説明

超音波アクチュエータ

【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移動体と、駆動部に結合され、移動体に対する把持力を調整可能に構成された伝達部と、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、駆動部と伝達部を機械的及び音響的に互いに連結する連結部と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2000−152671号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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移動体と、駆動部に結合され、移動体に対する把持力を調整可能に構成された伝達部と、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、駆動部と伝達部を機械的及び音響的に互いに連結する連結部と、を備えることを特徴としている。
【0007】
本発明に係る超音波アクチュエータにおいて、連結部は、挟持方向に沿った断面径が、駆動部側よりも伝達部側の方が小さいことが好ましい。
【0008】
本発明に係る超音波アクチュエータにおいて、連結部は、駆動部側から伝達部側へ向かうほど径が小さくなるホーン形状を備えた部分を有することが好ましい。
【0009】
本発明に係る超音波アクチュエータにおいて、ホーン形状は指数形であることが好ましい。
【0010】
本発明に係る超音波アクチュエータにおいて、駆動部は、第1圧電体と第2圧電体をそれぞれ複数組み合わせた構成を備えることが好ましい。
【0011】
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。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第1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。
【図2】第1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。
【図3】第1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。
【図4】第1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。
【図5】第1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6】第1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。
【図7】第1実施形態における駆動部の伸縮と伝達部の本体部の屈曲による移動体の把持力の変化を経時的に示す図である。
【図8】第2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。
【図9】第2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。
【図10】第3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。
【図11】第3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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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独立して制御しているため、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、駆動用のランジュバン振動子の先端をホーン形状にすることによって、移動体が移動する移動量をより大きくできるとともに、ホーン形状の先端が細くなることからスペースに限りがある空間でも配置しやすくなる。
【0015】
(第1実施形態)
図1〜図5は、第1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、第1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。
【0016】
超音波アクチュエータ100は、駆動部110と、弾性連結部113と、移動体120と、伝達部130と、制御部150(図6)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、第1弾性体及び連結部としての弾性連結部113と、第2弾性体としての埋め込みナット部114と、を備える。
【0017】
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配置されている。駆動部110は、弾性連結部113から延出するボルト部113cを、第1圧電素子111及び第2圧電素子112に貫通させ、さらにナット部114の内面のネジ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、弾性連結部113とナット部114が第1圧電素子111と第2圧電素子112を挟持する方向A(図2)に沿って伸縮する。
【0018】
弾性連結部113は、駆動部110と伝達部130を機械的及び音響的に互いに連結する、すなわち、第1圧電素子111及び第2圧電素子112で発生した振動を伝達部130に効率良く伝達できるように構成されている。弾性連結部113は、第1圧電素子111と第2圧電素子112が挟持される方向Aに沿って、同心状に順に配置された、先端部113b、ホーン部113a、支持部113e、及びボルト部113cを備える。先端部113bは、筒形状の内面にネジが形成され、ボルト部113cは、外面にネジが形成されている。
【0019】
ホーン部113aは、ボルト部113c側から先端部113b側へ向かって外径が小さくなる形状を備える。別言すると、ホーン部113aは、第1圧電素子111と第2圧電素子112が挟持される方向Aに沿った断面径が、第1圧電素子111側から伝達部130側へ向かうほど小さくなるホーン形状を備える。この断面のホーン形状は、指数関数的に変化することが好ましいが、第1圧電素子111側から伝達部130側へ向かうほど小さくなっていれば、これ以外の形状であってもよい。つまり、この断面径は、第1圧電素子111側から伝達部130へ向かうほど小さくなっていれば、その途中で同じ断面径の部分があってもよい。したがって、この断面形状として、直線的に変化する形状や階段状に変化する形状とすることもできる。
【0020】
伝達部130は、本体部131と第3圧電素子132を備え、駆動部110と別体であり、連結板101によって互いに結合される。具体的には、弾性連結部113の先端部113bに対して連結板101を貫通したネジ102を嵌め込むとともに、伝達部130の本体部131に対して連結板101を貫通したネジ103を嵌め込む。
【0021】
本体部131には、弾性連結部113とナット部114が第1圧電素子111と第2圧電素子112を挟持する方向Aに沿って、貫通孔131aが設けられている。この貫通孔131aには、棒状の移動体120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。
【0022】
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が移動体120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、移動体120への把持力が低減する。
【0023】
図6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で増幅されて伝達部130(第3圧電素子132)へ出力される。
【0024】
駆動部110と伝達部130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と伝達部130へ出力する信号の位相は同期する必要はない。
【0025】
制御部150から駆動部110と伝達部130へそれぞれ出力する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と、にそれぞれ印加される。これにより、駆動部110の伸縮と伝達部130の本体部131の屈曲の動作が連動し、これを繰り返すことにより移動体120を所定の方向にリニアに駆動することができる。
【0026】
支持部113eは、ホーン部113aとボルト部113cに挟まれる位置に、これらと一体に構成された板形状をした部材である。この支持部113eは、駆動部110の振動の略節位置に配置され、例えば2枚の支持板(不図示)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。
【0027】
次に、駆動部110の伸縮と伝達部130の把持力調整を連動させることによって、移動体120を移動させる工程について、図7を例に挙げて説明する。図7は、駆動部110の伸縮と伝達部130の本体部131の屈曲による移動体120の把持力の変化を経時的に示す図である。
【0028】
図7(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、及び第3圧電素子132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は屈曲していない。
【0029】
図7(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へ所定の電圧を印加した状態を示す。この状態では、本体部131が屈曲することにより、貫通孔131aの内面の屈曲による移動体120の把持力が発生し、これにより移動体120は伝達部130に把持される。
【0030】
図7(c)は、図7(b)の状態から第3圧電素子132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7(b)に示すタイミングと図7(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7(c)の状態では、移動体120が伝達部130に把持された状態が維持されつつ、駆動部110の第1圧電素子111、第2圧電素子112に所定の電圧が印加されることによって、駆動部110が伸張するため、伝達部130が把持する移動体120は左へ移動する。
【0031】
図7(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への電圧の印加を停止した状態を示す。図7(d)の状態では、第1圧電素子111、第2圧電素子112、及びホーン部113aが伸びきっている一方、伝達部130は屈曲から回復して移動体120を把持する力は低下している。
【0032】
図7(e)は、第3圧電素子132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7(d)から図7(e)への過程において、電圧印加の停止によって第1圧電素子111、第2圧電素子112、及びホーン部113aは基本状態(図7(a))まで縮退するが、伝達部130による移動体120の把持力が低下しているため、移動体120は伝達部130の移動に拘わらずに図7(d)に示す位置に留まる。
【0033】
以上の動作により、移動体120は、図7(a)に示す状態よりも左側に移動し、これを繰り返すことにより移動体120を所望の位置まで移動させることができる。
【0034】
これに対して、図7に示す動作と逆の動作を行うことによって、移動体120を右側へ移動させることもできる。
より具体的には、伝達部130による移動体120の把持力を低下させた状態で移動体120の位置を維持しつつ駆動部110を伸張させる動作と、伝達部130による移動体120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移動体120を右側へ移動させる動作と、を順に行うことによって移動体120を右側へ移動させる。
【0035】
(第2実施形態)
第2実施形態に係る超音波アクチュエータにおいては、駆動部210に第1圧電素子及び第2圧電素子をそれぞれ複数用いる点が第1実施形態に係る超音波アクチュエータと異なる。移動体及び伝達部の構成、並びに、駆動部と伝達部の連結構造は第1実施形態に係る超音波アクチュエータと同様であるため、その図示及び詳細な説明は省略する。
【0036】
図8は、第2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。図9は、第2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。
【0037】
図8、図9に示す例では、第1圧電素子と第2圧電素子を2枚ずつ厚み方向に交互に配置している。具体的には、弾性連結部213側からナット部214側へ順に、第1圧電素子211、第2圧電素子212、第1圧電素子215、及び第2圧電素子216を配置している。
【0038】
第1圧電体としての第1圧電素子211、215、及び、第2圧電体としての第2圧電素子212、216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、厚み方向において隣り合う圧電素子の分極方向が互いに対向するように配置されている。駆動部210は、弾性連結部213から延出するボルト部213cを、第1圧電素子211、第2圧電素子212、第1圧電素子215、及び第2圧電素子216に貫通させ、さらにナット部214の内面のネジに嵌め合わせることにより、これらの4枚の圧電素子を共締めする。この構成により駆動部210は、ランジュバン振動子を構成する。駆動部210は、第1圧電素子211、215と第2圧電素子212、216に通電させることにより、弾性連結部213とナット部214が第1圧電素子211、215と第2圧電素子212、216を挟持する方向B(図9)に沿って伸縮する。なお、第2実施形態では互いに向き合った2組の圧電素子の例を示したが3組以上でももちろんよい。
【0039】
弾性連結部213は、駆動部210と伝達部130を機械的及び音響的に互いに連結する、すなわち、駆動部210で発生した振動を伝達部130に効率良く伝達できるように構成されている。弾性連結部213は、第1圧電素子211、215、及び第2圧電素子212、216が挟持される方向Bに沿って、同心状に順に配置された、先端部213b、ホーン部213a、及びボルト部213cを備える。先端部213bは、筒形状の内面にネジが形成され、ボルト部213cは、外面にネジが形成されている。
【0040】
駆動部210は、第1実施形態の制御部150と同じ構成の制御部によって制御する。制御部150による伝達部130の制御は第1実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【0041】
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210(第1圧電素子211、215、第2圧電素子212、216)へ出力される。駆動部210と伝達部130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。
【0042】
制御部150から駆動部210と伝達部130へそれぞれ出力する2系統の信号は、駆動部210の第1圧電素子211、215、及び、第2圧電素子212、216と、第3圧電素子132と、にそれぞれ印加する。これにより、駆動部210の伸縮と伝達部130の本体部131の屈曲の動作が連動し、これを繰り返すことにより移動体120を所定の方向にリニアに駆動することができる。
なお、その他の構成、作用、効果については、第1実施形態と同様である。
【0043】
(第3実施形態)
第3実施形態に係る超音波アクチュエータにおいては、駆動部310の圧電素子311を積層タイプにしている点が第1実施形態に係る超音波アクチュエータと異なる。移動体及び伝達部の構成、並びに、駆動部と伝達部の連結構造は第1実施形態に係る超音波アクチュエータと同様であるため、その図示及び詳細な説明は省略する。
【0044】
図10は、第3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。図11は、第3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。
【0045】
図10、図11に示す圧電素子311は、第1圧電素子(第1圧電体)と第2圧電素子(第2圧電体)が複数枚積層され一体焼結されたものである。ここで、第1圧電素子と第2圧電素子の枚数は、同数であればよい。また、第1圧電素子と第2圧電素子は、交互に配置することが好ましいが、同じ種類の圧電素子を連続して配置する部分があってもよい。
【0046】
第1圧電素子及び第2圧電素子は、それぞれ厚み方向に分極された略円板状をなしており、厚み方向において隣り合う圧電素子の分極方向が互いに対向するように配置されている。駆動部310は、弾性連結部313から延出するボルト部313cを、圧電素子311に貫通させ、さらにナット部314の内面のネジに嵌め合わせることにより、圧電素子311を共締めする。この構成により駆動部310は、ランジュバン振動子を構成する。駆動部310は、圧電素子311の第1圧電素子と第2圧電素子のそれぞれに通電させることにより、弾性連結部313とナット部314が圧電素子311を挟持する方向C(図11)に沿って伸縮する。
【0047】
弾性連結部313は、駆動部310と伝達部130を機械的及び音響的に互いに連結する、すなわち、圧電素子311で発生した振動を伝達部130に効率良く伝達できるように構成されている。弾性連結部313は、圧電素子311が挟持される方向Cに沿って、同心状に順に配置された、先端部313b、ホーン部313a、及びボルト部313cを備える。先端部313bは、筒形状の内面にネジが形成され、ボルト部313cは、外面にネジが形成されている。
【0048】
駆動部310は、第1実施形態の制御部150と同じ構成の制御部によって制御する。制御部150による伝達部130の制御は第1実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【0049】
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210(圧電素子311の第1圧電素子及び第2圧電素子)へ出力される。駆動部310と伝達部130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。
【0050】
制御部150から駆動部310と伝達部130へそれぞれ出力する2系統の信号は、駆動部310の圧電素子311の第1圧電素子及び第2圧電素子と、第3圧電素子132と、にそれぞれ印加する。これにより、駆動部310の伸縮と伝達部130の本体部131の屈曲の動作が連動し、これを繰返すことにより移動体120を所定の方向にリニアに駆動することができる。
なお、その他の構成、作用、効果については、第1実施形態と同様である。
【産業上の利用可能性】
【0051】
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。
【符号の説明】
【0052】
100 超音波アクチュエータ
101 連結板
102、103 ネジ
110 駆動部
111 第1圧電素子(第1圧電体)
112 第2圧電素子(第2圧電体)
113 弾性連結部(第1弾性体、連結部)
113a ホーン部
113b 先端部
113c ボルト部
113e 支持部
114 ナット部(第2弾性体)
120 移動体
130 伝達部
131 本体部
131a 貫通孔
132 第3圧電素子(第3圧電体)
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
210 駆動部
211 第1圧電素子(第1圧電体)
212 第2圧電素子(第2圧電体)
213 弾性連結部(第1弾性体、連結部)
213a ホーン部
213b 先端部
213c ボルト部
214 ナット部(第2弾性体)
215 第1圧電素子(第1圧電体)
216 第2圧電素子(第2圧電体)
310 駆動部
311 圧電素子(第1圧電体、第2圧電体)
313 弾性連結部(第1弾性体、連結部)
313a ホーン部
313b 先端部
313c ボルト部
314 ナット部(第2弾性体)

【特許請求の範囲】
【請求項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移動体と、
前記駆動部に結合され、前記移動体に対する把持力を調整可能に構成された伝達部と、
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、
前記駆動部と前記伝達部を機械的及び音響的に互いに連結する連結部と、
を備えることを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項2】
前記連結部は、前記挟持方向に沿った断面径が、前記駆動部側よりも前記伝達部側の方が小さい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。
【請求項3】
前記連結部は、前記駆動部側から前記伝達部側へ向かうほど径が小さくなるホーン形状を備えた部分を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項4】
前記ホーン形状は指数形であることを特徴とする請求項3に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項5】
前記駆動部は、前記第1圧電体と前記第2圧電体をそれぞれ複数組み合わせた構成を備えることを特徴とする請求項3に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項6】
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5のいずれか1項に記載の超音波アクチュエータ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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