JP2001086773A

JP2001086773A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JP2001086773A
Application number: JP25787299A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Okazaki; 光宏岡崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で、相対運動部材の位置決め精度が高
く、相対運動部材の駆動が円滑である振動アクチュエー
タを提供する。【解決手段】放射方向に伸縮する径方向対称伸び振動
モードと、同一面内で非軸対称に屈曲する非軸対称面内
振動モードとを同時に発生する振動子（４６）を用いた
振動アクチュエータにおいて、振動子を支持する支持ユ
ニットを備え、非軸対称面内振動モードの振動面と直交
する方向に、振動子（４６）に対して支持ユニット（４
１，４２，４３，４４，４５）を積層する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、径方向対称伸び振
動モードと非軸対称面内振動モードとを利用した振動ア
クチュエータに関し、特に、振動子の支持機構に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の振動アクチュエータは、
中心から外周方向に向かって伸びる（放射方向に伸縮す
る）径方向対称伸び振動モードと、同一面内で非軸対称
に屈曲する非軸対称面内振動モードとを同時に発生する
ドーナツ板状の振動子を用いた構造のものが、「（Ｒ，
１）−（（１，１））モード圧電円環利用超音波リニア
モータの特性改善（高野、富川；第１２回強誘電体応
用会議講演予稿集Ｐ．７９−８０）」、「新版超音
波モータ（上羽、富川著；トリケップス、Ｐ．２２−２
３，Ｐ．６７−６８）」や特公平６−２６９９４号等に
開示されており、薄型構造に適し、高速、高推力等の特
徴を備えるものである。（振動子の構造）図５は、径方向対称伸び振動モードと
非軸対称面内振動モードとを利用したアクチュエータの
振動子を示す図である。

【０００３】振動子１０は、圧電素子１１と、電極１２
等とを備えている。圧電素子１１は、例えば、ＰＺＴな
どの圧電材料をドーナツ板形状に成形し、全面を板厚方
向に分極したものである。このドーナツ板形状は、径方
向対称伸び振動モード（Ｒ、１）と非軸対称面内振動モ
ード（（１，１））との共振周波数がほぼ等しくなるよ
うに設計、製造されている。

【０００４】この圧電素子１１は、表面には、扇形の第
１、第２電極１２ａ、１２ｂが形成されており［図５
（Ａ）］、裏面には、ほぼ全面に第３の電極１２ｃが形
成されている［図５（Ｂ）］。振動子１０は、発振器、
移相器、増幅器等を含む駆動電圧発生回路によって、第
１の電極１２ａには、第１の交流電圧が印加される。ま
た、第２の電極１２ｂには、第１の交流電圧とは電気的
に位相が（π／２）だけ異なる第２の交流電圧が印加さ
れる。裏面の第３の電極１２ｃは、ＧＮＤ電位に接続さ
れる。

【０００５】この振動子１０は、交流電圧の周波数を２
つの振動モードの共振周波数に近づけることによって、
２つのモードで共振し、径方向対称伸び振動と、非軸対
称面内振動とが同時に発生する。径方向対称伸び振動
（Ｒ，１）は、図５（Ｃ）に示すように、Ａ点を節とし
た放射方向（径方向）の対称な伸縮振動であり、Ｃ１，
Ｃ２点では、径方向の成分Ｕｒをもつ。

【０００６】また、非軸対称面内振動（（１，１））
は、図５（Ｄ）に示すように、Ｂ１，Ｂ２点を節とし
て、破線で示すように、同一面内で潰れる（ひしゃげ
る）ような歪みを、図５（Ｄ）の左右に繰り返す屈曲振
動であり、円周上のＣ１，Ｃ２点では、矢印方向の変位
成分Ｕθをもつ。そして、振動子１０は、Ｃ１，Ｃ２点
（駆動力取出部）の位置に、２つの振動が合成された変
位として、図５（Ａ）に示すような楕円運動が発生す
る。（振動アクチュエータの構成）図６は、従来の振動アク
チュエータの構成を説明する図である。相対運動部材３
０は、図示しないガイド機構及び加圧機構によって、ｘ
方向に移動自由かつ振動子１０の摺動材１３に加圧接触
している。マット１９は、弾性部材で形成され、中央孔
１９ａが設けられたリング状の一対のマットである。ベ
ース２０は、ネジ孔２０ａが設けられたベース板であ
る。カラー部材３６は、中央孔１９ａの内径よりも外径
が小さく、一端には、フランジ部３６ａが形成されてい
る。フランジ部３６ａ〜ベース２０間の高さ（＝カラー
部材３６の円筒部の長さ）は、両マット１９と振動子１
０の合計の厚みよりもやや小さい。ネジ３７は、カラー
部材３６，マット１９，振動子１０を共締めして固定す
るネジである。

【０００７】このような構成において、下方のマット１
９、振動子１０および上方のマット１９を順にベース２
０に載置し、それぞれの中央孔内にカラー部材３６を挿
通させ、ネジ２４をカラー部材３６内に挿通させて、ネ
ジ孔２０ａにねじ込むことによって、フランジ部３６ａ
によって振動子１０は、マット１９を介してベース２０
とフランジ部３６ａとに挟持される。このとき、カラー
部材３６のフランジ部３６ａまでの高さが両マット１９
と振動子１０の合計の厚みよりもやや小に形成されてい
るので、振動子１０は、両マット１９の弾性変形で生じ
る圧接力によって振動子１０の面外方向の動きが規制さ
れている。また、振動子１０のｘ方向およびｙ方向の動
きは、カラー部材３６によって規制されている。さら
に、ｚ軸回転の動きは、マット１９と振動子１０の摩擦
力によって規制されている。（振動アクチュエータの動作）前述のように、駆動電圧
発生装置によって、第１，第２の電極１２ａ，１２ｂ
に、第１，第２の交流電圧が印加されると、摺動材１３
を設けた位置で楕円運動が発生する。このとき、相対運
動部材３０は、摺動材１３に加圧接触しているので、摺
動面１３ａと相対運動部材３０との間には、相対運動部
材３０の移動方向に摩擦力が発生し、相対運動部材３０
の直進駆動力を得ることができる。

【０００８】第１，第２の交流電圧の位相差を、π／２
から−π／２に変更すると、直進方向を反転させること
ができる。また、駆動周波数を振動子の共振周波数に近
づけたり、遠ざけたりすることによって、直進動作の速
度の増減をすることができる。この速度の増減は、交流
電圧の電圧を増減することによっても可能である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の振動ア
クチュエータは、相対運動部材３０を加圧手段４０等に
より振動子１０に加圧していたため、相対運動部材３０
は駆動方向と加圧方向に自由度を持っており、加圧方向
の自由度により、相対運動部材３０の駆動が円滑に行え
なかった。

【００１０】また、長時間使用すると、摺動材１３の摩
擦により相対運動部材３０の位置が変化していた。その
ため、相対運動部材３０の位置決め精度が悪く、高精度
な位置決めが必要とされる用途には適さなかった。さら
に、振動子の外周にある加圧部材４０等により相対運動
部材３０を加圧するため、振動アクチュエータ全体の大
きさが大型であり小型装置に内蔵する用途には、適さな
かった。

【００１１】本発明の目的は、小型で、相対運動部材の
位置決め精度が高く、相対運動部材の駆動が円滑である
振動アクチュエータを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下のような
解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容
易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付し
て説明するが、本発明はこれに限定されるものではな
い。すなわち、請求項１記載の発明は、放射方向に伸縮
する径方向対称伸び振動モードと、同一面内で非軸対称
に屈曲する非軸対称面内振動モードとを同時に発生する
振動子（４６）を用いた振動アクチュエータにおいて、
振動子を支持する支持ユニットを備え、非軸対称面内振
動モードの振動面と直交する方向に、振動子（４６）に
対して支持ユニット（４１，４２，４３，４４，４５）
を積層したことを特徴とする振動アクチュエータ。

【００１３】請求項２の発明は、支持ユニット（４１，
４２，４３，４４，４５）は、振動子（４６）を支持す
る支持部材（４２，５１，５２，５３）と、振動子（４
６）を付勢する付勢部材（４４）とを含み、支持部材
（４２，５１，５２，５３）を前記径方向対称伸び振動
モードの振動方向と平行な方向で、かつ所定方向のみに
移動可能にガイドするガイド部材（４３）を備え、支持
部材（４２，５１，５２，５３）を介して振動子（４
６）を付勢することを特徴とする請求項１記載の振動ア
クチュエータである。

【００１４】請求項３の発明は、支持部材（４２，５
１，５２，５３）および付勢部材（４４）は、前記振動
子の前記振動方向と直交する投影空間内に設けられてい
ることを特徴とする請求項１〜２記載の振動アクチュエ
ータである。請求項４記載の発明は、付勢部材（４４）
は、支持部材（４２，５１，５２，５３）の所定方向に
延在する面に沿って設けられていることを特徴とする請
求項１〜３記載の振動アクチュエータである。

【００１５】請求項５記載の発明は、付勢部材（４４）
は、支持部材（４２，５１，５２，５３）の所定方向に
対向して延在する複数の面に沿って設けられていること
を特徴とする請求項４記載の振動アクチュエータであ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下図面等を参照して、本発明の
実施の形態について、さらに詳しく説明する。（第１実施形態）図１、２は、本発明による振動アクチ
ュエータの第１実施形態を説明する図である。図１は駆
動状態を表す全体図であり、第２図（ａ）は振動アクチ
ュエータの支持装置を表す組立上面図、図２（ｂ）は組
立前面図である振動子４６には、銀電極１０１ａ、１０
１ｂ、摺動材９９が設けられており、不図示の駆動回路
から不図示の端子を介して駆動信号が入力される。駆動
信号が入力された振動子４６は径方向対称伸びモードと
非軸対称面内振動モードが調和的に発生し、摺動材９９
の移動子４７と対向する面に楕円運動が発生する。振動
子４６はネジ４９により支柱５１に固定されている。振
動子４６は、可動ブロック４２に設けられた台座５２の
上に載置され、振動子４６の厚さよりやや低い高さと振
動子４６の内径とほぼ同じ径とを有する支柱部５１にネ
ジ４９で固定されている。ネジ４９は振動子４６を内径
上部円周部で固定しているため、ガタの発生がなく、か
つ振動を阻害せずに振動子４６を固定することができ
る。

【００１７】可動ブロック４２はベース４１上に設置さ
れており、可動ブロック４２とベース４１とはともに振
動子４６の非軸対称面内振動モードの振動面と直交する
方向に積層されている。また、可動ブロック４２は、ガ
イド４３の嵌合面４３ａ〜４３ｄで決められる所定の方
向にのみ移動可能になっている。さらに、ベース４１と
対向する方向にはストッパー４５が設けられ可動ブロッ
クが嵌合面４３ａ〜４３ｄから離れることを防止してい
る。

【００１８】可動ブロック４２とガイド４３の間には、
バネ４４がガイド４３の嵌合面４３ａ，４３ｂおよび嵌
合面４３ｃ，４３ｄの両面で決められる所定の方向に沿
って設けられている。バネ４４は一端をガイド４３に規
制され、他端を可動ブロック４２に押しつけているた
め、可動ブロック４２に固定された振動子４６はバネ４
４の付勢力によって相対運動部材である移動子４７へ付
勢されている。バネ４４がガイド４３の嵌合面４３ａ〜
４３ｄで決められる所定の方向に沿って配置されている
ため、バネ４４による付勢力は効率よく振動子４６に伝
えることができる。また、バネ４４が嵌合面４３ａ，４
３ｂおよび嵌合面４３ｃ，４３ｄの両面に沿って設置さ
れているため片当たりせずに滑らかに付勢することがで
きる。さらに、バネ４４は駆動点（摺動材９９と移動子
４７の接点）に近い位置で付勢しているので、付勢方向
がずれた場合も損失を低く押さえることができる。つま
り、バネ４４の付勢力にバラツキがあっても影響を受け
難くなっている。

【００１９】一方、移動子４７はリニアガイド４８によ
ってベース４１の上面とほぼ平行で振動子４６の駆動力
の方向に沿って移動自在に支持されている。本実施形態
では、バネ４４は振動子４６の径方向対称伸びモードお
よび非軸対称面内振動モードの振動方向と直交する投影
面内に設けたが投影面近傍に設けることもできる。（第２実施形態）図３は、本発明の第２実施形態を表す
図であり、図３（ａ）は振動アクチュエータの支持装置
を表す組立上面図、図３（ｂ）は組立前面図、図３
（ｃ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本実施形態
における振動子６の支持固定方法及び振動子の付勢方法
は第１実施と同じなので説明を省略する。

【００２０】本実施が第１実施と異なる点は、可動ブロ
ック６２のガイドの仕方である。本実施形態では、ガイ
ド６３の嵌合面６３ａ〜６３ｄを凹面とし、可動ブロッ
ク６２の嵌合面６３ａ〜６３ｄと嵌合する面を凸面とし
たことである。ガイド６３と可動ブロック６２の嵌合が
凹凸によるはめあいによって行われるため、第１実施で
は必要であったストッパー４５が不要となり、コストダ
ウンが図られる。また、ガイド６３と可動ブロック６２
の嵌合が凹凸によるはめあいによって行われるためベー
ス６１を傾けて使用しても常に滑らかな加圧がなされ
る。本実施では、凹面および凸面を滑らかな面とした
が、段差を設けることでも同様な効果を得ることができ
る。（第３実施形態）図４は、本発明の第３実施形態を表す
図であり、図４（ａ）は振動アクチュエータの支持装置
を表す組立上面図、図４（ｂ）は組立前面図、図４
（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。本実施形態
における振動子４６の支持固定方法は第１、２実施と同
じなので説明を省略する。

【００２１】本実施形態が第１，２実施と異なるのは可
動ブロック８２と接するベース８１にガイド溝９０を設
け、可動ブロック８２にガイド溝９０と係合する係合爪
８５を設けた点である。本実施例では、バネ４４をガイ
ド溝９０内に設置し可動ブロック８２の係合爪８５を付
勢している。本実施例では係合爪８５の加圧方向の長さ
を長くすることにより、可動ブロック８２のガタを抑え
ているが、係合爪８５を加圧方向に複数設けることによ
ってさらにガタを抑えることができる。その場合、係合
爪８５にバネを通すための貫通孔を設けことができる。

【００２２】また、本実施例では可動ブロック８２の自
重により係合爪８５がガイド溝９０から離れることを防
いでいるが、ベース８１を傾けて使用する場合は、例え
ば第１実施形態と同様にストッパーを設ければよい。（変形形態）以上説明した実施形態に限定されることな
く、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明
の均等の範囲である。（１）各実施では、バネの両端に接する部材を引き離す
方向での付勢力を利用したが、バネの両端に接続される
部材を引きつける方向での付勢力を利用してもよい。（２）各実施では、付勢部材としてバネを利用したがゴ
ム利用してもよく、滑車を介して重りに働く重力を利用
して付勢する付勢手段を用いても良い。

【００２３】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば面内振動する振動子をその面内方向に移動（変位）
可能なように支持し、振動子側から加圧したので、相対
運動部材に不要なガタを発生させることなく、円滑に動
作することのできる振動アクチュエータを得ることがで
きる。

【００２４】さらに、本発明によれば振動アクチュエー
タを小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を説明する図である。

【図２】本発明の第１実施形態の支持ユニットを説明す
る図である。

【図３】本発明の第２実施形態の支持ユニットを説明す
る図である。

【図４】本発明の第３実施形態の支持ユニットを説明す
る図である。

【図５】振動子の従来例を示す図である。

【図６】振動アクチュエータの従来例を示す図である。

【符号の説明】

４１，６１，８０ベース４２，６２，８２可動ユニット４３，６３ガイド４４バネ４６，１０振動子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放射方向に伸縮する径方向対称伸び振動
モードと、同一面内で非軸対称に屈曲する非軸対称面内
振動モードとを同時に発生する振動子を用いた振動アク
チュエータにおいて、前記振動子を支持する支持ユニットを備え、前記非軸対称面内振動モードの振動面と直交する方向
に、前記振動子に対して前記支持ユニットを積層したこ
とを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】前記支持ユニットは、前記振動子を支持す
る支持部材と、前記振動子を付勢する付勢部材とを含
み、前記支持部材を前記径方向対称伸び振動モードの振動方
向と平行な方向で、かつ所定方向のみに移動可能にガイ
ドするガイド部材を備え、前記支持部材を介して前記振動子を付勢することを特徴
とする請求項１記載の振動アクチュエータ。
【請求項３】前記支持部材および前記付勢部材は、前
記振動子の前記振動方向と直交する投影空間内に設けら
れていることを特徴とする請求項１〜２記載の振動アク
チュエータ。
【請求項４】前記付勢部材は、前記支持部材の前記所
定方向に延在する面に沿って設けられていることを特徴
とする請求項１〜３記載の振動アクチュエータ。
【請求項５】前記付勢部材は、前記支持部材の前記所
定方向に対向して延在する複数の面に沿って設けられて
いることを特徴とする請求項４記載の振動アクチュエー
タ。