JPH08168276A - 超音波アクチュエータにおける給電構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動効率の向上を図る。 【構成】 ２１は表裏に四対の電極２１ａ〜２１ｄが形
成された振動子で、伝達部材２３が周面に対向するよう
に取り付けられている。電極２１ａ，２１ｂに位相をず
らした高周波の電圧を印加することにより伝達部材２３
に当接する被作動部材が変位する。そして、振動子２１
を挟持するピン１８および２５の先端に冠着した弾性部
材１９および２６を導電性とし、ここから給電してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子からなる振動
子の合成振動を利用した超音波モータ等の超音波アクチ
ュエータに関し、特にその給電構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の超音波アクチュエータの概
略の構成を示す分解斜視図、図６は同じく振動子と可動
レールとの構成を示す平面図、図７は超音波アクチュエ
ータの動作原理を説明するための平面図である。これら
の図において、２１は全周均一に板厚方向に分極された
圧電セラミックスによってリング状に形成された振動子
であって、中央孔２１ａが設けられているとともに、表
裏に二対の扇形状の電極２２ａ，２２ｂが形成され、こ
れら電極２２ａ，２２ｂ間に別の二対の電極２２ｃ，２
２ｄが形成されている。２３は電極２２ｃ，２２ｄに対
応した振動子２１の周面に対向するように固着された断
面が矩形状の伝達部材で、加工し易く、かつ耐摩耗性に
すぐれ、しかも所定の摩擦伝達力が得られるエンジニア
リングプラスチックで形成されている。

【０００３】前記各電極２２ａ〜２２ｄの表裏には、半
田付けによりリード線２０ａ〜２０ｄおよび２７ａ〜２
７ｄが接続されている。リード線２０ａおよび２７ａに
は、高周波電源３８が、また、２０ｂおよび２７ｂに
は、高周波電源３９が、それぞれ接続されており、相互
に時間的位相差Φ＝９０°もしくは−９０°異なる高周
波電圧ｓｉｎωｔ、ｃｏｎωｔが印加されるように構成
されている。電極２１ｃおよび電極２１ｄは、振動子２
１の温度特性による変化を補正するためのモニター用の
電極であって、この電極２１ｃ，２１ｄから振動によっ
て発生する電圧を取り出し、高周波電源３８，３９から
電極２１ａ，２１ｂへ供給する電圧または周波数を変え
て修正するものである。

【０００４】３６は前記伝達部材２３に弱い圧接力によ
り当接している一対の対向する可動レールで、図示を省
略したガイド機構によって、Ｅ−Ｆ方向に移動自在とな
るように支持されている。３２はねじ孔３２ａが螺設さ
れたベース、３３は弾性部材で形成された中央孔３３ａ
が設けられたリング状の一対のマットである。３４は前
記中央孔２１ａ，３３ａの内径よりも小なる外径を有し
フランジ部３４ａが形成され、フランジ部３４ａまでの
高さが、振動子２１と前記両マット３３の合計の厚みよ
りもやや小なるカラー部材、３５はねじである。

【０００５】このような構成において、下方のマット３
３、振動子２１および上方のマット３３の順にベース３
２に載置し、それぞれの中央孔３３ａ，２１ａ内にカラ
ー部材３４を挿通させ、ねじ３５をカラー部材３４内に
挿通させて、ねじ孔３２ａにねじ込むことによって、フ
ランジ部３４ａによって振動子２１は、マット３３を介
して、ベース３２とフランジ部３４ａとに挟持される。
このとき、カラー部材３４のフランジ部３４ａまでの高
さが前記両マット３３と振動子２１の合計の厚みよりも
やや小に形成されているので、振動子２１は、両マット
３３の弾性変形して、弱い圧接力によって厚み方向の動
きが規制されている。

【０００６】次に、このような構成の超音波アクチュエ
ータの動作について説明する。高周波電源３８，３９に
よって位相差Φ＝９０°の高周波電圧ｓｉｎωｔ、ｃｏ
ｎωｔを振動子２１の各電極２２ａ，２２ｂに印加する
と、振動子２１が伸縮し、その内径／外径がある値
（０．２７）のとき径方向にラジアル振動（Ｒ、１）
と、非軸対称面内振動（１、１）の多重モード振動が同
時に起きる。ラジアル振動は図７（ａ）に示すように、
径方向に伸縮するモードで、一方、非軸対称面内振動は
同図（ｂ）に示すように図中上下の方向に沿って伸縮す
る面内屈曲振動モードで、これら両モードが振動子２１
に付与されると、これら両モードの振動が合成されて、
電極２２ｃ，２２ｄ、すなわち伝達部材２３に対応した
振動子２１の対向する周面に、同図（ｃ）に示すよう
に、互いに反対方向に回転する楕円動作が発生する。こ
の楕円動作は、伝達部材２３を介して両可動レール３
６，３６に伝達されて、両可動レール３６，３６を共に
図中Ｆ方向に移動させる直進動作として取り出すことが
できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の超音波アクチュエータにおいては、高周波電源
３８，３９からの給電構造として、リード線２０ａ〜２
０ｄおよび２７ａ〜２７ｄを介して行う構造となってお
り、リード線２０ａ〜２０ｄおよび２７ａ〜２７ｄが、
各電極２２ａ〜２２ｄに半田付けされているため、これ
らリード線２０ａ〜２０ｄおよび２７ａ〜２７ｄが、振
動子２１の振動の際の負荷となり、振動子２１の振動の
妨げとなる問題があった。また、負荷を軽減させるため
に、リード線２０ａ〜２０ｄおよび２７ａ〜２７ｄの線
径を細くすると、断線し易いといった問題もあった。

【０００８】したがって、本発明は上記した従来の問題
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、振動子の振動の妨げとならない給電構造を採用する
ことにより、振動効率を向上させた超音波アクチュエー
タにおける給電構造を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明に係る超音波アクチュエータにおける給電構
造は、リング状の振動子と、この振動子の表裏に設けら
れた二対の電極とからなり、前記電極に２相の高周波電
圧を供給して前記振動子にラジアル振動と非軸対称面内
振動との合成による多重モード振動を発生させ、前記振
動子周面に当接する部材を変位させる超音波アクチュエ
ータにおいて、前記二対の電極に表裏から当接して弱い
圧接力によって振動子を挟持し振動子の厚み方向の動き
を規制する二対の弾性突起を備え、この弾性突起を導電
部材で形成し、この弾性突起から電極へ電力を供給する
ものである。

【００１０】

【作用】本発明によれば、弾性突起は振動子に固定され
たものではないので、振動子の振動時の負荷とならな
い。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図に基づいて説明
する。図１は本発明に係る超音波アクチュエータの平面
図、図２は図１のII-II 線断面図、図３は同じく外観斜
視図、図４は要部の分解斜視図である。これらの図にお
いて、従来技術と同一の構成については同一の符号を付
し、詳細な説明は省略する。これらの図において、全体
を符号１で示すものは、後述する一対の可動レール１
２，１２が、Ａ−Ｂ方向に移動するリニア型超音波アク
チュエータである。２はＡＢＳ樹脂で形成された平板状
のベース、３はベース２の外形寸法とほぼ同一に枠状に
形成され、４隅に取付ブロック部３ａが設けられた収納
部材であって、ベース２の上面に載置され、図示を省略
したねじによってベース２に固定されており、両側面部
の取付ブロック部３ａ間には、長手方向に沿って後述す
るガイド部材７が嵌合する凹嵌部３ｂが形成され、凹嵌
部３ｂの底面部は段状に形成された摺動面３ｃが設けら
れている。

【００１２】４は収納部材３の凹嵌部３ｂの開放された
側面部を閉塞するようにねじ６によって収納部材３の取
付ブロック部３ａに取り付けられた側面板で、凹嵌部３
ｂ内に突出するピン５が植設されている。７は細長く形
成された断面正方形状のガイド部材であって、長手方向
に沿って表面全体にＶ字溝７ａが形成され、前記摺動面
３ｃ上に載置される。このガイド部材７を凹嵌部３ｂ内
に嵌合させ、凹嵌部３ｂの開放された上面部を閉塞する
ようにねじ９によって収納部材３の取付ブロック部３ａ
に取り付けられた上面板８と前記摺動面３ｂとによっ
て、ガイド部材７は、図中Ｃ−Ｄ方向に摺動自在に支持
されている。１０はピン５に遊嵌されて凹嵌部３ｂ内に
嵌装されたばねで、ガイド部材７をＣ方向、すなわちＶ
字溝７ａが形成された表面が凹嵌部３ｂの開放された側
面部から突出するように付勢されている。

【００１３】１１はガイド部材７のＶ字溝７ａに嵌装さ
れた従来周知のボールベアリングである。１２はガイド
部材７とほぼ同じ長さを有する断面正方形状の一対の被
作動部材としての可動レールで、加工性が良好で量産性
にすぐれ、かつ硬度が得られるステンレスからなり、一
方側面に長手方向全体に延設されたＶ字溝１２ａが形成
され、他方側面１２ｂは表面がきわめて精度の高い平坦
面に形成される、いわゆる鏡面処理が施されている。こ
れら一対の可動レール１２，１２は、ねじ１４によって
コ字状の一対の連結部材１３によって、互いに平行に対
向するようにして連結されている。

【００１４】全体を符号１５で示すものは、駆動部ユニ
ットであり、図４に基づいてこれを説明する。同図にお
いて、１６はベース２に立設された二対のシャフトで、
先端部にスリット１６ａが形成されている。１７はベー
ス２の中央部に一体に突設されたボス部である。１８は
ボス部１７の周りに植設されたステンレス製の４個のピ
ンであって、ベース２を貫通し裏面に端子部１８ａが露
呈し、先端部に導電性の弾性部材１９が冠着されてい
る。端子部１８ａには、リード線２０ａ〜２０ｄが接続
されている。振動子２１には、上述した従来技術と同一
の構成である電極２２ａ〜２２ｄが形成され、伝達部材
２３が取り付けられ、前記ボス部１７の外径よりもやや
大に形成された中央孔２１ａが設けられている。２４は
天井板で、シャフト１６に対応した位置に４個の孔２４
ａが設けられているとともに、前記ピン１８に対応した
位置にステンレス製の４個のピン２５が植設されてい
る。

【００１５】４個のピン２５は天井板２４を貫通し表面
に端子部２５ａが露呈し、下端部には導電性の弾性部材
２６が冠着されている。端子部２５ａには、リード線２
７ａ〜２７ｄが接続されている。これら４個の弾性部材
２６および１９は、前記電極２２ａ〜２２ｄに対応した
位置に配設されている。２８は比較的ばね性の弱い４個
の圧縮ばね、２９はシャフト１６に対応した位置に孔２
９ａが設けられた４個の押え板、３０はシャフト１６に
対応した位置に半月状の切欠部３０ａが設けられたＬ字
状の抜け止め板である。従来技術と同様に、リード線２
０ａおよび２７ａには、高周波電源３８が、また、２０
ｂおよび２７ｂには、高周波電源３９が、それぞれ接続
されており、リード線２０ｃおよび２０ｄには、モニタ
ー用の電極２２ｃおよび電極２２ｄが電気的に接続され
る。

【００１６】このような構成において、振動子２１の中
央孔２１ａをボス部１７に遊嵌させて弾性部材１９上に
載置し、天井板２４の孔２４ａをシャフト１６に挿入し
て天井板２４をシャフト１６に上下方向に摺動自在と
し、各弾性部材２６を電極２２ａ〜２２ｄに当接させ
る。次に、圧縮ばね２８をシャフト１６に嵌装させ、押
え板２９の孔２９ａをシャフト１６に挿入して、抜け止
め板３０の切欠部３０ａをシャフト１６のスリット１６
ａに嵌合させることにより、押え板２９と天井板２４と
の間に介装された圧縮ばね２８によって、天井板２４が
下方に押圧される。これにより、ピン２５の弾性部材２
６とピン１８の弾性部材１９とが振動子２１を点接触に
より挟持して、振動子２１の厚み方向の動きを規制す
る。このとき、各弾性部材１９および２６は、各電極２
２ａ〜２２ｄに当接している。

【００１７】このように組み込まれた振動子２１の伝達
部材２３に、連結部材１３によって連結された一対の可
動レール１２，１２の一方の側面１２ｂを当接させると
ともに、Ｖ字溝１２ａをボールベアリング１１に嵌合さ
せる。このとき、ばね１０によりガイド部材７がＣ方向
に移動習性が付与されているので、ボールベアリング１
１を介して一対の可動レール１２，１２もＣ方向、すな
わち互いに向き合う方向に移動習性が付与されている。
したがって、振動子２１は一対の可動レール１２，１２
によって水平方向が保持されるように挟持される。ま
た、可動レール１２はボールベアリング１１を介してガ
イド部材７にＡ−Ｂ方向に移動自在に支持されている。

【００１８】次に、このような構成における動作を説明
する。リード線２０ａ，２７ａに接続された高周波電源
３８からの高周波電圧ｓｉｎωｔは、端子部１８ａ、ピ
ン１８、導電性の弾性部材１９および端子部２５ａ、ピ
ン２５、導電性の弾性部材２６を介して、電極２２ａに
印加される。同時に、リード線２０ｂ，２７ｂに接続さ
れた高周波電源３９からの位相差Φ＝９０°の高周波電
圧ｃｏｎωｔは、端子部１８ａ、ピン１８、導電性の弾
性部材１９および端子部２５ａ、ピン２５、導電性の弾
性部材２６を介して、電極２２ｂに印加される。位相差
Φ＝９０°の高周波電圧ｓｉｎωｔ、ｃｏｎωｔを振動
子２１の各電極２２ａ，２２ｂに印加すると、振動子２
１に、ラジアル振動（Ｒ、１）と、非軸対称面内振動
（１、１）の多重モード振動が同時に起き、これら両モ
ードの振動が合成されて、伝達部材２３に対応した振動
子２１の対向する周面に、互いに反対方向に回転する楕
円動作が発生する。この楕円動作により、伝達部材２３
を介して両可動レール１２，１２が、連結部材１３を介
してＡ−Ｂ方向に一体的に移動する。

【００１９】このとき、各電極２２ａ，２２ｂに高周波
電圧を供給する導電性の弾性部材１９および２６が、ピ
ン１８および２５を介してベース２および天井板２４に
支持されいるので、振動子２１には負荷がかからない。
このため、振動子２１の振動を妨げることがなく、振動
子２１の良好な振動が得らるので、可動レール１２，１
２の円滑な移動と充分な移動量が得られる。また、振動
子２１を挟持する弾性部材１９，２６を給電に兼用して
いるので、部品点数が削減されるとともに、構造が簡易
化される。さらに、従来発生していたリード線の断線を
防止でき、耐久性にも優れている。

【００２０】なお、上述した実施例では、振動子２１の
伝達部材２３に当接して、振動子２１の振動によって変
位する被作動部材として、ガイド部材７によって直線状
に移動する可動レール１２を用いたリニア型超音波アク
チュエータの例を挙げたが、これに限定されることな
く、被作動部材を回転自在に支持したロータとすること
によって、ロータの回転を出力とする超音波モータに適
用できることはいうまでのないことである。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、リ
ング状の振動子と、この振動子の表裏に設けられた二対
の電極とからなり、前記電極に２相の高周波電圧を供給
して前記振動子にラジアル振動と非軸対称面内振動との
合成による多重モード振動を発生させ、前記振動子周面
に当接する部材を変位させる超音波アクチュエータであ
って、前記二対の電極に表裏から当接して弱い圧接力に
よって振動子を挟持し振動子の厚み方向の動きを規制す
る二対の弾性突起を備え、この弾性突起を導電部材で形
成し、この弾性突起から電極へ電力を供給することによ
り、振動子の振動の際に振動子には負荷がかかることが
なく、このため振動子の振動を妨げることがないので、
振動子の良好な振動が得られ、被作動部材の円滑な移動
と充分な移動量が得られる。また、振動子を挟持する弾
性部材を給電に兼用しているので、部品点数が削減され
るとともに、構造が簡易化される。さらに、従来発生し
ていたリード線の断線を防止でき、耐久性にも優れてい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る超音波アクチュエータの平面図
である。

【図２】 図１のII-II 線断面図である。

【図３】 本発明に係る超音波アクチュエータの外観斜
視図である。

【図４】 本発明に係る超音波アクチュエータの要部分
解斜視図である。

【図５】 従来の超音波アクチュエータの要部分解斜視
図である。

【図６】 従来の超音波アクチュエータの要部平面図で
ある。

【図７】 一般的な超音波アクチュエータの原理を説明
する図で、（ａ）はラジアル振動を示し、（ｂ）は非軸
対称面内振動を示し、（ｃ）は両振動を合成した振動を
示すものである。

【符号の説明】

１…リニア型超音波アクチュエータ、１２…可動レー
ル、１５…駆動部ユニット、１８，２５…ピン、１９，
２６…弾性部材、２０ａ〜２０ｄ，２７ａ〜２７ｄ…リ
ード線、２１…振動子、２２ａ〜２２ｄ…電極、３８，
３９…高周波電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リング状の振動子と、この振動子の表裏
   に設けられた二対の電極とからなり、前記電極に２相の
   高周波電圧を供給して前記振動子にラジアル振動と非軸
   対称面内振動との合成による多重モード振動を発生さ
   せ、前記振動子周面に当接する部材を変位させる超音波
   アクチュエータにおいて、前記二対の電極に表裏から当
   接して弱い圧接力によって振動子を挟持し振動子の厚み
   方向の動きを規制する二対の弾性突起を備え、この弾性
   突起を導電部材で形成し、この弾性突起から電極へ電力
   を供給することを特徴とする超音波アクチュエータにお
   ける給電構造。