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複数の移動体と、駆動部に結合され、複数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複数の伝達部と、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、複数の伝達部は、挟持方向において駆動部の一方の端部側に配置されるとともに、駆動部の振動の複数の腹位置にそれぞれ配置されている。
【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複数の移動体と、駆動部に結合され、複数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複数の伝達部と、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、複数の伝達部は、挟持方向において駆動部の一方の端部側に配置されるとともに、駆動部の振動の複数の腹位置にそれぞれ配置されている。
【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複数の移動体と、駆動部に結合され、複数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複数の伝達部と、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、複数の伝達部は、挟持方向において駆動部の一方の端部側に配置されるとともに、駆動部の振動の複数の腹位置にそれぞれ配置されてい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、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。
【発明の効果】
【０００８】
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】
【０００９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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６】図４のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。
【図７】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。
【図８】本発明の第１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。
【図９】本発明の第１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。
【図１０】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
また、駆動部の一方の端部側に複数の伝達部を配置したことにより、作用部を２箇所設けたことになるため、動作部を増やすことができる。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。弾性連結部１１３は支持部１１３ｅを備える。
【００１４】
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。
【００１５】
弾性連結部１１３は、駆動部１１０と２つの伝達部１３０、１４０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で発生した振動を第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０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。
【００１６】
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側から第１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側から第１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。
【００１７】
第１伝達部１３０は、本体部１３１と第３圧電素子１３２を備え、第１連結板１０１によって駆動部１１０に結合される。第２伝達部１４０は、本体部１４１と第４圧電素子１４２を備え、第２連結板１０６によって駆動部１１０に結合される。
第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０は、支持部１１３ｅに関して、駆動部１１０の一方の端部側に配置されている。
【００１８】
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、１０１によって駆動部１１０の先端部１１３ｂに結合されている。第２伝達部１４０の本体部１４１は、第１伝達部１３０が配置された腹位置とは別の略腹位置において、１０６によって駆動部１１０の先端部１１３ｂに結合されている。
【００１９】
第１伝達部１３０と第２伝達部１４０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に垂直な方向において、互いにずれた位置に配置される。
具体的には、第２伝達部１４０については、弾性連結部１１３の先端部１１３ｂを第２連結板１０６に貫通させるとともに、１０６を貫通したネジ１０８を本体部１４１に嵌め込む。１０６は、先端部１１３ｂの所定位置に固着する。第１伝達部１３０については、弾性連結部１１３の先端部１１３ｂに対して、第１連結板１０１を貫通したネジ１０２を嵌め込むとともに、第１連結板１０１を貫通したネジ１０４を本体部１３１に嵌め込む。
【００２０】
第１伝達部１３０の本体部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１３３が設けられている。この貫通孔１３３には、棒状の第１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。
【００２１】
第２伝達部１４０の本体部１４１には、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、貫通孔１４３が設けられている。この貫通孔１４３には、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の上面には第４圧電体としての第４圧電素子１４２が貼り付けられている。
【００２２】
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、本体部１３１は、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。
【００２３】
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、本体部１４１は、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へ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。
【００２４】
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。
【００２５】
駆動部１１０と、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０と、へそれぞれ出力する信号は、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と、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。
【００２６】
制御部１５０から駆動部１１０と２つの伝達部１３０、１４０へそれぞれ出力する信号は、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による把持力調整の動作と、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。
【００２７】
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。
【００２８】
第２信号発生器１５４が、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した場合、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。
【００２９】
これに対して、第２信号発生器１５４が、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。
【００３０】
図８、図９に示すように、支持部１１３ｅは、ホーン部１１３ａとボルト部１１３ｃに挟まれ、これらと一体に構成された板状の部材である。この支持部１１３ｅは、駆動部１１０の振動の略節位置に配置され、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１１３ｅを固定した状態を示す斜視図である。図９は、支持部１１３ｅと２枚の支持板１６１、１６２との関係を示す斜視図である。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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が伸張するため、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０がそれぞれ把持する第１移動体１２１及び第２移動体１２２は左へ移動する。
【００３５】
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、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、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０は屈曲から回復して第１移動体１２１及び第２移動体１２２それぞれを把持する力は低下している。
【００３６】
図１０（ｅ）は、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１０（ａ））まで縮退するが、伝達部１３０、１４０による移動体１２１、１２２それぞれの把持力が低下しているため、第１移動体１２１及び第２移動体１２２は第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０の移動に拘わらずに図１０（ｄ）に示す位置に留まる。
【００３７】
以上の動作により、第１移動体１２１及び第２移動体１２２は、図１０（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第１移動体１２１及び第２移動体１２２を所望の位置まで移動させることができる。
【００３８】
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及び第２移動体１２２を右側へ移動させることもできる。
より具体的には、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０による第１移動体１２１及び第２移動体１２２の把持力を低下させた状態で第１移動体１２１及び第２移動体１２２の位置を維持しつつ駆動部１１０を伸張させる動作と、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０による第１移動体１２１及び第２移動体１２２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及び第２移動体１２２を右側へ移動させる動作と、を順に行うことによって第１移動体１２１及び第２移動体１２２を右側へ移動させる。
【００３９】
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、図１０（ａ）に示す状態に対して、第１移動体１２１は左側へ、第２移動体１２２は右側へ、それぞれ移動する。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
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】
【００４１】
１００ 超音波アクチュエータ
１０１ 第１連結板
１０２、１０４ ネジ
１０６ 第２連結板
１０８ ネジ
１１０ 駆動部
１１１ 第１圧電素子
１１２ 第２圧電素子
１１３ 弾性連結部
１１３ａ ホーン部
１１３ｂ 先端部
１１３ｃ ボルト部
１１３ｅ 支持部
１１４ ナット部
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
【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複数の移動体と、駆動部に結合され、複数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複数の伝達部と、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、複数の伝達部は、挟持方向において駆動部の一方の端部側に配置されるとともに、駆動部の振動の複数の腹位置にそれぞれ配置されてい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、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。
【発明の効果】
【０００８】
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】
【０００９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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６】図４のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。
【図７】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。
【図８】本発明の第１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。
【図９】本発明の第１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。
【図１０】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
また、駆動部の一方の端部側に複数の伝達部を配置したことにより、作用部を２箇所設けたことになるため、動作部を増やすことができる。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。弾性連結部１１３は支持部１１３ｅを備える。
【００１４】
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。
【００１５】
弾性連結部１１３は、駆動部１１０と２つの伝達部１３０、１４０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で発生した振動を第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０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。
【００１６】
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側から第１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側から第１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。
【００１７】
第１伝達部１３０は、本体部１３１と第３圧電素子１３２を備え、第１連結板１０１によって駆動部１１０に結合される。第２伝達部１４０は、本体部１４１と第４圧電素子１４２を備え、第２連結板１０６によって駆動部１１０に結合される。
第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０は、支持部１１３ｅに関して、駆動部１１０の一方の端部側に配置されている。
【００１８】
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、１０１によって駆動部１１０の先端部１１３ｂに結合されている。第２伝達部１４０の本体部１４１は、第１伝達部１３０が配置された腹位置とは別の略腹位置において、１０６によって駆動部１１０の先端部１１３ｂに結合されている。
【００１９】
第１伝達部１３０と第２伝達部１４０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に垂直な方向において、互いにずれた位置に配置される。
具体的には、第２伝達部１４０については、弾性連結部１１３の先端部１１３ｂを第２連結板１０６に貫通させるとともに、１０６を貫通したネジ１０８を本体部１４１に嵌め込む。１０６は、先端部１１３ｂの所定位置に固着する。第１伝達部１３０については、弾性連結部１１３の先端部１１３ｂに対して、第１連結板１０１を貫通したネジ１０２を嵌め込むとともに、第１連結板１０１を貫通したネジ１０４を本体部１３１に嵌め込む。
【００２０】
第１伝達部１３０の本体部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１３３が設けられている。この貫通孔１３３には、棒状の第１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。
【００２１】
第２伝達部１４０の本体部１４１には、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、貫通孔１４３が設けられている。この貫通孔１４３には、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の上面には第４圧電体としての第４圧電素子１４２が貼り付けられている。
【００２２】
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、本体部１３１は、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。
【００２３】
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、本体部１４１は、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へ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。
【００２４】
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。
【００２５】
駆動部１１０と、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０と、へそれぞれ出力する信号は、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と、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。
【００２６】
制御部１５０から駆動部１１０と２つの伝達部１３０、１４０へそれぞれ出力する信号は、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による把持力調整の動作と、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。
【００２７】
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。
【００２８】
第２信号発生器１５４が、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した場合、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。
【００２９】
これに対して、第２信号発生器１５４が、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。
【００３０】
図８、図９に示すように、支持部１１３ｅは、ホーン部１１３ａとボルト部１１３ｃに挟まれ、これらと一体に構成された板状の部材である。この支持部１１３ｅは、駆動部１１０の振動の略節位置に配置され、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１１３ｅを固定した状態を示す斜視図である。図９は、支持部１１３ｅと２枚の支持板１６１、１６２との関係を示す斜視図である。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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が伸張するため、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０がそれぞれ把持する第１移動体１２１及び第２移動体１２２は左へ移動する。
【００３５】
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、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、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０は屈曲から回復して第１移動体１２１及び第２移動体１２２それぞれを把持する力は低下している。
【００３６】
図１０（ｅ）は、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１０（ａ））まで縮退するが、伝達部１３０、１４０による移動体１２１、１２２それぞれの把持力が低下しているため、第１移動体１２１及び第２移動体１２２は第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０の移動に拘わらずに図１０（ｄ）に示す位置に留まる。
【００３７】
以上の動作により、第１移動体１２１及び第２移動体１２２は、図１０（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第１移動体１２１及び第２移動体１２２を所望の位置まで移動させることができる。
【００３８】
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及び第２移動体１２２を右側へ移動させることもできる。
より具体的には、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０による第１移動体１２１及び第２移動体１２２の把持力を低下させた状態で第１移動体１２１及び第２移動体１２２の位置を維持しつつ駆動部１１０を伸張させる動作と、第１伝達部１３０及び第２伝達部１４０による第１移動体１２１及び第２移動体１２２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及び第２移動体１２２を右側へ移動させる動作と、を順に行うことによって第１移動体１２１及び第２移動体１２２を右側へ移動させる。
【００３９】
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、図１０（ａ）に示す状態に対して、第１移動体１２１は左側へ、第２移動体１２２は右側へ、それぞれ移動する。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
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】
【００４１】
１００ 超音波アクチュエータ
１０１ 第１連結板
１０２、１０４ ネジ
１０６ 第２連結板
１０８ ネジ
１１０ 駆動部
１１１ 第１圧電素子
１１２ 第２圧電素子
１１３ 弾性連結部
１１３ａ ホーン部
１１３ｂ 先端部
１１３ｃ ボルト部
１１３ｅ 支持部
１１４ ナット部
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
【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複数の移動体と、
前記駆動部に結合され、前記複数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複数の伝達部と、
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、
前記複数の伝達部は、前記挟持方向において前記駆動部の一方の端部側に配置されるとともに、前記駆動部の振動の複数の腹位置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。
【請求項２】
２つの前記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つの前記伝達部による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１に記載の超音波アクチュエータ。
【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複数の移動体と、
前記駆動部に結合され、前記複数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複数の伝達部と、
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、
前記複数の伝達部は、前記挟持方向において前記駆動部の一方の端部側に配置されるとともに、前記駆動部の振動の複数の腹位置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。
【請求項２】
２つの前記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つの前記伝達部による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１に記載の超音波アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−３８９８２（Ｐ２０１３−３８９８２Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７４８００（Ｐ２０１１−１７４８００）
【出願日】平成２３年８月１０日（２０１１．８．１０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１０日（２０１１．８．１０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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