JPH09135586A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の異形縮退型の振動アクチュエータは、
発生する振動モードを効率的に利用しておらず、高い駆
動効率を得ることができない。 【解決手段】 電気機械変換素子２，３を接合される振
動子２１と，振動子２１を支持する支持部材３１ａ，３
１ｂとを備え、電気機械変換素子２，３への駆動電圧の
印加により、振動子２１に、長手方向への縦振動と電気
機械変換素子２，３に交差する方向への屈曲振動とを生
じる振動アクチュエータ２０において、支持部材３１
ａ，３１ｂは、前記弾性体に生じる屈曲振動の節位置の
うちの、振動子長手方向の最端側における節位置Ａにお
いて、振動子２１を支持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動エネルギーを
利用した振動アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の振動アクチュエータ
として、自走式の振動アクチュエータが種々提案されて
おり、例えば、「第５回電磁力関連のダイナミックスシ
ンポジウム講演論文集」の「２２２ 光ピックアップ移
動を目的とした圧電リニアモータ」に記載されている
「異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード・平板モータ」が知
られている。

【０００３】図５は、異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード
・平板モータ４の従来例を示す模式図であって、図５
（Ａ）は正面図，図５（Ｂ）は側面図，図５（Ｃ）は平
面図である。

【０００４】弾性体である振動子１は、矩形平板状の基
礎部１ａと，その基礎部１ａの一方の平面に形成された
突起部１ｂ，１ｃとから構成される。圧電素子２，３
は、振動子１の基礎部１ａの他方の平面に貼付され、縦
１次振動と屈曲４次振動とを発生させる圧電素子であ
る。

【０００５】振動子１の突起部１ｂ，１ｃは、基礎部１
ａに発生する屈曲４次振動の腹の位置に設けられ、図示
しないガイドレールに押し付けられる。図６は、この異
形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード・平板モータ４に発生す
る縦１次振動及び屈曲４次振動を示す説明図であって、
図６（Ａ）は基礎部１ａを抽出して示す側面図，図６
（Ｂ）は基礎部１ａを抽出して示す底面図，図６（Ｃ）
は基礎部１ａに発生する縦１次振動の振動波形の一例を
示すグラフ，図６（Ｄ）は振動子１の基礎部１ａに発生
する屈曲４次振動の振動波形の一例を示すグラフであ
る。

【０００６】振動子１の基礎部１ａの上面には、厚さ方
向に一様に分極された電気機械変換素子２，３である圧
電セラミックス板が貼付される。このとき、振動子１と
電気機械変換素子２，３とは、振動子１の長さ方向に関
して縦１次振動及び屈曲４次振動それぞれの周波数が一
致する寸法に設計・製作される。

【０００７】このような振動子１に接続される図示しな
い金属電極の間に、９０°位相差を有する交流電圧を印
加すると、図６（Ｃ）のグラフに振動波形を示す縦１次
振動と，図６（Ｄ）のグラフに振動波形を示す屈曲４次
振動との合成である振動変位を有する定在波が発生す
る。

【０００８】このような従来の縦１次振動−屈曲４次振
動を利用した振動アクチュエータ４は、基礎部１ａの長
手方向の中央部幅方向に設けられた支持用突起部１ｄ，
１ｅを有する振動子１の片面（又は両面）に電気機械変
換素子２，３等を接着し、基礎部１ａに発生する縦振動
及び屈曲振動それぞれの振動を、長手方向について一致
又は近接させ、これらの縦振動及び屈曲振動それぞれの
振動の周波数に近い周波数の交流電界を印加することに
より、これら二つの振動を縮退状態で発生させる定在波
型振動アクチュエータである。

【０００９】このような縦１次振動及び屈曲４次振動を
利用する振動アクチュエータ４は、速度及び駆動力が大
きいとともに構造が簡単であって、今後さらに用途が拡
大されるものと考えられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような振
動アクチュエータ４における振動子１は、通常は、振動
子１の長手方向の中央部が縦１次振動及び屈曲４次振動
それぞれの共通の節にあたるため、この部分に支持用突
起部１ｄ，１ｅを形成し、この支持用突起部１ｄ，１ｅ
に例えばネジ等を螺着させることにより治具に固定して
いた。

【００１１】図７は、図６に示す振動アクチュエータ４
を組み込んだ移動装置９の構成例を示す説明図である。
振動アクチュエータ４の電気機械変換素子２，３貼付面
側には、例えばコイルスプリング等を内蔵した加圧部材
６が、基礎部１ａを貫通するボルト５により取り付けら
れる。

【００１２】ボルト５の先端は、枠型のフレーム７の一
部に螺着されており、このフレーム７には、基礎部１ａ
に発生する屈曲振動の腹位置に接するようにして、ロー
ラ８ａ，８ｂが回転自在に支持される。

【００１３】電気機械変換素子２，３に図示しない駆動
電圧発生装置から駆動電圧を印加すると、基礎部１ａに
縦１次振動と屈曲４次振動との合成振動である楕円運動
が発生し、基礎部１ａに接触するローラ８ａ，８ｂが回
転駆動される。

【００１４】図７に示す移動装置９では、基礎部１ａの
底面両端部側であって屈曲４次振動の腹位置に、例えば
回転自在のローラを二つ接触させてこれらのローラを回
転させることにより駆動力を取り出そうとするものであ
るため、これら二つのローラの駆動に縦１次振動の半分
しか利用することができず、効率的でないという課題が
あった。

【００１５】また、振動子１の他の支持手段を図８に示
す。図８に示す支持手段は、特開平１−３１５２７９号
公報，特開平１−３１５２８０号公報さらに特開平３−
１１９８３号公報等に記載されている支持手段を利用し
たものであり、基礎部１ａの端部側を、上治具１０ａ，
下治具１０ｂ及びこれらを締結するボルト１１ａ，１１
ｂにより完全に固定支持するとともに、基礎部１ａの他
の端部側の裏面にローラ８を接触させることによりロー
ラ８を回転駆動するものである。

【００１６】しかし、図８に示す支持手段では、振動子
１の基礎部１ａに発生する縦１次振動の腹位置近傍で基
礎部１ａを固定保持するため、発生する縦１次振動を減
衰させてしまい、結果的に図７に示す駆動装置と同様に
効率的でないという課題があった。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、弾性体の長手
方向の中央部に存在する縦振動−屈曲振動の共通の節位
置ではなく、中央部以外の節位置で弾性体を固定支持
し、弾性体の片面又は両面に電気機械変換素子を一つ又
は複数設置し、縦振動及び屈曲振動をできるだけ減衰さ
せることなく利用することにより、上述した課題の解決
を図ろうとするものである。

【００１８】請求項１の発明は、電気機械変換素子を表
面に接合される矩形平板状の弾性体と，前記弾性体を支
持する支持部材とを備え、前記電気機械変換素子への駆
動電圧の印加により、前記弾性体に、弾性体長手方向へ
の縦振動と前記平面に交差する方向への屈曲振動とを生
じる振動アクチュエータにおいて、前記支持部材は、前
記弾性体に生じる屈曲振動の１又は複数の節位置におい
て、前記弾性体を支持することを特徴とする。

【００１９】請求項２の発明は、請求項１に記載された
振動アクチュエータにおいて、前記節位置は、前記弾性
体の長手方向の最端側における節位置であることを特徴
とする。

【００２０】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載された振動アクチュエータにおいて、前記弾性体
の長手方向の前記平面であって前記屈曲振動の腹位置
に、駆動力取出部が設けられることを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明にかかる振動アクチュエ
ータを、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

【００２２】図１は、本発明にかかる振動アクチュエー
タ２０に発生する縦１次振動及び屈曲４次振動を示す説
明図であって、図１（Ａ）は振動子２１の基礎部２１ａ
を抽出して示す側面図，図１（Ｂ）は基礎部２１ａを抽
出して示す底面図，図１（Ｃ）は基礎部２１ａに発生す
る縦１次振動の振動波形の一例を示すグラフ，図１
（Ｄ）は振動子２１の基礎部２１ａに発生する屈曲４次
振動の振動波形の一例を示すグラフである。

【００２３】図１（Ａ）及び図１（Ｂ）において、振動
子２１は矩形平板状の弾性体（例えば金属板又はプラス
チック板等）から構成されており、振動子２１の一方の
平面には、電気エネルギーを機械的変位に変換する電気
機械変換素子としての圧電素子２２，２３が図示する位
置に接着により装着される。

【００２４】一方、図１（Ｄ）に示す、振動子２１に発
生する屈曲４次振動の節位置のうちの最端部側位置Ａの
振動子幅方向について、矩形の平面形状の支持用突起部
２１ｄ，２１ｅを形成する。

【００２５】これらの支持用突起部２１ｄ，２１ｅに設
けたボルト貫通孔２４ｄ，２４ｅに図示しない取付ボル
トを貫通させて振動子２１を固定保持する。この状態
で、圧電素子２２，２３に接続される図示しない金属電
極の間に、９０°位相差を有する交流電圧を印加する
と、図１（Ｃ）のグラフに振動波形を示す縦１次振動
と，図１（Ｄ）のグラフに振動波形を示す屈曲４次振動
とが発生する。

【００２６】振動子２１の基礎部２１ａの寸法を適当な
値に設定しておくと、図１（Ｃ）のグラフに示す縦１次
振動と，図１（Ｄ）のグラフに示す屈曲４次振動との二
つの振動の周波数が一致又は接近する。

【００２７】そのため、圧電素子２２，２３に、図示し
ない駆動電圧発生装置から前述の周波数に近い周波数の
交流電圧を印加すると、基礎部２１ａの表面に、前述し
た縦１次振動と屈曲４次振動との合成振動である楕円状
の振動変位を有する定在波が発生する。

【００２８】この際、図１（Ｃ）に示すように、基礎部
２１ａの長手方向に関する二つの端部のうちの支持用突
起部２１ｄ，２１ｅを形成した側と反対側の端部におけ
る縦１次振動の変位ｘが、図５に示す従来の振動変位の
およそ倍程度の大きさになっている。

【００２９】この縦１次振動は、基礎部２１ａの底面
に、ローラを接触させて駆動力を取り出す場合にはロー
ラの駆動力を発生させる役割を奏するため、変位ｘの増
大により駆動効率が向上する。

【００３０】また、本実施形態では、支持用突起部２１
ｄ，２１ｅの形成位置Ａは、屈曲４次振動の振動の節位
置にもあたり、屈曲４次振動を減衰させることもないた
め、基礎部２１ａと駆動力取出部材であるローラとを確
実に断続的に接触させることができる。

【００３１】図２は、以上詳細に説明した振動アクチュ
エータ２０を組み込んで構成した移動装置３０の一例を
示す側面図である。以下、図２を参照しながら、この移
動装置３０を詳細に説明する。

【００３２】図１を参照しながら詳細に説明した振動ア
クチュエータ２０は、ステンレス鋼製の基礎部２１ａが
支持用突起部２１ｄ，２１ｅにおいて、上固定治具３１
ａ及び下固定治具３１ｂにより上下から挟まれた状態で
固定・保持される。

【００３３】上固定治具３１ａ及び下固定治具３１ｂ
は、これらを貫通して螺着される取付ボルト３２ａ（３
２ｃ），３２ｂ（３２ｄ）により、締結される。取付ボ
ルト３２ｂ，３２ｄは、支持用突起部２１ｅ，２１ｄに
それぞれ形成されたボルト貫通孔２４ｅ，２４ｄをそれ
ぞれ貫通することにより、基礎部２１ａを保持する。

【００３４】さらに、基礎部２１ａの底面のうちの屈曲
４次振動の腹位置Ｂに、例えば回転自在に支持された駆
動力取出部材であるローラ３３を図示しない加圧機構に
より適宜圧力Ｆで、基礎部２１ａの底面に圧接する。

【００３５】本実施形態における移動装置３０は、以上
のように構成される。この移動装置３０には、振動子２
１に縦１次振動と屈曲４次振動とが同時に発生する条件
で、図示しない駆動電圧発生装置から交流電界を圧電素
子２２に印加するとともに圧電素子２３には圧電素子２
２に印加した駆動電圧と位相が９０°異なる交流電界を
印加する。

【００３６】すると、基礎部１ａには縦１次振動と屈曲
４次振動とが同時に発生して縮退し、基礎部１ａの表面
（下面を含む。）には楕円運動が発生するため、下面に
接触するローラ３３が図中矢印方向に回転駆動する。

【００３７】この回転速度は、図７に示す従来の移動装
置のローラ８ａ，８ｂの約２倍の速度であった。

【００３８】（第２実施形態）図３は、本発明にかかる
振動アクチュエータの第２実施形態を示す側面図であ
る。なお、以降の第２実施形態の説明では第１実施形態
と相違する部分のみを説明し、第１実施形態と共通の部
分には同一の図中符号を付すことにより、重複する説明
を適宜省略する。

【００３９】第２実施形態は、振動子２１を、支持用突
起部２１ｄ，２１ｅの形成位置Ａにおいて振動子２１を
貫通する固定ピン３５により、シリコンゴム製の固定体
３４に固定したものである。

【００４０】振動子２１はシリコンゴム製の固定体３４
に固定されるため、振動子２１に発生する縦１次振動及
び屈曲４次振動をともに減衰させることが抑制され、振
動アクチュエータ３０−１の駆動効率を向上させること
ができる。

【００４１】なお、この振動アクチュエータ３０−１で
は、ローラ３３に被搬送材３６を接触させ、この被搬送
材３６を搬送させることができる。このように、第１実
施形態又は第２実施形態によれば、振動子に発生する縦
１次振動を効率的に利用して、高い駆動効率でローラ等
の駆動力取出部材を駆動することができる。

【００４２】（第３実施形態）図４は、本発明にかかる
振動アクチュエータの第１実施形態の変形例である第３
実施形態を示す側面図である。

【００４３】本実施形態の振動アクチュエータ３０−２
では、基礎部２１ａの固定態様が第１実施形態とは異な
る。すなわち、基礎部２１ａの長手方向において、第１
実施形態において支持用突起部２１ｄ，２１ｅを形成し
た位置Ａに幅方向端部側に支持用突起部２１ｄ，２１ｅ
を設け、この位置Ａにおいてボルト２５及び加圧部材２
６により基礎部２１ａを固定するとともに、基礎部２１
ａを貫通するボルト２５により基礎部２１ａの反対側に
おいて基礎部２１ａに一定距離だけ離間して配置された
フレーム２７を固定支持する。

【００４４】さらに、フレーム２７のボルト２５貫着部
と反対の端部側には、基礎部２１ａの底面のうちの屈曲
４次振動の腹位置Ｂに接触して駆動力取出部材であるロ
ーラ３３が回転自在に支持される。

【００４５】本実施形態の振動アクチュエータ３０−２
は、以上のように構成され、図示しない駆動電圧発生装
置から交流電界を圧電素子２２に印加するとともに圧電
素子２３には圧電素子２２に印加した駆動電圧と位相が
９０°異なる交流電界を印加すると、基礎部２１ａには
縦１次振動と屈曲４次振動とが同時に発生して縮退し、
基礎部２１ａの表面（下面を含む。）には楕円運動が発
生するため、裏面に接触するローラ３３が図中矢印方向
に回転駆動される。

【００４６】本実施形態の振動アクチュエータ３０−２
は基礎部２１ａを図示しない固定面に固定されており、
ローラ３３に接触する被搬送材３６を搬送する。

【００４７】（変形形態）本発明にかかる振動アクチュ
エータは、以上説明した第１実施形態〜第３実施形態に
は限定されず、種々の変形や変更が可能であって、それ
らも本発明の範囲に含まれる。

【００４８】例えば、各実施形態では、電気機械変換素
子として圧電素子を用いたが、本発明にかかる振動アク
チュエータはこのような態様に限定されるものではな
く、電気エネルギーを機械的変位に変換することができ
るものであれば等しく利用することができる。例えば、
圧電素子以外に磁歪素子や電歪素子等を用いることがで
きる。

【００４９】また、前述した第１実施形態及び第２実施
形態では、振動子を固定するためにボルト貫通孔を有す
る支持用突起部を設けたが、このような支持用突起部を
形成せずに、振動子の一部に直接にボルト貫通孔や溝を
形成し、このボルト貫通孔や溝を利用して振動子を固定
・支持するようにしてもよい。

【００５０】さらに、図２に示す第１実施形態の移動装
置３０において、ローラ３３に被搬送材を接触させ、こ
の被搬送材を搬送することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる振動アクチュエータに発生する
縦１次振動及び屈曲４次振動を示す説明図であって、図
１（Ａ）は振動子の基礎部を抽出して示す側面図，図１
（Ｂ）は基礎部を抽出して示す底面図，図１（Ｃ）は基
礎部に発生する縦１次振動の振動波形の一例を示すグラ
フ，図１（Ｄ）は振動子の基礎部に発生する屈曲４次振
動の振動波形の一例を示すグラフである。

【図２】第１実施形態の振動アクチュエータを組み込ん
で構成した移動装置の一例を示す側面図である。

【図３】本発明にかかる振動アクチュエータの第２実施
形態を示す側面図である。

【図４】本発明にかかる振動アクチュエータの第３実施
形態を示す側面図である。

【図５】異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード・平板モータ
の従来例を示す模式図であって、図５（Ａ）は正面図，
図５（Ｂ）は側面図，図５（Ｃ）は平面図である。

【図６】異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モード・平板モータ
に発生する縦１次振動及び屈曲４次振動を示す説明図で
あって、図６（Ａ）は基礎部を抽出して示す側面図，図
６（Ｂ）は基礎部を抽出して示す底面図，図６（Ｃ）は
基礎部に発生する縦１次振動の振動波形の一例を示すグ
ラフ，図６（Ｄ）は振動子の基礎部に発生する屈曲４次
振動の振動波形の一例を示すグラフである。

【図７】図６に示す振動アクチュエータを組み込んだ移
動装置の構成例を示す説明図である。

【図８】振動子の支持手段を示す説明図である。

【符号の説明】

２０，３０，３０−１，３０−２ 振動アクチュエータ ２１ 振動子 ２１ａ 基礎部 ２１ｄ，２１ｅ 支持用突起部 ２２，２３ 電気機械変換素子 ２４ｄ，２４ｅ ボルト貫通孔 ２５ ボルト ２６ 加圧部材 ２７ フレーム ３１ａ 上固定治具 ３１ｂ 下固定治具 ３２ｂ，３２ｄ 取付ボルト ３３ ローラ ３４ 固定体 ３５ 固定ピン ３６ 被搬送材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気機械変換素子をその表面に接合され
   る矩形平板状の弾性体と，前記弾性体を支持する支持部
   材とを備え、前記電気機械変換素子への駆動電圧の印加
   により、前記弾性体に、弾性体長手方向への縦振動と前
   記平面に交差する方向への屈曲振動とを生じる振動アク
   チュエータにおいて、 前記支持部材は、前記弾性体に生じる屈曲振動の１又は
   複数の節位置において、前記弾性体を支持することを特
   徴とする振動アクチュエータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された振動アクチュエー
   タにおいて、 前記節位置は、前記弾性体の長手方向の最端側における
   節位置であることを特徴とする振動アクチュエータ。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載された振動
   アクチュエータにおいて、 前記弾性体の長手方向の前記平面であって前記屈曲振動
   の腹位置に、駆動力取出部が設けられることを特徴とす
   る振動アクチュエータ。