JPH0739178A

JPH0739178A - 超音波アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0739178A
Application number: JP5179183A
Authority: JP
Inventors: Katsumasa Miki; 勝政三木; Koji Nomura; 幸治野村; Takahiro Nishikura; 孝弘西倉; Osamu Kawasaki; 修川崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-07-20
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】振動体保持部による振動体の保持が振動体の
たわみ振動へ与える影響をできるだけ少なくし、安定し
て大きな駆動力を得るようにする。【構成】棒状の振動体１１と、振動体保持部１２ａ，
１２ｂと、錐状突起１３ａ〜１３ｄと、保持用ネジ１４
ａ，１４ｂを有し、振動体保持部１２ａ，１２ｂに一体
の錐状突起１３ａ〜１３ｄは振動体１１の４つの側面の
幅方向中央箇所に対称的に点接触し、振動体保持部１２
ａ，１２ｂを保持用ネジ１４ａ，１４ｂで締め付けるこ
とにより、振動体１１を点接触で均等に安定良く保持
し、保持が振動体１１のたわみ振動に与える振幅減衰の
影響を軽減している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電体と弾性体からな
る振動体に弾性振動を励振することにより振動体上に加
圧接触して配置された移動体を駆動する超音波アクチュ
エータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】以下、図面を用いて超音波アクチュエー
タの従来技術について説明する。

【０００３】図７は従来の超音波アクチュエータに用い
られている振動体を示す。棒状の振動体８０にたわみ振
動を励振させることで、振動体８０の表面に回転運動を
発生させている。同図において、８１は金属，セラミッ
クなどの弾性体、８２ａ，８２ｂはそれぞれ圧電セラミ
ックなどの圧電体である。圧電体８２ａ，８２ｂはそれ
ぞれの主面に電極が形成された後に厚さ方向に分極され
ており、電極間に電界を印加すると長さ方向に変形を起
こす。

【０００４】図７（ａ）に示すように、圧電体８２ａ，
８２ｂは互いに直角方向に配置された状態で弾性体８１
の２面に接着され、これによって振動体８０が構成され
ている。一方の圧電体８２ａに対し、弾性体面と垂直方
向すなわち分極と同方向に電界を印加すると、圧電体８
２ａは変形を起こし、それに伴い弾性体８１が変形して
図７（ｂ）のように振動体８０の全体がたわんだ状態と
なる。図７（ｂ）では圧電体８２ａが縮む方向にたわみ
を起こしているが、圧電体８２ａに印加する電界の向き
を逆にすることで、圧電体８２ａを伸ばす方向で振動体
８０をたわませることができる。他方の圧電体８２ｂに
ついても同様の現象を起こすことができる。

【０００５】図７（ｃ）はこの振動体８０を長手方向か
ら見た正面図で、圧電体８２ａ，８２ｂのそれぞれに互
いに位相の９０度ずれた交流電界を加えると、振動体８
０の各面は振動体８０の振動振幅に応じた大きさの回転
運動を起こす。このとき、圧電体８２ａによるＹ方向の
振動Ｖ_Yと圧電体８２ｂによるＸ方向の振動Ｖ_Xとが合
成されて回転運動Ｒとなる。この回転運動は、圧電体８
２ａ，８２ｂに印加する交流電界の位相差に応じて回転
方向を変えることができる。交流電界の周波数を振動体
８０の共振周波数の近傍とすることで、たわみ振動の振
幅を大きくし、効率良く振動を発生させることができ
る。この回転運動を利用して超音波アクチュエータとし
ての駆動を行う。

【０００６】図８は図７に示したのと同様の振動体を用
いた超音波アクチュエータの従来例を示す斜視図であ
る。同図において、９０は棒状の振動体、９１は弾性
体、９２ａ，９２ｂは圧電体（９２ｂは図示されな
い）、９３ａ，９３ｂは振動体保持部、９４は移動体、
９５は移動体支持部、９６は電界印加用配線（リード
線）である。振動体９０は、弾性体９１の側面および下
面に振動励起のための圧電体９２ａ，９２ｂが接着され
ることで構成されている。移動体９４はその基部が移動
体支持部９５によって支持された状態で配置されてお
り、この移動体支持部９５に太い下向きの矢印で示す押
圧力を加えることによって移動体９４は振動体９０の上
面に対して加圧接触されている。移動体９４は、移動体
支持部９５により振動体９０の長手方向に直交する矢印
方向にのみ移動できるように支持されている。

【０００７】振動体９０は振動体保持部９３ａ，９３ｂ
によって固定保持されている。振動体９０における弾性
体９１および圧電体９２ａ，９２ｂには電界印加用配線
９６が取り付けられ、これによって振動体９０を構成す
る圧電体９２ａ，９２ｂに電界を加えることで振動体９
０にたわみ振動を発生させ、振動体９０に回転運動を作
り出し、この回転運動により移動体９４を図中に矢印で
示す移動方向に往復運動させることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来構
成の棒状の振動体のたわみ振動を利用した超音波アクチ
ュエータでは、振動体９０を振動体保持部９３ａ，９３
ｂに対して直接的で硬質な面接触で保持させていた。そ
のため、その面接触の保持が振動体９０のたわみ振動に
大きく影響を及ぼし、たわみ振動の振幅が減衰するとと
もに、振動姿態が変化してしまう場合があった。その結
果、回転運動の大きさが小さくなったり、回転運動の状
態が変化するなどにより、著しく駆動力が低下してしま
うといった問題点があった。

【０００９】本発明は、上記従来の問題点を解決するも
ので、振動体保持部による振動体の保持が振動体のたわ
み振動へ与える影響をできるだけ少なくして、安定して
大きな駆動力を得られる超音波アクチュエータを提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波アク
チュエータは、前提として、圧電体と弾性体からなる振
動体に弾性振動を励振することにより前記振動体上に加
圧接触して配置された移動体を駆動するものであって、
振動体として棒状の振動体を採用し、弾性振動としてた
わみ振動を採用したという構成をとる。

【００１１】そして、請求項１に係る超音波アクチュエ
ータは、前記振動体を振動体保持部に対し点接触で保持
してあることを特徴とする。

【００１２】請求項２に係る超音波アクチュエータは、
前記振動体を振動体保持部に対し線接触で保持してある
ことを特徴とする。

【００１３】請求項３に係る超音波アクチュエータは、
前記振動体を振動体保持部との間に緩衝材を介在させた
状態で保持してあることを特徴とする。

【００１４】請求項４に係る超音波アクチュエータは、
前記振動体に穴加工または溝加工を施し、この振動体を
振動体保持部に対し前記の穴加工部または溝加工部を介
して保持してあることを特徴とする。

【００１５】請求項５に係る超音波アクチュエータは、
請求項１から請求項４までのいずれかのものにおいて、
前記振動体におけるたわみ振動の節部近傍でこの振動体
を振動体保持部に保持してあることを特徴とする。

【００１６】

【作用】請求項１の超音波アクチュエータでは振動体を
点接触で保持し、請求項２の超音波アクチュエータでは
振動体を線接触で保持するから、振動体と振動体保持部
との接触面積を減らすことができる。その結果、たわみ
振動に対して阻害要因が減少し、より大きな振動振幅が
得られる。

【００１７】請求項３の超音波アクチュエータでは振動
体と振動体保持部との間に緩衝材を介在させたので、面
接触であっても振動振幅の減衰が抑えられる。

【００１８】請求項４の超音波アクチュエータでは振動
体に形成した穴加工部または溝加工部を介して振動体を
保持するから、保持の位置精度が向上する。

【００１９】請求項５の超音波アクチュエータではたわ
み振動の節部近傍で振動体を保持するので、振動体保持
部による振動体の保持が振動体のたわみ振動へ与える影
響を十分に抑え、大きな駆動力が得られる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら詳細に説明する。

【００２１】（実施例１）図１は超音波アクチュエータ
における正四角柱形状の振動体を点接触により保持した
状態を示す正面図である。同図は棒状の振動体を保持し
た状態を振動体の長手方向より見た図である。図１にお
いて、１１は振動体、１２ａ，１２ｂは振動体保持部、
１３ａ〜１３ｄは錐状突起、１４ａ，１４ｂは振動体１
１に対する保持圧を調節するための保持用ネジである。
振動体１１は正四角柱の形状をしている。この振動体１
１は、金属やセラミックで作られた弾性体（図示せず）
の互いに直交する２面に厚み方向に分極された圧電体
（図示せず）が接着されて構成されている。上方の振動
体保持部１２ａには保持用ネジ１４ａ，１４ｂを挿通さ
せるネジ挿通孔（図示せず）が形成され、下方の振動体
保持部１２ｂには保持用ネジ１４ａ，１４ｂを螺合する
ネジ穴（図示せず）が形成されている。そのような上下
の振動体保持部１２ａ，１２ｂの組が棒状の振動体１１
の長手方向の２箇所において２組設けられている。

【００２２】振動体保持部１２ａ，１２ｂは凹型の形状
をしており、その凹部の両側に錐状突起１３ａ〜１３ｄ
が固定され、各錐状突起１３ａ〜１３ｄの尖鋭先端が振
動体１１の４つの側面の幅方向中央箇所に点接触してお
り、振動体１１を均等かつ安定的に保持している。すな
わち、振動体１１の対称的な位置である４点を点接触で
保持しているので、振動体１１に励振する互いに直交し
た２つのたわみ振動への影響を互いにほぼ等しくしかも
小さくすることができる。４点での点接触保持は振動体
１１の長手方向の２箇所で行われるが、その２箇所はた
わみ振動の節部（後述する）の近傍に設定されている。
したがって、保持が振動体１１のたわみ振動に与える振
幅減衰の影響が一層軽減されることになり、振動体１１
に理想的な回転運動を行わせることができる。

【００２３】（実施例２）図１の実施例が振動体１１の
側面において点接触で保持していたのに対し、図２の実
施例の場合には振動体を角部（稜線）において保持する
ものである。図２において、２１は振動体、２２ａ，２
２ｂは振動体保持部、２３ａ〜２３ｄはテーパー状突
起、２４ａ，２４ｂは振動体２１に対する保持圧を調節
するための保持用ネジである。上下の振動体保持部２２
ａ，２２ｂの組が棒状の振動体２１の長手方向の２箇所
において２組設けられている。

【００２４】振動体保持部２２ａ，２２ｂは凹型の形状
をしており、その凹部の両側にテーパー状突起２３ａ〜
２３ｄが固定され、各テーパー状突起２３ａ〜２３ｄの
稜線が振動体２１の４つの稜線に対して点接触してお
り、振動体２１を均等かつ安定的に保持している。この
実施例の場合も、振動体２１の対称的な位置である４点
を点接触で保持しているので、振動体２１に励振する互
いに直交した２つのたわみ振動への影響を互いにほぼ等
しくかつ小さくすることができる。４点での点接触保持
は振動体２１の長手方向の２箇所で行われるが、その２
箇所はたわみ振動の節部近傍に設定されているので、保
持が振動体２１のたわみ振動に与える振幅減衰の影響を
一層軽減し、振動体２１に理想的な回転運動を行わせる
ことができる。

【００２５】（実施例３）この実施例は振動体を線接触
で保持するものである。図３（ａ）は振動体の長手方向
から見た超音波アクチュエータの正面図、図３（ｂ）は
図３（ａ）におけるＡ−Ａ線矢視の拡大断面図である。
図３において、３１は振動体、３２ａ，３２ｂは振動体
保持部、３３ａ，３３ｂはテーパー状突起、３４ａ，３
４ｂは保持圧を調節する保持用ネジである。テーパー状
突起３３ａ，３３ｂはそれぞれ振動体保持部３２ａ，３
２ｂの内面中央に形成されている。振動体３１は正四角
柱形状をなし、その平行な２面がテーパー状突起３３
ａ，３３ｂの稜線によって挟持固定されている。振動体
３１とテーパー状突起３３ａ，３３ｂとの接触は、振動
体３１の長手方向に直交する方向での線接触である。な
お、上方の振動体保持部３２ａには保持用ネジ３４ａ，
３４ｂを挿通させるネジ挿通孔（図示せず）が形成さ
れ、下方の振動体保持部３２ｂには保持用ネジ３４ａ，
３４ｂを螺合するネジ穴（図示せず）が形成されてい
る。そのような上下の振動体保持部３２ａ，３２ｂの組
が棒状の振動体３１の長手方向の２箇所において２組設
けられている。

【００２６】振動体３１に対する保持圧は保持用ネジ３
４ａ，３４ｂによって調節される。

【００２７】（実施例４）この実施例は緩衝材を介して
振動体を保持するものである。図４は振動体の長手方向
から見た超音波アクチュエータの正面図である。図４に
おいて、４１は振動体、４２ａ，４２ｂは振動体保持
部、４３ａ，４３ｂは緩衝材、４４ａ，４４ｂは保持圧
を調節する保持用ネジである。緩衝材４３ａ，４３ｂは
それぞれ振動体保持部４２ａ，４２ｂの凹部に嵌着され
ている。振動体４１は正四角柱形状をなし、その平行な
２面が緩衝材４３ａ，４３ｂによって面接触状態で保持
されている。なお、上方の振動体保持部４２ａには保持
用ネジ４４ａ，４４ｂを挿通させるネジ挿通孔（図示せ
ず）が形成され、下方の振動体保持部４２ｂには保持用
ネジ４４ａ，４４ｂを螺合するネジ穴（図示せず）が形
成されている。そのような上下の振動体保持部４２ａ，
４２ｂの組が棒状の振動体４１の長手方向の２箇所にお
いて２組設けられている。振動体４１に対する保持圧は
保持用ネジ４４ａ，４４ｂによって調節される。振動体
４１と振動体保持部４２ａ，４２ｂとの間に緩衝材４３
ａ，４３ｂを介在させているので、直接に硬質な部材で
振動体を押さえるよりも振動阻害を軽減することがで
き、振動振幅の減衰が抑えられる。

【００２８】（実施例５）この実施例は振動体をそのた
わみ振動の中立軸近傍で保持するようにしたものであ
る。図５は振動体の長手方向から見た超音波アクチュエ
ータの正面図である。図５において、５１は振動体、５
２ａ，５２ｂは振動体保持部、５３ａ，５３ｂは保持用
ピン、５４ａ，５４ｂは保持圧を調節する保持用ネジで
ある。振動体５１は正四角柱形状をなし、その平行な２
面の保持箇所に保持用ピン５３ａ，５３ｂの形状に応じ
た穴加工部または溝加工部が機械加工によって形成され
ている。その穴加工部または溝加工部は、振動体５１の
たわみ振動の中立軸（中立面）すなわち伸び縮みしない
面の近傍まで形成されている。保持用ピン５３ａ，５３
ｂはそれぞれの基部が振動体保持部５２ａ，５２ｂに植
設され、尖鋭先端が振動体５１の穴加工部または溝加工
部に押圧されている。なお、上方の振動体保持部５２ａ
には保持用ネジ５４ａ，５４ｂを挿通させるネジ挿通孔
（図示せず）が形成され、下方の振動体保持部５２ｂに
は保持用ネジ５４ａ，５４ｂを螺合するネジ穴（図示せ
ず）が形成されている。そのような上下の振動体保持部
５２ａ，５２ｂの組が棒状の振動体５１の長手方向の２
箇所において２組設けられている。

【００２９】振動体５１に対する保持圧は保持用ネジ５
４ａ，５４ｂによって調節される。機械加工による穴加
工部または溝加工部に保持用ピン５３ａ，５３ｂを差し
込んで押圧するため、位置決めが容易かつ正確に行え
る。また、振動体５１の表面はたわみ振動中に伸び縮み
を繰り返しており、保持によってこの運動が阻害される
が、たわみ振動の中立軸（中立面）近傍は伸び縮みが少
ないので、中立軸近傍を保持することにより、保持が振
動に与える影響を軽減することができる。

【００３０】（実施例６）この実施例は振動体をそのた
わみ振動の節部近傍で保持する場合のものである。図６
（ａ）は振動していない状態での四角柱状の振動体の側
面図、図６（ｂ）はたわんだ状態の振動体の側面図であ
る。図６（ａ）で振動体６１の中央に引いた６２ａで示
す線はたわみ振動によっては伸び縮みをしない面、すな
わち、たわみ振動の振幅に対し側面から見たときの中立
軸（中立面）を示す。この振動体６１に１次モードのた
わみ振動を励振すると、図（ｂ）のように振動体６１は
ある時点では変形している。このとき変形前の中立軸６
２ａと変形後の中立軸６２ｂを比べると、変形の前後で
ほとんど全く変位していない部分があることが分かる。
この部分は、同一振動体で同一次数のたわみ振動であれ
ば振動中でも常に一定位置に保たれる。すなわち、この
部分が振動の節部と呼ばれる箇所である。この振動の節
部６３ａ，６３ｂの近傍において振動体保持部６４ａ，
６４ｂにより振動体６１を保持することにより、保持が
たわみ振動に及ぼす影響を極力減少させることができ
る。なお、加えて、中立軸近傍で保持すると、振動面で
の伸び縮みに対しての影響も軽減できる。

【００３１】ところで、図６（ｃ）は逆に悪い例を示す
ものである。すなわち、節部から離れた箇所で振動体６
１を振動体保持部６４で保持したもので、たわみ振動の
振幅が著しく減少する。

【００３２】なお、上記した各種の方式は必要に応じて
適当に組み合わせて使用することができ、そうすること
でさらに大きな効果が得られる。また、たわみ振動を用
いたものであれば、効果は振動体の形状によらないこと
はいうまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明に係る請求項１また
は請求項２の超音波アクチュエータによれば、振動体を
点接触または線接触によって保持するから、保持の接触
面積を従来例に比べて大幅に減少させ、たわみ振動の振
幅減少を良好に抑制することができる。

【００３４】請求項３の超音波アクチュエータによれ
ば、振動体を緩衝材を介して保持させるので、面接触で
の保持であってもたわみ振動への影響を軽減することが
できる。

【００３５】請求項４の超音波アクチュエータによれ
ば、振動体をそれに形成した穴加工部または溝加工部で
保持することで、たわみ振動の中立軸近傍での保持が可
能となり、振動体面の伸縮運動を妨げず、たわみ振動へ
の影響を軽減できる。

【００３６】請求項５の超音波アクチュエータによれ
ば、たわみ振動の節部近傍で振動体を保持するので、た
わみ振動への影響を十分に抑えて大きな駆動力を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の点接触方式に係る実施例１の超音波ア
クチュエータを振動体の長手方向から見た正面図であ
る。

【図２】本発明の点接触方式に係る実施例２の超音波ア
クチュエータを振動体の長手方向から見た正面図であ
る。

【図３】（ａ）本発明の線接触方式に係る実施例３の超
音波アクチュエータを振動体の長手方向から見た正面図
である。（ｂ）図の（ａ）におけるＡ−Ａ線矢視の拡大断面図で
ある。

【図４】本発明の緩衝材方式に係る実施例４の超音波ア
クチュエータを振動体の長手方向から見た正面図であ
る。

【図５】本発明の機械加工方式に係る実施例５の超音波
アクチュエータを振動体の長手方向から見た正面図であ
る。

【図６】（ａ）本発明の節部近傍保持方式に係る実施例
６の超音波アクチュエータであって振動体が静止した状
態を示す側面図である。（ｂ）振動体がたわんだ状態を示す側面図である。（ｃ）振動体を節部以外の箇所で保持した場合を示す側
面図である。

【図７】（ａ）従来例の超音波アクチュエータにおける
振動体に電界を印加していない状態を示す斜視図であ
る。（ｂ）従来例の超音波アクチュエータにおける振動体に
電界を印加してたわんだ状態を示す斜視図である。（ｃ）従来例の超音波アクチュエータにおける振動体の
たわみによる回転運動を示す正面図である。

【図８】従来のたわみ振動を利用した超音波アクチュエ
ータの構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

１１……振動体１２ａ，１２ｂ……振動体保持部１３ａ〜１３ｄ……錐状突起１４ａ，１４ｂ……保持用ネジ２１……振動体２２ａ，２２ｂ……振動体保持部２３ａ〜２３ｄ……テーパー状突起２４ａ，２４ｂ……保持用ネジ３１……振動体３２ａ，３２ｂ……振動体保持部３３ａ，３３ｂ……テーパー状突起３４ａ，３４ｂ……保持用ネジ４１……振動体４２ａ，４２ｂ……振動体保持部４３ａ，４３ｂ……緩衝材４４ａ，４４ｂ……保持用ネジ５１……振動体５２ａ，５２ｂ……振動体保持部５３ａ，５３ｂ……保持用ピン５４ａ，５４ｂ……保持用ネジ６１……振動体６２ａ，６２ｂ……中立軸６３ａ，６３ｂ……節部６４ａ，６４ｂ……振動体保持部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川崎修大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体と弾性体からなる振動体に弾性振
動を励振することにより前記振動体上に加圧接触して配
置された移動体を駆動する超音波アクチュエータにおい
て、振動体として棒状の振動体を採用し、弾性振動とし
てたわみ振動を採用し、前記振動体を振動体保持部に対
し点接触で保持してあることを特徴とする超音波アクチ
ュエータ。
【請求項２】圧電体と弾性体からなる振動体に弾性振
動を励振することにより前記振動体上に加圧接触して配
置された移動体を駆動する超音波アクチュエータにおい
て、振動体として棒状の振動体を採用し、弾性振動とし
てたわみ振動を採用し、前記振動体を振動体保持部に対
し線接触で保持してあることを特徴とする超音波アクチ
ュエータ。
【請求項３】圧電体と弾性体からなる振動体に弾性振
動を励振することにより前記振動体上に加圧接触して配
置された移動体を駆動する超音波アクチュエータにおい
て、振動体として棒状の振動体を採用し、弾性振動とし
てたわみ振動を採用し、前記振動体を振動体保持部との
間に緩衝材を介在させた状態で保持してあることを特徴
とする超音波アクチュエータ。
【請求項４】圧電体と弾性体からなる振動体に弾性振
動を励振することにより前記振動体上に加圧接触して配
置された移動体を駆動する超音波アクチュエータにおい
て、振動体として棒状の振動体を採用し、弾性振動とし
てたわみ振動を採用し、前記振動体に穴加工または溝加
工を施し、この振動体を振動体保持部に対し前記の穴加
工部または溝加工部を介して保持してあることを特徴と
する超音波アクチュエータ。
【請求項５】圧電体と弾性体からなる振動体に弾性振
動を励振することにより前記振動体上に加圧接触して配
置された移動体を駆動する超音波アクチュエータにおい
て、振動体として棒状の振動体を採用し、弾性振動とし
てたわみ振動を採用し、前記振動体におけるたわみ振動
の節部近傍でこの振動体を振動体保持部に保持してある
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか
１項に記載の超音波アクチュエータ。