(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射方向に伸縮する径方向対称伸び振動モードと、同一面内で非軸対称に屈曲する非軸対称面内振動モードとを同時に発生する振動子と、
前記振動子の前記非軸対称面内振動モードが発生する面と対向する面を有するベース部と、
前記ベース部に取り付けられ、前記振動子を支持する振動子支持部と、
前記振動子の前記非軸対称面内振動モードが発生する面と交差する面に設けられ、前記振動子に対して相対的に移動する相対運動部材が接する接触部と、
前記相対運動部材側に向かって前記振動子を加圧する加圧部とを備え、
前記振動子支持部は、前記ベース部に持された第１部分と、前記加圧部により加圧力が与えられる第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分の間に設けられ、前記振動子を前記非軸対称面内振動モードが発生する面に平行な方向に移動可能に支持する第３の部分とを有し、
前記加圧部は、一端側が前記ベース部に接し、他端側が前記振動子支持部の前記第２の部分に接することにより、前記振動子を加圧すること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記振動子支持部は、薄板状の部材であること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記振動子支持部は、前記振動子を両側から狭持する２枚の薄板状の部材であること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記振動子支持部は、前記ベース部に弾性部材を介して取り付けられていること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記弾性部材は、前記加圧部を兼ねること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記加圧部は、コイルバネであること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記加圧部は、ねじりバネ又は渦巻バネであること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記接触部は、摺動材を有し、
前記摺動材は、前記相対運動部材との接触面が円筒面であること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子の面内方向の振動を利用した振動アクチュエータであって、特に振動子の加圧方法を改良した振動アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の振動アクチュエータは、中心から外周方向に向かって伸びる（放射方向に伸縮する）径方向対称伸び振動モードと、同一面内で非軸対称に屈曲する非軸対称面内振動モードとを同時に発生するドーナツ板状の振動子を用いた構造ものが、「（Ｒ，１）−（（１，１））モード圧電円環利用超音波リニアモータの特性改善（高野，富川；第１２回  強誘電体応用会議  講演予稿集  Ｐ．７９−８０）」，「新版超音波モータ（上羽，富川著；トリケップス，Ｐ．２２−２３，Ｐ．６７−６８）」や特公平６−２６９９４号等に開示されており、薄型構造に適し、高速，高推力等の特徴を備えるものである。
【０００３】
（振動子の構造）
図６は、径方向対称伸び振動モードと非軸対称面内振動モードとを利用した振動アクチュエータの振動子の従来例を示す図である。
振動子１０は、圧電素子１１と、電極１２等とを備えている。圧電素子１１は、例えば、ＰＺＴなどの圧電材料をドーナツ板形状に形成し、全面を板厚方向に分極したものである。このドーナツ板形状は、径方向対称伸び振動モード（Ｒ，１）と非軸対称面内振動モード（（１，１））の共振周波数がほぼ等しくなるように設計、製造されている。
【０００４】
この圧電素子１１は、表面には、扇形の第１，第２の電極１２ａ，１２ｂが形成されており［図６（Ａ）］、裏面には、ほぼ全面に第３の電極１２ｃが形成されている［図６（Ｂ）］。
【０００５】
振動子１０は、発振器，移相器，増幅器等を含む駆動電圧発生装置によって、第１の電極１２ａには、第１の交流電圧が印加される。また、第２の電極１２ｂには、第１の交流電圧とは電気的に位相が（π／２）だけ異なる第２の交流電圧が印加される。裏面の第３の電極１２ｃは、ＧＮＤ電位に接続される。
【０００６】
この振動子１０は、交流電圧の周波数を２つの振動モードの共振周波数に近づけることによって、２つのモードで共振し、径方向対称伸び振動と、非軸対称面内振動とが同時に発生する。
【０００７】
径方向対称伸び振動（Ｒ，１）は、図６（Ｃ）に示すように、Ａ点を節とした放射方向（径方向）の対称な伸縮振動であり、Ｃ１，Ｃ２点では、径方向の成分Ｕｒをもつ。
また、非軸対称面内振動（（１，１））は、図６（Ｄ）に示すように、Ｂ１，Ｂ２点を節として、破線で示すように、同一面内で潰れる（ひしゃげる）ような変形を、図６（Ｄ）の左右に繰り返す屈曲振動であり、円周上のＣ１，Ｃ２点では、矢印方向の変位成分Ｕθをもつ。
そして、振動子１０は、Ｃ１，Ｃ２点（駆動力取出部）の位置に、２つの振動が合成された変位として、図６（Ａ）に示すような楕円運動が発生する。
【０００８】
（振動アクチュエータの構成）
図７は、従来の振動アクチュエータの構成を説明する図である。相対運動部材３０は、図示しないガイド機構及び圧縮コイルバネ２４によって、ｘ方向に移動自由かつ振動子１０の摺動材１３に加圧接触している。マット１９は、弾性部材で形成され、中央孔１９ａが設けられたリング状の一対のマットである。ベース２０は、ネジ孔２０ａが設けられたベース板である。カラー部材３６は、中央孔１９ａの内径よりも外径が小さく、一端には、フランジ部３６ａが形成されている。フランジ部３６ａ〜ベース２０間の高さ（＝カラー部材３６の円筒部の長さ）は、両マット１９と振動子１０の合計の厚みよりもやや小さい。ネジ３７は、カラー部材３６，マット１９，振動子１０を共締めして固定するネジである。
【０００９】
このような構成において、下方のマット１９、振動子１０および上方のマット１９を順にベース２０に載置し、それぞれの中央孔内にカラー部材３６を挿通させ、ネジ２４をカラー部材３６内に挿通させて、ネジ孔２０ａにねじ込むことによって、フランジ部３６ａによって振動子１０は、マット１９を介してベース２０とフランジ部３６ａとに挟持される。このとき、カラー部材３６のフランジ部３６ａまでの高さが両マット１９と振動子１０の合計の厚みよりもやや小に形成されているので、振動子１０は、両マット１９の弾性変形で生じる圧接力によって振動子１０の面外方向の動きが規制されている。また、振動子１０のｘ方向およびｙ方向の動きは、カラー部材３６によって規制されている。さらに、ｚ軸回転の動きは、マット１９と振動子１０の摩擦力によって規制されている。
【００１０】
（振動アクチュエータの動作）
前述のように、駆動電圧発生装置によって、第１，第２の電極１２ａ，１２ｂに、第１，第２の交流電圧が印加されると、Ｃ１，Ｃ２点（駆動力取出部）の位置で楕円運動が発生する。このとき、振動子４０の摺動面と相対運動部材３０との間には、相対運動部材３０の移動方向に摩擦力が発生し、相対運動部材３０の直進駆動力を得ることができる。
【００１１】
第１，第２の交流電圧の位相差を、π／２から−π／２に変更すると、直進方向を反転させることができる。また、駆動周波数を振動子の共振周波数に近づけたり、遠ざけたりすることによって、直進動作の速度の増減をすることができる。この速度の増減は、交流電圧の電圧を増減することによっても可能である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の振動アクチュエータは、相対運動部材を振動子に加圧していたため、相対運動部材が駆動される方向以外の加圧方向にも自由度を持っており、不要なガタを有するため、相対運動部材の駆動が円滑に行えなかった。
また、長時間使用すると、摺動材の摩耗により、相対運動部材の位置が変化していた。
さらに、上記の理由により、相対運動部材の位置決め精度が悪く、高精度の位置決めが必要な用途には、適さなかった。
さらにまた、振動子の外周にある相対運動部材を加圧するため、振動アクチュエータ全体の大きさが大型であり、小型の装置に内蔵する用途には、適さなかった。
【００１３】
本発明の課題は、小型で、相対運動部材の位置決め精度が高く、相対運動部材の駆動が円滑である振動アクチュエータを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。すなわち、請求項１の発明は、放射方向に伸縮する径方向対称伸び振動モードと、同一面内で非軸対称に屈曲する非軸対称面内振動モードとを同時に発生する振動子（１１０，２１０，３１０）と、前記振動子の前記非軸対称面内振動モードが発生する面と対向する面を有するベース部と、前記ベース部に取り付けられ、前記振動子を支持する振動子支持部と、前記振動子の前記非軸対称面内振動モードが発生する面と交差する面に設けられ、前記振動子に対して相対的に移動する相対運動部材（１３０，２３０，３３０）が接する接触部と、前記相対運動部材側に向かって前記振動子を加圧する加圧部（１２４，２２４，３２４）とを備え、前記振動子支持部は、ベース部に持された第１部分と、前記加圧部により加圧力が与えられる第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分の間に設けられ、前記振動子を前記非軸対称面内振動モードが発生する面に平行な方向に移動可能に支持する第３の部分とを有し、前記加圧部は、一端側が前記ベース部に接し、他端側が前記振動子支持部の前記第２の部分に接することにより、前記振動子を加圧すること、を特徴とする振動アクチュエータである。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動子支持部（１２３，２２３，３２３）は、薄板状の部材であることを特徴とする振動アクチュエータである。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項２に記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動子支持部は、前記振動子を両側から狭持する２枚の薄板状の部材（１２３Ａ）であることを特徴とする振動アクチュエータである。
【００２０】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動子支持部（３２３）は、前記ベース部に弾性部材（３２４）を介して取り付けられていること、を特徴とする振動アクチュエータである。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項４に記載の振動アクチュエータにおいて、前記弾性部材（３２４）は、前記加圧部を兼ねることを特徴とする振動アクチュエータである。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記加圧部は、コイルバネ（１２４，３２４Ａ−２）であることを特徴とする振動アクチュエータである。
【００２３】
請求項７の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記加圧部は、ねじりバネ（２２４）又は渦巻バネであることを特徴とする振動アクチュエータである。
【００２４】
請求項８の発明は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記接触部は、摺動材（１１５，２１５，３１５）を有し、前記摺動材は、前記相対運動部材との接触面が円筒面であることを特徴とする振動アクチュエータである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による振動アクチュエータの第１実施形態を説明する図である。図１（ａ）は、振動アクチュエータ全体を示す図であり、図１（ｂ）は、振動子１１０及び振動子支持部１２３からなる振動子ユニット１２０を示す図である。
なお、以下に示す各実施形態において、それ以前に説明した部分と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
【００２６】
振動子１１０は、電気機械変換素子である圧電素子を利用し、放射方向に伸縮する径方向対称伸び振動モードと、同一面内で非軸対称に屈曲する非軸対称面内振動モードとを同時に発生する振動子であり、その出力取出し部には、摺動材１１５が固定されている。振動子１１０は、弾性を有したワッシャ１１６，１１７に挟まれ、ピン１２８により回転を規制された状態で、ネジ１１４により駆動に必要な振動を妨げないようにして、振動子支持部１２３に支持されている。
【００２７】
振動子支持部１２３は、ベース１２１に対し、孔１２３ａをベース１２１に立てられたピン１２２に嵌合して、ピン１２２を中心に回転自在に取り付けられた板であり、中央付近で振動子１１０を支持している。振動子支持部１２３は、孔１２３ａとは、反対の端部にピン１２６が立てられており、このピン１２６に引っ張りバネ１２４が掛けられ、振動子１１０と共に矢印Ａの方向に付勢されている。
【００２８】
バネ１２４は、振動子支持部１２３に立てられたピン１２６及びベース１２１に立てられたピン１２７の間に掛けられたコイルバネであり、摺動材１１５の位置で必要な加圧力を得られるように、力量が設定されている。
【００２９】
摺動材１１５は、振動子１１０に固定された耐摩耗性を有し、相対運動部材１３０に対し所定の摩擦係数を有する部材であり、振動子１１０の合成された楕円運動を相対運動部材１３０に伝える役割を果たす。
摺動材１１５は、相対運動部材１３０との接触部が、振動子１１０と同心円の円筒面になっており、摺動材１１５と相対運動部材１３０との接触は、部品精度、組立ばらつき等によらず、常に線接触し、接触圧のばらつきが無い。
【００３０】
相対運動部材１３０は、振動子１１０により駆動されて、矢印Ｂ方向に直線移動する部材であり、ガイド部１２５によりガイドされて滑らかに移動するように取り付けられている。
【００３１】
（第１実施形態の変形形態）
図２は、第１実施形態の変形形態を説明する図である。
図２（ａ）は、振動子支持部１２３Ａを２枚使用し、振動子ユニット１２０Ａを構成する例を示す図である。このような形態にすると、振動子ユニット１２０Ａの特にねじれ剛性を高めることができる。
【００３２】
図２（ｂ）は、振動子１１０Ｂを接着により振動子支持部１２３Ｂの絞り部１２３Ｂａに固定した振動子ユニット１２０Ｂを示す図である。このような形態によれば、構成部品点数が少なくて済み、また、より薄型の振動アクチュエータとすることができる。
【００３３】
また、バネ１２４を、引張りバネとして使用した例を示したが、バネ１２４を圧縮バネとして、振動子支持部１２３を押してもよい。
【００３４】
このように、第１実施形態によれば、振動子１１０を支持した薄板状の振動子支持部１２３を回転支持とし、バネ１２４により相対運動部材１３０に加圧したので、面内振動をして薄型であるという、振動子１１０の特徴を十分に発揮し、薄くて小型であって、相対運動部材１３０の位置決め精度が高く、相対運動部材の駆動を円滑にできる。
【００３５】
（第２実施形態）
図３は、本発明による振動アクチュエータの第２実施形態を説明する図である。図３（ａ）は、振動アクチュエータ全体を示す図であり、図３（ｂ）は、振動子２１０を外した状態で、一部を透視（破線で示す）した図である。
第２実施形態の振動アクチュエータは、加圧のための付勢力をねじりバネにより得る形態である。
【００３６】
振動子支持部２２３は、回転軸２２２を中心に回転自在に取り付けられ、裏面にピン２２７が立てられ、表面には、ピン２２８が立てられており、ピン２２８を回転止めにして、振動子２１０をネジ２１４で固定されている。
【００３７】
ねじりバネ２２４は、コイル部をベース２２１に立てられたピン２２９にはめられ、ベース２２１に立てられたピン２２６及びピン２２７の間に所定の付勢力量を生じるように、チャージされて配置されている。
なお、ねじりバネ２２４は、渦巻バネ等を使用してもよい。
【００３８】
振動子支持部２２３は、ピン２２７がねじりバネ２２４から付勢力を受けるので、矢印Ｃ方向に付勢されており、振動子２１０は、相対運動部材２３０に所定の力量で加圧され、摺動材２１５が相対運動部材２３０に当て付いた位置で保持される。
【００３９】
このように、第２実施形態では、振動子２１０を加圧するための付勢力をねじりバネ２２４により得たので、振動子支持部２２３及びねじりバネ２２４からなる加圧部の大部分を、振動子２１０の投影面内に収めることができ、アクチュエータ全体をより小型化することができる。また、相対運動部材２３０の移動方向に部材が存在しないので、相対運動部材２３０の可動範囲を制限することもない。
【００４０】
（第３実施形態）
図４は、本発明による振動アクチュエータの第３実施形態を説明する図である。図４（ａ）は、振動アクチュエータ全体を示す図であり、図３（ｂ）は、振動子ユニット３２０のみを示した図である。
第３実施形態の振動アクチュエータは、加圧のための付勢力を板バネにより得る形態である。
【００４１】
振動子支持部３２３は、振動子３１０を第１実施形態と同様にして固定されており、一端に、板バネ３２４が振動子３１０の振動面内方向にたわめる方向（振動面に垂直）に取り付けられている。
【００４２】
板バネ３２４は、一端が振動子支持部３２３に取り付けられ、もう一端がベース３２１に固定されたブロック３３１に固定されている。また、板バネ３２４は、振動子３１０が所定の力量で相対運動部材３３０に加圧されるように、所定量チャージされている。
【００４３】
（第３実施形態の変形形態）
図５は、第３実施形態の変形形態を説明する図である。
図５（ａ）は、振動アクチュエータ全体を示す図であり、図５（ｂ）は、振動子ユニット３２０Ａのみを示した図である。
【００４４】
振動子支持部３２３Ａは、一端に板バネ３２４Ａ−１を取り付けられており、板バネ３２４Ａ−１を介して、ブロック３３１に固定されている。もう一端には、ピン３２６が立てられている。
【００４５】
板バネ３２４Ａ−１は、摺動材３１５が相対運動部材３３０に当て付く位置で、ほぼ自由状態であるように配置されている。すなわち、板バネ３２４Ａ−１は、振動子３１０の加圧力には、直接的には、作用しないで、振動子３１０をバネ支持する役割を果たす。
【００４６】
コイルバネ３２４Ａ−２は、ベース３２１に立てられたピン３２７及びピン３２６の間に掛けられ、振動子支持部３２３Ａに付勢力を与え、振動子３１０を相対運動部材３３０に加圧する。
【００４７】
このように、第３実施形態では、板バネ３２４により、振動子支持部３２３を弾性的に支持しているので、バネ支持となり、ガタが無くなる。また、加圧に必要な付勢力も板バネ３２４により得ているので、部品点数が減り、より低価格に振動アクチュエータを製造することができる。
一方、変形形態に示した形態では、コイルバネ３２４Ａ−２により、加圧に必要な付勢力を得ているので、ガタが無くなる上に、安定した加圧力を得ることができる。
【００４８】
（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
例えば、電気機械変換素子は、圧電セラミックス等の圧電素子を例に説明したが、電歪素子や磁歪素子を用いてもよい。
また、振動子は、１枚の圧電素子を使用する例を示したが、例えば、複数枚の圧電素子を積層してもよいし、金属板等の他の素材も併せて積層しても良い。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、面内振動をする振動子をその振動面内方向に移動（変位）可能なように支持し、振動子側から加圧したので、相対運動部材に、不要なガタを発生させることなく、円滑に動作することができる振動アクチュエータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する図である。
【図２】第１実施形態の変形形態を説明する図である。
【図３】第２実施形態を説明する図である。
【図４】第３実施形態を説明する図である。
【図５】第３実施形態の変形形態を説明する図である。
【図６】振動子の従来例を示す図である。
【図７】振動アクチュエータの従来例を示す図である。
【符号の説明】
１０，１１０，２１０，３１０  振動子
１２３，２２３，３２３  振動子支持部
１２４，３２４Ａ−２  コイルバネ
２２４  ねじりバネ
３２４，３２４Ａ−１  板バネ
【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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