(57)【要約】【課題】  本発明は、圧電素子の振動により振動体を振動させ被駆動部材を駆動するアクチュエータに関し、単相励振による周波数変化で進行方向を切り換えることを目的とする。【解決手段】  圧電素子の振動により振動体を振動させ、前記振動体の振動により被駆動部材を駆動するアクチュエータにおいて、前記振動体の前記被駆動部材側に、前記被駆動部材に接触し共振周波数の異なる第１の突起部および第２の突起部を、間隔を置いて逆向きに傾斜して形成するとともに、前記圧電素子の共振周波数を前記第１の突起部の共振周波数と前記第２の突起部の共振周波数との間の値にしてなることを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子の振動により振動体を振動させ、前記振動体の振動により被駆動部材を駆動するアクチュエータにおいて、
前記振動体の前記被駆動部材側に、前記被駆動部材に接触し共振周波数の異なる第１の突起部および第２の突起部を、間隔を置いて逆向きに傾斜して形成するとともに、前記圧電素子の共振周波数を前記第１の突起部の共振周波数と前記第２の突起部の共振周波数との間の値にしてなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のアクチュエータにおいて、
前記第１の突起部の共振周波数と前記第２の突起部の共振周波数を、前記第１の突起部と第２の突起部の大きさを異ならせることにより異ならせてなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のアクチュエータにおいて、
前記第１の突起部と第２の突起部とを、外側に向けて傾斜して形成してなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のアクチュエータにおいて、
前記第１の突起部と第２の突起部の先端を、円弧状に形成してなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載のアクチュエータにおいて、
前記振動体は、前記第１の突起部と第２の突起部が形成される本体部の両側に固定部を有し、前記本体部と前記固定部との間に括れ部が形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載のアクチュエータにおいて、
前記振動体は、導電性の金属からなり、前記第１の突起部と第２の突起部が形成される本体部の両側に固定部を有し、前記固定部が導電性の支持部材に固定されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載のアクチュエータにおいて、
前記圧電素子は、バルク圧電素子からなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項８】
請求項７記載のアクチュエータにおいて、
前記圧電素子は、前記振動体側の断面積が小さい段差形状をしていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載のアクチュエータにおいて、
前記アクチュエータは、マイクロ超音波リニアモータであり、前記被駆動部材が直線駆動されるスライダであることを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の振動により振動体を振動させ被駆動部材を駆動するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子の振動により振動体を振動させ被駆動部材を駆動する超音波リニアモータとして、例えば、特開２００３−１８００９１号公報に開示されるものが知られている。
この超音波リニアモータでは、弾性体に３個の振動素子が取り付けられ、３個の振動素子に周波数が同じで位相の異なる高周波電圧を印加することにより、被駆動体の駆動が行われる。
【特許文献１】特開２００３−１８００９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した超音波リニアモータでは、弾性体に３個の振動素子を取り付け、３個の振動素子に周波数が同じで位相の異なる高周波電圧を印加して進行方向を切り換えているため、駆動回路が複雑になり、また、超音波リニアモータが大型化するという問題があった。
本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、単相励振による周波数変化で進行方向を切り換えることができる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】
【０００４】
請求項１のアクチュエータは、圧電素子の振動により振動体を振動させ、前記振動体の振動により被駆動部材を駆動するアクチュエータにおいて、前記振動体の前記被駆動部材側に、前記被駆動部材に接触し共振周波数の異なる第１の突起部および第２の突起部を、間隔を置いて逆向きに傾斜して形成するとともに、前記圧電素子の共振周波数を前記第１の突起部の共振周波数と前記第２の突起部の共振周波数との間の値にしてなることを特徴とする。
【０００５】
請求項２のアクチュエータは、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記第１の突起部の共振周波数と前記第２の突起部の共振周波数を、前記第１の突起部と第２の突起部の大きさを異ならせることにより異ならせてなることを特徴とする。
請求項３のアクチュエータは、請求項１または請求項２記載のアクチュエータにおいて、前記第１の突起部と第２の突起部とを、外側に向けて傾斜して形成してなることを特徴とする。
【０００６】
請求項４のアクチュエータは、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のアクチュエータにおいて、前記第１の突起部と第２の突起部の先端を、円弧状に形成してなることを特徴とする。
請求項５のアクチュエータは、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載のアクチュエータにおいて、前記振動体は、前記第１の突起部と第２の突起部が形成される本体部の両側に固定部を有し、前記本体部と前記固定部との間に括れ部が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項６のアクチュエータは、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載のアクチュエータにおいて、前記振動体は、導電性の金属からなり、前記第１の突起部と第２の突起部が形成される本体部の両側に固定部を有し、前記固定部が導電性の支持部材に固定されていることを特徴とする。
請求項７のアクチュエータは、請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載のアクチュエータにおいて、前記圧電素子は、バルク圧電素子からなることを特徴とする。
【０００８】
請求項８のアクチュエータは、請求項７記載のアクチュエータにおいて、前記圧電素子は、前記振動体側の断面積が小さい段差形状をしていることを特徴とする。
請求項９のアクチュエータは、請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載のアクチュエータにおいて、前記アクチュエータは、マイクロ超音波リニアモータであり、前記被駆動部材が直線駆動されるスライダであることを特徴とする。
【０００９】
（作用）
請求項１のアクチュエータでは、例えば、第１の突起部の共振周波数が、第２の突起部の共振周波数より小さく設定される。そして、圧電素子を第１の突起部の共振周波数と圧電素子の共振周波数との間の駆動周波数で縦振動させると、第１の突起部にたわみ振動が生じ被駆動部材が第１の突起部側に向けて移動される。
【００１０】
一方、圧電素子を第２の突起部の共振周波数と圧電素子の共振周波数との間の駆動周波数で縦振動させると、第２の突起部にたわみ振動が生じ被駆動部材が第２の突起部側に向けて移動される。
請求項２のアクチュエータでは、第１の突起部と第２の突起部の大きさを異ならせることにより、第１の突起部の共振周波数と第２の突起部の共振周波数とが異なるものにされる。
【００１１】
請求項３のアクチュエータでは、外側に向けて傾斜される第１の突起部と第２の突起部に、被駆動部材が接触される。
請求項４のアクチュエータでは、円弧状に形成される第１の突起部と第２の突起部の先端に、被駆動部材が接触される。
請求項５のアクチュエータでは、第１の突起部と第２の突起部が形成される本体部の両側に、括れ部を介して、固定部が形成される。
【００１２】
請求項６のアクチュエータでは、振動体および支持部材が導電性を有しており、圧電素子と支持部材との間に電圧が印加される。
請求項７のアクチュエータでは、圧電素子に、圧電薄膜より大きな電圧を印加可能なバルク圧電素子が使用される。
請求項８のアクチュエータでは、圧電素子が、振動体側の断面積が小さい段差形状とされている。
【００１３】
請求項９のアクチュエータでは、マイクロ超音波リニアモータによりスライダが駆動される。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１のアクチュエータでは、振動体の被駆動部材側に、被駆動部材に接触し共振周波数の異なる第１の突起部および第２の突起部を間隔を置いて逆向きに傾斜して形成し、圧電素子の共振周波数を第１の突起部の共振周波数と第２の突起部の共振周波数との間の値にしたので、単相励振による周波数変化で進行方向を切り換えることができる。
請求項２のアクチュエータでは、第１の突起部と第２の突起部の大きさを異ならせて、第１の突起部の共振周波数と第２の突起部の共振周波数とを異ならせたので、共振周波数を容易，確実に異なるものにすることができる。
【００１５】
請求項３のアクチュエータでは、第１の突起部と第２の突起部とを、外側に向けて傾斜して形成したので、被駆動部材への接触状態を安定したものにすることができる。
請求項４のアクチュエータでは、第１の突起部と第２の突起部の先端を円弧状に形成したので、第１の突起部と第２の突起部が変形した場合にも、被駆動部材への接触状態を一定に保つことができる。
【００１６】
請求項５のアクチュエータでは、振動体の本体部と固定部との間に括れ部を形成したので、固定部を固定することにより生じる本体部の振動への影響を低減することができる。
請求項６のアクチュエータでは、振動体および支持部材を導電性の部材により形成したので、圧電素子と支持部材との間に電圧を印加することにより、アクチュエータを作動することができる。
【００１７】
請求項７のアクチュエータでは、圧電素子に圧電薄膜を使用することなくバルク圧電素子を使用したので、印加電圧を大きくすることが可能になり、これによりアクチュエータの出力を増大することができる。
請求項８のアクチュエータでは、圧電素子を振動体側の断面積が小さい段差形状にしたので、一次縦振動共振周波数を低く設定することができ、また、同じ印加電圧でより大きな振動速度を得ることができる。
【００１８】
請求項９のアクチュエータでは、微細なマイクロ超音波リニアモータにより、微細なスライダを駆動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
図１および図２は、本発明のアクチュエータの一実施形態を示している。
この実施形態のアクチュエータは、マイクロ超音波リニアモータであり、被駆動部材が直線駆動されるスライダとされている。
このアクチュエータは、圧電素子１１と振動体１３とを備えている。
【００２０】
振動体１３は、弾性を有する導電性の金属からなり、本体部１３ａの両側に固定部１３ｂを有している。
振動体１３の本体部１３ａには、被駆動部材であるスライダ１５側に、第１の突起部１３ｃおよび第２の突起部１３ｄが間隔を置いて一体形成されている。第１の突起部１３ｃおよび第２の突起部１３ｄの先端は、スライダ１５に接触されている。第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄの先端は、半径の異なる円弧状に形成されている。この実施形態では、第１の突起部１３ｃの半径が第２の突起部１３ｄの半径より大径とされ、第１の突起部１３ｃの共振周波数ｆLが第２の突起部１３ｄの共振周波数ｆRより低くされている。第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄは、対向して形成されており、外側に向けて傾斜して形成されている。
【００２１】
振動体１３の本体部１３ａと固定部１３ｂとの間には、括れ部１３ｅが形成されており、この括れ部１３ｅにより本体部１３ａの振動への影響が低減されている。固定部１３ｂの側面には、凹部１３ｆが形成されている。この凹部１３ｆには、例えば、厚さ１ｍｍの隣青銅板からなる導電性の支持部材１７の突出部１７ａが嵌合され、固定部１３ｂが支持部材１７に固定されている。
【００２２】
圧電素子１１は、バルク圧電素子１１からなる。圧電素子１１は、直方体状をしており、段差部１１ａにより小径部１１ｂと大径部１１ｃが形成されている。小径部１１ｂの先端は、振動体１３の本体部１３ａの第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄの反対側に形成される凹部１３ｈに嵌挿され、例えば、エポキシ樹脂により接着されている。圧電素子１１の共振周波数ｆPZTは、第１の突起部１３ｃの共振周波数ｆLと第２の突起部１３ｄの共振周波数ｆRとの間の値にされている。圧電素子１１の大径部１１ｃの底面には、電極１９が形成されている。そして、電圧が、この電極１９と支持部材１７の突出部１７ａとの間に印加される。
【００２３】
なお、この実施形態では、スライダ１５は、図示しない固定部材に固定されるボールを用いたリニアガイドにより案内されている。
上述したアクチュエータでは、図３に示すように、圧電素子１１は一次縦振動モードで振動するが、その縦振動は振動体１３の第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄの一次たわみ振動に変換される。そして、圧電素子１１に段差部１１ａを設けたので、圧電素子１１の一次縦振動共振周波数を低く設定し、同じ印加電圧でより大きい振動速度を得ることが可能である。圧電素子１１の一次縦振動共振周波数は、圧電素子１１の共振周波数ｆPZTにほぼ等しいが、第１の突起部１３ｃの共振周波数ｆL＜圧電素子１１の共振周波数ｆPZT＜第２の突起部１３ｄの共振周波数ｆRとなっている。これにより周波数制御でのスライダ１５の移動方向の切り替えを可能にしている。
【００２４】
図４は、上述したアクチュエータの動作原理を示している。
第１の突起部１３ｃの共振周波数ｆLと第２の突起部１３ｄの共振周波数ｆRのずれにより、第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄでの縦振動およびたわみ振動の間には(ａ)に示すような位相差が存在する。そして、(ａ)に示すように、ｆL＜ｆ1＜ｆPZTである駆動周波数ｆ1では、第１の突起部１３ｃの２つの直交する振動の位相差が９０°となり、(ｃ)に示すように、第１の突起部１３ｃの先端に楕円軌跡が生じる。
【００２５】
一方、第２の突起部１３ｄでは、２つの振動の位相差が９０°より小さいこと、縦振動速度に対してたわみの振動速度が小さくなることより、ほぼ縦振動のみの直線軌跡となる。その結果、スライダ１５には摩擦力によって、(ｃ)に示すように、図の左方向の駆動力が生じる。
そして、ｆPZT＜ｆ2＜ｆRである駆動周波数ｆ2では、第２の突起部１３ｄの２つの直交する振動の位相差が−９０°となり、(ｄ)に示すように、駆動周波数ｆ1の時とは反対方向の楕円軌跡を描く。一方、第１の突起部１３ｃでは、駆動周波数ｆ1の時の第２の突起部１３ｄと同様にほぼ縦振動のみとなる。よって駆動周波数ｆ2ではスライダ１５に、(ｄ)に示すように、図の右方向の駆動力が生じる。
【００２６】
図５は、上述した振動体１３および圧電素子１１の詳細形状を示している。
この詳細形状は、有限要素解析を使用して、第１の突起部１３ｃの共振周波数ｆL＜圧電素子１１の共振周波数ｆPZT＜第２の突起部１３ｄの共振周波数ｆRの条件を満たすような寸法に決定されている。ここで、圧電素子１１の一次振動共振周波数の計算値は５３２ｋＨｚである。また、第１の突起部１３ｃの共振周波数ｆLを５０７ｋＨｚ、第２の突起部１３ｄの共振周波数ｆRを５４２ｋＨｚとした。そして、振動体１３の固定部１３ｂについても本体部１３ａへの影響が少なくなるように寸法を決定した。図５に示す、ｈｆ，ｓ，ｔｆ，θ，Δｒのパラメータについて寸法を変えて解析を行い、図中に示されるように各パラメータの値を決定した。なお、各寸法の単位は、μｍである。
【００２７】
図５に示した寸法でアクチュエータを試作し、圧電素子１１の電気端子のアドミタンスの周波数測定を行ったところ、５６０ｋＨｚに共振があつた。これが圧電素子１１の一次共振であると思われる。また、７７０ｋＨｚ付近に二次モードと思われる共振があった。
図６は、試作されたアクチュエータの第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄの振動速度の測定結果を示している。この測定は、レーザドップラ面内速度振動計を用いて行われた。圧電素子１１への印加電圧は、１００Ｖｐ−ｐであった。図６に示すように、５５０ｋＨｚ，６３０ｋＨｚ，７８０ｋＨｚ付近で大きく振動しているのがわかる。なお、５５０ｋＨｚ付近が目的とした振動と思われる。
【００２８】
図５に示した寸法で試作されたアクチュエータの第１の突起部１３ｃおよび第２の突起部１３ｄを、図１に示したように、スライダ１５に接触させて測定を行った。最大速度を得られた駆動周波数は、右方向が５２２ｋＨｚ、左方向が５０８ｋＨｚであった。しかしながら、振動子単体で大きい振動速度が得られた５６０ｋＨｚ，６３０ｋＨｚおよび７８０ｋＨｚ付近ではスライダ１５は動かなかった。スライダ１５の加圧により共振周波数がずれたためと思われる。
【００２９】
図７および図８は、試作されたアクチュエータの右方向移動の推力および効率を示している。
スライダ１５の移動速度測定には、フォトセンサを使用し、過渡応答測定結果を用いて推力、効率を計算した。右方向への移動で最大速度２２．５ｃｍ／ｓ、最大推力１６８ｍＮを、左方向への移動で最大速度５０ｃｍ／ｓ、最大推力９．２ｍＮを得ることができた。なお、図７および図８において、矢符は、スライダ１５による加圧力を示している。
【００３０】
上述したアクチュエータでは、振動体１３のスライダ１５側に、スライダ１５に接触し共振周波数の異なる第１の突起部１３ｃおよび第２の突起部１３ｄを間隔を置いて逆向きに傾斜して形成し、圧電素子１１の共振周波数ｆPZTを第１の突起部１３ｃの共振周波数ｆLと第２の突起部１３ｄの共振周波数ｆRとの間の値にしたので、単相励振による周波数変化で進行方向を切り換えることができる。
【００３１】
また、第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄの大きさを異ならせて、第１の突起部１３ｃの共振周波数ｆLと第２の突起部１３ｄの共振周波数ｆRとを異ならせたので、共振周波数を容易，確実に異なるものにすることができる。
そして、第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄとを、外側に向けて傾斜して形成したので、スライダ１５への接触状態を安定したものにすることができる。
【００３２】
また、上述したアクチュエータでは、第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄの先端を円弧状に形成したので、第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄが変形した場合にも、スライダ１５への接触状態を一定に保つことができる。
そして、上述したアクチュエータでは、振動体１３の本体部１３ａと固定部１３ｂとの間に括れ部１３ｅを形成したので、固定部１３ｂを固定することにより生じる本体部１３ａの振動への影響を低減することができる。
【００３３】
また、振動体１３および支持部材１７を導電性の部材により形成したので、圧電素子１１と支持部材１７との間に電圧を印加することにより、アクチュエータを作動することができる。
そして、圧電素子１１に圧電薄膜を使用することなくバルク圧電素子１１を使用したので、印加電圧を大きくすることが可能になり、これによりアクチュエータの出力を増大することができる。
【００３４】
さらに、上述したアクチュエータでは、圧電素子１１を振動体１３側の断面積が小さい段差形状にしたので、一次縦振動共振周波数を低く設定することができ、また、同じ印加電圧でより大きな振動速度を得ることができる。
なお、上述した実施形態では、第１の突起部１３ｃの共振周波数ｆLと第２の突起部１３ｄの共振周波数ｆRを、第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄの大きさを異ならせることにより異ならせた例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、例えば、第１の突起部と第２の突起部との材質等を異ならすことにより共振周波数を異ならせるようにしても良い。
【００３５】
また、上述した実施形態では、第１の突起部１３ｃと第２の突起部１３ｄとを、外側に向けて傾斜して形成した例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、第１の突起部と第２の突起部とを、内側に向けて傾斜して形成しても良い。
さらに、上述した実施形態では、圧電素子１１にバルク圧電素子１１を使用した例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、例えば、圧電薄膜を使用しても良い。
【００３６】
また、上述した実施形態では、圧電素子１１の小径部１１ｂを大径部１１ｃに対して直角状に接続した例について説明したが、例えば、図９に示すように、圧電素子１１の小径部１１ｂを大径部１１ｃに対して円弧ｒで接続することにより、応力集中を防止し圧電素子１１の寿命を高めることができる。
そして、上述した実施形態では、本発明をマイクロ超音波リニアモータに適用した例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、圧電素子を使用したアクチュエータに広く適用することができる。
【００３７】
図１０は、本発明を回転型モータに適用した例を示しており、円板，円柱，ボール等の回転体２１に、第１の突起部１３ｃおよび第２の突起部１３ｄを押し当てることにより、回転体２１を右回転および左回転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のアクチュエータの一実施形態を示す正面図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】図１のアクチュエータの一次縦振動モードおよびたわみ振動を示す説明図である。
【図４】図１のアクチュエータの動作原理を示す説明図である。
【図５】図１のアクチュエータの詳細寸法を示す説明図である。
【図６】図５のアクチュエータの第１の突起部と第２の突起部の振動速度を示す説明図である。
【図７】図５のアクチュエータの推力を示す説明図である。
【図８】図５のアクチュエータの効率を示す説明図である。
【図９】圧電素子の他の例を示す説明図である。
【図１０】本発明を回転型モータに適用した例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１  圧電素子
１１ａ  段差部
１１ｂ  小径部
１１ｃ  大径部
１３  振動体
１３ａ  本体部
１３ｂ  固定部
１３ｃ  第１の突起部
１３ｄ  第２の突起部
１３ｅ  括れ部
１５  スライダ
１７  支持部材
１９  電極
【図１】
2005261080.tif 000003
【図２】
2005261080.tif 000004
【図３】
2005261080.tif 000005
【図４】
2005261080.tif 000006
【図５】
2005261080.tif 000007
【図６】
2005261080.tif 000008
【図７】
2005261080.tif 000009
【図８】
2005261080.tif 000010
【図９】
2005261080.tif 000011
【図１０】
2005261080.tif 000012