JPH02146968A

JPH02146968A - 超音波アクチュエ−タ

Info

Publication number: JPH02146968A
Application number: JP63297460A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Shiotani; 雅治塩谷
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1988-11-25
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1990-06-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］本発明は、例えば小型モータ等の動力発生源として利用
される超音波アクチュエータに関する。

［従来技術とその問題点］一般に、超音波アクチュエータは、圧電セラミック等の
圧電体の伸縮運動を利用して弾性体に撓みを生じさせる
ことにより、この弾性体に定在波。

複合振動波、進行波等の超音波振動を生じさせるもので
ある。そして、このような超音波アクチュエータは、弾
性体の質点に、上記超音波振動に伴い楕円運動を発生さ
せ、この楕円運動を行なう弾性体の質点に移動部材、例
えば回転子を当接させると、その回転子と質点との間に
接触及び非接触状態が交互に生じ、接触時の質点の移動
方向に応じた回転を回転子に与えるようにしている。

一方、上述したような超音波アクチュエータの形状及び
構成は、弾性体に与える超音波振動の種類（例えば定在
波、複合振動波、進行波等）、及び超音波アクチュエー
タめ用途等に応じて様々なものが考えられている。

しかしながら、従来の超音波アクチュエータの多くは、
比較的限られた用途に限定して形状等が定められており
、汎用性を欠くものであった。

すなわち、回転運動を得る目的で開発されたアクチュエ
ータを直線運動を得るために用いた場合、又はその逆の
場合、不自然な動力伝達機構を用いる必要が生じるか、
又は適用不可能であったり、適用可能であっても極端に
効率が損われてしまう等の問題がある。

［発明の目的コ本発明は上記のような問題点に鑑みなされたもので、回
転運動又は直線運動の何れの場合でも、簡単な動力伝達
機構で得ることが可能になる汎用性の高い超音波アクチ
ュエータを提供することを目的とする。

［発明の要点］すなわち本発明に係わる超音波アクチュエータは、円柱
状体と、上記円柱状体の外周形状を楕円形状に変形させ
る圧電伸縮体と、上記円柱状体の楕円形状への変形が間
欠的に生ずるよう上記圧電伸縮体に電圧を印加する電圧
印加手段とを備え、上記円柱状体の楕円変形に伴う径方
向及び周方向変位の何れをも有する変位点を動力源とし
たものである。

［発明の実施例］以下図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図（Ａ）〜（Ｃ）は何れも超音波アクチュエータの
構成を示すもので、同図（Ａ）は外観図、同図（Ｂ）は
その側面図、同図（Ｃ）はそのＡ−Ａ線断面図である。

この超音波アクチュエータの外形は、例えば外径１０．
３５ｍｍ、厚さ０．５■のアルミニウムあるいは真鍮等
でなる振動円筒体１１からなり、この振動円筒体１１内
部の軸方向中心位置には、棒状の圧電アクチュエータ１
２が円筒体直径線に沿って設けられる。

第２図は上記圧電アクチュエータ１２の構成を示すもの
で、この圧電アクチュエータ１２は、ＰＺＴ　（ジルコ
ン酸チタン酸鉛）系の圧電素子等からなる微小な圧電セ
ラミック１２ａ、１２ｂ。

・・・を、それぞれ薄い電極１３ａ、１３ｂ、　・・・
を介して多数積層してなり、その長手方向の一端及び他
端が上記振動円筒体１１の内周面に対し接着固定される
。この場合、圧電アクチュエータ１２の端部と振動円筒
体１１との間には、アルミニウム又は真鍮等の座板が介
在されエポキシ樹脂系接希剤等の比較的硬質な接着剤に
より接着される。

そして、上記圧電アクチュエータ１２の各電極１３ａ、
１３ｂ、・・・に対しては、それぞれ隣接する個々の圧
電セラミック１２ａ、１２ｂ、・・・間に逆相の電圧が
加わるよう電源部１４から所定の周波数を存する交流電
圧を印加する。この場合、本実施例における印加電圧は
８Ｖｆｆｌａｘ１その印加電圧周波数は振動円筒体１１
がアルミニウムであれば３０ｋＨｚ、真鍮であれば３６
　ｋ　Ｈｚに設定するが、この値は得たい駆動トルク、
速度あるいは振動円筒体１１の外径寸法や肉厚等の関係
により変更される。

次に、上記構成による超音波アクチュエータの駆動力発
生動作について説明する。

まず、圧電アクチュエータ１２に例えば３０ｋ　Ｈｚの
交流電圧を印加すると、この圧電アクチュエータ１２に
は印加電圧周波数に応じた長手方向の伸縮運動が発生す
る。

第３図は上記圧電アクチュエータ１２の伸縮運動に伴い
振動円筒体１１に生じる変位状態を示すものである。こ
こで、以下の説明においては、振動円筒体１１の中心軸
の垂直方向を０°とし、該振動円筒体１１の中心軸を原
点として周方向に沿って時計回りに順次角度を付して説
明する。この図において、圧電アクチュエータ１２は上
記振動円筒体１１に対し０″軸１８０°方向に設けられ
たもので、この圧電アクチュエ〜り１２の伸縮運動に応
じて振動円筒体１１には垂直方向（０″←１８０°方向
）の楕円変位及び水平方向（９０６−２７０’方向）の
楕円変位がそれぞれ交互に生じるようになる。つまり、
圧電アクチュエータ１２が伸びた状態では、振動円筒体
１１はその０＠及び１８０”方向に伸び幅Ｘ１で、９０
°及び２７０”方向に縮み幅ｙ２で楕円変位し、また、
圧電アクチュエータ１２が縮んだ状態では、上記変位と
は逆に、９０″及び２７０°方向に伸び幅ｙ１で、０″
及び１８０’方向に縮み幅ｘ２で楕円変位する。この場
合、振動円筒体１１の４５９１３５’、２２５”、３１
５’方向には、上記２つの楕円運動の支点となり径方向
には全く変位しない静止点が生じる。

一方、０°及び１８０°方向の楕円変位に伴い、０６あ
るいは１８０°に位置する質点Ｘが幅Ｘ１で径方向に変
位すると、上記静止点となる４５＠１３５°　２２５”
　　３１５”の質点ｊには周方向変位ｊ１が生じ、また
、９０°及び２７０”方向の楕円変位に伴い９０°ある
いは２７０＠に位置する質点ｙが幅ｙ１で径方向に変位
すると、上記各静止点となる質点ｊには周方向変位ｊ２
が生じる。すると、上記径方向変位最大点となる質点Ｘ
及びｙ　（０”　、９０＠、１８０’２７０’）と周方
向変位最大点となる質点ｊ（４５＠１３５°、２２５’
、３１５’）との間の各質点ｋ（例えば２２．５’　、
６７．５゜１１２．５’　　　１５７．５’、２０２．
５”２４７．５’、２９２．５’　、　３３７．５”　
）に゛は、その径及び周方向変位が組合わされた変位に
１及びに２が生じるもので、この径及び周方向の組合わ
せ変位点ｋに例えば円筒状の回転子を当接させると、こ
の回転子は該質点ｋが径方向外方へに１で変位する際の
周方向変位ｊ１に一致する方向に回転するようになる。

第４図（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ上記振動円筒体１１
の楕円変位に伴う径方向変位及び周方向変位の分布状態
を示すもので、径方向変位は振動円筒体１１の楕円変位
に対応して０’、９０’１８０”、２７０”方向で最大
になり、４５６１３５”、２２５”、３１５’方向で“
０”になるのに対し、周方向変位は、上記径方向変位が
“０“になる振動円筒体１１の４５＠、１３５”２２５
°、３１５’方向で最大になり、上記径方向変位が最大
になる０＠、９０”、１８０’２７０９゛方向で“０”
になる。

すなわち、圧電アクチュエータ１２に交流電圧を印加し
て高周期の伸縮運動を発生させ、振動円筒体１１に垂直
方向に長径を有する楕円変位と水平方向に長径を有する
楕円変位とを真円状態を経て連続的に生じさせると、０
°〜４５°　４５″〜９０″　・・・　２７０＠〜３１
５＠　　３１５’〜０＃それぞれの間の円弧には、何れ
もその中間点を最大にした径方向及び周方向の組合わせ
変位が生じるようになる。

一方、第５図（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ上記振動円筒体
１１の全体に生じる楕円変位を拡大して示すもので、圧
電アクチュエータ１２を振動円筒体１１の長手方向の略
中心に配置した場合、垂直方向（０”　−１８０’方向
）及び水平方向（９０＠→２７０’方向）の楕円変位共
、振動円筒体１１の両端に近い程大きくなることが実験
より得られた。つまり、上記振動円筒体１１では、その
両端円弧上の２２．５″の質点ｋから４５＠毎に径及び
周方向組合わせの最大変位が得られることになる。

したがって、第６図に示すように、上記振動円筒体１１
の圧電アクチュエータ１２の固着位置から２２．５°ず
れた点から４５＠毎に、矢印Ｐで示すように回転子１５
ａ、１５ｂ、・・・を当接させることで、それぞれの回
転子１５ａ、１５ｂ、・・・に対し上記径及び周方向の
組合わせ変位に対応する矢印ａ又はｂ方向の回転力を伝
達することがきる。

尚、上記実施例では、振動円筒体１１に対し１本の圧電
アクチュエータ１２を用いて楕円変位を発生させたが、
例えば第７図（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、２本の圧
電アクチュエータ２１ａ。

２１ｂを用いて構成してもよい。

すなわち、上記２本の圧電アクチュエータ２１ａ、２１
ｂは、何れも振動円筒体１１の軸方向中心付近に直径線
に沿って接着固定し、例えば第１の圧電アクチュエータ
２１ａを２２．５’の位置に、また、ｍ２の圧電アクチ
ュエータ２１ｂを上記第１の圧電アクチュエータ２１ａ
から４５＠ずらした位置にそれぞれ固着する。そして、
この２本の圧電アクチュエータ２１ａ、２１ｂには、そ
れぞれ交流電圧を１８０’位相を異ならせて印加し、第
１の圧電アクチュエータ２１ａと第２の圧電アクチュエ
ータ２１ｂの伸縮運動を逆位相で発生させる。すると、
２つの圧電アクチュエータ２１ａ、２１ｂの固着中心位
置に対応する振動円筒体１１の円弧位置を支点にして、
例えばこの場合には２２．５’位置が外方へ伸び６７．
５’位置が内方へ縮む運動と、２２．５’位置が内方へ
縮み６７．５°位置が外方へ伸びる運動とが交互に連続
して繰返されるもので、これにより第１のアクチュエー
タ２１ａが伸びた状態では６７．５’位置から２２．５
°位置へ上り傾斜となる０″位置最大外方変位の楕円変
位が生じ、また、第２のアクチュエータ２１ｂが伸びた
状態では、２２．５°位置から６７．５°位置へ上り傾
斜となる９０″位置最大外方変位の楕円変位が生じる。

したがって、上記実施例同様、第３図で示したようなＯ
’、１８０°方向の楕円変位と９０゜２７０°方向の楕
円変位とをより大きく連続して生じさせることができ、
振動円筒体１１の２２．５’位置から４５°毎の質点に
は、径及び周方向の大きな組合わせ変位が得られるよう
になる。

これにより第８図に示すように、上記振動円筒体１１の
２２．５”位置から４５″毎に、矢印Ｐで示すように回
転子１５ａ、１５ｂ、・・・を当接させることで、それ
ぞれの回転子１５ａ、１５ｂ。

・・・に対し上記径及び周方向の組合わせ変位に対応す
る矢印ａ又はｂ方向のより大きな回転力を伝達すること
がきる。

一方、上記第１実施例（第１図）及び第２実施例（第７
図）では、振動円筒体１１から回転子１５ａ、１５ｂ、
・・・に対し回転運動を得る場合について説明したが、
例えば第９図に示すように、棒状の移動体２２を振動円
筒体１１の２２．５″位置から４５″毎に存在する径及
び周方向変位点の何れかに対し、矢印Ｐで示すように当
接させることで、振動円筒体１１が外方変位する際の周
方向変位に対応する方向の直線運動ｉを得ることができ
る。

さらに、上記第２実施例（第７図）における２本の圧電
アクチュエータ２１ａ、２１ｂのうち何れか１本を、例
えば第１０図に示すように単なる金属棒２３としても、
圧電アクチュエータ２１ａが伸びた状態で６７．５”位
置から２２．５″位置へ上り傾斜となるＯ０位置最大外
方変位の楕円変位と、圧電アクチュエータ２１ａが縮ん
だ状態で２２６５°位置から６７．５″位置へ上り傾斜
となる９０″位置最大外方変位の楕円変位とが交互に生
じ、上記各実施例と同様の作用により回転運動又は直線
運動を自在に得ることができる。

ここで、上記各実施例における角度表示は、説明を容易
にするためのものであり、その値に同等制限を受けるこ
とはない。また、上記第２実施例（第７図）では、２本
の圧電アクチュエータ２１ａ、２１ｂのずれ角を４５″
とし印加電圧の位相を１８０６とすることで、振動円筒
体１１に実験上最大の楕円変位を生じさせたが、上記ず
れ角は０″又は何度であっても、振動円筒体１１に楕円
変位を生じさせることができ、また、２本の圧電アクチ
ュエータ２１ａ、２１ｂに印加する交流電圧の位相を何
度に設定した場合にあっても振動円筒体１１に楕円変位
を生じさせることができる。要は、振動円筒体１１を楕
円変形できるものであればよい。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、円柱状体と、上記円柱状
体の外周形状を任意の角度方向に長径となる２つの楕円
形状に変形させる圧電伸縮体と、上記円柱状体の２つの
楕円形状への変形が相互に生ずるよう上記圧電伸縮体に
電圧を印加する電圧印加手段とを備え、上記円柱状体の
楕円変形に伴う径方向及び周方向変位の何れをも有する
変位点を動力源としたので、回転運動又は直線運動の何
れの場合でも、簡単な動力伝達機構で得ることが可能に
なる汎用性の高い超音波アクチュエータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の一実施例に係
わる超音波アクチュエータを示す外観図及び側面図及び
Ａ−Ａ線断面図、第２図は上記超音波アクチュエータに
おける圧電アクチュエータを示す構成図、第３図は上記
超音波アクチュエータの振動円筒体に生じる変位状態を
示す図、第４図（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ上記超音波
アクチュエータにおける振動円筒体の楕円変位に伴う径
方向変位及び周方向変位の分布状態を示す図、第５図（
Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ上記超音波アクチュエータにお
ける振動円筒体の全体に生じる楕円変位を拡大して示す
図、第６図は上記超音波アクチュエータにより得られる
回転運動を示す図、第７図（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ
２本の圧電アクチュエータを使用した超音波アクチュエ
ータを示す側面図及び断面図、第８図は上記２本の圧電
アクチュエータを使用した超音波アクチュエータにより
得られる回転運動を示す図、第９図は上記超。音波アクチュエータにより得られる直線運動を示す図、
第１０図は１本の圧電アクチュエータと金属棒を使用し
た超音波アクチュエータを示す側面図である。１１−・・振動円筒体、１２．２１ａ、２１ｂ−圧電ア
クチュエータ、１２ａ、１２ｂ、・・・圧電セラミック
、１３ａ、１３ｂ、・・・電極、１４・・・電源部、１
５ａ、１５ｂ、・・・回転子、２°２・・・棒状移動体
、２３・・・金属棒。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）円柱状体と、上記円柱状体の外周形状を楕円形状
に変形させる圧電伸縮体と、上記円柱状体の楕円形状へ
の変形が間欠的に生ずるよう上記圧電伸縮体に電圧を印
加する電圧印加手段とを具備したことを特徴とする超音
波アクチュエータ。
（２）上記円柱状体は管状形状であり、上記圧電伸縮体
はその伸縮方向を上記円柱状体の径方向に一致させて設
けたことを特徴とする請求項１記載の超音波アクチュエ
ータ。