JPH0549277A

JPH0549277A - 放射圧を利用したアクチユエータ

Info

Publication number: JPH0549277A
Application number: JP34503091A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Nakagawa; 川勝己中; Koji Nishida; 田宏二西; Yasuo Kuwabara; 原保雄桑
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-02-26

Abstract

(57)【要約】【目的】高出力、高効率で生産性にも優れたアクチュエ
ータを得ること。【構成】媒質６内に音波を発生する振動体２，３と、該
振動体から発生した音波の進行上に配され、音波の進行
に伴う放射圧によって可動する可動体５とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放射圧を利用したアク
チュエータであり、回転運動、直線運動等を行うアクチ
ュエータに利用できる。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気量を運動量に変換するエネル
ギー変換装置として、電気モータがあるが、必要なトル
クを得るために、大電力が必要であり、省エネルギーに
は向いていない。また、形状も大きく、発熱等の影響も
ある。

【０００３】そこで、同じ径に比べて大きなトルクが得
られる超音波モータが開発されている。この超音波モー
タは特開平２−４１６７７号公報等に開示されているよ
うに、振動子と弾性体よりなるステータと、該ステータ
上に配置され、ステータに当接する摩擦材と弾性体から
なるロータと、ロータをステータに向かって押さえつけ
るバネ手段を備えており、振動子に進行波を発生させる
ことにより、ステータの弾性体表面の任意の点に楕円軌
跡の運動を起こし、その運動によるステータとロータ間
の摩擦力でロータをステータに発生する進行波と反対方
向に可動させるものである。

【０００４】この超音波モータは上記の電気モータに比
べて形状も小さく、消費エネルギーも少ないといった利
点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の超音波
モータは、弾性体表面に発生する振動エネルギーを摩擦
力を介して機械的仕事に変換するため、発熱する、効率
が悪い、高出力化が困難であるという問題点がある。実
際には出力３０Ｗ程度が限界であり、実用上用途が限定
されてしまい、電気モータに取って代わるまでにはいか
ない。

【０００６】更に数μｍ程度の振動変位を使うことから
高い加工精度を必要とし、また、振動子の弾性体への固
定手段として、高精度，高信頼性の接着技術を必要とす
るため、生産性も悪いものであった。

【０００７】そこで、本発明においては、高出力、高効
率で生産性にも優れたアクチュエータを得ることを課題
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明において用いた手段は、媒質内に音波を発生す
る振動体と、該振動体から発生した音波の進行上に配さ
れ、音波の進行に伴う放射圧によって可動する可動体と
を備えたことである。

【０００９】

【作用】上記の手段によれば、振動体は媒質内に音波を
発生する。この音波は媒質内を伝播し可動体に当たる。
可動体は音波の進行に伴う放射圧を受ける。このため、
可動体は音波の進行方向に圧を受け、可動する。

【００１０】更に、可動体に前記音波の進行方向に対し
て４５°傾斜する面を設け、また、可動体の傾斜面によ
り反射した音波を更に反射する反射面を備えることによ
り、振動体により発せられた音波のエネルギーの一部は
傾斜面により吸収され可動体を移動させるとともに、傾
斜面により反射された音波は更に反射面により傾斜面に
向かって反射され、傾斜面にエネルギーを与えるので、
前記振動体から可動体へ向かう方向へ働く力は増加す
る。

【００１１】また、更に、可動体を、音波の進行方向上
に羽根を備えるロータから構成し、前記振動体を固定体
上に固定し、この固定体に前記振動体の発する音波の進
行上に音波を反射する側壁を設け、更に、側壁を前記ロ
ータの回転を促進する方向に前記音波を反射するように
向けると、振動体により発せられた音波のエネルギーの
一部は羽根により吸収されロータを回転させるととも
に、羽根を通過又はそれた音波は更に側壁によりロータ
の回転を促進する方向に向かって反射され、ロータを回
転させる方向にエネルギーを与えるので、前記振動体か
ら可動体へ向かう方向へ働く力は増加する。

【００１２】また、更に、可動体を、前記音波の進行方
向上に放射圧を受ける部分を有するロータにより構成
し、振動体を、前記ロータを正回転方向に回転させる方
向および前記ロータを逆回転方向に回転させる方向にそ
れぞれ１つ以上設けることにより、振動させる振動体を
選択することにより正方向および逆方向にロータを回転
させることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。

【００１４】図１及び図２は、本発明の第１実施例で、
振動体である振動子２，３の振動を可動体であるロータ
５の回転運動へと変換するロータリーアクチュエータ７
である。

【００１５】図１及び図２に示されるように、固定体で
あるハウジング１は、円筒状を呈する側壁１ａと、側壁
１ａに密着固定され側壁１ａの上及び下部を閉塞する上
蓋１ｂ及び下蓋１ｃとから構成されている。側壁１ａに
は複数個の窓１ｄが形成されており、この窓１ｄには正
転用の振動子２及び逆転用の振動子３がゴムブッシュ４
を介してシールされた状態で振動可能に支持されてい
る。ハウジング１内にはロータ５が上蓋１ｂ及び下蓋１
ｃに回転自在に支持されて配設されている。このロータ
５には複数個の羽根５ａが放射状に形成されており、こ
の羽根５ａは振動子２，３の振動によって発生する音波
の進行方向上に位置している。又、ハウジング１内には
媒質である液体６が充填されている。このように構成さ
れたロータリーアクチュエータ７はハウジング内１に充
填された液体６と同一の液体中で使用される。この場
合、ロータリーアクチュエータ７はシールケース８内に
収納され、このシールケース８により振動子２，３を挟
んで液体６と対向する部分に空気室９を形成している。
この空気室９は、振動子３の振動により発生する音波を
ハウジング１内に充填された液体６に効果的に伝播する
ためのものである。尚、シールケース８はロータリーア
クチュエータ７を液体中で使用する時のみ必要とし、大
気中で使用する場合には特に設ける必要がない。ロータ
リーアクチュエータ７を液体中で使用する場合にはハウ
ジング１は液体６を封じ込めるためにシール構造を必要
とする。

【００１６】次に作動について説明する。

【００１７】振動子２を作動させ音波を発生させると、
その音波によって液体６がハウジング１内に音場を形成
する。これにより、音波の進行上にあるロータ５の羽根
５ａは音場からの放射圧を受ける。又、羽根５ａを通過
又はそれた音波はハウジング１の側壁１ａによって反射
し、前述とは異なる羽根５ａへと向かい、この羽根５ａ
は反射した音波による音場からの放射圧を受ける。この
結果、ロータ５は放射圧の力によって図１示半時計方向
に回転する。又、振動子３を作動させると、ロータ５は
前述とは逆に図１示時計方向に回転する。放射圧は振動
子２，３から発生する音波の進行方向及び反射，透過及
び屈曲後の進行方向に発生する。この放射圧による力Ｆ
は、音波のエネルギー密度Ｅ，面積Ｓ及び反射率Ｒに関
係し、

【００１８】

【数１】Ｆ＝ＳＥ（１＋Ｒ）で表される。また、反射率Ｒは、ハウジング１及び液体
６の音響インピーダンスＺ₁，Ｚ₂に関係し、

【００１９】

【数２】Ｒ＝（（Ｚ₂−Ｚ₁）÷（Ｚ₂＋Ｚ₁））² で表される。つまり、ハウジング及び液体６の材料を効
果的な音響インピーダンスを持つものとすることによ
り、効率良く放射圧による力を得ることができる。

【００２０】本実施例においては、ハウジング１の材料
としてステンレス鋼を、液体６の材料として水を使用し
ている（この場合、反射率は約９０％である）。その
他、ハウジング１の材料としてはアルミが、液体６の材
料としてはアルコールや灯油が効率良く放射圧による力
を得ることができるものである。尚、本実施例におい
て、振動子２，３はＰＺＴ（チタン酸−ジルコン酸−
鉛）製で、厚さ０．８ｍｍ，縦共振周波数２．４ＭＨｚ
の、圧電振動子を使用している。

【００２１】このように、振動子２，３の振動を音場か
らの放射圧によってロータ５の回転へと変換している。
このため、従来の如くエネルギー変換に際して摩擦力を
必要とせず、発熱等によるロスが少ないので、高効率が
よい。又、従来装置では、振動子の固定が性能の面で大
きなウエイトを占めており、精密な接着を必要とした
が、本願発明では、振動子２，３のハウジング１への支
持に関して精密な接着を必要とせず、組付け作業性が大
幅に向上すると共に性能安定性及び信頼性の面で大幅な
向上を計ることができる。更に、従来装置では困難であ
った液体中での使用が可能となり、利用範囲が大幅に向
上すると共にロータリーアクチュエータ７の冷却効果の
大幅な向上も期待できる。その上、放射圧はその原理か
ら振動子２，３から発生する音波の反射，透過及び屈曲
後の進行方向に発生するため、ロータ５の配置等におい
て設計自由度を大幅に向上させることができる。

【００２２】図３及び図４は、第１実施例の変形例を示
し、ロータ５の羽根５ａを回転方向に対して４５度傾け
たものである。これにより、ハウジング１の上蓋１ｂ及
び下蓋１ｄによっても羽根５ａより反射した音波を羽根
５ａに向けて反射させることができ、第１実施例に対し
て、より効率を上げることができる。又、図５は、第２
実施例を示し、ロータ５の代わりにピストン１０を配置
し、振動子２の振動によって発生する音波をピストン１
０の直進運動として変換するアクチュエータである。そ
の作動は振動子２の振動によって発生する音波の進行方
向に発生する放射圧を利用したもであり、この場合、ピ
ストン１０は音波の進行方向と同一方向のみに運動す
る。図６は第２実施例の変形例を示し、ピストン１０の
先に傾斜面を持つコーン１１を付け、反射した音波の進
行方向に発生する放射圧も利用するようにしたものであ
る。この変形例では、振動子２および３のいずれかの振
動子の選択によりピストン１０を往復運動させることが
できる。尚、これらの例においても第１実施例と同様な
効果を上げることができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、振動体の振動エネルギ
ーを媒質を介して放射圧として可動体に伝えるため、エ
ネルギー変換効率がよい。

【００２４】また、可動体に前記音波の進行方向に対し
て４５°傾斜する面を設け、また、可動体の傾斜面によ
り反射した音波を更に反射する反射面を備えるようにす
れば、反射された音波も可動体の移動に使用できるた
め、更に高効率になる。

【００２５】また、更に、可動体を、音波の進行方向上
に羽根を備えるロータから構成し、前記振動体を固定体
上に固定し、この固定体に前記振動体の発する音波の進
行上に音波を反射する側壁を設け、更に、側壁を前記ロ
ータの回転を促進する方向に前記音波を反射するように
向けるように構成すれば、通過した音波もロータの回転
に使用できるため、更に高効率になる。

【００２６】また、更に、可動体を、前記音波の進行方
向上に放射圧を受ける部分を有するロータにより構成
し、振動体を、前記ロータを正回転方向に回転させる方
向および前記ロータを逆回転方向に回転させる方向にそ
れぞれ１つ以上設けることにより、正転および逆転可能
なロータリーアクチュエータが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るアクチュエータの第１実施例を示
す平面図である。

【図２】図１の側面図である。

【図３】第１実施例の変形例を示す図１に相当する平面
図である。

【図４】図３の側面図である。

【図５】本発明に係るアクチュエータの第２実施例を示
す平面図である。

【図６】第２実施例の変形例を示す図５に相当する平面
図である。

【符号の説明】

１ハウジング（固定体）１ａ側壁１ｂ上蓋１ｃ下蓋１ｄ窓２，３振動子（振動体）４ゴムブッシュ５ロータ（可動体）５ａ羽根６液体（媒質）７ロータリーアクチュエータ８シールケース９空気室１０ピストン１１コーン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】媒質内に音波を発生する振動体と、該振動体から発生した音波の進行上に配され、音波の進
行に伴う放射圧によって可動する可動体とを備えた放射
圧を利用したアクチュエータ。
【請求項２】前記可動体は、前記音波の進行方向
に対して４５°傾斜する面を有し、更に、前記可動体の
傾斜面により反射した音波を更に反射する反射面を備え
ることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】前記可動体は、前記音波の進行方向
上に羽根を備えるロータからなり、前記振動体は、固定
体に固定されており、該固定体には前記振動体の発する
音波の進行上に音波を反射する側壁が備えられ、該側壁
は音波を前記ロータの回転を促進する方向に前記音波を
反射することを特徴とする請求項１記載のアクチュエー
タ。
【請求項４】前記可動体は、前記音波の進行方向
上に放射圧を受ける部分を有するロータからなり、前記
振動体を、前記ロータを正回転方向に回転させる方向お
よび前記ロータを逆回転方向に回転させる方向にそれぞ
れ１つ以上設けたことを特徴とする請求項１記載のアク
チュエータ。