JPH08168278A - リニア型超音波アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 可動レールの制御が容易で、かつ円滑な移動
を得る。 【構成】 ２０は表裏に二対の電極が形成された振動子
で、電極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２２の位置の周面に楕円動作が生じる。
１２は鏡面処理が施された当接面１２ｂが伝達部材２２
に圧接された一対の対向する可動レールで、Ａ−Ｂ方向
に移動自在にガイド部材７にガイドされている。そし
て、ガイド部材７はばね１０により、一対の可動レール
１２が振動子２０を保持するように付勢され、振動子２
０は水平方向に揺動自在となっている。

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て一対の可動レールを移動させる
リニア型超音波モータ等の超音波アクチュエータに関
し、特に振動子の保持構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６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７は同じく振動子と可動
レールとの構成を示す平面図、図８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、２０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、内径Ｒなる中央孔２０ａが設けられていると
ともに、表裏に二対の扇形状の電極２１ａ，２１ｂが形
成され、これら電極２１ａ，２１ｂ間に別の二対の電極
２１ｃが形成されている。２２は電極２１ｃに対応した
振動子２０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】４０は前記伝達部材２２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、Ａ−Ｂ方向に移動自在とな
るように支持されている。１９は弾性部材で形成された
前記中央孔２０ａよりも大なる内径を有する中央孔１９
ａが設けられたリング状の一対のマットである。３５は
ねじ孔３５ａが螺設されたベース板、３６は前記中央孔
２０ａとほぼ同一の外径Ｒを有しフランジ部２６ａが形
成され、フランジ部３６ａまでの高さが前記両マット１
９と振動子２０の合計の厚みよりもやや小なるカラー部
材、３７はねじである。

【０００４】このような構成において、下方のマット１
９、振動子２０および上方のマット１９を順にベース３
５に載置し、それぞれの中央孔１９ａ，２０ａ内にカラ
ー部材３６を挿通させ、ねじ３７をカラー部材３６内に
挿通させて、ねじ孔３５ａにねじ込むことによって、フ
ランジ部３６ａによって振動子２０は、マット１９を介
して、ベース３５とフランジ部３６ａとに挟持される。
このとき、カラー部材３６のフランジ部３６ａまでの高
さが前記両マット１９と振動子２０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２０は、両マット
１９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。同時に、カラー部材３６の外径と
振動子２０の中央孔２０ａの内径とがほぼ同じに形成さ
れているので、振動子２０の平面方向の動きは、カラー
部材３６によって規制されている。電極２１ａ，２１ｂ
は高周波電源４１，４２によって接続されており、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。

【０００５】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４１，４２に
よって位相差Φ＝９０°の高周波電圧ｓｉｎωｔ、ｃｏ
ｎωｔを振動子２０の各電極２１ａ，２１ｂに印加する
と、振動子２０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１２（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方向の振動軸Ｏ−
Ｏ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２０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２１ｃ、すなわち伝達部材２２に
対応した振動子２０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２２を介して両可動レー
ル４０，４０に伝達されて、両可動レール４０，４０を
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。なお、電極２１ｃは、振動子２０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から振動によって発生する電圧を取り出
し、電極２１ａ，２１ｂから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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、振動子２０
の伝達部材２２に当接する可動レール４０の当接面４０
ａは、きわめて精度の高い平坦面、すなわち鏡面処理が
施され、可動レール４０の全長にわたって、左右一対の
可動レール４０，４０が、同一の圧接力でそれぞれの伝
達部材２２に当接するようにしている。しかしながら、
可動レール４０の全長において最大高差５μｍの凹凸、
すなわち揺らぎが生じるのに対して、振動子２０の振動
の振幅の最大幅は１μｍ程度であり、上述した従来のよ
うに、カラー部材３６によって振動子２０の平面方向の
動きを規制した構造においては、可動レール４０の全長
にわたって、左右一対の可動レール４０，４０が、同一
の圧接力でそれぞれの伝達部材２２に当接することが困
難となり、このため、可動レール４０の移動速度にばら
つきが生じて移動制御がしにくかったり、左右の可動レ
ール４０，４０が、同一の速度で移動できなくて、ロッ
キングを起こすといった問題が発生していた。

【０００７】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、可動レールの制御が容易で、かつ円滑な移動が得ら
れるリニア型超音波アクチュエータを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明に係るリニア型超音波アクチュエータは、リ
ング状に形成された振動子の両側から周面に圧接する一
対の平行な可動レールを、前記振動子に２相の高周波電
圧を供給して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ることにより、一体的
に直線状に移動させるリニア型超音波アクチュエータで
あって、前記一対の可動レールを移動方向にガイドする
ガイド機構と、この可動レールを移動方向とは直交する
互いに向き合う方向に付勢する付勢手段とを備え、前記
振動子を弾性的に保持したものである。

【０００９】

【作用】本発明によれば、可動レール面の揺らぎが振動
子の弾性的保持により吸収される。

【００１０】

【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は本発明に係るリニア型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、図５は動作を
説明するためのモデル図である。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１２，１２
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。

【００１１】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。

【００１２】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１３ａによっ
て一対の硬質のフィルムで形成されたコ字状の連結部材
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。この連結部材１３は、厚み方向、すなわちＡ
−Ｂ方向に対しては、剛性を有し、Ｃ−Ｄ方向には、わ
ずかに可撓性を有している。１４は両連結部材１３の上
面部に取り付けられる作動杆で、超音波アクチュエータ
１が装着される装置の被移動部材に係合して、被移動部
材をＡ−Ｂ方向に移動させるものである。

【００１３】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、１８はボス部
１７の周りのマット１９が配設された領域に植設された
ステンレス製の４個のピンである。マット１９の中央孔
１９ａは、振動子２０の中央孔２０ａよりも大に形成さ
れている。振動子２０の中央孔２０ａの内径Ｒ０は、前
記ボス部１７の外径Ｒ１よりもやや大に形成されてい
る。２３は天井板で、シャフト１６に対応した位置に孔
２３ａ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２４が植設されて
いる。２５は比較的ばね性の弱い４個の圧縮ばね、２６
はシャフト１６に対応した位置に孔２６ａが設けられた
４個の押え板、２７はシャフト１６に対応した位置に半
月状の切欠部２７ａが設けられたＬ字状の抜け止め板で
ある。

【００１４】このような構成において、下方のマット１
９を、中央孔１９ａをボス部１７に遊嵌させてピン１８
上に載置し、次に振動子２０を中央孔２０ａをボス部１
７に遊嵌させてマット１９上に載置し、振動子２０上に
上方のマット１９を載置する。しかるのち、天井板２３
の孔２３ａをシャフト１６に挿入して天井板２３をシャ
フト１６に上下方向に摺動自在とし、次に圧縮ばね２５
をシャフト１６に嵌装させ、押え板２６の孔２６ａをシ
ャフト１６に挿入して、抜け止め板２７の切欠部２７ａ
をシャフト１６のスリット１６ａに嵌合させることによ
り、押え板２６と天井板２３との間に介装された圧縮ば
ね２５によって、天井板２３が下方に押圧される。これ
により、天井板２３のピン２４とベース２のピン１８と
がそれぞれ上下のマット１９，１９を点接触で押圧し
て、これら両マット１９、１９により振動子２０が挟持
され、上下方向の動きを規制される。

【００１５】振動子２０の伝達部材２２に、連結部材１
３によって連結された一対の可動レール１２，１２の一
方の側面である当接面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により図中右側のガイド部材７がＣ方向
に、左側のガイド部材７がＤ方向に、それぞれ移動習性
が付与されているので、ボールベアリング１１を介して
一対の可動レール１２，１２は、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２０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ている。このとき、図５（ｂ）に示
すように、振動子２０の中央孔２０ａとボス部１７との
間には、間隙αが形成されて、ボス部１７に遊嵌状態と
なっているので、結局、振動子２０は、ばね１０によっ
て互いに向き合う方向に移動習性が付与された両可動レ
ール１２，１２によって水平方向Ｃ−Ｄに間隙αの範囲
内で揺動自在に弾性的に保持されている。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。

【００１６】次に、このような構成における動作を説明
する。上述した従来技術と同様に、高周波電源によって
位相差Φ＝９０°の高周波電圧ｓｉｎωｔ、ｃｏｎωｔ
を振動子２０の各電極２１ａ，２１ｂに印加すると、振
動子２０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２２に対応した
振動子２０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
２２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。

【００１７】このとき、振動子２０が、ばね１０によっ
て水平方向に間隙αの範囲内で揺動自在に弾性的に保持
されているので、仮に、可動レール１２の鏡面処理が施
されている当接面１２ｂに揺らぎが生じていたとして
も、振動子２０を保持する互いに向き合う方向への移動
習性を付与された両可動レール１２，１２と共に、振動
子２０の水平方向に微揺動して、揺らぎを吸収する。ま
た、連結部材１３がＣ−Ｄ方向にわずかに可撓性を有し
ていることによって、両可動レール１２，１２の対向間
隔にわずかな自由度が生まれ、可動レール１２の揺らぎ
の状態に応じて、対向間隔が微調整されるので、揺らぎ
の吸収がより良好となる。

【００１８】したがって、当接面１２ｂの揺らぎにもか
かわらず、可動レール１２の全長にわたって、左右一対
の可動レール１２，１２が、同一の圧接力でそれぞれの
伝達部材２２に当接する。このため、可動レール１２の
Ａ−Ｂ方向の移動速度にばらつきが生じることがないの
で、移動制御が容易となり、また、左右の可動レール１
２，１２が、同一の速度で移動するので、ロッキングを
防止できて、円滑な移動が得られる。また、このとき、
可動レール１２，１２を連結している連結部材１３が、
Ａ−Ｂ方向に対して剛性を有しているので、左右の両可
動レール１２，１２がＡ−Ｂ方向に対して一体的とな
り、このため、両可動レール１２，１２の同一速度での
移動が円滑に行われる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、リ
ング状に形成された振動子の両側から周面に圧接する一
対の平行な可動レールを、前記振動子に２相の高周波電
圧を供給して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ることにより、一体的
に直線状に移動させるリニア型超音波アクチュエータで
あって、前記一対の可動レールを移動方向にガイドする
ガイド機構と、この可動レールを移動方向とは直交する
互いに向き合う方向に付勢する付勢手段とを備え、前記
振動子を弾性的に保持したことにより、可動レールの振
動子に当接する面に揺らぎが生じていたとしても、振動
子が水平方向に微揺動して、揺らぎを吸収する。このた
め、可動レールの全長にわたって、左右一対の可動レー
ルが同一の圧接力で振動子の周面に当接するので、可動
レールの移動速度にばらつきが生じることがなく、移動
制御が容易となり、また、左右の可動レールが、同一の
速度で移動するので、ロッキングを防止できて、円滑な
移動が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るリニア型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】 本発明に係るリニア型超音波アクチュエータ
の外観斜視図である。

【図４】 本発明に係るリニア型超音波アクチュエータ
の要部分解斜視図である。

【図５】 本発明に係るリニア型超音波アクチュエータ
の動作を説明するモデル図で、（ａ）は平面図、（ｂ）
は断面図である。

【図６】 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７】 従来の超音波アクチュエータの要部平面図で
ある。

【図８】 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、７…ガイド部材、
１０…ばね、１１…ボールベアリング、１２…可動レー
ル、１３…連結部材、１４…作動杆、１５…駆動部ユニ
ット、１７…ボス部、２０…振動子、２０ａ…中央孔、
２２…伝達部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リング状に形成された振動子の両側から
   周面に圧接する一対の平行な可動レールを、前記振動子
   に２相の高周波電圧を供給して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るこ
   とにより、一体的に直線状に移動させるリニア型超音波
   アクチュエータであって、前記一対の可動レールを移動
   方向にガイドするガイド機構と、この可動レールを移動
   方向とは直交する互いに向き合う方向に付勢する付勢手
   段とを備え、前記振動子を弾性的に保持したことを特徴
   とするリニア型超音波アクチュエータ。