JP2008172930A - 振動型駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で移動体を振動体に押圧することができ、駆動時の推力および非給電時の保持力を大きくすることができる振動型駆動装置を提供する。
【解決手段】超音波リニアモータは、AモードおよびBモードの定在波振動を同時に発生させることによって、表面に楕円運動を生じさせる振動体3を有する。また、超音波リニアモータは、この楕円運動が生じる振動体3の表面に設けられた突起部材5a、5bおよび規制部材6と接触し、楕円運動によって移動させられるスライダ4を有する。突起部材5a、5bおよび規制部材6は、スライダ4を上下に挟むように、定在波振動の半波長の奇数倍離れた節部3a、3b、3cの位置であって、楕円運動が互いに逆方向となる位置に設けられる。
【選択図】図1

Description

本発明は、振動型駆動装置に関する。
従来、この種の振動型駆動装置として、直線上に移動する超音波モータに関する多くの提案がなされている。例えば、本願出願人は、板状の振動体に2つの曲げモードを有する定在波を励振させ、この振動体上の所定部分に楕円振動を生じさせ、移動体をこの所定部分に接触させることで、移動体を移動させることを提案している(特許文献1参照)。
また、本願出願人は、凸状に形成された突起を有する振動体に、互いに直交する2つの曲げモードを有する定在波を励振させ、その合成で生じる楕円運動により移動体を移動させることを提案している(特許文献2参照)。
このような振動型駆動装置では、振動体に生じさせる振動を曲げモードのみで実現しているので、振動体を薄型化することが可能となる。
特開平06−311765号公報 特開2004−304887号公報
しかしながら、上記従来の振動型駆動装置では、以下に掲げる問題があった。すなわち、前述したように、振動体に生じさせる振動を曲げモードのみで実現しているので、振動体を薄型化することが可能となる反面、移動体を振動体に押圧する与圧手段や、移動体の移動方向を規制するガイド機構が必要であった。この結果、振動型駆動装置(超音波アクチュエータ)を小型化することが困難であった。
また、予圧手段を小型化するために、移動体を磁石とし、その磁力により移動体を振動体に押圧することも検討されるが、超音波アクチュエータの特長の1つである非磁性という利点を活かすことができなくなる。
また、特許文献1には、ガイド機構が不要となる複数の超音波アクチュエータが例示されているが、いずれも振動体または移動体の形状が複雑であり、超音波アクチュエータの十分な小型化に適さず、容易に製造することが困難であった。
そこで、本発明は、簡単な構成で移動体を振動体に押圧することができ、駆動時の推力および非給電時の保持力を大きくすることができる振動型駆動装置を提供することを目的とする。また、本発明は、ガイド機構を特別に設けることなく、移動体の移動方向を規制することができ、大幅な小型化が可能である振動型駆動装置を提供することを他の目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の振動型駆動装置は、複数の定在波振動を同時に発生させることによって、前記定在波振動の複数の節部に位置する表面に楕円運動を生じさせる振動体と、前記節部に位置する表面に形成され、前記楕円運動を行う駆動部と、前記駆動部と接触し、前記楕円運動によって移動させられる移動体とを備え、前記駆動部は、前記表面に対して垂直方向に前記移動体を挟むように形成された第1の駆動部および第2の駆動部を有し、前記第1の駆動部および前記第2の駆動部は、前記定在波振動の半波長の奇数倍離れた前記節部の位置であって、前記楕円運動が互いに逆方向となる位置に形成されたことを特徴とする。
本発明の請求項1に係る振動型駆動装置では、移動体は、振動体の表面に対して垂直方向に第1の駆動部および第2の駆動部で挟まれている。また、移動体と接触する第1の駆動部および第2の駆動部に生じる楕円運動の回転方向は異なり、移動体は第1の駆動部および第2の駆動部から同一方向の力を受けることになる。従って、請求項1に係る振動型駆動装置によれば、簡易な構成で移動体を振動体に押圧することができ、駆動時の推力および非給電時の保持力を大きくすることができる。また、ガイド機構を特別に設けることなく、移動体の移動方向を規制することができ、大幅な小型化が可能である。
請求項2に係る振動型駆動装置によれば、駆動時の推力を増加させることができ、移動体を振動体に確実に押圧することができ、さらに、移動体の移動方向をより規制することができる。請求項3に係る振動型駆動装置によれば、第1の駆動部および第2の駆動部を極めて簡単な構造のものにすることができる。請求項4に係る振動型駆動装置によれば、適度に弾性を持たせることで、移動体を振動体に確実に押圧することができ、駆動部は超音波リニアモータで必要とされる加圧機構を確実に兼ねることができる。請求項5に係る振動型駆動装置によれば、特別なガイド機構を設けることなく、移動体の移動方向を規制することができる。請求項6に記載の振動型駆動装置によれば、振動体の表面に対して平行な面内で移動体の移動方向を確実に規制することができる。請求項7に記載の振動型駆動装置によれば、移動体を振動体に確実に押圧することができるとともに、その移動方向を確実に規制することができる。
本発明の振動型駆動装置の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態の振動型駆動装置は、振動体に励振した振動を利用して振動体に接触させた移動体を駆動する超音波リニアモータに適用される。
[第1の実施形態]
図1は第1の実施形態における超音波リニアモータの構成を示す斜視図である。図2は図1の矢印H方向から視た超音波リニアモータの構成を示す断面図である。超音波リニアモータは、平坦な板材からなる矩形の振動体3、この振動体3に対して相対的に移動する摺動部材であるスライダ4、およびこのスライダ4を間に挟み、スライダ4の移動方向を規制する複数の駆動部から主に構成される。複数の駆動部は、後述する規制部材6および突起部材5a、5bからなる。
振動体3は、金属製の板からなる弾性体1に電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子2が接着により固着された構造を有する。図2では、スライダ4の断面が斜線のパターンで示されている。弾性体1の上面には、突起部材5a、5bが溶接、接着などにより固着されており、突起部材5a、5bの上には、スライダ4が載置されている。突起部材5a、5bは振動体3で発生する力をスライダ4に伝える役割を果たす。
図3は規制部材6の外観を示す斜視図である。規制部材6は、「コ」の字形状(クランク形状)を有する板部材(立設部材)である。規制部材6には、接合部6a、6bが形成されており、弾性体1に溶接、接着などにより固着されている。また、規制部材6の内側には、突起部材7が溶接、接着などにより固着されている。
スライダ4は、突起部材5a、5bおよび規制部材6の内側に固着された突起部材7の双方に別の面で接触するように、規制部材6の内側と弾性体1で形成される空間に挿入されている。つまり、突起部材5a、5bと規制部材6内側の突起部材7は、スライダ4に対して互いに反対側から接触し、駆動部として機能する。また、スライダ4が規制部材6の内側と弾性体1で形成される空間に挿入されることで、移動方向に対して垂直な方向(振動体3の表面に対して垂直な方向)に、スライダ4は押圧され、その動作は規制される。
ここで、超音波リニアモータの駆動原理について説明する。図4は弾性体1とは反対側から視た圧電素子2の面を示す図である。圧電素子2の、弾性体1に接着されている面とは反対側の面には、2つの電極M1、M2が配置されている。図中、「+」マークは分極方向を示しており、2つの電極部分の分極方向が同じであることを表している。
図5は超音波リニアモータの駆動に用いられる2つの振動モードを示す図である。本実施形態では、矩形の振動体3に対し、長辺方向2次の屈曲振動モードおよび短辺方向1次の屈曲振動モードが使用される。ここでは、長辺方向2次の屈曲振動モードをAモードと呼び、短辺方向1次の屈曲振動モードをBモードと呼ぶことにする。なお、図5には、前述した突起部材5a、5bおよび規制部材6が省略されている。
振動体3の形状は、AモードおよびBモードの共振周波数がほぼ一致するように、定められている。圧電素子2の、弾性体1に接着される側の面をグランド電極として、電極M1および電極M2に共振周波数付近で同一周波数かつ同一位相の交流電圧を印加することにより、Bモードの定在波振動が発生する。また、電極M1および電極M2に共振周波数付近で同一周波数かつ逆位相の交流電圧を印加することによりAモードの定在波振動が発生する。
図6はAモードおよびBモードの振動における節部を示す図である。図中、Aモードの振動における節部3a、3b、3cおよびBモードにおける節部3d、3eはそれぞれ破線で示されている。Aモードの振動における節部3a、3b、3cは、スライダ4の移動方向に対して垂直な直線状となり、スライダ4の移動方向に並んで複数存在する。一方、Bモードの振動における節部3d、3eは、スライダ4の移動方向に対して平行な直線状となる。
図中、位置8a、8b、9は、それぞれAモードの節部3a、3c、3b上にあって、かつBモードの腹部に当たる位置である。前述した突起部材5a、5bは、それぞれ振動体3の位置8aおよび位置8bに取り付けられ、規制部材6は振動体3の位置9に取り付けられている。
突起部材5a、5bと規制部材6とは、それぞれAモードの定在波振動における別々の節部に位置しており、かつAモードの定在波振動における半波長の奇数倍だけ離れた位置に配置される。また、突起部材がスライダ4の移動方向に複数並んで存在している場合(ここでは、突起部材5a、5bの2つの場合)、これら複数の突起部材は、互いにAモードの定在波振動における半波長の偶数倍だけ離れて配置される。また、規制部材がスライダ4の移動方向に複数並んで存在している場合(後述する第2の実施形態における、規制部材15a、15bの2つの場合)、これら複数の規制部材は互いにAモードの定在波振動における半波長の偶数倍だけ離れて配置される。
電極M1、M2に同相でも逆相でもない位相差の交流電圧が印加されると、振動体3には、AモードおよびBモードの振動が同時に発生する。さらに、電極M1、M2に印加される電圧の振幅を等しくすると、Aモードの振動はBモードの振動に対して位相差が90°進む、あるいは90°遅れる。この理由を以下に詳細に説明する。
電極M1に印加する交流電圧をAsin(ωt)、電極M2に印加する交流電圧をAsin(ωt−θ)とすると、Aモードの振動は、電極M1に印加される交流電圧と電極M2に印加される交流電圧の差によって励振されるので、数式(1)で表される。
Asin(ωt)−Asin(ωt−θ)=2Asin(θ/2)cos(ωt−θ/2) ……(1)
また、Bモードの振動は、電極M1に印加される交流電圧と電極M2に印加される交流電圧の和によって励振されるので、数式(2)で表される。
Asin(ωt)+Asin(ωt−θ)=2Acos(θ/2)sin(ωt−θ/2) ……(2)
上記数式(1)と数式(2)を比較すると、時間tに依存する部分は、Aモードの場合、余弦関数であり、Bモードの場合、正弦関数であり、偏角θ/2は同じであるので、位相差は90°あるいは−90°となる。従って、Aモードの振動に対してBモードの振動が進むか遅れるかは、位相差θに依存する。
また、数式(1)、(2)によれば、同相つまり位相差θが0°の場合、Bモードのみの振動が励振され、逆相つまり位相差θが180°の場合、Aモードのみの振動が励振されることが分かる。
ここで、位相差θが0°<θ<180°の場合を検討する。この場合、数式(1)および(2)の時間tに依存しない部分は、ともに正極性となるので、Aモードの振動がBモードの振動に対して90°進むことになる。
図7は振動体3の中央部の変形を誇張して示す図である。図7には、図1のG方向およびH方向から視た状態が示されている。Aモードの振動はG方向から視た場合の屈曲変形として観測される。また、Bモードの振動はH方向から視た場合の屈曲変形として観測される。
振動体3の変形は、図7の(a)→(b)→(c)→(d)→(a)の順番に推移する。図7の(a)は、電極M1および電極M2に印加される電圧が同じ大きさであり、かつ電極M1の極性が正(+)、電極M2の極性が負(−)である瞬間の状態を表している。この条件下では、電極M1側の圧電素子は伸び、電極M2側の圧電素子は縮むので、バイモルフの効果により屈曲の変形が生じる。また、電極M1と電極M2の電圧の和はゼロとなるので、H方向から視た場合の屈曲の変形は相殺される。
図7の(b)は、電極M1および電極M2に印加される電圧が等しく、かつ電極M1、M2の極性が共に正(+)である瞬間の状態を表している。この場合、G方向から視た場合の屈曲の変形は起こらない。一方、H方向から視た場合、圧電素子が伸びるので、下側に凸となるような変形が生じる。
同様に、図7の(c)は、電極M1および電極M2に印加される電圧が同じ大きさであり、かつ電極M1の極性が負(−)、電極M2が正(+)である瞬間の状態を表している。図7の(d)は、電極M1および電極M2に印加される電圧が等しく、かつ電極M1、M2の極性が共に負(−)である瞬間の状態を表している。
図7の(a)〜(d)の順に、振動体3の変形が推移していくと、振動体3上に設けられた突起部材5a、5bおよび規制部材6は、それぞれ図7の矢印i、j、kの方向に変形する。この結果、突起部材5a、5bおよび規制部材6は、G方向から視た場合、楕円運動を行い、H方向から視た場合、上下運動を行う。
図8はG方向から視た場合の突起部材5a、5bおよび規制部材6にそれぞれ発生する楕円運動の様子を示す図である。楕円運動の回転方向は、突起部材5a、5bと規制部材6では、逆方向になる。このように、スライダ4を挟む位置に配置された突起部材5a、5bおよび規制部材6は、互いに逆方向に回転する楕円運動を同時に励起することになる。
ここで、図2に示すように、スライダ4は突起部材5a、5bの先端と接触している。スライダ4は、突起部材5a、5bが図8の最上点に変位した時に最大の力を受けるので、図8の右方向に力を受けることになる。一方、スライダ4は、規制部材6の内側に取り付けられた突起部材7と接触している。スライダ4は、規制部材6が図8の最下点に変位した時に最大の力を受けるので、図8の右方向に力を受けることになる。
従って、スライダ4が振動体3と接触する各接触点における楕円運動の回転方向は異なるが、スライダ4は各接触点から同一方向の力を受けることになる。
なお、数式(1)、(2)おいて、変位差θが180°<θ<360°の場合、電極M1およびM2に交流電圧を印加すると、上記各接触点における楕円運動の回転方向は全て逆方向になり、スライダ4は全ての接触点で図8の左方向に力を受けることになる。
このように、第1の実施形態の超音波リニアモータでは、簡易な構造の突起部材5a、5bおよび規制部材6でスライダ4を挟むことで、スライダ4を振動体3に押圧することができ、駆動時の推力および非給電時の保持力を大きくすることができる。また、スライダの移動方向を拘束するような特別なガイド機構を必要とせず、小型なリニア駆動ユニットを実現することが可能となる。
なお、規制部材6の剛性を最適化して適度に弾性を持たせることで、超音波リニアモータで必要とされる加圧機構を確実に兼ねることができる。図9は他の規制部材の外観を示す斜視図である。この規制部材56は、その上面に凹部56cが形成されて内側に突出した形状を有する。この凹部56cの形状を調整することで、規制部材56の剛性を最適化することが可能である。これにより、加圧機構を簡素化することができ、より一層の小型化を図ることができる。
また、規制部材6に弾性を持たせる代わりに、突起部材5a、5bを弾性材で構成することで突起部材5a、5bに弾性を持たせるようにしてもよい。
[第2の実施形態]
図10は第2の実施形態における超音波リニアモータの構成を示す斜視図である。前記第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付すことによりその説明を省略する。
前記第1の実施形態では、振動体3に生じる3つの節部3a、3b、3cのうち、両側の節部3a、3cに突起部材5a、5bがそれぞれ配置されていたが、第2の実施形態では、両側の節部3a、3cには、規制部材15a、15bがそれぞれ配置されている。中間の節部3bには、突起部材14が配置されている。また、規制部材15a、15bの内側には、前記第1の実施形態の規制部材6と同様、突起部材(図示せず)が設けられている。
この超音波リニアモータでは、規制部材15a、15bおよび突起部材14は、前記第1の実施形態と同様、楕円運動を行う。規制部材15a、15bと突起部材14とでは、楕円運動の方向が異なり、規制部材15a、15bでは、その内側に取り付けられた突起部材(図示せず)がスライダ4と接触する。このため、スライダ4は、規制部材15a、15bが圧電素子2側に最も変位した時に最大の力を受ける。一方、突起部材14はその先端がスライダ4と接触するので、スライダ4は、突起部材14が圧電素子2とは反対側に最も変位した時に最大の力を受ける。従って、スライダ4は、3つの接触点で同一方向の力を受けることになる。
また、振動体3の両側に設けられた、2つの規制部材15a、15bによって、スライダ4の移動方向が規制される。特に、図中矢印G方向の移動が規制される。
このように、第2の実施形態の超音波リニアモータでは、前記第1の実施形態で得られる効果に加え、スライダ4の移動方向をより確実に規制することが可能となる。
[第3の実施形態]
図11は第3の実施形態における超音波リニアモータの構成を示す斜視図である。前記第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付すことによりその説明を省略する。
前記第1および第2の実施形態では、振動体の長辺方向の振動モードは2次の屈曲振動(曲げ)モードであったが、第3の実施形態では、振動体16の4次の曲げモードを利用し、長辺方向の曲げモード(Aモード)の節部は5ヶ所である。図12は振動体16の4次の曲げモードを示す図である。
振動体16では、前記第1、第2の実施形態に比べ、長辺方向の寸法が長くなっている。また、振動体16に生じる5箇所の節部には、前記第1の実施形態で示した規則に従って、それぞれ規制部材17、18、19および突起部材20、21が設けられている。従って、第3の実施形態の超音波リニアモータにおいても、スライダ4が振動体16の各節部から受ける力は同一方向となる。
このように、第3の実施形態の超音波リニアモータでは、前記第1、第2の実施形態で得られる効果に加え、スライダ4の接触点を増やすことができるので、スライダ4に発生させる力(推力)を増加させることができる。
[第4の実施形態]
図13は第4の実施形態における超音波リニアモータの構成を示す斜視図である。前記第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付すことによりその説明を省略する。
第4の実施形態では、前記第2の実施形態と比べ、規制部材の形状が異なる。即ち、前記第2の実施形態では、規制部材はコの字形状(クランク形状)の板部材(立設部材)であり、振動体に対して両側2ヶ所で接合された。一方、第4の実施形態では、規制部材25a、25bは逆L字形状の板部材であり、片側1ヶ所のみで振動体3に接合される。
第4の実施形態の超音波リニアモータでは、規制部材25a、25bの折り曲げ量を変更することが容易であり、スライダ4を振動体3側に加圧する際の加圧力を容易に調整することができる。また、組立の際、スライダ4を規制部材25a、25bの開口側から挿入する必要がなくなり、開放されている片側から差し込むことができるので、組み立てが容易になる。
[第5の実施形態]
図14は第5の実施形態における超音波リニアモータをスライダの移動方向から視た正面図である。前記第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付すことによりその説明を省略する。
第5の実施形態では、前記第1の実施形態と異なり、規制部材6の内側には、スライダ4の横方向(図14の左右方向)の移動を規制するために、摺動部材27a、27bが取り付けられている。
これにより、第5の実施形態では、スライダ4の移動方向を更に確実に規制することが可能となる。特に、図中矢印G方向の移動が規制される。なお、摺動部材27a、27bの代わりに、転がりにより摩擦を低減するローラ部材などを配置してもよい。
[第6の実施形態]
図15は第6の実施形態における超音波リニアモータをスライダの移動方向から視た正面図である。前記第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付すことによりその説明を省略する。
第6の実施形態では、前記第1の実施形態と異なり、スライダ24の下面は、移動方向に沿って凹部に形成され、一方、突起部材25の上面は、凸部に形成されている。凸部と凹部が合致した状態でスライダ24が突起部材35に対して相対移動することにより、スライダ24の移動方向が確実に規制される。
[第7の実施形態]
図16は第7の実施形態における超音波リニアモータをスライダの移動方向から視た正面図である。前記第1の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付すことによりその説明を省略する。
第7の実施形態では、前記第1の実施形態と異なり、スライダ34の上面は、移動方向に沿って凹部に形成されている。また、規制部材36はM字状の板部材(立設部材)からなり、規制部材36の内側の上面はスライダ34の凹部に適合するように、凸部に形成されている。
このように、スライダ34の凹部と規制部材36の凸部が合致した状態でスライダ34が規制部材36に対して相対移動することにより、スライダ34の移動方向が確実に規制される。
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、特許請求の範囲で示した機能、または本実施形態の構成が持つ機能が達成できる構成であればどのようなものであっても適用可能である。
第1の実施形態における超音波リニアモータの構成を示す斜視図である。 図1の矢印H方向から視た超音波リニアモータの構成を示す断面図である。 規制部材6の外観を示す斜視図である。 弾性体1とは反対側から視た圧電素子2の面を示す図である。 超音波リニアモータの駆動に用いられる2つの振動モードを示す図である。 AモードおよびBモードの振動における節部を示す図である。 振動体3の中央部の変形を誇張して示す図である。 G方向から視た場合の突起部材5a、5bおよび規制部材6にそれぞれ発生する楕円運動の様子を示す図である。 他の規制部材の外観を示す斜視図である。 第2の実施形態における超音波リニアモータの構成を示す斜視図である。 第3の実施形態における超音波リニアモータの構成を示す斜視図である。 振動体16の4次の曲げモードを示す図である。 第4の実施形態における超音波リニアモータの構成を示す斜視図である。 第5の実施形態における超音波リニアモータをスライダの移動方向から視た正面図である。 第6の実施形態における超音波リニアモータをスライダの移動方向から視た正面図である。 第7の実施形態における超音波リニアモータをスライダの移動方向から視た正面図である。
符号の説明
1 弾性体
2 圧電素子
3 振動体
3a、3b、3c 節部
4 スライダ
5a、5b 突起部材
6 規制部材

Claims (7)

  1. 複数の定在波振動を同時に発生させることによって、前記定在波振動の複数の節部に位置する表面に楕円運動を生じさせる振動体と、
    前記節部に位置する表面に形成され、前記楕円運動を行う駆動部と、
    前記駆動部と接触し、前記楕円運動によって移動させられる移動体とを備え、
    前記駆動部は、前記表面に対して垂直方向に前記移動体を挟むように形成された第1の駆動部および第2の駆動部を有し、
    前記第1の駆動部および前記第2の駆動部は、前記定在波振動の半波長の奇数倍離れた前記節部の位置であって、前記楕円運動が互いに逆方向となる位置に形成されたことを特徴とする振動型駆動装置。
  2. 前記第1の駆動部は、前記定在波振動の半波長の偶数倍離れた前記節部の位置に複数形成されたことを特徴とする請求項1記載の振動型駆動装置。
  3. 前記第1の駆動部は、前記振動体の表面から突出し、前記表面側から前記移動体と接触するように形成された突起部材であり、前記第2の駆動部は、前記振動体の表面から突出し、前記突起部材とは反対側から前記移動体と接触するように形成された立設部材であることを特徴とする請求項1または2記載の振動型駆動装置。
  4. 前記突起部材および前記立設部材の少なくとも一方は弾性を有し、前記移動体は、前記突起部材と前記立設部材の間に挟まれて押圧されることを特徴とする請求項3記載の振動型駆動装置。
  5. 前記立設部材は、前記振動体の表面に逆L字形状またはクランク形状に形成され、前記移動体は、前記逆L字形状または前記クランク形状に形成された前記立設部材の内側に設けられることを特徴とする請求項3記載の振動型駆動装置。
  6. 前記立設部材には、前記表面に対して平行な方向に前記移動体を挟むように、摺動部材が設けられたことを特徴とする請求項3記載の振動型駆動装置。
  7. 前記突起部材および前記立設部材の少なくとも一方に、前記移動体に形成された凹部に合致する凸部が形成されたことを特徴とする請求項3記載の振動型駆動装置。
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