JPH10210770A

JPH10210770A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH10210770A
Application number: JP9012296A
Authority: JP
Inventors: Tsunemi Gonda; 常躬権田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1997-01-27
Publication date: 1998-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の振動アクチュエータでは、弾性体に支
持のための加工を設ける必要があるため、製造コストの
上昇、小型化阻害及び駆動効率の低下を発生していた。【解決手段】直方体状の弾性体１１と、弾性体１１に
装着されて弾性体１１に縦振動及び屈曲振動を発生する
圧電体１２とを備える振動アクチュエータ１０であっ
て、弾性体１１の一方の端面１１ｂが、弾性体１１を支
持する支持部である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、弾性体と、弾性体
に縦振動及び屈曲振動を調和的に発生する電気機械変換
素子とを備える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シン
ポジム講演論文集」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」には、「異形縮退縦Ｌ１
−屈曲Ｂ４モード・平板モータ」が記載されている。

【０００３】図１１は、異形縮退縦Ｌ１−屈曲Ｂ４モー
ド・平板モータ５の従来例を示す模式図であって、図１
１（Ａ）は正面図，図１１（Ｂ）は側面図，図１１
（Ｃ）は平面図である。

【０００４】振動子１を構成する弾性体２は、矩形平板
状の基礎部２ａと、その基礎部２ａの一方の平面に形成
された突起部２ｂ，２ｃとにより構成される。圧電セラ
ミックス板である圧電素子３，４は、基礎部２ａ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。弾性体２と圧電素子３，４とに
より、振動子１が構成される。

【０００５】突起部２ｂ，２ｃは、基礎部２ａ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
ドレールに押しつけられる。図１２は、この異形縮退縦
Ｌ１−屈曲Ｂ４モード・平板モータ５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１２
（Ａ）は基礎部２ａを抽出して示す側面図，図１２
（Ｂ）は基礎部２ａを抽出して示す底面図，図１２
（Ｃ）は基礎部２ａ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１２（Ｄ）は基礎部２ａ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】弾性体２と電気機械変換素子３，４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される。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、（π／２）位相差を有する交流電圧を印加すると、
図１２（Ｃ）のグラフに振動波形を示す縦１次振動と、
図１２（Ｄ）のグラフに振動波形を示す屈曲４次振動と
の合成振動である振動変位を有する定在波が発生する。

【０００７】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５は、基礎部２ａの長
手方向の中央部幅方向に設けられた支持用突起部２ｄ，
２ｅを有する振動子１の片面（又は両面）に圧電素子
３，４等を接着し、基礎部２ａ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接
近させ、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圧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住波型振動
アクチュエータである。

【０００８】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５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。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
振動アクチュエータ５では、弾性体２を保持して所定の
加圧力により相対運動部材に加圧接触させる必要があ
る。しかし、弾性体２の支持及び加圧がいずれも難し
い。

【００１０】図１３は、この振動アクチュエータ５の他
の例の弾性体２を示す斜視図である。同図に示すよう
に、圧電素子３，４が一方の平面に装着された弾性体２
では、その側面長手方向中央部に、断面半円形の切欠部
６，６’が形成される。これらの切欠部６，６’に、支
持ピンを係合させることにより、弾性体２の長手方向に
関する動きを規制する。

【００１１】また、図１４は、この振動アクチュエータ
５における加圧機構の構成を示す断面図である。ベース
部材７には、切欠部６，６’の設置ピッチと同一のピッ
チで、支持ピン８，８’が垂直に固定される。これらの
支持ピン８，８’が切欠部６，６’に係合して、弾性体
２の位置規制を行う。弾性体２とベース部材６との間に
は、付勢部材である加圧用バネ９が装着されており、弾
性体２を下方に位置する相対運動部材（図示しない。）
に向けて付勢する。これにより、弾性体２と相対運動部
材とは、適宜加圧力で加圧接触される。

【００１２】このように、弾性体２に切欠部６，６’を
設けて、ある方向（図１３におけるＸ方向）へは弾性体
２を位置規制するとともに、これと直交する別の方向
（図１４におけるＺ方向）へは弾性体２を変位自在に支
持する必要がある。

【００１３】このため、振動アクチュエータ５の製造コ
ストが上昇したり、弾性体２の構造が、図１３に示すよ
うに直方体形状となるために弾性体２の小型化を図るこ
とが難しくなるという問題があった。

【００１４】本発明は、振動アクチュエータにおける弾
性体の支持位置を変更することにより、弾性体の製造コ
ストの抑制、弾性体の小型化を図ることができる振動ア
クチュエータを提供することを課題とする。

【００１５】

【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、直方体状の弾性体と、弾性体に
装着されて弾性体に縦振動及び屈曲振動を発生する電気
機械変換素子とを備える振動アクチュエータであって、
弾性体の一方の端部が、弾性体を支持する支持部である
ことを特徴とする。

【００１６】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、端部と弾性体との境界部
が、屈曲振動の節位置であることを特徴とする。

【００１７】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、端部が、弾
性体の長手方向の端面であることを特徴とする。

【００１８】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータに
おいて、電気機械変換素子が、弾性体に発生する屈曲振
動の複数の節位置のうちの隣接する節位置の間に、配置
されることを特徴とする。

【００１９】請求項５の発明は、請求項１から請求項４
までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータに
おいて、端部には、弾性体の厚さ方向と略平行な方向に
貫通する支持孔が形成されることを特徴とする。

【００２０】請求項６の発明は、請求項５に記載された
振動アクチュエータにおいて、弾性体が、支持孔を貫通
して支持体に固定される固定部材によって固定されるこ
とを特徴とする。

【００２１】請求項７の発明は、請求項６に記載された
振動アクチュエータにおいて、固定部材が、弾性体の幅
方向と略平行な方向に設定された回転軸に関して、回転
自在に配置されることを特徴とする。

【００２２】請求項８の発明は、請求項７に記載された
振動アクチュエータにおいて、弾性体が、付勢部材によ
って、相対運動部材に加圧接触されることを特徴とす
る。

【００２３】請求項９の発明は、請求項８に記載された
振動アクチュエータにおいて、付勢部材が、固定部材を
回転軸の周りに回転させる回転力を発生させることを特
徴とする。

【００２４】請求項１０の発明は、請求項８又は請求項
９に記載された振動アクチュエータにおいて、前記相対
運動部材は、円盤状に形成され、前記弾性体は、前記円
盤状の相対運動部材の内縁部又は外縁部において、接触
することを特徴とする。

【００２５】本発明において、「端部」とは、弾性体の
支持に利用することができる弾性体の端の部分を意味す
る。例えば、弾性体の長手方向の一方の端面を固定部に
適宜手段により取り付ける場合にはこの端面が「端部」
となり、弾性体の端の部分を固定部に取り付ける場合に
は、固定に用いられる部分全てが「端部」となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明を添付図面を参照しなが
ら詳細に説明する。なお、以降の各実施形態の説明は、
振動アクチュエータとして超音波の振動域を利用する超
音波アクチュエータを例にとって、行う。

【００２７】図１は、第１実施形態の超音波アクチュエ
ータ１０の構造を示す斜視図である。なお、本実施形態
で用いる超音波アクチュエータ１０は、主要な構成部分
が、前述した従来の振動アクチュエータと略同一である
ため、ここでは簡単に説明することとする。

【００２８】本実施形態の超音波アクチュエータ１０
は、矩形平板状の弾性体１１と、この弾性体１１に装着
された電気機械変換素子である圧電体１２と、弾性体１
１を固定するベース部材１３とを備える。

【００２９】本実施形態では、弾性体１１は、金属材料
又はプラスチック材料等の弾性材料によって矩平板状に
形成される。この弾性体１１の一方の平面１１ａには、
ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる圧電体１２
が、例えば接着されることにより、装着される。圧電体
１２は、弾性体１１の長手方向の端面に近い位置から、
振動発生用圧電体１２ａ，１２ｂ及び振動検出用圧電体
１２ｃがこの順に互いに一定距離だけ離されて装着され
る。

【００３０】なお、本実施形態では、弾性体１１と各圧
電体１２ａ〜１２ｃとの間に、下部電極１４が装着され
る。ここで、本実施形態では、弾性体１１の端部に包含
される端面１１ｂが、ベース部材１３に、接着されて装
着される。すなわち、本実施形態では、弾性体１１の長
手方向に関する一方の端面１１ｂが、弾性体１１を支持
する支持部として、作用する。

【００３１】弾性体１１には、端面１１ｂと弾性体１１
との境界部、すなわち端面１１ｂが、屈曲振動の節位置
とされる。このために、振動発生用圧電体１２ａ，１２
ｂは、弾性体１１に発生する屈曲振動の３つの節位置の
間の２ヵ所に、それぞれ配置される。

【００３２】また、振動発生用圧電体１２ｂに隣接し
て、振動検出用圧電体１２ｃが装着される。このよう
に、弾性体１１に振動発生用圧電体１２ａ，１２ｂを配
置して、これらの振動発生用圧電体１２ａ，１２ｂにお
よそ９０°の位相差を有する駆動圧電を印加することに
より、振動発生用圧電体１２ａ，１２ｂは励振し、弾性
体１１には縦振動と屈曲振動が発生する。

【００３３】図２は、弾性体１１に発生する屈曲振動の
一例を示すグラフである。図２に示すように、この超音
波アクチュエータ１０では、発生する屈曲振動の腹位置
であるＡ点又はＢ点において、図示しない相対運動部材
に接触させるように構成することが望ましい。

【００３４】本実施形態では、弾性体１１の端面１１ｂ
を支持部として用い、ベース部材１３に固定しているた
め、以下に列記する効果が奏せられる。弾性体１１の一部に支持用突起や切り欠き溝を形成す
る必要がなくなる。そのため、弾性体１１の製造コスト
の上昇を抑制することが可能となる。

【００３５】弾性体１１に支持のための突起を形成す
る必要がなくなるため、弾性体１１の全体の小型化を図
ることが容易になる。

【００３６】弾性体１１をベース部材１３に接続・固
定するため、弾性体１１の接地を行い易く、接地専用部
材を無くすことが期待できる。

【００３７】（第２実施形態）図３は、第２実施形態の
超音波アクチュエータ２０を、弾性体２１に発生する屈
曲振動の一例とともに併せて示す説明図である。

【００３８】本実施形態の超音波アクチュエータ２０に
おいても、弾性体２１は弾性材料から矩形平板状に形成
されており、弾性体２１の一方の平面２１ａには、振動
発生用圧電体２２ａ，２２ｂ，２２ｃと振動検出用圧電
体２２ｄとが接着されて装着される。

【００３９】振動発生用圧電体２２ａ〜２２ｃは、弾性
体２１に発生する６次の屈曲振動の４つの節位置のうち
の隣接する節位置の間に配置される。

【００４０】本実施形態では、三枚の振動発生用圧電体
２２ａ〜２２ｃを、位相が（およそπ／２）異なる二つ
の交流電圧を駆動電圧として印加される２グループに分
けて、弾性体２１に振動を発生させることが可能であ
る。駆動電圧の印加態様は、以下に列記するようであ
る。

【００４１】（１）振動発生用圧電体２２ａ，２２ｃに
ｓｉｎ信号を入力し、振動発生用圧電体２２ｂにｃｏｓ
信号を入力する。または、この逆の信号を入力すること
により、逆転させることができる。（２）振動発生用圧電体２２ａ，２２ｂにｓｉｎ信号を
入力し、振動発生用圧電体２２ｃにｃｏｓ信号を入力す
る。または、この逆の信号を入力することにより、逆転
させることができる。

【００４２】（３）振動発生用圧電体２２ａにｓｉｎ信
号を入力し、振動発生用圧電体２２ｂ，２２ｃにｃｏｓ
信号を入力する。または、この逆の信号を入力すること
により、逆転させることができる。なお、図３において
は、圧電体２２ｄを振動検出用として用いる。

【００４３】弾性体２１は、その長手方向の一方の端面
２１ｂを支持部として用いているため、第１実施形態と
同様の効果を得ることができる。

【００４４】（第３実施形態）図４（ａ），図４（ｂ）
及び図４（ｃ）は、第１〜第３の実施形態及び第３実施
形態における超音波アクチュエータ３０に用いる弾性体
３１の形状例を示す説明図である。

【００４５】本実施形態の弾性体３１が、第１実施形態
の弾性体１１，第２実施形態の弾性体２１と異なるの
は、弾性体３１の端面３１ｂを支持部として用いるので
はなく、弾性体３１の端部を支持部として用いた点であ
る。

【００４６】すなわち、同図に示すように、弾性体３１
の長手方向の一方の端部３１ｃ全体を、支持部として利
用する点である。端部３１ｃの形状は、図４（ａ）に示
すように弾性体３１の幅方向全部についてでもよく、図
４（ｂ）に示すように弾性体３１の幅方向両端部側に２
つ形成してもよく、又は図４（ｃ）に示すように弾性体
３１の幅方向中央部に突起状に形成してもよい。

【００４７】また、各端部３１ｂの支持は、この端部３
１ｂを挟んだ状態で保持するようにしてもよく、又は、
図４（ａ）又は図４（ｃ）に示すように、端部３１ｂの
適当な位置に支持孔３２を設け、この支持孔３２を貫通
するボルト等の固定部材３３により、支持体である固定
部に固定するようにしてもよい。

【００４８】図５は、図４（ａ）に示す形状の弾性体３
１を固定した状況を示す斜視図である。弾性体３１の端
部３１ｂは、２つの支持孔３２を貫通する２つのネジ３
３により、支持体３４にねじ止めされる。支持体３４に
は、回転軸受部３５が設けられる。この回転軸受部３５
は、弾性体３１の幅方向と略平行な方向への回転軸ｍを
回転中心として両方向に回転することができる。また、
回転軸受部３５により、支持体３４のＸ方向への位置ず
れが防止される。

【００４９】図５に示す本実施形態によれば、弾性体３
１は図面中の回転矢印方向に回転自在に支持される。し
たがって、支持体３４の回転位置を適当な位置に設定す
ることにより、図５において、弾性体３１と略平行な向
きに配置された相対運動部材とを接触させることが可能
となる。

【００５０】さらに、図６に示すように、回転軸受部３
５の回転中心に配置された回転軸３６に、付勢部材であ
る加圧用バネ３７を装着して、回転軸３６に回転力を与
えることにより、弾性体３１を相対運動部材に対して適
宜加圧力で接触させることができる。

【００５１】図７は、図６に示す超音波アクチュエータ
３０を用いて、ローラ３８により案内される板状の相対
運動部材３９を、その長手方向に搬送する一例である。
本実施形態によれば、弾性体３１の厚さ方向（図面上の
上下方向）に関する装置全体の厚さをできるだけ低減す
ることが可能である。

【００５２】また、図８，図９は、いずれも、本実施形
態の超音波アクチュエータ３０を用いて、記録媒体であ
るディスク盤４０を回転させるものである。図８，図９
によれば、ディスク盤４０を矢印Ｒ方向に回転させるこ
とができる。図８に示す実施形態は、ディスク盤４０の
平面内周部４０ａに駆動力を作用させるものであり、図
９に示す実施形態は、ディスク盤４０の平面外周部４０
ｂに駆動力を作用させるものである。

【００５３】なお、超音波アクチュエータ３０のディス
ク盤４０に対する接触位置は、環状の平面だけでなく、
図１０に示すように、ディクス盤４０の円周状の側面４
０ｃに矢印Ｘで示すように、回転軸方向に押し付けても
よい。

【００５４】（変形形態）以上の各実施形態の説明で
は、振動アクチュエータとして超音波アクチュエータを
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、他の振動域を利用
した振動アクチュエータについても等しく適用すること
ができる。

【００５５】また、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、電気エネルギを機械的変位
に変換することができるものであれば、等しく適用する
ことができる。例えば、圧電素子以外に電歪素子を例示
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の超音波アクチュエータの構造を
示す斜視図である。

【図２】第１実施形態の弾性体に発生する２次の屈曲振
動（Ｂ２モード）の振動モードの一例を示すグラフであ
る。

【図３】第２実施形態の超音波アクチュエータを、弾性
体に発生する屈曲振動の一例とともにあわせて示す説明
図である。

【図４】図４（ａ），図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、い
ずれも、第３実施形態における超音波アクチュエータに
用いる弾性体の形状例を示す説明図である。

【図５】図４（ａ）に示す形状の弾性体を固定した状況
を示す略式説明図である。

【図６】図５に示す超音波アクチュエータに付勢部材で
ある加圧用バネを付加した状態を示す説明図である。

【図７】図６に示す超音波アクチュエータを用いて、ロ
ーラにより案内される板状の相対運動部材を、その長手
方向に搬送する一例である。

【図８】第３実施形態の超音波アクチュエータを用い
て、環状の光学的記録媒体であるディスク盤を回転させ
る状況を示す説明図である。

【図９】第３実施形態の超音波アクチュエータを用い
て、環状の光学的記録媒体であるディスク盤を回転させ
る状況を示す説明図である。

【図１０】他の実施形態の超音波アクチュエータを用い
て、環状の光学的記録媒体であるディスク盤を回転させ
る状況を示す説明図である。

【図１１】従来の異形縮退縦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１１（Ａ）
は正面図，図１１（Ｂ）は側面図，図１１（Ｃ）は平面
図である。

【図１２】従来の異形縮退縦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１２（Ａ）は基礎部を抽出して示す
側面図，図１２（Ｂ）は基礎部を抽出して示す底面図，
図１２（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１２（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１３】従来の振動アクチュエータに用いる弾性体を
示す斜視図である。

【図１４】従来の振動アクチュエータにおける加圧機構
の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１０超音波アクチュエータ（振動アクチュエータ）１１弾性体１１ｂ端面１２圧電体（電気機械変換素子）１２ａ，１２ｂ振動発生用圧電体１２ｃ振動検出用圧電体１３ベース部材２０超音波アクチュエータ２１弾性体２１ｂ端面２２ａ〜２２ｃ振動発生用圧電体２２ｄ振動検出用圧電体３０超音波アクチュエータ３１弾性体３１ｂ端面３１ｃ端部３２支持孔３３固定部材（ネジ）３４支持体３５回転軸受部３６回転軸３７付勢部材（加圧用バネ）３８ローラ３９相対運動部材４０記録媒体（ディスク盤）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直方体状の弾性体と、当該弾性体に装着
されて前記弾性体に縦振動及び屈曲振動を発生する電気
機械変換素子とを備える振動アクチエータであって、前記弾性体の一方の端部は、前記弾性体を支持する支持
部である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に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記端部と前記弾性体との境界部は、前記屈曲振動の節
位置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、前記端部は、前記弾性体の長手方向の端面であることを
特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項４】請求項１から請求項３までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記電気機械変換素子は、前記弾性体に発生する前記屈
曲振動の複数の節位置のうちの隣接する節位置の間に、
配置されることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記端部には、前記弾性体の厚さ方向と略平行な方向に
貫通する支持孔が形成されることを特徴とする振動アク
チュエータ。
【請求項６】請求項５に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記弾性体は、前記支持孔を貫通して支持体に固定され
る固定部材によって固定されることを特徴とする振動ア
クチュエータ。
【請求項７】請求項６に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記固定部材は、前記弾性体の幅方向と略平行な方向に
設定された回転軸に関して、回転自在に配置されること
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項８】請求項７に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記弾性体は、付勢部材によって、相対運動部材に加圧
接触されることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項９】請求項８に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記付勢部材は、前記固定部材を前記回転軸の周りに回
転させる回転力を発生させることを特徴とする振動アク
チュエータ。
【請求項１０】請求項８又は請求項９に記載された振
動アクチュエータにおいて、前記相対運動部材は、円盤状に形成され、前記弾性体は、前記円盤状の相対運動部材の内縁部又は
外縁部において、接触することを特徴とする振動アクチ
ュエータ。