JP2001086774A

JP2001086774A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JP2001086774A
Application number: JP25879399A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Miwa; 聡三輪; Takeshi Matsumoto; 豪松本; Isao Sugaya; 功菅谷; Nobuyoshi Nasu; 信義那須
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】振動子に発生する振動を抑制せずに、その振
動子を強固に支持することができ、しかも、高精度な位
置制御を可能とする。【解決手段】振動子１０は、圧電素子１１の裏面に、
その圧電素子１１の振動を抑制しないような厚さの薄板
状支持部材４１が取り付けられている。この薄板状支持
部材４１は、振動子１０の裏面の内周側に接着剤などで
接合される環状の振動子側取付部４１ａと、固定部材２
３に固定支持する環状の固定側取付部４１ｂと、振動子
側取付部４１ａと固定側取付部４１ｂとを放射方向で連
結し、バネ性を持たせるための４本の連結部４１ｃとか
らなり、固定側取付部４１ｂの内側が取付孔４１ｄとな
っており、固定部材２３に固定支持されている。

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、振動子の固定支持構造を改
良した振動アクチュエータ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。

【０００３】（振動子の構造）図７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
アクチュエータの振動子の従来例を示す図である。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
ドーナツ板形状に形成し、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））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の電極１２ａ，１２ｂが形成されており［図７
（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７（Ｂ）］。

【０００５】振動子１０は、発振器，移相器，増幅器等
を含む駆動電圧発生装置によって、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１
２ｂ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。

【０００６】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。

【０００７】径方向対称伸び振動（Ｒ，１）は、図７
（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。また、非軸対称面内振動（（１，
１））は、図７（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）ような変形を、図７（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７（Ａ）に示すような楕円運動が発生す
る。

【０００８】（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１２
ａ，１２ｂに、第１，第２の交流電圧が印加されると、
Ｃ１，Ｃ２点（駆動力取出部）の位置で楕円運動が発生
する。このとき、振動子４０の摺動面と相対運動部材３
０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。

【０００９】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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の振動アクチュエータでは、振動子１０の２つの振動モ
ードの節（Ａ，Ｂ１，Ｂ２）は、図７（Ｃ），（Ｄ）に
示すように、共通な場所に存在しないため、支持が困難
であった。このとき、振動子１０を強固に支持した場合
には、振動子１０に発生する振動を抑制してしまい、一
方、緩やかに支持した場合には、ガタのため位置制御を
行うことが困難であった。

【００１１】本発明の課題は、振動子に発生する振動を
抑制せずに、その振動子を強固に支持することができ、
しかも、高精度な位置制御が可能となる振動アクチュエ
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、後述する実施形態に対応する符号を付して説
明するが、これに限定されるものではない。請求項１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円環状薄板の振動子を用いた振
動アクチュエータにおいて、前記振動子（１０）に取り
付けられ、その振動子を固定部（２３）に固定支持する
薄板状支持部材（４１，４２，４３，４４）を備えたこ
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に記載の振動
アクチュエータにおいて、前記薄板状支持部材は、前記
振動子の前記非軸対称面内振動モードの節（Ｂ）の位置
又はその内側に取り付けられること、を特徴とする振動
アクチュエータである。

【００１４】請求項３の発明は、請求項１に記載の振動
アクチュエータにおいて、前記薄板状支持部材（４１，
４２）は、前記振動子の内径の内側（４１ｂ，４２ｂ）
で前記固定部（２３）に固定支持されること、を特徴と
する振動アクチュエータである。

【００１５】請求項４の発明は、請求項１に記載の振動
アクチュエータにおいて、前記薄板状支持部材（４２）
は、前記振動子の厚み部分に嵌合する嵌合部（４２ｅ）
を備えること、を特徴とする振動アクチュエータであ
る。

【００１６】請求項５の発明は、請求項１に記載の振動
アクチュエータにおいて、前記薄板状支持部材（４３）
は、前記振動子の外径の外側（４３ｂ）で前記固定部に
固定支持されること、を特徴とする振動アクチュエータ
である。

【００１７】請求項６の発明は、請求項５に記載の振動
アクチュエータにおいて、前記薄板状支持部材（４３）
は、前記振動子の外周に存在する駆動力取出部（１０
ａ）と直交する方向で前記固定部に固定支持されるこ
と、を特徴とする振動アクチュエータである。

【００１８】請求項７の発明は、請求項１に記載の振動
アクチュエータにおいて、前記薄板状支持部材は、前記
振動子の内側周辺部に取り付けられる振動子側取付部
（４１ａ，４２ａ，４３ａ）と、前記振動子の内径より
も内側又は外径よりも外側で前記固定部に取り付けられ
る固定側取付部（４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ）と、前記振
動子側取付部と前記固定側取付部とを放射方向で連結
し、バネ性を付与するための複数の連結部（４１ｃ，４
２ｃ，４３ｃ）と、を備えることを特徴とする振動アク
チュエータである。

【００１９】請求項８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
を用いた振動アクチュエータにおいて、前記振動子の面
内振動方向の側面に、薄板状支持部材（４４）を取り付
けることにより、前記非軸対称振動モードの節（Ｂ）
を、前記振動子（１０）と前記薄板状支持部材（４４）
とが重ならない部分に移動させ、その移動した節の位置
（Ｂ’）で固定部（２４）に固定支持すること、を特徴
とする振動アクチュエータである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面などを参照しながら、
本発明の実施の形態をあげて、さらに詳しく説明する。（第１実施形態）図１は、本発明による振動アクチュエ
ータの第１実施形態を示す図である。この振動アクチュ
エータを用いた駆動装置２０は、ベース部材２１と、ベ
ース部材２１の上下方向に平行に配置されたガイド部材
２２，２２と、ガイド部材２２，２２にガイドされて上
下方向に移動可能に支持され、後述する振動子１０がね
じ１４等で薄板状支持部材４１を介して、取付固定され
ている固定部材２３と、固定部材２３を下方に付勢する
加圧ばね２４，２４と、振動子１０の駆動力取出部に設
けられた摺動材１３と接触する位置で、相対運動部材３
０を走行可能にガイドする走行ガイド部材２５等を備え
ている。

【００２１】図２は、第１実施形態による振動アクチュ
エータの振動子の支持構造を示す図であって、図２
（ａ）は、圧電素子側から見た図、図２（ｂ）は、側断
面図、図２（ｂ）は、裏面に取り付けられた薄板状支持
部材側から見た図である。この振動子１０は、圧電素子
１１の表面には、第１，第２の電極１２ａ，１２ｂが形
成されており、また、その裏面には、ほぼ全面に第３の
電極１２ｃが形成されている。

【００２２】第１の実施形態では、圧電素子１１の裏面
には、圧電素子１１の振動を抑制しないような厚さの薄
板状支持部材４１が取り付けられている。この薄板状支
持部材４１は、振動子１０の裏面の内周側に接着剤など
で接合される環状の振動子側取付部４１ａと、固定部材
２３に固定支持する環状の固定側取付部４１ｂと、振動
子側取付部４１ａと固定側取付部４１ｂとを放射方向で
連結し、バネ性を持たせるための４本の連結部４１ｃと
からなり、固定側取付部４１ｂの内側が取付孔４１ｄと
なっている。

【００２３】薄板状支持部材４１は、固定側取付部４１
ｂの径が圧電素子１１の内径よりも小さくなるように
し、また、振動子側取付部４１ａの径が節Ｂの位置に等
しいか又は節Ｂの位置よりも中心側になるようにし、２
つの振動モードの振動をできるだけ抑制しないようにし
ている。なお、連結部４１ａは、連結部４１自身，振動
子側取付部４１ａ及び固定側取付部４１ｂにバネ性を持
たせて、振動を抑制しないようにしており、圧電素子１
１に対する取付角度や本数は、図示のもの（９０°，４
本）に限定されない。

【００２４】このように、第１実施形態は、振動子１０
が薄板状支持部材４１を介して、固定部材２３に固定支
持されている。このとき、薄板状支持部材４１は、十分
に薄く、取付孔４１ｄの周辺の振動子側取付部４１ａや
連結部４１ｃのバネ性のために、振動子１０に発生する
振動を抑制することなく、振動子１０を支持可能とな
る。また、薄板状支持部材４１によって、振動子１０の
内周側を支持することによって、振動子１０周辺部の省
スペース化が図れる。

【００２５】（第２実施形態）図３は、第２実施形態に
よる振動アクチュエータの振動子の支持構造を示す図で
あって、図３（ａ）は、圧電素子側から見た図、図３
（ｂ）は、側断面図、図３（ｃ）は、裏面に取り付けら
れた薄板状支持部材側から見た図である。第２実施形態
の薄板状支持部材４２は、振動子１０の裏面の内周側に
接触する鍔状の振動子側取付部４２ａと、固定部材２３
に固定支持する環状の固定側取付部４２ｂと、固定側取
付部４２ｂと放射方向で連結され、バネ性を持たせるた
めの４本の連結部４２ｃと、連結部４２ｃと振動子側取
付部４２ａとを連結し、振動子１０の内周の厚み部分に
嵌合する垂直環状の嵌合部４２ｅとからなり、固定側取
付部４２ｂの内側が取付孔４２ｄとなっている。なお、
振動子側取付部４２ａ及び嵌合部４２ｅは、振動を妨げ
ない程度の弾性をもつ弾性接着剤を用いて、振動子１０
に接着することが好ましい。

【００２６】このように、第２実施形態は、振動子１０
の内周の厚み部分に、嵌合部４２ｅを挿入するようにし
たので、振動子１０との結合が確実であり、挿入後に回
転させて、位置合わせをすることが可能になり、また、
組立も容易である。

【００２７】（第３実施形態）図４は、第３実施形態に
よる振動アクチュエータの振動子の支持構造を示す図で
あって、図４（ａ）は、圧電素子側から見た図、図４
（ｂ）は、側断面図、図４（ｃ）は、裏面に取り付けら
れた薄板状支持部材側から見た図である。第３実施形態
の薄板状支持部材４３は、振動子１０の裏面の内周側に
接着剤などで接合される環状の振動子側取付部４３ａ
と、固定部材２３に固定される２つの円弧状の固定側取
付部４３ｂと、振動子側取付部４３ａと固定側取付部４
３ｂとを放射方向で連結し、バネ性のある４本の連結部
４３ｃと、固定側取付部４３ｂの外周側の突出部に形成
された取付孔４３ｄなどとを備えている。なお、取付孔
４３ｄは、２箇所以上設けてもよい。

【００２８】このように、第３実施形態は、外周側の取
付孔４３ｄを介して、固定部材２３に固定することによ
り、振動子１０を支持することができる。このとき、薄
板状支持部材４３は、十分薄く、そのバネ性のために、
振動子１０に発生する振動を抑制することなく、振動子
１０を支持可能となる。

【００２９】また、薄板状支持部材４３は、駆動力取出
部１０ａと直交する外周側で固定支持するので、相対運
動部材３０との接触を妨げない配置とすることができ
る。

【００３０】（第４実施形態）図５は、第４実施形態に
よる振動アクチュエータの振動子の支持構造を示す図で
あって、図５（ａ）は、振動子のみを第１及び第２の電
極側から見た図、図５（ｂ）は、第１及び第２の電極側
から見た図、図５（ｃ）は、図５（ｂ）の側断面図であ
る。

【００３１】第４実施形態の薄板状支持部材４４は、円
環状薄板の部材であって、取付孔４４ｄが形成されてい
る。この取付孔４４ｄを介して、固定部材２２に固定す
ることにより、振動子１０を支持する。

【００３２】この実施形態では、振動子１０に弾性体で
ある薄板状支持部材４４を接合することにより、振動子
１０単体の場合の非軸対称面内振動モードの節の位置Ｂ
［図５（ａ）］を、中心側の薄板状支持部材４４の節の
位置Ｂ’［図５（ｂ）］へ移動させ、その位置に取付孔
４４ｄを形成したものである。この場合に、薄板状支持
部材４４は、第１〜第３の実施形態のものと異なり、振
動子１０と一体的に振動する（開口が少ない）ために、
材質，内径，外径，厚さ等を調整することにより、所望
の位置に節を移動させることができる。ここでは、薄板
状支持部材４４の内径は、振動子１０の内径よりも小さ
くしてある。

【００３３】このように、第４実施形態は、振動子１０
に薄板状支持部材４４を取り付けて、非軸対称面内振動
モードの節が、薄板状支持部材４４の振動子１０と重な
らない部分に移動するようにしたので、非軸対称面内振
動モードの節近傍で、固定部材２３に固定支持すること
ができ、振動子１０に発生する振動を抑制することな
く、振動子１０を支持することが可能となる。

【００３４】（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内である。（１）例えば、第１実施形態の場合に、図６に示すよ
うに、２本の連結部４１ｃ−１を外側に延長し、その先
端部を振動子側取付部４１ａ−１として、環状部分を省
略した薄板状支持部材４１−１とすることもできる。こ
の場合には、水平方向の連結部がないので、主に駆動力
に寄与する非軸対称面内振動モードの振動を妨げず、効
率のよい支持ができる。なお、振動子側取付部として、
環状部分を残しておいて、２本の連結部とすることだけ
でも有効である。（２）振動子が２枚の圧電素子で弾性体を挟む積層構
造の場合には、薄板状支持部材を、圧電素子と弾性体の
間に挟んでもよい。（３）また、電気機械変換素子は、圧電素子を例に説
明したが、電歪素子や磁歪素子を用いてもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、振動子に発生する振動を抑制せずに、振動子を強
固に固定支持することができ、しかも、位置制御を行う
場合に、高精度な位置制御が可能となる、という効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動アクチュエータの第１実施形
態を示す図である。

【図２】第１実施形態による振動アクチュエータの振動
子を示す図である。

【図３】第２実施形態による振動アクチュエータの振動
子を示す図である。

【図４】第３実施形態による振動アクチュエータの振動
子を示す図である。

【図５】第４実施形態による振動アクチュエータの振動
子を示す図である。

【図６】本発明による振動アクチュエータの振動子の変
形形態を示す図である。

【図７】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の振動子の従来
例を示す図である。

【符号の説明】

１０振動子１１圧電素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ電極４１〜４５薄板状支持部材２４固定部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菅谷功東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者那須信義東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内Ｆターム(参考） 5H680 AA00 AA06 AA08 BB13 CC02 DD15 DD23 DD27 DD30 DD39 DD53 DD57 DD59 DD67 DD73 DD82 DD87 DD92 DD95 EE10 FF03 FF08 FF21 FF23 FF25 FF33 GG02

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円環状薄板の振動子を用
いた振動アクチュエータにおいて、前記振動子に取り付けられ、その振動子を固定部に固定
支持する薄板状支持部材を備えたこと、を特徴とする振
動アクチュエータ。
【請求項２】請求項１に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記薄板状支持部材は、前記振動子の前記非軸対称面内
振動モードの節の位置又はその内側に取り付けられるこ
と、を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項３】請求項１に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記薄板状支持部材は、前記振動子の内径の内側で前記
固定部に固定支持されること、を特徴とする振動アクチ
ュエータ。
【請求項４】請求項１に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記薄板状支持部材は、前記振動子の厚み部分に嵌合す
る嵌合部を備えること、を特徴とする振動アクチュエー
タ。
【請求項５】請求項１に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記薄板状支持部材は、前記振動子の外径の外側で前記
固定部に固定支持されること、を特徴とする振動アクチ
ュエータ。
【請求項６】請求項５に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記薄板状支持部材は、前記振動子の外周に存在する駆
動力取出部と直交する方向で前記固定部に固定支持され
ること、を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項７】請求項１に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記薄板状支持部材は、前記振動子の内側周辺部に取り付けられる振動子側取付
部と、前記振動子の内径よりも内側又は外径よりも外側で前記
固定部に取り付けられる固定側取付部と、前記振動子側取付部と前記固定側取付部とを放射方向で
連結し、バネ性を付与するための複数の連結部と、を備
えることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項８】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、前記振動子の面内振動方向の側面に、薄板状支持部材を
取り付けることにより、前記非軸対称振動モードの節
を、前記振動子と前記薄板状支持部材とが重ならない部
分に移動させ、その移動した節の位置で固定部に固定支
持すること、を特徴とする振動アクチュエータ。