JP2013038982A - Ultrasonic actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic actuator.
従来の超音波アクチュエータとして、特許文献1に記載の超音波モータがある。この超音波モータにおいては、2つのランジュバン振動子を互いに直交するように配置した駆動子を、ロータの外周面に押圧し、振動子の駆動によってロータに回転力を発生させている。 As a conventional ultrasonic actuator, there is an ultrasonic motor described in Patent Document 1. In this ultrasonic motor, a driving element in which two Langevin vibrators are arranged so as to be orthogonal to each other is pressed against the outer peripheral surface of the rotor, and a rotational force is generated in the rotor by driving the vibrator.
しかしながら、上述の超音波モータでは、所望の振動を得るには、2つのランジュバン振動子の角度、位置、振幅、周波数等をそろえる調整が必要である。また、2つのランジュバン振動子を互いに直交するように配置するため、駆動子全体の体積が大きくなるという欠点がある。 However, in the above-described ultrasonic motor, adjustment to align the angles, positions, amplitudes, frequencies, etc. of the two Langevin transducers is necessary to obtain the desired vibration. Further, since the two Langevin vibrators are arranged so as to be orthogonal to each other, there is a drawback that the volume of the entire driver is increased.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の振動子間の調整が不要であり、小型でありながら強い発生力を有するリニア型超音波アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a linear ultrasonic actuator that does not require adjustment between a plurality of transducers and that has a small generation force but a strong generation force.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波アクチュエータは、厚み方向に分極された第1圧電体、第1圧電体と対向するように配置され、厚み方向に分極された第2圧電体、及び、第1圧電体と第2圧電体を挟持する第1弾性体と第2弾性体を有し、第1弾性体と第2弾性体による挟持方向に伸縮する駆動部と、駆動部に対して移動可能に配置された複数の移動体と、駆動部に結合され、複数の移動体に対する把持力をそれぞれ調整可能に構成された複数の伝達部と、駆動部の伸縮と伝達部の把持力調整を連動させる制御部と、を備え、複数の伝達部は、挟持方向において駆動部の一方の端部側に配置されるとともに、駆動部の振動の複数の腹位置にそれぞれ配置されていることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the ultrasonic actuator according to the present invention is arranged so as to face the first piezoelectric body that is polarized in the thickness direction, and is polarized in the thickness direction. The second piezoelectric body, and the first elastic body and the second elastic body sandwiching the first piezoelectric body and the second piezoelectric body, and driving to expand and contract in the sandwiching direction between the first elastic body and the second elastic body A plurality of movable bodies arranged to be movable with respect to the drive section, a plurality of transmission sections coupled to the drive section and configured to be able to adjust gripping forces on the plurality of movable bodies, respectively, A control unit that interlocks expansion and contraction and grip force adjustment of the transmission unit, and the plurality of transmission units are arranged on one end side of the drive unit in the clamping direction, and a plurality of antinode positions of vibration of the drive unit It is characterized by being arranged respectively.
本発明に係る超音波アクチュエータにおいて、2つの伝達部は互いに同期して2つの移動体のそれぞれに対する把持力を調整し、かつ、2つの伝達部による2つの移動体それぞれの把持状態は互いに同一又は逆であることが好ましい。 In the ultrasonic actuator according to the present invention, the two transmission units adjust the gripping force for each of the two moving bodies in synchronization with each other, and the gripping states of the two moving units by the two transmission units are the same as each other or The reverse is preferred.
本発明に係る超音波アクチュエータは、小型であり、かつ、強い発生力を有するという効果を奏する。 The ultrasonic actuator according to the present invention is advantageous in that it is small in size and has a strong generating force.
以下に、本発明に係る超音波アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
本発明の超音波アクチュエータは、超音波モータとして移動体を移動する推力を大きくするために、ボルト締めランジュバン振動子の発生力を利用している。また、伝達部における移動体の把持力の調整のために圧電素子を用いている。移動体は、ランジュバン振動子での力の発生と、伝達部によって移動体を把持する力の調整と、を連動させることによって移動させている。このような構成において、駆動用のランジュバン振動子と移動体の把持力調整用の圧電素子とを独立して制御しているため、これらの駆動周波数をそろえる必要がない等設計の自由度がある。さらに、駆動用のランジュバン振動子の先端をホーン形状にすることによって、移動体が移動する移動量をより大きくできるとともに、ホーン形状の先端が細くなることからスペースに限りがある空間でも配置しやすくなる。
また、駆動部の一方の端部側に複数の伝達部を配置したことにより、作用部を2箇所設けたことになるため、動作部を増やすことができる。
Embodiments of an ultrasonic actuator according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment.
The ultrasonic actuator of the present invention uses the generated force of a bolt-tightened Langevin vibrator in order to increase the thrust for moving the moving body as an ultrasonic motor. In addition, a piezoelectric element is used to adjust the gripping force of the moving body in the transmission unit. The moving body is moved by interlocking the generation of force in the Langevin vibrator and the adjustment of the force for gripping the moving body by the transmission unit. In such a configuration, since the driving Langevin vibrator and the piezoelectric element for adjusting the gripping force of the moving body are controlled independently, there is a degree of freedom in design such that it is not necessary to align these driving frequencies. . Furthermore, by making the tip of the driving Langevin vibrator into a horn shape, the moving amount of the moving body can be increased, and the tip of the horn shape becomes thin, so it can be easily placed even in a space where space is limited. Become.
In addition, since a plurality of transmission parts are arranged on one end side of the driving part, two action parts are provided, so that the number of operation parts can be increased.
図1〜図5は、本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータ100の構成を示す図であって、図1は斜視図、図2は分解斜視図、図3は側面図、図4は正面図、図5は背面図である。図6は、図4のVI−VI線における断面図である。図7は、本実施形態における制御部150の構成を示すブロック図である。
1 to 5 are diagrams showing a configuration of an
超音波アクチュエータ100は、駆動部110と、駆動部110に対して移動可能に配置された2つの移動体121、122と、2つの伝達部130、140と、制御部150(図7)と、を備える。
The
駆動部110は、第1圧電体としての第1圧電素子111と、第2圧電体としての第2圧電素子112と、第1弾性体としての弾性連結部113と、第2弾性体としての埋め込みナット部114と、を備える。弾性連結部113は支持部113eを備える。
The
第1圧電素子111及び第2圧電素子112は、それぞれ厚み方向に分極された略円板状をなしており、厚み方向において分極方向が互いに対向するように配置されている。駆動部110は、弾性連結部113から延出するボルト部113cを、第1圧電素子111及び第2圧電素子112に貫通させ、さらにナット部114の内面のネジに嵌め合わせることにより、第1圧電素子111及び第2圧電素子112を共締めする。この構成により駆動部110は、ランジュバン振動子を構成する。駆動部110は、第1圧電素子111と第2圧電素子112に通電させることにより、弾性連結部113とナット部114が第1圧電素子111と第2圧電素子112を挟持する方向A(図2)に沿って伸縮する。
The first
弾性連結部113は、駆動部110と2つの伝達部130、140を機械的及び音響的に互いに連結する、すなわち、第1圧電素子111及び第2圧電素子112で発生した振動を第1伝達部130及び第2伝達部140に効率良く伝達できるように構成されている。弾性連結部113は、第1圧電素子111と第2圧電素子112が挟持される方向Aに沿って、同心状に順に配置された、先端部113b、ホーン部113a、支持部113e、及びボルト部113cを備える。先端部113bは、筒形状の内面にネジが形成され、ボルト部113cは、外面にネジが形成されている。
The
ホーン部113aは、ボルト部113c側から先端部113b側へ向かって外径が小さくなる形状を備える。別言すると、ホーン部113aは、第1圧電素子111と第2圧電素子112が挟持される方向Aに沿った断面径が、第1圧電素子111側から第1伝達部130側へ向かうほど小さくなるホーン形状を備える。この断面のホーン形状は、指数関数的に変化することが好ましいが、第1圧電素子111側から第1伝達部130側へ向かうほど小さくなっていれば、これ以外の形状であってもよい。
The
第1伝達部130は、本体部131と第3圧電素子132を備え、第1連結板101によって駆動部110に結合される。第2伝達部140は、本体部141と第4圧電素子142を備え、第2連結板106によって駆動部110に結合される。
第1伝達部130及び第2伝達部140は、支持部113eに関して、駆動部110の一方の端部側に配置されている。
The
The
第1伝達部130の本体部131は、駆動部110の振動W(図3)の略腹位置において、101によって駆動部110の先端部113bに結合されている。第2伝達部140の本体部141は、第1伝達部130が配置された腹位置とは別の略腹位置において、106によって駆動部110の先端部113bに結合されている。
The
第1伝達部130と第2伝達部140は、第1圧電素子111と第2圧電素子112が挟持される方向Aに垂直な方向において、互いにずれた位置に配置される。
具体的には、第2伝達部140については、弾性連結部113の先端部113bを第2連結板106に貫通させるとともに、106を貫通したネジ108を本体部141に嵌め込む。106は、先端部113bの所定位置に固着する。第1伝達部130については、弾性連結部113の先端部113bに対して、第1連結板101を貫通したネジ102を嵌め込むとともに、第1連結板101を貫通したネジ104を本体部131に嵌め込む。
The
Specifically, for the
第1伝達部130の本体部131には、弾性連結部113とナット部114が第1圧電素子111と第2圧電素子112を挟持する方向Aに沿って、貫通孔133が設けられている。この貫通孔133には、棒状の第1移動体121が移動可能に挿通されている。また、本体部131の下面には第3圧電体としての第3圧電素子132が貼り付けられている。
A through
第2伝達部140の本体部141には、第1圧電素子111と第2圧電素子112が挟持される方向Aに沿って、貫通孔143が設けられている。この貫通孔143には、棒状の第2移動体122が移動可能に挿通されている。また、本体部141の上面には第4圧電体としての第4圧電素子142が貼り付けられている。
A through
第1伝達部130の本体部131は、第3圧電素子132に通電することにより屈曲し、これにより本体部131が第1移動体121を把持する力が発生する。また、本体部131は、第3圧電素子132への通電を停止することにより屈曲から回復し、第1移動体121への把持力が低減する。すなわち、第1伝達部130は、第1移動体121に対する把持力を調整可能に構成されている。
The
第2伝達部140の本体部141は、第4圧電素子142に通電することにより屈曲し、これにより本体部141が第2移動体122を把持する力が発生する。また、本体部141は、第4圧電素子142への通電を停止することにより屈曲から回復し、第2移動体122への把持力が低減する。すなわち、第2伝達部140は、第2移動体122に対する把持力を調整可能に構成されている。
The
図7に示すように、制御部150は、第1信号発生器151、第1電力増幅部152、遅延回路153、第2信号発生器154、及び第2電力増幅部155を備える。第1信号発生器151で発生した信号は第1電力増幅部152で増幅されて駆動部110(第1圧電素子111、第2圧電素子112)へ出力される。第2信号発生器154で発生した信号は第2電力増幅部155で増幅されて第1伝達部130(第3圧電素子132)及び第2伝達部140(第4圧電素子142)へ出力される。
As illustrated in FIG. 7, the
駆動部110と、第1伝達部130及び第2伝達部140と、へそれぞれ出力する信号は、遅延回路153を介することにより、所定の遅延時間をおいて互いに時間的に同期している。なお、駆動部110と、2つの伝達部130、140と、へ出力する信号の位相を同期させない制御も可能である。
The signals output to the
制御部150から駆動部110と2つの伝達部130、140へそれぞれ出力する信号は、駆動部110の第1圧電素子111及び第2圧電素子112と、第3圧電素子132及び第4圧電素子142と、にそれぞれ印加される。これにより、駆動部110の伸縮と、第1伝達部130及び第2伝達部140による把持力調整の動作と、が連動し、これを繰返すことにより第1移動体121及び第2移動体122を所定の方向にリニアに駆動することができる。
The signals output from the
ここで、第2信号発生器154は、第2電力増幅部155を介して第1伝達部130及び第2伝達部140の両方に対して同じタイミングで信号を出力する。これにより、第1伝達部130と第2伝達部140は、互いに同期して第1移動体121と第2移動体122に対する把持力をそれぞれ調整することができる。
Here, the
第2信号発生器154が、第1伝達部130及び第2伝達部140の両方に対して同一の信号を出力した場合、第1伝達部130と第2伝達部140による第1移動体121と第2移動体122それぞれの把持状態は互いに同一となる。
When the
これに対して、第2信号発生器154が、第1伝達部130及び第2伝達部140の一方には信号を出力して他方には出力しない場合、第1伝達部130と第2伝達部140による第1移動体121と第2移動体122それぞれの把持状態は互いに逆となる。すなわち、第1移動体121は、信号が印加された第1伝達部130によって把持され、第2移動体122については、第2伝達部140に信号が印加されないため、第2伝達部140による把持する力は低減している。
On the other hand, when the
図8、図9に示すように、支持部113eは、ホーン部113aとボルト部113cに挟まれ、これらと一体に構成された板状の部材である。この支持部113eは、駆動部110の振動の略節位置に配置され、2枚の支持板161、162で挟持される。これにより、超音波アクチュエータ100は、駆動部110の振動の略節位置で支持されるとともに、外部の部材に対して取り付け可能となる。ここで、図8は、2枚の支持板161、162で支持部113eを固定した状態を示す斜視図である。図9は、支持部113eと2枚の支持板161、162との関係を示す斜視図である。
As shown in FIGS. 8 and 9, the
次に、駆動部110の伸縮と2つの伝達部130、140の把持力調整を連動させることによって、2つの移動体121、122を移動させる工程について、図10を例に挙げて説明する。図10は、駆動部110の伸縮と、第1伝達部130の本体部131及び第2伝達部140の本体部141の屈曲と、による第1移動体121及び第2移動体122の把持力の変化を経時的に示す図である。図10では、第1伝達部130と第2伝達部140による第1移動体121と第2移動体122それぞれの把持状態が互いに同一である場合を示している。
Next, a process of moving the two moving
図10(a)は、基本状態を示している。この基本状態においては、第1圧電素子111、第2圧電素子112、第3圧電素子132、及び第4圧電素子142には電圧が印加されていないため、駆動部110は伸縮しておらず、本体部131、141は屈曲していない。
FIG. 10A shows the basic state. In this basic state, since no voltage is applied to the first
図10(b)は、第1圧電素子111及び第2圧電素子112には電圧を印加しない状態を維持し、第2電力増幅部155から第3圧電素子132及び第4圧電素子142へ所定の電圧を同期して印加した状態を示す。この状態では、第1移動体121については、本体部131が屈曲することにより、貫通孔133の内面の屈曲による第1移動体121の把持力が発生し、これにより第1移動体121は第1伝達部130に把持される。第2移動体122については、本体部141が屈曲することにより、貫通孔143の内面の屈曲による第2移動体122の把持力が発生し、これにより第2移動体122は第2伝達部140に把持される。
FIG. 10B shows a state in which no voltage is applied to the first
図10(c)は、図10(b)の状態から第3圧電素子132及び第4圧電素子142への電圧の印加を継続しつつ、第1電力増幅部152から第1圧電素子111及び第2圧電素子112へ所定の電圧を印加した状態を示す。図10(b)に示すタイミングと図10(c)に示すタイミングの差は、遅延回路153が定める遅延時間に対応する。図10(c)の状態では、第1移動体121及び第2移動体122が伝達部130、140にそれぞれ把持された状態が維持されつつ、駆動部110が伸張するため、第1伝達部130及び第2伝達部140がそれぞれ把持する第1移動体121及び第2移動体122は左へ移動する。
FIG. 10C shows the first
図10(d)は、第1圧電素子111及び第2圧電素子112へ電圧を印加した状態を維持しつつ、第3圧電素子132及び第4圧電素子142への電圧の印加を停止した状態を示す。図10(d)の状態では、第1圧電素子111、第2圧電素子112、及びホーン部113aが伸びきっている一方、第1伝達部130及び第2伝達部140は屈曲から回復して第1移動体121及び第2移動体122それぞれを把持する力は低下している。
FIG. 10D shows a state in which the voltage application to the third
図10(e)は、第3圧電素子132及び第4圧電素子142への電圧の印加を停止したまま、第1圧電素子111及び第2圧電素子112への電圧の印加を停止した状態を示す。図10(d)から図10(e)への過程において、電圧印加の停止によって第1圧電素子111、第2圧電素子112、及びホーン部113aは基本状態(図10(a))まで縮退するが、伝達部130、140による移動体121、122それぞれの把持力が低下しているため、第1移動体121及び第2移動体122は第1伝達部130及び第2伝達部140の移動に拘わらずに図10(d)に示す位置に留まる。
FIG. 10E shows a state in which application of voltage to the first
以上の動作により、第1移動体121及び第2移動体122は、図10(a)に示す状態よりも左側に移動し、これを繰り返すことにより第1移動体121及び第2移動体122を所望の位置まで移動させることができる。
By the above operation, the first moving
これに対して、図10に示す動作と逆の動作を行うことによって、第1移動体121及び第2移動体122を右側へ移動させることもできる。
より具体的には、第1伝達部130及び第2伝達部140による第1移動体121及び第2移動体122の把持力を低下させた状態で第1移動体121及び第2移動体122の位置を維持しつつ駆動部110を伸張させる動作と、第1伝達部130及び第2伝達部140による第1移動体121及び第2移動体122の把持力を高めた状態で駆動部110を縮退することにより第1移動体121及び第2移動体122を右側へ移動させる動作と、を順に行うことによって第1移動体121及び第2移動体122を右側へ移動させる。
On the other hand, the
More specifically, the holding force of the first moving
図10では、第1伝達部130と第2伝達部140による第1移動体121と第2移動体122それぞれの把持状態が互いに同一である場合を示しているが、第1移動体121と第2移動体122の把持状態を逆にしてもよい。
例えば、第1伝達部130については図10と同様とする一方、第2伝達部140については、図10に示す電圧印加状態とは逆に、図10(b)、(c)において第4圧電素子142に電圧を印加せず、図(d)、(e)において第4圧電素子142に電圧を印加する。このようにすると、図10(a)に示す状態に対して、第1移動体121は左側へ、第2移動体122は右側へ、それぞれ移動する。
FIG. 10 shows a case in which the gripping states of the first moving
For example, the
以上のように、本発明に係る超音波アクチュエータは、ランジュバン振動子を含む複数の振動子を用いた小型のアクチュエータに有用である。 As described above, the ultrasonic actuator according to the present invention is useful for a small actuator using a plurality of transducers including a Langevin transducer.
100 超音波アクチュエータ
101 第1連結板
102、104 ネジ
106 第2連結板
108 ネジ
110 駆動部
111 第1圧電素子
112 第2圧電素子
113 弾性連結部
113a ホーン部
113b 先端部
113c ボルト部
113e 支持部
114 ナット部
121 第1移動体
122 第2移動体
130 第1伝達部
131 本体部
132 第3圧電素子
133 貫通孔
140 第2伝達部
141 本体部
142 第4圧電素子
143 貫通孔
150 制御部
151 第1信号発生器
152 第1電力増幅部
153 遅延回路
154 第2信号発生器
155 第2電力増幅部
161、162 支持板
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記駆動部に対して移動可能に配置された複数の移動体と、
前記駆動部に結合され、前記複数の移動体に対する把持力をそれぞれ調整可能に構成された複数の伝達部と、
前記駆動部の伸縮と前記伝達部の把持力調整を連動させる制御部と、
を備え、
前記複数の伝達部は、前記挟持方向において前記駆動部の一方の端部側に配置されるとともに、前記駆動部の振動の複数の腹位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする超音波アクチュエータ。 A first piezoelectric body polarized in the thickness direction, a second piezoelectric body arranged to face the first piezoelectric body and polarized in the thickness direction, and sandwiching the first piezoelectric body and the second piezoelectric body A drive unit that includes a first elastic body and a second elastic body that extend and contract in a clamping direction by the first elastic body and the second elastic body;
A plurality of movable bodies arranged to be movable with respect to the drive unit;
A plurality of transmission units coupled to the drive unit and configured to be capable of adjusting a gripping force with respect to the plurality of moving bodies; and
A control unit that interlocks expansion and contraction of the drive unit and grip force adjustment of the transmission unit;
With
The ultrasonic actuator, wherein the plurality of transmission units are arranged on one end side of the drive unit in the clamping direction, and are arranged at a plurality of antinode positions of vibration of the drive unit, respectively. .
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Cited By (1)
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DE102014203704A1 (en) | 2013-02-28 | 2014-08-28 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | ELECTROMAGNETIC HANGING DEVICE |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20141104 |