JPH06233560A - 超音波アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的小型で、コスト的に低価格な、アクチ
ュエータの状態を検出する検出手段を有する超音波アク
チュエータを提供する。 【構成】 弾性体６とこの弾性体６に固定された圧電素
子７ａ，７ｂ，８とからなり、該圧電素子７ａ，７ｂ，
８に交流電圧を印加することにより弾性体６に楕円振動
を発生させる超音波振動子１と、この超音波振動子１に
圧接された被駆動体１３と、上記振動子１の、上記被駆
動体１３の移動方向と略平行な方向の振幅を検出する磁
石１１とコイル１２とで構成された振動センサとを具備
しており、上記振動センサにより検出された上記振幅を
制御することにより、上記被駆動体１３の駆動状態を制
御することを特徴とする超音波アクチュエータ２。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波アクチュエー
タ、より詳しくは、超音波振動を駆動力源とする超音波
アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】電磁式サーボモータやステッピングモー
タの回転運動をボールネジ等により直線運動に変換する
リニアアクチュエータは、従来より種々提案されてい
て、このようなリニアアクチュエータを応用した位置決
め装置や搬送装置は、現在様々な分野に応用されてい
る。

【０００３】このようなものの一例として、「オリエン
タルモータ総合カタログ９１／９２」に記載の構造を図
２２，図２３に示す。機械原点やストロークエンドの検
出に図２２のように検出スイッチを設け、相対位置や速
度検出に図２３に示すようにロータリーエンコーダを用
いる構成となっている。

【０００４】一方、超音波振動を動力源とする超音波モ
ータも近年盛んに研究されていて、一部はすでに実用化
されている。これらの超音波モータの駆動原理として
は、振動子の可動体に接する接触部が楕円運動し、この
楕円運動により、可動体と振動子を相対移動させるもの
が一般的である。このような原理を用いたものの例とし
ては、特開平２−７８７５号公報に記載の超音波振動子
およびこの振動子を有する駆動装置がある。これは圧電
素子に交番電圧を印加し、発生させた超音波楕円振動に
より直接直線的に被駆動体を駆動するものである。

【０００５】これらいずれの場合も、アクチュエータの
速度を制御する場合、可動体にエンコーダ等のセンサを
設け、このセンサの出力に応じて操作量を決定し、制御
対象に操作を加えて、制御系を構成することになる。ま
た、機械原点やストロークエンド等の定位置を検出する
際に、フォトインタラプタ等のセンサを必要とする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来例で
は、アクチュエータの速度やストロークリミットを検出
する際に、エンコーダやフォトインタラプタ等のセンサ
を必要とするため、アクチュエータの外形寸法が大きく
なり、かつ価格も高価になるという問題点があった。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、比較的小型で、コスト的に低価格な、アクチ
ュエータの状態を検出する検出手段を有する超音波アク
チュエータを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明による超音波アクチュエータは、弾性体に
固定された電気−機械エネルギー変換素子からなり該電
気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加すること
により弾性体に楕円振動を発生させる超音波振動子と、
この超音波振動子に圧接された移動体と、上記振動子の
上記移動体の移動方向と略平行な方向の振幅を検出する
検出手段とを具備しており、上記検出手段により検出さ
れた上記振幅を制御することにより、上記移動体の駆動
状態を制御することを特徴とする。

【０００９】

【作用】超音波振動子の電気−機械エネルギー変換素子
に交流電圧を印加することにより弾性体に楕円振動を発
生させ、この楕円振動により超音波振動子に圧接された
移動体が移動し、検出手段が上記振動子の、上記移動体
の移動方向と略平行な方向の振幅を検出し、上記検出手
段により検出された上記振幅を制御することにより、上
記移動体の駆動状態を制御する。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１ないし図７は、本発明の第１実施例を示した
ものである。

【００１１】図１に示すように、燐青銅等で形成された
Ｔ字型の弾性体６の両腕部の下端面から下方に向かっ
て、ＰＺＴなどで構成される電気−機械エネルギー変換
素子である直方体形状の積層圧電素子７ａ，７ｂが接着
され、一方、該弾性体６の上端面には電気−機械エネル
ギー変換素子である直方体形状の積層圧電素子８が接着
されていて、さらにその上部にステンレス等で形成され
た上面に半球形の接触部９ａを有する摺動部９が接着さ
れて超音波振動子１が構成されている。そして、上記摺
動部９の上記弾性体６の腕部が突出している方向の一側
面に、円柱状の磁石１１を接着して突設し、この磁石１
１の周りにコイル１２が巻回され、図示ししない固定手
段により固定されて検出手段を構成している。

【００１２】このような超音波振動子１を用いて、図２
に示すように、リニアアクチュエータ２を構成する。す
なわち、上記超音波振動子１の摺動部９上には、アルミ
ナセラミックス等で形成された移動体である被駆動体１
３が載置されていて、該被駆動体１３は、ばね１４によ
り付勢された滑車１５等で構成される押圧保持機構によ
り、超音波振動子１に対して押圧されながら、かつ図中
に示す±方向に自在に移動可能なように保持されてい
る。そして、該被駆動体１３の−方向にはストッパ１
６、＋方向にはストッパ１７がそれぞれ設けられてい
て、被駆動体１３のストロークを制限している。

【００１３】次に、このように構成されたアクチュエー
タ２の動作原理を、図３ないし図５を参照して説明す
る。２つの積層圧電素子７ａ，７ｂの伸縮が互いに逆に
なるように交番電圧を印加すると、図３に示すように超
音波振動子１全体が屈曲振動する。また積層圧電素子８
に交番電圧を印加すると、超音波振動子１が図４に示す
ように上下方向に伸縮振動する。この２つの振動を同時
に発生させて位相を適当に調整すると、図５に示すよう
な楕円運動が、超音波振動子１の上記摺動部９に発生す
る。この楕円運動により被駆動体１３が駆動される。

【００１４】ここで超音波振動子１が屈曲振動すると、
上記磁石１１も同時に振動してコイル１２を通る磁束が
変化する。このときレンツの法則にしたがってコイル１
２に起電力が発生し、この起電力を検出することにより
振動センサとして用いることができる。なおこのような
構成のセンサは振動速度を検出するものであるが、超音
波振動子１の振動が略正弦波であるために速度振幅と振
動振幅とは比例するので、振動速度を検出するのは振動
振幅を検出するのと同等である。

【００１５】このセンサの振動とアクチュエータの速度
の測定方法を図６に示す。上述のように超音波振動子１
の上部側面に設けられた磁石１１とコイル１２で構成さ
れた振動センサの出力は、増幅器２２を介してオシロス
コープ２１の入力端ＣＨ２に入力される。一方、上記被
駆動体１３の上面には測定用のリニアエンコーダ２３が
配設されていて、その出力はＦ／Ｖコンバータ２４を介
して上記オシロスコープ２１の入力端ＣＨ１に入力され
る。

【００１６】このようにして測定した結果の一例を図７
に示す。図７の横軸は時間を示し、縦軸は入力波形の振
幅を示す。図に示すように、超音波振動子１はＡ点まで
は停止しており、該Ａ点で＋方向に移動するように交番
電圧を印加している。そして、Ｂ点で＋方向ストッパに
突き当たって停止した様子を示している。ここに、ＣＨ
１は、上述のように、測定用のリニアエンコーダ２３の
出力をＦ／Ｖ変換したものであり、移動速度を示す。ま
た、ＣＨ２は、センサ信号のエンベロープであり、振動
子の振動速度（振幅）を示す。

【００１７】図から明らかなように、屈曲振動の振幅と
アクチュエータの移動速度には相関がみられる。したが
って屈曲振動振幅を用いて、アクチュエータの速度制御
をすることが可能である。このための回路構成を図８，
図９に示す。

【００１８】図８は、交番電圧の振幅を制御する場合の
回路構成を示したブロック図である。発振器２５からの
出力は２分されて、一方は電力増幅器２６で増幅してか
ら圧電素子８にそのまま印加され、他方は移相器２７と
ＶＣＡ２８を介して電力増幅器２９で増幅してから圧電
素子７ａ，７ｂに印加される。また、このＶＣＡ２８に
は制御量決定手段３１が接続されていて、エンベロープ
検出器３４を介して接続されているセンサ３３からの出
力と、速度設定手段３２からの出力とにより制御量を決
定するようになっている。

【００１９】図９は、発振周波数を制御する場合の回路
構成を示したブロック図である。発振器２５の出力は２
分され、一方は電力増幅器２６で増幅してから圧電素子
８にそのまま入力され、他方は移相器２７を介して電力
増幅器２９で増幅してから圧電素子７ａ，７ｂに入力さ
れる。上記発振器２５には制御量決定手段３１が接続さ
れていて、エンベロープ検出器３４を介して接続されて
いるセンサ３３からの出力と、速度設定手段３２からの
出力とにより制御量を決定するようになっている。

【００２０】以下に、圧電素子７ａ，７ｂおよび圧電素
子８に印加する電圧の振幅または周波数を変えることに
より屈曲振動の振幅が変化する様子と、この屈曲振動の
振幅を制御することにより速度を制御する様子を示す。
図１０は印加電圧と屈曲振動の振幅の関係を示す測定結
果の線図、図１１は印加電圧の周波数と屈曲振動の振幅
の関係を示す測定結果の線図である。

【００２１】図１０から明らかなように、印加電圧と屈
曲振動の振幅は比例していて、例えば、初期電圧Ｖ0に
対し±Ｖだけ電圧を変化すると、これに対応して屈曲振
動の振幅は±ｘだけ変化する。このことから、上記図８
に示した構成において、速度設定手段３２で設定された
目標とする速度を達成するための振動振幅の目標値を制
御量決定手段３１で決定し、実際の振動振幅がこれより
小さいときには電圧を大きくし、逆に実際の振動振幅が
大きいときには電圧を小さくするように、制御量決定手
段３１とＶＣＡ２８とで適当に電圧制御することによ
り、振動振幅を目標値に一致させることができる。この
結果、速度設定手段３２で設定した目標速度を達成する
ことができる。

【００２２】また、図１１から明らかなように、屈曲振
動の振幅は、共振周波数ｆrで最大になり、この共振周
波数ｆrを離れると急激に減少する。そして、上記共振
周波数ｆrの近傍では、近似的に周波数と振幅が比例し
ていることがわかる。このような共振周波数ｆr近傍の
初期周波数ｆ0に対して、周波数を±ｆだけ変化する
と、上述のような比例関係に応じて振幅が±ｘだけ変化
する。このときも、電圧で振幅を制御した場合と同様
に、図９に示す装置構成を用いて、振動振幅が小さいと
きには大きくなる方向に、逆に小さいときには大きくな
る方向に振動周波数を変化させることにより目標とする
振動振幅が達成でき、この結果、速度決定手段３２で設
定された目標速度を達成することができる。

【００２３】上述のような速度制御の一例として、上記
図８に示した構成により定速制御を行ったときの測定結
果を、図１２に示す。図示のごとく、図７に比較して、
明らかに速度むらが減少していることがわかる。

【００２４】このような第１実施例により、アクチュエ
ータの外形が、エンコーダ等を用いて速度を検出する場
合と比較して小型でき、セミクローズドループの速度制
御が実現できる。また、アクチュエータの駆動源となる
超音波振動そのものを検出しているため、アクチュエー
タにエンコーダ等を用いて速度を検出するよりも、時間
的な遅れを小さくすることができ、制御性を向上するこ
とができる。なお、本実施例では電磁式のセンサを用い
ているが、このようなセンサに限られるものではなく、
例えば静電容量的センサ等を用いても良い。

【００２５】図１３ないし図１６は、本発明の第２実施
例を示したものである。この第２実施例は上記第１実施
例とほぼ同様であるので、異なる部分のみを説明する。
図１３に示すように、この第２実施例の超音波振動子４
１は、四角柱状の弾性体４６の４側面の上部から４つの
直方体形状の凸部４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄを突
設していて、これらの凸部４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４
６ｄの下面には屈曲振動を励起するための電気−機械エ
ネルギー変換素子である圧電素子４７ａ，４７ｂ，４７
ｃ，４７ｄがそれぞれ固定されている。また、上記弾性
体４６の上面には電気−機械エネルギー変換素子である
圧電素子４８が固定され、さらにその上にステンレス等
で形成された上面に半球形の接触部４９ａを有する摺動
部４９が接着されている。上記摺動部４９の４側面に
は、磁石１１と、この磁石１１の周りに巻回されたコイ
ル１２とで構成される検出手段である振動センサ４４
ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄがそれぞれ突設されてい
る。

【００２６】このような超音波振動子４１の上記摺動部
４９上に、図１４に示すように、任意のＸＹ方向に移動
可能な移動体である被駆動体４３を図示しない押圧保持
機構により押圧して、ＸＹ平面に移動可能なアクチュエ
ータ４２を構成している。

【００２７】このような第２実施例の作用を説明する。
超音波振動子４１の上記圧電素子４７ａ，４７ｂ，４７
ｃ，４７ｄに印加する電圧を組み合わせることにより、
屈曲方向をＸＹ平面の任意方向に発生させることが可能
となり、したがって、被駆動体４３もＸＹ平面の任意方
向に駆動できる。

【００２８】また上記振動センサ４４ａ，４４ｂ，４４
ｃ，４４ｄからは、同一の振動による出力波形を得るこ
とができる。したがって、図１５に示すような回路構成
により、センサ信号の同相ノイズを除去できる。つま
り、対向する振動センサの位相が反転したものとなるた
め、図１５，図１６に示すように、対向して配置された
振動センサの一方の振動センサから得られる信号Ａを反
転装置４５ａで反転させて信号Ａ’とし、この信号Ａ’
と、他方の振動センサから得られる信号Ｂとを混合器４
５ｂで加算すると信号Ｃが得られ、信号Ａと信号Ｂに含
まれていた同相ノイズが除去される。この信号の出力
は、上記第１実施例のように振動のフィードバック制御
に用いることができる。

【００２９】このような第２実施例によれば、上記第１
実施例とほぼ同様の効果を有するとともに平面上の任意
方向に駆動するアクチュエータを得ることができ、ま
た、振動センサのＳ／Ｎ比を向上することができる。さ
らに、振動子に対して振動センサを対称的に配設したた
め、上記第１実施例に比較して屈曲振動の対称性が良い
という効果も有している。

【００３０】図１７ないし図２１は、本発明の第３実施
例を示したものである。この第３実施例において、上記
第１，第２実施例と同様である部分については説明を省
略し、異なる部分のみを説明する。

【００３１】図１７に示すように、燐青銅等で形成され
た弾性体５６の上面には２つの凹部５６ａ，５６ｂが設
けられ、これらの凹部５６ａ，５６ｂに対してＰＺＴ等
を積層して構成した電気−機械エネルギー変換素子であ
る２つの積層圧電素子５７ａ，５７ｂが挟まれて予圧を
かけながら固定されている。さらに該弾性体５６は、そ
の長手方向の側面の中心部に検出手段であるストレイン
ゲージ５８が接着されるとともに、下端面の所定位置に
は、ステンレス等で形成された摺動部５９が固定されて
いる。このようにして超音波振動子５１が構成されてい
る。そして、この超音波振動子５１は、摺動板５３上に
図示しない押圧機構により押圧接触されている。

【００３２】この超音波振動子５１が取り付けられた移
動体である摺動板５３は、ジルコニアセラミックス平板
等で構成されていて、図１８に示すように、やはり移動
体であるテーブル５４の一端部に固定されていて、この
テーブル５４はリニアガイド５５により直線的に移動可
能なように保持されている。このリニアガイド５５によ
り移動するテーブル５４の両端側にはストッパ６１，６
２が設けられていて、ストロークを規制している。この
ようにしてリニアアクチュエータ５２が構成されてい
る。

【００３３】次に、このように構成された第３実施例の
作用を説明する。２つの積層圧電素子５７ａ，５７ｂが
伸縮振動すると、図１９（Ａ）に示すような弾性体５６
の伸縮振動が発生すると同時に、図１９（Ｂ）に示すよ
うな屈曲振動も発生する。この２つの振動の共振周波数
が一致するように弾性体の寸法を決定すると、大振幅な
振動が発生して大駆動力を得られるとともに、振動効率
が最も高くなる。このような寸法に形成された振動子５
１の２つの積層圧電素子５７ａ，５７ｂに、９０度位相
の異なる交番電圧を印加すると、伸縮振動と屈曲振動が
同時に発生し、屈曲振動の腹位置に固定された上記摺動
部５９に楕円振動が発生する。この楕円振動をする摺動
部５９に、被駆動体である摺動板５３を接触させて移動
させる。

【００３４】上記ストレインゲージ５８は、弾性体５６
の屈曲振動の略節位置に接着されていて、これにより屈
曲振動成分を含まずに伸縮振動（つまり、被駆動体であ
る摺動板５３の移動方向と平行な方向の振動）のみを検
出することができる。

【００３５】この伸縮振動を測定した結果の一例を図２
０に示す。図中、横軸は時間を示し、縦軸は振幅を示し
ている。図に示すＡ点までは−方向移動時に−方向スト
ッパ６１に突き当たって停止しており、Ａ点で＋方向に
移動方向を切り換え、Ｂ点で＋方向ストッパ６２に突き
当たって停止したことを示している。符号ＣＨ１は、測
定のため上記リニアアクチュエータ５２にリニアエンコ
ーダを取り付けてこの出力をＦ／Ｖ変換したものを示
し、移動速度を示している。符号ＣＨ２は、ストレイン
ゲージ５８の信号を増幅した波形のエンベロープを示
し、振動子の振動振幅を示している。

【００３６】図から明らかなように、移動時に振動振幅
が大きくなっている。したがって、後述する図２１に示
す構成によって、移動中か停止状態であるかを検出する
ことができる。すなわち、発振器２５の出力は、スイッ
チ２５ａを介した後２分されて、一方は電力増幅器２６
で増幅してから圧電素子５７ａにそのまま入力され、他
方は移動方向切換スイッチ２７ａが設けられた移相器２
７を介して、電力増幅器２９で増幅してから圧電素子５
７ｂに入力される。また、ストレインゲージ５８からの
出力は増幅器６５で増幅された後、エンベロープ検出器
３４を介してコンパレータ６６の＋側入力端に入力され
る。一方、該コンパレータ６６の−側入力端には、スレ
ッシュホールド電圧６７が接続されている。このコンパ
レータ６６の出力はフリップフロップ６８を介して上記
スイッチ２５ａに接続されている。また、このフリップ
フロップ６８の他の入力端は、スタートスイッチ６９に
接続されている。

【００３７】このような構成において、ストレインゲー
ジ５８の出力の振幅が所定レベル（スレッシュホールド
電圧）以上か否かをコンパレータ６６で検出し、このコ
ンパレータ６６の出力がハイであるかローであるかによ
り、移動中であるか停止状態であるかを検知することが
できる。このような回路構成を用いて、スタートスイッ
チ６９でアクチュエータ５２の駆動を開始し、ストッパ
６１，６２に突き当たって停止すると同時に、アクチュ
エータ５２の駆動を停止することができる。

【００３８】このような第３実施例によれば、上記第
１，第２実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、ス
トッパ６１，６２を停止位置とする搬送装置等を、フォ
トインタラプタ等の検出器を用いることなく構成でき
る。また同様の検出原理により、ストロークエンドを原
点位置として原点センサの代用としたり、過負荷時にア
クチュエータを停止させる安全装置としても応用でき
る。なお、本実施例ではストレインゲージをセンサとし
て使用しているが、圧電素子を接着しても同様な振動検
出が可能であることはいうまでもない。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、比
較的小型で、コスト的に低価格な、アクチュエータの状
態を検出する検出手段を有する超音波アクチュエータを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波振動子を示す斜視
図。

【図２】上記第１実施例のアクチュエータを示す側面
図。

【図３】上記第１実施例の超音波振動子の屈曲振動を示
す側面図。

【図４】上記第１実施例の超音波振動子の伸縮振動を示
す側面図。

【図５】上記第１実施例の超音波振動子の伸縮振動と屈
曲振動とこれらの合成振動とを示す線図。

【図６】上記第１実施例のアクチュエータの振動計測の
構成を示すブロック図。

【図７】上記図６の構成による計測結果の一例を示す線
図。

【図８】上記第１実施例のアクチュエータの移動速度を
制御するために、交番電圧の振幅を制御する回路構成を
示したブロック図。

【図９】上記第１実施例のアクチュエータの移動速度を
制御するために、発振周波数を制御する回路構成を示し
たブロック図。

【図１０】上記第１実施例の超音波振動子の印加電圧と
屈曲振動の振幅の関係を示す測定結果の線図。

【図１１】上記第１実施例の超音波振動子の印加電圧の
周波数と屈曲振動の振幅の関係を示す測定結果の線図。

【図１２】上記図８で示した構成で定速制御を行ったと
きの測定結果を示す線図。

【図１３】本発明の第２実施例の超音波振動子を示す斜
視図。

【図１４】上記第２実施例のアクチュエータを示す斜視
図。

【図１５】上記第２実施例の振動センサの同相ノイズを
除去するための回路構成を示すブロック図。

【図１６】上記図１５に示す構成で得られる各信号を示
す線図。

【図１７】本発明の第３実施例の超音波振動子を示す斜
視図。

【図１８】上記第３実施例のアクチュエータを示す斜視
図。

【図１９】上記第３実施例の弾性体の、（Ａ）伸縮振動
を示す図，（Ｂ）屈曲振動を示す図。

【図２０】上記第３実施例のストレインゲージにより検
出した弾性体の伸縮振動を示す線図。

【図２１】上記第３実施例のアクチュエータの停止位置
を検知して自動停止するための回路構成を示すブロック
図。

【図２２】従来の検出スイッチが設けられたアクチュエ
ータの一例を示すブロック図。

【図２３】従来のロータリーエンコーダが設けられたア
クチュエータの一例を示すブロック図。

【符号の説明】

１，４１，５１…超音波振動子 ２，４２，５２…アクチュエータ（超音波アクチュエー
タ） ６，４６，５６…弾性体 7a,7b,8,47a,47b,47c,47d,48,57a,57b…圧電素子（電気
−機械エネルギー変換素子） １１…磁石（検出手段） １２…コイル（検出手段） １３，４３…被駆動体（移動体） ５３…摺動板（移動体） ５４…テーブル（移動体） ５８…ストレインゲージ（検出手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体に固定された電気−機械エネルギ
   ー変換素子からなり、該電気−機械エネルギー変換素子
   に交流電圧を印加することにより弾性体に楕円振動を発
   生させる超音波振動子と、 この超音波振動子に圧接された移動体と、 上記振動子の、上記移動体の移動方向と略平行な方向の
   振幅を検出する検出手段と、 を具備しており、上記検出手段により検出された上記振
   幅を制御することにより、上記移動体の駆動状態を制御
   することを特徴とする超音波アクチュエータ。