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【発明の名称】 圧電アクチュエータ
【発明者】 【氏名】小田島 慎

【氏名】岩瀬 将人

【要約】 【課題】薄型化を可能にした圧電アクチュエータを提供する。

【構成】圧電アクチュエータ1は、磁性材料により帯状に形成されたレール2と、縦振動と屈曲振動との複合振動によってレール2上を移動する超音波モータ3とを有する。超音波モータ3は、レール2上に可動に設置される振動子4と、振動子4の上面に固定されると共に拡張部5a,5bを有する磁性板5と、振動子4の上面に貼り付けられる2枚の圧電素子6,7と、磁性板5の拡張部5a,5bに固定される一対のマグネット8,9とを備える。振動子4は磁気結合力によってレール2に押し付けられる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
縦振動と屈曲振動との複合振動によってレール上を移動する超音波モータを備えた圧電アクチュエータにおいて、
前記超音波モータは、
帯状の前記レールに当接される一対の駆動用突起部が設けられた弾性部材と、
前記弾性部材の前後で接着されて、前記弾性部材に前記複合振動を発生させる一対の圧電体と、を有し、
前記弾性部材の一対の前記駆動用突起部は、磁気結合手段によって前記レールに押し付けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項2】
前記磁気結合手段は、
前記弾性部材に固定されると共に、前記弾性部材の側方に突出して、前記レールと平行に延在する拡張部を有する磁性板と、
前記磁性板の前記拡張部に固定されるマグネットと、
前記レール側で長手方向に延在する磁性部と、からなることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項3】
前記磁性部は、磁性体からなる積層単板と絶縁体とが、前記レールの長手方向又は前記長手方向に直交する幅方向に交互に積層されている積層構造体であることを特徴とする請求項2に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項4】
前記磁性結合手段は、
前記弾性部材に固定されると共に、前記弾性部材の側方に突出して、前記レールと平行に延在する拡張部を有する磁性板と、
前記磁性板の前記拡張部に対向するように、前記レール側で長手方向に延在するマグネットとからなることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項5】
一対の前記弾性部材が、前記レールを挟むように対向して配置され、
前記一対の弾性部材は、前記磁気結合手段によって連接されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、縦振動と屈曲振動との複合振動を用いる圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、このような分野の技術として、下記の特許文献と非特許文献とがある。特許文献1と非特許文献1には、圧電体が貼り付けられた弾性部材が、コイルバネによってレール付勢された振動アクチュエータ(超音波モータ)が開示されている。また、特許文献2には、ベース板上に配置されると共にレールと接触して超音波振動を伝達するための弾性部材が、圧接ローラによってレールも圧着され、弾性部材と圧接ローラとを連結するアーム状の引張バネによってこの圧着力を維持する構成が開示されている。
【特許文献1】特開平9−182468号公報
【特許文献2】特開平9―149664号公報
【非特許文献1】高野剛浩、外1名、「縦―屈曲多重モード振動子利用の直線移動型超音波モータ」、昭和63年電子情報通信学会秋季全国大会講演論文集
【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、上記の文献に開示されている超音波モータでは、ばねを用いた加圧機構を利用しているため、弾性部材をレールに押し付ける方向において所定のスペースを必要する。例えば、バネを収容するためのハウジング(特許文献1参照)や、振動体との協働によってレールを挟持するための圧接ローラ(特許文献2参照)が必要になる。このため、弾性部材をレールに押し付ける方向において、大きなスペースを確保しなければならず、圧電アクチュエータの薄型化を図ることは難しかった。
【0004】
本発明は、薄型化を可能にした圧電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】
【0005】
本発明に係る圧電アクチュエータは、縦振動と屈曲振動との複合振動によってレール上を移動する超音波モータを備えた圧電アクチュエータにおいて、超音波モータは、帯状のレールに当接される一対の駆動用突起部が設けられた弾性部材と、弾性部材の前後で接着されて、弾性部材に複合振動を発生させる一対の圧電体と、を有し、弾性部材の一対の前記駆動用突起部は、磁気結合手段によってレールに押し付けられていることを特徴とする。
【0006】
本発明に係る圧電アクチュエータでは、弾性部材の駆動用突起部をレールに押し付けられるために磁気結合力を利用している。この磁気結合手段は、バネを用いた加圧機構のように、バネとレールに押し付ける力を伝えるためのハウジングやローラ等の付帯構成を必要とせず、極めてシンプルな構成を可能にすると共に、弾性部材をレールに押し付ける方向におけるアクチュエータの厚さを小さくすることが可能となり、このような構成は、小型の超音波モータの薄型化を図る上で最適である。
【0007】
本発明に係る圧電アクチュエータにおいて、磁気結合手段は、弾性部材に固定されると共に、弾性部材の側方に突出して、レールと平行に延在する拡張部を有する磁性板と、磁性板の拡張部に固定されるマグネットと、レール側で長手方向に延在する磁性部と、からなることが好適である。このような構成によって、弾性部材に固定されるマグネットと磁性部材とが互いに吸引し合うので、弾性部材はレールに押し付けられる。
【0008】
本発明に係る圧電アクチュエータにおいて、磁性部は、磁性体からなる積層単板と絶縁体とが、レールの長手方向又は長手方向に直交する幅方向に交互に積層されている積層構造体であることが好適である。この場合には、磁性部材が積層構造体であるため、弾性部材がレールに沿って運動する際に、磁束変化によるレール中の渦電流の発生を抑え、渦電流に起因する損失を低減することができる。
【0009】
本発明に係る圧電アクチュエータにおいて、磁性結合手段は、弾性部材に固定されると共に、弾性部材の側方に突出して、レールと平行に延在する拡張部を有する磁性板と、磁性板の拡張部に対向するように、レール側で長手方向に延在するマグネットとからなることが好適である。このようにマグネットをレール側に設けることにより、超音波モータの軽量化を図ることができる。
【0010】
本発明に係る圧電アクチュエータにおいて、一対の弾性部材が、レールを挟むように対向して配置され、一対の弾性部材は、磁気結合手段によって連接されていることが好適である。マグネットの利用により、一対の弾性部材を一体化することが容易であり、超音波モータの駆動力を高めることができる。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、薄型化を可能にした圧電アクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
[第1実施形態]
図1〜図4に示すように、圧電アクチュエータ1は、磁性材料により帯状に形成されたレール2と、縦振動と屈曲振動との複合振動によってレール2上を移動する超音波モータ3とを有する。この超音波モータ3は、レール2上に可動に設置される振動子(弾性部材)4と、振動子4の上面に固定される磁性板5と、振動子4の上面に貼り付けられる2枚の圧電素子(圧電体)6,7と、磁性板5に取り付けられる一対のマグネット8,9とを備える。
【0013】
弾性を有する振動子4は、矩形平板状の本体部4cと、本体部4cの下面から突出する一対の直方体からなる駆動用突起部4a、4bとを有する。この駆動用突起部4a,4bは、駆動力を取り出すためのものであり、本体部4cの屈曲振動の腹に相当する位置に平行に形成されている。そして、振動子4の一対の駆動用突起部4a,4bをレール2の上面2aに当接させることにより、振動子4は、レール2上に設置される。なお、駆動用突起部4a,4bは、本体部4cと一体に形成されてもよく、別々に形成されてもよい。
【0014】
磁性板5は、一枚の板を打ち抜き加工により成形された、いわゆるH型の部材である。換言すれば、磁性板5は、磁性板5の側方に突出すると共に互いに平行となっている拡張部5a,5bと、拡張部5a,5bに対して垂直に延在すると共に、拡張部5aと拡張部5bとを連結する連結部5cとから構成されている。そして、磁性板5は、レール2と平行に延在し、その連結部5cは、振動子4の中央部において縦振動と屈曲振動との節に相当する位置で振動子4を横断するように、振動子4の上面に固定されている。なお、連結部5cの長さは、振動子4の幅より少し大きく形成されている(図2参照)。
【0015】
圧電素子6,7は、矩形状に形成され、振動子4の上面に固定される磁性板5の連結部5cを挟んで、振動子4の前後で対称に接着されて、圧電効果によって振動子4に縦振動と屈曲振動との複合振動を発生させる。図2に示すように、圧電素子6,7の幅は、振動子4の幅と略同一になるように形成される。圧電素子6,7は、磁性板5の連結部5cと少し間隔をあけて振動子4の上面に固定されている。
【0016】
圧電素子6,7は、電気機械変換素子であり、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックス圧電材料から形成されている。そして、圧電素子6,7は、それぞれsin波とcos波とを発生させ、2相駆動を構成している。
【0017】
マグネット8,9は、直方体に形成され、磁性板5の拡張部5a,5bの下面にそれぞれ固定されている。マグネット8,9として、フェライト焼結磁石、希土類焼結磁石、鋳造磁石等の永久磁石が用いられる。また、マグネット8,9の取り付け方法として、磁性板5が磁気材料から形成されるため、磁気結合力で拡張部5a,5bに直接に吸着されてもよく、または接着等により拡張部5a,5bに固定されてもよい。
【0018】
以下、圧電アクチュエータ1の動作について説明する。
【0019】
振動子4の縦振動と屈曲振動の共振周波数でπ/2位相差の駆動電圧を、一対の圧電素子6,7にそれぞれ印加すると、圧電素子6,7は、振動子4上に縦振動と屈曲振動との複合振動を起こす。この複合振動によって、振動子4の駆動用突起部4a,4bの先端に楕円運動を発生させる。駆動用突起部4a,4bは、磁性板5に固定されるマグネット8,9と磁性材料からなるレール2との間に発生する磁気結合力によりレール2に押し付けられているため、振動子4の駆動用突起部4a,4bとレール2との間に摩擦接触力が生じる。そして、圧電素子6,7に所定の電圧を印加することで、振動子4は、レール2の上に直線運動する。
【0020】
このような圧電アクチュエータ1において、磁性材料からなるレール2と、磁性板5と、磁性板5の拡張部5a,5bに固定されるマグネット8,9とで、磁気結合手段Hが構成され、振動子4の駆動用突起部4a,4bは、この磁気結合手段Hによりレール2に押し付けられる。そして、この磁気結合手段Hは、バネを用いた加圧機構のように、バネとレールに押し付ける力を伝えるためのハウジングやローラ等の付帯構成を必要とせず、極めてシンプルな構成を可能にする。この結果、振動子4をレール2に押し付ける方向における圧電アクチュエータ1の厚さを小さくすることが可能となり、小型の超音波モータの薄型化を図る上で最適である。
【0021】
また、磁気結合手段Hを利用する圧電アクチュエータ1は、バネを用いた加圧機構を必要としないため、超音波モータ3がレール2上を移動する際に、バネとレールに押し付ける力を伝えるためのハウジングやローラ等の付帯構成による摩擦力がなくなり、超音波モータ3がよりスムーズに移動することができる。
【0022】
[第2実施形態]
図5〜7に示すように、第2実施形態に係る圧電アクチュエータ10と第1実施形態との相違点は、マグネット18,19が磁性板5の拡張部5a,5bに固定されておらず、レール12側に取り付けられていることである。その他の構成は、圧電アクチュエータ1の構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
【0023】
マグネット18,19は、磁性板5の拡張部5a,5bと対向するようにレール12側で長手方向に延在すると共に、レール12の全長にわたってレール12の上面12aにそれぞれ配置されている。
【0024】
レール12は、圧電アクチュエータ1のレール2と同様に磁性材料から構成されてもよく、または非磁性材料から構成されてもよい。レール12が磁性材料から構成された場合には、マグネット18,19は、磁気結合力でレール12に直接に吸着され、レール12に取り付けられる。一方、レール12が非磁性材料から構成された場合には、マグネット17,18は、接着等によりレール12に固定される。
【0025】
レール12の上面12aに取り付けられているマグネット18,19と、磁性板5の拡張部5a,5bとの間に磁気結合力が働き、磁性板5がこの磁気結合力によってレール12側に引張られるように吸引される。このため、振動子4の駆動用突起部4a,4bは、レール12に押し付けられる。
【0026】
このような構成により、圧電アクチュエータ10は、第1実施形態と同様な効果が得られるほか、マグネット18,19がレール12に設けられるため、超音波モータ13の軽量化を図ることができる。なお、レール12を直接着磁してもよい。
【0027】
[第3実施形態]
図8〜10に示すように、第3実施形態に係る圧電アクチュエータ20と第1実施形態との相違点は、積層構造体からなる磁性部21,25がレール22側で長手方向に延在することである。その他の構成は、圧電アクチュエータ1の構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
【0028】
磁性部21,25は、レール22の両側にそれぞれ設けられ、レール22の全長にわたって設置されている。図8中の拡大図に示すように、磁性部25は、磁性体からなる積層単板25aと絶縁体25bとが、レール22の長手方向に直交する幅方向に交互に積み重ねられて構成した積層構造体である。なお、磁性部21は、磁性部25と同様な積層構造を有している。
【0029】
図11は積層構造体の変形例を示す平面図である。磁性部26,28は、レール22の両側にそれぞれ設けられ、レール22の全長にわたって設置されている。図11中の拡大図に示すように、磁性部28は、磁性体からなる積層単板28aと絶縁体28bとがレール22の長手方向に沿って交互に積層されている積層構造体である。磁性部26は、磁性部28と同様な積層構造を有している。
【0030】
このような構成により、圧電アクチュエータ20は、第1実施形態と同様な効果が得られるほか、磁性部21,25が積層構造体であるため、超音波モータ23がレール22に沿って移動する際に、磁束変化によるレール22中の渦電流の発生を抑え、渦電流に起因する損失を低減することができる。
【0031】
[第4実施形態]
図12〜14に示すように、第4実施形態に係る圧電アクチュエータ30と第1実施形態との相違点は、図面における上下方向(すなわち、レール32の厚さ方向)において、一対の超音波モータ33A,33Bがレール32を挟むように対向して配置されていることである。その他の構成は、圧電アクチュエータ1の構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
【0032】
超音波モータ33A,33Bは、レール32の上を可動する振動子(弾性部材)4と、振動子4の上面に固定される磁性板5と、振動子4の上面に貼り付けられる2枚の圧電素子(圧電体)6,7と、磁性板5の拡張部5a,5bに固定されるマグネット38A,39A, 38B,39Bとからそれぞれ構成されている。図14に示すように、一方の超音波モータ33A側のマグネット38A,39Aと他方の超音波モータ33B側のマグネット38B,39Bとは、互いに一定距離で離間している。本実施形態において、上下方向に配置される一対の磁性板5と、これらの磁性板5の拡張部5a,5bに固定されるマグネット38A,39A,38B,39Bとで、磁気結合手段Tが構成される。そして、上下方向に配置されるマグネット38A,39Aとマグネット38B,39B同士の間に生じた磁気結合力により、上下方向に配置される磁性板5は、それぞれレール32側に引張られるように吸引される。このため、一対の振動子4の駆動用突起部4a,4bは、それぞれレール32に押し付けられる。
【0033】
このような構成により、圧電アクチュエータ30は、第1実施形態と同様な効果が得られるほか、マグネット38A,39A, 38B,39Bの利用により、一対の超音波モータ33A,33Bを一体化することが容易であり、超音波モータの駆動力を高めることができる。
【0034】
[第5実施形態]
図15〜17に示すように、第5実施形態に係る圧電アクチュエータ40と第1実施形態との相違点は、図面における上下方向(すなわち、レール42の厚さ方向)において、振動子4、磁性板5及び圧電素子6,7からなる一対の超音波モータ43A,43Bが、レール42を挟むように対向して配置され、対向する一対の磁性板5のうち、上部に配置される磁性板5の拡張部5a,5bにマグネット48,49が固定されていることである。その他の構成は、圧電アクチュエータ1の構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
【0035】
図17に示すように、マグネット48,49は、一方の超音波モータ43A側の拡張部5a,5bの下面からレール42を越えて反対側に配置される振動子4の本体部4cまで達するほど厚く形成されると共に、他方の超音波モータ43B側の拡張部5a,5bから一定距離で離間している。これにより、上下方向に配置される磁性板5同士は、磁気結合力によって互いに引張られ、超音波モータ43A,43Bの駆動用突起部4a,4bは、それぞれレール42に押し付けられる。
【0036】
このような構成により、圧電アクチュエータ40は、第1実施形態と同様な効果が得られるほか、マグネット48,49の利用により、一対の超音波モータ43A,43Bを一体化することが容易であり、超音波モータの駆動力を高めることができる。
【0037】
次に、圧電アクチュエータの第1の応用例について説明する。
【0038】
図18と図19に示すように、圧電アクチュエータ50は、超音波モータ51と、磁性材料により帯状に形成されたレール52と、レール52の両端に設けられたブラケット53,54と、ブラケット53とブラケット54との間で架設されると共に超音波モータ51の移動をガイドするガイドレール55と、超音波モータ51とガイドレール55とを連結するスライダ56から構成されている。
【0039】
超音波モータ51は、超音波モータ3と同様な構造を有している。すなわち、超音波モータ51は、レール52の上を可動する振動子(弾性部材)4と、振動子4の上面に固定される磁性板57と、振動子4の上面に貼り付けられる2枚の圧電素子(圧電体)6,7と、磁性板57の拡張部57a,57bに取り付けられる一対のマグネット8,9とから構成される。
【0040】
超音波モータ51と超音波モータ3との相違点は、磁性板57の拡張部57bは、拡張部57aより大きく形成されると共に、スライダ56に当接され且つスライダ56の凸部56aに固定されていることである。
【0041】
以上の構成により、超音波モータ51が縦振動と屈曲振動との複合振動によってレール52上を移動する際に、超音波モータ51はスライダ56を介してガイドレール55によりガイドされるため、超音波51の移動をよりスムーズに行うことができる。
【0042】
次に、圧電アクチュエータの第2の応用例について説明する。
【0043】
図20と図21に示すように、圧電アクチュエータ60は、超音波モータ33A,33Bと、帯状に形成されたレール32と、レール32の両端に設けられたブラケット61,62と、ブラケット61とブラケット62との間で架設されると共に超音波モータ33A,33Bの移動をガイドするガイドレール63と、超音波モータ33A,33Bとガイドレール63とを連結するスライダ64から構成されている。
【0044】
一対の超音波モータ33A,33Bとスライダ64とは、これらの外側に配置される板バネ65,66に挟持されることにより連結されている。板バネ65と板バネ66とは、その間に設けられる一対の振動子4をそれぞれレール32に押し付ける方向に付勢力を持たせるように形成されている。
【0045】
このような構成により、マグネット38A,39A, 38B,39Bにより一体化された一対の超音波モータ33A,33Bが複合振動によってレール32上を移動する際に、一対の超音波モータ33A,33Bはスライダ64を介してガイドレール63にガイドされるため、超音波の移動をよりスムーズに行うことができる。
【0046】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、レールを固定し、圧電素子により駆動される振動子をレールに沿って直線状に移動させるとしたが、これに限らず、振動子を固定し、レールを移動させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0047】
【図1】本発明に係る圧電アクチュエータの第1実施形態を示す斜視図である。
【図2】図1に示された圧電アクチュエータの平面図である。
【図3】図1に示された圧電アクチュエータの正面図である。
【図4】図1に示された圧電アクチュエータの側面図である。
【図5】第2実施形態係る圧電アクチュエータの平面図である。
【図6】図5に示された圧電アクチュエータの正面図である。
【図7】図5に示された圧電アクチュエータの側面図である。
【図8】第3実施形態係る圧電アクチュエータの平面図である。
【図9】図8に示された圧電アクチュエータの正面図である。
【図10】図8に示された圧電アクチュエータの側面図である。
【図11】積層構造体の変形例を示す平面図である。
【図12】第4実施形態係る圧電アクチュエータの平面図である。
【図13】図12に示された圧電アクチュエータの正面図である。
【図14】図12に示された圧電アクチュエータの側面図である。
【図15】第5実施形態係る圧電アクチュエータの平面図である。
【図16】図15に示された圧電アクチュエータの正面図である。
【図17】図15に示された圧電アクチュエータの側面図である。
【図18】圧電アクチュエータの第1の応用例を示す平面図である。
【図19】図18のA−A線に沿った断面図である。
【図20】圧電アクチュエータの第2の応用例を示す平面図である。
【図21】図20のB−B線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【0048】
1,10,20,30,40,50,60…圧電アクチュエータ、2,12,22,32,42,52…レール、3,13,23,33A,33B,43,51…超音波モータ、4…振動子(弾性部材)、4a,4b…駆動用突起部、5,57…磁性板、5a,5b,57a,57b…拡張部、6,7…圧電素子(圧電体)、8,9,18,19,38A,39A,38B,39B,48,49…マグネット、21,25,26,28…磁性部、25a,28a…積層単板、25b,28b…絶縁体、H、T…磁気結合手段。
【出願人】 【識別番号】000001225
【氏名又は名称】日本電産コパル株式会社
【出願日】 平成18年8月18日(2006.8.18)
【代理人】 【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹

【識別番号】100092657
【弁理士】
【氏名又は名称】寺崎 史朗


【公開番号】 特開2008−48557(P2008−48557A)
【公開日】 平成20年2月28日(2008.2.28)
【出願番号】 特願2006−223407(P2006−223407)