JPH06206049A - 振動式駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動式駆動装置の駆動スピード及び駆動力を
増大すること。 【構成】 １本のロッドと、このロッドの両端に固定さ
れた一対のブロックと、この一対のブロック間に挟み込
まれ、前記ロッドが挿通している中心開孔を有するリン
グ状圧電素子と、このリング状圧電素子の両面に配置さ
れ、かつ少なくとも一方が前記リング状圧電素子の表面
を部分的に被覆している一対の電極とを備えた振動式駆
動装置において、前記一対のブロックの少なくとも一方
に、前記ロッドと一対のブロックの結合体に生じる縦振
動の波長の１／４の長さの縦振動ホーンを形成し、この
縦振動ホーンの一部分に、前記結合体に生じる屈曲振動
の波長の１／４の長さの部分ホーンを形成したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動式駆動装置に関
し、特に圧電素子に高周波電圧を印加することによって
高周波の振動を発生させ、この振動を利用して物体を動
かす振動式駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動式駆動装置の基本構造の例が
特開昭６４−７４０７２号公報に開示されている。図８
はこの従来例の分解組立を示し、図９はこの従来例の断
面構造を示し、図１０はこの従来例の特性を示す。図８
及び図９において、１０２は１本の金属製ロッドであ
り、両端にねじ１０２ａ，１０２ｂが形成されている。
このねじ１０２ａ，１０２ｂによって、ロッド１０２の
両端に一対の金属製ブロック９２，１０４が固定され
る。なお９２ａと１０４ａはねじ孔を示しており、ここ
にねじ１０２ａ，１０２ｂがねじ込まれることで一対の
金属製ブロック９２，１０４が金属製ロッド１０２の両
端に固定される。図中９４はリング状導電板であり、９
６はリング状圧電素子であり、９８ａと９８ｂは一対の
半月状導体板であり、また１００はいま一つのリング状
圧電素子である。導体板９４、圧電素子９６、一対の導
体板９８ａ，９８ｂと圧電素子１００は一対の金属製ブ
ロック９２，１０４間に挟み込まれる。図９に良く示さ
れているように、導体板９４はロッド１０２のねじ１０
２ａに接触し、この結果金属製ブロック９２、金属製ロ
ッド１０２と金属製ブロック１０４は全部導体板９４に
電気的に接続される。使用時には導体板９４を接地して
金属製ブロック９２、金属製ロッド１０２、金属製ブロ
ック１０４を全部接地させる。一方、一対の半月状導体
板９８ａ，９８ｂはロツド１０２と絶縁されている。ま
た導体板９８ａと導体板９８ｂ相互間も絶縁されてい
る。それぞれの半月状導体板９８ａ，９８ｂはそれぞれ
部分的に圧電素子９６，１００の表面を被覆する。使用
時にはいずれか一方の半月状導体板９８ａ，９８ｂに数
十ＫＨｚの高周波を印加する。

【０００３】図１１は一方の半月状導体板９８ａに高周
波を印加したときに生じる現象を誇張して示している。
半月状導体板９８ａに高周波を加えると、その導体板９
８ａに被覆されている部分の圧電素子９６，１００の厚
みが増減することから、図１１の（ａ）と（ｃ）に示す
ように、ロッド１０２と一対のブロック９２，１０４の
結合体ＤＶは縦振動する。なおかつ半月状導体板９８ｂ
には電圧が印加されていないために、その導体板９８ｂ
に被覆されている部分の圧電素子９６，１００の厚みは
変化しない。そのために、図１１の（ｂ）と（ｄ）に示
すように、結合体ＤＶは屈曲振動する。ここで結合体Ｄ
Ｖの長さと印加電圧の周波数をうまく設定すると、結合
体ＤＶの端面９１が縦振動の共振点であると同時に屈曲
振動の共振点でもあるようにできる。このために結合体
ＤＶの端面９１を図１１の矢印ＲＬ，ＲＲに示すように
楕円運動させることができる。結合体ＤＶの端面９１に
被駆動物体を載置しておくと、矢印ＲＬの働きによって
被駆動物体は矢印Ｘ１方向に動かされる。被駆動物体に
は慣性があることと、ＲＬ，ＲＲに示す楕円運動が高周
波であるために、結合体ＤＶの端面９１が矢印ＲＲの側
に動く際には結合体ＤＶの端面９１と被駆動物体間の接
触圧は低下する。このために矢印ＲＲの動きがあって
も、被駆動物体を図中左方に動かす力は小さい。このよ
うにして被駆動物体は図中矢印Ｘ１の方向に運ばれる。
なお、他方の半月状導電板９８ｂの側に高周波を印加す
ると、被駆動物体は逆方向（図１０のＸ２方向）に動か
される。また駆動方向が一方のみでよい場合には、半月
状導体板９８ａ，９８ｂのいずれか一方を絶縁体として
おくこともできる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような振動式駆動
装置は、回転部分がなく、部品点数も少なく構成できる
ことから多様な応用が考えられている。しかしながら、
上述の従来例においては、駆動スピードと駆動力の点で
なお不十分である。したがって本発明の課題は、上述の
従来例の欠点をなくし、駆動スピードと駆動力を増大さ
せることができる振動式駆動装置を提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の構成の第１のものは、１本のロッドと、こ
のロッドの両端に固定された一対のブロックと、この一
対のブロック間に挟み込まれ、前記ロッドが挿通してい
る中心開孔を有するリング状圧電素子と、このリング状
圧電素子の両面に配置され、かつ少なくとも一方が前記
リング状圧電素子の表面を部分的に被覆している一対の
電極とを備えた振動式駆動装置において、前記一対のブ
ロックの少なくとも一方に、前記ロッドと一対のブロッ
クの結合体に生じる縦振動の波長の１／４の長さの縦振
動ホーンを形成し、この縦振動ホーンの一部分に、前記
結合体に生じる屈曲振動の波長の１／４の長さの部分ホ
ーンを形成したことである。また本発明の構成の第２の
ものは、１本のロッドと、このロッドの両端に固定され
た一対のブロックと、この一対のブロック間に挟み込ま
れ、前記ロッドが挿通している中心開孔を有するリング
状圧電素子と、このリング状圧電素子の両面に配置さ
れ、かつ少なくとも一方が前記リング状圧電素子の表面
を部分的に被覆している一対の電極とを備えた振動式駆
動装置において、前記一対のブロックの内一方のブロッ
クの端面を駆動面とし、この駆動面を有する前記ブロッ
クの内この駆動面から前記縦振動の１／４波長の長さの
径小部分を縦振動ホーンとし、更に前記縦振動ホーンの
内前記駆動面から前記屈曲振動の１／４波長の長さの径
小部分を部分ホーンとしたことである。更に本発明の構
成の第３のものは、１本のロッドと、このロッドの両端
に固定された一対のブロックと、この一対のブロック間
に挟み込まれ、前記ロッドが挿通している中心開孔を有
するリング状圧電素子と、このリング状圧電素子の両面
に配置され、かつ少なくとも一方が前記リング状圧電素
子の表面を部分的に被覆している一対の電極とを備えた
振動式駆動装置において、前記一対のブロックの内一方
のブロックの端面を駆動面とし、この駆動面を有する前
記ブロックの内この駆動面から前記縦振動の１／４波長
の長さの径小部分を縦振動ホーンとし、更にこの縦振動
ホーンの内前記駆動面と反対側の端部から前記屈曲振動
の１／４波長の長さの径大部分を前記駆動面を有するブ
ロックより径小の部分ホーンとしたことである。

【０００６】

【作用】上記構成の振動式駆動装置において、縦振動ホ
ーンを形成し、この縦振動ホーンの一部分を屈曲振動ホ
ーンとしているので、縦振動と屈曲振動の両方を増幅す
ることがきる。また、駆動面を有するブロックの内この
駆動面側径小部分に縦振動ホーンを形成し、この縦振動
ホーンの径小部分に屈曲振動ホーンを形成しているの
で、駆動面を縦振動ホーン及び屈曲振動ホーンにて共通
にすることができる。また一対のブロックが縦振動に共
振し、かつ縦振動ホーンの長さを縦振動の波長の１／４
にしているので、縦振動ホーンの前記駆動面と反対側の
端部にて縦振動の節が生じ、前記駆動面にて縦振動の振
幅が最大となるため、縦振動の増幅に適している。更に
前記一対のブロックが屈曲振動に共振し、かつ屈曲振動
ホーンの長さを屈曲振動の波長の１／４にしているの
で、屈曲振動ホーンの前記駆動面と反対側の端部にて屈
曲振動の節が生じ、前記駆動面にて屈曲振動の振幅が最
大となるため、屈曲振動の増幅に適している。更に縦振
動ホーンの内前記駆動面と反対側の端部から屈曲振動の
１／４波長の長さの径大部分に前記駆動面を有するブロ
ックより径小の屈曲振動ホーンを形成した場合において
も、屈曲振動を増幅できることになる。

【０００７】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。図１は本発明の第１実施例の分解組立を示
し、図２はこの第１実施例の断面構造を示し、図３はこ
の第１実施例の動作の特性を示している。図１〜図３に
おいて、１２は金属製の１本のロッドを示し、その両端
にねじ１２ａ，１２ｂが形成されている。図中２と１４
は一対の金属製ブロックを示し、軸心にねじ孔２ｄ，１
４ａが形成されている。ねじ１２ａ、１２ｂがねじ孔２
ｄ、１４ａにねじ込まれることで一対のブロック２，１
４はロッド１２の両端に固定される。図中４はリング状
導体板、６は中心に開孔６ａを有するリング状圧電素
子、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは４等分された分割電極、
１０は中心に開孔１０ａを有するもう一つのリング状圧
電素子を示している。図２に示されているように、リン
グ状圧電素子６，１０等の中心開孔６ａ，１０ａにロッ
ド１２が挿通された状態で、導体板４、圧電素子６、分
割電極８ａ〜８ｄともう一つのリング状圧電素子１０は
一対のブロック２，１４間に挟み込まれる。導体板４は
金属製ロッド１２に接触しており、導体板４を接地する
と、金属製ブロック２、金属製ロッド１２、金属製ブロ
ック１４が接地される。４等分された電極８ａ，８ｂ，
８ｃ，８ｄはギャップｇによって相互に絶縁され、かつ
ロッド１２とも絶縁されている。それぞれの電極８ａ、
８ｂ，８ｃ，８ｄは圧電素子６，１０の表面をそれぞれ
１／４ずつ被覆している。すなわち圧電素子６は導体板
４（これが一方の電極となる。）と電極８ａ〜８ｄに挟
み込まれている。また圧電素子１０はブロック１４（こ
れが一方の電極となる。）と電極８ａ〜８ｄに挟み込ま
れている。

【０００８】図２に示すように、この装置は組付けた状
態である。その全長Ｌ３は、振動させたときに生じる縦
振動の第１次高調波、かつ屈曲振動の第２次高調波とな
るように設定されている。すなわち、ブロック２の端面
１を縦振動と屈曲振動の共振点としている。今、分割電
極８ａ〜８ｄのうちの８ａにのみ高周波電圧を印加する
と、図７の（ｄ）中Ｘに示す面内で、この装置は屈曲振
動し、かつ縦振動する。このため図３に示すように、こ
の装置の駆動面１はＸ−Ｙ平面内で楕円運動する。なお
Ｙは軸心方向である。さて本実施例では、ブロック２の
駆動面１からＬ２の長さがステップ状の小径部２ａ，２
ｂとされ、これによって段付ホーンが形成されている。
ここでこの長さＬ２は縦振動波長の１／４の長さに設定
されており、駆動面１に生じる縦振動が増幅されるよう
になっている。更にこの実施例では、駆動面１からＬ１
の長さがステップ状に更に小径部２ａとされ、これによ
って部分ホーンが形成されている。ここでこの長さＬ１
は屈曲振動波長の１／４の長さに設定されており、駆動
面１に生じる屈曲振動も増幅されるようになっている。
このため本実施例によると、図３に示すように、ホーン
がないときに駆動面１に生じる楕円運動ＲがＸ方向にも
Ｙ方向にも増幅して生じることになる（Ｒ１参照）。こ
のため駆動スピードも駆動力も増大される。さて本実施
例では、電極が４つの分割電極８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ
に分割されている。このため、どの電極に高周波を印加
するかを選択することで、図７の（ａ）〜（ｄ）に示す
ように駆動方向を選択することができる。さらに（ｅ）
〜（ｈ）に示すように、同時に２個の分割電極に高周波
を印加することで、さらに別の駆動方向に切り換えるこ
ともできる。このときには振動の振幅が増大されるため
に、駆動力や駆動スピードが向上する。また一般的に
は、図７の（ｉ）に示すように、それぞれの分割電極に
加える電圧Ｖ１，Ｖ２を変えることによって、任意の方
向に任意のスピードで駆動することもできる。

【０００９】図４は本発明の第２実施例の分解組立を示
し、図５はこの第２実施例の断面構造を示し、図６はこ
の第２実施例の特性を示す。図４及び図５において、縦
振動ホーン２２ａ及び屈曲振動ホーン２２ｂの形状が前
記第１実施例のものと異なる。しかし、他の部分は、前
記第１実施例のものと同じである。金属ブロック２２の
下部２２ｃは円形板状であり、この下部２２ｃの上面
に、この下部２２ｃより径小の円柱状縦振動ホーン２２
ａ，２２ｂ（長さＬ₂ ）がこの下部２２ｃと一体に形成
されている。更に縦振動ホーン２２ａ，２２ｂの内図示
下端径大部分を前記下部２２ｃより径小の円柱状屈曲振
動ホーン２２ｂ（長さＬ₁ ）としている。なお、駆動面
２１は縦振動ホーン２２ａ，２２ｂの図示上面である。
このようにしても駆動面２１に生じる振動は縦方向にも
屈曲方向にも増幅され、駆動スピードと駆動力が増大さ
れる。なお上述の各実施例において、一方のブロックに
のみホーンを形成したが、両方のブロックにホーンを形
成してもよい。また一対のブロック間に２枚の圧電素子
が用いられる例を示したが、圧電素子の枚数は１枚以上
であればよい。更に縦振動については１次の共振、屈曲
振動については２次の共振を利用する例を示したが、共
振の次数については特に制約を受けない。

【００１０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の振
動式駆動装置によれば、縦振動ホーン及び屈曲振動ホー
ンによって縦振動及び屈曲振動を増幅できるので、少な
い交流電圧入力で大きな駆動スピードと駆動力を駆動面
の機械的出力として得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の分解組立図である。

【図２】前記第１実施例の断面図である。

【図３】前記第１実施例の特性図である。

【図４】本発明の第２実施例の分解組立図である。

【図５】前記第２実施例の断面図である。

【図６】前記第２実施例の特性図である。

【図７】前記各実施例の動作説明図である。

【図８】従来例の分解組立図である。

【図９】前記従来例の断面図である。

【図１０】前記従来例の特性図である。

【図１１】前記従来例の動作説明図である。

【符号の説明】

１、２１ 駆動面 ２、１４、２２ ブロック ２ａ、２２ａ 縦振動ホーン ２ｂ、２２ｂ 屈曲振動ホーン ６、１０ 圧電体振動子 ４、８ａ〜８ｄ 電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本多 敬介 愛知県豊橋市大岩町字小岩塚20番地 本多 電子株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １本のロッドと、このロッドの両端に固
   定された一対のブロックと、この一対のブロック間に挟
   み込まれ、前記ロッドが挿通している中心開孔を有する
   リング状圧電素子と、このリング状圧電素子の両面に配
   置され、かつ少なくとも一方が前記リング状圧電素子の
   表面を部分的に被覆している一対の電極とを備えた振動
   式駆動装置において、 前記一対のブロックの少なくとも一方に、前記ロッドと
   一対のブロックの結合体に生じる縦振動の波長の１／４
   の長さの縦振動ホーンを形成し、 この縦振動ホーンの一部分に、前記結合体に生じる屈曲
   振動の波長の１／４の長さの部分ホーンを形成したこと
   を特徴とする振動式駆動装置。
2. 【請求項２】 １本のロッドと、このロッドの両端に固
   定された一対のブロックと、この一対のブロック間に挟
   み込まれ、前記ロッドが挿通している中心開孔を有する
   リング状圧電素子と、このリング状圧電素子の両面に配
   置され、かつ少なくとも一方が前記リング状圧電素子の
   表面を部分的に被覆している一対の電極とを備えた振動
   式駆動装置において、 前記一対のブロックの内一方のブロックの端面を駆動面
   とし、この駆動面を有する前記ブロックの内前記駆動面
   から前記ロッドと一対のブロックの結合体に生ずる縦振
   動の１／４波長の長さの径小部分を縦振動ホーンとし、 更に前記縦振動ホーンの内前記駆動面から前記結合体に
   生ずる屈曲振動の１／４波長の長さの径小部分を部分ホ
   ーンとしたことを特徴とする振動式駆動装置。
3. 【請求項３】 １本のロッドと、このロッドの両端に固
   定された一対のブロックと、この一対のブロック間に挟
   み込まれ、前記ロッドが挿通している中心開孔を有する
   リング状圧電素子と、このリング状圧電素子の両面に配
   置され、かつ少なくとも一方が前記リング状圧電素子の
   表面を部分的に被覆している一対の電極とを備えた振動
   式駆動装置において、 前記一対のブロックの内一方のブロックの端面を駆動面
   とし、この駆動面を有する前記ブロックの内前記駆動面
   から前記ロッドと一対のブロックの結合体に生じる縦振
   動の１／４波長の長さの径小部分を縦振動ホーンとし、 更にこの縦振動ホーンの内前記駆動面と反対側の端部か
   ら前記結合体に生ずる屈曲振動の１／４波長の長さの径
   大部分を前記駆動面を有するブロックより径小の部分ホ
   ーンとしたことを特徴とする振動式駆動装置。