JP5316046B2 - 振動アクチュエータの支持機構 - Google Patents

Description

本発明は、振動アクチュエータの支持機構に関する。

超音波振動を利用して回転子を回転させる振動アクチュエータが実用化されている。振動アクチュエータは、圧電素子を含む振動子の表面に定在波又は進行波を発生させ、振動子に回転子を加圧接触させることにより、これら両者間の摩擦力を介して回転子を回転させる。

振動アクチュエータを実際の産業用途に適用する際には、振動アクチュエータに支持機構を設け、この支持機構を何かに取り付けて固定する必要がある。このとき、支持機構には、振動アクチュエータの振動及び外力に対して高い剛性を有すると共に、何かに取り付けて固定したときに振動アクチュエータの振動に及ぼす影響が小さいことが要求される。さらに、支持機構自体が小さく省スペースであることが望ましい。

例えば、特許文献１には、縦振動を発生する第１の圧電素子と、直交するたわみ振動を発生する第２及び第３の圧電素子とから構成される複合振動子を備えることにより、多自由度の駆動力を生成する円筒形状の振動アクチュエータが記載されている。この振動アクチュエータでは、第１の圧電素子によるＺ軸方向の縦振動の節部と、第２及び第３の圧電素子によるＸ軸及びＹ軸方向のたわみ振動の節部とをほぼ一致させると共に、振動アクチュエータの径方向外側に延びるフランジ形状の支持機構を振動の節部付近に設けることにより、支持機構を何かに取り付けて固定した際の振動アクチュエータの振動に及ぼす影響を抑えている。

特開平１１−２２０８９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている振動アクチュエータの支持機構では、第１の圧電素子によるＺ軸方向の縦振動の節部と、第２及び第３の圧電素子によるＸ軸及びＹ軸方向のたわみ振動の節部とをほぼ一致させる必要があるため、振動アクチュエータの設計の自由度は大きく制限を受ける。また、振動アクチュエータの振動に及ぼす影響を抑えるために、フランジ形状の支持機構は薄く形成して剛性を低くしなければならない。しかしながら、支持機構の剛性が低いと、振動アクチュエータを長時間使用した際に、劣化、破損等が起きやすくなる。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、振動アクチュエータの設計の自由度に制限を与えることなく、振動アクチュエータの振動及び外力に対して高い剛性を有すると共に、何かに取り付けて固定したときに振動アクチュエータの振動に及ぼす影響が小さい、振動アクチュエータの支持機構を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る振動アクチュエータの支持機構は、圧電素子を含む振動子を備える振動アクチュエータの支持機構であって、振動アクチュエータは、基部と固定子と圧電素子とを含む振動子と、固定子に接触配置される回転子と、回転子を振動子に加圧接触させる予圧手段とから構成され、支持機構は、取り付け対象物に固定される基底部材と、基底部材の一端側に配置されると共に基底部材から振動アクチュエータに向かって伸びる所定の方向に向けて開口する垂直断面を有する挟持部材とから構成される音叉型の形状であり、支持機構の基底部材と挟持部材との間には中間部材が配置され、中間部材の基底部材と接する面の寸法は、基底部材の一端側の面の寸法よりも小さく、支持機構の挟持部材は、少なくとも２本以上に分れて所定の方向に対して垂直に延び、さらに所定の方向に延び、支持機構の挟持部材の先端部分が振動アクチュエータの振動子を挟持固定し、支持機構の挟持部材の基端部分と振動アクチュエータの振動子とは離れており、それらの間に介在物が存在しないことを特徴とする。

支持機構の挟持部材は、支持機構の中心軸に対して対称な形状であってもよい。
支持機構の中間部材は、基底部材と挟持部材との間に複数配置されてもよい。

振動アクチュエータの振動子は、基部と固定子との間に複数の圧電素子が挟持されて形成される複合振動子であってもよい。
振動アクチュエータの複合振動子は、縦振動を発生させる圧電素子とたわみ振動を発生させる圧電素子とを含み、回転子に接触配置される固定子に楕円運動を発生させ、支持機構の挟持部材の振動アクチュエータとの接触面が、たわみ振動の方向と垂直になるように配置されてもよい。
支持機構の基底部材と挟持部材との間が振動アクチュエータの発生させる振動の節の位置になってもよい。

本発明に係る振動アクチュエータの支持機構によれば、支持機構は、基底部材と、その一端側に配置されると共に前記基底部材から前記振動アクチュエータに向かって伸びる所定の方向に向けて開口する垂直断面を有する挟持部材とから構成される音叉型の形状であり、挟持部材が振動アクチュエータの振動子を挟持固定することにより、振動アクチュエータを支持する。これにより、振動アクチュエータの振動及び外力に対して高い剛性を有すると共に、何かに取り付けて固定したときに振動アクチュエータの振動に影響を及ぼすことがない。また、振動アクチュエータの設計の自由度に制限を与えることもない。

本発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータ及び支持機構を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る振動アクチュエータの支持機構を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る振動アクチュエータの支持機構を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る振動アクチュエータの支持機構を示す斜視図である。 本発明の実施の形態５に係る振動アクチュエータの支持機構を示す斜視図である。 本発明の実施の形態６に係る振動アクチュエータ及び支持機構を示す斜視図である。 本発明の実施の形態７に係る振動アクチュエータの支持機構を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータの支持機構の構成について、図１を用いて説明する。
まず先に、実施の形態１に係る振動アクチュエータ１０の構成を説明する。図１に示されるように、振動アクチュエータ１０は、基部ブロック１１と固定子１２との間に振動体１３が挟持されており、これらによりほぼ円柱状の外形を有する複合振動子１４が形成されている。固定子１２には、振動体１３に接する面とは反対側に凹部１５が形成されており、この凹部１５内に球体状の回転子１６のほぼ下半部が収容され回転可能に支持されている。
固定子１２の上部には、支持部材１７が配置されている。この支持部材１７は、固定子１２の上面の上に固定される環状部１８と、環状部１８から上方に延びる逆Ｌ字形のアングル部１９を有し、アングル部１９の先端に予圧部２０が設けられている。

ここで、説明の便宜上、基部ブロック１１から固定子１２に向かう複合振動子１４の中心軸をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
予圧部２０は、回転子１６の＋Ｚ軸方向の最高点である頂点付近に接触している。支持部材１７のアングル部１９は弾性を有し、これにより予圧部２０が回転子１６に加圧され、回転子１６に−Ｚ軸方向の予圧を付与している。

振動体１３は、固定子１２に超音波の振動を発生させて回転子１６をＸ軸回りに回転させるためのものであり、Ｚ軸方向の縦振動を発生する第１の圧電素子１３ａ及びＹ軸方向のたわみ振動を発生する第２の圧電素子１３ｂから構成されている。

次に、支持機構３０の構成について説明する。支持機構３０は、音叉型の形状を有する。ここで、音叉型の形状とは、基底部材と、その一端側に配置されると共に基底部材３１から振動アクチュエータ１０に向かって伸びる所定の方向に向けて開口する垂直断面を有する挟持部材とから構成される形状である。すなわち、図１に示されるように、支持機構３０は、四角柱状の外形を有する基底部材３１と、基底部材３１の一端である上端側に配置され、２本に分れて基底部材３１から振動アクチュエータ１０に向かって伸びる所定の方向である＋Ｚ軸方向に対して垂直に延び、さらに＋Ｚ軸方向に延びるコの字型の挟持部材３２とから構成されている。ここで、挟持部材３２をＹＺ平面で切断した垂直断面は、＋Ｚ軸方向に向けて開口している。また、挟持部材３２は、支持機構３０の中心軸Ｏに対して対称な形状（中心軸Ｏの回りに１８０度回転させたときに元の挟持部材３２に重なる２回対称な形状）である。さらに、基底部材３１と挟持部材３２との間には、四角柱状の中間部材３３が配置されている。中間部材３３の基底部材３１と接する面の寸法は、基底部材３１の上端側の面の寸法よりも小さく、これにより支持機構３０に括れ部分が形成されている。そして、振動アクチュエータ１０の複合振動子１４は、挟持部材３２の先端部分３２ａにより挟持固定され、挟持部材３２の基端部分３２ｂと、振動アクチュエータ１０の複合振動子１４とは離れている。尚、第２の圧電素子１３ｂによるＹ軸方向のたわみ振動に対応するために、挟持部材３２と振動アクチュエータ１０との接触面４０が、Ｙ軸と垂直になるように配置されることが好ましい。また、中心軸Ｏの方向は、Ｚ軸方向と平行の関係となるのが好ましい。

続いて、本発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータの支持機構の作用について説明する。
いま、振動アクチュエータ１０の複合振動子１４における第１の圧電素子１３ａと第２の圧電素子１３ｂとに、位相差９０度の交流電圧をそれぞれ印加すると、第１の圧電素子１３ａによるＺ軸方向の縦振動と第２の圧電素子１３ｂによるＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされて回転子１６と接触する固定子１２にＹＺ面内の楕円運動が発生し、回転子１６がＸ軸回りに回転する。このとき、支持機構３０の基底部材３１と挟持部材３２との間が振動の節の位置となり、この部分で振動アクチュエータ１０の振動が絶縁されるため、基底部材３１はほとんど振動しない。

以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る振動アクチュエータの支持機構によれば、振動アクチュエータ１０が振動する際に、基底部材３１と挟持部材３２との間で振動が絶縁され、基底部材３１はほとんど振動しない。そのため、基底部材３１を何かに取り付けて固定したとしても、振動アクチュエータ１０の振動に影響を及ぼすことはない。
また、挟持部材３２と振動アクチュエータ１０との接触面４０の面積を十分に確保することができるため、振動アクチュエータ１０の振動及び外力に対して高い剛性を持つ。
また、第１の圧電素子１３ａによるＺ軸方向の縦振動の節部と、第２の圧電素子１３ｂによるＹ軸方向のたわみ振動の節部とを一致させる必要はないため、振動アクチュエータ１０の設計の自由度が制限を受けることはない。
さらに、振動アクチュエータ１０の径方向（＋Ｚ軸に対して垂直な方向、すなわちＸＹ平面内）に延出する部分をほとんど持たないため、小さく省スペースとなる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る振動アクチュエータの支持機構について、図２を用いて説明する。尚、以降の実施の形態の説明において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。

実施の形態２に係る支持機構２３０は、実施の形態１におけるコの字型の挟持部材３２の代わりに、２本に分れて＋Ｚ軸方向に対して鋭角を成して延び、さらに＋Ｚ軸方向に延びるＶ字型の挟持部材２３２を用いて構成したものである。ここで、Ｖ字型の挟持部材２３２をＹＺ平面で切断した垂直断面は、＋Ｚ軸方向に向けて開口している。また、挟持部材２３２は、支持機構２３０の中心軸Ｏに対して対称な形状（２回対称）である。そして、振動アクチュエータの複合振動子は、挟持部材２３２の先端部分２３２ａにより挟持固定される。
このようなＶ字型の挟持部材２３２を用いて支持機構２３０を構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

尚、挟持部材２３２は、先端部分２３２ａと基端部分２３２ｂとの継ぎ目部分、及び中間部材３３と接する部分に、合計３つの角部を有するが、さらに多くの角部を有するように挟持部材２３２を形成してもよい。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係る振動アクチュエータの支持機構について、図３を用いて説明する。

実施の形態３に係る支持機構３３０は、実施の形態１におけるコの字型の挟持部材３２の代わりに、２本に分れて円弧状に湾曲しながら＋Ｚ軸方向に延びるＵ字型の挟持部材３３２を用いて構成したものである。ここで、Ｕ字型の挟持部材３３２をＹＺ平面で切断した垂直断面は、＋Ｚ軸方向に向けて開口している。また、挟持部材３３２は、支持機構３３０の中心軸Ｏに対して対称な形状（２回対称）である。そして、振動アクチュエータの複合振動子は、挟持部材３３２の先端部分３３２ａにより挟持固定される。
このようなＵ字型の挟持部材３３２を用いて支持機構３３０を構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４に係る振動アクチュエータの支持機構について、図４を用いて説明する。

実施の形態１における中間部材３３は、単一の柱状部材により構成されていた。これに対して、実施の形態４に係る支持機構４３０では、中間部材４３３は、２本の柱状部材により構成されている。
このような２本の柱状部材から構成される中間部材４３３を用いて支持機構４３０を構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

尚、中間部材４３３を構成する柱状部材の数は３本以上でもよい。

実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５に係る振動アクチュエータの支持機構について、図５を用いて説明する。

実施の形態１における基底部材３１は、単一の柱状部材により構成されていた。これに対して、実施の形態５に係る支持機構５３０では、基底部材５３１は、２本の柱状部材により構成されている。
このような２本の柱状部材から構成される基底部材５３１を用いて支持機構５３０を構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

尚、基底部材５３１を構成する柱状部材の数は３本以上でもよい。

実施の形態６．
次に、本発明の実施の形態６に係る振動アクチュエータの支持機構の構成について、図６を用いて説明する。

まず先に、実施の形態６における振動アクチュエータ６１０の構成について説明する。振動アクチュエータ６１０の複合振動子６１４は、Ｚ軸方向の縦振動を発生する第１の圧電素子１３ａ及びＹ軸方向のたわみ振動を発生する第２の圧電素子１３ｂに加えて、Ｘ軸方向のたわみ振動を発生する第３の圧電素子６１３ｃを備えている。これにより、振動アクチュエータ６１０の第１〜第３の圧電素子のうちのいずれか２つかを選択して位相差９０度の交流電圧をそれぞれ印加すると、複合振動子６１４が振動して回転子１６がＸ、Ｙ、Ｚ軸のいずれかの回りに回転する。

上記のようなＺ軸方向の縦振動及びＹ軸方向のたわみ振動に加えてＸ軸方向のたわみ振動も発生する振動アクチュエータ６１０に対応するために、実施の形態６に係る支持機構６３０は、実施の形態１におけるコの字型の挟持部材３２の代わりに、４本に分れて＋Ｚ軸方向に対して垂直に延び、さらに＋Ｚ軸方向に延びる挟持部材６３２を用いて構成したものである。ここで、挟持部材６３２をＹＺ平面で切断した垂直断面及びＺＸ平面で切断した垂直断面は、それぞれ＋Ｚ軸方向に向けて開口している。また、挟持部材６３２は、支持機構６３０の中心軸Ｏに対して対称な形状（中心軸Ｏの回りに９０度回転させたときに元の挟持部材６３２に重なる４回対称な形状）である。そして、振動アクチュエータ６１０の複合振動子６１４は、挟持部材６３２の先端部分６３２ａにより挟持固定され、挟持部材６３２の基端部分６３２ｂと、振動アクチュエータ６１０の複合振動子６１４とは離れている。尚、第２の圧電素子１３ｂによるＹ軸方向のたわみ振動に対応するために、挟持部材６３２と振動アクチュエータ６１０との接触面６４０ａがＹ軸と垂直になるように配置されると共に、第３の圧電素子６１３ｃによるＸ軸方向のたわみ振動に対応するために、接触面６４０ｂがＸ軸と垂直になるように配置されることが好ましい。
このような４本に分れた挟持部材６３２を用いて支持機構６３０を構成することにより、Ｚ軸方向の縦振動、Ｙ軸方向のたわみ振動、及びＸ軸方向のたわみ振動を発生する振動アクチュエータ６１０の場合にも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態７．
次に、本発明の実施の形態７に係る振動アクチュエータの支持機構について、図７を用いて説明する。尚、以下の説明において、図６の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。

実施の形態７に係る支持機構７３０は、実施の形態６における４本に分れた挟持部材６３２の代わりに、有底円筒形状の挟持部材７３２を用いて構成したものである。ここで、挟持部材７３２をＺ軸を含む任意の平面で切断した垂直断面は、＋Ｚ軸方向に向けて開口している。そして、振動アクチュエータの複合振動子は、挟持部材７３２の先端部分７３２ａにより挟持固定される。
このような有底円筒形状の挟持部材７３２を用いて支持機構７３０を構成しても、実施の形態６と同様の効果を得ることができる。

尚、挟持部材７３２は有底筒形状であればよく、有底四角筒等の有底多角筒形状でもよい。

その他の実施の形態．
実施の形態１〜７において、振動アクチュエータ１０，６１０は、複数の圧電素子１３ａ，１３ｂ，６１３ｃを含む複合振動子１４，６１４を備えていたが、一つの圧電素子のみを含む振動子を備える振動アクチュエータに対して、本発明の実施の形態１〜７に係る支持機構を用いてもよい。

実施の形態１〜７において、基底部材３１，５３１は、四角柱状部材により構成されていたが、円柱状部材、三角柱等の多角柱状部材、円錐状部材、多角錐状部材、或いは球状部材により構成されてもよい。また、取り付け先の部材の形状に合わせて、さらに複雑な形状の部材により構成されてもよい。

実施の形態１〜５において、挟持部材３２，２３２，３３２は２本に分れ、実施の形態６において、挟持部材６３２は４本に分れていたが、これらは３本、５本、或いは８本等に分れていてもよい。

実施の形態１〜７において、挟持部材３２，２３２，３３２，６３２，７３２は中心軸Ｏに対して対称な形状であったが、振動アクチュエータへの取り付け位置を調整することにより、これらを中心軸Ｏに対して非対称な形状にしてもよい。また、中心軸Ｏの方向は、Ｚ軸方向と非平行の関係であってもよい。

実施の形態１〜７において、挟持部材３２，２３２，３３２，６３２，７３２の厚さ、長さ、断面形状は図１〜図７に示されるように一定であったが、これらに変化をもたせてもよい。

実施の形態１〜７において、中間部材３３，４３３は、四角柱状部材により構成されていたが、円柱状部材、或いは三角柱等の多角柱状部材により構成されてもよい。

実施の形態１〜７において、基底部材３１，５３１に孔を開けてもよい。

実施の形態１〜７において、基底部材３１，５３１、挟持部材３２，２３２，３３２，６３２，７３２、及び中間部材３３，４３３は、それぞれ別部材としてもよいし、一体に形成してもよい。

実施の形態１〜７において、振動アクチュエータと支持機構との接触面を固定する手段としては、ボルト及びナット、接着、溶接等の様々な手段を用いることができる。

実施の形態１〜７において、支持機構の上述した効果は、支持機構の材質にはあまり依存せず、主にその形状に起因するものである。そのため、支持機構の材質としては、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼等の様々な材質を用いることができる。また、振動アクチュエータの複合振動子の基部ブロックと同一の材質としてもよい。さらに、振動アクチュエータの複合振動子の基部ブロックと支持機構とを一体に形成してもよい。

実施の形態１〜７及び上述したその他の実施の形態を、組み合わせてもよい。

１０，６１０ 振動アクチュエータ、１３，６１３ 圧電素子、１４，６１４ 複合振動子（振動子）、３０，２３０，３３０，４３０，５３０，６３０，７３０ 支持機構、３１，５３１ 基底部材、３２，２３２，３３２，６３２，７３２ 挟持部材、３２ａ，２３２ａ，３３２ａ，６３２ａ，７３２ａ 挟持部材の先端部分、３２ｂ，２３２ｂ，３３２ｂ，６３２ｂ，７３２ｂ 挟持部材の基端部分、３３，４３３ 中間部材。

Claims (6)

1. 圧電素子を含む振動子を備える振動アクチュエータの支持機構であって、
   前記振動アクチュエータは、基部と固定子と圧電素子とを含む振動子と、前記固定子に接触配置される回転子と、前記回転子を前記振動子に加圧接触させる予圧手段とから構成され、
   前記支持機構は、取り付け対象物に固定される基底部材と、該基底部材の一端側に配置されると共に前記基底部材から前記振動アクチュエータに向かって伸びる所定の方向に向けて開口する垂直断面を有する挟持部材とから構成される音叉型の形状であり、
   前記支持機構の前記基底部材と前記挟持部材との間には中間部材が配置され、該中間部材の前記基底部材と接する面の寸法は、前記基底部材の前記一端側の面の寸法よりも小さく、
   前記支持機構の前記挟持部材は、少なくとも２本以上に分れて前記所定の方向に対して垂直に延び、さらに前記所定の方向に延び、
   前記支持機構の前記挟持部材の先端部分が前記振動アクチュエータの前記振動子を挟持固定し、
   前記支持機構の前記挟持部材の基端部分と前記振動アクチュエータの前記振動子とは離れており、それらの間に介在物が存在しないことを特徴とする、振動アクチュエータの支持機構。
2. 前記支持機構の前記挟持部材は、前記支持機構の中心軸に対して対称な形状であることを特徴とする、請求項１に記載の振動アクチュエータの支持機構。
3. 前記支持機構の前記中間部材は、前記基底部材と前記挟持部材との間に複数配置される、請求項１または２に記載の振動アクチュエータの支持機構。
4. 前記振動アクチュエータの前記振動子は、前記基部と前記固定子との間に複数の圧電素子が挟持されて形成される複合振動子であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動アクチュエータの支持機構。
5. 前記振動アクチュエータの前記複合振動子は、縦振動を発生させる圧電素子とたわみ振動を発生させる圧電素子とを含み、前記回転子に接触配置される前記固定子に楕円運動を発生させ、前記支持機構の前記挟持部材の前記振動アクチュエータとの接触面が、前記たわみ振動の方向と垂直になるように配置される、請求項４に記載の振動アクチュエータの支持機構。
6. 前記支持機構の前記基底部材と前記挟持部材との間が前記振動アクチュエータの発生させる振動の節の位置になる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の振動アクチュエータの支持機構。

Images