JPH07154982A

JPH07154982A - 超音波アクチュエータ

Info

Publication number: JPH07154982A
Application number: JP5321049A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Tobe; 通宏戸部; Tadao Takagi; 忠雄高木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-11-26
Filing date: 1993-11-26
Publication date: 1995-06-16

Abstract

(57)【要約】【目的】小型化可能な制振機構を持つ超音波アクチュ
エータを提供する。【構成】弾性体１１及びその弾性体１１に接合された
圧電体１２とを有する固定子１０を含む超音波アクチュ
エータにおいて、弾性体１１の一端部又は両端部に設け
られた制振材１４を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気−機械エネルギー
変換素子（圧電体、電歪素子など、以下代表して圧電体
と記す）により弾性体の表面に進行波を発生させ、弾性
体に接触する移動体を駆動する超音波アクチュエータに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の超音波アクチュエータ
は、圧電体を励振して棒状弾性体に進行波を発生させ、
その弾性体に加圧接触された移動体を駆動するように構
成されている。この場合に、棒状弾性体の固有モードの
定在波が発生するので、棒状弾性体の端面の反射を抑制
して、定在波の発生を防ぐようにしている。定在波の抑
制機構は、例えば、弾性体の端面付近で振動エネルギー
を吸収して、反射波の発生を防ぐという方法が一般的で
ある。この抑制機構が不十分な場合には、進行波が定在
波に埋もれてしまい、移動体を効率良く駆動することが
できない。

【０００３】この定在波の抑制機構として、例えば、図
９に示すような弾性体に変成器を接触させた形のもの
が、「超音波リニアモータの進行波励振方法の検討」
（栗林実他、電子通信学会技術研究報告、ＵＳ８４−２
２）によって公知にされている。図９は、従来の棒状弾
性体を用いる超音波リニアモータの一例を示す正面図で
ある。棒状の弾性体１１０の両端部に変成器１１７ａ，
１１７ｂを配置し、一方の変成器１１７ａを加振用に、
他方の変成器１１７ｂを制振用に用いる。各変成器１１
７ａ，１１７ｂは、ランジュバン型の振動子１１８ａ，
１１８ｂを接合させた構造をしている。

【０００４】加振用の振動子１１８ａに、発信器１１９
ａから交流電圧を印加して、弾性体１１０を振動させ、
この振動が、弾性体１１０を伝播することにより進行波
となる。弾性体１１０の振動を制振用の変成器１１７ｂ
を通じて振動子１１８ｂに伝える。そして、弾性体１１
０に加圧接触された移動体１２０を駆動する。一方、振
動子１１８ｂは、振動エネルギーを電気エネルギーに変
換し、振動子１１８ｂに接続した負荷１１９ｂにより電
気エネルギーを消費することにより振動を吸収する。そ
の結果として、進行波が弾性体１１０の端面で反射する
のを防いでいる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の超音波リニアモ
ータの場合には、振動子１１８ｂより振動エネルギーを
電気エネルギーに変換しているが、効率良く変換するた
めには、図９に示すように変成器などの、弾性体に比較
して大型の機構が必要となる。従って、小型の超音波リ
ニアモータを作るためには、制振機構を小さくすること
が課題となる。

【０００６】そこで、本発明では、以上のような超音波
リニアモータにおいて制振機構が大きくなるという問題
点を解決し、小型化可能な制振機構を持つ超音波アクチ
ュエータを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による超音波アク
チュエータは、弾性体及びその弾性体に接合された電気
−機械エネルギー変換素子とを有する固定子を含む超音
波アクチュエータにおいて、前記弾性体の一端部又は両
端部に設けられた制振材を有することを特徴とする。

【０００８】第２の解決手段は、第１の解決手段の超音
波アクチュエータにおいて、前記弾性体は、両端部に少
なくとも１つの凹凸部が設けられていることを特徴とす
る。

【０００９】第３の解決手段は、第１又は第２の解決手
段の超音波アクチュエータにおいて、前記弾性体は、前
記凹凸部がテーパー状であることを特徴とする。

【００１０】第４の解決手段は、第１〜第３のいずれか
１つの解決手段の超音波アクチュエータにおいて、前記
制振材は、その一部又は全部が前記弾性体の凹凸部に挿
入されていることを特徴とする。

【００１１】第５の解決手段は、第１〜第４のいずれか
１つの超音波アクチュエータにおいて、前記弾性体は、
駆動面に櫛状凹凸部が設けられていることを特徴とす
る。

【００１２】第６の解決手段は、第５の解決手段の超音
波アクチュエータにおいて、前記制振材は、前記弾性体
の前記櫛状凹凸部の両端付近に挿入されていることを特
徴とする。

【００１３】

【作用】本発明によれば、弾性体の端部付近に制振材を
配置したので、固定子自体での振動吸収を可能にし、小
型化可能な構造となる。弾性体を進行波が伝播し端部に
達した場合に、端部付近において弾性体の振動を制振材
によって吸収し、反射波の発生を抑制することができ
る。その場合に、振動エネルギーは制振材の変形にとも
なう内部摩擦で発生する熱などの形で消費される。

【００１４】また、弾性体の両端部に１つ又は複数の凹
凸部を設け、その凹凸部に制振材の一部又は全部をを挿
入するようにしたので、弾性体を進行波が伝播し、弾性
体の端面に達した場合に変形が起こる。このような凹凸
部が設けられている場合には、進行波の振幅がこの凹凸
部によって拡大され、制振材の変形が大きくなるため
に、より大きな振動減衰効果が得られる。

【００１５】さらに、弾性体の端部にテーパー状にし
て、その先端を制振材に差し込むようにしたので、弾性
体の振動エネルギーがテーパー状の先端部に集中して、
そのエネルギーを制振材に効率良く伝達することができ
る。その結果として、より大きな減衰効果を得ることが
できる。

【００１６】

【実施例】以下、図面などを参照しながら、実施例をあ
げて、さらに詳しく説明する。図１は、本発明による超
音波アクチュエータの第１実施例を示す正面図である。
第１実施例では、固定子１０Ａは、弾性体１１と圧電体
１２と制振材１４から構成され、弾性体１１の表面に加
圧接触された移動子２０を進行波によって駆動する。こ
のような構成によれば、圧電体１２に交流電界を印加
し、弾性体１１に進行波を発生させる場合に、制振材１
４により弾性体１１の端面における進行波の反射を抑制
することができる。その結果として、定在波の発生を抑
制することができ、移動体２０を効率良く駆動すること
ができる。図１では、制振材１４を弾性体１１の端面に
接合した場合を示しているが、制振材１４を弾性体１１
の両端部付近の上面、下面、側面に接合した場合も同様
の効果を得ることができる。

【００１７】図２は、第１実施例による超音波アクチュ
エータの圧電体の配置の一例を示す図である。圧電体１
２は、複数の部分１２ａ，１２ａ，・・・から構成さ
れ、１つの部分１２ａの幅ｗは、弾性体１１に発生させ
たい進行波の波長の１／２に対応している。図２に示す
＋、−の符号は、圧電体１２の分極方向を示しており、
隣合う２つの部分１２ａ，１２ａは分極方向が逆になっ
ている。図２においては、圧電体１２は、４つの部分１
２ａから１相を構成しており、２つの相（Ａ相、Ｂ相）
が１／４波長、つまり幅ｗの１／２だけずれて配置され
ている。圧電体１２のＡ相、Ｂ相に、位相が１／２波長
異なる正弦波電圧を印加すると、圧電体１２が伸縮を起
こし、弾性体１１に屈曲進行波が発生することになる。

【００１８】図３は、本発明の第２実施例を示す正面図
である。なお、前述した第１実施例と同様な機能を果た
す部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜
省略する。固定子１０Ｂは、弾性体１１Ｂと圧電体１２
と制振材１４Ｂ等から構成されているが、弾性体１１の
両端面にテーパー部１５を設けたことを特徴としてい
る。そして、弾性体１１Ｂの先端のテーパー部１５を制
振材１４Ｂに差し込んだ構造を持っている。このような
構造にすることにより、弾性体１１Ｂを伝わる進行波の
エネルギーを制振材１４Ｂに伝達しやすくなる。その結
果として、制振材１４Ｂの内部摩擦による振動の減衰効
果が大きくなり、駆動効率が向上する。

【００１９】図４は、本発明の第３実施例を示す正面図
である。固定子１０Ｃは、弾性体１１Ｃと圧電体１２と
制振材１４Ｃ等から構成されている。弾性体１１Ｃの両
端部には、複数の凹凸部１３Ｃが設けられ、凹部１３Ｃ
−１に制振材１４Ｃが挿入されている。このような構造
をとることにより、図５に示すように、進行波が弾性体
１１Ｃの端面に達したときに、制振材１４Ｃの変形が大
きくなり、より大きな振動減衰効果を得ることができ
る。

【００２０】図５は、第３実施例において進行波が弾性
体の端面に達したときの固定子の変形を示す図である。
弾性体１１Ｃを伝播する進行波は、弾性体１１Ｃの端面
に達したときに、端面に設けられた凹凸部１３Ｃによっ
て振幅が拡大される。このように振幅が大きくなると、
図５に示すように、制振材１４Ｃの変形が大きくなる。
制振材１４Ｃは、内部摩擦が大きい材料であるので、変
形によって熱が発生し、熱の形によりエネルギーが消費
される。その結果として、振動が減衰し、進行波の端面
における反射を抑制することができる。

【００２１】図６は、本発明の第４実施例を示す正面図
である。この実施例は、弾性体１１Ｄの両端部に、複数
のテーパー部１５Ｄとくさび型の溝１３Ｄを設け、この
溝１３Ｄの中に制振材１４Ｄを挿入した構造としたこと
を特徴としている。このような構造によれば、進行波が
弾性体１１Ｄの端面に達したときに、その変形が、上記
第３実施例よりもさらに大きくなるので、制振材１４Ｄ
による制振効果がより大きくなる。

【００２２】図７は、本発明の第５実施例を示す正面図
である。この実施例は、上記の第４実施例と同様な形状
の弾性体１１Ｄに、制振材１４Ｅをくさび型の溝１３Ｄ
の内部だけでなく、弾性体１１Ｄの外側にも配置したこ
とを特徴としている。このような構造にすると、上記の
第２実施例の効果と第３実施例の効果が同時に得られる
ので、さらに大きな制振効果を得ることができる。

【００２３】図８は、本発明の第６実施例を示す正面図
である。この実施例では、弾性体１１Ｆの移動体２０と
接する面に複数の溝１３Ｆを設け、そのうちの端面に近
い溝１３Ｆ−１に制振材１４Ｆを挿入したことを特徴と
している。中央部の溝１３Ｆ−２は、進行波の振幅を拡
大する機構として働き、中央部の溝溝１３Ｆ−２は、移
動体２０の駆動を効率を向上させる。また、端部の溝１
３Ｆ−１は、制振材１４Ｆを挿入したので、その制振材
１４Ｆの変形を大きくすることにより、制振効果を高め
る働きをする。

【００２４】上記の各実施例の制振材１４としては、制
振合金、制振ゴム、圧電複合制振材、シリコーンゲルな
どを用いることが可能である。制振合金としては、具体
的には、Ｍｇ−Ｚｒ合金（ＫＩＸ１）、Ｍｎ−Ｃｕ合
金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金などが適している。これらの
合金は、制振係数（弾性エネルギーに対する１サイクル
当たりのエネルギー損失の比）が３０ないし４０（％）
であり、通常の金属（制振係数は１０（％）以下）に比
較して、非常に大きな制振能力を持っている。また、制
振合金は、以下に述べる各制振材に比較して、強度が大
きいという特徴がある。

【００２５】また、制振ゴムとしては、弾性体（金属）
との接着性がよい、ネオプレンゴム、ニトリルゴム、ブ
タジエンスチレンゴムなどが適している。制振ゴムは、
前述の制振合金に比べ、安価であるという利点を持って
いる。

【００２６】また、圧電複合制振材は、樹脂に圧電粒子
（ＰＺＴなど）と導電粒子を適当な比率で充填したもの
であり、第５回スマートアクチュエータシンポジウムで
その制振効果が公知にされている。この材料は、外部か
ら振動が加わった際に、圧電粒子に電荷が発生し、導電
粒子を導電路として電流が流れ、ジュール熱が発生する
ことにより振動を吸収する。この材料の制振効果は、電
気回路でエネルギーを消費する場合と同様に考えられ、
インピーダンス整合条件Ｒ＝１／ωＣ（Ｒ：圧電複合制
振体の抵抗、ω：振動の角周波数、Ｃ：圧電複合制振体
の容量）を満たすとき制振効果が最大となる。従って、
導電粒子の密度を調整して、Ｒをアクチュエータを駆動
する周波数に応じて適切なものとすれば、非常に高い制
振効果を得ることができる。

【００２７】シリコーンゲルは、ゲル状の有機シリコン
化合物重合体であり、高い制振特性を示す。また、その
制振特性の温度依存性が、他の制振材に比較して小さい
という特徴を持っている。従って、シリコーンゲルをア
クチュエータの制振材として用いる場合には、アクチュ
エータの性能の温度変化を小さくすることができる。シ
リコーンゲルには、様々な剛性を持つものがあるが、剛
性の小さいゲルは第３実施例のような形で用いるのが適
切である。この場合には、弾性体端面の凹部にゲルを挿
入し、端面をフィルムなどで封止するようにすればよ
い。以上挙げた制振材は、材料の種類によって異なった
特徴を持っており、超音波アクチュエータの用途によっ
て使い分けるのが適切である。

【００２８】以上説明した実施例に限定されず、種々の
変形や変更が可能であって、それらも本発明に含まれ
る。例えば、制振材は、両端部に設けた例で説明した
が、一端部だけでも、定在波の発生を抑制することは可
能である。この場合には、圧電体が他端側にあることが
好ましい。

【００２９】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、弾性体の端部に制振材を設けることにより、固定
子自体に制振機構を持たせたので、外部に制振機構を持
つものよりも固定子の小型化をすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波アクチュエータの第１実施
例を示す正面図である。

【図２】第１実施例の圧電体の配置の一例を示す図であ
る。

【図３】本発明による超音波アクチュエータの第２実施
例を示す正面図である。

【図４】本発明による超音波アクチュエータの第３実施
例を示す正面図である。

【図５】第３実施例の弾性体端面付近の挙動を示す図で
ある。

【図６】本発明による超音波アクチュエータの第４実施
例を示す正面図である。

【図７】本発明による超音波アクチュエータの第５実施
例を示す正面図である。

【図８】本発明による超音波アクチュエータの第６実施
例を示す正面図である。

【図９】従来の棒状弾性体を用いる超音波リニアモータ
の一例を示す正面図である。

【符号の説明】

１０固定子１１弾性体１２圧電体１３凹凸部１４制振材１５テーパー部２０移動子１１７ａ、１１７ｂ変成器１１８ａ、１１８ｂ振動子１１９ａ負荷１１９ｂ発信器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体及びその弾性体に接合された電気
−機械エネルギー変換素子とを有する固定子を含む超音
波アクチュエータにおいて、前記弾性体の一端部又は両端部に設けられた制振材を有
することを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項２】請求項１に記載された超音波アクチュエ
ータにおいて、前記弾性体は、両端部に少なくとも１つの凹凸部が設け
られていることを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載された超音
波アクチュエータにおいて、前記弾性体は、前記凹凸部がテーパー状であることを特
徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれか１項に記
載された超音波アクチュエータにおいて、前記制振材は、その一部又は全部が前記弾性体の凹凸部
に挿入されていることを特徴とする超音波アクチュエー
タ。
【請求項５】請求項１〜請求項４のいずれか１項に記
載された超音波アクチュエータにおいて、前記弾性体は、駆動面に櫛状凹凸部が設けられているこ
とを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項６】請求項５に記載された超音波アクチュエ
ータにおいて、前記制振材は、前記弾性体の前記櫛状凹凸部の両端付近
に挿入されていることを特徴とする超音波アクチュエー
タ。