JPH01321875A - 超音波アクチュエータ及びその制御方法 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は超音波アクチュエータ及びその制御方法に関す
る。

（従来の技術） 超音波アクチュエータは、圧電素子を振動源としてこの
振動力を一定方向運動に変換することにより、駆動を行
うものであり、以下のよつな特徴がある。

（ａ）巻線を必要としないため、構造が簡単である。

（ｂＪ重量当たりのｄ力が大きい〇 （ｃ）微小位置決めが容易である。

（ｄＪ　を磁アクチュエータに比べ、格段に応答が速υ
１０ 従来提案されている超音波アクチュエータは撮勤片形と
表面波形に大別される。第６図乃至第８図は典型的な従
来例であり、以下図面を参照して従来例を説明する。

第９図は、振動月形超音波アクチュエータを示したもの
である。振動子１０１の端面に、曲げ振動を起こす振動
片１０２を固定し、その先端を一定方向にのみ動くよう
に保持されたスライダ１０３Ｉこ接触させ、角度θの傾
き角を与えた状９７１）こ設置する。

この状態で振動片１０２に振動変位Ｕ＝Ｕｏ自（ωｔ＋
α）を与えると、振動片１０２の先端は図面の左右方向
に長軸を持つ楕円振動を発生する。ここで、振動片１０
２の固有振動数が振動子１０１の固ｗｉ動数と略等しけ
れば、摩擦によって駆動力が得られる。

このような駆動力が発生することによりスライダ１０３
が図面右向きに移動するが、別に設けた振動子１０４を
用いれば、振動子１０１と振動子１０４の電圧印加パタ
ーンを制御をすることにより、スライダ１０３の正−逆
駆動が可能となる。実開昭５９−５６９９１号公報や特
開昭５９−１２２３８５号公報に記載の超音波アクチュ
エータはその代表例である。

第１０図は表面波形超音波アクチュエータである。伝送
棒１）１の両端ｆこ振動子１）２　、１）３を設置し、
工つは加振源として、もり１つは弾性波の吸収源として
用いるものである◇今、振動子１）２によって伝送棒１
）１を超音波領域で振動させると、弾性波は伝送棒１）
１表面を伝播する。弾性波は伝送棒１）１の端で反射し
、進行する波と反射する波とが重なり合って定在波とな
る。定在波ができるとスライダ１）４は図面の左右方向
のどちらｆこも駆動しない。従って伝送棒１）１の端で
進行波が反射するのを避けるため、もう１つの振動子を
設けて進行波を吸収する必要がある◇第１）図は表面波
形超音波アクチュエータの駆動原理を示したものである
。伝送棒１）１の表面上の１点に着目すると、点は縦振
幅Ｗ％横嵌幅Ｕの楕円運動を行い、伝送棒１）１かスラ
イダ１）４と接触する楕円の頂点で、双方の摩擦力によ
り表面波の進行に対し逆向きＥこ駆動する◇特開昭５９
−１２２３８５号公報ｆこ記載の超音波アクチーエータ
はその代表例である。

しかしながらこの様な従来の超音波アクチュエータでは
、正・逆駆動を実現するためにど９しても別々の振動源
からの振動を利用せざるを得なかった。特に、表面波形
超音波アクチュエータにおいては、−万の振動源は進行
波吸収のために用いられるため、理論効率は最大で５０
％にしか達しない。そのため、伝送棒を２本用いて振動
を環流させる方法や、電気回路上でエネルギを環流させ
る方法などが提案されているが、逆に構造や制御系が複
雑になるといった問題が生じてしまう。

（発明が解決しようとする課題〉 以上のように従来は、正・逆駆動を実現するためにはど
うしても別々の振動源からの振動を利用せざるを得なか
った。本発明ではこういった問題を解決し、１つの振動
源を用いるだけで正・逆転尾勤が自在に行われ、しかも
構造が簡単な超音波アクチュエータと、その制御方法の
提供を目的とする。

〔発明の構成〕

（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おいては、周期的
に駆動信号が印加させることにより往復直線振動する圧
電振動子と、この圧電振動子の両端のそれぞれに取付け
られて略等しい固有振動数を有し、圧電振動子の振動に
対してこの振動伝達方向と垂直な方向において互いに逆
向きに屈曲してベースに対し交互に摩擦力を与える振動
部とを有する超音波アクチュエータとした。

また、振動部の共振点近傍の周波数ｆ１を振動部に与え
ることにより超音波アクチュエータを正方向に駆動させ
、振動部の共振点近傍で周波数ｆ１と位相が１８００異
なる周波数ｆ２を振動部に与えることにより、圧！振動
子の振動に対する振動部の振動を１８０°変化させ、超
音波アクチーエータを逆方向に駆動させるようｆこ制御
した超音波アクチュエータの制御方法とした。

（作用） この上つな構成とすることにより、１つの振動源を用い
るだけで正・逆転駆動が可能で、しかも構造が簡単な超
音波アクチーエータとその制御方法が実現する◇ （実施例） 以下、図面に従って本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す超音波アクチーエ
ータの斜視図である。高周波電源（図示せず）によって
１！ＦＥを印加することにより変位を生じる圧ｉｔ、微
動子１には、その変位方向の両端面Ｉこ、振動部である
振動片２，３が固層されておりこの振動片２，３は先端
部４．５及び支持部６゜７から成っている。この２つの
振動片２，３は同じ形状をなし、固有振動数も同じであ
り、ベースである平盤１０に対して双方の先端部４，５
が逆の面（接触面８，９）で接するようになっている◇
この先端部４，５の重心は、圧電振動子１の変位方向と
同方向に振動する支持部６，７の振動中心軸１３．１４
上かられずかにずれており、振動片２に関しては振動中
心軸１３より千ＭＩＯに近い位置に、振動片３１こ関し
ては振動中心軸１４より平盤１０から遠い位置にそれぞ
れ偏心している。また、平盤１（Ｈこ対しては前述のよ
うに先端部４．５は接触面８．９にて接触しているが、
圧電振動子１は振動片２，３に保持されるようになって
いるため、平盤１０とは接触していない。

このよつな構造の本実施例の動作原理を、第２図及び第
３図を用いて説明する。ここで第２図は本実施例の超音
波アクチュエータを側面から見た動作原理の模式図、第
３図は圧電振動子１に印加される電圧量の経時変化を示
すグラスである０第３図において圧電振動子１）こ印加
される電圧がａ点の０〔Ｖ〕であるときに超音波アクチ
ュエータが第２図（１）の状態にあるとする。次に電圧
がｂ点のα／２（Ｖ）だけ印加されると、第２図（２１
のように王道振動子１は合計りだけ変位する。ここで前
述のように先端部４．５の重心が逆方向に偏心している
ため、偏心による慣性力の影響及び、圧電振動子１の変
位時ｆこ振動片２は図面下方に、振動片３は図面上方に
屈曲する。次に電圧が０点のα〔Ｖ〕だけ印加されると
、第２図（３）のように圧′成振動子１は更にｈだけ変
位する。このとき、屈曲していた振動片２，３は再び直
線状となり、第２図ｆｉ＋と路間じ状態となる。次に電
圧がｄ点のα／２（Ｖ）だけ印加されると、第２図（４
）のように圧電振動子１はｈだけ縮み変位し、圧電振動
子１は第２図（２）と同じ長さとなる。ここで揚動片２
，３の屈曲方向は第２図（２１とは逆方向となるが、こ
れも先端部４．５の重心の偏心による慣性力に起因する
ものである。そして最後に電圧がｅ点のｏ　Ｃｖ）に戻
ると、圧電振動子１は再び第２図（１）の状態（こ戻り
、一連の動作が終了する。この一連の動作を繰り返すこ
とにより先端部４，５の先端点Ａ−Ｄ、Ａ’〜Ｄ′の描
く軌跡は、回転方向が同じで位相が１８０°異なる楕円
軌跡１）．１２となる。そして楕円軌跡１）．１２中の
点Ａ→点Ｃ２及び点Ｃ′→点Ａ′の状７ｆｆ＋　ＩＣあ
るとき、それぞれの点（こ係る摂動片２．３が平盤１０
と摩像し合うことにより超音波アクチーエータは第１図
中に示したＮ１の向きに駆動する。

第４図は振動片２．３の振動周波数に対するゲインと位
相の関係を示すグラフである。尚、本実施例１こおいて
は振動片２，３の特性は路間−であるため、第４図で表
したグラフに双方の特性が一致しているものとする。ま
ず、振動片２，３の共振点周波数ｆｏ近傍の周波数ｆ１
を振動片２，３に与えるように、圧電振動子１に電圧を
印加する。このとき例えば超音波アクチーエータが第２
図のような動作を行い第１図中のＮｌの向きに駆動した
とする。今度は高周波電源（図示せず）を制御して、や
はり共振点ｆＯ近傍の周波数ｆｘと位相が１８００異な
る周波数ｆ２を振動片２．３に与えることにより、第２
図中の楕円軌跡１）．１２が共に正反対の方向に描かれ
るよつな位相のずれが生じ、結果的に超音波アクチュエ
ータは第１図中のＮ２の向きに駆動する。従って超音波
アクチュエータは正・逆駆動し、周波数ｆｘ、ｆｚを任
意に切替えることｔこより容易にその制御を行うことが
できる。

以上のような本実施例を用いれば、圧電振動子がわずか
に１個で、しかも構造が極めて簡単であるｔこもかかわ
らず、正・逆駆動が容易に行える超音波アクチュエータ
及びその制御方法が提供される０ 第５図は本発明の第２の実施例を示す超音波アクチュエ
ータの斜視図である。本実施例においては、円柱状の案
内レール２０を嵌挿するように中を状の圧電振動子１が
設けられている。この圧電振動子１の変位方向の両端面
に接続リング１７．１８を介して形状及び固有振動数が
同一の振動片２゜３が固着されており、この後動片２．
３は先端部４．５及び支持部６．７から成っている０振
動片２．３は接続リング１７．１８　ｔこそれぞれ３個
ずつ等間隔で固定されており、１つの接続リングに固定
される振動片の形状、及び全ての振動片２．３の固有振
動数は同一である。これら振動片２，３の先端部４．５
には接触面８．９が形成されており案内レール２０の表
面と接するようになっている。

また、先端部４，５は、圧電振動子１の変位方向と同方
向に振動する支持部６，７の振動中心軸１３．１４上か
ら、その重心をわずかにずらすように錘１５．１６が取
付けてあり、振動片２１こ関しては振動中心軸１３より
案内レール２０に近い位置に、振動片３に関しては振動
中心軸１４より案内レール２０から遠い位置に重心が偏
心している。また、案内レール２０に対しては前述のよ
うに先端部４，５は接触面８．９にて接触し、全体とし
て案内レール２０を覆うように保持している。

このような構造の本実施例１こおいては、第１の実施例
と同様の方法の制御を行うことにより、超音波アクチー
エータが案内レール２０に沿って正・逆転駆動する。尚
、本実施例では振動片２，３は圧゛成振動子１の両端面
にそれぞれ３個づつ用いられているが、案内レール２０
を保持できる構造であればその個数及び形状は任意に決
定してよい０いずれの方法であっても、案内レール２０
に対してベアリングなどの軸受機構を用いる必要のない
ものとなる。

尚、本実施例では円柱状の案内レールを用いているが、
例えば第６図に示すように断面凸状の案内レール２０の
凸部が振動片の先端部４．５によって保持されるような
構造であってもよい０また第７図に示すように断面凹状
の案内レール２０の凹部が振動片の先端部４，５によっ
て押え付けられるような構造であってもよい。これらの
超音波アクチュエータにおいては、圧￥ｔｍ動子１と案
内レール２０との間に生じる摩擦を極力低減するようＩ
こ、液体や固体などによる潤滑の手段を用いるのが適当
である。

本発明の超音波アクチュエータの更なる実施例として、
第８図のように全体を略弓形とし、図面垂直方向に軸を
持つ回転軸２１を回転させる構造のものを挙げる。この
場合、圧電振動子１を大形で変位の大きいものにするか
、或いはアクチュエータを複数用いることにより、回転
軸２１の駆動力をより大きなものとすることができる◇
尚、この実施例は超音波アクチュエータ自体が移動を行
わないものであるが、複駆動体の形状は回転軸に限られ
るものでなく、板状、棒状２球状などであってももちろ
んよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、１つの振動源を用いるだ
けで正・逆転駆動が可能で、しかも構造が簡単な超音波
アクチュエータとその制御方法が実現する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す超音波アクチュエ
ータの斜視図、第２図は本発明の超音波アクチュエータ
の動作原理を示す模式図、第３図は第２図に示す動作原
理に対応した、圧直据動子に目」加される電圧量の経時
変化を示すグラフ、第４図は振動部の振動周波数に対す
るゲインと位相の関係を示すグラフ、第５図乃至第８図
は本発明の他の実施例を示す超音波アクチュエータの斜
視図若しくは正面図、第９図乃至第１）図は従来例を示
す超音波アクチュエータ及びその駆動原理を示す概略図
である。 １・・・圧電振動子、２．３・・・振動片（振動部）、
４．５・・・先端部（振動部の一部１．６．７・・・支
持部（振動部の一部）、８．９・・・接触面、１０・・
・平盤（ベース１．２０・・・案内レール（ベース）、
２１・・・回転軸（可動体）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　周期的に駆動信号が印加されることにより往復
   直線振動する圧電振動子と、前記圧電振動子の両端のそ
   れぞれに取付けられて略等しい固有振動数を有し、前記
   圧電振動子の振動に対してこの振動伝達方向と垂直な方
   向において互いに逆向きに屈曲してベースに対し交互に
   摩擦力を与える振動部とを有することを特徴とする超音
   波アクチュエータ。
2. （２）　前記ベースが案内レールであり、前記超音波ア
   クチュエータはこの案内レールにより運動経路が決定さ
   れる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。
3. （３）　前記ベースが可動体であり、前記超音波アクチ
   ュエータはこの可動体を駆動することを特徴とする請求
   項１乃至２記載の超音波アクチュエータ。（４）　前記
   振動部の共振点近傍の周波数ｆ＿１を前記振動部に与え
   ることにより前記超音波アクチュエータに一方向の駆動
   力を発生させ、前記振動部の共振点近傍で前記周波数ｆ
   ＿１と位相が１８０°異なる周波数ｆ＿２を前記振動部
   に与えることにより、前記圧電振動子の振動に対する前
   記振動部の振動を１８０変化させ、前記超音波アクチュ
   エータに前記一方向と反対方向の駆動力を発生させるよ
   うに制御したことを特徴とする請求項１乃至３記載の超
   音波アクチュエータの制御方法。