JP2001086777A

JP2001086777A - 振動アクチュエータ装置

Info

Publication number: JP2001086777A
Application number: JP26325999A
Authority: JP
Inventors: Isao Sugaya; 功菅谷; Nobuyoshi Nasu; 信義那須
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】軸受けやスライダ材を用いずして、発塵や磁力
等の影響を嫌う特殊環境下などでもグリスからのガスや
軸受けからの摩耗粉の発生の心配がなく、しかも摺動抵
抗の増加による効率低下の問題がない機構を備えた振動
アクチュエータ装置を提供すること。【解決手段】振動アクチュエータは、平板状の圧電素子
で構成される振動子４又は５と、駆動力取り出し部４
ａ，４ｂ，５ａ，５ｂとからなり、両振動子は、本体ケ
ース１ａのほぼ中央に配置される移動子６，７，８を挟
持的に加圧保持及びカイドするように、本体ケース内に
移動子の左右に配置され、２対の支持バネ２ａ，２ｂ及
び２ｃ，２ｄは、それぞれ振動子４及び５の長手方向両
端を加圧、支持している。また、加圧バネ３は、移動子
の側面に振動子４を加圧すると共に、移動子の他の側面
と振動子５とを本体ケース（ユニットケース）内壁を介
して加圧している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動を発生する振
動子と、振動子に加圧保持され、相対運動を行う相対運
動部材とを備える振動アクチュエータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、発塵を嫌うクリーンな環境下では
一般的なアクチュエータの利用は困難であった。という
のも、通常の軸受けではグリスからのガスや、摺動に伴
う摩耗粉の発生などの問題があるためである。そのため
特殊環境用のクリーングリスを塗布した低発塵材料の軸
受けを用意する必要があったが、高価、摺動抵抗が大き
い、摩耗しやすい、さびやすいなど様々な点で問題を残
していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一つの方法としてグリ
スを用いないために、軸受けの代わりにスライダ材の表
面に接触させて移動子を滑らせることが考えられる。し
かしこの方法だと振動アクチュエータ（例えば、公知の
超音波モータなど）の場合には、原理上、移動子に対し
て振動子（圧電素子に弾性体が張り付けられたステー
タ）から加圧力が加えられているため、軸受け代わりの
スライダ材のような摩擦係数の低い材料とはいえかなり
の摺動抵抗が生ずる。

【０００４】たとえばスライダ材の摩擦係数が０．１、
加圧力が１kgfだとするとスライダ材による摺動抵抗は
１００gfにもなるため、大幅な効率低下を来す。また振
動子の駆動力取り出し部の先端の摩擦係数が０．２５だ
とすると、振動子の起動推力は最大でも２５０−１００
＝１５０gfとなり、これも大きな性能低下となる。さら
に、スライダ材とはいえ潤滑剤なしでの長期使用では摩
耗粉の発生も避けられない。

【０００５】本発明は、軸受けやスライダ材を用いずし
て、発塵を嫌う特殊環境下などでもグリスからのガスや
軸受けからの摩耗粉の発生を心配することがなく、しか
も摺動抵抗の増加による効率低下の問題がない機構を備
えた振動アクチュエータ装置を提供することを目的とす
る。また、本発明は、磁力等の影響を嫌う特殊な環境下
においても、作動可能な振動アクチュエータを提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、周波
電圧印加により振動を発生する圧電素子(20)から構成さ
れ、前記圧電素子の一部が駆動力取り出し部(4a,4b及び
5a,5b)として形成された振動子を備えた複数の振動アク
チュエータ（４，５）と、前記振動アクチュエータの各
振動子の前記駆動力取り出し部により挟持的に加圧保持
及びガイドされ、相対運動をする相対運動部材(6,7,8)
とを備えたことを特徴とする振動アクチュエータ装置で
ある。

【０００７】請求項２の発明は、周波電圧印加により振
動を発生する平板状の圧電素子(20)から構成され、前記
圧電素子の一部が駆動力取り出し部(4a,4b及び5a,5b)と
して形成された振動子を備えた第一及び第２の振動アク
チュエータ（４，５）と、前記第一及び第２の振動アク
チュエータの各振動子の前記駆動力取り出し部により挟
持的に加圧保持及びガイドされ、相対運動をする相対運
動部材(6,7,8)と、前記第一の振動アクチュエータ、前
記相対運動部材、前記第二の振動アクチュエータが順に
並んで収納されるユニットケース(1a,1b)と、前記第
一の振動アクチュエータを支持する一対の第一支持バネ
(2a,2b)と、前記第二の振動アクチュエータを支持す
る一対の第二支持バネ(2c,2d)と、前記第一及び第二
の振動アクチュエータ、前記相対運動部材を加圧する加
圧バネ(3)とを備え、前記一対の第一及び第二支持バ
ネ(2a,2b及び2c,2d)は、それぞれが前記平板状の圧電素
子の長手方向の両端面と前記ユニットケースの内壁との
間に配置され、前記加圧バネ（３）は、前記第一及び
第二の振動アクチュエータ、前記相対運動部材の並び方
向に加圧するように、前記第一の振動アクチュエータの
側面と前記ユニットケースとの間に配置されたことを特
徴とする振動アクチュエータ装置である。

【０００８】請求項３の発明は、周波電圧印加により振
動を発生する非磁性材料の圧電素子(20)から構成され、
前記圧電素子の一部が駆動力取り出し部(4a,4b又は4c,4
dに相当する点E又は点F)として形成された振動子を備え
た振動アクチュエータ(4又は５)と、前記駆動力取り出
し部に設けられ、非磁性材料により形成された摺動材(4
a,4b又は4c,4d)と、前記振動アクチュエータの振動子の
前記駆動力取り出し部により加圧され、相対運動をする
非磁性材料の相対運動部材(6,7,8)とを備え、ユニット
全体が非磁性材料から構成されたことを特徴とする振動
アクチュエータ装置である。

【０００９】請求項４の発明は、前記圧電素子はチタン
酸ジルコン酸鉛からなり、前記摺動材はリン青銅からな
り、前記相対運動部材はリン青銅からなり、また前記ユ
ニットを形成するケース、ネジ等の構成部材は樹脂又は
リン青銅又は真鍮等からなり、完全な非磁性となってい
ることを特徴とする請求項３に記載された振動アクチュ
エータ装置である。

【００１０】請求項５の発明は、前記相対運動部材は、
前記駆動力取り出し部に加圧された本体部、及び前記本
体部と相対運動可能に連結された把持部からなり、前記
把持部の駆動力が前記駆動力取り出し部の駆動力より小
さいことを特徴とする請求項１又は請求項３のいずれか
一方に記載された振動アクチュエータ装置である。請求
項６の発明は、前記振動アクチュエータ装置がロボット
ハンドに使用され、前記相対運動部材の把持部が被対
象物に接触して、前記被対象物を保持、移動できること
を特徴とする請求項４に記載された振動アクチュエータ
装置である。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態である
振動アクチュエータ装置の内部を表した説明図を示す。
図２は、本発明の実施形態である振動アクチュエータ装
置の外部を表した説明図を示す。図３乃至図５は、振動
アクチュエータの原理を説明する説明図である。

【００１２】図１及び図２に基づいて、振動アクチュエ
ータ装置の構成を説明する。図１において、(a)は、振
動アクチュエータ装置の内部を表す正面図であり、(b),
(d),(e)は側面図であり、(c)はC-C断面図であり、(f)は
A-A断面図であり、(g)はB-B断面図である。図２におい
て、(a)は振動アクチュエータ装置の外観を示す正面図
であり、(b)は裏面図であり、(c),(d),(e)は側面図であ
る。

【００１３】振動アクチュエータは、振動子４又は５
と、駆動力取り出し部４ａ，４ｂ又は５ａ，５ｂとから
なる。本体ケース1aは、非磁性の樹脂材料による成型品
であり、本体ケース1bはリン青銅から成り、４つの支持
バネ2a,2b,2c,2d、加圧バネ３、２つの振動子４，５、
相対運動部材である移動子(6,7,8)等を合理的に収納す
るために箱形の入り組んだ凹凸形状をしている。

【００１４】振動子４及び５は、平板状の圧電素子で構
成され、本体ケース１ａのほぼ中央に配置される移動子
(6,7,8)を挟持的に加圧保持及びガイドするように、本
体ケース１ａ内に移動子(6,7,8)の左右に配置されてい
る。そして、２対の支持バネ2a,2b及び2c,2dは、それぞ
れ振動子４及び５の長手方向両端を加圧、支持してい
る。また、加圧バネ３は、移動子(6,7,8)の側面に振動
子４を加圧すると共に、移動子(6,7,8)の他の側面と振
動子５とを本体ケース（ユニットケース）１ａ内壁を介
して加圧している。

【００１５】具体的には、一対の第一及び第二支持バネ
（2a,2b及び2c,2d）は、それぞれが平板状の圧電素子
（振動子４及び５）の長手方向の両端面と本体ケース１
ａの内壁との間に配置されている。また、加圧バネ３
は、２つ第一及び第二の振動アクチュエータ（振動子４
及び５）、相対運動部材である移動子(6,7,8)の並び方
向に加圧するように、第一の振動アクチュエータ（振動
子４）の側面と本体ケース１ａとの間に配置されてい
る。

【００１６】振動子４は、一対の駆動力取り出し部４
ａ，４ｂを備え、同様に振動子５は、一対の駆動力取り
出し部（摺動材）５ａ，５ｂを備えている。これら駆動
力取り出し部5a-5dは、移動子(6,7,8)の側面に加圧さ
れ、駆動力を当該移動子に与える。なお、振動アクチュ
エータは、振動子４と、駆動力取り出し部4a,4bとから
構成される。

【００１７】移動子(6,7,8)は、本体部６と、本体部６
に相対運動可能に連結された把持部７と、本体部６及び
把持部７を連結する加圧バネ８をから構成される。移動
子(6,7,8)は、例えば、測定・検出用のプローブや、ロ
ボットのハンド部等の機能を有する。把持部７の駆動力
（加圧力）が駆動力取り出し部5a-5dの駆動力より小さ
く設定されている。移動子の両端に植設された制限ピン
6a,6bは、移動子の移動範囲を制限するものである。

【００１８】たとえば、振動アクチュエータの駆動力、
すなわち、駆動力取り出し部5a-5dの駆動力により、移
動子(6,7,8)を対象物に押しつけ、電気を切った後でも
その押しつけ力を維持し続けたい場合がある。もともと
振動アクチュエータには保持力があるが、これは現在位
置を保持する力であって、押しつけ力を維持するもので
はない。従って、ロボットハンドの先端プローブなど、
対象物に移動子(6,7,8)が接触した後も対象物を押し続
けて、摩擦力により対象物を滑り落とさないように維持
する力が必要な場合には、このような工夫が必要になる
のである。

【００１９】ロボットハンドとして振動アクチュエータ
装置を使用した場合には、移動子の把持部７が対象物と
接触することでその位置を検出し、対象物を把持部７と
加圧バネ８とで確実に保持することで、所定の位置に移
動できる。振動子４，５は、圧電素子(PZT)から構成さ
れ、圧電素子の表面に配置された電極にリード線９，１
０が半田付けされており、圧電素子に周波電圧が印加さ
れる。振動子４，５の駆動原理は図３乃至図５に基づき
後述する。

【００２０】なおリード線９，１０の出っ張り分を考え
て、図１(f)に示すように本体ケース１ａの底面にはリ
ード線の配置された凹部がある。また、その凹部の両側
には図１(a)に示されるように凸部があり、この上に振
動子をのせて厚み方向の位置規制とする。凸部は振動を
妨げないようになるべく振動子の中央節に近い位置に設
けてある。つぎに支持バネ2a-2dを振動子４，５の両脇
にそれぞれ装着し、さらに振動子４，５に対するグラン
ド接点を兼ねた加圧バネ３を上から載せて、他端をケー
ス１ａ淵の溝部に引っかけて位置を定める。

【００２１】最後にＬ字型の本体ケース１ｂのフタを上
から被せて本体ケース１ａにネジ11a,11bにてネジ止め
する。以上が振動アクチュエータ装置の組立とその構成
である。次に、振動アクチュエータの駆動原理につい
て、図３乃至図５に基づき説明する。

【００２２】図３は、本実施形態の振動アクチュエータ
（超音波モータ）の振動子４又は５を示す斜視図であ
る。図３に示すように、本実施形態の振動アクチュエー
タは、例えば、文献「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳＦＯＲ
ＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」等に
よって開示されている振動子を用いた。すなわち、振動
子４又は５は、矩形平板状に構成されるＰＺＴ等の圧電
素子２７によって、本体が構成される。圧電素子２０
は、表面側から裏面側への方向（図中矢印方向）２０ａ
へ分極されている。

【００２３】圧電素子２０の表面には、例えば接着等の
適宜手段によって、４枚の電極２１ａ、２１ｂ、２１
ｃ、２１ｄが装着される。電極２１ａ〜２１ｄは、互い
に絶縁されて配置される。電極２１ａ〜２１ｄのうち
で、対角上に配置された電極２１ａと電極２１ｄとは結
線部材（リード線）２３で結線される。また、対角上に
配置された電極２１ｂと２１ｃとは結線部材（リード
線）２４で結線される。

【００２４】圧電素子２０の裏面には、例えば接着等の
適宜手段によって、その全面に一枚の電極２２が装着さ
れる。電極２２は接地用の電極である。図示しない電力
入力装置から、電極２１ａに形成されたＡ端子に圧電素
子２０の共振周波数付近の周波数を有する交流電圧をＡ
相の駆動信号として印加するとともに、電極２１ｂに形
成されたＢ端子にＡ相の駆動信号と周波数および電圧が
等しく、位相が（π／２）異なる交流電圧をＢ相の駆動
信号として印加する。すると、圧電素子２０には、Ｘ軸
方向へ振動する１次の縦振動Ｌ１と、Ｙ軸方向へ振動す
る２次の屈曲振動Ｂ２とが励振される。

【００２５】図４は、縦振動Ｌ１および屈曲振動Ｂ２を
生じた時の圧電素子２０の変位例を示す説明図である。
同図に示すように圧電素子２０に発生した縦振動Ｌ１と
屈曲振動Ｂ２とは、合成され、圧電素子２０に楕円運動
が発生する。図５は、圧電素子２０に発生した楕円運動
を示す説明図である。図５に示すように、圧電素子２０
には、Ｙ方向と平行な側面ａにおける点Ｄ（Ｙ軸方向の
略中間位置）と、Ｘ方向と平行な側面ｂにおける点Ｅ、
Ｆ（屈曲振動Ｂ２の節となる位置）とにおいて、それぞ
れ、楕円運動が発生する。本実施形態では、駆動力取り
出し部は、点Ｅ、Ｆを用いている。

【００２６】以上のように、面内屈曲振動と伸び振動を
利用した異モード縮退型振動アクチュエータである振動
子４，５は、次の効果を奏する。これらを駆動力取り出
し部4a,4bと5a,5bが互いに向かい合うように置き、その
間に移動子（相対運動部材）6,7,8を配置することが重
要である。片方の振動子４から加圧力を与えることで、
挟まれた移動子が計４点の駆動力取り出し部4a,4bと5a,
5bにより加圧保持される。このときモーメントの発生や
加圧力の不均一性を防ぐために、互いに向かい合う駆動
力取り出し部の位置は、移動子を挟んで対称位置にある
ことが望ましい。

【００２７】移動子(6,7,8)は、振動子面内方向には４
点の駆動力取り出し部4a,4bと5a,5bによりガイドされて
いる。またそれと垂直な面外方向には、本体ケース1a,1
bにより位置規制されている。移動子(6,7,8)は姿勢によ
りこのケース1a,1bに接触するが、基本的には面内方向
の加圧力により保持されているので、ここから受ける摩
擦抵抗は低いものとなっている。

【００２８】以上の構成により、軸受けを使用すること
なく移動子を位置規制することができる。しかも本発明
による位置規制は、主に駆動力を発生する部位により行
っているため摩擦摺動によるロスが極めて少なく、効率
の高い振動アクチュエータとなる。（実施例）上述の振動アクチュエータ装置の各部材の材
質等について、下記表１に基づき説明する。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１の実施例１では、振動アクチュエータ
装置がその構成部品が完全な非磁性材料から構成されて
いる。それに対して、表２の実施例２では、振動アクチ
ュエータ装置の一部にステンレスを使用することで、実
施例１に比べると、多少、非磁性の度合いが落ちるが、
ほぼ非磁性を示す。このように、振動アクチュエータ装
置を非磁性化することで、磁性を嫌う特殊環境下におい
て使用可能なアクチュエータを提供できる。また、耐腐
食及び強度の面では、実施例２に示す装置が優れてい
る。

【００３１】

【発明の効果】請求項１及び２の発明によれば、振動ア
クチュエータ装置に振動子を複数個使い、相対運動部材
を挟むように加圧保持することで、相対運動部材への加
圧およびガイドとしての機能を果たす構造を用いれば、
軸受けを用いずにアクチュエータを構成できる。その結
果、グリスからのガスが無い、摩耗粉が無い、低コス
ト、さびない、無駄な摺動抵抗がない、など数多くの利
点を備えたアクチュエータを実現できる。

【００３２】請求項２の発明によれば、振動アクチュエ
ータ装置のユニットケース内部に、２つの振動アクチュ
エータを相対運動部材に対して対称に並置したことで、
薄板状にコンパクトに収納でき、かつ相対運動部材を高
トルクで駆動できる利点がある。請求項３の発明によれ
ば、振動アクチュエータ装置の構成部品を非磁性の材料
を用いることで、特殊環境下での作動が可能となり、用
途が広がる利点がある。

【００３３】請求項４及び５の発明によれば、ロボット
ハンド等の作業用ハンドに適し、対象物を不用意に落と
すことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、振動アクチュエータ装置の構成を説
明する説明図であり、(a)は、振動アクチュエータ装置
の内部を表す正面図であり、(b),(d),(e)は側面図であ
り、(c)はC-C断面図であり、(f)はA-A断面図であり、
(g)はB-B断面図である。

【図２】図２は、振動アクチュエータ装置の構成を説
明する説明図であり、(a)は振動アクチュエータ装置の
外観を示す正面図であり、(b)は裏面図であり、(c),
(d),(e)は側面図である。

【図３】図３は、振動アクチュエータの振動子の斜視
図である。

【図４】図４は、振動子の振動の様子を示す説明図で
ある。

【図５】図５は、振動子の振動の様子を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ：本体ケース（ユニットケース）２ａ−２ｄ：支持バネ３：加圧バネ４，５：振動子６−８：移動子（相対運動部材）

フロントページの続きＦターム(参考） 5H680 AA00 AA01 AA12 BB01 BB13 BB20 BC08 CC02 DD01 DD15 DD23 DD39 DD40 DD53 DD73 DD82 EE07 EE10 FF04 FF08 FF33 GG02 GG11 GG23 GG24 GG27 GG34 GG41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周波電圧印加により振動を発生する圧電素
子から構成され、前記圧電素子の一部が駆動力取り出し
部として形成された振動子を備えた複数の振動アクチュ
エータと、前記振動アクチュエータの各振動子の前記駆動力取り出
し部により挟持的に加圧保持及びガイドされ、相対運動
をする相対運動部材とを備えたことを特徴とする振動ア
クチュエータ装置。
【請求項２】周波電圧印加により振動を発生する平板状
の圧電素子から構成され、前記圧電素子の一部が駆動力
取り出し部として形成された振動子を備えた第一及び第
２の振動アクチュエータと、前記第一及び第２の振動アクチュエータの各振動子の前
記駆動力取り出し部により挟持的に加圧保持及びガイド
され、相対運動をする相対運動部材と、前記第一の振動アクチュエータ、前記相対運動部材、前
記第二の振動アクチュエータが順に並んで収納されるユ
ニットケースと、前記第一の振動アクチュエータを支持する一対の第一支
持バネと、前記第二の振動アクチュエータを支持する一対の第二支
持バネと、前記第一及び第二の振動アクチュエータ、前記相対運動
部材を加圧する加圧バネとを備え、前記一対の第一及び第二支持バネは、それぞれが前記平
板状の圧電素子の長手方向の両端面と前記ユニットケー
スの内壁との間に配置され、前記加圧バネは、前記第一及び第二の振動アクチュエー
タ、前記相対運動部材の並び方向に加圧するように、前
記第一の振動アクチュエータの側面と前記ユニットケー
スとの間に配置されたことを特徴とする振動アクチュエ
ータ装置。
【請求項３】周波電圧印加により振動を発生する非磁性
材料の圧電素子から構成され、前記圧電素子の一部が駆
動力取り出し部として形成された振動子を備えた振動ア
クチュエータと、前記駆動力取り出し部に設けられ、非磁性材料により形
成された摺動材と、前記振動アクチュエータの振動子の前記駆動力取り出し
部により加圧され、相対運動をする非磁性材料の相対運
動部材とを備え、ユニット全体が非磁性材料から構成されたことを特徴と
する振動アクチュエータ装置。
【請求項４】前記圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛から
なり、前記摺動材はリン青銅からなり、前記相対運動部材はリ
ン青銅からなり、また前記ユニットを形成するケース、ネジ等の構成部材
は樹脂又はリン青銅又は真鍮等からなり、完全な非磁性となっていることを特徴とする請求項３に
記載された振動アクチュエータ装置。
【請求項５】前記相対運動部材は、前記駆動力取り出し
部に加圧された本体部、及び前記本体部と相対運動可能
に連結された把持部からなり、前記把持部の駆動力が前記駆動力取り出し部の駆動力よ
り小さいことを特徴とする請求項１又は請求項３のいず
れか一方に記載された振動アクチュエータ装置。
【請求項６】前記振動アクチュエータ装置は、ロボット
ハンドに使用され、前記相対運動部材の把持部が被対象物に接触して、前記
被対象物を保持、移動できることを特徴とする請求項４
に記載された振動アクチュエータ装置。