JPH08237970A - 超音波アクチュエータ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、推力を増大させることができ、ま
た、動作の安定した超音波アクチュエータを提供する。 【構成】 本発明は、略直方体の共振器２と、この共振
器２に固定された２つの電気機械変換素子と、この電気
機械変換素子に位相の異なる高周波電圧を印加する事に
より前記共振器２に定在波楕円振動を発生させて、この
定在波楕円振動により前記共振器２に圧し当てた被駆動
体１４を駆動する超音波アクチュエータにおいて、この
超音波アクチュエータを同一方向に複数配置したことを
特徴とするものである。

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及びそ
の駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９に特開平６−２５４４９４号公報に
開示された従来の超音波アクチュエータの一例を示す。

【０００３】従来の超音波アクチュエータにおいては、
直方体の共振器５１の一面に２つの電気機械変換素子５
２が固定され超音波振動子が構成されている。この直方
体の電気機械変換素子５２が固定された面の対面に足５
５が固定され、この部分に図示しない被駆動体を押し当
て、この被駆動体を駆動する。

【０００４】このような超音波アクチュエータの駆動原
理は、図１０に示す前記共振器５１の１次の縦振動（Ａ
方向振動）と、図１１に示す２次の屈曲振動（Ｂ方向振
動）との共振周波数を合わせるように共振器５１の寸法
を決めて、その周波数で２つの電気機械変換素子５２に
９０度位相のずれた電力を供給して超音波楕円振動を発
生させ、被駆動体を共振器５１に押し当てる事により、
この被駆動体を駆動するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記超音波アクチュエ
ータにおいて超音波楕円振動による推力は、この超音波
アクチュエータの持つ特性値で一元的に決まり、それ以
上の推力を得ることはできない。また、前記超音波アク
チュエータの動作初期若しくは動作終了時に、この超音
波アクチュエータの振動振幅が定常状態より減衰するた
め、この時間領域の推力が不安定になっていた。このた
め従来の超音波アクチュエータを用いて、その振動の過
渡的状態において被駆動体を微小量駆動する場合、微小
量送り動作が安定しないという欠点があった。

【０００６】本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、
推力を増大させることができ、また、動作の安定した超
音波アクチュエータ及び超音波アクチュエータの駆動方
法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】請求項１記載の発明は、
略直方体の共振器と、この共振器に固定された２つの電
気機械変換素子と、この電気機械変換素子に位相の異な
る高周波電圧を印加する事により前記共振器に定在波楕
円振動を発生させて、この定在波楕円振動により前記共
振器に圧し当てた被駆動体を駆動する超音波アクチュエ
ータにおいて、この超音波アクチュエータを同一方向に
複数配置したことを特徴とするものである。

【０００８】請求項２記載の超音波アクチュエータの駆
動方法は、略直方体の共振器と、この共振器に固定され
た２つの電気機械変換素子と、この電気機械変換素子に
位相の異なる高周波電圧を印加する事により前記共振器
に定在波楕円振動を発生させて、この定在波楕円振動に
より前記共振器に圧し当てた被駆動体を駆動する超音波
アクチュエータを同一方向に複数配置し、複数の超音波
アクチュエータを時間差をもって駆動することを特徴と
するものである。

【０００９】請求項３記載の超音波アクチュエータの駆
動方法は、略直方体の共振器と、この共振器に固定され
た２つの電気機械変換素子と、この電気機械変換素子に
位相の異なる高周波電圧を印加する事により前記共振器
に定在波楕円振動を発生させて、この定在波楕円振動に
より前記共振器に圧し当てた被駆動体を駆動する超音波
アクチュエータを同一方向に複数配置し、複数配置した
超音波アクチュエータを、第１の超音波アクチュエータ
を駆動しその定在波楕円振動の振幅が適当な大きさに成
長後、第２以降の超音波アクチュエータの駆動方向に垂
直な振動振幅のみを励起することを特徴とするものであ
る。

【００１０】

【作用】請求項１記載の発明によれば、略直方体の共振
器と、この共振器に固定された２つの電気機械変換素子
と、この電気機械変換素子に位相の異なる高周波電圧を
印加する事により前記共振器に定在波楕円振動を発生さ
せて、この定在波楕円振動により前記共振器に圧し当て
た被駆動体を駆動する超音波アクチュエータにおいて、
この超音波アクチュエータを同一方向に複数配置したも
のであるから、被駆動体に対する駆動推力が配置した超
音波アクチュエータの個数分加算されることになり、大
きな駆動推力を発生させることができる。

【００１１】請求項２記載の発明によれば、上述した複
数、例えば２個の超音波アクチュエータを時間差をもっ
て駆動することにより、即ち、第１の超音波アクチュエ
ータを駆動し、定在波楕円振動が定常状態に達した後、
第２の超音波アクチュエータを駆動することにより、第
１の超音波アクチュエータの振動過渡領域では、動作し
ていない第２の超音波アクチュエータがブレーキの働き
をし、第１の超音波アクチュエータが定常振動状態に達
した後、第２の超音波アクチュエータを動作させること
で安定した動作を得ることができる。

【００１２】請求項３記載の発明によれば、複数配置し
た超音波アクチュエータを、第１の超音波アクチュエー
タを駆動し、その定在波楕円振動の振幅が適当な大きさ
に成長した後、第２以降の超音波アクチュエータの駆動
方向に垂直な振動振幅のみを励起するものであるから、
第２の超音波アクチュエータの駆動時には、この第２超
音波アクチュエータに関する摩擦負荷を見かけ上無くす
ことが可能となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００１４】（第１実施例）図１、図２、図３を参照し
て本発明の第１実施例を説明する。

【００１５】（構成）本実施例の超音波アクチュエータ
は、電気機械変換素子１を一対一面に配置した真鍮製の
略直方体の共振器２が、共振振動と共振屈曲振動が同時
に励起されるような形状で構成されている。前記共振器
２の振動の節に焼き入れされたステンレス製ピン４が圧
入されている。前記共振器２の上面中央部に電気機械変
換素子１を固定するための凸部２０が共振器２本体に対
して直角な面を持ち一体に構成されている。

【００１６】前記電気機械変換素子１の端面が前記凸部
２０に押圧されて止められるように電気機械変換素子１
の他端面が固定部材２１とビス２２とにより共振器２に
強固に固定されている。また、前記電気機械変換素子１
の固定時に、電気機械変換素子１の共振器２との接触し
ている全面に接着剤が塗布され、電気機械変換素子１と
共振器２の固定を強固にしている。前記電気機械変換素
子１が配置された面の反対側面の屈曲振動腹位置に、一
対の摺動用突起５が設けられている。

【００１７】前記超音波アクチュエータを、２つ同一方
向に配置して超音波リニアアクチュエータを構成した例
を図２、図３に示す。前記共振器２のピン４が、焼き入
れされたステンレス製ホルダ７のＶ溝８に挟み込まれて
おり、ホルダ７のＶ溝８の垂直方向軸９上に押圧バネ１
０が前記ホルダ７の上面に位置して設けられており、押
圧バネ１０の反対側は筺体１１に螺合された押圧ネジ１
２に当接し、これにより、ホルダ７を介して適当な押圧
力が前記共振器２に付与されている。

【００１８】前記ホルダ７の側面は、このホルダ７が垂
直軸９方向に抵抗無く移動可能なように、軸受手段１３
により支持されている。また、前記摺動突起５が接触す
る面には、摺動材１５が被駆動体１４に接着固定されて
おり、この被駆動体１４は基台１８上の軸受手段１６に
よりＸ方向に移動可能に保持され一つの超音波アクチュ
エータが構成され、この超音波アクチュエータが同一の
被駆動体１４に対して、図３に示すように、被駆動体１
４の移動方向から見て左右対称に一対配置している。

【００１９】（作用）第１実施例の超音波アクチュエー
タの駆動原理は、超音波アクチュエータの共振器２の１
次の縦振動（Ａ方向振動）と２次の屈曲振動（Ｂ方向振
動）の共振周波数を合わせるように共振器２の寸法を決
めて、その周波数で２つの電気機械変換素子１に９０度
位相のずれた電力を供給することにより楕円振動を発生
させ、被駆動体１４をこれに押し付ける事により、この
被駆動体１４を駆動するものである。

【００２０】前記一方の超音波アクチュエータの２つの
電気機械変換素子１に図示しない高周波電源より位相が
９０度ずれ、かつ、共振器２の共振周波数の電圧を加え
ることにより、前記共振器２の腹部分に接着固定された
摺動突起５が楕円振動を行い、軸受手段１６上の被駆動
体１４がＸ方向に駆動される。同様に、他方の超音波ア
クチュエータも同じ駆動周波数で同様に駆動される。

【００２１】（効果）本実施例においては、同一構成の
超音波アクチュエータを被駆動体１４の移動方向に対し
対称に配置した事により、被駆動体１４に対する推力が
２倍になり、また、対称配置により推力のバランスがと
れ、移動方向に直角な軸に関するモーメントの発生が無
くなる。

【００２２】（第２実施例）第１実施例の構成を用い第
２実施例である超音波アクチュエータの駆動方法につき
説明する。

【００２３】図４に示すように、前記共振器２の側面下
部に、この共振器２の振動に影響を与えない程度のミラ
ーブロック１７を接着により取り付け、ア、イ方向から
レーザー変位計により、共振器２の屈曲振動を観察した
結果を図５に示す。

【００２４】図５に示す時間Ｔ１に図示しない駆動回路
から駆動信号を電気機械変換素子１に与え駆動を開始す
る。また、時間Ｔ３で駆動を停止する。Ｔ２〜Ｔ３間が
振動定常状態、Ｔ１〜Ｔ２間が振動立ち上がり時間であ
り、同様にＴ３〜Ｔ４間が自由振動による減衰振動時間
である。このふたつの振動時間Ｔ１〜Ｔ２間、Ｔ３〜Ｔ
４間で、被駆動体１４の動作が不安定になる。これは、
被駆動体１４が常時一定方向に引っ張られている様な状
態（傾斜して置かれているような場合）で、このふたつ
の時間領域では、振動定常状態での推力が発生しないた
め、負荷方向に被駆動体１４が引っ張られてしまうから
である。

【００２５】本実施例においては、超音波アクチュエー
タの静止時の保持力が起動時の推力を上回っているとい
う特徴を生かし、図６に示すような駆動方法を行う。即
ち、まず、一方の超音波アクチュエータを最初に起動す
る。この時他方の超音波アクチュエータが停止している
ため、上記理由で被駆動体１４は動作しない。一方の超
音波アクチュエータが定常振動に達するＴＤ１時間経過
後、他方の超音波アクチュエータを駆動する。このよう
な駆動時間タイミングで被駆動体１４は一方の超音波ア
クチュエータが持つ定常状態での推力で駆動される。こ
れは、他方の超音波アクチュエータの摺動用突起５の摺
動部材１５との摩擦が静止摩擦から動摩擦へ切り替るの
で、摩擦力が下がることによる。同様に、停止時も時間
間隔ＴＤ２のタイムラグを持たせて２つの超音波アクチ
ュエータを停止させることにより、一方の超音波アクチ
ュエータの摺動用突起５の摺動部材１５との摩擦が動摩
擦から静止摩擦に切り替わるタイミングで被駆動体１４
が停止する。

【００２６】（効果）本実施例によれば、被駆動体１４
が動作している間は、必ず１つ以上の超音波アクチュエ
ータが定常振動状態を保っているため、安定的な推力が
確保され、起動及び停止が安定する効果を得られる。

【００２７】（第３実施例）第１実施例の構成を用い第
３実施例である超音波アクチュエータの駆動方法につき
説明する。

【００２８】第３実施例においては、図７に示されるよ
うなタイミングで第１実施例の構成の一方の超音波アク
チュエータの共振器２に楕円振動を励起し、他方の超音
波アクチュエータの２つの電気機械変換素子１に１８０
度位相のずれた駆動電圧を印加する事により、図８に示
されるような屈曲振動を励起する。この時、摺動用突起
５では、図８に示すように、上下方向にのみ振動をす
る。この振動状態で、摺動材１５と摺動用突起５との間
で、この摺動用突起５が見かけ状浮上している状態にな
り、摩擦負荷がゼロに近い値になる。

【００２９】図７に示すように、予め一方の超音波アク
チュエータを駆動し、振動が定常状態まで立ち上がった
後、他方の超音波アクチュエータの駆動スタートする。
この時、他方の超音波アクチュエータの摺動用突起５の
摩擦が静止摩擦から見かけ上摩擦負荷がゼロになるた
め、一方の超音波アクチュエータの推力で被駆動体１４
が動作を始める。次に、一方の超音波アクチュエータが
定常振動状態で、他方の超音波アクチュエータの駆動を
停止すると、他方の超音波アクチュエータが停止した瞬
間にこの他方の超音波アクチュエータの摩擦負荷はほぼ
ゼロから静止摩擦状態に移行するため、被駆動体１４が
停止する。

【００３０】（効果）本実施例においても、被駆動体１
４が動作している間は、必ず１つ以上の超音波アクチュ
エータが定常振動状態を保っているため、安定的な推力
が確保され、起動及び停止が安定する効果を得られる。

【００３１】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、被駆動体
に対する駆動推力が配置した超音波アクチュエータの個
数分加算されることになり、大きな駆動推力を発生させ
ることができる超音波アクチュエータを提供できる。

【００３２】請求項２記載の発明によれば、複数配置し
た超音波アクチュエータを、時間差をもって駆動するこ
とにより、被駆動体の起動停止時の動作の安定が図れる
超音波アクチュエータの駆動方法を提供することができ
る。

【００３３】請求項３記載の発明によれば、第２の超音
波アクチュエータの駆動時には、この第２超音波アクチ
ュエータに関する摩擦負荷を見かけ上無くすことが可能
となり被駆動体の起動停止時の動作の安定が図れる超音
波アクチュエータの駆動方法を提供することができる。
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１つの超音波アクチュエ
ータの外観を示す斜視図である。

【図２】第１実施例の超音波アクチュエータの正面図で
ある。

【図３】第１実施例の超音波アクチュエータの側面図で
ある。

【図４】第２実施例の超音波アクチュエータを示す説明
図である。

【図５】第２実施例の駆動方法における振動振幅と時間
との関係を示す図である。

【図６】第２実施例の駆動方法を示すタイミングチャー
トである。

【図７】第３実施例の駆動方法を示すタイミングチャー
トである。

【図８】第３実施例における摺動用突起の振動状態を示
す説明図である。

【図９】従来の超音波アクチュエータの斜視図である。

【図１０】従来の超音波アクチュエータの縦振動を示す
図である。

【図１１】従来の超音波アクチュエータの屈曲振動を示
す図である。

【符号の説明】

１ 電気機械変換素子 ２ 共振器 ４ ピン ５ 摺動用突起 ７ ホルダ ８ Ｖ溝 ９ 垂直方向軸 １０ 押圧バネ １２ 押圧ネジ １３ 軸受手段 １４ 被駆動体 １５ 摺動材 １６ 軸受手段

Claims (3)

【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
   された２つの電気機械変換素子と、この電気機械変換素
   子に位相の異なる高周波電圧を印加する事により前記共
   振器に定在波楕円振動を発生させて、この定在波楕円振
   動により前記共振器に圧し当てた被駆動体を駆動する超
   音波アクチュエータにおいて、この超音波アクチュエー
   タを同一方向に複数配置した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
   された２つの電気機械変換素子と、この電気機械変換素
   子に位相の異なる高周波電圧を印加する事により前記共
   振器に定在波楕円振動を発生させて、この定在波楕円振
   動により前記共振器に圧し当てた被駆動体を駆動する超
   音波アクチュエータを同一方向に複数配置し、複数の超
   音波アクチュエータを時間差をもって駆動することを特
   徴とする超音波アクチュエータの駆動方法。
3. 【請求項３】 略直方体の共振器と、この共振器に固定
   された２つの電気機械変換素子と、この電気機械変換素
   子に位相の異なる高周波電圧を印加する事により前記共
   振器に定在波楕円振動を発生させて、この定在波楕円振
   動により前記共振器に圧し当てた被駆動体を駆動する超
   音波アクチュエータを同一方向に複数配置し、複数配置
   した超音波アクチュエータを、第１の超音波アクチュエ
   ータを駆動しその定在波楕円振動の振幅が適当な大きさ
   に成長後、第２以降の超音波アクチュエータの駆動方向
   に垂直な振動振幅のみを励起することを特徴とする超音
   波アクチュエータの駆動方法。