JPH06105569A - 超音波アクチュエータ - Google Patents

超音波アクチュエータ

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JPH06105569A
JPH06105569A JP4279588A JP27958892A JPH06105569A JP H06105569 A JPH06105569 A JP H06105569A JP 4279588 A JP4279588 A JP 4279588A JP 27958892 A JP27958892 A JP 27958892A JP H06105569 A JPH06105569 A JP H06105569A
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JP
Japan
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vibrator
laminated piezoelectric
piezoelectric element
vibration
actuator
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Withdrawn
Application number
JP4279588A
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English (en)
Inventor
Toshiharu Tsubata
敏晴 津幡
Tomoki Funakubo
朋樹 舟窪
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH06105569A publication Critical patent/JPH06105569A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/026Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors by pressing one or more vibrators against the driven body
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/002Driving devices, e.g. vibrators using only longitudinal or radial modes
    • H02N2/0025Driving devices, e.g. vibrators using only longitudinal or radial modes using combined longitudinal modes

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 駆動力および速度を向上した超音波アクチュ
エータを得る。 【構成】 基台1に弾性体2を固定し、この弾性体2の
側部二つの積層圧電素子4a、4bを固定し、また上部
に積層圧電素子3を接着する。この積層圧電素子3に突
起をもつ摺動材5を接着して振動子を構成する。この振
動子に対し、摺動材8を固定した被駆動体7を保持手段
9により一定圧力で前記振動子に押圧し、所定の方向に
相対移動するように摩擦接触させる。積層圧電素子4a
と4bの伸長と縮小の位相が互いに逆になるように交番
電圧を印加して振動子全体を屈曲振動または伸縮振動で
きる所望のアクチュエータを得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動を駆動源と
するアクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】超音波振動を動力源とする超音波モータ
は近年さかんに研究され、一部実用化されている。これ
ら超音波モータは、振動子のこれに接する可動体との接
触部が楕円運動し、この楕円運動により、可動体と振動
子を相対移動させていることが一般に知られている。こ
の一例としては、先に本出願人が提案した特開平2−7
875号公報記載の振動子がある。
【0003】上記発明は、図4及び図5に示すように、
弾性体25のまわりに固定された圧電素子26a〜26
bの伸縮により図6のように振動子29を屈曲させ水平
方向の動きを得ている。また、積層圧電素子27の伸縮
により図10のように振動子29の上下振動を得てい
る。これらを図8に示すように振幅を制御して楕円運動
を構成している。また、屈曲を圧電素子26aと26
c、26bと26dの互いに90度異なる方向で制御
し、合成することにより楕円の方向を360度任意方向
に向け、突起部28を図9に示すように可動体30と接
触することにより、可動体30をxyの任意方向に移動
させている。
【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2−7875号公報記載の技術においては、振動子
の屈曲振動を単層の圧電素子で励起しているために、ア
クチュエータ駆動に必要な振幅を得るのに数100Vの
高圧電圧を印加しなければならず、高電圧増幅器または
トランス等の昇圧手段を用いなければならなかった。
【0005】また、摩擦力により被駆動体を駆動してい
るので、駆動力を発生させるためには被駆動体と振動子
間に押圧力が必要となる。しかし振動子の先端に被駆動
体を押圧すると、両者間の摩擦力が屈曲振動を妨げる力
として作用する。このとき単板の圧電素子で屈曲振動を
励起していると屈曲発生力が小さいため振動振幅が著し
く小さくなり、被駆動体の駆動力および移動速度の向上
が望めない。
【0006】よって、本発明は従来技術における問題点
に鑑みて開発されたもので、低電圧駆動で発生力の大き
な振動子を提案し、これを用いてアクチュエータの駆動
力および速度を向上させることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、基台と、該基台に固定された弾性体と、該弾性体の
上部に伸縮の1端を固定した第1の積層圧電素子と、該
弾性体の側部に位置し、伸縮の両端をそれぞれ該弾性体
と該基台に固定し、かつ予圧を印加した1個以上の第2
の積層圧電素子群と、第1の積層圧電素子の弾性体との
固定端と反対端に固定された摺動部とを有する振動子
と、前記振動子の摺動材に所定の圧力で押圧され、かつ
相対移動可能なように接触する被駆動体で超音波アクチ
ュエータを構成した。
【0008】
【作用】本発明により、 (1)第1の積層圧電素子の伸縮による第1方向の振幅
と、第2の積層圧電素子の振幅により励起される振動子
の屈曲による第1方向と略直角方向の第2方向の振動を
合成することにより、楕円運動を振動子の頂点部に構成
できる。 (2)また、数10Vの電圧で、超音波アクチュエータ
の駆動に必要な超音波振動の振幅(数百nm〜数μm)
と同程度の変位が得られる積層圧電素子を用いることに
より、比較的低電圧でアクチュエータの駆動が可能とな
る。 (3)さらに、比較的発生力の大きな積層型圧電素子で
屈曲振動を励起することにより、屈曲力を大きくするこ
とができる。
【0009】
【実施例1】図1は、本実施例の超音波アクチュエータ
を示すものである。厚さ10mmのステンレス板からな
る基台1に、側面に圧電素子固定用の突起部をもつ燐青
銅の弾性体2が二つの積層圧電素子4a、4b(トーキ
ン(株)製NLA−2×3×9)を挟みM3のビス6で
固定されている。このとき、基台1と弾性体2の間に約
1mmの間隔をあけて、ビス6を締め込むことにより、
積層圧電素子4a、4bに予圧が加えられている。また
弾性体2の上部に積層圧電素子3(トーキン(株)製N
LA−5×5×9)が接着され、積層圧電素子3にステ
ンレスに焼入を施した半球状の突起をもつ摺動材5が接
着されて、振動子が構成されている。
【0010】この振動子に対し、アルミナセラミックス
平板の摺動材8を両面粘着テープで固定した被駆動体7
を保持手段9により一定圧力で前記振動子に押圧し、両
x方向に相対移動するように摩擦接触している。
【0011】ここで、積層圧電素子4aと4bの伸長と
縮小の位相が互いに逆になるように交番電圧を印加す
る。すると前述の図10の(a)(b)に示すように、
振動子全体が屈曲振動する。また図10は1次の屈曲振
動モードの様子を示してあるが、図11に示すような高
次の屈曲振動モードでもよい。また、積層圧電素子3に
交番電圧を印加し伸縮振動させると、図10の(c)
(d)に示すように、振動子が縦振動することになる。
【0012】この屈曲振動と縦振動の位相が90度ずれ
るように、それぞれの積層圧電素子に印加する電圧の位
相を調整すると、前述の図8のようにして、振動子の先
端部にある摺動材5に楕円運動が発生する。この楕円振
動に被駆動体7が摩擦接触することにより、振動子と被
駆動体が相対移動する。このようにして超音波駆動のア
クチュエータが構成される。
【0013】以上の構成によるアクチュエータで実験を
行った結果、被駆動体を300gfで振動子に押圧し、
駆動周波数が44.7kHzで屈曲用圧電素子に15V
pp、縦振動用圧電素子に10Vppの電圧を印加した
ときに、無負荷時の速度40mm/sec、最大推力1
00gfがえられた。なお、ここでの推力とは被駆動体
を図1のx方向に動かす力を示している。
【0014】この本実施例のアクチュエータによれば、
振動子の屈曲振動を発生させる圧電素子が比較的発生力
の大きな積層型を用いることにより、被駆動体を比較的
強く押圧しても十分な振幅が得られる。この結果、押圧
力を大きくすることにより摩擦力が増し、摺動材5と被
駆動体7との間のスリップが起こりにくくなり、被駆動
体の推力が増大する効果が得られる。
【0015】
【実施例2】図2は、本実施例の超音波アクチュエータ
を示すものである。基台1と、4側面に積層圧電素子固
定用の突起部をもつ燐青銅の弾性体11とで4個の積層
圧電素子13a〜13bを挟み、ビス15で固定されて
いる。さらに弾性体11の上部に積層圧電素子12が接
着され、積層圧電素子12にステンレスに焼入を施した
摺動材14が接着されて、振動子が構成されている。
【0016】この振動子に対し、アルミナセラミックス
平板の被駆動体16が前記振動子に対し2次元的に相対
移動し、かつ一定圧力で押圧しながら摩擦接触してい
る。ただし、図2では構造の説明のために振動子と被駆
動体は接触させていないが、実際には摩擦接触している
ものである。
【0017】ここで、弾性体11を介し互いに対向する
積層圧電素子13aと13b、または13cと13dの
伸長と縮小の位相が互いに逆になるように交番電圧を印
加すると積層圧電素子13a、13bでx方向に、また
13c、13dでy方向に、振動子全体が図10の
(a)(b)に示すように、屈曲振動する。
【0018】また、積層圧電素子12に交番電圧を印加
し伸縮振動させると、図10の(c)(d)に示すよう
に、振動子が縦振動することになる。この屈曲振動と縦
振動の位相が90度ずれるように、それぞれの積層圧電
素子に印加する電圧の位相を調整すると、前述の図8の
ようにして、振動子の先端部にある摺動材8に楕円運動
が発生する。また、2組の積層圧電素子13a、13
b、13c、13dに印加する電圧の振幅と位相を調整
することにより楕円運動の方向が360度任意の方向に
変わる。この楕円振動に被駆動体16が摩擦接触するこ
とにより、振動子と被駆動体が相対移動する。このよう
にして超音波駆動のアクチュエータが構成される。
【0019】この本実施例のアクチュエータによれば、
例えばXYステージのように2次元的に被駆動体が移動
するアクチュエータが実現できる。なお、図10では1
次の屈曲振動モードの様子を示してあるが、図11に示
すような高次の屈曲振動モードを使ってもよい。
【0020】
【実施例3】図3は、本実施例の超音波アクチュエータ
を示すものである。基台17と、側面に積層圧電素子固
定用の突起と傾き防止用の足をもつ燐青銅の弾性体18
とが一つの積層圧電素子20を挟み、ビス22で固定さ
れている。さらに弾性体18の上部に積層圧電素子19
が接着され、積層圧電素子19にステンレスに焼入を施
した摺動材21が接着されて、振動子が構成されてい
る。この振動子に対し、押圧固定手段24により、アル
ミナセラミックス平板の被駆動体23が前記振動子に対
し相対移動するように摩擦接触している。
【0021】ここで、積層圧電素子20に交番電圧を印
加すると、振動子全体が屈曲振動する。また、積層圧電
素子19に交番電圧を印加し伸縮振動させると、振動子
が縦振動することになる。この屈曲振動と縦振動の位相
が90度ずれるように、それぞれの積層圧電素子に印加
する電圧の位相を調整すると、前述の図8のようにし
て、振動子の先端部にある摺動材21に楕円運動が発生
する。この楕円振動に被駆動体23が摩擦接触すること
により、振動子と被駆動体が相対移動する。このように
して超音波駆動のアクチュエータが構成される。
【0022】この本実施例のアクチュエータによれば、
実施例1に比較して屈曲力は小さくなるが積層圧電素子
が1個少なくなり、安価なアクチュエータが構成でき
る。なお、同様にして、実施例2に於いても、対向する
積層圧電素子をそれぞれ一つずつ減らせることは明かで
ある。また、図10では1次の屈曲振動モードの様子を
示してあるが、図11に示すような高次の屈曲振動モー
ドを使ってもよい。
【0023】
【発明の効果】以上のように、本発明の超音波アクチュ
エータによれば、低電圧駆動が可能で駆動力の比較的お
おきな、リニアまたは2次元動作のアクチュエータを比
較的簡単な構造で提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の超音波アクチュエータの斜
視図である。
【図2】本発明の実施例2の超音波アクチュエータの斜
視図である。
【図3】本発明の実施例3の超音波アクチュエータの斜
視図である。
【図4】従来の超音波アクチュエータの斜視図である。
【図5】従来の駆動回路の構成図である。
【図6】動作モードを示す概略側面図である。
【図7】動作モードを示す概略側面図である。
【図8】楕円運動の説明図である。
【図9】可動体及び振動子の斜視図である。
【図10】1次の屈曲振動モード図である。
【図11】高次の屈曲振動モード図である。
【符号の説明】
1 基台 2 弾性体 3 積層圧素子 5 摺動材 7 被駆動体 8 摺動材 4a 積層圧電素子 4b 積層圧電素子

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基台と、該基台に固定された弾性体と、
    該弾性体の上部に伸縮の1端を固定した第1の積層圧電
    素子と、該弾性体の側部に位置し、伸縮の両端をそれぞ
    れ該弾性体と該基台に固定した1個以上の第2の積層圧
    電素子群と、第1の積層圧電素子の弾性体との固定端と
    反対端に固定された摺動部とを有する振動子と、前記振
    動子の摺動部に所定の圧力で押圧され、かつ相対移動可
    能な様に接触する被駆動体を有することを特徴とする超
    音波アクチュエータ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の超音波アクチュエータ
    において、第2の積層圧電素子群に予圧が印加されてい
    ることを特徴とする請求項1項記載の超音波アクチュエ
    ータ。
JP4279588A 1992-09-24 1992-09-24 超音波アクチュエータ Withdrawn JPH06105569A (ja)

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