JPH03273873A - レーリーモード弾性表面波によるアクチュエータ - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明はレーリーモード弾性表面波を液体中へ放射する
ことにより発生する力を利用した、極小形で微小な力を
制御できるレーリーモード弾性表面波によるアクチュエ
ータに関する。

（従来の技術） 従来の超音波モータは２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周
波機械振動である超音波バルク振動による摩擦力と慣性
力を利用したモータである。

この−例として表面波型超音波モータについて第７図、
第８図により説明する。第７図は表面波型超音波モータ
の基本構成図である０弾性体２１とその表面に固定され
た電歪素子２２、及び一般モータの回転子に相当する動
体２３の三要素から成り立っている。また動体２３と弾
性体２１との間には駆動力に比例した圧力が加わるよう
に調圧機構と呼ばれる装置が付加される。第８図はこの
モータの駆動原理を説明するための一部拡大図である。

Ｘ軸を弾性表面波の進行方向、Ｚ軸をその法線方向とす
る０弾性体２１の表面に電歪素子により振動を与えると
弾性波が発生し、弾性体２１の表面上を伝搬していく、
この弾性波は縦波と横波を伴った表面波で、その質点の
運動は楕円軌道を描く振動をする。質点Ａについて着目
すると、縦振幅Ｕ、横振幅Ｗの楕円運動を行っており、
表面波の進行方向を＋Ｘ方向とすると、その運動は反時
計方向に回転する。この表面波は１波長ごとに頂点Ａ、
　　Ａ’、・・・を有し、その頂点速度はＸ成分のみで
ある。そこでこの表面に動体２３の表面を加圧接触させ
ると、動体２３の表面は頂点Ａ、Ａ′、　　・・のみに
接触するため動体２３は弾性体２１との摩擦により図中
に示す矢印Ｎの方向に駆動することになる。

（発明が解決しようとする問題点） 上記に示したように従来の超音波モータ、あるいは超音
波アクチュエータは超音波バルク振動による弾性表面波
の進行波を利用したものである。

動体が弾性体表面に接触しているときは、動体くロータ
）は摩擦力により駆動力を与えられ、浮いた状態では、
慣性により接触時の運動を継続する。したがって駆動力
をえるためには、原理上弾性体表面と動体間の衝突、遊
離を繰り返す運動は不可欠である。このことは振動、騒
音の発生を生むだけでなく、部材の消耗、損傷、性能の
安定性をそこね、寿命を短くする原因となっている。

本発明は、従来の超音波モータあるいは超音波アクチュ
エータとは、駆動原理が異なる。すなわち、レーリーモ
ード弾性表面波を液中へ放射することによって駆動力を
得るものであり、力は液体によって伝達させるため、上
記の問題点がない新しい駆動原理のアクチュエータを提
供するものである。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決するためになされた本発明のレーリー
モード弾性表面波によるアクチュエータの原理を第１図
により説明する。

同図に示すように、本発明レーリーモード弾性表面波に
よるアクチュエータは大別すると３つの要素、レーリー
モード弾性表面波の駆動部と、弾性表面波の放射を受け
る受圧部と、駆動部に弾性表面波発生信号を与える駆動
回路より構成される。

駆動部は、レーリーモード弾性表面波が発生する圧電材
料及びカット面からなる圧電基板１の表面上に、交流電
気信号によりレーリーモード弾性表面波を励振する入力
用対電極２と、レーリーモード弾性表面波の伝搬路３を
もつ圧電素子と、この圧電素子を固定する固定器４より
なる。

受圧部はレーリーモード弾性表面波の放射を直接受は力
の伝達をする液体５と、液体５を介して漏れ弾性表面波
の放射圧を受ける受圧器６よりなる。駆動回路７は入力
用対電極２に交流電圧を印加するための交流電気信号発
生器と、この交流電気信号を間欠にするパルス信号発生
器よりなる。

Ａ、の矢印は弾性表面波の放射方向を示している。

入力用対電極２は圧電基板１の同一表面に形成されるも
ので、例えば櫛形電極である０本発明のアクチュエータ
においては、所要の駆動力を得るため、一般に駆動部は
１枚の圧電基板の同一表面上に複数組の入力用対電極を
並列に設けた圧電素子を複数個持ち、また第２図に示す
ように双方向の運動を可能にするために、圧電基板の表
面と裏面のそれぞれに複数組の入力用対電極を並列に設
けた圧電素子を配置している。第２図の１は圧電基板、
２．２′は入力用櫛形電極、３．３゛はレーリーモード
弾性表面波の伝搬面である。

（作用） 本発明のアクチュエータは駆動回路より得られた電気信
号を入力用対電極から圧電基板に印加すると、圧電基板
より弾性表面波が励振され、圧電基板表面の伝搬面を伝
搬する０弾性表面波のうち進行波特性を持つレーリー波
は液体中に入ると、伝搬面と液体の界面を伝搬しながら
液体中に縦波を放射する。この放射を受けた部分の液体
は、この放射エネルギによって圧力が高くなり流動する
。

受圧器はこの液体を介して放射圧を受ける。いま圧電基
板を含む駆動部を外部に固定すると、受圧器は弾性表面
波の放射方向Ａ１に駆動する。また受圧器を外部に固定
した場合には、圧電基板を含む駆動部は液体から弾性表
面波の放射による反作用力を受け、弾性表面波の放射方
向と逆の方向に駆動する。駆動部に圧電基板の表面と裏
面のそれぞれに入力用対電極を持つ圧電素子を用いた場
合には、交流電気信号を一方の入力対電極に印加したと
きと、その他方に印加したときとではアクチュエータの
駆動方向は互いに逆になる。この駆動力は入力用°対電
極に加えた電力に比例する。このため、本発明によるア
クチュエータは同一基板に複数組の入力対電極を並列に
設けた圧電素子を複数個配列することにより所用の駆動
力を得る。また、駆動力は圧電基板の材質及びカット方
向で定まる伝搬方向の音速と液体の音速の比で定まる放
射エネルギの方向、液体の粘性、固・液界面張力などの
影響を受ける。アクチュエータの液体の接する部分を、
液体が水溶性である場合には、駆動部は疎水性、受圧器
は親水性の材料または薄膜でそれぞれ被い、液体が油性
である場合には、駆動部は親水性、受圧器は疎水性の材
料、または薄膜でそれぞれ被う、これは駆動部と液体界
面に働く力を小さく、受圧器と液体界面に働く力を大き
くすることにより、駆動力の損失を少なくすることにあ
る。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面により詳細に説明する。

第３図は本発明に係るレーリーモード弾性表面波による
アクチュエータを示す構成図である。同図において、圧
電素子は第２図（圧電素子の構成図）に示すように、圧
電基板１の表面と裏面のそれぞれに入力用櫛形電極２と
２′　レーリーモード弾性表面波の伝搬面３と３′より
なる。

４は圧電素子を固定する四角柱の固定器であり、圧電素
子と一体となって駆動部を形成する。駆動部は圧電素子
を複数個備え、それぞれ平行かつ液面５に対して垂直に
なるように、固定器４に等間隔に固定されている。５は
レーリーモード弾性表面波の放射を直接受け、力の伝達
部となる液体、６は液体５を介して漏れ弾性表面波の放
射圧を受ける受圧器である。また、８は受圧器６に設け
られたガイドである。駆動部は受圧器６内にあって、液
体５の浮力によって、運動に最適な位置を占める。入力
用櫛形電極２及び２′は固定器４により液体及び固体に
直接接触しないように保護されている。なお、理解を促
すため、圧電素子の一部のみを描き他を省略した。

駆動回路により得られた交流電気信号を入力用櫛形電極
に印加し、圧電基板１上に弾性表面波を励振する０弾性
表面波のうち進行波特性を持つレーリー波はその伝搬面
３上の液体５に縦波を放射する。この放射エネルギは放
射部分の液体５を流動させ、液体５の容器である受圧器
６に放射圧を加える。受圧器６を外部に固定すると、駆
動部は液体から弾性表面波の放射による反作用力を受け
、弾性表面波の放射方向と逆の方向に駆動する。

本アクチュエータは、圧電基板の両面に入力用櫛形電極
２．２′があり、伝搬面３と３′が互いに逆向きである
ため、駆動部をそれぞれ圧電基板の表面の入力用対電極
の群と、裏面の入力用対電極群に分け、その一方の群の
全ての入力用櫛形電極に駆動回路の交流電気信号を並列
に印加する場合と、その他方の群の全ての入力用櫛形電
極に同様の信号を印加する場合とでは、駆動部の運動方
向は互いに逆向きとなる双方向駆動のアクチュエータで
ある。

第４図および第５図は、この発明の第２の実施例の説明
図である。第４図はこの実施例の水平断面図、第５図は
垂直断面図である。両図に示すように、駆動部は圧電基
板１の両面のそれぞれに複数組の入力用櫛形電極２．２
゛を持つ圧電素子を複数個持ち、圧電素子は底と蓋のあ
る円筒上の固定器４に、それぞれの伝搬面を全て回転軸
９に対し垂直に、同一方向を向けて等間隔に配置する。

固定器６の内側には、固定器４の中心軸を回転中心とす
るラチェット歯形状（あるいは円板状）の受圧器６が中
心軸９に固定さ托　その空隙は液体５で満たされている
。なお、受圧器６は中の液体５を漏らさない密閉構造で
ある。全ての圧電素子の入力用櫛形電極２（あるいは２
°）に駆動回路の交流電気信号を同時に印加すると、そ
れぞれの圧電素子の伝搬面３（あるいは３′）より液中
へ漏れ弾性表面波が放射される（第４図中に示す矢印Ａ
、（あるいはＡ２））。この放射エネルギは放射部分の
液体５を流動させ、受圧器６に放射圧を加える。この放
射エネルギによって、本アクチュエータは固定器４を外
部に固定すると、受圧器６は回転軸９を中心に弾性表面
波の放射と同じ方向に、逆に受圧器６は外部に固定する
と、固定器４は弾性表面波の放射方向と逆の方向に回転
する。

交流電気信号をそれぞれの圧電基板１の表面の入力用櫛
形電極２の全てに印加した場合と、裏面の入力用櫛形電
極２′の全てに印加した場合とでは、アクチュエータの
回転方向は互いに逆になる回転型アクチュエータである
。

第６図、第７図はこの発明の第３の実施例の説明図であ
る。第６図はこの実施例の水平断面図、第７図は垂直断
面図である。両図に示すように、駆動部は複数個の圧電
素子を持ち、圧電素子は回転軸を持つ円盤状固定器４に
伝搬面を全て回転軸芯に対し垂直に、同一方向を向けて
等間隔に配置する。この駆動部は、液体５を満たした内
壁面がノコ歯状（あるいは波状など）で底と蓋のある円
筒状受圧器６の内にあって、中心軸は受圧器６の中心軸
と一致している。このように本実施例は前記第２の実施
例の駆動部と受圧部の位置関係を逆にしたものであり、
動作は前記第２の実施例と同様である。

〈発明の効果） 以上説明したように、本発明のレーリーモード弾性表面
波によるアクチュエータはレーリーモード弾性表面波の
進行波を利用した、新しい駆動原理に基づくアクチュエ
ータであり、精造が簡単で極小型である上に、駆動力を
液体によって伝達しているため、振動、騒音のきわめて
少ない利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーリーモード弾性表面波によるアク
チュエータの原理を示す説明用斜視図、第２図は圧電素
子の構成例を示すための側断面図、第３図は第１の実施
例を示す斜視図、第４図及び第５図はそれぞれ第２の実
施例を示す水平断面図と垂直断面図、第６図及び第７図
はそれぞれ第３の実施例を示す水平断面図と垂直断面図
である。 また、第８図及び第９図はそれぞれ従来の表面波型超音
波モータの基本構成図と、この駆動原理を説明するため
の一部拡大図である。 １：圧電基板、２．２′二人力用櫛形電極、３．３′：
レーリーモード弾性表面波の伝搬路、４：固定器、５：
液体、６：受圧器、７：駆動回路、８ニガイド、９：回
転軸、１０：回転軸受、１１：電極ガイド穴第５図 第７図 第１図 第３図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーリーモード弾性表面波を発生する圧電材料及び
   カット面からなる圧電基板の表面上に、上記レーリーモ
   ード弾性表面波を発生させる入力用対電極と、この対電
   極により励振されたレーリーモード弾性表面波の伝搬路
   とを合わせて持つ、圧電素子を１個、あるいは複数個保
   持する固定器よりなる駆動部と、レーリーモード弾性表
   面波の放射を直接受け、力の伝達部となる液体と、液体
   を介して漏れ表面波の放射圧を受ける受圧器と、レーリ
   ーモード弾性表面波を発生させる信号を入力用対電極に
   与える駆動回路とを具備することを特徴とする、レーリ
   ーモード弾性表面波によるアクチュエータ。 ２、前記駆動部の圧電素子は圧電基板上にレーリーモー
   ド弾性表面波を発生させる入力用対電極を持ち、この入
   力用対電極を液中に浸すことにより、レーリーモード弾
   性表面波を入力用対電極より直接、液中に放射すること
   を特徴とする特許請求範囲第１項記載のレーリーモード
   弾性表面波によるアクチュエータ。 ３、前記駆動部の圧電素子は１枚の圧電基板の表面と裏
   面のそれぞれに入力用対電極を持つことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のレーリーモード弾性表面波に
   よるアクチュエータ。 ４、前記駆動部の圧電素子は１枚の圧電基板上に複数組
   のレーリーモード弾性表面波を発生させる入力用対電極
   と、レーリーモード弾性表面波の伝搬面とを並列に持つ
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーリー
   モード弾性表面波によるアクチュエータ。 ５、前記アクチュエータの液体と接する部分は液体が水
   溶性である場合には、それぞれ駆動部は疎水性の、受圧
   器は親水性の材料または薄膜で被い、液体が油性である
   場合には、それぞれ駆動部は親水性の、受圧器は疎水性
   の材料または薄膜で被うおことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のレーリーモード弾性表面波によるアク
   チュエータ。 ６、前記駆動部は、圧電素子を複数個備え、それぞれの
   圧電素子を平行かつ受圧器の液面に対し垂直になるよう
   に、四角柱の固定板に等間隔に固定し、受圧器の液体の
   浮力により、受圧器内の最適な位置を与えられ、受圧器
   に設けられたガイドに沿って運動する特許請求の範囲第
   １項、第２項、第３項、第４項、第５項記載のレーリー
   モード弾性表面波によるアクチュエータ。 ７、前記駆動部は複数個の圧電素子をもち、圧電素子は
   これを保持する底と蓋のある円筒状の固定器の内壁面に
   、それぞれの圧電素子の伝搬面を全て円筒軸芯に対し同
   一方向に向けて垂直、放射状に等間隔に配置する。円筒
   状固定器の内側には、固定器の中心軸を回転中心とする
   ラチェット歯形状あるいは円板状などの受圧器を設け、
   その空隙を液体で満たした特許請求の範囲第１項、第２
   項、第３項、第４項、第５項記載のレーリーモード弾性
   表面波によるアクチュエータ。 ８、前記駆動部は複数個の圧電素子をもち、圧電素子は
   これを保持する円盤状固定器の外側面に、それぞれの圧
   電素子の伝搬面を全て固定器の軸芯に対して同一方向に
   向け、垂直、放射状に等間隔に配置する。この駆動部は
   、液体を満たした内壁面がノコ歯状あるいは波状などで
   ある底と蓋のある円筒状受圧器の内にあって、中心軸が
   受圧器の中心軸と一致し、回転可能な特許請求の範囲第
   １項、第２項、第３項、第４項、第５項記載のレーリー
   モード弾性表面波によるアクチュエータ。