JPH1094277A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の振動アクチュエータでは、弾性体の一
方の平面に駆動力取出部を設けるため、駆動力取出部を
設けた分だけ振動アクチュエータ全体の厚さが厚くなっ
てしまう。 【解決手段】 駆動力取出部１２ａ，１２ｂを設けられ
る弾性体１２と，駆動力取出部１２ａ，１２ｂを介して
弾性体１２に加圧された状態で面接触する移動子１７
ａ，１７ｂとを備え、弾性体１２に屈曲振動及び縦振動
を発生してこれらの合成である楕円運動を生じることに
より、弾性体１２と移動子１７ａ，１７ｂとの間で相対
運動を発生する超音波アクチュエータ１０であって、駆
動力取出部１２ａ，１２ｂの移動子１７ａ，１７ｂとの
接触面が、屈曲振動及び縦振動それぞれの振動方向に対
して傾斜するように、形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、第１振動及び第２
振動を発生する振動子と、この振動子に加圧接触する相
対運動部材とを備え、振動子と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、弾性体と弾性体に装着される
電気機械変換素子とにより構成される振動子に駆動電圧
を印加して第１振動（屈曲振動）及び第２振動（縦振
動）を調和的に発生させ、振動子の表面に楕円運動を発
生させることにより、振動子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としては、
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６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正面図である。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１０
１に、長手方向への４次の屈曲振動と長手方向へ伸縮す
る１次の縦振動とを発生する。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
腹位置は、駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂとして機能
する。駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂには、弾性体１
０１に発生する屈曲振動及び縦振動の合成振動である楕
円運動が発生する。

【０００６】図６に示す例では、弾性体１０１と圧電体
１０２ａ，１０２ｂとにより、振動子１０３が構成され
る。この振動アクチュエータ１００では、弾性体１０１
に発生する４次の屈曲振動、及び１次の縦振動それぞれ
の固有振動数が非常に近い値になるように設計される。
そのため、それぞれの固有振動数に近い周波数の交流電
圧を２相印加することにより、２つの振動を調和した状
態で発生させることができる。

【０００７】弾性体１０１に形成される駆動力取出部１
０１ａ，１０１ｂの端面は、弾性体１０１に発生する屈
曲振動の振動方向（図面上の上下方向）と直交する方向
に平面状に形成される。

【０００８】この駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂに、
相対運動部材であるローラ状の移動子１０４ａ，１０４
ｂが回転自在に支持された状態で接触する。さらに、弾
性体１０１は、固定部１０５に保持された支持部材１０
６と弾性体１０１及び固定部１０５の間に設置される付
勢部材１０７とを介して支持される。これにより、弾性
体１０１は、移動子１０４ａ，１０４ｂに向けて適宜圧
力で加圧接触される。

【０００９】このようにして、弾性体１０１の駆動力取
出部１０１ａ，１０１ｂに発生する楕円運動が移動子１
０４ａ，１０４ｂに伝搬され、弾性体１０１と移動子１
０４ａ，１０４ｂとの間で相対運動が発生する。

【００１０】なお、この振動アクチュエータ１００は、
弾性体１０１に発生する屈曲振動及び縦振動それぞれの
固有振動数が非常に近い値になるように設計される。し
たがって、２つの固有振動数に近い周波数の交流電圧
を、圧電体１０４ａ，１０４ｂにそれぞれ印加すること
により、屈曲振動及び縦振動を調和させること（合成振
動である楕円運動を発生すること）ができ、弾性体１０
１と移動子１０４ａ，１０４ｂとの間で相対運動を発生
することができる。

【００１１】このように従来の振動アクチュエータ１０
０では、駆動力取出部１０１ａ，１０１ｂの移動子１０
４ａ，１０４ｂとの接触面は、弾性体１０１に発生する
屈曲振動，縦振動それぞれの振動方向に対して、平行と
なる方向又は垂直となる方向を指向して、設けられてい
た。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の振動ア
クチュエータでは、弾性体１０１の一方の平面に駆動力
取出部１０１ａ，１０１ｂを設けこの駆動力取出部１０
１ａ，１０１ｂに移動子１０４ａ，１０４ｂを接触させ
るため、移動子１０４ａ，１０４ｂを設けた分だけ振動
アクチュエータ１００全体の厚さが厚くなってしまう。
そのため、小型化が可能であるという振動アクチュエー
タ１００の大きな長所が失われてしまうという課題があ
った。

【００１３】なお、振動アクチュエータ１００の厚さを
できるだけ抑制して駆動力取出部を形成する手段とし
て、駆動力取出部を弾性体１０１の側面に設ける手段も
考えられる。図７は、このような手段による振動アクチ
ュエータ２００の構成を示す正面図である。

【００１４】図７に示す振動アクチュエータ２００によ
れば、弾性体１０１と駆動力取出部１０１ｃ，１０１ｄ
との位置関係により、振動アクチュエータ２００は厚さ
方向には確かに薄くなるものの、移動子１０４ａ，１０
４ｂの駆動に屈曲振動を利用するとともに、弾性体１０
１と移動子１０４ａ，１０４ｂとの間の駆動力の断続に
縦振動を用いることになる。そのため、移動子１０４
ａ，１０４ｂを縦振動の振動方向（図面上の左右方向）
に移動させる機構を設ける必要がある。

【００１５】図７に示す振動アクチュエータ２００で
は、移動子１０４ａ，１０４ｂをバネ１０８により連結
し、バネ１０８のバネ力により、移動子１０４ａ，１０
４ｂを移動させるように構成している。そのため、振動
アクチュエータ２００全体の構造が複雑化してしまうと
いう課題があった。

【００１６】さらに、一般的に、図６及び図７に示す構
造の振動アクチュエータでは、駆動力取出部１０１ａ，
１０１ｂ（１０１ｃ，１０１ｄ）に発生する楕円運動
は、弾性体１０１の振動面に対してある角度α（０°＜
α＜９０°）だけ傾いた状態で発生する。そのため、弾
性体１０１に発生する楕円運動の長径又は短径が、駆動
力取出部１０１ａ，１０１ｂ（１０１ｃ，１０１ｄ）の
移動子１０４ａ，１０４ｂとの接触面と一致していな
い。そのため、弾性体１０１に発生する楕円運動が無駄
なく移動子１０４ａ，１０４ｂには伝達されず、駆動力
の取出効率が理想的な状態よりも低下してしまうという
課題があった。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
め、請求項１の本発明は、駆動力取出部を設けられる振
動子と，駆動力取出部を介して振動子に加圧された状態
で接触する相対運動部材とを備え、振動子に第１振動及
び第２振動を発生してこれらの合成運動を生じることに
より、振動子と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、駆動力取出部が設けら
れており、相対運動部材と接触する部分が、第１振動及
び第２振動それぞれの振動方向に対して傾斜するよう
に、形成されることを特徴とする。

【００１８】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、駆動力取出部の相対運動
部材との接触面が、楕円運動の長径方向又は短径方向と
略平行な方向に、形成されることを特徴とする。

【００１９】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、振動子と相
対運動部材とが、楕円運動の長径方向と略同一な方向に
加圧されるとともに、楕円運動の短径方向が、相対運動
の方向と略同一な方向であることを特徴とする。

【００２０】請求項４の発明は、請求項３に記載された
振動アクチュエータにおいて、駆動力取出部が、振動子
の一方の平面に、又は振動子の側面に形成されることを
特徴とする。

【００２１】請求項５の発明は、請求項１から請求項４
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、第１振動が屈曲振動であるとともに、第２振動
が縦振動であることを特徴とする。

【００２２】

【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。

【００２３】図１は、本発明の第１実施形態にかかる超
音波アクチュエータ本体の構造を示す斜視図であり、図
２は、この超音波アクチュエータの構造を示す正面図で
ある。さらに、図３は、この超音波アクチュエータを搭
載機器の固定部に固定保持した状態を示す正面図であ
る。

【００２４】図１〜図３に示すように、本実施形態にお
ける超音波アクチュエータ１０の本体をなす振動子１１
は、矩形平板状の弾性体１２と、この弾性体１２の一方
の平面に例えば接着により装着される４枚の圧電体１２
ａ，１２ｂ，１２ｐ，１２ｐ’とにより、構成される。

【００２５】弾性体１２は、例えば金属材料又はプラス
チック材料等の弾性材料からなる。弾性体１２は略矩形
平板状に形成されており、長手方向の両端面１２ａ，１
２ｂは、平面部に対して所定の角度α（α：０°超９０
°未満，９０°超１８０°未満）を有する傾斜面として
形成される。本実施形態の超音波アクチュエータ１０で
は、この傾斜面１２ａ，１２ｂが駆動力取出部として用
いられる。

【００２６】また、弾性体１２の長手方向中央部には、
その４面について溝部１２ｃが設けられており、小断面
積部が形成される。この溝部１２ｃは、後述する連結部
材１４と係合することにより、相対運動時に弾性体１２
が位置ずれすることを防止するために形成される。

【００２７】弾性体１２の一方の平面に装着される圧電
体１３ａ，１３ｂには、電気的に位相が９０度異なる２
相の交流電圧が印加される。また、圧電体１３ｐ，１３
ｐ’は弾性体１２に発生する振動の状態をモニタするた
めの圧電体であり、図４を参照しながら後述する制御回
路に接続される。また、弾性体１２本体はＧＮＤ電位に
接続される。

【００２８】このように構成された超音波アクチュエー
タ１０の振動子１１においては、圧電体１３ａ，１３ｂ
に電気的に位相が９０度異なる２相の交流電圧を印加す
ることにより、弾性体１２の駆動力取出部１２ａ，１２
ｂに楕円運動が発生する。

【００２９】また、弾性体１２は、搭載機器のハウジン
グ１５に設置された連結部材１４によりに固定保持され
ており、また、ハウジング１５と振動子１１との間には
加圧用バネ１６が装着される。これにより、弾性体１２
の駆動力取出部１２ａ，１２ｂが、相対運動部材である
移動子１７ａ，１７ｂに加圧される。

【００３０】このように、この駆動力取出部１２ａ，１
２ｂには、相対運動部材であるローラ状の移動子１７
ａ，１７ｂが加圧接触される。移動子１７ａ，１７ｂ
は、図示しない軸支機構によって回転自在に支持され
る。

【００３１】このように、弾性体１２に形成された駆動
力取出部１２ａ，１２ｂと移動子１７ａ，１７ｂとを加
圧接触させることにより、両者の摩擦により、駆動力取
出部１２ａ，１２ｂから駆動力が移動子１７ａ，１７ｂ
に伝搬されて、移動子１７ａ，１７ｂが回転駆動され
る。

【００３２】図４は、本実施形態の超音波アクチュエー
タ１０の駆動回路２０を示すブロック図である。駆動回
路２０は、駆動信号を発振する発振器２１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２
２と、圧電体１３ａに入力する駆動信号を増幅する増幅
器２３と、圧電体１３ｂに入力する駆動信号を増幅する
変換された駆動信号を増幅する増幅器２４とを備える。

【００３３】圧電体１３ｐ，１３ｐ’により検出された
振動変位は電気信号として制御回路２５に送られる。制
御回路２５では、検出された変位量に基づき、補正信号
を発振器２１に送り、発振器２１から出力される駆動信
号が適正化される。

【００３４】このような制御回路２０により、圧電体１
３ａ，１３ｂ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１２には屈曲振動及び縦振
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１２の駆動力取出部１２ａ，１２ｂに発生
する。

【００３５】本実施形態の超音波アクチュエータ１０に
よれば、弾性体１２に形成された駆動力取出部１２ａ，
１２ｂは、弾性体１２に発生する屈曲振動又は縦振動の
振動方向と水平方向又は垂直方向ではなくなるととも
に、駆動力取出部１２ａ，１２ｂにおける楕円運動の短
径方向を指向する。したがって、弾性体１２の駆動力取
出部１２ａ，１２ｂと移動子１７ａ，１７ｂとの加圧方
向が、楕円運動の長径方向となり、超音波アクチュエー
タ１０の駆動力が向上する。また、楕円運動の短径方向
が駆動方向となり、低速な駆動に適するようになる。

【００３６】このように、本実施形態の超音波アクチュ
エータ１０によれば、弾性体１２の側面に移動子１７
ａ，１７ｂを配置することができるため、超音波アクチ
ュエータ１０全体の薄型化を図ることが可能になる。ま
た、出力の取出効率に優れた超音波アクチュエータを実
現することも可能になる。

【００３７】（第２実施形態）図５は、第２実施形態の
超音波アクチュエータ１０−１の構造を示す正面図であ
る。なお、第２実施形態の超音波アクチュエータ１０−
１は、第１実施形態と殆どの部分で共通するため、共通
する部分に同一の図中符号を付すことにより重複する説
明を省略し、相違する部分だけを説明することとする。

【００３８】図５に示すように、第２実施形態の超音波
アクチュエータ１０−１では、ハウジング１５で弾性体
１２を支持するのではなく、断面コの字型のハウジング
１５−１により、連結部材１４及び加圧用バネ１６を介
して、弾性体１２をハウジング１５−１の開口部側に向
けて付勢した状態で支持する。また、ハウジング１５−
１の開口部側の２ヵ所に、移動子であるローラ１７ａ，
１７ｂが回転自在に支持される。

【００３９】本実施形態では、このローラ１７ａ，１７
ｂに弾性体１２の駆動力取出部１２ａ，１２ｂが加圧接
触されており、弾性体１２に発生する楕円運動がローラ
１７ａ，１７ｂに伝搬される。

【００４０】超音波アクチュエータ１０−１は、ローラ
１７ａ，１７ｂを介して相対運動部材である固定面１８
上に搭載される。そのため、弾性体１２に発生する振動
により、超音波アクチュエータ１０−１は固定面１８上
を自走することができる。

【００４１】（変形形態）以上詳細に説明した各実施形
態では、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
るものではなく、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できる。

【００４２】また、各実施形態では、第１振動として屈
曲４次振動を、第２振動として縦１次振動をそれぞれ利
用した振動子を用い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く、他の振動を利用した超
音波アクチュエータについても等しく適用される。

【００４３】また、各実施形態の説明では、振動子の側
面に駆動力取出部を形成したが、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、振動子の圧電体非装着面側に形成するようにしても
よい。この場合、振動子の圧電体非装着面側の平面に駆
動力取出部を突起状に形成し、この駆動力取出部の底面
である相対運動部材との接触面に傾斜面を形成する形態
を例示することができる。

【００４４】さらに、各実施形態の説明では、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
きるものであればよい。例えば、電歪素子や磁歪素子等
を例示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる超音波アクチュ
エータ本体の構造を示す斜視図である。

【図２】第１実施形態にかかる超音波アクチュエータの
構造を示す正面図である。

【図３】第１実施形態にかかる超音波アクチュエータを
搭載機器の固定部に固定保持した状態を示す正面図であ
る。

【図４】第１実施形態にかかる超音波アクチュエータの
駆動回路のブロック図である。

【図５】第２実施形態の超音波アクチュエータの構造を
示す正面図である。

【図６】従来の振動アクチュエータの一例の構成を示す
正面図である。

【図７】従来の振動アクチュエータにおいて、振動アク
チュエータの厚さをできるだけ抑制して駆動力取出部を
形成する手段を示す正面図である。

【符号の説明】

１０，１０−１ 超音波アクチュエータ（振動アクチュ
エータ） １１ 振動子 １２ 弾性体 １２ａ，１２ｂ 駆動力取出部（両端面，傾斜面） １２ｃ 溝部 １３ａ，１３ｂ 駆動用圧電体 １３ｐ，１３ｐ’ 振動モニタ用圧電体 １４ 支持部材 １５，１５−１ ハウジング １６ 加圧用バネ １７ａ，１７ｂ 移動子（相対運動部材） １８ 固定面 ２０ 駆動回路 ２１ 発振器 ２２ 移相器 ２３ 増幅器 ２４ 増幅器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動力取出部を設けられる振動子と，前
   記駆動力取出部を介して前記振動子に加圧された状態で
   接触する相対運動部材とを備え、前記振動子に第１振動
   及び第２振動を発生してこれらの合成運動を生じること
   により、前記振動子と前記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、 前記駆動力取出部が設けられており、前記相対運動部材
   と接触する部分は、前記第１振動及び前記第２振動それ
   ぞれの振動方向に対して傾斜するように、形成されるこ
   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、 前記接触面は、前記楕円運動の長径方向又は短径方向と
   略平行な方向に、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、 前記振動子と前記相対運動部材とは、前記楕円運動の長
   径方向と略同一な方向に加圧されるとともに、前記楕円
   運動の短径方向は、前記相対運動の方向と略同一な方向
   であ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３に記載された振動アクチュエー
   タにおいて、 前記駆動力取出部は、前記振動子の一方の平面に、又は
   前記振動子の側面に形成されることを特徴とする振動ア
   クチュエータ。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４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、 前記第１振動は屈曲振動であるとともに、前記第２振動
   は縦振動であることを特徴とする振動アクチュエータ。