JPH1169851A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】給電端子を弾性的に電気機械変換素子の電極へ
接触することにより、半田付けにともなう電気機械変換
素子に対する影響を低減するようにした振動アクチュエ
ータを提供する。 【解決手段】弾性体１１の表面に接着された矩形薄板状
の圧電素子１２の電極１２ａ〜１２ｄに駆動電圧を印加
して励振すると、弾性体１１に、相対運動部材２１との
接触面と平行な方向に振動する縦振動と縦振動の振動方
向と交わる方向へ振動する屈曲振動とが発生し、それら
の調和モードにより、駆動力取出部材１３ａと１３ｂが
楕円運動して相対運動部材２１が直進移動する。電極１
２ａ〜１２ｄへ駆動電圧を供給する給電端子５１ａ〜５
１ｄをばね５２ａ〜５２ｄで所定の接触圧力で電極１２
ａ〜１２ｄに押圧する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば圧電素子
などの電気機械変換素子を接合された弾性体に複数の振
動モードを調和的に発生させて、弾性体に加圧接触され
る相対運動部材との間で相対運動を生じる振動アクチュ
エ一夕に関する。

【０００２】

【従来の技術】弾性体の表面に例えば圧電素子，電歪素
子ないしは磁歪素子等からなる電気機械変換素子を接合
し、この電気機械変換素子に駆動電圧を印加することに
より弾性体に複数の振動モードを調和的に発生させ、弾
性体表面に楕円運動を発生させることにより、弾性体に
加圧接触される相対運動部材との間で相対運動を生じる
振動アクチュエータが知られている。

【０００３】この種の振動アクチュエータについて、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」（宮川義郎他：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，第３９３頁〜第３９８頁）に
は、その構成と負荷特性とが報告されている。

【０００４】図８は、特開平７−２６４８８２号公報に
開示されたこの種の振動アクチュエータの駆動原理を説
明する図である。図８（ａ），（ｂ）に示すように、直
方体状の弾性体本体部１の一方の表面１ａには、圧電素
子２ａ〜２ｄが４枚貼付されている。圧電素子２ａ，２
ｂは電気エネルギーを機械エネルギーに変換する駆動用
圧電素子であり、一方、圧電素子２ｃ，２ｄは発生する
変位を電気エネルギーに変換して外部に出力するための
振動モニタ用圧電素子である。なお、各圧電素子の表面
には電極が設けられているが図示は省略した。

【０００５】また、弾性体本体部１のもう一方の平面で
あって弾性体に生じる屈曲振動の腹となる位置には、突
起状に駆動力取出部１ｂ，１ｃが設けられており、図示
しない相対運動部材に加圧された状態で接触している。

【０００６】ここで、駆動用圧電素子２ａ，２ｂ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、弾
性体本体部１ａには図８（ｃ）に示すような縦振動およ
び屈曲振動が発生する。このような振動発生時に縦振動
および屈曲振動の共通の節となる弾性体本体部１の長手
方向中央部Ｂ４ｃには、ばね等を利用した付勢機構が固
定面を介して取りつけられており、弾性体本体部１を駆
動力取出部１ｂ，１ｃを介して相対運動部材に付勢す
る。

【０００７】弾性体本体部１に発生する縦振動１次モー
ド（図８（ｃ）のＬ１ａ）と屈曲振動４次モード（図８
（ｃ）のＢ４）との振動の合成により、駆動力取出部１
ｂ，１ｃの先端部（相対運動部材との接触面側）は楕円
状に変位し、相対運動部材との間で相対運動を発生す
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図８の従来技術におけ
る振動アクチュエータでは、駆動用圧電素子２ａ，２ｂ
の電極へ半田付けして接続されたリード線を介して駆動
電圧が印加され、検出用圧電素子２ｃ，２ｄの電極へ半
田付けして接続されたリード線を介してモニタ電圧が取
り出される。そのため、リード線の半田付けにより圧電
素子に不所望な負荷が作用することとなり、アクチュエ
ータの性能を低下させている。

【０００９】本発明は、給電端子や取り出し端子を弾性
的に電気機械変換素子の電極へ接触させて電気機械変換
素子の半田付けによる負荷を低減するようにした振動ア
クチュエータを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

（１）実施の形態の図１に対応づけて本発明を説明す
る。請求項１の発明は、電極１２ａ〜１２ｄが形成され
た電気機械変換素子１２を有し、該電気機械変換素子１
２の励振によって振動方向が互いに異なる複数の振動を
発生させる振動子１０と；振動子１０に加圧された状態
で接触し、振動により振動子１０との間で相対運動を行
う相対運動部材２１と；電気機械変換素子１２へ駆動電
圧を印加するための給電端子５１ａ〜５１ｄと；その給
電端子５１ａ〜５１ｄを弾性力で電気機械変換素子１２
の電極１２ａ〜１２ｄに押圧する付勢部材５２ａ〜５２
ｄとを備えることにより、上記目的を達成する。 （２）請求項２の発明は、図７に示すように、電気機械
変換素子１２で発生する電圧を取り出すための取り出し
端子７８，７９と、その取り出し端子７８，７９を弾性
力で電気機械変換素子１２の電極７６，７７に押圧する
付勢部材７８ｓ，７９ｓとを備えることにより、上記目
的を達成するものである。 （３）請求項３の発明は、電極１２ａ〜１２ｄ、７６，
７７が形成された電気機械変換素子１２を有し、該電気
機械変換素子１２の励振によって振動方向が互いに異な
る複数の振動を発生させる振動子１０と；振動子１０に
加圧された状態で接触し、振動により振動子１０との間
で相対運動を行う相対運動部材２１と；振動子１０の振
動状態が所定の状態となるように、電気機械変換素子１
２に周波電圧を印加する駆動回路７０と；電気機械変換
素子１２と駆動回路７０とを電気的に接続する導電性端
子５１ａ〜５１ｄ、７８，７９と；導電性端子５１ａ〜
５１ｄ、７８，７９を弾性力によって電気機械変換素子
１２の電極１２ａ〜１２ｄ、７６，７７に押圧する付勢
部材５２ａ〜５２ｄ、７８ｓ，７９ｓとを備えることに
より、上記目的を達成する。

【００１１】以上の課題を解決するための手段の項では
実施の形態の図に対応づけて本発明を説明したが、これ
により本発明が実施の形態に限定されるものではない。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の各実
施の形態の説明は、振動アクチュエータとして超音波の
振動域を利用したリニア型超音波アクチュエータを例に
とって行う。

【００１３】本発明による超音波アクチュエータは、図
１に示すように、弾性体１１とこの弾性体１１上に接合
された駆動用圧電素子１２を有する振動子１０と、この
振動子１０に加圧接触される相対運動部材２１と、相対
運動部材２１をローラ２２上で直進移動可能に保持する
保持具３１と、振動子１０を駆動する駆動回路７０とを
備えている。また、保持具３１には、相対運動部材２１
の側面を案内するローラ２３が設けられている。駆動回
路６０によって駆動電圧を印加して駆動用圧電素子１２
を励振することで、弾性体１１には、１次の縦振動と４
次の屈曲振動という２種類の定在波が発生する。これに
より、振動子１０に設けられた駆動力取出部１３ａ、１
３ｂには、前記両振動が合成された振動（楕円運動）が
発生し、振動子１０と相対運動部材２１は相対運動を行
う。圧電素子１２は、電気エネルギを機械的変位に変換
する電気機械変換素子として用いられており、圧電素子
の他に電歪素子や磁歪素子を用いることができる。ま
た、この圧電素子１２は、機械的変位を電気エネルギに
変換する機能も有する。

【００１４】振動子１０を図２を参照してさらに説明す
る。振動子１０は、直方体状の弾性体１１と、弾性体１
１の一方の平面１１ａに接着されて接合された１枚の矩
形平板状の圧電素子１２と、この圧電素子１２上に形成
された４箇所の駆動用電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１
２ｄおよび２箇所の検出用電極７６、７７（図７参照）
と、弾性体１１の他方の平面１１ｂに設けられた駆動力
取出部１３ａ、１３ｂとを備える。弾性体１１は、金属
またはプラスチック等の弾性部材から直方体状に形成さ
れる。圧電素子１２は、例えば、薄板状のＰＺＴを使用
することができる。駆動力取出部１３ａ、１３ｂは、摺
動状態を向上させるために摺動材により形成されてい
る。また、弾性体１１の中央部の両側には、弾性体１１
の短辺方向および長辺方向の位置決め用ピン１５が立設
されている。そして、弾性体１１に発生する屈曲振動の
腹となる位置の近傍で、かつ、平面１１ｂの短辺方向の
両端付近に配置される。

【００１５】この実施の形態の振動アクチュエータで
は、１枚の駆動用圧電素子１２の表面に４枚の電極１２
ａ〜１２ｄを接着しているので、４つの圧電素子が独立
して存在する場合と構造的には等価である。したがっ
て、以降の説明において、４つの圧電素子も符号１２ａ
〜１２ｄを用いて説明するものとする。

【００１６】図７は、本実施の形態の超音波アクチュエ
ータにおける駆動回路７０の構成を示すブロック図であ
る。この駆動回路７０は、発振器７１と、増幅器７２，
７３と、移相器７４と、制御回路７５とによって構成さ
れる。発振器７１からは所定の周波数および電圧を有す
る交流電圧が出力される。出力された交流電圧は、２つ
に分岐され、一方は増幅器７２に入力して増幅される。
他方は移相器６４に入力して（π／２）だけ移相を変換
された後、増幅器７３に入力して増幅される。増幅器７
２から出力された交流電圧は、第１の交流電圧（sin信
号）として、駆動用電圧素子１２の電極１２ａ、１２ｃ
に供給される。また、増幅器７３から出力された交流電
圧は、第２の交流電圧（cos信号）として、圧電素子１
２の電極１２ｂ、１２ｄに供給される。第１の交流電圧
は、電極１２には給電端子５１ａを介して供給され、電
極１２ｃには給電端子１２ｃを介して供給される。第２
の交流電圧は、電極１２ｂには給電端子５１ｂを介して
供給され、電極１２ｄには給電端子５１ｄを介して供給
される。なお、給電端子５１ａ〜５１ｄについては後述
する。

【００１７】また、圧電素子１２には、弾性体１１に発
生する振動の状態を検出するための検出用電極７６，７
７が形成されており、これらの検出用電極７６，７７に
は給電端子と同様、付勢部材７８ｓ，７９ｓの弾性力に
よって取り出し端子７８、７９が押圧されている。つま
り、検出用電極７６には取り出し端子７８が押圧され、
検出用電極７７には取り出し端子７９が押圧されてい
る。そしてこれら取り出し端子７８、７９を介して取り
出されたモニタ電圧は、共に制御回路７５に入力する。
制御回路７５は、モニタ電圧が所定の値となるように発
振器７１を制御して、この発振器７１から出力される交
流電圧の周波数または電圧値を変更する。弾性体１１は
ＧＮＤ電位に接続される。なお、図１〜３では、検出用
電極７６、７７を図示していないが、これらの検出用電
極は、例えば、図８の振動モニタ用圧電素子２ｃ、２ｄ
のように、圧電素子１２の両端の位置に配置することが
できる。

【００１８】図１，図３，図４に示すように、保持具３
１は３つのコ字状保持アーム３１ａ，３１ｂ，３１ｃを
有し、中央部のアーム３１ｂには、図３に示すように弾
性体１１を相対運動部材２１に押圧する押圧機構４０が
装着されている。押圧機構４０は、アーム３１ｂにねじ
止めされてばね力を調節する調節ねじ４１と、一端が調
節ねじ４１内に挿入され、他端が圧電素子１２の表面に
接触する押圧具４２と、この押圧具４２を圧電素子１２
の表面に押圧するばね４３とを備える。押圧具４２の圧
電素子１２との接触面は半球状に形成されている。ま
た、位置決めピン１５の先端は、押圧機構４０を挟んで
アーム３１ｂの両端部に挿通され、これにより振動子１
０を保持具３１に位置決めする。

【００１９】両端のアーム３１ａと３１ｃには、電極１
２ａ〜１２ｄへ駆動電圧をそれぞれ印加するための給電
端子５１ａ〜５１ｄがそれぞれ絶縁板５３を介して装着
され、ばね５２ａ〜５２ｄにより給電端子５１ａ〜５１
ｄが各圧電素子電極１２ａ〜１２ｄに所定の弾性力で接
触している。上述したように給電端子５１ｂ，５１ｄに
はcos信号が供給され、給電端子５１ａ，５１ｃにはsin
信号が供給されて、弾性体１１の腹の振動部分１３ａ，
１３ｂに楕円振動を発生する。

【００２０】突起状に形成された駆動力取出部１３ａ，
１３ｂは、本実施の形態では、駆動効率の観点から、弾
性体１１に生じる屈曲振動の腹となる位置に設けられ
る。

【００２１】駆動力取出部１３ａ，１３ｂは、本実施の
形態では弾性体１１と一体に形成したが、別部品として
組み立ててもよい。また、１枚の矩形平板状の圧電素子
１２の表面に４枚の電極を接着して４つの圧電素子を形
成するようにしたが、電極１２ａ〜１２ｄとほぼ同様な
形状の４枚の圧電素子を別々に弾性体１１上に接着した
構成でもよい。

【００２２】図５は弾性体に発生する縦振動および屈曲
振動を経時的に示す説明図である。ここで、図５を参照
しながら、本実施の形態の超音波アクチュエータの動作
原理を経時的に説明する。なお、図５の超音波アクチュ
エータでは、図１の圧電素子１２ａ〜１２ｄに代えて２
枚の駆動用圧電素子１２ａ’１２ｂ’を用いている。

【００２３】図５（ａ）は、超音波アクチュエータに入
力される２相の高周波電圧Ａ，Ｂの時間的変化を時間ｔ
１〜時間ｔ９で示す。図５（ａ）の横軸は、高周波電圧
の実効値を示す。図５（ｂ）は、超音波アクチュエータ
の断面の変形の様子を示し、超音波アクチュエータに発
生する屈曲振動の時間的変化（ｔ１〜ｔ９）を示す。図
５（ｃ）は、超音波アクチュ工一夕１０１の断面の変形
の様子を示し、超昔波アクチュエータ１０１に発生する
縦振動の時間的変化（ｔ１〜ｔ９）を示す。図５（ｄ）
は、超音波アクチュ工一夕１０１の駆動力取出部１３
ａ，１３ｂに発生する楕円運動の時間的変化（ｔ１〜ｔ
９）を示す。

【００２４】次に、本実施の形態の超音波アクチュエー
タの動作を、時間的変化（ｔ１〜ｔ９）ごとに説明す
る。時間ｔ１において、図５（ａ）に示すように、高周
波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周波電圧Ｂは同
一の正の電圧を発生する。図５（ｂ）に示すように、高
周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消し合い、
質点Ｙ１と質点Ｚ１とが振幅零となる。また、図５
（ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる縦振動は
伸張する方向に発生する。質点Ｙ２と質点Ｚ２とは矢印
で示されるように、節Ｘを中心にして最大の伸長を示
す。その結果、図５（ｄ）に示すように、上記両振動が
複合され、質点Ｙ１と質点Ｙ２との運動の合成が質点Ｙ
の運動となり、また、質点Ｚ１と質点Ｚ２との運動の合
成が質点Ｚの運動となる。

【００２５】時間ｔ２において、図５（ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ｂは零となり、高周波電圧Ａは正の電圧
を発生する。図５（ｂ）に示すように、高周波電圧Ａに
よる届曲運動が発生し、質点Ｙ１が正方向に振幅し、質
点Ｚ１が負方向に振幅する。また、図５（ｃ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａによる縦振動が発生し、質点Ｙ２と
質点Ｚ２とが時間ｔ１のときよりも縮む。その結果、図
５（ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点Ｙ
と質点Ｚとが時間ｔ１のときよりも左回りに移動する。

【００２６】時間ｔ３において、図５（ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同相の負の電圧を発生する。図５（ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧ＡおよびＢによる屈曲運動が合成され
て増幅され、質点Ｙ１が時間ｔ２のときよりも負方向に
増幅され、最大の負の振幅値を示す。質点Ｚ１が時間ｔ
２のときよりも正方向に増幅され、最大の正の振幅値を
示す。また、図５（ｃ）に示すように、高周波電圧Ａお
よびＢによる縦振動が互いに打ち消しあい、質点Ｙ２と
質点Ｚ２とが元の位置に戻る。その結果として、図５
（ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点Ｙと
質点Ｚとが時間ｔ２のときよりも左回りに移動する。

【００２７】時間ｔ４において、図５（ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは零となり、高周波電圧Ｂは負の電圧
を発生する。図５（ｂ）に示すように、高周波電圧Ｂに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１は時間ｔ３のときより
も振幅が低下し、質点Ｚ１は時間ｔ３のときよりも振幅
が低下する。また、図５（ｃ）に示すように、高周波電
圧Ｂによる縦振動が発生し、質点Ｙ２と質点Ｚ２が収縮
する。その結果、図５（ｄ）に示すように、上記両振動
が複合され、質点Ｙと質点Ｚとが時間ｔ３のときよりも
左回りに移動する。

【００２８】時間ｔ５において、図５（ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは負の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図５（ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消
し合い、質点Ｙ１と質点Ｚｌとが振幅零となる。また、
図５（ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる縦振
動は収縮する方向に発生する。質点Ｙ２と質点Ｚ２とは
矢印で示されるように、節Ｘを中心にして最大の収縮を
示す。その結果として、図５（ｄ）に示すように、上記
両振動が復合され、質点Ｙと質点Ｚとが時間ｔ４のとき
よりも左回りに移動する。

【００２９】時間ｔ６〜ｔ９に変化するにしたがって、
上述の原理と同様に屈曲振動および縦振動が発生し、そ
の結果、図５（ｄ）に示すように、質点Ｙおよび質点Ｚ
が左回りに移動し、楕円運動をする。

【００３０】以上の原理により、この超音波アクチュエ
ータは、駆動力取出部１３ａ，１３ｂの先端に楕円運動
を発生させ、駆動力を発生させる構成となっている。し
たがって、駆動力取出部１３ａ，１３ｂの先端を相対運
動部材２１に加圧しておけば、弾性体１１と相対運動部
材２１との間で相対運動が発生する。

【００３１】このように、圧電素子１２ａ’，１２ｂ’
に電気的に位相が（π／２）だけ異なる交流電圧を印加
することにより、弾性体１１に縦振動と屈曲振動とが生
じ、それぞれが駆動方向の運動成分と駆動方向と垂直な
運動成分とになって楕円運動が発生する。

【００３２】以上説明した超音波アクチュエータによれ
ば、圧電素子１２上の電極１２ａ〜１２ｄに給電端子５
１ａ〜５１ｄを所定の弾性力で押圧するようにしたの
で、従来のような半田付けによる圧電素子への影響が防
止され、アクチュエータの効率が向上する。

【００３３】以上の超音波アクチュエータでは、給電端
子５１ａ〜５１ｄの弾性力に加えて図３に示すような押
圧機構４０を備えるようにしたが、給電端子５１ａ〜５
１ｄの押圧力だけで振動子１０を相対運動部材２１へ所
望の力で押圧できる場合には押圧機構４０を省略しても
よい。

【００３４】以上では、図４に示すように給電端子５１
ａ〜５１ｄにコイルばね５２ａ〜５２ｄを外挿して給電
端子を所定の接触圧力で電極に押圧するようにしたが、
図６に示すような板ばね６２ａと６２ｂを用いてもよ
い。なお、図６において、図１と同様な箇所には同一の
符号を付して説明を省略する。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、電気機械変換素子の電
極に所定の接触圧力で給電端子あるいは取り出し端子を
押圧することにより、駆動電圧を給電したりモニタ電圧
を取り出すようにしたので、従来のような半田付けによ
る電気機械変換素子への影響が防止され、アクチュエー
タの効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施の形態による超音波ア
クチュエータの平面図、（ｂ）は図１のｂ−ｂ線断面図

【図２】図１の超音波アクチュエータの弾性体の斜視図

【図３】図１（ｂ）のIII−III線断面図

【図４】図１（ｂ）のIV−IV線断面図

【図５】本発明による超音波アクチュエータの作動原理
を説明する図

【図６】本発明によるリニア型超音波アクチュエータの
変形例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図

【図７】振動アクチュエータの駆動回路のブロック図

【図８】従来の振動アクチュエータを説明する図

【符号の説明】

１０ 振動子 １１ 弾性体 １２ 駆動用圧電素子 １２ａ〜１２ｄ，７６，７７ 電極 １３ａ，１３ｂ 駆動力取出部材 ４０ 押圧機構 ５１ａ〜５１ｄ，７８，７９ 給電端子 ５２ａ〜５２ｄ，７８ｓ，７９ｓ ばね ５３ 絶縁板 ７０駆動回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電極が形成された電気機械変換素子を有
   し、該電気機械変換素子の励振によって振動方向が互い
   に異なる複数の振動を発生させる振動子と、 前記振動子に加圧された状態で接触し、前記振動により
   前記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材と、 前記電気機械変換素子に周波電圧を印加するための給電
   端子と、 前記給電端子を弾性力によって前記電気機械変換素子の
   電極に押圧する付勢部材とを備えることを特徴とする振
   動アクチュエータ。
2. 【請求項２】電極が形成された電気機械変換素子を有
   し、該電気機械変換素子の励振によって振動方向が互い
   に異なる複数の振動を発生させる振動子と、 前記振動子に加圧された状態で接触し、前記振動により
   前記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材と、 前記電気機械変換素子で発生する電圧を取り出すための
   取り出し端子と、 前記取り出し端子を弾性力によって前記電気機械変換素
   子の電極に押圧する付勢部材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】電極が形成された電気機械変換素子を有
   し、該電気機械変換素子の励振によって振動方向が互い
   に異なる複数の振動を発生させる振動子と、 前記振動子に加圧された状態で接触し、前記振動により
   前記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材と、 前記振動子の振動状態が所定の状態となるように、前記
   電気変換素子に周波電圧を印加する駆動回路と、 前記電気機械変換素子と前記駆動回路とを電気的に接続
   する導電性端子と、 前記導電性端子を弾性力によって前記電気機械変換素子
   の電極に押圧する付勢部材とを備えることを特徴とする
   振動アクチュエータ。