JP2946947B2

JP2946947B2 - リニア型アクチュエータ

Info

Publication number: JP2946947B2
Application number: JP4173975A
Authority: JP
Inventors: 孝弘西倉; 勝巳今田; 貴志野島; 克武田; 正則住原; 修川崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-07-01
Filing date: 1992-07-01
Publication date: 1999-09-13
Anticipated expiration: 2014-09-13
Also published as: JPH0622570A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電体の弾性振動を用い
て駆動力を発生するリニア型アクチュエータに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電セラミック等の圧電体を用い
た振動体に弾性振動を励振し、これを駆動力としたリニ
ア型アクチュエータが注目されている。

【０００３】以下に従来のリニア型アクチュエータにつ
いて説明する。図１３は特開昭６３−２８３４７３号に
示された従来のリニア型アクチュエータの概観図であ
る。同図において、振動体１１は、駆動子１２を一体に
突設させた基体１３と駆動子１１以外の３つの面に図１
４に示すように圧電素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃを貼り
合わせて構成されている。この様に構成された圧電素子
１４ａと１４ｂの並列駆動や１４ａと１４ｃの並列駆動
により、図１３の振動体１１の対角線Ｅ−ＦやＧ−Ｈ方
向に振動が励振され、駆動子１２上に圧接されたスライ
ダ（図示していない）を移動できるものである。また、
別の駆動方法として、円板型や円環型の超音波モータの
ように、圧電素子１４ａに（数１）で表される電圧ｖ₁
を印加し、圧電素子１４ｂ，１４ｃに（数２）で表され
る電圧ｖ₂を印加する。

【０００４】

【数１】

【０００５】

【数２】

【０００６】ここで、V₀は電圧の瞬時値、ωは角周波
数、tは時間である。これにより、振動体１１の駆動子
１２には（数３）で表せる楕円運動する曲げ振動が励振
される。

【０００７】

【数３】

【０００８】ここで、ξは曲げ振動の振幅値、ξ₀は曲
げ振動の瞬時値である。この楕円軌跡の運動により、振
動体１１の駆動子１２に圧接して設置されたスライダ
が、摩擦力により楕円軌跡の運動方向に駆動される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、圧電体で駆動される振動体の曲げ剛性は駆
動子を設けたためＸとＹ方向で変化し、圧電体１４ａで
駆動した時と、圧電体１４ｂ、１４ｃで駆動した時の共
振周波数やインピーダンスは大きく異なる。そのため、
駆動回路や制御回路などが複雑となる。また、剛性の変
化はＸ、Ｙ方向での変位分布におけるノード（節）位置
のずれを生じるため、振動体の支持固定による振動損失
が大きく駆動効率が低下する。また、駆動子とスライダ
は平面で接触するため、平面精度や平行度が悪い場合、
移動体と振動体の駆動（接触）位置が特定できず駆動効
率の低下や騒音の発生が問題となる。一方、平面精度を
向上させると量産性の低下や製造コストの増加をまねく
という問題を有していた。

【００１０】さらに、移動体の移動速度を可変にする場
合、同じ駆動回路での制御では（１）Ｘ方向の振動とＹ
方向の合成振動で励振される楕円軌跡を小さくする、ま
たは別々の駆動回路での制御では（２）移動体の移動方
向であるＸ方向の振動だけを小さくする方法の何れかで
達成しなければならない。しかし（１）の場合、Ｙ方向
の振動も同時に小さくなるため、移動体と振動体との平
面精度以下（例えばうねりなど）の時、振動体の振動を
移動体に効率よく伝達できないため、移動体の駆動が不
安定となったり、必要なトルクを得にくくなる。また
（２）の場合、Ｘ方向とＹ方向の振動変位量を別々に制
御することが必要となり、回路点数の増加によるコスト
の上昇をまねくという問題がある。

【００１１】本発明は上記問題点を解決したリニア型ア
クチュエータを提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のリニア型アクチュエータは、断面形状が四角
形あるいは三角形の棒状弾性体に少なくとも１組の交差
する平面に圧電体を貼付けて構成した振動体を用い、振
動体の稜線部に移動体を圧接し、任意の位相差の交流電
圧を各圧電体に印加し、位相差を変化させることにより
移動体の移動速度を可変速ができることにより上記課題
を解決するものである。

【００１３】

【作用】この構成によって、移動体と振動体との加圧が
面でなく点あるいは線状となるため移動体と振動体の平
面精度や平行度に対する制約は緩和され、生産性の向上
や低コスト化が容易にはかられる。また、振動体に従来
のような駆動子等を設ける必要がないため弾性体の剛性
の変化によるＸ、Ｙ方向の振動体の共振周波数やインピ
ーダンスのずれを生じにくくできるものである。

【００１４】また、本構成の駆動方法は、Ｘ、Ｙ方向の
振動変位に対して特定の角度を持つ振動体の稜線部に移
動体を加圧接触させ、Ｘ方向とＹ方向に印加する交流電
圧の位相差のみを変えることにより、移動体の移動速度
を任意に可変速駆動することができるものである。

【００１５】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の実施例１について、図面を参
照しながら説明する。

【００１６】図１は、本発明の実施例１のリニア型アク
チュエータの断面図である。同図において、１は断面形
状が四角形の弾性体、２ａは第１の圧電体、２ｂは第２
の圧電体で、弾性体１に第１と第２の圧電体２ａ、２ｂ
を貼り合わせて振動体３が構成されている。また、４は
支持部、５は移動体である。図２は、棒の１次の自由振
動の変位分布を示す図で、６は支持部４の位置に対応す
るノード（節）であり、両端が自由の振動体の場合、両
端から０.２２４ｌ（ｌ：振動体長）の位置となる。図
１から、移動体５は振動体３の稜線部で振動体３の中央
部の振動変位量の最大位置近傍で加圧接触している。ま
た、振動体３はプラスチックピンなどの低ヤング率を持
つものや音速の小さい材料などを用いて支持部４で固定
されている。この時、支持部４はＸ、Ｙ方向の振動体３
の剛性を等しくするために対称に設ける方が好ましい
が、支持部４の振動に与える影響が無視できる場合はこ
の限りではない。

【００１７】次に、図３の動作説明図を用いてその駆動
原理を説明する。同図において、第１の圧電体２ａによ
り、Ｘ方向の振動ξ₁が励振され、第２の圧電体２ｂに
より、Ｙ方向の振動ξ₂を励振された場合、振動体３の
稜線部に、ＸとＹ方向成分の移動体の移動方向成分（ξ
_x1とξ_y1）の振動変位ξ_x（数４）とＸとＹ方向成分の
移動体の垂直方向成分（ξ_x2とξ_y2）の振動変位ξ
_y（数５）の合成振動変位で表せる楕円運動が起こる様
子を示している。

【００１８】

【数４】

【００１９】

【数５】

【００２０】ここで、φはＸとＹ方向振動の位相差、θ
₁、θ₂は水平方向に対する振動体の各辺の傾き角である
が、本実施例１の場合は、何れもπ／４である。図４に
は、位相差φを３０、６０、９０、１２０、１５０度と
変えた時に、任意に移動体の移動速度が変化する様子を
示している。もちろん、位相差φの符号を変えた交流電
圧を印加することにより、移動体の移動方向を反転する
ことができる。

【００２１】以上のように本発明の実施例１によれば、
振動体３の稜線部に移動体５を加圧接触させる構成によ
り、移動体と振動体との平行度や平面精度に対する制約
が皆無となり、安価で量産性に優れ、信頼性の高いリニ
ア型アクチュエータを得ることができる。

【００２２】また、第１と第２の圧電体２ａ、２ｂに印
加する交流電圧の位相を可変とすることにより、移動体
を任意の移動速度で駆動できる。このことは、移動体を
低速駆動する場合、従来のようにＸ方向とＹ方向を同じ
駆動回路で駆動した時には移動体の移動方向と垂直方向
の振動変位が同時に小さくなり、移動体と振動体の平面
精度やうねりのために生じる移動体の移動速度の不安定
性を、移動方向の垂直方向の振動変位は大きくし、移動
方向の振動変位だけを小さくすることにより、低速駆動
時の移動速度や駆動力などの特性を安定化することがで
きるものである。

【００２３】また、位相差を制御するだけで移動速度を
可変とできるため、Ｘ方向とＹ方向の制御回路を個別に
設ける必要が無く簡単な回路構成で、しかも特定の位相
差においては、Ｘ方向またはＹ方向の単独の振動変位よ
りも最大√２倍程度大きくできるため、同じ入力に対し
ても振動変位の拡大効果により駆動効率を大幅に向上し
たリニア型アクチュエータを得ることができる。

【００２４】なお、第１と第２の圧電体２ａ、２ｂは図
１に示したように直交する２つの平面のみに限定される
ものではなく、図５に示すように相対する平面に図中の
矢印で示すような分極方向の配置となるように圧電体２
ａ’、２ｂ’を設け、圧電体２ａ、２ａ’および圧電体
２ｂ、２ｂ’の組で駆動することにより、低インピーダ
ンス化と高い結合係数による高駆動効率が得られ、低電
圧駆動や負荷変動に対する駆動周波数変化に追従する制
御回路の制御周波数を下げることができるなどの利点が
付与されるものである。

【００２５】（実施例２）以下本発明の実施例２につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００２６】図６は、本発明の実施例２のリニア型アク
チュエータの断面図である。同図において、７は断面形
状が三角形の弾性体、８ａは第１の圧電体、８ｂは第２
の圧電体で、弾性体７の斜平面に第１と第２の圧電体８
ａ、８ｂを貼り合わせて振動体９が構成され、第１と第
２の圧電体８ａ、８ｂで挟まれた三角断面の稜線部に移
動体５を加圧接触している。また、三角断面の棒の１次
の自由振動の変位分布も図２と同様であるため、実施例
１と同じように振動のノード（節）６で支持固定するこ
とができる。

【００２７】次に、図７を用いて動作原理を説明する。
基本的な動作は実施例１と同様である。図７で、第１の
圧電体８ａにより、Ｘ方向の振動ξ₁が励振され、第２
の圧電体８ｂにより、Ｙ方向の振動ξ₂を励振された場
合、振動体７の稜線部に、ＸとＹ方向成分の移動体の移
動方向成分（ξ_A1とξ_B1）の振動変位ξ_A（数６）とＸ
とＹ方向成分の移動体の垂直方向成分（ξ_A2とξ_B2）の
振動変位ξ_B（数７）の合成振動変位で表せる楕円振動
が起こる様子を示している。

【００２８】

【数６】

【００２９】

【数７】

【００３０】ここで、φはＸとＹ方向振動の位相差、θ
₁、θ₂は水平方向に対する振動体の各辺の傾き角であ
る。この時、図７に示すように、位相差φおよび傾き角
θを可変とすることにより、任意に移動体の移動速度を
変えることができる。例えば図８には、傾き角θ＝６０
度とした時、位相差φ＝３０、６０、９０、１２０、１
５０度に対する相対振動変位量の関係を示し、図９には
位相差φ＝９０度とした時、傾き角θ＝１０、３０、４
５、６０、８０度に対する相対振動変位量の関係を示し
ている。もちろん、位相差φの符号を変えた交流電圧を
印加することにより、移動体の移動方向を反転すること
ができる。

【００３１】以上のように本発明の実施例２によれば、
実施例１と同じ効果が得られる。また、駆動効率や回路
の簡略化のためには各圧電体の共振周波数を一致させる
ことが重要である。しかし、実施例１の正方形断面振動
体では、Ｘ方向とＹ方向で圧電的に結合しているため共
振周波数を合わせることが単独にはできず、お互いに影
響しあうため共振周波数を一致させることが困難であ
る。しかし三角形断面振動体では、ＸとＹ方向が直交関
係になく、お互いの共振周波数に与える、つまり一方向
を面取り加工などにより振動体の剛性を変化させても他
方向の剛性はほとんど変化しないため、影響が小さい。
よって各辺に相対する稜線部を面取りなどの加工によ
り、ＸおよびＹ方向振動の共振周波数を独立に調整でき
るため、加工精度などによる共振周波数のばらつきを簡
単に一致させることができる。

【００３２】さらに、例えば振動体が正三角形の場合、
傾き角θ＝６０度であり、そのとき位相角φの任意の値
によって振動変位量は実施例１に対して最大１．２倍程
度にさらに拡大できるものであり、より高効率なリニア
型アクチュエータを得ることができる。

【００３３】なお、振動体の三角形の形状は正三角形ま
た圧電体の貼付け面の辺の長さが等しい２等辺三角形が
好ましいが、この限りではない。

【００３４】（実施例３）以下本発明の実施例３につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００３５】本実施例３は、実施例１と２の構成におい
て、振動体３と９の少なくとも移動体５が加圧接触する
稜線部に、図１０（ａ）、（ｂ）の振動体の斜視図に示
すように、丸み１０を形成しエッジを無くしたリニア型
アクチュエータであり、他の構成は実施例１および２と
同様である。

【００３６】上記のように本発明の実施例３によれば、
実施例１および２の駆動時に発生する振動体のエッジで
のつっつき効果による移動体５の引っかき摩耗が非常に
少なくなるため、リニア型アクチュエータの寿命を著し
く向上させ、長期にわたる高い信頼性を有するアクチュ
エータを得ることができ、工業上のメリットは計り知れ
ないものである。

【００３７】なお、実施例１と２において、振動体の断
面形状を四角形と三角形としたが、多角形でもよいこと
は言うまでもない。また、圧電体の貼付け面以外が図１
１のように円弧形状でも同様の効果が得られることは明
白である。

【００３８】さらに、支持部４は、図１２（ａ）に示す
ように振動体のノード６位置である中心部近傍で支持固
定できるものであれば、本発明の実施例に示した振動体
の対角線方向やＸ、Ｙ方向から貫通しない程度の穴を各
稜や各平面に設けても、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すよ
うにノード近傍を円形または振動体と同じ形状に寸法を
縮小して加工した形状でもよい。また、図１２は四角形
の振動体について示したが、他の形状に対しても適用で
きることは言うまでもない。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明は、四角形や三角形
断面を有する振動体の稜線部に移動体を加圧接触して駆
動することにより、平面精度や平行度に対する制約を皆
無とすることができるため、低コストで量産性に優れ、
特性の安定したリニア型アクチュエータを実現できる。

【００４０】また、振動体の稜線部で移動体を駆動する
構成のため、Ｘ方向とＹ方向の振動を励振する圧電体に
加える交流電圧の位相差φを変えるだけで、移動体の移
動速度を任意に変えることができるため、Ｘ方向とＹ方
向の振動を励振する各圧電体の駆動回路や制御回路が簡
略化できる。

【００４１】また、移動体の低速駆動時においても、移
動体の移動方向に対する振動変位量の垂直成分を小さく
することなく低速駆動ができるため、移動体と振動体と
の平面精度やうねりによる振動の伝達損失がないため、
騒音を発生せず安定した高効率の特性を持つリニア型ア
クチュエータが簡単な構成と駆動原理で容易に実現でき
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１のリニア型アクチュエータの
断面図

【図２】棒の１次の自由振動分布を示す図

【図３】同実施例の動作説明図

【図４】同実施例における、位相差に対する相対振動変
位量の関係図

【図５】同実施例の圧電体の配置例を示す図

【図６】本発明の実施例２のリニア型アクチュエータの
断面図

【図７】同実施例の動作説明図

【図８】同実施例における、傾き角が６０度時の位相差
に対する振動変位量の関係図

【図９】同実施例における、位相差が９０度時の傾き角
に対する相対振動変位量の関係図

【図１０】本発明の実施例３のリニア型アクチュエータ
の振動体の断面図

【図１１】本発明における振動体形状の一例を示す断面
図

【図１２】本発明における支持部の一例を示す振動体の
断面図

【図１３】従来のリニア型アクチュエータの振動体の概
観図

【図１４】従来の駆動原理を示す図

【符号の説明】１、７弾性体２ａ、８ａ第１の圧電体２ｂ、８ｂ第２の圧電体３、９、１１振動体４支持部５移動体６ノード１０丸み１２駆動子１３基体１４ａ、１４ｂ、１４ｃ圧電素子

フロントページの続き (72)発明者武田克大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者住原正則大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者川崎修大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開昭63−220781（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−274377（ＪＰ，Ａ) 特開平５−128459（ＪＰ，Ａ) 特開平５−122949（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】断面形状が四角形である棒状の弾性体と少
なくとも１組の直交する前記弾性体の平面に第１と第２
の圧電体を設けて振動体を構成し、前記振動体の直交す
る面の少なくとも１つの稜線部には移動体を加圧接触さ
せ、前記第１と第２の圧電体に前記振動体の共振周波数
と反共振周波数範囲内の交流電圧を任意の位相差で制御
し印加することにより、前記移動体の移動速度を可変速
駆動することを特徴とするリニア型アクチュエータ。
【請求項２】断面形状が三角形である棒状の弾性体と前
記弾性体の２つの斜辺平面に第１と第２の圧電体を設け
て振動体を構成し、前記振動体の前記第１と第２の圧電
体で挟まれた稜線部に移動体を加圧接触させ、前記第１
と第２の圧電体に前記振動体の共振周波数と反共振周波
数範囲内の交流電圧を任意の位相差で制御し印加するこ
とにより、前記移動体の移動速度を可変速駆動すること
を特徴とするリニア型アクチュエータ。
【請求項３】振動体の稜線部において、少なくとも移動
体と接触する部分に丸みを設けた請求項１または２記載
のリニア型アクチュエータ。