JP3306211B2 - 超音波アクチュエータ - Google Patents

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、電気−機械エネルギー変換素子によ
り超音波振動を発生させる超音波アクチュエータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電気−機械エネルギー変換素子により超
音波振動を発生させる超音波アクチュエータは、従来よ
り種々のものが提案されていて、例えば特願平５−３９
０１１号にその一例が記載されている。この特願平５−
３９０１１号に記載の超音波アクチュエータについて、
図１２，図１３，図１４を参照して説明する。

【０００３】従来の超音波振動子５１は、図１２に示す
ように、略直方体の共振器５２の上端面に、凸部５２ａ
を挟み込むように２つの電気−機械エネルギー変換素子
５３を載置し、その両側から固定部材５６により挟み込
んでビス５７により固定し、さらに側面から支持部５４
を突設し、下端面に摺動突起５５を取り付けることによ
り構成されている。

【０００４】そして、このような超音波振動子５１の上
記摺動突起５５に、図示しない被駆動体が図示しない押
圧機構により押圧されて超音波アクチュエータを構成し
ている。

【０００５】上記従来の超音波アクチュエータを駆動す
る原理としては、Ａ端子とＢ端子から２つの電気−機械
エネルギー変換素子５３に交流電圧を印加すると、上記
直方体形状の共振器５２に、図１３に示すような１次の
縦振動（矢印Ｘに示す方向の振動）と、図１４に示すよ
うな２次の屈曲振動（矢印Ｙに示す方向の振動）とが発
生する。そこで、これら２つの共振周波数を合わせるよ
うに共振器５２の寸法を決めて、その共振周波数の電圧
を、該Ａ端子とＢ端子から２つの電気−機械エネルギー
変換素子５３に互いの位相を９０度ずらして印加するこ
とにより、楕円振動を発生させて、この楕円振動をして
いる部分に被駆動体を押し付けることにより、該被駆動
体を駆動する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の超音波アク
チュエータにおいては、屈曲方向の振幅を増大させるた
めには、電気−機械エネルギー変換素子に加える電圧を
増大させればよいが、実際に使用される電気−機械エネ
ルギー変換素子に印加することができる電圧には上限が
あるために、十分な振幅の増大を実現することができな
かった。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、電気−機械エネルギー変換効率が高く、出力が大
きい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及び作用】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、
略直方体の共振器と、この共振器に固定された２つの電
気ー機械エネルギー変換素子と、を具備しており、上記
電気ー機械エネルギー変換素子に位相の異なる高周波電
圧を印加することにより上記共振器に定在波楕円振動を
発生させ、該共振器の摺動突起に圧接させた被駆動部材
を駆動する超音波アクチュエータにおいて、上記共振器
は、上記被駆動部材に近づくにつれて前記摺動突起が設
けられた面と平行な断面の面積が小さくなるように、且
つ被駆動部材の移動方向と直交する面により切断した断
面形状が一定となるように、前記摺動突起が設けられた
面に直交し、且つ上記被駆動部材の移動方向に平行な面
に斜面が形成されていることを特徴とする。

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【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から図５は本発明の第１実施例を示したもの
であり、図１は超音波振動子を示す斜視図である。

【００１２】この第１実施例の超音波振動子１は、図１
に示すように、共振器２の一端面側に例えば圧電素子や
電歪素子等でなる電気−機械エネルギー変換素子３を、
他端面側に摺動突起５をそれぞれ配設し、側面からはピ
ン４を突出して要部を構成されている。

【００１３】上記共振器２は、真鍮等により略直方体形
状に形成されていて、上端面の中央部には矩形形状の凸
部２ａが該上端面に垂直な側面を有して一体に突出さ
れ、一方、下端面側の両角部分は切り欠かれて２カ所の
斜面２ｂが構成されている。

【００１４】このような共振器２の上端面に、上記凸部
２ａを挟み込むようにして、電気−機械エネルギー変換
素子３が載置され、さらにその両側から該電気−機械エ
ネルギー変換素子３を押圧するようにして固定部材６に
より挟み込んで、この固定部材６をビス７により共振器
２に螺合して固定されている。

【００１５】さらに、この固定時に、電気−機械エネル
ギー変換素子３の共振器２および固定部材６と接触して
いる全面に接着剤が塗布され、電気−機械エネルギー変
換素子３と共振器２の固定をより強固にしている。

【００１６】また、上記共振器２は、図４に示されるよ
うな共振縦振動と図５に示されるような共振屈曲振動が
同時に励起されるようになっていて、この振動の節とな
る共振器２の両側面の位置には、焼き入れされたステン
レス製のピン４が突出するように該共振器２に圧入され
ている。

【００１７】そして、該共振器２の上記電気−機械エネ
ルギー変換素子３が配置された面とは反対側となる下端
面の、上記屈曲振動の腹となる位置に、摺動用突起５が
固定されている。

【００１８】上述のような超音波振動子１を用いて構成
したリニア型の超音波アクチュエータ１０の正面図を図
２に、側面図を図３に示す。

【００１９】上記超音波振動子１は、焼き入れされた一
対のステンレス製ホルダ８により両側から挟み込まれて
おり、そのＶ溝８ａに上記ピン４を係合している。この
ホルダ８の上端面側のＶ溝８ａの垂直方向軸Ｄ上には押
圧ばね９が配設されていて、さらにこの押圧ばね９の上
部は、筐体１１ａに螺合された押圧ねじ１２に取り付け
られている。そして、この押圧ねじ１２を回動すること
により、押圧ばね９の押圧力を調節することができ、ホ
ルダ８を介して適当な押圧力が超音波振動子１に加わる
ようになっている。

【００２０】上記ホルダ８は、その側面を軸受手段１３
を介して筐体１１ｂに支持されていて、これにより、該
ホルダ８は垂直軸Ｄ方向に抵抗なく移動することができ
るようになっている。なお、上記軸受手段１３は、筐体
１１ｂに固定されている。

【００２１】また、上述のような押圧機構により超音波
振動子１が押圧される側には被駆動体１４が配設されて
いて、この被駆動体１４の上記摺動突起５が接触する面
には摺動材１５が接着固定されている。この被駆動体１
４は、軸受手段１６により筐体１１ｃに対して、矢印Ｘ
に示す方向に移動可能に保持されている。なお、上記軸
受手段１６は、筐体１１ｃに固定されている。

【００２２】次に、このような第１実施例の作用を説明
する。上述のような超音波振動子１の２つの電気−機械
エネルギー変換素子３に、図示しない高周波電源から互
いに位相が９０度ずれた共振器２の共振周波数の電圧を
印加することにより、該共振器２には、図４に示すよう
な共振縦振動および図５に示すような屈曲振動が発生す
る。

【００２３】この発生した超音波の内の矢印Ｘに示す方
向に伝播する縦振動は、斜面２ｂによって同図４の符号
Ｃに示すように反射されて曲折し、図５の矢印Ｙに示す
方向の振動となって、これにより縦振動の励起と同時
に、屈曲方向の振動にも同時に寄与する。

【００２４】このように発生する上記共振器２の１次の
縦振動（矢印Ｘに示す方向の振動）と２次の屈曲振動
（矢印Ｙに示す方向の振動）の共振周波数を合わせるよ
うに、該共振器２の寸法が決められている。

【００２５】そして、これら縦振動と屈曲振動とが合成
されて、上記共振器２の振動の腹となる部分に接着固定
された摺動突起５が楕円振動を行い、軸受手段１６上の
被駆動体１４が矢印Ｘに示す方向に駆動される。

【００２６】このような第１実施例によれば、共振器の
電気−機械エネルギー変換素子が取り付けられている面
の反対側に、被駆動部材の移動方向と平行な断面の面積
が徐々に変化するように、一対の対称型の形状で加工さ
れた斜面が設けられているために、該斜面で縦振動が反
射して屈曲振動の振幅を増大するのに寄与し、これによ
り超音波アクチュエータの推力が増大する。

【００２７】こうして、簡単な構成で超音波アクチュエ
ータの屈曲振動の振幅を増大させることができて、超音
波アクチュエータの効率の向上と出力の増大を図ること
ができる。

【００２８】また、屈曲方向の振動が増大することによ
り、摺動材の表面粗さの加工精度を落としても、超音波
アクチュエータの摺動材として充分利用することができ
るために、安価な超音波アクチュエータを提供すること
が可能となる。

【００２９】なお、この第１実施例においては、共振器
に設けられた上記斜面は平面として示されているが、曲
面等で構成されてもかまわない。

【００３０】次に、図６は上記第１実施例の変形例を示
したものであり、超音波振動子を示す正面図である。

【００３１】図６においては、上記第１実施例の斜面２
ｂの代わりに、段付き部２ｃを設けたものである。

【００３２】このような第１実施例の変形例によれば、
上述の第１実施例とほぼ同様の作用と効果を有してい
る。

【００３３】また、段付き部２ｃは、図６に示すような
１段に限られるものではなく、複数段設けても同様な効
果があることはいうまでもない。

【００３４】図７，図８は本発明の第２実施例を示した
ものであり、図７は超音波振動子を示す斜視図、図８は
図７の共振器のＥ断面図である。この第２実施例におい
て、上述の第１実施例と同様の機能を果たす部分につい
ては同一の符号を附して説明を省略し、主として異なる
点についてのみ説明する。

【００３５】この第２実施例の超音波振動子は、共振器
２２の電気−機械エネルギー変換素子３を配置した面の
反対側の下端面２２ａに摺動突起５を配設している。そ
して、共振器２２の長手方向となる両側面の上記下端面
２２ａに近い側の部分に、一対の斜面２２ｂが加工によ
り形成されている。この斜面２２ｂは、その断面図を図
８に示すように、下端面２２ａに向かってテーパ状とな
る斜面である。

【００３６】次に、このような第２実施例の作用を説明
する。共振器２２の形状が、被駆動体の移動方向（矢印
Ｘに示す方向）と直角な面（符号Ｅで示す面）により切
断したときの断面形状が一定となるように形成されてい
るために、上記第１実施例とは異なり、縦振動（矢印Ｘ
で示す方向の振動）は屈曲振動とは独立に励起される。

【００３７】一方、屈曲振動は、共振器２２が上記斜面
２２ｂによりテーパ状となっているために、該テーパ状
の部分で振幅が徐々に増大して、下端面２２ａの摺動突
起５が設けられた位置では大きな振幅を得ることができ
る。

【００３８】また、この第２実施例の超音波振動子を用
いた超音波アクチュエータの駆動方法は、上述の第１実
施例とほぼ同様である。

【００３９】このような第２実施例によれば、上述の第
１実施例とほぼ同様の効果を有していて、上記共振器
の、被駆動部材の移動方向と平行な断面が徐々に面積が
変化する部分を有する構成としたことで、ホーン振幅拡
大作用により、屈曲振動が増大する。

【００４０】次に、図９は上記第２実施例の変形例を示
したものであり、超音波振動子を示す斜視図である。

【００４１】この変形例においては、上記第２実施例の
斜面２２ｂの代わりに、図９に示すような段付き部２２
ｃを設けたものである。

【００４２】このような第２実施例の変形例によれば、
上述の第２実施例とほぼ同様の作用と効果を有してい
る。

【００４３】また、段付き部２２ｃは、図９に示すよう
な１段に限られるものではなく、複数段設けても同様な
効果があることはいうまでもない。

【００４４】図１０は、本発明の第３実施例を示したも
のであり、超音波振動子を示す斜視図である。この第３
実施例において、上述の第１，第２実施例と同様の機能
を果たす部分については同一の符号を附して説明を省略
し、主として異なる点についてのみ説明する。

【００４５】この第３実施例の超音波振動子は、共振器
３２の両側面の電気−機械エネルギー変換素子３を配置
した面の近傍を除く部分に、該共振器３２の長手方向に
沿った複数の平行な溝３２ａが刻設されている。

【００４６】このような第３実施例の作用は、上述の第
１，第２実施例とほぼ同様であって、溝３２ａを設ける
ことにより、屈曲方向の断面２次モーメントが下がって
屈曲し易くなり、屈曲振動の振幅が増大する。

【００４７】このような第３実施例によれば、上述の第
１，第２実施例とほぼ同様の効果を有している。

【００４８】図１１は、上記第３実施例の変形例を示し
たものであり、超音波振動子を示す斜視図である。

【００４９】この第３実施例の変形例においては、共振
器３２の摺動突起５をした面に、被駆動体が移動する方
向に垂直な溝であって、電気−機械エネルギー変換素子
３へ向かうやや深めの溝３２ｂを複数刻設したものであ
る。

【００５０】このような第３実施例の変形例による作用
と効果は、上述の第３実施例とほぼ同様であって、屈曲
方向の断面２次モーメントが減少して、屈曲振動振幅が
増大する。

【００５１】なお、上述の各実施例においては、リニア
タイプの超音波アクチュエータについて述べたが、本発
明はこれに限定されるものではなく、楕円振動発生部に
回転体を押圧することにより駆動する回転型の超音波ア
クチュエータにも適用することができることはいうまで
もない。

【００５２】［付記］以上詳述した如き本発明の実施態
様によれば、以下の如き構成を得ることができる。すな
わち、 （１） 略直方体の共振器と、この共振器の１面に固定
された２つの電気−機械エネルギー変換素子と、を具備
しており、上記電気−機械エネルギー変換素子に位相の
異なる高周波電圧を印加することにより上記共振器に定
在波楕円振動を発生させ、該共振器に圧接させた被駆動
部材を駆動する超音波アクチュエータにおいて、上記共
振器に段付き部もしくは溝部分を形成したことを特徴と
する超音波アクチュエータ。

【００５３】（２） 上記共振器の、被駆動部材を圧接
される面は、電気−機械エネルギー変換素子が固定され
た面と対向する面であることを特徴とする付記１に記載
の超音波アクチュエータ。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
気−機械エネルギー変換効率が高く、出力が大きい超音
波アクチュエータとなる。

【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実施例の超音波アクチュエータを示す
正面図。

【図３】上記第１実施例の超音波アクチュエータを示す
側面図。

【図４】上記第１実施例の超音波振動子に励起される共
振縦振動を示す図。

【図５】上記第１実施例の超音波振動子に励起される共
振屈曲振動を示す図。

【図６】上記第１実施例の変形例の超音波振動子を示す
正面図。

【図７】本発明の第２実施例の超音波振動子を示す斜視
図。

【図８】上記図７に示した共振器の平面Ｅによる断面
図。

【図９】上記第２実施例の変形例の超音波振動子を示す
斜視図。

【図１０】本発明の第３実施例の超音波振動子を示す斜
視図。

【図１１】上記第３実施例の変形例の超音波振動子を示
す斜視図。

【図１２】従来の超音波振動子を示す斜視図。

【図１３】上記従来の超音波振動子に励起される共振縦
振動を示す図。

【図１４】上記従来の超音波振動子に励起される共振屈
曲振動を示す図。

【符号の説明】

１…超音波振動子 ２，２２，３２…共振器 ２ｂ…斜面 ２ｃ…段付き部 ３…電気−機械エネルギー変換素子 １０…超音波アクチュエータ １４…被駆動体 ２２ｂ…斜面 ２２ｃ…段付き部 ３２ａ，３２ｂ…溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略直方体の共振器と、この共振器に固定
   された２つの電気ー機械エネルギー変換素子と、を具備
   しており、上記電気ー機械エネルギー変換素子に位相の
   異なる高周波電圧を印加することにより上記共振器に定
   在波楕円振動を発生させ、該共振器の摺動突起に圧接さ
   せた被駆動部材を駆動する超音波アクチュエータにおい
   て、 上記共振器は、上記被駆動部材に近づくにつれて前記摺
   動突起が設けられた面と平行な断面の面積が小さくなる
   ように、且つ被駆動部材の移動方向と直交する面により
   切断した断面形状が一定となるように、前記摺動突起が
   設けられた面に直交し、且つ上記被駆動部材の移動方向
   に平行な面に斜面が形成されていることを特徴とする超
   音波アクチュエータ。