JP3437225B2 - 超音波アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波アクチュエー
タ、詳しくは、圧電素子や電歪素子等の電気−機械エネ
ルギー変換素子により超音波振動を発生させる超音波ア
クチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来，超音波振動子は様々な形状の物が
提案されており、たとえば、特開平３−１９５３７７号
公報に記載のものの如き形状のものがある。図１４は、
該特開平３−１９５３７７号公報に記載された超音波ア
クチュエータを示した説明図であり、図１４（ａ）は側
断面図，図１４（ｂ）は正面から見た図である。

【０００３】この図に示すように、上記技術手段は、共
振器１２１の三面に三個の圧電素子１２２，１２３ａ，
１２３ｂが固定されており、該共振器１２１の一面に足
１３２ａ，１３２ｂが配され超音波振動子が構成されて
いる。この共振器の足の反対面には直接押圧バネが配さ
れており、該バネ１３５は、ホルダ１３３に固定され、
該ホルダ１３３に配された長孔により、上記共振体１２
１に配されたピン１２４ａ，１２４ｂが上下方向に移動
可能に支持されている。また、上記ホルダ１３３の他端
面でガイド板１３８と固定され、摺動板１３４を挟持す
る構造の超音波アクチュエータとなっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平３−１９５３７７号公報に開示された超音波アクチ
ュエータにおいては、バネによる押圧力を超音波振動子
に伝えるために、超音波振動子を上下方向に移動可能に
支持する必要がある。このため、超音波振動子に配設さ
れたピンとホルダに穿設された長孔により固定する構造
としている。この場合、上記ピンと長孔と超音波振動子
がアクチュエータの移動方向に動かないように支持を行
っているが、上下方向に移動可能ということと、駆動方
向に規制することに矛盾があり、ピンと長孔とにガタが
生じる虞がある。このガタの発生は、高い精度が要求さ
れる超音波アクチュエータにとって好ましいことではな
く、特にミクロン台の位置決めが必要な場合問題とな
る。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、上記従来技術の問題点を解消し、微少移動が
可能な超音波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】上記の目的を達成するた
めに本発明による第１の超音波アクチュエータは、筐体
と、一対の電気−機械エネルギー変換素子と、これら電
気−機械エネルギー変換素子が固定された共振器と、被
駆動体と、上記共振器を保持する保持手段と、上記筐体
に固定されかつ上記保持手段を介して上記共振器を上記
被駆動体に向けて押圧する押圧手段とを具備し、上記一
対の電気−機械エネルギー変換素子に位相の異なる高周
波電圧を印加することにより上記共振器に定在波振動を
発生させ上記被駆動体を駆動する超音波アクチュエータ
において、上記保持手段は、上記押圧手段による押圧力
を受ける部位とは異なる部位に形成された弾性ヒンジ部
を備え、この弾性ヒンジ部は、上記押圧方向には剛性が
弱く、上記押圧方向と直交する方向には剛性が強く加工
されるとともに、上記筐体に密着固定されていることを
特徴とする。また、上記の目的を達成するために本発明
による第２の超音波アクチュエータは、上記第１の超音
波アクチュエータにおいて、上記共振器の定在波振動の
節部にはピンが設けられ、上記保持手段の、該ピンと係
合する部分にＶ字溝が形成されていることを特徴とす
る。

【０００７】

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【０００９】図１ないし図４は、本発明の第１実施例の
超音波アクチュエータの説明図である。図１は、該第１
実施例の超音波アクチュエータを示した正面図であり、
図２は、該第１実施例の超音波アクチュエータに用いら
れる超音波振動子を示した正面図である。また、図３
は、該超音波振動子の（Ａ）共振縦振動と（Ｂ）共振屈
曲振動とを示した説明図であり、図４は、該第１実施例
の超音波アクチュエータにおけるホルダ部を示した要部
拡大斜視図である。

【００１０】図２に示すように、本第１実施例の超音波
アクチュエータに適用される超音波振動子５は、積層圧
電素子１を一対配した、真鍮製の直方体の共振器２が、
図３に示されるように、共振縦振動（Ａ）と共振屈曲振
動（Ｂ）が同時に励起されるような形状で構成されてい
る。

【００１１】上記超音波振動子５は、共振器２における
上記振動の節に、焼き入れされたステンレスで構成され
たピン３が圧入されている。また、該共振器２の底面、
すなわち、上記圧電素子１が配された面の反対側面の振
動腹位置には摺動用の突起４が設けられている。

【００１２】図１は、このように構成される超音波振動
子５を用いた本発明の第１実施例である超音波アクチュ
エータ６を示した説明図である。

【００１３】図に示すように、超音波振動子５の上方に
は、焼き入れが施されたステンレスで構成された略コ字
形状を呈するホルダ７（図４参照）が、開口部を下方に
して該超音波振動５を挟むようにして配設されている。
該ホルダ７の下面一側方寄りには、一対のＶ字形状の溝
（以下Ｖ溝という）８が刻設されており（図４参照）、
また、該ホルダ７の上面他側方には、後述する弾性ヒン
ジ部１４が上方に向けて延設されている。さらに、該ホ
ルダ７上面における、上記Ｖ溝８の垂直線上には、後述
する押圧バネ１０が当接する円形凹部１１が形成されて
いる。

【００１４】上記ホルダ７は、上記一対のＶ溝８に上記
超音波振動子５のピン３が係合して保持されている。一
方、該ホルダ７のＶ溝８の垂直線方向の軸９上の匡体１
２には押圧ネジ１３が螺合されており、該押圧ネジ１３
の先端には押圧バネ１０が固着されている。さらに、該
押圧バネ１０は、その先端部が上記ホルダ７の上面に設
けられた凹部１１に係合しており、上記押圧ネジ１３を
所定方向に回転させることで、上記ホルダ７に所定の押
圧力が付勢されるようになっている。

【００１５】上記ホルダ７に該押圧バネ１０により、軸
９方向に押圧力が付勢されると、ピン３を介して超音波
振動子５に軸９方向に所定の付勢力が加わることにな
る。

【００１６】一方、上記ホルダ７の上面他側方には、一
対の弾性ヒンジ溝１４ａが形成された弾性ヒンジ部１４
が推力の発生方向（図中、Ｃ方向）に直角に該ホルダ７
と一体に延設されている（図４参照）。該弾性ヒンジ１
４ａの上方の固定部１５上面にはネジ穴１５ａが螺刻さ
れており（図４参照）、上記匡体１２の上面から挿通さ
れるボルト１６が該ネジ穴１５ａに螺合し、これにより
弾性ヒンジ部１４が匡体１２に固定されている。

【００１７】上記弾性ヒンジ部１４は、図４に示すよう
に、上記超音波振動子５に押圧力を与える匡体１２にロ
ーラ１７により図中、Ｃ方向に移動可能に支持された被
駆動体１８の超音波振動子５の摺動突起４との当接面に
セラミックス製の摺動板１９が接着固定されている。

【００１８】次に、本第１実施例の作用について説明す
る。

【００１９】上記ホルダ７と一体に加工された弾性ヒン
ジ１４ａが、構造上図４中、Ａ方向には剛性が弱く、Ｂ
方向およびＣ方向（図１参照）には剛性が強く超音波ア
クチュエータを保持する。この状態で、超音波振動子５
の一対の積層圧電素子１に互いに位相が９０度ずれた、
超音波振動子の共振周波数と一致した駆動電圧を印加す
ると、上記摺動突起４により、被駆動体１８に接着固定
された摺動板１９を摩擦駆動し、被駆動体１８が図中、
Ｃ方向に駆動される。

【００２０】このような第１実施例の超音波アクチュエ
ータによると、ホルダと弾性ヒンジが一体に加工されて
いるため、ガタの発生がなく、また、弾性ヒンジの作用
により、押圧バネによる押圧力が超音波振動子に影響を
与えることがない。また、押圧バネと、上記ホルダのＶ
溝と係合する超音波振動子のピンと、を一直線上に配置
したことで、該ホルダにかかるバネの押圧力とホルダが
超音波振動子のピンを押す押圧力の反力とが一直線上に
存在するため、同ホルダに回転モーメントが発生しな
い。

【００２１】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。

【００２２】図５は、該第２実施例の超音波アクチュエ
ータの構成を示した分解斜視図である。なお、本第２実
施例においては、上記第１実施例と同じ部位には同番号
を付記し説明は省略する。

【００２３】第２実施例の超音波アクチュエータは、超
音波振動子５の両側面に一対のホルダ２０が配設されて
いる。該ホルダ２０の剛体部２１の上面には、弾性ヒン
ジ部１４が延出して形成されており、ホルダ２０は、該
弾性ヒンジ部１４において、匡体１２にボルト１６で固
定されている。該ホルダ２０は、剛体部２１と該剛体部
より先端に向けて延出した弾性変形部２２とで構成され
ており、該剛体部２１の下面には、Ｖ字形状のＶ溝８が
刻設されており、該一対のＶ溝８により超音波振動子５
のピン３を左右から独立に保持するようになっている。

【００２４】図６は、上記弾性変形部２２の先端部付近
の拡大側面図である。

【００２５】図に示すように、上記一対のホルダ２０の
弾性変形部２２の先端部下面には、凹部２５が刻設され
いる。また、上記弾性変形部２２先端部下面に対向した
位置には、上記一対の凹部２５に当接する一対の突起２
３が突設された支持板２４が配設されている。該突起２
３は、その先端で上記弾性変形部２２に設けられた、凹
部２５と点支持で係合しており、これにより、支持板２
４は上記弾性変形部２２に対して離間することなく配設
されている。

【００２６】さらに、上記支持板２４における一対の突
起２３の間にはねじ孔２７が螺刻されており、匡体１２
の上面から挿通されたボルト２６の先端部が該ねじ孔２
７に螺合している。このボルト２６の回動により、上記
支持板２４は上記弾性変形部２２に対して上下方向に移
動し、これにより、該弾性変形部２２が上下方向に揺動
して変形するようになっている。

【００２７】その他の構成は、上記第１実施例と同様で
あるので、ここでの説明は省略する。

【００２８】図７は、上記図５におけるＥ方向から見た
該第２実施例の正面図である。

【００２９】この図に示すように、超音波振動子５が組
み込まれた状態で、上記ボルト２６を所定方向に回転さ
せて、徐々にホルダ２０の弾性変形部２２を引き上げ、
変形させる。該変形に対応した応力が、弾性ヒンジ１４
ａと突起２３との距離αと弾性ヒンジ１４ａとＶ溝８と
の距離βの比に拡大もしくは縮小され、超音波振動子５
に押圧力として働く。

【００３０】図８は、図５におけるＤ方向から見た該第
２実施例の要部拡大側面図である。

【００３１】この図に示されるように、摺動突起４等が
変形しているような場合に、ホルダが左右独立で配され
ているため、超音波振動子５の傾きに沿って超音波振動
子を押圧する。

【００３２】この第２実施例の超音波アクチュエータに
よると、ホルダに弾性変形部材を一体に設けることによ
り、押圧機構を一体化し構造が簡略化できる。また、ホ
ルダを独立で一対設けることにより、超音波振動子が摺
動面に対して、傾いた状態で取り付けられたような場合
でも、該状態を保持したまま摺動板と摺動突起の当たり
を全面で当てることができるため、超音波アクチュエー
タの動作が安定化する。

【００３３】次に、本第２実施例の変形例について説明
する。

【００３４】図９は、本第２実施例の超音波アクチュエ
ータの１変形例を示した要部拡大上面図であり、図１０
は、該変形例の要部正面図である。

【００３５】この変形例は、ホルダ２８の剛体部２１と
弾性ヒンジ部１４と剛体部２１の端面２９より一対の弾
性変形部２２が一体に加工され、弾性変形部２２の先端
に超音波振動子５のピン３をガタなく保持するＶ溝８が
構成されている。

【００３６】本変形例においては、上記ホルダ２８の弾
性変形部２２の反対側をビス３０で押し上げることによ
り該弾性変形部２２を変形させ、押圧力を超音波振動子
に与える。このとき、一対の弾性変形部２２が超音波振
動子５の傾きを吸収する効果がある。

【００３７】図１１は、上記第２実施例の超音波アクチ
ュエータの他の変形例を示す正面図である。

【００３８】この変形例では、ホルダ３１の一側部、す
なわち、弾性ヒンジ部１４を挟んでＶ溝８の反対側に、
超音波アクチュエータの移動方向と直角に溝３１ａが上
下面より交互に刻設されている。そして、このホルダ３
１の一側方先端部を図中、矢印３２で示される方向に押
し上げることにより超音波振動子に押圧力を与えるよう
になっている。

【００３９】本変形例においては、溝３１ａを交互に設
けることで弾性変形部をなしているため、上記実施例に
対してより小型な超音波アクチュエータを構成すること
が可能となる。

【００４０】つぎに、本発明の第３実施例について説明
する。

【００４１】図１２は、上記第３実施例の超音波アクチ
ュエータを示した正面図であり、図１３は、該第３実施
例における各部に生じる力を示した説明図である。な
お、本第３実施例においては、上記第１実施例，第２実
施例と同じ部位には、同番号を付記しており、説明は省
略する。

【００４２】本第３実施例においては、ホルダ３４の一
側方に形成されたヒンジ３３の位置を、超音波アクチュ
エータの推力がピン３を通じてホルダ３４に与える供与
力３５と一直線３６上にヒンジ３３を設けた例である
（図１３参照）。

【００４３】図１３において、矢印３７は押圧バネ１０
がホルダ３４を図中、下方に向けて押圧する力を示し、
矢印３８は、該押圧力３７による超音波振動子５が押さ
れる力の反力を示す。また、矢印３９は、上記供与力３
５の反力を示す。

【００４４】この第３実施例は、上記第１実施例に加
え、超音波アクチュエータの推力の作用点にヒンジ位置
を合わせたため、推力と反力による回転モーメントの発
生を防ぐことが可能となる。

【００４５】この第３実施例によると、弾性ヒンジに回
転モーメントが生じないため、該ヒンジ部分で変形が起
こらず微少変位時に変形によるロストモーションが起こ
らないという効果がある。

【００４６】このように、上記各実施例によると、簡単
な構成で、超音波リニアアクチュエータが実現できる。
また、上記実施例の超音波アクチュエータのホルダの骨
子は、超音波振動子の保持においてホルダ部分とヒンジ
部分を一体に固定することにある。したがって、本実施
例おいて説明した超音波振動子に限らず、全ての定在波
型超音波振動子を用いて実現できる。

【００４７】なお、上記実施例の超音波アクチュエータ
は、リニアタイプに限らず、楕円振動発生部に、回転体
を押圧することにより、回転型の超音波アクチュエータ
にも応用可能なことは自明である。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、微
少移動が可能な超音波アクチュエータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波アクチュエータを
示した正面図である。

【図２】上記第１実施例の超音波アクチュエータに用い
られる超音波振動子を示した正面図である。

【図３】上記第１実施例における超音波振動子の（Ａ）
共振縦振動と（Ｂ）共振屈曲振動とを示した説明図であ
る。

【図４】上記第１実施例の超音波アクチュエータにおけ
るホルダ部を示した要部拡大斜視図である。

【図５】本発明の第２実施例の超音波アクチュエータの
構成を示した分解斜視図である。

【図６】上記第２実施例の超音波アクチュエータにおけ
る弾性変形部先端部付近の拡大側面図である。

【図７】上記第２実施例の超音波アクチュエータの構成
を示した正面図である。

【図８】上記図５におけるＤ方向から見た本第２実施例
の要部拡大側面図である。

【図９】上記第２実施例の超音波アクチュエータの１変
形例を示した要部拡大上面図である。

【図１０】上記第２実施例の超音波アクチュエータの１
変形例を示した要部正面図である。

【図１１】上記第２実施例の超音波アクチュエータの他
の変形例を示した要部正面図である。

【図１２】本発明の第３実施例の超音波アクチュエータ
を示した正面図である。

【図１３】上記第３実施例における各部に生じる力を示
した説明図である。

【図１４】従来の超音波アクチュエータの１例を示した
（ａ）側断面図，（ｂ）正面図である。

【符号の説明】

１…積層圧電素子 ２…共振器 ３…ピン ４…摺動突起 ５…超音波振動子 ６…超音波アクチュエータ ７…ホルダ ８…Ｖ溝 ９…軸 １０…押圧バネ １２…匡体 １３…押圧ネジ １４…弾性ヒンジ部 １４ａ…弾性ヒンジ １５…固定部 １７…ローラ １８…被駆動体 １９…摺動板

フロントページの続き (72)発明者 津幡 敏晴 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 大内 孝司 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オ リンパス光学工業株式会社内 (56)参考文献 実開 平４−64997（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筐体と、一対の電気−機械エネルギー変
   換素子と、これら電気−機械エネルギー変換素子が固定
   された共振器と、被駆動体と、上記共振器を保持する保
   持手段と、上記筐体に固定されかつ上記保持手段を介し
   て上記共振器を上記被駆動体に向けて押圧する押圧手段
   とを具備し、上記一対の電気−機械エネルギー変換素子
   に位相の異なる高周波電圧を印加することにより上記共
   振器に定在波振動を発生させ上記被駆動体を駆動する超
   音波アクチュエータにおいて、 上記保持手段は、上記押圧手段による押圧力を受ける部
   位とは異なる部位に形成された弾性ヒンジ部を備え、こ
   の弾性ヒンジ部は、上記押圧方向には剛性が弱く、上記
   押圧方向と直交する方向には剛性が強く加工されるとと
   もに、上記筐体に密着固定されていることを特徴とする
   超音波アクチュエータ。
2. 【請求項２】 上記共振器の定在波振動の節部にはピン
   が設けられ、上記保持手段の、該ピンと係合する部分に
   Ｖ字溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記
   載の超音波アクチュエータ。