JPH1014263A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 縦振動及び屈曲振動を発生する振動アクチュ
エータを１点で支持すると、位置制御が困難になる。 【解決手段】 弾性体２と，弾性体２に装着されて１次
の縦振動と２次の屈曲振動とを調和的に発生する圧電素
子３ａ，３ｂとを備え、弾性体２に加圧接触する相対運
動部材との間で相対運動を発生する振動アクチュエータ
１であって、弾性体２に発生する屈曲振動の２つの節位
置に、支持部材４ａ，４ｂがそれぞれ設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、弾性体と、この弾
性体に装着されて縦振動と屈曲振動とを調和的に発生す
る電気機械変換素子とを備え、弾性体に加圧接触する相
対運動部材との間で相対運動を発生する振動アクチュエ
ータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電気機械変換素子である圧電
体を装着された弾性体に駆動電圧を印加して縦振動及び
屈曲振動を調和的に発生させ、弾性体の表面に楕円運動
を発生させることにより、弾性体に加圧接触する相対運
動部材との間で相対運動を発生する振動アクチュエータ
が知られている。

【０００３】このような振動アクチュエータは、例え
ば、「光ピックアップ移動を目的とした圧電リニア・モ
ータ」（富川義朗氏他：第５回電磁力関連のダイナミッ
クシンポジウム講演論文集、第３９３頁〜第３９８頁）
において、その構成及び負荷特性に関する解析結果が詳
細に説明されている。

【０００４】また、新版超音波モータ（上羽貞行氏，富
川義朗氏共著，トリケップス刊，第１４５頁〜第１４６
頁）には、この振動アクチュエータを用いた自走式装置
が開示されている。

【０００５】図７は、このような振動アクチュエータ１
００の一例の構成を示す斜視図であり、図８はその上面
図である。矩形平板状の弾性体１０１の一方の平面に
は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる薄板状の
圧電体１０３ａ，１０３ｂが接着により接着される。圧
電体１０３ａ，１０３ｂは、それぞれ駆動電圧を印加さ
れることにより、弾性体１０１に長手方向へ伸縮する１
次の縦振動と長手方向への４次の屈曲振動とを発生す
る。弾性体１０１の他方の平面であって、発生する４次
の屈曲振動における２か所の腹位置には、突起状に駆動
力取出部１０１ａ，１０１ｂが形成される。駆動力取出
部１０１ａ，１０１ｂの端面には、縦振動及び屈曲振動
の合成振動である楕円運動が発生する。

【０００６】これらの駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂ
の端面には、図示しない相対運動部材である移動子が加
圧接触する。これにより、前述した楕円運動により、弾
性体１０１と移動子との間で相対運動が発生する。

【０００７】この振動アクチュエータ１００は、弾性体
１０１に発生する縦振動及び屈曲振動それぞれの固有振
動数が非常に近い値となるように設計される。これによ
り、２つの固有振動数に近い周波数の交流電圧を、圧電
体１０３ａ，１０３ｂにそれぞれ印加することにより、
縦振動及び屈曲振動を調和した状態で発生させることが
でき、弾性体１０１と移動子との間で相対運動を発生す
ることができる。

【０００８】ところで、弾性体１０１を支持して相対運
動部材に加圧接触させるために、弾性体１０１の側面に
おける長さ方向中央部には、半円状の切り欠き部１０４
ａ，１０４ｂが形成されており、これらの切り欠き部１
０４ａ，１０４ｂに嵌合するピン１０２ａ，１０２ｂを
備える矩形の平面形状の支持枠１０２により、弾性体１
０１を長手方向について位置規制することにより、弾性
体１０１の支持を行っていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、弾性体１
０１は、弾性体１０１に設けた切り欠き部１０４ａ，１
０４ｂと支持枠１０２に形成されたピン１０２ａ，１０
２ｂとの嵌め合いを利用して支持される。しかし、切り
欠き部１０４ａ，１０４ｂとピン１０２ａ，１０２ｂと
の間には不可避的に隙間が存在するため、相対運動方向
にガタ付きを生じてしまうという課題があった。したが
って、このガタ付きにより、弾性体１０１の位置制御が
困難になるという課題があった。

【００１０】また、移動子から弾性体に反力が作用する
ため、弾性体１０１が面内方向及び面外方向に位置ずれ
してしまうという課題もあった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、弾性
体と，弾性体に装着されて１次以上の縦振動と２次以上
の屈曲振動とを調和的に発生する電気機械変換素子とを
備え、弾性体に加圧接触する相対運動部材との間で相対
運動を発生する振動アクチュエータであって、弾性体に
発生する屈曲振動の複数の節位置又はその近傍に、弾性
体を支持する支持部材がそれぞれ設けられることを特徴
とする。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１に記載された
振動アクチュエータにおいて、支持部材には、縦振動の
振幅方向に関する剛性低下部が形成されることを特徴と
する。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載された振動アクチュエータにおいて、複数の支持
部材の全部又は一部が、互いに、接続されることを特徴
とする。

【００１４】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータに
おいて、複数の支持部材が、弾性体の長さ方向及び／又
は幅方向及び／又は厚さ方向に関して対称な位置に設け
られることを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明の実施形態を、添付図面
を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の各実施形
態の説明は、振動アクチュエータとして超音波の振動域
を利用する超音波アクチュエータを例にとって、行う。

【００１６】図１は、本実施形態における超音波アクチ
ュエータ１及びその支持部材４ａ，４ｂを示す斜視図で
あり、図２は、図１に示す超音波アクチュエータ１及び
その支持部材４ａ，４ｂの上面図である。さらに、図３
（ａ）は、図１に示す超音波アクチュエータ１及びその
支持部材４ａ，４ｂの側面図，図３（ｂ）は、図１に示
す超音波アクチュエータ１の弾性体２に発生する屈曲振
動の変位例を示す説明図である。

【００１７】本実施形態の超音波アクチュエータ１の本
体は、前述した図７，図８に示す超音波アクチュエータ
１００と全く同様に構成されるため、簡単に説明する。
超音波アクチュエータ１は、矩形平板状の弾性体２と、
この弾性体２の一方の平面に接着により装着されて弾性
体２に縦振動及び屈曲振動を調和的に発生する電気機械
変換素子である圧電体３ａ，３ｂを備える。圧電体３
ａ，３ｂには電気的に位相が９０°異なる交流電圧が印
加される。

【００１８】なお、図中符号３ｐ，３ｐ’も圧電体であ
るが、これらは、弾性体２に発生する振動状態をモニタ
するための圧電体であり、後述する図４を用いて説明す
る制御回路１５に接続される。なお、弾性体２本体はＧ
ＮＤ電位に接続される。

【００１９】弾性体２の他方の平面であって４次の屈曲
振動の腹位置のうちの外側の２か所（図３（ｂ）におけ
る位置Ｘ，Ｙ）には、突起状に駆動力取出部２ａ，２ｂ
が形成される。

【００２０】図４は、本実施形態の超音波アクチュエー
タ１の駆動回路１０を示すブロック図である。駆動回路
１０は、駆動信号を発振する発振器１１と、この駆動信
号を（π／２）位相差のある信号に変換する移相器１２
と、圧電体３ａに入力する駆動信号を増幅する増幅器１
３と、圧電体３ｂに入力する変換された駆動信号を増幅
する増幅器１４とを備える。

【００２１】圧電体３ｐ，３ｐ’により検出された振動
変位は電気信号として制御回路１５に送られる。制御回
路１５では、検出された変位量に基づき、補正信号を発
振器１１に送り、発振器１１から出力される駆動信号が
適正化される。

【００２２】このような駆動回路１０により、圧電体３
ａ，３ｂに電気的に位相が９０°異なる交流電圧を印加
することにより、弾性体２には縦振動及び屈曲振動が調
和的に発生し、これらの振動の合成である楕円運動が、
弾性体２の駆動力取出部２ａ，２ｂの端面に発生する。
この楕円運動により、駆動力取出部２ａ，２ｂを介して
加圧接触する相対運動部材（図示しない）が１次元に相
対運動する。

【００２３】図１〜図３において、弾性体２の二つの側
面２ｃ，２ｄであって発生する屈曲振動の二つの節位置
（図３（ｂ）における位置Ｚ₁ ，Ｚ₂ ）には、弾性体２
を支持する４角棒状の支持部材４ａ，４ｂが、弾性体幅
方向と平行な方向に向けて、設置される。この設置位置
は、弾性体２の長さ方向，厚さ方向及び幅方向それぞれ
に関して対称な位置である。支持部材４ａ，４ｂの設置
位置は、図３（ａ）に示すように、屈曲振動の節位置Ｚ
₁ ，Ｚ₂ であるため、弾性体２に発生する屈曲振動を減
衰させることなく支持することが可能となる。

【００２４】本実施形態では、支持部材４ａ，４ｂの弾
性体２との接続部は、弾性体長手方向に関して幅が細い
くびれ部５ａ，５ｂとして形成される。くびれ部５ａ，
５ｂは、弾性体２に発生する屈曲振動及び縦振動それぞ
れの振幅方向（弾性体長手方向）に関する剛性低下部と
して機能する。そのため、支持部材４ａ，４ｂの支持に
よる振動減衰を、屈曲振動に関するだけでなく、縦振動
に関しても、抑制することができる。また、本実施形態
では、弾性体２を複数の節位置で支持するため、弾性体
２に発生するねじれを防止することも可能となる。

【００２５】このようにして、本実施形態の超音波アク
チュエータ１は、支持部材４ａ，４ｂを介して、搭載対
象機器の固定部に固定される。図５は、本実施形態の超
音波アクチュエータ１を、搭載対象機器である板状材２
０の搬送装置２１に組み込んだ状況を示す断面図であ
る。

【００２６】搬送装置２１のハウジング２２は、溝型の
断面を有する枠体である。ハウジング２２の内面底部２
２ａには、開口部側に向けてベアリング保持台２３が、
例えば接着されることにより固定される。このベアリン
グ保持台２３により、ベアリング２４が保持される。な
お、ベアリング保持台２３はハウジング２２と一体に構
成してもよい。

【００２７】一方、ハウジング２２の内面底部２２ａに
は、断面Ｌ字型の移動式ベアリング保持台２５が、図面
上左右方向に向けて往復移動自在となるように配置され
る。移動式ベアリング保持台２５には、図面上左右方向
に向けてボルト貫通孔２５ａが設けられている。ボルト
貫通孔２５ａには、頭付きボルト２６が挿入されてお
り、この頭付きボルト２６の先端は、ハウジング２２の
一方の縦壁部２２ｂにネジ止めされる。さらに、この縦
壁部２２ｂと移動式ベアリング保持台２５との間の部分
には、頭付きボルト２６に嵌め込まれてコイルスプリン
グ２７が取付けられる。このコイルスプリング２７のバ
ネ力により、移動式ベアリング保持台２５は、ハウジン
グ２２の他方の縦壁部２２ｃ側に向けて付勢される。

【００２８】移動式ベアリング保持台２５の上部側先端
には、ベアリング２８が縦壁部２２ｃ側を指向する向き
に保持される。縦壁部２２ｃには、内部側に臨む空間部
２９が形成されており、この空間部２９内に圧電体３が
収容されるようにして、本実施形態の超音波アクチュエ
ータ１が設置される。超音波アクチュエータ１は、図２
において、４つの支持部材４ａ，４ａ，４ｂ，４ｂの丸
印部に貫通孔が設けられており、これら４つの貫通孔を
利用して、４本のボルト３０ａ，３０ｂにより、縦壁部
２２ｃに固定される。

【００２９】断面矩形の板状材２０の底面には、ベアリ
ング２４が接触し、一つの側面にはベアリング２８が接
触する。これにより、板状材２０は図面と直交する方向
に案内される。

【００３０】さらに、板状材２０のもう一つの側面に
は、縦壁部２２ｃに固定された超音波アクチュエータ１
の駆動力取出部２ａ，２ｂが接触する。板状材２０は、
コイルスプリング２７のバネ力により、ベアリング２８
を介して、駆動力取出部２ａ，２ｂに所望の加圧力で加
圧される。

【００３１】この状態で、超音波アクチュエータ１を駆
動すると、駆動力取出部２ａ，２ｂに発生する楕円運動
により板状材２０は、図面と直交する方向に関する駆動
力を受ける。この駆動力により、板状材２０は搬送され
る。また、これとは逆の駆動電圧を超音波アクチュエー
タ１に入力することにより、板状材２０は逆方向に搬送
される。

【００３２】（第２実施形態）以下、本発明の第２実施
形態を説明する。なお、以降の第２実施形態の説明は、
第１実施形態と相違する部分についてのみ行うことと
し、共通する部分については同一の図中符号を付すこと
により適宜説明を省略する。

【００３３】図６（ａ）は、第２実施形態の超音波アク
チュエータ１−１及びその保持部材６ａ，６ｂの上面及
び側面図，図６（ｂ）は、第２実施形態の超音波アクチ
ュエータ１の弾性体２に発生する屈曲振動の変位例を示
す説明図である。

【００３４】本実施形態の超音波アクチュエータ１−１
が第１実施形態と装置するのは、隣接する支持部材同士
を結合して、それぞれ一体型の支持部材６ａ，６ｂとし
た点である。

【００３５】すなわち、支持部材６ａは二つのくびれ部
７ａ，７ａを介して弾性体２の側面２ｃに接続され、支
持部材６ｂは二つのくびれ部７ｂ，７ｂを介して弾性体
２の側面２ｄに接続される。第１実施形態では、支持部
材は、振動減衰を抑制するために、くびれ部７ａ，７ｂ
を設けて剛性を低下させてある。そのため、設置時等の
ハンドリングにより、くびれ部７ｂ，７ｂが変形するお
それがある。そこで、本実施形態では、隣接する支持部
材同士を結合することにより、振動減衰を抑制しない範
囲で剛性を増加してハンドリング時の変形を防止するも
のである。

【００３６】また、隣接する支持部材同士を結合するこ
とにより、支持部材の設置位置の精度が向上し、超音波
アクチュエータの搭載対象機器への取付け精度が向上す
る。

【００３７】（変形形態）以上の各実施形態の説明で
は、振動アクチュエータとして超音波アクチュエータを
用いたが、本発明にかかる振動アクチュエータはこのよ
うな態様のみに限定されるものではなく、他の超音波域
以外の振動域を利用した振動アクチュエータについても
等しく適用される。

【００３８】また、各実施形態では、電気機械変換素子
として圧電体を用いたが、本発明にかかる振動アクチュ
エータはこのような態様に限定されるものではなく、電
気エネルギーを機械的変位に変換することができるもの
であれば等しく適用することができる。例えば、圧電体
以外に電歪素子を例示することができる。

【００３９】また、各実施形態では、支持部材は弾性体
に発生する屈曲振動の節位置に設置しているが、節位置
からの多少のずれは許容される。すなわち、屈曲振動の
減衰をできるだけ抑制するためには節位置で支持するこ
とが最も望ましいが、屈曲振動の減衰を余り問題にしな
い場合には、節位置の近傍に設置してもよい。

【００４０】また、第２実施形態では、隣接する支持部
材同士を接続した場合を示したが、本発明にかかる振動
アクチュエータはこのような態様に限定されるものでは
なく、弾性体幅方向に対向する位置の支持部材同士や、
全ての支持部材同士を接続するように構成してもよい。

【００４１】また、各実施形態では、弾性体を２ヵ所の
節位置で支持するようにしているが、本発明にかかる振
動アクチュエータはこのような態様に限定されるもので
はなく、３ヵ所以上の節位置で支持するようにしてもよ
い。

【００４２】また、各実施形態の説明では、弾性体に１
次の縦振動と４次の屈曲振動とが生じる振動アクチュエ
ータを例にとったが、本発明にかかる振動アクチュエー
タはこのような態様に限定されるものではなく、ｍ次
（ｍ：自然数）の縦振動とｎ次（ｎ：２以上の自然数）
の屈曲振動とが生じる振動アクチュエータについても等
しく適用される。

【００４３】また、各実施形態の説明では、支持部材
は、弾性体の長さ方向及び厚さ方向それぞれの対称位置
に形成した場合を例にとった。しかし、本発明はこれら
の態様に限定されるものではなく、支持体は、弾性体の
長さ方向，幅方向及び厚さ方向の１つ又は２つ以上に対
して対称な位置に、配置すればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態における超音波アクチュエータ及
びその支持部材を示す斜視図である。

【図２】図１に示す超音波アクチュエータ及びその支持
部材の上面図である。

【図３】図３（ａ）は、図１に示す超音波アクチュエー
タ及びその支持部材の側面図，図３（ｂ）は、図１に示
す超音波アクチュエータの弾性体に発生する屈曲振動の
変位例を示す説明図である。

【図４】第１実施形態の超音波アクチュエータの駆動回
路を示すブロック図である。

【図５】第１実施形態の超音波アクチュエータを、板状
材の搬送装置に組み込んだ状況を示す断面図である。

【図６】図６（ａ）は、第２実施形態の超音波アクチュ
エータ及びその支持部材の上面及び側面図，図６（ｂ）
は、第２実施形態の超音波アクチュエータの弾性体に発
生する屈曲振動の変位例を示す説明図である。

【図７】従来の振動アクチュエータの一例の構成を示す
斜視図である。

【図８】図７に示す従来の振動アクチュエータの上面図
である。

【符号の説明】

１ 超音波アクチュエータ（振動アクチュエータ） ２ 弾性体 ２ａ，２ｂ 駆動力取出部 ３ａ，３ｂ 圧電体（電気機械変換素子） ４ａ，４ｂ 支持部材 ５ａ，５ｂ くびれ部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体と，前記弾性体に装着されて１次
   以上の縦振動と２次以上の屈曲振動とを調和的に発生す
   る電気機械変換素子とを備え、前記弾性体に加圧接触す
   る相対運動部材との間で相対運動を発生する振動アクチ
   ュエータであって、 前記弾性体に発生する前記屈曲振動の複数の節位置又は
   その近傍に、前記弾性体を支持する支持部材がそれぞれ
   設けられることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された振動アクチュエー
   タにおいて、 前記支持部材には、前記縦振動の振幅方向に関する剛性
   低下部が形成されることを特徴とする振動アクチュエー
   タ。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載された振動
   アクチュエータにおいて、 複数の前記支持部材の全部又は一部は、互いに、接続さ
   れることを特徴とする振動アクチュエータ。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項に記載された振動アクチュエータにおいて、 複数の前記支持部材は、前記弾性体の長さ方向及び／又
   は幅方向及び／又は厚さ方向に関して対称な位置に設け
   られることを特徴とする振動アクチュエータ。