JP4827441B2 - 振動波アクチュエータ - Google Patents

Description

超音波振動を利用したアクチュエータに関する。

弾性体上に２つの位置的に位相のずれた定在波を時間的に位相をずらして励振することにより発生する進行波によって、弾性体に加圧接触する被移動体を駆動する振動波アクチュエータは、２相以上の位相のずれた交流電圧を印加して駆動するのが一般的である。

単相の高周波交流電源回路を利用して振動波アクチュエータを駆動する場合に、単相の印加電圧をインダクタによる位相遅延によって位相をずらして他相に印加する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、圧電トランスで昇圧して、超音波モータ（ＵＳＭ：UltraSonic Motor）に交流電圧を印加する超音波アクチュエータで小型化を図る技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特公平０５−８８０７４号公報 特開平０５−２８４７６４号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、振動子以外に外部にインダクタ素子が必要であり、また、機械的共振と電気的共振のマッチングが必要である。

また、特許文献２の技術では、ＵＳＭ用振動子以外に別途圧電トランス用の振動子が必要であり、かつ圧電トランスの共振周波数と振動波アクチュエータの共振周波数とを合わせる必要がある。

本発明の目的は、駆動回路の構成を簡略化することができる振動波アクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の振動波アクチュエータは、弾性体上に２つの位置的に位相のずれた定在波を時間的に位相をずらして励振することにより発生する進行波によって、該弾性体に加圧接触する移動体を駆動する振動波アクチュエータにおいて、単相の印加電圧が駆動回路から印加されることにより第１定在波を形成する第１電気−機械エネルギー変換手段と、前記第１定在波の振動に応じて振動検出電圧を出力する第２電気−機械エネルギー変換手段と、該振動検出電圧が入力されることで第２定在波を形成する第３電気−機械エネルギー変換手段とを有し、前記振動検出電圧は、前記第１電気−機械エネルギー変換手段と前記第３電気−機械エネルギー変換手段のうち、前記第３電気−機械エネルギー変換手段にのみ印加され、前記第１定在波と前記第２定在波を合成することで前記進行波を発生することを特徴とする。

本発明によれば、弾性体上に２つの位置的に位相のずれた定在波を時間的に位相をずらして励振することにより発生する進行波によって、該弾性体に加圧接触する被移動体を駆動する振動波アクチュエータにおいて、単相の印加電圧により第１定在波を形成し、第１定在波の振動に応じて出力された振動検出電圧が入力されることで第２定在波を形成して、第１定在波と第２定在波を合成することで進行波を発生するので、多相の交流電圧を発生させる駆動回路を必要としないで、単相の駆動電圧で弾性体上に進行性の振動波を形成することができ、駆動回路の構成を簡略化することができる。

以下、本発明を図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る振動波アクチュエータの構成図である。

図１において、振動波アクチュエータ１００は、圧電体１、３、５と、圧電体１、３、５に設けられた電極２、４、６と、圧電体１、３、５を挟持している弾性体７と、弾性体７に不図示の加圧手段によって加圧接触しているロータ８とを備えている。電極２、４、６に付されている符号は、分極の極性を表している。

図２は、図１の振動波アクチュエータ１００の駆動回路を示す図である。

同図において、９はスイッチで、圧電体３に設けられた電極４の極性の異なる電極の一方を圧電体５に設けられた電極６の正極性の電極に切り替えて接続するように構成されている。ここで、図１のロータ８を回転させるためには、弾性体７とロータ８の接触面に回転方向の運動を形成する必要がある。

本実施の形態では、弾性体７に振動を発生させることで、ロータ８に力を伝達する。より具体的には、弾性体７がロータ８と接触する接触面に対して、法線方向の突き上げ振動と、接線方向のねじれ振動を合成した振動を発生させることで、弾性体７とロータ８の接触面に回転方向の運動を形成しており、更に法線方向の振動と接線方向の振動との間の位相をずらすことで効率良くロータ８に力を伝達するように構成されている。

以下、図１及び図２を参照しながら、振動波アクチュエータ１００の動作を説明する。

圧電体１に設けられた電極２において、負極性の電極にはグランド電圧が接続されており、正極性の電極には交流電圧Ｖ１が印加される。圧電体１は弾性体７に突き上げ振動を形成するように構成された積層圧電素子で、交流電圧Ｖ１の周波数を圧電体１，３，５及び弾性体７からなる振動体の共振周波数近傍で且つ共振周波数より高い周波数とすることで、突き上げ振動が上記振動体に形成される。

圧電体３は突き上げ振動の節からずれた部分に設けられた積層圧電素子で、突き上げ振動の振幅に応じた振動検出電圧を電極４の正負の電極間に出力する。また振動検出電圧は交流電圧Ｖ１と位相がずれているが、この位相は交流電圧Ｖ１の周波数が上記振動体の共振周波数に近づくにつれて、１８０°から９０°の方向へ変化する。この振動検出電圧は圧電体５の電極６の正極性の電極に印加され、上記振動体にねじり振動を発生させる。ここで、スイッチ９は電極４の正負のどちらかの電極をグランド電圧に接続するかによって、電極６へ出力する振動検出電圧の極性を切り替えている。このため、上記振動体に形成される突き上げ振動とねじり振動の位相差の極性がスイッチ９によって切り替えられ、ロータ８の回転方向が切り替わるようになっている。

図３は、図２の駆動回路の変形例を示している図である。

図２の駆動回路が、圧電体３の振動検出電圧の極性を切り替えて、当該振動検出圧を圧電体５に印加することでロータ８の回転方向を切り替えているのに対し、図３の駆動回路では、圧電体３の振動検出電圧を圧電体５のどちらの極性の端子に印加するかをスイッチ９で切り替えることでロータ８の回転方向を切り替えている。

また、図３において、１０は抵抗手段で、電極４の正極性の端子を抵抗手段１０でグランド電圧に接続することで、圧電体３の振動検出電圧の位相を実際の振動に対してずらすようになっている。これによって、圧電体３の振動検出電圧の位相を調整できるので、突き上げ振動とねじり振動の間の位相差を最適な値に設定することが可能となる。また、ここでは抵抗手段１０を圧電体３に並列に接続することで、圧電体３の振動検出電圧の位相を調整をしたが、圧電体３に直列、又は並列に抵抗手段やインダクタ手段を設けても、圧電体３の振動検出電圧の位相を調整することができる。これにより交流電圧Ｖ１の駆動周波数を振動体の共振周波数まで利用しない場合や、３相駆動等のように９０°以外の位相関係が望まれる用途にも対応できる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、交流電圧Ｖ１を圧電体１に印加して、圧電体１，３，５及び弾性体７からなる振動体に突き上げ振動を形成し、圧電体３はこの突き上げ振動の振幅に応じた振動検出電圧を出力し、圧電体５はこの振動検出電圧を入力して振動体にねじり振動を発生させる。この結果、多相の交流電圧を発生させる駆動回路を必要としないで、単相の駆動電圧で弾性体上に進行性の振動波を形成することができ、駆動回路の構成を簡略化することができる。

また、圧電体３から出力される振動検出電圧の位相は、交流電圧Ｖ１の周波数が上記振動体の共振周波数に近づくにつれて、交流電圧Ｖ１の９０°の位相に近づくため、他の振動子や電気的なマッチングによらず位相特性が安定するという効果を奏する。

以下、第２の実施の形態について説明する。

図４は、第２の実施の形態に係る振動波アクチュエータの構成を示す図である。

図４の振動波アクチュエータ２００において、上記振動波アクチュエータ１００と同一の構成については、同一の番号を付し、その説明を省略する。

図４において、１１は圧電体５に設けられた不図示の電極６と弾性体７の間を絶縁するための絶縁体である。

図１の振動波アクチュエータ１００は、円柱状の圧電体と弾性体とを積み重ねて構成し、突き上げ振動とねじり振動の異なる２つの振動の合成により、ロータ８を回転させていたが、図４の振動波アクチュエータ２００は、リング状の圧電体１，３，５、弾性体７及び絶縁部材１１からなる振動体とロータ８とで構成され、リング状の振動体に面外の曲げ振動による進行性の振動波を発生させることでロータ８を回転させる。

図５は、図４の振動波アクチュエータ２００の一部の断面図である。

図中の矢印は分極の方向を示している。図５において、１２は圧電体１と圧電体３及び圧電体３と圧電体５の間に設けられた２枚の電極であり、１３は電極２へ給電する給電手段である。圧電体３は電極４を挟む２枚の構成となっている。電極４と電極６の間に挟まれている電極１２には、電極４及び電極６と非接続とするための複数のスルーホールが設けられている。

電極２，４，６は、それぞれ複数の電極ブロックで構成されており、互いに隣り合う電極ブロックの間に、一定の間隔が設けられている。また、互いに隣り合う電極ブロックの極性は反転し、一方の電極ブロックの極性が「＋」の場合は、他方の電極ブロックの極性は「−」である。

図６は、図４の振動波アクチュエータ２００の駆動回路を示す図である。

電極１２はグランド電圧に接続されている。圧電体３の内部に設けられた電極４は、電極１２に設けられた複数のスルーホールを介して圧電体５の電極６に接続されている。

以下、図５及び図６を参照しつつ、振動波アクチュエータ２００の動作を説明する。

電極２に給電手段１３を介して交流電圧Ｖ１を印加すると、電極２の互いに隣り合うブロックに対する圧電体１の分極方向が互いに逆方向となる。このため、電極ブロック１つの周方向の幅を半波長とする定在波がリング状の振動体に形成される。電極２，４の電極ブロックは周上に同じパターンで形成され且つ分極方向も隣り合う電極ブロックで交互に極性が反転するように構成されているため、電極４の各電極ブロックには前記定在波に応じた振動検出電圧が出力される。

次に、振動検出電圧は圧電体５の電極６の電極ブロックに印加される。電極６の電極ブロックは、電極２又は電極４の電極ブロックの位置を基準として、それぞれ上記定在波の４分の１波長ずれた周上の位置に設けられている。

従って、電極６の電極ブロックに振動検出電圧を印加すると上記定在波と位置的にずれた領域に定在波を発生させることになる。

ここで、圧電体３、５はそれぞれひずみに応じた異なる振動検出電圧を出力又は入力するが、電極４と電極６が接続されるため、電極４と電極６には振幅が同一の電圧が生じる。

電極４と電極６に生じる電圧は、圧電体３のみで生成される電圧と圧電体５のみで生成される電圧とから算出することができる。例えば、電極４と電極６に生じる電圧は、圧電体３と圧電体５の静電容量が２：１の関係にある場合には、圧電体３の出力電圧の２倍の電圧と圧電体５の出力電圧とを加算して３で割った値となる。

電極４と電極６に生じる電圧が上記リング状の振動体にどのような振動を発生させるのかについて説明する。

まず、圧電体１の電極２に上記リング状の振動体の共振周波数より高い周波数の交流電圧を印加すると、リング状の振動体に定在波が形成される。定在波は電極２に印加された交流電圧に対して位相が９０°以上ずれており、上記リング状の振動体の共振周波数に近づくにつれて位相が９０°に近づいていく。

そうすると、圧電体３は圧電体１と同じ周上の位置に電極４の複数の電極ブロック及び分極パターンが設けられているので、上記定在波に応じた振動検出電圧が電極４に出力される。

圧電体５は、圧電体１の位置を基準として定在波の４分の１波長ずれた周上の位置に電極６の複数の電極ブロック及び分極パターンが設けられているので、電極６の出力電圧は正負の歪みでキャンセルされ、定在波に応じた出力はほとんど０Ｖとなる。

従って、電極４と電極６を接続したことによる電極４及び電極６の出力電圧は、電極４単体で出力する振動検出電圧の位相がそのままで、振幅が３分の２になった電圧になる。

これにより、圧電体１の位置を基準として定在波の４分の１波長ずれた圧電体５に、電極２に印加した交流電圧とは位相のずれた交流電圧を印加することになる。

結果として、リング状の振動体に、圧電体１による定在波（以下「第１の定在波」と言う）とは異なる圧電体５による第２の定在波が発生する。

第１の定在波に時間的にずれた位相で振動する第２の定在波が重畳され始めると進行波成分が増加していくようになる。

最初０Ｖであった電極６単体の出力電圧が第２の定在波に応じた振動検出電圧を出力するようになるので、電極４と電極６に出力される合成された振動検出電圧は第１と第２の定在波による振動検出電圧を合成したものとなる。ただし、上述したように圧電体３の方が圧電体５よりも静電容量が大きいので、電極４の出力の方が支配的になる。

ここで、圧電体３の積層枚数を増やして圧電体３の静電容量をより大きな値とすると、電極４と電極６を接続した際にこれらの電極に現れる電圧は、ほぼ圧電体３のみで発生する電圧と等しくなる。

次に電極２に印加する交流電圧の周波数を上記リング状の振動体の共振周波数とすると、第１の定在波は電極２に印加する交流電圧に対して時間的に９０°位相が遅れることになる。また第２の定在波は、電極４及び電極６に出力される交流電圧に対して時間的に９０°位相が遅れることになる。ここで、電極４及び電極６に出力される電圧は、上述したように圧電体３の積層枚数を増やして静電容量をより大きな値とした場合には、ほとんど電極４単体の出力電圧となり、電極２に印加する交流電圧に対して時間的に９０°遅れた交流電圧となるが、実際には、第２の定在波に応じた振動検出電圧の影響により、９０°より位相が遅れた波形を有する電圧となる。それでも、電極２に印加する交流電圧に対してかなり位相がずれた波形の電圧となるので、最終的にある程度の進行波が上記リング状の振動体に形成され、移動体８がこの進行波によって移動することになる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、交流電圧Ｖ１を圧電体１に印加して、リング状の振動体（圧電体１，３，５及び弾性体７）に第１の定在波を形成し、圧電体３はこの定在波に応じた振動検出電圧を出力し、圧電体５はこの振動検出電圧を入力して振動体に第２の定在波を発生させる。この結果、多相の交流電圧を発生させる駆動回路を必要としないで、単相の駆動電圧で弾性体上に進行性の振動波を形成することができ、駆動回路の構成を簡略化することができる。

以下、第３の実施の形態について説明する。

上記第２の実施の形態は、電極４と電極６とを接続するのみなので、移動体８の移動方向を切り替えることはできないが、本実施の形態では、圧電体５の分極方向を変えてあり、スイッチ９を付加することで、移動体８の移動方向を切り替えることを可能としたものである。

図７は、第３の実施の形態に係る振動波アクチュエータ３００の一部の断面図であり、図８は、図７の振動波アクチュエータ３００の駆動回路を示す図である。

図７の振動波アクチュエータ３００において、上記振動波アクチュエータ２００と同一の構成については、同一の番号を付し、その説明を省略する。

振動波アクチュエータ３００の構成は、基本的には上記振動波アクチュエータ２００の構成と同一であるが、圧電体５の分極方向が異なる。

圧電体３には電極４−ａ、４−ｂが、圧電体５には電極６−ａ、６−ｂが設けられている。電極４−ａは電極６−ａと、電極４−ｂは電極６−ｂと接続されている。以下、電極４−ａ及び電極６−ａをグループａといい、電極４−ｂ及び電極６−ｂをグループｂという。

図７において、１４は弾性体７と電極６−ａ、６−ｂとを絶縁すると共にスイッチ９をグループａ及びグループｂのいずれか一方に接続する配線手段である。

振動波アクチュエータ３００では、グランド電圧に接続される電極をグループａ及びグループｂのいずれか一方にスイッチ９で切り替えることにより移動体８の移動方向を切り替えている。

以下、グランド電圧に接続される電極をグループａ及びグループｂのいずれか一方に切り替えることで、移動体８の移動方向が切り替わる理由を説明する。

圧電体３は電極４−ａと電極４−ｂとにより互いに異なる方向に分極されており、圧電体５は全て同じ方向に分極されている。また各電極は振動体上に形成される定在波のほぼ２分の１波長の長さで形成されている。そのため、圧電体３が第１の定在波で歪むと、電極４−ａと電極４−ｂの区画で互いに正負の符号が逆の歪みを生ずる。

電極４−ａと電極４−ｂの区画の分極方向が互いに逆なので、電極４−ａ及び電極４−ｂにはほぼ同一の振動検出電圧が出力される。従って、スイッチ９の接続を考慮しなければ電極６−ａ及び電極６−ｂには同一の電圧が印加される。そして、圧電体５は全て同極性に分極してあるので、電極６−ａ及び電極６−ｂに同一の交流電圧が印加されると、振動がキャンセルし合うので、ほとんど定在波を発生させることができない。

しかし、実際には、スイッチ９によってグループａ及びグループｂのいずれか一方をグランド電圧に接続するので定在波が発生し、スイッチ９を切り替えることで、定在波の位相符号を切り替えることが可能となる。これにより、移動体８の移動方向を切り替えることが可能となる。

本実施の形態によれば、上記第２の実施の形態と同様の効果を奏する。さらに、スイッチ９によりグランド電圧に接続される電極をグループａ及びグループｂのいずれか一方に切り替えることで、発生する定在波の位相符号が切り替り、移動体８の移動方向を切り替えることができる。よって、単相の駆動電圧で振動波アクチュエータ３００を動作させつつ被移動体８の移動方向を切り替えることが可能となる。

また、本実施の形態に係る振動波アクチュエータは、第１と第２の定在波の時間的位相差は９０°なので、共振状態の際に第１の定在波と第２の定在波の間の位相差が最良の位相差となる。

上記第１〜第３の実施の形態では、２つの定在波の一方を振動検出電圧で発生させたが、より多相駆動の場合には２つ以上の定在波を発生するように構成しても良い。

また、第２及び第３の実施の形態でも、第１の実施の形態で説明したような振動検出電圧の位相を調整する位相調整手段を備えるようにしてもよい。これにより、第１と第２の定在波間の位相差を調整することができ、交流電圧Ｖ１の駆動周波数を振動体の共振周波数まで利用しない場合や、３相駆動等のように９０°以外の位相関係が望まれる用途にも対応できる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動波アクチュエータの構成図である。 図１の振動波アクチュエータの駆動回路を示す図である。 図２の駆動回路の変形例を示している図である。 第２の実施の形態に係る振動波アクチュエータの構成を示す図である。 図４の振動波アクチュエータの一部の断面図である。 図４の振動波アクチュエータの駆動回路を示す図である。 第３の実施の形態に係る振動波アクチュエータの一部の断面図である。 図７の振動波アクチュエータの駆動回路を示す図である。

符号の説明

１，３，５ 圧電体
２，４，６，１２ 電極
７ 弾性体
８ 移動体
９ スイッチ
１１ 絶縁体
１３ 給電手段
１４ 配線手段

Claims (6)

1. 弾性体上に２つの位置的に位相のずれた定在波を時間的に位相をずらして励振することにより発生する進行波によって、該弾性体に加圧接触する移動体を駆動する振動波アクチュエータにおいて、
   単相の印加電圧が駆動回路から印加されることにより第１定在波を形成する第１電気−機械エネルギー変換手段と、
   前記第１定在波の振動に応じて振動検出電圧を出力する第２電気−機械エネルギー変換手段と、
   該振動検出電圧が入力されることで第２定在波を形成する第３電気−機械エネルギー変換手段とを有し、
   前記振動検出電圧は、前記第１電気−機械エネルギー変換手段と前記第３電気−機械エネルギー変換手段のうち、前記第３電気−機械エネルギー変換手段にのみ印加され、
   前記第１定在波と前記第２定在波を合成することで前記進行波を発生することを特徴とする振動波アクチュエータ。
2. 前記振動検出電圧は、増幅されずに前記第３電気−機械エネルギー変換手段に入力されることを特徴とする請求項１に記載の振動波アクチュエータ。
3. 前記第２電気−機械エネルギー変換手段と前記第３電気−機械エネルギー変換手段との間に前記振動検出電圧の位相を調整する位相調整手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の振動波アクチュエータ。
4. 前記第２電気−機械エネルギー変換手段は極性の異なる２つの振動検出電圧を出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の振動波アクチュエータ。
5. 前記第３電気−機械エネルギー変換手段に極性の異なる２つの振動検出電圧が入力されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の振動波アクチュエータ。
6. 前記第２電気−機械エネルギー変換手段は、並列に接続された第１及び第２電気−機械エネルギー変換セットを備え、
   前記第３電気−機械エネルギー変換手段は、並列に接続された第３及び第４電気−機械エネルギー変換セットを備え、
   前記第１電気−機械エネルギー変換セット及び前記第３電気−機械エネルギー変換セットと、前記第２電気−機械エネルギー変換セット及び前記第４電気−機械エネルギー変換セットとのいずれか一方を選択して接地する選択手段を有する請求項１乃至５のいずれか１項記載の振動波アクチュエータ。

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