JPH09182468A

JPH09182468A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH09182468A
Application number: JP7343025A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Tobe; 通宏戸部; Tadao Takagi; 忠雄高木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 1997-07-11
Also published as: US5821670A

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな加圧力に対しても、振幅が十分に大き
い屈曲振動が発生し、大きな駆動力を得られる振動アク
チュエータを提供する。【解決手段】弾性体１１に縦振動と屈曲振動とを調和
的に発生させる振動アクチュエータであって、弾性体１
１の屈曲振動の腹の位置Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５に、そ
の弾性体１１の剛性が低くなるような溝１３ａ，１３
ｂ，１３ｃ，１３ｄを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、弾性体を振動させ
て駆動力を得る振動アクチュエータに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の振動アクチュエータは、
弾性体に接合した電気機械変換素子（圧電体、電歪素子
など、以下代表して圧電体と記す）に交流電圧を印加し
て、その弾性体に複数の振動モード（例えば、縦振動と
屈曲振動）を調和的に発生させることにより、駆動力を
得て、その弾性体に接する相対運動部材との間で相対運
動を行なう構造が知られている。

【０００３】例えば、「光ピックアップ移動を目的とし
た圧電リニア・モータ」（富川義朗他：第５回電磁力関
連のダイナミックシンポジウム講演論文集ｐｐ３９３〜
３９８）の中には、構造と負荷特性が示されている。

【０００４】また、新版超音波モータ（上羽貞行、富川
義朗著、トリケップス刊ｐｐ１４５〜１４６）には、自
走式の構造が示されている。このアクチュエータは、平
板形状をしており、縦振動１次モードと屈曲振動４次モ
ード（又は８次モード）の共振周波数が非常に近い値と
なる形状に設計されている。そして、圧電体に２つの共
振周波数に近い周波数の交流電圧を２相印加することに
より、弾性体に２つのモードが調和した振動を発生させ
る。この弾性体は、屈曲振動４次モードの腹となる部分
に、突起部が設けられており、この突起部の先端が楕円
運動することにより、駆動力を得る。

【０００５】なお、平板の縦振動１次モード及び屈曲振
動４次モードの共振周波数は、縦振動１次モードの共振周波数ｆ_L1＝（１／２Ｌ）・（Ｅ／ρ）^1/2 …（１）屈曲振動４次の共振周波数ｆ_B4＝［（λ₄Ｌ）²ｔ／２πＬ²］・（Ｅ／１２ρ）^1/2 …（２）但し、Ｅ：ヤング率 ρ：密度Ｌ：弾性体の長さｔ：弾性体の厚さ λ₄Ｌ＝１４．１３７１６６によって与えられる。縦−屈曲型の振動アクチュエータ
は、弾性体の長さＬ及び厚さｔを適切な比率にすること
により、２つの共振周波数の差が小さくなるように設計
されている。

【０００６】図８は、従来の縦−屈曲型の振動アクチュ
エータを示す図である。振動アクチュエータ１０は、駆
動用突起部１１ａ，１１ｂを有する矩形平板状の弾性体
１１と、この弾性体１１に縦振動と屈曲振動を調和的に
発生させる圧電素子１２とから構成されている。この振
動アクチュエータ１０は、相対運動部材（図８ではレー
ル）２０に、不図示の加圧部材（板ばね，さらばね，コ
イルばね等）を用いて加圧接触させ、駆動力を得る。振
動アクチュエータ１０は、相対運動部材２０上を自走す
ることも可能であるし、相対運動部材２０を移動させる
ことも可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
の縦−屈曲型の振動アクチュエータは、縦振動と屈曲振
動の２つの共振を用いている。この振動アクチュエータ
は、加圧部材を用いて相対運動部材に加圧接触させる
が、それらの振動が加圧によって影響を受ける。加圧方
向は、相対運動部材に対して垂直であるために、縦振動
は、あまり影響を受けないが、屈曲振動は、大きな影響
を受け、振幅が小さくなる。

【０００８】屈曲振動は、駆動用突起部に発生する楕円
運動の垂直成分（弾性体の長手方向に対して垂直な成
分）であり、クラッチのような役割をする。駆動用突起
部は、このクラッチ効果により、縦振動（弾性体の長手
方向の往復運動）の１方向のみで相対運動部材に接触
し、駆動力を発生する。しかし、加圧により屈曲振動が
小さくなった場合には、クラッチ効果が小さくなるため
に、駆動用突起部は、縦振動の両方向で相対運動部材に
接触するようになり、駆動力を取り出すことが不可能に
なる。

【０００９】一方、振動アクチュエータは、摩擦駆動で
あるために、駆動力は加圧力に比例する。したがって、
大きな駆動力を取り出すためには、大きな加圧力が必要
となる。しかし、従来のアクチュエータは、大きな加圧
力に対して屈曲振動が減衰するために、大きな駆動力を
取り出せないという問題があった。

【００１０】本発明は、大きな加圧力に対しても、振幅
が十分に大きい屈曲振動が発生し、大きな駆動力を得ら
れる振動アクチュエータを提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、弾性体に縦振動と屈曲振動とを
調和的に発生させる振動アクチュエータにおいて、前記
弾性体の前記屈曲振動の腹の位置に、その弾性体の剛性
が低くなる低剛性部を設けたことを特徴としている。請
求項２の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータ
において、前記低剛性部は、前記弾性体の上面及び／又
は下面の幅方向に、その弾性体の厚みを薄くするように
形成された溝である──を特徴とする。請求項３の発明
は、請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、前
記低剛性部は、前記弾性体の側面の幅方向に貫通し又は
貫通せずに、その弾性体の有効厚みを薄く、かつ、幅を
狭めるように形成された孔であることを特徴とする。請
求項４の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータ
において、前記低剛性部は、前記弾性体の側面に、その
弾性体の幅を狭めるように形成された切欠きであること
を特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、図面等を参照にして、実施形態
をあげて、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に
よる振動アクチュエータの第１実施形態を示す図であ
る。図１（Ａ）は、振動アクチュエータ単体を示す斜視
図、図１（Ｂ）は、屈曲振動の形状と溝の位置との関係
を示す図である。この実施形態の振動アクチュエータ
は、弾性体１１と、弾性体１１に接合された４つの圧電
体１２ａ，１２ｂ，１２ｐ，１２ｐ’から構成され、弾
性体１１に１次の縦振動と４次の屈曲振動を調和的に発
生させ、その縮退によって、その弾性体１１の所定の位
置から駆動力を取り出す超音波アクチュエータである。

【００１３】弾性体１１は、金属，樹脂などから成る矩
形平板状の部材であり、下面の屈曲振動の腹に相当する
位置［図１（Ｂ）のＡ２，Ａ５の位置］に、駆動力を取
り出すための駆動用突起部１１ａ，１１ｂが形成されて
いる。なお、この駆動用突起部は、弾性体１１の本体部
と一体に形成されていてもよいが、摺動材を貼ることに
よって別体で形成されていてもよい。

【００１４】圧電体１２ａ，１２ｂは、駆動用圧電体で
あり、圧電効果によって弾性体１１を振動させる。ま
た、圧電体１２ｐ，１２ｐ’は、弾性体１１に発生する
振動の状態をモニタするための圧電体であり、後述する
図３に示す制御回路３５に接続されている。なお、弾性
体１１は、本体部がＧＮＤ電位に接続されている。

【００１５】本実施形態では、弾性体１１は、その長手
方向に略垂直に、弾性体１１の厚みを薄くして、剛性を
低くした低剛性部となる４本の溝１３ａ〜１３ｄが形成
されている。これらの溝１３ａ〜１３ｄは、図１（Ｂ）
に示すように、屈曲振動の腹にあたる部分Ａ２，Ａ３，
Ａ４，Ａ５の位置に形成されており、屈曲振動の振幅を
拡大する効果がある。

【００１６】ここで、図１に示すように、弾性体１１の
長さをＬ，幅をＷ，厚みをｔとした場合に、加圧位置
の加重Ｐがかかった場合に、たわみ量Δｘは、 Δｘ＝ＰＬ³／４ＥＷｔ³ …（３）となる。従って、たわみ量Δｘは、弾性体１１の幅に比
例し、厚さの３乗に反比例することがわかる。従って、
本実施形態のように、弾性体１１の厚さを薄くすること
は、たわみ量を大きくすることに有効であることがわか
る。

【００１７】また、弾性体１１を側面から見た場合に、
溝１３ａ〜１３ｄを形成する面が、長手方向の中心に対
して線対称である。この理由は、駆動方向による性能の
差（左右差）を小さくするためである。

【００１８】図２は、第１実施形態に係る振動アクチュ
エータを自走式移動装置に組み込んだ構造を示す図であ
る。振動アクチュエータ１０は、駆動用突起部１１ａ，
１１ｂが相対運動部材２０に接触しており、両者の摩擦
により駆動力を得る。加圧支持部材２１は、コイルばね
等の加圧部材２４によって、弾性体１１をレールなどの
相対運動部材２０に加圧支持する部材である。この加圧
支持部材２１は、加圧調整用ねじ２５によりハウジング
２２に固定されており、ハウジング２２は、さらに、相
対運動部材２０の下面に配置されたリニアガイド２３に
ねじ止めされている。以上の構造により、振動アクチュ
エータ１０は、弾性体１１の向きが一定に保たれると同
時にリニアガイド２３によって進行方向が一定に保たれ
る。なお、ハウジング２２を固定する構造にした場合に
は、相対運動部材２０を駆動する装置にすることも可能
である。また、加圧部材２４は、板ばね，皿ばね等であ
ってもよいし、相対運動部材２０は、ローラなどであっ
てもよい。

【００１９】図３は、第１実施形態に係る振動アクチュ
エータの駆動回路を示すブロック図である。発振器３１
は、高周波電圧を発振するためのものであり、その出力
は、分岐して、一方は、増幅器３２を介して、振動アク
チュエータ１０の一方の圧電体１２ａに接続され、他方
は、移相器３３によってπ／２の時間的位相差を持たせ
たのちに、増幅器３４を介して、他方の圧電体１２ｂに
接続されている。また、制御回路３５は、圧電体１２
ｐ，１２ｐ’から振動アクチュエータ１０の振動状態を
検出して、発振器３１にフィードバックする。このよう
に、圧電体１２ａ，１２ｂに、電気的に位相がπ／２異
なる交流電圧を印加することにより、弾性体１１の駆動
用突起部１１ａ，１１ｂの先端に楕円運動を発生させ
る。そして、弾性体１１の駆動用突起部１１ａ，１１ｂ
を相対運動部材２０に加圧接触させることによって駆動
力を得る。

【００２０】以上説明したように、本実施形態は、従来
の振動アクチュエータに比較して、屈曲振動の振幅が大
きいために、大きな加圧力をかけて駆動することが可能
であり、大きな駆動力を取り出すことができる。

【００２１】（第１実施形態の変形形態）図４は、第１
実施形態にかかる振動アクチュエータの変形形態（溝の
位置）を示した図である。図１の振動アクチュエータ
は、溝１３ａ，１３ｄを弾性体１１の上面に、溝１３
ｂ，１３ｃを弾性体１１の下面に設けた例で説明した
が、図４（Ａ）に示した内側の溝１３ｂ’，１３ｃ’の
ように、弾性体１１の上面に設けてもよい。また、図４
（Ｂ），（Ｃ）に示すように、外側の上面の溝１３ａ，
１３ｄのみでもよいし、内側の下面の溝１３ｂ，１３ｃ
のみであってもよい。さらに、図４（Ｄ）に示すよう
に、内側の上面にのみ溝１３ｂ’，１３ｃ’であっても
よい。以上の溝の位置は、それぞれ得たい効果の大きさ
に応じて選択することが好ましい。

【００２２】また、図２において、加圧位置は、図１
（Ｂ）に示すの位置に相当するが、節の位置である
位置や、腹の位置であって駆動用突起部のあるの位置
であってもよい。なお、図４（Ｃ），（Ｄ）の形態の場
合には、，の位置で加圧することが好ましい。

【００２３】図５は、第１実施形態にかかる振動アクチ
ュエータの変形形態（溝の形状）を示した図である。図
１の振動アクチュエータは、溝１３が矩形断面である
が、図５（Ａ）に示すように、三角形断面の溝１３−１
であってもよいし、図５（Ｂ）に示すように、円形断面
の溝１３−２であってもよい。また、図５（Ｃ）に示す
ように、弾性体１１の両面に形成された溝１３−３であ
ってもよい。この場合には、下側の溝に、摺動材１６を
取り付けて、駆動用突起部としてもよい。さらに、図５
（Ｄ）に示すように、ゆるやかな溝１３−４であっても
よい。

【００２４】（第２実施形態）図６は、本発明による振
動アクチュエータの第２実施形態を示す図である。な
お、以下に説明する各実施形態では、前述した実施形態
と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して、
重複する説明は適宜省略する。第２実施形態の振動アク
チュエータは、弾性体１１の側面に、その弾性体１１の
有効厚みを薄くし、かつ、その幅を狭める孔１４を形成
することによって、屈曲振動の振幅拡大をはかってい
る。弾性体１１の側面に孔１４を形成した場合に、その
部分の剛性が下がるために、屈曲振動の振幅が大きくな
る。図６（Ｂ）に示すように、孔１４の位置は、屈曲振
動の腹の位置に一致している場合が振幅の拡大効果が最
も大きい。この実施形態は、孔１４を加工すればよいの
で、製造が容易である。また、前述した式（３）のよう
に、弾性体１１の厚みを薄くすることに加えて、幅を狭
くすることも、たわみ量を大きくすることに有効である
ことがわかる。

【００２５】本実施形態では、孔１４は、両側面からあ
ける非貫通の孔である場合を示したが、貫通孔でも同様
の効果を得ることができる。また、孔１４は、４つであ
っても２つであってもよく、得たい効果の大きさによっ
て、適宜選択することが好ましい。

【００２６】（第３実施形態）図７は、本発明による振
動アクチュエータの第３実施形態を示す図である。第３
実施形態のアクチュエータは、弾性体１１の側面に、そ
の幅を狭める切欠き１５を設けることによって、屈曲振
動の振幅拡大をはかっている。弾性体１１の側面に切欠
き１５を形成した場合には、その部分の剛性が下がるた
めに、屈曲振動の振幅が大きくなる。この実施形態は、
切欠き１５を加工すればよいので、製造が容易である。
また、前述した式（３）のように、弾性体１１の幅を狭
くすることは、たわみ量を大きくすることに有効である
ことがわかる。

【００２７】図７（Ｂ）に示すように、切欠き１５の位
置は、屈曲振動の腹の位置に一致している場合が振幅拡
大の効果が最も大きい。なお、切欠き１５は、４組であ
っても２組であってもよく、得たい効果の大きさによっ
て、適宜選択することが好ましい。

【００２８】（変形形態）以上の実施形態では、縦１次
振動と屈曲４次振動を用いた振動アクチュエータについ
て説明したが、一般に、縦ｎ次振動と屈曲ｍ次振動を用
いるアクチュエータに関しても、同様の方法を用いて、
屈曲振動の振幅拡大を行うことが可能である。また、第
２，第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様
に、孔又は切欠きを設ける位置を屈曲振動の腹の位置に
選択的に配置したり、それらの形状を矩形，三角形など
他の形状にすることは可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上に示すとおり本発明によれば、弾性
体の屈曲振動の腹にあたる部分の剛性を下げることによ
り、屈曲振動の振幅を拡大することが可能である。よっ
て、大きな加圧力をかけてアクチュエータを駆動するこ
とが可能になり、大きな駆動力を得ることができる。そ
の結果として、効率の高い振動アクチュエータを提供す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動アクチュエータの第１実施形
態を示す図であって、（Ａ）は、アクチュエータ単体を
示す斜視図、（Ｂ）は、屈曲振動のモード形状と溝の位
置との関係を示す図である。

【図２】第１実施形態に係る振動アクチュエータを自走
式移動装置に組み込んだ構造を示す図である。

【図３】第１実施形態に係る振動アクチュエータの駆動
回路のブロック図である。

【図４】第１実施形態に係る振動アクチュエータの変形
形態（溝の位置）を示す図である。

【図５】第１実施形態に係る振動アクチュエータの変形
形態（溝の形状）を示す図である。

【図６】本発明による振動アクチュエータの第２実施形
態を示す図であって、（Ａ）は、アクチュエータ単体を
示す斜視図、（Ｂ）は、屈曲振動のモード形状と孔の位
置との関係を示す図である。る。

【図７】本発明による振動アクチュエータの第３実施形
態を示す図であって、（Ａ）は、アクチュエータ単体を
示す斜視図、（Ｂ）は、屈曲振動のモード形状と切欠き
の位置との関係を示す図である。

【図８】従来の縦−屈曲型の振動アクチュエータを示す
図である。

【符号の説明】

１１弾性体１１ａ，１１ｂ駆動用突起部１２圧電体１２ａ，１２ｂ駆動用圧電体１２ｐ，１２ｐ’ 振動モニタ用圧電体１３ａ〜１３ｄ溝１４孔１５切欠き２０相対運動部材２１加圧支持部材２２ハウジング２３リニアガイド２４加圧部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体に縦振動と屈曲振動とを調和的に
発生させる振動アクチュエータにおいて、前記弾性体の前記屈曲振動の腹の位置に、その弾性体の
剛性が低くなる低剛性部を設けたことを特徴とする振動
アクチュエータ。
【請求項２】請求項１に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記低剛性部は、前記弾性体の上面及び／又は下面の幅
方向に、その弾性体の厚みを薄くするように形成された
溝であることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項３】請求項１に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記低剛性部は、前記弾性体の側面の幅方向に貫通し又
は貫通せずに、その弾性体の有効厚みを薄く、かつ、幅
を狭めるように形成された孔であることを特徴とする振
動アクチュエータ。
【請求項４】請求項１に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記低剛性部は、前記弾性体の側面に、その弾性体の幅
を狭めるように形成された切欠きであることを特徴とす
る振動アクチュエータ。