JP2008048557A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化を可能にした圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】 圧電アクチュエータ１は、磁性材料により帯状に形成されたレール２と、縦振動と屈曲振動との複合振動によってレール２上を移動する超音波モータ３とを有する。超音波モータ３は、レール２上に可動に設置される振動子４と、振動子４の上面に固定されると共に拡張部５ａ，５ｂを有する磁性板５と、振動子４の上面に貼り付けられる２枚の圧電素子６，７と、磁性板５の拡張部５ａ，５ｂに固定される一対のマグネット８，９とを備える。振動子４は磁気結合力によってレール２に押し付けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、縦振動と屈曲振動との複合振動を用いる圧電アクチュエータに関する。

従来、このような分野の技術として、下記の特許文献と非特許文献とがある。特許文献１と非特許文献１には、圧電体が貼り付けられた弾性部材が、コイルバネによってレール付勢された振動アクチュエータ（超音波モータ）が開示されている。また、特許文献２には、ベース板上に配置されると共にレールと接触して超音波振動を伝達するための弾性部材が、圧接ローラによってレールも圧着され、弾性部材と圧接ローラとを連結するアーム状の引張バネによってこの圧着力を維持する構成が開示されている。
特開平９−１８２４６８号公報 特開平９―１４９６６４号公報 高野剛浩、外１名、「縦―屈曲多重モード振動子利用の直線移動型超音波モータ」、昭和６３年電子情報通信学会秋季全国大会講演論文集

しかしながら、上記の文献に開示されている超音波モータでは、ばねを用いた加圧機構を利用しているため、弾性部材をレールに押し付ける方向において所定のスペースを必要する。例えば、バネを収容するためのハウジング（特許文献１参照）や、振動体との協働によってレールを挟持するための圧接ローラ（特許文献２参照）が必要になる。このため、弾性部材をレールに押し付ける方向において、大きなスペースを確保しなければならず、圧電アクチュエータの薄型化を図ることは難しかった。

本発明は、薄型化を可能にした圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係る圧電アクチュエータは、縦振動と屈曲振動との複合振動によってレール上を移動する超音波モータを備えた圧電アクチュエータにおいて、超音波モータは、帯状のレールに当接される一対の駆動用突起部が設けられた弾性部材と、弾性部材の前後で接着されて、弾性部材に複合振動を発生させる一対の圧電体と、を有し、弾性部材の一対の前記駆動用突起部は、磁気結合手段によってレールに押し付けられていることを特徴とする。

本発明に係る圧電アクチュエータでは、弾性部材の駆動用突起部をレールに押し付けられるために磁気結合力を利用している。この磁気結合手段は、バネを用いた加圧機構のように、バネとレールに押し付ける力を伝えるためのハウジングやローラ等の付帯構成を必要とせず、極めてシンプルな構成を可能にすると共に、弾性部材をレールに押し付ける方向におけるアクチュエータの厚さを小さくすることが可能となり、このような構成は、小型の超音波モータの薄型化を図る上で最適である。

本発明に係る圧電アクチュエータにおいて、磁気結合手段は、弾性部材に固定されると共に、弾性部材の側方に突出して、レールと平行に延在する拡張部を有する磁性板と、磁性板の拡張部に固定されるマグネットと、レール側で長手方向に延在する磁性部と、からなることが好適である。このような構成によって、弾性部材に固定されるマグネットと磁性部材とが互いに吸引し合うので、弾性部材はレールに押し付けられる。

本発明に係る圧電アクチュエータにおいて、磁性部は、磁性体からなる積層単板と絶縁体とが、レールの長手方向又は長手方向に直交する幅方向に交互に積層されている積層構造体であることが好適である。この場合には、磁性部材が積層構造体であるため、弾性部材がレールに沿って運動する際に、磁束変化によるレール中の渦電流の発生を抑え、渦電流に起因する損失を低減することができる。

本発明に係る圧電アクチュエータにおいて、磁性結合手段は、弾性部材に固定されると共に、弾性部材の側方に突出して、レールと平行に延在する拡張部を有する磁性板と、磁性板の拡張部に対向するように、レール側で長手方向に延在するマグネットとからなることが好適である。このようにマグネットをレール側に設けることにより、超音波モータの軽量化を図ることができる。

本発明に係る圧電アクチュエータにおいて、一対の弾性部材が、レールを挟むように対向して配置され、一対の弾性部材は、磁気結合手段によって連接されていることが好適である。マグネットの利用により、一対の弾性部材を一体化することが容易であり、超音波モータの駆動力を高めることができる。

本発明によれば、薄型化を可能にした圧電アクチュエータを提供することができる。

[第１実施形態]
図１〜図４に示すように、圧電アクチュエータ１は、磁性材料により帯状に形成されたレール２と、縦振動と屈曲振動との複合振動によってレール２上を移動する超音波モータ３とを有する。この超音波モータ３は、レール２上に可動に設置される振動子（弾性部材）４と、振動子４の上面に固定される磁性板５と、振動子４の上面に貼り付けられる２枚の圧電素子（圧電体）６，７と、磁性板５に取り付けられる一対のマグネット８，９とを備える。

弾性を有する振動子４は、矩形平板状の本体部４ｃと、本体部４ｃの下面から突出する一対の直方体からなる駆動用突起部４ａ、４ｂとを有する。この駆動用突起部４ａ，４ｂは、駆動力を取り出すためのものであり、本体部４ｃの屈曲振動の腹に相当する位置に平行に形成されている。そして、振動子４の一対の駆動用突起部４ａ，４ｂをレール２の上面２ａに当接させることにより、振動子４は、レール２上に設置される。なお、駆動用突起部４ａ，４ｂは、本体部４ｃと一体に形成されてもよく、別々に形成されてもよい。

磁性板５は、一枚の板を打ち抜き加工により成形された、いわゆるＨ型の部材である。換言すれば、磁性板５は、磁性板５の側方に突出すると共に互いに平行となっている拡張部５ａ，５ｂと、拡張部５ａ，５ｂに対して垂直に延在すると共に、拡張部５ａと拡張部５ｂとを連結する連結部５ｃとから構成されている。そして、磁性板５は、レール２と平行に延在し、その連結部５ｃは、振動子４の中央部において縦振動と屈曲振動との節に相当する位置で振動子４を横断するように、振動子４の上面に固定されている。なお、連結部５ｃの長さは、振動子４の幅より少し大きく形成されている（図２参照）。

圧電素子６，７は、矩形状に形成され、振動子４の上面に固定される磁性板５の連結部５ｃを挟んで、振動子４の前後で対称に接着されて、圧電効果によって振動子４に縦振動と屈曲振動との複合振動を発生させる。図２に示すように、圧電素子６，７の幅は、振動子４の幅と略同一になるように形成される。圧電素子６，７は、磁性板５の連結部５ｃと少し間隔をあけて振動子４の上面に固定されている。

圧電素子６，７は、電気機械変換素子であり、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックス圧電材料から形成されている。そして、圧電素子６，７は、それぞれｓｉｎ波とｃｏｓ波とを発生させ、２相駆動を構成している。

マグネット８，９は、直方体に形成され、磁性板５の拡張部５ａ，５ｂの下面にそれぞれ固定されている。マグネット８，９として、フェライト焼結磁石、希土類焼結磁石、鋳造磁石等の永久磁石が用いられる。また、マグネット８，９の取り付け方法として、磁性板５が磁気材料から形成されるため、磁気結合力で拡張部５ａ，５ｂに直接に吸着されてもよく、または接着等により拡張部５ａ，５ｂに固定されてもよい。

以下、圧電アクチュエータ１の動作について説明する。

振動子４の縦振動と屈曲振動の共振周波数でπ／２位相差の駆動電圧を、一対の圧電素子６，７にそれぞれ印加すると、圧電素子６，７は、振動子４上に縦振動と屈曲振動との複合振動を起こす。この複合振動によって、振動子４の駆動用突起部４ａ，４ｂの先端に楕円運動を発生させる。駆動用突起部４ａ，４ｂは、磁性板５に固定されるマグネット８，９と磁性材料からなるレール２との間に発生する磁気結合力によりレール２に押し付けられているため、振動子４の駆動用突起部４ａ，４ｂとレール２との間に摩擦接触力が生じる。そして、圧電素子６，７に所定の電圧を印加することで、振動子４は、レール２の上に直線運動する。

このような圧電アクチュエータ１において、磁性材料からなるレール２と、磁性板５と、磁性板５の拡張部５ａ，５ｂに固定されるマグネット８，９とで、磁気結合手段Ｈが構成され、振動子４の駆動用突起部４ａ，４ｂは、この磁気結合手段Ｈによりレール２に押し付けられる。そして、この磁気結合手段Ｈは、バネを用いた加圧機構のように、バネとレールに押し付ける力を伝えるためのハウジングやローラ等の付帯構成を必要とせず、極めてシンプルな構成を可能にする。この結果、振動子４をレール２に押し付ける方向における圧電アクチュエータ１の厚さを小さくすることが可能となり、小型の超音波モータの薄型化を図る上で最適である。

また、磁気結合手段Ｈを利用する圧電アクチュエータ１は、バネを用いた加圧機構を必要としないため、超音波モータ３がレール２上を移動する際に、バネとレールに押し付ける力を伝えるためのハウジングやローラ等の付帯構成による摩擦力がなくなり、超音波モータ３がよりスムーズに移動することができる。

[第２実施形態]
図５〜７に示すように、第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１０と第１実施形態との相違点は、マグネット１８，１９が磁性板５の拡張部５ａ，５ｂに固定されておらず、レール１２側に取り付けられていることである。その他の構成は、圧電アクチュエータ１の構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。

マグネット１８，１９は、磁性板５の拡張部５ａ，５ｂと対向するようにレール１２側で長手方向に延在すると共に、レール１２の全長にわたってレール１２の上面１２ａにそれぞれ配置されている。

レール１２は、圧電アクチュエータ１のレール２と同様に磁性材料から構成されてもよく、または非磁性材料から構成されてもよい。レール１２が磁性材料から構成された場合には、マグネット１８，１９は、磁気結合力でレール１２に直接に吸着され、レール１２に取り付けられる。一方、レール１２が非磁性材料から構成された場合には、マグネット１７，１８は、接着等によりレール１２に固定される。

レール１２の上面１２ａに取り付けられているマグネット１８，１９と、磁性板５の拡張部５ａ，５ｂとの間に磁気結合力が働き、磁性板５がこの磁気結合力によってレール１２側に引張られるように吸引される。このため、振動子４の駆動用突起部４ａ，４ｂは、レール１２に押し付けられる。

このような構成により、圧電アクチュエータ１０は、第１実施形態と同様な効果が得られるほか、マグネット１８，１９がレール１２に設けられるため、超音波モータ１３の軽量化を図ることができる。なお、レール１２を直接着磁してもよい。

[第３実施形態]
図８〜１０に示すように、第３実施形態に係る圧電アクチュエータ２０と第１実施形態との相違点は、積層構造体からなる磁性部２１，２５がレール２２側で長手方向に延在することである。その他の構成は、圧電アクチュエータ１の構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。

磁性部２１，２５は、レール２２の両側にそれぞれ設けられ、レール２２の全長にわたって設置されている。図８中の拡大図に示すように、磁性部２５は、磁性体からなる積層単板２５ａと絶縁体２５ｂとが、レール２２の長手方向に直交する幅方向に交互に積み重ねられて構成した積層構造体である。なお、磁性部２１は、磁性部２５と同様な積層構造を有している。

図１１は積層構造体の変形例を示す平面図である。磁性部２６，２８は、レール２２の両側にそれぞれ設けられ、レール２２の全長にわたって設置されている。図１１中の拡大図に示すように、磁性部２８は、磁性体からなる積層単板２８ａと絶縁体２８ｂとがレール２２の長手方向に沿って交互に積層されている積層構造体である。磁性部２６は、磁性部２８と同様な積層構造を有している。

このような構成により、圧電アクチュエータ２０は、第１実施形態と同様な効果が得られるほか、磁性部２１，２５が積層構造体であるため、超音波モータ２３がレール２２に沿って移動する際に、磁束変化によるレール２２中の渦電流の発生を抑え、渦電流に起因する損失を低減することができる。

[第４実施形態]
図１２〜１４に示すように、第４実施形態に係る圧電アクチュエータ３０と第１実施形態との相違点は、図面における上下方向（すなわち、レール３２の厚さ方向）において、一対の超音波モータ３３Ａ，３３Ｂがレール３２を挟むように対向して配置されていることである。その他の構成は、圧電アクチュエータ１の構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。

超音波モータ３３Ａ，３３Ｂは、レール３２の上を可動する振動子（弾性部材）４と、振動子４の上面に固定される磁性板５と、振動子４の上面に貼り付けられる２枚の圧電素子（圧電体）６，７と、磁性板５の拡張部５ａ，５ｂに固定されるマグネット３８Ａ，３９Ａ, ３８Ｂ，３９Ｂとからそれぞれ構成されている。図１４に示すように、一方の超音波モータ３３Ａ側のマグネット３８Ａ，３９Ａと他方の超音波モータ３３Ｂ側のマグネット３８Ｂ，３９Ｂとは、互いに一定距離で離間している。本実施形態において、上下方向に配置される一対の磁性板５と、これらの磁性板５の拡張部５ａ，５ｂに固定されるマグネット３８Ａ，３９Ａ,３８Ｂ，３９Ｂとで、磁気結合手段Ｔが構成される。そして、上下方向に配置されるマグネット３８Ａ，３９Ａとマグネット３８Ｂ，３９Ｂ同士の間に生じた磁気結合力により、上下方向に配置される磁性板５は、それぞれレール３２側に引張られるように吸引される。このため、一対の振動子４の駆動用突起部４ａ，４ｂは、それぞれレール３２に押し付けられる。

このような構成により、圧電アクチュエータ３０は、第１実施形態と同様な効果が得られるほか、マグネット３８Ａ，３９Ａ, ３８Ｂ，３９Ｂの利用により、一対の超音波モータ３３Ａ,３３Ｂを一体化することが容易であり、超音波モータの駆動力を高めることができる。

[第５実施形態]
図１５〜１７に示すように、第５実施形態に係る圧電アクチュエータ４０と第１実施形態との相違点は、図面における上下方向（すなわち、レール４２の厚さ方向）において、振動子４、磁性板５及び圧電素子６，７からなる一対の超音波モータ４３Ａ,４３Ｂが、レール４２を挟むように対向して配置され、対向する一対の磁性板５のうち、上部に配置される磁性板５の拡張部５ａ，５ｂにマグネット４８，４９が固定されていることである。その他の構成は、圧電アクチュエータ１の構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。

図１７に示すように、マグネット４８，４９は、一方の超音波モータ４３Ａ側の拡張部５ａ，５ｂの下面からレール４２を越えて反対側に配置される振動子４の本体部４ｃまで達するほど厚く形成されると共に、他方の超音波モータ４３Ｂ側の拡張部５ａ，５ｂから一定距離で離間している。これにより、上下方向に配置される磁性板５同士は、磁気結合力によって互いに引張られ、超音波モータ４３Ａ,４３Ｂの駆動用突起部４ａ，４ｂは、それぞれレール４２に押し付けられる。

このような構成により、圧電アクチュエータ４０は、第１実施形態と同様な効果が得られるほか、マグネット４８，４９の利用により、一対の超音波モータ４３Ａ,４３Ｂを一体化することが容易であり、超音波モータの駆動力を高めることができる。

次に、圧電アクチュエータの第１の応用例について説明する。

図１８と図１９に示すように、圧電アクチュエータ５０は、超音波モータ５１と、磁性材料により帯状に形成されたレール５２と、レール５２の両端に設けられたブラケット５３，５４と、ブラケット５３とブラケット５４との間で架設されると共に超音波モータ５１の移動をガイドするガイドレール５５と、超音波モータ５１とガイドレール５５とを連結するスライダ５６から構成されている。

超音波モータ５１は、超音波モータ３と同様な構造を有している。すなわち、超音波モータ５１は、レール５２の上を可動する振動子（弾性部材）４と、振動子４の上面に固定される磁性板５７と、振動子４の上面に貼り付けられる２枚の圧電素子（圧電体）６，７と、磁性板５７の拡張部５７ａ，５７ｂに取り付けられる一対のマグネット８，９とから構成される。

超音波モータ５１と超音波モータ３との相違点は、磁性板５７の拡張部５７ｂは、拡張部５７ａより大きく形成されると共に、スライダ５６に当接され且つスライダ５６の凸部５６ａに固定されていることである。

以上の構成により、超音波モータ５１が縦振動と屈曲振動との複合振動によってレール５２上を移動する際に、超音波モータ５１はスライダ５６を介してガイドレール５５によりガイドされるため、超音波５１の移動をよりスムーズに行うことができる。

次に、圧電アクチュエータの第２の応用例について説明する。

図２０と図２１に示すように、圧電アクチュエータ６０は、超音波モータ３３Ａ，３３Ｂと、帯状に形成されたレール３２と、レール３２の両端に設けられたブラケット６１，６２と、ブラケット６１とブラケット６２との間で架設されると共に超音波モータ３３Ａ，３３Ｂの移動をガイドするガイドレール６３と、超音波モータ３３Ａ，３３Ｂとガイドレール６３とを連結するスライダ６４から構成されている。

一対の超音波モータ３３Ａ，３３Ｂとスライダ６４とは、これらの外側に配置される板バネ６５，６６に挟持されることにより連結されている。板バネ６５と板バネ６６とは、その間に設けられる一対の振動子４をそれぞれレール３２に押し付ける方向に付勢力を持たせるように形成されている。

このような構成により、マグネット３８Ａ，３９Ａ, ３８Ｂ，３９Ｂにより一体化された一対の超音波モータ３３Ａ，３３Ｂが複合振動によってレール３２上を移動する際に、一対の超音波モータ３３Ａ，３３Ｂはスライダ６４を介してガイドレール６３にガイドされるため、超音波の移動をよりスムーズに行うことができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、レールを固定し、圧電素子により駆動される振動子をレールに沿って直線状に移動させるとしたが、これに限らず、振動子を固定し、レールを移動させてもよい。

本発明に係る圧電アクチュエータの第１実施形態を示す斜視図である。 図１に示された圧電アクチュエータの平面図である。 図１に示された圧電アクチュエータの正面図である。 図１に示された圧電アクチュエータの側面図である。 第２実施形態係る圧電アクチュエータの平面図である。 図５に示された圧電アクチュエータの正面図である。 図５に示された圧電アクチュエータの側面図である。 第３実施形態係る圧電アクチュエータの平面図である。 図８に示された圧電アクチュエータの正面図である。 図８に示された圧電アクチュエータの側面図である。 積層構造体の変形例を示す平面図である。 第４実施形態係る圧電アクチュエータの平面図である。 図１２に示された圧電アクチュエータの正面図である。 図１２に示された圧電アクチュエータの側面図である。 第５実施形態係る圧電アクチュエータの平面図である。 図１５に示された圧電アクチュエータの正面図である。 図１５に示された圧電アクチュエータの側面図である。 圧電アクチュエータの第１の応用例を示す平面図である。 図１８のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 圧電アクチュエータの第２の応用例を示す平面図である。 図２０のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

符号の説明

１，１０，２０，３０，４０，５０,６０…圧電アクチュエータ、２，１２，２２，３２，４２，５２…レール、３，１３，２３，３３Ａ，３３Ｂ，４３，５１…超音波モータ、４…振動子（弾性部材）、４ａ，４ｂ…駆動用突起部、５，５７…磁性板、５ａ，５ｂ，５７ａ，５７ｂ…拡張部、６，７…圧電素子（圧電体）、８，９，１８，１９，３８Ａ，３９Ａ,３８Ｂ，３９Ｂ，４８，４９…マグネット、２１，２５，２６，２８…磁性部、２５ａ，２８ａ…積層単板、２５ｂ，２８ｂ…絶縁体、Ｈ、Ｔ…磁気結合手段。

Claims (5)

1. 縦振動と屈曲振動との複合振動によってレール上を移動する超音波モータを備えた圧電アクチュエータにおいて、
   前記超音波モータは、
   帯状の前記レールに当接される一対の駆動用突起部が設けられた弾性部材と、
   前記弾性部材の前後で接着されて、前記弾性部材に前記複合振動を発生させる一対の圧電体と、を有し、
   前記弾性部材の一対の前記駆動用突起部は、磁気結合手段によって前記レールに押し付けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記磁気結合手段は、
   前記弾性部材に固定されると共に、前記弾性部材の側方に突出して、前記レールと平行に延在する拡張部を有する磁性板と、
   前記磁性板の前記拡張部に固定されるマグネットと、
   前記レール側で長手方向に延在する磁性部と、からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記磁性部は、磁性体からなる積層単板と絶縁体とが、前記レールの長手方向又は前記長手方向に直交する幅方向に交互に積層されている積層構造体であることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記磁性結合手段は、
   前記弾性部材に固定されると共に、前記弾性部材の側方に突出して、前記レールと平行に延在する拡張部を有する磁性板と、
   前記磁性板の前記拡張部に対向するように、前記レール側で長手方向に延在するマグネットとからなることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
5. 一対の前記弾性部材が、前記レールを挟むように対向して配置され、
   前記一対の弾性部材は、前記磁気結合手段によって連接されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
   

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