JPH1094276A - 振動アクチュエータ - Google Patents

振動アクチュエータ

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Publication number
JPH1094276A
JPH1094276A JP8245949A JP24594996A JPH1094276A JP H1094276 A JPH1094276 A JP H1094276A JP 8245949 A JP8245949 A JP 8245949A JP 24594996 A JP24594996 A JP 24594996A JP H1094276 A JPH1094276 A JP H1094276A
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JP
Japan
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vibration
vibrator
elastic body
piezoelectric
actuator
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Application number
JP8245949A
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English (en)
Inventor
Takatoshi Ashizawa
隆利 芦沢
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特願平6−180279号等により提案した
振動アクチュエータにおいて、円柱状の弾性体の側面に
ボルト係合用の平面部を形成すると、駆動面も小径化し
て、振動アクチュエータの起動トルクが低下してしま
う。 【解決手段】 摺動部分18と一般部分19とを備え、
振動を発生する振動子11と,摺動部分18の端面Dを
介して振動子11に加圧接触する相対運動部材25とを
備える超音波アクチュエータ10であって、摺動部分1
8の端面Dの面積に基づいて算出される摺動部分等価半
径が、一般部分19の断面積に基づいて算出される一般
部分等価半径よりも大きいとともに、相対運動部材25
の等価半径が、一般部分19の断面積に基づいて算出さ
れる等価半径よりも大きい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動を発生する振
動子と、この振動子に加圧接触する相対運動部材とを備
える振動アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】図7は、従来の縦−捩じり振動型の振動
アクチュエータの従来例の構造を示した斜視図である。
【0003】従来、この種の振動アクチュエータの固定
子(ステータ)101では、2つの円柱型の振動子10
2,103の間に捩じり振動用圧電素子104が配置さ
れる。また、振動子103の上側に縦振動用圧電素子1
05が配置される。捩じり振動用圧電素子104は周方
向に分極される。一方、縦振動用圧電素子105は厚さ
方向に分極される。さらに、移動子(ロータ)106
は、縦振動用圧電素子105の上側に配置される。
【0004】固定子101を構成する振動子102,1
03及び圧電素子104,105は、固定軸(シャフ
ト)107に形成されたねじ部にねじ止めされて固定さ
れる。移動子106は、その中心部に装着されたボール
ベアリング108を介して固定軸107に回転可能に設
けられる。固定軸107の先端部近傍には、ばね109
が配置される。このばね109を介して、固定軸107
にはナット110がネジ止めされ、移動子106を固定
子101の端面に所定の加圧力Fで加圧接触させる。
【0005】捩じり振動用圧電素子104と縦振動用圧
電素子105とは、発振器111から発振される同一周
波数の電圧を、移相器112により位相制御することに
より、駆動される。
【0006】捩じり振動用圧電素子104は、移動子1
06が回転するための機械的変位を与える。一方、縦振
動用圧電素子105は固定子101と移動子106との
間に働く摩擦力を、圧電素子104による捩じり振動の
周期に同期させて周期的に変動させることにより、振動
を一方向への運動に変換するクラッチ的役割を果してい
る。
【0007】図8は、この従来の振動アクチュエータの
固定子101を展開して示した斜視図である。捩じり振
動用圧電素子104は、円周方向に複数に分極する必要
がある。そこで、圧電材料を図8に示すように、6〜8
個程度の扇形の小片に一旦分割し、各小片を円周方向に
分極した後に再度環状に組み合わせていた。なお、図8
における符号104aは、捩じり振動用圧電素子104
に駆動電圧を印加するための電極である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の振
動アクチュエータでは、捩じり振動用圧電素子104を
環状に組み合わせる時に、目標の形状精度を出すことが
難しかった。
【0009】一方、縦振動用圧電素子105,及び捩じ
り振動用圧電素子104それぞれの面積は、ともに、移
動子106の断面積と略等しいか、又は、移動子106
の断面積よりも小さかった。また、固定軸107を貫通
させるために縦振動用圧電素子105,及び捩じり振動
用圧電素子104それぞれの中央部に孔を開ける必要も
あった。そのため、縦振動用圧電素子105,及び捩じ
り振動用圧電素子104それぞれの面積はさらに小さく
なり、振動アクチュエータの高トルク化及び高回転化を
ともに図ることが難しかった。
【0010】このような問題を解決するために、本出願
人は、先に、高トルク及び高回転で駆動することがで
き、しかも、構造及び製造がともに容易な異形モード縮
退型の振動アクチュエータを提案した。
【0011】例えば、特願平6−180279号によ
り、一次の縦振動と一次の捩じり振動とを発生する異形
モード縮退型の振動子を用いた振動アクチュエータを、
特願平7−239603号により、一次の縦振動と二次
の捩じり振動とを発生する異形モード縮退型の振動子を
用いた振動アクチュエータを、提案した。
【0012】図9は、この異形モード縮退型の振動子1
を用いた振動アクチュエータの構成要素である弾性体2
と,この弾性体2に接合される圧電体3との配置を示す
説明図であり、図9(a)は振動子1の上面図,図9
(b)は発生する2種の振動モードを併せて示す振動子
1の側面図である。また、図10は、この異形モード縮
退型の振動子1を用いた振動アクチュエータを構成する
弾性体2と,この弾性体2に接合される圧電体3との配
置を示す分解斜視図である。なお、図9及び図10にお
いては、振動子1の端面に加圧接触して振動子1との間
で相対運動を行う移動子は図示しない。
【0013】両図に示すように、弾性体2は、金属材料
又はプラスチック材料等の弾性材料からなる円柱体を中
心軸を含む平面で縦に2つに分割することにより得られ
る半弾性体2a,2bを、再度円柱状に組み合わせるこ
とにより、構成される。
【0014】弾性体2の断面矩形の2つの分割面には、
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
子である圧電体3と、圧電体3への電気エネルギーの入
力を行うための電極板4とが挟み込まれた状態で保持さ
れる。
【0015】圧電体3は、弾性体の中心軸方向(図面中
の上下方向)について配設された2種の圧電体3a,3
bからなる。圧電体3aは圧電定数d15を用いる圧電体
により構成される。一方、圧電体3bは圧電定数d31
用いる圧電体により構成される。圧電体3a,3bは、
それぞれ、2層が向き合った状態で配置される。
【0016】各圧電体3a,3bの間には、各圧電体3
a,3bへの電気エネルギーの入力(駆動電圧の印加)
を行う電極板4a,4bが配置される。圧電体3aは、
弾性体2の中心軸方向に対して剪断変位を発生する。こ
れにより、圧電体3aに駆動電圧を印加すると、弾性体
2には捩じり変位が発生する。一方、圧電体3bに駆動
電圧を印加すると、弾性体2には縦変位が発生する。し
たがって、捩じり振動用圧電体3aに正弦波電圧を入力
することにより振動子1には捩じり振動(図示例では節
数が2である2次の捩じり振動)が発生し、縦振動用圧
電体3bに正弦波電圧を入力することにより振動子1に
は縦振動(図示例では節数が1である1次の縦振動)が
発生する。
【0017】振動子1に発生する縦振動及び捩じり振動
それぞれの共振周波数が略一致すると、弾性体2には縦
振動及び捩じり振動が同時に生じる(以下、このような
状態を「縮退」という。)。弾性体2の駆動面Dには縦
振動及び捩じり振動それぞれの合成である楕円運動が発
生し、これにより振動子1には駆動力が発生する。
【0018】なお、図9,図10において、符号3a’
は、発生する捩じり変位に応じて電気信号を出力する機
械電気変換素子である捩じり振動検出用圧電体である。
また、符号3b’は、発生する縦変位に応じて電気信号
を出力する機械電気変換素子である縦振動検出用圧電体
である。また、各圧電体3a’,3b’の間には、各圧
電体3a’,3b’からの電気エネルギーの出力を行う
電極板4a’,4b’が配置される。
【0019】ところで、図9,図10に示す振動アクチ
ュエータでは、半弾性体2a,2bと圧電体3a,3b
とは接着により接合される。しかし、接着だけによるの
では半弾性体2a,2bと圧電体3a,3bとの間の接
合強度が不足するおそれがある。そのため、半弾性体2
a,2bと圧電体3a,3bとに圧電体積層方向と平行
な方向への貫通孔を設け、これらの貫通孔にボルトを貫
通させてナットをネジ止めすることにより、接着だけに
よるのではなく半弾性体2a,2bと圧電体3a,3b
とを締結していた。
【0020】しかし、弾性体2の曲面状の側面では、こ
の側面とボルト,ナットとの接触面積が充分に確保され
ず、必要な締め付けトルクを確保することができない場
合があった。そのため、図10に示すように、弾性体2
の外周面の固定子軸方向の全長に、弾性体分割面と略平
行に2つの平面部6a,6bを、例えばフライス加工等
により、形成していた。
【0021】ところで、図10に示すように、弾性体外
周面にフライス加工を行って平面部6a,6bを形成す
ると、弾性体2の駆動面Dの外形が円弧部分と直線部分
とを組み合わせた形状となる。そのため、駆動面Dを介
して振動子1に加圧された状態で接触する相対運動部材
(移動子)の形状を、この外形に包含される円形としな
ければならなった。そのため、弾性体外周面に平面部6
a,6bを形成すると、移動子の摺動半径を、平面部6
a,6bを形成しない場合よりも小さくせざるを得なか
った。
【0022】ここで、図9及び図10に示す振動アクチ
ュエータでは、得られる起動トルクは、弾性体2の駆動
面Dに接触する相対運動部材の半径に関係し、具体的に
は、下記式により近似される。
【0023】 起動トルク=加圧力×動摩擦係数×等価摺動半径 ・・・・・・・ ここで、等価摺動半径とは、駆動面Dと同一の面積を有
する中空円柱型の弾性体の半径をいう。
【0024】式からも分かるように、弾性体の摺動半
径(又は等価摺動半径)が小さくなると起動トルクも小
さくなってしまう。したがって、図10に示すように、
弾性体外周面にフライス加工を行って平面部6a,6b
を形成することにより駆動面Dにおける等価摺動半径が
小さくなると、振動アクチュエータの起動トルクが小さ
くなってしまうという課題があった。
【0025】また、得られる起動トルクを小さくするこ
となく振動子1の接合強度を確保するには、振動子1の
外径を大きくするとともに、弾性体外周面に平面部6
a,6bを形成してボルト及びナットを用いて締結すれ
ばよい。しかし、振動子1自体が大型化してしまい振動
アクチュエータの大きな特徴である小型性が阻害される
とともに、弾性体2の体積が増加する分だけ入力する電
力量も増加して駆動効率が低下してしまうという課題も
あった。
【0026】なお、振動アクチュエータの大型化を防止
しながら起動トルクの増大を図る手段としては、移動子
の振動子接触面に貼付する摺動材の材質を最適化するこ
とも考えられる。確かに、所望の摺動抵抗を得ることが
できる摺動材を用いれば、起動トルクの増大を図ること
が可能である。しかし、実際にはこのような最適な摺動
材を見出すことは容易ではなく、起動トルクの上昇に伴
って摺動材の摩耗が促進されて振動アクチュエータの耐
久性が低下するおそれがある。また、摺動抵抗が上昇す
ることによる振動アクチュエータの駆動効率の低下も懸
念される。
【0027】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題に
鑑みてなされたものであり、振動子,移動子それぞれの
摺動部分だけを大きくすることにより、振動アクチュエ
ータの大型化を防止しながら、起動トルクの増大を図る
ものである。
【0028】請求項1の発明は、摺動部分と一般部分と
を備え、振動を発生する振動子と,摺動部分の端面を介
して振動子に加圧接触する相対運動部材とを備える振動
アクチュエータであって、摺動部分の端面の面積に基づ
いて算出される摺動部分等価半径が、一般部分の断面積
に基づいて算出される一般部分等価半径よりも大きいと
ともに、相対運動部材の振動子との接触面の面積に基づ
いて算出される等価半径が、一般部分等価半径よりも大
きいことを特徴とする。
【0029】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、振動子が、弾性体と,弾
性体に装着されて弾性体に第1振動を励振する第1振動
用電気機械変換素子と,弾性体に第2振動を励振する第
2振動用電気機械変換素子とを備えることを特徴とす
る。
【0030】請求項3の発明は、請求項2に記載された
振動アクチュエータにおいて、第1振動が1次以上の捩
じり振動であるとともに、第2振動が1次以上の縦振動
であることを特徴とする。
【0031】請求項4の発明は、請求項3に記載された
振動アクチュエータにおいて、捩じり振動が、弾性体の
中心軸に略一致する回転軸に関して変位が発生する捩じ
り振動であり、縦振動が、中心軸に略一致する回転軸に
関して変位が発生する縦振動であるとともに、弾性体
が、摺動部分の端面に、捩じり振動及び縦振動の合成振
動を発生して、相対運動部材との間で相対運動を発生す
ることを特徴とする。
【0032】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、弾性体が、複数の部分から円柱状に構成される
とともに、側面における互いに平行な位置に少なくとも
二つの平面部が形成されることを特徴とする。
【0033】請求項1に記載された本発明にかかる振動
アクチュエータにおいて、「摺動部分等価半径」とは、
振動子の相対運動部材との接触部分である端面が円形で
ある場合、この端面の面積と同一の面積を有する円形の
半径を意味する。さらに、この端面が中空の環状である
場合には、前記の円形とは中空円形(環状)を意味す
る。
【0034】したがって、摺動部分の端面が円形である
場合には、摺動部分の面積をS0 とすると摺動部分等価
半径r0 =(S0 /π)1/2 となり、摺動部分が中空円
形である場合には、中空部分の面積をS1 とすると摺動
部分等価半径r0 =((S0+S1 )/π)1/2 とな
る。このような等価半径の算出法は、振動子の「一般部
分等価半径」や、相対運動部材の「等価半径」について
も全く同様である。
【0035】
【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
ータを実施形態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。
【0036】図1は、第1実施形態の超音波アクチュエ
ータ10の構成を示す縦断面図であり、図2は、この超
音波アクチュエータ10に用いる振動子11を分解した
状態で示す斜視図である。
【0037】振動子11は、駆動信号により励振される
電気機械変換素子である圧電体15と、圧電体15が接
合されてその励振により1次の縦振動と2次の捩じり振
動とを発生することにより、駆動面Dに駆動力が発生す
る弾性体12とから構成される。
【0038】弾性体12は、鉄鋼,ステンレス鋼又はリ
ン青銅等の金属材料からなる。弾性体12は、中空厚肉
の円筒体を縦面で2つに分割することにより得られる半
弾性体12a,12bを、円筒状に組み合わせることに
より、構成される。
【0039】半弾性体12a,12bの外周面には、溝
部が形成されることにより、3つの小径部14a,14
b,14cが形成される。小径部14a,14cは、弾
性体12に発生する捩じり振動の2つの節位置を跨ぐ位
置に形成され、小径部14bは、弾性体12に発生する
縦振動の節位置を跨ぐ位置に形成される。これらの小径
部14a〜14cに区切られることによって、4つの大
径部14A,14B,14C及び14Dが形成される。
【0040】弾性体12に、3つの小径部14a〜14
cと4つの大径部14A〜14Dとを形成したのは、弾
性体12に発生させる1次の縦振動,2次の捩じり振動
それぞれの共振周波数を略一致させることにより、振動
子11の駆動面Dに縦振動及び捩じり振動の合成である
楕円運動を発生させるためである。
【0041】図2に示すように、弾性体12の二つの分
割面には、それぞれ、2層の圧電体15と電極16とが
挟み込まれた状態で保持される。圧電体15,電極板1
6の配置については、後述する図3を参照しながら、詳
述する。
【0042】弾性体12の外周面であって弾性体分割面
と略平行な二ヵ所に、平面部17a,17bが形成され
る。これらの平面部17a,17bは、上端面である駆
動面Dを含む摺動部分18までは形成されておらず、弾
性体12のうちで摺動部分を除く一般部分19の範囲内
に形成される。これにより、摺動部分18の駆動面D−
1の外径は、大径部14A〜14Dよりも大きく構成さ
れる。
【0043】そのため、前述の式における等価摺動半
径が第1実施形態の超音波アクチュエータ10よりも増
大し、式によって算出される起動トルクが大きくな
る。これにより、超音波アクチュエータ10の駆動性能
(駆動効率)を向上させることが可能となる。なお、平
面部17a,17bは、本実施形態ではフライス削りを
行うことにより形成される。
【0044】平面部17a,17bには、圧電体15の
積層方向と平行な方向へ向けて貫通孔20a,20bが
形成される。この弾性体12a,12bと圧電体15,
電極16とは、この貫通孔20a,20bにボルト21
a,21bを貫通させてナット22a,22bをネジ止
めすることにより、締結される。また、弾性体12a,
12bそれぞれの内周面における略中央部には、半円環
状にフランジ部23a,23bが形成される。
【0045】半弾性体12a,12bを、ボルト21
a,21b及びナット22a,22bにより締結するこ
とにより得られる弾性体12は、このフランジ部23
a,23bを、互いにねじ部によりねじ止めされる上固
定軸24a及び下固定軸24bによって挟まれることに
よって、固定軸24に固定・保持される。
【0046】移動子25は、ステンレス鋼又はアルミニ
ウム合金等からなる移動子母材25aと、移動子母材2
5aの振動子11側に円環状に形成された端面に貼付さ
れて振動子11の駆動面Dに接触する高分子材等を主成
分とした円環状の摺動材25bとから構成される。
【0047】移動子母材25aの反振動子側の端面内縁
部には、環状に溝部25cが形成される。この溝部25
cには、位置決め部材であるボールベアリング26が嵌
め合わされて装着される。また、ボールベアリング26
は上固定軸24aに支持される。これにより、移動子2
5はその半径方向について位置決めされる。
【0048】移動子母材25aの外周面上端側には、出
力取出用の歯車27が環状に形成される。歯車27は、
図示しない被駆動体の歯車と噛み合っており、これによ
り、移動子母材25aの回転が被駆動体へ回転運動とし
て伝達される。
【0049】また、移動子25は、上固定軸24aに支
持される加圧部材である皿バネ28(スプリングバネや
板バネ等であってもよい。)により、振動子11の駆動
面Dに加圧接触される。
【0050】上固定軸24aの上端部側にはねじ部24
cが形成されており、このねじ部24cに皿バネ28の
加圧力を調整するための加圧力調整部材であるナット2
9がねじ止めされる。ナット29の上固定軸24aへの
ねじ止め位置を調節することにより、皿バネ28の加圧
力が調整される。
【0051】図3は、振動子11を構成する弾性体12
と圧電体15との配置を示す説明図であり、図3(a)
は振動子11の上面図,図3(b)は発生する縦振動モ
ード,捩じり振動モードを併せて示す振動子11の側面
図である。図3(a)及び図3(b)に示すように、半
弾性体12a,12bの分割面には、2層の圧電体15
と電極16とが挟み込まれた状態で保持される。
【0052】弾性体12に発生する捩じり振動の節部に
は小径部14aが配置される。この小径部14aを跨ぐ
位置に、第1振動用電気機械変換素子である捩じり振動
用圧電体15aが2層ずつ4枚配置される。一方、弾性
体12に発生する縦振動の節部には小径部14bが配置
される。この小径部14bを跨ぐ位置に、第2振動用電
気機械変換素子である縦振動用圧電体15bが2層ずつ
4枚配置される。
【0053】4枚の捩じり振動用圧電体15aは、いず
れも、圧電定数d15を用いる圧電体により構成される。
これら4枚の圧電体15aは、周波電圧が印加されるこ
とにより駆動電圧の方向に応じた剪断変位を発生し、発
生する剪断変位により半弾性体12a,12bには捩じ
り変位が発生する。
【0054】4枚の捩じり振動用圧電体15aのうちの
2枚は、図面上の手前側に位置する2枚の捩じり振動用
圧電体15a−1であり、残りの2枚は、図面上の向こ
う側に位置する2枚の捩じり振動用圧電体15a−2で
ある。ここで、図3(b)に示すように、手前側に位置
する2枚の捩じり振動用圧電体15a−1の剪断変形
と、向こう側に位置する2枚の捩じり振動用圧電体15
a−2の剪断変形とが、同じ方向の電圧が印加された場
合にそれぞれ反対方向に発生するように、捩じり振動用
圧電体15a−1と捩じり振動用圧電体15a−2とを
配置する。このように、4枚の捩じり振動用圧電体15
aを配置することにより、振動子11にはある方向への
捩じり変位が発生する。
【0055】例えば、図3(b)に示すように、手前側
2枚の捩じり振動用圧電体15a−1、及び向こう側2
枚の捩じり振動用圧電体15a−2が剪断変形すると、
駆動面Dは図3(a)に矢印で示す方向へ捩じれる。ま
た、これとは反対方向への電圧を印加することにより、
図3(a)に矢印で示す方向とは逆方向への剪断変形が
発生し、駆動面Dは図3(a)に矢印で示す方向とは反
対方向へ捩じれる。
【0056】一方、4枚の縦振動用圧電体15bは、い
ずれも、圧電定数d31を用いる圧電体により構成され
る。これらの縦振動用圧電体15bは、周波電圧が印加
されると駆動電圧の方向に応じた伸縮変位(縦変位)を
発生し、発生する縦変位により縦振動が発生する。
【0057】縦振動用圧電体15bは、手前側2枚の縦
振動用圧電体15b−1と向こう側2枚の縦振動圧電体
15b−2とから構成される。これらの縦振動圧電体1
5b−1,15b−2は、同じ方向への電圧が印加され
ると、それぞれ同じ方向に縦変形するように配置する。
縦振動用圧電体15b−1,15b−2をこのように配
置することにより、振動子11には縦振動が発生する。
【0058】図2,図3において、半弾性体12a,1
2bの2つの分割面それぞれには、捩じり振動用圧電体
15a−1,15a−2、縦振動用圧電体15b−1,
15b−2、捩じり振動検出用圧電体15a’、縦振動
検出用圧電体15b’がそれぞれ2枚ずつ配置される。
【0059】圧電体15a,15bに電圧を印加する電
極16a,16bと、圧電体16a’,16b’に発生
する電流値を検出する電極16a’,16b’とが、そ
れぞれの圧電体に挟まれた状態で、保持される。
【0060】捩じり振動用圧電体15a,捩じり振動検
出用圧電体15a’,縦振動用圧電体15b,縦振動検
出用圧電体15b’は、2層それぞれが同一平面上をな
すように配置される。これらの各圧電体は、駆動面D側
から反駆動面E側までに、捩じり振動検出用圧電体15
a’,捩じり振動用圧電体15a,縦振動用圧電体15
b,縦振動検出用圧電体15b’の順で配置される。
【0061】このように、電極16a,16a’,16
b,16b’は、それぞれ2層の捩じり振動用圧電体1
5a,捩じり振動検出用圧電体15a’,縦振動用圧電
体15b,縦振動検出用圧電体15b’の間に配置され
ており、2層の各圧電体への入力及び各圧電体からの出
力を行うことができる。半弾性体12a,12bと、圧
電体15a,15a’,15b,15b’と、電極16
a,16a’,16b,16b’とは、接着剤により接
着されて接合される。
【0062】このように構成された振動アクチュエータ
10に、2つの(1/4)λ(λは波長を示す。)位相
差を有する2つの駆動信号を、それぞれ、捩じり振動用
圧電体15a−1,15a−2と縦振動用圧電体15b
−1,15b−2とに入力すると、振動子11に発生す
る縦振動及び捩じり振動それぞれの位相が90°ずれ
る。これにより、振動子11の駆動面Dには、これらの
振動を合成した楕円運動が発生する。
【0063】図4は、この振動子11に発生する縦振動
(L)及び捩じり振動(T)を組み合わせて駆動面Dに
楕円運動を発生させることを経時的に示す説明図であ
る。なお、図4では、説明の便宜上、駆動面Dを介して
振動子11に加圧接触する移動子25は図示を省略して
ある。
【0064】振動子11に発生させる捩じり振動の周期
と縦振動の周期との間の位相差を(1/4)λずらして
設定すると、駆動面D上の点には、楕円運動が発生す
る。この際、駆動信号の周波数を、1次の縦振動の固有
振動数と2次の捩じり振動の固有振動数とに近い値に設
定すると、共振して縦振動振幅,捩じり振動振幅ともに
拡大される。これにより、駆動面Dには大きな楕円運動
が発生する。
【0065】図4において、駆動周波数をfとし、この
時の駆動信号の角周波数をωとすると、t=0の時に
は、捩じり振動の変位は左側に最大である。一方、縦振
動の変位は零である。この状態では、移動子は、加圧部
材により振動子11側へ向けて加圧されることにより、
振動子11の駆動面Dに加圧された状態で接触する。
【0066】t=0の時からt=(4/4)・(π/
ω)の時までは、捩じり振動は左側の最大から右側の最
大まで変位する。一方、縦振動は零から上側の最大に変
位して再び零に戻る。したがって、振動子11の駆動面
Dは移動子を押しながら右方向へ回転し、移動子は右方
向へ回転駆動される。
【0067】次に、この時からt=(6/4)・(π/
ω)の時を経てt=(8/4)・(π/ω)の時まで
は、捩じり振動は右側の最大から左側の最大まで変位す
る。一方、縦振動は、零から下側の最大に変位し、再び
零に戻る。したがって、振動子11の駆動面Dは、移動
子から離れながら左方向に回転するため、移動子は駆動
されない。このときに、移動子は、加圧部材により加圧
されているが、加圧部材の固有振動数が超音波振動域よ
りも低いため、移動子は振動子11の縮みに追従できな
い。
【0068】図1〜図4により示した本実施形態の超音
波アクチュエータ10では、弾性体12の外周部におい
て、回転軸方向に沿って弾性体分割面と略平行な平面部
17a,17bを、駆動面Dまで達しないように形成し
てある。そのため、弾性体12,圧電体15及び電極板
16をボルト及びナットを用いて締結することができる
とともに、駆動面Dの形状を円形に維持することがで
き、振動子11,移動子25それぞれの等価摺動半径を
平面部17a,17bの形成部分よりも大きく確保する
ことが可能となる。すなわち、振動子11の端面の面積
に基づいて算出される摺動部分等価半径(本実施形態に
おいては駆動面Dの半径と同じである。)が、平面部1
7a,17bを形成された一般部分等価半径よりも大き
く形成される。
【0069】図5は、弾性体12の外周面に形成した平
面部17bが駆動面Dまで達するように形成した場合
(破線で示す。)と達しないように形成した場合(実線
で示す。)とについて、移動子25に許容される最大摺
動半径の大きさを示す部分拡大図である。
【0070】図5において、弾性体12の外周面に形成
した平面部17bが駆動面Dまで達するように形成する
と、平面部17a,17bが駆動面Dまで達した箇所に
おいて、移動子25の摺動部分が振動子11の駆動面D
からはみ出してしまう。そのため、移動子25の摺動半
径を大きくすることができなかった。これに対し、本実
施形態の超音波アクチュエータ10によれば、弾性体1
2の外周面における平面部17bが駆動面Dまで達しな
いように形成するため、移動子25の摺動半径を距離x
1 だけ大きく確保することができる。
【0071】すなわち、本実施形態における摺動部分等
価半径r0 は、摺動部分である駆動面Dの面積をS0
すると、(S0 /π)1/2 となる。また、一般部分等価
半径r1 は、平面部17a,17bの形成による断面積
の減少分をΔSとすると、((S0 −ΔS)/π)1/2
となる。したがって、本実施形態では、摺動部分等価半
径r0 は、一般部分等価半径r1 よりも、(S0 /π)
1/2 −((S0 −ΔS)/π)1/2 だけ大きいことにな
る。
【0072】また、本実施形態における相対運動部材2
5の等価半径r2 は、振動子11の一般部分等価半径r
1 よりも、振動子11の駆動面Dの拡大に伴う相対運動
部材25の外径拡大によりΔrだけ大きくなる。
【0073】ここで、前述したように、本実施形態の超
音波アクチュエータ10の起動トルクは、摺動面径に関
係し、前記式により算出される。したがって、本実施
形態の超音波アクチュエータ10によれば、相対運動部
材25の摺動半径を大きく確保することができるために
大きな起動トルクを得ることができる。また、振動子1
1と移動子25との摺動面積を大きく確保することがで
きるため、振動子11と移動子25との摺動状態が安定
し、超音波アクチュエータ10の駆動特性を向上させる
ことも可能となる。
【0074】(第2実施形態)図6は、第2実施形態の
超音波アクチュエータ10−1の構成要素である振動子
11−1を分解した状態で示す斜視図である。
【0075】本実施形態の振動子11−1が第1実施形
態の振動子11と相違するのは、摺動部分18−1の構
造(外径)だけである。したがって、本実施形態の説明
は、この相違部分だけを説明し、同一の部分については
同一の図中符号を付すことにより、重複する説明を省略
する。また、例えば移動子25の構成や振動子11−1
の支持方法といった振動子11−1自体以外の超音波ア
クチュエータ10−1の構成は、第1実施形態の超音波
アクチュエータ10と同様であるため、これらに関する
説明も省略する。
【0076】振動子11−1の駆動面D−1の外径は、
平面部17a,17bの形成前における弾性体12の外
径のままの駆動面Dが形成される。そのため、前述の
式における等価摺動半径が図10に示す従来の超音波ア
クチュエータ1よりも増大し、式によって算出される
起動トルクが大きくなる。これにより、超音波アクチュ
エータ1の駆動性能(駆動効率)を向上させることがで
きる。
【0077】また、本実施形態によれば、駆動面D−1
の外径を大きくするだけであって振動子11−1の大径
部14A〜14Dの外径は第1実施形態と同じであるた
め、超音波アクチュエータ10−1全体の大型化や重量
増加をできるだけ抑制できるとともに、振動子11−1
への入力電力量を低減することができ、超音波アクチュ
エータ10−1の駆動効率を向上させることも可能とな
る。
【0078】(変形形態)以上説明した各実施形態で
は、振動アクチュエータとして超音波の振動域を利用し
た超音波アクチュエータを例にとったが、本発明にかか
る振動アクチュエータはこのような態様のみに限定され
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される。
【0079】また、各実施形態では、振動子,移動子の
外形は、いずれも略円柱型である場合を例にとったが、
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、他の形状(例えば4角形等の
多角形)の振動アクチュエータについても等しく適用さ
れる。振動子,移動子の形状が略円形でない場合の摺動
部分等価半径は、その摺動部分の面積と等しい面積を有
する円形の摺動部分の半径を意味する。
【0080】また、各実施形態では、摺動部分は一般部
分と一体に構成される場合を例にとったが、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、別部品として構成されていてもよい。特
に、第1実施形態の場合には、摺動部分と一般部分とを
脱着自在に構成することにより、発生する起動トルクの
大きさを適宜変更することができる。
【0081】また、各実施形態では、電気機械変換素子
として圧電体を用いたが、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、全て等しく適用することが可能である。圧電
体以外に、例えば電歪素子や磁歪素子等を用いることが
可能である。
【0082】また、各実施形態では、弾性体に1次の縦
振動と2次の捩じり振動とが生じる場合を例にとった
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、弾性体にm次(m:自然
数)の縦振動とn次(n:自然数)の捩じり振動とを発
生させる振動アクチュエータに対しても、等しく適用す
ることができる。
【0083】また、各実施形態では、弾性体を中心軸を
含む縦面で2分割する形態を例にとったが、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、弾性体を任意の縦面で複数に分割する場
合であってもよい。
【0084】また、各実施形態では、分割した各弾性体
の間に圧電体が挟まれた状態で配置されているが、本発
明にかかる振動アクチュエータはこのような態様のみに
限定されるものではない。弾性体の外周面や一部に適宜
手段によって圧電体の全部又は一部が配置された振動ア
クチュエータであれば等しく適用できる。
【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成を
示す縦断面図である。
【図2】第1実施形態の超音波アクチュエータの構成要
素である振動子を分解した状態で示す斜視図である。
【図3】第1実施形態の超音波アクチュエータにおい
て、振動子を構成する弾性体と圧電体との配置を示す説
明図であり、図3(a)は振動子の上面図,図3(b)
は発生する縦振動モード,捩じり振動モードを併せて示
す振動子の側面図である。
【図4】第1実施形態の超音波アクチュエータを構成す
る振動子に発生する縦振動(L)及び捩じり振動(T)
を組み合わせて駆動面に楕円運動を発生させることを経
時的に示す説明図である。
【図5】第1実施形態の超音波アクチュエータにおい
て、弾性体の外周面に形成した平面部が駆動面まで達す
るように形成した場合(破線で示す。)と達しないよう
に形成した場合(実線で示す。)とについて、移動子に
許容される最大摺動半径の大きさを示す部分拡大図であ
る。
【図6】第2実施形態の超音波アクチュエータに用いる
振動子を分解した状態で示す斜視図である。
【図7】従来の縦−捩じり振動型の振動アクチュエータ
の従来例の構造を示した斜視図である。
【図8】従来の振動アクチュエータの固定子を展開して
示した斜視図である。
【図9】異形モード縮退型の振動子を用いた振動アクチ
ュエータの構成要素である弾性体と,この弾性体に接合
される圧電体との配置を示す説明図であり、図9(a)
は振動子の上面図,図9(b)は発生する2種の振動モ
ードを併せて示す振動子の側面図である。
【図10】異形モード縮退型の振動子を用いた振動アク
チュエータを構成する弾性体と,この弾性体に接合され
る圧電体との配置を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
10 振動アクチュエータ(超音波アクチュエータ) 11 振動子 12 弾性体 14a〜14c 小径部 14A〜14D 大径部 15a,15b 電気機械変換素子(圧電体) 16a,16b 電極板 17a,17b 平面部 18 摺動部分 19 一般部分 21 ボルト 22 ナット 23 フランジ 24 固定軸 25 相対運動部材(移動子) 26 ベアリング 28 加圧部材 29 加圧力調整部材

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 摺動部分と一般部分とを備え、振動を発
    生する振動子と,前記摺動部分の端面を介して前記振動
    子に加圧接触する相対運動部材とを備える振動アクチュ
    エータであって、 前記端面の面積に基づいて算出される摺動部分等価半径
    が、前記一般部分の断面積に基づいて算出される一般部
    分等価半径よりも大きいとともに、 前記相対運動部材の前記振動子との接触面の面積に基づ
    いて算出される等価半径が、前記一般部分等価半径より
    も大きい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、 前記振動子は、弾性体と,前記弾性体に装着されて前記
    弾性体に第1振動を励振する第1振動用電気機械変換素
    子と,前記弾性体に第2振動を励振する第2振動用電気
    機械変換素子とを備え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2に記載された振動アクチュエー
    タにおいて、 前記第1振動は1次以上の捩じり振動であるとともに、
    前記第2振動は1次以上の縦振動であることを特徴とす
    る振動アクチュエータ。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載された振動アクチュエー
    タにおいて、 前記捩じり振動は、前記弾性体の中心軸に略一致する回
    転軸に関して変位が発生する捩じり振動であり、 前記縦振動は、前記中心軸に略一致する回転軸に関して
    変位が発生する縦振動であるとともに、 前記弾性体は、前記端面に、前記捩じり振動及び前記縦
    振動の合成振動を発生して、前記相対運動部材との間で
    相対運動を発生することを特徴とする振動アクチュエー
    タ。
  5. 【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、 前記弾性体は、複数の部分から円柱状に構成されるとと
    もに、側面における互いに平行な位置に少なくとも二つ
    の平面部が形成されることを特徴とする振動アクチュエ
    ータ。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016182016A (ja) * 2015-03-25 2016-10-13 セイコーエプソン株式会社 圧電駆動装置及びその駆動方法、ロボット及びその駆動方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016182016A (ja) * 2015-03-25 2016-10-13 セイコーエプソン株式会社 圧電駆動装置及びその駆動方法、ロボット及びその駆動方法

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