JPH10243668A

JPH10243668A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH10243668A
Application number: JP9038905A
Authority: JP
Inventors: Tsunemi Gonda; 常躬権田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 1998-09-11
Also published as: US6051912A

Abstract

(57)【要約】【課題】電極へ電気エネルギー送給部材を装着するこ
とによる駆動効率低下を解消するとともに、装着の作業
性を改善し、半田付け不良などを防止する。【解決手段】弾性体１１と、弾性体１１に装着されて
縦振動及び屈曲振動を調和的に発生する圧電体１２と、
圧電体１２に装着されて電気エネルギの授受に用いられ
る電極１３ａ〜１３ｄとを備える超音波アクチュエータ
１０であって、電極１３ａ〜１３ｄには、リード線接合
部１４ａ〜１４ｄが設けられており、その接合部１４ａ
〜１４ｄは、弾性体１１の屈曲振動の節位置に略一致す
る位置に存在する。

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、弾性体
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
素子と、電気機械変換素子に装着されて電気エネルギー
の授受に用いられる電極とを備え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信号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
動部材を駆動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としては、
「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：第五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８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る。矩形平板状の弾
性体１０１の一方の平面には、ＰＺＴからなる薄板状の
圧電体１０２ａ，１０２ｂが接着により装着される。圧
電体１０２ａ，１０２ｂ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ヵ所の腹位置には、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に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１０２ａ，１０２ｂに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することができ、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】この振動アクチュエータ１００では、圧電
体１０２ａ，１０２ｂの表面に電極１０３ａ，１０３ｂ
を装着し、これらの電極１０３ａ，１０３ｂそれぞれ
に、駆動電圧発生装置に接続された電気エネルギー送給
部材（リード線）１０４ａ，１０４ｂを半田付けするこ
とにより、圧電体１０２ａ，１０２ｂへ駆動電圧を印加
していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の技術では、電極１０３ａ，１０３ｂへのリード線１０
４ａ，１０４ｂの半田付け位置は、特に、定められてお
らず、振動アクチュエータの取付構造などによって、区
々であった。また、通常は半田付けは手作業で行うこと
になるため、半田付け位置が一定しないおそれがある。
そのため、半田付け位置によっては、弾性体１０１に発
生する屈曲振動を減衰させてしまい、振動アクチュエー
タ１００の駆動効率を低下させてしまうという問題があ
った。

【００１０】また、半田付け時における作業のばらつき
により、半田量が一定しないという問題があった。

【００１１】本発明は、電極へ電気エネルギー送給部材
を装着することによる駆動効率低下を解消するととも
に、装着の作業性を改善し、半田付け不良などを防止で
きる振動アクチュエータを提供することを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、弾性体と、前記弾性体に装着さ
れて縦振動及び屈曲振動を調和的に発生する電気機械変
換素子と、前記電気機械変換素子に装着されて電気エネ
ルギーの授受に用いられる電極とを備える振動アクチュ
エータであって、前記電極には、部分的に、電気エネル
ギー送給部材を接合する接合部が設けられており、前記
接合部は、前記弾性体に関して、前記屈曲振動の節位置
に略一致する位置に存在することを特徴とする振動アク
チュエータである。

【００１３】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、前記接合部は、その周囲
の一部に熱エネルギー非伝導部を有することを特徴とす
る振動アクチュエータである。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明にかかる振動アクチュエ
ータを、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。

【００１５】図１は、第１実施形態の超音波アクチュエ
ータ１０の説明図であって、図１（ａ）は弾性体１１に
発生する４次の屈曲振動の一例を示す説明図，図１
（ｂ）は弾性体１１の側面図，図１（ｃ）は上面図であ
る。

【００１６】本実施形態で用いる超音波アクチュエータ
１０は、弾性体１１に、１次の縦振動と４次の屈曲振動
とを調和的に発生する異形モード縮退型の超音波アクチ
ュエータである。

【００１７】弾性体１１は、金属材料又はプラスチック
材料等の弾性材料により矩形平板状に形成される。弾性
体１１の一方の平面１１ａには、電気機械変換素子であ
る圧電体１２が、例えば接着されることにより装着され
る。圧電体１２は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛等）
からなり、矩形平板状に構成される。

【００１８】また、弾性体１１の他方の平面１１ｂであ
って、発生する４次の屈曲振動の二つの腹位置１１ｃ，
１１ｄは、加圧接触する相対運動部材に駆動力を伝達す
るための駆動力取出部として機能する。

【００１９】圧電体１２の表面には、図示するように、
矩形の平面形状の電極１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ
が接着されることにより装着される。電極１３ａ，１３
ｃには、同一位相の交流電圧Ｘが印加される。また、電
極１３ｂ，１３ｄには、交流電圧Ｘと（π／２）位相が
異なる交流電圧Ｙが印加される。

【００２０】電極１３ａ〜１３ｄにこれらの交流電圧
Ｘ，Ｙが印加されることにより、圧電体１２が励振す
る。これにより、弾性体１１には、図１（ａ）に振動波
形で例示される４次の屈曲振動が発生する。また、弾性
体１１には、その長手方向中心部を節とする１次の伸縮
振動（縦振動）が発生する。

【００２１】これにより、弾性体１１の他方の平面１１
ｂに形成された駆動力取出部１１ｃ，１１ｄに楕円運動
が発生する。電極１３ａ〜１３ｄの表面である位置Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄには、電気エネルギー送給部材であるリード
線（図示しない）が半田付けされる。本実施形態では、
これらの位置Ａ〜Ｄはリード線接合部１４ａ〜１４ｄの
中心位置であって、弾性体１１に発生する４次の屈曲振
動の節位置に一致する位置である。これらの位置Ａ〜Ｄ
においてリード線を半田付けすることにより、リード線
装着に伴う振動減衰をできるだけ小さくすることが可能
である。

【００２２】図２（ａ），図２（ｂ）及び図２（ｃ）
は、いずれも、この超音波アクチュエータ１０における
電極１３ａ〜１３ｄのリード線接合部１４ａ〜１４ｄを
拡大して示す上面図である。本実施形態では、リード線
接合部１４ａ〜１４ｄの形状は同一であるため、電極１
３ａの位置Ａにおけるリード線接合部１４ａを例にとっ
て、説明する。

【００２３】図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、リ
ード線接合部１４ａは、円形に形成される。半田付けに
際しては、このリード線接合部１４ａにリード線の端部
を接触・保持しておき、半田付けを行う。そのために、
接合に際しては、半田付け位置のずれ等を生じることが
なく、所定の位置に正確に半田付けを行うことができ
る。

【００２４】リード線接合部本体であるリード線接合部
１４ａの周囲には、熱エネルギー非伝導部１５ａが形成
される。この熱エネルギー非伝導部１５ａは、例えばエ
ッチングなどにより形成された孔部であって、リード線
接合部１４ａはその中心から放射状に形成される架橋部
１６ａにより、電極１３ａに接続されている。

【００２５】図２（ａ）に示す例は、６つの架橋部１６
ａとこれらにより区切られる６つの熱エネルギー非伝導
部１５ａとを備える場合であり、図２（ｂ）に示す例
は、３つの架橋部１６ａと３つの熱エネルギー非伝導部
１５ａとを備える場合であり、さらに、図２（ｃ）に示
す例は、リード線接合部１４ａが電極１３ａの端部近傍
に形成された場合であって、３つの架橋部１６ａと３つ
の熱エネルギー非伝導部１５ａとを備える場合を示して
いる。

【００２６】半田付けの際に熱エネルギー非伝導部１５
ａに付与される熱エネルギーが、電極１３ａへ伝導され
ることを大幅に抑制する。また、リード線接合部１４ａ
は円形小型に形成されるため、その熱容量は小さい。

【００２７】リード線接合部１４ａにリード線を接合す
ると、半田付けの際に付与される熱量により、熱容量の
小さなリード線接合部１４ａは短時間で所定の半田付け
温度に加熱・昇温される。また、リード線接合部１４ａ
の周囲には熱エネルギー非伝導部が設けられているた
め、加熱する必要がない電極１３ａに付与される熱量
は、架橋部１６ａによる量だけとなる。そのため、電極
１３ａの昇温量が著しく抑制される。

【００２８】これにより、電極１３ａの昇温が大幅に抑
制されて圧電体１２の電気機械変換能の劣化が回避され
るとともに、リード線接合部１４ａは容易かつ確実に所
定の半田付け温度に上昇するために半田付けを確実に行
うことができ、半田付け不良の発生が解消される。

【００２９】図３は、この超音波アクチュエータ１０を
構成する弾性体１１の接地形態を示す斜視図であり、図
４（ａ）は、弾性体１１の接地部近傍を抽出して示す断
面図，図４（ｂ）は、図４（ａ）の変形形態である。な
お、図４においては、電極１３ａ〜１３ｄは図示しな
い。また、以降の各図においては、説明の便宜上、リー
ド線接合部１４ａ〜１４ｃは図示も省略する。

【００３０】図３及び図４（ａ）に示すように、弾性体
１１の中心部には、厚さ方向に向けて貫通孔１１ｅが形
成されており、この貫通孔１１ｅに接地ピン１７が嵌め
込まれて装着される。このときに、貫通孔１１ｅにタッ
プを立てると共に、接地ピン１７の下部にネジ部を設け
ることにより、接地ピン１７をネジ込んで固定するよう
に構成してもよい。接地１７の頭部には、接地用リード
線を接続するための貫通孔１７ａが設けられる。

【００３１】電極１３ｂ，１３ｃの接地ピン側の端部
は、図３に示すように半円弧状に切り欠かかれる。ま
た、圧電体１２と接地ピン１７との間には隙間１８が確
保される。これにより、圧電体１２と接地ピン１７との
接触が防止される。

【００３２】なお、図４（ａ）に示す形状の接地ピン１
７に替えて、図４（ｂ）に示す形状の接地ピン１７−１
を用いることも可能である。この接地ピン１７−１は、
弾性体１１との嵌合部がテーパ状に形成されており、同
様にテーパ状に形成された貫通孔１１ｅに嵌まり合う。

【００３３】図５は、図３及び図４（ａ）に示す超音波
アクチュエータ１０を用いた板状材搬送装置２０を示す
斜視図であり、図６は図５におけるＥ−Ｅ断面図であ
る。なお、図５及び図６においては、電極１３ａ〜１３
ｄは図示しない。

【００３４】図３（ａ）に示すように、弾性体１１の二
つの長側面の中央部には、厚さ方向に向けて断面半円形
の溝１１ｆ，１１ｇが設けられる。弾性体１１は、溝１
１ｆ，１１ｇに挿入される支持ピン２４ａ，２４ｂによ
り、長手方向に関して位置規制される。支持ピン２４
ａ，２４ｂは、弾性体１１を覆う門型のフレーム２１の
天井面に固定されて支持される。

【００３５】フレーム２１の天井部の中央には、上部に
ネジ部２１ｂが形成された貫通孔２１ａが形成されてお
り、この貫通孔２１ａの内部に、弾性体１１の加圧部材
であるバネ２２が装着されるとともに、バネ２２のバネ
力を調整するねじ２３がねじ止めされる。ねじ２３のね
じ止め位置を調整することにより、バネ２２のバネ力が
調整される。

【００３６】バネ２２は、接地ピン１７の上部に形成さ
れた頭部に接触する。この頭部は、バネ２３のばね座と
しても機能し、部品点数の削減に寄与する。これによ
り、超音波アクチュエータ１０を、相対運動部材である
板状材２５に向けて付勢する。なお、接地ピン１７に
は、貫通孔１７ａに接地用リード線２７が装着される。

【００３７】板状材２５は、その下面を搬送用ローラ２
６により支持されるため、バネ２２が超音波アクチュエ
ータ１０を板状材２５側に向けて付勢する力により、超
音波アクチュエータ１０と板状材２５との間の加圧力が
調整される。これにより、板状材２５は、超音波アクチ
ュエータ１０によって、その長手方向に駆動される。こ
のようにして、板状材２５は搬送される。

【００３８】（変形形態）第１実施形態の説明では、振
動アクチュエータとして、超音波の振動域を利用した超
音波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
はない。他の振動域を利用した振動アクチュエータにつ
いても、等しく適用することが可能である。

【００３９】また、第１実施形態の説明では、電気機械
変換素子として圧電素子を用いたが、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は限定されない。
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、例えば電歪素
子を例示することができる。

【００４０】また、第１実施形態において、リード線接
合部の形状は、電極との間に熱エネルギーの非伝導部を
有する形状であれば、様々な変形態様が考えられるので
あって、それらの変形態様も本発明の範囲に包含され
る。

【００４１】また、第１実施形態の説明は、弾性体に１
次の縦振動と４次の屈曲振動とを発生する超音波アクチ
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、他
の振動モードを利用した超音波アクチュエータについて
も等しく適用することができる。例えば、図７に示すよ
うに、矩形平板状の弾性体３１の一方の平面に圧電体３
２を装着し、この圧電体３２の表面の所定の位置に、振
動発生用電極３３ａ，３３ｂと、振動検出用圧電体３４
ａ，３４と装着することにより構成される超音波アクチ
ュエータ３０を示すことができる。この振動アクチュエ
ータ３０では、弾性体３１に１次の縦振動と２次の屈曲
振動とを発生することが可能である。

【００４２】このような振動アクチュエータ３０につい
ても、前述した「第五回電磁力関連のダイナミックシン
ポジウム講演論文集）等において公知であるため、これ
以上の説明は省略する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の超音波アクチュエータの説明図
であって、図１（ａ）は弾性体１１に発生する４次の屈
曲振動の一例を示す説明図，図１（ｂ）は弾性体の正面
図，図１（ｃ）は上面図である。

【図２】図２（ａ），図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、い
ずれも、第１実施形態の超音波アクチュエータにおける
電極のリード線接合部を拡大して示す上面図である。

【図３】第１実施形態の超音波アクチュエータを構成す
る弾性体の接地形態を示す斜視図である。

【図４】図４（ａ）は、第１実施形態における弾性体の
接地部近傍を抽出して示す断面図，図４（ｂ）は、図４
（ａ）の変形形態である。

【図５】図３及び図４（ａ）に示す超音波アクチュエー
タを用いた板状材搬送装置を示す斜視図である。

【図６】図５におけるＥ−Ｅ断面図である。

【図７】変形形態の超音波アクチュエータの構成例を示
す説明図である。

【図８】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。

【符号の説明】１０超音波アクチュエータ１１弾性体１１ｃ，１１ｄ駆動力取出部１２圧電体１３ａ〜１３ｄ電極１４ａ〜１４ｄリード線接合部１５ａ熱エネルギー非伝導部１６ａ架橋部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と、前記弾性体に装着されて縦振
動及び屈曲振動を調和的に発生する電気機械変換素子
と、前記電気機械変換素子に装着されて電気エネルギー
の授受に用いられる電極とを備える振動アクチュエータ
であって、前記電極には、部分的に、電気エネルギー送給部材を接
合する接合部が設けられており、前記接合部は、前記弾性体に関して、前記屈曲振動の節
位置に略一致する位置に存在することを特徴とする振動
アクチュエータ。
【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、前記接合部は、その周囲の一部に熱エネルギー非伝導部
を有することを特徴とする振動アクチュエータ。