JPH11164573A

JPH11164573A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH11164573A
Application number: JP9324695A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Yamamoto; 敏章山本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1997-11-26
Publication date: 1999-06-18

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の異形モード縮退型の超音波アクチュエ
ータにおける加圧機構では、加圧力調整容易化と大型化
抑制とをともに図ることができなかった。【解決手段】異形モード縮退型の振動子２と、相対運
動部材３と、振動子２を押圧するコイルばね１４、およ
びコイルばね１４のばね定数と略等しいばね定数を有し
てコイルばね１４に接触して凹状に撓むことによりコイ
ルばね１４を押圧する板ばね１８を有することにより、
振動子２と相対運動部材３との間に加圧力を発生する加
圧機構１１とを組み合わせて備える超音波アクチュエー
タ１０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、振動子と、この振
動子との間で相対運動を行う相対運動部材と、これら振
動子および相対運動部材の間に加圧力を発生する加圧機
構とを組み合わせて備える振動アクチュエータに関し、
より具体的には、加圧機構に関して、加圧力調整の容易
化と大型化の抑制とをともに図りながら所望の加圧力を
確実に付与することができ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】近年、いわゆる異形モード縮退型の振動
アクチュエータが、積極的に開発されている。

【０００３】図４は、本出願人が先に特開平８−２９４
２８９号公報により提案した振動アクチュエータ１を示
す側面図である。この振動アクチュエータ１は、振動子
２と相対運動部材３とこれら両者を加圧接触させる加圧
機構４とを備える。

【０００４】振動子２は、矩形平板状の弾性体５と、こ
の弾性体５の一方の平面５ｃに接着された圧電素子６と
を有する。圧電素子６の上面には４枚の電極７ａ、７
ｂ、７ｃ、７ｄが設けられている。図示しない駆動回路
によって、電極７ｃには第１の交流電圧が印加され、電
極７ｂには第１の交流電圧とは位相が異なる第２の交流
電圧が印加される。これにより、弾性体５には、長手方
向に振動する１次の縦振動と、平面５ｃに直交する方向
に振動する４次の屈曲振動とが発生する。電極７ａ、７
ｄは、弾性体５の振動の状態に応じた電気信号を取り出
すためのもので、この電気信号は駆動回路に入力され
る。

【０００５】弾性体５の他方の平面５ｄには、駆動力取
出部５ｅ、５ｆが設けられている。これらの駆動力取出
部５ｅ、５ｆは、弾性体５に発生する屈曲振動の腹とな
る位置のうちの２つに設けられている。そして、縦振動
と屈曲振動とが合成されることにより、駆動力取出部５
ｅ、５ｆには楕円運動が発生する。

【０００６】この状態で、駆動力取出部５ｅ、５ｆの底
面が適当な加圧力で板状の相対運動部材３に加圧接触す
ると、駆動力取出部５ｅ、５ｆにおいて発生した楕円運
動により、振動子２と相対運動部材３との間に相対運動
が発生する。

【０００７】この加圧力を発生する加圧機構４は、図示
例では、振動子２に対して所定の距離ｄ₁だけ離れた位
置に固定された固定部材７に垂直に設けられたガイド棒
４ｃと、貫通孔を有してガイド棒４ｃを貫通させながら
電極７に接触する加圧板４ａと、固定部材７および加圧
板４ａに固定されガイド棒４ｃの周囲に配置されるコイ
ルばね４ｂとを有する。

【０００８】また、この加圧機構４は、弾性体５の長手
方向（図面中の左右方向）に関して、駆動力取出部５
ｅ、５ｆの設置位置と略同じ位置に、二組設けられてい
る。

【０００９】二つの加圧機構４それぞれでは、コイルば
ね４ｂが発生するばね力により加圧板４ａが振動子２側
へ押され、加圧板４ａが接触する電極７を介して、振動
子２は相対運動部材３側へ押される。これにより、振動
子２と相対運動部材３とは、駆動力取出部５ｅ、５ｆを
介して適宜加圧力で接触する。

【００１０】前述したように、異形モード縮退型の振動
アクチュエータ１では、振動子２と相対運動部材３との
間の摩擦力により駆動力が取り出される。そのため、振
動子２を相対運動部材３へ加圧する加圧力を最適値に、
極めて高精度で設定する必要がある。通常、加圧力の最
適値は、１〜３kgf 程度である。

【００１１】図４により示す加圧機構４による加圧力を
調整するには、図示していないが、調整ねじのねじ込み
量によりコイルばね４ｂのばね長さを変化させるばね力
調整機構を設ける。そして、調整ねじのねじ込み量を調
整することによりコイルばね４ｂが発生するばね力を調
整する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、振動アクチ
ュエータ１の特徴の一つとして小型であることが挙げら
れ、加圧機構４、およびその構成部品であるコイルばね
４ｂに対しても大型化抑制が強く要請される。このよう
な要請に応えるためにコイルばね４ｂの長さを短くする
ことにより距離ｄ₁を小さくしようとすると、コイルば
ね４ｂのばね定数が上昇する。

【００１３】しかし、ばね定数が上昇すると、前述した
加圧力の調整が極めて難しくなってしまう。例えば、ば
ね定数が２倍になると、調整ねじの締め込み量（すなわ
ち調整量）が同じである場合には、加圧力は２倍変化し
てしまう。そのため、所望の加圧力に設定するには、調
整ねじの締め込み量の微調整が必要になり、調整作業が
極めて難しくなってしまう。

【００１４】加圧力の調整作業を簡単に行うにはばね定
数を小さく設定すればよいが、このためにはコイルばね
４ｂの長さを長くする必要があり、加圧機構４が大型化
してしまう。

【００１５】ここに、本発明は、このような従来の技術
が有する課題に鑑みてなされたものであり、振動子と相
対運動部材との加圧機構に関して、互いに相反する、加
圧力調整の容易化と大型化の抑制とをともに図りなが
ら、所望の加圧力を得ることができる振動アクチュエー
タを提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、板ばねおよび
コイルばねを最適な位置関係となるように組み合わせて
加圧機構を構成することにより、上記目的を達成したも
のである。

【００１７】請求項１の発明は、振動子と、この振動子
に接触して相対運動を行う相対運動部材と、この相対運
動部材と振動子との間に加圧力を発生する加圧機構とを
備え、加圧機構が、振動子または相対運動部材を押圧す
るコイルばねと、このコイルばねのばね定数と略等しい
ばね定数を有し、コイルばねに接触して凹状に撓むこと
によりコイルばねを押圧する板ばねとを有することを特
徴とする振動アクチュエータである。

【００１８】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、加圧機構が、振動子また
は相対運動部材に接触するとともにコイルばねにより押
圧される加圧力伝達部材と、振動子および相対運動部材
の加圧方向に関して板ばねに対して変位自在に設置さ
れ、板ばねを押圧することにより板ばねを凹状に撓ませ
る加圧力調整部材とを有することを特徴とする。

【００１９】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、加圧力調整部材を、振動
子または相対運動部材に対して所定の距離だけ離れた位
置に固定するフレームを備えることを特徴とする。

【００２０】請求項４の発明は、請求項２または請求項
３に記載された振動アクチュエータにおいて、加圧力伝
達部材が振動子に接触する場合には、加圧力伝達部材
が、発生する複数の振動のうちで加圧方向に振幅する振
動の節位置で、振動子に接触することを特徴とする。

【００２１】さらに、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項に記載の振動アクチュエー
タにおいて、振動子が、矩形平板状の弾性体を有し、こ
の弾性体に縦振動および屈曲振動を発生させることを特
徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる振動アクチ
ュエータの実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に
説明する。なお、以降の実施形態では、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
ータを例にとる。

【００２３】図１は、本実施形態の超音波アクチュエー
タ１０を分解した状態で示す斜視図である。また、図２
は、組み立てられた超音波アクチュエータ１０の中央部
近傍を一部簡略化して示す側面図であり、加圧機構１１
による加圧を行う前の状況を示す。

【００２４】なお、この超音波アクチュエータ１０は、
図４により示した振動アクチュエータ１と構成要素の多
くが共通する。そのため、以降の説明は、相違する構成
要素を中心に行い、共通する構成要素については、同一
の図中符号を付すことにより簡単に説明することとす
る。

【００２５】振動子２は、矩形平板状の弾性体５と、こ
の弾性体５の一方の平面５ｃに接着された圧電素子６と
を有する。圧電素子６の上面には４枚の電極７ａ、７
ｂ、７ｃ、７ｄが設けられている。図示していない駆動
回路によって、電極７ｃには第１の交流電圧が印加さ
れ、電極７ｂにはこの第１の交流電圧と位相が異なる第
２の交流電圧が印加される。これにより、弾性体５に
は、長手方向に振動する１次の縦振動と、平面５ｃに直
交する方向に振動する４次の屈曲振動とが発生する。

【００２６】弾性体５の他方の平面５ｄには、駆動力取
出部５ｅ、５ｆが設けられている。これらの駆動力取出
部５ｅ、５ｆは、弾性体５に発生する屈曲振動の腹とな
る位置のうちの二つに設けられている。そして、縦振動
と屈曲振動とが合成されることで、この駆動力取出部５
ｅ、５ｆには楕円運動が発生する。

【００２７】この駆動力取出部５ｅ、５ｆを介して、板
状の相対運動部材３が、加圧機構１１が発生する加圧力
で、加圧接触する。これにより、振動子２と相対運動部
材３との間に相対運動が発生する。

【００２８】なお、図示していないが、振動子２を固定
することにより相対運動部材３が駆動（搬送）され、一
方、相対運動部材３を固定することにより振動子２が駆
動される（自走）。

【００２９】本実施形態における加圧機構１１は、加圧
力を伝達する部材である加圧端子１２と、加圧端子１２
の大径部１２ａに装着される支持板１３と、加圧端子１
２の大径部１２ａの周囲に装着されて支持板１３を振動
子２側へ加圧するコイルばね１４と、加圧方向に関して
振動子２から一定距離ｄ₂だけ離れて設置されるフレー
ム１５とを有する。フレーム１５にはねじ孔１５ａ、１
５ｂが設けられており、これらのねじ孔１５ａ、１５ｂ
に加圧力調整部材である加圧力調整用ねじ１６ａ、１６
ｂがねじ込まれている。なお、加圧端子１２の円錐状の
先端部１２ａは、発生する屈曲振動の節位置で振動子２
を加圧している。

【００３０】また、フレーム１５の振動子側の平面に
は、ガイドトピン１７ａ、１７ｂが垂直に固定されてお
り、それぞれが、後述する板ばね１８に設けられた切欠
き部１８ｂ、１８ｃと、支持板１３に設けられた切欠き
部１３ｂ、１３ｃと、弾性体５に設けられた切欠き部５
ｇ、５ｈとに隙間を有して嵌まり合うことにより、振動
子２を相対運動部材３に対して、加圧方向に関して変位
自在に位置決めする。

【００３１】さらに、本実施形態における加圧機構１１
は板ばね１８を有する。本実施形態では、板ばね１８
は、適当な弾性材料からなる矩形の平面形状の薄板であ
り、その中央部には、加圧端子１２の小径部１２ｂが貫
通する貫通孔１８ａが形成される。板ばね１８は、コイ
ルばね１４に直接接触して、配置される。また、板ばね
１８は、コイルばね１４のばね定数Ｋ₂と略等しいばね
定数Ｋ₁を有する。具体的には、ばね定数Ｋ₁は、ばね
定数Ｋ₂を中心としてその20〜30％程度の範囲に収まる
値である。

【００３２】図２に示すように、加圧力調整用ねじ１６
ａ、１６ｂは、その先端が板ばね１８の長手方向両端側
に接触するように、フレーム１５にねじ止めされる。加
圧力調整用ねじ１６ａ、１６ｂを同じ量だけ締め込むこ
とにより、板ばね１８は、コイルばね１４に接触して凹
状に撓むように、配置される。

【００３３】図３は、加圧力調整用ねじ１６ａ、１６ｂ
を同じ量だけ締め込むことにより、板ばね１８がコイル
ばね１４側に凹状に撓んだ状況を一部簡略化して示す側
面図である。

【００３４】本実施形態の加圧機構１１では、加圧力調
整用ねじ１６ａ、１６ｂの先端が板ばね１８を振動子２
側へ押圧することにより、板ばね１８は振動子２側に向
けて凹状に撓む。これにより、コイルばね１４は板ばね
１８により押圧されて縮む。このようにして、板ばね１
８およびコイルばね１４それぞれが発揮するばね力の合
成として、加圧力が発生する。発生した加圧力は支持板
１３を介して加圧端子１２を振動子２側へ押圧する。こ
のようにして、加圧端子１２が適宜圧力で振動子２を相
対運動部材３へ加圧する。

【００３５】この本実施形態の加圧機構１１によれば、
以下に列記する特有な効果（１）〜（１０）が奏せられ
る。（１）板ばね１８を用いるため、加圧機構１１の加圧方
向距離を増加させることがない。特に、板ばね１８の板
厚は、コイルばね１４を正確に押圧するために小さく設
定できる。これにより、図２における距離ｄ₂を小さく
設定でき、超音波アクチュエータ１０の大型化防止ない
しは小型化が図られる。

【００３６】（２）板ばね１８を、コイルばね１４に直
接接触させて配置しており、板ばね１８およびコイルば
ね１４を連結配置するための部材を介在させない。その
ため、この部材を介在させない分だけ、加圧方向に関す
る加圧機構１１の寸法増加を抑制することができ、超音
波アクチュエータ１０の大型化を防止することができ
る。

【００３７】（３）コイルばね１４は、加圧時に凹状に
撓む板ばね１８の内面頂部に位置するため、板ばね１８
に対する位置ずれを生じ難い。そのため、板ばね１８に
よりコイルばね１４には加圧方向と平行な方向への押圧
力が正確に作用し、コイルばね１４を伸縮方向へ略正確
に縮ませることができる。したがって、設計したばね力
を正確に生じさせ、振動子２と相対運動部材３と間の加
圧力を設計値通りに設定することができる。これによ
り、超音波アクチュエータ１０の駆動効率を設計値に近
づけることができる。

【００３８】（４）板ばね１８とコイルばね１４とを加
圧方向に関して直列に配置するとともに、板ばね１８の
ばね定数Ｋ₁をコイルばね１４のばね定数Ｋ₂と略等し
い値に設定するため、加圧機構１１による加圧力調整を
容易に行うことができる。すなわち、板ばね１８とコイ
ルばね１４とからなるばね系のばね定数をＫとすると、
１／Ｋ＝（１／Ｋ₁）＋（１／Ｋ₂）、およびＫ₁＝Ｋ
₂であることから、Ｋ＝Ｋ₁／２＝Ｋ₂／２となる。す
なわち、加圧機構１１のばね系のばね定数を、板ばね１
８、コイルばね１４のばね定数の半分に低下することが
でき、超音波アクチュエータ１０の加圧力調整が容易化
される。

【００３９】（５）コイルばね１４は、加圧時に凹状に
撓む板ばね１８の内面側に位置するため、加圧力を調整
する際の加圧力調整用ねじ１６ａ、１６ｂの締め込み量
をできるだけ小さくすることができる。すなわち、ばね
系の変位量（板ばね１８およびコイルばね１４それぞれ
の変位量ｘ₁、ｘ₂の和）は、上記項によりばね系の
ばね定数Ｋ＝Ｋ₁／２＝Ｋ₂／２であることから、板ば
ね１８またはコイルばね１４の変位量の２倍となる。し
かし、コイルばね１４は、加圧時に凹状に撓む板ばね１
８の内面側に位置するため、板ばね１８およびコイルば
ね１４それぞれの変位量ｘ₁、ｘ₂の一部が重複して存
在することになり、ばね系全体の変位量は（ｘ₁＋ｘ₂
−α、ただしαは重複量を示す）となる。したがって、
調整時の加圧力調整用ねじ１６ａ、１６ｂの締め込み量
が重複量αの分だけ小さく抑制される。

【００４０】（６）上記（１）項および（５）項の相乗
効果により、板ばね１８およびコイルばね１４の設置代
を含む距離ｄ₂を、図４における距離ｄ₁と同等か、ま
たは小さく設定することができる。これにより、超音波
アクチュエータ１０の大型化抑制ないしは小型化を図る
ことができる。

【００４１】（７）加圧端子１２を加圧力伝達部材とし
てその円錐型の先端部１２ａにより、振動子２の加圧を
最小の接触面積で行うため、振動子２に発生する振動を
減衰させることなく、確実に加圧することができる。こ
れにより、超音波アクチュエータ１０を最大の駆動効率
で駆動することができる。

【００４２】（８）コイルばね１４と板ばね１８の貫通
孔１８ａとを貫通して加圧端子１２を設けるため、コイ
ルばね１４および板ばね１８それぞれの位置規制を極め
て簡単な構造で行うことができ、超音波アクチュエータ
１０の大型化防止が図られる。

【００４３】（９）加圧力調整部材である加圧力調整ね
じ１６ａ、１６ｂを、フレーム１５に設置するため、加
圧力調整作業を極めて簡単に行うことができる。これに
より、超音波アクチュエータ１０の加圧力調整時の調整
作業性が向上する。

【００４４】（１０）加圧端子１２は、発生する屈曲振
動の節位置で振動子２を加圧するため、振動子２に発生
する振動を減衰させることなく、確実に加圧することが
できる。これにより、超音波アクチュエータ１０を最大
の駆動効率で駆動することができる。

【００４５】このように、本実施形態の超音波アクチュ
エータ１０によれば、設置するばね系の加圧方向に関す
る設置範囲の増加をできるだけ抑制して加圧機構１１の
大型化防止ないしは小型化を図りながら、加圧機構１１
の加圧力調整を容易に行って所望の加圧力を設定するこ
とができる。

【００４６】[変形形態]実施形態の説明は、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形態に限定さ
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。

【００４７】また、実施形態の説明では、振動子が１次
の縦振動および４次の屈曲振動を発生する場合を例にと
ったが、本発明にかかる振動アクチュエータはこの形態
に限定されるものではなく、例えば、縦振動：１次、屈
曲振動：８次等の他の次数の縦振動および屈曲振動を発
生する振動子を有する振動アクチュエータについても等
しく適用される。

【００４８】また、実施形態の説明では、振動子が縦振
動および屈曲振動を発生す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形態に限定される
ものではない。例えば特開平９−８４３６７号公報等に
より開示された、振動子が縦振動および捩じり振動を発
生する棒状の振動アクチュエータについても、等しく適
用される。

【００４９】また、実施形態の説明では、加圧機構が振
動子を相対運動部材に向けて加圧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形態に限
定されるものではなく、逆に、加圧機構が相対運動部材
を振動子に向けて加圧する場合にも等しく適用される。
上述した棒状の振動アクチュエータに適用する場合には
この形態をとることが望ましい。

【００５０】また、実施形態の説明では、矩形の平面形
状の板ばねを用いた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板ばねの形状には限定されな
い。また、実施形態の説明では、加圧力調整部材として
加圧力調整用ねじを用いた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形態には限定
されず、板ばねに対して変位自在に設置され、板ばねを
押圧することにより凹状に撓ませることができる部材で
あれば等しく適用される。

【００５１】さらに、実施形態の説明では、電気機械変
換素子として圧電体を用いた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、電気エネルギと機械エネルギとの
間の変換を行うことができる素子であれば等しく適用で
きる。圧電体以外に、例えば電歪素子や磁歪素子を例示
することができる。

【００５２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１の
発明によれば、加圧機構に関して互いに相反する、加圧
力調整の容易化と大型化の抑制とをともに図りながら、
所望の加圧力を振動子および相対運動部材の間に付与す
ることができる。

【００５３】請求項２の発明によれば、振動子に発生す
る振動を減衰させることなく確実に加圧することができ
るとともに、加圧力調整作業を極めて簡単に行うことが
できる。請求項３の発明によれば、加圧力調整作業を極
めて簡単に行うことができる。

【００５４】請求項４の発明によれば、振動子に発生す
る振動の減衰を防止できる。請求項５の発明によれば、
縦振動および屈曲振動を発生する矩形平板状の振動子を
備える異形モード縮退型の振動アクチュエータに、請求
項１〜請求項４の本発明の有する効果を奏することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の超音波アクチュエータを分解した状
態で示す斜視図である。

【図２】組み立てられた超音波アクチュエータの中央部
近傍を一部簡略化して示す側面図である。

【図３】加圧力調整ねじを締め込むことにより、板ばね
がコイルばね側に凹状に撓んだ状況を一部簡略化して示
す側面図である。

【図４】本出願人が先に特開平８−２９４２８９号公報
により提案した振動アクチュエータを示す側面図であ
る。

【符号の説明】２振動子３相対運動部材１０超音波アクチュエータ１１加圧機構１４コイルばね１８板ばね

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子と、当該振動子に接触して相対運
動を行う相対運動部材と、当該相対運動部材と前記振動
子との間に加圧力を発生する加圧機構とを備え、前記加圧機構は、前記振動子または前記相対運動部材を
押圧するコイルばねと、当該コイルばねのばね定数と略
等しいばね定数を有し、前記コイルばねに接触して凹状
に撓むことにより前記コイルばねを押圧する板ばねとを
有することを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】前記加圧機構は、前記振動子または前記
相対運動部材に接触するとともに前記コイルばねにより
押圧される加圧力伝達部材と、前記振動子および前記相
対運動部材の加圧方向に関して前記板ばねに対して変位
自在に設置され、前記板ばねを押圧することにより前記
板ばねを前記凹状に撓ませる加圧力調整部材とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエー
タ。
【請求項３】前記加圧力調整部材を、前記振動子また
は前記相対運動部材に対して所定の距離だけ離れた位置
に固定するフレームを備えることを特徴とする請求項２
に記載の振動アクチュエータ。
【請求項４】前記加圧力伝達部材が前記振動子に接触
する場合には、前記加圧力伝達部材は、発生する複数の
振動のうちで前記加圧方向に振幅する振動の節位置で、
前記振動子に接触することを特徴とする請求項２または
請求項３に記載の振動アクチュエータ。
【請求項５】前記振動子は、矩形平板状の弾性体を有
し、当該弾性体に縦振動および屈曲振動を発生させるこ
とを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１
項に記載の振動アクチュエータ。