JP2013038984A - 超音波アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の振動子間の調整が不要であり、小型でありながら強い発生力を有するリニア型超音波アクチュエータを提供する。
【解決手段】厚み方向に分極された第１圧電体、第１圧電体と対向するように配置され、厚み方向に分極された第２圧電体、及び、第１圧電体と第２圧電体を挟持する第１弾性体と第２弾性体を有し、第１弾性体と第２弾性体による挟持方向に伸縮する駆動部と、駆動部に対して移動可能に配置された２つの移動体と、駆動部に結合され、２つの移動体に対する把持力をそれぞれ調整可能に構成された２つの伝達部と、駆動部の伸縮と伝達部の把持力調整を連動させる制御部と、を備え、２つの伝達部は駆動部の両端部にそれぞれ配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波アクチュエータに関するものである。

従来の超音波アクチュエータとして、特許文献１に記載の超音波モータがある。この超音波モータにおいては、２つのランジュバン振動子を互いに直交するように配置した駆動子を、ロータの外周面に押圧し、振動子の駆動によってロータに回転力を発生させている。

特開２０００−１５２６７１号公報

しかしながら、上述の超音波モータでは、所望の振動を得るには、２つのランジュバン振動子の角度、位置、振幅、周波数等をそろえる調整が必要である。また、２つのランジュバン振動子を互いに直交するように配置するため、駆動子全体の体積が大きくなるという欠点がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の振動子間の調整が不要であり、小型でありながら強い発生力を有するリニア型超音波アクチュエータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波アクチュエータは、厚み方向に分極された第１圧電体、第１圧電体と対向するように配置され、厚み方向に分極された第２圧電体、及び、第１圧電体と第２圧電体を挟持する第１弾性体と第２弾性体を有し、第１弾性体と第２弾性体による挟持方向に伸縮する駆動部と、駆動部に対して移動可能に配置された２つの移動体と、駆動部に結合され、２つの移動体に対する把持力をそれぞれ調整可能に構成された２つの伝達部と、駆動部の伸縮と伝達部の把持力調整を連動させる制御部と、を備え、２つの伝達部は駆動部の両端部にそれぞれ配置されていることを特徴としている。

本発明に係る超音波アクチュエータにおいて、駆動部の両端部は、駆動部の振動の略腹位置にそれぞれ位置していることが好ましい。

本発明に係る超音波アクチュエータにおいて、２つの伝達部は互いに同期して２つの移動体のそれぞれに対する把持力を調整し、かつ、２つの伝達部による２つの移動体それぞれの把持状態は互いに同一又は逆であることが好ましい。

本発明に係る超音波アクチュエータにおいて、駆動部はその振動の略節位置で支持されていることが好ましい。

本発明に係る超音波アクチュエータは、小型であり、かつ、強い発生力を有するという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの構成を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの構成を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの構成を示す背面図である。 図４のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。 本発明の実施形態における制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態における支持部を２枚の支持板で固定した状態を示す斜視図である。 本発明の実施形態における支持部と２枚の支持板との関係を示す斜視図である。 本発明の実施形態における駆動部の伸縮と２つの伝達部の本体部の屈曲による２つの移動体の把持力の変化を経時的に示す図である。

以下に、本発明に係る超音波アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
本発明の超音波アクチュエータは、超音波モータとして移動体を移動する推力を大きくするために、ボルト締めランジュバン振動子の発生力を利用している。また、伝達部における移動体の把持力の調整のために圧電素子を用いている。移動体は、ランジュバン振動子での力の発生と、伝達部によって移動体を把持する力の調整と、を連動させることによって移動させている。このような構成において、駆動用のランジュバン振動子と移動体の把持力調整用の圧電素子とを別個に制御しているため、これらの駆動周波数をそろえる必要がない等設計の自由度がある。
さらに、駆動部の両端部のそれぞれに別個の移動体を配置することにより、作用部を２箇所設けたことになるため、動作部が増やすことができる。

図１〜図５は、本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータ１００の構成を示す図であって、図１は斜視図、図２は分解斜視図、図３は側面図、図４は正面図、図５は背面図である。図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。図７は、本実施形態における制御部１５０の構成を示すブロック図である。

超音波アクチュエータ１００は、駆動部１１０と、駆動部１１０に対して移動可能に配置された２つの移動体１２１、１２２と、２つの伝達部１３０、１４０と、制御部１５０（図７）と、を備える。

駆動部１１０は、第１圧電体としての第１圧電素子１１１と、第２圧電体としての第２圧電素子１１２と、支持部１１３と、第１弾性体１１４と、第２弾性体１１５と、埋め込みボルト１１６と、ナット１１７と、を備える。

第１圧電素子１１１及び第２圧電素子１１２は、それぞれ厚み方向に分極された略円板状をなしており、厚み方向において分極方向が互いに対向するように、支持部１１３を挟んで配置されている。駆動部１１０は、埋め込みボルト１１６の軸部１１６ａを、第１弾性体１１４から第１圧電素子１１１、支持部１１３、第２圧電素子１１２、及び第２弾性体１１５の順に貫通させ、ナット１１７に嵌め合わせることにより、第１圧電素子１１１及び第２圧電素子１１２を共締めする。この構成により駆動部１１０は、ランジュバン振動子を構成する。駆動部１１０は、第１圧電素子１１１と第２圧電素子１１２に通電させることにより、第１弾性体１１４と第２弾性体１１５が第１圧電素子１１１及び第２圧電素子１１２を挟持する方向Ａ（図２）に沿って伸縮する。

第１伝達部１３０は、本体部１３１と第３圧電素子１３２を備え、上記挟持方向Ａにおいて駆動部１１０の一方の端部に結合されている。また、第１伝達部１３０の本体部１３１は、駆動部１１０の振動Ｗ（図３）の略腹位置において、駆動部１１０の第１弾性体１１４に結合されている。
本体部１３１には、第１弾性体１１４と第２弾性体１１５が第１圧電素子１１１と第２圧電素子１１２を挟持する方向Ａに沿った貫通孔１３３が設けられている。この貫通孔１３３には、棒状の移動体１２１が移動可能に挿通されている。また、本体部１３１の下面には第３圧電体としての第３圧電素子１３２が貼り付けられている。

第２伝達部１４０は、支持部１１３に関して第１伝達部１３０と対称になるような形状・配置を備える。より具体的には、第２伝達部１４０は、本体部１４１と第４圧電素子１４２を備え、上記挟持方向Ａにおいて駆動部１１０の他方の端部に結合されている。また、第２伝達部１４０の本体部１４１は、駆動部１１０の振動Ｗの略腹位置において、駆動部１１０の第２弾性体１１５に結合されている。
本体部１４１には、第１弾性体１１４と第２弾性体１１５が第１圧電素子１１１と第２圧電素子１１２を挟持する方向Ａに沿った貫通孔１４３が設けられている。この貫通孔１４３には、貫通孔１３３に挿通された第１移動体１２１とは別個の棒状の第２移動体１２２が移動可能に挿通されている。また、本体部１４１の下面には第３圧電体としての第４圧電素子１４２が貼り付けられている。
以上の構成において、第１伝達部１３０、第１弾性体１１４、及び第１圧電素子１１１は、支持部１１３に関して、第２圧電素子１１２、第２弾性体１１５、及び第２伝達部１４０と略対称になるような形状・配置となっている。

第１伝達部１３０の本体部１３１は、第３圧電素子１３２に通電することにより屈曲し、これにより本体部１３１が第１移動体１２１を把持する力が発生する。また、第３圧電素子１３２への通電を停止することにより屈曲から回復し、第１移動体１２１への把持力が低減する。すなわち、第１伝達部１３０は、第１移動体１２１に対する把持力を調整可能に構成されている。

第２伝達部１４０の本体部１４１は、第４圧電素子１４２に通電することにより屈曲し、これにより本体部１４１が第２移動体１２２を把持する力が発生する。また、第４圧電素子１４２への通電を停止することにより屈曲から回復し、第２移動体１２２の把持力が低減する。すなわち、第２伝達部１４０は、第２移動体１２２に対する把持力を調整可能に構成されている。

図７に示すように、制御部１５０は、第１信号発生器１５１、第１電力増幅部１５２、遅延回路１５３、第２信号発生器１５４、及び第２電力増幅部１５５を備える。第１信号発生器１５１で発生した信号は第１電力増幅部１５２で増幅されて駆動部１１０（第１圧電素子１１１、第２圧電素子１１２）へ出力される。第２信号発生器１５４で発生した信号は第２電力増幅部１５５で増幅されて第１伝達部１３０（第３圧電素子１３２）及び第２伝達部１４０（第４圧電素子１４２）へ出力される。

駆動部１１０と第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０へ出力する信号は、遅延回路１５３を介することにより、所定の遅延時間をおいて互いに時間的に同期している。なお、駆動部１１０と２つの伝達部１３０、１４０へ出力する信号の位相を同期させない制御も可能である。

制御部１５０から駆動部１１０と２つの伝達部１３０、１４０へそれぞれ出力される２系統の信号は、駆動部１１０の第１圧電素子１１１及び第２圧電素子１１２と、第３圧電素子１３２及び第４圧電素子１４２と、にそれぞれ印加される。これにより、駆動部１１０の伸縮と、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０による把持力調整動作と、が連動し、これを繰返すことにより第１移動体１２１及び第２移動体１２２を所定の方向にリニアに駆動することができる。

ここで、第２信号発生器１５４は、第２電力増幅部１５５を介して第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０の両方に対して同じタイミングで信号を出力する。これにより、第１伝達部１３０と第２伝達部１４０は、互いに同期して第１移動体１２１と第２移動体１２２に対する把持力をそれぞれ調整することができる。

第２信号発生器１５４は、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０の両方に対して同一の信号を出力することができる。この場合、第１伝達部１３０と第２伝達部１４０による第１移動体１２１と第２移動体１２２それぞれの把持状態は互いに同一となる。

これに対して、第２信号発生器１５４は、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０の一方には信号を出力して他方には出力しないこともできる。この場合、第１伝達部１３０と第２伝達部１４０による第１移動体１２１と第２移動体１２２それぞれの把持状態は互いに逆となる。すなわち、第１移動体１２１は、信号が印加された第１伝達部１３０によって把持され、第２移動体１２２については、第２伝達部１４０に信号が印加されないため、第２伝達部１４０による把持する力は低減している。

図８、図９に示すように、支持部１１３は、第１圧電素子１１１と第２圧電素子１１２に挟まれた板状の部材である。この支持部１１３は、駆動部１１０の振動の略節位置に配置され、２枚の支持板１６１、１６２で挟持される。これにより、超音波アクチュエータ１００は、駆動部１１０の振動の略節位置で支持されるとともに、外部の部材に対して取り付け可能となる。ここで、図８は、２枚の支持板１６１、１６２で支持部１１３を固定した状態を示す斜視図である。図９は、支持部１１３と２枚の支持板１６１、１６２との関係を示す斜視図である。

次に、駆動部１１０の伸縮と２つの伝達部１３０、１４０の把持力調整を連動させることによって、２つの移動体１２１、１２２を移動させる工程について、図１０を例に挙げて説明する。図１０は、駆動部１１０の伸縮と、第１伝達部１３０の本体部１３１及び第２伝達部１４０の本体部１４１の屈曲と、による第１移動体１２１及び第２移動体１２２の把持力の変化を経時的に示す図である。図１０では、第１伝達部１３０と第２伝達部１４０による第１移動体１２１と第２移動体１２２それぞれの把持状態が互いに同一である場合を示している。

図１０（ａ）は、基本状態を示している。この基本状態においては、第１圧電素子１１１、第２圧電素子１１２、第３圧電素子１３２、及び第４圧電素子１４２には電圧が印加されていないため、駆動部１１０は伸縮しておらず、本体部１３１、１４１は屈曲していない。

図１０（ｂ）は、第１圧電素子１１１及び第２圧電素子１１２には電圧を印加しない状態を維持し、第２電力増幅部１５５から第３圧電素子１３２及び第４圧電素子１４２へ所定の電圧を同期して印加した状態を示す。この状態では、第１移動体１２１については、本体部１３１が屈曲することにより、貫通孔１３３の内面の屈曲による第１移動体１２１の把持力が発生し、これにより第１移動体１２１は第１伝達部１３０に把持される。第２移動体１２２については、本体部１４１が屈曲することにより、貫通孔１４３の内面の屈曲による第２移動体１２２の把持力が発生し、これにより第２移動体１２２は第２伝達部１４０に把持される。

図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）の状態から第３圧電素子１３２及び第４圧電素子１４２への電圧の印加を継続しつつ、第１電力増幅部１５２から第１圧電素子１１１及び第２圧電素子１１２へ所定の電圧を印加した状態を示す。図１０（ｂ）に示すタイミングと図１０（ｃ）に示すタイミングの差は、遅延回路１５３が定める遅延時間に対応する。図１０（ｃ）の状態では、第１移動体１２１及び第２移動体１２２が伝達部１３０、１４０にそれぞれ把持された状態が維持されつつ、駆動部１１０が左右へ伸張するため、第１伝達部１３０が把持する第１移動体１２１は左へ、第２伝達部１４０が把持する第２移動体１２２は右へ、それぞれ移動する。

図１０（ｄ）は、第１圧電素子１１１及び第２圧電素子１１２へ電圧を印加した状態を維持しつつ、第３圧電素子１３２及び第４圧電素子１４２への電圧の印加を停止した状態を示す。図１０（ｄ）の状態では、駆動部１１０が伸びきっている一方、伝達部１３０、１４０は屈曲から回復して移動体１２１、１２２を把持する力が低下している。

図１０（ｅ）は、第３圧電素子１３２、第４圧電素子１４２への電圧の印加を停止したまま、第１圧電素子１１１及び第２圧電素子１１２への電圧の印加を停止した状態を示す。図１０（ｄ）から図１０（ｅ）への過程において、電圧印加の停止によって駆動部１１０及び伝達部１３０、１４０は基本状態（図１０（ａ））まで縮退するが、伝達部１３０、１４０による移動体１２１、１２２の把持力が低下しているため、移動体１２１、１２２は第１伝達部１３０の移動に拘わらずに図１０（ｄ）に示す位置に留まる。

以上の動作により、第１移動体１２１は図１０（ａ）に示す状態よりも左側に移動し、第２移動体１２２は右側へ移動する。これを繰り返すことにより移動体１２１、１２２を所望の位置まで移動させることができる。

これに対して、図１０に示す動作と逆の動作を行うことによって、第１移動体１２１を右側へ、第２移動体１２２を左側へ、それぞれ移動させることもできる。
より具体的には、伝達部１３０、１４０による移動体１２１、１２２それぞれの把持力を低下させた状態で移動体１２１、１２２の位置を維持しつつ駆動部１１０を左右へ伸張させる動作と、伝達部１３０、１４０による移動体１２１、１２２それぞれの把持力を高めた状態で駆動部１１０を縮退することにより第１移動体１２１を右側へ、第２移動体１２２を左側へそれぞれ移動させる動作と、を順に行うことによって第１移動体１２１を右側へ、第２移動体１２２を左側へ、それぞれ移動させる。

図１０では、第１伝達部１３０と第２伝達部１４０による第１移動体１２１と第２移動体１２２それぞれの把持状態が互いに同一である場合を示しているが、第１移動体１２１と第２移動体１２２の把持状態を逆にしてもよい。
例えば、第１伝達部１３０については図１０と同様とする一方、第２伝達部１４０については、図１０に示す電圧印加状態とは逆に、図１０（ｂ）、（ｃ）において第４圧電素子１４２に電圧を印加せず、図（ｄ）、（ｅ）において第４圧電素子１４２に電圧を印加する。このようにすると、第１移動体１２１、第２移動体１２２ともに、図１０（ａ）に示す状態よりも左側へ移動する。

以上のように、本発明に係る超音波アクチュエータは、ランジュバン振動子を含む複数の振動子を用いた小型のアクチュエータに有用である。

１００ 超音波アクチュエータ
１１０ 駆動部
１１１ 第１圧電素子
１１２ 第２圧電素子
１１３ 支持部
１１４ 第１弾性体
１１５ 第２弾性体
１１６ 埋め込みボルト
１１６ａ 軸部
１１７ ナット
１２１ 第１移動体
１２２ 第２移動体
１３０ 第１伝達部
１３１ 本体部
１３２ 第３圧電素子
１３３ 貫通孔
１４０ 第２伝達部
１４１ 本体部
１４２ 第４圧電素子
１４３ 貫通孔
１５０ 制御部
１５１ 第１信号発生器
１５２ 第１電力増幅部
１５３ 遅延回路
１５４ 第２信号発生器
１５５ 第２電力増幅部
１６１、１６２ 支持板

Claims (4)

1. 厚み方向に分極された第１圧電体、前記第１圧電体と対向するように配置され、厚み方向に分極された第２圧電体、及び、前記第１圧電体と前記第２圧電体を挟持する第１弾性体と第２弾性体を有し、前記第１弾性体と前記第２弾性体による挟持方向に伸縮する駆動部と、
   前記駆動部に対して移動可能に配置された２つの移動体と、
   前記駆動部に結合され、前記２つの移動体に対する把持力をそれぞれ調整可能に構成された２つの伝達部と、
   前記駆動部の伸縮と前記伝達部の把持力調整を連動させる制御部と、
   を備え、
   前記２つの伝達部は前記駆動部の両端部にそれぞれ配置されていることを特徴とする超音波アクチュエータ。
2. 前記駆動部の両端部は、前記駆動部の振動の略腹位置にそれぞれ位置していることを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
3. 前記２つの伝達部は互いに同期して２つの移動体のそれぞれに対する把持力を調整し、かつ、前記２つの伝達部による２つの移動体それぞれの把持状態は互いに同一又は逆であることを特徴とする請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
4. 前記駆動部はその振動の略節位置で支持されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。

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