(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子と、該圧電振動子に固着された振動板と、該振動板に固着された少なくとも１つの振動棒と、前記振動棒の先端若しくは側面に直接接触されるかまたは前記先端若しくは前記側面を覆う被覆に接触される可動体とから成る超音波アクチュエータであって、前記振動棒は、細長い形状を成し、末端が固着部分として前記振動板の一方の板面に固着されるか、または前記側面の一部が固着部分として前記振動板の両板面を貫く貫通孔に固着されており、前記振動棒は、少なくとも前記固着部分においては、前記振動棒の長さ方向が前記振動板の板面に対して垂直になるような構造を有し、前記圧電振動子は矩形状の板または矩形状の角柱で成る圧電磁器、電極ＤおよびＧから成り、前記電極ＤおよびＧは前記圧電磁器の分極軸の方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されており、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出し、前記電極ＤおよびＧにはそれぞれ端子ＴDおよびＴGが設けられ、前記端子ＴDとＴGとの間に前記圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより、前記圧電振動子に弾性振動が励振され、前記圧電振動子の前記共振周波数は、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しく、前記弾性振動が前記振動板に伝搬され、前記振動板に伝搬された弾性振動によって前記振動棒の表面に振動変位が発生し、該振動変位が前記可動体を動かすことを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項２】
圧電振動子と、該圧電振動子に固着された振動板と、該振動板に固着された少なくとも１つの振動棒と、前記振動棒の先端若しくは側面に直接接触されるかまたは前記先端若しくは前記側面を覆う被覆に接触される可動体とから成る超音波アクチュエータであって、前記振動棒は、細長い形状を成し、末端が固着部分として前記振動板の一方の板面に固着されるか、または前記側面の一部が固着部分として前記振動板の両板面を貫く貫通孔に固着されており、前記振動棒は、少なくとも前記固着部分においては、前記振動棒の長さ方向が前記振動板の板面に対して垂直になるような構造を有し、前記圧電振動子は矩形状の板または矩形状の角柱で成る圧電磁器、電極ＰおよびＧから成り、前記電極ＰおよびＧは前記圧電磁器の分極軸の方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されており、前記電極ＰおよびＧのうちで少なくとも電極Ｐは互いに絶縁された２つの電極ＤおよびＦから成り、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出し、前記電極Ｄ，ＦおよびＧにはそれぞれ端子ＴD，ＴFおよびＴGが設けられており、前記端子ＴDとＴGとの間に前記圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより、前記圧電振動子に弾性振動が励振され、前記圧電振動子の前記共振周波数は、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しく、前記弾性振動は前記振動板に伝搬されるとともに、前記端子ＴFとＴGとの間で電気信号に変換されて出力され、前記振動板に伝搬された弾性振動によって前記振動棒の表面に振動変位が発生し、該振動変位が前記可動体を動かすことを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電磁器の一方の端面上における前記電極Ｄの面積は前記電極Ｆの面積のほぼ３倍から４倍であることを特徴とする請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
トランジスタを増幅素子とし、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る前記複合体を共振素子とする発振回路を備え、前記発振回路は直流電源Ｖdcと前記端子ＴDとの間に接続された昇圧用のコイルを含み、前記トランジスタは、前記トランジスタの出力端子を前記端子ＴDに接続し、前記トランジスタの入力端子を前記端子ＴFに接続することにより、前記端子ＴFに現われる圧電気を帰還電圧として受けることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記振動棒が直線状、湾曲状またはそれらの組合せで成る構造を有することを特徴とする請求項１，２，３または４に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記振動棒が少なくとも２つに分岐していることを特徴とする請求項５に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記振動棒の分岐した部分が少なくとも２つに分岐していることを特徴とする請求項６に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項８】
前記振動棒の長さ方向に垂直な断面の形状が角縁状または円環状を成すことを特徴とする請求項５，６または７に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項９】
前記振動棒の前記先端または前記先端を覆う前記被覆に接触される前記可動体は、前記振動棒の長さ方向を軸とした回転運動をすることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７または８に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
前記振動棒の前記側面または前記側面を覆う前記被覆に接触される前記可動体は、前記振動棒の長さ方向に沿って移動または反復運動することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７または８に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１１】
前記圧電振動子は長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱であって、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出していることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９または１０に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１２】
前記圧電振動子は長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱であって、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面上における前記圧電振動子の幅方向に沿った部分に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出しており、前記端子ＴDおよびＴFは前記圧電振動子の前記電極ＤおよびＦを有する端面上における前記圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられていることを特徴とする請求項２，３，４，５，６，７，８，９または１０に記載の超音波アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、圧電振動子と振動板と振動棒と可動体とから成り、圧電振動子に弾性振動を励振することにより振動棒の表面に振動変位を発生させ、その振動変位によって可動体を動かす超音波アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波モータの基本原理は、振動子によって発生させた弾性振動を摩擦力を介して可動体に伝達し該可動体に一方向の駆動力を与えるというものであった。このとき、前記振動子表面での変位は一般に楕円起動を描く。進行波型超音波モータでは、進行波が弾性体に励振されその表面の質点は楕円起動を描くので、可動体に一方向の駆動力が生じるのである。進行波型超音波モータはカメラのオートフォーカス機構などに実用化されているが、直線運動に応用する場合、振動系の規模が大きくなることから効率が低下するという問題点を有する。定在波を利用するタイプの超音波リニアモータの代表的なものとして、矩形平板状圧電振動子を利用するものがある。一方向性の駆動力は、振動子に接着された直線状金属平板の端部の楕円運動から得られ、この部分にローラを加圧接触させることによって回転動力を得ている。この方式は小型化が可能であり、紙送りデバイス等への応用が期待できるが、２相式の高周波電源が必要であるという問題点を有する。このようにして、従来の超音波モータでは、振動系の規模が大きくなることから効率が低下するという問題や、小型化が可能であっても比較的複雑な回路構成を必要とする等の問題点を有していた。そして何よりも、振動子と可動体との距離に制限があるという欠点を有していた。すなわち、振動子から離れた場所にある可動体にその振動のエネルギーを伝搬することが困難であった。従って、応用領域も限られたものでしかなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は圧電振動子から離れた場所にある複数の可動体を同時に動かすことができ、構造が簡単で、小型軽量で、回路構成が簡単で、低電圧で低消費電力駆動が可能な超音波アクチュエータを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の超音波アクチュエータは、圧電振動子と、該圧電振動子に固着された振動板と、該振動板に固着された少なくとも１つの振動棒と、前記振動棒の先端若しくは側面に直接接触されるかまたは前記先端若しくは前記側面を覆う被覆に接触される可動体とから成る超音波アクチュエータであって、前記振動棒は、細長い形状を成し、末端が固着部分として前記振動板の一方の板面に固着されるか、または前記側面の一部が固着部分として前記振動板の両板面を貫く貫通孔に固着されており、前記振動棒は、少なくとも前記固着部分においては、前記振動棒の長さ方向が前記振動板の板面に対して垂直になるような構造を有し、前記圧電振動子は矩形状の板または矩形状の角柱で成る圧電磁器、電極ＤおよびＧから成り、前記電極ＤおよびＧは前記圧電磁器の分極軸の方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されており、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出し、前記電極ＤおよびＧにはそれぞれ端子ＴDおよびＴGが設けられ、前記端子ＴDとＴGとの間に前記圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより、前記圧電振動子に弾性振動が励振され、前記圧電振動子の前記共振周波数は、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しく、前記弾性振動が前記振動板に伝搬され、前記振動板に伝搬された弾性振動によって前記振動棒の表面に振動変位が発生し、該振動変位が前記可動体を動かすことを特徴とする。
【０００５】
請求項２に記載の超音波アクチュエータは、圧電振動子と、該圧電振動子に固着された振動板と、該振動板に固着された少なくとも１つの振動棒と、前記振動棒の先端若しくは側面に直接接触されるかまたは前記先端若しくは前記側面を覆う被覆に接触される可動体とから成る超音波アクチュエータであって、前記振動棒は、細長い形状を成し、末端が固着部分として前記振動板の一方の板面に固着されるか、または前記側面の一部が固着部分として前記振動板の両板面を貫く貫通孔に固着されており、前記振動棒は、少なくとも前記固着部分においては、前記振動棒の長さ方向が前記振動板の板面に対して垂直になるような構造を有し、前記圧電振動子は矩形状の板または矩形状の角柱で成る圧電磁器、電極ＰおよびＧから成り、前記電極ＰおよびＧは前記圧電磁器の分極軸の方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されており、前記電極ＰおよびＧのうちで少なくとも電極Ｐは互いに絶縁された２つの電極ＤおよびＦから成り、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出し、前記電極Ｄ，ＦおよびＧにはそれぞれ端子ＴD，ＴFおよびＴGが設けられており、前記端子ＴDとＴGとの間に前記圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより、前記圧電振動子に弾性振動が励振され、前記圧電振動子の前記共振周波数は、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しく、前記弾性振動は前記振動板に伝搬されるとともに、前記端子ＴFとＴGとの間で電気信号に変換されて出力され、前記振動板に伝搬された弾性振動によって前記振動棒の表面に振動変位が発生し、該振動変位が前記可動体を動かすことを特徴とする。
【０００６】
請求項３に記載の超音波アクチュエータは、前記圧電磁器の一方の端面上における前記電極Ｄの面積が前記電極Ｆの面積のほぼ３倍から４倍であることを特徴とする。
【０００７】
請求項４に記載の超音波アクチュエータは、トランジスタを増幅素子とし、前記圧電振動子と前記振動板と前記振動棒とから成る前記複合体を共振素子とする発振回路を備え、前記発振回路は直流電源Ｖdcと前記端子ＴDとの間に接続された昇圧用のコイルを含み、前記トランジスタは、前記トランジスタの出力端子を前記端子ＴDに接続し、前記トランジスタの入力端子を前記端子ＴFに接続することにより、前記端子ＴFに現われる圧電気を帰還電圧として受けることを特徴とする。
【０００８】
請求項５に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒が直線状、湾曲状またはそれらの組合せで成る構造を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項６に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒が少なくとも２つに分岐していることを特徴とする。
【００１０】
請求項７に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒の分岐した部分が少なくとも２つに分岐していることを特徴とする。
【００１１】
請求項８に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒の長さ方向に垂直な断面の形状が角縁状または円環状を成すことを特徴とする。
【００１２】
請求項９に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒の前記先端または前記先端を覆う前記被覆に接触される前記可動体が、前記振動棒の長さ方向を軸とした回転運動をすることを特徴とする。
【００１３】
請求項１０に記載の超音波アクチュエータは、前記振動棒の前記側面または前記側面を覆う前記被覆に接触される前記可動体が、前記振動棒の長さ方向に沿って移動または反復運動することを特徴とする。
【００１４】
請求項１１に記載の超音波アクチュエータは、前記圧電振動子が長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱であって、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面の一部に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出していることを特徴とする。
【００１５】
請求項１２に記載の超音波アクチュエータは、前記圧電振動子が長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱であって、前記振動板は、前記振動板の両板面のうちの一方の板面の端部が接合領域として前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する端面上における前記圧電振動子の幅方向に沿った部分に一体的に連なって固着され、前記圧電振動子の外方に向けて前記圧電振動子の前記電極Ｇを有する前記端面にほぼ平行に突出しており、前記端子ＴDおよびＴFは前記圧電振動子の前記電極ＤおよびＦを有する端面上における前記圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明の超音波アクチュエータは、圧電振動子と振動板と少なくとも１つの振動棒と可動体とから成る簡単な構造を有する。振動板は、圧電振動子に固着され、振動棒は振動板に固着されている。振動棒は、２つの端部のそれぞれを先端および末端とすると、末端を固定端として振動板の一方の板面に固着させるか、または側面の一部分を振動板の両板面を貫く貫通孔に固着させている。このとき、振動棒と振動板との固着部分においては振動棒の長さ方向と振動板の板面の方向とが垂直になるように振動棒が振動板に固着されている。振動棒は細長い形状をしたものであれば、折れ曲がっていようといまいと長さが長くても短くてもよいが、少なくとも振動棒と振動板との固着部分においては振動棒の長さ方向が振動板の板面に対して垂直になるような構造が採用されている。圧電振動子は柱状の圧電磁器、電極ＤおよびＧから成り、電極ＤおよびＧは圧電磁器の厚さ方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されている。電極ＤおよびＧにはそれぞれ端子ＴDおよびＴGが設けられ、端子ＴDとＴGとの間に圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより圧電振動子に弾性振動が励振される。この際、圧電振動子の共振周波数は、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しい。圧電振動子における弾性振動は振動板を振動させ、振動板の振動は振動棒に伝搬される。このようにして、振動棒の表面に振動変位が生じる。振動棒の先端若しくは側面に可動体を直接接触させるか、または振動棒の先端若しくは側面を覆う被覆に可動体を接触させると、その可動体は振動棒における振動変位によって動く。このとき、振動棒の先端または先端を覆う被覆に接触される可動体は、皿回しのような、振動棒の長さ方向を軸とした回転運動をする。また、振動棒の側面または側面を覆う被覆に接触される可動体は振動棒の長さ方向に沿って移動、回転または反復運動をする。たとえば平面を有する物体を可動体として、その物体の平面を振動棒の側面に押しつければ物体が振動棒の長さ方向に沿って移動し、ベアリングを押しつければベアリングが回転し、Ｖ字形の針金を水平な振動棒の上に乗せれば反復運動をする。この移動、回転または反復運動の運動方向は、振動棒と可動体との接触箇所を変化させることにより制御することが可能となる。振動棒の表面を覆う被覆としては、摩擦力を生じる材質が用いられる。このようにして、本発明の超音波アクチュエータによれば効率よく可動体を動かすことができる。
【００１７】
本発明の超音波アクチュエータでは、圧電振動子に含まれる電極として電極ＰおよびＧを採用することができる。電極ＰおよびＧは圧電磁器の厚さ方向に垂直な両端面のそれぞれに形成されている。このとき、電極ＰおよびＧのうちで少なくとも電極Ｐが互いに絶縁された２つの電極ＤおよびＦから成り、電極ＤおよびＦにはそれぞれ端子ＴDおよびＴFが設けられている。電極Ｇには端子ＴGが設けられている。このような超音波アクチュエータの駆動時、端子ＴDとＴGとの間に圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより圧電振動子に弾性振動が励振される。この際、圧電振動子の共振周波数は、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しい。圧電振動子における弾性振動は振動板を振動させ、振動板の振動は振動棒に伝搬される。このようにして、振動棒の表面に振動変位が生じる。振動棒の先端若しくは側面に可動体を直接接触させるか、または振動棒の先端若しくは側面を覆う被覆に可動体を接触させると、その可動体は振動棒における振動変位によって動く。圧電振動子における弾性振動の大部分は振動板を経由して振動棒に伝搬され、可動体を動かすために消費される。また、圧電振動子における弾性振動は電気信号として端子ＴFとＴGとの間から出力することが可能である。しかも、この端子ＴFとＴGとの間から出力される電気信号を再び端子ＴDとＴGとの間に入力することが可能である。このような超音波アクチュエータは、効率よく可動体を運動させることが可能であるばかりでなく、小型軽量で、自励式駆動が可能で電池での駆動も容易なことから発熱に伴う温度上昇などの環境変化に対応しうる形での駆動が可能となる。
【００１８】
本発明の超音波アクチュエータでは、効率のよい自励式駆動を実現するために、自励発振回路を採用している。この自励発振回路はトランジスタを増幅素子とし、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体を共振素子とした回路である。また、直流電源Ｖdcと端子ＴDとの間に昇圧用のコイルを接続している。トランジスタはその出力端子が端子ＴDに接続され入力端子が端子ＴFに接続されており、このトランジスタは端子ＴFに現われる圧電気を帰還電圧として受けるためのものである。このようにして、この自励発振回路には、圧電振動子の共振周波数に周波数を自動的に追尾できるような機能が備えられている。そのうえ、コイルの逆起電圧を利用した回路を備えることにより、直流電源電圧より高い電圧で圧電振動子を駆動することが可能となる。この逆起電圧回路はコイルの特性を利用することで高電圧を発生させるもので、トランスの使用と比較して価格、重量および容積の点で有利である。さらに、回路構成が簡単で小型であり、電源効率及び周波数特性が良い等の特徴をもたらすことができる。また、圧電磁器の一方の端面上における電極Ｄの面積が電極Ｆの面積のほぼ３倍から４倍になるような構造を採用することにより、圧電振動子自身の励振によって発生し端子ＴFに現れる圧電気を帰還電圧として再び端子ＴDに供給し利用するときの効率を向上させることが可能となる。従って、効率のよい自励式駆動が可能となり、低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。
【００１９】
本発明の超音波アクチュエータでは、振動棒として直線棒状、湾曲棒状またはそれらの組合せで成る構造を採用することができる。また、コイル状の構造を採用することもできる。つまり、振動棒は直線状である必要はなく屈曲していてもよい。しかも、振動棒は振動板の上下を貫いていてもいなくてもよい。さらに、振動棒として少なくとも２つに枝別れした構造を採用することもでき、その枝別れした部分がさらに少なくとも２つに枝別れした構造を採用することも可能である。すなわち、超音波のエネルギーはその枝別れした先端部分にも十分に伝搬される。振動棒の長さ方向に垂直な断面の形状が環状を成す構造、たとえば、その断面の形状が角縁状または円環状を成す構造、すなわち、振動棒として管状の構造を採用することにより、超音波のエネルギーはさらに振動棒のすみずみにまで伝搬されやすくなる。本発明の超音波アクチュエータでは、振動棒の先端または先端を覆う被覆に接触される可動体は振動棒の長さ方向を軸とした回転運動をする。すなわち、振動棒の先端には皿回しを可能にするようなエネルギーが発生している。振動棒の側面または側面を覆う被覆に接触される可動体は振動棒の長さ方向に沿った移動、回転または反復運動をする。たとえば平面を有する物体を可動体として、その平面を振動棒に押しつければ物体が振動棒の長さ方向に沿って移動し、ベアリングを押しつければベアリングが回転し、Ｖ字形やＵ字形の針金を水平な振動棒の上に乗せれば反復運動をする。この移動、回転または反復運動の運動方向は、可動体を接触させる振動棒の側面の位置を変化させることによって逆転させることが可能となる。
【００２０】
本発明の超音波アクチュエータでは、圧電振動子として長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱を採用することができる。従って、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の結合振動が増強されるので、振動棒のすみずみにまで超音波のエネルギーが伝搬されやすくなる。また、振動板は圧電振動子の電極を有する端面上に一体的に連なって固着され、しかも、圧電振動子の外方に向けて圧電振動子の端面にほぼ平行に突出する形で固着されている。従って、振動板は圧電振動子と振動板との接合部を固定端とする形で振動するので、この振動のエネルギーを振動棒に効率よく伝搬することができる。
【００２１】
本発明の超音波アクチュエータでは、振動板が圧電振動子の電極Ｇを有する端面上における圧電振動子の幅方向に沿った部分に一体的に連なって固着され、端子ＴDおよびＴFが圧電振動子の電極ＤおよびＦを有する端面上における圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられた構造を採用することができる。つまり、振動板が圧電振動子の幅方向に沿った部分に固着されるとともに、端子ＴDおよびＴFもまた圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられた構造であって、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子の長さ方向と平行になるような構造である。このような構造を採用することにより、効率のよい自励式駆動が可能となり、低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。
【００２２】
【実施例】
図１は本発明の超音波アクチュエータの一実施例を示す側面図である。本実施例は圧電振動子１、振動板２、振動棒３、可動体４および自励発振駆動回路５から成る。但し、図１では自励発振駆動回路５が省いて描かれている。振動板２は圧電振動子１の一方の端面に圧電振動子１と一体的に連なって固着されている。振動棒３は振動板２の両板面を貫く貫通孔の内面に固着されている。圧電振動子１は圧電磁器６、電極Ｄ，ＦおよびＧから成る。電極Ｄ，ＦおよびＧにはそれぞれ端子ＴD，ＴFおよびＴGが設けられている。圧電磁器６は矩形板状のＴＤＫ７２Ａ材（製品名）で成り、その長さは１７ｍｍ、幅は２０ｍｍ、厚さは１ｍｍである。圧電磁器６の分極軸の方向は厚さ方向に一致しており、この厚さ方向に垂直な一方の端面に電極ＤおよびＦが形成され、もう一方の端面には電極Ｇが形成されている。各電極はアルミニウム薄膜で成る。振動板２はステンレス製で、長さ２０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍである。振動板２は一方の板面の端部において長さ２ｍｍ、幅２０ｍｍの接合領域を有し、該接合領域は電極Ｇを介して圧電振動子１に固着されている。つまり、圧電振動子１と振動板２との接合領域を除く振動板２の張り出し部分の長さは１８ｍｍである。振動棒３は長さ４６ｍｍの真鍮製のパイプで成り、その長さ方向に垂直な断面の外経は０．６ｍｍ、内経は０．２ｍｍである。振動棒３の側面には可動体４が接触している。可動体４はボールベアリングで成る。
【００２３】
図２は可動体４のもう一つの実施例を示す斜視図である。図２の可動体７は直径２０ｍｍの皿で成り、振動棒３の先端に乗せられている。
【００２４】
図３は可動体４のさらにもう一つの実施例を示す斜視図である。図３の可動体８はＶ字形の針金で成り、振動棒３の側面に接触している。このとき、振動棒３が折曲げられるか、または振動棒３がほぼ水平になるように装置が設置されることにより振動棒３に水平部分が設けられ、その水平部分に可動体８が乗せられている。
【００２５】
図４は図１の超音波アクチュエータにおける圧電振動子１、振動板２および振動棒３から成る複合体を示す斜視図である。振動板２は圧電振動子１の電極Ｇを有する端面上の幅方向に沿った部分に固着されている。また、振動板２は圧電振動子１の外方に向けて圧電振動子１の端面にほぼ平行に突出している。本実施例では振動棒３は振動板２を貫通しているが、貫通せずに振動板２の板面上に固定された構造も可能である。本実施例の圧電振動子１では、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上に電極ＤおよびＦが設けられているが、電極ＤおよびＦの代わりに唯一つの電極が設けられた構造を採用することも可能である。
【００２６】
図１の超音波アクチュエータの駆動時、図４の複合体の共振周波数にほぼ等しい周波数を有する電気信号を端子ＴDおよびＴGを介して圧電振動子１に入力すると、圧電振動子１に圧電的に振動が励振される。振動板２を圧電振動子１の一方の端面上に一体的に連なって固着させる構造を採用していることから、圧電振動子１の振動に伴って振動板２は圧電振動子１との接合領域を固定端とする形で振動される。この振動は振動棒３を振動させ、振動棒３の表面に振動変位が生じる。この振動変位が可動体４，７または８を動かす。振動棒３の長さが最高でほぼ１ｍのものが可動体４，７または８の運動を可能にした。
【００２７】
図５は自励発振駆動回路５の一実施例を示す構成図である。端子ＴDおよびＴGを介して圧電振動子１に電圧を引加することにより圧電振動子１に励振された振動は、その大部分が振動板２に伝搬されるとともに、圧電振動子１の振動に応じて圧電振動子１に引加された電圧とは逆相の電圧として端子ＴFおよびＴGから出力される。この動作の繰り返しによって正帰還の自励発振が生じる。つまり、複合体の共振周波数にほぼ等しい周波数を有する電気信号が雰囲気温度の変化に追随して安定して圧電振動子１に供給される。このようにして、常に自らの最適の発振状態を維持することを可能にしている。従って、他励駆動の際に問題となる発熱等により複合体の共振周波数が偏移して発振条件が悪くなるという問題点が解決される。また、１つのコイルＬ1、１つのトランジスタＴr、２つの抵抗Ｒ1およびＲ2、および１つのダイオードＤ1という極く少ない部品で回路を構成することが可能である。しかも、部品点数が少ないにもかかわらず、直流電源Ｖdcを利用することができ電力効率もよいことから、電源の小型化対応を可能にしている。
【００２８】
図６は圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図である。但し、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比が１対１の場合を示す。また、点線は圧電振動子１単体の場合を、実線は複合体の場合を示す。
【００２９】
図７は圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図である。但し、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比が３対１の場合を示す。また、点線は圧電振動子１単体の場合を、実線は複合体の場合を示す。
【００３０】
図８は圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図である。但し、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合を示す。また、点線は圧電振動子１単体の場合を、実線は複合体の場合を示す。
【００３１】
図９は圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図である。但し、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比が５対１の場合を示す。また、点線は圧電振動子１単体の場合を、実線は複合体の場合を示す。図６，７，８および９によれば、電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合にアドミタンスの振幅が最大になることが分かる。また、圧電振動子１と振動板２との接合領域を除く振動板２の張り出し部分の長さが２４．５ｍｍの場合よりも１８ｍｍの場合の方がアドミタンスの振幅が大きく、しかも圧電振動子１単体と複合体との周波数差が小さいことが確認されている。
【００３２】
図１０は圧電振動子１単体および図４の複合体におけるアドミタンスサークルを示す特性図である。但し、圧電磁器６の厚さ方向に垂直な一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合で、しかも、圧電振動子１と振動板２との接合領域を除く振動板２の張り出し部分の長さが１８ｍｍの場合と２４．５ｍｍの場合を示す。図１０において、「０ｍｍ」は圧電振動子１単体の場合を示す。圧電振動子１と振動板２との接合領域を除く振動板２の張り出し部分の長さが１８ｍｍの場合にアドミタンスサークルが最大で、その上、形も整っていることが分かる。
【００３３】
図１１は電極Ｆの面積を１とした場合の電極Ｄの面積比と、直流電源Ｖdcにおける消費電力との関係を示す特性図である。但し、消費電力は直流電源電圧を９Ｖとしたときの値である。電極ＤとＦとの面積比が４対１のときに０．５８Ｗを示し、最も低消費電力であることがわかる。また、直流電源電圧が９Ｖの場合、電極ＤとＦとの面積比が４対１のときに電極Ｄに最大の電圧が印加されることが確認された。このとき、電極Ｄに印加される電圧の最大値は６９Ｖを示した。つまり、電極Ｄに所定の大きさの電圧を供給する場合、電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合に最も小さな直流電源電圧により電極Ｄに所定の大きさの電圧を供給することが可能となる。
【００３４】
図１２は電極Ｆの面積を１とした場合の電極Ｄの面積比と、ボールベアリングで成る可動体４が振動棒３の側面と接触して回転する１分あたりの回転数（Ｒ．Ｐ．Ｍ）との関係を示す特性図である。電極ＤとＦとの面積比が３対１のときに回転数は最大値を示す。但し、図１１の消費電力効率などを考慮に入れると、電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合が最も低電圧で低消費電力駆動が可能であることが分かる。つまり、電極ＤとＦとの面積比が４対１の場合に回転効率が最も高いことが分かる。
【００３５】
図１３は図４の複合体のもう一つの実施例を示す斜視図である。本実施例は圧電振動子９、振動板１０および振動棒１１から成る。振動板１０は圧電振動子９の一方の端面に圧電振動子９と一体的に固着されている。振動棒１１は振動板１０の一方の板面に固着されている。圧電振動子９は圧電磁器１２、電極Ｄ，ＦおよびＧから成る。電極Ｄ，ＦおよびＧにはそれぞれ端子ＴD，ＴFおよびＴGが設けられている。圧電磁器１２は矩形角柱状のＴＤＫ７２Ａ材（製品名）で成り、その長さは１０ｍｍ、幅は５ｍｍ、厚さは６ｍｍである。圧電磁器１２の分極軸の方向は厚さ方向に一致しており、この厚さ方向に垂直な一方の端面に電極ＤおよびＦが互いに絶縁される形で形成され、もう一方の端面には電極Ｇが形成されている。端子ＴDおよびＴFは圧電振動子９の長さ方向に沿った部分に設けられている。つまり、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子９の幅方向と平行である。各電極はアルミニウム薄膜で成る。振動板１０はステンレス製で、長さ１２ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍである。振動板１０は一方の板面の端部において長さ１．５ｍｍ、幅５ｍｍの接合領域を有し、圧電振動子９の電極Ｇを有する端面上の幅方向に沿った部分に固着されている。また、振動板１０は圧電振動子９の外方に向けて圧電振動子９の端面にほぼ平行に突出している。振動棒１１は長さ４５ｍｍの真鍮製の棒で成り、その長さ方向に垂直な断面の形は１辺が０．６ｍｍの正方形で成る。振動棒１１は自由に折り曲げたりすることが可能である。図１３に示す複合体を用いた場合にも図４を用いたときと同様な効果を示すことが確認された。
【００３６】
さらに、図１３に示す複合体とは電極ＤおよびＦの配置が異なった複合体が提供される。この複合体は端子ＴDおよびＴFが圧電振動子９の幅方向に沿った部分に設けられてたものである。つまり、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子９の長さ方向と平行な複合体であり、このような複合体を用いた場合にも図４を用いたときと同様な効果を示すことが確認された。
【００３７】
図１４は図１３の複合体における共振周波数付近でのサセプタンスとコンダクタンスとの関係を示す特性図、すなわち共振周波数付近でのアドミタンスサークルを示す特性図である。但し、圧電磁器１２の一方の端面上における電極ＤとＦとの面積比がそれぞれ、１対１，１．５対１，３対１，および４対１の４つの場合を示す。電極ＤとＦとの面積比が３対１、続いて４対１の場合がアドミタンスサークルが最も大きく、形も整っていることが分かる。このことは、電極ＤとＦとの面積比がほぼ３対１から４対１の場合に、効率よく複合体を駆動できることを意味する。
【００３８】
図１５は図４の複合体のさらにもう一つの実施例を示す斜視図である。本実施例は図４の複合体の電極ＤおよびＦの配置が異なったものである。図４および１５の複合体ではどちらも振動板２が圧電振動子１の幅方向に沿った部分に固着されているが、図４の複合体では端子ＴDおよびＴFは圧電振動子１の長さ方向に沿った部分に設けられている。つまり、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子１の幅方向と平行である。これに対し、図１５の複合体では端子ＴDおよびＴFは圧電振動子１の幅方向に沿った部分に設けられている。つまり、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子１の長さ方向と平行である。図１５の複合体を用いた場合にも図４を用いたときと同様な効果を示すことが確認された。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の超音波アクチュエータは、圧電振動子と、圧電振動子に固着された振動板と、振動板に固着された少なくとも１つの振動棒と、振動棒に固着された可動体とを備える。圧電振動子は柱状の圧電磁器と、その圧電磁器の厚さ方向に垂直な両端面のそれぞれに形成された電極ＤおよびＧから成る。電極ＤおよびＧにはそれぞれ端子ＴDおよびＴGが設けられ、端子ＴDとＴGとの間に圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより圧電振動子に弾性振動が効率よく励振される。この際、圧電振動子の共振周波数は、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しい。このような簡単な構造の圧電振動子の採用により、超音波アクチュエータの小型化が可能となる。圧電振動子における弾性振動は振動板を振動させ、振動板の振動は振動棒に伝搬され、振動棒の表面に振動変位が生じる。振動棒の表面に可動体を直接接触させるか、または振動棒の表面を覆う被覆に可動体を接触させると、その可動体は振動棒における振動変位によって動く。振動棒の表面を覆う被覆としては、摩擦力を生じる材質が用いられる。このようにして、本発明の超音波アクチュエータによれば効率よく可動体を動かすことができる。
【００４０】
本発明の超音波アクチュエータでは、圧電磁器の厚さ方向に垂直な両端面のそれぞれに形成された電極のうちの一方が互いに絶縁された２つの電極で成る構造を採用することができる。たとえば、圧電磁器の厚さ方向に垂直な一方の端面に電極Ｇが設けられ、もう一方の端面に互いに絶縁された２つの電極ＤおよびＦが設けられた構造が用いられる。電極Ｄ，ＦおよびＧにはそれぞれ端子ＴD，ＴFおよびＴGが設けられている。このような超音波アクチュエータの駆動時、端子ＴDとＴGとの間に圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧が印加されることにより圧電振動子に弾性振動が励振される。この際、圧電振動子の共振周波数は、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の共振周波数にほぼ等しい。圧電振動子における弾性振動は振動板を振動させ、振動板の振動は振動棒に伝搬され、振動棒の表面に振動変位が生じる。圧電振動子における弾性振動の大部分は、振動板を経由して振動棒に伝搬され可動体を動かすために消費されるとともに、電気信号として端子ＴFとＴGとの間から出力される。この端子ＴFとＴGとの間から出力される電気信号を再び端子ＴDとＴGとの間に入力することができる。このような超音波アクチュエータは、回路構成も簡単で、小型軽量で、自励式駆動が可能なことから、発熱に伴う温度上昇などの環境変化に対応しうる形での駆動が可能となる。
【００４１】
本発明の超音波アクチュエータでは、トランジスタを増幅素子とし、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体を共振素子とした効率のよい自励発振駆動回路を採用している。また、直流電源Ｖdcと端子ＴDとの間に昇圧用のコイルを接続している。トランジスタはその出力端子が端子ＴDに接続され入力端子が端子ＴFに接続されており、このトランジスタは端子ＴFに現われる圧電気を帰還電圧として受けるためのものである。このようにして、この自励発振駆動回路には、圧電振動子の共振周波数に周波数を自動的に追尾できるような機能が備えられている。そのうえ、コイルの逆起電圧を利用した回路を備えることにより、直流電源電圧より高い電圧で圧電振動子を駆動することが可能となる。この逆起電圧回路はコイルの特性を利用することで高電圧を発生させるもので、トランスの使用と比較して価格、重量および容積の点で有利である。さらに、回路構成が簡単で小型であり、電源効率及び周波数特性が良い等の特徴をもたらすことができる。また、圧電磁器の一方の端面上における電極Ｄの面積が電極Ｆの面積のほぼ３倍から４倍になるような構造を採用することにより、圧電振動子自身の励振によって発生し端子ＴFに現れる圧電気を帰還電圧として再び端子ＴDに供給し利用するときの効率を向上させることが可能となる。従って、効率のよい自励式駆動が可能となり、低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。
【００４２】
本発明の超音波アクチュエータでは、振動棒として直線棒状、湾曲棒状またはそれらの組合せで成る構造を採用することができる。つまり、振動棒は直線状である必要はなく屈曲していてもよい。さらに、振動棒として枝別れした構造を採用することもできる。超音波のエネルギーはその枝別れした先端部分にも十分に伝搬される。振動棒の長さ方向に垂直な断面の形状が、たとえば角縁状または円環状を成す構造、すなわち、振動棒として管状の構造を採用することにより、超音波のエネルギーはさらに振動棒の先端にまで伝搬されやすくなる。本発明の超音波アクチュエータでは、振動棒の先端または先端を覆う被覆に接触される可動体は振動棒の長さ方向を軸とした回転運動をする。すなわち、振動棒の先端には皿回しを可能にするようなエネルギーが発生している。振動棒の側面または側面を覆う被覆に接触される可動体は振動棒の長さ方向に沿った移動、回転または反復運動をする。たとえば平面を有する物体を可動体として、その平面を振動棒に押しつければ物体が振動棒の長さ方向に沿って移動し、ベアリングを押しつければベアリングが回転し、Ｖ字形やＵ字形の針金を水平な振動棒の上に乗せれば反復運動をする。この移動、回転または反復運動の運動方向は、可動体を接触させる振動棒の側面の位置を変化させることによって逆転させることが可能となる。
【００４３】
本発明の超音波アクチュエータでは、圧電振動子として長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の板、または長さと幅と厚さのうちのどれか２つの寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状の角柱を採用することができる。従って、圧電振動子と振動板と振動棒とから成る複合体の結合振動が増強されるので、振動棒のすみずみにまで超音波のエネルギーが伝搬されやすくなる。また、振動板は圧電振動子の電極を有する端面上に一体的に連なって固着され、しかも、圧電振動子の外方に向けて圧電振動子の端面にほぼ平行に突出する形で固着されている。従って、振動板は圧電振動子と振動板との接合部を固定端とする形で振動するので、この振動のエネルギーを振動棒に効率よく伝搬することができる。
【００４４】
本発明の超音波アクチュエータでは、振動板が圧電振動子の電極Ｇを有する端面上における圧電振動子の幅方向に沿った部分に一体的に連なって固着され、端子ＴDおよびＴFが圧電振動子の電極ＤおよびＦを有する端面上における圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられた構造を採用することができる。つまり、振動板が圧電振動子の幅方向に沿った部分に固着されるとともに、端子ＴDおよびＴFもまた圧電振動子の幅方向に沿った部分に設けられた構造であって、電極ＤおよびＦを分ける直線が圧電振動子の長さ方向と平行になるような構造である。このような構造を採用することにより、効率のよい自励式駆動が可能となり、低電圧で低消費電力での駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波アクチュエータの一実施例を示す側面図。
【図２】可動体４のもう一つの実施例を示す斜視図。
【図３】可動体４のさらにもう一つの実施例を示す斜視図。
【図４】図１の超音波アクチュエータにおける圧電振動子１、振動板２および振動棒３から成る複合体を示す斜視図。
【図５】自励発振駆動回路５の一実施例を示す構成図。
【図６】圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図。
【図７】圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図。
【図８】圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図。
【図９】圧電振動子１単体および図４の複合体における電極ＤとＧとの間のアドミタンスの振幅および位相と、周波数との関係を示す特性図。
【図１０】圧電振動子１単体および図４の複合体におけるアドミタンスサークルを示す特性図。
【図１１】電極Ｆの面積を１とした場合の電極Ｄの面積比と、直流電源Ｖdcにおける消費電力との関係を示す特性図。
【図１２】電極Ｆの面積を１とした場合の電極Ｄの面積比と、可動体４が振動棒３の側面と接触して回転する１分あたりの回転数との関係を示す特性図。
【図１３】図４の複合体のもう一つの実施例を示す斜視図。
【図１４】図１３の複合体における共振周波数付近でのアドミタンスサークルを示す特性図。
【図１５】図４の複合体のさらにもう一つの実施例を示す斜視図。
【符号の説明】
１ 圧電振動子
２ 振動板
３ 振動棒
４ 可動体
５ 自励発振駆動回路
６ 圧電磁器
７ 可動体
８ 可動体
９ 圧電振動子
１０ 振動板
１１ 振動棒
１２ 圧電磁器
Ｄ，Ｆ，Ｇ 電極
ＴD，ＴF，ＴG 端子
Ｖdc 直流電源
Ｌ1 コイル
Ｔr トランジスタ
Ｒ1，Ｒ2 抵抗
Ｄ1 ダイオード
【図１】
0003551420.tif 000002
【図２】
0003551420.tif 000003
【図３】
0003551420.tif 000004
【図４】
0003551420.tif 000005
【図５】
0003551420.tif 000006
【図６】
0003551420.tif 000007
【図７】
0003551420.tif 000008
【図８】
0003551420.tif 000009
【図９】
0003551420.tif 000010
【図１０】
0003551420.tif 000011
【図１１】
0003551420.tif 000012
【図１２】
0003551420.tif 000013
【図１３】
0003551420.tif 000014
【図１４】
0003551420.tif 000015
【図１５】
0003551420.tif 000016