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、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、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、移動体に対する把持力の調整を可能にするように伝達部を変形させる第３圧電体を備え、制御部は、駆動部の伸縮に対応して、伝達部の屈曲状態を変化させることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る超音波アクチュエータにおいて、第３圧電体は積層構造と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、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】
【００１０】
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】
【００１１】
【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】図４のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。
【図７】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８】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】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】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１１】第１実施形態の第１変形例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１２】第１実施形態の第１変形例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１３】第１実施形態の第２変形例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１４】第１実施形態の第２変形例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１５】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１６】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１７】第３実施形態における伝達部の本体部に移動体を挿通させた状態を示す斜視図である。
【図１８】第３実施形態における本体部に移動体を挿通させた状態を示す側面図である。
【図１９】第３実施形態における本体部と移動体の構成を示す分解斜視図である。
【図２０】第３圧電素子を駆動させて本体部が屈曲したときの本体部の内部を示す断面図である。
【図２１】第３実施形態の変形例における伝達部の本体部に移動体を挿通させた状態を示す斜視図である。
【図２２】第３実施形態の変形例における第３圧電素子に移動体を挿通させた状態を示す側面図である。
【図２３】第３実施形態の変形例における本体部と移動体の構成を示す分解斜視図である。
【図２４】第３実施形態の変形例における第３圧電素子と第３圧電素子を駆動させて本体部が屈曲したときの本体部の内部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
（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、図４のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。図７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。
【００１４】
超音波アクチュエータ１００は、駆動部１１０と、移動体１２０と、伝達部１３０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、第１弾性体としてのナット部１１３と、第２弾性体としての埋め込みボルト１１４と、を備える。ナット部１１３は支持部１１３ｅを備える。
【００１５】
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、埋め込みボルト１１４から延出する軸部１１４ａ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１１３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、ナット部１１３と埋め込みボルト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。
【００１６】
伝達部１３０は、本体部１３１と第３圧電素子１３２を備え、駆動部１１０と一体で構成されている。具体的には、伝達部１３０の本体部１３１が駆動部１１０のナット部１１３と一体に構成されている。
本体部１３１には、ナット部１１３と埋め込みボルト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に沿った貫通孔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。
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。
【００１７】
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で増幅されて伝達部１３０（第３圧電素子１３２）へ出力される。
【００１８】
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。
【００１９】
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、にそれぞれ印加する。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。
【００２０】
図８、図９に示すように、支持部１１３ｅは、ナット部１１３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。
【００２１】
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１０を例に挙げて説明する。図１０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。
【００２２】
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、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。
【００２３】
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。
【００２４】
図１０（ｃ）は、図１０（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、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が左側へ伸張するため、伝達部１３０が把持する移動体１２０は左へ移動する。
【００２５】
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。
【００２６】
図１０（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は基本状態（図１０（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１０（ｄ）に示す位置に留まる。
【００２７】
以上の動作により、移動体１２０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移動体１２０を所望の位置まで移動させることができる。
【００２８】
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、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を左側へ伸張させる動作と、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を右側へ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。
【００２９】
次に第１実施形態の変形例について説明する。
図１１は、第１実施形態の第１変形例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１２は、第１変形例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。
【００３０】
図１１、図１２に示すように、第１変形例に係る超音波アクチュエータにおいては、移動体１２０の先端に連結部１７０が固着できるようになっている点が第１実施形態に係る超音波アクチュエータと異なる。その他の構成は第１実施形態に係る超音波アクチュエータと同様であって、同じ部材については同じ参照符号を使用する。連結部１７０に外部の動作部を連結することにより動作部を動かすことが可能となる。
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。
【００３１】
図１３は、第１実施形態の第２変形例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１４は、第２変形例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。
【００３２】
図１３、図１４に示すように、第２変形例に係る超音波アクチュエータにおいては、第１実施形態の移動体１２０に代えて板状の移動体１９０を使用し、伝達部１８０は、移動体１９０が移動可能に挿通される貫通孔１８１ａを備えた本体部１８１を有する。貫通孔１８１ａは、ナット部１１３と埋め込みボルト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に沿うように形成されている。その他の構成は第１実施形態に係る超音波アクチュエータと同様であって、同じ部材については同じ参照符号を使用する。移動体１９０の先端には２つの孔１９１、１９２が設けられており外部の部材と接合可能になっている。
【００３３】
（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と伝達部２３０とが別体である点が第１実施形態に係る超音波アクチュエータと異なる。その他の構成は第１実施形態に係る超音波アクチュエータと同様であって、第２実施形態の第１圧電素子２１１、第２圧電素子２１２、ナット部２１３、埋め込みボルト２１４、移動体２２０、支持部２１３ｅは、第１実施形態の第１圧電素子１１１、第２圧電素子１１２、ナット部１１３、埋め込みボルト１１４、移動体１２０、支持部１１３ｅにそれぞれ対応する。以下の説明では、これら第１圧電素子２１１、第２圧電素子２１２、ナット部２１３、埋め込みボルト２１４、移動体２２０、支持部２１３ｅの構成についての詳細な説明は省略する。
【００３４】
図１５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１６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。
第２実施形態に係る超音波アクチュエータ２００は、駆動部２１０と、移動体２２０と、伝達部２３０と、を備える。また、駆動部２１０及び伝達部２３０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。
【００３５】
駆動部２１０と伝達部２３０は別体で構成されており、連結板２０１によって互いに結合する。具体的には、駆動部２１０のナット部２１３に対して連結板２０１を貫通したネジ２０２を嵌め込むとともに、伝達部２３０の本体部２３１に対して連結板２０１を貫通したネジ２０３を嵌め込む。
【００３６】
第１実施形態の本体部１３１と同様に、本体部２３１には貫通孔２３１ａが設けられており、その中に棒状の移動体２２０が移動可能に挿通されている。また、本体部２３１の下面には第３圧電体としての第３圧電素子２３２が貼り付けられている。
伝達部２３０の本体部２３１は、第３圧電素子２３２に通電させることにより屈曲し、これにより貫通孔２３１ａが移動体２２０を把持する力が増加する。また、第３圧電素子２３２への通電を停止させることにより屈曲から回復し、移動体２２０の把持力を低減する。
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。
【００３７】
（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、伝達部３３０の本体部３３１に取り付ける第３圧電素子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。伝達部３３０の本体部３３１以外の構成は第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。
また、伝達部３３０は、第１実施形態のように駆動部と一体とする形態と、第２実施形態のように駆動部と別体とする形態のいずれも適用可能である。
【００３８】
図１７は、第３実施形態における伝達部３３０の本体部３３１に移動体３２０を挿通させた状態を示す斜視図である。図１８は、本体部３３１に移動体３２０を挿通させた状態を示す側面図である。図１９は、本体部３３１と移動体３２０の構成を示す分解斜視図である。図２０は、第３圧電素子３３２に通電させて本体部３３１が屈曲したときの本体部３３１の内部を示す断面図である。図２０に示す断面は、図１７のＸＸ−ＸＸ線における断面に対応している。
【００３９】
本体部３３１には、第１実施形態と同様に、貫通孔３３１ａが設けられており、棒状の移動体３２０が移動可能に挿通されている。また、本体部３３１の下面に設けた凹部３３１ｂには第３圧電体としての第３圧電素子３３２が埋め込まれている。第３圧電素子３３２の埋め込みは、凹部３３１ｂに圧入することによって行うのが好ましい。
【００４０】
第３圧電素子３３２は、短冊状の圧電素子を積層した圧電素子であって、その積層方向は貫通孔３３１ａが延びる方向に沿っている。この第３圧電素子３３２に通電させると、図２０に示すように、本体部３３１は屈曲し、これにより貫通孔３３１ａが移動体３２０を把持する力が発生する。
積層タイプの第３圧電素子３３２を用いることにより、本体部３３１を曲げる力を強くすることができ、移動体３２０をしっかり把持・固定できる。
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。
【００４１】
次に、第３実施形態の変形例について説明する。
図２１は、第３実施形態の変形例における伝達部４３０の本体部４３１に移動体４２０を挿通させた状態を示す斜視図である。図２２は、第３圧電素子４３２に移動体４２０を挿通させた状態を示す側面図である。図２３は、本体部４３１と移動体４２０の構成を示す分解斜視図である。図２４は、第３圧電素子４３２と第３圧電素子４３３に通電させて本体部４３１が屈曲したときの本体部４３１の内部を示す断面図である。図２４に示す断面は、図２１のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線における断面に対応している。
【００４２】
本体部４３１には、第１実施形態と同様に、貫通孔４３１ａが設けられており、棒状の移動体４２０が移動可能に挿通されている。さらに、本体部４３１の上下面にそれぞれ設けた２つの凹部４３１ｂ、４３１ｃには、第３圧電体としての第３圧電素子４３２、４３３がそれぞれ埋め込まれている。第３圧電素子４３２、４３３の埋め込みは、凹部４３１ｂ、４３１ｃへの圧入によって行うことが好ましい。
【００４３】
第３圧電素子４３２、４３３は、短冊状の圧電素子を積層して平板状とした圧電素子であって、その積層方向は貫通孔４３１ａが延びる方向に沿っている。例えば、第３圧電素子４３２に対してはその上下面に沿った方向において縮むように電圧を印加し、かつ、第３圧電素子４３３に対してはその上下面に沿った方向において延びるように電圧を印加すると、伝達部４３０の本体部４３１は図２４に示すように屈曲し、これにより貫通孔４３１ａが移動体４２０を把持する力が発生する。
【００４４】
積層タイプの第３圧電素子３３２を用いることにより、本体部３３１を曲げる力を強くすることができ、移動体３２０をしっかり把持・固定できる。
積層タイプの２つの第３圧電素子４３２、４３３を使用するため、本体部４３１を曲げる力がより強くなり移動体４２０をしっかりと把持・固定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
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】
【００４６】
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ナット部
１１３ｅ支持部
１１４埋め込みボルト
１１４ａ軸部
１２０移動体
１３０伝達部
１３１本体部
１３１ａ貫通孔
１３２第３圧電素子
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
１７０連結部
１８０伝達部
１８１本体部
１８１ａ貫通孔
１９０移動体
１９１、１９２孔
２００超音波アクチュエータ
２０１連結板
２０２、２０３ネジ
２１０駆動部
２１１第１圧電素子
２１２第２圧電素子
２１３ナット部
２１３ｅ支持部
２１４埋め込みボルト
２２０移動体
２３０伝達部
２３１本体部
２３１ａ貫通孔
２３２第３圧電素子
３２０移動体
３３０伝達部
３３１本体部
３３１ａ貫通孔
３３１ｂ凹部
３３２第３圧電素子
４２０移動体
４３０伝達部
４３１本体部
４３１ａ貫通孔
４３１ｂ、４３１ｃ凹部
４３２、４３３第３圧電素子

【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、
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】
前記移動体に対する把持力の調整を可能にするように前記伝達部を変形させる第３圧電体を備え、
前記制御部は、前記駆動部の伸縮に対応して、前記伝達部の屈曲状態を変化させ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３】
前記第３圧電体を積層構造とした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。
【請求項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。

【図１】