JPH07337044A - 超音波アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】縦振動と屈曲振動振幅を増大させることができ
る超音波アクチュエータを提供することを目的とする。 【構成】略直方体の共振器２と、この共振器２に固定さ
れ、互いに位相の異なる高周波電圧を印加されることに
より該共振器２に定在波楕円振動を発生させる、２つの
電気−機械エネルギー変換素子１と、上記共振器２に押
圧され、上記楕円振動により相対的に移動される被駆動
体１４と、上記共振器２における振動の腹位置に対称的
に配置された一対の付加質量体３とを具備することを特
徴とする。

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被駆動体を
駆動する超音波アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、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被駆
動体を駆動する超音波アクチュエータは種々知られてい
る。以下、その一例を図を参照して説明する。

【０００３】図７は、本出願人が先に特願平５−３９０
１１において提案した技術手段に代表される、従来の超
音波アクチュエータにおける超音波振動子の一例を示し
た説明図である。

【０００４】図に示すように、図中、符号１１０は超音
波振動子であり、略直方体の基本弾性体１１１の上部に
は、二次の共振屈曲振動のほぼ腹に対応する部分に積層
型圧電素子１１２が配置されている。また、該積層型圧
電素子１１２は、保持用弾性体１１３により基本弾性体
１１１の上部において固定されている。さらに、図示は
しないが上記基本弾性体１１１の上面には２か所にネジ
用のタップが形成されており、上記保持用弾性体１１３
はビス１１４により基本弾性体１１１に固定される。こ
れにより、上記積層型圧電素子１１２は保持用弾性体１
１３によりつき当てられて保持される。

【０００５】上記基本弾性体１１１の正面中央部には保
持用の突起部１１６が設けられている。また、該基本弾
性体１１１の、上記積層型圧電素子１１２が配置されて
いる面の反対側の面（被駆動体と接触する側の面）の屈
曲振動振幅が極大となる位置には摺動部材１１５が、た
とえばエポキシ系の接着剤を用いて接合されている。

【０００６】次に、上記超音波振動子１１０の動作につ
いて説明する。

【０００７】該超音波振動子１１０の寸法を適当に設定
することで、図８に示す一次の共振縦振動（ＡＡ方向の
振動）、および図９に示す二次の共振屈曲振動（ＢＢ方
向の振動）がほぼ同一周波数で励起できる。図７におい
て左側の積層型圧電素子１１２から取り出されている電
気端子をＡ，ＧＮＤ（Ａ相と呼ぶ）とし、右側の積層型
圧電素子１１２から取り出されている電気端子をＢ，Ｇ
ＮＤ（Ｂ相と呼ぶ）とする。そこで、Ａ相に周波数Ｆｒ
で所定の振幅の交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数、
同振幅で同位相の交番電圧を印加すると、上記一次の共
振縦振動が励起できる。次に、Ａ相に周波数Ｆｒで同振
幅の交番電圧を印加し、Ｂ相に同一周波数、同振幅で逆
位相の交番電圧を印加すると二次の共振屈曲振動が励起
できる。

【０００８】さて、Ａ相及びＢ相に周波数Ｆｒで同振幅
の交番電圧を印加し、その位相差を９０度又は−９０度
にすると、上記一次の縦振動と、二次の屈曲振動とを同
時に励起でき、摺動部材１１５の位置において時計廻り
または反時計廻りの超音波楕円振動が励起できる。この
とき該摺動部材１１５の位置に対して被駆動体を圧接す
ると該被駆動体は右方向または左方向に駆動される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た超音波アクチュエータにおいては、超音波アクチュエ
ータの屈曲方向の振幅を増大させるためには、積層型圧
電素子（電気−機械エネルギー変換素子）に加える電圧
を増大させるしか方法がなく、この場合、使用される電
気−機械エネルギー変換素子により加えられる電圧の上
限が制限されるという問題点があった。

【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであり、縦振動と屈曲振動振幅を増大させることがで
きる超音波アクチュエータを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【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、略直
方体の共振器と、この共振器に固定され、互いに位相の
異なる高周波電圧を印加されることにより該共振器に定
在波楕円振動を発生させる、２つの電気−機械エネルギ
ー変換素子と、上記共振器に押圧され、上記楕円振動に
より相対的に移動される被駆動体と、上記共振器におけ
る振動の腹位置に対称的に配置された一対の付加質量体
とを具備する。

【００１２】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、略直方体の共振器と、
この共振器に固定され、互いに位相の異なる高周波電圧
を印加されることにより該共振器に定在波楕円振動を発
生させる、２つの電気−機械エネルギー変換素子と、上
記共振器に押圧され、上記楕円振動により相対的に移動
される被駆動体と、上記共振器における長手方向の端面
に設けられた、該共振器より大きな質量を有する付加質
量体とを具備する。

【００１３】

【作用】本発明による第１の超音波アクチュエータは、
２つの電気−機械エネルギー変換素子に互いに位相の異
なる高周波電圧を印加して、略直方体の共振器に定在波
楕円振動を発生させ、被駆動体が該楕円振動により相対
的に移動される。また、上記共振器における振動の腹位
置に対称的に配置された一対の付加質量体により、縦振
動、屈曲振動の振幅が増大する。

【００１４】本発明による第２の超音波アクチュエータ
は、２つの電気−機械エネルギー変換素子に互いに位相
の異なる高周波電圧を印加して、略直方体の共振器に定
在波楕円振動を発生させ、被駆動体が該楕円振動により
相対的に移動される。また、上記共振器における長手方
向の端面に設けられた、該共振器より大きな質量を有す
る付加質量体により、縦振動、屈曲振動の振幅が増大す
る。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１６】図１は、本発明の第１実施例である超音波
アクチュエータにおける超音波振動子の外観斜視図であ
り、図２は、該超音波振動子の各部材を分解して示した
要部分解斜視図である。

【００１７】この第１実施例の超音波アクチュエータに
おける超音波振動子６は、真鍮等で形成された略直方体
の共振器２を具備し、該共振器２の上面には積層型圧電
素子等で構成された一対の電気−機械エネルギー変換素
子１が配設されている。また、該共振器２の両端部に
は、図３（ａ）に示す共振縦振動と、図３（ｂ）に示す
共振屈曲振動とが同時に励起されるような形状を呈する
付加質量体３が、該共振縦振動と共振屈曲振動の腹位置
に左右対称に、該共振器２の正面および背面から突出す
るように一体に配設されている。さらに、上記共振器２
の正面および背面の中央縦方向の軸上における上記振動
の節には、焼き入れされたステンレス等で形成されたピ
ン４が圧入されている。

【００１８】また、図２に示すように、上記共振器２の
上面中央部には、該共振器２に対して垂直面が形成され
た凸部２０が一体に突設されている。該凸部２０両側の
上記共振器２上面には、上記一対の電気−機械エネルギ
ー変換素子１が、それぞれの一端面を該凸部２０の垂直
面に当接して載設している。また、該一対の電気−機械
エネルギー変換素子１の両側方には、一対の固定部材２
１が、該電気−機械エネルギー変換素子１の他端面に当
接して配設されている。なお、該固定部材２１は、上記
共振器２の両端部上面に形成された２か所にネジ用のタ
ップ２ａに対してビス２２より該共振器２に強固に固定
されている。これにより、上記電気−機械エネルギー変
換素子１は、上記固定部材２１と上記凸部２０とに押圧
されて挟設されることになる。また、この固定時に、電
気−機械エネルギー変換素子１の下面、ずなわち、上記
共振器２との接触面には接着剤が塗布され、該電気−機
械エネルギー変換素子１と共振器２の固定を強固にして
いる。

【００１９】さらに、上記共振器２の下面、すなわち、
電気−機械エネルギー変換素子１の配された面の反対側
面の屈曲振動腹位置には、２つの摺動突起５が設けられ
ている。

【００２０】次に、このように構成された超音波振動子
６を用いた超音波リニアアクチュエータについて説明す
る。

【００２１】図４は、上記超音波振動子６を用いて構成
された本第１実施例の超音波アクチュエータを示す、
（ａ）正面図，（ｂ）側面図である。

【００２２】図に示すように、上述した超音波振動子６
の上方には、焼き入れされたステンレス製ホルダ７が配
設されている。このホルダ７は、その下部が上記超音波
振動子６を挟み込むように該超音波振動子６の正面側と
背面側とに二股に形成され（図４（ｂ）参照）、その先
端中央部にはそれぞれＶ溝８が形成されている。そし
て、該ホルダ７は、上記超音波振動子６の正面側および
背面側から延設されたピン４に該Ｖ溝８が係合して載置
している。

【００２３】さらに、上記ホルダ７の垂直軸９上には、
匡体１１に螺合された押圧ねじ１２が配設されており、
該押圧ねじ１２の下面とホルダ７の上面との間の垂直軸
９上には、押圧バネ１０が架設されている。そして、上
記押圧ねじ１２によりホルダ７を介して適当な押圧力が
超音波振動子６に加わるようになっている。

【００２４】また、上記ホルダ７の両側面と匡体２９と
の間には、軸受手段１３が配設されており、該ホルダ７
が垂直軸９方向に抵抗無く移動可能となるように支持さ
れている。

【００２５】一方、上記超音波振動子６の下方には被駆
動体１４が配設されている。この被駆動体１４の上面、
すなわち、該超音波振動子６の下面に配設された上記摺
動突起５との接触面には、摺動材１５が該被駆動体１４
に接着固定されている。さらに、該被駆動体１４の下面
と匡体３０との間には軸受手段１６が配設されており、
これにより、該被駆動体１４は、図４（ａ）中、矢印Ｃ
方向に移動可能に保持されている。

【００２６】このような構成をなす本実施例の超音波ア
クチュエータ２８の作用について、以下、説明する。

【００２７】まず、上記略直方体を呈する共振器２の寸
法を、該共振器２における一次の縦振動（図７における
ＡＡ方向振動）と二次の屈曲振動（図７におけるＢＢ方
向振動）との共振周波数が一致するように定める。この
後、上記２つの電気−機械エネルギー変換素子１に対し
て、図示しない高周波電源より、上述した共振周波数で
あって互いに位相が９０°ずれた交番電圧を供給する
と、上記共振器２の腹部分に接着固定された摺動突起５
に楕円振動が発生する。そして、該摺動突起５に被駆動
体１４を押圧すると、上記軸受手段１６を介して該被駆
動体１４が図４（ａ）中、矢印Ｃ方向に駆動される。

【００２８】このような構成をなす本実施例によると、
共振器の縦振動と屈曲振動との腹が一致する、共振器端
部に該共振器と一体に加工された付加質量体により、縦
振動、屈曲振動の振幅を同時に増大することができ、こ
れにより推力が増大するという効果を奏する。

【００２９】また、屈曲方向の振動が増大するため、摺
動材の表面粗さの加工精度を落とした状態で超音波アク
チュエータの摺動材として利用可能である。

【００３０】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。

【００３１】図５は、本発明の第２実施例である超音波
アクチュエータにおける超音波振動子の外観斜視図であ
り、図６は、該超音波振動子の各部材を分解して示した
要部分解斜視図である。なお、図中、上記第１実施例と
同等な構成要素には同符号を付与し、ここでの詳しい説
明は省略する。

【００３２】この第２実施例の超音波アクチュエータ
は、アルミニウム合金製の略直方体の共振器１７の長手
方向端面に設けられたビス穴２５に、端面形状が等しい
同一形状のステンレス製の付加質量体１８が一対、ビス
２４により、着脱自在に固定されている。なお、該付加
質量体１８は、図３（ａ）に示すような共振縦振動と、
図３（ｂ）に示すような共振屈曲振動とが同時に励起さ
れるように、質量の異なる付加質量体１８′（図におい
ては、１種類のみを示す）を、数種類付け代えて配設す
るようになっている。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。

【００３３】このような構成をなす本実施例は、上記共
振器１７の寸法は一定とし、上述したように数種類の質
量を振った付加質量体１８，１８′を縦，屈曲振動を合
わせ込むように付け代えることを特徴としており、他は
作用は上記第１実施例と同様であるので、ここでの説明
は省略する。

【００３４】このような第２実施例においては、共振器
の一次の縦振動と二次の屈曲振動の共振周波数を合わせ
る際に、上記共振器１７の寸法を一定とし、着脱可能な
付加質量体を取り替えることにより、容易に縦振動と屈
曲振動を合わせ込むことを可能としている。

【００３５】以上説明したように、上記各実施例におい
ては、略直方体の共振器に付加質量体を取り付けること
により、超音波アクチュエータの効率の向上と出力の増
大が図れる。また、屈曲振動振幅が増大することによ
り、摺動面の面精度を下げることができるため、安価な
超音波アクチュエータを作成することが可能となる。

【００３６】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。

【００３７】[付記]以上詳述した如き本発明の実施態様
によれば、以下の如き構成を得ることができる。即ち、
（１）略直方体の共振器と、この共振器に固定され、互
いに位相の異なる高周波電圧を印加されることにより該
共振器に定在波楕円振動を発生させる、２つの電気−機
械エネルギー変換素子と、上記共振器に押圧され、上記
楕円振動により相対的に移動される被駆動体と、上記共
振器における振動の腹位置に対称的に配置された一対の
付加質量体と、を具備することを特徴とする超音波アク
チュエータ。

【００３８】（２）略直方体の共振器と、この共振器に
固定され、互いに位相の異なる高周波電圧を印加される
ことにより該共振器に定在波楕円振動を発生させる、２
つの電気−機械エネルギー変換素子と、上記共振器に押
圧され、上記楕円振動により相対的に移動される被駆動
体と、上記共振器における長手方向の端面に設けられ
た、該共振器より大きな質量を有する付加質量体と、を
具備することを特徴とする超音波アクチュエータ。

【００３９】（３）上記付加質量体は、上記共振器に対
して着脱自在に配設されることを特徴とする、上記
（１）または（２）に記載の超音波アクチュエータ。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、縦
振動と屈曲振動振幅を増大させることができる超音波ア
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実施例である超音波アクチュエー
タにおける超音波振動子の外観斜視図である。

【図２】上記第１実施例の超音波アクチュエータにおけ
る超音波振動子の各部材を分解して示した要部分解斜視
図である。

【図３】上記第１実施例の超音波アクチュエータにおけ
る超音波振動子の、（ａ）共振縦振動、（ｂ）共振屈曲
振動を示した線図である。

【図４】上記第１実施例の超音波アクチュエータを示
す、（ａ）正面図，（ｂ）側面図である。

【図５】本発明の第２実施例である超音波アクチュエー
タにおける超音波振動子の外観斜視図である。

【図６】上記第２実施例の超音波アクチュエータにおけ
る超音波振動子の各部材を分解して示した要部分解斜視
図である。

【図７】従来の超音波アクチュエータにおける超音波振
動子の一例を示した外観斜視図である。

【図８】従来の超音波アクチュエータにおける超音波振
動子の共振縦振動の一例を示した線図である。

【図９】従来の超音波アクチュエータにおける超音波振
動子の共振屈曲振動の一例を示した線図である。

【符号の説明】

１…電気−機械エネルギー変換素子 ２…共振器 ３…付加質量体 ４…ピン ５…摺動突起 ６…超音波振動子 ７…ホルダ １４…被駆動体 ２１…固定部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 粂井 一裕 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 谷口 芳久 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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】略直方体の共振器と、 この共振器に固定され、互いに位相の異なる高周波電圧
   を印加されることにより該共振器に定在波楕円振動を発
   生させる、２つの電気−機械エネルギー変換素子と、 上記共振器に押圧され、上記楕円振動により相対的に移
   動される被駆動体と、 上記共振器における振動の腹位置に対称的に配置された
   一対の付加質量体と、 を具備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】略直方体の共振器と、 この共振器に固定され、互いに位相の異なる高周波電圧
   を印加されることにより該共振器に定在波楕円振動を発
   生させる、２つの電気−機械エネルギー変換素子と、 上記共振器に押圧され、上記楕円振動により相対的に移
   動される被駆動体と、 上記共振器における長手方向の端面に設けられた、該共
   振器より大きな質量を有する付加質量体と、 を具備することを特徴とする超音波アクチュエータ。