JP3359167B2 - 超音波アクチュエータ - Google Patents

超音波アクチュエータ

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JP3359167B2 JP31848094A JP31848094A JP3359167B2 JP 3359167 B2 JP3359167 B2 JP 3359167B2 JP 31848094 A JP31848094 A JP 31848094A JP 31848094 A JP31848094 A JP 31848094A JP 3359167 B2 JP3359167 B2 JP 3359167B2
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朋樹 舟窪
敏晴 津幡
芳久 谷口
一裕 粂井
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子や電歪素子等
の電気機械変換素子により超音波振動を発生させ被駆動
体を駆動する超音波アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】図9乃至図13を参照して、特願平5−
039011号に開示された従来の超音波アクチュエー
タ100について説明する。従来の超音波アクチュエー
タ100においては、図9に示すように、直方体状の共
振器111の一面に2個の電気機械変換素子112を固
定し超音波振動子113を構成している。
【0003】前記超音波振動子113における前記電気
機械変換素子112を取り付けた面と反対側の面に摺動
突起部115が固定され、この摺動突起部115に被駆
動体117を押し当て、被駆動体117が駆動されるよ
うになっている。前記超音波アクチュエータ100の支
持は、その中央部で、振動の節位置に配された突起11
6により行うようになっている。
【0004】前記超音波アクチュエータ100において
は、駆動原理として、前記共振器111の図10にも示
す1次の縦振動(A方向振動)と図11にも示す2次の
屈曲振動(B方向振動)の共振周波数を合わせるように
共振器111の寸法を決めて、その周波数で2つの電気
機械変換素子112に90度位相のずれた駆動電力を供
給することによりこの共振器111に楕円振動を発生さ
せ、被駆動体117をこれに押し当てることにより、被
駆動体117を駆動するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記超音波アクチュエ
ータ100の駆動時の力のバランスを考えると、図12
の様な関係になる。超音波振動子113の中央部節位置
の突起116に押圧力W 1 がかかり、この反力が突起1
16に対して、左右対称に配された摺動突起部115部
分に均等に反力W2 (=1/2・W1 )が生じる。ま
た、超音波振動子113が被駆動体117に対して推力
F1を与える為、この反力が超音波振動子113の支持
部116にFR として生じる。この時、超音波振動子1
13には、M 1 方向のモーメントが発生する。実際には
超音波振動子113は、回転しない為このモーメントに
対して抗力が発生しこれを摺動突起部115、突起11
6上の点P1 ,P2 上で考えると、モーメントは(FR
・L1 =2・L2 ・R1 )となり、点P2 においては
(抗力R2 =FR ・L1 /2・L2 )という抗力が働
き、同様にP1 点にはR1 と逆方向で同じ絶対値のR2
が働いている。
【0006】この関係をまとめると、図13に示すよう
になり、駆動時の摺動突起部115にかかる垂直抗力が
アンバランスになっていることが判る。このアンバラン
スな垂直抗力により、各摺動突起部115から被駆動体
117に伝達される駆動力は、被駆動体117と摺動突
起部115との間の摩擦係数をμ1とすると、垂直抗力
と摩擦係数μ1の積に比例するため、結果として、左右
の摺動突起部115で伝達される駆動力がアンバランス
になり、超音波アクチュエータ100の効率を落として
いた。
【0007】本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解
消する、効率を向上した超音波アクチュエータを得るこ
とにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
共振器と、共振器に固定された複数の電気機械変換素子
と、電気機械変換素子に位相の異なる高周波電圧を印加
する事により前記共振体に楕円振動を発生させ、この楕
円振動に基づき前記共振体に押圧する被駆動部材を駆動
する超音波アクチュエータにおいて、前記被駆動部材を
前記共振体に押圧する際の前記共振器の支持位置を、こ
の超音波アクチュエータ自体の推力に基づく反力による
モーメントの発生を最小にする位置としたものである。
【0009】請求項2記載の発明は、共振器と、共振器
に固定された複数の電気機械変換素子と、電気機械変換
素子に位相の異なる高周波電圧を印加する事により前記
共振体に楕円振動を発生させ、この楕円振動に基づき前
記共振体に押圧する被駆動部材を駆動する超音波アクチ
ュエータにおいて、前記被駆動部材を前記共振体に押圧
する際の前記共振器の支持位置を、前記共振器の定在波
振動節位置からずれた被駆動体近傍にしたものである。
【0010】請求項3記載の発明は、共振器と、共振器
に固定された複数の電気機械変換素子と、電気機械変換
素子に位相の異なる高周波電圧を印加する事により前記
共振体に楕円振動を発生させ、この楕円振動に基づき前
記共振体に押圧する被駆動部材を駆動する超音波アクチ
ュエータにおいて、前記被駆動部材を前記共振体に押圧
する際の前記共振器の支持機構を、前記共振器の下端面
に配置した前記共振体に被駆動部材を押圧する機能を兼
ねる板状弾性部材により構成したものである。
【0011】
【作用】請求項1記載の超音波アクチュエータによれ
ば、前記被駆動部材を前記共振体に押圧する際の前記共
振器の支持位置を、この超音波アクチュエータ自体の推
力に基づく反力によるモーメントの発生を最小にする位
置としたので、支持位置の特定という簡略な手段のみで
超音波アクチュエータ自体の推力に基づく反力によるモ
ーメントの発生を最小に抑えることができる。
【0012】請求項2記載の超音波アクチュエータによ
れば、前記被駆動部材を前記共振体に押圧する際のこの
共振器の支持位置を、この共振器の定在波振動節位置か
らずれた被駆動体の近傍にしたので、請求項1記載の発
明と同様簡略な手段のみで超音波アクチュエータ自体の
推力に基づく反力によるモーメントの発生を最小に抑え
ることができる。
【0013】請求項3記載の超音波アクチュエータによ
れば、前記被駆動部材を前記共振体に押圧する際の前記
共振器の支持機構を、前記共振器の下端面に配置した前
記共振体に被駆動部材を押圧する機能を兼ねる板状弾性
部材により構成したので、請求項1記載の発明と同様超
音波アクチュエータ自体の推力に基づく反力によるモー
メントの発生を最小に抑えることができるとともに、前
記共振体の保持を被駆動部材を押圧する機能を備える板
状弾性部材で兼用でき、より構造の簡略化を図れる。
【0014】以下に、本発明の作用をさらに詳述する。
以下に、本発明の作用を再び図12を参照してさらに詳
述する。
【0015】図12において、超音波アクチュエータの
推力に起因する左右の摺動突起部116にかかる垂直抗
力W1 、W2 のアンバランスを無くすには、(L1 /2
・L 2 )・FR を零に近づければよく、このためには、
寸法L1 を零に近づけばよい。具体的には、支持位置が
寸法L1 を零に近づけるように、摺動突起部116の位
置を図13に示すY方向にずらせばよい。理想的には、
摺動突起部116を被駆動体117との接触面高さに配
置したときに上記アンバランスの発生を無くすことがで
きる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【0017】[第1実施例]図1乃至図5を用いて第1
実施例を説明する。
【0018】 (構成)第1実施例の超音波振動子6は、電気機械変換
素子1を一対配置した真鍮製の略直方体の共振器2が、
図4、図5に示されるように、図4に示す共振縦振動
と、図5に示す共振屈曲振動が同時に励起されるような
形状に構成されている。
【0019】前記共振器1の左右方向中央で、かつ、下
端付近に焼き入れされたステンレス製ピン4が共振器2
に圧入されている。共振器2の上面中央部には、電気機
械変換素子1を固定するための凸部20が共振器2に対
して直角な面を持ち一体に構成されている。
【0020】前記電気機械変換素子1の端面が前記凸部
20に押圧されて止められるように電気機械変換素子1
の他端面が固定部材21とビス22より共振器2に強固
に固定されている。また、この固定時に、電気機械変換
素子1の共振器2との接触している全面に接着剤が塗布
され、電気機械変換素子1の共振器2の固定を強固にし
ている。前記電気機械変換素子1の配置された面とは反
対側面の屈曲振動腹位置に摺動突起部5が設けられてい
る。
【0021】本構成の超音波振動子6を用いて超音波リ
ニアアクチュエータを構成した例を図1、図2に示す。
【0022】前記超音波振動子6のピン4が、焼き入れ
されたステンレス製ホルダ7のV溝8に挟み込まれてお
り、ホルダ7のV溝8の垂直軸9上の上方には押圧バネ
10が前記ホルダ7の上面に接触する配置で設けられて
おり、押圧バネ10の反対は筺体11に螺合された押圧
ネジ12に結合され、押圧ネジ12を調整することでホ
ルダ7を介して適当な押圧力を超音波振動子6に付与す
るようになっている。
【0023】前記ホルダ7の側面は、このホルダ7が垂
直軸9方向(C方向)に抵抗無く移動可能なように軸受
手段13により支持されている。前記超音波振動子6に
設けた摺動突起部5が接触する面には、被駆動体14に
接着固定した摺動材15が配置され、被駆動体14は軸
受16により移動可能に保持されている。
【0024】(作用)第1実施例によれば、前記共振器
2の1次の縦振動と2次の屈曲振動の共振周波数を合わ
せるように共振器2の寸法を決めて、前記超音波振動子
6における2個の電気機械変換素子1に図示しない高周
波電源より位相の90度ずれた共振器2の共振周波数を
持った駆動電圧を印加することにより、前記共振器2の
腹部分に接着固定された摺動突起部5が楕円振動を行
い、軸受16上の被駆動体14がリニアに駆動される。
【0025】(効果)前記ピン4の圧入位置を、共振器
2の左右方向中央で、かつ、共振器2の下端付近にする
ことにより、図1に示す寸法Lを小さくすることが可能
となり、これにより、簡略な構成で摺動突起部5にかか
る推力によるアンバランスを軽減できる。
【0026】[第2実施例]第2実施例を図6乃至図8
を用いて説明する。尚、本実施例においては、第1実施
例と同じ部位には、同じ番号を示し、その詳細な説明は
省略する。
【0027】(構成)第2実施例における図6に示す超
音波振動子25の共振器2の下端面17の中央に、溝1
8をその溝深さが板状弾性部材である支持バネ19の厚
みと等しく、溝幅がガタなく支持バネ19が溝18に入
るような寸法で設けている。前記溝18の中心に支持バ
ネ19固定用のネジ23を螺合するネジ穴24を設けて
いる。
【0028】この超音波振動子25を用いた超音波リニ
アアクチュエータの構成を図7、図8に示す。
【0029】下部が開口した構造の前記ホルダ7に相当
するホルダ26の端部27には、前記共振器2にネジ2
3で固定された支持バネ19の穴28に対応するネジ穴
が穿設されており、これにより、ネジ29を用いて、前
記超音波振動子25が支持バネ19を介してガタなく前
記ホルダ26に固定されるようにっている。前記ホルダ
26の上端には、押圧ネジ12を配置している。この他
の構成は、第1実施例と同様である。
【0030】(作用)本実施例によれば、押圧ネジ12
を回す事により、前記支持バネ19が撓み、超音波振動
子25を固定しながら同時に摺動突起部5に対する被駆
動体14の押圧力を与えることができる。
【0031】(効果)第2実施例においては、超音波振
動子25の下面を固定したため、より推力によるアンバ
ランスをなくす事ができ、かつ、支持バネ19により超
音波振動子25の保持と押圧力付与とを兼用でき構造が
より簡単になる。
【0032】尚、本構成の超音波アクチュエータは、リ
ニアタイプに限らず、楕円振動発生部に、回転体を押圧
する事により回転型の超音波アクチュエータにも応用可
能なことは自明である。
【0033】
【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、支持位置
を、この超音波アクチュエータ自体の推力に基づく反力
によるモーメントの発生を最小にする位置としたので、
簡略な手段で超音波アクチュエータ自体の推力に基づく
反力によるモーメントの発生を最小に抑えることができ
る。請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の発明
と同様簡略な構成で超音波アクチュエータ自体の推力に
基づく反力によるモーメントの発生を最小に抑えること
ができる。請求項3記載の発明によれば、請求項1記載
の発明と同様超音波アクチュエータ自体の推力に基づく
反力によるモーメントの発生を最小に抑えることができ
るとともに、前記板状弾性部材を用いることでより構造
の簡略化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の超音波アクチュエータを
示す概略断面図である。
【図2】本実施例の超音波アクチュエータを示す概略側
面図である。
【図3】本実施例の超音波アクチュエータにおける超音
波振動子を示す斜視図である。
【図4】超音波振動子の縦振動を示す説明図である。
【図5】超音波振動子の屈曲振動を示す説明図である。
【図6】本発明の第2実施例の超音波アクチュエータに
おける超音波振動子及び支持バネを示す分解斜視図であ
る。
【図7】本発明の第2実施例の超音波アクチュエータを
示す概略断面図である。
【図8】本実施例の超音波アクチュエータを示す概略側
面図である。
【図9】従来の超音波アクチュエータを示す斜視図であ
る。
【図10】超音波振動子の縦振動を示す説明図である。
【図11】超音波振動子の屈曲振動を示す説明図であ
る。
【図12】従来の超音波アクチュエータにおけるモーメ
ント、推力、反力を示す説明図である。
【図13】従来の超音波アクチュエータにおける推力、
反力を示す説明図である。
【符号の説明】
1 電気機械変換素子 2 共振器 4 ピン 5 摺動突起部 6 超音波振動子 7 ホルダ 8 V溝 10 押圧バネ 11 筐体 12 押圧ネジ 13 軸受手段 14 被駆動体
フロントページの続き (72)発明者 谷口 芳久 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 粂井 一裕 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オ リンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−284752(JP,A) 特開 平6−254494(JP,A) 特開 平4−347587(JP,A) 特開 平2−228267(JP,A) 特開 昭63−277477(JP,A) 実開 平5−15693(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00 B06B 1/06

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 共振器と、共振器に固定された複数の電
    気機械変換素子と、電気機械変換素子に位相の異なる高
    周波電圧を印加する事により前記共振体に楕円振動を発
    生させ、この楕円振動に基づき前記共振体に押圧する被
    駆動部材を駆動する超音波アクチュエータにおいて、前
    記被駆動部材を前記共振体に押圧する際の前記共振器の
    支持位置を、この超音波アクチュエータ自体の推力に基
    づく反力によるモーメントの発生を最小にする位置とし
    たことを特徴とする超音波アクチュエータ。
  2. 【請求項2】 共振器と、共振器に固定された複数の電
    気機械変換素子と、電気機械変換素子に位相の異なる高
    周波電圧を印加する事により前記共振体に楕円振動を発
    生させ、この楕円振動に基づき前記共振体に押圧する被
    駆動部材を駆動する超音波アクチュエータにおいて、前
    記被駆動部材を前記共振体に押圧する際の前記共振器の
    支持位置を、前記共振器の定在波振動節位置からずれた
    被駆動体近傍であって前記共振器の左右方向中央にした
    ことを特徴とする超音波アクチュエータ。
  3. 【請求項3】 共振器と、共振器に固定された複数の電
    気機械変換素子と、電気機械変換素子に位相の異なる高
    周波電圧を印加する事により前記共振体に楕円振動を発
    生させ、この楕円振動に基づき前記共振体に押圧する被
    駆動部材を駆動する超音波アクチュエータにおいて、前
    記被駆動部材を前記共振体に押圧する際の前記共振器の
    支持機構を、前記共振器の下端面に固定した前記共振体
    に被駆動部材を押圧する機能を兼ねる板状弾性部材によ
    り構成したことを特徴とする超音波アクチュエータ。
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