwardly of said piezoelectric vibrator substantially in parallel with said end face having said electrode G. , 5, 6, 7, 8, 9 or 10. 前記圧電振動子は長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱であって、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面上における前記圧電振動子の幅方向に沿った部分に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出しており、前記端子ＴDおよびＴFは前記圧電振動子の前記電極ＤおよびＦを有する端面上における前記圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられていることを特徴とする請求項２，３，４，５，６，７，８，９または１０に記載の超音波アクチュエータ。The piezoelectric vibrator is a rectangular plate having a length to width dimension ratio close to 1 and not equal to 1, or a dimension ratio of any two of length to width to thickness is close to 1 and not equal to 1. A rectangular prism, wherein the vibrating plate is configured such that an end of one of the two plate surfaces of the vibrating plate has a piezoelectric vibrating surface on an end surface having the electrode G of the piezoelectric vibrator as a bonding region; The piezoelectric vibrator extends outwardly of the piezoelectric vibrator substantially parallel to the end face having the electrode G of the piezoelectric vibrator, and the terminal T 6. The piezoelectric vibrator according to claim 2, wherein D and T F are provided on a portion along the width direction of the piezoelectric vibrator on an end face of the piezoelectric vibrator having the electrodes D and F. Ultrasonic actuator according to claim 6, 6, 7, 8, 9 or 10 Ta.
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